JP2002331377A - レーザピアシング方法 - Google Patents

レーザピアシング方法

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JP2002331377A
JP2002331377A JP2001137144A JP2001137144A JP2002331377A JP 2002331377 A JP2002331377 A JP 2002331377A JP 2001137144 A JP2001137144 A JP 2001137144A JP 2001137144 A JP2001137144 A JP 2001137144A JP 2002331377 A JP2002331377 A JP 2002331377A
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cutting
cut
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Akira Kojo
昭 古城
Kuni Inagawa
久仁 稲川
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Koike Sanso Kogyo Co Ltd
Koike Sanso Kogyo KK
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Koike Sanso Kogyo Co Ltd
Koike Sanso Kogyo KK
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、被切断材にピアシングを行う場合
に必要な時間を短縮することが出来、ピアシングの穴を
良好に形成することが出来るレーザピアシング方法を提
供することを可能にすることを目的としている。 【解決手段】 ピアシング実施時のノズル6の高さを切
断実施時のノズル6の高さよりも高い値に設定し、且つ
ピアシング実施時のアシストガスの圧力を切断実施時の
アシストガスの圧力よりも高い値に設定し、且つピアシ
ング実施時のレーザ光1の焦点Oの高さ位置を切断実施
時のレーザ光1の焦点Oの高さ位置よりも低い値に設定
した条件でピアシングを実施した後、ノズル6の高さ、
アシストガスの圧力及びレーザ光1の焦点Oの高さ位置
を切断実施時の値に設定した条件で被切断材5を切断す
るように構成したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、被切断材を型切断
する際に切断の起点となる穴を良好に形成することが出
来るレーザピアシング方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】レーザ切断は、高いエネルギー密度を持
ったレーザ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。
【0004】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。
【0005】しかし、レーザ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、レーザ光に沿ってアシ
ストガスを噴射し、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。
【0006】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、被切断材におけるレーザ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。
【0007】被切断材から様々な形状を持った図形を切
断する所謂、型切断を行う場合、被切断材における製品
以外の位置に厚さ方向に貫通した穴を形成(ピアシン
グ)し、この穴を起点として切断するのが一般的であ
る。
【0008】この場合、レーザトーチを被切断材におけ
る穴の形成位置に対向して配置し、その位置からレーザ
光を照射して被切断材の母材の一部を溶融させ、アシス
トガスにより排除することで、被切断材の表面に形成さ
れた窪みを深さ方向に成長させて貫通した穴を形成して
いる。
【0009】被切断材に対してピアシングを実行するこ
とで厚さ方向に貫通した穴を形成する場合、穴が貫通す
るまでの間、溶融した母材は酸素ガスの噴射エネルギー
によって被切断材の表面から排除される。
【0010】このとき、母材の溶融物が飛散してレーザ
トーチの先端に付着し、或いはレーザトーチの内部に入
り込んで該レーザトーチを損傷する虞がある。このた
め、レーザ光を集光するレンズの位置を変化させること
なく、レーザトーチを上昇させて溶融物の付着を防止し
得るように構成するのが一般的である。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
従来例では、上記の如くしてピアシングを実施すること
によってレーザトーチに対する溶融物の付着を軽減する
ことが出来るものの、焦点の位置が固定されているた
