JP2019155405A - レーザ加工機及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アシストガスを板金に吹き付けながら板金にピアスを開けるピアシング加工を施す際に、ピアス周囲の製品側に付着する溶融金属の量を低減させるように溶融金属が付着する方向を制御することができるレーザ加工機を提供する。【解決手段】加工ヘッド３５の先端には、レーザビームを開口３６ａより射出するノズル３６が装着されている。加工ヘッド３５内に設けられた集束レンズ３４は、レーザビームを集束させて板金に照射する。ビーム変位機構（ガルバノスキャナユニット３２）は、開口３６ａより射出されるレーザビームの開口３６ａ内での位置を変位させる。ＮＣ装置５０は、アシストガスを板金に吹き付けながら、レーザビームによって製品の外部にピアシング加工を施すときに、開口３６ａから射出されるレーザビームの開口３６ａ内の位置を、開口３６ａの中心から製品より離れる方向の位置へと変位させるようビーム変位機構を制御する。【選択図】図２

Description

本開示は、レーザビームによって板金を加工するレーザ加工機及びレーザ加工方法に関する。

レーザ発振器より射出されたレーザビームによって板金を切断するレーザ加工機が普及している。レーザ加工機がレーザビームによって板金を切断して所定の形状を有する製品を製作する際には、レーザ加工機は板金の製品の外部となる位置にレーザビームによってピアスと称される穴を開ける。レーザ加工機はレーザビームによって板金にピアスを開けるピアシング加工に続けて製品外周の所定の位置まで切断するアプローチ加工を施した後に、製品外周に沿って板金を切断する。

特許第３７６１６８７号公報

レーザ加工機は、板金の材料に応じたアシストガスを板金に吹き付けながら、板金にレーザビームを照射することによってピアシング加工を施したり、板金を切断したりする。アプローチ加工または製品外周に沿った切断の際には、レーザビームによる溶融金属は、アシストガスによって、既に切断された溝より板金の裏面側へと吹き飛ばされる。しかしながら、ピアシング加工時には、溝または孔が形成されていないことから、溶融金属はアシストガスによって板金の表面へと吹き飛ばされてピアスの周囲に付着する（特許文献１参照）。

レーザビームはノズルの円形の開口の中心を通り、アシストガスはレーザビームの周囲を通って板金に吹き付けられる。板金の板厚が薄ければ、溶融金属に対して周方向でほぼ均等にアシストガスが作用して溶融金属はほぼ均等に飛散する。しかしながら、板金の板厚が厚いと、ピアスが形成されるまでの時間が長くなり、溶融箇所が面方向に微小に移動する現象が発生することがある。すると、溶融金属の量が周方向で均等でなくなって所定の方向に偏り、量が偏った方向により多くの溶融金属が飛散する。溶融金属の量が偏る方向はランダムであるから、溶融金属が多く飛散する方向はランダムとなる。

従って、飛散した溶融金属が製品に付着しないように、ピアスを製品から十分に離れた位置に形成する必要がある。板金から複数の製品を切断するときには隣接する製品間にピアスを形成するための十分な間隔を設けなければならない。従って、切断可能な製品の最大数を多くできず、歩留まりを向上させることができない。また、溶融金属がピアスの周囲に付着して固化した堆積金属（スパッタ）がアプローチ加工の安定性を損ねて加工不良を発生させることがある。

１またはそれ以上の実施形態は、アシストガスを板金に吹き付けながら板金にピアスを開けるピアシング加工を施す際に、ピアス周囲の製品側に付着する溶融金属の量を低減させるように溶融金属が付着する方向を制御することができる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。

１またはそれ以上の実施形態の第１の態様によれば、レーザビームを開口より射出するノズルが先端に取り付けられた加工ヘッドと、前記加工ヘッドを前記板金の面に沿って移動させる移動機構と、前記開口より射出される前記レーザビームの前記開口内での位置を変位させるビーム変位機構と、前記板金の加工時に、前記開口より前記板金に吹き付けるためのアシストガスを前記加工ヘッドに供給するアシストガス供給装置と、前記板金の加工としてレーザビームによって前記板金より切断する製品の外部にピアスを開けるピアシング加工を施すときに、前記開口から射出されるレーザビームの前記開口内の位置を、前記開口の中心から前記製品より離れる方向の位置へと変位させるよう、前記ビーム変位機構を制御する制御装置とを備えることを特徴とするレーザ加工機が提供される。

１またはそれ以上の実施形態の第２の態様によれば、レーザビームによって板金より製品を切断するために前記製品の外部にピアスを開けるピアシング加工を施すときに、加工ヘッドの先端に取り付けられたノズルの開口から射出されるレーザビームの前記開口内の位置を、前記開口の中心から前記製品より離れる方向の位置へと変位させ、前記開口より前記板金へとアシストガスを吹き付けて、前記レーザビームによる熱によって溶融した前記板金の溶融金属を吹き飛ばすことを特徴とするレーザ加工方法が提供される。

１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、アシストガスを板金に吹き付けながら板金にピアスを開けるピアシング加工を施す際に、ピアス周囲の製品側に付着する溶融金属の量を低減させるように溶融金属が付着する方向を制御することができる。

