JPH11156579A - レーザー切断方法、レーザーピアス方法、レーザー溶接方法、およびレーザー加飾方法並びに前記各方法に使用するレーザー加工ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 出力２ｋＷ程度の中出力のレーザー加工機に
おいて、６ｋＷ程度の高出力レーザー加工機に相当する
厚板切断が可能なレーザー切断方法、厚板ピアスが可能
でスパッターの少ないレーザーピアス方法、突合わせ溶
接する部材間の間隙の寸法誤差の許容範囲が大きくギャ
ップ管理が容易な溶接方法および被加工材の表面に各種
の模様を高速度で加工可能なレーザービーム加飾方法の
提供と、前記各種加工方法に使用するレーザー加工ヘッ
ドの提供。 【解決手段】 レーザー加工装置のレーザー加工ヘッド
１において、レーザービーム集光用光学系１１の下方位
置にレーザービームＬＢを前記集光用光学系の光軸５５
から偏心させる回転駆動自在の偏心用光学系５３を設け
ると共に前記偏心用光学系からのレーザービームを通過
させると同時にアシストガスを同軸に噴射させるアシス
トガスノズル７５とを設けたことを特徴とするレーザー
加工ヘッド。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザー切断方法、
レーザーピアス方法、レーザー溶接方法およびレーザー
加飾方法並びに前記各方法に使用するレーザー加工ヘッ
ドに関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザー出力が２ｋＷクラスのレーザー
加工機による厚板のレーザー切断において実用に耐える
切断精度は、軟鋼板で板厚が約１６ｍｍ〜１９ｍｍ程
度、ステンレス鋼では１５ｍｍ程度が限界であるとされ
ている。

【０００３】突合わせ溶接加工においては、溶接線上に
デフォーカスしたレーザービームを照射し、このレーザ
ービームと相対的に被加工材を移動させる方法や、溶接
線上においてレーザービームを溶接線に交差する方向に
スキャニングすると同時にこのレーザービームと相対的
に被加工材を移動させて溶接加工を行う方法が知られて
いる。

【０００４】なお、上記レーザー切断加工方法において
は、光学系でほぼ一点に集光されたレーザービームと被
加工材とを相対的に移動させると同時に、レーザービー
ムと同軸にアシストガスノズルから切断部に酸素ガスを
噴射させて切断加工を行っている。

【０００５】また、被加工材の表面に各種の模様をレー
ザービームで加工する方法、すなわちレーザー加飾方法
は被加工材を載置したワークテーブルをＮＣ制御によっ
てレーザービームに対して相対的に移動させてレーザー
加飾を実施している。

【０００６】レーザーピアスには連続出力レーザーを使
用する場合とパルス出力レーザーを使用する場合とがあ
る。

【０００７】連続出力レーザーによるピアスでは、ピア
ス時間は短いが、スパッター（溶融金属の酸化生成物）
の飛散が多く、また、ピアス穴の周囲に盛上がりが形成
され、この盛上がりとレーザー加工ヘッドとが干渉した
り、スパッターがレーザー加工ヘッドのノズルに付着し
たりする。これに比較してパルス出力レーザーでは、ス
パッターの飛散は少ないがピアス時間が長いという特徴
がある。

【０００８】また、上述の従来のピアスが使用できる鋼
板の板厚は約１６ｍｍ程度が限度である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の切断加工方法を
使用したレーザー出力が２ｋＷクラスのレーザー加工機
にあっては、光学系でほぼ一点に集光されたレーザービ
ームと同軸にアシストガスノズルから切断部に酸素ガス
を噴射させて切断加工を行っているので、厚板の切断時
においては切断の底部または先端部におけるアシストガ
スの圧力が弱くなり酸素ガスが十分に供給されなくな
り、酸化反応を伴う切断現象が維持できなくなるという
問題がある。

【００１０】なおまた、レーザー出力が２ｋＷクラスの
レーザー加工機において、１６ｍｍ〜１９ｍｍ以上の厚
板を切断するにはレーザー加工機を大型化する必要があ
るが、機械を大型化につれてレーザービームを伝送する
光学系の光路長も長くなり、またベンドミラーなどの光
学系でのレーザー出力の減衰も増加するので現実的には
前述以上の厚板を切断することは困難となり、場合によ
っては１９ｍｍの切断も保証されない。

【００１１】レーザーピアスにおいては、前述の如く、
スパッター（金属の溶融酸化物）の飛散が多く、また、
ピアス穴の周囲に盛上がりが形成され、この盛上がりと
レーザー加工ヘッドとが干渉したり、スパッターがレー
ザー加工ヘッドのノズルに付着したり、ピアス可能な鋼
板の板厚が約１６ｍｍ程度が限度でがあるという問題が
ある。

【００１２】突合わせ溶接加工においては、集光された
レーザービームのスポット径が極めて微小であるので、
溶接する部材間の間隙の寸法誤差の範囲が板厚の１０％
程度以内に収める必要があり、溶接部材間の間隙の寸法
誤差の精度管理が厳しくなるという問題がある。さら
に、この間隙の寸法誤差は溶接速度が早くなるほど精度
を上げなければ溶接が困難になるという問題がある。

【００１３】また、従来のレーザー加飾方法において
は、被加工材を載置したワークテーブルをＮＣ制御によ
って移動させているので、高速度で精度の高い加工が困
難であるという問題がある。

【００１４】本発明は上述の如き問題を解決するために
成されたものであり、本発明の課題は、出力が２ｋＷ程
度の中出力のレーザー加工機において、６ｋＷ程度の高
出力のレーザー加工機に相当する厚板切断が可能なレー
ザー切断方法および突合わせ溶接する部材間の間隙の寸
法誤差の許容範囲が大きく、ギャップ管理が容易な溶接
方法、並びに板厚２５ｍｍ程度までの厚鋼板のピアスが
可能でスパッターの飛散が少なくかつピアス穴の周囲の
盛上がりが少ないピアス方法および被加工材の表面に各
種の模様を高速度で加工可能なレーザービームによる加
飾方法の提供と、前記各種加工方法に使用するレーザー
加工ヘッドを提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する手段
として、請求項１に記載のレーザー切断方法は、レーザ
ー加工ヘッドのレーザービーム集光用光学系により集光
されたレーザービームを前記集光用光学系の光軸から偏
心させる偏心用光学系を設け、該偏心用光学系により偏
心させられて焦点位置に集光した微小なレーザービーム
スポットを前記集光用光学系の軸心を中心に回転させる
と同時に、前記レーザー加工ヘッドのアシストガスノズ
ルからアシストガスを被加工材の切断部に供給し、前記
光軸と該被加工材とを相対的に移動させることにより被
加工材を切断することを要旨とするものである。

【００１６】請求項２に記載のレーザー切断方法は、請
求項１に記載のレーザー切断方法において、前記偏心用
光学系が前記集光用光学系の光軸に傾斜角度αで回転駆
動自在に設けた板厚ｔのオプチカルフラットであること
を要旨とするものである。

【００１７】請求項３に記載のレーザー切断方法は、請
求項２に記載のレーザー切断方法において、前記傾斜角
度αが１０度±５度および板厚ｔが５ｍｍ±２．５ｍｍ
であることを要旨とするものである。

【００１８】請求項４に記載のレーザー切断方法は、請
求項１に記載のレーザー切断方法において、前記集光用
光学系は集光レンズを入射ビーム光軸に対して偏心させ
て設けると共に該入射ビーム光軸を軸心に回転自在に設
け、該集光レンズ自身を偏心用光学系としたことを要旨
とするものである。

【００１９】請求項５に記載のレーザー切断方法は、請
求項１に記載のレーザー切断方法において、前記集光用
光学系は集光レンズを入射ビーム光軸に対して傾斜角α
で設けると共に該入射ビーム光軸を軸心に回転自在に設
け、該集光レンズ自身を偏心用光学系としたことを要旨
とするものである。

【００２０】請求項６に記載のレーザ切断方法は、前記
集光用光学系は、Ｆナンバーが最大１６ｍｍ程度の薄板
切断時の定数より２倍前後にされ、前記アシストガスノ
ズルから供給されるガスは、６０〜３００Ｎｌ／ｍｉｎ
のガス流量の疑似ガウス的なアシストガスにされている
ことを要旨とする。

