JP6132296B2

JP6132296B2 - レーザ切断方法

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Publication number: JP6132296B2
Application number: JP2012161065A
Authority: JP
Inventors: 剛久奥田; 藤谷　泰之; 泰之藤谷
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2032-07-20
Also published as: JP2014018839A

Description

本発明は、レーザ切断方法に関し、例えば、ガスタービンコンバインドサイクルの一部を構成する燃焼器の尾筒を溶接組立する工程でのレーザ切断に適用して好適なレーザ切断方法に関する。

従来、燃焼器の尾筒を溶接組立する工程において、プレスにより平板を成型しＣＯ₂レーザで余長を切断し切断部に対しグラインダ作業を実施してなる半割体を２つ用意し、一方の半割体の切断部と他方の半割体の切断部とを突き合わせ溶接して一体化している。上述のグラインダ作業により、酸化雰囲気でＣＯ₂レーザの熱で半割体の切断面に生成した酸化物を除去すると共に、切断面に隣接する部分に付着したドロスを除去することで、酸化物に起因する溶接欠陥を生じ得ないようにしている。

特開平１１−２７７２８７号公報（例えば、明細書の段落［００２３］−［００２５］，［００２９］−［００３５］、［図１］，［図２］など参照）特開平９−１７４２７５号公報（例えば、明細書の段落［００１６］−［００２７］、［図１］など参照）

ところで、上述した、燃焼器の尾筒を溶接組立する工程では、グラインダ作業を実施していることから、切断面に生じた酸化物を除去することができるものの、その生成自体を抑制することができなかった。また、グラインダ作業の実施箇所が切断面およびそれに隣接する部分にまでおよぶことから、作業自体が煩雑であった。

このような問題は、上述した燃焼器の尾筒を溶接組立する工程に限らず、他の工程や、他部材の余長をレーザで切断し切断部を溶接する場合においても生じ得ることであった。

以上のことから、本発明は前述した課題を解決するために為されたものであって、ドロスの生成自体を抑制すると共に、切断部へのドロスの付着を抑制することができるレーザ切断方法を提供することを目的としている。

上述した課題を解決する第１の発明に係るレーザ切断方法は、
被加工物である鋼板に対してレーザを照射すると共に、アシストガスとしてＮ₂ガスを噴射することで当該鋼板を切断するレーザ切断方法であって、
前記Ｎ₂ガスを前記鋼板に対して噴射するノズルの先端部のノズル開口部について、レーザ切断の幅方向の大きさｈ１を１ｍｍ〜５ｍｍとし、レーザ切断方向の大きさｈ２を３ｍｍ〜１０ｍｍとし、ｈ１＜ｈ２として、前記ノズル開口部を前記レーザ切断方向の下流側に対して延在する長穴形状をなすことで、前記ノズル開口部から噴射される前記Ｎ₂ガスの噴射量を増やすようにした
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第２の発明に係るレーザ切断方法は、前述した第１の発明に係るレーザ切断方法であって、
前記レーザによる切断速度を０．１ｍ／分以上とする
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第３の発明に係るレーザ切断方法は、前述した第２の発明に係るレーザ切断方法であって、
前記レーザによる入熱量の下限値を、前記レーザによる切断速度が遅くなるに従い漸増する
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第４の発明に係るレーザ切断方法は、前述した第１乃至第３の発明の何れか一つに係るレーザ切断方法であって、
前記レーザによる切断速度を１．０ｍ／分以下とし、
前記レーザによる入熱量を０．４３ｋＪ／ｍｍ以下とする
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第５の発明に係るレーザ切断方法は、前述した第１乃至第４の発明の何れか一つに係るレーザ切断方法であって、
前記鋼板が、プレスで平板を成型してなる燃焼器の尾筒の半割体である
ことを特徴とする。

本発明に係るレーザ切断方法によれば、アシストガスとして窒素ガスを使用することで、レーザの照射箇所近傍において酸素濃度が低くなりドロスの生成自体を抑制することができる。また、切断方向下流側に対して窒素ガスの供給量が従来のレーザ切断方法による供給量と比べて増加することになり、切断部での窒素ガスのガス流速が増大し、ドロスを吹き飛ばすことができ、切断部およびその近傍へのドロスの付着を抑制することができる。

本発明の一つの実施形態に係るレーザ切断方法で用いるレーザ切断装置の説明図である。本発明の一つの実施形態に係るレーザ切断方法で用いるレーザ切断装置のノズル先端部の説明図である。本発明に係るレーザ切断方法により板厚６．４ｍｍの鋼板を切断したときの評価結果であって、切断速度と入熱量とドロス付着量の関係を示すグラフである。本発明に係るレーザ切断方法による切断部を顕微鏡で観察した図であって、図４（ａ）に図３の点ａの結果を示し、図４（ｂ）に図３の点ｂの結果を示し、図４（ｃ）に図３の点ｃの結果を示し、図４（ｄ）に図３の点ｄの結果を示す。レーザ切断方法による切断部を顕微鏡で観察した図であって、図５（ａ）にアシストガスをＮ₂ガスとした場合を示し、図５（ｂ）にアシストガスを空気とした場合を示す。

