JP2002137078A - Laser beam cutting method and laser beam cutting device - Google Patents

Laser beam cutting method and laser beam cutting device

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JP2002137078A
JP2002137078A JP2000326930A JP2000326930A JP2002137078A JP 2002137078 A JP2002137078 A JP 2002137078A JP 2000326930 A JP2000326930 A JP 2000326930A JP 2000326930 A JP2000326930 A JP 2000326930A JP 2002137078 A JP2002137078 A JP 2002137078A
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Japan
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cutting
laser
laser beam
cut
steel plate
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Application number
JP2000326930A
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Japanese (ja)
Inventor
Hirofumi Imai
浩文 今井
Naoya Hamada
直也 浜田
Hiroyuki Yamamoto
博之 山本
Katsuhiro Minamida
勝宏 南田
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser beam cutting method for a steel plate and its device which realize laser beam cutting having excellent quality in a cut face by solving problems such as roughness on the cut face, reduction in vertical streak pitch, and adhesion of dross in the laser beam cutting. SOLUTION: In this method wherein a steel plate 1 is heated and melted by irradiating the steel plate 1 with a laser beam 4, and the steel plate 1 is brought into the laser beam cutting by shifting a laser beam irradiation part along a cut line, a plurality of, two or more condensing spots 8 of the laser beam are arranged side by side in a direction perpendicular to a cutting and traveling direction on the steel plate 1, and the steel plate 1 is cut.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザによる鋼板
の切断技術に関する。特に厚板の切断技術に関わる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technique for cutting a steel sheet by laser. In particular, it is concerned with thick plate cutting technology.

【0002】[0002]

【従来の技術】鋼板を溶断する方法の一つに、切断部に
レーザビームを照射するとともに酸素ガスを吹き付けて
加熱溶融させて切断加工を行うレーザ切断法がある。他
の切断法と比較してレーザ切断法は切断後の寸法精度が
優れており、加工速度が速く、熱影響部の深さも低減で
きるといったメリットがある。
2. Description of the Related Art As one of the methods for fusing a steel sheet, there is a laser cutting method in which a cutting portion is irradiated with a laser beam and is blown with an oxygen gas to be heated and melted for cutting. Compared with other cutting methods, the laser cutting method has advantages in that the dimensional accuracy after cutting is excellent, the processing speed is high, and the depth of the heat-affected zone can be reduced.

【0003】レーザ切断のメカニズムについては、例え
ば(文献:Miyamoto and Maruo,INDIAN WELDING JOURNA
L,March,1992)に記述されている。それによればレーザ
のビーム径の大きさdとアシストガスである酸素ガスの
酸化発熱作用による反応速度との関係によって切断断面
に縦条痕(以下ストリエーション)が形成されそのピッ
チや粗さが決まる。ビーム径dが小さいほど切断断面の
ストリエーションピッチを小さくする事ができる。
The mechanism of laser cutting is described in, for example, (Reference: Miyamoto and Maruo, INDIAN WELDING JOURNA
L, March, 1992). According to this, a vertical streak (hereinafter referred to as striation) is formed on a cut cross section by the relationship between the laser beam diameter d and the reaction speed due to the oxidative heat generation of oxygen gas as an assist gas, and its pitch and roughness are determined. . The smaller the beam diameter d, the smaller the striation pitch of the cut cross section.

【0004】一方、ビーム径Dのレーザビームを焦点距
離fのレンズで集光する際、一般に集光スポット径dに対
してd=(M2×f×λ)/(π×D)の関係が成り立つ。(M
2:集光性能パラメータ、f:焦点距離、λ:波長、D:
集光前ビーム径)そこで、切断断面の品質を良くするた
め、集光径dを小さくする事を行っている。
On the other hand, when a laser beam having a beam diameter D is condensed by a lens having a focal length f, a relation of d = (M 2 × f × λ) / (π × D) is generally applied to the converged spot diameter d. Holds. (M
2 : Condensing performance parameter, f: focal length, λ: wavelength, D:
Therefore, in order to improve the quality of the cut cross section, the converging diameter d is reduced.

【0005】通常、焦点距離fが小さいか、或いは集光
前のビーム径Dが大きい、つまりFナンバーが小さな集光
光学系の採用やM2値の小さなレーザを採用し、小径化を
行っている。図3にFナンバーF=f/Dと切断面の断面粗さ
の関係を示す。図中○印は、集光前のビーム径をD=25m
m、×印は集光レンズの焦点距離をf=190.5mmとした。
[0005] Normally, if the focal length f small or condenser before the beam diameter D is large, i.e. F-number adopts a small laser recruitment and M 2 value of the small converging optical system by performing smaller diameter I have. FIG. 3 shows the relationship between the F number F = f / D and the cross-sectional roughness of the cut surface. The circle mark in the figure indicates the beam diameter before condensing D = 25 m
The marks m and x indicate that the focal length of the condenser lens was f = 190.5 mm.

