WO2023085156A1 - レーザ加工方法及びレーザ加工機 - Google Patents

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WO2023085156A1
WO2023085156A1 PCT/JP2022/040727 JP2022040727W WO2023085156A1 WO 2023085156 A1 WO2023085156 A1 WO 2023085156A1 JP 2022040727 W JP2022040727 W JP 2022040727W WO 2023085156 A1 WO2023085156 A1 WO 2023085156A1
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WO
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sheet metal
laser beam
cutting
laser
nozzle
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Application number
PCT/JP2022/040727
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English (en)
French (fr)
Inventor
明彦 杉山
Original Assignee
株式会社アマダ
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.)
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Publication date
Application filed by 株式会社アマダ filed Critical 株式会社アマダ
Publication of WO2023085156A1 publication Critical patent/WO2023085156A1/ja

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    • 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

Definitions

  • the present disclosure relates to a laser processing method and a laser processing machine.
  • a laser beam that has been focused to an appropriate focused diameter is irradiated onto the top surface of the workpiece with a beam diameter that corresponds to the cutting width of the workpiece.
  • the work must be cut with a width corresponding to the thickness of the work.
  • the upper surface of the workpiece is irradiated with the laser beam with a width corresponding to the thickness of the workpiece.
  • the focal point of the laser beam is positioned closer to the condenser lens than the upper surface of the workpiece, and the workpiece is irradiated with a laser beam having a width corresponding to the thickness of the workpiece.
  • Patent Document 1 laser processing in which the focal point of a laser beam whose wavelength is in the 1 ⁇ m band is arranged at a position between the center in the plate thickness direction of the work and the rear end face of the work in the traveling direction of the laser beam. method is described. In this laser processing method, the focal point of the laser beam is shifted inside the work from the upper surface of the work.
  • Patent Documents 2 and 3 describe devices for converting an input laser beam into a linear output beam.
  • This device has reshaping optics.
  • the reshaping optics have an input aperture and an output aperture.
  • a linear beam packet is reshaped as a beam segment passed through an input aperture of an input laser beam passes through an exit aperture.
  • the focal point of the laser beam is located closer to the condenser lens than the upper surface of the workpiece, so the cut surface of the kerf is irradiated only with the laser beam on the defocus area side. Since the laser beam on the defocus area side irradiates the upper surface side of the work on the cutting surface of the kerf, the light energy of the laser beam does not easily reach the lower cutting surface of the work.
  • oxygen cutting using oxygen as an assist gas may be performed.
  • the heat energy generated by the oxidation-reduction reaction between the iron in the work melted by this light energy and the oxygen of the assist gas is used as the energy for burning the work. used.
  • the degree of dependence of the energy for burning the work on the heat energy of the oxidation-reduction reaction increases.
  • the condensing lens side of the condensing point of the laser beam that has passed through the condensing lens is the infocus area, and the opposite side is the defocus area.
  • the cut surface of the kerf is also irradiated with the laser beam on the in-focus area side.
  • the cut surface on the lower surface side of the work is irradiated with the laser beam on the defocus area side, so that the light energy of the laser beam can easily reach.
  • shifting the focal point of the laser beam from the upper surface of the workpiece in the direction of the optical axis of the laser beam is effective in alleviating the lack of light energy of the laser beam on the lower surface side of the workpiece. .
  • the farther the focal point of the laser beam is from the upper surface of the work the lower the energy density of the laser beam with which the upper surface of the work is irradiated. Therefore, in the laser processing method of Patent Document 1, there is a limit to enlarging the beam diameter corresponding to the plate thickness of the workpiece.
  • the thicker the sheet metal the more likely it is that processing defects due to self-burning and hot spots will occur. Therefore, in the laser processing method, the thicker the sheet metal, the more difficult it becomes to form a kerf having a width corresponding to the thickness of the sheet metal and to supply the optical energy of the laser beam to the upper and lower surfaces of the sheet metal. .
  • a laser processing method includes: A laser beam with a wavelength of 1080 nm or less used for cutting the sheet metal is focused by a condenser lens and emitted from a nozzle of the processing head to the sheet metal, and an assist gas containing oxygen is ejected from the nozzle to the sheet metal, During the relative movement of the nozzle with respect to the sheet metal in the cutting direction of the sheet metal, the irradiation position of the laser beam with respect to the first end face on the nozzle side in the plate thickness direction of the sheet metal along the optical axis of the laser beam is vibrate with an amplitude corresponding to the thickness of the sheet metal along either one of the cutting direction and a direction perpendicular to the cutting direction; A condensing point of the laser beam is positioned between the first end surface of the metal sheet and a second end surface of the metal sheet facing the first end surface in the thickness direction of the metal sheet by the condensing lens.
  • a laser processing machine includes: A processing head that emits a laser beam having a wavelength of 1080 nm or less toward a sheet metal to be cut and has a nozzle that ejects an oxygen-containing assist gas, wherein the sheet metal is cut along the optical axis of the laser beam by a condenser lens.
  • a processing head that emits from the nozzle the laser beam with a focal point positioned between both end surfaces in the plate thickness direction; a moving mechanism for moving the nozzle relative to the sheet metal; a vibrating mechanism for vibrating the irradiation position of the laser beam with respect to the nozzle-side end surface of the sheet metal in the plate thickness direction along either one of a cutting direction of the sheet metal and a direction perpendicular to the cutting direction; , During the relative movement of the nozzle with respect to the sheet metal in the cutting direction, the irradiation position of the laser beam with respect to the nozzle-side end surface of the sheet metal is along either one of the cutting direction and the orthogonal direction.
  • a control unit that controls the moving mechanism and the vibrating mechanism so as to vibrate with an amplitude corresponding to the thickness of the sheet metal; Prepare.
  • the converging point of the laser beam having a wavelength of 1080 nm or less is positioned between both end surfaces of the sheet metal in the plate thickness direction by the condensing lens. This makes it possible to irradiate the laser beam in the in-focus area onto the end face of the sheet metal on the nozzle side from which the laser beam is emitted and the assist gas is ejected.
  • the laser beam in the in-focus area is arranged on the kerf on the nozzle-side end surface side of the sheet metal.
  • the kerf on the nozzle side end face side is irradiated with the laser beam on the in-focus area side, and the optical energy of the laser beam reaches the kerf.
  • a laser beam in the defocus area is arranged on the kerf on the end face side opposite to the end face on the nozzle side of the sheet metal.
  • the kerf on the opposite end face side is irradiated with the laser beam on the defocus area side, and the light energy of the laser beam can easily reach the kerf.
  • the light energy of the laser beam can easily reach the end face of the sheet metal opposite to the end face of the sheet metal nozzle, which promotes metal melting of the sheet metal.
  • the promotion of metal melting of the sheet metal promotes combustion due to oxidation-reduction reaction between dissolved iron in the molten metal and oxygen in the assist gas, and promotes cutting of the sheet metal on the opposite end surface side by combustion heat (reaction heat). This acceleration reduces the delay in cutting the end face of the sheet metal opposite to the end face of the nozzle side, thereby increasing the cutting speed of the sheet metal.
  • the light energy of the laser beam irradiated to the end face of the sheet metal on the nozzle side easily reaches the opposite end face side from the end face of the sheet metal on the nozzle side within the kerf of the sheet metal, so that the light energy of the laser beam is transferred to the sheet metal. Increased chances of absorption. By increasing the chances of light energy absorption, the laser beam irradiation is more likely to contribute to the cutting of the sheet metal, so the sheet metal cutting speed can be increased by increasing the laser beam output.
  • the position irradiated with the high-energy-density laser beam reciprocates in the vibration direction of the laser beam on the cutting front formed on the sheet metal by the irradiation of the laser beam.
  • the irradiation position of the laser beam reciprocates, so that it is possible to suppress excessive energy in a specific portion in the kerf due to the irradiation of the laser beam.
  • the molten metal is melted by the light energy of the laser beam or the thermal energy generated by the oxidation-reduction reaction of the molten iron and oxygen. viscous maintenance and renewed melting of the sheet metal without excessive energy. Accordingly, it is possible to suppress the occurrence of self-burning during processing of the sheet metal by suppressing excessive energy due to the irradiation of the laser beam.
  • a laser beam that is not absorbed by the sheet metal on the cutting front is reflected and irradiated to another location on the cutting front.
  • the light energy of the laser beam absorbed by the sheet metal is absorbed by the sheet metal at a smaller incident angle as the wavelength of the laser beam is shorter.
  • by vibrating and constantly moving the irradiation position of the laser beam it is possible to prevent the reflected laser beam from concentrating on a specific portion of the cutting front.
  • By suppressing the irradiation position of the laser beam from concentrating on a specific portion it is possible to suppress the occurrence of hot spots during processing of the sheet metal.
  • the occurrence of self-burning or hot spots is suppressed, and while forming a kerf with a width corresponding to the thickness of the sheet metal, the upper surface of the work
  • the light energy of the laser beam can be supplied to the side and the bottom side.
  • FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration example of a laser processing machine according to one aspect of the present embodiment.
  • 2 is a perspective view showing a detailed configuration example of a collimator unit and a processing head in the laser processing machine of FIG. 1.
  • FIG. 3A is a diagram showing a beam shape of a laser beam that has passed through the condenser lens of FIG. 1.
  • FIG. 3B is a diagram showing an area of a laser beam irradiated onto the upper surface of the sheet metal in a general laser processing machine.
  • FIG. 4 is a diagram showing an appropriate beam profile of a laser beam when laser cutting sheet metal of a mild steel plate.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a burning state of sheet metal in the kerf in general laser cutting in which a laser beam in a defocused area is irradiated onto the upper surface of the sheet metal.
  • FIG. 6 shows an example of the command output value of the laser beam and the maximum cutting speed corresponding to the plate thickness of the sheet metal, which can be set in a general laser processing machine that irradiates the laser beam in the defocused area onto the upper surface of the sheet metal.
  • FIG. 7 is a diagram showing a burning state of the sheet metal in the kerf by the laser beam in the in-focus area irradiated to the upper surface of the sheet metal by the laser processing machine of FIG.
  • FIG. 8 is a diagram showing displacement of the irradiation position due to vibration of the irradiation position of the laser beam on the sheet metal by the beam vibration mechanism of FIG.
  • FIG. 9A is a diagram showing an orthogonal vibration pattern of a laser beam by the beam vibration mechanism of FIG. 2;
  • 9B is a diagram showing a circular oscillation pattern of the laser beam by the beam oscillation mechanism of FIG. 2.
  • FIG. 9C is a diagram showing a C-shaped vibration pattern of the laser beam by the beam vibration mechanism of FIG. 2.
  • FIG. FIG. 10 is a diagram showing an actual vibration pattern of the irradiation position of the laser beam on the sheet metal when using the orthogonal vibration pattern of FIG. 9A.
  • FIG. 11A is a diagram showing how a kerf is formed on the upper surface of the sheet metal when the irradiation position of the laser beam on the sheet metal is vibrated in the cutting direction by the beam vibration mechanism of FIG. 2.
  • FIG. 11B is a diagram showing how a kerf is formed on the lower surface of the sheet metal when the laser beam irradiation position on the sheet metal is vibrated in the cutting direction by the beam vibration mechanism of FIG. 2.
  • FIG. FIG. 12A is a diagram showing how a kerf is formed on the upper surface of the sheet metal when the irradiation position of the laser beam on the sheet metal is horizontally vibrated by the beam vibration mechanism of FIG. 2 .
  • FIG. 12B is a diagram showing how a kerf is formed on the lower surface of the sheet metal when the irradiation position of the laser beam on the sheet metal is horizontally vibrated by the beam vibration mechanism of FIG. 2.
  • FIG. FIG. 13 is a graph showing the relationship between the cutting speed of the sheet metal by the laser beam irradiated to the sheet metal in the laser processing machine of FIG. 1 and the thickness of the sheet metal, in comparison with a comparative example.
  • FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration example of a laser processing machine according to one aspect of the present embodiment.
  • 2 is a perspective view showing a detailed configuration example of a collimator unit and a processing head in the laser processing machine of FIG. 1.
  • FIG. 3A is an explanatory diagram showing the beam shape of the laser beam 37 that has passed through the condenser lens 34 of FIG.
  • the laser processing machine 100 As shown in FIG. 1, the laser processing machine 100 according to the embodiment A processing head having a nozzle 36 that emits a laser beam 37 having a wavelength of 1080 nm or less toward a sheet metal W to be cut and ejects an oxygen-containing assist gas, wherein the laser beam 37 of the sheet metal W is directed by a condenser lens 34.
  • the laser processing machine 100 includes a laser oscillator 10, a laser processing unit 20, and a process fiber 12 that transmits the laser beam emitted from the laser oscillator 10 to the laser processing unit 20.
  • the process fiber 12 may be single core or multi-clad.
  • an optical coupler may be present on the transmission path to the laser processing unit 20 .
  • the laser processing machine 100 also includes an operation unit 40, an NC device 50, a processing program database 60, a processing condition database 70, and an assist gas supply device 80.
  • the NC device 50 is an example of a control section that controls each section of the laser processing machine 100 .
  • the laser oscillator 10 generates and emits a laser beam.
  • a laser oscillator that amplifies excitation light emitted from a laser diode and emits a laser beam of a predetermined wavelength, or a laser oscillator that directly uses the laser beam emitted from the laser diode is suitable.
  • the laser oscillator 10 is, for example, a solid-state laser oscillator, a fiber laser oscillator, a disk laser oscillator, or a direct diode laser oscillator (DDL oscillator).
  • the laser oscillator 10 emits a 1 ⁇ m band laser beam with a wavelength of 900 nm to 1080 nm.
  • the fiber laser oscillator emits a laser beam with a wavelength of 1060 nm to 1080 nm
  • the DDL oscillator emits a laser beam with a wavelength of 910 nm to 950 nm.
  • a laser oscillator that emits a laser beam with a wavelength in the 1 ⁇ m band is used, but the laser oscillator 10 is not limited to a laser oscillator that emits a laser beam with a wavelength in the 1 ⁇ m band.
  • the laser oscillator 10 may emit a laser beam having a wavelength of 1 ⁇ m or less.
  • a laser beam in the 1 ⁇ m band or less can be a laser beam with a wavelength of 300 nm or more and 1080 nm or less, including blue lasers and green lasers, for example.
  • the laser processing unit 20 includes a processing table 21 on which a sheet metal W to be processed is placed, a gate-shaped X-axis carriage 22, a Y-axis carriage 23, a collimator unit 30 fixed to the Y-axis carriage 23, and a processing head 35.
  • the processing head 35 has a nozzle 36 with an opening 36a.
  • the assist gas supply device 80 supplies oxygen as an assist gas to the processing head 35 .
