JP2011224600A - Laser piercing method - Google Patents

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PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser piercing method by which a hole having the diameter of a degree to which drilling is smoothly shiftable to cutting is formed in a short time by irradiating a material to be cut with a laser beam.SOLUTION: In the laser piercing method by which a through-hole 8 in the thickness direction is formed on the material to be cut by irradiating the material B to be cut with the laser beam 7 and also jetting assist gas composed of gaseous oxygen from a laser nozzle A to the material B to be cut, in the state where the focus S of the laser beam 7 is set in a position in the inside direction of a plate thickness of the material B to be cut and where the position is held, the material B to be cut is irradiated from the laser nozzle A with a pulse-like laser beam, the peak output of which is ≥50% of the rated output of a laser oscillator 11 and the duty ratio of which is set to ≥50%, also the assist gas which is set to lower pressure than the pressure of the assistant gas which is suitable to cut the material B to be cut is jetted and shield gas containing the gaseous oxygen is jetted to the outside of the assist gas.

Description

本発明は、被切断材に向けてレーザ光を照射して貫通孔を形成するレーザピアシング方法に関し、特に、貫通孔の径を小さくすることができ、且つピアシングに要する時間の短縮化をはかることができるレーザピアシング方法に関するものである。   The present invention relates to a laser piercing method in which a laser beam is irradiated toward a material to be cut to form a through hole, and in particular, the diameter of the through hole can be reduced and the time required for piercing can be shortened. The present invention relates to a method for laser piercing.

金属からなる被切断材に向けてレーザノズルからレーザ光を照射しつつ、該レーザノズルを目的の図形の形状に沿って移動させて切断することが行われている。このレーザ切断の場合、先ず、被切断材に於ける目的の図形から離隔したスクラップ側の位置でピアシングを行って貫通孔を形成し、この貫通孔を起点として切断を開始するのが一般的である。   While irradiating a laser beam from a laser nozzle toward a material to be cut made of metal, the laser nozzle is moved along the shape of a target figure and cut. In the case of this laser cutting, first, piercing is performed at a position on the scrap side separated from the target figure in the material to be cut to form a through hole, and cutting is started from this through hole as a starting point. is there.

被切断材にレーザ光を照射してピアシングを行う場合、レーザ光に沿って酸素ガスからなるアシストガスを噴射することが行われる。また、アシストガスに沿って酸素ガスからなるシールドガスを噴射することも行われている。アシストガスは、レーザ光が照射された部位の被切断材を燃焼させると共に、溶融した生成物を母材から排除する機能を有する。また、シールドガスはアシストガスを大気からシールドする機能を有する。   When piercing is performed by irradiating a material to be cut with laser light, an assist gas made of oxygen gas is injected along the laser light. In addition, a shield gas made of oxygen gas is injected along the assist gas. The assist gas has a function of burning a material to be cut at a site irradiated with laser light and removing a molten product from the base material. The shield gas has a function of shielding the assist gas from the atmosphere.

現在、ピアシング方法として、大別して二つの方法が採用されている。第1の方法は、デューティ比の低いパルスレーザ(PW)を利用して径が約1mm程度或いはそれよりも小さい孔を形成する方法である。この方法では小さい孔を形成することができる。しかし、被切断材の厚さが増加するのに伴って加工時間が急激に増大するという問題や、裏面側の径が小さくなりすぎて円滑に切断に移行し得なくなることがあるという問題がある。   Currently, two methods are generally used as piercing methods. The first method is a method of forming a hole having a diameter of about 1 mm or smaller by using a pulse laser (PW) having a low duty ratio. With this method, small holes can be formed. However, there is a problem that the processing time increases rapidly as the thickness of the material to be cut increases, and there is a problem that the diameter on the back side becomes too small to smoothly shift to cutting. .

第2の方法は、連続発振レーザ(CW)を利用し、レーザ光の焦点を被切断材の表面よりも上方に設定して短時間で孔を形成する方法である。この方法では短時間で孔を形成することができる。しかし、形成された孔の径が大きくなり、母材から排除される溶融物の量が大きくなってしまうという問題や、母材の蓄熱量が多くなってしまうという問題がある。   The second method uses a continuous wave laser (CW) and sets the focal point of the laser beam above the surface of the material to be cut to form a hole in a short time. With this method, holes can be formed in a short time. However, there is a problem that the diameter of the formed hole becomes large and the amount of the melt removed from the base material becomes large, and the heat storage amount of the base material increases.

上記の如き問題を解決するために特許文献1に記載されたピアシング方法が提案されている。このピアシング方法は、第1のピアシング条件でレーザビームを照射した後、該レーザビームの照射を0.5秒以上停止し、その後、第2のピアシング条件でレーザビームを照射してピアシング加工を完了するようにしたものである。第1のピアシング条件は、レーザビームを連続波形モードとするか、或いはビームスポット径を変化させる、というものである。また、第2のピアシング条件は、レーザビームを連続波形モードとするか、或いはビームスポット径を変化させるか、レーザビームをパルス波形モードとする、というものである。   In order to solve the above problems, a piercing method described in Patent Document 1 has been proposed. In this piercing method, after irradiating the laser beam under the first piercing condition, the laser beam irradiation is stopped for 0.5 seconds or more, and then the laser beam is irradiated under the second piercing condition to complete the piercing process. It is what you do. The first piercing condition is that the laser beam is in a continuous waveform mode or the beam spot diameter is changed. The second piercing condition is that the laser beam is in a continuous waveform mode, the beam spot diameter is changed, or the laser beam is in a pulse waveform mode.

特開2007−075878号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2007-075878

特許文献1に記載された発明では、ピアシング加工途中にビーム停止期間を設けることで、ピアシング加工時に発生するスパッタ量を低減して短時間で貫通孔を形成することができるが、図6に記載されているように、被加工材に形成された穴径は6mmである。この穴径は従来の第2の方法と比較すると十分に小さいといえる。しかし、レーザ切断を行っている企業からは、より小さい孔をより短時間で形成するピアシング方法の開発が要求されているのが実状である。   In the invention described in Patent Document 1, by providing a beam stop period during the piercing process, the amount of spatter generated during the piercing process can be reduced and the through hole can be formed in a short time. As shown, the hole diameter formed in the workpiece is 6 mm. It can be said that this hole diameter is sufficiently small as compared with the conventional second method. However, in reality, companies that perform laser cutting are required to develop a piercing method for forming smaller holes in a shorter time.

レーザ光を照射することで被切断材に形成された貫通孔は、表面側の径が大きく、裏面側の径が小さいのが一般的であり、切断は貫通孔を起点として行われる。そして、貫通孔に於ける裏面側の径が小さすぎると、切断に移行したとき、生成した溶融物が裏面側に円滑に排除されず、切断不良を引き起こすという問題もある。   The through hole formed in the material to be cut by irradiating the laser beam generally has a large diameter on the front surface side and a small diameter on the back surface side, and the cutting is performed with the through hole as a starting point. And when the diameter of the back surface side in the through hole is too small, there is a problem that when the process shifts to cutting, the generated melt is not smoothly removed to the back surface side and causes a cutting failure.

本発明の目的は、被切断材にレーザ光を照射して、円滑に切断に移行し得る程度の径の孔を、短時間で形成することができるレーザピアシング方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a laser piercing method capable of forming a hole having a diameter that can be smoothly cut by irradiating a material to be cut with a laser beam in a short time.

本件発明者等は、上記課題を解決するために種々の実験を行った。この実験は、ピーク出力が4000Wの炭酸ガスレーザを用いてSS400、板厚16mmの鋼板に対しピアシングすることで行った。ピアシング時間の短縮化をはかるために、被切断材をピアシングする際に要する時間を2秒以下とし、2秒以上かかった場合はピアシング不成功として判定して孔あけ成功率を計算した。ここで、ピアシングに要する時間を2秒を限界として判定したのは、被切断材の板厚や、レーザ光のピーク出力を変化させた場合でも、ピアシングに要する時間に大きな変化がないことに基づいている。   The inventors of the present invention conducted various experiments in order to solve the above problems. This experiment was performed by piercing a steel plate with SS400 and a plate thickness of 16 mm using a carbon dioxide laser with a peak output of 4000 W. In order to shorten the piercing time, the time required for piercing the material to be cut was 2 seconds or less, and when it took 2 seconds or more, it was determined that the piercing was unsuccessful and the drilling success rate was calculated. Here, the reason for determining the time required for piercing as a limit of 2 seconds is that there is no significant change in the time required for piercing even when the plate thickness of the material to be cut or the peak output of the laser beam is changed. ing.

また、ピアシング終了後、切断に円滑に移行し得るように、裏面側に於ける貫通孔の径を約1mm以上とし、且つ貫通孔の径を可及的に小さくするために、裏面側に於ける貫通孔の径を約3mm以下とする条件を設定して判定の目安とした。   In addition, after the piercing is completed, in order to make a smooth transition to cutting, the diameter of the through hole on the back surface side is set to about 1 mm or more, and the diameter of the through hole is made as small as possible on the back surface side. A condition for determining the diameter of the through hole to be about 3 mm or less was set as a standard for determination.

