WO2018143241A1 - レーザ切断加工方法、レーザ加工装置のノズル、及び、レーザ加工装置 - Google Patents

レーザ切断加工方法、レーザ加工装置のノズル、及び、レーザ加工装置 Download PDF

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laser processing
processing apparatus
laser
assist gas
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Inventor
増田　健司
三吉　弘信
Original Assignee
株式会社アマダホールディングス
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/142—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor for the removal of by-products
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting

Definitions

  • the present invention relates to a laser cutting method, a nozzle of a laser processing machine, and a laser processing apparatus.
  • an assist gas is injected into the laser cutting position, and the dross generated during the laser cutting process (molten metal) is cut into a groove [kerf cut] ( Eject from within the cutting width [kerf width]).
  • oxygen gas is used as an assist gas.
  • the workpiece is cut using the oxidation reaction heat of iron, and a thick workpiece can be efficiently laser cut.
  • nozzle diameter of the laser processing head of the laser processing apparatus When the nozzle diameter of the laser processing head of the laser processing apparatus is large, a large amount of assist gas can be injected into the cutting groove formed by laser cutting processing. Dross generated in the cutting groove can be efficiently discharged by the assist gas injected into the cutting groove.
  • the assist gas ejected outside the groove width of the cutting groove diffuses along the workpiece surface without entering the cutting groove. Further, the assist gas diffuses not only in the region immediately under the processing point in the cutting groove (processing region) but also in the region behind the processing point in the cutting groove (already cut and heated). Therefore, an oxidation reaction occurs at the edge of the cutting groove and at the rear region in the cutting groove, and so-called “burning” (self-burning) is likely to occur.
  • the nozzle diameter When the nozzle diameter is small, the amount of assist gas that diffuses along the surface of the workpiece is small, and overburning can be suppressed. However, the amount of assist gas entering the cutting groove is reduced, making it difficult to discharge dross. Therefore, dross tends to adhere to the back surface of the workpiece.
  • Nitrogen gas may be used as assist gas. In this case, overburning can be suppressed, but the consumption of assist gas increases when the nozzle diameter is large. On the other hand, when the nozzle diameter is small, it becomes difficult to discharge the dross from the cutting groove.
  • Patent Document 1 discloses a proposal for solving the above-described problem.
  • the nozzle disclosed in Patent Document 1 has a double structure including a hollow conical sleeve (outer nozzle) surrounding a hollow conical inner nozzle.
  • the outer peripheral surface of the inner nozzle and the inner peripheral surface of the sleeve are in close contact.
  • a plurality of vertical grooves are formed on the outer peripheral surface of the inner nozzle or the inner peripheral surface of the sleeve.
  • the inside of the inner nozzle and the vertical groove communicate with each other through a passage formed in the inner nozzle. Therefore, the same assist gas is ejected from the inner nozzle and the vertical groove.
  • the assist gas is ejected from a plurality of longitudinal groove portions, so that the flow path resistance is large. Further, since the assist gas ejected from the plurality of vertical grooves has a negative pressure, the assist gas ejected from the inner nozzle tends to spread outward in the radial direction due to the negative pressure described above. As a result, it becomes difficult for the assist gas ejected from the nozzle to effectively enter the cutting groove. Therefore, when oxygen gas is used as the assist gas, it is difficult to suppress dross generation and overburning.
  • a first feature of the present invention is a laser cutting method for a metal workpiece, wherein the same assist gas is ejected from an inner nozzle and an outer nozzle having a double structure, and the assist gas is ejected conically from the outer nozzle.
  • a laser cutting method is provided, in which a laser cutting process is performed in accordance with the surface of the workpiece.
  • the periphery of the inner assist gas ejected from the inner nozzle is surrounded by the outer assist gas ejected from the outer nozzle, and the outer assist gas is supplied to the cutting end surface of the cutting portion by laser cutting processing to perform laser cutting processing. It is preferable.
  • the assist gas is oxygen gas.
  • a second feature of the present invention is a nozzle of a laser processing apparatus, an inner nozzle having a tapered hole that gradually decreases in diameter toward the tip thereof, an outer nozzle disposed outside the inner nozzle, A tapered gap between the inner peripheral surface of the outer nozzle surrounding the inner nozzle and the outer peripheral surface of the inner nozzle is formed as a continuous gap over the entire circumference. Providing a nozzle.
  • the tapered hole of the inner nozzle and the tapered gap between the inner nozzle and the outer nozzle form the same assist gas passage.
  • a straight small-diameter hole is formed at the tip of the inner nozzle.
