JP2014200802A - レーザ加工機の同軸ノズルおよび該同軸ノズルを用いたレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズルが過熱するような場合でもノズルの耐熱強度を高めることができるレーザ加工機の同軸ノズルを提供する。【解決手段】内側をレーザ光とインナーシールドガスＧ１とが通過するインナーノズル１３と、インナーノズル１３の外側に設けられ、インナーノズル１３との間に確保した筒状の空間１９を通して先端からアウターシールドガスＧ２を噴出するアウターノズル１５と、インナーシールドガスＧ１として不活性ガスを供給すると共にアウターシールドガスＧ２として不活性ガスを供給するシールドガス供給手段Ｓ１，Ｓ２とを有し、先端側インナーノズル１３Ｂがカーボンで構成され、インナーシールドガスＧ１およびアウターシールドガスＧ２が層流状態で流れる。【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ加工機の同軸ノズルおよび該同軸ノズルを用いたレーザ加工方法に関するものである。

従来、レーザ用同軸ノズル（レーザノズル）２００は、ワークの溶接をする際、溶接部からの反射光がレーザ発振器やその光学系に戻りレーザ発振器やその光学系にダメージを与えてしまうことを防止するために、ワークＷの加工面に対して１０°〜２０°傾けてられている（図２参照）。

なお、従来の技術に関する文献として、例えば、特許文献１〜特許文献４を掲げることができる。

特開平７−６８３８２号公報 特公平４−２３５３号公報 特開平７−１５５９５６号公報 特開昭５１−１３５８５９号公報

ところで、レーザノズルを傾けることで、レーザ発振器やその光学系でのダメージの発生は防止できるが、ワークの加工面からの反射光がレーザノズルにあたってしまい（照射されてしまい）、レーザノズルが過熱してしまうという問題がある。また、従来からスパッタ付着対策としてカーボン材質のノズルが使用される例があるが、大気中ではカーボン材質のノズルは４００℃近傍から酸化による劣化が始まるため、そのままでは反射光による過熱に対して耐熱強度上の問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、レーザ発振器やその光学系でのダメージの発生を防止すべく、ワークの加工面に対してレーザ加工機の同軸ノズルを傾けて使用することで、ワークの加工面からの反射光が同軸ノズルに当たってノズルが過熱するような場合でも、ノズルの熱劣化を抑制して耐熱強度を高めることができるレーザ加工機の同軸ノズルおよび該同軸ノズルを用いたレーザ加工方法を提供することを目的とする。

請求項１の発明のレーザ加工機の同軸ノズルは、内側をレーザ光とインナーシールドガスとが通過し、先端からワークに向けて前記レーザ光を出射すると共に前記インナーシールドガスを噴出するインナーノズルと、前記インナーノズルの外側に設けられ、該インナーノズルとの間に確保した筒状の空間を通して先端からアウターシールドガスを噴出するアウターノズルと、前記インナーノズルの内側に前記インナーシールドガスとして不活性ガスを供給すると共に前記インナーノズルの外側の前記筒状の空間に前記アウターシールドガスとして不活性ガスを供給するシールドガス供給手段と、を有し、前記インナーノズルの少なくとも先端部が、不活性ガス雰囲気下に置かれることで耐熱強度の向上する材料で構成されていることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載のレーザ加工機の同軸ノズルであって、前記不活性ガス雰囲気下に置かれることで耐熱強度の向上する材料として、カーボンが使用されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載のレーザ加工機の同軸ノズルであって、少なくとも前記インナーノズルの内側を通過する前記インナーシールドガスの流れを層流とすることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載のレーザ加工機の同軸ノズルであって、前記インナーノズルの周壁または該インナーノズルの内部に連通する筒状部品の周壁に、前記インナーノズルの内側に前記インナーシールドガスを供給する供給口が、前記ガス供給手段の一要素として設けられ、この供給口に、前記インナーノズルの内側に供給する前記インナーシールドガスの流れを層流化する整流手段が設けられていることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工機の同軸ノズルであって、前記ガス供給手段による前記不活性ガスの供給および供給停止する制御手段を備え、該制御手段が、レーザ加工中に前記ガス供給手段に不活性ガスを供給させると共に、レーザ加工終了後に、前記インナーノズルの温度が所定以下になるまでの間、引き続いて前記ガス供給手段に不活性ガスの供給を継続させることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ加工機の同軸ノズルであって、前記インナーノズルを冷却する冷却回路が更に設けられていることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項６に記載のレーザ加工機の同軸ノズルであって、前記冷却回路は、クロスジェットガスを用いて前記インナーノズルの外周を冷却する構成であることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項７に記載のレーザ加工機の同軸ノズルであって、前記冷却回路は、前記インナーノズルと前記アウターノズルとの間に存在する筒状の空間に中間筒状体を設置することで、前記クロスジェットガスのみが流れる空間を前記インナーノズルの外周の少なくとも一部を囲むようにして形成してあることを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザ加工機の同軸ノズルにおいて、レーザ加工機の同軸ノズルから発したレーザ光が照射されるワークの部位からは、前記インナーノズルで遮られていることで、前記アウターノズルが見えないように構成されていることを特徴とする。

