JP3516560B2 - レーザ加工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、レーザビーム及
びアシストガスにより鋼板等の被加工材に丸穴や四角穴
等の穴を切断加工するレーザ切断の加工方法に係わり、
特にバーニング（異常燃焼）による製品への悪影響を無
くすことができるレーザ加工方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レ−ザ光及びアシストガスを使用して、
鋼板等の被加工物を所定形状に切断加工する際の従来の
加工方法は、被加工物の材質と板厚から最適切断加工条
件を経験的に求め、その加工条件をもとにノズルを被加
工物の切断開始点に位置決めし、ノズルからレ−ザ光を
発し切断開始点から所定の切断速度で加工を開始してい
る。

【０００３】厚い鋼板の穴形状の導入線部や小穴加工部
あるいは加工形状のコ−ナ部付近では、通常の加工速度
やレ−ザ出力の加工条件を変えて、材質や板厚毎に制御
装置に設定してある加工速度、レ−ザ出力、アシストガ
ス圧、パルスデュ−ティ等の加工条件に基づき加工を行
い、所定の長さを加工した後再び通常の加工条件に切り
替えて加工を行っている。特に、例えば９ｍｍ以上の厚
さの鋼板加工における小穴加工やコ−ナ部では加工形状
を確保するために、ノズルの移動速度やレーザ出力を低
下させている。

【０００４】鋼板よりなる被加工材１１の例えば小穴加
工においては、図１１に示すように加工開始のピアッシ
ングポイントＰ１から導入線Ｌ１に沿って穴加工線Ｌ３
上の加工開始点Ｐ２まで切り込みを行ない導入溝１４を
形成する。又、穴加工線Ｌ３に到達する部分では所定の
角度や直角又は小さい円弧軌跡で穴加工線Ｌ３へ入り加
工を行っている。そして、加工開始点Ｐ２から穴加工線
Ｌ３の矢印方向に、ノズルを移動させて前記加工開始点
Ｐ２までノズルを戻すことにより穴加工溝１６を形成
し、被加工材１１に所定の穴１７を形成している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記穴加工
溝１６の加工終点Ｐ２（加工開始点Ｐ２と同じ点でもあ
る）の直前の点Ｐ４ではノズルから噴出するアシストガ
スの乱流が原因で、被加工材１１に熱が蓄積されるため
溶損が発生し、所望の加工形状が得られないという問題
があった。切断開始点Ｐ２付近の溝は、ノズルの移動が
ほぼ９０度方向転換されるので、その速度が一時的に遅
くなりレーザ加工条件を変えても他の加工部に比べカ−
フ幅（切断溝幅）が広くなっている。さらに穴加工線Ｌ
３の切断開始点Ｐ２では先の導入溝１４を含めるとカ−
フ幅は相当広く、前記加工終点直前の点Ｐ４において穴
加工の終了直前にはアシストガスがその導入溝１４に流
れ込んでしまい、アシストガスが乱流して通常のカ−フ
幅を保つことができず前記直前の点Ｐ４付近では次の問
題が生じる。

【０００６】被加工材１１の板厚より小さい直径の穴１
７の加工においては、被加工材１１の表面では図１２
（ａ）に示すように表面側の穴１７１の形状はある程度
円形となり、内側のスクラップ部１９の外周縁もほぼ円
形状になり、特に問題はない。しかし、被加工材１１の
裏面では、前記直前の点Ｐ４において表から裏面を透視
した図１２（ｂ）に示すようにスクラップ部１９に欠落
部１９１が生じ、かつ裏面側の穴１７２のうち欠落部１
９１と対応する内周面１７２ａがいびつな形状になると
いう問題があった。又、前記欠落部１９１と前記内周面
１７２ａとの間に被加工材１１の溶融金属の残滓２０が
発生して、この残滓２０がスクラップ部１９と内周面１
７２ａとを溶着することになり、スクラップ部１９の穴
１７２からの落下が阻止され、穴加工を不能にするとい
う問題があった。特に、穴径が小さい場合には前記スク
ラップ部１９が小さくなり、その重量が軽くなるので、
前記溶着力によりスクラップ部１９の落下が生じ難くな
る。

