WO2019070055A1 - レーザ加工方法及び装置 - Google Patents

レーザ加工方法及び装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2019070055A1
WO2019070055A1 PCT/JP2018/037371 JP2018037371W WO2019070055A1 WO 2019070055 A1 WO2019070055 A1 WO 2019070055A1 JP 2018037371 W JP2018037371 W JP 2018037371W WO 2019070055 A1 WO2019070055 A1 WO 2019070055A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
nozzle
cutting
laser
laser processing
opening
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/037371
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
祐也 溝口
宏明 石黒
伊藤　亮平
遼 小林
増田　健司
Original Assignee
株式会社アマダホールディングス
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2018180518A external-priority patent/JP6577110B2/ja
Application filed by 株式会社アマダホールディングス filed Critical 株式会社アマダホールディングス
Priority to US16/651,550 priority Critical patent/US11052489B2/en
Priority to CN201880064827.5A priority patent/CN111201108B/zh
Priority to EP18864583.2A priority patent/EP3693125B1/en
Publication of WO2019070055A1 publication Critical patent/WO2019070055A1/ja

Links

Images

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
    • 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
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/142—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor for the removal of by-products
    • 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
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1435—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor involving specially adapted flow control means
    • B23K26/1436—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor involving specially adapted flow control means for pressure control
    • 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
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1462—Nozzles; Features related to nozzles
    • 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
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1462—Nozzles; Features related to nozzles
    • B23K26/1464—Supply to, or discharge from, nozzles of media, e.g. gas, powder, wire
    • B23K26/1476—Features inside the nozzle for feeding the fluid stream through the nozzle
    • 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
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1462—Nozzles; Features related to nozzles
    • B23K26/1482—Detachable nozzles, e.g. exchangeable or provided with breakaway lines
    • 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
    • B23K26/40—Removing material taking account of the properties of the material involved
    • 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
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/18—Sheet panels
    • 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
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/02—Iron or ferrous alloys

