JP4162772B2 - レーザピアシング方法およびレーザ切断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼板等の被切断材のレーザ切断に適用される、レーザピアシング方法および該レーザピアシング作業に用いられるレーザ切断装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、レーザによる厚板（板厚６ｍｍ以上）の鋼板の切断では、ピアシング作業を実施してから目的の切断作業を開始することが一般的である。
一般的にピアシング作業は、図１３に示すように、切断ノズル１からレーザビーム２を鋼板等の被切断材３に照射し、レーザビーム２と同軸にアシストガス４を供給して被切断材３を加熱溶融し、レーザビーム２の照射によって被切断材３に形成されるピアシング孔５から溶融金属６をアシストガス４の運動エネルギにより排除することによりなされる。ピアシング作業を実施した場合、溶融金属６の一部はピアシング孔５の周囲に堆積し、また一部はピアシング孔５から離れた位置に飛散することになる。
アシストガス４としては、通常、酸素が使用される。酸素ガスを使用してピアシング作業を実施した場合、酸素ガスによる鋼板素材の酸化により高いエネルギが得られるので、ピアシング作業を効率良く行うことに有効である。また、ピアシング時のレーザビーム２の照射条件は、１００Ｈz以下のパルス発振が一般的であるが、連続発振状態にしてレーザビーム２の出力を上げることで、目的のピアシング孔５を短時間で形成することができ、ピアシング作業時間が短縮する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、レーザビーム２の出力を上げると、
ａ）ピアシング孔５径が増大する、
ｂ）溶融金属６の吹き上がりが過大になる、
ｃ）ｂ）により、切断ノズル１や集光レンズが損傷する場合がある、
ｄ）被切断材３に付着するスパッタが増大する、
ｅ）ｄ）により目的の切断の開始時に切断不良が発生する
といった問題点が発生する。
また、前記問題に鑑みて近年では、レーザビームのパルスのピーク出力を上げて高速でピアシング作業を行うことも試みられているが、レンズやノズルへのスパッタの付着等の問題が発生するため、問題の根本的な解決には至らなかった。さらに、ピアシング作業中にレーザビーム出力を制御することで、溶融金属の吹き上がりやスパッタの付着を防止することも試みられているが、ピアシング速度が制御速度に従うことになり、速度の向上には限界がある。
【０００４】
前述のような事情により、特に、厚板に対するピアシング作業には長時間を要することが不可避であり、しかも、目的形状のピアシング孔を得ることが困難であった。ピアシング孔は、ピアシングから切断へ移行した時に、アシストガスの通過性や、溶融金属の排除性を確保して、切断開始時の切り込みを安定にする目的のために、レーザビーム外形と近い径の断面真円、かつ、内面が滑らかに形成されていることが好ましい。しかしながら、厚板に対するピアシング作業では、形成途中のピアシング孔からの溶融金属の排除が一層困難になることから、ピアシング孔の径が極端に径が大きくなったり、断面形状が歪になったり、ドロスの付着等によって内面の凹凸が著しくなるケースが多くなり、ピアシングから切断へ移行した時に、切断不良の発生確率が高まる。また、切断開始時のセルフバーニング（酸素等の局所的な急激な燃焼）等の発生が増加して、切り込みが不安定になる。一方、ピアシング時間が長いと、ピアシング作業中に被切断材への入熱量が大きくなって、被切断材が高温に加熱され、ピアシングから切断へ移行した時に、溶け込みが過剰になって、切断不良の発生確率が高くなる。
このように、厚板に対するピアシング作業では、目的形状のピアシング孔を得にくいこと、ピアシング時間が長くなって被切断材が高温に加熱され、切断時に過剰な溶け込みを生じやすいことから、切断不良を生じやすく、切断開始時の切り込みが不安定になったり、高い切断品質を安定に得ることができないといった問題があった。
【０００５】
ピアシング作業を一定のパルス発振で行った場合、図１４に示すように、ピアシング時間の経過、すなわち、ピアシングの進行に伴って、ピアシング孔から単位時間当たりに除去される溶融金属の量が次第に減少することが判明した。これは、ピアシング作業の進行に伴ってピアシング孔が次第に深くなるに従って、形成途中のピアシング孔内の溶融金属が被切断材の外へ排除されにくくなることが原因である。実際に、ピアシングを途中で停止して、形成途中のピアシング孔の断面を観察すると、一度溶けて再凝固した再凝固組織を、ピアシング孔底部に見ることができる。
このように、ピアシング作業に伴って発生する溶融金属の排除が円滑になされないと、ピアシング作業時間が延長することで一層の溶け込みの増加を招いて、悪循環になるとともに、ピアシング作業後の切断作業にも影響を与える。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、目的形状のピアシング孔が短時間で確実に得られ、ピアシング作業後に移行する切断の切断品質を向上できるレーザピアシング方法および該レーザピアシング作業に用いられるレーザ切断装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、被切断材に向けて照射されるレーザビームと同軸に噴射される高純度の酸素ガスと、この酸素ガスの気流の外側に環状に配置された外側ガス噴射口から噴射される酸素濃度の低い低濃度ガスとを、被切断材に向けて噴射、供給しつつ、レーザビームを被切断材に照射してピアシング作業を行うことで、被切断材の過剰な溶け込みの防止と溶融金属の円滑な排除とを実現し、ピアシング能率を向上することで、ピアシング作業時間を短縮する。過剰な溶け込みの防止は、低濃度ガスの供給によって、特に、ピアシング孔内面近傍内の酸素濃度が低下する酸素濃度分布が形成されることで実現される。ピアシング孔からの溶融金属の排除は、酸素ガスおよび低濃度ガスの高速の気流になされる。
