JP5245844B2

JP5245844B2 - レーザ切断方法および装置

Info

Publication number: JP5245844B2
Application number: JP2009005342A
Authority: JP
Inventors: 浩文今井; 弘二平野
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2029-01-14
Also published as: JP2010162561A

Description

本発明は、厚鋼板等のレーザ切断方法および装置に関する。

レーザ切断は、特に、被切断材が薄い場合には、切断速度が速く、熱歪みが少ないなどの利点に加えて、いわゆるドロスフリー切断が比較的容易に実現されるために後処理が不要で、作業効率的に非常に有効であり、多くの産業分野において普及している。ここで、ドロスフリーとは、切断面下部に溶融再凝固物（ドロス、ノロとも言う）が付着しないことである。

しかし、レーザ光強度一定の条件下では、被切断材の厚みが厚くなるにつれ、切断面の下部に溶融物が滞留しやすくなり、熱が蓄積されるために過燃焼を生じ切断面粗さが粗くなったり、ドロスが付着するなど、断面品位の劣化が顕在化してくる。これは、入熱不足により溶融物の温度が下がり粘性が高まること、また、厚みに対し切断幅（カーフ）が狭いためアシストガス流による溶融物の除去作用が低下することが主たる要因と考えられる。なお、現在市販されているレーザ切断装置の最高平均出力は６ｋＷであり、酸素をアシストガスとして用いる場合に定常的に軟鋼の良好な切断が可能とされている板厚の最大値は、高々１９ｍｍ程度である。

こうした厚板における板厚制約を打破すべく、従来、レーザビームを用いた厚鋼板の切断において、被加工材の表面付近で切断線を縫うようにレーザビームの照射位置を変化させながら切断を行うことにより、切断可能な板厚の上限を拡大する方法が提案されている。

例えば、特許文献１には、被加工材の表面に集光されたレーザビームを振動させつつ被加工材を切断するレーザ切断方法が開示されている。このレーザ切断方法によると、集光されたレーザビームを振動することにより広い溶融部を形成するため、レーザビームの強度分布における裾野部分のケラレがなく切断溝の幅が広くなり、アシストガスが切断溝の奥部まで十分に供給されて厚手の被加工材を効果的にレーザ切断できると記載されている。レーザビームの振動パターンは切断線に直角な直線か、あるいは切断線に直角な半円が好適とされている。前者の振動パターンは、図４に示すようにレーザビームの軌跡が切断線に対して左右対称であることから、比較的良好な切断面が得られると考えられる。ここで、左右対称とは、厳密な鏡面対称だけでなく映進対称を含むものとする。一方、後者は、図５に示すように切断時のレーザビームの軌跡が著しく左右非対称となることから、実際に検証するまでもなく良好な切断が可能とは考えられない。いずれにしても、上記特許文献１には、概念のみで振幅や周波数などの具体的な条件は明記されておらず、必ずしも現場作業者が容易に実施できる内容ではない。

特許文献２には、被加工材の表面に集光されたレーザビームを振動させつつ被加工材を切断する方法として、レーザビームの振動パターンを切断線に平行な方向の直線振動、切断線に直角な方向の直線振動、あるいは両者の合成としての円軌道、そして、焦点位置をレーザ光の進行方向に振動させるレーザ切断方法が開示されている。この方法によると、焦点位置の振動により、切断溝の深部に到達するレーザビームを増加させることができ、切断溝深部の入熱不足が解消され、溶融物の温度が上昇して粘性が低くなり、結果として、被加工物切断面の下部において、溶融物の滞留が解消され、高品質の切断面を実現できる効果があると記載されている。しかし、前記の振動パターンの内、円軌道については、図６に示すごとく、移動時の軌跡が切断線に対して非対称となるため、被加工物への熱入力も左面と右面とで異なることから、上記公報に記載のような効果は得られないことが、実際に検証するまでもなく明らかである。一方、他の３種の振動パターンについては、左右対称性があるので、一定の効果があると考えられる。そこで、発明者等は特許文献２に記載された振動パターンの中で、円軌道以外の３種の振動パターンについて検証実験を実施した。

