(57)【要約】本発明は、レーザ加工ヘッド用の二重ノズル（２００）、及びワークピースを切断するための関連する方法を特徴とする。二重ノズル（２００）は内側本体部（２０２）を含み、内側本体部（２０２）は第１の孔（２０５）を画定する内表面（２０３）と、内側本体部（２０２）の遠位端（２０９）側に配置された第１の外周面（２２３）と、内側本体部（２０２）の近位端（２２１）側に配置された第２の外周面（２２２）とを有する。第２の外周面（２２２）は、レーザ加工ヘッドと嵌合して位置合わせされるような形状である。二重ノズル（２００）はまた、第２の孔（２１１）を画定する内表面（２２５）を有する外側本体部（２０４）を含む。外側本体部（２０４）は内側本体部（２０２）の第１の外周面（２２３）と嵌り合うように係合し、レーザ加工ヘッドとの直接的な位置合わせ接触からは隔離されている。内側本体部（２０２）及び外側本体部（２０４）は、それらを貫通する同軸の流体流路を画定するように位置合わせされる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ加工ヘッド用の二重ノズルであって、前記二重ノズルは、
内側本体部であって、第１の孔を画定する内表面、内側本体部の遠位端側に配置された第１の外周面、及び内側本体部の近位端側に配置された、レーザ加工ヘッドと嵌合して位置合わせされるような形状の第２の外周面を有する内側本体部と、
第２の孔を画定する内表面を有する外側本体部であって、外側本体部は、内側本体部の第１の外周面と嵌り合うように係合し、レーザ加工ヘッドとの直接的な位置合わせ接触からは隔離されている、外側本体部と
を備え、
内側本体部及び外側本体部は、それらを通る同軸の流体流路を画定するように位置合わせされている、二重ノズル。
【請求項２】
第２の外周面は、二重ノズルの長手方向軸に対してテーパ状に形成されている、請求項１に記載の二重ノズル。
【請求項３】
テーパ面は、長手方向軸に対して約４．５度から約５．５度の角度にある、請求項２に記載の二重ノズル。
【請求項４】
内側本体部と外側本体部との間に形成された一組の流体流路をさらに含む、請求項１に記載の二重ノズル。
【請求項５】
前記一組の流体流路は、内側本体部の第１の外周面と外側本体部との間の境界面に形成されている、請求項４に記載の二重ノズル。
【請求項６】
前記一組の流体流路は６つの別個の流路を含む、請求項４に記載の二重ノズル。
【請求項７】
第２の外周面は、外側本体部の内表面との円錐状の干渉界面を含み、その円錐状の境界面は、面と面の間に約０．０２５〜０．０７６ｍｍ（約０．００１〜０．００３インチ）の間隔を含む、請求項１に記載の二重ノズル。
【請求項８】
内側本体部及び外側本体部は、約８９００Ｎ（約２０００ｌｂＦ）の力を用いて圧着される、請求項１に記載の二重ノズル。
【請求項９】
外側本体部の第２の孔は、内側本体部に対して位置決めするための軸方向停止部を含む、請求項１に記載の二重ノズル。
【請求項１０】
内側本体部は、外側本体部の第２の孔によって受け入れられる円錐形の基本形状を有する、請求項１に記載の二重ノズル。
【請求項１１】
レーザ切断システムを使用してワークピースを切断する方法であって、
レーザ加工ヘッド及び二重ノズルを設けるステップであって、二重ノズルは、内側本体部と、外側本体部と、軸方向孔とを有し、内側本体部は、レーザ加工ヘッドに成形された位置合わせ面を相補する形状の第１の外表面と、外側本体部の内周嵌合面を相補する形状の第２の外表面とを有し、外側本体部は、内周嵌合面に沿って内側本体部に固定され、レーザ加工ヘッドとの直接的な位置合わせ接触からは隔離されているステップと、
レーザ加工ヘッドの長手方向軸に整列するように、レーザ加工ヘッドに二重ノズルを取り付けるステップと、
二重ノズル内に形成された主流路と少なくとも１つの副流路とに流体を流すステップと、
レーザ加工ヘッドの長手方向軸に沿ってレーザビームを生成するステップと、
二重ノズルを出たレーザビームを用いてワークピースを切断するステップと
