JP5953353B2 - ピアス加工方法及びレーザ加工機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば固体レーザやファイバーレーザなどの波長が１μｍ帯のレーザ光によって板金材料のレーザ切断加工を行う際に、ピアス加工を行うピアス加工方法及びレーザ加工機に係り、さらに詳細には、軟鋼板の厚板のピアス加工を短時間で行うことのできるピアス加工方法及びレーザ加工機に関する。

軟鋼板などの板状のワークのレーザ切断加工を行う場合、上記ワークにピアス加工を行い、このピアス加工位置からワークのレーザ切断加工が開始されている。上記ピアス加工は、ワークが薄板の場合にはほぼ瞬間的（数１００ｍsec）に行われるので、ピアス加工が複数回繰り返されるレーザ切断加工であっても、さほど問題になるようなことはない。しかし、ワークが厚板になると、ピアス加工に時間を要することになる。例えば、板厚１９ｍｍの軟鋼板を、４ｋW炭配ガスレーザ発振器を用いてピアス加工を行うと、ピアス加工時間に約２０秒程要するものである。したがって、ワークのレーザ切断加工を行う場合、前記ピアス加工時間を短縮することが望まれている。なお、本発明に関係すると思われる文献として、特許文献１がある。

特許第４９２５６１６号公報

前記特許文献１に記載のピアス加工方法は、ピアス加工の初期に、アシストガスとして窒素ガスを使用し、かつ高出力でもってピアス加工を行い、その後、アシストガスとして酸素ガスを使用し、かつ低出力でもってピアス加工を行うものである。したがって、ピアス加工初期には、ピアス加工穴に窒化層が形成されて酸化反応が抑制されることとなる。よって、レーザ出力を大きくした場合であっても過剰な燃焼を防止でき、ピアス加工をより短時間で行うことができることになる。

しかし、ファイバーレーザ発振器を搭載したレーザ加工機においては、前記特許文献１に記載のピアス加工方法を実施しても、ピアス加工時間を大幅に短縮することはできなかった。すなわち、ファイバーレーザ発振器を備えたレーザ加工機においては、ワークとしての軟鋼板のレーザ切断加工を適正に行うために、レーザ加工ヘッドの集光レンズにアキシコンレンズを使用する場合がある。このアキシコンレンズは、入射されたレーザ光を、リング状のビームに形成するので、ワークのピアス加工時には、レーザビームのエネルギがワークに効果的に作用できていない可能性がある。

ところで、レーザ加工ヘッドに、集光レンズを備えた構成において、厚板のレーザ切断加工を行うに当り、ピアス加工を行うには、集光レンズによるレーザ光の集光径ｄとレーリー長Ｚｒとの比Ｚｒ／ｄを所定範囲に設定すると、厚板のピアス加工を能率よく行い得ることを見出した。

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、波長が１μｍ帯のレーザ光によって金属材料にピアス加工を行う加工方法であって、レーザ光の集光径をｄ、レーリー長をＺｒとするとき、８≦Ｚｒ／ｄ≦１２の範囲に保持してピアス加工を行うことを特徴とするものである。

また、前記ピアス加工方法において、前記集光径ｄとレーリー長Ｚｒとの比Ｚｒ／ｄは、９≦Ｚｒ／ｄ≦１１であることを特徴とするものである。

また、前記ピアス加工方法において、Ｚｒ／ｄは、Ｚｒ／ｄ≒１０であることを特徴とするものである。

また、前記ピアス加工方法において、レーザ光の焦点位置を、ワークの表面又はワークの外部に設定してあることを特徴とするものである。

また、前記ピアス加工方法において、レーザ光のビームプロファイルは山高帽子状であることを特徴とするものである。

また、前記ピアス加工方法において、レーザ光のビームプロファイルは、光強度の高い径がワーク上面からワーク下面にかけてほぼ一定であり、かつワーク下面付近においては山高帽状を呈するモードであることを特徴とするものである。

