JPH1117287A - 鋼材切断用ガスレーザ光の励起媒質ガスとこれを用いたガスレーザ鋼材切断機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２０ｍｍ以上の肉厚の厚肉鋼材を良好な状態
で切断可能にするガスレーザ光用の励起媒質ガスとこれ
を用いたガスレーザ鋼材切断機の提供。 【解決手段】 放電管２内に封入されていて、熱交換器
４を介して冷却するようブロワー３で循環されている励
起媒質ガスＥを、発振用電源５で電極６、７に所定の周
波数の高電圧を印加放電して励起せしめ、励起された光
が放電管２内で全反射鏡８と部分透過鏡９との間で光共
振してレーザ光を生起する。これを部分透過鏡９より導
出し、レンズで集光したビームを鋼材の切断に使用す
る。そして上記励起媒質ガスをＣＯ2、Ｎ2、ＨｅにＸｅ
＋Ｋｒを５容積％以下添加し、かつＫｒ／Ｘｅ＝３〜７
の値の範囲の組成比率（容積）としたものである。そし
て２０ｍｍ以上の厚肉鋼材を切断面の粗さが細かく、カ
ーフ幅の細い良好な切断を可能とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は鋼材特に厚肉の鋼
板、鋼管、Ｈ形鋼、鋼柱等を切断するのに適したガスレ
ーザ光を得るための励起媒質ガスと該ガスを用いたガス
レーザ鋼材切断機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】炭素鋼、ステンレス鋼等の鋼材、例えば
鋼板、鋼管、形鋼等を切断する方法としては、一般に、
刃物を用いる切断、砥粒を用いる切断、プレス機械を用
いる切断等の機械的な切断方法や、ガスの火炎を用いる
ガス切断、プラズマビームを用いる切断、レーザ光を用
いる切断等の熱による切断方法がある。このうち熱によ
る切断方法は、機械的な切断方法と異なって、切断のた
めの切断刃の如き被切断物に固定的に接触せしめる部分
がなく、その操作が自由で制御が容易である特徴があ
る。このため切断する形状に制約されることが少なく、
また切断速度が速くて切断作業効率が高く、コストが安
価になるという利点がある。

【０００３】そして、上記した熱による切断方法のうち
レーザ光による切断方法は、ガスによる切断方法やプラ
ズマビームによる切断方法に比べて寸法精度、直角度、
真直度が優れており、また上縁の溶け込みが少なく、更
に熱変形及び切断溝幅が小さいという特徴を有している
ことより、特に精密微細な切断加工に適している。

【０００４】図１０に高周波放電励起高速軸流型のガス
レーザ発振器の側面の概略構造図を図示して説明する。
高周波放電励起高速軸流型のガスレーザ発振器１はガラ
ス製の放電管２内に励起媒質ガスＥが封入されていて、
ブロワー３により励起後の励起媒質ガスＥを冷却するた
め冷却用熱交換器４を介して放電管２の前方から後方に
循環されている。そして発振用電源５から所定の周波数
の高電圧を放電管２に設けた一対の放電電極６、７間に
印加すると放電管２内に放電が生じる。この放電により
放電管２内に封入されている前記励起媒質ガスＥが励起
され、この結果放電管２の長手方向の前後に配した全反
射鏡８と部分透過鏡９とからなる光共振器の間でレーザ
発振が生起される。この生起された発振光の一部をレー
ザ光Ｌとして部分透過鏡９を介して取り出される。この
間前記励起媒質ガスＥはブロワー３によって放電管２内
を数十〜数百ｍ／ｓの速度で通過した後、熱交換器４に
導入されて冷却され、再び放電管２内に送り込まれて循
環されている。

【０００５】このようにして部分透過鏡より取り出され
たレーザ光Ｌはいくつかのベンドミラー（曲折反射鏡）
を介して所定の位置にあるトーチに導かれ、該トーチに
設備された集光レンズにより集光して被加工物鋼材ワー
クに投光して鋼材ワークを所望形状に切断するものであ
る。

【０００６】しかるに、上記したレーザー光による鋼材
の切断には、通称炭酸ガスレーザ光と称せられているレ
ーザ光が使用されている。そしてこのレーザ光の励起媒
質ガスＥとしては、二酸化炭素（ＣＯ₂）、窒素
（Ｎ₂）、ヘリウム（Ｈｅ）の３種の混合ガスが使用さ
れていた。そしてその容積組成比は、ＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅ
＝５〜１０：５０〜６０：２０以上、が適しているとさ
れていた。しかしこの組成のガスを励起媒質ガスＥとし
て使用したレーザ光による鋼材の切断では、鋼材の厚さ
が２０ｍｍ以上の厚板の例えば鋼板を切断すると、レー
ザ光の出力が時間的に変動したり、ビームの強度分布が
変化したりして、切断面が粗面になったり、切断する方
向によって切断面の溶け込みに斑が生づる等で安定した
均一な切断が困難である不都合があった。