図１は、１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工機の全体的な構成例を示す図である。 図２は、１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工機におけるコリメータユニット及び加工ヘッドの詳細な構成例を示す斜視図である。 図３Ａは、板金の板厚が薄い場合のピアシング加工動作を概念的に示す側面図である。 図３Ｂは、板金の板厚が厚い場合のピアシング加工動作を概念的に示す側面図である。 図４は、板金に複数の矩形状の製品を板取りした状態を示す部分平面図である。 図５Ａは、通常のピアシング加工におけるピアシングの位置とノズルの位置との関係を示す部分平面図である。 図５Ｂは、第１の変位方法を採用したピアシング加工におけるピアシングの位置とノズルの位置との関係を示す部分平面図である。 図５Ｃは、第２の変位方法を採用したピアシング加工におけるピアシングの位置とノズルの位置との関係を示す部分平面図である。 図６は、ビーム変位機構によるレーザビームの板金への照射位置の変位を説明するための図である。 図７は、ビーム変位機構によってレーザビームの板金への照射位置を変位させたときの溶融金属の飛散の仕方を示す側面図及び平面図である。 図８は、１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によってピアシング加工を施したときのスパッタの付着状態の一例を示す部分平面図である。 図９は、板金に４つの製品を板取りした状態を示す平面図である。 図１０Ａは、図９に示す製品２１０ｄにピアシング加工を施すときの、通常のピアシング加工におけるピアシングの位置とノズルの位置との関係を示す部分平面図である。 図１０Ｂは、図９に示す製品２１０ｄにピアシング加工を施すときの、第３の変位方法を採用したピアシング加工におけるピアシングの位置とノズルの位置との関係を示す部分平面図である。 図１０Ｃは、図９に示す製品２１０ｄにピアシング加工を施すときの、第４の変位方法を採用したピアシング加工におけるピアシングの位置とノズルの位置との関係を示す部分平面図である。 図１１は、１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工機による板金の加工動作、１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工方法によって実行される板金の加工処理を示すフローチャートである。 図１２は、ピアスの周囲に付着したスパッタの広がり角度と方向角度差の定義を説明するための図である。 図１３Ａは、広がり角度に応じて規定する広がり判定度を示す図である。 図１３Ｂは、方向角度差に応じて規定する方向判定度を示す図である。 図１４Ａは、ノズル径２ｍｍのノズルを用いたときの、板金へのレーザビームの照射位置の変位量と、広がり判定度、方向判定度、及び評価との関係を示す図である。 図１４Ｂは、ノズル径３ｍｍのノズルを用いたときの、板金へのレーザビームの照射位置の変位量と、広がり判定度、方向判定度、及び評価との関係を示す図である。

以下、１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法について、添付図面を参照して説明する。図１において、レーザ加工機１００は、レーザビームを生成して射出するレーザ発振器１０と、レーザ加工ユニット２０と、レーザ発振器１０より射出されたレーザビームをレーザ加工ユニット２０へと伝送するプロセスファイバ１２とを備える。また、レーザ加工機１００は、操作部１と、ＣＡＭとして機能するコンピュータ機器２と、操作部４０と、ＮＣ装置５０と、加工プログラムデータベース６０と、加工条件データベース７０と、アシストガス供給装置８０とを備える。

ＮＣ装置５０は、レーザ加工機１００の各部を制御する制御装置の一例である。操作部１及びコンピュータ機器２は、レーザ加工機１００に対する上位装置として、レーザ加工機１００の外部に設けられていてもよい。

レーザ発振器１０としては、レーザダイオードより発せられる励起光を増幅して所定の波長のレーザビームを射出するレーザ発振器、またはレーザダイオードより発せられるレーザビームを直接利用するレーザ発振器が好適である。レーザ発振器１０は、例えば、固体レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ディスクレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）である。

レーザ発振器１０は、波長９００ｎｍ〜１１００ｎｍの１μｍ帯のレーザビームを射出する。ファイバレーザ発振器及びＤＤＬ発振器を例とすると、ファイバレーザ発振器は、波長１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍのレーザビームを射出し、ＤＤＬ発振器は、波長９１０ｎｍ〜９５０ｎｍのレーザビームを射出する。

レーザ加工ユニット２０は、加工対象の板金Ｗを載せる加工テーブル２１と、門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｙ軸キャリッジ２３と、Ｙ軸キャリッジ２３に固定されたコリメータユニット３０と、加工ヘッド３５とを有する。Ｘ軸キャリッジ２２は、加工テーブル２１上でＸ軸方向に移動自在に構成されている。Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向に移動自在に構成されている。Ｘ軸キャリッジ２２及びＹ軸キャリッジ２３は、加工ヘッド３５を板金Ｗの面に沿って、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、または、Ｘ軸とＹ軸との任意の合成方向に移動させる移動機構として機能する。

加工ヘッド３５には、先端部に円形の開口３６ａを有し、開口３６ａよりレーザビームを射出するノズル３６が取り付けられている。ノズル３６の開口３６ａより射出されたレーザビームは板金Ｗに照射される。

