JP3789899B2

JP3789899B2 - Assist gas injection nozzle for laser processing

Info

Publication number: JP3789899B2
Application number: JP2003076760A
Authority: JP
Inventors: 義幸宇野; 康寛岡本
Original assignee: 財団法人岡山県産業振興財団
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2023-03-20
Also published as: JP2004283845A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工に用いるアシストガスの噴射ノズルに関し、より詳細には、レーザビームを被加工物の表面に照射して該表面を加工するレーザ加工において該加工される表面に吹き付けるアシストガスを噴射するための噴射ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は、レーザ加工に用いるアシストガスの従来の噴射ノズル１０１を示す断面図であり、図１４は図１３の円Ａ中の拡大断面図である。図１３及び図１４を参照して、従来の噴射ノズル１０１について説明する。
従来の噴射ノズル１０１は、直線１０３を含む全ての平面における断面形状が図１３に示したものと同じ形状を有しており、いわゆる回転体を構成している。噴射ノズル１０１は、本体部１０５（円柱形状をした円柱部分と、該円柱の底面を大きい方の底面とする円錐台形状をした円錐台部分と、が合わさった形状を有している。）と、本体部１０５の側面から突出し該側面を巡るように形成されたつば部１０７（本体部１０５の一部を形成する該円柱部分の側面を巡るように形成されリング形状を有している。噴射ノズル１０１がレーザ加工機に取り付けられる際に用いられる。）と、を有して一体に金属によって形成されており、内部には直線１０３に沿ってアシストガスを通過させる流路１０９が形成されている（図１３及び図１４中、矢印Ｂ方向に向けて通過させる。）。
【０００３】
流路１０９は、直線１０３を軸とする円錐台形状をした円錐台流路部１０９ａ（該円錐台が有する両底面のうち小さな底面をアシストガスが流れる方向に向けている。）と、円錐台流路部１０９ａを通過したアシストガスを受け入れる直線１０３を軸とする円柱形状（円錐台流路部１０９ａが形成する該円錐台が有する該小さな底面と１底面を共通にする。）をした円柱流路部１０９ｂと、を有してなる。
このように流路１０９は、円錐台流路部１０９ａと、円錐台流路部１０９ａに続く円柱流路部１０９ｂと、を有して構成されているので、アシストガスが図１３及び図１４中、矢印Ｂ方向に向けて通過すると、まず、円錐台流路部１０９ａにおいては下流に行くにつれて断面積が減少し、円柱流路部１０９ｂにおいては断面積が変化しない。なお、アシストガスは、最終的には、円柱流路部１０９ｂの先端部１０９ｂａから噴射される。
【０００４】
図１５は、噴射ノズル１０１が取り付けられたレーザ加工機２０１の断面を示す一部拡大断面図である。図１５を参照して、噴射ノズル１０１が取り付けられたレーザ加工機２０１の使用方法について簡単に説明する。なお、図１５に示した断面は、噴射ノズル１０１をレーザ加工機２０１に取り付け、図１３及び図１４に示した断面と同様の断面にて噴射ノズル１０１を切断することができる断面を示している。
噴射ノズル１０１の流路１０９には、図示しないボンベからアシストガスとして空気が所定の圧力にて供給されている。流路１０９は、前述したように、円柱流路部１０９ｂの先端部１０９ｂａが開放されているが、その他の部分からはアシストガスが漏れ出ないように気密的にレーザ加工機２０１に取り付けられている。このためアシストガスは、図１５中の矢印Ｃに沿って流れる。
【０００５】
一方、図示しないレーザ発生装置によって発生されたレーザビーム２０３は、円柱流路部１０９ｂの先端部１０９ｂａを経て噴射ノズル１０１の外部に照射されるようになっている。
レーザビーム２０３が照射される所定の位置には、被加工物（ワーク）２０５が配置されており、被加工物２０５の表面にレーザビーム２０３が照射されることによって被加工物２０５の表面が融解等する。
そして、被加工物２０５の表面にレーザビーム２０３が照射され、被加工物２０５の表面が融解等するときに、前述のアシストガスによって該融解した融解物等を吹き飛ばし除去することで、被加工物２０５の表面を加工（レーザ加工）することができる（被加工物２０５の表面にレーザビーム２０３が照射される位置と、被加工物２０５の表面にアシストガスを吹き付ける位置と、が略一致するようになっている。）。
【０００６】
このように、被加工物２０５の表面にレーザビーム２０３を照射すると共に、レーザビーム２０３を照射する被加工物２０５の表面にアシストガスを吹き付けることで、被加工物２０５の表面を加工（レーザ加工）すると、吹き飛ばされた融解物等２０７は被加工物２０５の表面に再び付着することでいわゆるスパッタ２０９を生じたり、被加工物２０５を貫通する孔２１１を形成するよう被加工物２０５の表面を加工（レーザ加工）すると融解物等がたれることでいわゆるドロス２１３を生じる。
なお、本明細書中では、吹き飛ばされた融解物等２０７が被加工物２０５の表面に再び付着することで該表面に生じる凸部分をスパッタといい、融解物等が被加工物２０５の表面にたれることで該表面に生じる凸部分をドロスと言う。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように、被加工物２０５の表面にレーザビーム２０３を照射し、レーザビーム２０３を照射する被加工物２０５の表面にアシストガスを吹き付けることで、被加工物２０５の表面を加工（レーザ加工）する際に生じるスパッタやドロスは、被加工物２０５の表面形状を変形させる。
スパッタは、被加工物２０５の表面の品位や美感を害することや、時には、機能的に問題が生じる場合もあった。
そして、ドロスは、スパッタが引き起こしうる問題に加えて、被加工物２０５にレーザ加工によって一旦は形成された孔やスリットに入り込むことでこれら孔やスリットを閉塞したり、レーザビームを偏向させることで加工精度の低下（ドロスによってレーザビームが反射等されることにより、レーザビームの進行方向が変わり、意図しない部分を加工したり、意図しない方向へ加工することで加工精度が低下する。）をもたらす問題があった。
【０００８】
そこで、本発明では、スパッタとドロスとのうち、上述したようにとりわけ有害なドロスを減少させることができるアシストガスの噴射ノズルを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、アシストガスの噴射ノズルの内部に形成されたアシストガスの流路の形状を所定のものにすることで、上記課題を解決することができることを見いだし、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明のレーザ加工に用いるアシストガスの噴射ノズル（以下、「本ノズル」という。）は、レーザビームを被加工物の表面に照射して該表面を加工するレーザ加工において該加工される表面に吹き付けるアシストガスを噴射するための噴射ノズルであって、該アシストガスが通過する該噴射ノズルの内部に形成された流路が、下流に行くにつれて断面積が減少する絞り部と、該絞り部を通過した該アシストガスを受け入れ下流に行くにつれて断面積が増加し先端部にて該アシストガスを噴射する拡張部と、を備えている、噴射ノズルである。
【００１０】
ここにいう「断面積」とは、その場においてアシストガスが流れる方向に対して垂直な平面内に存する領域であって、流路の内壁によって取り囲まれた領域の面積をいう。
そして、「下流」とは、アシストガスの流れが向いている方向（即ち、アシストガスが流れて行く先の方向をいう。）をいう。
また、拡張部の「先端部」とは、拡張部のうち最も下流に位置する部分をいう。
そして、「下流に行くにつれて断面積が減少」するとは、下流に行くにつれて断面積が単調減少することをいう。また、「下流に行くにつれて断面積が増加」するとは、下流に行くにつれて断面積が単調増加することをいう。
なお、アシストガスとしては、レーザ加工に用いられるものを広く使用することができ何ら制限されるものではないが、例えば、空気、酸素ガス、炭酸ガス、窒素ガス、アルゴン等を例示することができる。
【００１１】
このように、本ノズルの内部に形成された流路が、下流に行くにつれて断面積が減少する絞り部と、該絞り部を通過したアシストガスを受け入れ下流に行くにつれて断面積が増加し先端部にてアシストガスを噴射する拡張部と、を備えるように構成することで、本ノズルを用いてアシストガスを噴射させレーザ加工を行うと、ドロスを著しく減少させることができる。とりわけ、本ノズルを用いて生成されるドロスの高さ（図１５中、矢印Ｄにて示した。被加工物の表面に付着したドロスの部分のうち、該表面から垂直方向に最も離れた部分と、該表面と、の間の距離をいう。）は、図１３乃至図１５にて示した従来の噴射ノズル１０１を用いた場合に比して（噴射ノズルに供給されるアシストガスのガス圧やレーザビーム等の条件は同一にて比較する。）、大幅に小さくなる。
【００１２】
前記絞り部の最下流部と前記拡張部の最上流部とは、断面積が一定の部分等によって連通されることで、絞り部を通過したアシストガスを拡張部が受け入れるように構成してもよいが、前記絞り部の最下流部と前記拡張部の最上流部とが直接接合されているものであってもよい。
こうすることで、前記絞り部の最下流部と前記拡張部の最上流部とが直接接合されていない場合（例えば、前述のように、断面積が一定の部分等によって両者が連通されるような場合）に比して、ドロスを著しく減少させると共にドロスの高さを小さくすることができる。
【００１３】
前記流路の内面が、所定の直線を軸とした回転面を略構成するもの（以下、「回転面ノズル」という。）であってもよい。
こうすることで、アシストガスが該所定の直線に沿って真っ直ぐ円滑に流れるので、アシストガスによって融解物等を効果的に吹き飛ばし除去することができ、被加工物の表面を効率的（加工の速度を大きくすることができる。）に加工（レーザ加工）することができる。そして、流路の内面が回転面を略構成しない場合に比して、ドロスを著しく減少させると共にドロスの高さを小さくすることができる。
【００１４】
回転面ノズルの場合、前記拡張部の最上流部の径が０．１ｍｍ以上であり、前記拡張部の前記アシストガスを噴射する前記先端部の径が５．０ｍｍ以下であってもよい。
拡張部の最上流部の径と、拡張部のアシストガスを噴射する先端部の径と、はレーザ加工の条件等に応じて適宜定められればよく何ら制限されるものではないが、通常、拡張部の最上流部の径が０．１ｍｍ以上（５．０ｍｍ未満）とし、拡張部のアシストガスを噴射する先端部の径が５．０ｍｍ以下（０．１ｍｍより大きい）とすれば、ドロスを減少させると共にドロスの高さを小さくすることができる。
【００１５】
回転面ノズルの場合、前記所定の直線を含む平面による断面において、前記拡張部の内面が前記流路から見て凹の形状（上流側に凸の形状）を有するものであってもよい。
ここに「凹の形状」とは、前記所定の直線を含む平面による断面において、拡張部の内面のうち最上流部の点と先端部（アシストガスを噴射する部分）の点とを直線にて結んだとき（両方の点とも、該断面にて拡張部の連続する内面に存するものをとる。）、該最上流部の点と該先端部の点との間の該内面に存する点の全てが該直線よりも外側（前記所定の直線から離れる方向）に存することをいう。
こうすることでドロスをより減少させると共にドロスの高さをより小さくすることができる。
前記凹の形状（該断面において拡張部の内面が形成する形状）は、曲線によって構成されるものであってもよい。このように折れ曲がりのない曲線（即ち、微分可能）によって前記凹の形状を構成することで、アシストガスの流れを円滑にすることができ、ドロスを減少させると共にドロスの高さを小さくすることができる。かかる曲線は、いかなるものであってもよく何ら制限されるものではないが、とりわけ円周の一部、双曲線の一部又は放物線の一部とすれば、アシストガスの流れを極めて円滑にすることから、上記の効果を一層うまく奏することができる。
