特開 2022-180750 ノズルチップ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022180750

(43)【公開日】2022-12-07

(54)【発明の名称】ノズルチップ

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/14 20140101AFI20221130BHJP

   B23K 26/342 20140101ALI20221130BHJP

【ＦＩ】

B23K26/14

B23K26/342

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021087417

(22)【出願日】2021-05-25

(71)【出願人】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】特許業務法人 有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】坂根 雄斗

(72)【発明者】

【氏名】藤田 大河

(72)【発明者】

【氏名】久保 大智

(72)【発明者】

【氏名】寺岡 諒祐

(72)【発明者】

【氏名】堀内 悠平

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168BA32

4E168EA24

4E168FA01

4E168FB01

(57)【要約】

【課題】チップ本体とカバーとの間に形成されるシールドガス用通路内でのシールドガスの流れを整流とすることができるノズルチップを提供する。
【解決手段】ノズルチップ３は、チップ本体３０と、チップ本体３０に重ね合わされるカバー６を含む。チップ本体３０は、レーザービーム１０を保護ガスと共に放出するための中央穴７と、金属パウダーをキャリアガスと共に放出するための少なくとも１つのパウダー用通路を有する。チップ本体３０とカバー６との間には、シールドガスを放出するための環状のシールドガス用通路９が形成されている。カバー６におけるチップ本体３０との接触面には、シールドガス用通路９を取り巻くシールドガス用環状溝６２が形成されている。カバー６には、シールドガス用環状溝６２とシールドガス用通路９とを仕切る隔壁６３が設けられており、この隔壁６３には周方向に分布する複数の開口が設けられている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＬＭＤノズルの先端に取り付けられるノズルチップであって、
前記ＬＭＤノズルから放出されるレーザービームを保護ガスと共に放出するための中央穴、および前記中央穴の回りで金属パウダーをキャリアガスと共に放出するための少なくとも１つのパウダー用通路を有するチップ本体と、
前記チップ本体に重ね合わされる、前記チップ本体との間に、前記少なくとも１つのパウダー用通路の回りでシールドガスを放出するための環状のシールドガス用通路を形成するカバーと、を備え、
前記カバーにおける前記チップ本体との接触面には、前記シールドガスが導入される、前記シールドガス用通路を取り巻くシールドガス用環状溝が形成されており、
前記カバーには、前記シールドガス用環状溝と前記シールドガス用通路とを仕切る隔壁が設けられており、この隔壁には周方向に分布する複数の開口が設けられている、ノズルチップ。

【請求項2】

前記チップ本体は、前記ＬＭＤノズルと当接する第１部品と、前記第１部品に重ね合わされる、前記第１部品と共に前記中央穴を構成する第２部品を含む、請求項１に記載のノズルチップ。

【請求項3】

前記カバーには、前記シールドガス用環状溝から径方向外向きに延びるシールドガス導入溝が形成されており、
前記複数の開口の１つは前記シールドガス導入溝の延長線上に位置しており、
前記カバーには、前記シールドガス導入溝と前記１つの開口との間に邪魔板が設けられている、請求項１または２に記載のノズルチップ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＬＭＤ（Laser Metal Deposition）ノズルの先端に取り付けられるノズルチップに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、ワーク上にレーザービームを照射するとともにその照射位置に金属パウダーを供給して肉盛溶接を行うＬＭＤ装置が知られている。ＬＭＤ装置は、レーザービームを放出するＬＭＤノズルと、ＬＭＤノズルの先端に取り付けられるノズルチップを含む。

【0003】

例えば、特許文献１には、図１０に示すようなノズルチップ１００が開示されている。このノズルチップ１００は、レーザービームを保護ガスと共に放出するための中央穴１１０と、中央穴１１０の回りで金属パウダーを放出するための４つのパウダー用通路１２０（図１０では、そのうちの２つを図示）を有する。

