JP2023070497A - レーザ加工方法及びレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】波長が１μｍ帯以下のレーザビームを用いた板金のレーザ切断加工において、板金の切断面に発生するベベル量を低減し、板金の上面側と下面側との寸法差を低減する。【解決手段】照射するレーザビームの焦点位置を板金の内部に設定し、板金の板厚に基づいて、板金の切断進行方向に対するレーザビームの左右方向の振動の振幅、及び加工ヘッド３５に取り付けるノズル３６であって、レーザビームが射出し、アシストガスが噴出するノズル３６の開口３６ａの開口径を決定する。決定した開口径を有するノズル３６を取り付けた加工ヘッド３５を切断進行方向に沿って板金に対して相対的に移動させながら、決定した開口径を有するノズル３６から、設定した焦点位置及び決定した振幅でレーザビームを切断進行方向に対して左右方向に振動させて射出すると共にアシストガスを噴出する。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ加工方法及びレーザ加工機に関する。

従来から、アシストガスを使用してレーザ加工を行うレーザ加工機が知られている（特許文献１）。特許文献１に記載されたレーザ加工機は、レーザ加工ヘッドに取り付けられたノズルから噴出するアシストガスの周方向の圧力分布を均一にすることにより、板材（板金）の切断加工で生じるドロスの高さに切断方向性を生じにくくし、製品品質を向上させている。

特開２０２０－１８２９５７

しかしながら、特許文献１に記載されたレーザ加工機は、発振波長（以後、単に「波長」という）が１μｍ帯のファイバレーザを用いている。波長が１μｍ帯以下のレーザビームは、ＣＯ２レーザ等の波長が１０μｍ帯のレーザビームに対して、入射角に起因する板金への吸収率特性が高くなることから、カッティングフロント上面側のみならず、カッティングフロント下面側の側面方向にも板金内での反射による吸収が発生する。そのため、板金下面側にレーザビーム及びアシストガス（酸素）が適切に供給されない場合、板金下面側において酸化還元反応による熱切断が適切に行われず、ベベル量が基準を超えて発生する。すなわち、板金の上面側と下面側とで寸法差が発生するという課題がある。なお、ベベル量の定義は、板金の切断面の切断面プロファイルが接する２本の平行な接線の間の距離であって、切断面プロファイルが最初の接する接線と次に接する接線との間の距離、又は、切断面プロファイルの下端から切断面プロファイルが接する他の接線までの距離の内、最も短い距離である。なお、１μｍ帯のファイバレーザの波長とは、一般的に１０６０ｎｍから１０８０ｎｍを基本波とする波長帯を指し、１０μｍ帯のＣＯ２レーザの波長とは、一般的に１０６００ｎｍを基本波とする波長帯を指す。また、波長が１μｍ帯以下のレーザビームとは、１μｍ帯のファイバレーザの他に、グリーンレーザ又はブルーレーザの波長帯を含むことを指す。

つまり、レーザ加工機による正常なレーザ加工では、レーザビームが、カッティングフロント上面側の金属溶融を為し、レーザビームと酸素アシストガスが、カッティングフロント上面側に続くカッティングフロントの金属溶融を為す。そして、溶融した金属はカッティングフロント下面側からアシストガス流と自重によって排出される。レーザ加工機は、これら一連の加工の流れを円滑に行う。また、金属面へ照射される波長が１μｍ帯以下のレーザビームの一部は、ビームカッティングフロント内で反射し、カッティングフロント下面側で再び金属溶融に寄与する。また、カッティングフロント表面では、レーザビームからの熱エネルギと、酸素アシストガスによる酸化還元反応熱エネルギとの両エネルギが、熱伝導により周囲の金属溶融を為す。

このとき、カッティングフロント下面側から排出される溶融金属の量が、カッティングフロントの容積に適合する量を超えた場合、又は、カッティングフロント下面側で過剰な熱エネルギを享受した場合、基準を超えるベベル量が発生する。

本発明の一態様は、上記課題に鑑みてなされたものであり、波長が１μｍ帯以下のレーザビームを用いた板金のレーザ切断加工において、板金の切断面に発生するベベル量を低減し、板金の上面側と下面側との寸法差を低減することができるレーザ加工方法及びレーザ加工機を提供することである。

本発明の一態様に係るレーザ加工方法は、板金に波長が１μｍ帯以下のレーザビームを照射すると共にアシストガスを吹き付けて前記板金を切断するレーザ加工方法であって、照射する前記レーザビームの焦点位置を前記板金の内部に設定し、前記板金の板厚に基づいて、前記板金の切断進行方向に対する前記レーザビームの左右方向の振動の振幅、及び加工ヘッドに取り付けるノズルであって、前記レーザビームが射出し、前記アシストガスが噴出する前記ノズルの開口の開口径を決定し、決定した前記開口径を有する前記ノズルを取り付けた前記加工ヘッドを前記切断進行方向に沿って前記板金に対して相対的に移動させながら、前記開口径を有するノズルから、設定した前記焦点位置及び決定した前記振幅で前記レーザビームを前記切断進行方向に対して左右方向に振動させて射出すると共に前記アシストガスを噴出する。

