JPH0825076A - レーザ加工方法 - Google Patents

レーザ加工方法

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JPH0825076A
JPH0825076A JP6156958A JP15695894A JPH0825076A JP H0825076 A JPH0825076 A JP H0825076A JP 6156958 A JP6156958 A JP 6156958A JP 15695894 A JP15695894 A JP 15695894A JP H0825076 A JPH0825076 A JP H0825076A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 より高速に軟鋼の板等を切断できるレーザ加
工方法を提供する。 【構成】 加工ヘッド10内には集光レンズ10aが設
けられている。レーザビーム11は、この集光レンズ1
0aによって集光され、ワークに照射される。加工ヘッ
ド10の側面にはアシストガス入口10bが設けられて
おり、アシストガス入口10bには酸素ガスボンベ90
と不活性ガスボンベ91が接続されている。アシストガ
ス入口10bに供給されたガスは、加工ヘッド10の先
端のノズルから、ワークに向かって噴出される。なお、
酸素ガスボンベ90と不活性ガスボンベ91には、それ
ぞれ電磁弁90a、91aが設けられており、電気的に
弁の開閉を制御することができる。ワークの切断を行う
場合、予め飽和切断速度を実験等により求めておく。そ
して、切断速度が飽和切断速度未満の場合には、酸素ガ
スをアシストガス入口10bへ供給する。また、切断速
度が飽和切断速度以上の場合には、不活性ガスをアシス
トガス入口10bへ供給する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はレーザビームによって切
断加工を行うレーザ加工方法に関し、特に軟鋼の板等を
高速に切断するのに適したレーザ加工方法に関する。
【0002】
【従来の技術】レーザ加工は、極めて位相のそろった単
色光を発生させ、それを集光レンズで集光することによ
って得られる高密度のエネルギをもったレーザビーム
を、ワークの極小部分に照射して、ワークを蒸発、溶融
する加工方法である。レーザビームは制御性が良いた
め、レーザ加工を数値制御装置で制御することにより、
複雑な形状の加工や、精密微細加工が可能である。そし
て、レーザ加工をより効率良く行う方法として、ワーク
の溶融を促進するための酸素をアシストガスとして利用
する方法がある。このアシストガスには、レーザの熱に
加え酸化熱によりワークの溶融を促進する作用ととも
に、溶融鉄を加工部から飛散除去する作用がある。
【0003】酸素を用いたアシストガスによる化学反応
は、以下の熱化学反応式で表される。
【0004】
【化1】 Fe+O2 ⇒ (1/2)FeO+38KJ/cm3 ・・・(1)
【0005】
【化2】 Fe+(2/3)O2 ⇒ (1/3)Fe3 4 +52KJ/cm3 ・・・(2) ここで軟鋼板厚の切断を行う場合、パンチプレスやプラ
ズマを用いれば、レーザ加工よりも高速な切断が可能で
ある。ところが、パンチプレスは微細加工には向いてい
ない。また、プラズマによる切断は非常に高速である
が、環境の悪化を伴うとともに、各種部品の磨耗が激し
い。このように、パンチプレスやプラズマには、それぞ
れに問題点がある。そのため、環境に悪影響を及ぼさ
ず、部品の磨耗が少なく、さらに微細加工に優れている
レーザ加工による切断の高速化が望まれている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、レーザ出力を
大きくすることにより切断速度を速くする場合、切断速
度がある値を超えると、それ以後の切断速度の上昇率が
極端に悪くなってしまう。このような、切断速度の上昇
率が悪くなりだす速度を飽和切断速度と呼ぶ。
【0007】図4は酸素をアシストガスとした場合のレ
ーザ出力と切断速度の関係を示す図である。これは軟鋼
板厚1.0mmの場合である。図において、レーザ出力
が2kw以下の場合は、切断速度はレーザ出力に比例し
て速くなっている。ところが、レーザ出力が2kwを超
えると、切断速度は殆ど上昇しない。この例では、レー
ザ出力が2kwのときの切断速度8m/minが飽和切
断速度である。
【0008】このように、飽和切断速度を超えてしまう
と、レーザ出力を上げても、切断速度を上げることがで
きない。切断速度が速くならない原因として、アシスト
ガスによる溶融金属の除去が、切断速度に追いついてい
ないと考えられる。
【0009】ここで、切断速度が飽和切断速度以上の場
合に、アシストガスとして酸素ガスの圧力を高くして供
