JP4221540B2 - レーザ加工方法およびその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ加工方法およびその装置に関し、より詳しくは、表面を保護シートで覆った被加工物に対するレーザ加工方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、表面に保護シートを貼付した被加工物にレーザ光線を照射して、所要の形状に切断加工する方法は知られている。このような従来のレーザ加工方法においては、切断加工位置にアシストガスを噴射しながらレーザ光線を照射して被加工物を所要の形状に切断するようにしている。そのため、従来のレーザ加工方法において、保護シートが上面となるように被加工物を支持して切断加工を行うと、切断加工中に切断加工位置に吹き付けられるアシストガスによって、既に切断された位置の保護シートがはがれてめくれ上がり、それがタッチセンサに接触して切断不良が生じるという欠点が指摘されていた。
そこで、さらにこのような欠点を解消する様にしたレーザ加工方法が提案されている（例えば、特開平２−２９５６８８号公報、特開平７−２４１６８８号公報）。
すなわち、上記特開平２−２９５６８８号公報の加工方法においては、平坦面と凸面とを有する特殊な集光レンズを介してレーザ光線を被加工物に照射するようにしている。これにより、上記集光レンズの平坦面によって集光されたレーザ光線によって保護シートが溶融して蒸発し、それと同時に集光レンズの凸面によって集光されたレーザ光線によって保護シートが覆っている内方側の母材を切断加工するようにしている。
他方、特開平７−２４１６８８号公報の加工方法においては、被加工物にレーザ光線を照射して先ず保護シートを母材の表面に焼き付けて、その後の切断加工時に保護シートが剥離しないようにする。このようにして保護シートを母材の表面に焼き付けてから母材に対して出力の高いレーザ光線を照射して必要な切断加工を行うようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した前者の加工方法（特開平２−２９５６８８号公報）においては、特殊な集光レンズを備えた加工ヘッドが必要になるために、レーザ加工に要するコストが高くなるという欠点があった。
他方、上述した後者の加工方法（特開平７−２４１６８８号公報）においては、切断加工が終了した後に、当初に母材の表面に焼き付けた保護シートを引き剥す際に保護シートがはがれにくいという欠点があった。
本発明は上述した事情に鑑み、保護シートがめくれ上がることを防止しながらレーザ加工を行なうことができるレーザ加工方法およびその装置を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
すなわち請求項１に記載された発明のレーザ加工方法は、内方側に配置されてレーザ光線が通過する内側ノズルと、この内側ノズルを囲繞して設けた外側ノズルと、内側ノズルの内部空間によって形成した第１ガス通路と、内側ノズルの外周部と外側ノズルの内周部との間となる空間部に形成した第２ガス通路と、第１ガス通路および第２ガス通路にガスを供給するガス供給源とを備え、
表面に保護シートを貼付した被加工物を上記保護シートが上面となるように支持して、上記第１ガス通路および第２ガス通路を介して被加工物にガスを噴射しながら被加工物にレーザ光線を照射して、該被加工物を所要の形状に切断加工するようにしたレーザ加工方法であって、
上記第２ガス通路に供給するガスの圧力を、上記第１ガス通路に供給するガスの圧力よりも高圧として、第２ガス通路から噴射されたガスの一部が被加工物の切断溝を介して該被加工物の下方側に抜けるように、上記両ガス通路に供給するガスの圧力を調整し、
さらに上記第２ガス通路に供給したガスが第１ガス通路に逆流するような異常を検出したら、該第２ガス通路へのガスの供給を停止させることを特徴とするものである。
【０００５】
