(57)【要約】  レーザビーム及び加工ガス用の少なくとも１つの供給室を備えたレーザ加工ノズル（４ａ）は、ガス供給室（１４）の開口（１５）の領域に配置された中空室（１７）を有しており、該中空室は、加工しようとする工作物の方向に開口しており、該開口が楔状の縁部（１８′）を有している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビーム及び加工ガス用の少なくとも１つの供給室（１４）を備えたレーザ加工ノズル（４ａ；２０；２２；２４；２６）において、該レーザ加工ノズル（（４ａ；２０；２２；２４；２６）が、ガス供給室（１４）の開口（１５）の領域に配置された中空室（１７；２５；２７）を有しており、該中空室が、加工しようとする工作物の方向に開口しており、該開口が、楔状の縁部（１８′）を有していることを特徴とする、レーザ加工ノズル。
【請求項２】
前記中空室（１７；２５；２７）が、ガス供給室（１４）の開口（１５）に対して回転対称的に配置されている、請求項１記載のレーザ加工ノズル。
【請求項３】
ガス供給室（１４）の開口（１５）が、レーザ加工ノズル（４ａ；２０；２２；２４；２６）のノズル先端部（１６）の後ろに引っ込められている、請求項１又は２記載のレーザ加工ノズル。
【請求項４】
中空室（１７）が、中空室底部（１８）の領域に丸く形成された内側輪郭を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載のレーザ加工ノズル。
【請求項５】
中空室（２５；２７）が、中空室底部の領域に角張って形成された内側輪郭を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載のレーザ加工ノズル。
【請求項６】
中空室（１７；２５；２７）の内面（１７′，１７″）が、ガス供給室（１４）の方向に関して横方向で配置されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のレーザ加工ノズル。
【請求項７】
中空室（１７；２５；２７）が、ガス供給室（１４）の開口（１５）の後方にまで延在している、請求項１から６までのいずれか１項記載のレーザ加工ノズル。
【請求項８】
中空室（１７；２５；２７）の開口が流出縁部（１８″）を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載のレーザ加工ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビーム及び加工ガスのための少なくとも１つの供給室を備えたレーザ加工ノズルに関する。
【０００２】
このようなレーザ加工ノズルは、例えば米国特許第６４２３９２８号明細書に基づき公知となっている。
【０００３】
従来技術では、孔あきノズルとして形成されたレーザ加工ノズルの開口直径は、溶融カット（例えばＶＡ）の場合、加工しようとする薄板厚さの増大に伴って拡大しなければならない。この理由から、ますます高いガス圧が必要とされる。しかし、ガス圧の上昇は、切断ギャップ内のガス密度がますます高まることを意味しており、これにより、プラズマの形成される公算がますます大きくなる。プラズマ限界値は、とりわけ放射される出力密度（高い出力密度若しくはプロセス温度＞＞プラズマ）及び焦点位置（高い焦点位置＞＞プラズマ）にも関連しており且つ質的により良い溶融カットを制限するものである。
【０００４】
厚板をカットする場合には、切断ガス圧が低下されると、より良好な切断フランク品質が得られる。但しこのことは常に、著しいバリの形成と結びついている。
【０００５】
解決しようとする課題は、レーザビームカット用のノズルを改良して、切断フランク粗さに関して質的により高い断面が得られるようにすることであり、この場合、特に重要なのは、切断効率を高めること、即ち、高度な切断クオリティーを維持しつつ、より大きな送りが達成されることである。特に厚板を切断する場合には、プラズマ形成に抗して作用せねばならない。
【０００６】
この課題は、冒頭で述べた形式のレーザ加工ノズルによって解決される。このレーザ加工ノズルは、ガス供給室の開口領域に配置された中空室を有しており、この中空室は、加工しようとする工作物の方向にのみ開いており、この開口は楔状の縁部を有している。
