JP5039757B2 - レーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッドに係り、さらに詳細には、超音速で噴出したアシストガスの周囲に亜音速でアシストガスを噴出する二重構造のノズルを備えたレーザ加工ヘッドに関する。

従来、レーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッドの先端部に装着して使用されるノズルとして、図５に示すごとき構成のノズル５１が使用されている。このノズル５１は、コニカル・シリンドカル・ノズル（以下、ＣＣＮと称す）と称されるものであって、内部に形成したテーパ孔５１Ｔの先端部にストレート部５１Ｓを備えた構成である。このＣＣＮにおいては、板状のワークの表面とノズル先端との間隔を約０．１mm〜０．２mmに保持してレーザ加工を行う必要がある。そして、このＣＣＮにおいては、加工を阻害するプラズマの発生や、ノズルの寿命が短いなどの問題があった。

そこで、上記ＣＣＮの問題点を解消するために、図６に示すごとき構成のノズル６１（スーパーソニック・ノズル、以下、ＳＳＮと称す）が開発されている。このノズル６１は、アシストガスを超音速で噴出する超音速ノズルである。この超音速ノズル６１は、アシストガスを超音速で噴出することができるので、ワーク表面とノズル先端の間隔を大きく保持してレーザ加工を行うことができ、前記ＣＣＮの問題点を解消することができる。

しかし、アシストガスの噴流が超音速の層流であるため、図７に示すように、ノズル６１の出口６３の口元から斜め衝撃波６５が発生する。そして、ワーク表面では、吹き付けられる超音速流とワーク表面からの跳ね返り噴流とが干渉してできる衝撃波６７がドーム形状に発生する。上述のように、ノズル６１の出口６３の口元からの斜め衝撃波６５と、ワーク表面へ噴射される超音速流とワーク表面からの反射流との干渉による衝撃波６７とが互いに干渉する領域（例えば、ワーク表面から４mm位の高さの範囲）においてアシストガスの噴流が不安定になり、切断品質の大幅な低下や、加工不能の現象を起こすことがあった。

すなわち、従来の前記ノズル５１（ＣＣＮ）と超音速ノズルとしての前記ノズル６１（ＳＳＮ）からワーク表面へそれぞれアシストガスを噴射して、ワーク表面上の衝撃圧力（ノズル噴流圧力）を測定したところ、図８に示すように、従来のノズル５１の場合には、ワーク表面との間隔が大きくなるに従って前記衝撃圧力が低下するのに対し、超音速ノズル６１においては、ワーク表面との間隔が大きくなった場合であっても前記衝撃圧力が大きく低下することはないが、図８に示すように、衝撃波の干渉により圧力変動が大きく安定しないものであった。

また、厚板のレーザ切断加工を行うとき、切断した加工溝内で、レーザ光線による切断位置からのアシストガスの流れの剥離を生じることがあり、加工表面粗さの品質低下を来すことがある。

なお、本発明に関係するとと思われる先行文献として特許文献１〜３がある。

特表平７−５０３９０４号公報 特開平８−１０８２８８号公報 特開平１０−１２８５７１号公報

前記特許文献１に記載の構成においては、レーザビームをワークに照射する加工ヘッドの、ワークに対する相対的な進行方向の後側にアシストガスを超音速のジェットとして供給する供給装置を備えた構成である。この構成においては、切断加工方向を変更する毎に前記供給装置の位置を変更する必要があるものであり、構成が複雑になるものである。

前記特許文献１、２にはノズルを二重にした構成が記載されているが、アシストガスを超音速で噴出する構成ではない。すなわち、超音速ノズルの問題点を解消しようとするものではない。

本発明は、前述したごとき従来の超音速ノズルの問題に鑑みてなされたもので、レーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッドであって、集光レンズによって集光されたレーザビームを外部へ照射するレーザ加工ヘッドにおけるヘッド本体の先端部に、アシストガスを超音速で噴出するためにラバールノズルから構成してあるインナーノズルを備え、当該インナーノズルの外側に、レーザ加工面からのアシストガスの超音速流の剥離現象を抑制するために、当該インナーノズルから噴出される超音速のアシストガスの周囲に亜音速でアシストガスを噴出するためのアウターノズルを備えていることを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッドにおいて、前記インナーノズルの先端部よりも前記アウターノズルの先端部の方が突出してあり、かつ、前記インナーノズルの先端部分の外周面と前記アウターノズルのノズル孔の内周面との間に環状ノズル孔が形成してあり、前記インナーノズルに対してアウターノズルを相対的に調節可能かつ着脱交換可能に備えていることを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッドにおいて、前記インナーノズル及び前記アウターノズルは、前記ヘッド本体の内部に連通してあることを特徴とするものである。

