JP3500071B2 - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents
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Description
よってワークに加工を行うレーザ加工方法及びレーザ加
工装置に関するものである。
ザビームにより切断して、所定形状の製品を得る場合に
使用される。この切断加工に際しては、まず、ピアッシ
ングが行われる。そして、このピアッシングにより形成
された貫通孔を始点として、製品形状等の所要の軌跡を
描くように加工ヘッドが移動され、これによりワークが
所要形状に切断される。
り、ワーク表面における溶融物の盛り上がりを防止した
りするために、従来から種々の方法が提案されている。
例えば、ピアッシングを短時間に行う方法としては、次
の(1)〜(3)の方法が提案されている。
ピアッシングの開始時にノズルをワークの表面から離間
した状態で、ワークにレーザビームを照射し、ピアッシ
ングが進行するのに従って、ノズルをワークに対して徐
々に接近移動させる方法が開示されている。
は、ピアッシングの開始時にパルス発振のデュティ比を
低く設定し、ピアッシングが進行するに従って、パルス
発振のデュティ比を徐々に高くして、レーザ出力を上げ
る方法が開示されている。
は、ピアッシングに際して、ノズルをワークに対して周
期的に接離移動させる方法が開示されている。しかしな
がら、この(1)〜(3)の方法は、いずれもピアッシ
ングに際して、ワークの表面に溜まる溶融物をできるだ
け少なくするようにするとともに、ノズルから吹き出さ
れるアシストガスにより、酸化の外に溶融物の吹き飛ば
しを行わせるようにしたものである。このため、これら
の方法においては、溶融物の盛り上がりをある程度抑制
することができても、ピアッシングを短時間に行うこと
はできず、その加工に長時間を必要とした。
がりが生じるのを防止する方法としては、次の(4)〜
(7)の方法が提案されている。 (4) 特開平5−84589号公報では、切断加工の
際に、センタノズルからワークの加工部に吹き出される
アシストガスとして、高純度の酸素を使用し、加工部に
大気を巻き込まないように、かつ、流速を弱めるため
に、センタノズルとシールドノズルとの二重構造が採用
され、センタノズルから吹き出されるアシストガスの周
囲に、シールドノズルからシールドガスが吹き付けられ
るようになっている。
は、補助ノズルからの酸素圧力を高く設定して、溶融金
属を吹き飛ばす方法が開示されている。 (6) 特開平6−198485号公報には、ノズルを
二重構造とし、シールドガスの周囲から冷却ガスを噴出
させることによって、切断幅を小さくする方法が開示さ
れている。
は、いずれもノズルを二重構造として、通常の切断加工
を良好に行うことを目的としている。そして、補助アシ
ストガスに高圧の酸素や冷却した不活性ガスが使用さ
れ、溶融金属の吹き飛ばしや酸化の抑制を目的に切断の
際には連続的に吹き出しを行っている。このため、コー
ナ部の切断に差し掛かった際に、そのコーナ部に溶融物
の吹き上がりが生じるのを防止することに対しては、充
分ではなかった。すなわち、コーナ部は切断速度が遅く
なるために、単位時間当りの熱量と酸素が多過ぎて多量
の溶融物が生じる。また、不活性ガスを連続的に吹き付
けるものについては、アシストガスの酸素の純度が低下
する。
回りに盛り上がる溶融物を少なくする方法としては、次
の(7)の方法が提案されている。 (7) 特開平9−277071号公報には、ワークに
ピアッシングを行う際に、ピアッシング時のノズル動作
を単純化してピアッシング時間を短かくする加工方法
と、ワークの加工部に対し、センタノズルからアシスト
ガスを吹き付けるとともに、ブローノズルからブローガ
スを吹き付けて、アシストガスが遮断されないようにし
て溶融物を吹き飛ばす方法が開示されている。
いては、ピアッシングの開始直後または開始から所定時
間経過後に、ブローガスの吹き付けが開始され、ピアッ
シングが終了するまでの間、ブローガスが連続的に吹き
付けられる。このため、ブローガスの連続的な吹き付け
に伴ってアシストガスの流れが阻害され続け、アシスト
ガスによる酸化反応が抑制されて、加工時間を短くする
ことには効果があがらなかった。また、ブローガスが連
続的に吹き付けられる結果、加工部が過度に冷却され
て、加工が進行せず、この点からも加工時間短縮には限
界があった。
する問題点に着目してなされたものである。その目的と
するところは、加工時間を大幅に短縮できるレーザ加工
方法及び装置を提供することにある。
的を達成するために、請求項1に記載の発明では、コー
ナ部の切断加工に際して、そのコーナ加工部にブローガ
