レーザ加工方法
【課題】 レーザビームにより被加工物の切断加工を行うレーザ加工方法において、ピアシング穴径を縮小し、飛散する溶融金属量を低減し、かつ短時間で貫通穴を形成するレーザ加工方法を得る。
【解決手段】 第１のピアシング条件にてビームを照射する第１の工程と、一旦ビーム照射を停止する第２の工程と、第２のピアシング条件にて再度ビームを照射する第３の工程からピアシング加工を行うことにより、ピアシング中における酸化燃焼反応を抑制し、飛散する溶融金属量を低減させる。
【解決手段】 第１のピアシング条件にてビームを照射する第１の工程と、一旦ビーム照射を停止する第２の工程と、第２のピアシング条件にて再度ビームを照射する第３の工程からピアシング加工を行うことにより、ピアシング中における酸化燃焼反応を抑制し、飛散する溶融金属量を低減させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームにより被加工物の切断加工を行う際に、被加工物の所定位置に切断加工のスタート点となる貫通穴を形成するレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被加工物の所定位置に、切断加工のスタート点である貫通穴（以下ピアシング穴とも呼ぶ）を形成し、この貫通穴からレーザビーム切断加工を行う工程において、一般的にスタート点に貫通穴を開けるピアシング工程と、このピアシング工程後に、貫通穴から任意の形状に切断加工を行う切断加工工程とからなる。
従来、炭素鋼やステンレス鋼等の厚板におけるレーザ加工では、ピアシング条件に入熱を抑制する効果のあるパルス出力を使用するのが一般的であったが、この方法では板厚の増大に伴いピアシング時間が指数関数的に増大し、生産性向上の妨げとなり、ピアシング時間短縮のために各種方法が提案されてきた。
【０００３】
ピアシング時間短縮に対しては、連続的にビームを出力するＣＷ（Continuous Wave：連続波形）モードによるビーム照射やデフォーカスビームの照射により金属の酸化燃焼反応を促進させることが効果的であるが、ピアシング時間が短縮される反面、ピアシング穴径の増大、飛散溶融物（以下スパッタと呼ぶ）の増大、被加工物への蓄熱増大など、切断加工に支障を与える多くの問題があった。具体的には、ピアシング穴径の増大は切断加工穴径を増大させ、また、材料の歩留まりを悪化させる。スパッタの増大は、それらが被加工物上に堆積する事により切断時の加工不良確率を増大させ、また、光路系部品、駆動系部品など加工機の損傷の原因となりうる。また、被加工物への蓄熱増大はピアシング加工後の切断加工時の異常燃焼原因となり、切断不良確率を増大させる。
【０００４】
図１３はＰＷ（Pulse Wave：パルス波形）モードとＣＷモードによるピアシング加工により形成される穴断面の模式図を示したものである。一般に、パルスのオン・オフの繰り返しによるＰＷモードによるピアシング加工は、図１３（ａ）に示すように被加工物Ｗ表面近傍にレーザビームＬの焦点を合わせることにより、被加工物への入熱量を低減させ、０．５〜１ｍｍ程度の開孔径にて加工が可能である。しかし、ピアシング穴ｈ貫通途中での被加工物壁面でのエネルギ吸収が無視できず、板厚の増大に伴いピアシング時間は指数関数的に増大するという欠点がある。それに対し、ＣＷモードによるピアシングは図１３（ｂ）に示すように被加工物Ｗの酸化燃焼反応を促進させるため、デフォーカスされたレーザビームＬを照射し、厚板であっても短時間での貫通が可能である。しかし、被加工物の溶融金属量が多いためピアシング穴ｈの径は５〜１０ｍｍと大きく、またピアシング穴ｈの周囲にスパッタが堆積するという問題がある。
【０００５】
そこで、ピアシング開始時にレーザ出力を連続出力に設定し、ピアシングの進行途中に前記レーザ出力をパルス出力に変更してピアシングを行うことにより被加工物より生ずるスパッタを低減し、かつピアシング時間を低減させる加工方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】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】
【０００７】
確かに、特許文献１に開示の方法によれば、ＣＷモードによる加工方法に比べ、スパッタの低減が可能となり、ＰＷモードに比べ加工時間の短縮が可能となる。しかし、特許文献１においては、ピアシング進行途中でＣＷモードから直ちに連続的にＰＷモードにレーザ出力条件を変化させるため、ＣＷモードのビーム照射による熱量が、ＰＷモードによる加工においても残留するため、ＰＷモードにおける加工において酸化燃焼反応を効果的に抑制することは困難である。そのため、ピアシング途中で直ちに連続的にパルス出力に変更しても、スパッタが比較的多く、ピアス穴径も大きくなってしまうという問題があった。また、ＰＷモードを併用しているため、加工時間の短縮にも限度があり、更なる改善が必要であった。
【０００８】
また、レーザビームの出力条件のみを変更することでピアシング加工を実施しているため、ピアシング加工中に発生するスパッタはピアス穴周囲に残存、固着してしまう。そのため、ピアシング加工の次工程である切断加工において、スパッタとノズルとの接触、スパッタに起因するレーザビームの反射、アシストガスの乱れなど、切断性能が大幅に低下するという問題が依然残っている。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ピアシング穴径を小さく、スパッタ量を低減させ、かつピアシング時間を短縮したピアシング加工を可能とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係るレーザ加工方法においては、ピアシング加工を行うレーザ加工方法において、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被加工物に照射しピアシング加工を完了する第３の工程とを備えるとともに、前記第２の工程におけるレーザビームの照射を停止する時間を、この停止する時間の増加に対してスパッタ量が一定値から減少し再度一定値に達した時間としたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、ピアシング加工途中にビーム停止期間を設けることで、ピアシング加工時に発生するスパッタ量を低減し、短時間で貫通穴を形成することができ、レーザ加工全体の加工時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１を示すレーザ加工装置の構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１であるレーザ加工方法を実施するためのレーザ出力等の時間変化を示すグラフである。
【図３】この発明の実施の形態１であるレーザ加工方法を実施するための動作のフローを示すフローチャートである。
【図４】この発明の実施の形態１であるレーザ加工方法を実施した場合のピアシング穴断面を示す模式図である。
【図５】この発明の実施の形態１であるレーザ加工方法におけるビーム停止時間とスパッタ量の関係を示すグラフである。
【図６】この発明の実施の形態１であるレーザ加工方法による加工と従来のＣＷモードでの加工との比較表である。
【図７】この発明の実施の形態２を示すレーザ加工装置の構成図である。
【図８】この発明の実施の形態２であるレーザ加工方法を実施するためのレーザ出力等の時間変化を示すグラフである。
【図９】この発明の実施の形態２であるレーザ加工方法を実施するための動作のフローを示すフローチャートである。
【図１０】この発明の実施の形態２であるレーザ加工方法によるピアシング品質と実施の形態１とを比較した図である。
【図１１】この発明の実施の形態３であるレーザ加工方法を実施するためのレーザ出力等の時間変化を示すグラフである。
【図１２】この発明の実施の形態３であるレーザ加工方法による加工と実施の形態１および２との比較表である。
【図１３】従来のＰＷモードおよびＣＷモードでのレーザ加工方法を実施した場合のピアシング穴断面を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明を実施するための実施の形態１に係るレーザ加工方法に用いられるレーザ加工装置を示した装置構成図である。