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for laser processing.
  • Patent documents 1 and 2 disclose a laser processing apparatus which cuts a work piece with a fiber laser or a direct diode laser in combination with an assist gas.
  • laser cutting is performed by maintaining a nozzle gap which is a distance between a work and a nozzle tip at a predetermined value by a laser processing apparatus provided with a so-called tracking device. The line is done.
  • Patent Document 3 discloses an apparatus for supplying a nitrogen-rich gas generated from air using a porous membrane such as a hollow fiber membrane as an assist gas to a laser processing head.
  • the cost tends to be higher than that of a CO 2 laser at present.
  • the cut kerf by fiber laser and direct diode laser is narrower than the cut kerf by CO 2 laser, and it is considered that the thicker the work, the more difficult it is to discharge the molten metal.
  • An object of the present invention is to provide a laser processing method and apparatus capable of cutting an iron-based thick plate at lower cost.
  • a first feature of the present invention is a laser processing method, in which laser light of a fiber laser or direct diode laser is irradiated from a nozzle to an iron-based plate material, and a plurality of nozzles respectively having nozzle openings with different opening diameters An assist gas is directed from the nozzle opening toward the plate while the laser beam is irradiated to the plate while selecting and using a nozzle having a nozzle opening having an opening diameter set in advance according to the thickness of the plate.
  • a laser processing method is provided, which jets and cuts the plate material.
  • a second feature of the present invention is a laser processing apparatus, comprising: a nozzle having a nozzle opening that ejects assist gas while emitting laser light; and a fiber laser or direct laser that emits the laser light from the nozzle opening
  • a storage unit storing a nozzle selection table indicating a correspondence relationship with an opening diameter of the unit, and an opening corresponding to the plate thickness of the plate material to be cut next with reference to the nozzle selection table stored in the storage unit
  • a nozzle selection unit for selecting a nozzle having the nozzle opening having a bore diameter.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram of the laser processing apparatus 51 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective sectional view of the nozzle 2 b mounted on the laser processing apparatus 51.
  • FIG. 3 is a graph illustrating the severability evaluation criteria.
  • FIG. 4 is a graph showing the cuttability at a plate thickness of 6 mm.
  • FIG. 5 is a graph showing the cuttability at a plate thickness of 12 mm.
  • FIG. 6 is a graph showing the cuttability at a plate thickness of 20 mm.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the opening diameter D of the nozzle 2b and the plate thickness capable of being cut well.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the plate thickness t and the aperture diameter D for each laser output.
  • FIG. 9 is a flowchart of a nozzle selection procedure.
  • FIG. 10 is a graph showing the consumption Q of the assist gas AG in the CO 2 laser.
  • FIG. 11 is a graph showing the consumption amount Q of the assist gas Ag in the first embodiment.
  • FIG. 10 is a graph showing the consumption Q of the assist gas AG in the CO 2 laser.
  • FIG. 11 is a graph showing the consumption amount Q of the assist gas Ag in the first embodiment.
  • FIG. 15 is a graph showing the relationship between the gas pressure Pn for each gap Gp and the consumption amount Q of the assist gas AG.
  • 21 (a) to 21 (e) are longitudinal sectional views showing an example of the shape of the nozzle.
  • FIG. 22 is a schematic configuration diagram of a laser processing apparatus A51 according to the second embodiment.
  • FIG. 23 is a block diagram of an assist gas supply device A7 of the laser processing device A51.
  • FIG. 24 is a graph showing the relationship between the thickness At and the optimum cutting speed AV.
  • FIG. 25 is a graph showing the relationship between the thickness At and the dross height at the optimum cutting speed AV.
  • Embodiment 1 The laser processing apparatus 51 and the laser processing method according to the first embodiment will be described.
  • a plate material having a thickness t of 6 mm or more is referred to as a thick plate material.
  • a plate material having a plate thickness t of 3 mm or more and less than 6 mm is referred to as a modestly-thick plate material.
  • the laser processing apparatus 51 includes a work table 1, a processing head 2, a drive unit 3 and a control device 5.
  • a work W of an iron-based plate material is placed on the work table 1.
  • the processing head 2 irradiates the workpiece W placed on the work table 1 with the laser beam Ls.
  • the drive unit [drive unit] 3 moves at least one of the work table 1 and the processing head 2 to change the three-dimensional relative position between them.
  • the controller [controller] 5 controls the operation of the processing head 2 and the drive unit 3.
  • the laser processing apparatus 51 includes a laser oscillator 6 and an assist gas supply device [assist-gas supply device] 7.
  • the laser oscillator 6 supplies the laser beam Ls to the processing head 2 through the process fiber 6a.
  • the laser oscillator 6 outputs a so-called 1 ⁇ m band (900 nm to 1100 nm) laser light Ls [laser light having a so-called 1 ⁇ m-band (900 nm to 1100 nm) wavelength] and supplies it to the processing head 2.
  • the assist gas supply device 7 supplies nitrogen gas to the processing head 2 as the assist gas AG.
  • the assist gas supply device 7 supplies nitrogen gas with a purity of 99.999% to the processing head 2 using, for example, a cylinder of nitrogen gas.
  • the processing head 2 supplies an assist gas AG for so-called anoxic cutting to the cutting surface.
  • the processing head 2 includes a main body 2 a, a nozzle 2 b and a sensor 4.
  • the main body portion 2 a is formed in a cylindrical shape having an axis line CL ⁇ b> 2 extending in the vertical direction in the operation state of the processing head 2.
  • the nozzle 2b is detachably attached to the lower end of the main body 2a.
  • the sensor 4 measures the gap Gp (the distance between the tip 2 b 1 of the nozzle 2 b and the surface Wa of the work W placed on the work table 1).
  • the laser processing device 51 is provided with a nozzle changer 8 that automatically changes the nozzle 2b.
  • the nozzles of the nozzle numbers N1 to N5 can be stocked in the nozzle changer 8 of the present embodiment.
  • the nozzle changer 8 is controlled by a nozzle selector 14 (details will be described later) of the control device 5, and the nozzle of the designated number is attached to and removed from the main body 2a.
  • the nozzle 2b is a so-called double nozzle having an outer nozzle portion [outer nozzle] 2ba and an inner nozzle portion [inner nozzle] 2bb.
  • the nozzle 2b is detachably attached to the lower part of the main body 2a by a screw.
  • An opening [opening] 2b2 is formed as a nozzle opening at the tip end [tip end] 2b1 of the outer nozzle section 2ba, and an opening 2bb2 is formed at the tip end 2bb1 of the inner nozzle section 2bb.
  • the tip 2bb1 of the inner nozzle portion 2bb is positioned behind the tip 2b1 of the outer nozzle portion 2ba along the axis line CL2 of the nozzle 2b [made deep-set]. That is, the tip 2bb1 is located inside the opening 2b2.
  • a cylindrical space Va having an opening diameter D as an inner diameter is formed between the opening edge of the outer nozzle 2ba and the tip 2bb1.
  • the distance between the tip 2bb1 in the direction of the axis CL2 and the tip 2b1 is referred to as a nozzle step Hn.
  • the nozzle level difference Hn is, for example, 5.5 mm.
  • an outer flow passage R1 of assist gas having a substantially annular cross-sectional shape is formed between the outer nozzle portion 2ba and the inner nozzle portion 2bb.
  • An inner flow passage R2 is formed in the inner nozzle portion 2bb.
  • the inner flow passage R2 is formed to have a smaller inner diameter toward the lower side.
  • the assist gas AG nitrogen gas
  • the assist gas AG is supplied to the main body 2 a from the assist gas supply device 7.
  • the supplied assist gas AG flows through the outer flow passage R1 and the inner flow passage R2 and merges in the space Va, and is jetted downward from the opening 2b2 of the tip 2b1, as shown in FIG.
  • the gas pressure Pn (details will be described later) of the assist gas AG is controlled by the assist gas supply device 7 under the control device 5 as the pressure in the main body 2a.
  • the laser beam Ls supplied from the laser oscillator 6 to the main body 2a advances along the axis line CL2 and passes through the collimation lens and the focus lens (both not shown) provided in the main body 2a, and the inner flow path It passes through the inside of R2 and is emitted downward from the opening 2b2.
  • the control device 5 includes a central processing unit (CPU) 11, a storage unit 12, a copying control unit 13, and a nozzle selection unit 14.
  • the machining program PG for cutting the workpiece W and the nozzle selection table Tn (described in detail later) are prepared in advance and externally supplied to the control device 5 via a communication interface (not shown) or the like, or controlled by the operator
  • the data is directly input to the device 5 and stored in the storage unit 12.
  • the CPU 11 controls the operation of the laser oscillator 6 and the drive unit 3 so that the laser beam Ls is irradiated to the workpiece W along the cutting path defined by the processing program PG.
  • the gap Gp described above is maintained by the scanning control unit 13 controlling the vertical drive of the processing head 2 by the drive unit 3 based on the detection result of the sensor 4.
  • the copying control unit 13 and the nozzle selection unit 14 operate integrally with the CPU 11 as the control device 5.
  • the CPU 11 controls the supply operation of the assist gas AG by the assist gas supply device 7.
  • the supplied assist gas AG is jetted downward from the opening 2b2 of the nozzle 2b as described above.
  • the nozzle selection table Tn is also stored in the storage unit 12.
  • Table 1 below shows an example of the nozzle selection table Tn.
  • the nozzle selection table Tn has available nozzles to be selected from among nozzles of nozzle numbers N1 to N5 having different opening diameters D in accordance with the thickness t of the workpiece W to be processed and the output M of the laser light Ls. It is associated. That is, based on the nozzle selection table Tn, the nozzles 2b (nozzle numbers N1 to N5) to be selected can be specified according to the thickness t of the work W to be processed and the output M of the laser light Ls. In the example shown in Table 1, the nozzle number N5 is not assigned.
  • the workpiece W which is a thick plate material can be cut well even if the assist gas AG is ejected at a low gas pressure Pn. .
  • the settings in the nozzle selection table Tn are known in advance.
  • a method for acquiring the nozzle selection table Tn and its technical significance will be described with reference to FIGS. 3 to 8.
  • the cuttability is evaluated based on the downward protrusion amount (dross size) of the dross from the surface (bottom surface) opposite to the processing head 2 of the cutting site of the workpiece W.
  • good cutting When the maximum size of the dross formed along the cutting path is equal to or less than a predetermined reference value, it is evaluated that the cutting property is good (hereinafter referred to as "good cutting"). It depends on the plate thickness t and the output M of the laser beam Ls.
  • the reference value of the dross size when the thickness t is 6 to 20 mm and the output M is 6 kW is the line graph in FIG.
  • the maximum size of dross is also referred to as dross height. Since the plate thickness t of the plate used for the measurement of the reference value and the opening diameter D of the nozzle 2b are not continuous but stepwise, the reference value shown in FIG. 3 is a broken line. A smooth approximate curve is also shown in dotted lines in FIG. 3 as a reference for better understanding.
  • the measurement was performed with the following ⁇ fixed conditions> fixed.
  • the following ⁇ parameters> were changed to trial-cut the work of the iron-based plate material.
  • the cuttability was evaluated based on the dross height.
  • the maximum cutting speed Vmax which can maintain a good cutting was also measured.
  • the graphs in FIG. 4 to FIG. 6 show the measurement results when using SUS304 as the iron-based material and the plate thickness t of the work is 6, 12, 20 mm. Iron-based materials such as mild steel other than SUS304 also obtained substantially the same results.
  • the dross height was below the reference value (1200 ⁇ m) in the entire range of the gas pressure Pn of 0.4 to 1.2 MPa, and the cuttability was evaluated as good. Further, the maximum cutting speed Vmax was 400 to 600 mm / min over the whole range of the gas pressure Pn of 0.4 to 1.2 MPa.
  • FIG. 7 is a graph showing the evaluation results.
  • nozzle numbers N1 to N5 were assigned to the nozzles 2b having opening diameters D of 2.0, 4.0, 7.0, 10.0 and 12.0 mm, respectively.
  • the plate thickness maximum value which can be cut well depends on the opening diameter D of the nozzle 2b.
  • the opening diameter D is 10 mm or more, the cuttable plate thickness is saturated.
  • the nozzles 2b having different opening diameters D are selected according to the plate thickness t. If the thickness t of the work W to be cut is larger than the thickness t of the work W cut in the pre-processing, the nozzle 2 b having an opening diameter D larger than the opening diameter D in the pre-processing is selected. On the other hand, when the plate thickness t is smaller than the plate thickness t in the pre-processing, the nozzle 2b having an opening diameter D smaller than the opening diameter D in the pre-processing is selected. Then, laser cutting is performed by the selected nozzle 2b.
  • the output M of the laser beam Ls is set to a different value according to the thickness t. If the thickness t of the workpiece W to be cut is larger than the thickness t of the workpiece W cut in the pre-processing, the output M is set larger than the output M in the pre-processing. On the other hand, when the plate thickness t is smaller than the plate thickness t in the pre-processing, the output M smaller than the output M in the pre-processing is set. For example, according to FIG.
  • Whether to change the aperture diameter D or the output M can be appropriately determined based on various conditions such as the thickness t of the workpiece W to be processed in the future, the power consumption of the laser oscillator 6, and the state of the nozzle 2b (maintenance time). . Since good cutting can be maintained by selecting these two parameters (opening diameter D and output M), it is possible to suppress a decrease in production efficiency. For example, with respect to a defect in which the nozzle 2b having a certain aperture diameter D is damaged, the possibility of maintaining good cutting by increasing the output M of the laser oscillator 6 is increased. In addition, with respect to the failure that the large output M can not be set due to the failure of the laser oscillator 6, the possibility of maintaining good cutting by increasing the nozzle 2b having a different opening diameter D is increased.
  • the selectable nozzles 2 b for good cutting of the workpiece W which is a thick plate material can be determined according to the output M of the laser beam Ls.
  • the reason why the thicker workpiece W can be cut better as the output M is larger is presumed as follows.
  • the power density of the laser light Ls increases as the output M increases, and the viscosity of the molten metal in the kerf decreases. If the gas pressure Pn of the assist gas AG is the same, the amount of heat of cooling of the molten metal by the assist gas AG does not change. Therefore, the viscosity of the molten metal is further reduced by the amount of the output M, and the discharge of the molten metal from the kerf is promoted. As a result, in the case of the same opening diameter D, it is possible to perform good cutting of the thick workpiece W.
  • the reason why the thicker workpiece W can be cut better as the output M is larger is considered as follows in consideration of the plasma state in the kerf. That is, if the gas pressure Pn of the assist gas AG is the same, the plasma state in the kerf does not change. Therefore, as the output M is larger, the energy of the laser light Ls which is not affected by the plasma increases. This energy increase promotes melting of the inner surface of the kerf. As a result, in the case of the same opening diameter D, it is possible to perform good cutting of the thick workpiece W.
  • the nozzle selection table Tn shown in Table 1 it is possible to specify the nozzle number to be selected for each combination of the plate thickness t and the output M. For example, when the plate thickness t is 10.0 mm and the output M is 9 kW, the No. 1 nozzle 2b enables good cutting with the minimum consumption of the assist gas AG. When the plate thickness t is 20.0 mm, there is no selectable nozzle 2b when the output M is 4 kW, and with the output M 6 kW or 9 kW, the No. 3 nozzle 2 b enables good cutting with the minimum consumption of assist gas AG. Make it is possible to specify the nozzle number to be selected for each combination of the plate thickness t and the output M. For example, when the plate thickness t is 10.0 mm and the output M is 9 kW, the No. 1 nozzle 2b enables good cutting with the minimum consumption of the assist gas AG. When the plate thickness t is 20.0 mm, there is no selectable nozzle 2b when the output M is 4 kW, and with the output M
  • the nozzle selection table Tn is externally input to the control device 5 and stored in the storage unit 12.
  • the laser processing apparatus 51 uses the stored nozzle selection table Tn to select the nozzle 2b as shown in the flowchart of FIG. 9 to execute laser cutting.
  • the nozzle selection unit 14 of the control device 5 obtains the thickness t of the workpiece W to be laser-cut next from the processing program PG stored in the storage unit 12 (Step 1), and then the laser beam irradiated by the laser cutting The output M of Ls is acquired (Step 2). Subsequently, the nozzle selection unit 14 refers to the nozzle selection table Tn to grasp the nozzle number corresponding to the plate thickness t and the output M acquired in Step 1 (Step 3). For example, referring to the nozzle selection table Tn shown in Table 1, if the plate thickness t is 12.0 mm and the output M is 6 kW, the nozzle 2b of No. N2 is selected.
  • the nozzle selection unit 14 instructs the nozzle changer 8 to mount the selected N2 nozzle 2b in the main body 2a, and the nozzle changer 8 mounts the N2 nozzle 2b in the main body 2a (Step 4).
  • the assist gas supply device 7 maintains the gas pressure Pn of the assist gas within the range of 0.4 to 0.6 MPa.
  • the drive unit 3 moves the processing head 2 relative to the work W so that the laser light Ls is irradiated to the designated path of the processing program PG, and cuts the work W by laser (Step 5).
  • FIG. 10 and 11 are graphs showing the relationship between the plate thickness t (horizontal axis) and the consumption of assist gas (right vertical axis). The graph also shows the relationship between the plate thickness t (horizontal axis) and the maximum cutting speed (left vertical axis).
  • FIG. 10 shows the consumption of assist gas in a conventional CO 2 laser.
  • FIG. 11 shows the consumption of the assist gas AG in the processing method using the laser oscillator 6 for oscillating the fiber laser light and the nozzle 2b selected based on the nozzle selection table Tn.
  • the nozzle selection table Tn capable of specifying the opening diameter D capable of good cutting with a small amount of assist gas AG is prepared in advance according to the plate thickness t, and the optimum nozzle 2b is easily made by referring to the nozzle selection table Tn. It can be selected.
  • the workpiece W which is a thick plate can be laser-cut at a low consumption of the assist gas AG and at low cost.
  • the gap Gp 0.3 mm was included in the fixed condition.
  • the inventors conducted measurement using the gap Gp as a parameter, and found that the dross height and the assist gas consumption amount Q depended on the gap Gp. This finding will be described below with reference to FIGS. 12 to 14.
  • laser cutting can be performed at a speed (the smaller the gas pressure Pn, the larger the maximum cutting speed Vmax). Therefore, when the gap Gp is increased, it can be expected that the assist gas consumption amount Q can be reduced as compared with the case where the gas pressure Pn exceeds 1 MPa.
  • the opening diameter D of the nozzle 2b is 7 mm.
  • the assist gas consumption amount Q increases as the gas pressure Pn increases. Regardless of the gas pressure Pn, the assist gas consumption amount Q increases as the gap Gp increases.
  • the gap Gp is small, the assist gas AG ejected from the nozzle 2b receives a large resistance from the work W, and the amount of the assist gas AG ejected is suppressed even if the gas pressure Pn in the main body 2a is the same. It is believed that the quantity Q is suppressed. That is, from the viewpoint of the assist gas consumption amount Q, it is preferable that the gap Gp be smaller.
  • the copying control unit 13 controls the drive unit 3 by setting the gap Gp as small as about 0.3 to 0.5 mm (reducing the consumption amount of assist gas Q). Then, when cutting a portion where the local unevenness is prominent on the surface Wa of the workpiece W, the gap Gp is temporarily increased to avoid contact between the workpiece W and the nozzle 2b in the copying movement. The drive unit 3 is controlled.
  • Nozzle step Hn The inventor also measured using the nozzle step height Hn (the distance between the tip 2bb of the inner nozzle 2bb and the tip 2b1 of the outer nozzle 2ba in the direction of the axis CL2) as a parameter. As a result, the relationship between the nozzle level difference Hn and the dross height, and the relationship between the nozzle level difference Hn and the “good-cutting tolerant focal range” have become clear. See FIGS. 16 to 20. To explain.
  • the “good cutting focus width” is a range of the focal length of the laser beam Ls that enables good cutting, and a range of acceptable focal position for good cutting [tolerance range of a focal position for good -cutting].
  • FIGS. 16 to 20 show measurement results for five types of workpieces W different in material and thickness t.
  • the well-cutting focal point width (left vertical axis) is indicated by a bar graph
  • the dross height (right vertical axis) is indicated by a line graph.
  • the nozzle level difference Hn was measured at 0 mm, 1 mm, 3 mm, and 5.5 mm.
  • the processing environment that is based on the processing conditions (recommended processing conditions by the manufacturer) provided by the manufacturer of the laser processing apparatus to the processing site, and the processing environment including the arrangement materials and installation machines at the actual processing site There may be some differences.
  • the focal position of the actual laser beam at the processing site is slightly deviated from the focal position of the laser beam recommended by the manufacturer. Even in such a case, if the well-cutting focal width (the width of the focal position where the workpiece W can be favorably cut) is large, the workpiece W can be favorably cut without adjusting the other conditions.
  • the laser oscillated by the laser oscillator 6 is not limited to the fiber laser.
  • the laser oscillated by the laser oscillator 6 may be a direct diode laser having a wavelength of about 1/10 of that of the CO 2 laser, which is the same as the wavelength of the fiber laser. Even with a direct diode laser, the same effect as a fiber laser can be obtained.
  • the smaller the plate thickness t the better the discharge of the molten metal due to the gas flow is over the promotion of cooling the molten metal in the kerf, and the dross height is Be suppressed.
  • the plate thickness t increases, cooling promotion of the molten metal in the kerf is suppressed, and similarly, the discharge of the molten metal by the gas flow is superior, and the dross height is suppressed.
  • the plate thickness t is an intermediate thickness
  • the cooling promotion of the molten metal in the kerf is better than the discharge of the molten metal by the gas flow, and the viscosity of the molten metal is increased.
  • the dross height may increase due to the suppression of the discharge of the molten metal.
  • good cutting becomes possible by increasing the output M of the laser beam Ls in that range.
  • good cutting can be performed by increasing the gas pressure Pn as described with reference to FIG. 12 and the like in that range.
  • the assist gas supply device 7 of the present embodiment supplies 99.999% nitrogen gas from the tank as the assist gas AG.
  • Nitrogen gas may be purified and supplied from the atmosphere through a filter or the like.
  • the assist gas AG can contain oxygen at an arbitrary rate (eg, several percent).
  • conventional processing that required a switch from gas pressure for piercing to a higher pressure for cutting can be performed without changing the gas pressure. That is, conventionally, there is no need to switch the gas pressure Pn between the piercing process and the cutting process.
  • the gas pressure settling time associated with the switching of the gas pressure Pn is eliminated, and the processing efficiency is improved.
  • the laser processing method and apparatus are not limited to the procedure and configuration of the present embodiment, and can be modified without departing from the scope of the invention.
  • the nozzle 2b may not be a double nozzle but a single nozzle. However, it is preferable to use a double nozzle as the nozzle 2 b because the double nozzle generally consumes less assist gas Q than a single nozzle. Further, inside the nozzle 2b, not the space Va having a uniform inner diameter (see FIG. 2) but a space Va whose diameter changes may be formed. In this case, it is only necessary to form a space Va whose diameter changes gradually in the vicinity of the tip 2b1 without sharply expanding in the vicinity of the tip 2b1 (see nozzles of various shapes illustrated in FIG. 21). If such a space Va is formed, the same effect is brought about.
  • the cuttability may be evaluated based on the surface roughness of the cut surface without evaluating based on the dross height.
  • the laser processing apparatus 51 may not have the nozzle changer 8.
  • the nozzle selection unit 14 notifies the operator of the nozzle number from the output device 15 (see FIG. 1) by sound or image (nozzle information output). It is preferable that the nozzle number be notified also by the output device 15 when the nozzle changer 8 can automatically replace the nozzle 2b.
  • the laser processing apparatus A51 includes a work table A1, a processing head A2, a drive unit A3, and a control device A5.
  • a work AW of a plate material is placed on the work table 1.
  • the processing head A2 irradiates the work piece AW of the plate material placed on the work table A1 with the laser light ALs.
  • the driving unit A3 moves at least one of the work table A1 and the processing head A2 to change the three-dimensional relative position of both.
  • the control device A5 controls the operation of the processing head A2 and the drive unit A3.
  • the laser processing device A51 includes a laser oscillator A6 and an assist gas supply device A7.
  • the laser oscillator A6 supplies the laser beam ALs of the fiber laser to the processing head A2.
  • the laser oscillator A 6 outputs a laser beam in the 1 ⁇ m wavelength band and supplies the laser beam to the processing head 2.
  • the laser oscillated by the laser oscillator A6 is not limited to a fiber laser, and may be a DDL (direct diode laser) or a disk laser.
  • the laser oscillator A6 is a fiber laser oscillator, the fiber laser oscillator outputs laser light having a wavelength of 1060 nm to 1080 nm.
  • the DDL oscillator outputs laser light having a wavelength of 910 nm to 950 nm.
  • the assist gas supply device A7 supplies the nitrogen-rich gas AAG1 to the processing head A2 as the assist gas AAG.
  • the assist gas supply device A7 includes a gas separation unit A7a having a gas separation membrane filter (hollow fiber membrane filter).
  • the assist gas supply device A7 is a known gas supply device that outputs the nitrogen-rich gas AG1 as the assist gas AAG.
  • the nozzle A2b in this embodiment may be a single nozzle different from the nozzle 2b described above.
  • the assist gas AAG in the present embodiment is a nitrogen-rich gas AAG1 containing oxygen, and the heat of reaction between iron and oxygen contributes to the cutting when the work AW is cut. That is, since the assist gas AAG does not merely cool the work AW, the nozzle A2b may be a single nozzle.
  • the control device A5 includes a central processing unit (CPU) A11, a storage unit A12, and a copying control unit A13.
  • a processing program APG for cutting the work AW is externally supplied to the control device A5 via a communication interface (not shown) or the like, and stored in the storage unit A12.
  • the CPU A11 controls the operations of the laser oscillator A6 and the drive unit A3 so that the laser light ALs is irradiated to the work AW along the cutting path defined by the processing program APG.
  • the laser light ALs is emitted downward along the axis ACL2 through the opening A2b2 (irradiation port) formed in the tip end A2b1 of the nozzle A2b.
  • the inner diameter of the opening A2b2 is referred to as an opening diameter AD.
  • the tip end A2b1, the opening A2b2 and the opening diameter AD in the nozzle A2b correspond to the tip 2b1, the opening 2b2 and the opening diameter D in the nozzle 2b in the first embodiment, respectively.
  • CPUA11 controls supply operation of assist gas AAG by assist gas supply device A7.
  • the assist gas AAG is jetted downward from the opening A2b2 at a desired gas pressure as a flux (for example, a flux of a circular cross section) having a predetermined cross-sectional shape including the axis ACL2.
  • the gas pressure is controlled by the control device A5 using the assist gas supply device 7 as, for example, the pressure in the main body portion A2a of the processing head A2.
  • the assist gas supply device A7 includes a dust collection filter A7b, a gas separation unit A7a, and an electromagnetic switching valve A7c in this order from the flow path upstream side (right side in FIG. 23).
  • the dust collection filter A7b is connected to, for example, a compressed air line AP of about 1.0 MPa installed in a factory.
  • the dust collection filter A7b removes dust in the inflowing high pressure air.
  • the high pressure air from which dust has been removed flows into the input port A7a1 of the gas separation unit A7a.
  • the supply of compressed air to the assist gas supply device A7 may be performed not by the compressed air line AP but by a compressor installed independently of the compressed air line AP.
  • the gas separation unit A7a includes the gas separation membrane filter (hollow fiber membrane filter) as described above, and separates oxygen from air using molecular size. Therefore, the nitrogen-rich gas AG1 from which oxygen has been removed flows out from the output port A7a2. Further, the separated oxygen rich gas AG2 flows out from the output port A7a3.
  • the nitrogen concentration of the nitrogen-rich gas AG1 generated using the hollow fiber membrane filter is 90% or more and less than 99.5% (volume ratio), although it depends on the supply pressure of compressed air and the aged deterioration of the hollow fiber membrane filter. It is. Most of the remainder other than nitrogen gas is, in general, oxygen that could not be separated. That is, the nitrogen-rich gas AG1 contains oxygen of at least 0.5% and less than 10%.
  • the concentration of nitrogen is set in consideration of deterioration in the separation function of the filter due to aging, and decreases within this range with use time. That is, the point in time when the nitrogen concentration decreases to 90% is the life of the hollow fiber membrane filter.
  • the nitrogen-rich gas AG1 has a higher mixing ratio of oxygen gas than nitrogen gas having a purity of 99.999% or more using a nitrogen cylinder. Therefore, since the nitrogen-rich gas AG1 can be regarded as a mixed gas of nitrogen and oxygen, it is also referred to as a mixed gas AG1.
  • the assist gas supply device A7 is also a nitrogen-rich gas generator that generates a nitrogen-rich gas.
  • a method of purifying a mixed gas of nitrogen and oxygen is a method of mixing using a nitrogen cylinder and the atmosphere (or a nitrogen cylinder and an oxygen cylinder) or a nitrogen-rich gas obtained by PSA (pressure swing adsorption) method, Or there is a method of mixing with oxygen from the oxygen cylinder).
  • PSA pressure swing adsorption
  • these methods require expensive nitrogen cylinders and PSA devices.
  • the gas pressure of the assist gas used in the method in the present embodiment is 1.0 MPa or less as described later. Therefore, the consumption cost of the assist gas in this embodiment is lower than that of the conventional processing method using expensive nitrogen at a high pressure exceeding 1.0 MPa.
  • the mixed gas AG1 that has flowed out from the output port A7a2 is supplied to the main body portion A2a of the processing head A2 through the solenoid on-off valve A7c.
  • the operation of the solenoid on-off valve A7c is controlled by the controller A5.
  • the assist gas supply device A7 generates the nitrogen-rich mixed gas AG1 from high-pressure air of about 1.0 MPa from the compressed air line AP, and injects it from the opening A2b2 of the nozzle A2b without boosting.
  • the pressure of the mixed gas AG1 having passed through the gas separation unit A7a is lower than the air pressure of the compressed air line AP, and is 1.0 MPa or less.
  • the nitrogen-rich assist gas AAG generated from air without using a nitrogen cylinder is generated as the mixed gas AG1, and the generated mixed gas AG1 is injected at a gas pressure of less than 1.0 MPa. If good cutting by this mixed gas AG1 is possible, an expensive cylinder is unnecessary. In addition, since the amount of injection can be small at a low gas pressure, the cost for laser cutting is low.
  • the mixed gas AG1 generated from air by the assist gas supply device A7 was used as the assist gas AAG, and an experiment was conducted under the condition that the iron-based plate material can be cut well with a sufficiently low pressure gas pressure of 0.6 MPa than before. . Moreover, the cutting property on the conditions which can be cut
  • the plate thickness At of the plate material used in the experiment, the material, and the fixing conditions are as follows. Thickness At: 1.6 mm, 3.2 mm, 4.5 mm, 6.0 mm, 9.0 mm Material: SPH (hot-rolled steel plate) ⁇ Fixed condition> Gas pressure: 0.6MPa Laser light output AM: 6 kW Nozzle step Hn (see Fig. 2): 5.5 mm Gap AGp: 0.3 mm
  • the cuttability is evaluated based on the above-described dross height (maximum dross size) from the opposite surface (lower surface) of the cutting portion of the work AW to the nozzle A2b.
  • the dross height is equal to or less than a preset reference value required as a product, the cuttability is good.
  • cutting using the mixed gas AG1 is better at an optimum cutting speed higher than cutting using nitrogen gas. It is possible. If the optimum cutting speed is high at the same gas pressure, cutting of the predetermined path can be performed in a short time, so the consumption amount of the assist gas AAG decreases. While the gas pressure of nitrogen gas is at least 1.2 MPa, the gas pressure of the mixed gas AG1 is 0.6 MPa, which is less than half. Therefore, it is apparent that the consumption of the mixed gas AG1 (assist gas AAG) is significantly less than the consumption of the nitrogen gas.
  • the reason why cutting can be performed at a low gas pressure, high cutting speed, and low dross height as compared to the case of using nitrogen gas is presumed as follows from observation of a cutting surface and the like.
  • the volume ratio of oxygen in the mixed gas AG1 is 0.5% or more, a marked oxidation reaction occurs at the cutting site, and the heat of reaction lowers the viscosity of the molten metal in the kerf to further extend the melting range.
  • the expansion of the melting range in the kerf increases the total amount of molten metal, but the heating effect of the heat of oxidation reaction in addition to the heat of the laser light reduces the viscosity of the molten metal. Therefore, even if the assist gas AAG is at a low pressure, the molten metal is discharged out of the kerf, and the cutting speed is increased.
  • the expansion of the melting range in the kerf extends the kerf width, and the resistance to which the assist gas AAG is received in the kerf is reduced. Therefore, the assist gas AAG can flow through the kerf even at a lower gas pressure, and the discharge of the molten metal in the kerf is maintained. As a result, the gas pressure can be reduced to 1.0 MPa or less and the dross height can be reduced. That is, the cutting of the medium thickness plate material and the thick plate material SPH material (hot rolled steel plate) is performed using the nitrogen-rich mixed gas AG1 as the assist gas AAG, the gas pressure is 1 MPa or less, and the opening diameter AD is larger than standard conditions. Cutting the medium thickness plate material and the thick plate material SPH material (hot-rolled steel plate) using the nozzle A2b allows the cutting speed to be higher and the dross height to be lower than the above-described standard conditions ( Improved cutting ability).
  • the laser processing method and apparatus are not limited to the procedure and configuration of the present embodiment, and can be modified without departing from the scope of the invention.
  • the cuttability may be comprehensively evaluated by combining other items such as the surface roughness of the cut surface without evaluating based on the dross height.
  • the material to be cut is not limited to SPH, and the method and apparatus of the present embodiment can be similarly applied to iron-based materials including SPC (cold-rolled steel plate), stainless steel and the like, and similar effects can be obtained.
  • the gas pressure does not have to be 0.6 MPa, and the same effect can be obtained as long as it is at least 0.6 MPa or more and 1.0 MPa or less.
  • the control device A5 may not be provided in the laser processing device A51.
  • the control device A5 may be separately disposed near or at a remote position of the laser processing device A51, and may perform wireless or wired communication with the laser processing device A51.
  • the laser processing device A51 may have the following configuration. That is, the laser processing apparatus A51 is an assist gas supply apparatus A7 that is a laser oscillator A6 that generates laser light in a wavelength 1 ⁇ m band and a nitrogen rich gas generator that generates a nitrogen rich gas AG1 with an oxygen concentration of 0.5% or more and less than 10%. And.
  • the laser processing apparatus A51 further includes a storage unit A12 which sets the opening diameter AD of the nozzle A2b with respect to a predetermined plate thickness At and stores previously grasped processing conditions for each plate thickness At.
  • the processing conditions to be stored include the optimum cutting speed AV.
  • the nitrogen rich gas AG1 with an oxygen concentration of 0.5% or more and less than 10% from the assist gas supply device A7 is used as the assist gas AG, and the assist gas AG is injected with a gas pressure of 1.0 MPa or less
  • the laser processing apparatus A51 selects a processing condition corresponding to the plate thickness At to be processed next among the processing conditions stored in the storage unit A12, and the laser oscillator 6 and the assist gas are selected based on the selected processing condition.
  • a control device A5 that controls the operation of the supply device A7 and the processing head A2 is provided.

