WO1993007987A1 - Method of laser piercing - Google Patents

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WO1993007987A1
WO1993007987A1 PCT/JP1992/001311 JP9201311W WO9307987A1 WO 1993007987 A1 WO1993007987 A1 WO 1993007987A1 JP 9201311 W JP9201311 W JP 9201311W WO 9307987 A1 WO9307987 A1 WO 9307987A1
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WO
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duty ratio
processing
pulse frequency
time
laser
Prior art date
Application number
PCT/JP1992/001311
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Yoshinori Nakata
Norio Karube
Etsuo Yamazaki
Original Assignee
Fanuc Ltd
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Filing date
Publication date
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B23K26/382—Removing material by boring or cutting by boring

Definitions

  • the present invention relates to a via tosing method performed at the start of processing when a workpiece is cut by a laser processing machine.
  • the conventional via-through processing method keeps the laser beam output constant from the start to the end of the via-through processing, that is, the beak value, frequency, and duty ratio of the laser pulse are constant. It is being processed.
  • the beak value of the laser pulse is increased to increase the drilling depth per hit, thereby shortening the machining time.
  • the way to shorten Are known.
  • In order to increase the beak value it is necessary to increase the power supply capacity, which raises the cost of the equipment.In practical terms, a high beak value causes instability in machining and causes variations in machining time. The disadvantage is that it grows larger.
  • Japanese Patent Laid-Open Publication No. Hei 3-111896 discloses that the laser output value is reduced at the start of the beating processing and the output value is reduced with time. It describes a method of continuously increasing the laser output value to an optimum laser output value, and thereafter performing processing with this output value until the end of piercing. However, it is described that this method also requires a time of 20 to 30 seconds from the start of beating processing to the end thereof when processing a material having a thickness of 12 mm. Further, the publication discloses a method of continuously increasing the assist gas pressure while continuously increasing the laser output value, and a method of increasing the laser output value between the nozzle tip and the workpiece. Although there is a method to reduce the gearbox of this type, it is possible to reduce the It takes 15 to 20 seconds for the via-forming process.
  • control for continuously increasing the laser output is performed, control for continuously increasing the assist gas, and Control must be performed at the same time, and the control becomes very difficult.
  • these methods cannot sufficiently reduce the time required for beating processing. For example, even with the conventional method of beer-thinning with a constant laser output, it is possible to machine a steel material with a thickness of 12 mm in about 20 seconds, which is a special difference. It can not be said.
  • the via cutting method is capable of performing stable processing without thermal runaway, minimizing variations in processing time for workpieces of the same material and the same thickness, shortening the processing time, and enabling long-term continuous processing.
  • An object of the present invention is to provide a via-shearing method in which the machining time is short, stable machining is achieved, and the control is simple and the variation in the machining time is small.
  • processing is started at an initial pulse frequency and an initial pulse duty ratio, and each time a first predetermined time elapses, the pulse frequency and the pulse duty ratio are increased by a predetermined increment. After that, the pulse frequency and pulse After increasing the utility ratio and increasing a predetermined number of times, or after a lapse of a predetermined time from the start of machining, drilling is performed until the end of machining while maintaining the pulse frequency and pulse duty ratio .
  • the initial pulse frequency and the initial pulse duty ratio, the predetermined time of each step to be increased stepwise, the predetermined increase amount of the pulse frequency and the pulse duty ratio, the number of increases, or the increase of the pulse frequency and the pulse duty ratio are stopped.
  • the elapsed time from the start of machining is changed according to the thickness of the workpiece to be machined and the peak power of the laser.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating the operation principle of the piercing method of the present invention
  • FIG. 2 is a block diagram of a main part of an NC laser apparatus for performing the method of the present invention.
  • FIGS. 3 to 8 are graphs showing experimental results for obtaining the optimum values of the initial pulse frequency, the initial pulse duty, and the tee ratio in the present invention.
  • FIGS. 9 to 12 are graphs showing experimental results for obtaining the optimum value of the time interval of the step for increasing the pulse frequency and the pulse duty ratio stepwise in the present invention.
  • FIGS. Reference numeral 25 denotes an experimental result for obtaining the optimum value of the pulse frequency, the number of times of increasing the duty ratio or the time interval from the start of machining in the present invention.
  • FIG. 26 to FIG. 31 are graphs showing experimental results of processing by a conventional via-through processing method.
  • FIG. 2 is a block diagram of an NC laser processing apparatus for implementing a via-thing processing control method according to the present invention.
  • the processor 1 reads out the program stored in the memory 3 based on the control program stored in R0M2 and controls the operation of the entire NC laser device.
  • the IZO unit 4 emits a pulsed laser beam 6 according to a control signal from the processor 1. This laser beam is reflected by a bending mirror 7 and sent to a laser beam machine 8.
  • the laser beam machine 8 is provided with a table 10 to which a work 9 is fixed, and a head 11 for irradiating the work 9 with a laser beam 6.
  • the laser beam 6 introduced into the head 11 is squeezed by a lens (not shown) provided in the nozzle 11a and irradiated to the work 9.
  • the laser machine 8 has servo motors 12 and 13 for controlling the movement of the table 10 in two directions orthogonal to the X and Y axes, and for controlling the movement of the head 11 up and down.
  • Servo motor 14 is provided. These servo motors 12, 13, and 14 are connected to servo amplifiers 15, 16, and 17, respectively, and their rotation is controlled according to an axis control signal from the processor 1. Further, the instruction to the laser processing machine 8 is performed via the CRT / MDI 18.
  • the configuration of the above NC laser device is the same as that of the conventional NC laser device. This is the same as the configuration, and details are omitted.
  • Figures 3 to 25 show the above parameters ⁇ . , Q.
  • the results of experiments performed to determine the optimal values of, ⁇ , Q, T, and N are shown.
  • Optical path length about 5.0 m
  • Nozzle stand-off 2.0 mm
  • Nozzle hole diameter 2.0 mm
  • Optical path length about 6.0 m
  • Nozzle stand-off 2. O mm
  • Nozzle hole diameter 3. O mm
  • FIG. 3 shows the initial pulse duty ratio Q under the following conditions. The result of an experiment in which is changed is shown.
