(57)【要約】  レーザビーム８および主アシストガスを噴出する主アシストガスノズル２と、この主アシストガスノズルを環状に取り囲み補助アシストガスを噴出する補助アシストガスノズル５とを備え、主アシストガスノズルの内面にレーザビームを反射する金鍍金１２を設けることにより、レーザビーム８をレーザ加工用ノズルの内面に反射させても、レーザ加工用ノズルの温度上昇を抑えることができ、レーザ加工用ノズルの内面に施された金鍍金１２の剥離を抑制することができるレーザ加工用ノズルを得ることができる。
2009019976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームおよび主アシストガスを噴出する噴出口を有し内面にレーザビームを反射する反射材料の鍍金を備えた主アシストガスノズルと、
前記主アシストガスノズルの外周部に設けられ環状の噴出口から補助アシストガスを噴出する補助アシストガスノズルとを、
備えたことを特徴とするレーザ加工用ノズル。
【請求項２】
前記主アシストガスノズルの内面の鍍金が金鍍金であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工用ノズル。
【請求項３】
前記主アシストガスノズルの材質の熱伝導率が銅以上であることを特徴とする請求項１または２いずれかに記載のレーザ加工用ノズル。
【請求項４】
前記主アシストガスノズルの材質が銅であることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工用ノズル。
【請求項５】
前記主アシストガスノズルの噴出口が、前記補助アシストガスノズルの噴出口よりもアシストガス流の上流側に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のレーザ加工用ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置に備えられレーザビームを出射するレーザ加工用ノズルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工における切断性能は、レーザビームの出力、被切断材料表面に対するレーザビームの焦点位置、アシストガス出力、被切断材料表面とレーザビームノズル先端との距離、等の運転条件に左右され、また材料の種類、表面状態、品質、組成、厚み、等の材料の条件にも依存する。中でもレーザビームのビーム強度分布はその加工性能を大きく左右するものであり、被切断材料表面に効果的にビームを照射させることが重要である。【０００３】
そこで、従来のレーザ加工用ノズルにおいては、被切断材料表面へ効果的にビームを照射させるために、レーザ発振器から発振されたレーザビームをレーザ加工用ノズルの内面に反射させている。レーザ加工用ノズルの内面には、金鍍金などのごとく高反射材料の鍍金を施している。これにより、レーザビームのビーム強度の均一化を図り、このビーム強度を平均化したレーザビームの径を所望の径にわずかに拡大し、エネルギー分布が円状形状を呈する態様のレーザビームとして、被切断材料表面に照射してレーザ切断を行っている（例えば、特許文献１参照）。【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２４９５７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のレーザ加工用ノズルの構成においては、レーザビームを反射させることを前提に、その反射面に金鍍金を施すことにより反射率を高くし、レーザ加工用ノズルへのレーザビーム吸収率を抑えている。しかし、反射率を高くしたのみではレーザ加工用ノズルの温度上昇を抑えるまでには至らず、金鍍金の剥離等の問題が発生していた。【０００６】
また、従来のレーザ加工用ノズルの構成としては、レーザビームの照射と同時に、同経路において溶融金属の排除のためにアシストガスを流している。これにより、レーザ加工用ノズルの冷却効果も考えられるが、金鍍金の剥離問題に対しては、効果は十分とはいえない。【０００７】
この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、レーザビームをレーザ加工用ノズルの内面に反射させても、レーザ加工用ノズルの温度上昇を抑えることができ、レーザ加工用ノズルの内面に施された高反射材料の鍍金の剥離を防止することができるレーザ加工用ノズルを得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るレーザ加工用ノズルにおいては、レーザビームおよび主アシストガスを噴出する主アシストガスノズルと、この主アシストガスノズルを環状に取り囲み補助アシストガスを噴出する補助アシストガスノズルとを備え、主アシストガスノズルの内面にレーザビームを反射する反射材料の鍍金を設けたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、内面にレーザビームを反射する反射材料の鍍金を設けた主アシストガスノズルと、この主アシストガスノズルを環状に取り囲む補助アシストガスノズルとを備えることにより、主アシストガスノズル先端部の内側と外側にアシストガスを流すことができ、主アシストガスノズル内面の鍍金によりレーザビームを反射しても、主アシストガスノズルの温度上昇を抑えることができる。このため、主アシストガスノズルの内面の鍍金が剥離することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１を示すレーザ加工用ノズルの縦断面模式図である。