図２に示すように、コリメータユニット３０は、プロセスファイバ１２より射出された発散光のレーザビームを平行光（コリメート光）に変換するコリメーションレンズ３１を備える。また、コリメータユニット３０は、ガルバノスキャナユニット３２と、ガルバノスキャナユニット３２より射出されたレーザビームをＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射させるベンドミラー３３を備える。加工ヘッド３５は、ベンドミラー３３で反射したレーザビームを集束して、板金Ｗに照射する集束レンズ３４を備える。

レーザ加工機１００は、ノズル３６の開口３６ａより射出されるレーザビームが開口３６ａの中心に位置するように芯出しされている。基準の状態では、レーザビームは、開口３６ａの中心より射出する。ガルバノスキャナユニット３２は、加工ヘッド３５内を進行して開口３６ａより射出されるレーザビームの開口３６ａ内での位置を変位させるビーム変位機構として機能する。結果として、ガルバノスキャナユニット３２は、レーザビームを板金Ｗに照射する位置を、開口３６ａの中心直下の位置から所定距離だけ離隔した位置へと変位させる。

ガルバノスキャナユニット３２はビーム変位機構の一例であり、ビーム変位機構はガルバノスキャナユニット３２に限定されない。

ガルバノスキャナユニット３２は、コリメーションレンズ３１より射出されたレーザビームを反射するスキャンミラー３２１と、スキャンミラー３２１を所定の角度となるように回転させる駆動部３２２とを有する。また、ガルバノスキャナユニット３２は、スキャンミラー３２１より射出されたレーザビームを反射するスキャンミラー３２３と、スキャンミラー３２３を所定の角度となるように回転させる駆動部３２４とを有する。

以上のように構成されるレーザ加工機１００は、レーザ発振器１０より射出されたレーザビームによって板金Ｗを切断して所定の形状を有する製品を製作する。このとき、レーザ加工機１００は、板金Ｗの製品の外部となる位置にレーザビームによってピアシング加工を施し、ピアスから製品外周の所定の位置までの直線状のアプローチを切断する。レーザ加工機１００は、レーザビームがアプローチの製品側の端部である製品外周の所定の位置に到達したら、製品外周に沿って板金を切断することによって製品を製作する。なお、ピアスから製品外周までを切断するアプローチ加工は一般的には直線状であるが、円弧状であっても構わない。

次に、アシストガスを板金Ｗに吹き付けながら板金Ｗにピアシング加工を施す際に、ピアス周囲の溶融金属が付着する方向を制御するための具体的な方法を説明する。１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、ピアス周囲の溶融金属が付着する方向を制御することにより、製品側に付着する溶融金属の量を低減させることができる。１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、ピアス周囲の製品側に溶融金属が付着しないようにすることもできる。

図３Ａ及び図３Ｂは、一般的なレーザ加工方法を用いて板金Ｗへのピアシング加工動作を概念的に示している。即ち、開口３６ａの中心はピアシング加工を施す位置の直上に位置していて、レーザビームを板金Ｗにおける開口３６ａの中心直下に照射するピアシング加工動作を示している。図３Ａは板金Ｗの板厚が薄い場合、図３Ｂは板金Ｗの板厚が厚い場合を示している。

図３Ａにおいて、板金Ｗにピアシング加工を施す際には、ＮＣ装置５０は、ノズル３６を板金Ｗから離すように加工ヘッド３５を上昇させる。従って、一点鎖線で示すレーザビームのビームウエストは板金Ｗから離れた上方に位置している。なお、レンズの調整によっては、ビームウエストを板金Ｗの表面または内部に設定することも可能であり、ビームウエストの位置の選択は自由である。

レーザビームは開口３６ａの中心を通って板金Ｗに照射され、照射位置の金属がレーザビームの熱によって溶融して溶融金属Ｗmeltとなる。アシストガス供給装置８０によって加工ヘッド３５へと供給されたアシストガスＡＧは、開口３６ａを通って板金Ｗに吹き付けられる。アシストガスＡＧは溶融金属Ｗmeltに対して周方向にほぼ均等に作用して、溶融金属Ｗmeltはピアスとなる位置の周囲にほぼ均等に飛散する。なお、飛散する溶融金属Ｗmeltと、板金Ｗに付着して固化した堆積金属塊との双方をスパッタと称することがあるが、１またはそれ以上の実施形態においては堆積金属塊をスパッタと称することとする。

板金Ｗの板厚が厚い図３Ｂにおいては、ピアスが形成されるまでの時間が長くなり、開口３６ａの中心直下の溶融箇所が面方向に微小に移動する現象が発生することがある。すると、溶融金属Ｗmeltの量が周方向に均等でなくなって所定の方向に偏り、量が偏った方向により多くの溶融金属Ｗmeltが飛散する。

図３Ｂは、図の左方向に多くの溶融金属Ｗmeltが飛散して、ピアスとなる位置の左方向にスパッタＳｐが多く付着している状態を示している。溶融金属Ｗmeltの量が偏る方向はランダムであるので、溶融金属Ｗmeltが多く飛散してスパッタＳｐが多く付着する方向はランダムとなる。

