JP3534806B2 - レーザ切断方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、被加工物にレーザビ
ームを照射し該レーザビームのエネルギで該被加工物を
切断するレーザ切断方法及びその装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図２７は従来のレーザ切断方法を説明す
る模式図であり、図２７において、１０１は厚板の被加
工物１０６に照射するレーザビーム、１０３は切断前
面、１０７はレーザビーム１０１を集光する加工レン
ズ、１３５はアシストガス１２１をレーザビーム１０１
の照射される切断部１０２ａへ吹き付けるノズル、矢印
は被加工物１０６の移動方向を示している。図２７で
は、焦点距離の長い加工レンズ１０７でレーザビーム１
０１を集光し、焦点位置Ｏを被加工物表面から距離Ｋだ
け離し、被加工物表面でのビーム径を拡げて切断してい
る状態を示している。この従来のレーザ切断方法では、
被加工物１０６の板厚が厚くなった場合、被加工物１０
６の下部までレーザエネルギが有効に伝わるように焦点
距離の長い加工レンズ１０７を使用したり、加工レンズ
１０７へ入射するビーム径を小さくすることで焦点深度
を深くしても、安定に切断溝を形成することができなく
なる。例えば、被加工物１０６が軟鋼の場合、３ｋＷの
レーザビーム１０１は板厚が２２ｍｍを越えると、切断
が非常に困難で、切断できた場合でも図２８に示すよう
に被加工物切断面の下部においては、上部条痕１０４に
比べ下部条痕１２２のように切断面粗さは非常に粗くな
っており、加工製品の劣化という問題が発生していた。

【０００３】このような事態が発生する原因は、焦点深
度を深くしたために、ビームの集光スポット径が大きく
なりすぎ、切断溝深部に入射するレーザエネルギが減少
するためである。集光スポット径が大きくなると、図２
９に示されるように、加工しきい値以下の切断溝１０２
中に入射しないビームスポット周辺部１０１ａのエネル
ギが多く、切断溝１０２の中に入射するビームスポット
中央部１０１ｂのエネルギが少なくなる。このため、切
断溝１０２内へのレーザ入射熱量が減少し、切断溝深部
で入熱不足が発生して、溶融物の温度が下がり粘性が高
くなる。

【０００４】その結果、被加工物切断面の下部におい
て、溶融物の滞留が生じて切断面粗さが非常に粗くな
る。また、切断溝深さが深くなり、溝深部でアシストガ
ス流による溶融物の除去作用が低下することも、前記被
加工物切断面の下部に溶融物が滞留し切断面粗さが非常
に粗くなることの要因となっている。

【０００５】この場合、レーザビーム１０１をデフォー
カスし、溝幅を広げて溝深部でアシストガス流による溶
融物の除去作用を増加させると、ビームスポット径が拡
がってしまうので、上述したように溝内に入射するレー
ザエネルギが減少し、適当でない。

【０００６】さらに、レーザ切断が可能とされる中板厚
の被加工物の場合でも、例えば軟鋼では板厚が２２ｍｍ
以下の場合でも、切断面の上部と比較すると下部では板
厚が２２ｍｍ以上の被加工物と同様に切断面粗さが粗く
なる。特に、角部を切断した時に生じる角部頂点の溶け
落ちに起因する切断面粗さの低下が問題となっている。

【０００７】これらの問題を解決するレーザ切断方法と
して、例えば、特開平４−２８４９９０号公報に示され
たレーザ切断方法がある。このレーザ切断方法は、被加
工物表面におけるレーザビームの断面形状を切断進行方
向に細長い形状、被加工物内部の所定深さ以上では切断
進行方向と直交する方向に細長いビーム形状とし、被加
工物の裏面近くの溝幅を広くし、被加工物切断面の下部
での溶融物の滞留と切断面粗さを改善するものである。
しかし、この方法では、切断面粗さの低下は改善できる
ものの、切断溝の深さ方向での溝幅が大きく変化するた
め、加工後の切断面は平面にならない。このため、切断
後の部品の組立精度や溶接性が悪化してしまう等の問題
点があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記のよう
な問題点を解消するためになされたもので、請求項１〜
７記載の発明は、被加工物切断面の下部における溶融物
の滞留を解消し、切断面粗さの生じない高品質切断を実
現できるレーザ切断方法を得ることを目的とする。

【０００９】請求項８記載の発明は、切断溝深部の入熱
不足を解消し、切断面粗さ低下の生じない高品質切断を
実現できるレーザ切断装置を得ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明に係
るレーザ切断方法は、被加工物にレーザビームを照射し
該レーザビームのエネルギで該被加工物を切断するレー
ザ切断方法において、切断加工中に前記被加工物と前記
レーザビームとを相対的に移動させて、前記被加工物に
対する前記レーザビームの位置あるいは該レーザビーム
径を振動させ、前記レーザビームの振動周波数を、前記
レーザビームを振動させないときに前記被加工物の切断
面に生じる条痕のピッチと切断速度から計算される条痕
の生成周波数より大きく設定することを特徴とするもの
である。

【００１１】 請求項２記載の発明に係るレーザ切断方法
は、連続波出力であるレーザビームの振動方向を、切断
進行方向と平行としたものである。

【００１２】 請求項３記載の発明に係るレーザ切断方法
は、レーザビームの切断進行方向と平行な振動振幅を、
前記レーザビームを振動させないときの被加工物表面と
裏面の切断溝長さの差と該レーザビームを振動させない
ときの該被加工物表面での切断溝幅から算出した値より
小さく設定したものである。

【００１３】 請求項４記載の発明に係るレーザ切断方法
は、レーザビームの振動方向を、切断進行方向と直交と
し、前記レーザビームの切断進行方向と直交な振動振幅
を、レーザビームを振動させた場合の被加工物表面での
切断溝幅の略１／２より小さく設定するものである。

【００１４】 請求項５記載の発明に係るレーザ切断方法
は、レーザビームのスポットの中心軸が回転移動する回
転径の切断進行方向と平行な成分を、前記レーザビーム
を回転させないときの被加工物表面と裏面の切断溝長さ
の差と該レーザビームを振動させないときの該被加工物
表面での切断溝幅から算出した値より小さくし、前記切
断進行方向と直交な成分を、レーザビームを振動させた
場合の前記被加工物表面での切断溝幅の略１／２より小
さく設定したものである。