本発明の一態様に係るレーザ加工方法は、照射するレーザビームの焦点位置を板金の内部に設定し、板金の板厚に基づいて、板金の切断進行方向に対するレーザビームの左右方向の振動の振幅、及び加工ヘッドに取り付けるノズルであって、レーザビームが射出し、アシストガスが噴出するノズルの開口の開口径を決定する。そして、決定した開口径を有するノズルを取り付けた加工ヘッドを切断進行方向に沿って板金に対して相対的に移動させながら、前記開口径を有するノズルから、設定した焦点位置及び決定した振幅でレーザビームを切断進行方向に対して左右方向に振動させて射出すると共にアシストガスを噴出する。これにより、波長が１μｍ帯以下のレーザビームを用いた板金のレーザ切断加工において、板金の切断面に発生するベベル量を低減し、板金の上面側と下面側との寸法差を低減することができる。

本発明の一態様に係るレーザ加工機は、板金に波長が１μｍ帯以下のレーザビームを照射する共にアシストガスを吹き付けて前記板金を切断するレーザ加工機であって、加工ヘッドに取り付けるノズルであって、前記レーザビームが射出し、前記アシストガスが噴出する開口を有する前記ノズルと、前記加工ヘッドを前記板金の切断進行方向に沿って前記板金に対して相対的に移動させる移動機構と、前記レーザビームを前記切断進行方向に対して左右方向に振動させるビーム振動機構と、前記レーザビームの焦点位置を前記板金の内部に設定し、前記板金の板厚に基づいて、前記切断進行方向に対する前記レーザビームの左右方向の振動の振幅、及び前記ノズルの開口の開口径を決定し、決定した前記開口径を有するノズルを取り付けた前記加工ヘッドを前記切断進行方向に沿って前記板金に対して相対的に移動させながら、前記開口径を有するノズルから、設定した前記焦点位置及び決定した前記振幅で前記レーザビームを前記切断進行方向に対して左右方向に振動させて射出するよう前記ビーム振動機構を制御すると共に前記アシストガスを噴出させる制御部とを備える。

本発明の一態様に係るレーザ加工機は、レーザビームの焦点位置を板金の内部に設定し、板金の板厚に基づいて、切断進行方向に対するレーザビームの左右方向の振動の振幅、及びノズルの開口の開口径を決定する制御部を備える。制御部は、決定した開口径を有するノズルを取り付けた加工ヘッドを切断進行方向に沿って板金に対して相対的に移動させながら、前記開口径を有するノズルから、設定した焦点位置及び決定した振幅でレーザビームを切断進行方向に対して左右方向に振動させて射出するようビーム振動機構を制御すると共にアシストガスを噴出させる。これにより、波長が１μｍ帯以下のレーザビームを用いた板金のレーザ切断加工において、板金の切断面に発生するベベル量を低減し、板金の上面側と下面側との寸法差を低減することができる。

本発明の一態様によれば、波長が１μｍ帯以下のレーザビームを用いた板金のレーザ切断加工において、板金の切断面に発生するベベル量を低減し、板金の上面側と下面側との寸法差を低減することができる。

図１は、実施形態に係るレーザ加工機の全体的な構成例を示す図である。 図２は、実施形態に係る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示す図である。 図４は、板金の板厚と切断進行方向に対するレーザビームの左右方向の振幅との関係を示すグラフである。 図５Ａは、レーザビームの直交振動パターンを示す図である。 図５Ｂは、レーザビームの円振動パターンを示す図である。 図５Ｃは、レーザビームのＣ字状振動パターンを示す図である。 図６は、図５Ａに示す直交振動パターンを用いたときの実際の振動パターンを示す図である。 図７Ａは、実験により測定した板金の所定の板厚におけるノズルの開口径と板金の上下方向の寸法差との関係を示すグラフである（その１）。 図７Ｂは、実験により測定した板金の所定の板厚におけるノズルの開口径と板金の上下方向の寸法差との関係を示すグラフである（その２）。 図８は、図７Ａ及び図７Ｂの測定結果から求めた板金の板厚毎の最適なノズルの開口径を示すグラフである。 図９は、従来のレーザ加工による板金の断面形状の一例を示す模式図である。

本発明の一態様に係るレーザ加工方法及びレーザ加工機は、軟鋼板であって、板厚が１６ｍｍ以上の板金の切断加工に好適である。図面を参照して、一実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法について説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

［レーザ加工機の構成］
図１は、実施形態に係るレーザ加工機１００の全体的な構成例を示す図である。図１を参照して、レーザ加工機１００の全体的な構成例を説明する。レーザ加工機１００は、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。なお、プロセスファイバ１２は、シングルコアであってもマルチクラッドであっても構わず、また、レーザ加工ユニット２０への伝送路上に光カプラがあっても構わない。

