JP2020073284A - めっき鋼板のレーザ切断加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】めっき鋼板をファイバーレーザによって切断する際、上面の溶融したメッキ層含有金属を切断面へ流動する切断を提供する。【解決手段】めっき鋼板のレーザ切断加工方法であって、波長が１μｍ帯のレーザ光を、めっき鋼板の上面へ照射してレーザ切断加工を行う際、レーザ光の照射によって溶融及び／又は蒸発された上面のめっき層含有金属を、レーザ切断加工部へ噴出されるアシストガス又は補助ガスによって、めっき鋼板の切断面へ流動して、前記切断面にめっき層含有金属を被覆するために、前記レーザ光は、集光径が０．１４２ｍｍ〜０．２０６ｍｍの範囲で、レイリー長が１．４４３ｍｍ〜３．２２８ｍｍの範囲のビームプロファイルのレーザ光である。【選択図】図５

Description

本発明は、波長が１μｍ帯のレーザ光によるＺｎ系めっき鋼板のレーザ切断加工方法に関する。さらに詳細には、例えばファイバーレーザによってめっき鋼板のレーザ切断加工を行う際に、レーザ光の照射によって溶融及び／又は蒸発された上面のメッキ層含有金属を、アシストガスによって切断面へ流動し、この流動したメッキ層含有金属によって切断面を被覆するレーザ切断加工方法に関する。

従来、Ｚｎ系めっき鋼板を切断すると、切断面に地鉄が露出し赤錆（以下、錆と称す）が発生し易いという問題がある。そこで、めっき鋼板の切断加工時に、めっき鋼板の上面におけるめっき層の一部を切断面へ誘導して、切断面に亜鉛付着面を形成して、錆の発生を抑制することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、Ｚｎ系めっき鋼板を、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ等のレーザ光によって切断し、切断面の錆の発生を抑制することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００９−２８７０８２号公報 特開２０１４−２３７１４１号公報

前記特許文献１に記載の構成は、ダイとポンチによってめっき鋼板の切断加工を行う際に、ダイとポンチとの間のクリアランスを調節して、めっき鋼板の表面にめっきされたＺｎを端面に流入する構成である。したがって、特許文献１の記載は、めっき鋼板におけるめっきの一部を切断面に誘導することにより、錆の発生を抑制できることを示唆している。

しかし、ポンチとダイによるめっき鋼板の切断加工では、例えば、複雑な曲線に沿っての切断加工が難しい。また、切断面の全面をめっきの一部によって被覆することは難しいものである。

前記特許文献２には、Ｚｎ系めっき鋼板をレーザ切断加工する際に、アシストガスとして酸素を使用している。そして、めっき鋼板の切断加工時には、前記アシストガスは溶融しためっき鋼板を吹き飛ばす役目と、酸化反応による熱で溶断し易くすると共に、切断端面に酸化被膜を形成して切断面の防錆能力の低下を抑制するものである。

すなわち、特許文献２に記載の構成は、めっき鋼板のレーザ切断加工した切断端面の全域に酸化被膜を形成して、赤錆の発生時期を遅くしようとするものである。したがって、特許文献２は、めっき鋼板のレーザ切断加工時に、上面の溶融しためっきを切断面へ誘導して、切断面をめっきの一部によって被覆しようとする構成ではない。

そこで、本発明は、Ｚｎ系めっき鋼板を、例えばファイバーレーザによって切断加工を行う際、表面のめっき層の一部を切断面へ誘導して、切断面をメッキ層含有金属によって被覆することを目的とするものである。

本発明は、Ｚｎ系めっき鋼板をファイバーレーザによって切断加工を行う際、表面のめっき層の一部を切断面へ誘導して、切断面をめっき層含有金属によって被覆するための、めっき鋼板のレーザ切断加工方法であって、波長が１μｍ帯のレーザ光を、めっき鋼板の上面へ照射してレーザ切断加工を行う際、レーザ光の照射によって溶融及び／又は蒸発された上面のめっき層含有金属を、レーザ切断加工部へ噴出されるアシストガス又は補助ガスによって、めっき鋼板の切断面へ流動して、前記切断面にめっき層含有金属を被覆するために、前記レーザ光は、集光径が０．１４２ｍｍ〜０．２０６ｍｍの範囲で、レイリー長が１．４４３ｍｍ〜３．２２８ｍｍの範囲のビームプロファイルのレーザ光である。

本発明によれば、波長が１μｍ帯のレーザ光によってめっき鋼板のレーザ切断加工を行う際、めっき鋼板の上面におけるめっき層の一部を溶融及び／又は蒸発し、アシストガスによってめっき層含有金属を切断面に誘導して、切断面をめっき層の一部によって被覆することができる。

ファイバーレーザの標準加工条件でもってめっき鋼板を切断加工して暴露試験を行った結果と、ファイバーレーザのビームプロファイルを変更してめっき鋼板の切断加工を行い、暴露試験を行った結果とを比較した説明図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の構成を概念的、概略的に示した機能ブロック図である。 レンズ入射ビーム径Ｄを調節することにより、レーザ光のビームプロファイルを調節できることを示す説明図である。 レーザ光のビームプロファイルを知ることができると、ビームの広がり角θを知ることができる説明図である。 ファイバーレーザのビームプロファイルを変更してめっき鋼板のレーザ切断加工を行い、暴露試験を行った結果を示す説明図である。 ワーク上面とワーク下面でビーム径が異なる説明図である。 レーザビームの形状を示す説明図である。 暴露試験の評価についての説明図である。 ノズル径別による暴露試験の結果を示す説明図である。 ノズル径別による暴露試験の結果を示す説明図である。 ノズル径別による暴露試験の結果を示す説明図である。 図９〜１１に示した暴露試験の結果をまとめた説明図である。 アシストガス圧別による暴露試験の結果を示す説明図である。 アシストガス圧別による暴露試験の結果を示す説明図である。 アシストガス圧別による暴露試験の結果を示す説明図である。 図１３〜１５に示した暴露試験の結果をまとめた説明図である。 ノズルギャップ別による暴露試験の結果を示す説明図である。 ノズルギャップ別による暴露試験の結果を示す説明図である。 ノズルギャップ別による暴露試験の結果を示す説明図である。 図１７〜１９に示した暴露試験の結果をまとめた説明図である。 焦点位置別による暴露試験の結果を示す説明図である。 焦点位置別による暴露試験の結果を示す説明図である。 焦点位置別による暴露試験の結果を示す説明図である。 図２２〜２４に示した暴露試験の結果をまとめた説明図である。 焦点位置により切断溝の幅が変化し防錆効果が異なることを示す説明図である。 加工速度別による暴露試験の結果を示す説明図である。 加工速度別による暴露試験の結果を示す説明図である。 加工速度別による暴露試験の結果を示す説明図である。 図２６〜２８に示した暴露試験の結果をまとめた説明図である。 望ましいレーザ加工ヘッドの構成を概念的、概略的に示した説明図である。