【０００７】このようなことより、レーザ光の出力の増
大と励起効率の向上を図るため特開昭６０ー１８０１８
５号公報に開示されている如き技術が提案された。該公
報に開示されている技術は、前記炭酸ガスレーザ光の励
起媒質ガスＥとしての二酸化炭素、窒素、ヘリウムの３
種ガスの混合ガスにモル分率で５％以下のキセノン（Ｘ
ｅ）を加えることを特徴とするものである。そしてキセ
ノンを加えることにより、安定した高出力のレーザ光を
出力せしめることが出来るとともに、放電管内で放電に
均一な広がりを持たせる効果を生起し、その結果として
電流密度を低く抑止することが出来るため、レーザ光の
励起効率を高め、出力されるレーザ光を安定して取り出
すことが出来る効果を奏するものである。このことか
ら、このレーザ光を切断機に用いると、出力したレーザ
光を集光することにより、従来より安定したレーザ光強
度を得ることが出来るとしたものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たキセノンを加えた炭酸ガスレーザ光では、導出したレ
ーザ光を集光レンズで集光すると、肉厚方向のエネルギ
ー分布が一点に集中した集光点でのみビーム強度が高い
点熱源となる。それ故肉厚の厚い特に２０ｍｍ以上の厚
肉の鋼材を切断する場合、その集光点に位置する部位の
切断は可能であるが、その集光点から外れた部位では切
断性が悪くなる。そこで、このような厚肉の鋼材を切断
するには、集光によりその集光したエネルギー分布が被
切断厚肉鋼材の厚さ方向に向けて幅を有する、いわゆる
線熱源となることが望ましいことに着目した。本発明
は、前記課題を解決し、厚肉の鋼材を良好に切断するに
適した線熱源を形成するようなレーザ光強度を得るため
のレーザ光励起媒質ガスと該ガスを用いたガスレーザ鋼
材切断機を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記した課題を解決し、
目的を達成するため、本発明の請求項１では、組成成分
が二酸化炭素、窒素、ヘリウム、キセノン、及びクリプ
トンの５種類のガスの混合ガスよりなることを特徴とす
る鋼材切断用ガスレーザ光の励起媒質ガスとし、請求項
２では、前記５種類のガスの混合ガス中のキセノン＋ク
リプトンの含有率が５容積％以下であることを特徴とす
る請求項１の鋼材切断用ガスレーザ光の励起媒質ガスと
し、そして請求項３では、前記５種類のガスの混合ガス
中のキセノン：クリプトンの容積比は１：３〜７である
ことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに
記載の鋼材切断用ガスレーザ光の励起媒質ガスとしたも
のである。そして更に、請求項４では、請求項１乃至請
求項３のいずれか１項に記載された鋼材切断用ガスレー
ザ光の励起媒質ガスを用いたガスレーザ鋼材切断装置と
したものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明は、鋼材特に肉厚が２０ｍ
ｍ以上の厚肉鋼材を切断するのに適したガスレーザ光を
発生させるために、図１０に図示した高周波放電励起高
速軸流型ガスレーザ発振器１の放電管２内に封入して励
起する励起媒質ガスＥとして二酸化炭素、窒素、ヘリウ
ム、キセノン、クリプトンの５種類のガスを混合したガ
スを用いたものである。好ましくはこのガスの組成成分
の比率が、ＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅ＝５〜１０：５０〜６０：
２０以上の混合ガスにＸｅ＋Ｋｒを添加したものであ
る。

【００１１】そして、前記５種類の混合ガスで厚肉鋼材
の切断用として特に好ましいレーザ光の強度分布を得る
ため、前記５種混合ガス中のキセノン＋クリプトンの含
有率を５容積％以下としたものである。更に、前記５種
混合ガス中に含有するクリプトン／キセノン＝３〜７の
範囲にすることにより、導出されるレーザ光の径が時間
的に安定した状態で、軸対称の低次モードで出力強度の
高い安定したビームを得たものである。

【００１２】前記した組成成分比の励起媒質ガスを放電
管２に封入したガスレーザ発振器を用いたガスレーザ鋼
材切断機では、出力ビームが安定し、軸対称の低次モー
ドのエネルギー分布が得られ、かつ集光ビームのスポッ
ト半径が肉厚方向のエネルギーの拡がりを有していて、
厚肉の鋼材を切断面を均一にして、カーフ幅を細くした
きめ細かな切断を可能とする。

【００１３】

【実施例】本発明のレーザ光の励起媒質ガスに関して、
実施例として特定するガス組成成分について、各種行っ
た確認実験を以下に例示して説明する。励起する励起媒
質ガスとしては、従来より鋼材の切断用に使用されてい
る炭酸ガスレーザ光に用いられている励起媒質ガスとそ
の組成成分比（容積）ＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅ＝５〜１０：５
０〜６０：２０以上、に基づいて、これにＸｅ＋Ｋｒを
添加して各種の特性を実験により確認した。なお使用し
たガスレーザ光は、一般に炭酸ガスレーザ光と称せられ
ている、高周波放電励起高速軸流型（図１０参照）のも
ので、出力６ＫＷ、周波数５００Ｈｚ、デユーテイサイク
ル７０％の発振器を用いた。また、切断に使用した厚肉
鋼材として、厚さ２５ｍｍの炭素鋼の鋼板を用いた。