を含む方法。
【請求項１２】
第２の外表面は、二重ノズルの長手方向軸に対してテーパ状に形成されている、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
テーパは前記長手方向軸に対して約４〜約５．５度の角度にある、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
二重ノズルは内側本体部と外側本体部との間に形成された一組の流体流路をさらに備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記一組の流体流路は、内側本体部の第１の外表面と外側本体部との間の境界面に形成されている、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記一組の流体流路は６つの別個の流路を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
第２の外表面は、外側本体部の内表面との円錐状の干渉界面であり、その円錐状の境界面は、面と面の間に約０．０２５〜０．０７６ｍｍ（約０．００１〜０．００３インチ）の間隔を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
内側本体部及び外側本体部は、約８９００Ｎ（約２０００ｌｂＦ）の力を用いて圧着される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
外側本体部の第２の孔は、内側本体部に対して位置決めするための軸方向停止部を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項２０】
内側本体部は、外側本体部の第２の孔によって受け入れられる円錐形の基本形状を有する、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、レーザ切断システム及び方法の分野に関する。より具体的には、本発明は、二重ノズル内のレーザビームの改善された位置合わせに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ切断機などの材料加工装置は、材料の切断、溶接、及び熱処理に広く使用されている。レーザ切断機は、一般に、高出力レーザ、ノズル、ガス流、光学系、及びコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）システムを含む。レーザビーム及びガス流は、ノズルのオリフィスを通過し、ワークピースに衝突する。レーザビームはワークピースを加熱し、これはガスとワークピース材料との間の化学反応と共に、ワークピースの選択された領域を変化（例えば、液化及び／又は蒸発）させ、操作者がワークピースを切断又は他の態様で改変することを可能にする。レーザ光学素子及びＣＮＣは、切断作業中にレーザビームをワークピースに対して位置決めして方向付けるために使用される。レーザは小さなスポットサイズに絞り込むことができ、それによって、金属のような工業強度の材料を加工するのに望ましい強度及び出力密度を達成するため、材料加工用途においてレーザは頻繁に使用される。
【０００３】
従来のレーザ切断システムにおいて、システム構成部品（例えばノズル）の位置合わせは、システムの寿命及び性能にとって重要となる。例えば、ノズル孔及び／又はオリフィスをノズルホルダ及びレーザ切断ヘッド光学素子に位置合わせすることは、レーザ切断プロセスを適切に機能させるのに重要となる。さらに、レーザビームとガスジェットとの位置合わせは、ワークピースの全ての側面の周りで均一な切断品質を達成するために重要となる。位置合わせの問題が現れる１つの事例は、部品の交換及び取り付け中であり、この時、ビームの周りガス流が非対称になるのを避けるため、ノズル孔及び／又はオリフィスをレーザヘッドの長手方向軸、つまりはレーザビームと一直線に並べる必要がある。従来のノズルは頻繁に交換しなければならず、ノズル交換の度に、位置合わせされたことを証明するための手間のかかる取り付けと点検が必要となり得るため、この問題は複雑である。さらに、現場で部品を交換する必要もしばしばあるため、適切な取り付け及び位置合わせを確保するために、機械のかなりの停止時間及び技術者の専門知識が必要になる。また、現場での交換には、適切な部品の位置合わせを達成、点検、及び維持するための特別なツールが必要となり得る。
