专利名称：加工头及激光加工装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光加工装置，特别是涉及其加工头。本说明书以激光切断为例说明激光加工。
激光加工的切断性能决定于激光束的输出功率、相对于被切断材料表面的激光束的焦点位置、助燃气体压力、被切断材料表面与激光束喷嘴前端的距离等工作条件。同时，也依赖于材料的种类、表面状态、质量、成分、厚度等与材料相关的条件。激光加工装置要求能够对这样的工作条件、材料的条件具有较宽的裕度，能得到稳定的加工质量。特别是在切断钢时，使用氧气射流作助燃剂，通过激光束直接加热熔化被切断材料，氧气射流不仅将溶融金属吹走，而且伴随着剧烈的燃烧氧化反应使被切断材料升化或熔化，显著提高切断效率。所以，被切断材料的切断面质量很大程度上决定于切断面表面的燃烧氧化速度。即，燃烧氧化速度越大，切断面的粗糙度越小。而且，由于连续地消耗供给氧气，不易发生由氧气过量引起的自燃(激光束还未到达金属就产生爆炸式的强烈地自燃，损坏切断表面质量的现象)。再有，由于切断速度的增加，故可以实现更高速的切断。所以，优化助燃气体的供给条件，提高燃烧氧化速度是非常重要的。基于以上认识，到目前为止，已对气体供给喷嘴进行了各种各样的改进。
例如，图46是特公昭61-60757号公报揭载的在过去的激光加工装置上设有的激光束喷嘴的纵断面模式图。图中，1是主助燃气体喷嘴、2是辅助助燃气体喷嘴、3是切断板表面、10是助燃气体的供给源。
下面说明其动作。过去的激光加工装置中在加工头上设有的激光束喷嘴的构成如上所述。此喷嘴具有多重结构，具有中心轴上的气体流通路及绕在其周围的多重的同心圆状的气体通路。从中心轴上的气体通路供给到切断材料的氧气的气压较高，流速也大。氧气主要流入切断沟内，其中一部分由氧化反应消耗，剩余的部分将熔化、氧化的金属吹起、除去。从外周部的气体流路供给的气体流速较低，起到防止周围的空气混入、使中心轴附近的气流稳定、保持氧气浓度处于较高水准的作用。而且，各辅助助燃气体喷嘴的喷射方向设置成与主助燃气体喷嘴的喷射方向平行，气体呈层流状喷射。另外，主助燃气体喷嘴、各辅助助燃气体喷嘴的界面存在一定壁厚的隔壁，从而很大程度上抑制了主助燃气体与辅助助燃气体之间的互相干扰，保证了主助燃气体呈层流状态。
激光加工中，通过激光束的能量加热金属切断至高温状态，向切断面供助燃气体(氧气)，使之产生氧化燃烧反应。但是，切断中，经常需要给小于1.00mm的狭窄的切断沟中供给需要的助燃气体(氧气)。此外，切断面的最附近，由氧化反应生成了燃烧生成物(气体或溶化金属)。助燃气体(氧气)射流如果是层流状态，助燃气体必须在此燃烧生成物(气体成分)的氛围中扩散，达到金属表面。所以，为提高氧化速度，有效的方法是使助燃气体射流呈紊流状态，搅乱切断面附近的燃烧反应区域的界面层，更新新鲜助燃气体和燃烧生成物(气体成分)之间的表面。
过去的激光加工装置中的加工头所配置的激光束喷嘴中，各辅助助燃气体喷出口的喷出方向设置成与主助燃气体喷出口的喷出方向平行，且气体呈层流状态，极大的程度上抑制了与主助燃气体之间的干涉，故也保持了主助燃气体呈层流状，流动平衡。虽具有保持中心部的助燃气体的纯度(氧气纯度)处于较高水准的作用，但由于中心部的气流安定，为有效的向狭窄的切断沟内供给助燃气体(氧气)就必须使主助燃气体的供给压力增高。此外，由于喷嘴气流中心部的速度变动量(紊乱强度)小，在金属的氧化反应表面形成了助燃气体浓度(氧气浓度)较低的界面层，新鲜的助燃气体(氧气)不易直接到达反应表面。因此，存在着供给的助燃气体(氧气)不能有效的用于氧化反应的问题。还有，在这种条件下，根据流量等条件，未充分消耗的氧气易残存在切断沟内部的凹坑内，成为引起自燃的原因。再者，主助燃气体喷出口、各辅助助燃气体喷出口的界面存在有厚度的隔壁，激光束喷嘴的前端的助燃气体喷出压力或喷出速度的分布呈不连续变化。所以，在壁厚部分上主助燃气体射流、各助燃气体辅助射流及周围空气的境面上产生分离。因此，会促进主助燃气体和各辅助助燃气体的扩散混合，最终使之与最外侧辅助助燃气体的周围空气的屏蔽效果变小，导致主助燃气体的纯度(氧气纯度)变低。
本发明是解决上述问题的装置。例如本激光加工装置的加工头可以达到下述目的降低切断面的粗糙度，抑制自燃，为加工表面提供周围的空气混入量少、高纯度且紊乱大的助燃的气体(氧气)，加速氧化反应，进行稳定、高速、高质量的加工。使用此加工头，可以得到能稳定进行高精度加工的激光加工装置。
本发明设有调整辅助助燃气体喷出口的流速分布的调整手段。例如，使流速分布在喷嘴的径向断面中对于中心轴呈非对称变化。在加工方向的前方和后方，设有具体地使气体的流速分布、流量变化的手段。
本发明至少在辅助助燃气体喷嘴内部设有多个给辅助助燃气体喷嘴供气的气体供给口，或在辅助助燃气体喷嘴内通过隔壁在径向方向上分隔出多个小空间，以调整辅助助燃气体喷嘴喷出口的流速分布。
而且，本发明具有对各个小空间内的供给气体流量进行个别调整的手段。
