JP2001113384A - レーザ切断方法及びレーザ切断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】レーザ切断法を実施した場合に被切断材に生じ
る熱影響の範囲を縮小すると共に軽減し、切断の品質を
向上する。 【解決手段】切断トーチ１から被切断材２に向けて照射
されるレーザ光３と該レーザ光３に沿って噴射されるア
シストガス５によって、被切断材２に形成される母材の
溶融部位である切断部位８の近傍に冷却ガス10を噴射し
て冷却する。冷却ガス10としては、空気，不活性ガス，
炭酸ガス、或いはこれらの混合ガスを用いる。冷却ガス
10を冷却装置26によって冷却し、或いは水添加装置27に
よって水を添加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被切断材を切断す
る際に熱影響の発生を軽減するのに有利なレーザ切断方
法と、この方法を実施するレーザ切断トーチとに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザ切断は、被切断材に向けてエネル
ギ密度の高いレーザ光を照射し、このレーザ光の有する
エネルギを被切断材に吸収させることで母材の一部を溶
融及び、又は蒸発させ、レーザ光に沿って噴射させたア
シストガス又はアシストガス及びシールドガスの噴射エ
ネルギにより溶融物及び蒸発物を母材から排除しつつ、
レーザ光の照射部材及びアシストガス又はアシストガス
及びシールドガスの噴射部材を移動させることによって
連続した溝を形成し、これにより被切断材を切断するも
のである。

【０００３】被切断材に対してレーザ光を照射したと
き、焦点は板厚方向に於ける予め設定された位置に維持
される。従って、被切断材が厚くなると、厚さ方向を同
じような状態で溶融，蒸発させることが出来ず、ある深
さまでは円滑に溝が形成されるものの、それ以上の深さ
に成長することがなく、切断が継続しない。このため、
鉄系の金属を切断する場合、レーザ光に沿わせて酸素ガ
スからなるアシストガスを噴射して母材を燃焼させ、こ
のときに発生した燃焼生成物をアシストガスの噴射エネ
ルギによって被切断材から排除して深さ方向に貫通した
溝を形成することで、切断を継続するようにしている。

【０００４】アシストガスによって被切断材の母材を燃
焼させたときに発生する熱は母材中を伝達されて該母材
の温度を上昇させる。このため、レーザ切断法では熱の
影響を無視することが出来ない。即ち、レーザ光が被切
断材に照射されると共にアシストガスが噴射されたと
き、被切断材は、被噴射部位（切断部位）を中心として
広い範囲で温度が上昇し、この温度の上昇に伴って、冶
金的な面、或いは切断面の品質の面で影響を受ける。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記温度による影響を
少なくするために、被切断材を水没させたり、切断部位
の周辺に水を噴射させることが想定される。しかし、被
切断材を水没させる方法では水を貯蔵する水槽のサイズ
によって被切断材のサイズが規制されるという問題があ
り、水を噴射させる方法では噴射した水の処理の問題が
ある。また何れの方法であっても被切断材の表裏両面及
び切断面が酸化してしまうという問題がある。

【０００６】本発明の目的は、被切断材に於ける切断部
位の近傍を局部的に冷却することによって、被切断材に
生じる熱影響を軽減することが出来るレーザ切断方法
と、この切断方法を実施するレーザ切断装置を提供する
ことにある。

【０００７】

【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切断方法は、被切断材に向けてレ
ーザ光を照射すると共にアシストガス又はアシストガス
とシールドガスを噴射して該被切断材を切断するレーザ
切断方法に於いて、被切断材に於けるレーザ光が照射さ
れ且つアシストガス又はアシストガスとシールドガスが
噴射される部位の近傍に冷却媒体を噴射して被切断材を
冷却することを特徴とするものである。

【０００８】上記レーザ切断方法では、被切断材に於け
るレーザ光が照射され、且つアシストガス又はアシスト
ガスとシールドガスが噴射される部位の近傍に冷却媒体
を噴射することで、被切断材を切断している間、該被切
断材を冷却することが出来る。このため、被切断材の切
断部位を中心とする温度の上昇範囲を狭くすることが可
能となり、被切断材に対する冶金的な影響を限定すると
共に切断面の品質の向上をはかることが出来る。

【０００９】従って、被切断材を水没させたり、水を噴
射させることなく、熱の影響を防止することが出来る。
このため、被切断材の表裏面や切断面に水の影響による
錆が発生することがない。

