JP2002239770A - レーザ切断用ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】被切断材に向けてレーザ光を照射すると共にア
シストガス，シールドガスを噴射して切断，穴明けを行
なう際に、飛散したスパッタがシールドガス噴射孔を塞
ぐことを防止する。 【解決手段】ノズルＡは、被切断材に向けてレーザ光を
照射すると共にアシストガスを噴射するアシストガス噴
射部材11と、アシストガスの周囲にシールドガスを噴射
するシールドガス噴射部材12を有し、被切断材Ｃからの
高さを切断高さ又は穴明け高さとし、光軸Ｄと被切断材
Ｃの表面との交点Ｅを頂点とし、頂点Ｅとアシストガス
噴射孔13の端面外周縁とを結ぶ線20を斜辺とする円錐形
を設定したとき、前記円錐形の内部にシールドガス噴射
孔15の５０％〜１００％を含むように構成する。またア
シストガス噴射孔13とシールドガス噴射孔15に対して独
立した供給源５，６からアシストガス，シールドガスを
供給し得るように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シールドガスを噴
射する噴射口に対するスパッタの付着を防止して良好な
切断を実現し得るように構成したレーザ切断用のノズル
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属や非金属からなる被切断材に向けて
レーザ光を照射すると同時にアシストガスを噴射して母
材を蒸発又は溶融し、且つ蒸発物及び溶融母材を排除す
ることで被切断材を切断するレーザ切断法が採用されて
いる。このレーザ切断法では、アシストガスは被切断材
の材質に応じて窒素ガス，不活性ガスや空気或いは酸素
ガス等の中から選択される。

【０００３】例えば、被切断材がプラスチック等の被金
属である場合、アシストガスとしては窒素ガス，不活性
ガスや空気が選択される。また被切断材が鋼板等の鉄系
金属である場合、アシストガスとして酸素ガスが選択さ
れる。鉄系金属に対しアシストガスとして酸素ガスを利
用することで、厚い鋼板であっても該鋼板に対するレー
ザ光の照射点の位置を変更することなく母材の燃焼を継
続させることが出来、同時に酸素ガスの噴射エネルギに
よって燃焼生成物を排除して切断することが出来る。

【０００４】酸素ガスを利用して鉄系金属を切断する場
合、良好な切断を実現するには純度の高い酸素ガスを使
用することが必要であるため、アシストガスの周囲にシ
ールドガスを配置することで酸素ガスの純度を高い状態
に保持している。前記シールドガスはアシストガスであ
る酸素ガスの純度を保持する機能を有する。このため、
シールドガスとして酸素ガスの純度の保持に悪影響を与
えることのない酸素ガスが選択される。

【０００５】即ち、アシストガスとしての酸素ガスの周
囲に、シールドガスとしての酸素ガスが配置されて噴射
されることとなり、切断時には、アシストガス，シール
ドガスの噴射に伴って巻き込まれる空気をシールドガス
によってシールドしてアシストガスの純度を保持してい
る。

【０００６】上記レーザ切断法を実行するノズルは、中
心に配置されたアシストガス噴出口からレーザ光を照射
すると共にアシストガスを噴射し、前記孔の周囲に設け
たシールドガス噴射口からシールドガスを噴射し得るよ
うに構成される。特に、アシストガス噴射口の供給孔と
シールドガス噴射口の供給孔は互いに導通しており、１
つの供給源から予め圧力が調整された酸素ガスを供給す
ることで、各噴射口から同時に酸素ガスを噴射し得るよ
うに構成されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】鋼板等の被切断材にレ
ーザ光を照射して被切断材の母材を蒸発，溶融させ、同
時にアシストガスとしての酸素ガスを噴射したとき、母
材の蒸気，溶融母材や酸化溶融物からなるスパッタがア
シストガスの噴射エネルギを受けて飛散する。このと
き、被切断材の上面側のスパッタの一部はレーザ切断用
のノズルに向かって飛散し、レーザ切断用のノズルの表
面に付着するという問題が生じる。

