JP6190855B2 - レーザ加工方法およびレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工方法およびレーザ加工装置に係り、特に、ワークにレーザ加工を行うときにレーザ光を制御するものにする。

従来のレーザ切断では、図１３で示すように、集光レンズ３０１を用いてレーザ光３０３を１００μｍ〜１０００μｍのスポットサイズ（集光径）に集光することでエネルギー密度を高くし、金属（軟鋼板；ワーク）３０５の一部分を瞬間的に溶融させ、アシストガスなる補助ガス（図１３では図示せず）にて溶融金属を除去しながら切断を行っている。

また、軟鋼板の厚板などではアシストガスに酸素を使用して、酸化反応熱によりレーザパワーだけでは切断が困難とされる板厚帯の切断を行っている。また、酸素を用いた切断による軟鋼板の加工においては、光学的に適正な集光径に合わせた上で焦点位置３０７はディフォーカスした状態（焦点位置３０７がワーク３０５の上面よりも上方に位置している状態）で加工する方法が一般常識とされている。

ところで、従来の技術文献として、たとえば、特許文献１を掲げることができる。

特開平６−１５５０６３号公報

ところで、ＤＤＬ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ）やファイバレーザのように波長が１μｍ帯のレーザ光は、ＣＯ_２レーザ（図１４（ｂ）参照）に比べてビーム中心付近のパワー強度分布が非常に高く（図１４（ａ）参照）、ＣＯ_２レーザなどの１０μｍ帯の光と比較して金属（ワーク）に対しての光の吸収率が非常に高いことから、アシストガスに酸素を用いた軟鋼板（ワーク）の切断においては、切断に最適なレーザ光の集光スポットサイズを照射した場合に材料（ワーク）上面の切断幅（カーフ幅）が必要以上に大きくなり過ぎ、カーフコントロールが難しくなり、過剰燃焼（セルフバーニング）を起こすなど、安定した品質での切断が非常に難しいという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、波長が１μｍ帯のレーザ光を用いたワークのレーザ加工方法およびレーザ加工装置において、セルフバーニングの発生を抑制することで、安定した品質でのワークの切断を行うことができるものを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、一つの発振器と、プロセスファイバとが設けられており、前記発振器が発振したレーザ光が前記プロセスファイバを通って、前記プロセスファイバの端部に設けられている出射端から、レーザ加工ヘッドに向かって出射されるようになっており、波長が１μｍ帯であるレーザ光を用いて、板状のワークの切断加工を行うレーザ加工方法において、前記切断加工をするときにおけるレーザ光の１つの焦点の位置を、前記ワークの上面におけるエネルギー密度を小さくして前記ワーク上面での酸化作用の発生を抑制するために、前記ワークの板厚方向で、前記ワークの中心と前記レーザ光の光軸方向であって前記レーザ光の進行方向後側における前記ワークの端面との間に位置させるレーザ加工方法である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工方法において、前記ワークは、厚板であり、鉄もしくは鋼もしくは鉄合金もしくは酸化反応によって発熱する材料で構成されており、前記ワークでの切断加工は、酸素を含み小径ノズルから前記ワークに向かって吹き付けられるアシストガスを用いてなされるようになっており、前記小径ノズルの内径は、０．６ｍｍ以上であって前記ワークの板厚の１５％以下の値になっているレーザ加工方法である。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工方法において、前記ワークは、厚板であり、鉄もしくは鋼もしくは鉄合金もしくは酸化反応によって発熱する材料で構成されており、前記ワークでの切断加工は、酸素を含み小径ノズルから前記ワークに向かって吹き付けられるアシストガスを用いてなされるようになっており、前記ワークに切断加工をするときに、前記アシストガスを前記切断加工で形成される孔や溝の内部に吹き付けるレーザ加工方法である。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のレーザ加工方法において、前記切断加工を行う前に前記ワークにピアス加工を行う場合、前記ピアス加工をするときのレーザ光の焦点の位置を、前記ワークの板厚方向で、前記ワークの中心と、前記レーザ光の光軸方向であって前記レーザ光の進行方向前側における前記ワークの端面との間、もしくは、前記レーザ光の光軸方向であって前記レーザ光の進行方向前側における前記ワークの端面と、この前側の端面の近傍であって前側の端面から僅かに離れた箇所との間に位置させるレーザ加工方法である。

請求項５に記載の発明は、一つの発振器と、プロセスファイバとが設けられており、前記発振器が発振したレーザ光が前記プロセスファイバを通って、前記プロセスファイバの端部に設けられている出射端から、レーザ加工ヘッドに向かって出射されるようになっており、波長が１μｍ帯であるレーザ光を板状のワークに向けて出射するとともに、レーザ光の焦点の位置を変更自在であるレーザ加工ヘッドと、前記ワークが設置されるワーク設置部と、前記ワークに切断加工をする場合、前記レーザ加工ヘッドから出射されるレーザ光の１つの焦点の位置を、前記ワークの上面におけるエネルギー密度を小さくして前記ワーク上面での酸化作用の発生を抑制するために、前記ワークの板厚方向で、前記ワークの中心と、前記レーザ光の光軸方向であって前記レーザ光進行方向後側のワークの端面との間に位置させるように、前記レーザ加工ヘッドを制御する制御部とを有するレーザ加工装置である。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のレーザ加工装置において、前記ワークが、厚板であり、鉄もしくは鋼もしくは鉄合金もしくは酸化反応によって発熱する材料で構成されている場合、前記ワークでの切断加工は、酸素を含み小径ノズルから前記ワークに向かって吹き付けられるアシストガスを用いてなされるように構成されており、前記小径ノズルの内径は、０．６ｍｍ以上であって前記ワークの板厚の１５％以下の値になっているレーザ加工装置である。