  • the sheet metal W is, for example, a mild steel plate.
  • the X-axis carriage 22 is configured to be movable on the processing table 21 in the X-axis direction.
  • the Y-axis carriage 23 is configured to be movable on the X-axis carriage 22 in the Y-axis direction perpendicular to the X-axis.
  • the X-axis carriage 22 and the Y-axis carriage 23 move the entire machining head 35 including the nozzle 36 along the surface of the sheet metal W in the X-axis direction, the Y-axis direction, or any combined direction of the X-axis and the Y-axis.
  • the processing head 35 may be configured such that the position of the processing head 35 is fixed and the sheet metal W moves. That is, the laser processing machine 100 only needs to include a moving mechanism that moves the processing head 35 including the nozzle 36 relative to the surface of the sheet metal W. FIG.
  • the collimator unit 30 includes a collimation mechanism that converts a diverging laser beam emitted from the process fiber 12 into a parallel (collimated) laser beam 37, and a beam vibration mechanism that vibrates the laser beam 37 irradiated onto the sheet metal W.
  • a collimation mechanism that converts a diverging laser beam emitted from the process fiber 12 into a parallel (collimated) laser beam 37
  • a beam vibration mechanism that vibrates the laser beam 37 irradiated onto the sheet metal W.
  • a nozzle 36 of the processing head 35 emits a laser beam 37 condensed by a condensing lens 34 of the processing head 35 from an opening 36a, and ejects an assist gas (oxygen).
  • the sheet metal W is irradiated with the laser beam 37 emitted from the opening 36a.
  • the irradiated laser beam 37 melts the metal of the sheet metal W and causes the sheet metal W to undergo thermal cutting.
  • the assist gas ejected from the opening 36a is sprayed onto the sheet metal W, and promotes the thermal cutting of the sheet metal W by the heat of reaction due to the oxidation-reduction reaction between the dissolved iron and oxygen in the molten sheet metal W.
  • the molten metal of the sheet metal W is discharged from the formed kerf.
  • the processing head 35 is configured such that the assist gas is ejected coaxially with the laser beam 37 emitted from the opening 36a of the nozzle 36 in a state in which the beam vibration mechanism in the collimator unit 30 is not operated. Details of the processing head 35 will be described later with reference to FIGS.
  • the operation unit 40 and the display unit 90 are used to input processing conditions that must be input to the NC device 50 when cutting the sheet metal W, and to set the laser processing machine 100 determined based on the input processing conditions.
  • the operation unit 40 is composed of a touch panel or a keyboard, and can input processing conditions to the NC device 50 .
  • the processing conditions are, for example, the thickness of the sheet metal W, the material of the sheet metal W, the power of the laser beam, and the processing speed.
  • the display unit 90 is a monitor that displays input items to the NC unit 50 and setting values determined based on the input items.
  • the machining program database 60 stores machining programs for the NC device 50 to operate each component of the laser processing machine 100 .
  • the processing program is program code that defines the operation procedure of the laser processing machine 100 .
  • the processing condition database 70 stores a plurality of processing condition files in which a plurality of parameters necessary for cutting the sheet metal W are registered.
  • a machining condition file is a file that defines each parameter in a machining program.
  • the processing condition database 70 stores a processing condition file 1 in which vibration patterns of the laser beam 37 are defined.
  • the processing condition file 1 is a file that defines the vibration pattern of the laser beam 37 along either one of the cutting direction of the sheet metal W and the direction perpendicular to the cutting direction. Details of the vibration pattern of the laser beam 37 defined in the processing condition file 1 will be described later with reference to FIGS. 9A to 9C and FIG.
  • the processing condition database 70 stores a processing condition file 2 in which the amplitude of vibration of the laser beam 37 in the cutting direction of the sheet metal W or in a direction orthogonal to the cutting direction is defined for each thickness of the sheet metal W.
  • the amplitude of the oscillation of the laser beam 37 for each thickness of the sheet metal W defined in the processing condition file 2 can be, for example, a value obtained in advance by experiment.
  • the amplitude for each thickness of the sheet metal W is, for example, the dimension between the upper surface side (the end surface on the side of the condenser lens 34) and the lower surface side of the sheet metal W caused by a bevel generated in the vertical direction of the sheet metal W when cutting the sheet metal W. It can be an optimum value that can reduce the difference.
  • a laser beam 37 used for cutting the sheet metal W is condensed by a condensing lens 34 in order to increase the energy density.
  • the condensed diameter of the condensed laser beam 37 has a size corresponding to the diameter of the beam incident on the condensing lens 34 and the wavelength of the laser beam 37 .
  • the molten metal of the sheet metal W flows through the kerf formed in the sheet metal W by thermal cutting.
  • the molten metal flowing through the kerf is discharged from the kerf by the assist gas jetted to the irradiated portion of the laser beam 37 .
  • the volume of the molten metal flowing through the kerf increases as the thickness of the sheet metal W increases.
  • a kerf having an appropriate width corresponding to the thickness of the sheet metal W corresponding to the volume of the molten metal flowing through the kerf of the sheet metal W is formed when the sheet metal W is thermally cut. There is a need to.
  • the beam diameter of the laser beam 37 irradiated to the sheet metal W is set to the kerf instead of the focused diameter corresponding to the wavelength of the laser beam 37. It is necessary to set the beam diameter according to the width. Therefore, the laser beam 37 irradiated to the sheet metal W is prevented from becoming a beam waist at the irradiation position on the upper surface of the sheet metal W, so that the laser beam 37 is irradiated to the sheet metal W with a beam diameter corresponding to the thickness of the sheet metal W. can do.
  • the laser beam 37 condensed by the condensing lens 34 has an in-focus area and a defocus area.
  • the infocus area is on the side of the condenser lens 34 with respect to the condensing point 38 of the laser beam 37 that has passed through the condenser lens 34, and the defocus area is on the opposite side.
  • FIG. 3B is a diagram showing the area of the laser beam 37 that irradiates the upper surface of the sheet metal W in a general laser processing machine.
  • the upper surface Wt of the sheet metal W is irradiated with a defocus area ahead of the beam waist 39 of the laser beam 37, as shown in FIG. 3B.
  • the metal of the sheet metal W is melted by the laser beam 37 and the sheet metal W is thermally cut.
  • a kerf is formed in the thermally cut sheet metal W, and the laser beam 37 is repeatedly reflected in the kerf and travels from the upper surface Wt (first end surface) of the sheet metal W to the lower surface Wb (second end surface, see FIG. 5). do.
  • the lower surface Wb (second end surface) faces the upper surface Wt (first end surface) of the sheet metal W in the plate thickness direction.
  • the wavelength of CO2 laser is generally said to be 10600 nm, which is ten times as long as 1060 nm, which is the typical wavelength of fiber laser. It is said that the light absorptance of the CO2 laser with respect to iron is about 42% at an incident angle of 87 degrees, which is Brewster's angle, and about 15% at an incident angle close to 0 degrees. On the other hand, the absorptance of fiber lasers for iron is said to be about 42% at an incident angle of 80 degrees, which is Brewster's angle, and about 38% at an incident angle close to 0 degrees.
  • the portion of the laser beam 37 that is not absorbed by the sheet metal W is reflected.
  • the reflected laser beam 37 is incident on the next location of the kerf at an angle of incidence on the side near 0 degrees.
  • the portion of the laser beam 37 not absorbed by the sheet metal W at the next location is reflected again.
  • the reflected laser beam 37 is incident on the next position of the kerf at an incident angle close to 0 degrees and reflected by the portion not absorbed by the sheet metal W to the lower surface Wb side of the sheet metal W. Repeat as you go.
  • a fiber laser with a short wavelength of light is absorbed by the sheet metal W at an absorption rate more than double that of a CO2 laser with a long wavelength of light even when incident at an angle close to 0 degrees. For this reason, when light with a short wavelength such as a fiber laser is used as the laser beam 37, the laser beam 37 is absorbed by the kerf on the lower surface Wb side of the sheet metal W where the laser beam 37 reflected without being absorbed by the sheet metal W is irradiated. Hot spots are more likely to occur due to A specific example is shown below.
  • the laser beam 37 with a short wavelength repeats reflection in the kerf and travels toward the lower surface Wb side of the sheet metal W
  • the laser beam 37 is projected into the kerf on the lower surface Wb side of the sheet metal W with a light amount similar to that of the fiber laser described above. are concentrated at the incident points. Since the focused diameter of the laser beam 37 is smaller than that of the long-wavelength CO2 laser, the energy density per area where the laser beam 37 is incident is higher than the energy density per area where the CO2 laser is incident. get higher Therefore, hot spots are likely to occur in the portion of the kerf formed in the sheet metal W by the irradiation of the laser beam 37 on the lower surface Wb side of the sheet metal W. As shown in FIG.
  • Self-burning is a phenomenon in which sheet metal W burns excessively due to excessive oxidation-reduction reaction between iron, which is the main component of mild steel sheet, and oxygen in the assist gas. As a result, the kerf width increases to the range where the assist gas is blown, and the roughness of the cut surface of the kerf is significantly reduced. When self-burning occurs on the upper surface of the material, it becomes very difficult to cut the material with consistent quality.
  • FIG. 4 is a diagram showing an appropriate beam profile of the laser beam 37 when laser cutting the sheet metal W of a mild steel plate. As shown in FIG. 4, by shaping the laser beam 37 into a ring-shaped beam profile, combustion on the upper surface Wt of the sheet metal W can be controlled, and the sheet metal W can be cut with stable quality.
  • the laser beam 37 must be I need to increase the output. If the output of the laser beam 37 is increased, the possibility of self-burning occurring on the upper surface Wt of the sheet metal W will reappear. Further, when the thickness of the sheet metal W increases, it becomes difficult to evenly supply the energy required for cutting to the entire sheet metal W in the thickness direction.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the burning state of the sheet metal W in the kerf in general laser cutting in which the laser beam 37 in the defocus area is irradiated onto the upper surface Wt of the sheet metal W.
  • the upper surface Wt and the lower surface Wb of the sheet metal W correspond to the first end surface and the second end surface of the sheet metal W that face each other in the plate thickness direction Z. As shown in FIG.
  • the kerf 41 formed in the sheet metal W by the irradiation of the laser beam 37 is also irradiated with the laser beam 37 in the defocus area.
  • the thicker the sheet metal W the lower the energy density of the light energy 43 of the laser beam 37.
  • the rate at which the reaction heat of the oxidation-reduction reaction with contributes to the thermal cutting of the sheet metal W increases.
  • the thermal cutting of the sheet metal W by the reaction heat of this oxidation-reduction reaction is not performed properly if the effect of metal melting by the light energy 43 of the laser beam 37 is reduced, resulting in defective cutting.
  • the energy density of the light energy 43 of the laser beam 37 is set to a certain level even in the kerf 41 on the lower surface Wb side of the sheet metal W, and the heat of the sheet metal W due to the reaction heat of the oxidation-reduction reaction is increased. Cutting can be done properly.
  • the thickness of the sheet metal W is thin, there arises a problem of self-burning due to excessive supply of the light energy 43 of the laser beam 37 on the upper surface Wt side of the sheet metal W. Therefore, the increased output of the laser beam 37 effectively contributes to the thermal cutting of the sheet metal W when the sheet metal W is thick.
  • the thickness of the sheet metal W is thin, it is difficult to effectively contribute to the thermal cutting of the sheet metal W by increasing the output power of the laser beam 37 .
  • FIG. 6 shows the maximum command output value of the laser beam 37 corresponding to the thickness of the sheet metal W, which can be set in a general laser processing machine that irradiates the laser beam 37 in the defocus area onto the upper surface Wt of the sheet metal W, and the cutting power.
  • 4 is a graph showing an example of maximum speed
  • the maximum command output value of the laser beam 37 is set to about 3.7 KW for the sheet metal W with a thickness of 6 mm and a maximum cutting speed of about 3 m/min. ing.
  • the maximum command output value of the laser beam 37 is set to approximately 5 KW.
  • the maximum command output value of the laser beam 37 is set to 6 KW, which is the maximum output of the laser oscillator, for the sheet metal W of a relatively thick range of thickness, 12 mm and a maximum cutting speed of approximately 2 m/min. there is If the sheet metal W to be cut has such a thickness, even if the output of the laser beam 37 is increased to the maximum output of the laser oscillator, the sheet metal W can be cut without excessive supply of the light energy 43 on the upper surface Wt side of the sheet metal W. The light energy 43 supplied to the lower surface Wb side of W can be effectively increased.
  • the output of the laser beam 37 increases depending on the thickness of the sheet metal W. May not contribute to speed increase.
  • FIG. 7 is a diagram showing a burning state of the sheet metal W in the kerf 41 by the laser beam 37 in the in-focus area irradiated to the upper surface Wt of the sheet metal W by the laser processing machine 100 of FIG.
  • the kerf 41 on the upper surface Wt side of the sheet metal W is irradiated with the laser beam 37 on the in-focus area side, and light energy 43 of the laser beam 37 reaches it.
  • the kerf 41 on the lower surface Wb side of the sheet metal W is irradiated with the laser beam 37 on the defocus area side, so that the optical energy 43 of the laser beam 37 easily reaches.
  • the sheet metal W Occurrence of self-burning on the upper surface Wt side can be suppressed.
  • the laser beam 37 is irradiated so that the focal point 38 is located inside the sheet metal W in the plate thickness direction, and the irradiation position of the laser beam 37 on the upper surface Wt of the sheet metal W is changed to , in the cutting direction of the sheet metal W or in a direction orthogonal to the cutting direction.
  • This vibration continuously changes the irradiation direction of the laser beam 37 with respect to the cut surface in the kerf 41 , thereby avoiding the traveling direction of the laser beam 37 after secondary reflection from being limited to the sheet metal W.
  • a configuration for vibrating the irradiation position of the laser beam 37 is provided in the processing head 35 of FIG.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a detailed configuration example of the collimator unit 30 and processing head 35 in the laser processing machine 100 of FIG.
  • the collimator unit 30 includes a collimation lens 31 that converts the divergent laser beam emitted from the process fiber 12 into parallel light (collimated light).
  • the divergent laser beam emitted from the process fiber 12 travels so that the center of its optical axis is positioned at the center of the collimation lens 31 .
  • the collimator unit 30 also includes a galvanometer scanner unit 32 and a bend mirror 33 that reflects a laser beam 37 emitted from the galvanometer scanner unit 32 downward in the Z-axis direction perpendicular to the X-axis and the Y-axis.
  • Either the X-axis direction or the Y-axis direction matches the cutting direction of the sheet metal W placed on the processing table 21 .
