JP2003117670A

JP2003117670A - 鋼板のレーザ切断方法

Info

Publication number: JP2003117670A
Application number: JP2001316276A
Authority: JP
Inventors: Osamu Honda; 修本多; Takehide Aiga; 武英相賀
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-10-15
Filing date: 2001-10-15
Publication date: 2003-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】大きな設備改造を伴わずに切断面欠陥の減少や
寸法精度の向上などのレーザ切断品質の向上を図ること
ができる鋼板のレーザ切断方法を提供する。【解決手段】鋼板Ｗの切断予定線上にレーザトーチ１
２によりレーザを低出力で照射し、鋼板表面に溝を形成
するとともに切断予定線を罫書き、鋼板表面のスケール
や塗料の影響をなくす。次に同一のレーザトーチ１２の
出力を高出力として前記溝に再度レーザを照射すること
により鋼板を切断する。切断時にはレーザトーチ１２の
移動速度を遅くし、レーザトーチ先端部と鋼板表面まで
の距離を小さくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋼板のレーザ切断
方法に関するものであり、特に大きな設備改造を伴わず
に切断面欠陥の減少や寸法精度の向上などのレーザ切断
品質の向上を図ることができる鋼板のレーザ切断方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】鋼板をその表面に沿って任意経路で移動
するレーザトーチを用いて切断するレーザ切断機は従来
から広く用いられているが、同一規格（成分、強度等）
の鋼板を同一切断条件で切断しても、レーザ光線が鋼板
表面のスケール性状や粗さや塗装有り無し等の表面状態
に影響を受け、安定的な切断が阻害されることが多いと
いう問題があった。

【０００３】また、切断中の熱影響や切断による鋼板内
部の残留応力の解放等により、図８に示すように切断片
が跳ねたり、曲がり変形をして鋼板全体を押し、切断中
に鋼板位置が微妙に動いてしまうことがあるが、レーザ
トーチはプログラムされた一定の移動経路に沿って動く
ため切断不良となる。しかしレーザ切断機の多くが無人
（自動）にて稼働するために、この不良発生がわずかな
場合には切断後に検知することが困難であり、検査のた
めの人的負荷が大きいという問題があった。

【０００４】そこで鋼板の表面状態の影響を避けるため
に、先ずレーザトーチの焦点調節機能を利用してレーザ
焦点をぼかした状態で鋼板表面の塗料等を焼き、その後
に同一レーザトーチの焦点を絞って切断を行なう先焼き
法が提案されている。しかしこの方法は焦点をぼかすた
め大出力のレーザ光を必要とし、鋼板からの反射光によ
りレーザトーチ先端部を焼損する事が多い。また焼損を
防御できる仕様とするためには、レーザトーチ先端の焼
損防止板など設備を追加する必要があり、大きな設備改
造を必要とする欠点がある。しかもこの方法は鋼板の表
面状態の影響を避ける効果はあるものの、上記した切断
不良の発見は依然として容易でない。

【０００５】このほか、特開平１０−２７７７６３号公
報に示すように、切断レーザトーチの近傍に溝形成用の
先行レーザトーチを設け、この先行レーザトーチにより
鋼板表面の塗料等を焼くとともに溝を形成し、次いで切
断レーザトーチで切断する方法も提案されている。しか
しこの方法も２つのレーザトーチを必要とするため大き
な設備改造を必要とする。

