JP4781722B2 - レーザピアシング方法及び加工装置 - Google Patents
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この発明は、レーザ切断機による被加工材へのピアシング方法及び該ピアシング方法を用いた加工装置に関する。
従来、例えば鋼鈑等の被加工材をレーザ切断機で切断加工する場合、切断加工の起点となる位置にレーザピアシングによりφ数ミリの小さな貫通孔を設け、そこを起点として切断が行なわれる。
この貫通孔は、材料歩留を低下させずに、被加工材の仕上り精度を高くするうえで重要であり、後工程の切断加工に支障がない範囲で可能な限り小さく、かつ所望の寸法に形成されることが望ましい。
この貫通孔は、材料歩留を低下させずに、被加工材の仕上り精度を高くするうえで重要であり、後工程の切断加工に支障がない範囲で可能な限り小さく、かつ所望の寸法に形成されることが望ましい。
図７に示すのは、レーザ切断機のノズル部の概略構成を示したものであり、ノズル部１００は、ノズル本体１０２と、集光レンズ１０４とを備えており、ノズル本体１０２は筒状体に形成され、その基端部１０２ａから先端側の開口部１０２ｂに向けて光が通過可能とされ、基端部１０２ａ側には集光レンズ１０４が配置されている。
また、ノズル本体１０２には、照射したレーザ光により被加工材Ｗを溶融、蒸発させる際に、酸化反応により被加工材Ｗを燃焼させるためのアシストガスＧをノズル本体１０２に導入するための導入孔１０３が設けられている。
また、ノズル本体１０２には、照射したレーザ光により被加工材Ｗを溶融、蒸発させる際に、酸化反応により被加工材Ｗを燃焼させるためのアシストガスＧをノズル本体１０２に導入するための導入孔１０３が設けられている。
上記ノズル部１００を用いて、被加工材Ｗにピアシングする場合、被加工材Ｗにノズル本体１０２の開口部１０２ｂを対向させ、導入孔１０３からはノズル本体１０２内部にアシストガスＧを導入し、導入されたアシストガスＧは、ノズル本体１０２の開口部１０２ｂから噴射され、被加工材Ｗの加工部を被覆する。
次いで、レーザ光Ｌ１が照射されると、集光レンズ１０４によって、被加工材Ｗの表面近傍に焦点をもつレーザ光Ｌ２に集光される。このようにして、被加工材Ｗの表面近傍の焦点に集光したレーザ光Ｌ２は被加工材Ｗを溶融、蒸発させるとともに開口部１０２ｂから噴出されたアシストガスＧにより酸化、燃焼されるとともに、アシストガスＧの噴流によって溶融物が除去される。このような、レーザ光によるピアシングを行なう技術として、例えば、特許文献１に示すようなものが開示されている。
特開２００１−４７２６８号公報
次いで、レーザ光Ｌ１が照射されると、集光レンズ１０４によって、被加工材Ｗの表面近傍に焦点をもつレーザ光Ｌ２に集光される。このようにして、被加工材Ｗの表面近傍の焦点に集光したレーザ光Ｌ２は被加工材Ｗを溶融、蒸発させるとともに開口部１０２ｂから噴出されたアシストガスＧにより酸化、燃焼されるとともに、アシストガスＧの噴流によって溶融物が除去される。このような、レーザ光によるピアシングを行なう技術として、例えば、特許文献１に示すようなものが開示されている。
しかしながら、ピアシングに際しては、被加工材Ｗにおいて過剰な酸化、燃焼反応が起こるとピアシング孔径が大きくなり、材料歩留が低下する。一方、例えばレーザ光をパルスの形態で発振してピアシングした場合、ピアシング孔径の精度は向上するものの加工効率が著しく低下するため、高い加工効率を維持しつつ、所望の寸法のピアシング孔を高精度に加工できるレーザピアシング方法及び加工装置が望まれていた。
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、鋼鈑等の被加工材にピアシングを行なう場合に、ピアシング孔径が大きくなるのを防止しつつ、高い加工効率で所望の径のピアシング孔を形成し、製造コストを削減することができるレーザピアシング方法及び加工装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１記載の発明は、ノズルから噴射したアシストガスによって金属板加工部を覆い、該加工部にレーザ光を照射することにより金属板にピアシングを行なうレーザピアシング方法であって、前記金属板加工部の板厚に対応して、前記アシストガスの酸素濃度Ｙを前記加工部の酸化・燃焼が抑制される以下の範囲に調整するとともに、前記アシストガスの噴射圧を以下の範囲に調整してレーザ光を照射することを特徴とする。
前記酸素濃度Ｙを、
０＜ｔ＜８ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜９９．９
８≦ｔ＜１３．５ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ≦−１．６５ｔ＋１１１．２
１３．５≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
５．２８ｔ−７１．２８≦Ｙ≦−１．６５ｔ＋１１１．２
かつ、前記アシストガスの噴射圧Ｐを、
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 ０．０１５≦Ｐ≦０．０５
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
０．００２ｔ−０．０１１≦Ｐ≦０．００２ｔ＋０．０２４
ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）、Ｙ；酸素濃度（ｖｏｌ％）、Ｐ；アシストガスの噴射圧（ＭＰａ）
請求項１記載の発明は、ノズルから噴射したアシストガスによって金属板加工部を覆い、該加工部にレーザ光を照射することにより金属板にピアシングを行なうレーザピアシング方法であって、前記金属板加工部の板厚に対応して、前記アシストガスの酸素濃度Ｙを前記加工部の酸化・燃焼が抑制される以下の範囲に調整するとともに、前記アシストガスの噴射圧を以下の範囲に調整してレーザ光を照射することを特徴とする。
前記酸素濃度Ｙを、
０＜ｔ＜８ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜９９．９
８≦ｔ＜１３．５ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ≦−１．６５ｔ＋１１１．２
１３．５≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
５．２８ｔ−７１．２８≦Ｙ≦−１．６５ｔ＋１１１．２
かつ、前記アシストガスの噴射圧Ｐを、
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 ０．０１５≦Ｐ≦０．０５
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
０．００２ｔ−０．０１１≦Ｐ≦０．００２ｔ＋０．０２４
ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）、Ｙ；酸素濃度（ｖｏｌ％）、Ｐ；アシストガスの噴射圧（ＭＰａ）
この発明に係るレーザピアシング方法によれば、ノズルから噴射されるアシストガスの酸素濃度が被加工材である金属板加工部の板厚に応じて決定され、その酸素濃度にてピアシングが行なわれるので、各被加工材の板厚において、材料歩留や品質面で良好な径のピアシング孔を容易かつ確実に形成することができる。
また、レーザ光を連続的に照射した場合においても、過剰な酸化、燃焼が生じないようにアシストガスの酸素濃度を調整することで、連続照射による高い生産性を確保しつつ、孔径精度が高いピアシング孔を容易かつ確実に形成することができる。
また、レーザ光を連続的に照射した場合においても、過剰な酸化、燃焼が生じないようにアシストガスの酸素濃度を調整することで、連続照射による高い生産性を確保しつつ、孔径精度が高いピアシング孔を容易かつ確実に形成することができる。
また、アシストガスの酸素濃度に加えてアシストガスの噴射圧が被加工材の板厚に応じて決定され、その酸素濃度及び噴射圧にてピアシングが行なわれるので、ピアシングが被加工材の厚さ方向の加工終端部近傍まで進行した場合においても、加工部位までアシストガスの噴射エネルギーが充分に到達して、溶融物がピアシング孔から充分に排除され、ピアシング加工がスムースに行なわれ、セルフバーニングが抑制されるので、材料歩留や品質面で良好な径のピアシング孔を容易かつ確実に形成することができる。
また、レーザ光を被加工材に連続照射する際に、被加工材である板厚に応じて上記数式で与えられる酸素濃度Ｙのアシストガスを上記噴射圧Ｐにて噴射させつつピアシングを行なうため、過剰な酸化、燃焼反応の発生が抑制される。
