JP2015174096A - レーザ切断方法及びレーザ切断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ切断の効率を向上することが可能な、新規かつ改良されたレーザ切断方法及びレーザ切断装置を提供する。【解決手段】上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、被切断材料にトーチ部からレーザビームを集光照射し、かつレーザビームの集光点を被切断材料上で走査することで、被切断材料を切断するレーザ切断方法であって、レーザビームの光軸とトーチ部の移動方向に垂直な基準面とのなす傾斜角度を、トーチ部の移動速度に基づいて調整することを特徴とする、レーザ切断方法が提供される。【選択図】図４

Description

本発明は、レーザ切断方法及びレーザ切断装置に関する。

レーザ発振器の発達に伴い、特許文献１に開示されるように、レーザビームを用いて被切断材料（例えば金属材料）を所望の形状に切断するレーザ切断方法が広く用いられるようになってきている。レーザ切断方法は、後処理工程不要、自動化が可能、高速切断が可能といった様々な利点を持つことから、広く産業において、各種被切断材料の切断に用いられている。

ここで、従来のレーザ切断方法、すなわち従来のレーザ切断装置が行う処理の概要について説明する。レーザ切断装置は、被切断材料の表面にトーチ部からレーザビームを集光照射する。集光照射されたレーザビームは、被切断材料に吸収される。被切断材料は、レーザビームが有する熱エネルギーにより加熱され、溶融する。一方、レーザ切断装置は、アシストガスをレーザビームと同軸方向に吹き付ける。これにより、溶鋼はアシストガスにより被切断材料の下方へと排除される。

そして、レーザ切断装置は、レーザビームの集光点を被切断材料上で走査しながら上記の処理を繰り返すことで、被切断材料の溶融及び排除を連続的に行う。これにより、レーザ切断装置は、被切断材料の切断を行う。

ここで、レーザビームの照射により被切断材料が除去された部分は、切断カーフ、又は単にカーフと呼ばれる。また、カーフの先端面はカーフフロントとも称される。カーフフロントは、レーザビームの集光点の下方に形成される。

特開２０１３−７５３３１号公報

ところで、被切断材料が厚くなるほど、切断に要する熱エネルギーが大きくなる。一方、レーザ切断装置には出力限界がある。このため、被切断材料が厚くなるほど、トーチ部の移動速度を小さくする必要がある。そして、トーチ部の移動速度が小さくなるほど、カーフフロントの傾斜角度（カーフフロントとトーチ部の移動方向に垂直な基準面とのなす角度）が小さくなる。

一方、レーザビームの入射角度（カーフフロントの法線とレーザビームの光軸とのなす角度）と被切断材料のレーザ吸収率との間には相関がある。そして、カーフフロントの傾斜角度が変動すると、レーザビームの入射角度も変動する。すなわち、カーフフロントの傾斜角度が小さくなるほど、被切断材料のレーザ吸収率が小さくなる。

したがって、被切断材料が厚くなるほど、被切断材料に大量の熱エネルギーを投入する必要があり、切断効率が非常に悪かった。そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、レーザ切断の効率を向上することが可能な、新規かつ改良されたレーザ切断方法及びレーザ切断装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、被切断材料にトーチ部からレーザビームを集光照射し、かつレーザビームの集光点を被切断材料上で走査することで、被切断材料を切断するレーザ切断方法であって、レーザビームの光軸とトーチ部の移動方向に垂直な基準面とのなす傾斜角度を、トーチ部の移動速度に基づいて調整することを特徴とする、レーザ切断方法が提供される。

ここで、被切断材料のレーザ吸収率が増大するように傾斜角度を調整してもよい。

また、傾斜角度を、被切断材料のレーザ吸収率が最大となる値に調整してもよい。

また、レーザビームの集光点を被切断材料上でトーチ部の移動方向と交差する方向に振動させてもよい。

本発明の他の観点によれば、被切断材料にトーチ部からレーザビームを集光照射し、かつレーザビームの集光点を被切断材料上で走査することで、被切断材料を切断するレーザ切断装置であって、レーザビームの光軸とトーチ部の移動方向に垂直な基準面とのなす傾斜角度を、トーチ部の移動速度に基づいて調整する制御部を備えることを特徴とする、レーザ切断装置が提供される。

以上説明したように本発明によれば、レーザビームの光軸とトーチ部の移動方向に垂直な基準面とのなす傾斜角度を、トーチ部の移動速度に基づいて調整するので、トーチ部の移動速度に応じてレーザ吸収率を調整することができる。これにより、本発明によれば、レーザ切断の効率を向上することができる。

本発明の実施形態に係るレーザ切断装置の外観を示す斜視図である。 レーザ切断装置が備えるレーザ振動部及びトーチ部の構成を示す側断面図である。 レーザ切断装置が備える制御装置の内部構成を示すブロック図である。 レーザビームの光軸をトーチ部の移動方向に垂直な平面から外す制御の概要を示す説明図である。 集光点の軌跡を示す説明図である。 トーチの移動速度（送り速度）とカーフフロントの傾斜角度との相関を示すグラフである。 被切断材料の切断面を概略的に示す説明図である。 レーザビームによって被切断材料が切断される様子を示す斜視図である。 レーザビームの入射角度と被切断材料のレーザ吸収率との相関を示すグラフである。 カーフフロントの傾斜角度と被切断材料のレーザ吸収率との相関を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、以下の説明において、「被切断材料Ｗの表面」は、被切断材料Ｗの板厚方向に垂直な２つの平面のうち、レーザビームＬＢ（図２、図４参照）が照射される面を意味する。「被切断材料Ｗの裏面」は、被切断材料Ｗの板厚方向に垂直な２つの平面のうち、「被切断材料Ｗの表面」に対向する面を意味する。

＜１．本発明者による検討＞
本発明者は、従来のレーザ切断装置及びレーザ切断方法を検討することで、本実施形態に係るレーザ切断装置及びレーザ切断方法に想到した。そこで、まず、本発明者が行った検討について説明する。

図８に示すように、従来のレーザ切断装置は、被切断材料Ｗの表面にトーチ部７からレーザビームＬＢを集光照射する。ここで、レーザビームＬＢは、例えばＣＯ_２レーザ発振器、ＹＡＧレーザ発振器等から射出される。また、レーザビームの光軸（レーザビームの光束の中心軸）ＬＢａは被切断材料Ｗの表面に直交する。集光照射されたレーザビームＬＢは、被切断材料Ｗに吸収される。被切断材料Ｗは、レーザビームＬＢが有する熱エネルギーにより加熱され、溶融する。一方、レーザ切断装置は、アシストガスをレーザビームＬＢと同軸方向に吹き付ける。これにより、溶鋼はアシストガスにより被切断材料Ｗの下方へと排除される。

ここで、アシストガスとして酸素を使用した場合、被切断材料Ｗは、酸素によって酸化され、これにより発生した熱エネルギーによっても溶融する。すなわち、アシストガスとして酸素を用いるレーザ切断装置は、レーザビームＬＢによる熱エネルギーと、酸素と被切断材料Ｗとの酸化反応により生じた熱エネルギーとを併用することで、被切断材料Ｗを溶融させる。