Abstract

レーザ加工方法では、ファイバレーザ又はダイレクトダイオードレーザのレーザ光をノズルから鉄系板材に照射し、異なる開口径のノズル開口部をそれぞれ有する複数のノズルから、前記板材の厚さに応じて予め設定された開口径のノズル開口部を有するノズルを選択して用い、前記レーザ光を前記板材に照射しつつアシストガスを前記ノズル開口部から前記板材に向けて噴出させて前記板材を切断する。

Description

レーザ加工方法及び装置
　本発明は、レーザ加工方法及び装置[a method and an apparatus for laser processing]に関する。
　特許文献１及び２は、アシストガスを併用してファイバレーザ又はダイレクトダイオードレーザでワーク[workpiece]を切断するレーザ加工装置を開示している。特許文献２に開示されたレーザ加工方法では、いわゆる倣い装置[tracking device]を備えたレーザ加工装置によって、ワークとノズル先端との間の距離であるノズルギャップを所定値に維持してレーザ切断が行行われる。また、特許文献３は、中空糸膜などの多孔質膜を用いて空気から生成した窒素リッチガスをアシストガスとしてレーザ加工ヘッドに供給する装置を開示している。
日本国特許第５９１９３５６号公報 日本国特開２０１７－１３１８９７号公報 日本国特開平５－０８４５９０号公報
　鉄系（ステンレス鋼を含む）[iron-based (including stainless steel)]の板状ワーク[plate-shaped workpiece]を、窒素ガスをアシストガスＡＧに用いてファイバレーザ又はダイレクトダイオードレーザによってレーザ切断すると、ワークが比較的薄板の場合はＣＯ２レーザよりも高速切断できる。これは、ファイバレーザ及びダイレクトダイオードレーザが、ＣＯ２レーザと比較して短波長で高い材料吸収率を有することによる。その結果、ファイバレーザ及びダイレクトダイオードレーザを用いたレーザ切断は、ＣＯ２レーザ切断よりも低アシストガス消費となって低コストとなる。
　一方、ワークが厚板の場合（例えば、ＳＵＳ３０４の約６ｍｍ以上の厚板を出力６ｋＷのファイバレーザで切断する場合）は、現状ではＣＯ２レーザよりも高コストとなる傾向にある。ファイバレーザ及びダイレクトダイオードレーザによる切断カーフはＣＯ２レーザによる切断カーフよりも狭く、ワークが厚くなるほど溶融金属の排出がより困難になることが原因と思われる。このため、ファイバレーザ及びダイレクトダイオードレーザでは狭いカーフ内から溶融金属の排出を促すべくＣＯ２レーザよりもアシストガスを高圧で噴射させる必要があり、高アシストガス消費となって高コストとなる。
　鉄系の板状ワークのレーザ切断では、切り出される製品の切断面に酸化皮膜が形成されることを避ける必要がある。そのため、比較的高価な高純度の窒素ガスをアシストガスに用いて、１．０ＭＰａを超える高圧でその窒素ガスを噴射することで無酸素切断とするのが一般的であり、高コストの要因となっている。また、アシストガスの高圧噴射には昇圧設備も必要となり、この点も高コストの要因となっている。このように、ファイバレーザ及びダイレクトダイオードレーザによるレーザ切断は、鉄系の厚板のワークの切断において高コストとなる傾向にあるため、コスト低減が望まれている。
　本発明の目的は、より低コストで鉄系厚板材を切断できるレーザ加工方法及び装置を提供することにある。
　本願発明の第１の特徴は、レーザ加工方法であって、ファイバレーザ又はダイレクトダイオードレーザのレーザ光をノズルから鉄系板材に照射し、異なる開口径のノズル開口部をそれぞれ有する複数のノズルから、前記板材の厚さに応じて予め設定された開口径のノズル開口部を有するノズルを選択して用い、前記レーザ光を前記板材に照射しつつアシストガスを前記ノズル開口部から前記板材に向けて噴出させて前記板材を切断する、レーザ加工方法を提供する。
　本願発明の第２の特徴は、レーザ加工装置であって、レーザ光を射出させつつアシストガスを噴出させるノズル開口部を有するノズルと、前記ノズル開口部から射出させる前記レーザ光をファイバレーザ又はダイレクトダイオードレーザによって供給するレーザ発振器と、前記ノズル開口部から噴出させる前記アシストガスを供給するアシストガス供給装置と、鉄系板材の複数の板厚と各板厚に応じて予め設定された前記ノズル開口部の開口径との対応関係を示すノズル選択テーブルが格納された記憶部と、前記記憶部に格納された前記ノズル選択テーブルを参照して次に切断する前記板材の前記板厚に対応する開口径の前記ノズル開口部を有するノズルを選択するノズル選択部と、を備えている、レーザ加工装置を提供する。
図１は、実施形態１に係るレーザ加工装置５１の概略構成図である。 図２は、レーザ加工装置５１に装着されるノズル２ｂの斜視断面図である。 図３は、切断性評価基準を説明するグラフである。 図４は、板厚６ｍｍでの切断性を示すグラフである。 図５は、板厚１２ｍｍでの切断性を示すグラフである。 図６は、板厚２０ｍｍでの切断性を示すグラフである。 図７は、ノズル２ｂの開口径Ｄと良切断可能板厚との関係を示すグラフである。 図８は、レーザ出力毎の板厚ｔと開口径Ｄとの関係を示すグラフである。 図９は、ノズル選択手順のフローチャートである。 図１０は、ＣＯ２レーザにおけるアシストガスＡＧの消費量Ｑを示すグラフである。 図１１は、実施形態１におけるアシストガスＡｇの消費量Ｑを示すグラフである。 図１２は、ギャップＧｐ毎のガス圧Ｐｎとドロス高さとの関係及びガス圧Ｐｎと最大切断速度Ｖｍａｘとの関係を示すグラフ（板厚ｔ＝６ｍｍ）である。 図１３は、ギャップＧｐ毎のガス圧Ｐｎとドロス高さとの関係及びガス圧Ｐｎと最大切断速度Ｖｍａｘとの関係を示したグラフ（板厚ｔ＝１２ｍｍ）である。 図１４は、ギャップＧｐ毎のガス圧Ｐｎとドロス高さとの関係及びガス圧Ｐｎと最大切断速度Ｖｍａｘとの関係を示すグラフ（板厚ｔ＝２０ｍｍ）である。 図１５は、ギャップＧｐ毎のガス圧ＰｎとアシストガスＡＧの消費量Ｑとの関係を示すグラフである。 図１６は、ＳＰＨ（ｔ＝４．５ｍｍ）でのノズル段差Ｈｎと良切断焦点幅との関係及びノズル段差Ｈｎとドロス高さとの関係を示すグラフである。 図１７は、ＳＳ４００（ｔ＝９．０ｍｍ）でのノズル段差Ｈｎと良切断焦点幅との関係及びノズル段差Ｈｎとドロス高さとの関係を示すグラフである。 図１８は、ＳＵＳ３０４（ｔ＝８．０ｍｍ）でのノズル段差Ｈｎと良切断焦点幅との関係及びノズル段差Ｈｎとドロス高さとの関係を示すグラフである。 図１９は、ＳＵＳ３０４（ｔ＝１２．０ｍｍ）でのノズル段差Ｈｎと良切断焦点幅との関係及びノズル段差Ｈｎとドロス高さとの関係を示すグラフである。 図２０は、ＳＵＳ３０４（ｔ＝１６．０ｍｍ）でのノズル段差Ｈｎと良切断焦点幅との関係及びノズル段差Ｈｎとドロス高さとの関係を示すグラフである。 図２１（ａ）～（ｅ）は、ノズルの形状例を示す縦断面図である。 図２２は、実施形態２に係るレーザ加工装置Ａ５１の概略構成図である。 図２３は、レーザ加工装置Ａ５１のアシストガス供給装置Ａ７の構成図である。 図２４は、板厚Ａｔと最適切断速度ＡＶとの関係を示すグラフである。 図２５は、最適切断速度ＡＶでの板厚Ａｔとドロス高さとの関係を示すグラフである。
［実施形態１］
　実施形態１に係るレーザ加工装置５１及びレーザ加工方法を説明する。以下の説明において、板厚[thickness]ｔが６ｍｍ以上の板材を、厚板材[thick plate material]と称する。また、板厚ｔが３ｍｍ以上６ｍｍ未満の板材を中厚板材[modestly-thick plate material]と称する。
　図１に示されるように、レーザ加工装置５１は、ワークテーブル１，加工ヘッド２，駆動部３及び制御装置５を備えている。ワークテーブル１には、鉄系板材のワークＷが載置される。加工ヘッド２は、ワークテーブル１上に載置されたワークＷにレーザ光Ｌｓを照射する。駆動部[drive unit]３は、ワークテーブル１及び加工ヘッド２の少なくとも一方を移動させて両者の３次元的相対位置を変化させる。制御装置[controller]５は、加工ヘッド２及び駆動部３の動作を制御する。
　また、レーザ加工装置５１は、レーザ発振器６及びアシストガス供給装置[assist-gas supply device]７を備えている。レーザ発振器６は、プロセスファイバ６ａを介してレーザ光Ｌｓを加工ヘッド２に供給する。レーザ発振器６は、いわゆる波長１μｍ帯（９００ｎｍ～１１００ｎｍ）のレーザ光Ｌｓ[laser light having a so-called 1μm-band (900nm - 1100nm) wavelength]を出力して加工ヘッド２に供給する。アシストガス供給装置７は、アシストガスＡＧとして窒素ガスを加工ヘッド２に供給する。アシストガス供給装置７は、例えば、窒素ガスのボンベを用いて純度９９．９９９％の窒素ガスを加工ヘッド２に供給する。従って、加工ヘッド２は、いわゆる無酸素切断[anoxic cutting]のためのアシストガスＡＧを切断面に供給する。
　加工ヘッド２は、本体部[main body]２ａ，ノズル２ｂ及びセンサ４を備えている。
　本体部２ａは、加工ヘッド２の動作状態において鉛直方向に延びる軸線ＣＬ２を有する筒状に形成されている。ノズル２ｂは、本体部２ａの下端に着脱自在に取り付けられている。センサ４は、ギャップＧｐ（ノズル２ｂの先端部２ｂ１とワークテーブル１上に載置されたワークＷの表面Ｗａとの距離）を測定する。
　さらに、レーザ加工装置５１は、ノズル２ｂを自動交換するノズルチェンジャ８を備えている。本実施形態のノズルチェンジャ８には、ノズル番号Ｎ１～Ｎ５のノズルをストック可能である。ノズルチェンジャ８は、制御装置５のノズル選択部[nozzle selector]１４（詳細は後述）によって制御され、指定された番号のノズルを本体部２ａに取り付け、及び、取り外す。
　図２に示されるように、ノズル２ｂは、アウタノズル部[outer nozzle]２ｂａとインナノズル部[inner nozzle]２ｂｂとを有するいわゆるダブルノズルである。ノズル２ｂは、本体部２ａの下部に対し、ねじによって着脱自在に装着される。
　アウタノズル部２ｂａの先端部[tip end]２ｂ１には開口部[opening]２ｂ２がノズル開口部として形成され、インナノズル部２ｂｂの先端部２ｂｂ１には開口部２ｂｂ２が形成されている。インナノズル部２ｂｂの先端部２ｂｂ１は、ノズル２ｂの軸線ＣＬ２に沿って、アウタノズル部２ｂａの先端部２ｂ１よりも奥側に位置されている[made deep-set]。即ち、先端部２ｂｂ１は、内部に開口部２ｂ２の内部に位置している。アウタノズル部２ｂａの開口縁と先端部２ｂｂ１との間には、開口径Ｄを内径として有する円筒状の空間Ｖａが形成されている。
　軸線ＣＬ２方向の先端部２ｂｂ１と、先端部２ｂ１との距離を、ノズル段差Ｈｎと称する。ノズル段差Ｈｎは、例えば５．５ｍｍである。アウタノズル部２ｂａとインナノズル部２ｂｂとの間には、横断面形状がほぼ環状のアシストガスのアウタ流路Ｒ１が形成される。インナノズル部２ｂｂには、インナ流路Ｒ２が形成されている。インナ流路Ｒ２は、下方に向けて内径が小さくなるように形成されている。
　本体部２ａには、アシストガス供給装置７からアシストガスＡＧ(窒素ガス)が供給される。供給されたアシストガスＡＧは、アウタ流路Ｒ１及びインナ流路Ｒ２を流れて空間Ｖａで合流し、図１に示されるように、先端部２ｂ１の開口部２ｂ２から下方へ噴出される。アシストガスＡＧのガス圧Ｐｎ（詳細は後述）は、本体部２ａ内の圧力として制御装置５の元でアシストガス供給装置７によって制御される。レーザ発振器６から本体部２ａに供給されたレーザ光Ｌｓは、軸線ＣＬ２と一致されて進み、本体部２ａ内に備えられたコリメーションレンズ及びフォーカスレンズ（いずれも不図示）を通過し、インナ流路Ｒ２内を通過して開口部２ｂ２から下方に射出される。
　図１に示されるように、制御装置５は、中央処理装置（ＣＰＵ）１１，記憶部１２，倣い制御部１３及びノズル選択部１４を備えて構成されている。ワークＷを切断するための加工プログラムＰＧ及びノズル選択テーブルＴｎ（詳細後述）は、予め作成されて通信インターフェース（不図示）などを介して外部から制御装置５に供給されるか、作業者により制御装置５に直接入力されて、記憶部１２に記憶される。レーザ切断において、ＣＰＵ１１は、加工プログラムＰＧにより規定された切断経路に沿ってレーザ光ＬｓがワークＷに照射されるように、レーザ発振器６及び駆動部３の動作を制御する。上述したギャップＧｐは、センサ４の検出結果に基づいて、倣い制御部１３が駆動部３による加工ヘッド２の上下駆動を制御することで維持される。なお、倣い制御部１３及びノズル選択部１４は、制御装置５としてＣＰＵ１１と一体的に動作する。
　レーザ光ＬｓによるワークＷの切断時にアシストガスＡＧを使用する場合、ＣＰＵ１１は、アシストガス供給装置７によるアシストガスＡＧの供給動作を制御する。供給されたアシストガスＡＧは、上述のようにノズル２ｂの開口部２ｂ２から下方に噴出される。
　ノズル選択テーブルＴｎも、記憶部１２に格納される。下記表１は、ノズル選択テーブルＴｎの一例を示している。ノズル選択テーブルＴｎには、加工するワークＷの板厚ｔ及びレーザ光Ｌｓの出力Ｍに応じて、異なる開口径Ｄを持つノズル番号Ｎ１～Ｎ５のノズルの中から利用可能な選択すべきノズルが対応付けられている。即ち、ノズル選択テーブルＴｎに基づいて、加工するワークＷの板厚ｔ及びレーザ光Ｌｓの出力Ｍに応じて、選択すべきノズル２ｂ（ノズル番号Ｎ１～Ｎ５）を特定できる。なお、表１に示される例では、ノズル番号Ｎ５は割り当てられていない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　ノズル選択テーブルＴｎにおける板厚ｔ、出力Ｍ及びノズル２ｂ（開口径Ｄ）の各設定によれば、アシストガスＡＧが低いガス圧Ｐｎで噴出されても厚板材であるワークＷを良好に切断できる。レーザ加工装置５１によるワークＷの切断に際し、ノズル選択テーブルＴｎにおける設定は予め把握されている。以下、ノズル選択テーブルＴｎを取得する方法及びその技術的意義について、図３～図８を参照しつつ説明する。