また、波長が１μｍ帯のレーザ光によって金属材料にピアス加工を行うレーザ加工機であって、波長が１μｍ帯のレーザ光を発振するファイバーレーザ発振器と、金属材料にピアス加工を行うレーザ加工ヘッドに接続したプロセスファイバーと、前記ファイバーレーザ発振器から発振されたレーザ光を前記プロセスファイバーへ伝送するビーム品質可変装置と、前記レーザ加工ヘッドから金属材料へ照射されるレーザ光の集光径ｄとレーリー長Ｚｒとの関係が８≦Ｚｒ／ｄ≦１２の範囲に保持されるように前記ビーム品質可変装置を制御する制御装置と、を備えていることを特徴とするものである。

本発明によれば、レーザ光の集光径ｄとレーリー長Ｚｒとの比を適正の範囲に設定してピアス加工を行うものであるから、厚板のピアス加工をも能率よく行うことができるものである。

本発明の実施形態に係るレーザ加工機（レーザ加工システム）の全体的構成を概念的、概略的に示した構成説明図である。 厚板のピアス加工を行う場合のビームプロファイルを示す説明図である。 厚板のピアス加工時間とＺｒ／ｄの値との関係を示した試験結果のグラフである。

図１に概念的、概略的に示すように、本発明の実施形態に係るレーザ加工機（レーザ加工システム）１は、レーザ発振器３と加工機本体５とを備えている。上記レーザ発振器３は、波長が１μｍ帯のレーザ光を発振するファイバーレーザ発振器等のごときレーザ発振器である。なお、前記レーザ発振器３は、波長が１μｍ未満の種光をもつ半導体レーザ光をダイレクトダイオードレーザとすることも可能である。前記加工機本体５は、例えばワークテーブル７上に載置された軟鋼板などのごとき厚板状のワークＷに対してＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ相対的に移動位置決め自在なレーザ加工ヘッド９を備えている。このレーザ加工ヘッド９には、集光レンズ（図示省略）が備えられている。なお、前記レーザ発振器３及び加工機本体５は、既に知られている構成であってよいものであるから、レーザ発振器３及び加工機本体５の構成の詳細についての説明は省略する。

前記レーザ発振器３と前記レーザ加工ヘッド９は、プロセスファイバー１１を介して光学的に接続してある。そして、このプロセスファイバー１１にはビーム品質可変装置１３が介設してある。このビーム品質可変装置１３は、例えば、ＷＯ２０１３／０８６２２７Ａ１、特開２０１２−２４７８２号公報等に記載されているように、既に公知であるから、ビーム品質可変装置１３の構成についての詳細な説明は省略する。この種のビーム品質可変装置１３は、レーザ発振器３から発振されたレーザ光を、ガウシアン型のシングルモードから例えば山高帽状（トップハット型）のマルチモードに変換可能なものである。

前記レーザ加工機１は、例えばＮＣ装置などのごとき制御装置１５を備えている。この制御装置１５はコンピュータから構成してあって、前記レーザ発振器３の出力及び前記加工機本体５に備えられた前記レーザ加工ヘッド９の動作を制御する機能を有する。さらに、前記制御装置１５は、前記レーザ発振器３から発振されたレーザ光を、所望のマルチモードのビームモードに変換すべく、前記ビーム品質可変装置１３を制御する機能を有するものである。

上記構成により、制御装置１５の制御の下にレーザ発振器３の出力を制御すると共にレーザ加工ヘッド９の動作を制御することにより、ワークテーブル７上のワークＷに対してレーザ加工を行うことができるものである。この際、制御装置１５の制御の下にビーム品質可変装置１３を制御することにより、前記レーザ発振器３から発振されたレーザ光のビームプロファイル（ビームモード）を、シングルモード（ガウシアン型）からマルチモード（トップハット型又はリング型）に変換してプロセスファイバー１１に伝送することができるものである。したがって、レーザ加工ヘッド９に備えた集光レンズは、マルチモードのレーザ光を集光してワークＷに照射することになる。

