JP2016043392A - レーザ加工機及びレーザ切断加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一連の切断加工の途中に、アパーチャ２５を光軸方向へ位置調節するだけで、加工形態を無酸化加工から酸素加工に又は酸素加工から無酸化加工に変更すること。【解決手段】ワークＷの材質が軟鋼であって、ワークＷの厚みが例えば６ｍｍであって、加工形態が酸素加工である場合には、アパーチャ２５を光軸方向へ位置調節して、アパーチャ２５によるレーザ光ＬＢのカット率を２〜２０％に設定し、切断加工の加工形態が無酸化加工である場合には、アパーチャ２５を光軸方向へ位置調節して、アパーチャ２５によるレーザ光ＬＢのカット率を８％以下に設定すること。【選択図】 図１

Description

本発明は、伝送ファイバの出射端から出射されたレーザ光のエネルギーを利用して、ワークに対して切断加工を行うレーザ加工機及びレーザ切断加工方法に関する。

近年、伝送ファイバから出射されたレーザ光のエネルギーを利用した切断加工技術の開発が活発化しており、その切断加工技術について簡単に説明すると、次のようになる。

即ち、伝送ファイバの出射端から出射されたレーザ光をコリメートレンズによって平行光に変換し、集光レンズによって集光してワークの被切断部に向かって照射する。また、レーザ光を照射すると同時に、ワークの被切断部に向かってアシストガスを噴射する。これにより、レーザ光のエネルギーを利用して、ワークの被切断部を溶融させかつその溶融物を除去しながら、ワークに対して切断加工を行うことができる。前述の動作を連続して繰り返すことにより、複数のワークに対して一連の切断加工を行うことができる。なお、コリメートレンズ及び集光レンズは、レーザ加工機における加工ヘッド内に設けられている。

ここで、加工形態は、アシストガスとして窒素等の不活性ガスを用いた無酸化加工（不活性ガス加工）と、アシストガスとして酸素を用いた酸素加工とに分けることができる。無酸化加工は、レーザ光のエネルギーのみによってワークを溶融させて、ワークの切断面の酸化を防止することができ、ステンレス、銅、銅合金、アルミ、アルミ合金、軟鋼等の厚さ例えば３ｍｍ以下の薄板からなるワークの高速切断に適している。酸素加工は、レーザ光のエネルギーの他に酸化反応熱によってワークを溶融させることができ、軟鋼の厚さ例えば６ｍｍ以上の厚板からなるワークの切断に適している。また、無酸化加工には、汎用の集光レンズが用いられるのに対して、酸素加工の場合は、バーニング（異常燃焼）を防止するために、リング状のレーザ光（リングビーム）を形成可能なアキシコンレンズを組込んだ特殊な集光レンズが用いられる（特許文献１及び特許文献２等参照）。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１及び特許文献２の他に、特許文献３に示すものがある。

特開２０１３−７５３３１号公報 ＷＯ２０１０／０９５７４４ Ａ１ 特開２０００−２２７５７６号公報

ところで、一連の切断加工の途中に、ワークの材質及び厚み等の変更により加工形態が無酸化加工から酸素加工に又は酸素加工から無酸化加工に変更することがある。このような場合には、切断加工を一旦中断して、汎用の集光レンズから特殊な集光レンズに変更する等、レーザ加工機の段取り替えが必要になる。そのため、切断加工の作業が煩雑化して、作業能率が低下すると共に、切断加工の中断時間が長くなって、切断加工の生産性を十分に高めることができないという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のレーザ加工機及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明の発明者は、前述の課題を解決するために、試行錯誤を繰り返した結果、伝送ファイバの出射端とコリメートレンズの間の光路の途中に設けられたアパーチャによって、レーザ光の外層部分を適正なカット率（遮断率）の下で遮断することにより、アキシコンレンズを組込んだ特殊な集光レンズを用いなくても、軟鋼の厚さ例えば６ｍｍ以上の厚板からなるワークに対してバーニングを防止しながら酸素加工を行うことができるという、新規な知見を得ることができ、本発明を完成するに至った（後述の実施例参照）。これは、レーザ光の外層部分、換言すれば、レーザ光における溶融（切断）に寄与しない低エネルギーの部分がワークの被切断部に照射されることを十分に抑制したことによるものと考えられる。ここで、アパーチャによる適正なカット率とは、２％以上のことをいう。