【0006】焦点近傍ではスポット径が極めて小さくな
るため、ストリエーションのピッチや断面粗さは小さく
なるが、同時に切り代であるカーフ幅(切り代)も狭く
なる。このため、ドロスが流れ難くなってしまい、その
まま滞留して切断不良(ドロス付着)に至る。このよう
に最も断面粗さが小さくなる領域で分断能力が低下して
しまう。
Since the spot diameter becomes extremely small in the vicinity of the focal point, the striation pitch and the cross-sectional roughness are reduced, but at the same time, the kerf width (cutting margin) as the cutting margin is also reduced. For this reason, the dross becomes difficult to flow, and stays as it is, leading to a cutting failure (dross adhesion). As described above, the cutting ability is reduced in the region where the cross-sectional roughness is the smallest.

【0007】特に、厚鋼板の切断では、鋼板の厚みに応
じて溶融させる体積が多くなるため、高出力密度のレー
ザビームが必要になる。そのため、M2値が小さく集光性
の高いレーザビームを集光するとスポット径が小さくな
るため、出力密度が高くなりすぎプラズマの発生に伴っ
てバーニング(断面のえぐれ)を誘発し、切断断面品質
(切断面粗さ)はむしろ悪化する。このため、厚鋼板を
断面品質良くかつドロスフリーで切断することは困難で
あった。
Particularly, when cutting a thick steel plate, the volume to be melted increases according to the thickness of the steel plate, so that a laser beam with a high output density is required. Therefore, since the spot diameter decreases as M 2 value is smaller condenses the light collecting highly laser beam to induce burning (gouge in cross-section) with the generation of the output density becomes too high plasma cutting section quality (Cut surface roughness) is rather deteriorated. For this reason, it was difficult to cut a thick steel plate with good cross-sectional quality and dross-free.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に基
づいてなされたものであり、容易にかつ安定的に高品質
な鋼板の切断を行うことができるレーザ切断方法及びレ
ーザ切断装置を提供することを目的とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made based on the above circumstances, and provides a laser cutting method and a laser cutting apparatus capable of easily and stably cutting a high-quality steel sheet. The purpose is to do so.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るレーザ切断方法は、レーザビームを鋼板
に照射して加熱溶融しレーザ照射部を切断線に沿って移
動しながら鋼板をレーザ切断する方法において、複数の
レーザビームの集光スポットを鋼板上にて切断進行方向
に対し直角方向に並べて配置して切断することを特徴と
するものである。
In order to achieve the above object, a laser cutting method according to the present invention comprises irradiating a steel sheet with a laser beam, heating and melting the steel sheet, and moving the laser irradiated portion along the cutting line to cut the steel sheet. The laser cutting method is characterized in that a plurality of laser beam condensed spots are arranged on a steel plate in a direction perpendicular to the cutting direction and cut.

【0010】また、上記目的を達成するために本発明に
係るレーザ切断装置は、レーザ発振器、ビーム伝送光学
系、及び集光光学系と切断用アシストガス供給装置を伴
う切断トーチからなるレーザ切断装置において、切断ト
ーチから入力したレーザビームを分割するビームスプリ
ッターと分割されたビームを照射面上で切断進行方向に
対して直角に配置する切り替え機構と集光レンズとを備
えたことを特徴とするものである。
According to another aspect of the present invention, there is provided a laser cutting apparatus including a laser oscillator, a beam transmission optical system, and a cutting torch including a focusing optical system and an assist gas supply device for cutting. A beam splitter for splitting a laser beam input from a cutting torch, a switching mechanism for arranging the split beam at right angles to a cutting progress direction on an irradiation surface, and a condensing lens. It is.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図1は本発明の方法を実施するた
めのレーザ切断用トーチの概略図である。図1に示すよ
うに、切断用トーチは、ノズル部2の内側にビームスプ
リッタ10、集光レンズ6を配置し構成される。レーザ
発振器から切断用トーチに導かれたレーザビーム4は、
ノズル部2のビームスプリッタ10で出力を2分割さ
れ、集光レンズ6によって鋼板1の上表面に集光スポッ
ト8として結像し照射される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view of a torch for laser cutting for carrying out the method of the present invention. As shown in FIG. 1, the cutting torch is configured by arranging a beam splitter 10 and a condenser lens 6 inside the nozzle unit 2. The laser beam 4 guided from the laser oscillator to the cutting torch is
The output is split into two by the beam splitter 10 of the nozzle unit 2, and the light is focused and formed as an image on the upper surface of the steel plate 1 by the condenser lens 6.

【0012】本発明の範囲で使用可能なビームスプリッ
タの例を図4に示す。同図の a)は山形のビームスプリ
ッタ15、 b)は回折型(Diffractive Optical Element
s, DOE)のビームスプリッタ16である。 a)では左右斜
面の傾斜方向の異なる山形ビームスプリッタ15で屈折
角度の差を利用してレーザビーム4を矢印の方向に出力
的に2分割する。
FIG. 4 shows an example of a beam splitter usable within the scope of the present invention. In this figure, a) is a chevron beam splitter 15, and b) is a diffractive optical element (Diffractive Optical Element).
s, DOE). In a), the laser beam 4 is split into two in the direction of the arrow by using the difference in the refraction angle by the angled beam splitter 15 having different inclination directions of the left and right slopes.

【0013】b)ではビームスプリッタ16の表面に付与
されている微細パターンの微少段差によってレーザビー
ム4を位相変調し矢印の方向に出力、形状とも等価的に
2分割する。
In b), the laser beam 4 is phase-modulated by a small step of a fine pattern provided on the surface of the beam splitter 16 and output in the direction of the arrow and equally divided into two.

