ピアシングを行うレーザ加工方法及びレーザ加工装置
【課題】ワークのセルフバーニングを回避するための加工条件（レーザ出力等）に制約されることなく、ピアシングに要する時間を短縮する。
【解決手段】第１工程では、ワークＷの表面ＷＦから焦点ＦＰを離隔させた状態でレーザ光ＬＢをワーク表面ＷＦに照射して、ワークＷに、表面ＷＦに開口する筒状内周面２１ａ及び底面２１ｂを有する有底孔２１を形成する。第２工程では、有底孔２１の内側にアシストガスＡＧを吹き付ける一方で開口２１ｃの周辺域Ｓにはアシストガスを吹き付けないようにしながら、有底孔の底面２１ｂにレーザ光を照射して、ワークＷを貫通する貫通穴を形成する。有底孔２１から流出するアシストガスＡＧは、周辺域Ｓに沿って流れないから、有底孔内でセルフバーニングが発生したとしてもワーク表面ＷＦへは延焼しない。第２工程のレーザ光の出力は、セルフバーニングの発生を回避する上限に制限されず、ピアシングに要する時間が短縮される。
【解決手段】第１工程では、ワークＷの表面ＷＦから焦点ＦＰを離隔させた状態でレーザ光ＬＢをワーク表面ＷＦに照射して、ワークＷに、表面ＷＦに開口する筒状内周面２１ａ及び底面２１ｂを有する有底孔２１を形成する。第２工程では、有底孔２１の内側にアシストガスＡＧを吹き付ける一方で開口２１ｃの周辺域Ｓにはアシストガスを吹き付けないようにしながら、有底孔の底面２１ｂにレーザ光を照射して、ワークＷを貫通する貫通穴を形成する。有底孔２１から流出するアシストガスＡＧは、周辺域Ｓに沿って流れないから、有底孔内でセルフバーニングが発生したとしてもワーク表面ＷＦへは延焼しない。第２工程のレーザ光の出力は、セルフバーニングの発生を回避する上限に制限されず、ピアシングに要する時間が短縮される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工方法及びレーザ加工装置に関し、特に、レーザ切断に先立ってワークの切断開始点に貫通穴を形成するためのピアシングを行うレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工の一種であるレーザ切断は、一般に、レーザ光の熱によりワークを溶融し、アシストガスの吹き付けによりワークの溶融物を除去していくことで行われる。レーザ光の熱に加えてワークの燃焼熱を利用するために、アシストガスに高純度酸素を使用する場合もある。切断の開始に際しては、アシストガスの吹き付けにより、レーザ光を照射するワークの表面とは反対側の裏面からワークの溶融物を円滑に除去できる状態にあることが望ましい。そこで、レーザ切断において、切断の開始に先立ち、ワークの切断開始点に貫通穴を形成するためのいわゆるピアシングを行うことが知られている（例えば特許文献１〜４参照）。
【０００３】
特許文献１には、レーザ光の焦点をワークの表面から所定距離だけ離した状態で穴明け時の設定値よりも高いレーザ出力とアシストガス圧とでワークの表面に凹所を形成する第１ステップと、次いで焦点をワークの内部に入り込む方向へ所定量移動させた状態で第１ステップより低いレーザ出力とアシストガス圧とで穴明けを行う第２ステップとからピアッシングを行うレーザ加工方法が記載されている。第１ステップで、ワークの表面に大径でかつ浅い凹所を瞬時に形成し、第２ステップで、凹所の底部から連続して穴明けを行うことで、アシストガスを凹所に効率よく供給し、ピアッシングを安定して良好に行うことができる、と説明されている。また、第２ステップでは、ギャップ量を徐々に減少させながら、ワークの表面に爆発を生じない程度に第１ステップより低く設定されたレーザ出力及びアシストガス圧でレーザ光を照射する、と説明されている。
【０００４】
特許文献２には、第１のピアシング条件にてレーザビームを被加工物に照射しピアシング加工を行う第１の工程と、第１の工程後、レーザビームの照射を０．５秒以上停止する第２の工程と、第２の工程後、第１の工程にて加工した部分に第２のピアシング条件にてレーザビームを照射しピアシング加工を完了する第３の工程とを備えたレーザ加工方法が記載されている。第１の工程で選択された第１のピアシング条件により、被加工物の板厚の途中までピアシング穴が形成され、続く第２の工程にてビーム照射が一旦停止することから、途中まで進行した酸化燃焼反応は遮断され、続く第３の工程でレーザビームが再度照射されるが、余剰な入熱が存在しないため、小径のピアシング穴を形成でき、以って、スパッタ量を減らすとともに加工時間を短縮できる、と説明されている。また、第１の工程で第１のピアシング加工前にスパッタ付着防止剤を噴射し、第２の工程でエアー及びスパッタ付着防止剤を噴射し、第３の工程で第２のピアシング加工後にエアーを噴射することにより、ピアシング穴周囲のスパッタの残存、固着を効果的に防止できる、と説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３１１０５０４号公報（請求項１、００１２、００１７）
【特許文献２】特開２００７−７５８７８号公報（請求項１、００１６、００２９〜００３１）
【特許文献３】特開平７−９１７５号公報
【特許文献４】特開平１０−３２３７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載のレーザ加工方法では、第１ステップで形成した大径で浅い凹所の底部に対し、第２ステップで、ワークの表面に爆発を生じない程度に第１ステップよりも低く設定したレーザ出力及びアシストガス圧で穴明けを行っているから、ピアシングに要する時間を短縮することが困難である。特許文献２に記載のレーザ加工方法では、加工時間の短縮効果が得られているが、ピアシング穴周囲にスパッタが残存し固着する傾向があるのでそれを防止する手立てが提供されており、しかも冷却のための第２の工程を要することから加工時間の短縮効果が限定的なものとなる。
【０００７】
ピアシングを行うレーザ加工方法及びレーザ加工装置においては、加工点の過熱や加工点周辺に付着する残留溶融物に起因したワークの持続的燃焼（いわゆるセルフバーニング）を回避するための加工条件（レーザ出力等）に制約されることなく、ピアシングに要する時間を短縮することが所望されている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、ワークの表面から焦点を離隔させた状態でレーザ光を該表面に照射して、該ワークに、該表面に開口する筒状内周面及び底面を有する有底孔を形成する第１工程と、前記有底孔の開口の内側にアシストガスを吹き付ける一方で該開口の周辺域には該アシストガスを吹き付けないようにしながら、前記有底孔の前記底面にレーザ光を照射して、前記ワークを貫通する貫通穴を形成する第２工程と、を具備することを特徴とするレーザ加工方法である。
【０００９】
本発明の他の態様は、レーザ発振器から出射されたレーザ光を集光してワークに照射するとともに該ワークにアシストガスを吹き付ける加工ヘッドと、前記加工ヘッドの動作を制御する制御部であって、前記ワークの表面から焦点を離隔させた状態で前記レーザ光を該表面に照射して、該ワークに、該表面に開口する筒状内周面及び底面を有する有底孔を形成する第１工程と、前記有底孔の開口の内側に前記アシストガスを吹き付ける一方で該開口の周辺域には前記アシストガスを吹き付けないようにしながら、前記有底孔の前記底面に前記レーザ光を照射して、前記ワークを貫通する貫通穴を形成する第２工程とを制御する制御部と、を具備することを特徴とするレーザ加工装置である。
【発明の効果】
【００１０】
一態様によるレーザ加工方法及び他の態様によるレーザ加工装置によれば、第１工程で形成した特徴的形状の有底孔に対し、第２工程において、有底孔の開口の内側のみにアシストガスを吹き付けるようにすることで、有底孔の開口の周辺域が、アシストガスに曝されなくなる。したがって、第２工程において、セルフバーニングを回避するための上限値に加工条件（レーザ出力等）を制限することなく貫通穴を形成でき、以って、ピアシングに要する時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施形態によるレーザ加工装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】一実施形態によるレーザ加工方法の第１工程を説明する図で、ワークに対して加工ノズルを位置決めした準備状態を概略的に示す。
【図３】同第１工程を説明する図で、ワークの表面にレーザ光を照射する状態を概略的に示す。
【図４】同第１工程を説明する図で、ワークの表面に有底孔が形成される状態を概略的に示す。
【図５】一実施形態によるレーザ加工方法の第２工程を説明する図で、ワークに対して加工ノズルを位置決めした準備状態を概略的に示す。
【図６】同第２工程を説明する図で、有底孔の底面にレーザ光を照射する状態を概略的に示す。
【図７】同第２工程を説明する図で、ワークに貫通穴が形成される状態を概略的に示す。
【図８】第１工程における加工ノズルのギャップと有底孔の開口径及び加工時間との関係を示すグラフである。
【図９】第１工程における加工ノズルのギャップと有底孔の形状との関係を示す有底孔の写真及び断面図である。
【図１０】第１工程におけるアシストガスの圧力と有底孔の加工時間との関係を示すグラフである。
【図１１】第１工程におけるアシストガスの圧力と溶融物の付着との関係を示す写真である。
【図１２】一実施形態によるレーザ加工方法と従来技術によるレーザ加工方法とを有底孔の形状で対比する図である。
【図１３】第２工程における有底孔の開口径と周辺域の酸素濃度との関係を示すグラフである。
【図１４】第２工程における有底孔の深さと周辺域の酸素濃度との関係を示すグラフである。
【図１５】第２工程における加工ノズルのギャップと有底孔の周辺域の酸素濃度との関係を示すグラフである。
【図１６】第２工程におけるセルフバーニングの有無と平均貫通所要時間及びピアシング加工時間との関係を示す表である。
【図１７】第２工程におけるレーザ光の焦点位置と平均貫通所要時間との関係を示す表である。
【図１８】第１工程と第２工程との間でのレーザ光の照射停止時間と加工不良との関係を示す表である。
【図１９】第２工程におけるレーザ光の出力と溶融物の付着との関係を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、一実施形態によるレーザ加工装置１１の構成を概略的に示す。レーザ加工装置１１は、レーザ発振器１４から出射されたレーザ光ＬＢを集光してワークＷに照射するとともにワークＷにアシストガスＡＧを吹き付ける加工ヘッド１７と、加工ヘッド１７の動作を制御する制御部１６とを備えている。
【００１３】
図示のように、レーザ加工装置１１では、ＸＹＺの直交３軸の基準座標系が設定される。レーザ加工装置１１は、ワークＷを受け止める可動テーブル１２と、可動テーブル１２に対向して配置される加工ヘッド１７と、加工ヘッド１７の先端に装着される加工ノズル１３と、レーザ光ＬＢを出射して加工ヘッド１７に供給できるレーザ発振器１４と、加工ヘッド１７の内部に装着されてレーザ光ＬＢを集光する光学要素（図では集光レンズ１５）とを備える。可動テーブル１２は、例えばワークＷの輪郭に沿ってワークＷを受け止める枠体から形成される。
【００１４】
図示構成では、可動テーブル１２はＸ軸及びＹ軸に沿って移動することができ、加工ヘッド１７は、加工ヘッド１７に装着されている加工ノズル１３及び集光レンズ１５を伴って、Ｚ軸に沿って移動することができる。こうして、可動テーブル１２すなわちワークＷと、加工ヘッド１７すなわち加工ノズル１３及び集光レンズ１５とは、基準座標系において相対移動することができる。図示構成では、加工ノズル１３は加工ヘッド１７の先端に固定され、集光レンズ１５は加工ヘッド１７内でＺ軸と平行な軸に沿って変位することができる。したがって図示構成では、加工ノズル１３と集光レンズ１５とを、Ｚ軸上で各々独立して位置決めすることができる。なお、可動テーブル１２（ワークＷ）と加工ヘッド１７（加工ノズル１３及び集光レンズ１５）との上記相対移動、及び加工ノズル１３と集光レンズ１５との上記独立変位を実現するための機械構成は、上記構成に限定されず、他の様々な機械構成を選択できる。
【００１５】
レーザ発振器１４は、例えばＣＷ（連続波）モード又はＰＷ（パルス波）モードで、例えば光軸に直交する断面が円形のレーザ光ＬＢを出射することができる。出射されたレーザ光ＬＢは、加工ヘッド１７の集光レンズ１５によって集光され、焦点ＦＰを形成するとともに、加工ノズル１３の先端の開口１８を通ってワークＷに照射される。集光レンズ１５のＺ軸方向の変位に伴って、焦点ＦＰもＺ軸方向に変位する。すなわち、ワークＷに対する焦点ＦＰのＺ軸方向の位置は、加工ヘッド１７のＺ軸移動及び加工ヘッド１７内での集光レンズ１５のＺ軸変位によって決まる。
【００１６】
加工ノズル１３には、アシストガスＡＧを供給する供給源（図示せず）が接続される。アシストガスＡＧには、例えば９９．９５ｖｏｌ％以上の高純度の酸素が用いられる。アシストガスＡＧは、加工ノズル１３内で所定の圧力となるように供給源から供給され、加工ノズル１３の先端の開口（すなわちガス放出口）１８からワークＷに向かって吹き付けられる。図示構成では、レーザ光ＬＢと加工ノズル１３とは互いに同軸に配置され、両者の中心線ＣＬは、Ｚ軸に平行（すなわちワークＷの表面ＷＦに直角）に規定される。アシストガスＡＧは、レーザ光ＬＢの中心線ＣＬに沿ってワークＷに吹き付けられ、ワークＷの燃焼の促進や、レーザ光ＬＢの照射により発生したワークＷの溶融物の除去などに用いられる。
【００１７】
レーザ加工装置１１の制御部１６は、数値制御（ＮＣ）装置の形態で用意される。制御部（ＮＣ装置）１６は、レーザ発振器１４のレーザ光ＬＢの出力条件やオンオフの指令を作成する。また制御部（ＮＣ装置）１６は、可動テーブル１２、加工ノズル１３及び集光レンズ１５の移動指令を作成する。移動指令には、例えば、ワークＷの加工点の割り出しデータ、並びに割り出し後の加工点に対応した可動テーブル１２、加工ノズル１３及び集光レンズ１５の位置を示す座標値データが含まれる。また制御部（ＮＣ装置）１６は、アシストガスＡＧの圧力やオンオフの指令を作成する。
【００１８】
制御部（ＮＣ装置）１６は、例えば記憶部（図示せず）に格納された加工プログラムを解析して、上述した種々の指令を作成する。加工プログラムには、ピアシングやワークＷの切断加工に必要な情報が記述される。制御部（ＮＣ装置）１６は、例えばレーザ光ＬＢの出力条件や、可動テーブル１２、加工ノズル１３及び集光レンズ１５の位置及び速度、その他の加工条件を表示する表示装置（図示せず）を備えることができる。表示装置には例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）が用いられる。また、制御部（ＮＣ装置）１６は、各種の加工条件やデータを入力する入力装置（図示せず）を備えることができる。入力装置には例えばキーボードやマウスが用いられる。