また、レーザ加工機１００は、操作部４０と、ＮＣ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）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（制御部）の一例である。

レーザ発振器１０は、レーザビームを生成して射出する。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、又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～１０８０ｎｍ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。なお、本実施形態では、波長が１μｍ帯のレーザビームを射出するレーザ発振器を用いるが、本発明はこれに限定されない。レーザ発振器１０は、波長が３００ｎｍ以上であり１０８０ｎｍ以下のレーザビームを射出すればよい。波長が３００ｎｍ以上、１０８０ｎｍ以下のレーザには、ファイバレーザに加え、グリーンレーザ及びブルーレーザが含まれる。

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。また、レーザ加工ユニット２０は、加工ヘッド３５に取り付ける円形の開口３６ａを有するノズル３６であって、開口３６ａの開口径が異なる複数のノズルを有しており、複数のノズルの中から板金Ｗの切断加工に最適な開口径を有するノズル３６を選択できるよう構成されている。ノズル３６は、レーザ加工機１００が備えるノズルチェンジャ（不図示）によって自動的に加工ヘッド３５に取り付けられる構成としてもよいし、オペレータが取り付けてもよい。アシストガス供給装置８０は、アシストガスとして酸素を加工ヘッド３５に供給する。

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、又は、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。なお、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、板金Ｗが移動するように構成されていてもよい。すなわち、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。

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機構、及び板金Ｗに照射されるレーザビームを振動させるビーム振動機構を有する。コリメータユニット３０についての詳細は、図２、図３を用いて後述する。

加工ヘッド３５には、円形の開口３６ａを有するノズル３６が着脱可能に取り付けられている。ノズル３６の開口３６ａからはレーザビームが射出し、アシストガス（酸素）が噴出する。開口３６ａより射出したレーザビームは板金Ｗに照射され、噴出した酸素は板金Ｗに吹き付けられる。板金Ｗへと吹き付けられた酸素は、酸化還元反応を促進して板金Ｗの熱切断を生じさせると共に板金Ｗの溶融金属をカーフから排出する。加工ヘッド３５は、コリメータユニット３０内のビーム振動機構を作動させていない状態において、ノズル３６の開口３６ａから射出するレーザビームと同軸上からアシストガスが噴出するよう構成されている。加工ヘッド３５についての詳細は、図２、図３を用いて後述する。

操作部４０及び表示部９０は、板金Ｗを切断加工する際にＮＣ装置５０への入力が必要となる加工条件の入力、及び入力された加工条件に基づいて決定されたレーザ加工機１００の設定値をオペレータに提示するためのユーザインターフェイスである。操作部４０は、タッチパネル又はキーボードで構成され、ＮＣ装置５０へ加工条件を入力することができる。加工条件とは、例えば、板金Ｗの板厚、板金Ｗの材質、レーザビームの出力、及び加工速度である。表示部９０は、ＮＣ装置５０への入力項目及び入力項目に基づいて決定した設定値を表示するモニタである。

加工プログラムデータベース６０は、ＮＣ装置５０がレーザ加工機１００の各構成を動作させるための加工プログラムを記憶する。加工プログラムは、レーザ加工機１００の動作の手順を規定するプログラムコードである。

加工条件データベース７０は、板金Ｗを切断加工する際に必要となる複数のパラメータが登録された複数の加工条件ファイルを記憶する。加工条件ファイルは、加工プログラム内の各パラメータを規定するファイルである。加工条件データベース７０は、板金Ｗの切断進行方向に対するレーザビームの左右方向の振動パターンが規定された加工条件ファイル１を記憶する。加工条件ファイル１に規定されたレーザビームの振動パターンについての詳細は、図５Ａ～図６を用いて後述する。

加工条件データベース７０は、板金Ｗの板厚毎の切断進行方向に対するレーザビームの左右方向の振動の振幅が規定された加工条件ファイル２を記憶する。加工条件ファイル２に規定された板金Ｗの板厚毎の切断進行方向に対するレーザビームの左右方向の振動の振幅についての詳細は、図４を用いて後述する。また、加工条件データベース７０は、板金Ｗの板厚毎のノズル３６の開口３６ａの開口径（以後、「ノズル３６の開口径」ともいう）が規定された加工条件ファイル３を記憶する。加工条件ファイル３に規定された板金Ｗの板厚毎のノズル３６の開口径についての詳細は、図７Ａ～図８を用いて後述する。加工条件ファイル２及び加工条件ファイル３に規定されたパラメータは、予め実験により求められた、板金Ｗを切断加工する際に板金Ｗの切断面に発生するベベル量を低減し、板金Ｗの上面側と下面側との寸法差を低減することができる最適な値である。