第１に、切断線に平行な方向（ｙ方向）の直線振動の場合であるが、これはカーフ幅を拡大する効果がなく、アシストガスの流入量が改善されないため、限界板厚を拡大する観点で、レーザビームを振動させない場合に比較して有意な改善効果は認められない結果となった。

第２に、レーザ光の進行方向（図４〜６の上下方向）に集光スポットを振動させた。これも上記の切断線に平行な方向の直線振動と同様にカーフ溝の拡大効果がなく、アシストガスの流入量が改善されないため、限界板厚を拡大する観点で、レーザビームを振動させない場合に比較して有意な改善効果は見られなかった。むしろ、この方法では、レーザビームの焦点が被切断材の表面に近づいた場合に、表面スケールなどが剥離した粉体状の物質などにレーザ照射で着火してプラズマ化することがあり、その際の膨張反力等によって、溶融部が大幅に拡大するバーニング現象に至る等極めて悪い結果となる場合も見られた。

第３に、切断線に直角な方向の直線振動の場合を検証した。この場合はカーフ幅が広がり、アシストガスの流入量が改善されるため、レーザビームを振動させない場合に比較して有意な限界板厚拡大効果が認められた。ただし、切断面下部についてはレーザビームを振動させない場合よりも断面粗さが粗くなってしまう場合があることがわかった。これはカーフ幅を拡大したことでアシストガスの流入量が増大し、過燃焼傾向となるためと考えられる。

特開昭６０−２１０３８４号公報特開平７−２３６９８７号公報

上述のごとく、従来の方法では、それぞれの板厚に対して予め設定したアシストガス圧をそのまま適用したのでは、目的とする板厚拡大効果と断面品位の両立は難しいことが分かった。本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、厚板のレーザ切断において、送り速度に対応して酸素ガスの圧力を適切に制御することにより、板厚拡大と断面品位の両立を実現するためのレーザ切断方法および装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の要旨は、下記のごとくである。

本発明のレーザ切断方法は、レーザビームを被加工材上に集光照射し前記レーザビームを走査して前記被加工材を切断するレーザ切断方法において、前記被加工材面上の加工線に沿ってレーザビームを走査する際に、レーザビームを振動させながら照射し、前記被加工材に対する前記レーザビームの走査の前記加工線方向の速度に応じて、レーザビームを振動させるミラーを駆動する電気的に伸縮する素子に印加する電圧を変化させることにより、前記レーザビームの振動の振幅を制御し、アシストガスの供給圧力の低下率を、前記レーザビームの振動の振幅に比例させるように制御することを特徴とする。

本発明のレーザ切断方法は、前記レーザビームの振動の振幅を、前記レーザビームの集光スポット径の０．０４倍以上０．２倍以下とすることを特徴とする。

本発明のレーザ切断装置は、レーザビームを被加工材上に集光照射し前記レーザビームを走査して前記被加工材を切断するレーザ切断装置において、レーザビームを被加工材上に集光照射し、且つレーザビームを振動させるミラーを具備するレーザ加工部と、前記レーザ加工部が前記被加工材面上の加工線に沿って移動する際に、前記レーザ加工部の移動速度に基づいて、前記ミラーを駆動する電気的に伸縮する素子に印加する電圧を変化させることにより、前記レーザビームの振動の振幅を制御するとともに、アシストガスの供給圧力の低下率を、前記レーザビームの振動の振幅に比例させるように制御するアシストガス圧制御手段と、を具備することを特徴とする。

本発明のレーザ切断装置は、前記レーザ加工部は、レーザビームを前記被加工材面上で振動させる可動ミラーを有するレーザビーム振動駆動部とレーザ加工ノズルを有し、前記アシストガス圧制御手段は、前記レーザ加工部の移動速度に基づいて、最適の圧力を演算する演算部と、前記演算部の指示に基づいて所定の圧力でアシストガスを供給させるアシストガス圧制御部を有することを特徴とする。

本発明のレーザ切断装置は、前記アシストガス圧制御部は、電磁バルブで構成されることを特徴とする。

本発明によれば、厚板のレーザ切断において、送り速度に対応して酸素ガスの圧力を適切に制御することにより、限界板厚の拡大および断面品位の両立を実現することが可能となる。