また、前記凹の形状（該断面において拡張部の内面が形成する形状）は、互いに交わる複数の直線によって構成されるものであってもよい。このように互いに交わる複数の直線によって前記凹の形状を構成することで、アシストガスの流れを円滑にすることができ、ドロスを減少させると共にドロスの高さを小さくすることができる。かかる互いに交わる複数の直線は、いかなるものであってもよく何ら制限されるものではないが、とりわけ下流に行くにつれて前記所定の直線に対する角度が減少するものであってもよい。例えば、前記凹の形状が、互いに交わる直線Ａ、直線Ｂ、直線Ｃ、直線Ｄ（直線Ａが最も上流に位置し、次に直線Ｂ、そして直線Ｃ、最も下流に位置するのが直線Ｄである。）によって構成される場合（直線Ａと直線Ｂとの交点を交点ＡＢ、直線Ｂと直線Ｃとの交点を交点ＢＣ、直線Ｃと直線Ｄとの交点を交点ＣＤとそれぞれすると、交点ＡＢと交点ＢＣとに挟まれた直線Ｂと、交点ＢＣと交点ＣＤとに挟まれた直線Ｃと、交点ＡＢよりも直線Ｂとは逆側に存する直線Ａと、交点ＣＤよりも直線Ｃとは逆側に存する直線Ｄと、によって前記凹の形状が構成される。このとき前記所定の直線に対する直線Ａの角度ｄＡと、前記所定の直線に対する直線Ｂの角度ｄＢと、前記所定の直線に対する直線Ｃの角度ｄＣと、前記所定の直線に対する直線Ｄの角度ｄＤと、の関係が、角度ｄＡ＞角度ｄＢ＞角度ｄＣ＞角度ｄＤ、となっていることが、互いに交わる複数の直線Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄが、下流に行くにつれて前記所定の直線に対する角度が減少していることになる。なお、ここにいう「前記所定の直線に対する（前記凹の形状を構成する直線の）角度」とは、前記所定の直線を含む平面による断面において、前記所定の直線と、前記凹の形状を構成する直線と、がなす角度（０度以上９０度以下のものをいう。両直線のうちいずれか一方を自由に平行移動させてよく、これら両直線が平行なときには該角度は０度であり、両直線が垂直なときには該角度は９０度である。）をいう。
【００１６】
回転面ノズルの場合、前記所定の直線を含む平面による断面において、前記絞り部の内面が前記流路から見て凸の曲線形状（上流側に凸の曲線形状）を有するもの（以下、「絞り部凸形状ノズル」という。）であってもよい。
ここに「凸の曲線形状」とは、前記所定の直線を含む平面による断面において、絞り部の内面のうち最上流部の点と最下流部の点とを直線にて結んだとき（両方の点とも、該断面にて絞り部の連続する内面に存するものをとる。）、該最上流部の点と該最下流部の点との間の該内面に存する点の全てが該直線よりも内側（前記所定の直線が存する側）に存すると共に、該断面における絞り部の内面が曲線（即ち、微分可能）を構成していることをいう。
こうすることでドロスをより減少させると共にドロスの高さをより小さくすることができる。
絞り部の内面が形成する流路から見て凸の曲線形状は、いかなるものであってもよく何ら制限されるものではないが、アシストガスの流れを円滑にすることからは折れ曲がりのない（即ち、微分可能）ものであることが好ましく、とりわけ円周の一部、双曲線の一部又は放物線の一部とすれば、アシストガスの流れを極めて円滑にすることから、上記の効果を一層うまく奏することができる。この凸の曲線形状の曲率半径は、上記の効果をうまく奏するように適宜変更されてよく何ら制限されるものではないが、通常、１５ｍｍ〜４０ｍｍ程度にされてもよい。
【００１７】
また、回転面ノズルの場合、前記所定の直線を含む平面による断面において、前記拡張部の内面が前記流路から見て凹の形状を有すると共に、前記所定の直線を含む平面による断面において、前記絞り部の内面が前記流路から見て凸の曲線形状を有するようにしてもよい。このように拡張部の内面が凹の形状を有し、かつ絞り部の内面が凸の曲線形状を有するようにすることで、ドロスをより一層減少させると共にドロスの高さをより一層小さくすることができる。
なお、この場合においても、拡張部の内面が形成する凹の形状や絞り部の内面が形成する凸の曲線形状については、上述したものと同様であるので、ここでは詳しい説明を省略する（上記の内容を参照されたい。）。
【００１８】
本ノズルは、レーザビームを被加工物の表面に照射して該表面を加工するレーザ加工において該加工される表面に吹き付けるアシストガスを噴射するための噴射ノズルであるので、レーザ加工機に取り付けて用いることができる。
また、本ノズルが取り付けられたレーザ加工機においては、本ノズルに供給される前記アシストガスが、５００ｋｐａ〜７５０ｋＰａにて供給されることでドロスの高さを極めて小さくすることができる。なお、本明細書中における圧力の表示は、特別に断りがない限り、ゲージ圧をいう。
そして、絞り部凸形状ノズルが取り付けられたレーザ加工機においては、絞り部凸形状ノズルに供給される前記アシストガスが、９００ｋｐａ〜１６００ｋＰａにて供給されることで（絞り部凸形状ノズル以外の本ノズルに比して）ドロスの高さを極めて小さくすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。しかしながら、これらによって本発明は何ら制限されるものではない。
【００２０】
図１は、本ノズルに関する実験を行うための実験装置３０１を示す概略構成図である。図１を参照して、実験装置３０１について簡単に説明する。
実験装置３０１は、ＹＡＧレーザ発生装置３１１と、ＹＡＧレーザ発生装置３１１に電力を供給する電力供給装置３１３と、先端にアシストガスの噴射ノズル３１５が取り付けられる照射ヘッド３１７（ＹＡＧレーザ発生装置３１１によって発生するレーザが導かれ、噴射ノズル３１５の先端部（アシストガスの噴射穴と同じ穴。図１５の説明を参照されたい。）からレーザビーム（パルスＹＡＧレーザビーム）が照射されるように構成されている。）と、アシストガス（ここでは酸素ガス又は空気を用いる。）を供給するためのガスボンベ３０３と、ガスボンベ３０３からのアシストガスの流れを断続する弁３０５と、ガスボンベ３０３からのアシストガスを弁３０５へ導く第１導管３０７と、弁３０５からアシストガスを照射ヘッド３１７へ導く第２導管３０９と、被加工物３２１を移動自在（互いに直交する３軸に関して移動自在）に支持するテーブル装置３２３と、テーブル装置３２３の制御を行う制御装置３２５と、を備えてなる。
【００２１】
なお、かかる実験装置３０１においては、被加工物３２１として平板状（厚さ０．１５ｍｍ）のステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を用いる。そして、噴射ノズル３１５の先端部から照射されるレーザビームは、被加工物３２１の表面に対して垂直方向から被加工物３２１に照射される。また、噴射ノズル３１５の先端と被加工物３２１の表面との間の距離３２７を「ギャップ距離」（Ｄｇ）と呼ぶ。
そして、ガスボンベ３０３は、ガスボンベ３０３から吐出されるアシストガスのガス圧力（ゲージ圧）を測定する圧力ゲージ３０３ａを有している。この圧力ゲージ３０３ａの読みを「ガス圧」（Ｐｃ）という。なお、ガスボンベ３０３から吐出されるアシストガスは、前述のように、第１導管３０７と弁３０５と第２導管３０９を経て照射ヘッド３１７へ導かれ、最後に噴射ノズル３１５の先端部から噴射されるが、ここでは圧力ゲージ３０３ａから噴射ノズル３１５に至るまでの圧力損失は十分無視できるものである（即ち、実質的には、圧力ゲージ３０３ａの読みである「ガス圧」（Ｐｃ）によりアシストガスが噴射ノズル３１５に供給されると考えることができる。）。
【００２２】
図２は、第１実施形態のアシストガスの本発明の噴射ノズル（本ノズル）１１を示す断面図であり、図３は図２の円Ｊ中の拡大図である。図２及び図３を参照して、第１実施形態の本ノズル（以下、「第１ノズル」という。）１１について説明する。なお、図２及び図３中に記載された寸法を示す数字は、単位が「ｍｍ」によって示されており、寸法を示す数字の前に「φ」が付記された数字は直径を示している。
第１ノズル１１は、直線１３を含む全ての平面における断面形状が図２に示したものと同じ形状を有しており、いわゆる回転体を構成している。第１ノズル１１は、本体部１５（円柱形状をした円柱部分と、該円柱の底面を大きい方の底面とする円錐台形状をした円錐台部分と、が合わさった形状を有している。）と、本体部１５の側面から突出し該側面を巡るように形成されたつば部１７（本体部１５の一部を形成する該円柱部分の側面を巡るように形成されリング形状を有している。第１ノズル１１がレーザ加工機に取り付けられる際に用いられる。）と、を有して一体に金属によって形成されており、内部には直線１３に沿ってアシストガスを通過させる流路１９が形成されている（図２中、矢印Ｋ方向に向けて通過させる。）。
【００２３】
流路１９は、直線１３を軸とする円錐台（図２に示したように、小さい底面の直径が０．５ｍｍであり、大きい底面の直径が９．９ｍｍであり、両底面間の距離が９．５ｍｍである。）形状をした絞り流路部１９ａ（該円錐台が有する両底面のうち小さな底面をアシストガスが流れる方向に向けている。）と、絞り流路部１９ａを通過したアシストガスを受け入れる拡張流路部１９ｂ（無論、拡張流路部１９ｂも直線１３を軸とする回転体形状を有している。）と、を有してなる。なお、アシストガスは、最終的には、拡張流路部１９ｂの先端部１９ｂａから噴射される。
このように流路１９の内面は、直線１３を軸とした回転面を略構成するものであり、図２に示したように、拡張流路部１９ｂの最上流部の径が０．５ｍｍ（０．１ｍｍ以上）であり、拡張流路部１９ｂのアシストガスを噴射する先端部１９ｂａの径が０．７ｍｍ（５．０ｍｍ以下）である。なお、図２中、上流方向を矢印Ｌにて、下流方向を矢印Ｍにて、それぞれ示した。
【００２４】
また、直線１３を含む平面による断面（図２及び図３が示す断面）において、拡張流路部１９ｂの内面１９ｂｂ（図３を参照されたい。）が流路１９（拡張流路部１９ｂ）から見て凹の形状（流路１９側から見て窪んでいる。）を有している。そして、拡張流路部１９ｂの内面１９ｂｂが有する凹の形状が、ここでは互いに交わる複数の直線によって構成されている。図１６は、拡張流路部１９ｂの内面１９ｂｂが有する凹の形状が、互いに交わる複数の直線によってどのように構成されているかを示す断面図（図３と同じ断面を示している。）である。ここに直線１３に沿って上流方向を正としてｙ軸をとり、ｙ軸に直交し図１６中において右側方向を正としてｘ軸をとる（図１６中の矢印ｘ方向と矢印ｙ方向がそれぞれ正への方向である。）。そして、このｘｙ直交座標の原点を点イ（ｘ，ｙ）＝（０，０）にとる。なお、点イは、後述の点トから直線１３に下ろした垂線の足に一致する。拡張流路部１９ｂの内面１９ｂｂが有する凹の形状は、点ハと点ニとを結ぶ線分Ｌ１と、点ニと点ホとを結ぶ線分Ｌ２と、点ホと点ヘとを結ぶ線分Ｌ３と、点ヘと点トとを結ぶ線分Ｌ４と、によって形成されている。これら線分Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４のいずれも直線の一部であり、線分Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４は、それらが含まれる直線が互いに交わることで規定されている。より具体的に説明すると、線分Ｌ１を含む直線Ｔ１と線分Ｌ２を含む直線Ｔ２との交点が点ニであり、線分Ｌ２を含む直線Ｔ２と線分Ｌ３を含む直線Ｔ３との交点が点ホであり、線分Ｌ３を含む直線Ｔ３と線分Ｌ４を含む直線Ｔ４との交点が点ヘであり、拡張流量部１９ｂの内面のうち最上流部の点が点ハであり、拡張流量部１９ｂの内面のうち先端部（アシストガスを噴射する部分）の点が点トである。そして、点ハと点ニとに挟まれた直線Ｔ１（即ち、線分Ｌ１）と、点ニと点ホとに挟まれた直線Ｔ２（即ち、線分Ｌ２）と、点ホと点ヘとに挟まれた直線Ｔ３（即ち、線分Ｌ３）と、点ヘと点トとに挟まれた直線Ｔ４（即ち、線分Ｌ４）と、によって構成されている（即ち、互いに交わる複数の直線Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４によって構成されている。）。また、それぞれの点の（ｘ，ｙ）座標は、点イ（０，０）、点ロ（０，０．５）、点ハ（−０．２５，０．５）、点ニ（−０．３０２，０．３１０）、点ホ（−０．３２２，０．２１０）、点ヘ（−０．３３５，０．１０９）、点ト（−０．３５，０）である。なお、ここで（ｘ，ｙ）座標の単位は［ｍｍ］である。
