JPH02217189A - レーザ加工用ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は集光されたレーザ光の周囲に同軸上に補助ガス
を噴出させながら、板状部材の切断や孔開は加工を行う
レーザ加工用ノズルの改良に関する。

「従来の技術」 従来より、Ｃ０２レーザやＹＡＧレーザ等の平行性のよ
い高出力のレーザ光を、集束レンズによって加工物表面
に高エネルギ密度に集光させながら切断や孔開は加工を
行うレーザ加工機は公知であり、この種の装置において
は一般に、例えば第２図に示すように、レーザ発振器２
より出力された平行レーザ光ｌを傾斜ミラー３により垂
直方向に変向させた後、該レーザ光ｌを集束レンズ４で
加工物５表面に高エネルギ密度に集光させつつ、該集光
位置より僅かに上方位置に噴出孔１１が位置するように
レンズ軸線（レーザ光１軸線）と同心状にレーザ加工ノ
ズル１０を配置し、その側方に設けたガス導入口１２よ
り導入した補助ガス６により、前記噴出孔１１を通過す
るレーザ光ｌの周囲に同軸上に補助ガス６を噴出させな
がら切断加工を行うように構成している。

そして前記補助ガス６の役割は、例えば酸素ガスを用い
て酸化反応を促進させながら加工を行う事により加工能
率の向上を図るとともに、加工屑や発生ガスを吹き飛ば
しつつレーザ光１の吸収効率を向上させ、これにより加
工だれかなく且つ切断面の仕上がりの良好な切断加工を
行う事が出来るものである。

従って前記噴出孔１１より噴射される補助ガスは、その
噴出速度が大であればある程、又噴出孔１１より噴射後
拡散する事なくレーザ光ｌと同軸且つ平行に噴射される
事が好ましく、この為第３図に示すように前記加工ノズ
ル１０’は先細テーパ１３状に形成したノズル１０′先
端に設けた噴出孔１１゜をストレート状に形成している
。

又、この場合に噴出孔１１°の孔径に対する軸方向の直
線部分の長さを２倍以上に設定し、速度分布の向上を図
った技術も提案されている。（特開昭８２−２［１３８
９１号） 「発明が解決しようとする課題」 しかしながら噴出孔１１’　をストレート状に形成した
、いわゆるストレートノズルｌＯ°では下記の理由によ
り噴出孔１１°より噴射される補助ガスの噴射速度を一
定速度（音速）以上に上げる事が出来ず、これは前記従
来技術のように軸方向の直線部分の長さをいくら長くし
て噴出孔１１より噴射さ゛１、 れる補助ガス速度が亜音速の場合のみ速度分布の改善は
可能であるが、基本的にストレートノズル１０’　であ
る以」二、噴出孔１１゛内で略音速化された場合の、補
助ガスの拡散を防止する事は出来ない。

（ストレートノズルの問題点の理論的解明）次に何故ス
トレートノズル１０°が、前記補助ガスの噴射速度が音
速以上に設定される事なく且つ噴出孔１１’　より噴射
後拡散してしまうかについて詳細に説明する。

略先細テーパ１３ノズルの入口先端側にストレート噴出
孔１１°を有するノズルｌＯ°の場合の噴出孔又、ＰＩ
Ｖ１＝Ｐｃ・Ｖｃ／　［２／　（γ＋　１）コであるか
ら ・・・・・・・・・■ γ：：熱比 ｇ：重力加速度 Ｐｌ、ｖｌ：ノズル入口側の圧力、比容積Ｐ：出出側側
圧 力なる。

又ノズル１０導入口側より導入されたガスが外部より熱
エネルギー等の授受や変換がなく又流量が不変の状態で
噴出孔１１°より噴射されると仮定した場合、公知の断
熱変化等の式より、下記０式が導かれる。

（Ｐｃ／ＰＩ）　’＝　［２／　（γ＋１）］士・・・
■Ｐｃ：噴出孔内圧力 従って０式を０式に代入すると断面積が最少のときの流
速、即ち臨界速度Ｗｅが求められる。

ＶＣ＝噴出孔内比容積 となり従って下記形状を有するノズルｌＯ“では補助ガ
スが例えば酸素ガス（γ：　１．４０）の場合に（Ｐｃ
／　Ｐｉ）　＝　１　／　１．８９という関係が成り立
った時に速度Ｗｅを音速にする事が可能であるが、この
時の（Ｐｃ／ＰＩ）は臨界圧力比であるからＰｌをどん
なに大きくしても（Ｐｃ／Ｐｉ）はこの関係を保ち続け
、速度Ｗｅも音速を越える事はない。