另外，本发明形成有辅助助燃气体供给口。设有与将辅助助燃气体喷嘴内沿轴向隔开的环形隔壁的下侧面相接，并可以回转的、将上述气体供给口的一部分遮挡的非完整环形平板;及与上述平板连动回转的二枚隔板，隔板安装在上述环形平板的两端，并将环状隔壁下面的辅助助燃气体喷嘴内沿径向分隔;以及驱动上述平板的驱动装置和控制驱动装置动作的控制装置。
本发明的激光加工装置，具有上述加工头及检测加工物体表面的温度、切断沟宽、火花的光量的检测手段，并根据检测信号调整上述加工头喷出的助燃气体的种类、流量或压力。
本发明装置是一种具有上述加工头及运转控制装置、并通过上述运转控制装置用程序控制加工头喷出的助燃气体的气体种类、流量或压力的装置。
最后，本发明是一种设有检测被加工物的板厚的板厚测定手段、并按板厚检测手段的输出由运转控制装置来控制加工头喷出助燃气体的流量或压力的装置。
本发明设有调整辅助助燃气体喷嘴喷出口的流速分布的调整手段，例如，在径向断面中使流速分布对中心轴呈非对称的变化，可以具体地使加工方向的前方和后方的气体流速分布、流量变化，并根据加工方向、加工种类、条件向沟内有效地供给气体。
此外，至少在辅助助燃喷嘴的内壁设有多个气体供给口，或在辅助喷嘴内通过隔壁在径向方向分隔出多个小空间，通过适当地设定上述气体供给口的位置、个数、上述隔壁的尺寸、位置、个数，即可任意地设定辅助助燃气体喷嘴出口处的助燃气体的流量分布。
最后，由于具有调整向各小空间供给气体流量的调整手段，例如设有单独的气体供给源和流量控制装置，按加工条件可自由地控制辅助助燃气体喷嘴的出口流量分布，例如根据加工方向，可以从沟的后方供给助燃气体，故可以一直向沟的内部高效地进行气体供给，使加工速度、加工质量提高。
此外，本发明形成有辅助助燃气体供给口。设有与在轴向将辅助助燃气体喷嘴内部隔开的环形隔壁的下侧面相接且可以回转、将上述气体供给口的一部遮挡的非完整环形平板;及与上述平板连动回转的二枚隔板，此隔板安装在上述环形平板上，并将上述环形隔壁的下面的辅助助燃气体喷嘴内部沿径向分隔;以及驱动上述平板的驱动装置和控制驱动装置动作的控制装置。所以，可根据加工条件任意地调整辅助助燃气体喷嘴的出口流量分布，例如，根据加工方向，可以一直从沟的后方供给助燃气体，可高效地向沟内部进行气体供给，提高加工速度及加工质量。
再者，在使用上述加工头的加工装置中，设有检测加工中被加工物表面的温度、切断沟宽、火花的光量等信息检测手段，根据上述检测手段的输出，调整上述加工头喷出的助燃气体的气体种类、流量或压力，故可以避免加工异常。
另外，根据加工条件，通过上述运转控制装置由程序控制上述加工头喷出的助燃气体的气体种类、流量或压力，故可以使加工更稳定。
还有，本发明设有检测被加工物的板厚的板厚测定手段，根据此板厚测定手段的输出，通过运转控制装置控制加工头喷出的助燃气体的流量或压力，所以操作者不用根据板厚设定气体流量即可进行稳定加工。
下面参照图结合实施例对本发明进行说明。其中
图1是本发明实施例1的激光加工装置的加工头纵剖面模式图。
图2是本发明涉及实施例1的切断板表面上的助燃气流的压力变动分布说明图。
图3是本发明实施例1中说明提高切断性能的原理的说明图。
图4是本实施例1的切断板表面上的流速分布说明图。
图5是关于本发明的助燃气流的压力变动与切断面粗糙度之间的关系的特性图。
图6是比较本实例1和现有技术的对于加工速度和激光功率的裕度的图。
图7是表示本发明实施例1中加工头的位置关系的纵剖面模式图。
图8是表示实施例1中助燃气流的压力变动值和喷出口之间距离关系的特性图。
图9是本发明实施例的加工头纵剖面模式图。
图10是透视本实施例3的加工头内部的斜视图。
图11是表示本发明实施例4的加工头的主助燃气体喷嘴的斜视图。
图12是本发明实施例5的加工头的主助燃气体喷嘴的仰视图。
图13是本发明实施例6的加工头的纵断面模式图。
图14是本发明实施例7的加工头的纵剖面模式图。
图15是比较实施例6、7及现有技术在切断板表面上的助燃气流的压力变动值的特性图。
图16是本发明实施例8的加工头的纵剖面模式图。
图17是本发明实施例9的加工头的纵剖面图模式图。
图18是本发明实施例10的加工头的局部剖斜视图。
图19是表示实施例10中辅助助燃气体导入小孔数不同时，切断沟下部气体排出部的总压力分布的变化的特性图。
图20是本发明实施例10的辅助助燃气体导入小孔数不同时，产生的加工裕度的区别的图。
图21是本发明对应于被加工物的板厚，要求的适量助燃气体总流量图;
图22是本发明对应于被加工物的板厚所要求的助燃气体的适当流速图。
图23是本发明对应于被加工物的板厚所要求的辅助助燃气流的适当流速图。
图24是实施例10加工喷嘴的合适的小孔数与板厚之间关系的一个实例图。
图25是实施例10的辅助助燃气体供给口的小孔的其它形状的平面图。
图26是本发明实施例11的加工头局部剖面斜视图。
图27是本发明实施例12的加工头的纵剖面图。
图28是本发明的实施例13的加工头中开口面积调整手段平面图。
图29是本发明的实施例14的加工头中开口面积调整手段平面图。
图30是本发明的实施例15的激光加工装置的纵剖面图。
图31是本发明的实施例16的加工头的局部剖面斜视图。
图32是本发明的实施例16的另一例的局部剖面斜视图。
