JP2020006396A - レーザ加工機及びレーザ加工方法 - Google Patents

レーザ加工機及びレーザ加工方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2020006396A
JP2020006396A JP2018128772A JP2018128772A JP2020006396A JP 2020006396 A JP2020006396 A JP 2020006396A JP 2018128772 A JP2018128772 A JP 2018128772A JP 2018128772 A JP2018128772 A JP 2018128772A JP 2020006396 A JP2020006396 A JP 2020006396A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sheet metal
laser beam
moving speed
frequency
maximum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2018128772A
Other languages
English (en)
Other versions
JP6592563B1 (ja
Inventor
山梨　貴昭
Takaaki Yamanashi
貴昭 山梨
厚司 舟木
Koji Funaki
厚司 舟木
明彦 杉山
Akihiko Sugiyama
明彦 杉山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Amada Co Ltd
Original Assignee
Amada Holdings Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Amada Holdings Co Ltd filed Critical Amada Holdings Co Ltd
Priority to JP2018128772A priority Critical patent/JP6592563B1/ja
Priority to US17/256,331 priority patent/US11623301B2/en
Priority to PCT/JP2019/023394 priority patent/WO2020008827A1/ja
Priority to EP19831105.2A priority patent/EP3819070B1/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6592563B1 publication Critical patent/JP6592563B1/ja
Publication of JP2020006396A publication Critical patent/JP2020006396A/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/0869—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction
    • B23K26/0876—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction in at least two axial directions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0643—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising mirrors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/083—Devices involving movement of the workpiece in at least one axial direction
    • B23K26/0853—Devices involving movement of the workpiece in at least in two axial directions, e.g. in a plane
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K37/00—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups
    • B23K37/02—Carriages for supporting the welding or cutting element
    • B23K37/0211—Carriages for supporting the welding or cutting element travelling on a guide member, e.g. rail, track
    • B23K37/0235—Carriages for supporting the welding or cutting element travelling on a guide member, e.g. rail, track the guide member forming part of a portal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K37/00—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups
    • B23K37/04—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups for holding or positioning work
    • B23K37/0408—Auxiliary devices or processes, not specially adapted to a procedure covered by only one of the preceding main groups for holding or positioning work for planar work
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/18—Sheet panels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04—Steel or steel alloys
    • B23K2103/05—Stainless steel

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

【課題】ステンレス鋼よりなる板金を切断面の品質が良好で高速に切断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は、ステンレス鋼の板金を切断するためのレーザビームを射出する。移動機構は、板金Ｗの面に対する加工ヘッド３５の相対的な位置を移動させる。ビーム振動機構は、板金Ｗの切断進行方向と平行方向にレーザビームを振動させる。加工条件データベース７０には、板金Ｗを切断可能な最大移動速度に対して、板金Ｗを切断可能な１つの特定の振動周波数が設定され、板金Ｗを切断可能な最小移動速度以上最大移動速度未満の移動速度に対して、板金Ｗを切断可能な最大周波数から最小周波数までの複数の振動周波数が設定されている。ＮＣ装置５０は、レーザビームを加工条件データベース７０に設定された振動周波数で振動させるようビーム振動機構を制御する。【選択図】図１