【００２１】請求項７記載のレーザー切断方法は、前記
アシストガスノズルのガス圧は０．２〜０．６ｂａｒに
されていることを要旨とする。

【００２２】したがって、請求項１〜請求項７に記載の
レーザー切断方法によれば、集光されたレーザーの微小
なビームスポットが、切断ライン上を回転しながら鋼板
の切断フロント（切断過程にある領域）の一部分を少し
ずつ切断（蒸発）または除去していく。この切断フロン
トの深さは微小量であるので、酸素などのアシストガス
が切断フロントの底部まで十分に供給され、酸化反応が
活発となり反応熱を発生すると共に、アシストガスによ
って溶融した金属等の排出が直ちにおこなわれるので、
鋼板は切断幅Ｂ（２×回転半径）で切断が進行すること
になる。また上記切断過程において、前記ビームスポッ
トが１回転したときに除去される鋼板Ｗの切断フロント
部分の体積は、送り量ΔＬを少なくすれば、三日月状部
分の面積（Ｓ）×微小深さ（ΔＨ）だけとなるので、こ
の切断フロント部分の体積は微小なものとなり、レーザ
ービームの度重なる回転によって、材料は結果的に前も
って予熱されている状態が形成されるので、昇温が助長
され２ｋＷ前後の中出力のレーザー加工機においても２
５ｍｍ程度の厚板鋼板が切断が可能となる。

【００２３】請求項８に記載のレーザー溶接方法は、レ
ーザー加工ヘッドのレーザービーム集光用光学系により
集光されたレーザービームを前記集光用光学系の光軸か
ら偏心させる偏心用光学系を設け、該偏心用光学系によ
り偏心させられて焦点位置に集光した微小なレーザービ
ームスポットを前記集光用光学系の軸心を中心に回転さ
せると同時に、被加工材の溶接ラインにそって前記レー
ザー加工ヘッドの光軸を相対的に移動させることにより
被溶接材を溶接することを要旨とするものである。

【００２４】請求項９に記載のレーザー溶接方法は、請
求項８に記載のレーザー溶接方法において、前記偏心用
光学系が前記集光用光学系の光軸に傾斜角度αで回転駆
動自在に設けた板厚ｔのオプチカルフラットであること
を要旨とするものである。

【００２５】請求項１０に記載のレーザー溶接方法は、
請求項９に記載のレーザー溶接方法において、前記傾斜
角度αが２０度±１５度および前記板厚ｔが５ｍｍ±
２．５ｍｍあることを要旨とするものである。

【００２６】したがって、請求項８〜請求項１０に記載
のレーザー溶接方法によれば、微小なレーザービームス
ポットを光軸を中心にして回転させるので、溶接ギャッ
プが多少変動しても溶接欠陥を生じることなく良好な溶
接を行うことができる。

【００２７】請求項１１に記載のレーザー加飾方法は、
レーザー加工ヘッドのレーザービーム集光用光学系によ
り集光されたレーザービームを前記集光用光学系の光軸
から偏心させる偏心用光学系を設け、該偏心用光学系に
より偏心させられて焦点位置に集光した微小なレーザー
ビームスポットを前記集光用光学系の軸心を中心に回転
させると同時に、被加工材を前記レーザー加工ヘッドの
光軸に対して相対的に移動させることにより被加工材の
表面に模様を描くことを要旨とするものである。

【００２８】請求項１２に記載のレーザー加飾方法は、
請求項１１に記載のレーザー加飾方法において、前記偏
心用光学系が前記集光用光学系の光軸を軸心に回転駆動
自在に設けた少なくとも１個以上のプリズム（光学ウエ
ッジ）からなることを要旨とするものである。

【００２９】請求項１３に記載のレーザー加飾方法は、
請求項１２に記載のレーザー加飾方法において、前記プ
リズム（光学ウエッジ）が一定距離をおいて設けた２個
のプリズム（光学ウエッジ）からなり、該プリズム（光
学ウエッジ）のそれぞれを独立して正逆方向に回転駆動
自在に設けたことを要旨とするものである。

【００３０】したがって、請求項１１〜請求項１３に記
載のレーザー加飾方法によれば、偏心用光学系によって
集光されたレーザービームを回転させると共に被加工材
をレーザー加工ヘッドの光軸に対して移動させることに
より各種の模様を被加工材の表面に描くことができる。

【００３１】請求項１４に記載のレーザーピアス方法
は、レーザー加工ヘッドのレーザービーム集光用光学系
により集光されたレーザービームを前記集光用光学系の
光軸から偏心させる偏心用光学系を設け、該偏心用光学
系により偏心させられて焦点位置に集光した微小なレー
ザービームスポットを前記集光用光学系の軸心を中心に
回転させると同時に、前記レーザー加工ヘッドのアシス
トガスノズルからアシストガスを被加工材の切断部に供
給し、該被加工材に貫通穴加工を行うことを要旨とする
ものである。

【００３２】したがって、請求項１４に記載のレーザー
ピアス方法によれば、集光したレーザーの微小なビーム
スポットが、回転しながら鋼板の切断フロント（切断過
程にある領域）の一部分を少しずつ切断（蒸発）または
除去していく。この切断フロントの深さは微小なので、
酸素などのアシストガスが切断フロントの底部まで十分
に供給され、酸化反応が活発となり反応熱を発生する。
また、アシストガスによって溶融した金属等の排出が直
ちにおこなわれるので、２ｋＷ前後の中出力のレーザー
加工機においても２５ｍｍ程度の厚板鋼板のレーザーピ
アスが可能となる。

【００３３】請求項１５に記載のレーザーピアス方法
は、請求項１４に記載のレーザーピアス方法において、
前記レーザービーム集光用光学系に入射するレーザービ
ームにパルスレーザーを使用し、該パルスレーザーの周
波数およびパルスデューティーをピアス加工開始時は低
く設定し、ピアス加工の進行と共に前記周波数とパルス
デューティーとをレーザー出力が指令値になるまで階段
的に増加させてピアス加工を完了させることを要旨とす
るものである。

【００３４】請求項１６に記載のレーザーピアス方法
は、請求項１４、請求項１５に記載のレーザーピアス方
法において、前記偏心用光学系が前記集光用光学系の光
軸に傾斜角度αで回転駆動自在に設けた板厚ｔのオプチ
カルフラットであることを要旨とするものである。

【００３５】請求項１７に記載のレーザーピアス方法
は、請求項１４、請求項１５に記載のレーザーピアス方
法において、前記集光レンズを入射ビーム光軸に対して
偏心させて設けると共に該入射ビーム光軸を軸心に回転
自在に設け、該集光レンズ自身を偏心用光学系としたこ
とを要旨とするものである。

【００３６】請求項１８に記載のレーザーピアス方法
は、請求項１４、請求項１５に記載のレーザーピアス方
法において、前記集光レンズを入射ビーム光軸に対して
傾斜角αで設けると共に該入射ビーム光軸を軸心に回転
自在に設け、該集光レンズ自身を偏心用光学系としたこ
とを要旨とするものである。

【００３７】請求項１９に記載のレーザピアス方法は、
前記集光用光学系は、Ｆナンバーが最大１６ｍｍ程度の
薄板切断時の定数より２倍前後にされ、前記アシストガ
スノズルから供給されるガスは、６０〜３００Ｎｌ／ｍ
ｉｎのガス流量の疑似ガウス的なアシストガスにされて
いることを要旨とする。

【００３８】請求項２０に記載のレーザーピアス方法
は、前記アシストガスノズルのガス圧は０．２〜０．６
ｂａｒにされていることを要旨とする。

【００３９】したがって、請求項１４〜請求項２０に記
載のレーザーピアス方法によれば、２ｋＷ前後の中出力
のレーザー加工機においても２５ｍｍ程度の厚板鋼板の
レーザーピアスが可能となることに加え、パルスレーザ
ーを使用して、このパルスレーザーの周波数およびパル
スデューティーをピアス加工開始時は低く設定し、ピア
ス加工の進行と共に前記周波数とパルスデューティーと
をレーザー出力が指令値になるまで階段的に増加させて
ピアス加工を完了させる様にしたので、スパッター（溶
融金属の酸化生成物）の飛散が少なく、ピアス穴の周囲
に盛上がりが形成されない。

【００４０】請求項２１に記載のレーザー加工ヘッド
は、レーザー加工装置のレーザー加工ヘッドにおいて、
レーザービーム集光用光学系の下方位置にレーザービー
ムを前記集光用光学系の光軸から偏心させる回転駆動自
在の偏心用光学系を設けると共に前記偏心用光学系から
のレーザービームを通過させると同時にアシストガスを
同軸に噴射させるアシストガスノズルとを設けたことを
要旨とするものである。

【００４１】請求項２２に記載のレーザー加工ヘッド
は、請求項２１に記載のレーザー加工ヘッドにおいて、
前記偏心用光学系が前記集光用光学系の光軸に傾斜角度
αで回転駆動自在に設けた板厚ｔのオプチカルフラット
であることを要旨とするものである。