図１において、レーザ発振器１から出射されたレーザビームＬは、単数もしくは複数のミラー２により所定の光路を導かれ、加工ヘッド３に入射される。加工ヘッド３内には、レーザビームＬを被加工物Ｗ上に集光するためのレンズ４が設けられている。レーザビームＬは、レンズ４で集光され、加工ヘッド３の先端に設けられたノズル５より被加工物Ｗ上に照射される。レーザ発振器１の出力やＯＮ／ＯＦＦは、加工プログラムが入力されたＮＣ装置からの指令値に基づき、レーザ発振制御回路１４により制御される。
被加工物Ｗは、図示していない加工テーブル上に載置されており、加工テーブルと加工ヘッド３は、図示していない駆動源であるサーボモーター等により、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向に相対的に移動して、所望の加工が行われる。サーボモーター等は、加工プログラムが入力されたＮＣ装置からの指令値に基づき、サーボ制御回路１２により制御される。
また、ノズル５と被加工物Ｗとの距離は、ノズル５もしくはノズル５の近傍に設けられた、図示していないギャップセンサにより検出される。検出された情報はギャップコントローラ１１に送られ、ギャップコントローラ１１は、ＮＣ装置１３からの指令値と測定値とを比較し、補正指令をサーボ制御回路１２に送り、常にノズル５の高さを指令値に一致させる。
また、ＮＣ装置１３からの指令値により、アシストガス供給装置６は所定の圧力や種類のアシストガスＡを、加工ヘッド内に供給する。供給されたアシストガスＡは、ノズル５先端よりレーザビームＬと同軸上に噴出されて、被加工物Ｗの溶融促進および溶融金属の除去等に使用される。
【００１４】
図２は、本発明を実施するための実施の形態１におけるレーザ加工方法を示すための、レーザ発振器のレーザ発振出力、加工ヘッドの上下動、および加工ヘッドの上下動により制御される被加工物上のビームスポット径の時間変化を示した図である。また、図３は動作のフローを説明するフローチャート図である。以下、図２および図３を用いピアシング加工に関する動作を詳細説明する。
【００１５】
図２において、ピアシング開始からｔ１の時間を第１の工程、第１の工程後のｔ２の時間を第２の工程、第２の工程後のｔ３の時間を第３の工程と呼ぶことにする。すなわち、本実施の形態では、第１〜第３の工程によりピアシング加工を完了するものである。また、第１の工程にて行われるピアシング加工を第１のピアシング加工と呼び、その加工条件を第１のピアシング条件と呼ぶ。さらに、第３の工程にて行われるピアシング加工を第２のピアシング加工と呼び、その加工条件を第２のピアシング条件と呼ぶ。図３においては、ステップＳ０１とＳ０２が第１の工程に対応し、ステップＳ０３が第２の工程に対応し、ステップＳ０４からＳ０６が第３の工程に対応する。
【００１６】
第１の工程では、第１のピアシング条件にて被加工物ＷにレーザビームＬを照射しアシストガスＡを噴射することにより溶融穿孔を開始し（Ｓ０１）、溶融金属の除去効果を高めるべく、加工ヘッドを所定の高さまで上昇させることでビームスポット径を増大させる（Ｓ０２）。ここで、加工ヘッド３の上下動は図２に示したように、ジャストフォーカス位置（Ｈｊｆ）からデフォーカス位置（Ｈｄｆ）に上昇させる。デフォーカス位置（Ｈｄｆ）は、従来のＣＷモードのみでピアシング加工を行う場合のデフォーカス位置と同等の位置である。第１の工程は、溶融金属の除去効果を高める必要があるので、デフォーカス位置で加工を行ってもよいが、上記のように、ジャストフォーカス位置からデフォーカス位置へ変化させることで、デフォーカス位置のみで加工するよりも、さらにスパッタ量を低減することができる。
続く第２の工程では、ピアシング加工が完了する前に酸化燃焼反応を遮断すべく、ビーム照射およびアシストガス噴射を一旦停止させ、停止時間ｔ２を設ける。この段階で溶融穿孔現象は停止し、ピアシング穴径の拡大を抑制する（Ｓ０３）。
続いて第３の工程では、第２のピアシング条件にて、第１の工程にて加工した部分に、所定の高さ（Ｈｄｆ）から再度レーザビームＬを照射しアシストガスＡを噴射することにより溶融穿孔現象を再開させるが、過剰の酸化燃焼反応による穴径拡大を防止させるために、加工ヘッド３をジャストフォーカスの位置（Ｈｊｆ）まで再び被加工物に接近させ貫通を完了させる（Ｓ０５）。第３の工程は、スパッタ量を低減する必要があるので、ジャストフォーカス位置で加工を行ってもよいが、前記のように、デフォーカス位置からジャストフォーカス位置へ変化させることで、ジャストフォーカス位置のみで加工するよりも、さらに加工時間を短縮することができる。
以上の動作でピアシング加工は完了となり（Ｓ０６）、この後、切断条件にて切断が開始される（Ｓ０７）。
【００１７】
図４は、上記方法により加工されたピアシング穴断面の模式図であり、図４（ａ）は第１の工程後の図であり、図４（ｂ）は第３の工程後の図である。図４（ａ）に示したように、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Ｗの板厚の途中までピアシング穴ｈが形成される。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る。続く第３の工程でレーザビームＬが再度照射されるが、余剰な入熱が存在しないため、図４（ｂ）に示したように、小径のピアシング穴ｈを形成することができる。これにより、スパッタ量を減らすとともに加工時間を短縮することができるのである。
【００１８】
これらの工程は加工条件も含め、全てＮＣ装置１３にプログラムとして入力されており、ＮＣ装置１３からの指令値に基づき、レーザ発振制御回路１４によりレーザビームＬの照射および出力が制御され、ギャップコントローラ１１およびサーボ制御回路１２により加工ヘッド３の上下動が制御され、アシストガス供給装置６によりアシストガスＡの噴射が制御される。
【００１９】
ここで、第２の工程におけるビーム停止時間が短すぎると、第１の工程にて発生する熱量が残存し、続く第３の工程におけるビーム照射により過剰な溶融現象を誘発するため、一定以上の時間を設定する必要がある。しかしながら、第２の工程におけるビーム停止時間が長すぎると、結果としてピアシング加工に要する時間、さらにはレーザ加工全体の加工時間が長くなってしまい、レーザ加工の生産性に支障を来たす。よって、第２の工程の時間ｔ２は適切に設定する必要がある。
【００２０】
図５は、第２の工程におけるビーム停止時間を変化させたときのスパッタ量を測定した実験結果である。本実験にて使用した被加工物等の条件および第１のピアシング条件と第２のピアシング条件は以下の通りである。
＜共通条件＞
被加工物の材質・板厚：軟鋼（ＳＳ４００）ｔ１９ｍｍ
加工レンズ：焦点距離ｆ１９０．５ｍｍ
ノズル径：φ１．７ｍｍ
＜第１ピアシング条件＞
レーザビーム出力：２０００Ｗ（ＣＷモード）
Ｚ軸移動速度：１５０００ｍｍ／ｍｉｎ
アシストガス種類：酸素
アシストガス圧力：０．０８ＭＰａ
ビームオン時間：０．４ｓｅｃ
ビーム照射開始時の加工ヘッド高さ：材料表面より４．０ｍｍ（Ｈｊｆ）
ビーム照射終了時の加工ヘッド高さ：材料表面より１９．０ｍｍ（Ｈｄｆ）
＜第２ピアシング条件＞
レーザビーム出力：４０００Ｗ（ＣＷモード）
Ｚ軸移動速度：１０００ｍｍ／ｍｉｎ
アシストガス種類：酸素
アシストガス圧力：０．０７ＭＰａ
ビームオン時間：０．９ｓｅｃ
ビーム照射開始時の加工ヘッド高さ：材料表面より１９．０ｍｍ（Ｈｄｆ）
ビーム照射終了時の加工ヘッド高さ：材料表面より４．０ｍｍ（Ｈｊｆ）
【００２１】
図５により、ｔ２が０．３秒を超えるとスパッタ量が減少し始め、０．５秒以上で略一定となることが判る。よって、スパッタ量の減少という観点からは、第２の工程におけるビーム停止時間を約０．５秒以上とすればよい。更に加工時間の短縮を考慮すると、ｔ２を約０．５秒に設定することが適切である。
また、図５においては板厚１９ｍｍの軟鋼（ＳＳ４００）の加工結果を示したが、板厚が１２ｍｍ、１６ｍｍ、２２ｍｍのものについても同様の実験を行い、図４と同様の結果が得られており、板厚によらずｔ２は０．５秒程度が最適値であるといえる。
【００２２】
ここで、上記第１のピアシング条件と第２のピアシング条件は、本実施の形態に係る加工方法の一例であり、特に上記条件に限定されるものではなく、被加工物の板厚や材質によって適宜設定すればよい。ただし、加工品質と加工時間を考慮し、以下の条件を満たすことが望ましい。
第１のピアシング条件は、板厚途中までの穿孔と急速にビームスポット径を増大させるために、第２のピアシング条件と比較し、低出力かつＺ軸の上方への移動速度を大きくし、ビーム照射時間を短く設定することが望ましい。また、第２のピアシング条件は、板厚途中まで穿孔が進行したピアシング穴に対し、酸化燃焼反応を再び促進させ、かつ穿孔効率を高めることから、第１のピアシング条件と比較し、高出力かつＺ軸の下方への移動速度を小さくし、ビーム照射時間を長く設定することが望ましい。