図２は、実施形態に係るレーザ加工機１００におけるコリメータユニット３０及び加工ヘッド３５の詳細な構成例を示す斜視図である。図２を参照して、レーザ加工機１００におけるコリメータユニット３０及び加工ヘッド３５の詳細な構成例を説明する。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。なお、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は、その光軸中心がコリメーションレンズ３１の中心に位置するように進行する。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。集束レンズ３４は、レーザビームの焦点位置を調整するために、図示していない駆動部及び移動機構によって、板金Ｗに近付く方向及び板金Ｗより離隔する方向に移動自在に構成されている。

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内で移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、スキャンミラー３２１及び３２３をそれぞれ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とのいずれか一方又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。なお、例示した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。例えば、ビーム振動機構は、１つのスキャンミラー、又は３つ以上のスキャンミラーで構成されていてもよい。

図３は、ビーム振動機構によるレーザビームの板金Ｗへの照射位置の変位を示す図である。図３を参照して、ビーム振動機構によるレーザビームの板金Ｗへの照射位置の変位を説明する。図３は、スキャンミラー３２１とスキャンミラー３２３とのいずれか一方又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。ＮＣ装置５０は、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。

［レーザ加工方法］
先ず、図９を参照して、波長が１μｍ帯以下のレーザビームを用いた従来のレーザ加工による板金Ｗの断面形状の一例について説明する。図９は、従来のレーザ加工による板金Ｗの断面形状の一例を示す模式図である。従来のレーザ加工は、板金の板厚に応じたカーフ幅を得るため、板厚が厚くなるほどレーザビームの照射径を板金上面から板金下面に向かって大きくする必要がある。そのため、レーザビームの焦点位置を板金上面よりも上方へずらすデフォーカス、又は、板金内部へずらすインフォーカスを選択し、板金上面でのエネルギ密度を下げざるを得ない。板金上面でのエネルギ密度が下がり過ぎれば金属溶融の切っ掛けが得られなくなるため、レーザ出力を上げざるを得ない。そうすると、板金に照射されるエネルギ総量は増えることになり、板金上面側で吸収されなかった（反射した）レーザビームは、カッティングフロント内の板金下面側の側面方向にも再び照射され吸収が発生する。

正常な加工であれば、レーザビームと酸素アシストガスが、カッティングフロント上面側に続くカッティングフロントの金属溶融を為し、溶融した金属はカッティングフロント下面側からアシストガス流と自重によって排出される。しかしながら、適正以上の熱エネルギを蓄積した板金Ｗにおいて、カッティングフロント下面側から排出される溶融金属の量が、カッティングフロントの容積に適合する量を超えた場合、又は、カッティングフロント下面側で過剰な熱エネルギを享受した場合、基準を超えるベベル量が発生し、板金Ｗの上面側と下面側とで寸法差が発生する。なお、従来のレーザ加工であっても、板厚に対する適正なノズル開口径はＮＣ装置５０に記憶されている加工条件ファイル２に定義されている。板厚が厚くなれば、ノズル開口径も大きくなる傾向は、レーザ源が炭酸ガスレーザである時代から変わらない。

次に、実施形態に係る図１に示すレーザ加工機１００が、板金Ｗを切断加工する際の処理について説明する。レーザ加工機１００において、ＮＣ装置５０は、板金Ｗの板厚に基づいて、板金Ｗの切断進行方向に対するレーザビームの左右方向の振動の振幅（以後、「レーザビームの左右方向の振幅」ともいう）、及びノズル３６の開口３６ａの開口径を決定する。ＮＣ装置５０は、決定した開口径を有するノズル３６を取り付けた加工ヘッド３５を切断進行方向に沿って移動させながら、前記開口径を有するノズル３６から、決定した振幅でレーザビームを切断進行方向に対して左右方向に振動させて射出するようビーム振動機構を制御すると共にアシストガスを噴出させる。以下にてレーザ加工機１００の各処理についての詳細を説明する。

ＮＣ装置５０は、板金Ｗの板厚に基づいて、板金Ｗの切断進行方向に対するレーザビームの左右方向の振動の振幅、及びノズル３６の開口径を決定する。具体的には、ＮＣ装置５０は、板金Ｗの板厚を入力するための画面を表示部９０に表示し、オペレータによって操作部４０から入力された板金Ｗの板厚を取得する。ＮＣ装置５０は、加工条件データベース７０に記憶されている、板金Ｗの板厚毎の切断進行方向に対するレーザビームの左右方向の振幅が規定された加工条件ファイル２を参照し、加工条件ファイル２の中から板金Ｗの板厚に対応するレーザビームの左右方向の振幅を取得する。これにより、板金Ｗの板厚に最適な切断進行方向に対するレーザビームの左右方向の振動の振幅が決定する。

