JPH11789A

JPH11789A - レーザ加工装置の出射端ノズル

Info

Publication number: JPH11789A
Application number: JP9152629A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yamada; 猛山田; Masayuki Inuzuka; 雅之犬塚; Mamoru Nishio; 護西尾; Satoru Kawabuchi; 悟川渕
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 1997-06-10
Filing date: 1997-06-10
Publication date: 1999-01-06
Anticipated expiration: 2017-06-10
Also published as: JP3058845B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ガスのモーメンタムの低下の抑制および構成
の簡略化を図り、板厚が４〜６ｍｍ程度の金属材料から
成る被加工材の切断などの作業を容易にする。【解決手段】出射端ノズル２０は、第１ノズル孔３１
を有するインナーノズル２１とその中心軸線２２に同軸
に装着されるアウターノズル２３とによって構成され
る。インナーノズル２１の外周面３９とアウターノズル
２３の内周面４０との間には環状空間４１が形成され、
第１ノズル孔３１を外囲する第２ノズル孔４２が形成さ
れる。第１ノズル部２９の周壁には、インナーノズル２
１の内部空間３２と環状空間４１とを連通する複数の透
孔４３が形成される。第２ノズル孔４２はガスの噴射方
向下流側になるにつれて中心軸線２２に近接し、かつ被
加工材４６の上面４７よりも下方で中心軸線２２に交差
する方向に傾斜して形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ加工装置の
出射端ノズルに関し、さらに詳しくは、板厚が４〜６ｍ
ｍ程度の鉄系および非鉄金属から成る被加工材の切断な
どに好適に実施することができるレーザ加工装置の出射
端ノズルに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１２は、典型的な従来の技術の出射端
ノズル１を簡略化して示す断面図である。出射端ノズル
１は、ノズル本体２とキャップ３とを含んで形成され
る。ノズル本体２の先端部にはガスを噴射する第１ノズ
ル孔４が形成され、ノズル本体２の内周面５は、それを
臨む内部空間６が円錐台状に形成される。キャップ３
は、ノズル本体２に同軸に螺着される。キャップ３の内
周面７とノズル本体２の外周面８との間には、ガスが供
給される環状空間９が形成されて前記ノズル孔４を外囲
する第２ノズル孔１０が形成される。またキャップ３に
は、前記環状空間９に連通し、半径方向外方に延びるガ
ス供給路１１が形成される。

【０００３】レーザ切断を行う場合、レーザ光と同軸に
前記内部空間６に導かれたガス１２を高速で被加工材１
３の上面に噴射する。このとき、ガス供給路１１から環
状空間９内にガス１２と同質のガス、たとえばＯ₂ ガス
１４をガス１２とは別経路から供給し、第２ノズル孔１
０からガス１２の噴射方向とほぼ平行な方向に噴射して
ガス１２の周囲にガス１４の雰囲気を形成する。このよ
うにして、ガス１２による空気の巻込みがなくなり、ガ
ス１２のモーメンタムの低下を防ぐことができる。

【０００４】また他の従来の技術は、たとえば特開平６
−１０６３７６号公報に開示されている。この従来の技
術では、レーザ溶削後の被加工材の表面の平滑性を得る
ために、レーザ照射による被加工材の溶融によって発生
した溶融部分を、ノズルからのガスによって吹飛ばし、
複数パス照射時の溶削後の隣接する照射パスとの境界の
凹凸をなくすようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１２
に示す先行技術では、板厚が４〜６ｍｍ程度の金属材料
から成る被加工材１３を切断する場合において、ガス１
２，１４のモーメンタムが不足して金属酸化物であるド
ロスの除去が完全に行われず、切断作業後に作業者がグ
ラインダなどの作業工具を用いそのドロスを研削して除
去しなければならず、作業に手間がかかるという不具合
を生じる。

【０００６】またノズル本体２の内周面５は、それを臨
む内部空間６が円錐台状に形成されるので、断面積の急
激な減少に伴ってガス１２の流速が上昇し、ノズル本体
２における圧力損失が上昇してガスのモーメンタムを減
少させてドロスの除去が完全に行われなくなるという不
具合が生じる。

【０００７】さらにガス１２，１４は前記内部空間６お
よび前記環状空間９にガス１２，１４の供給系路をノズ
ル本体２およびキャップ３に個別に設けなければなら
ず、構成が複雑となる問題が生じる。

【０００８】他の従来の技術において、この従来の技術
を前述の従来の技術に応用しても、前述の従来の技術と
同様に、ガスのモーメンタムが不足してドロスの除去が
完全に行われないという問題がある。