【００２３】
次に、本実施の形態における加工方法の効果を説明する。図６は、従来のＣＷモードによるピアシング加工と、本実施の形態によるピアシング加工による、ピアシング穴径、ピアシング時に発生するスパッタ量、加工時間の比較をしたものである。本実施の形態の加工条件は、上記加工条件とし、第２の工程の時間ｔ２は、０．５秒とした。被加工物は、上記と同様の板厚１９ｍｍの軟鋼ＳＳ４００材を使用した。従来のピアシング条件は以下の通りである。
＜従来のピアシング条件＞
レーザビーム出力：４０００Ｗ（ＣＷモード）
アシストガス種類：酸素
アシストガス圧力：０．０８ＭＰａ
ビームオン時間：１．０ｓｅｃ
ビーム照射時の加工ヘッド高さ：材料表面より１９．０ｍｍ（一定）
【００２４】
本実施の形態の加工時間は、
０．４秒（第１の工程）＋０．５秒（第２の工程）＋０．９秒（第３の工程）＝１．８秒
となり、図６に示したように、従来のＣＷモードによる加工方法の加工時間１．０秒と比較し、やや悪化している。しかし、ピアシング穴径は４０％小さくなり、これによりスパッタ量も約３０％以上低減させることができる。
【００２５】
また、従来のＰＷモードによるピアシング加工条件で、板厚１９ｍｍの軟鋼ＳＳ４００に貫通穴を加工した場合、加工時間は約２０秒必要であり、本実施の形態はＰＷモードに比べ１／１０以下の時間で貫通穴を加工することができる。
【００２６】
このように、被加工物の所定位置に切断加工のスタート点である貫通穴を開けるピアシング加工の加工方法において、第１のピアシング条件にてビームを照射する第１の工程と、一旦ビーム照射を停止する第２の工程と、第２のピアシング条件にて再度ビームを照射する第３の工程からなる加工方法を用いることにより、ピアシング穴径を小さくすることができスパッタ量を低減することができる。さらには加工時間の短縮、生産性の向上を図ることができる。
【００２７】
実施の形態２．
実施の形態１においては、ピアシング加工中に、レーザ出力、加工ヘッドの上下動により制御できる被加工物上のビームスポット径を変化させ、ビーム停止時間を設け、スパッタ量を減少させた。本実施の形態においては、それらの動作に加え、エアーおよびスパッタ付着防止剤をピアシング穴付近に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、固着を防止するものである。
【００２８】
図７は、本発明を実施するための実施の形態２に係るレーザ加工方法に用いられるレーザ加工装置を示した装置構成図である。実施の形態１のレーザ加工装置の図１に、サイドノズルからエアーを噴射する機構、およびスパッタ付着防止剤を噴射する機構を加えた構成となっている。以下、図１からの追加部分について説明する。
図７において、ＮＣ装置１３からの指令値により、サイドガス供給装置８は所定の圧力のエアーＳをサイドノズル７に供給する。供給されたエアーＳは、サイドノズル７より被加工物Ｗ上のピアシング穴ｈ周辺に噴射されて、ピアシング穴ｈ周囲のスパッタの除去に使用される。ここで、サイドノズル７は加工ヘッド３に固定されており、加工ヘッド３とともに上下動する。
また、ＮＣ装置１３からの指令値により、スパッタ付着防止剤供給装置９は所定の圧力のスパッタ付着防止剤Ｏをスパッタ付着防止剤噴射ノズル１０に供給する。ここで、スパッタ付着防止剤とは、被加工物Ｗへのスパッタの固着を防止するための、離型剤もしくは油分を成分とするものである。供給されたスパッタ付着防止剤Ｏは、スパッタ付着防止剤噴射ノズル１０より被加工物Ｗ上のピアシング穴ｈ周辺に噴射されて、ピアシング穴周囲のスパッタ固着の防止に使用される。サイドノズル７は加工ヘッド３とともに上下動するが、スパッタ付着防止剤噴射ノズル１０は、スパッタ付着防止剤Ｏがノズル５等に付着しないように、独立して固定されている。そして、スパッタ付着防止剤Ｏを噴射するときは、加工ヘッド３は退避位置まで上昇しておく。
【００２９】
図８は、本発明を実施するための実施の形態２におけるレーザ加工方法を示すための、レーザ発振器のレーザ発振出力、加工ヘッドの上下動、加工ヘッドの上下動により制御される被加工物に照射されるビームスポット径、スパッタ付着防止剤の吹き付け圧、およびサイドノズルエアー圧の時間変化を示した図である。また、図９は動作のフローを説明するフローチャート図である。
【００３０】
図８において、実施の形態１と同様に、第１〜第３の工程の時間はそれぞれｔ１〜ｔ２に対応する。また図９においては、ステップＳ２０〜Ｓ０２が第１の工程に対応し、ステップＳ２１とＳ２２が第２の工程に対応し、ステップＳ０４〜Ｓ０６が第３の工程に対応する。実施の形態１と異なる点は、第１の工程にて第１のピアシング加工前にスパッタ付着防止剤を噴射する点と、第２の工程でエアーおよびスパッタ付着防止剤を噴射する点と、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点である。
【００３１】
以下、図８および図９を用いピアシング加工に関する動作を詳細説明する。
まず、第１の工程にて、加工ヘッド３を退避位置（Ｈｅ）まで上昇させ、スパッタ付着防止剤噴射ノズル９よりスパッタ付着防止剤Ｏを噴射する（Ｓ２０）。次に、第１のピアシング条件にて被加工物にレーザビームＬを照射しアシストガスＡを噴射することにより溶融穿孔を開始する（Ｓ０１）。そして、穿孔途中に加工ヘッド３を所定の高さまで上昇させることでビームスポット径を増大させ、溶融穿孔現象を促進させる（Ｓ０２）。加工ヘッド３の上下動させる高さの設定は、実施の形態１と同様である。
続く第２の工程では、ビーム照射およびアシストガス噴射を一旦停止し、サイドノズル７よりエアーＳを噴出させ、第１の工程にて発生したスパッタを加工部から除去する（Ｓ２１）。この段階で溶融穿孔現象は停止し、ピアシング穴径の拡大が抑制される。その後、加工ヘッド３を退避位置（Ｈｅ）まで上昇させ、再度スパッタ付着防止剤Ｏを加工部分に噴射する（Ｓ２２）。これは最初に噴射したスパッタ付着防止剤Ｏが第１ピアシング加工のビーム照射およびアシストガス噴射により揮発、除去されるためである。
続いて第３の工程で、加工ヘッド３を所定の高さ（Ｈｄｆ）にし、第１の工程にて加工した部分に再度レーザビームＬを照射しアシストガスＡを噴射することにより溶融穿孔現象を再開させるが、過剰の酸化燃焼反応による穴径拡大を防止させるために、加工ヘッド３をジャストフォーカスの位置（Ｈｊｆ）まで再び被加工物に接近させ貫通を完了させる（Ｓ０５）。その後、ビーム照射およびアシストガスの噴射を停止する。そして、サイドノズル７よりエアーＳを噴射することで、第２ピアシング加工のビーム照射にて発生したスパッタを加工部より除去する（Ｓ２３）。以上の動作でピアシング加工は完了となり（Ｓ０６）、この後、切断条件にて切断が開始される（Ｓ０７）。
【００３２】
上記のように、第１のピアシング加工と第２のピアシング加工の各加工前に、スパッタ付着防止剤を噴射することでスパッタを付着し難くし、各加工後に、サイドノズルよりエアーを噴射させスパッタを吹き飛ばして除去することにより、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することができる。
【００３３】
次に、本実施の形態の実施結果を説明する。加工条件は、被加工物等および第１のピアシング条件と第２のピアシング条件は実施の形態１と同一とする。加工時間は以下の通りとなる。第１の工程は、スパッタ付着防止剤の噴射工程が約１．２秒必要であるので、計ｔ１＝１．２＋０．４＝１．６秒となり、第３の工程は、エアーの噴射工程が約１．０秒必要であるので、計ｔ３＝０．９＋１．０＝１．９秒となる。第２の工程は、スパッタ付着防止剤およびエアーの噴射工程に約１．９秒必要であるが、図５よりビーム停止時間は０．５秒以上であればスパッタ量は変化しないので、ｔ２＝１．９秒に設定した。よって、加工時間はｔ１＋ｔ２＋ｔ３＝５．４秒となり、実施の形態１の加工時間１．８秒に比較すると３倍の時間が必要となる。また、ピアシング穴径およびスパッタ量は、実施の形態１と同等である。
【００３４】
図１０は、実施の形態１と本実施の形態におけるピアシング穴周囲のスパッタの付着状況を比較したものである。これより実施の形態１のピアシング条件ではピアシング穴周囲にスパッタが大きく残留、固着しているのに対し、実施の形態２においては、それらが極めて少ないことが確認できる。
【００３５】
