WO2020213051A1

WO2020213051A1 - 金属造形用シールドガスノズル、及びレーザ金属造形装置

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Publication number: WO2020213051A1
Application number: PCT/JP2019/016281
Authority: WO
Inventors: 善和中野; 英隆加藤木; 澤井　章能
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2019-04-16
Filing date: 2019-04-16
Publication date: 2020-10-22
Also published as: CN113677475B; JP6631767B1; US20220088712A1; JPWO2020213051A1; DE112019007022B4; US11311970B2; DE112019007022T5; CN113677475A

Abstract

金属造形用シールドガスノズル（７０）は、母材面に対して傾斜角θの角度でワイヤ（２）を送給する経路であるワイヤ送給ライン（７２）と、傾斜角θ以下の角度でシールドガスを噴出する第１のガス噴出孔（７５）と、第１のガス噴出孔（７５）の噴出方向とは異なる方向からシールドガスを噴出する第２のガス噴出孔（７６）と、を備える。ワイヤ送給方向（８１）、第１のガス噴出孔（７５）の中心軸方向（８２）、及び第２のガス噴出孔（７６）の中心軸方向（８３）が交差する交差点（Ｐ）を有し、第１のガス噴出孔（７５）は、母材面に対して垂直方向から見た場合のワイヤ送給方向（８１）に対する角度の絶対値が９０度より小さい角度の方向から、交差点（Ｐ）に向けて噴出し、第２のガス噴出孔（７６）は、母材面に対して垂直方向から見た場合のワイヤ送給方向（８１）に対する角度の絶対値が９０度より大きい角度の方向から交差点（Ｐ）に向けて噴出する。

Description

金属造形用シールドガスノズル、及びレーザ金属造形装置

　この発明は、レーザ金属造形に使用する金属造形用シールドガスノズル、及びレーザ金属造形装置に関するものである。

　レーザ金属造形は、エネルギ密度の高いレーザ光を熱源として金属の造形材料を溶融させ、加工領域に溶融した造形材料からなるビードを形成する技術で、ワイヤ状の造形材料（以下、単に「ワイヤ」と言う）を使用してレーザ金属造形を行う装置がある。加工領域とは、ワイヤを加熱溶融して新たにビードが積層される領域で、母材面、又は既に積層されたビード上に加工領域を形成する。大気雰囲気中で造形材料を加熱溶融して加工領域にビードを形成すると、加熱溶融したときの熱と大気に含まれる酸素によってビードや母材が酸化してしまうため、加工領域やその近傍に、酸化を防止するシールドガスを供給する。シールドガスとしては、例えば、アルゴン（Ａｒ）や窒素（Ｎ_２）といった不活性ガスをガスノズルから噴出させることによって、ビードや母材を冷却するとともに加工領域やその近傍の大気を遮蔽しながら、金属造形を行うのが一般的である。こうすることによって、ビードや母材を酸化防止することができる。特許文献１に同様の技術が開示されている。

特開２０１０－１７２９４１号公報

　シールドガスを供給する軸方向であるシールドガス供給軸とワイヤを送給する軸方向であるワイヤ送給軸とが非同軸の場合、シールドガスの供給方向から見てワイヤの陰になる位置の加工領域（以下、「陰領域」という）には、ワイヤによってシールドガスが遮られシールドガスの供給が妨げられるので、酸化防止が困難となるという課題があった。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ワイヤを使用してレーザ金属造形を行う際に、ビードや母材の酸化を防止することを可能とする金属造形用シールドガスノズルを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の金属造形用シールドガスノズルは、母材面に対して傾斜角θの角度でワイヤを送給する経路であるワイヤ送給ラインと、母材面に対して前記傾斜角θ以下の角度でビードの酸化を防止するシールドガスを噴出する第１のガス噴出孔と、第１のガス噴出孔の噴出方向とは異なる方向からシールドガスを噴出する第２のガス噴出孔と、を備える。金属造形用シールドガスノズルは、第１のガス噴出孔、及び第２のガス噴出孔よりも低い位置に、ワイヤを送給する方向であるワイヤ送給方向、第１のガス噴出孔の中心軸方向、及び第２のガス噴出孔の中心軸方向が交差する交差点を有する。第１のガス噴出孔は、母材面に対して垂直方向から見た場合のワイヤ送給方向に対する角度の絶対値が９０度より小さい角度の方向から交差点に向けてシールドガスを噴出し、第２のガス噴出孔は、母材面に対して垂直方向から見た場合のワイヤ送給方向に対する角度の絶対値が９０度より大きい角度の方向から交差点に向けてシールドガスを噴出することを特徴とする。

