JP7049539B1 - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

制御部（１６）は、加工対象物においてレーザビームが照射される面である上面の面内方向における加工品の外形形状に沿う加工経路に沿って第１レーザビームを走査して切断溝を形成する制御と、レーザビームの照射位置が加工経路における終点部の手前の位置に到達したときに第１レーザビームの照射を停止する制御と、第１レーザビームの照射を停止した状態でガスの噴射を第１待機時間にわたって継続する制御と、を行う。制御部（１６）は、単位時間当たりに加工対象物に与える熱エネルギーが第１レーザビームより少ない第２レーザビームを加工対象物に照射する制御と、第２レーザビームを加工対象物に照射した状態を第２待機時間にわたって維持させる制御と、加工経路における未切断領域に第２レーザビームを走査して、加工対象物の厚さ方向における厚さが加工対象物の厚さよりも薄く加工品と端材とを連結するジョイント部を形成する制御と、を行う。

Description

本開示は、レーザビームを加工対象物に照射して加工対象物を切断するレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。

従来、レーザを用いた加工対象物の切断加工では、１枚の板状の加工対象物から複数の加工品が切断される場合がある。レーザ加工によって１枚の加工対象物から複数の加工品を切断する際には、切断された加工品の移動に起因したレーザ加工または加工品の回収における不具合が発生することを防止するために、マイクロジョイント法と呼ばれる切断加工方法が行われている。マイクロジョイント法は、ジョイント部と呼ばれる微細な連結部によって加工対象物と加工品とを連結しておき、加工品を加工対象物から完全には分離させないようにする加工方法である。そして、加工対象物における全ての切断加工が完了した時点でジョイント部に衝撃を与えることによって、加工対象物における加工品以外の部分である端材と加工品とが分離される。

特許文献１には、ワークと製品との連結片を形成する際に、ワークから製品を切断するときよりも、ワークを切断する速度である切断速度を上げるとともにレーザ光の出力である切断出力を低下させることにより、ワークを貫通しないように連結片を形成することが開示されている。

特許第４６０５６９０号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術における、切断速度を上げるとともに切断出力を低下させるという加工条件の調整は、所望の形状の連結片を得にくい調整であった。切断速度を上げるとともに切断出力を低下させた条件で加工が行われる場合には、連結片の上部に位置するワークの溶融が確実に行われないうちに、レーザビームが移動していく可能性が生じる。このため、上記特許文献１の技術では、所望の形状を安定して得られない可能性があった。

また、切断速度を上げる場合には、加工ガスが移動する速度も速くなる。この場合、レーザビームによって溶融した溶融物の加工ガスによる切断溝からの排出が、ワークの溶融に対して追いつかなくなる可能性があった。したがって、上記特許文献１の技術では、連結片の形成時に、溶融物の排出が切断速度に追いつかないことに起因して溶融物がワークの切断溝から下側に排出されず、ワークの上側への溶融物の吹き上がりが発生する可能性があった。溶融物がワークの上側に吹き上がった場合には、所望の形状の連結片が得られなくなり、また溶融物が加工品を覆ってしまい、切断加工全体として加工不良となる。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザビームによる切断加工において加工対象物と加工品とを連結する連結片を所望の形状で確実に形成することができるレーザ加工装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示にかかるレーザ加工装置は、レーザビームを加工対象物に照射するとともにガスを加工対象物に噴射して加工対象物を加工品と端材とに分離させる切断加工を行うレーザ加工装置である。レーザ加工装置は、レーザビームを加工対象物に照射する加工ヘッドと、加工対象物にガスを噴射するガスノズルと、加工対象物と加工ヘッドとの少なくとも一方を移動させる駆動部と、レーザビームの照射を制御する制御部と、を備える。制御部は、加工対象物においてレーザビームが照射される面である上面の面内方向における加工品の外形形状に沿う予め決められた加工経路に沿って第１レーザビームを走査して切断溝を形成する制御と、レーザビームの照射位置が加工経路における終点部の手前の位置に到達したときに第１レーザビームの照射を停止する制御と、第１レーザビームの照射を停止した状態でガスの噴射を予め決められた第１待機時間にわたって継続する制御と、を行う。制御部は、単位時間当たりに加工対象物に与える熱エネルギーが第１レーザビームより少ない第２レーザビームを加工対象物に照射する制御と、第２レーザビームを加工対象物に照射した状態を予め決められた第２待機時間にわたって維持させる制御と、加工経路における切断溝が形成されていない未切断領域に第２レーザビームを走査して、加工対象物の厚さ方向における厚さが加工対象物の厚さよりも薄く加工品と端材とを連結するジョイント部を形成する制御と、を行う。

本開示によれば、レーザビームによる切断加工において加工対象物と加工品とを連結する連結片を所望の形状で確実に形成することができる、という効果を奏する。

実施の形態１にかかるレーザ加工装置の機能構成を示す図 図１に示すレーザ加工装置による切断加工が終了した状態の加工対象物の平面図 図１に示すレーザ加工装置による切断加工が終了した状態の加工品およびジョイント部の斜視図 図１に示すレーザ加工装置による加工対象物の切断加工方法を説明する平面図 図１に示すレーザ加工装置による加工対象物の切断加工方法の手順を示すフローチャート 図１に示すレーザ加工装置による加工対象物の切断加工方法を説明する模式断面図 図１に示すレーザ加工装置による加工対象物の切断加工方法を説明する模式断面図 図１に示すレーザ加工装置による加工対象物の切断加工方法を説明する模式断面図 図１に示すレーザ加工装置による加工対象物の切断加工方法を説明する模式断面図 図１に示すレーザ加工装置による加工対象物の切断加工方法を説明する模式断面図 図１に示すレーザ加工装置による加工対象物の切断加工方法を説明する模式断面図 パルスレーザビームによる加工対象物の加工現象の概念を説明する断面図 図１に示すレーザ加工装置による加工対象物の切断加工におけるタイムチャート 図１に示すレーザ加工装置による加工対象物の切断加工において形成されるジョイント部の寸法例を示す図 図１に示すレーザ加工装置による加工対象物の切断加工条件およびジョイント部の寸法の例を示す図 図１５に示す例のうち条件（２）、条件（４）および条件（５）の場合の詳細な切断加工条件を示す図 図１に示す制御部の機能を実現するためのハードウェア構成を示す図

以下に、実施の形態にかかるレーザ加工装置およびレーザ加工方法を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００の機能構成を示す図である。

レーザ加工装置１００は、加工対象物３０にパルスレーザビーム１を照射して、板状の加工対象物３０の切断加工を行う機能を有する。すなわち、レーザ加工装置１００は、レーザビームを加工対象物３０の加工点３０ｃに照射するとともに加工ガス２を加工点３０ｃに噴射して加工対象物３０を後述する加工品３０ａと端材３０ｂとに分離させる切断加工を行うレーザ加工装置である。

本実施の形態１における加工対象物３０は、例えばステンレス鋼からなる板状の加工対象物である。なお、加工対象物３０を構成する材料は、ステンレス鋼に限定されず、各種材料を用いることができる。

レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１１と、光路１２と、加工ヘッド１３と、駆動部１４と、検知部１５と、制御部１６と、を有する。図１において、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、互いに垂直な３軸である。Ｘ軸およびＹ軸は、例えば水平方向に平行な軸である。Ｚ軸は、例えば鉛直方向に平行な軸である。

レーザ発振器１１は、加工対象物３０の切断加工に用いられるレーザビームを発生させる。すなわち、レーザ発振器１１は、加工対象物３０の切断加工に用いられるレーザビームを発振して射出する。本実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００に用いられるレーザ発振器１１は、パルスレーザビーム１を射出するレーザ発振器である。したがって、本実施の形態１において加工対象物３０の切断加工に用いられるレーザビームは、パルスレーザビーム１である。

なお、切断加工においては、連続波レーザビームが用いられてもよい。すなわち、レーザ加工装置１００における加工対象物３０の切断加工においては、パルスレーザビーム１もしくは連続派レーザビームを用いることが可能である。レーザビームによる切断加工に連続波レーザビームが用いられる場合には、レーザ加工装置１００は、パルスレーザビームを射出するレーザ発振器１１と、連続波レーザビームを射出するレーザ発振器１１とを備える。この場合、レーザ加工装置１００では、加工対象物３０の切断加工には、連続波レーザビームが使用され、ジョイント部の形成には、パルスレーザビームが使用される。

レーザ発振器１１から射出されたパルスレーザビーム１は、光路１２を介して加工ヘッド１３へ供給される。光路１２は、レーザ発振器１１が射出したパルスレーザビーム１を加工ヘッド１３まで伝送する経路であり、パルスレーザビーム１を空中で伝搬させる経路でもよいし、光ファイバを通じてパルスレーザビーム１を伝送させる経路でもよい。光路１２は、パルスレーザビーム１の特性に対応して設計される。

加工ヘッド１３は、パルスレーザビーム１を加工対象物３０へ集光する光学系を有しており、パルスレーザビーム１を加工点３０ｃに照射する。加工ヘッド１３は、供給されたパルスレーザビーム１を集光して加工対象物３０の加工対象面である加工対象物３０の一方の面へ照射する。加工ヘッド１３は、加工対象物３０の表面付近に焦点を結ぶような光学系を備えていることが好ましい。