給すると、必要以上に酸化反応が生じてしまうため、溶
融部が大きくなり除去すべき溶融金属の体積が増加す
る。その結果、切断速度は増加しないばかりか、切断面
の品質悪化を招いてしまう。
【0010】従って、大出力のレーザビームを出すこと
ができるレーザ加工装置であっても飽和切断速度より高
速な切断を行うことができない。その結果、レーザ出力
を抑えて切断を行っており、そのレーザ加工装置の能力
を十分に発揮することができない。
【0011】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、より高速に軟鋼の板等を切断できるレーザ加
工方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、レーザビームで切断加工を行うレーザ加
工方法において、飽和切断速度を加工実験によって求
め、切断速度が前記飽和切断速度以下のときは、アシス
トガスとして酸素ガスを使用し、切断速度が前記飽和切
断速度以上のときは、アシストガスとして高圧の不活性
ガス、あるいは不活性ガスと酸素ガスの混合ガスを使用
し、切断加工を行うことを特徴とするレーザ加工方法が
提供される。
【0013】
【作用】まず、切断を行うワークの飽和切断速度を加工
実験によって求める。そして、実際に切断を行う際に、
切断速度が飽和切断速度以下のときは、酸素により溶融
を促進させ、レーザ出力に比例した切断速度を得る。切
断速度が飽和切断速度以上のときは、不活性ガスにより
溶融された金属を高速に飛散させ、切断速度を向上させ
る。
【0014】また、不活性ガスのためにレーザエネルギ
のみで加工が行われるために、切断面が劣化しない。
【0015】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図1は本発明のレーザ加工方法に用いる加工ヘ
ッドの概略構成を示す図である。加工ヘッド10内には
集光レンズ10aが設けられている。レーザビーム11
は、この集光レンズ10aによって集光され、ワークに
照射される。
【0016】さらに、加工ヘッド10の側面にはアシス
トガス入口10bが設けられており、アシストガス入口
10bには酸素ガスボンベ90と不活性ガスボンベ91
が接続されている。アシストガス入口10bに供給され
たガスは、加工ヘッド10の先端のノズルから、ワーク
に向かって噴出される。なお、酸素ガスボンベ90と不
活性ガスボンベ91には、それぞれ電磁弁90a、91
aが設けられており、電気的に弁の開閉を制御すること
ができる。
【0017】このような加工ヘッド10を有するレーザ
加工装置を用いてワークの切断を行う場合、予め飽和切
断速度を実験等により求めておく。そして、切断速度が
飽和切断速度未満の場合には、酸素ガスをアシストガス
入口10bへ供給する。また、切断速度が飽和切断速度
以上の場合には、不活性ガスをアシストガス入口10b
へ供給する。
【0018】ここで切断速度が飽和切断速度以上の場合
に供給されるガスは、必ずしも不活性ガスのみである必
要はなく、不活性ガスと酸素ガスとの混合ガスであって
も良い。なお、不活性ガスとしては窒素ガスやアルゴン
ガス等が使用される。
【0019】これにより、切断速度が飽和切断速度未満
の場合には、酸素ガスにより溶融を促進させることがで
き、切断速度が飽和切断速度以上の場合には、不活性ガ
ス、あるいは不活性ガスと酸素ガスとの混合ガスによ
り、溶融された金属を高速に飛散させ、切断速度を向上
させることができる。
【0020】図2は本発明の一実施例のNCレーザ装置
の構成を示したブロック図である。図において、プロセ
ッサ(CPU)40は読み取り専用メモリ(ROM)4
1に格納された制御プログラムに基づいて、ランダムア
クセスメモリ(RAM)42に格納された加工プログラ
ムを読みだし、NCレーザ装置全体の動作を制御する。
出力制御回路60は内部にD/Aコンバータを内蔵して
おり、プロセッサ40から出力された出力指令値を電流
指令値に変換して出力する。励起用電源61は商用電源
を整流した後、スイッチング動作を行って高周波の電圧
を発生し、電流指令値に応じた高周波電流を放電管66
に供給する。
【0021】放電管66の内部にはレーザガス65が循
環しており、励起用電源61から高周波電圧が印加され
ると放電を生じてレーザガス65が励起される。リア鏡
64は反射率99.5%のゲルマニウム(Ge)製の
鏡、出力鏡67は反射率65%のジンクセレン(ZnS
e)製の鏡であり、これらはファブリペロー型共振器を
構成し、励起されたレーザガス分子から放出される1
0.6μmの光を増幅して一部を出力鏡67からレーザ
ビーム11として外部に出力する。
【0022】出力されたレーザビーム11は、ベンダミ
ラー68で方向を変え、加工ヘッド10内部の集光レン
