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WO2024034041A1 - レーザピアッシング方法、及び、レーザ加工機 - Google Patents

レーザピアッシング方法、及び、レーザ加工機 Download PDF

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WO2024034041A1
WO2024034041A1 PCT/JP2022/030533 JP2022030533W WO2024034041A1 WO 2024034041 A1 WO2024034041 A1 WO 2024034041A1 JP 2022030533 W JP2022030533 W JP 2022030533W WO 2024034041 A1 WO2024034041 A1 WO 2024034041A1
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WO
WIPO (PCT)
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laser
laser beam
workpiece
output density
gas
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2022/030533
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
祐斗 森
亮太 前田
竜也 冨田
貴志 実森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yamazaki Mazak Corp
Original Assignee
Yamazaki Mazak Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yamazaki Mazak Corp filed Critical Yamazaki Mazak Corp
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Priority to PCT/JP2022/030533 priority patent/WO2024034041A1/ja
Priority to EP22954959.7A priority patent/EP4501526A4/en
Priority to JP2022568448A priority patent/JP7229441B1/ja
Publication of WO2024034041A1 publication Critical patent/WO2024034041A1/ja
Priority to US19/001,415 priority patent/US20250135577A1/en
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    • G—PHYSICS
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/36—Mechanical coupling means
    • G02B6/3616—Holders, macro size fixtures for mechanically holding or positioning fibres, e.g. on an optical bench
    • G02B6/3624—Fibre head, e.g. fibre probe termination