請求項７に記載の発明は、請求項５に記載のレーザ加工装置において、前記ワークが、厚板であり、鉄もしくは鋼もしくは鉄合金もしくは酸化反応によって発熱する材料で構成されている場合、前記ワークでの切断加工は、酸素を含み小径ノズルから前記ワークに向かって吹き付けられるアシストガスを用いてなされるように構成されており、前記ワークでの切断加工をするときに、前記アシストガスを前記切断加工で形成される孔や溝の内部に吹き付けるように構成されているレーザ加工装置である。

請求項８に記載の発明は、請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、前記制御部は、前記切断加工を行う前に前記ワークにピアス加工を行う場合、前記レーザ加工ヘッドから出射されるレーザ光の焦点の位置を、前記ワークの板厚方向で、前記ワークの中心と、前記レーザ光の光軸方向であって前記レーザ光の進行方向前側における前記ワークの端面との間、もしくは、前記レーザ光の光軸方向であって前記レーザ光の進行方向前側における前記ワークの端面と、この前側の端面の近傍であって前側の端面から僅かに離れた箇所との間に位置させるように、前記レーザ加工ヘッドを制御するレーザ加工装置である。

本発明によれば、波長が１μｍ帯のレーザ光を用いたワークのレーザ加工方法およびレーザ加工装置において、セルフバーニングの発生を抑制することで、安定した品質でのワークの切断を行うことができるという効果を奏する。

本発明の実施形態に係るレーザ加工機の概略構成を示す図である。 集光レンズを通過したレーザ光を示す図である。 （ａ）は、インフォーカスエリアでワークを切断加工をするときの状態を示す図であり、（ｂ）は、ディフォーカスエリアでワークを切断加工をするときの状態を示す図である。 （ａ）は、従来のノズルでアシストガスを供給する場合を概略的に示す図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の小径ノズルでアシストガスを供給する場合を概略的に示す図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工機でワークを切断加工している状態を概略的に示す図である。 （ａ）は、レーザ光の焦点位置をワークの上面（表面）に一致させた状態で、ワークを切断加工している状態を概略的に示す図であり、（ｂ）は、レーザ光の焦点位置をワークの板厚の中央に一致させた状態で、ワークを切断加工している状態を概略的に示す図である。 （ａ）は、本発明の実施形態に係る小径ノズルを使用して厚さ１２ｍｍのワークに、焦点位置を変えて切断加工を行った場合において、焦点位置と、レーザ光の集光径と、加工の可否（加工の良否）との関係を示す図であり、（ｂ）は、加工が良好である場合のワークの加工面の形態を示す図である。 （ａ）は、厚さ１２ｍｍのワークに切断加工を行って形成される切断溝の形態を示す図であり、（ｂ）は、インフォーカスエリアでワークに切断加工を行った場合と、ディフォーカスエリアでワークに切断加工を行った場合とにおけるセルフバーニングの発生の有無を示す図である。 （ａ）は、１枚のワークにディフォーカスエリアで切断加工を行って１０個の三角形状の製品もしくは半製品を切り出したときにおけるセルフバーニングの発生状態を示す図であり、（ｂ）は、セルフバーニングが発生している１枚の製品もしくは半製品の拡大図であり、（ｃ）は、（ｂ）に示すものの加工不良状態を示す図である。 （ａ）は、１枚のワークにインフォーカスエリアで切断加工を行って１０個の三角形状の製品もしくは半製品を切り出したときにおけるセルフバーニングの発生状態を示す図であり、（ｂ）は、セルフバーニングが発生していない１枚の製品もしくは半製品の拡大図である。 レーザ出力と加工速度との関係において、切断加工が可能な範囲を示す図である。 レーザ光の焦点位置と加工速度とを変えた場合における切断加工の加工面の状態を示す図である。 従来のレーザ加工を示す図である。 （ａ）は、ファイバレーザのプロファイルを示す図であり、（ｂ）は、ＣＯ_２レーザのプロファイルを示す図である。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置（レーザ加工機）１は、図１等で示すように、レーザ加工ヘッド３と、ワーク設置部５（図５参照）と、制御部７とを備えて構成されている。

レーザ加工ヘッド３は、波長が１μｍ帯（たとえば、０．７μｍ〜１．２μｍ）であるレーザ光９を、ワーク設置部５に設置されている厚板のワークＷに向けて出射するようになっている（図５も併せて参照）。レーザ光９として、たとえば、ファイバレーザやＤＤＬ（直接集光型半導体レーザ）やＹＡＧレーザのレーザ光を掲げることができる。また、レーザ加工ヘッド３では、レーザ光９の焦点（集光点）１１の位置を変更自在（変更調節自在）になっている。

