JP4243894B2

JP4243894B2 - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP4243894B2
Application number: JP19164399A
Authority: JP
Inventors: 聖一中村
Original assignee: Shibuya Corp
Current assignee: Shibuya Corp
Priority date: 1999-07-06
Filing date: 1999-07-06
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2019-07-06
Also published as: JP2001018087A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はレーザ加工装置に関し、より詳しくは、被加工物に吹き付けられるアシストガスの吹き付け面積を調整することができるレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザ光線を発振するレーザ発振器と、レーザ発振器から発振されたレーザ光線を被加工物に照射する加工ヘッドと、加工ヘッド内を経由して被加工物の加工箇所にアシストガスを供給する供給手段とを備え、被加工物の所要位置にピアッシング加工を行ってから切断加工を施すようにしたレーザ加工装置は知られている。
ところで、上述したレーザ加工装置によって被加工物を切断加工する際には、切断加工時の切断線が鋭角となるエッジ部分をそれ以外の直線状の部分と同じ加工条件で切断加工しようとすると、エッジ部分の周辺に過剰なアシストガス（酸素）が供給されることにより、バーニング（溶融過多）が発生しやすいという欠点があった。
そこで、従来では、上記エッジ部分を切断加工する時にレーザ光線をＣＷ発振からパルス発振に切り替えレーザ光線の出力を低下させるとともに加工速度を低下させたり（例えば特公平８−２９４２４号公報）、あるいはレーザ光線の出力とともに切断速度を低下させるもの（特許掲載公報第２７４９３８２号）等が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の技術では、いずれの場合もエッジ部分を切断加工する際に加工速度が遅くなってしまい、被加工物に対する切断加工時間が長くなるという欠点があった。
また、ピアッシング加工する場合、特に被加工物が１２ｍｍ以上の厚板である場合にレーザ光線をパルス発振にして加工すると非常に時間がかかることから、ＣＷ発振にて短時間で加工することが一般的になりつつある。ところが、ピアッシング加工時と切断加工時とでノズルの口径は同一のままでＣＷ発振にてピアッシング加工をすると、パルス発振の場合と比較してピアッシング位置での溶融部分が大きくなり、ピアッシング孔の径が大きくなってしまい、ピアッシング孔から外方へ向けた後円周に沿って加工する小孔の径が制限されるという欠点が生じていた。なお、このほかにレーザ加工の種類や被加工物の材質に応じてノズルの口径を変更する様にしたレーザ加工装置も提案されている（例えば、特開平５−３０５４７５号公報）。しかしながら、この特開平５−３０５４７５号公報の装置においては、バーニングを防止するために切断線のエッジ部分とそれ以外の部分とでノズルの口径を変化させることやピアッシング孔径が大きくなり過ぎないようにピアッシング時と切断時とで口径を変化させることは示唆されていなかった。
そこで、本願発明の目的は、出来るだけ簡単な構成によって、被加工物に対してアシストガスの吹き付けられる面積を調整し、ピアッシング加工およびエッジ部分等の加工に好適なレーザ加工装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