本発明の第１の特徴は、伝送ファイバの出射端から出射されたレーザ光のエネルギーを利用して、ワークに対して切断加工を行うレーザ加工機において、先端側にレーザ光を照射可能かつアシストガスを噴出可能なノズルを有し、前記伝送ファイバの出射端に接続され、内部がアシストガスの供給源に接続可能な筒状のレーザ加工ヘッド（レーザ加工ヘッド本体）と、前記レーザ加工ヘッド内に設けられ、前記伝送ファイバの出射端から出射されたレーザ光を平行光に変換するコリメートレンズと、 前記レーザ加工ヘッド内における前記コリメートレンズと前記ノズルの間に設けられ、平行光に変換されたレーザ光を集光する集光レンズと、前記レーザ加工ヘッド内における前記伝送ファイバの出射端と前記コリメートレンズとの間に光軸方向に位置調節可能（移動可能）に設けられ、レーザ光を透過させるための円形の開口部を有し、前記伝送ファイバの出射端から出射されたレーザ光の外層部分（外周側に位置する部分）を遮断（カット）するアパーチャと、前記アパーチャを光軸方向へ位置調節するためのアクチュエータと、前記アパーチャによるレーザ光のカット率（前記アパーチャのカット率）が加工条件に応じたカット率になるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御手段と、を具備したことを要旨とする。そして、具体的には、前記アクチュエータ制御手段は、加工条件としての加工形態がアシストガスとして酸素を用いた酸素加工である場合には、前記アパーチャによるレーザ光のカット率が２％以上（好ましく２％〜２０％）になるように前記アクチュエータを制御すると共に、加工形態がアシストガスとして不活性ガスを用いた無酸化加工である場合には、前記アパーチャによるレーザ光のカット率が８％以下になるように前記アクチュエータを制御するものである。

ここで、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、別部材を介して間接的に設けられたことを含む意である。また、「アパーチャによるレーザ光のカット率」とは、伝送ファイバの出射端から出射されたレーザ光のパワー強度に対する、アパーチャによって遮断（カット）されたレーザ光のパワー強度の割合のことをいう。更に、「加工条件」とは、ワークの材質、ワークの厚み、加工形態（酸素加工又は無酸化加工）、加工速度等を含む意である。

本発明の第１の特徴によると、加工形態が酸素加工である場合には、前記アパーチャによるレーザ光のカット率を２％以上になるように前記アクチュエータを制御するため、前述の新規な知見を適用すると、特殊な集光レンズを用いなくても、軟鋼の厚さ例えば６ｍｍ以上の厚板からなるワークに対してバーニングを防止しながら酸素加工による切断を行うことができる。また、加工形態が無酸化加工である場合に、前記アパーチャによるレーザ光のカット率を８％以下になるように前記アクチュエータを制御するため、ワークの被切断部におけるレーザ光のパワー強度を十分に確保して、無酸化加工中の切断速度を高速に維持しつつ反射光の低減を図ることができる。これにより、一連の切断加工の途中に、前記アパーチャを光軸方向へ位置調節するだけで、加工形態を無酸化加工から酸素加工に又は酸素加工から無酸化加工に変更することができる。

本発明の第２の特徴は、伝送ファイバの出射端から出射されたレーザ光をコリメートレンズによって平行光に変換し、集光レンズによって集光してワークの被切断部に向かって照射すると共に、ワークの被切断部に向かってアシストガスを噴射することにより、レーザ光のエネルギーを利用して、ワークの被切断部を溶融させかつその溶融物を除去しながら、ワークに対して切断加工を行うレーザ切断加工方法において、前記伝送ファイバの出射端と前記コリメートレンズとの間に光軸方向へ位置調節可能（移動可能）に設けられかつレーザ光を透過させるための円形の開口部を有しかつ前記伝送ファイバの出射端から出射されたレーザ光の外層部分（外周側に位置する部分）を遮断（遮断率）するアパーチャを用い、前記アパーチャを光軸方向へ位置調節して、前記アパーチャによるレーザ光のカット率（前記アパーチャのカット率）を加工条件に応じたカット率に設定することを要旨とする。そして、具体的には、加工条件の中の加工形態がアシストガスとして酸素を用いた酸素加工である場合には、前記アパーチャを光軸方向へ位置調節して、前記アパーチャによるレーザ光のカット率を２％以上（好ましくは２〜２０％）に設定すると共に、加工条件の中の加工形態がアシストガスとして不活性ガスを用いた無酸化加工である場合には、前記アパーチャを光軸方向へ位置調節して、前記アパーチャによるレーザ光のカット率を８％以下に設定するものである。