Definitions

  • the present invention relates to a laser piercing method and a laser processing machine.
  • Patent Document 1 Most laser processing machines use a single laser light source (for example, Patent Document 1), but Patent Document 2 uses a laser processing machine that controls the intensity of the central and peripheral parts of the laser according to the thickness of the workpiece. This shows a machine tool that can achieve high-quality piercing with less spatter adhesion.
  • Patent Document 3 discloses a technique for applying oil before piercing to suppress adhesion of spatter caused by piercing.
  • the root portion of the sputter near the piercing hole is directly connected to the workpiece member without using oil. If this root portion cools and solidifies during the piercing process, it becomes difficult to remove the spatter.
  • the purpose of the technology disclosed in this application is to provide a laser piercing method and a laser processing machine for suppressing solidification of the root portion of spatter generated by piercing and improving processing quality.
  • the laser piercing method includes spraying oil onto the workpiece to generate a coating portion on the workpiece that is coated with oil.
  • the laser output density of the laser beam becomes a first laser output density in a central portion of the coating portion that is irradiated with the laser beam
  • the first laser output density becomes a first laser output density in a peripheral portion around the central portion of the coating portion.
  • the laser beam is coated so that a second laser output density is smaller than the second laser output density, and a third laser output density is smaller than the second laser output density at the boundary between the central part and the peripheral part of the covering part. This includes irradiating the area.
  • the workpiece inside the covering part is melted by a first laser beam irradiated to the central part, and a gas is sprayed onto the melted workpiece to scatter the melted workpiece around the central part.
  • a gas is sprayed onto the melted workpiece to scatter the melted workpiece around the central part.
  • the method includes heating the base portion of the spatter, which is the scattered workpiece, that is in contact with the workpiece for forming the pierced hole without using oil, by a second laser beam that is irradiated to the peripheral portion.
  • the laser piercing method according to the first aspect includes heating the root portion and then removing spatter from the workpiece by blowing gas onto the sputter.
  • the direction in which the gas is sprayed onto the sputter is desirably different from the direction in which the gas for sputtering the molten workpiece is sprayed.
  • spatter is removed from the workpiece by moving the torch from outside the root portion along a circle surrounding the root portion. Involves spraying gas into the surrounding area.
  • the laser piercing method includes heating the sputter with the second laser beam to an extent that the sputter does not stick to the workpiece and solidify.
  • the second laser beam may heat the sputters to such an extent that at least one of the plurality of sputters does not stick to the workpiece and solidify.
  • the sputter be heated by the second laser beam to such an extent that all the sputters among the plurality of sputters are blown away by the gas of the second or third aspect. It is further desirable that the second laser beam heats the sputters to such an extent that all the sputters among the plurality of sputters do not stick to the workpiece and solidify.
  • the workpiece is heated by the second laser beam to an extent that the outside of the peripheral portion is not perforated.
  • the first laser beam melts the workpiece in the covering portion to the extent that the outside of the peripheral portion is not perforated.
  • the workpiece is heated by the second laser beam to an extent that spatter is not generated outside the peripheral portion.
  • the laser piercing method includes a first transparent part, a second transparent part provided around the first transparent part, and a second transparent part provided around the first transparent part.
  • the method further includes providing an optical fiber including a reflector disposed between the first transmitting section and the second transmitting section.
  • the method includes emitting laser light from one laser oscillator such that a part of the laser light enters the first transmitting part and another part of the laser light enters the second transmitting part.
  • the method further includes generating a laser beam and a second laser beam.
  • a laser processing machine includes at least one laser oscillator, an optical fiber, a lens, a torch, a moving mechanism, a nozzle, a first pump, a second pump, and a control circuit. Be prepared. At least one laser oscillator is configured to emit a first laser beam and a second laser beam.
  • the optical fiber has a first end that receives a first laser beam and a second laser beam from at least one laser oscillator, and a second end opposite the first end.
  • the optical fiber includes a first transmitting section that transmits the first laser beam, a second transmitting section that is provided around the first transmitting section and transmitting the second laser beam, and a combination of the first transmitting section and the second transmitting section.
  • the lens is provided facing the second end of the optical fiber, and is configured to focus the first laser beam and the second laser beam that pass through the optical fiber and exit toward the workpiece.
  • the torch has an opening through which the light focused by the lens and the gas to be sprayed onto the workpiece pass.
  • the movement mechanism is configured to move the torch.
  • the nozzle is configured to inject oil onto the workpiece.
  • the first pump is configured to pump oil to the nozzle.
  • the second pump is configured to deliver gas to the torch.
  • the control circuit is configured to control the laser oscillator, the first pump, the second pump, and the movement mechanism.
  • the control circuit controls the first pump to spray oil onto the workpiece to generate a coating portion covered with oil on the workpiece, and then irradiates the coating portion with the first laser beam and the second laser beam.
  • the at least one laser oscillator and the second pump are configured to control the at least one laser oscillator and the second pump so as to pierce the coating by blowing gas onto the workpiece melted by the first laser beam.
  • the laser output density at the central portion of the covering portion where the first laser beam is irradiated is the first laser output density
  • the laser output density at the peripheral portion of the covering portion where the second laser beam is irradiated is the first laser output density.
  • the second laser power density is smaller than the power density
  • the laser power density at the boundary between the central portion and the peripheral portion of the covering portion is a third laser power density smaller than the second laser power density.
  • the control circuit further sprays gas onto the spatter of the workpiece melted by the first laser beam and scattered around the pierced hole by the gas. , configured to control the movement mechanism and the second pump.
  • the direction in which the gas is sprayed onto the sputter is desirably different from the direction in which the gas for sputtering the molten workpiece is sprayed.
  • the laser processing machine includes a moving mechanism and a second pump in which the control circuit moves the torch along a circle surrounding the pierced hole and blows gas around the pierced hole. configured to control.
  • the second laser output density is such that the workpiece melted by the first laser beam is not scattered around the pierced hole by the gas.
  • the laser output density of the second laser beam is such that the second laser beam can heat the workpiece to the extent that the sputtered sputter does not stick to and solidify on the workpiece forming the pierced hole.
  • the laser power density is such that the second laser beam can heat the workpiece to the extent that at least one of the plurality of spatters does not stick to the workpiece and solidify. It may be.
  • the second laser beam has a laser output density that can heat the workpiece to the extent that at least one of the plurality of sputters is blown away by the gas of the second or third aspect. Further, it is more desirable that the second laser beam has a laser output density that can heat the workpiece to the extent that all of the plurality of sputters are blown away by the gas of the second or third aspect. It is further desirable that the laser output density is such that the second laser beam can heat the workpiece to such an extent that all of the sputters among the plurality of sputters do not stick to and solidify on the workpiece.
  • the first laser power density is such that the first laser beam heats the workpiece to such an extent that the outside of the peripheral portion is not perforated.
  • the second laser power density is such that the second laser light can heat the workpiece without perforating the outside of the peripheral portion.
  • the laser processing machine uses a laser beam whose second laser power density is such that the second laser beam can heat the workpiece to the extent that spatter is not generated outside the peripheral portion. configured to have a power density.
  • At least one laser oscillator includes one laser oscillator that emits laser light.
  • the direction in which the laser beam of one laser oscillator is emitted is adjusted so that a part of the laser beam enters the first transmitting part and another part of the laser beam enters the second transmitting part. configured to be used.
  • the root portion of the sputter is heated with a second laser beam having a second laser output density lower than the first laser output density used to make the piercing hole. This prevents the root portion of the spatter from sticking to the workpiece forming the peripheral portion of the pierced hole, making it possible to easily remove the spatter.
  • the laser processing machine of the ninth aspect is capable of heating the root portion of the sputter with the second laser beam having the second laser output density.
  • spatter whose root portion is prevented from sticking due to heating can be easily removed by gas.
  • gas can be blown from the outside of the spatter toward the root portion, so more spatter can be removed with the gas.
  • spatter whose root portion is not fixed can be easily removed with gas.
  • the root part of the resulting spatter cannot be directly heated by the second laser beam, and the root part cools and becomes solid. .
  • such a risk is reduced because the workpiece is heated by the second laser beam to such an extent that the outside of the heating area is not perforated.
  • the second laser beam is weak or the heating area is small relative to the drilling area and the first laser beam is used to drill outside the heating area, a similar problem will occur.
  • such a risk is further reduced because the work is heated by the first laser beam to such an extent that the outside of the heating area is not perforated.
  • the workpiece is heated by the first laser beam and the second laser beam to such an extent that the outside of the heating area is not perforated, so that the above-mentioned risk is reduced.
  • the second laser beam may melt a part of the periphery of the piercing hole outside the area that is hit by the second laser beam, and the area may be scattered by the assist gas.
  • the root portion of the sputter formed in this manner cannot be directly heated by the second laser beam, and the root portion cools and becomes fixed.
  • such a risk is reduced because the workpiece is heated by the second laser beam to an extent that spatter is not generated outside the processing area.
  • the laser piercing method according to the eighth aspect and the laser processing machine according to the fifteenth aspect generate the first laser and the second laser using one laser oscillator, manufacturing costs can be reduced.
  • FIG. 1 is a diagram showing the external configuration of a laser processing machine according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a sectional view of the laser head of the laser processing machine according to the embodiment.
  • FIG. 3 is an internal configuration diagram of the optical fiber according to the embodiment.
  • FIG. 4A shows an example of laser light output according to the embodiment.
  • FIG. 4B shows an example of laser light output according to the embodiment.
  • FIG. 4C shows an example of laser light output according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the piercing method according to the embodiment.
  • FIG. 6 is another schematic diagram showing the piercing method according to the embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of laser light from the torch according to the embodiment.
  • FIG. 8A is an example of an undesirable piercing method according to an embodiment.
  • FIG. 8B is an example of an undesirable piercing method according to an embodiment.
  • FIG. 9 is a flowchart showing the piercing method according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing the external configuration of a laser processing machine 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the X axis shown in FIG. 1 is along the depth direction of the laser processing machine 1
  • the Y axis is along the width direction of the laser processing machine 1
  • the Z axis is along the height direction of the laser processing machine 1.
  • the laser processing machine 1 includes a base 10, a first guide rail 11, a column 12, a second guide rail 13, a saddle 14, a nozzle 15, a first pump 16, and a laser head. head) 20, at least one laser oscillator 30, an optical fiber 40, and a numerical control apparatus 6.
  • the laser processing machine 1 is a device for processing a metal plate MP on a pedestal 10.
  • the sheet metal MP is, for example, mild steel, SUS, aluminum steel, brass, or copper. Note that the sheet metal MP may be referred to as a workpiece W.
  • the pedestal 10 may include a plurality of elongated projections.
  • a pair of first guide rails 11 are attached to both ends of the pedestal 10 in the Y direction along the Y direction, and a column 12 is movable on the first guide rails 11. is attached to.
  • the column 12 is moved on the first guide rail 11 by a driving force generated by a drive device D1 such as a motor provided on either the first guide rail 11 or the column 12, for example.
  • a second guide rail 13 is provided on the column 12 along the Y axis perpendicular to the X axis, and a saddle 14 is attached to the column 12 so as to be movable in the Y direction.
  • the saddle 14 moves on the second guide rail 13 by the driving force of a drive device D2 such as a motor provided on either the second guide rail 13 or the saddle 14, for example.
  • the column 12 may be covered with a bellows-like cover.
  • a laser head 20 is attached to the saddle 14 so as to be movable in the Z direction along the Z axis perpendicular to the X and Y axes.
  • the laser head 20 is moved on the saddle 14 by the driving force of a drive device D3 such as a motor provided on either the saddle 14 or the laser head 20, for example.
  • the laser head 20 is configured to process the sheet metal MP on the pedestal 10.
  • the laser head 20 includes an optical system into which laser light sent from at least one laser oscillator 30 is introduced.
  • Laser head 20 includes a torch 28 for laser processing.
  • the nozzle 15 is configured to inject oil onto the workpiece W before being irradiated with laser by a laser head 20, which will be described later.
  • First pump 16 is configured to pump oil to nozzle 15 . Oil is stored in an oil tank (not shown).
  • FIG. 1 shows an example in which the nozzle 15 and the first pump 16 are attached to the saddle 14, they may be attached to the pedestal 10.
  • At least one laser oscillator 30 outputs laser light for processing the sheet metal MP.
  • Optical fiber 40 expandably connects at least one laser oscillator 30 and laser head 20 in order to supply laser light output from at least one laser oscillator 30 to laser head 20 .
  • the optical fiber 40 has a first end 40a that receives laser light from at least one laser oscillator 30, and a second end 40b opposite to the first end 40a.
  • the numerical control device 6 has a control circuit 7 including a hardware processor, memory, and the like.
  • the control circuit 7 is configured to control at least one laser oscillator 30, the drive devices M1 to M3, and the first pump 16 so as to process the sheet metal MP.
  • the drive devices D1 to D3 are collectively referred to as a transfer mechanism TM.
  • the moving mechanism TM is configured to move the torch 28.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the laser head 20 of the laser processing machine 1 according to the embodiment.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of the laser head 20 taken along a cut plane passing through the optical axis RZ of the laser beam irradiated from the torch 28, in order to explain the optical system of the laser head 20.
  • the laser head 20 includes a head main body 21, an upper unit 22, and a lower unit 23.
  • the upper unit 22 is attached to the head body 21.
  • Upper unit 22 includes a connector 25 and a mirror 26.
  • the connector 25 is a connector for attaching the second end 40b of the optical fiber 40 to the laser head 20. Note that the optical fiber 40 connects to the connector 25, and the mirror 26 reflects the laser beam output from the connector 25 toward the lower unit 23.
  • the lower unit 23 is attached to the head main body 21.
  • the lower unit 23 is provided opposite the second end 40b of the optical fiber 40, and includes a lens 24 configured to focus the laser light transmitted through the optical fiber 40 and directed toward the workpiece W. That is, the laser processing machine 1 includes the lens 24.
  • a separate lens may be provided between the connector 25 and the lens 24 to narrow down the light emitted from the second end 40b of the optical fiber 40.
  • a torch 28 is attached to the tip of the lower unit 23.
  • the upper unit 22, the head main body 21, the lower unit 23, and the torch 28 are provided with an optical path 27 through which the laser beam passes.
  • the laser processing machine 1 includes a second pump 17 in the head main body 21.
  • Second pump 17 is configured to deliver gas to torch 28 .
  • Control circuit 7 is configured to control second pump 17 .
  • This gas is, for example, oxygen gas for promoting melting of the workpiece W, but may also be air, nitrogen gas, or argon gas.
  • the gas sent from the second pump will be referred to as assist gas AG.
  • Assist gas AG is stored in gas storage 18 (see FIG. 1), and is sent to torch 28 via gas supply path 19.
  • the torch 28 includes a connector 29 for connecting the gas supply path 19.
  • the torch 28 has an opening 28h through which the light focused by the lens 24 and the gas to be sprayed onto the workpiece W pass.
  • FIG. 3 is an internal configuration diagram of the optical fiber 40 according to the embodiment.
  • the optical fiber 40 includes a first transmitting section 42, a second transmitting section 44, a reflector 46, and an additional reflector 48.
  • the first transmitting section 42 has a cylindrical shape and is configured to transmit laser light.
  • the reflector 46 is a tube-shaped member that covers the outer periphery of the first transmitting section 42 and is configured to reflect laser light at the interface with the first transmitting section 42 .
  • the second transmission section 44 is a tube-shaped member that covers the outer periphery of the reflector 46, and is configured to transmit laser light. In other words, the second transmitting section 44 is provided around the first transmitting section 42 .
  • the reflector 46 is provided between the first transmitting section 42 and the second transmitting section 44 .
  • the reflector 46 is configured to reflect the laser beam at the interface with the second transmitting section 44 .
