CN113439005B - 激光加工用喷嘴及激光加工装置 - Google Patents

Abstract

激光加工用喷嘴(7)具有凸缘部(7c)，形成为环状，且具备：第一连通孔(7e)，其将第一端部和上述第一端部的相反侧的第二端部连通；周槽部(7g)，其设于凸缘部(7c)与第二端部之间；以及多个第二连通孔(74)，其将凸缘部(7c)的第一端部侧的面(7f)和周槽部(7g)的第一端部侧的侧面(7a2)之间连通。周槽部(7g)的第二端部侧的侧面(7b2)延伸，以从第二端部侧不能目视确认多个第二连通孔(74)。

Description

激光加工用喷嘴及激光加工装置

技术领域

本发明涉及激光加工用喷嘴以及激光加工装置。

背景技术

在激光加工中，已知一种技术，一边将混合空气和冷却水而成的冷却流体以雾状向工件喷出将工件冷却，一边进行激光加工。由此，难以产生因工件的热输入过多而引起的加工不良。

在专利文献1中记载了能够将冷却流体朝向工件喷出的喷嘴。该喷嘴具有三重的喷嘴结构，且具有在中间喷嘴的前端开口的中心孔以及在中间喷嘴与外喷嘴之间设置成包围中心孔的环状的喷出孔。从中心孔射出激光以及辅助气体，从喷出孔喷出混合空气和冷却水而成的冷却流体。

进一步地，专利文献1记载的喷嘴的中间喷嘴的前端部形成为随着朝向前端而在径向上扩展的喇叭状，冷却流体以沿着中间喷嘴的前端部的外形向径向外侧扩展的方式喷出。因此，冷却流体难以绕到中间喷嘴的前端面与工件之间，基于静电电容控制的跟踪动作不易产生不良情况。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平10-328879号公报

发明内容

随着激光振荡器的大输出化，为了抑制工件的热输入过多，对工件进行冷却变得更重要，另一方面，随着光纤激光器的普及，激光的光束的小径化成为可能，辅助气体的喷出量也有减少的倾向。

因此，专利文献1记载的能够喷出冷却流体的喷嘴也被探讨将中心孔小径化，采用所谓的小径喷嘴。

然而，若将中心孔小径化，则射出辅助气体的中心孔的内壁与冷却流体的喷出孔的内壁之间的距离变大。另外，从中心孔射出的辅助气体的喷出量减少，由此冷却流体的流动难以抑制，从喷出孔喷出的冷却流体容易绕行到喷嘴的前端面与工件之间。若减小辅助气体的喷出量及压力，则冷却流体的绕行容易度变得更显著。

若冷却流体绕行到喷嘴的前端面与工件之间，则有可能产生跟踪动作不稳定、冷却流体被卷入从中心孔射出的辅助气体而使加工精度降低等激光加工中的不良情况。

因此，本公开所要解决的课题在于提供一种激光加工用喷嘴以及激光加工装置，能够喷出冷却流体，并且使激光加工中的不良情况不易产生。

根据一个或一个以上的实施方式的第一方案，提供一种激光加工用喷嘴，其具有主体部，该主体部具有凸缘部且形成为环状，上述主体部具备：第一连通孔，其将第一端部和上述第一端部的相反侧的第二端部连通；周槽部，其设于上述凸缘部与上述第二端部之间；以及多个第二连通孔，其将上述凸缘部的上述第一端部侧的面与上述周槽部的上述第一端部侧的侧面之间连通，上述周槽部的上述第二端部侧的侧面延伸，以从上述第二端部侧不能目视确认上述多个第二连通孔。

根据一个或一个以上的实施方式的第二方式，提供一种激光加工装置，其特征在于，具备：激光振荡器、辅助气体供给装置、冷却流体供给装置、以及在前端具有第一方案的激光加工用喷嘴的激光加工头，从上述第一连通孔射出从上述激光振荡器供给的激光及从上述辅助气体供给装置供给的辅助气体，从上述多个第二连通孔喷出从上述冷却流体供给装置供给的冷却流体。

