(57)【要約】【課題】  レーザビームを用いた無酸化切断において、溶融金属を切断溝内から排出し吹き飛ばすことで、被加工物裏面へのドロスの付着を防止する加工ノズルおよびレーザ加工装置を得る。【解決手段】  レーザビームと主アシストガスを噴射するための主アシストガス噴出口と、この主アシストガス噴出口の周囲に同心的に環状に設けられ補助アシストガスを噴射する補助アシストガス噴出口とを備えた２重ノズルにおいて、補助アシストガス噴出口面を主アシストガス噴出口面よりもアシストガス流の下流に設け、主アシストガスのガス流れ軸と該補助アシストガスのガス流れ軸の交わる位置での該補助アシストガスの噴射角度を主アシストガスの噴射軸に対して０から８０度の範囲に設定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームとともに主アシストガスを噴射するための主アシストガス噴出口と、
前記主アシストガス噴出口の周囲に同心的に環状に設けられ補助アシストガスを噴射する補助アシストガス噴出口とを備え、
この補助アシストガス噴出口面を前記主アシストガス噴出口面よりもアシストガス流の下流に設け、
前記主アシストガスのガス流れの軸と前記補助アシストガスのガス流れの軸とが交わる位置において、前記補助アシストガスの噴射角度を前記主アシストガスの噴射軸に対して０から８０度の範囲に設定したことを特徴とするレーザ加工用ノズル。
【請求項２】
レーザビームを出射するとともに主アシストガスを噴射するための主アシストガス噴出口と、
前記主アシストガス噴出口の周囲に同心的に環状に設けられ補助アシストガスを噴射する補助アシストガス噴出口とを備え、
この補助アシストガス噴出口面を前記主アシストガス噴出口面よりもアシストガス流の下流に設け、
前記主アシストガス噴出口の内径と外径の差が１６ｍｍ以下となる範囲に設定したことを特徴とするレーザ加工用ノズル。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザ加工用ノズルにおいて、
前記主アシストガス噴出口の内径と外径の差が１６ｍｍ以下となる範囲に設定したことを特徴とするレーザ加工用ノズル。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工用ノズルと、
前記ノズルに主アシストガスを供給し、前記主アシストガス噴出口から主アシストガスを噴出させる主アシストガス供給源と、
前記ノズルに補助アシストガスを供給し、前記補助アシストガス噴出口から補助アシストガスを噴出させる補助アシストガス供給源と、
前記ノズルから出射されるレーザ光を出力するレーザ発振器と、
を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項５】
前記主アシストガス供給源と前記補助アシストガス供給源とが同一のアシストガス供給源から成り、主アシストガスと補助アシストガスに同一のアシストガスを供給することを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工装置。
【請求項６】
前記アシストガスが酸素を含まないものであることを特徴とする請求項４または５いずれかに記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記アシストガスが窒素であることを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工を行う際、被加工物の表面にアシストガスを供給するためのレーザ加工用ノズル（以後、単に加工ノズルとも呼ぶ）とその加工ノズルを備えたレーザ加工装置に関するものである。なお、この明細書においてはレーザ加工の例としてレーザ切断について説明する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工とは、レーザ発振器から出力されたレーザビームをレンズなどの光学部分によって加工面に集束し、このときの高密度エネルギーを利用して切断、溶接などを行う熱加工である。よって、レーザビームは高密度エネルギーであるため、従来法であるアーク溶接などと比較して、被加工物の溶融、凝固の時間が短く、また加工速度が５から１０倍以上となる。