  • the tip surface of the inner nozzle is located on the same plane as the tip surface of the outer nozzle, or is located on a plane inside the tip surface of the outer nozzle.
  • a water nozzle for cooling near the laser processing position is provided outside the outer nozzle.
  • a flange projecting radially outward is provided at the tip of the outer nozzle.
  • the assist gas ejected from the inner nozzle and the outer nozzle is oxygen gas.
  • a laser processing apparatus comprising: a laser processing head that is movable in a direction approaching / separating from a workpiece; and a nozzle that is attachable / detachable to / from the laser processing head;
  • a laser further comprising a control device for controlling the approaching movement of the machining head to the workpiece, wherein the control device comprises a distance data table for storing distance data from the tip of the nozzle to be attached / detached and replaced to the throttle portion.
  • the throttle part is formed in the assist gas ejected from the nozzle (inner nozzle and outer nozzle) of the laser processing head, and laser cutting is performed by matching the throttle part with the workpiece surface. Therefore, the assist gas can be effectively penetrated into the cutting groove and the processing region in the cutting groove. Therefore, dross in the cutting groove can be effectively discharged, and overburning can be suppressed.
  • (A) is a sectional view of the nozzle according to the first embodiment
  • (B) is a sectional view taken along line BB in (A)
  • (C) is a sectional view taken along line CC in (A). It is.
  • (A) And (B) is an expanded sectional view of the nozzle front-end
  • the laser processing apparatus M is a laser processing head that can be moved and positioned in the approach / separation direction to a metal workpiece W such as a long material such as a tube material or a plate material. 1 is provided.
  • the laser processing head 1 is provided with a nozzle 3 that is detachable / replaceable.
  • the nozzle 3 has a double structure in which an inner nozzle 5 and an outer nozzle 7 are integrally provided. More specifically, a taper hole (inner taper hole) 9 that gradually becomes smaller in diameter toward the tip is formed inside the inner nozzle 5.
  • the large-diameter base end portion 11 of the inner nozzle 5 is fitted in the large-diameter hole 13 in the base end portion of the outer nozzle 7.
  • a plurality of plane portions 15 are formed on the outer peripheral surface of the base end portion 11 of the inner nozzle 5 by so-called D-cutting. That is, a plurality of passages 17 through which the assist gas can pass are formed between the inner peripheral surface of the outer nozzle 7 and the outer peripheral surface of the inner nozzle 5 by the D cut.
  • the outer peripheral surface 19 at the tip of the inner nozzle 5 is formed with a tapered surface that gradually decreases in diameter toward the tip.
  • the tip of the inner nozzle 5 is disposed in a tapered hole (outer tapered hole) 21 of the outer nozzle 7.
  • the tapered hole 21 of the outer nozzle 7 communicates with the above-described large-diameter hole 13 and surrounds the tip (the entire circumference) of the inner nozzle 5.
  • the outer peripheral surface 19 of the inner nozzle 5 and the inner peripheral surface of the tapered hole 21 are separated from each other while maintaining an appropriate interval.
  • a tapered annular passage 23 having a small diameter toward the tip is formed between the outer peripheral surface 19 of the inner nozzle 5 and the inner peripheral surface of the tapered hole 21 of the outer nozzle 7, a tapered annular passage 23 having a small diameter toward the tip is formed. That is, the annular passage 23 is formed in a hollow conical shape that is continuous in the circumferential direction. As shown in FIG. 1C, the cross section of the annular passage 23 is formed in an annular shape that is continuous in the circumferential direction. For this reason, the cross section of the assist gas ejected from the annular passage 23 also has an annular shape that is continuous in the circumferential direction. Since the annular diameter gradually becomes smaller, the assist gas is converged on the axis of the nozzle 3. An annular intermediate chamber 20 whose cross section is continuous in the circumferential direction is formed between the plurality of passages 17 and the annular passage 23.
  • the assist gas (inside of the solid cylindrical shape [to form a solid cylindrical shape] concentric with the laser beam LB irradiated to the workpiece W from the straight [straight] small-diameter hole 25 formed at the tip of the inner nozzle 5 Assist gas).
  • an assist gas (outer assist gas) having a hollow conical shape (outer assist gas) is injected from the outer nozzle 7 (the annular passage 23 thereof). Therefore, a throttle portion [choked ⁇ ⁇ ⁇ portion] (waist portion [waist portion]) GW (see FIGS. 2A and 2B) is formed in the assist gas ejected from the nozzle 3.
