JP4775699B2

JP4775699B2 - レーザによる両面溝加工装置及び両面溝加工方法

Info

Publication number: JP4775699B2
Application number: JP2005255762A
Authority: JP
Inventors: 正典落合; 淳佐々木
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2025-09-02
Also published as: JP2007069219A

Description

本発明は、レーザ光を照射して両面に溝を形成するための加工装置及び加工方法に係わるものである。

板材に溝を形成する方法として、切削、プレスなどによる機械的方法、化学的エッチングによる方法、レーザ、プラズマ、電子ビームなどによる高熱エネルギビーム照射方法が知られているが、レーザを用いた方法は、非接触で高速加工ができ、工程も簡単であるという特徴があり、従来から切断など貫通溝の形成を中心に広く用いられてきたが、最近では有底溝の形成にも適用されるようになっている。有底溝は、被加工物の両面に形成することができるので、同軸に形成して被加工物の特性改良やスクライビング用などにも用いられている。一般に、両面に溝を形成するのには、一面に有底溝を形成した後被加工物を反転させて他面に有底溝を形成する方法がとられるが、工程の増加に伴う製造時間の増大や、被加工物破損の危険性の増大、また表裏の溝の位置ズレという問題を有している。これに対して、例えば特開２０００−１０９９６１号公報（特許文献１）に、磁気特性の優れた一方向性電磁鋼板の製造方法として、鋼板の表裏両面からレーザ光を照射して両面に溝を形成することが開示されている。
特開２０００−１０９９６１号公報（図３）

特許文献１の両面溝形成技術では、鋼板の表裏両面に対してレーザ照射ノズルを設けるので、鋼板を反転させる工程は不要となるが、当然ながらレーザ設備費が高くなる。また、通常レーザ照射ノズル内部には集光レンズが装着されているが、ここにドロスなどの溶融物が付着すると、レーザ照射量の減少や照射光軸のズレなどの不具合が生じる。特に上向きにレーザ光を照射する裏面側の照射ノズルはこの不具合が生じ易く、表裏の照射ノズルからのレーザ照射状態が異なってくると、両面の溝の大きさが変動したり位置がズレてくるという問題が生じる。
従って、本発明は、レーザを用いた両面溝加工装置および両面溝加工方法において、設備費用を特に増大させることなく、両面の溝性状の変動が少ない両面溝を形成することができる加工装置および加工方法を提供することを目的としている。

本発明のレーザによる両面溝加工装置は、相対的に移動する板状の被加工物にレーザ光を照射して被加工物の表裏面に溝を形成する両面溝加工装置であって、発振機で励起された一条のレーザ光を被加工物の片面にのみ垂直に照射して、レーザが照射されない他方の面まで達する溶融部を形成するよう配設されたレーザヘッドと、前記被加工物のレーザ照射面側から第一のアシストガスを噴射して、前記溶融部の一部を吹き飛ばしてレーザ照射面側に溝を形成する第一ノズルと、前記被加工物のレーザ照射されない面側から第二のアシストガスを噴射して、前記熔融部の一部を吹き飛ばしてレーザ照射されない面側に溝を形成する第二ノズルと、第一のアシストガスの圧力を調整する第一圧力制御手段と、第二のアシストガスの圧力を調整する第二圧力制御手段と、第一ノズルの位置を調整する第一位置制御手段と、第二ノズルの位置を調整する第二位置制御手段とを有することを特徴としている。
また、本発明における前記第一ノズルと第二ノズルは、その軸心がレーザ光軸を含んだ移動方向に平行な平面内にあって、被加工物の表裏面を挟んで対称に配設されていれば好ましい。
さらに、本発明においては、前記レーザヘッドの先端部にアシストガスを噴出して前記レーザヘッド内部を保護する保護ノズルが取り付けられていれば好ましい。
また、本発明においては、前記第一ノズルはその軸心が前記レーザ光の光軸と同軸になるように前記レーザヘッドの先端部に取り付けられ、前記第二ノズルはその軸心が前記第一ノズルと同軸になるように配設されることが好ましい。
さらに、本発明における前記第一ノズルは、前記レーザヘッドに対し独立に位置調整可能なことが好ましい。

