WO2011158617A1 - レーザ加工装置、及びレーザ加工方法 - Google Patents

レーザ加工装置、及びレーザ加工方法 Download PDF

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WO2011158617A1
WO2011158617A1 PCT/JP2011/061888 JP2011061888W WO2011158617A1 WO 2011158617 A1 WO2011158617 A1 WO 2011158617A1 JP 2011061888 W JP2011061888 W JP 2011061888W WO 2011158617 A1 WO2011158617 A1 WO 2011158617A1
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workpiece
laser
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back surface
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PCT/JP2011/061888
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隆典 宮崎
紀洋 瀬戸
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三菱電機株式会社
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/18—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using absorbing layers on the workpiece, e.g. for marking or protecting purposes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/16—Composite materials, e.g. fibre reinforced
    • B23K2103/166—Multilayered materials
    • B23K2103/172—Multilayered materials wherein at least one of the layers is non-metallic

Definitions

  • the present invention relates to a laser processing apparatus and a laser processing method.
  • the laser processing method is a processing method capable of processing a wide range of materials from metals such as iron, stainless steel, aluminum, and copper to ceramics, resins, and wood.
  • the metal material may be used as a design, and may be subjected to surface finish such as mirror finish or hairline finish.
  • surface finish such as mirror finish or hairline finish.
  • the material whose surface is finished for the purpose of design naturally loses its commercial value when the surface is damaged. Therefore, it is desirable that the metallic material for design is subjected to transportation, cutting, bending, or the like with a protective sheet attached to the front and back surfaces.
  • the laser processing method is a complicated processing method in which a metal is melted by the heat of a laser beam, and an assist gas is blown into the metal to blow away the melt. May adhere to front and back.
  • the material is laser processed in a state of being fixed on the processing table, but this processing table is not melted as much as possible by the laser beam, and so as not to be fused integrally with the material even if melted. Since the tip portion in contact with the material has a sharp shape so as to reduce the contact area with the material and the back surface of the material is very easily damaged, processing with the protective sheet attached is desirable.
  • the molten metal flow melted by the heat of the laser beam becomes slow due to the influence of the protective sheet.
  • the molten metal may adhere to the back surface of the material as dross. This dross is very hard and requires a lot of time and cost to remove.
  • Patent Document 1 laser processing is performed by irradiating the surface of a metal material with a laser in a state where a process paper having a detachable adhesive layer containing heat-resistant particles is attached to the back surface of the metal material. Is described. Thereby, according to patent document 1, it is supposed that adhesion of dross at the time of laser processing of a metal material can be prevented.
  • Patent Document 2 a protective sheet having an adhesive force of F [N / 20 mm] is attached to the back surface of a plate-like metal material, and the pressure of assist gas to be supplied at the time of processing is P [MPa]. It is described that laser processing is performed by irradiating the surface of the metal material with a laser in a state where a protective sheet having an adhesive force satisfying P / F ⁇ 0.3 is attached to the surface of the plate-shaped metal material. Has been. Thereby, according to patent document 2, it is supposed that generation
  • Patent Document 1 In the technique described in Patent Document 1, it is necessary to include heat-resistant particles in the adhesive layer of the process paper (protective sheet), which increases the cost associated with laser processing. In the technique disclosed in Patent Document 2, it is necessary to limit the molecular weight, thickness, and adhesiveness of the protective sheet. Patent Documents 1 and 2 do not describe how to reduce dross without depending on the material of the protective sheet.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a laser processing apparatus and a laser processing method capable of reducing dross without depending on the material of the protective sheet bonded to the workpiece.
  • a laser processing apparatus includes a workpiece having a back surface on which a protective sheet is bonded and a surface opposite to the back surface.
  • An irradiation unit that irradiates a surface with a laser, and a control unit that controls the irradiation unit so as to cut between the first region and the second region of the workpiece,
  • the first region and the second region in the workpiece are maintained such that the first region in the workpiece is held by the second region.
  • the first region is combined with the dross attached to the back surface in the first cutting process. So as to separate from the second region Cutting in the region between the first region and the second region in the work piece, where the back surface is exposed by melting a part of the protective sheet in the first cutting process The second cutting process is performed.
  • the second cutting process is performed so as to remove the dross that has adhered to the back surface in the first cutting process. Dross can be removed in the second period.
  • the second cutting process since the second cutting process is performed so as to cut in the region where the back surface is exposed and is no longer covered with the protective sheet, the molten metal becomes dross when the second cutting process is performed. Difficult to adhere to the back of the workpiece. Thereby, while removing the dross adhered to the back surface in the first period, it is possible to suppress the adhesion of the dross to the back surface in the second period, so that it does not depend on the material of the protective sheet bonded to the workpiece. Dross can be reduced.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a laser processing apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a laser processing method in the embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a processing pattern.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the effect of the embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the effect of the embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the offset amount and the dross height in the experimental example.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the offset amount and the dross height in the experimental example.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a laser processing apparatus 100 according to an embodiment.
  • the laser processing apparatus 100 includes a laser oscillator 1, a PR (Partial Reflection) mirror 2, a laser beam irradiation unit 60, and a control device (control unit) 50.
  • the laser oscillator 1 is a device that oscillates a laser beam such as a CO 2 laser.
  • the laser oscillator 1 emits the laser light L to the laser light irradiation unit 60 via the PR mirror 2 while changing the oscillation frequency and the laser output in accordance with the type of laser processing such as piercing processing and cutting processing.
  • the PR mirror (partial reflection mirror) 2 supports the oscillation of the laser light by the laser oscillator 1 by partially reflecting the laser light emitted from the laser oscillator 1. That is, the PR mirror 2 reflects the laser beam having an intensity less than a predetermined value and returns it to the laser oscillator 1 and transmits the laser beam amplified to an intensity of a predetermined value or more and guides it to the laser beam irradiation unit 60. As a result, the laser light L amplified to an intensity of a predetermined value or more out of the laser light emitted from the laser oscillator 1 is selectively guided to the laser light irradiation unit 60.
  • the laser beam irradiation unit 60 irradiates the workpiece (workpiece) W with the laser beam L guided from the laser oscillator 1.
  • the workpiece W is placed on the surface of the processing table 9 having a plurality of sharp convex shapes.
  • the workpiece W has a back surface Wb and a front surface Wa.
  • the back surface Wb is a surface facing the surface of the processing table 9, and a protective sheet S for protecting the workpiece W from a sharp convex portion is attached thereto. This prevents the back surface Wb of the workpiece W from being damaged by the processing table 9 during processing.
  • the front surface Wa is a surface opposite to the back surface Wb, and is a surface to which the laser light L is irradiated by the laser light irradiation unit 60.
  • the workpiece W is made of metal, for example.
  • the laser beam irradiation unit 60 includes a bend mirror 3, a beam optimization unit 4, bend mirrors 5 and 6, and a processing head 30.
  • the bend mirror (beam angle changing mirror) 3 changes the beam angle of the laser light L guided from the laser oscillator 1 via the PR mirror 2 and guides it to the beam optimization unit 4.
  • the beam optimization unit (beam diameter changing device) 4 adjusts the beam diameter (diameter) of the laser light L guided from the bend mirror 3 and changes the beam angle to guide it to the bend mirror 5.
  • Bend mirrors 5 and 6 are mirrors for changing the beam angle.
  • the bend mirror 5 deflects the beam angle of the laser light L guided from the beam optimization unit 4 in the horizontal direction, for example, and guides it to the bend mirror 6.
  • the bend mirror 6 guides the beam angle of the laser light L guided from the bend mirror 5 to the machining head 30 by deflecting the beam angle vertically downward, for example.
  • a mirror (not shown) that changes the polarization direction can be mounted as necessary.
  • the processing head 30 has a processing lens 7 and a nozzle 8.
  • the processing lens 7 condenses the laser beam L guided from the bend mirror 6 to a small spot diameter and irradiates the workpiece W.
  • the assist gas G is sprayed from the nozzle 8 onto the workpiece W simultaneously with the laser light.
  • the control device 50 is connected to the laser oscillator 1 and the laser beam irradiation unit 60 and controls the laser oscillator 1 and the laser beam irradiation unit 60.
