WO2013137289A1 - レーザ加工機の同軸ノズル - Google Patents

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功明 塩地
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株式会社 アマダ
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    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • B23K26/703—Cooling arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a coaxial nozzle of a laser beam machine, and more particularly to a nozzle having a nozzle cooling circuit.
  • the laser coaxial nozzle (laser nozzle) 200 prevents the reflected light from the welded portion from returning to the laser oscillator and its optical system and damaging the laser oscillator and its optical system when welding workpieces. In order to do this, it is inclined 10 ° to 20 ° with respect to the processed surface of the workpiece W (see FIG. 2).
  • Patent Literature 1 and Patent Literature 2 can be listed as literatures related to the prior art.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and in order to prevent the occurrence of damage in the laser oscillator or its optical system, the coaxial nozzle of the laser processing machine is tilted with respect to the workpiece processing surface.
  • An object of the present invention is to provide a coaxial nozzle for a laser beam machine capable of preventing the coaxial nozzle from being overheated even when reflected light from the work surface of the workpiece hits the coaxial nozzle.
  • the coaxial nozzle of the laser processing machine has an inner nozzle through which the laser beam and the inner gas pass along the axial direction from the proximal end side to the distal end side, and has the same axis as the inner nozzle, An outer nozzle provided outside the inner nozzle, and a cooling circuit for cooling the inner nozzle.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a laser processing head employing a coaxial nozzle of a laser processing machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a situation when the coaxial nozzle of the laser processing machine is used while being tilted with respect to the workpiece processing surface.
  • FIG. 3 is a cross-sectional perspective view showing a schematic configuration of a coaxial nozzle of a laser beam machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a laser processing head employing a coaxial nozzle of a laser processing machine according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a coaxial nozzle of a laser beam machine according to an embodiment of the present invention.
  • This laser beam machine is, for example, a laser welder that welds workpieces using laser light.
  • the laser processing head 3 includes an optical element support 5, a cross jet assembly 7, a nozzle base 9, and a coaxial nozzle (a coaxial nozzle of a laser processing machine) 1 as shown in FIGS. 1 and 4.
  • the extending direction of the central axis of the laser processing head 3 is the Z-axis direction
  • one end side in the Z-axis direction is the base end side (upper side)
  • the other end side is the front end side (lower side).
  • the optical element support 5 is located on the base end side of the laser processing head 3, and a cross jet assembly 7 is integrally provided at the tip of the optical element support 5.
  • a nozzle base 9 is integrally provided at the tip of the cross jet assembly 7, and the coaxial nozzle 1 is integrally provided at the tip of the nozzle base 9.
  • the optical element support 5 supports an optical element such as a condenser lens that condenses the laser light.
  • the cross jet assembly 7 generates an air curtain G4 of the cross jet gas G3 in order to protect optical elements such as a condenser lens provided on the optical element support 5 (see FIG. 1). .
  • a laser beam LB emitted from a laser oscillator passes through the inside of the laser processing head 3 (the central axis and its surroundings), travels from the proximal end side to the distal end side in the Z-axis direction, and is emitted from the coaxial nozzle 1.
  • the workpiece W (see FIG. 2) is irradiated.
  • the coaxial nozzle 1 includes an inner nozzle 13, an outer nozzle 15, and a cooling circuit 17.
  • the inner nozzle 13 is formed in a cylindrical shape (for example, a cylindrical shape), and the inner side passes through the laser beam LB and the inner shield gas (inner gas) G1 supplied to the processing portion of the workpiece W by the laser beam LB. . Thereby, the inner nozzle 13 emits the laser beam LB from the tip toward the workpiece W, and ejects the inner shield gas G1 toward the processing portion of the workpiece W (see FIG. 3).
  • rectifying means such as a gas lens mesh
  • components for realizing laminar flow are arranged at positions that do not obstruct the passage of the laser light (sides of the space through which the laser light passes).
  • the inner shield gas G1 is, for example, a gas supplied to a processing portion of the workpiece W in order to prevent oxidation of the workpiece W irradiated with laser light and to remove generated plasma.
  • an inert gas such as nitrogen gas or argon gas is mainly used.
  • the plasma is vapor of the work W evaporated by laser light (in the case where the work W is a metal, metal vapor).
  • the outer nozzle 15 is formed in a cylindrical shape (for example, a cylindrical shape), and is integrally connected to the inner nozzle 13 outside the inner nozzle 13.
  • the outer nozzle 15 surrounds the inner nozzle 13 so as to form a cylindrical (for example, cylindrical) space (gap) 19 outside the inner nozzle 13, and the cylindrical space 19 is surrounded by the outer shield.
  • Gas (outer gas) G2 flows, and outer shield gas G2 is ejected from the tip (see FIG. 3).
  • the outer shield gas G2 is, for example, a gas supplied around the machining site in order to prevent oxidation of the machining site of the workpiece W irradiated with the laser beam.
  • an inert gas such as nitrogen gas or argon gas is mainly used.
  • a normal laminarizing component such as a gas lens mesh 27
  • the outer shield gas G2 can be ejected along the inner nozzle 13 in a laminarized state.
  • the central axis of the inner nozzle 13 and the central axis of the outer nozzle 15 coincide with the axis of the laser processing head 3.