すなわち、第１の発明は、レーザ光線を発振するレーザ発振器と、レーザ発振器から発振されたレーザ光線を被加工物に照射する加工ヘッドと、加工ヘッド内を経由して被加工物の加工箇所にアシストガスを供給する供給手段とを備え、被加工物の所要位置にピアッシング加工を行ってから切断加工を施すようにしたレーザ加工装置において、
被加工物に切断加工を施す際に被加工物の加工箇所に対してアシストガスが吹き付けられる吹き付け面積を調整する調整手段と、被加工物に切断加工を施す際の切断線が直角以下の角度となるエッジ部分とその近傍に対するアシストガスの吹き付け面積を、その他の切断加工箇所に対するアシストガスの吹き付け面積よりも減少させるように上記調整手段を制御する制御装置とを設けたものである。
また、第２の発明は、レーザ光線を発振するレーザ発振器と、レーザ発振器から発振されたレーザ光線を被加工物に照射する加工ヘッドと、加工ヘッド内を経由して被加工物の加工箇所にアシストガスを供給する供給手段とを備え、被加工物の所要位置にピアッシング加工を行ってから切断加工を施すようにしたレーザ加工装置において、
被加工物にピアッシング加工を施す際の加工箇所に対してアシストガスが吹き付けられる吹き付け面積を調整する調整手段と、上記ピアッシング加工を施す際に加工箇所に対するアシストガスの吹き付け面積を、切断加工の際に被加工物の加工箇所に対するアシストガスの吹き付け面積よりも減少させるように上記調整手段を制御する制御装置とを設けたものである。
【０００５】
【作用】
このような構成によれば、上記エッジ部分とその近傍に対するアシストガスの吹き付け面積は、そのほかの部分よりも少ないので、上記エッジ部分等に対して過剰にアシストガスが吹き付けられることがない。そのため、上記エッジ部分等にバーニングが生じることを防止することができる。
しかも、それらの加工箇所の加工に際して加工速度を遅くする必要がないので、従来に比較して被加工物に対する加工時間を短縮することができる。
また、ピアッシング加工におけるアシストガスの吹き付け面積を小さくすることができるので、ピアッシング位置における溶融部分を小さくできピアッシング孔の径を小さくすることができる。
【０００６】
【実施例】
以下図示実施例について本発明を説明すると、レーザ加工装置の加工ヘッド１は図示しない可動フレームに取り付けられており、この加工ヘッド１の内部にレーザ光線を集光する集光レンズを内蔵している。加工ヘッド１は、鉛直下方に向けて支持されるとともに、この加工ヘッド１における下端部にノズル２を一体に取り付けている。
加工ヘッド１の下方側に図示しない加工テーブルを設けてあり、この加工テーブル上に板状の被加工物３を水平に載置している。
レーザ加工装置は図示しないレーザ発振器を備えており、このレーザ発振器から発振されたレーザ光線は、図示しない複数の反射鏡によって加工ヘッド１内に導かれた後、集光レンズによって集光されてからノズル２の下端開口から被加工物３に照射されるようになっている。
レーザ加工装置は図示しないアシストガスの供給源を備えており、この供給源は、導管４を介して加工ヘッド１に接続している。加工ヘッド１から被加工物３にレーザ光線を照射して切断加工を行う時には、上記導管４を介してアシストガスの供給源から加工ヘッド１内にアシストガス（酸素）を供給するようにしている。これにより、ノズル２の下端開口から被加工物３の加工箇所にアシストガスが吹き付けられて供給されるようになっている。
次に、上記加工ヘッド１を連結した図示しない可動フレームには、加工ヘッド１に隣接させてタッチセンサ５を設けてあり、このタッチセンサ５のならいバー６の先端部を加工ヘッド１の下方側に位置させている。図２に示すように、ならいバー６の先端部には上下方向の大径の貫通孔６ａを穿設してあり、ノズル２から照射されるレーザ光線およびアシストガスは、この貫通孔６ａを通過して被加工物３に到達するようになっている。
そして、被加工物３にアシストガスを供給し、かつレーザ光線を照射して、図示しない駆動機構によって被加工物３と加工ヘッド１とを水平面上で相対移動させることにより、例えば図３に示すように被加工物３を所要の形状に切断加工することができる。