【０００９】本発明の目的は、ガスのモーメンタムの低
下の抑制および構成の簡略化を図り、板厚がたとえば４
〜６ｍｍ程度の鉄系および非鉄金属から成る被加工材の
切断などの作業を容易にすることができるレーザ加工装
置の出射端ノズルを提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明
は、被加工材に向けて照射されるレーザ光を集光する集
光レンズが内蔵され、かつガスが供給されるレーザ加工
用ヘッドに同軸に装着され、前記集光レンズによって集
光するレーザ光が通過するとともに前記ガスを噴射する
第１ノズル孔が中心軸線上に形成される第１ノズル部材
と、第１ノズル部材に同軸に装着され、第１ノズル部材
の外周面との間にガスが供給される環状空間を形成して
前記第１ノズル部材の第１ノズル孔を外囲する第２ノズ
ル孔からガスを噴射する第２ノズル部材とを備えるレー
ザ加工装置の出射端ノズルにおいて、第１ノズル部材に
は、その中心軸線にほぼ平行でかつ第１ノズル部材の内
部空間と前記環状空間とを連通する複数の透孔が周方向
に間隔をあけて形成されることを特徴とするレーザ加工
装置の出射端ノズルである。

【００１１】本発明に従えば、第１ノズル部材にはその
中心軸線にほぼ平行でかつ第１ノズル部材の内部空間と
前記環状空間とを連通する複数の透孔が周方向に間隔を
あけて形成される。各透孔は第１ノズル部材の周方向に
間隔をあけて形成されるので、第１ノズル部材の強度を
低下させることなく、ガスを環状空間内に導いて、ガス
を第２ノズル孔から噴射することができる。また、各透
孔は、その中心軸線が第１ノズル部材の中心軸線にほぼ
平行に形成されるので、各透孔に臨むガスが各透孔を容
易に通過し、これによってガスが各透孔を通過するとき
のガスの流れの乱れが小さくなり、環状空間におけるガ
スのモーメンタムの低下をより少なくすることができ
る。さらに各透孔を介してガスを環状空間に導き、第１
および第２ノズル孔からガスを噴射するので、ガスの供
給経路を第１および第２ノズル部材に個別に供給すると
きに比べて構成を簡略化することができる。

【００１２】請求項２記載の本発明は、請求項１記載の
本発明の構成において、第２ノズル孔は、ガスの噴射方
向下流側になるにつれて第１ノズル部材の中心軸線に近
接する方向に傾斜して形成されることを特徴とする。

【００１３】本発明に従えば、第２ノズル孔はガスの噴
射方向下流側になるにつれて第１ノズル部材の中心軸線
に近接する方向に傾斜して形成される。したがって第２
ノズル孔から噴射されたガスは、中心軸線に近接するに
つれてモーメンタムをより高くすることができ、第１お
よび第２ノズル孔から噴射されたガスによって溶融金属
であるドロスを効率よく除去して非溶融の切断面を露出
させ、効率よく被加工材を切断することができる。

【００１４】請求項３記載の本発明は、請求項１または
２に記載の本発明の構成において、第２ノズル孔は、ガ
スの噴射方向下流側になるにつれて第１ノズル部材の中
心軸線に近接し、かつ被加工材の上面よりも下方で前記
中心軸線に交差する方向に傾斜して形成されることを特
徴とする。

【００１５】本発明に従えば、第２ノズル孔から噴射さ
れたガスは、被加工材の上面よりも下方で前記中心軸線
上で合流する。したがって厚みの大きな被加工材であっ
ても第２ノズル孔から噴射されたガスの交差位置におい
て、より高いモーメンタムのガスをドロスに吹き付け
て、その位置よりも下方のドロスを充分に除去すること
ができ、良好な切断面を得ることができる。

【００１６】請求項４記載の本発明は、請求項１〜３の
いずれかに記載の本発明の構成において、第１ノズル部
材の内周面は、この第１ノズル部材の内部空間内でガス
流入側の開口端と第１ノズル孔を臨むガス流出側の開口
端とに連なる仮想円錐台面よりも半径方向外方に凸に湾
曲して形成されることを特徴とする。

【００１７】本発明に従えば、第１ノズル部材の内周面
は、この第１ノズル部材の内部空間内でガス流入側の開
口端と第１ノズル孔を臨むガス流出側の開口端とに連な
る仮想円錐台面よりも半径方向外方に凸に湾曲して形成
され、ガスの噴射方向に向かって第１ノズル部材の内部
空間における流路断面積の減少が緩慢であるので、流路
断面積の減少に伴う圧力損失を少なくすることができ、
大きな流量で第１および第２ノズル孔にガスを供給し、
第１および第２ノズル孔からガスを高速で噴射すること
ができる。このようにして被加工材の厚みが大きくて
も、被加工材の上面から下面にわたってより高いモーメ
ンタムのガスを吹き付けて、ドロスを除去することがで
きる。

【００１８】請求項５記載の本発明は、請求項１〜４の
いずれかに記載の本発明の構成において、第２ノズル孔
は、各透孔よりも半径方向内方に形成されることを特徴
とする。