ここで、図４を参照して、加工条件ファイル２に規定されている板金Ｗの板厚と切断進行方向に対するレーザビームの左右方向の振幅との関係について説明する。図４は、板金Ｗの板厚と切断進行方向に対するレーザビームの左右方向の振幅との関係を示すグラフである。図４に示すように、切断進行方向に対するレーザビームの左右方向の振動の振幅は、板金Ｗの板厚が厚くなるほど大きくなる。したがって、ＮＣ装置５０は、板金Ｗの板厚が厚くなるほど切断進行方向に対するレーザビームの左右方向の振幅を大きくする。すなわち、板金Ｗに形成されるカーフ幅は板厚が厚くなるほど大きくなる。また、板金上面と板金下面とのレーザビーム照射径が変化しないように、レーザビームの焦点位置は板金の内部に設定してもよい。さらに、切断進行方向に対するレーザビームの左右方向の振幅の中心とノズルの中心は、一致してもよいし、振幅の中心がノズルの中心よりも切断進行方向に先行しても構わない。

ＮＣ装置５０は、加工条件ファイル１を参照し、決定した振幅でレーザビームの左右方向に振動させる際のレーザビームの振動パターンを決定する。ここで、図５Ａ～図６を参照して、加工条件ファイル１に規定された板金Ｗの切断進行方向に対するレーザビームの左右方向の振動パターン例を説明する。図５Ａ～図５Ｃは、振動パターンを理解しやすいよう、加工ヘッド３５を切断進行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。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。ＮＣ装置５０は、図５Ａ～図５Ｃに示す振動パターンのいずれかでレーザビームを振動させる。

図５Ａは、レーザビームの直交振動パターンを示す図である。図５Ａに示す直交振動パターンは、板金Ｗ上に形成されるビームスポットＢｓを切断進行方向（ｘ方向）に直交する方向（ｙ方向）に振動させる。レーザビームの照射によりカーフＷｋが形成される。図５Ｂは、レーザビームの円振動パターンを示す図である。図５Ｂに示す円振動パターンは、板金Ｗ上に形成されるビームスポットＢｓを円形に振動させる。図５Ｃは、レーザビームのＣ字状振動パターンを示す図である。図５Ｃに示すＣ字状振動パターンは、板金Ｗ上に形成されるビームスポットＢｓをアルファベットのＣを描くように振動させる。なお、レーザビームの振動パターンはこれに限定されない。レーザビームは、板金Ｗの切断進行方向（ｘ方向）に対して左右方向に振動していればよく、例えば、８の字を描く軌跡であっても、楕円を描く軌跡であってもよい。

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振動するため、振動パターンは、図５Ａ～図５Ｃに示す振動パターンに切断進行方向の変位を加えた振動パターンとなる。図６は、図５Ａに示す直交振動パターンを用いたときの実際の振動パターンを示す図である。図５Ａに示す直交振動パターンでは、ビームスポットＢｓはｘ方向に移動しながらｙ方向に振動するので、実際の直交振動パターンは図６に示すような振動パターンとなる。

ＮＣ装置５０は、加工条件データベース７０に記憶されている、板金Ｗの板厚毎のノズル３６の開口径が規定された加工条件ファイル３を参照し、加工条件ファイル３の中から板金Ｗの板厚に対応するノズル３６の開口径を取得する。これにより、板金Ｗの板厚に最適なノズルの開口径が決定する。ＮＣ装置５０は、決定した開口径を有するノズル３６を加工ヘッド３５に取り付けるようノズルチェンジャを制御する。又は、表示部９０に加工ヘッド３５に取り付けるノズル３６の開口径を表示し、オペレータに最適な開口径を有するノズル３６を取り付けるよう通知する。

次に、図７Ａ～図８を参照して、加工条件ファイル３に規定されている板金Ｗの板厚とノズル３６の開口径との関係について説明する。加工条件ファイル３は、予め実験にて、板金Ｗの板厚毎に開口３６ａの開口径が異なる複数のノズルを用いて切断加工を行い、各々の開口径のノズル３６を使用した際に発生した寸法差を測定し、板厚毎の寸法差が最も小さいノズル３６の開口径に基づいて求めたものである。なお、実験における切断加工時の切断進行方向に対するレーザビーム左右方向の振幅は、図４に示す値であり、加工条件ファイル２に設定されている値と同値である。