【００１４】［実験１］先ず励起媒質ガスの組成成分の
差異による放電管から導出されるレーザ光の非集光ビー
ムの半径の時間的変化を実験により確認した。使用した
励起媒質ガスは、以下の３種類である。 本発明の励起媒質ガス組成成分比（容積） ＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅ：（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝５：５４：４０：
１ そして、Ｋｒ／Ｘｅ＝５ 従来の炭酸ガスレーザ光の励起媒質ガスにＸｅのみ添
加した組成成分比（容積） ＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅ：（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝５：５４：４０：
１ そして、Ｋｒ／Ｘｅ＝０／１（Ｘｅのみ添加） 従来の炭酸ガスレーザ光の励起媒質ガス組成成分比
（容積） ＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅ＝５：５５：４０ この３種類の励起媒質ガスによるレーザ光の非集光ビー
ムの半径の経時による変化のグラフを図１に示す。

【００１５】図１で明らかなように、従来の炭酸ガスレ
ーザ光での励起媒質ガスでは、これによるレーザ光の
非集光ビームの半径は経時により変化が起き、レーザ光
として非常に不安定である。これに対して本発明の励起
媒質ガスによるレーザ光の非集光ビームの半径の経時
による変動は、Ｘｅのみを従来の炭酸ガスレーザ光の励
起媒質ガスに添加した励起媒質ガスとともに、殆どな
く極めて安定していることが判る。これは切断用のレー
ザビームとして好都合である。

【００１６】［実験２］次にレーザ光の非集光ビームの
強度分布について実験して確認した。使用した励起媒質
ガスは、前記実験１で使用した前記の組成成分比（容
積）の励起媒質ガス、 ＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅ：（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝５：５４：４０：
１ そして、Ｋｒ／Ｘｅ＝５ と、その比較例として前記実験１の前記の従来の炭酸
ガスレーザ光の励起媒質ガスで組成成分比（容積）が ＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅ＝５：５５：４０ であるガスを用いて行った。その結果を、本発明の励起
媒質ガスについては図２に、比較例としての従来の炭
酸ガスレーザ光の励起媒質ガスについては図３にその
強度分布を図示した。なお、分布は強度の８６％を包含
する半径（ｗ）に対する非集光ビームの半径方向の距離
（ｒ）即ちｒ／ｗを横軸に、ビームの相対強度を縦軸に
表示した。

【００１７】図２に図示した如く、本発明の組成成分よ
りなる励起媒質ガスによるレーザー光の非集光ビーム
の強度の分布は、極めて安定した軸に対称な低次モード
を示した。即ち強度分布のピークの分散が２つの少ない
態様に分散されているに過ぎず（低次モードと称す
る。）、多くのピークに分散されている高次モード（多
重モードまたはマルチモードとも称する。）の如く強度
の分散がなく、集中されている。しかも軸に対称に分散
されている。これに対して従来の炭酸ガスレーザ光に用
いている励起媒質ガスでのレーザ光の非集光ビームの
強度分布は図３に示す如く、低次モードを示してはいる
が、軸と非対称であることが認められた。

【００１８】この結果、従来の炭酸ガスレーザ光ではビ
ームの強度分布が軸に非対称な低次モードであるので、
切断にあたって非対称な低次モードが同一線上に沿って
進行する方向の切断は可能であるが、軸に非対称な低次
モードが並行して進行する方向の切断は切断むらが生じ
て好ましくない。即ちこの励起媒質ガスによるレーザ光
での切断では、切断が好ましい状態で行うことが可能な
方向が特定方向に限られてしまうことである。これに対
して、本発明による励起媒質ガスによるレーザ光のビ
ームの強度分布は軸に対称に形成されていて切断の方向
性に制限がなく、極めて安定している。

【００１９】［実験３］次に発振されるレーザ光の出力
ビームの強度の経時による変化を実験により確認した。
実験は励起媒質ガスとして前記実験１と同様に３種類の
励起媒質ガスを用いて行いこれらを比較した。即ち本
発明の励起媒質ガス組成成分比（容積） ＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅ：（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝５：５４：４０：
１ そして、Ｋｒ／Ｘｅ＝５ 従来の炭酸ガスレーザ光の励起媒質ガスにＸｅのみ添
加した組成成分比（容積） ＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅ：（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝５：５４：４０：
１ そして、Ｋｒ／Ｘｅ＝０／１（Ｘｅのみ添加） 従来の炭酸ガスレーザ光の励起媒質ガス組成成分比
（容積） ＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅ＝５：５５：４０ この結果のグラフを図４に図示する。なお、出力ビーム
強度は相対強度が９０％以上１００％の出力ピークを対
象にして評価した。

