JP6236106B2 - ステンレスのレーザ切断加工方法及びレーザ切断加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、ステンレス鋼板のレーザ切断加工方法及びレーザ切断加工装置に係り、さらに詳細には、ファイバーレーザ又はダイレクトダイオードレーザによりステンレスのレーザ切断加工を行う際の、ドロスフリー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。

従来、ＣＯ₂レーザによってステンレス鋼板のレーザ切断加工を行うとき、アシストガスとして窒素ガスが使用されている。ＣＯ₂レーザによってステンレス鋼板のレーザ切断加工を行うときに、アシストガスとして窒素ガスを使用すると、ワークとしてのステンレス鋼板の切断面は光沢感のある切断面であって、切断面の下縁にドロスが付着することのないドロスフリーの切断が可能である。

しかし、ファイバーレーザやダイレクトダイオードレーザによって、ワークとしてのステンレス鋼板のレーザ切断を行うと、薄板に関しては、ＣＯ₂レーザの場合における切断速度の数倍という速度でもって切断加工を行うことができる。この際、ワークの切断面は滑らかに見えるものの、切断面の下縁にはドロス高さが数ミクロンオーダで付着する。なお、アシストガスとして窒素ガスを使用して、ＣＯ₂レーザとファイバーレーザによってレーザ出力４ＫＷにおいてステンレス鋼板をレーザ切断したときの、板厚とドロス高さの関係は、図１に示すとおりであった。

図１の結果から理解されるように、ワーク（ステンレス鋼板）の板厚が１ｍｍ〜８ｍｍに変化する場合であっても、ＣＯ₂レーザの場合は、ドロス高さは約４μｍ以下である。それに対して、ファイバーレーザの場合には、板厚１ｍｍの場合にドロス高さが約３μｍである。そして、板厚が２ｍｍのときには６μｍであり、３ｍｍ〜８ｍｍにおいては、前記ドロス高さは、約１７μｍ〜約１７０μｍで大きなものである。したがって、板厚が２ｍｍ以上になると、親指で切断面に触れると、ざらつき、ドロスが生じていることが分かるものである。よって、より高精度の製品が要求される場合には、ドロスを除去する後加工が必要である。なお、本発明に関係あると思われる先行例として特許文献１がある。

特許第４８６９６４０号公報

前記特許文献１には、アシストガスとして酸素ガスと窒素ガスとを混合した混合ガスを使用することが記載されている。しかし、特許文献１において切断対象としているワークの材質はアルミニウムである。また、レーザ加工に使用するレーザ発振器は、ＣＯ₂レーザ発振器なのか、又はファイバーレーザ発振器或はダイレクトダイオードレーザ発振器なのか不明である。

ところで、ファイバーレーザの波長はＣＯ₂レーザの波長の約１／１０であり、より小さなスポット径とすることができる。そして、金属材料でのファイバーレーザの反射率はＣＯ₂レーザに比較して小さなものである。すなわち、ファイバーレーザとＣＯ₂レーザにおいては、加工特性が異なるものであるから、前記特許文献１に記載の内容をそのまま適用することは難しいものである。

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、ファイバーレーザ又はダイレクトダイオードレーザによるステンレスのレーザ切断加工方法であって、アシストガスとして空気と窒素ガスとの混合ガスを使用するに際し、発生するドロスの高さが１５μｍ以下となるように、アシストガス中の酸素濃度を０．０６％〜０．３％に調整してあることを特徴とするものである。