  • the additional reflector 48 is a tubular member that covers the outer periphery of the second transmitting section 44 and is configured to reflect the laser beam at the interface with the second transmitting section 44 .
  • FIGS. 4A to 4C show output examples of the laser light RL according to the embodiment.
  • at least one laser oscillator 30 includes one laser oscillator 30A that emits laser light RL.
  • the laser oscillator 30A is configured so that the positional relationship between the optical axis Ax1 of the laser beam RL outputted by the laser oscillator 30A and the central axis Ax2 of the optical fiber 40 can be changed as shown in FIGS. 4A to 4C.
  • FIG. 4A shows an example in which the optical axis Ax1 of the laser beam RL and the central axis Ax2 of the optical fiber 40 are made to coincide.
  • FIG. 4B shows an example in which the optical axis Ax1 of the laser beam RL is directed slightly inward from the reflector 46.
  • FIG. 4C shows an example in which the optical axis Ax1 of the laser beam RL is directed near the center of the second transmission section 44.
  • FIGS. 4A to 4C show the magnitude of the laser power density on the right side of the diagram of the optical fiber 40.
  • the further the graph line goes to the right the higher the laser output density becomes.
  • the laser output density reaches its maximum near the central axis Ax2 of the optical fiber 40 and gradually decreases.
  • FIG. 4B when the optical fiber 40 is sufficiently long, due to the influence of diffuse reflection at the reflector 46 and the additional reflector 48, the laser output density is divided into two areas: near the central axis Ax2 of the optical fiber 40 and near the center of the second transmission section 44. This shows the case where there is a peak.
  • the peak near the central axis Ax2 of the optical fiber 40 is larger than the peak near the center of the second transmission section 44.
  • the peak near the central axis Ax2 of the optical fiber 40 is larger than the peak near the central axis Ax2 of the optical fiber 40.
  • the laser oscillator 30A is positioned at a position as shown in FIG. 4B, and the laser output density of the first transmission section 42 is made larger than the laser output density of the second transmission section 44. That is, the laser beam RL of one laser oscillator 30A is emitted in such a direction that a part of the laser beam RL is incident on the first transmitting part 42 and another part of the laser beam RL is incident on the second transmitting part 44. is adjusted. In other words, a laser beam is emitted from one laser oscillator 30A so that a portion of the laser beam RL is incident on the first transmission section 42 and another portion of the laser beam RL is incident on the second transmission section 44.
  • first laser light RL1 and second laser light RL2 are generated.
  • the laser beam output from the first transmitting section 42 will be referred to as a first laser beam RL1
  • the laser beam output from the second transmitting section 44 will be referred to as a second laser beam RL2. Therefore, at least one laser oscillator 30 is configured to emit first laser light RL1 and second laser light RL2.
  • the first transmission section 42 transmits the first laser light RL1.
  • the second transmission section 44 transmits the second laser light RL2.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the piercing method according to the embodiment.
  • the control circuit 7 sprays oil OIL onto the workpiece W to generate a coating portion WCP in which the oil OIL is coated on the workpiece W.
  • the coating portion WCP is irradiated with the first laser beam RL1 and the second laser beam RL2, and a gas (assist gas AG) is blown onto the workpiece MEW melted by the first laser beam RL1.
  • It is configured to control at least one laser oscillator 30 and the second pump 17 so as to make a piercing hole PH in the workpiece W.
  • control circuit 7 controls the second laser beam RL2 so as to heat the root portion RT of the sputter SPT that scatters around the pierced hole PH when gas (assist gas AG) is sprayed onto the molten workpiece MEW.
  • gas assistant gas AG
  • the molten workpiece MEW refers to the workpiece W whose viscosity has been reduced to the extent that it is splattered by the assist gas AG by being heated.
  • the root portion RT refers to a portion of the sputter SPT that is in contact with the workpiece MAW forming the pierced hole PH without interposing the oil OIL.
  • FIG. 6 is another schematic diagram showing the piercing method according to the embodiment.
  • the control circuit 7 generates spatter SPT in which the workpiece MEW melted by the first laser beam RL1 is scattered around the piercing hole PH by a gas (for example, assist gas AG).
  • the moving mechanism TM and the second pump 17 are configured to be controlled so as to further spray gas (for example, assist gas AG) onto the moving mechanism TM and the second pump 17.
  • the direction in which this gas is blown is different from the direction in which it is blown onto the molten workpiece MEW. Further, the gas blown at this time may be different from the gas for scattering the molten workpiece.
  • the control circuit 7 moves the torch 28 along a circle CIR surrounding the pierced hole PH to spray gas (for example, assist gas AG) around the pierced hole PH. It is configured to control the TM and the second pump 17 accordingly.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of the laser light RL from the torch 28 according to the embodiment.
  • the laser beam RL is most focused at the focal point FP, and enters the surface of the covering portion WCP in a slightly expanded state.
  • a portion of the covering portion WCP that is irradiated with the first laser beam RL1 is referred to as a central portion CP
  • a portion that is irradiated with the second laser beam RL2 is referred to as a peripheral portion PP.
  • the peripheral portion PP surrounds the central portion CP in the radial direction with respect to the optical axis RZ of the laser beam RL.
  • the boundary between the central portion CP and the peripheral portion PP can be determined based on the position where the laser beam is virtually emitted from the reflectors 46 and 48 of the optical fiber 40 and reaches the workpiece W. Note that, as shown in FIG. 7, the assist gas AG is injected from the torch 28 so as to reach both the central portion CP and the peripheral portion PP.
  • the laser output density of the first laser beam RL1 in the central portion CP is referred to as the first laser output density
  • the laser output density of the second laser beam RL2 in the peripheral portion PP is referred to as the second laser output density.
  • the first laser power density is greater than the second laser power density.
  • the laser output density at the boundary portion BP between the central portion CP and the peripheral portion PP of the covering portion WCP is referred to as a third laser output density.
  • the third laser power density is smaller than the first laser power density and the second laser power density.
  • the first to third laser output densities differ between the upper surface WTP of the workpiece W and the lower surface WBP of the workpiece W due to the spread of the first laser beam RL1 and the second laser beam RL2.
  • the diameter of the central portion CP on the upper surface WTP of the workpiece W is smaller than the diameter of the central portion CP on the lower surface WBP of the workpiece W.
  • the diameter DBT of the peripheral portion PP on the upper surface WTP of the work W is smaller than the diameter DBB of the peripheral portion PP on the lower surface WBP of the work W. Therefore, the first to third laser power densities on the upper surface WTP of the workpiece W are higher than the first to third laser output densities on the lower surface WBP of the workpiece W.
  • the value of the output density to the third laser output density is the average value of the central portion CP, peripheral portion PP, and boundary portion BP determined based on the virtual optical path of the reflectors 46 and 48 over the entire area.
  • the first to third laser output densities are the cross-sectional portion of the central portion CP, the peripheral portion PP when the central plane CTP between the upper surface WTP and the lower surface WBP of the workpiece W is taken as a cross-section. is the average value of the laser output density in the cross-sectional portion of BP and the cross-sectional portion of the boundary portion BP. Further, when the pierced hole PH is pierced while the torch 28 moves in the direction along the optical axis RZ (Z direction), the average laser output density is defined as the first laser output density to the third laser output density. In the example of FIG.
  • the diameter DCC of the cross section of the central plane CTP of the central portion CP may be regarded as a cylindrical shape
  • the outer diameter DBC and the inner diameter DCC of the cross section of the central plane CTP of the peripheral portion PP are the outer diameter
  • the first laser output density and the second laser output density are the output of at least one laser oscillator 30 (laser oscillator 30A) and the deviation DX between the optical axis Ax1 of the laser beam RL and the central axis Ax2 of the optical fiber 40 (see FIG. 4B). , and the distance LW between the focal position FP and the covering portion WCP.
  • the control circuit 7 can control the position of at least one laser oscillator 30 and the torch 28 so as to adjust these values.
  • the first laser output density and the second laser output density satisfy the following conditions. [Condition 1]
  • the first laser output density and the second laser output density are determined to such an extent that the central portion CP is perforated by the first laser beam RL1 and the second laser beam RL2.
  • the first laser power density is such that the first laser light RL1 can heat the work W without perforating the outside of the peripheral portion PP. This does not hold true if the output of the first laser beam RL1 is too strong and melts the outside of the peripheral portion PP, or if the peripheral portion PP is too small. As shown in FIG.
  • the root portion RT of the sputter SPT cannot be heated by the second laser beam RL2. If this happens, the root portion RT of the sputter SPT will solidify and become stuck to the workpiece MAW.
  • the first laser power density is determined to inhibit such a condition. Further, the first laser power density may be determined taking into account that the workpiece W is also heated by the assist gas AG. [Condition 3]
  • the second laser power density is such that the second laser light RL2 can heat the workpiece W without perforating the outside of the peripheral portion PP. This does not hold true if the output of the second laser beam RL2 is too strong and melts the outside of the peripheral portion PP.
  • This condition is also a state in which the second laser beam RL2 cannot heat the root portion RT of the sputter SPT as shown in FIG. 8A, and the root portion RT of the sputter SPT solidifies and becomes stuck to the workpiece MAW. It is established to prevent In this case, the second laser output density may be determined in consideration of the fact that the workpiece W is also heated by the first laser beam RL1 and the assist gas AG. [Condition 4] The second laser output density is such that the workpiece MEW melted by the first laser beam RL1 is scattered around the piercing hole PH by the gas (assist gas AG), and sputter SPT forms the piercing hole PH.
  • the laser output density is such that the second laser beam RL2 can heat the workpiece W without sticking to the workpiece MAW and solidifying it. If the second laser output density is too weak and the root portion RT of the sputter SPT sticks to the workpiece MAW, even if gas (assist gas AG) is subsequently blown as shown in FIG. It cannot be removed from the workpiece MAW. In this case, the second laser output density may be determined in consideration of the fact that the workpiece W is also heated by the first laser beam RL1 and the assist gas AG. [Condition 5] The second laser power density is such that the second laser light RL2 can heat the workpiece without causing spatter on the outside of the peripheral portion PP.
  • the second laser power density is not so high as to perforate the outside of the peripheral portion PP.
  • the second laser power density is such that the second laser beam RL2 melts a part of the outside of the peripheral portion PP, and the viscosity of the melted workpiece MEW is scattered by the assist gas AG. This is lower than the laser power density that is used.
  • the root portion RT of the sputter SPT cannot be heated by the second laser beam RL2, and the root portion RT of the sputter SPT solidifies and becomes stuck to the workpiece MAW.
  • the second laser power density is determined to prevent such conditions.
  • the second laser output density may be determined taking into account that the workpiece W is also heated by the first laser beam RL1 and the assist gas AG.
  • FIG. 9 is a flowchart of the laser piercing method according to the embodiment.
  • the method sprays oil OIL onto the workpiece W to generate a coating portion WCP in which the workpiece W is coated with the oil OIL.
  • the laser output density of the laser beam RL becomes a first laser output density in the central portion CP of the covering portion WCP that is irradiated with the laser beam RL, and The second laser output density is smaller than the first laser output density in a peripheral portion PP around
  • the torch 28 is positioned with respect to the workpiece W so that the third laser power density is lower than the second laser power density, and the central portion CP matches the target position on the workpiece W.
  • step S3 the method injects assist gas AG from the torch 28 toward the central portion CP of the positioned workpiece W.
  • the method calculates the deviation DX between the optical axis Ax1 of the laser beam RL and the central axis Ax2 of the optical fiber 40 and the output of the laser oscillator 30A so that [Condition 1] to [Condition 5] are satisfied.
  • the laser beam RL is adjusted and irradiated toward the covering portion WCP.
  • the workpiece W in the covering portion WCP is melted by the first laser beam RL1 irradiated to the central portion CP, and a gas (assist gas AG) is blown onto the melted workpiece MEW to melt it.
  • a piercing hole PH can be made in the covering portion WCP.
  • the workpiece W in the covering portion WCP is melted by the first laser beam RL1 to the extent that the outside of the peripheral portion PP is not perforated.
  • the second laser beam RL2 irradiated to the peripheral portion PP is applied to the spatter SPT, which is the scattered workpiece W that is in contact with the workpiece MAW forming the pierced hole PH without an oil OIL. Heat the root part RT.
  • the sputter SPT is heated by the second laser beam RL2 to such an extent that the sputter SPT does not stick to the workpiece MAW and solidify.
  • the workpiece W is heated by the second laser beam RL2 to an extent that the outside of the peripheral portion PP is not perforated.
  • the workpiece W is heated by the second laser beam RL2 to an extent that spatter SPT is not generated outside the peripheral portion PP.
  • step S5 in this method, after heating the root portion RT of the sputter SPT, the torch 28 is moved to spray gas (assist gas AG) along a circle surrounding the root portion RT from outside the root portion RT. At this time, operations such as raising and lowering the torch 28 may be included in order to float the sputter SPT.
  • step S6 the method sprays gas (assist gas AG) around the root portion RT from the torch 28 without irradiating the laser beam RL. Accordingly, the method removes the sputter SPT from the workpiece MAW by spraying the gas (assist gas AG) onto the sputter SPT.
  • the sheet metal MP used in the experiment was SS400 steel with a plate thickness of 9.0 mm.
  • the position of the torch 28 is adjusted so that the upper surface WTP of the workpiece W is located at a height of 8.5 mm from the focal point position.
  • the diameter DC (see FIG. 7) of the region R1 through which the first laser beam RL1 passes is 0.234 mm
  • the diameter DP (see FIG. 7) of the region R2 through which the second laser beam RL2 passes is 0.234 mm. It is 806mm.
  • the diameter DCC of the central portion CP in the central plane CTP of the work W is 1.066 mm, and the diameter DBC of the peripheral portion PP in the central plane CTP of the work W is 1.492 mm.
  • the laser oscillator 30A punches a hole by heating for 0.1 seconds at 1000 W and a duty ratio of 15%. Thereafter, the deviation DX between the optical axis Ax1 and the central axis Ax2 was changed to cause the laser oscillator 30A to output a laser beam RL of 9000 W and a duty ratio of 25%.
  • the wind pressure of the assist gas injected in step S3 is 0.4 MPa.
  • FIG. 10 shows the diameter of the piercing hole and an image of the piercing mark when piercing is performed while changing the output ratio of the first transparent part 42 and the second transparent part 44 corresponding to the deviation DX. Further, the image of the piercing mark and the diameter of the piercing hole in FIG. 10 show the results of the processing up to step S4. Samples 1 to 9 all satisfy [Condition 1] because they were able to generate piercing holes with hole diameters larger than 1.1 mm. Samples 5 to 9 all produce pierced holes with hole diameters larger than 1.4 mm, and considering that the first laser output density is lower than that of sample 4, they do not meet [condition 3]. Give an example. Sample 0 shows an example in which [Condition 4] is not satisfied because the second laser output density is substantially low.
  • samples 1 to 3 as the value of the sample increases, the number of sputters SPT in which the root portion RT is ideally heated increases, and these spatters are removed by the assist gas injected in step S3.
  • An example is shown in which the number of sputter SPTs decreases.
  • [Condition 1] to [Condition 5] are satisfied, and as the value representing the sample becomes larger, it is shown that [Condition 4] is satisfied in a more ideal state.
  • Sample 3 has [Condition 4] in a more ideal state, and the strength of the root portion of the sputter SPT is so low that the sputter SPT can be removed only by the wind pressure of the assist gas injected in step S3. can do.
  • [Condition 4] can be confirmed by comparing the amount of sputtering with the amount of sputtering when the second laser output density is set to substantially 0 and checking whether the amount of sputtering has decreased.
  • the case where the second laser output density is substantially 0 means that the optical axis Ax1 of the laser beam RL outputted by the laser oscillator 30A and the central axis Ax2 of the optical fiber 40 are made to match, and the laser beam RL is output with the same output. This means when outputted as .
  • At least one laser oscillator 30 is composed of two laser oscillators, a laser oscillator that outputs the first laser beam RL1 and a laser oscillator that outputs the second laser beam RL2, the laser that outputs the first laser beam RL1
  • the output of the laser oscillator that outputs the second laser beam RL2 is set to 0 without changing the output of the oscillator.
  • At least one laser oscillator 30 includes one laser oscillator 30A that emits a laser beam, but the first laser beam and the second laser beam may be emitted from different laser oscillators. It may also be laser light.
  • the method of moving the torch 28 shown in step S5 is not limited to the circle CIR, but may also be an ellipse, and the torch 28 may be moved closer to or farther away from the workpiece W during rotation.
  • the laser processing machine 1 that processes sheet metal MP is mentioned, but it can also be applied to a laser processing machine that processes pipes and the like.
  • the laser head 20 may be rotatable around rotational axes parallel to each of the X-axis and the Y-axis so as to enable three-dimensional processing.
  • member can have multiple meanings, such as a single part or multiple parts.

