JP3084780B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

レーザ加工装置

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JP3084780B2
JP3084780B2 JP03098351A JP9835191A JP3084780B2 JP 3084780 B2 JP3084780 B2 JP 3084780B2 JP 03098351 A JP03098351 A JP 03098351A JP 9835191 A JP9835191 A JP 9835191A JP 3084780 B2 JP3084780 B2 JP 3084780B2
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陽造 永田
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光を利用して金
属板、プラスチック板等の所定肉厚の被加工材を所望形
状に切断するレーザ切断方法に係わり、特に、レーザ発
振器より加工ヘッド内に導かれたレーザビームを、該ヘ
ッド内の集光レンズ系により集束させながら被切断材上
に導き、所望形状の切断を行うレーザ切断方法及びレー
ザ加工装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、例えば第2図に示すようにレ
ーザ発振器より発振される炭酸ガスレーザその他のレー
ザビームを変向ミラーにより変向させながら加工ヘッド
に導き、該加工ヘッド内の集光レンズ系を利用して被切
断材表面に前記ビームを集束させるとともに、該ビーム
の周囲より空気若しくは酸素ガスを噴出させながら前記
被切断材を所望形状に切断するようにしたレーザ切断装
置は公知である。かかる装置においては、例えば特開昭
63-154285号(特願昭 61-296684号)に示す様に、レー
ザ発振器から加工ヘッドのレーザ光路中に、例えばメニ
スカスレンズ等を配し、レーザ発振器より発振されるレ
ーザ光をコリメート(平行光線)化し、常に一定光束の
レーザ光が加工ヘッドに導かれるように構成している
が、前記レーザ光を完全に平行化するのは不可能であ
り、この為従来装置においてはレーザ発振器より集光レ
ンズ系に至るまでの光路長の一定化を図り、被加工材表
面に精度よくレーザ光が集束されるよう構成している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】さて近年のレーザ切断
装置においては前記レーザ光の高出力化を図り、厚肉な
部材をも切断可能に構成しているが、単に高出力化のみ
の方法で構成すると前記レーザ光は被加工材表面上に精
度よく集束されるよう構成している為に、該加工材の表
面域と裏面域では集光ビームのパワー密度の差が大き
く、厚肉は被加工部材になるにつれて、良好な切断面を
得る事が困難となる。
【0004】例えば切断ガス(アシストガス)に酸素を
用いて、板厚の異なる軟鋼を切断する場合について検討
してみるに、厚板の切断では厚み方向に対するパワー密
度の差を小さくすることに加え、アシストガスによる溶
融金属の排除性を高めるために、切断溝巾を大きくする
ことが要求される。特にアシストガスに酸素を用いる軟
鋼切断では、溶融金属の排除性を高めるためにガス圧力
を上げると、切断面粗さが大きくなり、切断品質の低下
が顕著である。このため切断溝巾内を通過するアシスト
ガスの気流が切断下面部まで安定する条件として気流を
強めることなく切断溝巾を大きくする条件が重要とな
る。一方、薄板切断では、上記の厚板切断で要される材
料の厚み方向に対するパワー密度の差および気流の影響
が切断品質に与える影響は比較的少なく、むしろ高速で
切断する条件が重要な要素となる。高速での切断は、焦
光点でのパワー密度を高めることにより可能となるが、
レーザビーム出力が一定の場合、パワー密度を高くする
ことは焦光点での焦光ビーム径を小さくすることを意味
し、結果的には、切断溝巾を小さくして切断することに
なる。したがって、集光点でのビーム径を固定にした従
来の方法では、同一の焦光レンズを使用する限り、肉厚
の薄い材料から厚い材料まで、最適な品質と速度で切断
することが困難である。
【0005】本発明はかかる従来技術の欠点に鑑み、被
切断部材の肉厚に応じて常に良好な切断面を得る事を可
能にしたレーザ切断方法及びレーザ加工装置を提供する