請求項１０の発明のレーザ加工方法は、請求項１に記載のレーザ加工機の同軸ノズルを用いたレーザ加工方法であって、レーザ加工中は、不活性ガスをインナーノズルの先端とアウターノズルの先端から共に噴出しながらワークに対してレーザ加工を行うと共に、レーザ加工終了後、前記インナーノズルの先端部の温度が所定以下となるまでの間、レーザ加工中に引き続いて前記不活性ガスを前記インナーノズルの先端と前記アウターノズルの先端から共に噴出することで、前記不活性ガスにより前記インナーノズルの先端部を覆うことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、インナーノズルの先端部を、インナーノズルの内側を流れる不活性ガスとインナーノズルの外側を流れる不活性ガスとで覆うことができ、インナーノズルの先端部への大気中の酸素の接触を不活性ガスによって遮断することができる。従って、レーザ発振器やその光学系でのダメージの発生を防止すべく、ワークの加工面に対してレーザ加工機の同軸ノズルを傾けて使用することで、ワークの加工面からの反射光がインナーノズルの先端部に当たってインナーノズルが過熱した場合でも、大気中の酸素の接触を遮断することで、インナーノズルの先端部の熱劣化を抑制して耐熱強度を高めることができる。

請求項２の発明によれば、インナーノズルの少なくとも先端部がカーボンで構成されているので、レーザ加工（主に溶接加工）に伴うスパッタの付着を防ぐことができる。また、インナーノズルの先端部がワークからの反射光による加熱を受けている間、不活性ガスによりカーボン製のインナーノズルの先端部を覆うことができるため、カーボン部分の耐熱強度を２０００℃以上に高めることができる。即ち、カーボンは大気中では４００℃近傍で酸化し消耗や強度低下を引き起こすが、窒素ガス雰囲気中では２０００℃まで、アルゴンガス雰囲気中では３０００℃まで反応しないことが知られている。従って、レーザ加工中、および加工終了後のインナーノズルの温度が４００℃近傍に下がるまでの間、カーボン部分を窒素またはアルゴンの不活性ガス雰囲気中に置くことによって、カーボン部分の耐熱温度を引き上げることができ、その結果、同軸ノズルの寿命を延ばすことができる。

請求項３の発明によれば、少なくともインナーノズルの内側を通過するインナーシールドガスの流れを層流としたので、大気中の酸素の巻き込みを確実に遮断することができる。

請求項４の発明によれば、インナーノズルの内部の空間にインナーシールドガスを供給するに当たり、インナーノズルの周壁またはインナーノズルの内部に連通する筒状部品の周壁に設けた供給口から整流手段（ガスレンズとしてのメッシュ等）を介してインナーシールドガスを層流状態で供給するので、レーザ光の通過するインナーノズルの内部やそれに連通する筒状部品の内部を障害物のない空間として完全に空けておくことができ、レーザ光の通過を妨げることがない。

請求項５の発明によれば、レーザ加工中および加工終了後にインナーノズルの先端部の温度が所定以下となるまで、不活性ガスでインナーノズルの先端部を覆うことができる。従って、確実にインナーノズルの先端部の耐熱強度を高めることができる。つまり、インナーノズルの先端部をスパッタ剥離性の良好なカーボン等で構成した場合、レーザ加工終了後においても、インナーノズルの先端部の温度が、酸化の発生する温度（例えば、カーボンの場合は約４００℃）を下回るのを待ってから、不活性ガスの供給を停止する。こうすることで、インナーノズルの先端部の過熱による酸化（劣化）を、レーザ加工終了後にも確実に抑制することができ、インナーノズルの先端部の耐熱強度を引き上げることができる。