【０００８】レーザ切断用のノズルでは、アシストガス
噴射口の表面とシールドガス噴射口の表面は同一面上に
配置されると共に、被切断材からの高さが極めて低く設
定されているため、被切断材から飛散したスパッタは溶
融状態でノズルの表面に付着し、この付着位置でノズル
が母材に対して溶着してしまうことがある。

【０００９】特に、個々のシールドガス噴射口は径の小
さい複数の穴によって形成されるのが一般的であり、飛
散したスパッタがシールドガス噴射口を塞いでしまうこ
とがある。この場合、アシストガスに対するシールドが
部分的に不充分になり、シールドが不充分な部分から空
気が巻き込まれ、結果としてアシストガスの純度が低下
して良好な切断が阻害されるという問題が生じる。

【００１０】本発明の目的は、切断に伴って飛散したス
パッタがシールドガス噴射口に付着することを防止した
レーザ切断用ノズルを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に係るレーザ切断用ノズルは、被切断材に向け
てレーザ光を照射すると共にアシストガスを噴射し且つ
アシストガスの周囲にシールドガスを噴射して被切断材
を穴明けし又は切断するレーザ切断用ノズルであって、
レーザ切断ノズルの被切断材からの高さを所定の切断高
さ又は穴明け高さとしアシストガス噴射口の中心線と被
切断材の表面との交点を頂点とし該頂点とアシストガス
噴射口の表面外周部位とを結ぶ線からなる円錐形を設定
したとき、前記円錐形の内部にシールドガス噴射口の５
０％〜１００％を含むように構成すると共に、前記アシ
ストガス噴射口とシールドガス噴射口に対し独立してガ
スを供給し得るように構成したものである。

【００１２】上記レーザ切断用ノズル（以下、単に「ノ
ズル」という）では、ノズルの被切断材からの高さを、
切断高さ或いは穴明け高さとし、且つアシストガス噴射
口の中心線と被切断材の表面との交点を頂点とし、該頂
点とアシストガス噴射口の表面外周部とを結ぶ線からな
る円錐形を設定し、シールドガス噴射口の全部或いは５
０％が前記円錐形の内部に位置するように構成したの
で、アシストガス噴射口とシールドガス噴射口とは高さ
方向に異なる面内に形成されることになる。

【００１３】即ち、アシストガス噴射口は被切断材に接
近した位置に配置され、シールドガス噴射口はアシスト
ガス噴射口よりも離隔した位置に配置されることとな
る。このため、被切断材から飛散したスパッタがシール
ドガス噴射口に到達するまでに時間がかかり、この間に
スパッタが冷却してノズルに溶着することがなくなり、
シールドの不充分な部分が生じる虞がない。従って、安
定した切断を実現することが出来る。

【００１４】上記ノズルに於いて、シールドガスの噴射
口が孔状，スリット状，リング状が単独で或いは複合し
て形成されていることが好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、上記ノズルの好ましい実施
形態について図を用いて説明する。図１はノズルの構成
を説明する断面図である。図２は本発明に係るノズルを
取り付けたレーザ切断トーチの構成を説明する図であ
る。図３はシールドガス噴射口の例を説明する図であ
る。図４はノズルの他の例に於けるアシストガス噴射口
とシールドガス噴射口との関係を説明する図である。

【００１６】本発明に係るノズルＡの説明に先立って先
ずレーザ切断トーチＢについて図２により簡単に説明す
る。図に示すレーザ切断トーチＢは先端にノズルＡを着
脱可能に装着し、図示しないレーザ発振器から出射され
光軸Ｄに沿って照射されたレーザ光を鋼板等からなる被
切断材Ｃに向けて照射して該被切断材Ｂの母材を蒸発，
溶融させ、同時に酸素ガスからなるアシストガスを噴射
して母材の燃焼を促進させると共に、アシストガスの噴
射エネルギによって、蒸発物，溶融物，燃焼により生成
した酸化溶融物を母材から排除して、厚さ方向に貫通し
た溝を形成することで被切断材を切断するものである。

