JP6170643B1 - レーザ加工機及びレーザ加工方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ドロスの発生を十分に抑制することができるレーザ加工機を提供する。【解決手段】レーザ光が、レーザ光のビームスポットの面積のうち、ビームスポットの中心から面積内の全熱エネルギのうちの44%の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間tpとする。cを比熱、ρを密度、λを熱伝導度、Tを融解温度、T0を環境温度、Aを光吸収率、Pdを内部領域のエネルギ密度として、式(1)で計算される時間を板材AWが融解する融解時間tmとする。板材の板厚をx、融解時間tmを移動時間tpで除したtm/tpの値をyとしたとき、レーザ加工ユニット20は、値yを式(2)で得られる下限値から式(3)で得られる上限値までの間となるように設定して、板材AWを切断加工する。tm=c×ρ×λ×π[(T−T0)/(2×A×Pd)]2…(1)y=0.0027e0.36x…(2)y=0.0026e0.4512x…(3)【選択図】図1
Description
本発明は、レーザ光を照射してアルミニウムの板材を切断するレーザ加工機及びレーザ加工方法に関する。
レーザ発振器から射出されたレーザ光を被加工物に照射することにより被加工物を切断加工するレーザ加工機が普及している。レーザ発振器として、CO2レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器(DDL発振器)等の各種の発振器がある。
CO2レーザ発振器は、装置が大型化し、高コストである。これに対して、ファイバレーザ発振器やDDL発振器は、装置を小型化することができ、低ランニングコストである。また、CO2レーザ発振器は、射出するレーザ光の波長が10μm程度であるのに対し、ファイバレーザ発振器またはDDL発振器は、射出するレーザ光の波長が1μm程度である。従って、ファイバレーザ発振器またはDDL発振器が射出するレーザ光は、ビームウエストが小さく、パワー密度が高いため、板厚が薄い板材を高速で加工するのに適している。
片山、「溶接接合教室−基礎を学ぶ 第1章 溶接法および機器 (1−4)レーザ溶接」、溶接学会誌 第78巻(2009)第2号、溶接学会、2009年3月、p124〜138
レーザ加工機が、ファイバレーザ発振器またはDDL発振器より射出された1μm帯のレーザ光を用いて被加工物としてアルミニウムを主成分とする板材を切断すると、ドロスが発生しやすい。特許文献1にはドロスの発生を抑制する手法が記載されているが、特許文献1に記載された手法のみではドロスの発生を十分に抑制することができないことがあった。そこで、アルミニウムの板材を切断する際のドロスの発生を十分に抑制する新たな手法が望まれる。
本発明は、ドロスの発生を十分に抑制して、アルミニウムの板材を良好な切断加工品質で切断することができるレーザ加工機及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。
本発明は、波長が1μm帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から射出されたレーザ光を、1000系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工するレーザ加工ユニットとを備え、レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの44%の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間tpとし、cを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Tを前記板材の融解温度、T0を環境温度、Aを前記板材の光吸収率、Pdを前記内部領域のエネルギ密度として、式(1)で計算される時間を前記板材が融解する融解時間tmとし、前記板材の板厚をx、融解時間tmを移動時間tpで除したtm/tpの値をyとしたとき、前記レーザ加工ユニットは、値yを式(2)で得られる下限値から式(3)で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工することを特徴とするレーザ加工機を提供する。
tm=c×ρ×λ×π[(T−T0)/(2×A×Pd)]2 …(1)
y=0.0027e0.36x …(2)
y=0.0026e0.4512x …(3)
tm=c×ρ×λ×π[(T−T0)/(2×A×Pd)]2 …(1)
y=0.0027e0.36x …(2)
y=0.0026e0.4512x …(3)