【0014】図2は集光スポット8を鋼板1上に配置す
るためのビーム配置略図である。ツインスポットは切断
進行方向に対して直行するように並べて配置される。こ
の時、各ビームの中心間の間隔をΔy、ビーム径をdとす
る。
FIG. 2 is a schematic view of a beam arrangement for arranging the converging spot 8 on the steel plate 1. The twin spots are arranged side by side so as to be orthogonal to the cutting direction. At this time, the distance between the centers of the beams is Δy, and the beam diameter is d.

【0015】以下に、ツインスポットの間隔と出力密度
の与え方について説明する。鋼板の切断では、レーザ照
射にて発生する1次的熱エネルギーと酸素ガスによる2
次的な酸化発熱反応による熱エネルギー利用する。
The following describes how to give the twin spot intervals and the output density. In cutting a steel sheet, primary heat energy generated by laser irradiation and oxygen gas
Utilizes heat energy by the subsequent oxidation exothermic reaction.

【0016】この際、レーザビームの光軸と同軸に酸素
ガスを供給するため、レーザの集光スポットを中心にし
て速度Voで酸化発熱反応が進行し周囲に広がる。そして
酸化発熱反応速度Voよりも切断速度Vが小さい場合に
は、集光スポット径dよりも大きな径φの領域が酸化発
熱反応によって融点を上回る温度に達することになる。
At this time, since the oxygen gas is supplied coaxially with the optical axis of the laser beam, the oxidative exothermic reaction proceeds at a speed Vo around the focused spot of the laser beam and spreads around. When the cutting speed V is lower than the oxidative heat generation reaction speed Vo, the region having a diameter φ larger than the condensing spot diameter d reaches a temperature higher than the melting point by the oxidative heat generation reaction.

【0017】従って、ツインスポットを切断方向と直角
方向に配置した場合、そのツインスポットの間隔Δyは
それぞれの酸化発熱反応によってできる融点に達した径
φの円の領域が接する間隔が上限と考えることができ、
この時Δy=φが成り立つ。酸化発熱反応を含め融点に達
した領域φは、鋼板の厚みや、レーザの出力とビーム径
から決まる出力密度、切断速度、アシストガスの酸素純
度、供給量などによって決まるが現象は極めて複雑であ
る。以下、ツインスポット法で切断するときの切断断面
の品質について、例をあげて説明する。
Therefore, when twin spots are arranged in a direction perpendicular to the cutting direction, the interval Δy between the twin spots is considered to be limited to the interval at which the circle region of diameter φ reaching the melting point formed by the respective oxidative exothermic reactions is in contact. Can be
At this time, Δy = φ holds. The region φ that has reached the melting point including the oxidative exothermic reaction is determined by the thickness of the steel sheet, the output density determined by the laser output and the beam diameter, the cutting speed, the oxygen purity of the assist gas, the supply amount, etc., but the phenomenon is extremely complicated. . Hereinafter, the quality of the cut cross section when cutting by the twin spot method will be described with an example.

【0018】図5は本発明法によるツインビームの間隔
と切断面の断面粗さの関係を示した図である。焦点距離
f=190mmのレンズで1ビームのスポット径を350μmに集光
し、両ビームの中心間隔をΔyとして配置した。レーザ
ビームの出力は1000W、1ビーム当たりでは500W、1ビー
ム当たりの出力密度は5.2×105W/cm2とした。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the interval between twin beams and the cross-sectional roughness of the cut surface according to the method of the present invention. Focal length
The spot diameter of one beam was condensed to 350 μm with a lens of f = 190 mm, and the center distance between both beams was arranged as Δy. The output of the laser beam was 1000 W, the power per beam was 500 W, and the power density per beam was 5.2 × 10 5 W / cm 2 .

【0019】ツインビームの間隔Δy=0mmは未分割ビー
ムであり、従来法に相当する。この時の切断断面粗さRz
は60μmである。Δy=0.1mmとするとRzは著しく低減し、
切断面品質の改善が見られる。以降切断面粗さは緩やか
に低下し、Δy=0.4mmで最小値に近くなる。Δy=0.8mmに
なると分割ビーム照射による熱エネルギーが鋼材の板厚
分を溶融させ得るエネルギー量に達しなくなり、ドロス
が付着して分断不能に至る。
The twin beam interval Δy = 0 mm is an undivided beam and corresponds to the conventional method. Cutting section roughness Rz at this time
Is 60 μm. If Δy = 0.1 mm, Rz is significantly reduced,
The cut surface quality is improved. Thereafter, the cut surface roughness gradually decreases and approaches the minimum value when Δy = 0.4 mm. When Δy = 0.8 mm, the thermal energy due to the split beam irradiation does not reach the amount of energy that can melt the thickness of the steel material, and dross adheres, and it becomes impossible to cut.