  • Time interval T 500 msec
  • the range drawn by the thick line is the section where the beating processing has been completed, and the white circles in this section represent the average time of processing completion.
  • the start pulse duty ratio Q 0 30%, it indicates that machining is completed in about 6 seconds.
  • the pulse duty ratio Q at the start of machining It can be seen that the larger the value, the shorter the beating process time.
  • Fig. 4 shows the pulse frequency P at the start of machining under the machining conditions shown in Fig. 3. Is changed to 50 Hz, and the results of the experiment performed under the same other conditions are shown. In Fig. 4, the black circles indicate the locations where thermal runaway occurred.
  • FIG. 4 A comparison between Fig. 4 and Fig. 3 shows that thermal runaway is more likely to occur when the initial pulse frequency P0 at the start of machining is increased. Also, the initial pulse duty ratio Q at the start of machining. It can be seen that the thermal runaway is more likely to occur when the value is increased.
  • Figure 5 shows the initial pulse duty ratio Q under the following conditions. Represents the results of an experiment performed while changing
  • Pulse duty ratio increase Q l%
  • Time interval T 500 msec
  • Fig. 6 shows the initial pulse frequency P under the processing conditions shown in Fig. 5. Is changed to 10 Hz, and the result of the experiment is shown.
  • FIG. 9 is a graph showing the results of an experiment performed with different durations ⁇ under the following conditions in order to obtain the optimum value of the time T.
  • FIG. 9 is a graph showing the results of an experiment performed with different durations ⁇ under the following conditions in order to obtain the optimum value of the time T.
  • Peak power 3 5 hours 0 W
  • Pulse frequency increase P 5 Hz
  • Pulse duty ratio increase Q 1%
  • the time interval T was set to 200 msec in FIG. 9, 300 ms in FIG. 10, 400 ms in FIG. 11, and 500 ms in FIG. 12.
  • FIGS. 13 to 28 are graphs showing experimental results obtained by measuring the processing time while changing the pulse frequency and the number N of stepwise increases in the pulse duty ratio.
  • Figure 13 shows the results of an experiment under the following conditions with the number N of changes increased.
  • Pulse frequency increase P 5 Hz
  • Pulse duty ratio increase Q l%
  • Time interval T 3 0 0 m s e c
  • Fig. 14 shows the results of an experiment in which the time interval T was changed to 500 msec.When the time interval T was 300 msec, the machining time was shorter, and even if the number of increases N was too small, This shows that the machining time is prolonged even if it is too large, and that the variation in the machining time increases. In this experiment, it can be seen that when the time interval T is 300 msec and the number of additions N is about 9 to 11 times, the machining time is short and the variation is small.
  • Fig. 15 shows the results of the experiment shown in Fig. 13 in which the thickness of the workpiece was changed to 12 mm, and also in this case, when the number of increments N was 9 to 11 times. However, it can be seen that the heating time is short and the norakko is reduced.
  • Fig. 16 shows the results of the experiment shown in Fig. 14 in which the thickness of the workpiece was changed to 12 mm, and also in this case, when the number of increase N was set to 11 times, The time is short and It can be seen that the variation is reduced.
  • FIG. 17 shows the results of the experiment shown in FIG. 13 in which the thickness of the work was changed to 16 mm
  • FIG. 18 shows the results of the experiment shown in FIG. The results of the experiment with the thickness changed to 16 mm are shown.
  • Fig. 17 shows the case where the time interval T is 300 msec
  • Fig. 18 shows the case where the time interval T is 500 msec.
  • FIGS. 19 to 20 show the results obtained when the experiment was performed with the time interval T varied under the following conditions.
  • Pulse frequency increase P 5 Hz
  • Pulse duty ratio increase Q l%
  • the time interval T is set to 300 msec, and in FIG. 20 it is set to 500 msec.
  • Fig. 21 and Fig. 22 show the results obtained when the experiment was performed under the following conditions and the time interval T was changed.
  • Pulse frequency increase P 5 Hz
  • Pulse duty ratio increase Q l%
  • the time interval T is set to 300 msec, and in FIG. 22 it is set to 500 msec.
  • FIGS. 23 to 25 show the experimental results when workpieces of different thicknesses were machined under the following conditions.
  • Pulse frequency increase P 5 Hz
  • Pulse duty ratio increase Q l%
  • Time interval T 500 ms
  • the plate thickness was set to 19 Omm
  • Fig. 24 it was set to 22.0 mm
  • Fig. 25 it was set to 25 Omm. From these figures, it can be seen that, even if the pulse frequency and the pulse duty ratio N are too small or too large, the machining time increases and the variation in the machining time increases. It can be seen that the number of increases N exists, and that 14 to 17 times shortens the machining time and reduces the variation.
  • the initial pulse frequency P. Initial pulse duty ratio Q. If the value is small, the machining time will be long, and if the value is large, thermal runaway will occur. In addition, the shorter the time interval T of each step in which the pulse frequency and the pulse duty ratio are gradually increased, the shorter the processing time and the smaller the dispersion, but if too short, thermal runaway tends to occur. It can be seen that the interval T also has an optimum value. In addition, it can be seen that the number of increases N of the pulse frequency and the pulse duty ratio also shortens the processing time and reduces the variation.
  • Table 1 shows the beating processing time under each condition.
  • Fig. 26 to Fig. 31 show a conventional biasing method in which the beak value, frequency, and pulse duty ratio of the laser pulse are kept constant and the laser output is constant from the start to the end of the beating processing. The results obtained by experimentally measuring the machining time by the machining method are shown.
  • Figure 26 shows the results obtained by using the laser oscillators C1500 and C20000 manufactured by FANUC Ltd. under the basic condition (C) and the basic condition (D), respectively, with the beak output of 150 OW.
  • This is a graph showing measured via pacing processing time when processing a 9 mm thick film with different constant average output (this average output changes by changing the pulse frequency and the pulse duty ratio).
  • Optical path length about 5.0 m
  • Nozzle hole diameter 1.5 mm
  • Assist gas (oxygen) pressure 0.30 kg / cm
  • Optical path length about 5.0 m
  • Nozzle stand-off 1.0 mm
  • Nozzle hole diameter 2. O mm
  • the triangles in the figure represent the results of a single piercing machining experiment, and the horizontal bars indicate the variation range of the machining end time when the experiment was performed multiple times under the same conditions.