【０００４】
ノズルの一種である「二重ノズル」は、レーザ切断用途において特定の利点を有するが、構成部品の位置合わせに関係する特有の問題も生じさせる。構造的には、二重ノズルは典型的には互いに圧入又は螺合された２つの部分（内側及び外側ノズル部分）を有する。二重ノズルの主な機能は、内側及び外側ノズル部分内に２つの別々のガス流を生成することである。ガスの１つの流れが中央孔を通って供給され、レーザビーム自体の軸に沿って配置され、ガスの２つ目の流れは中央孔を囲む、より低圧のガスの同軸流を提供する。中央流は、切断プロセス中に、レーザビームが材料を加熱し、プロセスガスが材料を切り口から吹き飛ばす際に、材料を除去するのを助ける。一方、低圧同軸流は、中央流の周りの保護流を提供し、溶融した切れ目に空気が引き込まれるのを抑制し、加工している材料にとって適切なガス化学物質で切り口の周りを囲む。
【０００５】
図１は、従来技術の二重ノズル構成を示す。この実施形態では、二重ノズル１００は、境界面１２４で接合された内側本体部１０２（内側ノズル部分）と外側本体部１０４（外側ノズル部分）とを含む。内側本体部１０２は、レーザビームが二重ノズル１００を通過するためのオリフィス１１２を有する。外側本体部１０４は、二重ノズル１００とレーザ加工ヘッド（図示略）とを位置合わせするためのオリフィス１１４及び位置合わせ面１２２を有する。この構成では、２つの別個の表面境界が、レーザ加工ヘッドの長手方向軸１０７、つまりはレーザビーム自体に対する内側ノズルオリフィス１１２の位置合わせを決定する：（１）レーザ加工ヘッドとの位置合わせ面１２２、及び（２）内側本体部１０２と外側本体部１０４との間のノズル界面１２４。
【０００６】
図１において、内側本体部１０２の内側ノズルオリフィス１１２は外側ノズルオリフィス１１４よりも小さく、動作中に外側ノズルオリフィス１１４よりもレーザビームの近くに配置される。したがって、内側ノズルオリフィス１１２の位置合わせが二重ノズル１００の性能及び寿命にとって特に重要となる。内側ノズルオリフィス１１２とレーザ加工ヘッドの長手方向軸１０７との位置合わせ、つまりは２つの別個の境界面を介したレーザビームとの位置合わせは、これら２つの面からなる境界のそれぞれを形成する４つの別個の表面の正確度及び精度に依存する。したがって、適切な寿命と性能を確保するためには、取り付けの正確さと点検の他に、これらの４つの面の高い製造精度も要求される。これらの部品のいずれかにおける誤った位置合わせは、レーザビームの長手方向軸線１０７に対する内側ノズルオリフィス１１２の位置合わせに劇的な影響を及ぼし得る。誤った位置合わせの機会の数を減らし、それによってレーザビームとノズル孔及び／又はオリフィスとの位置合わせを改善し、取り付け及び操作を単純化する二重ノズル構成が必要である。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、レーザ切断装置のノズル孔及び／又はオリフィス内にレーザビームを位置合わせするためのシステム及び方法に関する。特に、ノズルの構成部品間の特定の表面（例えば、二重ノズルの内側孔とレーザ加工ヘッドの長手方向軸との間の表面）が再設計されて、境界面の数（すなわち、誤った位置合わせの機会）が最小化される。本発明による新しい構成では、ビームとノズル孔との位置合わせ、ひいてはガスシュラウド及び位置合わせが改善される。さらに、ノズル境界面の製造公差が緩和され、システムの操作及び取り付けが単純化される。