  • the control device 50 includes, for example, an NC (Numerical Control) device, and controls laser processing (such as piercing processing and cutting processing) by the laser light irradiation unit 60 using the NC device.
  • NC Genetic Control
  • the control device 50 controls the laser beam irradiation unit 60 so as to cut and process between the first region WR1 and the second region WR2 in the workpiece W. Specifically, the control device 50 maintains the state in which the first region WR1 in the workpiece W is held by the second region WR2 in the period (first period) T1. A first cutting process (rough machining) for cutting between the first region WR1 and the second region WR2 in W is performed. In the workpiece W, for example, the second region WR2 is arranged around the first region WR1 (see FIG. 3A).
  • the control device 50 separates the first region WR1 from the second region WR2 together with the dross attached to the back surface Wb by the first cutting process.
  • a second cutting process (finishing process) for cutting in the region ER is performed.
  • the region ER is a region between the first region WR1 and the second region WR2 in the workpiece W, and the back surface Wb is exposed when a part of the protective sheet S is melted by the first cutting process. Area.
  • control device 50 causes the region ER in which the back surface Wb is exposed to be annularly formed between the first region WR1 and the second region WR2 in the workpiece W in the period T1.
  • the joint portion JP for connecting the first region WR1 and the second region WR2 in the workpiece W between the first region WR1 and the second region WR2 in the workpiece W Disconnect with. That is, the work piece is left so as to leave the joint portion JP in the work piece W with a predetermined width W JP while proceeding along the outer periphery of the first region WR1 in the work piece W (see FIG. 3A). Cutting is performed between the first region WR1 and the second region WR2 in W.
  • the first region WR1 is, for example, a portion to be finally removed from the workpiece W.
  • the second region WR2 is, for example, a portion to be finally left in the workpiece W.
  • the joint portion JP is a portion for connecting the first region WR1 and the second region WR2.
  • the predetermined width W JP is adjusted so that the region ER where the back surface Wb is exposed is formed in an annular shape between the first region WR1 and the second region WR2 in the workpiece W.
  • the joint part JP may be damaged.
  • the width W JP joint portion JP is too small, the strength of the joint portion JP with respect to the intensity required for connecting the first region WR1 and a second region WR2 is insufficient strength Therefore, the joint part JP may be damaged.
  • the width W JP joint portion JP is too large, the area ER to the rear surface Wb is exposed, since not a substantially C shape of the region becomes the annular region, the annular cutting pattern in the next period T2 (Fig. 3 (b)), the laser must pass through the area covered with the protective sheet S on the back surface Wb of the workpiece W, so that dross is easily applied to the back surface Wb of the workpiece W. It will stick to. Therefore, the width W JP of the joint portion JP needs to be adjusted to a value within a predetermined appropriate range.
  • the control device 50 separates the first region WR1 from the second region WR2 together with the dross attached to the back surface Wb by the first cutting process (see FIG. 3B).
  • the workpiece W is cut with an annular pattern (cut pattern CP2) including a pattern that is offset by a size OF from the pattern cut in the period T1 (cut pattern CP1) to the second region WR2.
  • the size OF to be offset is that of the region DR (the region indicated by the oblique lines in FIG. 3B) in which the dross D1 is attached to the back surface Wb in the first cutting process in the region ER.
  • FIG. 3C is a cross-sectional view showing the AA cross section of FIG.
  • the magnitude OF to offset W D when performing the second cutting, a part of the dross adhering to the rear surface Wb in the first cutting operation remains without being removed Therefore, the dross height after processing tends not to be sufficiently low (see FIGS. 6 and 7).
  • the magnitude OF for offsetting is greater than W ER, upon performing the second cutting, since the cutting in the region NER back surface Wb is covered with a protective sheet in the workpiece W The dross height after processing tends to increase (see FIGS. 6 and 7).
  • FIG. 2 is a flowchart showing a laser processing method in the embodiment.
  • step S1 the workpiece W is placed on the surface of the processing table 9.
  • the workpiece W is made of metal, for example.
  • parameters (rough machining conditions and finishing machining conditions) necessary for machining are input from the user to an operation unit (not shown) in the control device 50.
  • step S2 the first region WR1 in the workpiece W is maintained so that the first region WR1 in the workpiece W is maintained by the second region WR2.
  • a first cutting process (rough machining) is performed to cut the second area WR2.
  • the first W in the workpiece W is formed such that the region ER where the back surface Wb is exposed is formed between the first region WR1 and the second region WR2 in the workpiece W.
  • Cutting is performed between the first region WR1 and the second region WR2 in the workpiece W while leaving the joint portion JP for connecting the region WR1 and the second region WR2.
  • the work piece is left so as to leave the joint portion JP in the work piece W with a predetermined width W JP while proceeding along the outer periphery of the first region WR1 in the work piece W (see FIG. 3A). Cutting is performed between the first region WR1 and the second region WR2 in W.
  • the first region WR1 is, for example, a portion to be finally removed from the workpiece W.
  • the second region WR2 is, for example, a portion to be finally left in the workpiece W.
  • the joint portion JP is a portion for connecting the first region WR1 and the second region WR2.
  • the workpiece W is cut along the cutting pattern CP1 shown in FIG.
  • the cutting pattern CP1 extends from the vicinity of the center of the first region WR1 (to be pierced) to one end side of the joint portion JP so as to go to the second region WR2, and then from the one end side of the joint portion JP.
  • This is a pattern extending along the outer periphery of the region WR1 to the other end side of the joint portion JP (so as to be cut).
  • the width WER portion is melted in the protective sheet S bonded to the back surface Wb of the workpiece W.
  • region ER width W ER back surface Wb of the workpiece W is exposed is formed.
  • the width W JP of the joint portion JP is adjusted so that the region ER where the back surface Wb of the workpiece W is exposed becomes an annular region in the direction from the cutting pattern CP1 toward the second region WR2.
  • the width W JP of the joint portion JP is too small, the strength of the joint portion JP is insufficient with respect to the strength necessary for connecting the first region WR1 and the second region WR2. Since the strength is increased, the joint portion JP may be damaged before or during the next step S3, making it difficult to perform the next step S3.
  • the width W JP joint portion JP is too large, the area ER to the rear surface Wb is exposed, not a region of substantially C-shaped when viewed from a direction perpendicular to the rear surface Wb becomes annular region.
  • step S3 the first region WR1 is cut in the region ER so as to be separated from the second region WR2 together with the dross attached to the back surface Wb by the first cutting processing.
  • the cutting process finishing process
  • the region ER is a region between the first region WR1 and the second region WR2 in the workpiece W, and the back surface Wb is exposed when a part of the protective sheet S is melted by the first cutting process. Area.
  • the first region WR1 is separated from the second region WR2 together with the dross attached to the back surface Wb by the first cutting process (see FIG. 3B), the period T1 in the workpiece W.
  • the pattern is cut with an annular pattern (cutting pattern CP2) including a pattern offset from the cut pattern (cutting pattern CP1) to the second region WR2 side by the size OF.
  • the size OF to be offset is that of the region DR (the region indicated by the oblique lines in FIG. 3B) in which the dross D1 is attached to the back surface Wb in the first cutting process in the region ER.
  • the width W D and the width W ER are widths in a direction from the pattern (cut pattern CP1) cut in the period T1 toward the second region WR2.
  • the dross height after processing tends not to be sufficiently low (see FIGS. 6 and 7).
  • the size OF to be offset is larger than the width W ER , when the second cutting process is performed, the back surface Wb of the workpiece W is cut in the region NER covered with the protective sheet. Therefore, the dross height after processing tends to increase (see FIGS. 6 and 7).
  • the cutting pattern CP2 is, for example, a substantially annular pattern that is offset so that the cutting pattern CP1 is offset to the second region WR2 side by the size OF and closes across the joint portion JP. That is, the cutting pattern CP2 is, for example, from a position offset (pierced) by a size OF with respect to the vicinity of the center of the first region WR1 to one end side of the joint portion JP toward the second region WR2. It is a pattern that extends from one end side of the joint portion JP to the end along the outer periphery of the first region WR1 and extends to one end side of the joint portion JP (so as to be cut). Thereby, the first region WR1 is separated from the second region WR2 in the workpiece W. That is, the drilling process for removing the first region WR1 from the workpiece W and leaving the second region WR2 is completed.