【０００７】上記の残滓２０の発生は、次のように説明
される。すなわち、図９に示すように、ノズル１２から
被加工材１１に照射されるレーザビーム１３は、ノズル
１２が図９の左方向へ移動されると、被加工材１１の下
端ほど右方に切断遅れが生じ、被加工材１１の下側に未
切断部１１１が生じる。そして、この状態を継続したま
まレーザビーム１３が前記直前の点Ｐ４から加工開始点
Ｐ２へ移動される過程でレーザビーム１３がアシストガ
スとともに導入溝１４に流出する。この結果、前記未切
断部１１１がアシストガスを含めた正規の切断条件から
外れるため、溶融して残滓２０となり、この残滓２０に
よりスクラップ部１９が穴１７２の周面１７２ａに溶着
されて落下が阻止される。

【０００８】従って、従来の加工方法では、裏面側の穴
１７２の加工形状が変形するばかりでなく、被加工材１
１の厚さと、穴１７の大きさとの関係が、図６の鎖線曲
線で示すように、制約されるという問題がある。すなわ
ち、図６は横軸に被加工材１１の厚さをとり、縦軸に穴
径をとり、適正な加工形状を得ることができる加工可能
な最小穴径と厚さとの関係を求めたものである。このグ
ラフによれば、例えば被加工材１１の材質ＳＳ４０、厚
さが１０ｍｍでは、穴径が８ｍｍ以上に、厚さが１５ｍ
ｍでは、穴径が１２ｍｍ以上に、厚さが２０ｍｍでは、
穴径が２２ｍｍ以上に、それぞれ制約されるという問題
があった。

【０００９】本発明はこのような従来の技術に存在する
問題点に着目してなされたものであって、その第１の目
的は、被加工材の厚さと穴径との制約を緩和することが
できるとともに、被加工材への穴加工を確実かつ適正に
行うことができるレーザ加工方法を提供することにあ
る。

【００１０】本発明の第２の目的は、上記第１の目的に
加えて、切り込み溝の形成を適正に行うことができるレ
ーザ加工方法を提供することにある。本発明の第３の目
的は、上記第１又は２の目的に加えて、ノズルを加工開
始点まで復帰する動作を行い、加工能率を向上すること
ができるレーザ加工方法を提供することにある。

【００１１】本発明の第４の目的は、上記第１〜第３の
いずれかの目的に加えて、楕円形又は複数の円弧をウエ
ブ状に形成した穴加工線に沿って被加工材を加工する
際、穴加工をより適正に行うことができるレーザ加工方
法を提供することにある。

【００１２】本発明の第５の目的は、上記第１〜第３の
いずれかの目的に加えて、角形の穴の加工をより適正に
行うことができるレーザ加工方法を提供することにあ
る。本発明の第６の目的は、上記第１の目的に加えて、
加工能率を向上することができるレーザ加工方法を提供
することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
上記目的を達成するために、ノズルから出力されるレー
ザ光を被加工材に照射するとともに、前記レーザ光に沿
ってアシストガスを噴射して穴加工するレーザ加工方法
であって、ピアッシングポイントから切断導入線に沿っ
て穴加工線上の加工開始点まで被加工材を切断した後、
前記加工開始点から穴加工線に沿って被加工材を切り込
み終了点まで切断して切り込み溝を形成し、その後、前
記加工開始点にノズルを戻して、該加工開始点から前記
切り込み溝とは反対方向に前記穴加工線に沿って前記切
り込み終了点まで被加工材を切断するレーザ加工方法に
おいて、切り込み終了点は角形の穴加工線の直線上に設
定されているものである。