  • the laser processing head 3 tilts the axis of the coaxial nozzle 1 by 10 ° to 20 ° with respect to a straight line perpendicular to the processing surface of the planar workpiece W in the same manner as in the past, and emits laser light to the workpiece W Irradiation is performed (see FIG. 2).
  • the cooling circuit 17 cools the outer periphery of the inner nozzle 13.
  • the cooling circuit 17 cools the outer periphery of the inner nozzle 13 using a cross jet gas G3, which is a gas different from the inner shield gas G1 and the outer shield gas G2.
  • the cross jet gas G3 is a gas for protecting an optical system such as a condensing lens through which the laser light passes from sputtering generated by laser processing.
  • the cross jet gas G3 used for cooling in the cooling circuit 17 is air in the cross jet assembly 7 (between the optical system of the optical element support 5 and the laser irradiation part of the workpiece W) as described above.
  • a curtain G4 is formed to protect an optical system such as a condenser lens.
  • FIG. 1 schematically shows the path of the cross jet gas G3.
  • the cooling circuit 17 for example, by installing a cylindrical intermediate cylindrical body 21 in a cylindrical space (gap) 19 between the inner nozzle 13 and the outer nozzle 15, only the cross jet gas G ⁇ b> 3 is generated.
  • a flowing space for example, a cylindrical space such as a cylindrical shape
  • This space 23 surrounds at least a part of the outer periphery of the inner nozzle 13.
  • the intermediate cylindrical body 21 is installed integrally with the inner nozzle 13.
  • the laser processing head 3 is blocked by an inner nozzle 13 (particularly, a front end side inner nozzle 13B, which will be described later) from the processing portion of the workpiece W irradiated with the laser light emitted from the coaxial nozzle 1.
  • the outer nozzle 15 and other components are configured not to be seen.
  • the optical element support 5, the cross jet assembly 7, the nozzle base 9, etc. are configured not to be seen.
  • the coaxial nozzle 1 will be described in more detail.
  • a cylindrical mesh support 25 is provided at the tip (lower end) of the nozzle base 9 as a cylindrical part communicating with the space 34 inside the inner nozzle 13. Further, a cylindrical partition 29 having a diameter larger than that of the mesh support 25 is provided outside the mesh support 25. Further, a cylindrical nozzle holder 33 having a diameter larger than that of the partition 29 is provided outside the partition 29.
  • the partition 29 divides another space inside the cylindrical space 19 inside the outer nozzle 15. As another space, a cylindrical inner gas chamber 31 is secured between the mesh support 25 and the partition 29.
  • a plurality of supply ports 26 for supplying the inner shield gas G1 to the space 34 inside the inner nozzle 13 are provided on the upper peripheral wall on the proximal end side of the mesh support 25. Those supply ports are constituted by notches.
  • a metal mesh 27 for a gas lens is provided at the supply ports 26 as a rectifying means for laminating the flow of the inner shield gas G1 supplied to the space 35 inside the inner nozzle 13.
  • the base end (upper end) side portion of the inner gas chamber 31 communicates with the space 35 inside the mesh support body 25 (the space communicating with the space 34 inside the inner nozzle 13) through the mesh 27.
  • the mesh 27 may be provided in a circular arc shape or a rectangular flat shape for each supply port 26, or may be provided in a cylindrical or polygonal shape so as to cover all the supply ports 26. Good. Further, the direction of the supply port 26 and the mesh 27 may be set so as to be inclined in the nozzle tip direction, instead of being set in a direction orthogonal to the axis of the mesh support 25.
  • the supply port 26 and the mesh 27 are not provided parallel to the axis of the mesh support 25, but may be provided with an inclination of, for example, about 0 ° to 30 ° within a range that does not affect the passage of laser light. .
  • the amount of the inner shield gas G1 flowing out from the upper part of the nozzle can be suppressed to a smaller level.
  • the mesh 27 which is a rectifying means for laminar flow
  • the laser reflected light does not directly hit the mesh 27 from the workpiece, and is reflected by the reflected light. Damage to the mesh 27 can be prevented. In addition, damage (attachment, drilling, etc.) due to sputtering can be reduced.
  • a sintered filter or urethane wool can be used instead of the mesh 27.
  • the annular inner gas chamber 31 is formed outside the peripheral wall of the mesh support 25 having the supply port 26, and the inner shield gas G ⁇ b> 1 flows into the inner gas chamber 31 above the inner gas chamber 31.
  • An inflow port (the tip of the arrow S1 in FIG. 3) is provided.
  • the inner shield gas G1 that has passed through a flow path (not shown) provided in the nozzle base 9 passes through the inner gas chamber 31, the mesh 27, and the space 35, and passes through the space 34 inside the inner nozzle 13. It is ejected from the tip of the inner nozzle 13 and supplied to the processing site of the workpiece W.
  • the first shield gas supply means S1 (shown for convenience in the arrows in FIG. 3) is constituted by means including the flow path of the inner shield gas G1.
  • the inner shield gas G1 that has reached the inner gas chamber 31 through a flow path (not shown) provided in the nozzle base 9 is an inner surface (inner gas chamber) on the tip side of the inner gas chamber 31.
  • the inner bottom surface of 31) and once change the direction toward the base end side and pass through the mesh 27.
  • the total area of the supply port 26 provided with the mesh 27 is set so as to be smaller than the sum of the cross-sectional areas of the upper end opening and the lower end opening of the inner nozzle 13.