め、被切断材に形成された窪みからの溶融物の排除を円
滑になし得ない。このため、ピアシングに要する時間が
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。
【0012】本発明は前記課題を解決するものであり、
その目的とするところは、被切断材にピアシングを行う
場合に必要な時間を短縮することが出来、ピアシングの
穴を良好に形成することが出来るレーザピアシング方法
を提供せんとするものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明に係るレーザピアシング方法は、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を噴射して
該被切断材をピアシングする方法において、ピアシング
実施時のノズル高さを切断実施時のノズル高さよりも高
い値に設定し、且つピアシング実施時のアシストガスの
圧力を切断実施時のアシストガスの圧力よりも高い値に
設定した条件でピアシングを実施した後、前記ノズル高
さ及びアシストガスの圧力を切断実施時の値に設定した
条件で被切断材を切断することを特徴とする。
【0014】上記レーザピアシング方法によれば、ピア
シング実施時において、ノズル高さを高くしたことで、
アシストガスの圧力を大きくしてもスパッタ等の溶融物
の飛着を防止することが出来る。また、アシストガスの
圧力を高くしたことで、ノズル高さを高くしてもアシス
トガスの流量や流速、純度等の減衰を防止出来る。
【0015】また、本発明に係る他のレーザピアシング
方法は、被切断材に向けてレーザ光を照射すると共にア
シストガスを噴射して該被切断材をピアシングする方法
において、ピアシング実施時のレーザ光の焦点高さ位置
を切断実施時のレーザ光の焦点高さ位置よりも低い値に
設定した条件でピアシングを実施した後、前記レーザ光
の焦点高さ位置を切断実施時の値に設定した条件で被切
断材を切断することを特徴とする。
【0016】上記レーザピアシング方法によれば、ピア
シング実施時において、レーザ光の焦点高さ位置を低く
したことで、レーザエネルギーの集中部を被切断材の厚
さ方向深くまで作用させて被切断材の母材の一部を溶
融,蒸発させてアシストガスにより母材の溶融物及び蒸
発物を被切断材の表面から排除し、これにより、良好な
状態でピアシングを実施すると共にピアシングに要する
時間を短縮してコストを上昇させることがない。
【0017】また、前記ピアシング実施時のレーザ光の
パルス状レーザ出力を、複数の均一な平均出力のパルス
を有するステップを複数段階で増加させた場合には、ピ
アシング開始時は均一で且つ小さなレーザ出力でピアシ
ングを実施し、穴が空くに従って均一で且つより大きな
レーザ出力へと段階的に増加させることで、従来のよう
にパルス状レーザ出力を連続的に増加させる場合と比較
して、良好な状態でピアシングを実施することが出来
る。
【0018】また、前記ピアシング実施時のレーザ光の
パルス状レーザ出力の周波数を20Hz以上、且つ20
0Hz以下に設定した場合にはピアシングに要する時間
を短縮してコストを上昇させることがない。
【0019】また、他のレーザピアシング方法として
は、被切断材に向けてレーザ光を照射すると共にアシス
トガスを噴射して該被切断材をピアシングする方法にお
いて、ピアシング実施時のアシストガスの圧力を切断実
施時のアシストガスの圧力よりも高い値に設定し、且つ
該アシストガスの圧力を経時的に増減させてピアシング
を実施した後、前記アシストガスの圧力を切断実施時の
値に設定した条件で被切断材を切断すれば好ましい。
【0020】上記方法によれば、アシストガスの圧力を
経時的に増減させることで、レーザエネルギーにより被
切断材の母材の一部が溶融,蒸発した溶融物及び蒸発物
を経時的に増減するアシストガスにより母材の被切断材
の表面から効果的に排除することが出来る。これによ
り、良好な状態でピアシングを実施すると共にピアシン
グに要する時間を短縮してコストを上昇させることがな
い。
【0021】
【発明の実施の形態】図により本発明に係るレーザピア
シング方法の一実施形態を具体的に説明する。図1はレ
ーザトーチの構成を示す模式図、図2は本発明に係るレ
ーザピアシング方法を説明する図、図3は複数の均一な
平均出力のパルスを有するステップを複数段階で増加さ
せた様子を示すパルス状レーザ出力の一例を示す図、図
4はレーザ出力周波数とピアシング穴貫通時間との関係
を示す図である。
【0022】先ず、本発明に係るレーザピアシング方法
を実施するに当たって、ノズル高さ位置、レーザ光の焦
点位置を昇降させると共にアシストガスの圧力を調整、
或いは経時的に増減させ、レーザ光のパルス状レーザ出
力を制御する構成の一例について図1により説明する。
【0023】図1において、レーザ発振器12から出射さ
れたレーザ光1は、予め設定されたレーザ光路(光軸)
2に沿って導かれてレーザトーチ3に到達し、該レーザ
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。