  • the assist gas G When the waist portion GW of the assist gas G is aligned with the surface of the workpiece W, the assist gas G can be effectively intruded into the cutting groove WG of the workpiece W that has been laser cut. In other words, the flow rate of the assist gas G diffusing around the surface WS of the workpiece W can be reduced. Therefore, dross generated during the laser cutting process can be effectively discharged from the cutting groove WG. In addition, since the flow rate of the assist gas G diffusing along the surface WS of the workpiece W can be reduced, when the oxygen gas is used as the assist gas G, the oxidation reaction of the surface WS near the laser cutting position of the workpiece W is suppressed. can do. Therefore, the occurrence of overburning can be suppressed.
  • the front end surface 5E of the inner nozzle 5 (see FIGS. 2A and 2B) is formed on the same plane as the front end surface 7E of the outer nozzle 7.
  • the front end surface 5E of the inner nozzle 5 may be formed on a slightly inner surface (for example, about 0.5 mm) from the front end surface 7E of the outer nozzle 7. Accordingly, a negative pressure is generated at the tip surface corresponding position 27 corresponding to the tip surface 5E of the inner nozzle 5 between the assist gas ejected from the inner nozzle 5 and the assist gas ejected from the annular passage 23. Therefore, the assist gas ejected from the annular passage 23 tends to be drawn inward, and the waist portion GW can be formed more effectively.
  • the cross section of the annular passage 23 is an annular shape that is continuous over the entire circumference. Therefore, the circumferential surface of the assist gas G having an annular cross section ejected to the workpiece W forms a conical circumferential surface having a uniform gas pressure. In other words, there is no partial gas pressure level difference on the peripheral surface of the assist gas ejected to the workpiece W. Therefore, it is possible to always perform laser cutting while maintaining a good laser cutting surface regardless of the laser cutting direction of the workpiece W.
  • the assist gas G concentric with the laser beam LB ejected from the inner nozzle 5 is ejected toward the portion of the workpiece W irradiated with the laser beam LB. Therefore, when oxygen gas is used as the assist gas, it can be effectively used for burning the workpiece W.
  • oxygen gas used as the assist gas, it can be effectively used for burning the workpiece W.
  • oxygen ejected from the inner nozzle 5 is consumed near the surface WS of the workpiece W, a portion deeper from the surface WS of the workpiece W (near the back surface). The oxidation reaction tends to decrease.
  • the hollow conical oxygen gas ejected from the annular passage 23 surrounds the oxygen gas ejected from the inner nozzle 5, and is located slightly away from the irradiation position of the laser beam LB. . Therefore, the oxygen ejected from the annular passage 23 is not used much in the initial oxidation reaction at the irradiation position of the laser beam LB, and enters deeply into the cutting groove WG of the workpiece W. That is, oxygen ejected from the annular passage 23 is used for an oxidation reaction in a portion where the progress of the laser cutting process is delayed in the vicinity of the cut end portion of the cut surface by the laser cutting process. Therefore, the thick workpiece W can be effectively laser-cut.
  • laser cutting can be performed by uniformly utilizing oxidation combustion reaction heat from the front surface to the back surface (cut end surface) of the cut portion of the workpiece W. Therefore, laser cutting is performed under the same conditions over the entire cut surface of the workpiece W, and a good cut surface can be obtained over the entire cut surface.
  • the assist gas G can be effectively penetrated into the cutting groove WG, and the assist gas G can be supplied straightly to the processing region in the cutting groove WG. Therefore, not only the assist gas can be effectively supplied to the processing region in the cutting groove WG, but also the assist gas diffuses from the processing point in the cutting groove WG to the rear region (already cut and heated). It can be effectively suppressed. Therefore, even if the workpiece W is thick, the laser as an assist gas is effectively supplied from the front surface to the back surface (cut end surface) of the cut portion of the workpiece W, and the oxidation combustion reaction heat is used evenly. Can be cut. Furthermore, it is possible to suppress the occurrence of overburning due to the diffusion of oxygen as the assist gas to the rear of the cutting premises.
  • FIG. 3 shows a nozzle 3A according to the second embodiment.
  • symbol is attached
  • a plurality of cooling water holes (water nozzles) 29 through which cooling water passes are formed outside the annular passage 23.
  • the plurality of cooling water holes 29 are arranged at equal intervals on a conical surface having a smaller diameter downward.
  • a flange portion 31 that protrudes radially outward is formed at the tip of the outer nozzle 7 so that the cooling water ejected from each cooling water hole 29 is not directly injected to the laser processing position.
  • the periphery of the workpiece W at the laser cutting processing position can be cooled by ejecting cooling water from the cooling water hole 29. Therefore, when oxygen gas is used as the assist gas, an oxidation reaction caused by oxygen gas that diffuses thinly around the surface WS of the workpiece W can be suppressed.
