JP2000237885A - レーザー切断方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】レーザー光を照射して表面に塗装やライニング
が施され或いは酸化層が形成された被切断材を切断する
に際し、切断に要する時間を大幅に長くすることなく切
断する。 【解決手段】被切断材５に対しレーザー光１を照射した
とき、焦点Ｏの位置を表面から上方に離隔した位置から
厚さ方向の内部に入り込んだ位置までの間で且つ２Hz〜
２００Hzの範囲で振動させる。焦点Ｏが被切断材５の表
面から上方に離隔したとき、該被切断材５の表面に形成
された塗料，ライニング材，錆，黒皮等からなる被覆層
12に対し照射領域Ｓの範囲で照射し、これにより、被覆
層12を溶融，蒸発或いは燃焼させて排除する。従って、
被覆層12の材質及び切断速度に対応させて振動数を適宜
設定することで、常に被切断材の母材を露出させた状態
で切断を継続させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面に錆止め用の
塗装やライニングが施されたような被切断材を切断する
際に有利なレーザー切断方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザー切断法は、高いエネルギー密度
を持ったレーザー光の焦点を被切断材の厚さ方向の所定
位置に設定して照射しつつ、該焦点の位置を目的の切断
線に沿って移動させることで、該焦点の位置及び近傍の
母材を瞬時に溶融させると共に蒸発させて排除するとい
う物理的な反応を継続させることによって被切断材を切
断するものである。このため、被切断材の材質を限定す
ることなく所望の切断を実施することが出来る。

【０００３】例えば被切断材として鋼板を用いた場合、
レーザー光の焦点は鋼板の表面よりも板厚方向に僅かに
入った位置に設定されており、この状態でレーザー光を
照射すると、鋼板は焦点を起点として表面側、及び厚さ
方向の僅かな部分にある母材が瞬時に溶融し略同時に蒸
発する。このため、鋼板には母材の蒸発による窪み或い
は溝が形成される。従って、レーザー光の照射に伴う母
材の蒸発を継続させるように焦点の位置を目的の切断線
に沿って移動させることで、被切断材を切断することが
出来る。

【０００４】しかし、レーザー光の照射部位には母材の
蒸気が充満してエネルギーを効率良く被切断材に付与し
得なくなることがある。このため、レーザー光に沿って
ガスを噴射し、この噴射エネルギーによって母材の蒸気
を排除し得るようにしているのが一般的である。特に、
被切断材が鉄系の金属であり、母材の燃焼反応が見込ま
れる場合、レーザー光に沿って酸素ガスを噴射すること
で母材の一部を燃焼させると共に、酸素ガスの噴射エネ
ルギーによって燃焼生成物を排除することで、被切断材
に於けるレーザー光の焦点を起点とした広範囲の母材を
排除して切断を実行することが出来る。

【０００５】鋼板からなる被切断材が造船や橋梁等の材
料である場合、該被切断材の表面に錆止め用のペイント
が塗装された状態で切断される。また極めて特殊な材料
では表面にゴムや合成樹脂をライニングした後、切断す
るようなこともある。このような被切断材では、塗料や
ライニング材が切断の継続性を損ない、切断の中断や切
断面の劣化等の問題が生じる。このため、予め目的の切
断線に沿った塗装やライニング材を砥石やワイヤーブラ
シによる研削，サンドブラスト或いはレーザーによる焼
却等によって除去し、その後、改めて目的の切断線に沿
った切断を実施している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の如く、表面に塗
装やライニングを施した被切断材を切断する場合、塗装
やライニング材を除去した後、目的の切断を実施するの
では、切断に要する時間が長くなり、コストを押し上げ
る要因となっているという問題が生じている。

【０００７】また切断性能を阻害する要因として塗装や
ライニング以外に錆や黒皮等の酸化皮膜層もあり、これ
らも目的の切断を実施するのに先立って除去する作業を
行っている。このため、切断に要する時間が長くなり、
コストを押し上げる要因となっているという問題があ
る。

