JP2002239764A - レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピアシング時に発生する針状の凝固物に静電
容量型センサが接触してレーザ加工装置の運転が中断さ
れることのないように、ピアシング後に針状の凝固物を
除去し所定の形状に金属材料を切断加工する。 【解決手段】 切断開始時の穴開け（ピアシング）後、
レーザ光の光軸に対して垂直な面内での位置と、レーザ
光６の光軸方向の位置と、レーザ出力と、レーザ照射周
期と、レーザ照射時間の少なくとも一つをピアシング時
とは異なる条件に設定したレーザ光６を再度照射し、ピ
アシングで生成された針状凝固物５を溶融する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、板状金属材料を切
断加工するレーザ加工方法に係り、特に切断開始時の穴
開け（ピアシング）をする際のレーザ照射方法に特徴を
有するレーザ加工方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来技術は、ＮＥＣ（日本電気株式会
社）のＭ７０２Ｂレーザカッタカタログ（資料番号ＺＦ
ＡＹＣ−５４１９（第１版）、発行年月日Ｍａｒｃｈ
１９９２Ｍ）に開示されており、その要旨を図５、図
６、図７および図８を用いて説明する。

【０００３】図５はレーザ切断加工装置の要部を示した
斜視図、図６はその断面図である。レーザヘッド１０１
は、材料クランプもしくは材料ステージ等の図示してい
ない金属材料保持具によって保持された切断加工する金
属材料１０４と対向して設置され、図示していないサー
ボモータ等の駆動手段によって金属材料１０４と垂直な
Ｚ軸方向に進退可能に取り付けられている。また、レー
ザヘッド１０１と金属材料１０４は、Ｚ軸と垂直な平面
での位置関係を相対的に変えられるように構成されてい
る。すなわち、レーザヘッド１０１もしくは金属材料１
０４を保持する前記金属材料保持具が、図示していない
サーボモータ、駆動機構、制御器等によってＺ軸に直交
するＸ軸方向および、Ｚ軸とＸ軸それぞれに直交するＹ
軸方向に移動可能に構成されている。

【０００４】レーザヘッド１０１内部には、図示しない
レーザ光集光レンズが装着され、図示しないレーザ光発
生装置からベントミラーや光ファイバーなどのレーザ光
伝送手段１０７によって伝送されたレーザ光１１０が金
属材料１０４に焦点を合わせて照射される。このときの
レーザ光１１０は照射出力、照射周期等を図示しない制
御器によって制御される連続光、もしくはパルス変調光
である。

【０００５】レーザヘッド１０１の先端（図５における
レーザヘッド１０１の金属材料１０４側）にはレーザノ
ズル１０２が装着されている。レーザノズル１０２に
は、図示しないアシストガスボンベがチューブ１０９で
接続され、金属材料１０４の切断加工時にレーザノズル
１０２によってアシストガスは絞り込まれてレーザ加工
点に吹き付けられる。

【０００６】レーザノズル１０２の先端には静電容量型
センサ１０３が装着され、レーザノズル１０２と金属材
料１０４の間隔が測定できるようになっている。測定さ
れた信号はケーブル１０８によって図示しない制御器に
送られ、レーザノズル１０２と金属材料１０４の間隔が
制御される。

【０００７】続いて、レーザ切断加工時の動作を説明す
る。レーザヘッド１０１に伝送されたレーザ光は、上述
したようにレーザヘッド１０１の内部にある図示しない
レーザ光集光レンズによって決まる焦点距離をもってレ
ーザノズル１０２先端から金属材料１０４へ照射され
る。従って、図６に示すレーザノズル１０２と金属材料
１０４の間隔は切断加工中、一定に保たれねばならない
ので、静電容量型センサ１０３と金属材料１０４の間隔
Ｓが一定になるように制御される。この制御は、静電容
量型センサ１０３の信号を使って図示しない制御器によ
り行われ、間隔Ｓは切断する金属材料１０４の種類、板
厚、レーザ光１１０の出力等によって異なるが、概ね
０．３ｍｍ〜５ｍｍ程度である。

【０００８】また、切断加工中、レーザ光１１０の熱に
よって溶融された金属を吹き飛ばすためにレーザノズル
１０２からアシストガスが切断加工点に吹き付けられ
る。溶融金属を吹き飛ばさないと、溶融金属がレーザ光
１１０の熱を吸収してしまい、切断加工したい金属材料
１０４にレーザ光１１０の熱が十分に伝えられないため
である。こうしてレーザヘッド１０１または金属材料１
０４を前記図示しない制御器によりＸ軸およびＹ軸方向
に順次移動させ、所定の加工を金属材料１０４に対して
行う。