　まず、ワークＷのレーザ切断性[laser cutting performance]の評価について図３を参照して説明する。切断性は、ワークＷの切断部位の、加工ヘッド２とは反対面（下面）からのドロスの下方突出量［ドロスサイズ］に基づいて評価される。ドロスサイズが小さいほど切断性は良好である。切断経路に沿って形成されたドロスの最大サイズが所定基準値以下の場合、切断性が良いと評価される（以下、良切断[good cutting]と称する）。板厚ｔ及びレーザ光Ｌｓの出力Ｍに依存する。板厚ｔが６～２０ｍｍで出力Ｍが６ｋＷの場合のドロスサイズの基準値を、図３の折れ線グラフ（結果はドロスサイズの絶対値［ｍｍ］ではなく、板厚ｔに対するドロスサイズの比率で示されている）に示す。基準値は、板厚ｔが６ｍｍでは５０μｍ（＝０．０５ｍｍ：基準比率０．００８３）、板厚ｔが１２ｍｍでは３００μｍ（＝０．３ｍｍ：基準比率０．０２５）、板厚ｔが２０ｍｍでは１２００μｍ（＝１．２ｍｍ：基準比率０．０６）とされる。以下、ドロスの最大サイズをドロス高さとも称する。基準値の測定に用いた板材の板厚ｔ及びノズル２ｂの開口径Ｄなどが連続的ではなく段階的であったので、図３に示された基準値は折れ線となっている。図３には、理解を深める参考として、滑らかな近似曲線も点線で示されている。
　測定は、次に示す＜固定条件＞を固定して行った。また、次に示す＜パラメータ＞を変えて鉄系板材のワークを試切断した。ドロス高さに基づいて切断性が評価された。さらに、良切断を維持できる最大切断速度Ｖｍａｘも測定した。
＜固定条件＞
　レーザ光の出力Ｍ：６ｋＷ
　レーザ光の波長：１．０８μｍ
　プロセスファイバーコア径：１００μｍ
　ノズル２ｂの開口径Ｄ：７ｍｍ
　ノズル段差Ｈｎ：５．５ｍｍ
　ギャップＧｐ：０．３ｍｍ
　ビーム品質（ＢＰＰ）：　≦４．０ｍｍ＊ｍｒａｄ
　ワーク材質：ＳＵＳ３０４
　アシストガスＡＧの種類：窒素ガス
＜パラメータ＞
　ワークの板厚ｔ：６，１２，２０ｍｍ　の３種
　アシストガスＡＧのガス圧Ｐｎ：０．４～１．２ＭＰａの範囲で０．２ＭＰａ毎
　各板厚ｔにおける良切断の基準値（基準比率）は、上述したようにそれぞれ次の通りである。
　板厚ｔ＝６ｍｍ　　：ドロス高さ　　　５０μｍ（０．００８３）以下
　板厚ｔ＝１２ｍｍ　：ドロス高さ　　３００μｍ（０．０２５）以下
　板厚ｔ＝２０ｍｍ　：ドロス高さ　１２００μｍ（０．０６）以下
　測定の実験結果は、棒グラフに示されるように、板厚ｔ＝６ｍｍでドロスサイズの比率は０．００５２であり、板厚ｔ＝１２ｍｍでドロスサイズの比率は０．００４９であり、板厚ｔ＝２０ｍｍでドロスサイズの比率は０．０４９であった。いずれの実験結果も基準比率を下回っており良好であった。
　図４～図６のグラフは、鉄系材料としてＳＵＳ３０４を用いた、ワークの板厚ｔが６，１２，２０ｍｍの場合の測定結果を示している。ＳＵＳ３０４以外の軟鋼などの鉄系材料も、概ね同様の結果を得た。
(板厚ｔ＝６ｍｍ)
　図４に示されるように、ガス圧Ｐｎが０．４～０．６ＭＰａの範囲でドロス高さは基準値（５０μｍ）以下となり、切断性は良と評価された。また、最大切断速度Ｖｍａｘは、ガス圧Ｐｎが０．４～１．２ＭＰａの全範囲で８０００～８５００ｍｍ／ｍｉｎの範囲内であった。
（板厚ｔ＝１２ｍｍ）
　図５に示されるように、ガス圧Ｐｎが０．４～０．６ＭＰａの範囲でドロス高さは基準値（３００μｍ）以下となり、切断性は良と評価された。また、ガス圧Ｐｎが０．８～１．２ＭＰａの範囲で、ドロス高さは基準値（３００μｍ）を超え、切断性は不良[not-good]と評価された。さらに、最大切断速度Ｖｍａｘは、ガス圧Ｐｎが０．４～０．８ＭＰａの範囲で約２８００ｍｍ／ｍｉｎであり、ガス圧Ｐｎが０．８ＭＰａを超えると低下する傾向となった。ガス圧Ｐｎが１．２ＭＰａで最大切断速度Ｖｍａｘは約２０００ｍｍ／ｍｉｎまで低下した。
（板厚ｔ＝２０ｍｍ）
　図６に示されるように、ガス圧Ｐｎが０．４～１．２ＭＰａの全範囲でドロス高さは基準値（１２００μｍ）以下となり、切断性は良と評価された。また、最大切断速度Ｖｍａｘは、ガス圧Ｐｎが０．４～１．２ＭＰａの全範囲で４００～６００ｍｍ／ｍｉｎであった。
　以上の結果から、開口径Ｄが７ｍｍの場合、少なくともガス圧Ｐｎが０．４～０．６ＭＰａの範囲で板厚ｔが６～２０ｍｍのＳＵＳ３０４の厚板材を良切断で切断することができることが明らかになった。また、ガス圧Ｐｎが０．４～１．２ＭＰａの範囲では、最大切断速度Ｖｍａｘは、ガス圧Ｐｎが小さいほど大きくなることが明らかになった。
（開口径Ｄ）
　上記測定条件においてノズル２ｂの開口径Ｄをさらにパラメータとして、開口径Ｄが２．０，４．０，７．０，１０．０，１２．０ｍｍの場合の切断性を評価した。測定は、ガス圧Ｐｎが０．４～０．６ＭＰａの範囲で良切断が可能なＳＵＳ３０４の板厚ｔを調べた。図７は評価結果を示すグラフである。
　なお、開口径Ｄが２．０，４．０，７．０，１０．０，１２．０ｍｍのノズル２ｂに、下記表２に示されるように、それぞれノズル番号Ｎ１～Ｎ５を割り当てた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　図７に示されるように、開口径Ｄが大きければ厚い板厚でも良切断が可能になる。即ち、良切断可能な板厚最大値はノズル２ｂの開口径Ｄに依存している。また、開口径Ｄが１０ｍｍ以上では切断可能板厚は飽和する。
　例えば、上記固定条件（開口径Ｄは除く）で板厚ｔ＝１０ｍｍの板材をレーザ切断する場合は、図７によればノズル番号Ｎ１～Ｎ５のすべてのノズル２ｂが選択可能である。また、板厚ｔ＝２０ｍｍの板材をレーザ切断する場合、図７によればノズル番号Ｎ３～Ｎ５のノズル２ｂを選択可能である。
（レーザ光のＬｓ出力Ｍ）
　次に、選択可能なノズル２ｂがレーザ光Ｌｓの出力Ｍに依存するか否かを上記固定条件のレーザ光Ｌｓの出力Ｍをさらにパラメータとして、同様の評価を行った。具体的には、上記の６ｋＷ以外の、４ｋＷ及び９ｋＷのそれぞれの出力Ｍにおいて、良切断可能な板厚ｔと開口径Ｄとの関係を測定した。なお、各板厚ｔで複数の良切断可能な開口径Ｄがある場合には、最大切断速度Ｖｍａｘが大きい開口径Ｄを選択した。最大切断速度Ｖｍａｘが大きいほど、加工所要時間が短くてアシストガスＡＧの消費量が少なくなるためである。図８は測定結果を示すグラフである。
　図８に示されるように、出力Ｍが大きいほど、より厚いワークを良切断できる。また、出力Ｍによらず、板厚ｔが厚いほど、良切断のためには大きな開口径Ｄが必要となる。
（開口径Ｄ及び出力Ｍ）
　即ち、実際のレーザ切断では、第１切断で切断したワークＷ（第１板材）の第１板厚に対する次の第２切断で切断するワークＷ（第２板材）の第２板厚の大小に応じて、レーザ光Ｌｓの出力Ｍ及びノズル２ｂの開口径Ｄの一方又は両方を変更することで、ワークＷの板厚変化に対応して良切断を行うことができる。出力Ｍ及び開口径Ｄの一方又は両方を変更する場合を以下に詳しく説明する。
＜開口径Ｄのみを変える場合＞
　レーザ光Ｌｓの出力Ｍを変えずに異なる板厚ｔのワークＷを切断したい場合は、板厚ｔに応じて異なる開口径Ｄのノズル２ｂを選択する。切断するワークＷの板厚ｔが前加工で切断したワークＷの板厚ｔより大きい場合は、前加工での開口径Ｄより大きい開口径Ｄのノズル２ｂを選択する。一方、前加工での板厚ｔよりも板厚ｔが小さい場合は、前加工での開口径Ｄより小さい開口径Ｄのノズル２ｂを選択する。そして、選択されたノズル２ｂでレーザ切断を実行する。例えば、図８によれば、前加工での板厚ｔが１０ｍｍで、板厚ｔが１６ｍｍのワークＷを切断する場合、出力Ｍ＝６ｋＷは変えず、開口径Ｄを２ｍｍから７ｍｍに変更する。
＜レーザ光Ｌｓの出力Ｍのみを変える場合＞
　ノズル２ｂを交換せずに異なる板厚ｔのワークＷを切断したい場合は、板厚ｔに応じてレーザ光Ｌｓの出力Ｍを異なる値に設定する。切断するワークＷの板厚ｔが前加工で切断したワークＷの板厚ｔより大きい場合は、前加工での出力Ｍよりも大きな出力Ｍに設定する。一方、前加工での板厚ｔよりも板厚ｔが小さい場合は、前加工での出力Ｍよりも小さな出力Ｍに設定する。例えば、図８によれば、前加工での板厚ｔが１０ｍｍで、板厚ｔが１６ｍｍのワークＷを切断する場合、開口径Ｄ＝４ｍｍのノズル２ｂは交換せず、出力Ｍを４ｋＷから９ｋＷ変更する。
＜ノズル２ｂの開口径Ｄ及びレーザ光Ｌｓの出力Ｍの両方を変える場合＞
　前加工で良切断したワークＷの板厚ｔと同じ板厚ｔのワークＷを切断する場合、開口径Ｄ及び出力Ｍの一方を大きくし、かつ、他方を小さくすることで良切断を維持できる。例えば、図８によれば、板厚ｔが１２ｍｍの場合、前加工での開口径Ｄが２ｍｍで出力Ｍが９ｋＷのとき、開口径Ｄを７ｍｍへと大きくし、かつ、出力Ｍを４ｋＷに小さくする。
　開口径Ｄ及び出力Ｍのどちらを変更するかは、将来加工するワークＷの板厚ｔ、レーザ発振器６の消費電力、ノズル２ｂの状態（メンテナンス時期）など、種々の条件に基づいて適宜決定できる。これらの２つのパラメータ（開口径Ｄ及び出力Ｍ）の選択で良切断を維持できるので、生産効率の低下を抑制できる。例えば、ある開口径Ｄのノズル２ｂが損傷した不具合に対して、レーザ発振器６の出力Ｍを調整することで良切断を維持できる可能性が増す。また、レーザ発振器６の故障で大きな出力Ｍを設定できない不具合に対して、開口径Ｄの異なるノズル２ｂに交換することで良切断を維持できる可能性が増す。
　このように、厚板材であるワークＷの良切断のために選択可能なノズル２ｂは、レーザ光Ｌｓの出力Ｍに応じて決めることができる。同一開口径Ｄの場合に、出力Ｍが大きいほどより厚いワークＷの良切断か可能となる理由は次のように推察される。出力Ｍが大きいほどレーザ光Ｌｓのパワー密度が高くなるので、カーフ内の溶融金属の粘度が低下する。アシストガスＡＧのガス圧Ｐｎが同じなら、アシストガスＡＧによる溶融金属の冷却熱量は変わらない。従って、出力Ｍが大きい分だけ溶融金属の粘度はより低下し、溶融金属のカーフ外への排出が促進される。この結果、同一開口径Ｄの場合により厚いワークＷの良切断が可能となる。
　また、同一開口径Ｄの場合に、出力Ｍが大きいほどより厚いワークＷの良切断が可能となる理由は、カーフ内のプラズマ状態を考慮すると次のようにも推考される。即ち、アシストガスＡＧのガス圧Ｐｎが同じならカーフ内のプラズマ状態は変化しない。従って、出力Ｍが大きいほど、レーザ光Ｌｓのエネルギのうちのプラズマの影響を受けないエネルギが増加する。このエネルギ増加によってカーフ内側面の融解が促進される。この結果、同一開口径Ｄの場合により厚いワークＷの良切断が可能となる。
　以上の測定（評価）結果によれば、ワークＷの板厚ｔと、その板厚ｔのワークＷの良切断のために選択すべきノズル番号と、の関係を特定できることがわかる。そこで、出力Ｍ及び板厚ｔの各組み合わせに対して、アシストガスＡＧの最小消費量で良切断を可能にするノズル番号をテーブル化した。上述したように、表１がノズル選択テーブルＴｎの一例を示している。なお、上述したように、ノズル番号と開口径Ｄとの関係は上記表２に示されている。
　表１に示されたノズル選択テーブルＴｎによれば、板厚ｔ及び出力Ｍの各組合せに対して選択すべきノズル番号を特定できる。例えば、板厚ｔが１０．０ｍｍの場合、出力Ｍが９ｋＷの場合、Ｎ１番のノズル２ｂによればアシストガスＡＧの最小消費量での良切断を可能にする。板厚ｔが２０．０ｍｍの場合、出力Ｍが４ｋＷでは選択できるノズル２ｂがなく、出力Ｍが６ｋＷ又は９ｋＷでＮ３番のノズル２ｂによればアシストガスＡＧの最小消費量での良切断を可能にする。
　ノズル選択テーブルＴｎは、外部から制御装置５に入力されて記憶部１２に記憶される。レーザ加工装置５１は、記憶されたノズル選択テーブルＴｎを用いて、図９に示されるフローチャートに示されるようにノズル２ｂを選択してレーザ切断を実行する。
　制御装置５のノズル選択部１４は、記憶部１２に記憶された加工プログラムＰＧから、次にレーザ切断するワークＷの板厚ｔを取得し（Ｓｔｅｐ１）、次いで、そのレーザ切断で照射するレーザ光Ｌｓの出力Ｍを取得する（Ｓｔｅｐ２）。続いて、ノズル選択部１４は、ノズル選択テーブルＴｎを参照してＳｔｅｐ１で取得した板厚ｔ及び出力Ｍに対応するノズル番号を把握する（Ｓｔｅｐ３）。例えば、上記表１に示されるノズル選択テーブルＴｎを参照して、板厚ｔが１２．０ｍｍで出力Ｍが６ｋＷであればＮ２番のノズル２ｂが選択される。
　ノズル選択部１４は、選択されたＮ２番のノズル２ｂを本体部２ａに装着するようノズルチェンジャ８に指示し、ノズルチェンジャ８がＮ２番のノズル２ｂを本体部２ａに装着する（Ｓｔｅｐ４）。ＣＰＵ１１からの指示に基づいて、レーザ発振器６は、出力Ｍ＝６ｋＷでレーザ光Ｌｓを加工ヘッド２に供給する。また、アシストガス供給装置７は、アシストガスのガス圧Ｐｎを、０．４～０．６ＭＰａの範囲内で維持する。また、駆動部３は加工プログラムＰＧの指定経路にレーザ光Ｌｓが照射されるよう加工ヘッド２をワークＷに対して相対移動させてワークＷをレーザ切断する（Ｓｔｅｐ５）。
　図１０及び図１１は、板厚ｔ（横軸）とアシストガスの消費量（右縦軸）との関係を示すグラフである。なお、当該グラフは、板厚ｔ（横軸）と最大切断速度（左縦軸）との関係も示している。図１０は、従来のＣＯ２レーザでのアシストガスの消費量を示している。図１１は、ファイバレーザ光を発振するレーザ発振器６とノズル選択テーブルＴｎに基づいて選択されたノズル２ｂとを用いた加工方法でのアシストガスＡＧの消費量を示している。
　上述のレーザ加工方法によれば、板厚ｔが６ｍｍ以上のＳＵＳ３０４の板材に対して、板厚ｔに応じた開口径Ｄを有するノズル２ｂを用いることで、０．４～０．６ＭＰａの比較的低いガス圧Ｐｎで高速の良切断が可能になる。そして、少ないアシストガスＡＧで良切断を可能とする開口径Ｄを板厚ｔに応じて特定できるノズル選択テーブルＴｎを予め用意し、ノズル選択テーブルＴｎを参照することで最適なノズル２ｂを容易に選択できる。本実施形態のレーザ加工装置５１及びレーザ加工方法によれば、図１１に示されるように、アシストガスＡＧの消費量を少なく、かつ、低コストで、厚板材であるワークＷをレーザ切断できる。
（ギャップＧｐ）
　上述した方法では、ギャップＧｐ＝０．３ｍｍが固定条件に含められていた。発明者は、ギャップＧｐをさらにパラメータとした測定を行い、ドロス高さ及びアシストガス消費量ＱがギャップＧｐに依存することを知見した。この知見について図１２～図１４を参照しつつ以下に説明する。