本発明によれば、アシストガスを超音速で噴出するインナーノズルの外側に、超音速で噴出されるアシストガスの周囲に亜音速でアシストガスを噴出するアウターノズルを備えた構成であるから、ワークに形成された加工溝内にはアシストガスの超音速の層流が存在し、ワークに対するレーザ加工の進行方向の後側であって前記加工溝内には、亜音速のアシストガスの流れが存在する。したがって、アシストガスの超音速流がレーザ光による切断位置から剥離する傾向にある場合であっても、前記亜音速のアシストガスの流れが前記剥離を抑制することとなり、厚板のレーザ切断においての切断品質の向上を図ることができるものである。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッドを概念的、概略的に示した説明図である。 レーザ加工ヘッドに備えたノズルの構成を示す断面説明図である。 レーザ切断部の説明図である。 ノズルと切断面の表面粗さの関係を示した説明図である。 従来の一般的なノズルの断面説明図である。 従来の超音速ノズルの断面説明図である。 超音波ノズルにおける衝撃波の説明図である。 一般的な従来のノズルと超音波ノズルとにおいての材料表面上の距離（間隔）と衝撃圧力との変化を示す説明図である。

図１に概念的、概略的に示すように、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置１は、一般的なレーザ加工装置と同様に、板状のワークＷに対して相対的に互に直交するＸ，Ｙ軸方向へ移動自在なレーザ加工ヘッド３を備えており、このレーザ加工ヘッド３におけるヘッド本体５の内部５Ａには、レーザ発振器（図示省略）から発振されたレーザ光線ＬＢを先端側（下方向）へ反射する反射ミラー７が備えられていると共に、反射ミラー７によって先端側方向へ屈折されたレーザ光線ＬＢの集光を行う集光レンズ９が備えられている。

前記ヘッド本体５の先端部には、前記集光レンズ９によって集光されたレーザ光線をワークＷに対して照射すると共に、前記ヘッド本体５に接続したアシストガス供給部１１から内部５Ａへ供給されたアシストガスを、前記レーザ光線と同軸上において超音速のガスジェットとして噴出する超音速噴出ノズル１３を備えている。当該超音速噴出ノズル１３は、前記アシストガス供給部１１からヘッド本体５の内部に供給されたアシストガスを超音速層流として噴出するラバールノズルからなるインナーノズル１５を備えており、このインナーノズル１５の外側には、前記ヘッド本体５の内部へ供給されたアシストガスの一部を亜音速で噴出するためのアウターノズル１７が備えられている。

前記超音速噴出ノズル１３におけるインナーノズル１５は、従来のラバールノズルと同様の構成であるから、インナーノズル１５の構成についての詳細な説明は省略する。上記インナーノズル１５は、前記ヘッド本体５の先端部（下端部）に着脱可能に取付けてある。そして、前記インナーノズル１５と同心に設けた前記アウターノズル１７は、前記インナーノズル１５に対してインナーノズルの軸方向（図２において上下方向）へ調節可能に嵌合してある。

前記インナーノズル１５の周面には、前記ヘッド本体５の内部５Ａのアシストガスを前記アウターノズル１７のノズル孔１９へ導くために、周方向へ適宜間隔に複数のガス通路２１としての溝が当該インナーノズル１５の軸心と平行に形成してある。前記アウターノズル１７における前記ノズル孔１９の径は、前記インナーノズル１５におけるノズル先端部分２３の外径よりも大きく形成してある。そして、前記アウターノズル１７の先端部１７Ｅは、前記インナーノズル１５の先端部１５ＥよりもワークＷの方向へ突出してあり、前記インナーノズル１５の先端部分２３の外周面と前記ノズル孔１９の内周面との間には環状ノズル孔２５が形成してある。

したがって、インナーノズル１５における先端部１５Ｅからアシストガスを超音速で噴出すると、図３に示すように、この超音速流領域２７Ａの周囲に、前記環状ノズル孔２５からアシストガスが亜音速で噴出されるものである。換言すれば、超音速噴出ノズル１３から噴出されるアシストガスの中心部は超音速流２７の超音速流領域２７Ａであり、その周囲は亜音速流２９の亜音速流領域２９Ａであって、二重構造の噴流である。

