JP5127495B2 - レーザ加工方法及びレーザ加工機 - Google Patents

Description

本発明は、レーザビームによりステンレス鋼板の切断加工を行なうときに、ステンレス鋼板の所定位置に切断加工のスタート点となるピアシング孔（貫通孔）を形成するレーザ加工方法（ピアシング加工方法）及びレーザ加工機に関するものである。

ステンレス鋼板の所定の位置に、加工ヘッドのノズルから窒素ガスを吹付けながらレーザビームを照射してピアシング貫通穴を開けると、ピアシング貫通穴の周囲のステンレス鋼板表面に溶融金属が固着し、厚さ略１ｍｍ、直径数ｍｍ（放射状のフィンは半径十数ｍｍになる。）の花弁状のピアス痕が形成される。

このピアス痕を除去せずに、レーザビームによる切断工程へ移行すると、ピアス痕上を通過する切断加工開始区間では、ノズルとピアス痕とが接触しないように、ノズルの倣い制御により、ノズル高さが高めに制御され、低速で切断加工が行われる。低速切断加工の区間が長いと、切断加工時間の増大、アシストガス消費量の増大及び小孔の安定加工の阻害（小孔の切断加工では、ピアス痕上をノズルが通過するためノズルの倣い制御が不安定になる。）等のデメリットが生じる。

従来、ピアシングによって形成された孔の周囲にノロ（ピアス痕）が固着しているような場合であっても、円滑に切断加工に移行することができる軟鋼板のレーザ切断方法として、鋼板にレーザ光を照射すると共に、アシストガス及び該アシストガスに沿って二次気流を噴射して穴明けした後、鋼板に対するレーザ光の焦点の位置を変化させて、少なくとも鋼板に形成された穴の周囲を含んでレーザ光を照射して該穴の周囲のノロを溶融させると共にアシストガスを噴射し、更に前記アシストガスに沿って、酸素ガスと不活性ガスとの混合ガス、空気、空気と不活性ガスとの混合ガス、不活性ガスの中から選択されたガスを前記二次気流の圧力よりも高圧で噴射して溶融されたノロを吹き飛ばし、その後、鋼板に対するレーザ光の焦点の位置を切断の際の位置に変化させると共に、アシストガス及び二次気流を切断に適した条件で噴射して切断するレーザ切断方法がある（例えば、特許文献１参照）。

このレーザ加工方法では、鋼板に対するピアシングを実行する際のアシストガスは、空気、空気と不活性ガスとの混合ガス、酸素ガスと不活性ガスとの混合ガス、不活性ガスの中から選択されたガスであり、切断に適したアシストガスは酸素ガスである。

また、鋼板に対するピアシングを実行する際の二次気流は、酸素ガス、酸素ガスと不活性ガスとの混合ガス、空気、空気と不活性ガスとの混合ガス、不活性ガスの中から選択されたガスであり、切断に適した二次気流は酸素ガスである。