ところで、前記特許文献１では、めっき鋼板の切断加工時に、めっき鋼板における上面のめっき層における一部を切断面へ誘導し、切断面をめっき層の一部によって被覆することにより、切断面における錆の発生を抑制することができる。

そこで、ファイバーレーザによってＺｎ系めっき鋼板のレーザ切断加工を行った場合に、上面のめっき層の一部を切断面へ誘導して、切断面を被覆できるか否かの試験を行った。試験条件は次のとおりである。

レーザ加工機：株式会社アマダ製
ＦＯＬ−ＡＪ４０００
レーザ出力：４ＫＷ
材料：アルミニウム６％，マグネシウム３％，残り亜鉛９１％のめっきを表面に被覆
しためっき鋼板、板厚ｔ＝３．２ｍｍ Ｋ３５（片側めっき付着量１７５ｇ／
ｍ^２）
切断サンプル形状：９０ｍｍ×２０ｍｍ
標準加工条件（板厚ｔ＝３．２ｍｍの鋼板をレーザ切断加工する場合の条件）
・ノズル直径：Ｓ２．０（２．０ｍｍ）
・切断速度：Ｆ７０００（７０００ｍｍ／ｍｉｎ）
・アシストガス：窒素ガス
・アシストガス圧：１．７ＭＰａ
・ノズルギャップ：０．３ｍｍ（めっき鋼板の上面とノズル下端部との間隙）
・焦点位置：０．０ｍｍ（ワーク上面を０として、上側を＋、下側を−としている）
・集光径０．１５１ｍｍ、レイリー長１．６８８ｍｍ

上記の標準加工条件で、ファイバーレーザによってレーザ切断加工を行った。そして、４週間に亘って暴露試験を行った。暴露試験の結果は、図１（Ａ）に示すとおりであった。図１（Ａ）から明らかなように、２週間後には、切断面に僅かな赤錆の発生が見られた。そして、時間経過と共に赤錆の発生が多くなり、４週間後には、赤錆の発生が多く見られた。

既に理解されるように、ファイバーレーザによってめっき鋼板のレーザ切断加工を行う場合、鋼板のレーザ切断加工を行う標準加工条件の加工条件であっては、上面のめっき層の一部を切断面へ誘導して切断面を被覆して防錆効果が見られた。またさらなる防錆効果を期待されるものである。

そこで、ファイバーレーザにおけるビームプロファイルである集光径及びレイリー長を種々変更してレーザ切断加工を行い、暴露試験を行った。例えば集光径を０．１８３ｍｍ、レイリー長を２．１７８ｍｍに調節してレーザ切断加工を行い、暴露試験を行った際には、図１（Ｂ）に示すように、４週間後でも、赤錆の発生は見られず、標準加工条件よりさらに良い防錆効果が認められた。そこで、集光径とレイリー長を調節することに加え、種々の加工条件を変更することによりさらにめっき鋼板における上面のめっき層の一部を切断面へ誘導して、切断面を被覆し得ることを見出した。

本発明は、上記知見に基づくものである。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。

図２を参照するに、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置１は、板状のワークＷを支持するワークテーブル３を備えると共に、前記ワークＷにレーザ光ＬＢを照射してワークＷのレーザ切断加工を行うためのレーザ加工ヘッド５を備えている。前記ワークテーブル３は、前記レーザ加工ヘッド５に対して相対的にＸ，Ｙ軸方向へ移動自在に備えられており、このワークテーブル３を相対的にＸ，Ｙ軸方向へ移動位置決めするためのサーボモータなどのごとき位置決めモータ７が備えられている。さらに、前記ワークＷに対して相対的に接近離反する方向（Ｚ軸方向）へ前記レーザ加工ヘッド５を移動位置決めするＺ軸モータ９が備えられている。

また、前記レーザ加工装置１には、例えばファイバーレーザ発振器やＤＤＬ発振器やディスクレーザ発振器やＹＡＧレーザ発振器などのごとくレーザ光（波長１μｍ帯のレーザ光）を発振するレーザ発振器１１が備えられている。そして、レーザ発振器１１とレーザ加工ヘッド５は、伝送ファイバー１３によって接続してある。前記レーザ加工ヘッド５には、前記伝送ファイバー１３から出射されたレーザ光ＬＢを平行光線化、発散光化、収束光化するためのＣＦレンズ（コリメートレンズ）１５が光軸に沿う方向に移動位置決め自在に備えられている共に、ＣＦレンズ１５を光軸方向に移動調節するためのアクチュエータ１７が備えられている。