  • the nozzle 3 (3A) is provided with a gap sensor (not shown) for detecting a gap [gap] between the tip of the nozzle 3 and the surface WS of the workpiece W.
  • the laser processing apparatus M also includes a control device 33 (see FIG. 4) that controls the approach (separation) movement of the laser processing head 1 to the workpiece W.
  • the control device 33 includes a distance data table 35 that stores distance data from the tip of the nozzle 3 (3A) to be attached / detached / replaced to the waist GW, which is experimentally obtained in advance.
  • the control device 33 also includes a Z-axis control unit 37 that controls the gap between the tip of the nozzle 3 (3A) and the surface WS of the workpiece W based on the distance data stored in the distance data table 35.
  • the X axis direction is the horizontal movement direction.
  • the Y-axis direction is a horizontal direction orthogonal to the X-axis direction.
  • the Z-axis direction is a vertical direction perpendicular to both the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • a desired nozzle 3 (3A) number or the like is input from the input device 39 to the control device 33.
  • the control device 33 acquires the gap (distance data to the waist portion GW) of the nozzle 3 (3A) from the distance data table 35. Then, the gap between the tip of the mounted nozzle 3 (3A) and the surface WS of the workpiece W is controlled based on the acquired distance data.
  • the above-described gap is maintained such that the waist portion GW of the assist gas ejected from the nozzle 3 (3A) is positioned on the surface WS of the workpiece W.
  • work W can be favorably laser-cut.

Abstract

金属製ワークをレーザ切断加工方法する際に、レーザ加工ヘッドの二重構造を有するノズルの内側ノズルと外側ノズルとから同一のアシストガスを噴出し、外側ノズルから円錐状に噴出されたアシストガスの絞り部分をワークの表面に合せてレーザ切断加工する。

Description

レーザ切断加工方法、レーザ加工装置のノズル、及び、レーザ加工装置
　本発明は、レーザ切断加工方法[laser cutting method]、レーザ加工装置[laser processing machine]のノズル、及び、レーザ加工装置に関する。
　従来、金属製ワークをレーザ切断加工する場合、レーザ切断加工位置にアシストガスを噴射して、レーザ切断加工時に生じたドロス[dross]（溶融金属[molten metal]）を切断溝[kerf cut]（切幅[kerf width]）内から排出する。ワークが例えば軟鋼等の厚板の場合にはアシストガスとして酸素ガスが使用される。この場合、鉄の酸化反応熱を利用してワークが切断加工され、厚いワークを効率よくレーザ切断加工できる。