本発明は、波長が1μm帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から射出されたレーザ光を、5000系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工するレーザ加工ユニットとを備え、レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの44%の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間tpとし、cを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Tを前記板材の融解温度、T0を環境温度、Aを前記板材の光吸収率、Pdを前記内部領域のエネルギ密度として、式(1)で計算される時間を前記板材が融解する融解時間tmとし、前記板材の板厚をx、融解時間tmを移動時間tpで除したtm/tpの値をyとしたとき、前記レーザ加工ユニットは、値yを式(4)で得られる下限値から式(5)で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工することを特徴とするレーザ加工機を提供する。
tm=c×ρ×λ×π[(T−T0)/(2×A×Pd)]2 …(1)
y=0.0009e0.5839x …(4)
y=0.0019e0.4582x …(5)
tm=c×ρ×λ×π[(T−T0)/(2×A×Pd)]2 …(1)
y=0.0009e0.5839x …(4)
y=0.0019e0.4582x …(5)
本発明は、波長が1μm帯であるレーザ光を、1000系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工し、レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの44%の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間tpとし、cを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Tを前記板材の融解温度、T0を環境温度、Aを前記板材の光吸収率、Pdを前記内部領域のエネルギ密度として、式(1)で計算される時間を前記板材が融解する融解時間tmとし、前記板材の板厚をx、融解時間tmを移動時間tpで除したtm/tpの値をyとしたとき、値yを式(2)で得られる下限値から式(3)で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工することを特徴とするレーザ加工方法を提供する。
tm=c×ρ×λ×π[(T−T0)/(2×A×Pd)]2 …(1)
y=0.0027e0.36x …(2)
y=0.0026e0.4512x …(3)
tm=c×ρ×λ×π[(T−T0)/(2×A×Pd)]2 …(1)
y=0.0027e0.36x …(2)
y=0.0026e0.4512x …(3)
本発明は、波長が1μm帯であるレーザ光を、5000系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工し、レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの44%の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間tpとし、cを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Tを前記板材の融解温度、T0を環境温度、Aを前記板材の光吸収率、Pdを前記内部領域のエネルギ密度として、式(1)で計算される時間を前記板材が融解する融解時間tmとし、前記板材の板厚をx、融解時間tmを移動時間tpで除したtm/tpの値をyとしたとき、値yを式(4)で得られる下限値から式(5)で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工することを特徴とするレーザ加工方法を提供する。
tm=c×ρ×λ×π[(T−T0)/(2×A×Pd)]2 …(1)
y=0.0009e0.5839x …(4)
y=0.0019e0.4582x …(5)
tm=c×ρ×λ×π[(T−T0)/(2×A×Pd)]2 …(1)
y=0.0009e0.5839x …(4)
y=0.0019e0.4582x …(5)
本発明のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、ドロスの発生を十分に抑制して、アルミニウムの板材を良好な切断加工品質で切断することができる。
以下、一実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法について、添付図面を参照して説明する。本実施形態においては、波長が1μm帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器として、ファイバレーザ発振器またはDDL発振器を用いた場合を説明する。ファイバレーザ発振器が射出するレーザ光の波長は一般的に1060nm〜1080nm、DDL発振器が射出するレーザ光の波長は一般的に910nm〜950nmである。波長900〜1100を1μm帯と称する。