【０００６】しかも、２つのレーザトーチが同一軌跡を
描くようにヘッドの動きを制御することは容易ではな
い。例えば直角コーナー部では切断レーザトーチがコー
ナーに達した後に両トーチをオフとして上昇させるとと
もにヘッドを９０度回転させ、先行レーザトーチがコー
ナーに一致するまでヘッドを後退させたうえ両トーチを
順次下降させ、先行レーザトーチ、切断レーザトーチの
順にオンとして切断を再開するという煩雑な制御が必要
となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記した従来
の問題点を解決し、大きな設備改造を必要とすることな
く鋼板（特に厚板鋼板）の表面状態の影響を避けて安定
した切断が可能であり、また切断中に鋼板位置が微妙に
動いてしまうことによる切断不良が生じた場合にも目視
による発見が容易であり、寸法精度に優れた厚板鋼板の
レーザ切断方法を提供するためになされたものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めになされた本発明の鋼板のレーザ切断方法は、鋼板を
単一のレーザトーチによりレーザ切断する方法におい
て、切断予定線上に先ずレーザを照射し、鋼板表面に溝
を形成するとともに切断予定線を罫書き、次いで同一レ
ーザトーチを用いて前記溝に再度レーザを照射すること
により鋼板を切断することを特徴とするものである。

【０００９】なお、鋼板表面に溝を形成するときの溝幅
wを、切断レーザの集光径dとしたとき、溝幅w＞集光径d
となるように設定することが好ましく、レーザ照射経路
および順番を、溝形成時と切断時とで同一とすること
が、寸法精度向上のために好ましい。また鋼板平面方向
における切断速度をV1、溝の形成速度をV2としたとき、
V1＜V2となる条件で切断することが好ましく、レーザ切
断機のレーザトーチ先端部と鋼板表面までの距離を、溝
形成時d2、切断時d1としたとき、d1≦d2となる条件で切
断することが好ましい。

【００１０】さらに、レーザトーチの高さ方向移動機構
と、レーザ光の焦点位置調整機構を有したレーザ切断機
を使用することが好ましく、レーザ切断機のレーザトー
チおよびレーザトーチ周囲の１点以上に、鋼板表面位置
を検出するセンサを配備し、切断機の高さ方向制御を行
うことが好ましい。

【００１１】本発明によれば、切断前に鋼板表面にレー
ザを高速・小出力で照射し、鋼板表面のスケールを溶解
除去するとともに溝を付与する。これにより、切断線上
の性状がほぼ一定化し、安定的な切断が出来る。またこ
の様に事前に溝形成することで、鋼板が切断中に動いて
切断線が計画のものからずれたとき、溝と切断線が2重
になるので、切断後に簡単に検出することができ、不良
品の流出を防止できる。さらに、同一のレーザトーチを
溝形成時と切断時とで同一経路および同一順番で移動さ
せつつ切断を行なうことにより、溝形成時と切断時との
バックラッシュ等の切断機機械系の誤差影響が最小とす
ることができ、寸法精度に優れた厚板鋼板のレーザ切断
が可能となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の好ましい実施形態
を示す。図１は本発明に使用されるレーザ切断機の斜視
図である。図示のように一対の走行レール１上に門型の
走行台車２が搭載され、走行用モータ３により駆動され
る歯車を走行レール１の内側のラックギア４と噛み合わ
せることによって、Ｘ軸方向の移動が可能となってい
る。

【００１３】また走行台車２の上面には横行レール５が
敷設されてその上に横行台車６が搭載されている。この
横行台車６は横行モータ７により回転されるボールネジ
８と螺合し、Ｙ軸方向の移動が可能となっている。さら
に横行台車６の側面には昇降モータ９により回転される
ボールネジ１０によってＺ軸方向に昇降されるヘッド１
１が設けられており、このヘッド１１に単一のレーザト
ーチ１２が取付けられている。従ってこのレーザトーチ
１２は、プログラムされた経路及び速度で、Ｘ，Ｙ，Ｚ
の３軸方向に移動しつつ、走行レール１、１間のベッド
上に水平に置かれた鋼板Ｗを切断するものである。本実
施形態では鋼板Ｗは板厚が６〜２５ｍｍ程度の厚板鋼板
である。

【００１４】レーザトーチ１２は、図２に示すように下
部が絞られたケーシング１３の内部に、レンズ焦点調整
機構１４により上下動できるように集光レンズ１５を設
けたものである。またケーシング１３の側壁に形成した
アシストガス供給口１６から空気や酸素ガス等のアシス
トガスを供給し、ケーシング１３の下端から噴出させて
いる。このアシストガスはレーザによる加熱溶融物を鋼
板Ｗの表面から吹き飛ばして切断を助けるとともに、鋼
板Ｗの表面のスケールや塗料等を酸化燃焼させて除去す
る役割を持つ。なおアシストガスは別のノズルから供給
してもよい。

