JP6123469B2 - レーザ切断材料の製造方法及びレーザ切断方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ切断材料及びレーザ切断方法に関する。

レーザ発振器の発達に伴い、レーザビームを用いて金属材料（例えば軟鋼）を所望の形状に切断するレーザ切断方法が広く用いられるようになってきている。レーザ切断方法は、後処理工程不要、自動化が可能、高速切断が可能といった様々な利点を持つことから、広く産業において、各種金属材料の切断に用いられている。

ここで、従来のレーザ切断方法、すなわち従来のレーザ切断装置が行う処理の概要について説明する。レーザ切断装置は、金属材料の表面にレーザビームを集光照射する。ここで、レーザビームは、例えばＣＯ_２レーザ発振器等から射出される。集光照射されたレーザビームは、金属材料に吸収される。金属材料は、レーザビームが有する熱エネルギーにより加熱され、溶融する。一方、レーザ切断装置は、アシストガスをレーザビームと同軸方向に吹き付ける。これにより、溶鋼はアシストガスにより金属材料の下方へと排除される。

ここで、アシストガスとしては、酸素または不活性ガス等が使用される。アシストガスとして酸素を使用した場合、金属材料は、酸素によって酸化され、これにより発生した熱エネルギーによっても溶融する。すなわち、アシストガスとして酸素を用いるレーザ切断装置は、レーザビームによる熱エネルギーと、酸素と金属材料との酸化反応により生じた熱エネルギーとを併用することで、金属材料を溶融させる。

そして、レーザ切断装置は、レーザビームの集光点を金属材料上で走査しながら上記の処理を繰り返すことで、金属材料の溶融及び排除を連続的に行う。これにより、レーザ切断装置は、金属材料の切断を行う。

このようなレーザ切断装置により金属材料のコーナ部を形成する場合、集光点の走査速度が低下する。例えばコーナ部の角度が９０度となる場合、コーナ部の頂点で集光点の移動速度が一旦ゼロとなり、その後、集光点は、コーナ部の頂点に到達するまでの経路と直交する経路上を移動する。

このため、レーザビームのコーナ部での照射時間が他の部分よりも長くなるので、レーザビーム及び金属材料の酸化反応による熱エネルギーがコーナ部で過剰になりやすい。このため、コーナ部での金属材料の溶け落ち量が他の切断箇所の溶け落ち量よりも大きくなりやすいという問題があった。

特許文献１、２には、コーナ部での溶け落ち量を低減することを目的とした技術が開示されている。特許文献１に開示された技術は、コーナ部の角度に基づいて切断条件（レーザビームの出力、レーザビームの時間周波数等）を設定し、設定された切断条件で金属材料を切断する。しかし、同一の金属材料であってもその表面状態は切断箇所によって様々である。そして、コーナ部の表面状態によっても溶け落ち量が変動する。したがって、特許文献１に開示された技術では、コーナ部の角度に応じて切断条件を設定しても、コーナ部の溶け落ち量が低減しない場合があった。

一方、特許文献２に開示された技術は、集光点が金属材料のコーナ部形成箇所に差し掛かった際に、集光点を走査線に沿って一旦バックさせることでコーナ部形成箇所を冷却する。そして、この技術は、冷却後のコーナ部形成箇所上で集光点を走査することで、コーナ部を形成する。この技術によれば、コーナ部の溶け落ち量が低減することが期待されるが、コーナ部の形成に非常に時間が掛かり、生産性が悪いという別の問題があった。

一方、特許文献３、４に開示された技術は、レーザビームの集光点を被切断材料上で振動させながら走査する。この技術によれば、被切断材料の切断面の美観が向上することが期待される。しかし、特許文献３、４は、コーナ部に何ら言及していなかった。

特開平５−２７７７７３号公報 特開平７−２３２２８９号公報 特開２００７−２１５７９号公報 特開２０１０−１６２５６１号公報

このように、従来のレーザ切断方法では、コーナ部での金属材料の溶け落ち量が他の切断箇所の溶け落ち量よりも大きくなりやすいという問題を根本的に解決することができなかった。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、コーナ部の溶け落ち量を従来よりも低減することが可能な、新規かつ改良されたレーザ切断材料及びレーザ切断方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、レーザビームの集光点を被切断材料上で走査し、被切断材料を切断することでレーザ切断材料を製造するレーザ切断材料の製造方法であって、レーザ発振器でレーザビームを生成する発振ステップと、レーザビームを被切断材料上の集光点に集光させる集光ステップと、集光点にアシストガスを吹きつけ、集光点を被切断材料上で走査する走査ステップと、走査により被切断材料を切断する切断ステップと、を有し、走査ステップでは、集光点の走査方向と直交する方向に、走査の速度に応じた時間周波数と振幅で集光点を振動させることを特徴とする、レーザ切断材料の製造方法が提供される。

ここで、集光点の振動の時間周波数をｆ（Ｈｚ）、走査の速度をｖ（ｍｍ／ｓ）、２以上６以下の係数をｃとすると、以下の式（１）が成り立ち、集光点の振動の振幅は、走査の速度をｖ（ｍｍ／ｓ）とすると、以下の式（２）のＡに基づいて決まってもよい。

本発明の他の観点によれば、レーザビームの集光点を被切断材料上で走査し、被切断材料を切断するレーザ切断方法において、レーザ発振器でレーザビームを生成する発振ステップと、レーザビームを被切断材料上の集光点に集光させる集光ステップと、集光点にアシストガスを吹きつけ、集光点を被切断材料上で走査する走査ステップと、走査により被切断材料を切断する切断ステップと、を有し、走査ステップでは、集光点の走査方向と直交する方向に、走査の速度に応じた時間周波数と振幅で集光点を振動させることを特徴とする、レーザ切断方法が提供される。

ここで、集光点の振動の時間周波数をｆ（Ｈｚ）、走査の速度をｖ（ｍｍ／ｓ）、２以上６以下の係数をｃとすると、以下の式（１）が成り立ち、集光点の振動の振幅は、走査の速度をｖ（ｍｍ／ｓ）とすると、以下の式（２）のＡに基づいて決まってもよい。