図1に示すように、レーザ加工機1は、一点鎖線にて示すレーザ光をアルミニウムを主成分とする板材AW(以下、アルミ板材AWと称す)に照射することにより、アルミ板材AWを切断加工する。レーザ加工機1は、レーザ発振器10と、レーザ加工ユニット20と、プロセスファイバ2と、制御装置50と、操作部51と、表示部52とを備える。制御装置50は保持部501を備える。保持部501は制御装置50の外部に設けられていてもよい。制御装置50は、NC装置によって構成することができる。
制御装置50は、レーザ発振器10及びレーザ加工ユニット20を制御する。オペレータは、操作部51を操作してアルミ板材AWを加工するときの各種のパラメータを設定することができる。制御装置50は、自動的に設定されるパラメータまたは操作部51によって手動で設定されたパラメータに基づいて、アルミ板材AWを加工するようレーザ加工機1を制御する。制御装置50は、表示部52に各種の情報を表示するよう制御する。
レーザ発振器10は、波長が1μm帯であるレーザ光を生成して射出する。レーザ発振器10は、ファイバレーザ発振器またはDDL発振器である。但し、波長が1μm帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器であれば、ファイバレーザ発振器またはDDL発振器以外であってもよい。
プロセスファイバ2は、入力端側がレーザ発振器10に接続され、出力端側がレーザ加工ユニット20に接続されている。プロセスファイバ2は、レーザ加工ユニット20に配置されたX軸及びY軸のケーブルダクト(図示せず)に沿って装着されている。プロセスファイバ2は、レーザ発振器10から射出されたレーザ光をレーザ加工ユニット20へ伝送する。
レーザ加工ユニット20は、アルミ板材AWを載せる加工テーブル21と、加工テーブル21上でX軸方向(図1では左右方向)に移動自在である門型のX軸キャリッジ22と、X軸キャリッジ22上でX軸に垂直なY軸方向(図1では手前奥方向)に移動自在であるY軸キャリッジ23とを有する。また、レーザ加工ユニット20は、Y軸キャリッジ23に固定されたコリメータユニット30を有する。
コリメータユニット30は、プロセスファイバ2の出力端から伝送されたレーザ光を平行光化して略平行光束とするコリメートレンズ31と、略平行光束に変換されたレーザ光をX軸及びY軸に垂直なZ軸方向(図1では上下方向)の下方に向けて反射させるベンドミラー32とを有する。また、コリメータユニット30は、ベンドミラー32で反射したレーザ光を高エネルギ密度に集束させる集束レンズ33(フォーカシングレンズ)と、加工ヘッド34とを有する。
コリメートレンズ31、ベンドミラー32、集束レンズ33、及び、加工ヘッド34は、予め光軸が調整された状態でコリメータユニット30内に固定されている。集束レンズ33は単焦点レンズである。
図2に示すように、集束レンズ33により集束されたレーザ光は、加工ヘッド34の先端部のノズル35から射出されてアルミ板材AWに照射される。具体的には、レーザ光は、ビームウエスト(焦点位置)がアルミ板材AWよりもわずかにノズル35側(加工ヘッド34側)に位置するように調整された状態でアルミ板材AWに照射されるのがよい。焦点位置を補正するために、コリメートレンズ31がX軸方向に移動するように構成されていてもよい。
コリメータユニット30は、Y軸方向に移動自在のY軸キャリッジ23に固定され、Y軸キャリッジ23は、X軸方向に移動自在のX軸キャリッジ22に設けられている。よって、レーザ加工ユニット20は、加工ヘッド34から射出されるレーザ光がアルミ板材AWに照射される位置を、X軸方向及びY軸方向に移動させることができる。
レーザ加工機1は、混合ガス供給部40を備える。混合ガス供給部40は、窒素ガスと酸素ガスとを混合させる混合器(酸素濃度調整器)41と、窒素ガスと酸素ガスの混合ガス、即ち酸素を含む混合ガスを一時貯蔵して昇圧させ、ガス圧を調整する昇圧器42とを有する。
混合器41に対して、液体窒素ガスボンベから窒素ガスを供給してもよいし、空気から窒素を分離可能な中空糸で構成された窒素分離膜により精製された窒素リッチなガスを供給してもよい。また、混合器41に対して、酸素ガスボンベから酸素ガスを供給してもよいし、空気から酸素を分離可能な中空糸で構成された酸素分離膜により精製された酸素リッチなガスを供給してもよい。
混合器41は、窒素ガスと酸素ガスとを混合させ、混合ガスの酸素濃度(体積%)を調整する。例えば、混合器41は、窒素ガスまたは酸素ガスの圧力を等圧にする弁を介して混合ガスの流量を自動制御するマスフローコントローラである。自動制御の代わりに単にセンシングを行うマスフローメータの測定結果からマスフロー(質量流量)を手動で調整するようにしてもよい。