【００１７】レーザ切断トーチＢは筒状のトーチ本体１
を有しており、該トーチ本体１の上端側の延長上にレー
ザ発振器が配置され、下端にノズルＡが着脱可能に装着
されている。またトーチ本体１の所定位置にはレンズ２
が配置され、該レンズ２によってレーザ光を集光し、ノ
ズルＡから光軸Ｄに沿って被切断材Ｃに向けて照射され
る。

【００１８】トーチ本体１であってレンズ２の下側にア
シストガスの供給部材３が設けられており、該供給部材
３はホース或いは配管等の流通部材４を介してアシスト
ガス供給源（酸素ガス供給源）５と接続されている。ト
ーチ本体１に供給されたアシストガスは、レンズ２に沿
って流通して該レンズ２を冷却した後、ノズルＡから被
切断材に向けて噴射される。

【００１９】トーチ本体１の下端に装着されたノズルＡ
には流通部材４を介してシールドガス供給源（酸素ガス
供給源）６が接続されており、レーザ発振器及びアシス
トガス供給源５の作動と同時に該シールドガス供給源６
を作動させることで、ノズルＡからレーザ光及びアシス
トガスを中心にして噴射し、該アシストガスの周囲にシ
ールドガスを噴射することで、アシストガスの純度を保
持した状態で被切断材Ｃに対する切断を実行することが
可能である。

【００２０】次に、ノズルＡの構成について図１により
説明する。ノズルＡは、トーチ本体１の下端に対し着脱
可能に取り付けられるアシストガス噴射部材11と、前記
アシストガス噴射部材11に取り付けられたシールドガス
噴射部材12と、を有して構成されている。

【００２１】アシストガス噴射部材11は、先端に光軸Ｄ
に一致してレーザ光を照射すると共にアシストガスを噴
射するアシストガス噴射孔13が形成され、上端にはトー
チ本体１に対して螺合するネジ部11ａが形成され、長手
方向の中央部位にはトーチ本体１の内面と接触して該ト
ーチ本体１に供給されたアシストガスが漏洩することを
防止するＯリング14が設けられている。

【００２２】アシストガス噴射部材11に設けたＯリング
14の下側にフランジ11ｂが形成されており、該フランジ
11ｂの更に下側にネジ部11ｃを設けた筒状部11ｄが形成
されている。また筒状部11ｄから端面11ｅまでの間の形
状は特に限定するものではないが、筒状部11ｄに連続し
て先端側に向けて径が小さくなるテーパ部11ｆが形成さ
れ、該テーパ部11ｆに連続して筒状部11ｇが形成されて
いる。

【００２３】シールドガス噴射部材12は、アシストガス
噴射部材11の筒状部11ｄに嵌め込まれると共にネジ部11
ｃに螺合して取り付けられることで、該アシストガス噴
射部材11と共にシールドガス噴射孔15を構成するもので
ある。

【００２４】このため、シールドガス噴射部材12は、上
部側の内径がアシストガス噴射部材11の筒状部11ｄの外
径と略等しく且つ所定の肉厚を持って形成された本体部
12ａを有し、該本体部12ａから下端側に向けてテーパ部
12ｂが形成されている。特に、本体部12ａの上端にはネ
ジ部12ｃが形成され、また本体部12ａの所定部位には該
本体部12ａの内側と外側を導通させる複数の孔12ｄが形
成されている。また本体部12ａの外周側であって上記孔
12ｄよりも下側に、アシストガス噴射部材11に設けたフ
ランジ11ｂと対向するフランジ12ｅが形成されている。

【００２５】アシストガス噴射部材11のフランジ11ｂと
シールドガス噴射部材12のフランジ12ｅの間にガス分配
部材17が配置されている。このガス分配部材17は、シー
ルドガス供給源６から供給されたシールドガスをアシス
トガス噴射部材11とシールドガス噴射部材12との間に形
成されたシールドガス室18にムラなく供給するものであ
る。

【００２６】上記分配部材17はシールドガス噴射部材12
の本体部12ａの外周に嵌め込まれるようにリング状に形
成され、内周面にグルーブ17ａが形成されると共に所定
位置に該グルーブ17ａと連通させたニップル19が設けら
れ、該ニップル19に取り付けた流通部材４を介してシー
ルドガス供給源６が接続される。

