JPH0825074A

JPH0825074A - レーザ加工方法

Info

Publication number: JPH0825074A
Application number: JP6160869A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Nakada; 嘉教中田; Atsushi Mori; 敦森
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1994-07-13
Filing date: 1994-07-13
Publication date: 1996-01-30

Abstract

(57)【要約】【目的】高速に軟鋼の板等を切断できるレーザ加工方
法を提供する。【構成】加工ヘッド１０内には集光レンズ１２が設け
られている。レーザビーム１１は、この集光レンズ１２
によって集光され、ワーク２０に照射される。加工ヘッ
ド１０の側面には、サーボモータ３０が設けられてお
り、ボールスクリュー３１及びナット３２によって、ノ
ズル１４を上下に移動させることができる。ノズル１４
の先端からはアシストガス１３が切断溝２１に向かって
噴出している。高速の切断を行う場合には、予め最も高
速に切断できる焦点位置（高速切断焦点位置）を実験に
より求めておく。数値制御装置によってサーボモータ３
０の回転を制御することにより、集光レンズ１２の焦点
位置が高速切断焦点位置になるようにノズル１４を移動
し、ワーク２０の切断を行う。このように、切断の際の
焦点位置を変更するだけで、切断速度を上げることがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザビームによって切
断加工を行うレーザ加工方法に関し、特に軟鋼の板等を
高速に切断するのに適したレーザ加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工は、極めて位相のそろった単
色光を発生させ、それを集光レンズで集光することによ
って得られる高密度のエネルギをもったレーザビーム
を、ワークの極小部分に照射して、ワークを蒸発、溶融
する加工方法である。レーザビームは制御性が良いた
め、レーザ加工を数値制御装置で制御することにより、
複雑な形状の加工や、精密微細加工が可能である。そし
て、レーザ加工をより効率良く行う方法として、ワーク
の溶融を促進するための酸素をアシストガスとして利用
する方法がある。このアシストガスには、レーザの熱に
加え酸化熱によりワークの溶融を促進する作用ととも
に、溶融金属を加工部から飛散除去する作用がある。

【０００３】酸素を用いたアシストガスによる化学反応
は、以下の熱化学反応式で表される。

【０００４】

【化１】Ｆｅ＋Ｏ₂ ⇒ （１／２）ＦｅＯ＋３８ＫＪ／ｃｍ³ ・・・（１）

【０００５】

【化２】Ｆｅ＋（２／３）Ｏ₂ ⇒ （１／３）Ｆｅ₃Ｏ₄＋５２ＫＪ／ｃｍ³ ・・・（２）軟鋼の板の切断を行う場合、タレットパンチプレスやプ
ラズマ切断機を用いれば、レーザ加工よりも高速な加工
が可能である。ところが、タレットパンチプレスは金型
が必要であるとともに、切断面にばりができてしまう。
さらに騒音も大きい。また、プラズマ切断機による切断
は非常に高速であるが、環境の悪化を伴うとともに、各
種部品の磨耗が激しい。このように、タレットパンチプ
レスやプラズマ切断機には、それぞれに問題点がある。
そのため、環境に悪影響を及ぼさず、部品の磨耗が少な
く、さらに微細加工に優れているレーザ加工による、切
断の高速化が望まれている。

【０００６】従来、レーザを用いて切断加工を行う場合
の初期条件設定の１つに焦点位置の設定がある。これ
は、ワークの表面に最小のスポット径が位置するように
集光レンズの位置を決定するための操作であり、一般的
には切断加工を実施してみて、最良の切断面品質が得ら
れるように微調整を加えて設定する。

【０００７】図５は従来のレーザ加工方法による切断加
工を示す図である。加工ヘッド１０ａには集光レンズ１
２ａが固定されており、ノズルの先端にはレーザビーム
１１ａの照射経路も兼ねたアシストガスの噴射口が設け
られている。入力したレーザビーム１１ａは集光レンズ
１２ａによってワーク２０ａ表面に集光される。この集
光レンズ１２ａが、レーザビーム１１ａを集光する位置
が焦点位置である。そして、ワーク２０ａの溶融してい
る部分にアシストガス１３ａを吹きつけることによっ
て、酸化熱による溶融を促進させるとともに、溶融金属
を下方に飛散除去する。ワーク２０ａの切断溝２１ａ
は、ワーク２０ａの表面において最も狭く、裏面におい
て最も広くなっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、最良の切断面
品質を得られる焦点位置は、ワークの表面近傍であるこ
とが求められていたが、最大の切断速度を得られる焦点
位置は求められていなかった。そのため、高速に切断を
行う必要のある場合であっても、ワーク表面近傍の位置
に焦点位置を設定していた。ところが、図５から分かる
ように、ワーク表面近傍に焦点位置があると、ワーク表
面での切断溝が狭いため、アシストガスによる溶融金属
の飛散除去が効率的に行われない。その結果、切断の高
速化の妨げとなっていた。