【０００３】
一般に、レーザ加工における切断性能は、レーザビームの出力、被加工物表面に対するレーザビームの焦点位置、アシストガス圧力、被加工物と加工ノズル先端との距離、等の加工条件パラメータに左右され、また材料の種類、表面状態、品質、組成、厚み、等の材料条件にも依存する。レーザ加工装置は、このような加工条件パラメータや、材料の条件に対して広い裕度を持ち、安定した加工品質が得られることが求められる。特にステンレスやアルミニウム等を高圧の窒素ガスをアシストガスにして切断する無酸化切断では、アシストガス噴流によって、レーザビームで溶融した金属を切断溝下部に押し下げ、かつ排出させ、被加工物裏面にドロスとして付着させないことが要求される。
【０００４】
特に加工対象板厚が大きくなるほど、板厚の下面は加工ノズルの噴射口から離れるため、アシストガス圧力が低下し、溶融金属を切断溝内から排出することが難しくなりドロスが発生する。溶融金属の切断溝内からの排出には、大口径ノズルを用いてアシストガス圧を高めることが効果的ではあるが、アシストガスの消費量が増加するため、加工コストがあがり、実用的ではない。
【０００５】
一方、加工品質を向上させるための加工ノズルの発明も従来からなされてきているが、そのすべてが、加工部への不純な流体の巻き込みを防止することに関するものである。溶融金属を切断溝内から効率よく排出し、被加工物裏面にドロスとして付着することを防止する発明はなされていない。
【０００６】
従来の加工トーチにおいては、軟鋼をアシストガスに酸素を用いて厚板切断を行う加工において、最も内側を除く少なくとも１つのアシストガス流路の水平面からの傾斜角が６０度以上とし、かつ流路中心線とノズル軸心との交点がノズル先端から１０〜１５ｍｍとしたノズルを備えている（例えば、特許文献１参照）。また、外側ノズル体の出口を内側のノズル体の出口と交差する方向に指向させたことを特徴としているものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開平９−１３６１８３号公報（第７図）
【特許文献２】特開平１１−１２３５７８号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
レーザ切断においては、従来から軟鋼切断やステンレス切断のアシストガスに酸素ガスを用いて、酸化燃焼反応を発生させながら切断する加工方法が一般的であった。この酸素をアシストガスに使用する切断では、加工品質や切断速度を向上させるためのノズルの研究が活発に行われたが、そのほとんどが加工部の周囲の空気を巻き込まないようにするためであった。その研究の結果、酸素ガスを用いた切断品質と能力が飛躍的に向上し、その普及が一気に進んだ。しかし、切断面が酸化するために、レーザ切断後にその部品を溶接したり塗装したりする場合に、切断面に発生する酸化膜が障害となっていた。そのため、切断の後処理としてその酸化皮膜を切削や薬品処理で除去する必要があった。
【０００９】
一方、後処理加工の工程を削減するために、アシストガスに窒素ガスを用いて切断する方法、いわゆる無酸化切断があるが、溶融金属を約０．５ｍｍ幅の切断溝内から完全に排出して、かつ吹き飛ばすことは容易ではなく、被加工物裏面にドロスとして付着することがある。
【００１０】
特許文献１に開示された従来技術においては、最内側ノズル（図７の３ｃ）、第２周目ノズル（図７の３ｄ）、第３周目ノズル（図７の３ｅ）からなる３重ノズルが開示されている。このノズルにおいては、外側ノズルの先端から１０ｍｍの位置で流路中心線とノズル軸心との交点があるように設けられている。この構造においては、最内側ノズルからの出口部分でのガス流れを制限するように、第３週目ノズルは寄与していない。高圧ガスにより溶融金属を吹き飛ばす無酸化切断では、効率よくアシストガスを約０．５ｍｍ幅の切断溝の中に流し込む必要があるため、被加工物とノズルの間隔を約１ｍｍ以下に設定するのが一般的である。しかし、特許文献１では、３重ノズルでかつ外側ノズルの先端から１０ｍｍの位置で流路中心線とノズル軸心とが交わるので、外周ノズルからのガスはその一部しか切断溝内に誘導することができない。この方式では、軟鋼切断に酸素ガスをアシストガスとして使用し、加工部を酸素ガスでシールドすることには有効であるが、無酸化切断において、中心ノズルからのガス流のモーメンタムを高めて溶融金属排出する作用には有効ではない。