本発明の実施の形態にかかるレーザ切断装置のブロック構成を示す図である。本発明の実施の形態にかかるレーザ切断装置のレーザ切断トーチ部分の一例の側面概略図である。本発明の実施の形態にかかるレーザ切断装置の概略斜視図である。レーザビームスポットの動きを切断線に直角な直線振動としたときの軌跡。レーザビームスポットの動きを切断線を中心とした半円としたときの軌跡。レーザビームスポットの動きを切断線を中心とした円としたときの軌跡。

本発明のレーザ切断装置の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。なお、下記の各図において、同一の機能を有する部分には同一の番号を付記した。

図１は、本発明にかかるレーザ切断装置のブロック構成を示す図である。

本実施形態のレーザ切断装置は、レーザビームＬＢを被切断材（ワーク）Ｗ上に集光・照射してレーザスポットを形成すると共に、当該レーザスポットを切断線に直交する方向に振動させながら切断加工するものをベースとする装置である。本装置は、レーザビームＬＢとアシストガスを出すレーザ切断トーチ７と、レーザ切断トーチ７の被切断材Ｗに対する送り移動量を検出するための移動量検出部１、および移動量検出部１からの情報を基にレーザスポットを切断線に直交する方向に振動させる周波数と振幅および適正なアシストガス圧を決定する演算部２、演算部２の指示に基づいてレーザビームＬＢの振動制御信号を生成する振動信号生成部３、レーザビーム振動駆動部５、さらに、演算部２からの指示を基にガス圧を制御するアシストガス圧制御部４を備えている。なお、レーザ切断トーチ７はレーザ加工部としての機能を有し、図１では図示しない後述の集光レンズとアシストガス供給口を備えている。

図２は、レーザ切断トーチ７の概略を示す側面図である。レーザ切断トーチ７は図２の全体を指し、上部には上記のレーザビーム振動駆動部５、下部にはレーザビームＬＢとアシストガスの出口であるレーザ加工ノズル７１、および集光レンズ８を備えている。

レーザビーム振動駆動部５において、ミラーボックス５１の内部に、ワークＷ上でレーザビームスポットを２次元走査するための駆動ミラーを設ける。ここでは、駆動ミラーとして２枚のミラー５２、５３を備えている。ミラー５２、５３の角度をあおることでレーザビームを偏向させ、被切断材Ｗ上でレーザビームスポットを２次元走査する。２次元走査のためには２軸の自由度を要するが、ミラー５２、５３にてそれぞれ１軸ずつ駆動機能を分担させてもよいし、片方に２軸の駆動機能を持たせても良い。今、片方の軸をＸ軸、他方をＹ軸とする。例えば、ミラー５２をミラーホルダー５５にてジンバル式に支持し、Ｘ軸とＹ軸のあおり機構にピエゾ素子などの電気的に伸縮する素子５４を取り付けて駆動させる。ミラー５２、５３は、直接または間接的に水冷してもよい。

図示しないレーザ光源から見てミラーボックス５１の後段に、レーザビームＬＢと同軸で酸素などのアシストガスを噴射するレーザ加工ノズル７１を設ける。アシストガスは、アシストガス供給口７２から導入される。

図２のように、集光レンズ８を、レーザビーム振動駆動部５に対してレーザビームＬＢの進行方向前方に配置すると、集光レンズ８自体がレーザビーム振動駆動部５とレーザ加工ノズル７１との間の隔壁の役割を果たすので、容易にレーザビーム振動駆動部５の気密性を保つことができる利点がある。

次に、移動量検出部１について説明する。図１において、レーザ加工トーチ７の被切断材Ｗに対する平面的な移動を検出する移動量検出部１は、レーザ切断機を統括するＮＣ装置から信号を取り出すか、光学式や電磁式の移動検出手段を用いることができる。

演算部２では、移動量検出部１からの情報を基に、レーザビーム振動駆動部５内のミラー５２、５３を駆動する周波数と振幅を制御する振動信号を決定する。具体的には、２軸の正弦波の振動周波数と振幅を、切断線に対して常に直交した振動方向を保つように、予め設定した規則に基づいて決める。

