JPH09239577A

JPH09239577A - レーザ加工装置の加工ノズル

Info

Publication number: JPH09239577A
Application number: JP8070941A
Authority: JP
Inventors: Michiaki Irie; 道明入江; Yoshinori Nakada; 嘉教中田; Atsushi Mori; 敦森
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1996-03-04
Filing date: 1996-03-04
Publication date: 1997-09-16

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザ加工装置の加工ノズルを改良して、ス
テンレス厚板の無酸化切断を安定した条件下で効率的に
行えるようにすること。【解決手段】加工ノズル１の本体は等内径の基部筒体
１０と先端筒体部１１で構成され、その先端にはノズル
孔２１が形成される。レーザビームは、集光レンズ５に
よってビーム径を絞られながら加工ノズル内及びノズル
孔の空間１２，２０を通過し、ステンレス厚板Ｗへ入射
する。アシストガス入口１２から導入された窒素ガスも
ノズル内及びノズル孔の空間１２，２０を通過して、ス
テンレス厚板Ｗに吹き付けられる。ノズル孔２１は、入
口２２から出口２３へ向けて逆テーパ状に拡がった形状
を有する（Ｄ1 ＜Ｄ2 ）ので、噴出された高圧窒素ガス
流３はワーク面に向かって急速に拡がる分布を形成し、
高圧安定性を損なうことなく広範囲のワーク面に吹き付
けられる。その結果、ステンレス厚板の無酸化切断の加
工速度と品質が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ステンレス厚板の
無酸化切断を行なうレーザ加工装置に装備される加工ノ
ズルに関する。なお、ここで「厚板」とは１０ｍｍ以上
の厚さを有する板材を指すものとする。

【０００２】

【従来技術】レーザ光を利用して材料の切断等を行なう
レーザ加工装置は、加工形状を自由に選択出来る等の利
点があるため、特に多品種少量生産に適した加工手段と
して広く利用されている。一般に、レーザ加工装置にお
ける加工は、炭酸ガスレーザ発振器、ＹＡＧレーザ発振
器等からのレーザビームを加工ノズルまでミラー、ファ
イバ等を用いて導光し、加工ノスルの先端部に形成され
たノズル孔を通してレーザビームがワーク面上に集光照
射することによって実行される。その際、加工ノズルの
ノズル孔からは、いわゆるアシストガスがワーク面に向
けて吹き付けられることが通例である。

【０００３】例えばレーザ加工装置を用いた軟鋼等の切
断には、アシストガスとして酸素が広く使用されてい
る。この場合、アシストガスとしてノズル孔を通してワ
ーク面に吹き付けられた酸素は、ドロス（加工溶融物の
残滓）の吹き飛ばしてその付着を付着を防止する他に、
レーザビームの照射部分の酸化反応を促進することで加
工速度を高める作用を有している。このような酸素をア
シストガスに用いたレーザ切断で使用される加工ノズル
については、これらアシスト作用を高めるために、多様
なノズル形状が提案されている。

【０００４】これに対して、ステンレス鋼のレーザ切断
には、アシストガスとして窒素（不活性ガス）を用いた
無酸化切断加工が適用されている。ステンレス鋼等の無
酸化切断加工で用いられる加工ノズルについては、アシ
ストガスを高圧に保つためにノズル孔の径に関する検討
はなされてきたが、ノズル孔の形状については特に考慮
が払われていなかった。

【０００５】無酸化切断加工は、酸化反応を利用せず
に、レーザビームの熱エネルギとアシストガス（窒素ガ
ス）の運動エネルギのみを利用してワークの切断を行な
うものである。そのため、酸化されないきれいな光沢の
ある切断面が得られるという利点がある一方、切断速度
が遅く、また、ワーク裏面へのドロスの付着等を起こさ
ない良好な加工条件（特に、ノズルとワーク面との位置
関係）の設定と維持が難かしかった。

【０００６】特に、ステンレス厚板の無酸化切断加工に
おいては、良好な加工が継続的に行なわれるようにノズ
ルとワーク面との位置関係を設定・維持することが困難
であった。

