JP5868559B1 - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

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Abstract

ワーク(W)の上面から中央部に至る非貫通のピアシング穴を形成する第1ピアシング工程と、ワーク(W)を冷却する冷却工程と、ピアシング穴をワークの下面まで貫通させる第2ピアシング工程と、ワークを切断する切断工程とを有するレーザ加工方法であって、第2ピアシング工程では、レーザビームの出力を第1の出力値よりも小さい第2の出力値にし、焦点位置を第1のインフォーカス位置にし、焦点深度を第1の深度よりも大きい第2の深度にし、サイドガスブロー圧を第1の圧力値よりも小さい第2の圧力値にした状態から、レーザビーム(L)の出力を第1の出力値よりも小さく第2の出力値よりも大きい第3の出力値にし、焦点位置を第1のインフォーカス位置よりもインフォーカス量が大きい第2のインフォーカス位置にし、焦点深度を第2の深度よりも大きい第3の深度にした状態まで変化させつつレーザビーム(L)をワーク(W)に照射してピアシング加工を行うことで、ビーム照射時のセルフバーニングを抑制し、ピアシング加工に必要な時間の短縮を図る。

Description

本発明は、ピアシング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。
従来、レーザ加工でワークを切断するに当たっては、切断の開始に先立ってワークの切断開始点に貫通穴を形成する手法が用いられている。この貫通穴はピアシング穴と称されており、ピアシング穴を形成する加工はピアシング加工と称されている。
特許文献1には、第1の条件にてワークにビームを照射する第1の工程と、一旦ビーム照射を停止する第2の工程と、第2の条件にて再度ビームを照射する第3の工程とによりピアシング加工を行うことにより、ピアンシング加工中における酸化燃焼反応を抑制し、飛散する溶融金属量を低減させ、短時間でピアシング穴を形成するレーザ加工方法が開示されている。
特開2007−75878号公報
しかしながら、上記特許文献1に開示されるレーザ加工方法は、第1の工程及び第3の工程でのビーム照射時のセルフバーニングを抑制する手法を開示していない。このため、照射するビーム出力に関して上限が発生するため、ピアシング加工の時間の短縮効果は限定的であるのが現状である。
さらに、特許文献1に開示されるレーザ加工方法は、第3の工程において、ピアシング加工中の溶融金属の排出が難しくなることに加え、ピアシング加工の加工点高さが時間経過とともに変化する。したがって、第3の工程のピアシング効率は第1の工程よりも低く、必要な加工時間は長くなるが、特許文献1に開示されるレーザ加工方法ではこの解決手段が提供されていない。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ビーム照射時のセルフバーニングを抑制し、ピアシング加工に必要な時間の短縮を図れるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ワークにレーザビームを照射してピアシング穴を形成し、ピアシング穴を加工開始点にしてワークを切断するレーザ加工方法であって、ワークの上面から中央部に至る非貫通のピアシング穴を形成する第1ピアシング工程と、ワークを冷却する冷却工程と、ピアシング穴をワークの下面まで貫通させる第2ピアシング工程と、ワークを切断する切断工程とを有し、第1ピアシング工程では、レーザビームの出力を第1の出力値にし、レーザビームの焦点位置をデフォーカス位置にし、レーザビームの焦点深度を第1の深度にし、加工点に供給するサイドガスの圧力であるサイドガスブロー圧を第1の圧力値にしてレーザビームをワークに照射してピアシング加工を行い、冷却工程では、レーザビームを停止させ、サイドガスブロー圧を第1の圧力値に維持してワークを冷却し、第2ピアシング工程では、レーザビームの出力を第1の出力値よりも小さい第2の出力値にし、焦点位置を第1のインフォーカス位置にし、焦点深度を第1の深度よりも大きい第2の深度にし、サイドガスブロー圧を第1の圧力値よりも小さい第2の圧力値にした状態から、レーザビームの出力を第1の出力値よりも小さく第2の出力値よりも大きい第3の出力値にし、焦点位置を第1のインフォーカス位置よりもインフォーカス量が大きい第2のインフォーカス位置にし、焦点深度を第2の深度よりも大きい第3の深度にした状態まで変化させながらレーザビームをワークに照射してピアシング加工を行うことを特徴とする。
本発明にかかるレーザ加工方法及びレーザ加工装置は、ビーム照射時のセルフバーニングを抑制し、ピアシング加工に必要な時間の短縮を図れるという効果を奏する。
