JPH0825077A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 レーザ加工の際の溶融金属の飛散効率を向上
させる。 【構成】 前処理手段８１は加工プログラム８０を解読
する。補間手段８２は補間を行い、軸制御回路７０ａ，
７０ｂ，７０ｃに移動のためのパルス信号を送る。軸制
御回路７０ａ，７０ｂ，７０ｃはそれぞれ、ｘ軸、ｙ
軸、ｚ軸方向の移動を制御する。回転制御手段８３は、
各軸の移動方向から、加工ヘッドの２次元平面上の移動
方向を計算する。そして、常にアシストガスが移動方向
の後方に向かって噴射するように軸制御回路５０にパル
ス信号を送る。軸制御回路５０はサーボアンプ５１を介
しサーボモータ３０の回転を制御する。サーボモータ３
０は加工ヘッドのノズルに結合されている。このノズル
は、レーザビームに対して、傾斜角を持ったアシストガ
ス噴射経路を有している。このようなノズルを回転させ
ることにより、アシストガスを常に進行方向に対して斜
め後方に向かって噴射することができる。

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を集光して
ワーク加工を行うレーザ加工装置及びレーザ加工方法に
関し、特にアシストガス噴射方法を改良したレーザ加工
装置及び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）Ｆｅ₃ Ｏ₄ ＋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。
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】図５は従来のレーザ加工装置による加工状
況を示す図である。図において加工ヘッド１０ａは矢印
方向に移動している。加工ヘッド１０ａには集光レンズ
１２ａが固定されており、ノズルの先端にはレーザビー
ム１１ａのアシストガス噴射経路１９ａが設けられてい
る。アシストガス噴射経路１９ａからは、アシストガス
１３ａが噴出されている。入力されたレーザビーム１１
ａは集光レンズ１２ａによって集光され、ワーク２０ａ
に照射される。ワーク２０ａの斜線部分は未切断部分２
２ａであり、その他の部分は切断済の部分２１ａであ
る。アシストガス噴射経路１９ａから噴出されたアシス
トガス１３ａは、レーザビーム１１ａと並行に噴出し、
切断溝の前方の淵２３ａに吹きつけられる。

【０００７】このように、アシストガス１３ａの流れ
が、レーザビーム１１ａのビーム軸と並行になるよう
に、アシストガス噴射経路１９ａが設けられている。そ
して、ノズル先端のアシストガス噴射口は真円であるた
め、アシストガス１３ａはレーザビーム１１ａを中心と
する同心円状に、ワーク２０ａに垂直に吹きつけられ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、切断速度が高
速になると、ワーク下層域での溶融に著しく遅れが生
じ、ワークに対して垂直に吹きつけられたアシストガス
の流れがワーク下層域で妨げられてしまう。この結果、
アシストガスによる溶融鉄の飛散除去が切断速度に追い
つかなくなる。除去されずに加工部付近に残っている溶
融鉄が、レーザビームのワークへの照射を妨げ、レーザ
加工の切断効率を低下させてしまう。

【０００９】ここで、溶融金属の飛散除去の効率を上げ
るために、アシストガスの圧力を上昇させる方法が考え
られるが、この場合、ワークの切断部分における酸化反
応が激しくなりすぎ、切断面が劣悪になってしまう。こ
のため、アシストガスの圧力は、ある程度の限界値以上
に増加させることができない。

【００１０】このように、溶融鉄の飛散除去が十分に行
われないと、レーザビームの出力を増強しても、その増
強分に見合った切削速度の高速化が図れないという問題
点があった。

【００１１】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、溶融金属の飛散効率を向上させたレーザ加工
装置を提供することを目的とする。また、本発明の別の
目的は、溶融金属の飛散効率を向上させたレーザ加工方
法を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、同一開口部からレーザビームと共にアシス
トガスを噴射させてワーク加工を行うレーザ加工装置に
おいて、ビーム軸に対し傾斜角を持ったアシストガス噴
射経路を有するノズルと、加工プログラムから各軸の移
動量を解読する前処理手段と、前記各軸の移動量をパル
ス出力する補間手段と、前記各軸のパルス出力から加工
の進行方向を判断し、ノズルを回転させて、前記アシス
トガスを加工の進行方向に対して常に斜め後方に向かっ
て噴射させる回転制御手段と、を有することを特徴とす
るレーザ加工装置が提供される。

【００１３】また、同一開口部からレーザビームと共に
アシストガスを噴射させてワーク加工を行うレーザ加工
方法において、ビーム軸に対し傾斜角を持ったアシスト
ガス噴射経路を有するノズルを回転させることにより、
前記アシストガスを加工の進行方向に対して常に斜め後
方に向かって噴射させることを特徴とするレーザ加工方
法が提供される。