以上の構成は、従来公知の加工ヘッドおよびタッチセンサと変わるところはない。
【０００７】
しかして、本実施例は、ノズル２から被加工物３の加工箇所に吹き付けられるアシストガスの吹き付け面積を調整する調整手段７を上記ならいバー６に設けてある。
すなわち、本実施例においては、ならいバー６の先端の上面に、上記貫通孔６ａを囲繞して環状の絞り機構８を取り付けている。この絞り機構８はカメラのシャッタに使用される絞り機構と同様のものであり、ならいバー６の上面に固定した環状のケーシング８Ａと、このケーシング８Ａ内に収納されて、ケーシング８Ａの内周部に設けたスリットからケーシング８Ａの軸心にむけて進退自在に設けた多数の羽根部材８Ｂと、ケーシング８Ａのスリットから外周側へ突出させるとともに、上記羽根部材８Ｂを同期して進退させるセクタギヤ８Ｃとから構成している。上記各羽根部材８Ｂにおける内方側の縁部によって、円形の開口部８Ｄ（孔）を構成してあり、レーザ光線は、この開口部８Ｄを通過して被加工物３の加工位置に当接するようになっており、またノズルから噴射されるアシストガスは、この開口部８Ｄを通過したものだけが被加工物に吹き付けられるようになっている。
上記作動部材としてのセクタギヤ８Ｃが、ケーシング８Ａの円周方向に沿って正逆に移動されると、それに連動して上記各羽根部材８Ｂがケーシング８Ａの軸心に向けて進退動される。これにより、ケーシング８Ａの軸心を囲繞して形成される上記円形の開口部８Ｄの大きさを調整できるようになっている。セクタギヤ８Ｃがケーシング８Ａに対して反時計方向の移動端位置まで回動されると、各羽根部材８Ｂはすべてケーシング８Ａ内に収納されるようになっている。したがって、その際には、実質的にならいバー６の貫通孔６ａが、レーザ光線およびアシストガスの通過を許容する開口部となる。
これに対して、上記セクタギヤ８Ｃがケーシング８Ａに対して時計方向の移動端位置まで回動されると、多数の羽根部材８Ｂは、ケーシング８Ａの軸心に最も近い前進端に位置し、羽根部材８Ｂによって構成される円形の開口部８Ｄの大きさが最小となる。つまり、セクタギヤ８Ｃを回動させることにより、多数の羽根部材８Ｂによって構成される開口部８Ｄの大きさを調整することができる。
【０００８】
次に、ならいバー６にはブラケット１１を一体に取り付けてあり、このブラケット１１にモータ１２を鉛直下方にむけて取り付けている。ブラケット１１よりも下方に突出させたモータ１２の駆動軸にギヤ１３を取り付けてあり、このギヤ１３を上記セクタギヤ８Ｃに噛合させている。モータ１２の作動は図示しない制御装置によって制御されるようになっている。そして、制御装置によってモータ１２が正逆に所要量だけ回転されると、セクタギヤ８Ｃがケーシング８Ａの円周方向に沿って正逆に回動されるので、上述したように円形の開口部８Ｄの大きさを調整することができる。
上述した説明から理解できるように、本実施例では、絞り機構８とモータ１２およびギヤ１３とによって、上記調整手段７を構成している。
本実施例では、レーザ光線は上記開口部８Ｄおよびならいバー６の貫通孔６ａを介して被加工物３の加工箇所に照射される様になっており、また、ノズル２の下端開口から噴射されるアシストガスも上記開口部８Ｄおよびならいバー６の貫通孔６ａを通過して被加工物の加工箇所に吹き付けられるようになっている。そして、アシストガスの供給源から加工ヘッド１に供給される供給量を変更することなく、上記開口部８Ｄの大きさを変更することによって、被加工物３の加工箇所に実際に吹き付けられるアシストガスの吹き付け面積を変更することができる。
本実施例では、被加工物３におけるピアッシング加工を施す際、および被加工物３に切断加工を施す際の切断線が鋭角および直角となるエッジ部分とその近傍を切断する際に、上記開口部８Ｄを小さくして被加工物３の加工箇所に対するアシストガスの吹き付け面積を減少させるようにしている。
【０００９】
より詳細には、図３に示すように、板状の被加工物３を切断加工する場合について説明する。
