JPH07100234B2 - レーザービームによる合金鋼の切断方法 - Google Patents
レーザービームによる合金鋼の切断方法Info
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- JPH07100234B2 JPH07100234B2 JP62006863A JP686387A JPH07100234B2 JP H07100234 B2 JPH07100234 B2 JP H07100234B2 JP 62006863 A JP62006863 A JP 62006863A JP 686387 A JP686387 A JP 686387A JP H07100234 B2 JPH07100234 B2 JP H07100234B2
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- cut
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- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- B23K2103/04—Steel or steel alloys
- B23K2103/05—Stainless steel
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- Laser Beam Processing (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザービームを用いて合金鋼、特にクロム
鋼、ステンレス鋼などのクロム含有鋼を切断する方法に
関するものである。
鋼、ステンレス鋼などのクロム含有鋼を切断する方法に
関するものである。
レーザービームによつて鋼を切断する方法としては、一
般にレーザビーム照射軸を中心軸とするノズルを設け、
このノズルからアシストガスとして切断用の酸素を高速
で噴出させて、レーザービームの照射による加熱と酸素
による酸化反応熱とによつて溶融するとともに高速の酸
素流によつて溶融金属を除去することによつて切断を行
う方法がとられている。
般にレーザビーム照射軸を中心軸とするノズルを設け、
このノズルからアシストガスとして切断用の酸素を高速
で噴出させて、レーザービームの照射による加熱と酸素
による酸化反応熱とによつて溶融するとともに高速の酸
素流によつて溶融金属を除去することによつて切断を行
う方法がとられている。
合金鋼の切断においても同様に酸素の助けが必要であ
り、アシストガスとして酸素のかわりにアルゴンやヘリ
ウムなどの不活性ガスを用いると、切断能力が数分の１
の低下しかつ切断面の平滑度も良好なものが得られな
い。したがつて合金鋼の切断にも酸素の利用が必須とな
る。
り、アシストガスとして酸素のかわりにアルゴンやヘリ
ウムなどの不活性ガスを用いると、切断能力が数分の１
の低下しかつ切断面の平滑度も良好なものが得られな
い。したがつて合金鋼の切断にも酸素の利用が必須とな
る。
しかるに合金鋼、特に合金成分としてクロムを含む鋼を
酸素をアシストガスとして用いて切断するとつぎのよう
な重大な欠点を生ずる。
酸素をアシストガスとして用いて切断するとつぎのよう
な重大な欠点を生ずる。
（１） 切断溝がレーザービーム照射側の反対側が広く
テーパ状に広がり、直角に切断できない。
テーパ状に広がり、直角に切断できない。
（２） ドロスの附着が多くかつ強固であるので、ドロ
スの後始末に多大の手間がかかる。
スの後始末に多大の手間がかかる。
（３） 切断面の平滑度が悪く、特に小径の円等のよう
に切断線の密度が高くなるものにおいては切断開始後数
10mmはやや良好な切断面が得られるもののその後は激し
く燃焼するような状態となり凹凸が激しくなつて正常な
切断面が得られなくなる。
に切断線の密度が高くなるものにおいては切断開始後数
10mmはやや良好な切断面が得られるもののその後は激し
く燃焼するような状態となり凹凸が激しくなつて正常な
切断面が得られなくなる。
上記の問題は、被切断材の板厚が大となるほど顕著とな
る。第２図は、本発明者が従来の方法によつて代表的な
クロム含有鋼であるステンレス鋼（Sus304材）の切断を
行つた実験結果を示す線図であり、縦軸は切断可能な速
度を示し、横軸は被切断材の板厚を示している。同図中
曲線（イ）は直線状に切断した場合を示しており、この
場合は切断線の単位面積当りの密度が小さいために連続
したレーザービームでも図示の速度で切断できる。これ
に対し曲線（ロ）は直径50mmの円形の切り抜きをビーム
出力1kwで行つたときの切断可能速度と板厚との関係を
示している。このような円形切断の場合には、単位面積
当りの切断線の密度が直線切断の場合よりも大となるの