本発明のレーザによる両面溝加工方法は、相対的に移動する板状の被加工物にレーザ光を照射して被加工物の表裏面に溝を形成する両面溝加工方法において、被加工物の片面にのみ一条のレーザ光を垂直に照射して、レーザが照射されない他方の面まで達する溶融部を形成するとともに、前記被加工物のレーザ照射面およびレーザ照射されない面の両面に対して、移動方向に平行で対称な方向からアシストガスを吹き付けて、前記熔融部の一部を吹き飛ばして溝を形成することを特徴としている。即ち、板状の被加工物の片面側からの一条のレーザ照射だけで被加工物の両面に露出した溶融部を形成し、この溶融部の一部をレーザ照射面側とレーザ照射されない面側から吹き飛ばして両面から同時に凹部を形成し、この凹部がつながる前に溶融部をレーザ光から逃がすように被加工物を移動することによって、残った溶融部を凝固させ両面に溝を形成するものである。

本発明によれば、レーザ加工装置としてはレーザ照射部が１式だけでよいので、設備費の増加を抑えることができる。また、両面の溝性状は、アシストガスの噴射状態でほとんど規制されるのでドロスの影響を受け難く、溝同士間での性状変動がほとんどない安定した連続溝を形成することができる。

（実施の形態１）
図１〜３をもとに、実施の形態１におけるレーザ加工装置１００の概略構成と、その溝加工方法を説明する。
レーザ加工装置１００は固定設置され、被加工物としての長尺状の薄板材１０が連続的に送られる（Ｘ方向）。薄板材１０の表面側の上方にはレーザ光２を照射するレーザヘッド１６が配置され、ファイバーケーブル１５を介してレーザ発振機１４と接続されている。レーザ光２は連続波或いはパルス波などを用いることができる。レーザヘッド１６は、レーザ光２が薄板材１０の表面に垂直（Ｚ方向）に照射されるような姿勢で、レーザの焦点位置及び溝形成位置の調整用にＸＹＺの３軸方向にねじ送り等で移動できる第一の位置制御手段（図示せず）に取り付けられている。レーザヘッド１６の先端部には、薄板材１０の表面に第一のアシストガス３を噴射するための第一のノズル１が、その軸心３１がレーザ光軸２１と一致するように取り付けられている。第一ノズル１の側面にはアシストガス用配管１７ａが接続されており、第一のアシストガス源１９ａから供給される第一のアシストガス３が先端開口部から噴出される。アシストガス用配管１７ａの途中には、圧力調整弁１８ａ、電磁開閉弁２２ａが設けられ、第一アシストガス３の圧力と噴射タイミングが制御可能となっている。

薄板材１０の裏面側の下方には、薄板材１０の裏面に第二のアシストガス５を噴射するための第二のノズル４が、第一ノズル１と同軸で対向するように設けられている。第二ノズル４は、第二アシストガスの噴出し位置調整用にＸＹＺの３軸方向にねじ送り等で移動できる第二の位置制御手段（図示せず）に取り付けられている。第二ノズル４の側面にはアシストガス用配管１７ｂが接続されており、第二のアシストガス源１９ｂから供給される第二のアシストガス５が先端開口部から噴出される。第二アシストガス用配管１７ｂの途中には、圧力調整弁１８ｂ、電磁開閉弁２２ｂが設けられ、第二アシストガス５の圧力と噴射タイミングが制御可能となっている。第一アシストガス３、第二アシストガス５には、窒素や酸素、圧縮空気などを用いることができ、適宜同種類或いは異種類のガスを選定し用いるとよい。

次に、レーザ加工装置１００による両面溝加工方法について図２、３を参照しながら説明する。図２は、薄板材１０を挟んで対向する第一ノズル１と第二ノズル４のＸ方向縦断面図、図３はＹ方向縦断面図である。
まず、前記第一の位置制御手段と第二の位置制御手段により、レーザヘッド１６と第二ノズル４の位置を調整しておく。レーザ光２は、薄板材１０の表面に垂直に照射され厚さ方向中央付近に焦点が合わせられる。この時、第一ノズルの軸芯３１は薄板材１０表面にほぼ直交するようになるが、第二ノズル４の軸心４１を第一ノズル１の軸芯３１と同芯になるように調整することが重要である。各ノズルの先端と薄板材１０面までの距離も重要であり、所定隙間となるように調整する。なお、レーザ光２を薄板材１０の厚さ方向中央部に焦点合わせした時、厚さによっては第一ノズル先端は所定位置とならないこともあるので、第一ノズル１はレーザヘッド１６に対し独立してＺ方向に位置調整可能になるように取り付けられることが望ましい。