図７Ａは、実験により測定した板金Ｗの所定の板厚におけるノズル３６の開口径（ノズル径）と板金Ｗの上下方向（上面側と下面側）の寸法差との関係を示すグラフである（その１）。図７Ａを参照して、板厚が１６ｍｍの板金Ｗを切断加工した際における、ノズル３６の開口径と板金Ｗの切断面に発生するベベル量による板金Ｗの上面側と下面側との寸法差との関係について説明する。なお、プロットされた点は実測値である。図７Ａに示すように、プロットされた点を結んだ線から、ノズル３６の開口径が１．８ｍｍの時に板金Ｗの上面側と下面側との寸法差が０となると推定でき、開口径が１．８ｍｍのノズル３６を中心に、板金Ｗの上面側と下面側との寸法差が大きくなることが分かる。なお、カーフＷｋの形状は、寸法差が正の値（＋）の場合は板金の上面側の寸法が下面側に比べて小さい形状となり、負の値（－）の場合は板金の上面側の寸法が下面側の寸法に比べて大きい形状となる。したがって、ノズル３６の開口径が１．８ｍｍ未満の場合、板金Ｗの下面側へ供給される酸素の供給量が不足し、酸化還元反応による板金Ｗの溶融金属の量が不足しているか、アシストガス流がカッティングフロント下面側の溶融金属を押し流すだけの力を持てないかのいずれかと判断できる。また、ノズル３６の開口径が１．８ｍｍより大きい場合、板金Ｗの下面側へ供給される酸素の供給量が超過し、酸化還元反応による板金Ｗの溶融金属の量が超過していると判断できる。また、図７Ａに破線で示すように、ノズル３６の開口径と板金Ｗの上下方向の寸法差との関係は、線形近似できることが分かる。

図７Ｂは、実験により測定した板金Ｗの所定の板厚におけるノズル３６の開口径と板金Ｗの上下方向の寸法差との関係を示すグラフである（その２）。図７Ｂを参照して、板厚が２２ｍｍの板金Ｗを切断加工した際における、ノズル３６の開口径と板金Ｗの切断面に発生するベベル量による板金Ｗの上面側と下面側との寸法差との関係について説明する。なお、プロットされた点は実測値である。図７Ｂに示すように、板金Ｗの板厚が２２ｍｍの場合においても、図７Ａに示す板厚が１６ｍｍ場合と同様の傾向があることが分かる。すなわち、板金Ｗの上面側と下面側との寸法差が０となるノズル３６の開口径が２．４ｍｍを中心に、板金Ｗの上面側と下面側との寸法差が線形的に変化する。

図８は、図７Ａ及び図７Ｂの測定結果から求めた板金Ｗの板厚毎の最適なノズル３６の開口径を示すグラフである。図８を参照して、図７Ａ及び図７Ｂの測定結果から求めた板金Ｗの板厚毎の最適なノズル３６の開口径について説明する。図８の左側にプロットされた点は、板厚が１６ｍｍの板金Ｗを切断加工する際に、板金Ｗの上面側と下面側との寸法差が０となるノズル３６の開口径である。また、図８の右側にプロットされた点は、板厚が２２ｍｍの板金Ｗを切断加工する際に、板金Ｗの上面側と下面側との寸法差が０となるノズル３６の開口径である。図７Ａ及び図７Ｂにて示した通り、ノズル３６の開口径と板金Ｗの上下方向の寸法差との関係は、線形近似できることが分かっている。よって、図８に示すように、板金Ｗの上面側と下面側との寸法差が０となる、板金Ｗの板厚が１６ｍｍの時のノズル３６の開口径と板厚が２２ｍｍの時のノズル３６の開口径とを結ぶ直線を板金Ｗの板厚毎の最適なノズル径として規定することができる。したがって、ＮＣ装置５０は、ノズル３６の開口径を、板金Ｗの板厚が厚くなるほど大きくし、板金Ｗの板厚の変化に対して線形に変化させる。

なお、従来のレーザ加工によるノズル開口径は、例えば板金の板厚が１６ｍｍの場合、４ｍｍを適正とする例もあった。これは本実施形態のようなレーザビームを板金の切断進行方向に対して左右方向に振動させて照射する方法を行わない場合であって、明らかにノズル開口径を本実施形態の場合より大きくする必要があった。

板金Ｗの上面側と下面側との寸法差が０となる、板金Ｗの板厚が１６ｍｍの時のノズル３６の開口径と板厚が２２ｍｍの時のノズル３６の開口径とを結ぶ直線は、ノズル３６の開口径をｙとし、板金Ｗの板厚をｘとした場合、下記算出式（１）となる。したがって、ＮＣ装置５０は、算出式（１）に基づいてノズル３６の開口径を決定する。

ＮＣ装置５０は、決定した開口径を有するノズル３６を取り付けた加工ヘッド３５を切断進行方向に沿って移動させながら、前記開口径を有するノズル３６から、決定した振幅でレーザビームを切断進行方向に対して左右方向に振動させて射出するようビーム振動機構を制御すると共にアシストガスを噴出させる。ＮＣ装置５０は、移動機構である門型のＸ軸キャリッジ２２及びＹ軸キャリッジ２３を制御して、決定した開口径を有するノズル３６を取り付けた加工ヘッド３５を切断進行方向に沿って移動させる。ＮＣ装置５０は、加工ヘッド３５を切断進行方向に沿って移動させながら、決定した開口径を有するノズル３６から、決定した振幅でレーザビームを切断進行方向に対して左右方向に振動させて射出するようビーム振動機構であるガルバノスキャナユニット３２を制御する。ＮＣ装置５０は、決定した振幅でレーザビームを切断進行方向に対して左右方向に振動させて射出すると共にアシストガスを噴出させるようアシストガス供給装置８０を制御する。