【００１５】 請求項６記載の発明に係るレーザ切断方法
は、切断加工中に切断進行方向が変化する場合、その変
化の方向と反対の方向にレーザビームの回転移動の方向
を設定したものである。

【００１６】 請求項７記載の発明に係るレーザ切断方法
は、レーザビームの振動方向を、前記レーザビームの入
射軸方向と平行とし、前記レーザビームを該レーザビー
ムの入射軸方向と平行に振動させる場合、前記被加工物
表面におけるレーザビーム径の最大値を、前記被加工物
表面での切断溝幅の略１．５倍よりも小さく設定したも
のである。

【００１７】 請求項８記載の発明に係るレーザ切断装置
は、被加工物にレーザビームを照射し該レーザビームの
エネルギで該被加工物を切断するレーザ切断装置におい
て、前記被加工物表面での前記レーザビーム径を変化さ
せるビーム径制御手段と、前記被加工物表面に至る伝送
距離の異なる複数のレーザビーム伝送路と、加工中に前
記レーザビーム伝送路を切り換える切り換え手段とを具
備したものである。

【００１８】

【作用】請求項１記載の発明におけるレーザビームは、
被加工物に対する位置あるいはビーム径を振動させるこ
とにより、切断溝深部に照射されるレーザエネルギを増
加させることができ、切断溝深部の入熱不足が解消さ
れ、溶融物の温度が上昇し粘性が低くなる。その結果、
被加工物切断面の下部において、溶融物の滞留が解消さ
れ、切断面粗さ低下の生じない高品質切断が実現され
る。また、レーザビームは、振動周波数を切断面に生じ
る条痕の生成周波数よりも大きくしたことにより、レー
ザビームの振動が切断現象を不安定にすることを防止で
きる。

【００１９】 請求項２記載の発明におけるレーザビーム
は、連続波出力で切断進行方向と平行に振動させ、また
請求項３記載の発明では、上記振動振幅を切断溝幅より
小さく設定したことにより、切断溝深部にパワー密度の
高いビームの中心軸付近が直接照射され、切断溝深部の
入熱不足が解消され、溶融物の温度が上昇し粘性が低く
なる。その結果、被加工物切断面の下部において、溶融
物の滞留が解消され、切断面粗さ低下の生じない高品質
切断が実現される。

【００２０】 請求項４記載の発明におけるレーザビーム
は、切断進行方向と直交する垂直方向に振動させ、振動
振幅を切断溝幅より小さく設定したことにより、溝内に
入射するレーザエネルギ、レーザのパワー密度Ｐが増加
し、切断溝深部の入熱不足が解消され、溶融物の温度が
上昇し粘性が低くなる。その結果、被加工物切断面の下
部において、溶融物の滞留が解消され、切断面粗さ低下
の生じない高品質切断が実現される。

【００２１】請 求項５記載の発明におけるレーザビーム
は、上記回転径の切断進行方向と平行な成分を、切断溝
の長さと幅から算出した値より小さくし、切断進行方向
と直交する成分を、レーザビームを振動させた場合の切
断溝幅より小さくしたことにより、ビームを切断進行方
向と平行に振動させる効果と、ビームを切断進行方向に
直交して振動させる効果によって、切断溝深部の入熱不
足が解消され、溶融物の温度が上昇し粘性が低くなる。
その結果、被加工物切断面の下部において、溶融物の滞
留が解消され、切断面粗さ低下の生じない高品質切断が
実現される。

【００２２】 請求項６記載の発明におけるレーザビーム
は、回転移動方向を切断進行方向の変化と反対の方向に
したことにより、溶融物がコーナエッジ部に流れること
を防止でき、コーナエッジ部の温度上昇を抑制できる。
その結果、コーナエッジ部の溶け落ちが解消され、切断
面粗さ低下の生じない高品質なコーナ切断が実現され
る。

【００２３】 請求項７記載の発明におけるレーザビーム
は、レーザビームの入射軸方向に焦点位置を振動させ、
レーザビーム径の最大値を切断溝幅の略１．５倍より小
さく設定したことにより、切断溝幅は最大ビーム径付近
で規定され、それ以下のビーム径の時は全てのレーザエ
ネルギが切断溝内へ入射し、切断溝深部の入熱不足が解
消され、溶融物の温度が上昇し粘性が低くなる。その結
果、被加工物切断面の下部において、溶融物の滞留が解
消され、切断面粗さ低下の生じない高品質切断が実現さ
れる。

【００２４】 請求項８記載の発明におけるビーム径制御
手段は、被加工物表面のビーム径を変化させ、レーザビ
ーム伝送路を切り換え手段で切り換えてビーム径を変化
させていることにより、切断溝幅は最大ビーム径付近で
規定され、それ以下のビーム径の時は全てのレーザエネ
ルギが切断溝内へ入射し、切断溝深部の入熱不足が解消
され、溶融物の温度が上昇し粘性が低くなる。その結
果、被加工物切断面の下部において、溶融物の滞留が解
消され、切断面粗さ低下の生じない高品質切断が実現さ
れる。

【００２５】

【実施例】実施例１． 図１は請求項１〜３記載の発明の一実施例によるレーザ
切断方法を示す模式図である。図１において、１はレー
ザビーム、２は被加工物６に形成された切断溝である。
本実施例１では、被加工物６として厚さ４．５ｍｍ、１
２ｍｍ、２５ｍｍの軟鋼を用い、レーザビーム１は各々
１．５ｋＷ、１．７５Ｗ、３ｋＷの連続波出力で、焦点
距離１９０．５ｍｍのＺｎＳｅ製レンズ（図示せず）で
被加工物表面から各々０．５ｍｍ、１．５ｍｍ、１．５
ｍｍ上に焦点を結ぶように被加工物表面に照射した。切
断速度は各々２．５ｍ／分、１．０ｍ／分、０．５ｍ／
分で、この時レーザビーム１と同軸の穴径２ｍｍのノズ
ル（図示せず）から、ノズル元圧を各々１．０ｋｇｆ／
ｃｍ² 、０．６ｋｇｆ／ｃｍ² 、０．５ｋｇｆ／ｃｍ²
として、アシストガスとしての酸素を切断部へ吹き付け
た。このレーザビーム１を被加工物表面から５００ｍｍ
上方に設置した図示しないビームスキャナを用いて被加
工物表面で矢示の切断進行方向と平行に振動させた。こ
のような操作により、図２に示すように、切断溝深部に
パワー密度の高いビームの中心軸付近が直接照射され、
被加工物６の下部への入熱量が多くなる。この結果、溶
融物の滞留が解消され、切断面粗さ低下の生じない高品
質切断が実現された。図中、３は切断前面である。