その結果、ピアシング孔径が従来に比較して約２０％小さく、板厚に対して約１／３の良好な径のピアシング孔を容易かつ確実に形成することができる。また、形成されるピアシング孔径が小さいのでピアシング孔から飛散するノロの量が抑制され、ノロ付着による切断ミスやノロに起因する火災発生の虞がなくなるので、従来、板厚１２ｍｍまでしか実現できなかった連続照射によるピアシングの自動運転を無監視にて、板厚約１６ｍｍまで行なうことができる。
その結果、ピアシング孔径が従来に比較して約２０％小さく、板厚に対して約１／３の良好な径のピアシング孔を容易かつ確実に形成することができる。また、形成されるピアシング孔径が小さいのでピアシング孔から飛散するノロの量が抑制され、ノロ付着による切断ミスやノロに起因する火災発生の虞がなくなるので、従来、板厚１２ｍｍまでしか実現できなかった連続照射によるピアシングの自動運転を無監視にて、板厚約１６ｍｍまで行なうことができる。
また、噴射圧Ｐを上記の下限以上とすることで、ピアシング孔内から溶融物が充分に排除されピアシング孔内に溶融物が留まるのが低減されるので、被加工材への溶融金属からの熱伝導が増大が抑制され、加工効率を向上させつつセルフバーニングが抑制される。また、噴射圧Ｐを上記上限以下とすることで、ピアシング孔内における過剰な酸化反応と、それに伴うノロの飛散量の増大が抑制されるので、所望の孔径のピアシング孔を被加工材の歩留りと加工効率を向上させつつ形成することができる。
また、鋼板等の被加工材にピアシングを行ない、その周囲を切断除去して小穴を形成するいわゆる小穴切断では、連続照射によって小穴切断をする場合、切断可能な小穴の直径は、一般的に板厚×約１．５倍以上であるが、小穴切断の起点となるピアシング孔の孔径を板厚の１／３まで小さくすると、レーザ光連続照射にて切断可能な小穴直径を板厚×約１．３倍まで小さくすることができる。
その結果、直径が板厚の１．３倍から１．５倍までの小穴を明ける場合、従来、レーザ光をパルス照射し、連続照射に比べて約２０〜３０倍の加工時間を要していたが、ピアシング孔径を板厚の１／３にすることにより、直径が板厚の１．３倍から１．５倍までの小穴においても連続照射による加工が可能となり、加工時間と加工コストを大幅に削減することができる。
その結果、直径が板厚の１．３倍から１．５倍までの小穴を明ける場合、従来、レーザ光をパルス照射し、連続照射に比べて約２０〜３０倍の加工時間を要していたが、ピアシング孔径を板厚の１／３にすることにより、直径が板厚の１．３倍から１．５倍までの小穴においても連続照射による加工が可能となり、加工時間と加工コストを大幅に削減することができる。
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であって、
前記酸素濃度Ｙが、
０＜ｔ＜１２ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜８５
１２≦ｔ≦２２．７６ｍｍの範囲において、
５．７１ｔ−６８.５２≦Ｙ≦−２．１９ｔ＋１１１．２８
かつ、前記アシストガスの噴射圧Ｐが、
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 ０．０１５≦Ｐ≦０．０５
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
０．００２ｔ−０．０１１≦Ｐ≦０．００２ｔ＋０．０２４
ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）、Ｙ；酸素濃度（ｖｏｌ％）、Ｐ；アシストガスの噴射圧（ＭＰａ）
であることを特徴とする。
前記酸素濃度Ｙが、
０＜ｔ＜１２ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜８５
１２≦ｔ≦２２．７６ｍｍの範囲において、
５．７１ｔ−６８.５２≦Ｙ≦−２．１９ｔ＋１１１．２８
かつ、前記アシストガスの噴射圧Ｐが、
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 ０．０１５≦Ｐ≦０．０５
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
０．００２ｔ−０．０１１≦Ｐ≦０．００２ｔ＋０．０２４
ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）、Ｙ；酸素濃度（ｖｏｌ％）、Ｐ；アシストガスの噴射圧（ＭＰａ）
であることを特徴とする。
この発明に係るレーザピアシング方法によれば、レーザ光を被加工材に連続照射する際に、被加工材である板厚に応じて上記数式で与えられる酸素濃度Ｙのアシストガスを上記噴射圧Ｐにて噴射させつつピアシングを行なうため、過剰な酸化、燃焼反応の発生が抑制され、ピアシング孔径が、従来に比較して約５０％小さく、板厚に対して約１／５の良好な径のピアシング孔を容易かつ確実に形成することができる。
また、形成されるピアシング孔径が小さいのでピアシング孔から飛散するノロの量が抑制されるため、連続照射によるピアシングの自動運転を無監視にて、板厚約２２ｍｍまで行なうことができる。
また、ピアシング孔径を板厚の１／５まで小さくすると、板厚×約１．０倍以上の直径の小穴がレーザ光の連続照射にて切断可能となり、加工時間と加工コストを大幅に削減することができる。
また、形成されるピアシング孔径が小さいのでピアシング孔から飛散するノロの量が抑制されるため、連続照射によるピアシングの自動運転を無監視にて、板厚約２２ｍｍまで行なうことができる。
また、ピアシング孔径を板厚の１／５まで小さくすると、板厚×約１．０倍以上の直径の小穴がレーザ光の連続照射にて切断可能となり、加工時間と加工コストを大幅に削減することができる。
請求項３記載の発明は、請求項１に記載のレーザピアシング方法であって、
前記酸素濃度Ｙが、
０＜ｔ＜１２．０ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜１０
１２．０≦ｔ＜１３．３ｍｍの範囲において、
０＜Ｙ≦−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１２７．２
１３．３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１４７．２≦Ｙ≦−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１２７．２
かつ、前記アシストガスの噴射圧Ｐが、
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 ０．０１５≦Ｐ≦０．０５
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
０．００２ｔ−０．０１１≦Ｐ≦０．００２ｔ＋０．０２４
ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）、Ｙ；酸素濃度（ｖｏｌ％）、Ｐ；アシストガスの噴射圧（ＭＰａ）
であることを特徴とする。
前記酸素濃度Ｙが、
０＜ｔ＜１２．０ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜１０
１２．０≦ｔ＜１３．３ｍｍの範囲において、
０＜Ｙ≦−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１２７．２
１３．３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１４７．２≦Ｙ≦−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１２７．２
かつ、前記アシストガスの噴射圧Ｐが、
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 ０．０１５≦Ｐ≦０．０５
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
０．００２ｔ−０．０１１≦Ｐ≦０．００２ｔ＋０．０２４
ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）、Ｙ；酸素濃度（ｖｏｌ％）、Ｐ；アシストガスの噴射圧（ＭＰａ）
であることを特徴とする。
この発明に係るレーザピアシング方法によれば、酸素濃度Ｙ及び噴射圧Ｐを請求項５に示した範囲に調整することにより、それぞれの板厚において孔径が略最小となるピアシング孔を、容易かつ確実に形成することができる。
それぞれの板厚において、ピアシング加工が安定し不良が発生しない範囲でピアシング孔径が略最小となる酸素濃度Ｙを数式にすると、