本発明の実施の形態1にかかるレーザ加工方法を実行するレーザ加工装置を示す装置構成図 実施の形態1にかかるレーザ加工装置の動作の流れを示すフローチャート 実施の形態1にかかるレーザ加工装置のピアシング加工中の加工ヘッドの位置及びレーザプロファイルの変化を示す図 実施の形態1にかかるレーザ加工装置のピアシング加工中の加工パラメータの変化を示す図 実施の形態1にかかるレーザ加工装置の変形構成例を示す図 本発明の実施の形態2にかかるレーザ加工方法を実行するレーザ加工装置の装置構成図 実施の形態2にかかるレーザ加工装置の動作の流れを示すフローチャート 本発明の実施の形態3にかかるレーザ加工方法を実行するレーザ加工装置の装置構成図 実施の形態3にかかるレーザ加工装置の加工パラメータ調整用関数の補正処理の流れを示すフローチャート 本発明の実施の形態4にかかるレーザ加工方法を実行するレーザ加工装置の装置構成図 実施の形態4にかかるレーザ加工装置の動作の流れを示すフローチャート
以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかるレーザ加工方法を実行するレーザ加工装置を示す装置構成図である。レーザ加工装置100は、ワークWにレーザビームLを照射してピアシング穴hを形成し、ピアシング穴hを加工開始点にしてワークWを切断する装置である。レーザ加工装置100は、レーザビームLを発振するレーザ発振器1、レーザ発振器1から入射するレーザビームLのビーム径を変化させることによりレーザビームLの焦点深度を変更する曲率可変光学部品2、ワークWに対してレーザビームLを照射しアシストガスAを噴射する加工ヘッド3、加工ヘッド3にアシストガスAを供給するアシストガス供給装置6、ワークWの加工点へ向けてサイドガスSを噴射するサイドガスノズル7、サイドガスノズル7にサイドガスSを供給し、ワークWの加工点にサイドガスノズル7から噴射するサイドガスSの圧力であるサイドガスブロー圧を変更可能なサイドガス供給装置8、加工ヘッド3とワークWとの間隔を制御するギャップコントローラ11、XYZの各軸のサーボモータを制御するサーボ制御回路12、数値制御プログラムを実行してレーザビームLの出力と、レーザビームLの焦点深度と、レーザビームLの焦点位置と、ワークWからの加工ヘッド3の高さである加工ヘッド高さと、加工点に供給するサイドガスSの圧力であるサイドガスブロー圧とを制御する制御手段である数値制御装置13及びレーザ発振器1を制御するレーザ発振制御回路14を有する。なお、曲率可変光学部品2の一例を挙げると可変ミラーである。また、焦点深度とはレーザ光を集光した際にできるスポット径が光学的に同じ径であると見なされる範囲を表し、「レイリーの範囲」と称されている定義ではスポット半径の2√2倍の径に拡がるまでの範囲である。
加工ヘッド3は、曲率可変光学部品2から入射したレーザビームLを集光するレンズ4、レンズ4を光軸方向に移動させるレンズ駆動モータ4a及びレンズ4から出射したレーザビームLが出力されるとともにアシストガス供給装置6から供給されるアシストガスAをワークWの加工点に噴射するノズル5を有する。ノズル5には、ノズル5とワークWとの距離を検出するギャップセンサ5aが設けられている。レンズ4は、加工ヘッド3の内部に設けられており、曲率可変光学部品2から出射したレーザビームLの焦点位置を加工ヘッド高さとは独立して変更する。
レーザ発振器1から出射されたレーザビームLは、予め定められた光路に曲率可変光学部品2によって導かれ、加工ヘッド3に入射される。加工ヘッド3内には、レーザビームLを集光するためのレンズ4が設けられている。レーザビームLは、レンズ4で集光され、加工ヘッド3の先端に設けられたノズル5よりワークWに向けて照射される。なお、レーザ発振器1から出射されたレーザビームLをファイバ伝送するようにしても良い。この場合には曲率可変光学部品2には、透過光の焦点深度を変更可能な光学部品を用いる。
レーザ発振器1の出力の増減並びにオン及びオフは、加工プログラムが入力された数値制御装置13からの指令値に基づき、レーザ発振制御回路14により制御される。ワークWは、加工テーブル20の載置面20a上に載置されており、加工テーブル20と加工ヘッド3とは、駆動源であるX軸サーボモータ21x、Y軸サーボモータ21y及びZ軸サーボモータ21zにより、X軸方向、Y軸方向及びZ軸方向に相対的に移動して、加工プログラムに従った加工が行われる。なお、以下の説明においては、X軸サーボモータ21x、Y軸サーボモータ21y及びZ軸サーボモータ21zにより加工ヘッド3が移動するものとするが、加工テーブル20を移動させてもよいし、加工ヘッド3及び加工テーブル20の両方を移動させてもよい。X軸サーボモータ21x、Y軸サーボモータ21y及びZ軸サーボモータ21zは、加工プログラムが入力された数値制御装置13からの指令値に基づき、サーボ制御回路12により制御される。なお、Z軸方向は、加工テーブル20の載置面20aに対して垂直な方向であり、X軸方向及びY軸方向は、加工テーブル20の載置面20aと平行な方向である。
また、ギャップセンサ5aにより検出された情報はギャップコントローラ11に送られ、ギャップコントローラ11は、数値制御装置13からの指令値と測定値とを比較し、補正指令をサーボ制御回路12に送り、加工ヘッド3とワークWとの距離を常に指令値に一致させる。なお、ギャップセンサ5aは、ノズル5とは別個に設けられていても良い。
また、数値制御装置13からの指令値により、アシストガス供給装置6はアシストガスAを、加工ヘッド3内に供給する。供給されたアシストガスAは、ノズル5先端よりレーザビームLと同軸上に噴出されて、ワークWの溶融促進及び溶融金属の除去に使用される。