【００１４】請求項２記載の発明においては、上記第２
の目的を達成するために、請求項１において、前記加工
開始点から切り込み終了点までの被加工材の切り込み切
断は穴加工線に部分的に行われ、切り込み加工条件は通
常の切断加工速度より遅い速度、かつ、通常のレ−ザ出
力より低い条件で行われるものである。

【００１５】請求項３記載の発明は、上記第３の目的を
達成するために、請求項２において、切り込み切断を終
了した時点で一旦レ−ザ光及びアシストガスを停止さ
せ、ノズルを加工開始点まで戻し、該加工開始点におい
て通常の切断加工条件に切り替えるものである。

【００１６】

【００１７】

【００１８】請求項４記載の発明は、ノズルから出力さ
れるレーザ光を被加工材に照射するとともに、前記レー
ザ光に沿ってアシストガスを噴射して穴加工するレーザ
加工方法であって、ピアッシングポイントから切断導入
線に沿って穴加工線上の加工開始点まで被加工材を切断
した後、前記加工開始点から穴加工線に沿って被加工材
を切り込み終了点まで切断して切り込み溝を形成し、そ
の後、前記加工開始点にノズルを戻して、前記穴加工線
に沿って前記切り込み終了点まで被加工材を切断するレ
ーザ加工方法において、加工しようとする穴が四角形状
の場合は、ピアッシング後の切断導入線が加工しようと
する穴の外側より切り込む際に、四角形状の穴加工線の
一辺に対し切断導入線の方向を一致するようにして、加
工開始点から他の辺に切り込み溝を形成するという手段
をとっている。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、この発明を具体化した一実
施形態を図１〜図６に従って説明する。この実施形態
は、被加工材１１に対し、所定半径の円形状の穴１７を
切断加工する加工方法である。図４は所定厚さの鋼板等
の被加工材１１の上面に近接するようにレーザビーム１
３及びアシストガスを照射するノズル１２を移動する経
路を示す。この経路及びレーザビームとアシストガスの
発生条件、レ−ザ出力、アシストガス圧、パルスデュ−
ティ及び加工速度等の加工条件は、被加工材１１の材質
や厚さあるいは穴径等に応じて予め適正な条件が図示し
ない制御装置のメモリーに記憶されている。そして、加
工しようとする被加工材１１の穴径に適した条件を選択
して、ノズル１２を移動することにより穴加工が適正な
条件で行われる。

【００２０】そこで、穴１７の切断加工作業を図１〜図
３により説明する。図２（ａ）に示すように、まず被加
工材１１の所定位置、つまりピアッシングポイントＰ１
においてノズル１２からレーザビーム１３及びアシスト
ガスを出力し、ビーム径にほぼ等しい小穴を形成する。

【００２１】次に、図２（ｂ）に示すように、ピアッシ
ングポイントＰ１から穴加工線Ｌ３の特定点、つまり加
工開始点Ｐ２まで、穴形状導入線Ｌ１に沿ってノズル１
２を移動させ、導入溝１４を形成する。この工程では、
ノズル移動速度、レ−ザ出力の加工条件が通常の加工条
件より低く設定される。

【００２２】次に、前記加工開始点Ｐ２から円弧状の穴
加工線Ｌ３に沿って図２（ｃ）の時計回り方向、つまり
本来の加工方向とは反対方向へノズル１２を移動し、所
定長さの円弧状をなす切り込み溝１５を切断加工する。
この切り込み溝１５の先端部のノズル中心Ｐ３は切り込
み終了点となり、この点Ｐ３でレ−ザ光を一旦停止させ
る。この切り込み終了点Ｐ３は、後述するように穴１７
の加工が最終段階で終了する加工終了点にもなる。