　本発明にかかる金属造形用シールドガスノズルは、ワイヤを使用してレーザ金属造形を行う際に、大気遮蔽性を確保できるため、ビードや母材の酸化を防止することができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかるレーザ金属造形装置の構成を示す模式図実施の形態１にかかる金属造形用シールドガスノズルの模式図実施の形態１にかかる加工領域と交差点との位置関係を説明する模式図実施の形態１にかかる金属造形用シールドガスノズルのガス噴出孔の位置関係を説明する模式図実施の形態１にかかる金属造形用シールドガスノズルに、第１のガス噴出孔、第２のガス噴出孔、及び第４のガス噴出孔を備える構成を示す模式図実施の形態１にかかるレーザ金属造形装置が有する制御装置のハードウェア構成図実施の形態２にかかる金属造形用シールドガスノズルの模式図実施の形態３にかかる金属造形用シールドガスノズルの模式図

　以下に、本発明の実施の形態にかかる金属造形用シールドガスノズル、及びレーザ金属造形装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
　図１は、本発明の実施形態１におけるレーザ金属造形装置１００の構成を模式的に示す図である。レーザ金属造形装置１００は、レーザ光１でワイヤ２を加熱溶融してビード３を母材面上の加工領域Ａに積層する。母材４は、ステージ５に載置される。レーザ金属造形装置１００は、レーザ発振器１０と、制御装置２０と、加工ヘッド３０と、ワイヤ供給装置４０と、シールドガス供給装置５０と、駆動装置６０と、ステージ５とを備える。加工ヘッド３０は、加工ヘッド本体３１に金属造形用シールドガスノズル７０と、レーザヘッド６を備える。ワイヤ供給装置４０は、金属造形用シールドガスノズル７０にワイヤ２を供給する。シールドガス供給装置５０は、金属造形用シールドガスノズル７０にシールドガスを供給する。金属造形用シールドガスノズル７０は、ワイヤ供給装置４０から供給されたワイヤ２を加工領域Ａへ送給し、シールドガスを加工領域Ａへ噴出する。レーザ発振器１０は、光伝達経路７を介してレーザヘッド６へレーザ光１を出力する。レーザヘッド６は、光伝達経路７を介して出力されたレーザ光１を加工領域Ａへ向けて照射する。駆動装置６０は、鉛直方向であるＺ軸方向に加工ヘッド３０を移動させるＺ軸駆動装置６３と、Ｚ軸方向に垂直なＸ軸方向に加工ヘッド３０を移動させるＸ軸駆動装置６１と、Ｚ軸方向とＸ軸方向に垂直なＹ軸方向に加工ヘッド３０を移動させるＹ軸駆動装置６２とを備え、加工ヘッド３０を指定された位置へ移動させる。制御装置２０は、所望する加工領域Ａにビード３を積層するように、レーザ発振器１０と、ワイヤ供給装置４０と、シールドガス供給装置５０と、駆動装置６０とを制御する。