溝加工に当たっては、まず電磁弁２２ａ、２２ｂを開放し、圧力調整された第一アシストガス３、第二アシストガス５を走行中の薄板材１０の両面に噴射する。この状態で、外部から加工開始用信号をレーザ発振機１４に入力し、レーザヘッド１６からのレーザ光２を第一ノズル１を通して走行中の薄板材１０表面に照射させる。レーザ光２は薄板材１０の中央付近に焦点が合うように照射されるので、レーザ照射部はほぼ瞬時に表面から裏面まで溶融される。この時、第一アシストガス３が表面に向けて噴射され、第二アシストガスが裏面に向けて噴射されているので、溶融部１１の表面側は第一アシストガス３で表面側にスパッタ２０となって吹き飛ばされ、溶融部１１の裏面側は第二アシストガス５で裏面側にスパッタ２０となって吹き飛ばされる。即ち、図２、３に模式的に示すように、レーザ照射部では表面側と裏面側の両面から溶融金属が除去され両面に凹部１２、１３が形成される。溶融部１１の中央部分が飛ばされずに残すようにすれば、前記凹部１２、１３はつながらず、表面及び裏面に有底溝が形成されることになる。

中央部を残すようにするには、薄板材１０は走行しており前記溶融部１１はレーザ照射範囲から離れて冷やされて凝固するので、薄板材１０の厚さや走行速度ｖに合わせて、第一アシストガス３と第二アシストガスの圧力や流量、特に圧力を適切に調節することで可能となる。具体的な条件は試加工を通じて設定するとよい。本発明においては、溝の形状や位置などは、薄板材の走行速度と、第一アシストガス３と第二アシストガスの圧力、流量でほぼ決まるが、アシストガスの圧力や流量は、圧力調整弁１８ａ、１８ｂや流量調整弁（図示せず）を設けることで精密に制御することができる。また、レーザヘッド１６内部の集光レンズ等の機器（図示せず）は、第一アシストガス３によりスパッタなどの飛散物から守られており、レーザ光２の照射状態はほとんど変動しない。さらに、第二ノズル４は中空貫通構造でよいため、飛散物が侵入しても下方に落下してしまい、飛散物が入り込むことによる第二アシストガス５の圧力や流量の変動はほとんどない。このように、一定の走行速度ｖで移動している薄板材１０に対し、一面からのレーザ光２で溶融部１１を形成し、その両面から精密に制御された第一アシストガス３と第二アシストガス５を噴射して所定量の溶融物を吹き飛ばすので、性状変動が少ない有底溝１２、１３を連続的に形成することができる。

（実施の形態２）
前記実施の形態１で、レーザヘッド１６の先端部に第一ノズル１を取り付けた構成を説明したが、図４に示すようにレーザヘッド１６と第一ノズル１を分離した構成とすることもできる。この場合も、レーザヘッド１６は、レーザ光２が薄板材１０の表面に垂直に照射されるよう配設される。レーザヘッド１６は、実施の形態１におけると同様、内部の機器が飛散物等から保護されることが望ましく、先端部に第一ノズル１と同様の保護ノズル１ａを取り付け、内部機器保護用のアシストガスを噴出すようにすることが望ましい。第一ノズル１は、軸心３１がレーザ光軸を含んで薄板材１０の進行方向（Ｘ方向）に平行な平面（ＸＺ）内にあって進行方向に対して傾斜し、第一アシストガス３が溶融部１１の表面に斜めから噴射されるように配設される。第二ノズルは、薄板材１０を挟んだ裏面側に第一ノズル１と対称となるように配設される。これにより、レーザ光による溶融部１１の表面側と裏面側は、進行方向に沿って同じ方向にスパッタとなって吹き飛ばされるので、両面に同等性状の溝が形成される。なお、溶融部の表面側には第一アシストガス３だけでなく保護用アシストガスも作用するので、保護用アシストガスの配管１７ｃにも圧力調整弁１８ｃ、電磁開閉弁２２ｃを設けることが望ましい。

上述したように、被加工物は、レーザ照射で瞬時に厚さ部分が溶融状態になるような材質と厚さのものであればよく、鋼材だけでなくガラス材なども対象とすることができる。適用可能な厚さは熱伝導率や使用するレーザのエネルギーにより異なるが、鋼板では１ｍｍ以下のものが適している。なお、レーザのエネルギーの大きさによっては、厚さ方向で溶融部の大きさが異なり、両面に形成される溝の幅や形状に違いが生じることがある。例えば、溶融部の表面側面積が大きく裏面側の面積が小さいような場合、表面側の溝は幅も深さも裏面側の溝より大きくなることがあるが、大きな板材から小さな板材を分離するためのスクライビング用溝としては問題ない。なお、上記説明では被加工物の上方からレーザ光を照射するとしたが、下方から照射するようにすることもできる。この場合、下方のレーザヘッド内に設置された集光レンズにドロスが付着し、これにより溶融部の位置が変化して溝形成位置が多少全体的にズレるようになることも考えられるが、両面に形成される溝同士間での性状には変動はない。なお、溶融物を吹き飛ばすのにアシストガスを用いるとして説明したが、水などの液体を用いることもできる。

