JP5437578B2 - 材料処理用の流体ジェットを発生する方法及び装置、並びにそのような装置に使用する流体ノズル - Google Patents
材料処理用の流体ジェットを発生する方法及び装置、並びにそのような装置に使用する流体ノズル Download PDFInfo
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Description
レーザ光(laser radiation)による材料の処理は、過去数年のうちに多くの分野で確立されるようになってきた。これのさらに発展した技術形式は、水ジェット案内式レーザでの切断である(欧州特許第0762947号、国際公開特許第99/56907号)。レーザビームは、材料の処理点へ案内されるために、細い水ジェット内へ投射される。水ジェットは、光導波体のようにしてレーザビームを案内するので、ビームエネルギは、比較的長距離にわたって、水ジェットによって予め定められた断面上に集中したままになる。水ジェットのコヒーレンス長が大きいほど、すなわち、水ジェットがくずれて液滴になる時間が遅いほど、装置の作動距離の可変性が大きくなる。
本発明の目的は、冒頭に述べた技術分野に関連し、且つ非常に細い流体ジェットの場合でも、流体ジェットのジェット長さの、従来技術に比べて特に改善された十分に大きいコヒーレンス度も可能にする方法を提供することである。さらに、本発明の目的は、当該方法を実行するための装置を明記することである。
図1に示された本発明による、流体ノズル1で発生した流体ジェット5を安定させるための装置の実施形態は、ノズルと呼ばれるものとして具現されたハウジング7を有する。流体ノズル1は、ノズルブロックと呼ばれるものとして具現される。流体ジェット5、ここでは水ジェット用の流体9の供給、及び流体ジェット5内へのレーザ光10の投射についてのさらなる詳細は、ここでは示さない。これは、国際公開特許第95/32834号及び同第99/56907号に詳細に示されており、これらは参照によって本明細書に含まれると見なされるであろう。本文脈では、(図示しない)レーザが存在し、(たとえば、冒頭に述べた文献に示されているように)適当な光学系が、レーザによって発生したレーザ光を水ジェット内へ投射することができることを述べれば十分である。
・流体ジェット5の形成の直後、それは部分真空領域内であるが、適用ガスの雰囲気内にある、
・適用ガスは、流体ジェットから、当該流体に向けられていない流れ方向に、可能な最大距離をおいた位置の「ガス保持空間」に送り込まれる、
・流体ジェットの周りを回転する流れ成分を適用ガスに加えることができ、また、流れ成分を流体ジェットの流れ方向に加えることができ、両方の流れ成分は、流体ジェットの外側に加速状態で向けられる、
・流体ジェット5は、ガスが加えられた後にだけ、ガス出口ノズル23の中心を通って「大気」に入る、
・流体ノズルダクトは、その直径に比べてできる限り短く形成される、
・流体ノズルダクト入り口は、縁部をできる限り鋭くして成形される。
・流体ジェットは、流体ノズルから距離をおいて適用ガスジェットを形成するガス出口ノズルを通って案内され、流体ジェットの軸及びガスジェットの軸の両方が実質的に一致して(すなわち許容差を除いて)形成される、又は
・適用ガスは、流体ノズルから離れる流れ方向において下流側へ所定距離をおいた後でだけ、供給される、
ことを強調することが好ましい。
Claims (12)
- 被加工物(workpiece)(3)を処理する目的で、その流体ジェットによって導波体(waveguide)のようにして案内されるレーザビーム(10)を含む流体ジェット(5)を、発生する方法であって、その方法は、
a)ノズルダクト(11)を備えた流体ノズルブロックを設け、流体を該ノズルダクト(11)内に送り込むステップを含み、前記流体ジェット(5)は流体ノズル(1)で発生され、前記ノズルダクト(11)は、該ノズルダクト(11)への入り口としての孔縁部を有し、その孔縁部は半径が10マイクロメートル未満であり、
b)レーザビームを前記流体ノズルブロックの入口開口内へ焦点を合わせて該レーザビームを前記流体ジェットにカップリングさせるステップを含み、
c)前記流体ノズル(1)から下流に距離をおいて絞りガス出口ノズル(23、79)を設けるステップを含み、
d)前記流体ノズル(1、71)と前記ガス出口ノズル(23、79)との間にガス保持空間を設けるステップを含み、該ガス保持空間には、前記流体ノズルと前記ガス出口ノズルとの間に、上部から底部まで円錐状に絞られた(constrict)壁面が有り、
e)ガスをガス供給ダクト(81a、81b)を通って前記ガス保持空間に導入し、そのガスを、前記ガス出口ノズルに至る前記壁面によって該ガス出口ノズルに導き、それによって該ガス出口ノズルの下流でガス流が形成されるステップを含み、