図４に示すように、板金Ｗに複数の矩形状の製品２００が板取りされていて、レーザ加工機１００が各製品２００を切断する場合を考える。コンピュータ機器２は、図４に示す位置にピアシング加工を施してピアス２０１を開け、ピアス２０１を開けたらアプローチ２０２を切断し、アプローチ２０２の製品２００側の端部から製品２００の外周に沿って板金Ｗを切断する加工プログラムを作成する。加工プログラムは、加工プログラムデータベース６０に記憶されている。

ＮＣ装置５０は、加工プログラムデータベース６０より加工プログラムを読み出し、加工条件データベース７０に記憶されている複数の加工条件のいずれかを選択する。ＮＣ装置５０は、読み出した加工プログラム及び選択した加工条件に基づいて板金Ｗを加工するよう、レーザ加工機１００を制御する。

図５Ａに示すように、加工プログラムによって、ピアシング加工を施してピアス２０１を開ける位置は板金Ｗ上の座標（Ｘ１，Ｙ１）に設定されている。レーザビームが開口３６ａの中心より射出されるとすれば、ＮＣ装置５０は、開口３６ａの中心が座標（Ｘ１，Ｙ１）に位置するように加工ヘッド３５を位置させればよい。開口３６ａの中心が座標（Ｘ１，Ｙ１）に位置すれば、開口３６ａの中心はピアス２０１を開ける位置の直上に位置する。

１またはそれ以上の実施形態においては、溶融金属Ｗmeltが飛散してスパッタＳｐが付着する方向を制御するために、図５Ｂに示す第１の変位方法、または、図５Ｃに示す第２の変位方法を採用することによって、レーザビームが板金Ｗに照射される位置を開口３６ａの中心直下から変位した位置に位置させる。

第１の変位方法においては、図５Ｂに示すように、ＮＣ装置５０は、開口３６ａの中心が座標（Ｘ１，Ｙ１）よりもアプローチ２０２上の製品２００側に変位させた位置の直上に位置するように、加工ヘッド３５をアプローチ２０２に沿って製品２００側に変位させる。これに加えて、ＮＣ装置５０は、レーザビームが板金Ｗに照射される位置が座標（Ｘ１，Ｙ１）となるように、ガルバノスキャナユニット３２におけるスキャンミラー３２１または３２３の角度を変更する。結果として、レーザビームが板金Ｗに照射される位置は開口３６ａの中心直下ではなく、製品２００から離れた側に変位する。

第２の変位方法においては、図５Ｃに示すように、ＮＣ装置５０は、開口３６ａの中心が座標（Ｘ１，Ｙ１）に位置するように加工ヘッド３５を位置させる。これに加えて、ＮＣ装置５０は、レーザビームが板金Ｗに照射される位置が、アプローチ２０２の延長線上で座標（Ｘ１，Ｙ１）よりも製品２００から離れた側に位置するように、ガルバノスキャナユニット３２におけるスキャンミラー３２１または３２３の角度を変更する。結果として、レーザビームが板金Ｗに照射される位置は開口３６ａの中心直下ではなく、製品２００から離れた側に変位する。

このように、ＮＣ装置５０は、第１または第２の変位方法を採用することによって、開口３６ａから射出されるレーザビームの開口３６ａ内の位置を、開口３６ａの中心から製品２００より離れる方向の位置へと変位させるよう、ガルバノスキャナユニット３２を制御する。
第１の変位方法によれば、レーザビームの開口３６ａ内の位置は、開口３６ａの中心から製品２００より離れる方向の位置であり、ピアス２０１を開ける位置である座標（Ｘ１，Ｙ１）に対応する位置へと変位する。第２の変位方法によれば、レーザビームの開口３６ａ内の位置は、座標（Ｘ１，Ｙ１）から製品２００より離れる方向の位置に対応する位置へと変位する。

図５Ｃに示す第２の変位方法を採用すると、ＮＣ装置５０が、ピアス２０１を開ける位置を変更し、アプローチ２０２を延長するよう加工プログラムを修正する必要がある。場合によっては、隣り合う製品の外周切断線とピアシング加工位置との干渉を考慮しなくてはならず、処理を複雑化させることがある。よって、第２の変位方法よりも第１の変位方法の方が好ましい。

図６において、ベンドミラー３３で折り曲げられて集束レンズ３４を通過する細実線は、レーザ加工機１００が基準の状態であるときのレーザビームの光軸を示している。ガルバノスキャナユニット３２による作用によって、レーザビームの光軸が細実線で示す位置から太実線で示す位置へと変位したとする。ベンドミラー３３で反射するレーザビームが角度θで傾斜したとすると、板金Ｗへのレーザビームの照射位置は距離Δｓだけ変位する。

なお、詳細には、ベンドミラー３３の手前に位置しているガルバノスキャナユニット３２の作動により、ベンドミラー３３に入射するレーザビームの光軸の角度が変化し、光軸がベンドミラー３３の中心から外れる。図６では、簡略化のため、ガルバノスキャナユニット３２の作動前後でベンドミラー３３へのレーザビームの入射位置を同じ位置としている。