【００１９】本発明に従えば、第２ノズル孔は、各透孔
よりも半径方向内方に形成される。各透孔から噴射され
たガスは、第１ノズル部材の外周面および第２ノズル部
材の内周面に案内され、第２ノズル孔に近接するにつれ
て流路断面積が小さくなるので、環状空間内で各透孔か
ら噴射されるガスのガス圧力を高くして、周方向に均一
に高いモーメンタムで第２ノズル孔からガスを噴射する
ことができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の一形態で
あるレーザ加工装置の出射端ノズル２０の構成を示す断
面図である。出射端ノズル２０は、第１ノズル部材であ
るインナーノズル２１とインナーノズル２１にその中心
軸線２２と同軸に装着される第２ノズル部材であるアウ
ターノズル２３とによって構成される。インナーノズル
２１は、おねじ２４が中心軸線２２方向にわたって刻設
される大径筒部２５と、大径筒部２５の下端部に連なっ
て半径方向外方に向かって延びて形成されるフランジ２
６と、フランジ２６の下端部に連なり、前記大径筒部２
５よりも小径でかつその周壁におねじ２７が刻設される
小径筒部２８と、小径筒部２８の下端部に連なり、前記
中心軸線２２方向下方に延びる円錐台状かつ筒状に形成
される第１ノズル部２９とを含んで形成される。また大
径筒部２５、フランジ２６、小径筒部２８および第１ノ
ズル部２９の内周面によって中心軸線２２に平行な一直
線２２ａと、ガス流入側の開口端３３ａを含む中心軸線
２２に垂直な一平面上で中心軸線２２および前記一直線
２２ａに直交する水平線２２ｂとの交点Ｐを中心とし
て、前記中心軸線２２および前記一直線２２ａを含む鉛
直面上で半径Ｒを有するインナーノズル２１の内周面３
０が形成される。

【００２１】インナーノズル２１には、後述のレーザ光
９６が通過し、かつガスたとえば空気を噴射する中心軸
線２２上に形成される第１ノズル孔３１が形成される。
ここで前記内周面３０は、このインナーノズル２１の内
部空間３２でガス流入側の開口端３３ａと第１ノズル孔
３１に臨むガス流出側の開口端３３ｂとに連なる仮想円
錐台面３４よりも半径方向外方に凸に湾曲して形成され
る。前記フランジ２６の外周部２６ａには、ローレット
加工が施される。

【００２２】アウターノズル２３は、図３に示されるよ
うに前記フランジ２６とほぼ等しい外径を有するフラン
ジ３５が形成され、めねじが中心軸線２２方向に刻設さ
れる筒部３７と、筒部３７の下端部に連なり、第１ノズ
ル部２９を外囲する前記中心軸線２２方向下方に延びる
円錐台状かつ筒状に形成される第２ノズル部３８とを含
んで形成される。前記フランジ３５の外周部３５ａに
は、ローレット加工が施される。インナーノズル２１と
アウターノズル２３とは、前記小径筒部２８のおねじと
前記筒部３７のめねじとによって螺着される。前記第１
ノズル部２９の外周面３９と前記第２ノズル部３８の内
周面４０との間には、ガスが供給される環状空間４１が
形成され、前記第１ノズル孔３１を外囲する第２ノズル
孔４２が形成される。前記第１ノズル部２９の周壁に
は、中心軸線２２にほぼ平行でかつ前記内部空間３２と
前記環状空間４１とを連通する透孔４３が周方向に間隔
をあけて複数形成される。ここでインナーノズル２１の
中心軸線２２方向一端面４４とアウターノズル２３の中
心軸線２２方向一端面４５とは、同一の仮想水平面に含
まれて形成される。第２ノズル孔４２は、各透孔４３よ
りも半径方向内方に形成される。前記環状空間４１は、
ガス流入側が広く、ガス流出側が狭く形成され、第２ノ
ズル孔４２に近接するにつれて流路断面積が小さくなる
ように形成される。また第２ノズル孔４２は、ガスの噴
射方向の下流側になるにつれてインナーノズル２１の中
心軸線２２に近接し、かつ後述の被加工材４６の上面４
７よりも下方で前記中心軸線２２に交差する方向に傾斜
して形成される。

【００２３】出射端ノズル２０の下方には、切断などの
加工が行われる被加工材４６がその上面４７と出射端ノ
ズル２０の各中心軸線２２方向一端面４４，４５とに間
隔ｄ、たとえば１〜２ｍｍ程度をあけて対向して配置さ
れる。ここで被加工材４６は、鉄系金属またはアルミニ
ウムなどの非鉄金属から成る。

【００２４】第１ノズル孔３１の中心軸線２２方向長さ
Ｌ１は、たとえば２ｍｍ程度であり、前記大径筒部２５
の中心軸線２２方向長さＬ２は、たとえば１０ｍｍ程度
であり、前記フランジ２６の中心軸線２２方向長さＬ３
は、たとえば２ｍｍ程度であり、前記小径筒部２８の中
心軸線２２方向長さＬ４は、たとえば５ｍｍ程度であ
り、前記第１ノズル部２９の中心軸線２２方向長さＬ５
は、たとえば１０ｍｍ程度である。第１ノズル孔３１の
直径Ｄ１は２ｍｍ程度であり、一直径線上にある各透孔
４３の中心軸線を結ぶ距離Ｄ２は、たとえば１０ｍｍ程
度であり、前記大径筒部２５の外径Ｄ３は、たとえば１
７ｍｍ程度であり、インナーノズル２１の内周面３０の
半径Ｒは、たとえば５０ｍｍ程度である。被加工材４６
の厚さｔは４〜６ｍｍ程度に選ばれる。

