JP7436792B2

JP7436792B2 - 鋼材のレーザ切断加工方法

Info

Publication number: JP7436792B2
Application number: JP2019221090A
Authority: JP
Inventors: 努東; 宏紀冨村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2024-02-22
Anticipated expiration: 2039-12-06
Also published as: JP2021087989A

Description

本発明は、鋼材のレーザ切断加工方法に関する。

自動車部品や家電部品には、鋼材が使用され、複雑な形状の部品を製造するため、レーザ切断による切断加工方法が多用されている。レーザ切断加工は、被切断材料の表面に高密度なレーザ光を照射し、溶融した被切断材料をアシストガスによって吹き飛ばして切断する方法である。

例えば、特許文献１は、窒素に２～２０体積％の酸素を含む混合ガスをアシストガスに使用したレーザ切断方法が記載されている。これは、鉄と酸素の酸化反応熱を利用することにより、高圧の窒素ガスの下でレーザ切断する従来方法よりも低い圧力で切断を行い、アシストガスの使用量を低減させる切断を可能とするものである。

ところで、レーザ照射によって溶融した被切断材料は、アシストガスによって吹き飛ばされるものの、完全に除去することができない。「ドロス」とは、このようなレーザ切断時に除去されずに切断部に残存した溶融金属の残留物であり、機械的な切断する場合に生じる「バリ」のような固形物である。ドロスは、アシストガスを吹き付ける下流側、すなわちレーザ照射面と反対の裏面側における切断面の近傍で発生しやすい。レーザ切断加工品の表面にドロスが残存したままであると、他の部品に接触して疵を付けて外観を損傷させることがある。また、部品同士を嵌合する箇所では、部品相互の干渉を招き、製品仕様を満たさないことがある。

そのため、レーザ切断後にドロスを除去する作業を行う必要がある。従来、その作業に時間と手間が掛かるため、作業性が低下し、コストを増加させる要因となっていた。そこで、ドロス発生を抑制し、切断端面の防錆性を維持するレーザ切断技術が求められている。

特開２００１－３５３５８８号公報

特許文献１には、窒素に２～２０体積％の酸素を含む混合ガスを用いたレーザ切断が記載されている。しかし、レーザ切断によって生じるドロスに関する課題について記載されていない。また、特許文献１の実施例は、１．８ｍ／ｍｉｎ以下の切断速度で行ったレーザ切断が開示されるだけである。

そこで、本発明は、鋼材のレーザ切断加工方法において、切断時のドロスの発生を抑制するレーザ切断加工方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するため、鋼材をレーザ切断する方法において、特定の切断条件に基づいてレーザ切断を行うことにより、切断時のドロス発生が抑制されることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的には、本発明は、以下のものを提供する。

（１）本発明は、鋼材の表面にレーザ光を照射するとともに、アシストガスとして前記レーザ光の照射部に酸素を含む混合ガスを噴射し、５～１０ｍ／ｍｉｎの切断速度でレーザ切断する、鋼材のレーザ切断加工方法である。

（２）本発明は、前記混合ガスが１５体積％以下の酸素を含む、（１）に記載の鋼材のレーザ切断加工方法である。

（３）本発明は、前記鋼材がＺｎ－Ａｌ－Ｍｇ系めっき鋼板である、（１）または（２）に記載の鋼材のレーザ切断加工方法である。

本発明によれば、ドロス発生を抑制することができるので、レーザ切断後のドロスを除去する手間が軽減し、加工作業の効率化に有効である。

実施例のレーザ切断加工を説明するための図である。実施例のレーザ切断面を説明するための図である。ドロスの状態を説明するための図である。実施例のドロスに関する測定方法を説明するための図である。混合ガスの酸素混合比による平均ドロス高さの変化を示す図である。混合ガスの酸素混合比による最高ドロス高さの変化を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態について説明する。本発明は、以下の説明に限定されない。

