JP6885811B2 - レーザ切断方法 - Google Patents

Description

本発明は、被切断材に向けてレーザ光を照射すると共にアシストガスを噴射して該被切断材を切断しつつ切断すべき部位の母材温度を認識し、認識した温度に応じて切断すべき部位の周辺を冷却し、切断の停止を予知して停止することでバーニングを防止し得るようにしたレーザ切断方法に関するものである。

金属からなる被切断材を切断する際に、レーザ切断法を採用することがある。このレーザ切断法は、被切断材に向けてレーザ切断ノズルからレーザ光を照射すると共にアシストガスを噴射して母材を蒸発又は溶融させ、且つ蒸発物及び溶融物を排除しつつ、レーザ切断ノズルと被切断材とを相対的に移動させることで連続した溝を形成して切断するものである。

特に、被切断材が鉄系金属である場合、良好な切断を実現するにはアシストガスとして純度の高い酸素ガスを使用するのが一般的である。即ち、酸素ガスからなるアシストガスと共にレーザ光をレーザ切断ノズルの中心に形成された噴射口から被切断材に向けて噴射することで、レーザ光が照射された部位の母材を燃焼させると共にアシストガスの噴射エネルギーによって蒸発物，溶融母材，溶融酸化物等を母材から排除して連続した溝を形成し、これにより、被切断材を切断している。

鉄系金属をレーザ切断する場合、レーザ出力，切断速度，アシストガスの流量等のバランスが崩れたとき、レーザ光の照射部位の近傍の母材が溶融或いは燃焼するバーニングと呼ばれる現象が発生することがあり、この現象が発生したとき、切断予定線の周囲に制御不能の窪みが生じて切断面の品質が劣化するという問題が生じる。このため、バーニングの発生を検知するための幾つかの技術が提案されている。

例えば特許文献１に記載された技術は、予めバーニングが発生する温度よりも低い温度で、被切断材に対する切断を停止させる切断停止温度、又は切断を開始させる切断開始温度を設定しておくものである。そして、被切断材に対する実際の切断の進行に伴う切断部位の近傍の温度を認識することで、切断を停止させてバーニングを防ぐものである。

即ち、予め被切断材を、板厚や材質、切断する図形の形状、切断時間、被切断材に対する板取りを含む切断条件に応じて切断することによって、レーザ光が照射される部位の近傍の温度を測定することが可能である。このため、目的の被切断材に対する切断を実行する際には、該被切断材の板厚や材質、切断すべき製品の形状や板取等、設定された切断条件に対応させて、切断部位の近傍の温度を想定して認識することが可能である。

更に、強制的にバーニングを発生させることで、バーニング発生温度を測定することが可能である。このため、バーニングが発生する温度よりも低い温度にある切断を停止させる切断停止温度、又は被切断材に対する切断を開始させる切断開始温度を設定ことも可能である。

従って、目的の被切断材に対する切断を実行する際に、該被切断材に於ける切断部位の近傍の温度を認識して切断停止温度よりも高い場合、被切断材に対する切断を停止して被切断材に対し冷却流体を噴射して冷却することで、バーニングを防ぐことが可能である。また、認識した温度が切断開始温度よりも低い場合に被切断材に対する切断を実行することが可能である。

特許第４７４１９１４号公報

特許文献１に記載された技術では、目的の被切断材に対してレーザ切断を実行する際にバーニングを防ぐことが可能である。しかし、この技術であっても完全なものではなく幾つかの課題も存在している。

例えば、目的の被切断材から図形を切断している途中で、被切断部位の近傍の温度が切断停止温度よりも高いことを認識して切断の停止及び冷却流体による冷却、を行った場合、切溝が形成された部分に僅かな歪が生じることがある。この歪が生じたとき、切断された製品の寸法精度や形状精度の低下、或いは切断面に僅かな段差が形成されるなどの悪影響を及ぼすこととなる。

特に、被切断材から複数の図形を切断する際に、既に切断された切溝の周辺は温度が上昇しており、この切溝の近傍を切断する場合や、被切断材の端面に近い部分を切断するような場合に歪が生じやすくなる。このため、切断を停止して冷却した後に切断を再開する場合、歪みが生じている部位が切断の再開点となり、円滑な切断の再開ができなくなる虞がある。

本発明の目的は、レーザ切断の進行中に被切断材に於ける切断部位の周囲の温度を測定してバーニングが発生する可能性を想定し、バーニング発生の虞が高くなったときに所定の対応をすることで、バーニングを防止し得るようにしたレーザ切断方法を提供することにある。