Description

本開示は、レーザ光によってステンレス鋼よりなる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光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レーザ加工機が普及している。近年、レーザ加工機で使用するレーザ光を射出するレーザ発振器としては、大型及び高コストのＣＯ２レーザ発振器と比較して、小型で低コストであるファイバレーザ発振器またはダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）が広く用いられている。
ＣＯ２レーザ発振器が射出するレーザ光の波長は１０μｍ程度であるのに対し、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器が射出するレーザ光の波長は１μｍ程度である。よって、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器が射出するレーザ光はビームウエストが小さく、レーザ光の照射によって製品の周囲に形成される溝のカーフ幅は狭い。
JANUARY 2017 The FABRICATOR 67, Shaping the beam for the best cut
レーザ加工機が１μｍ帯のレーザ光を射出するレーザ発振器を用いて板厚３ｍｍ以上のステンレス鋼よりなる板金を切断する際に、板金に照射されるレーザ光（レーザビーム）の集束点を板金の上面に位置させたとする。この場合、板金に形成されるカーフ幅が非常に狭いので溶融した金属を排出することができず、加工不良となることがある。
そこで、従来においては、集束点を板金の上面よりも上方または下方に位置させるデフォーカスの状態とすることによってカーフ幅を広くして板金を切断する。すると、エネルギ密度が小さくなり、板金の切断速度が遅くなってしまう。切断速度を速くするためにレーザパワーを増大させることが考えられるが、レーザパワーを増大させることは省エネルギの点から好ましくない。
非特許文献１には、レーザビームを板金のカーフ幅内で切断進行方向と平行方向に振動させながら、板金を切断することが記載されている。以下、レーザビームを切断進行方向と平行方向に振動させる振動パターンを平行振動パターンと称することとする。
しかしながら、非特許文献１には、カーフ幅を広げる振動パターンを用いた特定の条件で切断速度が向上することが記載されるものの、平行振動パターンを用いた場合の系統的な考察は記載されていない。平行振動パターンを用いてステンレス鋼よりなる板金を切断面の品質が良好で高速に切断する好ましい条件を特定することが求められる。
１またはそれ以上の実施形態の第１の態様によれば、ステンレス鋼の板金を切断するためのレーザビームを射出する加工ヘッドと、前記板金の面に対する前記加工ヘッドの相対的な位置を移動させる移動機構と、前記移動機構によって前記加工ヘッドの相対的な位置を移動させて前記板金を切断するとき、前記板金の切断進行方向と平行方向にレーザビームを振動させるビーム振動機構と、前記板金の板厚ごと予め求められ、前記板金を切断可能な、前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させるときの移動速度と、前記ビーム振動機構によるレーザビームの振動周波数との関係を加工条件として記憶するデータベースと、前記加工ヘッドを前記加工条件に基づいて選択した移動速度で相対的に移動させるよう前記移動機構を制御し、かつ、前記レーザビームを前記加工条件に基づいて選択した振動周波数で振動させるよう前記ビーム振動機構を制御する制御装置とを備え、前記加工条件には、前記板金を切断可能な最大移動速度に対して、前記板金を切断可能な１つの特定の振動周波数が設定され、前記板金を切断可能な最小移動速度以上前記最大移動速度未満の移動速度に対して、前記板金を切断可能な最大周波数から最小周波数までの複数の振動周波数が設定され、前記制御装置は、前記加工ヘッドを前記最大移動速度で相対的に移動させるときには、レーザビームを前記特定の振動周波数で振動させるよう前記ビーム振動機構を制御し、前記加工ヘッドを前記最小移動速度以上前記最大移動速度未満のいずかの移動速度で相対的に移動させるときには、レーザビームを前記最大周波数から前記最小周波数までの複数の振動周波数のうちから選択した振動周波数で振動させるよう前記ビーム振動機構を制御す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１の態様によれば、ステンレス鋼の板金を切断するためのレーザビームを加工ヘッドより射出して、前記板金に照射し、前記板金の面に対する前記加工ヘッドの相対的な位置を移動させることにより前記板金を切断し、前記板金を切断するときに前記板金の切断進行方向と平行方向にレーザビームを振動させ、前記板金の板厚ごと予め求められた、前記板金を切断可能な、前記加工ヘッドを相対的に移動させるときの移動速度と、レーザビームの振動周波数との関係を示す加工条件を参照し、前記加工ヘッドを、参照した前記加工条件に基づいて選択した移動速度で相対的に移動させ、かつ、前記レーザビームを、参照した前記加工条件に基づいて選択した振動周波数で振動させ、前記加工条件には、前記板金を切断可能な最大移動速度に対して、前記板金を切断可能な１つの特定の振動周波数が設定され、前記板金を切断可能な最小移動速度以上前記最大移動速度未満の移動速度に対して、前記板金を切断可能な最大周波数から最小周波数までの複数の振動周波数が設定され、前記加工ヘッドを前記最大移動速度で相対的に移動させるときには、レーザビームを前記特定の振動周波数で振動させ、前記加工ヘッドを前記最小移動速度以上前記最大移動速度未満のいずかの移動速度で相対的に移動させるときには、レーザビームを前記最大周波数から前記最小周波数までの複数の振動周波数のうちから選択した振動周波数で振動させる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、１μｍ帯のレーザビームを平行振動パターンで振動させることによって、ステンレス鋼よりなる板金を切断面の品質が良好で高速に切断することができる。
図１は、各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、各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３は、ビーム振動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４は、レーザビームの平行振動パターンを示す図である。 図５は、レーザビームを平行振動パターンで振動させるときの振幅量の適切な範囲をどのように決定すべきかを説明するための図である。 図６Ａは、レーザビームの振幅量が最小の状態を示す図である。 図６Ｂは、レーザビームの振幅量が最大の状態を示す図である。 図７は、レーザビームを平行振動パターンの最小振幅量で振動させて板金を切断するときの、加工ヘッドの移動速度と振動周波数とがとる好ましい範囲を示す図である。 図８は、レーザビームを平行振動パターンの最大振幅量で振動させて板金を切断するときの、加工ヘッドの移動速度と振動周波数とがとる好ましい範囲を示す図である。 図９は、実施例を表形式で示す図である。 図１０は、平行振動パターンを用いることにより板金を高速に切断することができることを示す、板厚と加工速度との関係を示す図である。
以下、各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。第１実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法は、板厚３ｍｍ以上のステンレス鋼よりなる板金を切断するために、レーザ光（レーザビーム）を平行振動パターンで振動させるときの適切な振幅量を設定する。第２実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法は、板厚３ｍｍ以上のステンレス鋼よりなる板金を切断するためにレーザビームを平行振動パターンで振動させるときの適切な振動周波数を設定する。
＜第１実施形態＞
図１において、レーザ加工機１００は、レーザ光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光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。
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光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光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帯のレーザ光を射出する。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のレーザ光を射出し、ＤＤＬ発振器は、波長９１０ｎｍ〜９５０ｎｍのレーザ光を射出する。
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。板金Ｗはステンレス鋼よりなる。第１実施形態においては、板金Ｗの板厚は３ｍｍから２５ｍｍのうちのいずれかであるとする。
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を板金Ｗの面に沿って移動させる代わりに、加工ヘッド３５は位置が固定されていて、板金Ｗが移動するように構成されていてもよい。レーザ加工機１００は、板金Ｗの面に対する加工ヘッド３５の相対的な位置を移動させる移動機構を備えていればよい。
加工ヘッド３５には、先端部に円形の開口３６ａを有し、開口３６ａよりレーザ光を射出するノズル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光は板金Ｗに照射される。アシストガス供給装置８０は、アシストガスとして例えば窒素を加工ヘッド３５に供給する。板金Ｗの加工時に、アシストガスは開口３６ａより板金Ｗへと吹き付けられる。アシストガスは、板金Ｗが溶融したカーフ幅内の溶融金属を排出する。
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光を平行光（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光を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で反射したレーザ光を集束して、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を、開口３６ａ内で振動させるビーム振動機構として機能する。ガルバノスキャナユニット３２がレーザビームをどのように振動させるかについては後述する。
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光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光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。
駆動部３２２及び３２４は、ＮＣ装置５０による制御に基づき、それぞれ、スキャンミラー３２１及び３２３を所定の角度範囲で往復振動させることができる。スキャンミラー３２１とスキャンミラー３２３とのいずれか一方または双方を往復振動させることによって、ガルバノスキャナユニット３２は、板金Ｗに照射されるレーザビームを振動させる。
ガルバノスキャナユニット３２はビーム振動機構の一例であり、ビーム振動機構は一対のスキャンミラーを有するガルバノスキャナユニット３２に限定されない。
図３は、スキャンミラー３２１とスキャンミラー３２３とのいずれか一方または双方が傾けられて、板金Ｗに照射されるレーザビームの位置が変位した状態を示している。図３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。
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に入射するレーザ光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３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へのレーザ光の入射位置を同じ位置としている。
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。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。
ガルバノスキャナユニット３２がレーザビームを図３に示す方向とは逆方向に角度θだけ傾ければ、板金Ｗへのレーザビームの照射位置を図３に示す方向とは逆方向に距離Δｓだけ変位させることができる。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。
ＮＣ装置５０は、ガルバノスキャナユニット３２の駆動部３２２及び３２４を制御することによって、レーザビームを板金Ｗの面内の所定の方向に振動させることができる。レーザビームを振動させることによって、板金Ｗの面上に形成されるビームスポットを振動させることができる。
以上のように構成されるレーザ加工機１００において、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。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光によって板金Ｗを切断して所定の形状を有する製品を製作する。
ガルバノスキャナユニット３２は、図４に示すようにレーザビームを振動させる。板金Ｗの切断進行方向をＸ方向、板金Ｗの面内でＸ方向と直交する方向をＹ方向とする。図４は、振動パターンを理解しやすいよう、加工ヘッド３５をＸ方向に移動させない状態での振動パターンを示している。
図４に示すように、ガルバノスキャナユニット３２は、ＮＣ装置５０による制御に基づいて、ビームスポットＢｓをビームスポットＢｓの進行によって形成された溝Ｗｋ内でＸ方向に振動させる。この振動パターンを平行振動パターンと称する。実際には、加工ヘッド３５が切断進行方向に移動しながらレーザビームが平行振動パターンで振動させられる。
ビームスポットＢｓを切断進行方向と平行方向に振動させる周波数をＦｘ、切断進行方向と直交する方向に振動させる周波数をＦｙとすれば、平行振動パターンはＦｘ：Ｆｙが１：０の振動パターンである。溝Ｗｋのカーフ幅Ｋ１は、ビームスポットＢｓを平行振動パターンで振動させないときのカーフ幅と同じである。
次に、図５を用いて、レーザビームを平行振動パターンで振動させるときの振幅量をどのような範囲とすべきかについて検討する。図５において、レーザ加工機１００は、加工ヘッド３５を白抜き矢印で示す切断進行方向に移動させながら、かつ、板金Ｗに照射するレーザビームを平行振動パターンで振動させながら、板金Ｗを切断する。
ＬＢ１及びＬＢ２は、それぞれ、切断進行方向に対して最も後ろ側及び最も前側に変位した位置のレーザビームを示している。レーザビームは、切断進行方向に振幅量Ｑｘで振動する。振幅量Ｑｘは、板金Ｗ上でのレーザビームＬＢ１及びＬＢ２の焦点位置の間隔である。第１実施形態及び後述する第２実施形態においては、従来のようにレーザビームをデフォーカスの状態とする必要はなく、集束点を板金の上面またはその近傍に位置させるジャストフォーカスの状態とすればよい。
但し、デフォーカスの状態を利用することを排除するものではない。板金Ｗの板厚が８ｍｍよりも厚い場合に、溶融した金属を良好に排出させるために、カーフ内にフォーカスさせるいわゆるインフォーカスという状態のデフォーカスを利用してもよい。
従来のレーザ加工機が１μｍ帯のレーザビームを平行振動パターンで振動させずに板金Ｗを切断するとき、加工不良となりやすいのは、幅の狭いカーフ内の溶融した金属が短時間のうちに冷却されて粘度が増大して、排出されにくくなるからである。
板金Ｗを切断するには、板金Ｗに次の２つ要件を満足するのに必要充分で断続的なエネルギが供給されることが必要である。第１の要件として、振動するレーザビームの一度の照射時間内で金属が溶融し、溶融した金属が排出されるまでの時間内に振動するレーザビームが溶融した金属に複数回照射されて溶融状態（特に粘度）が維持される。第２の要件として、切断面（カーフの内面）が過剰に溶融しない。
第１実施形態においては、レーザビームを平行振動パターンで振動させることによって、上記の２つの要件を満足し、溶融した金属の粘度が低い状態が従来よりも長い時間維持される。従って、カーフ幅Ｋ１が従来と同じであってもカーフ内の溶融した金属が排出されやすくなるので、切断面の品質が良好となる。
レーザビームの進行方向それぞれの位置における断面積のうち、実際に金属の溶融に寄与するのは、断面積における全光エネルギのうちの中心側のほぼ８６％の光エネルギを占める面積を有する円形領域である。板金Ｗの上面では、上面でのレーザビームの断面積（即ち、ビームスポットＢｓの面積）のうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する円形領域top86が板金Ｗを溶融させる。板金Ｗの下面では、下面でのレーザビームの断面積のうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する円形領域bottom86が板金Ｗを溶融させる。