【０００８】
一態様において、本発明は、レーザ加工ヘッド用の二重ノズルを対象とする。二重ノズルは、内側本体部であって、第１の孔を画定する内表面、内側本体部の遠位端側に配置された第１の外周面、及び内側本体部の近位端側に配置された第２の外周面を有する内側本体部を含む。第２の外周面は、レーザ加工ヘッドと嵌合して位置合わせされるような形状である。二重ノズルはまた、第２の孔を画定する内表面を有する外側本体部を含む。外側本体部は、内側本体部の第１の外周面と嵌り合うように係合し、レーザ加工ヘッドとの直接的な位置合わせ接触からは隔離されている。内側本体部及び外側本体部は、それらを通る同軸の流体流路を画定するように位置合わせされている。
【０００９】
いくつかの実施形態では、第２の外周面は、二重ノズルの長手方向軸に対してテーパ状に形成されている。いくつかの実施形態では、テーパ面は、長手方向軸に対して約４．５度から約５．５度の角度にある。いくつかの実施形態では、二重ノズルは、内側本体部と外側本体部との間に形成された一組の流体流路をさらに含む。いくつかの実施形態では、一組の流体流路は、内側本体部の第１の外周面と外側本体部との間の境界面に形成される。いくつかの実施形態では、一組の流体流路は、６つの別個の流路を含む。いくつかの実施形態では、第２の外周面は、外側本体部の内表面との円錐状の干渉界面を含み、その円錐状の境界面は、面と面の間に約０．０２５〜０．０７６ｍｍ（約０．００１〜０．００３インチ）の間隔を含む。いくつかの実施形態では、内側本体部及び外側本体部は、約８９００Ｎ（約２０００ｌｂＦ）の力を用いて圧着される。いくつかの実施形態では、外側本体部の第２の孔は、内側本体部に対して位置決めするための軸方向停止部を含む。いくつかの実施形態では、内側本体部は、外側本体部の第２の孔によって受け入れられる円錐形の基本形状を有する。いくつかの実施形態では、内側本体部及び外側本体部は、位置合わせにおいて少なくとも約２５％の改善をもたらし得る。すなわち、本明細書に記載された新しい設計及び構成は、従来のシステムよりも良好な位置合わせを提供することができる。いくつかの実施形態では、二重ノズルは、いくつかの従来のシステムよりも良好な流れプロファイルを提供するように構成される。例えば、場合によっては、本明細書のシステム及び方法は、より均一な流れを生じさせ、いくつかの従来のシステムよりも広い範囲の流量調整を可能にする。例示的な比較のために、３スロットノズルは、６８９０Ｐａ〜９１７０Ｐａ（１ｐｓｉ〜１．３３ｐｓｉ）の間で変動する圧力を生成する可能性があり、これは平均値に対して約２８％のピーク−ピーク変動であり得る。一方、いくつかの例では、本明細書に記載された本発明のノズルは、１０４００Ｐａ〜１０８００Ｐａ（１．５１ｐｓｉ〜１．５７ｐｓｉ）の間で変動する圧力を生成することもでき、これは平均値に対して約４％のピーク−ピーク変動であり得る。言い換えれば、本明細書に記載された本発明の複数の流通溝付きノズルは、いくつかの従来の３スロットノズルと比較して、流れの不均一性が約７分の１に減少し得る。
【００１０】
別の態様において、本発明は、レーザ切断システムを使用してワークピースを切断する方法を特徴とする。この方法は、レーザ加工ヘッド及び二重ノズルを設けることを含む。二重ノズルは、内側本体部と、外側本体部と、軸方向孔とを有する。内側本体部は、レーザ加工ヘッドに成形された位置合わせ面を相補する形状の第１の外表面と、外側本体部の内周嵌合面を相補する形状の第２の外表面とを有する。外側本体部は、内周嵌合面に沿って内側本体部に固定され、レーザ加工ヘッドとの直接的な位置合わせ接触からは隔離されている。この方法は、レーザ加工ヘッドの長手方向軸に整列するように、レーザ加工ヘッドに二重ノズルを取り付けることをさらに含む。この方法は、二重ノズル内に形成された主流路と少なくとも１つの副流路とに流体を流すことをさらに含む。この方法は、レーザ加工ヘッドの長手方向軸に沿ってレーザビームを生成することをさらに含む。この方法は、二重ノズルを出たレーザビームを用いてワークピースを切断することをさらに含む。
