JP6582772B2 - レーザ切断品の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば金属製または樹脂製の板もしくはその成形体からなるレーザ切断品の製造方法および製造装置に関する。

金属製（例えば鋼製、アルミニウムやその合金製、チタンやその合金製）や各種の樹脂製の板やその成形体の表面にレーザを照射して、板や成形体の切断や穿孔等（本明細書ではこれらを「切断」と総称する）を行うと、切断部の表面に溶融したドロスが付着する。付着したドロスを落とすための処理コストが嵩むため、これまでにもレーザ切断時のドロスの付着を防止する発明が提案されている。

特許文献１には、切断する板の表面側へ不活性ガスを供給しながら同じ側から切断予定部にレーザ光を照射してステンレス鋼板を切断する際に、板の裏面に吸入管を配置して裏面側の圧力を０．９ｋｇｆ／ｃｍ^２（８８ｋＰａ）以下に低下して切断する方法が開示されている。

特許文献２には、大気中で金属板をレーザ切断する際に、鋼板裏面を全面的に覆うチャンバーや吸入管等の減圧設備を配置して鋼板の裏面の雰囲気圧力を５ｋＰａ以上減圧することにより、ドロスを裏面側で吸引除去しながらレーザ切断する方法が開示されている。

特開平２−２４７０９７号公報 特開２００７−１９０５９０号公報

特許文献１に開示された発明は、表面のレーザ照射側に不活性ガスを供給しながら切断部にレーザ光を照射してステンレス鋼板を切断する。このため、不活性ガスの供給設備と照射されたレーザ光との干渉を避ける必要があり、特に、集光性能の高いレーザ発信器と、光路中に可変ミラー（ガルバノミラー）を有する集光光学系とを用いるリモートレーザにより切断する際には、不活性ガスの供給装置が光路の一部と干渉し、リモートレーザの作業効率を低下させるおそれがある。また、レーザ切断の際には必ず板の裏面に吸入管を配置する必要があり、生産性の低下は否めない。

特許文献２に開示された発明を実施する場合には、鋼板の裏面を全面的に覆ってシールする減圧設備を配置する必要があり、三次元曲面を有するプレス部品等の成形体を切断する際には、この三次元曲面のシールが難しく、切断中に圧力差が減少して切断能力が落ちる可能性がある。また、レーザ切断の際には必ず板の裏面に減圧設備を配置する必要があり、生産性の低下は否めない。

本発明は、従来の技術が有するこのような課題に鑑みてなされたものであり、減圧設備を配置して切断範囲の裏面全面をすきま無く覆う必要なく、切断部の表面に溶融したドロスが付着することを防止しながら、金属製（例えば、鋼製、アルミニウムやその合金製、チタンやその合金製）や各種の樹脂製の板やその成形体からなるレーザ切断品、例えばリモートレーザによるレーザ切断品を製造することができる製造方法および製造装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、レーザ切断しようとする板やその成形体の裏面の切断位置付近に高速でガスを流すためのノズルを配置し、板やその成形体の裏面に、アルゴンや窒素等の不活性ガス、あるいは、空気や酸素等の圧縮したガスを高速で流すことにより板や成形体の裏面の雰囲気圧力を大気圧に対して０．４ｋＰａ以上減圧するとともに、ドロスを吹き飛ばしながら、レーザ切断することによって、切断範囲の裏面全面をすきま無く覆う減圧設備や吸入管を板に装着しなくとも、ベルヌーイの定理から、高速で流れるガスの減圧効果によってドロスを確実に排出して切断部の表面にドロスが付着することを防止しながら、平板はもちろんのこと、三次元曲面を有するプレス部品等の成形体をもレーザ切断できることを知見し、さらに検討を重ねて本発明を完成した。本発明は以下に列記の通りである。

（１）金属製または樹脂製の板またはその成形体の一方の面にレーザ光線を照射して前記板または前記成形体の切断予定部を切断することによりレーザ切断品を製造する際に、
前記板または前記成形体の他方の面側の前記切断予定部を起点として板厚方向１０ｍｍ以下の範囲の少なくとも一部に、該板またはその成形体に向かって２０度の方向から略平行な方向までの間の範囲へ流速３０ｍ／ｓｅｃ以上でガスを流すことを特徴とするレーザ切断品の製造方法。