【００２６】 図３はビームの振動振幅を０．３ｍｍとし
たときの、板厚４．５ｍｍ、１２ｍｍ、２５ｍｍの軟鋼
材料に対する、ビーム振動の周波数Ｆと切断面下部の切
断面粗さＲの関係を示す図である。図３から明らかなよ
うに、切断面粗さＲは周波数Ｆがある周波数になると急
激に悪化し、それ以上の周波数では粗さＲは悪化以前よ
りも急激に改善され、ある程度周波数が高くなると飽和
する。本実施例１では、この粗さＲが急激に悪化する周
波数は板厚４．５ｍｍでは約２５０Ｈｚ、板厚１２ｍｍ
では約１００Ｈｚ、板厚２５ｍｍでは約５０Ｈｚであっ
た。この値は図４に示すレーザビーム１の振動を行わな
いときの切断面上部に形成される条痕４のピッチＰと切
断速度Ｖから計算される条痕４の生成周波数Ｈ＝Ｐ／Ｖ
とほぼ一致していた。なお、条痕４のピッチＰおよび切
断速度Ｖは被加工物の材質、板厚、及び加工形状によっ
て異なってくるが、どのような場合においても、条痕４
の生成周波数より大きくレーザビーム１の振動周波数を
設定したところ、切断面粗さの改善効果が得られた。図
５は被加工物としての板厚４．５ｍｍ、１２ｍｍ、２５
ｍｍの軟鋼材料に対するビーム周波数を各々３００Ｈ
ｚ、２００Ｈｚ、２００Ｈｚとしたときのビーム振動の
被加工物表面での振幅Ａと切断面下部の切断面粗さＲの
関係を示す図である。切断面粗さＲは振幅がある値まで
改善されるが、各板厚とも振幅のある値で切断面粗さＲ
の改善効果は見られなくなり、粗さがビーム振動しない
とき、つまり横軸のＯ点におけるよりも悪くなってい
る。

【００２７】 本実施例では、この振幅の値は板厚４．５
ｍｍでは約０．４ｍｍ、板厚１２ｍｍでは約１．０ｍ
ｍ、板厚２５ｍｍでは約１．５ｍｍであった。この値は
図６に示すビームの振動を行わないときの切断前面３の
上部と下部の差Ｂから被加工物表面での切断前面３とビ
ーム中心Ｏとの距離Ｄ（被加工物表面での切断溝幅Ｗの
１／２にほぼ等しい）から計算される（Ｂ−Ｗ／２）／
２の値Ｃとほぼ一致している。図７は板厚に対する切断
前面３の遅れ、切断溝幅Ｗ、計算値Ｃを示す加工条件図
である。

【００２８】 なお、被加工物表面でのビーム振幅が同じ
であっても、切断前面３の遅れＢ及び切断溝幅Ｗは被加
工物の材質、板厚、及び加工形状によって異なってくる
が、どんな場合においても、レーザビーム１の振動を行
わないときの切断前面３の上部と下部の差Ｂと被加工物
表面での切断溝幅Ｗの１／２から計算される計算値Ｃよ
り小さくビームの振幅を設定したところ、切断面粗さＲ
の改善効果が得られた。

【００２９】 実施例２． 図８は請求項４記載の発明の一実施例によるレーザ切断
方法を示す模式図であり、前記図１と同一部分には同一
符号を付して重複説明を省略する。本実施例２では、レ
ーザビーム１を被加工物表面から５００ｍｍ上方に設置
した図示しないビームスキャナを用いて、各々周波数３
００Ｈｚ、２００Ｈｚ、２００Ｈｚで被加工物表面にお
いて、矢示の切断進行方向と直交する垂直方向に振動さ
せるもので、図９に示すように、加工しきい値Ｓ以上の
構内に入射するレーザエネルギ、レーザのパワー密度Ｐ
が増加する。このため、切断溝深部の入熱不足が解消さ
れ、溶融物の温度が上昇し粘性が低くなる。この結果、
被加工物６の材質、厚さ、レーザビーム１の出力、切断
速度、アシストガスとしての酸素の吹き付け圧力等を前
記実施例１と同一とすることにより、溶融物の滞留が解
消され、切断面粗さ低下の生じない高品質切断が実現さ
れた。

【００３０】 図１０は本実施例２において、板厚４．５
ｍｍ、１２ｍｍ、２５ｍｍの軟鋼材料の被加工物表面で
のビーム振動の振幅Ａと切断面下部の切断面粗さＲの関
係を示す図であり、図１０から明らかなように、切断面
粗さＲは振幅Ａがある範囲で改善されている。本実施例
２では、板厚４．５ｍｍでは１．５ｍｍ以下、板厚１２
ｍｍでは約１．２ｍｍ以下、板厚２５ｍｍでは約１．０
ｍｍ以下であった。この上限値は切断溝幅Ｗの１／２の
値とほぼ等しくなる。

【００３１】 なお、レーザビーム１の振幅Ａが同じでも
切断溝幅Ｗは被加工物の材質、板厚、及び加工形状によ
って異なってくるが、どんな場合においても、切断溝幅
Ｗ／２より小さい範囲内にビーム振幅を設定したとこ
ろ、切断面粗さの改善効果が得られた。