本実施形態は、鋼材の表面にレーザ光を照射するとともに、前記レーザ光の照射部にアシストガスを噴射してレーザ切断するレーザ切断加工方法である。鋼材の表面へレーザ光を照射しつつレーザ光を移動させて、鋼材の基板を溶融させることにより切断し、任意形状に仕上げることができる。

本実施形態は、アシストガスとして、酸素を含む混合ガスが用いられる。レーザ照射による加熱において酸化反応熱を利用できるので、効率的にレーザ切断を進めることができる。他方、酸化反応熱により溶融金属が増加し、溶融物が酸化物のドロスとして切断面に残留する量が増加する。

そこで、本実施形態は、レーザ光の照射による切断速度を調整することにより、ドロスの発生を抑制した。具体的には、５～１０ｍ／ｍｉｎの切断速度でレーザ切断することが好ましい。切断速度が速いほどドロス発生量が低減する傾向にある。しかし、速い切断速度でレーザ切断を行うにはレーザ出力を上げる必要があるので、装置構造や使用電力が大きくなり経済性の点で不利である。他方、切断速度が遅すぎると、加工作業効率の点で不利である。そのため、切断速度は、５ｍ／ｍｉｎ以上が好ましく、６ｍ／ｍｉｎ以上でもよい。また、１０ｍ／ｍｉｎ以下が好ましく、８ｍ／ｍｉｎ以下でもよい。

上述したとおり、切断速度が速いほどドロス発生量が低減する傾向にある。その一方で、アシストガスの混合ガスにおける酸素混合比が高いほどドロス発生量が増加する傾向にあり、混合ガスの酸素混合比が過大であると、ドロス発生を抑制することが困難になる。そのため、ドロス発生を抑制する観点で、切断速度に応じて混合ガスの酸素混合比を選択することが好ましい。例えば、切断速度が５ｍ／ｍｉｎであるときは、７体積％以下の酸素を含む混合ガスを使用できる。切断速度が７．５ｍ／ｍｉｎであるときは、１５体積％以下の酸素を含む混合ガスを使用できる。切断速度が１０ｍ／ｍｉｎであるときは、８５体積％以下の広い範囲で酸素を含む混合ガスを使用できる。

アシストガスは、窒素や不活性ガスに所定量の酸素を配合した混合ガスを使用することができる。酸素として空気を混合してもよい。不活性ガスとしてＡｒを使用してもよい。アシストガスの流量及び圧力は、鋼材の厚みやレーザ光の移動速度などの切断条件によって適宜設定することができる。例えば、アシストガスの圧力は、０．５～３．０ＭＰａを使用することができる。

本実施形態に係るレーザ切断加工方法は、照射するレーザ光の種類は、限定されるものでなく、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザなどを使用することができる。

切断する際のレーザ光の条件として、鋼材の表面におけるレーザスポット径、レーザ出力、アシストガスの圧力及び流量などは、切断対象の鋼材の厚みによって適宜設定できる。

本実施形態に係るレーザ切断加工方法が適用される鋼材は、その形状や種類を特に限定されない。板、棒、線など種々の形状の鋼材に適用することができる。普通鋼、熱延鋼、冷延鋼、めっき鋼など種々の鋼材に適用することができる。板厚が０．５～６．０ｍｍである鋼板に適用してもよい。

本実施形態に係るレーザ切断加工方法Ｚｎ系めっき鋼板に適用することが好ましい。Ｚｎ系めっき鋼板は、素地鋼板上のＺｎ系めっき層が、Ｚｎ－Ｆｅ、Ｚｎ－Ａｌ、Ｚｎ－Ａｌ－Ｍｇ、Ｚｎ－Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉなどの組成を有するものを用いることができる。例えば、質量％でＺｎ－６％Ａｌ－３％ＭｇのＺｎ系めっき層を有する鋼板を使用することができる。

