説明

レーザ切断加工方法及びレーザ加工装置

【課題】厚板に環状のレーザ切断加工を行うとき、切断終了領域における環状の穴の内周面に生じる傾向にある凹部の発生を抑制することのできるレーザ切断加工方法及びレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】アシストガスとして酸素を使用し、ピアス加工位置から環状に切断すべき環状経路に達した位置をA位置とし、このA位置からレーザ切断加工の進行方向に所定距離の位置をB位置とし、前記A位置からレーザ切断加工の進行方向の逆方向への所定距離の位置をC位置としたとき、前記A位置から前記B位置を経て前記C位置へレーザ切断加工を行った後、前記C位置から前記A位置を経て前記B位置までレーザ切断加工を行う際、前記A位置からC位置までのレーザ出力、切断速度に対してレーザ出力を小出力にすると共に切断速度を低速にして前記C位置から前記B位置までのレーザ切断加工を行い、前記B位置においてレーザ出力を零にする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、厚い鋼板を環状にレーザ切断を行うレーザ切断加工方法及びレーザ加工装置に係り、さらに詳細には、環状にレーザ切断加工を行ったときに、切断終了時に切抜き片が傾斜して環状の内周面に接触した場合、内周面に凹部が生じることを防止することのできるレーザ切断加工方法及びレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【0002】
厚板のワークを、閉曲線に沿って環状にレーザ切断加工を行うとき、ワークのレーザ切断加工位置にはレーザ光が照射されると共にアシストガスが噴射されているので、ワークを環状に切り抜くとき、切断終了時に切抜き片が傾斜して環状の内面に接触することがある。このような現象が生じると、切抜き片の一部が溶融されると共に、切抜き片によって反射されたレーザ光が環状の切抜き穴の内周面の一部を溶融することがある。したがって、切抜き穴の内周面に凹部を生じることがある(例えば、特許文献1、2参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2004−122217号公報
【特許文献2】特開2006−218535号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
前記特許文献1に記載の発明は、ワークに、環状のレーザ切断加工を行うとき、環状の内周面の一部に内方向への突出部を形成し、この突出部分において一次のレーザ切断加工を終了する構成である。したがって、切抜き片が傾斜して内周面に接触し、内周面の一部に凹部が形成されるとしても、前記凹部は前記突出部に形成されるものであり、二次加工として前記突出部を除去する加工を行うものである。
【0005】
よって、環状の切抜き穴の内周面に凹部が形成されることを防止することができるものの、レーザ切断加工として、突出部を除去するための二次加工を必要とするものであるから、レーザ切断加工の容易性、能率向上を図る上において問題がある。
【0006】
前記特許文献2に記載の発明は、環状の切断経路に沿ってのレーザ切断開始位置からのレーザ加工切断が進行し、前記レーザ切断開始位置を経過して、ワークの上面に対する下面の溶融遅れに相当する距離だけ進行したときに、レーザ出力を零にするものである。したがって、環状のレーザ切断加工を行ったときの切抜き片が傾斜して環状の穴の内周面に接触したときに、内周面に凹部が生じることを抑制することができる。しかし、前記溶融遅れに相当する距離の部分は、レーザ出力を変更することなく二度のレーザ切断加工が行われることとなり、この部分の切断経路のスリット幅がより大きくなることがあるなどの問題があり、さらなる改良が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明は、前述のごとき従来の問題に鑑みてなされたもので、アシストガスとして酸素を使用して厚い鋼板を環状にレーザ切断を行うレーザ切断加工方法であって、ピアス加工位置から環状に切断すべき環状経路に達した位置をA位置とし、このA位置からレーザ切断加工の進行方向に所定距離の位置をB位置とし、前記A位置からレーザ切断加工の進行方向の逆方向への所定距離の位置をC位置としたとき、前記A位置から前記B位置を経て前記C位置へレーザ切断加工を行った後、前記C位置から前記A位置を経て前記B位置までレーザ切断加工を行う際、前記A位置からB位置を経てC位置までのレーザ出力、切断速度に対してレーザ出力を小出力にすると共に切断速度を低速にして前記C位置から前記A位置を経て前記B位置までのレーザ切断加工を行い、前記B位置においてレーザ出力を零にすることを特徴とするものである。
【0008】