特に、レーザ切断では、ピアシングから切断に至る一連の作業を自動化しているのが一般的であるため、孔あけ成功率が低い場合、作業性の面、稼働率の面から問題が生じる。従って、孔あけ成功率は100%であることが望ましく、少なくとも90%であることが好ましい。   In particular, in laser cutting, since a series of operations from piercing to cutting is generally automated, a problem arises in terms of workability and operating rate when the drilling success rate is low. Therefore, the drilling success rate is desirably 100%, and preferably at least 90%.

そして、上記条件を満足するピアシングであれば、従来のピアシングと比較して十分に優位性を発揮し得るといえるとの感触を得た。   And if it was the piercing which satisfy | fills the said conditions, it acquired the touch that it can be said that it can fully show an advantage compared with the conventional piercing.

この結果、本発明に係るレーザピアシング方法は、レーザノズルから被切断材に向けてレーザ光を照射すると共に酸素ガスからなるアシストガスを噴射して該被切断材に厚さ方向の貫通孔を形成するレーザピアシング方法であって、レーザ光の焦点を被切断材の板厚の内部方向の位置に設定すると共に該位置を保持した状態で、レーザノズルから被切断材に向けて、ピーク出力がレーザ発振器の定格出力の50%以上で且つデューティ比が50%以上に設定されたパルス状レーザ光を照射すると共に該被切断材を切断するのに適したアシストガスの圧力よりも低い圧力に設定したアシストガスを噴射し、且つ前記アシストガスの外側に酸素ガスを含むシールドガスを噴射することを特徴とするものである。   As a result, in the laser piercing method according to the present invention, a laser beam is irradiated from the laser nozzle toward the material to be cut and an assist gas made of oxygen gas is injected to form a through hole in the thickness direction in the material to be cut. In this laser piercing method, the peak output of the laser beam is directed from the laser nozzle toward the workpiece while the focal point of the laser beam is set at the position in the inner direction of the thickness of the workpiece and the position is maintained. The pressure is set to a pressure lower than the assist gas pressure suitable for cutting the material to be cut while irradiating a pulsed laser beam having a rated output of 50% or more and a duty ratio of 50% or more. The assist gas is injected, and a shield gas containing oxygen gas is injected outside the assist gas.

上記レーザピアシング方法に於いて、被切断材に厚さ方向に貫通することのない下穴を形成した後、該下穴に請求項1に記載したレーザピアシング方法を適用することが好ましい。   In the laser piercing method, it is preferable to apply the laser piercing method described in claim 1 to the prepared hole after forming a prepared hole that does not penetrate in the thickness direction in the material to be cut.

また、上記レーザピアシング方法に於いて、前記下穴は、レーザ光の焦点を被切断材の表面から離隔した位置に設定すると共に該位置を保持した状態で、レーザノズルから被切断材に向けて、ピーク出力がレーザ発振器の定格出力の50%以上で且つデューティ比が50%以上に設定されたパルス状レーザ光を照射すると共に該被切断材を切断するのに適したアシストガスの圧力よりも低い圧力に設定したアシストガスを噴射し、且つ前記アシストガスの外側に酸素ガスを含むシールドガスを噴射することで形成することが好ましい。   In the laser piercing method, the pilot hole is set at a position where the focal point of the laser beam is separated from the surface of the material to be cut, and the laser nozzle is directed from the laser nozzle toward the material to be cut in a state where the position is held. More than the pressure of the assist gas suitable for irradiating a pulsed laser beam having a peak output of 50% or more of the rated output of the laser oscillator and a duty ratio of 50% or more and cutting the material to be cut It is preferable to form by injecting an assist gas set at a low pressure and injecting a shield gas containing oxygen gas outside the assist gas.

本発明に係るレーザピアシング方法では、裏面側の径が小さく、且つ切断に移行するのに支障のない貫通孔を短時間で形成することができる。   In the laser piercing method according to the present invention, a through-hole having a small diameter on the back surface side and no problem in shifting to cutting can be formed in a short time.

即ち、被切断材に照射するレーザ光を、レーザ光の焦点を被切断材の板厚の内部方向に設定し、ピーク出力がレーザ発振器の定格出力の50%以上、デューティ比が50%以上のパルスレーザとし、アシストガスの圧力を切断時の圧力よりも低い圧力に設定し、アシストガスの外側に酸素ガスを含むシールドガスを噴射するので、パワー密度の高いパルスレーザを照射して焦点付近の母材温度を上昇させることができ、且つアシストガスによる被切断材の母材の燃焼を抑えることができる。このため、燃焼生成物の量を少なくすることができ、母材の排出量を少なくして穴の径を小さくすることができる。特に、シールドガスによってアシストガスを大気からシールドすると共に、該シールドガスに含まれる酸素ガスを、圧力を低下させることで流量が軽減したアシストガスの補助的なガスとして利用することができる。   That is, the laser beam irradiated to the material to be cut is set so that the focal point of the laser beam is in the internal direction of the thickness of the material to be cut, the peak output is 50% or more of the rated output of the laser oscillator, and the duty ratio is 50% or more. A pulse laser is used, and the assist gas pressure is set to a pressure lower than the pressure at the time of cutting, and a shielding gas containing oxygen gas is injected outside the assist gas. The base material temperature can be raised, and combustion of the base material of the material to be cut by the assist gas can be suppressed. For this reason, the quantity of a combustion product can be reduced, the discharge amount of a base material can be reduced, and the diameter of a hole can be made small. In particular, the assist gas is shielded from the atmosphere by the shield gas, and the oxygen gas contained in the shield gas can be used as an auxiliary gas of the assist gas whose flow rate is reduced by reducing the pressure.

また、上記レーザピアシング方法を実施するのに先立って、被切断材に厚さ方向に貫通することのない下穴を形成しておくことで、被切断材の厚さが厚くなった場合でも対応することができる。   In addition, prior to carrying out the laser piercing method, by forming a pilot hole that does not penetrate in the thickness direction in the material to be cut, even when the thickness of the material to be cut increases can do.

また、下穴を形成する際に、レーザ光の焦点を被切断材の表面から離隔した位置に設定し、その後、ピーク出力がレーザ発振器の定格出力の50%以上、デューティ比が50%以上のパルスレーザとし、アシストガスの圧力を切断時の圧力よりも低い圧力に設定し、アシストガスの外側に酸素ガスを含むシールドガスを噴射することで、良好な下穴を形成することができる。   When forming the pilot hole, the focal point of the laser beam is set at a position separated from the surface of the material to be cut, and then the peak output is 50% or more of the rated output of the laser oscillator and the duty ratio is 50% or more. A good pilot hole can be formed by using a pulse laser, setting the pressure of the assist gas to a pressure lower than the pressure at the time of cutting, and injecting a shield gas containing oxygen gas outside the assist gas.

従って、上記の如くして下穴を形成した後、レーザ光の焦点位置を変化させて被切断材の板厚の内部方向に設定し、この状態で、ピーク出力がレーザ発振器の定格出力の50%以上、デューティ比が50%以上のパルスレーザとし、アシストガスの圧力を切断時の圧力よりも低い圧力に設定し、アシストガスの外側に酸素ガスを含むシールドガスを噴射することで、下穴、貫通孔を連続して加工することができる。このため、被切断材の板厚が厚くなった場合でも、円滑で良好なレーザピアシングを行うことができる。   Therefore, after the pilot hole is formed as described above, the focal position of the laser beam is changed and set in the internal direction of the plate thickness of the material to be cut. In this state, the peak output is 50 of the rated output of the laser oscillator. %, And the duty ratio is 50% or more, the assist gas pressure is set to a pressure lower than the pressure at the time of cutting, and a shield gas containing oxygen gas is injected outside the assist gas. Through holes can be processed continuously. For this reason, smooth and good laser piercing can be performed even when the thickness of the material to be cut increases.

レーザピアシング方法を実施するための装置の構成を模式的に説明する図である。It is a figure which illustrates typically the composition of the device for carrying out the laser piercing method. 第1実施例に係るレーザピアシングを実施する手順を説明する図である。It is a figure explaining the procedure which implements the laser piercing which concerns on 1st Example. 第1実施例に於けるピアシング条件と結果を示す図である。It is a figure which shows the piercing conditions and result in 1st Example. 第1実施例に於けるピアシング条件と結果を示す図である。It is a figure which shows the piercing conditions and result in 1st Example. 第2実施例に係るレーザピアシングを実施する手順を説明する図である。It is a figure explaining the procedure which implements the laser piercing based on 2nd Example. 第2実施例に於けるピアシング条件と結果を示す図である。It is a figure which shows the piercing conditions and result in 2nd Example. 第2実施例に於けるピアシング条件と結果を示す図である。It is a figure which shows the piercing conditions and result in 2nd Example.

以下、本発明に係るレーザピアシング方法(以下単に「ピアシング方法」という)について説明する。本発明に係るピアシング方法は、被切断材に対し貫通孔を形成する際に、レーザ光の焦点位置を被切断材の厚さの内部方向に設定し、レーザ光をピーク出力がレーザ発振器の定格出力の50%以上で且つデューティ比が50%以上に設定し、且つアシストガスを被切断材を切断するのに適した圧力よりも低い圧力に設定し、このアシストガスの外側に酸素ガスを含むシールドガスを噴射することで、径が小さく且つ円滑に切断に移行し得るような貫通孔を短時間で形成するものである。   The laser piercing method according to the present invention (hereinafter simply referred to as “piercing method”) will be described below. In the piercing method according to the present invention, when the through hole is formed in the material to be cut, the focal position of the laser beam is set in the internal direction of the thickness of the material to be cut, and the peak output of the laser beam is the rating of the laser oscillator. 50% or more of the output and the duty ratio are set to 50% or more, and the assist gas is set to a pressure lower than the pressure suitable for cutting the material to be cut, and oxygen gas is included outside the assist gas. By injecting the shielding gas, a through hole having a small diameter and capable of smoothly shifting to cutting is formed in a short time.