以下、本発明に係る実施例について説明する。本発明は、以下の説明に限定されない。

レーザ切断加工を行う鋼材として、Ｚｎ系めっき鋼板を用いた。具体的には、両面合計の３点平均最小付着量が１４０ｇ／ｍ^２で、Ｚｎ－６％Ａｌ－３％Ｍｇ（質量％）のめっき層を有するＺｎ系めっき鋼板を用いた。切断前のめっき鋼板の寸法は、幅４０ｍｍ×長さ１００ｍｍ、板厚１．６ｍｍであった。図１に示すように、Ｚｎ系めっき鋼板６について幅方向のほぼ中央付近から長手方向へ向かってレーザ切断を行った。レーザ切断加工装置の切断用ヘッド１１の先端には、レーザ光照射及びアシストガス噴射を行う切断用ノズル１２が取り付けられており、切断用ノズル１２の中央からレーザ光１３が照射された。レーザ光の周囲からアシストガスが噴射された。図２に示すように、各種の切断条件によって幅２０ｍｍ×長さ１００ｍｍの寸法に切断されて試験材７が得られた。当該試験材７は、後記する評価試験に供した。

レーザ切断機は、ビームスポット径がφ０．２ｍｍであり、最大出力が１０ｋＷであるファイバーレーザ装置（ＩＰＧ社製）を使用した。切断用ヘッドの先端に内径φ２ｍｍの切断用ノズルを取り付けて、レーザ光を照射するとともに、レーザ光と同軸方向にアシストガスを噴射した。レーザの焦点位置を被切断用鋼板の表面に設定した。切断ノズル先端から鋼板までの距離（スタンドオフ）を０．５ｍｍとした。

切断速度として、次の３つを用いた。括弧内の数値は、そのときのレーザ出力を示す。５ｍ／ｍｉｎ（出力１．２５ｋＷ）、７．５ｍ／ｍｉｎ（出力２．０ｋＷ）、１０ｍ／ｍｉｎ（出力２．５ｋＷ）

アシストガスは、窒素ガスと酸素ガスとの混合ガス（Ｎ_２＋Ｏ_２）、酸素ガス（Ｏ_２）、窒素ガス（Ｎ_２）、アルゴンガス（Ａｒ）、の４種を使用した。当該混合ガスの酸素混合比（体積％）としては、５％、１０％、２０％、４０％、６０％、８０％を選定した。アシストガスの圧力は、１．０ＭＰａとした。

［ドロス発生量の評価方法］
ドロス発生量の測定は、図２に示すように、切断後の試験材７について切断面１のうち測定対象として、長手方向の５０ｍｍに位置する中央点から±６ｍｍの範囲にある長さ１２ｍｍの中央部分を測定領域１４に選定した。図３に示すように、レーザ切断面１のドロス２は、通常、レーザ光照射面３と反対側の裏面４に残存する。当該ドロス２の形状及び寸法を測定するため、試験材７をその裏面４を上へ向けて測定台の上に載置した後、３Ｄスキャナー型３次元測定機（キーエンス社製）を用いて試験材７の切断面１を撮影し、２次元化されたドロス形状に関するデータを得た。

次いで、切断面１の測定領域１４の範囲で当該測定機により、図４に示すように、ドロス総面積Ｓと最大ドロス高さＨを測定した。また、得られたドロス総面積Ｓを測定長さＬで除して、平均ドロス高さｈを算出した。測定領域１４の測定長さＬは、１２ｍｍであった。２次元化したドロス形状の総面積Ｓは、ドロス発生量にほぼ比例すると考えられるので、本実施例は、平均ドロス高さｈ及び最大ドロス高さＨの各数値に基づいて、ドロス発生量の程度を評価した。

（試験例１）
まず、アシストガスとして、窒素ガス、酸素ガス及びアルゴンガスの３種を使用してレーザ切断を行い、得られた試験材について平均ドロス高さｈ（μｍ）を測定した。その結果を表１に示す。