  • the other of the X-axis direction and the Y-axis direction coincides with the direction orthogonal to the cutting direction of the sheet metal W placed on the processing table 21 .
  • the Z-axis direction coincides with the thickness direction of the sheet metal W placed on the processing table 21 .
  • the processing head 35 is provided with a condenser lens 34 for condensing the laser beam 37 reflected by the bend mirror 33 and irradiating the sheet metal W with it.
  • the condensing lens 34 is configured to be movable toward and away from the sheet metal W by a driving unit and a moving mechanism (not shown).
  • the laser processing machine 100 is centered so that the laser beam 37 emitted from the opening 36a of the nozzle 36 is positioned at the center of the opening 36a. In the non-oscillating reference state, the laser beam 37 is emitted from the center of the opening 36a.
  • the galvanometer scanner unit 32 functions as a beam vibration mechanism that moves within the opening 36a the laser beam 37 that advances through the processing head 35 and is emitted from the opening 36a.
  • the galvanometer scanner unit 32 has a scan mirror 321 that reflects the laser beam emitted from the collimation lens 31, and a drive section 322 that rotates the scan mirror 321 to a predetermined angle.
  • the galvanometer scanner unit 32 also has a scan mirror 323 that reflects the laser beam 37 emitted from the scan mirror 321, and a drive unit 324 that rotates the scan mirror 323 to a predetermined angle.
  • the drive units 322 and 324 can reciprocate the scan mirrors 321 and 323 respectively within a predetermined angle range based on the control by the NC device 50 .
  • the galvanometer scanner unit 32 vibrates the laser beam 37 with which the sheet metal W is irradiated by reciprocatingly oscillating either one or both of the scan mirror 321 and the scan mirror 323 .
  • the illustrated galvano-scanner unit 32 is an example of the beam vibration mechanism, and the beam vibration mechanism is not limited to the galvano-scanner unit 32 having the pair of scan mirrors 321 and 323 .
  • the beam oscillation mechanism may consist of one scan mirror, or three or more scan mirrors.
  • FIG. 8 is a diagram showing displacement of the irradiation position due to vibration of the irradiation position of the laser beam 37 with respect to the sheet metal W by the beam vibration mechanism of FIG.
  • FIG. 8 shows a state in which one or both of the scan mirror 321 and the scan mirror 323 are tilted, and the irradiation position of the laser beam 37 on the sheet metal W is oscillated and displaced.
  • the thin solid line bent by the bend mirror 33 and passing through the condensing lens 34 indicates the optical axis of the laser beam 37 when the laser processing machine 100 is in the standard state.
  • the operation of the galvanometer scanner unit 32 positioned in front of the bend mirror 33 changes the angle of the optical axis of the laser beam 37 incident on the bend mirror 33 so that the optical axis moves to the center of the bend mirror 33.
  • the incident position of the laser beam 37 on the bend mirror 33 is the same before and after the operation of the galvanometer scanner unit 32 .
  • the optical axis of the laser beam 37 is displaced from the position indicated by the thin solid line to the position indicated by the thick solid line due to the action of the galvanometer scanner unit 32 . If the laser beam 37 reflected by the bend mirror 33 is inclined at an angle ⁇ , the irradiation position of the laser beam 37 on the sheet metal W is displaced by a distance ⁇ s. Assuming that the focal length of the condenser lens 34 is EFL (Effective Focal Length), the distance ⁇ s is calculated by EFL ⁇ sin ⁇ .
  • the galvanometer scanner unit 32 inclines the laser beam 37 by an angle ⁇ in the direction opposite to the direction shown in FIG. can be displaced.
  • the distance ⁇ s is less than the radius of the opening 36a, preferably less than or equal to the maximum distance obtained by subtracting a predetermined margin from the radius of the opening 36a.
  • the NC device 50 can vibrate the laser beam 37 in a predetermined direction within the plane of the sheet metal W by controlling the drive units 322 and 324 of the galvano scanner unit 32 .
  • the NC device 50 can vibrate the beam spot (irradiation position of the laser beam 37) formed on the surface of the sheet metal W by vibrating the laser beam 37.
  • the NC device 50 adjusts the amplitude of vibration of the laser beam 37 in the cutting direction of the sheet metal W or in a direction orthogonal to the cutting direction (hereinafter also referred to as the "left-right direction") based on the thickness of the sheet metal W. to decide.
  • the NC unit 50 moves the processing head 35 along the cutting direction, and controls the beam vibration mechanism so that the laser beam 37 is emitted from the nozzle 36 with the determined amplitude in the cutting direction or the horizontal direction, and assists. Let the gas out. The details of each process of the laser processing machine 100 will be described below.
  • the NC unit 50 determines the amplitude of the vibration of the laser beam 37 in the cutting direction or the lateral direction with respect to the direction in which the sheet metal W is cut, based on the thickness of the sheet metal W. Specifically, the NC unit 50 displays a screen for inputting the thickness of the sheet metal W on the display unit 90 and acquires the thickness of the sheet metal W input by the operator from the operation unit 40 .
  • the NC unit 50 refers to the processing condition file 2 stored in the processing condition database 70, which defines the cutting direction or horizontal amplitude of the laser beam 37 with respect to the cutting direction for each thickness of the sheet metal W.
  • the NC unit 50 acquires the cutting direction or horizontal direction amplitude of the laser beam 37 corresponding to the plate thickness of the sheet metal W from the referenced processing condition file 2 . As a result, the amplitude of vibration of the laser beam 37 in the cutting direction or in the lateral direction that is optimum for the thickness of the sheet metal W is determined.
  • the NC unit 50 increases the amplitude of the laser beam 37 in the cutting direction or the horizontal direction as the plate thickness of the sheet metal W increases.
  • the width of the kerf 41 formed on the sheet metal W is the amplitude of the oscillation of the laser beam 37 in the horizontal direction. Therefore, the width of the kerf 41 formed in the sheet metal W increases as the thickness of the sheet metal W increases.
  • the NC device 50 refers to the processing condition file 1 and determines the vibration pattern of the laser beam 37 when vibrating the laser beam 37 in the cutting direction or the left-right direction with the determined amplitude. Vibration pattern examples of the laser beam 37 defined in the processing condition file 1 will be described with reference to FIGS. 9A to 9C and FIG. 9A to 9C and FIG. 10, the case of vibrating the laser beam 37 in the horizontal direction will be described as an example.
  • the cutting direction of the sheet metal W is the x direction
  • the direction perpendicular to the x direction in the plane of the sheet metal W is the y direction.
  • the y direction is the horizontal direction.
  • FIG. 9A is a diagram showing the orthogonal vibration pattern of the laser beam 37 by the beam vibration mechanism of FIG. 2.
  • FIG. The orthogonal vibration pattern shown in FIG. 9A vibrates the beam spot Bs formed on the sheet metal W in the horizontal direction (y direction) orthogonal to the cutting direction (x direction).
  • a kerf 41 is formed by the irradiation of the laser beam 37 .
  • FIG. 9B is a diagram showing the circular oscillation pattern of the laser beam 37 by the beam oscillation mechanism of FIG.
  • the circular vibration pattern shown in FIG. 9B causes the beam spot Bs formed on the sheet metal W to vibrate circularly.
  • FIG. 9C is a diagram showing a C-shaped vibration pattern of the laser beam 37 by the beam vibration mechanism of FIG.
  • the beam spot Bs formed on the sheet metal W is vibrated so as to draw the letter "C".
  • the vibration pattern of the laser beam 37 is not limited to this. It is sufficient that the laser beam 37 oscillates in the lateral direction (y direction) of the sheet metal W. As shown in FIG.
  • the laser beam 37 vibrates in the horizontal direction while the processing head 35 moves in the cutting direction. Therefore, the vibration pattern is obtained by adding the displacement of the machining head 35 in the cutting direction to the vibration patterns shown in FIGS. 9A to 9C.
  • FIG. 10 is a diagram showing an actual vibration pattern of the irradiation position of the laser beam 37 with respect to the sheet metal W when using the orthogonal vibration pattern of FIG. 9A.
  • the beam spot Bs vibrates in the y direction while moving in the x direction, so the actual orthogonal vibration pattern is a vibration pattern as shown in FIG.
  • the movement of the beam spot Bs in the cutting direction is performed with the same amplitude as the movement of the beam spot Bs in the horizontal direction by the vibration patterns shown in FIGS. 9A to 9C. Either vibration pattern shown in FIG. 9C is used.
  • the vibration pattern is a vibration pattern in which the beam spot Bs repeats advancing and retreating along the cutting direction in the vibration patterns shown in FIGS. 9A to 9C while the processing head 35 is displaced in the cutting direction.
  • FIG. 11A is a diagram showing how the kerf 41 is formed on the upper surface Wt of the sheet metal W when the irradiation position of the laser beam 37 on the sheet metal W is vibrated in the cutting direction by the beam vibration mechanism of FIG.
  • FIG. 11B is also a diagram showing how the kerf 41 is formed on the lower surface Wb of the sheet metal W.
  • the kerf 41 formed on the lower surface Wb of the sheet metal W is shown by a virtual line when the irradiation position of the laser beam 37 on the sheet metal W is not vibrated, and the case where the irradiation position of the laser beam 37 is vibrated in the cutting direction.
  • kerf 41 is indicated by a solid line.
  • the tip of the cutting front of the sheet metal W by the laser beam 37 when the beam spot Bs advances becomes the tip 49 of the kerf 41 .
  • the laser beam 37 is incident in the optical axis direction having a slight angle with respect to the cut surface of the kerf 41 .
  • the laser beam 37 is irradiated onto the slope of the cutting front slightly inclined in the retreating direction of the beam spot Bs.
  • a condensing point 38 of the laser beam 37 by the condensing lens 34 is arranged at a predetermined location.
  • the predetermined location is between the upper surface Wt and the lower surface Wb of the sheet metal W shown in FIG.
  • the sheet metal W is required to melt the metal of the sheet metal W by the irradiation of the laser beam 37 and to maintain the melt viscosity of the melted metal while the irradiation position of the laser beam 37 is vibrating.
  • light energy 43 is absorbed on both the upper surface Wt side and the lower surface Wb side.
  • the beam spot Bs repeats advancing and retreating in the cutting direction within the kerf 41 as shown in FIG. 11B.
  • the metal melted by the light energy 43 of the laser beam 37 is discharged from the kerf 41 to the outside of the sheet metal W by its own weight and the flow of the assist gas 45. be done.
  • the beam spot Bs repeats advancing and retreating in the cutting direction, a hot spot caused by the reflected light of the laser beam 37 continuously irradiated to the same portion in the kerf 41 is formed on the lower surface Wb side of the sheet metal W. is less likely to occur.
  • the heat of reaction due to the oxygen supplied by the assist gas 45 contributes to maintaining the viscosity of the molten metal of the sheet metal W and promoting thermal cutting.
  • the amplitude of vibration realized by the galvano scanner unit 32 can be set to about 100 ⁇ m to 300 ⁇ m, and the vibration frequency can be set to 3000 Hz or more.
  • a kerf 41 having a width similar to that of the upper surface Wt side of the sheet metal W is also formed on the lower surface Wb side of the sheet metal W, and a bevel is generated in the vertical direction of the sheet metal W. can be suppressed.
  • the laser beam 37 in the in-focus area is irradiated onto the upper surface Wt of the sheet metal W, and the beam spot Bs is repeatedly advanced and retreated in the cutting direction within the kerf 41.
  • the laser beam 37 can easily reach the lower surface Wb side of the sheet metal W within the kerf 41 . Since the laser beam 37 can easily reach the lower surface Wb side of the sheet metal W, the reduction in the effect of metal melting by the light energy 43 of the laser beam 37 is suppressed, and the thermal cutting of the sheet metal W by the reaction heat of the oxidation-reduction reaction is appropriate. can be done on
  • the irradiation position of the laser beam 37 with respect to the sheet metal W is vibrated, the position of the cut surface within the kerf 41 irradiated with the laser beam 37 always moves. Therefore, it is possible to prevent the laser beam 37 from concentrating on a specific portion in the kerf 41 and prevent the occurrence of hot spots. As a result, the occurrence of self-burning due to excessive supply of the light energy 43 on the upper surface Wt side of the sheet metal W can be suppressed.
  • a condensing point 38 of the laser beam 37 by the condensing lens 34 is arranged at a predetermined position between the upper surface Wt and the lower surface Wb of the sheet metal W.
  • the sheet metal W can absorb the light energy 43 required during vibration of the irradiation position of the laser beam 37 on both the upper surface Wt side and the lower surface Wb side of the sheet metal W. Therefore, by arranging the condensing point 38 at this predetermined position, the metal of the sheet metal W can be melted by the irradiation of the laser beam 37 and the melt viscosity of the melted metal can be maintained, so that the sheet metal W can be appropriately thermally cut. can be done on
  • the beam diameter and output of the laser beam 37 are set according to the thickness of the sheet metal W, and the kerf 41 having an appropriate width according to the thickness of the sheet metal W is formed. can be formed in the sheet metal W during thermal cutting.
  • the width of the kerf 41 formed on the sheet metal W is determined by the diameter of the beam spot Bs in FIGS. 11A and 11B. Therefore, when the vibration direction of the laser beam 37 is the cutting direction, the condensing point 38 in FIG. It is also possible to obtain a beam spot Bs having a diameter matching the .
  • the self-burning of the sheet metal W can be suppressed by vibrating the irradiation position of the laser beam 37 on the sheet metal W in the cutting direction, but the self-burning of the sheet metal W can also be suppressed by vibrating in the left-right direction. .
  • a kerf 41 having a width corresponding to the thickness of the sheet metal W must be formed in the sheet metal W, and there is a limit to changing the width of the kerf 41 by changing the beam diameter of the laser beam 37 .
  • Vibrating the irradiation position of the laser beam 37 on the sheet metal W in the horizontal direction is more advantageous than vibrating in the cutting direction in forming the kerf 41 having a width corresponding to the thickness of the sheet metal W. It can be said that this is a method for suppressing self-burning.
  • FIG. 12A is a diagram showing how the kerf 41 is formed on the upper surface Wt of the metal sheet W when the irradiation position of the laser beam 37 on the metal sheet W is horizontally vibrated by the beam vibration mechanism of FIG.
  • FIG. 12B is also a diagram showing how the kerf 41 is formed on the lower surface Wb of the sheet metal W. As shown in FIG.
  • the beam spot Bs is repeatedly generated in the horizontal direction within the kerf 41 formed on the sheet metal W by the vibrated laser beam 37, as shown in FIG. 12A. move back and forth.
  • the kerf 41 is formed on the sheet metal W by the irradiation of the laser beam 37
  • the cutting front of the sheet metal W becomes both sides of the kerf 41 in the left-right direction.