特開２００１−３２１９７５号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、鋼板（軟鋼）の穴明け（ピアシング）後に、穴の周囲にデフォーカスビームを照射して穴の周囲のノロを溶融させるとともに、アシストガスを噴射してノロを吹き飛ばしている。そのため、吹き飛ばされた高温のノロがレーザ加工機の加工ヘッド等に付着し、レーザ加工機が損耗する、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、切断加工時間の増大やアシストガス消費量の増大等を抑制しつつ、レーザ加工機の損耗を防止し、ランニングコストを削減する、ステンレス鋼のレーザ加工方法（ピアシング加工方法）及びレーザ加工機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のレーザ加工方法は、ステンレス鋼板の所定の位置に、加工ヘッドのノズルから酸素ガスを吹付けながらレーザビームを照射し、所定の深さの未貫通のピアシング穴を開け、該ピアシング穴から溶融酸化金属を溢れ出させ、該ピアシング穴の周囲に所定の広さの酸化金属被膜を堆積させる第１の工程と、前記所定の位置に、前記加工ヘッドのノズルから窒素ガスを吹付けながら前記ピアシング穴にレーザビームを照射し、該ピアシング穴から溶融金属を溢れ出させ、前記酸化金属被膜上にピアス痕として堆積させながら前記ピアシング穴を貫通させる第２の工程と、前記ピアス痕を剥離して除去又は縮小する第３の工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明のレーザ加工機は、ステンレス鋼板の所定の位置に、加工ヘッドのノズルから酸素ガスを吹付けながらレーザビームを照射し、所定の深さの未貫通のピアシング穴を開け、該ピアシング穴から溶融酸化金属を溢れ出させ、該ピアシング穴の周囲に所定の広さの酸化金属被膜を堆積させる第１の工程と、前記所定の位置に、前記加工ヘッドのノズルから窒素ガスを吹付けながら前記ピアシング穴にレーザビームを照射し、該ピアシング穴から溶融金属を溢れ出させ、前記酸化金属被膜上にピアス痕として堆積させながら前記ピアシング穴を貫通させる第２の工程と、前記ピアス痕に前記加工ヘッドのノズルからガスを吹付け、該ピアス痕を剥離して除去又は縮小する第３の工程と、を含むレーザ加工方法を実施する加工プログラムを記憶したＮＣ装置を備えたことを特徴とする。

本発明のレーザ加工方法によれば、切断加工時間の増大やアシストガス消費量の増大等を抑制しつつ、レーザ加工機の損耗を防止し、ランニングコストを削減する、ステンレス鋼のレーザ加工方法が得られる、という効果を奏する。

また、通常であれば、オペレータが本発明のレーザ加工方法を実施するための加工プログラムを作成する必要があるが、本発明のレーザ加工機によれば、このような加工プログラムをＮＣ装置に記憶させてあるので、オペレータがこの加工プログラムを選択するだけで、若しくは、ステンレスの加工においては自動的に、本発明のレーザ加工方法を実施することができる、という効果を奏する。

以下に、本発明にかかるレーザ加工方法及びレーザ加工機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかるレーザ加工方法を実施する実施の形態のレーザ加工機を示す図であり、図２は、本発明にかかるレーザ加工方法の実施の形態の第１の工程を示す図であり、図３は、第１の工程後の被加工物の表面を示す図であり、図４は、本発明にかかるレーザ加工方法の実施の形態の第２の工程を示す図であり、図５は、第２の工程後の被加工物の表面を示す図であり、図６は、本発明にかかるレーザ加工方法の実施の形態の第３の工程を示す図であり、図７は、第３の工程後の被加工物の表面を示す図である。

図１に示すように、レーザ発振器１１は、横方向にレーザビームＬを出射する。レーザビームＬは、ミラー１２により縦方向に反射され、加工ヘッド１３に入射される。加工ヘッド１３内には、レーザビームＬを被加工物Ｗ上に集光するためのレンズ１４が設置されている。レーザビームＬは、レンズ１４で集光され、加工ヘッド１３の先端に設けられたノズル１５から被加工物Ｗ上に照射される。レーザ発振器１１の出力やＯＮ／ＯＦＦは、加工プログラムが入力されたＮＣ装置２３からの指令に基づき、レーザ発振制御回路２４により制御される。

被加工物Ｗは、図示されていない加工テーブル上に載置されており、加工テーブルと加工ヘッド１３は、図示されていないサーボモータ等により夫々駆動され、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に相対移動して、所望のレーザ加工が行われる。サーボモータ等は、加工プログラムが入力されたＮＣ装置２３からの指令に基づき、サーボ制御回路２２により制御される。

また、ノズル１５と被加工物Ｗとの距離は、ノズル１５又はノズル１５の近傍に設けられた、図示されていないギャップセンサにより測定される。距離の測定値は、ギャップコントローラ２１に送られ、ギャップコントローラ２１は、ＮＣ装置２３からの指令値と測定値とを比較し、補正指令をサーボ制御回路２２に送り、ノズル１５と被加工物Ｗとの距離が常に指令値になるように制御する。