本発明の第２の特徴によると、加工形態が酸素加工である場合には、前記アパーチャを光軸方向へ位置調節して、前記アパーチャによるレーザ光のカット率を２％以上に設定するため、前述の新規な知見を適用すると、特殊な集光レンズを用いなくても、軟鋼の厚さ例えば６ｍｍ以上の厚板からなるワークに対してバーニングを防止しながら酸素加工による切断を行うことができる。また、加工形態が無酸化加工である場合に、前記アパーチャを光軸方向へ位置調節して、前記アパーチャによるレーザ光のカット率を８％以下に設定するため、ワークの被切断部におけるレーザ光のパワー強度を十分に確保して、無酸化加工中の切断速度を高速に維持しつつ反射光の低減を図ることができる。これにより、一連の切断加工の途中に、前記アパーチャを光軸方向へ位置調節するだけで、加工形態を無酸化加工から酸素加工に又は酸素加工から無酸化加工に変更することができる。

本発明によれば、一連の切断加工の途中に、前記アパーチャを光軸方向へ位置調節するだけで、加工形態を無酸化加工から酸素加工に又は酸素加工から無酸化加工に変更することができるため、切断加工の作業の煩雑化を抑えて、作業能率の向上を図ると共に、切断加工の中断時間を極力短くして、切断加工の生産性を十分に高めることができる。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工機の模式的な図である。 図２は、本発明の実施形態に係る制御ユニットを示す制御ブロック図である。 図３は、加工条件とアパーチャのカット率（アパーチャによるレーザ光のカット率）との関係を示すテーブルを説明する図である。 図４は、伝送ファイバの出射端からアパーチャまでの距離と、アパーチャの開口部を透過するレーザ光のパワー透過率との関係を示す図である。 図５（ａ）は、本発明の実施形態に係るレーザ切断加工方法を説明する図であり、加工条件として、ワークが軟鋼の厚さ例えば６ｍｍ以上の厚板からなりかつ加工形態が酸素加工である場合の様子を示しており、図５（ｂ）は、アパーチャから出射されたレーザ光のパワー強度の分布を示す図である。 図６（ａ）は、本発明の実施形態に係るレーザ切断加工方法を説明する図であり、加工条件として、ワークが高反射材の厚さ例えば３ｍｍ以下の薄板からなりかつ加工形態が無酸化加工である場合の様子を示しており、図６（ｂ）は、アパーチャから出射されたレーザ光のパワー強度の分布を示す図である。 図７（ａ）は、本発明の実施形態に係るレーザ切断加工方法を説明する図であり、加工条件として、ワークが高反射材以外の材料の厚さ例えば３ｍｍ以下の薄板からなりかつ加工形態が無酸化加工である場合の様子を示しており、図７（ｂ）は、アパーチャから出射されたレーザ光のパワー強度の分布を示す図である。なお、 図８（ａ）は、軟鋼からなるワークに対して酸素加工を行った場合における、アパーチャのカット率とバーニングの発生の有無との関係を示す表図、図８（ｂ）は、伝送ファイバの出射端からアパーチャまでの距離と、反射光の反射レベルとの関係を示す図である。

本発明の実施形態について図１から図７を参照して説明する。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るファイバレーザ加工機の構成、及び本発明の実施形態に係るレーザ切断加工方法等について順次を説明する。

図１に示すように、本発明の実施形態に係るファイバレーザ加工機（レーザ加工機の一例）１は、伝送ファイバ（プロセスファイバ）３の出射端３ｅから出射されたレーザ光ＬＢを利用して、ワークＷに対して切断加工を行う装置である。ここで、伝送ファイバ３は、ファイバレーザ発振器５から発振された１μｍ帯の波長のレーザ光Ｌを伝送するものである。

