JP7229441B1 - レーザピアッシング方法、及び、レーザ加工機 - Google Patents
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Abstract
Description
<実施形態>
<レーザ加工機1の構成>
図1は、本発明の実施形態に係るレーザ加工機1の外観構成を示す概略構成図である。図1に示すX軸は、レーザ加工機1の奥行方向に沿い、Y軸は、レーザ加工機1の幅方向に沿い、Z軸は、レーザ加工機1の高さ方向に沿っている。以下、X軸、Y軸、及び、Z軸に沿う方向を、それぞれX方向、Y方向、及び、Z方向と呼称する。図1に示されるように、レーザ加工機1は、台座(base)10、第1ガイドレール11、コラム12、第2ガイドレール13、サドル14、ノズル15、第1ポンプ16、レーザヘッド(laser head)20、少なくとも1つのレーザ発振器30、光ファイバー40、及び、数値制御装置(numerical control apparatus)6を備える。レーザ加工機1は、台座10上の板金(metal plate)MPを加工するための装置である。板金MPは、例えば、軟鋼、SUS、アルミニウム鋼、真鍮、銅である。なお、板金MPのことをワークWと呼称してもよい。台座10は、複数の突条(elongated projections)を備えてもよい。台座10上のY方向の両端には、Y方向に沿って一対の第1ガイドレール11が取付けられており、第1ガイドレール11上には、コラム12が第1ガイドレール11上を移動自在に取り付けられている。コラム12は、例えば、第1ガイドレール11とコラム12とのいずれかに設けられたモータなどの駆動装置D1による駆動力によって、第1ガイドレール11上を移動する。
[条件1]第1レーザ出力密度と第2レーザ出力密度は、第1レーザ光RL1と第2レーザ光RL2とによって中央部分CPが穿孔される程度に定められる。これは、第1レーザ光RL1と第2レーザ光RL2とがあるレーザ光RLをワークWに照射した際に中央部分CPが穿孔されるか否かで識別される。なお、第1レーザ出力密度と第2レーザ出力密度は、アシストガスAGによってもワークWが加熱されることも考慮して定められてもよい。
[条件2]第1レーザ出力密度は、周辺部分PPの外側を穿孔しない程度に第1レーザ光RL1がワークWを加熱可能な程度のレーザ出力密度である。第1レーザ光RL1の出力が強すぎて周辺部分PPの外側を溶融してしまうか、周辺部分PPが小さすぎる場合に成立しない。図8Aのように、第1レーザ光RL1が周辺部分PPの外側を穿孔してしまうと、第2レーザ光RL2によってスパッタSPTの根元部分RTを加熱することができない。そうすると、スパッタSPTの根元部分RTが凝固してしまい、被加工ワークMAWと固着してしまう。第1レーザ出力密度は、そのような状態を抑止するように定められる。また、第1レーザ出力密度は、アシストガスAGによってもワークWが加熱されることも考慮して定められてもよい。
[条件3]第2レーザ出力密度は、周辺部分PPの外側を穿孔しない程度に第2レーザ光RL2がワークWを加熱可能な程度のレーザ出力密度である。第2レーザ光RL2の出力が強すぎて周辺部分PPの外側を溶融してしまう場合に成立しない。この条件も図8Aのように第2レーザ光RL2によってスパッタSPTの根元部分RTを加熱することができず、スパッタSPTの根元部分RTが凝固してしまい、被加工ワークMAWと固着してしまう状態を抑止するために設けられる。この場合において、第2レーザ出力密度は、第1レーザ光RL1やアシストガスAGによってもワークWが加熱されることも考慮して定められてもよい。
[条件4]第2レーザ出力密度は、第1レーザ光RL1によって溶融されたワークMEWがガス(アシストガスAG)によってピアス穴PHの周囲に飛び散らされたスパッタSPTがピアス穴PHを形成する被加工ワークMAWに固着して凝固しない程度に第2レーザ光RL2がワークWを加熱可能な程度のレーザ出力密度である。第2レーザ出力密度が弱すぎて、スパッタSPTの根元部分RTが被加工ワークMAWに固着してしまうと、その後に図6のようにガス(アシストガスAG)を吹き付けたとしても、スパッタSPTを被加工ワークMAWから取り除くことはできない。この場合において、第2レーザ出力密度は、第1レーザ光RL1やアシストガスAGによってもワークWが加熱されることも考慮して定められてもよい。
