JP3131357B2 - レーザ加工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、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関するもの
で、主として被加工物の所定位置に切断箇所のスタート
点である貫通穴を開ける際に、貫通穴開口部近傍に発生
する溶融金属除去を行うレーザ加工方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】被加工物の所定位置に、切断箇所のスタ
ート点である貫通穴（ピアシング穴）を形成し、この貫
通穴からレーザビーム切断加工を行うピアシング加工に
おいて、一般的にスタート点に貫通穴を開けるピアシン
グを行うピアシング工程と、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、ピアシング工程による貫通穴の加工
中に、ピアシングの過程で生じる溶融金属が、被加工物
表面上の貫通穴周囲に堆積する。そのため、ピアシング
工程後の切断加工工程時において、溶融金属が堆積した
金属部分を切断加工する際に加工不良が発生するため、
以下に示す手法を用いていた。

【０００３】図９は例えば特開平５−１２３８８５号公
報に示された従来の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。図において、１は
レーザビームＬを発振し、出射するレーザ発振器、２は
レーザ発振器１から出射されるレーザビームＬを案内す
るミラー、３はミラー２により案内されたレーザビーム
Ｌが入射されるレンズ４を有した加工ヘッド３、５はレ
ンズ４によって下方の焦点において集光されたレーザビ
ームＬを照射（出射）することにより被加工物Ｗを加工
するとともに、アシストガスＡをレーザビームＬと同軸
上のレーザビームの照射点に噴射するレーザ照射手段で
あるノズル、６はレーザビームＬによる溶融の促進及び
溶融金属除去のためのアシストガスＡを供給するアシス
トガス供給装置、７は加工ヘッド３を加工経路に沿っ
て、例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向へ複数軸方向へ複数軸制御
するサーボ制御回路、８はノズル５あるいはノズル５の
近傍に設けられ、ノズル５の先端から被加工物Ｗの表面
までの距離が検出するギャップセンサ、９はギャップセ
ンサ８により検出された検出データに基づいてレーザ加
工時のギャップ量が予め設定された値となるようにノズ
ル５の高さを制御するギャップコントローラ、１０はサ
ーボ制御回路７を介して加工ヘッド３のＺ軸方向すなわ
ち光軸方向に移動させて、ノズル５の先端と被加工物Ｗ
の表面との距離を制御すると共に、レーザ発振制御回路
１１により、レーザ発振器１から出力されるレーザビー
ムＬの出力値を制御するＮＣ装置、１１はレーザ発振器
１から出力されるレーザビームＬの出力値を制御するレ
ーザ発振制御回路である。

【０００４】図において、レーザ発振器１から出射され
るレーザビームＬは、ミラー等で案内されて加工ヘッド
３の加工レンズ４に入射され、このレンズ４によってノ
ズル５の外方向の焦点において集光される。又、加工ヘ
ッド３にはアシストガス供給装置６からアシストガスＡ
がノズル５からレーザビームＬと同軸上のレーザビーム
の照射点に噴射されて、被加工物Ｗが加工される。ま
た、加工ヘッド３は、サーボ制御回路７により加工経路
に沿って、例えばＸ、Ｙ、Ｚ方向へ複数軸制御される。
これと同時に、ノズル５あるいはノズル５の近傍に設け
られたギャップセンサ８により、ノズル５の先端から被
加工物Ｗの表面までの距離、すなわちギャップ量が検出
され、その検出データに基づいてギャップコントローラ
９により、加工時のギャップ量が所定量となるようにノ
ズル５の高さが制御される。

【０００５】さらに、被加工物Ｗ上にピアシングを行う
場合、ＮＣ装置１０により、サーボ制御回路７を介し
て、加工ヘッド３のＺ軸方向すなわち光軸方向に移動さ
せて、ノズル５の先端と被加工物Ｗの表面との間のギャ
ップ量を制御する。（図１０（ａ）参照） それと同時に、レーザ発振制御回路１１により、レーザ
発振器１から出力されるレーザビームＬの出力値を制御
しながらレーザ加工を以下のように行う。