スを断続的に吹き付けるようにした。請求項2に記載の
発明では請求項1において、ノズルがコーナ部に到達し
た時にコーナ部にブローガスを吹き付けるようにした。
このためコーナ部での切断に、ブローガスの吹き付けが
効果的に作用し、溶融物の発生量を最小限に抑制でき局
部的に切断幅が大きくなることはない。
は請求項2において、ブローガスの吹き付けがアシスト
ガスの吹き付け領域の側方からアシストガスの吹き付け
方向と斜交するように行われるようにした。従って、ノ
ズル形状として従来と同一のものを使用できるため、ブ
ローガスの吹き付け用ノズルを後付けで設けることがで
き、既存のレーザ加工機でも、この発明の効果を享受で
きるようになる。
ルの外側にはワークの加工部にブローガスを吹き付ける
ためのブローノズルを配設し、そのブローノズルからの
ブローガスの吹き付けが断続的になるように制御する制
御手段を設けたものである。
有するレーザ加工装置を実現できる。
発明の第1の実施形態を、図1〜図4に基づいて説明す
る。初めに、レーザ加工装置の構成を説明する。図1に
示すように、レーザ加工装置の加工ヘッド20におい
て、レンズ11を有するホルダ12の下端にはセンタノ
ズル13が固定されており、その下端にはノズル口14
が形成されている。そして、レーザ発振器15から出力
されたレーザビームが前記レンズ11を通ってノズル口
14からワーク41に対して照射される。前記ホルダ1
2の内側にはアシストガス供給バルブ16を介してアシ
ストガス供給源17が接続されており、アシストガス供
給バルブ16の開放時に、アシストガス供給源17から
ホルダ12内にワークを酸化溶融させるための酸素より
なるアシストガスが供給され、センタノズル13のノズ
ル口14からワーク41の加工部に向かって噴出され
る。
ルダ12の下端にはブローノズル21がリング18のね
じ込みにより固定され、その下端にはノズル口22が形
成されている。ブローノズル21の内側にはブローガス
供給バルブ23を介してブローガス供給源24が接続さ
れており、ブローガス供給バルブ23の開放時に、ブロ
ーガス供給源24から窒素ガス等の不活性ガスよりなる
ブローガスが供給され、ノズル口22からワーク41の
加工部に向かって噴出される。このブローガスは、溶融
物としてのドロスを吹き飛ばすためのものである。前記
ブローノズル21のノズル口22は前記センタノズル1
3のノズル口14を中心とした同心状をなす環状に形成
されており、ブローガスがアシストガスの噴射流を包囲
するように環状に噴出される。
(中央処理装置)32、装置の動作プログラムを格納す
るROM(リードオンリメモリ)33及び一時的なデー
タを記憶するRAM(ランダムアクセスメモリ)34に
より構成されている。制御装置31にはインターフェー
ス36を介して操作部35が接続されている。また、制
御装置31には前記レーザ発振器15,アシストガス供
給源17,アシストガス供給バルブ16,ブローガス供
給源24及びブローガス供給バルブ23の外に、加工ヘ
ッド移動機構36がインターフェース37を介して接続
されている。その加工ヘッド移動機構36は前記加工ヘ
ッド20をX,Y,Zの3方向に移動させるためのもの
である。
制御装置31は加工ヘッド移動機構36を動作させて、
加工ヘッド20をX,Y,Zの3方向の少なくとも1方
向に移動させる。そして、これと同時に、制御装置31
は、前記レーザ発振器15を駆動させて、ワーク41の
加工部に対してレーザビームを照射させるとともに、ア
シストガス供給源17,アシストガス供給バルブ16,
ブローガス供給源24,ブローガス供給バルブ23の動
作をそれぞれ制御し、ワーク41の加工部に対してアシ
ストガス及びブローガスを所定のタイミングで噴出させ
る。この制御装置31の制御により後述する各種の動作
が行われる。
加工を行う場合の動作について説明する。操作部35か
らピアッシング加工開始指令が制御装置31に入力され
ると、ROM33内のプログラムに基づき、まず、セン
タノズル13及びブローノズル21のノズル口14,2
2とワーク41との間の間隔がL1となるように加工ヘ
ッド20が移動される。この状態で、図2に示される制
御手段により、図3に示すようなタイムチャートによ
り、アシストガス供給バルブ16が開放されて、アシス
トガスがセンタノズル13のノズル口14からワーク4
1の加工部に対して噴出される。次に、加工部がアシス
トガス(酸素)が充満されたところで、レーザビームが
ワーク41の加工部に対して照射され、ピアッシングが
開始される。アシストガスの吹き付けはレーザビームの
照射を開始する0.2秒以上前が最適である。
ように、ピアッシング加工が開始される。次いで、レー
ザビームの照射開始から0.4秒程度経過した後に、ブ
ローガス供給バルブ23が瞬間的に開放され、ブローガ