図５に示すように、カッティングフロントＣＦの板金Ｗの面に沿った方向の距離をΔＬとする。カッティングフロントＣＦの角度θはおおよそ８５°であるので、角度θは８５°とみなせばよい。距離ΔＬは、板金Ｗの板厚ｔをｔａｎθで除算することによって求められる。
図６Ａは、振幅量Ｑｘが最小の状態を示している。図５は、図６Ａの状態に相当する。このとき、距離ΔＬは、振幅量Ｑｘと、円形領域bottom86の半径rbottomと、円形領域top86の半径rtopとを用いて式（１）で表すことができる。図６Ａ及び図６Ｂにおける３６ｃｔｒは、ノズル３６の中心を示している。
ΔＬ＝Ｑｘ＋rbottom＋rtop …（１）
図６Ｂは、振幅量Ｑｘが最大の状態を示している。円形領域bottom86の中心からカッティングフロントＣＦの下端部までの距離は半径rtopに等しい。よって、図６Ｂにおける距離ΔＬは振幅量Ｑｘと等しくなる。
よって、振幅量Ｑｘが取るべき範囲は式（２）で表すことができる。
ΔＬ−bottom−rtop≦Ｑｘ≦ΔＬ …（２）
ＮＣ装置５０が、ガルバノスキャナユニット３２によって、式（２）を満たすようにレーザビームを振動させれば、カッティングフロントＣＦの全体にレーザビームを照射させることができ、板金Ｗを良好に切断することができる。板厚ｔが厚くなるほど距離ΔＬが長くなるから、板厚ｔが厚くなるほど振幅量Ｑｘを大きくする必要がある。
ところで、カッティングフロントＣＦの角度θは、金属のエネルギ吸収率が最も高い角度であるブリュースター角度であってもよいし、ブリュースター角度でなくてもよい。振動するレーザビームの一度の照射時間内で金属が溶融する要件として、ブリュースター角度は必須ではない。エネルギ密度と金属の溶融に要する時間との関係が、一度の照射時間内に成り立てばよい。また、溶融した金属の粘度とカッティングフロントＣＦの角度θとの関係から、溶融した金属が流れ落ちればよい。
以上説明したように、第１実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、レーザビームを平行振動パターンで振動させるときの振幅量を適切な範囲で選択して、板厚３ｍｍ以上のステンレス鋼よりなる板金を切断することができる。
＜第２実施形態＞
第２実施形態のレーザ加工機の構成は、図１に示すレーザ加工機１００と同じである。第２実施形態においては、レーザビームを平行振動パターンで振動させるときの振動周波数をどのような範囲とすべきかについて検討する。
本発明者の検証により、板金Ｗを切断するときの加工ヘッド３５の移動速度（板金Ｗの加工速度）に応じて、板金Ｗを切断することができる振動周波数の範囲が存在することが明らかとなった。また、板金Ｗを切断することができる振動周波数の範囲は、板厚ｔに応じて異なることが明らかとなった。
図７は、式（２）に基づく最小の振幅量Ｑｘ、即ち、Ｑｘ＝ΔＬ−rbottom−rtopとしてレーザビームを振動させて板金Ｗを切断するときの、移動速度と振動周波数とがとる好ましい範囲を示している。図７及び後述する図８は、レーザ発振器１０をファイバレーザ発振器とし、レーザパワーを２ｋＷとして、板金Ｗとして４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍのステンレス鋼を切断したときの実験結果を示している。
板厚ｔが４ｍｍであるとき、最大移動速度は１１１．７ｍｍ／ｓであり、最大移動速度１１１．７ｍｍ／ｓのときに選択可能な振動周波数ｆ４０は２２００Ｈｚのみである。
移動速度が１０３．３ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ４１max及び最小周波数ｆ４１minはそれぞれ３５６０Ｈｚ及び１１００Ｈｚである。移動速度が１０３．３ｍｍ／ｓであるとき、１１００Ｈｚ〜３５６０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。移動速度が９０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ４２max及び最小周波数ｆ４２minはそれぞれ３５６０Ｈｚ及び７００Ｈｚである。移動速度が９０．０ｍｍ／ｓであるとき、７００Ｈｚ〜３５６０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
移動速度が７６．７ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ４３max及び最小周波数ｆ４３minはそれぞれ３５６０Ｈｚ及び５０Ｈｚである。移動速度が６３．３ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ４４max及び最小周波数ｆ４４minはそれぞれ３５６０Ｈｚ及び５０Ｈｚである。移動速度が５０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ４５max及び最小周波数ｆ４５minはそれぞれ３５６０Ｈｚ及び５０Ｈｚである。移動速度が７６．７ｍｍ／ｓ〜５０．０ｍｍ／ｓであるとき、５０Ｈｚ〜３５６０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
板厚ｔが６ｍｍであるとき、最大移動速度は５４．２ｍｍ／ｓであり、最大移動速度５４．２ｍｍ／ｓのときに選択可能な振動周波数ｆ６０は１２００Ｈｚのみである。
移動速度が５３．３ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６１max及び最小周波数ｆ６１minはそれぞれ１４００Ｈｚ及び１０００Ｈｚである。移動速度が５３．３ｍｍ／ｓであるとき、１０００Ｈｚ〜１４００Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。移動速度が５０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６２max及び最小周波数ｆ６２minはそれぞれ２４９０Ｈｚ及び５００Ｈｚである。移動速度が５０．０ｍｍ／ｓであるとき、５００Ｈｚ〜２４９０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
移動速度が４３．３ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６３max及び最小周波数ｆ６３minはそれぞれ３３６０Ｈｚ及び４００Ｈｚである。移動速度が４３．３ｍｍ／ｓであるとき、４００Ｈｚ〜３３６０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。移動速度が３６．７ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６４max及び最小周波数ｆ６４minはそれぞれ３３６０Ｈｚ及び３００Ｈｚである。移動速度が３６．７ｍｍ／ｓであるとき、３００Ｈｚ〜３３６０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
移動速度が３０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６５max及び最小周波数ｆ６５minはそれぞれ３３６０Ｈｚ及び１００Ｈｚである。移動速度が２３．３ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６６max及び最小周波数ｆ６６minはそれぞれ３３６０Ｈｚ及び１００Ｈｚである。移動速度が３０．０ｍｍ／ｓ〜２３．３ｍｍ／ｓであるとき、１００Ｈｚ〜３３６０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
板厚ｔが８ｍｍであるとき、最大移動速度は３３．３ｍｍ／ｓであり、最大移動速度３３．３ｍｍ／ｓのときに選択可能な振動周波数ｆ８０は７００Ｈｚのみである。
移動速度が３０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ８１max及び最小周波数ｆ８１minはそれぞれ１０００Ｈｚ及び４００Ｈｚである。移動速度が３０．０ｍｍ／ｓであるとき、４００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。移動速度が２５．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ８２max及び最小周波数ｆ８２minはそれぞれ３０２０Ｈｚ及び２００Ｈｚである。移動速度が２５．０ｍｍ／ｓであるとき、２００Ｈｚ〜３０２０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
移動速度が２０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ８３max及び最小周波数ｆ８３minはそれぞれ３０２０Ｈｚ及び１００Ｈｚである。移動速度が１５．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ８４max及び最小周波数ｆ８４minはそれぞれ３０２０Ｈｚ及び１００Ｈｚである。移動速度が１０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ８５max及び最小周波数ｆ８５minはそれぞれ３０２０Ｈｚ及び１００Ｈｚである。移動速度が２０．０ｍｍ／ｓ〜１０．０ｍｍ／ｓであるとき、１００Ｈｚ〜３０２０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
図７において、最大周波数ｆ４１max〜ｆ４５max、ｆ６３max〜ｆ６６max、ｆ８２max〜ｆ８５maxがそれぞれ一定値であるのは、ガルバノスキャナユニット３２によってスキャンミラー３２１及び３２３を物理的に振動させる周波数には限界があるからである。上記のように板厚ｔが厚くなるほど振幅量Ｑｘを大きくしなければならないので、板厚ｔが厚くなるほど物理的な限界としての最大周波数が低くなる。
ガルバノスキャナユニット３２の技術改良によってスキャンミラー３２１及び３２３を振動させる物理的な周波数の上限が高くなった場合には、スキャンミラー３２１及び３２３の物理的な最大周波数以内であって、板金Ｗを切断可能な最大周波数を求めればよい。
図７に示すように、板厚ｔが４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍにおける最大移動速度のときの振動周波数ｆ４０、ｆ６０、ｆ８０は、横軸の移動速度をｘ、縦軸の振動周波数をｙとすると、式（３）に示す近似式上に位置する。
ｙ＝−０．０３３５ｘ２＋２３．５６６ｘ−１０．２７７ …（３）
ＮＣ装置５０は、式（３）に基づき、板厚ｔが４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍ以外の板厚であるとき、最大移動速度のときに選択可能な振動周波数を計算によって求めることが可能である。
図８は、式（２）に基づく最大の振幅量Ｑｘ、即ち、Ｑｘ＝ΔＬとしてレーザビームを振動させて板金Ｗを切断するときの、移動速度と振動周波数とがとる好ましい範囲を示している。
板厚ｔが４ｍｍであるとき、最大移動速度は１１３．３ｍｍ／ｓであり、最大移動速度１１３．３ｍｍ／ｓのときに選択可能な振動周波数ｆ４０は２９００Ｈｚのみである。
移動速度が１０３．３ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ４１max及び最小周波数ｆ４１minはそれぞれ３１２０Ｈｚ及び２３００Ｈｚである。移動速度が１０３．３ｍｍ／ｓであるとき、２３００Ｈｚ〜３１２０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。移動速度が９０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ４２max及び最小周波数ｆ４２minはそれぞれ３１２０Ｈｚ及び１６００Ｈｚである。移動速度が９０．０ｍｍ／ｓであるとき、１６００Ｈｚ〜３１２０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
移動速度が７６．７ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ４３max及び最小周波数ｆ４３minはそれぞれ３１２０Ｈｚ及び１４００Ｈｚである。移動速度が７６．７ｍｍ／ｓであるとき、１４００Ｈｚ〜３１２０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。移動速度が６３．３ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ４４max及び最小周波数ｆ４４minはそれぞれ３１２０Ｈｚ及び８００Ｈｚである。移動速度が６３．３ｍｍ／ｓであるとき、８００Ｈｚ〜３１２０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である
移動速度が５０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ４５max及び最小周波数ｆ４５minはそれぞれ３１２０Ｈｚ及び５０Ｈｚである。移動速度が５０．０ｍｍ／ｓであるとき、５０Ｈｚ〜３１２０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
板厚ｔが６ｍｍであるとき、最大移動速度は５４．２ｍｍ／ｓであり、最大移動速度５４．２ｍｍ／ｓのときに選択可能な振動周波数ｆ６０は１０５０Ｈｚのみである。
移動速度が５３．３ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６１max及び最小周波数ｆ６１minはそれぞれ１３００Ｈｚ及び９００Ｈｚである。移動速度が５３．３ｍｍ／ｓであるとき、９００Ｈｚ〜１３００Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。移動速度が５０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６２max及び最小周波数ｆ６２minはそれぞれ１６００Ｈｚ及び４００Ｈｚである。移動速度が５０．０ｍｍ／ｓであるとき、４００Ｈｚ〜１６００Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
移動速度が４３．３ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６３max及び最小周波数ｆ６３minはそれぞれ２６７０Ｈｚ及び３００Ｈｚである。移動速度が４３．３ｍｍ／ｓであるとき、３００Ｈｚ〜２６７０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
移動速度が３６．７ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６４max及び最小周波数ｆ６４minはそれぞれ２６７０Ｈｚ及び２００Ｈｚである。移動速度が３０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６５max及び最小周波数ｆ６５minはそれぞれ２６７０Ｈｚ及び２００Ｈｚである。移動速度が２３．３ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６６max及び最小周波数ｆ６６minはそれぞれ２６７０Ｈｚ及び２００Ｈｚである。移動速度が３６．７ｍｍ／ｓ〜２３．３ｍｍ／ｓであるとき、２００Ｈｚ〜２６７０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
板厚ｔが８ｍｍであるとき、最大移動速度は３１．７ｍｍ／ｓであり、最大移動速度３１．７ｍｍ／ｓのときに選択可能な振動周波数ｆ８０は７００Ｈｚのみである。
移動速度が３０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ８１max及び最小周波数ｆ８１minはそれぞれ９００Ｈｚ及び３００Ｈｚである。移動速度が３０．０ｍｍ／ｓであるとき、３００Ｈｚ〜９００Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。移動速度が２５．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ８２max及び最小周波数ｆ８２minはそれぞれ２３６０Ｈｚ及び１５０Ｈｚである。移動速度が２５．０ｍｍ／ｓであるとき、１５０Ｈｚ〜２３６０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
移動速度が２０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ８３max及び最小周波数ｆ８３minはそれぞれ２３６０Ｈｚ及び１００Ｈｚである。移動速度が１５．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ８４max及び最小周波数ｆ８４minはそれぞれ２３６０Ｈｚ及び１００Ｈｚである。移動速度が１０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ８５max及び最小周波数ｆ８５minはそれぞれ２３６０Ｈｚ及び１００Ｈｚである。移動速度が２０．０ｍｍ／ｓ〜１０．０ｍｍ／ｓであるとき、１００Ｈｚ〜２３６０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