【００３２】 実施例３． 図１１は請求項５記載の発明の一実施例によるレーザ切
断方法を示す模式図である。図１１において、１はレー
ザビーム、２は被加工物に形成された切断溝である。本
実施例３では、被加工物６として厚さ４．５ｍｍ、１２
ｍｍ、２５ｍｍの軟鋼を用い、レーザビーム１は各々
１．５ｋＷ、１．７５ｋＷ、３ｋＷの連続波出力で、焦
点距離１９０．５ｍｍのＺｎＳｅ製レンズ（図示せず）
で被加工物表面から各々０．５ｍｍ、１．５ｍｍ、１．
５ｍｍ上に焦点を結ぶように被加工物表面に照射した。
切断速度は各々２．５ｍ／分、１．０ｍ／分、０．５ｍ
／分で、この時レーザビーム１と同軸の穴径２ｍｍのノ
ズル（図示せず）から、ノズル元圧を各々１．０ｋｇｆ
／ｃｍ² 、０．６ｋｇｆ／ｃｍ² 、０．５ｋｇｆ／ｃｍ
² として、アシストガスとしての酸素を切断部へ吹き付
けた。このレーザビーム１を被加工物表面から５００ｍ
ｍ上方に設置した図示しない２枚のビームスキャナを用
いて、各々周波数３００Ｈｚ、２００Ｈｚ、２００Ｈｚ
で被加工物表面で回転させた。このような操作により、
被加工物６の下部への入熱量が多くなるため、溶融物の
滞留が解消され、切断面粗さ低下の生じない高品質切断
が実現された。本実施例３では、前記実施例１と実施例
２で述べた被加工物表面でのレーザビーム１の振動振幅
の条件を満足するようにすることで、適正な回転運動の
半径の範囲が決定できる。すなわち、被加工物表面での
回転半径の切断進行方向と平行な方向の成分の長さが、
レーザビーム１の振動を行わないときの切断前面上部と
下部の差Ｂから被加工物表面での切断溝幅Ｗの１／２を
差し引いた値の１／２より小さく、被加工物表面での回
転半径の切断進行方向と直交方向の成分の長さが切断幅
Ｗ／２より小さい範囲内に被加工物表面でのレーザビー
ム１の振動振幅を設定すれば、切断面粗さＲの改善効果
が得られた。

【００３３】 なお、レーザビーム１の被加工物表面での
径、振動振幅が同じでも、切断溝幅Ｗは被加工物６の材
質、板厚、及び加工形状によって異なってくるが、どん
な場合においても、前記の回転半径の範囲を守り、被加
工物表面での回転半径を設定したところ、切断面粗さの
改善効果が得られた。

【００３４】 特に、レーザビーム１の被加工物表面での
回転軌跡を真円とし、前記被加工物表面での回転半径の
条件を満足した場合には、ビーム照射部中心を軸とした
軸対象状態になるため、切断の方向性がなくなるので、
切断進行方向に応じて振動方向を変更することなく、高
品質な形状切断が可能となった。

【００３５】 実施例４． 図１２は請求項６の発明の一実施例によるコーナ部のレ
ーザ切断方法を示す模式図である。図１２において、１
はレーザビーム、２は被加工物６に形成された切断溝で
ある。本実施例４では、被加工物として厚さ４．５ｍ
ｍ、１２ｍｍ、２５ｍｍの軟鋼を用い、レーザビーム１
は各々１．５ｋＷ、１．７５ｋＷ、３ｋＷの連続波出力
で、焦点距離１９０．５ｍｍのＺｎＳｅ製レンズ（図示
せず）で被加工物表面から各々０．５ｍｍ、１．５ｍ
ｍ、１．５ｍｍ上に焦点を結ぶように被加工物表面に照
射した。切断速度は各々２．５ｍ／分、１．０ｍ／分、
０．５ｍ／分で、この時レーザビーム１と同軸の穴径２
ｍｍのノズル（図示せず）からノズル元圧を各々１．０
ｋｇｆ／ｃｍ² 、０．６ｋｇｆ／ｃｍ² 、０．５ｋｇｆ
／ｃｍ² として、アシストガスとしての酸素を切断部へ
吹き付けた。このレーザビーム１を被加工物表面から５
００ｍｍ上方に設置した図示しない２枚のビームスキャ
ナを用いて、切断進行方向が変化する場合、その変化の
方向と反対の方向にレーザビーム１の回転移動の方向を
設定し、各々周波数３００Ｈｚ、２００Ｈｚ、２００Ｈ
ｚで被加工物表面で回転運動しながら切断進行方向に移
動させた。この時の切断進行方向に平行な方向の振幅は
０．２ｍｍ、切断進行方向に直交する方向の振幅は０．
２ｍｍとした。このような操作により、被加工物６の下
部への入熱量が多くなり、コーナ部への溶融物の滞留が
解消されるとともに、外側の切断面に流れる溶融物が多
くなり、エッジ部の温度上昇が抑えられるため、エッジ
部の溶け落ちによる切断面粗さ低下の生じない高品質コ
ーナ切断が実現された。

【００３６】 実施例５． 図１３、１４は請求項７記載の発明の一実施例によるレ
ーザ切断方法を示す模式図である。図１３、１４におい
て、１はレーザビーム、３は切断前面、４は上部条痕、
５は下部条痕、６は被加工物である。本実施例５では、
被加工物として厚さ２５ｍｍの軟鋼を用い、レーザビー
ム１は３ｋＷの連続波出力で、焦点距離１９０．５ｍｍ
のＺｎＳｅ製加工用レンズ（図示せず）で被加工物表面
から１．０ｍｍ上方に焦点を結ぶように集光した。

【００３７】 ここで、加工用レンズの５０ｍｍ手前のレ
ーザビーム１の伝送路に焦点距離５００ｍｍのビーム径
制御用ＺｎＳｅ製レンズ（図示せず）を配置し、このビ
ーム径制御用レンズをビーム伝送方向に２００Ｈｚで前
後させ、加工用レンズに入射するビーム径を変化させ
た。

【００３８】 これにより、加工用レンズ透過後のビーム
焦点位置が振幅１．０ｍｍでビーム入射方向と平行方向
（図１４の矢示５０方向）に２００Ｈｚで振動した。ま
た、切断速度は０．５ｍ／分で、レーザビーム１と同軸
の穴径２ｍｍのノズル（図示せず）からノズル元圧を
０．５ｋｇｆ／ｃｍ² として、アシストガスとしての酸
素を切断部へ吹き付けた。この時、被加工物表面でのビ
ーム径は０．３ｍｍ〜０．９ｍｍの範囲で変化し、切断
溝幅は０．８ｍｍとなった。このような操作により、被
加工物６の下部への入熱量が多くなるため、溶融物の滞
留が解消され、切断面粗さ低下の生じない高品質切断が
実現された。

