JP6265107B2 - レーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工方法の技術に関し、より詳しくは、レーザ切断時におけるドロスの発生量を低減するための方法に関する。

部材をレーザ切断する際にドロス（部材の溶融物が固まったもの）が発生すると、部材の切断面の品質が悪化する。このため、レーザ切断時において、ドロスの発生を抑制することができる技術に対するニーズが存在している。

ここで、レーザ切断時におけるドロスの発生状況について、図５〜図８を用いて説明をする。
図５に示す如く、所定の板厚Ｔを有する部材をレーザ切断する場合、部材にレーザを照射するとともに、レーザの照射位置に向けて、ノズルからアシストガスを噴出させることによって、照射位置の周辺において溶融した部材である溶融物を吹き飛ばして、溶融物がドロスとして付着することを防止している。
アシストガスの供給能力には限界があるため、レーザによる入熱量が過多となって過剰な溶融物が生成された場合、溶融物を吹き飛ばしきれなくなることがあり、この場合部材のレーザ照射面の裏側に、切断箇所に沿ってドロスが発生することとなる。
尚、レーザ切断の手法としては、アシストガスを用いない手法も存在するが、このような手法においても、レーザによる入熱量が過多となって過剰な溶融物が生成された場合には、同様にドロスが発生する。

図６には、所定の板厚Ｔを有する部材をレーザ切断する場合における、レーザ出力と、レーザ移動速度と、切断品質との関係を模式的に示している。尚、ここでいう「レーザ移動速度」とは、レーザ加工機を構成するノズルの移動速度である。
そして、図６に示す場合においては、アシストガスの供給圧力は、レーザ加工機が有する最大の能力で運用しているものとする。
レーザ切断における加工条件を左右する要素としては、レーザの出力、有効照射径、ノズルの移動速度、切断対象物（部材）の板厚、材質、アシストガスの種類、供給圧力、等がある。そして、レーザ出力とノズルの移動速度によって、レーザによる切断対象物に対する入熱量が決まる。

図６によると、レーザ出力とレーザ移動速度との関係で、切断品質が左右されることが判り、レーザ移動速度に応じてレーザ出力を調整することによって、ドロスを発生させることなく、所定の材質である板厚Ｔの部材を切断することが可能になることが判る。

また、図６によると、レーザ移動速度が遅い（図６に示す領域Ａ（以後、極低速域と呼ぶ）に該当する）場合、レーザ出力の調整では、ドロスの発生を防ぐことができないことが判る。

さらに、図６によると、所定の材質である板厚Ｔの部材を切断するために必要とされるレーザ出力の最小値は決まっており、最小値よりも小さいレーザ出力では、いくらレーザ移動速度を小さくしたとしても、その部材をレーザ切断することができないため、少なくとも領域Ｂに該当するレーザ出力を確保する必要があることが判る。

そして、レーザ切断においては、レーザ移動速度が遅くなると、レーザによる入熱量が過多となって、レーザの照射位置近傍における部材の溶融範囲が拡大し、部材の溶融量が過剰になる。そしてドロスは、このような部材の過剰な溶融に起因して生じる。
即ち、図６に示す領域Ａ（極低速域）では、ドロスが発生しやすい。

例えば、図７に示すように、曲がり部を有する部材をレーザ切断する場合、曲がり部を切断するときには、直線部を切断するときに比して、ノズルの移動速度が遅くなる。
このため、レーザ切断においては、曲がり部を切断するときに、ドロスが発生しやすい。

また、レーザ切断においては、図８（ａ）に示すように、レーザの照射面に対して、ノズルの向きが垂直になるようレーザ照射面に対してノズルを平行に移動させる必要があり、このため、曲がり部においては、レーザ照射面に対するノズルの角度を頻繁に調整する必要が生じて、ノズルの移動速度が遅くなるという事情がある。

さらに、例えば、ノズルの移動手段としてロボットを使用する構成において、レーザ切断によって円弧や円等のカーブ形状を切り取る場合、図８（ｂ）に示すように、寸法精度を確保する（実際の切断線と切断予定線との差異を小さくする）ためには、直線部を切断する場合に比して、ロボットのティーチング点を多くする必要がある。そして、ティーチング点が多くなると、ノズルの移動方向を変更する動作を頻繁に行う必要が生じるため、ノズルの移動速度が遅くなるという事情がある。