さらに、レーザ加工ヘッド５には、前記ＣＦレンズ１５を透過したレーザ光ＬＢを集光レンズ１９へ反射するＡＯミラー（曲率可変ミラー）２１が備えられている。このＡＯミラー２１は、エアなどの圧力を加圧手段２１Ａに付与することによって、反射面の曲率を変更することが可能である。したがって、反射光を、発散光化、平行光線化、収束光化できるものである。

既に理解されるように、前記ＣＦレンズ１５の位置及び／又は前記ＡＯミラー２１の曲率を調節することにより、集光レンズ１９に対するレーザ光ＬＢの入射ビーム径を調節することができる。換言すれば、レーザ光ＬＢのレイリー長や集光径を調節できることになる。

また、前記レーザ加工ヘッド５には、ワークＷのレーザ加工位置へアシストガスを噴出するノズル２３が備えられている。

ところで、レーザ切断加工位置へアシストガスを噴出する構成としては、レーザ加工ヘッド５にサイドノズルを備え、このサイドノズルからアシストガスをレーザ加工部へ噴出する構成とすることも可能である。

さらに、前記レーザ切断加工装置１には、アシストガス供給装置２５が備えられている。窒素ガス供給装置２７及びレーザ加工ヘッド５へ供給するアシストガスの圧力を調節するための圧力調節弁３３が備えられている。よって、窒素ガス供給装置２７、圧力調整弁３３を稼働させると窒素ガスをアシストガスとして加工部へ供給することができる。

またこのアシストガス供給装置２５は、例えば窒素ガス約９７％、酸素ガス約３％の混合ガスを供給することも可能で、窒素ガス供給装置２７の窒素ガスと、酸素ガス供給源（空気供給源）２９の酸素又は空気を所定量混合して混合ガスを生成するミキサー３１が備えられている。よって、ガスミキサー３１と圧力調整弁３３を稼働させると、所定の濃度の混合ガスをアシストガスとして加工部へ供給することができる。

ところで、窒素ガス約９７％、酸素ガス約３％の混合ガスをアシストガスとしてレーザ加工部へ供給する構成としては、前述した構成に限ることなく、別個の構成とすることも可能である。すなわち、例えば特許第３２９１１２５号公報に記載されているように、中空糸膜を利用した分離装置によって、供給された圧縮空気中の窒素と酸素とを分離することも可能である。

また、前記レーザ切断加工装置１には、制御装置３５が備えられている。この制御装置３５は、コンピュータから構成してあって、前記ワークＷに対する前記レーザ加工ヘッド５の相対的な移動位置決めの制御を行う機能、前記レーザ発振器１１におけるレーザ出力の制御及び前記レーザ加工ヘッド５に対するアシストガスの供給圧力を制御する機能を有するものである。

さらに、制御装置３５は、前記ＣＦレンズ１５の位置及びＡＯミラー２１における反射面の曲率を調節する機能を有するものである。したがって、前記ＣＦレンズ１５の位置及びＡＯミラー２１の曲率を個別に、又は同時に調節することにより、ワークＷを切断加工する際の集光径及びレイリー長（ビームプロファイル）を調節することができるものである。

前記構成により、ワークテーブル３上にワークＷを載置位置決めした後、ワークＷに対してレーザ加工ヘッド５をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ相対的に移動位置決めする。また、ＣＦレンズ１５の位置及び／又はＡＯミラー２１の曲率を調節し、集光レンズ１９に対する入射ビーム径を調節してレーザビームＬＢのビームプロファイルを調節する。そして、レーザ光ＬＢを集光レンズ１９によって集光してワークＷへ照射する。さらに、アシストガス供給装置２５からレーザ加工ヘッド５に供給されたアシストガスをノズル２３からワークＷのレーザ加工部へ噴出することにより、ワークＷのレーザ切断加工が行われる。

本発明の実施形態は、ファイバーレーザによってめっき鋼板のレーザ切断加工を行う際に、ビームプロファイルを適正なビームプロファイルとすることにより、めっき鋼板の上面のめっき層の溶融及び／又は蒸発を行うことにより、溶融及び／又は蒸発されためっき層含有金属を切断面へ流動することができ、かつ流動しためっき層含有金属によって切断面を被覆することができることを見出したものである。

ところで、レーザ光のビームプロファイルについて、図３に示すように、集光レンズ１９に対するレーザ光ＬＢの入射ビーム径をＤ、集光径（ビームの直径）をｄｏとすると、ビームが最小に絞られたビームウエスト位置でのビーム径である集光径ｄｏは次式で与えられる。

また、図３では、ビームウエスト位置の集光径ｄｏ（直径）に対してビームが√２×ｄｏまで広がる光軸方向の距離がレイリー長Ｚｒの２倍の２Ｚｒであることが示されている。レイリー長Ｚｒは焦点深度ともいい、次式で与えられる。

ただし、λは光の波長、ｆはレンズの焦点距離、Ｄは集光レンズ１９に対する入射ビーム径、Ｍ^２，ＢＰＰはビーム品質である。

式（１）から明らかなように、入射ビーム径Ｄを調節することにより集光径ｄｏを調節することができる。また、集光径ｄｏを調節することにより、レイリー長Ｚｒを調節することができる。

ここで、前記ＣＦレンズ１５の位置を調節することにより、ＣＦレンズ１５を透過したレーザ光ＬＢを、発散光、平行光、集束光にそれぞれ調節することができる。また、前記ＡＯミラー２１においては、反射面を凸面に調節することにより、入射された平行光を、発散光として反射することができる。また、反射面を平面、凹面にそれぞれ調節することにより、入射された平行光を、平行光、収束光として反射することができる。

すなわち、前記ＣＦレンズ１５の位置を調節すること、又は前記ＡＯミラー２１の曲率を調節すること、及びＣＦレンズ１５の位置調節とＡＯミラー２１の曲率調節とを組合せることによって、集光レンズ１９に対するレーザ光ＬＢのビーム入射径Ｄを調節することができる。換言すれば、集光径ｄｏ及びレイリー長Ｚｒを調節してビームプロファイルを調節することができる。