また、前記レーザ切断加工方法において、前記C位置においてアシストガスをエアー又はチッソに切換えることを特徴とするものである。
【0009】
また、前記レーザ切断加工方法において、前記C位置においてアシストガスにエアー又はチッソの少なくとも一方を混合することを特徴とするものである。
【0010】
また、レーザ加工装置であって、レーザ発振器と、レーザ光を集光してワークに照射するためのレーザ加工ヘッドと、上記レーザ加工ヘッドへアシストガスを供給するためのアシストガス供給手段と、前記レーザ発振器のレーザ出力及びワークに対する前記レーザ加工ヘッドの相対的な移動速度を制御するための制御手段と、アシストガスとして酸素を使用して厚いワークを環状にレーザ切断を行うときの、切断終了領域におけるレーザ加工条件をワークの材質、板厚に対応して予め格納した加工条件テーブルと、加工すべきワークの材質、板厚に対応して前記加工条件テーブルのレーザ加工条件を検索する検索手段と、上記検索手段の検索結果に基づいて、前記切断終了領域において前記レーザ発振器のレーザ出力及び前記レーザ加工ヘッドの相対的な移動速度を制御するための前記制御手段と、を備えていることを特徴とするものである。
【0011】
また、レーザ加工装置であって、レーザ発振器と、レーザ光を集光してワークに照射するためのレーザ加工ヘッドと、上記レーザ加工ヘッドへアシストガスを供給するためのアシストガス供給手段と、前記レーザ発振器のレーザ出力及びワークに対する前記レーザ加工ヘッドの相対的な移動速度を制御するための制御手段と、アシストガスとして酸素を使用して厚いワークを環状にレーザ切断を行うときの、切断終了領域におけるレーザ加工条件をワークの材質、板厚に対応して前記制御手段に備えたメモリに入力する入力手段と、前記メモリに入力された加工条件に基づいて、前記切断終了領域において前記レーザ発振器のレーザ出力及び前記レーザ加工ヘッドの相対的な移動速度を制御するための前記制御手段と、を備えていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、ワークに環状の切断加工を行うとき、環状の切断経路に沿ってレーザ切断を開始した位置からレーザ切断加工が進行し、前記レーザ切断の開始位置に達する前にレーザ出力を小さくし、レーザ切断速度を低速に制御するので、切抜き片が傾斜して環状の内周面に接触した場合、切抜き片から内周面へ反射されるレーザ光は小出力であり、内周面に大きな凹部が形成されることを抑制できるものである。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の実施形態に係るレーザ切断加工装置の主要な構成を概念的、概略的に示した説明図である。
【図2】制御手段の機能を示す機能ブロック図である。
【図3】環状のレーザ切断加工を行う場合の作用説明図である。
【図4】製品形状と当該製品形状を加工するための形状寸法、座標位置を示した加工プログラムの例示説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
図1に概念的、概略的に示すように、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置1は、例えば板厚が約16.0mm〜25.0mmの厚い鋼板(ワーク)Wを切断対象とするものである。上記レーザ加工装置1は、レーザ発振器3から発振されたレーザ光LBを、内装した集光レンズ5によって集光して前記ワークWに照射するレーザ加工ヘッド7を備えている。このレーザ加工ヘッド7は、前記ワークWに対して相対的にX、Y、Z軸方向へ移動自在に備えられている。そして、前記ワークWのレーザ切断加工を行うときに、アシストガスをワークWへ噴射するために、前記レーザ加工ヘッド7にはアシストガス供給手段9が接続してある。
【0015】
前記アシストガス供給手段9は、アシストガスとして99.99%以上の高純度の酸素を貯留した酸素ボンベなどのごとき酸素供給手段11を備えると共にアシストガスとしてチッソガスを供給するチッソガス供給手段13を備えている。さらに、アシストガス供給手段9は、エアーを供給するエアー供給手段15を備えている。そして、前記酸素供給手段11、チッソガス供給手段13、エアー供給手段15と前記レーザ加工ヘッド7の接続路17は、それぞれ制御弁11V,13V,15Vを介して接続してある。前記制御弁11V,13V,15Vは、例えば公知の電磁比例弁などからなるものであって、接続路を連通遮断自在かつ流量制御自在に構成してある。
【0016】
したがって、前記各制御弁11V,13V,15Vを適宜に制御することにより、アシストガスとして酸素、チッソガス、エアーをそれぞれ個別に供給することができると共に、アシストガスとして酸素、チッソガス、エアーを適宜に混合した混合ガスを供給することができるものである。
【0017】