例を掲げてさらに説明すると、レーザ加工装置１には、発振器１３と、プロセスファイバ１５とが設けられており、発振器１３が発振したレーザ光９がプロセスファイバ１５を通って、プロセスファイバ１５の端部に設けられている出射端１７から、レーザ加工ヘッド３に向かって出射されるようになっている。

レーザ加工ヘッド３は、筒状の本体部１９とノズル２１とを備えて構成されている筐体２３と、コリメーションレンズ２５と、集光レンズ２７と備えている。コリメーションレンズ２５は、筒状の本体部１９の上方で筒状の本体部１９内に設けられており、集光レンズ２７は、筒状の本体部１９の下方で筒状の本体部１９内に設けられている。ノズル２１は、筒状の本体部１９の下端に設けられている。

筒状の本体部１９の下方には、アシストガス供給部３６が設けられており、アシストガス供給部３６からノズル２１内にアシストガス（たとえば酸素を多く含むアシストガス）３７が供給されるようになっている。

そして、出射端１７から出射されたレーザ光９が、コリメーションレンズ２５と、集光レンズ２７とをこの順に通過して、ノズル２１端（下端）の開口部２９から、たとえば、下方に向かって出射され、ワーク設置部５に設置されているワークＷに照射され、ワークＷにレーザ加工（ピアス加工と切断加工）がなされるようになっている。なお、出射端１７から出射されてワークＷに照射されるレーザ光９の光軸は、たとえば、上下方向に延びている。

また、出射端１７から出射されたレーザ光９は、コリメーションレンズ２５を通過することでほぼ平行な光線に変換され、この後、集光レンズ２７を通過することで収束光になる。

ワークＷにレーザ加工がなされるとき、ノズル２１内に供給されたアシストガス３７がノズル２１端の開口部２９からワークＷに向かって供給される（吹き付けられる）ようになっている。

集光レンズ２７は、筐体２３に一体的に設けられているが、コリメーションレンズ２５は、集光レンズ２７に対して、接近しもしくは離反する方向で移動位置決め自在になっている（筐体２３に対して上下方向で移動位置決め自在になっている）。これによって、レーザ光９の焦点１１の位置（上下方向におけるノズル２１の下端と、焦点１１との間の距離ＬＺ）を変更（変更調節）することができるようになっている。

なお、コリメーションレンズ２５を、筐体２３に対して、上下方向で移動位置決め自在にすることに代えてもしくは加えて、集光レンズ２７を、筐体２３に対して、上下方向で移動位置決め自在にし、レーザ光９の焦点１１の位置を変更（変更調節）するようにしてもよい。

ワーク設置部５は、たとえば、レーザ加工ヘッド３の下側に設けられており、ワーク設置部５に設置（載置）された板状のワークＷは、ワークＷの厚さ方向が上下方向になっている。また、レーザ加工ヘッド３は、ワーク設置部５に設置されたワークＷに対して、水平方向で相対的に移動位置決め自在になっているとともに、上下方向で移動位置決め自在になっており、ワーク設置部５に設置されたワークＷとレーザ加工ヘッド３との間では、上下方向で所定の間隔があいている。

なお、上記説明では、レーザ加工ヘッド３のコリメーションレンズ２５や集光レンズ２７の位置を変更して焦点１１の位置を変更（変更調節）することにしているが、コリメーションレンズ２５や集光レンズ２７の位置を変更することに代えてもしくは加えて、ワーク設置部５に対するレーザ加工ヘッド３の高さ位置を変えることで、焦点１１の位置を変更（変更調節）することにしてもよい。ワーク設置部５に対するレーザ加工ヘッド３の高さ位置を変えることのみで、焦点１１の位置を変更する場合、レーザ加工ヘッド３のノズル２１の下端と焦点１１との間の距離（高さ方向の距離）ＬＺは変化しないが、レーザ加工ヘッド３のノズル２１の下端とワーク設置部５との間の距離は変化することになる。

制御部７は、メモリ３１と、ＣＰＵ３３とを備えて構成されており、メモリ３１に予め格納されている動作プログラムによって、レーザ加工ヘッド３から出射されるレーザ光９の焦点１１の位置を適宜変更する等、レーザ加工機１の動作を制御するようになっている。

すなわち、制御部７は、ワークＷに切断加工をする場合、レーザ加工ヘッド３を制御することによって、レーザ加工ヘッド３から出射されるレーザ光９の焦点１１の位置を、ワークＷの板厚方向（たとえば、上下方向）で、ワークＷの中心（板厚中心）ＣＬと、レーザ光の光軸の延伸方向であってレーザ光の進行方向後側のワークＷの端面（レーザ加工ヘッド３とは反対側の端面；下面）ＷＵとの間に位置させるようになっている。