【0004】

パウダー用通路１２０は、中央穴１１０の周囲に９０度の等角度間隔で配置されている。一般的に、金属パウダーは、キャリアガスと共に放出される。なお、複数のパウダー用通路１２０に代えて、中央穴１１０を取り巻く環状のパウダー用通路を採用することも可能である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】国際公開第２０１０／１４２２８３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ＬＭＤ装置を用いて肉盛溶接を行う際は、溶融池に向かってシールドガスを放出することも行われる。シールドガスは、ノズルチップとは別に設けられるシールドガス専用ノズルから放出されてもよい。あるいは、ノズルチップを、レーザービーム用の中央穴および少なくとも１つのパウダー用通路を有するチップ本体と、チップ本体を覆うカバーとで構成し、チップ本体とカバーとの間に環状のシールドガス用通路を形成することも可能である。

【0007】

しかしながら、チップ本体とカバーとの間にシールドガス用通路を形成した場合には、シールドガスがシールドガス用通路内で偏って流れたり、シールドガス用通路内の乱流によりシールドガス用通路の先端から逆流したりすることがある。

【0008】

そこで、本発明は、チップ本体とカバーとの間に形成されるシールドガス用通路内でのシールドガスの流れを整流とすることができるノズルチップを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

前記課題を解決するために、本発明のノズルチップは、ＬＭＤノズルの先端に取り付けられるノズルチップであって、前記ＬＭＤノズルから放出されるレーザービームを保護ガスと共に放出するための中央穴、および前記中央穴の回りで金属パウダーをキャリアガスと共に放出するための少なくとも１つのパウダー用通路を有するチップ本体と、前記チップ本体に重ね合わされる、前記チップ本体との間に、前記少なくとも１つのパウダー用通路の回りでシールドガスを放出するための環状のシールドガス用通路を形成するカバーと、を備え、前記カバーにおける前記チップ本体との接触面には、前記シールドガスが導入される、前記シールドガス用通路を取り巻くシールドガス用環状溝が形成されており、前記カバーには、前記シールドガス用環状溝と前記シールドガス用通路とを仕切る隔壁が設けられており、この隔壁には周方向に分布する複数の開口が設けられている、ことを特徴とする。

【0010】

上記の構成によれば、カバーにおけるチップ本体との接触面にシールドガス用通路を取り巻くシールドガス用環状溝が形成され、このシールドガス用環状溝とシールドガス用通路とを仕切る隔壁に周方向に分布する複数の開口が設けられているので、シールドガス用通路内でのシールドガスの流れを整流とすることができる。これにより、シールドガスの逆流などを防止することができる。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、チップ本体とカバーとの間に形成されるシールドガス用通路内でのシールドガスの流れを整流とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態に係るノズルチップおよびＬＭＤノズルの断面図である。

【図2】図１のII－II線に沿った断面図である。

【図3】図２のIII－III線に沿った断面図である。

【図4】図２のIV－IV線に沿った断面図である。

【図5】前記実施形態におけるチップ本体の第１部品の斜視図である。

【図6】別の形状の第１部品の斜視図である。

【図7】前記実施形態におけるカバーの斜視図である。

【図8】変形例のノズルチップの断面図である。

【図9】別の変形例のノズルチップの断面図である。

【図10】従来のノズルチップの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

図１～４に、本発明の一実施形態に係るノズルチップ３を含むＬＭＤ装置を示す。このＬＭＤ装置は、図略のワーク上にレーザービーム１０を照射するとともにその照射位置に金属パウダーを供給して肉盛溶接を行うものである。

【0014】

具体的に、ＬＭＤ装置は、レーザービーム１０を出射するレーザー発振器を含む装置本体（図示せず）と、その装置本体から延びる棒状のＬＭＤノズル２と、ＬＭＤノズル２の先端に取り付けられたノズルチップ３を含む。ＬＭＤノズル２は、中空のノズル本体２１を含む。

【0015】

本実施形態では、ノズル本体２１の先端に開口２１ａが設けられており、その開口２１ａが保護ガラス２３で閉塞されている。保護ガラス２３は、サポート２４を介してノズル本体２１に取り付けられている。ノズルチップ３は、保護ガラス２３を覆うようにＬＭＤノズル２に取り付けられている。