［作用効果］
以上、説明したように、本実施形態によれば以下作用効果が得られる。

レーザ加工機は、照射するレーザビームの焦点位置を板金の内部に設定し、切断する板金の板厚に基づいて、板金の切断進行方向に対するレーザビームの左右方向の振動の振幅、及び加工ヘッドに取り付けるノズルであって、レーザビームが射出し、アシストガスが噴出するノズルの開口の開口径を決定する。レーザ加工機は、決定した開口径を有するノズルを取り付けた加工ヘッドを切断進行方向に沿って板金に対して相対的に移動させながら、前記開口径を有するノズルから、設定した焦点位置及び決定した振幅でレーザビームを切断進行方向に対して左右方向に振動させて射出すると共にアシストガスを噴出する。

レーザ加工機は、照射するレーザビームの焦点位置を板金の内部に設定する。これにより、レーザビームの照射径が、板金の上面側と下面側とで変化しないようにすることができる。すなわち、レーザビームの照射径が板金の上面側と下面側とで変化しないようにすることで、板金の上面側と下面側との寸法差を低減することができる。さらに、レーザ加工機は、板金の板厚に基づいて決定した振幅でレーザビームを板金の切断進行方向に対して左右方向に振動させて射出することにより、板金の板厚に応じた適切なカーフ幅を設定することができる。これにより、板金の切断加工時に生じる溶融物が、カーフから排出されず、板金下面側に付着することで発生するドロスを低減することができる。すなわち、レーザ加工機は、板金の切断面に発生するベベル量を低減することができ、板金の切断面に発生するベベル量による板金の上面側と下面側との寸法差を低減することができる。

さらに、レーザ加工機は、板金の板厚に基づいて決定した振幅でレーザビームを板金の切断進行方向に対して左右方向に振動させて照射することにより、板金内で発生するレーザビームの反射を低減することができる。これにより、レーザ加工機は、カッティングフロント内の板金下面側の側面方向にレーザビームが過剰に吸収されることを防止することができる。したがって、板金下面側の側面方向における、レーザビームによる板金の過剰な金属溶融及びアシストガスによる過剰な酸化還元反応による金属溶融を低減することができる。すなわち、レーザ加工機は、板金の切断面に発生するベベル量を低減することができ、板金の上面側と下面側との寸法差を低減することができる。

レーザ加工機は、板金の板厚に基づいて決定した開口径を有するノズルから板金にアシストガスを吹き付けることにより、板金の板厚に応じて板金の下面側に供給されるアシストガスの供給量を適切にコントロールすることができる。したがって、レーザ加工機は、板金の板厚に応じて、アシストガスによって促進される板金下面側での酸化還元反応による板金の金属溶融を適切にコントロールすることができる。すなわち、レーザ加工機は、板金の切断面に発生するベベル量を低減することができ、板金の上面側と下面側との寸法差を低減することができる。

ノズルの開口径は、板金の板厚が厚くなるほど大きくし、板金の板厚の変化に対して線形に変化させる。板金の切断面に発生するベベル量による板金の上下方向の寸法差を低減するためには、適切な開口径を有するノズルからアシストガスを噴出し、板金の下面側に供給されるアシストガスの供給量を適切にコントロールする必要がある。ノズルの開口の中心部と端部では、アシストガスの流れが異なる。具体的には、ノズルの開口の端部側から噴出したアシストガスは周囲へ拡散して流速が急速に下がるが、ノズルの開口の中心側から噴出したアシストガスは流れが安定していることから、安定的にカッティングフロントへ流れる。そして、カッティングフロントへ到達したアシストガスは、その後気体圧が低下し流速を失う。そのため、アシストガスを安定して板金下面側へ供給するためには、板厚が厚くなるほどノズルの開口の開口径を大きくする必要がある。したがって、レーザ加工機は、ノズルの開口径を、板金の板厚が厚くなるほど大きくし、板金の板厚の変化に対して線形に変化させることにより、板金の下面側へ適切な供給量でアシストガスを供給することができ、板金の下面側での酸化還元反応による板金の金属溶融を適切にコントロールすることができる。すなわち、レーザ加工機は、板金の切断面に発生するベベル量を低減することができ、板金の上面側と下面側との寸法差を低減することができる。

レーザ加工機は、ノズルの開口径を、算出式（１）によって算出する。実験から得られた近似式である算出式（１）を用いてノズルの開口径を決定することにより、板金の板厚に応じて最適な開口径を有するノズルを決定することができる。なお、本実施形態は、従来加工方法よりもノズル開口径を小さくして加工できるため、アシストガス消費量を低減できる副次的な効果も認められる。