【００２７】尚、シールドガス室18は、シールドガス噴
射孔15に向けて徐々に断面積が小さくなるように構成さ
れている。即ち、シールドガス室18を構成するシールド
ガス噴射部材12の内面は、端面12ｆに向けて径が小さく
なるテーパ部12ｇが形成されている。

【００２８】また分配部材17の上下両面には、夫々アシ
ストガス噴射部材11のフランジ11ｂと接触し、シールド
ガス噴射部材12のフランジ12ｅと接触してシールドガス
の漏洩を防止するＯリング14が設けられている。

【００２９】そして、分配部材17をシールドガス供給部
材12の本体部12ａの外周部に嵌め込み、更に、シールド
ガス供給部材12をアシストガス供給部材11の筒状部11ｄ
に嵌め込んでネジ部11ｃにネジ部12ｃを螺合して一体化
することで、ノズルＡが構成される。

【００３０】上記ノズルＡに於いて、該ノズルＡを被切
断材Ｃに対する所定の加工高さに配置し、光軸Ｄと被切
断材Ｃとの交点Ｅとし、該交点Ｅとアシストガス噴射部
材11の端面11ｅ（アシストガス噴射孔13側の表面）の外
周縁とを結ぶ線20を斜辺とする円錐形を設定したとき、
シールドガス噴射孔15の５０％〜１００％が前記円錐径
の内部に含まれるように構成されている。

【００３１】即ち、アシストガス噴射部材11の端面11ｅ
は、シールドガス噴射部材12の端面12ｆよりも被切断材
Ｃに接近して配置されている。アシストガスとして酸素
ガスを採用したレーザ切断法を実施する場合、ノズルＡ
から噴射された酸素ガスの空気の巻き込みに伴う純度低
下を極力排除するために、ノズルＡは可及的に被切断材
に接近させることが好ましい。このことは、例えアシス
トガスガスの周囲にシールドガスが噴射されている場合
であっても同様であり、ノズルＡから噴射された後、被
切断材Ｃに到達する時間は短ければ短いほど好ましい。

【００３２】このため、被切断材Ｃを切断する場合、ノ
ズルＡの高さは0.2mm〜1.0mmの範囲に設定されるのが一
般的である。また被切断材Ｃに穴明けを行なう場合、被
切断材Ｃから発生する蒸気やスパッタは該被切断材Ｃの
上面側に排除されるため、ノズルＡが被切断材Ｃに接近
している場合、このノズルＡにスパッタが付着したり、
アシストガス噴射孔13やシールドガス噴射孔15から内部
に侵入したり、端面11ｅ，12ｆに溶着することがあるた
め、ノズルＡを被切断材Ｃから７mm程度の高さに設定し
て飛散したスパッタの溶着或いは付着を防止するのが一
般的である。

【００３３】従って、上記ノズルＡでは、高さが0.2mm
〜７mmの範囲で変化した場合であっても、シールドガス
噴射孔15の５０％〜１００％を交点Ｅを頂点とし線20を
斜辺とする円錐形の内部に含むように構成されている。

【００３４】特に、シールドガス噴射部材12の端面12ｆ
が、被切断材Ｃに対しアシストガス噴射部材11の端面11
ｅよりも離隔した位置に配置されるため、シールドガス
噴射孔15から噴射されたシールドガスは、噴射と同時に
大気中に拡散し、同時に空気を巻き込んで純度が低下す
る。このため、シールドガス噴射孔15の被切断材Ｃから
の距離は小さいことが好ましく、シールドガス噴射部材
12の端面12ｆのアシストガス噴射部材11ｅからの距離は
最大でも５mm程度であることが好ましい。

【００３５】アシストガス噴射孔13の径はレーザ発振器
の出力やレンズ２の焦点距離等の条件、即ち、切断し得
る厚さの仕様に応じて変化する。このため、アシストガ
ス噴射部材11の端面11ｅの外周縁の大きさ、即ち、端面
11ｅの外径はアシストガス噴射孔13の径に応じて変化す
る。従って、端面11ｅに於ける外径と内径は一義的に設
定されるものではない。