  • the absorption of the laser beam 37 by the sheet metal W becomes remarkable in the high absorption portions 51 on each side surface of the kerf 41 that hits the cutting front.
  • the laser beam 37 that is not absorbed by the sheet metal W on the upper surface Wt side and is secondarily reflected in the kerf 41 is significantly absorbed by the sheet metal W on the sides of the cutting front.
  • the side of the cutting front hits the tip side of the kerf 41 in the cutting direction of the sheet metal W.
  • absorption of the laser beam 37 by the sheet metal W becomes remarkable in the two high absorption portions 51 on the tip of the kerf 41 .
  • Each high absorbency portion 51 on the tip of the kerf 41 is located at each side of the kerf 41 .
  • the two high-absorption portions 51 on the lower surface Wb side of the sheet metal W intermittently and alternately show a state in which the laser beam 37 is remarkably absorbed.
  • the state in which the absorption of the laser beam 37 in each high-absorption portion 51 is remarkable does not continue during the irradiation of the laser beam 37, continuous A hot spot caused by the reflected light of the irradiated laser beam 37 is less likely to occur.
  • the heat of reaction due to the oxygen supplied by the assist gas 45 contributes to maintaining the viscosity of the molten metal of the sheet metal W and promoting thermal cutting.
  • the two high absorption portions 51 intermittently and alternately enter a state in which the absorption of the laser beam 37 is remarkable.
  • the state in which the laser beam 37 is remarkably absorbed in each high-absorbing portion 51 does not continue during the irradiation of the laser beam 37 . Therefore, on the upper surface Wt side of the sheet metal W, it is possible to suppress the occurrence of self-burning due to excessive heat input to a specific portion due to excessive supply of the light energy 43 of the laser beam 37 .
  • the condensing point 38 in FIG. 3A may be arranged, for example, at a position closer to the upper surface Wt than the center of the sheet metal W in the plate thickness direction.
  • securing a wide depth of focus specifically means that the laser beam 37 is vibrated for a condensing region (depth of focus) that effectively contributes to cutting defined by the laser beam 37 before vibrating. This means that the condensed area expands in the direction perpendicular to the traveling direction of the laser beam 37 .
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the cutting speed of the sheet metal W by the laser beam 37 irradiated to the sheet metal W in the laser processing machine 100 of FIG. 1 and the thickness of the sheet metal W, in comparison with a comparative example.
  • the vertical axis is the cutting speed of the sheet metal W
  • the horizontal axis is the thickness of the sheet metal W.
  • the graph of "back and forth swing” shows the relationship between the thickness of the sheet metal W and the cutting speed when the irradiation position of the laser beam 37 in the in-focus area on the sheet metal W is oscillated in the cutting direction.
  • the graph of "horizontal oscillation” shows the relationship between the thickness of the sheet metal W and the cutting speed when the irradiation position of the laser beam 37 in the in-focus area on the sheet metal W is oscillated in the lateral direction.
  • the cutting speed of the sheet metal W when the vibration direction of the laser beam 37 is the cutting direction and the cutting speed of the sheet metal W when the vibration direction of the laser beam 37 is the horizontal direction were both measured with the same vibration amplitude and vibration frequency. .
  • the "in-focus speed” indicates the relationship between the thickness of the sheet metal W and the cutting speed when the upper surface Wt of the sheet metal W is irradiated with the laser beam 37 in the in-focus area without vibrating.
  • the "defocus speed” indicates the relationship between the thickness of the sheet metal W and the cutting speed when the upper surface Wt of the sheet metal W is irradiated with the laser beam 37 in the defocus area without vibrating. ing.
  • the sheet metal W is cut at the fastest cutting speed for each thickness of 4.5 mm, 6 mm, 9 mm, and 12 mm plotted in FIG. I was able to When the irradiation position of the laser beam 37 is oscillated in the horizontal direction, the cutting speed is about 10% slower than when it is oscillated in the cutting direction, but it is faster than when the irradiation position of the laser beam 37 is not oscillated.
  • the sheet metal W could be cut with
  • the cutting speed of the sheet metal W was slower than when the laser beam 37 was vibrated.
  • the cutting speed of the sheet metal W was further slower than in the case where the laser beam 37 in the infocus area was irradiated.
  • a laser beam with a wavelength of 1 ⁇ m band or less used for cutting the sheet metal is condensed by a condenser lens and emitted from a nozzle of the processing head to the sheet metal, and an assist gas containing oxygen is jetted from the nozzle to the sheet metal.
  • the irradiation position of the laser beam with respect to the first end face on the nozzle side in the plate thickness direction of the sheet metal along the optical axis of the laser beam is vibrate with an amplitude corresponding to the thickness of the sheet metal along either one of the cutting direction and a direction perpendicular to the cutting direction; Positioning the condensing point of the laser beam between the first end surface of the metal sheet and a second end surface facing the first end surface in the thickness direction of the metal sheet by the condensing lens;
  • a laser processing method can be disclosed.
  • the laser beam irradiation position on the end surface of the sheet metal is oscillated in the direction orthogonal to the cutting direction, and the sheet metal is cut by the laser beam in which the irradiation position is oscillated in the direction orthogonal to the cutting direction.
  • a kerf of width may be formed in the sheet metal.
  • the amplitude when the irradiation position of the laser beam is oscillated may be increased as the plate thickness increases, and the wavelength of the laser beam may be 300 nm or more and 1080 nm.
  • the thicker the sheet metal the larger the amplitude when the laser beam irradiation position is oscillated in the direction perpendicular to the cutting direction, and the thicker the sheet metal, the larger the kerf is formed.
  • the kerf having a larger width as the sheet metal becomes thicker, the molten material during cutting, which increases as the sheet metal becomes thicker, can be smoothly discharged from the sheet metal. By smoothly discharging the molten material, dross generated in the sheet metal can be reduced.
  • the energy density can be increased compared to a laser beam with a wavelength of 10 ⁇ m, such as a CO2 laser, and faster cutting can be performed.