実施の形態１のレーザ加工装置を用いて、アシストガスの圧力を変えて両面に溝加工を行った。被加工物は厚さ０．６ｍｍのステンレス製長尺材を用い、速度６ｍ／分で走行させ、第一ノズル側から１Ｋｗのレーザ光を、被加工物の表面から０．３ｍｍの位置に焦点を合わせてスポット径０．１５ｍｍで照射した。第一ノズルの先端開口内径は１．７ｍｍ、第二ノズルの先端開口内径は１ｍｍであり、第一アシストガス（第一ＡＧ）、第二アシストガス（第二ＡＧ）はともに窒素ガスを用いた。その結果を表１に示す。

実施例１〜３の溝は、何れもほぼ矩形で表裏の位置ズレは０．０３ｍｍ以内であった。比較例１〜２は、表と裏の溝がつながって貫通溝となった。

実施の形態１におけるレーザ両面溝加工装置の概略構成図である。実施の形態１のレーザ両面溝加工装置による両面に溝加工を説明するための模式図である。上記の溝形成方向からみた断面を示す模式図である。実施の形態２におけるレーザ両面溝加工装置の概略構成図である。

符号の説明

１：第一ノズル、２：レーザ光、３：第一アシストガス、４：第二ノズル、５：第二アシストガス、１０：薄板材、１1：溶融部、１２：表面側溝（凹部）、１３：裏面側溝（凹部）、１４：レーザ発振機、１５：ファイバーケーブル、１６：レーザヘッド、１７：アシストガス配管、１８：圧力調整弁、１９：アシストガス源、２０：スパッタ、２１：レーザ光軸、２２：電磁開閉弁、３１：第一ノズル軸芯、４１：第二ノズル軸芯

Claims

相対的に移動する板状の被加工物にレーザ光を照射して被加工物の表裏面に溝を形成する両面溝加工装置であって、
発振機で励起された一条のレーザ光を被加工物の片面にのみ垂直に照射して、レーザが照射されない他方の面まで達する溶融部を形成するよう配設されたレーザヘッドと、前記被加工物のレーザ照射面側から第一のアシストガスを噴射して、前記溶融部の一部を吹き飛ばしてレーザ照射面側に溝を形成する第一ノズルと、前記被加工物のレーザ照射されない面側から第二のアシストガスを噴射して、前記熔融部の一部を吹き飛ばしてレーザ照射されない面側に溝を形成する第二ノズルと、第一のアシストガスの圧力を調整する第一圧力制御手段と、第二のアシストガスの圧力を調整する第二圧力制御手段と、第一ノズルの位置を調整する第一位置制御手段と、第二ノズルの位置を調整する第二位置制御手段とを有することを特徴とするレーザによる両面溝加工装置。
前記第一ノズルと第二ノズルは、その軸心がレーザ光軸を含んだ移動方向に平行な平面内にあって、被加工物の表裏面を挟んで対称に配設されていることを特徴とする請求項１
記載のレーザによる両面溝加工装置。
前記レーザヘッドの先端部にアシストガスを噴出して前記レーザヘッド内部を保護する保護ノズルが取り付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザによる両面溝加工装置。
前記第一ノズルはその軸心が前記レーザ光の光軸と同軸になるように前記レーザヘッドの先端部に取り付けられ、前記第二ノズルはその軸心が前記第一ノズルと同軸になるように配設されていることを特徴とする請求項１記載のレーザによる両面溝加工装置。
前記第一ノズルは、前記レーザヘッドに対し独立に位置調整可能なことを特徴とする請求項４記載のレーザによる両面溝加工装置。
相対的に移動する板状の被加工物にレーザ光を照射して被加工物の表裏面に溝を形成する両面溝加工方法において、
被加工物の片面にのみ一条のレーザ光を垂直に照射して、レーザが照射されない他方の面まで達する溶融部を形成するとともに、前記被加工物のレーザ照射面およびレーザ照射されない面の両面に対して、移動方向に平行で対称な方向からアシストガスを吹き付けて、前記熔融部の一部を吹き飛ばして溝を形成することを特徴とするレーザによる両面溝加工方法。