【００２５】図２は、インナーノズル２１の下方から見
た外観を示す底面図である。前記フランジ２６の外径Ｄ
４は、たとえば２２ｍｍ程度であり、前記小径筒部２８
の外径Ｄ５は、たとえば１６ｍｍ程度であり、前記中心
軸線２２方向一端面４４の外径Ｄ６は、たとえば４ｍｍ
程度である。各透孔４３の直径Ｄ７は、たとえば２ｍｍ
程度であり、インナーノズル２１の中心軸線２２を通
り、１つの透孔４３の中心軸線を通る一半径線と、イン
ナーノズル２１の中心軸線２２を通り、この透孔４３に
隣合う別の透孔４３の中心軸線を通る一半径線との成す
角度θは、たとえば４５°程度であり、透孔４３の個数
に応じて角度θは適宜選ばれる。

【００２６】図３は、アウターノズル２３の構成を示す
断面図である。図１をも参照して、前記内周面４０を臨
む円錐台状の内部空間４８には、前記インナーノズル２
１の第１ノズル部２９が挿入されて、前記環状空間４１
が形成され、第２ノズル部３８のガス流出側開口部４９
には、前記第１ノズル孔３１に外囲する前記第２ノズル
孔４２が形成される。

【００２７】フランジ３５の前記中心軸線２２方向長さ
Ｌ６は、たとえば２ｍｍ程度であり、フランジ３５を除
く筒部３７の前記中心軸線２２方向長さＬ７は、たとえ
ば３ｍｍ程度であり、第２ノズル部３８の前記中心軸線
２２方向長さＬ８は、たとえば１０ｍｍ程度である。フ
ランジ３５の外径Ｄ８は、たとえば２２ｍｍ程度であ
り、前記フランジ３５を除く筒部３７の外径Ｄ９は、た
とえば２１ｍｍ程度であり、前記開口部４９の直径Ｄ１
０は、たとえば５ｍｍ程度であり、前記開口部４９付近
の第２ノズル部３８の外径Ｄ１１は、たとえば７ｍｍ程
度である。また前記インナーノズル２１および前記アウ
ターノズル２３は、たとえば無酸素銅から成る。

【００２８】図４は、前記出射端ノズル２０を備えるレ
ーザ加工装置のレーザ加工用ヘッド６０の構成を示す断
面図である。レーザ加工用ヘッド６０は、前記出射端ノ
ズル２０とヘッド本体６１とを含んで形成される。ヘッ
ド本体６１は、インナーノズル２１が着脱可能に取付け
られる取付け筒体６２と、この取付け筒体６２に形成さ
れた外向きフランジ６３に係止して調整筒体６４のおね
じに螺合する袋ナット６５と、ロックナット６６，６７
と、調整筒体６４がボルト６８によって固定される保持
筒体６９を含み、さらにこの保持筒体６９は袋ナット７
０によって基体７１に取付けられる構成となっている。
この基体７１のフランジは、ボルト７２によってＸ−Ｙ
テーブルまたは産業用ロボットの手首などの取付け部材
７３のフランジ７４に着脱可能に取付けられる。

【００２９】図５は、図４におけるヘッド本体６１の取
付け筒体６２における切断面線Ｖ−Ｖから見た水平断面
図である。取付け筒体６２の底７５には、めねじ７６が
刻設され、ここにインナーノズル２１の上端部に形成さ
れたおねじ２４が着脱可能に螺着される。この底７５に
は、図５に示されるように冷却水通路７７が形成され、
この接続口７８から供給される冷却水は、もう１つの接
続口７９から排出され、底７５が冷却され、したがって
インナーノズル２１およびアウターノズル２３から成る
出射端ノズル２０が冷却されることになる。

【００３０】図６は、図４における保持筒体６９の切断
面線ＶＩ−ＶＩから見た水平断面図である。この保持筒
体６９にもまた冷却水通路８０が形成され、一方の接続
口８１からの冷却水は、冷却水通路８０を通って保持筒
体６９を冷却し、他方の接続口８２から排出される。