  • the circles indicate the average processing time.
  • Figure 27 shows the vias when a 9 mm thick mesh with a beak output of 2500 W and a thickness of 9 mm was machined at various constant average powers using the laser oscillator C 2000 under the basic conditions (D). It is a graph which measured the processing time. Even in this case, the minimum piercing time is 5-6 seconds.
  • Fig. 28 shows the experimental results when the beak output was changed to 150 OW under the conditions shown in Fig. 26 and a bead with a thickness of 12 mm was beaded. , The minimum load in this case The running time is around 20 seconds.
  • Fig. 29 shows the experimental results when piercing was performed on a 12 mm thick soft- ware under the same experimental conditions as the experiment of Fig. 27.
  • Figure 30 shows a laser oscillator C30000, with a beak output of 3500 W and a thickness of 12.2 mm, processed under the following basic conditions (E). The experimental results obtained by measuring the piercing processing time of the above are shown.
  • Nozzle stand-off 2 O mm
  • Nozzle hole diameter 3. O mm
  • Assist gas (oxygen) pressure 0.10 kg / cm 2 Focus position: Cutting position
  • Fig. 31 shows the case where a beak output of 350 W was used and a steel plate with a thickness of 16.0 mm was machined under the following basic conditions (F) using a laser oscillator C300.
  • 7 is a graph of an experimental result obtained by measuring a piercing time of the sample.
  • Nozzle stand-off 2. O mm or 1. O mm
  • Nozzle hole diameter 3.0 in m or 2. O mm
  • Assist gas (oxygen) pressure 0.10 or 0.2 kg / cm 2 Focus position: Cutting position
  • Table 3 shows the values of each parameter and the processing time at the time of performing the processing with emphasis on high speed in the conventional piercing method by the above experiments.
  • a beak output to an NC laser apparatus is performed according to the laser oscillator to be used, the thickness of the work, and whether the processing is performed with standard use or high speed.
  • Initial pulse frequency P 0 at the start of machining Initial pulse duty ratio Q.
  • the initial pulse duty ratio Q is set.
  • the predetermined time T elapses, the predetermined pulse frequency increase P and pulse duty ratio increase Q are increased, and the number of increases is counted. Thereafter, processing is performed without changing the pulse frequency and pulse duty ratio until the processing is completed.
  • the setting of each of the above parameters may be manually set from CRTZMDI18 or a method of setting these set values during a machining program.
  • Q0, P, Q, ⁇ , ⁇ are stored in a non-volatile memory or the like, and it is possible to set high-speed processing or normal processing and to set the plate thickness and peak output.
  • the values of the above parameters are read from the table, and the processing is controlled according to the values of the parameters.

Description

明 細 書
レーザ加工における ビア ツ シ ング加工方法
技 術 分 野
この発明は、 レーザ加工機によ り被加工物を切断する 場合に加工開始時に行なわれる ビア ツ シ ング加工方法に 関する。
背 景 技 術
レーザビームをワーク に照射してワ ー ク の切断を行な う レーザ加工においては、 切断加工開始時に ビア ッ シ ン グ加工を行な う必要があ る。 こ の ビア ッ シ ング加工は、 特にワークが钦鋼で板厚が 9 m m以上にな る と非常に難 し く な る。 それは、 ワー クである軟鋼がア シス ト ガスの 酸素によ り酸化 しやすく 、 かつ酸化反応がレーザビーム によ り増進されすぎ、 飛散する溶融金属 （スパ ッ タ） が 増大 し熱暴走を生 じ易い こ と に起因 している。 こ のため、 レーザビームをオ ン オフ し レーザビームによる入熱と、 ア シス ト ガスのみを噴射 して冷却する冷却とを繰り返す こ と によ っ て、 ビア ツ シ ング加工を行なっている。
従来から行なわれている ビア ツ シ ング加工方法は、 ビ ア ツ シ ング加工開始から終了まで レーザビームの出力を 一定に し、 即ち、 レーザパルスの ビー ク値、 周波数、 デ ユ ーティ 比を一定に して加工が行なわれている。 ま た、 こ の ビア ッ シ ング加工時間を短く する方法と して、 レー ザパルスの ビー ク値を増大させる こ と によ って 1 回当た り の穴明け深さ を増大させて加工時間を短 く する方法が 知られている。 ビーク値を大きく するには、 電源容量を 大き く する必要があり、 このため装置のコス トが上がる また、 実用面においては、 ビーク値が高いと加工の不安 定性が生じ、 加工時間のバラツキが大きく なるという欠 点が生じる。 更に、 ビーク値が高いこ とからスノ、'ッ タが 増大し、 このスパ ッ 夕が加工ノズルの内側に付着しノズ ルの目詰りが生じたり、 集光レンズが破損したりする。 また、 長期に渡る安定した加工が困難で、 ビーク出力を 維持できる時間が一般的に非常に短時間であるから、 加 ェされる穴は極めて小さいものとなり、 ピアツ シング加 ェ終了から通常の切断加工に移行できないという問題点 がある。