  • a laser beam with a wavelength of 1080 nm or less has high energy conversion efficiency, and can reduce the cost of cutting sheet metal.

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Abstract

加工ヘッド（３５）のノズル（３６）から板金（Ｗ）に、板金（Ｗ）の切断に用いる１０８０ｎｍ以下の波長のレーザビーム（３７）を集光レンズ（３４）により集光して射出し、かつ、ノズル（３６）から板金（Ｗ）に酸素を含むアシストガス（４５）を噴出し、板金（Ｗ）に対するノズル（３６）の板金（Ｗ）の切断方向への相対移動中に、レーザビーム（３７）の光軸に沿った板金（Ｗ）の板厚方向におけるノズル（３６）側の第１端面（Ｗｔ）に対するレーザビーム（３７）の照射位置を、切断方向と切断方向に対する直交方向とのうちいずれか一方の方向に沿って、板金（Ｗ）の板厚に対応する振幅で振動させ、レーザビーム（３７）の集光レンズ（３４）による集光点を、板厚方向において対向する板金の第１端面（Ｗｔ）及び第２端面（Ｗｂ）間に位置させる。

Description

レーザ加工方法及びレーザ加工機
　本開示は、レーザ加工方法及びレーザ加工機に関する。
　レーザビームでワークを切断する場合は、適切な集光径に集光されたレーザビームを、ワークの切断幅に応じたビーム径でワークの上面に照射する。ワークは、ワークの板厚に応じた幅で切断する必要がある。レーザビームでワークを切断する際には、ワークの板厚に応じた幅でレーザビームをワークの上面に照射する。一般的なレーザ加工機では、レーザビームの集光点を、ワークの上面よりも集光レンズ側の位置に配置して、ワークの板厚に応じた幅のレーザビームをワークに照射している。
　特許文献１には、波長が１μｍ帯であるレーザビームの集光点を、ワークの板厚方向における中心とレーザビームの進行方向におけるワークの後側の端面との間の位置に配置するレーザ加工方法が記載されている。このレーザ加工方法では、レーザビームの集光点をワークの上面よりもワークの内側にずらしている。
　特許文献２及び特許文献３には、入力レーザビームをライン状の出力ビームに変換する装置が記載されている。この装置は、リシェイピング光学系を有している。リシェイピング光学系は、入力開口部及び出力開口部を有している。リシェイピング光学系では、入力レーザビームの入力開口部を通過したビームセグメントが出口開口部を通過する際に、ライン状のビームパケットが再形成される。
特開２０１７－５１９６５号公報 独国特許出願公開第１０２０２０１０８６４７号明細書 独国特許出願公開第１０２０２０１０８６４８号明細書
　一般的なレーザ加工機では、レーザビームの集光点がワークの上面よりも集光レンズ側に位置するので、カーフの切断面には、デフォーカスエリア側のレーザビームだけが照射される。デフォーカスエリア側のレーザビームは、カーフの切断面におけるワークの上面側に照射されるので、レーザビームの光エネルギはワークの下面側の切断面まで届きにくい。軟鋼板をレーザ切断する場合、アシストガスに酸素を利用した所謂酸素切断が行われる場合がある。軟鋼板の酸素切断では、レーザビームの光エネルギに加えて、この光エネルギにより溶融したワーク中の鉄とアシストガスの酸素との酸化還元反応で生じる熱エネルギが、ワークを燃焼させるためのエネルギとして利用される。レーザビームの光エネルギが届きにくいワークの下面側では、ワークを燃焼させるためのエネルギを酸化還元反応の熱エネルギに依存する度合いが大きくなる。なお、詳細は後述するが、集光レンズを通過したレーザビームの集光点よりも集光レンズ側がインフォーカスエリアであり、反対側がデフォーカスエリアである。
　ワークの下面側におけるレーザビームの光エネルギの不足を補うために、レーザビームの出力を増やすと、ワークの上面側ではカーフの切断面に対する光エネルギの供給過多が生じる。光エネルギの供給過多は、セルフバーニング及びホットスポットの発生を促す要因となる。
　特許文献１のレーザ加工方法では、インフォーカスエリア側のレーザビームもカーフの切断面に照射される。また、ワークの下面側の切断面には、デフォーカスエリア側のレーザビームが照射されて、レーザビームの光エネルギが届きやすくなる。このレーザ加工方法のように、レーザビームの集光点をワークの上面からレーザビームの光軸方向にずらすことは、ワークの下面側におけるレーザビームの光エネルギの不足を緩和するのに有効である。但し、レーザビームの集光点をワークの上面から遠ざけるほど、ワークの上面に照射されるレーザビームのエネルギ密度が下がる。したがって、特許文献１のレーザ加工方法では、ワークの板厚に対応してビーム径を大きくするには限界がある。
　特許文献２及び特許文献３の装置では、ワークの板厚に対応する断面長さのライン状のレーザビームを得ることができる。ライン状のレーザビームをワークの切断に利用すれば、ワークの板厚が厚い場合でも、レーザビームの集光点をワークから遠ざけずに、板厚に対応する幅のカーフをワークに形成することができる。但し、ワークの上面に照射するレーザビームをライン状とすることでは、ワークの下面側の切断面に対するレーザビームの光エネルギの届きにくさは緩和されない。
　つまり、レーザ加工においては、板金の板厚が厚くなればなるほど、セルフバーニング、ホットスポットによる加工不良が発生し易くなる。そのため、レーザ加工方法では、板金の板厚が厚くなるほど、板金の板厚に対応する幅のカーフを形成しつつ、板金の上面側及び下面側にレーザビームの光エネルギを供給することが難しくなる。
　本実施形態の一態様に係るレーザ加工方法は、
　加工ヘッドのノズルから板金に、前記板金の切断に用いる１０８０ｎｍ以下の波長のレーザビームを集光レンズにより集光して射出し、かつ、前記ノズルから前記板金に酸素を含むアシストガスを噴出し、
　前記板金に対する前記ノズルの前記板金の切断方向への相対移動中に、前記レーザビームの光軸に沿った前記板金の板厚方向における前記ノズル側の第１端面に対する前記レーザビームの照射位置を、前記切断方向と前記切断方向に対する直交方向とのうちいずれか一方の方向に沿って前記板金の板厚に対応する振幅で振動させ、
　前記レーザビームの集光点を、前記集光レンズによって前記板金の前記第１端面及び前記板金の板厚方向において前記第１端面に対向する第２端面間に位置させる。
　本実施形態の一態様に係るレーザ加工機は、
　波長が１０８０ｎｍ以下のレーザビームを切断する板金に向けて射出し、かつ酸素を含むアシストガスを噴出するノズルを有する加工ヘッドであって、集光レンズによって前記板金の前記レーザビームの光軸に沿った板厚方向における両端面間に集光点を位置させた前記レーザビームを前記ノズルから射出する加工ヘッドと、
　前記ノズルを前記板金に対して相対的に移動させる移動機構と、
　前記板金の前記板厚方向における前記ノズル側の端面に対する前記レーザビームの照射位置を、前記板金の切断方向と前記切断方向に対する直交方向とのうちいずれか一方の方向に沿って振動させる振動機構と、
　前記板金に対する前記ノズルの前記切断方向への相対移動中に、前記板金の前記ノズル側の端面に対する前記レーザビームの照射位置が、前記切断方向と前記直交方向とのうちいずれか一方の方向に沿って、前記板金の板厚に対応する振幅で振動するように、前記移動機構及び前記振動機構を制御する制御部と、
　を備える。
　本実施形態の一態様では、集光レンズにより、波長が１０８０ｎｍ以下のレーザビームの集光点を、板金の板厚方向の両端面間に位置させる。これにより、レーザビームを射出し、アシストガスを噴出するノズル側の板金の端面に、インフォーカスエリアのレーザビームを照射することができる。レーザビームの照射により板金にカーフが形成されると、板金のノズル側の端面側のカーフに、インフォーカスエリアのレーザビームが配置される。これにより、ノズル側の端面側のカーフには、インフォーカスエリア側のレーザビームが照射されて、レーザビームの光エネルギが届く。
　板金のノズル側の端面とは反対の端面側のカーフには、デフォーカスエリアのレーザビームが配置される。これにより、反対の端面側のカーフには、デフォーカスエリア側のレーザビームが照射されて、レーザビームの光エネルギが届きやすくなる。
　板金のノズル側の端面と反対の端面側でも、レーザビームの光エネルギが届きやすくなることで板金の金属溶融が促進される。板金の金属溶融の促進は、溶融金属中の溶解した鉄とアシストガスの酸素との酸化還元反応による燃焼を促進させ、反対の端面側における板金の燃焼熱（反応熱）による切断を促進させる。この促進で、板金のノズル側の端面側に対する反対の端面側の切断の遅れが減り、板金の切断速度の増加を図ることができる。
　板金のノズル側の端面に照射されたレーザビームの光エネルギが、板金のカーフ内で、板金のノズル側の端面側から反対の端面側に届きやすくなることで、レーザビームの光エネルギを板金が吸収する機会が増加する。光エネルギの吸収機会が増加することで、レーザビームの照射が板金の切断に寄与されやすくなるため、レーザビームの出力を増やすことで、板金の切断速度を高められる。
　但し、板金の板厚が厚くなるにつれて増加するカーフからの溶融金属の排出量の増加に対応して、板金の板厚が厚くなるほどカーフ幅を拡げなければ、板金の切断を適切に行えないという課題は残る。
　そこで、レーザビームの板金に対する照射位置を振動させると、レーザビームの照射により板金に形成されるカッティングフロントにおいて、高エネルギ密度のレーザビームが照射される位置がレーザビームの振動方向に往復移動する。板金のノズル側の端面側では、レーザビームの照射位置が往復移動することで、カーフ内の特定の箇所がレーザビームの照射によりエネルギ過多となることを抑制することができる。板金の板厚方向における中間部、及び、板金のノズル側の端面とは反対の端面側では、レーザビームの光エネルギ、又は、溶解した鉄と酸素の酸化還元反応で生じる熱エネルギによる、溶融金属の粘性維持と板金の金属の新たな溶融とが、エネルギ過多となることなく行われる。これにより、レーザビームの照射によるエネルギ過多を抑制することで、板金の加工中にセルフバーニングが発生することを抑制することができる。
　カッティングフロントにおいて板金に吸収されないレーザビームは、反射されてカッティングフロントの別の場所に照射される。板金に吸収されるレーザビームの光エネルギは、レーザビームの波長が短いほど、小さい入射角でも板金に吸収される。しかし、レーザビームの照射位置を振動させて常に移動させることで、反射されたレーザビームがカッティングフロントの特定の箇所に集中して照射されることを抑制することができる。レーザビームの照射位置が特定の箇所に集中することを抑制することで、板金の加工中にホットスポットが発生することを抑制することができる。
　本実施形態の一態様に係るレーザ加工方法及びレーザ加工機によれば、セルフバーニング、又はホットスポットの発生を抑制して、板金の板厚に対応する幅のカーフを形成しつつ、ワークの上面側及び下面側にレーザビームの光エネルギを供給することができる。
図１は、本実施形態の一態様に係るレーザ加工機の全体的な構成例を示す図である。 図２は、図１のレーザ加工機におけるコリメータユニット及び加工ヘッドの詳細な構成例を示す斜視図である。 図３Ａは、図１の集光レンズを通過したレーザビームのビーム形状を示す図である。 図３Ｂは、一般的なレーザ加工機において板金の上面に照射されるレーザビームのエリアを示す図である。 図４は、軟鋼板の板金をレーザ切断する際のレーザビームの適切なビームプロファイルを示す図である。 図５は、デフォーカスエリアのレーザビームを板金の上面に照射する一般的なレーザ切断におけるカーフ内の板金の燃焼状態の一例を示す図である。 図６は、デフォーカスエリアのレーザビームを板金の上面に照射する一般的なレーザ加工機において設定可能な、板金の板厚に対応するレーザビームの指令出力値及び切断の最大速度の例を示すグラフである。 図７は、図１のレーザ加工機により板金の上面に照射されるインフォーカスエリアのレーザビームによる、カーフ内の板金の燃焼状態を示す図である。 図８は、図２のビーム振動機構による板金に対するレーザビームの照射位置の振動による照射位置の変位を示す図である。 図９Ａは、図２のビーム振動機構によるレーザビームの直交振動パターンを示す図である。 図９Ｂは、図２のビーム振動機構によるレーザビームの円振動パターンを示す図である。 図９Ｃは、図２のビーム振動機構によるレーザビームのＣ字状振動パターンを示す図である。 図１０は、図９Ａの直交振動パターンを用いたときのレーザビームの板金に対する照射位置の実際の振動パターンを示す図である。 図１１Ａは、図２のビーム振動機構により板金に対するレーザビームの照射位置を切断方向に振動させた場合の、板金の上面におけるカーフの形成状態を示す図である。 図１１Ｂは、図２のビーム振動機構により板金に対するレーザビームの照射位置を切断方向に振動させた場合の、板金の下面におけるカーフの形成状態を示す図である。 図１２Ａは、図２のビーム振動機構により板金に対するレーザビームの照射位置を左右方向に振動させた場合の、板金の上面におけるカーフの形成状態を示す図である。 図１２Ｂは、図２のビーム振動機構により板金に対するレーザビームの照射位置を左右方向に振動させた場合の、板金の下面におけるカーフの形成状態を示す図である。 図１３は、図１のレーザ加工機において板金に照射したレーザビームによる板金の切断速度と板金の板厚との関係を、比較例と比較して示すグラフである。
　以下、本開示に係る実施形態の一態様について、図面を参照して説明する。各図面を通じて同一あるいは同等の部位、又は構成要素には、同一の符号を付している。
　以下に示す実施形態は、この開示の技術的思想を具体化するための装置等を例示するものである。この開示の技術的思想は、各構成要素の材質、形状、構造、配置、機能等を下記のものに特定するものでない。
　以下、図面を参照して、本実施形態の一態様に係るレーザ加工方法を実施するレーザ加工機を説明する。図１は、本実施形態の一態様に係るレーザ加工機の全体的な構成例を示す図である。図２は、図１のレーザ加工機におけるコリメータユニット及び加工ヘッドの詳細な構成例を示す斜視図である。図３Ａは、図１の集光レンズ３４を通過したレーザビーム３７のビーム形状を示す説明図である。
　図１に示すように、実施形態に係るレーザ加工機１００は、
　波長が１０８０ｎｍ以下のレーザビーム３７を切断する板金Ｗに向けて射出し、かつ酸素を含むアシストガスを噴出するノズル３６を有する加工ヘッドであって、集光レンズ３４によって板金Ｗのレーザビーム３７の光軸に沿った板厚方向Ｚにおける両端面間に集光点３８（図３Ａ）を位置させたレーザビーム３７をノズル３６から射出する加工ヘッド３５と、
　前記ノズル３６を前記板金Ｗに対して相対的に移動させる移動機構２２，２３と、
　前記板金Ｗの前記板厚方向Ｚにおける前記ノズル３６側の端面に対する前記レーザビーム３７の照射位置を、前記板金Ｗの切断方向Ｘ（Ｙ）と前記切断方向Ｘ（Ｙ）に対する直交方向Ｙ（Ｘ）とのうちいずれか一方の方向に沿って振動させる図２の振動機構３２と、
　前記板金Ｗに対する前記ノズル３６の前記切断方向Ｘ（Ｙ）への相対移動中に、前記板金Ｗの前記ノズル３６側の端面に対する前記レーザビーム３７の照射位置が、前記切断方向Ｘ（Ｙ）と前記直交方向Ｙ（Ｘ）とのうちいずれか一方の方向に沿って、前記板金Ｗの板厚に対応する振幅で振動するように、前記移動機構２２，２３及び前記振動機構３２を制御する制御部５０と、
　を備える。
　以下、本実施形態のレーザ加工機１００の詳細について説明する。