【００１０】上記レーザ切断方法に於いて、冷却媒体
が、空気，不活性ガス，炭酸ガスの中から選択されたガ
ス、又は空気，不活性ガス，炭酸ガスの中から選択され
た少なくとも２種類のガスを混合した混合ガスか、酸
素，空気，不活性ガス，炭酸ガスの中から選択されたガ
ス、又は酸素，空気，不活性ガス，炭酸ガスの中から選
択された少なくとも２種類のガスを混合した混合ガス、
或いは酸素，空気，不活性ガス，炭酸ガスの中から選択
されたガス、又は酸素，空気，不活性ガス，炭酸ガスの
中から選択された少なくとも２種類のガスを混合した混
合ガスからなり、前記ガス又は混合ガスを水を添加する
ことが好ましい。

【００１１】上記レーザ切断方法では、冷却媒体となる
ガスを被切断材の材質に応じて選択して噴射させること
で、被切断材に対して良好な状態で冷却することが出来
る。特に、予め冷却ガスを冷却しておくことで、被切断
材に対する冷却効率を向上することが出来る。また冷却
ガスに水を添加した場合には、冷却ガスの噴射に伴っ
て、添加された水が霧状になり、熱交換のための表面積
が増加して被切断材から効率良く熱を排除することが出
来、且つ噴射された水は水蒸気となって被切断材の表面
に流れることがなく、切断の作業領域を水で汚すことが
ない。

【００１２】また本発明に係るレーザ切断装置は、被切
断材に向けてレーザ光を照射すると共にアシストガス又
はアシストガスとシールドガスを噴射するレーザ噴射部
材と、被切断材に向けて照射されたレーザ光及び噴射さ
れたアシストガス又はアシストガスとシールドガスの近
傍に冷却媒体を噴射する冷却媒体噴射部材と、前記冷却
媒体噴射部材に空気，不活性ガス，炭酸ガスの中から選
択されたガス、又は空気，不活性ガス，炭酸ガスの中か
ら選択された少なくとも２種類のガスを混合した混合ガ
スからなる冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置とを有
して構成されるものである。

【００１３】上記レーザ切断装置では、レーザ噴射部材
によって被切断材に向けてレーザ光を照射すると共にア
シストガス又はアシストガスとシールドガスを噴射する
ことが出来、且つ冷却媒体噴射装置によって供給された
空気，不活性ガス，炭酸ガス或いはこれらの混合ガスか
らなる冷却媒体を冷却媒体噴射部材によって被切断材に
向けて噴射することが出来る。このため、被切断材の切
断部位及び該切断部位の周辺を冷却しつつ切断すること
が出来、切断に伴う熱によって被切断材に与える影響を
除去することが出来る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明のレーザ切断方法及
びレーザ切断トーチ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切断方法を実
施した状態を説明する図である。図２はレーザ光を含む
被切断材の平面図であって冷却ガスによって冷却する領
域を説明する図である。図３は本発明に係る切断装置の
構成を説明するブロック図である。

【００１５】本発明に係るレーザ切断方法は、レーザ切
断トーチから被切断材に向けてレーザ光を照射すると共
にアシストガス又はアシストガスとシールドガスを噴射
したとき、アシストガスによる母材の燃焼に伴って発生
した熱により被切断材の温度が上昇し、この結果、被切
断材の切断部位の近傍で急激な温度変化が生じて冶金的
な変化や切断面の変色等の影響を受けるという問題を解
決するためのものであり、切断部位の近傍に向けて冷却
媒体となる冷却ガスを噴射して被切断材を冷却し、これ
により、被切断材に生じる熱影響の範囲を縮小すると共
に狭い範囲に限定することを実現したものである。

【００１６】特に本発明に係る切断方法は、被切断材の
厚さが比較的厚い場合に有利である。即ち、厚板を切断
する場合切断速度が小さくなるため、単位長さ当たりの
入熱量は薄板と比較して大きくなる。このため、被切断
材を冷却しない場合、表面側ではレーザ光による熱影響
の範囲が拡大することとなる。しかし、被切断材に於け
る切断部位の近傍に冷却ガスを噴射することによって、
該被切断材の表面側を冷却することが可能となり、熱影
響範囲の拡大を防止することが可能である。

【００１７】以下、本実施例に係るレーザ切断方法につ
いて図１、図２により説明する。図に於いて、レーザ切
断トーチ（以下単に「切断トーチ」という）１から被切
断材２に向けてレーザ光３を照射して焦点４に集光させ
ると共に、該レーザ光３に沿って酸素ガスからなるアシ
ストガス５、又はアシストガス５とシールドガス６を噴
射しつつ切断トーチ１を移動させると、レーザ光３の有
する熱エネルギによって被切断材２に於ける被照射部位
の母材が溶融，蒸発し、同時に、母材の一部がアシスト
ガス５によって燃焼する。このとき母材の溶融物及び燃
焼により生成した酸化溶融物はアシストガス５の噴射エ
ネルギによって母材から排除され、被切断材２に連続し
た溝７が形成されて切断が実行される。