图33是本发明实施例17的加工头的纵剖面图。
图34是本发明实施例17的加工头的助燃气体供给手段的一个实例的模式图。
图35是本发明实施例17的加工头的助燃气体供给手段的另一个实例图。
图36是本发明实施例17的加工头的流量控制例中气体供给状态的说明图。
图37是本发明实施例18的加工头局部剖斜视图。
图38是本发明实施例19的激光加工装置构成图。
图39是本发明实施例20的激光加工装置的其它例的构成图。
图40是本发明实施例21的激光加工装置构成图。
图41是本发明实施例22的激光加工装置构成图。
图42是本发明实施例23的激光加工装置构成图。
图43是本发明实施例24的激光加工装置的加工头的纵剖面图。
图44是实施例24的激光加工装置的加工头的其它例纵剖面模式图。
图45是实施例25的激光加工装置的加工头的纵剖面图。
图46是现有技术的激光加工装置的加工头的纵剖面图。
图中的符号表示1-主助燃气体喷嘴、1a-主助燃气体喷嘴喷出口、1c-主助燃气体喷嘴供给口、2-辅助助燃气体喷嘴、2a-辅助助燃气体喷嘴的喷出口、2c-辅助助燃气体喷嘴供给口、3-被加物的切断板表面、10、18、18a、18b-助燃气体供给源、11-辅助助燃气体喷嘴供给口的小孔、13-开口面积调整手段、15-环形板的小孔、19-信息检测手段的传感器、21-运转控制装置、30-助燃气体供给口、31-隔壁、32-小空间、33-阀、35a-扇形板、35b-隔板、36-驱动装置、37-控制装置、40-板厚测定传感器。图1是表示本发明实施例1的激光加工装置的加工头的纵断面模式图。本加工头具有多重结构，本例为双重结构有激光束通过的主助燃喷嘴1和辅助助燃喷嘴2。主助燃喷嘴1由位于最里部直径为D1的主助燃气体喷嘴喷出口1a和与其相连的主助燃气体喷嘴通道1b构成;辅助助燃气体喷嘴由位于主助燃气体喷嘴1的外周直径为D2(D2≥D1，此种情况下D2＞D1)的辅助助燃气体喷嘴喷出口2a和与之相接的通道2b构成。而且，主助燃气体喷嘴配置在与辅助助燃气体喷嘴的喷出口2a相比位于助燃气流的上游一侧，其构成使喷出口处的喷出气体压力及喷出气体流速连续变化、并且主助燃气流的压力变动及流速变动值较大。助燃气体(氧气)按图中箭头表示的路径供给被加工物的切断板表面3。
此实施例的助燃气流在切断板表面3上的压力变动分布大致如图2所示。纵轴表面压力变动p/P(%)(p压力的变动量、P压力的绝对值)，纵轴与助燃气体的喷出口相对应。流过主助燃气体喷嘴1的助燃气体由于其流速变动量较大，故在主助燃气体喷嘴的喷出口1a的正下方压力变动值大，在辅助助燃气体喷嘴的喷出口2a的正下方被抑制为较小的值。由压力变动产生的泵吸作用，不用使气源压力提高，就可供给切断沟必要的气体流量。
此外，流速变动量较大表现为流入切断沟的氧气的紊流呈较大的紊流化。在产生燃烧反应的切断面的附近，生成了由燃烧产生的氧化物及氧气的混合层，氧化反应的速度依赖于向上述混合层内部扩散、移动、到达反应表面的速度。所以使气流紊流化，从而使上述混合层处于不稳定状态可有效地提高氧化速度。因此，使用具有本实施例构成的加工头，通过氧气流的紊乱化，如图3所示的模式，使上述混合层呈不稳定状态，输送氧气到正在进行反应表面附近，同时可以从反应表面附近除去氧化物浓度较高的混合气体，故增大了氧气供给量，显著提高了氧化燃烧速度，可以实现高速切断。此外，由于连续有效地消耗供给的氧气，可以防止由激光升温和氧化反应速度的不平衡产生的自燃，进行稳定地加工。
还有，借助辅助助燃气体喷嘴流出的助燃气体(氧气)可防止周围空气的混入，故保持了流入切断沟内的中心流(即主助燃气体)的氧气纯度，可以实现更稳定的切断。
再者，图4是切断板表面的流速分布概要说明图。纵轴是喷出气体流速u(m/s)，并与助燃气体喷出口相对应。按本实施例，如图3、图4所示，在助燃气体喷出口喷出气体压力及喷出流速的分布为越向喷嘴中心越高且呈连续变化分布。故主助燃气流及各辅助助燃气流之间及与周围空气的界面上不会产生分离，从而解决了辅助助燃气体对空气屏蔽效果差，导致主助燃气体纯度(氧气纯度)变化的问题。
图5的特性图表示了压力变动值和切断面粗糙度之间的关系。横轴是压力变动(%)，即变动量p对于主助燃气体喷嘴中心轴的正下方的切断表面上的压力P的比例p/P。纵轴是切断面粗糙度Ra-max(μm)。切断材料是软钢SS400，板厚12mm，加工条件为激光功率1400W，加工速度0.7m/min。由图上可以看出，压力变动越大表面粗糙度越小，所以提高了加工质量。即说明使用本实施例的喷嘴结构的加工头可以实现加工质量较高的高速切断。
还有，图6(a)、6(b)的曲线表示了用本实施例和现有技术的加工头进行激光切断实验时激光功率和加工速相对应的裕度。纵座标表示加工速度(m/min)，横座标是激光功率(kw)。材料是SS400，板厚12mm。图6(a)表示使用现有技术喷嘴的加工头(压力变动量0.1%)的加工裕度，图6(b)表示使用本实施例加工头的加工裕度。图中划有斜线的部分是可正常切断的范围。可以看出，使用本实施例的加工头可以实现高速切断。