【０００７】レーザ加工装置の高出力化が年々進んでお
り、最近では６ｋｗ出力で、１６ｍｍ厚のステンレス厚
板の切断が可能になっている。このような高出力化は、
当然、上記前者の加工速度の遅さの問題を解決する有力
な手段であり、同厚のステンレス厚板について一時の２
倍程度の加工速度が実現されている。しかし、ステンレ
ス厚板の厚さが増す程、上記後者の問題（良好な加工条
件の設定・維持が困難であること）が深刻となり、高出
力化されたレーザ加工装置の利点を活用する妨げにもな
っていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
従来技術の問題点を解決することにある。即ち、本発明
は、ステンレス厚板の無酸化切断を安定した条件下で効
率的に行えるようなレーザ加工装置の加工ノズルを提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザビーム
を集光照射するとともにアシストガスを吹き付けてステ
ンレス厚板の無酸化切断を行なうレーザ加工装置の加工
ノズルのノズル孔に、レーザビーム及びアシストガスの
通路の入口側から出口側へ向かって逆テーパ状に拡がる
形状を与えることで上記技術課題を解決したものであ
る。。

【００１０】

【作用】先ず、ステンレス厚板の無酸化切断加工の基本
的な特徴を、軟鋼の酸素切断加工と対比させて説明す
る。一般に、両者の加工方法の間には加工時において適
正とされるズル・ワーク間距離（スタンドオフと呼ばれ
る。）に差がある。図２（ａ），（ｂ）はこれを説明す
る図で、典型的なスタンドオフ値が記されている。

【００１１】図２（ａ）に示したように、軟鋼からなる
ワークＷa の酸素切断加工を行なう際には、レーザビー
ム４ａを照射するノズル１ａの先端開口２ａから測った
ワーク面までの距離Ｈa （スタンドオフ）の標準的な値
は２ｍｍ前後である。これに対し、ステンレス厚板Ｗb
の無酸化切断加工時には、図２（ｂ）に示したように、
レーザビーム４ｂを照射するノズル１ｂの先端開口２ｂ
から測ったワーク面までの距離Ｈb （スタンドオフ）は
おおよそ０．５ｍｍまたはそれ以下とされる。

【００１２】加工時のスタンドオフ値にこのような差異
（Ｈb ＜Ｈa ）があるのは、無酸化切断加工時のアシス
トガス流（窒素ガス流）３ｂには、酸化切断時のアシス
トガス流（酸素ガス流）３ａに比べて相当高い圧力が要
求されるからである。即ち、アシストガス流（窒素ガス
流）３ｂの圧力が低いと、酸化反応を確実に阻止するこ
とが出来ず、また、発生する付着力が強いドロス（ステ
ンレス溶融物の残滓）を吹き飛ばすことが出来ない。

【００１３】一方、ステンレス厚板の無酸化切断加工時
と軟鋼の酸素切断加工時では、レーザビームの集光条件
にも差異がある。図３（ａ），（ｂ）はこれを説明する
図で、両者における集光条件が記されている。

【００１４】図３（ａ）に示したように、軟鋼ワークＷ
a の酸素切断加工時には、ノズル１ａの内部に設けられ
た集光レンズ５ａによって集束されながらノズル先端開
口２ａから出射されたレーザビーム４ａのビーム径の最
絞り位置（焦点位置）６ａ付近でワーク面に入射するよ
うに加工ノズル１ａ（集光レンズ５ａの位置、屈折力
等）が設計される。即ち、集光レンズ５ａからワーク面
までの距離Ｌa は、集光レンズ５ａの焦点距離とほぼ
等しくされる。

【００１５】これに対して、ステンレス厚板Ｗb の無酸
化切断加工時には、図３（ｂ）に示したように、ノズル
１ｂの内部に設けられた集光レンズ５ｂによって集束さ
れながらノズル先端開口２ｂから出射されたレーザビー
ム４ｂのビーム径の最絞り位置（焦点位置）６ｂよりも
相当距離（ΔＬ）手前でワーク面に入射するように加工
ノズル１ｂ（集光レンズ５ｂの位置、屈折力等）が設計
される。即ち、集光レンズ５ｂからワーク面までの距離
Ｌb は、酸化加工時の距離Ｌa よりも短く、集光レンズ
５ｂの焦点距離から相当距離ΔＬを差し引いた距離とさ
れる。この距離ΔＬの標準的な値は、５ｍｍ〜１０ｍｍ
程度である。