本発明に係るレーザ切断方法を実施するための一つの形態について、図１〜図５に基づき以下に具体的に説明する。なお、図３にて、領域Ａ１の入熱量の下限値と曲線Ｌ１の入熱量とは、切断速度が０．２ｍ／ｍｉｎ（分）〜１．０ｍ／ｍｉｎ（分）の範囲において同一の値を示している。

本実施形態に係るレーザ切断方法で用いるレーザ切断装置は、図１に示すように、レーザ発振器１１と、レーザ発振器１１に接続された光ファイバ１２と、光ファイバ１２の他端にレーザ出射部１４を介して接続されたレーザ加工ヘッダ１３とを備える。レーザ加工ヘッダ１３には、アシストガス配管１７を介してアシストガス供給部１６が接続される。アシストガス供給部１６は、例えば、アシストガスである窒素ガスを貯蔵する窒素ガスボンベと、ガス圧調整器（レギュレータ）などで構成される。レーザ加工ヘッダ１３には、ノズル１５が設けられる。レーザ加工ヘッダ１３の下方には、ノズル１５に対向して、被加工物であるワークＷが搭載されるテーブル１８が設置される。テーブル１８には駆動装置１９が設けられており、テーブル１８をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動可能になっている。ワークＷとしては、プレスで平板を成型してなる燃焼器の尾筒の半割体など、例えば厚さ６ｍｍ前後の鋼板などが挙げられる。

上述のレーザ切断装置は、レーザ発振器１１、アシストガス供給部１６、駆動装置１９をそれぞれ制御する制御装置２０をさらに具備する。これにより、レーザ発振器１１で発振されるレーザの出力が制御される。アシストガス供給部１６からレーザ加工ヘッダ１３およびノズル１５を介して後述の開口部１５ｂに供給されるアシストガス量が制御される。テーブル１８の移動方向が制御される。すなわち、ノズル１５から出射されるレーザによりワークＷを切断する切断方向、言い換えると、切断速度が制御される。

上述したレーザ加工ヘッダ１３のノズル１５の先端部１５ａには、図１および図２に示すように、光軸に対して切断方向下流側へ大きさδだけずれた位置にて切断方向で開口部の中心１５ｃをなす開口部（ノズル開口部）１５ｂが設けられる。つまり、開口部１５ｂは、レーザ照射部３２よりも切断方向下流側へ延在した形状をなし、開口部の中心１５ｃが光軸に対しδだけずれている。これにより、レーザ照射部３２およびレーザ照射部３２よりも切断方向下流側に対して窒素ガス（アシストガス３１）を供給することができる。そのため、例えば、従来、２．５ｍ／ｍｉｎとしていた切断速度を０．５ｍ／ｍｉｎまで遅くする一方、従来、０．６ｋＪ／ｍｍとしていた入熱量を０．２ｋＪ／ｍｍまで低くすることができ、切断部近傍への窒素ガスの供給量が増大し、切断部近傍での窒素ガスのガス流速が増大するため、ドロスを窒素ガスにより吹き飛ばすことができ、切断部近傍へのドロスの付着を抑制することができる。

開口部１５ｂの大きさとしては、例えば、幅方向の大きさｈ１が１ｍｍ〜５ｍｍであり、切断方向の大きさｈ２が３ｍｍ〜１０ｍｍである長穴や楕円形状などが挙げられる。これは、ｈ１が１ｍｍよりも小さいと、切断方向下流側に対して窒素ガスを十分に供給することができず、窒素ガスのガス流速が増大しないことから、ドロスを吹き飛ばすことができなくなり、他方、ｈ１が５ｍｍよりも大きいと、切断方向下流側に対して所定の圧力で窒素ガスを供給することができず、窒素ガスのガス流速が増大しないことから、ドロスを吹き飛ばすことができなくなるためである。また、ｈ２が３ｍｍよりも小さいと、切断方向下流側に対して窒素ガスを十分に供給することができず、窒素ガスのガス流速が増大しないことから、ドロスを吹き飛ばすことができなくなり、他方、ｈ２が１０ｍｍよりも大きいと、切断方向下流側に対して所定の圧力で窒素ガスを供給することができず、窒素ガスのガス流速が増大しないことから、ドロスを吹き飛ばすことができなくなるためである。