また、所定の直線１３を含む平面による断面（図２、図３及び図１６が示す断面）において、拡張部たる拡張流路部１９ｂの内面のうち最上流部の点ハと先端部（アシストガスを噴射する部分）の点トとを直線にて結んだとき、最上流部の点ハと先端部の点トの間の該内面に存する点の全てが該直線よりも外側（前記所定の直線１３から離れる方向）に存しており、所定の直線１３を含む平面による断面において、拡張部たる拡張流路部１９ｂの内面が流路１９から見て凹の形状（上流側に凸の形状）を有している。
このように流路１９は、絞り流路部１９ａと、絞り流路部１９ａに続く拡張流路部１９ｂと、を有して構成されているので、アシストガスが図２中、矢印Ｋ方向に向けて通過すると、まず、絞り流路部１９ａにおいては下流（図２中、矢印Ｍ方向。なお、ここでは矢印Ｋ方向と矢印Ｍ方向とは一致している。）に行くにつれて断面積が減少し、拡張流路部１９ｂにおいては下流（図２中、矢印Ｍ方向）に行くにつれて断面積が増加する。
【００２５】
以上説明したように、第１ノズル１１は、レーザビームを被加工物３２１の表面に照射して該表面を加工するレーザ加工において該加工される表面に吹き付けるアシストガスを噴射するための噴射ノズルであって、該アシストガスが通過する第１ノズル１１の内部に形成された流路１９が、下流（図２中、矢印Ｍ方向）に行くにつれて断面積が減少する絞り部たる絞り流路部１９ａと、絞り部たる絞り流路部１９ａを通過した該アシストガスを受け入れ下流（図２中、矢印Ｍ方向）に行くにつれて断面積が増加し先端部１９ｂａにて該アシストガスを噴射する拡張部たる拡張流路部１９ｂと、を備えている、噴射ノズルである。
また、第１ノズル１１においては、絞り部たる絞り流路部１９ａの最下流部と拡張部たる拡張流路部１９ｂの最上流部とが直接接合されている。
【００２６】
図４は、第２実施形態のアシストガスの本発明の噴射ノズル（本ノズル）５１を示す断面図である。図４を参照して、第２実施形態の本ノズル（以下、「第２ノズル」という。）５１について説明する。なお、図４中に記載された寸法を示す数字は、単位が「ｍｍ」によって示されており、寸法を示す数字の前に「φ」が付記された数字は直径を示している。
第２ノズル５１は、前述の第１ノズル１１に比して、絞り流路部１９ａの形状が異なるのみで、それ以外の点については寸法を含めて同じである。このため第２ノズル５１のうち第１ノズル１１と異なる絞り流路部１９ａの形状についてのみ説明し、両ノズルに共通する点についての説明は省略する（なお、第１ノズル１１と第２ノズル５１とで互いに対応する要素には、同じ参照番号を付している。）。なお、第２ノズル５１は、直線１３を含む全ての平面における断面形状が図４に示したものと同じ形状を有している。
【００２７】
直線１３に沿ってアシストガスを通過させる流路１９は、直線１３を軸とする回転体形状をした絞り流路部１９ａと、絞り流路部１９ａを通過したアシストガスを受け入れる拡張流路部１９ｂ（無論、拡張流路部１９ｂも直線１３を軸とする回転体形状を有している。）と、を有してなる。なお、アシストガスは、最終的には、拡張流路部１９ｂの先端部１９ｂａから噴射される。
流路１９の内面は、直線１３を軸とした回転面を略構成するものであり、図４に示したように、絞り流路部１９ａの最上流部の径が９．９ｍｍであり、絞り流路部１９ａの最下流部の径が０．５ｍｍであり、絞り流路部１９ａにおいては下流（図４中、矢印Ｍ方向）に行くにつれて断面積が減少する。なお、図４中、上流方向を矢印Ｌにて、下流方向を矢印Ｍにて、それぞれ示した。
そして、直線１３を含む平面による断面（図４が示す断面）において、絞り流路部１９ａの内面１９ａｂが流路１９（絞り流路部１９ａ）から見て凸の曲線形状（流路１９側から見て膨らんでいる。）を有している。即ち、所定の直線１３を含む平面による断面（図４が示す断面）において、絞り部たる絞り流路部１９ａの内面１９ａｂのうち最上流部の点チと最下流部の点リとを直線にて結んだとき（両方の点チ、リとも、該断面にて絞り部たる絞り流路部１９ａの連続する内面１９ａｂに存する。）、最上流部の点チと最下流部の点リとの間の内面１９ａｂに存する点の全てが該直線よりも内側（所定の直線１３が存する側）に存すると共に、絞り部たる絞り流路部１９ａの内面１９ａｂのうち最上流部の点ヌと最下流部の点ルとを直線にて結んだとき（両方の点ヌ、ルとも、該断面にて絞り部たる絞り流路部１９ａの連続する内面１９ａｂに存する。）、最上流部の点ヌと最下流部の点ルとの間の内面１９ａｂに存する点の全てが該直線よりも内側（所定の直線１３が存する側）に存する。そして、該断面における絞り部たる絞り流路部１９ａの内面が曲線（即ち、微分可能）を構成している。なお、絞り流路部１９ａの内面１９ａｂが有する曲線形状が、ここでは円周の一部とされている。
このように第２ノズル５１においても、やはり流路１９は、絞り流路部１９ａと、絞り流路部１９ａに続く拡張流路部１９ｂと、を有して構成されているので、アシストガスが図４中、矢印Ｋ方向に向けて通過すると、まず、絞り流路部１９ａにおいては下流（図４中、矢印Ｍ方向。なお、ここでは矢印Ｋ方向と矢印Ｍ方向とは一致する。）に行くにつれて断面積が減少し、拡張流路部１９ｂにおいては下流（図４中、矢印Ｍ方向）に行くにつれて断面積が増加する。
【００２８】
以上説明したように、第２ノズル５１は、レーザビームを被加工物３２１の表面に照射して該表面を加工するレーザ加工において該加工される表面に吹き付けるアシストガスを噴射するための噴射ノズルであって、該アシストガスが通過する第２ノズル５１の内部に形成された流路１９が、下流（図４中、矢印Ｍ方向）に行くにつれて断面積が減少する絞り部たる絞り流路部１９ａと、絞り部たる絞り流路部１９ａを通過した該アシストガスを受け入れ下流（図４中、矢印Ｍ方向）に行くにつれて断面積が増加し先端部１９ｂａにて該アシストガスを噴射する拡張部たる拡張流路部１９ｂと、を備えている、噴射ノズルである。
【００２９】
そして、第２ノズル５１においては、絞り部たる絞り流路部１９ａの最下流部と拡張部たる拡張流路部１９ｂの最上流部とが直接接合されている。
さらに、第２ノズル５１においては、流路１９の内面が、所定の直線１３を軸とした回転面を略構成するものである。
また、第２ノズル５１においては、拡張部たる拡張流路部１９ｂの最上流部の径が０．１ｍｍ以上（０．５ｍｍ）であり、拡張部たる拡張流路部１９ｂのアシストガスを噴射する先端部１９ｂａの径が５．０ｍｍ以下（０．７ｍｍ）である。
加えて、所定の直線１３を含む平面による断面（図４が示す断面）において、拡張部たる拡張流路部１９ｂの内面（図３に示した内面１９ｂｂと同じ形状を有する。）が流路１９（拡張流路部１９ｂ）から見て凹の形状（流路１９側から見て窪んでいる。）を有する。なお、拡張流路部１９ｂの内面１９ｂｂが有する凹の形状が、互いに交わる複数の直線によって構成されていることは第１ノズル１１と同じである。
また、所定の直線１３を含む平面による断面（図４が示す断面）において、絞り部たる絞り流路部１９ａの内面１９ａｂが流路１９（絞り流路部１９ａ）から見て凸の曲線形状（流路１９側から見て張り出している。）を有する。そして、絞り部たる絞り流路部１９ａの内面１９ａｂが有する曲線形状が、円周の一部とされている。
【００３０】
図５は、図１３及び図１４に示したものと同じ従来の噴射ノズル１０１の各部の寸法を示す断面図である。図５を参照して、第１ノズル１１と第２ノズル５１と比較するための従来の噴射ノズル１０１（以下、「従来ノズル」という。）について説明する。なお、図５中に記載された寸法を示す数字は、単位が「ｍｍ」によって示されており、寸法を示す数字の前に「φ」が付記された数字は直径を示している。
従来ノズル１０１においては、流路１０９は、直線１０３を軸とする円錐台形状（図５に示したように、小さい底面の直径が０．５ｍｍであり、大きい底面の直径が９．９ｍｍであり、両底面間の距離が９．５ｍｍである。）をした円錐台流路部１０９ａ（該円錐台が有する両底面のうち小さな底面をアシストガスが流れる方向に向けている。）と、円錐台流路部１０９ａを通過したアシストガスを受け入れる直線１０３を軸とする円柱形状（円錐台流路部１０９ａが形成する該円錐台が有する該小さな底面と１底面を共通にする。なお、図５に示すように、該円柱の直径は０．５ｍｍであり、高さが０．５ｍｍである。）をした円柱流路部１０９ｂと、を有してなる。
【００３１】
以上説明した第１ノズル１１と第２ノズル５１と従来ノズル１０１とを用いて、図１に示した実験装置３０１にそれぞれ取り付けてレーザ加工実験を行った。
なお、上述したように、これら３種類のノズル１１、５１、１０１は、基本的な寸法等を共通にする。そして、従来ノズル１０１に対して第１ノズル１１は、絞り流路部１９ａに続く拡張流路部１９ｂにおいて下流に行くにつれて断面積が増加するようになっていることが異なる。さらに、従来ノズル１０１に対して第２ノズル５１は、絞り流路部１９ａに続く拡張流路部１９ｂにおいて下流に行くにつれて断面積が増加するようになっていること（第１ノズル１１と同様）と、絞り流路部１９ａの内面１９ａｂが流路１９（絞り流路部１９ａ）から見て凸の曲線形状（流路１９側から見て膨らんでいる。）を有していること、が異なる。
【００３２】
まず、第１ノズル１１と従来ノズル１０１とを比較する実験を行った。
具体的には、第１ノズル１１と従来ノズル１０１とを実験装置３０１に付け替えてレーザ加工を行いドロスの高さ（単位：マイクロメートル）を測定した。また、このとき圧力ゲージ３０３ａの「ガス圧」（Ｐｃ）（単位：ｋＰａ）を変化させながら、ドロスの高さ（単位：マイクロメートル）を測定した。
なお、実験装置３０１の運転条件は、アシストガスとして酸素ガスを用い、噴射ノズル３１５の先端と被加工物３２１の表面との間の距離３２７たるギャップ距離（Ｄｇ）を１．０ｍｍとし、パルス繰り返し数ｆ＝１００Ｈｚ、パルス幅τ＝０．２ｍｓ、パルスエネルギＥ＝０．１０Ｊ／Ｐ、試料送り速度（被加工物３２１の送り線速度）Ｖ＝２ｍｍ／ｓであった。
実験結果を図６に示した。図６は、横軸に圧力ゲージ３０３ａの「ガス圧」（Ｐｃ）をとり、縦軸にドロスの高さをとったグラフである。そして、図６のグラフ中、◆（菱形）が従来ノズル１０１を用いたときの結果を示しており、▲（三角形）が第１ノズル１１を用いたときの結果を示している。なお、図６中、Ｐ１、Ｐ２及びＰ３にて示した領域は、実験装置３０１の運転状態が不安定となる領域である。
【００３３】
この図６に示したグラフから、従来ノズル１０１を用いた場合では、ガス圧の上昇に伴って、ドロスの高さがゆるやかに減少しているのに比して、第１ノズル１１を用いた場合では、ガス圧が約５００ｋＰａ以上でドロスの高さが大幅に小さくなっている。また、第１ノズル１１を用いた場合では、ガス圧が約５００ｋＰａ〜約７５０ｋＰａの範囲内ではガス圧の上昇に伴ってドロスの高さが減少するが、約７５０ｋＰａを超えると不安定領域Ｐ３に入り、約１１００ｋＰａを超えると不安定領域Ｐ３から脱する。そして、約１１００ｋＰａ以上では、ガス圧の上昇に伴ってドロスの高さが再び小さくなる。しかしながら、ガス圧が約５００ｋＰａ〜約７５０ｋＰａの範囲内にて得られるドロスの高さと、約１１００ｋＰａ以上のガス圧にて得られるドロスの高さと、はほぼ同じ水準であり（それどころか、約１１００ｋＰａのガス圧にて得られるドロスの高さは、約７５０ｋＰａのガス圧にて得られるドロスの高さよりも大きい。）、ガス圧を上昇させるほど多くのガスを消費することを考慮すれば、ガス圧を約５００ｋＰａ〜約７５０ｋＰａの範囲内とすることが好ましい。
【００３４】
図７は、従来ノズル１０１を用いた際のドロスの状況を示す走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）であり、図８は、第１ノズル１１を用いた際のドロスの状況を示す走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