  • the workpiece W was subjected to the processing in steps S1 and S2 in FIG. 2, and then the sample that was not subjected to the processing in step S3 was evaluated.
  • Material Stainless steel (SUS304) Plate thickness: t1.5mm The plate-shaped member which is is used.
  • Processing lens focal length 5.0 inch Nozzle opening diameter: ⁇ 2.5mm The apparatus which is is used.
  • step S1 as a condition (parameter) to be applied to roughing (first cutting process performed in step S2) on the operation unit, for example, ⁇ Roughing conditions>
  • Nozzle-material distance: 0.5 mm Was entered.
  • step S1 conditions similar to those in the comparative example were input to the operation unit as conditions (parameters) to be applied to rough machining (first cutting performed in step S2).
  • ⁇ Finishing processing conditions Laser beam output: 1400W Laser beam wavelength: 10.6 ⁇ m Processing speed: 3500mm / min Assist gas type: Nitrogen assist gas pressure: 0.85 MPa Focus position: 1 mm downward from the surface Wa of the workpiece W Nozzle-material distance: 0.5 mm Was entered.
  • the width W S (see FIG. 3 (c)) of the region where the protective sheet S is peeled after processing is less than 1.0 mm, which is a level that enables production as product quality. confirmed.
  • the workpiece W is cut in the region NER outside the region ER where the back surface Wb of the workpiece W is exposed in the period T2 (or step S3).
  • the workpiece W is cut along the cutting pattern CP21 shown in FIG.
  • the cutting pattern CP21 is a pattern in which the cutting pattern CP1 is offset to the second region WR2 side by the size OF1 and is closed.
  • the size OF1 to be offset is larger than the width W ER of the region ER where the back surface Wb is exposed by melting a part of the protective sheet S.
  • the hot water flow of the workpiece W (metal) melted by the heat of the laser beam is influenced by the protective sheet S. It tends to be slow. As a result, in the period T2, the molten metal easily adheres to the back surface Wb of the workpiece W as dross.
  • the cutting pattern CP22 is a pattern for connecting portions separated by the joint portion JP in the cutting pattern CP1. That is, since the first region WR1 is separated from the second region WR2 while the dross attached to the back surface Wb in the first cutting process is left on the second region WR2 side, The dross attached to Wb cannot be removed (see FIG. 4B).
  • the second cutting process is performed so as to remove the dross attached to the back surface Wb in the first cutting process. Dross attached to Wb can be removed in the second period. Further, in the period T2, the second cutting process is performed so as to cut in the region ER where the back surface Wb is exposed. Therefore, when the second cutting process is performed, the molten metal becomes dross and the back surface of the workpiece W. Hard to adhere to Wb.
  • the dross attached to the back surface Wb in the period T2 can be suppressed while removing the dross attached to the back surface Wb in the period T1, it does not depend on the material of the protective sheet S bonded to the workpiece W. Dross can be reduced (see FIG. 4A). As a result, it is possible to perform processing that suppresses dross using a commonly used protective sheet, regardless of the molecular weight, thickness, and adhesive strength of the protective sheet, and shortens the laser processing time. Production becomes possible.
  • the first region WR1 is cut in the period T1 in the workpiece W so as to be separated from the second region WR2 together with the dross attached to the back surface Wb by the first cutting process.
  • An annular pattern (cut pattern CP2) including a pattern offset from the formed pattern (cut pattern CP1) to the second region WR2 side by the size OF is cut.
  • the laser processing is performed with the protective sheet S adhered to the back surface Wb of the workpiece W, it is possible to prevent the back surface Wb of the workpiece W from being damaged. Thereby, it can provide as a product, without impairing the design property of the to-be-processed object W which gave surface finishes, such as mirror surface finishing of the back surface Wb of the to-be-processed object W, and hairline finishing, ie, a commercial value.
  • the first region in the workpiece W is separated so as to separate the first region WR1 from the second region WR2 in the workpiece W without leaving the joint portion JP.
  • the region ER where the back surface Wb is exposed as a result of cutting and melting a part of the protective sheet S becomes a substantially C-shaped region when viewed from a direction perpendicular to the back surface Wb, and is an annular region.
  • the region ER in which the back surface Wb is exposed is formed annularly between the first region WR1 and the second region WR2 in the workpiece W.
  • the space between the first region WR1 and the second region WR2 in the workpiece W is cut while leaving the joint portion JP.
  • the assist gas G can be easily supplied to the region to be the cutting pattern CP2, so that it is easy to perform the finishing process (second cutting process) along the cutting pattern CP2. It is.
  • the region ER where the back surface Wb is exposed due to a part of the protective sheet S being melted by cutting is an annular region, when it is cut with the annular cutting pattern CP2 in the next period T2. It is easy to cut within the region ER. That is, it becomes possible to perform cutting along the annular cutting pattern CP2 in the period T2, and it is easy to suppress the adhesion of dross to the back surface Wb in the period T2.
  • control device 50 makes the laser processing speed in the period T2 (or step S3) smaller than the laser processing speed in the period T1 (or step S2), and sets the laser output in the period T2 to the laser output in the period T1. It may be smaller than the output.
  • the amount of heat applied to the workpiece W in the period T2 can be made equal to the amount of heat applied to the workpiece W in the period T1. Thereby, it is easy to improve the processing quality by laser processing in the period T1 and the period T2.
  • the positional relationship between the first region WR1 and the second region WR2 to be separated by the cutting process is not limited to that shown in FIG.
  • the first region WR1 and the second region WR2 may be adjacent to each other without being surrounded by the other.
  • the workpiece W may be a plate-like member or a rod-like member.
  • FIG. 6 is a result of evaluating a plate-like member (workpiece W) having a thickness of 1.5 mm with respect to protective sheets (sheet A1, sheet B1) of two different materials MA and MB.
  • FIG. 7 is a result of evaluating a plate-like member (workpiece W) having a thickness of 3.0 mm with respect to protective sheets (sheet A2, sheet B2) of two different materials MA and MB.
  • the processing conditions in this experiment are as follows.
  • protective sheets sheet A1, sheet A2 of material MA
  • protective sheets having many uses in laser processing were used.
  • protective sheets sheet B1, sheet B2 of the material MB, protective sheets that are generally sold for industrial use were used.
  • adhesion layer of the protection sheet used the thing similar to the adhesion layer of the protection sheet generally marketed for industrial use.
  • Material Stainless steel (SUS304) Thickness: t1.5mm, t3.0mm was used.
  • Processing lens focal length 5.0 inch Nozzle opening diameter: ⁇ 2.5mm The apparatus which is is used.
  • step S2 ⁇ Roughing conditions> Laser beam output: 4000W Laser beam wavelength: 10.6 ⁇ m Processing speed: 4000 mm / min Assist gas type: Nitrogen assist gas pressure: 1.0 MPa Focus position: 2mm down from the material surface Nozzle-material distance: 0.5 mm Was used.
  • processing conditions in step S3 ⁇ Finishing processing conditions> Laser beam output: 3500W Laser beam wavelength: 10.6 ⁇ m Processing speed: 3500mm / min Assist gas type: Nitrogen assist gas pressure: 1.0 MPa Focus position: 2mm down from the material surface Nozzle-material distance: 0.5 mm Was used.
  • the result varies depending on the thickness of the workpiece W.
  • the offset amount is increased from 0.1 mm, the dross height decreases, and the dross starts from about 0.5 mm. It was confirmed that the height became a negligible level, and the dross height tended to increase to a level that could not be ignored after the offset amount exceeded 0.7 mm.
  • the offset amount is too small, the dross height is sufficiently low because part of the dross attached to the back surface Wb of the workpiece W remains in the period T1 (or step S2) without being removed. It was confirmed that it would not be. If the offset amount is too large, the offset amount exceeds the width of the part melted by the rough processing of the protective sheet (that is, the width W ER of the part ER where the back surface Wb of the workpiece W is exposed). In T2 (or step S3), it was confirmed that dross tends to adhere to the back surface Wb of the workpiece W due to the influence of the protective sheet, thereby increasing the dross height.