【００２３】次に、図２（ｃ）において、切り込み終了
点Ｐ３から切り込み加工線Ｌ２に沿ってノズル１２を戻
す。その後、加工開始点Ｐ２で通常の加工条件に切り替
えて穴加工線Ｌ３に沿って反時計回り方向に切断加工を
行い、図３に示すように円形状の穴加工溝１６を形成す
る。この穴加工溝１６は前記切り込み終了点Ｐ３へ向か
って形成され、図１に示すように穴加工溝１６の先端部
を加工するノズルの中心点Ｐ４は、前記終了点Ｐ３へ接
近する。

【００２４】この接近状態から加工終了直前の点Ｐ４に
あるノズルが終了点Ｐ３へ移動されると、切り込み溝１
５に穴加工溝１６がつながる。この工程では、切り込み
溝１５は予め穴加工線Ｌ３に沿って所定のカ−フ幅に形
成されている。又、穴加工の場合はノズルの進行方向は
円弧に対して接線となっているため円弧半径が大きい程
ほぼ直線に近似する。従って、被加工材１１の穴加工の
終了点Ｐ３はアシストガスが所定幅のカ−フ部に直線的
に抜けるため、被加工材１１の表面側と裏面側のアシス
トガスの抜け方は直線的となり四方に分散することがな
い。なお、半径が大きい円弧の場合は一層条件が良くな
る。従って、切り込み溝１５に穴加工溝１６が同一のカ
ーフ幅をもって滑らかにつながる。

【００２５】穴加工の加工終了点ではアシストガスが直
線的に抜けるため、溶融物も直線的にカ−フ部に抜け、
溶融物が残滓となって穴加工溝１６内に残ることはな
い。従って、スクラップ部１９の穴１７からの落下も円
滑に行われる。又、切断終了部Ｐ３、特に被加工材１１
の裏面側の欠落が解消され、常に安定した高品質な穴加
工形状を得ることができる。

【００２６】又、従来レ−ザ加工の課題とされていた小
穴加工において、板厚寸法の直径より小さい例えば板厚
の約１／３の直径の小穴を明けることができるようにな
った。これは図６のグラフから明らかである。すなわ
ち、図６の実線で示す加工限界曲線に示すように、板厚
が例えば１９ｍｍの場合に、穴径が約７ｍｍとなり、従
来と比較して小径の穴加工が可能となる。

【００２７】ところで、図１に示す前記切り込み溝１５
のピアッシングポイントＰ１に関する加工開始点Ｐ２か
ら終了点Ｐ３までの形成角をαとすると、この形成角α
は、穴１７の直径、被加工材１１の厚さ等により適宜に
設定される。例えば、穴の径が小さい場合には、９０
度、大きい場合には３０度というように設定される。
又、前記厚さが薄い場合には形成角αが小さく、大きい
場合には形成角αが大きく設定されている。

【００２８】ここで、前記実施形態における各構成に基
づく作用効果を以下に説明する。 （ａ）前記実施形態では、前記加工開始点Ｐ２から切り
込み終了点Ｐ３までの被加工材１１の切り込み切断を部
分的に行い、切り込み条件は通常の切断加工速度より遅
い速度、かつ、通常のレ−ザ出力より低い条件で行うよ
うにしたので、切り込み溝１５の形成を確実かつ適正に
行うことができる。 （ｂ）前記実施形態では、切り込み切断を終了した時点
で一旦レ−ザ光及びアシストガスを停止させ、ノズルを
加工開始点Ｐ２まで戻し、該加工点において通常の切断
加工条件に切り替えるようにしたので、ノズルを加工開
始点まで復帰する動作を迅速に行い、加工能率を向上す
ることができる。

【００２９】なお、この発明は前記実施形態に限定され
るものではなく、以下のように具体化することも可能で
ある。 （１）図７に示すように加工しようとする穴１７が四角
形状の場合において、通常の加工条件よりも低い条件で
ピアッシングポイントＰ１から直線状の穴加工線Ｌ３の
加工開始点Ｐ２へ向かって導入溝１４を形成し、該点か
ら切り込み終了点Ｐ３へ所定長さ直線状の切り込み溝１
５を同じく通常の加工条件よりも低い条件で形成する。
その後、前記加工開始点Ｐ２へノズルを戻し、通常の加
工条件に切り替えて、穴加工線Ｌ３に沿って四角形状の
穴加工溝１６を加工する。

