(57)【要約】  切断コストを下げながら、窒素リッチガスによるドロスフリー切断が可能なレーザ加工機のアシストガス発生装置を提供する。レーザ加工機（１０）のアシストガス供給部（２７）は、空気を取り入れて所定圧まで圧縮するエアコンプレッサ（２５）と、エアコンプレッサ（２５）で圧縮された空気から酸素ガスを分離し窒素リッチガスを発生させる酸素分離膜（９２）を有する酸素分離装置（８３）と、酸素分離装置（８３）で発生した窒素リッチガスを圧縮するブースタ（２４）と、を備える。エアコンプレッサ（２５）と酸素分離装置（８３）の間、又は、酸素分離装置（８３）とブースタ（２４）の間に絞り部（８４）が設けられている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工時にノズルからレーザ光を照射すると共に、アシストガスを噴射するレーザ加工機のアシストガス発生装置であって、
圧縮された空気から酸素ガスを分離し窒素リッチガスを発生させる酸素分離膜を有する酸素分離装置と、
前記酸素分離装置で発生した窒素リッチガスを圧縮するブースタと、を備え、
前記酸素分離装置と前記ブースタの間に絞り部が設けられたことを特徴とするレーザ加工機のアシストガス発生装置。
【請求項２】
前記酸素分離装置により発生する前記窒素リッチガスの窒素濃度は９９．５％以上であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機のアシストガス発生装置。
【請求項３】
前記ノズルからアシストガスを噴射する、請求項１または２に記載のレーザ加工機のアシストガス発生装置。
【請求項４】
前記ノズルの側方に設けられ、アシストガスを噴射するサイドノズルをさらに備える、請求項１または２に記載のレーザ加工機のアシストガス発生装置。
【請求項５】
前記酸素分離装置は、それぞれ前記酸素分離膜を有する酸素分離部を複数有し、
該複数の酸素分離部は、並列に接続されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ加工機のアシストガス発生装置。
【請求項６】
前記複数の酸素分離部は、長手方向が鉛直方向となるように配置されることを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工機のアシストガス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アシストガスとして窒素リッチガスを利用可能なレーザ加工機のアシストガス発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ加工機においては、軟鋼切断時にアシストガスとして酸素ガスを利用していた。アシストガスとして酸素ガスを使用し酸化反応熱を利用してレーザ切断すると、切断面に酸化被膜が付着して、後工程の溶接や塗装に問題が発生する場合があった。そこで、近年では、切断面の酸化を抑制する方法として、窒素ガスが利用されている。【０００３】
しかしながら、アシストガスに窒素ガスを使用してレーザ切断すると酸化反応熱を利用できないためドロスが発生しやすい。そのため、窒素ガスを利用する場合、酸素ガスを利用する場合に比べて高いガス圧を要する。ガス圧が高いということは窒素ガスの消費量が多くなることを意味しており、切断コストが嵩む原因となっていた。切断コストを低減させる方法として、いくつかの方法が提案されている。【０００４】
特許文献１に記載の方法では、中空糸膜を利用した分離装置を利用して、空気から窒素純度が９４％〜９９．５％の窒素リッチガスが得られることが記載されている。また、特許文献２に記載の方法では、吸着方式を用いた窒素ガス発生装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−３２８７８７号公報