サイドガス供給装置8は、数値制御装置13からの指令値により、サイドガスSをサイドノズル7に供給する。サイドガスSの一例を挙げると、空気である。供給されたサイドガスSは、サイドノズル7よりワークW上のピアシング穴h周辺に噴射されて、ピアシング穴h周囲のスパッタの除去及び冷却並びに酸素濃度の制御に使用される。サイドノズル7は加工ヘッド3に固定されており、加工ヘッド3とともに上下動する。
実施の形態1にかかるレーザ加工装置100は、ピアシング加工を、ワークWの上面から中央部に至る非貫通のピアシング穴hを形成する第1ピアシング工程と、ワークWを冷却する冷却工程と、ピアシング穴hをワークWの下面まで貫通させる第2ピアシング工程とに分けて行う。さらに、実施の形態1にかかるレーザ加工装置100は、第2ピアシング工程を2工程に分けて行う。従って、実施の形態1にかかるレーザ加工装置は、ピアシング加工を四つの工程に分けて行う。
図2は、実施の形態1にかかるレーザ加工装置がピアシング加工及び切断加工を行う場合の動作の流れを示すフローチャートである。実施の形態1にかかるレーザ加工装置100は、ステップS01の第1の工程からステップS04の第4の工程までのピアシング加工によりワークWにピアシング穴hを形成したのち、ステップS05の切断工程で、定められた切断条件でレーザビームLをワークWに照射して切断加工を行う。
実施の形態1では、加工パラメータが工程ごとに制御されてセルフバーニングの抑制とピアシング効率の向上とが図られる。ここでの加工パラメータは、レーザ出力、ビームプロファイル、加工ヘッド高さ及びサイドガスブロー圧である。ビームプロファイルは、焦点位置及び焦点深度を含む。
まず、ピアシング加工の四つの工程の概略について説明する。
第1の工程は、ワークWの上部側をピアシングする第1ピアシング工程である。第1の工程では、短時間でワークWの中央部までピアシングを行うことを目的にして、高出力のレーザビームLをワークWに照射する。第1の工程では、高出力のレーザビームLによるセルフバーニングの発生を抑制するためにサイドガスノズル7から大流量のサイドガスSを噴射し、高温のスパッタをピアシング穴h内から排出することを促進するとともに、加工点の酸素純度を低減する。なお、サイドガスノズル7から噴射するサイドガスSの流量は、サイドガス供給装置8がサイドガスノズル7に供給するサイドガスSの圧力を変更することによって間接的に制御され、サイドノズルブロー圧が高圧であるほど流量が大きくなる。スパッタとは、レーザ加工により溶融した金属である。第1の工程では、本工程及び後述する第3の工程以降のスパッタ排出を容易にするために、スポット径の大きいビームを照射して広穴を形成する。すなわち、レンズ4に入射するレーザビームLのビーム径を曲率可変光学部品2によって小さくして焦点深度を小さくするとともに、Z軸サーボモータ21zにより加工ヘッド3が第1の加工ヘッド高さに配置される。また、第1の工程では、レンズ駆動モータ4aによりレンズ4を光軸に沿って移動させ、焦点位置をデフォーカス位置に位置させる。
なお、デフォーカス位置とは、加工面よりも光源に近い位置に焦点が位置する状態である。インフォーカス位置とは、加工面よりも光源から離れた位置に焦点が位置する状態である。ジャストフォーカス位置とは、加工面に焦点が位置する状態である。デフォーカス位置にある焦点とジャストフォーカス位置との距離をデフォーカス量という。また、インフォーカス位置にある焦点とジャストフォーカス位置との距離をインフォーカス量という。
第2の工程は、冷却工程である。第2ピアシング工程の準備工程となる第2の工程では、レーザビームLの照射を停止し、酸化反応を遮断する。第1の工程後、ピアシング穴hの内部は一部スパッタが堆積しているため、大流量のサイドガスSの噴射により、高温のスパッタを排出する。また、大流量のサイドガスSによる冷却と母材の熱拡散とによる自然冷却によって、高温で一部溶融状態にあるピアシング穴hを凝固させる。
第3の工程は、第2ピアシング工程の前半であり、ワークWの中央部をピアシングする。第3の工程では、第2の工程で停止したピアシングを再開する。第3の工程では、第1の工程で形成されたピアシング穴hの内部に効率良くレーザビームLを照射するために、焦点深度が第1の工程よりも大きくされるとともに、焦点位置がインフォーカス位置とされる。また、第3の工程では、パルス波のレーザビームLが用いられる。パルス波のレーザビームLを低平均出力かつ高ピーク出力とすることにより、高効率のピアシング加工を行えるとともに、ワークWに過大な熱が吸収されることによるセルフバーニングを抑制する。また、第3の工程におけるパルス波のレーザビームLはピアシング穴hからのスパッタの排出を促し、ピアシング加工の効率をさらに高める。加工点へのアシストガスAの供給を確保しつつ、材料温度上昇抑制とピアシング穴h周辺にスパッタが堆積することを防止するために、第3の工程では、第1の工程及び第2の工程よりも低流量のサイドガスSが加工点に向けて噴射される。