根据一个或一个以上的实施方式，能够得到如下效果：能够喷出冷却流体，并且使激光加工中的不良情况不易产生。

附图说明

图1是作为本实施方式的激光加工装置的激光加工装置91的结构图。

图2是激光加工装置91具备的喷嘴7的仰视图。

图3是喷嘴7的侧视图。

图4是喷嘴7的俯视图。

图5是图4中的S5-S5位置处的纵剖视图。

图6是图4中的S6-S6位置处的纵剖视图。

图7是说明喷嘴7的主要部分的图。

图8是说明作为比较例的比较喷嘴7p的主要部分的图。

图9是说明模拟的前提条件的模型图。

图10是通过模拟得到的使用了喷嘴7的情况下的流速分布图。

图11是通过模拟得到的使用了比较喷嘴7p的情况下的流速分布图。

具体实施方式

利用喷嘴7及激光加工装置91对本实施方式的激光加工用喷嘴及激光加工装置进行说明。

图1是激光加工装置91的结构图。按照图1所示的箭头的方向规定以下的说明中的上下方向。

激光加工装置91构成为包括激光振荡器1、激光加工头2、辅助气体供给装置3、冷却流体供给装置4、头驱动装置5、工作台6以及控制装置8。

激光加工头2具有加工头主体部21、喷嘴7以及跟踪传感器部22。

加工头主体部21形成为筒状，在前端装卸自如地安装有喷嘴7。

跟踪传感器部22基于喷嘴7与工件W之间的静电电容检测喷嘴7与支撑于工作台6的工件W之间的距离即喷嘴间隙Gp。跟踪传感器部22将喷嘴间隙Gp作为跟踪信息J1输出至控制装置8。

激光振荡器1例如是光纤激光器，生成激光Ls并供给到激光加工头2。

辅助气体供给装置3向激光加工头2供给氧气或氮气等辅助气体AG。

冷却流体供给装置4向激光加工头2供给例如将水等冷却制冷剂和空气等气体混合而成的冷却流体F。

头驱动装置5使激光加工头2相对于工作台6的工件支撑面6a在平行的X轴以及Y轴这两轴方向和作为垂直的上下方向的Z轴方向、合计三轴方向上移动。

控制装置8控制激光振荡器1、辅助气体供给装置3、冷却流体供给装置4以及头驱动装置5的动作。

另外，控制装置8基于来自跟踪传感器部22的跟踪信息J控制头驱动装置5，以将喷嘴间隙Gp维持为预定值。

接着，参照图2～图6，对喷嘴7进行说明。

图2是喷嘴7的仰视图，图3是喷嘴7的侧视图，图4是喷嘴7的俯视图。另外，图5及图6分别是图4中的S5-S5位置及S6-S6位置处的剖视图。

如图5所示，喷嘴7为双喷嘴型，具有外喷嘴71和内喷嘴72。在图3～图5中，还示出了在将喷嘴7装配于激光加工头2的加工头主体部21的情况下紧贴地夹设于与加工头主体部21之间的环状的套管73。

外喷嘴71具有主体部7a、连结部7ab、前端部7b以及安装部7d。

主体部7a具有凸缘部7c、主体倾斜部7a1以及主体端面部7a2。

凸缘部7c形成为外喷嘴71的最大外径，具有被切割成平行的直线状的一对切割部7c1作为装卸时的工具的夹持部分。

主体倾斜部7a1随着从凸缘部7c朝向前端侧(下方侧)而直径变小，且呈向内侧凹的周面形状。

主体端面部7a2与主体倾斜部7a1的前端侧端部连接，且为与喷嘴7的轴线CL7正交的环状的平坦面。主体端面部7a2的小径侧端部与连结部7ab连接。

连结部7ab是具有外径D7ab的周面并在轴向上形成为长度Db的筒状部分，且将主体部7a和前端部7b沿轴线CL7方向(上下方向)连结。

前端部7b形成为圆筒状，在上端部具有：与连结部7ab连接且作为与轴线CL7正交的环状平面的对置面部7b1；以及随着从对置面部7b1的外周端朝向径向外侧而向下方倾斜的环状的倾斜面部7b2。