【特許文献２】特許第３６４０４５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、窒素純度が安定せず、窒素リッチガスの圧力が低いという課題があった。窒素純度が安定しないとワークにドロスが付着するおそれがある。一方、窒素リッチガスの圧力が低いとドロスフリー切断可能な板厚が極めて薄い板材に限定されてしまい、所望の板厚のレーザ加工を行うことができないおそれがあった。また、特許文献２に記載の方法では、吸着装置自体が高額であるため、切断コストを下げるという点で課題があった。【０００７】
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、切断コストを下げながら、窒素リッチガスによる安定したドロスフリー切断が可能なレーザ加工機のアシストガス発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、先ず、ドロスフリー切断に必要な窒素リッチガスの濃度について調べた。【０００９】
アシストガスとして窒素濃度１００％、９９．５％、９９．０％の３種類を用意し、それぞれのアシストガスでＳＵＳ３０４、ＳＥＣＣ、軟鋼（ＳＰＣＣ）の３種類の板材について厚さを変えながらレーザ切断を行った。そして、ドロスフリー切断が可能な最大の板厚（以下、ドロスフリー最大切断板厚と呼ぶ。）を測定した。【００１０】
図７（ａ）は出力２ｋＷのレーザ加工機におけるドロスフリー最大切断板厚を示すもので、図７（ｂ）は出力１ｋＷのレーザ加工機におけるドロスフリー最大切断板厚を示すものである。【００１１】
図７（ａ）及び図７（ｂ）の結果から、アシストガスとして窒素濃度９９．０％の窒素リッチガスを使用した場合、ＳＵＳ３０４や軟鋼で窒素濃度１００％の窒素ガスを使用した場合に比べてドロスフリー最大切断板厚が薄くなる場合があった。一方、窒素濃度９９．５％の窒素リッチガスを使用した場合、窒素濃度１００％の窒素ガスを使用した場合に対し同等以上のドロスフリー最大切断板厚が得られることが分かった。【００１２】
これらの結果から、本発明者らはドロスフリー切断を行うためには窒素濃度９９．５％程度の窒素リッチガスを得られればよいとの知見を得て、窒素ガスボンベや高価な吸着方式を用いた窒素ガス発生装置を用いずに、膜方式の窒素ガス発生装置を利用して、これまで膜方式の窒素ガス発生装置では難しかった、高濃度且つ高圧の窒素リッチガスの生成を実現したものである。本発明は、以下の態様を提供するものである。
（１）  加工時にノズルからレーザ光を照射すると共に、アシストガスを噴射するレーザ加工機のアシストガス発生装置であって、
圧縮された空気から酸素ガスを分離し窒素リッチガスを発生させる酸素分離膜を有する酸素分離装置と、
前記酸素分離装置で発生した窒素リッチガスを圧縮するブースタと、を備え、
前記酸素分離装置と前記ブースタの間に絞り部が設けられたことを特徴とするレーザ加工機のアシストガス発生装置。
（２）  前記酸素分離装置により発生する前記窒素リッチガスの窒素濃度は９９．５％以上であることを特徴とする（１）に記載のレーザ加工機のアシストガス発生装置。
（３）  前記酸素分離装置は、それぞれ前記酸素分離膜を有する酸素分離部を複数有し、  該複数の酸素分離部は、並列に接続されることを特徴とする（１）又は（２）に記載のレーザ加工機のアシストガス発生装置。
（４）  前記複数の酸素分離部は、長手方向が鉛直方向となるように配置されることを特徴とする（３）に記載のレーザ加工機のアシストガス発生装置。
【発明の効果】
【００１３】
上記（１）に記載の態様によれば、ブースタによりエアコンプレッサで得られる空気圧よりも高圧の窒素リッチガスをノズルに供給することができる。また、ブースタを設けた場合であっても、絞り部により酸素分離装置を流れる圧縮空気の流量が安定するので、圧縮空気の流量の流量変動による窒素リッチガスの濃度変動を抑制することができる。これにより、切断コストを下げながら、窒素リッチガスによるドロスフリー切断が可能となる。【００１４】