前記レーザ加工装置1は、前記レーザ発振器3の出力、前記レーザ加工ヘッド7をX、Y、Z軸方向へ移動するためのそれぞれのサーボモータM及び前記各制御弁11V,13V,15Vの開閉を制御するための制御手段19を備えている。この制御手段19は、例えばCNC制御装置からなるものであって、図2に示すように、CPU20、ROM21、RAM23を備えると共に、入力手段25及び表示手段27を備えている。さらに、前記制御手段19は、切断終了領域の加工条件を格納した加工条件テーブル29を備えている。
【0018】
ところで、アシストガスとして酸素を使用して厚い(例えば、約16.0mm〜25.0mm)ワークWに環状のレーザ切断加工を行うとき、図3に示すように、ピアス加工位置Pから環状に切断すべき環状の経路(閉曲線)Lに達した位置をA位置とすると、このA位置は、環状の経路に沿ってレーザ切断を行うときのレーザ切断開始位置(スタート位置)に相当する。
【0019】
そして、このA位置からレーザ切断加工の進行方向(図3に示す矢印R方向)の所定位置をB位置とする。前記A位置とB位置との間の距離は、ワークWのレーザ切断加工を行うときの上面(表面)に対する下面(裏面)の溶融遅れに相当する距離で、試験的(実験的)にレーザ切断加工を行って適正な位置を設定するものである。また、前記A位置からレーザ切断加工の進行方向の逆方向への所定距離の位置をC位置とする。このC位置は、ワークWの材質、板厚に対応して予め設定した位置である。なお、前記C位置は、試験的にレーザ切断加工を行って適正な位置を設定するものである。
【0020】
前記加工条件テーブル29は、第1加工条件テーブル29Aと第2加工テーブル29Bとを備えている。そして、第1加工条件テーブル29Aには、前記P位置からA位置、B位置を経てC位置までレーザ切断加工を行うときの一般的なレーザ加工条件としてのピアス時間やレーザ切断速度、レーザ発振器3の出力、周波数、デューティー比、アシストガスとしての酸素のガス圧等が格納されている。そして、第2加工条件テーブル29Bには、切断終了領域としてのC位置からA位置を経てB位置までレーザ切断加工を行うときのレーザ加工条件、すなわちレーザ切断速度、レーザ発振器3の出力、周波数、デューティー比、アシストガスの種類及びそのガス圧、前記A位置からB位置までの距離及び前記C位置からA位置までの距離が、ワークWの加工条件として、ワークWの材質、板厚に対応して予め実験的に求められて格納してある。したがって、レーザ加工すべきワークWの材質、板厚が分かれば、ワークWの切断終了領域のレーザ加工条件を前記第2加工条件テーブル29Bから検索することができるものである。
【0021】
よって、前記制御手段19は、前記入力手段25から入力されたワークWの材質、板厚に対応して前記加工条件テーブル29から適正な加工条件を検索するための検索手段31を備えている。そして、この検索手段31によって検索された加工条件に基づいて前記レーザ発振器3の出力を制御するためのレーザ出力制御手段33、ワークWに対するレーザ加工ヘッド7の相対的な移動速度(レーザ切断速度)を制御するための切断速度制御手段35及びアシストガス供給手段9におけるアシストガスの種類、そのガス圧を制御するためのバルブ切換制御手段37を備えている。
【0022】
以上のごとき構成において、アシストガスとして酸素を使用して厚板のワークWに環状のレーザ切断加工を行うに当り、入力手段25から加工すべきワークWの材質、板厚及び製品をレーザ切断加工すべき加工プログラムを入力する。上記製品WAが、例えば図4に示すごとき形状の製品WAの場合には、製品WAの形状や座標位置を示す加工プログラムは図4に示したごとき加工プログラムとなる。ここで、環状の穴HAは円形であるから、(E001)として切断終了領域のC〜Aの距離が指定され、かつ(G112X15Y10I10L4)として、円形(G112)であること、そして、(L4)として切断終了領域は第2加工条件テーブル29Bに格納されている加工条件でレーザ切断加工を行うことが指示される。
【0023】
同様に、穴HBは異形状であるから、(E002)として切断終了領域のC〜Aの距離が指定され、かつ(G101X50Y10L4)として、異形状(G101)であること、そして(L4)として、切断終了領域は第2加工条件テーブル29Bに格納されている加工条件でレーザ切断加工を行うことが指示されている。そして、穴HCに関しては、(E003)、(G111X90Y30I40J25R3K−90L4)と指示され、製品WAの外形のレーザ切断加工に関しては(E004)と切断終了領域におけるC〜Aの距離の指定はあるものの、外形のレーザ切断加工であるから、(L4)としての切断終了領域でのレーザ切断加工の条件は省略される。
【0024】