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Abstract

レーザピアッシング方法は、ワーク上にオイルが被覆された被覆部を生成し、レーザ光のレーザ出力密度が、被覆部のうちのレーザ光が照射される中央部分において第１レーザ出力密度となり、被覆部のうちの中央部分の周囲の周辺部分において第１レーザ出力密度よりも小さい第２レーザ出力密度となり、被覆部のうちの中央部分と周辺部分との間の境界部分において第２レーザ出力密度よりも小さい第３レーザ出力密度となるように、レーザ光を被覆部に照射し、中央部分に照射される第１レーザ光によって被覆部内のワークを溶融させて、溶融させたワークにガスを吹き付けて溶融させたワークを中央部分の周囲に飛び散らすことによって被覆部にピアス穴をあけ、周辺部分に照射される第２レーザ光によって、ピアス穴を形成する被加工ワークとオイルを介さずに接している、飛び散らされたワークであるスパッタの根元部分を加熱することを含む。

Description

レーザピアッシング方法、及び、レーザ加工機
　本発明は、レーザピアッシング方法、及び、レーザ加工機に関する。
　レーザ加工機の多くは単一のレーザ光源を使用したものである（例えば、特許文献１）が、特許文献２は、レーザの中央部と周辺部の強度を制御してワークの板厚に応じてスパッタの付着が少ない加工品質の高いピアッシングを実現できる工作機械を示している。特許文献３は、ピアッシングの前にオイルを塗布して、ピアッシングにより発生するスパッタの付着を抑止する技術を開示している。
特開平８―１９２２８３号公報 国際公開第２０１７／１３４９６４号 特開２０００－８４６８６号公報
　ピアッシングの前にオイルを塗布したとしても、スパッタのピアス穴に近接した根元部分は、オイルを介さずに直接ワークの部材と接続している。ピアッシングの過程でこの根元部分が冷却して凝固してしまうと、スパッタの除去が困難となる。
　本願に開示される技術の目的は、ピアッシングにより発生するスパッタの根元部分が凝固することを抑止し、加工品質を向上させるためのレーザピアッシング方法、及び、レーザ加工機を提供する。
　本開示の第１態様に係るレーザピアッシング方法は、ワークにオイルを吹き付けて、ワーク上にオイルが被覆された被覆部を生成することを含む。当該方法は、レーザ光のレーザ出力密度が、被覆部のうちのレーザ光が照射される中央部分において第１レーザ出力密度となり、被覆部のうちの中央部分の周囲の周辺部分において第１レーザ出力密度よりも小さい第２レーザ出力密度となり、被覆部のうちの中央部分と周辺部分との間の境界部分において第２レーザ出力密度よりも小さい第３レーザ出力密度となるように、レーザ光を被覆部に照射することを含む。当該方法は、中央部分に照射される第１レーザ光によって被覆部内のワークを溶融させて、溶融させたワークにガスを吹き付けて溶融させたワークを中央部分の周囲に飛び散らすことによって被覆部にピアス穴をあけることを含む。当該方法は、周辺部分に照射される第２レーザ光によって、ピアス穴を形成する被加工ワークとオイルを介さずに接している、飛び散らされたワークであるスパッタの根元部分を加熱することを含む。
　本開示の第２態様によれば、第１態様によるレーザピアッシング方法は、根元部分を加熱した後に、スパッタにガスを吹き付けることによってスパッタを被加工ワークから取り除くことを含む。なお、スパッタにガスを吹き付ける向きは、溶融させたワークを飛び散らすためのガスを吹き付ける向きと異なることが望ましい。
　本開示の第３態様によれば、第２態様によるレーザピアッシング方法では、スパッタを被加工ワークから取り除くことが根元部分の外側から根元部分を取り囲む円に沿ってトーチを動かしてトーチから根元部分の周囲にガスを吹き付けることを含む。
　本開示の第４態様によれば、第１態様から第３態様のいずれかによるレーザピアッシング方法では、スパッタが被加工ワークに固着して凝固しない程度に第２レーザ光によってスパッタを加熱することを含む。第１レーザ光によって複数のスパッタが生じた場合、複数のスパッタのうちの少なくとも１つのスパッタが被加工ワークに固着して凝固しない程度に第２レーザ光によってスパッタを加熱していてもよい。このような場合、第２態様または第３態様のガスによって複数のスパッタのうちの少なくても１つのスパッタが飛ぶ程度に第２レーザ光によってスパッタを加熱することが望ましい。また、第２態様または第３態様のガスによって複数のスパッタのうちの全てのスパッタが飛ぶ程度に第２レーザ光によってスパッタを加熱することがさらに望ましい。複数のスパッタのうちの全てのスパッタが被加工ワークに固着して凝固しない程度に第２レーザ光によってスパッタを加熱することがさらに望ましい。
　本開示の第５態様によれば、第１態様から第４態様のいずれかによるレーザピアッシング方法では、周辺部分の外側を穿孔しない程度に第２レーザ光によってワークを加熱する。
　本開示の第６態様によれば、第５態様のいずれかによるレーザピアッシング方法では、周辺部分の外側を穿孔しない程度に第１レーザ光によって被覆部内のワークを溶融させる。
　本開示の第７態様によれば、第５態様または第６態様によるレーザピアッシング方法では、周辺部分の外側にスパッタを生じさせない程度に第２レーザ光によってワークを加熱する。
　本開示の第８態様によれば、第１態様から第７態様のいずれかによるレーザピアッシング方法は、第１透過部と、第１透過部の周囲に設けられる第２透過部と、第１透過部と第２透過部との間に設けられたリフレクタとを含む光ファイバーを用意することをさらに含む。当該方法は、レーザ光の一部が第１透過部に入射し、レーザ光の別の一部が第２透過部に入射するように、１つのレーザ発振器からレーザ光を発することによって、第１レーザ光と第２レーザ光とを生成することをさらに含む。
　本開示の第９態様に係るレーザ加工機は、少なくとも１つのレーザ発振器と、光ファイバーと、レンズと、トーチと、移動機構と、ノズルと、第１ポンプと、第２ポンプと、制御回路とを備える。少なくとも１つのレーザ発振器は、第１レーザ光と第２レーザ光とを発するように構成される。光ファイバーは、少なくとも１つのレーザ発振器からの第１レーザ光と第２レーザ光を受ける第１端と、第１端と反対の第２端とを有する。光ファイバーは、第１レーザ光を伝達する第１透過部と、第１透過部の周囲に設けられ、第２レーザ光を伝達する第２透過部と、第１透過部と第２透過部との間に設けられたリフレクタとを含む。レンズは、光ファイバーの第２端に対向して設けられ、光ファイバーを透過して出る第１レーザ光と第２レーザ光をワークに向けて絞るように構成される。トーチは、レンズによって絞られた光と、ワークに吹き付けるためのガスとが通過する開口を有する。移動機構は、トーチを移動させるように構成される。ノズルは、ワークにオイルを噴射するように構成される。第１ポンプは、ノズルにオイルを送るように構成される。第２ポンプは、トーチにガスを送るように構成される。制御回路は、レーザ発振器、第１ポンプ、第２ポンプ、及び、移動機構を制御するように構成される。制御回路は、ワークにオイルを吹き付けてワーク上にオイルが被覆された被覆部を生成するように第１ポンプを制御した後、第１レーザ光と第２レーザ光とを被覆部に照射するとともに、第１レーザ光によって溶融されたワークにガスを吹き付けることで被覆部にピアス穴をあけるように、少なくとも１つのレーザ発振器と第２ポンプを制御するように構成される。被覆部のうち第１レーザ光が照射される中央部分でのレーザ出力密度が第１レーザ出力密度となり、被覆部のうち第２レーザ光が照射される周辺部分でのレーザ出力密度が第１レーザ出力密度よりも小さい第２レーザ出力密度となり、被覆部のうちの中央部分と周辺部分との間の境界部分でのレーザ出力密度が第２レーザ出力密度よりも小さい第３レーザ出力密度となる。
　本開示の第１０態様によれば、第９態様によるレーザ加工機は、制御回路が第１レーザ光によって溶融されたワークがガスによってピアス穴の周辺に飛び散らされたスパッタにさらにガスを吹き付けるように、移動機構及び第２ポンプを制御するように構成される。なお、スパッタにガスを吹き付ける向きは、溶融させたワークを飛び散らすためのガスを吹き付ける向きと異なることが望ましい。
　本開示の第１１態様によれば、第１０態様によるレーザ加工機は、制御回路がピアス穴を取り囲む円に沿ってトーチを動かしてピアス穴の周囲にガスを吹き付けるように移動機構及び第２ポンプを制御するように構成される。
　本開示の第１２態様によれば、第９態様から第１１態様のいずれかによるレーザ加工機は、第２レーザ出力密度が第１レーザ光によって溶融されたワークがガスによってピアス穴の周囲に飛び散らされたスパッタがピアス穴を形成する被加工ワークに固着して凝固しない程度に第２レーザ光がワークを加熱可能な程度のレーザ出力密度であるように構成される。第１レーザ光によって複数のスパッタが生じた場合、複数のスパッタのうちの少なくとも１つのスパッタが被加工ワークに固着して凝固しない程度に第２レーザ光がワークを加熱可能な程度のレーザ出力密度であってもよい。このような場合、第２態様または第３態様のガスによって複数のスパッタのうちの少なくとも１つのスパッタが飛ぶ程度に第２レーザ光がワークを加熱可能な程度のレーザ出力密度であることが望ましい。また、第２態様または第３態様のガスによって複数のスパッタのうちの全てのスパッタが飛ぶ程度に第２レーザ光がワークを加熱可能な程度のレーザ出力密度であることがさらに望ましい。複数のスパッタのうちの全てのスパッタが被加工ワークに固着して凝固しない程度に第２レーザ光がワークを加熱可能な程度のレーザ出力密度であることがさらに望ましい。　　　　
　本開示の第１３態様によれば、第９態様から第１２態様のいずれかによるレーザ加工機は、第１レーザ出力密度が、周辺部分の外側を穿孔しない程度に第１レーザ光がワークを加熱可能な程度のレーザ出力密度であって、第２レーザ出力密度が、周辺部分の外側を穿孔しない程度に第２レーザ光がワークを加熱可能な程度のレーザ出力密度であるように構成される。
　本開示の第１４態様によれば、第１３態様によるレーザ加工機は、第２レーザ出力密度が、周辺部分の外側にスパッタを生じさせない程度に第２レーザ光がワークを加熱可能な程度のレーザ出力密度であるように構成される。
　本開示の第１５態様によれば、第９態様から第１４態様のいずれかによるレーザ加工機では、少なくとも１つのレーザ発振器は、レーザ光を発する１つのレーザ発振器を備える。当該レーザ加工機は、レーザ光の一部が第１透過部に入射し、レーザ光の別の一部が第２透過部に入射するように、１つのレーザ発振器のレーザ光の発する向きが調整されるように構成される。
　第１態様に係るレーザピアッシング方法は、ピアス穴を空けた第１レーザ出力密度よりも低い第２レーザ出力密度を有する第２レーザ光によって、スパッタの根元部分を加熱する。これによって、スパッタの根元部分がピアス穴の周辺部を形成するワークと固着することを抑止し、スパッタを容易に除去することができる。第９態様のレーザ加工機は、第２レーザ出力密度を有する第２レーザ光によって、スパッタの根元部分を加熱することが可能である。