例えば、曲がり部を有する部材をレーザ切断する場合、レーザ移動速度を、ドロスの発生領域Ａに係る速度まで低下させなければならない場合がある（図６参照）。このような場合には、曲がり部において、ドロスの発生を避けることができなかった。
以下では、このような場合の曲がり部を有する部位、即ち、ドロスの発生が予見される部位をドロス発生予見部と呼ぶ。
ドロス発生予見部のその他の例としては、例えば、円弧状や円形等、カーブ形状を切り取るようにレーザ切断をする必要がある部位等がある。
また、直線状にレーザ切断する場合であっても、非常に高い寸法精度を確保するべく、レーザ移動速度を極低速にするような場合には、直線部であってもドロス発生予見部に該当する場合がある。

従来、ドロスの発生を低減するレーザ加工方法が種々検討されており、例えば、以下の特許文献１および特許文献２に示された技術がある。

特許文献１に示された従来のレーザ加工方法では、レーザ切断をする部材に対して、レーザを照射する側の面とは反対側の面にドライアイスを当てた状態でレーザ切断を行う構成としており、部材に付着した水分がレーザによる加熱で気化し体積膨張する力によってドロスを吹き飛ばして、切断面に付着するドロスを低減させている。

また、特許文献２に示された従来のレーザ加工方法では、レーザ切断する部材の、レーザを照射する側の面とは反対側の面に、ドロスをそぎ落とすためのスクレーパを配置しておき、レーザ切断した直後にスクレーパで発生したドロスを除去する構成としている。

特開２００２−１２６８９２号公報 特開２０００−２４７９０号公報

特許文献１に記載された従来のレーザ加工方法では、切断対象たる部材に安定してドライアイスを接触させておく必要がある。
しかしながら、例えば、曲がり部を有する部材では、部材に安定してドライアイスを接触させておくことが困難であるため、ドロスの発生を低減できない場合があり、また、ドライアイスを接触させることによって部材が濡れるため、防錆を考慮する必要がある部材には適用することが困難であった。

また、特許文献２に記載された従来のレーザ加工方法では、曲がり部を有する部材では、スクレーパと部材が干渉する場合があり、ドロスの除去が困難であったり、スクレーパで部材を傷つけたりする可能性があった。

本発明は、斯かる現状の課題を鑑みてなされたものであり、切断対象たる部材の形状に関わらず、レーザ切断時におけるドロスの発生を低減できるレーザ加工方法を提供することを目的としている。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、所定の板厚を有する部材をレーザ切断するときに、レーザによる入熱量に対する前記部材の溶融量が過多となることによって、ドロスが発生することが予見される部位であるドロス発生予見部を有する前記部材のレーザ加工方法であって、前記ドロス発生予見部を、前記所定の板厚に比して小さい肉厚に加工して、薄肉部を形成する薄肉部加工工程と、前記薄肉部加工工程の後で、前記部材をレーザ切断するレーザ切断工程と、を備え、前記レーザ切断工程においては、前記薄肉部を前記レーザの照射位置に含めてレーザ切断するものである。

請求項２においては、前記薄肉部加工工程はプレス加工工程であって、前記薄肉部加工工程においては、前記部材をプレス成形するとともに、前記薄肉部をプレス加工により形成するものである。

請求項３においては、前記ドロス発生予見部は、前記部材を曲げて形成した曲面を有する部位である曲がり部であって、前記薄肉部加工工程においては、前記曲がり部の前記レーザ切断工程におけるレーザ照射面とは反対側の面に凹部を形成して、前記薄肉部を形成するものである。

請求項４においては、前記ドロス発生予見部は、前記部材を曲げて形成した曲面を有する部位である曲がり部であって、前記薄肉部加工工程においては、前記曲がり部の外Ｒ側の面に凹部を形成して、前記薄肉部を形成するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、ドロス発生予見部における部材の溶融量を低減させることができ、これにより、レーザ切断時におけるドロスの発生量を低減できる。

請求項２においては、ドロス発生予見部を薄肉部にする加工を容易に行うことができ、これにより、レーザ切断時におけるドロスの発生量を容易に低減することができる。

請求項３においては、レーザ照射面の凹凸を減らすことができ、これにより、レーザ移動速度の低下を抑制することができる。またこれにより、レーザ切断時におけるドロスの発生量をより確実に低減できる。

請求項４においては、プレス加工によって薄肉部を形成する際に、プレス型とワークが接触することが防止でき、レーザ切断時におけるドロスの発生量を低減しつつ、ワークの傷つきを確実に防止できる。