図８において、最大周波数ｆ４１max〜ｆ４５max、ｆ６３max〜ｆ６６max、ｆ８２max〜ｆ８５maxがそれぞれ一定値であるのは、図７と同じ理由である。同様に、ガルバノスキャナユニット３２の技術改良によってスキャンミラー３２１及び３２３を振動させる物理的な周波数の上限が高くなった場合には、スキャンミラー３２１及び３２３の物理的な最大周波数以内であって、板金Ｗを切断可能な最大周波数を求めればよい。
図８に示すように、板厚ｔが４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍにおける最大移動速度のときの振動周波数ｆ４０、ｆ６０、ｆ８０は、横軸の移動速度をｘ、縦軸の振動周波数をｙとすると、式（４）に示す近似式上に位置する。
ｙ＝０．０８４８ｘ２＋１５．６５４ｘ＋２７．４８２ …（４）
ＮＣ装置５０は、式（４）に基づき、板厚ｔが４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍ以外の板厚であるとき、最大移動速度のときに選択可能な振動周波数を計算によって求めることが可能である。
図７及び図８より分かるように、加工ヘッド３５の移動速度と振動周波数とで決まる板金Ｗを切断する際の好ましい範囲は、ガルバノスキャナユニット３２がレーザビームを切断進行方向に振動させるときの振幅量Ｑｘによって決まる。最小から最大までの複数の振幅量Ｑｘごとに、板金Ｗを切断することができる移動速度と振動周波数とで決まる範囲を予め実験しておき、加工条件データベース７０に加工条件として記憶させておけばよい。
振幅量Ｑｘを式（２）を満たす１つの振幅量Ｑｘに固定すれば、その固定した振幅量Ｑｘのみで板金Ｗを切断することができる移動速度と振動周波数とで決まる範囲を求めればよい。
ところで、図７と図８との板厚ｔが８ｍｍのときの振動周波数ｆ８０における加工ヘッド３５の移動速度を比較すると、移動速度は振幅量Ｑｘが最大のときよりも最小のときの方が速い。これは次の理由による。図６Ｂに示す円形領域bottom86のうち、カッティングフロントＣＦよりも切断進行方向の後方側の部分は、板金Ｗに対して無駄な加熱を与える。よって、加熱が必要な箇所への加熱時間が短くなるので、振幅量Ｑｘが最大のときの方が移動速度の最高速が低くなる。
また、図７と図８との板厚ｔが４ｍｍのときの最小周波数ｆ４１min〜ｆ４５minを比較すると、振動周波数は振幅量Ｑｘが最小のときよりも振幅量Ｑｘが最大のときの方が高い。これは次の理由による。円形領域bottom86のうちのカッティングフロントＣＦよりも切断進行方向の後方側の部分による加熱は、ドロスを増加させるように作用する。そこで、振動周波数を高くして一回の加熱時間を短くすることによって、ドロスの増加を抑えることができる。
ＮＣ装置５０は、加工条件データベース７０に記憶された加工条件を参照し、参照した加工条件に基づいて選択した移動速度で加工ヘッド３５を相対的に移動させるよう移動機構を制御する。これに併せて、ＮＣ装置５０は、参照した加工条件に基づいて選択した振動周波数でレーザビームを振動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の例として、オペレータは、操作部４０を操作して加工ヘッド３５の移動速度を設定することができる。オペレータが板金Ｗを切断可能な最大移動速度を設定したときには、ＮＣ装置５０は、ガルバノスキャナユニット３２によって、板金Ｗを切断可能な１つの特定の振動周波数でレーザビームを振動させればよい。
また、オペレータが板金Ｗを切断可能な最小移動速度以上、最大移動速度未満の移動速度に設定したときには、ＮＣ装置５０は、ガルバノスキャナユニット３２によって、それぞれの移動速度に応じて決まる、板金Ｗを切断可能な最大周波数と最小周波数との間のいずれかの周波数でレーザビームを振動させればよい。ＮＣ装置５０は、板金Ｗを切断可能な最大周波数でレーザビームを振動させるのがよい。
オペレータが板金Ｗを切断不可である最大移動速度より大きい移動速度または最小移動速度より小さい移動速度を設定したときには、ＮＣ装置５０は、図示していないディスプレイに加工不可である旨を表示して、板金Ｗの切断を開始しないようにレーザ加工機１００を制御すればよい。
第２の例として、オペレータは、操作部４０を操作して、加工ヘッド３５の移動速度と振動周波数との組を設定してもよい。ＮＣ装置５０は、移動速度と振動周波数との組によって板金Ｗを切断可能であると判断すれば、板金Ｗを切断するようレーザ加工機１００を制御する。ＮＣ装置５０は、移動速度と振動周波数との組によって板金Ｗを切断不可であると判断すれば、図示していないディスプレイに加工不可である旨を表示して、板金Ｗの切断を開始しないようにレーザ加工機１００を制御する。
以上のように、第２実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、レーザビームを平行振動パターンで振動させるときの振動周波数を適切な範囲で選択して、各種の板厚のステンレス鋼よりなる板金を切断することができる。
以上説明した第１実施形態で説明したレーザビームの振幅量と、第２実施形態で説明したレーザビームの振動周波数との双方を満足しなくてもよく、いずれか一方のみを満足するだけでも十分効果的である。勿論、第１実施形態で説明したレーザビームの振幅量と第２実施形態で説明したレーザビームの振動周波数との双方を満足することが好ましい。
後述するように、第１及び第２実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によって板金Ｗを切断すると、レーザビームを振動させない通常の加工方法によって板金Ｗを切断するときと比較して、加工速度を向上させることができることが明らかとなった。第１及び第２実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法においては、レーザビームをジャストフォーカスの状態で板金Ｗに照射することができるので、加工速度を向上させることができる。
通常の加工方法によれば、板厚４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍのときの最大加工速度（最大移動速度）は、それぞれ、５０．０ｍｍ／ｓ、２３．３ｍｍ／ｓ、１０ｍｍ／ｓである。第１及び第２実施形態による加工方法によれば、板厚４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍのときの最大加工速度は、図７に示す最小の振幅量Ｑｘのときを例とすれば、それぞれ、１１１．７ｍｍ／ｓ、５４．２ｍｍ／ｓ、３３．３ｍｍ／ｓである。
ここでは、板金Ｗの板厚が４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍのいわゆる中板を例としたが、板厚が３ｍｍであっても、板厚８mmより厚い中板または板厚１０ｍｍ以上の厚板であっても同様に切断可能である。いずれの板厚であっても、板金Ｗを切断することができる移動速度と振動周波数とで決まる範囲を予め実験しておき、加工条件データベース７０に加工条件として記憶させておけばよい。
第１及び第２実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、板金Ｗの板厚が３ｍｍ以上であっても、後述する実施例より分かるように、切断面の品質が良好に板金Ｗを切断することができる。さらに、第１及び第２実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、加工速度を従来のレーザ加工機及びレーザ加工方法による切断よりも高速とすることができる。
図９は、番号１〜１２で示す具体的な実施例を示している。図９は、レーザ発振器１０のレーザ出力を４ｋＷまたは２ｋＷとして各板厚を有する板金Ｗを図示の条件で切断したときの、ドロス高さと、表面粗さの一例としての算術平均粗さＲａを示している。算術平均粗さＲａにおいて上部とは、板金Ｗの表面から１ｍｍの位置における切断面の算術平均粗さＲａを示しており、下部とは、板金Ｗの表面から板厚の１／３の位置、２／３の位置、または、下面から１ｍｍの位置における算術平均粗さＲａのうち、最も大きい値を切断面の算術平均粗さＲａとして示している。
なお、上記の算術平均粗さＲａの評価方法は、国際規格ＩＳＯ９０１３で規定されている測定方法を基本とし、この基本の測定方法に板厚の２／３の位置と下面から１ｍｍの位置との測定を追加して評価したものである。
切断面の品質の良否判断は板厚により変化する。例えば、板厚３ｍｍのとき、ドロス高さが０．１ｍｍ以下、算術平均粗さＲａが４．９μｍ以下であれば、切断面の品質は良好であると判断できる。板厚１２ｍｍのとき、ドロス高さが０．５ｍｍ以下、算術平均粗さＲａが１９．６μｍ以下であれば、切断面の品質は良好であると判断できる。図９に示すように、番号１〜１２の全ての実施例において、切断面の品質が良好である。
図１０に示すように、レーザ発振器１０のレーザ出力を４ｋＷとした場合、２ｋＷとした場合のいずれも、平行振動パターンを用いることによりステンレス鋼よりなる板金Ｗを高速に切断できることが分かる。
第１実施形態で説明したレーザビームの振幅量と第２実施形態で説明したレーザビームの振動周波数との少なくとも一方、好ましくは双方を満足することにより、板金Ｗを切断面の品質が良好で、しかも高速に切断することができる。
本発明は以上説明した第１及び第２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。
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（ビーム振動機構）
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
４０ 操作部
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
３２１，３２３ スキャンミラー
３２２，３２４ 駆動部
Ｗ 板金
本開示は、レーザビームによってステンレス鋼よりなる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して、所定の形状を有する製品を製作するレーザ加工機が普及している。近年、レーザ加工機で使用するレーザビームを射出するレーザ発振器としては、大型及び高コストのＣＯ２レーザ発振器と比較して、小型で低コストであるファイバレーザ発振器またはダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）が広く用いられている。
ＣＯ２レーザ発振器が射出するレーザビームの波長は１０μｍ程度であるのに対し、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器が射出するレーザビームの波長は１μｍ程度である。よって、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器が射出するレーザビームはビームウエストが小さく、レーザビームの照射によって製品の周囲に形成される溝のカーフ幅は狭い。
JANUARY 2017 The FABRICATOR 67, Shaping the beam for the best cut
レーザ加工機が１μｍ帯のレーザビームを射出するレーザ発振器を用いて板厚３ｍｍ以上のステンレス鋼よりなる板金を切断する際に、板金に照射されるレーザビームの集束点を板金の上面に位置させたとする。この場合、板金に形成されるカーフ幅が非常に狭いので溶融した金属を排出することができず、加工不良となることがある。
そこで、従来においては、集束点を板金の上面よりも上方または下方に位置させるデフォーカスの状態とすることによってカーフ幅を広くして板金を切断する。すると、エネルギ密度が小さくなり、板金の切断速度が遅くなってしまう。切断速度を速くするためにレーザパワーを増大させることが考えられるが、レーザパワーを増大させることは省エネルギの点から好ましくない。
非特許文献１には、レーザビームを板金のカーフ幅内で切断進行方向と平行方向に振動させながら、板金を切断することが記載されている。以下、レーザビームを切断進行方向と平行方向に振動させる振動パターンを平行振動パターンと称することとする。
しかしながら、非特許文献１には、カーフ幅を広げる振動パターンを用いた特定の条件で切断速度が向上することが記載されるものの、平行振動パターンを用いた場合の系統的な考察は記載されていない。平行振動パターンを用いてステンレス鋼よりなる板金を切断面の品質が良好で高速に切断する好ましい条件を特定することが求められる。
１またはそれ以上の実施形態の第１の態様によれば、ステンレス鋼の板金を切断するためのレーザビームを射出する加工ヘッドと、前記板金の面に対して前記加工ヘッドを相対的に移動させる移動機構と、前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させて前記板金を切断するとき、前記板金の切断進行方向と平行方向にレーザビームを振動させるビーム振動機構と、前記板金の板厚ごと予め求められ、前記板金を切断可能な、前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させるときの移動速度と、前記ビーム振動機構によるレーザビームの振動周波数との関係を加工条件として記憶するデータベースと、前記加工ヘッドを前記加工条件に基づいて選択した移動速度で相対的に移動させるよう前記移動機構を制御し、かつ、前記レーザビームを前記加工条件に基づいて選択した振動周波数で振動させるよう前記ビーム振動機構を制御する制御装置とを備え、前記加工条件には、前記板金を切断可能な最大移動速度に対して、前記板金を切断可能な１つの特定の振動周波数が設定され、前記板金を切断可能な最小移動速度以上前記最大移動速度未満の移動速度に対して、前記板金を切断可能な最大周波数から最小周波数までの複数の振動周波数が設定され、前記制御装置は、前記加工ヘッドを前記最大移動速度で相対的に移動させるときには、レーザビームを前記特定の振動周波数で振動させるよう前記ビーム振動機構を制御し、前記加工ヘッドを前記最小移動速度以上前記最大移動速度未満のいずかの移動速度で相対的に移動させるときには、レーザビームを前記最大周波数から前記最小周波数までの複数の振動周波数のうちから選択した振動周波数で振動させるよう前記ビーム振動機構を制御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１の態様によれば、ステンレス鋼の板金を切断するためのレーザビームを加工ヘッドより射出して、前記板金に照射し、前記板金の面に対して前記加工ヘッドを相対的に移動させることにより前記板金を切断し、前記板金を切断するときに前記板金の切断進行方向と平行方向にレーザビームを振動させ、前記板金の板厚ごと予め求められた、前記板金を切断可能な、前記加工ヘッドを相対的に移動させるときの移動速度と、レーザビームの振動周波数との関係を示す加工条件を参照し、前記加工ヘッドを、参照した前記加工条件に基づいて選択した移動速度で相対的に移動させ、かつ、前記レーザビームを、参照した前記加工条件に基づいて選択した振動周波数で振動させ、前記加工条件には、前記板金を切断可能な最大移動速度に対して、前記板金を切断可能な１つの特定の振動周波数が設定され、前記板金を切断可能な最小移動速度以上前記最大移動速度未満の移動速度に対して、前記板金を切断可能な最大周波数から最小周波数までの複数の振動周波数が設定され、前記加工ヘッドを前記最大移動速度で相対的に移動させるときには、レーザビームを前記特定の振動周波数で振動させ、前記加工ヘッドを前記最小移動速度以上前記最大移動速度未満のいずかの移動速度で相対的に移動させるときには、レーザビームを前記最大周波数から前記最小周波数までの複数の振動周波数のうちから選択した振動周波数で振動させ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、１μｍ帯のレーザビームを平行振動パターンで振動させることによって、ステンレス鋼よりなる板金を切断面の品質が良好で高速に切断することができる。
図１は、各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、各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３は、ビーム振動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４は、レーザビームの平行振動パターンを示す図である。 図５は、レーザビームを平行振動パターンで振動させるときの振幅量の適切な範囲をどのように決定すべきかを説明するための図である。 図６Ａは、レーザビームの振幅量が最小の状態を示す図である。 図６Ｂは、レーザビームの振幅量が最大の状態を示す図である。 図７は、レーザビームを平行振動パターンの最小振幅量で振動させて板金を切断するときの、加工ヘッドの移動速度と振動周波数とがとる好ましい範囲を示す図である。 図８は、レーザビームを平行振動パターンの最大振幅量で振動させて板金を切断するときの、加工ヘッドの移動速度と振動周波数とがとる好ましい範囲を示す図である。 図９は、実施例を表形式で示す図である。 図１０は、平行振動パターンを用いることにより板金を高速に切断することができることを示す、板厚と加工速度との関係を示す図である。
以下、各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。第１実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法は、板厚３ｍｍ以上のステンレス鋼よりなる板金を切断するために、レーザビームを平行振動パターンで振動させるときの適切な振幅量を設定する。第２実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法は、板厚３ｍｍ以上のステンレス鋼よりなる板金を切断するためにレーザビームを平行振動パターンで振動させるときの適切な振動周波数を設定する。