アシストガスＧの酸素濃度Ｙは、
０＜ｔ＜１２．０ｍｍの範囲において、 Ｙ＝０
１２．０≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
Ｙ＝−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１３７．２
との関係が得られ、酸素濃度Ｙをこの数式よりも増加させてゆくと、ピアシング加工は安定するがピアシング孔径は大きくなり、酸素濃度Ｙをこの数式よりも減少させると、ピアシング孔径は小さくなるがピアシング加工は不安定となる。
一方で、レーザ発振器の性能や材質をはじめとする被加工材の個体差、レーザ発振器への塵埃付着等経時変化等の影響を考慮した場合、アシストガスの酸素濃度を上記数式の、−１０％〜＋１０％の範囲に調整することで、略最小孔径のピアシング孔を加工することができる。
それぞれの板厚において、ピアシング加工が安定し不良が発生しない範囲でピアシング孔径が略最小となる酸素濃度Ｙを数式にすると、
アシストガスＧの酸素濃度Ｙは、
０＜ｔ＜１２．０ｍｍの範囲において、 Ｙ＝０
１２．０≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
Ｙ＝−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１３７．２
との関係が得られ、酸素濃度Ｙをこの数式よりも増加させてゆくと、ピアシング加工は安定するがピアシング孔径は大きくなり、酸素濃度Ｙをこの数式よりも減少させると、ピアシング孔径は小さくなるがピアシング加工は不安定となる。
一方で、レーザ発振器の性能や材質をはじめとする被加工材の個体差、レーザ発振器への塵埃付着等経時変化等の影響を考慮した場合、アシストガスの酸素濃度を上記数式の、−１０％〜＋１０％の範囲に調整することで、略最小孔径のピアシング孔を加工することができる。
請求項４記載の発明は、ノズルから噴射したアシストガスによって金属板加工部を覆い、該加工部にレーザ光を照射することにより金属板にレーザピアシングを行う加工装置であって、板厚入力部と、前記アシストガスの酸素濃度を前記加工部の酸化・燃焼が抑制される以下の範囲に、前記アシストガスの噴射圧を以下の範囲に調整する調整手段と、を備え、
前記板厚入力部から入力された板厚に対応して前記アシストガスの酸素濃度及び噴射圧を自動調整することを特徴とする加工装置。
前記酸素濃度Ｙを、
０＜ｔ＜８ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜９９．９
８≦ｔ＜１３．５ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ≦−１．６５ｔ＋１１１．２
１３．５≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
５．２８ｔ−７１．２８≦Ｙ≦−１．６５ｔ＋１１１．２
かつ、前記アシストガスの噴射圧Ｐを、
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 ０．０１５≦Ｐ≦０．０５
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
０．００２ｔ−０．０１１≦Ｐ≦０．００２ｔ＋０．０２４
ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）、Ｙ；酸素濃度（ｖｏｌ％）、Ｐ；アシストガスの噴射圧（ＭＰａ）
前記板厚入力部から入力された板厚に対応して前記アシストガスの酸素濃度及び噴射圧を自動調整することを特徴とする加工装置。
前記酸素濃度Ｙを、
０＜ｔ＜８ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜９９．９
８≦ｔ＜１３．５ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ≦−１．６５ｔ＋１１１．２
１３．５≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
５．２８ｔ−７１．２８≦Ｙ≦−１．６５ｔ＋１１１．２
かつ、前記アシストガスの噴射圧Ｐを、
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 ０．０１５≦Ｐ≦０．０５
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
０．００２ｔ−０．０１１≦Ｐ≦０．００２ｔ＋０．０２４
ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）、Ｙ；酸素濃度（ｖｏｌ％）、Ｐ；アシストガスの噴射圧（ＭＰａ）
この発明に係る加工装置によれば、ノズルから噴射されるアシストガスの酸素濃度が被加工材である金属板加工部の板厚に応じて調整され、ピアシングが行なわれるので、各被加工材の板厚において、材料歩留や品質面で良好な径のピアシング孔を容易かつ確実に形成することができる。
また、レーザ光を連続的に照射した場合においても、過剰な酸化、燃焼が生じないようにアシストガスの酸素濃度を調整することで、連続照射による高い生産性を確保しつつ、孔径精度が高いピアシング孔を、熟練技術者に依存せずに容易かつ確実に行なうことができる。
また、レーザ光を連続的に照射した場合においても、過剰な酸化、燃焼が生じないようにアシストガスの酸素濃度を調整することで、連続照射による高い生産性を確保しつつ、孔径精度が高いピアシング孔を、熟練技術者に依存せずに容易かつ確実に行なうことができる。
また、板厚入力部から入力された板厚に対応してアシストガスの酸素濃度に加えてアシストガスの噴射圧が被加工材の板厚に応じて自動調整され、その酸素濃度及び噴射圧にてピアシングが行なわれるので、ピアシングが被加工材の厚さ方向の加工終端部近傍まで進行した場合においても、加工部位までアシストガスの噴射エネルギーが充分に到達して、溶融物がピアシング孔から充分に排除され、ピアシング加工がスムースに行なわれ、セルフバーニングが抑制されるので、被加工材の板厚に応じて、材料歩留や品質面で良好な径のピアシング孔が容易かつ確実に形成され、また、連続照射による高い加工効率のピアシングを、熟練技術者によらなくても、容易かつ確実に行なうことができる。
また、レーザ光を被加工材に連続照射する際に、被加工材である板厚に応じて上記数式で与えられる酸素濃度Ｙのアシストガスを噴射圧Ｐにて噴射させつつピアシングを行なうため、過剰な酸化、燃焼反応の発生が抑制され、ピアシング孔径が、従来に比較して約２０％小さく、板厚に対して約１／３の良好な径のピアシング孔を容易かつ確実に形成することができる。
また、形成されるピアシング孔径が小さいのでピアシング孔から飛散するノロの量が抑制され、その結果、ノロ付着による切断ミスやノロに起因する火災発生の虞がなくなり、従来、板厚１２ｍｍまでしか実現できなかった連続照射によるピアシングの自動運転を、無監視にて、板厚約１６ｍｍまで行なうことができる。
また、形成されるピアシング孔径が小さいのでピアシング孔から飛散するノロの量が抑制され、その結果、ノロ付着による切断ミスやノロに起因する火災発生の虞がなくなり、従来、板厚１２ｍｍまでしか実現できなかった連続照射によるピアシングの自動運転を、無監視にて、板厚約１６ｍｍまで行なうことができる。
また、噴射圧Ｐを上記の下限以上とすることで、ピアシング孔内から溶融物が充分に排除されピアシング孔内に溶融物が留まるのが低減されるので、被加工材への溶融金属からの熱伝導が増大が抑制され、加工効率を向上させつつセルフバーニングが抑制される。また、噴射圧Ｐを上記上限以下とすることで、ピアシング孔内における過剰な酸化反応と、それに伴うノロの飛散量の増大が抑制されるので、所望の孔径のピアシング孔を被加工材の歩留りと加工効率を向上させつつ形成することができる。
また、ピアシング孔径を板厚の１／３まで小さくすると、直径が板厚×約１．３倍までの小穴がレーザ光の連続照射にて切断可能となり、その結果、加工時間と加工コストを大幅に削減することができる。
また、ピアシング孔径を板厚の１／３まで小さくすると、直径が板厚×約１．３倍までの小穴がレーザ光の連続照射にて切断可能となり、その結果、加工時間と加工コストを大幅に削減することができる。
請求項５記載の発明は、請求項４に記載の加工装置であって、前記酸素濃度Ｙを、
０＜ｔ＜１２ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜８５
１２≦ｔ≦２２．７６ｍｍの範囲において、
５．７１ｔ−６８.５２≦Ｙ≦−２．１９ｔ＋１１１．２８