【0016】

ノズル本体２１内には、保護ガラス２３と対応する位置に反射ミラー２２が配置されている。ＬＭＤノズル２は、レーザー発振器から出射されたレーザービーム１０を反射ミラー２２で反射することで保護ガラス２３を透過して放出する。

【0017】

ただし、ＬＭＤノズル２は、必ずしも内部でレーザービーム１０の光路を屈曲させる必要はなく、レーザー発振器の光軸方向に沿ってレーザービーム１０を真っ直ぐに放出してもよい。また、ＬＭＤノズル２は保護ガラス２３を含まなくてもよい。

【0018】

ノズルチップ３は、レーザービーム１０用の中央穴７および４つのパウダー用通路８（図２および図３参照）を有するチップ本体３０と、チップ本体３０に重ね合わされるカバー６を含む。中央穴７は、レーザービーム１０を保護ガスと共に放出するためのものであり、パウダー用通路８は、中央穴７の回りで金属パウダーをキャリアガスと共に放出するためのものである。チップ本体３０とカバー６との間には、パウダー用通路８の回りでシールドガスを放出するための環状のシールドガス用通路９が形成されている。

【0019】

保護ガス、キャリアガスおよびシールドガスは、全てが同じガスであってもよいし、そのうちの１つまたは全てが異なるガスであってもよい。例えば、保護ガス、キャリアガスおよびシールドガスの少なくとも１つはアルゴンガスである。

【0020】

本実施形態では、チップ本体３０が、ＬＭＤノズル２のノズル本体２１と当接する板状の第１部品４と、第１部品４に重ね合わされる第２部品５を含む。中央穴７およびパウダー用通路８は第１部品４および第２部品５に形成されている。つまり、第２部品５は、第１部品４と共に中央穴７およびパウダー用通路８を構成する。カバー６は、第２部品５に重ね合わされる。

【0021】

なお、図示は省略するが、ノズル本体２１と第１部品４との間、第１部品４と第２部品５との間、および第２部品５とカバー６との間には、シール性を確保するためのシール材（例えば、Ｏリング）が挟持されてもよい。

【0022】

第２部品５は、第１部品４と平行な板状部５１と、板状部５１から中央穴７に沿って第1部品４と反対向きに突出する突出部５２を含む。突出部５２は、先端に向かって縮径する外周面を有する。一方、カバー６は、突出部５２が挿入される収容穴６ａを有し、この収容穴６ａの内周面は、突出部５２の突出方向に向かって縮径している。この収容穴６ａの内周面と突出部５２の外周面との間にシールドガス用通路９が形成されている。

【0023】

中央穴７内では、保護ガスが保護ガラス２３から離れる方向に流れる。中央穴7は、保護ガラス２３側の基端から中間位置７０までの近位部７１と、中間位置７０から先端までの遠位部７２を含む。レーザービームの焦点１１は、遠位部７２内に位置する。

【0024】

近位部７１は保護ガラス２３から離れるにつれて縮径する逆円錐状である。一方、遠位部７２における少なくとも一部は保護ガラス２３から離れるにつれて拡径する円錐状である。円錐状のテーパー角度は、遠位部７２の内周面からの保護ガスの剥離が生じない程度に設定される（例えば、１０度以下）。

【0025】

本実施形態では、遠位部７２が、近位部７１に近い領域で円柱状であり、先端に近い領域で円錐状である。ただし、図８に示す変形例のノズルチップ３Ａのように、遠位部７２は全長に亘って円錐状であってみもよい。あるいは、図９に示す別の変形例のノズルチップ３Ｂのように、中央穴７の遠位部７２の全体が円柱状であってもよい。

【0026】

例えば、中央穴７の中間位置７０での直径は、中央穴７への保護ガスの供給流量が２．５×１０^-4ｍ³／ｓのときに、当該中間位置７０での流速が１０～１５ｍ／ｓとなるように設定される。ただし、中央穴７は必ずしも中間位置７０で最小径となる必要はなく、図示は省略するが中央穴７の全体が逆円錐状であってもよい。