本件発明者はレーザ切断に於けるバーニングの発生メカニズムについて追求している。その結果、バーニングが発生する際の原因の一つに被切断材の温度の上昇があることを確認した。

通常、特定の材質と板厚を持った被切断材に対する切断速度等の切断仕様は、該被切断材が大気温度の状態（冷間）であることを前提として設定される。しかし、切断可能な速度は被切断材の温度の上昇に伴って上昇する。即ち、被切断材の被切断性能は母材温度の上昇に伴って上昇する。このため、母材の温度が上昇した被切断材では、被切断部位の周辺が燃焼し易くなり、冷間状態の被切断材に対する切断速度で切断していたのでは、相対的に切断可能な速度よりも遅い速度で切断していることとなる。

上記の如くして、切断速度と被切断材の被切断性能とのバランスが崩れることになり、これに伴ってバーニングが発生することになる。

バーニングは被切断材の表面に於いて発生する。即ち、被切断材の表面温度がバーニングを発生し易い温度以上に上昇したとき、極めて容易に発生する。従って、被切断材の表面温度がバーニングを発生し易い温度に対して如何なる関係にあるかを認識することで、バーニングの発生を防止することができる。

従って、本発明に係るレーザ切断方法は、被切断材に向けてレーザ光を照射すると共にアシストガスを噴射して該被切断材を切断しつつ切断すべき部位の母材温度を認識し、認識した温度に応じて切断すべき部位の周辺に冷却流体を噴射して冷却するレーザ切断方法において、予め被切断材を切断して板厚や材質、切断する図形の形状、切断時間、被切断材に対する板取りを含む切断条件に応じた被切断材の温度を測定しておき、被切断材に対する切断条件に応じて前記予め測定した温度を被切断材に於ける被切断部位の近傍の温度として認識し、且つバーニングを発生する温度を基準として、切断を停止させることなく冷却流体を噴射する強制冷却温度、冷却流体を噴射しつつ切断の停止を予知する切断停止温度を設定し、被切断材にレーザ光を照射すると共にアシストガスを噴射して予め設定された図形を切断しつつ切断線近傍の温度を測定し、測定した温度が強制冷却温度を超えたとき、冷却流体を噴射しつつ切断を継続し、測定した温度が切断停止温度を超えたとき、現在の切断線の延長線上に角度を持って切断方向を変更する点が存在する場合には冷却流体を噴射しつつ前記角度を持って切断方向を変更する点まで切断を継続し、該角度を持って切断方向を変更する点に於いて冷却流体を噴射しつつ切断を停止し、その後、測定した温度が切断停止温度を下回ったとき、冷却流体を噴射しつつ切断を再開することを特徴とするものである。

上記レーザ切断方法では、被切断材に於ける被切断部位の近傍の温度を測定しつつ切断するので、測定した温度と目的の切断線の形状に応じて、冷却流体を噴射しつつ、切断の継続、切断の停止を行うことでバーニングの発生を防ぐことができる。

即ち、バーニングを発生する温度を基準として、切断を停止させることなく冷却流体を噴射する強制冷却温度、冷却流体を噴射しつつ切断の停止を予知する切断停止温度を夫々設定する。また、被切断材にレーザ光を照射すると共にアシストガスを噴射して予め設定された図形を切断しつつ切断線近傍の温度を測定する。

そして、測定した温度が強制冷却温度を超えたとき、冷却流体を噴射しつつ切断を継続することで、バーニングが発生することがない。また、測定した温度が切断停止温度を超えたとき、現在の切断線の延長線上に角度を持って切断方向を変更する点（二方向の直線が交差する点、以下「エッジ部」という）が存在するか否かを確認し、エッジ部が存在する場合には冷却流体を噴射しつつエッジ部まで切断を継続して停止することで、バーニングが発生することがない。更に、測定した温度が切断停止温度を下回ったとき、冷却流体を噴射しつつ切断を再開することで、切断作業を継続することができる。

本実施例に係るレーザ切断方法を説明する図である。 切断すべき形状の例を説明する図である。 レーザ切断装置の構成を概略的に説明する図である。 被切断材を強制冷却する冷却装置の例を説明する図である。 レーザ切断装置の制御系のブロック図である。