ここで、ｈ１が３ｍｍであり、ｈ２が７ｍｍである長穴をなす開口部をノズルに設け、前記ノズルをレーザ加工ヘッダに設けたレーザ切断装置を用い、レーザの波長を１０７０ｎｍ〜１０８０ｎｍとし、レーザ出力を１．８ｋＷ〜８．０ｋＷとし、厚さ６．４ｍｍの鋼板のワークＷを切断したときの切断速度および入熱量とドロス付着量との関係について、図３〜図５を参照して具体的に説明する。図３において、ドロス付着断面積の濃淡は、切断長１００ｍｍ当たりのドロス付着断面の広狭を示している。図４（ａ）〜（ｄ）および図５（ａ），（ｂ）は、ワークの表面側に対しレーザを照射して切断した場合を示し、紙面右側が切断方向であり、紙面上側がワークの表面側を示し、紙面下側がワークの裏面側を示す。

まず、図５（ａ）に示す、アシストガスを窒素ガスとした場合の切断面を顕微鏡で観察した画像と、図５（ｂ）に示す、アシストガスを空気とした場合の切断面を顕微鏡で観察した画像とを比較すると、切断面における厚み方向略中央部にて、図５（ｂ）では黒い部分があるが、図５（ａ）では全体的に白く、図５（ａ）では、図５（ｂ）と比べて酸化物がほとんど生成していないことが明らかとなった。

図４（ａ）〜図４（ｄ）では、切断面における厚み方向全体に亘って、図５（ａ）と同様に、白いことから、切断面に酸化物が生成していないことが明らかとなった。また、図４（ａ）〜図４（ｄ）では、切断面の下面部側にドロスが付着しているものの、その付着量が非常に少なく、グラインダ作業で容易に取り除くできる程度の量しか付着していないことが明らかとなった。

さらに、図３に示すように、開口部を幅方向で３ｍｍであり長さ方向（切断方向）で７ｍｍである長穴形状とし、従来と同じ圧力で窒素ガスを供給したとき、すなわち、従来よりも開口部が大きい分だけ窒素ガスの供給量を増やしたとき、切断速度を遅くしていくと、切断部の長さ当たりのガス供給量が増加していくことから、切断長１００ｍｍ当たりのドロス付着断面積が減少していくことが明らかとなった。また、入熱量を下げていくとレーザの照射によるワークＷの溶融量が減少していくことから、切断長１００ｍｍ当たりのドロス付着断面積が減少していくことが明らかとなった。

さらに、切断速度が遅くすることでレーザの照射部に対して窒素ガスの供給量が増え、レーザの照射部を冷やしてしまうと、ワークＷを切断することができないことから、レーザの照射部への入熱量の下限値は、切断速度が遅くなるに従い漸増する曲線Ｌ１となることが明らかとなった。つまり、ある切断速度での入熱量が曲線Ｌ１よりも下側にあると、切断することができないことが明らかとなった。

切断速度と入熱量との最適な範囲としては、切断速度が０．２ｍ／ｍｉｎ以上１．０ｍ／ｍｉｎ以下であり、且つ、入熱量の最大値が０．４３ｋＪ／ｍｍであり、切断速度が０．２ｍ／ｍｉｎのときに入熱量の最小値が０．２５ｋＪ／ｍｍであり、切断速度が１．０ｍ／ｍｉｎのときに入熱量の最小値が０．１８ｋＪ／ｍｍである領域Ａ１が挙げられる。切断速度と入熱量とが領域Ａ１の範囲内にあることにより、ドロスが切断部近傍に付着するものの、それが非常に微量であり、前記ドロスが酸化物を含まないにも関わらず、ヤスリで簡易に除去することができ、作業の煩雑化を抑制することができる。つまり、ドロスの除去に要するリードタイムを大幅に抑制することができる。

図３では、開口部を幅方向で３ｍｍであり長さ方向（切断方向）で７ｍｍである長穴形状とし、従来と同じ圧力で窒素ガスを供給したとき、すなわち、従来よりも開口部が大きい分だけ窒素ガスの供給量を増やしたときの切断速度と入熱量との関係を示したが、開口部の大きさを従来よりも大きいが長さ方向（切断方向）で７ｍｍより小さい場合には、切断速度を遅くしていき０．２ｍ／ｍｉｎとしたときに最小入熱量が０．２５ｋＪ／ｍｍよりも小さく、曲線Ｌ１と比べて緩やかな傾斜とし、他方、開口部を長さ方向（切断方向）で７ｍｍよりも大きい場合には、切断速度を遅くしていき０．２ｍ／ｍｉｎとしたときに最小入熱量が０．２５ｋＪ／ｍｍよりも大きく、曲線Ｌ１と比べて急な傾斜とすることで、開口部を幅方向で３ｍｍであり長さ方向（切断方向）で７ｍｍである長穴形状とし、従来と同じ圧力で窒素ガスを供給したときと同様に、切断部近傍での窒素ガスの供給量が増大し、切断部でのガス流速が増大することから、窒素ガスによりドロスを吹き飛ばすことができ、切断部近傍へのドロスの付着を抑制することができる。