図２は、本発明の実施形態１における金属造形用シールドガスノズル７０の模式図である。図２（ａ）は、母材面に対して垂直方向（図１のＺ軸方向）から見た図で、図２（ｂ）は、母材面に対して水平方向（図１のＸ軸方向）から見た図である。ノズル７１には、ビード３を形成する母材面に対して傾斜角θでワイヤ２を加工領域Ａへ送給する経路であるワイヤ送給ライン７２と、シールドガスを分流して複数方向から加工領域Ａへ噴出するガス分流部７３へシールドガスを供給する経路である第１のガス供給ライン７４を備えている。ノズル７１の先端は、加工領域Ａに対してシールドガスを噴出する第１のガス噴出孔７５、及び第２のガス噴出孔７６を備えたリング状のガス分流部７３と接続している。ガス分流部７３内には第１のガス噴出孔７５、及び第２のガス噴出孔７６へシールドガスを分流して供給する経路である分流ガス供給ライン７７を備え、分流ガス供給ライン７７はノズル７１内の第１のガス供給ライン７４と分流点７８を経由して接続されている。尚、図２では第１のガス供給ライン７４が２つの経路となっているが、これは、第１のガス供給ライン７４の出口側の延長上に第１のガス噴出孔７５があると第１のガス供給ライン７４から供給されるシールドガスが直接第１のガス噴出孔７５に流れてしまい、第２のガス噴出孔７６から噴出されるシールドガスとの流量差が生じやすくなるため、第１のガス供給ライン７４の延長線と第１のガス噴出孔７５の延長線とが重ならないようにしているだけであって、必ずしも複数なくとも良い。

本発明の実施形態１では、第１のガス噴出孔７５、及び第２のガス噴出孔７６よりも低い位置に、ワイヤ２を送給する方向であるワイヤ送給方向８１、第１のガス噴出孔７５の中心軸方向８２、及び第２のガス噴出孔７６の中心軸方向８３が交差する交差点Ｐを有するように、ワイヤ送給ライン７２、第１のガス噴出孔７５、及び第２のガス噴出孔７６が形成されている。第１のガス噴出孔７５の中心軸方向８２、及び第２のガス噴出孔７６の中心軸方向８３とは、それぞれのガス噴出孔から噴出されるシールドガスの噴出方向の中心軸方向である。また、レーザ光１の照射方向も交差点Ｐに向かうようにレーザヘッド６が配置されている。図３は、加工領域Ａと交差点Ｐとの位置関係を説明する模式図である。図３（ａ）は、母材面に対して垂直方向（図１のＺ軸方向）から見た時の加工領域Ａと交差点Ｐの位置関係を示し、図３（ｂ）は、母材面に対して水平方向（図１のＸ軸方向）から見た時の加工領域Ａと交差点Ｐの位置関係を示している。交差点Ｐの位置は、第１のガス噴出孔７５の中心軸方向、及び第２のガス噴出孔７６の中心軸方向の両方向から吹き付けられるシールドガスの圧力が交差点Ｐにおいて均等になる位置に形成されるのが好ましいが、これに限定されない。本発明の実施形態１では、母材面に対して垂直方向から見た時に、リング状のガス分流部７３の中心付近が交差点Ｐになるようにワイヤ送給ライン７２、第１のガス噴出孔７５、及び第２のガス噴出孔７６が形成されている。すなわち、ガス分流部７３は、母材面に対して垂直方向から見た時に、交差点Ｐを中心とするリング状である。レーザ金属造形を行う際は、この交差点Ｐの位置が加工領域Ａと重なるように金属造形用シールドガスノズル７０の位置を制御し、交差点Ｐに向けてレーザ光１を照射することによって、所望する加工領域Ａにワイヤ２を送給してビード３を積層するとともに、積層したビード３に対してシールドガスを複数の方向から供給することが可能となる。以降の説明では、金属造形用シールドガスノズル７０の位置を制御して、交差点Ｐの位置が加工領域Ａと重なった状態を想定しているので、第１のガス噴出孔、及び第２のガス噴出孔からシールドガスを交差点に向けて噴出することを、加工領域Ａに向けて噴出すると説明する場合がある。

