JP5387644B2 - レーザ加工方法 - Google Patents
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Description
従来、炭素鋼やステンレス鋼等の厚板におけるレーザ加工では、ピアシング条件に入熱を抑制する効果のあるパルス出力を使用するのが一般的であったが、この方法では板厚の増大に伴いピアシング時間が指数関数的に増大し、生産性向上の妨げとなり、ピアシング時間短縮のために各種方法が提案されてきた。
図1は、本発明を実施するための実施の形態1に係るレーザ加工方法に用いられるレーザ加工装置を示した装置構成図である。
図1において、レーザ発振器1から出射されたレーザビームLは、単数もしくは複数のミラー2により所定の光路を導かれ、加工ヘッド3に入射される。加工ヘッド3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4が設けられている。レーザビームLは、レンズ4で集光され、加工ヘッド3の先端に設けられたノズル5より被加工物W上に照射される。レーザ発振器1の出力やON/OFFは、加工プログラムが入力されたNC装置からの指令値に基づき、レーザ発振制御回路14により制御される。
被加工物Wは、図示し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3は、図示していない駆動源であるサーボモーター等により、X,Y,Z軸方向に相対的に移動して、所望の加工が行われる。サーボモーター等は、加工プログラムが入力されたNC装置からの指令値に基づき、サーボ制御回路12により制御される。
また、ノズル5と被加工物Wとの距離は、ノズル5もしくはノズル5の近傍に設けられた、図示していないギャップセンサにより検出される。検出された情報はギャップコントローラ11に送られ、ギャップコントローラ11は、NC装置13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12に送り、常にノズル5の高さを指令値に一致させる。
また、NC装置13からの指令値により、アシストガス供給装置6は所定の圧力や種類のアシストガスAを、加工ヘッド内に供給する。供給されたアシストガスAは、ノズル5先端よりレーザビームLと同軸上に噴出されて、被加工物Wの溶融促進および溶融金属の除去等に使用される。
続く第2の工程では、ピアシング加工が完了する前に酸化燃焼反応を遮断すべく、ビーム照射およびアシストガス噴射を一旦停止させ、停止時間t2を設ける。この段階で溶融穿孔現象は停止し、ピアシング穴径の拡大を抑制する(S03)。
続いて第3の工程では、第2のピアシング条件にて、第1の工程にて加工した部分に、所定の高さ(Hdf)から再度レーザビームLを照射しアシストガスAを噴射することにより溶融穿孔現象を再開させるが、過剰の酸化燃焼反応による穴径拡大を防止させるために、加工ヘッド3をジャストフォーカスの位置(Hjf)まで再び被加工物に接近させ貫通を完了させる(S05)。第3の工程は、スパッタ量を低減する必要があるので、ジャストフォーカス位置で加工を行ってもよいが、前記のように、デフォーカス位置からジャストフォーカス位置へ変化させることで、ジャストフォーカス位置のみで加工するよりも、さらに加工時間を短縮することができる。
以上の動作でピアシング加工は完了となり(S06)、この後、切断条件にて切断が開始される(S07)。
<共通条件>
被加工物の材質・板厚:軟鋼(SS400)t19mm
加工レンズ:焦点距離f190.5mm
ノズル径:φ1.7mm
<第1ピアシング条件>
レーザビーム出力:2000W(CWモード)
Z軸移動速度:15000mm/min
アシストガス種類:酸素
アシストガス圧力:0.08MPa
ビームオン時間:0.4sec
ビーム照射開始時の加工ヘッド高さ:材料表面より4.0mm(Hjf)
ビーム照射終了時の加工ヘッド高さ:材料表面より19.0mm(Hdf)
<第2ピアシング条件>
レーザビーム出力:4000W(CWモード)
Z軸移動速度:1000mm/min
アシストガス種類:酸素
アシストガス圧力:0.07MPa
ビームオン時間:0.9sec
ビーム照射開始時の加工ヘッド高さ:材料表面より19.0mm(Hdf)
ビーム照射終了時の加工ヘッド高さ:材料表面より4.0mm(Hjf)
また、図5においては板厚19mmの軟鋼(SS400)の加工結果を示したが、板厚が12mm、16mm、22mmのものについても同様の実験を行い、図4と同様の結果が得られており、板厚によらずt2は0.5秒程度が最適値であるといえる。