そして、レーザ切断装置は、レーザビームＬＢの集光点Ｐを被切断材料Ｗ上で走査しながら上記の処理を繰り返すことで、被切断材料Ｗの溶融及び排除を連続的に行う。これにより、レーザ切断装置は、被切断材料Ｗの切断を行う。

ここで、レーザビームＬＢの照射により被切断材料Ｗが除去された部分は、切断カーフ、又は単にカーフと呼ばれる。また、カーフの先端面はカーフフロントとも称される。図８では、被切断材料ＷにカーフＫ及びカーフフロントＫｆが形成されている。カーフフロントＫｆは、レーザビームＬＢの集光点Ｐの下方に形成される。

ところで、被切断材料Ｗが厚くなるほど、切断に要する熱エネルギーが大きくなる。一方、レーザ切断装置には出力限界がある。このため、被切断材料Ｗが厚くなるほど、トーチ部７の移動速度を小さくする必要がある。なお、図８中、ベクトルＶは移動速度を示す。そして、トーチ部７の移動速度が小さくなるほど、カーフフロントＫｆの傾斜角度ａが小さくなる。ここで、カーフフロントＫｆの傾斜角度ａは、カーフフロントＫｆとトーチ部７の移動方向に垂直な基準面１００とのなす角度である。

この理由は以下のとおりである。すなわち、上述したように、被切断材料Ｗは、熱エネルギーが表面から裏面に伝播されることで切断される。このため、被切断材料Ｗの表面が溶解してから裏面が溶解するまでにはタイムラグが生じる。このようなタイムラグによって、カーフフロントＫｆが傾斜する。そして、トーチ部７の移動速度が小さくなるほど、タイムラグが小さくなる。したがって、トーチ部７の移動速度が小さくなるほど、カーフフロントＫｆの傾斜角度ａが小さくなる。

一方、レーザビームＬＢの入射角度と被切断材料Ｗのレーザ吸収率との間には相関がある。ここで、レーザビームＬＢの入射角度は、図４に示すように、カーフフロントＫｆの法線１１０とレーザビームＬＢの光軸ＬＢａとのなす角度である。従来のレーザ切断装置では、レーザビームＬＢの光軸ＬＢａは被切断材料Ｗの表面と直交するため、入射角度は９０−ａ（°）で表される。したがって、カーフフロントＫｆの傾斜角度ａが変動すると、レーザビームＬＢの入射角度も変動する。具体的には、傾斜角度ａが小さくなると、入射角度は大きくなる。レーザ吸収率は、被切断材料Ｗに照射されるレーザビームＬＢの強度と被切断材料Ｗに吸収されるレーザビームＬＢの強度との比であり、例えばフラッシュ法等によって測定される。

図９に、レーザビームＬＢの入射角度と被切断材料Ｗのレーザ吸収率との相関を示す。グラフＬ１は、波長１０μｍのレーザビームＬＢの入射角度と被切断材料Ｗのレーザ吸収率との相関を示す。波長１０μｍのレーザビームＬＢとしては、例えばＣＯ_２レーザが挙げられる。グラフＬ２は、波長１μｍのレーザビームＬＢの入射角度と被切断材料Ｗのレーザ吸収率との相関を示す。波長１μｍのレーザビームＬＢとしては、例えばＹＡＧレーザが挙げられる。

図９に示すように、レーザビームＬＢの波長が１０μｍとなり、かつ、入射角度が８７．３°となる場合に、レーザ吸収率は最大値をとる。一方、レーザビームＬＢの波長が１μｍとなり、かつ、入射角度が７９．６°となる場合に、レーザ吸収率は最大値をとる。

そこで、本発明者は、カーフフロントＫｆの傾斜角度ａが小さくなった際に、被切断材料Ｗのレーザ吸収率がどのように変動するかを検討した。被切断材料Ｗが金属材料、例えば軟鋼となる場合、カーフフロントＫｆの傾斜角度ａは、最大でも２．５°程度となる。したがって、入射角度は８７．５°より大きくなるので、レーザ吸収率は最大値よりも小さい。さらに、カーフフロントＫｆの傾斜角度ａが小さくなる、即ち入射角度が大きくなるほど、レーザ吸収率が小さくなる。

上記のように、レーザビームＬＢの光軸ＬＢａと被切断材料Ｗの表面とのなす角度が一定となる場合（従来のレーザ切断装置では９０°）、レーザ吸収率はカーフフロントＫｆの傾斜角度ａの関数になる。図１０に、カーフフロントＫｆの傾斜角度ａとレーザ吸収率との相関を示す。グラフＬ３は、レーザビームＬＢの波長が１０μｍとなる場合の相関を示す。グラフＬ４は、レーザビームＬＢの波長が１μｍとなる場合の相関を示す。なお、いずれのグラフにおいても、レーザビームＬＢの光軸ＬＢａと被切断材料Ｗの表面とのなす角度は９０°となっている。これらのグラフからも明らかなように、傾斜角度ａが２．５°以下となる範囲内では、傾斜角度ａが小さくなるほど、レーザ吸収率が小さくなる。

したがって、被切断材料Ｗが厚くなるほど、被切断材料Ｗに大量の熱エネルギーを投入する必要があり、切断効率が非常に悪かった。そこで、本発明者は、従来のレーザ切断装置及びその問題点について鋭意検討したところ、入射角度を意図的に変更すれば、レーザ吸収率を増大させることができると考えた。上述したように、レーザ吸収率は入射角度の関数となり、かつ、ある入射角度で最大値をとるからである。

そして、本発明者は、入射角度を意図的に変更するための具体的な手段として、レーザビームＬＢの傾斜角度ｃ（図４参照、詳細は後述）を調整することに想到した。本発明者は、このような知見に基づいて、本実施形態に係るレーザ切断装置１及びレーザ切断方法に想到するに至った。

なお、従来のレーザ切断装置では、傾斜角度ｃは０°であった。これに対し、特許文献１に開示された技術は、リングレーザ（リングビーム）を被切断材料Ｗに照射するため、傾斜角度ｃは０°以外の値をとりうる。しかし、特許文献１では、傾斜角度ｃは固定値となっていたため、傾斜角度ａの変動、即ちトーチ部の移動速度の変動に追従できない。したがって、上記問題点を何ら解決することができなかった。以下、本実施形態について説明する。

＜２．被切断材料＞
まず、本実施形態の被切断材料Ｗ（図１参照）について説明する。本実施形態の被切断材料Ｗに求められる要件は以下の２つである。（１）レーザビームＬＢによる熱エネルギーによって溶融する。（２）酸素によって酸化され、これによって発生した熱エネルギーによって溶融する。すなわち、本実施形態に係るレーザ切断方法は、レーザビームＬＢによる熱エネルギーと、酸素と被切断材料Ｗとの反応によって生じた熱エネルギーとを併用することで、被切断材料Ｗを切断するものである。これらの要件を満たす被切断材料Ｗ、すなわち本実施形態に適用可能な被切断材料Ｗとしては、例えば軟鋼が挙げられる。なお、被切断材料Ｗの板厚は特に制限されない。
＜３．レーザ切断装置の構成＞
次に、図１〜図３にもとづいて、本発明の実施形態に係るレーザ切断装置１の構成について説明する。レーザ切断装置１は、図１に示すように、台車２と、レール３と、レーザ発振器４と、ミラーボックス５ａ〜５ｃと、レーザ導通管５ｄと、レーザ振動部６と、トーチ部７と、制御装置８とを備える。