かつ、前記アシストガスの噴射圧Ｐを、
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 ０．０１５≦Ｐ≦０．０５
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
０．００２ｔ−０．０１１≦Ｐ≦０．００２ｔ＋０．０２４
ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）、Ｙ；酸素濃度（ｖｏｌ％）、Ｐ；アシストガスの噴射圧（ＭＰａ）
に調整することを特徴とする。
０＜ｔ＜１２ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜８５
１２≦ｔ≦２２．７６ｍｍの範囲において、
５．７１ｔ−６８.５２≦Ｙ≦−２．１９ｔ＋１１１．２８
かつ、前記アシストガスの噴射圧Ｐを、
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 ０．０１５≦Ｐ≦０．０５
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
０．００２ｔ−０．０１１≦Ｐ≦０．００２ｔ＋０．０２４
ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）、Ｙ；酸素濃度（ｖｏｌ％）、Ｐ；アシストガスの噴射圧（ＭＰａ）
に調整することを特徴とする。
この発明に係る加工装置によれば、レーザ光を被加工材に連続照射する際に、被加工材である板厚に応じて上記数式で与えられる酸素濃度Ｙのアシストガスを噴射圧Ｐにて噴射させつつピアシングを行なうため、過剰な酸化、燃焼反応の発生が抑制され、ピアシング孔径が、従来に比較して約５０％小さく、板厚に対して約１／５の良好な径のピアシング孔を容易かつ確実に形成することができる。
また、形成されるピアシング孔径が小さいのでピアシング孔から飛散するノロの量が抑制されるため、連続照射によるピアシングの自動運転を、無監視にて板厚約２２ｍｍまで行なうことができる。
また、ピアシング孔径を板厚の１／５まで小さくすると、板厚×約１．０倍以上の直径の小穴がレーザ光の連続照射にて切断可能となり、加工時間と加工コストを大幅に削減することができる。
また、形成されるピアシング孔径が小さいのでピアシング孔から飛散するノロの量が抑制されるため、連続照射によるピアシングの自動運転を、無監視にて板厚約２２ｍｍまで行なうことができる。
また、ピアシング孔径を板厚の１／５まで小さくすると、板厚×約１．０倍以上の直径の小穴がレーザ光の連続照射にて切断可能となり、加工時間と加工コストを大幅に削減することができる。
請求項６記載の発明は、請求項４に記載の加工装置であって、
前記酸素濃度Ｙを、
０＜ｔ＜１２．０ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜１０
１２．０≦ｔ＜１３．３ｍｍの範囲において、
０＜Ｙ≦−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１２７．２
１３．３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１４７．２≦Ｙ≦−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１２７．２
かつ、前記アシストガスの噴射圧Ｐを、
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 ０．０１５≦Ｐ≦０．０５
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
０．００２ｔ−０．０１１≦Ｐ≦０．００２ｔ＋０．０２４
ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）、Ｙ；酸素濃度（ｖｏｌ％）、Ｐ；アシストガスの噴射圧（ＭＰａ）
に調整することを特徴とする。
前記酸素濃度Ｙを、
０＜ｔ＜１２．０ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜１０
１２．０≦ｔ＜１３．３ｍｍの範囲において、
０＜Ｙ≦−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１２７．２
１３．３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１４７．２≦Ｙ≦−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１２７．２
かつ、前記アシストガスの噴射圧Ｐを、
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 ０．０１５≦Ｐ≦０．０５
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
０．００２ｔ−０．０１１≦Ｐ≦０．００２ｔ＋０．０２４
ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）、Ｙ；酸素濃度（ｖｏｌ％）、Ｐ；アシストガスの噴射圧（ＭＰａ）
に調整することを特徴とする。
この発明に係る加工装置によれば、酸素濃度Ｙ及び噴射圧Ｐを請求項１０に示した範囲に調整することにより、それぞれの板厚において孔径が略最小となるピアシング孔を、容易かつ確実に形成することができる。
本発明に係るレーザピアシング方法及び加工装置によれば、例えば鋼鈑等の被加工材にピアシングを行なう場合に、過剰な酸化反応を抑制する範囲で酸素濃度が決定されるとともに被加工材の厚さ方向の加工終端部近傍でも噴射エネルギーが到達して溶融物が充分に排除されるように噴射圧が決定されるので、高効率かつ高い精度で所望の孔径のピアシング孔を形成し、製造コストを削減することができる。
以下、図面を参照し、この発明の一実施形態について説明する。
図１は、この発明に係る加工装置の概略図であり、符号１は加工装置を、符号１０は酸素濃度調整部（調整手段）を示している。
加工装置１は、酸素濃度調整部１０と、加工データ入力部３０と、酸素供給源４１と、窒素供給源４３と、レーザ発振器４５と、ノズル４７とを備えており、酸素濃度調整部１０は、加工データ入力部３０から入力された加工データに基づいて、酸素供給源４１及び窒素供給源４３から供給される酸素及び窒素の量を調整及び混合することで、所望のピアシング孔径を形成するのに適した酸素濃度のアシストガスＧを生成し、ノズル４７に供給するようになっている。
図１は、この発明に係る加工装置の概略図であり、符号１は加工装置を、符号１０は酸素濃度調整部（調整手段）を示している。
加工装置１は、酸素濃度調整部１０と、加工データ入力部３０と、酸素供給源４１と、窒素供給源４３と、レーザ発振器４５と、ノズル４７とを備えており、酸素濃度調整部１０は、加工データ入力部３０から入力された加工データに基づいて、酸素供給源４１及び窒素供給源４３から供給される酸素及び窒素の量を調整及び混合することで、所望のピアシング孔径を形成するのに適した酸素濃度のアシストガスＧを生成し、ノズル４７に供給するようになっている。
酸素濃度調整部１０は、処理部１２と、データテーブル１３と、酸素流量調整回路１４と、窒素流量調整回路１５と、混合器１６と、圧力調整弁２０とを備えており、処理部１２は、データテーブル１３、酸素流量調整回路１４、窒素流量調整回路１５、圧力調整弁２０と、それぞれ信号ケーブル２５、２６、２７、２８を介して接続されている。
また、データテーブル１３には、酸素流量調整回路１４、窒素流量調整回路１５、及び圧力調整弁２０において所定の酸素濃度及び噴射圧のアシストガスＧを得るための制御データが格納されている。
また、データテーブル１３には、酸素流量調整回路１４、窒素流量調整回路１５、及び圧力調整弁２０において所定の酸素濃度及び噴射圧のアシストガスＧを得るための制御データが格納されている。
また、酸素流量調整回路１４及び窒素流量調整回路１５は、それぞれ酸素供給源４１及び窒素供給源４３に接続され、酸素供給源４１及び窒素供給源４３は、それぞれ液化酸素及び液化窒素を貯留するとともに、これら液化酸素及び液化窒素を気化して酸素流量調整回路１４及び窒素流量調整回路１５に供給するようになっている。
酸素流量調整回路１４は、マスフローコントローラ１８と、配管とを備えるとともに、酸素供給源４１と混合器１６との間を接続し、酸素供給源４１から配管を通じて供給された酸素の流量をマスフローコントローラ１８で調整するようになっている。
窒素流量調整回路１５は、マスフローコントローラ１９と、配管とを備えるとともに、窒素供給源４３と混合器１６との間を接続し、窒素供給源４３から配管を通じて供給された窒素の流量をマスフローコントローラ１９で調整するようになっている。