【0024】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
圧力に調整したアシストガスとなる酸素ガスを噴射して
レーザ光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。
【0025】このため、レーザトーチ3の先端に装着し
たノズル6に電磁弁13、圧力調整器14、酸素ガスボンベ
15等の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。
【0026】レーザトーチ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、レーザ切断の速度
に追従し得るものであれば良い。
【0027】本実施例では、図示しないレールに載置さ
れた走行台車にレーザ発振器12を搭載し、且つレーザト
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に昇降モータ9aによって駆動されて
レーザトーチ3を昇降させるように構成されたトーチ昇
降装置9を介して搭載されている。
【0028】レンズ4はレーザトーチ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をレン
ズ昇降モータ11によって昇降することで、レンズ4を昇
降させるように構成している。
【0029】次に、図2〜図4により本発明に係るレー
ザピアシング方法について説明する。図2(a)はピア
シング実施時、図2(b)は切断実施時の様子を示す模
式図である。
【0030】本発明に係るレーザピアシング方法は、先
ず、図2(a)に示すピアシング実施時のノズル6の被
切断材5表面からの高さhpを図2(b)に示す切断実
施時のノズル6の被切断材5表面からの高さhcよりも
高い値に設定する。
【0031】例えば、本実施形態では、ピアシング実施
時のノズル6の高さhpを5mmとし、切断実施時のノズ
ル6の高さhcを2.5mmとしている。尚、ピアシング
実施時のノズル6の高さの実用的な範囲は切断実施時の
ノズル6の高さhcが2.5mmの時、ピアシング実施時
のノズル6の高さhpを3mm以上、且つ8mm以下の範囲
とすれば好ましい。
【0032】また、ピアシング実施時のアシストガスと
なる酸素ガスの圧力を切断実施時の酸素ガスの圧力より
も高い値に設定している。酸素ガスボンベ15から供給さ
れる酸素ガスの圧力は圧力調整器14により調整される。
【0033】例えば、本実施形態では、ピアシング実施
時の酸素ガスの圧力を0.035MPa以上、且つ0.
08MPa以下に設定し、切断実施時の酸素ガスの圧力
を0.03MPa以上、且つ0.035MPa以下に設
定している。尚、ピアシング実施時のアシストガスの圧
力の実用的な範囲は0.02MPa以上、且つ0.1M
Pa以下の範囲とすれば好ましい。
【0034】また、ピアシング実施時のレーザ光1の焦
点Oの高さ位置を切断実施時のレーザ光1の焦点Oの高
さ位置よりも低い値に設定している。即ち、ピアシング
実施時のレーザ光1の焦点Oの被切断材5表面からの深
さdpを切断実施時のレーザ光1の焦点Oの被切断材5
表面からの深さdcよりも深い位置に設定している。
【0035】例えば、本実施形態では、ピアシング実施
時の深さdpは切断実施時の深さdcよりも3mm〜7mm程
度深い位置に設定している。尚、この値は被切断材5の
板厚によって適宜変更されるが、ピアシング実施時のレ
ーザ光1の焦点Oの被切断材5表面からの深さdpの実
用的な範囲は1mm以上、且つ7mm以下の範囲とすれば好
ましい。
【0036】そして、上記条件で、図2(a)に示すよ
うにピアシングを実施した後、切断動作に移行する際に
ノズル6の高さ、アシストガスの圧力及びレーザ光1の
焦点Oの位置高さを図2(b)に示す切断実施時の値に
設定した条件で被切断材5を切断する。
【0037】更にピアシング実施時のレーザ光1のパル
ス状レーザ出力は、レーザ発振器12により制御されて、
図3に示すように、複数の均一な平均出力のパルスを有
するステップを複数段階で増加させる。図3の横軸は時
間、縦軸はレーザ出力を示し、第1ステップ、第2ステ
ップ、第3ステップの順に段階的にレーザ出力を増加さ
せている。
【0038】尚、図3では3段階のステップを例示した
が、これに限定されるものではなく、少なくとも2段階
のステップでレーザ出力を段階的に増加させる場合を含
み、更には他の複数の多数のステップによりレーザ出力
を多段階に増加させても良い。
【0039】また、ピアシング実施時のレーザ光1のパ
ルス状レーザ出力の周波数は、レーザ発振器12により制
御されて20Hz以上、且つ200Hz以下に設定され
る。
【0040】図4はレーザ出力周波数とピアシング穴貫
通時間との関係を示すグラフであり、横軸がレーザ出力
周波数[Hz]、縦軸がピアシング穴貫通時間[sec]
を示す。図4では、被切断材5である鋼板の板厚が12
mm、レーザ出力が約700W(ピーク出力4kW)、レ
ーザ光1の焦点Oの高さ位置が切断実施時よりも2mm下
降させた位置、ノズル6の高さが被切断材5の表面から
5mmの高さ、アシストガスである酸素ガスの圧力が0.