また、第１のガス噴出孔７５、及び第２のガス噴出孔７６のうち、少なくとも第１のガス噴出孔７５の出口は、ワイヤ送給ライン７２の出口の位置よりも母材面に近い位置に形成され、母材面に対して傾斜角θ以下の角度で交差点にシールドガスを噴出するように形成されている。この第１のガス噴出孔７５、及び第２のガス噴出孔７６の形状は、加工領域Ａに形成されるビード３とその近傍がシールドガスで覆われるようにガス噴出孔の出口に向かって末広がりの形状となっていることが好ましい。実施の形態１では第１のガス噴出孔７５が母材面に対して垂直方向から見て、ワイヤ送給ライン７２の直下に形成され、第２のガス噴出孔７６が加工領域Ａを挟んで第１のガス噴出孔７５の１８０度反対側に形成されているが、一例であって、この位置関係に限定されない。第１のガス噴出孔７５は、母材面に対して垂直方向から見て、ワイヤ送給方向８１に対する角度の絶対値が９０度より小さい角度の方向から交差点Ｐに向けてシールドガスを噴出するようにガス分流部７３に配置され、第２のガス噴出孔７６は、母材面に対して垂直方向から見て、ワイヤ送給方向８１に対する角度の絶対値が９０度より大きい角度の方向から交差点Ｐに向けてシールドガスを噴出するようにガス分流部７３に配置されていれば良い。この関係を図４を用いて説明する。図４は、第１のガス噴出孔７５が母材面に対して垂直方向から見て、ワイヤ送給ライン７２の直下に形成されていない場合のガス分流部７３を模式的に示した図であり、母材面に対して垂直方向（図１のＺ軸方向）からガス分流部７３を見た図である。母材面に対して垂直方向から見たときのワイヤ送給方向８１と、第１のガス噴出孔７５の中心軸方向８２とが成す角度αの絶対値が９０度より小さい角度であり、且つ母材面に対して垂直方向から見たときのワイヤ送給方向８１と、第２のガス噴出孔７６の中心軸方向８３とが成す角度βの絶対値が９０度より大きい角度の場合、第２のガス噴出孔７６から交差点Ｐに向けてシールドガスを噴出すると、ワイヤ２によってシールドガスの供給が妨げられ、陰領域Ｂが生じるが、第１のガス噴出孔７５から交差点Ｐに向けてシールドガスを噴出すると、陰領域Ｂへはワイヤ２によってシールドガスの供給が妨げられない為、加工領域Ａ全体にシールドガスを供給することが可能となる。

このような構成により、一方のガス噴出孔から噴出されるシールドガスがワイヤ２によって遮られて陰領域Ｂが加工領域Ａに生じたとしても、他方のガス噴出孔から噴出されるシールドガスによって、陰領域Ｂにシールドガスが供給されるので、ビード３やその近傍をシールドガス雰囲気で満たすことができ、ビード３や母材４を酸化防止することが可能となる。

本発明の実施形態１では、第１のガス噴出孔７５、及び第２のガス噴出孔７６を備えたリング状のガス分流部７３を用いて説明しているが、一例であって、第１のガス噴出孔７５、及び第２のガス噴出孔７６を含め、少なくとも２つ以上のガス噴出孔を備えていればよく、例えば、図５のように、交差点Ｐに向けてシールドガスを噴出する、第１のガス噴出孔７５、第２のガス噴出孔７６、及び第４のガス噴出孔８４をガス分流部７３に備える構成でも良い。また、ガス分流部７３の形状もリング状に限定されなく、レーザ光１の加工領域Ａへの照射を妨げず、複数の方向から加工領域Ａに向けてシールドガスを噴出するようにガス噴出孔を備え、各ガス噴出孔へシールドガスを分流して供給できる形状であればよい。