　図１２～図１４は、それぞれギャップＧｐ＝０．３ｍｍ，０．５ｍｍ，０．７ｍｍの場合における、ガス圧Ｐｎ（横軸）と最大切断速度Ｖｍａｘ（左縦軸）との関係、及び、ガス圧Ｐｎ（横軸）とドロス高さ（右縦軸）との関係を示すグラフである。図１２は板厚ｔ＝６ｍｍのＳＵＳ３０４材のレーザ切断の場合を示し、図１３は板厚ｔ＝１２ｍｍの場合を示し、図１４は板厚ｔ＝２０ｍｍの場合を示している。
　板厚ｔ＝６ｍｍの場合を説明する。図１２に示されるように、ガス圧Ｐｎ＝０．４ＭＰａでは、ギャップＧｐ＝０．７ｍｍでのドロス高さがより大きく、良切断ができずに切断性が劣化する。ガス圧Ｐｎ＝０．６ＭＰａでは、ギャップＧｐによる切断性の差は認められず、良切断が可能である。ガス圧Ｐｎ＝０．８ＭＰａでは、ギャップＧｐ＝０．３ｍｍでのドロス高さがより大きく、良切断ができずに切断性が劣化する。ガス圧Ｐｎが１．０ＭＰａ以上では、全てのギャップＧｐで良切断ができずに切断性が劣化する。最大切断速度Ｖｍａｘは、ギャップＧｐによらずにガス圧Ｐｎ＝０．４～１．２ＭＰａで８５００～９０００ｍｍ／ｍｉｎと良好である。
　板厚ｔ＝１２ｍｍの場合を説明する。図１３に示されるように、ガス圧Ｐｎ＝０．４～０．６ＭＰａで、ギャップＧｐ＝０．７ｍｍでのドロス高さがより大きく、良切断ができずに切断性が劣化する。一方、ガス圧Ｐｎが０．８ＭＰａ以上では、ギャップＧｐ＝０．７ｍｍの場合のドロス高さがより小さくなる。即ち、ギャップＧｐ＝０．７ｍｍに関して、ガス圧Ｐｎ＝０．８ＭＰａでのドロス高さはギャップＧｐ＝０．３ｍｍでのドロス高さよりも小さく良切断可能である。また、ギャップＧｐ＝０．７ｍｍに関して、ガス圧Ｐｎが１．０ＭＰａ以上でのドロス高さがギャップＧｐ＝０．３及び０．５ｍｍでのドロス高さよりも小さく良切断可能である。最大切断速度Ｖｍａｘは、ギャップＧｐによる差は大きくないが、ギャップＧｐ＝０．７ｍｍでの最大切断速度Ｖｍａｘが、ガス圧ＰｎによらずギャップＧｐ＝０．３及び０．５ｍｍでの最大切断速度Ｖｍａｘよりも大きく、最も良い値を維持している。
　板厚ｔ＝２０ｍｍの場合を説明する。図１４に示されるように、ガス圧Ｐｎ＝０．４ＭＰａで、ギャップＧｐ＝０．５ｍｍ及び０．７ｍｍでのドロス高さがより大きく（Ｇｐ＝０．７ｍｍで特に大きい）、良切断ができずに切断性が劣化する。ガス圧Ｐｎが０．６ＭＰａ以上では、ギャップＧｐによる顕著な差はなく、良切断が可能である。最大切断速度Ｖｍａｘは、ガス圧Ｐｎ＝０．４～１．２ＭＰａでギャップＧｐによる顕著な差はないが、ガス圧Ｐｎが大きいほど最大切断速度Ｖｍａｘは小さくなる。
　図１２～図１４に示されるグラフによれば、ギャップＧｐが大きいほど、良切断可能なガス圧Ｐｎの最大値が大きくなることが分かる。また、ガス圧Ｐｎ＝０．４～０．８ＭＰａでは、良切断不可能な板厚ｔであってもギャップＧｐを（例えば１段階）大きくすることで良切断可能となる場合があることもわかる。ギャップＧｐをこのように大きくした場合に切断速度を小さくしかつガス圧Ｐｎを大きくする微調整が必要となったとしても、ガス圧Ｐｎ＝０．６ＭＰａ以下での切断速度と同様の良好な切断速度でレーザ切断できることも分かる（ガス圧Ｐｎが小さいほど、最大切断速度Ｖｍａｘは大きい）。従って、ギャップＧｐを大きくした場合、ガス圧Ｐｎが１ＭＰａを超える場合に比べてアシストガス消費量Ｑを少なくできることが期待できる。
　図４～図６を参照して上述した例（ガス圧Ｐｎを低くして良切断を可能にする例）を踏まえて具体的に説明する。アシストガス消費量Ｑを少なくするためにガス圧Ｐｎを小さく（例えばＰｎ＝０．４～０．６ＭＰａ）したが特定の板厚ｔ（例えばｔ＝１２ｍｍ）で良切断が難しい場合、ギャップＧｐを大きくし（例えばＧｐ＝０．３ｍｍから０．５ｍｍに変更）、かつ、ガス圧Ｐｎを大きくする（Ｐｎ＝０．８ＭＰａに変更）。
　図１５は、ギャップＧｐ＝０．３ｍｍ，０．５ｍｍ，０．７ｍｍでの、ガス圧Ｐｎとアシストガス消費量Ｑとの関係を示すグラフである。ノズル２ｂの開口径Ｄは７ｍｍである。図１５に示されるように、ガス圧Ｐｎが大きいほどアシストガス消費量Ｑは多くなる。ガス圧Ｐｎに依らず、ギャップＧｐが大きいほどアシストガス消費量Ｑは多くなる。ギャップＧｐが小さいとノズル２ｂから噴出されるアシストガスＡＧがワークＷから受ける抵抗が大きく、本体部２ａ内のガス圧Ｐｎが同じであっても噴出されるアシストガスＡＧの量が抑えられて消費量Ｑが抑制されると考えられる。即ち、アシストガス消費量Ｑの観点からは、ギャップＧｐは小さい方が好ましい。
　従って、ギャップＧｐ＝０．７ｍｍ以上ではガス圧Ｐｎ＝０．４～０．６ＭＰａよりも大きくすることで高速な良切断が可能であるが（図１２～図１４に示された傾向）、アシストガス消費量Ｑはより小さいギャップＧｐ＝０．３ｍｍ及び０．５ｍｍの場合よりも増える。従って、アシストガス消費量Ｑを低減（最適化）する観点からのギャップＧｐの設定方法は、次に説明する方法が有効である。即ち、倣い制御部１３は、通常は、ギャップＧｐ＝０．３～０．５ｍｍ程度に小さく設定して駆動部３を制御する（アシストガス消費量Ｑを低減）。そして、ワークＷの表面Ｗａ上の局部的起伏が顕著な部位を切断する場合には、倣い移動でのワークＷとノズル２ｂとの接触を回避すべく、ギャップＧｐを一時的に大きくするように駆動部３を制御する。
（ノズル段差Ｈｎ）
　発明者は、ノズル段差Ｈｎ（軸線ＣＬ２方向のインナノズル部２ｂｂの先端部２ｂｂ１とアウタノズル部２ｂａの先端部２ｂ１との距離）をパラメータとした測定も行った。その結果、ノズル段差Ｈｎとドロス高さとの関係、及び、ノズル段差Ｈｎと「良切断焦点幅[good-cutting tolerant focal range]」との関係が明らかになったので、図１６～図２０を参照して説明する。なお、「良切断焦点幅」とは、良切断を可能にするレーザ光Ｌｓの焦点距離の範囲であって、良切断のために許容可能な焦点位置の範囲[tolerance range of a focal position for good-cutting]である。
　図１６～図２０は、材質・板厚ｔが異なる５種類のワークＷにおける測定結果を示している。便宜的に、良切断焦点幅（左縦軸）を棒グラフで示し、ドロス高さ（右縦軸）を折れ線グラフで示す。図１６は板厚ｔ＝４．５ｍｍの熱間圧延鋼板（ＳＰＨ）、図１７は板厚ｔ＝９．０ｍｍの一般構造用圧延鋼板（ＳＳ４００）の測定結果である。また、図１８は板厚ｔ＝８．０ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）、図１９は板厚ｔ＝１２．０ｍｍのＳＵＳ３０４、図２０は板厚ｔ＝１６．０ｍｍのＳＵＳ３０４の測定結果である。ノズル段差Ｈｎは、０ｍｍ，１ｍｍ，３ｍｍ，５．５ｍｍで測定した。良切断焦点幅が大きいほど焦点調節に余裕が生じる。従って、良切断焦点幅は大きい方が加工動作の容易性の観点で好ましい。
　図１６（ＳＰＨ：ｔ＝４．５ｍｍ）に示されるように、ノズル段差Ｈｎ＝５．５ｍｍでの良切断焦点幅は、Ｈｎ＝３ｍｍ以下の場合よりも大きい（Ｈｎ＝５．５ｍｍが良好）。一方、ノズル段差Ｈｎ＝０でのドロス高さは、Ｈｎ＝１ｍｍ以上の場合よりも大きい（Ｈｎ＝１ｍｍ以上が良好）。
　良切断焦点幅が大きいほど、次の利点が得られる。レーザ加工装置の製造者が加工現場に提供する加工条件（当該製造者による推奨加工条件）の基となる加工環境と、実際の加工現場における手配材料及び設置機械などを含む加工環境と、には多少の差異がある場合がある。この際、製造者が推奨するレーザ光の焦点位置に対し、加工現場での実際のレーザ光の焦点位置が多少ずれることが想定される。このような場合でも、良切断焦点幅（ワークＷを良好に切断できる焦点位置の幅）が大きければ、他の条件を調整することなくワークＷを良好に切断できる。
　図１７（ＳＳ：板厚ｔ＝９．０ｍｍ）に示されるように、ノズル段差Ｈｎ＝０での良切断焦点幅は、Ｈｎ＝１ｍｍ以上の場合よりも小さい（Ｈｎ＝１ｍｍ以上が良好）。一方、ノズル段差Ｈｎ＝５．５ｍｍでのドロス高さは、Ｈｎ＝３ｍｍ以下の場合よりも小さい（Ｈｎ＝５．５ｍｍが良好）。
　図１８（ＳＵＳ：板厚ｔ＝８．０ｍｍ）に示されるように、ノズル段差Ｈｎ＝０での良切断焦点幅は、Ｈｎ＝１ｍｍ以上の場合よりも小さい（Ｈｎ＝１ｍｍ以上が良好）。一方、ノズル段差Ｈｎ＝０でのドロス高さは、Ｈｎ＝１ｍｍ以上の場合の方が小さい（Ｈｎ＝１ｍｍ以上が良好）。
　図１９（ＳＵＳ：板厚ｔ＝１２．０ｍｍ）に示されるように、ノズル段差Ｈｎ＝０での良切断焦点幅は、Ｈｎ＝１ｍｍ以上の場合よりも小さい（Ｈｎ＝１ｍｍ以上が良好）。一方、ドロス高さについてはノズル段差Ｈｎによる顕著な違いは認められない。
　図２０（ＳＵＳ：板厚ｔ＝１６．０ｍｍ）に示されるように、ノズル段差Ｈｎ＝０での良切断焦点幅は、Ｈｎ＝１ｍｍ以上の場合よりも小さい（Ｈｎ＝１ｍｍ以上が良好）。一方、ノズル段差Ｈｎ＝５．５ｍｍでのドロス高さは、Ｈｎ＝３ｍｍ以下の場合よりも小さい（Ｈｎ＝５．５ｍｍが良好）。
　図１６～図２０に示された測定結果によれば、良切断焦点幅については、ノズル段差Ｈｎ＝１ｍｍ以上が、Ｈｎ＝０と比較して同等又はより良好であるので、好ましい。特に、ノズル段差Ｈｎ＝５．５ｍｍは、Ｈｎ＝１ｍｍ以上の測定結果の中で最良の良切断焦点幅であるので、より好ましい。
　一方、ドロス高さについては、ノズル段差Ｈｎ＝０とＨｎ＝１ｍｍ以上との比較によれば、共通の傾向は認められない。ただし、ノズル段差Ｈｎ＝５．５ｍｍは、Ｈｎ＝３ｍｍ以下と比較して同等又はより良好であるので、好ましい。従って、良切断焦点幅及びドロス高さを考慮すると、少なくともノズル段差Ｈｎ＝１ｍｍ以上に設定することが好ましく、Ｈｎ＝５．５ｍｍに設定することがより好ましい。
　上述した切断加工条件は、測定に用いたＳＵＳ，ＳＰＨ，ＳＳ以外の、ＳＰＣＣ（冷間圧延鋼板）等の鉄系材料においても同様に実行でき、同様の効果が得られる。また、レーザ発振器６の発振するレーザは、ファイバレーザに限られない。レーザ発振器６が発振するレーザは、ファイバレーザの波長と同様の、ＣＯ２レーザの約１／１０程度の波長のダイレクトダイオードレーザでもよい。ダイレクトダイオードレーザでもファイバレーザと同様の効果が得られる。
（ドロス高さの極大）
　図４～図６を参照して説明したドロス高さの測定結果において、ガス圧Ｐｎが高くなるほど、最大切断速度Ｖｍａｘが低下し、かつ、ドロス高さが増した。アシストガスＡＧのクーラント効果によるドロス発生現象を考慮すると、ガス圧Ｐｎが高くなるほどアシストガスＡＧの流量及び流速が増加するので、カーフ内の溶融金属の冷却がアシストガスＡＧによって促進される。その結果、溶融金属の粘度が上昇して溶融金属がカーフから排出されにくくなってドロスの高さが増す。しかし、板厚ｔが大きいとカーフを貫流しようとするアシストガスＡＧの流れが妨げられるので、アシストガスＡＧによるカーフ内の溶融金属の冷却促進が抑制される。
　上述の測定条件での板厚ｔ＝６～２０ｍｍのワークＷの切断において、板厚ｔが小さいほどカーフ内の溶融金属の冷却促進よりもガス流による溶融金属の排出が勝り、ドロス高さが抑制される。一方、板厚ｔが大きいほどカーフ内の溶融金属の冷却促進が抑制され、同様にガス流による溶融金属の排出が勝り、ドロス高さが抑制される。従って、板厚ｔが中間厚であると、ガス流による溶融金属の排出よりもカーフ内の溶融金属の冷却促進が勝り、溶融金属の粘度が上がる。その結果、溶融金属の排出が抑制されてドロス高さが大きくなる場合のあることが推察される。
　上述したように、ドロス高さが極大となる板厚ｔの範囲が予め確認できた場合、その範囲でレーザ光Ｌｓの出力Ｍを大きくすることで良切断が可能になる。あるいは、その範囲で図１２等を参照して説明したようにガス圧Ｐｎを大きくすることで良切断が可能になる。
（アシストガスＡＧ）
　本実施形態のアシストガス供給装置７は、アシストガスＡＧとしてタンクから９９．９９９％の窒素ガスを供給する。窒素ガスを大気からフィルタなどを通して精製して供給してもよい。この場合、アシストガスＡＧに任意割合で（例えば数パーセント）酸素を含ませることができる。
　数パーセントの酸素を含有する窒素リッチのアシストガスＡＧをレーザ光Ｌｓと共に使用して軟鋼を切断すると、切断時に酸化反応熱が発生する。この酸化反応熱は、アシストガスＡＧの流れによる溶融金属の冷却を抑制して溶融金属の粘度上昇を抑制する。その結果、カーフ内部からの溶融金属の排出が促進されてドロス高さが小さくなると考えられる。即ち、ガス圧Ｐｎ＝０．８ＭＰａ以上でも、図４～図６を参照して説明した良切断が可能になる。
　本実施形態のレーザ加工装置５１では、少なくともガス圧Ｐｎ＝０．４～０．６ＭＰａで、鉄系厚板材の良切断が可能である。また、板厚ｔに応じてギャップＧｐを調整する場合、少なくともＰｎ＝０．４～０．８ＭＰａで鉄系厚板材の良切断が可能である。Ｐｎ＝０．４～０．６ＭＰａは、一般に、ピアス加工でのガス圧と同等である。従って、ピアス加工のためのガス圧から切断加工のためにより高圧への切り換えを必要とした従来の加工を、ガス圧を変えることなく行うことができる。即ち、従来、ピアス加工と切断加工との間でのガス圧Ｐｎの切り換えが必要がない。これにより、ガス圧Ｐｎの切り換えに伴うガス圧静定時間がなくなり加工効率が向上する。
（変形例）
　レーザ加工方法及び装置は、本実施形態の手順及び構成に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において変形可能である。
　ノズル２ｂは、ダブルノズルでなく、シングルノズルであってもよい。ただし、一般にダブルノズルの方がシングルノズルよりもアシストガス消費量Ｑが少ないので、ノズル２ｂとしてダブルノズルを用いることは好ましい。また、ノズル２ｂの内部には、均一内径の空間Ｖａ（図２参照）ではなく、径変化する空間Ｖａが形成されてもよい。この場合、ノズル２ｂの内部には、先端部２ｂ１近傍で急峻に拡径することなく緩やかに径変化する空間Ｖａが形成されればよく（図２１に例示される種々の形状のノズル参照）、そのような空間Ｖａが形成されれば同様の効果がもたらされる。
　切断性は、ドロス高さに基づいて評価せずに、切断面の表面粗さに基づいて評価してもよい。また、レーザ加工装置５１は、ノズルチェンジャ８を備えていなくてもよい。この場合、ノズル選択部１４は、ノズル番号を出力装置１５（図１参照）から音又は画像で作業者に対して報知する（ノズル情報出力）。ノズルチェンジャ８によるノズル２ｂの自動交換が可能な場合に、出力装置１５によってもノズル番号が報知されることが好ましい。