【００１４】

【作用】レーザ加工装置において、ノズルは、ビーム軸
に対し傾斜角を持ったアシストガス噴射経路を有する。
この傾斜角により、アシストガスを斜め方向に噴射させ
ることができる。前処理手段は、加工プログラムから各
軸の移動量を解読する。補間手段は、各軸の移動量をパ
ルス出力する。回転制御手段は、各軸のパルス出力から
加工の進行方向を判断し、ノズルを回転させて、アシス
トガスを加工の進行方向に対して常に斜め後方に向かっ
て噴射させる。

【００１５】これにより、切断溝の前方の淵の傾きに沿
ってアシストガスを噴出することができるため、溶融金
属の飛散除去を効率良く行うことができる。また、ビー
ム軸に対し傾斜角を持ったアシストガス噴射経路を有す
るノズルを回転させることにより、アシストガスを加工
の進行方向に対して常に斜め後方に向かって噴射させる
レーザ加工方法により、溶融金属の飛散除去を効率良く
行うことができる。

【００１６】

【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装置の概略構成を示
すブロック図である。レーザビームの出力や加工経路な
ど、レーザ加工装置が実行するべき加工内容が加工プロ
グラム８０にプログラムされている。前処理手段８１は
加工プログラム８０を解読し、その指令どおりに加工を
行うためのレーザビームの出力や加工点への移動経路、
及び移動量を解読する。補間手段８２は目的の加工を行
うように加工ヘッドを移動させるため、ｘ軸、ｙ軸、ｚ
軸方向の補間を行い、軸制御回路７０ａ，７０ｂ，７０
ｃに移動のためのパルス信号を送る。軸制御回路７０
ａ，７０ｂ，７０ｃにはそれぞれ、サーボアンプ７１
ａ，７１ｂ，７１ｃを介し、サーボモータ７２ａ，７２
ｂ，７２ｃが接続されており、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向の
移動を制御する。

【００１７】回転制御手段８３は、各軸の移動方向か
ら、加工ヘッドの２次元平面上の移動方向を計算する。
そして、常にアシストガスが移動方向の後方に向かって
噴射されるように軸制御回路５０にパルス信号を送る。
軸制御回路５０はサーボアンプ５１を介しサーボモータ
３０の回転を制御する。サーボモータ３０は加工ヘッド
のノズルに結合されている。このノズルは、レーザビー
ムに対して、傾斜角を持ったアシストガス噴射経路を有
している。このようなノズルを回転させることにより、
アシストガスを常に進行方向に対して斜め後方に向かっ
て噴射することができる。

【００１８】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）４
１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。
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、プロセッサ４０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。

【００１９】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
ビーム１１として外部に出力する。

【００２０】出力されたレーザビーム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２０の表面に照射される。

【００２１】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。

【００２２】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
れたレーザビームを入力してレーザビーム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。

【００２３】加工ヘッド１０にはガスボンベ９０が接続
され、加工時にはアシストガスが供給される。このアシ
ストガスは酸素（Ｏ₂ ）が使用される。加工ヘッド１０
のノズルには、ビーム軸に対し、傾斜角を持ったアシス
トガス噴射経路があり、そのアシストガス噴射経路はレ
ーザビーム１１の出力口も兼ねている。ＣＰＵ４０は加
工プログラムを解読することによって、加工ヘッド１０
の移動方向を計算する。そして、アシストガスを常に進
行方向の後方に向かって噴射するように軸制御回路５０
に指令する。軸制御回路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、ワ
ークの切断溝の傾斜に沿った角度でアシストガスを噴出
し、溶融金属の飛散効果を高めることができる。

【００２４】図３は本発明のレーザ加工装置による加工
状況を示す図である。図において加工ヘッド１０は矢印
の方向に移動している。ワーク２０の斜線の領域は未加
工部分２２であり、他の領域は切断済の部分２１であ
る。加工ヘッド１０の内部には集光レンズ１２があり、
レーザビーム１１を集光する。加工ヘッド１０の先端の
ノズルには、アシストガス噴射経路１９があり、アシス
トガス１３が噴射される。アシストガス噴射経路１９
は、ビーム軸に対し傾斜している。その傾斜角は、ワー
クの材質、板厚、等を考慮し、ワーク２０を切断する際
の切断溝の前方の淵２３の傾斜と同程度の傾きに設定す
る。つまり、噴射されるアシストガス１３の流れの方向
と、切断溝の前方の淵２３のとは、ほぼ並行になる。

【００２５】このように、アシストガス１３は常に進行
方向の斜め後方に向かって噴射される。従って、常にア
シストガス１３の流れはワークの切断溝の前方の淵２３
の傾きに沿った方向であり、ワークの下層域でのアシス
トガスの流速を高速に保つことができる。このため、ワ
ークの下層域においても、溶融金属の飛散が効率よく行
われる。この結果、レーザビームのエネルギが、効率よ
く切断のための熱エネルギとして使用され、切断の高速
化を促進することができる。