台車２は、レール３上を図１中Ｘ軸方向（正方向または負方向）に移動するものであり、第１側面部２ａ、第２側面部２ｂ、第１底面部２ｃ、及び第２底面部２ｄを備える。台車２の移動は制御装置８により制御される。第１側面部２ａは、台車２の側面を構成し、レール３の長さ方向に伸びる。第２側面部２ｂは、台車２の側面を構成し、第１側面部２ａの長さ方向の一方の端部に設けられる。第２側面部２ｂの高さは第１側面部２ａの高さよりも大きい。

第１底面部２ｃは、第１側面部２ａの上端部同士を連結する平面であり、第１底面部２ｃ上にレーザ発振器４及び制御装置８が載せられる。第２底面部２ｄは、第２側面部２ｂの上端部同士を連結する平面であり、第２底面部２ｄ上にミラーボックス５ａ〜５ｃが載せられる。第２底面部２ｄには、第２底面部２ｄを板厚方向に貫通する貫通穴２ｅが第２底面部２ｄの長さ方向に亘って形成されている。この貫通穴２ｅには、レーザ導通管５ｄが通される。

レーザ発振器４は、例えば気体レーザ発振器（例えばＣＯ_２レーザ発振器）、固体レーザ発振器（例えばＹＡＧレーザ発振器）等であり、レーザビームＬＢをミラーボックス５ａに向けて射出する。レーザ発振器４が固体レーザ発振器となる場合、ミラーボックスの代わりに光ファイバを用いてレーザビームＬＢを伝送してもよい。ミラーボックス５ａは、第２底面部２ｄの長さ方向の両端部の内、一方の端部に設けられる。ミラーボックス５ａは、ミラーを内蔵しており、ミラーボックス５ａに到達したレーザビームＬＢをミラーボックス５ｂに向けて反射する。

ミラーボックス５ｂは、第２底面部２ｄの長さ方向の両端部の内、他方の端部に設けられる。ミラーボックス５ｂは、ミラーを内蔵しており、ミラーボックス５ｂに到達したレーザビームＬＢをミラーボックス５ｃに向けて反射する。すなわち、ミラーボックス５ｂは、レーザビームＬＢの光路長を調整するものである。

ミラーボックス５ｃは、ミラーボックス５ａ、５ｂの間に配置される。ミラーボックス５ｃは、ミラーを内蔵しており、ミラーボックス５ｃに到達したレーザビームＬＢをレーザ振動部６に向けて反射する。また、ミラーボックス５ｃは、第２底面部２ｄ上をＹ軸方向（正方向及び負方向）に移動可能となっている。ミラーボックス５ｃの移動は制御装置８によって制御される。レーザ導通管５ｄは、ミラーボックス５ｃの下端部に設けられ、ミラーボックス５ｃとレーザ振動部６とを連結する。また、レーザ導通管５ｄは、ミラーボックス５ｃで反射されたレーザビームＬＢをレーザ振動部６に伝達する。

レーザ振動部６は、レーザ導通管５ｄの下端部に設けられる。レーザ振動部６は、図２に示すように、ミラーボックス６ａと、ミラー６ｂ、６ｄと、ミラーホルダー６ｃ、６ｅと、ピエゾ素子６ｇとを備える。

ミラーボックス６ａは、中空構造となっており、ミラー６ｂ、６ｄと、ミラーホルダー６ｃ、６ｅと、ピエゾ素子６ｇとを格納する。レーザ振動部６に導入されたレーザビームＬＢは、ミラー６ｂ、６ｄに反射された後、トーチ部７に導入される。

ミラー６ｂは、ミラーホルダー６ｃに固定されている。また、ミラー６ｂの反射面は、ミラー６ｄ及び後述する集光レンズ７ｄに対向している。ミラーホルダー６ｃは、ピエゾ素子６ｇによって互いに直交する２つの回動方向に回動可能となっている。なお、ミラー６ｂはミラーホルダー６ｃと一体となって回動する。ミラーホルダー６ｃ、すなわちミラー６ｂが一方の回動方向（第１の回動方向）に回動することで、レーザビームＬＢの集光点Ｐが図１中Ｘ軸方向に移動する。また、ミラーホルダー６ｃ、すなわちミラー６ｂが他方の回動方向（第２の回動方向）に回動することで、レーザビームＬＢの集光点Ｐが図１中Ｙ軸方向に移動する。ピエゾ素子６ｇは、ミラーホルダー６ｃに設けられており、電気的に伸縮することで、ミラーホルダー６ｃ、すなわちミラー６ｂを２つの回動方向に回動させる。

具体的には、ピエゾ素子６ｇは、ミラー６ｂを第１の回動方向（Ｘ軸方向に相当）に回動させるピエゾ素子６１ｇと、ミラー６ｂを第２の回動方向（Ｙ軸方向に相当）に回動させるピエゾ素子６２ｇとに区分される。ピエゾ素子６１ｇ、６２ｇの伸縮、すなわちミラー６ｂの回動は制御装置８によって制御される。ミラー６ｄは、ミラーホルダー６ｅによってレーザ振動部６内に固定されている。また、ミラー６ｄの反射面は、ミラー６ｂの反射面に対向している。

本実施形態では、ミラー６ｂを回動させることで、レーザビームＬＢの光軸ＬＢａの傾斜角度ｃを調整し、かつ、集光点Ｐをトーチ部７の移動方向と垂直な方向に振動させる。

なお、本実施形態では、ミラー６ｂを２つの回動方向に回動させることとしたが、ミラー６ｂを第１の回動方向（または第２の回動方向）に回動させ、かつ、ミラー６ｄを第２の回動方向（または第１の回動方向）に回動させるようにしてもよい。この場合、ミラーホルダー６ｅにもピエゾ素子が設けられる。また、ミラーホルダー６ｅのみにピエゾ素子が設けられていてもよい。また、ミラー６ｂ、６ｄは直接または間接的に水冷されてもよい。また、レーザビームＬＢの伝送方向から見てミラー６ｄの手前のミラー、例えばミラーボックス５ｃに内蔵されたミラーに同様の機能を具備させることでレーザ振動部６を省略し、ミラー以降のレーザ光路を直線化してミラーボックス５ｃとトーチ部７とを直結することもできる。その場合、トーチ７の長さを適切な長さに延長して、トーチ７と被切断材料Ｗの距離を適切に保つ必要があることは言うまでもない。

トーチ部７は、レーザビームＬＢを被切断材料Ｗに集光照射するものであり、トーチ本体部７ａと、レーザ加工ノズル７ｂと、アシストガス供給口７ｃと、集光レンズ７ｄとを備える。トーチ本体部７ａは、中空構造となっている。トーチ本体部７ａの上端に集光レンズ７ｄが配置され、側面にアシストガス供給口７ｃが配置され、下端（先端）にレーザ加工ノズル７ｂが配置される。レーザビームＬＢは、トーチ本体部７ａの中空部を通ってレーザ加工ノズル７ｂから被切断材料Ｗに集光照射される。