【０００９】しかしながら、図７に示すように、円形切
断１０５ａのような金属材料１０４の内部に外周と接続
しない形状の切断加工を行う場合、最初に切断開始点１
０５に貫通孔を開ける必要がある。このことを初期穴開
け（以後、ピアシングと称する）という。ピアシングに
際しては、図示しない制御器によってレーザヘッド１０
１および金属材料１０４を相対的にＸ軸、Ｙ軸方向に移
動させて切断開始点１０５にレーザ光１１０が当たるよ
うにする。そして、静電容量型センサ１０３と金属材料
１０４の間隔Ｓを図示しない制御器によって所定の間隔
に設定した後、間隔制御を停止する。

【００１０】続いて、レーザヘッド１０１および金属材
料１０４を移動させず、レーザヘッド１０１から切断開
始点１０５である同一点にレーザ光１１０を所定の出力
で所定の時間照射する。このとき、アシストガスも切断
時と同様に吹き付けられるが、図５および図６に示す切
断加工時には切断部分（貫通部分）１１１を通過して金
属材料１０４の下側、すなわちレーザノズル１０２の位
置する側と反対側に殆ど吹き飛ばされる溶融金属は、ピ
アシング時には貫通部分がないため全てがレーザヘッド
１０１の側に吹き上げられる。吹き上がった溶融金属は
レーザ光１１０から外れると急速に凝固し、図８に示す
ように多くの場合は針状凝固物１０６になる。

【００１１】所定の時間レーザ光１１０を前記同一点に
照射して切断開始点１０５が貫通した後、レーザ光１１
０の発光を停止するとともにレーザヘッド１０１を一旦
上方に引き上げてから、改めて静電容量型センサ１０３
と金属材料１０４の間隔Ｓの制御を再開して、所定の間
隔Ｓになるようにレーザヘッド１０１を引き下げる。そ
して、レーザ光１１０の発光を再開すると同時に、図示
しない制御器によってレーザヘッド１０１および金属材
料１０４を相対的にＸ軸、Ｙ軸方向に移動制御し、金属
材料１０４の内部に所定の形状（図７では円形切断１０
５ａ）に切断加工を行う。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】以上説明した従来の技
術では、一旦引き上げられた後、レーザヘッド１０１と
金属材料１０４の間隔制御を行いながら引き下げられた
レーザヘッド１０１が切断加工に移行するために、図示
しない制御器によってレーザヘッド１０１および金属材
料１０４を相対的にＸ軸、Ｙ軸方向に移動させる際、ピ
アシングで生成された針状凝固物１０６が静電容量型セ
ンサ１０３に接触することがある。静電容量型センサ１
０３が針状凝固物１０６に接触するとエラーが出力さ
れ、レーザ加工装置は停止状態になり、連続運転は中断
される。

【００１３】これを解消するための手段として、金属材
料１０４に対して穴開けをあらかじめ型抜きにより行う
方法や、ピアシング時に発生した針状凝固物１０６をブ
ラシ等で機械的に除去する方法が考えられるが、いずれ
も装置または設備を付加しなければならず、また加工効
率も悪い。

【００１４】本発明は、前記解決しようとする課題に鑑
みてなされたもので、ピアシング時に発生する針状の凝
固物に静電容量型センサが接触してレーザ加工装置の運
転が中断されることのないように、ピアシング後に針状
の凝固物を除去し所定の形状に金属材料を切断加工する
ことができるレーザ加工方法を提供することを目的とす
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の請求項１に係るレーザ加工方法は、金属材
料を切断加工するレーザ加工方法において、切断開始時
の穴開け（ピアシング）後、レーザ光の光軸に対して垂
直な面内での位置と、レーザ光の光軸方向の位置と、レ
ーザ出力と、レーザ照射周期と、レーザ照射時間の少な
くとも一つをピアシング時とは異なる条件に設定したレ
ーザ光を再度照射することを特徴とする。

【００１６】また、本発明の請求項２に係るレーザ加工
方法は、請求項１の構成において、ピアシング後に照射
するレーザ光は、金属材料表面部分に当たる位置での単
位面積当たりのエネルギー密度がピアシング時よりも小
さいことを特徴とする。

【００１７】すなわち、請求項１の構成にあっては、ピ
アシング後に、ピアシング時とは異なる条件でレーザ光
を再度照射し、ピアシング時に発生した針状の凝固物を
溶融することを可能にし、他の付加装置を用いずに凝固
物を除去して、その後のレーザ切断加工を行う際にレー
ザ切断装置の運転を中断させないようにする。

【００１８】また、請求項２の構成にあっては、特にピ
アシング後に、単位面積当たりのエネルギー密度をピア
シング時より小さくし、例えば材料表面部分に当たる位
置でのビーム直径をピアシング時のビーム直径よりも大
きくするか、レーザ出力をピアシング時のレーザ出力よ
り小さくすることで、材料に損傷を与えることなく、請
求項１と同様の作用を得ることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明に関わるレーザ加工
時の初期穴開け（ピアシング）を伴うレーザ加工方法の
実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。