また、前記ステンレスのレーザ切断加工方法において、切断対象とするステンレスの板厚は、１ｍｍ〜１０ｍｍであることが望ましいものである。

また、前記ステンレスのレーザ切断加工方法において、前記アシストガスのガス圧は１．０ＭＰａ〜２．０ＭＰａであることが望ましいものである。

また、ステンレスのレーザ切断加工を行うレーザ切断加工装置であって、
ファイバーレーザ又はダイレクトダイオードレーザのレーザ発振器と、
圧縮した空気と窒素ガスとを混合してアシストガスを生成するに際し、発生するドロスの高さが１５μｍ以下となるように、アシストガス中の酸素濃度を０．０６％〜０．３％に調整する濃度調整器と、
前記アシストガスを昇圧する昇圧装置と、
前記レーザ発振器において発振されたレーザ光を導入してワークとしてのステンレス鋼板に照射すると共に、前記昇圧装置から供給されるアシストガスを前記ワークのレーザ切断加工位置へ噴出するレーザ加工ヘッドと、
前記レーザ発振器、前記濃度調整器、前記昇圧装置、前記レーザ加工ヘッドの動作を制御する制御装置と、
を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、ファイバーレーザによってステンレスのレーザ切断を行うとき、ドロス高さがミクロン単位の微小なドロスの付着を生じることのないドロスフリーの切断加工を行い得るものである。

ＣＯ₂レーザとファイバーレーザによってステンレス板のレーザ切断加工を行った際の、板厚とドロス高さとの関係を示した説明図である。 レーザ切断加工装置の構成を示す機能ブロック図である。 アシストガス中の窒素濃度とドロス付着との関係を示す拡大写真である。 アシストガス中の窒素濃度とドロス付着との関係を示す拡大写真である。 ステンレスの板厚と、酸素濃度と、ドロス高さとの関係を示すグラフで表わした説明図である。 ステンレスの板厚と、酸素濃度と、ドロス高さとの関係を示すグラフで表わした説明図である。 アシストガスとして窒素ガスを使用した場合と、２０００ｐｐｍの酸素を含んだアシストガスを使用した場合における、ワーク下面の溶融金属粉体の飛散状態を示す説明図である。

図２を参照するに、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切断加工装置１は、ワークＷとして板厚１ｍｍ〜１０ｍｍのステンレスのレーザ切断加工を行うもので、ファイバーレーザ又はダイレクトダイオードレーザであるレーザ発振器３を備えている。前記レーザ発振器３は、出力を２ＫＷ〜６ＫＷの間で調節自在であり、このレーザ発振器３とレーザ加工ヘッド５は、プロセスファイバー６によって接続してある。したがって、前記レーザ発振器３において発振されたレーザ光ＬＢを、レーザ加工ヘッド５からワークＷへ照射することにより、ワークＷのレーザ切断加工を行うことができるものである。なお、ワークＷのレーザ切断を行うに際しては、レーザ加工ヘッド５は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の各サーボモータＭによってＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動されるものである。

前記ワークＷのレーザ切断加工を行う際に、前記レーザ加工ヘッド５に対してアシストガスを供給するアシストガス供給手段７が備えられている。上記アシストガス供給手段７は、アシストガスとして空気と窒素ガスとの混合ガスを供給するものである。したがって、アシストガス供給手段７は、例えばガスボンベなどのごとき窒素ガス供給手段９を備えていると共に、空気を圧縮するエアーコンプレッサなどとごとき空気供給手段１１を備えている。

さらに、前記アシストガス供給手段７は、前記窒素供給手段９から供給された窒素ガスと空気供給手段１１から供給された空気とを混合する混合装置（濃度調整装置）１３を備えている。上記混合装置は、既知のように、窒素ガス供給手段９から供給される窒素ガスの圧力と空気供給手段１１から供給される空気の圧力とを制御すると共に、窒素ガス及び空気の流量を制御して、アシストガス中の空気の濃度を調整して酸素濃度又は窒素ガスの濃度を所望の濃度に制御する機能を有するものである。

また、前記アシストガス供給手段７は、前記混合装置１３において混合されたアシストガスを昇圧するコンプレッサ等のごとき昇圧装置１５を備えている。そして、この昇圧装置１５は、圧力調整装置１７を介して、前記レーザ加工ヘッド５に接続してある。したがって、窒素ガスと空気とを混合した状態のアシストガスは、圧力調整装置１７によって適正な圧力、例えば１．０ＭＰａ〜２．０ＭＰａの圧力に調整されて、レーザ加工ヘッド５へ供給されるものである。

