JP2005279730A - レーザ切断方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 レーザビームとほぼ同軸でアシストガスを流しながら、レーザビームを被加工物に集光、照射して該被加工物を切断するレーザ切断方法において、切断線と平行な方向(y)と切断線と直交する方向(x)を振動軸として、前記被加工物上表面にてそれぞれの振動軸方向に独立に±0.2mm以内の範囲で、集光されたレーザスポットを振動させることを特徴とするレーザ切断方法および装置。
【選択図】 図1
Description
しかし、一定のレーザ光強度下では、被切断材の厚みが厚くなるにつれ、切断溝の下部に溶融物(ドロス)が滞留しやすくなり、ドロスの付着やそれにより熱が籠もるために切断面粗さが粗くなるなど、切断能力や品質の劣化が顕在化してくる。これは、切断溝の深部に到達するレーザパワーが減少して入熱不足となり、溶融物の温度が下って粘性が高まることによる。また、ノズル開口部から噴出した後のガスの拡散や圧損により反応性アシストガス流による溶融物の加熱作用および除去作用が低下することも、被切断物の切断面の下部に溶融物が滞留し、切断面粗さが粗くなることの要因となっている。なお、現在市販されているレーザ切断装置の最高平均出力は5〜6kWであり、酸素をアシストガスとして用いる場合に、軟鋼の良好な切断が可能な板厚の最大値は厚くても25mm程度である。
d=4fλ/πD (式1)
で表される。ここで、fはレンズの焦点距離、λは波長、Dは集光前のビーム径である。また、焦点深度dfは、
df∝f2λ/D2 (式2)
で表される。(式1)と(式2)より焦点距離fを大きくすると焦点深度dfは大きくなるがスポット径dもまた大きくなってしまうことがわかる。また、集光前のビーム径Dを小さくしても焦点深度dfが大となるがやはり同時にスポット径dが大となってしまうことがわかる。以上、簡単のためガウシアンビームの場合を説明したが、他の場合にも定性的な関係は同様に成り立つ。したがって、いずれにしてもレーザビームの集光スポット径が大きくなるため、一定のレーザ光強度下では、切断溝深部に到達するレーザエネルギーが減少して、ビームの裾部分の温度が被切断材の溶融しきい値を下回る。すなわち、切断溝深部への投入熱量が減少し入熱不足となる。この際に入熱不足を補うために切断速度を遅くすると、ビームの裾部分による伝熱加熱により反応域が異常に広がるセルフバーニングが発生しやすくなる。
一方、後者は、図4に示すように切断時のレーザビームの軌跡が著しく非対称となり、良好な切断が可能とは考えられない。ここで切断線は振動全幅の中心線と考える。また、左右対称とは厳密な鏡面対称だけでなく映進対称を含むものとする。いずれにしても上記特許文献には概念のみで振幅や周波数などの具体的な条件は明記されておらず必ずしも当業者が容易に実施できる内容とは言えない。
しかし、前記の振動パターンの内、円軌道については、図5に示すように移動時の軌跡が切断線に対して非対称となるため、被加工物への熱入力も左面と右面とで異なることから上記公報に記載のような効果は得られないことが検証するまでもなく明らかである。一方、他の3種の振動パターンについては対称性があるので一定の効果があると考えられる。そこで、発明者等は特許文献3に記載された振動パターンの中で円軌道以外の3種の振動パターンについて検証実験を実施した。
第2に、レーザ光の進行方向(上下)に集光スポットを振動させる場合である。これも上記の切断線に平行な方向の直線振動と同様に切断溝の拡大効果がなく、アシストガスの流入量が改善されないため、ビームを振動させない場合に比較してさほど有意な改善効果は見られなかった。むしろ、この方法ではレーザビームの焦点が被切断材の表面に近づいた場合に表面スケールなどが剥離した粉状のものなどにレーザが着火してプラズマ化することがあり、その際の膨張反力等によって、溶融部が大幅に拡大するバーニング現象に至る極めて悪い結果となる場合もあった。
第3に、切断線に直角な方向の直線振動の場合である。これは切断溝の上部が広く下部が狭い状態になった。このため、図6に示すように、切断溝の後方からみて左右の溶融物の流れが下部の狭隘部にて衝突して乱れ、断面粗さが粗くなり、少なくとも被切断材下部についてはビームを振動させない場合よりも断面粗さが劣化してしまう場合があることがわかった。ただし、振動周波数が比較的低い領域において限定ではあるが、一定のレーザ出力にて被切断材を分離する能力については拡大することが確認された。これは切断溝幅を拡大したことでアシストガスの流入量が増大したため、また、溶鋼が流れ落ちるのに十分な時間があるためと考えられる。また、単純に切断溝幅が広がり、溶融物の排出性が向上することも寄与していると考えられる。