被切断材に対してレーザ光を照射してピアシングを行う場合、レーザ発振器のピーク出力と被切断材の厚さとは相関関係があり、ピーク出力が設定されたとき、所定時間内でピアシングを行える被切断材の板厚は自ずから設定される。このため、レーザ発振器のピーク出力が大きくなるに従ってピアシングし得る被切断材の厚さが厚くなるものの、ピアシング可能な最大板厚を越えたものに対してピアシングを行うことは極めて困難となる。   When piercing is performed by irradiating the workpiece with laser light, the peak output of the laser oscillator and the thickness of the workpiece are correlated, and piercing can be performed within a predetermined time when the peak output is set. The thickness of the material to be cut is automatically set. For this reason, although the thickness of the material that can be pierced increases as the peak output of the laser oscillator increases, it is extremely difficult to pierce the material that exceeds the maximum plate thickness that can be pierced.

このことは、レーザ発振器のピーク出力が設定されたとき、このピーク出力でピアシングが可能な最大板厚が設定されると共に、該最大板厚よりも薄い被切断材をピアシングする場合、ピーク出力よりも小さい出力でピアシングすることが可能であることを意味している。   This means that when the peak output of the laser oscillator is set, the maximum plate thickness that can be pierced with this peak output is set, and when piercing a workpiece that is thinner than the maximum plate thickness, This means that it is possible to pierce with a small output.

従って、レーザ発振器の定格出力の50%以上のピーク出力に設定することで、このレーザ発振器からピーク出力のレーザ光を出射したときにピアシング可能な最大板厚までのピアシングを行うことが可能である。   Therefore, by setting the peak output to 50% or more of the rated output of the laser oscillator, it is possible to perform piercing up to the maximum plate thickness that can be pierced when the peak output laser beam is emitted from the laser oscillator. .

また、予め被切断材に於ける貫通孔を形成する位置にレーザ光を照射して下穴を形成しておき、この下穴を形成した後、この下穴の位置に上記した条件でピアシングを行うことで、被切断材の厚さが厚くなった場合でも、径が小さい貫通孔を確実に形成することが可能である。   In addition, a pilot hole is formed in advance by irradiating a laser beam at a position where a through hole is to be formed in the material to be cut, and after this pilot hole is formed, piercing is performed at the position of the pilot hole under the above-described conditions. By doing so, it is possible to reliably form a through-hole having a small diameter even when the material to be cut becomes thick.

即ち、前述したように、レーザ発振器のピーク出力が設定されたとき、このレーザ発振器によってピアシング可能な最大板厚が設定される。このため、予め下穴を形成しておくことで、ピーク出力が設定されたレーザ発振器によるピアシング可能板厚の範囲を拡大することが可能となる。   That is, as described above, when the peak output of the laser oscillator is set, the maximum plate thickness that can be pierced by this laser oscillator is set. For this reason, it is possible to expand the range of the plate thickness that can be pierced by the laser oscillator in which the peak output is set by forming the pilot holes in advance.

また、下穴を形成する際に、レーザ光の焦点を被切断材から離隔した位置に設定し、レーザ光の性質、アシストガス圧力、シールドガス圧力からなる条件を夫々切断時の条件と異なる条件に設定してレーザ光を照射することで、被切断材に下穴を形成することが可能である。   In addition, when forming the pilot hole, the focal point of the laser beam is set at a position separated from the material to be cut, and the conditions consisting of the nature of the laser beam, the assist gas pressure, and the shield gas pressure are different from the cutting conditions. It is possible to form a pilot hole in the material to be cut by irradiating the laser beam with setting.

即ち、下穴をレーザ光を照射して形成することで、設定されたピーク出力に応じてピアシング可能な最大板厚が決まっているレーザ発振器を用いた場合でも、ピアシング可能な最大板厚の範囲を拡大することが可能となる。   That is, the range of the maximum plate thickness that can be pierced even when using a laser oscillator in which the maximum plate thickness that can be pierced according to the set peak output is determined by forming the pilot hole by irradiating laser light Can be expanded.

先ず、本発明に係るピアシング方法を実施するための装置の構成について図1により簡単に説明する。   First, the configuration of an apparatus for carrying out the piercing method according to the present invention will be briefly described with reference to FIG.

レーザノズルAには、先端にレーザ光が出射されると共にアシストガスが噴射するノズル1が設けられ、内部の所定位置にレンズ2が配置されている。3はレーザ光の光軸であり、ノズル1の中心とレンズ2の中心を結んで設定されている。また、ノズル1の周囲にはシールドガスを噴射するシールドガスノズル4が設けられている。   The laser nozzle A is provided with a nozzle 1 that emits laser light at the tip and jets assist gas, and a lens 2 is disposed at a predetermined position inside. Reference numeral 3 denotes an optical axis of the laser beam, which is set by connecting the center of the nozzle 1 and the center of the lens 2. A shield gas nozzle 4 for injecting a shield gas is provided around the nozzle 1.

レーザノズルAにはレーザ発振器11が接続されている。このレーザ発振器11は、光軸3の延長線上に配置されており、該レーザ発振器11から出射されたレーザ光は、レンズ2によって集光され、ノズル1から出射して光軸3上の焦点Sに収束される。   A laser oscillator 11 is connected to the laser nozzle A. The laser oscillator 11 is disposed on an extension line of the optical axis 3, and laser light emitted from the laser oscillator 11 is collected by the lens 2, emitted from the nozzle 1, and focused on the optical axis 3. To converge.

また、レーザノズルAには、アシストガス供給装置12が接続されており、該アシストガス供給装置12から供給されたアシストガスはホース12aを介してノズル1とレンズ2との間に形成された室5に流入し、該室5を経てノズル1から被切断材Bに向けて噴射される。   Further, an assist gas supply device 12 is connected to the laser nozzle A, and the assist gas supplied from the assist gas supply device 12 is a chamber formed between the nozzle 1 and the lens 2 via a hose 12a. 5 is injected from the nozzle 1 toward the workpiece B through the chamber 5.

アシストガス供給装置12は、アシストガスを構成する酸素ガスを供給するための酸素ボンベや工場内の酸素配管等の供給設備と、前記供給設備によって供給される一次圧力をアシストガスとして用いる圧力に調整する圧力調整装置を有して構成されている。特に、圧力調整装置として二系列設けておき、ピアシング時に室5に供給する圧力と、切断時に室5に供給する圧力を簡単に切り換えることが可能なように構成することが好ましい。   The assist gas supply device 12 adjusts a supply facility such as an oxygen cylinder for supplying oxygen gas constituting the assist gas or an oxygen pipe in the factory, and a primary pressure supplied by the supply facility to a pressure used as the assist gas. The pressure adjusting device is configured. In particular, it is preferable to provide two systems as pressure adjusting devices so that the pressure supplied to the chamber 5 during piercing and the pressure supplied to the chamber 5 during cutting can be easily switched.

また、レーザノズルAには、シールドガス供給装置13が接続されており、該シールドガス供給装置13から供給されたシールドガスはホース13aを介して室6に流入し、室6を経てシールドガスノズル4から被切断材Bに向けて噴射する。   Further, a shield gas supply device 13 is connected to the laser nozzle A, and the shield gas supplied from the shield gas supply device 13 flows into the chamber 6 through the hose 13a, and passes through the chamber 6 to provide the shield gas nozzle 4. To the cut material B.

シールドガス供給装置13は、シールドガスを構成する酸素ガスを供給する酸素ガス供給装置と、シールドガスを構成する他のガス、例えば窒素ガスを供給する供給装置と、これらのガスを混合する混合器と、を有して構成されている。   The shield gas supply device 13 includes an oxygen gas supply device that supplies oxygen gas that constitutes the shield gas, another gas that constitutes the shield gas, such as a supply device that supplies nitrogen gas, and a mixer that mixes these gases. And is configured.

本実施例では、シールドガスとして圧縮空気を用いているため、シールドガス供給装置13としては、エアコンプレッサー、脱湿器、圧力調整器を有して構成されている。   In this embodiment, since compressed air is used as the shielding gas, the shielding gas supply device 13 includes an air compressor, a dehumidifier, and a pressure regulator.

尚、14は焦点位置調整装置であり、レンズ2の被切断材Bからの距離を変化させることで焦点Sの位置を所望の位置に調整する機能を有するものである。焦点位置調整装置14は前記機能を発揮し得るものであれば良い。このため、レーザノズルAそのものの位置を変更し得るように構成して、レンズ2の被切断材Bからの距離を変化させるように構成することが可能である。また、レンズ2を単独で位置を変化させることが可能な構造としておき、レーザノズルAと被切断材Bとの距離の如何に関わらず、レンズ2のみによって被切断材Bからの距離を変化させるように構成することも可能である。   Reference numeral 14 denotes a focal position adjusting device having a function of adjusting the position of the focal point S to a desired position by changing the distance of the lens 2 from the material B to be cut. The focus position adjusting device 14 may be any device that can exhibit the above function. For this reason, it is possible to change the distance of the lens 2 from the workpiece B by changing the position of the laser nozzle A itself. Further, the lens 2 has a structure capable of changing the position independently, and the distance from the material to be cut B is changed only by the lens 2 regardless of the distance between the laser nozzle A and the material B to be cut. It is also possible to configure as described above.