表１に示すように、３種の切断速度のいずれにおいても、窒素ガス、アルゴンガスを使用した場合は、平均ドロス高さｈが３０μｍ以下であった。それに対し、酸素ガスの場合は、平均ドロス高さｈが３０μｍを超えていた。酸素ガスによるレーザ切断は、酸化反応熱により溶融金属が増えて、ドロスの発生量が増加したものと推測される。酸素ガスの使用は、ドロス発生を抑制する観点では不適であることを確認できた。

次の試験例２では、ドロス発生を抑制する観点で、窒素ガス及びアルゴンガスを用いたときの平均ドロス高さｈを基準にして、平均ドロス高さｈが３０μｍ以下である場合を適正であると判定し、３０μｍを超える場合を不適と判定した。

（試験例２）
アシストガスとして、窒素ガスと酸素ガスの混合ガスを用いるとともに、混合ガスの酸素混合比と切断速度を変えてレーザ切断を行い、得られた試験材について平均ドロス高さｈ及び最大ドロス高さＨを測定した。平均ドロス高さｈの測定結果を図５に示し、最大ドロス高さＨの測定結果を図６に示す。図の縦軸が平均ドロス高さ（μｍ）及び最大ドロス高さ（μｍ）であり、図の横軸が混合ガス中の酸素混合比（体積％）である。実施例１が５ｍ／ｍｉｎの切断速度でレーザ切断した結果であり、実施例２が７．５ｍ／ｍｉｎの切断速度でレーザ切断した結果であり、実施例３が１０ｍ／ｍｉｎの切断速度でレーザ切断した結果である。

図５に示すように、本発明の範囲に含まれる実施例１ないし実施例３は、平均ドロス高さｈが３０μｍ以下の範囲でレーザ切断されることを確認できた。また、切断速度が大きくなるほど、ドロスの発生量が低減する傾向にあった。アシストガスの酸素混合比が大きいほど、ドロスの発生量が増加する傾向にあった。

図５に示された平均ドロス高さｈの増加する線が３０μｍのレベルに到達するときの酸素混合比の大きさは、実施例１が約７体積％、実施例２が約１５体積％、実施例３が約８５体積％であった。よって、平均ドロス高さｈが３０μｍ以下となる酸素混合比としては、切断速度５ｍ／ｍｉｎの実施例１は、７体積％以下であり、切断速度が７．５ｍ／ｍｉｎの実施例２は、１５体積％以下であり、切断速度が１０ｍ／ｍｉｎの実施例３は、８５体積％以下であることを確認できた。

次に、図６において、酸素混合比が０体積％によるデータは、窒素ガスだけを用いた試験結果であり、その最大ドロス高さは、８０～１００μｍ程度であった。窒素ガスに酸素を混合したガスを使用すると、最大ドロス高さが低下した。酸素混合比が一定値を超えると、最大ドロス高さが増大する方向へ変化した。最大ドロス高さＨの変化する線が８０μｍのレベルに到達するときの酸素混合比の大きさは、実施例１が約５体積％、実施例２が約１２体積％、実施例３が約１５体積％であった。このように、酸素混合比が一定値以下であると、最大ドロス高さが８０μｍ以下の範囲にあり、窒素ガスと同程度に最大ドロス高さが抑制されることを確認できた。

１レーザ切断面
２ドロス
３レーザ光照射面
４裏面
６Ｚｎ系めっき鋼板
７試験材
１１切断用ヘッド
１２切断用ノズル
１３レーザ光
１４測定領域
Ｓドロス総面積
Ｌ測定長さ
Ｈ最大ドロス高さ
ｈ平均ドロス高さ

Claims

Ｚｎ－Ａｌ－Ｍｇ系めっき鋼板である鋼材の表面にレーザ光を照射するとともに、アシストガスとして前記レーザ光の照射部に１０体積％以上の酸素を含む混合ガスを噴射し、７．５～１０ｍ／ｍｉｎの切断速度でレーザ切断する、鋼材のレーザ切断加工方法。
前記混合ガスは、１５体積％以下の酸素を含む、請求項１に記載の鋼材のレーザ切断加工方法。