上述したように、入熱量を低減できることから、切断部の溶融金属量が低減し、ドロスの絶対量自体を下げることができる。また、切断速度を遅くすることで、切断部への窒素ガスの供給時間が増大し、ドロスを吹き飛ばすことができる。

したがって、本実施形態に係るレーザ切断方法によれば、アシストガスとして窒素ガスを使用することで、レーザの照射箇所近傍において酸素濃度が低くなりドロスの生成自体を抑制することができる。また、切断方向下流側に対して窒素ガスの供給量が従来のレーザ切断方法による供給量と比べて増加することになり、切断部での窒素ガスのガス流速が増大し、ドロスを吹き飛ばすことができ、切断部およびその近傍へのドロスの付着を抑制することができる。

ノズルの開口部１５ｂを切断方向で延在する長穴形状としたことで、レーザ照射部３２に対し切断方向下流側へ窒素ガスを確実に噴射することができ、切断部およびその近傍へのドロスの付着を確実に抑制することができる。

さらに、制御装置２０により、レーザ発振器１１、アシストガス供給部１６、駆動装置１９をそれぞれ制御して、入熱量および切断速度が曲線Ｌ１上を含む曲線Ｌ１よりも上方の範囲内にあるようにすることで、レーザによる切断部およびその近傍へのドロスの付着を低減することができる。

なお、上記では、プレスで平板を成型してなる燃焼器の尾筒の半割体をレーザ切断する場合について説明したが、燃焼器の尾筒の半割体に限らず、余長をレーザで切断し切断部を溶接する部材に適用することも可能である。

上記では、波長１０７０ｎｍ〜１０８０ｎｍのレーザを用いた際に、入熱量を所定の大きさとしたレーザ切断方法について説明したが、１０７０ｎｍ〜１０８０ｎｍ以外の波長のレーザを用いた際には、被切断対象へのレーザ吸収率を考慮して入熱量を調整したレーザ切断方法とすることも可能である。

上記では、切断方向下流側に対してノズル開口部を大きくしてノズル開口部から噴射するアシストガスであるＮ₂ガスの噴射量を多くすることにより、ドロスの生成自体を抑制すると共に、切断部へのドロスの付着を抑制したレーザ切断方法について説明したが、プラズマ切断方法に適用することも可能である。

本発明に係るレーザ溶接方法は、ドロスの生成自体を抑制すると共に、切断部へのドロスの付着を抑制することができるので、各種産業において、極めて有益に利用することができる。

１１レーザ発振器
１２光ファイバ
１３レーザ加工ヘッダ
１４レーザ出射部
１５ノズル
１５ａ先端部
１５ｂ開口部
１５ｃ開口部の中心
１６アシストガス供給部
１７アシストガス配管
１８テーブル
１９駆動装置
２０制御装置
３１アシストガス
３２レーザ照射部
ｈ１開口部における幅方向の大きさ
ｈ２開口部における切断方向の大きさ
Ｗワーク（被加工物）

Claims

被加工物である鋼板に対してレーザを照射すると共に、アシストガスとしてＮ₂ガスを噴射することで当該鋼板を切断するレーザ切断方法であって、
前記Ｎ₂ガスが前記鋼板に対して噴射するノズルの先端部のノズル開口部について、レーザ切断の幅方向の大きさｈ１を１ｍｍ〜５ｍｍとし、レーザ切断方向の大きさｈ２を３ｍｍ〜１０ｍｍとし、ｈ１＜ｈ２として、前記ノズル開口部を前記レーザ切断方向の下流側に対して延在する長穴形状をなすことで、前記ノズル開口部から噴射される前記Ｎ₂ガスの噴射量を増やすようにした
ことを特徴とするレーザ切断方法。
請求項１に記載されたレーザ切断方法であって、
前記レーザによる切断速度を０．１ｍ／分以上とする
ことを特徴とするレーザ切断方法。
請求項２に記載されたレーザ切断方法であって、
前記レーザによる入熱量の下限値を、前記レーザによる切断速度が遅くなるに従い漸増する
ことを特徴とするレーザ切断方法。
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載されたレーザ切断方法であって、
前記レーザによる切断速度を１．０ｍ／分以下とし、
前記レーザによる入熱量を０．４３ｋＪ／ｍｍ以下とする
ことを特徴とするレーザ切断方法。
請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載されたレーザ切断方法であって、
前記鋼板は、プレスで平板を成型してなる燃焼器の尾筒の半割体である
ことを特徴とするレーザ切断方法。