なお、焦点深度が大きいほど加工点に効率良くビームを照射することが可能であるが、第3の工程においてピアシング穴hが小さくなりすぎると、後述する第4の工程でのピアシング効率が低下する。このため、第3の工程において、焦点深度は、第1の工程での焦点深度と、後述する第4の工程での焦点深度との間の大きさにしている。
第4の工程は、第2ピアシング工程の後半であり、ワークWの底部がピアシングされる。第4の工程では、第1から第3の工程で加工されたピアシング穴hの内部のワークW底部に効率良くレーザビームLを照射するために、焦点深度を第3の工程よりも大きくするとともに、インフォーカス量を第3の工程よりも大きくしてレーザビームLを照射する。第4の工程で使用されるレーザビームLは、第3の工程と同様に、高ピークのパルス波によって発生させたビームである。第4の工程では、第3の工程よりもピアシング穴hの深い位置にレーザビームLを照射するため、レーザビームLの平均出力は第3の工程よりも高くされる。第4の工程では、第3の工程と同様に、加工点へのアシストガスAの供給を確保しつつ、ワークWの温度上昇抑制及びピアシング穴h周辺にスパッタが堆積することを防止するために、第1の工程及び第2の工程よりも低流量のサイドガスSが加工点に向けて噴射される。
図3は、実施の形態1にかかるレーザ加工装置のピアシング加工中の加工ヘッドの位置及びレーザプロファイルの変化を示す図である。図4は、実施の形態1にかかるレーザ加工装置のピアシング加工中の加工パラメータの変化を示す図である。図3及び図4を参照しつつ、四つの工程について詳細に説明する。なお、図4中では、第1の工程をt1、第2の工程をt2、第3の工程をt3、第4の工程をt4と表記している。
まず、第1の工程について説明する。第1の工程では、加工の難易度が低いワークWの上部側にターゲットを絞り、短時間でワークWの中央部まで一気にピアシングを行う。第1の工程では、第3の工程以降のピアシングの効率を高めるために、第3の工程以降で形成されるピアシング穴hよりも大径の穴が形成される。
第1の工程において、数値制御装置13は、レーザ発振制御回路14に指令を送り、レーザ発振器1を第1の出力値で発振させる。一例を挙げると、第1の出力値は最大出力値である。ただし、第1の出力値は、最大出力値に限定されることはない。また、数値制御装置13は、曲率可変光学部品2を制御して加工ヘッド3のレンズ4へ入射するレーザビームLのビーム径を制御し、焦点深度を第1の深度とする。数値制御装置13は、サーボ制御回路12に指令を送り、加工ヘッド3を移動させて、加工ヘッド高さを第1の高さとする。数値制御装置13は、レンズ駆動モータ4aに指令を送り、レンズ4を光軸に沿って移動させて焦点位置をデフォーカス位置とする。
数値制御装置13は、サイドガス供給装置8に指令を送り、サイドガスノズル7から噴射するサイドガスSのサイドガスブロー圧を、レーザビームLの出力に応じて定まる第1の圧力値に制御することにより、高出力ビームによるセルフバーニングを抑制する高圧のサイドガスSを加工点に噴射し、高温のスパッタを瞬時に排出するとともに、加工点の酸素純度を低減する。第1の出力値をレーザ発振器の最大出力に設定することで第1の工程のピアシング効率を最大限に高められるため、サイドガスブロー圧は最大出力に応じた圧力に設定される。なお、レーザビームLの出力に比してサイドガスブロー圧が高すぎると、加工点への酸素供給が妨げられるとともに、スパッタがピアシング穴hから巻き上げられ、サイドガスSによって除去されにくくなる。
次に、第2の工程において、数値制御装置13は、レーザ発振制御回路14に指令を送り、レーザビームLの照射を停止させる。また、数値制御装置13は、サイドガスブロー圧及び加工ヘッド高さを、第1の工程と同じ第1の圧力値及び第1の高さに維持する。第2の工程においてはレーザビームLを照射しないが、第1の工程で生じた酸化燃焼反応はすぐに止まらないため、サイドガスSを継続して高圧で噴射し、高温のスパッタをピアシング穴hから排出するとともに加工点の酸素純度を低減して酸化反応を遮断する。また、溶融スパッタの排出効率を上げるためには、加工ヘッド3とワークWの上面とには十分な大きさのクリアランスを確保する必要があるため、第2の工程においても第1の高さを維持する。第2の工程において、加工ヘッド高さを第1の高さに維持することにより、溶融スパッタの排出効率を上げることができる。第2の工程の加工ヘッド高さを第1の高さ以上に設定し、溶融スパッタの排出効率をさらに高められることは言うまでも無い。このように、第2の工程においては、加工ヘッド3がワークWに近づき過ぎて溶融スパッタの排出効率が低下しないように加工ヘッド3を適正な位置にコントロールする。
さらに、数値制御装置13は、曲率可変光学部品2に指令を送ってレーザビームLのビーム径を変え、焦点深度を第1の深度よりも大きい第2の深度に変更する。また、数値制御装置13は、レンズ駆動モータ4aに指令を送ってレンズ4を移動させ、焦点位置を第1のインフォーカス位置に変更する。焦点位置及び焦点深度の変更は、第3の工程の準備のための動作であるが、第2の工程では、レーザビームLを照射しないため、焦点深度及び焦点位置の変更による影響は生じない。第2の工程の間に、焦点位置をデフォーカス位置から第1のインフォーカス位置に変更し、焦点深度を第1の深度から第2の深度に変更することにより、第2の工程が終了してから第3の工程を開始するまでの時間を短縮することができる。
