JP6202504B1

JP6202504B1 - めっき鋼板のレーザ切断加工方法及びレーザ切断加工装置

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Publication number: JP6202504B1
Application number: JP2016099839A
Authority: JP
Inventors: 原　英夫; 英夫原; 雅仁伊藤
Original assignee: Amada Holdings Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2016-05-18
Filing date: 2016-05-18
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2036-05-18
Also published as: TW201741057A; WO2017200001A1; TWI630051B; JP2017205791A

Abstract

【課題】めっき鋼板のレーザ切断加工を行う際に、上面の溶融及び／又は蒸発しためっきの一部を切断面へ流動して、切断面をめっきによって被覆するレーザ切断加工方法を提供する。【解決手段】めっき鋼板のレーザ切断加工方法であって、前記めっき鋼板Ｗの上面へレーザ光ＬＢを照射してレーザ切断加工を行う際、レーザ光ＬＢの照射によって溶融及び／又は蒸発されためっきの一部を、レーザ加工部へ噴出されるアシストガスによって、前記めっき鋼板Ｗの切断面へ流動して、前記切断面にめっきを被覆する際、前記めっき鋼板のレーザ切断加工位置における上面にプラズマを発生させてレーザ切断加工を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、めっき鋼板のレーザ切断加工方法及びレーザ切断加工装置に関する。更に詳細には、めっき鋼板のレーザ切断加工を行う際に、レーザ光の照射によって溶融及び／又は蒸発された表面のめっきの一部を、アシストガスによって切断面へ流動（誘導）し、溶融及び／又は蒸発しためっきによって切断面を被覆する際、プラズマを発生させてレーザ切断加工を行う方法及びレーザ切断加工装置に関する。

従来、めっき鋼板等のワークのレーザ切断加工を行う場合、ワーク表面のめっきを除去した後にワークのレーザ切断加工を行っている（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−２３６９８４号公報

前記特許文献１に記載の構成によれば、ワーク表面のめっきを除去した後にレーザ切断加工を行うものであるから、ワークのレーザ切断加工の能率向上を図る上において問題がある。また、特許文献１に記載の構成によれば、レーザ切断を行った切断面はめっきを被覆されることのない面であるから、例えば、防錆処理などの適宜の表面処理が必用である、という問題がある。

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、めっき鋼板のレーザ切断加工方法であって、前記めっき鋼板の上面へレーザ光を照射してレーザ切断加工を行う際、レーザ光の照射によって溶融及び／又は蒸発された表面のめっきの一部を、レーザ加工部へ噴出されるアシストガスによって、前記めっき鋼板の切断面側へ誘導して、前記切断面にめっきを被覆する際、前記めっき鋼板のレーザ切断加工方法において、前記めっき鋼板のレーザ切断加工位置における上面にプラズマを発生させてレーザ切断加工を行う。

また、前記めっき鋼板のレーザ切断加工方法において、前記めっき鋼板の上面に対するレーザ光の照射によって加熱蒸発されためっきの蒸気内にレーザ光を照射してプラズマを発生させる。

また、前記めっき鋼板のレーザ切断加工方法において、レーザ光の焦点位置は、＋０．５ｍｍ〜−４．５ｍｍの範囲で調節する。

また、前記めっき鋼板のレーザ切断加工方法において、レーザ加工ヘッドにおけるノズルとめっき鋼板の上面との間のノズルギャップを、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲で調節し、かつアシストガス圧を、０．５ＭＰａ〜１．２ＭＰａの範囲で調節する。

また、前記めっき鋼板のレーザ切断加工方法において、レーザ切断加工速度を、１０００ｍｍ／ｍｉｎ〜５０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲で調節する。

また、前記めっき鋼板のレーザ切断加工方法において、アシストガスを噴出するノズルの径は２．０ｍｍ〜７．０ｍｍである。

また、レーザ切断加工装置であって、板状のワークを支持するワークテーブルと、前記ワークに対して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と、前記レーザ加工ヘッドの動作を制御するための制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記ワークテーブル上のめっき鋼板にレーザ光を照射してレーザ切断を行う際に、レーザ光の照射によって溶融及び／又は蒸発されためっきの一部を、前記レーザ加工部へ噴出されるアシストガスによってめっき鋼板の切断面側へ誘導して、前記切断面にめっきを被覆するためのレーザ切断加工条件を、前記めっき鋼板の板厚及びめっき厚さ毎に格納した切断条件データテーブルを備えている。

本発明によれば、めっき鋼板におけるめっきを除去することなくレーザ切断加工を行うことができる。そして、めっき鋼板のレーザ切断を行う際には、溶融及び／又は蒸発された表面のめっきの一部を切断面に流動（誘導）して、切断面を被覆することができる。したがって、めっき鋼板のレーザ切断加工を能率よく行うことができると共に、レーザ切断加工後に、切断面の防錆処理を改めて行う必要がないものである。