さらに、前記レーザ切断加工装置１は、制御装置１９を備えている。この制御装置１９は、例えばＮＣ制御装置から構成してあって、前記レーザ発振器３、混合装置（濃度調整装置）１３、昇圧装置１５及び圧力調整装置１７の動作等を制御する機能と、前記レーザ加工ヘッド５をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ移動制御する機能を有するものである。

上記構成により、窒素ガス供給手段９から供給される窒素ガスと、空気供給手段１１から供給される空気とを、混合装置１３において混合した混合ガスをアシストガスとして使用するとき、窒素混合割合を増減することにより、窒素濃度と酸素濃度とを種々調整することができるものである。そこで、窒素ガス供給手段９から供給される窒素ガス（濃度１００％）に対して、空気供給手段１１から供給される空気の量を種々変更して、窒素濃度が種々の混合ガス（アシストガス）を製造した。そして、ワークとして板厚５ｍｍのステンレスをファイバーレーザによって切断するとき、窒素濃度が種々の濃度のアシストガスを使用したところ、図３，４の拡大写真に示す結果が得られた。なお、この際の切断条件は、レンズの焦点距離１９０ｍｍ、ノズル径４．０ｍｍ、Ｆｐ−１．０、切断速度４５００ｍｍ／ｍｉｎ、出力４ｋｗ、ｃｗ、ガス圧１．４ＭＰａであった。

図３，４から明らかなように、窒素濃度が９８％、９９％の場合には、ワークの下部（下面）に比較的大きな玉状のドロスの付着が見られた。そして、窒素濃度９９．５％〜９９．９％においては、ドロスの付着は見られなかった。すなわち、ドロスフリーのレーザ切断加工が行われた。しかし、窒素濃度９９．９４％〜９９．９９９９％においては、ミクロン単位の小さな玉状のドロスの付着が見られた。

図３，４に示された結果から理解されるように、例えば板厚５ｍｍ以下の薄いステンレスのワークを、ファイバーレーザによって切断するとき、アシストガス中の窒素ガスの濃度を適正値に保持することにより、ミクロン単位の小さなドロスの付着を生じることのないドロスフリーのレーザ切断加工を行い得ることを見出した。なお、レーザ出力４ＫＷで板厚５ｍｍのステンレス板のレーザ切断を行うことができたものであるから、板厚５ｍｍ以下のステンレス板のレーザ切断は当然可能である。

ところで、空気中には、窒素が７８％、酸素が２１％、アルゴンが１％、二酸化炭素が約０．０３％存在する。しかし、ワークとしてのステンレスの板材をレーザ切断する際にドロスが発生するか否かは、酸素濃度が大きく影響するものである。そこで、図３，４の結果を参考にして、レーザ出力４ＫＷにおいて、板厚がｔ３＝３ｍｍ，ｔ４＝４ｍｍ，ｔ５＝５ｍｍ，ｔ６＝６ｍｍのステンレス板を、ファイバーレーザによって切断する際に、窒素混合割合を増減することにより、アシストガス中における酸素濃度を種々変更し、発生したドロス高さを測定した。測定結果は図５，６に示すとおりであった。なお、各種板厚のステンレス板のレーザ切断を行うに際しては、板厚に応じてレーザ出力及びアシストガスのガス圧を適正な出力及びガス圧に調節することが望ましいものである。