加工ヘッド１３は、加工対象物３０に対向する側に、ビームノズル１７とガスノズル１８とを有する。

ビームノズル１７は、パルスレーザビーム１を、加工対象物３０へ向けて出射する。

ガスノズル１８は、加工ガス２を加工対象物３０へ向けて噴射する。ガスノズル１８は、加工ヘッド１３から加工対象物３０にパルスレーザビーム１が照射される加工点３０ｃに加工ガス２を噴射するガス噴射ノズルである。具体的に、ガスノズル１８は、加工ヘッド１３から加工対象物３０に照射されるパルスレーザビーム１の光軸１ａの外から光軸１ａに向けて加工ガス２を噴射する。加工ガス２には、例えば窒素といった不活性ガスあるいは酸素を用いることができる。加工ヘッド１３において、ガスノズル１８は、ＸＹ面内においてビームノズル１７の外周側にビームノズル１７と同軸に設けられており、ビームノズル１７から出射されるパルスレーザビーム１の中心軸に沿うように加工ガス２を噴射する。すなわち、ビームノズル１７とガスノズル１８とは、互いに同軸上に配置されている。

なお、ガスノズル１８は、Ｚ軸に対して斜めの方向へガスを噴射してもよい。すなわち、ガスノズル１８は、ビームノズル１７から出射されるパルスレーザビーム１の中心軸に対して斜めの方向へガスを噴射してもよい。加工ガス２は、レーザ加工装置１００の外部に設けられたガスボンベなどの加工ガス供給源２１からガスノズル１８に供給される。なお、加工ガス供給源２１がレーザ加工装置１００に含まれてもよい。

駆動部１４は、加工ヘッド１３の位置を変化させることにより、加工ヘッド１３と加工対象物３０との相対位置関係を制御して変化させることができる。なお、レーザ加工装置１００において、駆動部１４は加工ヘッド１３の位置を変化させることで、加工ヘッド１３と加工対象物３０との相対位置関係を変化させることとしたが、駆動部１４は、加工対象物３０を載置するテーブルの位置を変化させてもよいし、加工ヘッド１３と加工対象物３０を載置するテーブルとの両方の位置を変化させてもよい。つまり、駆動部１４は、加工ヘッド１３および加工対象物３０の少なくとも一方を移動させる機能を有していればよい。駆動部１４が加工ヘッド１３と加工対象物３０との相対位置関係を変化させながら、加工ヘッド１３が加工対象物３０にパルスレーザビーム１を照射することで、加工対象物３０の切断加工を行うことができる。

検知部１５は、加工対象物３０の状態またはレーザ加工装置１００の状態を検知するセンサである。検知部１５は、加工中の加工対象物３０の位置、加工中に発生する光の強度および波長、音波、超音波といった物理量の計測値を時系列信号として計測する。検知部１５は、例えば、静電容量センサ、フォトダイオード、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサ、スペクトル分光器、音響センサ、加速度センサ、ジャイロセンサ、距離センサ、位置検出器、温度センサ、湿度センサなどである。検知部１５は、計測値を示す時系列信号を制御部１６に入力する。

制御部１６は、設定された加工条件および検知部１５から送信される計測値に従って、パルスレーザビーム１が加工対象物３０上の予め決められた加工経路を走査するようにレーザ発振器１１および駆動部１４などの構成部を制御する。すなわち、制御部１６は、レーザ発振器１１からのパルスレーザビーム１のオンおよびオフ、レーザ発振器１１からのパルスレーザビーム１の出力、駆動部１４の位置決め、加工ガス２の加工ガス供給源２１からの圧力、加工ガス２のオンおよびオフ、加工ガス２の噴射圧力などを制御する。

加工条件は、例えば、加工対象物３０の材質、加工対象物３０の厚み、および加工対象物３０の表面の状態を含む。加工条件は、さらに、レーザ発振器１１のレーザ出力強度、レーザ出力周波数、レーザ出力のデューティ比、モード、波形、および波長などの条件を含む。加工条件は、パルスレーザビーム１の焦点位置、パルスレーザビーム１の集光径、ガスノズル１８から噴射する加工ガス２の種類、加工ガス２のガス圧力、ガスノズル１８の穴径、加工速度などを含むことができる。また、加工条件は、加工対象物３０と加工ヘッド１３との間の距離、温度、湿度など検知部１５から入力される計測値を含むこともできる。

つぎに、レーザ加工装置１００による切断加工が終了した状態の加工対象物３０について説明する。図２は、図１に示すレーザ加工装置１００による切断加工が終了した状態の加工対象物３０の平面図である。なお、図２は平面図であるが、理解の容易のため図２における加工品３０ａにハッチングを施している。図３は、図１に示すレーザ加工装置１００による切断加工が終了した状態の加工品３０ａおよびジョイント部Ｊの斜視図である。図３においては、レーザ加工装置１００による切断加工が終了した状態の加工対象物３０において加工品３０ａおよびジョイント部Ｊに注目して示した図であり、端材３０ｂの図示を省略している。

ここで、加工対象物３０の厚さである加工対象物厚さＴの方向、すなわち加工対象物３０の厚さ方向は、加工対象物３０の板厚方向と換言でき、ジョイント部Ｊの高さ方向と平行な方向であり、Ｚ軸方向である。また、加工対象物３０の面内方向は、ＸＹ面と平行な方向である。

レーザ加工装置１００は、加工対象物３０におけるパルスレーザビーム１の照射面にパルスレーザビーム１を照射して、加工対象物３０を加工品３０ａと端材３０ｂとに分離させる切断加工を行う。照射面は、パルスレーザビーム１が照射される加工対象物３０における一方の面であり、加工対象物３０の上面３１である。すなわち、上面３１は、加工対象物３０の厚さ方向において対向する加工対象物３０の一対の面のうち、加工ヘッド１３側の面であり、加工対象物３０においてパルスレーザビーム１が照射される面である。

加工品３０ａは、切断加工の後に製品などとして使用されるものである。端材３０ｂは、切断加工の後に不要となるものである。パルスレーザビーム１を加工対象物３０に照射する位置は、制御部１６によって制御され、予め決められた加工経路に沿って移動する。

図２に示すように、レーザ加工装置１００による切断加工が終了した状態の加工対象物３０は、加工品３０ａが未だジョイント部Ｊによって端材３０ｂに接続されている状態とされている。加工品３０ａと端材３０ｂとの間には、切断加工によって切断溝３３が形成されている。切断溝３３は、加工対象物３０を加工対象物３０の厚さである加工対象物厚さＴの方向、すなわち加工対象物３０の板厚方向に貫通する貫通溝である。

切断溝３３は、Ｘ軸方向に沿った切断溝である切断溝３３１と、Ｙ軸方向に沿った切断溝である切断溝３３２と、Ｘ軸方向に沿った切断溝である切断溝３３３と、Ｙ軸方向に沿った切断溝である切断溝３３４と、Ｘ軸方向に沿った切断溝である切断溝３３５と、がこの順でつながっている。また、端材３０ｂには、後述するように切断溝形成工程の最初に形成されるピアス孔Ｐと切断溝３３１とを接続する切断溝３４が形成されている。

また、加工品３０ａと端材３０ｂとの間の一部には、１つのジョイント部Ｊが形成されている。ジョイント部Ｊは、加工対象物３０と加工品３０ａとを連結する連結部、すなわち加工品３０ａと端材３０ｂとを連結する連結部である。すなわち、レーザ加工装置１００による切断加工が終了した状態の加工対象物３０では、１つのジョイント部Ｊのみによって、加工品３０ａと端材３０ｂとが連結されている。ジョイント部Ｊは、Ｘ軸方向において切断溝３３１と切断溝３３５とに挟まれて形成されている。

このため、レーザ加工装置１００による切断加工が終了した状態の加工対象物３０から加工品３０ａを回収する際には、１つのジョイント部Ｊのみを外せばよく、加工品３０ａの回収が容易とされている。

ジョイント部Ｊは、四角柱形状に形成されている。ジョイント部ＪにおけるＸ軸方向に沿った長さを、ジョイント部Ｊの幅であるジョイント部幅ＷＪとする。Ｘ軸方向は、切断溝３３５の伸長方向と平行であり、ジョイント部Ｊを加工するジョイント部加工方向と平行である。ジョイント部ＪにおけるＹ軸方向に沿った長さを、ジョイント部Ｊの奥行きであるジョイント部奥行きＤＪとする。ジョイント部奥行きＤＪの寸法は、切断溝３３の溝幅の寸法と同じである。加工対象物３０の厚さ方向におけるジョイント部Ｊの長さ、すなわちジョイント部ＪにおけるＺ軸方向に沿った長さを、ジョイント部Ｊの高さであるジョイント部高さＨＪとする。ジョイント部Ｊの高さ方向は、加工対象物３０の厚さ方向、すなわち加工対象物３０の板厚方向と平行である。また、ジョイント部高さＨＪは、ジョイント部Ｊの厚さであるジョイント部厚さと換言できる。