【００３９】 図１５は被加工物６としての板厚２５ｍｍ
の軟鋼材料に対するレーザビーム１の焦点位置の振動振
幅Ａと切断面下部の切断面粗さＲの関係を示す図であ
る。切断面粗さＲは焦点位置の振動振幅がある範囲で改
善される。本実施例５では、焦点位置の振動振幅の適正
範囲は約３．０ｍｍであった。この値は被加工物表面で
の最大ビーム径に換算すると、約２．０ｍｍであった。
この時の溝幅は約１．４ｍｍであり、最大ビーム径の約
１／１．５倍となった。

【００４０】 なお、レーザビーム１の被加工物表面での
変化条件が同じでも、切断溝幅Ｗは被加工物の材質、板
厚、及び加工形状によって異なってくるが、どんな場合
においても、被加工物表面での最大ビーム径が溝幅の
１．２倍より小さくなるように焦点位置の振動中心、振
幅を設定したところ切断面粗さＲの改善効果が得られ
た。

【００４１】 本実施例５では、レーザビーム１が常に軸
対象状態を保って変化するため、切断の方向性がなくな
るので、切断進行方向に応じて振動方向を変更すること
なく、高品質な形状切断が可能となった。

【００４２】 実施例６． 図１６はこの発明の一実施例によるレーザ切断装置（請
求項１〜３記載の発明に係るレーザ切断方法を実行する
装置）を示す模式図である。前記図１〜図１３と同一部
分には同一符号を付して重複説明を省略した図１６にお
いて、７は加工レンズ、８はレーザビーム１を出力する
レーザ発振器、９は不図示の揺動モータにより矢示方向
に駆動される移動手段としてのガルバノスキャナ（以
下、反射ミラーと略称する）、１０は被加工物６を載置
して直交軸Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能な加工テーブル、
１９は折り返しミラー、２０はノズルである。図１７は
制御回路を示すブロック図であり、図１６と同一部分に
は同一符号を付して重複説明を省略する。図１７におい
て、１１は反射ミラー揺動信号を出力する反射ミラー揺
動回路であり、この反射ミラー揺動回路１１は、例えば
ＮＣ装置１２のＣＰＵ１２ａから揺動スタート命令を受
けるとトリガパルスＴＰを出力する第１のパルスジェネ
レータ１１ａと、上記トリガパルスＴＰとＣＰＵ１２ａ
から位相差、振幅値命令を受けると反射ミラー揺動信号
Ｍを出力する第２のパルスジェネレータ１１ｂとで構成
されており、第２のパルスジェネレータ１１ｂの出力信
号をアンプ２７で増幅し、このアンプ２７の出力信号で
不図示の揺動モータを駆動して反射ミラー９を揺動させ
る。

【００４３】 １３はＣＰＵ１２ａから加工テーブル移動
信号を受けると加工テーブル１０を、直交するＸ，Ｙ，
Ｚ軸方向に移動させるサーボ制御回路であり、例えば位
置制御回路１３ａ、サーボアンプ１３ｂ、サーボモータ
１３ｃとで構成されている。１４はＣＰＵ１２ａから指
令信号を受けてレーザ発振器８を駆動する励起用電源で
ある。

【００４４】 以下、本実施例６の動作を説明する。本実
施例６では、被加工物６として厚さ２５ｍｍの軟鋼を用
い、レーザビーム１は３ｋＷの連続波出力で、焦点距離
１９０．５ｍｍのＺｎＳｅ製加工用レンズで、被加工物
表面から１．５ｍｍ上方に焦点を結ぶようにした。切断
速度は０．５ｍ／分で、アシストガスとして、レーザビ
ーム１と同軸の穴径２ｍｍのノズル（図示せず）からノ
ズル元圧を０．５ｋｇｆ／ｃｍ² として、アシストガス
として酸素を切断部へ吹き付けた。

【００４５】 被加工物６はＮＣ装置１２により制御され
る加工テーブル１０上に固定し、この加工テーブル１０
を加工形状に従ってＸ，Ｙ，Ｚの直交軸方向に移動させ
た。この時、ＮＣ装置１２からの加工テーブル移動信号
を反射ミラー揺動回路１１に伝送し、反射ミラー９を矢
示方向に揺動させてレーザビーム１を振動させた。この
場合、反射ミラー揺動回路１１はＮＣ装置１２からの信
号を受け、テーブル移動方向とビーム振動方向が常に一
定となるように反射ミラー９の揺動または加工テーブル
１０の移動を制御する。

【００４６】 なお、本実施例６では、レーザビーム１を
前記揺動する反射ミラー９により被加工物表面で切断進
行方向と平行または直交する垂直な方向に２００Ｈｚで
振動させた。このような操作により、形状切断を行って
もビーム振動方向と切断進行方向がなす角度を一定に保
つことができるようになり、切断面粗さ低下の生じない
高品質な形状切断が実現された。

【００４７】 実施例７． 図１８はこの発明の他の実施例によるレーザ切断装置を
示す斜視図、図１９はその正面図である。上記実施例６
では、反射ミラー９を揺動させて、被加工物６に対する
レーザビーム１の位置を振動させているが、本実施例７
は反射ミラー９は固定し、被加工物６を振動させるよう
にしたもので、図１８、図１９において、２２は加工テ
ーブル１０上にコロ２３を介して載置した加工台、２４
は被加工物６を加工台２２上に固定する固定治具、２５
ａ，２５ｂは加工台２２を直交軸Ｘ，Ｙ方向に振動させ
る加振器、２６はＣＰＵ１２ａから駆動信号を受けて、
加振器２５ａ，２５ｂのいずれか一方または双方を同時
に駆動する加振器駆動回路である。本実施例７は上記の
構成であるから、レーザ発振器８からのレーザビーム１
を加工レンズ７を介して被加工物６に照射して切断加工
を行う。この切断加工中に加振器２５ａ，２５ｂのいず
れか一方を駆動させると、加工台２２が直交軸Ｘまたは
Ｙ方向に振動し、実施例６と同様の効果が得られる。