なお、上記制御において、レーザ光９の焦点１１の位置を、ワークＷの中心ＣＬと一致させてもよいが、ワークＷの下面ＷＵよりも上方にすることが望ましい。

また、制御部７は、切断加工を行う前にレーザ光９を用いてワークＷにピアス加工を行う場合、レーザ加工ヘッド３から出射されるレーザ光９の焦点１１の位置を、ワークＷの板厚方向（上下方向）で、ワークＷの中心ＣＬと、レーザ光９の光軸方向であってレーザ光９の進行方向前側におけるワークＷの端面（上面）との間、もしくは、レーザ光９の光軸方向であってレーザ光９の進行方向前側におけるワークの端面（上面）と、この上面の近傍であって上面から僅かに離れた箇所との間に位置させるように、レーザ加工ヘッド３を制御するようになっている。

ここで、図２を参照して、インフォーカスエリアと、ディフォーカスエリアについて説明すると、集光レンズ２７を通過したレーザ光９の焦点１１よりも上方（レーザ加工ヘッド３側）が、インフォーカスエリアであり、焦点１１よりも下方（レーザ加工ヘッド３とは反対側）が、ディフォーカスエリアになる。

なお、図６（ａ）では、焦点１１がワークＷの上面に位置しているので、ディフォーカスエリアで、ワークＷに切断加工がなされるようになっている。図６（ｂ）では、焦点１１がワークＷの中心（厚さ方向で中央に位置している平面）ＣＬに位置しているので、中心ＣＬよりも上側では、インフォーカスエリアでワークＷに切断加工がなされ、中心ＣＬよりも下側では、ディフォーカスエリアでワークＷに切断加工がなされるようになっている。

ワークＷのレーザ加工では、レーザ光９でワークＷにピアス加工を行った後、ピアス加工で形成された貫通孔を起点として、ワークＷをレーザ加工ヘッド３に対して相対的に移動することで、ワークＷにレーザ光９で切断加工がなされ、ワークＷから所定形状の製品や半製品が切り出されるようになっている。

ワークＷは、たとえば、軟鋼で構成されている。ワークＷにレーザ加工をするときには、ほぼ酸素で構成されているアシストガス３７を、ノズル（小径ノズル）２１からワークＷに向かって吹き付けるように構成されている。

このとき、ワークＷにレーザ加工（ピアス加工や切断加工）をするときに、酸化反応が広い範囲で起きることによるワークＷでのセルフバーニングの発生を抑えるために、小径ノズル２１の内径は、０．６ｍｍ以上であってワークＷの板厚の１５％以下の値になっている。なお、ワークＷの板厚は、レーザ加工の被加工物としては厚板になっており、たとえば、６ｍｍ〜１８ｍｍ（４ｍｍ〜２２ｍｍでもよい。）の範囲内になっている。

小径ノズル２１の中央には、円錐台状の貫通孔３５が形成されており、円錐台状の貫通孔３５の小径な端（円錐台では小径な上面；開口部２９）がワークＷ側（下側）に位置し、円錐台状の貫通孔３５の大径な端（円錐台では大径な下面）がワークＷとは反対側（上側）に位置している。そして、レーザ光９の光軸と円錐台状の貫通孔３５の中心軸とがお互いに一致するようにして（上下方向に延伸するようにして）、レーザ光９がノズル２１の円錐台状の貫通孔３５内を通り、円錐台状の貫通孔３５の小径な開口部２９からワークＷに向かって出射されるようになっている。

小径ノズル２１の内径（開口径）とは、円錐台状の貫通孔３５の小径な端（開口部２９）における貫通孔３５の内径である。小径ノズル２１に供給されたアシストガス３７は、円錐台状の貫通孔３５の円形状の開口部２９からワークＷに向かって下方に吹き出すようになっている。

なお、小径ノズル２１の貫通孔３５が円錐台状に形成されていることで、小径ノズル２１の貫通孔３５が下側に向かう（ワークＷに近づく）にしたがって徐々に絞まっており、アシストガス３７から吹き出すガス流が、たとえば、下方に流れ、外側（ワークＷの上面）に拡散しにくい構造になっており、ワークＷの上面におけるガス流の直径がワークＷに形成されるカーフ幅よりも小さくなっている。

アシストガス３７の供給量は、ワークＷの厚さによって、適宜変えることができるように構成されている。また、アシストガス３７の圧力（小径ノズル２１へのアシストガス３７の供給圧力であってもよいし、小径ノズル２１の開口部２９におけるアシストガス３７の圧力であってもよい）は、ゲージ圧で、０．０５ＭＰａ〜０．１０ＭＰａになっている。

ワークＷの材質であるが、軟鋼以外ものとして、鉄もしくは炭素鋼もしくは鉄合金もしくは酸化反応によって発熱し、この発熱によってピアス加工や切断加工が促進される材料を掲げることができる。

また、酸化反応が広い範囲で起きることによるワークＷでのセルフバーニングの発生を抑えるために、ワークＷにレーザ加工（たとえば切断加工）をするときに、アシストガス３７を、レーザ加工（たとえば切断加工）で形成される孔や溝の内部に吹き付けるように構成されていてもよい。

さらに説明すると、ワークＷにレーザ加工を行うときに、アシストガス３７をレーザ加工で形成される孔や溝の内部（孔や溝の側面；レーザ加工による切断面）に吹き付けることで、ワークＷの表面（上面）にはアシストガス３７を直接吹き付けないようにしてもよい（小径ノズル２１から吹き出されたアシストガス３７がワークＷの表面に直接到達しないようにしてもよい）。