以下、本発明に係るレーザ切断方法の形態について説明する。本発明に係るレーザ切断方法は、被切断材をレーザ切断する際に、該被切断材に於ける被切断部位の近傍の温度を認識し、認識した温度に対応させて、切断を継続又は切断を継続させつつ冷却水を噴射して被切断材の冷却をはかり、或いは停止させるものである。切断を継続し、或いは停止させる温度をバーニングが発生する温度を基準として設定することで、バーニングの発生を防ぎ、円滑な切断を実行し得るようにしたものである。

バーニングは被切断材の表面を起点として発生する。このため、バーニングが発生するか否かを判定するための被切断材の温度としては、該被切断材の表面温度として差し支えない。従って、予めバーニングが発生する温度を実験的に測定しておき、被切断材の表面温度を認識したとき、認識した温度が前記バーニングが発生する温度の上下何れにあるかを判定することで、バーニングが発生し易いか否かを判断することが可能である。

被切断材の温度を認識する方法としては、赤外線温度計等の温度計を利用して実測する方法がある。この方法では、被切断材に於ける実際の被切断部位の近傍の表面温度を高い信頼性を持って認識することが可能であるため好ましい。しかし、この方法では、被切断材の表面の状態によっては必ずしも正確な温度を測定し得ない場合も生じる。

被切断材の温度を認識する他の方法としては、被切断材に対し如何なる形状の切断を行おうとしているか、或いは現在切断中の被切断材に対し如何なる切断が施されたか、特に、現在進行中の切断線の近傍に既に如何なる切断がなされ、且つその切断がなされた後、如何なる時間が経過しているか、等の切断予定或いは切断実績を検討することで、被切断材がバーニングを発生する温度に達する可能性があるか否か、或いは被切断材がバーニング温度に達しているか否かを認識し得るようにすることも可能である。

上記の如き、切断予定或いは切断実績によって被切断材の温度を認識するには、被切断材に対する種々の形状の切断を行って、該切断線の近傍に於ける被切断材の経時的な温度変化を測定し、この測定結果から信頼性を発揮し得る値を求めることが可能である。

例えば、被切断材に対し直線切断を行っている場合、切断の際に被切断材の切断部位の熱は周囲に略均等に伝達されて被切断材の温度を上昇させる。同時に被切断材は大気によって冷却されるため、切断部位の近傍の温度は、切断部分が最も高く、該切断部分から離隔するに従って低くなり、且つ経時的に降下してゆく。

従って、予め被切断材に於ける切断部分からの距離に対応させた温度分布と、切断終了後の経過時間に対応させた温度分布を測定することが可能である。そして、被切断材を切断しようとする場合、切断予定線と、既に被切断材に対する切断が行われていた場合には、既切断線からの温度分布に基づいて予定切断線の近傍の温度を認識することが可能である。

また被切断材に対し曲線（特に円）或いは角（特に鋭角）を切断するような場合、円の中心側、角の鋭角側は、切断の進行に伴って母材から切り離されるため、熱容量が小さくなる。このため、極めて短時間で高温に上昇し、この結果、円や鋭角の切断途中で、これから切断しようとする部位の温度が上昇してしまうことになる。

従って、予定切断線に円や鋭角が存在する場合、これらの予定切断線の近傍では極めて高い温度（バーニングが発生する可能性の高い温度）として認識することが可能である。

本件発明者の実験では、例えば被切断材が鋼板である場合、バーニングが発生する温度は約７０℃であった。また切断予定線が直径約２０ｍｍ以下の円である場合、この円を切断している最中に被切断材はバーニングを発生する温度まで上昇してしまうという結果を得ている。更に、切断予定線が約４５度以下の鋭角である場合も、この切断を行っている最中に被切断材はバーニングを発生する温度まで上昇してしまうという結果を得ている。

また被切断材に対し既に切断されている線が存在する場合、この既切断線から５ｍｍ以内の範囲の温度は、該既切断線に対する切断が終了した後、大気により冷却されるものの空冷時間が１０分以下ではバーニングを発生する温度よりも充分に低い温度まで冷却されず、１０分が経過した時点で充分に低い温度に冷却されるという結果を得ている。

従って、予定切断線が既切断線から５ｍｍ以内に存在する場合（予定切断線が既切断線と交叉する場合も含む）、既切断線の切断終了後１０分以内に予定切断線を切断しようとすると、バーニングが発生する可能性があることになる。

更に、被切断材にレーザトーチによる穴明け加工（ピアシング）が行われているような場合、このピアシング点から半径約１０ｍｍ程度の範囲の温度は、ピアシング終了後１０分以下ではバーニングを発生する温度よりも充分に低い温度まで冷却されず、１０分が経過した時点で充分に低い温度に冷却されるという結果を得ている。