また請求項３の発明のレーザ加工装置は、内方側に配置されてレーザ光線が通過する内側ノズルと、この内側ノズルを囲繞して設けた外側ノズルと、内側ノズルの内部空間によって形成した第１ガス通路と、内側ノズルの外周部と外側ノズルの内周部との間となる空間部に形成した第２ガス通路と、この第２ガス通路に供給するガスの圧力を、上記第１ガス通路に供給するガスの圧力よりも高圧として第１ガス通路と第２ガス通路とにガスを供給することが可能なガス供給源と、さらに上記第２ガス通路に供給したガスが第１ガス通路に逆流するような異常を検出したら第２ガス通路へのガスの供給を停止させる異常検出手段とを備えることを特徴とするものである。
【０００６】
上述した本発明方法および本発明装置によれば、切断加工中において、第２ガス通路のガスの圧力は、それよりも内方側となる第１ガス通路のガスの圧力よりも高圧となる。そのため、第１ガス通路から噴射されるガスは、レーザ光線によって切断された被加工物の切断溝を通って下方に流れる。他方、第２ガス通路から噴射されるガスは、一部が内方側に流れて上記切断溝を通って下方に流れ、そのほかは外方側にむけて拡散するように流れることになる。そのため、保護シートにおける切断溝の隣接位置となる縁部が第２ガス通路から噴射されるガスによって被加工物の母材の表面に押し付けられることになる。したがって、切断加工時に切断した保護シートの縁部がめくれ上がることを防止することができる。
このように、切断が良好なときはノズルから噴射されるガスは切断溝より被加工物下部へ通過するが、放電不良やプログラムの設定ミスなどによって切断不良が発生した場合には、切断溝が成形されないことがある。この場合には、高圧に設定された第２通路からのガスが被加工物に反射されて低圧に設定された第１通路内に、すなわち内側ノズル内に侵入するようになり、その際、切断部分に発生したスパッタも上記のガスとともに内側ノズル内に侵入してしまうので、該スパッタがレーザ加工装置内の集光レンズに付着し、集光レンズを汚すという問題点が生じる。
しかるに、本発明方法においては、上記第２ガス通路に供給したガスが第１ガス通路に逆流するような異常を検出したら、該第２ガス通路へのガスの供給を停止させるので、スパッタが内側ノズル内に侵入して集光レンズに付着するのを防止することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下図示実施例について本発明を説明すると、図１において、レーザ加工装置の加工ヘッド１は図示しない可動フレームに取り付けられており、この加工ヘッド１の内部の上方側にレーザ光線Ｌを集光する集光レンズＦＬを設けている。加工ヘッド１は、鉛直下方に向けて支持されるとともに、この加工ヘッド１における下端部にノズル２を取り付けている。
上記加工ヘッド１の下方側に図示しない加工テーブルを設けてあり、この加工テーブル上に板状の被加工物３を水平に載置している。
本実施例の被加工物３は、板状をしたステンレス製の母材４と、この母材４の表面（上面）の全域に貼付したビニール製の保護シート５とから構成している。本実施例では、保護シート５が上方側となるように被加工物３を加工テーブル上に支持して、被加工物３に切断加工を施すようにしている。
レーザ加工装置は図示しないレーザ発振器を備えており、このレーザ発振器から発振されたレーザ光線Ｌは、図示しない複数の反射鏡によって加工ヘッド１に導かれた後、集光レンズＦＬによって集光されてからノズル２の下端開口を介して被加工物３に照射されるようになっている。
【０００８】
加工ヘッド１を取り付けた図示しない可動フレームは、図示しない昇降機構によって昇降可能となっており、また、この可動フレームと加工テーブルとは水平面において相対移動できるようになっている。
本実施例のノズル２は、内方側に位置する円筒状の内側ノズル２Ａと、この内側ノズル２Ａを囲繞して設けた円筒状の外側ノズル２Ｂとから構成している。
上記内側ノズル２Ａおよび外側ノズル２Ｂの下方部分は、下端側が縮径されたテーパ状に形成している。特に、外側ノズル２Ｂは内方の加工位置近傍を指向するように設置するのがよい。
内側ノズル２Ａの内部空間を第１ガス通路６としてあり、この内側ノズル２Ａと外側ノズル２Ｂとの間の環状の空間を第２ガス通路７としている。
