JP6127267B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関し、特に、レーザ光の照射により加工対象を切断するレーザ加工技術に関する。

レーザ光の照射により加工対象を切断するレーザ加工技術において、レーザ光による切断能力をアシストガスによって高める技術が多く用いられている。具体的には、アシストガスは酸素ガスであり、レーザ光の照射により照射位置にて加工対象の構成材料（例えば鉄などの金属）が溶融（更には気化）すると共に、溶融した構成材料とアシストガスとの酸化反応により酸化熱が発生し、その酸化熱により更に多くの構成材料が溶融する。アシストガスは、例えば加工ヘッドから高速で噴射されており、溶融又は気化した構成材料は、アシストガスと共に加工対象から吹き飛ばされる。

この様なレーザ加工技術によれば、加工対象の切断時にヒュームやスパッタ等の塵が発生することになる。そこで、従来から、これらの塵を吸引する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この様な吸引技術として、従来は、加工対象が載置される加工テーブルの下方空間において、水平で且つ一方向に所定の流速で流れる気流を発生させ、この気流により塵を吸引していた。即ち、従来の吸引技術では、加工対象を切断する過程で変化する切断方向に拘らず、気流を、一方向に一定の流速で発生させていた。

特開平９−５２１８９号公報

しかしながら、従来の吸引技術を用いたレーザ加工技術では、レーザ光の照射により形成されるスリットの状態（加工状態）が、切断方向に応じて（具体的には、切断方向と気流の方向とのなす角度に応じて）変化し、切断方向（切断方向と気流の方向とのなす角度）によっては、ドロスが多量に発生して切断の妨げになる。

そこで、切断方向に拘らず、常に良好な加工状態が得られるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供する。

本発明に係るレーザ加工装置は、加工テーブルと、加工ヘッドと、搬送部と、気流発生部と、制御部とを有する。加工テーブルは開口を有し、加工テーブルには、開口を跨いだ状態で加工対象が載置される。加工ヘッドは、加工対象の切断に用いられるレーザ光を加工対象への照射位置に集光させると共に、レーザ光による切断能力を高めるアシストガスを噴射する。搬送部は、加工テーブルに対して加工ヘッドを相対的に水平方向へ移動させる。気流発生部は、加工テーブルの開口に通じる加工テーブルの下方空間において水平方向の気流を発生させることが可能である。制御部は、搬送部及び気流発生部を制御するものであり、第１制御と第２制御とを実行する。第１制御では、制御部は、加工対象にレーザ光を照射すると共に、加工ヘッドを移動させて照射位置を連続的に変化させることにより、加工対象を切断する。第２制御では、制御部は、加工対象を切断する過程で変化する切断方向に応じて、気流発生部を制御することにより、気流の状態を変化させる。さらに、第２制御において、制御部は、切断方向と気流の方向とのなす角度が、常に、６０°より大きく且つ７５°以下の範囲に規定された所定角度以上となる様に、気流の方向を変化させる。
また、本発明に係る別のレーザ加工装置は、加工テーブルと、加工ヘッドと、搬送部と、気流発生部と、制御部とを有する。加工テーブルは開口を有し、加工テーブルには、開口を跨いだ状態で加工対象が載置される。加工ヘッドは、加工対象の切断に用いられるレーザ光を加工対象への照射位置に集光させると共に、レーザ光による切断能力を高めるアシストガスを噴射する。搬送部は、加工テーブルに対して加工ヘッドを相対的に水平方向へ移動させる。気流発生部は、加工テーブルの開口に通じる加工テーブルの下方空間において水平方向の気流を発生させることが可能である。制御部は、搬送部及び気流発生部を制御するものであり、第１制御と第２制御とを実行する。第１制御では、制御部は、加工対象にレーザ光を照射すると共に、加工ヘッドを移動させて照射位置を連続的に変化させることにより、加工対象を切断する。第２制御では、制御部は、加工対象を切断する過程で変化する切断方向に応じて、気流発生部を制御することにより、気流の状態を変化させる。さらに、気流発生部が発生させる気流の方向は、一方向に規定された所定方向である。さらに、第２制御において、制御部は、所定方向と切断方向とのなす角度が、６０°より大きく且つ７５°以下の範囲に規定された所定角度以上である場合、第１流速で流れる前記気流を発生させ、所定方向と切断方向とのなす角度が、所定角度より小さい場合、第１流速より小さい第２流速で流れる気流を発生させるか、又は気流の発生を停止させる。

本発明に係るレーザ加工方法は、開口を有した加工テーブルに開口を跨いだ状態で載置された加工対象を、レーザ光を用いて切断すると共に、レーザ光による切断能力をアシストガスによって高める方法であって、工程（ｉ）及び（ｉｉ）を有する。工程（ｉ）では、加工対象にレーザ光を照射すると共に照射位置を連続的に変化させることにより、加工対象を切断する。工程（ｉｉ）では、加工テーブルの開口に通じる加工テーブルの下方空間において水平方向の気流を発生させると共に、加工対象を切断する過程で変化する切断
方向に応じて、気流の状態を変化させる。さらに、工程（ｉｉ）では、気流の方向と切断方向とのなす角度が、常に、６０°より大きく且つ７５°以下の範囲に規定された所定角度以上となる様に、気流の方向を変化させる。
また、本発明に係る別のレーザ加工方法は、開口を有した加工テーブルに開口を跨いだ状態で載置された加工対象を、レーザ光を用いて切断すると共に、レーザ光による切断能力をアシストガスによって高める方法であって、工程（ｉ）及び（ｉｉ）を有する。工程（ｉ）では、加工対象にレーザ光を照射すると共に照射位置を連続的に変化させることにより、加工対象を切断する。工程（ｉｉ）では、加工テーブルの開口に通じる加工テーブルの下方空間において水平方向の気流を発生させると共に、加工対象を切断する過程で変化する切断方向に応じて、気流の状態を変化させる。さらに、気流発生部が発生させる気流の方向は、一方向に規定された所定方向である。さらに、第２制御において、制御部は、所定方向と切断方向とのなす角度が、６０°より大きく且つ７５°以下の範囲に規定された所定角度以上である場合、第１流速で流れる気流を発生させ、所定方向と切断方向とのなす角度が、所定角度より小さい場合、第１流速より小さい第２流速で流れる気流を発生させるか、又は気流の発生を停止させる。