  • the numerical range of the offset amount satisfying this condition is, for example, Sheet A1: 0.4 mm to 0.8 mm Sheet B1: 0.4 mm to 0.7 mm Sheet A2: 0.6 mm to 0.9 mm Sheet B2: 0.5 mm to 0.7 mm It can be understood from FIGS. 6 and 7 that good cutting quality is obtained with such an offset amount within the numerical range.
  • the laser processing apparatus and the laser processing method according to the present invention are useful for laser processing of a workpiece to which a protective sheet is attached.

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Abstract

　レーザ加工装置は、照射部と制御部とを備え、前記制御部は、第１の期間において、被加工物における第１の領域が第２の領域により保持された状態を維持するように、前記被加工物における前記第１の領域と前記第２の領域との間で切断する第１の切断加工を行わせ、前記第１の期間より後の第２の期間において、前記第１の領域を前記第１の切断加工で裏面に付着したドロスとともに前記第２の領域から分離するように、前記被加工物における前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域であって前記第１の切断加工で保護シートの一部が溶融したことにより前記裏面が露出された領域内で切断する第２の切断加工を行なわせる。

Description

レーザ加工装置、及びレーザ加工方法
　本発明は、レーザ加工装置、及びレーザ加工方法に関する。
　レーザ加工方法は、鉄、ステンレス、アルミニウム、銅といった金属から、セラミック、樹脂、木材に至るまで幅広い材料を加工することが可能な加工方法である。その中で、金属材料は意匠用として用いられる場合があり、鏡面仕上げやヘアライン仕上げなどの表面仕上げが施される場合がある。このように意匠用を目的として表面を仕上げた材料は、当然のことながら、表面に傷がつくとその商品価値を失ってしまう。そのため、意匠用の金属材料は表面および裏面に保護シートを貼り付けた状態で、運搬や切断加工や曲げ加工などに供されることが望ましい。
　特に、レーザ加工方法はレーザビームの熱によって金属を溶融させ、そこにアシストガスを勢いよく吹き付けることで溶融物を吹き飛ばす複雑な加工方法であり、吹き飛ばされた溶融物は細かい火の粉となって材料の表面および裏面に付着することがある。また、材料は加工テーブルの上に固定された状態でレーザ加工されるが、この加工テーブルはレーザビームによって極力溶融されないように、また溶融されても材料と一体となって溶着しないように、できるだけ材料との接触面積を減らすよう材料と接触する先端部は鋭利な形状であり、材料裏面を非常に傷つけやすいので、保護シートを貼り付けたままの加工が望ましい。
　しかし、材料の裏面（非レーザビーム照射面）に保護シートを貼り付けた状態でレーザ加工を行った場合、レーザビームの熱によって溶融した金属の湯流れが保護シートの影響で低速になる。その結果、溶融金属がドロスとして材料の裏面に付着してしまうことがある。このドロスは非常に硬く、除去するために多大な時間とコストを要する。
　それに対して、特許文献１には、耐熱性粒子を含有する再剥離可能な粘着層を有する工程紙を金属材料の裏面に貼り付けた状態で、金属材料の表面にレーザを照射してレーザ加工を行なうことが記載されている。これにより、特許文献１によれば、金属材料のレーザ加工時におけるドロスの付着を防止できるとされている。
　また、特許文献２には、Ｆ［Ｎ／２０ｍｍ］の粘着力を有する保護シートを板状の金属材料の裏面に貼り付け、加工時に供給されるべきアシストガスの圧力をＰ［ＭＰａ］としたときにＰ／Ｆ≦０．３を満たす粘着力を有する保護シートを板状の金属材料の表面に貼り付けた状態で、金属材料の表面にレーザを照射してレーザ加工を実施することが記載されている。これにより、特許文献２によれば、ドロスの発生を抑制できるとされている。
特開平６－１９８４６１号公報 国際公開第２００７／０００９１５号
　特許文献１に記載された技術では、工程紙（保護シート）の粘着層に耐熱性粒子を含有させる必要があり、レーザ加工に伴うコストが増大してしまう。また、特許文献２に開示された技術においては、保護シートの分子量、厚み、粘着性を限定する必要がある。特許文献１及び２には、保護シートの材質に依存せずにドロスを低減するためにどのようにしたらよいのかについて記載がない。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、被加工物に貼り合わされた保護シートの材質に依存せずにドロスを低減できるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの側面にかかるレーザ加工装置は、保護シートが貼り合わされた裏面と前記裏面の反対側の表面とを有する被加工物の前記表面にレーザを照射する照射部と、前記被加工物における第１の領域と第２の領域との間を切断加工するように、前記照射部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、第１の期間において、前記被加工物における前記第１の領域が前記第２の領域により保持された状態を維持するように、前記被加工物における前記第１の領域と前記第２の領域との間で切断する第１の切断加工を行わせ、前記第１の期間より後の第２の期間において、前記第１の領域を前記第１の切断加工で前記裏面に付着したドロスとともに前記第２の領域から分離するように、前記被加工物における前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域であって前記第１の切断加工で前記保護シートの一部が溶融したことにより前記裏面が露出された領域内で切断する第２の切断加工を行なわせることを特徴とする。
　本発明によれば、第２の期間において、第１の切断加工で裏面に付着したドロスを除去するように第２の切断加工を行なうので、第１の期間に被加工物の裏面に付着したドロスを第２の期間に除去できる。また、第２の期間において、裏面が露出され保護シートで覆われなくなった領域内で切断するように第２の切断加工を行なうので、第２の切断加工を行なった際に溶融金属がドロスとして被加工物の裏面に付着しにくい。これにより、第１の期間に裏面に付着したドロスを除去しながら、第２の期間における裏面へのドロスの付着を抑制できるので、被加工物に貼り合わされた保護シートの材質に依存せずにドロスを低減できる。
図１は、実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。 図２は、実施の形態におけるレーザ加工方法を示すフローチャートである。 図３は、加工パターンの一例を示す図である。 図４は、実施の形態による効果を説明するための図である。 図５は、実施の形態による効果を説明するための図である。 図６は、実験例におけるオフセット量とドロス高さとを示す図である。 図７は、実験例におけるオフセット量とドロス高さとを示す図である。
　以下に、本発明にかかるレーザ加工装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態．
　実施の形態に係るレーザ加工装置１００の構成について図１を用いて説明する。図１は、実施の形態に係るレーザ加工装置１００の概略構成を示す図である。
　レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１、ＰＲ（Partial　Reflection）ミラー２、レーザ光照射部６０、制御装置（制御部）５０を有している。
　レーザ発振器１は、ＣＯ２レーザなどのレーザ光を発振させる装置である。レーザ発振器１は、ピアス加工や切断加工などのレーザ加工の種類に応じて発振周波数やレーザ出力を種々変化させながら、ＰＲミラー２を介して、レーザ光Ｌをレーザ光照射部６０へ出射する。