また、レーザ加工装置は、アシストガス（窒素）のガス供給源１１を備えており、このガス供給源１１は第１導管１２を介して上記加工ヘッド１の第１ガス通路６に接続している。この第１導管１２に第１レギュレータ１３Ａと第１電磁開閉弁１３Ｂを設けてあり、この第１電磁開閉弁１３Ｂの作動は図示しない制御装置によって制御されるようになっている。
【０００９】
また、アシストガスのガス供給源１１は、第２導管１４を介して上記第２ガス通路７にも接続している。第２導管１４に第２レギュレータ１５Ａと第２電磁開閉弁１５Ｂを設けてあり、この第２電磁開閉弁１５Ｂの作動も図示しない制御装置によって制御されるようになっている。
なお、第１ガス通路６に供給するガスのガス供給源１１と第２ガス通路７に供給するガスのガス供給源１１とを別々に設けても良く、この場合、両ガス通路６、７に供給するガスの種類を異ならせても良い。
加工ヘッド１から被加工物３にレーザ光線Ｌを照射して切断加工を行う時には、制御装置が第１電磁開閉弁１３Ｂおよび第２電磁開閉弁１５Ｂを開放させるので、第１導管１２および第１ガス通路６を介して内側ノズル２Ａの下端開口から被加工物３の切断加工箇所３Ａにアシストガスが噴射される。また、これと同時に、第２導管１４および第２ガス通路７とその下端開口を介して、被加工物３における加工箇所３Ａの隣接位置にアシストガスが供給されるようになっている。なお、第１ガス通路６および第２ガス通路７に供給されるアシストガスの圧力は、上記第１レギュレータ１３Ａおよび第２レギュレータ１５Ａによりそれぞれ適宜調整することができる。
【００１０】
次に、上記第１レギュレータ１３Ａの上流側には、上記第２ガス通路７に供給したガスが第１ガス通路６に逆流するような異常な状態が生じたときにそれを検出する異常検出手段１６を設けている。本実施例における異常検出手段１６として流量計１７を用いており、該流量計１７は、第１導管１２から分岐させた分岐管１２’に取り付けてある。この流量計１７を取り付けた分岐管１２’は、また第１導管１２へと合流するようになっている。
なお、上記流量計１７からの信号は、上述した図示しない制御装置に入力されるようになっている。また流量計１７を設置する場所は、ガス供給源１１と内側ノズル２Ａの先端との間で流量を測ることができる任意の位置でよく、さらに流量計１７の種類によっては流量計１７を第１導管１２からの分岐管１２’ではなく、第１導管１２に直接設けてもよい。
【００１１】
以上の構成において、上記制御装置は切断加工を行うに際して、第２ガス通路７に供給するアシストガスの圧力を、第１ガス通路６に供給するアシストガスの圧力よりも高圧となるように、両電磁開閉弁１３Ｂ、１５Ｂを制御する。
既に上述したように、本実施例においては、保護シート５が上方となるように被加工物３を加工テーブル上に支持して所要の形状に切断加工を行うようにしている。
したがって、切断加工中においては、第１ガス通路６から噴射されるアシストガスの圧力よりも第２ガス通路７から噴射されるアシストガスのほうが高圧となっており、レーザ光線Ｌによる加工箇所（切断溝）３Ａの隣接位置となる保護シート５の縁部５Ａ、５Ａの近傍に向けて上方側から第２ガス通路７内のアシストガスが噴射されることになる。
ここで、両ガス通路６、７から加工箇所（切断溝）３Ａに噴射されるガスの流れを拡大して示したものが図２である。この図２に示すように、内側ノズル２Ａから噴射されるガスＧ１は、レーザ光線Ｌによって切断された被加工物３の加工箇所３Ａを通って下方に流れていく。他方、外側ノズル２Ｂから噴射されたガスＧ２は、内側ノズル２Ａから噴射されるガスＧ１よりも高圧なので、その一部が内方側に流れて上記加工箇所３Ａを通って下方に流れていき、そのほかは外方側にむけて拡散するように流れていく。
これにより、保護シート５の縁部５Ａ、５Ａが母材４にむけて強く押し付けられるので、縁部５Ａ，５Ａがめくれ上がることを良好に防止することができる。
【００１２】