なお、インナーノズルの先端部の温度が所定以下となったと判断する手段の例として、制御手段の中に、加工終了時点からの経過時間（自然放冷時間）をタイマーにより測定して判断する手段、放射温度計などでインナーノズルの先端部の温度を計測して判断する手段、インナーノズルの先端部の赤熱状態をカメラを用いた色判別にて測定して温度を推定し判断する手段、などを設けることができる。

請求項６の発明によれば、レーザ発振器やその光学系でのダメージの発生を防止すべく、ワークの加工面に対してレーザ加工機の同軸ノズルを傾けて使用することで、ワークの加工面からの反射光が同軸ノズルにあたっても、同軸ノズルが過熱することを防ぐことがきる。

請求項７の発明によれば、クロスジェットガスを用いてインナーノズルの外周を冷却する構成であるので、冷却用の媒体を新たに追加することなく、簡素な構成で同軸ノズルを冷却することができる。また、クロスジェットガスを用いるので、同軸ノズルの冷却にかかるランニングコストを低減することができる。

請求項８の発明によれば、中間筒状体によってクロスジェットガスのみが流れる空間（インナーノズルを冷却するための空間）を形成してあるので、シールドガス（インナーシールドガス、アウターシールドガス）の流れが乱れることがなく、ワークの加工点（溶接部）でもシールドガスの濃度を所望の値に保つことが容易となる。

請求項９の発明によれば、同軸ノズルから発したレーザ光が照射されるワークの部位からアウターノズルが見えないように構成されているので、レーザ光の反射によってアウターノズルがダメージを受けることがなくなり、アウターノズルの交換が不要になる。

請求項１０の発明によれば、レーザ加工中および加工終了後にインナーノズルの先端部の温度が所定以下となるまで、不活性ガスでインナーノズルの先端部を覆うので、確実にインナーノズルの先端部の耐熱強度を高めることができる。つまり、インナーノズルの先端部をスパッタ剥離性の良好なカーボン等で構成した場合、インナーノズルの先端部の温度が、酸化の発生する温度（例えば、カーボンの場合は約４００℃）を下回るのを待ってから、不活性ガスの供給を停止する。こうすることで、インナーノズルの先端部の過熱による酸化（劣化）を抑制することができ、インナーノズルの先端部の耐熱強度を引き上げることができる。

なお、インナーノズルの先端部の温度が所定以下となったと判断する方法としては、加工終了時点からの経過時間（自然放冷時間）をタイマーにより測定する方法、放射温度計などでインナーノズルの先端部の温度を計測管理する方法、インナーノズルの先端部の赤熱状態をカメラを用いた色判別にて測定して温度を推定管理する方法などを採用することができる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工機の同軸ノズルが採用されているレーザ加工用ヘッドの概略構成を示す斜視図である。 レーザ加工機の同軸ノズルをワークの加工面に対して傾けて使用するときの状況を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工機の同軸ノズルの概略構成を示す断面斜視図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工機の同軸ノズルが採用されているレーザ加工用ヘッドの概略構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工機の同軸ノズルの概略構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

まず、実施形態に係るレーザ加工機（例えばレーザ光ＬＢを使用してワークを溶接するレーザ溶接機）の同軸ノズル１が採用されているレーザ加工用ヘッド３の概略構成を説明する。

レーザ加工用ヘッド３は、図１や図４で示すように、光学素子支持体５とクロスジェット組立体７とノズルベース９と同軸ノズル（レーザ加工機の同軸ノズル）１とを備えて構成されている。

ここで、説明の便宜のために、レーザ加工用ヘッド３の軸（中心軸）の延伸方向をＺ軸方向とし、このＺ軸方向における一端側を基端側（上側）とし、他端側を先端側（下側）とする。

光学素子支持体５は、レーザ加工用ヘッド３の基端部側に位置しており、光学素子支持体５の先端にはクロスジェット組立体７が一体的に設けられ、クロスジェット組立体７の先端にはノズルベース９が一体的に設けられ、ノズルベース９の先端には同軸ノズル１が一体的に設けられている。

光学素子支持体５は、レーザ光を集光する集光レンズ等の光学素子を支持しているものであり、クロスジェット組立体７は、光学素子支持体５に設けられている集光レンズ等の光学素子を保護するためにクロスジェットガスＧ３のエアーカーテンＧ４を生成するものである（図１参照）。

図示しないレーザ発振器が発したレーザ光ＬＢは、レーザ加工用ヘッド３の内部を通って（レーザ加工用ヘッド３の中心軸やこのまわりを通って、Ｚ軸方向の基端側から先端側に進み）同軸ノズル１から出射されてワークＷ（図２参照）に照射されるようになっている。