【００３６】例えば、厚さ19mmの鋼板を切断し得る仕様
を持ったノズルＡでは、端面11ｅの内径（アシストガス
噴射孔13の径）は1.9mmに設定され、外径は7.0mmに設定
されている。またアシストガス噴射部材11の端面11ｅと
シールドガス噴射部材12の端面12ｆとの距離は2.0mm、
シールドガス噴射孔15の外径は10mmに設定されている。

【００３７】上記の如く構成されたノズルＡでは、高さ
が２mmのときシールドガス噴射孔15の100％が、高さが
８mmのとき約60％が、交点Ｅを頂点とし線20を斜辺とす
る円錐形に含まれる。

【００３８】上記ノズルＡでは、被切断材Ｃに対する切
断を実行する際に、或いは穴明けを実行する際に、被切
断材Ｃから発生したスパッタが上面側に飛散した場合、
飛散したスパッタはアシストガス噴射部材11の端面11ｅ
によって防御され、交点Ｅを頂点とし線20を斜辺とする
円錐形の内部に入り込むことはない。また前記円錐形よ
りも外側に飛散したスパッタは、シールドガス噴射部材
12の端面12ｆに到達する以前に冷却されるため、端面12
ｆに衝突しても溶着することなく落下し、シールドガス
噴射孔15に侵入したとしても、噴射するシールドガスの
エネルギによって外部に排出される。従って、良好な切
断を実現することが可能である。

【００３９】またアシストガス噴射孔13に対するアシス
トガス（酸素ガス）の供給と、シールドガス噴射孔15に
対するシールドガス（酸素ガス）の供給が互いに独立し
ているため、シールドガスの噴射強度（シールドガスの
供給圧）を適宜設定することが可能である。このため、
切断時，穴明け時に応じてシールドガスの噴射強度を調
整し、これにより、アシストガスの純度を保持すると共
に、飛散するスパッタの冷却を行なうことが可能であ
る。

【００４０】ノズルＡに於いて、シールドガス噴射孔15
の形状は特に限定するものではなく、図３（ａ）に示す
ようにリング状に形成されていても良く、また同図
（ｂ）に示すように複数の穴21によって形成されていて
も良く、更に、同図（ｃ）に示すように複数のスリット
22によって形成されていても良い。またリング，穴21，
スリット22を組み合わせてシールドガス噴射孔15を構成
しても良い。

【００４１】図４は他の例に係るノズルＡの構成を説明
する要部の拡大図である。図に於いて、アシストガス噴
射部材31の下端部分は、外周部が先端に向けて角度αで
径が増加するようなテーパ状に形成されている。またシ
ールドガス噴射部材32の先端部分の内周部も同様に先端
に向けて角度βで径が増加するようなテーパ状に形成さ
れている。そしてアシストガス噴射部材31の外周部とシ
ールドガス噴射部材32の内周部との間にシールドガス噴
射孔35が形成されている。

【００４２】上記ノズルＡでは、角度αは０度（アシス
トガス噴射部材31の先端部分が円筒状に形成されている
状態）よりも大きく角度βよりも小さい角度に設定さ
れ、角度βは４５度よりも小さい角度に設定されてい
る。

【００４３】上記の如く構成されたノズルＡでは、シー
ルドガス噴射孔35が被切断材Ｃに向けて径が増加するよ
うなテーパ状に形成されるため、アシストガス噴射部材
31の端面31ｅよりもシールドガス噴射部材32の端面32ｆ
が被切断材Ｃから離隔している場合、ノズルＡを被切断
材Ｃ側から見たとき、シールドガス噴射孔35はアシスト
ガス噴射部材31の端面31ｅの外周縁によって覆われる。

【００４４】このため、両端面31ｅ，32ｆの間の距離が
小さくとも、シールドガス噴射孔35を交点Ｅを頂点とし
線20を斜辺とする円錐形に含ませることが可能となるた
め、該シールドガス噴射孔35から噴射されたシールドガ
スの純度の低下を防止することが可能となり、有利であ
る。