【００１８】被切断材２に於けるレーザ光３の被照射部
位（切断部位８）では、切断の進行方向（図２に於ける
矢印方向）に母材の溶融物や酸化溶融物等の溶融物９が
層状に付着しており、自重及びアシストガス５の噴射エ
ネルギによって下方に流下して溝７から排除される。

【００１９】母材の燃焼に伴って発生した熱は、該切断
部位８を起点として被切断材２の厚さ方向及び平面方向
に伝導し、この熱により被切断材２の温度が上昇する。
このため、被切断材２に於ける切断部位８の近傍を冷却
ガス10によって冷却することで、被切断材２に生じる熱
影響の範囲を限定すると共に熱影響そのものを低減させ
ることが可能である。

【００２０】アシストガス５は酸素ガスからなり、被切
断材２にレーザ光３を照射したときに発生した母材の溶
融物及び蒸発物を噴射エネルギによって切断部位８から
排除する機能と、レーザ光３の照射によって温度を上昇
させた被切断材２を燃焼させると共に燃焼によって発生
した酸化溶融物を噴射エネルギによって切断部位８から
排除する機能とを有する。そして被切断材２が燃焼する
際に発生した反応熱によって切断部位８の周辺が加熱さ
れ、燃焼反応がより惹起し易くなる。

【００２１】シールドガス６はアシストガス５の純度を
維持する機能を有するものであり、該アシストガス５の
外周を包むように噴射される。このように、シールドガ
ス６がアシストガス５の純度を維持することを目的とす
るものであるため、本発明のレーザ切断方向を実施する
場合の要件ではなく、該シールドガス６を噴射しなくと
も、本発明を実施することが可能である。

【００２２】冷却ガス10は被切断材２に於ける切断部位
８に向けて噴射されたとき、噴射部位を冷却し得ること
が必要である。このようなガスとしては、空気，窒素ガ
スやアルゴンガスに代表される不活性ガス或いは炭酸ガ
スの中から選択したガスを単独で用いることが可能であ
り、また２種類以上のガスを選択して混合した混合ガス
として用いることも可能である。

【００２３】上記冷却ガス10では、切断トーチ１の先端
に取り付けた噴射ノズル11から噴射されたとき、断熱膨
張によって自体の温度が低下して被切断材２に衝突す
る。このため、被切断材２と冷却ガス10との温度差が大
きくなり、被切断材２の表面の熱を効率良く排除して冷
却することが可能である。

【００２４】冷却ガス10として用いるガスは被切断材２
の材質や表面の状態等の条件に対応して選択される。例
えば、冷却ガス10として空気、或いは空気と不活性ガス
又は炭酸ガスとの混合ガスを用いた場合、この冷却ガス
10はごく僅かな酸化性を有するため、表面に錆が付着し
たり塗装が施されているような被切断材２に対して有利
である。

【００２５】また冷却ガス10として不活性ガス、或いは
不活性ガスと炭酸ガスとの混合ガスを用いた場合、この
混合ガスは全く酸化性を有しないため、被切断材２に於
ける切断部位８の周辺部の温度が上昇したような場合で
あっても、この上昇部分に酸化層を形成することがな
く、変色等の影響を軽減することが可能である。

【００２６】また被切断材２がステンレス鋼板のように
酸化に伴って表面に変色層を形成するような材質では、
冷却ガス10として酸化性を有するガスを用いることは好
ましいものではない。従って、この場合、冷却ガス10と
して炭酸ガス、或いは炭酸ガスと不活性ガスを混合させ
た混合ガスを用いることが好ましい。特に、炭酸ガスは
液化ガスとして供給されるのが一般的であり、ガス自体
の温度が低い上、断熱膨張によるガス温度の降下を見込
むことが可能となり、被切断材２を効率良く冷却するこ
とが可能である。

【００２７】また冷却ガス10として不活性ガス，炭酸ガ
ス、或いは両者の混合ガスを用いた場合、被切断材２に
於ける切断部位８を非酸化性雰囲気として大気からシー
ルドすることが可能であり、切断部位８に存在する溶融
物の酸化を防止し、或いは軽減させることが可能であ
る。

【００２８】本発明に於いて、切断トーチ１から噴射さ
れる冷却ガス10は予め冷却されている。このように、予
め冷却ガス10を冷却しておくことで、被切断材２に対す
る冷却効率を向上することが可能である。