ファイバレーザ加工機１は、ワークＷを点接触で支持する加工テーブル（支持フレーム）７を具備しており、加工テーブル７は、ワークＷを固定する固定具（図示省略）を備えている。また、加工テーブル７の上方には、筒状（中空状）のレーザ加工ヘッド（レーザ加工ヘッド本体）９が可動フレーム（図示省略）等を介して設けられており、このレーザ加工ヘッド９は、先端側（下端側）に、レーザ光ＬＢを照射可能かつアシストガスを噴出可能なノズル１１を有している。また、レーザ加工ヘッド９は、可動フレーム等を介してＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向（上下方向）へ加工テーブル７に対して相対的に移動可能になっている。そして、レーザ加工ヘッド９の基端（上端）には、伝送ファイバ３の出射端３ｅに接続されている。更に、レーザ加工ヘッド９の内部は、ガス供給配管１３等を介してアシストガス供給源としてのガスボンベ１５に接続可能になっている。なお、ガスボンベ１５は、加工形態に応じて適宜に交換可能になっている。

レーザ加工ヘッド９内には、コリメートレンズ１７が上部レンズホルダ１９を介して設けられており、このコリメートレンズ１７は、伝送ファイバ３の出射端３ｅから出射されたレーザ光ＬＢを平行光に変換するものである。また、コリメートレンズ１７の光軸方向（Ｚ軸方向）の位置は、コリメートレンズ１７の焦点位置が伝送ファイバ３の出射端３ｅの位置に一致するように設定されている。そして、レーザ加工ヘッド９内におけるコリメートレンズ１７とノズル１１との間には、集光レンズ２１が下部レンズホルダ２３を介して設けられており、この集光レンズ２１は、平行光に変換されたレーザ光ＬＢを集光するものである。

レーザ加工ヘッド９内における伝送ファイバ３の出射端３ｅとコリメートレンズ１７との間には、アパーチャ２５が光軸方向（Ｚ軸方向）へ位置調節可能（移動可能）に設けられており、アパーチャ２５は、伝送ファイバ３の出射端３ｅから出射されたレーザ光ＬＢの外層部分（外周側に位置する部分）ＬＢｏを遮断（カット）するものである。また、アパーチャ２５は、熱伝導性の高い材料からなり、レーザ光ＬＢを透過させるための円形の開口部２７を有している。なお、熱伝導性の高い材料とは、例えば、アルミ、アルミ合金、銅、又は銅合金等のことをいう。

レーザ加工ヘッド９の適宜位置には、アパーチャ２５を光軸方向へ位置調節するためのサーボモータ（アクチュエータ）２９が設けられている。また、サーボモータ２９の出力軸（図示省略）には、光軸方向へ延びたボールネジ３１が連動連結されており、アパーチャ２５には、ボールネジ３１に螺合したナット部材３３が設けられている。

ここで、伝送ファイバ３の出射端３ｅからアパーチャ２５までの距離（光軸方向の長さ）Ｓと、アパーチャ２５の開口部２７を透過するレーザ光ＬＢのパワー透過率（アパーチャ２５の開口部２７のレーザ光ＬＢのパワー透過率）との関係は、図４に示すようになる。なお、アパーチャ２５によるレーザ光ＬＢのカット率（遮断率）は、１００％からアパーチャ２５の開口部２７のレーザ光ＬＢのパワー透過率を引いた値になる。

図２に示すように、ファイバレーザ加工機１は、加工プログラムに基づいてファイバレーザ発振器５及びサーボモータ２９等を制御する制御装置３５と、この制御装置３５に接続されかつ加工条件（ワークＷの材質、ワークＷの厚み、加工形態、加工速度等）を入力する入力ユニット３７とを具備している。また、この制御装置３５は、加工プログラム等を記憶するメモリと、加工プログラムを解釈して実行するＣＰＵとを備えている。そして、制御装置３５のメモリは、テーブル記憶部３９としての機能を有し、制御装置３５のＣＰＵは、カット率選択部４１としての機能及びモータ制御部（アクチュエータ制御手段）４３としての機能を有している。

ここで、テーブル記憶部３９は、加工条件とアパーチャ２５によるレーザ光のカット率（アパーチャ２５のカット率）との関係を示すテーブル（図３参照）を記憶するものであり予め設定されている。また、カット率選択部４１は、加工プログラムにより指示されるこれから加工されるワークＷの材質、ワークの厚み等の加工条件に基づき、テーブル記憶部３９に記憶されたテーブルを参照しつつ、加工条件に応じたカット率を選択するものである。そして、モータ制御部４３は、カット率選択部４１によって選択されたカット率になるようにサーボモータ２９を制御するものである。なお、サーボモータ２９の具体的な制御については、後述する。