  • the required flow rate of the inner shield gas G1 can be supplied below the upper limit speed. Therefore, even if the inner shield gas G1 introduced into the inner nozzle 13 is ejected from the tip of the inner nozzle 13 while changing the direction, the laminar flow state can be maintained.
  • This upper limit speed is calculated by the Reynolds number or the like.
  • a cylindrical base end side inner nozzle 13 ⁇ / b> A integrated with the nozzle holder 33 is connected to the tip of the partition 29.
  • a cylindrical distal inner nozzle 13B having a tapered conical tip is connected to the distal end of the proximal inner nozzle 13A. If a tip made of carbon, for example, is used as the tip side inner nozzle 13B, adhesion of spatter can be suppressed.
  • the inner nozzle 13 includes the cylindrical proximal end side inner nozzle 13A and the distal end side inner nozzle 13B. Since the tip side inner nozzle 13B is calibrated to be screwed to the base end side inner nozzle 13A, the tip side inner nozzle 13B can be easily replaced.
  • the nozzle holder 33 and the proximal end inner nozzle 13A are integrally formed. That is, the tip end side of the nozzle holder 33 is a base end side inner nozzle 13 ⁇ / b> A that forms a part of the inner nozzle 13.
  • the intermediate cylindrical body 21 has a diameter larger than the diameter of the inner nozzle 13.
  • the intermediate cylindrical body 21 is provided at the distal end of the nozzle holder 33 and covers the proximal end side inner nozzle 13A.
  • a cylindrical space 23 is formed between the intermediate cylindrical body 21 and the proximal end inner nozzle 13A.
  • the cross jet gas G3 that has passed through the flow path (not shown) cools the proximal inner nozzle 13A through the space 23, returns to the cross jet assembly 7 through another flow path (not shown), and is condensed.
  • An air curtain G4 of a cross jet gas G3 is generated to protect an optical element such as a lens.
  • fins 39 in which large outer diameter portions and small outer diameter portions are alternately arranged in the axial direction are provided on the outer periphery of the base end side inner nozzle 13A.
  • the cooling efficiency of the proximal end side inner nozzle 13A by the cross jet gas G3 is enhanced.
  • the outer nozzle 15 has a diameter larger than the diameter of the inner nozzle 13 and the intermediate cylindrical body 21.
  • the outer nozzle 15 is provided at the distal end of the nozzle holder 33 and covers the intermediate cylindrical body 21, the proximal inner nozzle 13A, and a part of the distal inner nozzle 13B (proximal portion).
  • the outer shield gas G2 that has passed through a flow path (not shown) is provided in the opening 37 at the tip of the outer nozzle 15 through the cylindrical space 19 secured between the outer nozzle 15 and the inner nozzle 13. It passes through the gas lens mesh 27 and is jetted in a laminar flow state around the processing portion of the workpiece W.
  • the second shield gas supply means S2 (in FIG. 3) is provided by means including a flow path for supplying the outer shield gas G2 to the cylindrical space 19 secured between the outer nozzle 15 and the inner nozzle 13. Arrow S2) is configured.
  • the cooling circuit 17 for cooling the inner nozzle 13 is provided near the heat source (a processing part such as a welded portion in the work W).
  • the inner nozzle 13 can be prevented from being overheated even when the reflected light from the processed surface of the workpiece W strikes the inner nozzle 13. Even if the output of the laser beam is increased, overheating of the inner nozzle 13 can be prevented without using cooling water. Further, the inner nozzle 13 is cooled, so that the outer nozzle 15 is also cooled by heat conduction to prevent overheating.
  • the coaxial nozzle 1 since the outer periphery of the inner nozzle 13 is cooled using the cross jet gas G3, the coaxial nozzle 1 can be cooled with a simple configuration without newly adding a cooling medium. Can do. Further, since the cross jet gas G3 is used, the running cost for cooling the coaxial nozzle 1 can be reduced.
  • the shielding gas inner shielding gas
  • the flow of the outer shield gas (G1, G2) is not disturbed, and it is easy to keep the concentration of the shield gas G1, G2 at a desired value in the processed part (welded part) of the workpiece W.
  • the outer nozzle 15 is not visible from the processing portion of the workpiece W irradiated with the laser beam LB emitted from the coaxial nozzle 1 of the laser processing head 3.
  • the outer nozzle 15 is not damaged by the reflection of the laser beam LB, and the replacement of the outer nozzle 15 becomes unnecessary.
  • the inner nozzle 13 is cooled by using the cross jet gas G3, but instead of (or in addition to) the cross jet gas G3, a refrigerant (cooling water, cooling air) is used and the inner nozzle 13 is used. You may comprise so that 13 may be cooled.
  • a refrigerant cooling water, cooling air
  • the supply port 26 that supplies the inner shield gas G ⁇ b> 1 to the space 34 inside the inner nozzle 13 on the peripheral wall of the cylindrical part (mesh support 25) communicating with the inside of the inner nozzle 13.
  • the inner shield gas G1 which has a supply port 26 and an inflow port on the outside of the peripheral wall and flows in from the inflow port is discharged from the supply port 26 after the fluid energy at the time of inflow is attenuated.
  • the chamber 31 is secured. Therefore, the flow rate of the inner shield gas G1 supplied from the supply port 26 into the inner nozzle 13 can be reduced, and the uneven flow rate can be corrected. That is, the flow of the inner shield gas G1 supplied to the inner side of the inner nozzle 13 through the mesh 27 provided at the supply port 26 can be in a stable laminar flow state.