図７及び図８のいずれも被加工物３２１の主表面のうちレーザビームが照射される方向とは反対の面（図１においては被加工物３２１の下面）を観察したものである。また、図７及び図８のいずれも実験装置３０１の運転条件は、ガス圧（Ｐｃ）を６００ｋＰａとし、アシストガスとして空気を用い、ギャップ距離（Ｄｇ）を１．０ｍｍとし、パルス繰り返し数ｆ＝１００Ｈｚ、パルス幅τ＝０．２ｍｓ、パルスエネルギＥ＝０．１０Ｊ／Ｐ、試料送り速度（被加工物３２１の送り線速度）Ｖ＝２ｍｍ／ｓであった。
図７及び図８の電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）から、従来ノズル１０１を用いた際のドロスに比して、第１ノズル１１を用いた際のドロスは、ドロス高さも小さいことに加え、量も極めて少ないことが観察される。
【００３５】
図９は、別の条件における従来ノズル１０１を用いた際のドロスの状況を示す走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）であり、図１０は、図９と同様の条件下にて第１ノズル１１を用いた際のドロスの状況を示す走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
図９及び図１０のいずれも被加工物３２１の主表面のうちレーザビームが照射される方向とは反対の面（図１においては被加工物３２１の下面）を観察したものである。また、図９及び図１０のいずれも実験装置３０１の運転条件は、ガス圧（Ｐｃ）を１０００ｋＰａとし、アシストガスとして酸素ガスを用い、ギャップ距離（Ｄｇ）を２．０ｍｍとし、パルス繰り返し数ｆ＝１００Ｈｚ、パルス幅τ＝０．２ｍｓ、パルスエネルギＥ＝０．１０Ｊ／Ｐ、試料送り速度（被加工物３２１の送り線速度）Ｖ＝２ｍｍ／ｓであった。
図９及び図１０の電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）から、やはりこの場合も従来ノズル１０１を用いた際のドロスに比して、第１ノズル１１を用いた際のドロスは、ドロス高さも小さいことに加え、量も極めて少ないことが観察される。
【００３６】
次いで、第１ノズル１１と、３種類の第２ノズル５１と、を比較する実験を行った。
具体的には、第１ノズル１１と、３種類の第２ノズル５１と、を実験装置３０１に付け替えてレーザ加工を行いドロスの高さ（単位：マイクロメートル）を測定した。また、このとき圧力ゲージ３０３ａの「ガス圧」（Ｐｃ）（単位：ｋＰａ）を変化させながら、ドロスの高さ（単位：マイクロメートル）を測定した。そして、ここでは３種類の第２ノズル５１として、絞り流路部１９ａの内面１９ａｂが有する曲線形状を構成する前述の円周の一部の（該円周の）半径が異なるものを３種類用いた。具体的には、絞り流路部１９ａの内面１９ａｂが有する曲線形状を構成する円周の一部の（該円周の）半径として、４０ｍｍ、２５ｍｍそして１５ｍｍの３種類の第２ノズル５１を用いた。これら半径の違いによって、第２ノズル５１のうち半径４０ｍｍのものを「Ｒ４０」と、第２ノズル５１のうち半径２５ｍｍのものを「Ｒ２５」と、そして第２ノズル５１のうち半径１５ｍｍのものを「Ｒ１５」と、それぞれいう。
なお、実験装置３０１の運転条件は、アシストガスとして酸素ガスを用い、ギャップ距離（Ｄｇ）を１．０ｍｍとし、パルス繰り返し数ｆ＝１００Ｈｚ、パルス幅τ＝０．２ｍｓ、パルスエネルギＥ＝０．１０Ｊ／Ｐ、試料送り速度（被加工物３２１の送り線速度）Ｖ＝２ｍｍ／ｓであった。
実験結果を図１１に示した。図１１は、横軸に圧力ゲージ３０３ａの「ガス圧」（Ｐｃ）をとり、縦軸にドロスの高さをとったグラフである。そして、図１１のグラフ中、○（白丸）が第１ノズル１１を用いたときの結果を示している。また、□（白い正方形）がＲ４０を、▼（黒く塗りつぶされた三角形）がＲ２５を、そして△（白い三角形）がＲ１５を、それぞれ示している。
【００３７】
この図１１に示したグラフから、ガス圧が約８００ｋＰａ以下の領域では、第１ノズル１１を用いた場合と、第２ノズル５１（Ｒ４０、Ｒ２５、Ｒ１５）を用いた場合と、でほとんど差がない。ところが、９００ｋＰａ〜１６００ｋＰａの領域では、これら両方の場合に大きな違いが生じている。
まず、図６のグラフにて説明したように、９００ｋＰａから１１００ｋＰａ未満の領域では、第１ノズル１１は不安定領域Ｐ３に属するが、第２ノズル５１（Ｒ４０、Ｒ２５、Ｒ１５）はかかる不安定領域に属することなく、安定して運転することができる。
そして、１１００ｋＰａ〜１６００ｋＰａの領域では、第１ノズル１１を用いた場合のドロスの高さに比して、第２ノズル５１（Ｒ４０、Ｒ２５、Ｒ１５）を用いた場合のドロスの高さは明らかに小さい。
このため第２ノズル５１（Ｒ４０、Ｒ２５、Ｒ１５）を用いれば、９００ｋＰａ〜１６００ｋＰａの領域で第１ノズル１１を用いた際よりも、安定してドロスの高さを非常に小さくすることができる。
なお、図１１から明らかなように、Ｒ４０、Ｒ２５及びＲ１５の違いによって、ドロスの高さはほとんど変わらないことから、絞り流路部１９ａの内面１９ａｂが有する曲線形状を構成する円周の一部の（該円周の）半径は、ここでは１５ｍｍ〜４０ｍｍの範囲で適宜選択されてよい。
【００３８】
図１２は、第１ノズル１１及び第２ノズル５１（Ｒ４０、Ｒ２５、Ｒ１５）を用いた際のドロスの状況を示す走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
図１２においては、用いたノズルとして第１ノズル１１、Ｒ４０、Ｒ２５、Ｒ１５の４種類と、ガス圧（Ｐｃ）が２００ｋＰａ、６００ｋＰａ、１２００ｋＰａの３種類と、によって得られたドロスの状況を４種類（ノズル）×３種類（ガス圧）＝１２種類に分けて示している。図１２に示された１２枚のそれぞれの写真は、被加工物３２１の主表面のうちレーザビームが照射される方向とは反対の面（図１においては被加工物３２１の下面）を観察したものである。
また、このときの実験装置３０１の運転条件は、アシストガスとして酸素ガスを用い、ギャップ距離（Ｄｇ）を１．０ｍｍとし、パルス繰り返し数ｆ＝１００Ｈｚ、パルス幅τ＝０．２ｍｓ、パルスエネルギＥ＝０．１０Ｊ／Ｐ、試料送り速度（被加工物３２１の送り線速度）Ｖ＝２ｍｍ／ｓであった。
図１２の写真から、ガス圧（Ｐｃ）が２００ｋＰａ及び６００ｋＰａの場合には、第１ノズル１１、Ｒ４０、Ｒ２５、Ｒ１５の違いによってドロスの違いはほとんど観察されない。しかしながら、ガス圧（Ｐｃ）が１２００ｋＰａの場合には、第１ノズル１１を用いた場合のドロスの高さに比して、第２ノズル５１（Ｒ４０、Ｒ２５、Ｒ１５）を用いた場合のドロスは、ドロス高さも小さいことに加え、量も極めて少ない。また、第１ノズル１１を用いた際よりも、第２ノズル５１（Ｒ４０、Ｒ２５、Ｒ１５）を用いたときに安定してドロスの高さを小さくすることができる９００ｋＰａ〜１６００ｋＰａの領域（図１２中では、Ｐｃ＝１２００）においては、第２ノズル５１（Ｒ４０、Ｒ２５、Ｒ１５）の中でＲ４０が最もドロスの高さが小さくさらにドロスの量も少ない。よって、９００ｋＰａ〜１６００ｋＰａの領域においては、絞り流路部１９ａの内面１９ａｂが有する曲線形状を構成する円周の一部の（該円周の）半径は、Ｒ４０に近い方が好ましく、即ち、好ましくは２０ｍｍ〜４０ｍｍ程度、より好ましくは２５ｍｍ〜４０ｍｍ程度、最も好ましくは３０ｍｍ〜４０ｍｍ程度である。
【００３９】
以上説明したように、本ノズル（第１ノズル１１、Ｒ４０、Ｒ２５、Ｒ１５）を用いれば、従来ノズル１０１を用いた場合に比して、ドロスの量を減少させると共にドロスの高さを小さくすることができる。
また、本ノズル（第１ノズル１１、Ｒ４０、Ｒ２５、Ｒ１５）を用いれば、従来ノズル１０１を用いた場合に比して、スパッタの量も減少させることができることが明らかになった。
加えて、本ノズル（第１ノズル１１、Ｒ４０、Ｒ２５、Ｒ１５）を用いて、スパッタやドロスの生成量やドロスの高さを従来ノズル１０１を用いた場合と同レベルとするならば、アシストガスの量を減少させることができる。
さらに、本ノズル（第１ノズル１１、Ｒ４０、Ｒ２５、Ｒ１５）を用いれば、従来ノズル１０１を用いた場合に比して、レーザ加工の速度も大きくなることが明らかになった（例えば、穿孔加工を行う場合であれば、孔開けまでの時間を短くすることができたり、切断加工を行う場合であれば、切断の線速度を大きくすることができる。）。
また、本ノズル（第１ノズル１１、Ｒ４０、Ｒ２５、Ｒ１５）を用いれば、従来ノズル１０１を用いた場合に比して、加工した物の形状精度を向上させることができると共に、スパッタやドロスの生成等を減少させ外観を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本ノズルに関する実験を行うための実験装置を示す概略構成図である。
【図２】第１実施形態の本ノズル（第１ノズル）を示す断面図である。
【図３】図２の円Ｊ中の拡大図である。
【図４】第２実施形態の本ノズル（第２ノズル）を示す断面図である。
【図５】従来の噴射ノズル（従来ノズル）の寸法を示す断面図である。
【図６】第１ノズルと従来ノズルとを用いた際のドロスの高さを示すグラフである。
【図７】従来ノズルを用いた際のドロスの状況を示す走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
【図８】第１ノズルを用いた際のドロスの状況を示す走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
【図９】従来ノズルを用いた際のドロスの状況を示す走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
【図１０】第１ノズルを用いた際のドロスの状況を示す走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
【図１１】第１ノズルと、３種類の第２ノズルと、を用いた際のドロスの高さを示すグラフである。
【図１２】第１ノズル及び３種類の第２ノズル（Ｒ４０、Ｒ２５、Ｒ１５）を用いた際のドロスの状況を示す走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）である。
【図１３】レーザ加工に用いるアシストガスの従来の噴射ノズルを示す断面図である。
【図１４】図１３の円Ａ中の拡大断面図である。
【図１５】噴射ノズルが取り付けられたレーザ加工機の断面を示す一部拡大断面図である。
【図１６】拡張流路部の内面が有する凹の形状が、互いに交わる複数の直線によって構成されていることを示す断面図である。
【符号の説明】
１１第１ノズル
１３直線
１５本体部
１７つば部
１９流路
１９ａ絞り流路部
１９ａｂ内面
１９ｂ拡張流路部
１９ｂａ先端部
１９ｂｂ内面
５１第２ノズル
１０１従来の噴射ノズル
１０３直線
１０５本体部
１０７つば部
１０９流路
１０９ａ円錐台流路部
１０９ｂ円柱流路部
１０９ｂａ先端部
２０１レーザ加工機
２０３レーザビーム
２０５被加工物（ワーク）
２０７融解物等
２０９スパッタ
２１１孔
２１３ドロス
３０１実験装置
３０３ガスボンベ
３０３ａ圧力ゲージ
３０５弁
３０７第１導管
３０９第２導管
３１１ＹＡＧレーザ発生装置
３１３電力供給装置
３１５噴射ノズル
３１７照射ヘッド
３２１被加工物
３２３テーブル装置
３２５制御装置
３２７距離（ギャップ距離）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an assist gas injection nozzle used for laser processing, and more specifically, assist gas sprayed on a surface to be processed in laser processing for irradiating a surface of a workpiece with a laser beam to process the surface. The present invention relates to an injection nozzle for injecting.