第1のピアシング条件は、板厚途中までの穿孔と急速にビームスポット径を増大させるために、第2のピアシング条件と比較し、低出力かつZ軸の上方への移動速度を大きくし、ビーム照射時間を短く設定することが望ましい。また、第2のピアシング条件は、板厚途中まで穿孔が進行したピアシング穴に対し、酸化燃焼反応を再び促進させ、かつ穿孔効率を高めることから、第1のピアシング条件と比較し、高出力かつZ軸の下方への移動速度を小さくし、ビーム照射時間を長く設定することが望ましい。
<従来のピアシング条件>
レーザビーム出力:4000W(CWモード)
アシストガス種類:酸素
アシストガス圧力:0.08MPa
ビームオン時間:1.0sec
ビーム照射時の加工ヘッド高さ:材料表面より19.0mm(一定)
0.4秒(第1の工程)+0.5秒(第2の工程)+0.9秒(第3の工程)=1.8秒
となり、図6に示したように、従来のCWモードによる加工方法の加工時間1.0秒と比較し、やや悪化している。しかし、ピアシング穴径は40%小さくなり、これによりスパッタ量も約30%以上低減させることができる。
実施の形態1においては、ピアシング加工中に、レーザ出力、加工ヘッドの上下動により制御できる被加工物上のビームスポット径を変化させ、ビーム停止時間を設け、スパッタ量を減少させた。本実施の形態においては、それらの動作に加え、エアーおよびスパッタ付着防止剤をピアシング穴付近に噴射することにより、ピアシング穴周囲のスパッタの残存、固着を防止するものである。
図7において、NC装置13からの指令値により、サイドガス供給装置8は所定の圧力のエアーSをサイドノズル7に供給する。供給されたエアーSは、サイドノズル7より被加工物W上のピアシング穴h周辺に噴射されて、ピアシング穴h周囲のスパッタの除去に使用される。ここで、サイドノズル7は加工ヘッド3に固定されており、加工ヘッド3とともに上下動する。
また、NC装置13からの指令値により、スパッタ付着防止剤供給装置9は所定の圧力のスパッタ付着防止剤Oをスパッタ付着防止剤噴射ノズル10に供給する。ここで、スパッタ付着防止剤とは、被加工物Wへのスパッタの固着を防止するための、離型剤もしくは油分を成分とするものである。供給されたスパッタ付着防止剤Oは、スパッタ付着防止剤噴射ノズル10より被加工物W上のピアシング穴h周辺に噴射されて、ピアシング穴周囲のスパッタ固着の防止に使用される。サイドノズル7は加工ヘッド3とともに上下動するが、スパッタ付着防止剤噴射ノズル10は、スパッタ付着防止剤Oがノズル5等に付着しないように、独立して固定されている。そして、スパッタ付着防止剤Oを噴射するときは、加工ヘッド3は退避位置まで上昇しておく。
まず、第1の工程にて、加工ヘッド3を退避位置(He)まで上昇させ、スパッタ付着防止剤噴射ノズル9よりスパッタ付着防止剤Oを噴射する(S20)。次に、第1のピアシング条件にて被加工物にレーザビームLを照射しアシストガスAを噴射することにより溶融穿孔を開始する(S01)。そして、穿孔途中に加工ヘッド3を所定の高さまで上昇させることでビームスポット径を増大させ、溶融穿孔現象を促進させる(S02)。加工ヘッド3の上下動させる高さの設定は、実施の形態1と同様である。
続く第2の工程では、ビーム照射およびアシストガス噴射を一旦停止し、サイドノズル7よりエアーSを噴出させ、第1の工程にて発生したスパッタを加工部から除去する(S21)。この段階で溶融穿孔現象は停止し、ピアシング穴径の拡大が抑制される。その後、加工ヘッド3を退避位置(He)まで上昇させ、再度スパッタ付着防止剤Oを加工部分に噴射する(S22)。これは最初に噴射したスパッタ付着防止剤Oが第1ピアシング加工のビーム照射およびアシストガス噴射により揮発、除去されるためである。
続いて第3の工程で、加工ヘッド3を所定の高さ(Hdf)にし、第1の工程にて加工した部分に再度レーザビームLを照射しアシストガスAを噴射することにより溶融穿孔現象を再開させるが、過剰の酸化燃焼反応による穴径拡大を防止させるために、加工ヘッド3をジャストフォーカスの位置(Hjf)まで再び被加工物に接近させ貫通を完了させる(S05)。その後、ビーム照射およびアシストガスの噴射を停止する。そして、サイドノズル7よりエアーSを噴射することで、第2ピアシング加工のビーム照射にて発生したスパッタを加工部より除去する(S23)。以上の動作でピアシング加工は完了となり(S06)、この後、切断条件にて切断が開始される(S07)。
実施の形態1および2においては、第1のピアシング条件および第2のピアシング条件ともCWモードであった。本実施の形態では、実施の形態1および2よりもピアシング穴径をさらに小さくし、ピアシング穴の品質向上を優先した加工方法を提供するものであり、第2のピアシング条件をPWモードとしたものである。
第3工程にてPWモードを用いることにより、第3工程でのピアシング穴径をさらに小さくすることができ、ピアシング穴の品質向上を図ることができる。
<第2ピアシング条件>
レーザ出力:1000W(PWモード)
パルス周波数:100Hz