ところで、前記コードG111,G112,G101は、環状の穴をレーザ切断加工するときに、環状の穴の形状に対応して予め設定されたコードである。そして、前記E001,E002,E003,E004,・・・は、製品WAから環状の穴HA,HB,HC内のレーザ切断加工を行うときに、穴内のスクラップを切離すときや、ワークWから製品を切離すときの加工条件に変更する位置(C位置)を設定するコードである。換言すれば、ワークWの材質、板厚や切抜き加工を行う穴HA,HB,HCや製品WAの形状、寸法に対応して予め設定してあるE001,E002,・・・を適宜に指定することにより、前記C位置からA位置までの寸法が設定され得るものである。
【0025】
前述のごとく、加工すべきワークWの材質、板厚及び加工プログラムを入力手段25から入力すると、制御手段19に備えたメモリ39に格納される。そして、検索手段31によって前記加工条件テーブル29における第1,第2の加工条件テーブル29A,29Bから適正な加工条件が検索される。
【0026】
より具体的に説明すると、例えばワークWの材質としてSS400、板厚として19mmを入力すると、P位置からA位置、B位置を経てC位置に至る加工条件として、例えば切断速度800mm/min、レーザ発振器3の出力4000W、周波数700Hz、デューティー比70%、アシストガスとして酸素が選択され、そのガス圧0.07Mpaは、予め加工プログラムに設定されている値となる。そして、C位置からA位置を経てB位置までの切断終了領域のレーザ加工条件としては、SS400、19mmに対応して切断速度100mm/min、レーザ発振器3の出力4000W、周波数5Hz、デューティー比40%、アシストガスとしてチッソガス又はエアーに切換え、ガス圧0.70Mpa、A位置からB位置までの距離は、0.1mm〜1.0mmの範囲であって0.2mm、C位置からA位置までの距離は0.5mm〜3.0mmの範囲であって、1.5mmが加工条件テーブル29の第2加工条件テーブル29Bから検索される。なお、前記A位置からB位置までの距離及びC位置からA位置までの距離はそれぞれパラメータとして(例えば、C〜AはE001,E002・・・などとして)設定されるもので、変更可能である。
【0027】
上記加工プログラムの設定値及び前記検索結果に基づいて、レーザ出力制御手段33によってレーザ発振器3の出力が前記設定値及び検索結果に適合するように制御されると共にレーザ切断速度が前記設定値及び検索結果に適合するように制御される。またアシストガスの種類及びガス圧も適合するように制御される。したがって、P位置からA位置、B位置を経てC位置に至るレーザ切断加工は、アシストガスとして酸素を使用したレーザ切断加工であるから、ワークWに対するレーザ光LBの照射エネルギーのみならず、ワークWの酸化反応熱によってもワークWの溶融が促進されるので、例えば16.0mm〜25.0mmの厚い鋼板であっても高速でレーザ切断加工を行うことができる。
【0028】
そして、レーザ切断加工が進行し、予め設定されたC位置に達すると、加工条件テーブル29における第2加工条件テーブル29Bからの検索結果に基づいて、切断速度が低速に制御されると共に、周波数、デューティー比を小さくすることによってレーザ出力を小出力に制御するので、前記C位置からB位置に至るレーザ切断加工時の照射エネルギーは、第1加工条件テーブル29Aから検索されたレーザ加工条件でもってA位置からB位置を経てC位置に至るレーザ切断加工を行うときの照射エネルギーよりも小エネルギーである。そして、B位置においてレーザ出力及び切断速度を零として環状のレーザ切断加工を終了するとき、環状に切抜かれた切抜き片Sは傾斜して、環状にレーザ切断した環状穴の内周面に接触した場合、切抜き片Sから反射されたレーザ光が前記内周面へ照射される傾向にある。
【0029】
しかし、反射されて前記内周面へ照射されるレーザ光の照射エネルギーは、予め小さく制御されているので、また前記C位置において、アシストガスは酸素からチッソガス又はエアー或はその混合ガスに切換えられており、ワークWの酸化反応が抑制されるものである。したがって、前記内周面に凹部を生じることが抑制され、前述したごとき従来の問題を解消し得るものである。
【0030】
なお、本発明は、前述したごとき実施形態のみに限るものではなく、適宜の変更を行うことにより、その他の形態でもって実施可能である。例えば、前記説明においては、加工条件テーブル29にワークWの板材、板厚に対応した切断終了領域の加工条件を予め格納した場合について例示した。しかし、前記入力手段25から上記メモリ39に切断終了領域の加工条件を入力し、この入力された加工条件でもって切断終了領域のレーザ切断加工を行うことも可能である。
【0031】