他にビアッ シ ング加工時間を短く する方法と して、 特 開平 3 — 1 1 8 9 8 9号公報に、 ビアツ シ ング加工開始 時にはレーザ出力値を小ざく し時間の経過と共に該出力 値を連続的に増大させ、 最適レーザ出力値まで増大する と、 以後ピアッ シング終了までこの出力値で加工を行う 方法が記載されてい る 。 しかし、 こ の方法も扳厚 1 2 m mの鑲材を加工した時ビアツ シング加工開始'から終了 までに 2 0 〜 3 0秒の時間を要すると記載されている。 さ らに、 該公報には、 上記レーザ出力値を連続的に増大 させながら、 ア シス トガス圧力も連続的に増大させる方 法、 及びレーザ出力値を増大させながら、 ノズル先端と 被加工物間のギヤ ッブを減少させる方法も記載されてい るが、 これらの方法を用いても板厚 1 2 m mの鋼板に対 してビア ッ シ ング加工に 1 5〜 2 0秒の時間が要すると されている。
この特開平 3 — 1 1 8 9 8 9号公報に記載されている 方法では、 レーザ出力を連続的に増大させる制御を行な う と共に、 ア シス トガスを連続的に増大させる制御や、 上記ギップを連続的に減少させる制御をも同時に行なわ ねばな らず、 その制御が非常に難しく なる。 しかも、 こ れらの方法ではビア ツ シ ング加工時間の短縮は十分に行 なえない。 例えば、 レーザ出力を一定に してビア ツ シン グ加工を行なう従来の方法に於いても板厚 1 2 m mの鋼 材を 2 0秒程度で加工を行なう こ とができ、 格別な差異 がある とは言えない。
熱暴走を生じずに安定した加工が出来、 同一材質で同 一板厚の被加工物に対する加工時間のバラツキが少なく、 加工時間が短く 、 長時間連続処理ができ る ビア ツ シ ング 加工方法は現在提供されておらず、 上記従来の方法は実 用 レベルに於いて満足できる ものではない。
発 明 の 開 示
本発明は、 加工時間が短く 安定した加工がで ίると共 に、 制御が簡単で加工時間のバラツキが少ないビア ッ シ ング加工方式を提供する。
本発明は、 初期パルス周波数及び初期パルスデューテ ィ 比で加工を開始し、 第 1の所定時間が経過する毎にパ ルス周波数及びパルスデューティ 比を所定増加量だけ增 加させる。 以後順次段階状にパルス周波数及びパルスデ ユ ーティ比を增加させ、 所定回数だげ増加させた後、 或 いは、 加工開始から所定時間が経過した後は、 パルス周 波数及びパルスデューティ比を維持して加工終了まで穴 明け加工を行なう。
そ して、 初期パルス周波数及び初期パルスデューティ 比、 段階状に増加させる各ステップの所定時間、 パルス 周波数及びパルスデューティ 比の所定増加量、 増加回数 或いはパルス周波数及びパルスデューティ 比の増加を停 止させる加工開始からの経過時間は、 加工しょう とする ワークの板厚、 レーザのピーク出力に応じて変更する。
図面の簡単な説明
図 1は本発明のピアツ シ ング加工方法の動作原理を説 明する説明図、
図 2は本発明の方法を実施する N C レーザ装置の要部 ブロ ッ ク図、
図 3乃至図 8は本発明に於ける初期パルス周波数及び 初期パルスデュー,ティ比の最適値を求めるための実験結 果を示すグラフ、
図 9乃至図 1 2は本発明に於ける段階状にパルス周波 数、 パルスデューティ比を増大させるステ ッ プの時間間 隔の最適値を求めるための実験結果を表わすダラフ、 図 1 3乃至図 2 5 は本発明におけるパルス周波数、 ノ ルスデューティ 比を増大させる回数或いは加工開始から の時間間隔の最適値を求めるための実験結果を表わすグ 図 2 6乃至図 3 1 は従来の ビア ツ シ ング加工方法によ る加工の実験結果を表わすグラ フである。
発明を実施するための最良の形態 図 2は本発明の ビア ツ シ ング加工制御方法を実施する ための N C レーザ加工装置のブロ ッ ク図である。 ブロセ ッ サ 1 は R 0 M 2に格納された制御プログラムに基づい て、 メ モ リ 3に格納された加エブログラ ラ ムを読み出 し、 N C レーザ装置全体の動作を制御する。 I ZOユニ ッ ト 4は、 プロセ ッ サ 1からの制御信号に従ってパルス上の レーザビーム 6を発射する。 この レーザビームは、 ベン ディ ング ミ ラー 7で反射 して レーザ加工機 8に送られる。
レーザ加工機 8には、 ワー ク 9が固定されるテーブル 1 0 と 、 ワ ー ク 9 に レーザビーム 6を照射するヘ ッ ド 1 1 とが設けられている。 へッ ド 1 1 に導入された レー ザビーム 6は、 ノ ズル 1 1 a内に設け られた レ ンズ （図 示せず） で絞られてワー ク 9 に照射される。 レーザ加工 機 8には、 テーブル 1 0を X軸、 Y軸の直交する 2方向 に移動制御するためのサーボモー タ 1 2 , 1 3が、 また へ ッ ド 1 1 を上下に移動制御するためのサーボモー タ 1 4が設け られている。 これらサーボモー タ 1 2 , 1 3 及び 1 4は、 夫々サーボア ンブ 1 5、 1 6及び 1 7 に接 続されてお り 、 プロセ ッ サ 1 からの軸制御信号に従って 回転制御される。 ま た、 レーザ加工機 8への指示は、 C R T/M D I 1 8を介して行われる。
上記 N C レーザ装置の構成は従来の N C レーザ装置の 構成と同様であり、 詳細は省略する。
次に、 図 1を参照して上記 N C レーザ装置による本発 明のピアッ シング加工方法について説明する。
図 1 に示すように、 所定の初期パルス周波数 P。 及び ノ、 ·ルスデューティ 比 Q。 の レーザパルスでビア ッ シ ング 加工を開始し、 所定時間 Tに達する毎に所定のパルス周 波数増加量 P、 パルスデューティ 比増加量 Qだけ段階的 に増大させる。 パルス周波数及びパルスデューティ 比を 所定回数 Nだけ増加した後、 或いは加工開始から所定経 過時間 経過した後、 穴明け完了時間 T 2 まで、 増加 したパルス周波数 Ρ Ν 及びパルスデューティ 比 Q Ν を維 持してビアツ シング加工を行なう。 このよ う に初めは小 さな値に設定されていたパルス周波数、 パルスデューテ ィ 比を段階的に増大させるこ とによって熱暴走を発生さ せるこ となく、 短時間で穴明け加工ができ、 かつ加工時 間のバラッキが少なく なる。
図 3〜図 2 5は上記各パラメータ Ρ 。 、 Q。 、 Ρ、 Q、 T及び Nの最適値を求めるため行なった実験の結果を示 す。
図 3〜図 2 5 にその結果を示す各実験に於いては、 フ ァナッ ク Ltd 製レ一ザ発振器 C 2 0 0 0及び C 3 0 0 0 を使用し、 レーザ発振器 C 2 0 0 0を使用した場合は以 下に示す基礎条件 （A ) で実験を行ない、 レーザ発振器 C 3 0 0 0を使用した場合は基礎条件 （B ) で実験を行 なった c 基礎条件 （A)
光路長 ： 約 5. 0 m
レ ンズ焦点距離 ： 7. 5 0イ ンチ
ノ ズルス タ ン ドオフ ： 2. 0 mm
ノ ズル穴径 ： 2. 0 mm
ア シス ト ガス （酸素） 圧 0. 2 5 k g / c m
焦点位置 ： 切断位置
ワー ク ： 钦網
基礎条件 （ B )
光路長 ： 約 6 . 0 m
レ ンズ焦点距離 ： 7. 5 0イ ンチ
ノ ズルス タ ン ドオ フ ： 2. O mm
ノ ズル穴径 ： 3. O mm
ア シス ト ガス （酸素） 圧 0 k g Z c m
焦点位置 ： 切断位置
ワー ク ： 軟鋼
図 3は以下に示す条件に於いて初期パルスデューティ 比 Q。を変化させて実験した結果を示す。
レーザ発振器 ： C 2 0 0 0
板厚 ： 1 2 m m
ビー ク 出力 ： 2 5 0 0 W
初期パルス周波数 P。 = 1 0 H z
初期パルスデューテ ィ 比 Q。= l 5 %、 2 0 % , 2 5 %.