【００１１】
いくつかの実施形態では、第２の外表面は、二重ノズルの長手方向軸に対してテーパ状に形成されている。いくつかの実施形態では、テーパは長手方向軸に対して約４．５度から約５．５度の角度にある。いくつかの実施形態では、二重ノズルは内側本体部と外側本体部との間に形成された一組の流体流路をさらに備える。いくつかの実施形態では、一組の流体流路は、内側本体部の第１の外表面と外側本体部との間の境界面に形成されている。いくつかの実施形態では、一組の流体流路は、６つの別個の流路を含む。いくつかの実施形態では、第２の外表面は、外側本体部の内表面との円錐状の干渉界面であり、その円錐状の境界面は、面と面の間に約０．０２５〜０．０７６ｍｍ（約０．００１〜０．００３インチ）の間隔を含む。いくつかの実施形態では、内側本体部及び外側本体部は、約８９００Ｎ（約２０００ｌｂＦ）の力を用いて圧着される。いくつかの実施形態では、外側本体部の第２の孔は、内側本体部に対して位置決めするための軸方向停止部を含む。いくつかの実施形態では、内側本体部は、外側本体部の第２の孔によって受け入れられる円錐形の基本形状を有する。いくつかの実施形態では、内側本体部及び外側本体部は、位置合わせにおいて少なくとも約２５％の改善をもたらし得る。すなわち、本明細書に記載された新しい設計及び構成は、従来のシステムよりも良好な位置合わせを提供することができる。いくつかの実施形態では、二重ノズルは、いくつかの従来のシステムよりも良好な流れプロファイルを提供するように構成される。例えば、場合によっては、本明細書のシステム及び方法は、より均一な流れを生じさせ、いくつかの従来のシステムよりも広い範囲の流量調整を可能にする。例示的な比較のために、３スロットノズルは、６８９０Ｐａ〜９１７０Ｐａ（１ｐｓｉ〜１．３３ｐｓｉ）の間で変動する圧力を生成する可能性があり、これは平均値に対して約２８％のピーク−ピーク変動であり得る。一方、いくつかの例では、本明細書に記載された本発明のノズルは、１０４００Ｐａ〜１０８００Ｐａ（１．５１ｐｓｉ〜１．５７ｐｓｉ）の間で変化する圧力を生成することもでき、これは平均値に対して約４％のピーク−ピーク変動であり得る。言い換えれば、本明細書に記載された本発明の複数の流通溝付きノズルは、いくつかの従来の３スロットノズルと比較して、流れの不均一性が約７分の１に減少し得る。
【００１２】
いくつかの実施形態では、ノズルの成形面は円弧形状を有し、均等な着座を促進するように、分割されていてもよく又はテーパ状の位置合わせ面を有してもよい。いくつかの実施形態では、内側ノズルは、テーパ状座面よりも高い位置に配置されるその「流れ生成」機構の全て又は多くを有する。いくつかの実施形態では、外側ノズルは内側よりも高い位置に配置され、締め付けられることにより、位置合わせ、高圧での安全な動作、ガスシール、及び容量性回路の導電性を確保する。滑合、圧入、正反対形状の係合機構には固有のバラツキがあるため、一貫した性能を確保するために、この設計の二重ノズルでは厳しい公差（精度の高いＣＮＣ旋盤を用いても達成しにくい公差）が維持されなければならない。
【００１３】
いくつかの実施形態では、二重ノズル及びレーザ機械のヘッドとの間の境界面は、二重ノズルの内側本体部に直接形成される。いくつかの実施形態では、相補的に対向する表面が、加工ヘッド及び内側本体部に形成され、これらは孔をヘッドの長手方向軸の中心に位置合わせすることができる。いくつかの実施形態では、本発明は「ハイブリッド」設計においてこれらの改良の両方を特徴とする。そのような実施形態では、本発明は、内側ノズル部品上にテーパ状の座面を含むことで、主ガス流をレーザビーム及びヘッドと機能的に位置合わせすることができる。ノズル孔及び傾斜した機能的基本形状は、それらが高度に配置されかつ同軸となるように、同時に機械加工され得る。