スがブローノズル21のノズル口22からワーク41の
加工部に対して0.2秒間噴出される。このレーザビー
ムの照射開始からブロー開始までの時間は、0.2秒〜
0.8秒程度が効果的であり、本実施形態では0.4秒
程度が最適である。また、ブローガスの噴出時間は、板
厚によっては0.1秒〜1.0秒程度であるが、本実施
形態では0.2秒程度が最適である。
分に示すように、レーザビームによって形成された加工
孔42内の溶融物としてのドロス43が吹き飛ばされ
る。このため、加工孔42内のドロス43が除去され、
加工孔42の新たな加工面が露出され、レーザビーム及
びアシストガスに曝される。また、ブローガスの瞬間的
吹き付けにより加工面が適度に冷却されるとともに、過
度な酸化が抑制され、余分なドロス43の生成が抑制さ
れる。そして、その露出された加工面に対してアシスト
ガスの噴出及びレーザビームの照射が継続され、図4の
C部分に示すように、レーザビームによるピアッシング
加工が継続される。そして、前回のブローガスの噴出開
始から0.4秒程度経過すると再びブローガス供給バル
ブ23が瞬間的に開放されてブローガスが0.2秒程度
噴出され、図4のD部分に示すように、ドロス43が吹
き飛ばされて除去される。この場合も、ブローガスの噴
出時間は0.2秒程度が最適である。
加工ヘッド20は、ノズル口14,22とワーク41と
の間の間隔が通常の加工高さL2になるまで、下降し続
ける。このため、レーザビームの焦点が加工部と常に一
致するとともに、アシストガス及びブローガスの拡散を
防止して、それらを加工面に向かって噴出させることが
できる。従って、レーザビームにより効率的な加工を行
い得るとともに、ブローガスを有効に利用できる。
残留したドロス43がアシストガスにより加工孔42の
貫通とともに、下方へ吹き飛ばされる。そして、切断加
工にに移行する場合は、加工ヘッド20は前記間隔L2
を維持した状態で、横方向へ移動する。ただし、この場
合は、ブローガスの噴出は行われない。
される間、断続的にワーク41の加工部に対してブロー
ガスが噴出され、その噴出によってドロス43が除去さ
れる。このため、ドロス43によりピアッシング加工が
阻害されることはほとんどなく、そのピアッシング加工
を効率的に行うことができ、その加工時間を大幅に短縮
することができ、さらには、加工孔42の上部の縁部に
対するドロス43の盛り上がりを防止でき、ピアッシン
グ後の加工ヘッド20の横移動が加工穴周囲の加工厚み
にドロス43の影響による変化がなく円滑に行われる。
加工においては、加工ヘッド20は前記間隔L2を維持
しながら移動する。そして、この場合、センタノズル2
2がコーナ部45に達したときにセンタノズル13がコ
ーナ部45に到達した時点から0.2秒〜0.8秒毎に
前記と同様なタイミング及び噴出時間でブローガスが断
続的に加工部に対して吹き付けられる。従って、ドロス
43が多く発生するコーナ部45の切断において、その
切断を短時間で効率的、かつ高精度に行い得るばかりで
なく、切断形成された溝の上部側の縁部にドロス43が
盛り上がるのを未然に防止できる。従って、ドロス43
により加工ヘッド20の移動に支障をきたしたりするこ
となく、コーナ部であっても加工ヘッド20を円滑に移
動できる。
する。 (1)ブローガスが加工部に対して断続的に吹き付けら
れることにより、加工部のドロス43が除去され、レー
ザビーム及びアシストガスにより常に新しい加工面に対
してレーザ加工が施されることになる。また、ブローガ
スの断続的吹き付けにより、加工部が適度に冷却され、
余分なドロス43の生成が抑制される。しかも、ブロー
ガスの吹き付けが断続的で、短時間であるため、アシス
トガスにより酸化作用はほとんど阻害されない。従っ
て、従来実現が困難であったピアッシングを極めて短時
間に効率的に行うことができる。
ク41として鉄板を用い、レーザ出力を3KW、アシスト
ガスの噴出圧力を2.0kg/cm2 、ブローガスの噴出圧力
を5.0kg/cm2に設定し、前述の最適タイミングでピア
ッシング加工を行った結果を示す。この結果から明らか
なように、従来加工方法に比べピアッシングに要する時
間を大幅に短縮することが可能になった。
ドロス43の量が少なくなり、言い換えれば必要以上に
ワークが溶融される量が少なくなって、細密な穿孔ある
いは切断が可能になり、高精度加工を達成できる。ま
た、ドロス43が吹き飛ばされるため、加工部の上部に
ドロス43が盛り上がることを防止でき、加工ヘッド2
0の切断のための移動が支障なく行われる。
であり、例えば12mmの鋼板に穴明け部が100個あ
るワークの場合、従来に比べピアッシング時間だけで1
枚当たり15分の加工時間の短縮が可能となる。 (2)アシストガスの吹き付けがレーザビームの照射開