上記（２）に記載の態様によれば、好ましいドロスフリー切断が可能となる。
上記（３）及び（４）に記載の態様によれば、アシストガス発生装置を小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ加工機の概略平面図である。
【図２】図１に示すレーザ加工機の概略側面図である。
【図３】加工ヘッド駆動機構の斜視図である。
【図４】加工ヘッドの斜視図である。
【図５】図１に示すレーザ加工機の背面図である。
【図６】アシストガス供給部の構成図である。
【図７】（ａ）は出力２ｋＷのレーザ加工機におけるドロスフリー最大切断板厚を示すグラフであり、（ｂ）は出力１ｋＷのレーザ加工機におけるドロスフリー最大切断板厚を示すグラフである。
【図８】アシストガス供給部の他の例の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る熱切断機の一例として、レーザ加工機の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１及び図２に示すように、レーザ加工機１０は、加工機本体２０と、加工機本体２０に内蔵されるレーザ発振器２１及び制御装置２２と、加工機本体２０に接続して配設されるパレットチェンジャ２３と、空気中の窒素ガスを分離するために使用されるブースタ２４やエアコンプレッサ２５、又は、窒素ガスボンベ２６ａ及び酸素ガスボンベ２６ｂなどを備えるアシストガス供給部２７と、レーザ発振器２１及びレーザ加工ヘッド４０（以下、加工ヘッドと呼ぶ。）を冷却する冷却水を供給するチラーユニット２８、及び加工時に発生する塵埃などを排除する集塵機２９などを主に備える。
【００１８】
なお、本実施形態において、前方とは、加工機本体２０とパレットチェンジャ２３の並び方向（図１のＸ方向）において加工機本体２０寄りの方向を表わし、後方とは、該並び方向において、パレットチェンジャ２３寄りの方向を表わす。また、左方及び右方は、該並び方向に直交する方向（図１のＹ方向）において、後方から前方を見たときの方向で表わされる。
【００１９】
加工機本体２０のキャビン３０内には、パレット３１を所定の方向であるキャビン３０の長手方向（Ｘ方向）に駆動するパレット駆動機構３２と、パレット３１に搭載されたワークＷを熱によって切断するためのレーザ光を照射する加工ヘッド４０と、加工ヘッド４０を駆動する加工ヘッド駆動機構４９と、加工時に切断された切り屑等を回収するための回収コンベア６０と、が収容されている。
【００２０】
図３に示すように、加工ヘッド４０は、加工ヘッド駆動機構４９によって、Ｘ方向、キャビン３０の幅方向（Ｙ方向）及びキャビン３０の上下方向（Ｚ方向）に移動可能である。具体的に、左右に設けられた一対の支持台４１には、梁状のＸ方向可動台４２が跨って配置され、このＸ方向可動台４２は、Ｘ軸モータ４３によりＸ方向に駆動される。また、Ｘ方向可動台４２には、Ｙ軸モータ４４により駆動されてＹ方向に移動可能なＹ方向可動台４５が配設されている。Ｙ方向可動台４５は、Ｘ方向可動台４２内に配置された不図示のラックに、Ｙ軸モータ４４の回転軸に固定された不図示のピニオンが噛合するラックピニオン機構によりＹ方向に駆動される。また、Ｙ方向可動台４５には、Ｚ軸モータ４６により駆動されるラックピニオン機構を用いて加工ヘッド４０がＺ方向に移動可能に配設されている。
【００２１】
なお、図１の実線及び図２の点線で示す加工ヘッド４０は、Ｘ方向で最も前方に位置した状態を表わし、図１及び図２の一点鎖線で示す加工ヘッド４０は、Ｘ方向で最も後方に位置した状態を表わしている。
【００２２】