ここで、同軸ノズル１について詳しく説明する。同軸ノズル１は、インナーノズル１３とアウターノズル１５と冷却回路１７とを備えて構成されている。

インナーノズル１３は、筒状（例えば円筒状）に形成されており、内側をレーザ光と、レーザ光の加工部位に供給されるインナーシールドガス（インナーガス）Ｇ１とが通過することで、先端からワークＷに向けてレーザ光ＬＢを出射すると共に、ワークＷに対する加工部位に向けてインナーシールドガスＧ１を噴出するようになっている（図３参照）。

インナーノズル１３の内側は、レーザ光が通過するので、インナーシールドガスＧ１の流れを層流化する部品（ガスレンズ用メッシュなど）等を取り付けることができない。そのため、後述するように、レーザ光の通過を邪魔しない位置（レーザ光の通過する空間の側方）に層流化を実現する部品を配置している。

インナーシールドガスＧ１とは、例えば、レーザ光が照射されたワークＷの酸化を防止するとともに発生するプラズマを除去するためにワークＷの加工部位に供給されるガスであり、ここでは、例えば窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスが使用されている。プラズマとは、レーザ光によって蒸発したワークＷの蒸気（ワークＷが金属である場合には、金属蒸気）である。

アウターノズル１５は、筒状（例えば円筒状）に形成されており、インナーノズル１３の外側でインナーノズル１３に一体的に連結されている。また、アウターノズル１５は、インナーノズル１３の外側に筒状（例えば円筒状）の空間（隙間）１９を形成するように、インナーノズル１３を囲んでおり、筒状の空間１９のところをアウターシールドガス（アウターガス）Ｇ２が流れ、先端からアウターシールドガスＧ２を噴出するようになっている（図３参照）。

アウターシールドガスＧ２とは、例えば、レーザ光が照射された加工部位でのワークＷの酸化を防止するために加工部位のまわりに供給されるガスであり、ここでは、例えば窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスが使用されている。

アウターノズル１５とインナーノズル１３の間の筒状の空間１９は、レーザ光が通過する部分ではないために、通常の層流化部品（ガスレンズ用メッシュ２７など）を設置することができて、層流化した状態でアウターシールドガスＧ２をインナーノズル１３に沿って噴出することができるようになっている。

なお、インナーノズル１３の中心軸とアウターノズル１５の中心軸とは、レーザ加工用ヘッド３の軸に一致している。レーザ加工用ヘッド３は、従来と同様にして、平面状のワークＷの加工面に対し垂直な直線に対して、同軸ノズル１の軸を１０°〜２０°傾けて、ワークＷにレーザ光を照射するようになっている（図２参照）。

冷却回路１７は、インナーノズル１３の外周を冷却するものである。冷却回路１７は、前述したインナーガスＧ１やアウターガスＧ２とは異なるガスであるクロスジェットガスＧ３を用いてインナーノズル１３の外周を冷却する構成になっている。クロスジェットガスＧ３とは、レーザ加工によって発生するスパッタから、レーザ光が通過する集光レンズ等の光学系を保護するためのガスである。

なお、冷却回路１７で冷却に使用されたクロスジェットガスＧ３が、前述したように、クロスジェット組立体７で（光学素子支持体５の光学系とワークＷのレーザ照射部との間で）エアーカーテンＧ４を形成し、集光レンズ等の光学系を保護するようになっている。

すなわち、クロスジェットガスＧ３によって、インナーノズル１３内に入ってきた溶接のスパッタ等を吹き飛ばし、溶接のスパッタ等が光学素子支持体５の集光レンズやレンズ保護用のウィンドウに付着しないようにすることができる。なお、図１では、クロスジェットガスＧ３の経路が概略的に示されている。

また、冷却回路１７は、インナーノズル１３とアウターノズル１５との間に存在する円筒状の空間（間隙）１９に、例えば円筒状の中間筒状体２１を設置することで（中間筒状体２１をインナーノズル１３に一体的に設置することで）、クロスジェットガスＧ３のみが流れる空間（例えば円筒状等の筒状の空間）２３を形成している。この空間２３は、インナーノズル１３の外周の少なくとも一部を囲んでいる。

また、レーザ加工用ヘッド３では、同軸ノズル１から発したレーザ光が照射されるワークＷの部位からは、インナーノズル１３（特に、後述する先端側インナーノズル１３Ｂ）で遮られていることで、アウターノズル１５やその他の構成体（光学素子支持体５、クロスジェット組立体７、ノズルベース９等）が見えないように構成されている。もちろん、平面状のワークＷの加工面に対し垂直な直線に対して、同軸ノズル１の軸を１０°〜２０°傾けて加工する場合にあっても、見えないようになっている。