【００１９】
次に図２〜図７を参照して、一実施形態によるレーザ加工方法を説明する。図示のレーザ加工方法は、例として図１のレーザ加工装置１１によって実行されるものであり、制御部（ＮＣ装置）１６による制御の下で、レーザ切断に先立ってワークＷの切断開始点に貫通穴を形成するためのピアシングを行うものである。図２に示すように、加工対象のワークＷを用意し、加工ノズル１３の中心線ＣＬが、ワークＷ上に設定される切断開始点を通るように、可動テーブル１２（図１）によりワークＷをＸＹ平面内で指令位置に位置決めする。
【００２０】
また、加工ノズル１３と集光レンズ１５（図１）とを、前述したように独立変位させて、Ｚ軸上の第１指令位置にそれぞれ位置決めする。第１指令位置は、集光レンズ１５を通してワークＷに照射されるレーザ光ＬＢの焦点ＦＰが、ワークＷの表面ＷＦから予め定めた距離だけ離隔して配置される位置であり、また、加工ノズル１３からアシストガスＡＧをワークＷの表面ＷＦ上の加工点に吹き付けることができる位置である（図３）。一般に、加工ノズル１３のＺ軸方向の位置は、Ｚ軸上の座標値ではなく、加工ノズル１３の先端面１３ａとワークＷの表面ＷＦとの間の最短距離（すなわちギャップＧ）で表される相対値として指令される。
【００２１】
次に、指令値としての所定の圧力で加工ノズル１３に供給されたアシストガスＡＧを、加工ノズル１３の先端の開口（ガス放出口）１８からワークＷの表面ＷＦに吹き付ける。この状態で、レーザ加工装置１１は以下の第１工程を実施する。
【００２２】
第１工程の実施にあたって、レーザ発振器１４は、指令された所定の出力条件でレーザ光ＬＢを出射する。図３に示すように、ワークＷの表面ＷＦから離隔した位置で焦点ＦＰを結んだ後のレーザ光ＬＢは、ビーム径が徐々に拡大して、ワークＷの表面ＷＦに到達した時点で、焦点ＦＰの位置に応じた所定直径の円形スポットを形成する。こうして、いわゆるデフォーカスされた状態で、レーザ光ＬＢはワークＷの表面ＷＦに照射される。レーザ光ＬＢの照射により、ワークＷの表面ＷＦの、レーザ光ＬＢが照射されている円形スポット内が加熱され、溶融する。
【００２３】
図４に示すように、レーザ光ＬＢの照射により生じるワークＷの溶融物２２は、アシストガスＡＧにより吹き飛ばされ、加工点（円形スポット）から除去される。こうして、ワークＷに、レーザ光ＬＢの中心線ＣＬを実質的中心軸として表面ＷＦに一端で開口する筒状内周面２１ａと筒状内周面２１ａの他端を閉じる底面２１ｂとを有する有底孔２１を形成していく。前述のように、レーザ光ＬＢはデフォーカスされた状態でワークＷに照射されることから、ワークＷの表面ＷＦにおける単位面積あたりかつ単位時間あたりの加熱量、すなわちパワー密度は、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰをワークＷの表面ＷＦに合わせてレーザ光ＬＢを照射した場合と比較して、小さくなる。その結果、ワークＷから発生する溶融物２２は、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰをワーク表面ＷＦに合わせた場合に比べて、小粒でかつ単位時間当りの発生量が少なくなる。溶融物２２は、アシストガスＡＧによって加工点（円形スポット）から除去された後、ワークＷの表面ＷＦの、加工点（円形スポット）から離れた位置に落下する。しかし、小粒かつ単位時間当り少量の溶融物２２は、ワークＷの表面ＷＦに落下する前に殆どが凝固するから、ワークＷの表面ＷＦに付着して後段のレーザ加工（切断）に支障を来たすことはない。
【００２４】
デフォーカスしたレーザ光ＬＢによる有底孔２１の形成は、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰをワーク表面ＷＦに合わせてレーザ光ＬＢを照射した場合と比較して、スポット径の拡大の結果としてワークＷの溶融除去部分の体積が大きくなるため、所定深さの有底孔２１を形成するには、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰをワーク表面ＷＦに合わせた場合に比べて長い時間を要する。比較的大きなスポット径で比較的長い時間をかけて形成した有底孔２１は、ワークＷの表面ＷＦに対して略垂直方向に切り立った筒状内周面２１ａを有するようになる。なお、ワークＷの表面ＷＦに形成される有底孔２１の開口２１ｃは、図示のように、表面ＷＦに隣接して筒状内周面２１ａの直径が局部的に漸増することで縁が丸まって形成される場合がある。また有底孔２１は、図示のように、底面２１ｂに隣接して筒状内周面２１ａの直径が局部的に漸減することで形成された半球状の隅部を有する場合がある。
【００２５】
ワークＷの表面ＷＦに有底孔２１を形成した後、レーザ光ＬＢの照射を停止し、第１工程が終了する。第１工程の終了後、後述する第２工程の実施に先立って、レーザ加工装置１１は、第１工程における種々の設定の変更を実施する。例えば、ギャップＧ、レーザ光ＬＢの出力条件、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰの位置、及びアシストガスＡＧの圧力を変更する。この実施形態では、ワークＷのＸＹ平面上の位置は変更しない。なお、第１工程終了後の設定変更に際し、ワークＷのＸＹ平面上の位置を適当に変更することにより、第２工程における有底孔２１の中でのアシストガスＡＧの流れ方向を適当に調整することもできる。
【００２６】
図５に示すように、設定変更後は、アシストガスＡＧを有底孔２１の開口２１ｃの内側に吹き付けるようにする一方で、ワークＷの表面ＷＦの、開口２１ｃを取り囲む領域Ｓ（本明細書で周辺域Ｓと称する）には、アシストガスＡＧを吹き付けないようにする。例えば、加工ノズル１３を有底孔２１に可及的に接近させることで、確実に有底孔２１の開口２１ｃの内側のみにアシストガスＡＧを吹き付けることができる。この場合の加工ノズル１３の位置（つまりギャップＧ）は、集光レンズ１５（したがってレーザ光ＬＢの焦点ＦＰ）の位置と共に、Ｚ軸上の第２指令位置として指令される。或いは、第１工程で、加工ノズル１３の開口（ガス放出口）１８の直径よりも大きな開口径を有する有底孔２１を形成することで、有底孔２１の開口２１ｃの内側のみにアシストガスＡＧを確実に吹き付けることができる。また、加工ノズル１３の開口（ガス放出口）１８の直径よりも有底孔２１の開口径が小さい場合であっても、加工ノズル１３が、例えば徐々に集束するガス流を吹き出すような構造を有することにより、有底孔２１の開口２１ｃの内側のみにアシストガスＡＧを吹き付けることができる。なお、有底孔２１の開口径とは、開口２１ｃの局部的に縁が丸まった部分を除いた、筒状内周面２１ａの開口端の直径を意味する。
【００２７】
有底孔２１の開口２１ｃの内側に吹き付けられたアシストガスＡＧは、有底孔２１の底面２１ｂに衝突した後に筒状内周面２１ａに沿って流れ、その流れ方向を実質的に維持しながら有底孔２１から流出する。このため、有底孔２１から流出したアシストガスＡＧは、有底孔２１の開口２１ｃの周辺域Ｓに沿っては実質的に流れず、主としてワークＷの表面ＷＦから離れた空間領域を流れるようになる。これらの設定変更が完了した段階で、図示のレーザ加工方法は以下の第２工程に移行する。
【００２８】
ここで、図示のレーザ加工方法は、第２工程の実施に先立って行う前述した設定変更作業に付随して、所定時間に渡りレーザ光ＬＢの照射を一時的に停止する中間工程をさらに有することができる。中間工程を実施することにより、ギャップＧの変更やアシストガスＡＧの圧力の変更に伴うアシストガスＡＧの流れの遷移を、第２工程の実施に先立ち確実に完了させて流れを安定させることができる。
【００２９】
図６に示すように、第２工程では、第１工程の終了時に停止したレーザ光ＬＢの照射を再開し、有底孔２１の開口２１ｃの内側にアシストガスＡＧを吹き付ける一方で開口２１ｃの周辺域ＳにはアシストガスＡＧを吹き付けないようにしながら、有底孔２１の底面２１ｂにレーザ光ＬＢを照射する。このとき、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰを、有底孔２１の底面２１ｂに合わせるか、又は有底孔２１の底面２１ｂを越えてワークＷの内部に合わせることができる。
【００３０】
第２工程において、有底孔２１の中で発生するワークＷの溶融物２２は、アシストガスＡＧによって有底孔２１の開口２１ｃから外部に吹き飛ばされる。その結果、有底孔２１内でのワークＷの溶融及び有底孔２１からの溶融物２２の除去が円滑に進み、最終的に図７に示すように、有底孔２１がワークＷの裏面ＷＢまで延長されて、ワークＷを貫通する貫通穴２３が形成される。このようにして、ピアシングが完了する。
【００３１】
ピアシングが完了した瞬間に、アシストガスＡＧはワークＷの貫通穴２３を通って裏面ＷＢの開口２３ａから外部へ流出し、溶融物２２はアシストガスＡＧによりワークＷの裏面ＷＢから外部に除去される。このようにして、ワークＷの裏面ＷＢからワークＷの溶融物２２を円滑に除去できる状態が確保されるので、貫通穴２３を切断開始点としてレーザ切断を開始することができる。
【００３２】
図示のレーザ加工方法では、第１工程で形成した特徴的形状の有底孔２１に対し、第２工程において、有底孔２１の開口２１ｃの内側のみにアシストガスＡＧを吹き付けるようにすることで、有底孔２１から流出したアシストガスＡＧが、有底孔２１の開口２１ｃの周辺域Ｓに沿っては実質的に流れず、主としてワークＷの表面ＷＦから離れた空間領域を流れるようにしている。その結果、第２工程において、ワークＷの表面ＷＦの、有底孔２１の開口２１ｃの周辺域Ｓは、アシストガスＡＧ（例えば高純度酸素）に曝されないことになる。有底孔２１の周辺域ＳがアシストガスＡＧに曝されない状態であれば、ワークＷに貫通穴２３を形成する第２工程において、有底孔２１の中で過熱に起因するセルフバーニングが発生したとしても、セルフバーニングが有底孔２１の周辺域Ｓまで延焼することは回避される。したがって図示のレーザ加工方法では、第２工程で設定されるレーザ光ＬＢの出力は、セルフバーニングの発生を回避するための上限値に制限されることがない。
【００３３】
既述の特許文献１に記載されるような従来のレーザ加工方法では、第１ステップで形成した大径で浅い凹所の底部に対し、第２ステップで穴明けを行なう際に、浅い凹所内で加工点の過熱に起因するセルフバーニングが発生する可能性がある。このとき、溶融物を除去する目的で加工点に吹き付けられるアシストガスは、浅い凹所の内面に沿って流れてワーク表面に流出するので、凹所内で発生したセルフバーニングが、アシストガス（例えば高純度酸素）の存在によりワーク表面に広く延焼する懸念がある。セルフバーニングが広範囲に延焼すると大量の溶融物が発生し、溶融物がワーク表面に付着して突起を形成するため、その後のレーザ切断の実行が困難になる。既述の特許文献２に記載されるような従来のレーザ加工方法においても、比較的小径のピアシング穴に入りきらずにワーク表面に衝突するアシストガスが、ピアシング穴内で発生したセルフバーニングのワーク表面への延焼を誘発することが懸念される。したがって、従来のレーザ加工方法では、前段の工程で予備的に形成した有底孔の中で、後段の貫通穴形成工程においてセルフバーニングが発生しないように留意する必要があり、結果として、後段の工程で設定されるレーザ光の出力が、有底孔の中でのセルフバーニングの発生を回避するための上限値に制限されることになる。
【００３４】
図示のレーザ加工方法では、第２工程において、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰを、有底孔２１の底面２１ｂに合わせるか、又は有底孔２１の底面２１ｂを越えてワークＷの内部に合わせた場合に、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰをワークＷの表面ＷＢに合わせてレーザ光ＬＢを照射した場合と比較して、レーザ光のパワー密度が高くなり、貫通穴２３を一層迅速に形成できるようになる反面、加工点が過熱し易くなる。しかし前述の通り、第２工程では有底孔２１の中でのセルフバーニングの発生を回避する必要がないため、レーザ光ＬＢを高いパワー密度で有底孔２１の底面２１ｂに照射することができる。
【００３５】
さらに、有底孔２１の中でのセルフバーニングの発生を回避する必要がないことを利用して、第２工程において、有底孔２１の中で意図的にセルフバーニングを発生させるようにレーザ光ＬＢの出力を設定してもよい。有底孔２１の中でセルフバーニングを意図的に発生させることにより、レーザ光ＬＢによる加熱に加えて、ワークＷ自体の燃焼熱をワークＷの溶融に利用でき、貫通穴２３の形成すなわちピアシングの進行を一層促進できる。
【００３６】
前述したように図示のレーザ加工方法では、第１工程において、有底孔２１を所定の（つまり第２工程における上記した作用・効果を確保できる）深さまで加工するためには、比較的長い時間を要する。しかし、第２工程においては、有底孔２１の中でのセルフバーニングの発生を回避する必要が無い加工条件（レーザ出力等）、或いは意図的に有底孔２１の中でセルフバーニングを発生させる加工条件（レーザ出力等）で、貫通穴２３を極めて迅速に形成できる。したがって、第２工程（貫通穴加工）において短縮される時間が、第１工程（有底孔加工）で増加する時間よりも長くなるように、第２工程の加工条件を設定することにより、両工程の加工時間の合計を含むピアシング加工時間（後述する）を短縮することができる。
【００３７】
なお、第１工程終了後の設定変更作業に付随して実施可能な中間工程は、前述したように、第２工程の実施に先立ちアシストガスＡＧの流れを安定させることを目的とするものである。このような中間工程に要する時間は、既述の特許文献２に記載される従来のレーザ加工方法における冷却のための第２の工程に要する時間に比べて、十分に短いものとなる。
【００３８】
上記実施形態によるレーザ加工装置１１及びレーザ加工方法を、以下の実施例に従ってさらに詳細に説明する。
【００３９】