本発明における「切断」には、対象物を切り離すという通常の意味の切断とともに、穿孔も含む。

（２）前記成形体の切断予定部をリモートレーザにより切断する１項に記載されたレーザ切断品の製造方法。

（３）金属製または樹脂製の板またはその成形体の一方の面にレーザ光線を照射して前記板または前記成形体の切断予定部を切断することによりレーザ切断品を製造する製造装置において、
前記板または前記成形体の他方の面側の前記切断予定部を起点として板厚方向１０ｍｍ以下の範囲の少なくとも一部に、該板またはその成形体に向かって２０度の方向から略平行な方向までの間の範囲へ流速３０ｍ／ｓｅｃ以上でガスを流すガス供給装置を備えること
を特徴とするレーザ切断品の製造装置。

（４）前記成形体の切断予定部をリモートレーザにより切断する３項に記載されたレーザ切断品の製造装置。

本発明によれば、切断範囲の裏面全面をすきま無く覆う減圧設備や吸入管を装着することなく、切断部の表面に溶融したドロスが付着することを防止しながら、金属製や樹脂製の板やその成形体からなるレーザ切断品を製造することができる。

また、本発明によれば、レーザ切断に必要とされるスポット径（例えば０．１〜０．２ｍｍ）より大きいスポット径（たとえ０．６ｍｍ程度）でも、切断部の表面に溶融したドロスが付着することを確実に防止しながらレーザ切断することができる。このため、本発明に係る製造装置をレーザ溶接にも用いることができ、レーザ溶接およびレーザ切断を一つの製造装置で兼用できる。

さらに、ガルバノミラーを駆動することにより所定の立体的エリア内で自由にレーザ光線を照射可能なリモートレーザにより本発明を実施することにより、大がかりな減圧装置等の脱着を必要としないため、三次元曲面を有するプレス部品等の成形体を高速で切断できる。

図１は、本発明の原理を示す説明図である。 図２は、本発明の実施の形態の一例を示す説明図である。

本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら、説明する。
１．本発明の原理
図１は、本発明の原理を示す説明図である。

図１に示すように、レーザ切断しようとする金属製（例えば、鋼製、アルミニウムやその合金製、チタンやその合金製）または樹脂製の板またはその成形体１の裏面（レーザ照射側と反対の面）１ａの切断予定部（切断位置）１ｂ付近に、例えばアルゴンや窒素等の不活性ガスあるいは空気や酸素等の圧縮したガス２を流すためのノズル３を配置しておき、板またはその成形体１の切断予定部１ｂの近傍にガス２を高速で流すこと、具体的には、板またはその成形体１の裏面１ａ側の切断予定部１ｂを起点として板厚方向１０ｍｍ以下の範囲４の少なくとも一部に、流速３０ｍ／ｓｅｃ以上でガス２を流すことにより、範囲４における切断予定部１ｂを中心とした半径５ｍｍの領域５の少なくとも一部の圧力を大気圧に対して０．４ｋＰａ以上減圧するとともに、ドロス７を吹き飛ばしながら、レーザ６を照射することにより、板またはその成形体１をレーザ切断する。

ガス２の流す方向は、切断予定部１ｂの近傍の板面に略平行な方向から、切断予定部１ｂに向かって２０度の範囲内とする。略平行な方向が最も好ましい。

ガス２を高速で流すことによる減圧の効果により板またはその成形体１の裏面１ａ側へ排出されるドロス７を、ガス２で吹き飛ばしながら、板またはその成形体１をレーザ切断することができる。

このため、本発明によれば、板またはその成形体１の裏面（レーザ照射側と反対の面）１ａの全面をすきま無く覆う減圧設備や吸入管を装着することなく、板またはその成形体１の表面１ａに溶融したドロス７が付着することを防止しながら、平板はもちろんのこと、三次元曲面を有するプレス部品等の成形体１をもレーザ切断できる。

また、本発明によれば、レーザ切断に必要とされるスポット径（例えば０．１〜０．２ｍｍ）より大きいスポット径（たとえ０．６ｍｍ程度）でも、板またはその成形体１の表面１ａに溶融したドロスが付着することを確実に防止しながらレーザ切断することができる。このため、本発明に係る製造装置をレーザ溶接にも用いることができ、レーザ溶接およびレーザ切断を一つの製造装置で兼用できる。