【００３０】この実施形態では加工終了部において切り
込み終了点Ｐ３に対し、穴加工溝１６の先端が直線状に
向き合うので、穴加工溝１６の最終加工時に前記実施形
態の円弧状の加工線上で向き合う方法と比較して加工作
業をより確実かつ適正に行うことができる。 （２）図８に示すようにピアッシング後の穴加工導入線
Ｌ１が穴１７の外側より切り込む場合については、四角
形状の穴加工線Ｌ３の一辺に対し前記導入線Ｌ１が方向
と一致するようにして通常の加工条件より低い加工条件
により導入溝１４を形成する。次に、加工開始点Ｐ２か
ら他の辺の切り込み線Ｌ２に沿って通常の加工条件より
低い加工条件により切り込み溝１５を形成し、ノズルが
切り込み終了点Ｐ３まで移動した時、レーザ出力を停止
する。次に、ノズルを切り込み終了点Ｐ３から加工開始
点Ｐ２まで戻す。最後に、該点Ｐ２において通常の加工
条件に切り替えてノズルを穴加工線Ｌ３の矢印方向に沿
って加工開始点Ｐ２から加工終了点Ｐ３に向かって移動
し、穴加工溝１６を形成する。

【００３１】この実施形態においても、加工終了部にお
いて切り込み溝１５と加工溝１６とが直線状に対向して
いるので、図７に示す実施形態と同様の効果がある。

【００３２】（４）図１０に示すように、六角形状の穴
１７を加工する場合には、導入溝１４を六角形の角部の
加工開始点Ｐ２に設定する。又、加工終了部は六角形の
辺に設定する。なお、図１０の左側に示すように六角形
の角部に切り込み終了点Ｐ３´を設定した場合、切り込
み溝１５と穴加工溝１７の傾き角θが六角形の場合、１
２０度となるため、９０度以下の傾き角を有する点を切
り込み終了点にする場合と比較して被加工材の厚さと穴
径との制約を緩和することができるとともに、被加工材
への穴加工を適正に行うことができる。（５）前記実施
形態以外の各実施形態の加工方法において、前記切り込
み溝１５を形成した後、点Ｐ３でレ−ザ光を停止させず
にそのまま通常の加工方向にノズルを低速で移動し、加
工開始点Ｐ２で通常の加工条件に切り替えて加工する。
（６）例えば、楕円形の穴、その他滑らかな曲線により
変則的に形成された穴加工線のうち曲率が最も大きい曲
線上に切り込み終了点を設定する。

【００３３】この場合には、被加工材への穴加工をより
適正に行うことができる。

【００３４】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。被加工材
１１の材質ＳＳ４００、厚さ１６ｍｍに対し、直径が６
ｍｍの穴を明ける場合には、次のレーザ加工条件によ
る。前述した通常の加工条件として、レーザ出力：２０
００Ｗ、切断速度：８００ｍｍ／ｍｉｎ、アシストガス
（酸素ガス）圧：０．４Ｋｇ／ｃｍ² を用いた。

【００３５】又、前述した通常より低い加工条件とし
て、レーザ出力：９００Ｗ、切断速度：１００ｍｍ／ｍ
ｉｎ、アシストガス（酸素ガス）圧：０．４Ｋｇ／ｃｍ
² を用いた。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明は、被加工材の厚さと穴径との制約を緩和することが
できるとともに、被加工材への穴加工を確実かつ適正に
行うことができるという優れた効果を奏する。また、角
形の穴の加工をより適正に行うことができる。