即ちストレートノズル１０°では音速を超えられないの
である。

而もストレートノズル１０’から噴出するガス圧力Ｐｃ
は入口圧力Ｐｉによって決まった圧力となる訳であるが
、その圧力は当然に噴出孔１１°出口側圧力Ｐ３　（大
気圧）より高い。

そして、Ｐｃ＞Ｐ３の場合ストレートノズル１０°から
噴出したガスは断熱膨張して速度が上がるが、Ｗｃが音
速の場合該速度上昇時点で衝撃波が発生し、この為出口
側の噴出速度は逆に減少し、又膨張する事により噴出流
の方向は変わり、加工物５に噴出するガス気流は乱れま
っすぐに飛ばない事になる。

本発明はかかる従来技術の欠点に鑑み、ストレートノズ
ルの基本的な欠点を解消し、噴出孔より噴射される補助
ガスの噴射速度を音速以上に上げる車が可能にして且つ
該噴出孔１１より噴射後拡散する事なく直進性を維持し
てレーザ光１とほぼ平行に噴射可能なレーザ加工ノズル
１０゛を提供する事を目的とする。

「課題を解決しようとする手段」 ストレートノズル１０°の場合は、ノズル１０゛　内で
は音速を超えられない為に、該音速状態にあるガスがノ
ズル１０°内ガス圧力Ｐｃより低い大気圧Ｐ３下に噴出
された場合において、断熱膨張により速度を上げようと
するが、Ｗｅが音速の場合該昇速時点で衝撃波が発生し
、この為出口側の噴出速度は逆に減少してしまう為に、
前記したような欠点が生じる。

従って前記のガス気流の乱れを防止するには、衝撃波の
発生の防止、言い換えれば噴出孔１１より噴出されるガ
ス速度がノズルｌＯ内で音速を超えて超音速状態にし、
超音速状態で噴射出来れば、噴出孔１１出口側での衝撃
波の発生が防止出来、容易に昇速と速度分布の乱れが防
止出来るものである。

そこで本発明の第１の特徴とする所は、ノズルｌＯ先端
側に位置する噴出孔１１内に略音速状態で導入された補
助ガスの速度を超音速状態に昇速させる為の手段を、噴
出孔１１の開口端側に設けた点にある。

そしてこのような昇速手段は、少なくとも開口端側形状
をガス噴出方向に沿って徐々に拡径し、略逆テーパ状若
しくはラッパ状に形成する事により容易に達成される。

即ち、先細テーパ１３状に形成したノズルｌＯ先端側に
位置する噴出孔１１内に略音速状態で導入された補助ガ
スの速度を超音速状態に昇速させる場合に、該音速化さ
れたガスを急激に膨張させた場合は、前記したように衝
撃波が発生し昇速か不可能であるが、前記ノズル開口端
側を、ガス噴出方向に沿って徐々に拡径させて略逆テー
パ状若しくはラッパ状に形成した拡径部１１ｂを設ける
事により、徐々に膨張させた場合は衝撃波が発生する事
なく超音速状態への移行が可能であり、そして超音速状
態にまで昇速させつつ前記拡径部１１ｂによりノズル１
０出口側の気圧を極力大気圧に近ずける事により該ノズ
ル１０から噴出したガスの衝撃波の発生を完全に抑える
事が出来、結果として噴出流の乱れが生じる事なくほぼ
軸状又は僅かにテーパ状の流速分布で直進性を維持しな
がら加工物５に噴射させる事が出来る。

従って本発明を円滑に達成する挟角は実験によって確か
められており、即ち前記拡径部１１ｂの入口端と開口端
を結んで形成されるテーパ挟角は少なくとも３０’以下
、好ましくは１５°前後に設定するのがよい。

尚前記拡径部１１ｂは先細テーパ１３部の先端側に直接
形成してもよいが、ストレート部１１ａを介して形成す
る事により、拡径部１１ｂに導入されるガス流速度の安
定化を図る事が出来る。

即ち本発明は噴出孔１１のストレート部１１ａで音速に
なった気流を拡径部１１ｂで更に速度を上げ、超音速化
させつつガス膨張により圧力を低下させ出口側圧力Ｐを
ほぼ大気圧と同等程度にする事により噴出ガスの直進性
を維持する事が出来る。