なお、ビームプロファイルの調整手段はＣＦレンズ１５の位置調節及びＡＯミラー２１における反射面の曲率を調節して使用する例を示したが、これに限らず、他の機構を使って集光径又はレイリー長を調整しても良い。

前述のごとく、レーザ光ＬＢのビームプロファイルを調節して、レーザビームの集光径ｄｏ及びレイリー長Ｚｒを知ることができると、図４に示すように、レーザ光ＬＢの進行方向に対して直交する方向の側方向から見たビーム形を描画することができる。したがって、図４に示すように、板厚ＴのワークＷの上面ＷＵに焦点位置を合せてレーザ切断加工を行う場合の、ワーク下面ＷＬにおけるビーム径ｄＬを算出することができる。また、描画したビームＬＢとワーク上面ＷＵとの間の角度、すなわちレーザビームＬＢの光軸に対するレーザビームＬＢの一方向への広がり角θを算出することができる。以後、この傾きθを、レーザビームＬＢの広がり角と称する。

既に理解されるように、前記ビームの広がり角θが小さいと、ワークＷにおける下面ＷＬにおける切断面ＷＦの間隔（切断溝の幅）は、上面の間隔よりも僅かに大きくなる。そして、前記ビームの広がり角θが次第に大きくなると、ワークＷにおける下面ＷＬの切断面ＷＦの間隔（切断溝幅）は次第に大きくなるものである。

既に理解されるように、レーザビームＬＢが集光レンズ１９に入射されるレンズ入射ビーム径Ｄを調節すると、集光径ｄｏを所望の径とすることができる。そして、集光径ｄｏが調節されると、レイリー長Ｚｒが調節される。すなわち、ビームプロファイルが調節されることになる。換言すれば、ビームプロファイルを調節すると、ワーク上面ＷＵに対するレーザビームＬＢのビームの広がり角θが変化することになる。

そこで、前述の標準加工条件で板厚３．２ｍｍのめっき鋼板をファイバーレーザによって切断加工するに際して使用した、集光径０．１５１ｍｍ、レイリー長１．６８８ｍｍのビームプロファイルを種々変更してレーザ切断加工を行い、暴露試験を行った。ここで、加工機は、株式会社アマダ製のＦＯＬ−ＡＪ４０００を使用し、ビームプロファイル（集光径とレイリー長）は、フォーカスモニターで測定した。暴露試験の実施内容は、図５に示すとおりである。なお、焦点位置はワークの上面（±０．０ｍｍ）に設定した。

図５（ａ）より理解されるように、集光径０．１３５ｍｍ、レイリー長１．３０６ｍｍの場合のサンプルＡにおいては、防錆期間としては１週間以内（０週間）であって、良好な防錆効果は認められなかった。集光径０．１４２ｍｍ、レイリー長１．４４３ｍｍの場合のサンプルＢにおいては、防錆期間は１週間であって、防錆効果が認められた。集光径０．１５１ｍｍ、レイリー長１．６８８ｍｍの場合のサンプルＣにおいては、防錆期間としては２週間認められた。集光径０．１６０ｍｍ、レイリー長１．９３３ｍｍの場合のサンプルＤにおいては、防錆期間としては３週間認められた。

また、集光径０．１８３ｍｍ、レイリー長２．１７８ｍｍの場合のサンプルＥにおいては、防錆期間としては４週間認められた。集光径０．１９８ｍｍ、レイリー長２．９９８ｍｍの場合のサンプルＦにおいては、防錆期間としては３週間認められた。集光径０．２０６ｍｍ、レイリー長３．２２８ｍｍの場合のサンプルＧにおいては、防錆期間としては２週間認められた。集光径０．２２５ｍｍ、レイリー長３．９９４ｍｍの場合のサンプルＨにおいては、防錆期間としては１週間以内（０週間）であった。

前記サンプルＣ〜Ｇにおいての４週間後の切断面の写真は、図５（ｃ）の（１）〜（５）に示すとおりである。そして、評価したビームプロファイルを示すと、図５（ｂ）に点線で示すとおりである。

前記サンプルＡ〜Ｈの切断試験から理解されるように、レーザ光の集光径とレイリー長を種々変更すると、防錆期間がそれぞれ異なるものである。

ここで、前記サンプルＡのレーザ切断時のビームプロファイルを誇張して示すと、図７（Ａ）に示すように、ワーク上面の集光径は小さく、レイリー長は短いものである。

また図７（ａ）に示すように、ワーク上面でのレーザエネルギー密度は高く溶融領域が狭く、溶け込みが深くなり、切断幅近傍にのみ熱が集中することになる。

すなわち、ワーク上面のめっき成分が溶融及び蒸発する範囲が狭い。

このことは、切断面を覆うのに十分な量の溶融しためっき成分が得ることをできないことを示す。

また、ワーク上面の集光径が小さいため、ワーク上面での切断幅も狭くなり、アシストガスも切断面に十分に流れてこない。

すなわち、溶融しためっき成分がアシストガスの流れによって切断面に十分に流れ込まないことを示している。

以上、ワーク上面の溶融しためっき成分が十分でなく、かつアシストガスも切断面に流れにくいため切断面に溶融しためっき成分が十分回り込むことができず、切断面を溶融しためっき成分で十分に覆うことができない為、防錆効果が低い傾向になると考えられる。なお図７（ａ）および、下記に説明のある図７（ｂ）、図７（ｃ）に示す図は、それぞれサンプルＡ、サンプルＥ、サンプルＨのビームプロファイルのレーザ光を、同じ出力で同じ極短時間ワークに照射した時の溶け込み状態を表した断面の写真と、写真の上に示す二重丸はワーク上面からみた各サンプルの溶融領域の大きさの違いを示した図である。