レーザ加工機は、板金の板厚が厚くなるほど板金の切断進行方向に対するレーザビームの左右方向の振幅を大きくする。これにより、板金の板厚が厚くなるほど大きなカーフ幅を形成することができ、板厚が厚くなるほど増加する切断加工時に生じる溶融物を容易に排出する道幅を確保すると共に、板金下面側から排出されずに板金の下面側に付着するドロスを低減することができる。すなわち、レーザ加工機は、板金の切断面に発生するベベル量を低減することができ、板金の上面側と下面側との寸法差を低減することができる。

レーザ加工機は、波長が３００ｎｍ以上であり１０８０ｎｍ以下のレーザビームを照射する。これにより、ＣＯ２レーザ等の波長が１０μｍ帯のレーザビームに比べてエネルギ密度が高く、より高速な切断加工を行うことができる。また、波長が１０８０ｎｍ以下のレーザビームは、ＣＯ２レーザと比較してエネルギ変換効率が高く、板金の切断に掛かるコストを低減することができる。さらに、レーザビームを左右方向に振動させることで、カーフ幅拡張を目的とした焦点位置をずらして板金へ照射する場合に対して、エネルギ総量を増加させることなくカッティングフロント内へ熱エネルギを供給することができる。

レーザ加工機は、ビーム振動機構を作動させていない状態において、ノズルの開口から射出するレーザビームと同軸上からアシストガスを噴出する。なお、切断進行方向に対するレーザビームの左右方向の振幅の中心とノズルの中心とは、振幅の中心がノズルの中心よりも切断進行方向に先行しても構わない。要するに、カッティングフロント下面側においてレーザビーム、酸化還元反応熱および伝導熱による板金の金属溶融が適切に保たれるようにすることで、アシストガス流は溶融金属を押し流すだけの力を持った流体であることを確保することができる。

２２，２３ 移動機構
３２ ビーム振動機構（ガルバノスキャナユニット）
３５ 加工ヘッド
３６ ノズル
３６ａ 開口
５０ 制御部（ＮＣ装置）
１００ レーザ加工機
Ｗ 板金
Ｘ方向 切断進行方向

Claims (7)

1. 板金に波長が１μｍ帯以下のレーザビームを照射すると共にアシストガスを吹き付けて前記板金を切断するレーザ加工方法であって、
   照射する前記レーザビームの焦点位置を前記板金の内部に設定し、
   前記板金の板厚に基づいて、前記板金の切断進行方向に対する前記レーザビームの左右方向の振動の振幅、及び加工ヘッドに取り付けるノズルであって、前記レーザビームが射出し、前記アシストガスが噴出する前記ノズルの開口の開口径を決定し、
   決定した前記開口径を有する前記ノズルを取り付けた前記加工ヘッドを前記切断進行方向に沿って前記板金に対して相対的に移動させながら、前記開口径を有するノズルから、設定した前記焦点位置及び決定した前記振幅で前記レーザビームを前記切断進行方向に対して左右方向に振動させて射出すると共に前記アシストガスを噴出する
   レーザ加工方法。
2. 前記ノズルの開口径は、前記板金の板厚が厚くなるほど大きくし、前記板金の板厚の変化に対して線形に変化させる
   請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記ノズルの開口径は、前記ノズルの開口径をｙとし、前記板金の板厚をｘとした場合、下記算出式により決定される
   ｙ＝０．１ｘ＋０．２
   請求項１又は２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記切断進行方向に対する前記レーザビームの左右方向の振動の振幅は、前記板金の板厚が厚くなるほど大きくする
   請求項１に記載のレーザ加工方法。
5. 前記レーザビームは、波長が３００ｎｍ以上であり１０８０ｎｍ以下である
   請求項１に記載のレーザ加工方法。
6. 前記アシストガスは、前記レーザビームを振動させていない状態において、前記ノズルの開口から射出するレーザビームと同軸上から噴出する
   請求項１に記載のレーザ加工方法。
7. 板金に波長が１μｍ帯以下のレーザビームを照射すると共にアシストガスを吹き付けて前記板金を切断するレーザ加工機であって、
   加工ヘッドに取り付けるノズルであって、前記レーザビームが射出し、前記アシストガスが噴出する開口を有する前記ノズルと、
   前記加工ヘッドを前記板金の切断進行方向に沿って前記板金に対して相対的に移動させる移動機構と、
   前記レーザビームを前記切断進行方向に対して左右方向に振動させるビーム振動機構と、
   前記レーザビームの焦点位置を前記板金の内部に設定し、前記板金の板厚に基づいて、前記切断進行方向に対する前記レーザビームの左右方向の振動の振幅、及び前記ノズルの開口の開口径を決定し、決定した前記開口径を有するノズルを取り付けた前記加工ヘッドを前記切断進行方向に沿って前記板金に対して相対的に移動させながら、前記開口径を有するノズルから、設定した前記焦点位置及び決定した前記振幅で前記レーザビームを前記切断進行方向に対して左右方向に振動させて射出するよう前記ビーム振動機構を制御すると共に前記アシストガスを噴出させる制御部と、を備える
   レーザ加工機。

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