いくつかの実施形態では、内側ノズルと外側ノズルとの間にテーパ状の又は成形された境界面を備えることによって、二重ノズル設計がさらに改良される。これにより、テーパ状の又は成形された表面の堅固な接触を介して半径方向の配置誤差が最小限に抑えられる。このテーパ接触法は、機能的には影響が少ないか又はさほど致命的ではない軸方向の位置合わせを犠牲にして、同軸度を改善することができる。いくつかの実施形態では、内側ノズルのテーパ状座面及び内側ノズルと外側ノズルとの間の成形界面は、概念的に分離可能であり、本明細書に記載される結果及び利点を達成するために、一緒に又は別々に用いることができる。
【００１４】
前述の説明は、添付の図面と併せて本発明の以下の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】レーザ切断システムのための従来の二重ノズルの断面図である。
【図２】本発明の例示的な実施形態による、レーザ切断システムのための改良された二重ノズルの断面図である。
【図３】本発明の例示的な実施形態による、レーザ切断システムのための改良された二重ノズルの三次元半断面図である。
【図４】本発明の例示的な実施形態による、内側本体部が外側本体部内に円錐状に着座しているレーザ切断システムのための改良された二重ノズルの断面図である。
【図４Ａ】本発明の例示的な実施形態による、４つ以上の溝を有する二重ノズルの斜視図を示す。
【図４Ｂ】本発明の例示的な実施形態による、４つ以上の溝を有する二重ノズルの斜視図を示す。
【図５】本発明の例示的な実施形態による、レーザ切断システムを使用してワークピースを切断する方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図面の詳細な説明
図２は、本発明の例示的な実施形態による、レーザ切断システムのための改良された二重ノズル２００の断面図である。二重ノズル２００は、内側ノズル孔２０５及び内側ノズルオリフィス２１２を画定する内表面２０３を有する内側本体部２０２を含む。内側本体部２０２は、内側本体部２０２の遠位端２０９側に配置された第１の外周面２２３を有する。内側本体部２０２は、内側本体部２０２の近位端２２１側に配置された第２の外周面２２２を有する。また、二重ノズル２００は、外側ノズル孔２１１及び外側ノズルオリフィス２１４を画定する内表面２２５を有する外側本体部２０４を備える。第２の外周面２２２は、レーザ加工ヘッド（図示略）と（例えば、直接的に）嵌合して位置合わせされるような形状である。外側本体部２０４は、内側本体部２０２の第１の外周面２２３と嵌め合わされ、レーザ加工ヘッドとの直接的な位置合わせ接触からは（例えば、実質的に）隔離される。内側本体部２０２及び外側本体部２０４は、それらを貫通する同軸の流体流路２３１を画定するように整列される。
【００１７】
概して、二重ノズル２００は、図１に示す上述した従来の二重ノズル１００と同様の外側寸法及び内側寸法を有する。しかしながら、二重ノズル２００が内側本体部２０２の内側ノズル孔２１２とレーザビームの長手方向軸２０７との間に有する境界面の数はより少ない。具体的には、二重ノズル２００は、第２の外周面２２２（ノズル加工ヘッド境界面）を内側本体部２０２に直接形成する結果、１つの界面を有する。したがって、境界面の減少は、従来技術の界面１２４に対する内側及び外側本体部２０２、２０４間の界面２２４の移転の結果と言える。このような再構成は、長手方向軸２０７に対する内側ノズル孔２１２の位置合わせを制御する表面などの「直接的位置合わせ接触」表面の数を減少させる（たとえいくつかの構成では、表面間に幾らかの物理的接触が存在し得るとしても）。この場合では、直接的位置合わせ接触表面の数は、図１の従来技術の構成に示されている４つの面に対し２つ（すなわち、ノズル加工ヘッド境界面２２２及びそのレーザヘッドの相補面）である。したがって、二重ノズル２００は、長手方向軸２０７と内側ノズル孔２１２との間のより直接的な接続を提供し、外側本体部２０４に対する製造要件を緩和し、取り付けの複雑さ及び点検手順を低減する。この構成では、レーザビーム及びガス流は、任意の組立誤差の直接的な影響から隔離され得る。