【0020】図6には本発明法によるレーザビームの出
力密度と切断面の断面粗さRzの関係を示す。鋼材は板厚
16mm、ツインスポットのビーム間隔Δyは0.5mmとした。
従来法では出力密度が103W/cm2の時、レーザによる投入
熱量が足りず板厚分を溶融させるに至らない。このため
溶鋼が下方に流れ落ちず、切断不良になる。出力密度が
104W/cm2〜105W/cm2の時、切断速度や酸素ガスの圧力設
定値等アシストガス条件を適切に設定すれば、Rzは60μ
m程度まで向上する。通常のレーザ切断では切断材の切
断面品質は最も良くなるこの領域を使用している。
FIG. 6 shows the relationship between the output density of the laser beam and the cross-sectional roughness Rz of the cut surface according to the method of the present invention. Steel thickness
The beam interval Δy between the twin spots was set to 0.5 mm.
In the conventional method, when the output density is 10 3 W / cm 2 , the heat input by the laser is insufficient, and the sheet thickness cannot be melted. As a result, the molten steel does not flow downward, resulting in poor cutting. Power density
When 10 4 W / cm 2 to 10 5 W / cm 2 , if the assist gas conditions such as cutting speed and oxygen gas pressure are appropriately set, Rz is 60μ.
Improve to about m. In the ordinary laser cutting, this region where the cut surface quality of the cut material is the best is used.

【0021】出力密度が105W/cm2〜106W/cm2になると鋼
材に対して加入熱になり切断面品質は悪化し始める。そ
して、それ以上の出力密度になるとプラズマが発生し始
めバーニングを起こし切断面は極めて悪くなる。
When the output density becomes 10 5 W / cm 2 to 10 6 W / cm 2 , heat is added to the steel material, and the cut surface quality starts to deteriorate. When the output density is higher than that, plasma starts to be generated, causing burning, and the cut surface becomes extremely poor.

【0022】これに対して、本発明法によると2ビーム
を合計した集光スポットの単位面積当たりの出力密度が
103W/cm2の時は従来法と同様、投入熱量が足りず切断不
良になる。出力密度が104W/cm2〜106W/cm2では、切断速
度や酸素ガスの圧力設定値等アシストガス条件を適切に
設定することで、溶鋼の通り道が板厚方向に安定して確
保され、なおかつ熱源が分離しているためバーニングを
起こしにくくすることができ切断後の断面品質は極めて
良く、Rzで15〜50μm程度まで向上する。
On the other hand, according to the method of the present invention, the output density per unit area of the condensed spot obtained by summing the two beams is obtained.
At 10 3 W / cm 2 , as in the conventional method, the amount of heat input is insufficient, resulting in poor cutting. When the power density is 10 4 W / cm 2 to 10 6 W / cm 2 , by setting the assist gas conditions such as the cutting speed and the oxygen gas pressure set value appropriately, the path of molten steel can be stabilized in the thickness direction. Since the heat source is secured and the heat source is separated, burning is less likely to occur, the cross-sectional quality after cutting is extremely good, and the Rz is improved to about 15 to 50 μm.

【0023】出力密度が106W/cm2〜107W/cm2の領域で
は、鋼材に対して過入熱になるため切断面品質は悪化し
始める。そして、107W/cm2以上の出力密度になるとプラ
ズマが発生し始めバーニングを起こし切断面は極めて悪
くなる。このように本発明法によれば切断断面の品質が
最も良くなるレーザの出力密度の設定条件の許容範囲が
広く安定しており、切断断面粗さRzが従来法に対して約
半分以下に低減する。
In the power density range of 10 6 W / cm 2 to 10 7 W / cm 2 , the cut surface quality starts to deteriorate due to excessive heat input to the steel material. When the output density becomes 10 7 W / cm 2 or more, plasma starts to be generated, causing burning, and the cut surface becomes extremely poor. As described above, according to the method of the present invention, the allowable range of the setting conditions of the laser output density at which the quality of the cut section is the best is wide and stable, and the cut section roughness Rz is reduced to about half or less of the conventional method. I do.

【0024】以下に、本発明の方法を従来の方法と比較
して説明する。図7は、板厚16mmの鋼材を炭酸ガスレー
ザで切断した際の従来のシングルスポット照射法と本発
明のツインスポット照射法のカーフ幅の比較である。横
軸は鋼材表面に対する焦点位置Δ(焦点位置が鋼材の内
側が負)、縦軸はカーフ幅Wである。良好切断領域を○
印、不良切断領域を×印とした。
Hereinafter, the method of the present invention will be described in comparison with a conventional method. FIG. 7 is a comparison of a kerf width between a conventional single spot irradiation method and a twin spot irradiation method according to the present invention when a steel material having a thickness of 16 mm is cut with a carbon dioxide gas laser. The horizontal axis is the focal position Δ with respect to the steel surface (the focal position is negative inside the steel), and the vertical axis is the kerf width W. Good cutting area
The mark and the defective cutting area were marked with x.