過剰な溶け込みの防止や溶融金属の円滑な排除は、連続発振の高出力のレーザビームの使用を可能とするので、一層のピアシング時間の短縮が図られる。さらに、過剰な溶け込みの防止や溶融金属の円滑な排除によって、目的形状のピアシング孔が確実に得られる。
これにより、目的形状のピアシング孔を短時間で確実に得ることができ、しかも、被切断材の入熱による加熱も大幅に低減できるので、ピアシング後の切断作業での切断開始の円滑化、切断品質の向上を実現できる。
【０００８】
ところで、本出願人は、平成９年特許願第２９３８０号、平成９年特許願第３１５５３９号を既に出願している。これら出願には、切断ノズルから、レーザビームと同軸の酸素ガスを、被切断材のレーザビーム照射位置に噴射供給し、前記切断ノズルの側部に近接配置されるブローガスノズルから、例えば窒素ガスをブローガスとして、被切断材のレーザビーム照射位置に噴射、供給しつつ、ピアシング孔を形成する技術を記載している。この技術は、ピアシング作業中に生じる溶融金属やスパッタ等を、前記ブローガスにより吹き飛ばしつつ、目的形状のピアシング孔を得るものである。また、前記出願では、ブローガスが、形成途中のピアシング孔に入り込んで、ピアシング孔内の酸素濃度を若干低下させることにより、ドロスの付着や、被切断材の過剰な溶け込みが抑えられ、目的形状のピアシング孔を確実に得られることが突き止められている。
【０００９】
しかしながら、板厚１２ｍｍを超えるような、厚板へのピアシング孔の形成では、ノズル側部のブローノズルから噴射されるブローガスは、ピアシング孔に入り難く、被切断材に形成途中のピアシング孔の奥にまでブローガスを到達させることは困難であり、ブローガスによる酸素濃度低下で過剰な溶け込みを防止する効果も十分に得られなくなる。しかも、切断ノズルの一側部から噴射されるブローガスでは、ピアシング孔内の酸素濃度を、均等に低下させることが困難であり、ピアシング孔内で酸素濃度が偏在することが避けられず、酸素濃度低下による効果が十分に得ることは困難である。
先の出願記載の技術では、厚さ数ｍｍ程度の薄板へのピアシング作業であれば、ブローガスによる酸素濃度低下から得られる効果が、問題無く得られるものの、厚さ１２ｍｍを超えるような、厚板へのピアシング孔の形成では、酸素濃度低下による過剰な溶け込みの防止や、溶融金属の排除等の効果が薄いといった不満があった。
【００１０】
本発明のレーザピアシング方法は、被切断材のレーザ切断前に行われるレーザピアシング方法であって、被切断材に向けて照射されるレーザビームと同軸に、高純度の酸素ガスを前記被切断材に向けて噴射、供給するとともに、前記酸素ガスの気流の外側に環状に配置された外側ガス噴射口から、窒素ガスまたは空気またはこれらの混合ガスを主成分としてなる酸素濃度の低い低濃度ガスを前記被切断材に向けて噴射、供給しつつ、レーザビームを被切断材に照射することを特徴とする。
この方法では、低濃度ガスが、被切断材へのレーザビーム照射位置近傍に集中的に作用するため、レーザビーム照射位置近傍の溶融金属やスパッタ等を吹き飛ばすようにして効率良く排除することができる。しかも、この低濃度ガスは、酸素ガスに沿って、レーザビーム照射位置に供給されることから、レーザビームによって形成途中のピアシング孔内にも入り込んで、ピアシング孔内の溶融金属をピアシング孔から吹き飛ばすようにして排除できる。このため、ピアシング孔が深くても、ピアシング孔内から溶融金属を効率良く排除しつつ、ピアシング孔が形成されるので、例えば、板厚１２ｍｍを超えるような厚板（鋼板）に形成するピアシング孔が深くなっても、ドロス等の影響を受けること無く、目的形状のピアシング孔を短時間で効率良く形成することができる。
【００１１】
酸素ガスとしては、純度９９．５％以上の高純度酸素を用いることが一般的である。また、この酸素ガスとしては、必要に応じて、窒素ガス等を若干量混合することも可能である。低濃度ガスとしては窒素、空気、窒素と空気の混合ガス、窒素に空気以外のガス（酸素や、不活性ガス等）を混合した混合ガス等が採用される。
高純度酸素である酸素ガスは、ピアシング孔が形成の進行に伴って深くなっても、ピアシング孔の奥部にまで到達させることができ、ピアシング孔の形成を促進できる。一方、形成途中のピアシング孔の、特に内面近傍では、低濃度ガスが入り込んで、酸素ガスと混合することで、酸素濃度が低下する傾向にある。これにより、被切断材の過剰な溶融が防止され、結果として、ピアシング孔には、滑らかな内面が得られる。低濃度ガスも、酸素ガスに沿ってピアシング孔へ噴射、供給されるので、ピアシング孔の奥にまで到達させることが容易であり、ピアシング孔が深くても、ピアシング孔全体に亘って、目的の酸素濃度分布を形成することが可能であり、被切断材の過剰な溶融を防止する効果が確実に得られる。
また、低濃度ガスは、酸素ガスの周囲に環状配置された外側ガス噴射口から噴射、供給されるので、ピアシング孔に対して均等に作用し、ピアシング孔の内面近傍の酸素濃度を均等に低下させることができる。このため、酸素濃度低下による過剰な溶け込み防止等の効果が、ピアシング孔内面に沿って均等に得られ、目的形状のピアシング孔を確実に形成することができる。