なお、本実施の形態では、ワイヤ送給ライン７２と第１のガス供給ライン７４とが一体となった構造を一例として説明したが、ワイヤ送給ライン７２と第１のガス供給ライン７４とが一体となった構造に限定されず、ワイヤ送給ライン７２と第１のガス供給ライン７４とが分離している構造でも良い。

　図６は、レーザ金属造形装置１００が有する制御装置２０のハードウェア構成図である。制御装置２０の制御機能は、メモリ１０２に格納されるプログラムを実行するプロセッサにより実現される。プロセッサ１０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、又はＤＳＰ（Digital Signal Processor）である。制御装置２０の機能は、プロセッサ１０１と、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェア又はファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリ１０２に格納される。メモリ１０２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）等の不揮発性もしくは揮発性の半導体メモリ等の内蔵メモリである。ディスプレイ１０３は、レーザ金属造形装置１００の制御に関する表示画面を表示する。

実施の形態２．
実施の形態２では、ビード周辺への大気混入を抑制し、更に高い酸化防止効果のある金属造形用シールドガスノズルについて説明する。実施の形態１と同じ部分については説明を省略し、実施の形態１と異なる部分について説明する。

図７は、実施の形態２にかかる金属造形用シールドガスノズル７０ａの模式図である。
図７（ａ）は、母材面に対して垂直方向（図１のＺ軸方向）から見た図で、図７（ｂ）は、母材面に対して水平方向（図１のＸ軸方向）から見た図で、図７（ｃ）は、母材面に対して水平方向（図１のＹ軸方向）から見た図である。

実施の形態２の金属造形用シールドガスノズル７０ａのノズル７１ａは、実施の形態１の金属造形用シールドガスノズル７０のノズル７１内に更に、第１のガス噴出孔７５、及び第２のガス噴出孔７６よりも高い位置から交差点Ｐの上空を通過するようにシールドガスを噴出する第３のガス噴出孔８５と、第３のガス噴出孔８５へシールドガスを供給する経路である第２のガス供給ライン８６を備えた構成となっている。第３のガス噴出孔８５は、母材面に対し、第１のガス噴出孔７５、及び第２のガス噴出孔７６よりも高い位置でノズル７１ａに形成されている。第３のガス噴出孔８５は、この位置から母材面に対して水平方向にシールドガスを噴出することによって、交差点Ｐの上空にガス流の幕を作る。

第３のガス噴出孔８５から噴出されるシールドガスは加工領域Ａに直接供給されないが、ガス流の幕を作り、外気の侵入を防ぐガスカーテンの役目を果たし、加工領域Ａの直上からの大気侵入を防止することができ、ビード３やその近傍をシールドガスで安定的に確保することが可能となる。第３のガス噴出孔８５から噴出されるシールドガスのガス流は、滑らかで安定した流れが特徴である層流とすることがのぞましい。第３のガス噴出孔８５から噴出されるガス流が層流になるか、乱流になるかは、以下の式で表されるレイノルズ数の大きさで決まる。
　　　　　　　　　　　　　Ｒｅ＝ρ×Ｌ×Ｕ／μ　　・・・（１）

ここで、Ｒｅはレイノルズ数、ρはガスの密度［ｋｇ／ｍ^３］、Ｌは代表長さ［ｍ］、Ｕは流速［ｍ／ｓ］、μはガスの粘性係数［Ｐａ・ｓ］である。例えば、第３のガス噴出孔８５の出口形状が短辺側８７の長さ１．０×１０^－３［ｍ］と長辺側８８の長さ３０．０×１０^－３［ｍ］の矩形形状の場合、のアスペクト比が１：３０と十分大きなアスペクト比なので、代表長さとしては短辺側８７の長さになり、Ｌ＝１．０×１０^－３［ｍ］となる。Ｒｅ＝１０００が層流を示す数値であるとすると、シールドガスにアルゴン（Ａｒ）を使用し、気温２５℃の場合、ガスの密度ρは１．０７６［ｋｇ／ｍ^３］、ガスの粘性係数μは０．０２２７×１０^－３［Ｐａ・ｓ］となり、式（１）からＵは約２１［ｍ／ｓ］と求まる。すなわち、第３のガス噴出孔８５からシールドガスを約２１［ｍ／ｓ］の流速で噴出すると、層流にすることが可能である。すなわち、制御装置２０は第３のガス噴出孔８５から噴出されるシールドガスが層流になるようにシールドガスの流速を制御する。また、第３のガス噴出孔８５の出口形状は、式（１）を使ってレイノルズ数を求めた時に層流を示す数値になる形状であれば良く、図７に示す形状に限定されない。