板またはその成形体１の切断可能な板厚は、十分な溶け込み深さが得られる板厚であり、板またはその成形体１が鋼製である場合には、通常５ｍｍ以下である。

本発明におけるレーザ溶接方法は、特に限定されないが、例えば、ＹＡＧレーザ、ディスクレーザ、ファイバーレーザ、炭酸ガスレーザ、さらにはＬＤレーザ等の溶接機による溶接方法を用いることができる。

さらに、ガルバノミラーを駆動し所定の立体的エリア内で自由にレーザ光線６を照射可能なリモートレーザにより本発明を実施することにより、大がかりな減圧装置等の脱着を必要としないため、三次元曲面を有するプレス部品等の成形体１をいっそう高速で短時間で切断できる。

なお、図示していないが、レーザ光線６を照射する際には、板またはその成形体１の表面（レーザ照射面）１ｅの切断予定部（切断位置）付近に、アルゴン、ヘリウム、窒素等のシールドガスを吹き付けてもよい。これにより、ドロス７の排出を促進できるとともに、切断端面の酸化を抑制できる。

２．本発明に係る製造装置および製造方法
図２は、本発明に係る製造装置の実施の形態の一例１１を示す説明図である。

レーザ切断品１０−１，１０−２の製造装置１１は、リモートレーザにより本発明を実施するものである。図２に示すように、リモートレーザを行うためには、レーザ発振器１２と、集光レンズ１３と、アクチュエータ１４ａ，１４ｂにより設置角度が可変な第１ガルバノミラー１４と、アクチュエータ１５ａ，１５ｂにより設置角度が可変な第２ガルバノミラー１５とを用いる。なお、カルバノミラーは二つ用いる必要は必ずしもなく、レーザ切断する成形体１の形状等に応じて一つ用いることとしてもよい。

リモートレーザは、集光性能の優れたレーザ発振器１２を用いて、５００〜１０００ｍｍ程度の集光光学系１６を用いてレーザ光線１７を照射するが、焦点距離が長いためにレーザ光線１７の光路中にガルバノミラー１４，１５を配置でき、ガルバノミラー１４，１５の角度変更により瞬時にレーザ光線１７の照射位置を変更することができる。このため、切断に要する時間自体は、産業用ロボットにレーザヘッドを支持させる従来方式と変わらないものの、レーザ切断を行わない空走時間を顕著に低減できる。これにより、一つの成形体１の切断に要する全時間を大幅に低減できるとともに、複雑な形状の切断予定部１ｂにも柔軟に対応できる。

図２における成形体１は、引張強度が１１８０ＭＰａ級の高張力鋼からなり、長手方向全長にわたってハット型の横断面形状を有するプレス成形体である。成形体１は、所定の位置に配置された治具（図示しない）により所定の位置に固定配置される。

リモートレーザを実施する際には、ガルバノミラー１４，１５のみならず、レーザ発振器１２や治具（図示しない）も可動にしてもよく、これにより、より複雑な形状の切断予定部１ｂの切断も可能になる。

成形体１の長手方向の中央部に位置する切断予定部１ｂをレーザ切断することによって、ハット型の横断面形状を有するレーザ切断品１０−１，１０−２を２個取りすることができる。

図２に示すように、製造装置１１は、成形体１の外面（表面）１ｅにレーザ光線１７を照射して成形体１の切断予定部１ｂを切断することによりレーザ切断品１０−１，１０−２を製造する。

製造装置１１はガス供給装置１９を備える。ガス供給装置１９は、図１に示すのと同様に、成形体１の内面（裏面）１ａ側の切断予定部１ｂを起点として板厚方向１０ｍｍ以下の範囲４の少なくとも一部に、成形体１と略平行な方向へ流速３０ｍ／ｓｅｃ以上でガス２（アルゴンや窒素等の不活性ガスまたは空気や酸素等の圧縮したガス）を流すことにより、この範囲４における切断予定部１ｂを中心とした半径５ｍｍの領域の少なくとも一部の圧力を大気圧に対し０．４ｋＰａ以上減圧する。

ガス供給装置１９は、ガス２を供給するガス供給系１９ａと、ガス供給系１９ａに接続されてガス２を噴出するノズル１９ｂとを備える。なお、図２では、図面を判読し易くするため、成形体１の一方の縦壁部およびフランジ部の近傍に配置されるノズルを省略してある。