再有，使用图7的示意剖面图说明本实施例中主助燃气流的压力、流速变动和助燃气体喷嘴喷出口1a、2a的位置以及切断板表面3与喷嘴下端(喷出口)之间的距离的关系。图中，L是辅助助燃气体喷嘴2的喷出口2a和与之相比位于助燃气流上游一侧的主助燃气体喷嘴1的喷出口1a之间的距离;H是切断板表面3和喷嘴下端(喷出口)之间的距离。在图8的特性图中，将切断板表面3和喷嘴下端的距离作为H，使H变化时，喷嘴中心轴正下方的压力变动值p/P%和喷出口间的距离L的关系如图所示。直径D1＝1.5mm，D2＝5mm的条件下，纵座标表示压力变动值p/P(%)，横座标表示喷出口之间的距离L(mm)。符号○是H＝4mm的特性曲线，符号△是H＝2mm的特性曲线、符号□是H＝1mm的特性曲线。由图可以得到压力变动量大于0.8%的条件是H+L≥5×D1。
如果使L≥5D1，就可以提高喷嘴高H的加工裕度。通过简单的构造，得到较大的压力变动量。上述实施例1中，加工头由主助燃气体气体喷嘴1和一个辅助助燃气体喷嘴2构成。如图9中的纵断面模式图所示，辅助助燃气体喷嘴2当然也可以采用多重结构。此时，如果主助燃气体喷嘴的喷出口1a与多个辅助助燃气体喷嘴喷出口2a相比，至少比其中一个位于气流的上游一侧，即可取得与实施例1同样的效果。图10(a)(b)(c)表示本发明实施例3的激光加工装置的加工头。本实施例中，作为增大主助燃气流的压力及流速变动的另外的具体手段，设有涡流形成手段的螺旋状的多个静止叶片。图10(a)是本实施例3的加工头的纵断面模式图，图10(b)是透视主助燃气体气体喷嘴内部的斜视图。本实施例中，在主助燃气体喷嘴1的通道内壁的竖直部分上设有多个螺旋状的静止叶片4。通过此静止叶片4，在流过主助燃喷嘴1内部的气流中生成了涡流。从喷嘴喷出时，射流中如果存在回旋成分，那么呈中心轴状的紊流强度很大。在喷嘴与切断板表面的距离与喷嘴直径大小相同时，紊流强度可达到10%以上。所以，可有效地进行氧化燃烧反应、加快氧化速度、提高加工质量及加工稳定性，同时可实现高速切断。
在本实施例的主助燃气流的至少一部分气流形成涡流的方法中，既使主助燃气体喷嘴下部(即喷出口1a)位置与辅助助燃气体喷嘴下端(即喷出口2a)位置之间的相对距离L是0，也会使主助燃气体产生流速变化。上述实施例中，对于主助燃气体喷嘴下端位置处的激光束直径大、激光束光轴和喷嘴中心轴的同轴调整困难以及激光束焦点和被加工物表面的距离调整困难等问题，由于主助燃气体喷嘴比过去的喷嘴更能接近加工透镜，在本实例中的喷嘴喷出口位置的相对距离L即使是0也能使主助燃气体流速变动，故易于得到解决，即有上述调整操作容易的优点。
此外，如图10(c)的主助燃气体喷嘴1的内部透视的斜视图所示，静止叶片设在主助燃气体喷嘴1的下侧的倒锥部也可。图11(a)(b)是本发明实施例4的加工头的主助燃气体喷嘴的斜视图。图11(a)表示的作为本实施例4的涡流形成手段是在主助燃气体喷嘴1的通道内壁的竖直部分设有多个螺旋槽5。通过螺旋槽5，流过主助燃气体喷嘴内的助燃气体(氧气)的一部分由于沿螺旋状的流路流动而形成涡流。主助燃气体射流的中心部的紊流强度增大。所以，在这种情况下，也能加快氧化速度、提高切断速度、切断质量。
此外，如图11(b)所示，螺旋槽5设在主助燃气体喷嘴的下侧的倒锥部也可。
图1(a)(b)表示本发明实施例5的加工头的主助燃气体喷嘴。图12(a)是仰视图，12(b)是纵断面图。作为实施例5的涡流形成手段，本发明在主助燃气体喷嘴1的内壁表面设有喷嘴口6a，设有对称地在主助燃气体喷嘴1的周向并行喷出气体(即在主助燃气体主流的外周的切向喷出主助燃气体副流)的主助燃气体副流喷嘴6。主助燃气体的一部分从主助燃气体副流喷嘴6喷出，使主助燃气体呈涡流。由此可以实现如实施例3、4同样的效果。图13是本发明实施例6的激光加工装置的加工头的纵断面图。在阻碍从辅助助燃气体供给口流入的辅助助燃气体喷嘴2的通道2b内部的气流的位置上，设有将辅助助燃气流的具有的动压变换成静压的静压变换手段，此情况下设有静压变换面7。虚线箭头方向表示助燃气流的流向。辅助助燃气体喷嘴通道2b内的气体与静压变换面7相撞，一旦静压回复就在此静压变换面7的下侧变成均匀的气流，由辅助助燃气体喷嘴喷出口2a排出。所以，喷嘴的外周部的气流成为紊乱较少的均匀气流，可以更好的防止周围空气的混入。
本实施例中，表示了作为静压变化手段的静压变换面7，静压变换面7是平行喷嘴喷出口2a下表面的平面。但是，既使与喷嘴喷出口2a下表面不平行，或不是平面，只要是能使周围气流喷喷(即辅助喷嘴)的流路流过的气体与之相撞，能使静压回复的表面，当然都能起到同样的效果。图14是本发明实施例7的激光加工装置的加工头的纵断面模式图。本实施例中，在实施例6中记述的辅助助燃气体的通道2b的内部设置的静压变换面7的端部，设置突出的环形的回流壁面8。调节回流壁面8的高度，使其上端与内喷嘴之间有适当的间隙，本例中是使其上端与主助燃气体喷嘴1的外壁之间有适当的间隙，形成气体滞流空间8a。图中虚线箭头表示气流。引入至辅助助燃气体的通道2b的气体，一旦充满由回流壁面8、辅助助燃气体喷嘴2的内壁、静压变换面7构成的气体滞流空间8a，就进行静压回复。此后，从回流壁面8的上端部以均匀的速度流出到辅助助燃气体喷嘴的通道2b，由喷出口2b排至外部。所以，外围的气流变成了紊流小、稳定的均匀气流，使空气的混入防止效果更好。