  • the inner shield gas G1 is supplied into the inner nozzle 13 in a laminar flow state from the supply port 26 formed in the peripheral wall of the mesh support 25 through the mesh 27 as a gas lens. Therefore, the inside of the inner nozzle 13 through which the laser beam passes and the inside of the cylindrical part (partition 29) communicating therewith can be completely vacated as a space free of obstacles, and the passage of the laser beam is not hindered. .
  • the passage areas of the supply port 26 and the mesh 27 have the minimum opening sectional area on the distal end side of the inner nozzle 13 (the sectional area of the distal end opening of the distal inner nozzle 13 B) and the proximal end side. It is set smaller than the sum of the minimum opening cross-sectional area (for example, the cross-sectional area of the minimum diameter portion of the mesh support 25 above the mesh 27). Accordingly, the required flow rate of the inner shield gas G1 can be supplied at a speed equal to or lower than the upper limit speed that causes a laminar flow in the inner nozzle 13. Therefore, the inner shield gas G1 introduced into the inner nozzle 13 can be ejected in a laminar flow state from the tip of the inner nozzle 13 while changing the direction.
  • a high-purity shield gas can be supplied to the processing portion of the workpiece W in a laminar flow.
  • the coaxial nozzle 1 of the laser processing machine is tilted with respect to the processing surface of the workpiece W, thereby reflecting the workpiece W from the processing surface. Even when light hits the front end side inner nozzle 13B and the front end side inner nozzle 13B is overheated, the heat deterioration of the front end side inner nozzle 13B can be suppressed and the heat resistance strength can be increased.
  • the tip-side inner nozzle 13B is made of carbon having good sputter peelability, carbon oxidizes in the vicinity of 400 ° C. in the atmosphere and causes wear and reduction in strength.
  • an inert gas should be used as a shielding gas.
  • the heat resistance strength of the carbon portion can be increased to 2000 ° C. or more, and the life of the front end side inner nozzle 13B can be extended.
  • the coaxial nozzle of the laser processing machine is tilted with respect to the work surface of the work, thereby reflecting the work surface from the work surface. Even when light strikes the coaxial nozzle, the coaxial nozzle can be prevented from overheating.

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Abstract

レーザ発振器やその光学系でのダメージの発生を防止すべく、レーザ加工機の同軸ノズル（１）に、内側をレーザ光（ＬＢ）とインナーガス（Ｇ１）とが通過するインナーノズル（１３）と、インナーノズル（１３）の外側に設けられているアウターノズル（１５）と、インナーノズル（１３）を冷却する冷却回路（１７）とを設ける。