ズによって0.2mm以下のスポットに集光されてワー
ク20の表面に照射される。
【0023】軸制御回路70はCPU40の指令によっ
てサーボアンプ71を介してサーボモータ72を回転制
御し、ボールスクリュー74及びナット73によってテ
ーブル75の移動を制御し、ワーク20の位置を制御す
る。図ではx軸のみを表示してあるが、実際にはy,z
の制御軸もある。表示装置80にはCRT或いは液晶表
示装置等が使用される。
【0024】パワーセンサ63は熱電あるいは光電変換
素子等で構成され、リア鏡64から一部透過して出力さ
れたレーザビームを入力してレーザビーム11の出力パ
ワーを測定する。A/D変換器62はパワーセンサ63
の出力をディジタル値に変換してCPU40に入力す
る。
【0025】加工ヘッド10には酸素ガスボンベ90と
不活性ガスボンベ91が接続され、それぞれのボンベに
は、電磁弁90a、91aが設けられている。この電磁
弁90a、91aは、CPU40に接続された弁開閉制
御回路50で制御されている。そして、CPU40にお
いて計算された切断速度が、飽和切断速度以下の場合に
は、電磁弁90aが開けられ、加工ヘッド10に酸素ガ
スが供給され、切断速度が飽和切断速度以上の場合に
は、電磁弁91aが開けられ、加工ヘッド10に不活性
ガスが供給される。
【0026】図3は本発明を用いた場合のレーザ出力と
切削速度の関係を示す図である。この例は、軟鋼板厚1
mmの場合である。ここで、切断速度が飽和切断速度未
満の場合には、従来と同様にアシストガスとして酸素が
供給されている。従って、この範囲内においては、レー
ザ出力と酸化反応エネルギのバランスが良く、酸化反応
物(FeO、Fe3 4 )の発生、および酸化物を含む
溶融金属のワークからの飛散とういう現象が効率よく自
然に行われている。そのため、切断速度はレーザ出力
に、ほぼ比例して上昇する。
【0027】そして、切断速度が飽和切断速度以上の場
合には、アシストガスとして不活性ガスが供給されてい
る。従って、溶融金属を効率良く飛散させることがで
き、ワークに照射されたレーザビームのエネルギが、切
断のために有効に消費される。そのため、切断速度はレ
ーザ出力に、ほぼ比例して上昇する。
【0028】このようにして、切断速度が飽和切断速度
を超えた場合であっても、レーザ出力に比例して切断速
度を上げることができ、レーザ加工装置のレーザビーム
の出力能力を、切断速度の高速化のために発揮すること
ができる。
【0029】例えば、本発明を用いて3kwのレーザ出
力で軟鋼板厚1.0mmのワークを切断する場合には、
17m/minの速度での切断が可能となる。ここで、
パンチプレスによる切断速度は一般的に8m/min程
度である。従って、本発明を用いずに切断を行った場合
には、8m/minが飽和切断速度であり、パンチプレ
スによる切断と同程度の速度での切断しかできないが、
本発明を用いることによりパンチプレスによる切断の2
倍以上の切断速度を得ることができる。
【0030】以上のように、飽和切断速度以上の速度で
切断する際には、アシストガスとして不活性ガス、ある
いは混合ガスを使用したため、レーザエネルギにより溶
融された金属を高速に飛散させることが可能となり、レ
ーザ出力の大きさにともなった切断速度を得ることがで
きる。従って、大出力のレーザ加工装置であれば、その
レーザ出力に応じた高速の切断が可能になる。
【0031】さらに、酸素による溶融促進を行わないた
め、切断面への酸化皮膜の付着がなくなり、良好な切断
面品質を得ることができる。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように本発明では、切断速
度が飽和切断速度以下のときはアシストガスとして酸素
を使用し、飽和切断速度以上のときはアシストガスとし
て、高圧の不活性ガスを使用したので、溶融された金属
を高速に飛散させ、切断速度を上げることができる。
【0033】また、不活性ガスのためにレーザエネルギ
のみで加工が行われるために、切断面が劣化せずに高品
質の切断加工が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のレーザ加工方法に用いる加工ヘッドの
概略構成を示す図である。
【図2】本発明の一実施例のNCレーザ装置の構成を示
したブロック図である。
【図3】本発明を用いた場合のレーザ出力と切削速度の
関係を示す図である。
【図4】酸素をアシストガスとした場合のレーザ出力と
切断速度の関係を示す図である。
【符号の説明】
10 加工ヘッド 10a 集光レンズ 10b アシストガス入口 11 レーザビーム 90 酸素ガスボンベ 91 不活性ガスボンベ