ジョイント部Ｊは、加工対象物３０の厚さ方向において、加工対象物３０の下面３２の位置から、加工対象物３０の上面３１と加工対象物３０の下面３２との間の中間位置までにわたって、形成されている。加工対象物３０の下面３２は、加工対象物３０において照射面が向く側と反対側を向く面である。すなわち、ジョイント部高さＨＪの寸法は、加工対象物厚さＴの寸法よりも小さい。また、加工対象物３０の厚さ方向において、すなわちジョイント部Ｊの高さ方向において、ジョイント部Ｊの上面Ｊ１の高さ位置は、加工対象物３０の上面３１の高さ位置よりも低い。ジョイント部Ｊの上面Ｊ１は、ジョイント部Ｊの厚さ方向において対向するジョイント部Ｊの一対の面のうち、加工ヘッド１３側の面であり、加工対象物３０の上面３１側の面である。

つぎに、レーザ加工装置１００による加工対象物３０の切断加工方法について説明する。図４は、図１に示すレーザ加工装置１００による加工対象物３０の切断加工方法を説明する平面図である。図５は、図１に示すレーザ加工装置１００による加工対象物３０の切断加工方法の手順を示すフローチャートである。図６から図１１は、図１に示すレーザ加工装置１００による加工対象物３０の切断加工方法を説明する模式断面図である。図６から図１１では、加工対象物３０における、切断溝３３１および切断溝３３５を通る縦断面を示している。図６および図１０において、矢印Ａ１は、加工対象物３０の加工方向を示している。加工対象物３０の加工方向は、加工ヘッド１３の移動方向およびパルスレーザビーム１の移動方向と換言できる。図６から図１１において、矢印Ａ２は、加工ガス２が流れる方向を示している。

まず、ステップＳ１０において、図６に示すように、切断溝形成工程が、行われる。切断溝形成工程は、予め決められた加工経路ＣＰに沿って切断溝３３が形成されて加工対象物３０の切断が行われる工程である。具体的に、制御部１６が、第１パルス条件でレーザ発振器１１からのパルスレーザビーム１の射出を開始させる制御、およびガスノズル１８からの加工ガス２の噴射を開始する制御を行う。そして、制御部１６は、加工対象物３０における上面３１においてパルスレーザビーム１の照射位置が加工経路ＣＰに沿って移動するように、駆動部１４を制御する。

第１パルス条件は、切断溝形成工程で使用される切断溝形成用のパルスレーザビーム１のパルス条件であり、第１レーザビーム条件である。以下では、第１パルス条件で射出されたパルスレーザビーム１を第１パルスレーザビーム１と呼ぶ場合がある。

駆動部１４は、制御部１６の制御に従って、加工対象物３０の上面３１においてパルスレーザビーム１が加工経路ＣＰに沿って走査されるように、加工ヘッド１３および加工対象物３０の少なくとも１つの位置を変化させる制御を行う。実施の形態１では、駆動部１４は、加工対象物３０の位置を固定し、加工ヘッド１３を加工対象物３０の上面３１の面内方向において移動させることによって、パルスレーザビーム１が加工経路ＣＰに沿って加工対象物３０の上面３１において走査されるように制御を行うものとする。

ステップＳ１０の切断溝形成工程には、ピアス工程が含まれる。すなわち、加工対象物３０の上面３１における予め決められた位置に第１パルスレーザビーム１が照射されることにより、ピアス孔Ｐが開けられる。ピアス孔Ｐは、加工対象物３０を加工対象物厚さＴの方向において貫通する貫通孔である。ピアス孔Ｐの形成後、加工経路ＣＰに沿って切断溝３３が形成される。図４に示す矢印は、加工経路ＣＰに沿って切断溝３３の形成加工が行われる際の加工対象物３０の加工方向を示している。加工対象物３０の加工方向は、加工ヘッド１３の移動方向、パルスレーザビーム１の移動方向、あるいは切断方向と換言できる。

加工経路ＣＰは、第１加工経路ＣＰ１と第２加工経路ＣＰ２とを含む。第１加工経路ＣＰ１は、加工対象物３０の上面３１の面内方向における加工品３０ａの外形形状に沿った加工経路であり、加工対象物３０の上面３１の面内方向における加工品３０ａの外形形状に沿った切断経路である。第１加工経路ＣＰ１は、Ｘ軸方向に沿った加工経路である加工経路ＣＰ１１と、Ｙ軸方向に沿った加工経路である加工経路ＣＰ１２と、Ｘ軸方向に沿った加工経路である加工経路ＣＰ１３と、Ｙ軸方向に沿った加工経路である加工経路ＣＰ１４と、Ｘ軸方向に沿った加工経路である加工経路ＣＰ１５と、がこの順で連結された加工経路であり、連続して加工される加工経路である。

第２加工経路ＣＰ２は、ピアス孔Ｐと第１加工経路ＣＰ１とをつなぐ切断経路である。ピアス孔Ｐから第２加工経路ＣＰ２に沿った切断溝３３を形成することによる切断加工が行われた後、第１加工経路ＣＰ１と第２加工経路ＣＰ２との交点から第１加工経路ＣＰ１に沿って切断溝３３を形成することによる切断加工がそのまま連続して行われる。第１加工経路ＣＰ１に沿った切断加工は、左回り方向に行われる。

つぎに、ステップＳ２０において、図７に示すように、加工対象物３０の照射面に対する第１パルスレーザビーム１の照射が、加工終点部ＣＰｅの手前の位置である予め決められた照射停止位置ＳＰで停止される。図４に示すように、加工経路ＣＰにおける加工終点部ＣＰｅは、加工経路ＣＰにおける加工の終点部であり、第１加工経路ＣＰ１における加工始点部ＣＰ１ｓと同じ位置である。また、加工経路ＣＰにおける加工終点部ＣＰｅは、加工経路ＣＰ１５での加工方向におけるジョイント部Ｊの終端部Ｊｅと同じ位置である。

加工終点部ＣＰｅの手前の位置である照射停止位置ＳＰは、第１加工経路ＣＰ１に沿った加工方向におけるジョイント部Ｊの形成領域の直前の位置、すなわち加工経路ＣＰ１５に沿った切断方向におけるジョイント部Ｊの形成領域に隣接する位置である。加工終点部ＣＰｅの手前の位置は、加工経路ＣＰ１５での加工方向におけるジョイント部Ｊの形成領域の手前の位置といえる。また、照射停止位置ＳＰは、加工対象物３０の切断加工の加工条件を変更する加工条件変更位置と換言でき、またパルスレーザビーム１のパルス条件を変更するパルス条件変更位置と換言できる。ジョイント部Ｊの形成領域は、加工対象物３０の面内方向において、ジョイント部Ｊが形成される領域である。

具体的に、制御部１６が、第１パルスレーザビーム１の射出を停止させる制御をレーザ発振器１１に対して行う。また、制御部１６が、照射停止位置ＳＰの少し手前の位置から加工ヘッド１３の移動を停止させる制御を駆動部１４に対して行い、照射停止位置ＳＰで加工ヘッド１３の移動を停止させる。

制御部１６は、切断溝形成工程の終了時、すなわち加工対象物３０の上面３１における第１パルスレーザビーム１の照射位置が第１加工経路ＣＰ１における照射停止位置ＳＰに到達した時点で、第１パルスレーザビーム１の射出を停止させる制御を行う。レーザ発振器１１は、制御部１６の制御に従って、第１パルスレーザビーム１の射出を停止させる。駆動部１４は、制御部１６の制御に従って、加工ヘッド１３の移動を停止させる。これにより、加工対象物３０の上面３１における第１パルスレーザビーム１の照射位置が第１加工経路ＣＰ１における照射停止位置ＳＰに到達した時点で、加工ヘッド１３の移動が停止され、照射面に対する第１パルスレーザビーム１の照射が停止される。

一方、ステップＳ２０においては、照射面への加工ガス２の照射面への噴射は停止されない。すなわち、制御部１６は、ガスノズル１８から照射面への加工ガス２の噴射を停止させる制御は行わない。したがって、加工対象物３０の上面３１への加工ガス２の噴射は、加工対象物３０の上面３１に対する第１パルスレーザビーム１の照射が停止されても、継続して行われる。

パルスレーザビーム１による加工対象物３０のレーザ加工は、主に、パルスレーザビーム１によって加工対象物３０の材料が溶融する溶融現象と、溶融した材料が加工ガス２によって排出される排出現象と、の２つの現象で進行する。なお、加工ガス２に酸素が用いられる場合には、加工対象物３０の材料の酸化燃焼反応も生じる。パルスレーザビーム１による加工対象物３０の加工現象について説明する。図１２は、パルスレーザビーム１による加工対象物３０の加工現象の概念を説明する断面図である。

図１２では、加工対象物３０の上面３１に対するパルスレーザビーム１の走査によって加工対象物３０の溶融および排出が行われている状態を模式的に示している。加工対象物３０の上面３１に対するパルスレーザビーム１の照射によって、加工対象物３０が上面３１側から溶融される。加工対象物３０においてパルスレーザビーム１の照射によって溶融した上面３１側の部分の下部に位置する材料は、パルスレーザビーム１のエネルギーと、先に溶融した上部の材料の溶融物の熱とによって溶融する。これにより、加工対象物３０が溶融した溶融物３０Ｗ１が形成される。溶融物３０Ｗ１の一部は、加工対象物３０の上面３１に噴射される加工ガス２によって直ぐに加工対象物３０の下側、すなわち加工対象物３０の下面３２側に吹き飛ばされて、加工対象物３０から排出される。