【００１２】
したがって、この方法では、レーザビームのパルスピーク時の出力を上げたり特別な出力制御等を行わなくても、厚板に対するピアシング作業を、通常のピアシング作業と同様のレーザビームにより行うことができる。また、被切断材の溶け込み防止や、溶融金属の排除が確実になされることから、連続発振の高出力のレーザビームを使用することも可能になり、これにより、ピアシング時間を一層短縮できる。
ドロスの付着等の無い、滑らかな内面を有するピアシング孔が得られると、ピアシング孔の形成後に、円滑に切断作業を開始することができ、切断開始位置近傍においても滑らかな切断面が得られ、優れた切断品質が得られる。しかも、ピアシング時間が短いと、被切断材への入熱も減少し、切断開始時の被切断材の過剰な溶融を抑えることができるので、このことからも、切断作業を円滑に開始することができる。
【００１３】
本発明のレーザピアシング方法は、その効果をより確実に得るために、以下の構成も採用可能である。
すなわち、請求項２記載の発明は、請求項１記載のレーザピアシング方法において、前記低濃度ガスの噴射方向が、前記被切断材に向けて噴射される前記酸素ガスの中心に向けて傾斜されていることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のレーザピアシング方法において、被切断材のピアシング予定位置の周囲に、レーザビームの照射前に、予め、オイルを塗布することを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載のレーザピアシング方法において、被切断材に照射されるレーザビームのピアシング時の焦点位置が、後に行う切断時と異なることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項４記載のレーザピアシング方法において、レーザビームのピアシング時の焦点位置を、切断時よりも、被切断材寄りに設定することを特徴とする。
請求項６記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載のレーザピアシング方法において、ピアシング作業時のレーザビーム焦点位置を、被切断材の板厚毎に変更することを特徴とする。
請求項７記載の発明は、請求項１から６のいずれかに記載のレーザピアシング方法において、前記酸素ガスを噴射する内側ガス噴射口と、該内側ガス噴射口の外側に環状に設けられた前記外側ガス噴射口とを備えてなるレーザ加工用ノズルの被切断材に対する離間距離が、後に行う切断時と異なることを特徴とする。
請求項８記載の発明は、請求項７記載のレーザピアシング方法において、被切断材に対する前記レーザ加工用ノズルのピアシング作業時の離間距離を、後に行う切断時よりも大きく設定することを特徴とする。
【００１４】
また、前記レーザピアシング方法を実現するために用いられるレーザ切断装置としては、請求項９記載のように、被切断材のレーザ切断前に行われるレーザピアシング作業に用いられるレーザ切断装置であって、被切断材に照射するレーザビームが貫通され、かつ、高純度の酸素ガスを前記レーザビームと同軸に前記被切断材に向けて噴射する内側ガス噴射口と、該内側ガス噴射口の外側に環状に設けられ、窒素ガスまたは空気またはこれらの混合ガスを主成分としてなる酸素濃度の低い低濃度ガスを前記被切断材に向けて噴射、供給する外側ガス噴射口とを有するレーザ加工用ノズルと、前記低濃度ガスに酸素ガスを混入することで、該低濃度ガスの窒素濃度を制御する窒素濃度制御機構を備えることを特徴とするものが採用される。このレーザ切断装置は、レーザピアシング作業のみならず、レーザ切断にも使用することが一般的である。また、レーザピアシング作業からレーザ切断作業に移行する時は、内外のガス噴射口から噴射するガスの種類を変更しても良い。レーザ切断時には、内外両側のガス噴射口から、酸素を噴射することが一般的である。また、内側ガス噴射口から高純度の酸素ガスを噴射、供給し、外側ガス噴射口からは、窒素ガスや、二酸化炭素ガス、不活性ガス等を酸素ガスに混合してなる酸素濃度の低いガスを供給するようにしても良い。この場合には、例えば、平成９年特許願第１６４７８１号記載のように、切断品質を向上できる。
【００１５】
なお、本発明の効果をより確実に得るためには、以下の構成を採用することが、より好ましい。
請求項１０記載の発明では、請求項９記載のレーザ切断装置において、前記レーザ加工用ノズルは、前記低濃度ガスの噴射方向が、前記被切断材に向けて噴射される前記酸素ガス気流の中心に向けて傾斜されるように、前記外側ガス噴射口の開口部近傍が傾斜されていることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項１１記載のレーザ切断装置は、請求項９または１０記載のレーザ切断装置において、被切断材にオイルを塗布するオイル塗布機構を備えることを特徴とする。
請求項１２記載の発明は、請求項９から１１のいずれかに記載のレーザ切断装置において、予め与えられたデータに基づいて、レンズを移動して、レーザビームの焦点位置を変更するレンズ駆動機構を具備することを特徴とする。
請求項１３記載の発明は、請求項９から１２のいずれかに記載のレーザ切断装置において、予め与えられたデータに基づいて、被切断材に対するレーザ加工用ノズルの離間距離を自動的に制御する倣い機構を備えることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施の形態を図を参照して説明する。