【0025】従来法では、集光光学系の焦点位置が鋼材
表面付近とほぼ一致する場合には、ビーム径が小さくな
るに従いカーフ幅が狭くなり、最小400μmとなる。カー
フ幅が狭くなると溶鋼が板厚方向に流れ落ちにくくなり
ドロスが残留し付着して切断不良に至る。そして鋼材表
面に対し焦点位置が-3mm以下、3.0mm以上離れると溶鋼
がスムーズに流れ落ちるようになり良好切断領域とな
る。さらに焦点位置が鋼材表面から5mm以上離れるとビ
ームスポット径が大きくなりエネルギー密度が低下して
鋼材の厚み分を溶融するに至らず切断不良となる。一
方、本発明法ではカーフ幅が最小1000μmと従来法と比
較して広い。このため、Δ=-5〜5mmの範囲で溶鋼がスム
ーズに流れ落ち良好切断領域になる。
In the conventional method, when the focal position of the condensing optical system substantially coincides with the vicinity of the surface of the steel material, the kerf width becomes narrower as the beam diameter becomes smaller, and becomes a minimum of 400 μm. When the kerf width is narrow, the molten steel is less likely to flow down in the thickness direction, and dross remains and adheres, leading to poor cutting. When the focal position is -3 mm or less and 3.0 mm or more away from the steel surface, the molten steel flows smoothly and becomes a good cutting area. Further, when the focal position is more than 5 mm away from the surface of the steel material, the beam spot diameter becomes large, the energy density is reduced, and the thickness of the steel material is not melted, resulting in poor cutting. On the other hand, in the method of the present invention, the kerf width is at least 1000 μm, which is wider than that of the conventional method. Therefore, in the range of Δ = −5 to 5 mm, the molten steel flows smoothly and becomes a good cutting area.

【0026】図8は、図7と同じ条件下において、鋼材
表面に対する焦点位置Δと切断断面の表面粗さRzの関係
を板厚16mmの鋼材に対する従来法と本発明法について比
較した。良好切断領域を○印、不良切断領域を×印で示
す。従来法ではRzが最小45μm程度であるのに対して、
本発明法ではRzが20μmと大幅に改善する。
FIG. 8 compares the relationship between the focal position Δ with respect to the surface of the steel material and the surface roughness Rz of the cut section under the same conditions as in FIG. A good cutting area is indicated by a circle, and a defective cutting area is indicated by a cross. In the conventional method, Rz is at least about 45 μm,
According to the method of the present invention, Rz is greatly improved to 20 μm.

【0027】図9、及び図10に本発明法による切断用
トーチの概略図を示す。図9の切断用トーチは主軸部3
とノズル部2に分かれており、ノズル部2にはビームス
プリッタ10と集光レンズ6が固定されている。
FIGS. 9 and 10 are schematic views of a cutting torch according to the method of the present invention. The cutting torch shown in FIG.
The beam splitter 10 and the condenser lens 6 are fixed to the nozzle 2.

【0028】回転式ビーム配置切り替え部11におい
て、主軸部3に対してノズル部2が回転する事ができる
機構になっている。よって光軸に対して直角に組み込ま
れたビームスプリッタ10も光軸を中心にしてノズル部
2と共に回転し、鋼材1の上表面におけるツインスポッ
ト8の配置を切断進行方向に応じて切り替える事ができ
る。よって直角方向の切断だけでなく、斜め方向や角部
にRのついた箇所の切断にも対応可能である。
The rotary beam arrangement switching unit 11 has a mechanism capable of rotating the nozzle unit 2 with respect to the main shaft unit 3. Therefore, the beam splitter 10 installed at right angles to the optical axis also rotates with the nozzle unit 2 around the optical axis, and the arrangement of the twin spots 8 on the upper surface of the steel material 1 can be switched according to the cutting progress direction. . Therefore, it is possible to cope not only with the cutting in the right angle direction but also with the diagonal direction and the cutting of the portion with R at the corner.

【0029】図10の切断用トーチは、主軸部3、摺動
式ビーム切り替え部17、ノズル部2で構成されてい
る。摺動式切り替え部11の中には、互いに直行する方
向にレーザビームを分割するような向きに配置された2
枚のビームスプリッタ10が設置されている。
The cutting torch shown in FIG. 10 includes a main shaft 3, a sliding beam switching unit 17, and a nozzle 2. Some of the sliding switching units 11 are arranged so as to split the laser beam in a direction perpendicular to each other.
A plurality of beam splitters 10 are provided.

【0030】これらの1対のビームスプリッタ10は、
エアシリンダーやモータ等の摺動式駆動機構によって摺
動式ビーム切り替え部17の中を前後できる機構になっ
ている。そして、上位PC(計算機)からの指令によりど
ちらか一方のビームスプリッタがレーザビーム4の光軸
上に入り込み、鋼材1の上表面におけるツインスポット
8の方向が90度づつ切り替わる。
The pair of beam splitters 10
The sliding beam switching unit 17 can be moved back and forth by a sliding drive mechanism such as an air cylinder or a motor. Then, in response to a command from the host PC (computer), one of the beam splitters enters the optical axis of the laser beam 4, and the direction of the twin spot 8 on the upper surface of the steel material 1 switches by 90 degrees.

【0031】図11に本発明による切断法にて、鋼板1
を反時計回りに四角形に切り抜く時の切断トーチの移動
軌跡の上面図を示す。鋼板1上を図11中の切断開始地
点13から切断終了地点14まで矢印に沿って連続して
切断する。このとき、進行方向に対して直交する方向に
ツインビームスポットを配置する。
FIG. 11 shows a steel sheet 1 obtained by the cutting method according to the present invention.
FIG. 3 shows a top view of the movement trajectory of the cutting torch when cutting out a square in a counterclockwise direction. The steel plate 1 is cut continuously along the arrow from the cutting start point 13 to the cutting end point 14 in FIG. At this time, the twin beam spot is arranged in a direction orthogonal to the traveling direction.