ところで、小径ノズル２１としてラバールノズルを採用し、ワークＷにレーザ加工を行うときに、アシストガス３７を超音速で、レーザ加工で形成される孔や溝の内部に吹き付けるようにしてもよい。

次に、レーザ加工装置１の動作について説明する。

初期状態として、ワーク設置部５にワークＷが載置されており、ワーク設置部５に載置されているワークＷに対して所定の位置（レーザ加工開始位置）にレーザ加工ヘッド３が位置しているものとする。

上記初期状態において、レーザ加工ヘッド３からワークＷに向けてレーザ光９を照射するとともに、アシストガス（酸素）３７を吹き付けて、ワークＷにレーザ加工（ピアス加工）を行う。このとき、レーザ光９の焦点（集光点）１１は、ワークＷの板厚方向（上下方向）で、ワークＷの上面とワークＷの中心ＣＬとの間に位置しているが、レーザ光９の焦点（集光点）１１を、ワークＷの上面よりも上方であってワークＷの上面近傍に位置（ワークＷを溶融等させることができるエネルギー密度を得ることができる位置）させてもよいし、さらに、レーザ光９の焦点（集光点）１１を、ワークＷの板厚方向（上下方向）で、ワークＷの中心ＣＬとワークＷの下面ＷＵとの間に位置させてもよい。

ワークＷにピアス加工を行った後、ピアス加工で形成された貫通孔を起点として、ワークＷをレーザ加工ヘッド３に対して相対的に移動することで、ワークＷに切断加工をし、ワークＷから所定形状の製品や半製品を切り出す。このときも、レーザ光９の焦点１１は、ワークＷの板厚方向（上下方向）で、ワークＷの中心ＣＬとワークＷの下面ＷＵとの間に位置している。

なお、ワークＷの端から切断加工を開始する等の場合には、ワークＷにピアス加工を行うことなく、切断加工を行う場合もある。

また、ワークＷにレーザ光９を照射することで、ワークＷが溶融するとともに、アシストガス３７を噴射することで、溶融した金属を除去する。また、アシストガス３７として酸素を用いることで、酸化反応熱が発生し、レーザ出力だけでは切断が困難な厚いワーク（厚さが６ｍｍ〜１８ｍｍ程度のワーク）Ｗの加工も可能になる。

レーザ加工装置１によれば、レーザ光９の焦点１１の位置を、ワークＷの板厚方向で、ワークＷの中心ＣＬとワークＷの下面ＷＵとの間に位置させるので、切断加工による切断面からワークＷへの入熱が減少し、ワークＷでのセルフバーニングの発生が抑制され、安定した品質でのワークＷの切断を行うことができる。

図３を参照しつつより詳しく説明する。図３（ａ）では上述した動作に対応する態様を示しており、図３（ａ）では、レーザ光９の焦点１１がワークＷの下端部側に位置している。図３（ｂ）で示す態様は比較例を示しており、図３（ｂ）では、レーザ光９の焦点１１がワークＷの上面の上方に位置している。図３に破線Ｌ１で示しているものは、レーザ光９の波面である。

図３（ａ）では、ワークＷのところでレーザ光９の波面Ｌ１が下向きに狭まっている（上方に凸になっている；波面Ｌ１が球面の一部で形成されており、この球面の中心が波面Ｌ１よりも下側に位置している）。これにより、レーザ光９の波面Ｌ１における成分（レーザ光９の進行方向のベクトルの成分）４２を、Ｘ方向（水平方向；ワークＷに形成される孔や溝の側面３９に対して直交する方向）と、Ｚ方向（上下方向）とに分解すると、Ｘ方向の成分４１が内向きになり、レーザ光９の多重反射が起こりにくくなり、側面（切断面）３９への入熱量が減少し、セルフバーニングの発生が抑制される。なお、Ｚ方向の成分４３は、上から下に向かっている。

これに対して、図３（ｂ）では、ワークＷのところでレーザ光９の波面Ｌ１が下向きに広がっている（下方に凸になっている；波面Ｌ１が球面の一部で形成されており、この球面の中心が波面Ｌ１よりも上側に位置している）。これにより、レーザ光９の波面Ｌ１における成分４２を、Ｘ方向とＺ方向とに分解すると、Ｘ方向の成分４１が外向きになり、レーザ光９の多重反射が起こりやすくなり、側面（切断面）３９への入熱量が増え、セルフバーニングは発生しやすくなる。

また、レーザ加工装置１によれば、小径ノズル２１からワークＷに向かって吹き付けられるアシストガス３７を用いてレーザ加工がなされるので、酸素が作用する範囲を狭くすることができ、ワークＷでの酸化反応がおこる範囲が広がることが抑制され、過剰な入熱によって発生するセルフバーニングを、レーザ光９の焦点１１の位置をワークＷの板厚方向で下方にしたこととの相乗効果によって一層抑制することができる。

また、レーザ加工装置１によれば、ワークＷにレーザ加工をするときに、アシストガス３７をレーザ加工で形成される孔や溝の内部に吹き付けるので、酸素が作用する範囲を狭くすることができ、ワークＷでの酸化反応がおこる範囲が広がることが抑制され、過剰な入熱によって発生するセルフバーニングを一層抑制することができる。