このように、実施の形態２においては、実施の形態１に比較し加工時間は増加するが、ピアシング加工中に発生するスパッタのピアス穴周囲への残存、固着を効果的に抑制することができる。これにより、ピアシング加工の次工程である切断加工において、溶融飛散物とノズルとの接触、スパッタに起因するレーザビームの反射、アシストガスの乱れなど、切断性能が大幅に低下させる要因を取り除き、高品質で安定なレーザ加工を実現することができる。
【００３６】
実施の形態３．
実施の形態１および２においては、第１のピアシング条件および第２のピアシング条件ともＣＷモードであった。本実施の形態では、実施の形態１および２よりもピアシング穴径をさらに小さくし、ピアシング穴の品質向上を優先した加工方法を提供するものであり、第２のピアシング条件をＰＷモードとしたものである。
【００３７】
図１１は、本発明を実施するための実施の形態３におけるレーザ加工方法を示すための、レーザ発振器のレーザ発振出力、加工ヘッドの上下動、および加工ヘッドの上下動により制御される被加工物上のビームスポット径の時間変化を示した図である。実施の形態１の図２と比較した場合、第３の工程が異なる。実施の形態１における第２のピアシング加工は、デフォーカスからジャストフォーカスに変化させたＣＷモードを使用したが、本実施の形態では、第２のピアシング加工にジャストフォーカスさせた集光ビームによるＰＷモードを使用することが特徴である。
第３工程にてＰＷモードを用いることにより、第３工程でのピアシング穴径をさらに小さくすることができ、ピアシング穴の品質向上を図ることができる。
【００３８】
次に、本実施の形態の実験結果を説明する。実験にて使用した被加工物等および第１のピアシング条件は、実施の形態１と同条件である。また、第２工程のビーム停止時間も、実施の形態１と同様の０．５秒の設定である。第２のピアシング条件は以下の通りである。
＜第２ピアシング条件＞
レーザ出力：１０００Ｗ（ＰＷモード）
パルス周波数：１００Ｈｚ
パルスデューティ：２０％
アシストガス種類：酸素
アシストガス圧力：０．０７ＭＰａ
ビームオン時間：３．０ｓｅｃ
ビーム照射時の加工ヘッド高さ：材料表面から４．０ｍｍ（一定）
【００３９】
図１２は、上記条件による加工のピアシング時間、ピアシング穴径、スパッタ量を、実施の形態１および２と比較した表である。ここで、ピアシング穴径は被加工物Ｗの表面の穴径であり、実施の形態１〜３までは第１のピアシング条件は同一であるので、同一の径となる。しかし、本実施の形態は、第２のピアシング条件にＰＷモードを採用しているため、被加工物の加工底面の穴径が他の実施の形態よりも小さくなっており、スパッタ量が少なくなっている。ここで定めるピアシング加工時間は、ビーム照射時間以外の工程も含めた時間である。
実施の形態１〜３においては、一般にピアシング時間が長いほどスパッタ量は少なくなる傾向にあるが、要求される加工時間、加工品質、加工安定性に応じて適正なピアシング方法を選択することが可能である。例えば、多数の穴開けのためにピアシング加工の回数が多くなる場合には、加工時間短縮のために実施の形態１を採用することが望ましく、複雑な切断加工線のためピアシング穴付近を加工ヘッドが横切る場合が多い加工においては、固着したスパッタによる加工品質の劣化や、固着したスパッタと加工ヘッドの衝突を防止するために、スパッタの付着が少ない実施の形態２、もしくはスパッタ量自体が少ない実施の形態３を採用することが望ましい。
【００４０】
なお、実施の形態３では、実施の形態２で行ったようなスパッタの除去を目的としたサイドエアーの噴射、スパッタの残存、固着の防止を目的としたスパッタ付着防止剤の噴射の動作を実行していないが、これらの動作を含めることによりさらにピアシング能力を向上させる効果があることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４１】
１ レーザ発振器、２ ミラー、３ 加工ヘッド、４ レンズ、５ ノズル、６ アシストガス供給装置、７ サイドガスノズル、８ サイドガス供給装置、９ スパッタ付着防止剤供給装置、１０ スパッタ付着防止剤噴射ノズル、１１ ギャップコントローラ、１２ サーボ制御回路、１３ ＮＣ装置、１４ レーザ発振制御回路、Ｌ レーザビーム、Ａ アシストガス、Ｗ 被加工物、ｈ ピアシング穴、Ｓ エアー、Ｏ スパッタ付着防止剤
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームにより被加工物の切断加工を行う際に、被加工物の所定位置に切断加工のスタート点となる貫通穴を形成するレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被加工物の所定位置に、切断加工のスタート点である貫通穴（以下ピアシング穴とも呼ぶ）を形成し、この貫通穴からレーザビーム切断加工を行う工程において、一般的にスタート点に貫通穴を開けるピアシング工程と、このピアシング工程後に、貫通穴から任意の形状に切断加工を行う切断加工工程とからなる。
従来、炭素鋼やステンレス鋼等の厚板におけるレーザ加工では、ピアシング条件に入熱を抑制する効果のあるパルス出力を使用するのが一般的であったが、この方法では板厚の増大に伴いピアシング時間が指数関数的に増大し、生産性向上の妨げとなり、ピアシング時間短縮のために各種方法が提案されてきた。
【０００３】
ピアシング時間短縮に対しては、連続的にビームを出力するＣＷ（Continuous Wave：連続波形）モードによるビーム照射やデフォーカスビームの照射により金属の酸化燃焼反応を促進させることが効果的であるが、ピアシング時間が短縮される反面、ピアシング穴径の増大、飛散溶融物（以下スパッタと呼ぶ）の増大、被加工物への蓄熱増大など、切断加工に支障を与える多くの問題があった。具体的には、ピアシング穴径の増大は切断加工穴径を増大させ、また、材料の歩留まりを悪化させる。スパッタの増大は、それらが被加工物上に堆積する事により切断時の加工不良確率を増大させ、また、光路系部品、駆動系部品など加工機の損傷の原因となりうる。また、被加工物への蓄熱増大はピアシング加工後の切断加工時の異常燃焼原因となり、切断不良確率を増大させる。
【０００４】
図１３はＰＷ（Pulse Wave：パルス波形）モードとＣＷモードによるピアシング加工により形成される穴断面の模式図を示したものである。一般に、パルスのオン・オフの繰り返しによるＰＷモードによるピアシング加工は、図１３（ａ）に示すように被加工物Ｗ表面近傍にレーザビームＬの焦点を合わせることにより、被加工物への入熱量を低減させ、０．５〜１ｍｍ程度の開孔径にて加工が可能である。しかし、ピアシング穴ｈ貫通途中での被加工物壁面でのエネルギ吸収が無視できず、板厚の増大に伴いピアシング時間は指数関数的に増大するという欠点がある。それに対し、ＣＷモードによるピアシングは図１３（ｂ）に示すように被加工物Ｗの酸化燃焼反応を促進させるため、デフォーカスされたレーザビームＬを照射し、厚板であっても短時間での貫通が可能である。しかし、被加工物の溶融金属量が多いためピアシング穴ｈの径は５〜１０ｍｍと大きく、またピアシング穴ｈの周囲にスパッタが堆積するという問題がある。
【０００５】
そこで、ピアシング開始時にレーザ出力を連続出力に設定し、ピアシングの進行途中に前記レーザ出力をパルス出力に変更してピアシングを行うことにより被加工物より生ずるスパッタを低減し、かつピアシング時間を低減させる加工方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】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】
【０００７】
確かに、特許文献１に開示の方法によれば、ＣＷモードによる加工方法に比べ、スパッタの低減が可能となり、ＰＷモードに比べ加工時間の短縮が可能となる。しかし、特許文献１においては、ピアシング進行途中でＣＷモードから直ちに連続的にＰＷモードにレーザ出力条件を変化させるため、ＣＷモードのビーム照射による熱量が、ＰＷモードによる加工においても残留するため、ＰＷモードにおける加工において酸化燃焼反応を効果的に抑制することは困難である。そのため、ピアシング途中で直ちに連続的にパルス出力に変更しても、スパッタが比較的多く、ピアス穴径も大きくなってしまうという問題があった。また、ＰＷモードを併用しているため、加工時間の短縮にも限度があり、更なる改善が必要であった。
【０００８】