以上説明したように、本実施の形態によれば、第３のガス噴出孔８５から母材面に対して水平方向にシールドガスを噴出することによって、交差点Ｐの上空にガス流の幕を作ることによって、加工領域やその近傍への大気遮蔽性を高めて、ビードや母材の酸化を防止することができる。

実施の形態３．
　実施の形態２で、ビード周辺への大気混入を抑制し、更に高い酸化防止効果のあるシールドガスノズルについて説明したが、実施の形態３では実施の形態２の変形例について説明する。実施の形態１、及び実施の形態２と同じ部分については説明を省略し、実施の形態１、及び実施の形態２と異なる部分について説明する。

　図８は実施の形態３にかかる代表的な金属造形用シールドガスノズル７０ｂの模式図である。
図８（ａ）は、母材面に対して垂直方向（図１のＺ軸方向）から見た図で、図８（ｂ）は、母材面に対して水平方向（図１のＸ軸方向）から見た図で、図８（ｃ）は、母材面に対して水平方向（図１のＹ軸方向）から見た図である。

ノズル７１ｂの内部にはビード３を形成する母材面に対して傾斜角θでワイヤ２を加工領域Ａへ送給する経路であるワイヤ送給ライン７２と、加工領域Ａに対してシールドガスを噴出する第１のガス噴出孔７５ａと、第１のガス噴出孔７５ａへシールドガスを供給する経路である第１のガス供給ライン７４ａと、第１のガス噴出孔７５ａ、及び第２のガス噴出孔７６ａよりも高い位置から交差点Ｐの上空を通過するようにシールドガスを噴出する第３のガス噴出孔８５と、第３のガス噴出孔８５へシールドガスを供給する経路である第２のガス供給ライン８６とを備えている。第３のガス噴出孔８５は、母材面に対し、第１のガス噴出孔７５ａ、及び第２のガス噴出孔７６ａよりも高い位置でノズル７１ｂに形成されている。第３のガス噴出孔８５は、この位置から母材面に対して水平方向にシールドガスを噴出することによって、交差点Ｐの上空にガス流の幕を作る。

また、第１のガス噴出孔７５ａの出口は、ワイヤ送給ライン７２の出口の位置よりも母材面に近い位置に形成され、母材面に対して傾斜角θ以下の角度で交差点Ｐにシールドガスを噴出するように形成されている。この第１のガス噴出孔７５ａの形状は、加工領域Ａに形成されるビード３とその近傍がシールドガスで覆われるようにガス噴出孔の出口に向かって末広がりの形状となっていることが好ましい。