【００２９】冷却ガス10を冷却する場合、冷却すべき温
度を限定するものではない。即ち、冷却ガス10を供給源
から直接切断トーチ１に供給することなく、少なくと
も、供給源から供給された温度よりも低下させた冷却ガ
ス10が被切断材２に供給されれば良い。

【００３０】このように、冷却ガス10を冷却する場合、
供給源そのものを冷却しても良く、供給源と切断トーチ
１との間に冷却装置を配置し、この冷却装置に冷却ガス
10を通過させて冷却するようにしても良い。何れにして
も、供給源から供給された冷却ガス10の温度を降下させ
ることが可能であり、これにより、被切断材２に対する
冷却効率を向上することが可能となる。

【００３１】更に、本発明では、冷却ガス10に水を添加
して被切断材２に向けて噴射している。このように、冷
却ガス10に水を添加することで、この冷却ガス10が噴射
部材11から噴射されたとき、添加された水は粒子の細か
い霧状の水滴となって被切断材２に衝突する。このた
め、前記水滴は大きな表面積を有することとなり、被切
断材２に衝突したときに、高い効率で熱の授受を行なう
ことが可能である。

【００３２】従って、冷却ガス10のみを噴射して被切断
材２を冷却した場合と比較して、冷却効率の向上をはか
ることが可能である。

【００３３】次に、上記切断方法を実施する切断装置の
構成について図３により説明する。図に於いて、切断装
置Ａは中心にレーザ光３を通過させると共に該レーザ光
３に沿ってアシストガス５，シールドガス６を噴射し得
るように構成され、更に、切断トーチ１の先端に冷却ガ
ス10を噴射する冷却媒体噴射部材となる噴射ノズル11が
取り付けられている。

【００３４】切断トーチ１は、例えば数値制御切断装置
のような移動装置13に搭載され、該移動装置13に駆動さ
れて被切断材２の上方を直線状に或いは曲線を含む複雑
な図形に沿って移動することで、該被切断材２を所望の
形状に切断し得るように構成されている。

【００３５】尚、移動装置13の構成は数値制御切断装置
にのみ限定するものではなく、切断トーチ１を単に直線
的にのみ移動させるような装置であっても良い。

【００３６】また切断トーチ１にはレーザ発振器14が接
続されており、該レーザ発振器14から発振されたレーザ
光３が図示しない複数のミラーによって反射しつつ切断
トーチ１に導入され、該切断トーチ１の内部に設けたレ
ンズによって被切断材２の厚さ方向に設定された焦点４
に集光される。

【００３７】また切断トーチ１は、ホース15ａによって
アシストガス供給源16と接続されると共にホール15ｂに
よってシールドガス供給源17と接続されており、図示し
ない制御部からの指令に応じて切断トーチ１にアシスト
ガス５を単独で供給して噴射させ、或いはアシストガス
５及びシールドガス６を供給して噴射させるように構成
されている。

【００３８】噴射ノズル11にはホース15ｃが接続されて
おり、該ホース15ｃが冷却ガス供給装置Ｂに接続されて
いる。この冷却ガス供給装置Ｂは、エアコンプレッサ
ー，圧力調整器等からなる空気供給源21、窒素ガスのボ
ンベや工場配管或いはアルゴンガスボンベ等からなる不
活性ガス供給源22、炭酸ガスボンベ等からなる炭酸ガス
供給源23、酸素ガスのボンベや工場配管等からなる酸素
ガス供給源24と、前記各ガスを選択して単独で供給し、
或いは２以上のガスを選択して混合する選択混合部25
と、選択混合部25から供給された冷却ガス10を冷却する
冷却装置26と、選択混合部25から供給された冷却ガス10
に水を添加する水添加装置27とを有して構成されてい
る。尚、各ガスの供給源21〜24，選択混合部25，冷却装
置26，水添加装置27は夫々図示しない制御装置によって
制御される。

【００３９】上記の如く構成された切断装置Ａでは、被
切断材２の材質や表面の状態に応じて選択混合部25を操
作することで、空気，不活性ガス，炭酸ガスの中から１
種又は２種以上のガスを選択して冷却ガス10を構成し、
更に、冷却ガス10として酸素ガスを選択した場合には、
冷却装置25，水添加装置27を単独で或いは同時に操作し
て構成された冷却ガス10を冷却し、或いは水を添加す
る。