【００１１】
また、特許文献２に開示された従来技術においては、外側ノズル体の出口を、内側のノズル体の出口から噴射したガスによって遮断カーテンが形成されるように配置してある。この用途はレーザ溶接のようにアシストガス圧が低圧の場合にはガス流の乱れが少なく有効であるが、高圧ガスを使用する無酸化切断では、中心ノズルからのガス流れを乱し、加工性能を著しく低下させる。
【００１２】
無酸化切断における問題の対策として、板厚が１２ｍｍ以上の厚板切断では、アシストガス条件を２ＭＰａ以上の高圧に設定して溶融金属を切断溝内から排出する加工方法の検討が始まった。流体の自由噴流の特性から、ノズルから流体が噴出すると乱流が発生し、アシストガスのガス圧はノズル出口から離れるに従って低下する。ノズル内の高い圧力がノズルから噴射した後も保たれる状態をポテンシャルコアと言うが、被加工物の板厚が大きくなるほど、このポテンシャルコアを長くする必要がある。ポテンシャルコアの長さはアシストガスを噴射するノズル径に比例するため、厚板ほどノズル径を大きくする必要がある。しかし、ガス圧を高く設定し、かつノズル径を大きくするとアシストガスの消費量は急増するため、レーザ加工コストがアップしてしまう問題があった。
【００１３】
さらに、約０．５ｍｍ幅と狭い切断溝内を上部から下部に向かってレーザビームで溶融した溶融金属を押し下げる際に、アシストガスの圧力が低下すると溶融金属の湯流れが乱れて切断面あらさは悪化する。切断面あらさが悪化すると、レーザ切断後に切断面を研磨や研削加工する工程が必要になる。また、溶融金属の流れが乱れると、切断溝内での溶融金属の滞留時間が長くなり、レーザ加工物の温度上昇につながる。このようにレーザ加工物の温度が上昇すると熱ひずみが発生し、加工精度は悪化する。加工精度が悪化した加工品は、後加工としてひずみ取りや研削加工が必要になる。
【００１４】
本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、アシストガスの消費量を削減し、切断面あらさを改善し、熱ひずみを低減することができるように、高圧力のアシストガスで、かつ乱れの少ないガス流を供給し、安定して高速・高品質加工を行うことのできる加工ノズルを得ることを目的とし、この加工ノズルを用い、安定に精度よく加工できるレーザ加工装置を得ることを目的にしている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係るレーザ加工装置の加工ノズルにおいては、レーザビームと主アシストガスを噴射するための主アシストガス噴出口と、前記主アシストガス噴出口の周囲に同心的に環状に設けられ補助アシストガスを噴射する補助アシストガス噴出口を備え、該補助アシストガス噴出口面を前記主アシストガス噴出口面よりもアシストガス流の下流に設け、かつ前記主アシストガスのガス流れ軸と該補助アシストガスのガス流れ軸の交わる位置での該補助アシストガスの噴射角度を主アシストガスの噴射軸に対して０から８０度の範囲に設定したノズルを備えるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のレーザ加工装置の加工ノズルは、レーザビームと主アシストガスを噴射するための主アシストガス噴出口と、前記主アシストガス噴出口の周囲に同心的に環状に設けられた補助アシストガスを噴射する補助アシストガス噴出口を備え、該補助アシストガス噴出口面を前記主アシストガス噴出口面よりもアシストガス流の下流に設け、かつ前記主アシストガスのガス流れ軸と該補助アシストガスのガス流れ軸の交わる位置での該補助アシストガスの噴射角度を主アシストガスの噴射軸に対して０から８０度の範囲に設定したノズルを備えるようにしたので、ノズルから噴射したアシストガスが乱流によって圧力低下してしまう現象が改善され、高い圧力の続くノズル下の範囲が長くなる。