3 0 %
パルス周波数増加量 P = 5 H z パルスデューティ 比増加量 Q = 1 %
時間間隔 T = 5 0 0 m s e c
図 3中、 太線で描かれた範囲はビア ツ シ ング加工完了 区間で、 この区簡中の白丸は加工完了の平均時間を表わ す。 例えば、 スター ト時のパルスデューティ 比 Q 0 = 3 0 %では約 6秒で加工が終了しているこ とを示す。 図 3から、 加工スター ト時のパルスデューティ 比 Q。 を大 き く した方が、 ビアッ シング加工時間が短く なるこ とが 分かる。
図 4は図 3に示した加工条件に於いて加工スター ト時 のパルス周波数 P。 を 5 0 H zに変更し、 他の条件を同 一と して実験した結果を示す。 図 4中、 黒丸は熱暴走が 生じた位置を示す。
図 4 と図 3 との比較により、 加工スター ト時の初期パ ルス周波数 P 0 を増大させると熱暴走が生じ易く なるこ とが分かる。 また、 加工スター ト時の初期パルスデュー ティ比 Q。 を増大させると熱暴走が生じやすく なること が分かる。
図 5は以下に示す条件に於いて初期パルスデューティ 比 Q。を変化させて実験した結果を表わす。
レーザ発振器 ： C 3 0 0 0
板厚 ： 1 2 m m
ビーク出力 ： 3 5 0 0 W
初期パルス周波数 P。 = 5 H z
初期パルスデューティ比 Q。 = 7 %, 1 0 %.1 5 % パルス周波数増加量 P = 5 H z
パルスデューティ 比増加量 Q = l %
時間間隔 T = 5 0 0 m s e c
図 6 は、 図 5 の加工条件に於いて初期パルス周波数 P。 を 1 0 H z に変更して実験した結果を表わす。
図 5 と図 6 との比較から、 加工スター ト時のバルス周 波数 P。 を 5 H zから 1 0 H z に変えても、 加工完了時 間は格別変化がないこ とが分かる。 また、 図 3 と図 6 と の比較から、 ビーク出力を増大した方が、 加工時間は短 く なるこ とが分かる。 例えば、 加工スター ト時のデュー ティ 比 Q。 = 1 5 %の場合、 図 3では加工時間が 9秒か ら 9. 5秒要しているが図 6では 6〜 7秒で終了してい 図 7 は図 6の加工条件に於いて扳厚を 1 6 mmに変更 して実験した結果を示す。 また、 図 8 は図 7の加工条件 に於いて初期パルス周波数 P。 を 5 H z に変更て実験し た結果を示す。
以上、 図 3〜図 8 に示す実験結果より、 （ 1 ) 加エス ター ト時のパルスデューティ 比 Q。 は大き く する方が加 ェ時間が短く なるが、 熱暴走が生じ易く なるこ と、 （ 2) 加エス タ 一 ト時のパルス周波数 P。 が高い程熱暴走が生 じ易く なるこ と、 （ 3 ) ビーク出力が大きいほど加工時 間が短く なるこ とが分かる。
図 9〜図 1 2 は段階的にパルス周波数、 パルスデュー ティ 比を増加させる時間間隔、 即ち、 1 ステ ッ プの持続 時間 Tの最適値を求めるため以下に示す条件に於いて持 続時間 Τを異ならせて実験したと きの結果を示すグラフ である。
レーザ発振器 ： C 3 0 0 0
板厚 ： 1 2 m m
ピーク出力 ： 3 5 ひ 0 W
初期パルス周波数 P 0 = 1 0 H z
初期パルスデューティ比 Q。 = 1 5 %
パルス周波数増加量 P = 5 H z
パルスデューティ比増加量 Q = 1 %
時間間隔 Tは図 9では 2 0 0 m s e c、 図 1 0では 3 0 0 m s e c、 図 1 1では 4 0 0 m s e じ、 図 1 2では 5 0 0 m s e e とした。
図 9〜図 1 2から分かるように、 持続時間 Tは小さく する程加工時間は減少するが、 図 9に示すよう に、 時間 間隔 T = 2 0 0 m s e c とすると熱暴走が生じている。 また、 図 1 0〜図 1 2から分かるように、 時間間隔 Tを 大きく すると加工時間のバラツキが増大しており、 加工 時間が短く 、 熱暴走が生ぜず、 且つ加工時間のバラツキ が少ない最適な時間間隔 Tが存在するこ とが分かる。 こ れらの実験例では、 時間間隔 Tを 3 0 O m s e c程度に すると最適であるこ とが分かる。
図 1 3〜図 2 8は、 パルス周波数及びパルスデューテ ィ比を段階的に増大させる回数 Nを変化させて加工時間 を測定した実験結果を表わすグラ フである。 図 1 3は以下に示す条件に於いて増加回数 Nを変化さ せて実験したと きの結果を表わす。
レーザ発振器 ： C 2 0 0 0
板厚 ： 9 mm
ビーク出力 ： 2 5 0 0 W
初期パルス周波数 P。 = 1 0 H z
初期パルスデューテ ィ 比 Q。 = 2 3 %
パルス周波数増加量 P = 5 H z
パルスデューティ 比増加量 Q = l %
時間間隔 T = 3 0 0 m s e c
図 1 4は時間間隔 Tを 5 0 0 m s e c に変更して実験 した結果を示し、 時間間隔 Tが 3 0 0 m s e c の場合の 方が加工時間が短く 、 増加回数 Nが小さすぎても、 また 大き過ぎても加工時間が長く なり、 かつ加工時間のパラ ツキが大き く なるこ とを示している。 こ の実験において は、 時間間隔 Tが 3 0 0 m s e cで、 增加回数 Nが 9〜 1 1回程度が加工時間が短く かつ、 バラツキも少な く な るこ とが分かる。
図 1 5は、 図 1 3 に示した実験に於いてワークの板厚 を 1 2 mmに変更して実験した結果を示し、 この場合も、 増加回数 Nを 9〜 1 1 回に したと きが加ェ時間が短く 、 且つ、 ノ ラツキも少な く なる こ とが分かる。