【００３１】保持筒体６９の収納孔８３内には、保持輪
８４が収納される。図４を参照して、この保持輪８４
は、保持筒体６９の収納孔８３の内周面にぴったり嵌ま
り込む台形筒部８５と、その内周面から半径方向内方に
部屋８６を形成する保持部８７と、その下方に形成され
る内向きフランジ状の受け部８８とを有する。受け部８
８には、噴射孔８９が形成される。受け部８８上には、
レンズ押え環体９０が支持され、その上に集光レンズ９
１が置かれ、さらにその集光レンズ９１の周縁部にはレ
ンズ押え環体９２が配置され、ばね９３を介して、ばね
置き部材９４が保持輪８４に螺合して図４の上下の位置
を調整可能に設けられる。２つのレンズ押え環体９０，
９２は、軟質合成樹脂、たとえばテフロン（商品名）な
どのフッ素樹脂などから成る。

【００３２】たとえば、炭酸ガスレーザ源からのレーザ
光９５は、取付け部材７３内を通り、集光レンズ９１に
よって集光され、参照符９６で示されるような経路をた
どり、出射端ノズル２０を経て、被加工材４６に照射さ
れ、切断加工などが行われる。ここで、集光されたレー
ザ光９６の集光点５１は、図１を参照して、被加工材４
６の上面４７と板厚方向の中央を通る水平面との中間に
存在する。図４を参照して保持筒体６９の側部には接続
口９７が形成され、ここからガスが供給され、部屋８６
を経て噴射孔８９から集光レンズ９１の図４における下
面に噴射され、これによって集光レンズ９１が冷却さ
れ、この噴射されたガスは、ヘッド本体６１の集光レン
ズ９１よりも下方の空間９８内に供給される。

【００３３】基体７１には、接続口９９から冷却用気
体、たとえば前記ガスと同一種類のガスが供給されノズ
ル１００から空間１０１に噴射されて、集光レンズ９１
の上表面に噴射されて集光レンズ９１が冷却される。

【００３４】取付け筒体６２を袋ナット６５の調整によ
って上下の位置を変位させ、これによって出射端ノズル
２０における第１および第２ノズル孔３１，４２と被加
工材４６との距離を最適に設定し、被加工材４６にレー
ザ光９５の焦点が一致するように、あるいはまたガスの
噴射領域が正確に設定されるように調整されることがで
きる。またこの調整は距離センサなどを用いて自動化し
てもよい。

【００３５】図７は、レーザ加工装置の出射端ノズル２
０に供給されるガスの供給経路を示す系統図である。レ
ーザ加工用ヘッド６０内には、ガス供給源１０５から、
管路１０７に介在される開閉弁１０６を開放して、管路
１０７の接続端１０７ａを接続口９７に接続して、ガス
を供給することができる。

【００３６】図８は、レーザ加工装置１１０の概略的構
成を示す系統図である。レーザ加工装置１１０は、レー
ザ光発生手段１１１と導光手段１１２とレーザ加工用ヘ
ッド６０とを含む。レーザ光発生手段１１１には、たと
えば出力２．５ｋＷ、波長１０．６μｍのレーザ光９５
を連続照射することができる炭酸ガスレーザ発振器１１
３を含んで構成される。導光手段１１２はレーザ光発生
手段１１１とレーザ加工用ヘッド６０との間に設けら
れ、導光手段１１２には、複数の高反射ミラー１１４が
設けられる。レーザ光発生手段１１１で発生したレーザ
光９５は、導光手段１１２に設けられる複数の高反射ミ
ラー１１４によって全反射されて、レーザ加工用ヘッド
６０まで導かれる。レーザ加工用ヘッド６０まで導かれ
たレーザ光９５は、レーザ加工用ヘッド６０内で集光さ
れ、前記出射端ノズル２０からガスが噴射されるととも
に照射される。これによって被加工材４６の上面４７の
レーザ光照射部分を溶融するとともに、ガスによってド
ロスを除去して切断面４６ａを形成しながらレーザ光９
６を切断加工方向Ａ１に移動させる。

【００３７】図９は、レーザ加工装置の出射端ノズル２
０を用いて被加工材４６を切断加工するときの動作を説
明するための簡略化した断面図である。図１〜図８をも
参照して、レーザ光９５は、集光レンズ９１によって集
光され、集光されたレーザ光９６は第１ノズル孔３１か
ら被加工材４６上に照射される。接続口９７から供給さ
れるガスは、集光レンズ９１に噴射され、集光レンズ９
１が冷却された後に前記内部空間３２に供給される。前
記内部空間３２に供給されたガスは、ガス流入側の開口
端３３ａからガス流出側の開口端３３ｂに向かって流れ
る。このガスは、その一部が各透孔４３を通過して前記
環状空間４１内に噴射され、残余のガスは第１ノズル孔
３１から第１ガス１１８として被加工材４６に、たとえ
ば３〜５ｋｇ／ｃｍ²で噴射される。それとともに、前
記環状空間４１に噴射されたガスは、第１ノズル部２９
の外周面３９および第２ノズル部３８の内周面４０に案
内され、第２ノズル孔４２から第２ガス１１９として噴
射される。