　レーザ加工装置のレーザ加工ヘッドのノズル径が大きい場合、レーザ切断加工によって形成された切断溝内に多量のアシストガスを噴射できる。切断溝内に噴射したアシストガスによって、切断溝内に生じたドロスを能率よく排出できる。
　しかし、切断溝の溝幅の外側で噴出されたアシストガスは、切断溝内に入ることなく、ワーク表面に沿って拡散する。また、切断溝内の加工点直下領域（加工領域）だけでなく、切断溝内の加工点から後方の（既に切断されて熱を帯びている）領域にもアスシストガスは拡散する。したがって、切断溝の縁及び切断溝内の後方領域において酸化反応が生じて、いわゆる 「焼け過ぎ[burning]（セルフバーニング[self-burning]）」が生じ易い。
　ノズル径が小さい場合には、ワークの表面に沿って拡散するアシストガス量が少なく、焼け過ぎを抑制できる。しかし、切断溝内に入るアシストガス量が少なくなり、ドロスの排出が難しくなる。したがって、ワークの裏面にドロスが付着し易くなる。
　アシストガスとして窒素ガスを使用する場合もある。この場合、焼け過ぎを抑制できるが、ノズル径が大きいとアシストガスの消費量が増える。一方、ノズル径が小さい場合には、切断溝からのドロスの排出が難しくなる。
　下記特許文献１は、上述した問題を解決するための提案を開示している。
日本国特開昭６３－１７１２９０号公報（図２）
　上記特許文献１に開示されたノズルは、中空円錐状の内側ノズルを囲う中空円錐状のスリーブ（外側ノズル）からなる二重構造を備えている。内側ノズルの外周面とスリーブの内周面とは密着されている。内側ノズルの外周面又はスリーブの内周面上には、複数の縦溝が形成されている。内側ノズルの内部と縦溝とは、内側ノズルに形成された通路によって連通されている。したがって、内側ノズルと縦溝とからは同一のアシストガスが噴出される。
　上述した特許文献１に開示された構成では、複数の縦溝の部分からアシストガスが噴出されるので流路抵抗が大きい。また、複数の縦溝から噴出されたアシストガスの間は負圧になるので、内側ノズルから噴出されたアシストガスは上述した負圧に引かれて放射外方向に広がる傾向にある。この結果、ノズルから噴出されたアシストガスを切断溝内に効果的に侵入させ難くなる。したがって、アシストガスとして酸素ガスを使用した場合、ドロス発生や焼け過ぎを抑制することが難しい。
　本発明の第１の特徴は、金属製のワークのレーザ切断加工方法であって、二重構造の内側ノズルと外側ノズルから同一のアシストガスを噴出し、外側ノズルから円錐状に噴出したアシストガスの絞り部分を前記ワークの表面に合せてレーザ切断加工する、レーザ切断加工方法を提供する。
　ここで、内側ノズルから噴出した内側アシストガスの周囲を、外側ノズルから噴出した外側アシストガスによって囲み、前記外側アシストガスを、レーザ切断加工による切断部の切断端面まで供給してレーザ切断加工する、ことが好ましい。
　また、前記アシストガスが酸素ガスである、ことが好ましい。
　本発明の第２の特徴は、レーザ加工装置のノズルであって、その先端に向けて次第に小径になるテーパ孔が形成された内側ノズルと、前記内側ノズルの外側に配置された外側ノズルと、を備え、前記内側ノズルを囲む前記外側ノズルの内周面と前記内側ノズルの外周面との間のテーパ状の間隙が、全周に亘って連続した間隙として形成されている、レーザ加工装置のノズルを提供する。
　ここで、前記内側ノズルの前記テーパ孔と、前記内側ノズルと前記外側ノズルとの間のテーパ状の前記間隙は、同一アシストガスの通路を形成している、ことが好ましい。
　また、前記内側ノズルの先端に、直状の小径孔が形成されている、ことが好ましい。
　また、前記内側ノズルの先端面が、前記外側ノズルの先端面と同一平面上に位置しているか、又は、前記外側ノズルの前記先端面から内側の平面上に位置している、ことが好ましい。
　また、前記外側ノズルの外側に、レーザ加工位置付近の冷却を行う水ノズルを備えている、ことが好ましい。
　ここで、前記外側ノズルの先端に、放射外方向に張り出すフランジを備えている、ことが好ましい。
　また、前記内側ノズル及び前記外側ノズルから噴出されるアシストガスが酸素ガスである、ことが好ましい。
　本発明の第３の特徴は、レーザ加工装置であって、ワークに接近／離反方向に移動自在なレーザ加工ヘッドと、前記レーザ加工ヘッドに着脱／交換可能なノズルと、を備え、前記ノズルが、内側ノズルと外側ノズルとを備えた二重構造のノズルであり、前記外側ノズルから円錐状に噴出されたアシストガスが絞り部分を形成するよう構成されており、前記レーザ加工装置が、前記レーザ加工ヘッドの前記ワークへの接近移動を制御する制御装置をさらに備え、前記制御装置が、着脱交換されるノズルの先端から前記絞り部分までの距離データを格納する距離データテーブルを備えている、レーザ加工装置を提供する。