同軸ノズル１についてさらに詳しく説明する。

図５等で示すように、ノズルベース９の先端（下端）には、インナーノズル１３の内側の空間３４に連通する筒状部品として円筒状のメッシュ支持体２５が設けられており、そのメッシュ支持体２５の外側に、メッシュ支持体２５よりも径の大きい円筒状のパーテーション２９が設けられ、このパーテーション２９の外側に、パーテーション２９よりも径の大きい円筒状のノズルホルダー３３が設けられている。

パーテーション２９は、アウターノズル１５の内側の円筒状の空間１９の内部に別の空間を仕切るもので、メッシュ支持体２５とパーテーション２９との間には、その別の空間として、円筒状のインナーガスチャンバ３１が確保されている。

メッシュ支持体２５の周壁には、インナーガスチャンバ３１の上部に位置させて、インナーノズル１３の内側の空間３４にインナーシールドガスＧ１を供給する複数の供給口（切欠によって構成されている）２６が設けられており、それら供給口２６に、インナーノズル１３の内側の空間３５に供給するインナーシールドガスＧ１の流れを層流化するためのガスレンズ用のメッシュ（整流手段）２７が設けられている。つまり、インナーガスチャンバ３１の基端（上端）側の箇所はメッシュ２７を通して、メッシュ支持体２５の内側の空間３５（インナーノズル１３の内側の空間３４に連通する空間）につながっている。

この場合のメッシュ２７は、供給口２６ごとに円弧曲面状または矩形平面状の形で設けられていてもよいし、全部の供給口２６を覆うように円筒面状に設けられていてもよい。また、供給口２６の向きをメッシュ支持体２５の軸線に直交する方向に設定するのではなく、ノズル先端方向に斜めに向くように設定してもよい。

インナーガスチャンバ３１には、その上部に位置して、インナーシールドガスＧ１がインナーガスチャンバ３１内に流入する流入口（矢印Ｓ１の先端で示す）が設けられている。

そして、ノズルベース９に設けられた流路（図示せず）を通ってきたインナーシールドガスＧ１は、インナーガスチャンバ３１とメッシュ２７と空間３５とを通り、インナーノズル１３の内部の空間３４を経てインナーノズル１３の先端から噴出され、レーザ加工部位に供給されるようになっている。

ここでは、このインナーシールドガスＧ１の流路を含む手段により、不活性ガスをインナーノズル１３の内部に供給する第１のシールドガス供給手段Ｓ１（図３中の矢印で便宜的に示す）が構成されている。

なお、ノズルベース９に設けられた流路（図示せず）を通ってインナーガスチャンバ３１まで到達したインナーシールドガスＧ１の少なくとも一部は、インナーガスチャンバ３１の先端側の内面（インナーガスチャンバ３１の内底面）にぶつかって、一旦基端側に方向を変え、メッシュ２７を通るようになっている。このようにガス流れの方向が反転することで、流入口から流入するインナーガスを流入時の流体エネルギーを減衰させた上でインナーガスを供給口２５から排出する。従って、インナーシールドガスＧ１の流速および不均一性が緩和され、その後、メッシュ２７を通過することで層流化された状態でインナーノズル１３内に導入される。

また、メッシュ２７が設けられた供給口２６の総面積は、インナーノズル１３の上端開放口と下端開放口の断面積の和よりも小さくなるように設定されており、インナーノズル１３内で層流となる上限速度（レイノズル数などで計算される）以下でインナーシールドガスＧ１の必要流量を供給できるようになっている。そのため、インナーノズル１３内に導入されたインナーシールドガスＧ１は、方向を変えながらインナーノズル１３の先端から噴出されても、層流状態を維持することができるようになっている。

パーテーション２９の先端には、ノズルホルダー３３と一体の円筒状の基端側インナーノズル１３Ａが連結されており、基端側インナーノズル１３Ａの先端には、先が円錐状になって細くなっている筒状の先端側インナーノズル１３Ｂが接続されている。この先端側インナーノズル１３Ｂには、スパッタの付着対策としてカーボン製のものが使用されている。

そして、円筒状の基端側インナーノズル１３Ａと先端側インナーノズル１３Ｂとでインナーノズル１３が形成されており、先端側インナーノズル１３Ｂが基端側インナーノズル１３Ａに螺合されていることで、先端側インナーノズル１３Ｂが容易に交換できるようになっている。