次に、第3の工程において、数値制御装置13は、レーザ発振制御回路14に指令を送り、レーザ発振器1を第1の出力値のパルス波で発振させる。第1の工程で形成したピアシング穴hの底部を加工する第3の工程では、ピアシング穴hからスパッタを排出することが困難になるため、レーザ出力が高いと加工ワークWに吸収される熱が過大となり、セルフバーニングが発生する。パルス波のレーザビームLをレーザ発振器1から発振させ、低平均出力かつ高ピーク出力とすることにより、高効率のピアシング加工を行うとともに、ワークWに過大な熱が吸収されることを防ぎ、セルフバーニングを抑制する。
また、第3の工程において、数値制御装置13は、サーボ制御回路12に指令を送り、加工ヘッド3を移動させて、加工ヘッド高さを第1の高さよりも低い第2の高さとする。これにより、ピアシング穴hの底部でのアシストガスAを純度高く供給する。数値制御装置13は、サイドガス供給装置8に指令を送り、サイドガスノズル7から噴射するサイドガスSのサイドガスブロー圧を第1の圧力よりも低圧の第2の圧力に変化させる。これにより、サイドガスノズル7からは、第1の工程よりも低流量である第2の流量でサイドガスSが加工点へ噴射される。また、数値制御装置13は、焦点位置及び焦点深度を、第1のインフォーカス位置及び第2の深度に維持する。
第4の工程において、数値制御装置13は、レーザ発振制御回路14に指令を送り、レーザ発振器1を第1の出力値のパルス波で発振させる。数値制御装置13は、曲率可変光学部品2に指令を送り、焦点深度を第2の深度よりも大きい第3の深度に変更する。また、数値制御装置13は、レンズ駆動モータ4aに指令を送り、焦点位置を第2のインフォーカス位置に変更する。また、数値制御装置13は、サイドガスブロー圧及び加工ヘッド高さを、第3の工程と同じ第2の圧力値及び第2の高さに維持する。
図5は、実施の形態1にかかるレーザ加工装置の変形構成例を示す図である。変形構成例にかかるレーザ加工装置101は、図1に示した構成に加え、ワークWの加工点にスパッタ付着防止剤Oを噴射するスパッタ付着防止剤ノズル9、スパッタ付着防止剤ノズル9にスパッタ付着防止剤を供給するスパッタ付着防止剤供給装置10をさらに備えている。
スパッタ付着防止剤供給装置10は、数値制御装置13からの指令値によりスパッタ付着防止剤Oをスパッタ付着防止剤ノズル9に供給する。ここで、スパッタ付着防止剤Oとは、ワークWへのスパッタの固着を防止するための、離型剤又は油分を成分とするものである。スパって付着防止剤ノズル9に供給されたスパッタ付着防止剤Oは、スパッタ付着防止剤ノズル9からワークW上のピアシング穴h周辺に噴射されて、ピアシング穴h周囲のスパッタ固着の防止に使用される。
スパッタ付着防止剤ノズル9は、スパッタ付着防止剤Oがノズル5に付着しないように、加工ヘッド3とは独立して固定されている。そして、スパッタ付着防止剤Oが噴射されるときは、加工ヘッド3は退避位置まで上昇している。
スパッタ付着防止剤ノズル9及びスパッタ付着防止剤供給装置10を備えた構成においては、第2の工程の終了後にサイドガスブローを一旦停止した上で加工ヘッド3を待避位置まで上昇させて、スパッタ付着防止剤Oを加工点へ供給する。このような動作により、ワークWへのスパッタの固着を抑制できる。
上記の説明では、第2ピアシング工程を2工程に分けて行う例について説明したが、第2ピアシング工程は、3工程以上に分けて行われてもよい。なお、第2ピアシング工程中にレーザビームLの出力、焦点深度及び焦点位置と、加工ヘッド高さと、サイドガスブロー圧とを連続して変化させるようにしてもよいが、段階的に変化させる方が制御は容易である。
実施の形態1にかかるレーザ加工装置100は、第1ピアシング工程及び第2ピアシング工程中に、サイドガスブローを加工点に供給するため、サイドガスブロー無しではセルフバーニングが発生する出力までレーザの出力を高めてもセルフバーニングの発生を抑制できる。実施の形態1にかかるレーザ加工装置100は、高出力のレーザビームLでピアシング加工を行うことにより、サイドガスブロー無しでもセルフバーニングが発生しないレーザ出力でピアシング加工を行う場合と比較してピアシング加工に必要な時間を短縮することができる。
また、実施の形態1にかかるレーザ加工装置100は、第2ピアシング工程中に、レーザビームLの出力を第1の出力値よりも小さい第2の出力値にし、焦点位置を第1のインフォーカス位置にし、焦点深度を第1の深度よりも大きい第2の深度にし、サイドガスブロー圧を第1の圧力値よりも小さい第2の圧力値にした状態から、レーザビームLの出力を第1の出力値よりも小さく第2の出力値よりも大きい第3の出力値にし、焦点位置を第1のインフォーカス位置よりもインフォーカス量が大きい第2のインフォーカス位置にし、焦点深度を第2の深度よりも大きい第3の深度にした状態まで変化させる。これにより、実施の形態1にかかるレーザ加工装置100は、ピアシング加工効率を高めることができ、ピアシング穴hの貫通に要する時間の短縮化を図ることができる。
実施の形態2.