以上説明したように、本発明によるレーザ切断材料のコーナ部は、集光点を被切断材料上でトーチ部の移動方向と直交する方向に振動させずに走査することで形成されたコーナ部よりも溶け落ち量が少ない。したがって、本発明によるレーザ切断材料は、コーナ部の溶け落ち量を従来よりも低減することができる。

本発明の実施形態に係るレーザ切断装置の外観を示す斜視図である。 レーザ切断装置が備えるレーザ振動部及びトーチ部の構成を示す側断面図である。 レーザ切断装置が備える制御装置の内部構成を示すブロック図である。 コーナ部の溶け落ち量の評価方法を説明するための説明図である。 レーザ切断装置により形成された切断面を示す写真である。 レーザ切断装置により形成された切断面を示す写真である。 従来のレーザ切断方法により形成された切断面を示す写真である。 従来のレーザ切断方法により形成された切断面を示す写真である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．被切断材料＞
まず、本実施形態の被切断材料Ｗ（図１参照）について説明する。なお、以下の説明において、「被切断材料Ｗの表面」は、被切断材料Ｗの厚さ方向に垂直な２つの平面のうち、レーザビームＬＢ（図２参照）が照射される面を意味する。「被切断材料Ｗの裏面」は、被切断材料Ｗの厚さ方向に垂直な２つの平面のうち、「被切断材料Ｗの表面」に対向する面を意味する。

本実施形態の被切断材料Ｗに求められる要件は以下の２つである。（１）レーザビームＬＢによる熱エネルギーによって溶融する。（２）酸素によって酸化され、これによって発生した熱エネルギーによって溶融する。すなわち、本実施形態に係るレーザ切断方法は、レーザビームＬＢによる熱エネルギーと、酸素と被切断材料Ｗとの反応によって生じた熱エネルギーとを併用することで、被切断材料Ｗを切断するものである。これらの要件を満たす被切断材料Ｗ、すなわち本実施形態に適用可能な被切断材料Ｗとしては、例えば軟鋼が挙げられる。なお、被切断材料Ｗの板厚は特に制限されないが、本実施形態は、板厚が１９ｍｍより大きく２５ｍｍ以下の厚板に特に好適である。本実施形態は、板厚が１９ｍｍより大きく２５ｍｍ以下の厚板を切断した場合であっても、レーザ切断材料（被切断材料ＷをレーザビームＬＢにより切断することで作製される材料）のコーナ部の溶け落ち量を低減することができる。

ここで、レーザ切断材料のコーナ部は、互いに異なる方向に伸びる切断面（断面）が交差する箇所、すなわち幾何学上の「角」を構成する部分である。本実施形態では、互いに異なる方向に伸びる切断面が曲面状の切断面（以下、「切断曲面」とも称する）を介して連結される場合、この切断曲面部分もコーナ部に含まれる。この場合、互いに異なる方向に伸びる切断面を長さ方向に延長した面によって幾何学上の「角」が形成される。また、コーナ部の角度は、互いに異なる方向に伸びる切断面（またはこれらの切断面を長さ方向に延長した面）同士が交差する角度である。このように、コーナ部は、互いに異なる方向に伸びる２つの切断面（またはこれらの切断面及び切断曲面）によって構成される。

＜２．レーザ切断装置の構成＞
次に、図１〜図３にもとづいて、本発明の実施形態に係るレーザ切断装置１の構成について説明する。レーザ切断装置１は、図１に示すように、台車２と、レール３と、レーザ発振器４と、ミラーボックス５ａ〜５ｃと、レーザ導通管５ｄと、レーザ振動部６と、トーチ部７と、制御装置８とを備える。

台車２は、レール３上を図１中Ｘ軸方向（正方向または負方向）に移動するものであり、第１側面部２ａ、第２側面部２ｂ、第１底面部２ｃ、及び第２底面部２ｄを備える。台車２の移動は制御装置８により制御される。第１側面部２ａは、台車２の側面を構成し、レール３の長さ方向に伸びる。第２側面部２ｂは、台車２の側面を構成し、第１側面部２ａの長さ方向の一方の端部に設けられる。第２側面部２ｂの高さは第１側面部２ａの高さよりも大きい。

第１底面部２ｃは、第１側面部２ａの上端部同士を連結する平面であり、第１底面部２ｃ上にレーザ発振器４及び制御装置８が載せられる。第２底面部２ｄは、第２側面部２ｂの上端部同士を連結する平面であり、第２底面部２ｄ上にミラーボックス５ａ〜５ｃが載せられる。第２底面部２ｄには、第２底面部２ｄを厚さ方向に貫通する貫通穴２ｅが第２底面部２ｄの長さ方向に亘って形成されている。この貫通穴２ｅには、レーザ導通管５ｄが通される。

レーザ発振器４は、例えばＣＯ_２レーザ発振器であり、レーザビームＬＢをミラーボックス５ａに向けて射出する。ミラーボックス５ａは、第２底面部２ｄの長さ方向の両端部の内、一方の端部に設けられる。ミラーボックス５ａは、ミラーを内蔵しており、ミラーボックス５ａに到達したレーザビームＬＢをミラーボックス５ｂに向けて反射する。

ミラーボックス５ｂは、第２底面部２ｄの長さ方向の両端部の内、他方の端部に設けられる。ミラーボックス５ｂは、ミラーを内蔵しており、ミラーボックス５ｂに到達したレーザビームＬＢをミラーボックス５ｃに向けて反射する。すなわち、ミラーボックス５ｂは、レーザビームＬＢの光路長を調整するものである。

ミラーボックス５ｃは、ミラーボックス５ａ、５ｂの間に配置される。ミラーボックス５ｃは、ミラーを内蔵しており、ミラーボックス５ｃに到達したレーザビームＬＢをレーザ振動部６に向けて反射する。また、ミラーボックス５ｃは、第２底面部２ｄ上をＹ軸方向（正方向及び負方向）に移動可能となっている。ミラーボックス５ｃの移動は制御装置８によって制御される。レーザ導通管５ｄは、ミラーボックス５ｃの下端部に設けられ、ミラーボックス５ｃとレーザ振動部６とを連結する。また、レーザ導通管５ｄは、ミラーボックス５ｃで反射されたレーザビームＬＢをレーザ振動部６に伝達する。