また、アシストガス供給装置１６は、ＮＣ装置２３からの指令により、所定の圧力や種類のアシストガスＡを加工ヘッド１３内に供給する。供給されたアシストガスＡは、ノズル１５の先端からレーザビームＬと同軸状に噴出され、被加工物Ｗの溶融を促進し、加工部から溶融金属を除去する。

次に、図２〜図７を参照して、実施の形態のレーザ加工方法を説明する。まず、図２に示すように、第１の工程として、被加工物Ｗとしてのステンレス鋼板の所定の位置に、アシストガスＡとして酸素ガスを吹付けながら、レーザビームＬを、ステンレス鋼板の表面に焦点を結ぶように照射する。

ステンレス鋼板Ｗに、直径略１ｍｍ、深さ略１〜２ｍｍの未貫通のピアシング穴ｈ_１が開き、ピアシング穴ｈ_１から溢れ出た溶融酸化金属が、ピアシング穴の周囲に、直径４〜６ｍｍの被膜Ｍとなって堆積するように、レーザビームＬを照射する。図３に示すように、第１の工程後のステンレス鋼板表面には、直径４〜６ｍｍの酸化金属被膜Ｍから放射状の半径十数ｍｍの酸化金属のフィンが成長している。この酸化金属被膜Ｍ及びフィンは、ステンレス鋼板表面に堆積するが、非常に剥離しやすいものとなる。

次に、図４に示すように、第２の工程として、前記のピアシング穴位置に、アシストガスＡとして略０．１ＭＰａの窒素ガスを吹付けながら、集光されたレーザビームＬを照射し、ピアシング穴を貫通させ、ピアシング貫通穴ｈ（図１、図４参照）を形成する。図５に示すように、第２の工程後の、直径４〜６ｍｍの酸化金属被膜Ｍ上には、ピアシング貫通穴ｈから溢れ出た溶融金属が、酸化金属被膜Ｍ上に付着、堆積する（ピアス痕Ｋとなる）。

ここで、一般的には、ステンレス鋼板Ｗの厚さが厚ければ、溶融金属量が多くなり、ピアス痕Ｋも広く堆積するので、上記の酸化金属被膜Ｍを、ステンレス鋼板Ｗの厚さに応じて、ピアス痕Ｋの広さ以上の広さに堆積させるように、未貫通のピアシング穴ｈ_１の深さを調整するようにする。

次に、窒素ガスの吹付けを一旦止めた後、図６に示すように、第３の工程として、第２の工程により酸化金属被膜Ｍ上に付着、堆積したピアス痕Ｋに、略１〜２ＭＰａの窒素ガス（空気でもよい）を吹付け、ピアス痕Ｋを吹飛ばして除去又は縮小する。窒素ガスの吹付けを一旦止めた後、高圧のガスを吹付けることによる衝撃又は圧力変動により、ピアス痕Ｋは母材から浮上がり吹飛ばされ易くなる。

また、このとき、加工ヘッド１３のノズル１５を被加工物表面に沿って軸移動させるようにすると、ピアス痕Ｋが、さらに吹飛び易くなる。また、このピアス痕Ｋの除去又は縮小は、ナイフエッジのようなもので機械的に掻き取るようにしてもよい。以上説明したレーザ加工方法を実施する加工プログラムを、図１に示すレーザ加工機のＮＣ装置２３に記憶させる。

以上説明したように、実施の形態のレーザ加工方法は、ステンレス鋼板Ｗの所定の位置に、加工ヘッド１３のノズル１５から酸素ガスを吹付けながらレーザビームＬを照射し、所定の深さの未貫通のピアシング穴を開け、該ピアシング穴から溶融酸化金属を溢れ出させ、該ピアシング穴の周囲に所定の広さの酸化金属被膜Ｍを堆積させる第１の工程と、前記所定の位置に、加工ヘッド１３のノズル１５から窒素ガスを吹付けながら前記ピアシング穴にレーザビームＬを照射し、該ピアシング穴から溶融金属を溢れ出させ、酸化金属被膜Ｍ上にピアス痕Ｋとして堆積させながら前記ピアシング穴を貫通させる第２の工程と、ピアス痕Ｋを剥離して除去又は縮小する第３の工程と、を含むので、ピアス痕Ｋが除去又は縮小され、次の、レーザビームによる切断工程へ移行すると、切断加工開始区間から、ノズルの倣い制御により、ノズル高さが低めに制御され、高速で切断加工が行われる。それ故、切断加工時間の増大やアシストガス消費量の増大等が抑制され、吹き飛ばされた高温のノロがレーザ加工機の加工ヘッド等に付着してレーザ加工機が損耗してしまうことも防止され、ランニングコストを削減することができる。