【０００６】図１０は材料表面に堆積した溶融金属を除
去するための概念図であり、図１１（ａ）はＺ軸の高さ
（焦点の高さ）、図１１（ｂ）はレーザ発振出力、図１
１（ｃ）はアシストガス圧の関係を示す図である。レー
ザビームＬにより被加工物Ｗの切断加工を行うレーザ加
工方法において、ピアシング開始時には図１０の鎖線及
び図１１（ａ）に示すように、加工ヘッド３を所定高さ
位置にセットした後、被加工物Ｗに貫通穴ｈを形成す
る。この貫通穴ｈが形成された後、加工ヘッド３を図９
の実線で示すように上方に所定高さだけ瞬時に移動させ
ると共に、レーザ発振器１の出力を図１１（ｂ）に示す
ようにピアシング時よりも低下させ、図１１（ｃ）に示
すように、アシストガス供給装置６から供給されるアシ
ストガスＡの圧力をピアシング時よりも高くして、加工
ヘッド３を図１１（ａ）に示すように徐々に下降させ
る。この最上昇位置にある加工ヘッド３から噴射される
アシストガスＡの強い圧力によって、被加工物Ｗの貫通
穴ｈ開口部近傍に付着した溶融状態の溶融金属が外方向
へ飛散除去する。その後、加工ヘッド３を切断高さ位置
で停止し、この状態で被加工物Ｗの切断加工に移行す
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】一般に、金属材料のレ
ーザビーム吸収率は、図１２の自由電子論により算出し
た種々の金属の１０．６μｍに対する吸収率の温度依存
性を示した関係図（レーザ加工技術解説書：溶接協会）
に示すように、レーザビームＬを照射する金属材料の温
度に大きく依存する。例えば、Ｆｅの特性において、１
００゜Ｋでは吸収率が約０．０１であるものが、１７０
０゜Ｋでは０．１２に達し、更に溶融が起きると０．９
に達する。また、焦点位置と被加工物表面でのレーザビ
ームＬが照射される部分のエネルギー密度との間には、
被加工物に対するレーザビームＬの焦点がぼやけるほ
ど、レーザビームＬの照射面積が大きくなり、そのエネ
ルギー密度は小さくなる。

【０００８】そこで、被加工物Ｗと照射されるレーザビ
ームＬの特性から、従来のピアシング終了後にレーザビ
ームＬ照射を停止し、加工ヘッド３を上昇させ、レーザ
ビームＬを照射しながら加工ヘッド３を降下させる従来
の加工方法では、レーザビームＬと被加工物Ｗとの焦点
の関係は、図１３に示されるようになる。加工ヘッド３
が所定高さ位置上昇した状態（図１３（ａ））から、レ
ーザビームＬを被加工物Ｗ表面の貫通穴ｈ開口部近傍の
溶融金属に照射しながら、次第と加工ヘッド３を下降し
ていく（図１３（ｂ）、（ｃ））と、溶融金属に対する
エネルギー密度が次第と高くなり、レーザビームＬの吸
収と溶融が促進される。

【０００９】その結果、被加工物Ｗ表面の貫通穴ｈ開口
部近傍の溶融金属は、過剰に溶融され、その過剰に溶融
された溶融金属は爆発的に貫通穴ｈを拡大してしまう。
そのため、被加工物Ｗの切断加工を良好に行うことが出
来ず、高品質な被加工物の仕上がり品を得ることが出来
ない場合があった。また、貫通穴ｈの拡大により、異常
燃焼が誘発され、被加工物Ｗの貫通穴ｈ周囲から粒状の
溶融金属であるスパッタが上方に向かって噴出し、ノズ
ル５に付着してしまう場合があり、ノズル５のレーザビ
ームＬの照射及びアシストガスＡの噴射が妨げられると
いった場合があった。さらに、レーザビームＬと同軸上
のアシストガスＡの噴射のみによって、溶融金属を飛散
除去することができない場合もあった。

【００１０】この発明は、上述のような課題を解決する
ためになされたもので、第１の目的は、被加工物に貫通
穴を設けるピアシング工程から、被加工物を切断加工す
る切断加工工程に移行する際に、被加工物表面の貫通穴
開口部近傍に堆積した溶融金属を、過剰溶融することな
く除去することができるレーザ加工方法を得るものであ
る。また、第２の目的は、溶融金属の除去の際に発生す
るスパッタのノズルへの付着を防止することができるレ
ーザ加工方法を得るものである。さらに、第３の目的
は、溶融金属の除去の際に、確実に溶融金属を飛散除去
することができるレーザ加工方法を得ることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係るレーザ加
工方法においては、被加工物にレーザビームを照射し、
その所定箇所に貫通穴を形成する第１工程と、この第１
工程により上記貫通穴開口部近傍に発生した溶融金属に
対し、上記レーザビームをビーム径を徐々に拡大しなが
ら照射すると共に、上記アシストガスを上記レーザビー
ムの照射点に噴射する第２工程と、この第２工程後、上
記レーザビーム及び上記アシストガスの照射及び噴射を
停止させる第３工程と、この第３工程後、上記レーザビ
ーム及びアシストガスを再度照射及び噴射し、上記被加
工物を上記貫通穴位置から、切断加工する第４工程と、
を備えたものである。

【００１２】また、第２工程は、被加工物へレーザビー
ムを照射する照射手段を上昇させ、それに伴うレーザビ
ームの焦点位置の上昇により、ビーム径を徐々に拡大す
るようにしたものである。