本発明の実施形態に係るレーザ切断加工装置の構成を概念的、概略的に示した構成説明図である。酸素カット、クリーンカット、イージーカットにおける切断面のＥＰＭＡ分析結果である。クリーンカット、酸素カット及びイージーカットにおける切断面を示す拡大写真である。レーザ切断加工条件を変化させた場合における切断面へのめっき層含有金属の被覆状態を示す拡大写真である。レーザ切断加工条件を変化させた場合における切断面へのめっき層含有金属の被覆状態を示す拡大写真である。レーザ切断加工条件を変化させた場合における切断面へのめっき層含有金属の被覆状態を示す拡大写真である。レーザ切断加工条件を変化させた場合における切断面へのめっき層含有金属の被覆状態を示す拡大写真である。プラズマの発生状態を示す写真である。切断面の耐食性評価結果を示す拡大写真である。プラズマ発生と暴露試験での評価結果を示す説明図及び写真である。プラズマ発生と暴露試験での評価結果を示す説明図及び写真である。プラズマ発生と暴露試験での評価結果を示す説明図及び写真である。プラズマ発生と暴露試験での評価結果を示す説明図及び写真である。プラズマ発生と暴露試験での評価結果を示す説明図及び写真である。プラズマ発生と暴露試験での評価結果を示す説明図及び写真である。プラズマ発生と暴露試験での評価結果を示す説明図及び写真である。プラズマ発生と暴露試験での評価結果を示す説明図及び写真である。クリーンカットとイージーカットにおけるプラズマ発生と暴露試験においての赤さびの発生との関係を示す説明図である。加工速度の相違によるＥＤＳ分析結果及び赤さび発生の相違を示す写真である。

図１を参照するに、本発明の実施形態に係るレーザ切断加工装置１は、板状のワークＷを支持するワークテーブル３を備えると共に、前記ワークＷにレーザ光ＬＢを照射してワークＷのレーザ切断加工を行うためのレーザ加工ヘッド５を備えている。前記ワークテーブル３は、前記レーザ加工ヘッド５に対して相対的にＸ，Ｙ軸方向へ移動自在に備えられており、このワークテーブル３を相対的にＸ，Ｙ軸方向へ移動位置決めするためのサーボモータなどのごとき位置決めモータ７が備えられている。さらに、前記ワークＷに対して相対的に接近離反する方向（Ｚ軸方向）へ前記レーザ加工ヘッド５を移動位置決めするＺ軸モータ９が備えられている。

また、前記レーザ切断加工装置１には、例えばファイバーレーザ発振器、ＣＯ₂レーザ発振器などのごときレーザ発振器１１が備えられている。そして、前記レーザ加工ヘッド５には、前記レーザ発振器１１から発振されたレーザ光ＬＢを前記ワークＷ方向へ反射する反射鏡１３や、レーザ光ＬＢの集光を行う集光レンズ１５等の光学装置１７が備えられている。また、前記レーザ加工ヘッド５には、前記ワークＷのレーザ切断加工位置へアシストガスを噴出するノズル１９が着脱交換可能に備えられている。

ところで、レーザ切断加工位置へアシストガスを噴出する構成としては、レーザ加工ヘッド５にサイドノズルを備え、このサイドノズルからアシストガスをレーザ加工部へ噴出する構成とすることも可能である。

さらに、前記レーザ切断加工装置１には、アシストガス供給装置２１が備えられている。このアシストガス供給装置２１は、例えば窒素ガス約９７％、酸素ガス約３％の混合ガスを供給するもので、窒素ガス供給装置２３、酸素ガス供給源（空気供給源）２５及び混合ガスを生成するミキサー２７が備えられている。さらに、前記アシストガス供給装置２１には、前記レーザ加工ヘッド５へ供給するアシストガスの圧力を調節するための圧力調節弁２９が備えられている。またアシストガス供給装置２１の酸素ガス供給源２５を停止させ、窒素ガス供給装置２３のみを稼働させると窒素ガスのみのアシストガスとして加工部へ供給することができる。

ところで、窒素ガス約９７％、酸素ガス約３％の混合ガスをアシストガスとしてレーザ加工部へ供給する構成としては、前述した構成に限ることなく、別個の構成とすることも可能である。すなわち、例えば特許第３２９１１２５号公報に記載されているように、中空糸膜を利用した分離装置によって、供給された圧縮空気中の窒素と酸素とを分離することも可能である。なお、窒素ガス約９７％（９６％以上）、酸素ガス約３％（４％以下）の混合ガスをアシストガスに使用してのレーザ切断加工の場合を、以下、単にイージカットと称す。

また、前記レーザ切断加工装置１には、制御装置３１が備えられている。この制御装置３１は、コンピュータから構成してあって、前記ワークＷに対する前記レーザ加工ヘッド５の相対的な移動位置決めの制御を行う機能、前記レーザ発振器１１におけるレーザ出力の制御及び前記レーザ加工ヘッド５に対するアシストガスの供給圧力を制御する機能を有するものである。

前記構成により、ワークテーブル３上にワークＷを載置位置決めした後、ワークＷに対してレーザ加工ヘッド５をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ相対的に移動位置決めする。また、レーザ発振器１１から発振されたレーザ光ＬＢを集光レンズ１５によって集光してワークＷへ照射する。さらに、アシストガス供給装置２１からレーザ加工ヘッド１５に供給されたアシストガスをノズル１９からワークＷのレーザ加工部へ噴出することにより、ワークＷのレーザ切断加工が行われる。