また、レーザ加工装置１によれば、レーザ光９の焦点１１の位置を、ワークＷの板厚方向で、ワークＷの中心ＣＬとワークＷの下面ＷＵとの間に位置させるので、ワークＷの上面（表面）におけるエネルギー密度が小さくなり、ワークＷの上面での酸化作用が発生が抑制され、ワークＷでのセルフバーニングの発生が抑制される。

図４を参照しつつより詳しく説明する。図４（ａ）では、従来の態様を示しており、図４（ｂ）では、レーザ加工装置１での態様を示している。

図４（ａ）で示す態様では、小径ノズル２１を用いていてもワークＷと小径ノズル２１との間隔が大きいことで、アシストガス３７が作用する領域が広くなり、酸化反応が広範囲でおきてしまい、セルフバーニングが発生しやすくなってしまう。これに対して、図４（ｂ）で示す態様では、小径ノズル２１を用いるとともに、ワークＷと小径ノズル２１との間隔が小さくなっていることで、アシストガス３７が作用する範囲が狭くなり、酸化反応が作用する範囲が小さくなり、酸化反応が広がることが抑制され、ワークＷへの過剰な入熱によって発生するセルフバーニングを防ぐことができる。

ここで、実際にワークＷを切断加工した結果を示す。

図７（ａ）では、厚さ１２ｍｍの板状のワークＷ（軟鋼；ＳＳ４００）を切断加工した場合における焦点位置（ワークＷの上面と焦点１１との間の距離）と、集光径（ワークＷの上面でのレーザ光９の直径）と、加工の可否（○；可、×；不可）とを示している。なお、焦点位置は、ワークＷの上面から上方へ向かう場合を「＋」とし、ワークＷの上面から下方へ向かう方向を「−」としている。

焦点位置が−５ｍｍであるとき（焦点位置がワークＷの上面から５ｍｍだけ下に下がったところに位置しているとき）には、集光径は、０．４６３ｍｍであり、加工の状況は不可である。

焦点位置が−６ｍｍであるとき（焦点位置が厚さ１２ｍｍのワークＷの上面から６ｍｍだけ下に下がったところに位置しているとき；焦点位置がワークＷの厚さ方向中央に位置しているとき）には、集光径は、０．５４０ｍｍであり、加工の状況は可である。

同様にして、焦点１１の位置が−７ｍｍ、−８ｍｍ、−９ｍｍ、−１０ｍｍ、−１１ｍｍであるときにも、集光径は、それぞれ、０．６１３ｍｍ、０．６７７ｍｍ、０．７５１ｍｍ、０．８１７ｍｍ、０．９１６ｍｍであり、加工の状況は可である。

なお、焦点位置が−１２ｍｍであるとき（焦点位置がワークＷの下面ＷＵのところに位置しているとき）には、集光径は、０．９８７ｍｍであり、加工の状況は不可である。

図７（ｂ）では、加工が可である場合における、ワークＷの側面（切断加工された面）３９の態様を示している。図７（ｂ）では、ワークＷの側面３９を示す６つの写真が掲載されているが、上から順に、焦点位置を−６ｍｍ、−７ｍｍ、−８ｍｍ、−９ｍｍ、−１０ｍｍ、−１１ｍｍとして切断加工した場合を示している。

さらに説明すると、焦点１１の位置が−６ｍｍの付近もしくはその下方にあるときに、１２ｍｍの厚さのワークＷを切断加工するのに適正な集光径を得ている。焦点１１の位置が−６ｍｍよりも高い位置にあると、加工精度が悪くなる。焦点１１の位置が−１２ｍｍ付近では、エネルギー密度の低下と、切断集光径限界から切断加工の加工精度が悪くなり、実用に耐えない。

図８（ａ）では、厚さ１２ｍｍの板状のワークＷ（軟鋼；ＳＳ４００）に切断加工をする場合の形状を示しており、ワークＷをこの厚さ方向から見た状態を示している。図８（ａ）に示す切断加工では、ワークＷから直角三角形状の製品もしくは半製品を切り出している。

図８（ｂ）では、ディフォーカスエリア（焦点１１をワークＷのワーク中心よりも上方に位置させた状態）でワークＷに図８（ａ）で示す態様の切断加工をした場合と、インフォーカスエリア（焦点１１をワークＷの中心ＣＬを含みワークＷの中心ＣＬよりも下方であって、ワークＷの下面ＷＵよりも上方に位置させた状態）でワークＷに図８（ａ）で示す態様の切断加工をした場合とにおけるセルフバーニング発生の有無を示している。

図８（ｂ）から理解されるように、ディフォーカスエリアで切断加工した場合には、１０個の半製品もしくは製品総てについてセルフバーニングが発生しているが、インフォーカスエリアで切断加工した場合には、１０個の半製品もしくは製品総てについてセルフバーニングが発生していない。

図８（ｂ）の結果について写真を用いてさらに説明する。図９（ａ）では、１枚のワークＷから１０個の製品もしくは半製品をディフォーカスエリアでの切断加工で切り出している。図９（ａ）で示す１０個の製品もしくは半製品の総てにおいてセルフバーニングが発生している。