图15是比较实施例6、实施例7及现有技术的加工头的助燃气流在切断板表面上的压力变动量的分布的特性图。纵座标表示压力变动量p/P(%)，横座标表示距喷嘴中心的距离r(mm)。图中的实线、虚线、点画线特性曲线分别表示实施例7、实施例6及现有技术的特性。由图可得，辅助气流在切断板表面的压力变动量以实施例7最小，表示气流均匀、稳定。因此，周围空气的混入量减少，氧气纯度保持在较高的水准。图16是本发明的实施例8的激光加工装置的加工头纵断面模式图。本实施例中，辅助助燃气体喷嘴2的前端部分沿轴线向辅助助燃气体喷嘴喷出口2a的方向逐渐扩大，形成了扩大流路9。由此，从辅助助燃气体喷嘴喷出的助燃气体(氧气)不会成为加速气流，而且成为既平行于喷嘴中心轴又不会与喷嘴内壁产生分离的气流，故可以将喷嘴喷出口周围的空气混入到外围助燃气流的量抑制在很小程度，保持氧气纯度，实现稳定的加工。本实施例中，流路面积采用逐渐扩大的结构，但是即使流路面积不变，也能取得同样的效果。图17是本发明实施例9的激光加工装置的加工头的纵断面模式图。本实施例中，多重喷嘴的最外壁即辅助助燃气体喷嘴2的壁作成圆台状，其假想顶角取小于45°。因此，激光束喷嘴和被加工材料表面间滞留的助燃气体量少，可防止自燃现象。此外，外围气流喷嘴即辅助助燃气体喷嘴气体喷出之后的周围空气的混入量可以抑制在很小程度，保持氧气纯度，实现稳定加工。图18是本实施例10的激光加工装置的加工头局部纵断面模式图。本实施例中，喷嘴的上方设有统一的(共同的)助燃气体(氧气)供给源10。从助燃气体10给辅助助燃气体喷嘴2的气流分流部分具有下述构造在喷嘴中央部的主助燃喷嘴1即主助燃气体喷嘴供给口1c的周围的环形部位上设有由多个小孔构成的辅助助燃气体供给口。助燃气体(氧气)通过上述小孔11流入辅助助燃气体喷嘴通道2b内。中心流喷嘴即主助燃气体喷嘴1喷出的主助燃气体(氧气)流量和外围气流喷嘴即辅助助燃气体喷嘴2喷出的辅助助燃气体(氧气)流量，本实施例中，根据小孔11的面积及小孔11的数量设定值而变化，所以，根据加工材料的性质、板厚等，通过选择适当的喷嘴即选择具有适当面积和数量的小孔11的喷嘴，就可容易地得到期望的主助燃气体流量及辅助助燃气体流量。
本实施例的加工头喷嘴，特别是在切断厚板时更能发挥其效果。一般用氧气作助燃气体切断软钢厚板时，在切断沟下部，材料温度低，氧化物的粘性增大，排出速度降低，同时抑制了燃烧反应，因此在加工前面产生滞后，随着板厚的增加，滞后量也增加。所以，为实现高速及稳定的加工，有必要给滞后部分供给流速较大的氧气，促进氧化物的排出及氧化反应。使用体实施例的加工头喷嘴，通过适当地设定辅助助燃气体喷嘴的流量，可满足上述条件。
使用本实施例的加工头喷嘴，图19的特性图表示在向切断沟内供给气体时从沟下部排出气体的沿切断沟方向的总压力分布。横座标是距切断的前面的距离X(mm)，纵座标是沟下端的气体总压力P(kg/cm2)。板厚25mm，喷嘴的各尺寸如下辅助助燃气体喷嘴内径D2＝4mm，主助燃气体喷嘴内径D1＝1.5mm，小孔11内径＝1mm。实线特性曲线是气体导入小孔数为8个时的总压力曲线;虚线特性曲线是导入小孔数为24个时的总压力曲线。由此可以看出，小孔数多的一方，辅助助燃气体的流量及流速大，对应沟下部的滞后部分的较宽的沟下部区域内，可以得到较高的压力。
此外，在图20的图形中，表示小孔数不同时激光功率和加工速度的加工裕度的差异。纵座标是加工速度(m/min)横座标是激光功率(KW)。材料是厚度为SS400，喷嘴的各尺寸与图19相同，辅助助燃气体喷嘴内径D2＝4mm，主助燃气体喷嘴内径D1＝1.5mm，小孔11的内径＝1mm。图中表示了导入小孔数8个和24个时的比较图。区域A是导入小孔数为8个时的正常加工范围，区域B是导入孔数是24个时的正常加工范围。可以看出小孔数越多加工裕度越大，可以高速切断。实际上，如果辅助助燃气体的流量、流速过大，切断面上就会产生局部的自燃，易产生损伤。所以存在着能实现良好质量加工的助燃气体的适当的流量、流速范围。
图21表示对应厚度切断时被加工材料板厚的适当的总流量。横座标是被加工材料板厚(mm)，纵座标是助燃气体的总流量N(l/min)。斜线表示的范围是推荐的切断质量好的范围。此外，图22表示厚板切断时主助燃气体喷嘴的气体在喷出口处的恰当的流速。斜线表示的范围是推荐的切断质量好的范围。此外图23表示厚板切断时辅助助燃气体喷嘴的气流在喷出口处的恰当的流速。斜线表示的范围是推荐的切断质量好的范围。在使用本发明加工头的喷嘴的情况下，在图21-图23表示的流量及流速的范围内，不会产生损伤、浮渣粘着，可得到高质量的切断。按图21-图23，可以通过选择小孔直径及小孔数来实现与板厚对应的恰当的流速及流量。
使用本实施例的喷嘴，能得到恰当的流量及流速的小孔11的个数的范围如图24的图形所示。纵座标表示小孔数(个)，横座标是板厚(m)。喷嘴的各部分的尺寸与图19一样，辅助助燃气体喷嘴内径D2＝4mm，主助燃气体喷嘴内径D1＝1.5mm，小孔12的内径取1mm。除此条件之外的尺寸如果按满足图21-图23的流量、流速条件选择选择当然可以实现无损伤，无浮渣粘附的高质量切断。