【００１３】さらに、第２工程において、アシストガス
の噴射軸と異なる軸方向からサイドガスをレーザ照射点
に噴射するようにしたものである。

【００１４】

【作用】上記のように構成されたレーザ加工方法におい
ては、被加工物の所定箇所に貫通穴をピアシングにより
形成した後、レーザビームの焦点を被加工物上からずら
し、ビーム径を徐々に拡大しながら被加工物の貫通穴開
口部近傍に発生する溶融金属に対し、レーザビームによ
るエネルギー密度を減少させつつ、レーザビームの照射
を行い続け、かつアシストガスは被加工物のレーザビー
ム照射点に噴射し続けるので、貫通穴開口部近傍の不要
な溶融金属は過剰な溶融が発生しない程度に溶融される
ことにより、結合力が低下し、かつ、アシストガスによ
り飛散除去することができる。

【００１５】また、レーザビームを照射したままレーザ
照射手段を昇降手段により上昇させ、レーザビームの焦
点位置を貫通穴からずらすことにより、貫通穴開口部近
傍に発生する不要な溶融金属を過剰な溶融が発生しない
程度に飛散除去すると共に、溶融金属からのレーザ照射
手段の距離を次第と離し、溶融金属の飛散によるレーザ
照射手段に対しての障害を減少させることができる。

【００１６】さらに、アシストガスのみでは飛散除去す
ることができなかった溶融金属でも、レーザビームと同
軸上からはアシストガスの噴射、アシストガスの噴射軸
とは異なる軸方向からはサイドガスの噴射により、被加
工物上の溶融金属にはガスが多方向から噴射され、確実
に飛散除去することができる。

【００１７】

【実施例】

実施例１．図１は、この発明の一実施例であるレーザ加
工方法を示すための、加工ヘッド３のＺ軸方向への高さ
（ａ）、レーザ発振器１のレーザ発振出力（ｂ）、アシ
ストガス供給装置６のアシストガスＡの圧力（ｃ）の関
係を示した関係図である。図１を用いて、従来と同様に
構成されたレーザ加工装置（図９参照）において、溶融
金属の除去に関する動作を中心に詳細に説明する。図に
おいて、被加工物ＷにレーザビームＬを照射し、その所
定箇所に貫通穴ｈを形成する第１工程である“イ”のピ
アシング工程開始時点から“ロ”の貫通穴ｈの形成が終
了するピアシング終了時点までのピアシング加工では、
貫通穴ｈ（ピアシング穴）の穴あけに要するピアシング
時間の短縮、かつ異常燃焼による加工不良の発生防止の
ための条件設定から、加工ヘッド３のＺ軸方向への高
さ、レーザ発振器１のレーザ発振出力、アシストガス供
給装置６からのアシストガス圧をそれぞれ一定に制御
し、被加工物Ｗに貫通穴ｈを形成する。

【００１８】ピアシング工程の内、貫通穴ｈが形成され
た“ロ”の時点から、貫通穴ｈ開口部近傍の溶融金属の
飛散除去が終了した“ハ”の時点までの第２工程に、第
１工程により上記貫通穴ｈ開口部近傍に発生した溶融金
属に対し、レーザビームＬをビーム径を徐々に拡大しな
がら照射すると共に、アシストガスＡを噴射する所定時
間ｔ１の期間、図に示されるように、加工ヘッド３を徐
々に上方に所定高さだけ移動させ、レーザ発振器１のレ
ーザ発振出力もピアシング加工終了時の出力値のままと
なるように調整する。なお、アシストガス供給装置６か
ら供給されるアシストガスＡの圧力もピアシング加工終
了時と同じ圧力となるように調整する。この間に、ピア
シング加工の際に、被加工物Ｗの貫通穴ｈ開口部近傍に
堆積（付着）した溶融金属が、レーザビームＬによって
溶融されると共に、アシストガスＡの噴射によって完全
に除去される。

【００１９】その後、貫通穴ｈ開口部近傍の溶融金属の
飛散除去が終了した“ハ”の時点では、第３工程とし
て、レーザ発振器１のレーザ発振出力とアシストガス供
給装置６からのアシストガスＡの供給を停止し、加工ヘ
ッド３を徐々に切断加工工程の切断加工に適した位置ま
で降下させる。（図１（ａ）参照） 加工ヘッド３の降下が終了する“ニ”の時点に来ると、
“ホ”の時点までの所定時間ｔ２の期間、レーザ発振器
１からのレーザ発振をすることなく、アシストガス供給
装置６からのアシストガスＡの圧力を、ピアシング加工
時のピアシング加工圧力及び切断加工工程時のアシスト
ガス圧よりも高くして、貫通穴ｈに噴射する。この強い
圧力のアシストガスＡによって、貫通穴ｈ内部に存在す
る酸化した金属を除去し、かつ貫通穴ｈ周囲の温度を低
下させ、切断加工工程での不良発生率を低下させ、ピア
シング工程を終了する。そして、“ホ”の時点に達する
と、第４工程である切断加工工程に移行されるので、加
工ヘッド３のＺ軸方向の高さ、レーザ発振器１のレーザ
発振出力及びアシストガス供給装置６からのアシストガ
ス圧力を、切断加工に要する所定の値として、再度照射
及び噴射し、切断加工を行う。