レーザ振動部６は、レーザ導通管５ｄの下端部に設けられる。レーザ振動部６は、図２に示すように、ミラーボックス６ａと、ミラー６ｂ、６ｄと、ミラーホルダー６ｃ、６ｅと、ピエゾ素子６ｆとを備える。ミラーボックス６ａは、中空構造となっており、ミラー６ｂ、６ｄと、ミラーホルダー６ｃ、６ｅと、ピエゾ素子６ｆとを格納する。レーザ振動部６に導入されたレーザビームＬＢは、ミラー６ｂ、６ｄに反射された後、トーチ部７に導入される。

ミラー６ｂは、ミラーホルダー６ｃによってミラーボックス６ａ内に固定される。また、ミラー６ｂの反射面は、ミラー６ｄ及び後述する集光レンズ７ｄに対向している。ミラー６ｄは、ミラーホルダー６ｅに固定されている。また、ミラー６ｄの反射面は、ミラー６ｂの反射面に対向している。ミラーホルダー６ｅは、ピエゾ素子６ｆによって互いに直交する２つの回動方向に回動可能となっている。なお、ミラー６ｄはミラーホルダー６ｅと一体となって回動する。ミラーホルダー６ｅ、すなわちミラー６ｄが一方の回動方向（第１の回動方向）に回動することで、レーザビームＬＢの集光点Ｐが図１中Ｘ軸方向に移動する。また、ミラーホルダー６ｅ、すなわちミラー６ｄが他方の回動方向（第２の回動方向）に回動することで、レーザビームＬＢの集光点Ｐが図１中Ｙ軸方向に移動する。ピエゾ素子６ｆは、ミラーホルダー６ｅに設けられており、電気的に伸縮することで、ミラーホルダー６ｅ、すなわちミラー６ｄを２つの回動方向に回動させる。ピエゾ素子６ｆの伸縮、すなわちミラー６ｄの回動は制御装置８によって制御される。

制御装置８は、トーチ部７、すなわち集光点ＰをＸＹ軸方向に移動させる一方、集光点Ｐをトーチ部７の移動方向と直交する方向に振動させることで、集光点Ｐの軌跡を正弦波形状とする。具体的には、制御装置８は、ミラーボックス５ｃをＹ軸方向に移動させる際に、ミラー６ｄを第１の回動方向に振動させる。これにより、制御装置８は、トーチ部７をＹ軸方向に進行させ、かつ、集光点ＰをＸ軸方向に振動させる。一方、制御装置８は、台車２をＸ軸方向に移動させる際に、ミラー６ｄを第２の回動方向に振動させる。これにより、制御装置８は、トーチ部７をＸ軸方向に進行させ、かつ、集光点ＰをＹ軸方向に振動させる。これにより、集光点Ｐの軌跡は正弦波形状となる。

なお、本実施形態では、ミラー６ｄを２つの回動方向に回動させることとしたが、ミラー６ｄを第１の回動方向（または第２の回動方向）に回動させ、かつ、ミラー６ｂを第２の回動方向（または第１の回動方向）に回動させるようにしてもよい。この場合、ミラーホルダー６ｃにもピエゾ素子が設けられる。また、ミラー６ｂ、６ｄは直接または間接的に水冷されてもよい。また、レーザビームＬＢの伝送方向から見てミラー６ｄの手前のミラー、例えばミラーボックス５ｃに内蔵されたミラーに同様の機能を具備させることでレーザ振動部６を省略し、前記ミラー以降のレーザ光路を直線化してミラーボックス５ｃとトーチ部７とを直結することもできる。その場合、トーチ７の長さを適切な長さに延長して、トーチ７と被切断材料Ｗの距離を適切に保つ必要があることは言うまでもない。

トーチ部７は、レーザビームＬＢを被切断材料Ｗに集光照射するものであり、トーチ本体部７ａと、レーザ加工ノズル７ｂと、アシストガス供給口７ｃと、集光レンズ７ｄとを備える。トーチ本体部７ａは、中空構造となっている。トーチ本体部７ａの上端に集光レンズ７ｄが配置され、側面にアシストガス供給口７ｃが配置され、下端（先端）にレーザ加工ノズル７ｂが配置される。レーザビームＬＢは、トーチ本体部７ａの中空部を通ってレーザ加工ノズル７ｂから被切断材料Ｗに集光照射される。

レーザ加工ノズル７ｂは、レーザビームＬＢ及びアシストガスの出口となる開口面である。アシストガス供給口７ｃは、図示しないアシストガス供給装置から供給されるアシストガスをトーチ本体部７ａの中空部に導入する。アシストガスは、酸素ガスとなる。トーチ本体部７ａの中空部に導入されたアシストガスは、レーザ加工ノズル７ｂからレーザビームＬＢと同軸方向に噴射され、被切断材料Ｗに吹きつけられる。

集光レンズ７ｄは、トーチ本体部７ａ内に導入されたレーザビームＬＢを被切断材料Ｗに集光することで、被切断材料ＷにレーザビームＬＢの集光点Ｐを形成する。また、集光レンズ７ｄは、レーザ振動部６とトーチ部７との隔壁の役割も果たすので、容易にレーザ振動部６の気密性を保つことができる。ここで、集光点Ｐは、被切断材料Ｗの表面に形成してもよく、被切断材料Ｗの内部または上方に形成してもよい。

制御装置８は、図３に示すように、制御部８ａと、移動速度検出部８ｂと、演算部８ｃと、振動制御部８ｄと、アシストガス制御部８ｅとを備える。ここで、制御装置８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のハードウェア構成を備え、これらのハードウェア構成によって制御部８ａと、移動速度検出部８ｂと、演算部８ｃと、振動制御部８ｄと、アシストガス制御部８ｅとが実現される。すなわち、ＲＯＭには、制御部８ａと、移動速度検出部８ｂと、演算部８ｃと、振動制御部８ｄと、アシストガス制御部８ｅとを実現するために必要なプログラムが記録されており、ＣＰＵは、ＲＯＭに記録されたプログラムを読みだして実行する。これにより、制御部８ａと、移動速度検出部８ｂと、演算部８ｃと、振動制御部８ｄと、アシストガス制御部８ｅとが実現される。