　上記第１～第３の特徴によれば、レーザ加工ヘッドのノズル（内側ノズル及び外側ノズル）から噴出されるアシストガスに絞り部分を形成し、絞り部分をワーク表面に合せてレーザ切断加工する。したがって、切断溝内や切断溝内の加工領域にアシストガスを効果的に侵入させることができる。よって、切断溝内のドロスを効果的に排出でき、かつ、焼け過ぎを抑制できる。
（Ａ）は第１実施形態に係るノズルの断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）中のＢ－Ｂ線断面図であり、（Ｃ）は（Ａ）中のＣ－Ｃ線断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）はレーザ切断加工状態のノズル先端部の拡大断面図である。 第２実施形態に係るノズルの断面図である。 実施形態に係るノズル加工装置の制御装置のブロック図である。
　以下、図面を参照しつつ実施形態に係るレーザ加工装置（ノズル）について説明する。レーザ加工装置の全体構成は一般的なレーザ加工装置と同様であり、公知の構成であるので、以下には特徴的な主要構成のみについて説明する。
　実施形態に係るレーザ加工装置Ｍは、図１に示されるように、例えば管材等のような長尺材や板材などの金属製ワークＷに接近／離反方向に移動されて位置決めされ得るレーザ加工ヘッド１を備えている。第１実施形態では、レーザ加工ヘッド１には、ノズル３が着脱自在／交換自在に設けられている。
　ノズル３は、内側ノズル５と外側ノズル７とを一体的に備えた二重構造を備えている。より詳細には、内側ノズル５の内部には、その先端に向けて次第に小径になるテーパ孔（内側テーパ孔）９が形成されている。内側ノズル５の大径の基端部１１は、外側ノズル７の基端部の大径孔１３に嵌合されている。図１（Ｂ）に示されるように、内側ノズル５の基端部１１の外周面上には、いわゆるＤカット[D-shaped cutting]による、複数の平面部１５が形成されている。すなわち、Ｄカットにより、外側ノズル７の内周面と内側ノズル５の外周面との間に、アシストガスが通過自在な複数の通路１７が形成される。
　内側ノズル５の先端部の外周面１９は、先端に向けて次第に小径になるテーパ面が形成されている。内側ノズル５の先端部は、外側ノズル７のテーパ孔（外側テーパ孔）２１内に配置されている。外側ノズル７のテーパ孔２１は、上述した大径孔１３と連通しており、かつ、内側ノズル５の先端部（の全周）を囲っている。内側ノズル５の外周面１９とテーパ孔２１の内周面とは、適宜間隔を保持して離隔されている。
　内側ノズル５の外周面１９と外側ノズル７のテーパ孔２１の内周面との間には、先端に向けて小径になるテーパ状の環状通路２３が形成されている。すなわち、環状通路２３は周方向に連続する中空円錐状[hollow conical shape]に形成されている。環状通路２３の断面は、図１（Ｃ）に示されるように、周方向に連続する環状に形成されている。このため、環状通路２３から噴出されたアシストガスの断面も周方向に連続する環状となる。環状の径が次第に小径になるので、アシストガスはノズル３の軸心上に収束される。なお、複数の通路１７と環状通路２３との間には、断面は周方向に連続する環状の中間チャンバ２０が形成されている。
　したがって、内側ノズル５の先端に形成された直状の[straight]小径孔２５からワークＷに照射されるレーザ光ＬＢと同心の中実円柱状[to form a solid cylindrical shape]のアシストガス（内側アシストガス）を噴出する。また、同時に、外側ノズル７（の環状通路２３）から中空円錐状[to form a hollow conical shape]のアシストガス（外側アシストガス）を噴射する。よって、ノズル３から噴出されるアシストガスには、絞り部分[choked portion]（ウエスト部[waist portion]）ＧＷ（図２（Ａ）及び図２（Ｂ）参照）が形成される。
　レーザ加工ヘッド１の中央孔１Ｈからノズル３にアシストガスを供給すると、アシストガスは、内側ノズル５内の小径孔２５、及び、内側ノズル５と外側ノズル７との間の環状通路２３からワークＷへ向けて噴出される。したがって、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示されるように、ノズル３から噴出されるアシストガスＧのウエスト部（絞り部分）ＧＷをワークＷの表面に合せて形成しつつ、レーザ切断加工を行う。
　アシストガスＧのウエスト部ＧＷをワークＷの表面に合せると、レーザ切断加工されたワークＷの切断溝ＷＧ内にアシストガスＧを効果的に侵入させることができる。換言すれば、ワークＷの表面ＷＳに沿って周囲に拡散するアシストガスＧの流量を少なくできる。したがって、レーザ切断加工時に生じたドロスを切断溝ＷＧから効果的に排出することができる。また、ワークＷの表面ＷＳに沿って拡散するアシストガスＧの流量を少なくできるので、アシストガスＧとして酸素ガスを使用する場合に、ワークＷのレーザ切断加工位置付近の表面ＷＳの酸化反応を抑制することができる。よって、焼け過ぎの発生を抑制できる。