で、連続したレーザービームで切断すると切断面が極端
に荒れて1/3〜1/2周以後は平滑な切断面が得られなくな
る。そこで実験においてはデユーテイ比35％,100Hz,ピ
ーク値1kwのパルス状ビームとして平均ビーム出力を低
減して切断した。なおいずれにおいてもアシストガスは
酸素を使用し圧力3kg/cm2としてノズルから噴出させて
切断した。
る。第２図は、本発明者が従来の方法によつて代表的な
クロム含有鋼であるステンレス鋼（Sus304材）の切断を
行つた実験結果を示す線図であり、縦軸は切断可能な速
度を示し、横軸は被切断材の板厚を示している。同図中
曲線（イ）は直線状に切断した場合を示しており、この
場合は切断線の単位面積当りの密度が小さいために連続
したレーザービームでも図示の速度で切断できる。これ
に対し曲線（ロ）は直径50mmの円形の切り抜きをビーム
出力1kwで行つたときの切断可能速度と板厚との関係を
示している。このような円形切断の場合には、単位面積
当りの切断線の密度が直線切断の場合よりも大となるの
で、連続したレーザービームで切断すると切断面が極端
に荒れて1/3〜1/2周以後は平滑な切断面が得られなくな
る。そこで実験においてはデユーテイ比35％,100Hz,ピ
ーク値1kwのパルス状ビームとして平均ビーム出力を低
減して切断した。なおいずれにおいてもアシストガスは
酸素を使用し圧力3kg/cm2としてノズルから噴出させて
切断した。
さらに図中に破線で示したように直線切断、円形切断の
いずれにおいても板厚が5mmを超えると切断溝がテーパ
状となつて直角度が悪くなり裏面側が広くなる。さらに
付着するドロスも切断溝の直角度が広くなるにしたがつ
て増加するとともに強固となつて、グラインダ仕上げが
必要となる。第３図はこのような状況を示した断面図で
あり、図中1,1は被切断材、２はレーザービーム、３は
附着したドロスである。図に示すようにテーパ状となつ
た分だけドロスの附着量が増加する。
いずれにおいても板厚が5mmを超えると切断溝がテーパ
状となつて直角度が悪くなり裏面側が広くなる。さらに
付着するドロスも切断溝の直角度が広くなるにしたがつ
て増加するとともに強固となつて、グラインダ仕上げが
必要となる。第３図はこのような状況を示した断面図で
あり、図中1,1は被切断材、２はレーザービーム、３は
附着したドロスである。図に示すようにテーパ状となつ
た分だけドロスの附着量が増加する。
上記のような傾向は、円形以外の複雑な形状の切断や一
枚の板から多数個を連続して切断する場合のように切断
線の密度が大となるとさらに著しくなり、ほとんど実用
にならないものとなる。
枚の板から多数個を連続して切断する場合のように切断
線の密度が大となるとさらに著しくなり、ほとんど実用
にならないものとなる。
上記の現象が生じる原因は明確ではないが、合金鋼に含
有される成分のうち特にクロムの影響が考えられる。ク
ロムがアシストガスとして用いられる酸素と反応したと
きに生ずる溶融したクロム酸化物は粘度が高く流動性に
欠けることから切断面に滞留し、この滞留したクロム酸
化物からの熱伝導によつて切断面の隣接部を溶融するこ
とが考えられる。このことは上記の現象が一般鋼では発
生しないこと、および切断線の単位面積当りの密度が高
くなる小径の円や短形、複雑な形状の切り抜きを行う場
合などに上記現象が強く出現すること、またアシストガ
スとしての酸素の量を少なくすると軽減されることなど
からも推定される。
有される成分のうち特にクロムの影響が考えられる。ク
ロムがアシストガスとして用いられる酸素と反応したと
きに生ずる溶融したクロム酸化物は粘度が高く流動性に
欠けることから切断面に滞留し、この滞留したクロム酸
化物からの熱伝導によつて切断面の隣接部を溶融するこ
とが考えられる。このことは上記の現象が一般鋼では発
生しないこと、および切断線の単位面積当りの密度が高
くなる小径の円や短形、複雑な形状の切り抜きを行う場
合などに上記現象が強く出現すること、またアシストガ
スとしての酸素の量を少なくすると軽減されることなど
からも推定される。
そこで本発明者はアシストガスの酸素を少なくする方
法、照射するレーザービームをパルス状としてそのデユ
ーテイ比を小にすることによつて切断線の単位長さ当り
の入熱量を低減させる方法を試みたところ、切断部の品
質は改善することができたが、いずれも切断速度が極端
に遅くなり、実用的でないことが判つた。またレーザー
ビームの出力を大きくしてアシストガスの量を減らせば
改善されるが、効率が極端に悪化し実用的でない。
法、照射するレーザービームをパルス状としてそのデユ
ーテイ比を小にすることによつて切断線の単位長さ当り
の入熱量を低減させる方法を試みたところ、切断部の品
質は改善することができたが、いずれも切断速度が極端
に遅くなり、実用的でないことが判つた。またレーザー