上述のように、ワークＷのレーザ切断加工を行う際、前記ワークＷがめっき鋼板である場合には、前記特許文献１の図２１に記載されているように、めっき層の蒸発物質が加工範囲に侵入して、加工品質に欠陥を生じさせることがある。したがって、前記特許文献１の記載においては、特許文献１の図１に示されているように、めっき鋼板の表面へレーザ光を照射してめっき層を予め除去する。そして、次に同一軌跡のレーザ切断加工を行うものである。

上記構成によれば、レーザ切断加工時にはめっきの蒸発がないので、加工品質の改善が行われ得るものの、めっき層の除去加工と切断加工との２度のレーザ加工が必要である。また、めっき鋼板の切断面はレーザ切断加工が行われた状態のままであるので、切断面の防錆処理が必要である、という問題がある。

本発明の実施形態は、めっき鋼板のレーザ切断加工を行う際に、めっき鋼板の上面のめっき層の溶融及び／又は蒸発を行うことにより、溶融及び／又は蒸発されためっき層含有金属を切断面へ流動することができ、かつ流動しためっき層含有金属によって切断面を被覆することができることを見出したものである。

本発明の実施形態においては、めっき鋼板の一例として、アルミニウム６％、マグネシウム３％、残り亜鉛９１％のめっき層を鋼板の表面に被覆した溶融めっき鋼板（以下、単にめっき鋼板と称す）を使用した。

そして、レーザ切断加工において一般的に行われている酸素カットは、アシストガスとして酸素ガスを使用するものである。そして、切断加工面のＥＰＭＡ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｚｅｒ）の分析行ったところ、酸素カットの場合は、図２に示すように、切断面が酸化被膜に覆われていた。したがって、めっき鋼板のレーザ切断加工を行うとき、溶融又は蒸発されためっき層含有金属でもって被覆しようとする場合、酸素カットは、めっき鋼板のレーザ切断加工には不適当であることが判明した。

次に、アシストガスとして窒素ガスを使用するレーザ切断加工方法（以下、単にクリーンカットと称す）を行った場合、切断条件によっては、図３（Ａ）の拡大写真に示すように、めっき鋼板における基材Ｂの切断面ＣＦのレーザ切断加工は良好に行われている。そして、前記切断面ＣＦの上端部付近における上面のめっき層Ｍは除去されていて極めて薄くなっている。そして、切断面ＣＦには酸化皮膜等はなく、めっき鋼板の原板成分（Ｆｅ）のみがほとんど現れている（図２参照）。また、切断面ＣＦの被覆層（めっき層）も極めて薄いものである。したがって、クリーンカットにおいては、適正な切断条件によっては上面の溶融しためっき層含有金属によって切断面ＣＦを被覆可能であり、サビ（赤さび）が発生しないことがある。

次に、前述したイージーカットを行った場合には、図２、図３（Ｃ）に示すように、切断面には薄い酸化被膜が現れている。また、切断面の上部には、めっき層Ｍの成分である亜鉛、アルミニウム、マグネシウムが現れている。すなわち、切断面ＣＦの上端部付近において溶融しためっき層の一部が切断面ＣＦに流れ込み、溶融しためっき層の流れ込みの濃い部分が白い筋状に現れている。なお、上記筋状部分の間には、溶融しためっき層が薄く存在しているものである。

すなわち、鋼板のレーザ切断加工方法において一般的に採用されているクリーンカット又はイージーカットを行うことにより、めっき鋼板（ワーク）Ｗの切断面にめっき層Ｍの含有金属を回り込ませて、切断面ＣＦの被覆を行い得ることを見出した。

そこで、レーザ切断加工における切断速度、集光レンズの焦点位置、アシストガスのガス圧、レーザ光におけるパルスの周波数、等の加工条件を種々変更して、切断面へのめっき層の被覆状態を試験した。なお、試験条件は次のとおりである。

レーザ切断加工機：株式会社アマダ製、ＦＯＭ２−３０１５Ｒ１
材料：アルミニウム６％、マグネシウム３％、残り亜鉛９１％のめっきを表面
に被覆しためっき鋼板、板厚ｔ＝２．３ｍｍ、Ｋ３５（片側めっき付着
量１７５ｇ／ｍ²）
切断サンプル形状：１３０ｍｍ×３０ｍｍ
標準加工条件
・ノズル直径：Ｄ４．０（４．０ｍｍ）
・切断速度：Ｆ１６００（１６００ｍｍ／ｍｉｎ）
・アシストガス種類：ＥＺ（前述したイージーカットに使用されるアシストガ
スを表わす。この場合のアシストガスは、窒素約９７％、酸素３％の混合ガ
スである）
・アシストガス圧：０．９ＭＰａ
・ノズルギャップ：０．３ｍｍ（ノズルとめっき鋼板の上面との間隔）
・焦点位置：−４．５ｍｍ（ワーク上面を０として、上側を＋、下側を−とし
ている）
上記の標準加工条件の各条件を変化して加工を行った結果は次のとおりであった。

図４から明らかなように、切断速度を１１２０ｍｍ／ｍｉｎ〜３８４０ｍｍ／ｍｉｎの範囲で調節すると、切断面（切断端面）に対するめっきの被覆量は、速度が大きいほど被覆量が次第に多くなっている。