【００２０】図４のグラフより明らかなように、従来の
炭酸ガスレーザ光の励起媒質ガスを用いたレーザ光の
出力ビーム強度は、高い値を示すこともあるが、一方低
い値を示すこともあり極めて経時によって変動が大き
く、非常に不安定であることを示している。これに対し
て本発明に該当するＸｅ＋Ｋｒを添加した励起媒質ガス
によるレーザ光の出力ビームの強度は、従来の炭酸ガ
スレーザ光の励起媒質ガスにＸｅのみを添加した励起媒
質ガスによるレーザ光の出力ビームの強度と同様に、
前記炭酸ガスレーザ光での励起媒質ガスによるレーザ
光の如き高い出力強度のビームが出たり、低い出力強度
ビームとなることもなく、非常に安定していて、経時に
よる変動は極めてわずかであることを示している。この
ことは鋼材の切断加工をむら無く、かつ加工品の歩留ま
りを高く維持することができる。

【００２１】以上３つの実験により本発明の従来の炭酸
ガスレーザ光の励起媒質ガスにＸｅ＋Ｋｒを添加した励
起媒質ガスを用いたレーザ光は、非集光ビームの半径
や、出力ビーム強度が経時にともなって変動することが
少なく、極めて安定しており、鋼材の切断加工をむら無
く、良質な加工性を有することが判明した。その上、安
定した軸対称の低次モードのビーム強度分布を形成する
ことから、ビームの切断方向による指向性が無く、全方
向に良好に活用し得る特徴を有することが判明した。

【００２２】次に従来の炭酸ガスレーザ光に使用されて
いる励起媒質ガスである、ＣＯ₂、Ｎ₂、Ｈｅの混合ガス
に、本発明の励起媒質ガスとして添加するＸｅ＋Ｋｒが
それぞれどの程度の割合、即ちＫｒ／Ｘｅ組成比率（容
積）の如何なる値が適切な値かを確認した。

【００２３】［実験４］従来の炭酸ガスレーザ光に用い
る励起媒質ガスにＸｅ＋Ｋｒを添加した本発明の前記励
起媒質ガスで、ＸｅとＫｒとの組成比率（容積）を変
化せしめて、生起したレーザ光を焦点距離２５４ｍｍの
レンズを使用して集光されたスポットの半径の変化を確
認した。この結果のグラフを図５に図示する。なお、図
５のグラフで横軸はＫｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）を示し、そし
てその下方に理解し易いように、参考のためこれに相当
するＫｒ／Ｘｅ比率（容積）を示した。縦軸にはスポッ
ト半径（μｍ）を示した。

【００２４】図５により明らかなように、Ｋｒ／（Ｘｅ
＋Ｋｒ）＝０、即ちＫｒが含有せずにＸｅのみを添加し
た場合、スポット半径は約２２５μｍとなり、Ｋｒを混
入せしめている組成分の励起媒質ガスによるスポット半
径と比べて最もスポット半径が小さい。そしてＫｒを含
有せしめ、その量を増加せしめて行くとスポット半径は
順次徐々に増大して行き、特にＫｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝
０．７５以上（Ｋｒ／Ｘｅ＝３／１以上）でのスポット
半径の増大は著しい。更にＫｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝１で
あるＫｒのみ添加した時には、スポット半径は約２３８
μｍとなり、前記Ｋｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝０の時（Ｘｅ
のみ添加）のスポット半径より約６％増加していること
が確認された。

【００２５】上記実験４を参考にして厚肉の鋼材の切断
に好ましいスポット半径を形成する本発明の励起媒質ガ
スとして、添加するＸｅ＋ＫｒをＫｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）
＝０．７５以上（Ｋｒ／Ｘｅ＝３／１以上）の組成比
（容積）になるよう混合せしめることが好ましいことが
判った。これに基づきこのスポット半径が切断する鋼材
の肉厚の厚み方向にどのように作用するかを以下の実験
５で確認した。

【００２６】［実験５］実験４で得られた結果に基づ
き、焦点位置における集光ビームのスポット半径が切断
深さ（肉厚方向）でどのように変化するかを確認した。
導出されたレーザ光を焦点距離２５４ｍｍのレンズを使
用して、切断対象鋼材ワークの手前（レンズ側）２ｍｍ
の位置に焦点を結ばせ、その焦点位置の集光ビームのス
ポット半径と、焦点位置からワークの位置（目盛り０の
位置）とワークの肉厚の方向（深さ）の各位置における
集光ビームのスポット半径を測定し、各位置のスポット
半径の変動動向を確認した。使用した励起媒質ガスは以
下のａ．ｂ．ｃ．の３種類である。 ａ．本発明の励起媒質ガス組成成分比（容積） ＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅ：（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝５：５４：４０：
１ そして、Ｋｒ／Ｘｅ＝３、［Ｋｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝
０．７５］ ｂ．本発明の励起媒質ガス組成成分比（容積） ＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅ：（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝５：５４：４０：
１ そして、Ｋｒ／Ｘｅ＝７、［Ｋｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝
０．８８］ ｃ．従来の炭酸ガスレーザ光の励起媒質ガスにＸｅのみ
添加した組成成分比（容積） ＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅ：（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝５：５４：４０：
１ そして、Ｋｒ／Ｘｅ＝０／１（Ｘｅのみ添加） この結果のグラフを図６に図示する。横軸に被切断鋼材
ワークの位置を基準０にして、負（ー）側をレンズ側、
正（＋）側を鋼材ワークの肉厚方向（深さ）を単位（ｍ
ｍ）で示している。また縦軸にスポットの半径（μｍ）
を示している。