【図２】本発明の実施の形態１におけるレーザ加工用ノズルの温度上昇を示すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態２におけるレーザ加工用ノズルのレーザビーム照射時の鍍金剥がれ量を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明を実施するための実施の形態１におけるレーザ加工用ノズルの形状を示した断面図である。図１（ａ）は、ノズル断面図にアシストガスの流れを追記した図で、図１（ｂ）は、ノズル断面図にレーザビームと被加工物を追記した図である。図１に示したように、レーザ加工用ノズル１は、中央部の主アシストガスノズル２と外周部の補助アシストガスノズル５を備えた２重ノズル構造となっている。【００１２】
主アシストガスノズル２は、図１に示したように、最内周部に位置する内径Ｄ１の主アシストガスノズル噴出口３と、それに連接する主アシストガスダクト４からなる。そして、図示していないレーザ発振器から出射されたレーザビーム８と、図示していないアシストガス供給部より供給される主アシストガス１０がその内部を通過し、主アシストガスノズル噴出口３から、レーザビーム８と主アシストガス１０が出射される。また、主アシストガスノズル２の内面には、無電解鍍金方法により、厚み約０．１μｍの金鍍金１２が均一に施されている。【００１３】
補助アシストガスノズル５は、図１に示したように、主アシストガスノズル２の外周部に、内径Ｄ２の環状の補助アシストガスノズル噴出口６と、それに連接する補助アシストガス供給口７からなる。ここで、Ｄ２≧Ｄ１であれば良いが、図１の場合はＤ２＞Ｄ１となっている。そして、図示していないアシストガス供給部より供給される補助アシストガス１１が、補助アシストガス供給口７を介して内部を通過し、補助アシストガスノズル噴出口６から噴出される。【００１４】
また、主アシストガスノズル２の噴出口３は、補助アシストガスノズル５の噴出口６よりもアシストガス流１０，１１の上流側に配置さている。これにより、噴出口におけるアシストガス圧力及びアシストガス流速が連続的に変化し、かつ主アシストガス流１０の圧力変動及び流速変動値が大きくなり、加工品質を向上することができる。【００１５】
次に、本実施の形態によるレーザ加工用ノズルの動作を説明する。
レーザビーム８は主アシストガス１０とともに主アシストガスノズル２の供給通路である主アシストガスダクト４を通り、主アシストガスノズル噴射口３から補助アシストガスノズル噴射口６を通って被加工物９に照射される。また、主アシストガス１０および補助アシストガス１１は、図１に示したように、補助アシストガスノズル噴出口６から噴出されて、被加工物９の切断表面に供給される。ここで、アシストガスは、例えば窒素ガスである。そして、主アシストガスノズル２内面の金鍍金１２部分に、レーザビーム８を当てることにより、レーザビーム８の強度分布を最適化し、高品質加工を実現する。この際、主アシストガスノズル２は、内面を主アシストガス１０により冷却され、外面を補助アシストガス１１により冷却されるので、レーザビーム８の干渉による主アシストガスノズル２の温度上昇を抑えることが可能となり、金鍍金１２の剥離等の抑制が可能となる。【００１６】
ところで、レーザ加工用ノズルにおいて、２重ノズルは従来より使用されてきたが、その目的は、主アシストガスの流速やノズル位置を加工に最適な位置に設置するとともに、加工部に大気を巻き込まないようにシールドを完全にし、安定して高速、高品質加工を行うことである。すなわち、２重ノズルはあくまでも加工品質の向上のために使用されてきたもので、何らノズルの冷却のために使用されているものではなく、２重ノズルにおいて内側ノズルの金鍍金の剥離が軽減されることを、発明者が初めて見出したものである。【００１７】
次に、本実施の形態による金鍍金の剥離軽減の効果について測定を行った結果を説明する。測定条件は以下の通りである。
主アシストガスノズル２の内径Ｄ１は１．５ｍｍであり、補助アシストガスノズル５の内径Ｄ２は４ｍｍである。レーザ発振器は炭酸ガスレーザ発振器であり、レーザ出力は４０００Ｗとした。主アシストガスノズルの噴出口３は、補助アシストガスノズルの噴出口６よりも５ｍｍ、アシストガス流の上流側に配置し、アシストガスの圧力は、１．５ＭＰａに設定した。【００１８】