図6は、本発明の実施の形態2にかかるレーザ加工方法を実行するレーザ加工装置の装置構成図である。実施の形態2に係るレーザ加工装置102は、温度センサ15をさらに有する点で実施の形態1にかかるレーザ加工装置100と相違する。温度センサ15は、加工点の周囲のワークWの温度を測定するセンサである。実施の形態2にかかるレーザ加工装置102は、温度センサ15以外の構成要素は実施の形態1にかかるレーザ加工装置100と同様である。
実施の形態2においては、数値制御装置13は、加工パラメータの各成分について、ワークWの温度と調整量との関係を示す関数である加工パラメータ調整用関数を保持しており、温度センサ15の測定結果を加工パラメータ調整用関数に代入することにより、加工パラメータの調整量を算出する。加工パラメータ調整用関数は、基準温度における加工パラメータの値を基準値とし、基準温度とワークWの温度との温度差に応じて加工パラメータの基準値から増減させる調整量を関数として定義したものである。加工パラメータ調整用関数は、実際にピアシング加工を行った結果に基づいて求められる。数値制御装置13は、加工パラメータ調整用関数を用いて調整した加工パラメータを用いてレーザ加工を行う。
図7は、実施の形態2にかかるレーザ加工装置のピアシング加工の動作の流れを示すフローチャートである。第1ピアシング工程、第2ピアシング工程及び切断工程でのレーザ照射に先立って、ワークWの温度が温度センサ15で測定される。すなわち、ステップS01の第1の工程、ステップS03の第3の工程、ステップS04の第4の工程及びステップS05の切断工程に先立って、ステップS11からS14でワークWの温度が温度センサ15により測定される。そして、ステップS01の第1の工程では、ステップS11での温度センサ15の測定結果に基づいて、加工パラメータが調整された上で加工が行われる。ステップS03の第3の工程では、ステップS12での温度センサ15の測定結果に基づいて加工パラメータが調整された上で加工が行われる。ステップS04の第4の工程では、ステップS13での温度センサ15の測定結果に基づいて加工パラメータが調整された上で加工が行われる。ステップS05の切断工程では、ステップS14での温度センサ15の測定結果に基づいて加工パラメータが調整された上でレーザ加工が行われる。
なお、ステップS01の第1の工程、ステップS03の第3の工程、ステップS04の第4の工程及びステップS05の切断工程で用いられる加工パラメータ調整用関数は、同じであっても良いし、異なっていても良い。
セルフバーニングの発生確率は、ワークWの組成の個体差、ワークWの表面酸化皮膜状態の個体差及びワークWの余熱状態によって異なるが、実施の形態2では、ワークWの温度を温度センサ15で測定して加工パラメータを調整する。このため、実施の形態2は、セルフバーニングの発生を抑え、かつピアシング時間の増大を抑える効果が、実施の形態1と比較して高くなる。すなわち、実施の形態2は、実施の形態1と比較して、セルフバーニングの発生を防止する効果は同様でありながら、ピアシング加工時間をさらに短縮することが可能となる。
実施の形態3.
図8は、本発明の実施の形態3にかかるレーザ加工方法を実行するレーザ加工装置の装置構成図である。実施の形態3に係るレーザ加工装置103は、光センサ16をさらに有する点で実施の形態2と相違する。光センサ16は加工点の光強度を検出するセンサである。数値制御装置13は、光センサ16の検出した光強度に基づいて、セルフバーニングの発生及びピアシング穴hの貫通時間を検知可能である。実施の形態3にかかるレーザ加工装置103は、光センサ16以外の構成要素は、実施の形態2にかかるレーザ加工装置102と同様である。
セルフバーニングの発生確率とピアシング穴hの貫通時間とはトレードオフの関係にある。従って、セルフバーニングの発生確率が低くなるように加工パラメータが設定されるとピアシング穴hの貫通時間が長くなり、ピアシング穴hの貫通時間が短くなるように加工パラメータが設定されるとセルフバーニングの発生確率が高くなる。
実施の形態3では、セルフバーニングが発生した場合には、貫通時間が長くなるがセルフバーニングの発生確率が低くなるように加工パラメータを補正し、セルフバーニングが発生せずにピアシング穴hが貫通した場合には、より短時間でピアシング穴hを貫通できるように加工パラメータを補正できるようにするために、数値制御装置13は、光センサ16の検出結果に基づいて加工パラメータ調整用関数を補正する。すなわち、セルフバーニングが発生した場合には、数値制御装置13は、加工パラメータが時間増加側に変更されるように加工パラメータ調整用関数を補正し、セルフバーニングが発生せずにピアシング穴hが貫通した場合には、加工パラメータが時間短縮側に変更されるように加工パラメータ調整用関数を補正する。
具体的には、実施の形態3にかかるレーザ加工装置103は、光センサ16によって検知したセルフバーニングの発生及びピアシング穴hの貫通時間に基づいて、加工パラメータ調整用関数を補正する。図9は、実施の形態3にかかるレーザ加工装置の加工パラメータ調整用関数の補正処理の流れを示すフローチャートである。加工パラメータ調整用関数の補正は、ピアシング加工を行うたびに数値制御装置13が実行する。
ステップS51において、数値制御装置13は、光センサ16の測定結果を取り込む。ステップS52において、数値制御装置13は、バーニング検知信号があったか否かを、光センサ16の測定結果に基づいて判断する。バーニング検知信号があれば(ステップS52:Yes)、ステップS56に進み、数値制御装置13は、加工パラメータ調整用関数を時間増加側に補正し、補正後の関数を登録して時間短縮側上限とする。ステップS56の後、数値制御装置13は処理を終了する。
バーニング検知信号がなければ(ステップS52:No)、ステップS53において数値制御装置13は、ピアシング穴hの貫通時間が前回のピアシング加工での貫通時間よりも短いか否かを判断する。ピアシング穴hの貫通時間が前回のピアシング加工での貫通時間よりも短ければ(ステップS53:Yes)、数値制御装置13は処理を終了する。ピアシング穴hの貫通時間が前回のピアシング加工での貫通時間以上であれば(ステップS53:No)、ステップS54において数値制御装置13は、現在の加工パラメータ調整用関数が時間短縮側上限となっているか否かを判断する。現在の加工パラメータ調整用関数が時間短縮側上限となっていれば(ステップS54:Yes)、数値制御装置13は処理を終了する。現在の加工パラメータ調整用関数が時間短縮側上限となっていなければ(ステップS54:No)、ステップS55において数値制御装置13は、加工パラメータ調整用関数を時間短縮側に補正する。ステップS55の後、数値制御装置13は処理を終了する。
加工パラメータ調整用関数は、材料規格ごとに求めることが望ましいが、上述のように加工パラメータ調整用関数は、ピアシング加工を実際に行った結果に基づいて求められる。したがって、加工対象となり得る全ての材料規格に関して加工パラメータ調整用関数を求め、それらを数値制御装置13に記憶させておくことは労力を伴う。実施の形態3にかかるレーザ加工装置103は、セルフバーニングの発生及びピアシング穴hの貫通時間を光センサ16で検知し、光センサ16の検知結果に基づいて加工パラメータ調整用関数を補正する。このため、実施の形態3にかかるレーザ加工装置103は、代表的な材料規格の加工パラメータ調整用関数を類似規格の材料の加工パラメータの調整に用いることができるため、加工パラメータ調整用関数を作成し、数値制御装置13に記憶させる労力を軽減できる。
また、実施の形態3にかかるレーザ加工装置103は、同一規格の材料の加工においても、材料組成の個体差、表面酸化皮膜状態の個体差、ワークWの余熱状態の変化によるセルフバーニングの発生確率の上昇を抑えることができる。
実施の形態4.