なお、本実施形態では、ノズルホルダー３３と基端側インナーノズル１３Ａとが一体で構成され、ノズルホルダー３３の先端側は、インナーノズル１３の一部を形成する基端側インナーノズル１３Ａとなっている。

中間筒状体２１の径は、インナーノズル１３の径よりも大きくなっており、ノズルホルダー３３の先端に設けられており、基端側インナーノズル１３Ａを覆っている。中間筒状体２１と基端側インナーノズル１３Ａとの間には、円筒状の空間２３が形成されている。

そして、図示しない流路を通ってきたクロスジェットガスＧ３が、空間２３を通って基端側インナーノズル１３Ａを冷却し、図示しない別流路を通って、クロスジェット組立体７まで戻り、集光レンズ等の光学素子を保護するためにクロスジェットガスＧ３のエアーカーテンＧ４を生成するようになっている。

なお、基端側インナーノズル１３Ａの外周には、大きな外径部と小さな外径部とが軸方向で交互に並んで形成されているフィン３９が設けられており、クロスジェットガスＧ３による基端側インナーノズル１３Ａの冷却効率が高められている。

アウターノズル１５の径は、インナーノズル１３や中間筒状体２１の径よりも大きくなっており、アウターノズル１５は、ノズルホルダー３３の先端に設けられ、中間筒状体２１と基端側インナーノズル１３Ａと先端側インナーノズル１３Ｂの一部（基端側部位）を覆っている。

そして、図示しない流路を通ってきたアウターシールドガスＧ２が、アウターノズル１５とインナーノズル１３との間に確保された円筒状の空間１９を経由し、アウターノズル１５の先端の開口３７に設けたガスレンズ用のメッシュ２７を通過し、レーザ加工部位のまわりに向けて層流状態で噴出されるようになっている。

ここでは、アウターノズル１５とインナーノズル１３との間に確保された円筒状の空間１９にアウターシールドガスＧ２を供給する流路を含む手段により、第２のシールドガス供給手段Ｓ２（図３中の矢印で便宜的に示す）が構成されており、前述したインナーシールドガスＧ１を供給する第１のシールドガス供給手段Ｓ１と共通の不活性ガス（窒素ガスやアルゴンガス等）を供給できるようになっている。

また、このレーザ加工機には、前述した第１、第２のシールドガス供給手段を制御する制御手段（図示略）が設けられており、この制御手段が、レーザ加工中にシールドガス供給手段に不活性ガスを供給させると共に、レーザ加工終了後に、インナーノズル１３の温度が所定以下になるまでの間、引き続いて不活性ガスの供給を継続させるようになっている。

この同軸ノズル１によれば、インナーノズル１３の先端部を、インナーノズル１３の内側を流れる不活性ガスとインナーノズル１３の外側を流れる不活性ガスとで覆うことができ、インナーノズル１３の先端部への大気中の酸素の接触を不活性ガスによって遮断することができる。従って、レーザ発振器やその光学系でのダメージの発生を防止すべく、ワークＷの加工面に対してレーザ加工機の同軸ノズル１を傾けて使用することで、ワークＷの加工面からの反射光が先端側インナーノズル１３Ｂ（インナーノズル１３の先端部）に当たって先端側インナーノズル１３Ｂが過熱した場合でも、大気中の酸素の接触を遮断することで、先端側インナーノズル１３Ｂの熱劣化を抑制して耐熱強度を高めることができる。

また、この同軸ノズル１によれば、先端側インナーノズル１３Ｂが、不活性ガス雰囲気下に置かれることで耐熱強度を向上させる材料としてのカーボンで構成されているので、レーザ加工（主に溶接加工）に伴うスパッタの付着を防ぐことができる。また、先端側インナーノズル１３ＢがワークＷからの反射光による加熱を受けている間、不活性ガスによりカーボン製の先端側インナーノズル１３Ｂの先端部を覆うことができるため、カーボン部分の耐熱強度を２０００℃以上に高めることができる。即ち、カーボンは大気中では４００℃近傍で酸化し消耗や強度低下を引き起こすが、窒素ガス雰囲気中では２０００℃まで、アルゴンガス雰囲気中では３０００℃まで反応しないことが知られている。従って、レーザ加工中、および加工終了後の先端側インナーノズル１３Ｂの温度が４００℃近傍に下がるまでの間、カーボン部分を窒素またはアルゴンの不活性ガス雰囲気中に置くことによって、カーボン部分の耐熱温度を引き上げることができ、その結果、先端側インナーノズル１３Ｂの寿命を延ばすことができる。