本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法における薄肉部の形成状況を示す図、（ａ）ドロス発生予見部たる曲がり部を有するワークを示す斜視模式図、（ｂ）図１（ａ）におけるＹ部拡大図（曲がり部における薄肉部の形成状況を示す斜視模式図）。 本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法を示すフロー図。 ワークに対する薄肉部の形成状況（プレス加工による場合）を示す斜視模式図。 曲がり部における薄肉部の形成態様を示す断面模式図、（ａ）曲がり部におけるレーザ照射面の裏側に凹部を形成した場合を示す図、（ｂ）曲がり部における外Ｒ側に凹部を形成した場合を示す図。 レーザ切断の概要を示す側面模式図。 従来のレーザ加工方法におけるレーザ出力とレーザ移動速度と切断品質の関係を示した模式図。 レーザ切断時におけるドロスの発生状況を示す側面模式図。 レーザ切断時におけるノズルの移動状況を示す模式図、（ａ）曲がり部を有する部材をレーザ切断する場合におけるノズル角度の変更状況を示す図、（ｂ）カーブ形状に部材をレーザ切断する場合におけるティーチング点の設定状況を示す図。

次に、発明の実施の形態を説明する。
まず始めに、本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法について、図１を用いて説明をする。
図１に示す如く、本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法では、まず、所定の部材に対して薄肉部を加工する工程（薄肉部加工工程（ＳＴＥＰ−１）と呼ぶ）を行い、その後で、部材をレーザ切断する工程（レーザ切断工程（ＳＴＥＰ−２）と呼ぶ）を行う構成としている。
尚、レーザ切断工程（ＳＴＥＰ−２）においては、同工程に用いるレーザ加工機のアシストガス供給量は最大となっている。そして、以下に示す実施形態で用いる部材は、所定の材質からなる板厚Ｔの部材であり、同部材においては、レーザ出力とレーザ移動速度および切断品質との間には、図６に示す相関関係が成立している。

ここで、本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法の適用対象たる部材について、図２を用いて説明をする。
本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法では、図２（ａ）に示すようなワーク１をレーザ切断する。
ワーク１は、所定の材質の金属板（本実施形態では、鋼板）をプレス加工することによって形成される部材であり、複数の曲がり部２・２・・・を備えている。

ワーク１は、プレス加工後の状態では余肉部１ａが残存している状態であり、プレス加工後に、余肉部１ａを切除することが予定されている部材である。
そして、本実施形態では、ワーク１から余肉部１ａを切除する際に、ドロスを低減させつつ、レーザ切断する場合を例示している。
尚、本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法の適用対象物たるワーク１は、プレス加工によって形成された部材には限定されない。

本実施形態に示すワーク１の各部位の板厚は、板厚Ｔであり、曲がり部２における板厚もＴである。例えば、本実施形態で示すワーク１においては、板厚を１．４ｍｍ程度とすることができ、曲がり部２の板厚を１．４ｍｍ程度とすることができる。

そして、所定の材質からなる板厚Ｔのワーク１をレーザ切断するときには、曲がり部２を切断するときにおいて、レーザ移動速度が極低速域（図６の領域Ａ参照）に至るため、曲がり部２においては、ドロスが発生することが予見される。
即ち、ワーク１における曲がり部２は、ドロス発生予見部Ｘに該当するものである。

尚、本実施形態では、ドロス発生予見部Ｘたる曲がり部２の板厚が、その他の部位の板厚Ｔと同じである場合を例示しているが、本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法の適用対象たるワークは、ドロス発生予見部Ｘとそれ以外の部位との板厚が同じであるものに限定されない。

そして、本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法では、図２（ｂ）に示す如く、ワーク１が有するドロス発生予見部Ｘたる曲がり部２に、薄肉部３を設ける構成としている。
尚、ワーク１には、図２（ａ）に示すように、ドロス発生予見部Ｘに該当しない曲がり部４も存在しており、そのような曲がり部４に対しては、薄肉部３を設けなくてもよい。

薄肉部３は、図２（ａ）（ｂ）に示す如く、ドロス発生予見部Ｘたる曲がり部２において、レーザの照射予定線Ｌ上に深さＤ、幅Ｗの凹部３ａを形成することによって形成される部位であり、ワーク１の板厚Ｔに比して小さい肉厚（Ｔ−ｄ）を有している。
ドロスを低減する観点からは、薄肉部３の深さＤは、できるだけ大きくすることが好ましく、例えば、板厚Ｔの１／２〜１／３程度の深さとすることができ、また、薄肉部３の幅Ｗは、レーザによる切断幅に比して大きくすることが好ましい。
具体的には、本実施形態のように、板厚が１．４ｍｍ程度のワーク１を用いた場合には、薄肉部３の深さＤは、０．４〜０．７ｍｍ程度の深さとすることができる。