Description

レーザ加工機の同軸ノズル
　本発明は、レーザ加工機の同軸ノズルに係り、特に、ノズルの冷却回路を備えたものに関する。
　従来、レーザ用同軸ノズル（レーザノズル）２００は、ワークの溶接をする際、溶接部からの反射光がレーザ発振器やその光学系に戻りレーザ発振器やその光学系にダメージを与えてしまうことを防止するために、ワークＷの加工面に対して１０°～２０°傾けてられている（図２参照）。
　なお、従来の技術に関する文献として、特許文献１、特許文献２を掲げることができる。
特開平７－６８３８２号公報 特公平４－２３５３号公報
　ところで、レーザノズルを傾けることで、レーザ発振器やその光学系でのダメージの発生は防止できるが、ワークの加工面からの反射光がレーザノズルにあたってしまい、レーザノズルが過熱してしまうという問題がある。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、レーザ発振器やその光学系でのダメージの発生を防止すべく、ワークの加工面に対してレーザ加工機の同軸ノズルを傾けて使用することで、ワークの加工面からの反射光が同軸ノズルにあたっても、同軸ノズルが過熱することを防ぐことがきるレーザ加工機の同軸ノズルを提供することを目的とする。
　本発明に係るレーザ加工機の同軸ノズルは、内側をレーザ光とインナーガスとが基端側から先端側へと軸方向に沿って通過するインナーノズルと、前記インナーノズルと同軸を有し、前記インナーノズルの外側に設けられたアウターノズルと、前記インナーノズルを冷却する冷却回路とを有することを特徴とする。
図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ加工機の同軸ノズルが採用されているレーザ加工用ヘッドの概略構成を示す斜視図である。 図２は、レーザ加工機の同軸ノズルをワークの加工面に対して傾けて使用するときの状況を示す斜視図である。 図３は、本発明の一実施形態に係るレーザ加工機の同軸ノズルの概略構成を示す断面斜視図である。 図４は、本発明の一実施形態に係るレーザ加工機の同軸ノズルが採用されているレーザ加工用ヘッドの概略構成を示す断面図である。 図５は、本発明の一実施形態に係るレーザ加工機の同軸ノズルの概略構成を示す断面図である。
　以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
　まず、本実施形態に係るレーザ加工機の同軸ノズル１が採用されているレーザ加工用ヘッド３の概略構成について説明する。本レーザ加工機は、例えば、レーザ光を使用してワークを溶接するレーザ溶接機である。
　レーザ加工用ヘッド３は、図１や図４で示すように、光学素子支持体５とクロスジェット組立体７とノズルベース９と同軸ノズル（レーザ加工機の同軸ノズル）１とを備える。
　ここでは、便宜上、レーザ加工用ヘッド３の中心軸の延伸方向をＺ軸方向とし、このＺ軸方向における一端側を基端側（上側）とし、他端側を先端側（下側）とする。
　光学素子支持体５は、レーザ加工用ヘッド３の基端部側に位置しており、光学素子支持体５の先端にはクロスジェット組立体７が一体的に設けられている。また、クロスジェット組立体７の先端にはノズルベース９が一体的に設けられ、ノズルベース９の先端には同軸ノズル１が一体的に設けられている。
　光学素子支持体５は、レーザ光を集光する集光レンズ等の光学素子を支持するものである。また、クロスジェット組立体７は、光学素子支持体５に設けられている集光レンズ等の光学素子を保護するためにクロスジェットガスＧ３のエアーカーテンＧ４を生成するものである（図１参照）。
　図示しないレーザ発振器が発したレーザ光ＬＢは、レーザ加工用ヘッド３の内部（中心軸とその周り）を通って、Ｚ軸方向の基端側から先端側に進み、同軸ノズル１から出射されてワークＷ（図２参照）に照射される。
　ここで、同軸ノズル１について詳しく説明する。同軸ノズル１は、インナーノズル１３とアウターノズル１５と冷却回路１７とを備える。
　インナーノズル１３は、筒状（例えば円筒状）に形成されており、内側をレーザ光ＬＢと、レーザ光ＬＢによるワークＷの加工部位に供給されるインナーシールドガス（インナーガス）Ｇ１とが通過する。それにより、インナーノズル１３は、先端からワークＷに向けてレーザ光ＬＢを出射すると共に、ワークＷの加工部位に向けてインナーシールドガスＧ１を噴出する（図３参照）。
　インナーノズル１３の内側には、レーザ光が通過するので、インナーシールドガスＧ１の流れを層流化のための整流手段（ガスレンズ用メッシュなど）等を取り付けることができない。そのため、後述するように、レーザ光の通過を邪魔しない位置（レーザ光の通過する空間の側方）に層流化を実現するための部品を配置している。
　インナーシールドガスＧ１は、例えば、レーザ光が照射されたワークＷの酸化を防止するとともに発生するプラズマを除去するためにワークＷの加工部位に供給されるガスである。このインナーシールドガスＧ１としては、例えば窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスが主に使用されている。プラズマとは、レーザ光によって蒸発したワークＷの蒸気（ワークＷが金属である場合には、金属蒸気）のことである。
　アウターノズル１５は、筒状（例えば円筒状）に形成されており、インナーノズル１３の外側でインナーノズル１３に一体的に連結されている。また、アウターノズル１５は、インナーノズル１３の外側に筒状（例えば円筒状）の空間（隙間）１９を形成するように、インナーノズル１３を囲んでおり、筒状の空間１９のところをアウターシールドガス（アウターガス）Ｇ２が流れ、先端からアウターシールドガスＧ２を噴出するようになっている（図３参照）。
　アウターシールドガスＧ２は、例えば、レーザ光が照射されたワークＷの加工部位の酸化を防止するために当該加工部位のまわりに供給されるガスである。アウターシールドガスＧ２としては、例えば窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスが主に使用されている。