　第２態様に係るレーザピアッシング方法と、第１０態様のレーザ加工機では、根元部分が加熱により固着が抑止されたスパッタをガスによって容易に除去することができる。
　第３態様に係るレーザピアッシング方法と、第１１態様のレーザ加工機では、スパッタの外側から根元部分に向けてガスを吹き付けることができるので、より多くのスパッタをガスによって除去することができる。
　第４態様に係るレーザピアッシング方法と、第１２態様のレーザ加工機では、根元部分が固着されていないスパッタをガスによって容易に除去することができる。
　第２レーザ光が当たっている加熱領域の外側を穿孔してしまうと、それによって生じたスパッタの根元部分を直接第２レーザ光によって加熱することができず、根元部分が冷えて固着してしまう。第５態様に係るレーザピアッシング方法では、加熱領域の外側を穿孔しない程度に第２レーザ光によってワークを加熱するため、そのようなリスクが低減される。また、第２レーザ光が微弱であるか、加熱領域が穿孔領域に対して小さいことにより第１レーザ光によって加熱領域の外側を穿孔してしまうと、同様の問題が生じる。第６態様に係るレーザピアッシング方法では、加熱領域の外側を穿孔しない程度に第１レーザ光によってワークを加熱するため、そのようなリスクがさらに低減される。第１３態様のレーザ加工機では、加熱領域の外側を穿孔しない程度に第１レーザ光と第２レーザ光によってワークを加熱するため、上述するリスクが低減される。
　加熱領域の外側を穿孔しなくても、第２レーザ光が当たっている領域の外側のピアス穴の周辺部の一部を第２レーザ光が溶融してしまい、アシストガスによって飛び散らされてしまうと、そのように形成されたスパッタの根元部分を直接第２レーザ光によって加熱することができず、根元部分が冷えて固着してしまう。第７態様に係るレーザピアッシング方法と、第１４態様のレーザ加工機では、加工領域の外側にスパッタを生じさせない程度に第２レーザ光によってワークを加熱するため、そのようなリスクが低減される。
　第８態様に係るレーザピアッシング方法、第１５態様のレーザ加工機は、１つのレーザ発振器によって第１レーザと第２レーザを生成するため、製造コストを低減することができる。
　本願に開示される技術によれば、ピアッシングにより発生するスパッタの根元部分が凝固することを抑止し、加工品質を向上させるためのレーザピアッシング方法、及び、レーザ加工機を提供することができる。
図１は、実施形態に係るレーザ加工機の外観構成を示す図である。 図２は、実施形態に係るレーザ加工機のレーザヘッドの断面図である。 図３は、実施形態に係る光ファイバーの内部構成図である。 図４Ａは、実施形態にかかるレーザ光の出力例を示す。 図４Ｂは、実施形態にかかるレーザ光の出力例を示す。 図４Ｃは、実施形態にかかるレーザ光の出力例を示す。 図５は、実施形態にかかるピアッシング方法を示す模式図である。 図６は、実施形態にかかるピアッシング方法を示す別の模式図である。 図７は、実施形態にかかるトーチから先のレーザ光の模式図である。 図８Ａは、実施形態にかかる望ましくないピアッシング方法の例である。 図８Ｂは、実施形態にかかる望ましくないピアッシング方法の例である。 図９は、実施形態にかかるピアッシング方法を示すフローチャートである。 図１０は、検証実験の結果を示す。
　以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。なお、図中において同じ符号は、対応するまたは実質的に同一の構成を示している。
＜実施形態＞
＜レーザ加工機１の構成＞
　図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工機１の外観構成を示す概略構成図である。図１に示すＸ軸は、レーザ加工機１の奥行方向に沿い、Ｙ軸は、レーザ加工機１の幅方向に沿い、Ｚ軸は、レーザ加工機１の高さ方向に沿っている。以下、Ｘ軸、Ｙ軸、及び、Ｚ軸に沿う方向を、それぞれＸ方向、Ｙ方向、及び、Ｚ方向と呼称する。図１に示されるように、レーザ加工機１は、台座(base)１０、第１ガイドレール１１、コラム１２、第２ガイドレール１３、サドル１４、ノズル１５、第１ポンプ１６、レーザヘッド(laser head)２０、少なくとも１つのレーザ発振器３０、光ファイバー４０、及び、数値制御装置（numerical control apparatus）６を備える。レーザ加工機１は、台座１０上の板金（metal plate）ＭＰを加工するための装置である。板金ＭＰは、例えば、軟鋼、ＳＵＳ、アルミニウム鋼、真鍮、銅である。なお、板金ＭＰのことをワークＷと呼称してもよい。台座１０は、複数の突条（elongated projections）を備えてもよい。台座１０上のＹ方向の両端には、Ｙ方向に沿って一対の第１ガイドレール１１が取付けられており、第１ガイドレール１１上には、コラム１２が第１ガイドレール１１上を移動自在に取り付けられている。コラム１２は、例えば、第１ガイドレール１１とコラム１２とのいずれかに設けられたモータなどの駆動装置Ｄ１による駆動力によって、第１ガイドレール１１上を移動する。
　コラム１２には、Ｘ軸に直交するＹ軸に沿って第２ガイドレール１３が設けてあり、サドル１４がＹ方向に移動自在に取り付けられる。サドル１４は、例えば、第２ガイドレール１３とサドル１４とのいずれかに設けられたモータなどの駆動装置Ｄ２による駆動力によって、第２ガイドレール１３上を移動する。図示していないが、コラム１２は蛇腹状のカバーで覆われてもよい。サドル１４には、Ｘ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸に沿うＺ方向に移動自在にレーザヘッド２０が取り付けられる。レーザヘッド２０は、例えば、サドル１４とレーザヘッド２０とのいずれかに設けられたモータなどの駆動装置Ｄ３による駆動力によって、サドル１４上を移動する。レーザヘッド２０は、台座１０上の板金ＭＰを加工するように構成されている。レーザヘッド２０は、少なくとも１つのレーザ発振器３０から送られてくるレーザ光が導入される光学系を備える。レーザヘッド２０は、レーザ加工のためのトーチ２８を含む。
　ノズル１５は、後述するレーザヘッド２０によってレーザが照射する前にワークＷにオイルを噴射するように構成される。第１ポンプ１６は、ノズル１５にオイルを送るように構成される。オイルは、図示しないオイルタンクに貯留される。図１では、ノズル１５及び第１ポンプ１６は、サドル１４に取り付けられている例が挙げられているが、台座１０に取り付けられてもよい。少なくとも１つのレーザ発振器３０は、板金ＭＰを加工するためのレーザ光を出力する。光ファイバー４０は、少なくとも１つのレーザ発振器３０から出力されたレーザ光をレーザヘッド２０に供給するために、少なくとも１つのレーザ発振器３０とレーザヘッド２０とを伸縮自在に接続する。光ファイバー４０は、少なくとも１つのレーザ発振器３０からのレーザ光を受ける第１端４０ａと、その反対の第２端４０ｂとを有する。数値制御装置６は、ハードウェアプロセッサやメモリなどを含む制御回路７を有する。制御回路７は、板金ＭＰを加工するように、少なくとも１つのレーザ発振器３０と、駆動装置Ｍ１～Ｍ３と、第１ポンプ１６とを制御するように構成される。以降の実施形態において、駆動装置Ｄ１～Ｄ３を総称して移動機構（transfer mechanism）ＴＭと呼ぶ。移動機構ＴＭは、トーチ２８を移動させるように構成される。
　図２は、実施形態に係るレーザ加工機１のレーザヘッド２０の断面図である。図２は、レーザヘッド２０の光学系を説明するために、トーチ２８から照射されるレーザ光の光軸ＲＺを通る切断面でレーザヘッド２０を切断した断面図を示している。図２を参照すると、レーザヘッド２０は、ヘッド本体２１と、上部ユニット２２と、下部ユニット２３とを有する。上部ユニット２２は、ヘッド本体２１に取り付けられる。上部ユニット２２は、コネクタ２５と、ミラー２６とを含む。コネクタ２５は、光ファイバー４０の第２端４０ｂをレーザヘッド２０に取り付けるためのコネクタである。なお、光ファイバー４０がコネクタ２５にミラー２６は、コネクタ２５から出力されたレーザ光を下部ユニット２３に向けて反射させる。
　下部ユニット２３は、ヘッド本体２１に取り付けられる。下部ユニット２３は、光ファイバー４０の第２端４０ｂに対向して設けられ、光ファイバー４０を透過して出るレーザ光をワークＷに向けて絞るように構成されるレンズ２４を備える。つまり、レーザ加工機１は、レンズ２４を備える。なお、図２には示されていないが、コネクタ２５とレンズ２４との間には、光ファイバー４０の第２端４０ｂから出た光を絞るための別途のレンズが設けられてもよい。下部ユニット２３の先端にはトーチ２８が取り付けられる。上部ユニット２２、ヘッド本体２１、下部ユニット２３、及び、トーチ２８には、レーザ光を通すための光路２７が設けられている。
　図２に示されるように、レーザ加工機１は、ヘッド本体２１に第２ポンプ１７を備える。第２ポンプ１７は、トーチ２８にガスを送るように構成される。制御回路７は、第２ポンプ１７を制御するように構成される。このガスは、例えば、ワークＷの溶融を促進するための酸素ガスであるが、空気、窒素ガス、アルゴンガスであってもよい。以降の実施形態では、第２ポンプから送られるガスをアシストガスＡＧと呼ぶ。アシストガスＡＧは、ガスストレージ１８（図１参照）に貯留されており、ガス供給路１９を介して、トーチ２８に送られる。トーチ２８は、ガス供給路１９を接続するためのコネクタ２９を備える。トーチ２８は、レンズ２４によって絞られた光と、ワークＷに吹き付けるためのガスとが通過する開口２８ｈを有する。
　図３は、実施形態に係る光ファイバー４０の内部構成図である。光ファイバー４０は、第１透過部４２と、第２透過部４４と、リフレクタ４６と、追加リフレクタ４８とを含む。第１透過部４２は、円柱状であって、レーザ光を透過するように構成される。リフレクタ４６は、第１透過部４２の外周を覆うチューブ状の部材で、第１透過部４２との界面でレーザ光を反射するように構成される。第２透過部４４は、リフレクタ４６の外周を覆うチューブ状の部材で、レーザ光を透過するように構成される。別の言い方をすれば、第２透過部４４は、第１透過部４２の周囲に設けられる。リフレクタ４６は、第１透過部４２と第２透過部４４との間に設けられる。リフレクタ４６は、第２透過部４４との界面でレーザ光を反射するように構成される。追加リフレクタ４８は、第２透過部４４の外周を覆うチューブ状の部材で、第２透過部４４との界面でレーザ光を反射するように構成される。