＜第１実施形態＞
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。
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。板金Ｗはステンレス鋼よりなる。第１実施形態においては、板金Ｗの板厚は３ｍｍから２５ｍｍのうちのいずれかであるとする。
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を板金Ｗの面に沿って移動させる代わりに、加工ヘッド３５は位置が固定されていて、板金Ｗが移動するように構成されていてもよい。レーザ加工機１００は、板金Ｗの面に対して加工ヘッド３５を相対的に移動させる移動機構を備えていればよい。
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。アシストガス供給装置８０は、アシストガスとして例えば窒素を加工ヘッド３５に供給する。板金Ｗの加工時に、アシストガスは開口３６ａより板金Ｗへと吹き付けられる。アシストガスは、板金Ｗが溶融したカーフ幅内の溶融金属を排出する。
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を、開口３６ａ内で振動させるビーム振動機構として機能する。ガルバノスキャナユニット３２がレーザビームをどのように振動させるかについては後述する。
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。
駆動部３２２及び３２４は、ＮＣ装置５０による制御に基づき、それぞれ、スキャンミラー３２１及び３２３を所定の角度範囲で往復振動させることができる。スキャンミラー３２１とスキャンミラー３２３とのいずれか一方または双方を往復振動させることによって、ガルバノスキャナユニット３２は、板金Ｗに照射されるレーザビームを振動させる。
ガルバノスキャナユニット３２はビーム振動機構の一例であり、ビーム振動機構は一対のスキャンミラーを有するガルバノスキャナユニット３２に限定されない。
図３は、スキャンミラー３２１とスキャンミラー３２３とのいずれか一方または双方が傾けられて、板金Ｗに照射されるレーザビームの位置が変位した状態を示している。図３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。
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３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。
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。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。
ガルバノスキャナユニット３２がレーザビームを図３に示す方向とは逆方向に角度θだけ傾ければ、板金Ｗへのレーザビームの照射位置を図３に示す方向とは逆方向に距離Δｓだけ変位させることができる。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。
ＮＣ装置５０は、ガルバノスキャナユニット３２の駆動部３２２及び３２４を制御することによって、レーザビームを板金Ｗの面内の所定の方向に振動させることができる。レーザビームを振動させることによって、板金Ｗの面上に形成されるビームスポットを振動させることができる。
以上のように構成されるレーザ加工機１００において、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。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。
ガルバノスキャナユニット３２は、図４に示すようにレーザビームを振動させる。板金Ｗの切断進行方向をｘ方向、板金Ｗの面内でｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。図４は、振動パターンを理解しやすいよう、加工ヘッド３５をｘ方向に移動させない状態での振動パターンを示している。
図４に示すように、ガルバノスキャナユニット３２は、ＮＣ装置５０による制御に基づいて、ビームスポットＢｓをビームスポットＢｓの進行によって形成された溝Ｗｋ内でｘ方向に振動させる。この振動パターンを平行振動パターンと称する。実際には、加工ヘッド３５が切断進行方向に移動しながらレーザビームが平行振動パターンで振動させられる。
ビームスポットＢｓを切断進行方向と平行方向に振動させる周波数をＦｘ、切断進行方向と直交する方向に振動させる周波数をＦｙとすれば、平行振動パターンはＦｘ：Ｆｙが１：０の振動パターンである。溝Ｗｋのカーフ幅Ｋ１は、ビームスポットＢｓを平行振動パターンで振動させないときのカーフ幅と同じである。
次に、図５を用いて、レーザビームを平行振動パターンで振動させるときの振幅量をどのような範囲とすべきかについて検討する。図５において、レーザ加工機１００は、加工ヘッド３５を白抜き矢印で示す切断進行方向に移動させながら、かつ、板金Ｗに照射するレーザビームを平行振動パターンで振動させながら、板金Ｗを切断する。
ＬＢ１及びＬＢ２は、それぞれ、切断進行方向に対して最も後ろ側及び最も前側に変位した位置のレーザビームを示している。レーザビームは、切断進行方向に振幅量Ｑｘで振動する。振幅量Ｑｘは、板金Ｗ上でのレーザビームＬＢ１及びＬＢ２の焦点位置の間隔である。第１実施形態及び後述する第２実施形態においては、従来のようにレーザビームをデフォーカスの状態とする必要はなく、集束点を板金の上面またはその近傍に位置させるジャストフォーカスの状態とすればよい。
但し、デフォーカスの状態を利用することを排除するものではない。板金Ｗの板厚が８ｍｍよりも厚い場合に、溶融した金属を良好に排出させるために、カーフ内にフォーカスさせるいわゆるインフォーカスという状態のデフォーカスを利用してもよい。
従来のレーザ加工機が１μｍ帯のレーザビームを平行振動パターンで振動させずに板金Ｗを切断するとき、加工不良となりやすいのは、幅の狭いカーフ内の溶融した金属が短時間のうちに冷却されて粘度が増大して、排出されにくくなるからである。
板金Ｗを切断するには、板金Ｗに次の２つ要件を満足するのに必要充分で断続的なエネルギが供給されることが必要である。第１の要件として、振動するレーザビームの一度の照射時間内で金属が溶融し、溶融した金属が排出されるまでの時間内に振動するレーザビームが溶融した金属に複数回照射されて溶融状態（特に粘度）が維持される。第２の要件として、切断面（カーフの内面）が過剰に溶融しない。
第１実施形態においては、レーザビームを平行振動パターンで振動させることによって、上記の２つの要件を満足し、溶融した金属の粘度が低い状態が従来よりも長い時間維持される。従って、カーフ幅Ｋ１が従来と同じであってもカーフ内の溶融した金属が排出されやすくなるので、切断面の品質が良好となる。
レーザビームの進行方向それぞれの位置における断面積のうち、実際に金属の溶融に寄与するのは、断面積における全光エネルギのうちの中心側のほぼ８６％の光エネルギを占める面積を有する円形領域である。板金Ｗの上面では、上面でのレーザビームの断面積（即ち、ビームスポットＢｓの面積）のうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する円形領域top86が板金Ｗを溶融させる。板金Ｗの下面では、下面でのレーザビームの断面積のうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する円形領域bottom86が板金Ｗを溶融させる。
図５に示すように、カッティングフロントＣＦの板金Ｗの面に沿った方向の距離をΔＬとする。カッティングフロントＣＦの角度θはおおよそ８５°であるので、角度θは８５°とみなせばよい。距離ΔＬは、板金Ｗの板厚ｔをｔａｎθで除算することによって求められる。
図６Ａは、振幅量Ｑｘが最小の状態を示している。図５は、図６Ａの状態に相当する。このとき、距離ΔＬは、振幅量Ｑｘと、円形領域bottom86の半径rbottomと、円形領域top86の半径rtopとを用いて式（１）で表すことができる。図６Ａ及び図６Ｂにおける３６ｃｔｒは、ノズル３６の中心を示している。
ΔＬ＝Ｑｘ＋rbottom＋rtop …（１）
図６Ｂは、振幅量Ｑｘが最大の状態を示している。円形領域bottom86の中心からカッティングフロントＣＦの下端部までの距離は半径rtopに等しい。よって、図６Ｂにおける距離ΔＬは振幅量Ｑｘと等しくなる。
よって、振幅量Ｑｘが取るべき範囲は式（２）で表すことができる。
ΔＬ−bottom−rtop≦Ｑｘ≦ΔＬ …（２）
ＮＣ装置５０が、ガルバノスキャナユニット３２によって、式（２）を満たすようにレーザビームを振動させれば、カッティングフロントＣＦの全体にレーザビームを照射させることができ、板金Ｗを良好に切断することができる。板厚ｔが厚くなるほど距離ΔＬが長くなるから、板厚ｔが厚くなるほど振幅量Ｑｘを大きくする必要がある。
ところで、カッティングフロントＣＦの角度θは、金属のエネルギ吸収率が最も高い角度であるブリュースター角度であってもよいし、ブリュースター角度でなくてもよい。振動するレーザビームの一度の照射時間内で金属が溶融する要件として、ブリュースター角度は必須ではない。エネルギ密度と金属の溶融に要する時間との関係が、一度の照射時間内に成り立てばよい。また、溶融した金属の粘度とカッティングフロントＣＦの角度θとの関係から、溶融した金属が流れ落ちればよい。
以上説明したように、第１実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、レーザビームを平行振動パターンで振動させるときの振幅量を適切な範囲で選択して、板厚３ｍｍ以上のステンレス鋼よりなる板金を切断することができる。
＜第２実施形態＞
第２実施形態のレーザ加工機の構成は、図１に示すレーザ加工機１００と同じである。第２実施形態においては、レーザビームを平行振動パターンで振動させるときの振動周波数をどのような範囲とすべきかについて検討する。
本発明者の検証により、板金Ｗを切断するときの加工ヘッド３５の移動速度（板金Ｗの加工速度）に応じて、板金Ｗを切断することができる振動周波数の範囲が存在することが明らかとなった。また、板金Ｗを切断することができる振動周波数の範囲は、板厚ｔに応じて異なることが明らかとなった。
図７は、式（２）に基づく最小の振幅量Ｑｘ、即ち、Ｑｘ＝ΔＬ−rbottom−rtopとしてレーザビームを振動させて板金Ｗを切断するときの、移動速度と振動周波数とがとる好ましい範囲を示している。図７及び後述する図８は、レーザ発振器１０をファイバレーザ発振器とし、レーザパワーを２ｋＷとして、板金Ｗとして４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍのステンレス鋼を切断したときの実験結果を示している。
板厚ｔが４ｍｍであるとき、最大移動速度は１１１．７ｍｍ／ｓであり、最大移動速度１１１．７ｍｍ／ｓのときに選択可能な振動周波数ｆ４０は２２００Ｈｚのみである。
移動速度が１０３．３ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ４１max及び最小周波数ｆ４１minはそれぞれ３５６０Ｈｚ及び１１００Ｈｚである。移動速度が１０３．３ｍｍ／ｓであるとき、１１００Ｈｚ〜３５６０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。移動速度が９０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ４２max及び最小周波数ｆ４２minはそれぞれ３５６０Ｈｚ及び７００Ｈｚである。移動速度が９０．０ｍｍ／ｓであるとき、７００Ｈｚ〜３５６０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
移動速度が７６．７ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ４３max及び最小周波数ｆ４３minはそれぞれ３５６０Ｈｚ及び５０Ｈｚである。移動速度が６３．３ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ４４max及び最小周波数ｆ４４minはそれぞれ３５６０Ｈｚ及び５０Ｈｚである。移動速度が５０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ４５max及び最小周波数ｆ４５minはそれぞれ３５６０Ｈｚ及び５０Ｈｚである。移動速度が７６．７ｍｍ／ｓ〜５０．０ｍｍ／ｓであるとき、５０Ｈｚ〜３５６０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
板厚ｔが６ｍｍであるとき、最大移動速度は５４．２ｍｍ／ｓであり、最大移動速度５４．２ｍｍ／ｓのときに選択可能な振動周波数ｆ６０は１２００Ｈｚのみである。
移動速度が５３．３ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６１max及び最小周波数ｆ６１minはそれぞれ１４００Ｈｚ及び１０００Ｈｚである。移動速度が５３．３ｍｍ／ｓであるとき、１０００Ｈｚ〜１４００Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。移動速度が５０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６２max及び最小周波数ｆ６２minはそれぞれ２４９０Ｈｚ及び５００Ｈｚである。移動速度が５０．０ｍｍ／ｓであるとき、５００Ｈｚ〜２４９０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
移動速度が４３．３ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６３max及び最小周波数ｆ６３minはそれぞれ３３６０Ｈｚ及び４００Ｈｚである。移動速度が４３．３ｍｍ／ｓであるとき、４００Ｈｚ〜３３６０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。移動速度が３６．７ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６４max及び最小周波数ｆ６４minはそれぞれ３３６０Ｈｚ及び３００Ｈｚである。移動速度が３６．７ｍｍ／ｓであるとき、３００Ｈｚ〜３３６０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
移動速度が３０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６５max及び最小周波数ｆ６５minはそれぞれ３３６０Ｈｚ及び１００Ｈｚである。移動速度が２３．３ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６６max及び最小周波数ｆ６６minはそれぞれ３３６０Ｈｚ及び１００Ｈｚである。移動速度が３０．０ｍｍ／ｓ〜２３．３ｍｍ／ｓであるとき、１００Ｈｚ〜３３６０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
板厚ｔが８ｍｍであるとき、最大移動速度は３３．３ｍｍ／ｓであり、最大移動速度３３．３ｍｍ／ｓのときに選択可能な振動周波数ｆ８０は７００Ｈｚのみである。
移動速度が３０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ８１max及び最小周波数ｆ８１minはそれぞれ１０００Ｈｚ及び４００Ｈｚである。移動速度が３０．０ｍｍ／ｓであるとき、４００Ｈｚ〜１０００Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。移動速度が２５．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ８２max及び最小周波数ｆ８２minはそれぞれ３０２０Ｈｚ及び２００Ｈｚである。移動速度が２５．０ｍｍ／ｓであるとき、２００Ｈｚ〜３０２０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
移動速度が２０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ８３max及び最小周波数ｆ８３minはそれぞれ３０２０Ｈｚ及び１００Ｈｚである。移動速度が１５．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ８４max及び最小周波数ｆ８４minはそれぞれ３０２０Ｈｚ及び１００Ｈｚである。移動速度が１０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ８５max及び最小周波数ｆ８５minはそれぞれ３０２０Ｈｚ及び１００Ｈｚである。移動速度が２０．０ｍｍ／ｓ〜１０．０ｍｍ／ｓであるとき、１００Ｈｚ〜３０２０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