作为前端部7b的下表面的前端面部7b3具有与轴线CL7正交的平坦的端面。在前端面部7b3设置有为了维持喷嘴间隙Gp而与跟踪传感器部22电连接的传感器(未图示)。

在喷嘴7中，形成有连结部7ab的部分由于外径较小而成为形成于主体部7a与前端部7b之间的周槽部7g。

安装部7d形成为从凸缘部7c的上表面向上方突出的环状部位。安装部7d的外周面形成为具有外螺纹的外螺纹部7d1。

另一方面，在激光加工头2的加工头主体部21的下表面部形成有用于安装喷嘴7的内螺纹部(未图示)，通过将外螺纹部7d1螺纹固定于内螺纹部，喷嘴7能够相对于加工头主体部21装卸自如地安装。

在安装部7d的与凸缘部7c相连的根部侧形成有外径随着朝向下方而变大的倾斜面7f。即，喷嘴7具有倾斜面7f作为凸缘部7c的上表面的一部分。

外喷嘴71具有以轴线CL7为中心贯穿作为第一端部的上端部和作为第二端部的下端部的连通孔7e作为第一连通孔。

连通孔7e的上部为直线状的直孔部7e1，内喷嘴72通过压入等装配于直孔部7e1。

连通孔7e随着从直孔部7e1朝向下方，直径以台阶状变小，进一步地经由内径连续变小的节流孔部7e2到达最小内径的喷嘴直径Nφ的出口孔7e3，并在前端面部7b3开口。

如图4所示，在内喷嘴72的外周面形成有多个与轴线CL7平行的平面状的切割部72b。由切割部72b和直孔部7e1形成了如图5所示那样的成为上下连通的连通路的空间Vb。

如图5所示，内喷嘴72具有以轴线CL7为中心的贯通孔72a。贯通孔72a的下端在外喷嘴71的节流孔部7e2内的空间Vc开口。

在喷嘴7装配于激光加工头2的加工头主体部21的状态下，轴线CL7与激光Ls的光轴CLs一致。

即，从加工头主体部21侧射入到喷嘴7的激光Ls穿过贯通孔72a内的空间Va，经由空间Vc从出口孔7e3向外部空间Vg射出。

从辅助气体供给装置3供给到激光加工头2的加工头主体部21的辅助气体AG穿过作为连通路的空间Vb，经由空间Vc从出口孔7e3向外部空间Vg射出。

如图4～图6所示，外喷嘴71具有多个使冷却流体F喷出的连通孔74作为第二连通孔。在该例子中，在周向上以30°的角度间距形成有12个连通孔74。

连通孔74具有成为入口侧的入口开口部74a、成为出口侧的出口开口部74c、以及将入口开口部74a和出口开口部74c相连的直线状的通路部74b。

多个第二连通孔各自的出口开口部74c形成为中心位于以轴线CL7为中心的预定直径的圆上的同形状的大致椭圆的孔。

入口开口部74a在外喷嘴71的倾斜面7f开口。

如图4所示，在俯视下，通路部74b具有相对于喷嘴7的直径隔开距离Da且平行的轴线。如图6所示，在纵截面中，通路部74b以随着朝向下方而以角度θb接近轴线CL7的方式倾斜地延伸。

出口开口部74c在主体部7a的主体端面部7a2开口。连通孔74从入口开口部74a通过钻头穿通设置，在图3及图6中示出了连结部7ab的一部分被钻头的前端削除形成入口开口部74a的状态。

如图4所示，在俯视下，入口开口部74a的整个开口可被目视确认。

另一方面，如图2所示，出口开口部74c在仰视下被前端部7b覆盖而不能目视确认。即，如图2及图5所示，前端部7b的倾斜面部7b2设定为外径(直径)D7b比在图2中用虚线表示的出口开口部74c的外切圆的直径D74c大地延伸。在图2中，直径D74c用虚线示出。