图18中表示了小孔11的形状为圆形的情况，如图25(a)(b)的喷嘴气体分流部的平面图所示，当然椭圆、矩形等任何其它的形状都可取得同样效果。图26是表示实施例11的激光加工装置的加工头的局部纵剖面图。上述实施例10中，在主助燃气体喷嘴供给口1c的周围的环形部位、流入辅助助燃气体喷嘴2的气体流入部设有作为辅助助燃气体供给口的多个小孔11，以进行流路调整。此实施例中，如图25所示，在上述环形的部位上配设网眼状的流体阻体12，由此进行辅助助燃气体流量调整。流体阻体12采用多孔材料也可。本实施例中，流入辅助助燃气体喷嘴2的气流均匀，通过适当地选择网眼状或多孔的材料，可以得到紊流少、稳定的气流。图27是本发明的实验例12的激光加工装置的加工头的纵剖面模式图。本实施例中，在辅助助燃气体喷嘴2的辅助助燃气体供给口上设有开口面积调整手段13。该手段是可动的，用驱动装置由手动或自动改变开口面积。通过这样的结构，不用更换喷嘴即可调整助燃气体流量、主助燃气体和辅助助燃气体的流量比，故可以提高作业效率。图28是本实施例13的加工头中表示开口面积调节手段的模式平面图，是从加工头上侧来看的喷嘴的主助燃气流与辅助助燃气流的分流部的视图。本实施例表示了上述实施例12的开口面积调整手段的具体实现方法。该手段与辅助助燃气体喷嘴上具有引导助燃气体的多个气体供给口小孔11的环形部分相接，并设有与上述环形部分具有同样的小孔15的环形板14。在环形板14上接有可用手动回转环形板14的把手16，把手16设置在喷嘴外部。在由带小孔15的环形板14和把手16构成的开口面积调整手段中，喷嘴上设置的小孔11和环形板14上设置的小孔15重叠的部分，将成为把助燃气体引入辅助喷嘴的气体流入口。所以，通过转动上述环形板14改变气体流入口的面积。即可容易地调整充入辅助气体喷嘴的助燃气体的流量。
本实施例中，环形板14由喷嘴外部的把手16由手动转动，当然其转动与驱动装置相连用自动方法实现也可。图29是本实施例14的加工头中表示开口面积调整手段的模式平面图，是从加工头上侧来看的喷嘴的主助燃气流与辅助助燃气流的分流部的视图。本实施例表示了实施例12的开口面积调整手段的具体实现方法。本实施例中设有节流机构17，节流机构17与辅助助燃气体喷嘴上具有引导辅助助燃气体的多个气体供给口小孔11的环形部分相接。还具有与节流机构17相接，从外部用手动调节节流程度的把手16。开口面积调整手段13由节流机构17和把手16构成。通过调整节流机构17，改变辅助气体供给口的面积，可调节供给流体的流量。
本实施例中，节流机构17由喷嘴外部的把手用手动实现;当然如果节流机构17与驱动机构相连用自动实现也可。图30是本发明实施例15的激光加工装置的加工头的纵剖面模式图。本实施例中，主助燃气体喷嘴1及辅助助燃气体喷嘴2的气(氧气)源分别设置。由此可以实现按恰当的助燃气体流量、恰当的主助燃气体与辅助助燃气体的流量比供给氧气。图31是本发明实施例16的激光加工喷嘴的局部剖面模式图。辅助助燃气体2内壁设有一个助燃气体供给口30，而且辅助助燃气体喷嘴2内部用多个隔壁31分隔，形成小空间32。助燃气体由助燃气体供给口30流入辅助助燃气体喷嘴2内后，通过隔壁31的阻挡，气流一边使能量流少，一边分配在各小空间32内。所以在辅助助燃气体喷嘴的喷出口，其流速分布在周向变均匀，可防止由助燃气体供给口的偏置引起的在辅助助燃气体的喷出口处的流量的不均衡。
在本实施例中，气体供给口是一个，而且配有轴对称的同一尺寸的隔壁。但是，通过按照气体供给口的位置、个数，通过按每个隔壁将隔壁的面积、高度、间隔等进行个别设定，即可任意地设定辅助助燃气体喷嘴出口处的流量分布。例如，如图32的局部剖模式斜视图所示，将气体供给口的附近的隔壁高底降低，按距气体供给口的距离增加使隔壁的高度升高，而且使相邻隔壁的间隔缩小，就会增加辅助助燃气体喷嘴的出口流量的均匀化效果。图33(a)是本发明实施例17的激光加工喷嘴的纵剖面图。另外，(b)是上述喷嘴图(a)中沿B-B剖面的俯视剖面图。在辅助助燃气体气体喷嘴内壁设有多个呈放射状的辅助助燃气体喷嘴2的助燃气体供给口30，本实施例中设有4个供给口30。通过隔壁31按助燃气体供给口30的个数分割辅助助燃气体喷嘴内壁形小空间32。
如图34的模式图所示，各助燃气体供给口30分别与助燃气体供给源18相接，从各供给源18供给的气体流量由流量控制装置20控制。或者，如图35所示，各助燃气体供给通过阀33连结在统一的气体供给源18上，用运转控制装置21控制阀的开关。
按本实施例，通过调整供给各小空间的气体流量，即可任意的调整辅助助燃气体喷嘴的气流在喷出口处的助燃气体流速分部。例如，如图36的模式说明图所示，通过向位于加工方向后方一侧小空间供气，如果按将喷嘴方向的后方的流速增大，前方流速减少进行调整，可使助燃气体容易进入沟内部，在沟下部也能得到高压力。另外，由于气流具有朝流速的加工面前方的方向成分，故可以抑制加工面前面的气流分离现象，加速燃烧反应，提高加工质量。