集束レンズ３４の焦点距離をＥＦＬ（Effective Focal Length）とすると、距離Δｓは、ＥＦＬ×ｓｉｎθで計算される。ＮＣ装置５０は、レーザビームを予め設定した距離Δｓだけ変位させるように、ガルバノスキャナユニット３２によってレーザビームの光軸を角度θだけ傾斜させればよい。距離Δｓは開口３６ａの半径未満の距離であり、好ましくは、開口３６ａの半径から所定の余裕量だけ引いた距離を最大距離とした最大距離以下の距離である。

ガルバノスキャナユニット３２によって板金Ｗへのレーザビームの照射位置を距離Δｓだけ変位させると、厳密には、レーザビームの照射位置を変位させない状態で設定した板金Ｗの厚さ方向に対するビームウエストの位置がずれる。距離Δｓは数十から数百マイクロメートルの距離であるので、ビームウエストの位置がずれることによって問題が発生することはほとんどない。ビームウエストの位置を調整する必要がある場合には、例えば、集束レンズ３４をＺ軸方向に変位させればよい。

図７において、（ａ）は、加工ヘッド３５の側面方向から見て、開口３６ａの中心から外側へと変位させたレーザビームによって板金Ｗにピアスを開ける動作を概念的に示し、（ｂ）は、板金Ｗの上方から板金Ｗを見た状態を概念的に示している。図７に示すように、アシストガスＡＧは板金Ｗへと周方向に均等に吹き付けられるものの、板金Ｗに照射されるレーザビームが変位しているため、溶融金属Ｗmeltはレーザビームが変位した方向に飛散する。

図７の（ａ）においては、図３Ａと同様に板金Ｗの板厚が薄い場合を示しているが、板金Ｗの板厚が厚い場合も同様である。板金Ｗの板厚が厚く、溶融金属Ｗmeltの量が仮に製品２００側に偏ったとしても、板金Ｗ上でレーザビームを変位させる距離Δｓは溶融金属Ｗmeltの量が偏る距離よりも格段に大きいため、溶融金属Ｗmeltはレーザビームが変位した方向に飛散する。

１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、図８に示すように、板金Ｗに、ピアス２０１の周囲の製品２００とは反対側にスパッタＳｐを付着させ、製品２００側にはスパッタＳｐをほとんど付着させないように制御することができる。よって、製品２００の近くにピアス２０１を開けることができるので、図４に示す隣接する製品２００の間隔Ｄを狭くすることができる。その結果、１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、歩留まりを向上させることが可能となる。

また、１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、スパッタＳｐがアプローチ２０２にほとんど付着しないので、アプローチ加工が安定し、加工不良を発生させるおそれを低減させることができる。

次に、図９に示すように、板金Ｗから図示のような矩形の４つの角部を切り落とした形状を有する製品２１０ａ〜２１０ｄが板取りされていて、レーザ加工機１００が各製品２１０ａ〜２１０ｄを切断する場合を考える。製品２１０ａ〜２１０ｄそれぞれに対してピアス２１１及びアプローチ２１２が中央部の非製品領域に設定されている。

図９においても、図５Ａまたは図５Ｂと同様に、ＮＣ装置５０は、ピアシング加工を施してピアス２１１を開ける際に、板金Ｗに照射するレーザビームの位置が開口３６ａの中心直下からアプローチ２１２に沿った方向の製品２００から離れた側に変位するように制御してもよい。

板金Ｗに照射するレーザビームの位置を変位させる方向は、アプローチ２１２に沿った方向に限定されない。加工プログラムに板金Ｗに照射するレーザビームの位置を変位させる角度方向を設定し、ＮＣ装置５０が板金Ｗに照射するレーザビームの位置を開口３６ａの中心直下から設定された角度方向に変位させるように制御してもよい。

図１０Ａ〜図１０Ｃを用いて、製品２１０ｄのピアス２１１を開ける場合を例として、レーザビームの位置を変位させる角度方向を設定する場合について説明する。角度は、時計回りにプラス、反時計回りにマイナスであるとする。ここでは、角度方向は−４５度の方向であるとする。

図１０Ａに示すように、加工プログラムによって、ピアス２１１を開ける位置は板金Ｗ上の座標（Ｘ１０，Ｙ１０）に設定されている。レーザビームが板金Ｗに照射される位置がノズル３６の開口３６ａの中心直下に位置しているとすれば、ＮＣ装置５０は、開口３６ａの中心がピアス２１１の直上である座標（Ｘ１０，Ｙ１０）に位置するように加工ヘッド３５を位置させればよい。開口３６ａの中心が座標（Ｘ１０，Ｙ１０）に位置すれば、開口３６ａの中心はピアス２１１を開ける位置の直上に位置する。

１またはそれ以上の実施形態においては、図１０Ｂに示す第３の変位方法、または、図１０Ｃに示す第４の変位方法を採用することによって、開口３６ａから射出されるレーザビームの開口３６ａ内の位置を、開口３６ａの中心から設定された角度方向に変位した位置へと変位させる。設定された角度方向とは、製品２００より離れる角度方向である。第３の変位方法は第１の変位方法と同様に、加工プログラムによって設定されているピアス２１１の位置を維持させる変位方法である。第４の変位方法は第２の変位方法と同様に、加工プログラムによって設定されているピアス２１１の位置を維持しない変位方法である。