次に、上記の如く構成されたレーザノズルAを用いて被切断材Bに対しピアシングを実施する方法について説明する。   Next, a method for piercing the material to be cut B using the laser nozzle A configured as described above will be described.

本実施例は、被切断材Bの厚さが比較的薄い場合に適用して有利なピアシング方法である。本実施例に於いて、被切断材Bとして、材質;SS400、厚さ;16mmの鋼板を用いている。また、レーザ発振器11として、ピーク出力4000Wの炭酸ガスレーザを用いている。   This embodiment is a piercing method that is advantageous when applied to a case where the material to be cut B is relatively thin. In the present embodiment, as the material to be cut B, a steel plate of material: SS400, thickness: 16 mm is used. As the laser oscillator 11, a carbon dioxide laser having a peak output of 4000 W is used.

上記被切断材Bを通常の切断を行う切断条件は、レーザ光の条件を、ピーク出力;4000W、周波数;1000Hz、デューティ比;45%、焦点位置;被切断材表面とし、ガス条件を、アシストガス圧;0.035MPa、シールドガス;酸素ガス圧力0.03MPaとし、切断速度;800mm/minとして設定されている。この切断条件は、被切断材Bを切断面の品質を保持して安定した状態で確実に切断することが可能なものである。   Cutting conditions for performing normal cutting of the material to be cut B are as follows: laser light conditions: peak output: 4000 W, frequency: 1000 Hz, duty ratio: 45%, focal position: surface of the material to be cut, and gas conditions as assist Gas pressure: 0.035 MPa, shielding gas: oxygen gas pressure: 0.03 MPa, cutting speed: 800 mm / min. This cutting condition is capable of reliably cutting the material to be cut B in a stable state while maintaining the quality of the cut surface.

被切断材Bに対しレーザノズルAによってピアシングを行う際の両者の標準的な位置関係について図2により説明する。図に示すように、レーザノズルAを被切断材Bの表面から高さH離隔した位置に設定し、このとき、焦点Sの位置を被切断材Bの厚さに於ける内部方向にDmm入り込んだ位置に設定する。この状態で、レーザノズルAから被切断材Bに向けてレーザ光7を照射すると共に、アシストガス、シールドガスを噴射してピアシングを行い、被切断材Bに貫通孔8を形成する。   The standard positional relationship between the two when the workpiece B is pierced by the laser nozzle A will be described with reference to FIG. As shown in the figure, the laser nozzle A is set at a position separated by a height H from the surface of the material to be cut B. At this time, the position of the focal point S enters Dmm in the internal direction in the thickness of the material to be cut B. Set to the position. In this state, the laser beam 7 is irradiated from the laser nozzle A toward the material to be cut B, and piercing is performed by injecting an assist gas and a shield gas to form the through hole 8 in the material to be cut B.

本実施例では、上記の如くして被切断材Bをピアシングする際の標準的なピアシング条件を、ピーク出力;4000W、周波数;100Hz、デューティ比;60%、焦点位置;被切断材の厚さに於ける内部方向に5mm入り込んだ位置とし、ガス条件を、アシストガス圧;0.02MPa、シールドガス;空気圧力0.25MPaとして設定している。   In this embodiment, the standard piercing conditions for piercing the workpiece B as described above are as follows: peak output: 4000 W, frequency: 100 Hz, duty ratio: 60%, focal position: thickness of the workpiece The gas conditions are set as assist gas pressure: 0.02 MPa, shield gas: air pressure 0.25 MPa.

そして、上記ピアシング条件を構成する何れか一つの条件を変化させると共に、他の条件を固定した状態でピアシング実験を行った。   Then, a piercing experiment was performed in a state where any one of the piercing conditions was changed and the other conditions were fixed.

各実験に於いて、ピアシングが良好に行われたか否かは、ピアシングに要する時間が2秒以下であることを基準として判定し、前記時間以内でピアシングが終了しない場合、ピアシング不成功として穴あけ成功率を計算した。   In each experiment, whether or not the piercing was performed successfully was judged based on the time required for the piercing being 2 seconds or less. If the piercing was not completed within the time, the piercing was successful and the drilling was successful. The rate was calculated.

前述したように、レーザ切断では、ピアシングから切断に至る一連の作業を自動化しているのが一般的であるため、孔あけ成功率が低い場合、他の条件を満足していても信頼性の面からみて問題が生じるため、孔あけ成功率は100%であることが望ましく、少なくとも90%はあることが好ましい。従って、孔あけ成功率が90未満であるような場合、良好なピアシングではないと判定した。   As described above, in laser cutting, it is common to automate a series of operations from piercing to cutting. Therefore, if the drilling success rate is low, it is reliable even if other conditions are satisfied. In view of problems, it is desirable that the drilling success rate is 100%, and preferably at least 90%. Therefore, when the drilling success rate was less than 90, it was determined that the piercing was not good.

また、ピアシングに要した時間が2秒以内であった場合、形成された貫通孔の裏面側の径を測定した。そして、貫通孔の裏面側の径が約1mm以上約3mm以下の範囲にある場合、良好なピアシングであるとして判定した。   Moreover, when the time required for piercing was within 2 seconds, the diameter of the back surface side of the formed through-hole was measured. And when the diameter of the back surface side of a through-hole exists in the range of about 1 mm or more and about 3 mm or less, it determined with it being favorable piercing.

また、ピアシングが進行する過程で発生した生成物(ドロス)が被切断材Bの表面に付着したときの平均径と、高さを測定した。ドロスの平均径は板厚の約1/2程度を標準として判定した。この判定基準は、レーザ切断装置を使用している企業の現場で一般的に行われているものである。また、ドロスの付着高さが高くなった場合、ピアシングから切断に移行する際にレーザノズルを被切断材の表面に向けて下降させたときに接触する虞がある。このため、ドロスの高さは1mm以下を基準として判定した。   Moreover, the average diameter and height when the product (dross) generated in the process of piercing adhered to the surface of the material B to be cut were measured. The average diameter of dross was determined with a standard of about 1/2 of the plate thickness. This criterion is generally performed at the site of a company that uses a laser cutting device. Further, when the dross adhesion height increases, there is a risk of contact when the laser nozzle is lowered toward the surface of the material to be cut when shifting from piercing to cutting. For this reason, the height of the dross was determined based on 1 mm or less.

本実施例に係る実験結果について説明するに先立って、ピーク出力が4000Wのレーザ発振器のピアシング可能最大板厚について説明する。ピーク出力4000Wのレーザ光をSS400の鋼板に照射してピアシングを行う場合、ピアシング可能な最大板厚は16mmであることが確かめられている。   Prior to describing the experimental results according to the present embodiment, the maximum piercable plate thickness of a laser oscillator having a peak output of 4000 W will be described. When piercing is performed by irradiating a steel plate of SS400 with a laser beam having a peak output of 4000 W, it has been confirmed that the maximum plate thickness that can be pierced is 16 mm.

このため、ピーク出力を4000W以下(3000W、3500W)に設定したレーザ光を被切断材Bに照射した場合の孔あけ成功率は最大でも65%であった。また、SS400で板厚12mmの鋼板にピーク出力を3000W、3500Wに設定したレーザ光を照射してピアシングを行ったとき、孔あけ成功率は100%であり、貫通孔に於ける裏面側の径も約1.5mm程度であった。そして、このピアシングの場合、円滑に切断に移行することが可能であった。   For this reason, the drilling success rate was 65% at the maximum when the cut material B was irradiated with a laser beam having a peak output set to 4000 W or less (3000 W, 3500 W). Moreover, when piercing was performed by irradiating a steel plate with a plate thickness of 12 mm with SS400 and irradiating a laser beam with a peak output of 3000 W or 3500 W, the drilling success rate was 100%, and the diameter on the back side in the through hole Was about 1.5 mm. And in the case of this piercing, it was possible to shift to cutting smoothly.

次に、上記実験の条件と結果を図3、4に示して説明する。   Next, the conditions and results of the experiment will be described with reference to FIGS.

図3(a)は、ピアシングを行う場合、レーザ光7の焦点Sを被切断材Bに対し如何なる位置に設定したときに、良好なピアシング作業を行うことが可能で、且つ良好な貫通孔を形成し得るか、を判定するための実験を行った結果を示すものである。   FIG. 3A shows that when piercing is performed, when the focus S of the laser beam 7 is set at any position with respect to the material B to be cut, a favorable piercing operation can be performed and a good through hole is formed. The result of having conducted the experiment for judging whether it can form is shown.

背景技術の項で説明したように、レーザ光7の焦点Sの位置を被切断材Bの表面から離隔させた場合、被切断材Bに形成された貫通孔の径が大きくなることがしられている。このため、レーザ光7の焦点Sの被切断材Bの厚さに於ける内部方向に入り込んだ寸法(図2(a)のD)を変化させた実験を行った。   As described in the background art section, when the position of the focal point S of the laser beam 7 is separated from the surface of the workpiece B, the diameter of the through hole formed in the workpiece B may be increased. ing. For this reason, an experiment was performed in which the dimension (D in FIG. 2A) that entered the internal direction in the thickness of the material B to be cut at the focal point S of the laser beam 7 was changed.