続いて、本発明の実施形態に係るレーザ切断加工方法について、ファイバレーザ加工機１の動作を含めつつ、図１から図３、図５（ａ）（ｂ）から図７（ａ）（ｂ）を参照して説明する。なお、図５（ａ）、図６（ａ）、及び図７（ａ）において、レーザ光ＬＢはパワー強度が高い箇所ほど密なハッチングを施してあり、図５（ｂ）及び図６（ｂ）において、アパーチャ２５によって遮断されたレーザ光ＬＢのパワー強度はハッチングを施してある。

図１に示すように、レーザ加工ヘッド９をＺ軸方向へ加工テーブル７に対して相対的に移動させて、レーザ光ＬＢの焦点位置を調節する。そして、ファイバレーザ発振器５を作動させて、伝送ファイバ３の出射端３ｅからレーザ光ＬＢを出射することにより、そのレーザ光ＬＢをコリメートレンズ１７によって平行光に変換し、集光レンズ２１によって集光してノズル１１からワークＷの被切断部Ｗａに向かってレーザ光ＬＢを照射する。また、レーザ光ＬＢを照射すると同時に、ガスボンベ１５からレーザ加工ヘッド９の内部にアシストガスを供給することにより、ノズル１１からワークＷの被切断部Ｗａに向かってアシストガスを噴射する。更に、ノズル１１からワークＷの被切断部Ｗａに向かってレーザ光ＬＢを照射しかつアシストガスを噴出した状態で、レーザ加工ヘッド９をワークＷの被切断部Ｗａに沿ってＸ軸方向及びＹ軸方向のうちの少なくともいずれかの方向へ加工テーブル７に対して相対的に移動させる。これにより、高密度に集光したレーザ光ＬＢのエネルギーを利用して、ワークＷの被切断部Ｗａを溶融させかつその溶融物を除去しながら、ワークＷに対して切断加工を行うことができる。前述の動作を連続して繰り返すことにより、複数のワークＷに対して一連の切断加工を行うことができる。なお、切断加工中、アパーチャ２５はチラー（図示省略）によって水冷されるようになっている。

ワークＷに対して切断加工を行う前に、図２及び図３に示すように、加工条件として、ワークＷの材質、ワークＷの厚み、加工形態（アシストガスとして酸素を用いた酸素加工又はアシストガスとして不活性ガスを用いた無酸化加工）、加工速度等を入力ユニット３７によって予め入力する。そして、加工形態が酸素加工である場合には、アパーチャ２５によるレーザ光ＬＢのカット率を２〜２０％の範囲内に設定することになる。また、加工形態が無酸化加工である場合には、アパーチャ２５によるレーザ光ＬＢのカット率を０〜８％の範囲内に設定し、テーブル記憶部３９に記憶される。すると、カット率選択部４１は、加工プログラムで指定された加工条件に基づいて、テーブル記憶部３９に記憶されたテーブルを参照しつつ、加工条件に応じたカット率を選択する。そして、モータ制御部４３は、カット率選択部４１によって選択されたカット率になるようにサーボモータ２９を制御する。なお、入力ユニット３７による加工条件とカット率を入力する際にカット率を間違えた場合、例えば加工形態が酸素加工であるにも拘わらず２〜２０％の範囲外の１％と仮に入力されテーブル記憶部３９に記憶された場合、制御装置３５のＣＰＵが設定範囲外としてアラーム等を表示することで作業者に知らせることができる。或いは、加工プログラムに基づく加工中に制御装置３５でサーボモータ２９を制御する際に、所定範囲外に設定されていることを制御装置３５のＣＰＵが判断し、間違って設定された例えば１％ではなく、所定範囲内の２〜２０％の１％に近い２％に変更してサーボモータ２９を制御することも可能である。