　内側ノズル５の先端面５Ｅ（図２（Ａ）及び図２（Ｂ）参照）は、外側ノズル７の先端面７Ｅと同一平面上に形成されている。あるいは、内側ノズル５の先端面５Ｅは、外側ノズル７の先端面７Ｅから、僅かに（例えば０．５ｍｍ程度）内側の平面上に形成されてもよい。したがって、内側ノズル５から噴出されたアシストガスと環状通路２３から噴出されたアシストガスとの間の、内側ノズル５の先端面５Ｅに対応する先端面対応位置２７に負圧を生じる。よって、環状通路２３から噴出されたアシストガスは内側へ引き寄せられる傾向にあり、ウエスト部ＧＷがより効果的に形成され得る。
　また、環状通路２３の断面は、図１（Ｃ）に示されるように、全周に亘って連続する環状である。したがって、ワークＷに噴出される断面環状のアシストガスＧの周面はガス圧が均一な円錐面状の周面を形成する。換言すれば、ワークＷに噴出されるアシストガスの周面には、部分的なガス圧の高低差がない。よって、ワークＷのレーザ切断加工方向に拘わりなく常に良好なレーザ切断加工面を維持してレーザ切断加工することができる。
　また、内側ノズル５から噴出されるレーザ光ＬＢと同心のアシストガスＧは、ワークＷ上のレーザ光ＬＢが照射されている部分に向けて噴出される。したがって、アシストガスとして酸素ガスを使用する場合、ワークＷの燃焼に効果的に使用され得る。そして、酸化燃焼反応熱を利用したワークＷのレーザ切断加工では、内側ノズル５から噴出された酸素がワークＷの表面ＷＳ付近で消費されると、ワークＷの表面ＷＳから深い部分（裏面付近）での酸化反応が低下する傾向となる。
　しかし、本実施形態では、環状通路２３から噴出された中空円錐状の酸素ガスは、内側ノズル５から噴出された酸素ガスを囲んでおり、レーザ光ＬＢの照射位置から僅かに離れた位置にある。したがって、環状通路２３から噴出された酸素はレーザ光ＬＢの照射位置の初期の酸化反応にはあまり使用されず、ワークＷの切断溝ＷＧ内に深く入り込む。すなわち、環状通路２３から噴出された酸素は、レーザ切断加工による切断面の切断端部付近において、レーザ切断加工の進行が遅れる部分の酸化反応に使用される。したがって、厚いワークＷを効果的にレーザ切断加工できる。換言すれば、ワークＷが厚い場合であっても、ワークＷの切断部の表面から裏面（切断端面）に亘って酸化燃焼反応熱を均等に利用してレーザ切断加工することができる。よって、ワークＷの切断面の全体に亘って同一条件のレーザ切断加工となり、切断面の全体に亘って良好な切断面を得ることができる。
　すなわち、本実施形態によれば、アシストガスＧを切断溝ＷＧ内に効果的に侵入させることができ、かつ、アシストガスＧを直進的に切断溝ＷＧ内の加工領域に供給することができる。したがって、切断溝ＷＧ内の加工領域にアシストガスを効果的に供給できるだけでなく、切断溝ＷＧ内の加工点から後方の（既に切断されて熱を帯びている）領域にアスシストガスが拡散するのを効果的に抑制できる。よって、ワークＷが厚くても、ワークＷの切断部の表面から裏面（切断端面）に亘って、アシストガスとしての酸素を効果的に供給して、酸化燃焼反応熱を均等に利用してレーザ切断加工することができる。さらに、アシストガスとしての酸素が切断構内の後方に拡散されて焼け過ぎが発生するのを抑制できる。
　図３に、第２実施形態に係るノズル３Ａを示す。本実施形態において、第１実施形態のノズル３の構成要素と同一又は同等の構成要素には同一符号を付して、それらの重複する説明は省略する。
　本実施形態の外側ノズル７には、環状通路２３よりも外側に、冷却水を通す複数の冷却水孔（水ノズル）２９が形成されている。複数の冷却水孔２９は、下方に向けて小径になる円錐面上に等間隔に配置されている。各冷却水孔２９から噴出された冷却水がレーザ加工位置に直接噴射されないように、外側ノズル７の先端に放射外方向に張り出すフランジ部３１が形成されている。
　ノズル３Ａを使用してワークＷをレーザ切断加工するには、冷却水孔２９から冷却水を噴出することによってワークＷのレーザ切断加工位置の周辺を冷却することができる。よって、アシストガスとして酸素ガスを使用する場合、ワークＷの表面ＷＳに沿って周囲に薄く拡散する酸素ガスによる酸化反応を抑制できる。
　なお、上述したノズル３又は３Ａを使用してワークＷをレーザ切断加工する場合、ワークＷの板厚等に応じて、小径孔２５の径や環状通路２３の先端部の径が異なる各種ノズルをレーザ加工ヘッド１に装着して使用する。
　したがって、ノズル３（３Ａ）には、その先端とワークＷの表面ＷＳとの間の間隙[gap]を検出するギャップセンサ（図示省略）が設けられている。レーザ加工装置Ｍは、レーザ加工ヘッド１のワークＷへの接近（離反）移動を制御する制御装置３３（図４参照）も備えている。制御装置３３は、実験的に予め求められた、着脱／交換されるノズル３（３Ａ）の先端からウエスト部ＧＷまでの距離データを格納する距離データテーブル３５を備えている。また、制御装置３３は、距離データテーブル３５に格納された距離データに基づいて、ノズル３（３Ａ）の先端とワークＷの表面ＷＳとの間の間隙を制御するＺ軸制御部３７も備えている。なお、Ｘ軸方向は、水平移動方向である。Ｙ軸方向は、Ｘ軸方向と直交する水平方向である。Ｚ軸方向は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の両方に直角な鉛直方向である。