【０００８】本発明の目的は、表面に塗装やライニング
が施された被切断材であっても切断に要する時間を大幅
に長くすることのないレーザー切断方法を提供すること
にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明に係るレーザー切断方法は、被切断材に向けて
レーザー光を照射して被切断材の一部を溶融させると共
に排除して切断するレーザー切断方法であって、レーザ
ー光の焦点を被切断材に対する切断線に沿って移動させ
ると共に、該被切断材の厚さ方向に２Hz乃至２００Hzの
範囲で振動させ、且つ振幅の上限ではレーザー光の焦点
が被切断材の上表面よりも上方に離隔した位置となるよ
うにしたことを特徴とするものである。

【００１０】上記レーザー切断方法では、レーザー光の
焦点を振動させるに際し、レーザー光の焦点が振幅の上
限に到達したとき被切断材の上表面よりも上方に離隔し
た位置にあるようにすることで、被切断材が表面に例え
ば錆止め塗装，ゴムライニングや合成樹脂ライニング
等，或いは錆や黒皮等の切断を阻害する層を有するもの
であっても、これらの切断を阻害する層をレーザー光に
よって溶融，蒸発させて除去することが出来る。

【００１１】そして切断を阻害する層を除去した後、レ
ーザー光の焦点が被切断材の厚さ方向の内部に入り込ん
だとき、該被切断材を切断することが出来る。従って、
レーザー光の焦点を被切断材の厚さ方向に振動させるこ
とで、該レーザー光によって被切断材の表面にある切断
を阻害する層の除去と被切断材に対する切断を連続して
実施することが出来る。従って、切断を阻害する層の除
去と被切断材の切断とを連続的に実施して切断に要する
コストを上昇させることがない。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、上記レーザー切断方法の好
ましい実施形態について図を用いて説明する。図１は本
発明に係るレーザー切断方法を説明する図である。図２
はレーザー光の焦点を振動させる装置の一例を示す図で
ある。

【００１３】先ず、本発明に係るレーザー切断方法を実
施するに当たってレーザー光の焦点を振動させる機構の
一例に付いて図２により説明する。図に於いて、図示し
ないレーザー発振器から出射されたレーザー光１は、予
め設定されたレーザー光路２に沿って導かれてレーザー
トーチ３に到達し、該レーザートーチ３に設けたレンズ
４によって焦点Ｏに集光され、被切断材５に照射されて
該被切断材５の母材の一部を溶融，蒸発させる。この過
程でレーザートーチ３を目的の切断線に沿って移動させ
ることで、被切断材５から所望の形状を切断することが
可能である。

【００１４】被切断材５の材質は特に限定するものでは
ない。しかし、本実施例では、被切断材５を鋼板とし、
レーザートーチ３の先端に取り付けたノズル６から所定
の圧力に調整した酸素ガスを噴射してレーザー光１の照
射によって溶融した母材を燃焼させると共に酸素ガスの
噴射エネルギーによって溶融した母材、及び溶融した酸
化物等を排除してガス切断のプロセスを取り入れること
で、良好な切断を継続し得るように構成している。

【００１５】このため、レーザートーチ３の先端に装着
したノズル６に図示しない酸素供給装置と接続されたホ
ース７が着脱可能に取り付けられており、該ホース７を
介して予め設定された圧力に調整された酸素ガスが供給
される。

【００１６】レーザートーチ３を移動させる装置は特に
限定するものではない。即ち、通常のガス切断やプラズ
マ切断に利用される切断装置であって、レーザー切断の
速度に追従し得るものであれば良い。本実施例では、図
示しないレールに載置された台車にレーザー発振器を搭
載し、且つレーザートーチ３をレールの敷設方向に対し
直角方向に横行させる横行キャリッジ８にホルダー９を
介して搭載されている。

【００１７】レンズ４はレーザートーチ３の内部に設け
た昇降筒体10に取り付けられており、該昇降筒体10を振
動モーター11によって２Hz〜２００Hzの範囲で昇降駆動
することで、レンズ４を前記振動数で振動させるように
構成している。またレンズ４が往復移動する寸法（振
幅）は特に限定するものではないが、本実施例では10mm
に設定している。