また、溶融物３０Ｗ１の他の一部は、切断溝３３の内部で加工対象物３０の下面３２側に流れて、すなわち切断溝３３の底部側に流れて、溶融物３０Ｗ２になる。そして、溶融物３０Ｗ２も加工対象物３０の上面３１に噴射される加工ガス２によって加工対象物３０の下面３２側に吹き飛ばされて、加工対象物３０から排出される。このような加工現象がパルスレーザビーム１の移動に伴って発生することにより、パルスレーザビーム１の移動に伴って加工対象物３０の板厚方向に貫通する貫通溝である切断溝３３が形成されて、加工対象物３０の切断加工が行われる。

つぎに、ステップＳ３０において、予め決められた第１待機時間ＷＴ１にわたって第１待機工程が、行われる。第１待機工程は、照射面に対する第１パルスレーザビーム１の照射を停止して待機する工程である。第１待機時間ＷＴ１は、第１待機工程が継続される待機時間である。具体的に、制御部１６が、ステップＳ２０において行った制御を継続する。すなわち、第１待機工程では、ステップＳ２０において制御された、第１パルスレーザビーム１の射出の停止状態および加工ヘッド１３の移動停止状態が継続され、照射面に対する第１パルスレーザビーム１の照射停止状態が維持される。一方、第１待機工程では、ステップＳ１０において制御された、ガスノズル１８からの加工ガス２の照射面への噴射状態が維持される。すなわち、ステップＳ２０およびステップＳ３０では、第１パルスレーザビーム１の射出状態および加工ヘッド１３の移動状態の変更が制御されている。

このため、ステップＳ３０においては、第１パルスレーザビーム１によって加工対象物３０の材料が溶融して切断溝３３が形成される現象は生じない。一方、ステップＳ３０においては、加工ガス２が溶融した材料を加工対象物３０から排出する現象が継続して生じている。すなわち、ステップＳ３０においては、さらなる加工対象物３０の材料の溶融は行われない状態で、図７に示すように溶融した加工対象物３０の材料である溶融物３０Ｗ２が加工ガス２によって加工対象物３０から下側に排出される。

上述した溶融現象と排出現象とには、わずかにタイムラグが生じる。このため、加工対象物３０の上面３１に対するパルスレーザビーム１の照射が停止された直後は、溶融現象は完了しているが、パルスレーザビーム１の照射が停止される直前までに溶融された加工対象物３０の材料についての排出現象は完了していないこととなる。そこで、レーザ加工装置１００では、予め決められた第１待機時間ＷＴ１にわたって第１待機工程が行われることによって、図８に示すように、照射面に対する第１パルスレーザビーム１の照射が停止される直前までに溶融された加工対象物３０の材料についての排出現象を確実に完了させることができる。これにより、第１加工経路ＣＰ１に沿った加工方向におけるジョイント部Ｊの形成領域の直前の位置、すなわち第１パルスレーザビーム１の照射停止位置ＳＰに形成された切断溝３３が溶融物で塞がれることが、防止される。

すなわち、レーザ加工装置１００では、予め決められた第１待機時間ＷＴ１にわたって第１待機工程が行われることによって、第１パルスレーザビーム１の照射が停止される直前までに溶融されて加工対象物３０の下面３２側に流れた溶融物３０Ｗ２を、加工対象物３０の下側に排出して、第１加工経路ＣＰ１に沿った切断加工経路を加工対象物３０の厚さ方向において完全に貫通させることができる。これにより、レーザ加工装置１００では、加工対象物３０における第１加工経路ＣＰ１に沿った所望の位置に切断溝３３を形成することができ、第１加工経路ＣＰ１において第１パルスレーザビーム１が照射された領域を確実に切断することができる。すなわち、第１待機工程は、照射面に対する第１パルスレーザビーム１の照射が停止される直前までに溶融された加工対象物３０の材料の加工対象物３０からの除去を完全に終わらせるために行われる。

このように、レーザ加工装置１００では、加工ガス２による切断溝３３からの溶融物の排出を適切に行うことにより、加工対象物３０の溶融部から飛散するスパッタの吹き上がりを防止することができる。加工ガス２による切断溝３３からの溶融物の排出が適切に行われずにジョイント部Ｊの形成に移行していくと、加工ヘッド１３に設けられた加工レンズおよび保護ガラスなどの光学系、ビームノズル１７およびガスノズル１８などのノズルの、スパッタの吹き上がりに起因した汚れまたは損傷が発生する可能性がある。レーザ加工装置１００では、加工ガス２による切断溝３３からの溶融物の排出を適切に行うことにより、加工対象物３０の溶融部から飛散するスパッタの吹き上がりを防止することができる。そして、レーザ加工装置１００では、スパッタの吹き上がりに起因した構成部品の汚れまたは損傷によって、次に切断加工する加工対象物３０に加工不良が発生することを防止できる。

一方、第１待機工程が行われない場合には、第１パルスレーザビーム１の照射が停止される直前に溶融されて切断溝３３の内部で加工対象物３０の下面３２側に流れた溶融物を、切断溝３３から完全に排出することができない。すなわち、図７に示したような、溶融して切断溝３３の内部で切断溝３３の底部側に流れた溶融物である溶融物３０Ｗ２を、切断溝３３から完全に排出することができない。

溶融物３０Ｗ２が切断溝３３に残った状態で、後述するように第２パルスレーザビーム１を照射してジョイント部Ｊの形成を開始すると、第２パルスレーザビーム１が溶融物３０Ｗ２に当たって反射する。反射した第２パルスレーザビーム１の一部は、加工経路ＣＰ１５での加工方向において加工経路ＣＰ１５に面した加工対象物３０の側面３５に当たる。この場合、反射した第２パルスレーザビーム１が当たった加工対象物３０の側面３５に傷が入ることにより、側面３５の周辺はジョイント部Ｊの形成時に設定どおりに溶融できず、溶融と溶融物の排出とのバランスが崩れる。

したがって、第１待機工程が行われない場合には、溶融物３０Ｗ２に当たった第２パルスレーザビーム１が反射して加工対象物３０の側面３５に当たってジョイント部Ｊの形成時に悪影響を与え、溶融と溶融物の排出とのバランスが不均一な状態が生じてしまう。

ステップＳ４０において、第１待機時間ＷＴ１が経過したか否かが、判定される。具体的に、制御部１６が、第１待機時間ＷＴ１が経過したか否かを判定する。制御部１６は、制御部１６が備えるタイマー機能を用いて、第１待機時間ＷＴ１が経過したか否かを判定する。

第１待機時間ＷＴ１が経過していないと判定された場合は、ステップＳ４０においてＮｏとなり、ステップＳ４０を繰り返す。第１待機時間ＷＴ１が経過したと判定された場合は、ステップＳ４０においてＹｅｓとなり、ステップＳ５０に進む。

ステップＳ５０では、図９に示すように、切断溝形成工程におけるパルスレーザビーム１のパルス条件から変更された第２パルス条件で、パルスレーザビーム１が加工対象物３０に照射される。

第２パルス条件は、ジョイント部形成工程で使用されるジョイント部Ｊの形成用のパルスレーザビーム１のパルス条件であり、第２レーザビーム条件である。第２パルス条件は、第１パルスレーザビーム１のパルス条件である第１パルス条件から変更された、第１パルス条件とは異なる、パルスレーザビーム１のパルス条件である。以下では、第２パルス条件で射出されたパルスレーザビーム１を第２パルスレーザビーム１と呼ぶ場合がある。

第２パルス条件は、第１パルス条件から、パルスレーザビーム１の出力、パルスレーザビーム１の周波数およびパルスレーザビーム１のデューティ比が変更されている。第２パルス条件におけるその他のパルス条件は、第１パルス条件と同じである。第２パルス条件においては、パルスレーザビーム１の出力、パルスレーザビーム１の周波数およびパルスレーザビーム１のデューティ比のそれぞれは、第１パルス条件よりも低く設定される。したがって、第２パルスレーザビーム１は、単位時間当たりに加工対象物３０に与える熱エネルギーが第１パルスレーザビーム１よりも少ない。

具体的に、制御部１６が、切断溝形成工程におけるパルスレーザビーム１の第１パルス条件と異なる第２パルス条件で、レーザ発振器１１からのパルスレーザビーム１の射出を開始させる制御を行う。この時、制御部１６は、駆動部１４の制御は行わないため、加工ヘッド１３は移動しない。また、ガスノズル１８からの加工ガス２の噴射は、継続されている。

したがって、第２パルス条件での第２パルスレーザビーム１の射出は、加工ガス２が噴射されず、且つ加工ヘッド１３が移動しない状態で、開始される。この時点で、第２パルスレーザビーム１は、ステップＳ２０において第１パルスレーザビーム１の照射が停止された照射停止位置ＳＰに照射され、切断溝３３の内部の終端部付近に照射されるため、加工対象物３０の上面３１には当たらない。