この場合、レーザ加工開始前に、この被加工物３を図３に示す形状に切断加工するためとピアッシング加工のために必要なレーザ光線の出力、加工ヘッド１と被加工物３との相対移動速度、さらにアシストガスの供給源から加工ヘッド１内へのアシストガスの供給量や被加工物３の材質、板厚等を元に加工プログラムを従来と同様に作成して制御装置に記憶させておく。
また、それと同時に、被加工物３に切断加工を施す際の製品の輪郭（切断線）のうち、鋭角および直角になるエッジ部分Ｅ１−Ｅ１０およびその近傍となる前後の箇所（斜線で図示した箇所）では、その他の直線部分等の切断箇所よりも上記絞り機構８の開口部８Ｄが小さくなるように、モータ１２を作動させた際の羽根部材８Ｂの前進量を予め制御装置に記憶させておく。
より詳細には、例えば、従来では被加工物３の材質が板厚６ｍｍの鉄であってノズル２の下端開口の内径が２．６ｍｍ、さらに加工ヘッド１へのアシストガスの供給圧が０．６Ｋｇ／ｃｍ2 の場合においては、エッジ部分Ｅ１−Ｅ１０以外の直線部分をＣＷ（連続発振）１．５ｋＷのレーザ光線出力で加工スピード２０００ｍｍ／ｍｉｎで切断加工したとすると、エッジ部分Ｅ１−Ｅ１０は、パルス発振５００Ｗのレーザ出力で加工スピード１００ｍｍ／ｍｉｎで切断加工していたものである。これに対して、本実施例においては、上記と同じく被加工物３の材質が板厚６ｍｍの鉄であってノズル２の下端開口の内径が２．６ｍｍ、アシストガスの供給圧が０．６Ｋｇ／ｃｍ2 の場合においては、エッジ部分Ｅ１−Ｅ１０およびそれら以外の直線部分を出力１．５ｋＷのレーザ光線をＣＷ（連続発振）で切断加工するものであり、エッジ部分Ｅ１−Ｅ１０とその近傍では、上記絞り機構８の開口部８Ｄの直径を１ｍｍとなるように設定している。換言すると、エッジ部分Ｅ１−Ｅ１０とその近傍においてはレーザ光線の出力と加工速度は変更することなく、これらエッジ部分Ｅ１−Ｅ１０とその近傍に吹き付けられるアシストガスの吹き付け面積を減少させるものである。
さらに、本実施例において被加工物３の材質が板厚１２ｍｍの鉄であってノズル２の下端開口の内径が２．６ｍｍ、アシストガスの供給圧が０．６Ｋｇ／ｃｍ2 の場合に切断加工する時には、エッジ部分Ｅ１−Ｅ１０とその近傍では、上記絞り機構８の開口部８Ｄの直径を１．５ｍｍとなるように設定している。このように、被加工物の板厚に応じてエッジ部分Ｅ１−Ｅ１０とその近傍で絞り機構８の開口部８Ｄの直径を変更するようにしている。
また、ピアッシング加工を施す位置Ｐ２では、絞り機構８の開口部８Ｄが板厚に応じた所定の開度となるように、モータ１２を作動させた際の回転量を予め制御装置に記憶させておく。また、高速加工するためにレーザ光線をＣＷ発振としておく。また、本実施例において、板厚１２ｍｍの場合、上記絞り機構８の開口部の直径を１．０ｍｍとなるように設定し、板厚１８ｍｍの場合、上記絞り機構８の開口部の直径を１．５ｍｍとなるように設定している。
さらに、上記ピアッシング加工を施す位置Ｐ２から製品の輪郭に至る直線となる切断線の箇所は、製品の輪郭の直線部分と同じ大きさの開口部８Ｄとなるように、モータ１２を作動させた際の回転量を予め制御装置に記憶させておく。
【００１０】
そして、加工ヘッド１を被加工物３におけるピアッシング加工を施す位置Ｐ２の上方に位置させて、そこにレーザ光線を照射するとともにアシストガスを加工ヘッド１内に供給する。すると、レーザ光線が位置Ｐ２に照射されるとともに、上記開口部８Ｄを通過したアシストガスのみが位置Ｐ２に吹き付けられる。換言すると、加工ヘッド１のノズル２から噴出するアシストガスのうち、開口部８Ｄを通過したアシストガスのみが被加工物３の加工位置Ｐ２に吹き付けられ、それ以外のアシストガスは開口部８Ｄを囲繞する羽根部材８Ｂによって位置Ｐ２への供給を阻止される。