ところで、レーザ加工ヘッド９に集光レンズとしてアキシコンレンズを備えた別の構成においては、焦点位置を経たレーザビームはリングモードに変換されるものである。このリングモードは、板状のワーク（軟鋼板）のレーザ切断加工に適するものの、厚板のレーザ切断加工を開始するためのピアス加工時には時間を要し、ピアス加工を繰り返すレーザ切断加工においては、ピアス加工をより短時間で行うことが望まれていた。

レーザ加工においてのピアス加工は、従来は、レーザ光が集光された焦点位置をワークの上面（表面）又はその近傍に設定し、一気に加熱、溶融、除去することが行われている。集光レンズとしてアキシコンレンズを備えた前記レーザ加工ヘッド９を用いて厚板のピアス加工を行う場合、焦点位置の下方位置においてはレーザ光がリングモードに拡大するので、レーザ光がピアス加工に効果的に作用せず、ピアス加工時間が長くなるものであった。

そこで、前記ビーム品質可変装置１３によってレーザ光のビームモードを種々変換すると共に、ワーク表面（上面）に対する焦点位置を種々変更して厚板のピアス加工を行った。ところで、ワークにピアス加工を行う場合、溶融金属をアシストガスによって除去しつつ穴加工を行うものである。ここで、集光径ｄが小さい場合、ピアス加工の穴内で発生した溶融金属が小さな上部穴から排出することが難しくなる。また、集光径ｄが大きい場合には、ワークＷに照射されるエネルギ密度が低下し、溶融能力が低下すると共に、アシストガスによって除去する溶融金属の量が多くなる。さらに、集光したレーザビームのレーリー長Ｚｒが短い場合には、ピアス加工が進行し穴が深くなると、レーザ光が拡がり、エネルギ密度が低下して、溶融能力が低下することになる。

そこで、前記ビーム品質可変装置１３を使用してレーザ光のモード（プロファイル）を変換すると、集光径ｄとレーリー長Ｚｒとを連続的に調節することが可能である。したがって、前記集光径ｄとレーリー長Ｚｒとの関係と厚板（軟鋼板、ｔ＝１９ｍｍ，２２ｍｍ，２５ｍｍ）のピアス加工時間との良好な関係を見出すために種々の試験を行ったところ、前記集光径ｄとレーリー長Ｚｒとの比Ｚｒ／ｄが所定の範囲にあるときに、厚板のピアス加工時間が短くなることを見出した。

すなわち、図２に示すように、レーザ光の焦点位置をワークの表面又はワークの外部に設定し、レーザビームのビーム品質を変更して厚板のピアス加工を行った。そして、上記ビーム品質の変更に伴う集光径ｄとレーリー長Ｚｒとを調べ、レーリー長Ｚｒ／集光径ｄを調べた。図２（Ａ）のビームプロファイルにおいては集光径ｄ＝０．１４８ｍｍ、レーリー長Ｚｒ＝１．９８ｍｍでＺｒ／ｄ≒１３である。図２（Ｂ）の場合、ｄ＝０．１８５ｍｍ、Ｚｒ＝２．３４ｍｍで、Ｚｒ／ｄ≒１２．６、図２（Ｃ）の場合、ｄ＝０．２５３ｍｍ、Ｚｒ＝２．５４ｍｍで、Ｚｒ／ｄ≒１０、図２（Ｄ）の場合、ｄ＝０．３０７ｍｍ、Ｚｒ＝２．４９ｍｍで、Ｚｒ／ｄ≒８．１である。そして、図２（Ｅ）の場合、ｄ＝０．３２８ｍｍ、Ｚｒ＝２．４２ｍｍで、Ｚｒ／ｄ≒７．４である。