また、本件発明者の実験では、バーニングが発生し易い被切断材の温度は、材質によって多少の差が生じるものの略一定の温度を境界とし、被切断材の温度がバーニングが発生する温度を超えるとバーニングが発生し易く、バーニングが発生する温度以下ではバーニングは発生し難い。

従って、予め被切断材に於けるバーニングが発生する温度を実験的に測定し、測定した温度を基準として、強制冷却温度、切断停止温度を夫々設定することが可能である。実験的に測定されたバーニングが発生する温度は、確実に被切断材にバーニングが発生する温度であるため、被切断材に対する切断を行ってはならない。即ち、前記バーニングが発生する温度は、切断を停止すべき温度であり、バーニングが発生する温度よりも低い温度が切断停止温度となる。

強制冷却温度は、切断の進行に伴って温度が上昇した被切断材に対し切断を継続しつつ、強制的に冷却する温度であり、バーニングが発生する温度よりも充分に低い温度に設定することが好ましい。

切断停止温度は、現状で切断を継続するとバーニングが発生することを予知する温度であり、バーニングが発生する温度よりも低い温度で、且つ強制冷却温度より高い温度に設定することが好ましい。このように、バーニングが発生する温度よりも低い温度で切断を停止させることで、バーニングの発生を確実に防止することが可能である。

切断停止温度をバーニングが発生する温度よりも２０％〜３０％低い温度に設定したとき、強制冷却温度をバーニングが発生する温度よりも４０％〜５０％低い温度に設定することが好ましい。

被切断材に対する強制冷却を行う場合、該強制冷却に伴う被切断材の温度を測定することなく、予め設定された時間の強制冷却を行うことで、被切断材が切断開始温度まで降下した、として認識し得るようにしても良い。強制冷却の作動を時間に換算して行うことによって、被切断材に対する切断の再開を行うことが可能となる。

このため、強制冷却のための装置を設定すると共に、該装置の稼働に伴う被切断材の温度降下を測定し、被切断材に対する切断を停止した後、被切断材の温度が切断停止温度まで降下するのに充分確実な時間を設定しておくことが好ましい。

強制冷却のための装置としては、例えばレーザトーチの周囲にノズルを配置しておき、被切断材に向けてこのノズルから冷却流体を噴射し得るように構成したものを利用することが可能である。また冷却流体としては、被切断材を冷却し得るものであれば良く、冷却水、圧縮空気、窒素ガスを含む不活性ガス等の流体を選択的に利用することが可能である。

次に、本発明に係るレーザ切断方法の一実施例について図１、２により説明する。本実施例では、被切断材に於ける被切断部位の近傍の温度は温度計を用いて測定した。また予め実験により測定したバーニングが発生する温度（バーニング温度）Ｔｂを基準とした。被切断材に対する切断を継続しつつ冷却水を噴射する強制冷却温度Ｔ１はバーニング温度Ｔｂよりも約４５％低い温度として設定した。また、被切断材に対して冷却水を噴射しつつ切断を継続した場合にバーニングの発生を予知する切断停止温度Ｔ２はバーニング温度Ｔｂよりも約３０％低い温度として設定した。

被切断材に於けるバーニングが発生する温度について実験的に測定したところ、鋼板，ステンレス鋼板の何れの場合も板厚の如何に関わらず約７０℃〜約９０℃であった。このため、バーニング温度Ｔｂを７０℃として設定し、この温度Ｔｂを基準として、切断停止温度Ｔ２を約３０％低い５０℃として設定し、更に、強制冷却温度Ｔ１を約４５％低い４０℃として設定した。

図２に示す図形イと図形ロの切断線ＬをＰｓを始点として矢印方向に切断を開始すると、切断長の増加に伴って被切断材の温度が上昇する。そして、点Ｐ１に至って、切断部位の近傍の温度が強制冷却温度Ｔ１を越えたとき、切断を継続した状態で、遅延時間ｔ０を経たときに切断部位の近傍の温度が強制冷却温度Ｔ１を越えている場合、被切断材に対し冷却水を噴射して強制的に冷却する。即ち、冷却水を噴射しつつ切断を継続する。尚、遅延時間ｔ０を経たときに切断部位の近傍の温度が強制冷却温度Ｔ１を下回っている場合は、被切断材に対し冷却水を噴射しないで、切断を継続する。