レーザ加工ノズル７ｂは、レーザビームＬＢ及びアシストガスの出口となる開口面である。アシストガス供給口７ｃは、図示しないアシストガス供給装置から供給されるアシストガスをトーチ本体部７ａの中空部に導入する。アシストガスは、酸素ガスとなる。トーチ本体部７ａの中空部に導入されたアシストガスは、レーザ加工ノズル７ｂからレーザビームＬＢと同軸方向に噴射され、被切断材料Ｗに吹きつけられる。

集光レンズ７ｄは、トーチ本体部７ａ内に導入されたレーザビームＬＢを被切断材料Ｗに集光することで、被切断材料ＷにレーザビームＬＢの集光点Ｐを形成する。また、集光レンズ７ｄは、レーザ振動部６とトーチ部７との隔壁の役割も果たすので、容易にレーザ振動部６の気密性を保つことができる。ここで、集光点Ｐは、被切断材料Ｗの表面に形成してもよく、被切断材料Ｗの内部または上方に形成してもよい。

制御装置８は、概略的には、トーチ部７、すなわち集光点ＰをＸＹ軸方向に移動させる。さらに、制御装置８は、レーザビームＬＢの光軸ＬＢａの傾斜角度ｃをトーチ部７の移動速度に基づいて調整する。さらに、制御装置８は、集光点Ｐをトーチ部７の移動方向と直交する方向に振動させることで、集光点Ｐの軌跡を正弦波形状とする。

図３に示すように、制御装置８は、制御部８ａと、移動速度検出部８ｂと、演算部８ｃと、振動制御部８ｄと、アシストガス制御部８ｅとを備える。ここで、制御装置８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のハードウェア構成を備え、これらのハードウェア構成によって制御部８ａと、移動速度検出部８ｂと、演算部８ｃと、振動制御部８ｄと、アシストガス制御部８ｅとが実現される。すなわち、ＲＯＭには、制御部８ａと、移動速度検出部８ｂと、演算部８ｃと、振動制御部８ｄと、アシストガス制御部８ｅとを実現するために必要なプログラムが記録されており、ＣＰＵは、ＲＯＭに記録されたプログラムを読みだして実行する。これにより、制御部８ａと、移動速度検出部８ｂと、演算部８ｃと、振動制御部８ｄと、アシストガス制御部８ｅとが実現される。

制御部８ａは、レーザ切断装置１全体の制御を行う他、以下の処理を行う。すなわち、制御部８ａは、レーザ発振器４からレーザビームＬＢを射出させる。また、制御部８ａは、トーチ部７を予め設定された経路（走査線）、及び移動速度（送り速度）に従って移動させる。具体的には、制御部８ａは、台車２及びミラーボックス５ｃを移動させることで、トーチ部７を移動させる。トーチ部７の経路、及び移動速度は例えばレーザ切断装置１のユーザによって予め設定される。また、制御部８ａは、トーチ部７の現在の移動速度（移動速さ及び方向）に関するトーチ部移動速度情報を生成し、移動速度検出部８ｂに出力する。なお、トーチ部７の移動速度は、Ｘ軸方向の速度成分と、Ｙ軸方向の速度成分とで示される。図５にトーチ部７（集光点Ｐ）が移動する様子を示す。ベクトルＶは、トーチ部７の移動速度を示し、ベクトルＶ_ｘはＸ軸方向の速度成分を示し、ベクトルＶ_ｙはＹ軸方向の速度成分を示す。曲線２００はトーチ部７の経路を示す。なお、ベクトル２１０は集光点Ｐの振動方向を示す。

さらに、制御部８ａは、図４に示すように、ピエゾ素子６１ｇにオフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、ピエゾ素子６２ｇにオフセット駆動電圧Ａｅ_ｙを印加することで、レーザビームＬＢの光軸ＬＢａの傾斜角度ｃを調整する。オフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙがいずれもゼロとなる場合、ミラー６ｂは通常位置６ｂ−１に配置される。ただし、ピエゾ素子の伸縮状態をフルストロークの中立点とするためのベースのオフセット電圧は別に印加するものとする。
オフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙの少なくとも一方がゼロ以外の値になると、ミラー６ｂは軸外し位置６ｂ−２に配置される。傾斜角度ｃは軸外し位置６ｂ−２によって決まり、軸外し位置６ｂ−２は、オフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙの値によって決まる。すなわち、制御部８ａは、オフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙを調整することで、傾斜角度ｃを調整することができる。オフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙは、演算部８ｃにより算出される。傾斜角度ｃの上限に特に制限はないが、傾斜角度ｃが大きすぎると、トーチ部７の開口縁にレーザビームＬＢが掛かる可能性がある。この場合、被切断材料Ｗに照射されるレーザビームＬＢの光束が減少する。したがって、傾斜角度ｃは、レーザビームＬＢが開口縁に掛からない範囲で調整されることが好ましい。

移動速度検出部８ｂは、制御部８ａからトーチ部移動速度情報を取得し、演算部８ｃに出力する。なお、光学式または電磁式の位置センサをレーザ振動部６の下端面（被切断材料Ｗに対向する面）に設けておき、移動速度検出部８ｂは、この位置センサからの信号にもとづいて、トーチ部７の現在の移動速度を算出してもよい。

演算部８ｃは、トーチ部７の移動速度に基づいて、オフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙを算出する。以下、オフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙの具体的な算出方法を説明する。

図４に示すように、本実施形態では、トーチ部７の移動速度に基づいて、レーザビームＬＢの光軸ＬＢａの傾斜角度ｃを調整する。なお、図４のベクトルＶは、トーチ部７の移動速度を示す。すなわち、レーザビームＬＢの光軸ＬＢａをトーチ部７の移動方向に垂直な基準面１００から外す軸外し制御を行う。したがって、本実施形態では、レーザビームＬＢの入射角度は９０−ａ−ｃ（°）で示される。

上述したように、カーフフロントＫｆの傾斜角度ａは、トーチ部７の移動速度と相関がある。図６に示すグラフＬ６は、トーチ部７の移動速度とカーフフロントＫｆの傾斜角度ａとの相関を示す。具体的には、グラフＬ６は、トーチ部７の移動速さ（ｍｍ／分）とカーフフロントＫｆの傾斜角度ａとの相関を示す。グラフＬ６は、以下のように作成される。すなわち、トーチ部７の移動速さ（ｍｍ／分）を変更しながらカーフフロントＫｆの傾斜角度ａを測定する。

ここで、カーフフロントＫｆの傾斜角度ａは、以下のように測定される。すなわち、図７に示すように、被切断材料Ｗの切断面には、レーザ条痕１２０が形成される。ここで、レーザ条痕１２０は、被切断材料Ｗの切断面に生じる条痕のうち、目視により１つ１つが識別可能であり、かつ略直線状に伸びる条痕を意味する。レーザ条痕の形成には、レーザビームＬＢによる熱エネルギーが被切断材料Ｗの酸化反応による熱エネルギーよりも大きく寄与する。レーザ条痕が長いほど、切断面の美観が向上する。本実施形態では、後述するように、集光点Ｐが振動しない（すなわち、集光点Ｐがトーチ部７の移動方向に垂直な方向に振動しない）場合よりもレーザ条痕１２０を長くすることができる。傾斜角度ａは、レーザ条痕１２０とトーチ部７の移動方向に垂直な基準面１００とがなす角度となる。