［実施形態２］
　次に、実施形態１のノズル２ｂとアシストガスＡＡＧとして窒素リッチガスＡＧ１を用いて良切断を行う実施形態２を説明する（実施形態１ではアシストガスＡＧとして純度９９．９９９％の窒素ガスを用いた［無酸素切断］）。実施形態２に係るレーザ加工装置５１及びレーザ加工方法を説明する。
　図２２に示されるように、レーザ加工装置Ａ５１は、ワークテーブルＡ１，加工ヘッドＡ２，駆動部Ａ３，及び制御装置Ａ５を備えている。ワークテーブル１には、板材のワークＡＷが載置される。加工ヘッドＡ２は、ワークテーブルＡ１上に載置された板材のワークＡＷにレーザ光ＡＬｓを照射する。駆動部Ａ３は、ワークテーブルＡ１及び加工ヘッドＡ２の少なくとも一方を移動させて両者の３次元的相対位置を変化させる。制御装置Ａ５は、加工ヘッドＡ２及び駆動部Ａ３の動作を制御する。
　また、レーザ加工装置Ａ５１は、レーザ発振器Ａ６及びアシストガス供給装置Ａ７を備えている。レーザ発振器Ａ６は、ファイバレーザのレーザ光ＡＬｓを加工ヘッドＡ２に供給する。レーザ発振器Ａ６は、波長１μｍ帯のレーザ光を出力して加工ヘッド２に供給する。レーザ発振器Ａ６が発振するレーザは、ファイバレーザに限定されず、ＤＤＬ（ダイレクトダイオードレーザ）やディスクレーザであってもよい。レーザ発振器Ａ６がファイバレーザ発振器である場合、ファイバレーザ発振器は波長１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍのレーザ光を出力する。レーザ発振器Ａ６がＤＤＬ発振器であり場合、ＤＤＬ発振器は波長９１０ｎｍ～９５０ｎｍのレーザ光を出力する。
　アシストガス供給装置Ａ７は、アシストガスＡＡＧとして窒素リッチガスＡＡＧ１を加工ヘッドＡ２に供給する。アシストガス供給装置Ａ７は、気体分離膜フィルタ（中空糸膜フィルタ）を有する気体分離ユニットＡ７ａを備えている。アシストガス供給装置Ａ７は、窒素リッチガスＡＧ１をアシストガスＡＡＧとして出力する公知のガス供給装置である。なお、本実施形態におけるノズルＡ２ｂは、上述したノズル２ｂとは異なるシングルノズルのものであってもよい。本実施形態におけるアシストガスＡＡＧは酸素を含む窒素リッチガスＡＡＧ１であり、ワークＡＷの切断時に鉄と酸素との反応熱が切断に寄与する。即ち、アシストガスＡＡＧは単にワークＡＷを冷却するだけではないので、ノズルＡ２ｂがシングルノズルでもよい。
　制御装置Ａ５は、中央処理装置（ＣＰＵ）Ａ１１，記憶部Ａ１２及び倣い制御部Ａ１３を備えて構成されている。ワークＡＷを切断するための加工プログラムＡＰＧは、通信インターフェース（不図示）などを介して外部から制御装置Ａ５に供給され、記憶部Ａ１２に格納される。ＣＰＵＡ１１は、加工プログラムＡＰＧにより規定された切断経路に沿ってレーザ光ＡＬｓがワークＡＷに照射されるように、レーザ発振器Ａ６及び駆動部Ａ３の動作を制御する。レーザ光ＡＬｓは、ノズルＡ２ｂの先端部Ａ２ｂ１に形成された開口部Ａ２ｂ２（照射口）を通って軸線ＡＣＬ２に沿って下方に射出される。開口部Ａ２ｂ２の内径を、開口径ＡＤと称する。ノズルＡ２ｂにおける先端部Ａ２ｂ１，開口部Ａ２ｂ２及び開口径ＡＤは、それぞれ実施形態１でのノズル２ｂにおける先端部２ｂ１，開口部２ｂ２及び開口径Ｄに対応する。
　レーザ光ＡＬｓによるワークＡＷの切断時にアシストガスＡＡＧを使用する場合、ＣＰＵＡ１１は、アシストガス供給装置Ａ７によるアシストガスＡＡＧの供給動作を制御する。アシストガスＡＡＧは、軸線ＡＣＬ２を含む所定横断面形状を有する流束（例えば円形断面の流束）として、所望ガス圧で、開口部Ａ２ｂ２から下方に噴射される。ここで、ガス圧は、例えば加工ヘッドＡ２の本体部Ａ２ａ内の圧力として、アシストガス供給装置７を用いて制御装置Ａ５によって制御される。
　図２３に示されるように、アシストガス供給装置Ａ７は、流路上流側（図２３中右側）から順に、集塵フィルタＡ７ｂ，気体分離ユニットＡ７ａ及び電磁開閉弁Ａ７ｃを備えている。集塵フィルタＡ７ｂは、例えば工場内に敷設された１．０ＭＰａ程度の圧縮空気ラインＡＰに接続されている。集塵フィルタＡ７ｂは、流入する高圧空気内の塵埃を除去する。塵埃が除去された高圧空気は、気体分離ユニットＡ７ａの入力口Ａ７ａ１に流入する。アシストガス供給装置Ａ７への圧縮空気の供給は、圧縮空気ラインＡＰによらず、圧縮空気ラインＡＰとは独立して設置されたコンプレッサによってもよい。
　気体分離ユニットＡ７ａは、上述したように気体分離膜フィルタ（中空糸膜フィルタ）を有しており、分子サイズを利用して空気から酸素を分離する。従って、酸素が除かれた窒素リッチガスＡＧ１が出力口Ａ７ａ２から流出する。また、分離された酸素リッチガスＡＧ２が出力口Ａ７ａ３から流出する。通常、中空糸膜フィルタを用いて生成された窒素リッチガスＡＧ１の窒素濃度は、圧縮空気の供給圧力や中空糸膜フィルタの経年劣化にもよるが、９０％以上９９．５％未満（体積比率）である。窒素ガス以外の残りの大部分は、概ね、分離しきれなかった酸素である。すなわち、窒素リッチガスＡＧ１には、少なくとも０．５％以上１０％未満の酸素が含まれる。
　窒素の濃度は、経年劣化に伴うフィルタの分離機能低下を考慮して設定されており、使用時間に伴いこの範囲内で低下する。すなわち窒素濃度が９０％に低下した時点が中空糸膜フィルタの寿命である。窒素リッチガスＡＧ１は、窒素ボンベを用いた９９．９９９％以上の高純度の窒素ガスに比べると酸素ガスの混合比率が高い。従って、窒素リッチガスＡＧ１は、窒素と酸素との混合ガスとみなせるので、混合ガスＡＧ１とも称する。また、アシストガス供給装置Ａ７は、窒素リッチガスを生成する窒素リッチガス発生装置でもある。
　窒素と酸素との混合ガスを精製する方法は、窒素ボンベと大気（又は窒素ボンベと酸素ボンベ）とを用いて混合する方法や、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｓｗｉｎｇ　Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）法によって窒素リッチガスを得て、大気（又は酸素ボンベ）からの酸素と混合する方法がある。これらの方法では、高価な窒素ボンベやＰＳＡ装置が必要となる。しかし、本実施形態での方法で用いるアシストガスのガス圧は後述のように１．０ＭＰａ以下である。従って、高価な窒素を１．０ＭＰａを超える高圧で使用する従来の加工方法に対して、本実施形態でのアシストガスの消費コストは低くなる。
　出力口Ａ７ａ２から流出した混合ガスＡＧ１は、電磁開閉弁Ａ７ｃを経て、加工ヘッドＡ２の本体部Ａ２ａに供給される。電磁開閉弁Ａ７ｃの動作は、制御装置Ａ５によって制御される。
　アシストガス供給装置Ａ７は、上述したように圧縮空気ラインＡＰからの１．０ＭＰａ程度の高圧空気から窒素リッチの混合ガスＡＧ１を生成し、昇圧せずにノズルＡ２ｂの開口部Ａ２ｂ２から噴射させる。気体分離ユニットＡ７ａを通過した混合ガスＡＧ１の圧力は圧縮空気ラインＡＰの空気圧よりも低下し、１．０ＭＰａ以下である。
　上述したように、窒素ボンベを用いることなく空気から生成した窒素リッチのアシストガスＡＡＧが混合ガスＡＧ１として生成され、生成された混合ガスＡＧ１が１．０ＭＰａ未満のガス圧で噴射される。この混合ガスＡＧ１による良切断が可能であれば、高価なボンベは不要である。また、低いガス圧で噴射量が少なくて済むので、レーザ切断のためのコストは低くなる。
　アシストガス供給装置Ａ７によって空気から生成した混合ガスＡＧ１をアシストガスＡＡＧとして用い、従来よりも十分低圧のガス圧＝０．６ＭＰａで、鉄系板材を良切断可能な条件のための実験を行った。また、良切断可能な条件での切断性及び最適切断速度ＡＶ（ｍ／ｍｉｎ）を評価した。
　実験に用いた板材の板厚Ａｔ及び材質並びに固定条件は次のとおりである。
　板厚Ａｔ：１．６ｍｍ，３．２ｍｍ，４．５ｍｍ，６．０ｍｍ，９．０ｍｍ
　材質　：ＳＰＨ（熱間圧延鋼板）
＜固定条件＞
　ガス圧：０．６ＭＰａ
　レーザ光の出力ＡＭ：６ｋＷ
　ノズル段差Ｈｎ（図２参照）：５．５ｍｍ
　ギャップＡＧｐ：０．３ｍｍ
　切断性は、ワークＡＷの切断部の、ノズルＡ２ｂとは反対面（下面）からの上述したドロス高さ（ドロスの最大サイズ）に基づいて評価される。ドロス高さが製品として求められる予め設定された基準値以下となる場合、切断性は良である。
　実験の結果、板厚Ａｔに応じた開口径ＡＤのノズルＡ２ｂを選択することで、各板厚ＡｔのワークＡＷを良切断できることが明らかになった。板厚Ａｔと良切断可能なノズルＡ２ｂの開口径ＡＤとの関係は、次のとおりである。
　（板厚Ａｔ）　　　　　　　（開口径ＡＤ）
　１．６ｍｍ　　　　　　　　４ｍｍ
　３．２ｍｍ～６．０ｍｍ　　７ｍｍ
　９．０ｍｍ　　　　　　　１０ｍｍ
　さらに、この条件で、各板厚Ａｔにおいて切断性が最良となる最適切断速度ＡＶ（ｍ／ｍｉｎ）を求め、板厚Ａｔを横軸とし、最適切断速度ＡＶを縦軸として図２４のグラフに示した。当該グラフには、上述した混合ガスＡＧ１による板厚Ａｔ（横軸）と最適切断速度ＡＶ（縦軸）との関係は実線で示されている。
　図２４のグラフには、比較実験として、純度９９．９９９％以上の窒素ガスによって良切断を可能にする板厚Ａｔと最適切断速度ＡＶとの関係も破線で示されている。この際、板厚Ａｔに応じて設定された下記の標準条件で同材料を切断している。また、レーザ光の出力ＡＭは、混合ガスＡＧ１の場合と同じ６ｋＷである。
＜標準条件＞
　（板厚Ａｔ）　　　　　　　（開口径ＡＤ）　　　　（ガス圧）
　１．６ｍｍ　　　　　　　　２．０ｍｍ　　　　１．２ＭＰａ
　３．２ｍｍ　　　　　　　　２．５ｍｍ　　　　１．８ＭＰａ
　４．５ｍｍ，６．０ｍｍ　　４．０ｍｍ　　　　１．６ＭＰａ
　９．０ｍｍ　　　　　　　　７．０ｍｍ　　　　１．５ＭＰａ
　図２４から明らかなように、板厚Ａｔが１．２～９．０ｍｍの範囲で、混合ガスＡＧ１を用いた切断の方が、窒素ガスを用いた切断よりも高い最適切断速度で良切断が可能である。同じガス圧で最適切断速度が速いと所定経路の切断を短時間で実行できるので、アシストガスＡＡＧの消費量は少なくなる。窒素ガスのガス圧が最低でも１．２ＭＰａであるのに対し、混合ガスＡＧ１のガス圧は半分以下の０．６ＭＰａである。従って、混合ガスＡＧ１（アシストガスＡＡＧ）の消費量は、窒素ガスの消費量よりも顕著に少ないことは明らかである。
　図２５は、最適切断速度ＡＶによる各板厚ｔでのドロス高さを示すグラフである。板厚Ａｔが１．６～９．０ｍｍの全範囲で、混合ガスＡＧ１のドロス高さが窒素ガスのドロス高さ以下であり、混合ガスＡＧ１の切断性が優れていることがわかる。特に、ドロス高さがほぼ同じ板厚ｔ＝４．５ｍｍの場合を除き、混合ガスＡＧ１のドロス高さは、窒素ガスのドロス高さの約半分程度であり、極めて良好な切断性が得られることが明らかである。
　混合ガスＡＧ１によれば、窒素ガスよりもとした場合に比べて、低いガス圧・高切断速度・低いドロス高さで切断できる理由は、切断面観察などから次のように推察される。混合ガスＡＧ１の酸素の体積比率が０．５％以上であると切断部位に顕著な酸化反応が生じ、その反応熱によってカーフ内の溶融金属の粘度が低下して溶融範囲が更に拡張する。カーフ内の溶融範囲の拡張によって溶融金属の総量は増えるが、レーザ光の熱に加えて酸化反応熱による加熱効果が融解金属の粘度が低下させる。このため、アシストガスＡＡＧが低圧であっても溶融金属はカーフ外へ排出され、切断速度が速くなる。
　また、カーフ内の溶融範囲の拡張によってカーフ幅が広がり、アシストガスＡＡＧがカーフ内で受ける抵抗が低減する。このため、より低いガス圧でもカーフ内にアシストガスＡＡＧを貫流させることが可能になると共に、カーフ内の溶融金属の排出が維持される。結果として１．０ＭＰａ以下へのガス圧低減とドロス高さ低減とが可能になる。即ち、中厚板材及び厚板材のＳＰＨ材（熱間圧延鋼板）の切断を、アシストガスＡＡＧとして窒素リッチな混合ガスＡＧ１を用い、ガス圧を１ＭＰａ以下とし、開口径ＡＤが標準条件よりも大きいノズルＡ２ｂを用いて中厚板材及び厚板材のＳＰＨ材（熱間圧延鋼板）を切断すると、上記の標準条件よりも、切断速度をより速く、かつ、ドロス高さをより低くすることができる（切断性向上）。
（変形例）
　レーザ加工方法及び装置は、本実施形態の手順及び構成に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において変形可能である。
　切断性は、ドロス高さに基づいて評価せずに、切断面の表面粗さなどの他の項目を組み合わせて総合的に評価してもよい。また、被切断材はＳＰＨに限られず、本実施形態の方法及び装置は、ＳＰＣ（冷間圧延鋼板）やステンレス鋼などを含む鉄系材料にも同様に適用でき、同様の効果が得られる。なお、ガス圧は０．６ＭＰａでなくてもよく、少なくとも０．６ＭＰａ以上１．０ＭＰａ以下であれば、同様の効果が得られる。さらに、制御装置Ａ５は、レーザ加工装置Ａ５１に備えられていなくてもよい。例えば、制御装置Ａ５は、別体としてレーザ加工装置Ａ５１の近傍又は遠隔位置に配置され、レーザ加工装置Ａ５１と無線又は有線通信してもよい。
　レーザ加工装置Ａ５１は、次の構成を有してもよい。即ち、レーザ加工装置Ａ５１は、波長１μｍ帯のレーザ光を生成するレーザ発振器Ａ６と、酸素濃度０．５％以上１０％未満の窒素リッチガスＡＧ１を生成する窒素リッチガス発生装置であるアシストガス供給装置Ａ７と、を有する。レーザ加工装置Ａ５１は、さらに所定板厚Ａｔに対するノズルＡ２ｂの開口径ＡＤを設定し、予め把握した加工条件を板厚Ａｔ毎に記憶する記憶部Ａ１２を有する。記憶する加工条件は最適切断速度ＡＶを含む。ここで、アシストガス供給装置Ａ７からの酸素濃度０．５％以上１０％未満の窒素リッチガスＡＧ１をアシストガスＡＧとして用い、１．０ＭＰａ以下のガス圧でアシストガスＡＧを噴射しつつレーザ光ＡＬｓで鉄系板材のワークＡＷを切断した際に、切断可能でかつ最も切断性に優れる切断速度が、最適切断速度ＡＶである。そして、レーザ加工装置Ａ５１は、記憶部Ａ１２に記憶された加工条件の中から次に加工する板厚Ａｔに対応する加工条件を選択し、選択された加工条件に基づいてレーザ発振器６，アシストガス供給装置Ａ７及び加工ヘッドＡ２の動作を制御する制御装置Ａ５を、備える。