被切断材に対し冷却水を噴射しつつ切断を継続しているうちに被切断材の温度は更に上昇し、点Ｐ２で切断停止温度Ｔ２に到達する。切断停止温度Ｔ２を越えたとき、点Ｐ２より下流側にあるエッジ部Ｃまで、被切断材に対し冷却水を噴射しつつ切断を継続する。

例えば、図形イのように点Ｐ２より切断方向の下流側の近傍にエッジ部Ｃが存在する場合、該エッジ部Ｃを切断する際に切断速度の低下などに起因して被切断材に対する投入エネルギーが大きくなってバーニングが発生する可能性が高くなる。このため、切断停止温度Ｔ２を越えたとき、切断部位がエッジ部Ｃに到達したときには、該エッジ部Ｃで冷却水を噴射しつつ切断を停止させるようにしている。

即ち、切断が進行して点Ｐ２で切断停止温度Ｔ２を超過しても、切断を継続しつつ冷却水を噴射し続ける。一方切断装置側では、被切断材の温度が切断停止温度Ｔ２よりも高い状態であることを認識しており、切断線Ｌには点Ｐ２の近傍にエッジ部Ｃが存在することを認識している。

図形イのエッジ部Ｃで切断を停止しても、被切断材に対する冷却水の噴射は継続する。継続した冷却水の噴射により、被切断材の温度が切断停止温度Ｔ２以下まで低下したとき、冷却水の噴射を継続させつつ切断を再開する。

尚、被切断材から図形イを切断する際に、点Ｐ３を超えた辺りからスクラップ側の容積が大きくなって熱容量が大きくなるか、或いは表面積が大きくなって放熱面積が大きくまったような場合、冷却に伴って被切断材の温度が強制冷却温度Ｔ１よりも低くなることがある。この場合、被切断材に対する冷却水の噴射を停止した状態で切断を再開し、強制冷却温度Ｔ１を越えたときに冷却水を噴射する。

また、図形ロのように点Ｐ２から頂点Ｃまでの距離が図形イと比較して充分に大きい場合、被切断材に対して冷却水を噴射しつつ継続した切断は、点Ｐ２、Ｐ３を越えても更に継続し、切断線Ｌ上の点Ｐ４でバーニング温度Ｔｂを越えたときに停止する。このとき、被切断材に対する切断が停止しても、冷却水の噴射は継続する。

継続した冷却水の噴射により、被切断材の温度が切断停止温度Ｔ２以下になったとき、遅延時間ｔ０を経過して切断を再開する。このとき冷却水の噴射を継続させたまま切断を行う。その後、被切断材の温度を認識して、強制冷却温度Ｔ１、切断停止温度Ｔ２、バーニング温度Ｔｂと比較し、認識した温度に応じて切断及び冷却水の噴射を行う。

なお、切断作業状況によっては、点Ｐ４でバーニング温度Ｔｂを越えたときに、被切断材に対する冷却水の噴射及び切断を停止してもよい。

また被切断材を直線切断した後、該切断部分（切断面の上縁）から離隔した部位の温度と、時間の経過に伴う温度の変化について測定した。この場合、最も温度条件が過酷なのは切断部分そのものである。また、一度切断した部位の近傍を再度切断する場合、既切断線に交叉する場合を除くと、既切断線に最も接近した位置でも５ｍｍであり、それ以上接近（例えば３ｍｍ）することはないので、切断部分から５ｍｍ離隔した位置の温度の変化を測定した。

この結果、前記位置では、切断が開始されるまでは常温を保持しており、切断の終了直後から温度が上昇し、最も高い温度になるのは切断が終了してから約１分半後であり、このときの温度は約７５℃に達した。その後、徐々に温度が降下し、８分後には約６５℃に１０分後には約６０℃に達した。

従って、既切断線が直線である場合、該既切断線から５ｍｍの位置では１０分が経過するまでは、切断停止温度且つ強制冷却温度に対応する温度として認識している。そして１０分が経過した後は、既切断線から５ｍｍ離隔した位置でも切断停止温度以下に対応する温度として認識している。

また被切断材に対するピアシングを行った後、該ピアシング点から離隔した部位の温度と、時間の経過に伴う温度の変化について測定した。ピアシング作業は、レーザトーチを停止させた状態で被切断材に対するレーザ光の照射及びアシストガスの噴射を行うため、多くの熱を与える過酷な作業となる。このため、ピアシング点から１０ｍｍ離隔した位置の温度の変化を測定した。