本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法によれば、切断方向に拘らず、常に良好な加工状態が得られる。

本発明の第１実施形態に係るレーザ加工装置を示した概念図である。 レーザ加工装置が備える加工テーブルの縦断面図である。 切断面に形成されるレーザ光の照射痕を示した概念図である。 レーザ光が照射される加工経路の一例を示した平面図である。 切断方向と気流の方向とのなす角度を示した図である。 本発明の第２実施形態に係るレーザ加工装置を示した概念図である。 第１実施形態に係るレーザ加工装置の第１変形例を示した平面図である。 第１実施形態に係るレーザ加工装置の第２変形例を示した平面図である。 第１実施形態に係るレーザ加工装置の第２変形例を示した平面図である。 加工対象の表面及び裏面での加工状態を示す図である。 加工対象の表面及び裏面での加工状態を示す図である。 切断方向と気流の方向とのなす角度と、加工対象の表面及び裏面でのスリット幅、並びにテーパ角との関係を示したグラフである。

従来のレーザ加工技術において、切断方向（具体的には、切断方向と気流の方向とのなす角度）に応じて加工状態が変化する点について、本発明者らが見出した結果は以下の通りである。

本発明者らは、レーザ加工装置として、図６に示されるレーザ加工装置（気流の方向が一方向に規定されたレーザ加工装置）を用い、このレーザ加工装置において、切断方向に拘らず、気流をほぼ一定の流速で発生させた。又、加工対象として鉄板を用い、アシストガスとして酸素ガスを用いた。そして、気流の方向とのなす角度θ（図５参照。図５において、符号Ｆは気流を示し、符合Ｄｃは切断方向を示している。角度θは、０°≦θ≦１８０°の範囲となる様に決められる。）が、０°、４５°、６０°、７５°、９０°、１２０°、１３５°、及び１８０°となる８通りの切断方向へ加工対象を直線的に切断した場合について、それぞれの加工状態を調べた。その他の条件は次の通りである。切断速度を１０２０ｍｍ／ｍｉｎ、レーザ出力を２．０ｋＷ、加工対象（鉄板）の厚さを９．０ｍｍ、酸素ガス圧を０．０３ＭＰａ、ノズル径を２．０ｍｍ、加工対象の表面からノズルの先端までの距離を３．０ｍｍ、レーザ光の焦点位置を加工対象の表面とした。

図１０及び図１１は何れも、加工対象の表面（レーザ光が照射される面）及び裏面での加工状態を示す画像である。図１０及び図１１に示すように、角度θを０°、４５°、及び６０°とした場合、加工対象の裏面に多量のドロスが付着し、加工対象の切断が妨げられた。一方、角度θを７５°、９０°、１２０°、１３５°、及び１８０°とした場合、加工対象の裏面にはドロスが殆ど付着しないか、ドロスが付着したとしても少量であり、良好な加工状態が得られた。この様に角度θに応じて加工状態が変化する理由として、以下のことが考えられる。

切断面に形成されるレーザ光の照射痕は、後述する様に、レーザ光の照射位置の進行方向（切断方向）とは反対方向に裾が拡がった形状となる（図３参照）。又、このレーザ光の照射痕に沿って、加工対象の切断時に発生するヒュームやスパッタ等の塵が、アシストガスと共に流れる。このため、塵やアシストガスは、加工対象の裏面に開いたスリットから、切断方向とは反対方向へ斜めに流れ出そうとする。これに対し、切断方向と気流の方向とのなす角度θが６０°以下である場合、気流は、塵やアシストガスが流れる方向とは反対の方向（即ち、切断方向と同じ方向）に流れる成分を持つ。この様な気流の成分は、スリットからの塵やアシストガスの滑らかな流出を妨げ、スリット内での塵やアシストガスの滞留を招くと考えられる。このため、加工対象の切断に必要な量のアシストガスが供給され難くなり、それが原因となって、スリット幅が拡がり難くなると共に、加工対象から溶融物を吹き飛ばすアシストガスの力が弱まると考えられる。そして、その結果、溶融物が、吹き飛ばされずに加工対象に残り、ドロスとなって加工対象の裏面に付着すると考えられる。

一方、切断方向と気流の方向とのなす角度θが１２０°、１３５°、及び１８０°である場合、気流は、塵やアシストガスが流ようとする方向と同じ方向（即ち、切断方向とは反対の方向）に流れる成分を持つ。この様な気流の成分は、スリットからの塵やアシストガスの滑らかな流出を促すと考えられる。よって、加工対象の切断に必要な量のアシストガスが供給され、それに起因して、スリット幅が拡がり易くなると共に、加工対象から溶融物を吹き飛ばすアシストガスの力が強まると考えられる。そして、その結果、加工対象から溶融物が吹き飛ばされ、加工対象の裏面にはドロスが発生し難いと考えられる。

又、切断方向と気流の方向とのなす角度θが７５°の場合、気流は、塵やアシストガスが流れんとする方向とは反対の方向（即ち、切断方向と同じ方向）に流れる成分を持つものの、その成分の大きさ（即ち、流速）が、角度θが６０°以下である場合に比べて小さい。このため、スリット内での塵やアシストガスの滞留が発生し難いと考えられる。更に、切断方向と気流の方向とのなす角度θが９０°の場合、気流は、塵やアシストガスが流れんとする方向において成分を持たなくなる。この場合も、スリット内での塵やアシストガスの滞留が発生し難いと考えられる。よって、角度θが７５°又は９０°の場合も、加工対象から溶融物が吹き飛ばされ、加工対象の裏面にはドロスが発生し難いと考えられる。