これにより、切断溝内から溶融金属を排出しドロス付着を防止するのに必要なアシストガス圧力を供給することができる。また、環状に設けた外ノズルからのアシストガスは、中心ノズルから噴出するガス流の直径小さくするように作用し、狭い切断溝内に十分なアシストガス流量を供給することで、溶融金属の切断溝内からの排出を効果的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明を実施するための第１の実施の形態におけるレーザ加工装置の構成図および加工ノズルの縦断面図である。２、３はそれぞれ、内側の主アシストガスノズル（以下、内側ノズルとも呼ぶ）、外側の補助アシストガスノズル（以下、外側ノズルとも呼ぶ）で、これらにより二重ノズル１を構成している。４は主アシストガスノズル２の先端に設けられた主アシストガス噴出口で、レーザ発振器５から出射されたレーザビーム６と主アシストガスとを噴射する。そして、噴射されたレーザビームを二重ノズル１の下方に配置された被加工物７に照射し、レーザ加工を行う。８は外側ノズル３の先端部に設けられた補助アシストガス噴出口で、主アシストガス噴出口４よりも下方向に設定されている。９は主アシストガスノズル２の中心部に設けられた主アシストガス供給路、１０は主アシストガスノズル２と補助アシストガスノズル３の間に形成された、環状の補助アシストガス供給路である。１１は主アシストガスを内側ノズル２の主アシストガス供給路９に供給する主アシストガス供給源、１２は補助アシストガスを補助アシストガス供給路１０に供給する補助アシストガス供給源で、それぞれのアシストガス供給源１１，１２は別々に設けられている。
【００１８】
図２は、図１の加工ノズル縦断面図における、ノズル先端部の拡大縦断面図である。２１は主アシストガスノズル２が噴出する主アシストガスのガス流れ軸であり、２２は補助アシストガスノズル３が噴出する補助アシストガスのガス流れ軸である。図２に示したように、主アシストガスの流れ軸に対し、補助アシストガスの流れ軸は、角度Θ傾いて設定されている。
【００１９】
上記のように構成した二重ノズル１では、外側の補助アシストガスノズル３からの補助アシストガスを主アシストガスに対し、ある角度Θで噴出することによって、主アシストガスノズル２から噴出する主アシストガスの乱流による拡散を防止する効果がある。図３は、主アシストガスの周囲に補助アシストガスを設けた二重ノズルにおいて、主アシストガスの流れを可視化した実験結果を示したものである。図３（ａ）は、１重ノズルにより補助アシストガスが無い状態での主アシストガスの流れを示したものであり、図３（ｂ）は、２重ノズルにより補助アシストガスを角度Θ＝０度で噴出した状態での主アシストガス流れを示す。補助アシストガスが無い場合は、図３（ａ）に示したように、ノズルの噴出口から噴出した主アシストガスは、周囲の空気と乱流を起こし急激に広がり、この主アシストガスの広がりは主アシストガスの圧力低下を起こす。図４に、１重ノズルの場合のノズル先端からの距離と主アシストガスの圧力の関係を示したが、主アシストガスの圧力は、ノズル先端からの距離が５ｍｍ離なれた位置では、ノズル内のガス圧力に比べ５０％低下した。一方、補助アシストガスが有る場合は、図３（ｂ）に示したように、ノズル出口から噴出した主アシストガスは、周囲の空気との乱流を起こさず、ガス流れの広がりは見られない。この乱れのないアシストガスの流れは、圧力の低下を起こさず、ノズル内のガス圧力は二重ノズル１からの距離が５ｍｍ離なれた位置では、わずか５％の低下に収まった。
【００２０】
ノズルからの距離によって、アシストガスの圧力が低下せず高い圧力が維持されると、狭い切断溝から排出する溶融金属をドロス等の付着なしに、除去することができる。図５は、二重ノズル１の先端からの距離が５ｍｍ離なれた位置で、主アシストガス圧を２ＭＰａで噴出した場合のアシストガス圧を測定した結果である。ここで、測定に用いた２重ノズルは、内側ノズルの内径がφ１．５ｍｍ、外径がφ２．５ｍｍ、外側ノズルの内径がφ５ｍｍ、内側ノズルと外側ノズルの先端部の高さ差は４ｍｍであり、補助アシストガスのガス圧力を０．３ＭＰａに設定し測定を行った。