【００４２】請求項２３に記載のレーザー加工ヘッド
は、請求項２２に記載のレーザー加工ヘッドにおいて、
前記傾斜角度αが１０度±５度および板厚ｔが５ｍｍ±
２．５ｍｍであることを要旨とするものである。

【００４３】請求項２４に記載のレーザー加工ヘッド
は、請求項２１に記載のレーザー加工ヘッドにおいて、
前記集光用光学系は集光レンズを入射ビーム光軸に対し
て偏心させて設けると共に該入射ビーム光軸を軸心に回
転自在に設け、該集光レンズ自身を偏心用光学系とした
ことを要旨とするものである。

【００４４】請求項２５に記載のレーザー加工ヘッド
は、請求項２１に記載のレーザー加工ヘッドにおいて、
前記集光用光学系は集光レンズを入射ビーム光軸に対し
て傾斜角αで設けると共に該入射ビーム光軸を軸心に回
転自在に設け、該集光レンズ自身を偏心用光学系とした
ことを要旨とするものである。

【００４５】したがって、請求項２１〜請求項２５に記
載のレーザー加工ヘッドによれば、集光されたレーザー
の微小なビームスポットが、切断ライン上を回転しなが
ら被加工材の切断フロント（切断過程にある領域）の一
部分を少しずつ切断（蒸発）または除去する。しかし、
レーザービームが１回転して除去する切断フロントの深
さは微小であるので、酸素などのアシストガスが切断フ
ロントの底部まで十分に供給され酸化反応熱を多量に発
生すると共に、アシストガスによって溶融した金属等の
排出が直ちに行われる。また被加工材は「２×回転半
径」の切断幅で切断され、レーザービームが１回転した
ときに除去される被加工材の切断フロント部分の体積
は、送り量を少なくすれば除去される切断フロント部分
の体積は微小なものとなり、２ｋＷ前後の中出力のレー
ザー加工機において２５ｍｍ程度の厚板鋼板が切断が可
能となる。

【００４６】請求項２６に記載のレーザー加工ヘッド
は、請求項２１または請求項２２に記載のレーザー加工
ヘッドにおいて、前記傾斜角度αが２０度±１５度およ
び前記板厚ｔが５ｍｍ±２．５ｍｍあることを要旨とす
るものである。

【００４７】したがって、請求項２６に記載のレーザー
加工ヘッドによれば、微小なレーザービームスポットを
光軸を中心にして回転させるので、溶接ギャップが多少
変動しても溶接欠陥を生じることなく良好な溶接を行う
ことができる。

【００４８】請求項２７に記載のレーザー加工ヘッド
は、請求項２１に記載のレーザー加工ヘッドにおいて、
前記偏心用光学系が前記集光用光学系の光軸を軸心に回
転駆動自在に設けた少なくとも１個以上のプリズム（光
学ウエッジ）からなることを要旨とするものである。

【００４９】請求項２８に記載のレーザー加工ヘッド
は、請求項２７に記載のレーザー加工ヘッドにおいて、
前記プリズム（光学ウエッジ）が一定距離をおいて設け
た２個のプリズム（光学ウエッジ）からなり、該プリズ
ム（光学ウエッジ）のそれぞれを独立して正逆方向に回
転駆動自在に設けたことを要旨とするものである。

【００５０】したがって、請求項２７、請求項２８に記
載のレーザー加工ヘッドによれば、偏心用光学系によっ
て集光されたレーザービームを回転させると共に被加工
材をレーザー加工ヘッドの光軸に対して移動させること
により各種の模様を被加工材の表面に描くことができ
る。

【００５１】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
によって説明する。図１には本発明に係わるレーザー加
工ヘッドの第１の実施形態が示してある。図１を参照す
るに、レーザー加工ヘッド１は、例えば炭酸ガスガスレ
ーザー発振器（図示省略）からのレーザービームを集光
する集光レンズを備えたレンズユニット３を装着したレ
ンズユニット装着部材５と、このレンズユニット装着部
材５に順次結合した４個の筒体とノズルなどから構成し
てある。

【００５２】前記レンズユニット装着部材５の軸心に
は、レンズユニット３を取付けるためのねじ穴７が設け
てあり、このねじ穴７にレンズユニット３に設けた雄ね
じ部９を螺合してある。なお、レンズユニット３にはレ
ーザービームＬＢを集光する適宜な集光レンズ１１が設
けてある。

【００５３】前記レンズユニット装着部材５の内部に
は、このレンズユニット装着部材５を冷却するための適
宜な温度の冷却液を流通させる冷却液流路１３が設けて
あり、この冷却液流路１３には冷却液供給口１５から、
例えば水などの冷却液が供給され、冷却液供給口１５か
ら供給された冷却液は冷却液排出口（図示省略）から排
出されるようになっている。

【００５４】上記構成により、前記レンズユニット３は
レンズユニット装着部材５を介して適宜な温度に冷却す
ることができる。したがって、前記集光レンズ１１を適
宜な温度に維持することができる。

【００５５】前記レンズユニット装着部材５の下部に
は、第１筒体１７が複数のボルト１９により一体的に結
合してある。また、この第１筒体１７の下部には、第１
筒体１７と外径がほぼ等しい第２筒体２１が一体的に結
合してある。なお、第１筒体１７と第２筒体２１との結
合は、第１筒体１７の下部に設けたフランジ部２３と第
２筒体２１の上部に設けたフランジ部２５とを複数のボ
ルト２７によって結合してある。

【００５６】前記第２筒体２１の下端部には、内径部に
ベアリング取付け部を備えた環状部材２９が複数のボル
ト３１によって取付けてある。また、前記第２筒体２１
の上部の内径部にもベアリング取付け部が設けてあり、
この環状部材２９のベアリング取付け部と、第２筒体２
１のベアリング取付け部とに外輪を固定して取付けた上
下のベアリング３３の内輪に回転筒３５が回転自在に軸
支してある。なお、前記上下に設けたベアリング３３は
ベアリング押さえ３４によって固定してある。

【００５７】この回転筒３５の外径部には従動プーリー
３７がボルトなどにより取付けてある。また、前記第２
筒体２１にはモーターブラケット３９が一体的に側部に
張出して設けてあり、このモーターブラケット３９の上
面にはモーターベース４１が移動固定自在に設けてあ
る。そして、このモーターベース４１上に前記回転筒３
５を回転駆動するためのモーター４３が設置してある。
このモーター４３の出力軸４５には駆動プーリー４７が
取付けてあり、この駆動プーリー４７と前記従動プーリ
ー３７との間に駆動ベルト４９が掛け回してある。

【００５８】なお、前記従動プーリー３７、駆動プーリ
ー４９および駆動ベルト４７には歯付きプーリーおよび
歯付きベルトを使用するのが望ましい。また、前記駆動
ベルト４９は、前記第２筒体２１の側部に設けた窓５１
を介して両プーリー間に掛け回してある。また、前記回
転筒３５の上部には前記レーザービームＬＢを光軸５５
に対して偏心させる偏心用光学系として、厚さｔ（ｍ
ｍ）のオプチカルフラット５３を前記レーザービームＬ
Ｂの光軸５５に角度αで支持する環状のオプチカルフラ
ット支持体５７が取付けてある。なお、オプチカルフラ
ットは一般に円形であるが必ずしも円形である必要はな
い。

【００５９】また、前記環状部材２９の下部には、第３
筒体５９が複数のボルト６１によって一体的に取付けて
ある。この第３筒体５９の内部の上部には、酸素、空気
または窒素ガスなどのアシストガスおよび空気中の塵埃
が、前記第２筒体２１内に侵入するのを防止するための
光学的に透明なウインド６３が取付けてある。そして、
このウインド６３の下方位置の第３筒体５９の側部に
は、前記アシストガスを供給するためのアシストガス供
給口６４が設けてある。なお、前記ウインド６３の材質
は前記レーザービームＬＢをよく透過させる様に反射防
止のコーティングを施した光学材料または光学ガラスな
どを使用するのが望ましい。

【００６０】また、前記第３筒体５９の下端部には第４
筒体６５が設けてある。この第４筒体６５の軸心を前記
レーザービームＬＢの光軸５５に対して偏心した位置に
移動可能にするために第４筒体６５の上端部にフランジ
６７を設け、第３筒体５９の下端部に設けた円形の凹部
６９内に放射方向に移動可能に嵌合すると共に、この第
４筒体６５のフランジ６７を押圧して第４筒体６５の軸
心を適宜な方向に移動させるため、少なくとも３個の押
しねじ７１を第３筒体５９に等角度に設けてある。ま
た、第３筒体５９に第４筒体６５の軸心を固定するフラ
ンジ固定部材７３が設けてある。