　図４Ａ～４Ｃは、実施形態にかかるレーザ光ＲＬの出力例を示す。本実施形態では、少なくとも１つのレーザ発振器３０は、レーザ光ＲＬを発する１つのレーザ発振器３０Ａを備える。レーザ発振器３０Ａは、レーザ発振器３０Ａが出力するレーザ光ＲＬの光軸Ａｘ１と光ファイバー４０の中心軸Ａｘ２との位置関係を図４Ａ～４Ｃに示されるように変更可能なように構成されている。図４Ａは、レーザ光ＲＬの光軸Ａｘ１と光ファイバー４０の中心軸Ａｘ２とを一致させた場合の例を示す。図４Ｂは、レーザ光ＲＬの光軸Ａｘ１をリフレクタ４６からやや内側に向けた例を示す。図４Ｃは、レーザ光ＲＬの光軸Ａｘ１を第２透過部４４の中央付近に向けた例を示す。
　図４Ａ～４Ｃは、光ファイバー４０の図の右側に、レーザ出力密度の大きさを示す。図４Ａ～４Ｃでは、グラフの線が右に行くほどレーザ出力密度が大きいことを示す。図４Ａでは、第２透過部４４にはレーザ光ＲＬが入射されていないため、レーザ出力密度が光ファイバー４０の中心軸Ａｘ２付近が最大でなだらかに低下している。図４Ｂでは、光ファイバー４０が十分に長い場合、リフレクタ４６、追加リフレクタ４８での乱反射の影響で、レーザ出力密度が光ファイバー４０の中心軸Ａｘ２付近と、第２透過部４４の中央付近との２つのピークがある場合を示している。しかも、光ファイバー４０の中心軸Ａｘ２付近のピークのほうが、第２透過部４４の中央付近のピークよりも大きい。図４Ｃでは、第１透過部４２にはレーザ光ＲＬがほとんど入射されていないため、第２透過部４４の中央付近のみにピークがある、もしくは、第２透過部４４の中央付近のピークのほうが光ファイバー４０の中心軸Ａｘ２付近のピークよりも大きい。
　本実施形態では、レーザ発振器３０Ａを図４Ｂのような位置に位置決めして、第１透過部４２のレーザ出力密度を、第２透過部４４のレーザ出力密度よりも大きくする。つまり、レーザ光ＲＬの一部が第１透過部４２に入射し、レーザ光ＲＬの別の一部が第２透過部４４に入射するように、１つのレーザ発振器３０Ａのレーザ光ＲＬの発する向きが調整される。別の言い方をすれば、レーザ光ＲＬの一部が第１透過部４２に入射し、レーザ光ＲＬの別の一部が第２透過部４４に入射するように、１つのレーザ発振器３０Ａからレーザ光ＲＬを発することによって、第１レーザ光ＲＬ１と第２レーザ光ＲＬ２とを生成する。以降の実施形態では、第１透過部４２から出力されるレーザ光を第１レーザ光ＲＬ１と呼称し、第２透過部４４から出力されるレーザ光を第２レーザ光ＲＬ２と呼称する。したがって、少なくとも１つのレーザ発振器３０は、第１レーザ光ＲＬ１と第２レーザ光ＲＬ２とを発するように構成される。第１透過部４２は、第１レーザ光ＲＬ１を伝達する。第２透過部４４は、第２レーザ光ＲＬ２を伝達する。
　図５は、実施形態にかかるピアッシング方法を示す模式図である。本実施形態では、図５に示されるように、制御回路７は、ワークＷにオイルＯＩＬを吹き付けてワークＷ上にオイルＯＩＬが被覆された被覆部（coating portion）ＷＣＰを生成するように第１ポンプ１６を制御した後、第１レーザ光ＲＬ１と第２レーザ光ＲＬ２とを被覆部ＷＣＰに照射するとともに、第１レーザ光ＲＬ１によって溶融されたワークＭＥＷにガス（アシストガスＡＧ）を吹き付けることでワークＷにピアス穴ＰＨをあけるように、少なくとも１つのレーザ発振器３０と第２ポンプ１７とを制御するように構成される。特に、制御回路７は、溶融されたワークＭＥＷにガス（アシストガスＡＧ）を吹き付けた際にピアス穴ＰＨの周囲に飛び散るスパッタＳＰＴの根元部分ＲＴを加熱するように第２レーザ光ＲＬ２を制御するように構成される。溶融されたワークＭＥＷとは、加熱されることによってアシストガスＡＧによって飛び散る程度まで粘度が低下されている状態のワークＷをいう。根元部分ＲＴとは、ピアス穴ＰＨを形成する被加工ワークＭＡＷとオイルＯＩＬを介さずに接しているスパッタＳＰＴの部分をいう。
　図６は、実施形態にかかるピアッシング方法を示す別の模式図である。本実施形態では、図６に示されるように、制御回路７は、第１レーザ光ＲＬ１によって溶融されたワークＭＥＷがガス（例えば、アシストガスＡＧ）によってピアス穴ＰＨの周囲に飛び散らされたスパッタＳＰＴにさらにガス（例えば、アシストガスＡＧ）を吹き付けるように、移動機構ＴＭ及び第２ポンプ１７を制御するように構成される。なお、このガスの吹き付けの向きは、溶融されたワークＭＥＷに吹き付ける向きと異なる。また、この際に吹き付けられるガスは、溶融されたワークを飛び散らすためのガスと異なるものであってもよい。具体的には、図６に示されるように、制御回路７は、ピアス穴ＰＨを取り囲む円ＣＩＲに沿ってトーチ２８を動かしてピアス穴ＰＨの周囲にガス（例えば、アシストガスＡＧ）を吹き付けるようにＴＭ及び第２ポンプ１７を制御するように構成される。
　図７は、実施形態にかかるトーチ２８から先のレーザ光ＲＬの模式図である。図７に示されるように、レーザ光ＲＬは、焦点位置ＦＰで最も絞られ、被覆部ＷＣＰの表面では少し広がった状態で入射される。ここで、被覆部ＷＣＰのうちの第１レーザ光ＲＬ１が照射される部分を中央部分ＣＰと呼び、第２レーザ光ＲＬ２が照射される部分を周辺部分ＰＰと呼ぶ。周辺部分ＰＰは、レーザ光ＲＬの光軸ＲＺに対する径方向において中央部分ＣＰを取り囲む。中央部分ＣＰと周辺部分ＰＰの境界は、光ファイバー４０のリフレクタ４６、４８からレーザ光から仮想的に出射されたとしてワークＷに届く位置を基準に定めることができる。なお、アシストガスＡＧは、図７に示されるように、中央部分ＣＰと周辺部分ＰＰとの両方に届くようにトーチ２８から噴射される。
　ここで、中央部分ＣＰにおける第１レーザ光ＲＬ１のレーザ出力密度を第１レーザ出力密度と呼称し、周辺部分ＰＰにおける第２レーザ光ＲＬ２のレーザ出力密度を第２レーザ出力密度と呼称する。第１レーザ出力密度のほうが第２レーザ出力密度よりも大きい。また、図４Ｂの原理により、被覆部ＷＣＰのうちの中央部分ＣＰと周辺部分ＰＰとの間の境界部分ＢＰでのレーザ出力密度を第３レーザ出力密度と呼称する。第３レーザ出力密度は、第１レーザ出力密度と第２レーザ出力密度よりも小さい。
　なお、第１レーザ光ＲＬ１と第２レーザ光ＲＬ２との広がりの関係で、第１レーザ出力密度～第３レーザ出力密度は、ワークＷの上面ＷＴＰと、ワークＷの下面ＷＢＰとでは異なる。具体的には、ワークＷの上面ＷＴＰにおける中央部分ＣＰの径は、ワークＷの下面ＷＢＰにおける中央部分ＣＰの径よりも小さい。ワークＷの上面ＷＴＰにおける周辺部分ＰＰの径ＤＢＴは、ワークＷの下面ＷＢＰにおける周辺部分ＰＰの径ＤＢＢよりも小さい。このため、ワークＷの上面ＷＴＰにおける第１レーザ出力密度～第３レーザ出力密度のほうが、ワークＷの下面ＷＢＰにおける第１レーザ出力密度～第３レーザ出力密度よりも大きい。なお、ミクロに見た場合、同じ平面上の中央部分ＣＰ、周辺部分ＰＰ、及び、境界部分ＢＰの中でもレーザ出力密度が高い場所と低い場所があるが、本実施形態において説明される第１レーザ出力密度～第３レーザ出力密度の値は、リフレクタ４６、４８の仮想的な光路に基づいて定められる中央部分ＣＰ、周辺部分ＰＰ、及び、境界部分ＢＰを領域全体において平均した値である。
　本実施形態では、第１レーザ出力密度～第３レーザ出力密度は、ワークＷの上面ＷＴＰと下面ＷＢＰとの間の中心面ＣＴＰを断面とするときの、中央部分ＣＰの断面部分、周辺部分ＰＰの断面部分、及び、境界部分ＢＰの断面部分におけるレーザ出力密度の平均値とする。また、トーチ２８が光軸ＲＺに沿う方向（Ｚ方向）に移動しながらピアス穴ＰＨを空けるときは、平均のレーザ出力密度を、第１レーザ出力密度～第３レーザ出力密度と定義する。図７の例では、中央部分ＣＰの中心面ＣＴＰの断面の直径ＤＣＣを、直径とする円筒形状とみなしてよく、周辺部分ＰＰの中心面ＣＴＰの断面の外径ＤＢＣ、内径ＤＣＣを、外径、内径とするチューブ形状とみなしてよい。
　第１レーザ出力密度及び第２レーザ出力密度は、少なくとも１つのレーザ発振器３０（レーザ発振器３０Ａ）の出力、レーザ光ＲＬの光軸Ａｘ１と光ファイバー４０の中心軸Ａｘ２とのずれＤＸ（図４Ｂ参照）、及び、焦点位置ＦＰと被覆部ＷＣＰとの距離ＬＷとによって決定される。制御回路７は、これらの値を調整するように少なくとも１つのレーザ発振器３０やトーチ２８の位置を制御することが可能である。本実施形態では、第１レーザ出力密度及び第２レーザ出力密度は、以下の条件を具備する。
［条件１］第１レーザ出力密度と第２レーザ出力密度は、第１レーザ光ＲＬ１と第２レーザ光ＲＬ２とによって中央部分ＣＰが穿孔される程度に定められる。これは、第１レーザ光ＲＬ１と第２レーザ光ＲＬ２とがあるレーザ光ＲＬをワークＷに照射した際に中央部分ＣＰが穿孔されるか否かで識別される。なお、第１レーザ出力密度と第２レーザ出力密度は、アシストガスＡＧによってもワークＷが加熱されることも考慮して定められてもよい。
［条件２］第１レーザ出力密度は、周辺部分ＰＰの外側を穿孔しない程度に第１レーザ光ＲＬ１がワークＷを加熱可能な程度のレーザ出力密度である。第１レーザ光ＲＬ１の出力が強すぎて周辺部分ＰＰの外側を溶融してしまうか、周辺部分ＰＰが小さすぎる場合に成立しない。図８Ａのように、第１レーザ光ＲＬ１が周辺部分ＰＰの外側を穿孔してしまうと、第２レーザ光ＲＬ２によってスパッタＳＰＴの根元部分ＲＴを加熱することができない。そうすると、スパッタＳＰＴの根元部分ＲＴが凝固してしまい、被加工ワークＭＡＷと固着してしまう。第１レーザ出力密度は、そのような状態を抑止するように定められる。また、第１レーザ出力密度は、アシストガスＡＧによってもワークＷが加熱されることも考慮して定められてもよい。
［条件３］第２レーザ出力密度は、周辺部分ＰＰの外側を穿孔しない程度に第２レーザ光ＲＬ２がワークＷを加熱可能な程度のレーザ出力密度である。第２レーザ光ＲＬ２の出力が強すぎて周辺部分ＰＰの外側を溶融してしまう場合に成立しない。この条件も図８Ａのように第２レーザ光ＲＬ２によってスパッタＳＰＴの根元部分ＲＴを加熱することができず、スパッタＳＰＴの根元部分ＲＴが凝固してしまい、被加工ワークＭＡＷと固着してしまう状態を抑止するために設けられる。この場合において、第２レーザ出力密度は、第１レーザ光ＲＬ１やアシストガスＡＧによってもワークＷが加熱されることも考慮して定められてもよい。
［条件４］第２レーザ出力密度は、第１レーザ光ＲＬ１によって溶融されたワークＭＥＷがガス（アシストガスＡＧ）によってピアス穴ＰＨの周囲に飛び散らされたスパッタＳＰＴがピアス穴ＰＨを形成する被加工ワークＭＡＷに固着して凝固しない程度に第２レーザ光ＲＬ２がワークＷを加熱可能な程度のレーザ出力密度である。第２レーザ出力密度が弱すぎて、スパッタＳＰＴの根元部分ＲＴが被加工ワークＭＡＷに固着してしまうと、その後に図６のようにガス（アシストガスＡＧ）を吹き付けたとしても、スパッタＳＰＴを被加工ワークＭＡＷから取り除くことはできない。この場合において、第２レーザ出力密度は、第１レーザ光ＲＬ１やアシストガスＡＧによってもワークＷが加熱されることも考慮して定められてもよい。