上述のように、レーザビームを振動させるレーザ切断方法のうち、切断線と直角な方向の直線振動については切断面がテーパ状になり、下部が粗くなるという欠点があった。しかし、限界板厚を拡大する効果があると認められる。
(1) レーザビームとほぼ同軸でアシストガスを流しながら、レーザビームを被加工物に集光、照射して該被加工物を切断するレーザ切断方法において、切断線と平行な方向(y)と切断線と直交する方向(x)を振動軸として、
前記被加工物上表面にてそれぞれの振動軸方向に独立に±0.2mm以内の範囲で、集光されたレーザスポットを振動させることを特徴とするレーザ切断方法。
(2) 前記y方向の振動周波数(Hz)/切断速度(mm/s)の比値を3〜6(mm-1)に設定することを特徴とする(1)に記載のレーザ切断方法。
(3) 前記振動の方法として、前記y方向の振動周波数を前記x方向の振動周波数の2倍とし、前記y方向の振動波形の位相を前記x方向の振動波形の位相に対して90°ずらすかもしくは前記x方向の振動波形の位相を前記y方向の振動波形の位相に対して45°ずらすことにより円弧状の合成軌道とすることを特徴とする(2)に記載のレーザ切断方法。
(4) 前記y方向の振動振幅を前記x方向の振動振幅の20%以下とすることを特徴とする(3)に記載のレーザ切断方法。
(5) 前記y方向の振動振幅の振動中心を、アシストガスの流れの中心から切断進行方向に0.01mm〜1.0mmずらすことを特徴とする(4)に記載のレーザ切断方法。
(6) 前記集光されたレーザスポットを、その振動中心をアシストガスの流れの中心からy方向に0.01mm〜1.0mmずらし、かつその方向の振動を停止し、前記x方向の振動周波数(Hz)/切断速度(mm/s)の値を3〜6(mm-1)に設定することを特徴とする(2)に記載のレーザ切断方法。
(7)レーザビームを発生するビーム発生部と、該レーザビームを光スポットに集光して被加工物に照射する集光手段と、前記光スポットを前記被加工物面上を2次元的に走査する走査手段と、該レーザビームを通しかつ該レーザビームとほぼ同軸で被加工物の切断を促進するアシストガスを前記被加工物に吹き付ける切断トーチと、さらに、ビームの走査と切断作業を制御する制御手段とを備えたレーザ切断装置において、
前記集光手段は、前記光スポットを互いに直交する2軸に±0.2mm以下の範囲で振動させるスキャナ駆動部で構成され、
予め設定した切断条件によって出される前記制御手段による指令によって前記光スポットの走査と振動を重畳させて被加工物を切断するものであって、
前記制御手段が、前記光スポットの振動軌跡が切断線に対して映進対称または鏡映対称とみなし得る図形パターンを保つように、切断線と平行な方向(y)と切断線と直交する方向(x)の前記振動の周波数および振動振幅を制御する手段であることを特徴とするレーザ切断装置。
(8) レーザビームを発生するビーム発生部と、該レーザビームを光スポットに集光して被加工物に照射する集光手段と、前記光スポットを前記被加工物面上を2次元的に走査する走査手段と、該レーザビームを通しかつ該レーザビームとほぼ同軸で被加工物の切断を促進するアシストガスを前記被加工物に吹き付ける切断トーチと、さらに、ビームの走査と切断作業を制御する制御手段とを備えたレーザ切断装置において、
前記集光手段は、前記光スポットを互いに直交する2軸に±0.2mm以内の範囲で振動させるスキャナ駆動部とレーザ光軸を中心として前記スキャナ駆動部を回転させる回転機構とで構成され、
予め設定した切断条件によって出される前記制御手段による指令によって前記光スポットの走査と振動を重畳させて被加工物を切断するものであって、
前記制御手段が、前記光スポットの振動軌跡が切断線に対して映進対称または鏡映対称とみなし得る図形パターンを保つように、切断線と平行な方向(y)と切断線と直交する方向(x)の前記振動の周波数および振動振幅を制御する手段であることを特徴とするレーザ切断装置。
2軸振動ミラーボックス2の内部に設けるミラー6の振動手段は以下のようなものである。ミラー6をジンバル構造のミラーホルダー8に固定し、ミラーホルダー8の背面をサーボモータ7により回転する偏心カム17で押す。これによりミラーを一定の周波数および振幅で振動させることができる。2枚のミラーのジンバル軸を直交させておけば互いに直交する方向に振動させることができる。カムによる振動波形が完全な正弦波形でなくてもレーザ切断の性能において有意な違いはない。2枚のミラーの動きが同期さえしていれば問題ない。また、ここでは偏心を発生する機構として偏心カムを用いたが偏心を発生する機構であれば偏心ローラーなど他の機構でも何ら問題ない。