そして、図２（Ａ）〜図２（Ｅ）に示したビームプロファイルでもって厚板のピアス加工を行ったピアス時間とＺｒ／ｄとの関係は、図３に示すとおりであった。図３から明らかなように、Ｚｒ／ｄの範囲は、８≦Ｚｒ／ｄ≦１２の範囲が望ましいものである。ここで、Ｚｒ／ｄ≒１０は図２（Ｃ）に示されるビームプロファイルである。このビームプロファイルは、ピアス加工時間が最小となり、最も好ましいものである。そして、このビームプロファイルは、ワークＷを貫通した位置付近においては、いわゆる山高帽子状（トップハット型）であった。つまり、ワーク上面から下面にかけて光強度の高い径がほぼ一定であり、かつワーク下面においてはガウシアン型でもリング型でもない山高帽状（トップハット型）を呈するものであるから、ピアス穴の内側で溶解した金属をアシストガス圧で以って排出しやすいビームプロファイルとなっている。

そして、図３から明らかなように、次に好ましい範囲としては、９≦Ｚｒ／ｄ≦１１の範囲である。すなわち、ピアス加工時間は、Ｚｒ／ｄ≒１０の場合に比較して多少長くなるものの、許容範囲内の時間である。

図２，図３から明らかなように、Ｚｒ／ｄ＜８になる領域は、図２（Ｅ）であって、ビーム径が次第に大きくなるものであるから、レーザ光の広がり角度が大きく、厚板を貫通する深い位置付近においてのエネルギ密度が小さくなる傾向にある。また、Ｚｒ／ｄ＞１２は、図２（Ｂ），（Ａ）であって、ビーム径が小さなものである。この場合、レーザビームの広がり角が小さく、厚板のピアス加工を行う深い位置でのビーム径が小さく、深い位置で溶融した金属の排除が難しくなるものである。よって、Ｚｒ／ｄは、８≦Ｚｒ／ｄ≦１２の範囲が望ましいものである。

１ レーザ加工機（レーザ加工システム）
３ レーザ発振器
５ 加工機本体
７ ワークテーブル
９ レーザ加工ヘッド
１１ プロセスファイバー
１３ ビーム品質可変装置

Claims (7)

1. 波長が１μｍ帯のレーザ光によって金属材料にピアス加工を行う加工方法であって、レーザ光の集光径をｄ、レーリー長をＺｒとするとき、８≦Ｚｒ／ｄ≦１２の範囲に保持してピアス加工を行うことを特徴とするピアス加工方法。
2. 請求項１に記載のピアス加工方法において、前記集光径ｄとレーリー長Ｚｒとの比Ｚｒ／ｄは、９≦Ｚｒ／ｄ≦１１であることを特徴とするピアス加工方法。
3. 請求項２に記載のピアス加工方法において、Ｚｒ／ｄは、Ｚｒ／ｄ≒１０であることを特徴とするピアス加工方法。
4. 請求項１，２又は３に記載のピアス加工方法において、レーザ光の焦点位置を、ワークの表面又はワークの外部に設定してあることを特徴とするピアス加工方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のピアス加工方法において、前記レーザ光のビームプロファイルは、光強度の高い径がワーク上面からワーク下面にかけてほぼ一定であり、かつワーク下面付近においては山高帽状を呈するモードであることを特徴とするピアス加工方法。
6. 請求項５に記載のピアス加工方法において、レーザ光のビームプロファイルは、シングルモードのレーザ光を、ビーム品質可変装置によって山高帽子状に変換してあることを特徴とするピアス加工方法。
7. 波長が１μｍ帯のレーザ光によって金属材料にピアス加工を行うレーザ加工機であって、波長が１μｍ帯のレーザ光を発振するファイバーレーザ発振器と、金属材料にピアス加工を行うレーザ加工ヘッドに接続したプロセスファイバーと、前記ファイバーレーザ発振器から発振されたレーザ光を前記プロセスファイバーへ伝送するビーム品質可変装置と、前記レーザ加工ヘッドから金属材料へ照射されるレーザ光の集光径ｄとレーリー長Ｚｒとの関係が８≦Ｚｒ／ｄ≦１２の範囲に保持されるように前記ビーム品質可変装置を制御する制御装置と、を備えていることを特徴とするレーザ加工機。