制御部８ａは、レーザ切断装置１全体の制御を行う他、以下の処理を行う。すなわち、制御部８ａは、レーザ発振器４からレーザビームＬＢを射出させる。また、制御部８ａは、トーチ部７を予め設定された経路（走査線）、及び移動速さ（送り速さ）に従って移動させる。具体的には、制御部８ａは、台車２及びミラーボックス５ｃを移動させることで、トーチ部７を移動させる。トーチ部７の経路、及び移動速さは例えばレーザ切断装置１のユーザによって予め設定される。また、制御部８ａは、トーチ部７の現在の移動速度（移動速さ及び方向）に関するトーチ部移動速度情報を生成し、移動速度検出部８ｂに出力する。なお、トーチ部７の移動速度は、図１中のＸ軸方向の速度成分と、Ｙ軸方向の速度成分とで示される。

移動速度検出部８ｂは、制御部８ａからトーチ部移動速度情報を取得し、演算部８ｃに出力する。なお、光学式または電磁式の位置センサをレーザ振動部６の下端面（被切断材料Ｗに対向する面）に設けておき、移動速度検出部８ｂは、この位置センサからの信号にもとづいて、トーチ部７の現在の移動速度を算出してもよい。

演算部８ｃは、トーチ部移動速度情報にもとづいて、集光点Ｐの振動の方向と振動の時間周波数、及びピエゾ素子６ｆの駆動電圧を決定する。具体的には、演算部８ｃは、集光点Ｐの振動方向がトーチ部７の移動方向と直交するように、集光点Ｐの振動方向を決定する。

また、演算部８ｃは、トーチ部７の移動速さと、以下の式（１）とにもとづいて、集光点Ｐの振動の時間周波数を算出（決定）する。

ここで、ｆは集光点Ｐの振動の時間周波数（Ｈｚ）であり、ｃは定数であり、ｖはトーチ部７の移動速さ（ｍｍ／ｓ）である。

ここで、ｃは集光点Ｐの振動の空間周波数、すなわちトーチ部７の移動方向の単位長さ（ｍｍ）あたりに生じるレーザ条痕の数に一致する。したがって、ｃの逆数は、レーザ条痕の幅（ピッチ）に一致する。ｃを大きくすればレーザ条痕のピッチが小さくなり、ｃを小さくすればレーザ条痕のピッチが大きくなる。発明者の実験によれば、ｃは２以上６以下が好ましく、より好ましくはｃ＝４である。ｃ＝４の場合、レーザ条痕のピッチは０．２５（ｍｍ）となる。

ここで、レーザ条痕は、被切断材料Ｗの切断面に生じる条痕のうち、目視により１つ１つが識別可能な条痕を意味する。レーザ条痕の形成には、レーザビームＬＢによる熱エネルギーが被切断材料Ｗの酸化反応による熱エネルギーよりも大きく寄与する。レーザ条痕が長いほど、切断面の美観が向上する。本実施形態では、後述するように、集光点Ｐが振動しない（すなわち、集光点Ｐがトーチ部７の移動方向に垂直な方向に振動しない）場合よりもレーザ条痕を長くすることができる。

演算部８ｃは、例えば、以下の式（２）にもとづいて、ピエゾ素子６ｆの駆動電圧を算出する。

ここで、Ａはピエゾ素子６ｆの駆動電圧（Ｖ）であり、ｖはトーチ部７の移動速さ（ｍｍ／ｓ）である。式（２）によれば、トーチ部７の移動速さが大きいほど、ピエゾ素子６ｆの駆動電圧が小さくなる。例えば、トーチ部７の移動速さが５００（ｍｍ／ｍｉｎ）＝８．３３（ｍｍ／ｓ）となる場合、ピエゾ素子６ｆの駆動電圧は１．５（Ｖ）となる。

ここで、ピエゾ素子６ｆの駆動電圧は、集光点Ｐの振幅に対応する値である。ピエゾ素子６ｆの駆動電圧が大きいほど、集光点Ｐの振幅が大きくなる。したがって、トーチ部７の移動速さが大きいほど、集光点Ｐの振幅が小さくなる。例えば、ピエゾ素子６ｆの駆動電圧が１．５（Ｖ）となる場合、集光点Ｐの振幅は８０μｍに設定される。したがって、トーチ部７の移動速さが６２０（ｍｍ／ｍｉｎ）＝１０．３（ｍｍ／ｓ）となる場合、ピエゾ素子６ｆの駆動電圧は式（２）により１．２（Ｖ）となり、集光点Ｐの振幅は８０×１．２／１．５＝６４（μｍ）となる。

なお、集光点Ｐの振幅をレーザビームＬＢのスポット径で除算した値は、０．０４以上０．２以下であることが好ましい。ここで、レーザビームＬＢのスポット径は、被切断材料Ｗの表面のうち、レーザビームＬＢが照射される部分（いわゆるスポット）の直径である。この条件が満たされる場合、被切断材料Ｗ裏面での溶け落ち量が抑制される。

演算部８ｃは、上記の各パラメータの他、アシストガス圧を決定してもよい。すなわち、本発明者は、カーフ幅が大きくなるほどアシストガス圧を低下させることで、切断面の美観が向上することを見出した。ここで、カーフ幅は、レーザビームＬＢの集光照射により溶融した部分、すなわちカーフの幅である。本実施形態では、集光点Ｐはトーチ部７の移動方向と直交する方向に振動するので、カーフ幅は集光点Ｐが振動しない場合よりも拡大する。集光点Ｐの振幅が大きいほど、カーフ幅は拡大する。したがって、演算部８ｃは、集光点Ｐの振幅が大きくなるほど、アシストガス圧を小さくする。