つぎに、ステップＳ６０において、予め決められた第２待機時間ＷＴ２にわたって第２待機工程が、行われる。第２待機工程は、第２パルスレーザビーム１が設定した第２パルス条件で安定してレーザ発振器１１から射出されて加工対象物３０に照射されるまで待機する工程である。すなわち、第２待機工程は、第２パルスレーザビーム１の安定化工程といえる。第２待機時間ＷＴ２は、第２待機工程が継続される待機時間であり、第２パルスレーザビーム１の安定化時間といえる。

具体的に、制御部１６が、ステップＳ５０において行った制御を継続する。すなわち、第２待機工程では、ステップＳ５０において制御された、第２パルスレーザビーム１の照射状態が維持される。一方、第２待機工程では、ガスノズル１８からの加工ガス２の噴射を開始する制御および駆動部１４の制御は、行われない。したがって、第２待機工程では、加工ガス２が噴射され、且つ加工ヘッド１３が移動しない状態での、第２パルスレーザビーム１の照射状態が維持される。

停止状態であったレーザ発振器１１からパルスレーザビーム１が照射された直後は、パルスレーザビーム１の状態が設定されたパルス条件に安定するまでの過渡期が存在する。過渡期においては、パルスレーザビーム１の出力が設定値まで上がっていない、パルスレーザビーム１のパルス波形が設定どおりとなっていないなどの、パルスレーザビーム１の状態が設定されたパルス条件に安定していない状態が発生する。

そして、このような過渡期におけるパルスレーザビーム１を用いてジョイント部Ｊの形成を行った場合には、ジョイント部Ｊの形成領域におけるジョイント部Ｊの形成開始部において加工対象物３０の材料の溶融が安定せず、結果的にジョイント部Ｊの形成領域において、加工対象物３０の上面３１からの溶融長さであるジョイント部溶融長さＬＭが、設定どおりの必要量な寸法で得られなくなるという不具合が発生する。すなわち、過渡期におけるパルスレーザビーム１を用いてジョイント部Ｊの形成を行った場合には、設定どおりの形状のジョイント部Ｊが得られなくなる、という不具合が発生する。

ジョイント部溶融長さＬＭは、加工対象物厚さＴの方向において、ジョイント部Ｊの形成加工時に加工対象物３０の上面３１側から加工対象物３０が溶融した深さであり、加工対象物３０の上面３１からの加工対象物３０の溶融深さである。すなわち、ジョイント部溶融長さＬＭは、ジョイント部Ｊの形成加工時に加工対象物３０が溶融して除去された部分の、加工対象物３０の厚さ方向における長さである。ジョイント部溶融長さＬＭは、図３に示すように、加工対象物３０の厚さ方向において、加工対象物３０の上面３１からジョイント部Ｊの上面Ｊ１までの長さである。

そこで、レーザ加工装置１００では、上記のような不具合の発生を避けるために、停止状態であったレーザ発振器１１からパルスレーザビーム１が照射された直後に第２待機工程を設け、パルスレーザビーム１を第２パルス条件に安定させた後に、ジョイント部Ｊの形成の加工を行う。

ステップＳ７０において、第２待機時間ＷＴ２が経過したか否かが、判定される。具体的に、制御部１６が、第２待機時間ＷＴ２が経過したか否かを判定する。制御部１６は、制御部１６が備えるタイマー機能を用いて、第２待機時間ＷＴ２が経過したか否かを判定する。

第２待機時間ＷＴ２が経過していないと判定された場合は、ステップＳ７０においてＮｏとなり、ステップＳ７０を繰り返す。第２待機時間ＷＴ２が経過したと判定された場合は、ステップＳ７０においてＹｅｓとなり、ステップＳ８０に進む。

ステップＳ８０では、図１０に示すように、ジョイント部Ｊの形成が行われる。具体的に、制御部１６が、加工対象物３０における上面３１において第２パルスレーザビーム１の照射位置が加工経路ＣＰ１５に沿って移動するように駆動部１４を制御する。

そして、制御部１６は、第２パルスレーザビーム１の照射位置が加工経路ＣＰにおける加工の終点部である加工終点部ＣＰｅの位置に到達した時点で、第２パルスレーザビーム１の射出を停止して加工対象物３０の上面３１への第２パルスレーザビーム１の照射を停止する制御を行う。すなわち、制御部１６は、上述した第１加工経路ＣＰ１における加工終点部ＣＰｅの手前の位置である照射停止位置ＳＰから加工終点部ＣＰｅの位置まで第２パルスレーザビーム１を走査させる制御を行う。加工対象物３０において第２パルスレーザビーム１が走査される領域である、第１加工経路ＣＰ１における照射停止位置ＳＰから加工終点部ＣＰｅの位置までの領域は、加工経路ＣＰにおける切断溝３３が形成されていない未切断領域である。また、未切断領域は、第１加工経路ＣＰ１における加工終点部ＣＰｅの手前の位置である照射停止位置ＳＰから第１加工経路ＣＰ１の始点までの領域と換言できる。第１加工経路ＣＰ１の始点は、加工対象物３０の上面３１の面内方向における加工品３０ａの外形形状に沿う加工経路である第１加工経路ＣＰ１の始点であり、第２加工経路ＣＰ２を含む加工経路ＣＰの始点とは異なる。

これにより、図１１に示すように、加工対象物３０の厚さ方向において、加工対象物３０のジョイント部Ｊの形成領域における一部のみを、加工対象物３０の上面３１側から溶融させながら加工対象物３０を加工してジョイント部Ｊを形成することができる。すなわち、ここでは、加工対象物３０における第２パルスレーザビーム１が照射された部分は、加工対象物厚さＴの方向における全てが溶融することはない。また、制御部１６は、第２パルスレーザビーム１の照射位置が加工経路ＣＰにおける加工の終点部である加工終点部ＣＰｅの位置に到達した時点で、加工ガス２の噴射を停止させる制御を行う。すなわち、制御部１６は、第２パルスレーザビーム１の射出を停止する制御を行うタイミングと同じタイミングで、加工ガス２の噴射を停止させる制御を行う。なお、制御部１６が加工ガス２の噴射を停止させる制御を行った後において、加工ガス２の噴射が完全に止まるまでにはタイムラグがある。

このような制御が行われることにより、第２パルスレーザビーム１の照射が停止される直前までに溶融された溶融物を、切断溝３３およびジョイント部Ｊの上面Ｊ１から完全に排出することができ、設計通りの形状の切断溝３３およびジョイント部Ｊが形成される。そして、加工終点部ＣＰｅまで第２パルスレーザビーム１による加工が行われることにより、ジョイント部Ｊは、加工対象物３０の厚さ方向において、ジョイント部Ｊの厚さが加工対象物３０の板厚よりも薄く形成される。

ここで、第２パルス条件においては、パルスレーザビーム１の出力、パルスレーザビーム１の周波数およびパルスレーザビーム１のデューティ比のそれぞれは、第１パルス条件よりも低く設定されている。このため、ジョイント部Ｊの形成時に第２パルス条件でのパルスレーザビーム１によって加工対象物３０の上面３１の単位面積あたりに供給されるエネルギーは、切断溝形成工程において第１パルス条件でのパルスレーザビーム１によって加工対象物３０の上面３１の単位面積あたりに供給されるエネルギーよりも少なくなる。すなわち、第２パルスレーザビーム１は、単位時間当たりに加工対象物３０に与える熱エネルギーが第１パルスレーザビーム１よりも少ない。

そして、ジョイント部Ｊの形成時には、パルスレーザビーム１の出力、パルスレーザビーム１の周波数およびパルスレーザビーム１のデューティ比を低減させているため、加工対象物３０を溶融させるために必要なエネルギーを加工対象物３０に対して確実に供給するために、加工ヘッド１３の移動速度、すなわちパルスレーザビーム１の移動速度も、第１パルス条件でのパルスレーザビーム１を用いた切断溝形成工程のときよりも、低減させている。これにより、加工対象物３０の厚さ方向における厚さが加工対象物３０の板厚よりも薄いジョイント部Ｊを精度良く形成することができる。

したがって、第２パルス条件において、パルスレーザビーム１の出力、パルスレーザビーム１の周波数およびパルスレーザビーム１のデューティ比を第１パルス条件よりも低減させ、加工ヘッド１３の移動速度を切断溝形成工程よりも低減させる制御は、所望の形状のジョイント部Ｊを精度良く、確実に形成できる制御であるといえる。

なお、ここでは、パルスレーザビーム１の出力、パルスレーザビーム１の周波数およびパルスレーザビーム１のデューティ比を低減させているが、加工ガス２のガス圧力は低減させない。

図１３は、図１に示すレーザ加工装置１００による加工対象物３０の切断加工におけるタイムチャートである。図１３における横軸は、時間を示している。図１３における縦軸は、各加工条件の大きさを示している。図１３における実線４１ａは、加工対象物３０の切断加工時におけるパルスレーザビーム１の第１パルス条件のうち、パルスレーザビーム１の出力、パルスレーザビーム１の周波数およびパルスレーザビーム１のデューティ比を示している。図１３における実線４１ｂは、パルスレーザビーム１の第２パルス条件のうち、パルスレーザビーム１の出力、パルスレーザビーム１の周波数およびパルスレーザビーム１のデューティ比を示している。