　したがって、レーザ加工ヘッド１にノズル３（３Ａ）を装着してワークＷをレーザ切断加工する場合、入力装置３９から、所望のノズル３（３Ａ）の番号等が制御装置３３に入力される。制御装置３３は、ノズル３（３Ａ）の番号等が入力されると、距離データテーブル３５から当該ノズル３（３Ａ）の間隙（ウエスト部ＧＷまでの距離データ）を取得する。そして、装着されたノズル３（３Ａ）の先端とワークＷの表面ＷＳとの間の間隙が、取得された距離データに基づいて制御される。すなわち、上述した間隙は、ノズル３（３Ａ）から噴出されるアシストガスのウエスト部ＧＷがワークＷの表面ＷＳに位置するように維持される。これにより、ワークＷを良好にレーザ切断加工することができる。
　日本国特許出願第２０１７－１８２３０号（２０１７年２月３日出願）の全ての内容は、ここに参照されることで本明細書に援用される。本発明の実施形態を参照することで上述のように本発明が説明されたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、請求の範囲に照らして決定される。

Claims (11)

  1. 　金属製ワークのレーザ切断加工方法であって、
    　二重構造の内側ノズルと外側ノズルから同一のアシストガスを噴出し、
    　外側ノズルから円錐状に噴出したアシストガスの絞り部分を前記ワークの表面に合せてレーザ切断加工する、レーザ切断加工方法。
  2. 　請求項１に記載のレーザ切断加工方法であって、
    　内側ノズルから噴出した内側アシストガスの周囲を、外側ノズルから噴出した外側アシストガスによって囲み、
    　前記外側アシストガスを、レーザ切断加工による切断部の切断端面まで供給してレーザ切断加工する、レーザ切断加工方法。
  3. 　請求項１又は２に記載のレーザ切断加工方法であって、
    　前記アシストガスが酸素ガスである、レーザ切断加工方法。
  4. 　レーザ加工装置のノズルであって、
    　その先端に向けて次第に小径になるテーパ孔が形成された内側ノズルと、
    　前記内側ノズルの外側に配置された外側ノズルと、を備え、
    　前記内側ノズルを囲む前記外側ノズルの内周面と前記内側ノズルの外周面との間のテーパ状の間隙が、全周に亘って連続した間隙として形成されている、レーザ加工装置のノズル。
  5. 　請求項４に記載のレーザ加工装置のノズルであって、
    　前記内側ノズルの前記テーパ孔と、前記内側ノズルと前記外側ノズルとの間のテーパ状の前記間隙は、同一アシストガスの通路を形成している、レーザ加工装置のノズル。
  6. 　請求項４又は５に記載のレーザ加工装置のノズルであって、
    　前記内側ノズルの先端に、直状の小径孔が形成されている、レーザ加工装置のノズル。
  7. 　請求項４～６の何れか一項に記載のレーザ加工装置のノズルであって、
    　前記内側ノズルの先端面が、前記外側ノズルの先端面と同一平面上に位置しているか、又は、前記外側ノズルの前記先端面から内側の平面上に位置している、レーザ加工装置のノズル。
  8. 　請求項４～７の何れか一項に記載のレーザ加工装置のノズルであって、
    　前記外側ノズルの外側に、レーザ加工位置付近の冷却を行う水ノズルを備えている、レーザ加工装置のノズル。
  9. 　請求項８に記載のレーザ加工装置のノズルであって、
    　前記外側ノズルの先端に、放射外方向に張り出すフランジを備えている、レーザ加工装置のノズル。
  10. 　請求項４～９の何れか一項に記載のレーザ加工装置のノズルであって、
    　前記内側ノズル及び前記外側ノズルから噴出されるアシストガスが酸素ガスである、レーザ加工装置のノズル。
  11. 　レーザ加工装置であって、
    　ワークに接近／離反方向に移動自在なレーザ加工ヘッドと、
    　前記レーザ加工ヘッドに着脱／交換可能なノズルと、を備え、
    　前記ノズルが、内側ノズルと外側ノズルとを備えた二重構造のノズルであり、
    　前記外側ノズルから円錐状に噴出されたアシストガスが絞り部分を形成するよう構成されており、
    　前記レーザ加工装置が、前記レーザ加工ヘッドの前記ワークへの接近移動を制御する制御装置をさらに備え、
    　前記制御装置が、着脱交換されるノズルの先端から前記絞り部分までの距離データを格納する距離データテーブルを備えている、レーザ加工装置。
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