ビームの出力を大きくしてアシストガスの量を減らせば
改善されるが、効率が極端に悪化し実用的でない。
本発明者は、上記考察と実験結果とに基づき、切断時に
被切断物を強力に冷却すれば問題点が解決できるころに
想到し、冷却方法について種々実験、考案を行つた。そ
の結果をつぎに示す。
被切断物を強力に冷却すれば問題点が解決できるころに
想到し、冷却方法について種々実験、考案を行つた。そ
の結果をつぎに示す。
（１） 冷却方法に要求される条件としては （イ） 冷却効率が高いこと （ロ） 急速冷却が可能なこと が考えられるが、これらに適するものとしては、液体に
よる直接冷却が最適であり、特に液体の気化潜熱を利用
することが最も有効と考えられる。したがつて利用し得
る液体としては、水の他に、液化炭酸ガス、液体酸素、
液体水素、液体チッ素、液体アルゴン、液体ヘリウム等
の液化ガスが考えられる。
よる直接冷却が最適であり、特に液体の気化潜熱を利用
することが最も有効と考えられる。したがつて利用し得
る液体としては、水の他に、液化炭酸ガス、液体酸素、
液体水素、液体チッ素、液体アルゴン、液体ヘリウム等
の液化ガスが考えられる。
（２） 冷却材料に要求される条件としては （イ） レーザービームの通路に侵入しても吸収、減衰
を生じないこと。
を生じないこと。
（ロ） レーザービーム照射のための光学系や他の機構
部に悪影響を与えないこと。
部に悪影響を与えないこと。
（ハ） 被加工物に悪影響を与えないこと。
（ニ） 安全上問題のないこと。
（ホ） 入手が容易で取扱いが簡単なこと。
（ヘ） 安価であること。
が考えられる。
先の液体のうち、炭酸ガスはレーザービームの吸収がチ
ツ素の５倍程度あり若干の効率低下を招く。水は高温の
被切断物に接触したときに水蒸気となつて気化し、この
水蒸気が光学系、特に集光用レンズに結露して高価な光
学系を損傷する。さらには水はすべてが気化せず大部分
は流下して被切断物載置テーブルやその駆動部等の機構
部を腐蝕する。酸素はアシストガスの影響を助長する傾
向にあるが冷却効果がこれをカバーできる範囲でなら利
用できる。水素は火災の危険性のみならずアシストガス
の酸素と化合して水を生成するから水そのものを用いた
ときと同様の悪影響を光学系その他に及ぼす。アルゴ
ン、ヘリウム、チツ素はいずれも上記各材料よりも好適
であるが、これらのうちアルゴン、ヘリウムは高価であ
り、またヘリウムは沸点が３゜Ｋ前後と極めて低いため
に取扱いに不便である。上記から本発明に用いる液体と
しては、液体チツ素が最も適していることになるが液体
アルゴン、液体ヘリウムまたは多少の効率低下は発生す
るものの液体酸素や液化炭酸ガスも利用できる。要は常
温で気化するガスを液化したもので高温の被切断物に接
触したときに有害な生成物を発生しないものであればよ
い。
ツ素の５倍程度あり若干の効率低下を招く。水は高温の
被切断物に接触したときに水蒸気となつて気化し、この
水蒸気が光学系、特に集光用レンズに結露して高価な光
学系を損傷する。さらには水はすべてが気化せず大部分
は流下して被切断物載置テーブルやその駆動部等の機構
部を腐蝕する。酸素はアシストガスの影響を助長する傾
向にあるが冷却効果がこれをカバーできる範囲でなら利
用できる。水素は火災の危険性のみならずアシストガス
の酸素と化合して水を生成するから水そのものを用いた
ときと同様の悪影響を光学系その他に及ぼす。アルゴ
ン、ヘリウム、チツ素はいずれも上記各材料よりも好適
であるが、これらのうちアルゴン、ヘリウムは高価であ
り、またヘリウムは沸点が３゜Ｋ前後と極めて低いため
に取扱いに不便である。上記から本発明に用いる液体と
しては、液体チツ素が最も適していることになるが液体
アルゴン、液体ヘリウムまたは多少の効率低下は発生す
るものの液体酸素や液化炭酸ガスも利用できる。要は常
温で気化するガスを液化したもので高温の被切断物に接
触したときに有害な生成物を発生しないものであればよ
い。
つぎに冷却用液体の供給方法としては、冷却効果を向上
させるために被切断材に直接接触させ、かつ接触した液
体および気化ガスが滞留しないように流動状態とするこ
とが必要である。したがつて液体吐出ノズルから切断部
近傍に流すか、滴下させる方法あるいは露状に吹きつけ
る方法等がよい。
させるために被切断材に直接接触させ、かつ接触した液
体および気化ガスが滞留しないように流動状態とするこ
とが必要である。したがつて液体吐出ノズルから切断部
近傍に流すか、滴下させる方法あるいは露状に吹きつけ
る方法等がよい。
また先の実験の通り、切断面は裏側（レーザービーム照
射の反対側）がより過熱されてテーパ状に溶断されるの
で、冷却は裏面から行う方がより効果的である。
射の反対側）がより過熱されてテーパ状に溶断されるの
で、冷却は裏面から行う方がより効果的である。
本発明の効果を確認するために、板厚6mmのステンレス