そして、横軸をトーチ部７の移動速さ、縦軸をカーフフロントＫｆの傾斜角度ａとした平面上に測定値をプロットする。そして、プロットされた点Ｐ１０に基づいて、回帰直線を求める。この回帰直線がグラフＬ６となる。参考までに、図６では、グラフＬ６は、ｙ＝０．００１９ｘ−１．０５０１（ｙ：傾斜角度ａ、ｘ：移動速さ）で示されるが、移動速度と傾斜角度ａとの相関はこの数式に限定されないのはもちろんである。

一方、図９に示すように、レーザビームＬＢの入射角度とレーザ吸収率との間には相関がある。したがって、レーザ吸収率が最大となる場合の傾斜角度ｃが特定される。より具体的には、傾斜角度ｃがゼロとなり、かつ、レーザ吸収率が最大となる場合の傾斜角度ａをａ_ｍａｘとすると、傾斜角度ｃは、以下の式（１）で示される。

ｃ＝ａ_ｍａｘ−ａ・・・（１）

ａ_ｍａｘは、図１０に示すように、レーザビームＬＢの波長によって一義的に決まる値である。レーザビームＬＢの波長が１μｍとなる場合、ａ_ｍａｘ＝１０．４°であり、レーザビームＬＢの波長が１０μｍとなる場合、ａ_ｍａｘ＝２．７°となる。そして、図４に示すように、ミラー６ｂと集光レンズ７ｄとの距離をＬ１、集光レンズ７ｄと被切断材料Ｗとの距離をＬ２とすると、ミラー６ｂの傾斜角度ｂは、以下の式（２）で示される。

ｂ＝Ｌ２／Ｌ１×ｃ・・・（２）

そして、ミラー６ｂを傾斜角度ｂだけ傾けるのに必要なオフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙは、以下の式（３）、（４）で示される。

Ａｅ_ｘ＝Ｋ１×ｂ・・・（３）
Ａｅ_ｙ＝Ｋ２×ｂ・・・（４）
ここで、Ｋ１、Ｋ２はピエゾ素子の特性によって決まる定数である。

したがって、オフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙは、トーチ部７の移動速度によって一義的に決定される。そこで、演算部８ｃは、まず、トーチ部７の移動速度と、グラフＬ６とに基づいて、現在の傾斜角度ａを特定する。なお、グラフＬ６は代表的な被切断材料について該材料ごとに予め測定され、演算部８ｃに記憶される。

そして、演算部８ｃは、式（１）と傾斜角度ａとに基づいて、傾斜角度ｃを算出する。ここで、ａ_ｍａｘは予め測定され、演算部８ｃに記憶される。例えば、被切断材料Ｗの板厚が大きくなるほど、トーチ部７の移動速度を小さくする必要がある。トーチ部７の移動速度が小さくなると、カーフフロントＫｆの傾斜角度ａが小さくなる。このため、レーザ吸収率が小さくなる。そこで、演算部８ｃは、式（１）に従い、傾斜角度ａが小さくなるほど傾斜角度ｃを大きくする。

そして、演算部８ｃは、式（２）に基づいてミラー６ｂの傾斜角度ｂを算出する。そして、演算部８ｃは、傾斜角度ｂと、式（３）、（４）とに基づいて、オフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙを算出する。そして、演算部８ｃは、オフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙに関するオフセット駆動電圧情報を制御部８ａに出力する。制御部８ａは、オフセット駆動電圧情報に基づいて、ピエゾ素子６１ｇ、６２ｇを駆動する。これにより、傾斜角度ｃがトーチ部７の移動速度に基づいて調整される。

なお、上述した処理では、演算部８ｃは、レーザ吸収率が最大となるオフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙを算出するが、レーザ吸収率が増大するようにオフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙを算出してもよい。実際には、レーザビームがノズルの開口縁にかからないようにする必要があり、そのためには式（１）のa_maxに所定の倍率を乗じて用いると便利である。

さらに、演算部８ｃは、トーチ部移動速度情報にもとづいて、ピエゾ素子６ｇの振動の方向（集光点Ｐの振動の方向に相当）と振動の時間周波数（集光点Ｐの振動の時間周波数に相当）を決定する。さらに、演算部８ｃは、ピエゾ素子６ｇの駆動電圧の振幅を決定する。具体的には、演算部８ｃは、集光点Ｐの振動方向がトーチ部７の移動方向と直交するように、ピエゾ素子６ｇの振動の方向を決定する。集光点Ｐの振動方向の一例を図５に示す。図５に示すベクトルＰ２１０は、集光点Ｐの振動方向を示す。

また、演算部８ｃは、トーチ部７の移動速度と、以下の式（５）とにもとづいて、ピエゾ素子６ｇの振動の時間周波数を算出（決定）する。

ｆ＝ｃ×ｖ・・・（５）

ここで、ｆはピエゾ素子６ｇの振動の時間周波数（Ｈｚ）であり、ｃは定数であり、ｖはトーチ部７の移動速さ（ｍｍ／ｓ）である。

ここで、ｃは集光点Ｐの振動の空間周波数、すなわちトーチ部７の移動方向の単位長さ（ｍｍ）あたりに生じるレーザ条痕の数に一致する。したがって、ｃの逆数は、レーザ条痕の幅（ピッチ）に一致する。ｃを大きくすればレーザ条痕のピッチが小さくなり、ｃを小さくすればレーザ条痕のピッチが大きくなる。発明者の実験によれば、ｃは２以上６以下が好ましく、より好ましくはｃ＝４である。ｃ＝４の場合、レーザ条痕のピッチは０．２５（ｍｍ）となる。

演算部８ｃは、例えば、以下の式（６）にもとづいて、ピエゾ素子６ｇの駆動電圧の振幅を算出する。

Ａ＝２．７５−０．１５×ｖ・・・（６）

ここで、Ａはピエゾ素子６ｇの駆動電圧の振幅（Ｖ）であり、ｖはトーチ部７の移動速さ（ｍｍ／ｓ）である。式（６）によれば、トーチ部７の移動速さが大きいほど、ピエゾ素子６ｇの駆動電圧が小さくなる。例えば、トーチ部７の移動速さが５００（ｍｍ／ｍｉｎ）＝８．３３（ｍｍ／ｓ）となる場合、ピエゾ素子６ｇの駆動電圧は１．５（Ｖ）となる。だたし、ここではピエゾ素子のフルストローク電圧が１０Vであるとして説明している。

ここで、ピエゾ素子６ｇの駆動電圧の振幅は、集光点Ｐの振動の振幅に対応する値である。ピエゾ素子６ｇの駆動電圧の振幅が大きいほど、集光点Ｐの振動の振幅が大きくなる。したがって、トーチ部７の移動速さが大きいほど、集光点Ｐの振動の振幅が小さくなる。例えば、ピエゾ素子６ｇの駆動電圧の振幅が１．５（Ｖ）となる場合、集光点Ｐの振幅は８０μｍに設定される。したがって、トーチ部７の移動速さが６２０（ｍｍ／ｍｉｎ）＝１０．３（ｍｍ／ｓ）となる場合、ピエゾ素子６ｇの駆動電圧の振幅は式（６）により１．２（Ｖ）となり、集光点Ｐの振幅は８０×１．２／１．５＝６４（μｍ）となる。

オフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙを考慮すると、ピエゾ素子６ｇ（ピエゾ素子６１ｇ、６２ｇ）の駆動電圧は、以下の式（７）、（８）で示される。

Ａ_ｘ＝Ａｅ_ｘ＋Ａ・ｃｏｓθ・ｓｉｎ（２πｆｔ）・・・（７）
Ａ_ｙ＝Ａｅ_ｙ＋Ａ・ｓｉｎθ・ｓｉｎ（２πｆｔ）・・・（８）

ここで、Ａ_ｘはピエゾ素子６１ｇの駆動電圧であり、Ａｅ_ｘは上述したオフセット駆動電圧である。Ａはピエゾ素子６１ｇ、６２ｇの駆動電圧の振幅である。θは、図５に示すように、トーチ部７の移動方向（ベクトルＶの方向）とＸ軸とのなす角度である。ｆは式（５）で示される時間周波数であり、ｔは時間である。Ａ_ｙはピエゾ素子６２ｇの駆動電圧であり、Ａｅ_ｙは上述したオフセット駆動電圧である。したがって、ミラー６ｂは、オフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙによって決まる軸外し位置６ｂ−２を中心として第１及び第２の回動方向に振動する。

なお、集光点Ｐの振幅をレーザビームＬＢのスポット径で除算した値は、０．０４以上０．２以下であることが好ましい。ここで、レーザビームＬＢのスポット径は、被切断材料Ｗの表面のうち、レーザビームＬＢが照射される部分（いわゆるスポット）の直径である。この条件が満たされる場合、被切断材料Ｗ裏面での溶け落ち量が抑制される。

演算部８ｃは、上記の各パラメータの他、アシストガス圧を決定してもよい。すなわち、本発明者は、カーフ幅が大きくなるほどアシストガス圧を低下させることで、切断面の美観が向上することを見出した。ここで、カーフ幅は、レーザビームＬＢの集光照射により溶融した部分、すなわちカーフの幅である。本実施形態では、集光点Ｐはトーチ部７の移動方向と直交する方向に振動するので、カーフ幅は集光点Ｐが振動しない場合よりも拡大する。集光点Ｐの振幅が大きいほど、カーフ幅は拡大する。したがって、演算部８ｃは、集光点Ｐの振幅が大きくなるほど、アシストガス圧を小さくする。

例えば、演算部８ｃは、カーフ幅が０．７ｍｍとなる場合のアシストガス圧を０．０２５ＭＰａに決定し、カーフ幅が０．８２ｍｍとなる場合のアシストガス圧を０．０２０Ｍｐａに決定してもよい。なお、アシストガス圧の具体的な値は、被切断材料Ｗの種類毎に設定される。

演算部８ｃは、ピエゾ素子６ｇの振動方向、振動の時間周波数、及び駆動電圧の振幅に関する振動制御情報を生成し、振動制御部８ｄに出力する。演算部８ｃは、アシストガス圧を決定した場合には、アシストガス圧に関するアシストガス制御情報を生成し、アシストガス制御部８ｅに出力する。

振動制御部８ｄは、演算部８ｃから与えられた振動制御情報にもとづいて、ピエゾ素子６ｇを駆動する。例えば、振動制御部８ｄは、集光点Ｐの振動方向がＸ軸方向となる場合、ミラー６ｄが第１の回動方向に振動するように、ピエゾ素子６ｇを駆動する。振動制御部８ｄは、集光点Ｐの振動方向がＹ軸方向となる場合、ミラー６ｄが第２の回動方向に振動するように、ピエゾ素子６ｇを駆動する。また、振動制御部８ｄは、ミラー６ｄを集光点Ｐの振動の時間周波数で振動させる。また、振動制御部８ｄは、ピエゾ素子６ｇを振動制御情報が示す駆動電圧の振幅で駆動する。

アシストガス制御部８ｅは、アシストガスを予め設定されたアシストガス圧及び流量でトーチ本体部７ａ内に導入する。アシストガス制御部８ｅは、アシストガス制御情報が与えられた場合には、アシストガスをアシストガス制御情報が示すアシストガス圧でトーチ本体部７ａ内に導入する。

このように、制御装置８は、レーザ吸収率が最大（または現状よりも増大する）ように、傾斜角度ｃを調整する。さらに、制御装置８は、ミラーボックス５ｃをＹ軸方向に移動させる際に、ミラー６ｄを第１の回動方向に振動させる。これにより、制御装置８は、トーチ部７をＹ軸方向に進行させ、かつ、集光点ＰをＸ軸方向に振動させる。一方、制御装置８は、台車２をＸ軸方向に移動させる際に、ミラー６ｄを第２の回動方向に振動させる。これにより、制御装置８は、トーチ部７をＸ軸方向に進行させ、かつ、集光点ＰをＹ軸方向に振動させる。これにより、集光点Ｐの軌跡は正弦波形状となる。

＜４．レーザ切断方法＞
次に、レーザ切断装置１の動作、すなわちレーザ切断装置１を用いたレーザ切断方法について説明する。

制御部８ａは、レーザ発振器４にレーザビームＬＢを射出させる。レーザビームＬＢは、ミラーボックス５ａ〜５ｃ、レーザ振動部６、及びトーチ部７を通って被切断材料Ｗに集光照射される。さらに、制御部８ａは、トーチ部７を予め設定された経路、及び移動速度に従って移動させる。また、制御部８ａは、トーチ部７の現在の移動速度に関するトーチ部移動速度情報を生成し、移動速度検出部８ｂに出力する。

次いで、移動速度検出部８ｂは、制御部８ａからトーチ部移動速度情報を取得し、演算部８ｃに出力する。演算部８ｃは、トーチ部移動速度情報にもとづいて、オフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙを算出する。そして、演算部８ｃは、オフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙに関するオフセット駆動電圧情報を制御部８ａに出力する。制御部８ａは、オフセット駆動電圧情報に基づいて、オフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙをピエゾ素子６１ｇ、６２ｇに印加する。これにより、傾斜角度ｃが調整される。

一方、演算部８ｃは、トーチ部移動速度情報に基づいて、ピエゾ素子６ｇの振動方向、振動の時間周波数、及び駆動電圧の振幅を決定する。演算部８ｃは、アシストガス圧を決定してもよい。演算部８ｃは、ピエゾ素子６ｇの振動方向、振動の時間周波数、及び駆動電圧の振幅に関する振動制御情報を生成し、振動制御部８ｄに出力する。演算部８ｃは、アシストガス圧を決定した場合には、アシストガス圧に関するアシストガス制御情報を生成し、アシストガス制御部８ｅに出力する。

振動制御部８ｄは、演算部８ｃから与えられた振動制御情報にもとづいて、ピエゾ素子６ｇを駆動する。アシストガス制御部８ｅは、アシストガスを予め設定されたアシストガス圧及び流量でトーチ本体部７ａ内に導入する。アシストガス制御部８ｅは、アシストガス制御情報が与えられた場合には、アシストガスをアシストガス制御情報が示すアシストガス圧でトーチ本体部７ａ内に導入する。トーチ本体部７ａ内に導入されたアシストガスは、レーザ加工ノズル７ｂからレーザビームＬＢと同軸方向に噴射され、被切断材料Ｗに吹きつけられる。