第１の実施例では、レーザ発振器１４に、定格出力が４ｋＷのＣＯ２レーザを使用し、加工ノズル１３に、先端の開口１８の直径が２．０ｍｍのものを用い、アシストガスＡＧに、高純度の酸素（９９．９５ｖｏｌ％）を用いて、レーザ加工装置１１を構成し、板厚１６ｍｍの軟鋼（ＳＳ４００材）からなるワークＷに上記レーザ加工方法（ピアシング）を実施した。第１工程では、加工ノズル１３のギャップＧを３０ｍｍに設定し、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰを加工ノズル１３の先端面１３ａと同一平面上の位置に設定した。すなわち、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰをワークＷの表面ＷＦから３０ｍｍ離隔させる設定を行った。また、アシストガスＡＧの圧力を０．０４ＭＰａに設定した。レーザ加工装置１１において、一般的な待機状態からこれら条件の設定を完了するまでの時間（本明細書で準備時間と称する）に、０．４秒を要した。続けて、４ｋＷ、ＣＷモードの出力設定にてレーザ光ＬＢを０．３秒間ワークＷに照射した。その結果、ワークＷの表面ＷＦに、開口径４ｍｍ、深さ５ｍｍの有底孔２１が形成された。
【００４０】
有底孔２１の形成後、レーザ光ＬＢの照射を停止して、加工ノズル１３のギャップＧを４ｍｍに設定し、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰを加工ノズル１３の先端面１３ａから１０ｍｍ離隔した位置に設定した。これにより、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰは、深さ５ｍｍの有底孔２１の底面２１ｂを越えて、底面２１ｂからワークＷの内部に１ｍｍ入り込んだ位置に設定された。また、アシストガスＡＧの圧力を０．０８ＭＰａに設定した。レーザ加工装置１１において、これら条件の設定変更に、０．３秒を要した。この設定変更時間に加え、中間工程としてさらに０．１秒間、レーザ光ＬＢの照射を停止した。続いて、第２工程では、レーザ光ＬＢを、ピーク出力４ｋＷ、パルス周波数２００Ｈｚ及びパルスディーティ４０％のＰＷモードで１．７秒間に渡って、有底孔２１の底面２１ｂに照射した。その結果、有底孔２１はワークＷの裏面ＷＢまで延長されて、ワークＷの裏面ＷＢに直径２．５ｍｍで開口する貫通穴２３が形成された。上述の通り、第１の実施例における各工程の所要時間の合計（本明細書でピアシング加工時間と称する）は２．８秒であった。
【００４１】
ピアシング加工時間は、第１工程におけるレーザ光ＬＢの照射開始から第２工程でレーザ光ＬＢがワークＷを貫通するまでに要する時間（本明細書で貫通所要時間と称する）に、準備時間を加えるとともに、貫通所要時間のバラつきを考慮して算定される。貫通所要時間には、第１工程終了後の設定変更の時間と、中間工程（実施する場合）の時間とが含まれる。レーザ加工プログラムを作成する際には、試行により貫通所要時間の平均値と貫通所要時間のバラつきを表す標準偏差とを求め、当該平均値に、標準偏差の数倍の時間（本明細書で余裕時間と称する）と準備時間とを加算して、ピアシング加工時間を設定する。貫通所要時間に余裕時間を加えることで、貫通穴２３の形成をより確実なものとすることができる。なお、貫通所要時間の標準偏差が大きいと、設定されるピアシング加工時間が長くなるが、上記実施形態によるレーザ加工方法は、後述するように標準偏差を小さくする効果を奏する。
【００４２】
第１の実施例の加工条件で５０回のピアシングを実施し、加工の安定性と実用性を検証した。５０回のピアシングで測定された貫通所要時間の平均値は２．０秒であり、貫通所要時間の標準偏差は０．１秒であった。ピアシングの未貫通（貫通穴２３の形成不良）や、有底孔２１の周辺域Ｓにおけるセルフバーニングの発生といった不具合は、一度も発生しなかった。また、形成された貫通穴２３を切断開始点として、５０回のレーザ切断加工を実施した結果、切断開始時の加工不良は一度も発生しなかった。
【００４３】
第２の実施例では、レーザ発振器に、定格出力が４ｋＷのＣＯ２レーザを使用し、加工ノズル１３に、先端の開口１８の直径が４．０ｍｍのものを用い、アシストガスＡＧに、高純度の酸素（９９．９５ｖｏｌ％）を用いて、レーザ加工装置１１を構成し、板厚２２ｍｍの軟鋼（ＳＳ４００材）からなるワークＷに上記レーザ加工方法（ピアシング）を実施した。第１工程では、加工ノズル１３のギャップＧを４５ｍｍに設定し、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰを加工ノズル１３の先端面１３ａと同一平面上の位置に設定した。すなわち、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰをワークＷの表面ＷＦから４５ｍｍ離隔させる設定を行った。また、アシストガスＡＧの圧力を０．０１ＭＰａに設定した。レーザ加工装置１１において、一般的な待機状態からこれら条件の設定を完了するまでの準備時間に、０．４秒を要した。続けて、４ｋＷ、ＣＷモードの出力設定にてレーザ光ＬＢを０．６秒間ワークＷに照射した。その結果、ワークＷの表面ＷＦに、開口径６ｍｍ、深さ６ｍｍの有底孔２１が形成された。
【００４４】
有底孔２１の形成後、レーザ光ＬＢの照射を停止して、加工ノズル１３のギャップＧを５ｍｍに設定し、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰを加工ノズル１３の先端面１３ａから１１ｍｍ離隔した位置に設定した。これにより、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰは、深さ６ｍｍの有底孔２１の底面２１ｂに設定された。また、アシストガスＡＧの圧力を０．０４ＭＰａに設定した。レーザ加工装置１１において、これら条件の設定変更に、０．３秒を要した。この設定変更時間に加え、中間工程としてさらに０．１秒間、レーザ光ＬＢの照射を停止した。
【００４５】
第２の実施例では、第２工程を２段階に分割した。分割した前半部分である第２工程の前半工程では、レーザ光ＬＢを、第１工程と同じ設定のＣＷモードで０．１秒間に渡ってワークＷに照射した。続いて、レーザ光ＬＢの照射を停止して、加工ノズル１３のギャップＧを４ｍｍに設定した。レーザ加工装置１１において、この設定変更に０．２秒を要した。第２工程の後半工程では、レーザ光ＬＢを、ピーク出力４ｋＷ、パルス周波数２００Ｈｚ及びパルスディーティ５０％のＰＷモードで３．０秒間に渡ってワークＷに照射した。その結果、有底孔２１はワークＷの裏面ＷＢまで延長されて、ワークＷの裏面ＷＢに直径３．０ｍｍで開口する貫通穴２３が形成された。上述の通り、第２の実施例における各工程の所要時間の合計（すなわちピアシング加工時間）は４．７秒であった。
【００４６】
第２の実施例の加工条件で５０回のピアシングを実施し、加工の安定性と実用性を検証した。５０回のピアシングで測定された貫通所要時間の平均値は３．７秒であり、貫通所要時間の標準偏差は０．２秒であった。ピアシングの未貫通（貫通穴２３の形成不良）や、有底孔２１の周辺域Ｓにおけるセルフバーニングの発生といった不具合は、一度も発生しなかった。また、形成された貫通穴２３を切断開始点として、５０回のレーザ切断加工を実施した結果、切断開始時の加工不良は一度も発生しなかった。
【００４７】
上記実施形態によるレーザ加工装置１１及びレーザ加工方法の作用・効果の検証を、上記した実施例に関連して説明する。
【００４８】
（実験１)
第１の実施例の第１工程における加工ノズル１３のギャップＧの大きさと形成される有底孔２１の開口径及び有底孔２１の形成に要する加工時間との関係を、以下の実験１により検証した。ギャップＧの大きさ及びレーザ光ＬＢの照射時間を除く加工条件は、全て前述した第１の実施例の第１工程での設定の通りとした。
【００４９】
ギャップＧの大きさを変化させて、深さ約５ｍｍの有底孔２１を形成し、個々のギャップＧに対応する有底孔２１の開口径及び加工時間を測定した。図８は、ギャップＧの大きさ（ｍｍ）と有底孔２１の開口径（ｍｍ）及び加工時間（秒）との関係を示す。図示のように、ギャップＧが１０ｍｍから４５ｍｍに増大するにつれて、有底孔２１の開口径は増大する。また、ギャップＧが増大するにつれて、深さ５ｍｍの有底孔２１の形成に要する加工時間も増大する。ギャップＧの増大によりレーザ光ＬＢが照射される範囲のスポット径が増大し、これに反比例して、照射される範囲におけるレーザ光ＬＢのパワー密度は低下する。結果として、有底孔２１が形成される際の深さの進行速度が遅くなり、加工時間が増大するものと考えられる。
【００５０】
図９は、実験１において、第１の実施例の第１工程を異なるギャップＧで実施した結果として得られた有底孔２１及びその周辺域Ｓの状態を、ワークＷの表面ＷＦの写真と有底孔２１の断面図とによって示している。ギャップＧは、それぞれ（ａ）１０ｍｍ、（ｂ）２０ｍｍ、（ｃ）３０ｍｍ、（ｄ）４０ｍｍに設定した。それぞれ（ａ）０．１１秒、（ｂ）０．２１秒、（ｃ）０．３１秒、（ｄ）０．４５秒の加工時間で有底孔２１が形成された。有底孔２１の開口径は、それぞれ（ａ）２．５ｍｍ、（ｂ）３．３ｍｍ、（ｃ）４．２ｍｍ、（ｄ）５．５ｍｍであった。
【００５１】
図９に示すように、（ａ）のギャップＧでは、ほぼ逆円錐形状の有底孔２１が形成された。（ｂ）のギャップＧでは、（ａ）に比べて有底孔２１の内径が増大したものの、（ａ）と同様にほぼ逆円錐形状の有底孔２１が形成された。（ｃ）のギャップＧでは、筒状内周面２１ａと底面２１ｂとを有する有底孔２１が形成された。（ｄ）のギャップＧでは、（ｃ）よりも内径及び開口径が増大した筒状内周面２１ａを有する有底孔２１が形成された。有底孔２１は、ワークＷの表面ＷＦに隣接して開口２１ｃの縁が丸まっていたり、底面２１ｂに隣接して半球状の隅部を有していたりする。
【００５２】
実験１により、第１実施例の第１工程において、加工ノズル１３のギャップＧを３０ｍｍ以上に設定することで、第２工程において有効に作用する筒状内周面２１ａを有する有底孔２１を形成できることが検証された。
【００５３】
（実験２）
第１の実施例の第１工程におけるアシストガスＡＧの圧力と有底孔２１の加工時間及び加工品質との関係を、以下の実験２により検証した。アシストガスＡＧの圧力及びレーザ光ＬＢの照射時間を除く加工条件は、全て前述した第１の実施例の第１工程での設定の通りとした。
【００５４】
アシストガスＡＧの圧力を変化させて、深さ約５ｍｍの有底孔２１を形成し、個々のアシストガス圧力に対応する有底孔２１の加工時間を計測した。図１０は、アシストガスＡＧの圧力（ＭＰａ）と有底孔２１の加工時間（秒）との関係を示す。図示のように、アシストガスＡＧの圧力が０．１５ＭＰａから減少するにつれて、深さ５ｍｍの有底孔２１の形成に要する加工時間が増大する。
【００５５】
図１１は、実験２において、第１の実施例の第１工程を異なるアシストガス圧力で実施した結果として得られた有底孔２１及びその周辺域Ｓの状態を、ワークＷの表面ＷＦの写真によって示している。アシストガスＡＧの圧力を、それぞれ（ａ）０．１５ＭＰａ、（ｂ）０．０７ＭＰａ、（ｃ）０．０４ＭＰａ、（ｄ）０．０２ＭＰａに設定した。それぞれ（ａ）０．２４秒、（ｂ）０．２７秒、（ｃ）０．３０秒、（ｄ）０．３８秒の加工時間で有底孔２１が形成された。アシストガスＡＧの圧力を０．１５ＭＰａから下げていくと、有底孔２１の周辺域Ｓに対する溶融物２２の付着が徐々に減少し、０．０４ＭＰａにおいて最小限に抑制された。さらにアシストガス圧力を下げて０．０２ＭＰａに設定すると、再び溶融物２２の付着が増大した。アシストガスＡＧの圧力が低すぎることによって、アシストガスＡＧによる溶融物２２を吹き飛ばす作用が減少したためと考えられる。
【００５６】
第２の実施例の第１工程についても、第１の実施例と同様に、アシストガスＡＧの圧力と有底孔２１の加工時間及び加工品質との関係を検証した。アシストガスＡＧの圧力及びレーザ光ＬＢの照射時間を除く加工条件は、全て前述した第２の実施例の第１工程での設定の通りとした。アシストガスＡＧの圧力を変化させて、深さ約６ｍｍの有底孔２１を形成し、個々のアシストガス圧力に対応する有底孔２１の加工時間を計測するとともに、有底孔２１の周辺域Ｓの状態を観察した（図示せず）。アシストガスＡＧの圧力の低下に伴い、有底孔２１の周辺域Ｓに対する溶融物２２の付着が減少することが検証された。また、アシストガスＡＧの圧力が０．０１ＭＰａのときに周辺域Ｓへの溶融物２２の付着が最小限に抑制され、同０．００７ＭＰａのときに再び溶融物２２の付着が増大することが観察された。
【００５７】
（実験３）
第１の実施例における有底孔２１の形状と有底孔２１の周辺域Ｓの酸素濃度との関係を、以下の実験３により検証した。まず、図１２に示すように、（ｃ）第１の実施例の第１工程によりワークＷに有底孔２１を形成する一方、比較例（ａ）、（ｂ）として、既述の特許文献１及び２に記載のレーザ加工方法の再現によって同じワークＷに有底孔２１Ａ、２１Ｂを形成した。次に、第２工程を模擬して加工ノズル１３のギャップＧを４ｍｍに設定し、アシストガスＡＧを有底孔２１、２１Ａ、２１Ｂに吹き付けながら、有底孔２１、２１Ａ、２１Ｂの周辺域Ｓにおいて、ワークＷの表面ＷＦに隣接する空間領域の酸素濃度を計測した。酸素濃度の計測は、内径０．５ｍｍのチューブで計測点のガスを吸引するガルバニ電池方式の酸素濃度計によって行った。
【００５８】
計測された酸素濃度は、それぞれ（ａ）６０％、（ｂ）６５％、（ｃ）２２％であった。有底孔２１、２１Ａ、２１Ｂの周辺域Ｓの酸素濃度は、比較例（ａ）、（ｂ）では大気中濃度の数倍に達しているのに対し、第１の実施例（ｃ）においては大気中濃度と同じ程度に留まっている。比較例（ａ）、（ｂ）においては、アシストガスＡＧが周辺域ＳでワークＷの表面ＷＦに沿って流れるのに対し、第１の実施例（ｃ）では、アシストガスＡＧがワークＷの表面ＷＦから離れた空間領域を流れるためと考えられる。
【００５９】
（実験４）
第１の実施例における有底孔２１の開口径と有底孔２１の周辺域Ｓの酸素濃度との関係を、以下の実験４により検証した。実験１で形成した異なる開口径で深さ５ｍｍの有底孔２１に対し、第１の実施例の第２工程を模擬して加工ノズル１３のギャップＧを４ｍｍに設定して、アシストガスＡＧを有底孔２１の開口２１ｃの内側に吹き付けながら、有底孔２１の周辺域Ｓにおいて、ワークＷの表面ＷＦに隣接する空間領域の酸素濃度を計測した。酸素濃度の計測は、実験３と同様にして行った。
【００６０】
図１３は、有底孔２１の開口径（ｍｍ）と計測した酸素濃度（％）との関係を示す。酸素濃度は、有底孔２１の開口径が３．３ｍｍ以下の場合に大気中濃度の数倍に達しているのに対し、有底孔２１の開口径が３．８ｍｍ以上の場合には大気中濃度の２割増し程度に留まっている。加工ノズル１３の先端の開口１８からアシストガスＡＧをワークＷに吹き付ける際に、アシストガスＡＧを有底孔２１の開口２１ｃの内側のみに確実に吹き付けるとともに、有底孔２１から流出するアシストガスＡＧが有底孔２１の周辺域ＳにおいてはワークＷの表面ＷＦから離れた空間領域を安定して流れるようにするためには、所定寸法以上の開口径を有する有底孔２１を形成することが望ましいと検証された。
