JPS61135496A - 炭酸ガスレ−ザ加工ヘツド - 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】 （ア）技術分野 この発明は、炭酸ガスレーザ加工ヘッドの改良に関する
。

近年、炭酸ガスレーザを用いたレーデ加工機の開発、改
良が精力的に推進められている。

炭酸ガスレーザの光学部品の中で最も劣化しやすいもの
は、レーザビームを集光させるレンズである。これは加
工ヘッドの中に装着されている。

（イ）従来技術とその問題点 第３図は従来の炭酸ガスレーザ加工ヘッドの一例を示す
断面図である。加工ヘッド１は、集光レンズ２、ノズル
３、円筒部９などよりなる。円筒部９はレーザビーム５
を内部に通し、レンズ２を内部の先端近傍に支持し、か
つノズル３を下端に一３Ｌｎｆる。集光レンズ２は、レ
ーザビーム５を集光するものである。

ノズル３はここからビームを発射するもので、先端の細
い円錐形状となっている。ノズル３の上端近傍にはアシ
ストガス入口４が開口している。

ここからアシストガスがノズル３の内部空間に流入する
。

炭酸ガスレーザのレーザビーム５は、レンズ２で絞られ
、ノズル３を通過して、被加工物６に照射される。被加
工物６は、急速に加熱溶融され切断加工される。この時
に、被加工物６の溶融物７が蒸気となってノズル３の内
部へ侵入してくる。

集光レンズ２の劣化原因は、レーザ照射された物体の溶
解蒸気がノズル３に入り、レンズに付着し、その部分の
光の吸収率を増大させることにある。

第５図は溶融物が付着したレンズの拡大図である。単位
のスクールは１００μｍである。溶融物は、レンズの表
面に島状に耐着している。

溶解蒸気がレンズ２に付着すると、吸収率が増大し、レ
ーザビーム５がレンズ２で吸収され、熱に変化する。レ
ンズ２が加熱され、熱レンズ効果によって、焦点距離が
変化したり、光学部品が破壊されたりすることもある。

吸収率の増大は、時間に対し、指数函数的に起ることも
ある。

溶融物のレンズへの付着を防ぐために、従来の炭酸ガス
レーザ加工ヘッドに放ては、アシストガス（Ｎ２）を流
し、ノズル３から流出させていた。

アシストガスの排気力によって、溶融物がノズル内に侵
入するのを防ぐから、レンズへの溶融物付着を防ぐこと
ができる。

しかしながら、アシストガスの排気力が十分でなく、そ
れでもなお、レンズ２に溶融物７が付着し、レンズを劣
化させることが多い。

これを防ぐためには、アシストガスの導入量を増すか、
ノズル径を狭くするかという２つの途がある。ガス導入
量を増すと、レンズや加工ヘッドに加わる圧力が高くな
り、これら部品を丈夫なものにしなければならないし、
大量のガスを消費し、コストアップにもなる。さらに、
ノズル３から被加工物６に当り、これを冷却させるとい
う作用もある。

ノズル径は、炭酸ガスレーザビームがノズルに当らない
ように決定されており、十分細径化されている。より狭
くするという余地はない。

（り）目　的 溶融物の集光レンズへの付着を防ぎレンズの寿命を延長
することが、本発明の目的である。

（１）構　吠 従来の炭酸ガスレーザ加工ヘッドに於ては、アシストガ
スが単純な直線流になるので、排気力が弱いのである。

本発明者は、直線流でなく、螺旋流にするととにより、
アシストガスの溶融物排除能力を増大させることができ
るという事に想い到った。

螺旋流にすると、直線流の場合よりも、流速の絶対値を
大きくする事ができる。そうすると、ノズルの内圧Ｐｉ
を高めずに、ノズルに於ける噴出力を強化できる。

ノズル内にアシストガスの旋回流を発生させるために、
ノズルのアシストガス入口をノズル側壁の接線方向に設
ける、ということがまず必要である。ガスを接線方向に
吹きこむことによって、ノズル内壁に導かれる旋回流に
なる。

さらに、ノズル内壁に螺旋条（ライフル）を加工する。

ノズル空間の上方はレンズによって仕切られているから
、旋回流は螺旋流になって下向きに進行する。螺旋流は
、内側よりも、外側の方が高速の流れになる。螺旋条は
、ノズル内壁に設けられた案内機構であるから、最外方
のガスを案内するだけであるが、これが最も高速の流れ
であるから、これを螺旋に整流することの効果は大きい
。

第１図は本発明の炭酸ガスレーザ加工ヘッドのノズル断
面図である。

ノズル３は、逆円錐形状で、上端は広く、下端は狭くな
っている。内壁には、ライフル（螺旋条）１０が形狡し
である。

螺旋でろって、しかもノズル径は縮径してゆくから、円
錐螺旋と言うべきであるが、ここではライフルと言う。

ノズルの側方には、接線方向に開口するアシストガス入
口４を投けである。

第２図は、同じものの■−■断面図である。

（オ）作　用 接線方向に開口したアシストガス入口４から流入したア
シストガスはノズルの中で回転流になる。

上方はレンズによって仕切られているから、下方へ向う
ｄＩＡ旋流となる。

軸方向をＺ軸とし、Ｚ軸に直角な面に、座標ｘ１ｙ（ｒ
、θ）を取って考える。Ｘ７面に於ける流れは、回転流
である。しかし、ｒの大きい方が高速の流れになる。同
一の２の値に対しては、中心の流れが遅く、周辺の流れ
が早い。下方に向けて２軸を取ると、流れの半径は、Ｚ
が増大するに従い減少する。従って、回転方向の速度は
減少するとしても、角速度は増大してゆく。