サンプルＥの場合は、図７（Ｂ）に示すように、ワーク上面の集光径はサンプルＡの場
合に比較して大きい。またレイリー長はサンプルＡの場合より長い。

また図７（ｂ）に示すように、ワーク上面でのレーザエネルギー密度はサンプルＡよりも低く、溶融領域が広く、溶け込みが浅くなり切断幅近傍から周辺に広く熱が分散する。

すなわち、ワーク上面のめっき成分の溶融する範囲がサンプルＡの場合よりも広くなる。このことは切断面を覆うのに十分なめっき成分が溶融することである。

また、ワーク上面の集光径がサンプルＡの場合よりも大きいためワーク上面の切断幅も広くなる。これは、サンプルＡの場合よりもアシストガスが十分に切断面に流れ込むことを示す。

すなわち、切断面を覆うのに十分な溶融しためっき成分を確保し、なおかつ溶融しためっき成分を切断面に流し込むのに十分なアシストガスが流れるため切断面を溶融しためっき成分で覆うことができ、十分な防錆効果が得ることができる傾向になると考えられる。

サンプルＨの場合は、図７（Ｃ）に示すように、ワーク上面の集光径はサンプルＡ，Ｅの場合よりも大きい。

すなわち、エネルギー密度もサンプルＡ，Ｅの場合よりも低くなり切断を行うには多くのエネルギーを注入する必要がある。また図７（ｃ）に示すように、さらに溶融領域が広く、溶け込みがさらに浅くなり材料表面の温度上昇範囲も広くなりワーク上面のめっき成分も多く溶融し切断面を覆うのには十分な量の溶融しためっき成分を確保することができる。

しかし、ワーク上面の切断幅が広くレイリー長もサンプルＡ，Ｅの場合よりも長いためワーク上面ＷＵからワーク下面ＷＬに対してほぼ同一幅を有する。

したがって、ワークＷ内でのアシストガス流速は、上面から下面に沿って高速を維持された状態であり、溶融しためっき成分が切断面に付着することなく排出されてしまい切断面にめっき成分が十分付着しない。

すなわち、切断面の防錆効果が十分でない状態となる傾向になると考えられる。

よって、めっき鋼板のレーザ切断を行う際に、上面におけるめっきの一部を切断面へ誘導して、誘導された一部のめっきによって切断面を被覆するには、集光径とレイリー長を適正の範囲に設定することが望ましいものである。

前記サンプルＡ〜Ｈにおける例えば３．２ｍｍのワークにおける、ワーク上面のビーム径とワーク下面のビーム径との関係を示すと、図６に示すとおりである。同じ集光径の上面ビーム径である曲線Ａ上の点と、下面ビーム径である曲線Ｂ上の点とを上下に点線で結んだセットの組合せとなる。

そして、防錆期間が２週間以上の範囲を示すと、図６に示すハッチングの範囲となる。ここで、集光径とレイリー長の関係において防錆効果を表に示すと、前述の通り図５（ａ）に示すとおりである。そして、防錆効果が期待できるであろうと思われる範囲は、図５（ｂ）に示すように防錆期間を１週間より良い範囲とするとサンプルＢからサンプルＧの範囲となり、３週間を超える防錆期間とするとサンプルＤからサンプルＦまでの範囲となる。

また既に理解されるように、めっき鋼板をファイバーレーザによってレーザ切断する場合、サンプルＥである集光径０．１８３ｍｍ、レイリー長２．１７８ｍｍの前後の条件が最も望ましいものである。そこで、集光径を０．１８３ｍｍ、レイリー長を２．１７８ｍｍに保持してレーザ切断加工を行うに際し、ノズル径、アシストガス圧、ノズルギャップ、焦点位置及び切断速度の影響の試験を行った。

試験機：アマダ製 ＦＯＬ−ＡＪ４０００
レーザ出力：４ＫＷ
暴露試験期間：１２週間

なお、レーザ出力４ＫＷであるが、出力が変化すると、加工速度範囲も出力に比例して変化する。例えばレーザ出力が高くなると、加工可能な加工速度範囲も速くなる傾向となる。

防錆効果の評価については、図８に示すように、サンプルの切断面における中央部付近の７０ｍｍの範囲を２０等分し、赤錆の発生している部分（四角で囲った部分）をカウントして評価を行った。図８（Ａ）は錆の発生箇所は１箇所で１０％以下、図８（Ｂ）は４箇所で２０％（２５％以下）、図８（Ｃ）は９箇所で４５％（５０％以下）、図８（Ｄ）は１７箇所で、８５％（５１％以上）である。そして、本実施形態の場合においては、１０％以下の場合を「良品」とした。

次に、板厚ｔ＝２．３ｍｍ，ｔ＝３．２ｍｍ，ｔ＝４．５ｍｍのみが異なるめっき鋼板を、ノズル径２．０ｍｍ〜７．０ｍｍの範囲においてレーザ切断加工を行った。そして、１２週間の暴露試験を行った結果は、図９〜図１１に示すとおりであった。なお図９〜図１１に示すものは、数多くの暴露試験結果の中らから代表的な試験結果を示しており、赤錆の進行の変化も分かるように４週間の暴露試験結果も併せて表示している。図８で説明したように赤錆が発生している部分を四角で囲っている。なお、以下図１３〜図１５、図１７〜図１９、図２１〜図２３及び図２６〜図２８も同様である。なお、加工条件は、各図における上部に記載したとおりであり、加工する板厚の変化に応じて適正な加工速度（Ｆ：１００００ｍｍ／ｍｉｎなど）およびアシストガス圧にて加工を行った。そして、図９〜図１１に示した結果およびその他の暴露試験結果の防錆効果をグラフ化して示すと、図１２に示すとおりであった。