例えば、演算部８ｃは、カーフ幅が０．７ｍｍとなる場合のアシストガス圧を０．０２５ＭＰａに決定し、カーフ幅が０．８２ｍｍとなる場合のアシストガス圧を０．０２０Ｍｐａに決定してもよい。なお、アシストガス圧の具体的な値は、被切断材料Ｗの種類毎に設定される。

演算部８ｃは、集光点Ｐの振動方向、振動の時間周波数、及びピエゾ素子６ｆの駆動電圧に関する振動制御情報を生成し、振動制御部８ｄに出力する。演算部８ｃは、アシストガス圧を決定した場合には、アシストガス圧に関するアシストガス制御情報を生成し、アシストガス制御部８ｅに出力する。

振動制御部８ｄは、演算部８ｃから与えられた振動制御情報にもとづいて、ピエゾ素子６ｆを駆動する。具体的には、振動制御部８ｄは、集光点Ｐの振動方向がＸ軸方向となる場合、ミラー６ｄが第１の回動方向に振動するように、ピエゾ素子６ｆを駆動する。また、振動制御部８ｄは、ミラー６ｄを集光点Ｐの振動の時間周波数で振動させる。また、振動制御部８ｄは、ピエゾ素子６ｆを振動制御情報が示す駆動電圧で駆動する。アシストガス制御部８ｅは、アシストガスを予め設定されたアシストガス圧及び流量でトーチ本体部７ａ内に導入する。アシストガス制御部８ｅは、アシストガス制御情報が与えられた場合には、アシストガスをアシストガス制御情報が示すアシストガス圧でトーチ本体部７ａ内に導入する。

＜３．レーザ切断方法＞
次に、レーザ切断装置１の動作、すなわちレーザ切断装置１を用いたレーザ切断方法について説明する。

制御部８ａは、レーザ発振器４にレーザビームＬＢを射出させる。レーザビームＬＢは、ミラーボックス５ａ〜５ｃ、レーザ振動部６、及びトーチ部７を通って被切断材料Ｗに集光照射される。さらに、制御部８ａは、トーチ部７を予め設定された経路、及び移動速さ（送り速さ）に従って移動させる。また、制御部８ａは、トーチ部７の現在の移動速度に関するトーチ部移動速度情報を生成し、移動速度検出部８ｂに出力する。

次いで、移動速度検出部８ｂは、制御部８ａからトーチ部移動速度情報を取得し、演算部８ｃに出力する。演算部８ｃは、トーチ部移動速度情報にもとづいて、集光点Ｐの振動方向、振動の時間周波数、及びピエゾ素子６ｆの駆動電圧を決定する。演算部８ｃは、アシストガス圧を決定してもよい。演算部８ｃは、集光点Ｐの振動方向、振動の時間周波数、及びピエゾ素子６ｆの駆動電圧に関する振動制御情報を生成し、振動制御部８ｄに出力する。演算部８ｃは、アシストガス圧を決定した場合には、アシストガス圧に関するアシストガス制御情報を生成し、アシストガス制御部８ｅに出力する。

振動制御部８ｄは、演算部８ｃから与えられた振動制御情報にもとづいて、ピエゾ素子６ｆを駆動する。アシストガス制御部８ｅは、アシストガスを予め設定されたアシストガス圧及び流量でトーチ本体部７ａ内に導入する。アシストガス制御部８ｅは、アシストガス制御情報が与えられた場合には、アシストガスをアシストガス制御情報が示すアシストガス圧でトーチ本体部７ａ内に導入する。トーチ本体部７ａ内に導入されたアシストガスは、レーザ加工ノズル７ｂからレーザビームＬＢと同軸方向に噴射され、被切断材料Ｗに吹きつけられる。

これにより、レーザ切断装置１は、レーザビームＬＢを被切断材料Ｗに集光照射し、レーザビームＬＢの集光点Ｐを被切断材料Ｗ上でトーチ部７の移動方向と直交する方向に振動させながら走査する。これにより、レーザ切断装置１は、被切断材料Ｗを切断する。具体的には、被切断材料Ｗは、レーザビームＬＢの熱エネルギーを吸収することで、溶融する。さらに、レーザ切断装置１は、アシストガス（酸素ガス）をレーザビームＬＢと同軸方向に噴射する。未溶融の被切断材料Ｗは、溶融した被切断材料Ｗ（例えば溶鋼。以下、「溶融材料」とも称する。）から熱エネルギーが与えられ、昇温する。そして、昇温した未溶融の被切断材料Ｗは、酸素ガスによって酸化され、これによって発生した熱エネルギーによっても溶融する。溶融材料は、アシストガスにより被切断材料Ｗの下方から排出される。これにより、被切断材料Ｗが切断される。レーザ切断装置１は、被切断材料Ｗを切断することで、所望の形状のレーザ切断材料を作製する。

ここで、レーザ切断装置１は、レーザビームＬＢの集光点Ｐを被切断材料Ｗ上でトーチ部７の移動方向と直交する方向に振動させるので、カーフの幅を集光点Ｐが振動しない場合よりも大きくすることができる。したがって、レーザ切断装置１は、集光点Ｐが振動しない場合よりも溶融材料を効率よく排出することができる。

さらに、レーザ切断装置１は、レーザビームＬＢの集光点Ｐを被切断材料Ｗ上でトーチ部７の移動方向と直交する方向に振動させるので、被切断材料Ｗの切断面に一定の空間周波数でレーザビームＬＢを接触させることができる。したがって、切断面に形成されるレーザ条痕の幅（ピッチ）を一定にすることができる。ここで、レーザ条痕の幅が一定であるとは、レーザ条痕の最大幅（最大ピッチ）と最小幅（最小ピッチ）との比（最大幅／最小幅）が２未満であることを意味する。