【０００７】
本発明によるレーザ加工ノズルの効果は、切断フロントのより大きなオーバラップ度を、レーザ加工ノズルの開口直径を拡大する必要無しに得ることを目標としている。この場合、この効果において溶融物により少ないパルスをもたらすディフューザが生じるということは回避される。
【０００８】
本発明による楔状の縁部に基づき、転動流が形成される。この転動流は、主要ガス噴流をまず所定の体積（滞留体積）に流入させ、この滞留体積の圧力は周辺環境に比べて高められている。これにより、加工ガスは公知のレーザ加工ノズルと比較して、開口からのより高い流出速度を得るので、薄板若しくは切断フロントに対する改善されたパルス伝達が可能である。転動流と主要ガス噴流との間の移行範囲内の整流された速度に基づき、主要ガス噴流と周辺環境との間の摩擦損失は、公知のレーザ加工ノズルと比較して減少される。更に、転動流は工作物の上位の領域における主要ガス噴流のための支持作用を有している。別の支持作用は、切断ギャップ内に生ぜしめられる。主要ガス噴流は、公知のレーザ加工ノズルと比較して著しく下方で、ようやく切断フロントから解離する。このことは、改善された切断縁部をもたらす。
【０００９】
本発明の有利な構成では、中空室がガス供給室の開口に対して回転対称的に配置されている。この配置形式に基づき、加工ガスの滞留体積による加工ガス噴流の被覆が生ぜしめられる。このことは、切断フロントの回転対称的なオーバラップを生ぜしめる。
【００１０】
ガス供給室の開口が、レーザ加工ノズルのノズル先端部の後方に引っ込められていると、加工ガスは極めて良好に滞留可能であり且つ中空室に流入可能である。
【００１１】
更に、転動流の形成は、中空室の底部域が、丸く形成された内側輪郭を有していることによって支援される。
【００１２】
但し、中空室の底部域が、角張って形成された内側輪郭を有しているということも考えられる。
【００１３】
中空室の内面が、ガス供給室の方向に関して横方向に配置されているか、若しくは傾斜して延在していると、加工ガスは、ほぼ半径方向で中空室に流入することができる。
【００１４】
ガス供給室の開口の後方に中空室を延在させることにより、流れ状況が最適化される。
【００１５】
流出縁部を介して、逆流するガスは主要ガス噴流にできるだけ同軸的に流れ込むことができる。このことは、切断結果を付加的に改善する。
【００１６】
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。
【００１７】
図１から、ＣＯ２レーザ２、レーザ加工ヘッド４（レーザ加工ノズル４ａ）及び工作物支持部５を備えた、レーザカット用のレーザ加工装置１の構成が明らかである。発生されたレーザビーム６は変向ミラーを介してレーザ加工ヘッド４へ案内され且つ複数の鏡を介して工作物８に向けられる。
【００１８】
一貫した切断面が生じる前に、レーザビーム６が工作物８を貫通する必要がある。薄板８の所定の位置を点状に溶融又は酸化させる必要があり、溶融物は吹き出さねばならない。
【００１９】
ピアシングもレーザカットも、ガスを付加することにより支援される。カットガス９としては、酸素、窒素、圧縮空気及び／又は特殊用途のガスを使用することができる。最終的にどのガスを使用するのかは、カットする材料及び工作物に課される品質要求に関連している。
【００２０】
生じる粒子及びガスは、吸出し装置１０によって吸出し室１１から吸い出される。
【００２１】
図２では、本発明によるレーザ加工ノズル４ａは、互いに結合された２つの構成部材１２，１３から構成されている。孔あきノズルとして形成されたこのレーザ加工ノズル４ａは、カットガス及びレーザビーム用の中央の供給室１４を有している。
【００２２】
孔あきノズル４ａの円筒形の開口１５は、流れ方向で見てノズル先端部１６の後ろに引っ込んでいる。開口１５に対して回転対称的に、環状に延在する中空室１７が、カットガスを収容するために設けられている。この中空室１７は、レーザ加工ノズル４ａの下面に対してのみ、即ち、工作物及び開口１５に対してのみ開いており且つ丸く形成された底部１８を有している。つまり、カットガス用に供与された滞留体積は、半径方向で且つノズル開口１５の後方に向かっても広がっている。矢印（主要ガス噴流１９及び滞留ガス噴流１９′）は、図２ではカットガスの流れを示唆するものである。レーザ加工ノズル４ａは、ノズル先端部１６において開口１５自体よりも何倍も大きな直径を有している。