図１および図２はレーザ切断装置の加工ヘッド１０近傍を示す正面図であり、図１はピアシング作業時、図２はレーザ切断作業時を示す。
図１において、このレーザ切断装置を用いたレーザピアシング作業は、ノズル駆動機構Ｍ２を駆動してレーザ加工用ノズル１１（以下、「ノズル」と略称する）を昇降させて、下方にて水平配置される被切断材１２（鋼板）に近接する適切位置に配置するとともに、レンズ駆動機構Ｍ１を駆動して、レンズ１３を昇降することで、前記被切断材１２に照射されるレーザビーム１４が前記被切断材１２内に焦点を結ぶように集光する位置に位置決め保持して行われる。
【００１８】
図３は、ノズル１１の一例であるノズル１１ａを示す断面図である。
図３において、ノズル１１ａは、レーザビーム１４（図３中図示せず）が貫通され、かつ、高純度（９９．５％以上）の酸素ガス１５を前記レーザビーム１４（図３中図示せず）と同軸に前記被切断材１２に向けて噴射する内側ガス噴射口１６と、該内側ガス噴射口１６の外側に環状に設けられ、窒素ガスまたは空気またはこれらの混合ガスを主成分としてなる酸素濃度の低い低濃度ガス１７を前記被切断材１２に向けて噴射、供給する外側ガス噴射口１８とを備える。レーザビーム１４の光軸１４ｃは、内側ガス噴射口１６の中心軸線と、ほぼ一致される。外側ガス噴射口１８は、内側ガス噴射口１５と同心円状になっている。したがって、このノズル１１ａでは、内外のガス噴射口１５，１８から、酸素ガス１５，低濃度ガス１７が、互いに平行に被切断材１２に向けて噴射、供給される。
図３中、マスフローコントローラ（以下「ＭＦＣ」）３１は、内側ガス噴射口１６から噴射する酸素ガス１５の質量流量を調整し、マスフローコントローラ（以下「ＭＦＣ」）３２は、外側ガス噴射口１８から噴射する低濃度ガス１７の質量流量を調整する。
【００１９】
図４は、ノズル１１の他の例であるノズル１１ｂを示す断面図である。
図４において、ノズル１１ｂは、ノズル１１ａにおいて、前記外側ガス噴射口１８の開口部１８ａ近傍を傾斜して、前記低濃度ガス１７の噴射方向が、前記被切断材１２に向けて噴射される前記酸素ガス１５気流の中心に向けて傾斜されるようにしたものである。ノズル１１ｂの他の部分は、ノズル１１ａと同様の構成になっている。
このノズル１１ｂによれば、外側ガス噴射口１８から噴射された低濃度ガス１７が、内側ガス噴射口１６から噴射された酸素ガス１５に合流するようにして、被切断材１２に到達する。
【００２０】
図５に示すように、ノズル１１の側部には、被切断材１２にオイル１９を塗布するオイル塗布機構２０を備えている。図５において、オイル塗布機構２０は、ノズル１１の側部に隣接配置されて、被切断材１２上のピアシング予定位置２１に向けて、ブローガス２２を噴射するブローノズル２３を備え、このブローノズル２３にブローガス２２を供給するブローガス配管２４の途中に設けられたオイル混入部２５にて、霧化されたオイル１９がブローガス２１に混入されるようになっている。そして、ピアシング予定位置２１に向けてブローガス２２を噴射すると、ブローガス２２とともに、これに混入されたオイル１９が被切断材１２に吹き付け塗布される。ブローガス２２は、ピアシング予定位置２１の周囲の被切断材１２上およびノズル１１の下端部に接触するので、この範囲に、ブローガス２２内のオイル１９が塗布される。
【００２１】
オイル塗布機構２０は、ピアシング作業開始前に作動して、ピアシング予定位置２１の周囲の被切断材１２上およびノズル１１の下端部にオイル１９を塗布するものであり、オイル１９の塗布完了後、図示しない移動機構によって、ノズル１１から離間した位置へ速やかに待避させるようになっている。ピアシング作業前に待避を行うことで、ピアシング作業によって生じるスパッタや溶融金属がブローノズル２３に付着することを防ぎ、ブローノズル２３の詰まり等を防止し、オイル塗布機構２０のオイル塗布性能を維持する。ピアシングの完了後、レーザ切断装置が次のピアシング動作に入ったら、前記移動機構によって、オイル塗布機構２０を、ノズル１１の側部のブロー位置へ再び配置する。
なお、オイル混入部２５としては、例えば、特許願平成９年３１５５３９号記載のオイル供給装置等と同様の構造のものが採用される。
【００２２】
図１に示すように、ピアシング作業では、内側ガス噴射口１６から酸素ガス１５を被切断材１２に向けて噴射、供給するとともに、前記酸素ガス１５の気流の外側に環状に配置された外側ガス噴射口１８から、酸素濃度の低い低濃度ガス１７を被切断材１２に向けて噴射、供給しつつ、レーザビーム１４を被切断材１２に照射する。図１において、レーザビーム１４のピアシング焦点位置１４ａは、被切断材１２の厚さ方向中央部になっている。
図６に示すように、ノズル１１の両ガス噴射口１６，１８から噴射されたガス１５，１８は、ピアシング予定位置２１に形成途中のピアシング孔２６近傍に集中的に作用して、いずれもピアシング孔２６内に入り込む。このため、ピアシング作業によって生じるスパッタや溶融金属は、ガス１５，１８によって、ピアシング孔２６から速やかに排除されるため、ピアシング孔２６内にスパッタや溶融金属が付着することが防止され、目的形状のピアシング孔２６が確実に得られる。また、スパッタや溶融金属が、ノズル１１から加工ヘッド１０内に入り込んでレンズ１３に付着することも防止できる。
【００２３】