【００６１】前記第４筒体６５の下端部の外径に設けた
雄ねじ部にアシストガスノズル７５が螺合してある。ま
た、このアシストガスノズル７５の先端にはアシストガ
ス噴射口７７を備えたノズルチップ７９が着脱自在に螺
合してある。

【００６２】上記構成により、レーザー加工ヘッド１の
集光レンズ１１により集光されたレーザービームＬＢ
は、オプチカルフラット支持体５７に角度αで支持され
たオプチカルフラット５３を通して焦点距離ｆの平面上
に集光されることになる。このとき、焦点距離ｆの位置
に集光されるレーザービームの前記平面上の位置は、後
に説明する屈折の法則により、前記レーザービームＬＢ
の光軸５５から約０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度の微小距離δ
だけ偏心した位置に集光されることになる。したがっ
て、前記モーター４３を駆動させればオプチカルフラッ
ト５３を支持した回転筒３５が回転させられるので、平
面上に集光された前記レーザービームは前記光軸５５を
中心に半径ｒ＝δの円運動をすることになる。

【００６３】また、前記３個の押しねじ７１を適宜に調
節することにより、レーザービームＬＢの光軸５５に対
して、ノズルチップ７７のアシストガス噴出口７７の軸
心を上述の半径ｒ＝δの円運動の中心に容易に合わせる
ことができる。

【００６４】なお、アシストガス噴出口７７の口径はレ
ーザービームの円運動に干渉しないように少なくとも直
径が２＊δ以上に設けてある。

【００６５】図２を参照するに、厚さｔ（ｍｍ）、屈折
率ｎが１より大きい材質からなる前記オプチカルフラッ
ト５３を前記集光レンズ１１からの前記レーザービーム
ＬＢの光軸５５に対して角度αだけ傾斜して設けた場
合、オプチカルフラット５３に入射されるレーザー光が
オプチカルフラット５３の平面に立てた法線８０となす
入射角度Ｉは入射レーザー光の外周部の位置によって相
違する。

【００６６】いま、図２においてレーザービームＬＢの
右端の入射光の入射角をＩ₁ 、屈折角をＲ₁ とし、レー
ザービームＬＢの左端の入射光の入射角をＩ₂ 、屈折角
をＲ₂ ととするとき、スネルの法則により屈折率ｎは、
ｎ＝ＳｉｎＩ₁ ／ＳｉｎＲ₁である。先に、ｎ＞１とし
たので、Ｉ₁ ＞Ｒ₁ 、同様に、ｎ＝ＳｉｎＩ₂ ／Ｓｉｎ
Ｒ₂ 、よって、Ｉ₂ ＞Ｒ₂ 、であり、また、オプチカル
フラット５３の上下の面は平行であるので、オプチカル
フラット５３から出射される光線は入射光に平行とな
る。したがって、前記オプチカルフラット５３から出射
したレーザービームＬＢの焦点位置ｆは、前記レーザー
ビームＬＢの光軸５５に対してδだけ偏心した位置とな
る。

【００６７】次に図３および図４を参照しながら、前記
レーザー加工ヘッド１を使用した鋼板のレーザー切断方
法を例にして説明する。板厚がｔ（ｍｍ）の被加工材で
ある鋼板Ｗを切断ライン８１に沿って切断する場合、前
記レーザービームＬＢの光軸５５に対してレーザーの焦
点位置がｒ＝δだけ偏心しているレーザー加工ヘッド１
の場合、前記モーター４３により前記オプチカルフラッ
ト５３を数百〜数千回転の高速度で回転させると共に、
数気圧〜１０数気圧のアシストガスを鋼板Ｗの切断部に
噴射し、このレーザー加工ヘッド１に対して前記鋼板Ｗ
を相対的に移動させる。

【００６８】上記の切断方法の切断過程においては、集
光されたレーザーの微小なビームスポット８３が、半径
ｒ（＝δ）で切断ライン８１上を回転しながら鋼板Ｗの
切断フロント（切断過程にある領域）８５の一部分を少
しずつ高速度で切断（蒸発）または除去していく。ま
た、この切断フロント（切断過程にある領域）８５の深
さΔＨは微小量であるので、酸素などのアシストガスが
切断フロント８５の底部まで十分に供給され酸化反応が
活発となり反応熱を発生すると共に、アシストガスによ
って溶融した金属等の排出が直ちにおこなわれるので、
鋼板Ｗは切断幅Ｂ（＝２ｒ＝２δ）で切断が進行するこ
とになる。

【００６９】また上記切断過程において、レーザービー
ムが１回転したときに除去される鋼板Ｗの切断フロント
部分８５の体積は、三日月状部分８６の面積（Ｓ）×深
さΔＨだけとなるので、送り量ΔＬを少なくすれば、こ
の切断フロント部分８５の体積は微小なものとなり、２
ｋＷ前後の中出力のレーザー加工機においても２５ｍｍ
程度の厚板鋼板が切断が可能となる。

【００７０】上記方法を用いた実験によれば、レーザー
出力１．６ｋＷ、相対的送り速度２００ｍｍ／ｍｉｎ〜
４００ｍｍ／ｍｉｎの範囲において、鋼板の板厚が最大
で約２５ｍｍまでにおいて、切断幅２ｍｍ以下の良好な
切断が可能であった。なお、焦点位置は切断材料内部に
設定した。

【００７１】なお、前記偏心量δは前記オプチカルフラ
ット５３の厚さｔ（ｍｍ）と、光軸５５に対する角度α
を変えることにより希望する適宜な偏心量δを得ること
が可能であり、実験の結果、鋼板の板厚が１６ｍｍ〜２
５ｍｍ程度の厚板の切断においては、α＝１０度±５
度、ｔ＝５±２．５ｍｍとするのが望ましい。

【００７２】次に前記レーザー加工ヘッド１を使用した
鋼板Ｗのレーザー溶接方法について図５を参照しながら
説明する。例えば、図５（ａ）〜図５（ｂ）では、公知
のＸ，Ｙ位置決め機構を備えたワークテーブル（図示省
略）上に被溶接部材として、鋼板Ｗ₁ と鋼板Ｗ₂ との溶
接部を適宜な溶接ギャップ設けて対面させて載置固定
し、この鋼板Ｗ₁ と鋼板Ｗ₂ の溶接ギャップの中心線上
に、すなわち溶接ライン８７上に、前記レーザー加工ヘ
ッド１（レーザーの焦点位置がｒ＝δだけ偏心）の前記
光軸５５を、すなわち、レーザー加工ヘッド１の回転中
心を合わせ、鋼板Ｗのほぼ表面に集光されたレーザービ
ームＬＢの微小なビームスポット８３を半径ｒ（δ）で
回転させると共に、この溶接ライン８７にそって、図５
（ａ）の例では溶接ラインに平行に、溶接される鋼板側
を光軸５５に対して移動させる。

【００７３】前記溶接部への入力エネルギーはそれぞれ
の溶接加工に適した適宜なエネルギーが入力され、前記
微小なビームスポット８３の周囲には溶接に効果的な溶
込み領域領域８９が形成される。なお、溶接される鋼板
Ｗ側を固定して、レーザー加工ヘッド１の光軸５５を溶
接される鋼板Ｗの溶接ラインにそって移動させても構わ
ない。なお、ここで述べた原理は切断の場合も同様であ
る。

【００７４】上記図５（ａ）に示した溶接加工過程にお
いては、鋼板Ｗの光軸５５に対する相対的送り速度Ｖ₁
が大きい場合（約１，０００ｍｍ／ｍｉｎ）を示したも
のであり、前記ビームスポット８３の軌跡９１は間隔の
広い螺旋状となる。そのため、前記溶接ライン８７上に
おけるビームスポット８３の位置Ｐ₁ とＰ₂ との間が若
干離隔しており、溶接に効果的な溶込み領域８９も重複
していない。

【００７５】図５（ｂ）は、レーザー加工ヘッド１の光
軸５５の回転速度を前記図１の場合と同一にして、前記
鋼板Ｗの光軸５５に対する相対的送り速度を、前記Ｖ₁
より小さいＶ₂ にした場合（Ｖ₂ ＜Ｖ₁ ）を示したもの
であり、螺旋状のビームスポット８３の軌跡９１の間隔
が、前記図５の場合より狭くなり、前記ビームスポット
８３の位置Ｐ₁ とＰ₂ および溶接に効果的な溶込み領域
領域８９が一部重複している。