　ＰＲミラー（部分反射鏡）２は、レーザ発振器１が出射するレーザ光を部分反射させてレーザ発振器１によるレーザ光の発振を支援する。すなわち、ＰＲミラー２は、所定値未満の強度のレーザ光を反射してレーザ発振器１へ戻すとともに、所定値以上の強度に増幅されたレーザ光を透過させてレーザ光照射部６０へ導く。これにより、レーザ発振器１が出射するレーザ光のうち所定値以上の強度に増幅されたレーザ光Ｌが選択的にレーザ光照射部６０へ導かれる。
　レーザ光照射部６０は、レーザ発振器１から導かれたレーザ光Ｌを被加工物（ワーク）Ｗに照射する。被加工物Ｗは、鋭利な複数の凸形を有する加工テーブル９の表面の上に載置される。
　被加工物Ｗは、裏面Ｗｂと表面Ｗａとを有する。裏面Ｗｂは、加工テーブル９の表面に対面する面であり、鋭利な凸部から被加工物Ｗを保護するための保護シートＳが貼り付けられている。これにより、加工時に加工テーブル９によって被加工物Ｗの裏面Ｗｂが傷つけられることを防いでいる。表面Ｗａは、裏面Ｗｂの反対側の面であり、レーザ光照射部６０によりレーザ光Ｌが照射される面である。被加工物Ｗは、例えば、金属で形成されている。
　レーザ光照射部６０は、ベンドミラー３、ビーム最適化ユニット４、ベンドミラー５，６、及び加工ヘッド３０を含む。
　ベンドミラー（ビーム角度変化用ミラー）３は、ＰＲミラー２を介してレーザ発振器１から導かれたレーザ光Ｌのビーム角度を変えてビーム最適化ユニット４へ導く。
　ビーム最適化ユニット（ビーム径変更装置）４は、ベンドミラー３から導かれたレーザ光Ｌのビーム径（直径）を調整するとともにビーム角度を変えてベンドミラー５へ導く。
　ベンドミラー５，６は、ビーム角度変化用のミラーである。ベンドミラー５は、ビーム最適化ユニット４から導かれたレーザ光Ｌのビーム角度を例えば水平方向に偏向してベンドミラー６へ導く。ベンドミラー６は、ベンドミラー５から導かれたレーザ光Ｌのビーム角度を例えば垂直下方に偏向して加工ヘッド３０へ導く。ベンドミラー５とベンドミラー６との間には、必要に応じて偏光方向を変化させる図示しないミラーが装着され得る。
　加工ヘッド３０は、加工レンズ７及びノズル８を有している。加工レンズ７は、ベンドミラー６から導かれたレーザ光Ｌを小さなスポット径に集光して被加工物Ｗに照射する。また、レーザ加工においては、このレーザ光と同時にノズル８からアシストガスＧが被加工物Ｗに吹き付けられる。
　制御装置５０は、レーザ発振器１及びレーザ光照射部６０に接続されており、レーザ発振器１およびレーザ光照射部６０を制御する。制御装置５０は、例えば、ＮＣ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）装置を有し、ＮＣ装置を用いてレーザ光照射部６０によるレーザ加工（ピアス加工や切断加工など）を制御する。
　例えば、制御装置５０は、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２との間を切断加工するように、レーザ光照射部６０を制御する。具体的には、制御装置５０は、期間（第１の期間）Ｔ１において、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１が第２の領域ＷＲ２により保持された状態を維持するように、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２との間で切断する第１の切断加工（粗加工）を行わせる。被加工物Ｗでは、例えば、第１の領域ＷＲ１の周囲に第２の領域ＷＲ２が配されている（図３（ａ）参照）。制御装置５０は、期間Ｔ１より後の期間（第２の期間）Ｔ２において、第１の領域ＷＲ１を第１の切断加工で裏面Ｗｂに付着したドロスとともに第２の領域ＷＲ２から分離するように、領域ＥＲ内で切断する第２の切断加工（仕上げ加工）を行なわせる。領域ＥＲは、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２との間の領域であって第１の切断加工で保護シートＳの一部が溶融したことにより裏面Ｗｂが露出された領域である。
　さらに具体的には、制御装置５０は、期間Ｔ１において、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２との間に裏面Ｗｂが露出された領域ＥＲが環状に形成されるように、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２とを接続するためのジョイント部ＪＰを残しながら、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２との間で切断させる。すなわち、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１の外周に沿って進みながら、被加工物Ｗにおけるジョイント部ＪＰを所定の幅ＷＪＰで残すように（図３（ａ）参照）、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２との間で切断させる。第１の領域ＷＲ１は、例えば、被加工物Ｗにおける最終的に除去されるべき部分である。第２の領域ＷＲ２は、例えば、被加工物Ｗにおける最終的に残されるべき部分である。ジョイント部ＪＰは、第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２とを接続するための部分である。所定の幅ＷＪＰは、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２との間に裏面Ｗｂが露出された領域ＥＲが環状に形成されるように調整される。
　ここで、仮に、ジョイント部ＪＰの幅ＷＪＰが小さすぎると、第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２とを接続するために必要な強度に対してジョイント部ＪＰの強度が不十分な強度になるので、ジョイント部ＪＰが破損する可能性がある。あるいは、仮に、ジョイント部ＪＰの幅ＷＪＰが大きすぎると、裏面Ｗｂが露出された領域ＥＲが、略Ｃ形状の領域となり環状の領域とならないので、次の期間Ｔ２で環状の切断パターン（図３（ｂ）参照）で切断したときに、レーザが被加工物Ｗの裏面Ｗｂにおける保護シートＳで覆われた領域も通過しなければならなくなるので、ドロスが被加工物Ｗの裏面Ｗｂに容易に付着してしまう。そこで、ジョイント部ＪＰの幅ＷＪＰは、所定の適正な範囲内の値に調整される必要がある。
　そして、制御装置５０は、期間Ｔ２において、第１の領域ＷＲ１を第１の切断加工で裏面Ｗｂに付着したドロスとともに第２の領域ＷＲ２から分離するように（図３（ｂ）参照）、被加工物Ｗにおける期間Ｔ１に切断されたパターン（切断パターンＣＰ１）から第２の領域ＷＲ２の側へ大きさＯＦでオフセットさせたパターンを含む環状のパターン（切断パターンＣＰ２）で切断させる。オフセットさせる大きさＯＦは、図３（ｃ）に示すように、領域ＥＲ内における第１の切断加工で裏面ＷｂにドロスＤ１が付着した領域ＤＲ（図３（ｂ）の斜線で示す領域）の幅ＷＤより大きく、第１の切断加工で保護シートＳの一部が溶融したことにより裏面Ｗｂが露出された領域ＥＲの幅ＷＥＲより小さい。幅ＷＤ及び幅ＷＥＲは、それぞれ、期間Ｔ１に切断されたパターン（切断パターンＣＰ１）から第２の領域ＷＲ２の側へ向かう方向における幅である。なお、図３（ｃ）は、図３（ｂ）のＡ－Ａ断面を示す断面図である。
　ここで、仮に、オフセットさせる大きさＯＦがＷＤより小さいと、第２の切断加工を行なった際に、第１の切断加工で裏面Ｗｂに付着したドロスの一部が除去されずに残ってしまい、加工後におけるドロス高さが十分に低くならない傾向にある（図６、７参照）。あるいは、仮に、オフセットさせる大きさＯＦがＷＥＲより大きいと、第２の切断加工を行なった際に、被加工物Ｗにおける裏面Ｗｂが保護シートで覆われた領域ＮＥＲで切断することになるので、加工後におけるドロス高さが増大する傾向にある（図６、７参照）。
　次に、レーザ加工装置１００により行なわれるレーザ加工方法について図２を用いて説明する。図２は、実施の形態におけるレーザ加工方法を示すフローチャートである。
　ステップＳ１では、被加工物Ｗが、加工テーブル９の表面の上に載置される。被加工物Ｗは、例えば、金属で形成されている。また、制御装置５０における操作部（図示せず）には、ユーザから加工に必要なパラメータ（粗加工条件、仕上げ加工条件）が入力される。