図５から明らかなように、集光レンズの焦点位置を、−６．５ｍｍ〜＋０．５ｍｍの範囲で調節すると、焦点位置を次第に＋側にすると、切断面に対するめっきの被覆量が次第に多くなっている。

図６に示すように、アシストガス圧を０．５ＭＰａ〜０．９ＭＰａの範囲で調節すると、アシストガス圧は低くなるほど切断端面に対するめっきの被覆量は次第に多くなる。

図７に示すように、レーザ光のパルス周波数を８００Ｈｚ〜ＣＷ（連続）の範囲において調節した場合には、切断端面に対するめっきの被覆量には大きな変化は見られなかった。

図４〜図７に示された結果から、イージーカットにおいては、めっき鋼板におけるレーザ切断面に対するめっき層含有金属の被覆量は、切断速度が大きい（例えば、３８４０ｍｍ／ｍｉｎ）ほど多くなる。また、焦点位置は＋側（例えば、＋０．５ｍｍ）ほどめっき層含有金属の被覆量が多くなる。しかし、焦点位置を＋側に大きくすると、めっき鋼板の上面でのエネルギー密度が低くなるので、レーザ切断加工においては一側に設定することが望ましいものである。さらに、アシストガス圧は低圧（例えば、０．５ＭＰａ）ほどめっき層含有金属の被覆量が多くなる。なお、レーザ光をパルスレーザ、連続レーザに調節した場合には、めっきの被覆量に大きな変化は認められなかった。

既に理解されるように、めっき鋼板のレーザ切断加工において、イージーカット（ＥＺ）によってめっき鋼板のレーザ切断加工を行う場合、レーザ切断加工条件において、例えば切断速度、集光レンズの焦点位置、アシストガス圧等を種々変更することにより、めっき鋼板のレーザ切断面へのめっき層含有金属の被覆量が変化するものである。なお、レーザ切断加工条件としては、レーザ加工ヘッドにおけるノズル１９とワークＷの上面との間隔、すなわちノズルギャップを変更することも考えられる。

すなわち、レーザ切断面へのめっき層含有金属の被覆量は、めっき鋼板のレーザ切断加工を行う際の加工条件によって異なることを見出した。換言すれば、イージーカットにおいて、めっき鋼板のレーザ切断条件を適正な切断条件とすることにより、レーザ切断面にめっき層含有金属を適正に被覆できることになるものである。

イージーカットによれば、めっき鋼板の切断面を、めっき層含有金属によって被覆できることを見出した。

次に、クリーンカットにおいての適正な切断条件を見出すために、種々の切断条件によってめっき鋼板のレーザ切断加工を行い、レーザ切断面の赤さびの発生状態を見るために暴露試験を行った。暴露試験としては、めっき鋼板のレーザ切断加工を行ったレーザ切断加工品における切断面を上面に保持して、野外に一ヶ月放置した。

ところで、めっき鋼板からレーザ切断加工品をクリーンカットによって切断分離する際、図８に示すように、レーザ切断加工位置の上面にプラズマが発生する場合と、発生しない場合とがあった。そして、プラズマが発生する場合であっても、弱いプラズマの発生、強いプラズマ（弱くないプラズマ）の発生、を目視によって区別できる状態であった。そこで、プラズマ発生無しの場合は「無」、弱いプラズマ発生の場合は「ｐ」、強いプラズマ発生の場合は「Ｐ」として区別する。そして、切断条件が不適切であって、レーザ切断加工が不可能であった場合には「不」とした。

また、一ヶ月の暴露試験において、図９に示すように、赤さびの発生がない場合には「○」、赤さびが発生した場合には「×」とした。ところで、前記暴露試験は、野外での１ヶ月経過後の結果である。したがって、レーザ切断加工品においては、評価が「×」の場合であっても、使用環境によっては使用可能な場合があるものである。

次に、窒素ガスをアシストガスとして使用したクリーンカットを行って、めっき鋼板の板厚ｔ＝２．３ｍｍ，ｔ＝３．２ｍｍ，ｔ＝４．５ｍｍ，ｔ＝６．０ｍｍにおける暴露試験を行った結果は、図１０〜図１７に示すとおりであった。図１０〜図１７において、Ｋ１４，Ｋ２７，Ｋ３５はそれぞれめっきの付着量表示記号であって、それぞれにおけるめっき付着量は次のとおりである。すなわち、Ｋ１４（片側めっき付着量７０ｇ／ｍ²）、Ｋ２７（片側めっき付着量１４５ｇ／ｍ²）、Ｋ３５（片側めっき付着量１７５ｇ／ｍ²）である。

また、図１０〜１７において、Ｓ２．０，Ｄ４．０及びＤ７．０はそれぞれノズル径（ｍｍ）を示している。すなわち、Ｓ２．０＝２．０ｍｍ，Ｄ４．０＝４．０ｍｍ，Ｄ７．０＝７．０ｍｍである。そして、各ノズル径に対応してのノズルギャップは、Ｓ２．０で０．３ｍｍ、Ｄ４．０で０．５ｍｍ、Ｄ７．０で１．０ｍｍに設定してある。すなわち、ノズル径が大きくなると、レーザ加工位置において発生したスパッタ等がノズル内に入り易くなるので、ノズル径が大きくなるほどノズルギャップを大きく設定してある。