【００２０】次に実際の数値を用いて、溶融金属の飛散
除去について説明する。被加工物Ｗの材質を“ＳＳ４０
０”、板厚を“１２ｍｍ”、貫通穴ｈを“０．８ｍｍ”
とした場合、図１におけるピアシング（“イ”〜
“ロ”）の際には、レーザ出力は“７００Ｗ”、アシス
トガス圧は“０．２ｋｇ／ｃｍ² ”と設定する。レーザ
出力及びアシストガス圧を上述のように設定することに
より、板厚“１２ｍｍ”の被加工物Ｗに径が“０．８ｍ
ｍ”の貫通穴をあけることができる。その後、図におけ
る吹き飛ばしの工程（“ロ”〜“ハ”）で、加工ヘッド
３を“１０ｍ／ｍｉｎ”の上昇速度で、Ｚ軸方向へ“３
０ｍｍ”上昇させ、それと同時に、レーザ出力及びアシ
ストガス圧を一定のまま出力し続ける。その結果、被加
工物Ｗの貫通穴ｈ開口部近傍に堆積していた溶融金属
は、過剰溶融することなく飛散除去することができる。

【００２１】溶融金属の飛散除去が終了したら、加工ヘ
ッド３を切断加工工程を行うための所定の高さに移動さ
せ（“ハ”〜“ニ”）、その後“２ｋｇ／ｃｍ² ”のア
シストガスＡを貫通穴ｈに対して約１秒ほど噴射
（“ニ”〜“ホ”）し、ピアシング工程を終了する。そ
して、レーザビームＬのレーザ出力を“１８００Ｗ”、
アシストガスＡのアシストガス圧を“０．４〜０．５ｋ
ｇ／ｃｍ² ”に制御し、切断加工工程に移行する。

【００２２】次に、図２の加工ヘッド３のＺ軸方向の高
さとレーザビームＬの焦点との関係を示した関係図を用
いて、レーザビームＬの径について説明する。ピアシン
グ加工（図１における“イ”〜“ロ”の時点）では、レ
ーザビームＬの焦点が被加工物Ｗを照射して貫通穴ｈを
形成する。（図２（ａ）参照） その後、ピアシング加工から切断加工工程に移行するま
で（図１における“ロ”〜“ハ”の時点）には、レーザ
ビームＬの焦点は被加工物Ｗを直接照射せず、焦点がず
れたレーザビームＬが被加工物Ｗの貫通穴ｈ開口部近傍
の溶融金属に対してレーザビーム径を徐々に拡大しなが
ら照射する。（図２（ａ）〜（ｂ）参照） そのため、レーザビームＬの照射によるエネルギー密度
が加工ヘッド３の上昇にともない低下するので、被加工
物Ｗの貫通穴ｈ開口部近傍の溶融金属において、レーザ
ビームの吸収が少なくなり、レーザビームＬの照射によ
る過剰な溶融が発生せず、スパッタが発生することな
く、アシストガスＡのレーザビームＬの照射点への噴射
により、被加工物Ｗ表面の貫通穴ｈ開口部近傍の溶融金
属の盛り上がりを飛散除去することができる。

【００２３】例えば、図３は、図４で示される条件のも
と、上述した従来方法及び本発明の加工方法における、
各板厚の場合における被加工物Ｗに１００回のピアシン
グ加工を行った際の加工不良の発生する割合、すなわち
加工不良率を表わした比較図である。図に示されるよう
に、板厚が９ｍｍ以下では、従来方法及び本実施方法と
ではは共に差がなく、ともに良好である。しかし、板厚
が９ｍｍ以上となってしまうと、従来方法での加工不良
率が大幅に増加する傾向にあるが、本発明による方法で
はわずかに不良率が増加しているのに過ぎず、板厚２２
ｍｍでも加工不良率は約７．５％である。

【００２４】上述した本実施例の方法により、被加工物
Ｗ表面の貫通穴ｈ周囲の溶融金属の過剰溶融を防止し、
異常燃焼を誘発することなくスパッタの発生を抑え、か
つ、溶融金属の盛り上がりの除去が短時間に容易に行
え、かつ板厚に左右されることなく加工不良を抑えるこ
とができる。また、被加工物Ｗの表面の貫通穴ｈ周囲の
溶融金属の除去が確実に行われるので、加工ヘッド３近
傍に設けられているギャップセンサ８が、被加工物Ｗと
加工ヘッド３との間の正確なギャップを検出することが
でき、安定したギャップコントロールのもとで被加工物
Ｗの切断が円滑に行われ、加工精度が向上する。さら
に、加工ヘッド３は上昇しながら溶融金属を飛散除去す
るので、溶融金属の位置と、加工ヘッド３の位置は次第
と離れていくので、吹き飛ばしにともない飛散された溶
融金属が加工ヘッド３と接触することがない。