从冷却流体供给装置4供给来的冷却流体F流入连通孔74的入口开口部74a。流入的冷却流体F穿过通路部74b从出口开口部74c向外部喷出。

在此，如图4所示，通路部74b以直线状形成于从轴线CL7偏离了距离Da的位置。因此，如图2所示，在从下方观察的情况下，从出口开口部74c喷出的冷却流体F不沿穿过轴线CL7的径向，而是向绕轴线CL7的一方向(右旋方向)偏移地向径向外侧喷出。

另外，如图6所示，在出口开口部74c的正下方存在前端部7b的对置面部7b1及倾斜面部7b2。由此，从出口开口部74c喷出的冷却流体F不能原样地直接以到达工件W的方式继续向下流动，而是抵碰于对置面部7b1及倾斜面部7b2。之后，由于存在连结部7ab，冷却流体F不能朝向径向内侧，而是朝向径向外侧移动，并沿着倾斜面部7b2的倾斜向斜下方喷出。

如上所述，喷嘴7的出口开口部74c在仰视下被前端部7b遮挡而看不到。因此，从出口开口部74c喷出的冷却流体F在喷出后不会原样地下降而到达工件W。

由此，从出口开口部74c喷出的冷却流体F绕到喷嘴7的前端面部7b3侧而使跟踪动作变得不稳定、或者加工精度降低等激光加工中的不良情况不易产生。

如图5所示，倾斜面部7b2的倾斜角度θa为67.5°以上的较大的角度，使从出口开口部74c喷出的冷却流体F不会以直接到达工件W的方式向下流动，而是向径向外方转向。

由此，从出口开口部74c喷出的冷却流体F更加难以回绕到喷嘴7的前端面部7b3侧，冷却流体F混入从出口孔7e3喷出的辅助气体AG而使加工精度降低等不良情况发生的可能性进一步降低。

接着，对验证上述的喷嘴7的冷却流体F向前端面部7b3侧的回绕难度的模拟的结果进行说明。首先，参照图7～图9，对模拟进行说明。

图7及图8是用于说明在模拟中使用的本实施方式的喷嘴7以及比较例的比较喷嘴7p的形状的图。另外，图9是用于模拟利用喷嘴7以及比较喷嘴7p切割厚度t的板材的状态的模型图。

如图9所示，该模拟将利用喷嘴7以及比较喷嘴7p对板材进行激光切割的中途的切割正面93作为基本设定，通过计算求出在切割正面93的附近的辅助气体AG以及冷却流体F的流速分布并将其显示。

图7表示本实施方式的喷嘴7的纵剖视图和表示主要部分A的详细情况的局部剖视图。图8表示比较喷嘴7p的纵剖视图和表示主要部分Ap的详细情况的局部剖视图。

在喷嘴7中，将前端部7b的最大外径设为半径R1，将半径R2设为喷出冷却流体F的出口开口部74c的外切圆的半径。

半径R1及半径R2分别对应于图2所示的直径D7b及直径D74c的半径。

将相当于喷嘴7的倾斜面部7b2相对于轴线CL7的下角的角度设为倾斜角度θa，将出口开口部74c开口的主体端面部7a2及倾斜面部7b2各自的外缘部的上下方向距离设为距离Dc。

在比较喷嘴7p中，也与喷嘴7同样地将前端部7bp的最大外径设为半径R1p。将半径R2p设为喷出冷却流体F的出口开口部74c的最大开口半径。

将相当于比较喷嘴7p的倾斜面部7b2p相对于轴线CL7p的下角的角度设为倾斜角度θap，将出口开口部74c开口的主体端面部7a2p及倾斜面部7b2p各自的外缘部的上下方向距离设为距离Dcp。

具体而言，以如下的值执行模拟。

喷嘴7(比较喷嘴7p)

半径R1：5mm，(半径R1p：3.75mm)

半径R2：4.1mm，(半径R2p：4.2mm)

倾斜角度θa：67.5°，(倾斜角度θap：45°)

距离Dc：1.25mm，(距离Dcp：1.7mm)