また、レーザビーム８の金鍍金１２への当て方については、従来技術のように多重反射をさせても良いが、レーザビーム８の周辺部を金鍍金１２と干渉させてビーム強度分布を調整することで、加工品質が非常に向上するとの実験結果もあるので、本測定においてはレーザビーム８の周辺部のみ金鍍金１２に当てる構成とした。ここで、レーザビーム８の周辺部を金鍍金に１２に当てるには、レーザビームの焦点位置を変化させて行うが、本実施の形態の場合、レーザビーム８の焦点位置はレーザ加工用ノズル先端より８ｍｍに設定した。【００１９】
上記測定条件における、レーザビーム照射時間とノズル温度上昇の測定結果を図２に示す。図２において、◆は主アシストガスと補助アシストガスともに供給しない場合の値であり、□は補助アシストガスの供給をせずに主アシストガスのみ供給した場合の値であり、▲は主アシストガスと補助アシストガス共に供給した本実施の形態での値である。
図２において、◆と▲を比較することで、主アシストガスノズルの外側に補助アシストガス流が存在する本実施の形態におけるレーザ加工用ヘッドでは、アシストガスが無い場合に比べ、ノズルの飽和温度が約９０％抑えられていることがわかる。さらに、□と▲を比較することで、主アシストガスのみの場合に比べても、約７０％程度飽和温度が抑えられており、本実施の形態によるレーザ加工用ノズルの冷却効果が高いことが明らかとなった。【００２０】
本実施の形態におけるレーザ加工用ノズルでは、レーザビームのノズル内面の金鍍金での反射により温度の上昇する主アシストガスノズルに対し、主アシストガスおよび補助アシストガスにより主アシストガスノズルの冷却が行われるため、レーザ加工用ノズルの温度上昇を抑制することが可能である。これにより、主アシストガスノズルの内面に設けられた金鍍金の剥離を軽減することができる。【００２１】
なお、本実施の形態では２重ノズルにて説明を行ったが、主アシストガスノズルの外側にアシストガスが流れていれば良く、３重以上の多重ノズルでも良い。また、アシストガスを窒素として説明したが、特に種類は限定されるものではなく、加工条件に合わせて設定すればよい。また、主アシストガスノズルの内面の金鍍金の材質は金に限定されるものではなく、レーザビームを効率よく反射できる高反射材料であれば良い。【００２２】
実施の形態２．
ところで、従来のレーザ加工用ノズルの材質は真鍮が用いられてきた。真鍮の場合、切削性が良く、ノズル自体の加工コストや加工時間が低減できるためである。実施の形態１においても、主アシストガスノズルの材質は従来と同様に真鍮としたが、本実施の形態では、銅を材質とする主アシストガスノズルに金鍍金を施している。これは、真鍮等の熱伝導の小さな材料では、レーザ光の吸収により生じる温度上昇に対し熱の拡散が小さいため、レーザ加工用ノズルの温度が上昇し易く、その結果、金鍍金の剥離・溶融を促進してしまうことを軽減するためである。すなわち本実施の形態は、熱伝導率の大きい銅に金鍍金を施し、熱の拡散を大きくすることで、金鍍金の剥離・溶融をさらに軽減することを目的とするものである。【００２３】
本実施の形態におけるレーザ加工用ノズルの構成は、主アシストガスノズルの材質が銅である点を除けば、実施の形態１の図１と同じであるので、構成や動作については説明を省略する。【００２４】
次に、レーザ加工用ノズルの材質を真鍮から銅にすることによる効果について測定を行った。測定の条件は実施の形態１の図２と同様とし、真鍮製のノズルと銅製のノズルを準備して銅条件にて、金鍍金の剥離の度合いを測定した。ここで、銅は純銅Ｃ１１００を使用した。【００２５】
図３は、レーザビームの出力とレーザ加工用ノズルの金鍍金剥離割合を測定した結果を示したものである。レーザビームの照射時間は６００秒とした。ここで剥離割合とは、主アシストガスノズルの内側面積（図１における金鍍金を施した面積）に対する金鍍金の剥離面積の割合を示したものである。図３に示したように、レーザビームの出力が４０００Ｗのときに、主アシストガスノズルの材質が従来の真鍮の場合と比べ、本実施の形態における銅とすることで、従来の剥離割合と比較し約８０％の低減が可能である。【００２６】
本実施の形態におけるレーザ加工用ノズルは、高い熱伝導を有する銅を主アシストガスノズルの母材とし、それに対し金鍍金を施すことにより、実施の形態１におけるレーザ加工用ノズルに比べ、さらに金鍍金の剥離・溶融を低減することが可能である。これにより、長期間の安定した加工が可能となる。【００２７】
なお、銅の熱伝導率は７００℃に対し３５４Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１であるが、レーザ加工用ノズルにおける主アシストガスノズルの材質は、銅以上の熱伝導率を有する材質であれば良く、特にその材質を問わない。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
この発明に係るレーザ加工用ノズルは、レーザ加工装置に備えられレーザビームを出射するレーザ加工用ノズルに用いられるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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