加工対象物３０の切断加工において、パルスレーザビーム１の出力、パルスレーザビーム１の周波数およびパルスレーザビーム１のデューティ比は、図１３における実線４１ａあるいは実線４１ｂで示されるように変化する。すなわち、加工対象物３０の切断加工において、パルスレーザビーム１の出力、パルスレーザビーム１の周波数およびパルスレーザビーム１のデューティ比のそれぞれは、切断溝形成工程とジョイント部形成工程とにおいて異なる条件に設定され、ジョイント部形成工程における設定値が切断溝形成工程における設定値よりも小さい値に設定される。

図１３における一点鎖線４２は、加工対象物３０の切断加工時における加工条件のうち、加工ガス２のガス圧力を示している。加工対象物３０の切断加工における加工ガス２のガス圧力は、切断加工を開始してから切断加工を終了するまで予め決められた一定の値とされ、途中で変更されることが無い。

図１３における破線４３ａは、加工対象物３０の切断加工時における加工条件のうち、切断溝形成工程における加工ヘッド１３の移動速度、すなわち切断溝形成工程におけるパルスレーザビーム１の移動速度を示している。

図１３における破線４３ｂは、加工対象物３０の切断加工時における加工条件のうち、ジョイント部形成工程における加工ヘッド１３の移動速度、すなわちジョイント部形成工程におけるパルスレーザビーム１の移動速度を示している。

レーザ加工装置１００による加工対象物３０の切断加工においては、図１３に示すように、ステップＳ１０が、時刻ｔ０に開始される。ステップＳ２０およびステップＳ３０が、時刻ｔ１に開始される。ステップＳ５０およびステップＳ６０が、時刻ｔ２に実施される。ステップＳ８０が、時刻ｔ３に実施される。そして、加工対象物３０の切断加工が、時刻ｔ４に終了する。

ここで、第１待機時間ＷＴ１の具体的な長さについて説明する。本実施の形態１において、第１待機時間ＷＴ１は、０．１秒以上とされる。発明者らは、加工条件のうち第１待機時間ＷＴ１のみを変化させて複数の加工対象物３０の切断加工の実験を実施して第１待機時間ＷＴ１の好適な時間について検討した。

実験の結果、発明者らは、第１待機時間ＷＴ１が０秒である場合、すなわち第１待機時間ＷＴ１が設けられていない場合には、ジョイント部Ｊの形成開始部の周囲で加工対象物３０の材料を設計通りに確実に溶融することができず、必要なジョイント部溶融長さＬＭが得られない、という知見を得た。すなわち、発明者らは、第１待機時間ＷＴ１が０秒である場合には必要なジョイント部高さＨＪが得られない、という知見を得た。

これは、ジョイント部Ｊの形成開始時に、切断溝３３の底部に溶融物３０Ｗ２が残っているため、上述したように溶融物３０Ｗ２に当たって反射した第２パルスレーザビーム１の一部が加工対象物３０の側面３５に当たることに起因している。ジョイント部Ｊの形成開始部の周囲は、加工対象物３０の側面３５の周囲である。

また、発明者らは、第１待機時間ＷＴ１が０．０５秒である場合でも、ジョイント部Ｊの形成開始部の周囲で加工対象物３０の材料を設計通りに確実に溶融することができず、必要なジョイント部溶融長さＬＭが得られない、という知見を得た。すなわち、発明者らは、第１待機時間ＷＴ１が０．０５秒である場合でも必要なジョイント部高さＨＪが得られない、という知見を得た。

これは、ジョイント部Ｊの形成開始時に、切断溝３３の底部における溶融物３０Ｗ２の排出が不十分であるため、上述したように溶融物３０Ｗ２に当たって反射した第２パルスレーザビーム１の一部が加工対象物３０の側面３５に当たることに起因している。ただし、第１待機時間ＷＴ１が０．０５秒である場合は、第１待機時間ＷＴ１が０秒である場合よりは、設計通りの形状に近い形状のジョイント部Ｊが得られる。

また、発明者らは、第１待機時間ＷＴ１が０．１秒である場合は、ジョイント部Ｊの形成開始部の周囲で加工対象物３０の材料を設計通りに確実に溶融することができ、必要なジョイント部溶融長さＬＭが得られる、という知見を得た。すなわち、発明者らは、第１待機時間ＷＴ１が０．１秒である場合には必要なジョイント部高さＨＪが得られ、設計通りの形状のジョイント部Ｊが得られる、という知見を得た。

これは、第１待機時間ＷＴ１が０．１秒である場合は、切断溝３３の底部における溶融物３０Ｗ２が切断溝３３から完全に排出されており、溶融物３０Ｗ２に当たって反射した第２パルスレーザビーム１の一部が加工対象物３０の側面３５に当たることに起因した悪影響が生じないことによる。また、第１待機時間ＷＴ１が０．１秒より長い場合も、第１待機時間ＷＴ１が０．１秒である場合と同様の結果が得られた。

以上のことより、切断溝３３の底部における溶融物３０Ｗ２を切断溝３３から完全に排出して設計通りの形状のジョイント部Ｊを得るためには、第１待機時間ＷＴ１を０．１秒以上とすることが必要である。

つぎに、第２待機時間ＷＴ２の具体的な長さについて説明する。本実施の形態１において、第２待機時間ＷＴ２は、０．１秒以上とされる。発明者らは、加工条件のうち第２待機時間ＷＴ２のみを変化させて複数の加工対象物３０の切断加工の実験を実施して第２待機時間ＷＴ２の好適な時間について検討した。

実験の結果、発明者らは、第２待機時間ＷＴ２が０秒である場合、すなわち第２待機時間ＷＴ２が設けられていない場合には、ジョイント部Ｊの形成開始部の周囲でジョイント部Ｊに欠けが発生し、必要なジョイント部幅ＷＪが得られない、という知見を得た。すなわち、発明者らは、第２待機時間ＷＴ２が０秒である場合には必要な形状のジョイント部Ｊが得られない、という知見を得た。

これは、ジョイント部Ｊの形成開始時に、第２パルスレーザビーム１が設定した第２パルス条件で安定してレーザ発振器１１から射出されていないことに起因している。

また、発明者らは、第２待機時間ＷＴ２が０．０５秒である場合でも、ジョイント部Ｊの形成開始部の周囲でジョイント部Ｊに欠けが発生し、必要なジョイント部幅ＷＪが得られない、という知見を得た。すなわち、発明者らは、第２待機時間ＷＴ２が０．０５秒である場合には必要な形状のジョイント部Ｊが得られない、という知見を得た。

これは、ジョイント部Ｊの形成開始時に、第２パルスレーザビーム１が設定した第２パルス条件で安定してレーザ発振器１１から射出されていないことに起因している。

また、発明者らは、第２待機時間ＷＴ２が０．１秒である場合は、ジョイント部Ｊの形成開始部の周囲でジョイント部Ｊに欠けが発生せず、必要なジョイント部幅ＷＪが得られる、という知見を得た。すなわち、発明者らは、第２待機時間ＷＴ２が０．１秒である場合には設計通りの形状のジョイント部Ｊが得られる、という知見を得た。

これは、第２待機時間ＷＴ２が０．１秒である場合は、ジョイント部Ｊの形成開始時に、第２パルスレーザビーム１が設定した第２パルス条件で安定してレーザ発振器１１から射出されていることによる。また、第２待機時間ＷＴ２が０．１秒より長い場合も、第２待機時間ＷＴ２が０．１秒である場合と同様の結果が得られた。

以上のことより、ジョイント部Ｊの形成開始部の周囲でジョイント部Ｊに欠けを発生させずに、設計通りの形状のジョイント部Ｊを得るためには、第２待機時間ＷＴ２を０．１秒以上とすることが必要である。

図１４は、図１に示すレーザ加工装置１００による加工対象物３０の切断加工において形成されるジョイント部Ｊの寸法例を示す図である。図１４では、加工対象物厚さＴが１２ｍｍである場合に、加工品３０ａと端材３０ｂとを連結しておくために好適なジョイント部Ｊの寸法を示している。ここで、加工対象物３０の材料は、一般構造用圧延鋼板の１種であるＳＳ４００である。加工品３０ａの重量は、０．５ｋｇである。

加工品３０ａが端材３０ｂから外れてしまうことを防止する観点からは、ジョイント部Ｊには、加工品３０ａを端材３０ｂに連結しておくために、ある程度の大きさが必要とされる。一方で、最終的にジョイント部Ｊを破壊して加工品３０ａを端材３０ｂから外すためには、ジョイント部Ｊが大きすぎることは好ましくない。

発明者らの知見によれば、ジョイント部高さＨＪが加工対象物厚さＴと同じである一般的なジョイント部を用いる場合、加工品３０ａが端材３０ｂから外れてしまうことを防止するためには、切断溝３３の溝幅の１．５倍以上、２．５倍以下程度のジョイント部幅ＷＪを設定することが好ましい。この場合、例えば、加工対象物厚さＴが１２ｍｍであり、切断溝３３の溝幅が０．４ｍｍとすると、ジョイント部幅ＷＪは０．６ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下に設定されることが好ましい。このような寸法条件の場合、ジョイント部高さＨＪ＝加工対象物厚さＴ＝１２ｍｍであるので、ジョイント部面積ＨＡは、７．２ｍｍ^２以上、１２ｍｍ^２以下となる。