【００６１】
実験４により、第１の実施例の第１工程においては、開口径が３．８ｍｍ以上の有底孔２１を形成することが望ましいことが検証された。なお、開口径が３．８ｍｍ以上の有底孔２１を形成するためには、実験１から、第１工程における加工ノズル１３のギャップＧを２５ｍｍ以上に設定すればよいことが理解される。ただし、実験１では、第２工程において有効に作用する筒状内周面２１ａを有する有底孔２１を形成するために、加工ノズル１３のギャップＧを３０ｍｍ以上に設定することが望ましいと検証されているので、実験４では、第１の実施例の第１工程を実施するに際し、ギャップＧを３０ｍに設定した。
【００６２】
第２の実施例についても、同様の実験を行った。第１工程で、開口径の異なる深さ６ｍｍの有底孔２１を形成し、第２の実施例の第２工程を模擬して加工ノズル１３のギャップＧを５ｍｍに設定して、アシストガスＡＧを有底孔２１の開口２１ｃの内側に吹き付けながら、有底孔２１の周辺域Ｓにおいて、ワークＷの表面ＷＦに隣接する空間領域の酸素濃度を計測した。計測された酸素濃度は、有底孔２１の開口径が５．５ｍｍ以下の場合に大気中濃度の数倍に達したのに対し、有底孔２１の開口径が６．０ｍｍ以上の場合には大気中濃度の２割増し程度に留まった。開口径が６．０ｍｍの有底孔２１を形成するには、実験１から、第１工程の加工ノズル１３のギャップＧを４５ｍｍに設定すればよいことが検証されているので、第２の実施例ではギャップＧを４５ｍｍに設定した。アシストガスＡＧを吹き付ける加工ノズル１３の先端の開口１８の直径は、第１の実施例では２．０ｍｍであったの対し、第２の実施例では４．０ｍｍと大きくなっている。このため、アシストガスＡＧを有底孔２１の開口２１ｃの内側のみに吹き付けるとともに、周辺域Ｓにおける酸素濃度を低下させるために望ましい有底孔２１の開口径が、第１の実施例に比べて増大していると考えられる。
【００６３】
（実験５）
第１の実施例における有底孔２１の深さと有底孔２１の周辺域Ｓの酸素濃度との関係を、以下の実験５により検証した。レーザ光ＬＢの照射時間を除く加工条件は、全て前述した第１の実施例の第１工程で設定した通りとして、第１工程により深さの異なる有底孔２１を形成した。深さの異なる有底孔２１に対し、第１の実施例の第２工程を模擬して加工ノズル１３のギャップＧを４ｍｍに設定して、アシストガスＡＧを有底孔２１の開口２１ｃの内側に吹き付けながら、有底孔２１の周辺域Ｓにおいて、ワークＷの表面ＷＦに隣接する空間領域の酸素濃度を計測した。酸素濃度の計測は、実験３と同様にして行った。
【００６４】
図１４は、有底孔２１の深さ（ｍｍ）と計測した酸素濃度（％）との関係を示す。酸素濃度は、有底孔２１の深さが１ｍｍの場合に、大気中濃度の数倍に達している。酸素濃度は、有底孔２１の深さが増大するにつれて低下し、深さ３．０ｍｍ以上で、大気中濃度の１割増し程度まで低下している。加工ノズル１３の先端の開口１８からアシストガスＡＧをワークＷに吹き付ける際に、有底孔２１から流出するアシストガスＡＧが、有底孔２１の周辺域ＳにおいてワークＷの表面ＷＦから離れた空間領域を安定して流れるようにするためには、所定寸法以上の深さを有する有底孔２１を形成することが望ましいと検証された。
【００６５】
（実験６）
第１の実施例の第２工程における加工ノズル１３のギャップＧの大きさと有底孔２１の周辺域Ｓの酸素濃度との関係を、以下の実験６により検証した。第１の実施例の第１工程で有底孔２１を形成した後、第２工程を模擬して、異なるギャップＧでアシストガスＡＧを有底孔２１の開口２１ｃの内側に吹き付けながら、有底孔２１の周辺域Ｓにおいて、ワークＷの表面ＷＦに隣接する空間領域の酸素濃度を計測した。酸素濃度の計測は、実験３と同様にして行った。
【００６６】
図１５は、第２工程におけるギャップＧ（ｍｍ）と計測した酸素濃度（％）との関係を示す。酸素濃度は、ギャップＧが５．５ｍｍ以上の場合に大気中濃度の数倍に達しているが、ギャップＧが５．０ｍｍ以下の場合には大気中濃度の３割増し程度まで低下している。実験６により、第２工程の加工ノズル１３のギャップＧは５ｍｍ以下に設定することが望ましいことが検証された。
【００６７】
（実験７）
第１の実施例の第２工程における有底孔２１内でのセルフバーニングの発生の有無によるピアシング加工時間の違いを、以下の実験７により検証した。前述した第１の実施例の第２工程の加工条件では、有底孔２１内でセルフバーニングが発生し、第１の実施例の第２工程の加工条件中、レーザ光ＬＢのパルスディーティを４０％から２０％に低下させた加工条件では、有底孔２１内でセルフバーニングが発生しなかった。それぞれの加工条件で、５０回のピアシングを実施した。
【００６８】
図１６に示すように、有底孔２１内でセルフバーニングが発生した場合（「あり」）は、発生しない場合（「なし」）に比べて、貫通穴２３の形成に要する平均の貫通所要時間を０．４秒短縮でき、貫通所要時間の標準偏差を０．２秒縮小できた。前述したように、第１の実施例においては、第１工程の準備時間を含めて、準備時間０．４（秒）＋平均の貫通所要時間２．０（秒）＋４×貫通所要時間の標準偏差０．１（秒）＝２．８（秒）のピアシング加工時間を設定した。同様の計算により、有底孔２１内でセルフバーニングが発生しない場合は、準備時間０．４（秒）＋平均の貫通所要時間２．４（秒）＋４×貫通所要時間の標準偏差０．３（秒）＝４．０（秒）のピアシング加工時間を設定する必要がある。これらのことから、第２工程において有底孔２１内で意図的にセルフバーニングを発生させることにより、セルフバーニングを発生させない場合と比較して、ピアシング加工時間を短縮できることが検証された。
【００６９】
実験７においては、第１の実施例の第２工程における有底孔２１内でのセルフバーニングの発生の有無による、ワークＷの裏面ＷＢにおける貫通穴２３の開口径の違いも検証した。ワークＷの裏面ＷＢにおける貫通穴２３の開口径は、有底孔２１内でセルフバーニングが発生した場合には２．５ｍｍであったのに対し、有底孔２１内でセルフバーニングが発生しない場合には１．０ｍｍであった。さらに、こうして形成された貫通穴２３を切断開始点としてレーザ切断加工を開始する際の、不良率の違いも検証した。有底孔２１内でセルフバーニングが発生した場合には、５０回実施したレーザ切断加工において、切断開始時の加工不良は一度も発生しなかった。これに対し、有底孔２１内でセルフバーニングが発生しなかった場合には、１０回実施したレーザ切断加工において、切断開始時の加工不良が３回発生した。このように、第２工程において有底孔２１内で意図的にセルフバーニングを発生させることにより、セルフバーニングを発生させない場合と比較して、切断開始時の加工不良の発生を抑制できることが検証された。一般的に、レーザ切断加工は、アシストガスＡＧの吹き付けによりワークＷの裏面ＷＢからワークＷの溶融物２２を円滑に除去できる状態のもとで、開始することが望ましい。上記したように、第２工程において有底孔２１内で意図的にセルフバーニングを発生させると、ワークＷの裏面ＷＢにおける貫通穴２３の開口径が大きくなり、アシストガスＡＧの流れが一層安定することから、切断開始時の加工不良の発生を抑制できるものと考えられる。
【００７０】
（実験８）
第１の実施例の第２工程におけるレーザ光ＬＢの焦点ＦＰの位置を、以下の実験８により検証した。レーザ光ＬＢの焦点ＦＰの位置を除く加工条件は、全て前述した第１の実施例の第２工程での設定の通りとした。第２工程におけるレーザ光ＬＢの焦点ＦＰの位置を変化させて、第１工程におけるレーザ光ＬＢの照射開始から第２工程でレーザ光ＬＢがワークＷを貫通するまでの貫通所要時間を計測した。貫通所要時間の計測は、個々の焦点ＦＰの位置で２０回ずつ実施した。
【００７１】
図１７は、個々の焦点ＦＰの位置ごとに、貫通所要時間の２０回平均値を示す。焦点ＦＰの位置としては、加工ノズル１３の先端面１３ａの位置を基準（０ｍｍ）として、ワークＷに接近する方向へ２ｍｍ、４ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍ及び１２ｍｍの５点を設定した。図示のように、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰをワークＷに接近させるにつれて貫通所要時間は短くなり、有底孔２１の底面２１ｂを１ｍｍ越えたワークＷの内部の位置に相当する、ノズル先端面１３ａから１０ｍｍの位置で、貫通所要時間が最短となった。実験８により、第２工程におけるレーザ光ＬＢの焦点ＦＰの位置は、有底孔２１の底面２１ｂに合わせるか、又は底面２１ｂを越えてワークＷの内部に合わせることが望ましいと検証された。
【００７２】
（実験９）
第１及び第２の実施例において第１工程と第２工程との間でレーザ光ＬＢの照射を一時的に停止する中間工程の時間を、以下の実験９により検証した。前述したように、第１及び第２の実施例では、第１工程から第２工程への移行時に、ギャップＧの寸法やアシストガスＡＧの圧力等の、加工条件の設定変更のために、レーザ光ＬＢの照射を０．３秒間停止することに加えて、中間工程として、０．１秒間だけ照射を停止している。この中間工程の時間を変更して、貫通穴２３の加工不良の発生率を計測した。
【００７３】
図１８に示すように、０．３秒の設定変更時間のみ（つまり中間工程無し）の場合には貫通穴２３の加工不良率が３５％であったのに対し、０．１秒の中間工程を実施してレーザ光ＬＢの照射を合計０．４秒停止すると、貫通穴２３の加工不良は発生しなかった。また、０．２秒の中間工程を実施してレーザ光ＬＢの照射を合計０．５秒停止した場合にも、貫通穴２３の加工不良は発生しなかった。レーザ光ＬＢの照射停止時間を設定変更時間に追加することによって、有底孔２１から開口２１ｃの外部へ流出するアシストガスＡＧの流れが安定し、有底孔２１の周辺域ＳにおいてアシストガスＡＧがワークＷの表面ＷＦから確実に離れて流れるようになるからであると考えられる。
【００７４】
（実験１０）
第１の実施例の第２工程におけるレーザ光ＬＢの出力について、以下の実験１０により検証した。レーザ光ＬＢの出力を除く加工条件は、全て前述した第１の実施例の第２工程での設定の通りとした。第２工程におけるレーザ光ＬＢの出力を変化させて、第１工程で形成した有底孔２１に貫通穴２３を形成し、ワークＷの表面ＷＦの状態を観察した。
【００７５】
図１９は、第２工程において異なるレーザ光ＬＢの出力で貫通穴２３を形成したときの、ワークＷの表面ＷＦに付着する溶融物２２を写真で示す。（ａ）は、レーザ光ＬＢの出力を、前述した第１の実施例の設定通りの、ピーク出力４ｋＷ、パルス周波数２００Ｈｚ及びパルスディーティ４０％のＰＷモードに設定したときの、ワークＷの表面ＷＦに付着する溶融物２２を示す。（ｂ）は、レーザ光ＬＢの出力を、ピーク出力４ｋＷ、パルス周波数２００Ｈｚ及びパルスディーティ５０％のＰＷモードに設定したときの、ワークＷの表面ＷＦに付着する溶融物２２を示す。パルスデューティが４０％から５０％に増加すると、ワークＷの表面ＷＦにおける周辺域Ｓへの溶融物２２の付着が増大した。このことは、レーザ光ＬＢの出力の増加により、加工点における溶融物２２の単位時間当りの発生量が増大して溶融物２２が大粒になるため、アシストガスＡＧによる溶融物２２の除去が追いつかなくなったことが原因と考えられる。このように、第２工程では、アシストガスＡＧにより溶融物２２を円滑に除去できるように、レーザ光ＬＢの出力を設定することが望ましいことが検証された。
【符号の説明】
【００７６】
１１ レーザ加工装置
１３ 加工ノズル
１４ レーザ発振器
１６ 制御部（ＮＣ装置）
２１ 有底孔
２３ 貫通穴
ＬＢ レーザ光
ＣＬ 中心線
ＡＧ アシストガス
Ｗ ワーク
Ｓ 周辺域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工方法及びレーザ加工装置に関し、特に、レーザ切断に先立ってワークの切断開始点に貫通穴を形成するためのピアシングを行うレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工の一種であるレーザ切断は、一般に、レーザ光の熱によりワークを溶融し、アシストガスの吹き付けによりワークの溶融物を除去していくことで行われる。レーザ光の熱に加えてワークの燃焼熱を利用するために、アシストガスに高純度酸素を使用する場合もある。切断の開始に際しては、アシストガスの吹き付けにより、レーザ光を照射するワークの表面とは反対側の裏面からワークの溶融物を円滑に除去できる状態にあることが望ましい。そこで、レーザ切断において、切断の開始に先立ち、ワークの切断開始点に貫通穴を形成するためのいわゆるピアシングを行うことが知られている（例えば特許文献１〜４参照）。
【０００３】
特許文献１には、レーザ光の焦点をワークの表面から所定距離だけ離した状態で穴明け時の設定値よりも高いレーザ出力とアシストガス圧とでワークの表面に凹所を形成する第１ステップと、次いで焦点をワークの内部に入り込む方向へ所定量移動させた状態で第１ステップより低いレーザ出力とアシストガス圧とで穴明けを行う第２ステップとからピアッシングを行うレーザ加工方法が記載されている。第１ステップで、ワークの表面に大径でかつ浅い凹所を瞬時に形成し、第２ステップで、凹所の底部から連続して穴明けを行うことで、アシストガスを凹所に効率よく供給し、ピアッシングを安定して良好に行うことができる、と説明されている。また、第２ステップでは、ギャップ量を徐々に減少させながら、ワークの表面に爆発を生じない程度に第１ステップより低く設定されたレーザ出力及びアシストガス圧でレーザ光を照射する、と説明されている。
【０００４】
特許文献２には、第１のピアシング条件にてレーザビームを被加工物に照射しピアシング加工を行う第１の工程と、第１の工程後、レーザビームの照射を０．５秒以上停止する第２の工程と、第２の工程後、第１の工程にて加工した部分に第２のピアシング条件にてレーザビームを照射しピアシング加工を完了する第３の工程とを備えたレーザ加工方法が記載されている。第１の工程で選択された第１のピアシング条件により、被加工物の板厚の途中までピアシング穴が形成され、続く第２の工程にてビーム照射が一旦停止することから、途中まで進行した酸化燃焼反応は遮断され、続く第３の工程でレーザビームが再度照射されるが、余剰な入熱が存在しないため、小径のピアシング穴を形成でき、以って、スパッタ量を減らすとともに加工時間を短縮できる、と説明されている。また、第１の工程で第１のピアシング加工前にスパッタ付着防止剤を噴射し、第２の工程でエアー及びスパッタ付着防止剤を噴射し、第３の工程で第２のピアシング加工後にエアーを噴射することにより、ピアシング穴周囲のスパッタの残存、固着を効果的に防止できる、と説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３１１０５０４号公報（請求項１、００１２、００１７）