例えば、ワークＷに対するレーザ切断トーチ７の移動速さｖ（ｍｍ／ｓ）に対し、レーザビームＬＢの振動すべき周波数をｃ×ｖ（Ｈｚ）と決める。ここでｃは定数であるが、物理的意味としては、単位長さあたりの切断面に生じる条痕のピッチの逆数となる。ｃを大きくすれば条痕は細かく、小さくすれば粗くなる。発明者等の実験によれば、ｃは２以上６以下が好ましく、より好ましくはｃ＝４である。次に、素子５４の駆動電圧Ａ（Ｖｐ−ｐ）を例えばＡ＝２．７５−０．１５ｖのように決める。

振動信号発生部３では、上記の周波数と振幅に基づいて、レーザビーム振動駆動部５へ送る振動信号を発生する。

また、演算部２では、駆動周波数と振幅を決めるとともに、アシストガスの供給圧力を決める。発明者等の実験により、レーザビームの振動を駆動させた場合に、レーザビームの振動を駆動させない場合に比べて切断面が良好となるアシストガス圧が低下することがわかっている。すなわち、レーザビームの振動駆動により切断幅（カーフ幅）が拡大するので、酸素などのアシストガスがカーフに流入し易くなり、酸化反応が促進されたり、除去効果が増加するためと考えられる。逆に、アシストガス圧を低下させないと過燃焼気味となり断面が粗くなる傾向が見られた。例えば、レーザビームの振動を駆動させないで板厚２５ｍｍの軟鋼を切断した場合、カーフ幅は０．７ｍｍであった。これに対し、ワークＷ上でレーザビームスポットの振幅を０．０６ｍｍとしたとき、カーフ幅は０．８２ｍｍとなり、拡大率は１７％であった。なお、本発明においては、レーザビームの集光スポット径をｗとし、レーザビームの振動の振幅をｋ×ｗとして、ｋが０．０４以上０．２以下が好ましい。アシストガスとして用いた酸素の最適圧力は元々０．０２５Ｍｐａであったが、０．０２ＭＰａに低下した。低下率は２０％である。このようにアシストガス圧を低下させる割合は、カーフ幅の拡大の割合とほぼ比例することがわかる。一方、カーフ幅の板厚依存性は少ないので、カーフ幅はほぼ一定と見てよい。したがって、アシストガス圧は、ワークＷ上でのレーザビームスポットの駆動振幅の関数となる。この知見に基づき、レーザビームの駆動振幅からカーフ幅拡大率を算出し、アシストガス圧を低下させるようにする。

アシストガス圧制御部４は、例えば電磁バルブで構成され、演算部２の指示に基づきアシストガス圧を制御する。

以上のように、本発明では、送り速度に対応して酸素ガスの圧力を適切に制御することにより、板厚拡大と断面品位の両立を実現することができる。

本発明のレーザ切断装置を、出力６ｋＷの市販のＣＯ_２レーザ切断機に後付けし、軟鋼のレーザ切断を試みた。集光レンズはＺｎＳｅ製であり、焦点距離は２２２．２５ｍｍである。集光レンズへの入射レーザビーム径は約３５ｍｍ、集光点でのスポットサイズは約０．４ｍｍである。被切断材は軟鋼の厚鋼板とした。

図３を用いて本実施例を説明する。図示しないレーザビームＬＢはレーザ装置９から出力され、光路折り曲げミラー１１Ａにて横行方向に反射され、光路長一定化装置１１Ｂで折り返されて、光路折り曲げミラー１１ＣにてワークＷに向かう方向（−Ｚ方向）に反射される。光路折り曲げミラー１１Ｃは横行方向（Ｙ方向）に移動できるようになっている。レーザ切断トーチ７は光路折り曲げミラー１１Ｃに接続されている。そして、これら全体が長手方向（Ｘ方向）にレール１３の上を移動する台車１２に搭載されている。レーザビームＬＢを直交する２軸で独立に振動させる２枚のミラーを内蔵したレーザビーム振動駆動部５およびレーザ切断トーチ７は、光路折り曲げミラー１１Ｃの下部に設置される。また、ワークＷとレーザ切断トーチ７との相対移動の量や方向を検知する移動量検出部１は、図示しないが、ＮＣ装置１０の内部に設置した。移動量検出部１からの情報を処理する演算部２は台車１２上に搭載した。演算部２の指示に基づいてアシストガス圧を制御するアシストガス制御部４は、図示しないが、レーザ切断トーチ７の近傍に設置した。