[0002]
[Prior art]
13 is a cross-sectional view showing a conventional injection nozzle 101 for assist gas used in laser processing, and FIG. 14 is an enlarged cross-sectional view in circle A of FIG. A conventional injection nozzle 101 will be described with reference to FIGS. 13 and 14.
The conventional injection nozzle 101 has the same shape as that shown in FIG. 13 in cross section in all the planes including the straight line 103, and constitutes a so-called rotating body. The injection nozzle 101 has a main body portion 105 (a shape obtained by combining a cylindrical portion having a cylindrical shape and a truncated cone shape having a truncated cone shape with the bottom surface of the circular column being the larger bottom surface). , A collar portion 107 protruding from the side surface of the main body portion 105 and formed around the side surface (formed around the side surface of the cylindrical portion forming a part of the main body portion 105 and having a ring shape. The nozzle 101 is used when the nozzle 101 is attached to the laser processing machine.) And is integrally formed of metal, and a flow path 109 through which the assist gas passes is formed along the straight line 103. (In FIG. 13 and FIG. 14, it is passed in the direction of arrow B).
[0003]
The flow path 109 includes a truncated cone-shaped channel section 109a having a straight cone 103 as an axis (a small bottom surface of both the bottom surfaces of the truncated cone is directed in the direction in which the assist gas flows), and a truncated cone. A cylindrical flow having a cylindrical shape with the straight line 103 that receives the assist gas having passed through the flow path portion 109a as an axis (the small bottom surface and one bottom surface of the truncated cone formed by the truncated cone flow path portion 109a are common). And a road portion 109b.
As described above, the flow path 109 is configured to include the truncated cone flow path portion 109a and the cylindrical flow path portion 109b following the truncated cone flow path portion 109a. When passing in the direction of arrow B, first, the cross-sectional area of the truncated cone channel 109a decreases as it goes downstream, and the cross-sectional area does not change in the cylindrical channel 109b. The assist gas is finally injected from the tip end portion 109ba of the cylindrical flow passage portion 109b.
[0004]
FIG. 15 is a partially enlarged cross-sectional view showing a cross section of the laser processing machine 201 to which the injection nozzle 101 is attached. With reference to FIG. 15, the usage method of the laser processing machine 201 with which the injection nozzle 101 was attached is demonstrated easily. The cross section shown in FIG. 15 is a cross section in which the injection nozzle 101 is attached to the laser processing machine 201 and the injection nozzle 101 can be cut along the same cross section as shown in FIGS. 13 and 14. .
Air as an assist gas is supplied to the flow path 109 of the injection nozzle 101 from a cylinder (not shown) at a predetermined pressure. As described above, the flow path 109 is opened at the tip 109ba of the cylindrical flow path 109b, but is airtightly attached to the laser processing machine 201 so that the assist gas does not leak from other portions. Yes. Therefore, the assist gas flows along the arrow C in FIG.
[0005]
On the other hand, a laser beam 203 generated by a laser generator (not shown) is irradiated to the outside of the injection nozzle 101 through the tip 109ba of the cylindrical flow passage 109b.
A workpiece (workpiece) 205 is disposed at a predetermined position where the laser beam 203 is irradiated, and the surface of the workpiece 205 is melted by irradiating the surface of the workpiece 205 with the laser beam 203. Etc.
Then, when the surface of the workpiece 205 is irradiated with the laser beam 203 and the surface of the workpiece 205 is melted or the like, the melted material or the like melted away by the assist gas is removed, thereby removing the workpiece. The surface of 205 can be processed (laser processing) (the position where the surface of the workpiece 205 is irradiated with the laser beam 203 and the position where the assist gas is blown onto the surface of the workpiece 205 are substantially matched. It has become.).
[0006]
In this way, the surface of the workpiece 205 is irradiated with the laser beam 203 and the assist gas is blown onto the surface of the workpiece 205 that is irradiated with the laser beam 203, thereby processing the surface of the workpiece 205 (laser processing). ), The melted material 207 blown off is reattached to the surface of the workpiece 205 to generate a so-called spatter 209, or the surface of the workpiece 205 is formed so as to form a hole 211 penetrating the workpiece 205. When the processing (laser processing) is performed, a melt or the like is dripped, so-called dross 213 is generated.
Note that in this specification, a convex portion generated on the surface of the workpiece 205 due to the blown-off melt or the like 207 reattaching to the surface of the workpiece 205 is referred to as sputtering, and the melt or the like is formed on the surface of the workpiece 205. A convex portion generated on the surface by sagging is called dross.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, as described above, the surface of the workpiece 205 is processed by irradiating the surface of the workpiece 205 with the laser beam 203 and blowing the assist gas onto the surface of the workpiece 205 irradiated with the laser beam 203 ( Spatter and dross generated during laser processing) deform the surface shape of the workpiece 205.
Sputtering impairs the quality and aesthetics of the surface of the workpiece 205, and sometimes has functional problems.
In addition to problems that can be caused by spattering, dross can cause holes or slits once formed in the workpiece 205 by laser processing to close the holes or slits or deflect the laser beam. Deterioration of processing accuracy (due to the laser beam being reflected or the like by dross, the traveling direction of the laser beam changes, and processing accuracy is reduced by processing an unintended part or processing in an unintended direction). There was a problem.
[0008]
Therefore, an object of the present invention is to provide an assist gas injection nozzle capable of reducing particularly harmful dross out of spatter and dross as described above.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have solved the above problems by making the shape of the assist gas flow path formed inside the assist gas injection nozzle predetermined. It has been found that it can be done, and the present invention has been completed.
That is, an assist gas injection nozzle (hereinafter referred to as “main nozzle”) used for laser processing of the present invention is processed in laser processing in which a surface of a workpiece is irradiated with a laser beam to process the surface. An injection nozzle for injecting an assist gas to be sprayed on the surface, wherein a flow path formed inside the injection nozzle through which the assist gas passes has a throttle portion whose cross-sectional area decreases as it goes downstream, and the throttle An injection nozzle comprising: an expansion portion that receives the assist gas that has passed through the portion and has a cross-sectional area that increases toward the downstream and injects the assist gas at the tip portion.
[0010]
The “cross-sectional area” referred to here is an area in a plane perpendicular to the direction in which the assist gas flows on the spot, and is an area of the area surrounded by the inner wall of the flow path.
“Downstream” refers to the direction in which the assist gas flows (that is, the direction in which the assist gas flows).
In addition, the “tip portion” of the expansion portion refers to a portion located most downstream in the expansion portion.
The phrase “the cross-sectional area decreases as going downstream” means that the cross-sectional area decreases monotonously as going downstream. Further, “the cross-sectional area increases as going downstream” means that the cross-sectional area increases monotonously as going downstream.
In addition, as assist gas, what is used for laser processing can be used widely and it is not restrict | limited at all, For example, air, oxygen gas, carbon dioxide gas, nitrogen gas, argon etc. can be illustrated. .
[0011]
As described above, the flow path formed inside the nozzle has a throttle portion whose cross-sectional area decreases as it goes downstream, and receives the assist gas that has passed through the throttle portion, and its cross-sectional area increases as it goes downstream. In this case, when the laser processing is performed by injecting the assist gas using the nozzle, dross can be remarkably reduced. In particular, the height of the dross generated by using this nozzle (indicated by the arrow D in FIG. 15. Of the dross portion adhering to the surface of the workpiece, the portion furthest away from the surface in the vertical direction Is the distance between the surface and the surface) compared to the case where the conventional injection nozzle 101 shown in FIGS. 13 to 15 is used (the gas pressure of the assist gas supplied to the injection nozzle). The laser beam and other conditions are the same for comparison).
[0012]
The most downstream part of the restricting part and the most upstream part of the expanding part may be configured such that the expanding part receives the assist gas that has passed through the restricting part by communicating with a part having a constant cross-sectional area. However, the most downstream part of the throttle part and the most upstream part of the expansion part may be directly joined.
In this way, when the most downstream part of the throttle part and the most upstream part of the extension part are not directly joined (for example, as described above, the two parts communicate with each other by a part having a constant cross-sectional area, etc. The dross can be remarkably reduced and the height of the dross can be reduced.
[0013]
The inner surface of the flow path may substantially constitute a rotation surface with a predetermined straight line as an axis (hereinafter referred to as “rotation surface nozzle”).
By doing so, the assist gas flows straight and smoothly along the predetermined straight line, so that the melt can be effectively blown away by the assist gas and the surface of the workpiece can be efficiently removed (processing speed). Can be made larger.) Can be processed (laser processing). And compared with the case where the inner surface of a flow path does not comprise a rotation surface substantially, dross can be reduced significantly and the height of dross can be made small.
[0014]
In the case of a rotating surface nozzle, the diameter of the most upstream part of the extension part may be 0.1 mm or more, and the diameter of the tip part that injects the assist gas of the extension part may be 5.0 mm or less.
The diameter of the most upstream part of the expansion part and the diameter of the tip part for injecting the assist gas of the expansion part are not limited as long as they are appropriately determined according to the laser processing conditions, etc. If the diameter of the most upstream part of the part is 0.1 mm or more (less than 5.0 mm) and the diameter of the tip part for injecting the assist gas of the expansion part is 5.0 mm or less (greater than 0.1 mm), the dross It is possible to reduce the height of the dross while reducing it.
[0015]
In the case of the rotary surface nozzle, the inner surface of the extension portion may have a concave shape (a shape convex toward the upstream side) when viewed from the flow path in a cross section by a plane including the predetermined straight line.
Here, the “concave shape” refers to a straight line between the point of the most upstream part and the point of the tip part (portion where the assist gas is injected) in the inner surface of the extended part in the cross section of the plane including the predetermined straight line. When tied (both points are taken on the continuous inner surface of the extension in the cross section), all of the points present on the inner surface between the most upstream point and the tip point Exists outside the straight line (in a direction away from the predetermined straight line).
By doing so, the dross can be further reduced and the height of the dross can be further reduced.
The concave shape (the shape formed by the inner surface of the extension in the cross section) may be configured by a curve. By forming the concave shape by a curve without bending (that is, differentiable), the assist gas can flow smoothly, and dross can be reduced and the height of dross can be reduced. it can. Such a curve can be anything and is not limited in any way, but especially if it is part of the circumference, part of a hyperbola or part of a parabola, it will make the flow of assist gas very smooth. Therefore, the above-described effects can be achieved more successfully.