また、レーザビームの出力条件のみを変更することでピアシング加工を実施しているため、ピアシング加工中に発生するスパッタはピアス穴周囲に残存、固着してしまう。そのため、ピアシング加工の次工程である切断加工において、スパッタとノズルとの接触、スパッタに起因するレーザビームの反射、アシストガスの乱れなど、切断性能が大幅に低下するという問題が依然残っている。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ピアシング穴径を小さく、スパッタ量を低減させ、かつピアシング時間を短縮したピアシング加工を可能とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係るレーザ加工方法においては、ピアシング加工を行うレーザ加工方法において、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被加工物に照射しピアシング加工を完了する第３の工程とを備えるとともに、前記第２の工程におけるレーザビームの照射を停止する時間を、この停止する時間の増加に対してスパッタ量が一定値から減少し再度一定値に達した時間としたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、ピアシング加工途中にビーム停止期間を設けることで、ピアシング加工時に発生するスパッタ量を低減し、短時間で貫通穴を形成することができ、レーザ加工全体の加工時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１を示すレーザ加工装置の構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１であるレーザ加工方法を実施するためのレーザ出力等の時間変化を示すグラフである。
【図３】この発明の実施の形態１であるレーザ加工方法を実施するための動作のフローを示すフローチャートである。
【図４】この発明の実施の形態１であるレーザ加工方法を実施した場合のピアシング穴断面を示す模式図である。
【図５】この発明の実施の形態１であるレーザ加工方法におけるビーム停止時間とスパッタ量の関係を示すグラフである。
【図６】この発明の実施の形態１であるレーザ加工方法による加工と従来のＣＷモードでの加工との比較表である。
【図７】この発明の実施の形態２を示すレーザ加工装置の構成図である。
【図８】この発明の実施の形態２であるレーザ加工方法を実施するためのレーザ出力等の時間変化を示すグラフである。
【図９】この発明の実施の形態２であるレーザ加工方法を実施するための動作のフローを示すフローチャートである。
【図１０】この発明の実施の形態２であるレーザ加工方法によるピアシング品質と実施の形態１とを比較した図である。
【図１１】この発明の実施の形態３であるレーザ加工方法を実施するためのレーザ出力等の時間変化を示すグラフである。
【図１２】この発明の実施の形態３であるレーザ加工方法による加工と実施の形態１および２との比較表である。
【図１３】従来のＰＷモードおよびＣＷモードでのレーザ加工方法を実施した場合のピアシング穴断面を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明を実施するための実施の形態１に係るレーザ加工方法に用いられるレーザ加工装置を示した装置構成図である。
図１において、レーザ発振器１から出射されたレーザビームＬは、単数もしくは複数のミラー２により所定の光路を導かれ、加工ヘッド３に入射される。加工ヘッド３内には、レーザビームＬを被加工物Ｗ上に集光するためのレンズ４が設けられている。レーザビームＬは、レンズ４で集光され、加工ヘッド３の先端に設けられたノズル５より被加工物Ｗ上に照射される。レーザ発振器１の出力やＯＮ／ＯＦＦは、加工プログラムが入力されたＮＣ装置からの指令値に基づき、レーザ発振制御回路１４により制御される。
被加工物Ｗは、図示していない加工テーブル上に載置されており、加工テーブルと加工ヘッド３は、図示していない駆動源であるサーボモーター等により、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向に相対的に移動して、所望の加工が行われる。サーボモーター等は、加工プログラムが入力されたＮＣ装置からの指令値に基づき、サーボ制御回路１２により制御される。
また、ノズル５と被加工物Ｗとの距離は、ノズル５もしくはノズル５の近傍に設けられた、図示していないギャップセンサにより検出される。検出された情報はギャップコントローラ１１に送られ、ギャップコントローラ１１は、ＮＣ装置１３からの指令値と測定値とを比較し、補正指令をサーボ制御回路１２に送り、常にノズル５の高さを指令値に一致させる。
また、ＮＣ装置１３からの指令値により、アシストガス供給装置６は所定の圧力や種類のアシストガスＡを、加工ヘッド内に供給する。供給されたアシストガスＡは、ノズル５先端よりレーザビームＬと同軸上に噴出されて、被加工物Ｗの溶融促進および溶融金属の除去等に使用される。
【００１４】
図２は、本発明を実施するための実施の形態１におけるレーザ加工方法を示すための、レーザ発振器のレーザ発振出力、加工ヘッドの上下動、および加工ヘッドの上下動により制御される被加工物上のビームスポット径の時間変化を示した図である。また、図３は動作のフローを説明するフローチャート図である。以下、図２および図３を用いピアシング加工に関する動作を詳細説明する。
【００１５】
図２において、ピアシング開始からｔ１の時間を第１の工程、第１の工程後のｔ２の時間を第２の工程、第２の工程後のｔ３の時間を第３の工程と呼ぶことにする。すなわち、本実施の形態では、第１〜第３の工程によりピアシング加工を完了するものである。また、第１の工程にて行われるピアシング加工を第１のピアシング加工と呼び、その加工条件を第１のピアシング条件と呼ぶ。さらに、第３の工程にて行われるピアシング加工を第２のピアシング加工と呼び、その加工条件を第２のピアシング条件と呼ぶ。図３においては、ステップＳ０１とＳ０２が第１の工程に対応し、ステップＳ０３が第２の工程に対応し、ステップＳ０４からＳ０６が第３の工程に対応する。
【００１６】
第１の工程では、第１のピアシング条件にて被加工物ＷにレーザビームＬを照射しアシストガスＡを噴射することにより溶融穿孔を開始し（Ｓ０１）、溶融金属の除去効果を高めるべく、加工ヘッドを所定の高さまで上昇させることでビームスポット径を増大させる（Ｓ０２）。ここで、加工ヘッド３の上下動は図２に示したように、ジャストフォーカス位置（Ｈｊｆ）からデフォーカス位置（Ｈｄｆ）に上昇させる。デフォーカス位置（Ｈｄｆ）は、従来のＣＷモードのみでピアシング加工を行う場合のデフォーカス位置と同等の位置である。第１の工程は、溶融金属の除去効果を高める必要があるので、デフォーカス位置で加工を行ってもよいが、上記のように、ジャストフォーカス位置からデフォーカス位置へ変化させることで、デフォーカス位置のみで加工するよりも、さらにスパッタ量を低減することができる。
続く第２の工程では、ピアシング加工が完了する前に酸化燃焼反応を遮断すべく、ビーム照射およびアシストガス噴射を一旦停止させ、停止時間ｔ２を設ける。この段階で溶融穿孔現象は停止し、ピアシング穴径の拡大を抑制する（Ｓ０３）。
続いて第３の工程では、第２のピアシング条件にて、第１の工程にて加工した部分に、所定の高さ（Ｈｄｆ）から再度レーザビームＬを照射しアシストガスＡを噴射することにより溶融穿孔現象を再開させるが、過剰の酸化燃焼反応による穴径拡大を防止させるために、加工ヘッド３をジャストフォーカスの位置（Ｈｊｆ）まで再び被加工物に接近させ貫通を完了させる（Ｓ０５）。第３の工程は、スパッタ量を低減する必要があるので、ジャストフォーカス位置で加工を行ってもよいが、前記のように、デフォーカス位置からジャストフォーカス位置へ変化させることで、ジャストフォーカス位置のみで加工するよりも、さらに加工時間を短縮することができる。
以上の動作でピアシング加工は完了となり（Ｓ０６）、この後、切断条件にて切断が開始される（Ｓ０７）。
【００１７】
図４は、上記方法により加工されたピアシング穴断面の模式図であり、図４（ａ）は第１の工程後の図であり、図４（ｂ）は第３の工程後の図である。図４（ａ）に示したように、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Ｗの板厚の途中までピアシング穴ｈが形成される。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る。続く第３の工程でレーザビームＬが再度照射されるが、余剰な入熱が存在しないため、図４（ｂ）に示したように、小径のピアシング穴ｈを形成することができる。これにより、スパッタ量を減らすとともに加工時間を短縮することができるのである。