【００２５】なお、上記実施例で示した加工ヘッド３の
Ｚ軸方向への高さ、レーザ発振器１のレーザ発振出力、
およびアシストガス供給装置６からのアシストガス圧の
ピアシング工程と切断加工工程の条件の関係は、被加工
物Ｗの材質、板厚によって様々なパターンがあり、本実
施例ではその一例を示したまでであり、加工対象の被加
工物Ｗに対する加工状態によって、レーザビーム出力や
アシストガス圧を増加させたり、低下させてもいい。ま
た、ピアシング工程後の切断加工工程前のアシストガス
Ａの高圧条件も、被加工物Ｗの材質、板厚によっては低
圧条件でも可能な場合がある。

【００２６】実施例２．本実施例では、第１工程である
ピアシング加工時（図５における“イ”〜“ロ”の時
点）に、瞬間的に貫通穴ｈの被加工物Ｗを広範囲に溶融
排出できるようにするべく、図５（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）に示すように加工ヘッド３のＺ軸方向への高さ、
レーザ発振器１のレーザ発振出力、アシストガス供給装
置６からのアシストガス圧を制御する場合を示したその
他の実施例であり、実際には、ピアシング加工（“イ”
〜“ロ”）において、実施例１に比べて、レーザ発振器
１は被加工物Ｗを一気に加工させるための大きなレーザ
発振出力（実際には、２０００Ｗ）、アシストガス供給
装置６からのアシストガス圧は酸化反応を一気に進行さ
せるために高圧条件となるように設定している。

【００２７】レーザ出力が大きく、かつアシストガス圧
が高圧であるので、被加工物Ｗに加工される貫通穴ｈ
が、実施例１で示した貫通穴ｈの径（０．８ｍｍ）以上
の大きな径（実際には、３ｍｍ）で素早く形成すること
ができる。この貫通穴ｈが形成された後、実施例１と同
様に第２工程である“ロ”〜“ハ”の時点に加工ヘッド
３を図５（ａ）に示すように上方に所定高さだけ移動さ
せるとともに、レーザ発振出力は、図５（ｂ）に示すよ
うにピアシング終了時の出力値より小さな出力に変更
し、所定時間ｔ３の間照射し続けるとともに、アシスト
ガス供給装置６から供給されるアシストガスＡの圧力は
図５（ｃ）に示すように、ピアシング工程時と同様の圧
力で所定時間ｔ３の間噴射し続ける。そのため、この
“ロ”〜“ハ”の時点の間、ピアシング加工において被
加工物Ｗのピアシング穴表面付近に付着した溶融金属
が、レーザビームＬによって溶融され、かつアシストガ
スの噴射によって完全に除去される。

【００２８】その後、ピアシング穴表面付近の溶融金属
の除去が終了した“ハ”の時点では、第３工程としてレ
ーザ発振器１のレーザ発振出力とアシストガス供給装置
６からのアシストガスＡの供給を停止し、加工ヘッド３
を徐々に切断加工工程の切断加工に適した位置まで降下
させる。（図５（ａ）参照） 加工ヘッド３の降下が終了する“ニ”の時点に来ると、
“ホ”の時点までの所定時間ｔ４の期間、レーザ発振器
１からのレーザ発振をすることなく、アシストガス供給
装置６からのアシストガスＡの圧力を、ピアシング工程
時のピアシング加工圧力よりも高くして、貫通穴ｈに噴
射する。この強い圧力のアシストガスＡによって、貫通
穴ｈ内部に存在する酸化した金属を除去し、かつ貫通穴
ｈ周囲の温度を低下させ、ピアシング工程から切断加工
工程に移行する際の不良発生率を低下させる。そして、
第４工程である“ホ”の時点に達すると、切断加工工程
に移行されるので、加工ヘッド３のＺ軸方向の高さ、レ
ーザ発振器１のレーザ発振出力及びアシストガス供給装
置６からのアシストガスＡ圧力を、切断加工に要する所
定の値として、切断加工を行う。

【００２９】本実施例では、大きな径の貫通穴が短時間
で得られ、かつ被加工物Ｗ表面の貫通穴ｈ開口部近傍の
溶融金属の盛り上がりの除去が、溶融金属が過剰溶融す
ることによるスパッタの発生を抑えつつ、短時間に容易
に行え、加工不良の誘発を起こさない。また、被加工物
Ｗの表面の貫通穴ｈ開口部近傍の溶融金属の除去が確実
に行われるので、加工ヘッド３近傍に設けられているギ
ャップセンサ８が、被加工物Ｗと加工ヘッド３との間の
正確なギャップを検出することができ、安定したギャッ
プコントロールのもとで被加工物Ｗの切断が円滑に行わ
れ、加工精度が向上する。