［条件５］第２レーザ出力密度は、周辺部分ＰＰの外側にスパッタを生じさせない程度に第２レーザ光ＲＬ２がワークを加熱可能な程度のレーザ出力密度である。第２レーザ出力密度は、周辺部分ＰＰの外側を穿孔するほど、高くはない。しかし、第２レーザ出力密度は、図８Ｂに示されるように、第２レーザ光ＲＬ２が周辺部分ＰＰの外側の一部を溶融させて、その溶融されたワークＭＥＷの粘度がアシストガスＡＧによって飛び散らされる程度のレーザ出力密度よりは低い。図８Ｂのような状態では、第２レーザ光ＲＬ２によってスパッタＳＰＴの根元部分ＲＴを加熱することができず、スパッタＳＰＴの根元部分ＲＴが凝固してしまい、被加工ワークＭＡＷと固着してしまう。第２レーザ出力密度は、そのような状態を抑止するように定められる。この場合においても、第２レーザ出力密度は、第１レーザ光ＲＬ１やアシストガスＡＧによってもワークＷが加熱されることも考慮して定められてもよい。
　図９は、実施形態にかかるレーザピアッシング方法のフローチャートである。ステップＳ１において、当該方法は、ワークＷにオイルＯＩＬを吹き付けて、ワークＷ上にオイルＯＩＬが被覆された被覆部ＷＣＰを生成する。ステップＳ２において、当該方法は、レーザ光ＲＬのレーザ出力密度が、被覆部ＷＣＰのうちのレーザ光ＲＬが照射される中央部分ＣＰにおいて第１レーザ出力密度となり、被覆部ＷＣＰのうちの中央部分ＣＰの周囲の周辺部分ＰＰにおいて第１レーザ出力密度よりも小さい第２レーザ出力密度となり、被覆部ＷＣＰのうちの中央部分ＣＰと周辺部分ＰＰとの間の境界部分ＢＰにおいて第１レーザ出力密度と第２レーザ出力密度とよりも小さい第３レーザ出力密度となって、ワークＷ上の目標の位置に中央部分ＣＰが合致するようにトーチ２８をワークＷに対して位置決めする。
　ステップＳ３において、当該方法は、トーチ２８からアシストガスＡＧを位置決めされたワークＷの中央部分ＣＰに向けて噴射する。ステップＳ４において、当該方法は、［条件１］～［条件５］を具備するように、レーザ光ＲＬの光軸Ａｘ１と光ファイバー４０の中心軸Ａｘ２とのずれＤＸと、レーザ発振器３０Ａの出力とを調整して、被覆部ＷＣＰに向けてレーザ光ＲＬを照射する。これによって、当該方法によって、中央部分ＣＰに照射される第１レーザ光ＲＬ１によって被覆部ＷＣＰ内のワークＷを溶融させて、溶融させたワークＭＥＷにガス（アシストガスＡＧ）を吹き付けて溶融させたワークＭＥＷを中央部分ＣＰの周囲に飛び散らすことによって被覆部ＷＣＰにピアス穴ＰＨをあけることができる。具体的には、当該方法は、周辺部分ＰＰの外側を穿孔しない程度に第１レーザ光ＲＬ１によって被覆部ＷＣＰ内のワークＷを溶融させる。
　また、当該方法は、周辺部分ＰＰに照射される第２レーザ光ＲＬ２によって、ピアス穴ＰＨを形成する被加工ワークＭＡＷとオイルＯＩＬを介さずに接している、飛び散らされたワークＷであるスパッタＳＰＴの根元部分ＲＴを加熱する。具体的には、当該方法は、スパッタＳＰＴが被加工ワークＭＡＷに固着して凝固しない程度に第２レーザ光ＲＬ２によってスパッタＳＰＴを加熱する。当該方法は、周辺部分ＰＰの外側を穿孔しない程度に第２レーザ光ＲＬ２によってワークＷを加熱する。当該方法は、周辺部分ＰＰの外側にスパッタＳＰＴを生じさせない程度に第２レーザ光ＲＬ２によってワークＷを加熱する。
　ステップＳ５において、当該方法は、スパッタＳＰＴの根元部分ＲＴを加熱した後に、根元部分ＲＴの外側から根元部分ＲＴを取り囲む円に沿ってガス（アシストガスＡＧ）を吹き付けるトーチ２８を動かす。このとき、スパッタＳＰＴを浮かせるために、トーチ２８を上げ下げするなどの動作が含まれてもよい。ステップＳ６において、当該方法は、レーザ光ＲＬを照射せず、トーチ２８から根元部分ＲＴの周囲にガス（アシストガスＡＧ）を吹き付ける。これによって、当該方法は、スパッタＳＰＴにガス（アシストガスＡＧ）を吹き付けることによってスパッタＳＰＴを被加工ワークＭＡＷから取り除く。
＜検証実験＞
　上述するレーザピアッシング方法の有効性及び上述する条件の有効性を検証するために以下のような検証実験を行った。実験に使用した板金ＭＰは、板厚が９．０ｍｍのＳＳ４００鋼である。トーチ２８の位置は、焦点位置から８．５ｍｍの高さにワークＷの上面ＷＴＰが位置するように調整されている。焦点位置において、第１レーザ光ＲＬ１が通過する領域Ｒ１の径ＤＣ（図７参照）は、０．２３４ｍｍ、第２レーザ光ＲＬ２が通過する領域Ｒ２の径ＤＰ（図７参照）は、０．８０６ｍｍである。ワークＷの中心面ＣＴＰにおける中央部分ＣＰの径ＤＣＣは１．０６６ｍｍ、ワークＷの中心面ＣＴＰにおける周辺部分ＰＰの径ＤＢＣは１．４９２ｍｍである。事前準備として、図４Ａのようにレーザ光ＲＬの光軸Ａｘ１を位置決めした上で、レーザ発振器３０Ａは、１０００Ｗのデューティー比１５％で０．１秒加熱することによってポンチ穴を空ける。その後、光軸Ａｘ１と中心軸Ａｘ２とのずれＤＸを変えて、レーザ発振器３０Ａに９０００Ｗで、デューティー比２５％のレーザ光ＲＬを出力させた。なお、ステップＳ３において噴射されるアシストガスの風圧は、０．４ＭＰａである。
　図１０は、ずれＤＸに対応する第１透過部４２と第２透過部４４との出力比を変化させながらピアッシングをした際のピアス穴の径（直径）と、ピアス痕の画像とを示す。また、図１０のピアス痕の画像及びピアス穴の径は、ステップＳ４までの処理を行った結果を示す。サンプル　１～９は、いずれも穴径が１．１ｍｍよりも大きいピアス穴を生成できているので、［条件１］を具備している。サンプル　５～９は、いずれも穴径が１．４ｍｍよりも大きいピアス穴を生成しており、サンプル　４よりも第１レーザ出力密度が小さいことを考慮すると、［条件３］を具備していない例を示す。サンプル　０は、実質的に第２レーザ出力密度が小さいので［条件４］を具備していない例を示す。
　サンプル　１～３は、サンプルの値が大きくなるにつれ、根元部分ＲＴが理想的に加熱されるスパッタＳＰＴの数が増え、それらのスパッタがステップＳ３において噴射されるアシストガスによって除去されたことによって、スパッタＳＰＴの数が減少していく例を示している。サンプル　１～３では、［条件１］～［条件５］は具備されており、サンプルを表す値が大きくなるにつれ、［条件４］をより理想的な状態で具備していることを示す。サンプル　３は、［条件４］をより理想的な状態で具備したものであって、ステップＳ３において噴射されるアシストガスの風圧のみによってスパッタＳＰＴが除去できるほど、スパッタＳＰＴの根元部分の強度を低くすることができる。
　サンプル　４では、第２レーザ出力密度が上昇したことにより、［条件５］を具備しなくなり、図８Ｂのような状態が生じたため、ステップＳ３において噴射されるアシストガスによって除去できなくなったスパッタが残ってしまった。なお、サンプル　４においても、上記の実験結果のようにスパッタが除去できるとは限らないため、後でステップＳ５、６を実行することによってスパッタＳＰＴを完全に除去することができる。
　以上に示すように、［条件１］～［条件３］の具備については、実際に穿孔されたピアス穴の径と、理論的に求められたワークＷにおける中央部分ＣＰの径、周辺部分ＰＰの径との比較によって確認できる。［条件２］［条件３］にかかる周辺部分ＰＰの外側にあるか否かの判定は、合理的な計測誤差、理論上の値と実測値との合理的な差を考慮に入れ、そのような差を考慮にいれても周辺部分ＰＰの外側にあると明らかに言える場合に［条件２］または［条件３］を具備しないとする。
　［条件４］の具備については、第２レーザ出力密度を実質的に０とした場合のスパッタ量とを比較して、スパッタ量が減少しているか否かで確認できる。ここでいう第２レーザ出力密度を実質的に０とした場合とは、レーザ発振器３０Ａが出力するレーザ光ＲＬの光軸Ａｘ１と光ファイバー４０の中心軸Ａｘ２とを一致させてレーザ光ＲＬを同じ出力で出力した場合を意味する。あるいは、少なくとも１つのレーザ発振器３０が第１レーザ光ＲＬ１を出力するレーザ発振器と第２レーザ光ＲＬ２を出力するレーザ発振器との２つのレーザ発振器から成るときは、第１レーザ光ＲＬ１を出力するレーザ発振器の出力を変えずに、第２レーザ光ＲＬ２を出力するレーザ発振器の出力を０とした場合を意味する。
　［条件５］の具備については、ピアス穴の径が変わらなくても、第２レーザ出力密度を段階的に上げていったときに、１つ前の段階のスパッタ量に対してスパッタ量が増加しているかどうかで判定することができる。
＜本実施形態におけるレーザピアッシング方法の特徴及び効果＞
　本実施形態にかかるレーザピアッシング方法及びレーザ加工機１は、周辺部分ＰＰに照射される第２レーザ光ＲＬ２によって、ピアス穴ＰＨを形成する被加工ワークＭＡＷとオイルＯＩＬを介さずに接している、飛び散らされたワークＷであるスパッタＳＰＴの根元部分ＲＴを加熱する。このため、レーザピアッシング方法及びレーザ加工機１は、根元部分ＲＴが凝固することを抑止し、スパッタＳＰＴの除去を容易にし、加工品質を向上させることができる。
＜変形例＞
　上述の実施形態では、少なくとも１つのレーザ発振器３０は、レーザ光を発する１つのレーザ発振器３０Ａを備える場合を示しているが、第１レーザ光と、第２レーザ光が異なるレーザ発振器から発せられたレーザ光であってもよい。また、ステップＳ５に示すトーチ２８の動かし方は円ＣＩＲに限らず、楕円であってもよく、回転中にトーチ２８をワークＷに近づけたり離したりしてもよい。
　上述の実施形態では、板金ＭＰを加工するレーザ加工機１を挙げているが、パイプなどを加工するレーザ加工機にも適用できる。その場合、レーザヘッド２０は、３次元加工が可能なようにＸ軸、Ｙ軸それぞれに平行な回転軸周りに回動可能であってもよい。
　本願においては、「備える」およびその派生語は、構成要素の存在を説明する非制限用語であり、記載されていない他の構成要素の存在を排除しない。これは、「有する」、「含む」およびそれらの派生語にも適用される。
　「～部材」、「～部」、「～要素」、「～体」、および「～構造」という文言は、単一の部分や複数の部分といった複数の意味を有し得る。
　「第１」や「第２」などの序数は、単に構成を識別するための用語であって、他の意味（例えば特定の順序など）は有していない。例えば、「第１要素」があるからといって「第２要素」が存在することを暗に意味するわけではなく、また「第２要素」があるからといって「第１要素」が存在することを暗に意味するわけではない。
　程度を表す「実質的に」、「約」、および「およそ」などの文言は、実施形態に特段の説明がない限りにおいて、最終結果が大きく変わらないような合理的なずれ量を意味し得る。本願に記載される全ての数値は、「実質的に」、「約」、および「およそ」などの文言を含むように解釈され得る。
　本願において「Ａ及びＢの少なくとも一方」という文言は、Ａだけ、Ｂだけ、及びＡとＢの両方を含むように解釈されるべきである。
　上記の開示内容から考えて、本発明の種々の変更や修正が可能であることは明らかである。したがって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、本願の具体的な開示内容とは別の方法で本発明が実施されてもよい。