窒素流量調整回路１５は、マスフローコントローラ１９と、配管とを備えるとともに、窒素供給源４３と混合器１６との間を接続し、窒素供給源４３から配管を通じて供給された窒素の流量をマスフローコントローラ１９で調整するようになっている。
また、マスフローコントローラ１８、１９で流量調整された酸素及び窒素は、混合器１６に供給、混合され、所定の酸素濃度のアシストガスＧに生成され、供給配管１７を介してノズル４７に供給されるようになっている。ノズル４７において所定の噴射圧ＰのアシストガスＧを得るために、処理部１２からの制御データによって圧力調整弁２０で噴射圧Ｐに対応した所定の圧力に調整されるようになっている。この実施の形態において、ノズル４７は、噴射ノズル孔に対して充分大きな容積のアシストガスＧの貯留部を備えており、ノズル噴射孔におけるアシストガスＧの噴射圧Ｐは、圧力調整弁２０から供給されたアシストガスＧの圧力と略同等に保持されるようになっている。
この実施の形態において、酸素流量調整回路１４及び窒素流量調整回路１５を制御する制御データは、マスフローコントローラ１８、１９の開度データにより構成されている。
この実施の形態において、酸素流量調整回路１４及び窒素流量調整回路１５を制御する制御データは、マスフローコントローラ１８、１９の開度データにより構成されている。
加工データ入力部３０は、板厚入力部３１と、ピアシング孔サイズ入力部３２と、圧力モード入力部３３とを備えており、これらはそれぞれデータケーブル３５、３６、３７を介して処理部１２に接続されている。
板厚入力部３１は、被加工材Ｗである、例えば鋼板（金属板加工部、以下同じ）の板厚ｔに関するデータを入力するようになっている。
ピアシング孔サイズ入力部３２は、ピアシングするための加工データのうち、鋼板Ｗの板厚ｔに対するピアシング孔サイズ（例えば、板厚ｔに対するピアシング孔径の大きさに関するデータ、例えば、板厚の１／３、１／５、その板厚における最小孔径）等のデータが入力されるようになっている。
圧力モード入力部３３は、ピアシングに際して、ピアシング孔内の溶融物をピアシング孔の外部に排出させて溶融物が残らないようにするために、アシストガスＧのノズル４７への供給圧力を高く（低く）して、アシストガスＧをノズル４７から高い（低い）噴射圧Ｐで噴射させる場合に、指示を入力し、処理部１２に対して指示データを送信するようになっている。
板厚入力部３１は、被加工材Ｗである、例えば鋼板（金属板加工部、以下同じ）の板厚ｔに関するデータを入力するようになっている。
ピアシング孔サイズ入力部３２は、ピアシングするための加工データのうち、鋼板Ｗの板厚ｔに対するピアシング孔サイズ（例えば、板厚ｔに対するピアシング孔径の大きさに関するデータ、例えば、板厚の１／３、１／５、その板厚における最小孔径）等のデータが入力されるようになっている。
圧力モード入力部３３は、ピアシングに際して、ピアシング孔内の溶融物をピアシング孔の外部に排出させて溶融物が残らないようにするために、アシストガスＧのノズル４７への供給圧力を高く（低く）して、アシストガスＧをノズル４７から高い（低い）噴射圧Ｐで噴射させる場合に、指示を入力し、処理部１２に対して指示データを送信するようになっている。
また、処理部１２は、加工データ入力部３０で入力され送信された、板厚ｔに関するデータ、ピアシング孔サイズに関するデータ、アシストガスＧの噴射圧に関する指示データをもとに、ピアシングする板厚ｔの鋼板Ｗにおいて所望のピアシング孔径を得るために適したアシストガスＧの酸素濃度を演算し、信号ケーブル２５を介してデータテーブル１３から、所定の酸素濃度のアシストガスＧを得るために必要な酸素流量調整回路１４及び窒素流量調整回路１５の制御データを取得するようになっている。
また、処理部１２は、圧力モード入力部３４にアシストガスＧの圧力調整に関する指示が入力された場合、圧力モード入力部３４からの信号によって、板厚入力部３１から入力された被加工材Ｗの板厚ｔに対応した噴射圧ＰのアシストガスＧをノズル４７から噴射させるために、該噴射圧Ｐに対応した圧力のアシストガスＧを圧力調整弁２０経由でノズル４７に供給するための制御データをデータテーブル１３から取得するとともに、信号ケーブル２８を介して圧力調整弁２０に指示するようになっている。
次に、この実施の形態の加工装置１の作用について説明する。
まず、加工データ入力部３０の板厚入力部３１、ピアシング孔サイズ入力部３２、圧力モード入力部３３に、被加工材Ｗに加工したいピアシング孔サイズに関するデータ、例えば、板厚ｔ、板厚ｔの１／３、１／５等の板厚ｔに対するピアシング孔サイズに関する数値データ、また必要に応じて噴射圧Ｐに関する指示を入力する。これらは、それぞれデータケーブル３５、３６、３７を介して処理部１２に送信される。
まず、加工データ入力部３０の板厚入力部３１、ピアシング孔サイズ入力部３２、圧力モード入力部３３に、被加工材Ｗに加工したいピアシング孔サイズに関するデータ、例えば、板厚ｔ、板厚ｔの１／３、１／５等の板厚ｔに対するピアシング孔サイズに関する数値データ、また必要に応じて噴射圧Ｐに関する指示を入力する。これらは、それぞれデータケーブル３５、３６、３７を介して処理部１２に送信される。
処理部１２は、送信されたこれらピアシングデータと、予め与えられた数式に基づいて、該ピアシングに適したアシストガスＧの酸素濃度Ｙ及び噴射圧Ｐを算出する。
入力された板厚ｔの値、及びピアシング孔サイズ情報に関して適用する数式は、例えば以下のとおりである。
例えば、ピアシング孔径を板厚の１／３以下とする場合については、
酸素濃度Ｙを、
０＜ｔ＜８ｍｍの範囲において、
０＜Ｙ＜９９．９ ・・・（１−１）
８≦ｔ＜１３．５ｍｍの範囲において、
０＜Ｙ≦−１．６５ｔ＋１１１．２ ・・・（１−２）
１３．５≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
５．２８ｔ−７１．２８≦Ｙ≦−１．６５ｔ＋１１１．２ ・・・（１−３）
ここで、Ｙ；酸素濃度（ｖｏｌ％）、ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）（以下、同じ）
入力された板厚ｔの値、及びピアシング孔サイズ情報に関して適用する数式は、例えば以下のとおりである。
例えば、ピアシング孔径を板厚の１／３以下とする場合については、
酸素濃度Ｙを、
０＜ｔ＜８ｍｍの範囲において、
０＜Ｙ＜９９．９ ・・・（１−１）
８≦ｔ＜１３．５ｍｍの範囲において、
０＜Ｙ≦−１．６５ｔ＋１１１．２ ・・・（１−２）
１３．５≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
５．２８ｔ−７１．２８≦Ｙ≦−１．６５ｔ＋１１１．２ ・・・（１−３）
ここで、Ｙ；酸素濃度（ｖｏｌ％）、ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）（以下、同じ）
また、ピアシング孔径を板厚の１／５以下とする場合については、
酸素濃度Ｙを、
０＜ｔ＜１２ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜８５ ・・・（２−１）
１２≦ｔ≦２２．７６ｍｍの範囲において、
５．７１ｔ−６８.５２≦Ｙ≦−２．１９ｔ＋１１１．２８・・・（２−２）
酸素濃度Ｙを、
０＜ｔ＜１２ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜８５ ・・・（２−１）
１２≦ｔ≦２２．７６ｍｍの範囲において、
５．７１ｔ−６８.５２≦Ｙ≦−２．１９ｔ＋１１１．２８・・・（２−２）
また、それぞれの板厚ｔにおいて、ピアシング孔径を略最小とするために適したアシストガスＧの酸素濃度Ｙは、
０＜ｔ＜１２．０ｍｍの範囲において、 Ｙ＝０ ・・・（３−１）
１２．０≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
Ｙ＝−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１３７．２・・・（３−２）
０＜ｔ＜１２．０ｍｍの範囲において、 Ｙ＝０ ・・・（３−１）
１２．０≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
Ｙ＝−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１３７．２・・・（３−２）
また、レーザ発振器の性能や材質をはじめとする被加工材の個体差、レーザ発振器への塵埃付着等の経時変化の影響を考慮した場合に、アシストガスＧの酸素濃度を上記数式の、−１０％〜＋１０％の範囲に調整することで、略最小孔径のピアシング孔を加工することができ、その場合の前記酸素濃度Ｙは、