【特許文献２】特開２００７−７５８７８号公報（請求項１、００１６、００２９〜００３１）
【特許文献３】特開平７−９１７５号公報
【特許文献４】特開平１０−３２３７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載のレーザ加工方法では、第１ステップで形成した大径で浅い凹所の底部に対し、第２ステップで、ワークの表面に爆発を生じない程度に第１ステップよりも低く設定したレーザ出力及びアシストガス圧で穴明けを行っているから、ピアシングに要する時間を短縮することが困難である。特許文献２に記載のレーザ加工方法では、加工時間の短縮効果が得られているが、ピアシング穴周囲にスパッタが残存し固着する傾向があるのでそれを防止する手立てが提供されており、しかも冷却のための第２の工程を要することから加工時間の短縮効果が限定的なものとなる。
【０００７】
ピアシングを行うレーザ加工方法及びレーザ加工装置においては、加工点の過熱や加工点周辺に付着する残留溶融物に起因したワークの持続的燃焼（いわゆるセルフバーニング）を回避するための加工条件（レーザ出力等）に制約されることなく、ピアシングに要する時間を短縮することが所望されている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、ワークの表面から焦点を離隔させた状態でレーザ光を該表面に照射して、該ワークに、該表面に開口する筒状内周面及び底面を有する有底孔を形成する第１工程と、前記有底孔の開口の内側にアシストガスを吹き付ける一方で該開口の周辺域には該アシストガスを吹き付けないようにしながら、前記有底孔の前記底面にレーザ光を照射して、前記ワークを貫通する貫通穴を形成する第２工程と、を具備することを特徴とするレーザ加工方法である。
【０００９】
本発明の他の態様は、レーザ発振器から出射されたレーザ光を集光してワークに照射するとともに該ワークにアシストガスを吹き付ける加工ヘッドと、前記加工ヘッドの動作を制御する制御部であって、前記ワークの表面から焦点を離隔させた状態で前記レーザ光を該表面に照射して、該ワークに、該表面に開口する筒状内周面及び底面を有する有底孔を形成する第１工程と、前記有底孔の開口の内側に前記アシストガスを吹き付ける一方で該開口の周辺域には前記アシストガスを吹き付けないようにしながら、前記有底孔の前記底面に前記レーザ光を照射して、前記ワークを貫通する貫通穴を形成する第２工程とを制御する制御部と、を具備することを特徴とするレーザ加工装置である。
【発明の効果】
【００１０】
一態様によるレーザ加工方法及び他の態様によるレーザ加工装置によれば、第１工程で形成した特徴的形状の有底孔に対し、第２工程において、有底孔の開口の内側のみにアシストガスを吹き付けるようにすることで、有底孔の開口の周辺域が、アシストガスに曝されなくなる。したがって、第２工程において、セルフバーニングを回避するための上限値に加工条件（レーザ出力等）を制限することなく貫通穴を形成でき、以って、ピアシングに要する時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施形態によるレーザ加工装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】一実施形態によるレーザ加工方法の第１工程を説明する図で、ワークに対して加工ノズルを位置決めした準備状態を概略的に示す。
【図３】同第１工程を説明する図で、ワークの表面にレーザ光を照射する状態を概略的に示す。
【図４】同第１工程を説明する図で、ワークの表面に有底孔が形成される状態を概略的に示す。
【図５】一実施形態によるレーザ加工方法の第２工程を説明する図で、ワークに対して加工ノズルを位置決めした準備状態を概略的に示す。
【図６】同第２工程を説明する図で、有底孔の底面にレーザ光を照射する状態を概略的に示す。
【図７】同第２工程を説明する図で、ワークに貫通穴が形成される状態を概略的に示す。
【図８】第１工程における加工ノズルのギャップと有底孔の開口径及び加工時間との関係を示すグラフである。
【図９】第１工程における加工ノズルのギャップと有底孔の形状との関係を示す有底孔の写真及び断面図である。
【図１０】第１工程におけるアシストガスの圧力と有底孔の加工時間との関係を示すグラフである。
【図１１】第１工程におけるアシストガスの圧力と溶融物の付着との関係を示す写真である。
【図１２】一実施形態によるレーザ加工方法と従来技術によるレーザ加工方法とを有底孔の形状で対比する図である。
【図１３】第２工程における有底孔の開口径と周辺域の酸素濃度との関係を示すグラフである。
【図１４】第２工程における有底孔の深さと周辺域の酸素濃度との関係を示すグラフである。
【図１５】第２工程における加工ノズルのギャップと有底孔の周辺域の酸素濃度との関係を示すグラフである。
【図１６】第２工程におけるセルフバーニングの有無と平均貫通所要時間及びピアシング加工時間との関係を示す表である。
【図１７】第２工程におけるレーザ光の焦点位置と平均貫通所要時間との関係を示す表である。
【図１８】第１工程と第２工程との間でのレーザ光の照射停止時間と加工不良との関係を示す表である。
【図１９】第２工程におけるレーザ光の出力と溶融物の付着との関係を示す写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、一実施形態によるレーザ加工装置１１の構成を概略的に示す。レーザ加工装置１１は、レーザ発振器１４から出射されたレーザ光ＬＢを集光してワークＷに照射するとともにワークＷにアシストガスＡＧを吹き付ける加工ヘッド１７と、加工ヘッド１７の動作を制御する制御部１６とを備えている。
【００１３】
図示のように、レーザ加工装置１１では、ＸＹＺの直交３軸の基準座標系が設定される。レーザ加工装置１１は、ワークＷを受け止める可動テーブル１２と、可動テーブル１２に対向して配置される加工ヘッド１７と、加工ヘッド１７の先端に装着される加工ノズル１３と、レーザ光ＬＢを出射して加工ヘッド１７に供給できるレーザ発振器１４と、加工ヘッド１７の内部に装着されてレーザ光ＬＢを集光する光学要素（図では集光レンズ１５）とを備える。可動テーブル１２は、例えばワークＷの輪郭に沿ってワークＷを受け止める枠体から形成される。
【００１４】
図示構成では、可動テーブル１２はＸ軸及びＹ軸に沿って移動することができ、加工ヘッド１７は、加工ヘッド１７に装着されている加工ノズル１３及び集光レンズ１５を伴って、Ｚ軸に沿って移動することができる。こうして、可動テーブル１２すなわちワークＷと、加工ヘッド１７すなわち加工ノズル１３及び集光レンズ１５とは、基準座標系において相対移動することができる。図示構成では、加工ノズル１３は加工ヘッド１７の先端に固定され、集光レンズ１５は加工ヘッド１７内でＺ軸と平行な軸に沿って変位することができる。したがって図示構成では、加工ノズル１３と集光レンズ１５とを、Ｚ軸上で各々独立して位置決めすることができる。なお、可動テーブル１２（ワークＷ）と加工ヘッド１７（加工ノズル１３及び集光レンズ１５）との上記相対移動、及び加工ノズル１３と集光レンズ１５との上記独立変位を実現するための機械構成は、上記構成に限定されず、他の様々な機械構成を選択できる。
【００１５】
レーザ発振器１４は、例えばＣＷ（連続波）モード又はＰＷ（パルス波）モードで、例えば光軸に直交する断面が円形のレーザ光ＬＢを出射することができる。出射されたレーザ光ＬＢは、加工ヘッド１７の集光レンズ１５によって集光され、焦点ＦＰを形成するとともに、加工ノズル１３の先端の開口１８を通ってワークＷに照射される。集光レンズ１５のＺ軸方向の変位に伴って、焦点ＦＰもＺ軸方向に変位する。すなわち、ワークＷに対する焦点ＦＰのＺ軸方向の位置は、加工ヘッド１７のＺ軸移動及び加工ヘッド１７内での集光レンズ１５のＺ軸変位によって決まる。
【００１６】
加工ノズル１３には、アシストガスＡＧを供給する供給源（図示せず）が接続される。アシストガスＡＧには、例えば９９．９５ｖｏｌ％以上の高純度の酸素が用いられる。アシストガスＡＧは、加工ノズル１３内で所定の圧力となるように供給源から供給され、加工ノズル１３の先端の開口（すなわちガス放出口）１８からワークＷに向かって吹き付けられる。図示構成では、レーザ光ＬＢと加工ノズル１３とは互いに同軸に配置され、両者の中心線ＣＬは、Ｚ軸に平行（すなわちワークＷの表面ＷＦに直角）に規定される。アシストガスＡＧは、レーザ光ＬＢの中心線ＣＬに沿ってワークＷに吹き付けられ、ワークＷの燃焼の促進や、レーザ光ＬＢの照射により発生したワークＷの溶融物の除去などに用いられる。
【００１７】
レーザ加工装置１１の制御部１６は、数値制御（ＮＣ）装置の形態で用意される。制御部（ＮＣ装置）１６は、レーザ発振器１４のレーザ光ＬＢの出力条件やオンオフの指令を作成する。また制御部（ＮＣ装置）１６は、可動テーブル１２、加工ノズル１３及び集光レンズ１５の移動指令を作成する。移動指令には、例えば、ワークＷの加工点の割り出しデータ、並びに割り出し後の加工点に対応した可動テーブル１２、加工ノズル１３及び集光レンズ１５の位置を示す座標値データが含まれる。また制御部（ＮＣ装置）１６は、アシストガスＡＧの圧力やオンオフの指令を作成する。
【００１８】
制御部（ＮＣ装置）１６は、例えば記憶部（図示せず）に格納された加工プログラムを解析して、上述した種々の指令を作成する。加工プログラムには、ピアシングやワークＷの切断加工に必要な情報が記述される。制御部（ＮＣ装置）１６は、例えばレーザ光ＬＢの出力条件や、可動テーブル１２、加工ノズル１３及び集光レンズ１５の位置及び速度、その他の加工条件を表示する表示装置（図示せず）を備えることができる。表示装置には例えば液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）が用いられる。また、制御部（ＮＣ装置）１６は、各種の加工条件やデータを入力する入力装置（図示せず）を備えることができる。入力装置には例えばキーボードやマウスが用いられる。
【００１９】
次に図２〜図７を参照して、一実施形態によるレーザ加工方法を説明する。図示のレーザ加工方法は、例として図１のレーザ加工装置１１によって実行されるものであり、制御部（ＮＣ装置）１６による制御の下で、レーザ切断に先立ってワークＷの切断開始点に貫通穴を形成するためのピアシングを行うものである。図２に示すように、加工対象のワークＷを用意し、加工ノズル１３の中心線ＣＬが、ワークＷ上に設定される切断開始点を通るように、可動テーブル１２（図１）によりワークＷをＸＹ平面内で指令位置に位置決めする。
【００２０】
また、加工ノズル１３と集光レンズ１５（図１）とを、前述したように独立変位させて、Ｚ軸上の第１指令位置にそれぞれ位置決めする。第１指令位置は、集光レンズ１５を通してワークＷに照射されるレーザ光ＬＢの焦点ＦＰが、ワークＷの表面ＷＦから予め定めた距離だけ離隔して配置される位置であり、また、加工ノズル１３からアシストガスＡＧをワークＷの表面ＷＦ上の加工点に吹き付けることができる位置である（図３）。一般に、加工ノズル１３のＺ軸方向の位置は、Ｚ軸上の座標値ではなく、加工ノズル１３の先端面１３ａとワークＷの表面ＷＦとの間の最短距離（すなわちギャップＧ）で表される相対値として指令される。
【００２１】
次に、指令値としての所定の圧力で加工ノズル１３に供給されたアシストガスＡＧを、加工ノズル１３の先端の開口（ガス放出口）１８からワークＷの表面ＷＦに吹き付ける。この状態で、レーザ加工装置１１は以下の第１工程を実施する。
【００２２】
第１工程の実施にあたって、レーザ発振器１４は、指令された所定の出力条件でレーザ光ＬＢを出射する。図３に示すように、ワークＷの表面ＷＦから離隔した位置で焦点ＦＰを結んだ後のレーザ光ＬＢは、ビーム径が徐々に拡大して、ワークＷの表面ＷＦに到達した時点で、焦点ＦＰの位置に応じた所定直径の円形スポットを形成する。こうして、いわゆるデフォーカスされた状態で、レーザ光ＬＢはワークＷの表面ＷＦに照射される。レーザ光ＬＢの照射により、ワークＷの表面ＷＦの、レーザ光ＬＢが照射されている円形スポット内が加熱され、溶融する。
【００２３】
図４に示すように、レーザ光ＬＢの照射により生じるワークＷの溶融物２２は、アシストガスＡＧにより吹き飛ばされ、加工点（円形スポット）から除去される。こうして、ワークＷに、レーザ光ＬＢの中心線ＣＬを実質的中心軸として表面ＷＦに一端で開口する筒状内周面２１ａと筒状内周面２１ａの他端を閉じる底面２１ｂとを有する有底孔２１を形成していく。前述のように、レーザ光ＬＢはデフォーカスされた状態でワークＷに照射されることから、ワークＷの表面ＷＦにおける単位面積あたりかつ単位時間あたりの加熱量、すなわちパワー密度は、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰをワークＷの表面ＷＦに合わせてレーザ光ＬＢを照射した場合と比較して、小さくなる。その結果、ワークＷから発生する溶融物２２は、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰをワーク表面ＷＦに合わせた場合に比べて、小粒でかつ単位時間当りの発生量が少なくなる。溶融物２２は、アシストガスＡＧによって加工点（円形スポット）から除去された後、ワークＷの表面ＷＦの、加工点（円形スポット）から離れた位置に落下する。しかし、小粒かつ単位時間当り少量の溶融物２２は、ワークＷの表面ＷＦに落下する前に殆どが凝固するから、ワークＷの表面ＷＦに付着して後段のレーザ加工（切断）に支障を来たすことはない。
【００２４】
デフォーカスしたレーザ光ＬＢによる有底孔２１の形成は、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰをワーク表面ＷＦに合わせてレーザ光ＬＢを照射した場合と比較して、スポット径の拡大の結果としてワークＷの溶融除去部分の体積が大きくなるため、所定深さの有底孔２１を形成するには、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰをワーク表面ＷＦに合わせた場合に比べて長い時間を要する。比較的大きなスポット径で比較的長い時間をかけて形成した有底孔２１は、ワークＷの表面ＷＦに対して略垂直方向に切り立った筒状内周面２１ａを有するようになる。なお、ワークＷの表面ＷＦに形成される有底孔２１の開口２１ｃは、図示のように、表面ＷＦに隣接して筒状内周面２１ａの直径が局部的に漸増することで縁が丸まって形成される場合がある。また有底孔２１は、図示のように、底面２１ｂに隣接して筒状内周面２１ａの直径が局部的に漸減することで形成された半球状の隅部を有する場合がある。