【００７６】図５（ｃ）の例は、レーザー加工ヘッド１
の光軸５５の回転速度を前記図１の場合と同一にして、
前記鋼材Ｗの光軸５５に対する相対的送り速度を、前記
Ｖ₂よりさらに小さいＶ₃ （約３００ｍｍ／ｍｉｎ）に
した場合（Ｖ₃ ＜Ｖ₂ ）を示したものであり、螺旋状の
ビームスポット８３の軌跡９１の間隔がさらに狭くな
り、前記ビームスポット８３の位置Ｐ₁ とＰ₂ および溶
接に効果的な溶込み領域領域８９が完全に重複するよう
になる。

【００７７】したがって、大きい溶接強度が要求される
場合には、図５（ｃ）の如く、ビームスポット８３の位
置Ｐ₁ とＰ₂ および溶接に効果的な溶込み領域領域８９
が完全に重複する溶接方法が適切となる。また、さほど
大きい溶接強度が要求されない場合には、図５（ｂ）の
如く、ビームスポット８３の位置Ｐ₁ とＰ₂ および溶接
に効果的な溶込み領域領域８９が一部重複する溶接方法
を使用することができる。また、早い溶接速度で適宜な
強度が要求される場合には、図５（ａ）の如き溶接方法
を採用することも可能である。前記図５（ａ）〜（ｃ）
に示す様にレーザービームＬＢの微小なビームスポット
８３を半径ｒ（δ）で回転させるので、溶接ギャップが
多少変動しても溶接欠陥を生じることなく良好な溶接を
行うことができる。

【００７８】上述の溶接加工における適宜な加工条件
は、溶接する鋼材の板厚や材質および要求される溶接強
度などにより適宜に選択されるものであるが、上記方法
を用いた実験によれば、レーザー出力１．６ｋＷ、相対
的送り速度５００ｍｍ／ｍｉｎ〜１，０００ｍｍ／ｍｉ
ｎにおいて、鋼板の板厚が最大で約３ｍｍおよび溶接ギ
ャップ４ｍｍ〜５ｍｍの範囲において良好な溶接が可能
であった。なお、前記オプチカルフラット５３の厚さｔ
と光軸５５に対する傾斜角度αは，溶接加工や表面硬化
などの表面処理を中心とする表面改質に使用する場合に
は、α＝２０度±１５度、ｔ＝５±２．５ｍｍとするの
が望ましい。

【００７９】図６は前記図１に示したレーザー加工ヘッ
ド１の第２の実施形態であり、レーザー加工ヘッドの光
学系のみを示してある。この、レーザー加工ヘッド９３
には前記集光レンズ１１の下方に前記オプチカルフラッ
ト５３に代えて、レーザービームを光軸５５に対して偏
心させる偏心用光学系として一組のプリズム（光学ウエ
ッジ）９５、９７が一定の間隔Ｄをあけて配置してあ
る。そして、このプリズム（光学ウエッジ）９５、９７
はそれぞれ駆動モーターＭ₁ とＭ₂ とによりそれぞれ独
立に前記光軸５５を軸心に回転自在に設けてある。なお
プリズム（光学ウエッジ）９５、９７は同一形状である
ので同一の部分には同一の符号を付してある。なお、前
記プリズム（光学ウエッジ）９５、９７の第１屈折面９
９と第２屈折面１０１との夾角すなわちプリズム角はθ
度に形成してある。

【００８０】前記プリズム（光学ウエッジ）９５は、こ
のプリズム（光学ウエッジ）９５の第１屈折面９９を集
光レンズ側１１にすると共に第１屈折面９９が前記光軸
５５に直角になるように配置してある。また、一定の間
隔Ｄをあけて設けたプリズム（光学ウエッジ）９７は、
第２屈折面１０１がプリズム（光学ウエッジ）９５の第
２屈折面１０１に対面するように配置してある。

【００８１】上記構成において、前記プリズム（光学ウ
エッジ）９５とプリズム（光学ウエッジ）９７とが図６
に示す如き位置関係にある場合、すなわち、プリズム
（光学ウエッジ）９５の第２屈折面１０１とプリズム
（光学ウエッジ）９７の第２屈折面１０１とが平行に位
置するとき、前記集光レンズ１１から、この一組のプリ
ズム（光学ウエッジ）９５、９７に入射されたレーザー
ビームＬＢはプリズム（光学ウエッジ）９５、９７によ
って図示の如く屈折し、集光レンズ１１の焦点距離ｆの
位置において、前記光軸５５からδ’だけ右方（図６に
おいて）に偏倚した位置に焦点を偏心移動させることが
できる。

【００８２】したがって、前記一組のプリズム（光学ウ
エッジ）９５、９７を図６に示す如き位置関係を保持し
た状態で前記駆動モーターＭ₁ とＭ₂ とにより同方向に
同期回転させれば、集光されたレーザーの微小な前記ビ
ームスポット８３が回転半径ｒ＝δ’で前記光軸５５を
軸心ににして回転させることができる。また、前記プリ
ズム（光学ウエッジ）９５、９７におけるプリズム角θ
の異なるプリズム（光学ウエッジ）を使用すれば回転半
径ｒ＝δ’を変更することも可能である。さらに、プリ
ズム（光学ウエッジ）９５とプリズム（光学ウエッジ）
９７との回転速度に差をつけたり、プリズム（光学ウエ
ッジ）９５とプリズム（光学ウエッジ）９７との回転方
向を逆にすることにより、ビームスポット８３の回転軌
跡を色々に変化させることができる。

【００８３】なお、前記プリズム（光学ウエッジ）９５
または９７が１個だけでもレーザービームを光軸５５に
対して偏心させることは可能である。

【００８４】上記構成のレーザー加工ヘッド９３使用し
て各種材料の表面にレーザービームで模様を描写する方
法、以後レーザー加飾方法という、について説明する。
記集光レンズ１１により集光されたレーザービームを前
述の如くレーザー加工ヘッド９３の軸心５５に対して回
転半径ｒ＝δ’で種々の回転速度で回転させると同時に
被加工材をレーザー加工ヘッド９３の軸心５５に対して
種々な速度で相対的に移動させれば、図７の（ａ）〜
（ｈ）に示す様な各種の模様を被加工材の表面に描くこ
とが可能である。

【００８５】例えば、図７の（ａ）または（ｅ）の如き
波の如き模様とか（ｂ）〜（ｅ）の如き３角波状の模
様、（ｇ）または（ｈ）の如きスパイラル（螺旋）、
（ｆ）の如き点線、（ｋ）の如き太い直線などを描くこ
とができる。太い直線を描く場合には、回転半径ｒ＝
δ’を適宜に小さくして、レーザー加工ヘッド９３の回
転速度を大きくすればを描くことが可能である。なお、
レーザー加飾方法におけるレーザーの出力は、その材質
の切断加工時の出力に比較して一般的に低い出力で実施
することが可能である。

【００８６】なお、前記図７に示した各種の模様は、全
て直線的に描いた例を示してあるがレーザー加工ヘッド
または材料側をＸ，Ｙ軸方向に適宜に移動させることに
より任意な曲線にそって各種の模様を被加工材の表面に
加飾することができることは容易に理解されるところで
ある。

【００８７】なお、上述の切断原理において被加工材を
送って切断する場合には、レーザービームの回転に伴い
切断幅の左右の側での相対的切断速度が相違する。この
ことから、特に、切断右岸の切断の方が左岸より良好と
なるが、左岸下面の切断の品質は劣悪となる。この傾向
は軟鋼において顕著であって、ステンレス鋼ではあまり
目立たない。したがて、軟鋼においては、片面を製品に
生かす様な切断方法を必要とする。前述の様な切断特性
に対しては、レーザービームを回転駆動させるモーター
を直流モーターにして必要に応じて切断速度を適宜切替
えることで対応することが考えられる。

【００８８】図８、図９は、前述の図１の偏心用光学系
５３の部分のみ示したもので、偏心用光学系５３の第２
の実施の形態を示すものである。

【００８９】この第２の実施の形態の偏心用光学系は、
前記偏心用光学系５３のオプチカルフラットに代えて集
光レンズを用いたものであり、集光レンズ１１０を前記
回転筒３５の上方位置に設け、レンズ光軸をレーザービ
ームＬＢの光軸５５に対して、角度αだけ傾斜させて設
けると共に前記モーター４３によって回転駆動自在に設
けたものである。

【００９０】上述の集光レンズ１１０を回転筒３５に傾
斜固定する手段には、例えば、前記回転筒３５の上部穴
部に嵌合連結する中空筒状のレンズ支持体１１１を設
け、このレンズ支持体１１１の内径部にレンズ１１をα
度傾斜させて支持する中空筒状の下部スペーサー１１３
を嵌合させて設け、この下部スペーサー１１３に支持さ
れたレンズ上面の周囲を押さえる中空筒状のレンズ押さ
え１１５を同様に嵌合させて設け、このレンズ押さえ１
１５のフランジ部を前記レンズ支持体１１１にねじ１１
２で固定してある。