０＜ｔ＜１２．１ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜１０ ・・・（３−３）
１２．１≦ｔ＜９．１８ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ≦４．９ｔ−３０・・・（３−４）
９．１８≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
４．９ｔ−４５≦Ｙ≦４．９ｔ−３０・・・（３−５）
である。
０＜ｔ＜１２．１ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜１０ ・・・（３−３）
１２．１≦ｔ＜９．１８ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ≦４．９ｔ−３０・・・（３−４）
９．１８≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
４．９ｔ−４５≦Ｙ≦４．９ｔ−３０・・・（３−５）
である。
また、上記（１−１）から（１−３）、（２−１）、（２−２）、（３−１）、（３−２）の酸素濃度Ｙにおいて、それぞれ板厚ｔの１／３、１／５、略最小径のピアシング孔を加工するためのアシストガスの噴射圧Ｐは、
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 ０．０１５≦Ｐ≦０．０５・・・（４−１）
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
０．００２ｔ−０．０１１≦Ｐ≦０．００２ｔ＋０．０２４・・・（４−２）
また、最適なアシストガスの噴射圧Ｐは、
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 Ｐ＝０．０３ ・・・（４−３）
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
Ｐ＝０．００２ｔ＋０．００４・・・（４−４）
Ｐ；アシストガスの噴射圧（ＭＰａ）、ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）
とされ、この条件の噴射圧Ｐにてピアシング孔内の溶融物が略完全に排出され、所望の孔径のピアシング孔を確保することができる。
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 ０．０１５≦Ｐ≦０．０５・・・（４−１）
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
０．００２ｔ−０．０１１≦Ｐ≦０．００２ｔ＋０．０２４・・・（４−２）
また、最適なアシストガスの噴射圧Ｐは、
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 Ｐ＝０．０３ ・・・（４−３）
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
Ｐ＝０．００２ｔ＋０．００４・・・（４−４）
Ｐ；アシストガスの噴射圧（ＭＰａ）、ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）
とされ、この条件の噴射圧Ｐにてピアシング孔内の溶融物が略完全に排出され、所望の孔径のピアシング孔を確保することができる。
次いで、処理部１２は、上記数式により算出（演算）したアシストガスＧの酸素濃度に対応したマスフローコントローラ１８、１９の開度データ、及び算出したアシストガスＧの噴射圧Ｐを得るための該圧力調整弁２０の制御データを、信号ケーブル２５を介してデータテーブル１３からそれぞれ取得して、信号ケーブル２６、２７、２８を介してマスフローコントローラ１８、１９、及び圧力調整弁２０に送信する。
マスフローコントローラ１８、１９は、処理部１２から送信された開度データにより流路の開度が開閉制御され、所望の酸素濃度のアシストガスＧを生成するのに必要な量の酸素及び窒素を、酸素供給源４１及び窒素供給源４３から混合器１６に供給する。
混合器１６に供給された所定量の酸素及び窒素は、混合器１６で混合され、所定の酸素濃度のアシストガスＧとされてノズル４７に供給され、ノズル４７の先端の開口部から被加工材Ｗに噴射されるとともに、レーザ発振器４５が作動しノズル４７内を経由したレーザ光Ｌが鋼板Ｗに照射されてピアシングが行なわれる。
この場合、レーザ光Ｌをパルス照射ではなく、連続照射においても過剰な酸化、燃焼が生じないようにアシストガスＧの酸素濃度を調整することで、高効率にピアシング孔を形成することができる。
この場合、圧力調整弁２０は、処理部１２から送信された制御データにより制御され、ノズル４７に供給されるアシストガスＧが所望の噴射圧Ｐとされる。
混合器１６に供給された所定量の酸素及び窒素は、混合器１６で混合され、所定の酸素濃度のアシストガスＧとされてノズル４７に供給され、ノズル４７の先端の開口部から被加工材Ｗに噴射されるとともに、レーザ発振器４５が作動しノズル４７内を経由したレーザ光Ｌが鋼板Ｗに照射されてピアシングが行なわれる。
この場合、レーザ光Ｌをパルス照射ではなく、連続照射においても過剰な酸化、燃焼が生じないようにアシストガスＧの酸素濃度を調整することで、高効率にピアシング孔を形成することができる。
この場合、圧力調整弁２０は、処理部１２から送信された制御データにより制御され、ノズル４７に供給されるアシストガスＧが所望の噴射圧Ｐとされる。
この加工装置１によれば、鋼板Ｗの板厚ｔに応じて、過剰な酸化、燃焼が生じないようにノズル４７から噴射されるアシストガスＧの酸素濃度が調整されるので、レーザ光Ｌを連続的に照射した場合においても、例えば、ピアシング孔径が板厚ｔに対して約１／３（従来比、マイナス約２０％）、あるいはピアシング孔径が板厚ｔに対して約１／５（従来比、マイナス約５０％）の孔径が小さいピアシング孔を、容易かつ確実に形成することができる。
また、ピアシング孔径が小さく形成されているので、ピアシング孔径が大きさにつれてピアシング孔形状が円錐状になるのが抑制され、その結果、ノロの発生が少なくなり、ピアシング孔周辺のノロが付着する鋼板Ｗ表面の範囲が小さくなるので、静電容量によるノズル４７高さ調整を用いた場合、ノズル４７高さの不安定な作動やアシストガスＧの流れが鋼板Ｗの表面に凹凸に付着したノロで乱されて生じる切断ミスの発生が抑制される。
また、ピアシング孔径が小さく形成されているので、ピアシング孔径が大きさにつれてピアシング孔形状が円錐状になるのが抑制され、その結果、ノロの発生が少なくなり、ピアシング孔周辺のノロが付着する鋼板Ｗ表面の範囲が小さくなるので、静電容量によるノズル４７高さ調整を用いた場合、ノズル４７高さの不安定な作動やアシストガスＧの流れが鋼板Ｗの表面に凹凸に付着したノロで乱されて生じる切断ミスの発生が抑制される。
また、ノロの発生が少なくなり、鋼板Ｗのピアシング孔周辺の過熱及び溶融範囲が縮小されるので、ピアシング時に発生した熱によるセルフバーニングや切断不良が防止される。
その結果、ノロ付着による切断ミスやノロに起因する火災発生の虞がなくなり、従来、板厚１２ｍｍまでしか実現できなかった連続照射によるピアシングの自動運転を無監視にて、ピアシング孔径が板厚の１／３の場合に板厚約１６ｍｍ、板厚の１／５の場合に板厚約２２ｍｍまで行なうことができる。
その結果、ノロ付着による切断ミスやノロに起因する火災発生の虞がなくなり、従来、板厚１２ｍｍまでしか実現できなかった連続照射によるピアシングの自動運転を無監視にて、ピアシング孔径が板厚の１／３の場合に板厚約１６ｍｍ、板厚の１／５の場合に板厚約２２ｍｍまで行なうことができる。
また、一般的に連続照射による小穴切断では、切断可能な小穴の直径は、経験的に板厚×約１．５倍以上であるが、ピアシング孔径を板厚の１／３まで小さくすると、板厚×約１．３倍の直径まで、ピアシング孔径を板厚の１／５まで小さくすると、板厚×約１．０倍の直径までの小穴をレーザ光の連続照射にて切断することが可能となり、直径が板厚の１．０倍から１．５倍までの小穴切断に関して、加工時間と加工コストを大幅に削減することができる。
また、アシストガスＧの酸素濃度が自動で調整されるので、熟練技術者に依存することなく、しかも、短時間に正確に酸素濃度を調整することができる。
また、アシストガスＧの酸素濃度が自動で調整されるので、熟練技術者に依存することなく、しかも、短時間に正確に酸素濃度を調整することができる。