【００２７】図６で明らかなように、本発明の対象とす
る励起媒質ガスａを用いた場合、ー２ｍｍの位置の集光
ビームのスポット半径は約２３７μｍであり、そしてこ
の時このー２ｍｍの位置から１０ｍｍワーク側の＋８ｍ
ｍの位置ではスポットの半径は約２７６μｍとなり、約
３９μｍスポットの半径が拡がっている。また同様に本
発明の対象となる励起媒質ガスｂを用いた場合、ー２ｍ
ｍの位置の集光ビームのスポットの半径は約２３９μｍ
であり、この時これより１０ｍｍワーク側の＋８ｍｍの
位置のスポットの半径は約２７７μｍとなっていて、約
３８μｍスポットの半径が拡がっている。これに対して
本発明とは対象外である励起媒質ガスｃを用いたレーザ
光においては、ー２ｍｍの位置での集光ビームのスポッ
トの半径は約２２５μｍであった。そしてこの位置より
１０ｍｍワーク側の地点＋８ｍｍの位置での、このビー
ムのスポット半径は約２７０μｍとなっていて、この間
約４５μｍのスポット半径の拡がりが見られた。

【００２８】上記した実験５の結果より、本発明の対象
である励起媒質ガスａ、ｂを用いたレーザ光において
は、集光ビームのスポット半径は、焦点位置より１０ｍ
ｍのワークの肉厚方向側の＋８ｍｍの位置ではそれぞれ
約３９、３８μｍ拡がっているのに対して、本発明とは
対象外である励起媒質ガスｃを用いたレーザ光における
集光ビームのスポット半径は、１０ｍｍ先方のワークの
肉厚方向側の＋８ｍｍの位置で約４５μｍの拡がりの増
加があり、本発明の前記励起媒質ガスａ、ｂによるレー
ザ光よりその拡がり増加が大きいことが判った。このこ
とは励起媒質ガスｃでは、＋８ｍｍの位置ではスポット
半径の拡がり大きく肉厚方向（深さ）のエネルギー分布
が低減されていて点熱源に近い状態にあると判断され
る。これに対してこのスポット半径の拡がりが小さい本
発明の対象である励起媒質ガスａ、ｂではより肉厚方向
（深さ）のエネルギー分布が存在していて、線熱源に近
い状態にあると判断され、このことが厚肉の鋼材の切断
に適するものであると考えられる。

【００２９】更に前記従来の炭酸ガスレーザ光で使用し
ている励起媒質ガスに添加する、本発明のＸｅ＋Ｋｒの
Ｋｒ／Ｘｅ比率（容積）をより一層明確に確認するた
め、厚肉の鋼材として、例えば厚板の鋼板を切断して、
切断面の粗さとカーフ幅について確認した。 ［実験６］本発明の励起媒質ガスとして添加するＸｅ＋
ＫｒのＫｒ／Ｘｅ比率（容積）を明確にするため、その
比率を変化せしめて、それぞれの比率の励起媒質ガスで
生起せしめたレーザー光を、焦点距離２５４ｍｍのレン
ズを使用して集光し、ＳＳ４００（軟鋼）、板厚２５ｍ
ｍの厚板鋼板を試料として使用して切断した。そして、
切断後に試料の（イ）切断上面（表面より１ｍｍの位
置）、（ロ）切断中央深部（表面より１２．５ｍｍの位
置）、（ハ）切断下面（下表面より１ｍｍの位置）の３
個所について粗さを測定した。なお、使用したレーザ発
振器は図１０に示した出力６ＫＷの高周波放電励起高速
軸流型ガスレーザ発振器である。その結果のグラフを図
７に図示する。図中横軸にＫｒ／Ｘｅ比率（容積）の変
化をＫｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）の値で示し、縦軸に切断面の
粗さ（μｍ）を示した。

【００３０】図７より、切断面の粗さは、上面（イ）＜
中央深部（ロ）＜下面（ハ）の順に粗さが粗くなること
が確認されるとともに、以下のことが確認された。 （Ａ）切断上面（イ）の切断面の粗さは、Ｋｒ／（Ｘｅ
＋Ｋｒ）＝０、即ちＫｒ＝０で、Ｘｅ＝１でキセノンの
みを添加した時の粗さが約５３μｍであり、またＫｒ／
（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝１、即ちＸｅ＝０でＫｒ＝１の時で、
クリプトンのみを添加した時の粗さが約５４μｍであ
り、そして更にＫｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝０．８３、即ち
Ｋｒ／Ｘｅ＝５の比率の時の粗さは約５２．５μｍであ
って、それぞれＫｒ／Ｘｅ比率の変化によってその粗さ
に大きな変化は見られなかった。即ち、切断上面（イ）
の粗さについては、キセノン、クリプトンを添加した励
起媒質ガスによる大きな効果は認められなかった。