次に図３に示すように、上述した正常なレーザ加工中に、何らかの原因で加工箇所３Ａが完全に成形されない切断不良部３Ａ’が発生した場合には、内側ノズル２Ａより噴射されたガスＧ１および外側ノズル２Ｂから噴射されたガスＧ２の一部が上記切断不良部３Ａ’によって反射されるようになる。
このとき、外側ノズル２Ｂより噴射されるガスＧ２の圧力のほうが内側ノズル２Ａより噴射されるガスＧ１の圧力に比べて高いので、外側ノズル２ＢからのガスＧ２は、ガスＧ１を押し戻して第１ガス通路６内へと侵入するようになる。
すると、ガスＧ２が第１ガス通路６内に侵入することにより、第１ガス通路６内および第１導管１２内のガスの流量は切断が良好に行われていたときに比べて減少するようになる。図示しない制御装置は、流量計１７によって第１導管１２内における流量が所定値よりも低下したことを検出したら、第１電磁開閉弁１３Ｂを閉鎖させて第２ガス通路７へのガスの供給を停止させるとともに、レーザ光線Ｌの照射を停止させる。
次に、所定の時間例えば１秒が経過したら、引き続き第２電磁開閉弁１５Ｂを閉鎖させて第１ガス通路６へのガスの供給を停止させる。このように、第１電磁開閉弁１３Ｂを閉鎖させてから第２電磁開閉弁１５Ｂを閉鎖させるのは、仮に第１電磁開閉弁１３Ｂと第２電磁開閉弁１５Ｂとを同時に閉鎖した場合には、閉鎖後の第２ガス通路７内に残存するガス圧によって、外側ノズル２Ｂから噴射されるガスが第１ガス通路６内に逆流する虞があるためである。
このように、異常検出手段１６は、切断不良部３Ａ’が発生した場合等のように第２ガス通路７に供給したガスが第１ガス通路６に逆流するような異常を検出したら、該第２ガス通路へのガスの供給を停止させるので、その逆流により切断部分に発生したスパッタが逆流するガスとともに内側ノズル２Ａ内に侵入して集光レンズＦＬを汚してしまうことを防止することができる。
【００１３】
なお、上記実施例では、内側ノズル２Ａと外側ノズル２Ｂとの間の空間の全域を第２ガス通路７としていたが、次のような構成であってもよい。つまり、図４に水平断面図で示すように、ノズル２内の下方側の位置に内側ノズル２Ａと外側ノズル２Ｂの間の空間を閉鎖するように板状部材２１を設ける。そして、この板状部材２１に、内側ノズル２Ａを囲繞して複数の貫通孔２１ａを穿設しても良い。このような実施例においても、第１ガス通路６から噴射されるアシストガスを囲繞して、被加工物３にむけて第２ガス通路７の下端部からアシストガスを噴射することができる。
また、上記実施例では、被加工物３の母材４として板状のステンレスを用いたが、母材４の表面に保護シート５を貼付した被加工物３であれば、本発明を適用して切断加工することができる。そのうえ、被加工物３に保護シート５を用いていない場合は本実施例のような設定をする必要がなく、第２ガス通路７へのガスの供給を停止するか、もしくは第２ガス通路７内のガスの圧力を第１ガス通路６のガスの圧力と同じに設定すればよい。
さらに、上述した実施例は、タッチセンサを備えていないレーザ加工装置によって本発明を実施した場合を説明したが、被加工物３の表面に接触するタッチセンサを備えたレーザ加工装置を用いても良い。
また、上記実施例においては、同一のガス供給源１１から両ガス通路６、７内に窒素を供給するようにしていたが、被加工物３の材質に応じて両ガス通路６、７内に供給するガスの種類を異ならせても良い。
【００１４】
さらに、異常検出手段１６としては流量計１７に限定されるものではなく、図１の想像線で示すように、内側ノズル２Ａ内に圧力計１８を設けてもよい。この場合には、圧力計１８は内側ノズル２Ａの先端に近接した位置に設けることが望ましい。
そして圧力計１８を用いた異常検出手段１６においては、該異常検出手段１６は第１ガス通路６内のガス圧力を検出するようになり、そのガス圧力が所定値を越えたら、第２ガス通路６へのガスの供給を停止させるようになる。