【０００９】また、アシストガスの圧力を上昇させ、溶
融金属の飛散除去の効果を向上させようとすると、切断
溝内部の酸化反応が激しくなりすぎ、切断面が非常に劣
悪になってしまう。

【００１０】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、高速に軟鋼の板等を切断できるレーザ加工方
法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、レーザビームで切断加工を行うレーザ加
工方法において、最大加工速度が得られる集光レンズの
高速切断焦点位置を加工実験によって求め、前記集光レ
ンズの焦点位置が前記高速切断焦点位置になるように、
前記集光レンズの位置を設定して切断加工を行うことを
特徴とするレーザ加工方法が提供される。

【００１２】

【作用】集光レンズの焦点位置を実験により求められた
高速切断焦点位置にすることにより、溶融金属を飛散除
去するのに適した切断溝が形成される。その結果、アシ
ストガスによる溶融金属の飛散除去が効率良く行われ、
ワーク切断の高速化が図れる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は本発明のレーザ加工方法に用いる加工ヘ
ッドの概略構成を示す図である。加工ヘッド１０内には
集光レンズ１２が設けられている。レーザビーム１１
は、この集光レンズ１２によって集光され、ワーク２０
に照射される。

【００１４】加工ヘッド１０の側面には、サーボモータ
３０が設けられており、ボールスクリュー３１及びナッ
ト３２によって、ノズル１４を上下に移動させることが
できる。ノズル１４の先端からはアシストガス１３が切
断溝２１に向かって噴出している。

【００１５】ここで、加工ヘッド１０のｚ軸上の移動
は、ノズル１４の先端の座標値を基準にして移動してい
る。つまり、ノズル１４の先端とワーク２０の距離は一
定に保たれるため、集光レンズ１２とノズル１４の先端
の距離を変化させることにより、ワーク２０に対する集
光レンズ１２の位置が変わり、集光レンズ１２の焦点位
置を上下に移動させることができる。

【００１６】このようなレーザ加工ヘッド１０を有する
レーザ加工装置を用いて、本発明を実施する場合、予め
最も高速に切断できる焦点位置を実験により求めてお
く。この焦点位置を、高速切断焦点位置という。高速切
断焦点位置は数値制御装置内のメモリ等に記憶させてお
く。

【００１７】そして、高速の切断を行う際には、数値制
御装置によってサーボモータ３０の回転を制御すること
により、集光レンズ１２の焦点位置が高速切断焦点位置
になるようにノズル１４を移動する。この高速切断焦点
位置を保持しワーク２０を切断することにより、切断速
度の高速化が図れる。

【００１８】高速切断焦点位置は、多くの場合はワーク
表面より下の位置である。焦点位置がワーク表面より下
にあることにより、ワーク表面での切断溝の幅が、ワー
ク裏面での幅と同程度になるため、加工溝２１の全領域
にわたり十分なアシストガスが供給される。その結果、
溶融金属の飛散が効率よく行われ、切断速度を速くする
ことが可能となる。

【００１９】このように、切断の際の焦点位置を変更す
るだけで、切断速度を上げることができる。図２は本発
明の一実施例のＮＣレーザ装置の構成を示したブロック
図である。図において、プロセッサ（ＣＰＵ）４０は読
み取り専用メモリ（ＲＯＭ）４１に格納された制御プロ
グラムに基づいて、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）
４２に格納された加工プログラムを読みだし、ＮＣレー
ザ装置全体の動作を制御する。また、ＲＡＭ４２には高
速切断焦点位置テーブルが格納されている。この高速切
断焦点位置テーブルには、実験によってワークの板厚ご
とに求められた高速切断焦点位置が登録されている。

【００２０】出力制御回路６０は内部にＤ／Ａコンバー
タを内蔵しており、ＣＰＵ４０から出力された出力指令
値を電流指令値に変換して出力する。励起用電源６１は
商用電源を整流した後、スイッチング動作を行って高周
波の電圧を発生し、電流指令値に応じた高周波電流を放
電管６６に供給する。

【００２１】放電管６６の内部にはレーザガス６５が循
環しており、励起用電源６１から高周波電圧が印加され
ると放電を生じてレーザガス６５が励起される。リア鏡
６４は反射率９９．５％のゲルマニウム（Ｇｅ）製の
鏡、出力鏡６７は反射率６５％のジンクセレン（ＺｎＳ
ｅ）製の鏡であり、これらはファブリペロー型共振器を
構成し、励起されたレーザガス分子から放出される１
０．６μｍの光を増幅して一部を出力鏡６７からレーザ
光１１として外部に出力する。

【００２２】出力されたレーザ光１１は、ベンダミラー
６８で方向を変え、加工ヘッド１０内部の集光レンズに
よって０．２ｍｍ以下のスポットに集光されてワーク２
０の表面に照射される。