【００３１】（Ｂ）次に切断中央深部（ロ）の切断面の
粗さは、Ｋｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝０、即ちＫｒ＝０、Ｘ
ｅ＝１でキセノンのみを添加した時の粗さが約７３μｍ
であり、またＫｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝１、即ちＸｅ＝
０、Ｋｒ＝１でクリプトンのみを添加した時の粗さが約
７３μｍであり、そして更にＫｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝
０．８３、即ちＫｒ／Ｘｅ＝５での比率の時の粗さは約
７１μｍと小さくなっている。そしてこの約７１μｍの
面の粗さは、０．７５≦Ｋｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）≦０．９
の範囲、即ち３≦Ｋｒ／Ｘｅ≦９の範囲で保持され、従
ってこの範囲でキセノン、クリプトンを添加することの
効果は認められた。

【００３２】（Ｃ）また、切断下面（ハ）の切断面の粗
さは、Ｋｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝０、即ちＫｒ＝０、Ｘｅ
＝１でキセノンのみを添加した時の粗さが約９３μｍで
あり、またＫｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝１、即ちＸｅ＝０、
Ｋｒ＝１でクリプトンのみを添加した時の粗さが約９５
μｍであり、そして更にＫｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝０．８
３、即ちＫｒ／Ｘｅ＝５での比率の時の粗さは約９０μ
ｍと小さく、この切断下面で最小値を示している。そし
てこの約９０μｍに近い値の面の粗さは、０．７５≦Ｋ
ｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）≦０．８８の範囲、即ち３≦Ｋｒ／
Ｘｅ≦７の範囲で保持され、従ってこの範囲でキセノ
ン、クリプトンを添加することの効果は認められた。

【００３３】（Ｄ）以上のことから、切断面の粗さか
ら、励起媒質ガスに添加するＸｅ＋ＫｒのＫｒ／Ｘｅの
組成比率（容積）の適否を判断すると、最終的に切断が
良好になされたか否かは、被切断鋼板の切断下面の切断
面の粗さが小さいほど、レーザ光の集光ビームのエネル
ギーが被切断鋼板材の板厚方向の全厚みにわたって投与
されていて適しているものと判断され、従ってこの実験
６により板厚２０ｍｍ以上の厚板の鋼材の切断に使用す
る励起媒質ガスには、Ｘｅ＋Ｋｒを３≦Ｋｒ／Ｘｅ≦７
の範囲の組成比率（容積）で添加することが好ましいこ
とが確認された。

【００３４】［実験７］前記実験６の切断面の粗さの確
認実験にあたっての切断時に、添加するＸｅ＋ＫｒのＫ
ｒ／Ｘｅの組成比率（容積）の変化に伴う被切断鋼板ワ
ーク試料の表面（ｘ）と裏面（ｙ）の切断カーフ幅（ｍ
ｍ）を測定した。なお、実験の諸条件、切断試料鋼材等
は、実験６と同じである。この実験結果のグラフを図８
に図示する。図中横軸に組成比率Ｋｒ／Ｘｅの変化をＫ
ｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）で表示し、縦軸にカーフ幅（ｍｍ）
を表示した。

【００３５】図８のグラフで明らかなように、表面
（ｘ）のカーフ幅は、Ｋｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）の値が変化
しても殆ど変化せず、ほぼ０．７５ｍｍの値を保持して
いて、添加するＸｅ＋Ｋｒの組成比率Ｋｒ／Ｘｅの変化
による影響はない。しかしながら裏面（ｙ）のカーフ幅
は、Ｋｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝０、即ちＫｒ＝０でＸｅ＝
１の時約２ｍｍのカーフ幅があり、Ｋｒ／（Ｘｅ＋Ｋ
ｒ）の値が増大するに従ってカーフ幅は小さくなり、Ｋ
ｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝０．７５、即ち添加するＸｅ＋Ｋ
ｒの組成比率Ｋｒ／Ｘｅ＝３／１の時カーフ幅は約１．
７ｍｍとなっている。そしてＫｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）の値
が０．７５以上０．８８まで、約１．７ｍｍのほぼ一定
のカーフ幅を保持している。即ち板厚２０ｍｍ以上の厚
板を、裏面（ｙ）までより細く鋭いカーフ幅で切断を可
能にするレーザ光の励起媒質ガスは、Ｘｅ＋Ｋｒを添加
し、そしてこの組成比率（容積）Ｋｒ／Ｘｅを３〜７の
範囲とすることが好ましいことが確認された。