これにより、レーザ切断装置１は、レーザビームＬＢを被切断材料Ｗに集光照射し、レーザビームＬＢの集光点Ｐを被切断材料Ｗ上でトーチ部７の移動方向と直交する方向に振動させながら走査する。これにより、レーザ切断装置１は、被切断材料Ｗを切断する。具体的には、被切断材料Ｗは、レーザビームＬＢの熱エネルギーを吸収することで、溶融する。さらに、レーザ切断装置１は、アシストガス（酸素ガス）をレーザビームＬＢと同軸方向に噴射する。未溶融の被切断材料Ｗは、溶融した被切断材料Ｗ（例えば溶鋼。以下、「溶融材料」とも称する。）から熱エネルギーが与えられ、昇温する。そして、昇温した未溶融の被切断材料Ｗは、酸素ガスによって酸化され、これによって発生した熱エネルギーによっても溶融する。溶融材料は、アシストガスにより被切断材料Ｗの下方から排出される。これにより、被切断材料Ｗが切断される。レーザ切断装置１は、被切断材料Ｗを切断することで、所望の形状のレーザ切断材料を作製する。

したがって、本実施形態に係るレーザ切断装置１は、トーチ部７の移動速度に基づいて、レーザビームＬＢの光軸ＬＢａの傾斜角度ｃを調整する。これにより、レーザ吸収率を向上することができる。例えば、被切断材料Ｗの板厚が大きくなるほど、トーチ部７の移動速度を小さくする必要がある。トーチ部７の移動速度が小さくなると、これに応じてカーフフロントＫｆの傾斜角度ａが小さくなる。このため、レーザ吸収率が小さくなる。そこで、レーザ切断装置１は、式（１）に従い、傾斜角度ａが小さくなるほど傾斜角度ｃを大きくする。したがって、レーザ切断装置１は、被切断材料Ｗの板厚にかかわらず、レーザ吸収率を調整することができる。より具体的には、レーザ切断装置１は、レーザ吸収率が最大となる（もしくは増大する）ようにレーザ吸収率を調整することができる。これにより、レーザ切断の効率が向上する。すなわち、レーザ切断能力が向上する。

例えば、レーザ吸収率が増大するので、トーチ部７の移動速度を大きくすることができる。従来のレーザ切断方法では、被切断材料Ｗのレーザ吸収率が小さい状態で被切断材料Ｗを切断していた。このため、板厚が大きい場合には、トーチ部７の移動速度を大きく減少させる必要があった。これに対し、本実施形態では、被切断材料Ｗの板厚にかかわらず、レーザ吸収率を最大値に向けて調整することができる。このため、本実施形態では、被切断材料Ｗの板厚が大きくなっても、被切断材料Ｗに効率よく熱エネルギーを伝達することができる。したがって、本実施形態では、板厚が大きい場合であっても、トーチ部７の移動速度を向上することができる。

さらに、レーザ切断装置１は、従来のレーザ切断装置と同一の出力で比較した場合に、切断面の美観が向上する。すなわち、レーザ切断装置１は、より多くの熱エネルギーを被切断材料Ｗに吸収させることができるので、被切断材料Ｗを効率よく溶融し、除去することができる。すなわち、溶鋼がより高温となるので、溶鋼がよりスムーズに排出される。このため、被切断材料Ｗの断面の美観が向上する（例えば、レーザ条痕が長くなる）。また、レーザ切断装置１は、被切断材料Ｗの切断に要する熱エネルギーを低減することができる。

さらに、レーザ切断装置１は、レーザビームＬＢの集光点Ｐを被切断材料Ｗ上でトーチ部７の移動方向と直交する方向に振動させるので、カーフの幅を集光点Ｐが振動しない場合よりも大きくすることができる。したがって、レーザ切断装置１は、集光点Ｐが振動しない場合よりも溶融材料を効率よく排出することができる。

さらに、レーザ切断装置１は、レーザビームＬＢの集光点Ｐを被切断材料Ｗ上でトーチ部７の移動方向と直交する方向に振動させるので、被切断材料Ｗの切断面に一定の空間周波数でレーザビームＬＢを接触させることができる。したがって、切断面に形成されるレーザ条痕の幅（ピッチ）を一定にすることができる。ここで、レーザ条痕の幅が一定であるとは、レーザ条痕の最大幅（最大ピッチ）と最小幅（最小ピッチ）との比（最大幅／最小幅）が２未満であることを意味する。

ここで、レーザ条痕は、上述したように、被切断材料Ｗの切断面に生じる条痕のうち、目視により１つ１つが識別可能な条痕を意味する。レーザ条痕の形成には、レーザビームＬＢによる熱エネルギーが被切断材料Ｗの酸化反応による熱エネルギーよりも大きく寄与する。レーザビームＬＢの熱エネルギーにより溶融する部分は、レーザビームＬＢが通過する部分及びその周辺の一定領域に限られるので、レーザ条痕の各々は目視により区別可能である。一方、昇温した未溶融の被切断材料Ｗはランダムに酸化反応を起こす。したがって、レーザ条痕以外の条痕、すなわち被切断材料Ｗの酸化反応による熱エネルギーがレーザビームＬＢによる熱エネルギーよりも大きく寄与することで形成された条痕は、目視により区別できない。

このように、レーザ条痕は、切断面の美観に大きく寄与する。本実施形態では、レーザ条痕の幅（ピッチ）を一定にすることができるので、切断面形状が規則的になり、ひいては、切断面の美観が向上する。

さらに、本実施形態では、レーザ条痕の幅（ピッチ）が一定となるので、レーザ条痕を通る溶融材料の流速が一定となる。すなわち、カーフ内での溶融材料の流れが安定する。これにより、被切断材料Ｗの下方から排出される溶融材料の量がカーフの長さ方向で一定となる。

一方、集光点Ｐを振動させずに形成したレーザ条痕の幅（ピッチ）はばらつくので、レーザ条痕を通る溶融材料の流速もばらつく。すなわち、溶融材料の流速に脈動が生じる。そして、例えば隣接するレーザ条痕の幅（ピッチ）の比が２倍以上となる領域では、溶融材料がカーフの側方に溢れる。被切断材料Ｗを構成する材料のうち、溶融材料に接触した部分は昇温し、酸化反応を起こす。そして、酸化反応を起こした部分は、当該酸化反応により発生した熱エネルギーによって溶融する。このため、溶け落ちが発生する。また、溶融材料が過剰に生成されるので、カーフ内で溶融材料が詰まる場合がある。カーフ内に詰まった材料は、未溶融の被切断材料Ｗを昇温する。昇温した未溶融の被切断材料Ｗは、酸化反応を起こし、この酸化反応によって発生した熱エネルギーにより溶融する。したがって、溶融材料がさらに過剰になるので、溶け落ち量が増大する他、切断面のえぐれ、セルフバーニングも発生しやすくなる。

これに対し、本実施形態では、被切断材料Ｗの下方から排出される溶融材料の量がカーフの長さ方向で一定となるので、裏面の溶け落ち量が低減し、切断面のえぐれ、及びセルフバーニングの発生も抑制される。