本発明の特徴である横向き振動は左右対称的な円弧状の振動パターン図形を生成する。以下のように設定する。すなわち、切断線方向をy方向、切断線と直角な方向をx方向としたとき、y方向の振動数をx方向の振動数の2倍とし、x方向の位相をy方向の振動波形の位相に対して90°ずらすかもしくはx方向の振動波形の位相をy方向の振動波形の位相に対して45°ずらす。このとき合成の振動パターン図形は切断線が直線の場合には図7または図8のようになる。いずれも円弧状の振動パターン図形を連続した映進対称図形となる。これらは上記のように設定したときにのみ得られる図形である。
これらを切断の軌跡が曲線である場合にも切断線に対して常に一定の関係が保たれるようにすればよい。そのためには図12のように2軸振動ミラーボックスを2組用意するか、図13のようにレーザ光軸を中心とした回転軸14を併用すればよい。図12のように2組の2軸振動ミラーボックスを用いる場合は互い違いに組み合わせレーザ光軸が入射光軸と同じ元通りになるようにできる。図13のように回転軸14を用いる場合も追加のミラー61を2枚加えてレーザ光軸が不変となるようにすることができる。これらのミラーと回転軸を称してスキャナ駆動部と考え後述のNCを一元的なスキャナ制御部として制御する。
レーザ切断装置のトーチはNC装置の指示によりモーター駆動でXm方向、Ym方向の2方向に移動する。NCの2軸送りデータから切断線方向を割り出し逐次2軸振動ミラーの位相角φに電気的に補正をかけることで合成振動パターンが常に切断線方向に対して一定の姿勢を保つように制御することができる。特に、今述べている、振動の軌跡が直線型の場合は簡単で、
Xm=A×cosθ×sin(ω1t+φ) (式3)
に従って第1のミラーを振動させ、
Ym= A×sinθ×sin(ω1t+φ) (式4)
に従って第2のミラーを振動させればよい。
ただし、Aは最大の振動振幅、ω1は周波数、φは位相角である。このとき振動の軌跡は機械座標軸Xmに対してθだけ回転した直線となる。すなわち、x方向の単振動となる。
振動の振幅については、断面下部の荒れを抑制するためには図6に示すような溶鋼流れの分裂が起きない範囲が適正であることが実験的に明らかとなった。数値的にはx方向の振幅は±0.2mm以下がよい。ここで、振動させることが必須であるから0mmを除く。
さらに組み合わせるy方向の振動については溶鋼の流れを整流化する作用があることが判明した。つまり、左右からの溶鋼の流れがそれぞれ真下に向かうようにできる。レーザビームがカーフ側面に留まる時間が長くなるためと思われる。数値的にはy方向の振幅がx方向のそれの20%以下のときに効果が大である。
Xm=B×sinθ×sin(ω2t+ψ) +C (式5)
に従って第1のミラーを振動させ、
Ym= B×cosθ×sin(ω2t+ψ) +C (式6)
に従って第2のミラーを振動させればよい。ただし、Bは最大の振動振幅、ω2は周波数、ψは位相角、Cはオフセット量である。このとき振動の軌跡は機械座標軸Ymに対してθだけ回転した直線となる。すなわち、y方向の単振動となる。
そして、y方向の振動数ω2をx方向の振動数ω1の2倍とし、x方向の位相角φをy方向の振動波形の位相角ψに対して90°ずらすかもしくはx方向の振動波形の位相角φをy方向の振動波形の位相角ψに対して45°ずらすことにより、好適な合成振動図形が生成できる。
上述のオフセットの発生方法は、y方向の振動を発生させる2軸振動ミラーボックスの場合は2軸カムの形状を楕円にするなどして単振動の原点をオフセットすればよい。もしくは図3のような単純な直線型の場合には2組の2軸振動ミラーボックスのうちy方向の振動を受け持つ2軸振動ミラーボックスにて振動を停止してもよい。すなわち、式5、式6においてω=0とする。
図10に本発明のレーザ切断装置の構成例を示す。切断トーチ1は幅方向(Xm方向)に移動する伸縮機構11に接続されている。それら全体が長手方向(Ym方向)にレール13の上を移動する台車12に搭載されている。前記伸縮機構11および台車12によって2軸の移動走査機構をなす。また、レーザ9と前記伸縮機構11および移動台車12の移動量や移動速度を制御する移動機構制御手段10も同一の台車12上に搭載している。レーザビームを直交する2軸で独立に振動させるスキャナ駆動部を内蔵する2軸振動ミラーボックス2は切断トーチ1の下に設置される。レーザビームの振動軌跡が切断線に対して常に一定の振動姿勢を保つように、切断線と平行な方向(y)と切断線と直交する方向(x)の振動周波数および振動振幅を所定の値に制御することは前記移動機構制御手段(例えばNC装置)10によって一元的に行っている。すなわち、移動機構制御手段10はスキャナ制御部を兼ねる。