ドロス発生予見部Ｘに薄肉部３を設けると、ドロス発生予見部Ｘへの入熱量が過多となった場合に生じる溶融物が減少するため、ドロスの発生を抑制することができる。

薄肉部３は、レーザ照射予定線Ｌの方向において曲がり部２の範囲を超える範囲において形成してもよい。また、薄肉部３は、曲がり部２の一部でドロスが発生することが予見されるような場合には、曲がり部２の全体ではなく、その一部に薄肉部３を形成してもよい。

また、薄肉部３は、レーザ照射予定線Ｌの方向における両端部において、薄肉部３における凹部３ａの底部と、薄肉部３でないワーク１の表面とを、傾斜面を介してなだらかに接続することが好ましい。

そして、本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法では、このような薄肉部３を、レーザ切断工程（ＳＴＥＰ−２）の前工程である薄肉部加工工程（ＳＴＥＰ−１）において、形成する構成としている。

さらに、本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法では、レーザ切断工程（ＳＴＥＰ−２）において、ドロス発生予見部Ｘたる曲がり部２に薄肉部３が形成されたワーク１をレーザ切断する構成としている。

レーザ切断工程（ＳＴＥＰ−２）においては、曲がり部２を切断する際に、薄肉部３に向けてレーザを照射して、レーザ切断を行う構成としている。
これにより、曲がり部２に対するレーザの入熱量が過多となっても、溶融物の発生量を低減させることができ、ドロスの発生を抑制することができる。

即ち、本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法は、所定の板厚Ｔを有する部材（本実施形態ではワーク１）をレーザ切断するときに、レーザによる入熱量に対するワーク１の溶融量が過多となることによって、ドロスが発生することが予見される部位であるドロス発生予見部Ｘを有するワーク１のレーザ加工方法であって、ドロス発生予見部Ｘを、所定の板厚Ｔに比して小さい肉厚（Ｔ−ｄ）に加工して、薄肉部３を形成する薄肉部加工工程（ＳＴＥＰ−１）と、薄肉部加工工程（ＳＴＥＰ−１）の後で、ワーク１をレーザ切断するレーザ切断工程（ＳＴＥＰ−２）と、を備え、レーザ切断工程（ＳＴＥＰ−２）においては、薄肉部３をレーザの照射位置に含めてレーザ切断するものである。
このような構成により、ドロス発生予見部Ｘたる曲がり部２におけるワーク１の溶融量を低減させることができ、これにより、レーザ切断時におけるドロスの発生量を低減できる。

さらに、本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法において、ワーク１は、プレス加工によって形成される部材であり、そして、薄肉部加工工程（ＳＴＥＰ−１）を、ワーク１をプレス加工するプレス加工工程と同一の工程としている。

即ち、本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法では、プレス加工工程たる薄肉部加工工程（ＳＴＥＰ−１）においては、ワーク１を形成する（即ち、曲がり部２を形成する）のと同時に、プレス加工によって、薄肉部３を形成する構成としている。

より具体的には、本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法では、図３に示すように、プレス加工工程で用いる上型５および下型６の、曲がり部２・２に対応する位置に、それぞれ凸部５ａ・６ａを形成しておき、プレス加工時に凸部５ａ・６ａを曲がり部２の所定位置に押圧し、その押圧した部位を押しつぶすことによって、凹部３ａ・３ａを形成して、薄肉部３・３を形成する構成としている。
尚、本実施形態では、曲がり部２において、その表面あるいは裏面のいずれか一方に凹部を形成して薄肉部３を形成する構成としているが、例えば、曲がり部２における表面と裏面の両方に凹部３ａ・３ａを形成して薄肉部３を形成する構成としてもよい。

このように、本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法では、プレス加工時に薄肉部３を形成する構成としているため、薄肉部３を形成するための工程を別途設ける必要がない。このため、本実施形態に係るレーザ加工方法によれば、容易に薄肉部３を形成することが可能であり、ひいては、曲がり部２をレーザ切断する際にドロスが発生することを容易に抑制することができる。

即ち、本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法において、薄肉部加工工程（ＳＴＥＰ−１）はプレス加工工程であって、薄肉部加工工程（ＳＴＥＰ−１）においては、ワーク１をプレス成形するとともに、薄肉部３をプレス加工により形成するものである。
このような構成により、ドロス発生予見部Ｘたる曲がり部２を薄肉部３にする加工を容易に行うことができ、これにより、レーザ切断時におけるドロスの発生量を容易に低減することができる。