第３の変位方法においては、図１０Ｂに示すように、ＮＣ装置５０は、開口３６ａの中心が座標（Ｘ１０，Ｙ１０）に対して−４５度の角度方向の反対側である１３５度の角度方向に変位させた位置の直上となるように、加工ヘッド３５を変位させる。これに加えて、ＮＣ装置５０は、レーザビームが板金Ｗに照射される位置が座標（Ｘ１０，Ｙ１０）となるように、ガルバノスキャナユニット３２におけるスキャンミラー３２１または３２３の角度を変更する。結果として、レーザビームが板金Ｗに照射される位置は開口３６ａの中心直下ではなく、開口３６ａの中心直下から−４５度の角度方向に離れた側に変位する。

第４の変位方法においては、図１０Ｃに示すように、ＮＣ装置５０は、開口３６ａの中心が座標（Ｘ１０，Ｙ１０）に位置するように加工ヘッド３５を位置させる。これに加えて、ＮＣ装置５０は、レーザビームが板金Ｗに照射される位置が、座標（Ｘ１０，Ｙ１０）から−４５度の角度方向に離れた側に位置するように、ガルバノスキャナユニット３２におけるスキャンミラー３２１または３２３の角度を変更する。結果として、レーザビームが板金Ｗに照射される位置は開口３６ａの中心直下ではなく、開口３６ａの中心直下から−４５度の角度方向に離れた側に変位する。

図１０Ｃに示す第４の変位方法を採用すると、ＮＣ装置５０が、ピアス２１１を開ける位置を変更し、ピアス２１１から当初設定されていたアプローチ２１２の途中まで新たにアプローチ２１３を設定するよう加工プログラムを修正する必要がある。よって、第４の変位方法よりも第３の変位方法の方が好ましい。なお、アプローチ２１２の製品２１０ｄ側の端部からの長さが当初設定されていたアプローチ２１２の長さの１／２を超える位置で、アプローチ２１３と接続するのがよい。

図９において、製品２１０ａ、２１０ｂ、及び２１０ｃのピアス２１１を開ける際には、レーザビームが板金Ｗに照射される位置を開口３６ａ内の中心から、それぞれ、１３５度、−１３５度、及び４５度の角度方向に離れた側に変位させるのがよい。レーザビームを開口３６ａの中心から設定された角度方向に変位させる場合でも、各ピアスに対応する製品より離れる位置へと変位させればよい。

加工プログラムに板金Ｗに照射するレーザビームの位置を変位させる角度方向を設定する代わりに、オペレータが操作部４０を操作して角度方向を設定し、ＮＣ装置５０が板金Ｗに照射するレーザビームの位置を変位させるように制御してもよい。

図１１に示すフローチャートを用いて、１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工機による板金Ｗの加工動作、１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工方法によって実行される板金Ｗの加工処理を説明する。図１１は、第１または第３の変位方法を採用した場合のフローチャートを示している。

図１１において、ＮＣ装置５０は、板金Ｗの加工処理が開始されると、ステップＳ１にて、選択された加工条件に基づいて、加工条件を設定する。加工条件は、製品の外周を切断するときの加工条件に加えて、ピアシング加工条件を選択するための情報、及びアプローチ加工条件を選択するための情報を含む。加工条件は、加工ヘッド３５の移動速度、レーザパワー、レーザビームの発振周波数及びデューティ、アシストガスのガス圧及びガスの種類、板金Ｗとノズル３６との距離であるノズルギャップ等を含む。

ピアシング加工条件は、レーザパワー、レーザビームの発振周波数及びデューティ、アシストガスのガス圧及びガスの種類、ノズルギャップ、ピアスを開ける時間等を含む。アプローチ加工条件は、加工ヘッド３５の移動速度、レーザパワー、レーザビームの発振周波数及びデューティ、アシストガスのガス圧及びガスの種類、ノズルギャップ等を含む。

ＮＣ装置５０は、ステップＳ２にて、加工ヘッド３５をピアス位置に対応する位置に位置決めし、ステップＳ３にて、加工ヘッド３５を設定された距離だけ、図５Ｂまたは図１０Ｂで説明したように製品側へと変位させる。設定された距離とは、レーザビームの板金Ｗへの照射位置を開口３６ａの中心直下から変位させる距離である。ステップＳ２とステップＳ３とを別々に実行しなくてもよい。即ち、所定の位置にある加工ヘッド３５を、ピアス位置に対応する位置に一旦位置決めすることなく、ピアス位置に対応する位置から設定された距離だけ変位させた位置へと位置決めしてもよい。

レーザビームの板金Ｗへの照射位置を開口３６ａの中心直下から変位させる距離は、開口３６ａの直径（ノズル径）が大きくなるほど長くすることが好ましい。変位させる距離は、例えば１００μｍのように具体的な数値で設定されていてもよいし、ノズル径の例えば１０％のように割合で設定されていてもよい。

ＮＣ装置５０は、ステップＳ４にて、開口３６ａより射出されるレーザビームの開口３６ａ内での位置を変位させるよう、ガルバノスキャナユニット３２の基準の角度に設定されているスキャンミラー３２１または３２３の角度を変更する。