[条件5]第2レーザ出力密度は、周辺部分PPの外側にスパッタを生じさせない程度に第2レーザ光RL2がワークを加熱可能な程度のレーザ出力密度である。第2レーザ出力密度は、周辺部分PPの外側を穿孔するほど、高くはない。しかし、第2レーザ出力密度は、図8Bに示されるように、第2レーザ光RL2が周辺部分PPの外側の一部を溶融させて、その溶融されたワークMEWの粘度がアシストガスAGによって飛び散らされる程度のレーザ出力密度よりは低い。図8Bのような状態では、第2レーザ光RL2によってスパッタSPTの根元部分RTを加熱することができず、スパッタSPTの根元部分RTが凝固してしまい、被加工ワークMAWと固着してしまう。第2レーザ出力密度は、そのような状態を抑止するように定められる。この場合においても、第2レーザ出力密度は、第1レーザ光RL1やアシストガスAGによってもワークWが加熱されることも考慮して定められてもよい。
<検証実験>
上述するレーザピアッシング方法の有効性及び上述する条件の有効性を検証するために以下のような検証実験を行った。実験に使用した板金MPは、板厚が9.0mmのSS400鋼である。トーチ28の位置は、焦点位置から8.5mmの高さにワークWの上面WTPが位置するように調整されている。焦点位置において、第1レーザ光RL1が通過する領域R1の径DC(図7参照)は、0.234mm、第2レーザ光RL2が通過する領域R2の径DP(図7参照)は、0.806mmである。ワークWの中心面CTPにおける中央部分CPの径DCCは1.066mm、ワークWの中心面CTPにおける周辺部分PPの径DBCは1.492mmである。事前準備として、図4Aのようにレーザ光RLの光軸Ax1を位置決めした上で、レーザ発振器30Aは、1000Wのデューティー比15%で0.1秒加熱することによってポンチ穴を空ける。その後、光軸Ax1と中心軸Ax2とのずれDXを変えて、レーザ発振器30Aに9000Wで、デューティー比25%のレーザ光RLを出力させた。なお、ステップS3において噴射されるアシストガスの風圧は、0.4MPaである。
<本実施形態におけるレーザピアッシング方法の特徴及び効果>
本実施形態にかかるレーザピアッシング方法及びレーザ加工機1は、周辺部分PPに照射される第2レーザ光RL2によって、ピアス穴PHを形成する被加工ワークMAWとオイルOILを介さずに接している、飛び散らされたワークWであるスパッタSPTの根元部分RTを加熱する。このため、レーザピアッシング方法及びレーザ加工機1は、根元部分RTが凝固することを抑止し、スパッタSPTの除去を容易にし、加工品質を向上させることができる。
<変形例>
上述の実施形態では、少なくとも1つのレーザ発振器30は、レーザ光を発する1つのレーザ発振器30Aを備える場合を示しているが、第1レーザ光と、第2レーザ光が異なるレーザ発振器から発せられたレーザ光であってもよい。また、ステップS5に示すトーチ28の動かし方は円CIRに限らず、楕円であってもよく、回転中にトーチ28をワークWに近づけたり離したりしてもよい。
Claims (15)
- ワークにオイルを吹き付けて、前記ワーク上に前記オイルが被覆された被覆部を生成し、
レーザ光のレーザ出力密度が、前記被覆部のうちの前記レーザ光が照射される中央部分において第1レーザ出力密度となり、前記被覆部のうちの前記中央部分の周囲の周辺部分において前記第1レーザ出力密度よりも小さい第2レーザ出力密度となり、前記被覆部のうちの前記中央部分と前記周辺部分との間の境界部分において前記第2レーザ出力密度よりも小さい第3レーザ出力密度となるように、前記レーザ光を前記被覆部に照射し、
前記中央部分に照射される第1レーザ光によって前記被覆部内の前記ワークを溶融させて、溶融させたワークにガスを吹き付けて前記溶融させたワークを前記中央部分の周囲に飛び散らすことによって前記被覆部にピアス穴をあけ、
前記周辺部分に照射される第2レーザ光によって、前記ピアス穴を形成する被加工ワークと前記オイルを介さずに接している、飛び散らされたワークであるスパッタの根元部分を加熱することを含む、
レーザピアッシング方法。
- 前記根元部分を加熱した後に、前記スパッタにガスを吹き付けることによって前記スパッタを前記被加工ワークから取り除くことをさらに含む、
請求項1に記載のレーザピアッシング方法。
- 前記スパッタを前記被加工ワークから取り除くことは、前記根元部分の外側から前記根元部分を取り囲む円に沿ってトーチを動かして前記トーチから前記根元部分の周囲にガスを吹き付けることを含む、
請求項2に記載のレーザピアッシング方法。
- 前記スパッタが前記被加工ワークに固着して凝固しない程度に前記第2レーザ光によって前記スパッタを加熱する、請求項1から3に記載のレーザピアッシング方法。
- 前記周辺部分の外側を穿孔しない程度に前記第2レーザ光によって前記ワークを加熱する、
請求項1から3のいずれかに記載のレーザピアッシング方法。
- 前記周辺部分の外側を穿孔しない程度に前記第1レーザ光によって前記被覆部内の前記ワークを溶融させる、