　ステップＳ２（第１の切断加工ステップ）では、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１が第２の領域ＷＲ２により保持された状態を維持するように、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２との間で切断する第１の切断加工（粗加工）を行う。具体的には、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２との間に裏面Ｗｂが露出された領域ＥＲが環状に形成されるように、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２とを接続するためのジョイント部ＪＰを残しながら、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２との間で切断させる。すなわち、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１の外周に沿って進みながら、被加工物Ｗにおけるジョイント部ＪＰを所定の幅ＷＪＰで残すように（図３（ａ）参照）、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２との間で切断させる。第１の領域ＷＲ１は、例えば、被加工物Ｗにおける最終的に除去されるべき部分である。第２の領域ＷＲ２は、例えば、被加工物Ｗにおける最終的に残されるべき部分である。ジョイント部ＪＰは、第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２とを接続するための部分である。
　より具体的には、図３（ａ）に示す切断パターンＣＰ１に沿って被加工物Ｗを切断する。切断パターンＣＰ１は、例えば、（ピアス加工される）第１の領域ＷＲ１の中心近傍から、第２の領域ＷＲ２へ向かうようにジョイント部ＪＰの一端側まで延び、ジョイント部ＪＰの一端側から第１の領域ＷＲ１の外周に沿ってジョイント部ＪＰの他端側まで（切断加工されるように）延びたパターンである。この切断パターンＣＰ１で切断加工が行なわれると、被加工物Ｗの裏面Ｗｂに貼り合わされた保護シートＳにおいて幅ＷＥＲの部分が溶融する。すなわち、被加工物Ｗにおける裏面Ｗｂが露出された幅ＷＥＲの領域ＥＲが形成される。このとき、被加工物Ｗにおける裏面Ｗｂが露出された領域ＥＲが、切断パターンＣＰ１から第２の領域ＷＲ２へ向かう方向における環状の領域となるように、ジョイント部ＪＰの幅ＷＪＰを調整する。
　ここで、仮に、ジョイント部ＪＰの幅ＷＪＰが小さすぎると、ジョイント部ＪＰの強度が、第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２とを接続するために必要な強度に対して不十分な強度になるので、次のステップＳ３の加工前又は加工中にジョイント部ＪＰが破損して、次のステップＳ３の加工を行なうことが困難になる可能性がある。あるいは、仮に、ジョイント部ＪＰの幅ＷＪＰが大きすぎると、裏面Ｗｂが露出された領域ＥＲが、裏面Ｗｂに垂直な方向から見た場合に略Ｃ形状の領域となり環状の領域とならない。これにより、次のステップＳ３で環状の切断パターンで切断したときに、被加工物Ｗの裏面Ｗｂにおける保護シートＳで覆われた領域も切断しなければならなくなるので、ドロスが被加工物Ｗの裏面Ｗｂに容易に付着してしまう。そこで、ジョイント部ＪＰの幅ＷＪＰは、所定の適正な範囲内の値に調整する必要がある。
　ステップＳ３（第２の切断加工ステップ）では、第１の領域ＷＲ１を第１の切断加工で裏面Ｗｂに付着したドロスとともに第２の領域ＷＲ２から分離するように、領域ＥＲ内で切断する第２の切断加工（仕上げ加工）を行なわせる。領域ＥＲは、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２との間の領域であって第１の切断加工で保護シートＳの一部が溶融したことにより裏面Ｗｂが露出された領域である。
　具体的には、第１の領域ＷＲ１を第１の切断加工で裏面Ｗｂに付着したドロスとともに第２の領域ＷＲ２から分離するように（図３（ｂ）参照）、被加工物Ｗにおける期間Ｔ１に切断されたパターン（切断パターンＣＰ１）から第２の領域ＷＲ２の側へ大きさＯＦでオフセットさせたパターンを含む環状のパターン（切断パターンＣＰ２）で切断させる。オフセットさせる大きさＯＦは、図３（ｃ）に示すように、領域ＥＲ内における第１の切断加工で裏面ＷｂにドロスＤ１が付着した領域ＤＲ（図３（ｂ）の斜線で示す領域）の幅ＷＤより大きく、第１の切断加工で保護シートＳの一部が溶融したことにより裏面Ｗｂが露出された領域ＥＲの幅ＷＥＲより小さい。幅ＷＤ及び幅ＷＥＲは、それぞれ、期間Ｔ１に切断されたパターン（切断パターンＣＰ１）から第２の領域ＷＲ２の側へ向かう方向における幅である。
　ここで、仮に、オフセットさせる大きさＯＦがＷＤより小さいと、第２の切断加工を行なった際に、第１の切断加工で裏面Ｗｂに付着したドロスの一部が除去されずに残ってしまい、加工後におけるドロス高さが十分に低くならない傾向にある（図６、７参照）。あるいは、仮に、オフセットさせる大きさＯＦが幅ＷＥＲより大きいと、第２の切断加工を行なった際に、被加工物Ｗにおける裏面Ｗｂが保護シートで覆われた領域ＮＥＲで切断することになるので、加工後におけるドロス高さが増大する傾向にある（図６、７参照）。
　より具体的には、図３（ｂ）に示す切断パターンＣＰ２に沿って被加工物Ｗを切断する。切断パターンＣＰ２は、例えば、切断パターンＣＰ１を第２の領域ＷＲ２の側へ大きさＯＦでオフセットさせるとともにジョイント部ＪＰを横切って閉じるように延びた略環状のパターンである。すなわち、切断パターンＣＰ２は、例えば、第１の領域ＷＲ１の中心近傍に対して大きさＯＦでオフセットした（ピアス加工される）位置から、第２の領域ＷＲ２へ向かってジョイント部ＪＰの一端側まで延び、ジョイント部ＪＰの一端側から第１の領域ＷＲ１の外周に沿って一周しジョイント部ＪＰの一端側まで（切断加工されるように）延びたパターンである。これにより、被加工物Ｗにおける第２の領域ＷＲ２から第１の領域ＷＲ１を分離する。すなわち、被加工物Ｗから第１の領域ＷＲ１を除去して第２の領域ＷＲ２を残す穴あけ加工が完了する。
　次に、比較例として、被加工物Ｗに対して図２のステップＳ１、Ｓ２の処理を行ない、その後ステップＳ３の処理を行なわなかった試料について評価した。ここで、被加工物Ｗとして、
材質：ステンレス（ＳＵＳ３０４）
板厚：ｔ１．５ｍｍ
である板状の部材を用いた。レーザ加工装置１００として、
加工レンズ：焦点距離５．０ｉｎｃｈ
ノズル開口径：φ２．５ｍｍ
である装置を用いた。ステップＳ１において、操作部に、粗加工（ステップＳ２で行なう第１の切断加工）に適用すべき条件（パラメータ）として、例えば、
＜粗加工条件＞
レーザビーム出力：１８００Ｗ
レーザビーム波長：１０．６μｍ
加工速度：５０００ｍｍ／ｍｉｎ
アシストガス種類：窒素
アシストガス圧力：０．８５ＭＰａ
焦点位置：被加工物Ｗの表面Ｗａから下へ１ｍｍ
ノズル－材料間距離：０．５ｍｍ
を入力した。
　その結果、得られた被加工物Ｗの裏面Ｗｂには、図４（ｂ）に示すように、被加工端面の近傍に多数のドロスが付着してしまった。
　また、実施の形態による効果を確認するために実施例として、被加工物Ｗに対して図２のステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３の処理を行なった試料について評価した。被加工物Ｗとして、上記の比較例と同様のものを用いた。ステップＳ１において、操作部には、粗加工（ステップＳ２で行なう第１の切断加工）に適用すべき条件（パラメータ）として、比較例と同様の条件を入力した。また、操作部に、仕上げ加工（ステップＳ３で行なう第２の切断加工）に適用すべき条件（パラメータ）として、
＜仕上げ加工条件＞
レーザビーム出力：１４００Ｗ
レーザビーム波長：１０．６μｍ
加工速度：３５００ｍｍ／ｍｉｎ
アシストガス種類：窒素
アシストガス圧力：０．８５ＭＰａ
焦点位置：被加工物Ｗの表面Ｗａから下へ１ｍｍ
ノズル－材料間距離：０．５ｍｍ
を入力した。
　その結果、得られた被加工物Ｗの裏面Ｗｂには、図４（ａ）に示すように、被加工端面の近傍にほとんどドロスが付着していなかった。また、図５に示すとおり、加工後の保護シートＳの剥がれた領域の幅ＷＳ（図３（ｃ）参照）は１．０ｍｍ未満であり、製品品質として生産可能となるレベルであることが確認された。