具体的には、図３に示すように加工条件として、ワークＷの材質が軟鋼（高反射材以外の材料の１つ）であって、ワークＷの厚みが６ｍｍであって、加工形態が酸素加工である場合には、サーボモータ２９の駆動によりアパーチャ２５を光軸方向へ位置調節して、アパーチャ２５によるレーザ光ＬＢのカット率を２〜２０％の範囲内の３％に設定する。これにより、図５（ａ）（ｂ）に示すように、アパーチャ２５によってレーザ光ＬＢの外層部分ＬＢｏ、換言すれば、レーザ光ＬＢにおける溶融（切断）に寄与しない低エネルギーの部分がワークＷの被切断部Ｗａに照射されることを十分に抑制できる。ここで、アパーチャ２５によるレーザ光ＬＢのカット率を２％以上にしたのは、２％未満であると、レーザ光ＬＢにおける前記低エネルギーの部分がワークＷの被切断部Ｗａに照射されることを十分に抑制することが困難になるからである。一方、アパーチャ２５によるレーザ光ＬＢのカット率を２０％以下にしたのは、２０％を超えると、加工点としてのワークＷの被切断部Ｗａにおけるレーザ光ＬＢのパワー強度が低下するからである。なお、高反射材とは、銅、銅合金、アルミ、アルミ合金、又は鏡面仕上げしたステンレス等のこといい、高反射材以外の材料とは、通常のステンレス、軟鋼等のこという。

更に、図３に示すように加工条件として、ワークＷが材質が通常のステンレスであって、ワークＷの厚みが２ｍｍであって、無酸化加工である場合には、サーボモータ２９の駆動によりアパーチャ２５を光軸方向へ位置調節して、アパーチャ２５によるレーザ光ＬＢのカット率を０％に設定する。これにより、図７（ａ）（ｂ）に示すようになる。ステンレス加工の場合カット率がなるべく低い（０％）であればレーザ光ＬＢのパワー強度を維持しつつ高速加工が可能である。しかし、カット率を上げるとレーザ光ＬＢにおける前記低エネルギーの部分がワークＷの被切断部Ｗａに照射されることを抑制して、レーザ加工ヘッド９側への反射光ＬＢ'を十分に低減することは可能になり安定加工を行うことができるが、カット率が下がる分だけパワー強度が低下するので加工速度はパワー強度の低下に応じて低下させる必要がある。

また、特に高反射材の場合は、反射光の影響が特に大きくなりカット率は０％でなくある程度必要となる。例えば図３に示すように加工条件として、ワークＷの材質が銅合金（高反射材の一例）であって、ワークＷの厚さが１ｍｍであって、加工形態が無酸化加工である場合には、サーボモータ２９の駆動によりアパーチャ２５を光軸方向へ位置調節して、アパーチャ２５によるレーザ光ＬＢのカット率を３〜８％の範囲内の５％に設定する。これにより、図６（ａ）（ｂ）に示すように、レーザ光ＬＢにおける前記低エネルギーの部分がワークＷの被切断部Ｗａに照射されることを抑制して、レーザ加工ヘッド９側への反射光ＬＢ’を十分に低減できると共に、加工点としてのワークＷの被切断部Ｗａにおけるレーザ光ＬＢのパワー強度を十分に確保して、無酸化加工中の生産性の低下を抑え切断速度の高速化を維持することができる。ここで、無酸化加工中の生産性の低下を抑え切断速度の高速化を維持することができる。ここでアパーチャ２５のカット率は反射光ＬＢ'の影響を考えた場合は大きいほうが望ましいが、アパーチャ２５によるレーザ光ＬＢのカット率を８％以下にしたのは、８％を超えると、加工点としてのワークＷの被切断部Ｗａにおけるレーザ光ＬＢのパワー強度が低下して、無酸化加工中の切断速度を高速に維持できず切断速度を低下せざるを得ず、生産性が低下するからである。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

加工形態が酸素加工である場合には、アパーチャ２５を光軸方向へ位置調節して、アパーチャ２５によるレーザ光ＬＢのカット率を２〜２０％に設定するため、前述の新規な知見を適用すると、特殊な集光レンズを用いなくても、加工点としてのワークＷの被切断部Ｗａにおけるレーザ光ＬＢのパワー強度を十分に確保して、軟鋼の厚さ例えば６ｍｍ以上の厚板からなるワークＷに対してバーニングを防止しながら酸素加工による切断を行うことができる。また、加工形態が無酸化加工である場合には、アパーチャ２５によるレーザ光ＬＢのカット率を８％以下に設定するため、反射光ＬＢ’を低減して、無酸化加工中の切断速度の高速化を図ることができるため、ワークＷの被切断部Ｗａにおけるレーザ光ＬＢのパワー強度を十分に確保して、無酸化加工中の切断速度を維持しつつ高速化を図ることができる。これにより、一連の切断加工の途中に、アパーチャ２５を光軸方向へ位置調節するだけで、加工形態を無酸化加工から酸素加工に又は酸素加工から無酸化加工に変更することができる。