【００１８】尚、レーザー光の焦点Ｏを被切断材５の厚
さ方向に振動させる機構は、上記構造にのみ限定される
ものではなく、例えば、レーザートーチ３そのものを上
下方向に往復移動させることで振動させても良く、レン
ズ４を振動させる場合であっても、振動モーター11以外
にソレノイドの断続による振動の付与やカムによる振動
の付与或いはリニア駆動による振動の付与等、更に、ミ
ラーの曲率を変えることによる振動の付与等、種々の機
構によって実現することが可能である。

【００１９】焦点Ｏを振動させる際の振動数は２Hz〜２
００Hzの範囲に設定される。この振動数は被切断材５を
切断する際の切断速度に応じて適宜設定される値であ
り、切断速度が速い場合振動数を大きくし、切断速度が
遅い場合振動数を少なくするように設定される。この振
動数の設定は、振動モーター11を制御する図示しない制
御部からの駆動信号を制御することで行われる。

【００２０】次に、図１によりレーザー切断方法につい
て説明する。図に示すように被切断材５の表面には錆止
め用の塗装層、或いはゴムや合成樹脂のライニング層，
母材の錆や黒皮等の切断を阻害する層としての被覆層12
が形成されている。

【００２１】このため、本発明に係るレーザー切断方法
では、レーザー光１の焦点Ｏを被切断材５の厚さ方向に
振動させると共に、焦点Ｏが振幅の上限に到達したとき
被切断材５の上表面から離隔した位置、即ち、被覆層12
から離隔した位置になるようにすることで、該被覆層12
を溶融，蒸発させて被切断材５の表面を露出させつつ切
断し得るようにしたものである。そして、上記の如く被
切断材５の表面に形成された被覆層12の除去と、被切断
材５の切断とを一連の動作として行うことで、常に被切
断材５の表面に切断を阻害する層のない良好な状態とし
て切断を継続することが可能である。

【００２２】図１（ａ）はレーザー光１の焦点Ｏが振幅
の上限或いはその近傍にある状態を示している。この状
態では、レーザー光１は被切断材５の表面に形成された
被覆層12の上方に離隔した位置にあり、レーザー光１は
焦点Ｏから拡大した状態で被覆層12を照射する。

【００２３】このときレーザー光１によって照射された
被覆層12の照射領域Ｓでは、該レーザー光１によって付
与されるエネルギーは照射領域Ｓの面積に分散されて微
小部分では小さいエネルギーとなるものの、被覆層12を
構成する材料を溶融させると共に蒸発させるには充分な
エネルギーである。

【００２４】即ち、焦点Ｏが連続的に振動するため、被
覆層12に於ける照射領域Ｓに付与されるエネルギーも連
続的に変化する。また被覆層12は該被覆層12を構成する
材料（塗料，ライニング材，錆，黒皮等）の固有の溶
融，蒸発温度を有する。従って、照射部位Ｓに付与され
たエネルギーが連続的に変化する過程で、被覆層12の材
質の如何に関わらず、該被覆層12は溶融，蒸発温度に達
し、瞬時に被切断材５の表面から除去される。従って、
被切断材５の表面には切断を阻害する層である被覆層12
が除去され、見掛け上、表面に被覆層12のない被切断材
５に対する切断と同等の切断を行うことが可能である。

【００２５】特に、被覆層12を構成する材料が燃焼可能
なものである場合、レーザー光１に沿って酸素ガスを噴
射することによって、単に、被覆層12を構成する材料を
溶融，蒸発させるのみならず、燃焼させて除去すること
が可能である。この場合、照射領域Ｓに付与されたエネ
ルギーが連続的に変化する過程で被覆層12を構成する材
料が燃焼温度に達した時点で燃焼し、燃焼によって生成
したガス及び溶融物は酸素ガスの噴射エネルギーによっ
て排除することが可能である。

【００２６】同図（ｂ）はレーザー光１の焦点Ｏが被切
断材５の板厚の内部に入り込んだ状態を示している。こ
の状態では、レーザー光１のエネルギーは被切断材５に
付与され、焦点Ｏが形成された母材及びその近傍の母材
が溶融すると共に蒸発する。特に、レーザー光１に沿っ
て酸素ガスが照射されるため、被切断材５の母材が燃焼
し、溶融した母材及び溶融した酸化物は酸素ガスの噴射
エネルギーによって排除され、切断が実行される。