図10は、本発明の実施の形態4にかかるレーザ加工方法を実行するレーザ加工装置の装置構成図である。実施の形態4に係るレーザ加工装置104は、冷却用流体噴射ノズル17をさらに有する点で実施の形態3と相違する。冷却用流体噴射ノズル17はワークWの加工点付近に向けて冷却用流体を噴射するノズルである。冷却用流体の一例には、水を挙げることができる。実施の形態4にかかるレーザ加工装置104の冷却用流体噴射ノズル17以外の構成要素は、実施の形態3と同様である。
図11は、実施の形態4にかかるレーザ加工装置の動作の流れを示すフローチャートである。第1ピアシング工程の直前、冷却工程の直前及び切断工程の直前に、冷却用流体噴射ノズル17からワークWへ冷却用流体を吹き付ける。すなわち、ステップS01の第1の工程、ステップS02の第2の工程及びステップS05の切断工程の直前に、ステップS21からS23で冷却用流体噴射ノズル17からワークWへ冷却用流体を吹き付ける。
ステップS21からS23でワークWへ冷却用流体を吹き付けることにより、ワークWの温度が低下する。したがって、冷却用流体を吹き付けない場合と比較して、セルフバーニングの発生確率を低減し、加工の安定化を図ることができる。
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
1 レーザ発振器、2 曲率可変光学部品、3 加工ヘッド、4 レンズ、4a レンズ駆動モータ、5 ノズル、5a ギャップセンサ、6 アシストガス供給装置、7 サイドガスノズル、8 サイドガス供給装置、9 スパッタ付着防止剤ノズル、10 スパッタ付着防止剤供給装置、11 ギャップコントローラ、12 サーボ制御回路、13 数値制御装置、14 レーザ発振制御回路、15 温度センサ、16 光センサ、17 冷却用流体噴射ノズル、20 加工テーブル、20a 載置面、21x X軸サーボモータ、21y Y軸サーボモータ、21z Z軸サーボモータ、100,101,102,103,104 レーザ加工装置。

Claims (11)

  1. ワークにレーザビームを照射してピアシング穴を形成し、該ピアシング穴を加工開始点にして前記ワークを切断するレーザ加工方法であって、
    前記ワークの上面から中央部に至る非貫通の前記ピアシング穴を形成する第1ピアシング工程と、前記ワークを冷却する冷却工程と、前記ピアシング穴を前記ワークの下面まで貫通させる第2ピアシング工程と、前記ワークを切断する切断工程とを有し、
    前記第1ピアシング工程では、前記レーザビームの出力を第1の出力値にし、前記レーザビームの焦点位置をデフォーカス位置にし、前記レーザビームの焦点深度を第1の深度にし、加工点に供給するサイドガスの圧力であるサイドガスブロー圧を第1の圧力値にして前記レーザビームを前記ワークに照射してピアシング加工を行い
    記第2ピアシング工程では、前記レーザビームの出力を前記第1の出力値よりも小さい第2の出力値にし、前記焦点位置を第1のインフォーカス位置にし、前記焦点深度を前記第1の深度よりも大きい第2の深度にし、前記サイドガスブロー圧を前記第1の圧力値よりも小さい第2の圧力値にした状態から、前記レーザビームの出力を前記第1の出力値よりも小さく前記第2の出力値よりも大きい第3の出力値にし、前記焦点位置を前記第1のインフォーカス位置よりもインフォーカス量が大きい第2のインフォーカス位置にし、前記焦点深度を前記第2の深度よりも大きい第3の深度にした状態まで変化させながら前記レーザビームを前記ワークに照射してピアシング加工を行うことを特徴とするレーザ加工方法。
  2. 前記第1ピアシング工程では、前記レーザビームを前記ワークへ照射する加工ヘッドの前記ワークからの高さである加工ヘッド高さを第1の高さにし、
    前記冷却工程では、前記加工ヘッド高さを前記第1の高さに維持し、
    前記第2ピアシング工程では、前記加工ヘッド高さを前記第1の高さよりも低い第2の高さにす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. 前記冷却工程の実行中に、前記焦点位置を前記デフォーカス位置から前記第1のインフォーカス位置に変更し、前記焦点深度を前記第1の深度から前記第2の深度に変更することを特徴とする請求項2に記載のレーザ加工方法。
  4. 前記第2ピアシング工程において、前記レーザビームの出力、前記焦点位置及び前記焦点深度を段階的に変化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。