これにより、ピアッシング加工を施す位置Ｐ２へのアシストガスの吹き付け面積が小さいため、ピアッシングの孔径を最小限に抑えることができ、ピアッシング位置を囲む穿孔において、より小さい面積の穿孔が可能となる。またピアッシング加工を施す位置Ｐにアシストガスが過剰に供給されることが防止されるので、位置Ｐにスパッタが多量に発生したりブローアップが発生したりすることがない。
次に、レーザ光線および加工ヘッド１へのアシストガスの供給が連続的に行われた状態において、加工ヘッド１は位置Ｐから製品の輪郭と接触するエッジ部分Ｅ１に向けて連続的に移動される際に、制御装置がモータ１２の作動を制御して、開口部８Ｄを所定量だけ所定の開度まで拡大させ、その状態で切断加工が開始される。
そして、さらに加工ヘッド１が最初のエッジ部Ｅ１の近傍となる斜線で表示した位置まで移動すると、制御装置がモータ１２の作動を制御して、開口部８Ｄを所定量だけ縮少させ、その状態をエッジ部分Ｅ１およびその隣接の斜線で表示した箇所を過ぎるまで維持する。そして、この後の切断線が直線部分となる箇所では、制御装置がモータ１２の作動を制御して、開口部８Ｄを所定量だけ拡大させる。
さらに、第２のエッジ部分Ｅ２とその近傍となる斜線で表示した位置においては、制御装置がモータ１２の作動を制御して開口部８Ｄを所定量だけ縮少させる。以下、各エッジ部分Ｅ３−Ｅ１０とその近傍となる箇所（斜線で示す箇所）を切断する際には、その他の斜線を付さなかった切断線上となる箇所を切断加工する場合に比較して、制御装置によって開口部８Ｄを縮少させる。
このようにして、エッジ部分Ｅ１−Ｅ１０を含んだ形状の製品を連続的に切断加工する。
【００１１】
以上の様に、本実施例では、アシストガスの供給源から加工ヘッド１に供給するアシストガスの供給量（供給圧力）は一定のままで、調整手段７によって被加工物３のエッジ部分Ｅ１−Ｅ１０とその近傍に実際に供給されるアシストガスの吹き付け面積を減少させて切断加工するようにしている。したがって、被加工物３のエッジ部分Ｅ１−Ｅ１０等を切断加工する際にアシストガスが過剰に供給されることがなく、したがって、それらの箇所にバーニングが発生することを防止することができる。
また、本実施例では、エッジ部分Ｅ１−Ｅ１０を切断加工するに際してレーザ光線をＣＷ発振で被加工物３に照射するものであり、パルス発振させたレーザ光線をエッジ部分Ｅ１−Ｅ１０にレーザ光線を照射するものではないので、加工スピードを低下させる必要が無く、切断加工に要する時間を従来よりも短縮させることができる。
【００１２】
（第２実施例）
次に、図４は本発明の第２実施例を示したものである。この第２実施例は、絞り機構８として円板１０８を用いたものである。
すなわち、タッチセンサ５のブラケット１１には、上記図１と同様にモータ１２を設けてあり、このモータ１２の駆動軸に円板１０８の中心を連結している。これにより、円板１０８は水平に支持されて回転自在となっており、円板１０８における外周部側の箇所が加工ヘッド１の下方側に位置し、かつならいバー６の貫通孔６ａを上方側から閉鎖している。
この円板１０８には、その円周方向の等間隔位置に直径の異なる複数の貫通孔１０８Ａを穿設している。この第２実施例では、モータ１２を回転させることにより、各貫通孔１０８Ａによってアシストガスの通過する開口部が形成されており、各貫通孔１０８Ａをノズル２の直下位置に位置させる様にしている。それによって、貫通孔１０８Ａを通過して、被加工物３の加工箇所に対するアシストガスの吹き付け面積を減少させる様にしている。その他の構成は、上記図１に示した第１実施例のものと同じである。
このような構成の第２実施例においても上記第１実施例と同様の作用効果を得ることができる。
なお、上記各実施例においては、上記調整手段７をタッチセンサ５のならいバー６に設けているが、例えばＬ字形のブラケットを加工ヘッド１に一体に連結して、そのブラケットに上記調整手段７を設けても良い。