Claims (15)

  1. 　ワークにオイルを吹き付けて、前記ワーク上に前記オイルが被覆された被覆部を生成し、
    　レーザ光のレーザ出力密度が、前記被覆部のうちの前記レーザ光が照射される中央部分において第１レーザ出力密度となり、前記被覆部のうちの前記中央部分の周囲の周辺部分において前記第１レーザ出力密度よりも小さい第２レーザ出力密度となり、前記被覆部のうちの前記中央部分と前記周辺部分との間の境界部分において前記第２レーザ出力密度よりも小さい第３レーザ出力密度となるように、前記レーザ光を前記被覆部に照射し、
    　前記中央部分に照射される第１レーザ光によって前記被覆部内の前記ワークを溶融させて、溶融させたワークにガスを吹き付けて前記溶融させたワークを前記中央部分の周囲に飛び散らすことによって前記被覆部にピアス穴をあけ、
    　前記周辺部分に照射される第２レーザ光によって、前記ピアス穴を形成する被加工ワークと前記オイルを介さずに接している、飛び散らされたワークであるスパッタの根元部分を加熱することを含む、
    レーザピアッシング方法。
     
  2. 　前記根元部分を加熱した後に、前記スパッタにガスを吹き付けることによって前記スパッタを前記被加工ワークから取り除くことをさらに含む、
    請求項１に記載のレーザピアッシング方法。
     
  3. 　前記スパッタを前記被加工ワークから取り除くことは、前記根元部分の外側から前記根元部分を取り囲む円に沿ってトーチを動かして前記トーチから前記根元部分の周囲にガスを吹き付けることを含む、
    請求項２に記載のレーザピアッシング方法。
     
  4. 　前記スパッタが前記被加工ワークに固着して凝固しない程度に前記第２レーザ光によって前記スパッタを加熱する、請求項１から３に記載のレーザピアッシング方法。
     
  5. 　前記周辺部分の外側を穿孔しない程度に前記第２レーザ光によって前記ワークを加熱する、
    請求項１から４のいずれかに記載のレーザピアッシング方法。
     
  6. 　前記周辺部分の外側を穿孔しない程度に前記第１レーザ光によって前記被覆部内の前記ワークを溶融させる、
    請求項５に記載のレーザピアッシング方法。
     
  7. 　前記周辺部分の外側にスパッタを生じさせない程度に前記第２レーザ光によって前記ワークを加熱する、
    請求項５または６に記載のレーザピアッシング方法。
     
  8. 　第１透過部と、前記第１透過部の周囲に設けられる第２透過部と、前記第１透過部と前記第２透過部との間に設けられたリフレクタとを含む光ファイバーを用意し、
    　前記レーザ光の一部が前記第１透過部に入射し、前記レーザ光の別の一部が前記第２透過部に入射するように、１つのレーザ発振器から前記レーザ光を発することによって、前記第１レーザ光と前記第２レーザ光とを生成する、
    請求項１から７に記載のレーザピアッシング方法。
     
  9. 　第１レーザ光と第２レーザ光とを発するように構成される少なくとも１つのレーザ発振器と、
    　前記少なくとも１つのレーザ発振器からの前記第１レーザ光と前記第２レーザ光を受ける第１端と、前記第１端と反対の第２端とを有し、前記第１レーザ光を伝達する第１透過部と、前記第１透過部の周囲に設けられ、前記第２レーザ光を伝達する第２透過部と、前記第１透過部と前記第２透過部との間に設けられたリフレクタとを含む光ファイバーと、
    　前記光ファイバーの前記第２端に対向して設けられ、前記光ファイバーを透過して出る前記第１レーザ光と前記第２レーザ光をワークに向けて絞るように構成されるレンズと、
    　前記レンズによって絞られた光と、前記ワークに吹き付けるためのガスとが通過する開口を有するトーチと、
    　前記トーチを移動させるように構成される移動機構と、
    　前記ワークにオイルを噴射するように構成されるノズルと、
    　前記ノズルに前記オイルを送るように構成される第１ポンプと、
    　前記トーチに前記ガスを送るように構成される第２ポンプと、
    　前記少なくとも１つのレーザ発振器、前記第１ポンプ、前記第２ポンプ、及び、前記移動機構を制御するように構成される制御回路と、
    を備え、
    　前記制御回路は、前記ワークに前記オイルを吹き付けて前記ワーク上に前記オイルが被覆された被覆部を生成するように前記第１ポンプを制御した後、前記第１レーザ光と前記第２レーザ光とを前記被覆部に照射するとともに、前記第１レーザ光によって溶融された前記ワークに前記ガスを吹き付けることで前記被覆部にピアス穴をあけるように、前記少なくとも１つのレーザ発振器と前記第２ポンプとを制御するように構成され、
    　前記被覆部のうち前記第１レーザ光が照射される中央部分でのレーザ出力密度が第１レーザ出力密度となり、前記被覆部のうち前記第２レーザ光が照射される周辺部分でのレーザ出力密度が前記第１レーザ出力密度よりも小さい第２レーザ出力密度となり、前記被覆部のうちの前記中央部分と前記周辺部分との間の境界部分でのレーザ出力密度が前記第２レーザ出力密度よりも小さい第３レーザ出力密度となる、レーザ加工機。
     
  10. 　前記制御回路は、前記第１レーザ光によって溶融されたワークが前記ガスによって前記ピアス穴の周囲に飛び散らされたスパッタにさらにガスを吹き付けるように、前記移動機構及び前記第２ポンプを制御するように構成される、請求項９に記載のレーザ加工機。
     
  11. 　前記制御回路は、前記ピアス穴を取り囲む円に沿って前記トーチを動かして前記ピアス穴の周囲にガスを吹き付けるように前記移動機構及び前記第２ポンプを制御するように構成される、請求項１０に記載のレーザ加工機。
     
  12. 　前記第２レーザ出力密度は、前記第１レーザ光によって溶融されたワークが前記ガスによって前記ピアス穴の周囲に飛び散らされたスパッタが前記ピアス穴を形成する被加工ワークに固着して凝固しない程度に前記第２レーザ光が前記ワークを加熱可能な程度のレーザ出力密度である、
    請求項９から１１のいずれかに記載のレーザ加工機。
     
  13. 　前記第１レーザ出力密度は、前記周辺部分の外側を穿孔しない程度に前記第１レーザ光が前記ワークを加熱可能な程度のレーザ出力密度であって、
    　前記第２レーザ出力密度は、前記周辺部分の外側を穿孔しない程度に前記第２レーザ光が前記ワークを加熱可能な程度のレーザ出力密度である、請求項９から１２のいずれかに記載のレーザ加工機。
     
  14. 　前記第２レーザ出力密度は、前記周辺部分の外側にスパッタを生じさせない程度に前記第２レーザ光が前記ワークを加熱可能な程度のレーザ出力密度である、
    請求項１３に記載のレーザ加工機。
     
  15. 　前記少なくとも１つのレーザ発振器は、レーザ光を発する１つのレーザ発振器を備え、
    　前記レーザ光の一部が前記第１透過部に入射し、前記レーザ光の別の一部が前記第２透過部に入射するように、前記１つのレーザ発振器の前記レーザ光の発する向きが調整される、
    請求項９から１４のいずれかに記載のレーザ加工機。
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