【００１５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、切断加工時に切断した保護シートの縁部がめくれ上がることを防止できるとともに、切断不良等の原因で第２ガス通路に供給したガスが第１ガス通路に逆流するような異常な状態が生じたら、異常検出手段によって第２ガス通路へのガスの供給を停止させることができるので、その逆流による集光レンズの汚染を防止することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す部分断面正面図。
【図２】上記図１の要部におけるガスの流れを示す拡大断面図。
【図３】切断不良の状態を示す部分断面正面図。
【図４】本発明の他の実施例を示すノズルの水平断面図。
【符号の説明】
１ 加工ヘッド ２ ノズル
２Ａ 内側ノズル ２Ｂ 外側ノズル
３ 被加工物 ４ 母材
５ 保護シート ６ 第１ガス通路
７ 第２ガス通路 １１ ガス供給源
１２ 第１導管 １３Ｂ 第１電磁開閉弁
１４ 第２導管 １５Ｂ 第２電磁開閉弁
１６ 異常検出手段 １７ 流量計
１８ 圧力計

Claims (6)

1. 内方側に配置されてレーザ光線が通過する内側ノズルと、この内側ノズルを囲繞して設けた外側ノズルと、内側ノズルの内部空間によって形成した第１ガス通路と、内側ノズルの外周部と外側ノズルの内周部との間となる空間部に形成した第２ガス通路と、第１ガス通路および第２ガス通路にガスを供給するガス供給源とを備え、
   表面に保護シートを貼付した被加工物を上記保護シートが上面となるように支持して、上記第１ガス通路および第２ガス通路を介して被加工物にガスを噴射しながら被加工物にレーザ光線を照射して、該被加工物を所要の形状に切断加工するようにしたレーザ加工方法であって、
   上記第２ガス通路に供給するガスの圧力を、上記第１ガス通路に供給するガスの圧力よりも高圧として、第２ガス通路から噴射されたガスの一部が被加工物の切断溝を介して該被加工物の下方側に抜けるように、上記両ガス通路に供給するガスの圧力を調整し、
   さらに上記第２ガス通路に供給したガスが第１ガス通路に逆流するような異常を検出したら、該第２ガス通路へのガスの供給を停止させることを特徴とするレーザ加工方法。
2. 上記第２ガス通路へのガスの供給を停止させるのと同時にレーザ光線の照射を停止させ、さらに一定時間経過後に第１ガス通路へのガスの供給を停止させることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 内方側に配置されてレーザ光線が通過する内側ノズルと、この内側ノズルを囲繞して設けた外側ノズルと、内側ノズルの内部空間によって形成した第１ガス通路と、内側ノズルの外周部と外側ノズルの内周部との間となる空間部に形成した第２ガス通路と、この第２ガス通路に供給するガスの圧力を、上記第１ガス通路に供給するガスの圧力よりも高圧として第１ガス通路と第２ガス通路とにガスを供給することが可能なガス供給源と、さらに上記第２ガス通路に供給したガスが第１ガス通路に逆流するような異常を検出したら第２ガス通路へのガスの供給を停止させる異常検出手段とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
4. 上記異常検出手段は上記第１ガス通路内へのガス供給量を検出し、そのガス供給量が所定値よりも低下したら、第２ガス通路へのガスの供給を停止させることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 上記異常検出手段は上記第１ガス通路内のガス圧力を検出し、そのガス圧力が所定値を越えたら、第２ガス通路へのガスの供給を停止させることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
6. 上記異常検出手段は、上記第２ガス通路へのガスの供給を停止させるのと同時にレーザ光線の照射を停止させ、さらに一定時間経過後に第１ガス通路へのガスの供給を停止させることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれかに記載のレーザ加工装置。

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