図１２から明らかなように、ノズル径が大きくなるに従って、錆の発生が１０％以下の割合が多くなるものである。

すなわち、板厚ｔ＝２．３ｍｍの場合は、ノズル径が２．０ｍｍになると、錆の発生が１０％以下の割合が約６０％以上となる。そして、ノズル径が２．３ｍｍ以上になると、８０％以上になる。したがって、ノズル径は大きい方が望ましいものである。同様に、図１２から明らかなように、板厚ｔ＝３．２ｍｍの場合は、ノズル径が３．８ｍｍになると、錆の発生が１０％以下の割合が約６０％以上となる。そして、ノズル径が６．２ｍｍ以上になると、８０％以上になる。板厚ｔ＝４．５ｍｍの場合にも、ノズル径が４．８ｍｍになると、錆の発生が１０％以下の割合が約６０％以上となる。そして、ノズル径が６．９ｍｍ以上になると、８０％以上になる。ノズル径は大きい方が望ましいものである。

次に、アシストガス圧を０．４ＭＰａ〜２．０ＭＰａの範囲においてレーザ切断加工を行い、１２週間の暴露試験を行った結果は、図１３〜図１５に代表的な試験結果を示すとおりであった。なお、加工条件は、各図における上部に記載したとおりであり、加工する板厚の変化に応じて適正な加工速度（Ｆ：１００００ｍｍ／ｍｉｎなど）およびノズル径にて加工を行った。そして、図１３〜図１５に示した結果およびその他の暴露試験結果の防錆効果をグラフ化して示すと、図１６に示すとおりである。

図１６より明らかなように、錆の発生が１０％以下の割合を６０％以上とすると、板厚ｔ＝２．３ｍｍの場合には１．５ＭＰａ以下、板厚ｔ＝３．２ｍｍの場合には、１．７５ＭＰａ以下、板厚ｔ＝４．５ｍｍの場合には、１．９８ＭＰａ以下であることが望ましいものである。同様に図１６から明らかなように、錆の発生が１０％以下の割合を８０％以上とすると、板厚ｔ＝２．３ｍｍの場合には１．１３ＭＰａ以下、板厚ｔ＝３．２ｍｍの場合には、１．４７ＭＰａ以下、板厚ｔ＝４．５ｍｍの場合には、１．７８ＭＰａ以下であることが望ましいものである。したがって、アシストガス圧は高すぎない方が望ましいものであると考えられる。

次に、ノズルギャップを０．３ｍｍ〜１．２ｍｍの範囲においてレーザ切断加工を行い、１２週間暴露試験を行った結果は、図１７〜図１９に代表的な試験結果を示すとおりであった。なお、加工条件は、各図における上部に記載したとおりであり、加工する板厚の変化に応じて適正な加工速度（Ｆ：１００００ｍｍ／ｍｉｎなど）、アシストガス圧、ノズル径にて加工を行った。そして、図１７〜図１９に示した結果およびその他の暴露試験結果の防錆効果をグラフ化して示すと、図２０に示すとおりであった。

図２０から明らかなように、錆の発生が１０％以下の割合が６０％以上になるには、板厚ｔ＝２．３ｍｍにおいてのノズルギャップは０．９０ｍｍ以下、板厚ｔ＝３．２ｍｍにおいてのノズルギャップは１．１１ｍｍ以下、そして、板厚ｔ＝４．５ｍｍにおいてのノズルギャップは１．１６ｍｍ以下である。同様に図２０から明らかなように、錆の発生が１０％以下の割合を８０％以上とすると、板厚ｔ＝２．３ｍｍの場合には０．３３ｍｍ以下、板厚ｔ＝３．２ｍｍの場合には、０．３６ｍｍ以下、板厚ｔ＝４．５ｍｍの場合には、０．５０ｍｍ以下であることが望ましいものである。

したがって、ノズルギャップは、小さい方が望ましいものと考えられる。

次に、焦点位置を＋２．０ｍｍ〜−２．０ｍｍ（＋はワーク上面より上側、−はワーク上面より下側、ワーク上面は０．０ｍｍである）の範囲においてレーザ切断加工を行い、１２週間の暴露試験を行った結果は、図２１〜図２３に代表的な試験結果を示すとおりであった。なお、加工条件は、各図における上部に記載したとおりであり、加工する板厚の化に応じて適正な加工速度（Ｆ：１００００ｍｍ／ｍｉｎなど）、アシストガス圧、ノズル径にて加工を行った。そして、図２１〜図２３に示した結果およびその他の暴露試験結果の防錆効果をグラフ化して示すと、図２４に示すとおりであった。

図２４より明らかなように、板厚ｔ＝２．３ｍｍにおいては、錆の発生が１０％以下の割合が６０％以上の場合の焦点位置は−１．６ｍｍ以上、板厚ｔ＝３．２ｍｍの場合においての焦点位置は、−１．８ｍｍ以上、そして、板厚ｔ＝４．５ｍｍの場合においての焦点位置は−２．０ｍｍ以上である。同様に図２４から明らかなように、錆の発生が１０％以下の割合を８０％以上とすると、板厚ｔ＝２．３ｍｍの場合には０．５ｍｍ以上、板厚ｔ＝３．２ｍｍの場合には、０ｍｍ以上、板厚ｔ＝４．５ｍｍの場合には、−０．５ｍｍ以上であることが望ましいものである。

ここで、焦点位置が＋２．０ｍｍ，±０．０ｍｍ，−２．０ｍｍの場合における切断溝と切断面に対するめっきの付着効果を模擬的に示すと、図２５（Ａ）〜図２５（Ｃ）に示すようになる。図２５（Ａ）に示すように、焦点位置±０ｍｍ（図２５（Ｂ）の場合）に対して焦点位置をワーク上面から上昇させた場合、ワークに照射されるビーム径が大きくなり、レーザエネルギー密度は小さくなる。よって、切断に必要な母材への入熱量を増やす必要があるため、ワーク上面のめっき成分の溶融する範囲が広くなる。このことは切断面を覆うのに十分なめっき成分が溶融することである。また、ビーム径が大きくなることで切断幅も大きくなるため、アシストガスが十分に切断面に流れ込むことができる。このことはワーク上面で溶融しためっき成分を切断面に十分に流動させることである。