【0032】切断用トーチは切断開始地点13からスタ
ートし直線に進み、最初の左90度折曲地点12に差し
掛かったところで、上位PCからの指令によって回転切り
替え機構を切断方向に同期させながら鋼板上のツインス
ポットの向きを時計回りに270度回転させる。摺動式
切り替え機構の場合は、左90度折曲地点12におい
て、一旦レーザを停止させ瞬時にビームスプリッタを切
り替え後、鋼板上のツインスポットの向きを90度回転
し再度レーザONにする。そして再び切断進行方向に直交
する方向にツインビームスポットを配置し、矢印の方向
に切断する。以降、折曲地点も同様にして切り進み、切
断終了地点14にて停止し切断を完了する。
The cutting torch starts from the cutting start point 13 and proceeds in a straight line. When reaching the first 90-degree left bending point 12, the cutting torch synchronizes the rotation switching mechanism in the cutting direction by a command from the host PC and cuts the sheet on the steel plate. Rotate the direction of the twin spot clockwise 270 degrees. In the case of the sliding switching mechanism, at the bending point 12 at the left 90 °, the laser is temporarily stopped, the beam splitter is switched instantaneously, the direction of the twin spot on the steel plate is rotated 90 °, and the laser is turned ON again. Then, the twin beam spot is arranged again in the direction orthogonal to the cutting progress direction, and cutting is performed in the direction of the arrow. Thereafter, the bending point is cut in the same manner, and stops at the cutting end point 14 to complete the cutting.

【0033】図12にはツインスポットによる切断方法
と同等の効果が得られるよう複数のスポットを並べたマ
ルチスポット照射法の集光ビームの配置図を示す。ツイ
ンスポット照射法同様、同図 b)のように切断方向に対
し直交する方向にn個の集光スポットを並べて配置して
も良い。このときの各ビームのスポット間の間隔Δy
は、酸化発熱反応の進行限界領域径φとしたときにΔy
≦φを満たす範囲とする。
FIG. 12 is a layout view of a condensed beam in the multi-spot irradiation method in which a plurality of spots are arranged so as to obtain the same effect as the cutting method using the twin spots. As in the twin spot irradiation method, n condensed spots may be arranged side by side in a direction perpendicular to the cutting direction as shown in FIG. The distance Δy between the spots of each beam at this time
Is Δy when the progress limit region diameter of the oxidation exothermic reaction is φ
≦ φ.

【0034】マルチスポット照射法は板厚が厚くなり、
ビーム径を小さく集光する場合に有効である。これらは
ドロスの排出、及び切断断面の品質において、同等の効
果が得られる。
In the multi-spot irradiation method, the plate thickness is increased,
This is effective for condensing a small beam diameter. These have the same effect on the dross discharge and the quality of the cut section.

【0035】[0035]

【実施例1】図11の様に厚さ16mmの鋼板を3m×5mの
長方形の形状に切り抜くレーザ切断を実施した。
Embodiment 1 As shown in FIG. 11, laser cutting was performed to cut out a steel plate having a thickness of 16 mm into a rectangular shape of 3 mx 5 m.

【0036】装置構成は、出力1.5kW、波長10.6μmの
炭酸ガスレーザ切断機、図4の b)タイプの回折型ビー
ムスプリッタと回転式切り替え装置、及び焦点距離f=19
0mmの集光レンズを含むレーザ切断トーチとした。鋼板
上には、ビームスプリッタで2分割後集光レンズで集光
したツインスポットを図12の a)のように配置し、切
断トーチは図9のような構成とした。アシストガスは純
度99.6%の酸素ガスを使用してレーザビームと同軸に流
し、切断速度をv=0.8m/minとして鋼板1上を切断開始地
点から切断終了地点まで矢印に沿って連続して切断し、
3m×5mの長方形状に切り抜いた。
The apparatus is composed of a carbon dioxide laser cutting machine with an output of 1.5 kW and a wavelength of 10.6 μm, a diffractive beam splitter of type b) in FIG. 4 and a rotary switching device, and a focal length f = 19.
A laser cutting torch including a 0 mm condenser lens was used. On a steel plate, twin spots condensed by a condensing lens after being divided into two by a beam splitter were arranged as shown in FIG. 12A, and the cutting torch was configured as shown in FIG. The assist gas is flowed coaxially with the laser beam using 99.6% pure oxygen gas. The cutting speed is v = 0.8m / min and the steel sheet 1 is cut continuously along the arrow from the cutting start point to the cutting end point. And
It was cut out into a 3m x 5m rectangular shape.

【0037】切断用トーチは切断開始地点13において
レーザONし約3sec間停止後、スタートして図中点線上を
直線に進む。最初の左90度の折曲地点12に差し掛か
ったところで、上位PCからの指令によってビームスプリ
ッタ回転切り替え機構を作動させて鋼板上のツインスポ
ットの向きを切断方向に同期させながら270度時計回
りに回転させる。そして再び切断進行方向に直交する方
向にツインビームスポットを配置し、矢印の方向に切断
する。
The cutting torch turns on the laser at the cutting start point 13 and stops for about 3 seconds, then starts and proceeds in a straight line on the dotted line in the figure. When approaching the first bending point 12 at 90 degrees to the left, the beam splitter rotation switching mechanism was activated by a command from the host PC and rotated clockwise 270 degrees while synchronizing the direction of the twin spot on the steel sheet with the cutting direction. Let it. Then, the twin beam spot is arranged again in the direction orthogonal to the cutting progress direction, and cutting is performed in the direction of the arrow.