加工ヘッド４０には、レーザ発振器２１から延びるファイバケーブル（先端のみ図示）５０が、Ｘ方向用ケーブルべア（登録商標）４８ｘ、及びＹ方向用ケーブルべア（登録商標）４８ｙを介して配索することで接続されている。また、加工ヘッド４０内には、ファイバケーブル５０の出射端から出射されたレーザ光を平行光線化するためのコリメータレンズ５１と、平行光線化されたレーザ光を集光するための集光レンズ５２と、が配置されており、集光レンズ５２は、加工ヘッド４０に対してＺ方向に位置調整自在に設けられている。なお、レーザ光を生成するレーザ発振器２１の構成は、公知のものを適用可能であるから、詳細な説明については省略する。
【００２３】
また、図４に示すように、加工ヘッド４０の周囲には、チラーユニット２８から供給される冷却管５６が接続されており、ファイバケーブル５０の出射端と、集光レンズ５２の周囲を冷却する。さらに、加工ヘッド４０の周囲には、加工ヘッド４０内に、アシストガス供給部２７から窒素ガス、或いは酸素ガスのアシストガスを供給するガス供給管５７や、加工ヘッド４０のレーザノズル５３近傍に向けて、窒素ガス、或いは酸素ガスのアシストガスを吹き付けるサイドノズル５４に接続される他のガス供給管５８が設けられている。
【００２４】
これらの冷却管５６やガス供給管５７，５８は、Ｚ方向用ケーブルべア（登録商標）４８ｚを通過した後、ファイバケーブル５０とともに、Ｘ方向用ケーブルべア（登録商標）４８ｘ、及びＹ方向用ケーブルべア（登録商標）４８ｙに配索されて、チラーユニット２８及びアシストガス供給部２７に接続される。
【００２５】
加工ヘッド４０は、レーザ発振器２１を作動させると、レーザ光がファイバケーブル５０を介してコリメータレンズ５１で平行光線化され、更に平行光線化されたレーザ光が集光レンズ５２に入射して集光し、レーザノズル５３からワークＷの加工部に照射されてワークＷを加工する。加工に際して、アシストガス供給部２７から供給されるアシストガスは、レーザノズル５３やサイドノズル５４からワークＷの加工部に向けて噴出して、加工時に生じた溶融した金属を吹き飛ばす。
【００２６】
図１及び図２に示すように、パレット駆動機構３２は、Ｘ方向に沿ってパレット３１の右側面と対向する位置に配設され、駆動モータ３３によって回転駆動される無端チェーン３４と、パレット３１の下面側に設けられた複数のローラ３６が転動案内され、パレット３１を支持するレール３５と、を有する。そして、駆動モータ３３により無端チェーン３４が回転駆動すると、無端チェーン３４に設けられたピン（図示せず）が、パレット３１の係合部（図示せず）に係合し、レール３５上のパレット３１をＸ方向に移動させる。
【００２７】
キャビン３０には、正面３０Ｆに開閉扉であるガルウィング３８が設けられ、正面３０Ｆに対して反対側となる背面３０Ｒに横長スリット状に形成された搬入出口３７が、パレットチェンジャ２３に対応して設けられている。これにより、大ロット製品の加工時には、ワークＷを載置するパレット３１を搬入出口３７を介して搬入出し、小ロット製品の加工時には、ガルウィング３８からワークＷを搬入出し、ロットの大きさに対応した搬入出作業を行うことができる。
【００２８】
また、正面３０Ｆには、ガルウィング３８の側方に第１操作盤７５が配置され、左側面３０Ｌには、第２操作盤７０が背面３０Ｒ寄りに配置されている。さらに、キャビン３０の正面３０Ｆで、ガルウィング３８の下方には、作業者が足で操作可能なフートスイッチ７６が配置されている。
【００２９】
図１、図２及び図５に示すように、パレットチェンジャ２３は、搬入出口３７が設けられたキャビン３０の背面３０Ｒに対向して配置されている。パレットチェンジャ２３は、図１に示す駆動機構６１によって上下駆動される可動フレーム６２を有し、可動フレーム６２の左右側方に設けられた角張った略Ｃの字状レール６３上に２台のパレット３１を上下に２段配置することができる。
【００３０】
上側のパレット３１は、角張った略Ｃの字状レール６３の上側レール面６３ａ上に載置され、また、下側のパレット３１は、角張った略Ｃの字状レール６３の下側レール面６３ｂ上に載置される。角張った略Ｃの字状レール６３上に２段配置されたパレット３１は、駆動機構６１で可動フレーム６２を上下駆動することで、角張った略Ｃの字状レール６３上のパレット３１を上下に移動して、キャビン３０内に配設されたレール３５と同じ高さとなるように高さ調節が可能であり、該レール３５と同じ高さに位置するパレット３１を、搬入出口３７を介してパレットチェンジャ２３とキャビン３０内との間で搬入出することができる。