この結果、上記位置では、ピアシングが開始されるまでは常温を保持しており、ピアシングの予熱開始から徐々に温度が上昇してゆき、ピアシングが終了するのと略同時に温度が約７０℃に達した。その後、徐々に温度が降下し、８分後には約６５℃に、１０分後には約６０℃に達した。

従って、ピアシング点からの距離が１０ｍｍの位置では１０分が経過するまでは、切断停止温度且つ強制冷却温度に対応する温度として認識している。そして１０分が経過した後は、切断停止温度以下に対応する温度として認識している。

また被切断材に対する予定切断線が円、鋭角の角を持った２辺である場合について切断を行って円の中心側の温度、角の内側の温度、及び温度の降下について測定した。前述したように円の中心側、角の内側では、切断の進行に伴って熱容量の小さい片が形成されることとなり、過酷な切断となる。

この結果、直径２０ｍｍ以下の円、又は角度４５度以下の鋭角では、切断途中でバーニングが発生する温度である７０℃を超えてしまうことが判明した。このため、予定切断線が前記円又は鋭角である場合には、円の略半分の位置、鋭角の一辺まで切断したときに、切断停止温度且つ強制冷却温度に対応する温度として認識している。更に、上記の如き円又は鋭角を切断した後は、既切断線が直線の場合と同様に扱っている。

上記の如く、被切断材に対して設定された予定切断線と、該予定切断線に対する過去１０分以内の既切断線との位置関係を考慮し、既切断線が上記関係にあるとき、切断停止温度且つ強制冷却温度に対応する温度として認識し、それ以外の部位では切断停止温度以下に対応する温度として認識している。

次に本発明に係るレーザ切断方法を実施する装置の例について図を用いて簡単に説明する。図３はレーザ切断装置の構成を概略的に説明する図である。図４は被切断材を強制冷却する冷却装置の例を説明する図である。図５はレーザ切断装置の制御系のブロック図である。

図３に示すレーザ切断装置Ａは、数値制御（ＮＣ）装置によって制御される切断装置であり、予め被切断材Ｂに対する予定切断線のプログラムを記憶させた後、このプログラムを実行することで、所望の形状を切断し得るように構成されている。

図に於いて、レーザ切断装置Ａは、平行に敷設された一対のレール１上に載置したサドル２ａとレール１に対して直交する方向に配置された２本のガーター２ｂ，２ｃとからなり、サドル２ａとガーター２ｂ，２ｃとを接続して構成したフレーム２を有しており、サドル２ａのレール１と対応する位置に走行モータ３を取り付け、ガーター２ｃの上部にレーザ発振器４を載置している。

レーザ発振器４の出射口４ａを始点としてレーザ光路５が形成されている、このレーザ光路５は、レーザ発振器４とレーザトーチ７の間に形成されるものであり、フレーム２に於けるレーザトーチ７の位置に関わらず、該レーザトーチ７とレーザ発振器４との間の距離が一定に維持するための反転ミラー６が設けられている。

レーザトーチ７はフレーム２を構成するガーター２ｂに沿って横行可能に設けたキャリッジ８に搭載されている。従って、キャリッジ８に設けた横行モータ９の回転を制御することで、ガーター２ｂに沿ってレール１に対し直交する方向に横行させることが可能である。

キャリッジ８がガーター２ｂに沿って横行し得るように構成されるため、レーザ光路５もガーター２ｂを利用して構成されている。即ち、レーザ光路５はレーザ発振器４の出射口４ａからガーター２ｂに沿って該レーザ発振器４の反対方向に戻り、反転ミラー６によって反転して再度ガーター２ｂに沿ってレーザ発振器４の出射口４ａの方向に方向変換してレーザトーチ７に入射し得るように構成されている。

上記の如く構成されたレーザ光路５では、方向を変換する部位に夫々ミラー１０ａ〜１０ｃが設けられており、反転ミラー６には対向する位置に一対のミラー６ａ，６ｂが設けられている。尚、反転ミラー６はガーター２ｂに沿ってキャリッジ８の移動量の１／２の移動量で移動し得るように構成されている。

レーザ光路５に於けるレーザ発振器４の出射口４ａからレーザトーチ７に至る間の直線部分には、伸縮可能なジャバラや筒体からなるカバー１１が配置されており、該カバー１１によってレーザ光が暴露されることを防止し、且つレーザ光路５に空気中のホコリが入り込むことを防止している。