　アウターノズル１５とインナーノズル１３の間の筒状の空間１９は、レーザ光が通過する部分ではないために、通常の層流化部品（ガスレンズ用メッシュ２７など）を設置することができるので、層流化した状態でアウターシールドガスＧ２をインナーノズル１３に沿って噴出することができる。
　なお、インナーノズル１３の中心軸とアウターノズル１５の中心軸とは、レーザ加工用ヘッド３の軸に一致している。レーザ加工用ヘッド３は、従来と同様にして、平面状のワークＷの加工面に対し垂直な直線に対して、同軸ノズル１の軸を１０°～２０°傾けて、ワークＷにレーザ光を照射するようになっている（図２参照）。
　冷却回路１７は、インナーノズル１３の外周を冷却するものである。冷却回路１７は、前述したインナーシールドガスＧ１やアウターシールドガスＧ２とは異なるガスであるクロスジェットガスＧ３を用いてインナーノズル１３の外周を冷却する。クロスジェットガスＧ３は、レーザ加工によって発生するスパッタから、レーザ光が通過する集光レンズ等の光学系を保護するためのガスである。
　なお、冷却回路１７で冷却に使用されたクロスジェットガスＧ３は、前述したように、クロスジェット組立体７で（光学素子支持体５の光学系とワークＷのレーザ照射部との間で）エアーカーテンＧ４を形成し、集光レンズ等の光学系を保護する。
　すなわち、クロスジェットガスＧ３によって、インナーノズル１３内に入ってきた溶接のスパッタ等を吹き飛ばし、溶接のスパッタ等が光学素子支持体５の集光レンズやレンズ保護用のウィンドウに付着しないようにすることができる。図１にクロスジェットガスＧ３の経路を概略的に示している。
　また、冷却回路１７においては、インナーノズル１３とアウターノズル１５との間の円筒状の空間（間隙）１９に、例えば円筒状の中間筒状体２１を設置することで、クロスジェットガスＧ３のみが流れる空間（例えば円筒状等の筒状の空間）２３が形成されている。この空間２３は、インナーノズル１３の外周の少なくとも一部を囲んでいる。なお、中間筒状体２１はインナーノズル１３に一体的に設置される。
　また、レーザ加工用ヘッド３は、同軸ノズル１から発したレーザ光が照射されるワークＷの加工部位からは、インナーノズル１３（特に、後述する先端側インナーノズル１３Ｂ）で遮られていることで、アウターノズル１５やその他の構成体（光学素子支持体５、クロスジェット組立体７、ノズルベース９等）が見えないように構成されている。もちろん、平面状のワークＷの加工面に垂直な直線に対して同軸ノズル１の軸を１０°～２０°傾けて加工する場合にあっても、見えないようになっている。
　同軸ノズル１についてさらに詳しく説明する。
　図３，５で示すように、ノズルベース９の先端（下端）には、インナーノズル１３の内側の空間３４に連通する筒状部品として円筒状のメッシュ支持体２５が設けられている。また、そのメッシュ支持体２５の外側には、メッシュ支持体２５よりも径の大きい円筒状のパーテーション２９が設けられている。さらに、このパーテーション２９の外側には、パーテーション２９よりも径の大きい円筒状のノズルホルダー３３が設けられている。
　パーテーション２９は、アウターノズル１５の内側の円筒状の空間１９の内部に別の空間を仕切るものである。その別の空間として、メッシュ支持体２５とパーテーション２９との間には円筒状のインナーガスチャンバ３１が確保されている。
　メッシュ支持体２５の基端側の上部周壁には、インナーノズル１３の内側の空間３４にインナーシールドガスＧ１を供給する複数の供給口２６が設けられている。それらの供給口は、切欠によって構成されている。そして、それら供給口２６に、インナーノズル１３の内側の空間３５に供給するインナーシールドガスＧ１の流れを層流化するための整流手段としてガスレンズ用の金属製のメッシュ２７が設けられている。つまり、インナーガスチャンバ３１の基端（上端）側の箇所は、メッシュ２７を通して、メッシュ支持体２５の内側の空間３５（インナーノズル１３の内側の空間３４に連通する空間）に連通している。
　この場合のメッシュ２７は、供給口２６ごとに円弧面状または矩形平面状の形で設けられていてもよいし、全部の供給口２６を覆うように円筒状または多角形状に設けられていてもよい。また、供給口２６およびメッシュ２７の向きを、メッシュ支持体２５の軸に直交する方向に設定するのではなく、ノズル先端方向に斜めに向くように設定してもよい。
　つまり、供給口２６およびメッシュ２７を、メッシュ支持体２５の軸に対して平行に設けるのではなく、レーザ光の通過に影響ない範囲で、例えば、０°～３０°程度傾けて設けてもよい。そうした場合、ノズル上部（ノズルベース９やメッシュ支持体２５の中央の開口）から流出するインナーシールドガスＧ１の量をより少なく抑制することが可能となる。
　このように層流化のための整流手段であるメッシュ２７を、レーザ光が通過する空間３４、３５の側方に配置した場合、ワークからレーザ反射光が直接メッシュ２７に当たらなくなり、反射光によるメッシュ２７の損傷を防ぐことができる。また、スパッタによる損傷（付着、孔明きなど）も軽減できる。
　なお、層流化のための整流手段として、メッシュ２７の代わりに、焼結フィルタやウレタンウールなどを使用することもできる。
　供給口２６を有するメッシュ支持体２５の周壁の外側には前記した環状のインナーガスチャンバ３１が形成されており、そのインナーガスチャンバ３１の上部には、インナーシールドガスＧ１をインナーガスチャンバ３１に流入する流入口（図３の矢印Ｓ１の先端）が設けられている。
　そして、ノズルベース９に設けられた流路（図示せず）を通ってきたインナーシールドガスＧ１は、インナーガスチャンバ３１とメッシュ２７と空間３５とを通り、インナーノズル１３の内部の空間３４を経てインナーノズル１３の先端から噴出され、ワークＷの加工部位に供給される。
　ここでは、このインナーシールドガスＧ１の流路を含む手段により第１のシールドガス供給手段Ｓ１（図３中の矢印で便宜的に示す）が構成されている。