この様な角度θと加工状態との関係から、本発明者らは、良好な加工状態が得られる角度θの最小値（以下、「所定角度θｍ」と称す。）が、６０°＜θ≦７５°の範囲に存在していることを見出した。又、本発明者らは、角度θが６０°以下であっても、気流の流速を小さくするか、又は気流の発生を停止させることが有効であることを見出した。本発明は、この様な角度θと加工状態との関係を利用して成されたものである。以下、本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法について説明する。

本発明に係るレーザ加工装置は、加工テーブルと、加工ヘッドと、搬送部と、気流発生部と、制御部とを有する。加工テーブルは開口を有し、加工テーブルには、開口を跨いだ状態で加工対象が載置される。加工ヘッドは、加工対象の切断に用いられるレーザ光を加工対象への照射位置に集光させると共に、レーザ光による切断能力を高めるアシストガスを噴射する。搬送部は、加工テーブルに対して加工ヘッドを相対的に水平方向へ移動させる。気流発生部は、加工テーブルの開口に通じる加工テーブルの下方空間において水平方向の気流を発生させることが可能である。制御部は、搬送部及び気流発生部を制御するものであり、第１制御と第２制御とを実行する。第１制御では、制御部は、加工対象にレーザ光を照射すると共に、加工ヘッドを移動させて照射位置を連続的に変化させることにより、加工対象を切断する。第２制御では、制御部は、加工対象を切断する過程で変化する切断方向に応じて、気流発生部を制御することにより、発生させる気流の状態を変化させる。

上記レーザ加工装置によれば、切断方向に応じて、その切断方向に適した状態の気流を発生させることが可能となる。よって、切断方向に拘らず、常に良好な加工状態が得られることになる。

上記レーザ加工装置の好ましい具体的構成は、次の通りである。第２制御において、制御部は、切断方向と気流の方向とのなす角度θが、常に、６０°より大きく且つ７５°以下の範囲に規定された所定角度θｍ以上となる様に、発生させる気流の方向を変化させる。この様な制御によれば、切断方向に拘らず、レーザ光の照射により形成されるスリット内において塵やアシストガスの滞留が発生し難くなる。よって、加工対象の裏面にはドロスが殆ど付着しないか、ドロスが付着したとしても少量であり、常に良好な加工状態が得られる。尚、切断方向と気流の方向とのなす角度θは、０°≦θ≦１８０°の範囲となる様に決められる。又、「気流の方向」は、実際に気流が一様に流れる場合のその方向に限定されるものではない。例えば、気流の方向に位置的な変化が生じる場合には、気流を生じさせるように設定された方向が、「気流の方向」として用いられる。

より具体的には、気流発生部は、１２０°より大きく且つ１８０°以下の角度をなす第１方向及び第２方向へ、選択的に、気流を発生させることが可能であり、第２制御において、制御部は、第１方向及び第２方向のうち、切断方向とのなす角度が所定角度θｍ以上となる何れか一方の方向へ、気流を発生させる。

上記レーザ加工装置の好ましい他の具体的構成は、次の通りである。気流発生部が発生させる気流の方向は、一方向に規定された所定方向である。そして、第２制御において、制御部は、所定方向と切断方向とのなす角度が、６０°より大きく且つ７５°以下の範囲に規定された所定角度θｍ以上である場合、第１流速で流れる気流を発生させ、所定方向と切断方向とのなす角度が、所定角度θｍより小さい場合、第１流速より小さい第２流速で流れる気流を発生させるか、又は気流の発生を停止させる。この様な制御によれば、切断方向と気流の方向とのなす角度θが所定角度θｍより小さい場合であっても、レーザ光の照射により形成されるスリット内において塵やアシストガスの滞留が発生し難くなる。よって、切断方向に拘らず、加工対象の裏面にはドロスが殆ど付着しないか、ドロスが付着したとしても少量であり、常に良好な加工状態が得られる。

本発明に係るレーザ加工方法は、開口を有した加工テーブルに開口を跨いだ状態で載置された加工対象を、レーザ光を用いて切断すると共に、レーザ光による切断能力をアシストガスによって高める方法であって、工程（ｉ）及び（ｉｉ）を有する。工程（ｉ）では、加工対象にレーザ光を照射すると共に照射位置を連続的に変化させることにより、加工対象を切断する。工程（ｉｉ）では、加工テーブルの開口に通じる加工テーブルの下方空間において水平方向の気流を発生させると共に、加工対象を切断する過程で変化する切断方向に応じて、発生させる気流の状態を変化させる。

上記レーザ加工方法によれば、切断方向に応じて、その切断方向に適した状態の気流を発生させることが可能となる。よって、切断方向に拘らず、常に良好な加工状態が得られることになる。

上記レーザ加工方法の好ましい具体的態様において、工程（ｉｉ）では、気流の方向と切断方向とのなす角度θが、常に、６０°より大きく且つ７５°以下の範囲に規定された所定角度θｍ以上となる様に、発生させる気流の方向を変化させる。この様な方法によれば、切断方向に拘らず、レーザ光の照射により形成されるスリット内において塵やアシストガスの滞留が発生し難くなる。よって、加工対象の裏面にはドロスが殆ど付着しないか、ドロスが付着したとしても少量であり、常に良好な加工状態が得られる。

より具体的には、工程（ｉｉ）は、切断方向に応じて、１２０°より大きく且つ１８０°以下の角度をなす第１方向及び第２方向へ、選択的に、気流を発生させる工程であり、工程（ｉｉ）では、第１方向及び第２方向のうち、切断方向とのなす角度が所定角度θｍ以上となる何れか一方の方向へ、気流を発生させる。