【００２６】なお、アシストガス噴射経路１９の傾斜角
が、切断溝の前方の淵２３の傾斜に満たなくても、多少
なりとも傾斜角を有していれば、ビーム軸と並行である
場合と比較し、溶融金属の飛散が効率が良いことは勿論
である。

【００２７】図４は本発明のレーザ加工装置の加工ヘッ
ドを示す図である。加工ヘッド１０の内部には、レーザ
ビーム１１を集光するための集光レンズ１２が固定され
ている。また、加工ヘッド１０の側面にはアシストガス
取り入れ口１８が設けられている。このアシストガス取
り入れ口１８には、図示されていないガスボンベ９０か
らアシストガス１３として酸素（Ｏ₂ ）が供給される。
ノズル１４の先端にはアシストガス噴射経路１９があ
る。このアシストガス噴射経路１９は、ビーム軸に対し
傾きを持っている。レーザビーム１１はアシストガス噴
射経路１９の間を通りワーク２０に照射される。

【００２８】サーボモータ３０の回転軸３１の回転は、
ベルト３３によってギヤ３４の回転軸３２に伝えられ
る。ギヤ３４は、ノズル１４に設けられたギヤ１５と噛
み合わされている。そして、ノズル１４はベヤリング１
６、１７があることによって回転可能に保持されてい
る。

【００２９】このようなレーザ加工装置においてワーク
２０を加工する場合、レーザビームは、集光レンズ１２
で集光されワークに照射される。同時に、アシストガス
取り入れ口１８から供給されたアシストガス１３は、ア
シストガス噴射経路１９よりワーク２０に向かって吹き
つける。そして、数値制御装置は加工ヘッド１０の移動
方向を計算し、アシストガスが必ず進行方向の後ろ側に
噴射されるようにサーボモータ３０を制御する。このサ
ーボモータ３０の回転がノズル１４に伝えられ、ノズル
１４を目的の方向に向けることができる。

【００３０】上記の説明のように、レーザ加工装置によ
り切断加工を行う際には、アシストガスを常に進行方向
の斜め後方に向かって噴射するようにしたため、溶融金
属の飛散除去が効率よく行える。従って、レーザエネル
ギが溶融金属に妨げられずにワークに照射され、切断加
工の高速化が図れる。これは、厚板のワークを切断する
場合に特に効果がある。それは、ワークの板圧が厚くな
るほど、ワーク下層域での溶融の遅れが顕著になるから
である。

【００３１】例えば、軟鋼板厚１２ｍｍのワークを切断
する場合、従来のレーザ加工装置での最大切断速度は１
ｍ／ｍｉｎであった。この速度は、レーザ出力が３ｋｗ
でも６ｋｗでも同じである。ところが、アシストガスを
常に進行方向の斜め後方に向かって噴射することによ
り、レーザ出力３ｋｗの場合には１．７ｍ／ｍｉｎの切
断速度が得られ、レーザ出力６ｋｗの場合には２．５ｍ
／ｍｉｎの切断速度が得られる。つまり、溶融金属の飛
散除去が効率良く行われるようになったため、大出力の
レーザ加工装置を用いれば、そのレーザ出力に応じて切
断速度を向上させることができる。なお、このような厚
い板厚のワークを切断する場合には、溶融金属の飛散除
去が効率の良いアシストガスのビーム軸に対する傾き
は、約１０°である。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、ワーク
の切断加工を行う際には、アシストガスを常に進行方向
の斜め後方に向かって噴射するようにしたため、溶融金
属の飛散除去が効率よく行え、切断加工の高速化が可能
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ加工装置の概略構成を示すブロ
ック図である。

【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】本発明のレーザ加工装置による加工状況を示す
図である。

【図４】レーザ加工装置の加工ヘッドを示す図である。

【図５】従来のレーザ加工装置による加工状況を示す図
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 １９ アシストガス噴射経路 ８１ 前処理手段 ８２ 補間手段 ８３ 回転制御手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同一開口部からレーザビームと共にアシ
   ストガスを噴射させてワーク加工を行うレーザ加工装置
   において、 ビーム軸に対し傾斜角を持ったアシストガス噴射経路を
   有するノズルと、 加工プログラムから各軸の移動量を解読する前処理手段
   と、 前記各軸の移動量をパルス出力する補間手段と、 前記各軸のパルス出力から加工の進行方向を判断し、ノ
   ズルを回転させて、前記アシストガスを加工の進行方向
   に対して常に斜め後方に向かって噴射させる回転制御手
   段と、 を有することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 【請求項２】 前記ノズルは、ビーム軸に対し約１０°
   の傾斜角を持ったアシストガス噴射経路を有することを
   特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 【請求項３】 同一開口部からレーザビームと共にアシ
   ストガスを噴射させてワーク加工を行うレーザ加工方法
   において、 ビーム軸に対し傾斜角を持ったアシストガス噴射経路を
   有するノズルを回転させることにより、前記アシストガ
   スを加工の進行方向に対して常に斜め後方に向かって噴
   射させることを特徴とするレーザ加工方法。