　図１に示すように、レーザ加工機１００は、レーザ発振器１０と、レーザ加工ユニット２０と、レーザ発振器１０より射出されたレーザビームをレーザ加工ユニット２０へと伝送するプロセスファイバ１２とを備える。なお、プロセスファイバ１２は、シングルコアであってもマルチクラッドであっても構わない。また、レーザ加工ユニット２０への伝送路上に光カプラがあっても構わない。
　また、レーザ加工機１００は、操作部４０と、ＮＣ装置５０と、加工プログラムデータベース６０と、加工条件データベース７０と、アシストガス供給装置８０とを備える。ＮＣ装置５０は、レーザ加工機１００の各部を制御する制御部の一例である。
　レーザ発振器１０は、レーザビームを生成して射出する。レーザ発振器１０としては、レーザダイオードより発せられる励起光を増幅して所定の波長のレーザビームを射出するレーザ発振器、又はレーザダイオードより発せられるレーザビームを直接利用するレーザ発振器が好適である。レーザ発振器１０は、例えば、固体レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ディスクレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）である。
　レーザ発振器１０は、波長９００ｎｍ～１０８０ｎｍの１μｍ帯のレーザビームを射出する。ファイバレーザ発振器及びＤＤＬ発振器を例とすると、ファイバレーザ発振器は、波長１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍのレーザビームを射出し、ＤＤＬ発振器は、波長９１０ｎｍ～９５０ｎｍのレーザビームを射出する。なお、本実施形態では、波長が１μｍ帯のレーザビームを射出するレーザ発振器を用いるが、レーザ発振器１０は、波長が１μｍ帯のレーザビームを射出するレーザ発振器に限定されない。レーザ発振器１０は、波長が１μｍ帯以下のレーザビームを射出すればよい。１μｍ帯以下のレーザビームは、例えば、ブルーレーザ、グリーンレーザを含む、３００ｎｍ以上１０８０ｎｍ以下の波長のレーザビームとすることができる。
　レーザ加工ユニット２０は、加工対象の板金Ｗを載せる加工テーブル２１と、門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｙ軸キャリッジ２３と、Ｙ軸キャリッジ２３に固定されたコリメータユニット３０と、加工ヘッド３５とを有する。加工ヘッド３５は、開口３６ａが形成されたノズル３６を有している。アシストガス供給装置８０は、アシストガスとして酸素を加工ヘッド３５に供給する。板金Ｗは、例えば、軟鋼板である。
　Ｘ軸キャリッジ２２は、加工テーブル２１上でＸ軸方向に移動自在に構成されている。Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向に移動自在に構成されている。Ｘ軸キャリッジ２２及びＹ軸キャリッジ２３は、ノズル３６を含む加工ヘッド３５の全体を板金Ｗの面に沿って、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、又は、Ｘ軸とＹ軸との任意の合成方向に移動させる移動機構として機能する。なお、加工ヘッド３５を板金Ｗの面に沿って移動させる代わりに、加工ヘッド３５は位置が固定され、板金Ｗが移動するように構成されていてもよい。すなわち、レーザ加工機１００は、板金Ｗの面に対してノズル３６を含む加工ヘッド３５を相対的に移動させる移動機構を備えていればよい。
　コリメータユニット３０は、プロセスファイバ１２より射出された発散光のレーザビームを平行光（コリメート光）のレーザビーム３７に変換するコリメーション機構、及び板金Ｗに照射されるレーザビーム３７を振動させるビーム振動機構を有する。コリメータユニット３０についての詳細は、図２、図８を用いて後述する。
　加工ヘッド３５のノズル３６は、加工ヘッド３５の集光レンズ３４により集光されたレーザビーム３７を開口３６ａから射出し、アシストガス（酸素）を噴出する。開口３６ａより射出したレーザビーム３７は板金Ｗに照射される。照射されたレーザビーム３７は、板金Ｗの金属を溶融させ、熱切断を板金Ｗに生じさせる。開口３６ａより噴出したアシストガスは板金Ｗに吹き付けられ、溶融した板金Ｗ中の溶解した鉄と酸素との酸化還元反応による反応熱で板金Ｗの熱切断を促進させると共に、熱切断により板金Ｗに形成されたカーフから板金Ｗの溶融金属を排出する。加工ヘッド３５は、コリメータユニット３０内のビーム振動機構を作動させていない状態において、ノズル３６の開口３６ａから射出するレーザビーム３７と同軸上からアシストガスが噴出するよう構成されている。加工ヘッド３５についての詳細は、図２、図８を用いて後述する。
　操作部４０及び表示部９０は、板金Ｗを切断加工する際にＮＣ装置５０への入力が必要となる加工条件の入力、及び入力された加工条件に基づいて決定されたレーザ加工機１００の設定値をオペレータに提示するためのユーザインターフェイスである。操作部４０は、タッチパネル又はキーボードで構成され、ＮＣ装置５０へ加工条件を入力することができる。加工条件とは、例えば、板金Ｗの板厚、板金Ｗの材質、レーザビームの出力、及び加工速度である。表示部９０は、ＮＣ装置５０への入力項目及び入力項目に基づいて決定した設定値を表示するモニタである。
　加工プログラムデータベース６０は、ＮＣ装置５０がレーザ加工機１００の各構成を動作させるための加工プログラムを記憶する。加工プログラムは、レーザ加工機１００の動作の手順を規定するプログラムコードである。
　加工条件データベース７０は、板金Ｗを切断加工する際に必要となる複数のパラメータが登録された複数の加工条件ファイルを記憶する。加工条件ファイルは、加工プログラム内の各パラメータを規定するファイルである。加工条件データベース７０は、レーザビーム３７の振動パターンが規定された加工条件ファイル１を記憶する。加工条件ファイル１は、板金Ｗの切断方向と切断方向に対する直交方向とのうちいずれか一方の方向に沿ったレーザビーム３７の振動パターンを規定したファイルである。加工条件ファイル１に規定されたレーザビーム３７の振動パターンについての詳細は、図９Ａ～図９Ｃ、図１０を用いて後述する。
　加工条件データベース７０は、板金Ｗの切断方向又は切断方向に対する直交方向におけるレーザビーム３７の振動の振幅が板金Ｗの板厚毎に規定された加工条件ファイル２を記憶する。加工条件ファイル２に規定されたレーザビーム３７の振動の板金Ｗの板厚毎の振幅は、例えば、予め実験により求めた値とすることができる。板金Ｗの板厚毎の振幅は、例えば、板金Ｗを切断加工する際に板金Ｗの上下方向に発生するベベルによる板金Ｗの上面側（集光レンズ３４側の端面）と下面側との寸法差を低減することができる最適な値とすることができる。
　板金Ｗの切断に使われるレーザビーム３７は、エネルギ密度を高めるために集光レンズ３４で集光される。集光されたレーザビーム３７の集光径は、集光レンズ３４への入射ビーム径及びレーザビーム３７の波長に応じた寸法となる。
　板金Ｗの熱切断では、熱切断により板金Ｗに形成されたカーフを板金Ｗの溶融金属が流れる。カーフを流れる溶融金属は、レーザビーム３７の照射箇所に噴出されたアシストガスによってカーフから排出される。カーフを流れる溶融金属の容積は、板金Ｗの板厚が増えるほど多くなる。カーフの溶融金属を効率よく流すためには、板金Ｗの熱切断の際に、板金Ｗのカーフを流れる溶融金属の容積に見合った、板金Ｗの板厚に対応する適切な幅のカーフを形成する必要がある。
　板金Ｗのカーフを、板金Ｗの板厚に対応する適切な幅にするには、板金Ｗに照射するレーザビーム３７のビーム径を、レーザビーム３７の波長に応じた集光径ではなく、カーフ幅に合わせたビーム径とする必要がある。そこで、板金Ｗに照射されるレーザビーム３７を、板金Ｗの上面の照射位置においてビームウエストとならないようにすることで、板金Ｗの板厚に応じたビーム径でレーザビーム３７を板金Ｗに照射することができる。
　図３Ａに示すように、集光レンズ３４で集光されたレーザビーム３７は、インフォーカスエリアとデフォーカスエリアとを有している。集光レンズ３４を通過したレーザビーム３７の集光点３８よりも集光レンズ３４側がインフォーカスエリアであり、反対側がデフォーカスエリアである。
　図３Ｂは、一般的なレーザ加工機において板金Ｗの上面に照射されるレーザビーム３７のエリアを示す図である。板金Ｗのレーザ切断では、一般に、図３Ｂに示すように、レーザビーム３７のビームウエスト３９よりも先のデフォーカスエリアを板金Ｗの上面Ｗｔに照射している。
　レーザビーム３７が板金Ｗの上面Ｗｔに照射されると、レーザビーム３７により板金Ｗの金属が溶融されて板金Ｗが熱切断される。熱切断された板金Ｗにはカーフが形成され、レーザビーム３７はカーフ内で反射を繰り返して板金Ｗの上面Ｗｔ（第１端面）側から下面Ｗｂ（第２端面、図５参照）側に進行する。下面Ｗｂ（第２端面）は、板金Ｗの板厚方向において上面Ｗｔ（第１端面）に対向する。
　一般に知られているとおり、金属に照射される光の波長と光吸収率との間には、金属に対する光の入射角度が０度に近い側において、光の波長が短い方が長い方よりも金属への光吸収率が高いという関係がある。ＣＯ２レーザの波長は一般に１０６００ｎｍと言われており、ファイバレーザの代表的な波長である１０６０ｎｍの１０倍の長さがある。ＣＯ２レーザの鉄に対する光吸収率は、ブリュースター角度である８７度の入射角において４２％程度、０度に近い側の入射角では１５％程度と言われている。一方、ファイバレーザの鉄に対する吸収率は、ブリュースター角度である８０度の入射角において４２％程度、０度に近い側の入射角では３８％程度と言われている。
　レーザビーム３７がブリュースター角度に近い側の角度で板金Ｗのカーフに入射した場合、板金Ｗに吸収されなかった分のレーザビーム３７は反射される。反射されたレーザビーム３７は、カーフの次の場所に０度に近い側の入射角で入射する。次の場所で板金Ｗに吸収されなかった分のレーザビーム３７は再び反射される。反射されたレーザビーム３７は、以後、カーフのさらに次の場所における、０度に近い側の入射角での入射と板金Ｗに吸収されなかった分の反射とを、板金Ｗの下面Ｗｂ側に進みながら繰り返す。光の波長が短いファイバレーザは、光の波長が長いＣＯ２レーザに比べて、０度に近い側の角度で入射しても、倍以上の吸収率で板金Ｗに吸収される。このため、レーザビーム３７にファイバレーザ等の波長が短い光を用いると、板金Ｗに吸収されずに反射したレーザビーム３７が照射される板金Ｗの下面Ｗｂ側のカーフに、レーザビーム３７の吸収によるホットスポットが発生し易くなる。具体的な一例を以下に示す。
　例えば、ファイバレーザがブリュースター角度で鉄に入射した場合には、４２％以上が鉄に吸収され、残る５８％以下が反射して板金Ｗの下面Ｗｂ側に進み、０度に近い側の入射角で次の場所の鉄に入射する。０度に近い入射角で入射したファイバレーザは、当初の光量の２２％相当分（５８％中の３８％分）以上が鉄に吸収され、残る当初の光量の２０％相当分（１００％－４２％－２２％＝３６％）以下が反射して板金Ｗの下面Ｗｂ側に進む。反射したファイバレーザが、次の場所の鉄に０度に近い入射角で入射した場合は、当初の光量の１４％相当分（３６％中の３８％分）以上が鉄に吸収される。
　波長が短いレーザビーム３７が、カーフ内での反射を繰り返して板金Ｗの下面Ｗｂ側に進行すると、板金Ｗの下面Ｗｂ側のカーフ内に上述したファイバレーザの例のような光量でレーザビーム３７が入射する箇所が集中する。レーザビーム３７の集光径は、波長が長いＣＯ２レーザよりも小さいので、レーザビーム３７が入射される箇所における面積当たりのエネルギ密度は、ＣＯ２レーザが入射される箇所における面積当たりのエネルギ密度よりも高くなる。したがって、レーザビーム３７の照射により板金Ｗに形成されたカーフにおける板金Ｗの下面Ｗｂ側の部分には、ホットスポットが発生し易い。
　また、ファイバレーザ等のＣＯ２レーザよりも波長が短いレーザビーム３７を用いた軟鋼板等の板金Ｗのレーザ切断では、以下に説明する状況が発生しやすい。光吸収率が高い１μｍ帯以下のレーザビーム３７による、酸素をアシストガスに用いた板金Ｗの切断では、切断に最適なビーム径のレーザビーム３７を板金Ｗの上面Ｗｔに照射した場合、板金Ｗに形成されるカーフを適切な幅にコントロールすることが難しい。軟鋼板の板金Ｗをレーザ切断する際には、板金Ｗの上面Ｗｔでセルフバーニングを起こして、板金Ｗの溶融幅が最適なカーフ幅以上に大きくなりやすいためである。
　セルフバーニングとは、軟鋼板の主成分である鉄とアシストガスの酸素とが過剰な酸化還元反応を起こすことにより板金Ｗが過剰燃焼する現象のことをいう。その結果、アシストガスの噴きつける範囲までカーフ幅が大きくなり、カーフの切断面の粗さが著しく低下する。材料の上面でセルフバーニングが起こると、安定した品質での材料の切断が非常に難しくなる。
　図４は、軟鋼板の板金Ｗをレーザ切断する際のレーザビーム３７の適切なビームプロファイルを示す図である。図４に示すように、レーザビーム３７をリング状のビームプロファイルに整形することで、板金Ｗの上面Ｗｔにおける燃焼をコントロールし、安定した品質で板金Ｗを切断することができる。
　但し、レーザビーム３７のビームプロファイルをリング状に変更した場合でも、板金Ｗの板厚が厚いときには、板厚に応じてカーフ幅を拡げるのに必要なエネルギ密度を得るために、レーザビーム３７の出力を増やす必要がある。レーザビーム３７の出力を増やせば、板金Ｗの上面Ｗｔでセルフバーニングが起こる可能性が再発してしまう。また、板金Ｗの板厚が厚くなると、切断に必要なエネルギを板金Ｗの板厚方向における全体に均等に供給することが難しくなる。
　図５は、デフォーカスエリアのレーザビーム３７を板金Ｗの上面Ｗｔに照射する一般的なレーザ切断におけるカーフ内の板金Ｗの燃焼状態の一例を示す図である。板金Ｗの上面Ｗｔ及び下面Ｗｂは、板金Ｗの板厚方向Ｚにおいて対向する第１端面及び第２端面に相当する。
　板金Ｗの上面Ｗｔにデフォーカスエリアのレーザビーム３７を照射した場合、レーザビーム３７の照射により板金Ｗに形成されるカーフ４１内にも、デフォーカスエリアのレーザビーム３７が照射される。
　板金Ｗの上面Ｗｔよりもノズル３６側で既にデフォーカスされたレーザビーム３７は、カーフ４１内でエネルギ密度を低下させながら拡散する。板金Ｗの下面Ｗｂ側のカーフ４１内では、板金Ｗの板厚が厚いほど、レーザビーム３７の光エネルギ４３のエネルギ密度が低下し、溶融した板金Ｗ中の溶解した鉄とアシストガス４５の酸素との酸化還元反応の反応熱が板金Ｗの熱切断に寄与する割合が大きくなる。この酸化還元反応の反応熱による板金Ｗの熱切断も、レーザビーム３７の光エネルギ４３による金属溶融の効果が低下すると適切に行われなくなり、切断不良が生じてしまう。
　レーザビーム３７の出力を上げると、板金Ｗの下面Ｗｂ側のカーフ４１内でも、レーザビーム３７の光エネルギ４３のエネルギ密度をある程度の高さにして、酸化還元反応の反応熱による板金Ｗの熱切断が適切に行われるようにすることができる。但し、板金Ｗの板厚が薄い場合は、板金Ｗの上面Ｗｔ側において、レーザビーム３７の光エネルギ４３の過剰供給によるセルフバーニングの発生の問題が生じる。このため、レーザビーム３７の出力増加は、板金Ｗの板厚が厚い場合において、板金Ｗの熱切断に有効に寄与する。板金Ｗの板厚が薄い場合、レーザビーム３７の出力増加を板金Ｗの熱切断に有効に寄与させることは難しい。
　図６は、デフォーカスエリアのレーザビーム３７を板金Ｗの上面Ｗｔに照射する一般的なレーザ加工機において設定可能な、板金Ｗの板厚に対応するレーザビーム３７の最大指令出力値及び切断の最大速度の例を示すグラフである。
　図６の例では、板厚が６ｍｍで、切断の最大速度がおよそ３ｍ／ｍｉｎの、比較的薄い板厚レンジの板金Ｗについて、レーザビーム３７の最大指令出力値がおよそ３．７ＫＷに設定されている。板厚が９ｍｍで、切断の最大速度がおよそ２．５ｍ／ｍｉｎの、中間の板厚レンジの板金Ｗについては、レーザビーム３７の最大指令出力値がおよそ５ＫＷに設定されている。