パルスデューティ:20%
アシストガス種類:酸素
アシストガス圧力:0.07MPa
ビームオン時間:3.0sec
ビーム照射時の加工ヘッド高さ:材料表面から4.0mm(一定)
実施の形態1〜3においては、一般にピアシング時間が長いほどスパッタ量は少なくなる傾向にあるが、要求される加工時間、加工品質、加工安定性に応じて適正なピアシング方法を選択することが可能である。例えば、多数の穴開けのためにピアシング加工の回数が多くなる場合には、加工時間短縮のために実施の形態1を採用することが望ましく、複雑な切断加工線のためピアシング穴付近を加工ヘッドが横切る場合が多い加工においては、固着したスパッタによる加工品質の劣化や、固着したスパッタと加工ヘッドの衝突を防止するために、スパッタの付着が少ない実施の形態2、もしくはスパッタ量自体が少ない実施の形態3を採用することが望ましい。
Claims (12)
- ピアシング加工を行うレーザ加工方法において、
第1のピアシング条件にてレーザビームを被加工物に照射し被加工物の板厚の途中までピアシング穴を形成する加工を行う第1の工程と、
第1の工程後、レーザビームの照射を所定の時間停止する第2の工程と、
第2の工程後、第1の工程にて加工した部分に第2のピアシング条件にてレーザビームを照射しピアシング穴を貫通させる加工を完了する第3の工程とを備えるとともに、
前記第2の工程における所定の時間は、
前記第2工程にてレーザビームの照射を停止する時間の増加に対して、前記第1から第3の工程によるピアシング加工により発生するスパッタ量が略一定の量から減少し再度略一定の量へと変化する関係において、このスパッタ量が減少し再度略一定の量に達した時間を前記所定の時間としたレーザ加工方法。 - 前記第1のピアシング条件にて、連続波形モードを選択したことを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工方法。
- 前記第1のピアシング条件にて、ビームスポット径を変化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。
- 前記ビームスポット径の変化は、ジャストフォーカス状態からデフォーカス状態へ変化させることを特徴とする請求項3に記載のレーザ加工方法。
- 前記第2のピアシング条件にて、連続波形モードを選択したことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のレーザ加工方法。
- 前記第2のピアシング条件にて、ビームスポット径を変化させることを特徴とする請求項5に記載のレーザ加工方法。
- 前記ビームスポット径の変化は、デフォーカス状態からジャストフォーカス状態へ変化させることを特徴とする請求項6に記載のレーザ加工方法。
- 前記第2のピアシング条件にて、パルス波形モードを選択したことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のレーザ加工方法。
- 前記第2のピアシング条件にて、ビームスポット径を一定としたことを特徴とする請求項8に記載のレーザ加工方法。
- 前記第1の工程は、レーザビームの照射前に被加工物の加工部付近にスパッタ付着防止剤を噴射し、
前記第2の工程におけるレーザ停止時に、被加工物の加工部付近にエアーを噴射することを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載のレーザ加工方法。 - 前記第2の工程におけるレーザ停止時に、被加工物の加工部付近にスパッタ付着防止剤を噴射し、
前記第3の工程でのレーザビームの照射後に、被加工物の加工部付近にエアーを噴射することを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載のレーザ加工方法。 - ピアシング加工を行うレーザ加工方法において、
第1のピアシング条件にて連続波形モードのレーザビームを被加工物に照射し被加工物の板厚の途中までピアシング穴を形成する加工を行う第1の工程と、
第1の工程後、レーザビームの照射を所定の時間停止する第2の工程と、
第2の工程後、第1の工程にて加工した部分に第2のピアシング条件にて連続波形モードのレーザビームを被加工物に照射しピアシング穴を貫通させる加工を完了する第3の工程とを備えるとともに、
前記第2の工程における所定の時間は、
前記第2工程にてレーザビームの照射を停止する時間の増加に対して、前記第1から第3の工程によるピアシング加工により発生するスパッタ量が略一定の量から減少し再度略一定の量へと変化する関係において、このスパッタ量が減少し再度略一定の量に達した時間を前記所定の時間としたレーザ加工方法。
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