【００１６】以上の事から、軟鋼の酸化加工時とステン
レス厚板Ｗb の無酸化切断加工時のアシストガス流３
ａ，３ｂの分布について、次のことが言える。１．無酸化切断加工時のアシストガス流３ｂの分布は、
スタンドオフＨb （＜Ｈa ）が小さい分だけ、拡がりが
少ないこと（拡がる前にワーク面に当たる）。

【００１７】２．無酸化切断加工時のレーザビーム４ｂ
は、酸化切断加工時のレーザビーム４ａに比べて太いビ
ーム径でワーク面に入射する。従って、無酸化切断加工
時のワーク表面のカーフ幅（加工幅）は、酸化切断加工
時のカーフ幅（加工幅）よりも広くなること。

【００１８】３．上記１．及び２．の事実から考えて、
無酸化切断加工時のアシストガス流３ｂの分布を拡張す
るなんらかの手段を講ずる必要があり、また、それが可
能であれば広いカーープ幅に対応出来るアシストガス流
３ｂが得られること。

【００１９】本発明によれば、ステンレス厚板Ｗb の無
酸化切断加工時に要求される条件（スタンドオフＨb 、
集光レンズワーク面間距離Ｌb の条件）を守りながら、
上記３．に記したアシストガス流分布の拡張を可能する
技術手段が提供される。

【００２０】即ち、レーザビームとアシストガスの通路
を提供するノズル孔を、逆テーパ形状（通路の入口側か
ら出口側へ向かって逆テーパ状に拡がる形状）とするこ
とで、加工ノズルの先端開口（ノズル孔出口）から噴出
されたアシストガス流の分布がワーク面に向かって急速
に拡張されるようになる。その結果、ステンレス厚板の
無酸化切断加工の加工条件を良好に保つことが容易にな
り、同時に、高出力のレーザの利点を活かして加工速度
を向上させることが可能になる。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一つの実施形態
に係るレーザ加工装置の加工ノズルの概略構造を断面図
で示したものである。同図を参照すると、加工ノズル１
の本体は等内径の基部筒体１０と先端筒体部１１で構成
され、先端筒体部１１にはノズル孔２１が形成されてい
る。

【００２２】基部筒体１０の上部には加工ノズル１と同
軸の光軸を有する集光レンズ５が設けられ、基部筒体１
０の壁部にはアシストガス（窒素ガス）の入口１３が設
けられている。図示を省略したレーザ発振器から加工ノ
ズル１内に導光されたレーザビームは、集光レンズ５に
よってビーム径を絞られながら加工ノズル内空間１２、
ノズル孔空間２０を通過して、ワーク（ステンレス厚
板）Ｗへ入射する。また、アシストガス入口１２から加
工ノズル１内に導入されたアシストガス（窒素ガス）
は、加工ノズル内空間１２、ノズル孔空間２０を通過し
て、ワーク（ステンレス厚板）Ｗへ向けて吹き付けられ
る。ここまでに述べた基本構造とそれに基づく機能は、
従来の加工ノズルと特に変わるところはない。

【００２３】本発明の構造上の特徴は、ノズル孔２１の
形状に与えられている。即ち、レーザビーム４とアシス
トガスの通路（ノズル孔空間２０）を提供するノズル孔
２１は、通路の入口２２側から出口２３側へ向けて逆テ
ーパ状に拡がった形状を有しており、入口２２の径Ｄ1
よりも出口２３の径Ｄ2 が大きくなっている。