【００３６】以上の実験１乃至実験７の結果から、本発
明の鋼材特に厚肉鋼材切断用ガスレーザ光の励起媒質ガ
スとして、好適に使用し得る組成成分は以下の通りであ
ることが確認された。 （１）従来の炭酸ガスレーザ光用の励起媒質ガスにキセ
ノン（Ｘｅ）＋クリプトン（Ｋｒ）を添加すること。即
ちＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅ：（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝５〜１０：５０
〜６０：２０以上：１〜５の組成比率（容積）のガスで
あること。 （２）上記添加するＸｅ＋Ｋｒの組成比率をＸｅ：Ｋｒ
＝１：３〜７にすること。Ｘｅを１に対してＫｒを３以
下にすると、集光したビームのスポット半径が小さく、
肉厚方向（深さ）へのエネルギー分布が小さく、そのた
めに切断下面の粗さがおおきくなり、裏面の切断カーフ
幅が広くなり厚肉鋼材の切断に不適である。また、Ｘｅ
を１に対してＫｒを７以上にすると、レーザ光の出力ビ
ームの強度のピーク値が変動し、不安定になり切断面が
粗くなるとともに不均一となって好ましくない。 （３）上記添加するＸｅ＋Ｋｒの組成比率Ｘｅ：Ｋｒ＝
１：５の時に、集光ビームのスポット半径が板厚方向
（深さ方向）にエネルギー分布を保持していて、切断に
よる裏面のカーフ幅が細く、かつ切断面の粗さも切断下
面においても小さく均一に切断されて、２０ｍｍ以上の
厚肉の鋼材の切断用のレーザ光の励起媒質ガスとして特
に優れた作用効果を示した。

【００３７】なお、上記に示した各実験は、レーザ光の
励起媒質ガスとして、その組成が、容積比率でＣＯ₂：
Ｎ₂：Ｈｅ：（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝５：５４：４０：１、即
ちＸｅ＋Ｋｒが１容積％であるガスを例示して説明し
た。次に実験８として、励起媒質ガスに添加するＸｅ＋
Ｋｒの混合ガスの量を変化せしめて、これによるレーザ
出力に及ぼす影響について実験した。

【００３８】［実験８］この実験では、Ｘｅ＋Ｋｒの混
合ガスの含有量を変化せしめる励起媒質ガスとして、容
積比でＣＯ₂：Ｎ₂：Ｈｅ：（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝５：（〜５
５）：４０：（０〜）のガスを使用した。即ちＸｅ＋Ｋ
ｒの添加に伴い、Ｎ₂ガスの含有量を調整して行った。
なお、Ｘｅ＋Ｋｒの混合比率はＫｒ／Ｘｅ＝５／１（容
積比）の比率を有するよう調整した。このようにして、
Ｘｅ＋Ｋｒの容積含有量の変化に伴うレーザ出力（Ｋ
ｗ）の変化について測定した。この結果を図９に、横軸
にＸｅ＋Ｋｒの容積含有率（％）、縦軸にレーザ出力
（Ｋｗ）を示して図示する。

【００３９】図９で明らかなように、Ｘｅ＋Ｋｒが含有
されていない場合は、６Ｋｗの出力が得られた。そし
て、Ｘｅ＋Ｋｒの含有量が増加するとともにレーザ出力
も増加し、容積含有率が２．０％になると出力は約６．
６Ｋｗの値となり、ピーク値を得た。含有率が２．０％
以上になると、レーザ出力は徐々に減少し、そしてＸｅ
＋Ｋｒの含有率が５％になると出力は６Ｋｗとなり、Ｘ
ｅ＋Ｋｒが含有していない場合の出力と同じ値に戻った
状態となった。そして、更にＸｅ＋Ｋｒの含有率を５％
以上に増加してもレーザ出力は、増加することはなかっ
た。

【００４０】この実験８の結果より、容積比率がＣ
Ｏ₂：Ｎ₂：Ｈｅ：（Ｘｅ＋Ｋｒ）＝５：５０：４０：
５、即ちＸｅ＋Ｋｒが５容積％の組成ガスにより、図１
０に図示した高周波放電励起高速軸流型ガスレーザ発振
器を用いて、ピーク出力６ＫＷ、周波数５００Ｈｚ、デ
ユーテイサイクル７０％でのレーザ光を得て、前記実験１
〜７と同様の実験を行った。その結果は、前記した実験
結果と同様に添加するＸｅ＋Ｋｒの全体の組成比（容
積）が５％でも、このＫｒ／Ｘｅは組成比（容積）が
０．７５≦Ｋｒ／（Ｘｅ＋Ｋｒ）≦０．８８の範囲、即
ち３≦Ｋｒ／Ｘｅ≦７の範囲でキセノン、クリプトンを
添加することの上記顕著な作用効果を奏し、２０ｍｍ以
上の厚板の鋼板を良好に切断することが可能であること
を確認した。しかし、Ｘｅ＋Ｋｒを５容積％以上に添加
した励起媒質ガスでは、レーザ光の出力ビームの強度が
低減し、鋼板を良好な状態で切断することが困難にな
り、特に２０ｍｍ以上の厚板の鋼板の切断は困難である
ことが判明した。