【００３７】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明の効果に加えて切り込み溝の形成を確実かつ適正に行
うことができる。請求項３記載の発明は、請求項２記載
の発明の効果に加えてノズルを加工開始点まで復帰する
動作を行い、加工能率を向上することができる。

【００３８】

【００３９】請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれ
かに記載の発明の効果に加えて四角形状の穴の加工をよ
り適正に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明を具体化したレーザ加工方法の一実
施形態を示す平面図。

【図２】 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、それぞれ導入溝
及び切り込み溝の加工工程を説明する平面図。

【図３】 穴加工溝の加工工程を説明する平面図。

【図４】 穴加工方法を説明する斜視図。

【図５】 （ａ），（ｂ）は、それぞれ溝の加工工程を
示す断面図。

【図６】 被加工材の厚さと穴径との関係を示すグラ
フ。

【図７】 この発明の別の実施形態を示す平面図。

【図８】 この発明の別の実施形態を示す平面図。

【図９】 レーザ加工方法により形成された溝の形状を
示す断面図。

【図１０】 本発明の別の実施形態を示す平面図。

【図１１】 従来の穴の加工方法を示す平面図。

【図１２】 （ａ）は従来の加工方法により形成された
穴上部の形状を示す面図、（ｂ）は同じく穴下部の形状
を示す平面図。

【符号の説明】

１１…被加工材、１４…切断導入溝、１５…切り込み
溝、１６…穴加工溝、Ｐ１…ピアッシングポイント、Ｐ
２…切り込み開始点、Ｐ３…切り込み終了点、Ｐ４…切
り込み終了点Ｐ３の直前の点、Ｌ１…切断導入線、Ｌ２
…切り込み加工線、Ｌ３…穴加工線。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ノズルから出力されるレーザ光を被加工
   材に照射するとともに、前記レーザ光に沿ってアシスト
   ガスを噴射して穴加工するレーザ加工方法であって、ピ
   アッシングポイントから切断導入線に沿って穴加工線上
   の加工開始点まで被加工材を切断した後、前記加工開始
   点から穴加工線に沿って被加工材を切り込み終了点まで
   切断して切り込み溝を形成し、その後、前記加工開始点
   にノズルを戻して、該加工開始点から前記切り込み溝と
   は反対方向に前記穴加工線に沿って前記切り込み終了点
   まで被加工材を切断するレーザ加工方法において、切り込み終了点は角形の穴加工線の直線上に設定されて
   いるレーザ加工方法 。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記加工開始点から
   切り込み終了点までの被加工材の切り込み切断は穴加工
   線に部分的に行われ、切り込み加工条件は通常の切断加
   工速度より遅い速度、かつ、通常のレ−ザ出力より低い
   条件で行われるレーザ加工方法。
3. 【請求項３】 請求項２において、切り込み切断を終了
   した時点で一旦レ−ザ光及びアシストガスを停止させ、
   ノズルを加工開始点まで戻し、該加工開始点において通
   常の切断加工条件に切り替えるレーザ加工方法。
4. 【請求項４】 ノズルから出力されるレーザ光を被加工
   材に照射するとともに、前記レーザ光に沿ってアシスト
   ガスを噴射して穴加工するレーザ加工方法であって、ピ
   アッシングポイントから切断導入線に沿って穴加工線上
   の加工開始点まで被加工材を切断した後、前記加工開始
   点から穴加工線に沿って被加工材を切り込み終了点まで
   切断して切り込み溝を形成し、その後、前記加工開始点
   にノズルを戻して、前記穴加工線に沿って前記切り込み
   終了点まで被加工材を切断するレーザ加工方法におい
   て、 加工しようとする穴が四角形状の場合は、ピアッシング
   後の切断導入線が加工しようとする穴の外側より切り込
   む際に、四角形状の穴加工線の一辺に対し切断導入線の
   方向を一致するようにして、加工開始点から他の辺に切
   り込み溝を形成したレーザ加工方法。