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成7年8月18日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項1
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0012
【補正方法】変更
【補正内容】
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、レーザビームで切断加工を行うレーザ加
工方法において、飽和切断速度を加工実験によって求
め、切断速度が前記飽和切断速度未満のときは、アシス
トガスとして酸素ガスを使用し、切断速度が前記飽和切
断速度以上のときは、アシストガスとして高圧の不活性
ガス、あるいは不活性ガスと酸素ガスの混合ガスを使用
し、切断加工を行うことを特徴とするレーザ加工方法が
提供される。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0013
【補正方法】変更
【補正内容】
【0013】
【作用】まず、切断を行うワークの飽和切断速度を加工
実験によって求める。そして、実際に切断を行う際に、
切断速度が飽和切断速度未満のときは、酸素により溶融
を促進させ、レーザ出力に比例した切断速度を得る。切
断速度が飽和切断速度以上のときは、不活性ガスにより
溶融された金属を高速に飛散させ、切断速度を向上させ
る。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0014
【補正方法】変更
【補正内容】
【0014】また、不活性ガスを使用するのでレーザエ
ネルギのみで加工が行われ、切断面が劣化しない。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0026
【補正方法】変更
【補正内容】
【0026】図3は本発明を用いた場合のレーザ出力と
切断速度の関係を示す図である。この例は、軟鋼板厚1
mmの場合である。ここで、切断速度が飽和切断速度未
満の場合には、従来と同様にアシストガスとして酸素が
供給されている。従って、この範囲内においては、レー
ザ出力と酸化反応エネルギのバランスが良く、酸化反応
物(FeO、Fe3 4 )の発生、および酸化物を含む
溶融金属のワークからの飛散という現象が効率よく自然
に行われている。そのため、切断速度はレーザ出力に、
ほぼ比例して上昇する。
【手続補正6】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0031
【補正方法】変更
【補正内容】
【0031】さらに、酸素による溶融促進を行わないた
め、切断面への酸化皮膜の付着がなくなり、良好な切断
品質を得ることができる。
【手続補正7】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0032
【補正方法】変更
【補正内容】
【0032】
【発明の効果】以上説明したように本発明では、切断速
度が飽和切断速度未満のときはアシストガスとして酸素
を使用し、飽和切断速度以上のときはアシストガスとし
て、高圧の不活性ガスを使用したので、溶融された金属
を高速に飛散させ、切断速度を上げることができる。
【手続補正8】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0033
【補正方法】変更
【補正内容】
【0033】また、不活性ガスを使用するのでレーザエ
ネルギのみで加工が行われ、切断面が劣化せずに高品質
の切断加工が可能になる。
【手続補正9】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図3
【補正方法】変更
【補正内容】
【図3】本発明を用いた場合のレーザ出力と切断速度の
関係を示す図である。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザビームで切断加工を行うレーザ加
    工方法において、 飽和切断速度を加工実験によって求め、 切断速度が前記飽和切断速度以下のときは、アシストガ
    スとして酸素ガスを使用し、切断速度が前記飽和切断速
    度以上のときは、アシストガスとして高圧の不活性ガ
    ス、あるいは前記不活性ガスと酸素ガスの混合ガスを使
    用し、 切断加工を行うことを特徴とするレーザ加工方法。
  2. 【請求項2】 前記不活性ガスは、窒素ガスを使用する
    ことを特徴とする請求項1記載のレーザ加工方法。
  3. 【請求項3】 前記不活性ガスは、アルゴンガスを使用
    することを特徴とする請求項1記載のレーザ加工方法。
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