【0038】以降、折曲地点も同様にして切り進み、切
断終了地点14にて停止し切断を完了した。これらの過
程を経て切断完了した被切断材料の切断面は、外周上ど
の地点においてもドロス付着や、切断面のえぐれ等が無
く切断欠陥は皆無であった。
Thereafter, the bending point is also cut in the same manner, and stopped at the cutting end point 14 to complete the cutting. The cut surface of the material to be cut that had been cut through these steps had no cutting defects at any point on the outer periphery without dross adhesion or scouring of the cut surface.

【0039】[0039]

【実施例2】図13の様に厚さ16mmの鋼板を3m×5mの
長方形の形状に切り抜くレーザ切断を実施した。
Embodiment 2 As shown in FIG. 13, laser cutting was performed to cut out a steel plate having a thickness of 16 mm into a rectangular shape of 3 mx 5 m.

【0040】装置構成は、出力1.5kW、波長10.6μmの
炭酸ガスレーザ切断機、図4のb)タイプの回折型ビーム
スプリッタと前後摺動式切り替え装置、及び焦点距離f=
190mmの集光レンズを含むレーザ切断トーチとした。鋼
板上には、ビームスプリッタで2分割後集光レンズで集
光したツインスポットを図12のa)のように配置し、切
断トーチは図10のような構成とした。アシストガスは
純度99.6%の酸素ガスを使用してレーザビームと同軸に
流し、切断速度をv=0.8m/minとして鋼板1上を切断開始
地点から切断終了地点まで矢印に沿って連続して切断し
た。切断用トーチは切断開始地点13においてレーザON
し約3sec間停止後、スタートして図中点線上を直線に進
む。
The apparatus is composed of a carbon dioxide laser cutting machine with an output of 1.5 kW and a wavelength of 10.6 μm, a diffraction type beam splitter of type b) in FIG.
A laser cutting torch including a 190 mm condenser lens was used. On a steel plate, twin spots condensed by a condenser lens after being divided into two by a beam splitter were arranged as shown in FIG. 12A, and the cutting torch was configured as shown in FIG. The assist gas is flowed coaxially with the laser beam using 99.6% pure oxygen gas. The cutting speed is v = 0.8m / min and the steel sheet 1 is cut continuously along the arrow from the cutting start point to the cutting end point. did. Laser on cutting torch at cutting start point 13
After stopping for about 3 seconds, start and go straight on the dotted line in the figure.

【0041】最初の左90度の折曲地点12で一旦レー
ザビームをOFFにして、同時に上位PCからの指令によっ
てビームスプリッタの前後摺動式切り替え機構を作動さ
せて鋼板上のツインスポットの向きを90度回転させ
る。切断方向も90度折り曲げ方向に切り替えレーザを
再度ON後2秒間停止させ再度点線上を矢印に沿って切り
進む。
At the first bending point 12 at 90 degrees to the left, the laser beam is once turned off, and at the same time, the direction of the twin spot on the steel plate is changed by operating the forward / backward sliding switching mechanism of the beam splitter according to a command from the host PC. Rotate 90 degrees. The cutting direction is also switched to the 90-degree bending direction, the laser is turned on again, stopped for 2 seconds, and cut again along the dotted line along the arrow.

【0042】以降、折曲地点も同様にして切り進み、切
断終了地点14にて停止し切断を完了した。これらの過
程を経て切断完了した被切断材料の切断面は、外周上ど
の地点においてもドロス付着や、切断面のえぐれ等が無
く切断欠陥は皆無であった。
Thereafter, the bending point was cut in the same manner, and stopped at the cutting end point 14 to complete the cutting. The cut surface of the material to be cut that had been cut through these steps had no cutting defects at any point on the outer periphery without dross adhesion or scouring of the cut surface.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、2つ以上
の複数の集光スポットをもったレーザビームを使用して
カーフ幅(切り代)を1ビームでの切断時よりも広げる
ように集光スポットを配置して切断することによって、
従来の切断方法よりも切断断面粗さ等の断面品質は大幅
に向上し、溶鋼の残留やドロスの付着等のない安定した
切断面品質を得ることができ切断欠陥の抑制に対して大
幅な効果が見られる。このことは切断後のドロス落とし
などの後工程が不要なため、製造現場での要員削減やコ
ストの削減に効果がある。
As described above, according to the present invention, the kerf width (cut margin) is increased by using a laser beam having two or more condensed spots as compared with the case of cutting with one beam. By arranging and cutting the focusing spot on the
Cross-sectional quality such as cut cross-sectional roughness is greatly improved compared to conventional cutting methods, and stable cut surface quality without molten steel residue or dross adhesion can be obtained, which is a significant effect on suppression of cutting defects. Can be seen. This eliminates the need for post-processing such as dropping dross after cutting, which is effective in reducing the number of personnel at the manufacturing site and reducing costs.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明法を実施するためのレーザ切断用トーチ
の概略図
FIG. 1 is a schematic diagram of a laser cutting torch for performing the method of the present invention.