【００２１】
補助アシストガスの噴射角度Θを０度から９０度まで変化させたところ、図５に示すように、主アシストガスの圧力は徐々に低下し、角度８０度からは極端に低下した。角度８０を超えると、主アシストガスの流れを補助アシストガスの流れが乱す作用に変化するため発生したと考えられる。板厚が１６ｍｍのステンレスを高品質に切断するためには、このノズル先端からの距離５ｍｍの位置では、１．５ＭＰａの圧力が必要であり、補助アシストガスの角度Θは０から８０度までが適正な範囲である。また、さらに加工品質の向上を実現するには、角度Θを１０から３０度に設定することがより望ましい。
【００２２】
次に、上記のようにように構成された加工ノズルおよびレーザ加工装置の作用を説明する。まず、主アシストガスは、主アシストガス供給源１１から内側ノズル２の主アシストガス供給通路９内に導かれる。一方、補助アシストガスは、補助アシストガス供給源１２から補助アシストガス供給通路１０内に導かれる。このとき、レーザビーム６は、主アシストガスとともに内側ノズル２の主アシストガス供給通路９、主アシストガス噴射口４、補助アシストガス噴射口８を通って被加工物に照射される。一方、補助アシストガスは、補助アシストガス供給源１２から補助アシストガス供給路１０を通って補助アシストガス噴出口８に達し、主アシストガスの流れを補正するように供給される。このとき、内側ノズル２の噴出口が外側ノズル３の噴出口よりも上方向となるように噴出口の位置に差を設けて、かつ補助アシストガスのガス流れ軸の角度Θを０から８０度に設けてあるので、ノズルから噴射したアシストガスが乱流によって圧力低下してしまう現象が改善され、内側ノズル２による主アシストガスの流速は減衰しにくくなる。
【００２３】
これにより、主アシストガスの高い圧力が続くノズル下の範囲が長くなるので、切断溝内から溶融金属を排出しドロス付着を防止するのに必要なアシストガス圧力を供給することができる。また、環状に設けた外ノズルからのアシストガスは、中心ノズルから噴出するガス流の直径小さくするように作用し、狭い切断溝内に十分なアシストガス流量を供給することで、溶融金属の切断溝内からの排出を効果的に行うことができる。その結果、レーザビーム６は、厚板のステンレスの無酸化切断に対して、主アシストガスのモーメンタムを利用して高品質に切断することができる。
【００２４】
なお、それぞれのアシストガス供給源１１、１２は別々に取り付けられているので、目的に応じてガスの種類を変えたりガス圧力を変化させたりすることができ、被加工物の材質や板厚に応じて最適に設定することができる。これにより、より自由度の高い加工が可能である。
【００２５】
実施の形態２．
図６は、本発明の第２の実施の形態におけるレーザ加工装置の構成図および加工ノズルの縦断面図である。３１は主アシストガス供給路９から分岐した環状の分岐アシストガス供給路で、内側ノズル２と外側ノズル３の間に形成されている。３２は主アシストガス供給路９と分岐アシストガス供給路３１とを連通する連通口で、アシストガスの流量調整はこの連通口３２の開口面積によって決められる。３３はアシストガスを、主アシストガス供給路９と分岐アシストガス供給路３１に供給するアシストガス供給源である。その他の構成は第１の実施の形態に順ずる。
【００２６】
上記のように構成された、加工ノズルおよびレーザ加工装置の作用について説明する。アシストガスは、単一のアシストガス供給源３３から内側ノズル２の主アシストガス供給路９内に導かれて主アシストガスとなり、その一部は連通口３２から分岐アシストガス供給路３１を通り、補助アシストガスとなる。このとき、レーザ発振器から出射されたレーザビーム６は主アシストガスとともに内側ノズル２の主アシストガス供給路９、主アシストガス噴出口４、外側ノズル３の噴出口８を通って被加工物７に照射される。一方、補助アシストガスは、分岐アシストガス供給通路３１を通って外側ノズル３の噴出口８に達し、主アシストガスの流れ補正のガスとなって供給される。このとき、第１の実施の形態と同様に、内側ノズル２と外側ノズル３の各噴出口４と噴出口８の位置をずらして、かつ主アシストガス流の軸に対して補助アシストガス流の軸角度Θを０から８０度に設けてあるので、内側ノズル２による主アシストガス流速や圧力の減衰は少なくなり、切断品質を向上させる。