Claims (12)

  1. 　レーザ加工方法であって、
    　ファイバレーザ又はダイレクトダイオードレーザのレーザ光をノズルから鉄系板材に照射し、
    　異なる開口径のノズル開口部をそれぞれ有する複数のノズルから、前記板材の厚さに応じて予め設定された開口径のノズル開口部を有するノズルを選択して用い、
    　前記レーザ光を前記板材に照射しつつアシストガスを前記ノズル開口部から前記板材に向けて噴出させて前記板材を切断する、レーザ加工方法。
  2. 　請求項１に記載のレーザ加工方法であって、
    　前記ノズルが、アウタノズル部及びインナノズル部を有するダブルノズルであり、
    　前記ノズル開口部が前記アウタノズル部の開口部であり、前記インナノズル部の開口部が前記アウタノズル部の前記開口部よりも前記ノズルの軸線に沿って奥側に位置されている、レーザ加工方法。
  3. 　請求項１又は２に記載のレーザ加工方法であって、
    　前記アシストガスを０．４～１．０ＭＰａのガス圧で噴出させる、レーザ加工方法。
  4. 　請求項３に記載のレーザ加工方法であって、
    　前記板材がステンレス鋼であり、前記ガス圧が０．４～０．８ＭＰａである、レーザ加工方法。
  5. 　請求項１～４の何れか一項に記載のレーザ加工方法であって、
    　第１板材を切断する第１切断の後に第２板材を切断する第２切断を行い、前記第１板材の第１板厚と前記第２板材の第２板厚とが異なるとき、
    　前記第１板厚に対する前記第２板厚の大小に応じて、第１切断で用いる前記ノズルの前記開口径及び前記レーザ光の出力の少なくとも一方を変更して前記第２切断を行う、レーザ加工方法。
  6. 　請求項１～４の何れか一項に記載のレーザ加工方法であって、
    　第１板材を切断する第１切断の後に第２板材を切断する第２切断を行い、前記第１板材の第１板厚と前記第２板材の第２板厚とが同じとき、
    　前記第１切断で用いた前記ノズルの前記開口径及び前記レーザ光の出力の一方を大きくし他方を小さくして前記第２切断を行う、レーザ加工方法。
  7. 　請求項１～４の何れか一項に記載のレーザ加工方法であって、
    　予め試切断を実行して異なる板厚毎に良切断を可能にする前記開口径を把握してノズル選択テーブルを作成し、前記ノズル選択テーブルを参照して切断する前記板材の前記厚さに対応した前記開口径を有するノズルを切断に用いる前記ノズルとして選択する、レーザ加工方法。
  8. 　請求項１～４の何れか一項に記載のレーザ加工方法であって、
    　予め試切断を実行して前記板材の異なる厚さ毎に良切断を可能にする前記開口径を前記レーザ光の出力毎に求めてノズル選択テーブルを作成し、前記ノズル選択テーブルを参照して切断する前記板材の前記板厚及び前記レーザ光の前記出力に対応した前記開口径の前記ノズル開口部を有するノズルを切断に用いる前記ノズルとして選択する、レーザ加工方法。
  9. 　請求項７又は８に記載のレーザ加工方法であって、
    　複数の前記ノズルが選択可能な場合、最大切断速度が最も大きいノズルを選択する、レーザ加工方法。
  10. 　レーザ加工装置であって、
    　レーザ光を射出させつつアシストガスを噴出させるノズル開口部を有するノズルと、
    　前記ノズル開口部から射出させる前記レーザ光をファイバレーザ又はダイレクトダイオードレーザによって供給するレーザ発振器と、
    　前記ノズル開口部から噴出させる前記アシストガスを供給するアシストガス供給装置と、
    　鉄系板材の複数の板厚と各板厚に応じて予め設定された前記ノズル開口部の開口径との対応関係を示すノズル選択テーブルが格納された記憶部と、
    　前記記憶部に格納された前記ノズル選択テーブルを参照して次に切断する板材の板厚に対応する開口径の前記ノズル開口部を有するノズルを選択するノズル選択部と、
    を備えている、レーザ加工装置。
  11. 　請求項１０に記載のレーザ加工装置であって、
    　前記ノズルが、アウタノズル部及びインナノズル部を有するダブルノズルであり、
    　前記ノズル開口部が前記アウタノズル部の開口部であり、前記インナノズル部の開口部が前記アウタノズル部の前記開口部よりも前記ノズルの軸線に沿って奥側に位置されている、レーザ加工装置。
  12. 　請求項１０又は１１に記載のレーザ加工装置であって、
    　前記ノズル選択部が、選択した前記ノズルを特定する情報を外部に出力する、レーザ加工装置。
PCT/JP2018/037371 2017-10-06 2018-10-05 レーザ加工方法及び装置 WO2019070055A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/651,550 US11052489B2 (en) 2017-10-06 2018-10-05 Method for laser processing
CN201880064827.5A CN111201108B (zh) 2017-10-06 2018-10-05 激光加工方法以及装置
EP18864583.2A EP3693125B1 (en) 2017-10-06 2018-10-05 Laser processing method and device