図に示すように、焦点Sの位置は深さ方向に−1mm〜−11mm(ここで、−1mmとはD=1mmの意味である)まで2mm刻みで変化させた。この結果、焦点位置が−1mm、−11mmでは孔あけ成功率が0であり、−3mmでは65%であった。また、−5mm〜−9mmの範囲では孔あけ成功率は100%であった。   As shown in the figure, the position of the focal point S was changed in increments of 2 mm from −1 mm to −11 mm in the depth direction (here, −1 mm means D = 1 mm). As a result, the drilling success rate was 0 when the focal position was -1 mm and -11 mm, and 65% when the focal position was -3 mm. In the range of −5 mm to −9 mm, the success rate of drilling was 100%.

また、−3mm〜−9mmの範囲に於ける孔直径(図2(b)に示す被切断材Bに形成された貫通孔8の裏面側に於ける孔径)は1.4mm〜1.7mmの範囲であり、何れもピアシングから切断に円滑に移行し得る寸法であった。また、ドロスの直径は6mm〜7.5mmの範囲にあり、高さは0.4mm〜0.6mmの範囲にあった。   Further, the hole diameter in the range of −3 mm to −9 mm (the hole diameter on the back surface side of the through hole 8 formed in the workpiece B shown in FIG. 2B) is 1.4 mm to 1.7 mm. Each of the dimensions was such that it could smoothly transition from piercing to cutting. Moreover, the diameter of the dross was in the range of 6 mm to 7.5 mm, and the height was in the range of 0.4 mm to 0.6 mm.

従って、レーザ光7の焦点Sの位置は、被切断材Bの厚さに於ける内部方向に3mm〜9mm入り込んだ位置に設定することが必要であり、5mm〜9mmの範囲であることが好ましい。   Accordingly, the position of the focal point S of the laser beam 7 needs to be set at a position where it enters 3 mm to 9 mm in the inner direction in the thickness of the material B to be cut, and is preferably in the range of 5 mm to 9 mm. .

図3(b)は、レーザ発振器11の出力を定格出力の100%とし、デューティ比を40%〜100%の範囲で変化させることで、平均出力を変化させた実験の結果を示すものである。図に示すように、デューティ比が40%の場合孔あけ成功率は0%であり、100%の場合で65%であった。また、デューティ比が50%及び98%の場合孔あけ成功率は90%で、デューティ比が60%〜95%の範囲では100%の孔あけ成功率を得た。   FIG. 3B shows the result of an experiment in which the average output is changed by setting the output of the laser oscillator 11 to 100% of the rated output and changing the duty ratio in the range of 40% to 100%. . As shown in the figure, the drilling success rate was 0% when the duty ratio was 40%, and 65% when the duty ratio was 100%. When the duty ratio was 50% and 98%, the drilling success rate was 90%, and when the duty ratio was in the range of 60% to 95%, 100% drilling success rate was obtained.

また、孔直径は、デューティ比が50%〜90%の範囲である場合、1.3mm〜2.9mmであり、デューティ比が100%の場合には3mmであった。また、デューティ比が95%では3.7mm、デューティ比が98%では4.1mmであった。   The hole diameter was 1.3 mm to 2.9 mm when the duty ratio was in the range of 50% to 90%, and 3 mm when the duty ratio was 100%. Further, it was 3.7 mm when the duty ratio was 95%, and 4.1 mm when the duty ratio was 98%.

この実験の結果、レーザ光7は、連続発振モードで発振するよりもパルスモードであることが好ましいといえる。また、レーザ光7をパルスモードとした場合、確実なピアシングを実施するためにはデューティ比は50%以上であれば良い。しかし、径の小さい貫通孔を得るためには、デューティ比が50%〜90%の範囲であることが好ましく、60%〜90%の範囲であればより好ましいといえる。   As a result of this experiment, it can be said that the laser beam 7 is preferably in the pulse mode rather than oscillating in the continuous oscillation mode. When the laser beam 7 is set to the pulse mode, the duty ratio may be 50% or more in order to perform reliable piercing. However, in order to obtain a through hole with a small diameter, the duty ratio is preferably in the range of 50% to 90%, and more preferably in the range of 60% to 90%.

図4(a)は、ノズル1から噴射するアシストガス圧を変化させた実験の結果を示している。レーザ光7に沿って噴射されるアシストガスは酸素ガスによって構成されるため、レーザ光7の照射によって溶融した母材を酸化、燃焼させる機能を有する。溶融生成物の量は、ピアシングが進行するのに伴って増加するため、ピアシング時に切断時と同じ圧力を持ったアシストガスを噴射した場合、過大な量の酸素ガスが供給される虞がある。このため、本実験は、ピアシング時のアシストガス圧を切断時のアシストガス圧よりもどの程度低下させることが好ましいかを判定するものである。   FIG. 4A shows the result of an experiment in which the assist gas pressure injected from the nozzle 1 is changed. Since the assist gas injected along the laser beam 7 is composed of oxygen gas, it has a function of oxidizing and burning the base material melted by the irradiation of the laser beam 7. Since the amount of the molten product increases as piercing progresses, an excessive amount of oxygen gas may be supplied when assist gas having the same pressure as that during cutting is injected during piercing. For this reason, this experiment determines how much it is preferable to lower the assist gas pressure at the time of piercing than the assist gas pressure at the time of cutting.

図に示すように、アシストガス圧が0.01MPaのとき孔あけ成功率は90%で、0.015MPa〜0.055MPaの範囲では孔あけ成功率は100%であった。また、孔直径は、0.01MPa〜0.045MPaの範囲であ1.5mm〜2.9mmであり、0.055MPaのときは3.5mmであった。   As shown in the figure, the drilling success rate was 90% when the assist gas pressure was 0.01 MPa, and the drilling success rate was 100% in the range of 0.015 MPa to 0.055 MPa. The hole diameter was 1.5 mm to 2.9 mm in the range of 0.01 MPa to 0.045 MPa, and 3.5 mm when 0.055 MPa.

この実験の結果、アシストガス圧は0.01MPa〜0.055MPaの範囲であればピアシングを行うことが可能である。しかし、孔直径の小さい貫通孔を得るためには、アシストガス圧は0.01MPa〜0.03MPaの範囲であることが好ましく、0.015MPa〜0.025MPaの範囲であることがより好ましい。従って、ピアシングを実施する際のアシストガス圧は、切断を行う際のアシストガス圧よりも低いことが好ましいといえる。   As a result of this experiment, piercing can be performed if the assist gas pressure is in the range of 0.01 MPa to 0.055 MPa. However, in order to obtain a through hole having a small hole diameter, the assist gas pressure is preferably in the range of 0.01 MPa to 0.03 MPa, more preferably in the range of 0.015 MPa to 0.025 MPa. Therefore, it can be said that the assist gas pressure at the time of piercing is preferably lower than the assist gas pressure at the time of cutting.

図4(b)は、シールドガスノズル4から噴射するシールドエア圧を変化させた実験の結果を示している。被切断材Bに対しレーザ切断を行う場合、アシストガスに沿って酸素ガスからなるシールドガスを噴射するのが一般的である。しかし、ピアシング時にシールドガスとして酸素ガスを噴射させると、過大な量の酸素ガスが供給されることとなり、貫通孔の径が全体に大きくなることが判明した。このため、酸素純度を低下させたガス(本実験では酸素約21%の空気)をシールドガスとしてアシストガスに沿って噴射させると共に、ピアシングに適したシールドガス圧を判定した。   FIG. 4B shows the result of an experiment in which the shield air pressure injected from the shield gas nozzle 4 is changed. When laser cutting is performed on the material to be cut B, it is common to inject a shield gas made of oxygen gas along the assist gas. However, it has been found that if oxygen gas is injected as a shielding gas during piercing, an excessive amount of oxygen gas is supplied, and the diameter of the through-hole is increased as a whole. For this reason, a gas with reduced oxygen purity (air of about 21% oxygen in this experiment) was injected along the assist gas as a shielding gas, and the shielding gas pressure suitable for piercing was determined.

図に示すように、シールドガスを噴射しない状態からシールドガス圧0.4MPaとした範囲で孔あけ成功率100%であり、シールドガス圧0.45MPaのとき孔あけ成功率は80%であった。また、孔直径はシールドガス圧が0.1MPa〜0.45MPaの範囲で1.3mm〜2mmであり、シールドガスを噴射しない場合、0.05MPaの場合に3.5mm、3.4mmであった。   As shown in the figure, the drilling success rate was 100% in the range where the shield gas was not injected and the shield gas pressure was 0.4 MPa. When the shield gas pressure was 0.45 MPa, the drilling success rate was 80%. . The hole diameter was 1.3 mm to 2 mm when the shield gas pressure was in the range of 0.1 MPa to 0.45 MPa, and when the shield gas was not injected, it was 3.5 mm and 3.4 mm when 0.05 MPa. .