【００２７】
さらに、主ノズルと補助ノズルへのガスが同一供給源より供給されているため、加工状況に応じてそれぞれのガス供給量を任意変化することはできないが、装置の構造を簡単にすることができ、装置の製造コストを大幅に削減することができる。
【００２８】
実施の形態３．
図７は、本発明の第３の実施の形態における加工ノズルの先端部の拡大縦断面図および被加工物側から見た下面図である。ここで、図７に示したように、内側ノズル２の内径をＤ１、外径をＤ２とする。本実施の形態においては、このＤ１とＤ２の径の差が１６ｍｍ以内となるように形成されている。その他の構成は第１の実施の形態もしくは第２の実施の形態に順ずる。
【００２９】
図８は、Ｄ１とＤ２の径の差と、二重ノズル１からの距離が５ｍｍ離なれた位置で、主アシストガス圧を２ＭＰａで噴出して、板厚１６ｍｍのステンレス切断を行い内側ノズル２の内径Ｄ１と、内側ノズル２の外径Ｄ２の差をパラメータとしてドロスの発生高さを測定した結果である。ここで、測定に用いた２重ノズルは、内側ノズルの内径がφ１．５ｍｍ、内側ノズルと外側ノズルの先端部の高さ差は４ｍｍであり、補助アシストガスのガス圧力を０．３ＭＰａに設定し測定を行った。
【００３０】
図８中には、補助アシストガスの流れ軸と主アシストガスの流れ軸との交差角度が０度と８０度の場合を示した。経験的にステンレスの品質で許容範囲とされるドロス高さは０．８ｍｍ以下であり、このドロス高さＨが０．８ｍｍ以下になるのは、図８より、内側ノズル２の内径Ｄ１と内側ノズル２の外径Ｄ２の差が１６ｍｍ以下の場合である。内側ノズル２の径Ｄ１と、内側ノズル２の外径Ｄ２の差が大きくなると、外側ノズル３から噴出するアシストガスが、内側ノズル２から噴出する主アシストガスの乱流を抑える効果が減少し、ドロスが発生するものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の実施の形態１を示すレーザ加工装置の構成図および加工ノズルの縦断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１を示すレーザ加工装置の加工ノズルのノズル先端部の縦断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１を示すレーザ加工装置の加工ノズルによる主アシストガスの拡散防止の効果を示す図である。
【図４】従来技術である１重ノズルの場合のノズル先端からの距離と主アシストガスの圧力の関係を示したグラフである。
【図５】主アシストガス流れ軸と補助アシストガス流れ軸とのなす角度と二重ノズルの先端から５ｍｍ離なれた位置での主アシストガス圧との関係を測定した結果を示すグラフである。
【図６】この発明の実施の形態２を示すレーザ加工装置の構成図および加工ノズルの縦断面図である。
【図７】この発明の実施の形態３を示す加工ノズルの縦断面図である。
【図８】内側ノズルの内径と外形の差分とドロス高さとの関係を測定した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
１  ２重ノズル、
２  主アシストガスノズル、
３  補助アシストガスノズル、
４  主アシストガス噴出口、
５  レーザ発振器、
６  レーザビーム、
７  被加工物、
８  補助アシストガス噴出口、
９  主アシストガス供給路、
１０  補助アシストガス供給路、
１１  主アシストガス供給源、
１２  補助アシストガス供給源、
２１  主アシストガスのガス流れ軸、
２２  補助アシストガスのガス流れ軸、
３１  分岐アシストガス供給路、
３２  連通口、
３３  アシストガス供給源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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