　この場合、ノズルベース９に設けられた流路（図示せず）を通ってインナーガスチャンバ３１まで到達したインナーシールドガスＧ１の少なくとも一部は、インナーガスチャンバ３１の先端側の内面（インナーガスチャンバ３１の内底面）にぶつかって、一旦基端側に方向を変え、メッシュ２７を通る。このようにガス流れの方向が反転することで、流入口から流入するインナーシールドガスＧ１は、流入時の流体エネルギーが減衰された上で供給口２５から排出される。従って、インナーシールドガスＧ１の流速および不均一性が緩和され、その後、メッシュ２７を通過することで層流化した状態でインナーノズル１３内に導入される。
　なお、インナーガスチャンバ３１の内部にウレタンウールなどを詰めたりすることにより、流速を遅くしたり流速の不均一を是正したりするインナーガスチャンバ３１の効果をより高めることが可能である。
　また、メッシュ２７が設けられた供給口２６の総面積は、インナーノズル１３の上端開放口と下端開放口の断面積の和よりも小さくなるように設定されており、インナーノズル１３内で層流となる上限速度以下でインナーシールドガスＧ１の必要流量を供給できるようになっている。そのため、インナーノズル１３内に導入されたインナーシールドガスＧ１は、方向を変えながらインナーノズル１３の先端から噴出されても、層流状態を維持することができる。この上限速度はレイノルズ数などで計算される。
　パーテーション２９の先端には、ノズルホルダー３３と一体の円筒状の基端側インナーノズル１３Ａが連結されている。そして、基端側インナーノズル１３Ａの先端には、先が円錐状になって細くなっている筒状の先端側インナーノズル１３Ｂが接続されている。この先端側インナーノズル１３Ｂとして例えばカーボン製のものを使用すれば、スパッタの付着を抑制することができる。
　このように、インナーノズル１３は、円筒状の基端側インナーノズル１３Ａと先端側インナーノズル１３Ｂとから構成されている。そして、先端側インナーノズル１３Ｂが基端側インナーノズル１３Ａに螺合する校正となっているので、先端側インナーノズル１３Ｂを容易に交換できる。
　なお、本実施形態では、ノズルホルダー３３と基端側インナーノズル１３Ａとが一体で構成されている。つまり、ノズルホルダー３３の先端側は、インナーノズル１３の一部を形成する基端側インナーノズル１３Ａとなっている。
　中間筒状体２１は、インナーノズル１３の径よりも大きな径を有する。この中間筒状体２１は、ノズルホルダー３３の先端に設けられており、基端側インナーノズル１３Ａを覆っている。中間筒状体２１と基端側インナーノズル１３Ａとの間には、円筒状の空間２３が形成されている。
　そして、図示しない流路を通ってきたクロスジェットガスＧ３が、空間２３を通って基端側インナーノズル１３Ａを冷却し、図示しない別流路を通って、クロスジェット組立体７まで戻り、集光レンズ等の光学素子を保護するためにクロスジェットガスＧ３のエアーカーテンＧ４を生成する。
　なお、基端側インナーノズル１３Ａの外周には、大きな外径部と小さな外径部とが軸方向で交互に並んで形成されているフィン３９が設けられている。このフィン３９により、クロスジェットガスＧ３による基端側インナーノズル１３Ａの冷却効率が高められている。
　アウターノズル１５は、インナーノズル１３や中間筒状体２１の径よりも大きな径を有する。このアウターノズル１５は、ノズルホルダー３３の先端に設けられ、中間筒状体２１と基端側インナーノズル１３Ａと先端側インナーノズル１３Ｂの一部（基端側の部分）を覆っている。
　そして、図示しない流路を通ってきたアウターシールドガスＧ２が、アウターノズル１５とインナーノズル１３との間に確保された円筒状の空間１９を経由し、アウターノズル１５の先端の開口３７に設けたガスレンズ用のメッシュ２７を通過し、ワークＷの加工部位のまわりに向けて層流状態で噴出される。
　ここでは、アウターノズル１５とインナーノズル１３との間に確保された円筒状の空間１９にアウターシールドガスＧ２を供給する流路を含む手段により、第２のシールドガス供給手段Ｓ２（図３中の矢印Ｓ２）が構成されている。
　この同軸ノズル１によれば、インナーノズル１３を冷却する冷却回路１７が熱源（ワークWにおける溶接部等の加工部位）の近く設けられているので、ワークＷの加工面に対してレーザ加工用ヘッド３の同軸ノズル１を傾けて使用することでワークＷの加工面からの反射光がインナーノズル１３にあたっても、インナーノズル１３の過熱を防ぐことがきる。また、レーザ光の出力を上げたとしても、冷却水を用いることなくインナーノズル１３の過熱を防ぐことができる。さらに、インナーノズル１３が冷却されることで、熱伝導によりアウターノズル１５も冷却され過熱が防止される。
　また、この同軸ノズル１によれば、クロスジェットガスＧ３を用いてインナーノズル１３の外周を冷却するので、冷却用の媒体を新たに追加することなく、簡素な構成で同軸ノズル１を冷却することができる。また、クロスジェットガスＧ３を用いるので、同軸ノズル１の冷却にかかるランニングコストを低減することができる。
　また、この同軸ノズル１によれば、中間筒状体２１によってクロスジェットガスＧ３のみが流れる空間（インナーノズル１３を冷却するための空間）２３を形成してあるので、シールドガス（インナーシールドガス、アウターシールドガス）Ｇ１、Ｇ２の流れが乱れることがなく、ワークＷの加工部位（溶接部）においてシールドガスＧ１、Ｇ２の濃度を所望の値に保つことが容易である。
　また、この同軸ノズル１によれば、レーザ加工用ヘッド３の同軸ノズル１から発したレーザ光ＬＢが照射されるワークＷの加工部位からは、アウターノズル１５が見えないように構成されているので、レーザ光ＬＢの反射によってアウターノズル１５がダメージを受けることがなくなり、アウターノズル１５の交換が不要になる。
　なお、本実施形態では、クロスジェットガスＧ３を用いてインナーノズル１３を冷却しているが、クロスジェットガスＧ３に代えて（もしくは加えて）、冷媒（冷却水、冷却エアー）を用い、インナーノズル１３を冷却するように構成してもよい。