なお、特記されているパラメータ以外のレーザ加工のパラメータは、前記標準加工条件のパラメータと同じ値を有するものである。

さて、図１０を参照するに、焦点位置−０．５ｍｍ（焦点位置は各図にそれぞれ示してある）、板厚ｔ＝２．３ｍｍでめっき付着量Ｋ１４の場合において、ノズル径Ｓ２．０の場合には、１０００ｍｍ／ｍｉｎにおいては、アシストガス圧が０．９ＭＰａ，０．７ＭＰａ，０．５ＭＰａにおいてプラズマの発生はなかった。そして、暴露試験においての評価は全て「×」で、全面的に赤さびが発生している。また、図１１、図１２、図１３、図１４及び図１５に示すように、切断速度１０００ｍｍ／ｍｉｎ場合、ノズル径Ｓ２．０のノズルにおいては、アシストガス圧に拘わりなくプラズマの発生はなかった。そして、暴露試験においての評価は「×」で切断面の防錆効果においては、あまり望ましいものではなかった。

したがって、ノズル径２．０のノズルを用い、切断速度１０００ｍｍ／ｍｉｎでもってめっき鋼板のレーザ切断加工を行った場合、レーザ切断加工時に溶融及び／又は蒸発されためっき層含有金属を切断面に流動して、前記切断面を被覆することは難しいものである。

次に、図１０、図１１、図１２においてノズル径Ｄ４．０の場合について検討するに、図１０、図１１においてはプラズマの発生がなく、暴露試験の評価は「×」である。しかし、図１１においてアシストガス圧０．７ＭＰａの場合には「○」に改善されている。そして、ノズル径Ｄ７．０の場合には、弱いプラズマの発生が見られた。暴露試験の評価は、図１０においては「×」であるが、図１１においては「○」、「×」である。そして、図１２においては「×」である。

ところで、図１０〜図１７において、暴露試験の評価が「○」、「×」の部分を見ると、プラズマの発生（Ｐ）がある場合には、殆ど「○」である。したがって、めっき鋼板のレーザ切断加工をクリーンカットで行う際、溶融及び／又は蒸発しためっき層含有金属を切断面へ流動して、切断面を溶融及び／又は蒸発されためっき層含有金属によって被覆するには、プラズマを発生させつつレーザ切断加工を行うことが望ましいものである。

ところで、図１１より明らかなように、めっき付着量Ｋ２７、ノズル径Ｄ４．０には、プラズマの発生がないにも拘わらず、暴露試験の評価が「○」の場合がある。また、図１０のノズル径Ｄ７．０、アシストガス圧０．９ＭＰａにおいては、僅かなプラズマの発生があるものの、前記評価は「×」である。

そして、図１０，１１，１２においては、切断速度が３０００ｍｍ／ｍｉｎ〜５０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲においては、全てにおいてプラズマの発生が見られ、そして、観察の結果は、切断速度が速くなるほどプラズマの発生は強くなっている。そして、図１０におけるノズル径Ｓ２．０、アシストガス圧０．９ＭＰａ，０．７ＭＰａ（３０００ｍｍ／ｍｉｎ）を除いた全域においての前記評価は全て「○」である。なお、図１０において、ノズル径２．０ｍｍ、アシストガス圧０．７ＭＰａの４０００ｍｍ／ｍｉｎ〜５０００ｍｍ／ｍｉｎにおいては「○」となっている。

したがって、暴露試験の評価を「○」にするには、めっき鋼板の板厚ｔ＝２．３ｍｍにおいて、めっき付着量Ｋ１４においては、ノズル径Ｓ２．０の場合にはアシストガス圧０．７ＭＰａで切断速度が４０００ｍｍ／ｍｍｉｎ〜５０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲が望ましい。そして、アシストガス圧０．５ＭＰａの場合には、３０００ｍｍ／ｍｉｎ〜５０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲が望ましいものである。ノズル径がＤ４．０，Ｄ７．０の場合には、アシストガス圧が０．９ＭＰａ，０．７ＭＰａ，０．５ＭＰａに拘わりなく、切断速度は３０００ｍｍ／ｍｉｎ〜５０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲が望ましいものである。

ところで、図１１に示すように、めっき鋼板が同一板（ｔ＝２．３ｍｍ）において、めっき付着量がＫ２７となって多く（厚く）なると、ノズル径Ｄ４．０、アシストガス圧０．７ＭＰａにおいて、切断速度１０００ｍｍ／ｍｉｎの条件においては、プラズマの発生が無いにも拘わらず、評価は「○」となっている。したがって、めっき鋼板の板厚（ｔ＝２．３ｍｍ）、めっき付着量Ｋ２７、ノズル径Ｄ４．０、アシストガス圧０．７ＭＰａ、切断速度１０００ｍｍ／ｍｉｎの各条件が適正に調和すると、プラズマが発生しなくても、評価を「○」とすることができるものである。換言すれば、前述した各条件が整うと、プラズマが発生しない場合であっても、レーザ切断加工時に溶融及び／又は蒸発しためっき層含有金属を、切断面に流動して切断面を被覆することができるものである。