连通孔74的通路部74b的内径D74b：1.0mm。

图9是模拟中使用的切割部的模型图。图9(a)是从上方观察工件Ws的切割中途的切割部分的图。

在图9(a)中，将切口Kf的宽度设为宽度Df，将切割正面93设为半径Rs1的圆弧状。

图9(b)是在切口的宽度方向中央位置切割而得到的剖视图。

如图9(b)所示，相对于工件Ws的板厚t，将切割正面93设定为上下方向，将工件Ws的从具下表面距离t1的位置向下侧作为延迟部93a定义为半径Rs2的圆弧状。切口Kf的侧壁为切口侧壁92。

在模拟中，针对该切割部的模型，如下设定各值，并进行计算。

板厚t：25mm

距离t1：10mm

宽度Df：1.0mm

半径Rs1：0.5mm

半径Rs2：10mm

喷嘴间隙Gp：0.7mm

辅助气体压力：0.12MPa

冷却流体压力：0.3MPa

喷嘴直径Nφ：1.4mm

就模拟的结果而言，关于喷嘴7，得到图10的结果。另外，关于比较例的比较喷嘴7p，得到图11的结果。

在任一情况下，均将流速分为高速区域、中速区域、低速区域这三个阶段进行评价，对于图10和图11，也基于该分类标注剖面线而示意性地记载。各区域为：

高速区域Fa(剖面线密)：140～209m/s；

中速区域Fb(剖面线粗)：70～140m/s；

低速区域Fc(素色)：＜70m/s。

如图10所示，可知，在本实施方式的喷嘴7的情况下，从喷嘴7的中心射出的辅助气体AG的流保持大致高速区域Fa的状态沿包含延迟部93a的切割正面93流动。

另一方面，向径向外方喷出的冷却流体F的流是如下流：在刚喷出后为高速区域Fa，之后成为中速区域Fb，且在大致比喷嘴7的前端部7b靠外侧的区域到达工件Ws的上表面。因此，可以确认喷嘴7与工件Ws之间为低速区域Fc，几乎没有冷却流体F的回绕。

由此，根据喷嘴7，冷却流体F不会回绕到喷嘴7与工件Ws之间，而是可靠地到达工件Ws。因此可知，工件Ws被冷却流体F冷却，另一方面，跟踪动作不会变得不稳定，不会对辅助气体AG的流动产生影响，因此激光加工不会产生不良情况。

另一方面，如图11所示，可以确认，在比较例的比较喷嘴7p的情况下，虽然从比较喷嘴7p的中心射出的辅助气体AG的流为高速区域Fa，但流的方向不沿切割正面93，而是在切口Kf内向与加工方向相反的侧(图11的右侧)偏移地流动。

另外，可以确认，向径向外侧喷出的冷却流体F的流自喷出后起，在维持高速区域Fa的状态下到达工件Ws，到达位置接近比较喷嘴7p的中心，进一步地，高速区域Fa回绕进入比较喷嘴7p与工件Ws之间。

即，可知，在比较喷嘴7p中，辅助气体AG未有效地作用于切割正面93的熔融，在激光加工中产生不良情况，使跟踪动作也变得不稳定的可能性高。

在模拟中，考虑到喷嘴7中的倾斜面部7b2的倾斜角度θa为67.5°，比较喷嘴7p的倾斜面部7b2p的倾斜角度θap为45°，则倾斜角度θa至少为67.5°以上即可。

根据以上的模拟结果确认到，本实施方式的喷嘴7能够喷出冷却流体F，并且使激光加工中的不良情况不易产生。

进一步地，如上所述地将喷嘴7的半径R1、倾斜角度θa、距离Dc这三个项目分别设为5mm、67.5°、1.25mm，将这三个项目中的两个固定而改变一个，通过模拟探讨冷却流体F的流速。

其结果，在仅使半径R1变化的情况下，确认了，在半径R1与半径R2一致的4.1mm以下时，向喷嘴前端与工件之间的卷入变得显著，因此若半径R1为超过半径R2的值，则卷入充分减少，较为良好。