【００１８】
これらの工程は加工条件も含め、全てＮＣ装置１３にプログラムとして入力されており、ＮＣ装置１３からの指令値に基づき、レーザ発振制御回路１４によりレーザビームＬの照射および出力が制御され、ギャップコントローラ１１およびサーボ制御回路１２により加工ヘッド３の上下動が制御され、アシストガス供給装置６によりアシストガスＡの噴射が制御される。
【００１９】
ここで、第２の工程におけるビーム停止時間が短すぎると、第１の工程にて発生する熱量が残存し、続く第３の工程におけるビーム照射により過剰な溶融現象を誘発するため、一定以上の時間を設定する必要がある。しかしながら、第２の工程におけるビーム停止時間が長すぎると、結果としてピアシング加工に要する時間、さらにはレーザ加工全体の加工時間が長くなってしまい、レーザ加工の生産性に支障を来たす。よって、第２の工程の時間ｔ２は適切に設定する必要がある。
【００２０】
図５は、第２の工程におけるビーム停止時間を変化させたときのスパッタ量を測定した実験結果である。本実験にて使用した被加工物等の条件および第１のピアシング条件と第２のピアシング条件は以下の通りである。
＜共通条件＞
被加工物の材質・板厚：軟鋼（ＳＳ４００）ｔ１９ｍｍ
加工レンズ：焦点距離ｆ１９０．５ｍｍ
ノズル径：φ１．７ｍｍ
＜第１ピアシング条件＞
レーザビーム出力：２０００Ｗ（ＣＷモード）
Ｚ軸移動速度：１５０００ｍｍ／ｍｉｎ
アシストガス種類：酸素
アシストガス圧力：０．０８ＭＰａ
ビームオン時間：０．４ｓｅｃ
ビーム照射開始時の加工ヘッド高さ：材料表面より４．０ｍｍ（Ｈｊｆ）
ビーム照射終了時の加工ヘッド高さ：材料表面より１９．０ｍｍ（Ｈｄｆ）
＜第２ピアシング条件＞
レーザビーム出力：４０００Ｗ（ＣＷモード）
Ｚ軸移動速度：１０００ｍｍ／ｍｉｎ
アシストガス種類：酸素
アシストガス圧力：０．０７ＭＰａ
ビームオン時間：０．９ｓｅｃ
ビーム照射開始時の加工ヘッド高さ：材料表面より１９．０ｍｍ（Ｈｄｆ）
ビーム照射終了時の加工ヘッド高さ：材料表面より４．０ｍｍ（Ｈｊｆ）
【００２１】
図５により、ｔ２が０．３秒を超えるとスパッタ量が減少し始め、０．５秒以上で略一定となることが判る。よって、スパッタ量の減少という観点からは、第２の工程におけるビーム停止時間を約０．５秒以上とすればよい。更に加工時間の短縮を考慮すると、ｔ２を約０．５秒に設定することが適切である。
また、図５においては板厚１９ｍｍの軟鋼（ＳＳ４００）の加工結果を示したが、板厚が１２ｍｍ、１６ｍｍ、２２ｍｍのものについても同様の実験を行い、図４と同様の結果が得られており、板厚によらずｔ２は０．５秒程度が最適値であるといえる。
【００２２】
ここで、上記第１のピアシング条件と第２のピアシング条件は、本実施の形態に係る加工方法の一例であり、特に上記条件に限定されるものではなく、被加工物の板厚や材質によって適宜設定すればよい。ただし、加工品質と加工時間を考慮し、以下の条件を満たすことが望ましい。
第１のピアシング条件は、板厚途中までの穿孔と急速にビームスポット径を増大させるために、第２のピアシング条件と比較し、低出力かつＺ軸の上方への移動速度を大きくし、ビーム照射時間を短く設定することが望ましい。また、第２のピアシング条件は、板厚途中まで穿孔が進行したピアシング穴に対し、酸化燃焼反応を再び促進させ、かつ穿孔効率を高めることから、第１のピアシング条件と比較し、高出力かつＺ軸の下方への移動速度を小さくし、ビーム照射時間を長く設定することが望ましい。
【００２３】
次に、本実施の形態における加工方法の効果を説明する。図６は、従来のＣＷモードによるピアシング加工と、本実施の形態によるピアシング加工による、ピアシング穴径、ピアシング時に発生するスパッタ量、加工時間の比較をしたものである。本実施の形態の加工条件は、上記加工条件とし、第２の工程の時間ｔ２は、０．５秒とした。被加工物は、上記と同様の板厚１９ｍｍの軟鋼ＳＳ４００材を使用した。従来のピアシング条件は以下の通りである。
＜従来のピアシング条件＞
レーザビーム出力：４０００Ｗ（ＣＷモード）
アシストガス種類：酸素
アシストガス圧力：０．０８ＭＰａ
ビームオン時間：１．０ｓｅｃ
ビーム照射時の加工ヘッド高さ：材料表面より１９．０ｍｍ（一定）
【００２４】
本実施の形態の加工時間は、
０．４秒（第１の工程）＋０．５秒（第２の工程）＋０．９秒（第３の工程）＝１．８秒
となり、図６に示したように、従来のＣＷモードによる加工方法の加工時間１．０秒と比較し、やや悪化している。しかし、ピアシング穴径は４０％小さくなり、これによりスパッタ量も約３０％以上低減させることができる。
【００２５】
また、従来のＰＷモードによるピアシング加工条件で、板厚１９ｍｍの軟鋼ＳＳ４００に貫通穴を加工した場合、加工時間は約２０秒必要であり、本実施の形態はＰＷモードに比べ１／１０以下の時間で貫通穴を加工することができる。
【００２６】
このように、被加工物の所定位置に切断加工のスタート点である貫通穴を開けるピアシング加工の加工方法において、第１のピアシング条件にてビームを照射する第１の工程と、一旦ビーム照射を停止する第２の工程と、第２のピアシング条件にて再度ビームを照射する第３の工程からなる加工方法を用いることにより、ピアシング穴径を小さくすることができスパッタ量を低減することができる。さらには加工時間の短縮、生産性の向上を図ることができる。
【００２７】
実施の形態２．
実施の形態１においては、ピアシング加工中に、レーザ出力、加工ヘッドの上下動により制御できる被加工物上のビームスポット径を変化させ、ビーム停止時間を設け、スパッタ量を減少させた。本実施の形態においては、それらの動作に加え、エアーおよびスパッタ付着防止剤をピアシング穴付近に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、固着を防止するものである。
【００２８】
図７は、本発明を実施するための実施の形態２に係るレーザ加工方法に用いられるレーザ加工装置を示した装置構成図である。実施の形態１のレーザ加工装置の図１に、サイドノズルからエアーを噴射する機構、およびスパッタ付着防止剤を噴射する機構を加えた構成となっている。以下、図１からの追加部分について説明する。
図７において、ＮＣ装置１３からの指令値により、サイドガス供給装置８は所定の圧力のエアーＳをサイドノズル７に供給する。供給されたエアーＳは、サイドノズル７より被加工物Ｗ上のピアシング穴ｈ周辺に噴射されて、ピアシング穴ｈ周囲のスパッタの除去に使用される。ここで、サイドノズル７は加工ヘッド３に固定されており、加工ヘッド３とともに上下動する。
また、ＮＣ装置１３からの指令値により、スパッタ付着防止剤供給装置９は所定の圧力のスパッタ付着防止剤Ｏをスパッタ付着防止剤噴射ノズル１０に供給する。ここで、スパッタ付着防止剤とは、被加工物Ｗへのスパッタの固着を防止するための、離型剤もしくは油分を成分とするものである。供給されたスパッタ付着防止剤Ｏは、スパッタ付着防止剤噴射ノズル１０より被加工物Ｗ上のピアシング穴ｈ周辺に噴射されて、ピアシング穴周囲のスパッタ固着の防止に使用される。サイドノズル７は加工ヘッド３とともに上下動するが、スパッタ付着防止剤噴射ノズル１０は、スパッタ付着防止剤Ｏがノズル５等に付着しないように、独立して固定されている。そして、スパッタ付着防止剤Ｏを噴射するときは、加工ヘッド３は退避位置まで上昇しておく。
【００２９】
図８は、本発明を実施するための実施の形態２におけるレーザ加工方法を示すための、レーザ発振器のレーザ発振出力、加工ヘッドの上下動、加工ヘッドの上下動により制御される被加工物に照射されるビームスポット径、スパッタ付着防止剤の吹き付け圧、およびサイドノズルエアー圧の時間変化を示した図である。また、図９は動作のフローを説明するフローチャート図である。
【００３０】
図８において、実施の形態１と同様に、第１〜第３の工程の時間はそれぞれｔ１〜ｔ２に対応する。また図９においては、ステップＳ２０〜Ｓ０２が第１の工程に対応し、ステップＳ２１とＳ２２が第２の工程に対応し、ステップＳ０４〜Ｓ０６が第３の工程に対応する。実施の形態１と異なる点は、第１の工程にて第１のピアシング加工前にスパッタ付着防止剤を噴射する点と、第２の工程でエアーおよびスパッタ付着防止剤を噴射する点と、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点である。