また、実施の形態のレーザ加工機は、加工プログラムをＮＣ装置２３に記憶させてあるので、オペレータがこの加工プログラムを選択するだけで、若しくは、ステンレスの加工においては自動的に、実施の形態のレーザ加工方法を実施することができる。

以上のように、本発明にかかるレーザ加工方法及びレーザ加工機は、ステンレス鋼板のピアシング加工に有用である。

本発明に係るレーザ加工方法を実施する実施の形態のレーザ加工機を示す図である。 本発明に係るレーザ加工方法の実施の形態の第１の工程を示す図である。 第１の工程後の被加工物の表面を示す図である。 本発明に係るレーザ加工方法の実施の形態の第２の工程を示す図である。 第２の工程後の被加工物の表面を示す図である。 本発明に係るレーザ加工方法の実施の形態の第３の工程を示す図である。 第３の工程後の被加工物の表面を示す図である。

符号の説明

１１ レーザ発振器
１２ ミラー
１３ 加工ヘッド
１４ レンズ
１５ ノズル
１６ アシストガス供給装置
２１ ギャップコントローラ
２２ サーボ制御回路
２３ ＮＣ装置
２４ レーザ発振制御回路
Ｌ レーザビーム
Ｗ 被加工物
Ａ アシストガス
Ｍ 酸化金属被膜
Ｋ ピアス痕
ｈ ピアシング貫通穴
ｈ_１ 未貫通のピアシング穴

Claims (4)

1. ステンレス鋼板の所定の位置に、加工ヘッドのノズルから酸素ガスを吹付けながらレーザビームを照射し、所定の深さの未貫通のピアシング穴を開け、該ピアシング穴から溶融酸化金属を溢れ出させ、該ピアシング穴の周囲に所定の広さの酸化金属被膜を堆積させる第１の工程と、
   前記所定の位置に、前記加工ヘッドのノズルから窒素ガスを吹付けながら前記ピアシング穴にレーザビームを照射し、該ピアシング穴から溶融金属を溢れ出させ、前記酸化金属被膜上にピアス痕として堆積させながら前記ピアシング穴を貫通させる第２の工程と、
   前記ピアス痕を剥離して除去又は縮小する第３の工程と、
   を含むことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記第３の工程は、前記ピアス痕に前記加工ヘッドのノズルからガスを吹付け、該ピアス痕を剥離して除去又は縮小する工程であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記第３の工程において、前記加工ヘッドを前記ステンレス鋼板に沿って軸移動させることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工方法。
4. ステンレス鋼板の所定の位置に、加工ヘッドのノズルから酸素ガスを吹付けながらレーザビームを照射し、所定の深さの未貫通のピアシング穴を開け、該ピアシング穴から溶融酸化金属を溢れ出させ、該ピアシング穴の周囲に所定の広さの酸化金属被膜を堆積させる第１の工程と、
   前記所定の位置に、前記加工ヘッドのノズルから窒素ガスを吹付けながら前記ピアシング穴にレーザビームを照射し、該ピアシング穴から溶融金属を溢れ出させ、前記酸化金属被膜上にピアス痕として堆積させながら前記ピアシング穴を貫通させる第２の工程と、
   前記ピアス痕に前記加工ヘッドのノズルからガスを吹付け、該ピアス痕を剥離して除去又は縮小する第３の工程と、
   を含むレーザ加工方法を実施する加工プログラムを記憶したＮＣ装置を備えたことを特徴とするレーザ加工機。