上記レーザ加工方法の好ましい他の具体的態様は、次の通りである。工程（ｉｉ）にて発生させる気流の方向は、一方向に規定された所定方向である。そして、工程（ｉｉ）では、所定方向と切断方向とのなす角度が、６０°より大きく且つ７５°以下の範囲に規定された所定角度θｍ以上である場合、第１流速で流れる気流を発生させ、所定方向と切断方向とのなす角度が、所定角度θｍより小さい場合、第１流速より小さい第２流速で流れる気流を発生させるか、又は気流の発生を停止させる。この様な方法によれば、切断方向と気流の方向とのなす角度θが所定角度θｍより小さい場合であっても、レーザ光の照射により形成されるスリット内において塵やアシストガスの滞留が発生し難くなる。よって、切断方向に拘らず、加工対象の裏面にはドロスが殆ど付着しないか、ドロスが付着したとしても少量であり、常に良好な加工状態が得られる。

本発明に係るレーザ加工方法は、上述したレーザ加工装置の制御部により実行されるものであり、工程（ｉ）及び（ｉｉ）はそれぞれ第１制御及び第２制御に対応している。そこで、以下では、本発明に係るレーザ加工装置の実施形態について、図面に沿って具体的に説明する。これにより、本発明に係るレーザ加工方法の実施形態についても、具体的に説明されることになる。

［１］第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係るレーザ加工装置を示した概念図である。図１に示す様に、第１実施形態のレーザ加工装置は、加工テーブル１と、加工ヘッド２と、搬送部３と、気流発生部４と、制御部５とを備える。図２は、加工テーブル１の縦断面図である。

加工テーブル１は、その表面に大きく口を開いた矩形状の開口１１を有している。具体的には、加工テーブル１は、矩形状の外縁１２と、外縁１２に対して略平行に延びると共に開口１１の縁となる矩形状の内縁１３とを有している。又、加工テーブル１の外縁１２には、開口１１に通じる加工テーブル１の下方空間Ｓを包囲する４つの側壁１４Ａ〜１４Ｄが設けられている。

加工テーブル１には、加工対象Ｔが開口１１を跨いだ状態で載置される。加工対象Ｔは、開口１１全体を塞ぐことのない寸法であることが好ましい。又、加工対象Ｔが加工テーブル１に載置されたとき、図１に示す様に、加工対象Ｔの両側に開口１１が部分的に見えていることが好ましい。加工対象Ｔは、例えば鉄板である。尚、加工対象Ｔは、鉄を主成分として含むものに限らず、銅やアルミニウム等の金属を主成分として含むものであってもよい。但し、加工対象Ｔの構成材料は、後述するアシストガス（酸素ガス）との酸化反応により、大量の酸化熱を発生する材料であることが好ましい。

加工ヘッド２は、レーザ発振装置（図示せず）から出力されたレーザ光Ｌを加工対象Ｔへの照射位置Ｐｗに集光させると共に、レーザ光Ｌによる切断能力を高めるアシストガスを噴射する。ここで、アシストガスは、酸素ガスを主成分として含んだガスである。本実施形態において、加工ヘッド２は、先端２２を下方へ向けたノズル２１を有している。そして、ノズル２１に設けられた同じ通路を通って、ノズル２１の先端２２から、レーザ光Ｌが出射されると共にアシストガスが噴射される（図３参照）。尚、ノズル２１は、例えば、レーザ光Ｌが通る通路の周りにアシストガス噴射用の別の通路が設けられた２重ノズルであってもよい。

搬送部３は、加工テーブル１に対して加工ヘッド２を相対的に水平方向へ移動させる。具体的には、搬送部３は、加工テーブル１をＸ軸方向に移動させるテーブル搬送部（図示せず）と、加工ヘッド２をＹ軸方向に移動させるヘッド搬送部（図示せず）とから構成されている。尚、搬送部３の構成は、これに限定されるものではない。例えば、加工テーブル１が所定位置に固定されており、搬送部３が、ＸＹ平面内で加工ヘッド２を自在に移動させることが可能なヘッド搬送部であってもよい。或いは、加工ヘッド２が所定位置に固定されており、搬送部３が、ＸＹ平面内で加工テーブル１を自在に移動させることが可能なテーブル搬送部であってもよい。

気流発生部４は、加工テーブル１の下方空間Ｓにおいて水平方向の気流Ｆを発生させる。具体的には、気流発生部４は、第１吸引部４１及び第２吸引部４２を有し、互いに異なる２つの方向へ、選択的に、気流Ｆを発生させることが可能である。ここで、第１吸引部４１は、側壁１４Ａに形成された排気口４３から下方空間Ｓ内の空気を排出することにより、側壁１４Ｂ（又は１４Ｄ）に沿う第１方向Ｄ１（図２参照）へ気流Ｆを発生させる。第２吸引部４２は、側壁１４Ａと対向する側壁１４Ｃに形成された排気口４４から下方空間Ｓ内の空気を排出することにより、第１方向Ｄ１と１８０°の角度をなす第２方向Ｄ２（図２参照。第１方向Ｄ１とは反対の方向）へ気流Ｆを発生させる。尚、「第１方向Ｄ１へ気流Ｆを発生させる」という意味には、第１方向Ｄ１へ一様に流れる気流Ｆを実際に発生させる場合に限らず、下方空間Ｓにて気流Ｆの方向に位置的な変化が生じる場合であっても、それが第１方向Ｄ１へ気流Ｆを発生させようとした結果である場合（例えば、第１方向Ｄ１へ排気した結果である場合）も含まれる。「第２方向Ｄ２へ気流Ｆを発生させる」という意味についても同様である。また、ポンプの排気能力を１８ｍ３／分、円形断面の排気ダクトの直径が０．１ｍであれば、排気ダクト内の流速は３８．２ｍ／秒となる。実際の下方空間Ｓにおける気流Ｆの流速は、排気ダクト内の流速よりは小さくなるため、３８．２ｍ／秒より小さいと考えられる。