【００３０】ピアシングの条件は被加工物を一気に貫通
させる条件を使用するが、そのためにはＣＷ（コンティ
ニアル・ウェーブ：連続波）とパルスの区別はしない。
本実施例では、溶融金属の除去のためにレーザ発振出力
をピアシング工程と同一であることを示したが、溶融金
属の付着が強固な材料では、レーザ発振出力を増加さ
せ、付着力が弱い場合はレーザ発振出力を低下させても
いい。さらに、アシストガス圧も溶融金属の付着力にあ
わせて同様の設定をしてもいい。

【００３１】実施例３．本実施例では、図６のＺ軸高さ
を示すパラメータを用いて、ピアシング工程から切断加
工工程に移行する際に、加工ヘッド３から出力されるレ
ーザビームＬの出力時間Ｔを定義する。レーザビームＬ
の出力時間Ｔは、レーザビームＬを貫通穴ｈの溶融金属
に対して拡大照射するために加工ヘッド３を上昇させて
いる時間ｔと、加工ヘッド３を所定の高さに保持し、貫
通穴ｈ開口部近傍の溶融金属の溶融を促進させるための
滞在時間Δｔとから決定される。

【００３２】一般に、加工ヘッド３を上昇させる速度
（例えば、図５“ロ”〜“ハ”の時点）は、サーボ制御
回路７を介してＮＣ制御装置１０により決定され、か
つ、加工ヘッド３の上方への移動量は、予めレーザビー
ムＬの拡大照射との関係から定められているので、加工
ヘッド３を上昇させる時間ｔは決定される。この加工ヘ
ッドを上昇させる時間ｔの間に、初め、レーザビームＬ
の焦点が直接貫通穴ｈ開口部近傍の溶融金属に照射され
たビーム照射部のエネルギー密度が高い状態から、加工
ヘッド３の上昇にともない、レーザビームＬの焦点が貫
通穴ｈ開口部近傍の溶融金属に直接照射されなくなり、
ビーム照射部のエネルギー密度が低い状態へと変位す
る。

【００３３】レーザビームＬの焦点が直接貫通穴ｈ開口
部近傍の溶融金属に照射されると、その貫通穴ｈ開口部
近傍の溶融金属が瞬時に溶融する。溶融が一旦発生する
と、ビーム吸収率が増加するため、徐々に加工ヘッド３
の上昇にともなうビーム照射部のエネルギー密度が低く
なっていっても、貫通穴ｈ開口部近傍の溶融金属を十分
に溶融現象を継続して実施できる。

【００３４】本実施例では、上述した作用動作により、
加工ヘッド３を上昇させながらでも、貫通穴ｈ開口部近
傍の溶融金属は溶融現象を継続して行えるので、必ずし
も加工ヘッド３が上昇した状態で、所定の高さに保持
し、貫通穴ｈ開口部近傍の溶融金属の溶融を促進させる
ための滞在時間Δｔを取る必要がなく、Δｔを０として
も構わない。そのため、ピアシング工程から切断加工工
程への移行が素早く行うことができ、生産性が向上す
る。

【００３５】実施例４．上述した実施例では、従来装置
と同様にアシストガス供給装置６から供給されたアシス
トガスＡを、ノズル５よりレーザビームＬと同軸上に噴
射する構成として説明したが、図７に示す本実施例に示
すように、ノズル５近傍に設けられたサイドノズル１２
によりサイドガスＢを、ピアシング工程時及び貫通穴ｈ
開口部近傍の溶融金属を吹き飛ばす工程時に噴射するよ
うにしても良い。ここで、サイドガスＢの圧力、噴射開
始時間、停止時間などの条件はＮＣ制御装置１０により
制御されるのは言うまでもない。

【００３６】図８は、この発明の一実施例であるレーザ
加工装置において、加工ヘッド３のＺ軸方向への高さ
（ａ）、レーザ発振器１のレーザ発振出力（ｂ）、アシ
ストガス供給装置６のアシストガスＡの圧力（ｃ）、サ
イドノズル１２から噴出されるサイドガスＢのサイドガ
ス圧（ｄ）の関係を示した関係図である。図において、
第１工程である“イ”のピアシング加工開始時点から
“ロ”のピアシング加工終了時点まででは、貫通穴ｈの
穴あけに要するピアシング時間の短縮、かつ異常燃焼に
よる加工不良の発生防止のための条件設定から、加工ヘ
ッド３のＺ軸方向への高さ、レーザ発振器１のレーザ発
振出力、アシストガス供給装置６からのアシストガス圧
をそれぞれ一定に制御し、被加工物Ｗに貫通穴ｈを形成
する。さらに、本実施例では、サイドノズル１２からも
サイドガスＢを噴射し、レーザビームＬと同軸上のアシ
ストガスＡにより完全に飛散除去することができなかっ
た貫通穴ｈ開口部近傍の溶融金属を飛散除去する。