【図2】鋼板に対するツインスポットビームの配置図FIG. 2 Layout of twin spot beams on steel plate

【図3】Fナンバーと切断面粗さの関係を示す図FIG. 3 is a diagram showing a relationship between an F number and cut surface roughness.

【図4】本発明法で使用するビームスプリッタの例を示
す図
FIG. 4 is a diagram showing an example of a beam splitter used in the method of the present invention.

【図5】ツインビームの間隔と切断面粗さの関係を示す
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a twin beam interval and a cut surface roughness.

【図6】レーザの出力密度と切断面粗さの関係を示す図FIG. 6 is a diagram showing a relationship between laser output density and cut surface roughness.

【図7】従来法と本発明法による切断部カーフ幅の比較
FIG. 7 is a comparison diagram of the cut portion kerf width according to the conventional method and the present invention method.

【図8】従来法と本発明法による切断面粗さの比較図FIG. 8 is a comparison diagram of cut surface roughness between the conventional method and the method of the present invention.

【図9】本発明法による切断用トーチの概略図FIG. 9 is a schematic view of a cutting torch according to the method of the present invention.

【図10】本発明法による切断用トーチの概略図FIG. 10 is a schematic view of a cutting torch according to the method of the present invention.

【図11】本発明法による切断用ビームスポットの配置
と移動軌跡の上面図
FIG. 11 is a top view of the arrangement and the movement locus of the cutting beam spot according to the method of the present invention.

【図12】鋼板上でのマルチスポットの配置概略図FIG. 12 is a schematic view of a multi-spot arrangement on a steel plate.

【図13】本発明法による切断用ビームスポットの配置
と移動軌跡の上面図
FIG. 13 is a top view of the arrangement and the movement locus of the cutting beam spot according to the method of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 鋼板 2 ノズル部 3 トーチ主軸部 4 レーザビーム 5 未切断部 6 集光レンズ 7 回転軸 8 レーザ集光部 9 被切断部 10 ビームスプリッタ 11 回転式ビーム配置切り替え部 12 ツインスポットビーム配置切り替え地点 13 切断開始地点 14 切断終了地点 15 山形ビームスプリッタ 16 回折型ビームスプリッタ 17 摺動式ビーム配置切り替え部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Steel plate 2 Nozzle part 3 Torch main shaft part 4 Laser beam 5 Uncut part 6 Condensing lens 7 Rotating axis 8 Laser condensing part 9 Cutting part 10 Beam splitter 11 Rotary beam arrangement switching part 12 Twin spot beam arrangement switching point 13 Cutting start point 14 Cutting end point 15 Yamagata beam splitter 16 Diffraction type beam splitter 17 Sliding beam arrangement switching unit

フロントページの続き (72)発明者 山本 博之 千葉県富津市新富20−1 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 (72)発明者 南田 勝宏 千葉県富津市新富20−1 新日本製鐵株式 会社技術開発本部内 Fターム(参考) 4E068 AE00 CD04 CD08 DA14 DB01Continued on the front page (72) Inventor Hiroyuki Yamamoto 20-1 Shintomi, Futtsu-shi, Chiba Nippon Steel Corporation Technology Development Division (72) Inventor Katsuhiro Minata 20-1 Shintomi, Futtsu-shi, Chiba Nippon Steel Corporation F-term in the Technology Development Division (reference) 4E068 AE00 CD04 CD08 DA14 DB01

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】レーザビームを鋼板に照射して加熱溶融し
レーザ照射部を切断線に沿って移動しながら鋼板をレー
ザ切断する方法において、複数のレーザビームの集光ス
ポットを鋼板上にて切断進行方向に対し直角方向に並べ
て配置して切断することを特徴とするレーザ切断方法。
A method of cutting a steel sheet by irradiating a laser beam to a steel sheet by heating and melting and moving a laser irradiation part along a cutting line, wherein a plurality of focused spots of the laser beam are cut on the steel sheet. A laser cutting method characterized by arranging and cutting in a direction perpendicular to a traveling direction.
【請求項2】レーザ発振器、ビーム伝送光学系、及び集
光光学系と切断用アシストガス供給装置を伴う切断トー
チからなるレーザ切断装置において、切断トーチから入
力したレーザビームを分割するビームスプリッターと分
割されたビームを照射面上で切断進行方向に対して直角
に配置する切り替え機構と集光レンズとを備えたことを
特徴とするレーザ切断装置。
2. A laser cutting apparatus comprising a laser oscillator, a beam transmission optical system, a condensing optical system, and a cutting torch including a cutting assist gas supply device, wherein a beam splitter for splitting a laser beam input from the cutting torch is provided. A laser cutting device, comprising: a switching mechanism for arranging the obtained beam on the irradiation surface at right angles to a cutting progress direction; and a condenser lens.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7638730B2 (en) * 2003-03-21 2009-12-29 Rorze Systems Corporation Apparatus for cutting glass plate
JP2010534140A (en) * 2007-07-24 2010-11-04 イーオー テクニクス カンパニー リミテッド Laser processing apparatus and method using laser beam splitting
WO2024105851A1 (en) * 2022-11-17 2024-05-23 株式会社ニコン Processing system

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