【００４８】 実施例８． 図２０はこの発明のさらに他の実施例によるレーザ切断
装置（請求項７〜９記載の発明に係るレーザ切断方法を
実行する装置）を示す模式図であり、実施例６における
反射ミラー９として揺動軸（図示せず）を直交させた２
枚の反射ミラー９ａ，９ｂを用いたものである。図２１
は上記反射ミラー９ａ，９ｂを揺動させる反射ミラー揺
動回路１１を示すブロック図であり、ＮＣ装置１２のＣ
ＰＵ１２ａから揺動スタート命令を受けるとトリガパル
スＴＰを出力する第１のパルスジェネレータ１１ａと、
上記トリガパルスＴＰとＣＰＵ１２ａから位相差、振幅
値命令を受けると反射ミラー揺動信号Ｍを出力する２つ
の第２のパルスジェネレータ１１ｂ−１，１１ｂ−２と
で構成され、その第２のパルスジェネレータ１１ｂ−
１，１１ｂ−２の出力信号はアンプ２７ａ，２７ｂを介
して反射ミラー９ａ，９ｂを揺動する反射ミラー揺動モ
ータ２８ａ，２８ｂに供給される。

【００４９】 本実施例８では、反射ミラー揺動モータ２
８ａ，２８ｂによって、それぞれ独立して２枚の反射ミ
ラー９ａ，９ｂを揺動させることにより、前記実施例６
と同様の作用効果が得られるとともに、レーザビーム１
のスポットの中心軸を、被加工物表面で回転半径上を回
転移動させ、また、切断進行方向が変化する場合、その
変化の方向と反対の方向にレーザビーム１の回転移動の
方向を設定することができ、高品質なコーナ切断を実現
できる。

【００５０】 実施例９． 図２２は請求項８発明の一実施例によるレーザ切断装置
を示す模式図であり、前記図１４に示す実施例６と同一
部分には同一符号を付して重複説明を省略する。図２２
において、２９ａ，２９ｂは軸対称に一部が欠除された
切り換え手段としての回転円盤ミラー、３０ａ，３０ｂ
は回転円盤ミラー２９ａ，２９ｂの位置を検出する光電
センサ、３１ａ，３１ｂはレーザビーム１の光路（レー
ザビーム伝送路）３２ａとは別の光路（レーザビーム伝
送路）３２ｂを作る折り曲げミラー、３３ａ，３３ｂは
回転円盤ミラー２９ａ，２９ｂを回転させるパルスモー
タ、３４は光電センサ３０ａ，３０ｂの検出信号を入力
し、パルスモータ３３ａ，３３ｂに駆動信号を供給する
ビーム径制御手段としての回転円盤ミラー制御回路であ
る。

【００５１】 図２３は上記回転円盤ミラー制御回路３４
の一例を示すブロック図であり、ＮＣ装置１２のＣＰＵ
１２ａから回転速度命令を受けてパルスモータ３３ａ，
３３ｂに駆動信号を供給するドライバ３４ａ−１，３４
ａ−２と、光電センサ３０ａ，３０ｂから検出信号Ｓ
１，Ｓ２を入力し、両信号の和を計算してマッチング信
号をＣＰＵ１２ａに供給する演算回路３４ｂとで構成さ
れている。本実施例９では、被加工物６として厚さ２５
ｍｍの軟鋼を用い、レーザビーム１は３ｋＷの連続波出
力で、焦点距離１９０．５ｍｍのＺｎＳｅ製加工用レン
ズ７を用いて集光し、被加工物６に照射した。切断速度
は０．５ｍ／分で、レーザビーム１と同軸の穴径２ｍｍ
のノズル（図示せず）からノズル元圧を０．５ｋｇｆ／
ｃｍ² として、アシストガスとしての酸素を切断部２ａ
へ吹き付けた。

【００５２】 この時、回転円盤ミラー２９ａ，２９ｂの
光反射部２９ａ−１，２９ｂ−１と透過部２９ａ−２，
２９ｂ−２の位置を光電センサ３０ａ，３０ｂでモニタ
し、レーザ伝送路が図２４（ａ），（ｂ）の如く、光路
３２ａと光路３２ｂに所望の周波数で順次切り換わるよ
うに、回転円盤ミラー２９ａ，２９ｂの回転数と位相の
ズレを回転円盤ミラー制御回路３４で制御した。なお、
本実施例では、光路３２ａと光路３２ｂの切り換えを２
００Ｈｚで行った。

【００５３】 このような操作により、加工レンズ７に入
射するビーム径が２００Ｈｚで振動し、焦点位置が被加
工物表面から０ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲でビーム軸方向
へ振動した。この結果、被加工物６の下部への入熱量が
多くなり、溶融物の滞留が解消され、切断面粗さ低下の
生じない高品質切断が実現された。

【００５４】 実施例１０． 図２５はこの発明の一実施例によるレーザ切断方法を示
す模式図である。図２５において、１はレーザビームで
あり、加工レンズ７を介して被加工物６に照射してい
る。本実施例１０では、被加工物６として厚さ４．５ｍ
ｍ、１２ｍｍ、２５ｍｍの軟鋼を用い、レーザビーム１
は各々１．５ｋＷ、１．７５ｋＷ、３ｋＷの連続波出力
で、焦点距離１９０．５ｍｍのＺｎＳｅ製加工レンズ７
で被加工物表面から各々０．５ｍｍ、１．５ｍｍ、１．
５ｍｍ上に焦点を結ぶように被加工物表面に照射した。
切断速度は各々２．５ｍ／分、１．０ｍ／分、０．５ｍ
／分で、この時、レーザビームと同軸の穴径２ｍｍのノ
ズル２０からノズル元圧を各々１．０ｋｇｆ／ｃｍ² 、
０．６ｋｇｆ／ｃｍ² 、０．５ｋｇｆ／ｃｍ² として、
アシストガスとして酸素２１を切断部２ａへ吹き付け
た。この時、液体窒素を用い、ガス冷却装置４２により
−５０℃まで冷却した。このような操作により、アシス
トガスとしての酸素の溶融物の除去能力が向上し、滞留
が解消され、切断面粗さ低下の生じない高品質切断が実
現された。