図９（ａ）にコブのように写っている箇所がセルフバーニングの発生した箇所である。図９（ｂ）は、図９（ａ）で示した１０個の製品もしくは半製品のうちの１個を拡大したものであり、図９（ｃ）は図９（ｂ）で示した製品もしくは半製品における溶け落ちを示している。図９（ｃ）では三角形の斜辺の一部が凹状にへこんでいるが、この箇所がセルフバーニングの発生した箇所である。

図１０（ａ）でも、１枚のワークＷから１０個の製品もしくは半製品をインフォーカスエリアでの切断加工で切り出している。図１０（ａ）で示す１０個の製品もしくは半製品の総てにおいてセルフバーニングが発生していない。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）で示した１０個の製品もしくは半製品のうちの１個を拡大したものである。

次に、切断加工をするときにおけるレーザ加工ヘッド３のレーザ出力と、送り速度（ワーク設置部５に設置されたワークＷに対するレーザ加工ヘッド３の水平方向での移動速度）との関係を示す。図１１で示す四角形内の領域４５が、ワークＷに切断加工を行う場合の適正な領域である。

なお、レーザ加工（ピアス加工や切断加工）の対象となるワークＷは、厚さ１２ｍｍのＳＳ４００であり、レーザ加工時には、アシストガス（Ｏ_２）３７を０．０７ＭＰａでワークＷに吹き付けている。

レーザの出力が４ＫＷである場合、最大の送り速度は１７００ｍｍ／ｍｉｎであり、最小の送り速度は１４００ｍｍ／ｍｉｎである。レーザの出力を変更しないで送り速度のみを変更（変更調節）した場合、送り速度が速すぎると切断が十分になされない。また、レーザの出力を変更しないで送り速度のみを変更（変更調節）した場合、送り速度が遅すぎると過燃焼になり加工面が荒れるので、送り速度の最小値は、送り速度の最大値の８０％程度になる。

なお、レーザの出力が２ＫＷである場合、最大の送り速度は８５０ｍｍ／ｍｉｎ程度であり、最小の送り速度は７００ｍｍ／ｍｉｎ程度である。

図１２は、ワークＷ（厚さ１２ｍｍのＳＳ４００）に、アシストガス（Ｏ_２）３７を０．０７ＭＰａで吹き付け、レーザの出力を４ＫＷとし、送り速度を１４００ｍｍ／ｍｉｎ（Ｆ１４００）もしくは１７００ｍｍ／ｍｉｎ（Ｆ１７００）として加工した場合の加工面の状態を示している。

図１２に示す「Ｆｐ−６」、「Ｆｐ−７」等は、ワークＷに切断加工をする場合における焦点１１の位置を示しており、「Ｆｐ−６」は、上下方向（ワークＷの厚さ方向）におけるワークＷの上面と焦点１１との距離が６ｍｍであることを示している。図１２に示す状態では、いずれも良好な切断加工がなされている。

なお、上記実施形態に係る発明を次に示す方法の発明として把握してもよい。

すなわち、波長が１μｍ帯であるレーザ光９を用いて、板状のワークＷに切断加工を行うレーザ加工方法であって、切断加工をするときにおけるレーザ光９の焦点１１の位置を、ワークＷの板厚方向で、ワークＷの中心ＣＬと、レーザ光９の光軸の延伸方向であってレーザ光９進行方向後側のワークＷの端面ＷＵとの間に位置させるレーザ加工方法として把握してもよい。

また、レーザ加工方法では、ワークＷは、厚板であり、鉄もしくは鋼もしくは鉄合金もしくは酸化反応によって発熱する材料で構成されており、ワークＷでの切断加工は、酸素を含み小径ノズル２１からワークＷに向かって吹き付けられるアシストガス３７を用いてなされるようになっており、ワークＷに切断加工をするときワークＷでのセルフバーニングの発生を抑えるために、小径ノズル２１の内径は、０．６ｍｍ以上であってワークＷの板厚の１５％以下の値になっている。

または、レーザ加工方法では、ワークＷでの切断加工は、酸素を含み小径ノズル２１からワークＷに向かって吹き付けられるアシストガス３７を用いてなされるようになっており、ワークＷに切断加工をするときワークＷでのセルフバーニングの発生を抑えるために、ワークＷに切断加工をするときに、アシストガス３７を切断加工で形成される孔や溝の内部に吹き付けるようにしている。

また、レーザ加工方法では、切断加工を行う前にレーザ光９を用いてワークＷにピアス加工を行う場合、ピアス加工をするときのレーザ光９の焦点１１の位置を、ワークＷの板厚方向で、ワークＷの中心ＣＬと、レーザ光９の光軸方向であってレーザ光９の進行方向前側におけるワークＷの端面（上面）との間、もしくは、レーザ光９の光軸方向であってレーザ光９の進行方向前側におけるワークＷの端面（上面）と、この上面の近傍であってこの上面から僅かに上方に離れた箇所との間に位置させている。