【００１５】レーザ光源は周知のとおり出力を自由に調
整することができ、また出力モードも連続出力モードと
パルス出力モードの切り替えができるものである。さら
にパルス出力モードはデューティ比（出力時間／出力時
間+休止時間）も自由に調節できるようになっている。

【００１６】本発明の鋼板のレーザ切断方法では、先ず
図４に示すようにレーザトーチ１２を切断開始位置にセ
ットし、図５に示すように切断予定線上に沿ってレーザ
トーチ１２を移動させながらレーザを低出力で照射す
る。実施形態ではレーザ出力をピーク２ｋＷ（平均１.
４ｋＷ）、周波数２ｋＨｚ，デューティ比７０％のパル
ス出力モードとした。またこのときのレーザトーチ１２
の移動速度V2は、１０ｍ／分程度の比較的高速とする。
このように切断予定線上にレーザトーチ１２を高速度で
移動させながら、レーザを照射することにより、鋼板表
面に溝を形成するとともに切断予定線の罫書きを行な
う。

【００１７】一般的に、レーザ光は２０mm〜７０mmの太
さで伝送され、光学凸レンズもしくは凹ミラーによって
集光する。このレーザ光は、焦点位置においてピンポイ
ントの光となるわけではなく、集光前ビーム径、ビーム
品質パラメータ、レーザビーム波長、レンズ焦点距離お
よびレンズ品質によって決まる集光径dを有した光の束
となる。厚板切断で使用するレーザ切断機の集光径d
は、一般的に０．３〜０．６mm程度である。鋼板表面に
溝形成するときの溝幅wは、切断レーザの集光径dの時、
溝幅w＞集光径dとなるように設定することが好ましい。
また溝の深さについては、鋼板のスケール面が除去さ
れ、溝が鋼板の地金部分まで達している状態であれば良
い。ただし鋼板表面にショットブラスト処理等を施しス
ケール面を除去した鋼板については、溝深さは、０．０
５mm以上必要である。

【００１８】なお製鉄所において圧延後の鋼板Ｗは、矯
正工程を経る前の平坦度が悪いものも多いため、上記の
ように高速でレーザトーチ１２を移動させて高速で罫書
きを行なうと、レーザトーチ１２と鋼板Ｗを接触させて
しまう可能性が高くなる。このため罫書き時には図２に
示すようにレーザトーチ１２の高さ（レーザトーチ先端
部と鋼板表面までの距離）を比較的高くし、かつ焦点を
遠め（レーザトーチ外側）に調整して、鋼板Ｗとの衝突
回避をする。この実施形態ではレーザトーチ１２の高さ
d2を４ｍｍにセットした。

【００１９】しかし、図７に示すようにレーザトーチ１
２およびその周囲の１点以上に、鋼板表面位置を検出す
るセンサ１７を配備し、それに応じて切断機の高さ方向
制御を行うことにより、さらに確実にレーザトーチ１２
と鋼板Ｗとの接触を防止することができる。

【００２０】鋼板表面に溝を形成するとともに切断予定
線を罫書いた後、同一レーザトーチ１２の出力を高出力
として図６に示すように前記溝に再度レーザを照射する
ことにより鋼板Ｗを切断する．このときには図３に示す
ようにレーザトーチ１２を下げ、レーザトーチ先端部と
鋼板表面までの距離d1を罫書き時の距離d2以下とし、か
つ焦点を近め（レーザトーチ内側）に調整する。この実
施形態ではレーザトーチ１２の高さd１を２ｍｍにセッ
トした。また切断時には、レーザトーチ１２の鋼板平面
方向における切断速度V1を溝の形成速度V2よりも遅くし
て切断する。この実施形態では、レーザ出力を６ｋＷ、
連続モード、切断速度０.７ｍ／分で切断を行なった。