すなわち、切断面を覆うのに十分な溶融しためっき成分を確保し、なおかつ溶融しためっき成分を切断面に流し込むのに十分なアシストガスが流れるため、切断面を溶融しためっき成分で覆うことができ、十分な防錆効果が得ることができる。
図２５（Ｂ）に示すように、レーザの焦点位置をワーク上面に合わせて加工した場合、図２５（Ａ）と比較して、レーザエネルギー密度は高くなり、母材への入熱量が減るため、ワーク上面のめっき成分の溶融する範囲が狭くなる。よって、切断面を覆うのに必要なめっき成分の溶融量を確保しづらくなる。また、ビーム径が小さくなることで切断幅も小さくなるため、アシストガスが切断面に流れ込みづらくなる。よって、ワーク上面で溶融しためっき成分を切断面に流動させづらくなる。

すなわち、図２５（Ａ）と比較して、ワーク上面の溶融しためっき成分が減少し、かつアシストガスも切断面に流れづらくなるため、切断面に溶融したメッキ成分が回り込みづらくなり、溶融しためっき成分が切断面を覆いづらくなるため、防錆効果が低くなる。

図２５（Ｃ）に示すように、焦点位置±０ｍｍに対して焦点位置をワーク上面から下降させた場合、図２５（Ｂ）と比較して、レーザエネルギー密度は高くなり、母材への入熱量が減るため、ワーク上面のめっき成分の溶融する範囲が狭くなる。よって、切断面を覆うのに必要なめっき成分の溶融量を確保しづらくなる。また、ビーム径が小さくなることで切断幅も小さくなるため、アシストガスが十分に切断面に流れ込みづらくなる。よって、ワーク上面で溶融しためっき成分を切断面に十分に流動させづらくなる。

すなわち、図２５（Ｂ）と比較して、ワーク上面の溶融しためっき成分が減少し、かつアシストガスも切断面に流れづらくなるため、切断面に溶融したメッキ成分が回り込みづらくなり、切断面を溶融しためっき成分で十分に覆うことができないため、防錆効果がさらに低くなる。

したがって、防錆効果に対しては焦点位置は高目の方が望ましいものと考えられる。

次に、加工速度を５００ｍｍ／ｍｉｎ〜１２０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲においてレーザ切断加工を行い、１２週間の暴露試験を行った結果は、図２６〜図２８に代表的な試験結果を示すとおりであった。そして、図２６〜図２８に示した結果およびその他の暴露試験結果の防錆の効果をグラフ化して示すと、図２９に示すとおりである。

図２９から明らかなように、錆の発生が１０％以下の割合が６０％以上の割合になるのは、板厚ｔ＝２．３ｍｍにおいては約８０００ｍｍ／ｍｉｎ以上である。また９０００ｍｍ／ｍｉｎを越えると錆の発生が１０％以下の割合が８０％以上となる、しかし、１００００ｍｍ／ｍｉｎ以上になると、前記割合が次第に低下する。そして、１１０００ｍｍ／ｍｉｎ以上になると、前記割合が８０％以下に低下する。したがって、板厚ｔ＝２．３ｍｍの場合は、８０００ｍｍ／ｍｉｎ〜１２０００ｍｍ／ｍｉｎ以下の範囲で防錆効果が高く、更に９０００ｍｍ／ｍｉｎ〜１１０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲がより望ましいものである。

また、板厚ｔ＝３．２ｍｍにおいては、図２９より明らかなように、３３００ｍｍ／ｍｉｎ〜９０００ｍｍ／ｍｉｎ以下の範囲で防錆効果が高く、更に４５００ｍｍ／ｍｉｎ〜７０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲がより望ましく、板厚ｔ＝４．５ｍｍの場合には、７００ｍｍ／ｍｉｎ〜３３００ｍｍ／ｍｉｎ以下の範囲で防錆効果が高く、更に１８００ｍｍ／ｍｉｎ〜３３００ｍｍ／ｍｉｎの範囲がより望ましいものである。なお、加工速度が大きくなると、ワークに対する入熱が減少して切断不可能になることがある。

図２に示すように、レーザ加工装置１における前記制御装置３５はコンピュータから構成して、前記ワークＷに対するレーザ加工ヘッド５の相対的な移動位置決めの制御を行う機能、前記レーザ発振器１１におけるレーザ出力の制御及び前記レーザ加工ヘッド５に対する圧力ガスの供給圧力を制御する機能を有する。

前記制御装置３５は、前記ワークＷのレーザ加工を行うための加工プログラムを記憶した加工プログラム記憶部３７を備えている。さらに、制御装置３５はワークＷのレーザ加工を行う際の各種のパラメータを格納したパラメータ記憶部３９を備えている。また、前記制御装置３５は、例えばレーザ加工位置の画面等を表示するデータを記憶した画面表示データ記憶部４１を備えている。

前記制御装置３５には、表示部４３が接続してある。この表示部４３は、制御装置３５に備えた画面処理部４５と接続してある。さらに、前記制御装置３５には入力制御部４７が備えられている。この入力制御部４７には入力部４９が接続してある。この入力部４９は、前述した試験結果、プログラムの変更、加工条件の変更、各軸の手動動作等の必要なデータの入力を行うものである。

前記制御装置３５には、ワークＷのレーザ切断加工を行った際の加工条件を格納した加工条件記憶部５１が備えられている。この加工条件記憶部５１には、ビームプロファイル（集光径、レイリー長）、加工速度、ノズル径、アシストガス種、アシストガス圧、ノズルギャップ、焦点位置などの加工条件が板厚や材質毎にまた加工条件番号毎に複数記憶されている。