次に、図１２を参照すると、めっき付着量がＫ３５に変化しただけであるにも拘わらず、切断速度１０００ｍｍ／ｍｉｎにおいて、ノズル径Ｄ４．０、アシストガス圧０．７ＭＰａ、ノズル径Ｄ７．０、アシストガス圧０．９ＭＰａ，０．７ＭＰａの条件においては僅かなプラズマの発生が見られたものの、評価は「×」になっている。

ところで、一般的に、金属板のレーザ切断加工を行うとき、プラズマが発生すると、プラズマはレーザ光を吸収する特性があり、レーザ光の照射は連続したプラズマの発生を助長する。そして、プラズマは切断面粗さを悪化させることが知られている。しかし、例えばステンレスの無酸化切断においてはプラズマの熱を利用したプラズマ切断方法がある。この場合、発生したプラズマを助長するように加工条件を設定するものである。

すなわち、上記の場合(i)アシストガスは低圧に設定する。(ii)ノズルとワークとの間のノズルギャップは、プラズマが成長する空間を形成するために、通常の場合よりも僅かに大きくする。(iii)焦点位置の追い込み量は、ワーク表面よりも上方を（＋）方向、ワーク表面よりも下方を（−）方向としたときに、通常の焦点位置の場合よりも（＋）方向に移動させる。(iv)レーザ光のワークへの入熱量を小さくするために、切断速度をより高速にする。上記(i)〜(iv)の条件は、金属板のレーザ切断加工を行う際に、プラズマを発生し易くする条件である。

前記条件(i)〜(iv)を勘案して図１０を見ると、めっき付着量Ｋ１４においては、切断速度が１０００ｍｍ／ｍｉｎ〜２０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲において、ノズル径がＳ２．０よりもＤ４．０、そしてＤ４．０よりもＤ７．０の方がプラズマの発生が多い。また、切断速度は１０００ｍｍ／ｍｉｎ〜５０００ｍｍ／ｍｉｎに次第に速くなるほどプラズマの発生が強くなっている。そして、プラズマの発生が強くなると、暴露試験の結果は「○」が多くなっている。なお、図１１、図１２においても同様の傾向が見られる。

したがって、めっき鋼板のレーザ切断加工時に、上面の溶融及び／又は蒸発しためっき層含有金属を切断面へ流動して、この一部のめっきによって切断面を被覆するには、プラズマが発生した方がよいものである。

図１３、図１４、図１５は、クリーンカットの場合であって、めっき鋼板の板厚ｔ＝３．２ｍｍで、めっき付着量がＫ１４，Ｋ２７，Ｋ３５の場合における暴露試験の結果である。なお、図１３〜図１５において、「不」は切断不可能であったことを示すものである。すなわち、切断条件が不適切な場合である。図１３〜図１５の結果からも明らかなように、アシストガス圧が低く、かつ切断速度が速い方がプラズマを発生し易い傾向にあることが分かる。

図１６、図１７は、クリーンカットの場合で、板厚ｔ＝４．５ｍｍ，ｔ＝６．０ｍｍの場合における暴露試験結果であって、この場合においても、アシストガス圧は低圧であるほど、換言すればノズル径が大きいほど、また切断速度が速いほどプラズマの発生が強くなる傾向にある。そして、プラズマの発生が強いほど、暴露試験の結果は「○」になる傾向にある。なお、図１６、図１７においては「ド」はドロスの付着量が多いことを示すものである。

前記図１０〜１７に示した暴露試験の結果は、前記レーザ切断加工装置１における前記制御装置３１に備えた切断条件データテーブル３３に格納されている。すなわち、上記切断条件データテーブル３３には、めっき鋼板の板厚毎、各板厚におけるめっき付着量毎に適用したノズル径、各ノズル径におけるノズルギャップ、各板厚毎に適用した焦点位置、及び切断速度の加工条件データが格納してある。さらに、前記切断条件データテーブル３３には、めっき鋼板のレーザ切断加工時におけるプラズマ発生のデータ並びに暴露試験を行った評価結果が合わせて格納されている。なお、前記制御装置３１には、イージーカット時の加工条件データを格納した切断条件データテーブルも含まれているものである。

したがって、前記制御装置３１に接続した入力手段３５から各種の加工条件を入力すると、図１０〜図１７に示した評価と同一の評価が得られるレーザ切断加工が行われることになる。すなわち、例えば図１０に示す板厚ｔ＝２．３ｍｍにおいて、めっき付着量Ｋ１４、ノズル径Ｄ４．０、アシストガス圧０．７ＭＰａ、切断速度５０００ｍｍ／ｍｉｎの条件を入力手段３５から制御装置３１に入力してレーザ切断加工を行うと、プラズマを発生してレーザ切断加工が行われるものである。そして、１ヶ月の暴露試験を行うと、評価は「○」が得られるものである。

なお、暴露試験を行うときには、例えば海の近くなどの環境や気象条件等によっては評価が変化する場合があるものである。

ところで、めっき鋼板のレーザ切断を行って、溶融及び／又は蒸発されためっき層含有金属を切断面に流動して切断面を被覆するには、めっきの溶融範囲は、ワークの板厚、めっき量及びレーザ切断条件にもよるが、ワークの切断端面から０．０３ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲が望ましいものである。