通常、空気は約21%(体積%)の酸素と、約78%(体積%)の窒素とを有する。そこで、微粒子を取り除いた清浄な空気と窒素ガスとを混合器41で混合させ、混合ガスの酸素濃度(体積%)を調整するようにしてもよい。
昇圧器42は、圧力調整された混合ガスを、加工ヘッド34の内部に供給する。加工ヘッド34の内部に供給された混合ガスは、加工ヘッド34の先端部のノズル35からアシストガスAGとしてアルミ板材AWに噴出される。アシストガスAGを併用してレーザ光による切断加工を施すことにより、アルミ板材AWの溶解を促進させることができる。これにより、アルミ板材AWの切断速度や切断面の面粗度を向上させ、ドロスの発生を抑制することができる。
以上の構成により、レーザ加工機1は、窒素ガスと酸素ガスとの混合ガスであり、酸素濃度が調整されたアシストガスAGをアルミ板材AWに噴出させながら、レーザ光をアルミ板材AWに照射し、アルミ板材AWを切断加工する。
図1に示すレーザ加工機1の代わりに、ロボット型のレーザ加工機としてもよい。
レーザ発振器10には、特許文献2に記載されているような、ビームパラメータ積(Beam Parameter Products)(以下、BPPと略記する)を調整するBPP調整装置が設けられている。BPPは、ビームウエストの半径とビームの発散角の半値半幅との積で表される。BPP調整装置は、レーザ発振器10がプロセスファイバ2に射出するレーザ光のBPPを調整して、所定のビームプロファイルを有するレーザ光を生成する。
レーザ発振器10は、BPP調整装置がレーザ光のBPPを調整することにより、図3に示すような、中心部のビーム強度が低く、周辺部のビーム強度が高い、いわゆるリング形状のビームプロファイルを有するレーザ光を射出する。
図4は、レーザ発振器10をファイバレーザ発振器110で構成した場合の概略的な構成を示している。
ファイバレーザ発振器110は、複数のレーザダイオード111と、励起コンバイナ112と、2つのファイバブラッググレーティング(FBG)113,115と、Ybドープファイバ114と、フィーディングファイバ116と、ビームカップラ120とを有する。ビームカップラ120は、レンズ121,122を有する。
複数のレーザダイオード111はそれぞれ波長λのレーザ光を射出する。励起コンバイナ112は、複数のレーザダイオード111から射出されたレーザ光を空間ビーム結合させる。
励起コンバイナ112で空間ビーム結合されたレーザ光は、FBG113を介してYbドープファイバ114に入射される。Ybドープファイバ114は、コアに希土類のYb(イッテルビウム)元素が添加されたファイバである。
Ybドープファイバ114に入射されたレーザ光は、FBG113とFBG115との間で往復を繰り返す。その結果、FBG115からは、波長λとは異なる概ね1060nm〜1080nmの波長λ’のレーザ光が射出される。
FBG115から射出されたレーザ光は、フィーディングファイバ116を介してビームカップラ120に入射される。ビームカップラ120に入射したレーザ光は、レンズ121,122を介してプロセスファイバ2に入射される。
なお、プロセスファイバ2は1本の光ファイバで構成されており、アルミ板材AWに照射されるまで、プロセスファイバ2で伝送されるレーザ光が他のレーザ光と合成されることはない。
図5は、レーザ発振器10をDDL発振器210で構成した場合の概略的な構成を示している。
DDL発振器210は、複数のレーザダイオード2111〜211nと、オプティカルボックス220とを有する。レーザダイオード2111〜211nはそれぞれ互いに異なる波長λ1〜λnのレーザ光を射出する。波長λ1〜λnは910nm〜950nmである。
オプティカルボックス220は、レーザダイオード2111〜211nから射出されたレーザ光を空間ビーム結合させる。オプティカルボックス220は、コリメートレンズ221と、グレーティング222と、集束レンズ223とを有する。
コリメートレンズ221は、空間ビーム結合されたレーザ光を平行光化する。グレーティング222は、平行光化されたレーザ光を90度偏向させ、集束レンズ223に入射させる。集束レンズ223は、レーザ光を集束してプロセスファイバ2に入射させる。
なお、プロセスファイバ2は1本の光ファイバで構成されており、アルミ板材AWに照射されるまで、プロセスファイバ2で伝送されるレーザ光が他のレーザ光と合成されることはない。
代表的なアルミ板材AWの材質として、例えば材料記号が1000系の純アルミニウム系材料と、材料記号が5000系のアルミニウムマグネシウム合金であるAl−Mg系材料とがある。純アルミニウム系材料及びAl−Mg系材料を含め、アルミニウムを主成分とする材料をアルミニウムと称することとする。
例えば、純アルミニウム系材料(1000系)であるA1050(材料記号)は、99.5%以上がアルミニウム成分で構成され、Si、Fe、Cu、Mn、Mg、Zn、Ti等の化学成分を含む。なお、Siの含有率は0.25%以下であり、Feの含有率は0.4%以下である。それ以外の化学成分は、それぞれ0.05%以下である。