Further, the concave shape (the shape formed by the inner surface of the extension portion in the cross section) may be constituted by a plurality of straight lines that intersect with each other. By forming the concave shape by a plurality of straight lines intersecting with each other in this way, the flow of the assist gas can be made smooth, the dross can be reduced and the height of the dross can be reduced. The plurality of straight lines that intersect with each other may be any type and is not limited in any way. In particular, the angle with respect to the predetermined straight line may decrease as it goes downstream. For example, the concave shape is a straight line A, straight line B, straight line C, straight line D (straight line A is located at the most upstream, then straight line B, then straight line C, and the most downstream is straight line D). If the intersection point between the straight line A and the straight line B is the intersection point AB, the intersection point between the straight line B and the straight line C is the intersection point BC, and the intersection point between the straight line C and the straight line D is the intersection point CD, the intersection point AB The straight line B sandwiched between the intersection point BC, the straight line C sandwiched between the intersection point BC and the intersection point CD, the straight line A existing on the opposite side of the straight line B from the intersection point AB, and the straight line C from the intersection point CD The concave shape is formed by the straight line D existing on the opposite side, wherein the angle dA of the straight line A with respect to the predetermined straight line, the angle dB of the straight line B with respect to the predetermined straight line, and the straight line with respect to the predetermined straight line C angle dC and a straight line with respect to the predetermined straight line The relationship between the angle dD and the angle dD is that the angle dA> the angle dB> the angle dC> the angle dD. The plurality of straight lines A, B, C, and D that intersect each other are the predetermined straight lines as they go downstream. Note that the “angle with respect to the predetermined straight line (the straight line forming the concave shape)” here refers to the cross section of the plane including the predetermined straight line. An angle formed by a predetermined straight line and a straight line constituting the concave shape (referred to as 0 degree or more and 90 degrees or less. Either one of the two straight lines may be freely translated, and the two straight lines are The angle is 0 degrees when parallel, and the angle is 90 degrees when both straight lines are perpendicular.).
[0016]
In the case of a rotary surface nozzle, the inner surface of the throttle portion has a convex curved shape (curved curved shape on the upstream side) when viewed from the flow path in a cross section by a plane including the predetermined straight line (hereinafter referred to as “throttle shape”). It may be referred to as a “part-convex nozzle”.
Here, the “convex curved shape” means that the point of the most upstream part and the point of the most downstream part of the inner surface of the throttle part are connected by a straight line in the cross section of the plane including the predetermined straight line (both All points existing on the continuous inner surface of the throttle portion in the cross-section) are all points existing on the inner surface between the most upstream point and the most downstream point than the straight line. It means that it exists on the inner side (the side where the predetermined straight line exists), and the inner surface of the throttle part in the cross section forms a curve (that is, differentiable).
By doing so, the dross can be further reduced and the height of the dross can be further reduced.
The convex curve shape seen from the flow path formed by the inner surface of the throttle portion is not limited in any way, but is not bent for smooth flow of the assist gas (i.e., In particular, if the part of the circumference, the part of the hyperbola or the part of the parabola is used, the flow of the assist gas can be made extremely smooth. be able to. The radius of curvature of the convex curved shape may be appropriately changed so as to achieve the above-described effects well, but is not limited at all, but may normally be about 15 mm to 40 mm.
[0017]
Further, in the case of the rotary surface nozzle, in the cross section by the plane including the predetermined straight line, the inner surface of the extension portion has a concave shape when viewed from the flow path, and in the cross section by the plane including the predetermined straight line, The inner surface of the throttle portion may have a convex curved shape when viewed from the flow path. Thus, by making the inner surface of the extension portion have a concave shape and the inner surface of the throttle portion has a convex curved shape, the dross can be further reduced and the height of the dross can be further reduced. Can do.
Even in this case, the concave shape formed by the inner surface of the extension portion and the convex curved shape formed by the inner surface of the diaphragm portion are the same as those described above, and thus detailed description thereof is omitted here (above). Please refer to the contents of.
[0018]
This nozzle is an injection nozzle for injecting an assist gas sprayed onto the surface to be processed in the laser processing for irradiating the surface of the workpiece with a laser beam, so that it is attached to the laser processing machine. Can be used.
Further, in the laser processing machine to which the present nozzle is attached, the assist gas supplied to the present nozzle is supplied at 500 kpa to 750 kPa, so that the height of the dross can be made extremely small. In addition, the display of the pressure in this specification says a gauge pressure unless there is particular notice.
Then, in the laser processing machine to which the diaphragm convex nozzle is attached, the assist gas supplied to the diaphragm convex nozzle is supplied at 900 kpa to 1600 kPa (the book other than the diaphragm convex nozzle). The height of the dross can be made very small (compared to the nozzle).
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited by these.
[0020]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an experimental apparatus 301 for conducting an experiment related to this nozzle. The experimental apparatus 301 will be briefly described with reference to FIG.
The experimental apparatus 301 includes a YAG laser generator 311, a power supply device 313 that supplies power to the YAG laser generator 311, and an irradiation head 317 (generated by the YAG laser generator 311) having an assist gas injection nozzle 315 attached to the tip. The laser beam is guided and irradiated with a laser beam (pulse YAG laser beam) from the tip of the injection nozzle 315 (the same hole as the assist gas injection hole; see the description of FIG. 15). A gas cylinder 303 for supplying an assist gas (in this case, oxygen gas or air is used), a valve 305 for interrupting the flow of the assist gas from the gas cylinder 303, and a valve for assist gas from the gas cylinder 303. Irradiation head 31 emits assist gas from first conduit 307 leading to 305 and valve 305. A second conduit 309 leading to become comprises a table 323 for supporting the movable workpiece 321 (movable with respect to three axes orthogonal to each other), a control unit 325 for controlling the table system 323, a.
[0021]
In this experimental apparatus 301, a plate-like (thickness 0.15 mm) stainless steel (SUS304) is used as the workpiece 321. Then, the laser beam irradiated from the tip portion of the injection nozzle 315 is irradiated to the workpiece 321 from the direction perpendicular to the surface of the workpiece 321. The distance 327 between the tip of the injection nozzle 315 and the surface of the workpiece 321 is referred to as “gap distance” (Dg).
The gas cylinder 303 has a pressure gauge 303 a that measures the gas pressure (gauge pressure) of the assist gas discharged from the gas cylinder 303. The reading of the pressure gauge 303a is referred to as “gas pressure” (Pc). As described above, the assist gas discharged from the gas cylinder 303 is guided to the irradiation head 317 via the first conduit 307, the valve 305, and the second conduit 309, and finally injected from the tip of the injection nozzle 315. However, the pressure loss from the pressure gauge 303a to the injection nozzle 315 is sufficiently negligible here (that is, the assist gas is substantially reduced by the "gas pressure" (Pc) which is the reading of the pressure gauge 303a). It can be considered that it is supplied to the injection nozzle 315).
[0022]
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an injection nozzle (main nozzle) 11 of the present invention for assist gas according to the first embodiment, and FIG. 3 is an enlarged view of circle J in FIG. The main nozzle (hereinafter referred to as “first nozzle”) 11 of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3. 2 and 3, the numbers indicating the dimensions are indicated by the unit “mm”, and the numbers with “φ” added before the numbers indicating the dimensions indicate the diameter. .
The first nozzle 11 has the same shape as that shown in FIG. 2 in the cross-sectional shape in all the planes including the straight line 13, and constitutes a so-called rotating body. The first nozzle 11 has a shape in which a main body portion 15 (a cylindrical portion having a cylindrical shape and a truncated cone portion having a bottom surface of the circular column as a larger bottom surface is combined). And a flange portion 17 protruding from the side surface of the main body portion 15 and formed around the side surface (formed around the side surface of the cylindrical portion forming a part of the main body portion 15 and having a ring shape. The first nozzle 11 is used when the first nozzle 11 is attached to the laser processing machine.) And is integrally formed of metal, and a flow path 19 through which the assist gas passes along the straight line 13 is formed. (In FIG. 2, it is passed in the direction of arrow K).
[0023]
The channel 19 has a truncated cone with a straight line 13 as an axis (as shown in FIG. 2, the diameter of the small bottom surface is 0.5 mm, the diameter of the large bottom surface is 9.9 mm, and the distance between the bottom surfaces is 9.5 mm) shaped throttle passage portion 19a (with the bottom surface of the truncated cone having the smaller bottom face in the direction in which the assist gas flows), and the assist that has passed through the throttle passage portion 19a. And an expanded flow path portion 19b for receiving gas (of course, the expanded flow path portion 19b also has a rotating body shape with the straight line 13 as an axis). Note that the assist gas is finally injected from the distal end portion 19ba of the expansion flow path portion 19b.
As described above, the inner surface of the flow channel 19 substantially constitutes a rotation surface with the straight line 13 as an axis, and as shown in FIG. 2, the diameter of the most upstream portion of the expansion flow channel portion 19b is 0.5 mm ( 0.1 mm or more), and the diameter of the tip 19ba for injecting the assist gas in the expansion flow path 19b is 0.7 mm (5.0 mm or less). In FIG. 2, the upstream direction is indicated by an arrow L, and the downstream direction is indicated by an arrow M.
[0024]
In addition, in the cross section by the plane including the straight line 13 (the cross section shown in FIGS. 2 and 3), the inner surface 19bb (see FIG. 3) of the expansion flow path portion 19b extends from the flow path 19 (expansion flow path portion 19b). It has a concave shape when viewed (recessed when viewed from the flow path 19 side). And the concave shape which inner surface 19bb of the expansion flow path part 19b has is comprised by the some straight line which mutually cross | intersects here. FIG. 16 is a cross-sectional view (showing the same cross section as FIG. 3) showing how the concave shape of the inner surface 19bb of the extended flow path portion 19b is constituted by a plurality of straight lines intersecting each other. . Here, along the straight line 13, the upstream direction is positive and the y axis is taken, and in FIG. 16, the right side direction is positive and the x axis is taken (the arrow x direction and the arrow y direction in FIG. To the direction.) Then, the origin of the xy orthogonal coordinates is set to the point i (x, y) = (0, 0). Note that the point i coincides with the foot of a perpendicular line drawn from the point G, which will be described later, to the straight line 13. The concave shape of the inner surface 19bb of the extended flow path portion 19b includes a line segment L1 connecting point C and point D, a line segment L2 connecting point D and point E, and a line connecting point E and point F. The line segment L3 and the line segment L4 connecting the point F and the point G are formed. All of these line segments L1, L2, L3, and L4 are part of straight lines, and the line segments L1, L2, L3, and L4 are defined by intersecting straight lines that include them. More specifically, the intersection of the straight line T1 including the line segment L1 and the straight line T2 including the line segment L2 is the point d, and the intersection of the straight line T2 including the line segment L2 and the straight line T3 including the line segment L3 is The point E is the point of intersection of the straight line T3 including the line segment L3 and the straight line T4 including the line segment L4, the most upstream point of the inner surface of the expansion flow portion 19b is point c, and the expansion flow rate The point of the tip portion (portion where the assist gas is injected) of the inner surface of the portion 19b is a point. Then, a straight line T1 (that is, a line segment L1) sandwiched between point C and point D, a straight line T2 (that is, a line segment L2) sandwiched between point D and point E, point E and point F, And a straight line T4 (that is, a line segment L4) sandwiched between the points F and G (that is, a plurality of straight lines T1 that intersect each other). , T2, T3, and T4). Also, the (x, y) coordinates of each point are point i (0, 0), point b (0, 0.5), point c (−0.25, 0.5), point d (−0). .302, 0.310), point e (−0.322, 0.210), point f (−0.335, 0.109), point d (−0.35, 0). Here, the unit of the (x, y) coordinate is [mm].
Further, in the cross section by the plane including the predetermined straight line 13 (the cross section shown in FIGS. 2, 3 and 16), the uppermost point C and the tip (assist gas) of the inner surface of the expansion flow path portion 19b as the expansion portion. All points existing on the inner surface between the point C at the most upstream part and the point at the tip end are outside the straight line (the predetermined straight line). 13 in a cross-section by a plane including the predetermined straight line 13, the inner surface of the expansion flow path portion 19 b that is the expansion portion is a concave shape as viewed from the flow path 19 (a shape convex toward the upstream side). have.