すなわち、めっき層の溶融及び／又は蒸発される範囲が０．５ｍｍ以上になる場合は、レーザ切断速度が遅く、入熱量が大であることが多い。この場合、溶融及び／又は蒸発されるめっき量が多くなり、レーザ切断溝内への入流量が多くなるものと考えられる。しかし、レーザ切断速度が遅いことにより、レーザ光の照射時間が長く、加熱時間が長くなって、溶融及び／又は蒸発されためっき層含有金属が高温状態に保持される時間が長くなり、かつアシストガスが作用する時間が長くなって、切断面へ付着して凝固する前に、アシストガスによって吹き飛ばされ易くなり、切断面への溶融及び／又は蒸発されためっき層含有金属の被覆量が少なくなるものと考えられる（例えば、図１２のＤ４．０，Ｄ７．０参照）。

ところが、めっき層の溶融及び／又は蒸発範囲が０．０３ｍｍの小さな範囲の場合には、レーザ切断速度が速く、入熱量が小であることが多い。この場合、溶融及び／又は蒸発される量が少なくなり、レーザ切断面への入流量が少なくなるものと考えられる。

したがって、めっき層の溶融及び／又は蒸発範囲は、切断面から０．０３ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲が望ましいものである。上記範囲においては、レーザ光の照射時間及びアシストガスが作用する時間が適正な時間となり、溶融及び／又は蒸発されためっきがアシストガスによって吹き飛ばされる量が少なくなる。よって、切断面へ被覆して凝固を生じ易く、めっき層含有金属の被覆量が多くなるものと考えられる（例えば、図１２のＤ４．０，Ｄ７．０参照）。

既に理解されるように、めっき鋼板のレーザ切断加工を行う際に、アシストガスとして窒素ガスを使用したクリーンカット又は窒素約９７％、酸素約３％の混合ガスをアシストガスとして使用したイージーカットを行うと、上面のめっき層含有金属でもって切断面を被覆することができる。そして、レーザ切断加工時にプラズマが発生すると、前記被覆が効果的に行われることを見出した。

そこで、板厚ｔ＝２．３ｍｍのめっき鋼板のクリーンカット及びイージーカットを行い、プラズマ発生と、１ヶ月後の暴露試験を行ったところ、図１８に示す結果が得られた。図１８に示された結果から、クリーンカット及びイージーカットの両方とも、プラズマを発生させつつレーザ切断を行うと、切断面をめっき層含有金属によって効果的に被覆でき、赤さびの発生を防止できるものである。

また、加工速度が大きいほど、めっき層含有金属による切断面の被覆が効果的に行われ、赤さびの発生を防止することができる。そこで、加工速度２２００ｍｍ／ｍｉｎ，５０００ｍｍ／ｍｉｎの条件で、板厚ｔ＝２．３ｍｍ、めっき付着量Ｋ１４のレーザ切断を行った際の切断面の観察結果は図１９に示すとおりである。

図１９より明らかなように、加工速度が２２００ｍｍ／ｍｉｎの場合、赤さびの発生があるものである。ところが加工速度が５０００ｍｍ／ｍｉｎになると、切断面全面にめっき層含有金属成分が検出され、赤さびの発生は見られないものである。この結果は、図１８に示された結果と整合するものである。

ところで、図１９に示すレーザ切断面のＥＤＳ（Energy Dispersive X-ray Spectrometry）の分析結果と暴露試験結果（４週間後）から次のことが分かる。図２のクリーンカットでは、極めて僅かなめっき層含有金属がレーザ切断面より検出された。そこで、図２のクリーンカット条件とほぼ同等の加工速度２２００ｍｍ/ｍｉｎのレーザ切断面をEDS分析するとZn、Al、Mg成分すなわちめっき層含有金属はごく僅かであり写真撮影検出量以下であり、ほとんどレーザ切断面がめっき層含有金属では覆われていないことが分かる。更に適切な切断条件に変更することにより図１９の加工速度５０００ｍｍ/minのEDS分析結果写真にあらわれているようにレーザ切断面全域にめっき層含有金属が検出されレーザ切断面全域をめっき層含有金属で覆っていることがわかった。すなわち、標準条件（加工速度：２２００ｍｍ／ｍｉｎ）での切断面は、鉄成分が約９０％（Ｆｅの重量％：８９．１６）であり、めっき成分は（Ｚｎ，Ａｌ，Ｍｇの値が何れも重量％：１．４５以下で）ほとんど検出されない。その為、容易に赤さびが発生する。それに対して、今回の加工条件（加工速度：５０００ｍｍ／ｍｉｎ）で切断を行うと、切断面の鉄成分は約３０％（Ｆｅの重量％：３２．４８）と大きく低下し、代わりにＺｎでは重量％：４３．５７と大幅に増え、またＡｌ，Ｍｇにおいても数倍以上に増加し、まためっき成分が切断面全体に渡りその表面を覆っていることがわかる。よって、赤さびの発生を抑制しているのは、レーザ切断加工時に上面から流動されて、切断面表面を覆っているめっき成分であることが分かる。