鋼（sus304材）を従来方法と本発明の方法とによつて切
断したときの結果を表１に示す。なお実験においては、
本発明の方法においてのみ液体チツ素をレーザービーム
の照射位置を中心に同心円状にビーム照射側から0.1/
min程度滴下した。
鋼（sus304材）を従来方法と本発明の方法とによつて切
断したときの結果を表１に示す。なお実験においては、
本発明の方法においてのみ液体チツ素をレーザービーム
の照射位置を中心に同心円状にビーム照射側から0.1/
min程度滴下した。
上記表の通り、本発明の方法によるときは従来方法
（２）の12倍の速度で同程度以上の品質の良好な切断が
可能であつた。
（２）の12倍の速度で同程度以上の品質の良好な切断が
可能であつた。
第１図は、他の板厚についても同様の実験（直径50mmの
円切断）を行つた結果を示す線図であり、第２図と同様
に縦軸に切断速度を、横軸に板厚をとつて良好な切断の
可能な速度の曲線を示してある。同図に示した通り従来
方法における直線切断とほぼ同程度の速度で、しかも5m
m以上の厚板においても良好な切断面が得られている。
円切断）を行つた結果を示す線図であり、第２図と同様
に縦軸に切断速度を、横軸に板厚をとつて良好な切断の
可能な速度の曲線を示してある。同図に示した通り従来
方法における直線切断とほぼ同程度の速度で、しかも5m
m以上の厚板においても良好な切断面が得られている。
また実験はこの他にレーザービーム出力を1.4kwのもの
についても行つたところ大略切断速度を1.4〜1.5倍にす
ることができたので大出力のレーザービームを用いると
きにはさらに効果的であることが判つた。
についても行つたところ大略切断速度を1.4〜1.5倍にす
ることができたので大出力のレーザービームを用いると
きにはさらに効果的であることが判つた。
なお冷却用液化ガスの供給方法は、上記実施例のように
レーザービームと同心円状に滴下する以外に、切断線に
沿う方向であればよいのでレーザービームヘツドの移動
方向が限定される装置においては、ヘツドの進行方向の
前後または前、後のいずれか一方のみでもよい。
レーザービームと同心円状に滴下する以外に、切断線に
沿う方向であればよいのでレーザービームヘツドの移動
方向が限定される装置においては、ヘツドの進行方向の
前後または前、後のいずれか一方のみでもよい。
実験で使用した液体チツ素は沸点が約77゜Ｋ（−196
℃）であり、切断部に留まらず直ちに気化する。したが
つて冷却効果は極低温の液体による直接冷却と気化時の
潜熱によつて極めて強力であり、かつレーザービームの
吸収も少なく、また気化したチツ素ガスは光学系および
機構部を全く損傷しないので本発明には理想的な材料と
いえる。しかし、利用し得る液体としては先にも述べた
ように常温では気体のガスを液化したものでかつ有害な
生成物を発生しないガスであればよい。
℃）であり、切断部に留まらず直ちに気化する。したが
つて冷却効果は極低温の液体による直接冷却と気化時の
潜熱によつて極めて強力であり、かつレーザービームの
吸収も少なく、また気化したチツ素ガスは光学系および
機構部を全く損傷しないので本発明には理想的な材料と
いえる。しかし、利用し得る液体としては先にも述べた
ように常温では気体のガスを液化したものでかつ有害な
生成物を発生しないガスであればよい。
また、本発明の対象となる合金鋼は一般のステンレス鋼
に限らず耐熱用、低温用などに開発されている合金鋼に
適用でき、特にクロム含有鋼に有効である。
に限らず耐熱用、低温用などに開発されている合金鋼に
適用でき、特にクロム含有鋼に有効である。
本発明の方法によれば、パルス状ビームを用いることな
く連続したビームによつて高速で厚板を切断でき、しか
も切断面の荒れがなく、直角度も良好であるうえドロス
の附着もほとんどなくなるので極めて高品質の切断が高
能率で実施可能となる。また冷却用液化ガスの供給を増
加させればより大容量のレーザービームも使用可能にな
るのでさらに厚い板の切断も可能となる。
く連続したビームによつて高速で厚板を切断でき、しか
も切断面の荒れがなく、直角度も良好であるうえドロス
の附着もほとんどなくなるので極めて高品質の切断が高
能率で実施可能となる。また冷却用液化ガスの供給を増
加させればより大容量のレーザービームも使用可能にな
るのでさらに厚い板の切断も可能となる。
第１図は、本発明の方法によるときの板厚と切断可能な
速度との関係を示す線図、第２図は従来の方法によると
きの第１図と同様の関係を示す線図、第３図は第２図の
破線部における切断状況を示す断面図である。
速度との関係を示す線図、第２図は従来の方法によると
きの第１図と同様の関係を示す線図、第３図は第２図の
破線部における切断状況を示す断面図である。
Claims (3)
- 【請求項１】レーザービームを用いて合金鋼を切断する