図５，６から明らかなように、酸素濃度が５０００ｐｐｍ（０．５％）以上になると、例えば板厚６ｍｍのワークにおいては、ドロス高さが急激に大きくなるものである。したがって、酸素濃度は０．５％以下が望ましいものである。また、図６から明らかなように、酸素濃度が約０．０６％以下になると、板厚５ｍｍにおいてのドロス高さは約１９μｍとなる。そして、板厚６ｍｍにおいてのドロス高さは８０μｍとなり、ドロス高さが大きくなるものである。よって、窒素ガスと空気とを混合したアシストガスを使用する場合には、板厚３ｍｍ、４ｍｍの場合におけるドロス高さをも考慮すると、酸素濃度は０．０６％〜０．５％の範囲が望ましいものである。そして、図５，６から理解されるように、ドロス高さが小さな望ましい範囲（板厚５ｍｍ以下でドロス高さが１５μｍ以下の範囲）は０．１％（１０００ｐｐｍ）〜０．３％（３０００ｐｐｍ）の範囲である。

図５，６示したワークの板厚と、酸素濃度と、ドロス高さとの関係を示すデータは、前記レーザ切断加工装置１における制御装置１９のデータテーブル（図示省略）に格納されている。したがって、レーザ切断加工装置１によってステンレス板のレーザ切断加工を行うとき、入力手段２１から切断対象とする板厚のデータを入力すると、アシストガス中の酸素濃度は、０．０６％〜０．５％に調節されるものである。したがって、ファイバーレーザ又はダイレクトダイオードによって薄いステンレス板の切断加工を行うとき、ドロスフリーのレーザ切断加工を行い得るものである。

ところで、酸素濃度が０．０６％〜０．５％の範囲においては、何故にドロス高さが約１５μｍ以下になるのかは明らかでない。そこで、切断条件を同一にして、アシストガスが窒素１００％の場合と、酸素２０００ｐｐｍ（０．２％）の場合においてワークを、ファイバーレーザによって切断した。そして、そのときのワーク下面における溶融金属粉体の飛散状態を、高速度カメラによって撮影し観察したところ、図７（Ａ），（Ｂ）に示す結果が得られた。

図７（Ａ），（Ｂ）から明らかなように、アシストガスとして窒素ガス１００％を使用した場合、溶融金属粉体の飛散角（飛散幅）は、アシストガス中の酸素量が２０００ｐｐｍ（０．２％）の場合における飛散角よりも大きなものであった。図７（Ａ），（Ｂ）から明らかなように、窒素ガス１００％の場合（図７（Ａ）の場合）には、レーザ光が照射されてワーク下面から下方向へ噴出される溶融金属部分（白く上下に長く見える部分）は、図７（Ｂ）の場合に比較して細く現れている。逆に、アシストガス中の酸素量が０．２％の場合（図７（Ｂ）の場合）には、レーザ光が照射されてワーク下面から下方向へ噴出される溶融金属部分（白く、かつ太く見える部分）は太く現れている。そして、溶融金属粉体の飛散幅（飛散角）は、図７（Ａ），（Ｂ）より明らかなように、図７（Ｂ）に表された方が小さくなっている。

したがって、考察するに、アシストガス中に酸素が０．２％含まれる場合には、溶融金属部分の湯流れが向上し、レーザ切断による切断溝からワークの下面に溶融金属が流出した位置で固まることなく、アシストガスによって効果的に吹き飛ばされるものと思われる。

以上のごとき説明より理解されるように、ファイバーレーザ又はダイレクトダイオードレーザによって、１ｍｍ〜１０ｍｍのステンレス板のレーザ切断加工を行う際、空気と窒素ガスとの混合ガスをアシストガスとして使用するに当たり、アシストガス中の酸素濃度を０．０６％〜０．５％、望ましくは０．１％〜０．３％に調整してレーザ切断加工を行うものである。したがって、レーザ切断加工時の切断溝からの溶融金属の流出（排出）が良好に行われ、ドロスフリーのレーザ切断加工を行い得るものである。