また、前記説明においては、レーザ発振器3の出力を一定に保持し、周波数、デューティー比を小さくしてレーザ光の照射エネルギーを小さくしたが、レーザ発振器3の出力を予め小さくしてもよいものである。要するに、切断終了領域すなわちC位置からA位置を経てB位置に至る切断領域におけるレーザ光の照射エネルギーを、A位置からB位置を経てC位置に至る切断領域におけるレーザ光の照射エネルギーよりも小さく制御すればよいものである。
【0032】
前記切断終了領域におけるC位置からA位置を経てB位置に至るときのレーザ光の照射エネルギーをより小さく制御する方法としては、前記A位置からB位置を経てC位置に至るレーザ切断加工時のレーザ切断加工条件を所望の割合でもって小さくすることも可能である。この場合、10%〜50%の割合でレーザ加工条件を減少することが望ましく、レーザ出力は10%〜50%の減少であって、切断速度は10%程度以下が望ましいものである。
【0033】
また、前記C位置からA位置を経てB位置に至る切断終了領域においてのアシストガスを、酸素からチッソガス又はエアーに切換える旨の説明をしたが、酸化反応熱を抑制するには、アシストガスとしての酸素にチッソガス又はエアーの少なくとも一方を混合してアシストガスとして使用することも可能である。
【符号の説明】
【0034】
1 レーザ加工装置
3 レーザ発振器
7 レーザ加工ヘッド
9 アシストガス供給手段
11 酸素供給手段
11V,13V,15V 制御弁
13 チッソガス供給手段
15 エアー供給手段
19 制御手段
25 入力手段
29 加工条件テーブル
31 検索手段
33 レーザ出力制御手段
35 切断速度制御手段
37 バルブ切換制御手段
39 メモリ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
アシストガスとして酸素を使用して厚い鋼板を環状にレーザ切断を行うレーザ切断加工方法であって、ピアス加工位置から環状に切断すべき環状経路に達した位置をA位置とし、このA位置からレーザ切断加工の進行方向に所定距離の位置をB位置とし、前記A位置からレーザ切断加工の進行方向の逆方向への所定距離の位置をC位置としたとき、前記A位置から前記B位置を経て前記C位置へレーザ切断加工を行った後、前記C位置から前記A位置を経て前記B位置までレーザ切断加工を行う際、前記A位置からB位置を経てC位置までのレーザ出力、切断速度に対してレーザ出力を小出力にすると共に切断速度を低速にして前記C位置から前記A位置を経て前記B位置までのレーザ切断加工を行い、前記B位置においてレーザ出力を零にすることを特徴とするレーザ切断加工方法。
【請求項2】
請求項1に記載のレーザ切断加工方法において、前記C位置においてアシストガスをエアー又はチッソに切換えることを特徴とするレーザ切断加工方法。
【請求項3】
請求項1に記載のレーザ切断加工方法において、前記C位置においてアシストガスにエアー又はチッソの少なくとも一方を混合することを特徴とするレーザ切断加工方法。
【請求項4】
レーザ加工装置であって、レーザ発振器と、レーザ光を集光してワークに照射するためのレーザ加工ヘッドと、上記レーザ加工ヘッドへアシストガスを供給するためのアシストガス供給手段と、前記レーザ発振器のレーザ出力及びワークに対する前記レーザ加工ヘッドの相対的な移動速度を制御するための制御手段と、アシストガスとして酸素を使用して厚いワークを環状にレーザ切断を行うときの、切断終了領域におけるレーザ加工条件をワークの材質、板厚に対応して予め格納した加工条件テーブルと、加工すべきワークの材質、板厚に対応して前記加工条件テーブルのレーザ加工条件を検索する検索手段と、上記検索手段の検索結果に基づいて、前記切断終了領域において前記レーザ発振器のレーザ出力及び前記レーザ加工ヘッドの相対的な移動速度を制御するための前記制御手段と、を備えていることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項5】
レーザ加工装置であって、レーザ発振器と、レーザ光を集光してワークに照射するためのレーザ加工ヘッドと、上記レーザ加工ヘッドへアシストガスを供給するためのアシストガス供給手段と、前記レーザ発振器のレーザ出力及びワークに対する前記レーザ加工ヘッドの相対的な移動速度を制御するための制御手段と、アシストガスとして酸素を使用して厚いワークを環状にレーザ切断を行うときの、切断終了領域におけるレーザ加工条件をワークの材質、板厚に対応して前記制御手段に備えたメモリに入力する入力手段と、前記メモリに入力された加工条件に基づいて、前記切断終了領域において前記レーザ発振器のレーザ出力及び前記レーザ加工ヘッドの相対的な移動速度を制御するための前記制御手段と、を備えていることを特徴とするレーザ加工装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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