ＮＣ装置５０は、ステップＳ５にて、ピアシング加工条件に基づいて、ノズルギャップを設定し、アシストガスを吹き付けながらレーザビームを板金Ｗに照射して、ピアシング加工を施すようレーザ加工機１００を制御する。ＮＣ装置５０は、ステップＳ６にて、ピアシング加工が完了したか否かを判定する。ＮＣ装置５０は、ピアシング加工が完了していなければ（NO）、ステップＳ５及びＳ６の処理を繰り返し、ピアシング加工が完了すれば（YES）、処理をステップＳ７へと移行させる。ＮＣ装置５０は、ピアシング加工が完了したら、レーザビームの射出を一旦停止させてもよい。

ＮＣ装置５０は、ステップＳ７にて、加工ヘッド３５をピアス位置に対応する位置に戻し、スキャンミラー３２１または３２３の角度を基準の角度に戻す。ＮＣ装置５０は、ステップＳ８にて、アプローチ加工条件に基づいて、ノズルギャップを設定し、アシストガスを吹き付けながらレーザビームを板金Ｗに照射して、アプローチ加工を施すようレーザ加工機１００を制御する。ステップＳ８におけるノズルギャップは、ステップＳ５におけるノズルギャップよりも格段に小さい距離である。なお、アプローチ加工に際しては、加工ヘッド３５をビアス位置（光軸）へ戻しながら、並行してアプローチ加工の光軸移動を実施させることも可能である。

ＮＣ装置５０は、ステップＳ９にて、アプローチ加工が完了したか否かを判定する。ＮＣ装置５０は、アプローチ加工が完了していなければ（NO）、ステップＳ８及びＳ９の処理を繰り返し、アプローチ加工が完了すれば（YES）、処理をステップＳ１０へと移行させる。ＮＣ装置５０は、アプローチ加工が完了したら、レーザビームの射出を一旦停止させてもよい。

ＮＣ装置５０は、ステップＳ１０にて、加工条件に基づいて、ノズルギャップを設定し、アシストガスを吹き付けながらレーザビームを板金Ｗに照射して、製品の外周を切断するようレーザ加工機１００を制御する。同様に、ステップＳ１０におけるノズルギャップは、ステップＳ５におけるノズルギャップよりも格段に小さい距離である。

ＮＣ装置５０は、ステップＳ１１にて、製品の外周切断が完了したか否かを判定する。ＮＣ装置５０は、製品の外周切断が完了していなければ（NO）、ステップＳ１０及びＳ１１の処理を繰り返し、製品の外周切断が完了すれば（YES）、板金Ｗの加工処理を終了させる。

図１２、図１３Ａ及び図１３Ｂ、図１４Ａ及び図１４Ｂを用いて、本発明者が検証した、１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法による効果を説明する。スパッタＳｐは板金Ｗにできるだけ狭い角度範囲で付着することが好ましい。また、スパッタＳｐはレーザビームを変位させた方向とできるだけ差が少ない方向に付着することが好ましい。

図１２に示すように、ピアス２０１または２１１の周囲にスパッタＳｐが付着しているとき、スパッタＳｐが扇状に広がる角度を広がり角度φ、レーザビームを変位させた方向と扇状に広がったスパッタＳｐの中央の角度方向との差を方向角度差Δφとする。広がり角度φ及び方向角度差Δφが小さいほど、溶融金属Ｗmeltが付着する方向を制御できているということになる。

そこで、広がり角度φと広がり判定度との対応を図１３Ａに示すよう規定する。一例として、広がり角度φが２７０度以上、１８０度以上２７０度未満、１３５度以上１８０度未満、９０度以上１３５度未満、４５度以上９０度未満、４５度未満をそれぞれ広がり判定度０、１、２、３、４、５とする。広がり判定度は大きいほどよい。

方向角度差Δφと方向判定度との対応を図１３Ｂに示すよう規定する。一例として、方向角度差Δφが１３５度以上、９０度以上１３５度未満、７７．５度以上９０度未満、４５度以上７７．５度未満、２２．５度以上４５度未満、２２．５度未満をそれぞれ方向判定度０、１、２、３、４、５とする。方向判定度も大きいほどよい。

図１４Ａ及び図１４Ｂにおいて、レーザビームを板金Ｗに照射する位置を、開口３６ａの中心直下の位置から変位させる距離を変位量とする。図６で説明した距離Δｓが変位量である。図１４Ａ及び図１４Ｂの広がり判定度及び方向判定度は、３回のピアシング加工を行ったときの平均値を示している。

図１４Ａは、ノズル径２ｍｍのノズル３６を用い、レーザパワーを４ｋｗとして、板金Ｗとして板厚６ｍｍのステンレス鋼にピアシング加工を施したときの、変位量と、広がり判定度、方向判定度、及び評価との関係を示している。

図１４Ａに示すように、ノズル径２ｍｍの場合には、変位量２５μｍまでは広がり判定度及び方向判定度が小さく、評価は「不可」である。変位量５０μｍ〜１００μｍでは広がり判定度及び方向判定度がいずれも大きくなり、評価は「可」である。変位量１５０μｍ以上では、広がり判定度及び方向判定度がいずれも５または５に近い値であり、評価は「良好」である。ノズル径２ｍｍのノズル３６を用いる場合、変位量は５０μｍ以上とすることが好ましく、１５０μｍ以上とすることがさらに好ましい。