ところで、図６に表われた結果から、ファイバーレーザによってステンレス板のレーザ切断を行う際のアシストガスは、空気と窒素ガスとを混合したアシストガスを使用する場合、アシストガス中の酸素濃度を０．０６％〜０．５％の範囲に調節することが望ましいものである。そして、図１，３，４の実験結果から明らかなように、レーザ出力４ＫＷにおいて、板厚６ｍｍ以下のステンレス板のレーザ切断が可能である。なお、板厚が１ｍｍ〜４ｍｍの場合には、レーザ出力２ＫＷであってもレーザ切断が可能である。

ここで、アシストガス中の酸素濃度を０．０６％〜０．５％の範囲に調節して、板厚１０ｍｍのステンレス板のレーザ切断を試みた。この場合、板厚が１００ｍｍと厚くなったので、レーザ出力を６ＫＷに調節した。そして、アシストガスのガス圧を２．０ＭＰａに調節してレーザ切断を行ったところ、ドロスフリーのレーザ切断が可能であった。すなわち、アシストガス中の酸素濃度を０．０６％〜０．５％に調節し、板厚（例えば１０ｍｍ）に対応してレーザ出力を大きく(例えば６ＫＷ)し、かつアシストガスのガス圧を高く(例えば２．０ＭＰａ)に調節することにより、板厚１０ｍｍのステンレス板のレーザ切断が可能なものである。

なお、アシストガスのガス圧も板厚に対応して調節することが望ましいものである。この場合、切断対象とするステンレス板の板厚が１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲である場合には、レーザ出力は２ＫＷ〜６ＫＷでレーザ切断可能である。そして、ガス圧は１．０ＭＰａ〜２．０ＭＰａの範囲であることが望ましいものであった。

１ レーザ切断加工装置
７ アシストガス供給手段
９ 窒素ガス供給手段
１１ 空気供給手段
１３ 混合装置（濃度調整装置）
１９ 制御装置

Claims (5)

1. ファイバーレーザ又はダイレクトダイオードレーザによるステンレスのレーザ切断加工方法であって、アシストガスとして空気と窒素ガスとの混合ガスを使用するに際し、発生するドロスの高さが１５μｍ以下となるように、アシストガス中の酸素濃度を０．０６％〜０．３％に調整してあることを特徴とするステンレスのレーザ切断加工方法。
2. 請求項１に記載のステンレスのレーザ切断加工方法において、切断対象とするステンレスの板厚は、１ｍｍ〜１０ｍｍであることを特徴とするステンレスのレーザ切断加工方法。
3. 請求項１又は２に記載のステンレスのレーザ切断加工方法において、前記アシストガスのガス圧は１．０ＭＰａ〜２．０ＭＰａであることを特徴とするステンレスのレーザ切断加工方法。
4. ステンレスのレーザ切断加工を行うレーザ切断加工装置であって、
   ファイバーレーザ又はダイレクトダイオードレーザのレーザ発振器と、
   圧縮した空気と窒素ガスとを混合してアシストガスを生成するに際し、発生するドロスの高さが１５μｍ以下となるように、アシストガス中の酸素濃度を０．０６％〜０．３％に調整する濃度調整器と、
   前記アシストガスを昇圧する昇圧装置と、
   前記レーザ発振器において発振されたレーザ光を導入してワークとしてのステンレス鋼板に照射すると共に、前記昇圧装置から供給されるアシストガスを前記ワークのレーザ切断加工位置へ噴出するレーザ加工ヘッドと、
   前記レーザ発振器、前記濃度調整器、前記昇圧装置、前記レーザ加工ヘッドの動作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切断加工装置。
5. ファイバーレーザ又はダイレクトダイオードレーザによるステンレスのレーザ切断加工方法であって、アシストガスとして空気と窒素ガスとの混合ガスを使用してステンレスのレーザ切断加工を行うに際し、発生するドロスの高さが１５μｍ以下となるように、アシストガス中の酸素濃度を０．０６％〜０．５％に調整してあり、好ましくは、０．１％〜０．３％に調整してあることを特徴とするステンレスのレーザ切断加工方法。