【００２５】
ワークＷの表面ＷＦに有底孔２１を形成した後、レーザ光ＬＢの照射を停止し、第１工程が終了する。第１工程の終了後、後述する第２工程の実施に先立って、レーザ加工装置１１は、第１工程における種々の設定の変更を実施する。例えば、ギャップＧ、レーザ光ＬＢの出力条件、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰの位置、及びアシストガスＡＧの圧力を変更する。この実施形態では、ワークＷのＸＹ平面上の位置は変更しない。なお、第１工程終了後の設定変更に際し、ワークＷのＸＹ平面上の位置を適当に変更することにより、第２工程における有底孔２１の中でのアシストガスＡＧの流れ方向を適当に調整することもできる。
【００２６】
図５に示すように、設定変更後は、アシストガスＡＧを有底孔２１の開口２１ｃの内側に吹き付けるようにする一方で、ワークＷの表面ＷＦの、開口２１ｃを取り囲む領域Ｓ（本明細書で周辺域Ｓと称する）には、アシストガスＡＧを吹き付けないようにする。例えば、加工ノズル１３を有底孔２１に可及的に接近させることで、確実に有底孔２１の開口２１ｃの内側のみにアシストガスＡＧを吹き付けることができる。この場合の加工ノズル１３の位置（つまりギャップＧ）は、集光レンズ１５（したがってレーザ光ＬＢの焦点ＦＰ）の位置と共に、Ｚ軸上の第２指令位置として指令される。或いは、第１工程で、加工ノズル１３の開口（ガス放出口）１８の直径よりも大きな開口径を有する有底孔２１を形成することで、有底孔２１の開口２１ｃの内側のみにアシストガスＡＧを確実に吹き付けることができる。また、加工ノズル１３の開口（ガス放出口）１８の直径よりも有底孔２１の開口径が小さい場合であっても、加工ノズル１３が、例えば徐々に集束するガス流を吹き出すような構造を有することにより、有底孔２１の開口２１ｃの内側のみにアシストガスＡＧを吹き付けることができる。なお、有底孔２１の開口径とは、開口２１ｃの局部的に縁が丸まった部分を除いた、筒状内周面２１ａの開口端の直径を意味する。
【００２７】
有底孔２１の開口２１ｃの内側に吹き付けられたアシストガスＡＧは、有底孔２１の底面２１ｂに衝突した後に筒状内周面２１ａに沿って流れ、その流れ方向を実質的に維持しながら有底孔２１から流出する。このため、有底孔２１から流出したアシストガスＡＧは、有底孔２１の開口２１ｃの周辺域Ｓに沿っては実質的に流れず、主としてワークＷの表面ＷＦから離れた空間領域を流れるようになる。これらの設定変更が完了した段階で、図示のレーザ加工方法は以下の第２工程に移行する。
【００２８】
ここで、図示のレーザ加工方法は、第２工程の実施に先立って行う前述した設定変更作業に付随して、所定時間に渡りレーザ光ＬＢの照射を一時的に停止する中間工程をさらに有することができる。中間工程を実施することにより、ギャップＧの変更やアシストガスＡＧの圧力の変更に伴うアシストガスＡＧの流れの遷移を、第２工程の実施に先立ち確実に完了させて流れを安定させることができる。
【００２９】
図６に示すように、第２工程では、第１工程の終了時に停止したレーザ光ＬＢの照射を再開し、有底孔２１の開口２１ｃの内側にアシストガスＡＧを吹き付ける一方で開口２１ｃの周辺域ＳにはアシストガスＡＧを吹き付けないようにしながら、有底孔２１の底面２１ｂにレーザ光ＬＢを照射する。このとき、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰを、有底孔２１の底面２１ｂに合わせるか、又は有底孔２１の底面２１ｂを越えてワークＷの内部に合わせることができる。
【００３０】
第２工程において、有底孔２１の中で発生するワークＷの溶融物２２は、アシストガスＡＧによって有底孔２１の開口２１ｃから外部に吹き飛ばされる。その結果、有底孔２１内でのワークＷの溶融及び有底孔２１からの溶融物２２の除去が円滑に進み、最終的に図７に示すように、有底孔２１がワークＷの裏面ＷＢまで延長されて、ワークＷを貫通する貫通穴２３が形成される。このようにして、ピアシングが完了する。
【００３１】
ピアシングが完了した瞬間に、アシストガスＡＧはワークＷの貫通穴２３を通って裏面ＷＢの開口２３ａから外部へ流出し、溶融物２２はアシストガスＡＧによりワークＷの裏面ＷＢから外部に除去される。このようにして、ワークＷの裏面ＷＢからワークＷの溶融物２２を円滑に除去できる状態が確保されるので、貫通穴２３を切断開始点としてレーザ切断を開始することができる。
【００３２】
図示のレーザ加工方法では、第１工程で形成した特徴的形状の有底孔２１に対し、第２工程において、有底孔２１の開口２１ｃの内側のみにアシストガスＡＧを吹き付けるようにすることで、有底孔２１から流出したアシストガスＡＧが、有底孔２１の開口２１ｃの周辺域Ｓに沿っては実質的に流れず、主としてワークＷの表面ＷＦから離れた空間領域を流れるようにしている。その結果、第２工程において、ワークＷの表面ＷＦの、有底孔２１の開口２１ｃの周辺域Ｓは、アシストガスＡＧ（例えば高純度酸素）に曝されないことになる。有底孔２１の周辺域ＳがアシストガスＡＧに曝されない状態であれば、ワークＷに貫通穴２３を形成する第２工程において、有底孔２１の中で過熱に起因するセルフバーニングが発生したとしても、セルフバーニングが有底孔２１の周辺域Ｓまで延焼することは回避される。したがって図示のレーザ加工方法では、第２工程で設定されるレーザ光ＬＢの出力は、セルフバーニングの発生を回避するための上限値に制限されることがない。
【００３３】
既述の特許文献１に記載されるような従来のレーザ加工方法では、第１ステップで形成した大径で浅い凹所の底部に対し、第２ステップで穴明けを行なう際に、浅い凹所内で加工点の過熱に起因するセルフバーニングが発生する可能性がある。このとき、溶融物を除去する目的で加工点に吹き付けられるアシストガスは、浅い凹所の内面に沿って流れてワーク表面に流出するので、凹所内で発生したセルフバーニングが、アシストガス（例えば高純度酸素）の存在によりワーク表面に広く延焼する懸念がある。セルフバーニングが広範囲に延焼すると大量の溶融物が発生し、溶融物がワーク表面に付着して突起を形成するため、その後のレーザ切断の実行が困難になる。既述の特許文献２に記載されるような従来のレーザ加工方法においても、比較的小径のピアシング穴に入りきらずにワーク表面に衝突するアシストガスが、ピアシング穴内で発生したセルフバーニングのワーク表面への延焼を誘発することが懸念される。したがって、従来のレーザ加工方法では、前段の工程で予備的に形成した有底孔の中で、後段の貫通穴形成工程においてセルフバーニングが発生しないように留意する必要があり、結果として、後段の工程で設定されるレーザ光の出力が、有底孔の中でのセルフバーニングの発生を回避するための上限値に制限されることになる。
【００３４】
図示のレーザ加工方法では、第２工程において、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰを、有底孔２１の底面２１ｂに合わせるか、又は有底孔２１の底面２１ｂを越えてワークＷの内部に合わせた場合に、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰをワークＷの表面ＷＢに合わせてレーザ光ＬＢを照射した場合と比較して、レーザ光のパワー密度が高くなり、貫通穴２３を一層迅速に形成できるようになる反面、加工点が過熱し易くなる。しかし前述の通り、第２工程では有底孔２１の中でのセルフバーニングの発生を回避する必要がないため、レーザ光ＬＢを高いパワー密度で有底孔２１の底面２１ｂに照射することができる。
【００３５】
さらに、有底孔２１の中でのセルフバーニングの発生を回避する必要がないことを利用して、第２工程において、有底孔２１の中で意図的にセルフバーニングを発生させるようにレーザ光ＬＢの出力を設定してもよい。有底孔２１の中でセルフバーニングを意図的に発生させることにより、レーザ光ＬＢによる加熱に加えて、ワークＷ自体の燃焼熱をワークＷの溶融に利用でき、貫通穴２３の形成すなわちピアシングの進行を一層促進できる。
【００３６】
前述したように図示のレーザ加工方法では、第１工程において、有底孔２１を所定の（つまり第２工程における上記した作用・効果を確保できる）深さまで加工するためには、比較的長い時間を要する。しかし、第２工程においては、有底孔２１の中でのセルフバーニングの発生を回避する必要が無い加工条件（レーザ出力等）、或いは意図的に有底孔２１の中でセルフバーニングを発生させる加工条件（レーザ出力等）で、貫通穴２３を極めて迅速に形成できる。したがって、第２工程（貫通穴加工）において短縮される時間が、第１工程（有底孔加工）で増加する時間よりも長くなるように、第２工程の加工条件を設定することにより、両工程の加工時間の合計を含むピアシング加工時間（後述する）を短縮することができる。
【００３７】
なお、第１工程終了後の設定変更作業に付随して実施可能な中間工程は、前述したように、第２工程の実施に先立ちアシストガスＡＧの流れを安定させることを目的とするものである。このような中間工程に要する時間は、既述の特許文献２に記載される従来のレーザ加工方法における冷却のための第２の工程に要する時間に比べて、十分に短いものとなる。
【００３８】
上記実施形態によるレーザ加工装置１１及びレーザ加工方法を、以下の実施例に従ってさらに詳細に説明する。
【００３９】
第１の実施例では、レーザ発振器１４に、定格出力が４ｋＷのＣＯ２レーザを使用し、加工ノズル１３に、先端の開口１８の直径が２．０ｍｍのものを用い、アシストガスＡＧに、高純度の酸素（９９．９５ｖｏｌ％）を用いて、レーザ加工装置１１を構成し、板厚１６ｍｍの軟鋼（ＳＳ４００材）からなるワークＷに上記レーザ加工方法（ピアシング）を実施した。第１工程では、加工ノズル１３のギャップＧを３０ｍｍに設定し、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰを加工ノズル１３の先端面１３ａと同一平面上の位置に設定した。すなわち、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰをワークＷの表面ＷＦから３０ｍｍ離隔させる設定を行った。また、アシストガスＡＧの圧力を０．０４ＭＰａに設定した。レーザ加工装置１１において、一般的な待機状態からこれら条件の設定を完了するまでの時間（本明細書で準備時間と称する）に、０．４秒を要した。続けて、４ｋＷ、ＣＷモードの出力設定にてレーザ光ＬＢを０．３秒間ワークＷに照射した。その結果、ワークＷの表面ＷＦに、開口径４ｍｍ、深さ５ｍｍの有底孔２１が形成された。
【００４０】
有底孔２１の形成後、レーザ光ＬＢの照射を停止して、加工ノズル１３のギャップＧを４ｍｍに設定し、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰを加工ノズル１３の先端面１３ａから１０ｍｍ離隔した位置に設定した。これにより、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰは、深さ５ｍｍの有底孔２１の底面２１ｂを越えて、底面２１ｂからワークＷの内部に１ｍｍ入り込んだ位置に設定された。また、アシストガスＡＧの圧力を０．０８ＭＰａに設定した。レーザ加工装置１１において、これら条件の設定変更に、０．３秒を要した。この設定変更時間に加え、中間工程としてさらに０．１秒間、レーザ光ＬＢの照射を停止した。続いて、第２工程では、レーザ光ＬＢを、ピーク出力４ｋＷ、パルス周波数２００Ｈｚ及びパルスディーティ４０％のＰＷモードで１．７秒間に渡って、有底孔２１の底面２１ｂに照射した。その結果、有底孔２１はワークＷの裏面ＷＢまで延長されて、ワークＷの裏面ＷＢに直径２．５ｍｍで開口する貫通穴２３が形成された。上述の通り、第１の実施例における各工程の所要時間の合計（本明細書でピアシング加工時間と称する）は２．８秒であった。
【００４１】
ピアシング加工時間は、第１工程におけるレーザ光ＬＢの照射開始から第２工程でレーザ光ＬＢがワークＷを貫通するまでに要する時間（本明細書で貫通所要時間と称する）に、準備時間を加えるとともに、貫通所要時間のバラつきを考慮して算定される。貫通所要時間には、第１工程終了後の設定変更の時間と、中間工程（実施する場合）の時間とが含まれる。レーザ加工プログラムを作成する際には、試行により貫通所要時間の平均値と貫通所要時間のバラつきを表す標準偏差とを求め、当該平均値に、標準偏差の数倍の時間（本明細書で余裕時間と称する）と準備時間とを加算して、ピアシング加工時間を設定する。貫通所要時間に余裕時間を加えることで、貫通穴２３の形成をより確実なものとすることができる。なお、貫通所要時間の標準偏差が大きいと、設定されるピアシング加工時間が長くなるが、上記実施形態によるレーザ加工方法は、後述するように標準偏差を小さくする効果を奏する。
【００４２】
第１の実施例の加工条件で５０回のピアシングを実施し、加工の安定性と実用性を検証した。５０回のピアシングで測定された貫通所要時間の平均値は２．０秒であり、貫通所要時間の標準偏差は０．１秒であった。ピアシングの未貫通（貫通穴２３の形成不良）や、有底孔２１の周辺域Ｓにおけるセルフバーニングの発生といった不具合は、一度も発生しなかった。また、形成された貫通穴２３を切断開始点として、５０回のレーザ切断加工を実施した結果、切断開始時の加工不良は一度も発生しなかった。
【００４３】
第２の実施例では、レーザ発振器に、定格出力が４ｋＷのＣＯ２レーザを使用し、加工ノズル１３に、先端の開口１８の直径が４．０ｍｍのものを用い、アシストガスＡＧに、高純度の酸素（９９．９５ｖｏｌ％）を用いて、レーザ加工装置１１を構成し、板厚２２ｍｍの軟鋼（ＳＳ４００材）からなるワークＷに上記レーザ加工方法（ピアシング）を実施した。第１工程では、加工ノズル１３のギャップＧを４５ｍｍに設定し、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰを加工ノズル１３の先端面１３ａと同一平面上の位置に設定した。すなわち、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰをワークＷの表面ＷＦから４５ｍｍ離隔させる設定を行った。また、アシストガスＡＧの圧力を０．０１ＭＰａに設定した。レーザ加工装置１１において、一般的な待機状態からこれら条件の設定を完了するまでの準備時間に、０．４秒を要した。続けて、４ｋＷ、ＣＷモードの出力設定にてレーザ光ＬＢを０．６秒間ワークＷに照射した。その結果、ワークＷの表面ＷＦに、開口径６ｍｍ、深さ６ｍｍの有底孔２１が形成された。