【００３８】被加工材４６の上面４７の集光されたレー
ザ光９６の照射部分は溶融し、前記照射部分の溶融金属
であるドロスは第１ガス１１８によって除去されて、非
溶融の切断面を露出させる。第１ガス１１８は、第２ガ
ス１１９によって外囲され、第２ガス１１９は被加工材
４６の上面４７から厚み方向にｔ１、たとえば４ｍｍ程
度の位置で合流し、この位置ｔ１で第２ガス１１９のモ
ーメンタムが最も高くなる。被加工材４６の切断加工を
行うとき、前述のｔ１の位置でのドロスの除去は、切断
加工方向Ａ１とは反対側の第２ガス１１９によって行わ
れる。このようにして、切断加工は、第１ノズル孔３１
から集光されたレーザ光９６を照射して、被加工材４６
の前記照射領域を溶融するとともに、第１および第２ガ
ス１１８，１１９によってドロスを矢符Ａ２方向に吹き
飛ばして除去することによって実施される。

【００３９】図１０は、レーザ加工装置の出射端ノズル
２０から噴射される第１および第２ガス１１８，１１９
の圧力分布を示す図である。図１０（１）は出射端ノズ
ル２０の先端からガス噴射方向下流側２ｍｍ程度の位置
における出射端ノズル２０の一直径線方向の圧力分布図
であり、図１０（２）は出射端ノズル２０の先端からガ
ス噴射方向下流側６ｍｍ程度の位置における出射端ノズ
ル２０の一直径線方向の圧力分布図である。図中の鉛直
線１２０はノズルの中心を示す。図１０（１）において
は、第１ガス１１８が第２ガス１１９によって外囲さ
れ、第１ガス１１８の圧力が保持され、第１ガス１１８
による空気の巻き込みが防止されていることが判る。図
１０（２）においては、第１ガス１１８および第２ガス
１１９は合流し、かつ幅のある領域で第１および第２ガ
ス１１８，１１９の圧力がほぼ一定になっていることが
判る。したがって図９をも参照すると、被加工材４６の
上面４７付近では、第２ガス１１９が第１ガス１１８の
モーメンタムに影響を与えることなく前記上面４７付近
のドロスを除去することができ、前記位置ｔ１付近で
は、第１ガス１１８および第２ガス１１９が合流し、高
いモーメンタムのガスをドロスに吹き付けて、その位置
よりも下方のドロスを充分に除去することができ、厚み
の大きな被加工材４６であっても、良好な切断面を得る
ことができ、切断加工を容易に行うことができる。

【００４０】図１１は、第１ガス１１８と第２ガス１１
９との流量相対比を示す図である。図中の直線Ｂは第１
ガス１１８の流量相対比を示し、直線Ｃは第２ガス１１
９の流量相対比を示す。被加工材４６を良好に切断する
ためには、第１ガス１１８の流量相対比では２０〜６０
％程度であり、第２ガス１１９の流量相対比では４０〜
８０％程度に選ばれる。第１ガス１１８の流量相対比が
２０％未満に選ばれると、被加工材４６の上面４７付近
のドロスを除去するために必要なモーメンタムが得られ
なくなり、充分にドロスを除去することができず、切断
加工が困難になる。また第１ガス１１８の流量相対比が
６０％を超えると、第２ガス１１９の流量相対比は４０
％未満となり、前記位置ｔ１における第２ガス１１９の
モーメンタムが不足してドロスが完全に除去できず、切
断作業後にグラインダによるドロスの研削作業を行わな
ければならないという問題が生じる。したがって第１お
よび第２ガス１１８，１１９の流量相対比は２０〜６０
％程度および４０〜８０％程度にそれぞれ選ばれ、特に
好ましくはそれぞれ５０％に選ばれる。被加工材４６の
厚みが大きくなるときには、第２ガス１１９の流量を前
述の範囲内で増加させることによって切断加工を行うこ
とができる。

【００４１】第１および第２ガス１１８，１１９の流速
および流量は、第１および第２ノズル孔３１，４２の開
口量に応じて調整することができる。その調整は、図３
を参照して、アウターノズル２３のガス噴射方向下流側
開口部４９の大きさを変えることによって出射端ノズル
２０の第２ノズル孔４２の開口量を変えることができる
ので、前記開口部４９の大きさが異なる複数のアウター
ノズル２３を用いることによって流速および流量の調整
を容易に行うことができ、利便性がある。

【００４２】以上のように、各透孔４３は、インナーノ
ズル２１の周方向に間隔をあけて形成されるので、イン
ナーノズル２１の強度を低下させることなく、ガスを環
状空間４１内に導いて、第２ガス１１９を第２ノズル孔
４２から噴射することができる。また各透孔４３は、そ
の中心軸線がインナーノズル２１の中心軸線２２にほぼ
平行に形成されるので、各透孔４３に臨むガスが各透孔
４３が容易に通過し、これによって、ガスが各透孔４３
を通過するときのガスの流れの乱れが小さくなり、環状
空間４１におけるガスのモーメンタムの低下をより少な
くすることができる。さらに各透孔４３を介してガスを
環状空間４１に導き、第１および第２ノズル孔３１，４
２から第１および第２ガス１１８，１１９を噴射するの
で、ガスの供給経路をインナーノズル２１およびアウタ
ーノズル２３に個別に供給するときに比べて構成を簡略
化することができる。