ここで、レーザ条痕は、上述したように、被切断材料Ｗの切断面に生じる条痕のうち、目視により１つ１つが識別可能な条痕を意味する。レーザ条痕の形成には、レーザビームＬＢによる熱エネルギーが被切断材料Ｗの酸化反応による熱エネルギーよりも大きく寄与する。レーザビームＬＢの熱エネルギーにより溶融する部分は、レーザビームＬＢが通過する部分及びその周辺の一定領域に限られるので、レーザ条痕の各々は目視により区別可能である。一方、昇温した未溶融の被切断材料Ｗはランダムに酸化反応を起こす。したがって、レーザ条痕以外の条痕、すなわち被切断材料Ｗの酸化反応による熱エネルギーがレーザビームＬＢによる熱エネルギーよりも大きく寄与することで形成された条痕は、目視により区別できない。

このように、レーザ条痕は、切断面の美観に大きく寄与する。本実施形態では、レーザ条痕の幅（ピッチ）を一定にすることができるので、切断面形状が規則的になり、ひいては、切断面の美観が向上する。具体的には、本実施形態のレーザ条痕の最大幅と最小幅との比（最大幅／最小幅）は２未満である。一方、集光点Ｐを振動させずに走査することで形成されるレーザ条痕の最大幅と最小幅との比は２以上となる。詳細は後述する実施例及び比較例にて示す。

さらに、本実施形態では、レーザ条痕の幅（ピッチ）が一定となるので、レーザ条痕を通る溶融材料の流速が一定となる。すなわち、カーフ内での溶融材料の流れが安定する。これにより、被切断材料Ｗの下方から排出される溶融材料の量がカーフの長さ方向で一定となる。

一方、集光点Ｐを振動させずに形成したレーザ条痕の幅（ピッチ）はばらつくので、レーザ条痕を通る溶融材料の流速もばらつく。すなわち、溶融材料の流速に脈動が生じる。そして、例えば隣接するレーザ条痕の幅（ピッチ）の比が２倍以上となる領域では、溶融材料がカーフの側方に溢れる。被切断材料Ｗを構成する材料のうち、溶融材料に接触した部分は昇温し、酸化反応を起こす。そして、酸化反応を起こした部分は、当該酸化反応により発生した熱エネルギーによって溶融する。このため、溶け落ちが発生する。また、溶融材料が過剰に生成されるので、カーフ内で溶融材料が詰まる場合がある。カーフ内に詰まった材料は、未溶融の被切断材料Ｗを昇温する。昇温した未溶融の被切断材料Ｗは、酸化反応を起こし、この酸化反応によって発生した熱エネルギーにより溶融する。したがって、溶融材料がさらに過剰になるので、溶け落ち量が増大する他、切断面のえぐれ、セルフバーニングも発生しやすくなる。

これに対し、本実施形態では、被切断材料Ｗの下方から排出される溶融材料の量がカーフの長さ方向で一定となるので、裏面の溶け落ち量が低減し、切断面のえぐれ、及びセルフバーニングの発生も抑制される。

本実施形態に係るレーザ切断装置１は、特に、コーナ部の形成においても、上述した処理を行う。これにより、レーザ切断装置１は、コーナ部の溶け落ち量を低減することができ、かつ、コーナ部の美観を向上することができる。すなわち、上述したように、レーザ切断装置１が被切断材料Ｗのコーナ部を形成する場合、集光点Ｐのトーチ部７の移動速さが低下する。例えばコーナ部の角度が９０度となる場合、コーナ部の頂点でトーチ部７の移動速さが一旦ゼロとなり、その後、トーチ部は、コーナ部の頂点に到達するまでの経路と直交する経路上を移動する。

このため、レーザビーム及び被切断材料Ｗの酸化反応による熱エネルギーがコーナ部で過剰になりやすい。しかし、レーザ切断装置１は、集光点Ｐを振動させることで、溶融材料のコーナ部での流れを安定させることができるので、コーナ部の溶け落ち量を低減することができる。

具体的には、後述する実施例で示されるように、レーザ切断装置１を用いて板厚が１９ｍｍより大きい被切断材料Ｗを切断することで、コーナ部の溶け落ち量を０．３ｍｍ以内に抑えることができる。これに対し、後述する比較例で示されるように、従来の切断方法（集光点Ｐを振動させない切断方法）を用いて板厚が１９ｍｍより大きい被切断材料Ｗを切断した場合、コーナ部の溶け落ち量は０．３ｍｍを大幅に超える。したがって、本実施形態では、板厚が１９ｍｍより大きく、かつコーナ部の溶け落ち量が０．３ｍｍ以下のレーザ切断材料を提供することができる。

ここで、図４に基づいて、コーナ部の溶け落ち量の評価方法について説明する。すなわち、コーナ部２００を構成する２つの切断面１００、１０１と裏面１０２との交点Ｐ１から、各切断面１００、１０１の下端部（裏面側の端部）のうち、溶け落ちが終了した部分Ｐ２、Ｐ３までの長さＬ１、Ｌ２を測定する。なお、コーナ部が２つの切断面及びこれらを連結する切断曲面により構成される場合には、これらの切断面を長さ方向に延長した面と裏面との交点から、各切断面の下端部のうち、溶け落ちが終了した部分までの長さをコーナ部の長さとして測定する。そして、２つの測定値の内、値が大きいものをコーナ部の溶け落ち量とする。本実施形態に係るレーザ切断材料は、図４の長さＬ１、Ｌ２がいずれも０．３ｍｍ以下となる。

また、本実施形態では、レーザ条痕を通る溶融材料の流速が一定となることから、本実施形態のレーザ条痕は、集光点Ｐを振動させずに形成したレーザ条痕よりも長くなる。この点でも、切断面の美観が向上し、かつ、カーフ内での溶融材料の流れが安定する。このように、レーザ条痕の幅（ピッチ）を一定とすること、及びレーザ条痕を長くすることは、裏面の溶け落ち量を低減するための手段であるとともに、切断面の美観を向上するという効果も有する。すなわち、レーザ切断材料には、切断面の美観を向上することが求められている。これに対し、本実施形態では、レーザ条痕を一定にし、かつレーザ条痕を長くすることで、切断面の美観を向上するという目的を達成することができる。

＜４．レーザ切断材料＞
次に、上記のレーザ切断装置１及びレーザ切断方法により作製されるレーザ切断材料、すなわち本実施形態に係るレーザ切断材料の構成について説明する。