アルミニウムマグネシウム合金(5000系)であるA5052(材料記号)は、アルミニウム合金の中で中間的な強度を有す代表的な材料であり、最もよく使用される合金である。A5052は、主成分のアルミニウムにSi、Fe、Cu、Mn、Mg、Cr、Zn等の化学成分が含まれている。A5052は、Mgの含有率が2.2%〜2.8%である。
次に、本発明者は、以下のように、ドロスの発生が少なく、アルミ板材AWを良好な切断加工品質で切断することができる条件を検証した。レーザ発振器10を図4に示すファイバレーザ発振器110とし、1060nm〜1080nmの単波長のレーザ光を用いた。ファイバレーザ発振器110の出力を2kWとした。アルミ板材AWの切断端面へのレーザ光の入射角を84°とした。
アルミ板材AWとしてA1050及びA5052のアルミニウムを用い、板厚を2mm、3mm、4mmとした。アルミニウムは、比熱913(J/kg・℃)、比重(密度)2700(kg/m3)、熱伝導度225(W/m℃)であり、最大融解温度を657℃とした。
アルミ板材AWの板厚に対するドロス高さの比率が、板厚が2mm及び3mmの場合には3%以下、板厚が4mmの場合には3.5%以下であるとき、ドロスの発生が十分に抑制されて切断加工品質が良好であるとする。
図6A及び図6Bは、アルミ板材AWとしてA1050のアルミニウムを用い、番号1〜29の29個のサンプルをレーザ加工機1によって切断したときの実験結果を示している。図6A(及び後述する図8A)において、ノズル径とは、図2に示すノズル35の開口径Rnである。
板厚が厚くなれば、切断される面積が広くなる。板厚が厚くなれば、切断幅を大きくすることが望ましい。切断時に融解された金属量は板厚に比例し、融解された金属を一定時間内に吹き飛ばすためには、ノズル35の開口径Rnを大きくすることが望ましい。
ガス圧は図2に示すアシストガスAGの圧力である。焦点オフセットは、アルミ板材AWの表面から、ノズル35側にわずかに離れて位置するレーザ光のビームウエストまでの距離である。酸素濃度とは、アシストガスAGに含まれる酸素濃度である。切断速度は、アルミ板材AWに対するレーザ光の照射位置の移動速度である。
図6B(及び後述する図8B)において、44%スポット径とは、図3に示すように、レーザ光のビームスポットの面積のうち、ビームスポットの中心から面積内の全熱エネルギのうちの44%の熱エネルギに相当する面積の内部領域の径である。本実施形態においては、一般的に用いられるビームスポットの中心から面積内の全熱エネルギのうちの86%の熱エネルギに相当する面積の内部領域よりも中心側の44%の内部領域を用いた指標に基づいて、切断加工品質を検証した。
パワー密度Pdとは、44%スポット径におけるエネルギ密度(単位W/m2)である。移動時間tpとは、アルミ板材AWを切断しながら移動するレーザ光が44%スポット径を移動する時間である。44%スポット径をd、アルミ板材AWの切断速度をvとすれば、移動時間tpはd/vで表される。融解時間tmとは、44%スポット径のレーザ光がアルミ板材AWに照射されたときに、アルミ板材AWが融解する論理的な時間である。
融解時間tmは、A1050及びA5052のアルミニウム共通で、式(1)で計算される。式(1)において、cはアルミニウム(即ち、アルミ板材AW)の比熱(単位J/kg・℃)、ρはアルミニウムの密度(単位kg/m3)、λはアルミニウムの熱伝導度(単位(W/m・℃)、Tはアルミニウムの融解温度(単位℃)、T0は環境温度(単位℃)、Aはアルミニウムの光吸収率(単位%)である。式(1)は、非特許文献1に記載されている事項から導くことができる。
tm=c×ρ×λ×π[(T−T0)/(2×A×Pd)]2 …(1)
tm=c×ρ×λ×π[(T−T0)/(2×A×Pd)]2 …(1)
本発明者は、融解時間tmを移動時間tpで除したtm/tpが発生するドロスの高さに影響を与えるとの知見に基づき、tm/tpを指標として用いて切断加工品質を評価した。評価の欄におけるOKとは、上記のように、アルミ板材AWの板厚に対するドロス高さの比率が、板厚が2mm及び3mmの場合に3%以下、板厚が4mmの場合に3.5%以下を満たすことを意味する。
NGとはドロス高さの比率がその条件を満たさないか、アルミ板材AWを切断できなかったことを意味する。図6A及び図6Bにおいて、NGと評価されたサンプルのうち、サンプル5及び26以外ではアルミ板材AWを切断できたもののドロス高さの比率が条件を満たさず、サンプル5及び26ではアルミ板材AWを切断できなかった。
図6Bより、アルミ板材AWとして板厚が2mmのA1050のアルミニウムを切断する場合、tm/tpを1.153%以上、1.596%以下とするのがよいことが分かる。アルミ板材AWとして板厚が3mmのA1050のアルミニウムを切断する場合、tm/tpを0.817%以上、0.894%以下とするのがよいことが分かる。アルミ板材AWとして板厚が4mmのA1050のアルミニウムを切断する場合、tm/tpを0.561%以上、0.647%以下とするのがよいことが分かる。