【００２７】上記の如くして被覆層12を除去しつつ、レ
ーザートーチ３を目的の切断線に沿って連続的に移動さ
せて被切断材５を切断することが可能である。

【００２８】またレーザー光１の焦点Ｏを１往復させる
間、レーザートーチ３の移動が継続している。従って、
被切断材５を表面に被覆層12が存在しない状態で切断を
継続させるには、焦点Ｏを１往復させて被覆層12を除去
し得る距離が焦点Ｏを１往復させて被切断材５を切断し
得る距離と等しいか、或いは大きいことが必要である。

【００２９】同図(ｂ)に示すように、レーザー光１を照
射して被切断材５を切断したとき、母材の排除により切
溝Ｋが形成される。この切溝Ｋの幅は、レーザー光１を
集光する際のレンズ４の焦点距離やレーザー発振器から
出射されたレーザー光１の径等の条件によって異なるも
のの、約0.7mm程度であるのが一般的である。また例え
ば、被切断材５に対する切断速度（レーザートーチ３の
移動速度）を６m/minとすると、毎秒100mm移動すること
となる。

【００３０】従って、上記の如き切断条件を有する場
合、レーザー光１の焦点Ｏを２００Hzで振動させると、
レーザートーチ３は１Hz当たり0.5mm移動することにな
る。このため、同図（ａ）に示す照射領域Ｓの直径を、
１Hz当たりの移動距離と切溝Ｋの寸法とを加えた値（0.
5mm＋0.7mm＝1.2mm）よりも大きくなるようにすること
で、１Hz毎に被切断材５の表面に形成された被覆層12を
溶融，蒸発或いは燃焼させて除去し、常に被切断材５の
母材を曝すことが可能である。従って、安定した切断を
実行することが可能である。

【００３１】被切断材５の表面に形成されるレーザー光
１の照射領域Ｓの直径は、焦点Ｏを振動させる際に、焦
点Ｏの被切断材５の表面からの距離を所望の値に設定す
ることで、調整することが可能である。前記したレーザ
ー光１の焦点Ｏの被切断材５の表面からの距離を設定す
るに際し、被覆層12を構成する材質に応じた該被覆層12
を除去するのに必要なエネルギーを考慮することが好ま
しい。

【００３２】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明に係る
レーザー切断方法では、被切断材の表面に錆止め用或い
は他の目的を持った塗装が施され、或いはゴムライニン
グや合成樹脂ライニングが施され、更には、厚い錆の層
や黒皮等の酸化層が形成されており、これらの被覆層が
良好な状態で切断性能を発揮することを阻害するような
場合であっても、これらの被覆層にレーザー光のエネル
ギーを照射して除去する動作と、被切断材を切断する動
作とを一連の動作として連続させることが出来る。

【００３３】このため、被覆層の有無に関わらず、被切
断材の表面を常に露出させて良好な切断を行うことが出
来る。このため、切断速度が安定し且つ安定した品質の
切断面を得ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザー切断方法を説明する図で
ある。

【図２】レーザー光の焦点を振動させる装置の一例を示
す図である。

【符号の説明】

Ｏ 焦点 Ｓ 照射領域 １ レーザー光 ２ レーザー光路 ３ レーザートーチ ４ レンズ ５ 被切断材 ６ ノズル ７ ホース ８ 横行キャリッジ ９ ホルダー 10 昇降筒体 11 振動モーター 12 被覆層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被切断材に向けてレーザー光を照射して
   被切断材の一部を溶融させると共に排除して切断するレ
   ーザー切断方法であって、レーザー光の焦点を被切断材
   に対する切断線に沿って移動させると共に、該被切断材
   の厚さ方向に２Hz乃至２００Hzの範囲で振動させ、且つ
   振幅の上限ではレーザー光の焦点が被切断材の上表面よ
   りも上方に離隔した位置となるようにしたことを特徴と
   するレーザー切断方法。