　なお、図４ではステンレス（ＳＵＳ３０４）厚さｔ＝１．５ｍｍのものについて行った実験結果を示したが、厚さがｔ＝１．０ｍｍ、ｔ＝２．０ｍｍ、ｔ＝３．０ｍｍ、ｔ＝４．０ｍｍのものについても同様の実験を行い同様の結果が得られた。よって、本実施の形態にかかる加工方法は被加工物（金属材料）の厚さによらず適用でき、上記効果を得ることができるものであるといえる。
　ここで、仮に、期間Ｔ２（又はステップＳ３）において、被加工物Ｗにおける裏面Ｗｂが露出された領域ＥＲの外側の領域ＮＥＲで被加工物Ｗの切断加工を行なう場合について考える。この場合、図３（ｄ）に示す切断パターンＣＰ２１に沿って被加工物Ｗを切断することになる。切断パターンＣＰ２１は、切断パターンＣＰ１を第２の領域ＷＲ２の側へ大きさＯＦ１でオフセットさせるとともに閉じたパターンである。オフセットさせる大きさＯＦ１は、保護シートＳの一部が溶融したことにより裏面Ｗｂが露出された領域ＥＲの幅ＷＥＲより大きい。すなわち、被加工物Ｗにおける裏面Ｗｂが保護シートで覆われた領域ＮＥＲで切断することになるので、レーザビームの熱によって溶融した被加工物Ｗ（金属）の湯流れが保護シートＳの影響で低速になる傾向にある。その結果、期間Ｔ２において、溶融金属がドロスとして被加工物Ｗの裏面Ｗｂに容易に付着してしまう。
　あるいは、仮に、期間Ｔ２（又はステップＳ３）において、被加工物Ｗにおけるジョイント部ＪＰを切断する切断加工を行なう場合について考える。この場合、図３（ｄ）に示す切断パターンＣＰ２２に沿って被加工物Ｗを切断することになる。切断パターンＣＰ２２は、切断パターンＣＰ１におけるジョイント部ＪＰを介して隔てられた部分を接続するパターンである。すなわち、第１の切断加工で裏面Ｗｂに付着したドロスを第２の領域ＷＲ２側に残した状態で、第１の領域ＷＲ１を第２の領域ＷＲ２から分離することになるので、期間Ｔ１に裏面Ｗｂに付着したドロスを除去できない（図４（ｂ）参照）。
　それに対して、実施の形態では、期間Ｔ２（又はステップＳ３）において、第１の切断加工で裏面Ｗｂに付着したドロスを除去するように第２の切断加工を行なうので、第１の期間に裏面Ｗｂに付着したドロスを第２の期間に除去できる。また、期間Ｔ２において、裏面Ｗｂが露出された領域ＥＲ内で切断するように第２の切断加工を行なうので、第２の切断加工を行なった際に溶融金属がドロスとして被加工物Ｗの裏面Ｗｂに付着しにくい。これにより、期間Ｔ１に裏面Ｗｂに付着したドロスを除去しながら、期間Ｔ２における裏面Ｗｂへのドロスの付着を抑制できるので、被加工物Ｗに貼り合わされた保護シートＳの材質に依存せずにドロスを低減できる（図４（ａ）参照）。この結果、保護シートの分子量、厚み、粘着力を選ばず、一般的に利用されている保護シートを用いてのドロスを抑制した加工が可能となるとともに、レーザ加工の時間をより短時間にした生産が可能となる。
　特に、期間Ｔ２（又はステップＳ３）において、第１の領域ＷＲ１を第１の切断加工で裏面Ｗｂに付着したドロスとともに第２の領域ＷＲ２から分離するように、被加工物Ｗにおける期間Ｔ１で切断されたパターン（切断パターンＣＰ１）から第２の領域ＷＲ２の側へ大きさＯＦでオフセットさせたパターンを含む環状のパターン（切断パターンＣＰ２）を切断させる。オフセットさせる大きさＯＦは、図３（ｃ）に示すように、領域ＥＲ内における第１の切断加工で裏面ＷｂにドロスＤ１が付着した領域ＤＲの幅ＷＤより大きく、第１の切断加工で保護シートＳの一部が溶融したことにより裏面Ｗｂが露出された領域ＥＲの幅ＷＥＲより小さい。これにより、第１の領域ＷＲ１を第２の領域ＷＲ２から分離する際に、期間Ｔ１に裏面Ｗｂに付着したドロスを除去しながら、期間Ｔ２における裏面Ｗｂへのドロスの付着を抑制できる。
　また、被加工物Ｗの裏面Ｗｂに保護シートＳを貼り付けたままでレーザ加工を行なうので、被加工物Ｗの裏面Ｗｂに傷がつくことを防ぐことができる。これにより、被加工物Ｗの裏面Ｗｂの鏡面仕上げやヘアライン仕上げ等の表面仕上げを施した被加工物Ｗの意匠性、すなわち商品価値を損なうことなく製品として提供することができる。
　あるいは、仮に、期間Ｔ１（又はステップＳ２）において、ジョイント部ＪＰを残さずに、被加工物Ｗにおける第２の領域ＷＲ２から第１の領域ＷＲ１を分離するように、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２との間を切断する場合について考える。この場合、期間Ｔ２（又はステップＳ３）において、切断パターンＣＰ２となるべき領域に向けてアシストガスＧを供給しようとしても、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１が分離されて形成された開口部分からアシストガスＧが抜けてしまう。これにより、切断パターンＣＰ２に沿った仕上げ加工（第２の切断加工）を行なうことが困難になる。
　あるいは、仮に、期間Ｔ１（又はステップＳ２）において、所定の適正な範囲から外れる大きな幅でジョイント部ＪＰを残すように、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２との間を切断する場合について考える。この場合、切断加工が行なわれて保護シートＳの一部が溶融したことにより裏面Ｗｂが露出された領域ＥＲが、裏面Ｗｂに垂直な方向から見た場合に略Ｃ形状の領域となり環状の領域とならない。これにより、次の期間Ｔ２で環状の切断パターンＣＰ２（図３（ｂ）参照）で切断したときに、被加工物Ｗの裏面Ｗｂにおける保護シートＳで覆われた領域も切断しなければならなくなる。これにより、期間Ｔ２における裏面Ｗｂへのドロスの付着を抑制することが困難になる。
　それに対して、実施の形態では、期間Ｔ１（又はステップＳ２）において、被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２との間に裏面Ｗｂが露出された領域ＥＲが環状に形成されるように、ジョイント部ＪＰを残しながら被加工物Ｗにおける第１の領域ＷＲ１と第２の領域ＷＲ２との間を切断する。これにより、期間Ｔ２（又はステップＳ３）において、切断パターンＣＰ２となるべき領域にアシストガスＧを容易に供給できるので、切断パターンＣＰ２に沿った仕上げ加工（第２の切断加工）を行なうことが容易である。また、切断加工が行なわれて保護シートＳの一部が溶融したことにより裏面Ｗｂが露出された領域ＥＲが環状の領域となるので、次の期間Ｔ２で環状の切断パターンＣＰ２で切断したときに、領域ＥＲ内で切断することが容易である。すなわち、期間Ｔ２における環状の切断パターンＣＰ２にそった切断加工が可能になるとともに、期間Ｔ２における裏面Ｗｂへのドロスの付着を抑制することが容易である。
　なお、制御装置５０は、期間Ｔ２（又はステップＳ３）におけるレーザによる加工速度を期間Ｔ１（又はステップＳ２）におけるレーザによる加工速度より小さくし、かつ、期間Ｔ２におけるレーザの出力を期間Ｔ１におけるレーザの出力より小さくしてもよい。この場合、期間Ｔ２における被加工物Ｗに加わる熱量を期間Ｔ１における被加工物Ｗに加わる熱量と均等なものとすることができる。これにより、期間Ｔ１及び期間Ｔ２におけるレーザ加工による加工品質を向上することが容易である。
　また、切断加工により切り離されるべき第１の領域ＷＲ１及び第２の領域ＷＲ２の位置関係は、図３に示したものに限定されない。例えば、被加工物Ｗにおいて、第１の領域ＷＲ１及び第２の領域ＷＲ２は、一方が他方に囲まれることなく互いに隣接していても良い。また、この場合、被加工物Ｗは、板状の部材でもよいし、棒状の部材でも良い。
実験例．
　次に、被加工物Ｗに対して図２のステップＳ１、Ｓ２、Ｓ３の処理を行なった試料について、仕上げ加工（第２の切断加工）のオフセット量とドロス高さとの評価を行なった。その結果得られた仕上げ加工（第２の切断加工）のオフセット量とドロス高さとの関係について、図６及び図７に示す。図６は、厚さ１．５ｍｍである板状の部材（被加工物Ｗ）を異なる２種類の材料ＭＡ、ＭＢの保護シート（シートＡ１、シートＢ１）について評価した結果である。図７は、厚さ３．０ｍｍである板状の部材（被加工物Ｗ）を異なる２種類の材料ＭＡ、ＭＢの保護シート（シートＡ２、シートＢ２）について評価した結果である。この実験での加工条件は以下に示す通りである。