【0027】

図１～４に戻って、中央穴７には、ＬＭＤノズル２から保護ガスが供給される。図５に示すように、第１部品４におけるノズル本体２１との接触面には、中央穴７を取り巻く保護ガス用環状溝４２が形成されているとともに、保護ガス用環状溝４２から径方向外向きに延びる保護ガス導入溝４１が形成されている。

【0028】

一方、ノズル本体２１には、図１に示すように保護ガス導入溝４１と連通する保護ガス供給路２５が形成されている。この保護ガス供給路２５から保護ガス導入溝４１を通じて保護ガス用環状溝４２へ保護ガスが導入される。

【0029】

図５に示すように、第１部品４には、保護ガス用環状溝４２と中央穴７とを仕切る隔壁４４が設けられている。また、第１部品４には、保護ガス用環状溝４２と中央穴７とを連通する複数の連通穴４３が中央穴７の回りに等角度間隔で設けられている。各連通穴４３は、保護ガス用環状溝４２から中央穴７に向かって保護ガラス２３から離れる方向に傾斜している。このため、保護ガスを連通穴４３から中央穴７の先端に向かう方向に噴射することができる。

【0030】

４つのパウダー用通路８は、図２に示すように、中央穴７の周囲に９０度の等角度間隔で配置されている。なお、パウダー用通路８の先端が中央穴７の先端の周囲に９０度の等角度間隔で位置する限り、パウダー用通路８の延在方向は適宜変更可能である。

【0031】

ただし、パウダー用通路８の数は、当該パウダー用通路８の先端が中央穴７の先端の周囲に等角度間隔で位置する限り特に限定されるものではない。あるいは、複数のパウダー用通路８に代えて、中央穴７を取り巻く環状のパウダー用通路８が採用されてもよい。

【0032】

各パウダー用通路８には、ＬＭＤノズル２から金属パウダーおよびキャリアガスが供給される。図５に示すように、各パウダー用通路８の基端は、第１部品４におけるノズル本体２１との接触面に開口している。一方、ノズル本体２１には、図３に示すように４つのパウダー用通路８と連通するパウダー供給路２６が形成されている。このパウダー供給路２６から各パウダー用通路８へ金属パウダーおよびキャリアガスが導入される。

【0033】

シールドガス用通路９には、ＬＭＤノズル２からシールドガスが供給される。図７に示すように、カバー６における第２部品５との接触面には、シールドガス用通路９（すなわち、上述した収容穴６ａ）を取り巻くシールドガス用環状溝６２が形成されているとともに、シールドガス用環状溝６２から径方向外向きに延びるシールドガス導入溝６１が形成されている。また、第２部品５および第１部品４には、図４に示すように、シールドガス導入溝６１の外側端部と対応する位置に、第２部品５および第１部品４を貫通する貫通穴９１が設けられている。

【0034】

一方、ノズル本体２１には、貫通穴９１と連通するシールドガス供給路２７が形成されている。このシールドガス供給路２７から貫通穴９１およびシールドガス導入溝６１を通じてシールドガス用環状溝６２へシールドガスが導入される。

【0035】

図７に示すように、カバー６には、シールドガス用環状溝６２とシールドガス用通路９とを仕切る環状の隔壁６３が設けられている。この隔壁６３には、周方向に分布する複数の開口６４が設けられている。換言すれば、隔壁６３は、複数の円弧状のピースに分割されている。図例では、開口６４の数が５つであるが、開口６４の数は、４つ以下であっても、６つ以上であってもよい。

【0036】

シールドガス用通路９を中心とする周方向において、各開口６４の幅は、隔壁６３を構成するピースのそれぞれの幅よりも短いことが望ましい。

【0037】

本実施形態では、１つの開口６４が、シールドガス導入溝６１の延長線上に位置している。このため、カバー６には、その開口６４とシールドガス用環状溝６２との間であって、シールドガス用環状溝６２とシールドガス導入溝６１の仮想境界線（シールドガス用環状溝６２の外側壁面の延長線）上に邪魔板６５が設けられている。