【００５５】 実施例１１． 図２６はこの発明の一実施例によるレーザ切断方法を示
す模式図である。図２６において、１はレーザビームで
あり、加工レンズ７を介して被加工物６に照射してい
る。本実施例１１では、被加工物６として厚さ４．５ｍ
ｍ、１２ｍｍ、２５ｍｍの軟鋼を用い、レーザビーム１
は各々１．５ｋＷ、１．７５ｋＷ、３ｋＷの連続波出力
で、焦点距離１９０．５ｍｍのＺｎＳｅ製加工レンズ７
で被加工物表面から各々０．５ｍｍ、１．５ｍｍ、１．
５ｍｍ上に焦点を結ぶように被加工物表面に照射した。
切断速度は各々２．５ｍ／分、１．０ｍ／分、０．５ｍ
／分で、この時レーザビーム１と同軸の穴径２ｍｍのノ
ズル２０からノズル元圧を各々１．０ｋｇｆ／ｃｍ² 、
０．６ｋｇｆ／ｃｍ² 、０．５ｋｇｆ／ｃｍ² として、
アシストガスとしての酸素を切断部２ａへ吹き付けた。
さらに、ＬＰガス切断用のストレート形、火口番号＃２
（切断酸素出口径１．３ｍｍ）ノズル２０により、切断
進行方向後方より切断進行面下部を狙って、液体窒素を
用いたガス冷却装置４２により−５０℃まで冷却された
酸素をノズル元圧３ｋｇｆ／ｃｍ² で吹き付けた。この
ような操作により、被加工物６の下部での滞留が解消さ
れ、切断面粗さ低下の生じない高品質切断が実現され
た。

【００５６】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明によ
れば、被加工物に対する位置あるいはビーム径を振動さ
せるように構成したので、切断溝深部に照射されるレー
ザエネルギを増加させることができ、切断溝深部の入熱
不足が解消され、溶融物の温度が上昇し粘性が低くな
る。その結果、被加工物切断面の下部において、溶融物
の滞留が解消され、切断面粗さ低下の生じない高品質切
断が実現される。また、レーザビームの振動周波数を切
断面に生じる条痕の生成周波数よりも大きくするように
構成したので、レーザビームの振動が切断現象を不安定
にすることを防止できる効果がある。

【００５７】 請求項２記載の発明によれば、連続波出力
であるレーザビームの切断進行方向と平行に振動させ、
請求項３記載の発明によれば、振動振幅を切断溝幅より
小さくなるように構成したので、切断溝深部にパワー密
度の高いビームの中心軸付近が直接照射され、切断溝深
部の入熱不足が解消され、溶融物の温度が上昇し粘性が
低くなる。その結果、被加工物切断面の下部において、
溶融物の滞留が解消され、切断面粗さ低下の生じない高
品質切断が実現できる効果がある。

【００５８】 請求項４記載の発明によれば、レーザビー
ムを切断進行方向と直交して振動させ、振動幅を切断溝
幅より小さくなるように構成したので、切断溝内に入射
するレーザエネルギ、レーザのパワー密度Ｐが増加し、
切断溝深部の入熱不足が解消され、溶融物の温度が上昇
し粘性が低くなる。その結果、被加工物切断面の下部に
おいて、溶融物の滞留が解消され、切断面粗さ低下の生
じない高品質切断が実現できる効果がある。

【００５９】請 求項５記載の発明によれば、回転径の切
断進行方向と平行な成分を、切断溝の長さと幅から算出
した値より小さくし、切断進行方向と直交する成分を、
レーザビームを振動させた場合の切断溝幅より小さくな
るように構成したので、ビームを切断進行方向と平行に
振動させる効果と、ビームを切断進行方向に直交して振
動させる効果によって、切断溝深部の入熱不足が解消さ
れ、溶融物の温度が上昇し粘性が低くなる。その結果、
被加工物切断面の下部において、溶融物の滞留が解消さ
れ、切断面粗さ低下の生じない高品質切断が実現できる
効果がある。

【００６０】 請求項６記載の発明によれば、レーザービ
ームの回転移動方向を切断進行方向の変化と反対の方向
にするように構成したので、溶融物がコーナエッジ部に
流れることを防止でき、コーナエッジ部の温度上昇を抑
制できる。その結果、コーナエッジ部の溶け落ちが解消
され、切断面粗さ低下の生じない高品質なコーナ切断が
実現できる効果がある。

【００６１】 請求項７記載の発明によれば、レーザビー
ムの入射軸方向に焦点位置を振動させ、レーザビーム径
の最大値を切断溝幅の略１．５倍より小さくなるように
構成したので、切断溝幅は最大ビーム径付近で規定さ
れ、それ以下のビーム径の時は全てのレーザエネルギが
切断溝内へ入射し、切断溝深部の入熱不足が解消され、
溶融物の温度が上昇し粘性が低くなる。その結果、被加
工物切断面の下部において、溶融物の滞留が解消され、
切断面粗さ低下の生じない高品質切断が実現できる効果
がある。

【００６２】 請求項８記載の発明によれば、被加工物表
面のビーム径を変化させ、レーザビーム伝送路を切り換
え手段で切り換えてビーム径を変化させるように構成し
たので、切断溝幅は最大ビーム径付近で規定され、それ
以下のビーム径の時は全てのレーザエネルギが切断溝内
へ入射し、切断溝深部の入熱不足が解消され、溶融物の
温度が上昇し粘性が低くなる。その結果、被加工物切断
面の下部において、溶融物の滞留が解消され、切断面粗
さ低下の生じない高品質切断が実現できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１〜３記載の発明の一実施例によるレー
ザ切断方法を示す模式図である。