　材料ＭＡの保護シート（シートＡ１、シートＡ２）として、レーザ加工における用途の多い保護シートを用いた。材料ＭＢの保護シート（シートＢ１、シートＢ２）として、一般的に工業用として販売されている保護シートを用いた。また、保護シートの粘着層は、一般的に工業用として販売されている保護シートの粘着層と同様のものを用いた。
　被加工物Ｗとして、
材質：ステンレス（ＳＵＳ３０４）
板厚：ｔ１．５ｍｍ、ｔ３．０ｍｍ
を用いた。レーザ加工装置１００として、
加工レンズ：焦点距離５．０ｉｎｃｈ
ノズル開口径：φ２．５ｍｍ
である装置を用いた。
　図６の実験では、ステップＳ２における加工条件として、
＜粗加工条件＞
レーザビーム出力：１８００Ｗ
レーザビーム波長：１０．６μｍ
加工速度：５０００ｍｍ／ｍｉｎ
アシストガス種類：窒素
アシストガス圧力：０．８５ＭＰａ
焦点位置：材料表面から下へ１ｍｍ
ノズル－材料間距離：０．５ｍｍ
を用いた。また、ステップＳ３における加工条件として、
＜仕上げ加工条件＞
レーザビーム出力：１４００Ｗ
レーザビーム波長：１０．６μｍ
加工速度：３５００ｍｍ／ｍｉｎ
アシストガス種類：窒素
アシストガス圧力：０．８５ＭＰａ
焦点位置：材料表面から下へ１ｍｍ
ノズル－材料間距離：０．５ｍｍ
を用いた。
　図７の実験では、ステップＳ２における加工条件として、
＜粗加工条件＞
レーザビーム出力：４０００Ｗ
レーザビーム波長：１０．６μｍ
加工速度：４０００ｍｍ／ｍｉｎ
アシストガス種類：窒素
アシストガス圧力：１．０ＭＰａ
焦点位置：材料表面から下へ２ｍｍ
ノズル－材料間距離：０．５ｍｍ
を用いた。また、ステップＳ３における加工条件として、
＜仕上げ加工条件＞
レーザビーム出力：３５００Ｗ
レーザビーム波長：１０．６μｍ
加工速度：３５００ｍｍ／ｍｉｎ
アシストガス種類：窒素
アシストガス圧力：１．０ＭＰａ
焦点位置：材料表面から下へ２ｍｍ
ノズル－材料間距離：０．５ｍｍ
を用いた。
　その結果、図６、図７に示したように、被加工物Ｗの厚さにより結果は異なるが、オフセット量を０．１ｍｍから増やすにつれ、ドロス高さが低くなり、０．５ｍｍあたりからドロス高さが無視できるレベルになり、オフセット量が０．７ｍｍを越えるあたりから、ドロス高さが無視できないレベルへ増大する傾向にあることが確認された。
　このように、オフセット量が小さすぎると、期間Ｔ１（又はステップＳ２）に被加工物Ｗの裏面Ｗｂに付着したドロスの一部が除去されずに残っているので、ドロス高さが十分に低くならないことが確認された。また、オフセット量が大きすぎると、オフセット量が、保護シートの粗加工で溶融された部分の幅（すなわち被加工物Ｗにおける裏面Ｗｂが露出された部分ＥＲの幅ＷＥＲ）を越えるので、期間Ｔ２（又はステップＳ３）において保護シートの影響で被加工物Ｗの裏面Ｗｂにドロスが付着する傾向にあり、それによってドロス高さが増加することが確認された。
　ここで、一般的にレーザ加工においてはドロス高さが０．０５ｍｍ以下であれば後処理を必要としない。この条件を満たすオフセット量の数値範囲は、例えば、
シートＡ１：０．４ｍｍ以上０．８ｍｍ以下
シートＢ１：０．４ｍｍ以上０．７ｍｍ以下
シートＡ２：０．６ｍｍ以上０．９ｍｍ以下
シートＢ２：０．５ｍｍ以上０．７ｍｍ以下
である。図６、図７から、このような数値範囲内のオフセット量で良好な切断品質が得られていることが理解できる。
　以上のように、本発明にかかるレーザ加工装置及びレーザ加工方法は、保護シートを貼り付けた被加工物のレーザ加工に有用である。
　１　レーザ発振器
　２　ＰＲミラー
　３　ベンドミラー
　４　ビーム最適化ユニット
　５　ベンドミラー
　６　ベンドミラー
　７　加工レンズ
　８　ノズル
　９　加工テーブル
　３０　加工ヘッド
　５０　制御装置
　６０　レーザ光照射部
　１００　レーザ加工装置
　ＤＲ　領域
　ＥＲ　領域
　Ｇ　アシストガス
　ＪＰ　ジョイント部
　Ｌ　レーザ光
　ＮＥＲ　領域
　Ｓ　保護シート
　Ｗ　被加工物
　Ｗｂ　裏面
　Ｗａ　表面
　ＷＲ１　第１の領域
　ＷＲ２　第２の領域

Claims (7)

  1. 　保護シートが貼り合わされた裏面と前記裏面の反対側の表面とを有する被加工物の前記表面にレーザを照射する照射部と、
    　前記被加工物における第１の領域と第２の領域との間を切断加工するように、前記照射部を制御する制御部と、
    　を備え、
    　前記制御部は、第１の期間において、前記被加工物における前記第１の領域が前記第２の領域により保持された状態を維持するように、前記被加工物における前記第１の領域と前記第２の領域との間で切断する第１の切断加工を行わせ、前記第１の期間より後の第２の期間において、前記第１の領域を前記第１の切断加工で前記裏面に付着したドロスとともに前記第２の領域から分離するように、前記被加工物における前記第１の領域と前記第２の領域との間の領域であって前記第１の切断加工で前記保護シートの一部が溶融したことにより前記裏面が露出された領域内で切断する第２の切断加工を行なわせる
    　ことを特徴とするレーザ加工装置。
  2. 　前記被加工物では、前記第１の領域の周囲に前記第２の領域が配され、
    　前記制御部は、前記第１の期間において、前記第１の切断加工として、前記被加工物における前記第１の領域と前記第２の領域との間に前記裏面が露出された領域が環状に形成されるように、前記被加工物における前記第１の領域と前記第２の領域とを接続するためのジョイント部を残しながら、前記被加工物における前記第１の領域と前記第２の領域との間で切断させる
    　ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
  3. 　前記制御部は、前記第２の期間において、前記第２の切断加工として、前記第１の領域を前記第１の切断加工で前記裏面に付着したドロスとともに前記第２の領域から分離するように、前記被加工物における前記第１の切断加工で切断されたパターンから前記第２の領域の側へ前記裏面が露出された領域の幅より小さい大きさでオフセットさせたパターンを含む環状のパターンで切断させる
    　ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
  4. 　前記制御部は、前記第２の期間におけるレーザによる加工速度を前記第１の期間におけるレーザによる加工速度より小さくし、かつ、前記第２の期間におけるレーザの出力を前記第１の期間におけるレーザの出力より小さくする
    　ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
  5. 　前記制御部は、前記第２の期間におけるレーザによる加工速度を前記第１の期間におけるレーザによる加工速度より小さくし、かつ、前記第２の期間におけるレーザの出力を前記第１の期間におけるレーザの出力より小さくする
    　ことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
  6. 　前記制御部は、前記第２の期間におけるレーザによる加工速度を前記第１の期間におけるレーザによる加工速度より小さくし、かつ、前記第２の期間におけるレーザの出力を前記第１の期間におけるレーザの出力より小さくする
    　ことを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
  7. 　保護シートが貼り合わされた裏面と前記裏面の反対側の表面とを有する被加工物の前記表面にレーザを照射して、前記被加工物における第１の領域と第２の領域との間を切断加工するレーザ加工方法であって、
    　前記被加工物では、前記第１の領域の周囲に前記第２の領域が配され、
    　前記被加工物における前記第１の領域と前記第２の領域との間に前記裏面が露出された領域が環状に形成されるように、前記被加工物における前記第１の領域と前記第２の領域とを接続するためのジョイント部を残しながら、前記被加工物における前記第１の領域と前記第２の領域との間で切断する第１の切断加工ステップと、
    　前記第１の領域を前記第１の切断加工で前記裏面に付着したドロスとともに前記第２の領域から分離するように、前記被加工物における前記第１の切断加工で切断されたパターンから前記第２の領域の側へ前記裏面が露出された領域の幅より小さい大きさでオフセットさせたパターンを含む環状のパターンで切断する第２の切断加工ステップと、
    　を備えたことを特徴とするレーザ加工方法。
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