以上に説明した本発明のレーザ切断装置を適用した結果、厚板のレーザ切断において、送り速度に対応して酸素ガスの圧力を適切に制御することにより、限界板厚の拡大と断面品位の両立を実現することが可能となった。レーザビームの振動を駆動させて板厚２５ｍｍの軟鋼を切断した場合、レーザ切断トーチの送り速度と連動してアシストガスである酸素の最適圧力を約２０％低下させた。市販のレーザ切断機では板厚２８ｍｍまでメーカーのプリセット条件が与えられているが、その範囲ではいずれもアシストガス圧を低下させる制御となった。本発明では、アシストガス圧の制御は送り速度によって決まるので、同様の方法で板厚４０ｍｍまで、断面品位の良好な切断が可能であることを確認した。なお、良好な切断とは、断面粗度のＲｚ値が最大で７０μｍ以下となることを基準とした。

本発明は、例えば、金属やセラミックス等を被加工物として、溶接や切断などの加工を施すレーザ加工技術に利用できる。

１移動量検出部
２演算部
３振動信号生成部
４アシストガス圧制御部
５レーザビーム振動駆動部
７レーザ切断トーチ
８集光レンズ
９レーザ装置
１０ＮＣ装置
１１Ａ光路折り曲げミラー
１１Ｂ光路長一定化装置
１１Ｃ光路折り曲げミラー
１２台車
１３レール
５１ミラーボックス
５２、５３ミラー
５４素子
５５ミラーホルダー
７１レーザ加工ノズル
７２アシストガス供給口
ＬＢレーザビーム
Ｗ被切断材

Claims

レーザビームを被加工材上に集光照射し前記レーザビームを走査して前記被加工材を切断するレーザ切断方法において、
前記被加工材面上の加工線に沿ってレーザビームを走査する際に、レーザビームを振動させながら照射し、
前記被加工材に対する前記レーザビームの走査の前記加工線方向の速度に応じて、レーザビームを振動させるミラーを駆動する電気的に伸縮する素子に印加する電圧を変化させることにより、前記レーザビームの振動の振幅を制御し、アシストガスの供給圧力の低下率を、前記レーザビームの振動の振幅に比例させるように制御することを特徴とするレーザ切断方法。
前記レーザビームの振動の振幅を、前記レーザビームの集光スポット径の０．０４倍以上０．２倍以下とすることを特徴とする請求項１に記載のレーザ切断方法。
レーザビームを被加工材上に集光照射し前記レーザビームを走査して前記被加工材を切断するレーザ切断装置において、
レーザビームを被加工材上に集光照射し、且つレーザビームを振動させるミラーを具備するレーザ加工部と、
前記レーザ加工部が前記被加工材面上の加工線に沿って移動する際に、前記レーザ加工部の移動速度に基づいて、前記ミラーを駆動する電気的に伸縮する素子に印加する電圧を変化させることにより、前記レーザビームの振動の振幅を制御するとともに、アシストガスの供給圧力の低下率を、前記レーザビームの振動の振幅に比例させるように制御するアシストガス圧制御手段と、を具備することを特徴とするレーザ切断装置。
前記レーザ加工部は、レーザビームを前記被加工材面上で振動させる可動ミラーを有するレーザビーム振動駆動部とレーザ加工ノズルを有し、
前記アシストガス圧制御手段は、前記レーザ加工部の移動速度に基づいて、最適の圧力を演算する演算部と、前記演算部の指示に基づいて所定の圧力でアシストガスを供給させるアシストガス圧制御部を有することを特徴とする請求項３に記載のレーザ切断装置。
前記アシストガス圧制御部は、電磁バルブで構成されることを特徴とする請求項４に記載のレーザ切断装置。