事を目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、加工ヘッド内
の集束レンズのレンズ形状に起因する球面収差とビーム
波長に起因する回析収差を有効に利用して、被切断材の
肉厚が大、言換えれば厚板20Aを切断する場合には、
図1及び図3(A)に示す如くヘッド内の集光レンズ系
に導かれる入射ビーム径 1 を小(A)にして薄板20
Bを加工する場合(図3(B)参照)に比較して焦点深
度を大にし、これにより集光ビーム径d01がd11に比較し
て大きくなり、集光点でのパワー密度は低下するが、そ
の分、切断上面から下面に向うパワー密度の変化(d01-
d02)を(d11-d12)に比較して小さくすることができ
る。また集光ビーム径が大きくなる分、切断溝巾が大き
くなり、切断溝を通過する切断ガス(アシストガス)の
作用による溶融金属の排除性が良くなり、切断品質の向
上を計ることができる。
【0007】又薄板の場合は被切断材の表面域と裏面域
でのビームパワー密度の変化は図3(B)に示す如く厚
板のような重要性は無く、この為前記厚板の場合より入
射ビーム径 2 大きくし、具体的には切断材表面に導
かれた集束ビーム径の複合収差(球面収差+回析収差)
が相対的に小さくなるように入射ビーム径を変化させる
のがよく、これにより高いパワー密度で切断が可能とな
り、高速切断が可能となる。
【0008】この場合、焦点深度Fは下記式に示すよう
に、レンズ焦点距離fに比例して変化するものであるた
めに、焦点距離が固定の場合には、光路長に対して、ビ
ーム径が拡がり角を有することを利用して前記レーザ発
振器より加工ヘッドまでの光路長を可変、具体的には厚
板の場合は前記光路長を短く又薄板の場合には長くする
ように可変させてもよい。 F(焦点深度)=f(焦点距離)/D(入射ビーム径) 尚、本発明は被切断材の肉厚のみに限定される事なく材
質等を加味して設定する必要がある。
【0009】
【効果】上記記載より明らかな如く本発明は、前記従来
技術の様に前記光路長を常に一定化させる事なく、言換
えれば焦点深度や集束ビーム密度を一定にする事なく、
被切断材の肉厚に対応させて前記光路長や入射ビーム径
を可変する事により最も好ましい焦点深度や集束ビーム
密度に設定することを特徴とするものである
【0010】これにより薄板切断を行う場合には、焦点
深度を小にして集束ビーム密度を高めて高速切断を可能
とするものであり、一方厚板切断を行う場合には前記収
差を有効に利用して焦点深度を前記被切断材の肉厚に対
応させて大にし、これにより切断品質の向上を図る事が
出来る。従って本発明は総合的な品質を考慮して厚板切
断の場合には切断面品質を重視するも、薄板切断の場合
は厚みに相応して、焦点深度を浅くしても切断面品質が
極度に低下しないために、加工性能(切断速度)を重視
したものである。
【0011】
【実施例】以下、図面に基づいて本考案の実施例を例示
的に詳しく説明する。但し、この実施例に記載されてい
る構造部品の寸法、材質、形状、その相対位置などは特
に特定的な記載がない限りは、この考案の範囲をそれの
みに限定する趣旨でなく単なる説明例に過ぎない。第2
は本発明の実施例に係わるレーザ加工装置の平面構成
図で、平行に配列した一対のX軸レール13,14、該X軸
レール13,14間に移動可能に架設され、メインフレーム1
1とガーダ12から成る加工機本体10、メインフレーム11
上に搭載されたレーザ発振器18、X軸方向に位置変位
可能にメインフレーム11上に搭載された光路長調整用反
転ミラーブロック15(以下第1の反転ミラーブロックと
言う)、該ブロック15よりの出射光を90°変向させて
Y軸方向に導びくメインフレーム11上に搭載された変向
ミラー16、前記ガーダ12に取り付けたY軸レール17に
沿って往復走行可能な加工ヘッド22と光路長固定用の反
転ミラーブロック25からなる。
【0012】そして前記第1の反転ミラーブロック15
は、被切断材の板厚、材質、使用レンズの焦点距離等を
入力情報として不図示の演算回路により設定された最適
光路長に対応して、X軸方向に位置変位可能な不図示の
サーボモータ等が付設されている。一方光波長固定用反
転ミラーブロック(以下第2の反転ミラーブロックと言
う)25は加工ヘッド22と共に、Y軸方向に移動可能
に構成されているが、該ミラーブロック25は特に、切
断動作時における加工ヘッド22の移動量に対し1/2
の移動量、言換えれば移動速度を1/2に設定し、これ