【００４０】そして移動装置13を駆動して切断トーチ１
を所望の方向に所望の速度で移動させ、同時にレーザ発
振器14を駆動して被切断材２にレーザ光３を照射すると
共にアシストガス供給源16又はアシストガス供給源16と
シールドガス供給源17を作動させてこれらのガスを噴射
することで、被切断材２を所望の形状に切断することが
可能である。

【００４１】被切断材２に対する切断の開始と同時に、
噴射ノズル11から冷却ガス10が被切断材２に向けて噴射
され、切断部位８の周辺近傍を冷却することが可能であ
る。この切断トーチ１では、被切断材２に於ける切断部
位８を中心として全周にわたって冷却ガス10を噴射して
冷却することが可能である。従って、この切断トーチ１
は方向性がなく、型切断装置のように切断トーチを二次
元的に移動させて切断する際に有利である。

【００４２】尚、噴射ノズル11は、必ずしもレーザ光３
を中心として全周に冷却ガス10を噴射し得るように構成
される必要はなく、切断の進行方向に対して上流側か
ら、或いは下流側から冷却ガス10を噴射し得るように構
成しても良いことは当然である。

【００４３】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明に係る
レーザ切断方法では、レーザ光が照射されて母材が溶融
し、或いは燃焼している切断部位の近傍を冷却すること
が出来る。このため、レーザ切断に伴う生じる被切断材
に対する熱影響の範囲を縮小することが出来、切断の品
質を向上することが出来る。

【００４４】また本発明に係るレーザ切断装置では、上
記レーザ切断方向を効率良く実施することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ切断方法を実施した状態を
説明する図である。

【図２】レーザ光を含む被切断材の平面図であって冷却
ガスによって冷却する領域を説明する図である。

【図３】本発明に係る切断装置の構成を説明するブロッ
ク図である。

【符号の説明】

Ａ 切断装置 Ｂ 冷却ガス供給装置 １ 切断トーチ ２ 被切断材 ３ レーザ光 ４ 焦点 ５ アシストガス ６ シールドガス ７ 溝 ８ 切断部位 ９ 溶融物 10 冷却ガス 11 噴射ノズル 13 移動装置 14 レーザ発振器 15ａ〜15ｃ ホース 16 アシストガス供給源 17 シールドガス供給源 21 空気供給源 22 不活性ガス供給源 23 炭酸ガス供給源 24 酸素ガス供給源 25 選択混合部 26 冷却装置 27 水添加装置

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被切断材に向けてレーザ光を照射すると
   共にアシストガス又はアシストガスとシールドガスを噴
   射して該被切断材を切断するレーザ切断方法に於いて、
   被切断材に於けるレーザ光が照射され且つアシストガス
   又はアシストガスとシールドガスが噴射される部位の近
   傍に冷却媒体を噴射して被切断材を冷却することを特徴
   とするレーザ切断方法。
2. 【請求項２】 前記冷却媒体が、空気，不活性ガス，炭
   酸ガスの中から選択されたガス、又は空気，不活性ガ
   ス，炭酸ガスの中から選択された少なくとも２種類のガ
   スを混合した混合ガスからなることを特徴とする請求項
   １に記載したレーザ切断方法。
3. 【請求項３】 前記冷却媒体が、酸素，空気，不活性ガ
   ス，炭酸ガスの中から選択されたガス、又は酸素，空
   気，不活性ガス，炭酸ガスの中から選択された少なくと
   も２種類のガスを混合した混合ガスからなり、前記ガス
   又は混合ガスを冷却することを特徴とする請求項１に記
   載したレーザ切断方法。
4. 【請求項４】 前記冷却媒体が、酸素，空気，不活性ガ
   ス，炭酸ガスの中から選択されたガス、又は酸素，空
   気，不活性ガス，炭酸ガスの中から選択された少なくと
   も２種類のガスを混合した混合ガスからなり、前記ガス
   又は混合ガスを水を添加することを特徴とする請求項１
   に記載したレーザ切断方法。
5. 【請求項５】 被切断材に向けてレーザ光を照射すると
   共にアシストガス又はアシストガスとシールドガスを噴
   射するレーザ噴射部材と、被切断材に向けて照射された
   レーザ光及び噴射されたアシストガス又はアシストガス
   とシールドガスの近傍に冷却媒体を噴射する冷却媒体噴
   射部材と、前記冷却媒体噴射部材に空気，不活性ガス，
   炭酸ガスの中から選択されたガス、又は空気，不活性ガ
   ス，炭酸ガスの中から選択された少なくとも２種類のガ
   スを混合した混合ガスからなる冷却媒体を供給する冷却
   媒体供給装置と、を有することを特徴とするレーザ切断
   装置。