制御部５は、搬送部３及び気流発生部４を制御するものである。搬送部３に対する制御（第１制御）において、制御部５は、加工対象Ｔにレーザ光Ｌを照射すると共に、加工ヘッド２を移動させて照射位置Ｐｗを連続的に変化させることにより、加工対象Ｔを切断する。このとき、レーザ光Ｌの照射位置Ｐｗには、アシストガスが供給される（図３参照）。

図３は、切断面に形成されるレーザ光Ｌの照射痕を示した概念図である。加工対象Ｔの表面にレーザ光Ｌが照射されることにより、加工対象Ｔの構成材料（本実施形態では主成分である鉄）が溶融（更に一部は気化）すると共に、溶融した構成材料とアシストガスとの酸化反応により酸化熱が発生し、その酸化熱により、構成材料の溶融が加工対象Ｔの裏面へ向けて進行する。一方、レーザ光Ｌの照射位置Ｐｗは、加工経路に沿って連続的に変化する。このため、構成材料の溶融及び気化は、加工対象Ｔの裏面に近い位置ほど、照射位置Ｐｗから遅れて進行することになる。よって、図３に示す様に、レーザ光Ｌの照射痕Ｍｒは、加工対象Ｔの表面から裏面へ向けて延びると共に照射位置Ｐｗの進行方向（切断方向Ｄｃ）とは反対方向に裾が拡がった形状となる。又、この照射痕Ｍｒに沿って、加工対象Ｔの切断時に発生するヒュームやスパッタ等の塵が、アシストガスと共に流れることになる。

気流発生部４に対する制御（第２制御）において、制御部５は、加工対象Ｔを切断する過程で変化する切断方向Ｄｃに応じて、気流発生部４を制御することにより、発生させる気流Ｆの状態を変化させる。具体的には、制御部５は、気流発生部４を制御することにより、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２のうち、切断方向Ｄｃとのなす角度（角度θ１又はθ２）が、６０°より大きく且つ７５°以下の範囲に規定された所定角度θｍ以上となる何れか一方の方向へ、気流Ｆを発生させる。この様にして、制御部５は、切断方向Ｄｃと気流Ｆの方向とのなす角度θ（図５参照）が、常に、所定角度θｍ以上となる様に、発生させる気流Ｆの方向を変化させる。尚、第１方向Ｄ１と切断方向Ｄｃとのなす角度θ１は、０°≦θ１≦１８０°の範囲となる様に決められる。又、第２方向Ｄ２と切断方向Ｄｃとのなす角度θ２は、０°≦θ２≦１８０°の範囲となる様に決められる。以下、この第２制御の一例について説明する。

図４は、レーザ光Ｌが照射される加工経路の一例を示した平面図である。尚、図４では、加工ヘッド２の図示が省略されている。この例では、位置Ｐ１から位置Ｐ２〜Ｐ４を順に経て再び位置Ｐ１に戻る経路で、照射位置Ｐｗを連続的に変化させる。具体的には、位置Ｐ１から位置Ｐ２までは、第１方向Ｄ１とは反対の（第２方向Ｄ２と同じ）方向Ｄｃ１へ照射位置Ｐｗを連続的且つ直線的に変化させる。位置Ｐ２から位置Ｐ３までは、第１方向Ｄ１（又は第２方向Ｄ２）と垂直な方向Ｄｃ２へ照射位置Ｐｗを連続的且つ直線的に変化させる。位置Ｐ３からＰ４までは、方向Ｄｃ１とは反対の方向Ｄｃ３へ照射位置Ｐｗを連続的且つ直線的に変化させる。位置Ｐ４から位置Ｐ１までは、方向Ｄｃ２とは反対の方向Ｄｃ４へ照射位置Ｐｗを連続的且つ直線的に変化させる。この様な加工経路によれば、矩形状の板片が加工対象Ｔから切り出されることになる。

図４に示される加工経路に沿って加工対象Ｔを切断する場合、制御部５は、気流発生部４を次の様に制御する。切断方向Ｄｃが方向Ｄｃ１である位置Ｐ１から位置Ｐ２までの経路では、第１方向Ｄ１と切断方向Ｄｃとのなす角度θ１が１８０°となり、第２方向Ｄ２と切断方向Ｄｃとのなす角度θ２が０°となる。従って、切断方向Ｄｃとのなす角度が所定角度θｍ以上となる方向は、第１方向Ｄ１である。このとき、制御部５は、第２吸引部４２を停止させた状態で第１吸引部４１を駆動させることにより、第１方向Ｄ１へ気流Ｆを発生させる。これにより、切断方向Ｄｃと気流Ｆの方向とのなす角度θは、所定角度θｍ以上の角度である１８０°となる。

切断方向Ｄｃが方向Ｄｃ２である位置Ｐ２から位置Ｐ３までの経路では、第１方向Ｄ１と切断方向Ｄｃとのなす角度θ１、及び第２方向Ｄ２と切断方向Ｄｃとのなす角度θ２が、何れも９０°となって所定角度θｍ以上となる。このとき、制御部５は、第１吸引部４１の駆動状態と第２吸引部４２の停止状態とを維持することにより、気流Ｆの状態を、第１方向Ｄ１へ流れた状態で維持する。これにより、切断方向Ｄｃと気流Ｆの方向とのなす角度θは、所定角度θｍ以上の角度である９０°となる。