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017195965 2017-10-06
JP2017-195965 2017-10-06
JP2017200048 2017-10-16
JP2017-200048 2017-10-16
JP2018180518A JP6577110B2 (ja) 2017-10-06 2018-09-26 レーザ加工方法及びレーザ加工装置
JP2018-180518 2018-09-26

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019070055A1 true WO2019070055A1 (ja) 2019-04-11

Family

ID=65994696

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2018/037371 WO2019070055A1 (ja) 2017-10-06 2018-10-05 レーザ加工方法及び装置

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP3693125B1 (ja)
WO (1) WO2019070055A1 (ja)

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5919356B2 (ja) 1977-10-26 1984-05-04 ヤマハ株式会社 電子楽器
JPH0584590A (ja) 1991-09-26 1993-04-06 Amada Co Ltd レーザ加工用アシストガス供給装置
WO2010137475A1 (ja) * 2009-05-25 2010-12-02 三菱電機株式会社 レーザ加工装置およびレーザ加工方法
JP2015213939A (ja) * 2014-05-09 2015-12-03 株式会社アマダホールディングス レーザ加工機及び加工原点補正方法
WO2016093053A1 (ja) * 2014-12-08 2016-06-16 村田機械株式会社 レーザ加工機及びノズル装着方法
JP2017109238A (ja) * 2015-12-15 2017-06-22 Ｊｆｅスチール株式会社 レーザ切断方法
JP2017131897A (ja) 2016-01-25 2017-08-03 株式会社アマダホールディングス レーザ加工装置及び倣い制御方法
WO2017145518A1 (ja) * 2016-02-22 2017-08-31 株式会社アマダホールディングス レーザ加工機における加工ノズル検査装置及び方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT1233073B (it) * 1989-08-01 1992-03-14 Prima Ind Spa Macchina laser per l effettuazione di lavorazioni di taglio e saldatu ra
DE102007024366A1 (de) * 2007-05-23 2008-11-27 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Einrichtung zum Wechseln einer Laserbearbeitungsdüse an einem Laserbearbeitungskopf

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5919356B2 (ja) 1977-10-26 1984-05-04 ヤマハ株式会社 電子楽器
JPH0584590A (ja) 1991-09-26 1993-04-06 Amada Co Ltd レーザ加工用アシストガス供給装置
WO2010137475A1 (ja) * 2009-05-25 2010-12-02 三菱電機株式会社 レーザ加工装置およびレーザ加工方法
JP2015213939A (ja) * 2014-05-09 2015-12-03 株式会社アマダホールディングス レーザ加工機及び加工原点補正方法
WO2016093053A1 (ja) * 2014-12-08 2016-06-16 村田機械株式会社 レーザ加工機及びノズル装着方法
JP2017109238A (ja) * 2015-12-15 2017-06-22 Ｊｆｅスチール株式会社 レーザ切断方法
JP2017131897A (ja) 2016-01-25 2017-08-03 株式会社アマダホールディングス レーザ加工装置及び倣い制御方法
WO2017145518A1 (ja) * 2016-02-22 2017-08-31 株式会社アマダホールディングス レーザ加工機における加工ノズル検査装置及び方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3693125A4

Also Published As

Publication number Publication date
EP3693125A4 (en) 2020-12-02
EP3693125B1 (en) 2022-02-09
EP3693125A1 (en) 2020-08-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111201108B (zh) 激光加工方法以及装置
KR101626312B1 (ko) 레이저 절단방법 및 레이저 절단장치
CA2637535C (en) Cutting method using a laser having at least one ytterbium-based fibre, in which at least the power of the laser source, the diameter of the focused beam and the beam quality factor are controlled
US9731375B2 (en) Method for plasma-cutting a workpiece by means of a plasma-cutting system and pulsating current
US20120234802A1 (en) Machining Work Pieces with a Laser Apparatus and an Electric Arc Apparatus
JP6190855B2 (ja) レーザ加工方法およびレーザ加工装置
WO2014133013A1 (ja) ファイバレーザ加工機の出力制御方法及びファイバレーザ加工機
US6333481B2 (en) Process and unit for plasma-arc working with a gas mixture based on hydrogen, nitrogen and/or argon
CN107738031A (zh) 用于进行具有优化的气体动态性能的激光切割的方法
JP6393555B2 (ja) レーザ加工機及びレーザ切断加工方法
US20050067393A1 (en) Method and installation for laser beam cutting using a multiple-focus objective and a convergent/divergent nozzle
JP2004298896A (ja) 開先加工方法およびレーザとアークの複合溶接方法
US10399173B2 (en) Laser welding of workpieces by machine
Boulos et al. Plasma Torches for Cutting, Welding, and PTA Coating
WO2019070055A1 (ja) レーザ加工方法及び装置
CN111163897B (zh) 镀敷钢板的激光切断加工方法
US6407358B2 (en) Process and unit for plasma-arc working with a gas having controlled O2 and N2 contents
JP4394808B2 (ja) レーザ光とアークを用いた溶融加工装置
KR101843371B1 (ko) 레이저 보조가공용 플라즈마 공구냉각장치
JP6202504B1 (ja) めっき鋼板のレーザ切断加工方法及びレーザ切断加工装置
EP4201576A1 (en) Laser reactive cutting method and apparatus for cutting a thick metal workpiece
KR101536481B1 (ko) 실드박스를 구비한 용접장치 및 이를 이용한 조관 용접방법
RU2089365C1 (ru) Способ газолазерной резки металлических материалов и устройство для осуществления способа
Alsaadawy et al. Investigation of Effect of Laser Cutting Parameters on Microhardness and Average Kerf Width of Ti-6Al-4V Alloy
WO2016031546A1 (ja) レーザ加工ヘッド及びレーザ加工機

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18864583

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018864583

Country of ref document: EP

Effective date: 20200506