また、金属造形用シールドガスノズル７０ｂは、第３のガス噴出孔８５から加工領域Ａの上空へ噴出されたシールドガスの方向を変更し加工領域Ａへ噴出するガス方向変更部９０を備えている。ガス方向変更部９０は、加工領域Ａに対してシールドガスを噴出する第２のガス噴出孔７６ａと、第３のガス噴出孔８５から加工領域Ａの上空へ噴出されたシールドガスを取り込むガス取り込み口９１と、ガス取り込み口９１が取り込んだシールドガスの方向を変更し第２のガス噴出孔７６ａへシールドガスを供給する経路であるガス方向変更ライン９２とを備えている。第３のガス噴出孔８５から加工領域Ａの上空へ母材面に対して水平方向に噴出されたシールドガスを、ガス取り込み口９１から取り込み易くする為に、ガス取り込み口９１は、ガス方向変更部９０において第３のガス噴出孔８５の噴出方向の延長線上の位置に形成されている。また、第２のガス噴出孔７６ａの形状は、加工領域Ａに形成されるビード３とその近傍がシールドガスで覆われるようにガス噴出孔の出口に向かって末広がりの形状となっていることが好ましい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、第３のガス噴出孔８５から母材面に対して水平方向にシールドガスを噴出するとともに、第３のガス噴出孔８５から噴出され、交差点Ｐの上空を通過したシールドガスの方向を変更し第２のガス噴出孔７６ａからシールドガスを噴出させることによって、交差点Ｐの上空にガス流の幕を作りながら、陰領域にもシールドガスを供給することが可能となり、加工領域Ａやその近傍への大気遮蔽性を高めて、ビード３や母材４の酸化を防止することができる。

本発明の実施形態３では、第１のガス噴出孔７５ａを備えたノズル７１ｂ、及び第２のガス噴出孔７６ａを備えたガス方向変更部９０を用いて説明しているが、一例であって、第１のガス噴出孔７５ａ、及び第２のガス噴出孔７６ａを含め、少なくとも２つ以上のガス噴出孔を備えていればよく、例えば、ノズル７１ｂに第１のガス噴出孔７５ａとそれ以外のガス噴出孔を備えていても良いし、ガス方向変更部９０に第２のガス噴出孔７６ａとそれ以外のガス噴出孔を備える構成でも良い。

本発明の実施形態３では、第１のガス噴出孔７５ａ、及び第２のガス噴出孔７６ａの出口形状が矩形形状の例を示した。ガス噴出孔の出口形状を矩形形状にすると、ビードやその近傍の広い範囲をシールドガスで覆いやすくなるので、矩形形状にすることが好ましいが、ビードやその近傍をシールドガス雰囲気で満たすことができれば良く、矩形形状に限定されない。また、第３のガス噴出孔８５の出口形状は、式（１）を使ってレイノルズ数を求めた時に層流を示す数値になる形状であれば良く、図８に示す形状に限定されない。また、第１のガス噴出孔７５ａ、及び第２のガス噴出孔７６ａから噴出されるシールドガスの流れは層流となっていることが好ましく、実施の形態１で記載の層流を実現できる条件を満たしているとなお良い。

なお、本実施の形態では、ワイヤ送給ライン７２と第１のガス供給ライン７４ａとが一体となった構造を一例として説明したが、ワイヤ送給ライン７２と第１のガス供給ライン７４ａとが一体となった構造に限定されず、ワイヤ送給ライン７２と第１のガス供給ライン７４ａとが分離している構造でも良い。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組合せることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１　レーザ光、２　ワイヤ、３　ビード、４　母材、５　ステージ、６　レーザヘッド、７　光伝達経路、１０　レーザ発振器、２０　制御装置、３０　加工ヘッド、３１　加工ヘッド本体、４０　ワイヤ供給装置、５０　シールドガス供給装置、６０　駆動装置、６１　Ｘ軸駆動装置、６２　Ｙ軸駆動装置、６３　Ｚ軸駆動装置、７０,７０ａ,７０ｂ　金属造形用シールドガスノズル、７１,７１ａ,７１ｂ　ノズル、７２　ワイヤ送給ライン、７３　ガス分流部、７４,７４ａ　第１のガス供給ライン、７５,７５ａ　第１のガス噴出孔、７６,７６ａ　第２のガス噴出孔、７７　分流ガス供給ライン、７８　分流点、８１　ワイヤ送給方向、８２　第１のガス噴出孔の中心軸方向、８３　第２のガス噴出孔の中心軸方向、８４　第４のガス噴出孔、８５　第３のガス噴出孔、８６　第２のガス供給ライン、８７　短辺側、８８　長辺側、９０　ガス方向変更部、９１　ガス取り込み口、９２　ガス方向変更ライン、１００　レーザ金属造形装置、１０１　プロセッサ、１０２　メモリ、１０３　ディスプレイ、Ａ　加工領域、Ｂ　陰領域、Ｐ　交差点