【００２３】
従って、付加的に中空室１７により付与される滞留体積は、半径方向で流出するガスの部分が「転動流」を介して戻され且つカットガス噴流を被覆するように付与され且つ成形されている。配置されたノズル先端部１６が加工しようとする薄板に近ければ近い程、流れ抵抗は高くなり且つ背圧分布は効果的に半径方向に広がることができる。転動流の発生に関しては、まず第１にレーザ加工ノズル４ａの下面に設けられた、楔状に間隔を狭めて延びる縁部１８′が原因となっている。半径方向で流出する加工ガスは、この縁部１８′から部分的に中空室１７内へ変向され、この中空室１７の内面１７′，１７″に沿って流出縁部１８″を介して主要ガス噴流１９に向かって逆流する。楔形のジオメトリは、一方では半径方向で流出する加工ガスの流れの剥離を生ぜしめ且つ他方では転動流を形成するための流れ案内ジオメトリとして働く。前記縁部１８′の他に、中空室１７の形状及び中空室の、ノズル開口１５の後方にまで至る延在が、転動流を形成するためには重要である。
【００２４】
更に、転動流を発生させるためには、カット間隔、即ち、ノズル先端部１６のノズル下縁部と薄板表面との間の間隔を、比較的小さく（＜０．７ｍｍ、この場合、最良のカット間隔は０．３〜０．５ｍｍで得られる）選択する必要がある。カット間隔が比較的大きいと、薄板表面に、加工ガスの効果的なパルス伝達を妨げる圧力クッションが生じる。更に、転動流は最早形成されない。
【００２５】
このことは、切断フロントの比較的高いオーバラップ度を生ぜしめ、このオーバラップ度は、
‐品質（厚板領域におけるプラズマカットの代わりの溶融カット、同形状の溝構造）；
‐送り（＋１０〜＋２０％、個別のケースでは＋８０〜＋１００％）
‐プラズマ限界値（厚板領域における溶融カット）
‐ガス消費量
にポジティブな影響を及ぼす。
【００２６】
同一の開口直径において、カットガス消費量は目下の標準値を下回っている。更に第１の調査では、より小さな開口直径で切断可能であり、これにより、切断ガス消費量を更に削減することができるということが認識される。
【００２７】
レーザ加工ノズル４ａの満足のいく機能を得るためには、ノズル開口に続く中空室１７の内面を、外側に向かって傾斜させることができる。傾斜角度、即ち前記内面１７′と工作物との間の角度に関連して、半径方向で流出するガスの変向は、傾斜が大きくなればなるほど、つまり傾斜角度が鋭角になればなるほど、損失が無くなるように行われる。転動流をなるべく良好に成形するためには、滞留体積を開口領域の平面の後ろに引っ込めることが必要である。この場合、底部１８及びこれに続くフランク１８′の領域のジオメトリは、円形又は楕円形に形成されていてよい。
【００２８】
図３ａ及び図３ｂには、図１に示した孔あきノズル４ａの択一的な実施例が示されている。図３ａに示したように、レーザ加工ノズル２０は円錐形の開口２１を有している（円錐ノズル）。図３ｂに示したように、レーザ加工ノズル２２は環状ギャップ２３を有している。これらの択一的な実施例は、図１に示したレーザ加工ノズル４ａに関して不変の滞留体積と組み合わされている。従って本発明による機能形式は維持され続ける。
【００２９】
図４ａ及び図４ｂには、図１に示したレーザ加工ノズル４ａの滞留体積の択一的な実施例が示されている。図４ａ及び図４ｂに示したように、レーザ加工ノズル２４における中空室の丸いジオメトリ（中空室２５）の他に、レーザ加工ノズル２６における中空室の角張った構成（中空室２７）も考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】レーザカット装置の構成を示した図である。
【図２】本発明による第１のレーザ加工ノズルの縦断面図である。
【図３】図３ａ及び図３ｂは、本発明による別のレーザ加工ノズルを示した図である。
【図４】図４ａ及び図４ｂは、本発明による更に別のレーザ加工ノズルを示した図である。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【国際調査報告】
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