　また、この同軸ノズル１によれば、インナーノズル１３の内部に連通する筒状部品（メッシュ支持体２５）の周壁に、インナーノズル１３の内部の空間３４にインナーシールドガスＧ１を供給する供給口２６を設ける共に、その周壁の外側に、供給口２６と流入口とを有し流入口から流入するインナーシールドガスＧ１を、流入時の流体エネルギーを減衰させた上で供給口２６から排出するインナーガスチャンバ３１を確保している。従って、供給口２６からインナーノズル１３内に供給するインナーシールドガスＧ１の流速を落とすことができると共に流速の不均一を是正することができる。つまり、供給口２６に設けたメッシュ２７を通してインナーノズル１３の内側に供給するインナーシールドガスＧ１の流れを、安定した層流状態にすることができる。
　また、この同軸ノズル１によれば、メッシュ支持体２５の周壁に形成した供給口２６からガスレンズとしてのメッシュ２７を介してインナーシールドガスＧ１を層流状態でインナーノズル１３内に供給する。従って、レーザ光の通過するインナーノズル１３の内部やそれに連通する筒状部品（パーテーション２９）の内部を障害物のない空間として完全に空けておくことができ、レーザ光の通過を妨げることがない。
　また、この同軸ノズル１によれば、供給口２６およびメッシュ２７の通路面積が、インナーノズル１３の先端側の開口最小断面積（先端側インナーノズル１３Ｂの先端開口の断面積）と基端側の開口最小断面積（メッシュ２７より上側の例えばメッシュ支持体２５の最小径部の断面積）の和よりも小さく設定されている。従って、インナーノズル１３内で層流となる上限速度以下でインナーシールドガスＧ１の必要流量を供給できる。そのため、インナーノズル１３内に導入されたインナーシールドガスＧ１を、方向を変えながらインナーノズル１３の先端から層流状態で噴出させることができる。
　従って、大口径のインナーノズル１３を用いた場合でも、層流で高純度のシールドガスをワークＷの加工部位に供給することができる。
　また、この同軸ノズル１によれば、インナーノズル１３の内側と外側を通過するインナーシールドガスＧ１およびアウターシールドガスＧ２の流れを層流としているので、大気中の酸素の巻き込みを確実に遮断することができる。その結果、レーザ発振器やその光学系でのダメージの発生を防止すべく、ワークＷの加工面に対してレーザ加工機の同軸ノズル１を傾けて使用することで、ワークＷの加工面からの反射光が先端側インナーノズル１３Ｂに当たって先端側インナーノズル１３Ｂが過熱した場合でも、先端側インナーノズル１３Ｂの熱劣化を抑制して耐熱強度を高めることができる。
　特に、先端側インナーノズル１３Ｂをスパッタ剥離性の良いカーボン製とした場合、カーボンは、大気中では４００℃近傍で酸化し消耗や強度低下を引き起こすわけだが、シールドガスとして不活性ガスを使用することにより、カーボン部分の耐熱強度を２０００℃以上に高めることができ、先端側インナーノズル１３Ｂの寿命を延ばすことができる。
　本発明によれば、レーザ発振器やその光学系でのダメージの発生を防止すべく、ワークの加工面に対してレーザ加工機の同軸ノズルを傾けて使用することで、ワークの加工面からの反射光が同軸ノズルにあたっても、同軸ノズルが過熱することを防ぐことができるという効果を奏する。

Claims (7)

  1. 　内側をレーザ光とインナーガスとが基端側から先端側へと軸方向に沿って通過するインナーノズルと、
    　前記インナーノズルと同軸を有し、前記インナーノズルの外側に設けられたアウターノズルと、
    　前記インナーノズルを冷却する冷却回路と、
    　を有することを特徴とするレーザ加工機の同軸ノズル。
  2. 　請求項１に記載の同軸ノズルにおいて、
    　前記冷却回路は、クロスジェットガスを用いて前記インナーノズルの外周壁を冷却することを特徴とするレーザ加工機の同軸ノズル。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の同軸ノズルにおいて、
    　前記冷却回路は、前記インナーノズルと前記アウターノズルとの間に存在する筒状の空間に設けられた中間筒状体の内周壁と、前記インナーノズルの外周壁とで画成された空間部を備え、当該空間部に前記クロスジェットガスを流すことによって前記インナーノズルの外周壁を冷却することを特徴とするレーザ加工機の同軸ノズル。
  4. 　請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の同軸ノズルにおいて、
    　前記インナーノズルは、当該インナーノズルから発したレーザ光が照射されるワークの加工部位からは前記アウターノズルが見えないように構成されていることを特徴とするレーザ加工機の同軸ノズル。
  5. 　請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の同軸ノズルにおいて、
    　前記インナーノズルまたは当該インナーノズルの内部に連通する筒状部品の前記基端側に、前記インナーノズルの内側に前記インナーガスを供給する供給口が設けられ、
    　前記インナーノズルまたは筒状部品の外側には、前記インナーガスの流入口を有し、当該流入口から流入する前記インナーガスの流体エネルギーを前記先端側において減衰させた上で前記供給口から排出するインナーガスチャンバが設けられ、
    　前記供給口に、前記インナーノズルの内側に供給する前記インナーガスの流れを層流化する整流手段が設けられていることを特徴とするレーザ加工機の同軸ノズル。
  6. 　請求項５に記載の同軸ノズルにおいて、
    　前記供給口の通路面積が、前記インナーノズルの前記先端側の開口最小断面積と前記基端側の開口最小断面積の和よりも小さく設定されていることを特徴とするレーザ加工機の同軸ノズル。
  7. 　請求項２または３に記載の同軸ノズルにおいて、
    　前記インナーノズルの外周壁には、径の異なる外径部が前記軸方向に交互に並んで形成されるフィンが設けられていることを特徴とするレーザ加工機の同軸ノズル。
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