切断方向Ｄｃが方向Ｄｃ３である位置Ｐ３から位置Ｐ４までの経路では、第１方向Ｄ１と切断方向Ｄｃとのなす角度θ１が０°となり、第２方向Ｄ２と切断方向Ｄｃとのなす角度θ２が１８０°となる。従って、切断方向Ｄｃとのなす角度が所定角度θｍ以上となる方向は、第２方向Ｄ２である。このとき、制御部５は、第１吸引部４１を停止させる一方で第２吸引部４２を駆動させることにより、発生させる気流Ｆの方向を、第１方向Ｄ１から第２方向Ｄ２へ変化させる。これにより、切断方向Ｄｃと気流Ｆの方向とのなす角度θは、所定角度θｍ以上の角度である１８０°となる。

切断方向Ｄｃが方向Ｄｃ４である位置Ｐ４から位置Ｐ１までの経路では、第１方向Ｄ１と切断方向Ｄｃとのなす角度θ１、及び第２方向Ｄ２と切断方向Ｄｃとのなす角度θ２が、何れも９０°となって所定角度θｍ以上となる。このとき、制御部５は、第１吸引部４１の停止状態と第２吸引部４２の駆動状態を維持することにより、気流Ｆの状態を、第２方向Ｄ２へ流れた状態で維持する。これにより、切断方向Ｄｃと気流Ｆの方向とのなす角度θは、所定角度θｍ以上の角度である９０°となる。

この様な制御によれば、切断方向Ｄｃと気流Ｆの方向とのなす角度θが、常に、所定角度θｍ（６０°＜θｍ≦７５°）以上となる様に、気流Ｆが発生することになる。従って、切断方向Ｄｃに拘らず、レーザ光Ｌの照射により形成されるスリット内において塵やアシストガスの滞留が発生し難くなる。よって、第１実施形態のレーザ加工装置によれば、加工対象Ｔの裏面にはドロスが殆ど付着しないか、ドロスが付着したとしても少量であり、常に良好な加工状態が得られる。

［２］第２実施形態
図６は、本発明の第２実施形態に係るレーザ加工装置を示した概念図である。尚、以下では、第２実施形態のレーザ加工装置のうち、第１実施形態と異なる構成について説明する。

第２実施形態において、気流発生部４は、第２吸引部４２を持っておらず、気流発生部４（第１吸引部４１）が発生させる気流Ｆの方向は、一方向に規定された所定方向（図２に示される第１方向Ｄ１）である。そして、気流発生部４に対する制御（第２制御）において、制御部５は、加工対象Ｔを切断する過程で変化する切断方向Ｄｃに応じて、以下の様に気流発生部４を制御することにより、発生させる気流Ｆの状態を変化させる。

所定方向（第１方向Ｄ１）と切断方向Ｄｃとのなす角度θ３（角度θ３は、０°≦θ３≦１８０°の範囲となる様に決められる。）が所定角度θｍ（６０°＜θｍ≦７５°）以上である場合、制御部５は、気流発生部４を制御することにより、第１流速Ｖ１で流れる気流Ｆを発生させる。一方、角度θ３が所定角度θｍより小さい場合、制御部５は、気流発生部４を制御することにより、第１流速Ｖ１より小さい第２流速Ｖ２で流れる気流Ｆを発生させる。尚、角度θ３が所定角度θｍより小さい場合、制御部５は、気流発生部４を制御することにより、気流Ｆの発生を停止させてもよい。

一例として、図４に示される加工経路に沿って加工対象Ｔを切断する場合、制御部５は、気流発生部４を次の様に制御する。切断方向Ｄｃが方向Ｄｃ１である位置Ｐ１から位置Ｐ２までの経路では、所定方向（第１方向Ｄ１）と切断方向Ｄｃとのなす角度θ３は、所定角度θｍ以上の角度である１８０°となる。このとき、制御部５は、気流発生部４を制御することにより、第１流速Ｖ１で流れる気流Ｆを発生させる。

切断方向Ｄｃが方向Ｄｃ２である位置Ｐ２から位置Ｐ３までの経路では、所定方向（第１方向Ｄ１）と切断方向Ｄｃとのなす角度θ３は、所定角度θｍ以上の角度である９０°となる。このとき、制御部５は、気流Ｆの状態を第１流速Ｖ１で流れた状態で維持する。

切断方向Ｄｃが方向Ｄｃ３である位置Ｐ３から位置Ｐ４までの経路では、所定方向（第１方向Ｄ１）と切断方向Ｄｃとのなす角度θ３は、所定角度θｍより小さい角度である０°となる。このとき、制御部５は、気流発生部４を制御することにより、気流Ｆの流速を、第１流速Ｖ１より小さい第２流速Ｖ２へ変化させるか、又は気流Ｆの発生を停止させる。

切断方向Ｄｃが方向Ｄｃ４である位置Ｐ４から位置Ｐ１までの経路では、所定方向（第１方向Ｄ１）と切断方向Ｄｃとのなす角度θ３は、所定角度θｍ以上の角度である９０°となる。このとき、制御部５は、気流発生部４を制御することにより、気流Ｆの流速を、第２流速Ｖ２から第１流速Ｖ１へ戻す。

この様な制御によれば、切断方向Ｄｃと気流Ｆの方向とのなす角度θが所定角度θｍより小さい場合であっても、レーザ光Ｌの照射により形成されるスリット内において塵やアシストガスの滞留が発生し難くなる。よって、第２実施形態のレーザ加工装置によれば、切断方向Ｄｃに拘らず、加工対象Ｔの裏面にはドロスが殆ど付着しないか、ドロスが付着したとしても少量であり、常に良好な加工状態が得られる。

［３］変形例
［３−１］第１変形例
図７は、第１実施形態に係るレーザ加工装置の第１変形例を示した平面図である。尚、図７では、加工ヘッド２の図示が省略されている。図７に示す様に、第１実施形態のレーザ加工装置において、排気口４４を、その向きが側壁１４Ｃの垂線に対して傾く様に側壁１４Ｃに設けることにより、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とのなす角度が、１２０°より大きく且つ１８０°以下の範囲に調整されてもよい。尚、排気口４３を、その向きが側壁１４Ａの垂線に対して傾く様に側壁１４Ａに設けることにより、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とのなす角度が調整されてもよい。又、側壁１４Ｂ又は１４Ｄに排気口４３（又は排気口４４）を設けると共に、排気口４３（又は排気口４４）の向きを側壁１４Ｂ又は１４Ｄの垂線に対して傾けることにより、第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とのなす角度が調整されてもよい。