レーザ光の焦点位置はアルミ板材AWの表面よりもノズル35側に2.0mm〜2.5mmシフトした位置とすることが好ましい。ノズル35の開口径Rnは板厚の67%〜100%であることが好ましい。アシストガスAGは0.17体積%〜0.40体積%の酸素を含むことが好ましく、ガス圧は1.0MPa〜1.6MPaであることが好ましい。
図7は、横軸を板厚、縦軸をtm/tpの値とし、板厚2mm、3mm、4mmそれぞれのtm/tpの値の下限値と上限値をプロットしたグラフである。板厚をx、tm/tpの値をyとすると、下限値及び上限値はそれぞれ式(2)及び(3)で示す近似式で表すことができる。
y=0.0027e0.36x …(2)
y=0.0026e0.4512x …(3)
y=0.0026e0.4512x …(3)
図7より、アルミ板材AWの板厚が2mm、3mm、4mmのみに限らず、板厚によって決まるtm/tpの値が式(2)で求められる下限値から式(3)で求められる上限値までの間にあれば、A1050のアルミ板材AWを、ドロスの発生を十分に抑制して、良好な切断加工品質で切断することができるということになる。
次に、アルミ板材AWとしてA5052のアルミニウムを用いた場合の実験結果を説明する。図8A及び図8Bは、アルミ板材AWとしてA5052のアルミニウムを用い、番号1〜28の28個のサンプルをレーザ加工機1によって切断したときの実験結果を示している。
図8A及び図8Bにおいて、NGと評価されたサンプルのうち、サンプル24及び25以外ではアルミ板材AWを切断できたもののドロス高さの比率が条件を満たさず、サンプル24及び25ではアルミ板材AWを切断できなかった。
図8Bより、アルミ板材AWとして板厚が2mmのA5052のアルミニウムを切断する場合、tm/tpを1.104%以上、1.239%以下とするのがよいことが分かる。アルミ板材AWとして板厚が3mmのA5052のアルミニウムを切断する場合、tm/tpを0.507%以上、0.642%以下とするのがよいことが分かる。アルミ板材AWとして板厚が4mmのA5052のアルミニウムを切断する場合、tm/tpを0.315%以上、0.496%以下とするのがよいことが分かる。
レーザ光の焦点位置はアルミ板材AWの表面よりもノズル35側に2.5mm〜4.0mmシフトした位置とすることが好ましい。ノズル35の開口径Rnは板厚の67%〜100%であることが好ましい。アシストガスAGは0.13体積%〜0.34体積%の酸素を含むことが好ましく、ガス圧は0.9MPa〜1.6MPaであることが好ましい。
図9は、横軸を板厚、縦軸をtm/tpの値とし、板厚2mm、3mm、4mmそれぞれのtm/tpの値の下限値と上限値をプロットしたグラフである。板厚をx、tm/tpの値をyとすると、下限値及び上限値はそれぞれ式(4)及び(5)で示す近似式で表すことができる。
y=0.0009e0.5839x …(4)
y=0.0019e0.4582x …(5)
y=0.0019e0.4582x …(5)
図9より、アルミ板材AWの板厚が2mm、3mm、4mmのみに限らず、板厚によって決まるtm/tpの値が式(4)で求められる下限値から式(5)で求められる上限値までの間にあれば、A5052のアルミ板材AWを、ドロスの発生を十分に抑制して、良好な切断加工品質で切断することができるということになる。
図1において、保持部501は、式(2)及び(3)、式(4)及び式(5)を保持する。制御装置50は、レーザ加工ユニット20によって、1000系の材料記号を有するアルミニウムの所定の板厚の板材を設定されたパラメータに基づく加工条件で切断加工しようとするときに、値yが式(2)で得られる下限値から式(3)で得られる上限値までの間となるか否かを判定する。
制御装置50は、レーザ加工ユニット20によって、5000系の材料記号を有するアルミニウムの所定の板厚の板材を設定されたパラメータに基づく加工条件で切断加工しようとするときに、値yが式(4)で得られる下限値から式(5)で得られる上限値までの間となるか否かを判定する。
なお、保持部501に保存される式(2)及び(3)、式(4)及び式(5)は指数近似曲線式であって、板厚によって決まるtm/tpの値の変化率がtm/tpの値に比例する近似式である。その近似式は、tm/tpの値の変化率から微分方程式で解くことができる。自然対数の底の累乗に使われる定数と積分定数とを算出することによって、鋼材メーカの違い等に起因する近似式を微量に調整することができる。式(2)〜(5)において、0.0027,0.0026,0.0009,0.0019が積分定数である。
各tm/tpの値を鋼材メーカの違い等に応じて変更して保持部501に保持し、制御装置50が近似式の定数と積分定数とを算出して式(2)〜(5)を生成して、式(2)〜(5)を保持部501に保持すればよい。