【００２４】作用の欄でも述べたように、ノズル孔２１
にこのような逆テーパ形状を与えることにより、加工ノ
ズルの先端開口（ノズル孔出口２３）から噴出された高
圧アのアシストガス流（窒素ガス流）３は、矢印群で示
したようにワーク面に向かって急速に拡がる分布を形成
する。その結果、ノズル孔を小径（例えばＤ1 ）のスト
レート形状（等内径）とした場合よりも、はるかに広い
ワーク面にアシストガス流３を当てることが出来る。ノ
ズル孔を大径（例えばＤ2 ）のストレート形状（等内
径）とすれば、アシストガス流３の当たる範囲を拡げる
ことが出来るが、ノズル孔入口の径が大きくなること
で、加工ノズル内空間１２と外部の圧力差を高く安定し
た状態に保つことが難かしくなり、安定した高圧アシス
トガス流が得られなくなる。

【００２５】換言すれば、ノズル孔２１にこのような逆
テーパ形状を与えることにより、アシストガス流を高圧
安定性を損なうことなく、レーザビーム入射位置周辺の
広範囲のワーク面にアシストガス流を吹き付けることが
可能になる。

【００２６】表１は、このような特徴を裏付けるもの
で、図１に示した構造を有する加工ノズル（逆テーパノ
ズル；Ｄ1 ＝２ｍｍ，Ｄ2 ＝３ｍｍ）と、ストレートノ
ズル（等内径φ＝３ｍｍ）とを用いた場合の性能比較デ
ータが示されている。なお、表１のデータを得た際の条
件は下記の通りである。

【００２７】レーザ発振器出力；６ｋＷ集光レンズ焦点距離；１０インチアシストガス；窒素ガス、供給ガス圧８ｂａｒ（８ｋｇ
重／ｃｍ² ）ワーク材質；ＳＵＳ３０４（１８％Ｃｒ−８％Ｎｉ）

【００２８】

【表１】表１の結果から、本発明の加工ノズル構造によって、ス
テンレス厚板（１０〜１２ｍｍｔ）の無酸化切断の加工
速度（最大レーザ切断速度）が向上していることが判
る。また、表に「不良」と記されているように、従来は
歩留まりが極めて悪く、加工不良となることが殆どであ
った１４ｍｍｔのステンレス厚板についても良好な加工
品質（ドロスの付着の無い、光沢のある切断面）が得ら
れた。更に、ストレートノズルを用いた場合に加工不良
とまではならない厚さ（本例では１４ｍｍｔ未満）のス
テンレス厚板についても、加工速度の向上のみならず、
加工品質の安定した改善が他の実験結果と併せて確認さ
れた。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、レーザ加工装置の加工
ノズルのノズル孔に簡単な改良を施すだけで、ステンレ
ス厚板の無酸化切断を安定した条件下で効率的に行える
ようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一つの実施形態に係るレーザ加工装置
の加工ノズルの概略構造を断面図で示したものである。

【図２】軟鋼の酸素切断加工時とステンレス厚板の無酸
化切断加工時のスタンドオフの差異を説明する図で、
（ａ）は前者のスタンドオフを表わし、（ｂ）は後者の
スタンドオフを表わしている。

【図３】軟鋼の酸素切断加工時とステンレス厚板の無酸
化切断加工時のレーザビームのワーク面への入射条件の
差異を説明する図で、（ａ）は前者の入射条件を表わ
し、（ｂ）は後者の入射条件を表わしている。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ加工ノズル２，２ａ，２ｂ加工ノズル先端（ノズル孔出口）３，３ｂアシストガス流（窒素ガス流）３ａアシストガス流（酸素ガス流）４，４ａ，４ｂレーザビーム５，５ａ，５ｂ集光レンズ６，６ａ，６ｂレーザビーム径の最絞り位置１０基部筒体１１先端筒体部１２加工ノズル内空間１３アシストガス入口２０ノズル孔空間２１ノズル孔２２レーザビームとアシストガスの通路の入口２３レーザビームとアシストガスの通路の出口Ｄ1 入口２２の径Ｄ2 出口２２の径

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザビームを集光照射するとともにア
シストガスを吹き付けてステンレス厚板の無酸化切断を
行なうレーザ加工装置の加工ノズルにおいて、前記レ
ーザビームと前記アシストガスの通路を提供するノズル
孔が、前記通路の入口側から出口側へ向かって逆テーパ
状に拡がる形状を有している、前記レーザ加工装置の加
工ノズル。