また、この同軸ノズル１によれば、インナーノズル１３の内側と外側を通過するインナーシールドガスＧ１およびアウターシールドガスＧ２の流れを層流としているので、大気中の酸素の巻き込みを確実に遮断することができる。

また、この同軸ノズル１によれば、インナーノズル１３の内部の空間３４にインナーシールドガスＧ１を供給するに当たり、インナーノズルの周壁またはインナーノズルの内部に連通する筒状部品（パーテーション２９）の周壁に設けた供給口２６からガスレンズとしてのメッシュ２７を介してインナーシールドガスＧ１を層流状態で供給するので、レーザ光の通過するインナーノズル１３の内部やそれに連通する筒状部品（パーテーション２９）の内部を障害物のない空間として完全に空けておくことができ、レーザ光の通過を妨げることがない。

また、この同期ノズル１によれば、レーザ加工中および加工終了後に先端側インナーノズル１３Ｂの温度が所定以下となるまで、不活性ガスで先端側インナーノズル１３Ｂを覆うことができるので、確実に先端側インナーノズル１３Ｂの耐熱強度を高めることができる。

つまり、先端側インナーノズル１３Ｂをカーボンで構成した場合、レーザ加工終了後においても、先端側インナーノズル１３Ｂの温度が、酸化の発生する温度（例えば、カーボンの場合は約４００℃）を下回るのを待ってから、不活性ガスの供給を停止する。こうすることで、先端側インナーノズル１３Ｂの過熱による酸化（劣化）を、レーザ加工終了後にも確実に抑制することができ、先端側インナーノズル１３Ｂの耐熱強度を引き上げることができる。

なお、インナーノズルの先端部の温度が所定以下となったと判断する方法としては、加工終了時点からの経過時間（自然放冷時間）をタイマーにより測定する方法、放射温度計などでインナーノズルの先端部の温度を計測管理する方法、インナーノズルの先端部の赤熱状態をカメラを用いた色判別にて測定して温度を推定管理する方法などを採用することができる。

また、この同軸ノズル１によれば、インナーノズル１３を冷却する冷却回路１７が、熱源（ワークWにおける溶接部等の加工部位）の近く設けられているので、ワークＷの加工面に対してレーザ加工用ヘッド３の同軸ノズル１を傾けて使用することでワークＷの加工面からの反射光がインナーノズル１３にあたっても、インナーノズル１３の過熱を防ぐことがきる。また、冷却効率の高い冷却水を用いることなくレーザ光の出力を上げても、インナーノズル１３の過熱を防ぐことができる。さらに、インナーノズル１３が冷却されることで、熱伝導によりアウターノズル１５も冷却され過熱が防止される。

また、この同軸ノズル１によれば、クロスジェットガスＧ３を用いてインナーノズル１３の外周を冷却する構成であるので、冷却用の媒体を新たに追加することなく、簡素な構成で同軸ノズル１を冷却することができる。また、クロスジェットガスＧ３を用いるので、同軸ノズル１の冷却にかかるランニングコストを低減することができる。

また、この同軸ノズル１によれば、中間筒状体２１によってクロスジェットガスＧ３のみが流れる空間（インナーノズル１３を冷却するための空間）２３を形成してあるので、シールドガス（インナーシールドガス、アウターシールドガス）Ｇ１、Ｇ２の流れが乱れることがなく、ワークＷの加工点（溶接部）でもシールドガスＧ１、Ｇ２の濃度を所望の値に保つことが容易になっている。

また、この同軸ノズル１によれば、レーザ加工用ヘッド３の同軸ノズル１から発したレーザ光ＬＢが照射されるワークＷの部位からは、アウターノズル１５が見えないように構成されているので、レーザ光ＬＢの反射によってアウターノズル１５がダメージを受けることがなくなり、アウターノズルの１５交換は不要になる。

なお、前記実施形態では、クロスジェットガスＧ３を用いてインナーノズル１３を冷却しているが、クロスジェットガスＧ３に代えてもしくは加えて、冷媒（冷却水、冷却エアー）を用い、インナーノズル１３を冷却するように構成してもよい。

また、前記実施形態では、先端側インナーノズル１３Ｂをスパッタ付着防止性能の高いカーボンで構成した場合を延べたが、不活性ガス中で耐熱強度が高まる材質（例えば高分子材）を利用して先端側インナーノズル１３Ｂを構成することも可能である。