ジョイント部面積ＨＡは、ジョイント部幅ＷＪおよびジョイント部高さＨＪに沿ったジョイント部Ｊの縦断面の面積である。ジョイント部面積ＨＡは、「ジョイント部幅ＷＪ×ジョイント部高さＨＪ」の計算式により計算できる。ジョイント部面積ＨＡは、図３における斜線のハッチング部分の面積に対応し、ＸＺ面に沿ったジョイント部Ｊの断面の面積に対応する。

一方、本実施の形態１にかかるジョイント部Ｊの例では、図１４に示すようにジョイント部幅ＷＪを１．５ｍｍに固定する。

そして、本実施の形態１にかかるジョイント部Ｊが、ジョイント部高さＨＪが加工対象物厚さＴと同じである一般的なジョイント部においてジョイント部幅ＷＪが０．６ｍｍである場合と同じジョイント部面積ＨＡを有し、同じ機械的強度を有するためには、ジョイント部高さＨＪを加工対象物厚さＴの４０％以上とすればよい。すなわち、本実施の形態１にかかるレーザ加工方法においては、ジョイント部溶融長さＬＭを加工対象物厚さＴの６０％以下とすればよい。

また、本実施の形態１にかかるジョイント部Ｊでは、ジョイント部高さＨＪを加工対象物厚さＴの６０％以下とすることで、ジョイント部高さＨＪが加工対象物厚さＴと同じである一般的なジョイント部においてジョイント部幅ＷＪが１．０ｍｍである場合よりも、わずかに小さいジョイント部面積ＨＡが得られ、わずかに小さい機械的強度を実現することができる。

すなわち、本実施の形態１にかかるジョイント部Ｊは、ジョイント部高さＨＪを加工対象物厚さＴの４０％以上とすることで、ジョイント部高さＨＪが加工対象物厚さＴと同じである一般的なジョイント部の場合の最小のジョイント部面積ＨＡを確保できるため、加工品３０ａが端材３０ｂから外れて落下してしまうことを防止できる。

また、本実施の形態１にかかるジョイント部Ｊは、ジョイント部高さＨＪを加工対象物厚さＴの６０％以下とすることで、ジョイント部高さＨＪが加工対象物厚さＴと同じである一般的なジョイント部の場合の最大のジョイント部面積ＨＡよりもわずかに小さいジョイント部面積ＨＡを実現し、最終的にジョイント部を破壊して加工品３０ａを端材３０ｂから外す後処理が容易となる。

図１５は、図１に示すレーザ加工装置１００による加工対象物３０の切断加工条件およびジョイント部Ｊの寸法の例を示す図である。図１５において、「板厚」は、加工対象物３０の厚さである加工対象物厚さＴを示している。「ガス種」は、加工ガス２の種類を示している。「出力」は、パルスレーザビーム１の出力を示している。「周波数」は、パルスレーザビーム１の周波数を示している。「デューティ比」は、パルスレーザビーム１のデューティ比を示している。「速度」は、加工ヘッド１３の移動速度、すなわちパルスレーザビーム１の移動速度を示している。「ジョイント部溶融量（％）」は、板厚に対するジョイント部溶融長さＬＭの割合である。「ジョイント部高さ（％）」は、板厚に対するジョイント部高さＨＪの割合である。なお、図１５に示す条件においても、切断溝３３の溝幅は０．４ｍｍとされている。

図１６は、図１５に示す例のうち条件（２）、条件（４）および条件（５）の場合の詳細な切断加工条件を示す図である。図１６において、「ガス圧力」は、加工ガス２の圧力を示している。「ノズル高さ」は、加工対象物３０の上面３１からのビームノズル１７とガスノズル１８との高さを示している。

図１６に示すように、ジョイント部Ｊの加工時のパルスレーザビーム１の出力、パルスレーザビーム１の周波数およびパルスレーザビーム１のデューティ比は、切断溝３３の加工時のパルスレーザビーム１の出力、パルスレーザビーム１の周波数およびパルスレーザビーム１のデューティ比よりも低くされている。また、第１待機時間ＷＴ１および第２待機時間ＷＴ２は、それぞれ０．１秒とされている。

図１５に示すように、ジョイント部Ｊは、ジョイント部溶融長さＬＭが加工対象物厚さＴの４０％以上、６０％以下とされ、ジョイント部高さＨＪが加工対象物厚さＴの４０％以上、６０％以下とされている。このような条件で形成されたジョイント部Ｊによれば、加工品３０ａが端材３０ｂから外れてしまうことを防止できるとともに、最終的にジョイント部を破壊して加工品３０ａを端材３０ｂから外す後処理が容易となる。

図１７は、図１に示す制御部１６の機能を実現するためのハードウェア構成を示す図である。レーザ加工装置１００の制御部１６の機能は、図１７に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０１、メモリ２０２、記憶装置２０３、表示装置２０４および入力装置２０５を備える制御装置により実現される。制御部１６が実行する機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアは、コンピュータプログラムとして記述されて記憶装置２０３に格納される。ＣＰＵ２０１は、記憶装置２０３に記憶されたソフトウェアまたはファームウェアをメモリ２０２に読み出して実行することにより、制御部１６の機能を実現する。すなわち、コンピュータシステムは、制御部１６の機能がＣＰＵ２０１により実行されるときに、実施の形態１で説明した制御部１６の動作を実施するステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するための記憶装置２０３を備える。また、これらのプログラムは、制御部１６の機能が実現する処理をコンピュータに実行させるものであるともいえる。メモリ２０２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）といった揮発性の記憶領域が該当する。記憶装置２０３は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリといった不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスクが該当する。表示装置２０４の具体例は、モニタ、ディスプレイである。入力装置２０５の具体例は、キーボード、マウス、タッチパネルである。

上述した実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００は、加工品３０ａの輪郭に沿って加工対象物３０を切断加工する場合に、ジョイント部Ｊを１つだけ形成する。これにより、レーザ加工装置１００では、複数のジョイント部Ｊを形成する場合に比べて、制御部１６による切断加工の制御が容易であり、また制御部１６における切断加工の制御に用いられる加工経路プログラムの作成が容易になる。また、レーザ加工装置１００による加工対象物３０の切断加工では、ジョイント部Ｊが１つだけ形成されるため、最終的にジョイント部Ｊを破壊して加工品３０ａを端材３０ｂから外す後処理が容易となり、加工対象物３０の切断加工の生産効率が向上する。

また、１つの加工品３０ａの切断加工において複数のジョイント部を形成する場合には、切断加工が進むにつれて加工対象物３０には徐々に熱が蓄積されることになり、同一の加工条件で複数のジョイント部を形成しても、同じ形状のジョイント部が得られなくなる。このため、１つの加工品３０ａの切断加工において複数のジョイント部を形成する場合には、適切な加工条件を設定することが困難になる。

これに対して、レーザ加工装置１００では、加工対象物３０を切断加工する際にジョイント部Ｊを１つだけ形成するため、適切な加工条件の設定が容易になる。

また、レーザ加工装置１００では、加工対象物３０の厚さ方向において、すなわちジョイント部Ｊの高さ方向において、ジョイント部Ｊの上面Ｊ１の高さ位置が加工対象物３０の上面３１の高さ位置よりも低く、加工対象物３０の厚さ方向におけるジョイント部Ｊの厚さが加工対象物３０の板厚よりも薄い、ジョイント部Ｊが形成される。これにより、レーザ加工装置１００による加工対象物３０の切断加工では、最終的にジョイント部Ｊを破壊して加工品３０ａを端材３０ｂから外す後処理が容易となり、加工対象物３０の切断加工の生産効率が向上する。すなわち、レーザ加工装置１００は、切断加工の後工程で加工品３０ａの取外しが容易なジョイント部Ｊを形成できる。

また、レーザ加工装置１００では、切断溝形成工程の終了時に、加工対象物３０の照射面に対する第１パルスレーザビーム１の照射および加工ヘッド１３の移動が、一時的に停止される。そして、切断溝形成工程の終了後に、第１待機時間ＷＴ１にわたって第１待機工程が、行われる。第１待機工程では、第１パルスレーザビーム１の射出および加工ヘッド１３の移動が停止された状態で、照射面への加工ガス２の噴射が行われる。このため、第１待機工程では、さらなる加工対象物３０の材料の溶融が行われない状態で、第１パルスレーザビーム１の照射の停止直前までに溶融されて切断溝３３の内部で加工対象物３０の下面３２側に流れた溶融物３０Ｗ２の、加工ガス２による切断溝３３からの排出が行われる。これにより、レーザ加工装置１００は、加工対象物３０の照射面に対する第１パルスレーザビーム１の照射が停止される直前までに溶融された加工対象物３０の材料を、全て切断溝３３から排出することができる。