尚、ストレート部１１ａの出口側に単に半球状の拡径部
を設けた技術は、特開昭ＥＩＯ−１１１１９５１１０号
に存在するが、かかる従来技術は、加工物５の表面から
の反射ビームを反射し、再び加工物５表面に照射させる
為にストレート部１１ａの出口側に半球状の反射部を設
けたものであり、その目的効果が全く異なるとともに、
その構成においても開口端側形状をガス噴出方向に沿っ
て徐々に拡径されておらず、全く別異の技術思想である
。

「実施例」 以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に
詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成
部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定
的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれのみに限
定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

第１図は本発明の実施例に係るレーザ加工ノズル１０の
要部断面図を示し、その形状を簡単に説明するに、該ノ
ズル１０は補助ガス導入口１２を設けた円筒状の筒体７
の端側に螺着その他の手段で固定されており、断面先細
テーパ１３状に形成したノズル１０先端側に後記形状の
噴出孔１１を形成している。

該噴出孔１１は入口側をストレート状に形成するととも
に、その開口端側を前記ストレート部１１ａと同軸テー
パ状の拡径部１１ｂを形成している。

そして本実施例においては、ノズルｌＯ出口よりの噴出
流が超音速流を得る為に、前記拡径部１１ｂ出口側（開
口端）断面積Ｓを下記式に合致するように設定している
。

例えば補助ガスに酸素ガス（γ：　１．４０）　、ノズ
ル１０人口圧力［Ｐｌ：８ｋｇ／ｃｒｎ’　（絶対圧）
］ノズル１０出口圧力を大気圧にし、ストレート部口径
Ｓｃを１．５ｍｍにした場合番乙超音速流を得るには拡
径部用ロ部ロ径を１　、９５ｍｍに設定する必要がある
。

次に前記口径寸法を維持しつつ拡径部１１ｂのテーパ角
度を１３°に設定し、テーパな有しないストレートノズ
ル１０′の場合と夫々について鋼材の切断加工を行った
所、ストレートノズル１０“　に比較して拡径部１１ｂ
を有するノズルの方が切断可能な鋼材厚が数段大になり
且つ仕上げ精度も良好になる事が確認出来た。

尚、テーパ角度１３°の拡径部１１ｂの長さは２．０ｍ
ｍで噴出孔全体長さの１７２〜１／３であった。

次に拡径部１１ｂ出ロ部ロ径を１．９５ｎ＋ｍの条件を
維持しなからテーパ角度を最大２５＠の範囲で変化させ
て確認した所、ストレートノズル１０°に比較して切断
可能な鋼材厚が有為差をもって大になり且つ仕上げ精度
も良好になる事が確認出来た。

尚、本発明はテーパ部１１ｂの上流側に必ずしもストレ
ート部１１ａを設ける必要ななく、噴出孔１１内に導入
される補助ガスの流速が安定しているならば第４図に示
すように噴出孔１１をテーパ部１１ｂのみで形成しても
良い。

「発明の効果」 以上記載した如く本発明によれば、ストレートノズルの
基本的な欠点を解消し、噴出孔より噴出されるガス速度
がノズル内で音速を超えて超音速状態にし、超音速状態
で噴射可能である為に噴出孔出口側での衝撃波の発生を
抑制し、これにより昇速と速度分布の乱れを完全に防止
出来る。

等の種々の著効を有す。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るレーザ加工ノズルの断面
図、第２図は本発明に適用されるレーザ加工装置の全体
構成図である。 第３図は従来技術に係る加工ノズルの要部断面図、第４
図は本発明の他の実施例に係る加工ノズルの要部断面図
である。 区 寸 滅 派 派

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）集光されたレーザ光の周囲に同軸上に補助ガスを噴
   出させながら、板状部材の切断や孔開け加工を行うレー
   ザ加工用ノズルにおいて、断面先細テーパ状に形成した
   ノズル先端側に位置する噴出孔の開口端側に、略音速化
   された補助ガスの速度を更に超音速状態にまで昇速させ
   る手段を設けた事を特徴とするレーザ加工用ノズル ２）前記昇速手段が、少なくとも開口端側形状をガス噴
   出方向に沿って徐々に拡径し、略逆テーパ状若しくはラ
   ッパ状に形成した拡径部であるレーザ加工用ノズル ３）前記拡径部の入口端と開口端を結んで形成されるテ
   ーパ挟角を少なくとも３０°以下に設定した事を特徴と
   する請求項２）記載のレーザ加工用ノズル ４）前記拡径部を、噴出孔入口側に設けたストレート部
   に連接して形成した事を特徴とする請求項２）記載のレ
   ーザ加工用ノズル