【００３１】
以下、図８および図９を用いピアシング加工に関する動作を詳細説明する。
まず、第１の工程にて、加工ヘッド３を退避位置（Ｈｅ）まで上昇させ、スパッタ付着防止剤噴射ノズル９よりスパッタ付着防止剤Ｏを噴射する（Ｓ２０）。次に、第１のピアシング条件にて被加工物にレーザビームＬを照射しアシストガスＡを噴射することにより溶融穿孔を開始する（Ｓ０１）。そして、穿孔途中に加工ヘッド３を所定の高さまで上昇させることでビームスポット径を増大させ、溶融穿孔現象を促進させる（Ｓ０２）。加工ヘッド３の上下動させる高さの設定は、実施の形態１と同様である。
続く第２の工程では、ビーム照射およびアシストガス噴射を一旦停止し、サイドノズル７よりエアーＳを噴出させ、第１の工程にて発生したスパッタを加工部から除去する（Ｓ２１）。この段階で溶融穿孔現象は停止し、ピアシング穴径の拡大が抑制される。その後、加工ヘッド３を退避位置（Ｈｅ）まで上昇させ、再度スパッタ付着防止剤Ｏを加工部分に噴射する（Ｓ２２）。これは最初に噴射したスパッタ付着防止剤Ｏが第１ピアシング加工のビーム照射およびアシストガス噴射により揮発、除去されるためである。
続いて第３の工程で、加工ヘッド３を所定の高さ（Ｈｄｆ）にし、第１の工程にて加工した部分に再度レーザビームＬを照射しアシストガスＡを噴射することにより溶融穿孔現象を再開させるが、過剰の酸化燃焼反応による穴径拡大を防止させるために、加工ヘッド３をジャストフォーカスの位置（Ｈｊｆ）まで再び被加工物に接近させ貫通を完了させる（Ｓ０５）。その後、ビーム照射およびアシストガスの噴射を停止する。そして、サイドノズル７よりエアーＳを噴射することで、第２ピアシング加工のビーム照射にて発生したスパッタを加工部より除去する（Ｓ２３）。以上の動作でピアシング加工は完了となり（Ｓ０６）、この後、切断条件にて切断が開始される（Ｓ０７）。
【００３２】
上記のように、第１のピアシング加工と第２のピアシング加工の各加工前に、スパッタ付着防止剤を噴射することでスパッタを付着し難くし、各加工後に、サイドノズルよりエアーを噴射させスパッタを吹き飛ばして除去することにより、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することができる。
【００３３】
次に、本実施の形態の実施結果を説明する。加工条件は、被加工物等および第１のピアシング条件と第２のピアシング条件は実施の形態１と同一とする。加工時間は以下の通りとなる。第１の工程は、スパッタ付着防止剤の噴射工程が約１．２秒必要であるので、計ｔ１＝１．２＋０．４＝１．６秒となり、第３の工程は、エアーの噴射工程が約１．０秒必要であるので、計ｔ３＝０．９＋１．０＝１．９秒となる。第２の工程は、スパッタ付着防止剤およびエアーの噴射工程に約１．９秒必要であるが、図５よりビーム停止時間は０．５秒以上であればスパッタ量は変化しないので、ｔ２＝１．９秒に設定した。よって、加工時間はｔ１＋ｔ２＋ｔ３＝５．４秒となり、実施の形態１の加工時間１．８秒に比較すると３倍の時間が必要となる。また、ピアシング穴径およびスパッタ量は、実施の形態１と同等である。
【００３４】
図１０は、実施の形態１と本実施の形態におけるピアシング穴周囲のスパッタの付着状況を比較したものである。これより実施の形態１のピアシング条件ではピアシング穴周囲にスパッタが大きく残留、固着しているのに対し、実施の形態２においては、それらが極めて少ないことが確認できる。
【００３５】
このように、実施の形態２においては、実施の形態１に比較し加工時間は増加するが、ピアシング加工中に発生するスパッタのピアス穴周囲への残存、固着を効果的に抑制することができる。これにより、ピアシング加工の次工程である切断加工において、溶融飛散物とノズルとの接触、スパッタに起因するレーザビームの反射、アシストガスの乱れなど、切断性能が大幅に低下させる要因を取り除き、高品質で安定なレーザ加工を実現することができる。
【００３６】
実施の形態３．
実施の形態１および２においては、第１のピアシング条件および第２のピアシング条件ともＣＷモードであった。本実施の形態では、実施の形態１および２よりもピアシング穴径をさらに小さくし、ピアシング穴の品質向上を優先した加工方法を提供するものであり、第２のピアシング条件をＰＷモードとしたものである。
【００３７】
図１１は、本発明を実施するための実施の形態３におけるレーザ加工方法を示すための、レーザ発振器のレーザ発振出力、加工ヘッドの上下動、および加工ヘッドの上下動により制御される被加工物上のビームスポット径の時間変化を示した図である。実施の形態１の図２と比較した場合、第３の工程が異なる。実施の形態１における第２のピアシング加工は、デフォーカスからジャストフォーカスに変化させたＣＷモードを使用したが、本実施の形態では、第２のピアシング加工にジャストフォーカスさせた集光ビームによるＰＷモードを使用することが特徴である。
第３工程にてＰＷモードを用いることにより、第３工程でのピアシング穴径をさらに小さくすることができ、ピアシング穴の品質向上を図ることができる。
【００３８】
次に、本実施の形態の実験結果を説明する。実験にて使用した被加工物等および第１のピアシング条件は、実施の形態１と同条件である。また、第２工程のビーム停止時間も、実施の形態１と同様の０．５秒の設定である。第２のピアシング条件は以下の通りである。
＜第２ピアシング条件＞
レーザ出力：１０００Ｗ（ＰＷモード）
パルス周波数：１００Ｈｚ
パルスデューティ：２０％
アシストガス種類：酸素
アシストガス圧力：０．０７ＭＰａ
ビームオン時間：３．０ｓｅｃ
ビーム照射時の加工ヘッド高さ：材料表面から４．０ｍｍ（一定）
【００３９】
図１２は、上記条件による加工のピアシング時間、ピアシング穴径、スパッタ量を、実施の形態１および２と比較した表である。ここで、ピアシング穴径は被加工物Ｗの表面の穴径であり、実施の形態１〜３までは第１のピアシング条件は同一であるので、同一の径となる。しかし、本実施の形態は、第２のピアシング条件にＰＷモードを採用しているため、被加工物の加工底面の穴径が他の実施の形態よりも小さくなっており、スパッタ量が少なくなっている。ここで定めるピアシング加工時間は、ビーム照射時間以外の工程も含めた時間である。
実施の形態１〜３においては、一般にピアシング時間が長いほどスパッタ量は少なくなる傾向にあるが、要求される加工時間、加工品質、加工安定性に応じて適正なピアシング方法を選択することが可能である。例えば、多数の穴開けのためにピアシング加工の回数が多くなる場合には、加工時間短縮のために実施の形態１を採用することが望ましく、複雑な切断加工線のためピアシング穴付近を加工ヘッドが横切る場合が多い加工においては、固着したスパッタによる加工品質の劣化や、固着したスパッタと加工ヘッドの衝突を防止するために、スパッタの付着が少ない実施の形態２、もしくはスパッタ量自体が少ない実施の形態３を採用することが望ましい。
【００４０】
なお、実施の形態３では、実施の形態２で行ったようなスパッタの除去を目的としたサイドエアーの噴射、スパッタの残存、固着の防止を目的としたスパッタ付着防止剤の噴射の動作を実行していないが、これらの動作を含めることによりさらにピアシング能力を向上させる効果があることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４１】
１ レーザ発振器、２ ミラー、３ 加工ヘッド、４ レンズ、５ ノズル、６ アシストガス供給装置、７ サイドガスノズル、８ サイドガス供給装置、９ スパッタ付着防止剤供給装置、１０ スパッタ付着防止剤噴射ノズル、１１ ギャップコントローラ、１２ サーボ制御回路、１３ ＮＣ装置、１４ レーザ発振制御回路、Ｌ レーザビーム、Ａ アシストガス、Ｗ 被加工物、ｈ ピアシング穴、Ｓ エアー、Ｏ スパッタ付着防止剤
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピアシング加工を行うレーザ加工方法において、
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被加工物の板厚の途中までピアシング穴を形成する加工を行う第１の工程と、
第１の工程後、レーザビームの照射を所定の時間停止する第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穴を貫通させる加工を完了する第３の工程とを備えるとともに、
前記第２の工程における所定の時間は、