１ レーザ加工装置
３ レーザ加工ヘッド
５ ワーク設置部
７ 制御部
９ レーザ光
１１ 焦点
２１ 小径ノズル
３７ アシストガス
ＣＬ ワークの中心
Ｗ ワーク
ＷＵ ワークの端面（ワークの下面）

Claims (8)

1. 一つの発振器と、プロセスファイバとが設けられており、前記発振器が発振したレーザ光が前記プロセスファイバを通って、前記プロセスファイバの端部に設けられている出射端から、レーザ加工ヘッドに向かって出射されるようになっており、
   波長が１μｍ帯であるレーザ光を用いて、板状のワークの切断加工を行うレーザ加工方法において、
   前記切断加工をするときにおけるレーザ光の１つの焦点の位置を、前記ワークの上面におけるエネルギー密度を小さくして前記ワーク上面での酸化作用の発生を抑制するために、前記ワークの板厚方向で、前記ワークの中心と前記レーザ光の光軸方向であって前記レーザ光の進行方向後側における前記ワークの端面との間に位置させることを特徴と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において、
   前記ワークは、厚板であり、鉄もしくは鋼もしくは鉄合金もしくは酸化反応によって発熱する材料で構成されており、
   前記ワークでの切断加工は、酸素を含み小径ノズルから前記ワークに向かって吹き付けられるアシストガスを用いてなされるようになっており、
   前記小径ノズルの内径は、０．６ｍｍ以上であって前記ワークの板厚の１５％以下の値になっていることを特徴とするレーザ加工方法。
3. 請求項１に記載のレーザ加工方法において、
   前記ワークは、厚板であり、鉄もしくは鋼もしくは鉄合金もしくは酸化反応によって発熱する材料で構成されており、
   前記ワークでの切断加工は、酸素を含み小径ノズルから前記ワークに向かって吹き付けられるアシストガスを用いてなされるようになっており、
   前記ワークに切断加工をするときに、前記アシストガスを前記切断加工で形成される孔や溝の内部に吹き付けることを特徴とするレーザ加工方法。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のレーザ加工方法において、
   前記切断加工を行う前に前記ワークにピアス加工を行う場合、
   前記ピアス加工をするときのレーザ光の焦点の位置を、前記ワークの板厚方向で、前記ワークの中心と、前記レーザ光の光軸方向であって前記レーザ光の進行方向前側における前記ワークの端面との間、もしくは、前記レーザ光の光軸方向であって前記レーザ光の進行方向前側における前記ワークの端面と、この前側の端面の近傍であって前側の端面から僅かに離れた箇所との間に位置させることを特徴とするレーザ加工方法。
5. 一つの発振器と、プロセスファイバとが設けられており、前記発振器が発振したレーザ光が前記プロセスファイバを通って、前記プロセスファイバの端部に設けられている出射端から、レーザ加工ヘッドに向かって出射されるようになっており、
   波長が１μｍ帯であるレーザ光を板状のワークに向けて出射するとともに、レーザ光の焦点の位置を変更自在であるレーザ加工ヘッドと、
   前記ワークが設置されるワーク設置部と、
   前記ワークに切断加工をする場合、前記レーザ加工ヘッドから出射されるレーザ光の１つの焦点の位置を、前記ワークの上面におけるエネルギー密度を小さくして前記ワーク上面での酸化作用の発生を抑制するために、前記ワークの板厚方向で、前記ワークの中心と、前記レーザ光の光軸方向であって前記レーザ光進行方向後側のワークの端面との間に位置させるように、前記レーザ加工ヘッドを制御する制御部と、
   を有することを特徴とするレーザ加工装置。
6. 請求項５に記載のレーザ加工装置において、
   前記ワークが、厚板であり、鉄もしくは鋼もしくは鉄合金もしくは酸化反応によって発熱する材料で構成されている場合、
   前記ワークでの切断加工は、酸素を含み小径ノズルから前記ワークに向かって吹き付けられるアシストガスを用いてなされるように構成されており、
   前記小径ノズルの内径は、０．６ｍｍ以上であって前記ワークの板厚の１５％以下の値になっていることを特徴とするレーザ加工装置。
7. 請求項５に記載のレーザ加工装置において、
   前記ワークが、厚板であり、鉄もしくは鋼もしくは鉄合金もしくは酸化反応によって発熱する材料で構成されている場合、
   前記ワークでの切断加工は、酸素を含み小径ノズルから前記ワークに向かって吹き付けられるアシストガスを用いてなされるように構成されており、
   前記ワークでの切断加工をするときに、前記アシストガスを前記切断加工で形成される孔や溝の内部に吹き付けるように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
8. 請求項５〜請求項７のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
   前記制御部は、前記切断加工を行う前に前記ワークにピアス加工を行う場合、前記レーザ加工ヘッドから出射されるレーザ光の焦点の位置を、前記ワークの板厚方向で、前記ワークの中心と、前記レーザ光の光軸方向であって前記レーザ光の進行方向前側における前記ワークの端面との間、もしくは、前記レーザ光の光軸方向であって前記レーザ光の進行方向前側における前記ワークの端面と、この前側の端面の近傍であって前側の端面から僅かに離れた箇所との間に位置させるように、前記レーザ加工ヘッドを制御することを特徴とするレーザ加工装置。