【００２１】このように同一のレーザトーチ１２の出力
を高出力として低速度で移動させつつ溝内に再度レーザ
を照射すると、鋼板表面のスケールや塗料等の影響を受
けることなく、安定した精度のよい切断が可能となる。
しかも事前に溝形成を行なうため、鋼板が切断中に動い
て切断線が計画のものからずれたときには溝と切断線が
2重になり、切断後に簡単に検出することができるから
不良品の流出を防止することができる。なお、この切断
はレーザ照射経路および順番を溝形成時と切断時とで同
一として行なうことが好ましい。これにより機械的バッ
クラッシュ等の影響を確実に避けることができる。

【００２２】

【発明の効果】上記した本発明による鋼板のレーザ切断
方法の効果を要約すると下記の通りである。予め溝形成することにより、鋼板表面のスケール等
の影響を除き、厚板鋼板についても切断面欠陥がなく寸
法精度の高い安定した切断が可能となる。切断中に鋼板がずれた場合には、切断不良品の発見
が容易である。焦点をほぼ合わせた状態でレーザ照射を行なうの
で、単位面積当たりのレーザエネルギを大きくでき、小
型のレーザ出力でよい。また反射光も少なくなりレーザ
トーチの焼損の危険性も小さくなる。単一のレーザトーチを用いるため大きな設備改造を
必要としない。単一のレーザトーチを用いるため、複雑形状に切断
する場合にもレーザトーチの移動制御が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザ切断機の斜視図である。

【図２】溝形成時のレーザトーチの断面図である。

【図３】切断時のレーザトーチの断面図である。

【図４】レーザトーチを切断開始位置にセットした状態
の斜視図である。

【図５】溝形成時の状態を示す斜視図である。

【図６】切断形成時の状態を示す斜視図である。

【図７】センサの配置を示す側面図である。

【図８】切断中に切断片が跳ねる状態を示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１走行レール２走行台車３走行用モータ４ラックギア５横行レール６横行台車７横行モータ８ボールネジ９昇降モータ１０ボールネジ１１ヘッド１２レーザトーチ１３ケーシング１４レンズ焦点調整機構１５集光レンズ１６アシストガス供給口１７センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋼板を単一のレーザトーチによりレーザ
切断する方法において、切断予定線上に先ずレーザを照
射し、鋼板表面に溝を形成するとともに切断予定線を罫
書き、次いで同一レーザトーチを用いて前記溝に再度レ
ーザを照射することにより鋼板を切断することを特徴と
する鋼板のレーザ切断方法。
【請求項２】鋼板表面に溝を形成するときの溝幅w
を、切断レーザの集光径dに対して、溝幅w＞集光径dと
なるように設定したことを特徴とする請求項１記載の鋼
板のレーザ切断方法。
【請求項３】レーザ照射経路および順番を、溝形成時
と切断時とで同一としたことを特徴とする請求項１また
は２記載の鋼板のレーザ切断方法。
【請求項４】鋼板平面方向における切断速度をV1、溝
の形成速度をV2としたとき、V1＜V2となる条件で切断す
ることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の鋼板
のレーザ切断方法。
【請求項５】レーザ切断機のレーザトーチ先端部と鋼
板表面までの距離を、溝形成時d2、切断時d1としたと
き、d1≦d2となる条件で切断することを特徴とする請求
項１〜３の何れかに記載の鋼板のレーザ切断方法。
【請求項６】レーザトーチの高さ方向移動機構と、レ
ーザ光の焦点位置調整機構を有したレーザ切断機を使用
することを特徴とする請求項５記載の鋼板のレーザ切断
方法。
【請求項７】レーザ切断機のレーザトーチおよびレー
ザトーチ周囲の１点以上に、鋼板表面位置を検出するセ
ンサを配備し、切断機の高さ方向制御を行うことを特徴
とする請求項５記載の鋼板のレーザ切断方法。