この実験の結果、シールドガスとして酸素約21%の空気を用いた場合、圧力を0.1MPa〜0.4MPaの範囲であることが好ましいといえる。また、酸素ガスと窒素ガスを混合器で混合させることで、酸素ガスを所望の比率で混合させたガスをシールドガスとして用いる場合、酸素ガスの混合比を高くしたときには圧力を低下することが好ましく、酸素ガスの混合比を低くしたときには圧力を高くすることが好ましい。   As a result of this experiment, when air of about 21% oxygen is used as the shielding gas, it can be said that the pressure is preferably in the range of 0.1 MPa to 0.4 MPa. Further, when oxygen gas and nitrogen gas are mixed in a mixer so that a gas in which oxygen gas is mixed at a desired ratio is used as a shielding gas, it is preferable that the pressure is decreased when the oxygen gas mixing ratio is increased. When the oxygen gas mixing ratio is lowered, it is preferable to increase the pressure.

図3(b)に示すように、ピアシングを行う際に、被切断材Bに照射するレーザ光7は、連続発振モードよりもパルスモードが好ましい実験結果を得ている。このため、図4(c)に示す実験では、周波数を変化させたパルス状レーザ光7を照射してピアシングを行ったときの実験結果を示している。   As shown in FIG. 3B, when piercing is performed, the laser beam 7 irradiated to the material to be cut B has obtained an experimental result in which the pulse mode is preferable to the continuous oscillation mode. For this reason, the experiment shown in FIG. 4C shows an experimental result when the piercing is performed by irradiating the pulsed laser beam 7 with the frequency changed.

図に示すように、周波数が10Hz、1600Hzのとき、孔あけ成功率は60%であり、25Hz、50Hz、800Hzのとき、孔あけ成功率は80%であった。また、100Hz〜600Hzの範囲では、孔あけ成功率は100%であった。また、孔直径は10Hz〜1600Hzの範囲で1.2mm〜1.5mmであった。   As shown in the figure, the drilling success rate was 60% when the frequency was 10 Hz and 1600 Hz, and the drilling success rate was 80% when the frequency was 25 Hz, 50 Hz, and 800 Hz. In the range of 100 Hz to 600 Hz, the drilling success rate was 100%. Moreover, the hole diameter was 1.2 mm-1.5 mm in the range of 10 Hz-1600 Hz.

この実験の結果、周波数は100Hz〜600Hzの範囲であることが好ましいといえる。   As a result of this experiment, it can be said that the frequency is preferably in the range of 100 Hz to 600 Hz.

上記の如き一連の実験を行った結果に基づいて、レーザ光7の焦点Sを被切断材Bの板厚の内部方向の位置に設定し、この位置を保持した状態で、レーザノズルAから被切断材Bに向けて、ピーク出力がレーザ発振器11の定格出力の50%以上で且つデューティ比が50%以上に設定されたパルス状レーザ光を照射し、且つ被切断材Bを切断するのに適したアシストガスの圧力よりも低い圧力に設定したアシストガスを噴射すると共にアシストガスの外側に酸素ガスを含むシールドガスを噴射することで、良好なピアシングを行って貫通孔8を形成することが可能となる。   Based on the results of a series of experiments as described above, the focal point S of the laser beam 7 is set at a position in the inner direction of the plate thickness of the material B to be cut, and the laser nozzle A applies a target while maintaining this position. To irradiate the cutting material B with a pulsed laser beam having a peak output of 50% or more of the rated output of the laser oscillator 11 and a duty ratio of 50% or more, and to cut the material B to be cut. The through-hole 8 can be formed by performing good piercing by injecting an assist gas set to a pressure lower than a suitable assist gas pressure and injecting a shield gas containing oxygen gas outside the assist gas. It becomes possible.

そして、上記の如くして形成された貫通孔8では、被切断材Bの裏面側の径が連続して切断を行うのに必要とされる寸法を有しており、円滑に切断に移行することが可能である。   And in the through-hole 8 formed as mentioned above, the diameter of the back surface side of the material to be cut B has a dimension required for continuous cutting, and smoothly shifts to cutting. It is possible.

次に、第2実施例に係るピアシング方法について説明する。本実施例に係るピアシング方法は、被切断材の厚さがレーザ発振器のピーク出力に応じたピアシング可能厚さよりも大きい場合に、この被切断材を良好な状態でピアシングするものである。   Next, a piercing method according to the second embodiment will be described. In the piercing method according to the present embodiment, when the thickness of the material to be cut is larger than the thickness that can be pierced according to the peak output of the laser oscillator, the material to be cut is pierced in a good state.

前述したように、レーザ発振器のピーク出力が設定されたとき、このピーク出力でピアシングし得る被切断材Bの厚さには上限が生じる。このため、本実施例では、予め被切断材に貫通することのない下穴を形成し、該下穴の底部から裏面までの厚さをレーザ発振器のピーク出力でピアシングし得る寸法としている。   As described above, when the peak output of the laser oscillator is set, there is an upper limit in the thickness of the material B to be pierced by this peak output. For this reason, in this embodiment, a pilot hole that does not penetrate through the material to be cut is formed in advance, and the thickness from the bottom to the rear surface of the pilot hole is set to a dimension that can be pierced by the peak output of the laser oscillator.

下穴を形成する方法については特に限定するものではなく、ドリル等の穴あけ工具を用いて形成する方法であって良い。しかし、作業性の面や設備の簡易性から見て、ピアシングを行う際に用いるレーザ発振器を利用して下穴を形成することが好ましい。   The method of forming the pilot hole is not particularly limited, and may be a method of forming using a drilling tool such as a drill. However, from the viewpoint of workability and the simplicity of equipment, it is preferable to form the pilot hole using a laser oscillator used for piercing.

本実施例では、ピアシングを行うためのレーザ発振器11を用いて下穴を形成し、その後、同じレーザ発振器11によって貫通孔を形成している。本実施例に係るピアシング方法について図5を用いて説明する。   In this embodiment, a pilot hole is formed using a laser oscillator 11 for piercing, and then a through hole is formed by the same laser oscillator 11. A piercing method according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

図5(a)に示すように、被切断材Bに下穴を形成する際に、レーザノズルAを被切断材Bに対向させ、焦点Sが被切断材Bの表面から上方に距離L離隔する位置(レーザノズルAの高さH)となるように設定する。この位置を保持して、後述する実験で得た条件でレーザ光7を照射すると共にアシストガス及びシールドガスを噴射する。この結果、同図(b)に示すように、下穴9が形成される。   As shown in FIG. 5A, when forming the pilot hole in the workpiece B, the laser nozzle A is opposed to the workpiece B, and the focal point S is separated from the surface of the workpiece B by a distance L. It is set so that it becomes the position (height H of the laser nozzle A). While maintaining this position, the laser beam 7 is irradiated under the conditions obtained in the later-described experiment, and the assist gas and the shield gas are injected. As a result, the pilot hole 9 is formed as shown in FIG.

その後、同図(c)に示すように、レーザノズルAを被切断材Bに接近(下降)させ、レーザ光7の焦点Sを下穴9の底部から裏面側に(被切断材Bの厚さの内部方向に)距離D入り込んだ位置に設定し、前述の第1実施例と同じ条件でレーザ光7を照射すると共に、アシストガス及びシールドガスを噴射することで、同図(d)に示すように、被切断材Bの厚さ方向に下穴9と連続した貫通孔8を形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 3C, the laser nozzle A is moved close to (to be lowered) the material to be cut B, and the focal point S of the laser light 7 is moved from the bottom of the pilot hole 9 to the back side (the thickness of the material to be cut B). (Inward direction) is set to a position where the distance D enters, and the laser beam 7 is irradiated under the same conditions as in the first embodiment, and the assist gas and the shield gas are injected, so that FIG. As shown, a through hole 8 continuous with the pilot hole 9 is formed in the thickness direction of the material B to be cut.

上記手順により、レーザ発振器11のピーク出力ではピアシング不能である厚さを持った被切断材Bに対するピアシングを行うことが可能である。   By the above procedure, it is possible to pierce the workpiece B having a thickness that cannot be pierced at the peak output of the laser oscillator 11.

次に、被切断材Bに下穴9を形成する際の条件を設定するためにした実験結果について図6、7により説明する。尚、本実施例に於いて、被切断材Bとして、材質;SS400、厚さ;19mmの鋼板を用いて、レーザ発振器11として、ピーク出力4000Wの炭酸ガスレーザを用いている。   Next, experimental results for setting conditions for forming the pilot holes 9 in the workpiece B will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, a material: SS400, a thickness: 19 mm steel plate is used as the material to be cut B, and a carbon dioxide gas laser having a peak output of 4000 W is used as the laser oscillator 11.

下穴9は、形成された後、連続して底部を起点とするピアシングが行われる。このため、必ずしもピアシングの際に形成する貫通孔8と同様の形状である必要はなく、被切断材Bの表面側の径が大きく、厚さの内部方向に入り込むに従って径が小さくなるテーパ状であることが好ましい。そして、底部の径は貫通孔8に於ける裏面側の径よりも十分に大きい寸法であって良い。   After the pilot hole 9 is formed, piercing is continuously performed starting from the bottom. For this reason, it is not always necessary to have the same shape as the through-hole 8 formed at the time of piercing. The diameter of the surface B of the material to be cut B is large, and the diameter decreases as it enters the thickness in the inner direction. Preferably there is. The diameter of the bottom may be sufficiently larger than the diameter of the back surface side in the through hole 8.