図 1 6 は、 図 1 4 に示した実験に於いてワークの板厚 を 1 2 mmに変更して実験した結果を示し、 この場合も、 増加回数 Nを 1 1 回に したと きが加工時間が短く 、 且つ バラツキも少なく なるこ とが分かる。
図 1 7は図 1 3に示した実験に於いてワー ク の扳厚を 1 6 m mに変更して実験した結果を示し、 図 1 8 は図 1 4に示した実験に於いてワークの扳厚を 1 6 mmに変 更 して実験 した結果を示す。 図 1 7 は時間間隔 Tが 3 0 0 m s e cの場合、 図 1 8は時間間隔 Tが 5 0 0 m s e cの場合である。
図 1 7及び図 1 8から も加工時間を短く し、 かつ加工 時間のバラツキを小さ くするパルス周波数、 パルスデュ 一ティ比の増加回数 N ( 1 0〜 1 1回が最適） が存在す ることが分かる。
図 1 9〜図 2 0は以下の条件に於いて時間間隔 Tを変 化させて実験したときの結果を示す。
レーザ発振器 ： C 3 0 0 0
扳厚 ： 1 6 mm
ビー ク出力 ： 3 5 0 0 W
初期パルス周波数 P。 = 1 0 h z
初期パルスデューティ 比 Q。 = 1 5 %
パルス周波数増加量 P = 5 H z
パルスデューティ 比増加量 Q = l %
図 1 9では時間間隔 Tを 3 0 0 m s e c と し、 図 2 0 では 5 0 0 m s e c と した。
この場合も、 増加回数 Nを 1 0回程度とすると加工時 間が短く 、 バラツキが比較的少ないものを得るこ とがで きるこ とを示している。 図 2 1及び図 2 2は以下の条件に於いて時間間隔 Tを 変化させて実験したときの結果を示す。
レーザ発振器 ： C 2 0 0 0
板厚 ： 1 9 mm
ビーク出力 ： 2 5 0 0 W
初期パルス周波数 P。 = 1 0 h z
初期パルスデューティ 比 Q。 = 2 3 %
パルス周波数増加量 P = 5 H z
パルスデューティ 比増加量 Q = l %
図 2 1では時間間隔 Tを 3 0 0 m s e c、 図 2 2では 5 0 0 m s e c と した。
この実験結果から も、 増加回数 Nの最適値があるこ と が分かり、 約 1 2〜 1 3回程度が加工時間を短く かつバ ラツキも少なく するこ とが分かる。
図 2 3〜図 2 5は、 以下の条件で異なった板厚のヮー クを加工したと きの実験結果を示す。
レ一ザ発振器 ： C 3 0 0 0
ビーク出力 ： 3 5 0 0 W
初期パルス周波数 P。 = 1 0 h z
初期パルスデューティ 比 Q。 = 1 5 %
パルス周波数増加量 P = 5 H z
パルスデューティ 比増加量 Q = l %
時間間隔 T ： 5 0 0 m s e c
図 2 3では板厚を 1 9. O mm、 図 2 4では 2 2. 0 mm、 図 2 5では 2 5. O m mと した。 これらの図からも、 パルス周波数及びパルスデューテ ィ 比の増加回数 Nが小さすぎても、 大きすぎても加工時 間が増大し、 加工時間のバラツキも増大するこ とが分か り、 最適の増加回数 Nが存在し、 1 4〜 1 7回が加工時 間を短く 、 かつバラツキも少なく することが分かる。
以上の各実験結果より、 初期パルス周波数 P。 、 初期 パルスデューテイ比 Q。 は小さく すると加工時間が長く なり、 大きく すると熱暴走を生じるので、 これらの値に は最適値があることが分かる。 また、 パルス周波数、 パ ルスデューティ比を段階的に増加させる各ステップの時 間間隔 Tは短い程、 加工時間を短く 、 バラツキも小さく できるが、 短すぎると熱暴走を生じやすく なり、 この時 間間隔 Tも最適値があることが分かる。 更に、 パルス周 波数、 パルスデューティ比の増加回数 Nも加工時間を短 く し、 かつバラツキを少なく する回数があるこ とが分か る o
こ う して得られた実験結果から、 標準的な使用に於い て、 加工時間を短縮すると共に熱暴走を防止し、 且つ、 加工時間のバラツキを少なく する上記各パラメータの値 は、 表 1 に示す程度の値が最適であると考えられる。 尚、 表 1 には各々の条件下でのビアツ シング加工時間を示す。
また、 加工の高速性を重視した場合には、 表 2 に示す 値が最適であり、 これらの値を用いると加工時間をより 短くするこ とができる。 爾ビーク 初期設定条件 増加量 Z1ステ繊時間増加回数 ビアッシン
(mm) 出力 ッブ ^msec) グ時間
(W) (sec) 周波数丁 エー 一周波数 τ エーティ一
(Hz) (%) (Hz) (%)
9 1500 10 30 5 1 500 12 6.0±1.0
2500 10 23 5 1 300 9 3.5±0.5
2500 10 23 5 1 500 9 3.9±0.5
12 1500 10 30 5 1 500 19 10.0±1.0
2500 10 23 5 1 300 10 5.8±0.5
2500 10 23 5 1 500 11 7.0±0.5
16 2500 10 23 5 1 300 11 11.7±1.0
2500 10 23 5 1 500 11 12.6±1.0
3500 10 15 5 1 500 10 8.8±1.0
19 2500 10 23 5 1 300 12 17.6±3.0
2500 10 23 5 1 500 13 16.4±2.0
3500 10 15 5 1 500 12 11.6±1.0