特に、ワークＷが高反射材の厚さ例えば３ｍｍ以下の薄板からなりかつ加工形態が無酸化加工である場合には、アパーチャ２５によるレーザ光ＬＢのカット率を設定することで、レーザ加工ヘッド９側への反射光ＬＢ’を十分に低減できるため、集光レンズ２１、コリメートレンズ１７、及び伝送ファイバ３の出射端３ｅ等の焼損を十分に防止することができる。特に、アパーチャ２５が反射光ＬＢ’を遮断することができるため、伝送ファイバ３の出射端３ｅの焼損をより十分に防止することができる。

従って、本発明の実施形態によれば、一連の切断加工の途中に、アパーチャ２５を光軸方向へ位置調節するだけで、加工形態を無酸化加工から酸素加工に又は酸素加工から無酸化加工に変更することができるため、切断加工の作業の煩雑化を抑えて、作業能率の向上を図ると共に、切断加工の中断時間を極力短くして、切断加工の生産性を十分に高めることができる。

特に、ワークＷが高反射材の厚さ例えば３ｍｍ以下の薄板からなりかつ加工形態が無酸化加工である場合においても、集光レンズ２１等の焼損を十分に防止できるため、集光レンズ２１等の交換を極力減らして、作業能率のより高めることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、例えば、ファイバレーザ加工機１を用いる代わりに、レーザ光ＬＢを伝送ファイバ３で伝送する形式のＹＡＧレーザ加工機、固体レーザ加工機、及び炭酸レーザ加工機等を用いる等、その他、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、前述の実施形態に限定されないものである。

本発明の実施例について図８（ａ）（ｂ）を参照して説明する。

汎用の集光レンズを用いて、軟鋼からなるワークに対して酸素加工を行った場合に、アパーチャのカット率とバーニングの発生の有無との関係をまとめると、図８（ａ）に示すような結果になった。つまり、アパーチャのカット率を２％以上に設定することにより、軟鋼の厚さ６ｍｍ以上の厚板からなるワークに対してバーニングを防止しながら酸素加工を行うことが確認できた。なお、図８（ａ）中における「○」は、バーニングの発生が無かったことを示しており、図８（ａ）中における「×」は、バーニングの発生が有ったことを示している。

銅合金からなるワークに対してレーザ光の反射試験を行い、伝送ファイバの出射端からアパーチャまでの距離と、反射光の反射レベルとの関係をまとめると、図８（ｂ）に示すような結果になった。つまり、伝送ファイバの出射端からアパーチャまでの距離が長くなりカット率が上がると反射光レベルは下がる傾向になり、特に一定の距離（７５ｍｍ）以上長くなると、換言すれば、アパーチャによるレーザ光のカット率が一定のカット率（３％）以上になると、反射光の反射レベルを十分に低減できることが確認できた。

ＬＢ レーザ光
ＬＢｏ 外層部分
ＬＢ’ 反射光
Ｗ ワーク
Ｗａ 被切断部
１ ファイバレーザ加工機
３ 伝送ファイバ
３ｅ 出射端
５ ファイバレーザ発振器
７ 加工テーブル
９ レーザ加工ヘッド（レーザ加工ヘッド本体）
１１ ノズル
１３ ガス供給配管
１５ ガスボンベ
１７ コリメートレンズ
１９ 上部レンズホルダ
２１ 集光レンズ
２３ 下部レンズホルダ
２５ アパーチャ
２７ 開口部
２９ サーボモータ（アクチュエータ）
３１ ボールネジ
３３ ナット部材
３５ 制御装置
３７ 入力ユニット
３９ テーブル記憶部
４１ カット率選択部
４３ モータ制御部（アクチュエータ制御手段）

Claims (10)