【００１８】
いくつかの実施形態では、内側及び外側本体部２０２、２０４は、摩擦圧接（ｆｒｉｃｔｉｏｎ  ｗｅｌｄｉｎｇ）や圧入を含む様々な方法によって固定することができる。いくつかの実施形態では、二重ノズル２００のノズル加工ヘッド境界面２２２は、レーザ加工ヘッドの成形された位置合わせ面を相補する形状の成形面を含むことができる。したがって、技術者がレーザ加工ヘッドに二重ノズル２００を取り付けるとき、二重ノズル２００の成形面は、レーザ加工ヘッドの成形された位置合わせ面と嵌合し、二重ノズル２００と長手方向軸２０７との位置合わせを容易にする。この位置合わせは、二重ノズル２００がレーザ加工ヘッドに取り付けられる時に生じ、成形された嵌合面が第１の成形位置合わせ面と接触し、二重ノズル２００をセンタリングすることにより、二重ノズル２００の長手方向軸２０７をトーチ軸に、つまりはレーザビームに整列させる。その結果、二重ノズル２００はレーザビームの周囲にセンタリングされ、レーザビームの周りに同軸の均一な環状ガス流を提供してトーチ動作を容易にする。この半径方向にセンタリングされた二重ノズル２００は、先行技術における現場での交換及び位置合わせの問題を回避し、かつ／又は多くの部品の高精度製造要件を減らすか、又は不要とする。
【００１９】
いくつかの実施形態において、成形面は、円弧状部分であるか、又は直線的なテーパ状であるか、又はこれらの両方である。このような円弧状部分は、一定の曲率半径又はいくつかの曲率半径を有することができる。成形された又はテーパ状の位置合わせ面は、均等な着座、及び、長手方向軸２０７に対する二重ノズル２００及び内側ノズル孔２１２の位置合わせを促進することができる。テーパとレーザビームの軸との間に形成される角度は、９０度未満、好ましくは約４５度未満、より好ましくは約２０度未満の任意の値とすることができる。このような構成は、二重ノズル２００を長手方向軸２０７に沿って中央に配置するために、成形された嵌合面と成形された位置合わせ面とを組み合わせるのを助けることができる。
【００２０】
図３は、本発明の例示的な実施形態による、レーザ切断システムのための改良された二重ノズル３００の三次元半断面図である。二重ノズル３００は、内側ノズル孔３１２を有する内側本体部３０２と、外側ノズル孔３１４を有する外側本体部３０４とを含み、これらの両方は、レーザビームの長手方向軸線３０７に沿って配向される。二重ノズル３００は、図２に示して説明した二重ノズル２００と同様の構成を有するが、いくつかの顕著な相違点がある。例えば、この構成では、内側本体部３０２と外側本体部３０４との間の界面３２４は、長手方向軸３０７に対して「円錐状着座」構成となるようにテーパ状になっている。図示のように、この「円錐状干渉」界面３２４は、約０．０２５〜０．０７６ｍｍ（約０．００１〜０．００３インチ）の線形寸法を有することができる「円錐状干渉界面」である。いくつかの実施形態では、円錐状干渉界面３２４は、例えば約８９００Ｎ（約２０００ｌｂＦ）まで加圧され、圧着されることができる。内側本体部３０２はまた、外表面３２２を含む。外表面３２２は、貫通孔に整列した円錐形の基本形状を含み得る。外側本体部３０４は、「軸方向停止部」３０６を有することができる。円錐状干渉界面３２４及び／又は軸方向停止部３０６は、内側本体部３０２を外側本体部３０４及び長手方向軸３０７に整列させるのを助けることができる。
【００２１】
図４は、本発明の例示的な実施形態による、レーザ切断システムのための別の改良された二重ノズル４００の断面図である。二重ノズル４００は、内側ノズル孔４１２を有する内側本体部４０２と、外側ノズル孔４１４を有する外側本体部４０４とを含み、これらはレーザビームの長手方向軸線４０７に沿って配向されている。二重ノズル４００は、「円錐状着座」構成に関して図３に示し説明した二重ノズル３００と同様の構成を有するが、図４の構成は図２に示す減少した数の境界面を採用していない。図４の構成では、内側本体部４０２は、外側本体部４０４内に円錐状に着座している。円錐状着座はそれ自体で、図２に示す再設計の利点とは独立に、長手方向軸４０７（つまりはレーザビーム）に対する内側ノズル孔４１２及び外側ノズル孔４１４の位置合わせを改善する。