22 2500 10 23 5 1 300 14 23.0±3.0
2500 10 23 5 1 500 14 26.0±3.0
3500 10 15 5 1 500 14 15.3±3.0
25 3500 10 15 5 1 500 17 22.0±3.0 表 2
Figure imgf000018_0001
図 2 6〜図 3 1は、 ビアツ シング加工開始から終了ま で レーザパルスのビーク値、 周波数及びパルスデューテ ィ比を一定にして一定のレーザ出力で加工する、 従来か ら行われている ビアッ シ ング加工方法による加工時間を 実験によって測定した結果を示す。
図 2 6は、 ファナック Ltd.製レ一ザ発振器 C 1 5 0 0 及び C 2 0 0 0を使用し、 夫々基礎条件 （ C ) 及び基礎 条件 （D ) で、 ビーク出力 1 5 0 O Wで扳厚 9 m mの软 銷を異なった一定平均出力 （パルズ周波数、 パルスデュ 一ティ ー比を変えることによってこの平均出力は変わる） で加工した場合のビアヅ シング加工時間を測定したグラ フである。
基礎条件 （ C )
光路長 ： 約 5 . 0 m
レ ンズ焦点距離 ： 5. 0 0 イ ンチ ノ ズルス タ ン ドオ フ ： 1. O mm
ノ ズル穴径 ： 1. 5 m m
ア シス ト ガス （酸素） 圧 ： 0 3 0 k g / c m
焦点位置 ： 切断位置
基礎条件 （ D )
光路長 ： 約 5. 0 m
レ ンズ焦点距離 ： 7. 5 0イ ンチ
ノ ズルス タ ン ドオフ ： 1. 0 m m
ノ ズル穴径 ： 2. O m m
アシス トガス （酸素） 圧 ： 0. 3 0 k g c m 2
焦点位置 ： 切断位置
図中の三角印は 1 回のピア ッ シ ング加工実験による結 果を表わしたものであり、 横棒は同一条件で複数回の実 験を行なったと きの加工終了時間のバラツキ範囲を示し、 丸印はその平均加工時間を示している。
図 2 6から分かるよう に、 9 m mの扳厚にビア ッ シン グ加工を行なう には最小でも 9秒程度の時間を要する。
図 2 7は、 レーザ発振器 C 2 0 0 0を使用し、 基礎条 件 （D ) により ビーク出力 2 5 0 0 Wで扳厚 9 mmの钦 網を種々の一定平均出力で加工した場合のビア ツ シ ング 加工時間を測定したグラフである。 この場合でも、 最小 ピア ツ シ ング加工時間は 5〜 6秒である。
図 2 8 は図 2 6 に示した条件に於いてビーク出力を 1 5 0 O Wに変更して、 板厚 1 2 mmの钦鏑をビア ツ シ ン グ加工をしたと きの実験結果を示し、 この場合の最小加 ェ時間は 2 0秒前後である。
図 2 9は、 図 2 7の実験と同一実験条件で、 板厚 1 2 mmの軟鎩をピアツ シング加工したと きの実験結果を示 す。
図 3 0は、 レーザ発振器 C 3 0 0 0を使用し、 下記の 基礎条件 （ E ) で、 ビーク出力を 3 5 0 0 Wと し、 板厚 1 2. O mmの軟鑼を加工したときのピア ツ シング加工 時間を測定した実験結果を示す。
基礎条件 （E )
光路長 ： 約 6. 0 m
レンズ焦点距離 ： 7. 5 0イ ンチ
ノズルスタン ドオフ 2. O mm
ノズル穴径 ： 3. O mm
ア シス ト ガス （酸素） 圧 ： 0. 1 0 k g / c m2 焦点位置 ： 切断位置
図 3 1は、 レーザ発振器 C 3 0 0 0を使用し、 下記の 基礎条件 （ F ) で、 ビーク出力を 3 5 0 0 Wと し、 板厚 1 6. 0 m mの软綱を加工したときのピアヅ シング加工 時間を測定した実験結果のグラフである。
基礎条件 （ F )
光路長 ： 約 6. 0 m
レンズ焦点距離 ： 7. 5 0イ ンチ
ノ ズルスタ ン ドオフ ： 2. O mm又は 1. O mm
ノズル穴径 ： 3. 0 in m又は 2. O mm
ア シス ト ガス （酸素） 圧 ： 0 .1 0又は 0 .2 kg/cm2 焦点位置 ： 切断位置
上記各実験によって、 従来の ピア ツ シ ング加工方法に 於いて高速性を重視 して加工を行ったと きの各パラ メ一 夕の値とそのと きの加工時間を表 3に示す。
表 3 板厚 ビ ー ク 周波数 f' ユーテ ί一 平均出力 f 了ゥシンク'
(mm) 出力 (W) (Hz) (%) (W) 時間 (sec)
1 Λ Λ
D 1500 1 U U 0/4 1. o ± 0， 5 a 1 Γ Λ Λ η r
1 oUU 1 0 C
Ό L Ό 000 8. ϋ土 1. U C Λ Λ r
o 00 L Ό L 1 4 a a 0.0 ± U - 0
1 C Λ
丄 L 丄 ϊ) U U 7 ς 0 υ 40 u 丄 ， Uェ L . U
2500 25 21 499 15.5± 2.0
3500 50 19 708 6.4± 1.0
16 2500 75 15 446 55.0土 5.0
3500 100 14 643 9·5± 3.0 表 3から分かるように、 高速性を重視した畤でも、 板 厚 6 mmの软鑲は 1. 5 ± 0. 5秒でピア ッ シ ング加工 ができるが、 9 m mの扳厚になると最小でも 5. 3 土 0. 5秒かかり、 板厚が 1 2 mmとなると、 ビーク出力 を 3 5 0 0 Wに した時で最小の 6. 4 ± 1. 0秒、 扳厚 が 1 6 m mになると最小で 9. 5 ± 3. 0秒のビアッ シ ング時間がかかるこ とが分かる。