１ レーザ加工機の同軸ノズル
１３ インナーノズル
１３Ｂ 先端側インナーノズル（インナーノズルの先端部）
１５ アウターノズル
１７ 冷却回路
１９ 筒状の空間
２１ 中間筒状体
２３ 空間
２６ 供給口
２７ メッシュ（整流手段）
２９ パーテーション（筒状部品）
Ｓ１ 第１のシールドガス供給手段
Ｇ１ インナーシールドガス（インナーガス）
Ｓ２ 第２のシールドガス供給手段
Ｇ２ アウターシールドガス（アウターガス）
Ｇ３ クロスジェットガス
ＬＢ レーザ光

Claims (10)

1. 内側をレーザ光とインナーシールドガスとが通過し、先端からワークに向けて前記レーザ光を出射すると共に前記インナーシールドガスを噴出するインナーノズルと、
   前記インナーノズルの外側に設けられ、該インナーノズルとの間に確保した筒状の空間を通して先端からアウターシールドガスを噴出するアウターノズルと、
   前記インナーノズルの内側に前記インナーシールドガスとして不活性ガスを供給すると共に前記インナーノズルの外側の前記筒状の空間に前記アウターシールドガスとして不活性ガスを供給するシールドガス供給手段と、を有し、
   前記インナーノズルの少なくとも先端部が、不活性ガス雰囲気下に置かれることで耐熱強度の向上する材料で構成されていることを特徴とするレーザ加工機の同軸ノズル。
2. 請求項１に記載のレーザ加工機の同軸ノズルであって、
   前記不活性ガス雰囲気下に置かれることで耐熱強度の向上する材料として、カーボンが使用されていることを特徴とするレーザ加工機の同軸ノズル。
3. 請求項１または２に記載のレーザ加工機の同軸ノズルであって、
   少なくとも前記インナーノズルの内側を通過する前記インナーシールドガスの流れを層流とすることを特徴とするレーザ加工機の同軸ノズル。
4. 請求項３に記載のレーザ加工機の同軸ノズルであって、
   前記インナーノズルの周壁または該インナーノズルの内部に連通する筒状部品の周壁に、前記インナーノズルの内側に前記インナーシールドガスを供給する供給口が、前記ガス供給手段の一要素として設けられ、この供給口に、前記インナーノズルの内側に供給する前記インナーシールドガスの流れを層流化する整流手段が設けられていることを特徴とするレーザ加工機の同軸ノズル。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工機の同軸ノズルであって、
   前記ガス供給手段による前記不活性ガスの供給および供給停止する制御手段を備え、
   該制御手段が、レーザ加工中に前記ガス供給手段に不活性ガスを供給させると共に、レーザ加工終了後に、前記インナーノズルの温度が所定以下になるまでの間、引き続いて前記ガス供給手段に不活性ガスの供給を継続させることを特徴とするレーザ加工機の同軸ノズル。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ加工機の同軸ノズルであって、
   前記インナーノズルを冷却する冷却回路が更に設けられていることを特徴とするレーザ加工機の同軸ノズル。
7. 請求項６に記載のレーザ加工機の同軸ノズルであって、
   前記冷却回路は、クロスジェットガスを用いて前記インナーノズルの外周を冷却する構成であることを特徴とするレーザ加工機の同軸ノズル。
8. 請求項７に記載のレーザ加工機の同軸ノズルであって、
   前記冷却回路は、前記インナーノズルと前記アウターノズルとの間に存在する筒状の空間に中間筒状体を設置することで、前記クロスジェットガスのみが流れる空間を前記インナーノズルの外周の少なくとも一部を囲むようにして形成してあることを特徴とするレーザ加工機の同軸ノズル。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザ加工機の同軸ノズルにおいて、
   レーザ加工機の同軸ノズルから発したレーザ光が照射されるワークの部位からは、前記インナーノズルで遮られていることで、前記アウターノズルが見えないように構成されていることを特徴とするレーザ加工機の同軸ノズル。
10. 請求項１に記載のレーザ加工機の同軸ノズルを用いたレーザ加工方法であって、
    レーザ加工中は、不活性ガスをインナーノズルの先端とアウターノズルの先端から共に噴出しながらワークに対してレーザ加工を行うと共に、レーザ加工終了後、前記インナーノズルの先端部の温度が所定以下となるまでの間、レーザ加工中に引き続いて前記不活性ガスを前記インナーノズルの先端と前記アウターノズルの先端から共に噴出することで、前記不活性ガスにより前記インナーノズルの先端部を覆うことを特徴とするレーザ加工方法。

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