形成途中のピアシング孔２６内部の中央部は、内側ガス噴射口１６から噴射された酸素ガス１５によって、高い酸素濃度が得られて、ピアシング孔２６の形成が促進される。一方、ピアシング孔２６内面近傍では、外側ガス噴射口１８から噴射された低濃度ガス１７が酸素ガス１５に混合することで、酸素濃度が低下され、被切断材１２の過剰な溶け込みを防止でき、滑らかな内面が得られる。低濃度ガス１７は、内側ガス噴射口１６の外側周囲に環状配置された外側ガス噴射口１８から均等に噴射供給されるから、ピアシング孔２６内の内面に沿った領域の酸素濃度を均等に低下させる。このため、ピアシング孔２６には、滑らかな内面が均等に得られ、レーザビーム１４外形に近い、ほぼ真円の小さな（レーザビーム径に比べて必要以上に大きくない）ピアシング孔２６が確実に得られる。
【００２４】
ピアシング孔２６内面近傍の被切断材１２の過剰な溶け込みが防止されることは、ピアシング孔２６から排除すべき溶融金属の量が少なくて済むので、このこと自体も、ピアシング時間の短縮に寄与する。
このように、ピアシング孔２６からのスパッタや溶融金属の排除が効率良くなされ、しかも酸素濃度分布により、過剰の溶け込みが防止されることから、連続発振の高出力のレーザビーム１４を使用することも可能となり、このレーザビーム１４によっても、目的形状のピアシング孔２６を短時間で効率良く形成することができる。
【００２５】
小さいピアシング孔２６を短時間で形成すると、被切断材１２への入熱量を抑えることができる。したがって、ピアシング作業の完了直後から連続して被切断材１２のレーザ切断へ移行しても、ピアシング孔２６近傍の被切断材１２の過剰な溶け込みを抑えることができ、切断開始位置近傍においても滑らかな切断面が得られ、切断品質が向上する。しかも、前述のピアシング作業によって、ピアシング孔２６には目的形状が確実に得られているので、切断不良を防止でき、レーザ切断を、常に円滑に開始できる。
【００２６】
ピアシング予定位置２１の周囲の被切断材１２上およびノズル１１の下端部には、オイル塗布機構２０によって、ピアシング作業前に、予め、オイル１９が塗布されるため、ピアシング作業によって生じたスパッタや、飛散した溶融金属の付着を防止できる。スパッタや溶融金属が被切断材１２上に付着することを防止できれば、これらスパッタや溶融金属が、切断等の他の作業の支障になることを防止できる。スパッタや溶融金属がノズル１１に付着することを防止できれば、ガス噴射口１６，１８の詰まり等を防止できる。
なお、オイル塗布機構としては、図７に示すように、外側ガス噴射口１８へ低濃度ガス１７を供給するガス流路２７の途中に、霧化したオイル１９を低濃度ガス１７に混入するオイル混入部２８を設けてなる構成も採用可能である。このオイル塗布機構では、ノズル１１にオイル１９を塗布することは出来ないが、ピアシング予定位置２１の周囲の被切断材１２にオイル１９を塗布することができ、高い切断品質を安定に得ることには、支障は殆ど無い。
【００２７】
図２において、レーザ切断作業は、ノズル駆動機構Ｍ２を駆動してノズル１１をピアシング作業時の位置から距離ｓ（図１参照）だけ下降させるとともに、レンズ駆動機構Ｍ１によってレンズ１３を距離ｄ（図１参照）だけ上昇させて、レーザビーム１４の焦点位置を、ピアシング焦点位置１４ａ（図１参照）よりも高い、予め設定された切断焦点位置１４ｂに移動する（上昇させる）。この切断焦点位置１４ｂは、被切断材１２の板厚に関係無く常に一定であるが、厚さ数ｍｍの薄板から厚さが最大２５ｍｍ程度の厚板を適用することを想定して、概ね、被切断材１２上面近傍となるように設定される。そして、ノズル１１の内外両側のガス噴射口１６，１８から酸素ガス２７，２８を噴射しつつ、レーザビーム１４を被切断材１２に照射し、被切断材１２に沿って加工ヘッド１０を水平移動することで、切断を行う。
ピアシング作業から切断作業への移行は、ノズル１１およびレンズ１３の高さを変更するとともに、ノズル１１の、特に、外側ガス噴射口１８から噴射するガスを酸素ガスに変更すれば良く、ノズル１１を交換すること無く、そのまま使用することができる。ピアシング作業の完了後、加工ヘッド１０は、ノズル１１がピアシング孔２６に対して位置決めされた状態から切断作業をスタートすれば良い。
【００２８】
レンズ駆動機構Ｍ１、ノズル駆動機構Ｍ２、加工ヘッド１０を移動する機構（図示せず）の駆動は、駆動制御部２９によってＮ／Ｃ制御される。ノズル１１やレンズ１３の高さ制御は、駆動制御部２９に予め登録されているデータに基づき、自動的になされる。
図１および図２における駆動制御部２９は、ノズル１１を、被切断材１２からの目的の高さに自動的に位置させる倣い機構を構成する。この倣い機構としては、例えば、ノズル１１と被切断材１２との間の静電容量を一定に保持するように働く静電容量式、ノズル１１から被切断材１２に吹き付けるガスによってノズル１１と被切断材１２との間に形成されるガス圧を一定に保持するように働く差圧式等が採用され、いずれの構成にしても、高さ検出部３０にて検出した、被切断材１２からのノズル１１高さの検出値が、駆動制御部２９に入力されることで、ノズル１１を、予め設定された目的の高さに自動的に制御する。
例えば、ピアシング作業から切断作業への移行では、高さ検出部３０からの検出値を参照しつつ、駆動制御部２９からの指令に基づき、レンズ駆動機構Ｍ１，ノズル駆動機構Ｍ２を駆動することで、レンズ１３を上昇させ、ノズル１１を下降させて、それぞれ、予め設定されている被切断材１２からの高さに自動的に配置する。逆に、切断からピアシングへの移行では、レンズ１３を下降させて、焦点位置を、一定の切断焦点位置１４ｂに対して設定される距離ｄだけ下方のピアシング焦点位置１４ａに移動するとともに、ノズル１１を上昇させる。