図７において、最大周波数ｆ４１max〜ｆ４５max、ｆ６３max〜ｆ６６max、ｆ８２max〜ｆ８５maxがそれぞれ一定値であるのは、ガルバノスキャナユニット３２によってスキャンミラー３２１及び３２３を物理的に振動させる周波数には限界があるからである。上記のように板厚ｔが厚くなるほど振幅量Ｑｘを大きくしなければならないので、板厚ｔが厚くなるほど物理的な限界としての最大周波数が低くなる。
ガルバノスキャナユニット３２の技術改良によってスキャンミラー３２１及び３２３を振動させる物理的な周波数の上限が高くなった場合には、スキャンミラー３２１及び３２３の物理的な最大周波数以内であって、板金Ｗを切断可能な最大周波数を求めればよい。
図７に示すように、板厚ｔが４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍにおける最大移動速度のときの振動周波数ｆ４０、ｆ６０、ｆ８０は、横軸の移動速度をｘ、縦軸の振動周波数をｙとすると、式（３）に示す近似式上に位置する。
ｙ＝−０．０３３５ｘ２＋２３．５６６ｘ−１０．２７７ …（３）
ＮＣ装置５０は、式（３）に基づき、板厚ｔが４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍ以外の板厚であるとき、最大移動速度のときに選択可能な振動周波数を計算によって求めることが可能である。
図８は、式（２）に基づく最大の振幅量Ｑｘ、即ち、Ｑｘ＝ΔＬとしてレーザビームを振動させて板金Ｗを切断するときの、移動速度と振動周波数とがとる好ましい範囲を示している。
板厚ｔが４ｍｍであるとき、最大移動速度は１１３．３ｍｍ／ｓであり、最大移動速度１１３．３ｍｍ／ｓのときに選択可能な振動周波数ｆ４０は２９００Ｈｚのみである。
移動速度が１０３．３ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ４１max及び最小周波数ｆ４１minはそれぞれ３１２０Ｈｚ及び２３００Ｈｚである。移動速度が１０３．３ｍｍ／ｓであるとき、２３００Ｈｚ〜３１２０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。移動速度が９０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ４２max及び最小周波数ｆ４２minはそれぞれ３１２０Ｈｚ及び１６００Ｈｚである。移動速度が９０．０ｍｍ／ｓであるとき、１６００Ｈｚ〜３１２０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
移動速度が７６．７ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ４３max及び最小周波数ｆ４３minはそれぞれ３１２０Ｈｚ及び１４００Ｈｚである。移動速度が７６．７ｍｍ／ｓであるとき、１４００Ｈｚ〜３１２０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。移動速度が６３．３ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ４４max及び最小周波数ｆ４４minはそれぞれ３１２０Ｈｚ及び８００Ｈｚである。移動速度が６３．３ｍｍ／ｓであるとき、８００Ｈｚ〜３１２０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である
移動速度が５０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ４５max及び最小周波数ｆ４５minはそれぞれ３１２０Ｈｚ及び５０Ｈｚである。移動速度が５０．０ｍｍ／ｓであるとき、５０Ｈｚ〜３１２０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
板厚ｔが６ｍｍであるとき、最大移動速度は５４．２ｍｍ／ｓであり、最大移動速度５４．２ｍｍ／ｓのときに選択可能な振動周波数ｆ６０は１０５０Ｈｚのみである。
移動速度が５３．３ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６１max及び最小周波数ｆ６１minはそれぞれ１３００Ｈｚ及び９００Ｈｚである。移動速度が５３．３ｍｍ／ｓであるとき、９００Ｈｚ〜１３００Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。移動速度が５０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６２max及び最小周波数ｆ６２minはそれぞれ１６００Ｈｚ及び４００Ｈｚである。移動速度が５０．０ｍｍ／ｓであるとき、４００Ｈｚ〜１６００Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
移動速度が４３．３ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６３max及び最小周波数ｆ６３minはそれぞれ２６７０Ｈｚ及び３００Ｈｚである。移動速度が４３．３ｍｍ／ｓであるとき、３００Ｈｚ〜２６７０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
移動速度が３６．７ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６４max及び最小周波数ｆ６４minはそれぞれ２６７０Ｈｚ及び２００Ｈｚである。移動速度が３０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６５max及び最小周波数ｆ６５minはそれぞれ２６７０Ｈｚ及び２００Ｈｚである。移動速度が２３．３ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ６６max及び最小周波数ｆ６６minはそれぞれ２６７０Ｈｚ及び２００Ｈｚである。移動速度が３６．７ｍｍ／ｓ〜２３．３ｍｍ／ｓであるとき、２００Ｈｚ〜２６７０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
板厚ｔが８ｍｍであるとき、最大移動速度は３１．７ｍｍ／ｓであり、最大移動速度３１．７ｍｍ／ｓのときに選択可能な振動周波数ｆ８０は７００Ｈｚのみである。
移動速度が３０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ８１max及び最小周波数ｆ８１minはそれぞれ９００Ｈｚ及び３００Ｈｚである。移動速度が３０．０ｍｍ／ｓであるとき、３００Ｈｚ〜９００Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。移動速度が２５．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ８２max及び最小周波数ｆ８２minはそれぞれ２３６０Ｈｚ及び１５０Ｈｚである。移動速度が２５．０ｍｍ／ｓであるとき、１５０Ｈｚ〜２３６０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
移動速度が２０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ８３max及び最小周波数ｆ８３minはそれぞれ２３６０Ｈｚ及び１００Ｈｚである。移動速度が１５．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ８４max及び最小周波数ｆ８４minはそれぞれ２３６０Ｈｚ及び１００Ｈｚである。移動速度が１０．０ｍｍ／ｓであるときに選択可能な最大周波数ｆ８５max及び最小周波数ｆ８５minはそれぞれ２３６０Ｈｚ及び１００Ｈｚである。移動速度が２０．０ｍｍ／ｓ〜１０．０ｍｍ／ｓであるとき、１００Ｈｚ〜２３６０Ｈｚの範囲のいずれかの振動周波数が選択可能である。
図８において、最大周波数ｆ４１max〜ｆ４５max、ｆ６３max〜ｆ６６max、ｆ８２max〜ｆ８５maxがそれぞれ一定値であるのは、図７と同じ理由である。同様に、ガルバノスキャナユニット３２の技術改良によってスキャンミラー３２１及び３２３を振動させる物理的な周波数の上限が高くなった場合には、スキャンミラー３２１及び３２３の物理的な最大周波数以内であって、板金Ｗを切断可能な最大周波数を求めればよい。
図８に示すように、板厚ｔが４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍにおける最大移動速度のときの振動周波数ｆ４０、ｆ６０、ｆ８０は、横軸の移動速度をｘ、縦軸の振動周波数をｙとすると、式（４）に示す近似式上に位置する。
ｙ＝０．０８４８ｘ２＋１５．６５４ｘ＋２７．４８２ …（４）
ＮＣ装置５０は、式（４）に基づき、板厚ｔが４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍ以外の板厚であるとき、最大移動速度のときに選択可能な振動周波数を計算によって求めることが可能である。
図７及び図８より分かるように、加工ヘッド３５の移動速度と振動周波数とで決まる板金Ｗを切断する際の好ましい範囲は、ガルバノスキャナユニット３２がレーザビームを切断進行方向に振動させるときの振幅量Ｑｘによって決まる。最小から最大までの複数の振幅量Ｑｘごとに、板金Ｗを切断することができる移動速度と振動周波数とで決まる範囲を予め実験しておき、加工条件データベース７０に加工条件として記憶させておけばよい。
振幅量Ｑｘを式（２）を満たす１つの振幅量Ｑｘに固定すれば、その固定した振幅量Ｑｘのみで板金Ｗを切断することができる移動速度と振動周波数とで決まる範囲を求めればよい。
ところで、図７と図８との板厚ｔが８ｍｍのときの振動周波数ｆ８０における加工ヘッド３５の移動速度を比較すると、移動速度は振幅量Ｑｘが最大のときよりも最小のときの方が速い。これは次の理由による。図６Ｂに示す円形領域bottom86のうち、カッティングフロントＣＦよりも切断進行方向の後方側の部分は、板金Ｗに対して無駄な加熱を与える。よって、加熱が必要な箇所への加熱時間が短くなるので、振幅量Ｑｘが最大のときの方が移動速度の最高速が低くなる。
また、図７と図８との板厚ｔが４ｍｍのときの最小周波数ｆ４１min〜ｆ４５minを比較すると、振動周波数は振幅量Ｑｘが最小のときよりも振幅量Ｑｘが最大のときの方が高い。これは次の理由による。円形領域bottom86のうちのカッティングフロントＣＦよりも切断進行方向の後方側の部分による加熱は、ドロスを増加させるように作用する。そこで、振動周波数を高くして一回の加熱時間を短くすることによって、ドロスの増加を抑えることができる。
ＮＣ装置５０は、加工条件データベース７０に記憶された加工条件を参照し、参照した加工条件に基づいて選択した移動速度で加工ヘッド３５を相対的に移動させるよう移動機構を制御する。これに併せて、ＮＣ装置５０は、参照した加工条件に基づいて選択した振動周波数でレーザビームを振動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の例として、オペレータは、操作部４０を操作して加工ヘッド３５の移動速度を設定することができる。オペレータが板金Ｗを切断可能な最大移動速度を設定したときには、ＮＣ装置５０は、ガルバノスキャナユニット３２によって、板金Ｗを切断可能な１つの特定の振動周波数でレーザビームを振動させればよい。
また、オペレータが板金Ｗを切断可能な最小移動速度以上、最大移動速度未満の移動速度に設定したときには、ＮＣ装置５０は、ガルバノスキャナユニット３２によって、それぞれの移動速度に応じて決まる、板金Ｗを切断可能な最大周波数と最小周波数との間のいずれかの周波数でレーザビームを振動させればよい。ＮＣ装置５０は、板金Ｗを切断可能な最大周波数でレーザビームを振動させるのがよい。
オペレータが板金Ｗを切断不可である最大移動速度より大きい移動速度または最小移動速度より小さい移動速度を設定したときには、ＮＣ装置５０は、図示していないディスプレイに加工不可である旨を表示して、板金Ｗの切断を開始しないようにレーザ加工機１００を制御すればよい。
第２の例として、オペレータは、操作部４０を操作して、加工ヘッド３５の移動速度と振動周波数との組を設定してもよい。ＮＣ装置５０は、移動速度と振動周波数との組によって板金Ｗを切断可能であると判断すれば、板金Ｗを切断するようレーザ加工機１００を制御する。ＮＣ装置５０は、移動速度と振動周波数との組によって板金Ｗを切断不可であると判断すれば、図示していないディスプレイに加工不可である旨を表示して、板金Ｗの切断を開始しないようにレーザ加工機１００を制御する。
以上のように、第２実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、レーザビームを平行振動パターンで振動させるときの振動周波数を適切な範囲で選択して、各種の板厚のステンレス鋼よりなる板金を切断することができる。
以上説明した第１実施形態で説明したレーザビームの振幅量と、第２実施形態で説明したレーザビームの振動周波数との双方を満足しなくてもよく、いずれか一方のみを満足するだけでも十分効果的である。勿論、第１実施形態で説明したレーザビームの振幅量と第２実施形態で説明したレーザビームの振動周波数との双方を満足することが好ましい。
後述するように、第１及び第２実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によって板金Ｗを切断すると、レーザビームを振動させない通常の加工方法によって板金Ｗを切断するときと比較して、加工速度を向上させることができることが明らかとなった。第１及び第２実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法においては、レーザビームをジャストフォーカスの状態で板金Ｗに照射することができるので、加工速度を向上させることができる。
通常の加工方法によれば、板厚４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍのときの最大加工速度（最大移動速度）は、それぞれ、５０．０ｍｍ／ｓ、２３．３ｍｍ／ｓ、１０ｍｍ／ｓである。第１及び第２実施形態による加工方法によれば、板厚４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍのときの最大加工速度は、図７に示す最小の振幅量Ｑｘのときを例とすれば、それぞれ、１１１．７ｍｍ／ｓ、５４．２ｍｍ／ｓ、３３．３ｍｍ／ｓである。
ここでは、板金Ｗの板厚が４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍのいわゆる中板を例としたが、板厚が３ｍｍであっても、板厚８mmより厚い中板または板厚１０ｍｍ以上の厚板であっても同様に切断可能である。いずれの板厚であっても、板金Ｗを切断することができる移動速度と振動周波数とで決まる範囲を予め実験しておき、加工条件データベース７０に加工条件として記憶させておけばよい。
第１及び第２実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、板金Ｗの板厚が３ｍｍ以上であっても、後述する実施例より分かるように、切断面の品質が良好に板金Ｗを切断することができる。さらに、第１及び第２実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、加工速度を従来のレーザ加工機及びレーザ加工方法による切断よりも高速とすることができる。
図９は、番号１〜１２で示す具体的な実施例を示している。図９は、レーザ発振器１０のレーザ出力を４ｋＷまたは２ｋＷとして各板厚を有する板金Ｗを図示の条件で切断したときの、ドロス高さと、表面粗さの一例としての算術平均粗さＲａを示している。算術平均粗さＲａにおいて上部とは、板金Ｗの表面から１ｍｍの位置における切断面の算術平均粗さＲａを示しており、下部とは、板金Ｗの表面から板厚の１／３の位置、２／３の位置、または、下面から１ｍｍの位置における算術平均粗さＲａのうち、最も大きい値を切断面の算術平均粗さＲａとして示している。
なお、上記の算術平均粗さＲａの評価方法は、国際規格ＩＳＯ９０１３で規定されている測定方法を基本とし、この基本の測定方法に板厚の２／３の位置と下面から１ｍｍの位置との測定を追加して評価したものである。
切断面の品質の良否判断は板厚により変化する。例えば、板厚３ｍｍのとき、ドロス高さが０．１ｍｍ以下、算術平均粗さＲａが４．９μｍ以下であれば、切断面の品質は良好であると判断できる。板厚１２ｍｍのとき、ドロス高さが０．５ｍｍ以下、算術平均粗さＲａが１９．６μｍ以下であれば、切断面の品質は良好であると判断できる。図９に示すように、番号１〜１２の全ての実施例において、切断面の品質が良好である。
図１０に示すように、レーザ発振器１０のレーザ出力を４ｋＷとした場合、２ｋＷとした場合のいずれも、平行振動パターンを用いることによりステンレス鋼よりなる板金Ｗを高速に切断できることが分かる。
第１実施形態で説明したレーザビームの振幅量と第２実施形態で説明したレーザビームの振動周波数との少なくとも一方、好ましくは双方を満足することにより、板金Ｗを切断面の品質が良好で、しかも高速に切断することができる。
本発明は以上説明した第１及び第２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。
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（ビーム振動機構）
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
４０ 操作部
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
３２１，３２３ スキャンミラー
３２２，３２４ 駆動部
Ｗ 板金