また、レーザ光Ｌを鋼板Ｗに連続照射する際に、鋼板Ｗの板厚ｔにおいて、例えば、１／３、１／５、板厚ｔにおける最小孔径、等の加工したい孔径仕様に対応して、上記数式数式（１−１）、（１−２）、（１−３）、（２−１）、（２−２）、（３−１）、（３−１）、（３−３）、（３−４）、（３−５）に基づいた条件に調整された酸素濃度のアシストガスＧを供給してピアシングを行なうため、過剰な酸化、燃焼反応の発生が抑制され、所望の孔径のピアシング孔を容易かつ確実に、かつ高効率にて行なうことができる。
また、式（４−１）から（４−４）の条件に基づいてアシストガスＧの噴射圧が調整されているので、被加工材Ｗの板厚ｔに応じてピアシングが被加工材の厚さ方向の加工終端部近傍まで進行した場合においても、加工部位の底部までアシストガスの噴射エネルギーが充分に到達する。その結果、噴射圧Ｐを上記の下限以上とすることで、ピアシング孔内から溶融物が充分に排除され、ピアシング孔内に溶融物が留まるのが低減されるので、製品への熱歪の発生が抑制され、加工効率が向上する。また、噴射圧Ｐを上記の上限以下とすることで、ピアシング孔内における過剰な酸化反応と、それに伴うノロの飛散量の増大が抑制されるので、所望の孔径のピアシング孔を、歩留りを向上させつつ加工効率を向上させることができる。
上記のように、所定の孔径のピアシング孔を高精度、かつ高効率にて形成できるので、生産リードタイムの削減、製造コストの削減を実現することができる。
上記のように、所定の孔径のピアシング孔を高精度、かつ高効率にて形成できるので、生産リードタイムの削減、製造コストの削減を実現することができる。
次に、図２、図３、図４、図５、図６に基づいて、上記の数式について説明する。
図２は、上記実施の形態におけるアシストガスＧの酸素濃度とピアシング孔径の関係を、図３、図４、図５は、被加工材の板厚とアシストガス酸素濃度の関係を、図６は、被加工材の板厚とアシストガスＧの噴射圧の関係を示す図である。
図２は、被加工材が鋼板の場合に、アシストガスＧの酸素濃度と、ピアシング孔径の関係を示したものであり、Ａ６、Ａ９、Ａ１２、Ａ１６、Ａ１９は、それぞれ６ｍｍ、９ｍｍ、１２ｍｍ、１６ｍｍ、１９ｍｍの板厚の鋼板に、横軸に示した酸素濃度のアシストガスＧを噴射しながら６ｋＷのレーザの連続ビームを照射したときに形成されるピアシング孔径を示したものである。
図２は、上記実施の形態におけるアシストガスＧの酸素濃度とピアシング孔径の関係を、図３、図４、図５は、被加工材の板厚とアシストガス酸素濃度の関係を、図６は、被加工材の板厚とアシストガスＧの噴射圧の関係を示す図である。
図２は、被加工材が鋼板の場合に、アシストガスＧの酸素濃度と、ピアシング孔径の関係を示したものであり、Ａ６、Ａ９、Ａ１２、Ａ１６、Ａ１９は、それぞれ６ｍｍ、９ｍｍ、１２ｍｍ、１６ｍｍ、１９ｍｍの板厚の鋼板に、横軸に示した酸素濃度のアシストガスＧを噴射しながら６ｋＷのレーザの連続ビームを照射したときに形成されるピアシング孔径を示したものである。
また、図３は、ピアシング孔として、板厚の１／３以下の孔径のピアシング孔が得られる範囲のアシストガスＧの酸素濃度を、図２に基づいて表したものである。図３におけるＢ１以下でＢ２以上の範囲は、板厚の１／３以下の孔径のピアシング孔が得られる範囲である。
また、図４は、板厚の１／５以下の孔径のピアシング孔が得られる範囲のアシストガスＧの酸素濃度を、図２に基づいて表したものである。図４において、Ｃ１以下でＣ２以上の範囲は、板厚の１／５以下の孔径のピアシング孔が得られる範囲である。
また、図４は、板厚の１／５以下の孔径のピアシング孔が得られる範囲のアシストガスＧの酸素濃度を、図２に基づいて表したものである。図４において、Ｃ１以下でＣ２以上の範囲は、板厚の１／５以下の孔径のピアシング孔が得られる範囲である。
また、図５は、Ｄ１はピアシング孔径が最小の場合、Ｄ２以下でとＤ３以上の範囲は、その板厚ｔにおける最小孔径のピアシング孔を加工するためのアシストガスＧの酸素濃度の範囲を示している。
また、図６は、図３、図４、図５で示される酸素濃度の場合の所望の板厚ｔにおいてピアシング孔内に溶融物を付着させないために必要なアシストガスＧの噴射圧Ｐの、最適値Ｐ１、好適な範囲の上限Ｐ２、下限Ｐ３を特定したものである。
なお、このアシストガスＧの噴射圧Ｐは、酸素濃度Ｙではなく板厚に依存する関数であるため、アシストガスＧの噴射圧Ｐをレーザピアシングにおける酸素濃度調整の必須の構成要素とする必要はない。
また、図６は、図３、図４、図５で示される酸素濃度の場合の所望の板厚ｔにおいてピアシング孔内に溶融物を付着させないために必要なアシストガスＧの噴射圧Ｐの、最適値Ｐ１、好適な範囲の上限Ｐ２、下限Ｐ３を特定したものである。
なお、このアシストガスＧの噴射圧Ｐは、酸素濃度Ｙではなく板厚に依存する関数であるため、アシストガスＧの噴射圧Ｐをレーザピアシングにおける酸素濃度調整の必須の構成要素とする必要はない。
このようにして、図２、図３、図４、図５に基づいて得られたアシストガスＧの酸素濃度は、前述の数式（１−１）、（１−２）、（１−３）、（２−１）、（２−２）、（３−１）、（３−１）、（３−３）、（３−４）、（３−５）に特定される。
また、図６に基づいて得られたピアシング孔内に溶融物を付着させないために必要なアシストガスＧの噴射圧Ｐの範囲及び最適な数式は、（４−１）、（４−２）、（４−３）、（４−４）に特定される。
また、図６に基づいて得られたピアシング孔内に溶融物を付着させないために必要なアシストガスＧの噴射圧Ｐの範囲及び最適な数式は、（４−１）、（４−２）、（４−３）、（４−４）に特定される。
なお、この発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。
上記実施の形態においては、被加工材Ｗが鋼板の場合について説明したが、本発明に係る方法及び加工装置に適用する被加工材Ｗは、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、チタン等の、他の金属又はそれらの合金から構成されたものであってよい。
上記実施の形態においては、被加工材Ｗが鋼板の場合について説明したが、本発明に係る方法及び加工装置に適用する被加工材Ｗは、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、チタン等の、他の金属又はそれらの合金から構成されたものであってよい。
また、上記実施の形態においては、酸素濃度の範囲を上記数式から算出する場合について説明したが、数式を使用せずに酸素濃度Ｙを調整してもよい。
また、上記以外で特定される数式を設けてピアシングに適用してもよい。すなわち、ピアシング孔径に関して、板厚ｔの１／５以下の場合について演算する場合について説明したが、ピアシング孔サイズについて入力する情報は、板厚の１／５よりも大きい孔径とすることも可能である。また、制御部を備えない加工装置に適用して、マスフローコントローラ１８、１９等に設けられた目盛や、歯車、リンク機構等を用いた開度調整装置により、酸素濃度、噴射圧を制御してもよい。
また、上記以外で特定される数式を設けてピアシングに適用してもよい。すなわち、ピアシング孔径に関して、板厚ｔの１／５以下の場合について演算する場合について説明したが、ピアシング孔サイズについて入力する情報は、板厚の１／５よりも大きい孔径とすることも可能である。また、制御部を備えない加工装置に適用して、マスフローコントローラ１８、１９等に設けられた目盛や、歯車、リンク機構等を用いた開度調整装置により、酸素濃度、噴射圧を制御してもよい。
また、酸素及び窒素を供給する酸素供給源４１及び窒素供給源４３が、それぞれ液化酸素及び液化窒素を貯留し、これら液化酸素及び液化窒素を気化する場合について説明したが、液体酸素、液体窒素に代えて、いずれかに液体空気を用いることも可能であり、また、タンク等に圧縮、保存された酸素、窒素又は空気、あるいは、コンプレッサにより空気等を圧縮する方法等を任意に組合せて、混合器１６にアシストガスの原料を供給してアシストガスＧを生成することができる。
また、アシストガスＧを構成する気体の一部として、不活性ガス、例えばアルゴン、ヘリウム等を使用することも可能である。
また、上記実施の形態においては、鋼板Ｗに照射するレーザ光Ｌを連続的に照射する場合について説明したが、アシストガスＧの酸素濃度調整をパルス照射に適用してもよい。
また、アシストガスＧを構成する気体の一部として、不活性ガス、例えばアルゴン、ヘリウム等を使用することも可能である。
また、上記実施の形態においては、鋼板Ｗに照射するレーザ光Ｌを連続的に照射する場合について説明したが、アシストガスＧの酸素濃度調整をパルス照射に適用してもよい。