07MPaに設定された場合の一例である。
【0041】図4に示すように、レーザ出力周波数が2
0Hzから200Hzの範囲では、ピアシング穴の貫通
を4秒から6秒程度の範囲で実施することが出来た。レ
ーザ出力周波数が20Hzよりも小さい範囲や200H
zよりも大きい範囲ではピアシング貫通時間が極端に長
くなる。従って、好ましいレーザ出力周波数の範囲は2
0Hz以上、且つ200Hz以下である。
【0042】また、図4において、レーザ出力周波数を
150Hzにした時、最短時間でピアシング穴が貫通し
た。従って、より好ましいレーザ出力周波数は150H
z前後である。
【0043】また、他のピアシング方法として、前述し
たと同様に、ピアシング実施時のアシストガスである酸
素ガスの圧力を圧力調整器14により切断実施時の酸素ガ
スの圧力よりも高い値に設定し、且つ該酸素ガスの圧力
を経時的に増減させてピアシングを実施した後、該酸素
ガスの圧力を切断実施時の値に設定した条件で被切断材
を切断することでも良い。
【0044】ピアシング実施時の酸素ガスの圧力を経時
的に増減させることで、酸素ガスの気流の強さの変化を
生成することが出来、これによりピアシングされる窪み
の内部に溜まった溶融物を効果的に排除することが出来
る。
【0045】アシストガスである酸素ガスの圧力を経時
的に増減させる手段としては、図1に示す電磁弁13を所
定の周期でON/OFFさせることでも良いし、圧力調
整器14の内部に予め圧力の異なる複数のポートを設けて
おき、所定の周期で各ポートを切り換えることでアシス
トガスである酸素ガスの圧力を経時的に増減させること
でも良い。
【0046】尚、アシストガスである酸素ガスの圧力を
経時的に増減させる周期は、例えば、周波数で0.2H
z〜1Hzが好ましい。また、アシストガスである酸素
ガスの圧力を経時的に増減させる形態はON/OFF等
のパルス状であっても良いし、圧力の異なる段階的な増
減であっても良い。
【0047】上記構成において、ピアシングを実施する
初期の段階では、レーザ光1の焦点Oを被切断材5に照
射して該照射部位の母材を溶融,蒸発させると共に酸素
ガスを噴射して溶融した母材を燃焼させ、発生した溶融
物を酸素ガスの噴射エネルギーによって該窪みから排出
させることで、良好な状態でピアシングを実施すること
が可能である。
【0048】ピアシング実施時には、レーザ光1のエネ
ルギーは被切断材5における焦点Oの形成位置及びその
近傍に付与され、母材が溶融すると共に蒸発する。特
に、レーザ光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
化物が生成され、窪みが形成される。
【0049】上記の如く、被切断材5に窪みを形成し、
或いは成長させている時、発生した母材の溶融物は、窪
みの深さが浅い間では比較的表面に沿って平面的に飛散
するが、窪みが深くなると窪みの内壁に沿って急角度で
上方に飛散する。
【0050】レーザ光1により付与されたエネルギーに
よって母材は盛んに溶融し、溶融物の一部が窪みから外
部に飛散する。しかし、発生した母材の溶融物及び溶融
酸化物は全てが瞬時に窪みから排出されるものではな
く、大部分の溶融物は窪み内に止まる。
【0051】このため、アシストガスである酸素ガスの
圧力を経時的に増減させることで、窪みに止まっている
溶融物に対して気流の強さの変化を作用させて窪み内に
ある溶融物を効果的に排除する。
【0052】引き続き、トーチ昇降モータ9aを駆動し
てレーザトーチ3を下降させると共にアシストガスであ
る酸素ガスを経時的に増減させることで窪みを成長させ
る。そして窪みが被切断材5の深さ方向に成長した結
果、該被切断材5には厚さ方向に貫通した穴が形成され
る。このように、被切断材5の厚さ方向に貫通した穴が
形成されることによって、母材の溶融物及び酸化溶融物
は穴から下方に排出され、上方に飛散することがない。
【0053】
【発明の効果】本発明は、上述の如き構成と作用とを有
するので、被切断材にピアシングを行う場合に必要な時
間を短縮することが出来、ピアシングの穴を良好に形成
することが出来るレーザピアシング方法を提供すること
が出来る。
【0054】即ち、請求項1に記載のレーザピアシング
方法によれば、ピアシング実施時において、ノズル高さ