また、本実施形態では、レーザ条痕を通る溶融材料の流速が一定となることから、本実施形態のレーザ条痕は、集光点Ｐを振動させずに形成したレーザ条痕よりも長くなる。この点でも、切断面の美観が向上し、かつ、カーフ内での溶融材料の流れが安定する。このように、レーザ条痕の幅（ピッチ）を一定とすること、及びレーザ条痕を長くすることは、裏面の溶け落ち量を低減するための手段であるとともに、切断面の美観を向上するという効果も有する。すなわち、レーザ切断材料には、切断面の美観を向上することが求められている。これに対し、本実施形態では、レーザ条痕を一定にし、かつレーザ条痕を長くすることで、切断面の美観を向上するという目的を達成することができる。

次に、本発明の実施例及び比較例について説明する。実施例及び比較例では、被切断材料ＷとしてＳＳ４００黒皮材を用いた。板厚は２５ｍｍであった。また、レーザビームＬＢの線源をＣＯ_２とした。したがって、レーザビームＬＢの波長は１０μｍとなり、ａ_ｍａｘ＝２．７°となる（図１０参照）。また、トーチ部７の移動速度とカーフフロントＫｆの傾斜角度ａとの相関を求めたところ、図６に示すグラフＬ６が得られた。なお、レーザ吸収率はフラッシュ法で測定した。また、傾斜角度ａは、上述した方法により測定した（図７参照）。また、Ｌ１＝６９０ｍｍ，Ｌ２＝２２０ｍｍとした。

また、ピエゾ素子６ｇの振動条件は以下のとおりとした。
駆動電圧の振幅：１．２Ｖ
駆動電圧の時間周波数：４１Ｈｚ
式（５）中のｃ＝４（トーチ部７の移動方向の単位長さ（ｍｍ）あたりにレーザ条痕は４つ形成される。レーザ条痕の幅の理論値は０．２５ｍｍ。）

そして、トーチ部７の移動速さを６２０ｍｍ／分とした。このとき、グラフＬ６によれば、カーフフロントＫｆの傾斜角度ａは０．１３°となる。そこで、レーザビームＬＢの光軸ＬＢａの傾斜角度ｃが２．５７°（式（１）により、ｃ＝２．７−０．１３＝２．５７°）となるように、オフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙを設定した。すなわち、レーザ吸収率が最大となるように、オフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙを設定した。具体的には、Ｌ１＝６９０ｍｍ、Ｌ２＝２２０ｍｍなので、式（２）よりｂ＝０．８２°となる。したがって、ｂ＝０．８２°となるように、オフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙを設定した。

そして、レーザ切断装置１を上記のオフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙ、振動条件の下で駆動することで、被切断材料Ｗを切断した（実施例１）。また、ピエゾ素子６ｇを振動させなかった他は実施例１と同様の処理を行うことで、被切断材料Ｗを切断した（実施例２）。また、ピエゾ素子６ｇにオフセット駆動電圧Ａｅ_ｘ、Ａｅ_ｙを印加せず、かつ、ピエゾ素子６ｇを振動させなかった他は、実施例１と同様の処理を行うことで、被切断材料Ｗを切断した（比較例）。

そして、各例で作成されたレーザ切断面を目視で観察したところ、実施例１の切断面が最も美観に優れていた。具体的には、レーザ条痕が最も長かった。実施例２の切断面は、実施例１よりも美観が劣っていたが、比較例よりは美観が優れていた。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、集光点Ｐの振動方向をトーチ部７の移動方向と直交する方向としたが、集光点Ｐの振動方向はトーチ部７の移動方向に交差する方向であれば良い。

また、上述した実施形態では、被切断材料Ｗとして、軟鋼を挙げたが、被切断材料Ｗは、レーザビームＬＢによる熱エネルギーによって溶融するものであればどのようなものであってもよい。本実施形態は、被切断材料ＷをレーザビームＬＢによる熱エネルギーによって切断（溶断）する際にレーザ条痕の幅を一定にすることによって、溶融材料（溶融した被切断材料Ｗ）を効率よくかつ安定して排出するものである。したがって、被切断材料ＷとしてレーザビームＬＢによる熱エネルギーによって溶融するものを用いることによって、上記の効果が得られる。

たとえば、被切断材料Ｗは、軟鋼以外の鋼材、例えば高強度鋼、ステンレス鋼であってもよい。ここで、上述した実施例では軟鋼を切断する際のレーザ切断条件を列挙したが、他の鋼材を被切断材料Ｗとする際のレーザ切断条件は以下のとおりである。すなわち、高強度鋼をレーザ切断する場合には、溶鋼を排除するアシストガスとしての酸素ガスの圧力を本実施例よりも高く、レーザ出力も高く、また、必要に応じ送り速度を低く設定すれば良い。それ以外のレーザ切断条件は、上述した実施例と同じでよい。また、ステンレス鋼をレーザ切断する場合は、溶融物を排除するアシストガスを窒素とし、レーザ出力を本実施例よりも高く、また、必要に応じ送り速度を低く設定すれば良い。それ以外のレーザ切断条件は、上述した実施例と同じでよい。また、被切断材料Ｗは、レーザビームＬＢによる熱エネルギーによって溶融するものであれば軟鋼、高強度鋼、及びステンレス鋼以外の鋼材であってもよく、さらには鋼材以外の材料であってもよい。

本発明は、レーザビームを用いて被切断材料を切断する技術に適用可能である。

１ レーザ切断装置
２ 台車
３ レール
４ レーザ発振器
５ａ〜５ｃ ミラーボックス
５ｅ 道通管
６ レーザ振動部
６ａ ミラーボックス
６ｂ、６ｄ ミラー
６ｃ、６ｅ ミラーホルダー
６ｇ、６１ｇ、６２ｇ ピエゾ素子
７ トーチ部
７ａ トーチ本体部
７ｂ レーザ加工ノズル
７ｃ アシストガス供給口
７ｄ 集光レンズ
８ 制御装置

Claims (5)

1. 被切断材料にトーチ部からレーザビームを集光照射し、かつ前記レーザビームの集光点を前記被切断材料上で走査することで、前記被切断材料を切断するレーザ切断方法であって、
   前記レーザビームの光軸と前記トーチ部の移動方向に垂直な基準面とのなす傾斜角度を、前記トーチ部の移動速度に基づいて調整することを特徴とする、レーザ切断方法。
2. 前記被切断材料のレーザ吸収率が増大するように前記傾斜角度を調整することを特徴とする、請求項１記載のレーザ切断方法。
3. 前記傾斜角度を、前記被切断材料のレーザ吸収率が最大となる値に調整することを特徴とする、請求項１または２記載のレーザ切断方法。
4. 前記レーザビームの集光点を前記被切断材料上で前記トーチ部の移動方向と交差する方向に振動させることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ切断方法。
5. 被切断材料にトーチ部からレーザビームを集光照射し、かつ前記レーザビームの集光点を前記被切断材料上で走査することで、前記被切断材料を切断するレーザ切断装置であって、
   前記レーザビームの光軸と前記トーチ部の移動方向に垂直な基準面とのなす傾斜角度を、前記トーチ部の移動速度に基づいて調整する制御部を備えることを特徴とする、レーザ切断装置。
   
   
   

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