【００４３】また、第２ノズル孔４２はガスの噴射方向
下流側になるにつれてインナーノズル２１の中心軸線２
２に近接する方向に傾斜して形成されるので、第２ガス
１１９は、中心軸線２２に近接するにつれてモーメンタ
ムをより高くすることができ、第１および第２ガス１１
８，１１９によってドロスを効率よく除去して非溶融の
切断面を露出させ、効率よく被加工材４６を切断するこ
とができる。また第２ガス１１９は、被加工材４６の上
面４７よりも下方で前記中心軸線２２上で合流するの
で、厚みの大きな被加工材４６であっても、第２ガス１
１９の交差位置ｔ１において、より高いモーメンタムの
ガスをドロスに吹き付けてその位置ｔ１よりも下方のド
ロスを充分に除去することができ、良好な切断面４６ａ
を得ることができる。

【００４４】さらに、インナーノズル２１の内周面３０
は、このインナーノズル２１の内部空間３２内でガス流
入側の開口端３３ａと第１ノズル孔３１に臨むガス流出
側の開口端３３ｂとに連なる仮想円錐台面３４よりも半
径方向外方に凸に湾曲して形成され、ガスの噴射方向に
向かってインナーノズル２１の内部空間３２における流
路断面積の減少が緩慢であるので、流路断面積の減少に
伴う圧力損失を少なくすることができ、大きな流量で第
１および第２ノズル孔３１，４２にガスを供給し、第１
および第２ノズル孔４２から第１および第２ガス１１
８，１１９を高速で噴射することができる。このように
して被加工材４６の厚みが大きくても、被加工材４６の
上面４７から下面５０にわたってより高いモーメンタム
の第１および第２ガス１１８，１１９を吹き付けてドロ
スを除去することができる。

【００４５】さらに、第２ノズル孔４２は、各透孔４３
よりも半径方向内方に形成されるので、各透孔４３から
噴射されたガスは、第１ノズル部２９の外周面３９およ
び第２ノズル部３８の内周面４０に案内され、第２ノズ
ル孔４２に近接するにつれて流路断面積が小さくなるの
で、環状空間４１内で各透孔４３から噴射されるガスの
ガス圧力を高くして、周方向に均一に高いモーメンタム
で第２ノズル孔４２から第２ガス１１９を噴射すること
ができる。

【００４６】図１〜図１１に示される本発明の実施の形
態において、出射端ノズル２０から噴射されるガスは空
気であったが、被加工材４６が鉄系金属であるときに
は、ガスは酸素であり、ステンレス鋼またはアルミニウ
ムなどの非鉄金属であるときには、ガスは窒素およびア
ルゴンなどの不活性ガスであってもよい。

【００４７】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、第１ノズ
ル部材にはその中心軸線にほぼ平行でかつ第１ノズル部
材の内部空間と前記環状空間とを連通する複数の透孔が
周方向に間隔をあけて形成される。各透孔は第１ノズル
部材の周方向に間隔をあけて形成されるので、第１ノズ
ル部材の強度を低下させることなく、ガスを環状空間内
に導いて、ガスを第２ノズル孔から噴射することができ
る。また、各透孔は、その中心軸線が第１ノズル部材の
中心軸線にほぼ平行に形成されるので、各透孔に臨むガ
スが各透孔を容易に通過し、これによってガスが各透孔
を通過するときのガスの流れの乱れが小さくなり、環状
空間におけるガスのモーメンタムの低下をより少なくす
ることができる。さらに各透孔を介してガスを環状空間
に導き、第１および第２ノズル孔からガスを噴射するの
で、ガスの供給経路を第１および第２ノズル部材に個別
に供給するときに比べて構成を簡略化することができ
る。

【００４８】請求項２記載の本発明によれば、第２ノズ
ル孔はガスの噴射方向下流側になるにつれて第１ノズル
部材の中心軸線に近接する方向に傾斜して形成される。
したがって第２ノズル孔から噴射されたガスは、中心軸
線に近接するにつれてモーメンタムをより高くすること
ができ、第１および第２ノズル孔から噴射されたガスに
よって溶融金属であるドロスを効率よく除去して非溶融
の切断面を露出させ、効率よく被加工材を切断すること
ができる。

【００４９】請求項３記載の本発明によれば、第２ノズ
ル孔から噴射されたガスは、被加工材の上面よりも下方
で前記中心軸線上で合流する。したがって厚みの大きな
被加工材であっても第２ノズル孔から噴射されたガスの
交差位置において、より高いモーメンタムのガスをドロ
スに吹き付けて、その位置よりも下方のドロスを充分に
除去することができ、良好な切断面を得ることができ
る。