【００９１】なお、前記下部スペーサー１１３とレンズ
押さえ１１５の傾斜角度を一致させるために、レンズ支
持体１１１にキー溝１１７を設け、このキー溝１１７に
係合する位置決めピン１１９を下部スペーサー１１３と
レンズ押さえ１１５に設けてある。また、集光レンズ１
１０で集光されたレーザービームＬＢは、光軸５５から
約０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度の微小距離δだけ偏心した位
置に集光される様に設けてある。

【００９２】上記構成において前記モーター４３を回転
駆動すれば、集光レンズ１１０を支持した回転筒３５が
回転させられるので、集光された前記レーザービームは
前記光軸５５を中心に半径ｒ＝δの円運動をすることに
なる。

【００９３】図１０、図１１も図８、図９と同様に、前
述の図１の偏心用光学系５３の部分のみ示したもので、
偏心用光学系５３の第３の実施の形態を示すものであ
る。

【００９４】上述の第３の実施の形態の偏心用光学系
は、集光レンズ１２０を前記回転筒３５の上方位置に設
け、集光レンズ光軸の光軸５５に対する偏心量を調節可
能に設けると共に前記モーター４３によって回転駆動自
在に設けたものである。

【００９５】前記回転筒３５に嵌合固定された中空筒状
の光学系支持体１２１の上部には、光学系支持体１２１
の内径より大径の有底の偏心穴１２３が設けてある。こ
の偏心穴１２３の軸心１２５は、光学系支持体１２１の
軸心１２７（光軸５５と同心）から偏心量ｅだけ偏心さ
せて設けてある。

【００９６】前記偏心穴１２３には環状のレンズホルダ
ー１２９が光学系支持体１２１に対して回転固定可能に
嵌合してあり、このレンズホルダー１２９にレンズホル
ダー１２９の回転中心から、すなわち偏心穴の軸心１２
５から、さらに偏心量ｅだけ偏心させてレンズ取付け座
１３１が設けてある。そして、このレンズ取付け座１３
１に前記集光レンズ１２０が押さえリング１３３によっ
て固定してある。

【００９７】前記レンズホルダー１２９の光学系支持体
１２１への回転または固定手段は、図示の如く、光学系
支持体１２１に設けた押さえねじ１３５によることもで
きる。また、レンズホルダー１２９の上面に立設した複
数のピン１３７を利用して、レンズホルダー１２９を回
転させることもできる。

【００９８】上記構成において、集光レンズ１２０の軸
心１２７（光軸５５と同心）に対する偏心量は、押さえ
ねじ１３５を緩めてレンズホルダー１２９を適宜に回転
することにより、偏心量０から偏心量２ｅまでの範囲で
調節することができる。（図１０、図１１は偏心量０の
状態を示してある） 今、偏心量がδであるとき、前記モーター４３を回転駆
動すれば、集光レンズ１２０を支持した回転筒３５が回
転するので、集光されたレーザービームは前記光軸５５
を中心に半径ｒ＝δの円運動をすることになる。

【００９９】次に、前記レーザー加工ヘッド１を使用し
たレーザーピアス方法について図１２を参照しながら説
明する。

【０１００】図１２は本発明に係わるレーザーピアスに
使用するパルスレーザーの出力制御についての説明図で
ある。この出力制御では、ピアス開始時にパルス周波数
とデューティーを低く設定し、ピアス加工の進行と共に
周波数とデューティーをレーザー出力が指令値になるま
で階段的に増加させてピアス加工を実施することを特徴
とするものである。

【０１０１】したがって、前記レーザー加工ヘッドにお
いて集光したレーザーの微小なビームスポットが、回転
しながら鋼板の切断フロント（切断過程にある領域）の
一部分を少しずつ切断（蒸発）または除去していく。こ
の切断フロントの深さは微小なので、酸素などのアシス
トガスが切断フロントの底部まで十分に供給され、酸化
反応が活発となり反応熱を発生する。また、アシストガ
スによって溶融した金属等の排出が直ちにおこなわれる
ので２５ｍｍ程度の厚板鋼板のレーザーピアスが可能と
なる。また、スパッターの飛散が少なくかつピアス穴の
周囲の盛上がりが少ない。

【０１０２】前記レーザー加工ヘッドと上述のパルスレ
ーザーの出力制御を使用したピアス加工の試験結果を図
１３に示してある。なお、このときの主たる加工条件は
次の通りである。

【０１０３】デューティー初期値１０％、デューティー
増分値１％、パルス周波数初期値７０Ｈｚ、パルス周波
数増分値１Ｈｚ、ステップ数２３、ステップタイム０．
１秒、ビーム回転数５００ｒｐｍ、レーザー出力３．６
ｋＷ（ピーク値）、被加工材材質ＳＵＳ３０４。

【０１０４】図１３に示す様に、本発明のレーザーピア
ス方法によれば、板厚が２２ｍｍまで良好なピアスが可
能であるのに対して、従来のピアス方法（レーザービー
ム非回転）では実用的な使用に耐えるのは板厚が１５ｍ
ｍ前後である。

【０１０５】なお上記実施の形態１においては、切断実
験によって板厚が最大で約２５ｍｍまでにおいて、切断
幅２ｍｍ以下の良好な切断が可能と述べている。このと
きの詳細条件を下記に列挙する。

【０１０６】本説明にあたっては、図１４に示す加工ヘ
ッド１４０を用いて説明する。この加工ヘッド１４０の
上部には凹レンズ１４１を保持するためのレンズホルダ
１４２が設けられている。また、ノズル部１４３と凹レ
ンズ１４１の間には、組レンズで形成された焦点レンズ
部１４４が設けられている。前述のノズル部１４３の上
部にはウィンドウ１４５が設けられている。

【０１０７】また、焦点レンズ部１４４は、焦点レンズ
駆動機構部（図示せず）によって、光軸５５に沿って上
下動するように構成されている。また、ノズル部１４３
のウィンドウ１４５の上方には、オプチカルフラット５
３がノズル部１４３に連動可能に設けられている。さら
に、ノズル部１４３は、ノズル駆動機構部（図示せず）
によって、光軸５５に沿って上下動するように構成され
ている。

【０１０８】このような加工ヘッド１４０を用いた場合
は、図１５に示すように焦点距離を変化させることが可
能である。

【０１０９】図１５においては、焦点レンズ部１４４及
びノズル部１４３を上下動させることによって、焦点距
離ｆが７.５インチまで変化させることが可能であるこ
とを示している。

【０１１０】この焦点レンズ部１４４又はノズル部１４
３を上下動させたときの切断実験は、以下の加工条件に
おいて、板厚が約２５ｍｍまでの鋼板において良好切断
が可能であった。

【０１１１】すなわち、レーザー出力１．６ｋＷ又は２
ｋＷ、相対的送り速度２００ｍｍ／ｍｉｎ〜４００ｍｍ
／ｍｉｎの範囲において、ビームモードはガウスモード
（シングルモード）またはニアガウスモードであり、モ
ード係数Ｍ² （エムスクエア）が、ＴＥＭ⁰⁰のガウス分
布では１．００、ＴＥＭ₀₁ ^* （ゼロイチスター）では
１．７５以内であること。ミックスモードであっても、
少なくとも疑似ガウスが形成されていることが必要であ
る。マルチモードの場合には、ドロスの付着が多くなっ
たり不完全な切断となる。

【０１１２】また、集光レンズのＦナンバー（焦点距離
ｆ／入射ビーム径Ｄ）も、本発明の切断方法において集
光性を決定する重要な要素であり、板厚が約２５ｍｍま
での鋼板を切断するためのＦナンバーは、Ｄは発振器か
ら出た光の光路長によって定まる値で、これをＤＬとす
ると、

【数１】 で与えられる。

【０１１３】但し、Ｚは光路長 λはレーザ光の波長 ωｏはビームウェストと称する最も狭いＺ＝０の所の半
径 ｆは焦点距離 また、焦点距離ｆは

【数２】 で示される。

【０１１４】特に、ＤＬを１４ｍｍ（ガウス分布の１／
ｅ² の径）前後とし、ｆを１９０ｍｍ前後とした場合に
はＦナンバーは１１．５〜１４．５となり、このＦナン
バーで最大２５ｍｍ程度の鋼鉄を切断できるようにな
る。