以上のごとき実施形態の説明から理解されるように、めっき鋼板の板厚、めっき付着量に対応して、適正な加工条件でもってレーザ切断加工を行うと、レーザ切断加工時に上面の溶融及び／又は蒸発しためっき層含有金属が切断面に流動し、切断面を被覆し易いものである。したがって、めっき鋼板における切断面の上縁付近のめっき層の厚さは、前記切断面から離隔した位置、すなわちレーザ切断加工時に溶融及び／又は蒸発して流動を生じるほどの熱影響を受けなかった位置のめっき層の厚さよりも薄くなっているものである。

ところで、前記説明においては、アルミニウム６％、マグネシウム３％、残り亜鉛９１％のめっき鋼板の場合について例示した。しかし、めっき鋼板としては前述のめっき鋼板に限ることなく、その他のめっき鋼板の場合にも適用し得るものである。

なお、めっき鋼板のレーザ切断加工方法において、板厚は、２．３ｍｍであり、めっき付着量はＫ１４であり、ノズル径は２．０ｍｍ〜７．０ｍｍであり、アシストガス圧は０．５〜０．９（ＭＰａ）であり、切断速度は３０００〜５０００（ｍｍ／ｍｉｎ）であることが望ましい。

また、めっき鋼板のレーザ切断加工方法において、板厚は、２．３ｍｍであり、めっき付着量はＫ２７又はＫ３５であり、ノズル径は２．０ｍｍ〜７．０ｍｍであり、アシストガス圧は０．５〜０．９（ＭＰａ）であり、切断速度は３０００〜５０００（ｍｍ／ｍｉｎ）であることが望ましい。

また、めっき鋼板のレーザ切断加工方法において、板厚は、３．２ｍｍであり、めっき付着量はＫ２７又はＫ３５であり、ノズル径は７．０ｍｍであり、アシストガス圧は０．５〜０．９（ＭＰａ）であり、切断速度は２０００〜３０００（ｍｍ／ｍｉｎ）であることが望ましい。

また、めっき鋼板のレーザ切断加工方法において、板厚は、４．５ｍｍであり、めっき付着量はＫ２７又はＫ３５であり、ノズル径は７．０ｍｍであり、アシストガス圧は０．７〜０．９（ＭＰａ）であり、切断速度は１５００〜２０００（ｍｍ／ｍｉｎ）であることが望ましい。

１レーザ切断加工装置
３ワークテーブル
５レーザ加工ヘッド
１９ノズル
２１アシストガス供給装置
２３窒素ガス供給源
２５空気供給源
３１制御装置
３３切断条件データテーブル
３５入力手段

Claims

めっき鋼板のレーザ切断加工方法であって、前記めっき鋼板の上面へレーザ光を照射してレーザ切断加工を行う際、レーザ光の照射によって溶融及び／又は蒸発されためっきの一部を、レーザ加工部へ噴出されるアシストガスによって、前記めっき鋼板の切断面側へ誘導して、前記切断面にめっきを被覆する際、前記めっき鋼板のレーザ切断加工位置における上面にプラズマを発生させてレーザ切断加工を行うことを特徴とするめっき鋼板のレーザ切断加工方法。
請求項１に記載のめっき鋼板のレーザ切断加工方法において、前記めっき鋼板の上面に対するレーザ光の照射によって加熱蒸発されためっきの蒸気内にレーザ光を照射してプラズマを発生させることを特徴とするめっき鋼板のレーザ切断加工方法。
請求項１又は２に記載のめっき鋼板のレーザ切断加工方法において、レーザ光の焦点位置は、＋０．５ｍｍ〜−４．５ｍｍの範囲で調節することを特徴とするめっき鋼板のレーザ切断加工方法。
請求項１〜３のいずれかに記載のめっき鋼板のレーザ切断加工方法において、レーザ加工ヘッドにおけるノズルとめっき鋼板の上面との間のノズルギャップを、０．３ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲で調節し、かつアシストガス圧を、０．５ＭＰａ〜１．２ＭＰａの範囲で調節することを特徴とするめっき鋼板のレーザ切断加工方法。
請求項１〜４のいずれかに記載のめっき鋼板のレーザ切断加工方法において、レーザ切断加工速度を、１０００ｍｍ／ｍｉｎ〜５０００ｍｍ／ｍｉｎの範囲で調節することを特徴とするめっき鋼板のレーザ切断加工方法。
請求項１〜５のいずれかに記載のめっき鋼板のレーザ切断加工方法において、アシストガスを噴出するノズルの径は２．０ｍｍ〜７．０ｍｍであることを特徴とするめっき鋼板のレーザ切断加工方法。
請求項１〜６のいずれかに記載のめっき鋼板のレーザ切断加工方法において、アシストガスは、窒素ガス又は窒素ガス９７％、酸素ガス３％の混合ガスであることを特徴とするめっき鋼板のレーザ切断加工方法。
レーザ切断加工装置であって、板状のワークを支持するワークテーブルと、前記ワークに対して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と、前記レーザ加工ヘッドの動作を制御するための制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記ワークテーブル上のめっき鋼板にレーザ光を照射してレーザ切断を行う際に、レーザ光の照射によって溶融及び／又は蒸発されためっきの一部を、レーザ加工部へ噴出されるアシストガスによってめっき鋼板の切断面側へ誘導して、前記切断面にめっきを被覆するためのレーザ切断加工条件を、前記めっき鋼板の板厚及びめっき厚さ毎に格納した切断条件データテーブルを備えていることを特徴とするレーザ切断加工装置。