前記第２工程にてレーザビームの照射を停止する時間の増加に対して、前記第１から第３の工程によるピアシング加工により発生するスパッタ量が一定値から減少し再度一定値へと変化する関係において、このスパッタ量が減少し再度一定値に達した時間を前記所定の時間としたレーザ加工方法。
【請求項２】
前記第１のピアシング条件にて、連続波形モードを選択したことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記第１のピアシング条件にて、ビームスポット径を変化させることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記ビームスポット径の変化は、ジャストフォーカス状態からデフォーカス状態へ変化させることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記第２のピアシング条件にて、連続波形モードを選択したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
前記第２のピアシング条件にて、ビームスポット径を変化させることを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工方法。
【請求項７】
前記ビームスポット径の変化は、デフォーカス状態からジャストフォーカス状態へ変化させることを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工方法。
【請求項８】
前記第２のピアシング条件にて、パルス波形モードを選択したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項９】
前記第２のピアシング条件にて、ビームスポット径を一定としたことを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工方法。
【請求項１０】
前記第１の工程は、レーザビームの照射前に被加工物の加工部付近にスパッタ付着防止剤を噴射し、
前記第２の工程におけるレーザ停止時に、被加工物の加工部付近にエアーを噴射することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項１１】
前記第２の工程におけるレーザ停止時に、被加工物の加工部付近にスパッタ付着防止剤を噴射し、
前記第３の工程でのレーザビームの照射後に、被加工物の加工部付近にエアーを噴射することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項１２】
ピアシング加工を行うレーザ加工方法において、
第１のピアシング条件にて連続波形モードのレーザビームを被加工物に照射し被加工物の板厚の途中までピアシング穴を形成する加工を行う第１の工程と、
第１の工程後、レーザビームの照射を所定の時間停止する第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連続波形モードのレーザビームを被加工物に照射しピアシング穴を貫通させる加工を完了する第３の工程とを備えるとともに、
前記第２の工程における所定の時間は、
前記第２工程にてレーザビームの照射を停止する時間の増加に対して、前記第１から第３の工程によるピアシング加工により発生するスパッタ量が一定値から減少し再度一定値へと変化する関係において、このスパッタ量が減少し再度一定値に達した時間を前記所定の時間としたレーザ加工方法。
【請求項１】
ピアシング加工を行うレーザ加工方法において、
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被加工物の板厚の途中までピアシング穴を形成する加工を行う第１の工程と、
第１の工程後、レーザビームの照射を所定の時間停止する第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穴を貫通させる加工を完了する第３の工程とを備えるとともに、
前記第２の工程における所定の時間は、
前記第２工程にてレーザビームの照射を停止する時間の増加に対して、前記第１から第３の工程によるピアシング加工により発生するスパッタ量が一定値から減少し再度一定値へと変化する関係において、このスパッタ量が減少し再度一定値に達した時間を前記所定の時間としたレーザ加工方法。
【請求項２】
前記第１のピアシング条件にて、連続波形モードを選択したことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記第１のピアシング条件にて、ビームスポット径を変化させることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記ビームスポット径の変化は、ジャストフォーカス状態からデフォーカス状態へ変化させることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記第２のピアシング条件にて、連続波形モードを選択したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
前記第２のピアシング条件にて、ビームスポット径を変化させることを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工方法。
【請求項７】
前記ビームスポット径の変化は、デフォーカス状態からジャストフォーカス状態へ変化させることを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工方法。
【請求項８】
前記第２のピアシング条件にて、パルス波形モードを選択したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項９】
前記第２のピアシング条件にて、ビームスポット径を一定としたことを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工方法。
【請求項１０】
前記第１の工程は、レーザビームの照射前に被加工物の加工部付近にスパッタ付着防止剤を噴射し、
前記第２の工程におけるレーザ停止時に、被加工物の加工部付近にエアーを噴射することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項１１】
前記第２の工程におけるレーザ停止時に、被加工物の加工部付近にスパッタ付着防止剤を噴射し、
前記第３の工程でのレーザビームの照射後に、被加工物の加工部付近にエアーを噴射することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のレーザ加工方法。
【請求項１２】
ピアシング加工を行うレーザ加工方法において、
第１のピアシング条件にて連続波形モードのレーザビームを被加工物に照射し被加工物の板厚の途中までピアシング穴を形成する加工を行う第１の工程と、
第１の工程後、レーザビームの照射を所定の時間停止する第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連続波形モードのレーザビームを被加工物に照射しピアシング穴を貫通させる加工を完了する第３の工程とを備えるとともに、
前記第２の工程における所定の時間は、
前記第２工程にてレーザビームの照射を停止する時間の増加に対して、前記第１から第３の工程によるピアシング加工により発生するスパッタ量が一定値から減少し再度一定値へと変化する関係において、このスパッタ量が減少し再度一定値に達した時間を前記所定の時間としたレーザ加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−６７８（Ｐ２０１２−６７８Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２０９４０（Ｐ２０１１−２２０９４０）
【出願日】平成２３年１０月５日（２０１１．１０．５）
【分割の表示】特願２００５−２６９７３８（Ｐ２００５−２６９７３８）の分割
【原出願日】平成１７年９月１６日（２００５．９．１６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月５日（２０１１．１０．５）
【分割の表示】特願２００５−２６９７３８（Ｐ２００５−２６９７３８）の分割
【原出願日】平成１７年９月１６日（２００５．９．１６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]