【００２０】（実施の形態１）本発明の実施の形態１を
図１〜図４に基づいて説明する。図１は本実施の形態の
レーザ加工方法の実施に用いるレーザ切断加工装置の要
部を示す斜視図、図２〜図４は本実施の形態のレーザ加
工方法を説明するための断面図である。

【００２１】図１において、レーザヘッド１は、材料ク
ランプもしくは材料ステージ等の図示していない金属材
料保持具によって保持された切断加工する板状の金属材
料４と対向して設置され、図示していないサーボモータ
等の駆動手段によって金属材料４と垂直なＺ軸方向に進
退可能に取り付けられており、レーザヘッド１と金属材
料４との間隔を任意に設定できるようになっている。

【００２２】また、レーザヘッド１と金属材料４は、Ｚ
軸と垂直な平面での位置関係を相対的に変えられるよう
に構成されている。すなわち、レーザヘッド１もしくは
金属材料４を保持する前記金属材料保持具が、図示して
いないサーボモータ、駆動機構、制御器等によってＺ軸
に直交するＸ軸方向および、Ｚ軸とＸ軸それぞれに直交
するＹ軸方向に移動可能に構成されており、レーザヘッ
ド１と金属材料４との位置を相対的に変化させ、レーザ
ヘッド１からのレーザ光を金属材料４に対して照射でき
るようになっている。

【００２３】レーザヘッド１内部には、図示しないレー
ザ光集光レンズが装着され、図示しないレーザ光発生装
置からベントミラーや光ファイバーなどのレーザ光伝送
手段８によって伝送されたレーザ光６（図２参照）が、
金属材料４に焦点を合わせて照射可能になっている。こ
のときのレーザ光６は照射出力、照射周期等を図示しな
い制御器によって制御される連続光、もしくはパルス変
調光である。

【００２４】レーザヘッド１の先端（図１におけるレー
ザヘッド１の金属材料４側）にはレーザノズル２が装着
されている。レーザノズル２には、図示しないアシスト
ガスボンベがチューブ９で接続され、レーザ光６による
金属材料４の切断加工時に、レーザノズル２によってア
シストガスは絞り込まれてレーザ加工点に吹き付けられ
る。

【００２５】レーザノズル２の先端には静電容量型セン
サ３が装着され、レーザノズル２と金属材料４の間隔を
測定できるようになっている。測定された信号はケーブ
ル１０によって図示しない制御器に送られ、レーザノズ
ル２と金属材料４の間隔が制御される。この構成は従来
と変わるところはない。

【００２６】次に、上記構成のレーザ加工装置によるレ
ーザ加工方法を図２〜図４に基づいて説明する。図２は
ピアシング時の加工点近傍を示す拡大図である。ピアシ
ング時において、レーザヘッド１と金属材料４は相対的
にＸ軸、Ｙ軸方向の位置を固定し、かつレーザヘッド１
と金属材料４とのＺ軸方向の間隔も固定して、所定の出
力のレーザ光６を所定の時間、金属材料４の所望の位置
（切断開始点）に照射する。この照射により、レーザ光
６の熱により溶融された金属材料４の金属は、レーザノ
ズル２から吹き付けられたアシストガスにより金属材料
４の上方に吹き上げられ、レーザ光６から外れると針状
凝固物５となる。

【００２７】そして、レーザ光６の照射により切断開始
点に穴１１が貫通した後、レーザヘッド１と金属材料４
のＸ軸およびＹ軸方向での相対位置は変えずに、レーザ
ヘッド１を上方、すなわち金属材料４との間隔を広げる
Ｚ軸方向に移動し、図３に示すように、再度レーザ光６
を照射する。このとき、レーザ光６は、切断開始点付近
に存在する針状凝固物５を含む金属材料４に対して広範
囲に照射され、レーザ光６の金属材料４上での単位面積
当たりのエネルギー密度は、ピアシング時よりも小さく
なり、レーザ光６により針状凝固物５のみが溶融され
る。

【００２８】そして、針状凝固物５が溶融した後、レー
ザ光６の照射を停止する。そして、針状凝固物５が溶融
した溶融金属は、レーザ光６の照射が停止されると再び
固化し、図４に示すように、針状凝固物５の先端部より
低い砲台状凝固物７になる。

【００２９】上記再度レーザ光６を照射する再照射は、
針状凝固物５が存在しうる範囲、もしくは静電容量型セ
ンサ３の測定域の範囲をレーザ光６で照射することが望
ましい。そして、上方に移動したレーザヘッド１から照
射されるレーザ光６の照射出力、照射周期または照射時
間を調節することで、更に効率的に針状凝固物５を溶融
させることができる。