本实施例中，表示了具有4个小空间32的情况，但是，小空间个数为4个以上或以下当然也能得到同样效果。另外，当然给各小空间32供气的助燃气体供给口30的数目是两个以上也能取得同样效果。还有，本实施例中，气体供给口的气体供给由统一供给源提供，当然使用多个供给源分别与多个气体供给口连结也可。图37(a)(b)是本发明实施例18的激光加工喷嘴，(a)是局部剖面模式斜视图，(b)是纵剖面模式图。本实施例设有不完整的环形平板，此环形平板与设有作为辅助助燃气体供给口的小孔11的环形隔壁的下侧面相接，具有将辅助助燃气体供给口的小孔11遮蔽，起到遮蔽辅助助燃气流的作用。此实施例中的不完整环形平板为扇形板35a。而且隔板35b固定在扇形板35a的两端，形成一体结构。此隔板35b相当于上述实施例16、17的隔壁31，在辅助助燃气体喷嘴2内形成小空间。此外，此扇形板35a和35b可以绕喷嘴中心轴旋转。本实施例还具有驱动扇形板35a和隔板35b的驱动装置36及使驱动装置36作动的控制装置37。辅助助燃气体通过未被扇形板35a遮蔽的气体供给口11，流入隔板35b、辅助助燃气体喷嘴2内壁、主助燃气体喷嘴1外壁形成的小空间32，由辅助助燃气体喷嘴喷出口喷出。所以，通过按加工方向控制位置于加工方向后方的小空间，就可取得与实施例17同样的效果。图38表示本发明实施例19的激光加工装置的构成图。如图所示，本实施例使用图30所示的具有单独助燃气体(氧气)供给源的喷嘴的加工头。还设有加工中检测材料表面温度、切断沟宽、火花的发光量等信息检测手段，本实施例的手段是传感器19;及按传感器19的信号，调整从喷嘴喷出的主助燃气体及辅助助燃气体的流量及压力的流量控制装置20。由此，可以避免加工异常，实现更稳定的加工。
本实施例中，使用了具有单独助燃气体供给源的喷嘴加工头，但本实施例应用于具有统一助燃气体供给源、设有实施例13、14那样的辅助助燃气体供给上的开口面积调整手段来调整主气流流量及辅助助燃气体流量的喷嘴的加工头当然也能取得同样的效果。图39是本发明的实施例20的激光加工装置的构成图。本实施例具有预测或检测自燃的传感器19，根据此传感器19的信号，在预测或检测到自燃发生时，至少要控制降低主助燃气体和辅助助燃气体任一方的压力及流量。因此，可以抑制自燃的产生，实现更稳定的加工。图40是本发明的实施例20的激光加工装置的构成图。本实施例中，激光加工装置的运转控制装置21及助燃气体供给源18的流量控制装置20连接在一起。而且，根据加工的初始条件如材料的种类、加工速度、板厚等由运转控制装置21用程序控制主助燃气体喷嘴、辅助助燃气体喷嘴各自的气体流量、气体的压力。根据加工过程，例如根据打孔、直线切断、钝角的角部切断、曲线切断时的曲率等或根据圆形、半圆形、椭圆等切断时的直径由运转控制装置21用程序控制加工中主助燃气体及辅助助燃气体的气体流量、气体压力。因此，省去了操作者直接输入合适的流量的时间，不仅提高了效率，而且可得到稳定的加工质量、增加可靠性。图41是本发明实施例21的构成图。本实施例中，其构成为设有作为主助燃气体及辅助助燃气体供给源的A种气体供给源A18a及B种气体供给源B18b，设有从供给源18a、18b导入气体到加工头导入口的切换阀23，切换阀的切换由运转控制装置21控制。由这样的构成可做到，例如根据打孔、直线切断、纯角的角部切断、曲线切断时的曲率或根据圆形、半圆形、椭圆形等的直径将主助燃气体或辅助助燃气体的气体种类切换，例如从氧气切换到氮气，以抑制燃烧、防止自燃，实现稳定的加工。
此实施例中，表示了气体种类为二种时的实施例，当然由3种以上切换构成的装置也是可以的。图4是本发明的实施例22的加工装置构成图。本实施例设有检测被加工物的板厚检测手段，本例中为加工头上设置的传感器40。在加工前检测出被加工物的板厚并输出到运转控制装置21。从运转控制装置21输出的对应于板厚的恰当主助燃气体及辅助助燃气体流量及流速由流量控制装置20实现。所以，操作者不需要根据板厚设定气体压力。本实施例提供了高效率、高可靠性的加工装置。本例中，板厚测定传感器40设在加工头上，当然设在只要能测定板厚的任何位置都可。图43是本发明实施例24的激光加工装置的加工头纵断面模式图。本实施例中，主助燃气体喷嘴1和辅助助燃气体喷嘴2采用分体式。在辅助助燃气体喷嘴2的内壁上具有将主助燃气体喷嘴定位、固定的定位固定结构，本例中是凸台22。因此，各喷嘴可以离合，例如，可以任意选择组合小孔面积、数量等条件不同的助燃气体供给口。可根据材料的性质、板厚等，选择主助燃气体喷嘴1和辅助助燃气体喷嘴2的恰当流量及流量比。
上述实施例中说明了二重结构喷嘴的情况，同样对于多重环形喷嘴也可以将各喷嘴分离，在各喷嘴的内壁设置定位、固定其内侧喷嘴的定位固定部。此外，被定位、固定的喷嘴的外侧喷嘴的内壁上的定位固定中不是凸台结构，而采用如纵剖面模式图44A所示的台阶或纵剖面模式图44B所示的锥形也可。图45是本实施例25的激光加工装置的加工头纵剖面模式图。本实施例中主、辅喷嘴材料不一，主喷嘴采用易加工金属(例如黄铜)，最外围的辅助助燃气体喷嘴2由高融点、高硬度的金属构成。本例中，喷嘴外周处在切断时产生的高温氧化物或溶化金属飞溅时，不易受到溅射的损伤，具有保护内喷嘴的效果，提高喷嘴寿命。