　どちらの板厚の板金Ｗでも、最大指令出力値を超える出力で板金Ｗにレーザビーム３７を照射すると、板金Ｗの上面Ｗｔ側にレーザビーム３７の光エネルギ４３が過剰供給される可能性がある。このため、例えば、レーザ発振器が、最大指令出力値よりも高い出力でレーザビーム３７を出力できる仕様を有していても、６ｍｍ及び９ｍｍの板厚の板金Ｗには、レーザ発振器の仕様上の最大出力よりも低い値を最大指令出力値として設定している。
　板厚が１２ｍｍで、切断の最大速度がおよそ２ｍ／ｍｉｎの、比較的厚い板厚レンジの板金Ｗでは、レーザビーム３７の最大指令出力値が、レーザ発振器の最大出力である６ＫＷに設定されている。切断する板金Ｗにこの程度の板厚があれば、レーザ発振器の最大出力までレーザビーム３７の出力を増やしても、板金Ｗの上面Ｗｔ側で光エネルギ４３の過剰供給を起こさせずに、板金Ｗの下面Ｗｂ側に供給される光エネルギ４３を有効に増やすことができる。
　以上に説明したように、デフォーカスエリアのレーザビーム３７を板金Ｗの上面Ｗｔに照射する一般的なレーザ加工機では、板金Ｗの板厚次第で、レーザビーム３７の出力増加が板金Ｗの切断速度の増加に寄与しない場合がある。
　そこで、本実施形態のレーザ加工機１００では、板金Ｗに照射するレーザビーム３７の板金Ｗに対する位置を、図５の一般的な位置から変えている。図７は、図１のレーザ加工機１００により板金Ｗの上面Ｗｔに照射されるインフォーカスエリアのレーザビーム３７による、カーフ４１内の板金Ｗの燃焼状態を示す図である。
　図７に示すように、板金Ｗの上面にインフォーカスエリアのレーザビーム３７を照射した場合、板金Ｗのカーフ４１内には、図１の集光レンズ３４によって集光されたレーザビーム３７の図３Ａに示す集光点３８が配置される。カーフ４１内には、集光点３８上のビームウエスト３９を挟んで、図７に示すように、レーザビーム３７の集光レンズ３４側のインフォーカスエリア及び反対側のデフォーカスエリアが配置される。
　板金Ｗの上面Ｗｔ側のカーフ４１には、インフォーカスエリア側のレーザビーム３７が照射されて、レーザビーム３７の光エネルギ４３が届く。板金Ｗの下面Ｗｂ側のカーフ４１には、デフォーカスエリア側のレーザビーム３７が照射されて、レーザビーム３７の光エネルギ４３が届きやすくなる。
　板金Ｗの下面Ｗｂ側でも、デフォーカスエリア側のレーザビーム３７が照射されることで、上面Ｗｔ側と同じく、レーザビーム３７の光エネルギ４３による燃焼が促進される。この促進で、板金Ｗの下面Ｗｂ側でも、レーザビーム３７の光エネルギ４３による金属溶融の効果の低下が抑制され、酸化還元反応の反応熱による板金Ｗの熱切断が適切に行われて、切断不良の発生が抑制される。
　また、板金Ｗの上面Ｗｔ側にインフォーカスエリアのレーザビーム３７を配置して、レーザビーム３７の光エネルギ４３を板金Ｗの板厚方向の全体に均等に供給されやすくすることで、板金Ｗの上面Ｗｔ側におけるセルフバーニングの発生を抑制することができる。
　しかし、上述したレーザビーム３７の配置で、板金Ｗの上面Ｗｔ側におけるセルフバーニングの発生を抑制した場合でも、先に説明した、板金Ｗの下面Ｗｂ側のカーフ４１内にホットスポットが発生し易いことの解決は図れない。
　そこで、本実施形態のレーザ加工機１００では、集光点３８が板金Ｗの板厚方向における内側に位置するようにレーザビーム３７を照射し、板金Ｗの上面Ｗｔにおけるレーザビーム３７の照射位置を、板金Ｗの切断方向又は切断方向に対する直交方向に振動させる。この振動により、カーフ４１内の切断面に対するレーザビーム３７の照射方向を連続的に変化させ、２次反射後のレーザビーム３７の進行方向が限られた方向となるのを回避して、板金Ｗの下面Ｗｂ側のカーフ４１内にホットスポットが発生し易いことの解決を図る。レーザビーム３７の照射位置を振動させるための構成は、図１の加工ヘッド３５に設けられる。
　次に、図１の加工ヘッド３５の詳細な構成例を、コリメータユニット３０の詳細な構成例と共に、図２を参照して説明する。
　図２は、図１のレーザ加工機１００におけるコリメータユニット３０及び加工ヘッド３５の詳細な構成例を示す斜視図である。コリメータユニット３０は、プロセスファイバ１２より射出された発散光のレーザビームを平行光（コリメート光）に変換するコリメーションレンズ３１を備える。なお、プロセスファイバ１２より射出された発散光のレーザビームは、その光軸中心がコリメーションレンズ３１の中心に位置するように進行する。また、コリメータユニット３０は、ガルバノスキャナユニット３２と、ガルバノスキャナユニット３２より射出されたレーザビーム３７をＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射させるベンドミラー３３を備える。
　Ｘ軸方向及びＹ軸方向のうちいずれか一方は、加工テーブル２１に載せた板金Ｗの切断方向と一致する。Ｘ軸方向及びＹ軸方向のうちいずれか他方は、加工テーブル２１に載せた板金Ｗの切断方向に対する直交方向と一致する。Ｚ軸方向は、加工テーブル２１に載せた板金Ｗの板厚方向と一致する。
　加工ヘッド３５は、ベンドミラー３３で反射したレーザビーム３７を集光して、板金Ｗに照射する集光レンズ３４を備える。集光レンズ３４は、レーザビーム３７の焦点位置を調整するために、図示していない駆動部及び移動機構によって、板金Ｗに近付く方向及び板金Ｗより離隔する方向に移動自在に構成されている。
　レーザ加工機１００は、ノズル３６の開口３６ａより射出されるレーザビーム３７が開口３６ａの中心に位置するように芯出しされている。揺動させていない基準の状態では、レーザビーム３７は、開口３６ａの中心より射出する。ガルバノスキャナユニット３２は、加工ヘッド３５内を進行して開口３６ａより射出されるレーザビーム３７を、開口３６ａ内で移動させるビーム振動機構として機能する。
　ガルバノスキャナユニット３２は、コリメーションレンズ３１より射出されたレーザビームを反射するスキャンミラー３２１と、スキャンミラー３２１を所定の角度となるように回転させる駆動部３２２とを有する。また、ガルバノスキャナユニット３２は、スキャンミラー３２１より射出されたレーザビーム３７を反射するスキャンミラー３２３と、スキャンミラー３２３を所定の角度となるように回転させる駆動部３２４とを有する。
　駆動部３２２及び３２４は、ＮＣ装置５０による制御に基づき、スキャンミラー３２１及び３２３をそれぞれ所定の角度範囲で往復振動させることができる。スキャンミラー３２１とスキャンミラー３２３とのいずれか一方または双方を往復振動させることによって、ガルバノスキャナユニット３２は、板金Ｗに照射されるレーザビーム３７を振動させる。なお、例示したガルバノスキャナユニット３２は、ビーム振動機構の一例であり、ビーム振動機構は一対のスキャンミラー３２１，３２３を有するガルバノスキャナユニット３２に限定されない。例えば、ビーム振動機構は、１つのスキャンミラー、又は３つ以上のスキャンミラーで構成されていてもよい。
　図８は、図２のビーム振動機構による板金Ｗに対するレーザビーム３７の照射位置の振動による照射位置の変位を示す図である。図８は、スキャンミラー３２１とスキャンミラー３２３とのいずれか一方または双方が傾けられて、板金Ｗに対するレーザビーム３７の照射位置が振動して変位した状態を示している。図８において、ベンドミラー３３で折り曲げられて集光レンズ３４を通過する細実線は、レーザ加工機１００が基準の状態であるときのレーザビーム３７の光軸を示している。なお、詳細には、ベンドミラー３３の手前に位置しているガルバノスキャナユニット３２の作動により、ベンドミラー３３に入射するレーザビーム３７の光軸の角度が変化し、光軸がベンドミラー３３の中心から外れる。図８では、簡略化のため、ガルバノスキャナユニット３２の作動前後でベンドミラー３３へのレーザビーム３７の入射位置を同じ位置としている。
　ガルバノスキャナユニット３２による作用によって、レーザビーム３７の光軸が細実線で示す位置から太実線で示す位置へと変位したとする。ベンドミラー３３で反射するレーザビーム３７が角度θで傾斜したとすると、板金Ｗへのレーザビーム３７の照射位置は距離Δｓだけ変位する。集光レンズ３４の焦点距離をＥＦＬ（Effective Focal Length）とすると、距離Δｓは、ＥＦＬ×ｓｉｎθで計算される。
　ガルバノスキャナユニット３２がレーザビーム３７を図８に示す方向とは逆方向に角度θだけ傾ければ、板金Ｗへのレーザビーム３７の照射位置を図８に示す方向とは逆方向に距離Δｓだけ変位させることができる。距離Δｓは開口３６ａの半径未満の距離であり、好ましくは、開口３６ａの半径から所定の余裕量だけ引いた距離を最大距離とした最大距離以下の距離である。
　ＮＣ装置５０は、ガルバノスキャナユニット３２の駆動部３２２及び３２４を制御することによって、レーザビーム３７を板金Ｗの面内の所定の方向に振動させることができる。ＮＣ装置５０は、レーザビーム３７を振動させることによって、板金Ｗの面上に形成されるビームスポット（レーザビーム３７の照射位置）を振動させることができる。
　次に、図１に示すレーザ加工機１００が、板金Ｗを切断加工する際の処理について説明する。レーザ加工機１００において、ＮＣ装置５０は、板金Ｗの板厚に基づいて、板金Ｗの切断方向又は切断方向に対する直交方向（以後、「左右方向」ともいう）へのレーザビーム３７の振動の振幅を決定する。ＮＣ装置５０は、加工ヘッド３５を切断方向に沿って移動させながら、ノズル３６から、決定した振幅でレーザビーム３７を切断方向又は左右方向に振動させて射出するようビーム振動機構を制御すると共にアシストガスを噴出させる。以下にてレーザ加工機１００の各処理についての詳細を説明する。
　ＮＣ装置５０は、板金Ｗの板厚に基づいて、板金Ｗの切断進行方向に対するレーザビーム３７の切断方向又は左右方向の振動の振幅を決定する。具体的には、ＮＣ装置５０は、板金Ｗの板厚を入力するための画面を表示部９０に表示し、オペレータによって操作部４０から入力された板金Ｗの板厚を取得する。ＮＣ装置５０は、加工条件データベース７０に記憶されている、板金Ｗの板厚毎の切断進行方向に対するレーザビーム３７の切断方向又は左右方向の振幅が規定された加工条件ファイル２を参照する。ＮＣ装置５０は、参照した加工条件ファイル２の中から、板金Ｗの板厚に対応するレーザビーム３７の切断方向又は左右方向の振幅を取得する。これにより、板金Ｗの板厚に最適なレーザビーム３７の切断方向又は左右方向の振動の振幅が決定する。
　加工条件ファイル２には、レーザビーム３７の切断方向又は左右方向の振動の振幅として、板金Ｗの板厚が厚くなるほど大きい振幅が規定されている。加工条件ファイル２にしたがって、ＮＣ装置５０は、板金Ｗの板厚が厚くなるほどレーザビーム３７の切断方向又は左右方向の振幅を大きくする。レーザビーム３７を左右方向に振動させる場合、板金Ｗに形成されるカーフ４１の幅は、レーザビーム３７の左右方向への振動の振幅となる。よって、板金Ｗに形成されるカーフ４１の幅は、板金Ｗの板厚が厚くなるほど大きくなる。
　ＮＣ装置５０は、加工条件ファイル１を参照し、決定した振幅でレーザビーム３７を切断方向又は左右方向に振動させる際のレーザビーム３７の振動パターンを決定する。加工条件ファイル１に規定されたレーザビーム３７の振動パターン例を、図９Ａ～図９Ｃ、図１０を参照して説明する。図９Ａ～図９Ｃ、図１０では、レーザビーム３７を左右方向に振動させる場合を例に取って説明する。
　図９Ａ～図９Ｃでは、振動パターンを理解しやすいよう、加工ヘッド３５を切断進行方向に移動させない状態での振動パターンを示している。板金Ｗの切断方向をｘ方向、板金Ｗの面内でｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。ｙ方向は左右方向となる。レーザビーム３７を左右方向に振動させる場合、ＮＣ装置５０は、図９Ａ～図９Ｃに示す振動パターンのいずれかで、レーザビーム３７を左右方向に振動させる。
　図９Ａは、図２のビーム振動機構によるレーザビーム３７の直交振動パターンを示す図である。図９Ａに示す直交振動パターンは、板金Ｗ上に形成されるビームスポットＢｓを切断方向（ｘ方向）に対して直交する左右方向（ｙ方向）に振動させる。レーザビーム３７の照射によりカーフ４１が形成される。
　図９Ｂは、図２のビーム振動機構によるレーザビーム３７の円振動パターンを示す図である。図９Ｂに示す円振動パターンは、板金Ｗ上に形成されるビームスポットＢｓを円形に振動させる。
　図９Ｃは、図２のビーム振動機構によるレーザビーム３７のＣ字状振動パターンを示す図である。図９Ｃに示すＣ字状振動パターンは、板金Ｗ上に形成されるビームスポットＢｓをアルファベットのＣを描くように振動させる。なお、レーザビーム３７の振動パターンはこれに限定されない。レーザビーム３７は、板金Ｗの左右方向（ｙ方向）に振動していればよい。
　実際には、加工ヘッド３５が切断方向に移動しながらレーザビーム３７が左右方向に振動する。このため、振動パターンは、図９Ａ～図９Ｃに示す振動パターンに加工ヘッド３５の切断方向の変位を加えた振動パターンとなる。
　図１０は、図９Ａの直交振動パターンを用いたときのレーザビーム３７の板金Ｗに対する照射位置の実際の振動パターンを示す図である。図９Ａに示す直交振動パターンでは、ビームスポットＢｓはｘ方向に移動しながらｙ方向に振動するので、実際の直交振動パターンは図１０に示すような振動パターンとなる。
　レーザビーム３７を切断方向に振動させる場合は、図９Ａ～図９Ｃに示す振動パターンによるビームスポットＢｓの左右方向への移動と同じ振幅で、ビームスポットＢｓの切断方向への移動を、図９Ａ～図９Ｃに示す振動パターンのいずれかで行う。
　実際には、加工ヘッド３５が切断方向に移動しながらレーザビーム３７が切断方向に振動する。このため、振動パターンは、加工ヘッド３５の切断方向の変位中に、図９Ａ～図９Ｃに示す振動パターンでビームスポットＢｓが切断方向に沿って前進及び後退を繰り返す振動パターンとなる。
　図１１Ａは、図２のビーム振動機構により板金Ｗに対するレーザビーム３７の照射位置を切断方向に振動させた場合の、板金Ｗの上面Ｗｔにおけるカーフ４１の形成状態を示す図である。図１１Ｂは、同じく、板金Ｗの下面Ｗｂにおけるカーフ４１の形成状態を示す図である。図１１Ｂでは、板金Ｗに対するレーザビーム３７の照射位置を振動させない場合の、板金Ｗの下面Ｗｂに形成されるカーフ４１を仮想線で示し、レーザビーム３７の照射位置を切断方向に振動させた場合のカーフ４１を実線で示す。
　板金Ｗに対するレーザビーム３７の照射位置を切断方向に振動させると、図１１Ａに示すように、レーザビーム３７の照射によって板金Ｗに形成されるカーフ４１内で、ビームスポットＢｓが切断方向における前進及び後退を繰り返す。
　ビームスポットＢｓの前進時における、レーザビーム３７による板金Ｗのカッティングフロントの先端は、カーフ４１の先端４９となる。先端４９では、カーフ４１の切断面に対して若干の角度を持った光軸方向でレーザビーム３７が入射される。カーフ４１内のレーザビーム３７の入射位置に続く部分では、ビームスポットＢｓの後退方向に若干傾いたカッティングフロントの斜面に、レーザビーム３７が照射される。
　集光レンズ３４によるレーザビーム３７の集光点３８は、所定箇所に配置される。所定箇所は、図７に示す板金Ｗの上面Ｗｔ及び下面Ｗｂ間にある。集光点３８を所定箇所に配置すると、板金Ｗは、レーザビーム３７の照射位置の振動中に、レーザビーム３７の照射による板金Ｗの金属の融解と融解した金属の溶融粘度の維持とに必要な光エネルギ４３を、上面Ｗｔ側及び下面Ｗｂ側の双方において吸収する。
　板金Ｗの下面Ｗｂ側でも、図１１Ｂに示すように、カーフ４１内でビームスポットＢｓが切断方向における前進及び後退を繰り返す。板金Ｗの下面Ｗｂ側では、カッティングフロントの斜度を保ちつつ、レーザビーム３７の光エネルギ４３により溶融された金属が、自重とアシストガス４５の流れとによって、カーフ４１から板金Ｗの外に排出される。ここで、ビームスポットＢｓが切断方向における前進及び後退を繰り返しているので、板金Ｗの下面Ｗｂ側には、カーフ４１内の同一箇所に連続照射されたレーザビーム３７の反射光に起因するホットスポットが発生しにくい。ホットスポットが発生しにくい板金Ｗの下面Ｗｂ側では、板金Ｗの溶融金属の粘度維持と熱切断の促進とに、アシストガス４５によって供給される酸素による反応熱が寄与している。