1. 伝送ファイバの出射端の出射されたレーザ光のエネルギーを利用して、ワークに対して切断加工を行うレーザ加工機において、
   先端側にレーザ光を照射可能かつアシストガスを噴出可能なノズルを有し、前記伝送ファイバの出射端に接続され、内部がアシストガスの供給源に接続可能な筒状のレーザ加工ヘッドと、
   前記レーザ加工ヘッド内に設けられ、前記伝送ファイバの出射端から出射されたレーザ光を平行光に変換するコリメートレンズと、
   前記レーザ加工ヘッド内における前記コリメートレンズと前記ノズルの間に設けられ、平行光に変換されたレーザ光を集光する集光レンズと、
   前記レーザ加工ヘッド内における前記伝送ファイバの出射端と前記コリメートレンズとの間に光軸方向に位置調節可能に設けられ、レーザ光を透過させるための円形の開口部を有し、前記伝送ファイバの出射端から出射されたレーザ光の外層部分を遮断するアパーチャと、
   前記アパーチャを光軸方向へ位置調節するためのアクチュエータと、
   前記アパーチャによるレーザ光のカット率が加工条件に応じたカット率になるように前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御手段と、を具備したことを特徴とするレーザ加工機。
2. 加工条件とカット率との関係を示すテーブルを記憶するテーブル記憶部と、
   前記テーブル記憶部に記憶された前記テーブルを参照しつつ、加工条件に応じたカット率を選択するカット率選択部と、を具備し、
   前記アクチュエータ制御手段は、前記カット率選択部によって選択されたカット率になるように前記アクチュエータを制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
3. 前記テーブル記憶部に記憶される前記アパーチャによるレーザ光のカット率は、加工条件としての加工形態がアシストガスとして酸素を用いた酸素加工である場合には、２〜２０％であることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工機。
4. 前記テーブル記憶部に記憶される前記アパーチャによるレーザ光のカット率は、加工条件としての加工形態がアシストガスとして不活性ガスを用いた無酸化加工である場合には、８％以下であることを特徴とする請求項２又は請求項３のうちのいずれか１項に記載のレーザ加工機。
5. 前記テーブル記憶部に記憶される前記アパーチャによるレーザ光のカット率は、加工条件として、ワークの材質が高反射材であって、加工形態がアシストガスとして不活性ガスを用いた無酸化加工である場合には、３〜８％であることを特徴とする請求項２から請求項４のうちのいずれか１項に記載のレーザ加工機。
6. 伝送ファイバの出射端から出射されたレーザ光をコリメートレンズによって平行光に変換し、集光レンズによって集光してワークの被切断部に向かって照射すると共に、ワークの被切断部に向かってアシストガスを噴射することにより、レーザ光のエネルギーを利用して、ワークの被切断部を溶融させかつその溶融物を除去しながら、ワークに対して切断加工を行うレーザ切断加工方法において、
   前記伝送ファイバの出射端と前記コリメートレンズとの間に光軸方向へ位置調節可能に設けられかつレーザ光を透過させるための円形の開口部を有しかつ前記伝送ファイバの出射端から出射されたレーザ光の外層部分を遮断するアパーチャを用い、
   前記アパーチャを光軸方向へ位置調節して、前記アパーチャによるレーザ光のカット率を加工条件に応じたカット率に設定することを特徴とするレーザ切断加工方法。
7. 加工条件としての加工形態がアシストガスとして酸素を用いた酸素加工である場合には、前記アパーチャを光軸方向へ位置調節して、前記アパーチャによるレーザ光のカット率を２〜２０％に設定することを特徴とする請求項６に記載のレーザ切断加工方法。
8. 加工条件としての加工形態がアシストガスとして不活性ガスを用いた無酸化加工である場合には、前記アパーチャを光軸方向へ位置調節して、前記アパーチャによるレーザ光のカット率を８％以下に設定することを特徴とする請求項６又は請求項７に記載のレーザ切断加工方法。
9. 加工条件として、ワークの材質が高反射材であって、加工形態がアシストガスとして不活性ガスを用いた無酸化加工である場合には、前記アパーチャを光軸方向へ位置調節して、前記アパーチャによるレーザ光のカット率を３〜８％に設定する請求項６から請求項８のうちのいずれか１項に記載のレーザ切断加工方法。
10. 前記伝送ファイバは、ファイバレーザ発振器から発振された１μｍ帯の波長のレーザ光を伝送するためのものであることを特徴とする請求項６から請求項９のうちのいずれか１項に記載のレーザ切断加工方法。