【００３１】
図１に示すように、パレットチェンジャ２３を囲う作業エリアＷＡの各角部には、投光器７１、反射板７２、及び受光器７３からなるセンサが配置されており、投光器７１から照射した光を、３つの反射板７２で反射して受光器７３で受光することにより、作業エリアＷＡ内への作業者等の出入りを監視している。また、キャビン３０の背面３０Ｒには、エリアセンサ７４が配設されて、作業エリアＷＡ内の作業者等の有無を検出する。投光器７１、反射板７２、及び受光器７３からなるセンサ、またはエリアセンサ７４が作動したときは、作業エリアＷＡ内に作業者等がいると判断してパレットチェンジャ２３の搬入出作業を禁止し、これにより作業者等の安全が確保される。
【００３２】
以下、本発明の特徴であるアシストガス供給部２７について図６を参照しながら詳細に説明する。
【００３３】
アシストガス供給部２７は、エアコンプレッサ２５と、エアドライヤ８２と、酸素分離装置８３と、絞り部８４と、ブースタ２４と、を主として備えている。なお、本実施形態のアシストガス供給部２７においては、窒素ガスボンベ２６ａ及び酸素ガスボンベ２６ｂを備え、これらからのアシストガスが手動式三方弁８６または電磁弁８７により選択的に使用可能となっているが、これらは必ずしも必要ではなく省略してもよい。特に、窒素ガスボンベ２６ａについては、アシストガス供給部２７からドロスフリー切断に必要な窒素純度が９９．５％程度の窒素リッチガスが供給可能であるため、特に必要な場合、例えば５ｍｍ以上の板厚のワークをレーザ加工する場合等を除き設ける必要はない。
【００３４】
このアシストガス供給部２７では、エアコンプレッサ２５により圧縮された空気が、塵及びオイルミストの除去を行うフィルタ群８８を通過してエアドライヤ８２に供給される。エアドライヤ８２では圧縮空気に含まれる水蒸気が除かれて、乾燥した圧縮空気が下流側に供給される。エアドライヤ８２の下流には、並列に複数（本実施形態では３つ）の酸素分離管９０を有する酸素分離装置８３が配設され、さらにその下流には、酸素分離装置８３から排出された窒素リッチガスを昇圧するブースタ２４が配設されている。
【００３５】
酸素分離装置８３を構成する酸素分離管９０は、それぞれ筐体９１の内部に酸素分離膜９２が内蔵されており、長手方向に鉛直方向となるように配置されている。なお、酸素分離管９０の数は、酸素分離膜９２の流量に応じて適宜変更可能であり、少なくとも１本設けられていればよい。酸素分離膜９２は、空気中の窒素よりも酸素を透過しやすい性質を有するポリイミド製中空糸から構成され、圧縮空気が酸素分離膜９２の内側を流れている間に、酸素が選択的に酸素分離膜９２を透過し、その結果、酸素分離膜９２の出口に窒素リッチガスが得られる。酸素分離装置８３で発生する窒素リッチガスの残留酸素濃度は０．５％程度が好ましい。
【００３６】
ブースタ２４は、所定圧を維持するようにオン−オフ運転制御されるように構成されている。そのため、ブースタ２４の作動状態（オン状態）と非作動状態（オフ状態）ではブースタ２４に流れる窒素リッチガスの流量が変化する。ブースタ２４に流れる窒素リッチガスの流量が変化すると、その上流に位置する酸素分離装置８３の酸素分離膜９２を通過する圧縮空気の流量も変化してしまう。酸素分離装置８３の酸素分離膜９２は、その性質上、流れる圧縮空気の流量が変化すると得られる窒素リッチガスの濃度が変化してしまう。
【００３７】