また、下穴9の深さは、レーザ発振器11のピーク出力に応じて設定されたピアシングの最大厚さに対応して設定される。例えば、レーザ発振器11のピーク出力が4000Wである場合、ピアシング可能な最大厚さは16mm程度である。従って、ピーク出力が4000Wのレーザ発振器11を用いて、厚さが19mmの被切断材Bをピアシングする場合、下穴9の深さは3mm以上であることが必要である。   The depth of the pilot hole 9 is set corresponding to the maximum piercing thickness set according to the peak output of the laser oscillator 11. For example, when the peak output of the laser oscillator 11 is 4000 W, the maximum thickness that can be pierced is about 16 mm. Therefore, when the workpiece B having a thickness of 19 mm is pierced using the laser oscillator 11 having a peak output of 4000 W, the depth of the pilot hole 9 needs to be 3 mm or more.

図6(a)は、被切断材Bを厚さ方向に貫通することのない下穴9を形成する際に、レーザ光7の焦点Sを被切断材Bに対し如何なる位置に設定したときに、良好な形状を持った下穴9を形成し得るか、を判定するための実験を行った結果を示すものである。   FIG. 6A shows a state in which the focal point S of the laser beam 7 is set at any position with respect to the material to be cut B when forming the prepared hole 9 that does not penetrate the material to be cut B in the thickness direction. The result of having conducted the experiment for determining whether the pilot hole 9 with a favorable shape can be formed is shown.

図に示すように、焦点Sの位置は被切断材Bの表面から離隔する方向に+7mm〜+1mm、表面上、深さ方向に−1mm〜−4mmまで1mm刻みで変化させた。この結果、下穴9の深さは4.5mm〜8.1mmの範囲にあった。このような深さを持った下穴9の場合、底部から被切断材Bの裏面までの寸法(見掛け上の板厚)は14.5mm〜10.9mmとなり、ピーク出力4000Wのレーザ発振器11で確実にピアシングし得る寸法である。   As shown in the figure, the position of the focal point S was changed in increments of 1 mm from +7 mm to +1 mm in the direction away from the surface of the workpiece B and from −1 mm to −4 mm in the depth direction on the surface. As a result, the depth of the pilot hole 9 was in the range of 4.5 mm to 8.1 mm. In the case of the pilot hole 9 having such a depth, the dimension (apparent plate thickness) from the bottom to the back surface of the material B to be cut is 14.5 mm to 10.9 mm, and the laser oscillator 11 having a peak output of 4000 W is used. It is a dimension that can be reliably pierced.

また、下穴直径は、焦点Sの位置が+7mm〜+1mmの範囲の場合、3.1mm〜2mmの範囲にあり、焦点Sが表面にある場合、1.8mmであり、焦点Sが−1mm〜−4mmの場合、1.8mm〜1.5mmの範囲にあった。前述したように、下穴9の径は次工程でピアシングを行うことから余り小さいのは好ましくはなく、少なくとも1.5mmよりも大きいことが好ましい。   Further, the pilot hole diameter is in the range of 3.1 mm to 2 mm when the position of the focus S is in the range of +7 mm to +1 mm, 1.8 mm when the focus S is on the surface, and the focus S is from −1 mm to In the case of -4 mm, it was in the range of 1.8 mm to 1.5 mm. As described above, the diameter of the pilot hole 9 is not preferably too small because piercing is performed in the next step, and is preferably at least larger than 1.5 mm.

従って、下穴9を形成する際のレーザ光7の焦点Sの位置は−2mm〜+7mmの範囲であることが好ましく、被切断材Bの表面から離隔する方向に設定されていることがより好ましく、+5mmよりも離隔した位置にあることが望ましい。   Therefore, the position of the focal point S of the laser beam 7 when forming the pilot hole 9 is preferably in the range of −2 mm to +7 mm, and more preferably set in a direction away from the surface of the material B to be cut. , +5 mm is desirable.

図6(b)は、レーザ発振器11の出力を定格出力の100%とし、デューティ比を30%〜100%の範囲で変化させることで、平均出力を変化させた実験の結果を示すものである。図に示すように、デューティ比が30%〜100%の範囲で、深さが5.3mm〜7.3mmの下穴9を得た。   FIG. 6B shows the result of an experiment in which the average output is changed by setting the output of the laser oscillator 11 to 100% of the rated output and changing the duty ratio in the range of 30% to 100%. . As shown in the figure, a pilot hole 9 having a depth of 5.3 mm to 7.3 mm was obtained in a duty ratio range of 30% to 100%.

また、下穴直径は、デューティ比が30%、40%である場合、0.8mm、1.2mmであり、デューティ比が100%の場合には3mmであった。また、デューティ比が50%以上では、1.5mm〜2.8mmであった。   The pilot hole diameter was 0.8 mm and 1.2 mm when the duty ratio was 30% and 40%, and 3 mm when the duty ratio was 100%. Further, when the duty ratio was 50% or more, it was 1.5 mm to 2.8 mm.

また、ドロスの高さは、デューティ比が80%のとき0.7mmであり、90%のとき0.9mm、更に、95%、98%では1mm、100%では1.3mmであった。   The height of the dross was 0.7 mm when the duty ratio was 80%, 0.9 mm when the duty ratio was 90%, 1 mm when 95% and 98%, and 1.3 mm when 100%.

この実験の結果、下穴9を形成する場合、下穴9の深さ、直径に観点をおくと、レーザ光7は、CWモード、及びデューティ比が50%以上のパルスモードであって良い。しかし、被切断材Bの表面に付着したドロスの状態からすると、デューティ比が90%よりも低いパルスモードであることが好ましい。従って、下穴9を形成する際に用いるレーザ光7は、デューティ比が50%以上であることが好ましく、50%〜90%の範囲であることがより好ましい。更に、70%〜90%の範囲であると望ましい。   As a result of this experiment, when the pilot hole 9 is formed, the laser light 7 may be in a CW mode and a pulse mode with a duty ratio of 50% or more in view of the depth and diameter of the pilot hole 9. However, from the state of dross attached to the surface of the workpiece B, it is preferable that the pulse mode is a pulse mode lower than 90%. Therefore, the duty ratio of the laser beam 7 used when forming the pilot hole 9 is preferably 50% or more, and more preferably in the range of 50% to 90%. Furthermore, it is desirable that it is in the range of 70% to 90%.

図7(a)は、ノズル1から噴射するアシストガス圧を変化させた実験の結果を示している。図に示すように、下穴9の深さは、アシストガス圧が0.01MPa〜0.05MPaの範囲で6.9mm〜8.5mmであり、充分に下穴としての機能を発揮することが可能である。   FIG. 7A shows the result of an experiment in which the assist gas pressure injected from the nozzle 1 is changed. As shown in the figure, the depth of the pilot hole 9 is 6.9 mm to 8.5 mm when the assist gas pressure is in the range of 0.01 MPa to 0.05 MPa, and can sufficiently exhibit the function as the pilot hole. Is possible.

下穴直径は、アシストガス圧が0.01MPa〜0.04MPaの範囲で1.5mm〜2.5mmの範囲にあり、0.05MPaのとき4.5mmであった。また、被切断材Bの表面に付着したドロスの高さは、アシストガス圧が0.03MPa〜0.04MPaの範囲で1mmであり、0.05MPaのとき1.5mmであった。   The diameter of the pilot hole was in the range of 1.5 mm to 2.5 mm when the assist gas pressure was in the range of 0.01 MPa to 0.04 MPa, and 4.5 mm when 0.05 MPa. Further, the height of the dross attached to the surface of the material B to be cut was 1 mm when the assist gas pressure was in the range of 0.03 MPa to 0.04 MPa, and 1.5 mm when 0.05 MPa.

この実験の結果、下穴9を形成する場合、下穴9の深さ、直径に観点をおくと、アシストガス圧は0.01MPa〜0.05MPaの範囲であって良い。しかし、ドロスの付着状態からすると、0.025MPaよりも低いことが好ましい。   As a result of this experiment, when the pilot hole 9 is formed, the assist gas pressure may be in the range of 0.01 MPa to 0.05 MPa in view of the depth and diameter of the pilot hole 9. However, in terms of dross adhesion, it is preferably lower than 0.025 MPa.

図7(b)は、シールドガスノズル4から噴射するシールドエア圧を変化させた実験の結果を示している。本実施例では、前述の第1実施例と同様にシールドガスとして酸素約21%の空気をアシストガスに沿って噴射させている。   FIG. 7B shows a result of an experiment in which the shield air pressure injected from the shield gas nozzle 4 is changed. In the present embodiment, air of about 21% oxygen is injected along the assist gas as the shielding gas, as in the first embodiment.

図に示すように、シールドガスを噴射しない状態からシールドガス圧0.4MPaとした範囲で得た下穴9の深さは6.2mm〜9.6mmの範囲にあり、何れも下穴9として好ましく利用することが可能である。   As shown in the figure, the depth of the pilot hole 9 obtained in the range where the shield gas pressure is 0.4 MPa from the state where the shield gas is not injected is in the range of 6.2 mm to 9.6 mm. It can be preferably used.