Claims (4)

  1. ステンレス鋼の板金を切断するためのレーザビームを射出する加工ヘッドと、
    前記板金の面に対する前記加工ヘッドの相対的な位置を移動させる移動機構と、
    前記移動機構によって前記加工ヘッドの相対的な位置を移動させて前記板金を切断するとき、前記板金の切断進行方向と平行方向にレーザビームを振動させるビーム振動機構と、
    前記板金の板厚ごと予め求められ、前記板金を切断可能な、前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させるときの移動速度と、前記ビーム振動機構によるレーザビームの振動周波数との関係を加工条件として記憶するデータベースと、
    前記加工ヘッドを前記加工条件に基づいて選択した移動速度で相対的に移動させるよう前記移動機構を制御し、かつ、前記レーザビームを前記加工条件に基づいて選択した振動周波数で振動させるよう前記ビーム振動機構を制御する制御装置と、
    を備え、
    前記加工条件には、前記板金を切断可能な最大移動速度に対して、前記板金を切断可能な１つの特定の振動周波数が設定され、前記板金を切断可能な最小移動速度以上前記最大移動速度未満の移動速度に対して、前記板金を切断可能な最大周波数から最小周波数までの複数の振動周波数が設定され、
    前記制御装置は、前記加工ヘッドを前記最大移動速度で相対的に移動させるときには、レーザビームを前記特定の振動周波数で振動させるよう前記ビーム振動機構を制御し、前記加工ヘッドを前記最小移動速度以上前記最大移動速度未満のいずかの移動速度で相対的に移動させるときには、レーザビームを前記最大周波数から前記最小周波数までの複数の振動周波数のうちから選択した振動周波数で振動させるよう前記ビーム振動機構を制御する
    ことを特徴とするレーザ加工機。
  2. 前記ビーム振動機構によるレーザビームの振幅量をＱｘ、前記板金の上面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第１の円形領域の半径をrtop、前記板金の下面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第２の円形領域の半径をrbottom、カッティングフロントの前記板金の面に沿った方向の距離をΔＬとしたとき、
    前記ビーム振動機構は、レーザビームを、
    ΔＬ−rbottom−rtop≦Ｑｘ≦ΔＬ
    を満たすように振動させる
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
  3. ステンレス鋼の板金を切断するためのレーザビームを加工ヘッドより射出して、前記板金に照射し、
    前記板金の面に対する前記加工ヘッドの相対的な位置を移動させることにより前記板金を切断し、
    前記板金を切断するときに前記板金の切断進行方向と平行方向にレーザビームを振動させ、
    前記板金の板厚ごと予め求められた、前記板金を切断可能な、前記加工ヘッドを相対的に移動させるときの移動速度と、レーザビームの振動周波数との関係を示す加工条件を参照し、
    前記加工ヘッドを、参照した前記加工条件に基づいて選択した移動速度で相対的に移動させ、かつ、前記レーザビームを、参照した前記加工条件に基づいて選択した振動周波数で振動させ、
    前記加工条件には、前記板金を切断可能な最大移動速度に対して、前記板金を切断可能な１つの特定の振動周波数が設定され、前記板金を切断可能な最小移動速度以上前記最大移動速度未満の移動速度に対して、前記板金を切断可能な最大周波数から最小周波数までの複数の振動周波数が設定され、
    前記加工ヘッドを前記最大移動速度で相対的に移動させるときには、レーザビームを前記特定の振動周波数で振動させ、
    前記加工ヘッドを前記最小移動速度以上前記最大移動速度未満のいずかの移動速度で相対的に移動させるときには、レーザビームを前記最大周波数から前記最小周波数までの複数の振動周波数のうちから選択した振動周波数で振動させる
    ことを特徴とするレーザ加工方法。
  4. レーザビームを振動させるときの振幅量をＱｘ、前記板金の上面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第１の円形領域の半径をrtop、前記板金の下面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第２の円形領域の半径をrbottom、カッティングフロントの前記板金の面に沿った方向の距離をΔＬとしたとき、
    レーザビームを、
    ΔＬ−rbottom−rtop≦Ｑｘ≦ΔＬ
    を満たすように振動させる
    ことを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工方法。
JP2018128772A 2018-07-06 2018-07-06 レーザ加工機及びレーザ加工方法 Active JP6592563B1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018128772A JP6592563B1 (ja) 2018-07-06 2018-07-06 レーザ加工機及びレーザ加工方法
US17/256,331 US11623301B2 (en) 2018-07-06 2019-06-13 Laser machining apparatus and laser machining method
PCT/JP2019/023394 WO2020008827A1 (ja) 2018-07-06 2019-06-13 レーザ加工機及びレーザ加工方法
EP19831105.2A EP3819070B1 (en) 2018-07-06 2019-06-13 Laser machining device and laser machining method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018128772A JP6592563B1 (ja) 2018-07-06 2018-07-06 レーザ加工機及びレーザ加工方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP6592563B1 JP6592563B1 (ja) 2019-10-16
JP2020006396A true JP2020006396A (ja) 2020-01-16