ガス供給系１９ａはこの種のガス供給系として慣用されるものを用いればよく、特定の型式のものには限定されない。また、ノズル１９ｂとしてガス噴出孔が矩形のものを用いた。例えば、ガス供給系１９ａの、ガス２を供給する内径１０ｍｍの配管内の圧力Ｐ_１を０．５ＭＰａとすると、この配管の面積Ａ_１は２５π×１０^−６ｍ^３であり、ガス２を吹き付ける矩形の噴出孔の寸法は１ｍｍ×７５ｍｍ程度であることが例示される。

しかし、ノズル１９ｂの形状は、矩形には限定されず、成形体１の切断予定部１ｂの形状等に応じて、噴出孔が円形のものを切断予定部１ａに沿って並設してもよく、特定の形状のノズルには限定されない。

製造装置１１によれば、高強度かつ高硬度であるために切断し難い成形体１を、切断範囲の裏面全面をすきま無く覆う減圧設備を必要とせずに、レーザ切断品１０−１，１０−２の表面に溶融したドロス７が付着することを防止しながら、高強度のレーザ切断品１０−１，１０−２を製造することができる。

また、製造装置１１によれば、レーザ切断に必要とされるスポット径（例えば０．１〜０．２ｍｍ）より大きいスポット径（たとえ０．６ｍｍ程度）でも、レーザ切断品１０−１，１０−２の表面に溶融したドロス７が付着することを確実に防止しながらレーザ切断することができる。このため、製造装置１１をレーザ溶接にも用いることができ、レーザ溶接およびレーザ切断を一つの製造装置１１で兼用できる。

さらに、ガルバノミラー１４，１５を駆動し所定の立体的エリア内で自由にレーザ光線１７を照射可能なリモートレーザにより本発明を実施することにより、大がかりな減圧装置等の脱着を必要としないため、三次元曲面を有するプレス部品等の成形体１を高速で短時間で切断できる。

１ 高張力鋼板の成形体
１ａ 他方の面
１ｂ 切断予定部
１ｅ 一方の面
２ ガス
４ 範囲
６ レーザ光線
１０−１，１０−２ レーザ切断品

Claims (4)

1. 金属製または樹脂製の板またはその成形体の一方の面にリモートレーザによりレーザ光線を照射して前記板または前記成形体の切断予定部を切断することによりレーザ切断品を製造する際に、
   前記一方の面側にはガス供給装置を設けることなく、前記板または前記成形体の他方の面側に設けられたガス供給装置によって、前記他方の面側の前記切断予定部を起点として板厚方向１０ｍｍ以下の範囲の少なくとも一部に、該板またはその成形体に向かって２０度の方向から略平行な方向までの間の範囲へ流速３０ｍ／ｓｅｃ以上でガスを流すことを特徴とするレーザ切断品の製造方法。
2. 前記流速３０ｍ／ｓｅｃ以上でガスを流すことによって前記他方の面側の前記少なくとも一部の圧力を減圧し、
   前記レーザ光線の照射によって前記一方の面側で生じたドロスを、前記減圧の効果によって前記他方の面側から排出する、請求項１に記載されたレーザ切断品の製造方法。
3. 金属製または樹脂製の板またはその成形体の一方の面にリモートレーザによりレーザ光線を照射して前記板または前記成形体の切断予定部を切断することによりレーザ切断品を製造する製造装置において、
   前記一方の面側には設けられず、前記板または前記成形体の他方の面側に設けられ、かつ前記他方の面側の前記切断予定部を起点として板厚方向１０ｍｍ以下の範囲の少なくとも一部に、該板またはその成形体に向かって２０度の方向から略平行な方向までの間の範囲へ流速３０ｍ／ｓｅｃ以上でガスを流すガス供給装置を備えることを特徴とするレーザ切断品の製造装置。
4. 前記流速３０ｍ／ｓｅｃ以上でガスを流すことによって前記他方の面側の前記少なくとも一部の圧力を減圧し、
   前記レーザ光線の照射によって前記一方の面側で生じたドロスを、前記減圧の効果によって前記他方の面側から排出する、請求項３に記載されたレーザ切断品の製造装置。

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