Claims

母材面に対して傾斜角θの角度でワイヤを送給する経路であるワイヤ送給ラインと、
前記母材面に対して前記傾斜角θ以下の角度でビードの酸化を防止するシールドガスを噴出する第１のガス噴出孔と、
前記第１のガス噴出孔の噴出方向とは異なる方向から前記シールドガスを噴出する第２のガス噴出孔と、
を備え、
前記第１のガス噴出孔、及び前記第２のガス噴出孔よりも低い位置に、前記ワイヤを送給する方向であるワイヤ送給方向、前記第１のガス噴出孔の中心軸方向、及び前記第２のガス噴出孔の中心軸方向が交差する交差点を有し、
前記第１のガス噴出孔は、
前記母材面に対して垂直方向から見た場合の前記ワイヤ送給方向に対する角度の絶対値が９０度より小さい角度の方向から前記交差点に向けて前記シールドガスを噴出し、
前記第２のガス噴出孔は、
前記母材面に対して垂直方向から見た場合の前記ワイヤ送給方向に対する角度の絶対値が９０度より大きい角度の方向から前記交差点に向けて前記シールドガスを噴出することを特徴とする金属造形用シールドガスノズル。
　前記第１のガス噴出孔、及び前記第２のガス噴出孔よりも高い位置から前記交差点の上空を通過するように前記シールドガスを噴出する第３のガス噴出孔と、
を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の金属造形用シールドガスノズル。
　前記第３のガス噴出孔から噴出された前記シールドガスを取り込むガス取り込み口と、
前記ガス取り込み口が取り込んだ前記シールドガスの方向を変更し前記第２のガス噴出孔へ前記シールドガスを供給する経路であるガス方向変更ラインと、
　を更に備えたことを特徴とする請求項２に記載の金属造形用シールドガスノズル。
前記シールドガスを分流して複数方向から前記交差点へ噴出するガス分流部と、
前記ガス分流部へ前記シールドガスを供給する経路である第１のガス供給ラインと、
を備え、
前記ガス分流部は、
前記第１のガス噴出孔、及び前記第２のガス噴出孔と、
前記第１のガス噴出孔、及び前記第２のガス噴出孔へ前記シールドガスを分流して供給する経路である分流ガス供給ラインと、
を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項２に記載の金属造形用シールドガスノズル。
　前記ガス分流部は、
　前記母材面に対して垂直方向から見た時に、前記交差点を中心とするリング状であることを特徴とする請求項４に記載の金属造形用シールドガスノズル。
　前記第１のガス噴出孔、及び前記第２のガス噴出孔は、
　前記第１のガス噴出孔、及び前記第２のガス噴出孔の出口に向かって末広がりの形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項５に記載の金属造形用シールドガスノズル。
請求項１～６のいずれか一項に記載の金属造形用シールドガスノズルを備え、レーザ光で前記ワイヤを加熱溶融して前記ビードを積層するレーザ金属造形装置であって、
前記交差点の位置が、前記ワイヤを加熱溶融して新たに前記ビードが積層される領域である加工領域の位置と重なるように前記金属造形用シールドガスノズルの位置を制御し、前記交差点に向けてレーザ光を照射する
ことを特徴とするレーザ金属造形装置。
請求項２～３のいずれか一項に記載の金属造形用シールドガスノズルを備え、レーザ光で前記ワイヤを加熱溶融して前記ビードを積層するレーザ金属造形装置であって、
前記第３のガス噴出孔から噴出される前記シールドガスが層流になるように前記シールドガスの流速を制御することを特徴とするレーザ金属造形装置。