Family

ID=68234975

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2018128772A Active JP6592563B1 (ja) 2018-07-06 2018-07-06 レーザ加工機及びレーザ加工方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11623301B2 (ja)
EP (1) EP3819070B1 (ja)
JP (1) JP6592563B1 (ja)
WO (1) WO2020008827A1 (ja)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7291804B2 (ja) * 2019-12-02 2023-06-15 株式会社アマダ 座標パターンファイル作成装置、軌跡パターン作成装置、及びレーザ加工機の制御方法
CN112756801B (zh) * 2020-12-18 2023-08-04 浙江泰仑电力集团有限责任公司 基于镜片微振与转向控制的激光异物清除装置及方法
DE102022115672A1 (de) * 2022-06-23 2023-12-28 TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG Verfahren und Vorrichtung zum Ändern von Bearbeitungsparameterwerten während eines Strahlbearbeitungsverfahrens
DE102022118282A1 (de) 2022-07-21 2024-02-01 TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG Laserschneidverfahren mit periodisch wiederkehrender überlagerter Strahlablenkung
DE102022118281A1 (de) 2022-07-21 2024-02-01 TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG Laserschneidverfahren mit oszillierendem Laserstrahl und optimierter Schneidgaszufuhr
CN115351439B (zh) * 2022-10-21 2023-02-03 广东宏石激光技术股份有限公司 一种基于激光角度控制的激光切割装置及快速切割方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005288541A (ja) * 2004-03-31 2005-10-20 Eo Technics Co Ltd ポリゴンミラーを利用するレーザ加工装置
JP2007021579A (ja) * 2005-06-17 2007-02-01 Nippon Steel Corp 倣いレーザビーム振動装置及びビーム振動レーザ加工装置
WO2015156119A1 (ja) * 2014-04-10 2015-10-15 三菱電機株式会社 レーザ加工装置およびレーザ加工方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL7103141A (ja) * 1970-03-11 1971-09-14
JP3060813B2 (ja) * 1993-12-28 2000-07-10 トヨタ自動車株式会社 レーザ加工装置
JP2000237885A (ja) * 1999-02-19 2000-09-05 Koike Sanso Kogyo Co Ltd レーザー切断方法
US6706998B2 (en) * 2002-01-11 2004-03-16 Electro Scientific Industries, Inc. Simulated laser spot enlargement
US6706999B1 (en) * 2003-02-24 2004-03-16 Electro Scientific Industries, Inc. Laser beam tertiary positioner apparatus and method
DE102008053397B4 (de) * 2008-05-20 2012-12-27 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zum Schmelzschneiden von Werkstücken mit Laserstrahlung
JP2013056372A (ja) * 2012-11-12 2013-03-28 Amada Co Ltd レーザ加工装置
JP5919356B2 (ja) * 2014-10-15 2016-05-18 株式会社アマダホールディングス レーザ光による板金の加工方法及びこれを実行するレーザ加工装置
JP6170643B1 (ja) * 2016-04-14 2017-07-26 株式会社アマダホールディングス レーザ加工機及びレーザ加工方法
JP2018128772A (ja) 2017-02-07 2018-08-16 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 鶏舎用自律移動ロボット

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005288541A (ja) * 2004-03-31 2005-10-20 Eo Technics Co Ltd ポリゴンミラーを利用するレーザ加工装置
JP2007021579A (ja) * 2005-06-17 2007-02-01 Nippon Steel Corp 倣いレーザビーム振動装置及びビーム振動レーザ加工装置
WO2015156119A1 (ja) * 2014-04-10 2015-10-15 三菱電機株式会社 レーザ加工装置およびレーザ加工方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP6592563B1 (ja) 2019-10-16
EP3819070B1 (en) 2022-10-19
WO2020008827A1 (ja) 2020-01-09
US20210260694A1 (en) 2021-08-26
US11623301B2 (en) 2023-04-11
EP3819070A1 (en) 2021-05-12
EP3819070A4 (en) 2021-09-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6592563B1 (ja) レーザ加工機及びレーザ加工方法
JP6638011B2 (ja) レーザ加工機及びレーザ加工方法
US10994374B2 (en) Laser processing machine and laser processing method
WO2020085279A1 (ja) レーザ加工機及びレーザ加工方法
JP6592564B1 (ja) レーザ加工機及びレーザ加工方法
JP6638032B1 (ja) レーザ加工機及びレーザ加工方法
JP6643442B1 (ja) レーザ加工機及びレーザ加工方法
WO2023085160A1 (ja) レーザ加工方法及びレーザ加工機
WO2023085156A1 (ja) レーザ加工方法及びレーザ加工機
JP6820358B2 (ja) レーザ加工機及びレーザ加工方法
JP6538910B1 (ja) レーザ加工機及びレーザ加工方法
WO2022202797A1 (ja) レーザ加工機およびレーザ加工方法
JP7291527B2 (ja) レーザ加工機及びレーザ加工方法
WO2020085074A1 (ja) レーザ加工機、加工条件の設定方法、及びレーザ加工機の制御装置
JP2021133417A (ja) レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190513

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20190529

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20190827

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190920

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6592563

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350