制御装置50は、アルミ板材AWをレーザ加工ユニット20によって設定された加工条件で切断加工しようとするときに、値yが下限値から上限値までの間となるか否かの判定結果を表示部52に表示するよう制御する。制御装置50は、値yが下限値から上限値までの間となるか否かで異なる文字、記号、または画像を表示部52に表示する。
例えば、制御装置50は、値yが下限値の105%よりも大きく、上限値の95%よりも小さいときには良好を示す記号○を表示部52に表示する。制御装置50は、値yが下限値の95%以上105%以下であるか、上限値の95%以上105%以下であるときには注意を示す記号△を表示部52に表示する。制御装置50は、値yが下限値の95%未満であるか、上限値の105%より大きいときには不可を示す記号×を表示部52に表示する。
記号○,△,×は記号の一例であり、制御装置50は、「良好」,「注意」,「不可」のように表示部52に文字を表示してもよい。注意とする範囲は下限値及び上限値の±5%に限定されず、制御装置50は、±3%または±7%のように適宜に設定すればよい。
レーザ加工ユニット20がアルミ板材AWの切断加工を開始する前に制御装置50が
表示部52に判定結果を表示することにより、オペレータは、ドロスの発生が十分に抑制され、良好な切断加工品質が得られるか否かを確認することができる。
表示部52に判定結果を表示することにより、オペレータは、ドロスの発生が十分に抑制され、良好な切断加工品質が得られるか否かを確認することができる。
本発明は以上説明した本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において種々変更可能である。
1 レーザ加工機
10 レーザ発振器
20 レーザ加工ユニット
50 制御装置
51 操作部
52 表示部
501 保持部
AW アルミ板材
10 レーザ発振器
20 レーザ加工ユニット
50 制御装置
51 操作部
52 表示部
501 保持部
AW アルミ板材
Claims (10)
- 波長が1μm帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から射出されたレーザ光を、1000系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工するレーザ加工ユニットと、
を備え、
レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの44%の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間tpとし、
cを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Tを前記板材の融解温度、T0を環境温度、Aを前記板材の光吸収率、Pdを前記内部領域のエネルギ密度として、式(1)で計算される時間を前記板材が融解する融解時間tmとし、
tm=c×ρ×λ×π[(T−T0)/(2×A×Pd)]2 …(1)
前記板材の板厚をx、融解時間tmを移動時間tpで除したtm/tpの値をyとしたとき、
y=0.0027e0.36x …(2)
y=0.0026e0.4512x …(3)
前記レーザ加工ユニットは、値yを式(2)で得られる下限値から式(3)で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工する
ことを特徴とするレーザ加工機。 - 式(2)及び式(3)を保持する保持部と、
前記レーザ加工ユニットによって、1000系の材料記号を有するアルミニウムの所定の板厚の板材を設定された加工条件で切断加工しようとするときに、値yが式(2)で得られる下限値から式(3)で得られる上限値までの間となるか否かを判定して、判定結果を表示部に表示するよう制御する制御装置と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工機。 - 波長が1μm帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から射出されたレーザ光を、5000系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工するレーザ加工ユニットと、
を備え、
レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの44%の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間tpとし、
cを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Tを前記板材の融解温度、T0を環境温度、Aを前記板材の光吸収率、Pdを前記内部領域のエネルギ密度として、式(1)で計算される時間を前記板材が融解する融解時間tmとし、
tm=c×ρ×λ×π[(T−T0)/(2×A×Pd)]2 …(1)
前記板材の板厚をx、融解時間tmを移動時間tpで除したtm/tpの値をyとしたとき、