を高くしたことで、アシストガスの圧力を大きくしても
スパッタ等の溶融物の飛着を防止することが出来る。ま
た、アシストガスの圧力を高くしたことで、ノズル高さ
を高くしてもアシストガスの流量や流速、純度等の減衰
を防止出来る。
【0055】また、請求項2に記載のレーザピアシング
方法によれば、ピアシング実施時において、レーザ光の
焦点高さ位置を低くしたことで、レーザエネルギーの集
中部を被切断材の厚さ方向深くまで作用させて被切断材
の母材の一部を溶融,蒸発させてアシストガスにより母
材の溶融物及び蒸発物を被切断材の表面から排除し、こ
れにより、良好な状態でピアシングを実施すると共にピ
アシングに要する時間を短縮してコストを上昇させるこ
とがない。
【0056】また、ピアシング実施時のレーザ光のパル
ス状レーザ出力を、複数の均一な平均出力のパルスを有
するステップを複数段階で増加させた場合には、ピアシ
ング開始時は均一で且つ小さなレーザ出力でピアシング
を実施し、穴が空くに従って均一で且つより大きなレー
ザ出力へと段階的に増加させることで、従来のようにパ
ルス状レーザ出力を連続的に増加させる場合と比較し
て、良好な状態でピアシングを実施することが出来る。
【0057】また、ピアシング実施時のレーザ光のパル
ス状レーザ出力の周波数を20Hz以上、且つ200H
z以下に設定した場合にはピアシングに要する時間を短
縮してコストを上昇させることがない。
【図面の簡単な説明】
【図1】レーザトーチの構成を示す模式図である。
【図2】本発明に係るレーザピアシング方法を説明する
図である。
【図3】複数の均一な平均出力のパルスを有するステッ
プを複数段階で増加させた様子を示すパルス状レーザ出
力の一例を示す図である。
【図4】レーザ出力周波数とピアシング穴貫通時間との
関係を示す図である。
【符号の説明】
1…レーザ光 2…レーザ光路(光軸) 3…レーザトーチ 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…トーチ昇降装置 9a…トーチ昇降モータ 10…昇降筒体 11…レンズ昇降モータ 12…レーザ発振器 13…電磁弁 14…圧力調整器 15…酸素ガスボンベ O…焦点
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) // B23K 103:02 B23K 103:02

Claims (4)

    【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
    共にアシストガスを噴射して該被切断材をピアシングす
    る方法において、 ピアシング実施時のノズル高さを切断実施時のノズル高
    さよりも高い値に設定し、且つピアシング実施時のアシ
    ストガスの圧力を切断実施時のアシストガスの圧力より
    も高い値に設定した条件でピアシングを実施した後、前
    記ノズル高さ及びアシストガスの圧力を切断実施時の値
    に設定した条件で被切断材を切断することを特徴とする
    レーザピアシング方法。
  2. 【請求項2】 被切断材に向けてレーザ光を照射すると
    共にアシストガスを噴射して該被切断材をピアシングす
    る方法において、 ピアシング実施時のレーザ光の焦点高さ位置を切断実施
    時のレーザ光の焦点高さ位置よりも低い値に設定した条
    件でピアシングを実施した後、前記レーザ光の焦点高さ
    位置を切断実施時の値に設定した条件で被切断材を切断
    することを特徴とするレーザピアシング方法。
  3. 【請求項3】 前記ピアシング実施時のレーザ光のパル
    ス状レーザ出力は、複数の均一な平均出力のパルスを有
    するステップを複数段階で増加させることを特徴とする
    請求項1または請求項2に記載のレーザピアシング方
    法。
  4. 【請求項4】 前記ピアシング実施時のレーザ光のパル
    ス状レーザ出力の周波数を20Hz以上、且つ200H
    z以下に設定したことを特徴とする請求項1〜3のいず
    れか1項に記載のレーザピアシング方法。
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