壁面との摩擦があるので、流れの運動エネルギーは、減
少してゆくが、運動エネルギーの減少が僅かであるとす
れば、回転方向の速度Ｕと、Ｚ軸方向の速度Ｗとの２乗
の和は、外側の流線（ライフルに沿った）についてほぼ
一定であシ、Ｕ　　＋　Ｗ　　−ｃｏｎｓｔ　　　　　
　　（１）と書くことができる。円錐形であるから、２
の函数としての速度Ｗ（Ｚ）は、断面積ｓ　（Ｚ）とほ
ぼＷ（Ｚ）　Ｓ　（Ｚ）　＝　ｃｏｎｓｔ　　　　　　
　（２）の関係がある。すると、Ｚが増大すると、Ｓ　
（Ｚ）が減少するの２で、Ｗ（Ｚ）が増大してゆく。も
しく１）式の関係が成立すれば、Ｚが増大してゆくとと
もに、Ｕは減少してゆくことになる。しかし、最初にＷ
／Ｕを０に近いものにしておくと、Ｕの減少は僅かであ
る。

一方、ガス流量はノズル下端でのＺ方向速度Ｗで決まる
。ということは、ガス流量Ｑを一定にしても、Ｕを増す
ことによってガス速度を高める事ができるということで
ある。

（力）効　果 ガスの速度が速いので、ノズルから溶融物蒸気がノズル
内へ侵入してくるのを防ぐことができる。

これは、ノズルの内部の圧力を高めることによってなさ
れているのではない。ノズルから吹き出すガスの速度Ｕ
は、従来法の場合、ノズルの内部の圧力をＰｉ１外部の
圧力をＰＯとして、で与えられる。Ｕを増すには、Ｐｉ
を増す必要があった。

しかし、本発明の場合、ノズルから吹出すガス速度Ｖは によって与えられる。ＵはｖＪＡ旋流の速度で（１）式
の右辺に当る量であるが、Ｕの方がＷより大きいので、
Ｕと略記している。本発明ではＵによって（動圧）、ガ
ス速度Ｖの値を高めることができる。

内部の静圧Ｐｉをあまり高めることなく、ノズル噴出速
度Ｖを増大することができる。

ガス噴出速度Ｖは速いが、これは斜め方向の速度であっ
てＺ方向の速さは小さい。したがってガス流量は増加し
ない。

このように、内圧Ｐｉを高めず、ガス流量も殆ど増さず
、ガス噴出速度を高める事ができ、ノズルから侵入して
くる、溶融物蒸気を完全に食い止めることができる。

溶融物蒸気が入らないので、レンズに溶融物が付着しな
い。吸収率も増化しないから、レンズの劣化は起りにく
くなる。レンズの寿命を延ばすことができる。

溶融物が付着しやすいので、従来は、レンズと被加工物
間距離をあまり短かくすることができなかったが、本発
明では、溶融物の排除能力が高くなっているから、レン
ズ・被加工物間を短かくすることかできる。つまり焦点
距離の短いレンズを使用することができるようになる。

第４図は、炭酸ガスレーザ加工ヘッドのレンズの吸収率
の時間的変化を測定した結果を示すグラフである。横軸
は時間（Ｈ）、縦軸は吸収率（％）である。×は従来の
加工ヘッドのデータ、Ｏは本発明の加工ヘッドのデータ
を示す。本発明の場合、加工時間が増えても、レンズ吸
収率はほとんど変動しない。従来の加工ヘッドの場合、
３〜４時間で、最初の値の２倍に達する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の炭酸ガスレーザ加工ヘッドのノズル部
分のみの断面図。 第２図は第１図中の■−■断面図。 第３図は従来の炭酸ガスレーザ加工ヘッドの断面図。 第４図は従来の加工ヘッド（×）、本発明の加工ヘッド
（０）に於ける、レンズ吸収率の時間的変化を測定した
データを示すグラフ。 第５図は溶融物の付着したレンズ表面の拡大図。 １・・・・・・・・・・加工ヘッド ２−・・・・・・・・し　ン　ズ ３・・・・・・・・・・・ノ　ズ　ル ４・・・・・・・・・・・アシストガス入口５・・・・
・・・・・・・・レーザビーム６・・・・・・・・・・
・・被加工物 ７゛°°°゛°°゛°溶融物 １０・・・・・・・・・・・・ライ７．。 発　　明　　者　　　　　工　　畑　　恵　　司特許出
願人　　住友電気工業株式会社 第１図 第２図　　ア＆Ｘ）、ｆＸ 第３図 第５図 の付着

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 炭酸ガスレーザのレーザビーム５を内部に通す円筒部９
   と、円筒部９の先端近傍の内部に設けられレーザビーム
   ５を集光する集光レンズ２と、円筒部９の先端に取付け
   られる円錐形のノズル３よりなり、ノズル３の上端近傍
   にはアシストガス入口４が接線方向に開口しており、ノ
   ズル３の内壁には螺旋状のライフル１０が形成してある
   ことを特徴とする炭酸ガスレーザ加工ヘッド。