第１方向Ｄ１と第２方向Ｄ２とのなす角度を、１２０°より大きく且つ１８０°以下の範囲に設定することにより、切断方向Ｄｃが何れの方向に向けられた場合でも、第１方向Ｄ１又は第２方向Ｄ２を、気流Ｆを発生させる方向として選択することにより、切断方向Ｄｃと気流Ｆの方向とのなす角度θが所定角度θｍ以上となる様に気流Ｆを発生させることが可能となる。よって、第１変形例のレーザ加工装置によれば、第１実施形態と同様、切断方向Ｄｃに拘らず、常に良好な加工状態が得られる。

［３−２］第２変形例
図８及び図９は、第１実施形態に係るレーザ加工装置の第２変形例を示した平面図である。尚、図８及び図９では、加工ヘッド２の図示が省略されている。図８に示す様に、第１実施形態のレーザ加工装置において、排気口４３及び４４に加えて、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２の何れとも垂直な第３方向Ｄ３に気流Ｆを発生させるための排気口４５が、側壁１４Ｂに設けられていてもよい。更には、図９に示す様に、第３方向Ｄ３と１８０°の角度をなす第４方向Ｄ４に気流Ｆを発生させるための排気口４６が、側壁１４Ｄに設けられていてもよい。尚、加工テーブル１の外縁１２の形状に応じて５つ以上の側壁が設けられている場合、各側壁に排気口が設けられていてもよい。

第２変形例のレーザ加工装置によれば、気流Ｆを発生させる方向についての選択肢が増え、従って、切断方向Ｄｃとの関係で適した方向へ気流Ｆを発生させ易くなる。よって、より良好な加工状態を得ることが可能になる。更に、第２変形例のレーザ加工装置において、３つまたは４つの排気口のうち、少なくとも２つの排気口から下方空間Ｓ内の空気を排出することにより、２つ以上の気流が合成された１つの気流Ｆを発生させてもよい。これにより、気流Ｆの方向を最適化することが可能となる。

［３−３］第３変形例
図１２は、図１０及び図１１に示される画像から得られた加工対象Ｔの表面及び裏面でのスリット幅Ｗ１及びＷ２、並びにこれらのスリット幅Ｗ１及びＷ２から数式（１）に基づいて算出されたテーパ角θｔの、角度θとの関係を示した図である。尚、数式（１）において、符号ｄは、加工対象Ｔである鉄板の厚さである。又、スリット幅Ｗ１及びＷ２の数値、並びにテーパ角θｔの数値は、図１０及び図１１に記載されている。

θｔ＝ｔａｎ−１［｛（Ｗ２−Ｗ１）／２｝／ｄ］ ・・・（１）
図１２に示す様に、加工対象Ｔの表面でのスリット幅Ｗ１には、角度θに対する変化が殆ど見られない。一方、加工対象Ｔの裏面でのスリット幅Ｗ２には、良好な加工状態が得られた角度θの範囲（７５°≦θ≦１８０°）において、角度θに対する変化が見られた。即ち、９０°≦θ≦１３５°の範囲では、角度θが大きくなるのに従って、スリット幅Ｗ２が大きくなった。この理由として、角度θが大きくなるのに従って、スリット内でのアシストガスの流速が大きくなり、その結果、酸化熱の発生量が増えたことが考えられる。これに対し、角度θが１８０°のときには、角度θが１３５°のときよりもスリット幅Ｗ２が小さくなった。この理由として、角度θが１８０°の場合、スリット内でのアシストガスの流速が過剰に大きくなり、その結果、酸化反応に寄与するアシストガスの量が減少したことが考えられる。

角度θに対するスリット幅Ｗ２の変化が上記の様な挙動を示すのに対し、スリット幅Ｗ１は殆ど変化しないことから、角度θに対するテーパ角θｔの変化も、角度θに対するスリット幅Ｗ２の変化と同様の挙動を示した。

この様な角度θとスリット幅Ｗ２やテーパ角θｔとの関係に基づいて、制御部５に、次の様な制御を実行させてもよい。即ち、第１実施形態又は第２実施形態において、角度θが１３５°より大きくなった場合、角度θがθｍ≦θ≦１３５°の角度になるときよりも、ノズル２１からのアシストガスの供給量を減少させるか、又は気流Ｆの流速を減少させる。これにより、スリット内においてアシストガスの流速が過剰に大きくなることが防止され、その結果、角度θがθｍ≦θ≦１３５°の角度である場合と同様、多くのアシストガスが酸化反応に寄与して十分な発熱量が得られることになる。よって、未反応のまま排気されるアシストガスの量が減り、アシストガスの無駄が省ける。

尚、本発明の各部構成は上記実施形態及び変形例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法は、加工対象を様々な形状に切断する場合に有用である。

１ 加工テーブル
１１ 開口
１２ 外縁
１３ 内縁
１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ 側壁
２ 加工ヘッド
２１ ノズル
２２ 先端
３ 搬送部
４ 気流発生部
４１ 第１吸引部
４２ 第２吸引部
４３、４４、４５、４６ 排気口
５ 制御部
Ｄ１ 第１方向
Ｄ２ 第２方向
Ｄ３ 第３方向
Ｄ４ 第４方向
Ｄｃ 切断方向
Ｄｃ１、Ｄｃ２、Ｄｃ３、Ｄｃ４ 方向
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４ 位置
Ｆ 気流
Ｌ レーザ光
Ｓ 下方空間
Ｔ 加工対象
θ 角度
θ１、θ２、θ３ 角度
θｍ 所定角度
Ｐｗ 照射位置
Ｖ１ 第１流速
Ｖ２ 第２流速
Ｗ１、Ｗ２ スリット幅
Ｍｒ 照射痕