【０１１５】また、Ｆナンバーを１１．５〜１４．５と
して最大２５ｍｍ程度の鋼鉄を切断する場合は、集光さ
れたビームスポット径（熱源）は、約φ０．４ｍｍ（ｅ
-2径）にすることが望ましい。また、材料の切断幅で換
算した値（移動している時の幅）では、０．３〜０．７
ｍｍの範囲であること。また、ビームスポットの回転半
径は切断板厚にかかわらずｒ＝０．５ｍｍ以内。なお、
焦点位置は切断材料内部に設定した。

【０１１６】また、アシストガスノズルに供給するアシ
ストガスは、ノズル内の乱流を発生させないように供給
することが重要であり、ノズルを設けた容器の容積は少
なくとも３０ｃｍ3 以上が必要であり、１００ｃｍ3 程
度の容器に充満させた状態から先端のノズルから所用の
圧力で噴射させることが望ましい。

【０１１７】一般にガス流量Ｇｆとノズル径Ｎｄと容器
内のガス圧Ｐとの関係は図１６に示す関係となってい
る。

【０１１８】すなわち、図１６に於けるガス流量Ｇｆ
は、

【数３】 但し、Ｇｆはアシストガス流量 Ｇｐはアシストガスの圧力 Ｃは定数 ｎはノズル径φ＝１．０を基にした任意のノズル径を採
ったときの流量増加率又は割合（少数表示） ａは係数 で求められる。

【０１１９】また、ガス流量が６０〜２６０ＮＬ／ｍｉ
ｎの範囲で切断する場合は、図１６に示すように、前述
の容器内のガス圧力は、約０．２〜０．６ｂａｒ程度が
望ましく、最大でも１．０ｂａｒ以内でよい。また、ノ
ズル径は２〜４ｍｍとすることが望ましい。

【０１２０】さらに、前記偏心量δは前記オプチカルフ
ラット５３の厚さｔ（ｍｍ）と、光軸５５に対する角度
αを変えることにより希望する適宜な偏心量δを得るこ
とが可能であり、実験の結果、鋼板の板厚が１６ｍｍ〜
２５ｍｍ程度の厚板の切断においては、α＝１０度±５
度、ｔ＝５±２．５ｍｍとするのが望ましい。

【０１２１】すなわち、２ｋＷの出力で最大２５ｍｍの
鋼鉄を切断する場合は、Ｆナンバ、スポット径、回転半
径、チェンバ容積、ガス圧、ノズル径を前述の条件にし
て、オプチカルフラット５３を偏心させながらレーザビ
ームをワークに照射している。このため、ワーク内にお
いて焦点が深く結ばれて、かつこの焦点が振られて加工
穴が大きくなり、この加工穴にアシストガスが流入して
溶解がより促進されるので、最大２５ｍｍの厚みがあっ
ても高精度で切断が行われる。

【０１２２】

【発明の効果】請求項１〜請求項７に記載の発明によれ
ば、レーザー出力が２ｋＷクラスのレーザー加工機にお
いて、板厚が１９ｍｍ〜２５ｍｍ程度の厚板鋼板におい
て実用的な精度有する切断を行うことができる。

【０１２３】請求項８〜請求項１０に記載の発明によれ
ば、４ｍｍ〜５ｍｍ程度の広い溶接ギャップにおいても
良好な溶接を行うことが可能となり、突合わせ溶接にお
けるギャップの寸法誤差の許容範囲が大きくなりギャッ
プ管理が容易となる。

【０１２４】請求項１１〜請求項１３に記載の発明によ
れば、直線および幅の広い直線、曲線、螺旋状の曲線等
の種々の曲線を被加工材の表面に加飾（描写）すること
ができる。

【０１２５】請求項１４に記載の発明によれば、２ｋＷ
前後の中出力のレーザー加工機においても２５ｍｍ程度
の厚板鋼板のレーザーピアスが可能となる。

【０１２６】請求項１５〜請求項２０に記載の発明によ
れば、２ｋＷ前後の中出力のレーザー加工機においても
２５ｍｍ程度の厚板鋼板のレーザーピアスが可能となる
ことに加え、スパッター（金属の溶融酸化物）の飛散が
少なく、ピアス穴の周囲に盛上がりが形成されない。

【０１２７】請求項２１〜請求項２５に記載の発明によ
れば、レーザー出力が２ｋＷクラスのレーザー加工機に
おいて、板厚が１９ｍｍ〜２５ｍｍ程度の厚板鋼板にお
いて実用的な精度有する切断を行うことが可能となる。

【０１２８】請求項２６に記載の発明によれば、突合わ
せ溶接におけるギャップの寸法誤差の許容範囲が大きく
なりギャップ管理が容易となる。

【０１２９】請求項２７、請求項２８に記載の発明によ
れば、偏心用光学系によって集光されたレーザービーム
を回転させると共に被加工材をレーザー加工ヘッドの光
軸に対して移動させることにより各種の模様を被加工材
の表面に加飾（描写）することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるレーザー加工ヘッドの第１の実
施形態。

【図２】本発明に係わるレーザー加工ヘッドに使用した
偏心用光学系（オプチカルフラット）の説明図。

【図３】本発明に係わるレーザー切断方法の原理の説明
図。

【図４】本発明に係わるレーザー切断方法の原理の説明
図で図３におけるＩＶ−ＩＶ断面図。

【図５】本発明に係わるレーザー溶接方法の原理の説明
図。

【図６】本発明に係わるレーザー加工ヘッドの第２の実
施形態。

【図７】本発明に係わるレーザー加飾方法によって各種
の模様を被加工材の表面に加飾した例。

【図８】本発明に係わるレーザー加工ヘッドの偏心用光
学系第２の実施の形態。

【図９】図８のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図。

【図１０】本発明に係わるレーザー加工ヘッドの偏心用
光学系第３の実施の形態。

【図１１】図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿った断面図。

【図１２】本発明に係わるレーザーピアスに使用するパ
ルスレーザーの出力制御についての説明図。

【図１３】本発明に係わるレーザーピアスによるピアス
加工の試験結果。

【図１４】焦点変更可能なヘッドの説明図。

【図１５】図１４のヘッドを用いたときの焦点距離を移
動量の関係を説明する説明図。

【図１６】ガス流量、ガス圧、ノズル径の関係を説明す
る説明図。

【符号の説明】

１ レーザー加工ヘッド ３ レンズユニット ５ レンズユニット装着部材 ７ ねじ穴 １１、１１０、１２０ 集光レンズ １３ 冷却液流路 １５ 冷却液供給口 １７ 第１筒体 ２１ 第２筒体 ２９ 環状部材 ３３ ベアリング ３４ ベアリング押さえ ３５ 回転筒 ３７ 従動プーリー ３９ モーターブラケット ４１ モーターベース ４３ モーター ４７ 駆動プーリー ４９ 駆動ベルト ５１ 窓 ５３ オプチカルフラット ５５ 光軸 ５７ オプチカルフラット支持体 ５９ 第３筒体 ６３ ウインド ６５ 第４筒体 ７１ 押しねじ ７３ フランジ固定部材 ７５ アシストガスノズル ７７ アシストガス噴射口 ７９ ノズルチップ ８０ 法線 ８１ 切断ライン ８３ ビームスポット ８５ 切断フロント（切断過程にある領域） ８７ 溶接ライン ８９ 溶込み領域領域 ９１ ビームスポットの軌跡 ９３ レーザー加工ヘッド ９５、９７ プリズム（光学ウエッジ） ９９ 第１屈折面 １０１ 第２屈折面 １１１ レンズ支持体 １１３ 下部スペーサー １１５ レンズ押さえ １２１ 光学系支持体 １２９ レンズホルダー Ｂ 切断幅 Ｄ 間隔 ＬＢ レーザービーム ｅ 偏心量 ｆ 焦点距離 Ｉ、Ｉ₁ 、Ｉ₂ 入射角 Ｒ₁ 、Ｒ₂ 屈折角 ｒ 半径 ｔ 厚さ α 角度 θ プリズム角 δ、δ’ 偏心量 ΔＬ 送り量 ΔＨ 深さ Ｗ、Ｗ₁ 、Ｗ₂ 鋼板