制御盤１２にはレーザ切断装置Ａを制御するＮＣ装置が組み込まれており、操作盤１２ａに設けたキーボードやスイッチ類からなる入力装置１３、及びディスプレイ１４を利用して被切断材Ｂの材質，厚さ等の情報や切断すべき図形の情報を入力して材料取りを行った後、制御を開始することで、走行モータ３，横行モータ９，レーザ発振器４によるレーザ光の出射を順次制御することで被切断材Ｂに対する切断を実行することが可能である。

図４に示すように、レーザトーチ７の先端には被切断材Ｂを冷却するための冷却ノズル２１が取り付けられており、更に、この冷却ノズル２１は電磁弁２２を介して図示しないエアコンプレッサーに接続されている。従って、電磁弁２２の開閉を制御することで、被切断材Ｂに向けて冷却水を霧状に噴射し、これにより、被切断材Ｂに於けるレーザトーチ７の近傍、即ち、被切断材Ｂに於ける切断部位の近傍を強制冷却することが可能である。

次に、レーザ切断装置Ａの制御系を図５のブロック図により説明する。

図に於いて、３１は制御装置であり、演算部３１ａと、予め設定された切断のためのプログラムが書き込まれたプログラム記憶部３１ｂと、入力装置１３から入力された被加工材Ｂの板厚等の切断条件等のデータを一時記憶する一時記憶部３１ｃを有して構成されている。

３２は被切断材Ｂの温度を認識する温度認識部であり、実施例１で説明した被切断材Ｂに於ける温度を認識する際の基準（即ち、既切断線が直線である場合、該既切断線から５ｍｍの位置では１０分が経過するまでは、切断停止温度且つ強制冷却温度に対応する温度として認識し、１０分が経過した後は、既切断線から５ｍｍ離隔した位置でも切断停止温度以下に対応する温度として認識する点、ピアシングを施した後は、ピアシング点からの距離が１０ｍｍの位置では１０分が経過するまでは切断停止温度且つ強制冷却温度に対応する温度として認識し、１０分が経過した後は切断停止温度以下に対応する温度として認識する点、予定切断線が直径２０ｍｍ以下の円、又は角度４５度以下の鋭角では、円の略半分の位置、鋭角の一辺まで切断したときに、切断停止温度且つ強制冷却温度に対応する温度として認識し、その後、既切断線が直線の場合と同様に認識する点）を記憶させておき、レーザ切断装置Ａの稼働に伴って切断した既切断線から５ｍｍ離隔した位置の座標データを順次、１０分間分記憶してゆき、現在のレーザトーチ７の座標データと比較して、被切断材Ｂに於ける現在のレーザトーチ７の座標の近傍の温度を認識する機能を有する。

上記の如く構成されたレーザ切断装置Ａでは、プログラム記憶部３１ｂに被切断材Ｂから切断すべき図形のプログラムを記憶させると共に、入力装置１３から被切断材Ｂの板厚や切断速度等の切断情報を入力して稼働させると、切断プログラムに従ってレーザトーチ７が被切断材Ｂに於けるピアシング点に移動し、該位置でピアシングを開始すると同時に温度認識部３２ではピアシング点を中心として１０ｍｍ離隔した位置の座標データと時間の積算を行う。

被切断材Ｂに対するピアシングが終了すると、レーザトーチ７はピアシング点から目的の図形上に移動して切断を開始する。目的の図形の切断に伴って、温度認識部３２では切断部分から両側に夫々５ｍｍ離隔した位置の座標データを記憶する。従って、温度認識部３２に記憶されている座標データの位置は、現在の温度が切断停止温度、強制冷却温度として認識されるものである。従って、プログラム記憶部３１ｂから読み出された予定切断線の座標データが、温度認識部３２に記憶されている座標データと重なる場合、被切断材Ｂに於ける予定切断線の近傍の温度は切断停止温度、強制冷却温度であるとして認識されることになる。

予定切断線の近傍の温度が切断停止温度であると認識したとき、制御装置３１からは走行モータ３、横行モータ９、レーザ発振器４に対する駆動信号が停止し、レーザトーチ７は原位置を保持する。また電磁弁２２には継続して開放信号が出され、該電磁弁２２が開放して冷却ノズル２１から被切断材Ｂに向けて冷却水が霧状に噴射を継続して、被切断材Ｂに於けるレーザトーチ７と対向する位置を強制的に冷却する。