【００２９】
焦点位置１４ａ，１４ｂ間の移動距離ｄは、
ｄ（ｍｍ）＝０．８×被切断材板厚（ｍｍ）
の計算式にて設定される。したがって、被切断材１２の板厚によって、距離ｄが変更されるから、被切断材１２の板厚が変わっても一定である切断焦点位置１４ｂに対して、ピアシング焦点位置１４ａは、被切断材１２の板厚毎に自動的に変更される。
このように、ピアシング焦点位置１４ａは、ピアシング作業の都度、被切断材１２上面を基準位置として設定されるのでは無く、被切断材１２上面を基準位置として先行して設定された切断焦点位置１４ｂを基準として前記計算式により設定されるのであり、駆動制御部２９へは、予め設定された切断焦点位置１４ｂに加えて、被切断材１２の板厚のデータが入力されれば、前記計算式により算出される距離ｄの値に基づいて、ピアシング焦点位置１４ａが自動的に設定される。ピアシング予定位置２１に比べて被切断材１２上に長く延在する切断予定位置（図示せず）の任意の地点を基準として、切断焦点位置１４ｂを設定しさえすれば、ピアシング予定位置２１（図５参照）が、被切断材１２の端部や角部等に位置していたとしても、目的のピアシング焦点位置１４ａを容易に設定することができる。
【００３０】
ところで、図８および図９に示すように、被切断材１２表面（上面）からピアシング焦点位置１４ａまでの距離Ｌは、大きすぎても、小さすぎても、ピアシング時間の短縮や、形成されたピアシング孔２６径の小型化の効果を十分に得ることができないため、本発明者は、最適の距離Ｌの範囲を追求した。
例えば、図８に示すように、板厚１２ｍｍの被切断材１２について、ピアシング時間の短縮のためには、距離Ｌが６〜１２ｍｍの範囲が適切であり、図９に示すように、板厚１６ｍｍの被切断材１２について、ピアシング孔２６径の小型化のためには、距離Ｌが８〜１６ｍｍの範囲であることが適切である。そして、本発明者は、これら条件の追求の結果、ピアシング時間の短縮およびピアシング孔２６径の小型化の双方について同様に効果が得られる距離Ｌは、被切断材１２の板厚ｔを基準として１／２ｔ〜１ｔ（板厚の半分から板厚と同じ）の範囲が最適であることを突き止めた。
【００３１】
図４に示したノズル１１ｂは、傾斜された外側ガス噴射口１８から低濃度ガス１７を噴射することにより、低濃度ガス１７を、形成途中のピアシング孔２６へ効率良く集中せしめる点で優れている。このノズル１１ｂの径方向両側に対向する外側ガス噴射口１８間の傾斜角度θは、図１０に示すように、１５０゜あるいはそれよりも若干小さい角度が最適である。この角度θであれば、形成途中のピアシング孔２６内からスパッタや溶融金属を効率良く排除すること、並びに、ピアシング孔２６内に目的の酸素濃度部分を得ることの、２点を確実に実現することができる。なお、図１０において、角度θが大きい程、形成されるピアシング孔２６径を小さくすることが可能である。しかしながら、角度θが１５０゜を超える（被切断材１２表面に対する傾斜角度が３０゜未満）と、ピアシングが不可能になり、角度θは１５０゜が上限であることが判明した。
なお、ピアシング孔２６が特に深い場合は、角度θを小さくして、ピアシング孔２６の奥に低濃度ガス１７を到達させるようにする。例えば、ノズル１１ｂとは別体のブローノズルを使用する場合では、被切断材１２上面に対する傾斜角度を小さくすることは容易であるが、ノズル１１ｂとの干渉等に鑑みて、被切断材１２上面に対する傾斜角度を大きくすることには限界があるため、この点で、本実施の形態が優れている。
【００３２】
図１１では、実施例として、前記距離Ｌや傾斜角度θの条件にて、ピアシング時のノズル１１の高さを、切断時のノズル１１の高さよりもｓ＝３ｍｍ高く設定して、連続発振で出力された出力６ｋＷのレーザビーム１４を用いて、軟鋼材からなる鋼板に対してピアシング作業を行った。また、比較例１として、同様の距離Ｌの条件にて、パルス発振で出力４．５ｋＷ、デューティ比２０％で出力されたレーザビームによるピアシング作業を行った。両者を比較すると、板厚６〜２５ｍｍの範囲では、実施例１が、比較例に比べて、ピアシング時間を大幅に短縮できることが明らかとなった。
【００３３】
例えば、本発明者の実験では、前記実施例のレーザビーム１４を用いて板厚１２ｍｍの被切断材１１にピアシングを行った所、０．２５秒でピアシング孔２６の形成を完了した。この時、被切断材１２に照射されるエネルギーは、６０００×０．２５＝１５００Ｊである。
一方、パルス発振で出力４５００Ｗ、デューティ比２０％で出力されたレーザビームを用いて、同様に、板厚１２ｍｍの被切断材１２にピアシングを行うと、約８秒でピアシング孔の形成を完了した（比較例２）。この時、被切断材１２に照射されるエネルギーは、４５００×０．２×８＝７２００Ｊである。
実施例と比較例２とでは、形成されたピアシング孔の大きさ（金属排出量）は、殆ど同じであったにも関わらず、被切断材１２への入熱量には、数倍の開きが出ることが判明し、実施例でのピアシングでは、被切断材１２への入熱が比較例２の４分の１以下であった。
また、実施例にて形成したピアシング孔２６から、連続して切断作業を開始した所、セルフバーニング等の発生の無い、安定した切り込みを確実に行うことができた。
【００３４】