請求項5に記載のレーザピアッシング方法。
- 前記周辺部分の外側にスパッタを生じさせない程度に前記第2レーザ光によって前記ワークを加熱する、
請求項5に記載のレーザピアッシング方法。
- 第1透過部と、前記第1透過部の周囲に設けられる第2透過部と、前記第1透過部と前記第2透過部との間に設けられたリフレクタとを含む光ファイバーを用意し、
前記レーザ光の一部が前記第1透過部に入射し、前記レーザ光の別の一部が前記第2透過部に入射するように、1つのレーザ発振器から前記レーザ光を発することによって、前記第1レーザ光と前記第2レーザ光とを生成する、
請求項1から3に記載のレーザピアッシング方法。
- 第1レーザ光と第2レーザ光とを発するように構成される少なくとも1つのレーザ発振器と、
前記少なくとも1つのレーザ発振器からの前記第1レーザ光と前記第2レーザ光を受ける第1端と、前記第1端と反対の第2端とを有し、前記第1レーザ光を伝達する第1透過部と、前記第1透過部の周囲に設けられ、前記第2レーザ光を伝達する第2透過部と、前記第1透過部と前記第2透過部との間に設けられたリフレクタとを含む光ファイバーと、
前記光ファイバーの前記第2端に対向して設けられ、前記光ファイバーを透過して出る前記第1レーザ光と前記第2レーザ光をワークに向けて絞るように構成されるレンズと、
前記レンズによって絞られた光と、前記ワークに吹き付けるためのガスとが通過する開口を有するトーチと、
前記トーチを移動させるように構成される移動機構と、
前記ワークにオイルを噴射するように構成されるノズルと、
前記ノズルに前記オイルを送るように構成される第1ポンプと、
前記トーチに前記ガスを送るように構成される第2ポンプと、
前記少なくとも1つのレーザ発振器、前記第1ポンプ、前記第2ポンプ、及び、前記移動機構を制御するように構成される制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記ワークに前記オイルを吹き付けて前記ワーク上に前記オイルが被覆された被覆部を生成するように前記第1ポンプを制御した後、前記第1レーザ光と前記第2レーザ光とを前記被覆部に照射するとともに、前記第1レーザ光によって溶融された前記ワークに前記ガスを吹き付けることで前記被覆部にピアス穴をあけるように、前記少なくとも1つのレーザ発振器と前記第2ポンプとを制御するように構成され、
前記被覆部のうち前記第1レーザ光が照射される中央部分でのレーザ出力密度が第1レーザ出力密度となり、前記被覆部のうち前記第2レーザ光が照射される周辺部分でのレーザ出力密度が前記第1レーザ出力密度よりも小さい第2レーザ出力密度となり、前記被覆部のうちの前記中央部分と前記周辺部分との間の境界部分でのレーザ出力密度が前記第2レーザ出力密度よりも小さい第3レーザ出力密度となる、レーザ加工機。
- 前記制御回路は、前記第1レーザ光によって溶融されたワークが前記ガスによって前記ピアス穴の周囲に飛び散らされたスパッタにさらにガスを吹き付けるように、前記移動機構及び前記第2ポンプを制御するように構成される、請求項9に記載のレーザ加工機。
- 前記制御回路は、前記ピアス穴を取り囲む円に沿って前記トーチを動かして前記ピアス穴の周囲にガスを吹き付けるように前記移動機構及び前記第2ポンプを制御するように構成される、請求項10に記載のレーザ加工機。
- 前記第2レーザ出力密度は、前記第1レーザ光によって溶融されたワークが前記ガスによって前記ピアス穴の周囲に飛び散らされたスパッタが前記ピアス穴を形成する被加工ワークに固着して凝固しない程度に前記第2レーザ光が前記ワークを加熱可能な程度のレーザ出力密度である、
請求項9から11のいずれかに記載のレーザ加工機。
- 前記第1レーザ出力密度は、前記周辺部分の外側を穿孔しない程度に前記第1レーザ光が前記ワークを加熱可能な程度のレーザ出力密度であって、
前記第2レーザ出力密度は、前記周辺部分の外側を穿孔しない程度に前記第2レーザ光が前記ワークを加熱可能な程度のレーザ出力密度である、請求項9から11のいずれかに記載のレーザ加工機。
- 前記第2レーザ出力密度は、前記周辺部分の外側にスパッタを生じさせない程度に前記第2レーザ光が前記ワークを加熱可能な程度のレーザ出力密度である、
請求項13に記載のレーザ加工機。
- 前記少なくとも1つのレーザ発振器は、レーザ光を発する1つのレーザ発振器を備え、
前記レーザ光の一部が前記第1透過部に入射し、前記レーザ光の別の一部が前記第2透過部に入射するように、前記1つのレーザ発振器の前記レーザ光の発する向きが調整される、
請求項9から11のいずれかに記載のレーザ加工機。
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