表 3に示す従来のビアツ シ ング加工方法における加工 時間と、 表 2に示す本発明のビアツ シ ング加工方法によ る高速性を重視した加工の加工時間とを比較すると、 本 発明の方が、 加工時間が短く なっているこ とが分かる。 また、 従来の方法と本発明の表 1 に示す標準的なビアッ シ ング加工と比較しても、 ピアツ シ ング加工時間は本発 明の方が格段に短く なつており、 熱暴走を防止した標準 的な使用の場合には、 本発明の方法による ビア ッ シ ング 加工では従来の方法と比較し、 ビアッ シング加工時間を 従来の方法の 1 Z 3〜 1 Z5に短縮するこ とができる。
本発明のビア ツ シ ング加工を行なう ときには、 使用す る レーザ発振器、 ワーク の板厚、 及び標準使用で行なう か高速性を重視して加工を行なうかに応じて、 N C レー ザ装置に ビーク 出力、 加工開始時の初期パルス周波数 P 0 、 初期パルスデューティ比 Q。 、 1ステ ッ プのバル ス周波数増加量 P、 パルスデューティ 比増加量 Q、 1ス テツブの時間間隔 T、 パルス周波数、 パルスデューティ 比の増加回数 （も しく は増加時間 T Nを設定する。 初期パルス周波数 P 。 及び初期パルスデューテ ィ 比 Q 。 で加工を開始し、 所定の時間 Tが経過する毎に所定のパ ルス周波数増加量 P 、 パルスデューティ 比増加量 Qを增 加させる と共に、 増加回数を計数 し、 設定増加回数 Nに 達する と、 以後は、 加工が終了するまでパルス周波数、 パルスデューティ 比を変える こ とな く 加工を行な う。
上記各バラ メ ー タの設定は、 C R T Z M D I 1 8 よ り 手動で設定 して もよ く 、 また、 加工プログラム中にこれ ら設定値を設定する方式でも よい。 高速加工か通常加工 かに応 じ、 かつ、 板厚及びビーク 出力の値に応 じて上記 各バラ メ ー タ P 。 、 Q 0 、 P 、 Q、 Τ 、 Νを記憶したテ 一ブルを不揮発性メ モ リ 等に記憶させておき、 高速加工 か通常加工かを設定する と共に板厚と ピー ク 出力を設定 する こ とによ って、 テーブルから上記各パラメ ータの値 を読み出 し、 こ のバラ メ ー タ の値に従って加工制御する。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 初期パルス周波数及び初期パルス ュ一ティ 一比で 加工を開始し、
第 1 の所定時間が経過する毎にパルス周波数及びパル スデューティ 一比を夫々所定増加量だけ増加させ、
パルス周波数及びパルスデューティ 一比を所定回数だ け増加させた後は、 バルス周波数及びパルスデューティ 一比を維持して加工終了までピア ツ シ ング加工を行なう、 レーザ加工における ピア ッ シ ング加工方法。
2 . 上記初期パルス周波数及び初期パルスデューティ ー 比、 上記第 1 の所定時間、 上記パルス周波数及びパルス デューティ ー比の増加量、 並びに上記増加回数は、 被加 ェ物の扳厚及びレーザのビーク出力によって変更する、 請求の範囲第 1項記載のレーザ加工における ピアツ シン グ加工方法。
3 . 上記所定回数は、 被加工物の板厚 9 m m乃至 1 6 m m、 レーザのビーク出力 2 5 0 0 W乃至 3 5 0 0 Wに於 いて 9乃至 1 1回である、 請求の範囲第 2項に記載のレ —ザ加工における ビアツ シング加工方法。
4 . 上記所定回数は、 被加工物の板厚 1 9 m m乃至 2 2 m m、 レーザの ピー ク出力 2 5 0 0 W乃至 3 5 0 0 Wに 於いて 1 2乃至 1 4回である、 請求の範囲第 2項に記載 のレーザ加工における ピアツ シ ング加工方法。
5 . 上記第 1 の所定時間は 3 0 0乃至 5 0 0 m s e で ある、 請求の範囲第 1項に記載のレーザ加工における ビ ア ツ シ ング加工方法。
6 . 上記パルス周波数の増加量は 5 H z である、 請求の 範囲第 1 項に記載の レーザ加工における ビア ツ シ ング加 IL ¾ ¾: 0
7 . 上記パルスデューティ ー比の增加量は 1 %であ る、 請求の範囲第 1 項に記載の レーザ加工における ビア ツ シ ング加工方法。
8 . 初期パルス周波数及び初期パルスデューティ ー比で 加工を開始 し、
第 1 の所定時間が経過する毎にパルス周波数及びパル スデューティ ー比を夫々所定増加量だけ増加させ、
加工開始から第 2 の所定時間が経過 した後は、 パルス 周波数及びパルスデューティ 一比を維持して加工終了ま で ビア ツ シ ング加工を行な う、 レーザ加工における ビア ッ シ ング加工方法。
9 . 上記初期パルス周波数及び初期パルスデューティ ー 比、 上記所定時間、 上記パルス周波数及びパルスデュー ティ ー比の所定増加量、 並びに上記第 2 の所定時間は、 加工しょ う とする対象物の板厚及びレーザの ビーク 出力 によ って変更する、 請求の範囲第 8項記載の レーザ加工 における ビア ツ シ ング加工方法。
10. 上記第 1 の所定時間は、 3 0 0乃至 5 0 0 m s e c である、 請求の範囲第 8 項に記載の レーザ加工における ビア ツ シ ング加工方法。
1 1. 上記パルス周波数の増加量は 5 H z であ る、 請求の 範囲第 8項に記載の レーザ加工における ピア ツ シ ング加 丄 法。
12. 上記パルスデューティ ー比の増加量は 1 %である、 請求の範囲第 8項に記載の レーザ加工における ビア ツ シ ング加工方法。
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