Thus, the flow path 19 is configured to include the throttle flow path portion 19a and the expansion flow path portion 19b following the throttle flow path portion 19a, so that the assist gas is in the direction of arrow K in FIG. When it passes, the cross-sectional area first decreases as it goes downstream (in the direction of arrow M in FIG. 2, where the direction of arrow K and the direction of arrow M coincide with each other) in the throttle channel portion 19a. However, the cross-sectional area increases in the extended flow path portion 19b as it goes downstream (in the direction of arrow M in FIG. 2).
[0025]
As described above, the first nozzle 11 is an injection nozzle for injecting an assist gas sprayed on the surface to be processed in laser processing for irradiating the surface of the workpiece 321 with a laser beam and processing the surface. The flow path 19 formed inside the first nozzle 11 through which the assist gas passes is a throttle flow path section 19a that is a throttle section whose cross-sectional area decreases as it goes downstream (in the direction of arrow M in FIG. 2). Then, the assist gas that has passed through the restricting flow path portion 19a that is the restricting portion is received, and the cross-sectional area increases as it goes downstream (in the direction of arrow M in FIG. 2), and is an expansion portion that injects the assist gas at the tip portion 19ba. And an expanded flow path portion 19b.
Further, in the first nozzle 11, the most downstream portion of the restricting flow path portion 19a serving as the restricting portion and the most upstream portion of the expanding flow passage portion 19b serving as the expanding portion are directly joined.
[0026]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an injection nozzle (main nozzle) 51 of the present invention for assist gas according to the second embodiment. With reference to FIG. 4, the main nozzle (hereinafter referred to as “second nozzle”) 51 of the second embodiment will be described. In addition, the number which shows the dimension described in FIG. 4 is shown by the unit "mm", and the number which attached "phi" before the number which shows a dimension has shown the diameter.
The second nozzle 51 differs from the first nozzle 11 only in the shape of the throttle channel portion 19a, and the other points are the same including the dimensions. Therefore, only the shape of the throttle channel portion 19a different from the first nozzle 11 in the second nozzle 51 will be described, and description of points common to both nozzles will be omitted (the first nozzle 11 and the second nozzle 51). The elements corresponding to each other in FIG. The second nozzle 51 has the same cross-sectional shape as shown in FIG. 4 in all planes including the straight line 13.
[0027]
The flow path 19 through which the assist gas passes along the straight line 13 includes a throttle flow path portion 19a having a rotating body with the straight line 13 as an axis, and an expansion flow path portion 19b that receives the assist gas that has passed through the throttle flow path portion 19a. (Of course, the extended flow path portion 19b also has a rotating body shape with the straight line 13 as an axis.). Note that the assist gas is finally injected from the distal end portion 19ba of the expansion flow path portion 19b.
The inner surface of the flow path 19 substantially constitutes a rotating surface with the straight line 13 as an axis. As shown in FIG. 4, the diameter of the most upstream portion of the throttle flow path portion 19a is 9.9 mm. The diameter of the most downstream part of the flow path part 19a is 0.5 mm, and the cross-sectional area decreases in the throttle flow path part 19a as it goes downstream (in the direction of arrow M in FIG. 4). In FIG. 4, the upstream direction is indicated by an arrow L, and the downstream direction is indicated by an arrow M.
And in the cross section by the plane containing the straight line 13 (cross section shown in FIG. 4), the inner surface 19ab of the throttle channel portion 19a is a convex curve shape (from the channel 19 side) when viewed from the channel 19 (throttle channel portion 19a). Bulging to see.) That is, in the cross section (cross section shown in FIG. 4) including the predetermined straight line 13, the most upstream portion and the most downstream portion of the inner surface 19ab of the throttle passage portion 19a serving as the throttle portion are straightened. (Both points are located on the continuous inner surface 19ab of the restriction channel portion 19a, which is the restriction portion in the cross section.) All of the points existing on the inner surface 19ab are located on the inner side (the side on which the predetermined straight line 13 is present) than the straight line, and the most upstream point and the most downstream of the inner surface 19ab of the throttle channel portion 19a serving as the throttle portion. When both points are connected to each other by a straight line (both points and points are on the continuous inner surface 19ab of the throttle channel portion 19a which is the throttle portion in the cross section), All of the points existing on the inner surface 19ab between the most downstream point and the innermost point are inside ( It consists in the constant linear 13 resides side). The inner surface of the throttle channel portion 19a, which is the throttle portion in the cross section, forms a curve (that is, differentiable). Here, the curved shape of the inner surface 19ab of the throttle channel portion 19a is a part of the circumference.
As described above, also in the second nozzle 51, the flow path 19 is configured to include the throttle flow path portion 19a and the expansion flow path portion 19b following the throttle flow path portion 19a. In FIG. 4, when passing in the direction of arrow K, first, in the throttle channel portion 19a, it is downstream (in the direction of arrow M in FIG. 4, where the direction of arrow K and the direction of arrow M coincide with each other). The cross-sectional area decreases as it goes, and the cross-sectional area increases as it goes downstream (in the direction of arrow M in FIG. 4) in the expansion flow path portion 19b.
[0028]
As described above, the second nozzle 51 is an injection nozzle for injecting an assist gas sprayed onto the surface to be processed in laser processing for irradiating the surface of the workpiece 321 with a laser beam and processing the surface. The flow path 19 formed inside the second nozzle 51 through which the assist gas passes is a throttle flow path section 19a that is a throttle section whose cross-sectional area decreases as it goes downstream (in the direction of arrow M in FIG. 4). Then, the assist gas that has passed through the restricting flow path portion 19a that is the restricting portion is received, and the cross-sectional area increases as it goes downstream (in the direction of arrow M in FIG. 4), and is an expansion portion that injects the assist gas at the tip portion 19ba. And an expanded flow path portion 19b.
[0029]
And in the 2nd nozzle 51, the most downstream part of the narrowing flow path part 19a which is a throttle part, and the most upstream part of the expansion flow path part 19b which is an expansion part are joined directly.
Further, in the second nozzle 51, the inner surface of the flow path 19 substantially constitutes a rotation surface about the predetermined straight line 13.
Moreover, in the 2nd nozzle 51, the diameter of the uppermost flow part of the expansion flow-path part 19b which is an expansion part is 0.1 mm or more (0.5 mm), and the assist gas of the expansion flow-path part 19b which is an expansion part is injected. The diameter of the tip 19ba is 5.0 mm or less (0.7 mm).
In addition, in a cross section (a cross section shown in FIG. 4) by a plane including the predetermined straight line 13, the inner surface (the same shape as the inner surface 19 bb shown in FIG. 3) of the expansion flow path portion 19 b that is the expansion section is the flow path 19. It has a concave shape (recessed when viewed from the flow path 19 side) when viewed from the (expanded flow path portion 19b). In addition, it is the same as the 1st nozzle 11 that the concave shape which inner surface 19bb of the expansion flow-path part 19b has is comprised by the some straight line which mutually cross | intersects.
In addition, in a cross section by a plane including the predetermined straight line 13 (cross section shown in FIG. 4), the inner surface 19ab of the throttle channel portion 19a serving as the throttle portion is a convex curve shape when viewed from the channel 19 (throttle channel portion 19a). It protrudes from the flow path 19 side. The curved shape of the inner surface 19ab of the throttle channel portion 19a serving as the throttle portion is a part of the circumference.
[0030]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing dimensions of each part of the same conventional injection nozzle 101 as shown in FIGS. 13 and 14. A conventional injection nozzle 101 (hereinafter referred to as “conventional nozzle”) for comparison with the first nozzle 11 and the second nozzle 51 will be described with reference to FIG. In addition, the number which shows the dimension described in FIG. 5 is shown by the unit "mm", and the number which attached "phi" before the number which shows a dimension has shown the diameter.
In the conventional nozzle 101, the flow path 109 has a truncated cone shape with the straight line 103 as an axis (as shown in FIG. 5, the diameter of the small bottom surface is 0.5 mm, and the diameter of the large bottom surface is 9.9 mm. The distance between both bottom surfaces is 9.5 mm.) And the truncated cone channel 109a (the smaller bottom surface of both the bottom surfaces of the truncated cone is directed in the direction in which the assist gas flows), and the truncated cone A cylindrical shape with the straight line 103 that receives the assist gas that has passed through the flow passage portion 109a as an axis (the small bottom surface and the one bottom surface of the truncated cone formed by the truncated cone flow passage portion 109a are made common. As shown, the diameter of the cylinder is 0.5 mm and the height is 0.5 mm.).
[0031]
Using the first nozzle 11, the second nozzle 51, and the conventional nozzle 101 described above, a laser processing experiment was performed by attaching each to the experimental apparatus 301 shown in FIG. 1.
As described above, these three types of nozzles 11, 51, 101 share the same basic dimensions. The first nozzle 11 is different from the conventional nozzle 101 in that the cross-sectional area of the first nozzle 11 increases toward the downstream in the extended flow path portion 19b following the throttle flow path portion 19a. Furthermore, the second nozzle 51 has a cross-sectional area that increases toward the downstream in the expansion channel portion 19b following the throttle channel portion 19a with respect to the conventional nozzle 101 (similar to the first nozzle 11). And the inner surface 19ab of the throttle channel portion 19a has a convex curved shape (swells when viewed from the channel 19 side) when viewed from the channel 19 (throttle channel portion 19a). .
[0032]
First, an experiment for comparing the first nozzle 11 and the conventional nozzle 101 was performed.
Specifically, the first nozzle 11 and the conventional nozzle 101 were replaced with the experimental apparatus 301, laser processing was performed, and the height of the dross (unit: micrometer) was measured. At this time, the height (unit: micrometer) of the dross was measured while changing the “gas pressure” (Pc) (unit: kPa) of the pressure gauge 303a.
The operating condition of the experimental apparatus 301 is that oxygen gas is used as the assist gas, the gap distance (Dg) between the tip of the injection nozzle 315 and the surface of the workpiece 321 is 1.0 mm, and pulse repetition is performed. The number f was 100 Hz, the pulse width τ was 0.2 ms, the pulse energy E was 0.10 J / P, and the sample feed speed (feed line speed of the workpiece 321) was V = 2 mm / s.
The experimental results are shown in FIG. FIG. 6 is a graph in which the horizontal axis represents the “gas pressure” (Pc) of the pressure gauge 303a and the vertical axis represents the height of the dross. In the graph of FIG. 6, ◆ (diamond) indicates the result when the conventional nozzle 101 is used, and ▲ (triangle) indicates the result when the first nozzle 11 is used. In FIG. 6, areas indicated by P1, P2, and P3 are areas where the operating state of the experimental apparatus 301 becomes unstable.
[0033]
From the graph shown in FIG. 6, in the case where the conventional nozzle 101 is used, the first nozzle 11 is used as compared with the case where the height of the dross is gradually decreased as the gas pressure increases. In some cases, the gas pressure is about 500 kPa or more and the height of the dross is significantly reduced. Further, when the first nozzle 11 is used, the height of the dross decreases as the gas pressure rises when the gas pressure is in the range of about 500 kPa to about 750 kPa, but when the gas pressure exceeds about 750 kPa, the unstable region P3 is reached. When entering and exceeding about 1100 kPa, it escapes from the unstable region P3. At about 1100 kPa or more, the height of the dross decreases again as the gas pressure increases. However, the height of the dross obtained at a gas pressure in the range of about 500 kPa to about 750 kPa and the height of the dross obtained at a gas pressure of about 1100 kPa or more are almost the same level (rather, a gas of about 1100 kPa). The height of the dross obtained by the pressure is larger than the height of the dross obtained by the gas pressure of about 750 kPa.) Considering that more gas is consumed as the gas pressure is increased, the gas pressure It is preferably within the range of about 500 kPa to about 750 kPa.
[0034]
FIG. 7 is a scanning electron micrograph (SEM) showing the situation of dross when the conventional nozzle 101 is used, and FIG. 8 is a scanning electron microscope showing the situation of dross when the first nozzle 11 is used. It is a photograph (SEM).