【００４１】また、切断する厚肉鋼材の厚みの適応範囲
としては、上記した各実験で使用した本発明の励起媒質
ガスにより得たレーザ光では、板厚３２ｍｍの炭素鋼を
良好な状態で切断し得ることを確認したが、それ以上の
肉厚の鋼材をも良好に切断することが可能であることは
勿論である。なおまた、上記各実験の実施例は厚肉鋼材
として、厚さ２５ｍｍの板厚の鋼板を用いて実験を行っ
たが、本発明は鋼板に限定されるものでなく、同様な肉
厚の鋼管、鋼柱、形鋼、線材等の切断用のガスレーザの
励起媒質ガスとして使用し得る。更に本発明のガスレー
ザー切断機は、同様な肉厚の鋼材の穴あけや、鋼材の溶
接等鋼材の加工処理に幅広く適用し得ることは勿論であ
る。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の鋼材切断
用のガスレーザ光の励起媒質ガスは、従来の炭酸ガスレ
ーザ光の励起媒質ガスの組成成分ガス、炭酸ガス（ＣＯ
₂）、窒素（Ｎ₂）、ヘリウム（Ｈｅ）にキセノン（Ｘ
ｅ）＋クリプトン（Ｋｒ）を添加し５種類のガスを混合
したもので、そしてこのＸｅ＋Ｋｒが全ガス中に含有す
る含有率を５容積％以下とし、Ｘｅに対するＫｒの占め
る容積比率を３〜７としたものである。これにより、こ
の励起媒質ガスを用いたガスレーザ光は、安定した軸対
称の低次モードのビーム強度分布を有するレーザ光を得
ることが出来、ビーム強度が強くそして集光点を肉厚
（深さ）方向に進行せしめる線熱源に近い状態に形成せ
しめて、切断が困難とされていた２０ｍｍ以上の厚肉の
鋼材を切断面、カーフ幅等を極めて良好な状態でもって
切断することを可能としたガスレーザ鋼材切断機を提供
し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の炭酸ガスレーザ光と本発明の励起媒質
ガスを使用したレーザ光との非集光ビーム半径の経時変
動を示すグラフである。

【図２】 本発明の励起媒質ガスによるレーザ光の非集
光ビームの強度分布を示すグラフである。

【図３】 従来の炭酸ガスレーザ光の非集光ビームの強
度分布を示すグラフである。

【図４】 Ｘｅ、Ｋｒの添加の有無による励起媒質ガス
でのレーザ光の強度の経時変化を示すグラフである。

【図５】 本発明で添加するＸｅ＋ＫｒガスのＸｅ、Ｋ
ｒの組成比率（容積）の変化による集光ビームのスポッ
ト半径の変化を示すグラフである。

【図６】 本発明で添加するＸｅ＋ＫｒガスのＸｅ、Ｋ
ｒの組成比率（容積）の差異による集光ビーム半径のワ
ーク深さ位置での変化を示すグラフである。

【図７】 本発明で添加するＸｅ＋ＫｒガスのＸｅ、Ｋ
ｒの組成比率（容積）を変化せしめたレーザ光で切断し
た切断面の粗さの変化を示すグラフである。

【図８】 本発明で添加するＸｅ＋ＫｒガスのＸｅ、Ｋ
ｒの組成比率（容積）を変化せしめたレーザ光で切断し
た切断カーフ幅の変化を示すグラフである。

【図９】 Ｘｅ＋Ｋｒガスの容積含有率の変化によるレ
ーザ出力の変化を示すグラフである。

【図１０】 高周波放電励起高速軸流型ガスレーザ発振
器を説明する概略構造図である。

【符号の説明】 １ 高周波放電励起高速軸流型ガスレーザ発振器 ２ 放電管、 ３ ブロワー、 ４ 熱交換機、 ５
発振用電源、６、７ 放電電極、 ８ 全反射鏡、 ９
部分透過鏡、 Ｌ レーザ光、Ｅ 励起媒質ガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長堀 正幸 埼玉県入間郡三芳町大字竹間沢11番地 株 式会社田中製作所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 組成成分が二酸化炭素、窒素、ヘリウ
   ム、キセノン、及びクリプトンの５種類のガスの混合ガ
   スよりなることを特徴とする鋼材切断用ガスレーザ光の
   励起媒質ガス。
2. 【請求項２】 前記５種類のガスの混合ガス中のキセノ
   ン＋クリプトンの含有率が５容積％以下であることを特
   徴とする請求項１の鋼材切断用ガスレーザ光の励起媒質
   ガス。
3. 【請求項３】 前記５種類のガスの混合ガス中のキセノ
   ン：クリプトンの容積比は１：３〜７であることを特徴
   とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の鋼材
   切断用ガスレーザ光の励起媒質ガス。
4. 【請求項４】 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に
   記載された鋼材切断用ガスレーザ光の励起媒質ガスを用
   いたガスレーザ鋼材切断装置。