図４に示すように、レーザ切断材料のコーナ部２００の溶け落ち量は、集光点Ｐを被切断材料Ｗ上で振動させずに走査することで形成されたレーザ切断材料（従来のレーザ切断材料）よりもコーナ部の溶け落ち量が少ない。具体的には、本実施形態に係るレーザ切断材料では、板厚が１９ｍｍより大きくても、コーナ部２００の溶け落ち量が０．３ｍｍ以下となる。これに対し、従来のレーザ切断材料では、板厚が１９ｍｍより大きい場合、コーナ部の溶け落ち量が０．３ｍｍを大幅に超える。したがって、本実施形態に係るレーザ切断材料では、コーナ部の美観が従来のレーザ切断材料よりも大幅に向上する。

また、本実施形態に係るレーザ切断材料では、切断面（例えば切断面１００、１０１）に形成されるレーザ条痕の幅を一定にすることができる。具体的には、レーザ条痕の最大幅（最大ピッチ）と最小幅（最小ピッチ）との比（最大幅／最小幅）が２未満となる。これに対し、従来のレーザ切断材料では、切断面に形成されるレーザ条痕の幅がばらつく。具体的には、レーザ条痕の最大幅（最大ピッチ）と最小幅（最小ピッチ）との比（最大幅／最小幅）が２以上となる。また、本実施形態に係るレーザ切断材料では、従来のレーザ切断材料よりもレーザ条痕が長くなる。したがって、本実施形態に係るレーザ切断材料では、切断面の美観が従来のレーザ切断材料よりも大幅に向上する。

次に、本発明の実施例及び比較例について説明する。実施例及び比較例では、被切断材料ＷとしてＳＳ４００黒皮材を用いた。板厚は２５ｍｍであった。また、実施例の切断条件を以下のように設定した。

集光レンズのｆ（焦点距離）＝８．７５インチ＝２２２．２５（ｍｍ）
レーザ出力：４３００（Ｗ）
パルス周波数：１０００（Ｈｚ）
パルスデューティ：７０％
トーチ部７の移動速さ：６２０ｍｍ／ｍｉｎ
酸素圧力０．２５ｋｇｆ／ｃｍ^２＝０．０２５ＭＰａ
倣い高さ（レーザ加工ノズル７ｂから被切断材料Ｗの表面までの距離）：２（ｍｍ）
焦点位置（集光点ＰのＺ座標値。Ｚ軸は図１に示される。また、Ｚ軸の原点は被切断材料Ｗの表面に配置される。）：−０．５ｍｍ
アシストガス流量：８０Ｌ／ｍｉｎ

また、振動条件を以下のように設定した。
集光点Ｐの振動の振幅：６４（μｍ）
集光点Ｐの振動の時間周波数：４１．３（Ｈｚ）
式（１）中のｃ＝４（トーチ部７の移動方向の単位長さ（ｍｍ）あたりにレーザ条痕は４つ形成される。レーザ条痕の幅の理論値は０．２５ｍｍ。）

なお、振動条件は、トーチ部７の移動速さが５００（ｍｍ／ｍｉｎ）となる場合に集光点Ｐの振幅が８０μｍとなるように設定された。すなわち、トーチ部７の移動速さが５００（ｍｍ／ｍｉｎ）となる場合のピエゾ素子６ｆの駆動電圧は１．５（Ｖ）となる。したがって、トーチ部７の移動速さが６２０（ｍｍ／ｍｉｎ）となる場合のピエゾ素子６ｆの駆動電圧は１．２（Ｖ）となり、集光点Ｐの振幅は８０×１．２／１．５＝６４（μｍ）となる。さらに、集光点Ｐの振動の時間周波数は、４×６２０／６０＝４１．３（Ｈｚ）となる。

実施例では、上記の切断条件、振動条件の下で被切断材料Ｗを切断した。また、コーナ部として、９０度の角度のコーナ部を形成した。

比較例では、上記の切断条件の下で（集光点Ｐの振動は行わずに）被切断材料Ｗを切断した。また、コーナ部として、９０度の角度のコーナ部を形成した。

実施例により作製されたレーザ切断材料の切断面の写真を図５、６に、比較例により作製されたレーザ切断材料の切断面の写真を図７、８に示す。なお、これらの写真は、レーザ条痕を拡大して示している。また、図５、図７の数値はレーザ条痕の幅（ピッチ）の大きさ（単位はｍｍ）をしめし、図６、図８の数値はレーザ条痕の長さ（単位はｍｍ）を示している。

図５に示すように、実施例では、レーザ条痕の最大幅が０．２８、最小幅が０．２３となるので、これらの比は１．２となり、２以下となる。さらに、図６に示すように、実施例では、レーザ条痕の長さは最大で４．３ｍｍとなる。また、コーナ部の溶け落ち量は０．２５ｍｍ程度であった。

一方、図７に示すように、比較例では、レーザ条痕の最大幅が０．３４、最小幅が０．１４となるので、これらの比は２．４となり、２を超える。さらに、図８に示すように、比較例では、レーザ条痕の長さは最大でも２．０（ｍｍ）となる。また、コーナ部の溶け落ち量は０．４５ｍｍ程度であった。

以上により、本実施形態によるレーザ切断材料は、集光点Ｐを被切断材料Ｗ上でトーチ部７の移動方向と直交する方向に振動させずに走査することで形成されたレーザ切断材料よりもコーナ部の溶け落ち量が少ない。したがって、本実施形態によるレーザ切断材料は、コーナ部の溶け落ち量を従来よりも低減することができる。特に、本実施形態では、板厚が１９ｍｍより大きい厚板であっても、コーナ部の溶け落ち量を０．３ｍｍ以下にすることができる。

さらに、本実施形態のレーザ切断材料の断面に形成されたレーザ条痕の最大幅と最小幅との比は、集光点Ｐを振動させずに走査することで被切断材料Ｗの断面に形成されたレーザ条痕の最大幅と最小幅との比よりも小さい。すなわち、本実施形態のレーザ条痕の幅（ピッチ）は一定となる。このため、本実施形態では、カーフ内での溶鋼流れが安定するので、コーナ部の溶け落ち量が低減する。さらに、切断面のえぐれ、セルフバーニングの発生も抑制される。さらに、本実施形態では、レーザ切断材料の美観が向上する。