Claims (28)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザー加工ヘッドのレーザービーム集
   光用光学系により集光されたレーザービームを前記集光
   用光学系の光軸から偏心させる偏心用光学系を設け、該
   偏心用光学系により偏心させられて焦点位置に集光した
   微小なレーザービームスポットを前記集光用光学系の軸
   心を中心に回転させると同時に、前記レーザー加工ヘッ
   ドのアシストガスノズルからアシストガスを被加工材の
   切断部に供給し、前記光軸と該被加工材とを相対的に移
   動させることにより被加工材を切断することを特徴とす
   るレーザー切断方法。
2. 【請求項２】 前記偏心用光学系が前記集光用光学系の
   光軸に傾斜角度αで回転駆動自在に設けた板厚ｔのオプ
   チカルフラットであることを特徴とする請求項１に記載
   のレーザー切断方法。
3. 【請求項３】 前記傾斜角度αが１０度±５度および板
   厚ｔが５ｍｍ±２．５ｍｍであることを特徴とする請求
   項２に記載のレーザー切断方法。
4. 【請求項４】 前記集光用光学系は集光レンズを入射ビ
   ーム光軸に対して偏心させて設けると共に該入射ビーム
   光軸を軸心に回転自在に設け、該集光レンズ自身を偏心
   用光学系としたことを特徴とする請求項１に記載のレー
   ザー切断方法。
5. 【請求項５】 前記集光用光学系は集光レンズを入射ビ
   ーム光軸に対して傾斜角αで設けると共に該入射ビーム
   光軸を軸心に回転自在に設け、該集光レンズ自身を偏心
   用光学系としたことを特徴とする請求項１に記載のレー
   ザー切断方法。
6. 【請求項６】 前記集光用光学系は、最大１６ｍｍ程度
   の薄板切断時に比べてＦナンバーが２倍前後にされ、 前記アシストガスノズルから供給されるガスは、 ６０〜３００Ｎｌ／ｍｉｎのガス流量の疑似ガウス的な
   アシストガスにされていることを特徴とする請求項１記
   載のレーザー切断方法。
7. 【請求項７】 前記アシストガスノズルのガス圧は０．
   ２〜０．６ｂａｒにされていることを特徴とする請求項
   １記載のレーザ切断方法。
8. 【請求項８】 レーザー加工ヘッドのレーザービーム集
   光用光学系により集光されたレーザービームを前記集光
   用光学系の光軸から偏心させる偏心用光学系を設け、該
   偏心用光学系により偏心させられて焦点位置に集光した
   微小なレーザービームスポットを前記集光用光学系の軸
   心を中心に回転させると同時に、被加工材の溶接ライン
   にそって前記レーザー加工ヘッドの光軸を相対的に移動
   させることにより被溶接材を溶接することを特徴とする
   レーザー溶接方法。
9. 【請求項９】 前記偏心用光学系が前記集光用光学系の
   光軸に傾斜角度αで回転駆動自在に設けた板厚ｔのオプ
   チカルフラットであることを特徴とする請求項８に記載
   のレーザー溶接方法。
10. 【請求項１０】 前記傾斜角度αが２０度±１５度およ
    び前記板厚ｔが５ｍｍ±２．５ｍｍあることを特徴とす
    る請求項９に記載のレーザー溶接方法。
11. 【請求項１１】 レーザー加工ヘッドのレーザービーム
    集光用光学系により集光されたレーザービームを前記集
    光用光学系の光軸から偏心させる偏心用光学系を設け、
    該偏心用光学系により偏心させられて焦点位置に集光し
    た微小なレーザービームスポットを前記集光用光学系の
    軸心を中心に回転させると同時に、被加工材を前記レー
    ザー加工ヘッドの光軸に対して相対的に移動させること
    により被加工材の表面に模様を描くことを特徴としたレ
    ーザー加飾方法。
12. 【請求項１２】 前記偏心用光学系が前記集光用光学系
    の光軸を軸心に回転駆動自在に設けた少なくとも１個以
    上のプリズム（光学ウエッジ）からなることを特徴とす
    る請求項１１に記載のレーザー加飾方法。
13. 【請求項１３】 前記プリズム（光学ウエッジ）が一定
    距離をおいて設けた２個のプリズム（光学ウエッジ）か
    らなり、該プリズム（光学ウエッジ）のそれぞれを独立
    して正逆方向に回転駆動自在に設けたことを特徴とする
    請求項１２に記載のレーザー加飾方法。
14. 【請求項１４】 レーザー加工ヘッドのレーザービーム
    集光用光学系により集光されたレーザービームを前記集
    光用光学系の光軸から偏心させる偏心用光学系を設け、
    該偏心用光学系により偏心させられて焦点位置に集光し
    た微小なレーザービームスポットを前記集光用光学系の
    軸心を中心に回転させると同時に、前記レーザー加工ヘ
    ッドのアシストガスノズルからアシストガスを被加工材
    の切断部に供給し、該被加工材に貫通穴加工を行うこと
    を特徴とするレーザーピアス方法。
15. 【請求項１５】 前記レーザービーム集光用光学系に入
    射するレーザービームにパルスレーザーを使用し、該パ
    ルスレーザーの周波数およびパルスデューティーをピア
    ス加工開始時は低く設定し、ピアス加工の進行と共に前
    記周波数とパルスデューティーとをレーザー出力が指令
    値になるまで階段的に増加させてピアス加工を完了させ
    ることを特徴とする請求項１４に記載のレーザーピアス
    方法。
16. 【請求項１６】 前記偏心用光学系が前記集光用光学系
    の光軸に傾斜角度αで回転駆動自在に設けた板厚ｔのオ
    プチカルフラットであることを特徴とする請求項１４、
    請求項１５に記載のレーザーピアス方法。
17. 【請求項１７】 前記集光レンズを入射ビーム光軸に対
    して偏心させて設けると共に該入射ビーム光軸を軸心に
    回転自在に設け、該集光レンズ自身を偏心用光学系とし
    たことを特徴とする請求項１４、請求項１５に記載のレ
    ーザーピアス方法。
18. 【請求項１８】 前記集光レンズを入射ビーム光軸に対
    して傾斜角αで設けると共に該入射ビーム光軸を軸心に
    回転自在に設け、該集光レンズ自身を偏心用光学系とし
    たことを特徴とする請求項１４、請求項１５に記載のレ
    ーザーピアス方法。
19. 【請求項１９】 前記集光用光学系はが最大１６ｍｍ程
    度の薄板切断時に比べてＦナンバーが２倍前後にされ、 前記アシストガスノズルから供給されるガスは、 ６０〜３００Ｎｌ／ｍｉｎのガス流量の疑似ガウス的な
    アシストガスにされていることを特徴とする請求項１４
    記載のレーザーピアス方法。
20. 【請求項２０】 前記アシストガスノズルのガス圧は
    ０．２〜０．６ｂａｒにされていることを特徴とする請
    求項１４記載のレーザピアス方法。
21. 【請求項２１】 レーザー加工装置のレーザー加工ヘッ
    ドにおいて、レーザービーム集光用光学系の下方位置に
    レーザービームを前記集光用光学系の光軸から偏心させ
    る回転駆動自在の偏心用光学系を設けると共に前記偏心
    用光学系からのレーザービームを通過させると同時にア
    シストガスを同軸に噴射させるアシストガスノズルとを
    設けたことを特徴とするレーザー加工ヘッド。
22. 【請求項２２】 前記偏心用光学系が前記集光用光学系
    の光軸に傾斜角度αで回転駆動自在に設けた板厚ｔのオ
    プチカルフラットであることを特徴とする請求項２１に
    記載のレーザー加工ヘッド。
23. 【請求項２３】 前記傾斜角度αが１０度±５度および
    板厚ｔが５ｍｍ±２．５ｍｍであることを特徴とする請
    求項２２に記載のレーザー加工ヘッド。
24. 【請求項２４】 前記集光用光学系は集光レンズを入射
    ビーム光軸に対して偏心させて設けると共に該入射ビー
    ム光軸を軸心に回転自在に設け、該集光レンズ自身を偏
    心用光学系としたことを特徴とする請求項２１に記載の
    レーザー加工ヘッド。
25. 【請求項２５】 前記集光用光学系は集光レンズを入射
    ビーム光軸に対して傾斜角αで設けると共に該入射ビー
    ム光軸を軸心に回転自在に設け、該集光レンズ自身を偏
    心用光学系としたことを特徴とする請求項２１に記載の
    レーザー加工ヘッド。
26. 【請求項２６】 前記傾斜角度αが２０度±１５度およ
    び前記板厚ｔが５ｍｍ±２．５ｍｍあることを特徴とす
    る請求項２２または請求項２３に記載のレーザー加工ヘ
    ッド。
27. 【請求項２７】 前記偏心用光学系が前記集光用光学系
    の光軸を軸心に回転駆動自在に設けた少なくとも１個以
    上のプリズム（光学ウエッジ）からなることを特徴とす
    る請求項２１に記載のレーザー加工ヘッド。
28. 【請求項２８】 前記プリズム（光学ウエッジ）が一定
    距離をおいて設けた２個のプリズム（光学ウエッジ）か
    らなり、該プリズム（光学ウエッジ）のそれぞれを独立
    して正逆方向に回転駆動自在に設けたことを特徴とする
    請求項２７に記載のレーザー加工ヘッド。