【００５０】請求項４記載の本発明によれば、第１ノズ
ル部材の内周面は、この第１ノズル部材の内部空間内で
ガス流入側の開口端と第１ノズル孔を臨むガス流出側の
開口端とに連なる仮想円錐台面よりも半径方向外方に凸
に湾曲して形成され、ガスの噴射方向に向かって第１ノ
ズル部材の内部空間における流路断面積の減少が緩慢で
あるので、流路断面積の減少に伴う圧力損失を少なくす
ることができ、大きな流量で第１および第２ノズル孔に
ガスを供給し、第１および第２ノズル孔からガスを高速
で噴射することができる。このようにして被加工材の厚
みが大きくても、被加工材の上面から下面にわたってよ
り高いモーメンタムのガスを吹き付けて、ドロスを除去
することができる。

【００５１】請求項５記載の本発明によれば、第２ノズ
ル孔は、各透孔よりも半径方向内方に形成される。各透
孔から噴射されたガスは、第１ノズル部材の外周面およ
び第２ノズル部材の内周面に案内され、第２ノズル孔に
近接するにつれて流路断面積が小さくなるので、環状空
間内で各透孔から噴射されるガスのガス圧力を高くし
て、周方向に均一に高いモーメンタムで第２ノズル孔か
らガスを噴射することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態であるレーザ加工装置の
出射端ノズル２０の構成を示す断面図である。

【図２】インナーノズル２１の下方から見た外観を示す
底面図である。

【図３】アウターノズル２３の構成を示す断面図であ
る。

【図４】前記出射端ノズル２０を備えるレーザ加工装置
のレーザ加工用ヘッド６０の構成を示す断面図である。

【図５】図４におけるヘッド本体６１の取付け筒体６２
における切断面線Ｖ−Ｖから見た水平断面図である。

【図６】図４における保持筒体６９の切断面線ＶＩ−Ｖ
Ｉから見た水平断面図である。

【図７】レーザ加工装置の出射端ノズル２０に供給され
るガスの供給経路を示す系統図である。

【図８】レーザ加工装置１１０の概略的構成を示す系統
図である。

【図９】レーザ加工装置の出射端ノズル２０を用いて被
加工材４６を切断加工するときの動作を説明するための
簡略化した断面図である。

【図１０】レーザ加工装置の出射端ノズル２０から噴射
される第１および第２ガス１１８，１１９の圧力分布を
示す図である。

【図１１】第１ガス１１８と第２ガス１１９との流量相
対比を示す図である。

【図１２】典型的な従来の技術の出射端ノズル１を簡略
化して示す断面図である。

【符号の説明】

２０出射端ノズル２１インナーノズル２３アウターノズル３０内周面３１第１ノズル孔３２内部空間３３ａガス流入側の開口端３３ｂガス流出側の開口端３４仮想円錐台面４１環状空間４２第２ノズル孔４３透孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西尾護兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番１号川崎重工業株式会社神戸工場内 (72)発明者川渕悟兵庫県神戸市兵庫区和田山通２丁目１番18 号川崎重工業株式会社兵庫工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加工材に向けて照射されるレーザ光を
集光する集光レンズが内蔵され、かつガスが供給される
レーザ加工用ヘッドに同軸に装着され、前記集光レンズ
によって集光するレーザ光が通過するとともに前記ガス
を噴射する第１ノズル孔が中心軸線上に形成される第１
ノズル部材と、第１ノズル部材に同軸に装着され、第１
ノズル部材の外周面との間にガスが供給される環状空間
を形成して前記第１ノズル部材の第１ノズル孔を外囲す
る第２ノズル孔からガスを噴射する第２ノズル部材とを
備えるレーザ加工装置の出射端ノズルにおいて、第１ノズル部材には、その中心軸線にほぼ平行でかつ第
１ノズル部材の内部空間と前記環状空間とを連通する複
数の透孔が周方向に間隔をあけて形成されることを特徴
とするレーザ加工装置の出射端ノズル。
【請求項２】第２ノズル孔は、ガスの噴射方向下流側
になるにつれて第１ノズル部材の中心軸線に近接する方
向に傾斜して形成されることを特徴とする請求項１記載
のレーザ加工装置の出射端ノズル。
【請求項３】第２ノズル孔は、ガスの噴射方向下流側
になるにつれて第１ノズル部材の中心軸線に近接し、か
つ被加工材の上面よりも下方で前記中心軸線に交差する
方向に傾斜して形成されることを特徴とする請求項１ま
たは２に記載のレーザ加工装置の出射端ノズル。
【請求項４】第１ノズル部材の内周面は、この第１ノ
ズル部材の内部空間内でガス流入側の開口端と第１ノズ
ル孔を臨むガス流出側の開口端とに連なる仮想円錐台面
よりも半径方向外方に凸に湾曲して形成されることを特
徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ加工装
置の出射端ノズル。
【請求項５】第２ノズル孔は、各透孔よりも半径方向
内方に形成されることを特徴とする請求項１〜４のいず
れかに記載のレーザ加工装置の出射端ノズル。