尚、本実施形態では、薄肉部加工工程がプレス加工工程である場合を例示しているが、本発明の一実施形態に係る薄肉部加工工程はこれに限定されず、例えば、ワーク１を形成するためのプレス加工工程とは別に、薄肉部加工工程を備えていてもよい。
このような場合において、薄肉部３は、例えば、切削工程や研削工程によって形成してもよい。

また、図４（ａ）（ｂ）に示すように、曲がり部２に形成する薄肉部３は、レーザを照射する側の面に形成してもよいし、あるいは、レーザを照射する側とは反対側の面に形成してもよい。

図４（ａ）に示す如く、例えば、薄肉部３を曲がり部２のレーザを照射する側の面とは反対側の面を選んで形成した場合、レーザ照射面に対するノズルの角度が急激に変わる部位を無くすことができるため、レーザ移動速度の低下を抑制することができ、これにより、よりドロスを発生しにくくすることができる。

即ち、本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法において、ドロス発生予見部Ｘは、ワーク１を曲げて形成した曲面を有する部位である曲がり部２であって、薄肉部加工工程（ＳＴＥＰ−１）において、曲がり部２のレーザ切断工程（ＳＴＥＰ−２）におけるレーザ照射面とは反対側の面に凹部３ａを形成して、薄肉部３を形成するものである。
このような構成により、レーザ照射面の凹凸を減らすことができ、これにより、レーザ移動速度の低下を抑制して、レーザ切断時におけるドロスの発生量をより確実に低減できる。

また、図４（ｂ）に示す如く、薄肉部３を、曲がり部２における外Ｒ側の面を選んで形成することも可能である。
この場合、薄肉部３をプレス加工により形成する際に、金型とワークの接触をより確実に防ぐことが可能になり、ワークの傷つきを確実に防止できるという利点がある。

即ち、本発明の一実施形態に係るレーザ加工方法において、ドロス発生予見部Ｘは、ワーク１を曲げて形成した曲面を有する部位である曲がり部２であって、薄肉部加工工程（ＳＴＥＰ−１）において、曲がり部２の外Ｒ側の面に凹部３ａを形成して、薄肉部を形成するものである。
このような構成により、プレス加工によって薄肉部３を形成する際に、プレス金型とワーク１が接触することが防止でき、レーザ切断時におけるドロスの発生量を低減しつつ、ワーク１の傷つきを確実に防止できる。

１ ワーク
２ 曲がり部
３ 薄肉部
３ａ 凹部
Ｘ ドロス発生予見部

Claims (3)

1. 所定の板厚を有する部材をレーザ切断するときに、レーザによる入熱量に対する前記部材の溶融量が過多となることによって、ドロスが発生することが予見される部位であるドロス発生予見部を有する前記部材のレーザ加工方法であって、
   前記ドロス発生予見部を、前記所定の板厚に比して小さい肉厚に加工して、薄肉部を形成する薄肉部加工工程と、
   前記薄肉部加工工程の後で、前記部材をレーザ切断するレーザ切断工程と、
   を備え、
   前記レーザ切断工程においては、
   前記薄肉部を前記レーザの照射位置に含めてレーザ切断し、
   前記ドロス発生予見部は、
   前記部材を曲げて形成した曲面を有する部位である曲がり部であって、
   前記薄肉部加工工程においては、
   前記曲がり部の前記レーザ切断工程におけるレーザ照射面とは反対側の面に凹部を形成して、前記薄肉部を形成する、
   ことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 所定の板厚を有する部材をレーザ切断するときに、レーザによる入熱量に対する前記部材の溶融量が過多となることによって、ドロスが発生することが予見される部位であるドロス発生予見部を有する前記部材のレーザ加工方法であって、
   前記ドロス発生予見部を、前記所定の板厚に比して小さい肉厚に加工して、薄肉部を形成する薄肉部加工工程と、
   前記薄肉部加工工程の後で、前記部材をレーザ切断するレーザ切断工程と、
   を備え、
   前記レーザ切断工程においては、
   前記薄肉部を前記レーザの照射位置に含めてレーザ切断し、
   前記ドロス発生予見部は、
   前記部材を曲げて形成した曲面を有する部位である曲がり部であって、
   前記薄肉部加工工程においては、
   前記曲がり部の外Ｒ側の面に凹部を形成して、前記薄肉部を形成する、
   ことを特徴とするレーザ加工方法。
3. 前記薄肉部加工工程はプレス加工工程であって、
   前記薄肉部加工工程においては、
   前記部材をプレス成形するとともに、
   前記薄肉部をプレス加工により形成する、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工方法。

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