【００２３】軸制御回路７０はＣＰＵ４０の指令によっ
てサーボアンプ７１を介してサーボモータ７２を回転制
御し、ボールスクリュー７４及びナット７３によってテ
ーブル７５の移動を制御し、ワーク２０の位置を制御す
る。図ではｘ軸のみを表示してあるが、実際にはｙ，ｚ
の制御軸もある。表示装置８０にはＣＲＴ或いは液晶表
示装置等が使用される。

【００２４】パワーセンサ６３は熱電あるいは光電変換
素子等で構成され、リア鏡６４から一部透過して出力さ
れたレーザ光を入力してレーザ光１１の出力パワーを測
定する。Ａ／Ｄ変換器６２はパワーセンサ６３の出力を
ディジタル値に変換してＣＰＵ４０に入力する。

【００２５】加工ヘッド１０には、サーボモータ３０が
設けられており、加工ヘッド１０の先端のノズルの位置
を上下に移動させる。また、加工ヘッド１０には、ガス
ボンベ９０から酸素ガスが供給されており、アシストガ
スとして使用される。

【００２６】ＣＰＵ４０は高速切断を実行する旨の指令
を受け取ると、予め記憶されている高速切断焦点位置テ
ーブルを参照し、切断する軟鋼板厚に対応する高速切断
焦点位置のデータを読みだす。そして、読みだした高速
切断焦点位置に焦点位置を移動させるように焦点位置制
御回路５０に指令する。焦点位置制御回路５０はサーボ
アンプ５１を介しサーボモータ３０を回転制御する。こ
のようにして、レーザビーム１１の焦点位置を、高速切
断に最適な位置に移動させることができる。

【００２７】図３は高速切断焦点位置テーブルの例を示
す図である。この例では、高速切断焦点位置は、ワーク
の表面からの距離で表されている。ワークの上方向が正
であり、下方向が負である。各板厚に対する高速切断焦
点位置が記憶されている。これらの高速切断焦点位置は
ワーク表面より下の位置である。なお、高品質を得る焦
点位置はワーク表面上である。また、この例は、板圧ご
との高速切断焦点位置が記憶されているが、板圧以外に
も、ワークの材質や、その他の加工条件に応じた高速切
断焦点位置を実験により求めておき、高速切断焦点位置
テーブル登録することもできる。

【００２８】図４は焦点位置と切断速度の関係を示す図
である。この例は、軟鋼板厚１．６ｍｍの切断を行う場
合のデータである。なお、焦点位置はワークが置かれた
台からの高さである。

【００２９】この図から分かるように、焦点位置がワー
クの表面近傍（焦点位置＝１．６ｍｍ）の場合には、切
断速度は４ｍ／ｍｉｎであるが、焦点位置がワークの表
面より１．０ｍｍ下の場合（焦点位置＝０．６ｍｍ）に
は、切断速度は６ｍ／ｍｉｎである。従って、この例で
は高速焦点位置を−０．６ｍｍ（ワークの表面を基準に
した値）に設定することにより、５０％の高速化が図れ
る。

【００３０】以上のように、高速の切断を行う場合に
は、集光レンズの焦点位置を高速切断焦点位置にしたた
め、加工目的に応じて、高品質の切断加工と高速切断加
工の使い分けを可能とした。この結果、高品質が求めら
れる場合には、高品質が得られる焦点位置により、タレ
ットパンチプレス等に比べ高品質な切断加工を行うこと
ができるとともに、高速の切断が求められる場合には、
焦点位置を高速切断焦点位置にすることにより、タレッ
トパンチプレス等と同等の処理速度でワークを加工する
ことができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、集光レ
ンズの焦点位置を高速切断焦点位置にして切断加工を行
うようにしたので、切断速度を上げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ加工方法に用いる加工ヘッドの
概略構成を示す図である。

【図２】本発明の一実施例のＮＣレーザ装置の構成を示
したブロック図である。

【図３】高速切断焦点位置テーブルの例を示す図であ
る。

【図４】焦点位置と切断速度の関係を示す図である。

【図５】従来のレーザ加工方法による切断加工を示す図
である。

【符号の説明】

１０加工ヘッド１１レーザビーム１２集光レンズ１３アシストガス１４ノズル２０ワーク２１切断溝３０サーボモータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザビームで切断加工を行うレーザ加
工方法において、最大加工速度が得られる集光レンズの高速切断焦点位置
を加工実験によって求め、前記集光レンズの焦点位置が前記高速切断焦点位置にな
るように、前記集光レンズの位置を設定して切断加工を
行うことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】前記高速切断焦点位置をワークの材質及
び板厚毎に求めて高速切断焦点位置テーブルを作成し、
前記最適焦点テーブルから高速切断焦点位置を読みだし
て切断加工を行うことを特徴とする請求項１記載のレー
ザ加工方法。
【請求項３】前記集光レンズの位置調整は、サーボモ
ータによる上下運動によって行うことを特徴とする請求
項１記載のレーザ加工方法。