上述实施例中，就激光切断进行了说明，但对于作为激光加工装置的与切断装置具有同样构造的激光焊接，当然也有同样的效果。
此外，本发明的激光加工装置、加工头并不限于上述实施例，可以有各种构造、形态。例如，加工头中主助燃气体喷嘴喷出口及辅助助燃气体喷嘴喷出口的位置相同、设有涡流形成手段，或设有涡流形成手段和静压变换手段都可，都能起到同样的效果。根据被加工物(材料种类、板厚)、打孔、切断等加工条件、加工用途，使用上述的由各种手段构成的各种构成的加工头及加工装置。
本发明由于具有上述说明的结构，故可取得下述效果。
本发明设有调整辅助助燃气体喷出口的流速分布的调整手段。例如，能使加工方向的前方和后方的气体的流速分布、流量变化，所以，可根据加工方向有效地供给气体。
本发明至少在辅助助燃气体喷嘴内部设有多个给辅助助燃气体喷嘴供气的气体供给口，或在辅助助燃气体喷嘴内通过隔壁在径向方向上分隔出多个小空间，即通过适当地设定气体供给口的位置、个数、隔壁的尺寸、位置及个数可以任意调整辅助助燃气体喷嘴喷出口的流量分布。
而且，本发明具有对各个小空间内的供给气体流量进行个别调整的手段，所以可根据加工条件，任意地控制辅助助燃气体喷嘴的出口流量分布，有效地供给气体，提高加工速度及加工质量。
另外，本发明形成有辅助助燃气体供给口。设有与将辅助助燃气体喷咀内沿轴向隔开的环形隔壁的下侧面相接，并可以回转的、将上述气体供给口的一部分遮挡的非完整的环形平板;及与上述平板连动回动的二枚隔板，隔板安装在上述环形平板的两端，并将环状隔壁下流的辅助助燃气体喷嘴内沿径向分隔;以及驱动上述平板的驱动装置和控制驱动装置动作的控制装置。因此，可根据加工条件、任意地控制辅助助燃气体喷嘴的出口流量分布，有效供给气体;提高加工速度及加工质量。
使用上述加工头的加工装置，具有检测加工中被加工物体表面的温度、切断沟宽、火花的光量等检测手段，并根据检测手段的输出、调整上述加工头喷出的助燃气体的种类、流量或压力，故可避免加工异常。
本发明设有运转控制装置、并通过上述运转控制装置用程序控制加工头喷出的助燃气体的气体种类、流量或压力，故可以避免加工异常。
最后，本发明设有检测被加工物的板厚的板厚测定手段、并按板厚检测手段的输出由运转控制装置来控制加工头喷出助燃气体的流量或压力，所以，操作者不需要根据板厚设定流量，能提高效率，提高加工可靠性。
权利要求
1.一种激光加工装置的加工头，在有使激光束通过的加工头中，其特征在于在加工头的中央部设有供给主助燃气体的主助燃气体喷嘴；设有1个或1个以上的环绕主助燃气体喷嘴的环形的辅助助燃气体喷嘴；上述辅助助燃气体喷嘴的最内侧的喷出口的内径不能比上述主助燃气体喷嘴喷出口的直径小；喷出口的喷出气体压力及流速连续变化；而且使主助燃气流的压力变动及流速变动值较大；还有，设有调整辅助助燃气体在喷出口处的流速分布的手段。
2.如权利要求1记载的激光加工装置的加工头，其特征在于调整流速分布的手段通过在上述辅助助燃气体喷嘴内用隔壁在其径向方向分割出小空间来形成。
3.如权利要求2所述的激光加工装置的加工头，其特征在于流速分布调整手段具有单独调节供给分隔出的小空间内的供给气体流量的调整手段。
4.如权利要求2记述的激光加工装置的加工头，其特征在于调整上述流速分布的手段的构成为设有辅助助燃气体供给口;在轴向分隔辅助助燃气体喷嘴内部的环形隔壁;接在此环形隔壁的下侧面并可回转的、将上述气体供给口的一部分遮挡的非完整环形平板;装在此环形平板的两端、将上述环形隔壁的下侧的辅助助燃气体喷嘴内部沿径向隔开并与上述平板一起联动的二枚隔板;上述平板的驱动装置及使驱动装置动作的控制装置。
5.一种具有权利要求1-4任一项所述的加工头的激光加工装置，其特征在于具有检测加工中被加工物表面温度、切断沟宽、火花光量的信息检测手段;以及按上述信息检测手段的输出来调整加工头喷出的助烯气体的气体种类、流量或压力的运转控制装置。
6.一种具有权利要求1-4任一项记述的加工头的激光加工装置，其特征在于具有测定被加工物板厚的板厚测定手段;以及按此板厚测定手段的输出来调整加工头喷出的助燃气体的流量或压力的运转控制装置。
7.如权利要求5或6记述的激光加工装置，其特征在于上述运转控制装置由程序控制。
全文摘要
本发明涉及能进行稳定、高速、高质量加工的激光加工头及使用此加工头的激光加工装置。此加工头具有辅助助燃气体供给口；在轴向分隔辅助助燃气体喷嘴内部的环形隔壁；接在此环形隔壁的下侧面并可回转的、将上述气体供给口的一部分遮挡的非完整环形平板；装在此环形平板的两端，将上述环形隔壁的下侧的辅助助燃气体喷嘴内部沿径向隔开并与上述平板一起联动的二枚分隔板；上述平板的驱动机构及使驱动装置动作的控制装置。加工头的构成能调整助燃气流流速分布。
文档编号B23K26/14GK1106329SQ9411715
公开日1995年8月9日 申请日期1994年10月21日 优先权日1993年10月21日
发明者加贺邦彦, 古藤悟, 小川周治, 金冈优, 村井融 申请人:三菱电机株式会社