方法において、被切断材の切断部近傍に流動する液化ガ
スを供給し、前記液化ガスの接触と気化潜熱とによって
被切断材を直接冷却しながら切断する合金鋼の切断方
法。 - 【請求項２】前記液化ガスとして液体チツ素を用いる特
許請求の範囲第１項に記載の合金鋼の切断方法。 - 【請求項３】前記液化ガスを被切断材の裏面に接触させ
る特許請求の範囲第１項または第２項のいずれかに記載
の合金鋼の切断方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62006863A JPH07100234B2 (ja) | 1987-01-14 | 1987-01-14 | レーザービームによる合金鋼の切断方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62006863A JPH07100234B2 (ja) | 1987-01-14 | 1987-01-14 | レーザービームによる合金鋼の切断方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63174793A JPS63174793A (ja) | 1988-07-19 |
| JPH07100234B2 true JPH07100234B2 (ja) | 1995-11-01 |
Family
ID=11650079
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62006863A Expired - Lifetime JPH07100234B2 (ja) | 1987-01-14 | 1987-01-14 | レーザービームによる合金鋼の切断方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07100234B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03161187A (ja) * | 1989-11-17 | 1991-07-11 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | レーザ加工法 |
| US5151389A (en) * | 1990-09-10 | 1992-09-29 | Rockwell International Corporation | Method for dicing semiconductor substrates using an excimer laser beam |
| US6413839B1 (en) | 1998-10-23 | 2002-07-02 | Emcore Corporation | Semiconductor device separation using a patterned laser projection |
| GB0209380D0 (en) | 2002-04-24 | 2002-06-05 | Boc Group Plc | Metal working |
| TWI248244B (en) | 2003-02-19 | 2006-01-21 | J P Sercel Associates Inc | System and method for cutting using a variable astigmatic focal beam spot |
| EP2692477A1 (de) * | 2012-08-03 | 2014-02-05 | Air Liquide Deutschland GmbH | Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Sägezahnstruktur |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5285800A (en) * | 1976-01-12 | 1977-07-16 | Toshiba Corp | Method of removing scattered material |
| JPS54126647A (en) * | 1978-03-27 | 1979-10-02 | Agency Of Ind Science & Technol | Working method by thermal shock |
-
1987
- 1987-01-14 JP JP62006863A patent/JPH07100234B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63174793A (ja) | 1988-07-19 |
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