　なお、レーザビーム３７の照射位置を切断方向に振動させる場合は、例えば、ガルバノスキャナユニット３２により実現される振動の振幅量を１００μｍ～３００μｍ程度とし、振動周波数を３０００Ｈｚ以上とすることができる。
　板金Ｗの上面Ｗｔ側では、レーザビーム３７の照射位置を切断方向に振動させることで、レーザビーム３７の吸収が顕著な状態が、板金Ｗの特定の箇所において、レーザビーム３７の照射中に休みなく継続することはない。このため、板金Ｗの上面Ｗｔ側が、レーザビーム３７の吸収によって入熱過剰となりセルフバーニングを起こすのを、抑制することができる。このため、板金Ｗの下面Ｗｂ側に、セルフバーニングの影響で、図１１Ｂの仮想線で示すように、板金Ｗの上面Ｗｔ側よりも広い幅のカーフ４１が形成されることが抑制される。よって、板金Ｗの下面Ｗｂ側にも、図１１Ｂの実線で示すように、板金Ｗの上面Ｗｔ側と同程度の幅のカーフ４１が形成されるようにし、板金Ｗの上下方向にベベルが発生するのを抑制することができる。
　以上に説明したように、本実施形態のレーザ加工機１００では、インフォーカスエリアのレーザビーム３７を板金Ｗの上面Ｗｔに照射し、カーフ４１内でビームスポットＢｓを切断方向に繰り返し前進及び後退させるようにした。
　板金Ｗの上面Ｗｔにインフォーカスエリアのレーザビーム３７を照射することで、カーフ４１内でレーザビーム３７が板金Ｗの下面Ｗｂ側にも届きやすくなるようにすることができる。レーザビーム３７が届きやすくなることで、板金Ｗの下面Ｗｂ側でも、レーザビーム３７の光エネルギ４３による金属溶融の効果の低下を抑制し、酸化還元反応の反応熱による板金Ｗの熱切断が適切に行われるようにすることができる。
　また、レーザビーム３７の板金Ｗに対する照射位置を振動させると、カーフ４１内のレーザビーム３７が照射される切断面の位置が常時移動する。このため、カーフ４１内の特定の箇所にレーザビーム３７が集中して照射されることを抑制することができ、ホットスポットの発生を抑制することができる。これにより、板金Ｗの上面Ｗｔ側において光エネルギ４３の過剰供給によるセルフバーニングが発生することを抑制することができる。
　さらに、集光レンズ３４によるレーザビーム３７の集光点３８を板金Ｗの上面Ｗｔ及び下面Ｗｂ間の所定箇所に配置した。これにより、板金Ｗは、レーザビーム３７の照射位置の振動中に必要な光エネルギ４３を板金Ｗの上面Ｗｔ側及び下面Ｗｂ側の双方において吸収することができる。したがって、この所定箇所に集光点３８を配置することで、レーザビーム３７の照射による板金Ｗの金属の融解と融解した金属の溶融粘度の維持とを図り、板金Ｗの適切な熱切断が確実に行われるようにすることができる。
　そして、ホットスポット及びセルフバーニングの発生を抑制することで、レーザビーム３７を板金Ｗの板厚に応じたビーム径及び出力に設定して、板厚に応じた適切な幅のカーフ４１を板金Ｗの熱切断の際に板金Ｗに形成することができる。
　レーザビーム３７の照射位置を切断方向に振動させる場合は、板金Ｗに形成するカーフ４１の幅が、図１１Ａ及び図１１ＢのビームスポットＢｓの径によって決まる。このため、レーザビーム３７の振動方向が切断方向である場合は、図３Ａの集光点３８を、例えば、板金Ｗの板厚方向における中央よりも下面Ｗｂ側に配置して、カーフ４１の幅に見合った径のビームスポットＢｓを得るようにしてもよい。
　板金Ｗのセルフバーニングは、板金Ｗに対するレーザビーム３７の照射位置を切断方向に振動させることでも抑制することができるが、左右方向に振動させても、板金Ｗのセルフバーニングを抑制することができる。板金Ｗには、板金Ｗの板厚に対応する幅のカーフ４１を形成する必要があり、レーザビーム３７のビーム径の変更によりカーフ４１の幅を変えるには限界がある。板金Ｗに対するレーザビーム３７の照射位置を左右方向に振動させることは、切断方向に振動させるよりも、板金Ｗの板厚に対応する幅のカーフ４１を形成する上でさらに有利な、板金Ｗのセルフバーニングを抑制する方法と言える。
　図１２Ａは、図２のビーム振動機構により板金Ｗに対するレーザビーム３７の照射位置を左右方向に振動させた場合の、板金Ｗの上面Ｗｔにおけるカーフ４１の形成状態を示す図である。図１２Ｂは、同じく、板金Ｗの下面Ｗｂにおけるカーフ４１の形成状態を示す図である。
　板金Ｗに対するレーザビーム３７の照射位置を左右方向に振動させると、図１２Ａに示すように、振動させたレーザビーム３７によって板金Ｗに形成されるカーフ４１内で、ビームスポットＢｓが左右方向に繰り返し往復移動する。レーザビーム３７の照射により板金Ｗにカーフ４１が形成される間、板金Ｗのカッティングフロントは、カーフ４１の左右方向における両側面となる。板金Ｗの上面Ｗｔ側では、カッティングフロントに当たるカーフ４１の各側面上の高吸収部５１において、レーザビーム３７の板金Ｗへの吸収が顕著となる。
　板金Ｗの下面Ｗｂ側でも、図１２Ｂに示すように、カーフ４１内でビームスポットＢｓが左右方向に繰り返し往復移動する。板金Ｗの下面Ｗｂ側では、上面Ｗｔ側において板金Ｗに吸収されずにカーフ４１内で２次反射したレーザビーム３７の板金Ｗへの吸収が、カッティングフロントの側方で顕著となる。カッティングフロントの側方は、板金Ｗの切断方向におけるカーフ４１の先端側に当たる。板金Ｗの下面Ｗｂ側では、カーフ４１の先端上に２箇所ある高吸収部５１において、レーザビーム３７の板金Ｗへの吸収が顕著となる。カーフ４１の先端上の各高吸収部５１は、カーフ４１の各側面寄りの位置にある。
　板金Ｗの上面Ｗｔ側及び下面Ｗｂ側に２箇所ずつある高吸収部５１では、カーフ４１内でのビームスポットＢｓの位置に応じて、レーザビーム３７の吸収が顕著な状態が間欠的に到来する。各高吸収部５１では、ビームスポットＢｓが、各高吸収部５１の最寄りにあるカーフ４１の側面に接近している間、レーザビーム３７の吸収が顕著な状態となる。
　ここで、ビームスポットＢｓが左右方向に繰り返し往復移動しているので、板金Ｗの下面Ｗｂ側の２箇所の高吸収部５１は、レーザビーム３７の吸収が顕著な状態を、間欠的かつ交互に迎える。各高吸収部５１のレーザビーム３７の吸収が顕著な状態が、レーザビーム３７の照射中に休みなく継続することがないので、板金Ｗの下面Ｗｂ側には、カーフ４１内の同一箇所に連続照射されたレーザビーム３７の反射光に起因するホットスポットが発生しにくい。ホットスポットが発生しにくい板金Ｗの下面Ｗｂ側では、板金Ｗの溶融金属の粘度維持と熱切断の促進とに、アシストガス４５によって供給される酸素による反応熱が寄与している。
　板金Ｗの上面Ｗｔ側でも、２箇所の高吸収部５１は、レーザビーム３７の吸収が顕著な状態を、間欠的かつ交互に迎える。各高吸収部５１において、レーザビーム３７の吸収が顕著な状態が、レーザビーム３７の照射中に休みなく継続することはない。このため、板金Ｗの上面Ｗｔ側において、特定の箇所がレーザビーム３７の光エネルギ４３の過剰供給によって入熱過剰となりセルフバーニングを起こすのを、抑制することができる。
　以上に説明したように、ビームスポットＢｓの往復移動方向を左右方向に変えても、ビームスポットＢｓを切断方向に往復移動させる場合と同様の効果を得ることができる。
　なお、レーザビーム３７の照射位置を左右方向に振動させる場合は、板金Ｗに形成するカーフ４１の幅が、レーザビーム３７の振動の振幅によって決まる。このため、レーザビーム３７の振動方向が左右方向である場合は、図３Ａの集光点３８を、例えば、板金Ｗの板厚方向における中央よりも上面Ｗｔ側の位置に配置してもよい。この位置に集光点３８を配置することで、板金Ｗの切断に使えるレーザビーム３７の焦点深度を広く確保することができる。なお、焦点深度を広く確保するとは、具体的には、振動させる前のレーザビーム３７で定義される切断に有効に寄与する集光領域(焦点深度)について、レーザビーム３７を振動させることで、レーザビーム３７の進行方向に対して直角方向にその集光領域が拡大するということである。
　図１３は、図１のレーザ加工機１００において板金Ｗに照射したレーザビーム３７による板金Ｗの切断速度と板金Ｗの板厚との関係を、比較例と比較して示すグラフである。
　図１３のグラフにおいて、縦軸は板金Ｗの切断速度、横軸は板金Ｗの板厚である。「前後揺動」のグラフは、板金Ｗに対するインフォーカスエリアのレーザビーム３７の照射位置を切断方向に振動させた場合の、板金Ｗの板厚と切断速度との関係を示している。「左右揺動」のグラフは、板金Ｗに対するインフォーカスエリアのレーザビーム３７の照射位置を左右方向に振動させた場合の、板金Ｗの板厚と切断速度との関係を示している。
　レーザビーム３７の振動方向が切断方向である場合の板金Ｗの切断速度と、左右方向である場合の板金Ｗの切断速度とは、どちらも、振動の振幅量及び振動周波数を同じにして測定した。
　「インフォーカス速度」は、図７に示すように、板金Ｗの上面Ｗｔにインフォーカスエリアのレーザビーム３７を振動させずに照射した場合の、板金Ｗの板厚と切断速度との関係を示している。「デフォーカス速度」は、図５に示すように、板金Ｗの上面Ｗｔにデフォーカスエリアのレーザビーム３７を振動させずに照射した場合の、板金Ｗの板厚と切断速度との関係を示している。
　レーザビーム３７の照射位置を切断方向に振動させた場合は、図１３中にプロットした４．５ｍｍ、６ｍｍ、９ｍｍ、１２ｍｍの各板厚において、いずれも、最も早い切断速度で板金Ｗを切断することができた。レーザビーム３７の照射位置を左右方向に振動させた場合は、切断方向に振動させた場合に比べて１割程度遅くなるが、レーザビーム３７の照射位置を振動させない場合に比べて、早い切断速度で板金Ｗを切断することができた。
　インフォーカスエリアのレーザビーム３７を振動させずに板金Ｗの上面Ｗｔに照射した場合は、レーザビーム３７を振動させた場合よりも、板金Ｗの切断速度が遅くなった。デフォーカスエリアのレーザビーム３７を振動させずに板金Ｗの上面Ｗｔに照射した場合は、インフォーカスエリアのレーザビーム３７を照射した場合よりも、板金Ｗの切断速度がさらに遅くなった。
　以上から、板金Ｗに照射するレーザビーム３７をインフォーカスエリアとし、かつ、板金Ｗに対してレーザビーム３７を切断方向又は左右方向に振動させることが、セルフバーニング、ホットスポットの抑制に有効なことが確認できた。また、セルフバーニング、及びホットスポットの抑制により、板金Ｗの板厚に応じてレーザビーム３７の出力を増やし、板金Ｗの切断速度を高められることが確認できた。
　以上に説明した構成により、
　加工ヘッドのノズルから板金に、前記板金の切断に用いる１μｍ帯以下の波長のレーザビームを集光レンズにより集光して射出し、かつ、前記ノズルから前記板金に酸素を含むアシストガスを噴出し、
　前記板金に対する前記ノズルの前記板金の切断方向への相対移動中に、前記レーザビームの光軸に沿った前記板金の板厚方向における前記ノズル側の第１端面に対する前記レーザビームの照射位置を、前記切断方向と前記切断方向に対する直交方向とのうちいずれか一方の方向に沿って前記板金の板厚に対応する振幅で振動させ、
　前記レーザビームの集光点を、前記集光レンズによって前記板金の前記第１端面及び前記板金の板厚方向において前記第１端面に対向する第２端面間に位置させる、
　レーザ加工方法を開示することができる。
　なお、板金の端面に対するレーザビームの照射位置を切断方向に対して直交方向に振動させ、照射位置を切断方向に対して直交方向に振動させたレーザビームによる板金の切断で、板厚に対応する幅のカーフを板金に形成してもよい。また、レーザビームの照射位置を振動させる際の振幅を、板厚が厚いほど大きくしてもよく、レーザビームの波長を３００ｎｍ以上１０８０ｎｍとしてもよい。
　板金の板厚が厚くなるほどレーザビームの照射位置を切断方向に対して直交方向に振動させる際の振幅を大きくすると、板金の板厚が厚くなるほど大きな幅のカーフが形成される。板厚が厚くなるほど大きな幅のカーフにより、板厚が厚くなるほど増加する切断加工時の溶融物を板金から滞りなく排出させることができる。溶融物を滞りなく排出することで、板金に発生するドロスを低減することができる。
　レーザビームの波長を３００ｎｍ以上１０８０ｎｍとすることで、ＣＯ２レーザ等の波長が１０μｍ帯のレーザビームに比べてエネルギ密度を高くし、より高速な切断加工を行うことができる。また、波長が１０８０ｎｍ以下のレーザビームは、エネルギ変換効率が高く、板金の切断に掛かるコストを低減することができる。
　本願の開示は、２０２１年１１月９日に出願された特願２０２１－１８２７１８号に記載の主題と関連しており、それら全ての開示内容は引用によりここに援用される。

Claims (6)

  1. 　加工ヘッドのノズルから板金に、前記板金の切断に用いる１０８０ｎｍ以下の波長のレーザビームを集光レンズにより集光して射出し、かつ、前記ノズルから前記板金に酸素を含むアシストガスを噴出し、
    　前記板金に対する前記ノズルの前記板金の切断方向への相対移動中に、前記レーザビームの光軸に沿った前記板金の板厚方向における前記ノズル側の第１端面に対する前記レーザビームの照射位置を、前記切断方向と前記切断方向に対する直交方向とのうちいずれか一方の方向に沿って前記板金の板厚に対応する振幅で振動させ、
    　前記レーザビームの集光点を、前記集光レンズによって前記板金の前記第１端面及び前記板金の板厚方向において前記第１端面に対向する第２端面間に位置させる、
    　レーザ加工方法。
  2. 　前記集光点を、前記板金の前記第１端面及び前記第２端面間の所定箇所に位置させ、
    　前記所定箇所は、前記レーザビームの照射位置を振動させた際に、前記板金が前記レーザビームの照射による前記板金の金属の融解と融解した前記金属の溶融粘度の維持とに必要なエネルギを、前記板厚方向における前記第１端面側及び前記第２端面側の双方で吸収する箇所である
    　請求項１に記載のレーザ加工方法。
  3. 　前記照射位置を前記直交方向に振動させ、
    　前記照射位置を前記直交方向に振動させた前記レーザビームによる前記板金の切断で、前記板厚に対応する幅のカーフを前記板金に形成する
    　請求項１又は２に記載のレーザ加工方法。
  4. 　前記振幅は、前記板厚が厚いほど大きくする
    　請求項１～３のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
  5. 　前記波長は、３００ｎｍ以上であり１０８０ｎｍ以下とする
    　請求項１～４のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
  6. 　波長が１０８０ｎｍ以下のレーザビームを切断する板金に向けて射出し、かつ酸素を含むアシストガスを噴出するノズルを有する加工ヘッドであって、集光レンズによって前記板金の前記レーザビームの光軸に沿った板厚方向における両端面間に集光点を位置させた前記レーザビームを前記ノズルから射出する加工ヘッドと、
    　前記ノズルを前記板金に対して相対的に移動させる移動機構と、
    　前記板金の前記板厚方向における前記ノズル側の端面に対する前記レーザビームの照射位置を、前記板金の切断方向と前記切断方向に対する直交方向とのうちいずれか一方の方向に沿って振動させる振動機構と、
    　前記板金に対する前記ノズルの前記切断方向への相対移動中に、前記板金の前記ノズル側の端面に対する前記レーザビームの照射位置が、前記切断方向と前記直交方向とのうちいずれか一方の方向に沿って、前記板金の板厚に対応する振幅で振動するように、前記移動機構及び前記振動機構を制御する制御部と、
    　を備えるレーザ加工機。
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