【００３７】ピアシング工程の内、貫通穴ｈが形成され
た“ロ”の時点から“ハ”の時点までの第２工程の所定
時間ｔ５の期間、図に示されるように、加工ヘッド３を
徐々に上方に所定高だけ移動させ、レーザ発振器１のレ
ーザ発振出力は、図８（ｂ）に示すようにピアシング加
工終了時の出力値より小さな出力に変更し、所定時間ｔ
５の間照射し続けると共に、アシストガス供給装置６か
ら供給されるアシストガスＡの圧力はピアシング加工終
了時と同じ圧力となるように調整する。さらに、サイド
ノズル１２からは、サイドガスＢがピアシング加工時と
同様に噴射され続けている。この貫通穴ｈ開口部近傍の
溶融金属には、アシストガスＡ及びサイドガスＢの噴射
により、ピアシング加工の際に、被加工物Ｗの貫通穴ｈ
開口部近傍に堆積（付着）した溶融金属が、レーザビー
ムＬによって溶融されると共に、アシストガスＡ及びサ
イドガスＢの噴射によって完全に飛散除去される。

【００３８】その後、貫通穴ｈ開口部近傍の溶融金属の
飛散除去が終了した“ハ”の時点では、第３工程とし
て、レーザ発振器１のレーザ発振出力とアシストガス供
給装置６からのアシストガスＡ及び、サイドノズル１２
からのサイドガスＢの供給、噴射を停止し、加工ヘッド
３を徐々に切断加工工程の切断加工に適した位置まで降
下させる。（図８（ａ）参照） 加工ヘッド３の降下が終了する“ニ”の時点に来ると、
“ホ”の時点までの所定時間ｔ６の期間、レーザ発振器
１からのレーザ発振をすることなく、アシストガス供給
装置６からのアシストガスＡの圧力を、ピアシング加工
時のピアシング加工圧力及び切断加工工程時のアシスト
ガス圧よりも高くして、貫通穴ｈに噴射する。この強い
圧力のアシストガスＡによって、貫通穴ｈ内部に存在す
る酸化した金属を除去し、かつ貫通穴ｈ周囲の温度を低
下させ、切断加工工程での不良発生率を低下させ、ピア
シング工程を終了する。また、切断加工前のアシストガ
スの高圧条件も、被加工物の材質、板厚によっては低圧
条件でも可能な場合がある。そして、第４工程である
“ホ”の時点に達すると、切断加工工程に移行されるの
で、加工ヘッド３のＺ軸方向の高さ、レーザ発振器１の
レーザ発振出力及びアシストガス供給装置６からのアシ
ストガス圧力を、切断加工に要する所定の値として、切
断加工を行う。

【００３９】本実施例では、実施例２と同様に効果に加
え、サイドガスＢによる強いガス圧（例えば、２ｋｇ／
ｃｍ² ）の噴射により、被加工物Ｗ表面の貫通穴ｈ開口
部近傍の溶融金属の盛り上がりの除去が、溶融金属が過
剰溶融することによるスパッタの発生を抑えつつ、より
確実に行うことができる。そのため、加工ヘッド３近傍
に設けられているギャップセンサ８が、被加工物Ｗと加
工ヘッド３との間の正確なギャップを検出することがで
き、安定したギャップコントロールのもとで被加工物Ｗ
の切断加工が円滑に行われ、加工精度が向上する。

【００４０】なお、上述した実施例で示した、Ｚ軸高
さ、レーザ発振出力、アシストガス圧およびサイドガス
圧は、被加工物の材質、板厚によって様々なパターンが
あり、本実施例ではその一例を示したまでである。ま
た、切断加工前のアシストガスの高圧条件も、被加工物
の材質、板厚によっては低圧条件でも可能な場合があ
る。さらに、サイドガスＢの噴射だけでも被加工物Ｗの
貫通穴ｈ開口部近傍に付着した溶融金属を除去できる場
合もあり、その場合Ｚ軸を上昇させる加工を伴わず、ピ
アシング工程の際、サイドガスＢの噴射のみを実施する
ようにしても良い。

【００４１】実施例５．また、上述した実施例では、ピ
アシング加工後の第２工程において、レーザビームＬを
出力しながら加工ヘッド３を昇降手段により所定の高さ
に移動させ、アシストガスＡの噴射により、ピアシング
された貫通穴ｈに対してレーザビームＬを拡大照射し、
過剰溶融を防止しつつ、溶融金属を飛散除去する構成と
して説明したが、レンズ４の焦点位置を可変に設定でき
るようにレンズ４にフォーカス機能を付加すれば、加工
ヘッドの位置を昇降手段により上昇させる必要がなくな
り、加工ヘッド３の被加工物Ｗに対する無駄な昇降をな
くすことができ、さらに生産性が向上することができ
る。