f)前記ガス保持空間を通りかつ前記ガス出口ノズルを通って流体ジェットを案内するステップを含み、該流体ジェットは、該ガス出口ノズルに接触しないでむしろそのガス出口ノズルを自由に通過し、それによって、該流体ジェットの外側が、該ガス出口ノズルの下流で前記ガス流によって包囲される、
流体ジェットを発生する方法。 - 直径が200μm以下の前記流体ジェット(5)を発生し、また、前記ガス流(35)は、0.5mm〜2mmの直径を有することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記ガス流のガスは周囲の大気ガスより低いガス動粘度を有することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 前記ガス流を発生するガスは、前記流体ジェットに影響を与えることなく第1の流れ領域に流入すると共に、該第1の流れ領域に隣接した第2の流れ領域に偏向され、それにより、前記流体ジェットの周囲を流れ、前記第1の流れ領域及び前記第2の流れ領域間の接合部分は、前記流体ジェットから所定の半径方向距離をおいた位置にあり、前記ガスは、流体ジェットの軸を囲んで規則的な角度で配置された複数の場所で前記第1の流れ領域に送り込まれることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 第3の流れ領域内で、前記ガス出口ノズル(23)に対向する流れの方向が前記ガスに加えられ、前記第3の流れ領域内で前記流体ジェット(5)の流出方向に加速するガス流を発生させることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 被加工物(3)を処理する目的で、その流体ジェットの内部に投射されかつその流体ジェットによって導波体(waveguide)のようにして案内されるレーザビーム(10)を含む流体ジェット(5)を、発生する装置であって、該装置は、
a)ノズルダクト(11)を備えた流体ノズルブロックを設けた、前記流体ジェット(5)を発生するための流体ノズル(1)を有し、前記ノズルダクト(11)は、該ノズルダクトへのノズル入口で孔縁部を有し、該孔縁部は、半径が10マイクロメートル未満であり、
b)流体を前記流体ノズルに送り込む流体供給ラインと、
c)レーザビームを前記流体ノズルダクトの入口開口内へ焦点を合わせて該レーザビームを前記流体ジェットにカップリングさせる光学システムを有し、
d)前記流体ノズル(1)から下流に距離をおいて配置されて前記ガス流(35)を形成する絞りガス出口ノズル(23、79)を有し、
e)前記流体ノズル(1、71)と前記ガス出口ノズル(23、79)との間にガス保持空間(73、75)を有し、該ガス保持空間には、前記流体ノズルと前記ガス出口ノズルとの間に、上部から底部まで円錐状に絞られた壁面が有り、
f)前記ガスを前記壁面によって前記ガス出口ノズルに導き、それによって該ガス出口ノズルの下流でガス流が形成されるための、前記ガス保持空間に至るガス供給ダクトを有し、
g)前記流体ノズルの軸と前記ガス出口ノズルの軸とが一致していて、流体ジェットを前記ガス保持空間を通りかつ前記ガス出口ノズルを通って前記ガス流内に案内し、該流体ジェットは、該ガス出口ノズルに接触しないでむしろそのガス出口ノズルを自由に通過し、それによって、該流体ジェットの外側が、該ガス出口ノズルの下流で前記ガス流によって包囲される、
ことを特徴とする、流体ジェットを発生する装置。 - 前記流体ノズル(1、71)は、前記流体ジェット(5)が前記ガス流(35)と一緒に通過することができる円形通路を形成することを特徴とする、請求項6に記載の装置。
- 前記流体ノズル(1、71)から噴射された流体の流れの中心軸、及び前記ガス出口ノズル(35)から噴射されたガスの流れの中心軸は、一致することを特徴とする、請求項6に記載の装置。
- 前記流体ノズルは、20μm〜200μmの範囲内の直径を有し、前記ガス出口ノズルは、0.5mm〜2mmの範囲内の直径を有することを特徴とする、請求項6に記載の装置。
- 前記ガス出口ノズルは、前記流体ノズル(1)の内径の10〜20倍の大きさの内径を有することを特徴とする、請求項6に記載の装置。
- 前記ノズルダクト(11)は、該ノズルダクトの直径(d)の5倍未満である長さを有することを特徴とする、請求項6に記載の流体ノズル。
- 前記ノズルダクト(11)の前記長さ(e)、したがって前記流体ノズル(1)の厚さは、該ノズル(1)がこれに加わる流体入口圧力に耐えるような厚さに選択され、機械的安定性を強化するために、スロープ(19)が、前記ノズルダクト出口の位置で円筒形ノズルダクト内壁(17)から始まって、前記ノズルの下側で円錐の態様で外向きに進むように形成され、前記スロープ(19)は、前記ノズルダクト(11)の長手軸に対して90度〜150度の角度を成して広がるように構成されることを特徴とする、請求項11に記載の流体ノズル。
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