また、上記実施の形態においては、加工データ入力部３０に入力された板厚ｔ等のデータに基づいて、板厚ｔに対応したアシストガスＧの酸素濃度、噴射圧Ｐを処理部１２で演算してデータテーブル１３から制御データを取得して、マスフローコントローラ１８、１９、及び圧力調整弁２０を制御する場合について説明したが、上記数式に基づく演算結果をデータテーブルに記録し、その情報に基づいて制御データを取得してもよいし、入力された板厚ｔ等の情報に基づいて、制御データを直接に算出し、又はデータテーブルから直接取得したデータにより、又は酸素濃度Ｙ及び噴射圧Ｐを直接求めることなく対応するデータのみを取得して調整してもよい。
また、アシストガスＧの混合において用いたマスフローコントローラ１８、１９の開度等の制御情報をデータテーブル１３から取得する場合について説明したが、これら制御に必要な制御データを処理部１２において演算によって算出してもよい。
また、アシストガスＧの混合において用いたマスフローコントローラ１８、１９の開度等の制御情報をデータテーブル１３から取得する場合について説明したが、これら制御に必要な制御データを処理部１２において演算によって算出してもよい。
１０ 酸素濃度調整部（調整手段）
２８ 板厚入力部
４４ ノズル
Ｇ アシストガス
Ｗ 被加工材、鋼板（金属板加工部）
２８ 板厚入力部
４４ ノズル
Ｇ アシストガス
Ｗ 被加工材、鋼板（金属板加工部）
Claims (6)
- ノズルから噴射したアシストガスによって金属板加工部を覆い、該加工部にレーザ光を照射することにより金属板にピアシングを行なうレーザピアシング方法であって、
前記金属板加工部の板厚に対応して、前記アシストガスの酸素濃度Ｙを前記加工部の酸化・燃焼が抑制される以下の範囲に調整するとともに、前記アシストガスの噴射圧を以下の範囲に調整してレーザ光を照射することを特徴とするレーザピアシング方法。
前記酸素濃度Ｙを、
０＜ｔ＜８ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜９９．９
８≦ｔ＜１３．５ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ≦−１．６５ｔ＋１１１．２
１３．５≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
５．２８ｔ−７１．２８≦Ｙ≦−１．６５ｔ＋１１１．２
かつ、前記アシストガスの噴射圧Ｐを、
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 ０．０１５≦Ｐ≦０．０５
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
０．００２ｔ−０．０１１≦Ｐ≦０．００２ｔ＋０．０２４
ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）、Ｙ；酸素濃度（ｖｏｌ％）、Ｐ；アシストガスの噴射圧（ＭＰａ） - 請求項１記載のレーザピアシング方法であって、
前記酸素濃度Ｙが、
０＜ｔ＜１２ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜８５
１２≦ｔ≦２２．７６ｍｍの範囲において、
５．７１ｔ−６８.５２≦Ｙ≦−２．１９ｔ＋１１１．２８
かつ、前記アシストガスの噴射圧Ｐが、
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 ０．０１５≦Ｐ≦０．０５
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
０．００２ｔ−０．０１１≦Ｐ≦０．００２ｔ＋０．０２４
ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）、Ｙ；酸素濃度（ｖｏｌ％）、Ｐ；アシストガスの噴射圧（ＭＰａ）
であることを特徴とするレーザピアシング方法。 - 請求項１に記載のレーザピアシング方法であって、
前記酸素濃度Ｙが、
０＜ｔ＜１２．０ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜１０
１２．０≦ｔ＜１３．３ｍｍの範囲において、
０＜Ｙ≦−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１２７．２
１３．３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１４７．２≦Ｙ≦−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１２７．２
かつ、前記アシストガスの噴射圧Ｐが、
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 ０．０１５≦Ｐ≦０．０５
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
０．００２ｔ−０．０１１≦Ｐ≦０．００２ｔ＋０．０２４
ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）、Ｙ；酸素濃度（ｖｏｌ％）、Ｐ；アシストガスの噴射圧（ＭＰａ）
であることを特徴とするレーザピアシング方法。 - ノズルから噴射したアシストガスによって金属板加工部を覆い、該加工部にレーザ光を照射することにより金属板にレーザピアシングを行う加工装置であって、
板厚入力部と、
前記アシストガスの酸素濃度を前記加工部の酸化・燃焼が抑制される以下の範囲に、前記アシストガスの噴射圧を以下の範囲に調整する調整手段と、を備え、
前記板厚入力部から入力された板厚に対応して前記アシストガスの酸素濃度及び噴射圧を自動調整することを特徴とする加工装置。
前記酸素濃度Ｙを、
０＜ｔ＜８ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜９９．９
８≦ｔ＜１３．５ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ≦−１．６５ｔ＋１１１．２
１３．５≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
５．２８ｔ−７１．２８≦Ｙ≦−１．６５ｔ＋１１１．２
かつ、前記アシストガスの噴射圧Ｐを、
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 ０．０１５≦Ｐ≦０．０５
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
０．００２ｔ−０．０１１≦Ｐ≦０．００２ｔ＋０．０２４
ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）、Ｙ；酸素濃度（ｖｏｌ％）、Ｐ；アシストガスの噴射圧（ＭＰａ） - 請求項４に記載の加工装置であって、
前記酸素濃度Ｙを、
０＜ｔ＜１２ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜８５
１２≦ｔ≦２２．７６ｍｍの範囲において、
５．７１ｔ−６８.５２≦Ｙ≦−２．１９ｔ＋１１１．２８
かつ、前記アシストガスの噴射圧Ｐを、
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 ０．０１５≦Ｐ≦０．０５
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
０．００２ｔ−０．０１１≦Ｐ≦０．００２ｔ＋０．０２４
ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）、Ｙ；酸素濃度（ｖｏｌ％）、Ｐ；アシストガスの噴射圧（ＭＰａ）
に調整することを特徴とする加工装置。 - 請求項４に記載の加工装置であって、
前記酸素濃度Ｙを、
０＜ｔ＜１２．０ｍｍの範囲において、 ０＜Ｙ＜１０
１２．０≦ｔ＜１３．３ｍｍの範囲において、
０＜Ｙ≦−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１２７．２
１３．３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１４７．２≦Ｙ≦−０．２５５ｔ２＋１４．５ｔ−１２７．２
かつ、前記アシストガスの噴射圧Ｐを、
０＜ｔ＜１３ｍｍの範囲において、 ０．０１５≦Ｐ≦０．０５
１３≦ｔ≦２６．３３ｍｍの範囲において、
０．００２ｔ−０．０１１≦Ｐ≦０．００２ｔ＋０．０２４
ｔ；金属板加工部の板厚（ｍｍ）、Ｙ；酸素濃度（ｖｏｌ％）、Ｐ；アシストガスの噴射圧（ＭＰａ）
に調整することを特徴とする加工装置。
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