另外，确认了，当半径R1大到某程度时，朝向径向外方的流变弱，因此若半径R1相对于半径R2超过1倍且为1.3倍以下，则较为良好。

在仅使距离Dc变化的情况下，确认了，在为与通路部74b的内径D74b相同的1.00mm以下时，冷却流体F的出口的间隙小，冷却流体F难以向径向外侧流动。

另一方面，确认了，在距离Dc为2.00mm以上时，在径向外方以外也产生卷入喷嘴与工件之间的流。

即，确认了，若距离Dc超过作为通路部74b的内径D74b的1倍的1.00mm，且小于内径D74b的2倍的2.00mm，则较为良好。另外，确认了，若距离Dc在内径D74b的1.15倍的1.15mm以上且内径D74b的1.75倍的1.75mm以下的范围内，则能够充分得到向径向外侧的流，且也不存在向喷嘴与工件之间的卷入，能够得到特别良好的流。

在仅使倾斜角度θa变化的情况下，确认了，在倾斜角度θa为45°以下时，产生向下的流，难以产生向径向外侧的流。

另一方面，确认了，在倾斜角度θa为82.5°以上时，只要是卷入喷嘴的前端的流，不产生向径向外侧的流。

即，确认了，若倾斜角度θa超过45°且小于82.5°，则较为良好。另外，确认了，若倾斜角度θa特别是处于52.5°以上且小于75°的范围，则能够充分得到向径向外侧的流，并且也不存在向喷嘴与工件之间的卷入，可得到特别良好的流。

本实施方式不限定于上述的结构，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行变形。

多个出口开口部74c并不限定于开口形状以及内径(长径)全部相同，也可以包含开口形状以及内径(长径)的至少一方不同的出口开口部。

在该情况下，作为外切圆说明的直径D74c是径向的开口位置最大的出口开口部74c的外切圆的直径。

冷却流体只要是使气体和液体混合而成的混合体，就不限定于空气与水的混合体。激光振荡器1并不限定于光纤激光器，也可以是其它方式的激光器。

虽然将喷嘴7作为具有外喷嘴71和内喷嘴72的双喷嘴型进行了说明，但并不限定于双喷嘴，也可以是单喷嘴型或三喷嘴型。

本申请的公开涉及2019年2月15日申请的日本特愿2019-025864号记载的主题，其全部公开内容通过引用被并入本文。

Claims (5)

1.一种激光加工用喷嘴，其特征在于，

具有主体部，该主体部具有凸缘部且形成为环状，

上述主体部具备：

第一连通孔，其将作为上述喷嘴的上端部的第一端部和上述第一端部的相反侧的作为上述喷嘴的下端部的第二端部连通；

周槽部，其设于上述凸缘部与上述第二端部之间；以及

多个第二连通孔，其将上述凸缘部的上述第一端部侧的面与上述周槽部的上述第一端部侧的侧面之间连通，

上述周槽部的上述第二端部侧的侧面延伸，以从上述第二端部侧不能目视确认上述多个第二连通孔，

上述周槽部的上述第二端部侧的侧面包括随着朝向外方而朝向上述第二端部侧的倾斜面。

2.根据权利要求1所述的激光加工用喷嘴，其特征在于，

上述倾斜面形成为相当于在包含轴线的纵剖面中与上述轴线所成的下角的角度超过45°且小于82.5°的面。

3.根据权利要求1或2所述的激光加工用喷嘴，其特征在于，

上述周槽部中的上述第二端部侧的侧面的外径比上述多个第二连通孔的外切圆的直径大。

4.根据权利要求3所述的激光加工用喷嘴，其特征在于，

上述周槽部中的上述第一端部侧的侧面与上述第二端部侧的侧面的在外缘部处的轴向距离超过上述第二连通孔的内径的1倍且小于2倍。

5.一种激光加工装置，其特征在于，

具备：激光振荡器、辅助气体供给装置、冷却流体供给装置、以及在前端具有权利要求1～4中任一项记载的激光加工用喷嘴的激光加工头，

从上述第一连通孔射出从上述激光振荡器供给的激光及从上述辅助气体供给装置供给的辅助气体，

从上述多个第二连通孔喷出从上述冷却流体供给装置供给的冷却流体。

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