そこで、酸素分離装置８３とブースタ２４との間に最大流量を制限する絞り部８４を設けることで、酸素分離装置８３の酸素分離膜９２を通過する圧縮空気の流量が一定となるように制御している。この絞り部８４は、酸素分離装置８３の上流に設けてもよい。絞り部８４の径はレーザノズル５３のノズル径に対応して決められ、異なる径のレーザノズル５３を使用可能な場合には、図８に示すように、絞り弁などの、絞り部８４の径寸法を適宜調整可能な可変絞りを採用してもよい。符号９３は、ブースタ２４側から酸素分離装置８３側への窒素リッチガスの逆流を防止するチェックバルブであり、符号９５は、酸素分離装置８３への圧縮空気の入り口に設けられた電磁弁であり、圧縮空気の圧力が所定圧になった段階で開弁される。
【００３８】
ブースタ２４の下流側には、レギュレータ弁９４ａが設けられており、レーザノズル５３側の圧力が所定圧よりも高くならないように制御されている。符号９４ｂ、９４ｃも、窒素ガスボンベ２６ａ、酸素ガスボンベ２６ｂの下流側に配置されたレギュレータ弁を示すものである。レギュレータ弁９４ａは、例えば、１．５ＭＰａ〜２．５ＭＰａ、好ましくは１．６ＭＰａ〜２．１ＭＰａに設定され、この圧力はエアコンプレッサ２５により得られる圧縮空気の圧力よりも高くなっている。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態のレーザ加工機１０のアシストガス供給部２７では、ブースタ２４によりエアコンプレッサ２５で得られる空気圧よりも高圧の窒素リッチガスをレーザノズル５３に供給することができる。また、ブースタ２４を設けた場合であっても、エアコンプレッサ２５と酸素分離装置８３の間、又は、酸素分離装置８３とブースタ２４の間に絞り部８４が設けられているので、酸素分離装置８３を流れる圧縮空気の流量が安定し、圧縮空気の流量の流量変動による窒素リッチガスの濃度変動を抑制することができる。これにより、切断コストを下げながら、高圧で高濃度の窒素リッチガスを安定して供給することができドロスフリー切断が可能となる。
【００４０】
また、酸素分離装置８３により発生する窒素リッチガスの残留酸素濃度が０．５％程度であるので、好ましいドロスフリー切断が可能となる。
【００４１】
また、複数の酸素分離管９０は、並列に接続されるので、長手方向長さが長くなるのが抑制され、アシストガス供給部２７を小型化することができる。さらに、酸素分離管９０は、長手方向が鉛直方向となるように配置されることで、アシストガス供給部２７をさらに小型化することができる。
【００４２】
尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
【００４３】
本発明は、本実施形態のレーザ加工機１０は、ファイバレーザ加工機等、任意のレーザ加工機に適用可能である。
【００４４】
また、上記実施形態では、複数の酸素分離管９０を並列に並べて酸素分離装置８３を構成したが、複数の酸素分離管９０を用いる場合、これらを直列に並べて酸素分離装置８３を構成してもよい。
【符号の説明】
【００４５】
１０    レーザ加工機
２４    ブースタ
２５    エアコンプレッサ
２７    アシストガス供給部（アシストガス発生装置）
５３    レーザノズル（ノズル）
８３    酸素分離装置
８４    絞り部
９０    酸素分離管（酸素分離部）
９２    酸素分離膜
【図１】
2014065256.tif 000003
【図２】
2014065256.tif 000004
【図３】
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【図４】
2014065256.tif 000006
【図５】
2014065256.tif 000007
【図６】
2014065256.tif 000008
【図７】
2014065256.tif 000009
【図８】
2014065256.tif 000010
【国際調査報告】
2014065256.tif 000011
2014065256.tif 000012
2014065256.tif 000013
2014065256.tif 000014