【００４２】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように構成さ
れているので、以下に示すような効果を奏する。被加工
物にレーザビームを照射し、その所定箇所に貫通穴を形
成する第１工程と、この第１工程により上記貫通穴開口
部近傍に発生した溶融金属に対し、上記レーザビームを
ビーム径を徐々に拡大しながら照射すると共に、上記ア
シストガスを上記レーザビームの照射点に噴射する第２
工程と、この第２工程後、上記レーザビーム及び上記ア
シストガスの照射及び噴射を停止させる第３工程と、こ
の第３工程後、レーザビーム及びアシストガスを再度照
射及び噴射し、上記被加工物を上記貫通穴位置から、切
断加工する第４工程と、を備えたので、被加工物に貫通
穴を形成する第１工程から、被加工物を切断加工する第
４工程に移行する際に、被加工物表面の貫通穴開口部近
傍に堆積した不要な溶融金属を、過剰溶融することなく
確実に除去することができ、過剰溶融された溶融金属に
よる貫通穴の拡大を防止することが出来る。そのため、
被加工物の切断加工を良好に行うことができ、不良の発
生を減少することができると共に、高品質な被加工物の
仕上がり品を得ることができる。

【００４３】また、第２工程は、被加工物にレーザビー
ムを照射する照射手段を上昇させ、それに伴うレーザビ
ームの焦点位置の上昇により、ビーム径を徐々に拡大す
るので、溶融金属の飛散除去を行う際、飛散した溶融金
属が照射手段に付着することを防止することが出来る。

【００４４】さらに、第２工程において、アシストガス
の噴射軸と異なる軸方向からサイドガスをレーザ照射点
に噴射するので、被加工物上の溶融金属は、多方面から
ガスを噴射され、確実に飛散除去することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施例である放電加工機におい
て、Ｚ軸の高さ、レーザ出力、アシストガス圧の関係を
示した関係図である。

【図２】 この発明の加工ヘッドの高さとレーザビーム
Ｌの焦点との関係を示した関係図である。

【図３】 本発明及び従来装置の加工不良発生率を示し
た比較図である。

【図４】 本発明及び従来装置の加工不良発生率を求め
るための条件を示した条件図である。

【図５】 この発明の実施例２である放電加工機におい
て、Ｚ軸の高さ、レーザ出力、アシストガス圧の関係を
示した関係図である。

【図６】 加工ヘッドのＺ軸高さのパラメータを示す図
である。

【図７】 この発明の実施例４であるレーザ加工装置の
構成を示す構成図である。

【図８】 この発明の実施例４である放電加工機におい
て、Ｚ軸の高さ、レーザ出力、アシストガス圧の関係を
示した関係図である。

【図９】 従来のレーザ加工装置の構成を示す構成図で
ある。

【図１０】 従来の溶融金属（スパッタ）を除去するた
めの概念図である。

【図１１】 従来の放電加工機において、Ｚ軸の高さ、
レーザ出力、アシストガス圧の関係を示した関係図であ
る。

【図１２】 種々の金属の１０．６μｍに対する吸収率
の温度依存性を示した関係図である。

【図１３】 従来の加工ヘッドのＺ軸方向への高さとレ
ーザビームの焦点との関係を示した関係図である。

【符号の説明】

１ レーザ発振器 ３ 加工ヘッド ６ アシストガス供給装置 ７ サーボ制御回
路 １０ ＮＣ装置 １１ レーザ発振
器制御回路 １２ サイドノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−57469（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−123885（ＪＰ，Ａ) 実公 平３−27752（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 26/14 B23K 26/00 B23K 26/04

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被加工物にレーザビームを照射し、その
   所定箇所に貫通穴を形成する第１工程と、 この第１工程により上記貫通穴開口部近傍に発生した溶
   融金属に対し、上記レーザビームをビーム径を徐々に拡
   大しながら照射すると共に、上記アシストガスを上記レ
   ーザビームの照射点に噴射する第２工程と、 この第２工程後、上記レーザビーム及び上記アシストガ
   スの照射及び噴射を停止させる第３工程と、 この第３工程後、上記レーザビーム及び上記アシストガ
   スを再度照射及び噴射し、上記被加工物を上記貫通穴位
   置から、切断加工する第４工程と、を備えたことを特徴
   とするレーザ加工方法。
2. 【請求項２】 第２工程は、被加工物へレーザビームを
   照射する照射手段を上昇させ、それに伴うレーザビーム
   の焦点位置の上昇により、ビーム径を徐々に拡大するこ
   とを特徴とする請求項第１項記載のレーザ加工方法。
3. 【請求項３】 第２工程において、アシストガスの噴射
   軸と異なる軸方向からサイドガスをレーザ照射点に噴射
   することを特徴とする請求項第１項または第２項記載の
   レーザ加工方法。