このため、レーザ加工装置１００では、ジョイント部Ｊの形成開始時に切断溝３３の内部に残存した溶融物３０Ｗ２に当たった第２パルスレーザビーム１が反射して加工対象物３０の側面３５に当たることに起因したジョイント部Ｊの形成への悪影響を防止できる。これにより、レーザ加工装置１００では、設計どおりのジョイント部幅ＷＪおよびジョイント部溶融長さＬＭを得ることができ、設計どおりの形状のジョイント部Ｊを得ることができる。

また、レーザ加工装置１００では、加工ガス２による切断溝３３からの溶融物の排出を適切に行うことにより、加工対象物３０の溶融部から飛散するスパッタの吹き上がりを防止することができる。このため、加工ヘッド１３に設けられた加工レンズおよび保護ガラスなどの光学系、ビームノズル１７およびガスノズル１８などのノズルの、スパッタの吹き上がりに起因した汚れまたは損傷を防止することができる。これにより、次に切断加工する加工対象物３０における加工不良の発生を防止できる。

また、レーザ加工装置１００では、第２パルスレーザビーム１の射出の開始時に、第２待機時間ＷＴ２にわたって、第２待機工程が行われる。これにより、レーザ加工装置１００では、ジョイント部Ｊの形成開始時に、第２パルス条件で安定してレーザ発振器１１から射出された第２パルスレーザビーム１によって加工対象物３０を安定して溶融させることができ、設計どおりのジョイント部幅ＷＪおよびジョイント部溶融長さＬＭを得ることができ、設計どおりの形状のジョイント部Ｊを得ることができる。

また、レーザ加工装置１００では、第１待機工程による切断溝３３内における溶融物の排出と、第２待機工程による第２パルスレーザビーム１の射出状態の安定化と、第２パルスレーザビーム１のパルス条件と、加工ヘッド１３の移動状態と、を組み合わせてジョイント部Ｊの形成を制御することにより、設計どおりの形状のジョイント部Ｊを得ることができる。すなわち、レーザ加工装置１００では、切断溝３３内における溶融物の排出と、第２パルスレーザビーム１の射出状態と、第２パルスレーザビーム１のパルス条件と、加工ヘッド１３の移動および停止を適切に制御することにより、ジョイント部溶融長さＬＭを適切に制御することができ、ジョイント部Ｊの加工不良を防止することができる。

このように、レーザ加工装置１００では、設計どおりのジョイント部幅ＷＪおよびジョイント部溶融長さＬＭを得ることができ、設計どおりの形状のジョイント部Ｊを得ることができ、複数の加工対象物３０の切断加工を連続して繰り返しても、設計通りの品質のジョイント部Ｊを安定して加工することができる。

したがって、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００によれば、レーザビームによる切断加工において加工対象物３０の端材３０ｂと加工品３０ａとを連結する連結片を所望の形状で確実に形成することができる、という効果を奏する。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ パルスレーザビーム、２ 加工ガス、１１ レーザ発振器、１２ 光路、１３ 加工ヘッド、１４ 駆動部、１５ 検知部、１６ 制御部、１７ ビームノズル、１８ ガスノズル、２１ 加工ガス供給源、３０ 加工対象物、３０Ｗ１，３０Ｗ２ 溶融物、３０ａ 加工品、３０ｂ 端材、３０ｃ 加工点、３１，Ｊ１ 上面、３２ 下面、３３，３４，３３１，３３２，３３３，３３４，３３５ 切断溝、３５ 側面、４１ａ，４１ｂ 実線、４２ 一点鎖線、４３ａ，４３ｂ 破線、１００ レーザ加工装置、２０１ ＣＰＵ、２０２ メモリ、２０３ 記憶装置、２０４ 表示装置、２０５ 入力装置、Ａ１，Ａ２ 矢印、ＣＰ，ＣＰ１１，ＣＰ１２，ＣＰ１３，ＣＰ１４，ＣＰ１５ 加工経路、ＣＰ１ 第１加工経路、ＣＰ１ｓ 加工始点部、ＣＰ２ 第２加工経路、ＣＰｅ 加工終点部、ＤＪ ジョイント部奥行き、ＨＡ ジョイント部面積、ＨＪ ジョイント部高さ、Ｊ ジョイント部、Ｊｅ 終端部、ＬＭ ジョイント部溶融長さ、Ｐ ピアス孔、ＳＰ 照射停止位置、Ｔ 加工対象物厚さ、ＷＪ ジョイント部幅、ＷＴ１ 第１待機時間、ＷＴ２ 第２待機時間。

Claims (12)

1. レーザビームを加工対象物に照射するとともにガスを前記加工対象物に噴射して前記加工対象物を加工品と端材とに分離させる切断加工を行うレーザ加工装置であって、
   前記レーザビームを前記加工対象物に照射する加工ヘッドと、
   前記加工対象物にガスを噴射するガスノズルと、
   前記加工対象物と加工ヘッドとの少なくとも一方を移動させる駆動部と、
   前記レーザビームの照射を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記加工対象物において前記レーザビームが照射される面である上面の面内方向における前記加工品の外形形状に沿う予め決められた加工経路に沿って第１レーザビームを走査して切断溝を形成する制御と、
   前記レーザビームの照射位置が前記加工経路における終点部の手前の位置に到達したときに前記第１レーザビームの照射を停止する制御と、
   前記第１レーザビームの照射を停止した状態で前記ガスの噴射を予め決められた第１待機時間にわたって継続する制御と、
   単位時間当たりに前記加工対象物に与える熱エネルギーが前記第１レーザビームより少ない第２レーザビームを前記加工対象物に照射する制御と、
   前記第２レーザビームを前記加工対象物に照射した状態を予め決められた第２待機時間にわたって維持させる制御と、
   前記加工経路における前記切断溝が形成されていない未切断領域に前記第２レーザビームを走査して、前記加工対象物の厚さ方向における厚さが前記加工対象物の厚さよりも薄く前記加工品と前記端材とを連結するジョイント部を形成する制御と、
   を行うこと、
   を特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記第１レーザビームおよび前記第２レーザビームがパルスレーザビームであり、
   前記第２レーザビームは、パルスレーザビームの出力が前記第１レーザビームの出力よりも小さく、パルスレーザビームの周波数が前記第１レーザビームの周波数よりも小さく、パルスレーザビームのデューティ比が前記第１レーザビームのデューティ比よりも小さいこと、
   を特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記未切断領域は、前記加工経路における前記終点部の手前の位置から前記加工経路の始点までの領域であること、
   を特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記加工対象物の厚さ方向における前記ジョイント部の高さを、前記加工対象物の厚さの４０％以上、６０％以下の寸法とすること、
   を特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
5. 前記第１待機時間が、０．１秒以上であること、
   を特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
6. 前記第２待機時間が、０．１秒以上であること、
   を特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
7. レーザ加工装置が、レーザビームを加工対象物に照射するとともにガスを前記加工対象物に噴射して前記加工対象物を加工品と端材とに分離させる切断加工を行うレーザ加工方法であって、
   前記加工対象物において前記レーザビームが照射される面である上面の面内方向における前記加工品の外形形状に沿う予め決められた加工経路に沿って第１レーザビームを走査して切断溝を形成する工程と、
   前記レーザビームの照射位置が前記加工経路における終点部の手前の位置に到達したときに前記第１レーザビームの照射を停止する工程と、
   前記第１レーザビームの照射を停止した状態で前記ガスの噴射を予め決められた第１待機時間にわたって継続する工程と、
   単位時間当たりに前記加工対象物に与える熱エネルギーが前記第１レーザビームより少ない第２レーザビームを前記加工対象物に照射する工程と、
   前記第２レーザビームを前記加工対象物に照射した状態を予め決められた第２待機時間にわたって維持させる工程と、
   前記加工経路における前記切断溝が形成されていない未切断領域に前記第２レーザビームを走査して、前記加工対象物の厚さ方向における厚さが前記加工対象物の厚さよりも薄く前記加工品と前記端材とを連結するジョイント部を形成する工程と、
   を含むことを特徴とするレーザ加工方法。
8. 前記第１レーザビームおよび前記第２レーザビームがパルスレーザビームであり、
   前記第２レーザビームは、パルスレーザビームの出力が前記第１レーザビームの出力よりも小さく、パルスレーザビームの周波数が前記第１レーザビームの周波数よりも小さく、およびパルスレーザビームのデューティ比が前記第１レーザビームのデューティ比よりも小さいこと、
   を特徴とする請求項７に記載のレーザ加工方法。
9. 前記未切断領域は、前記加工経路における前記終点部の手前の位置から前記加工経路の始点までの領域であること、
   を特徴とする請求項７または８に記載のレーザ加工方法。
10. 前記加工対象物の厚さ方向における前記ジョイント部の高さを、前記加工対象物の厚さの４０％以上、６０％以下の寸法とすること、
    を特徴とする請求項７から９のいずれか１つに記載のレーザ加工方法。
11. 前記第１待機時間が、０．１秒以上であること、
    を特徴とする請求項７から１０のいずれか１つに記載のレーザ加工方法。
12. 前記第２待機時間が、０．１秒以上であること、
    を特徴とする請求項７から１１のいずれか１つに記載のレーザ加工方法。

Images