このように、本実施の形態によれば、内側、外側のガス噴射口１６，１８が同心状の二重に形成されてなるノズル１１を使用して、レーザビーム１４と同軸の酸素ガス１５と、その周囲を取り囲むような低濃度ガス１７とを、被切断材１２に向けて噴射供給することで、簡単に、ピアシング時間を短縮でき、しかも、滑らかな内面を有する目的形状のピアシング孔２６が確実に得られる。酸素ガス１５は、その外側が低濃度ガス１７によって取り囲まれることから、途中で外気等を殆ど巻き込むことなく、高い酸素純度を維持したまま、形成途中のピアシング孔２６の中央部や最深部に到達して、酸素純度の高い領域を形成するため、この領域でのピアシング孔２６の形成が促進され、これによっても、ピアシング時間が短縮される。連続発振で高出力のレーザビーム１４の使用も可能であり、一層のピアシング時間の短縮を図れる。ピアシング時間の短縮により、ピアシング作業中の、被切断材１２への入熱を抑えることができる。
その結果、ピアシングから切断に移行した時の、切断不良となる要因が解消されるため、切断開始時の切り込みを安定させることができ、切断品質を向上できる。
【００３５】
また、内側、外側のガス噴射口１６，１８が同心状に形成されてなるノズル１１では、切断時に外側ガス噴射口１８からガスを噴射することで、内外両側のガス噴射口１６，１８へのスパッタや溶融金属の付着を防止できる。
ノズル１１とは別体に、ピアシング時にブローガスを噴射するのみにブローノズルを設けた場合は、切断作業時のスパッタや溶融金属の付着を避けるために、このブローノズルを切断ノズルから待避させるための移動機構を必要とするが、本実施の形態に係るノズル１１やレーザ切断装置では、そのような機構は不要であり、低コスト化できる。しかも、待避を必要とするブローノズルでは、ピアシング作業の完了後に待避のための時間が必要であるが、本実施の形態に係るノズル１１やレーザ切断装置では、待避時間が不要であり、ピアシング作業の完了後に連続的に切断作業に移行することができ、ピアシングから切断完了までの所要時間を短縮できる利点もある。
【００３６】
なお、本発明は、前記実施の形態に限定されず、適宜変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、内側ガス噴射口から噴射する酸素ガスの流量制御と、外側ガス噴射口から噴射する低濃度ガスの流量制御とを、連動させること等、ピアシング位置に向けて噴射、供給されるガスの流量や、濃度等の制御についても各種構成が採用可能である。
図１２に示すように、外側ガス噴射口１８へ目的構成の低濃度ガス１７を供給するＭＦＣ３２に酸素供給部３３を接続し、この酸素供給部３３から酸素ガスを送り込んで、低濃度ガス１７中の窒素ガス純度を制御する構成も採用可能である。但し、窒素濃度は５０％を下限とし、それ以上の濃度を維持する。この時、低濃度ガス１７内の酸素濃度も調整されることとなり、結局、形成途中のピアシング孔２６内における酸素濃度分布をより微妙に制御することが可能となる。
また、レーザ加工用ノズルとしては、内側、外側のガス噴射口１６，１８が同一のノズル１１に形成されている構成に限定されず、例えば、外側ガス噴射口に相当するノズル穴が形成されたユニットを、内側ガス噴射口に相当するノズル穴が形成された切断ノズルの外側に後付けして組み立てる構成等も採用可能である。この場合は、本発明に係るレーザ加工用ノズルやレーザ切断装置を、既存のノズルやレーザ切断装置にも簡単かつ低コストで適用することができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザビームと同軸の酸素ガスと、その周囲を取り囲むような低濃度ガスとを、被切断材に向けて噴射供給することで、簡単に、ピアシング時間を短縮でき、しかも、滑らかな内面を有する目的形状のピアシング孔が確実に得られる。さらに、連続発振で高出力のレーザビームの使用も可能となるため、一層のピアシング時間の短縮を図れる。ピアシング時間の短縮により、ピアシング作業中の、被切断材への入熱を抑えることができる。その結果、ピアシングから切断に移行した時の、切断不良となる要因が解消されるため、切断開始時の切り込みを安定させることができ、切断品質を向上できるといった優れた効果を奏する。
前記低濃度ガスの噴射方向が、前記被切断材に向けて噴射される前記酸素ガスの中心に向けて傾斜されていると、形成途中のピアシング孔へ向けて、低濃度ガスを集中的に作用させることができ、ピアシング孔内の酸素濃度分布の形成や、溶融金属の排除等を一層効率良く行うことができるといった優れた効果を奏する。
被切断材のピアシング予定位置の周囲に、レーザビームの照射前に、予め、オイルを塗布すると、ピアシング作業にて飛散したスパッタや溶融金属が被切断材に付着することを防止でき、ピアシング作業から切断作業へ移行した時に、これらスパッタや溶融金属が切断の障害となることを回避でき、これにより、優れた切断品質が安定に得られる。
また、この発明では、被切断材に照射されるレーザビームのピアシング時の焦点位置が、後に行う切断時と異なるようにしたり、レーザ加工用ノズルの被切断材に対する離間距離が、後に行う切断時と異なるようにすることも可能であり、これにより、ピアシング時並びに切断時のいずれについても、最適のレーザビーム焦点位置やノズル位置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の１実施の形態のレーザ切断装置の加工ヘッド近傍を模式的に示す正面図であって、ピアシング作業時を示す。
【図２】 本発明の１実施の形態のレーザ切断装置の加工ヘッド近傍を模式的に示す正面図であって、切断作業時を示す。
【図３】 図１のレーザ切断装置に適用されるレーザ加工ノズルの一例を示す正断面図である。
【図４】 図１のレーザ切断装置に適用されるレーザ加工ノズルの他の例を示す正断面図である。