更に、レーザトーチ７の停止状態が経過し、予定切断線の座標データと重なった温度認識部３２に記憶されている座標データの経過時間が１０分になったとき、被切断材Ｂに於ける予定切断線の近傍の温度は切断停止温度以下であると認識し、制御装置３１からは走行モータ３、横行モータ９、レーザ発振器４に対して駆動信号が出され、レーザトーチ７は予定切断線の切断を再開する。また強制冷却温度以下であると認識したのち、所定遅延時間を経ても強制冷却温度以下であると認識した場合、電磁弁２２に出されていた開放信号を停止し、該電磁弁２２が閉鎖して冷却ノズル２１からの冷却水の噴射が停止する。

温度認識部３２に記憶した座標データは記憶開始後、１０分を経過した時点で順次消去される。即ち、被切断材Ｂに対するピアシング点から１０ｍｍ離隔した位置、切断部分から５ｍｍ離隔した位置は夫々ピアシング後、切断後、１０分を経過した時点で、ピアシングや切断に伴う温度の影響を受けることがなくなったとして、切断停止温度以下として認識されることになる。従って、レーザトーチ７が停止することなく、被切断材Ｂに対する切断を継続する。

またプログラム記憶部３１ｂから読み出した予定切断線に直径が２０ｍｍ以下の円や、角度が４５度以下の鋭角が存在する場合、これらの円や鋭角はプログラム上で認識され、円の半分、鋭角の一辺を切断した時点で切断停止温度、強制冷却温度であるとして認識される。これにより、レーザトーチ７の移動が停止すると共にレーザ発振器４の稼働が停止し、冷却ノズル２１から冷却水が霧状に噴射して被切断材Ｂに対する強制冷却を行う。そして、レーザトーチ７が停止してから１０分経過した後、レーザトーチ７が再稼働して切断が再開される。

上記の如く構成した本発明のレーザ切断方法では、被切断材の温度を測定して強制冷却温度、切断停止温度を越えているか否かに応じた切断を行うことで、バーニングの発生を防止して円滑な且つ安定した切断を行うことが可能となる。

Ａ レーザ切断装置
Ｂ 被切断材
イ、ロ 図形
Ｌ 切断線
Ｃ エッジ部
Ｐｓ、Ｐ１〜Ｐ４ 点
Ｔ１ 強制冷却温度
Ｔ２ 切断停止温度
１ レール
２ フレーム
２ａ サドル
２ｂ，２ｃ ガーター
３ 走行モータ
４ レーザ発振器
４ａ 出射口
５ レーザ光路
６ 反転ミラー
６ａ，６ｂ ミラー
７ レーザトーチ
８ キャリッジ
９ 横行モータ
１０ａ〜１０ｃ ミラー
１１ カバー
１２ 制御盤
１２ａ 操作盤
１３ 入力装置
１４ ディスプレイ
２１ 冷却ノズル
２２ 電磁弁
３１ 制御装置
３１ａ 演算部
３１ｂ プログラム記憶部
３１ｃ 一時記憶部
３２ 温度認識部

Claims (1)

1. 被切断材に向けてレーザ光を照射すると共にアシストガスを噴射して該被切断材を切断しつつ切断すべき部位の母材温度を認識し、認識した温度に応じて切断すべき部位の周辺に冷却流体を噴射して冷却するレーザ切断方法において、
   予め被切断材を切断して板厚や材質、切断する図形の形状、切断時間、被切断材に対する板取りを含む切断条件に応じた被切断材の温度を測定しておき、被切断材に対する切断条件に応じて前記予め測定した温度を被切断材に於ける被切断部位の近傍の温度として認識し、
   且つバーニングを発生する温度を基準として、切断を停止させることなく冷却流体を噴射する強制冷却温度、冷却流体を噴射しつつ切断の停止を予知する切断停止温度を設定し、
   被切断材にレーザ光を照射すると共にアシストガスを噴射して予め設定された図形を切断しつつ切断線近傍の温度を測定し、
   測定した温度が強制冷却温度を超えたとき、冷却流体を噴射しつつ切断を継続し、
   測定した温度が切断停止温度を超えたとき、現在の切断線の延長線上に角度を持って切断方向を変更する点が存在する場合には冷却流体を噴射しつつ前記角度を持って切断方向を変更する点まで切断を継続し、該角度を持って切断方向を変更する点に於いて冷却流体を噴射しつつ切断を停止し、
   その後、測定した温度が切断停止温度を下回ったとき、冷却流体を噴射しつつ切断を再開する
   ことを特徴とするレーザ切断方法。

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