  5. 前記第1ピアシング工程、前記第2ピアシング工程及び前記切断工程の各々に先立って前記ワークの温度を測定し、測定した前記ワークの温度に基づいて、前記第1ピアシング工程、前記第2ピアシング工程及び前記切断工程における前記レーザビームの出力、前記焦点位置、前記焦点深度及び前記サイドガスブロー圧を加工パラメータ調整用関数によって調整して加工を行うことを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工方法。
  6. 前記第1ピアシング工程及び前記第2ピアシング工程中のセルフバーニングの発生と、加工開始から前記ピアシング穴が貫通するまでに要した貫通時間とを検出し、
    前記セルフバーニングの発生を検出したときに前記加工パラメータ調整用関数を時間増加側へ補正し、
    前記セルフバーニングの発生を非検出で前記貫通時間が前回よりも長い場合には、前記加工パラメータ調整用関数を時間短縮側へ補正することを特徴とする請求項5に記載のレーザ加工方法。
  7. 前記第1ピアシング工程、前記第2ピアシング工程及び前記切断工程の各々に先立って、前記ワークに冷却用流体を吹き付けることを特徴とする請求項5又は6に記載のレーザ加工方法。
  8. ワークにレーザビームを照射してピアシング穴を形成し、該ピアシング穴を加工開始点にして前記ワークを切断するレーザ加工装置であって、
    前記レーザビームを発振するレーザ発振器と、
    前記レーザビームの焦点深度を変更する曲率可変光学部品と、
    前記ワークからの高さである加工ヘッド高さが可変であり、前記ワークに向けて前記レーザビームを照射する加工ヘッドと、
    前記加工ヘッドの内部に設けられ、前記曲率可変光学部品から出射した前記レーザビームの焦点位置を前記加工ヘッド高さとは独立して変更するレンズと、
    前記ワークの加工点に噴射するサイドガスの圧力であるサイドガスブロー圧を変更可能なサイドガス供給装置と、
    前記レーザビームの出力と、前記焦点深度と、前記焦点位置と、前記加工ヘッド高さと、前記サイドガスブロー圧とを制御する制御手段とを備え、
    前記制御手段は、
    前記ワークの上面から中央部に至る非貫通の前記ピアシング穴を形成する第1ピアシング工程では、前記レーザビームの出力を第1の出力値にし、前記焦点位置をデフォーカス位置にし、前記焦点深度を第1の深度にし、前記サイドガスブロー圧を第1の圧力値にして前記レーザビームを前記ワークに照射してピアシング加工を行い
    記ピアシング穴を前記ワークの下面まで貫通させる第2ピアシング工程では、前記レーザビームの出力を前記第1の出力値よりも小さい第2の出力値にし、前記焦点位置を第1のインフォーカス位置にし、前記焦点深度を前記第1の深度よりも大きい第2の深度にし、前記サイドガスブロー圧を前記第1の圧力値よりも小さい第2の圧力値にした状態から、前記レーザビームの出力を前記第1の出力値よりも小さく前記第2の出力値よりも大きい第3の出力値にし、前記焦点位置を前記第1のインフォーカス位置よりもインフォーカス量が大きい第2のインフォーカス位置にし、前記焦点深度を前記第2の深度よりも大きい第3の深度にした状態まで変化させながらピアシング加工を行うことを特徴とするレーザ加工装置。
  9. 前記ワークの温度を測定する温度センサをさらに有し、
    前記制御手段は、前記第1ピアシング工程、前記第2ピアシング工程及び前記切断を行う切断工程に先立って前記ワークの温度を前記温度センサにより測定し、測定した前記ワークの温度に基づいて、前記第1ピアシング工程、前記第2ピアシング工程及び前記切断工程における前記レーザビームの出力、前記焦点位置、前記焦点深度及び前記サイドガスブロー圧を加工パラメータ調整用関数によって調整してレーザ加工を行うことを特徴とする請求項8に記載のレーザ加工装置。
  10. 前記第1ピアシング工程及び前記第2ピアシング工程中のセルフバーニングの発生と、加工開始から前記ピアシング穴が貫通するまでに要した貫通時間とを検出する光センサをさらに有し、
    前記制御手段は、前記セルフバーニングの発生を検出したときに前記加工パラメータ調整用関数を時間増加側へ補正し、
    前記セルフバーニングの発生を非検出で前記貫通時間が前回よりも長い場合には、前記加工パラメータ調整用関数を時間短縮側へ補正することを特徴とする請求項9に記載のレーザ加工装置。
  11. 前記ワークに冷却用流体を吹き付ける手段をさらに有し、
    前記制御手段は、前記第1ピアシング工程、前記第2ピアシング工程及び前記切断工程に先立って、前記ワークに前記冷却用流体を吹き付けることを特徴とする請求項9又は10に記載のレーザ加工装置。
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