始に先だって行われるため、レーザビームの照射開始時
には加工部が確実にアシストガスの酸素の雰囲気になっ
ている。従って、レーザ加工をその加工開始から効率的
に行うことができる。 (3)レーザビームの照射開始から、予め定められた時
間だけ断続的にブローガスの吹き付けが行われるため、
言い換えれば、ブローガスの噴出が瞬間的に一定間隔で
行われるため、アシストガスによる酸化の促進が損なわ
れることなく効率的にレーザビームがワーク面に照射さ
れ、ドロス43は発生されると直ちにそれが除去され
る。 (4)ブローガスの圧力がアシストガスの圧力よりも高
く設定されているため、ドロス43はアシストガスに阻
害されることなくブローガスにより確実に飛散されて除
去される。この場合、ブローガスにより瞬間的にアシス
トガスが拡散されるが、その時間が短いため、レーザ加
工に悪影響を与えることはない。 (5)センタノズル13及びブローノズル21がレーザ
加工の進行に伴ってワーク41に対して接近移動するた
め、常にレーザビームの焦点を加工部に位置させること
ができるとともに、加工面におけるアシストガスの圧力
を一定に維持でき、効率的なレーザ加工を行うことがで
きる。 (6)ブローガスの吹き付けがアシストガス流を中心と
した環状領域から行われるため、ドロス43がどの位置
にあっても、そのドロス43を確実に吹き飛ばすことが
できる。
実施形態を図5に基づいて説明する。この第2実施形態
においては、ブローノズル21がセンタノズル13の側
方に位置するように、ホルダ12に対して支持されてい
る。そして、ブローノズル21のノズル口22は、ブロ
ーガス流がアシストガス流に対して斜交するように斜め
方向を向いて加工部を指向している。
ローノズル21をそれを有しないホルダ11に対して容
易に取り付けることができ、前述した各種の効果を得る
ことができる。
化しても良い。 (1)アシストガスの吹き付け開始からレーザービーム
の照射開始までの遅延時間、同じくアシストガスの吹き
付け開始からブローガス吹き付け開始までの遅延時間、
あるいはブローガスの吹き付け間隔や吹き付け時間等
を、ワーク41の材質や板厚などに応じて適宜に変更す
ること。 (2)前記第2実施形態においてブローノズル21を複
数個用いること。 (3)ピアッシング加工、コーナ部の切断以外のレーザ
加工においても、前記実施形態のように、ブローガスの
断続的吹き付けを行うこと。 (4)前記実施形態では、レーザ加工が進行するのにと
もない、加工ヘッド20を徐々に下降させたが、ピアッ
シングを高い位置のまま行い、ピアッシング終了すると
ノズルを加工高さに下降してから通常の加工を開始する
こと。 (5)前記実施形態では、ブローガスを等間隔で断続的
に吹き付けを行ったが板厚が厚くなるに従って穴底が深
くなるのでブローガスの吹き付け間隔を長くしたり又は
ブローガスの吹き付け時間を長くしたりすること。 (6)前記実施形態ではブローガスの吹き付けをブロー
ガス供給バルブにより行ったが、ブローノズルを揺動式
にして、瞬間的に加工部にブローノズルを向けてブロー
ガスを吹き付けるようにしたりすること。
断面図。
図。
イミングを示すタイムチャート。
す説明図。
断面図。
平面図。
シストガス供給バルブ、20…加工ヘッド、21…ブロ
ーノズル、23…ブローガス供給バルブ、31…制御装
置、41…ワーク。42…加工孔、43…ドロス。
Claims (4)
- 【請求項1】 ワークにアシストガスを連続的に吹き付
けながら、レーザビームによってワークに対して切断加
工を行うレーザ加工方法において、コーナ部の切断加工
に際して、そのコーナ加工部にブローガスを断続的に吹
き付けるレーザ加工方法。 - 【請求項2】 請求項1において、コーナ部の加工に際
して、ノズルがコーナ部に到達した時にコーナ部にブロ
ーガスを吹き付けるレーザ加工方法。 - 【請求項3】 請求項1又は請求項2において、ブロー
ガスの吹き付けがアシストガスの吹き付け領域の側方か
らアシストガスの吹き付け方向と斜交するように行われ
るレーザ加工方法。 - 【請求項4】 センタノズルからワークにアシストガス
を連続的に吹き付けながら、レーザビームによって加工
を行うレーザ加工装置において、前記センタノズルの外
側にはワークの加工部にブローガスを吹き付けるための
ブローノズルを配設し、そのブローノズルからのブロー
ガスの吹き付けが断続的になるように制御する制御手段
を設け、請求項1〜3のいずれかに記載の動作を行わせ
るようにしたレーザ加工装置。
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Publications (2)
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