【００４４】
有底孔２１の形成後、レーザ光ＬＢの照射を停止して、加工ノズル１３のギャップＧを５ｍｍに設定し、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰを加工ノズル１３の先端面１３ａから１１ｍｍ離隔した位置に設定した。これにより、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰは、深さ６ｍｍの有底孔２１の底面２１ｂに設定された。また、アシストガスＡＧの圧力を０．０４ＭＰａに設定した。レーザ加工装置１１において、これら条件の設定変更に、０．３秒を要した。この設定変更時間に加え、中間工程としてさらに０．１秒間、レーザ光ＬＢの照射を停止した。
【００４５】
第２の実施例では、第２工程を２段階に分割した。分割した前半部分である第２工程の前半工程では、レーザ光ＬＢを、第１工程と同じ設定のＣＷモードで０．１秒間に渡ってワークＷに照射した。続いて、レーザ光ＬＢの照射を停止して、加工ノズル１３のギャップＧを４ｍｍに設定した。レーザ加工装置１１において、この設定変更に０．２秒を要した。第２工程の後半工程では、レーザ光ＬＢを、ピーク出力４ｋＷ、パルス周波数２００Ｈｚ及びパルスディーティ５０％のＰＷモードで３．０秒間に渡ってワークＷに照射した。その結果、有底孔２１はワークＷの裏面ＷＢまで延長されて、ワークＷの裏面ＷＢに直径３．０ｍｍで開口する貫通穴２３が形成された。上述の通り、第２の実施例における各工程の所要時間の合計（すなわちピアシング加工時間）は４．７秒であった。
【００４６】
第２の実施例の加工条件で５０回のピアシングを実施し、加工の安定性と実用性を検証した。５０回のピアシングで測定された貫通所要時間の平均値は３．７秒であり、貫通所要時間の標準偏差は０．２秒であった。ピアシングの未貫通（貫通穴２３の形成不良）や、有底孔２１の周辺域Ｓにおけるセルフバーニングの発生といった不具合は、一度も発生しなかった。また、形成された貫通穴２３を切断開始点として、５０回のレーザ切断加工を実施した結果、切断開始時の加工不良は一度も発生しなかった。
【００４７】
上記実施形態によるレーザ加工装置１１及びレーザ加工方法の作用・効果の検証を、上記した実施例に関連して説明する。
【００４８】
（実験１)
第１の実施例の第１工程における加工ノズル１３のギャップＧの大きさと形成される有底孔２１の開口径及び有底孔２１の形成に要する加工時間との関係を、以下の実験１により検証した。ギャップＧの大きさ及びレーザ光ＬＢの照射時間を除く加工条件は、全て前述した第１の実施例の第１工程での設定の通りとした。
【００４９】
ギャップＧの大きさを変化させて、深さ約５ｍｍの有底孔２１を形成し、個々のギャップＧに対応する有底孔２１の開口径及び加工時間を測定した。図８は、ギャップＧの大きさ（ｍｍ）と有底孔２１の開口径（ｍｍ）及び加工時間（秒）との関係を示す。図示のように、ギャップＧが１０ｍｍから４５ｍｍに増大するにつれて、有底孔２１の開口径は増大する。また、ギャップＧが増大するにつれて、深さ５ｍｍの有底孔２１の形成に要する加工時間も増大する。ギャップＧの増大によりレーザ光ＬＢが照射される範囲のスポット径が増大し、これに反比例して、照射される範囲におけるレーザ光ＬＢのパワー密度は低下する。結果として、有底孔２１が形成される際の深さの進行速度が遅くなり、加工時間が増大するものと考えられる。
【００５０】
図９は、実験１において、第１の実施例の第１工程を異なるギャップＧで実施した結果として得られた有底孔２１及びその周辺域Ｓの状態を、ワークＷの表面ＷＦの写真と有底孔２１の断面図とによって示している。ギャップＧは、それぞれ（ａ）１０ｍｍ、（ｂ）２０ｍｍ、（ｃ）３０ｍｍ、（ｄ）４０ｍｍに設定した。それぞれ（ａ）０．１１秒、（ｂ）０．２１秒、（ｃ）０．３１秒、（ｄ）０．４５秒の加工時間で有底孔２１が形成された。有底孔２１の開口径は、それぞれ（ａ）２．５ｍｍ、（ｂ）３．３ｍｍ、（ｃ）４．２ｍｍ、（ｄ）５．５ｍｍであった。
【００５１】
図９に示すように、（ａ）のギャップＧでは、ほぼ逆円錐形状の有底孔２１が形成された。（ｂ）のギャップＧでは、（ａ）に比べて有底孔２１の内径が増大したものの、（ａ）と同様にほぼ逆円錐形状の有底孔２１が形成された。（ｃ）のギャップＧでは、筒状内周面２１ａと底面２１ｂとを有する有底孔２１が形成された。（ｄ）のギャップＧでは、（ｃ）よりも内径及び開口径が増大した筒状内周面２１ａを有する有底孔２１が形成された。有底孔２１は、ワークＷの表面ＷＦに隣接して開口２１ｃの縁が丸まっていたり、底面２１ｂに隣接して半球状の隅部を有していたりする。
【００５２】
実験１により、第１実施例の第１工程において、加工ノズル１３のギャップＧを３０ｍｍ以上に設定することで、第２工程において有効に作用する筒状内周面２１ａを有する有底孔２１を形成できることが検証された。
【００５３】
（実験２）
第１の実施例の第１工程におけるアシストガスＡＧの圧力と有底孔２１の加工時間及び加工品質との関係を、以下の実験２により検証した。アシストガスＡＧの圧力及びレーザ光ＬＢの照射時間を除く加工条件は、全て前述した第１の実施例の第１工程での設定の通りとした。
【００５４】
アシストガスＡＧの圧力を変化させて、深さ約５ｍｍの有底孔２１を形成し、個々のアシストガス圧力に対応する有底孔２１の加工時間を計測した。図１０は、アシストガスＡＧの圧力（ＭＰａ）と有底孔２１の加工時間（秒）との関係を示す。図示のように、アシストガスＡＧの圧力が０．１５ＭＰａから減少するにつれて、深さ５ｍｍの有底孔２１の形成に要する加工時間が増大する。
【００５５】
図１１は、実験２において、第１の実施例の第１工程を異なるアシストガス圧力で実施した結果として得られた有底孔２１及びその周辺域Ｓの状態を、ワークＷの表面ＷＦの写真によって示している。アシストガスＡＧの圧力を、それぞれ（ａ）０．１５ＭＰａ、（ｂ）０．０７ＭＰａ、（ｃ）０．０４ＭＰａ、（ｄ）０．０２ＭＰａに設定した。それぞれ（ａ）０．２４秒、（ｂ）０．２７秒、（ｃ）０．３０秒、（ｄ）０．３８秒の加工時間で有底孔２１が形成された。アシストガスＡＧの圧力を０．１５ＭＰａから下げていくと、有底孔２１の周辺域Ｓに対する溶融物２２の付着が徐々に減少し、０．０４ＭＰａにおいて最小限に抑制された。さらにアシストガス圧力を下げて０．０２ＭＰａに設定すると、再び溶融物２２の付着が増大した。アシストガスＡＧの圧力が低すぎることによって、アシストガスＡＧによる溶融物２２を吹き飛ばす作用が減少したためと考えられる。
【００５６】
第２の実施例の第１工程についても、第１の実施例と同様に、アシストガスＡＧの圧力と有底孔２１の加工時間及び加工品質との関係を検証した。アシストガスＡＧの圧力及びレーザ光ＬＢの照射時間を除く加工条件は、全て前述した第２の実施例の第１工程での設定の通りとした。アシストガスＡＧの圧力を変化させて、深さ約６ｍｍの有底孔２１を形成し、個々のアシストガス圧力に対応する有底孔２１の加工時間を計測するとともに、有底孔２１の周辺域Ｓの状態を観察した（図示せず）。アシストガスＡＧの圧力の低下に伴い、有底孔２１の周辺域Ｓに対する溶融物２２の付着が減少することが検証された。また、アシストガスＡＧの圧力が０．０１ＭＰａのときに周辺域Ｓへの溶融物２２の付着が最小限に抑制され、同０．００７ＭＰａのときに再び溶融物２２の付着が増大することが観察された。
【００５７】
（実験３）
第１の実施例における有底孔２１の形状と有底孔２１の周辺域Ｓの酸素濃度との関係を、以下の実験３により検証した。まず、図１２に示すように、（ｃ）第１の実施例の第１工程によりワークＷに有底孔２１を形成する一方、比較例（ａ）、（ｂ）として、既述の特許文献１及び２に記載のレーザ加工方法の再現によって同じワークＷに有底孔２１Ａ、２１Ｂを形成した。次に、第２工程を模擬して加工ノズル１３のギャップＧを４ｍｍに設定し、アシストガスＡＧを有底孔２１、２１Ａ、２１Ｂに吹き付けながら、有底孔２１、２１Ａ、２１Ｂの周辺域Ｓにおいて、ワークＷの表面ＷＦに隣接する空間領域の酸素濃度を計測した。酸素濃度の計測は、内径０．５ｍｍのチューブで計測点のガスを吸引するガルバニ電池方式の酸素濃度計によって行った。
【００５８】
計測された酸素濃度は、それぞれ（ａ）６０％、（ｂ）６５％、（ｃ）２２％であった。有底孔２１、２１Ａ、２１Ｂの周辺域Ｓの酸素濃度は、比較例（ａ）、（ｂ）では大気中濃度の数倍に達しているのに対し、第１の実施例（ｃ）においては大気中濃度と同じ程度に留まっている。比較例（ａ）、（ｂ）においては、アシストガスＡＧが周辺域ＳでワークＷの表面ＷＦに沿って流れるのに対し、第１の実施例（ｃ）では、アシストガスＡＧがワークＷの表面ＷＦから離れた空間領域を流れるためと考えられる。
【００５９】
（実験４）
第１の実施例における有底孔２１の開口径と有底孔２１の周辺域Ｓの酸素濃度との関係を、以下の実験４により検証した。実験１で形成した異なる開口径で深さ５ｍｍの有底孔２１に対し、第１の実施例の第２工程を模擬して加工ノズル１３のギャップＧを４ｍｍに設定して、アシストガスＡＧを有底孔２１の開口２１ｃの内側に吹き付けながら、有底孔２１の周辺域Ｓにおいて、ワークＷの表面ＷＦに隣接する空間領域の酸素濃度を計測した。酸素濃度の計測は、実験３と同様にして行った。
【００６０】
図１３は、有底孔２１の開口径（ｍｍ）と計測した酸素濃度（％）との関係を示す。酸素濃度は、有底孔２１の開口径が３．３ｍｍ以下の場合に大気中濃度の数倍に達しているのに対し、有底孔２１の開口径が３．８ｍｍ以上の場合には大気中濃度の２割増し程度に留まっている。加工ノズル１３の先端の開口１８からアシストガスＡＧをワークＷに吹き付ける際に、アシストガスＡＧを有底孔２１の開口２１ｃの内側のみに確実に吹き付けるとともに、有底孔２１から流出するアシストガスＡＧが有底孔２１の周辺域ＳにおいてはワークＷの表面ＷＦから離れた空間領域を安定して流れるようにするためには、所定寸法以上の開口径を有する有底孔２１を形成することが望ましいと検証された。
【００６１】
実験４により、第１の実施例の第１工程においては、開口径が３．８ｍｍ以上の有底孔２１を形成することが望ましいことが検証された。なお、開口径が３．８ｍｍ以上の有底孔２１を形成するためには、実験１から、第１工程における加工ノズル１３のギャップＧを２５ｍｍ以上に設定すればよいことが理解される。ただし、実験１では、第２工程において有効に作用する筒状内周面２１ａを有する有底孔２１を形成するために、加工ノズル１３のギャップＧを３０ｍｍ以上に設定することが望ましいと検証されているので、実験４では、第１の実施例の第１工程を実施するに際し、ギャップＧを３０ｍに設定した。
【００６２】
第２の実施例についても、同様の実験を行った。第１工程で、開口径の異なる深さ６ｍｍの有底孔２１を形成し、第２の実施例の第２工程を模擬して加工ノズル１３のギャップＧを５ｍｍに設定して、アシストガスＡＧを有底孔２１の開口２１ｃの内側に吹き付けながら、有底孔２１の周辺域Ｓにおいて、ワークＷの表面ＷＦに隣接する空間領域の酸素濃度を計測した。計測された酸素濃度は、有底孔２１の開口径が５．５ｍｍ以下の場合に大気中濃度の数倍に達したのに対し、有底孔２１の開口径が６．０ｍｍ以上の場合には大気中濃度の２割増し程度に留まった。開口径が６．０ｍｍの有底孔２１を形成するには、実験１から、第１工程の加工ノズル１３のギャップＧを４５ｍｍに設定すればよいことが検証されているので、第２の実施例ではギャップＧを４５ｍｍに設定した。アシストガスＡＧを吹き付ける加工ノズル１３の先端の開口１８の直径は、第１の実施例では２．０ｍｍであったの対し、第２の実施例では４．０ｍｍと大きくなっている。このため、アシストガスＡＧを有底孔２１の開口２１ｃの内側のみに吹き付けるとともに、周辺域Ｓにおける酸素濃度を低下させるために望ましい有底孔２１の開口径が、第１の実施例に比べて増大していると考えられる。
【００６３】
（実験５）
第１の実施例における有底孔２１の深さと有底孔２１の周辺域Ｓの酸素濃度との関係を、以下の実験５により検証した。レーザ光ＬＢの照射時間を除く加工条件は、全て前述した第１の実施例の第１工程で設定した通りとして、第１工程により深さの異なる有底孔２１を形成した。深さの異なる有底孔２１に対し、第１の実施例の第２工程を模擬して加工ノズル１３のギャップＧを４ｍｍに設定して、アシストガスＡＧを有底孔２１の開口２１ｃの内側に吹き付けながら、有底孔２１の周辺域Ｓにおいて、ワークＷの表面ＷＦに隣接する空間領域の酸素濃度を計測した。酸素濃度の計測は、実験３と同様にして行った。
【００６４】
図１４は、有底孔２１の深さ（ｍｍ）と計測した酸素濃度（％）との関係を示す。酸素濃度は、有底孔２１の深さが１ｍｍの場合に、大気中濃度の数倍に達している。酸素濃度は、有底孔２１の深さが増大するにつれて低下し、深さ３．０ｍｍ以上で、大気中濃度の１割増し程度まで低下している。加工ノズル１３の先端の開口１８からアシストガスＡＧをワークＷに吹き付ける際に、有底孔２１から流出するアシストガスＡＧが、有底孔２１の周辺域ＳにおいてワークＷの表面ＷＦから離れた空間領域を安定して流れるようにするためには、所定寸法以上の深さを有する有底孔２１を形成することが望ましいと検証された。
【００６５】
（実験６）
第１の実施例の第２工程における加工ノズル１３のギャップＧの大きさと有底孔２１の周辺域Ｓの酸素濃度との関係を、以下の実験６により検証した。第１の実施例の第１工程で有底孔２１を形成した後、第２工程を模擬して、異なるギャップＧでアシストガスＡＧを有底孔２１の開口２１ｃの内側に吹き付けながら、有底孔２１の周辺域Ｓにおいて、ワークＷの表面ＷＦに隣接する空間領域の酸素濃度を計測した。酸素濃度の計測は、実験３と同様にして行った。
【００６６】
図１５は、第２工程におけるギャップＧ（ｍｍ）と計測した酸素濃度（％）との関係を示す。酸素濃度は、ギャップＧが５．５ｍｍ以上の場合に大気中濃度の数倍に達しているが、ギャップＧが５．０ｍｍ以下の場合には大気中濃度の３割増し程度まで低下している。実験６により、第２工程の加工ノズル１３のギャップＧは５ｍｍ以下に設定することが望ましいことが検証された。
【００６７】
（実験７）