図１４Ｂは、ノズル径３ｍｍのノズル３６を用い、図１４Ａと同じ条件で板金Ｗにピアシング加工を施したときの、変位量と、広がり判定度、方向判定度、及び評価との関係を示している。

図１４Ｂに示すように、ノズル径３ｍｍの場合には、変位量５０μｍまでは広がり判定度及び方向判定度がいずれも０であり、評価は「不可」である。変位量２５０μｍでは広がり判定度及び方向判定度がいずれも大きくなり、評価は「可」である。変位量４５０μｍ及び６５０μｍでは、広がり判定度が４前後の値、方向判定度が５であり、評価は「良好」である。ノズル径３ｍｍのノズル３６を用いる場合、変位量は２５０μｍ以上とすることが好ましく、４５０μｍ以上とすることがさらに好ましい。

ＮＣ装置５０は、レーザビームを板金Ｗに照射する位置を、開口３６ａの中心直下の位置から、ノズル径、ノズル３６の形状、ピアシング加工時のノズルギャップ、アシストガスのガス圧等の条件に応じて最適に設定した変位量で変位させればよい。

本発明は以上説明した１またはそれ以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。１またはそれ以上の実施形態においては、切断線の内側が製品であって切断線の外側にピアシング加工を施す場合を説明したが、製品の内側に穴を形成する場合には製品内側の切り落とす領域内にピアシング加工を施せばよい。この場合にも本発明を用いることができる。

１，４０ 操作部
２ コンピュータ機器
１０ レーザ発振器
１２ プロセスファイバ
２０ レーザ加工ユニット
３０ コリメータユニット
３１ コリメーションレンズ
３２ ガルバノスキャナユニット
３３ ベンドミラー
３４ 集束レンズ
３５ 加工ヘッド
３６ ノズル
３６ａ 開口
５０ ＮＣ装置（制御装置）
６０ 加工プログラムデータベース
７０ 加工条件データベース
８０ アシストガス供給装置
１００ レーザ加工機
２００，２１０ａ〜２１０ｄ 製品
２０１，２１１ ピアス
２０２，２１２ アプローチ
３２１，３２３ スキャンミラー
３２２，３２４ 駆動部
Ｓｐ スパッタ
Ｗ 板金
Ｗmelt 溶融金属

Claims (8)

1. レーザビームを開口より射出するノズルが先端に取り付けられた加工ヘッドと、
   前記加工ヘッドを板金の面に沿って移動させる移動機構と、
   前記開口より射出される前記レーザビームの前記開口内での位置を変位させるビーム変位機構と、
   前記板金の加工時に、前記開口より前記板金に吹き付けるためのアシストガスを前記加工ヘッドに供給するアシストガス供給装置と、
   前記板金の加工としてレーザビームによって前記板金より切断する製品の外部にピアスを開けるピアシング加工を施すときに、前記開口から射出されるレーザビームの前記開口内の位置を、前記開口の中心から前記製品より離れる方向の位置へと変位させるよう、前記ビーム変位機構を制御する制御装置と、
   を備えることを特徴とするレーザ加工機。
2. 前記制御装置は、
   前記移動機構によって、前記開口の中心が前記ピアスを開ける位置の直上から、レーザビームの前記開口内の位置を変位させる方向とは反対側に変位した位置の直上に位置するように、前記加工ヘッドを移動させ、
   前記ビーム変位機構によって、レーザビームの前記開口内の位置を前記開口の中心から前記製品より離れる方向であり、前記ピアスを開ける位置に対応する位置へと変位させる
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
3. 前記移動機構によって前記加工ヘッドを移動させる方向は、前記ピアスから前記製品までを切断するアプローチに沿った方向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. 前記移動機構によって前記加工ヘッドを移動させる方向は、前記ピアスを開ける位置を中心とした所定の角度方向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。
5. レーザビームによって板金より製品を切断するために前記製品の外部にピアスを開けるピアシング加工を施すときに、加工ヘッドの先端に取り付けられたノズルの開口から射出されるレーザビームの前記開口内の位置を、前記開口の中心から前記製品より離れる方向の位置へと変位させ、
   前記開口より前記板金へとアシストガスを吹き付けて、前記レーザビームによる熱によって溶融した前記板金の溶融金属を吹き飛ばす
   ことを特徴とするレーザ加工方法。
6. 前記開口の中心が前記ピアスを開ける位置の直上から、レーザビームの前記開口内の位置を変位させる方向とは反対側に変位した位置の直上に位置するように、前記加工ヘッドを移動させ、
   レーザビームの前記開口内の位置を前記開口の中心から前記製品より離れる方向の位置であって前記ピアスを開ける位置に対応する位置へと変位させる
   ことを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工方法。
7. 前記加工ヘッドを移動させる方向は、前記ピアスから前記製品までを切断するアプローチに沿った方向であることを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工方法。
8. 前記加工ヘッドを移動させる方向は、前記ピアスを開ける位置を中心とした所定の角度方向であることを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工方法。

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