【００３０】なお、再度レーザ光６を照射する際にレー
ザヘッド１を上方に移動させる場合を説明したが、レー
ザヘッド１を上方に移動させずに、照射出力、照射周期
または照射時間を調整したレーザ光６を、レーザヘッド
１と金属材料４のＸ軸およびＹ軸方向での相対的位置を
制御して、針状凝固物５が存在しうる範囲、もしくは静
電容量型センサ３の測定域の範囲を順次照射してもよ
い。

【００３１】本実施の形態によれば、レーザ光６の再照
射により形成される砲台状凝固物７の高さは、ピアシン
グ時に形成される針状凝固物５の高さに比較すると十分
低くなり、ピアシング後に行う金属材料４の切断加工時
に必要なレーザノズル２と金属材料４の間隔にレーザヘ
ッド１を近づけても、静電容量型センサ３と金属材料４
（砲台状凝固物７）が接触することはなくなる。

【００３２】なお、上記した具体的実施の形態から次の
ような構成の技術的思想が導き出される。 （付記） （１）金属材料を切断加工するレーザ加工方法におい
て、切断開始時の穴開け（ピアシング）後、レーザヘッ
ドと金属材料の間隔を広げ、前記ピアシング時に生じた
針状凝固物が存在する金属材料の領域にレーザ光を再度
照射することを特徴とするレーザ加工方法。

【００３３】（２）金属材料を切断加工するレーザ加工
方法において、切断開始時の穴開け（ピアシング）後、
レーザヘッドと金属材料の間隔を変化させず、金属材料
に対するレーザ光の照射位置を変化させるとともに、レ
ーザ出力と、レーザ照射周期と、レーザ照射時間の少な
くとも一つをピアシング時とは異なる条件に設定したレ
ーザ光を再度照射することを特徴とするレーザ加工方
法。

【００３４】前記（１）のレーザ加工方法によれば、ピ
アシング後に照射するレーザ光は、材料表面部分に当た
る位置での単位面積当たりのエネルギー密度がピアシン
グ時よりも小さくなり、金属材料を損傷することなく、
針状凝固物を溶融して除去でき、ピアシング後の金属材
料に対する切断加工を支障なく行うことができる。ま
た、ピアシング時と再照射する際のレーザ光の照射条件
を変更することなく容易に行うことができる。

【００３５】前記（２）のレーザ加工方法によれば、ピ
アシング時に生じた針状凝固物が存在する領域に、レー
ザ光の照射条件を変更して金属材料に損傷を与えること
なく針状凝固物を溶融して除去することができる。その
他の効果は、付記（１）と同様である。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
に係るレーザ加工方法によれば、レーザ光によるピアシ
ング後、ピアシング時と異なる条件にてレーザ光を再度
照射することにより、ピアシングにより生成する針状凝
固物を効果的に溶融、除去できるため、ピアシング後の
金属材料に所望形状の切断加工を行う際の加工装置の運
転中断要因が取り除かれ、連続運転が可能となる。

【００３７】また、本発明の請求項２に係るレーザ加工
方法によれば、ピアシング後に照射するレーザ光の単位
面積当たりのエネルギー密度を小さくすることで、金属
材料に損傷を与えることなく凝固物のみを溶融、除去す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１の実施に用いるレーザ加
工装置の要部を示す斜視図である。

【図２】本発明の実施の形態１におけるピアシングの加
工点近傍を示す拡大断面図である。

【図３】本発明の実施の形態１における針状凝固物を溶
融する状態を示す拡大断面図である。

【図４】本発明の実施の形態１における針状凝固物を溶
融して除去した状態を示す拡大断面図である。

【図５】従来技術のレーザ切断加工装置の要部を示す斜
視図である。

【図６】従来技術のレーザ切断加工装置の要部を示す正
面図である。

【図７】従来技術のレーザ切断加工装置によるピアシン
グを説明するための説明図である。

【図８】従来技術のレーザ切断加工装置によるピアシン
グ時を示す断面図である。

【符号の説明】

１ レーザヘッド ２ レーザノズル ３ 静電容量型センサ ４ 金属材料 ５ 針状凝固物 ６ レーザ光 ７ 砲台状凝固物 ８ レーザ光伝送手段 ９ チューブ １０ ケーブル

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属材料を切断加工するレーザ加工方法
   において、切断開始時の穴開け（ピアシング）後、レー
   ザ光の光軸に対して垂直な面内での位置と、レーザ光の
   光軸方向の位置と、レーザ出力と、レーザ照射周期と、
   レーザ照射時間の少なくとも一つをピアシング時とは異
   なる条件に設定したレーザ光を再度照射することを特徴
   とするレーザ加工方法。
2. 【請求項２】 ピアシング後に照射するレーザ光は、金
   属材料表面部分に当たる位置での単位面積当たりのエネ
   ルギー密度がピアシング時よりも小さいことを特徴とす
   る請求項１記載のレーザ加工方法。