y=0.0009e0.5839x …(4)
y=0.0019e0.4582x …(5)
前記レーザ加工ユニットは、値yを式(4)で得られる下限値から式(5)で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工する
ことを特徴とするレーザ加工機。 - 式(4)及び式(5)を保持する保持部と、
前記レーザ加工ユニットによって、1000系の材料記号を有するアルミニウムの所定の板厚の板材を設定された加工条件で切断加工しようとするときに、値yが式(4)で得られる下限値から式(5)で得られる上限値までの間となるか否かを判定して、判定結果を表示部に表示するよう制御する制御装置と、
をさらに備えることを特徴とする請求項3に記載のレーザ加工機。 - 前記板材の板厚は、2mm〜4mmであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のレーザ加工機。
- 波長が1μm帯であるレーザ光を、1000系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、
前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工し、
レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの44%の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間tpとし、
cを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Tを前記板材の融解温度、T0を環境温度、Aを前記板材の光吸収率、Pdを前記内部領域のエネルギ密度として、式(1)で計算される時間を前記板材が融解する融解時間tmとし、
tm=c×ρ×λ×π[(T−T0)/(2×A×Pd)]2 …(1)
前記板材の板厚をx、融解時間tmを移動時間tpで除したtm/tpの値をyとしたとき、
y=0.0027e0.36x …(2)
y=0.0026e0.4512x …(3)
値yを式(2)で得られる下限値から式(3)で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工する
ことを特徴とするレーザ加工方法。 - 式(2)及び式(3)を保持部に保持し、
1000系の材料記号を有するアルミニウムの所定の板厚の板材を設定された加工条件で切断加工しようとするときに、値yが式(2)で得られる下限値から式(3)で得られる上限値までの間となるか否かを判定し、
判定結果に基づき、値yが式(2)で得られる下限値から式(3)で得られる上限値までの間となるか否かで異なる文字、記号、または画像を表示部に表示する
ことを特徴とする請求項6に記載のレーザ加工方法。 - 波長が1μm帯であるレーザ光を、5000系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、
前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工し、
レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの44%の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間tpとし、
cを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Tを前記板材の融解温度、T0を環境温度、Aを前記板材の光吸収率、Pdを前記内部領域のエネルギ密度として、式(1)で計算される時間を前記板材が融解する融解時間tmとし、
tm=c×ρ×λ×π[(T−T0)/(2×A×Pd)]2 …(1)
前記板材の板厚をx、融解時間tmを移動時間tpで除したtm/tpの値をyとしたとき、
y=0.0009e0.5839x …(4)
y=0.0019e0.4582x …(5)
値yを式(4)で得られる下限値から式(5)で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工する
ことを特徴とするレーザ加工方法。 - 式(4)及び式(5)を保持部に保持し、
5000系の材料記号を有するアルミニウムの所定の板厚の板材を設定された加工条件で切断加工しようとするときに、値yが式(4)で得られる下限値から式(5)で得られる上限値までの間となるか否かを判定し、
判定結果に基づき、値yが式(4)で得られる下限値から式(5)で得られる上限値までの間となるか否かで異なる文字、記号、または画像を表示部に表示する
ことを特徴とする請求項8に記載のレーザ加工方法。 - 前記板材の板厚は、2mm〜4mmであることを特徴とする請求項6〜9のいずれか1項に記載のレーザ加工方法。
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