【００４５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明に係る
ノズルでは、被切断材からの高さを切断高さ又は穴明け
高さとし、光軸と被切断材の表面との交点を頂点とし、
該頂点とアシストガス噴射口の表面外周部位とを結ぶ線
を斜辺とする円錐形を設定したとき、前記円錐形の内部
にシールドガス噴射口の５０％〜１００％を含むように
構成したので、切断時，穴明け時にスパッタが飛散した
とき、アシストガス噴射部材の端面が庇となって、飛散
したスパッタがシールドガス噴射孔を塞ぐのを防止する
ことが出来る。

【００４６】シールドガス噴射口は、上記頂点とアシス
トガス噴射口の表面外周部位とを結ぶ線を斜辺とする円
錐形の内部に５０％含まれることで、作業に伴って飛散
したスパッタによる悪影響を防止することが出来る。し
かし前記円錐形の内部に８０％以上のシールドガス噴射
口を含ませるように構成することで、より確実にスパッ
タの影響を排除することが出来る。

【００４７】またアシストガス噴射口とシールドガス噴
射口に対し独立してガスを供給し得るように構成したの
で、切断時，穴明け時に応じてシールドガスの噴射強度
を調整し、これにより、アシストガスの純度を保持する
と共に飛散したスパッタを冷却してシールドガス噴射孔
を塞ぐのを防止することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ノズルの構成を説明する断面図である。

【図２】本発明に係るノズルを取り付けたレーザ切断ト
ーチの構成を説明する図である。

【図３】シールドガス噴射口の例を説明する図である。

【図４】ノズルの他の例に於けるアシストガス噴射口と
シールドガス噴射口との関係を説明する図である。

【符号の説明】

Ａ ノズル Ｂ レーザ切断トーチ Ｃ 被切断材 Ｄ 光軸 Ｅ 交点 １ トーチ本体 ２ レンズ ３ 供給部材 ４ 流通部材 ５ アシストガス供給源（酸素ガス供給
源） ６ シールドガス供給源（酸素ガス供給
源） 11 アシストガス噴射部材 11ａ，11ｃ ネジ部 11ｂ フランジ 11ｄ 筒状部 11ｅ 端面 11ｆ テーパ部 11ｇ 筒状部 12 シールドガス噴射部材 12ａ 本体部 12ｂ テーパ部 12ｃ ネジ部 12ｄ 孔 12ｅ フランジ 12ｆ 端面 13 アシストガス噴射孔 14 Ｏリング 15 シールドガス噴射孔 17 ガス分配部材 17ａ グルーブ 18 シールドガス室 19 ニップル 20 線 21 穴 22 スリット 31 アシストガス噴射部材 31ｅ，32ｆ 端面 32 シールドガス噴射部材 35 シールドガス噴射孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 稲川 久仁 東京都江戸川区西小岩３−35−16 小池酸 素工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4E068 AE00 CD15 CH02

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被切断材に向けてレーザ光を照射すると
   共にアシストガスを噴射し且つアシストガスの周囲にシ
   ールドガスを噴射して被切断材を穴明けし又は切断する
   レーザ切断用ノズルであって、レーザ切断ノズルの被切
   断材からの高さを所定の切断高さ又は穴明け高さとしア
   シストガス噴射口の中心線と被切断材の表面との交点を
   頂点とし該頂点とアシストガス噴射口の表面外周部位と
   を結ぶ線からなる円錐形を設定したとき、前記円錐形の
   内部にシールドガス噴射口の５０％〜１００％を含むよ
   うに構成すると共に、前記アシストガス噴射口とシール
   ドガス噴射口に対し独立してガスを供給し得るように構
   成したことを特徴とするレーザ切断用ノズル。
2. 【請求項２】 前記シールドガスの噴射口が孔状，スリ
   ット状，リング状が単独の形状を持って形成され、或い
   は複合して形成されていることを特徴とする請求項１に
   記載したレーザ切断用ノズル。