【００１３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、被加工物に切断加工を施す際の切断線のエッジ部分およびその近傍にバーニングが生じることを良好に防止することができるという効果が得られる。また、従来に比較して被加工物に対する加工時間を短縮することができるという効果が得られる。さらに、ピアッシング加工の際に、ピアッシング孔の径を最小限に押さえることができるとともに、スパッタの発生を最小限に押さえることができ、ブローアップの発生をも防止することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す概略の斜視図
【図２】図１に示した要部の底面図
【図３】被加工物に切断加工を行う際の切断線を示す平面図
【図４】本発明の第２実施例を示す概略の斜視図
【符号の説明】
１加工ヘッド２ノズル
３被加工物７調整手段
８絞り機構１２モータ
Ｅ１−Ｅ１０エッジ部分Ｐピアッシング位置

Claims

レーザ光線を発振するレーザ発振器と、レーザ発振器から発振されたレーザ光線を被加工物に照射する加工ヘッドと、加工ヘッド内を経由して被加工物の加工箇所にアシストガスを供給する供給手段とを備え、被加工物の所要位置にピアッシング加工を行ってから切断加工を施すようにしたレーザ加工装置において、
被加工物に切断加工を施す際に被加工物の加工箇所に対してアシストガスが吹き付けられる吹き付け面積を調整する調整手段と、
被加工物に切断加工を施す際の切断線が直角以下の角度となるエッジ部分とその近傍に対するアシストガスの吹き付け面積を、その他の切断加工箇所に対するアシストガスの吹き付け面積よりも減少させるように上記調整手段を制御する制御装置とを設けたことを特徴とするレーザ加工装置。
レーザ光線を発振するレーザ発振器と、レーザ発振器から発振されたレーザ光線を被加工物に照射する加工ヘッドと、加工ヘッド内を経由して被加工物の加工箇所にアシストガスを供給する供給手段とを備え、被加工物の所要位置にピアッシング加工を行ってから切断加工を施すようにしたレーザ加工装置において、
被加工物にピアッシング加工を施す際の加工箇所に対してアシストガスが吹き付けられる吹き付け面積を調整する調整手段と、
上記ピアッシング加工を施す際に加工箇所に対するアシストガスの吹き付け面積を、切断加工の際に被加工物の加工箇所に対するアシストガスの吹き付け面積よりも減少させるように上記調整手段を制御する制御装置とを設けたことを特徴とするレーザ加工装置。
上記調整手段は、被加工物の板厚に応じてアシストガスの吹き付け面積を調整することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工装置。
上記調整手段は、上記加工ヘッドの下方側に配置されて、アシストガスが通過する開口部の大きさを拡縮可能な絞り機構と、この絞り機構の開口部を拡縮させる駆動機構とを備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のレーザ加工装置。
上記絞り機構は、環状のケーシングと、このケーシング内に収納されるとともに上記開口部を構成し、かつケーシングの軸心にむけて同期して進退可能な複数の羽根部材と、ケーシングの円周方向に沿って回動可能に設けられて上記羽根部材を同期して進退させる作動部材とを備え、
上記駆動機構は、上記絞り機構の作動部材と係合する歯車と、この歯車を回動させるモータとを備えることを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工装置。
上記絞り機構は、直径が異なる複数の貫通孔を円周方向に沿って穿設して回動自在に設けられた円板からなり、また上記開口部はこの円板の各貫通孔からなり、上記駆動機構は上記円板を回動させるモータからなることを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工装置。
加工ヘッドの隣接下方位置にならいバーを有するタッチセンサを設けてあり、上記調整手段は上記タッチセンサのならいバーに設けられていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のレーザ加工装置。