さらに、本実施形態のレーザ切断材料の断面に形成されたレーザ条痕は、集光点Ｐを振動させずに走査することで被切断材料Ｗの断面に形成されたレーザ条痕よりも長い。このため、本実施形態では、カーフ内での溶鋼流れが安定するので、コーナ部の溶け落ち量が低減する。さらに、切断面のえぐれ、セルフバーニングの発生も抑制される。さらに、本実施形態では、レーザ切断材料の美観が向上する。

さらに、本実施形態に係るレーザ切断方法は、集光点Ｐを被切断材料Ｗ上でトーチ部７の移動方向と交差する方向に振動させながら走査することで、被切断材料Ｗのコーナ部を形成する。したがって、本実施形態に係るレーザ切断方法は、コーナ部の溶け落ち量を低減することができる。

さらに、集光点Ｐの振動の時間周波数は、上述した式（１）で示される。これにより、本実施形態に係るレーザ切断方法は、レーザ条痕の幅（ピッチ）を一定とすることができ、かつ、レーザ条痕の長さを集光点Ｐを振動させずに走査することで被切断材料Ｗに形成されたレーザ条痕よりも長くすることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、集光点Ｐの振動方向をトーチ部７の移動方向と直交する方向としたが、集光点Ｐの振動方向はトーチ部７の移動方向に交差する方向であれば良い。

また、上述した実施形態では、被切断材料Ｗとして、軟鋼を挙げたが、被切断材料Ｗは、レーザビームＬＢによる熱エネルギーによって溶融するものであればどのようなものであってもよい。本実施形態は、被切断材料ＷをレーザビームＬＢによる熱エネルギーによって切断（溶断）する際にレーザ条痕の幅を一定にすることによって、溶融材料（溶融した被切断材料Ｗ）を効率よくかつ安定して排出するものである。したがって、被切断材料ＷとしてレーザビームＬＢによる熱エネルギーによって溶融するものを用いることによって、上記の効果が得られる。

たとえば、被切断材料Ｗは、軟鋼以外の鋼材、例えば高強度鋼、ステンレス鋼であってもよい。ここで、上述した実施例では軟鋼を切断する際のレーザ切断条件を列挙したが、他の鋼材を被切断材料Ｗとする際のレーザ切断条件は以下のとおりである。すなわち、高強度鋼をレーザ切断する場合には、溶鋼を排除するアシストガスとしての酸素ガスの圧力を本実施例よりも高く、レーザ出力も高く、また、必要に応じ送り速度を低く設定すれば良い。それ以外のレーザ切断条件は、上述した実施例と同じでよい。また、ステンレス鋼をレーザ切断する場合は、溶融物を排除するアシストガスを窒素とし、レーザ出力を本実施例よりも高く、また、必要に応じ送り速度を低く設定すれば良い。それ以外のレーザ切断条件は、上述した実施例と同じでよい。また、被切断材料Ｗは、レーザビームＬＢによる熱エネルギーによって溶融するものであれば軟鋼、高強度鋼、及びステンレス鋼以外の鋼材であってもよく、さらには鋼材以外の材料であってもよい。

本発明は、レーザビームを用いて被切断材料を切断する技術に適用可能である。

１ レーザ切断装置
２ 台車
３ レール
４ レーザ発振器
５ａ〜５ｃ ミラーボックス
５ｅ 道通管
６ レーザ振動部
６ａ ミラーボックス
６ｂ、６ｄ ミラー
６ｃ、６ｅ ミラーホルダー
６ｆ ピエゾ素子
７ トーチ部
７ａ トーチ本体部
７ｂ レーザ加工ノズル
７ｃ アシストガス供給口
７ｄ 集光レンズ
８ 制御装置

Claims (4)

1. レーザビームの集光点を被切断材料上で走査し、前記被切断材料を切断することでレーザ切断材料を製造するレーザ切断材料の製造方法であって、
   レーザ発振器でレーザビームを生成する発振ステップと、
   前記レーザビームを前記被切断材料上の集光点に集光させる集光ステップと、
   前記集光点にアシストガスを吹きつけ、前記集光点を前記被切断材料上で走査する走査ステップと、
   前記走査により前記被切断材料を切断する切断ステップと、
   を有し、
   前記走査ステップでは、前記集光点の走査方向と直交する方向に、前記走査の速度に応じた時間周波数と振幅で前記集光点を振動させることを特徴とする、レーザ切断材料の製造方法。
2. 前記集光点の振動の時間周波数をｆ（Ｈｚ）、前記走査の速度をｖ（ｍｍ／ｓ）、２以上６以下の係数をｃとすると、以下の式（１）が成り立ち、
   前記集光点の振動の振幅は、前記走査の速度をｖ（ｍｍ／ｓ）とすると、以下の式（２）のＡに基づいて決まることを特徴とする、請求項１記載のレーザ切断材料の製造方法。
   
3. レーザビームの集光点を被切断材料上で走査し、前記被切断材料を切断するレーザ切断方法において、
   レーザ発振器でレーザビームを生成する発振ステップと、
   前記レーザビームを前記被切断材料上の集光点に集光させる集光ステップと、
   前記集光点にアシストガスを吹きつけ、前記集光点を前記被切断材料上で走査する走査ステップと、
   前記走査により前記被切断材料を切断する切断ステップと、
   を有し、
   前記走査ステップでは、前記集光点の走査方向と直交する方向に、前記走査の速度に応じた時間周波数と振幅で前記集光点を振動させることを特徴とする、レーザ切断方法。
4. 前記集光点の振動の時間周波数をｆ（Ｈｚ）、前記走査の速度をｖ（ｍｍ／ｓ）、２以上６以下の係数をｃとすると、以下の式（１）が成り立ち、
   前記集光点の振動の振幅は、前記走査の速度をｖ（ｍｍ／ｓ）とすると、以下の式（２）のＡに基づいて決まることを特徴とする、請求項３に記載のレーザ切断方法。