ビームを駆動させない場合はレーザ出力6kWにて最大切断板厚が25mmに限定されるが、上記正弦波状振動を与えた場合、最大切断板厚は35mmに拡大した。また、左右の切断面は共に良好となった。y方向の振幅をx方向の振幅の10%以内に抑制することによって下部断面の粗さも改善した。
2 2軸振動ミラーボックス
3 集光レンズ
4 アシストガス導入口
5 アシストガスノズル
6 ミラー
7 モーター
8 ミラーホルダー
9 レーザ
10 制御手段(NC装置)
11 幅方向伸縮機構
12 長手方向移動台車
13 レール
14 回転機構
15 レーザ加工ノズル
16 増速ギア
LB レーザビーム
W ワーク(被切断材)
Claims (8)
- レーザビームとほぼ同軸でアシストガスを流しながら、レーザビームを被加工物に集光、照射して該被加工物を切断するレーザ切断方法において、切断線と平行な方向(y)と切断線と直交する方向(x)を振動軸として、
前記被加工物上表面にてそれぞれの振動軸方向に独立に±0.2mm以内の範囲で、集光されたレーザスポットを振動させることを特徴とするレーザ切断方法。 - 前記y方向の振動周波数(Hz)/切断速度(mm/s)の値を約3〜6(mm-1)に設定することを特徴とする請求項1に記載のレーザ切断方法。
- 前記振動の方法として、前記y方向の振動周波数を前記x方向の振動周波数の2倍とし、前記y方向の振動波形の位相を前記x方向の振動波形の位相に対して90°ずらすかもしくは前記x方向の振動波形の位相を前記y方向の振動波形の位相に対して45°ずらすことにより円弧状の合成軌道とすることを特徴とする請求項2に記載のレーザ切断方法。
- 前記y方向の振動振幅を前記x方向の振動振幅の20%以下とすることを特徴とする請求項3に記載のレーザ切断方法。
- 前記y方向の振動振幅の振動中心を、アシストガスの流れの中心から切断進行方向に0.01mm〜1.0mmずらすことを特徴とする請求項4に記載のレーザ切断方法。
- 前記集光されたレーザスポットを、その振動中心をアシストガスの流れの中心からy方向に0.01mm〜1.0mmずらし、かつその方向の振動を停止し、前記x方向の振動周波数(Hz)/切断速度(mm/s)の値を約3〜6(mm-1)に設定することを特徴とする請求項2に記載のレーザ切断方法。
- レーザビームを発生するビーム発生部と、該レーザビームを光スポットに集光して被加工物に照射する集光手段と、前記光スポットを前記被加工物面上を2次元的に走査する走査手段と、該レーザビームを通しかつ該レーザビームとほぼ同軸で被加工物の切断を促進するアシストガスを前記被加工物に吹き付ける切断トーチと、さらに、ビームの走査と切断作業を制御する制御手段とを備えたレーザ切断装置において、
前記集光手段は、前記光スポットを互いに直交する2軸に±0.2mm以下の範囲で振動させるスキャナ駆動部で構成され、
予め設定した切断条件によって出される前記制御手段による指令によって前記光スポットの走査と振動を重畳させて被加工物を切断するものであって、
前記制御手段が、前記光スポットの振動軌跡が切断線に対して映進対称または鏡映対称とみなし得る図形パターンを保つように、切断線と平行な方向(y)と切断線と直交する方向(x)の前記振動の周波数および振動振幅を制御する手段であることを特徴とするレーザ切断装置。 - レーザビームを発生するビーム発生部と、該レーザビームを光スポットに集光して被加工物に照射する集光手段と、前記光スポットを前記被加工物面上を2次元的に走査する走査手段と、該レーザビームを通しかつ該レーザビームとほぼ同軸で被加工物の切断を促進するアシストガスを前記被加工物に吹き付ける切断トーチと、さらに、ビームの走査と切断作業を制御する制御手段とを備えたレーザ切断装置において、
前記集光手段は、前記光スポットを互いに直交する2軸に±0.2mm以内の範囲で振動させるスキャナ駆動部とレーザ光軸を中心として前記スキャナ駆動部を回転させる回転機構とで構成され、
予め設定した切断条件によって出される前記制御手段による指令によって前記光スポットの走査と振動を重畳させて被加工物を切断するものであって、
前記制御手段が、前記光スポットの振動軌跡が切断線に対して映進対称または鏡映対称とみなし得る図形パターンを保つように、切断線と平行な方向(y)と切断線と直交する方向(x)の前記振動の周波数および振動振幅を制御する手段であることを特徴とするレーザ切断装置
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