Claims (6)

1. 開口を有した加工テーブルに前記開口を跨いだ状態で載置された加工対象を、レーザ光を用いて切断すると共に、前記レーザ光による切断能力をアシストガスによって高めるレーザ加工方法であって、
   （ｉ）前記加工対象に前記レーザ光を照射すると共に照射位置を連続的に変化させることにより、前記加工対象を切断する工程と、
   （ｉｉ）前記開口に通じる前記加工テーブルの下方空間において水平方向の気流を発生させると共に、前記加工対象を切断する過程で変化する切断方向に応じて、前記気流の状態を変化させる工程と
   を有し、
   前記工程（ｉｉ）では、前記気流の方向と前記切断方向とのなす角度が、常に、６０°より大きく且つ７５°以下の範囲に規定された所定角度以上となる様に、前記気流の方向を変化させる、レーザ加工方法。
2. 前記工程（ｉｉ）は、前記切断方向に応じて、１２０°より大きく且つ１８０°以下の角度をなす第１方向及び第２方向へ、選択的に、前記気流を発生させる工程であり、前記工程（ｉｉ）では、前記第１方向及び前記第２方向のうち、前記切断方向とのなす角度が前記所定角度以上となる何れか一方の方向へ、前記気流を発生させる、請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 開口を有した加工テーブルに前記開口を跨いだ状態で載置された加工対象を、レーザ光を用いて切断すると共に、前記レーザ光による切断能力をアシストガスによって高めるレーザ加工方法であって、
   （ｉ）前記加工対象に前記レーザ光を照射すると共に照射位置を連続的に変化させることにより、前記加工対象を切断する工程と、
   （ｉｉ）前記開口に通じる前記加工テーブルの下方空間において水平方向の気流を発生させると共に、前記加工対象を切断する過程で変化する切断方向に応じて、前記気流の状態を変化させる工程と
   を有し、
   前記工程（ｉｉ）にて発生させる前記気流の方向は、一方向に規定された所定方向であ
   り、前記工程（ｉｉ）では、
   前記所定方向と前記切断方向とのなす角度が、６０°より大きく且つ７５°以下の範囲に規定された所定角度以上である場合、第１流速で流れる前記気流を発生させ、
   前記所定方向と前記切断方向とのなす角度が、前記所定角度より小さい場合、前記第１流速より小さい第２流速で流れる前記気流を発生させるか、又は前記気流の発生を停止させるレーザ加工方法。
4. 開口を有し、加工対象が前記開口を跨いだ状態で載置される加工テーブルと、
   前記加工対象の切断に用いられるレーザ光を前記加工対象への照射位置に集光させると共に、前記レーザ光による切断能力を高めるアシストガスを噴射する加工ヘッドと、
   前記加工テーブルに対して前記加工ヘッドを相対的に水平方向へ移動させる搬送部と、
   前記開口に通じる前記加工テーブルの下方空間において水平方向の気流を発生させることが可能な気流発生部と、
   前記搬送部及び前記気流発生部を制御する制御部と
   を備え、
   前記制御部は、
   前記加工対象に前記レーザ光を照射すると共に、前記加工ヘッドを移動させて前記照射位置を連続的に変化させることにより、前記加工対象を切断する第１制御と、
   前記加工対象を切断する過程で変化する切断方向に応じて、前記気流発生部を制御することにより、前記気流の状態を変化させる第２制御と
   を実行し、
   前記第２制御において、前記制御部は、前記切断方向と前記気流の方向とのなす角度が、常に、６０°より大きく且つ７５°以下の範囲に規定された所定角度以上となる様に、前記気流の方向を変化させる、レーザ加工装置。
5. 前記気流発生部は、１２０°より大きく且つ１８０°以下の角度をなす第１方向及び第２方向へ、選択的に、前記気流を発生させることが可能であり、
   前記第２制御において、前記制御部は、前記第１方向及び前記第２方向のうち、前記切断方向とのなす角度が前記所定角度以上となる何れか一方の方向へ、前記気流を発生させる、請求項４に記載のレーザ加工装置。
6. 開口を有し、加工対象が前記開口を跨いだ状態で載置される加工テーブルと、
   前記加工対象の切断に用いられるレーザ光を前記加工対象への照射位置に集光させると共に、前記レーザ光による切断能力を高めるアシストガスを噴射する加工ヘッドと、
   前記加工テーブルに対して前記加工ヘッドを相対的に水平方向へ移動させる搬送部と、
   前記開口に通じる前記加工テーブルの下方空間において水平方向の気流を発生させることが可能な気流発生部と、
   前記搬送部及び前記気流発生部を制御する制御部と
   を備え、
   前記制御部は、
   前記加工対象に前記レーザ光を照射すると共に、前記加工ヘッドを移動させて前記照射位置を連続的に変化させることにより、前記加工対象を切断する第１制御と、
   前記加工対象を切断する過程で変化する切断方向に応じて、前記気流発生部を制御することにより、前記気流の状態を変化させる第２制御と
   を実行し、
   前記気流発生部が発生させる前記気流の方向は、一方向に規定された所定方向であり、
   前記第２制御において、前記制御部は、
   前記所定方向と前記切断方向とのなす角度が、６０°より大きく且つ７５°以下の範囲に規定された所定角度以上である場合、第１流速で流れる前記気流を発生させ、
   前記所定方向と前記切断方向とのなす角度が、前記所定角度より小さい場合、前記第１
   流速より小さい第２流速で流れる前記気流を発生させるか、又は前記気流の発生を停止させるレーザ加工装置。

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