Both FIG. 7 and FIG. 8 are observations of the main surface of the workpiece 321 opposite to the direction in which the laser beam is irradiated (the lower surface of the workpiece 321 in FIG. 1). 7 and 8, the operating conditions of the experimental apparatus 301 are as follows: the gas pressure (Pc) is 600 kPa, air is used as the assist gas, the gap distance (Dg) is 1.0 mm, and the pulse repetition number f = 100 Hz, pulse width τ = 0.2 ms, pulse energy E = 0.10 J / P, sample feed rate (feed line speed of workpiece 321) V = 2 mm / s.
From the electron micrographs (SEM) of FIGS. 7 and 8, the dross when the first nozzle 11 is used is smaller than the dross when the first nozzle 11 is used. Very little is observed.
[0035]
FIG. 9 is a scanning electron micrograph (SEM) showing the situation of dross when the conventional nozzle 101 is used under different conditions. FIG. 10 shows the first nozzle 11 under the same conditions as in FIG. It is a scanning electron micrograph (SEM) which shows the condition of dross at the time of using.
9 and 10 are views of the main surface of the workpiece 321 that is opposite to the direction irradiated with the laser beam (the lower surface of the workpiece 321 in FIG. 1). 9 and 10, the operating conditions of the experimental apparatus 301 are as follows: the gas pressure (Pc) is 1000 kPa, oxygen gas is used as the assist gas, the gap distance (Dg) is 2.0 mm, and the pulse repetition rate f = 100 Hz, pulse width τ = 0.2 ms, pulse energy E = 0.10 J / P, sample feed rate (feed line speed of the workpiece 321) V = 2 mm / s.
From the electron micrographs (SEM) of FIGS. 9 and 10, the dross when the first nozzle 11 is used is smaller than the dross when the conventional nozzle 101 is used. In addition, it is observed that the amount is also very small.
[0036]
Next, an experiment was performed to compare the first nozzle 11 with the three types of second nozzles 51.
Specifically, the first nozzle 11 and the three types of second nozzles 51 were replaced with the experimental apparatus 301 to perform laser processing, and the height of the dross (unit: micrometer) was measured. At this time, the height (unit: micrometer) of the dross was measured while changing the “gas pressure” (Pc) (unit: kPa) of the pressure gauge 303a. In this case, as the three types of second nozzles 51, three types of nozzles having different radii (of the circumference) that form the curved shape of the inner surface 19ab of the throttle channel portion 19a are used. It was. Specifically, three types of second nozzles 51 of 40 mm, 25 mm, and 15 mm are used as a radius of a part of the circumference constituting the curved shape of the inner surface 19ab of the throttle channel portion 19a. It was. Due to the difference in radius, the second nozzle 51 having a radius of 40 mm is “R40”, the second nozzle 51 having a radius of 25 mm is “R25”, and the second nozzle 51 having a radius of 15 mm. These are referred to as “R15”.
The operating conditions of the experimental apparatus 301 are oxygen gas as an assist gas, a gap distance (Dg) of 1.0 mm, a pulse repetition number f = 100 Hz, a pulse width τ = 0.2 ms, a pulse energy E = 0. 10 J / P, sample feed speed (feed line speed of the workpiece 321) V = 2 mm / s.
The experimental results are shown in FIG. FIG. 11 is a graph in which the horizontal axis represents the “gas pressure” (Pc) of the pressure gauge 303a and the vertical axis represents the height of the dross. In the graph of FIG. 11, ◯ (white circle) indicates the result when the first nozzle 11 is used. Further, □ (white square) indicates R40, ▼ (black triangle) indicates R25, and Δ (white triangle) indicates R15.
[0037]
From the graph shown in FIG. 11, in the region where the gas pressure is about 800 kPa or less, there is almost no difference between the case where the first nozzle 11 is used and the case where the second nozzle 51 (R40, R25, R15) is used. Absent. However, in the region of 900 kPa to 1600 kPa, there is a great difference in both cases.
First, as described with reference to the graph of FIG. 6, in the region from 900 kPa to less than 1100 kPa, the first nozzle 11 belongs to the unstable region P3, but the second nozzle 51 (R40, R25, R15) is the unstable region. It can drive stably without belonging to.
In the region of 1100 kPa to 1600 kPa, the height of the dross when the second nozzle 51 (R40, R25, R15) is used is clearly greater than the height of the dross when the first nozzle 11 is used. small.
For this reason, when the second nozzle 51 (R40, R25, R15) is used, the height of the dross can be made very small stably compared to when the first nozzle 11 is used in the region of 900 kPa to 1600 kPa.
As is clear from FIG. 11, the height of the dross is hardly changed due to the difference between R40, R25 and R15. Therefore, a part of the circumference constituting the curved shape of the inner surface 19ab of the throttle channel portion 19a. Here, the radius (of the circumference) may be appropriately selected within a range of 15 mm to 40 mm.
[0038]
FIG. 12 is a scanning electron micrograph (SEM) showing the state of dross when the first nozzle 11 and the second nozzle 51 (R40, R25, R15) are used.
In FIG. 12, four types of dross conditions obtained by using four types of first nozzles 11, R40, R25, and R15 and three types of gas pressures (Pc) of 200 kPa, 600 kPa, and 1200 kPa as the nozzles used. (Nozzle) × 3 types (gas pressure) = 12 types. In each of the twelve photographs shown in FIG. 12, the surface opposite to the direction in which the laser beam is irradiated on the main surface of the workpiece 321 (the lower surface of the workpiece 321 in FIG. 1) was observed. Is.
The operating conditions of the experimental apparatus 301 at this time are oxygen gas as an assist gas, a gap distance (Dg) of 1.0 mm, a pulse repetition rate f = 100 Hz, a pulse width τ = 0.2 ms, a pulse energy E = 0.10 J / P, sample feed speed (feed line speed of the workpiece 321) V = 2 mm / s.
From the photograph of FIG. 12, when the gas pressure (Pc) is 200 kPa and 600 kPa, the difference in dross is hardly observed due to the difference in the first nozzles 11, R40, R25, and R15. However, when the gas pressure (Pc) is 1200 kPa, the dross when the second nozzle 51 (R40, R25, R15) is used as compared with the height of the dross when the first nozzle 11 is used. In addition to the low dross height, the amount is extremely small. In addition, when using the second nozzle 51 (R40, R25, R15) than when using the first nozzle 11, an area of 900 kPa to 1600 kPa that can stably reduce the height of the dross (FIG. 12). Among them, in Pc = 1200), R40 has the smallest dross height among the second nozzles 51 (R40, R25, R15), and the dross amount is also small. Therefore, in the region of 900 kPa to 1600 kPa, the radius (part of the circumference) of a part of the circumference constituting the curved shape of the inner surface 19ab of the throttle channel portion 19a is preferably closer to R40, that is, preferably Is about 20 mm to 40 mm, more preferably about 25 mm to 40 mm, and most preferably about 30 mm to 40 mm.
[0039]
As described above, when this nozzle (first nozzle 11, R40, R25, R15) is used, the amount of dross is reduced and the height of dross is reduced as compared with the case where the conventional nozzle 101 is used. be able to.
Further, it has been clarified that the amount of sputtering can be reduced by using this nozzle (first nozzles 11, R40, R25, R15) as compared with the case of using the conventional nozzle 101.
In addition, if this nozzle (first nozzle 11, R 40, R 25, R 15) is used and the amount of spatter and dross generated and the height of dross are set to the same level as when the conventional nozzle 101 is used, the assist gas The amount of can be reduced.
Furthermore, it has been clarified that the use of this nozzle (the first nozzles 11, R40, R25, R15) increases the laser processing speed as compared with the conventional nozzle 101 (for example, drilling processing). If the process is performed, the time until drilling can be shortened, or if the cutting process is performed, the linear velocity of cutting can be increased.)
In addition, if this nozzle (first nozzle 11, R40, R25, R15) is used, the shape accuracy of the processed object can be improved as compared with the case of using the conventional nozzle 101, and spatter and dross can be improved. Generation etc. can be reduced and appearance can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an experimental apparatus for conducting an experiment relating to the nozzle.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the main nozzle (first nozzle) of the first embodiment.
FIG. 3 is an enlarged view in a circle J of FIG. 2;
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a main nozzle (second nozzle) of a second embodiment.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing dimensions of a conventional injection nozzle (conventional nozzle).
FIG. 6 is a graph showing the height of dross when the first nozzle and the conventional nozzle are used.
FIG. 7 is a scanning electron micrograph (SEM) showing the situation of dross when a conventional nozzle is used.
FIG. 8 is a scanning electron micrograph (SEM) showing the state of dross when the first nozzle is used.
FIG. 9 is a scanning electron micrograph (SEM) showing the state of dross when a conventional nozzle is used.
FIG. 10 is a scanning electron micrograph (SEM) showing the state of dross when the first nozzle is used.
FIG. 11 is a graph showing the height of dross when using a first nozzle and three types of second nozzles.
FIG. 12 is a scanning electron micrograph (SEM) showing a dross situation when using a first nozzle and three types of second nozzles (R40, R25, R15).
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a conventional injection nozzle for assist gas used in laser processing.
14 is an enlarged cross-sectional view in circle A of FIG.
FIG. 15 is a partially enlarged cross-sectional view showing a cross section of a laser beam machine to which an injection nozzle is attached.
FIG. 16 is a cross-sectional view showing that the concave shape of the inner surface of the expansion channel portion is constituted by a plurality of straight lines that intersect with each other.
[Explanation of symbols]
11 First nozzle
13 straight lines
15 Body
17 collar
19 Channel
19a Restriction flow path
19ab inside
19b Extended flow path
19ba Tip
19bb inner surface
51 Second nozzle
101 Conventional injection nozzle
103 straight line
105 Main unit
107 collar
109 flow path
109a Frustum channel section
109b Cylindrical flow path
109ba Tip
201 Laser processing machine
203 Laser beam
205 Workpiece (Work)
207 Melt etc.
209 Spatter
211 holes
213 dross
301 Experimental equipment
303 gas cylinder
303a Pressure gauge
305 valve
307 First conduit
309 Second conduit
311 YAG laser generator
313 Power supply device
315 injection nozzle
317 Irradiation head
321 Workpiece
323 Table device
325 controller
327 distance (gap distance)

Claims

An injection nozzle for injecting an assist gas sprayed onto a surface to be processed in laser processing for irradiating a surface of a workpiece with a laser beam and processing the surface,
The flow path formed inside the injection nozzle through which the assist gas passes has a throttle portion whose cross-sectional area decreases monotonously as it goes downstream, and a cross-sectional area that receives the assist gas that has passed through the throttle portion and goes downstream. And an expansion portion that monotonously increases and injects the assist gas at the tip portion,
The inner surface of the flow path substantially constitutes a rotating surface with a predetermined straight line as an axis, and the assist gas flows along the predetermined straight line,
In a cross section by a plane including the predetermined straight line, the inner surface of the throttle portion has a convex curved shape when viewed from the flow path,
In the cross section by the plane including the predetermined straight line, the inner surface of the extension portion has a concave shape when viewed from the flow path.
Injection nozzle.

The injection nozzle according to claim 1, wherein the concave shape is constituted by a curved line.

The injection nozzle according to claim 2, wherein the curve constituting the concave shape is a part of a circumference, a part of a hyperbola, or a part of a parabola.

The injection nozzle according to claim 1, wherein the concave shape is constituted by a plurality of straight lines intersecting each other.

The injection nozzle according to claim 4, wherein the plurality of straight lines intersecting each other has an angle that decreases with respect to the predetermined straight line as it goes downstream.

6. The injection nozzle according to claim 1, wherein the curved shape of the inner surface of the throttle portion is a part of a circumference, a part of a hyperbola, or a part of a parabola.

The injection nozzle according to any one of claims 1 to 6, wherein a most downstream part of the throttle part and a most upstream part of the expansion part are directly joined.

The diameter of the most upstream part of the said extended part is 0.1 mm or more, The diameter of the said front-end | tip part which injects the said assist gas of the said extended part is 5.0 mm or less in any one of Claim 1 thru | or 7 The jet nozzle described.

A laser processing machine to which the spray nozzle according to claim 1 is attached.

The laser processing machine according to claim 9, wherein the assist gas supplied to the injection nozzle can be supplied at 900 kPa to 1600 kPa.