【００２２】
概して、内側本体部及び外側本体部の同軸度は、内側及び外側本体部が精密工具を介して同軸位置に調整され、その後互いに（例えば、ねじ、タブ、溶接、接着剤結合、はんだ接合又は２つの部分が高度に位置決めされた同軸配置で固定される別の方法によって）取り付けられる隙間嵌めに有利な滑合及び圧入を回避することによって、さらに向上し得る。いくつかの実施形態では、内側及び外側本体部は、（例えば、高周波ＡＣ容量高検知信号が内側本体部と外側本体部との間を通過できるようにする）低インピーダンスかつ高導電性の結合を有するように製造することができる。このような構成は、締結具の直接的な接触、エクスポクスミックス（ｅｘｐｏｘ  ｍｉｘ）中の導電性要素、軟ろう、銀ろう、又は溶接（例えば、レーザ溶接、摩擦圧接、又は電子ビーム溶接）によって達成することができる。本明細書で説明する位置合わせのためのねじ式及び／又はテーパ状の表面に代えて、又はそれと併せて、ノズルは、事前に位置合わせして固定され、かつ／又は接着されるか、あるいは溶接、結合、締結され、工業用切断用途及び解決のために接合される。
【００２３】
いくつかの実施形態では、二重ノズル流の均一性は、切断プロセスの一貫性に重要である。現在、ほとんどの二重ノズルは、三葉形状と、中央プロセスガス孔の周りの流れを計量し分配する３つの溝とを有する内側ノズルを特徴とする。しかしながら、これらの３つの溝は、二重ノズル内で不均一な流れを生成する可能性がある。対照的に、いくつかの実施形態では、本発明は４つ以上の溝を使用する。例えば、図４Ａは、１２個の溝４５５Ａ〜Ｌを有する二重ノズル４５０を示し、図４Ｂは、６個の溝４６５Ａ〜４６５Ｆを有する二重ノズル４６０を示す。ノズル４５０、４６０の構成は、従来の３溝構成又は３孔構成に比べてプロセスの一貫性及び切断品質を向上させることができる。
【００２４】
図５は、本発明の例示的な実施形態による、レーザ切断システムを使用してワークピースを切断する方法のフロー図５００である。方法５００は、レーザ加工ヘッド及び二重ノズルを提供するステップ５１０を含む。二重ノズルは、内側本体部と、外側本体部と、軸方向孔とを有する。内側本体部は、レーザ加工ヘッドに成形された位置合わせ面を相補する形状の第１の外表面と、外側本体部の内周嵌合面を相補する形状の第２の外表面とを有する。外側本体部は、内周嵌合面に沿って内側本体部に固定され、レーザ加工ヘッドとの直接的な位置合わせ接触からは隔離されている。方法５００は、レーザ加工ヘッドの長手方向軸に整列するようにレーザ加工ヘッドに二重ノズルを取り付けるステップ５２０を含む。方法５００は、二重ノズル内に形成された主流路と少なくとも１つの副流路とに流体を流すステップ５３０を含む。方法５００は、レーザ加工ヘッドの長手方向軸に沿ってレーザビームを生成するステップ５４０を含む。方法５００は、二重ノズルから出るレーザビームを用いてワークピースを切断するステップ５５０を含む。
【００２５】
本発明は、特定の好ましい実施形態を参照して具体的に示され、記載されたが、特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な変更がなされ得ることが当業者に理解されるべきである。
【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４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【国際調査報告】
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