下穴直径はシールドガスを噴射しない状態からシールドガス圧0.15MPaとした範囲で、5mm〜6mmの範囲にあり、0.2MPa〜0.4MPaの範囲では、2mm〜2.5mmであった。また、ドロスの高さは、シールドガスを噴射しない状態からシールドガス圧0.15MPaとした範囲で、1.5mm〜5mmであり、0.2MPaでは0.9mmであり、0.25MPa〜0.4MPaの範囲では0.5mm〜0.6mmであった。   The diameter of the pilot hole was in the range of 5 mm to 6 mm when the shield gas pressure was 0.15 MPa from the state where no shield gas was injected, and was 2 mm to 2.5 mm within the range of 0.2 MPa to 0.4 MPa. Further, the height of the dross is 1.5 mm to 5 mm in a range where the shield gas pressure is 0.15 MPa from the state where the shield gas is not injected, 0.9 mm at 0.2 MPa, and 0.25 MPa to 0.00 mm. It was 0.5 mm to 0.6 mm in the range of 4 MPa.

この実験の結果、シールドガスとして酸素約21%の空気を用いた場合、下穴直径及びドロスの付着状態の面から、圧力を0.2MPa〜0.4MPaの範囲であることが好ましく、0.25MPa〜0.4MPaの範囲であることがより好ましい。また、酸素ガスの濃度を高くしたときには圧力を低くすることが好ましく、酸素ガスの濃度を低くしたときには圧力を高くすることが好ましい。   As a result of this experiment, when air of about 21% oxygen is used as the shielding gas, the pressure is preferably in the range of 0.2 MPa to 0.4 MPa in view of the pilot hole diameter and the attached state of dross. A range of 25 MPa to 0.4 MPa is more preferable. Further, the pressure is preferably lowered when the concentration of oxygen gas is increased, and the pressure is preferably increased when the concentration of oxygen gas is decreased.

下穴9を形成する際に、被切断材Bに照射するレーザ光7は、CWモードよりもPWモードが好ましい実験結果を得ている(図6(b)参照)。このため、図7(c)に示す実験では、周波数を変化させたパルス状レーザ光7を照射して下穴9を形成したときの実験結果を示している。   When forming the pilot hole 9, the laser light 7 irradiated to the material B to be cut has obtained an experimental result in which the PW mode is preferable to the CW mode (see FIG. 6B). For this reason, the experiment shown in FIG. 7C shows an experimental result when the pilot hole 9 is formed by irradiating the pulsed laser beam 7 with the frequency changed.

図に示すように、周波数が10Hz、1600Hzのとき、下穴深さは5.5mm〜7.3mmの範囲にあり、下穴直径は1.6mm〜2.3mmの範囲にある。また、ドロスの高さは、0.5mm〜0.7mmの範囲にある。   As shown in the figure, when the frequency is 10 Hz and 1600 Hz, the pilot hole depth is in the range of 5.5 mm to 7.3 mm, and the pilot hole diameter is in the range of 1.6 mm to 2.3 mm. The height of the dross is in the range of 0.5 mm to 0.7 mm.

この実験の結果、周波数は10Hz〜1600Hzの範囲であれば好ましいといえる。   As a result of this experiment, it can be said that the frequency is preferably in the range of 10 Hz to 1600 Hz.

上記の如き一連の実験の結果に基づいて、レーザ光7の焦点Sを被切断材Bの表面から離隔した位置に設定し、この位置を保持した状態で、レーザノズルAから被切断材Bに向けて、ピーク出力がレーザ発振器11の定格出力の50%以上で且つデューティ比が50%以上に設定されたパルス状レーザ光7を照射し、且つ被切断材Bを切断するのに適したアシストガスの圧力よりも低い圧力に設定したアシストガスを噴射すると共にアシストガスの外側に酸素ガスを含むシールドガスを噴射することで、良好な形状を持った下穴9を形成することが可能である。   Based on the results of a series of experiments as described above, the focal point S of the laser beam 7 is set at a position separated from the surface of the material to be cut B, and the laser nozzle A is moved to the material B to be cut while this position is maintained. Toward this, an assist suitable for irradiating pulsed laser light 7 having a peak output of 50% or more of the rated output of the laser oscillator 11 and a duty ratio of 50% or more and cutting the material B to be cut. By injecting the assist gas set to a pressure lower than the gas pressure and injecting the shield gas containing oxygen gas outside the assist gas, it is possible to form the pilot hole 9 having a good shape. .

そして、上記の如くして下穴9を形成した後、レンズ2を被切断材Bに向けて接近させることで焦点Sの位置を下穴9の底部から被切断材Bの厚さの内部方向に設定し、この状態を保持して第1実施例に係るピアシング方法を実施することで、下穴9の底部に連続させて貫通孔8を形成することが可能である。   Then, after forming the pilot hole 9 as described above, the lens 2 is brought closer to the workpiece B, so that the position of the focal point S is changed from the bottom of the pilot hole 9 to the internal direction of the thickness of the workpiece B. It is possible to form the through-hole 8 continuously with the bottom of the pilot hole 9 by carrying out the piercing method according to the first embodiment while maintaining this state.

そして、上記の如くして形成された貫通孔8では、被切断材Bの裏面側の径が連続して切断を行うのに必要とされる寸法を有しており、円滑に切断に移行することが可能である。   And in the through-hole 8 formed as mentioned above, the diameter of the back surface side of the material to be cut B has a dimension required for continuous cutting, and smoothly shifts to cutting. It is possible.

上記の如く構成した本発明のレーザ切断方法では、被切断材の温度を実測することなくバーニングの発生を防止して円滑な且つ安定した切断を行うことが可能となり有利である。   The laser cutting method of the present invention configured as described above is advantageous in that it is possible to prevent the occurrence of burning and perform smooth and stable cutting without actually measuring the temperature of the material to be cut.

A レーザノズル
B 被切断材
S 焦点
D、L 焦点Sの位置
H レーザノズルの被切断材の表面からの高さ
1 ノズル
2 レンズ
3 光軸
4 シールドガスノズル
5、6 室
7 レーザ光
8 貫通孔
9 下穴
11 レーザ発振器
12 アシストガス供給装置
12a、13a ホース
13 シールドガス供給装置
14 焦点位置調整装置
A Laser nozzle B Material to be cut S Focus D, L Position of focus S Height of laser nozzle from the surface of the material to be cut 1 Nozzle 2 Lens 3 Optical axis 4 Shield gas nozzle 5, 6 Chamber 7 Laser light 8 Through hole 9 Pilot hole 11 Laser oscillator 12 Assist gas supply device 12a, 13a Hose 13 Shield gas supply device 14 Focus position adjustment device

Claims (3)

レーザノズルから被切断材に向けてレーザ光を照射すると共に酸素ガスからなるアシストガスを噴射して該被切断材に厚さ方向の貫通孔を形成するレーザピアシング方法であって、レーザ光の焦点を被切断材の板厚の内部方向の位置に設定すると共に該位置を保持した状態で、レーザノズルから被切断材に向けて、ピーク出力がレーザ発振器の定格出力の50%以上で且つデューティ比が50%以上に設定されたパルス状レーザ光を照射すると共に該被切断材を切断するのに適したアシストガスの圧力よりも低い圧力に設定したアシストガスを噴射し、且つ前記アシストガスの外側に酸素ガスを含むシールドガスを噴射することを特徴とするレーザピアシング方法。 A laser piercing method in which a laser beam is irradiated from a laser nozzle toward a material to be cut and an assist gas made of oxygen gas is injected to form a through-hole in the thickness direction in the material to be cut. Is set to a position in the inner direction of the plate thickness of the material to be cut, and with this position held, the peak output is 50% or more of the rated output of the laser oscillator and the duty ratio from the laser nozzle toward the material to be cut Is irradiated with a pulsed laser beam set at 50% or more, and an assist gas set to a pressure lower than the pressure of the assist gas suitable for cutting the material to be cut is injected, and the outside of the assist gas A laser piercing method characterized by injecting a shielding gas containing oxygen gas into the substrate. 被切断材に厚さ方向に貫通することのない下穴を形成した後、該下穴に請求項1に記載したレーザピアシング方法を適用することを特徴とするレーザピアシング方法。 A laser piercing method according to claim 1, wherein the laser piercing method according to claim 1 is applied to the prepared hole after forming a prepared hole that does not penetrate in the thickness direction in the workpiece. 前記下穴は、レーザ光の焦点を被切断材の表面から離隔した位置に設定すると共に該位置を保持した状態で、レーザノズルから被切断材に向けて、ピーク出力がレーザ発振器の定格出力の50%以上で且つデューティ比が50%以上に設定されたパルス状レーザ光を照射すると共に該被切断材を切断するのに適したアシストガスの圧力よりも低い圧力に設定したアシストガスを噴射し、且つ前記アシストガスの外側に酸素ガスを含むシールドガスを噴射することで形成することを特徴とする請求項2に記載したレーザピアシング方法。 The pilot hole is set at a position where the focal point of the laser beam is separated from the surface of the material to be cut, and the peak output from the laser nozzle toward the material to be cut is maintained at this position. The assist gas set at a pressure lower than the pressure of the assist gas suitable for cutting the material to be cut is applied while irradiating the pulsed laser beam with the duty ratio set to 50% or more and 50% or more. 3. The laser piercing method according to claim 2, wherein the laser piercing method is formed by injecting a shielding gas containing oxygen gas outside the assist gas.
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