【0038】

以上説明したように、本実施形態のノズルチップ３では、カバー６におけるチップ本体３０との接触面にシールドガス用通路９を取り巻くシールドガス用環状溝６２が形成され、このシールドガス用環状溝６２とシールドガス用通路９とを仕切る隔壁６３に周方向に分布する複数の開口６４が設けられているので、シールドガス用通路９内でのシールドガスの流れを整流とすることができる。これにより、シールドガスの逆流などを防止することができる。

【0039】

また、本実施形態では、シールドガス導入溝６１の延長線上に位置する開口６４とシールドガス導入溝６１との間に邪魔板６５が設けられているので、シールドガス導入溝６１から開口６４へシールドガスが直接流れることを抑制することができるとともに、シールドガス導入溝６１からのシールドガスの流れを邪魔板６５によって互いに逆向きの周方向流れに分けることができる。

【0040】

（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

【0041】

例えば、図５に示す第１部品４に代えて、図６に示す第１部品４Ａを採用することも可能である。この第１部品４Ａでは、当該第１部品４Ａにおけるノズル本体２１との接触面に形成された保護ガス導入溝４１が中央穴７から径方向に延びている。この場合、保護ガスが中央穴７内で旋回流を形成したり、中央穴７内の乱流により中央穴７の先端から逆流したりすることがある。

【0042】

これに対し、図５に示すように中央穴７を取り巻く保護ガス用環状溝４２、保護ガス用環状溝４２と中央穴７との間の隔壁４４、および保護ガス用環状溝４２と中央穴７とを連通する連通穴４３を有する第１部品４であれば、中央穴７内での保護ガスの流れが整流となるため、保護ガスの逆流などを防止することができる。

【0043】

（まとめ）
本発明のノズルチップは、ＬＭＤノズルの先端に取り付けられるノズルチップであって、前記ＬＭＤノズルから放出されるレーザービームを保護ガスと共に放出するための中央穴、および前記中央穴の回りで金属パウダーをキャリアガスと共に放出するための少なくとも１つのパウダー用通路を有するチップ本体と、前記チップ本体に重ね合わされる、前記チップ本体との間に、前記少なくとも１つのパウダー用通路の回りでシールドガスを放出するための環状のシールドガス用通路を形成するカバーと、を備え、前記カバーにおける前記チップ本体との接触面には、前記シールドガスが導入される、前記シールドガス用通路を取り巻くシールドガス用環状溝が形成されており、前記カバーには、前記シールドガス用環状溝と前記シールドガス用通路とを仕切る隔壁が設けられており、この隔壁には周方向に分布する複数の開口が設けられている、ことを特徴とする。

【0044】

上記の構成によれば、カバーにおけるチップ本体との接触面にシールドガス用通路を取り巻くシールドガス用環状溝が形成され、このシールドガス用環状溝とシールドガス用通路とを仕切る隔壁に周方向に分布する複数の開口が設けられているので、シールドガス用通路内でのシールドガスの流れを整流とすることができる。これにより、シールドガスの逆流などを防止することができる。

【0045】

例えば、前記チップ本体は、前記ＬＭＤノズルと当接する第１部品と、前記第１部品に重ね合わされる、前記第１部品と共に前記中央穴を構成する第２部品を含んでもよい。

【0046】

前記カバーには、前記シールドガス用環状溝から径方向外向きに延びるシールドガス導入溝が形成されており、前記複数の開口の１つは前記シールドガス導入溝の延長線上に位置しており、前記カバーには、前記シールドガス導入溝と前記１つの開口との間に邪魔板が設けられてもよい。この構成によれば、シールドガス用導入溝から１つの開口へシールドガスが直接流れることを抑制することができるとともに、シールドガス用導入溝からのシールドガスの流れを邪魔板によって互いに逆向きの周方向流れに分けることができる。

【符号の説明】

【0047】

１０ レーザービーム
２ ＬＭＤノズル
３，３Ａ，３Ｂ ノズルチップ
３０ チップ本体
４ 第１部品
５ 第２部品
６ カバー
６１ シールドガス導入溝
６２ シールドガス用環状溝
６３ 隔壁
６４ 開口
６５ 邪魔板
７ 中央穴
８ パウダー用通路
９ シールドガス用通路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】