前記構成において、集光レンズ９によって集光されたレーザ光線ＬＢをワークＷに照射すると共に超音速噴出ノズル１３からアシストガスを超音速で噴出（噴射）すると、レーザ光線ＬＢとインナーノズル１５は同軸であるから、前記レーザ光線ＬＢによるレーザ加工部には、超音速流２７のアシストガスが直接噴射され、その周囲に亜音速流２９のアシストガスが噴射されることになる。そして、超音速流２７の超音速流領域２７Ａは、亜音速流２９の亜音速流領域２９Ａによって囲繞された態様である。

前述のごとく、インナーノズル１５からワークＷへ超音速流２７のアシストガスを噴射すると、従来と同様にワークＷの表面上の圧力は不安定になる傾向にあるが、アシストガスの超音速流２７の周囲にアシストガスの亜音速流２９が存在することにより、この亜音速のガス流が一種のシールドガスの機能を奏し、超音速のガス流の前記不安定化を抑制するものである。そして、レーザ光線ＬＢをワークＷに照射してレーザ切断加工が進行しつつあるレーザ加工面（切断加工面）３１の下部側からアシストガスの超音速流２７が剥離を生じる傾向にある場合であっても、亜音速流２９の一部がワークＷの加工溝３３内に直接流入して前記剥離を抑制するので、前記超音速流２７の前記剥離現象を効果的に抑制することができるものである。

したがって、インナーノズル１５から噴出される超音速流２７のアシストガスを、レーザビームＬＢをワークＷに照射してレーザ加工しつつあるレーザ加工面３１へ常に効果的に作用させることができ、レーザ加工時に生じたドロス等を効果的に吹き飛ばすことができるものである。よって、厚板のレーザ切断加工においての切断品質の向上を図ることができるものである。

なお、従来のノズル５１、超音速用のノズル６１と本実施形態に係る超音速噴出ノズル１３とを使用し、同一条件でもってワークＷのレーザ切断を行ったときの表面粗さは、図４に示すように、ワークＷの下面側での表面粗さが約５０％向上し良好であることを確認できた。

ところで、本発明は、前述したごとき実施形態のみに限るものではなく、適宜の変更を行うことにより、その他の形態でもって実施可能である。例えばガス通路２１を、アウターノズル１７の内周面に形成することも可能である。また、上記ガス通路２１を螺旋形状に形成して、アシストガスの亜音速流２９を螺旋状の流れとすることも可能である。

１ レーザ加工装置
３ レーザ加工ヘッド
５ ヘッド本体
５Ａ 内部
７ 反射ミラー
９ 集光レンズ
１１ アシストガス供給部
１３ 超音速噴出ノズル
１５ インナーノズル （ラバールノズル）
１５Ｅ インナーノズル先端部
１７ アウターノズル
１７Ｅ アウターノズル先端部
１９ ノズル孔
２１ ガス通路
２３ ノズル先端部分
２５ 環状ノズル孔
２７ 超音速流
２９ 亜音速流
３１ レーザ加工面
３３ 加工溝

Claims (3)

1. レーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッドであって、集光レンズによって集光されたレーザビームを外部へ照射するレーザ加工ヘッドにおけるヘッド本体の先端部に、アシストガスを超音速で噴出するためにラバールノズルから構成してあるインナーノズルを備え、当該インナーノズルの外側に、レーザ加工面からのアシストガスの超音速流の剥離現象を抑制するために、当該インナーノズルから噴出される超音速のアシストガスの周囲に亜音速でアシストガスを噴出するためのアウターノズルを備えていることを特徴とするレーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッド。
2. 請求項１に記載のレーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッドにおいて、前記インナーノズルの先端部よりも前記アウターノズルの先端部の方が突出してあり、かつ、前記インナーノズルの先端部分の外周面と前記アウターノズルのノズル孔の内周面との間に環状ノズル孔が形成してあり、前記インナーノズルに対してアウターノズルを相対的に調節可能かつ着脱交換可能に備えていることを特徴とするレーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッド。
3. 請求項１又は２に記載のレーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッドにおいて、前記インナーノズル及び前記アウターノズルは、前記ヘッド本体の内部に連通してあることを特徴とするレーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッド。

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