加工を行う際は加工プログラム記憶部３７に記憶されている所望の加工プログラムを呼び出し実行されると、加工プログラムに記載の板厚、材質および加工条件番号から加工条件記憶部５１に記憶された加工条件の中から、所定の板厚、材質、加工条件番号に対応する加工条件が選択される。

選択された加工条件のビームプロファイルに基づき制御装置３５はＣＦレンズ（コリメーションレンズ）１５のアクチュエータ１７を制御、あるいはＡＯミラー２１の加圧手段２１Ａを制御することにより所望のビームプロファイル（集光径、レイリー長）に調節する。

また制御装置３５は選択された加工条件の加工速度に基づきＸＹ軸を制御し所望の加工速度を調整する。

同様に制御装置は選択された加工条件のノズルギャップや焦点位置に基づきＺ軸を制御することによりノズルギャップや焦点位置を調整し、また選択された加工条件のアシストガス種やアシストガス圧やアシストガスの濃度に基づきアシストガス供給装置２５を制御することによりに所望のアシストガス種やアシストガス圧やアシストガスの濃度などに調整することができる。

また制御装置は選択された加工条件のノズル径に基づき図示しないノズル交換装置を制御することにより所望のノズルに交換選択することができる。

よって、加工プログラムに基づき制御装置３５の制御により、所望の加工条件でワークをレーザ切断加工ができる。

さらに、加工条件記憶部５１に記憶された加工条件ファイル５３には溶融亜鉛めっき鋼板用の防錆期間に対応した加工条件のデータファイル５５が記憶されている。この溶融亜鉛めっき鋼板用の防錆期間に対応した加工条件は板厚と所望の防錆期間に対応した各加工条件が記憶されている。各加工条件はビームプロファイル（集光径、レイリー長）、加工速度、ノズル径、アシストガス種、アシストガス圧、ノズルギャップ、焦点位置などである。

よって加工プログラムに材質が溶融亜鉛めっき鋼板で、板厚と所望の防錆期間を指定しておくと、制御装置は記憶された、溶融亜鉛めっき鋼板、板厚と所望の防錆期間に基づき、加工条件ファイルから所望の防錆期間に対応できる加工条件を選択し、加工機を制御することで所望の防錆期間を得ることができるワークを加工することができる。

ところで、各データファイル５５には、１つの板厚と１つの防錆期間とを対応して関連付けした加工条件が格納されている。しかし、加工条件の幅を持たせるために、例えば、複数の加工速度、複数種のガス圧等を選択可能に格納しておくことも可能である。

なお、この加工条件ファイルは予め記憶装置に記憶しておく。この記憶させる作業は各板厚毎に加工条件を変えながら加工を行って、各加工をしたワークを暴露試験を行い防錆期間毎に対応する加工条件を確認した結果に基づき加工条件ファイルに加工条件を記憶しておくことになる。

なお、加工プログラムには材質と板厚と防錆期間を指定せず、板厚と材質のみを指定し、作業者が加工をする際に加工プログラムを選択するときに所望の防錆期間を制御装置の入力手段から入力し、その入力された防錆期間から加工条件ファイルの所望の加工条件を選択しても良い。

ところで、前記レーザ加工ヘッド５の構成としては、図３０に示すごとき構成とすることが望ましい。すなわち、レーザ加工ヘッド５は、めっき鋼板Ｗのレーザ加工部ＬＷへアシストガスＡＧを噴出するノズルＮＺを備え、上記ノズルＮＺから噴出されたアシストガスＡＧによって溶融金属を吹き飛ばして形成された切断面ＣＦへ、めっき鋼板の上面において溶融された状態のめっき層含有金属ＷＭを導くための補助ガスＳＧを噴出する補助ガスノズルＳＮを備えている。そして、前記補助ガスノズルＳＮは、レーザ切断加工によって形成される切断溝ＣＧの幅よりも大きな範囲でもってレーザ切断加工後の切断溝に補助ガスＳＧを噴出する構成である。

したがって、めっき鋼板Ｗのレーザ切断加工時に、切断溝ＣＧの上縁において溶融された状態のめっき層含有金属の一部は切断溝ＣＧ内に誘導されて、切断面ＣＦを効果的に被覆することになるものである。

本件発明では、アシストガスを窒素としたが、窒素ガス９６％以上、酸素ガス４％以下の混合ガスとしても良い。

また、本件発明のめっき鋼板の切断加工におけるレーザビームの品質（ＢＰＰ）は０．３４ｍｍ・ｍｒａｄ〜２０ｍｍ・ｍｒａｄのレーザによるものである。

１ レーザ加工装置
３ ワークテーブル
５ レーザ加工ヘッド
１１ レーザ発振器
２３ ノズル
３３ 圧力調整弁
３５ 制御装置
５１ 加工条件記憶部

Claims (2)

1. めっき鋼板のレーザ切断加工方法であって、波長が１μｍ帯のレーザ光を、めっき鋼板の上面へ照射してレーザ切断加工を行う際、レーザ光の照射によって溶融及び／又は蒸発された上面のめっき層含有金属を、レーザ切断加工部へ噴出されるアシストガス又は補助ガスによって、めっき鋼板の切断面へ流動して、前記切断面にめっき層含有金属を被覆するために、前記レーザ光は、集光径が０．１４２ｍｍ〜０．２０６ｍｍの範囲で、レイリー長が１．４４３ｍｍ〜３．２２８ｍｍの範囲のビームプロファイルのレーザ光であることを特徴とするめっき鋼板のレーザ切断加工方法。
2. 請求項１に記載のめっき鋼板のレーザ切断加工方法において、前記めっき鋼板の板厚は、２．３ｍｍ〜４．５ｍｍであることを特徴とするめっき鋼板のレーザ切断加工方法。