【図２】図１のレーザ切断方法の作用を説明する模式図
である。

【図３】図１のレーザ切断方法の作用を説明する特性図
である。

【図４】図１のレーザ切断方法により切断した切断面の
正面図である。

【図５】図１のレーザ切断方法の作用を説明する特性図
である。

【図６】図１のレーザ切断方法により切断した切断面の
正面図である。

【図７】図１のレーザ切断方法における加工条件図であ
る。

【図８】請求項４記載の発明の一実施例によるレーザ切
断方法を示す模式図である。

【図９】図８のレーザ切断方法の作用を説明する模式図
である。

【図１０】図８のレーザ切断方法の作用を説明する模式
図である。

【図１１】請求項５記載の発明の一実施例によるレーザ
切断方法を示す模式図である。

【図１２】請求項６記載の発明の一実施例によるレーザ
切断方法を示す模式図である。

【図１３】請求項７記載の発明の一実施例によるレーザ
切断方法を示す模式図である。

【図１４】図１３のレーザ切断方法により切断した切断
面の正面図である。

【図１５】図１３のレーザ切断方法の作用を説明する特
性図である。

【図１６】この発明の一実施例によるレーザ切断装置を
示す模式図である。

【図１７】図１６のレーザ切断方法を実行する制御回路
のブロック図である。

【図１８】この発明の他の実施例によるレーザ切断装置
を示す斜視図である。

【図１９】図１８のレーザ切断装置の正面図である。

【図２０】この発明のさらに他の実施例によるレーザ切
断装置を示す模式図である。

【図２１】図２０のレーザ切断装置における反射ミラー
揺動回路のブロック図である。

【図２２】請求項８記載の発明の一実施例によるレーザ
切断装置を示す模式図である。

【図２３】図２２のレーザ切断装置における回転円盤ミ
ラー制御回路のブロック図である。

【図２４】図２２のレーザ切断装置における伝送路の説
明図である。

【図２５】この発明の一実施例によるレーザ切断方法を
示す模式図である。

【図２６】この発明の一実施例によるレーザ切断方法を
示す模式図である。

【図２７】従来のレーザ切断方法を示す模式図である。

【図２８】図２７のレーザ切断方法で切断した切断面の
正面図である。

【図２９】図２７のレーザ切断方法の作用を説明する模
式図である。

【符号の説明】

１ レーザビーム ２ 切断溝 ２ａ 切断部 ３ 切断前面 ４ 上部条痕 ５ 下部条痕 ６ 被加工物 ７ 加工レンズ ８ レーザ発振器 ９，９ａ，９ｂ 反射ミラー（移動手段） １１ 反射ミラー揺動回路 ２１ アシストガス ２２ 加工台 ２９ａ，２９ｂ 回転円盤ミラー（切り換え手段） ３２ａ 光路（レーザビーム伝送路） ３２ｂ 光路（レーザビーム伝送路） ３４ 回転円盤ミラー制御回路（ビーム径制御手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金子 雅之 尼崎市塚口本町８丁目１番１号 三菱電 機株式会社 生産技術研究所内 (72)発明者 金岡 優 名古屋市東区矢田南五丁目１番14号 三 菱電機株式会社 名古屋製作所内 (56)参考文献 特開 昭57−181787（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−142693（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−237585（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−177991（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−199591（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−319087（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−57585（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−663（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−92487（ＪＰ，Ｕ) 実開 平３−14086（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/42

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被加工物にレーザビームを照射し該レー
   ザビームのエネルギで該被加工物を切断するレーザ切断
   方法において、切断加工中に前記被加工物と前記レーザ
   ビームとを相対的に移動させて、前記被加工物に対する
   前記レーザビームの位置あるいは該レーザビーム径を振
   動させ、前記レーザビームの振動周波数を、前記レーザ
   ビームを振動させないときに前記被加工物の切断面に生
   じる条痕のピッチと切断速度から計算される条痕の生成
   周波数より大きく設定することを特徴とするレーザ切断
   方法。
2. 【請求項２】 連続波出力であるレーザビームの振動方
   向を、切断進行方向と平行としたことを特徴とする請求
   項１記載のレーザ切断方法。
3. 【請求項３】 レーザビームの切断進行方向と平行な振
   動振幅を、前記レーザビームを振動させないときの被加
   工物表面と裏面の切断溝長さの差と該レーザビームを振
   動させないときの該被加工物表面での切断溝幅から算出
   した値より小さく設定することを特徴とする請求項１記
   載のレーザ切断方法。
4. 【請求項４】 レーザビームの振動方向を、切断進行方
   向と直交とし、前記レーザビームの切断進行方向と直交
   な振動振幅を、レーザビームを振動させた場合の被加工
   物表面での切断溝幅の略１／２より小さく設定すること
   を特徴とする請求項１記載のレーザ切断方法。
5. 【請求項５】 前記レーザビームのスポットの中心軸が
   回転移動する回転径の切断進行方向と平行な成分を、前
   記レーザビームを回転させないときの被加工物表面と裏
   面の切断溝長さの差と該レーザビームを振動させないと
   きの該被加工物表面での切断溝幅から算出した値より小
   さくし、前記切断進行方向と直交な成分を、レーザビー
   ムを振動させた場合の前記被加工物表面での切断溝幅の
   略１／２より小さく設定することを特徴とする請求項１
   記載のレーザ切断方法。
6. 【請求項６】 切断加工中に切断進行方向が変化する場
   合、その変化の方向と反対の方向にレーザビームの回転
   移動の方向を設定することを特徴とする請求項５記載の
   レーザ切断方法。
7. 【請求項７】 レーザビームの振動方向を、前記レーザ
   ビームの入射軸方向と平行とし、前記レーザビームを該
   レーザビームの入射軸方向と平行に振動させる場合、前
   記被加工物表面におけるレーザビーム径の最大値を、前
   記被加工物表面での切断溝幅の略１．５倍よりも小さく
   設定することを特徴とする請求項１記載のレーザ切断方
   法。
8. 【請求項８】 被加工物にレーザビームを照射し該レー
   ザビームのエネルギで該被加工物を切断するレーザ切断
   装置において、前記被加工物表面での前記レーザビーム
   径を変化させるビーム径制御手段と、前記被加工物表面
   に至る伝送距離の異なる複数のレーザビーム伝送路と、
   加工中に前記レーザビーム伝送路を切り換える切り換え
   手段とを具備したことを特徴とするレーザ切断装置。