により加工ヘッド22がY軸方向のいずれに移動した場
合についても発振器18より加工ヘッド22に至る光路
長が常に一定になるよう制御している。
【0013】加工ヘッド22は公知の様に変向ミラーと
共に集束レンズ(不図示)が組込まれており、該ヘッド
22内に導かれた入射ビームを集束して被切断材20表
面に結像可能に構成している。
【0014】次にかかる実施例の作用を簡単に説明す
る。先ず段取動作時に被切断材の板厚に対応させて、被
切断材20の板厚が大の場合には、第3図に示す如くヘ
ッド22内の集光レンズ系に導かれる入射ビーム径Dが
(A)に位置するように、第1の反転ミラーブロック1
5を発振器18に僅かに近付け、ずらした後、下記切断
工程に移行する。
【0015】一方薄板を加工する場合は入射ビーム径D
が(B)の位置に位置するように、第1の反転ミラーブ
ロック15を発振器18より僅かに遠くへずらした後、
下記切断工程に移行する。この場合前記ミラーブロック
の移動は2段階若しくは更に多くの複数段階的に設定し
てもよく、又無段階制御を行ってもよい。
【0016】そしてこの状態で前記レーザ発振器18
りレーザ光を発振する事により、切断動作中メインフレ
ーム11上に搭載された発振器18、第1の反転ミラー
ブロック15、及び変向ミラー16はいずれも位置決め
固定されており、この為変向ミラーに導かれるまでのビ
ーム長が変動する事はない。そしてこの状態で第2の
ミラーブロック25を加工ヘッド22の移動速度に対
し1/2の移動速度でY軸方向に追従移動させる事によ
り発振器18より加工ヘッド22に至る光路長が常に一
定になり、これにより同一被切断材20の切断作業中は
安定した切断加工が可能となる。
【0017】尚、光路長変更手段は第1の反転ミラーブ
ロック15を用いないで、第2の反転ミラーブロック2
5と加工ヘッド22の設定距離を変化させる方法でも可
能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を説明するための、入射ビーム径と集束
ビーム径を夫々横軸と縦軸に取った収差グラフ図であ
る。
【図2】本発明の実施例に係わるレーザ加工装置の構成
平面図である。
【図3】本発明の基本構成図で、被切断材の肉厚とビー
ム径との関係を示し、(A)が厚板加工の場合、(B)
が薄板加工の場合を示す。
【符号の説明】
15 第1の反転ミラー体(光路長調整用反転ミラーブ
ロック)16 変向ミラー 18 レーザ発振器 25 第2の反転ミラー体(光路長固定用反転ミラーブ
ロック) 22 加工ヘッド
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−32484(JP,A) 特開 平4−182090(JP,A) 特開 昭60−199586(JP,A) 実開 昭63−116195(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 26/00 - 26/08

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザ発振器より加工ヘッド内に導かれ
    たレーザビームを、該ヘッド内の集光レンズ系により集
    束させながら被切断材上に導き、所望形状の切断を行う
    加工装置において、 前記レーザ発振器を、所定方向に移動するレーザ加工機
    本体に搭載し、且つ前記レーザ発振器と加工ヘッド間の
    レーザビームの伝送経路の中間に反転ミラー体を配し、
    該反転ミラー体を移動させる事により前記レーザ発振器
    より加工ヘッドまでの光路長が、前記被切断材の肉厚や
    材質の変化に対応する適切な光路長に設定変更が行なえ
    る事を特徴とするレーザ加工装置
  2. 【請求項2】 前記肉厚とほぼ反比例的に光路長を無段
    階若しくは段階的に可変させる事を特徴とする請求項
    記載のレーザ加工装置
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DE102016215019C5 (de) 2016-08-11 2023-04-06 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Verfahren zum Laserschneiden mit optimierter Gasdynamik
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