【図５】 図１のレーザ切断装置に適用されるレーザ加工ノズル、並びに、オイル塗布機構の一例を示す正面図である。
【図６】 図１のレーザ切断装置における、形成途中のピアシング孔近傍を示す斜視図である。
【図７】 外側ガス噴射口から噴射される低濃度ガスにオイルを混入するオイル塗布機構が設けられてなるレーザ加工用ノズルを示す正面図である。
【図８】 被切断材表面からピアシング焦点位置までの距離Ｌに対するピアシング時間の関係を示すグラフである。
【図９】 被切断材表面からピアシング焦点位置までの距離Ｌに対するピアシング孔径の関係を示すグラフである。
【図１０】 外側ガス噴射口の開口部近傍の傾斜角度θに対するピアシング孔径の関係を示すグラフである。
【図１１】 連続発振のレーザビームとパルス発振のレーザビームとで、ピアシング時間を比較したグラフである。
【図１２】 外側ガス噴射口から噴射される低濃度ガスに酸素を混入する酸素供給部が設けられてなるレーザ加工用ノズルを示す正断面図である。
【図１３】 従来例の切断ノズルを示す正面図である。
【図１４】 パルス発振のレーザビームを用いたピアシングの進行に伴う、溶融金属の除去量の増加を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…加工ヘッド、１１，１１ａ，１１ｂ…レーザ加工用ノズル、１２…被切断材（鋼板）、１３…レンズ、１４…レーザビーム、１４ａ…レーザビーム照射位置（ピアシング焦点位置）、１４ｂ…レーザビーム照射位置（切断焦点位置）、１４ｃ…レーザビーム光軸、１５…酸素ガス、１６…内側ガス噴射口、１７…低濃度ガス、１８…外側ガス噴射口、１８ａ…開口部、１９…オイル、２０…オイル塗布機構、２１…レーザビーム照射位置（ピアシング予定位置）、２６…ピアシング孔、２８…オイル混入部（オイル塗布機構）、２９…倣い機構（駆動制御部）。

Claims (13)

1. 被切断材のレーザ切断前に行われるレーザピアシング方法であって、
   被切断材に向けて照射されるレーザビームと同軸に、高純度の酸素ガスを前記被切断材に向けて噴射、供給するとともに、前記酸素ガスの気流の外側に環状に配置された外側ガス噴射口から、窒素ガスまたは空気またはこれらの混合ガスを主成分としてなる酸素濃度の低い低濃度ガスを前記被切断材に向けて噴射、供給しつつ、レーザビームを被切断材に照射することを特徴とするレーザピアシング方法。
2. 前記低濃度ガスの噴射方向が、前記被切断材に向けて噴射される前記酸素ガスの中心に向けて傾斜されていることを特徴とする請求項１記載のレーザピアシング方法。
3. 被切断材のピアシング予定位置の周囲に、レーザビームの照射前に、予め、オイルを塗布することを特徴とする請求項１または２記載のレーザピアシング方法。
4. 被切断材に照射されるレーザビームのピアシング時の焦点位置が、後に行う切断時と異なることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレーザピアシング方法。
5. レーザビームのピアシング時の焦点位置を、切断時よりも、被切断材寄りに設定することを特徴とする請求項４記載のレーザピアシング方法。
6. ピアシング作業時のレーザビーム焦点位置を、被切断材の板厚毎に変更することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のレーザピアシング方法。
7. 前記酸素ガスを噴射する内側ガス噴射口と、該内側ガス噴射口の外側に環状に設けられた前記外側ガス噴射口とを備えてなるレーザ加工用ノズルの被切断材に対する離間距離が、後に行う切断時と異なることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のレーザピアシング方法。
8. 被切断材に対する前記レーザ加工用ノズルのピアシング作業時の離間距離を、後に行う切断時よりも大きく設定することを特徴とする請求項７記載のレーザピアシング方法。
9. 被切断材のレーザ切断前に行われるレーザピアシング作業に用いられるレーザ切断装置であって、
   被切断材に照射するレーザビームが貫通され、かつ、高純度の酸素ガスを前記レーザビームと同軸に前記被切断材に向けて噴射する内側ガス噴射口と、該内側ガス噴射口の外側に環状に設けられ、窒素ガスまたは空気またはこれらの混合ガスを主成分としてなる酸素濃度の低い低濃度ガスを前記被切断材に向けて噴射、供給する外側ガス噴射口とを有するレーザ加工用ノズルと、
   前記低濃度ガスに酸素ガスを混入することで、該低濃度ガスの窒素濃度を制御する窒素濃度制御機構とを備えることを特徴とするレーザ切断装置。
10. 前記レーザ加工用ノズルは、前記低濃度ガスの噴射方向が、前記被切断材に向けて噴射される前記酸素ガス気流の中心に向けて傾斜されるように、前記外側ガス噴射口の開口部近傍が傾斜されていることを特徴とする請求項９記載のレーザ切断装置。
11. 被切断材にオイルを塗布するオイル塗布機構を備えることを特徴とする請求項９または１０記載のレーザ切断装置。
12. 予め与えられたデータに基づいて、レンズを移動して、レーザビームの焦点位置を変更するレンズ駆動機構を具備することを特徴とする請求項９から１１のいずれかに記載のレーザ切断装置。
13. 予め与えられたデータに基づいて、被切断材に対するレーザ加工用ノズルの離間距離を自動的に制御する倣い機構を備えることを特徴とする請求項９から１２のいずれかに記載のレーザ切断装置。

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