第１の実施例の第２工程における有底孔２１内でのセルフバーニングの発生の有無によるピアシング加工時間の違いを、以下の実験７により検証した。前述した第１の実施例の第２工程の加工条件では、有底孔２１内でセルフバーニングが発生し、第１の実施例の第２工程の加工条件中、レーザ光ＬＢのパルスディーティを４０％から２０％に低下させた加工条件では、有底孔２１内でセルフバーニングが発生しなかった。それぞれの加工条件で、５０回のピアシングを実施した。
【００６８】
図１６に示すように、有底孔２１内でセルフバーニングが発生した場合（「あり」）は、発生しない場合（「なし」）に比べて、貫通穴２３の形成に要する平均の貫通所要時間を０．４秒短縮でき、貫通所要時間の標準偏差を０．２秒縮小できた。前述したように、第１の実施例においては、第１工程の準備時間を含めて、準備時間０．４（秒）＋平均の貫通所要時間２．０（秒）＋４×貫通所要時間の標準偏差０．１（秒）＝２．８（秒）のピアシング加工時間を設定した。同様の計算により、有底孔２１内でセルフバーニングが発生しない場合は、準備時間０．４（秒）＋平均の貫通所要時間２．４（秒）＋４×貫通所要時間の標準偏差０．３（秒）＝４．０（秒）のピアシング加工時間を設定する必要がある。これらのことから、第２工程において有底孔２１内で意図的にセルフバーニングを発生させることにより、セルフバーニングを発生させない場合と比較して、ピアシング加工時間を短縮できることが検証された。
【００６９】
実験７においては、第１の実施例の第２工程における有底孔２１内でのセルフバーニングの発生の有無による、ワークＷの裏面ＷＢにおける貫通穴２３の開口径の違いも検証した。ワークＷの裏面ＷＢにおける貫通穴２３の開口径は、有底孔２１内でセルフバーニングが発生した場合には２．５ｍｍであったのに対し、有底孔２１内でセルフバーニングが発生しない場合には１．０ｍｍであった。さらに、こうして形成された貫通穴２３を切断開始点としてレーザ切断加工を開始する際の、不良率の違いも検証した。有底孔２１内でセルフバーニングが発生した場合には、５０回実施したレーザ切断加工において、切断開始時の加工不良は一度も発生しなかった。これに対し、有底孔２１内でセルフバーニングが発生しなかった場合には、１０回実施したレーザ切断加工において、切断開始時の加工不良が３回発生した。このように、第２工程において有底孔２１内で意図的にセルフバーニングを発生させることにより、セルフバーニングを発生させない場合と比較して、切断開始時の加工不良の発生を抑制できることが検証された。一般的に、レーザ切断加工は、アシストガスＡＧの吹き付けによりワークＷの裏面ＷＢからワークＷの溶融物２２を円滑に除去できる状態のもとで、開始することが望ましい。上記したように、第２工程において有底孔２１内で意図的にセルフバーニングを発生させると、ワークＷの裏面ＷＢにおける貫通穴２３の開口径が大きくなり、アシストガスＡＧの流れが一層安定することから、切断開始時の加工不良の発生を抑制できるものと考えられる。
【００７０】
（実験８）
第１の実施例の第２工程におけるレーザ光ＬＢの焦点ＦＰの位置を、以下の実験８により検証した。レーザ光ＬＢの焦点ＦＰの位置を除く加工条件は、全て前述した第１の実施例の第２工程での設定の通りとした。第２工程におけるレーザ光ＬＢの焦点ＦＰの位置を変化させて、第１工程におけるレーザ光ＬＢの照射開始から第２工程でレーザ光ＬＢがワークＷを貫通するまでの貫通所要時間を計測した。貫通所要時間の計測は、個々の焦点ＦＰの位置で２０回ずつ実施した。
【００７１】
図１７は、個々の焦点ＦＰの位置ごとに、貫通所要時間の２０回平均値を示す。焦点ＦＰの位置としては、加工ノズル１３の先端面１３ａの位置を基準（０ｍｍ）として、ワークＷに接近する方向へ２ｍｍ、４ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍ及び１２ｍｍの５点を設定した。図示のように、レーザ光ＬＢの焦点ＦＰをワークＷに接近させるにつれて貫通所要時間は短くなり、有底孔２１の底面２１ｂを１ｍｍ越えたワークＷの内部の位置に相当する、ノズル先端面１３ａから１０ｍｍの位置で、貫通所要時間が最短となった。実験８により、第２工程におけるレーザ光ＬＢの焦点ＦＰの位置は、有底孔２１の底面２１ｂに合わせるか、又は底面２１ｂを越えてワークＷの内部に合わせることが望ましいと検証された。
【００７２】
（実験９）
第１及び第２の実施例において第１工程と第２工程との間でレーザ光ＬＢの照射を一時的に停止する中間工程の時間を、以下の実験９により検証した。前述したように、第１及び第２の実施例では、第１工程から第２工程への移行時に、ギャップＧの寸法やアシストガスＡＧの圧力等の、加工条件の設定変更のために、レーザ光ＬＢの照射を０．３秒間停止することに加えて、中間工程として、０．１秒間だけ照射を停止している。この中間工程の時間を変更して、貫通穴２３の加工不良の発生率を計測した。
【００７３】
図１８に示すように、０．３秒の設定変更時間のみ（つまり中間工程無し）の場合には貫通穴２３の加工不良率が３５％であったのに対し、０．１秒の中間工程を実施してレーザ光ＬＢの照射を合計０．４秒停止すると、貫通穴２３の加工不良は発生しなかった。また、０．２秒の中間工程を実施してレーザ光ＬＢの照射を合計０．５秒停止した場合にも、貫通穴２３の加工不良は発生しなかった。レーザ光ＬＢの照射停止時間を設定変更時間に追加することによって、有底孔２１から開口２１ｃの外部へ流出するアシストガスＡＧの流れが安定し、有底孔２１の周辺域ＳにおいてアシストガスＡＧがワークＷの表面ＷＦから確実に離れて流れるようになるからであると考えられる。
【００７４】
（実験１０）
第１の実施例の第２工程におけるレーザ光ＬＢの出力について、以下の実験１０により検証した。レーザ光ＬＢの出力を除く加工条件は、全て前述した第１の実施例の第２工程での設定の通りとした。第２工程におけるレーザ光ＬＢの出力を変化させて、第１工程で形成した有底孔２１に貫通穴２３を形成し、ワークＷの表面ＷＦの状態を観察した。
【００７５】
図１９は、第２工程において異なるレーザ光ＬＢの出力で貫通穴２３を形成したときの、ワークＷの表面ＷＦに付着する溶融物２２を写真で示す。（ａ）は、レーザ光ＬＢの出力を、前述した第１の実施例の設定通りの、ピーク出力４ｋＷ、パルス周波数２００Ｈｚ及びパルスディーティ４０％のＰＷモードに設定したときの、ワークＷの表面ＷＦに付着する溶融物２２を示す。（ｂ）は、レーザ光ＬＢの出力を、ピーク出力４ｋＷ、パルス周波数２００Ｈｚ及びパルスディーティ５０％のＰＷモードに設定したときの、ワークＷの表面ＷＦに付着する溶融物２２を示す。パルスデューティが４０％から５０％に増加すると、ワークＷの表面ＷＦにおける周辺域Ｓへの溶融物２２の付着が増大した。このことは、レーザ光ＬＢの出力の増加により、加工点における溶融物２２の単位時間当りの発生量が増大して溶融物２２が大粒になるため、アシストガスＡＧによる溶融物２２の除去が追いつかなくなったことが原因と考えられる。このように、第２工程では、アシストガスＡＧにより溶融物２２を円滑に除去できるように、レーザ光ＬＢの出力を設定することが望ましいことが検証された。
【符号の説明】
【００７６】
１１ レーザ加工装置
１３ 加工ノズル
１４ レーザ発振器
１６ 制御部（ＮＣ装置）
２１ 有底孔
２３ 貫通穴
ＬＢ レーザ光
ＣＬ 中心線
ＡＧ アシストガス
Ｗ ワーク
Ｓ 周辺域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークの表面から焦点を離隔させた状態でレーザ光を該表面に照射して、該ワークに、該表面に開口する筒状内周面及び底面を有する有底孔を形成する第１工程と、
前記有底孔の開口の内側にアシストガスを吹き付ける一方で該開口の周辺域には該アシストガスを吹き付けないようにしながら、前記有底孔の前記底面にレーザ光を照射して、前記ワークを貫通する貫通穴を形成する第２工程と、
を具備することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記第１工程は、前記第２工程で前記有底孔の前記開口の内側に前記アシストガスを吹き付けるために用いられる加工ノズルのガス放出口の直径よりも、大きな開口径を有する前記有底孔を形成する、請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記第２工程は、前記レーザ光の焦点を、前記有底孔の前記底面に合わせるか、又は前記底面を越えて前記ワークの内部に合わせた状態で、前記底面に前記レーザ光を照射する、請求項１又は２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記第１工程と前記第２工程との間に、前記レーザ光の照射を一時的に停止する中間工程をさらに具備する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
レーザ発振器から出射されたレーザ光を集光してワークに照射するとともに該ワークにアシストガスを吹き付ける加工ヘッドと、
前記加工ヘッドの動作を制御する制御部であって、前記ワークの表面から焦点を離隔させた状態で前記レーザ光を該表面に照射して、該ワークに、該表面に開口する筒状内周面及び底面を有する有底孔を形成する第１工程と、前記有底孔の開口の内側に前記アシストガスを吹き付ける一方で該開口の周辺域には前記アシストガスを吹き付けないようにしながら、前記有底孔の前記底面に前記レーザ光を照射して、前記ワークを貫通する貫通穴を形成する第２工程とを制御する制御部と、
を具備することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記第２工程で前記有底孔の前記開口の内側に前記アシストガスを吹き付けるために用いられる加工ノズルのガス放出口の直径よりも、大きな開口径を有する前記有底孔を形成するように前記第１工程を制御する、請求項５に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記レーザ光の焦点を、前記有底孔の前記底面に合わせるか、又は前記底面を越えて前記ワークの内部に合わせた状態で、前記底面に前記レーザ光を照射するように、前記第２工程を制御する、請求項５又は６に記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記第１工程と前記第２工程との間に、前記レーザ光の照射を一時的に停止する中間工程をさらに設けて制御する、請求項５〜７のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【請求項１】
ワークの表面から焦点を離隔させた状態でレーザ光を該表面に照射して、該ワークに、該表面に開口する筒状内周面及び底面を有する有底孔を形成する第１工程と、
前記有底孔の開口の内側にアシストガスを吹き付ける一方で該開口の周辺域には該アシストガスを吹き付けないようにしながら、前記有底孔の前記底面にレーザ光を照射して、前記ワークを貫通する貫通穴を形成する第２工程と、
を具備することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記第１工程は、前記第２工程で前記有底孔の前記開口の内側に前記アシストガスを吹き付けるために用いられる加工ノズルのガス放出口の直径よりも、大きな開口径を有する前記有底孔を形成する、請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記第２工程は、前記レーザ光の焦点を、前記有底孔の前記底面に合わせるか、又は前記底面を越えて前記ワークの内部に合わせた状態で、前記底面に前記レーザ光を照射する、請求項１又は２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記第１工程と前記第２工程との間に、前記レーザ光の照射を一時的に停止する中間工程をさらに具備する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
レーザ発振器から出射されたレーザ光を集光してワークに照射するとともに該ワークにアシストガスを吹き付ける加工ヘッドと、
前記加工ヘッドの動作を制御する制御部であって、前記ワークの表面から焦点を離隔させた状態で前記レーザ光を該表面に照射して、該ワークに、該表面に開口する筒状内周面及び底面を有する有底孔を形成する第１工程と、前記有底孔の開口の内側に前記アシストガスを吹き付ける一方で該開口の周辺域には前記アシストガスを吹き付けないようにしながら、前記有底孔の前記底面に前記レーザ光を照射して、前記ワークを貫通する貫通穴を形成する第２工程とを制御する制御部と、
を具備することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記第２工程で前記有底孔の前記開口の内側に前記アシストガスを吹き付けるために用いられる加工ノズルのガス放出口の直径よりも、大きな開口径を有する前記有底孔を形成するように前記第１工程を制御する、請求項５に記載のレーザ加工装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記レーザ光の焦点を、前記有底孔の前記底面に合わせるか、又は前記底面を越えて前記ワークの内部に合わせた状態で、前記底面に前記レーザ光を照射するように、前記第２工程を制御する、請求項５又は６に記載のレーザ加工装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記第１工程と前記第２工程との間に、前記レーザ光の照射を一時的に停止する中間工程をさらに設けて制御する、請求項５〜７のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図９】
【図１１】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図９】
【図１１】
【図１９】
【公開番号】特開２０１３−２７９０７（Ｐ２０１３−２７９０７Ａ）
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６６２３７（Ｐ２０１１−１６６２３７）
【出願日】平成２３年７月２９日（２０１１．７．２９）
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月７日（２０１３．２．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２９日（２０１１．７．２９）
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
【Ｆターム（参考）】
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