JP4183779B2 - レーザ切断方法およびレーザ切断装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ切断方法およびレーザ切断装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、レーザパワーに比べて比較的板厚の厚い軟鋼材を切断する時には、レーザが照射される鋼材表面近傍では十分な切断エネルギーが確保されるものの、前記表面よりも板厚方向奥側ではレーザエネルギーが不足するケースが多い。この問題に鑑みて、近年では、例えば、図８（ａ）、（ｂ）に示すように環状２重のノズル口１ａ、１ｂを有する環状ノズル１や環状３重のノズル口を有する環状ノズル（図示せず）、あるいは図９に示すような付加ノズル３を採用し、切断点近傍に高純度酸素（純度９９．５％以上）を補給して板厚方向奥側の酸素濃度を維持し、鉄と酸素の燃焼反応熱によりレーザエネルギー不足を補うことが一般的になっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記環状ノズル１や付加ノズル２を利用したレーザ切断方法では、環状ノズル１や付加ノズル２から供給する酸素流量のみを調整し、供給するガスの酸素濃度は調整しないため、板厚や材質の変化によって最適な切断品質を作り出すことが困難であり、わずかな条件変化により酸素による過剰な燃焼熱が影響して切断面の品質低下を起こしやすいといった問題があった。
すなわち、特に軟鋼鋼板の切断では、切断速度が高速（１．５ｍ／ｍｉｎ以上）になるにしたがって、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、熱伝導度や熱拡散率との関係で切断前縁よりむしろ後方の既切断面部近傍に酸素と鉄の燃焼に十分な高温温度分布域３（図１０（ａ）、（ｂ）中２点鎖線）が存在するようになり、過剰な燃焼エネルギーが切断面に影響を与えて切断品質に悪影響を与える。この結果、例えば図１１に示すように、鋼板表面４近傍では正常な切断品質が得られても、前記表面４よりも板厚方向奥側の切断面４ａではエグレが生じることが多くなっていた。加えて、セルフバーニングやドロスの付着や切断ノッチも発生しやすく、切断品質の向上には限界があった。前記セルフバーニングは高速切断時にレーザビームが連続出力に近付くと発生頻度が上昇するため、例えば、レーザビームのパルスを切断する等の対策が一般的であるが、今度は切断速度が低下してしまうといった問題がある。
【０００４】
また、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザビーム５と切断ガス６、６（高純度酸素）とを同一ノズルから出すレーザ切断では、レーザビーム５径よりも切断ガス６、６気流半径の方が大きく、必然的にレーザビーム５の切断進行方向後方にも切断ガス６気流が存在するため、例えばノズル径をビーム径に極力近づけるようにしても、レーザビーム５の後ろ側に形成される高温温度分布域３では酸素によって燃焼エネルギーが高まるため、問題を根本的に解決することは出来ない。この場合、逆に、レーザビーム５の僅かな芯ずれ等により切断品質が大きく左右されるためレーザビーム５径にノズル径を対応させるためにノズルを頻繁に交換しなければならないという不都合が生じてしまう。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、
（ａ）複数のノズル口から噴射するガスの酸素濃度をそれぞれ調整することにより、切断点から数ｍｍ程度の範囲の酸素濃度分布を容易に調整することができ、切断品質を向上することができる、
（ｂ）切断点よりも切断進行方向後ろ側の酸素濃度を低下させることにより、セルフバーニング等による切断面への悪影響を防ぐことができ、高い切断品質が得られる、
（ｃ）（ａ）、（ｂ）により高速切断においても高い切断品質が安定に得られるレーザ切断方法を提供することを目的とする。
また、
（ｄ）酸素濃度調整機能を有するガス供給手段により該ガス供給手段別に酸素濃度を調整したガスをノズル口から噴射するので、切断点から数ｍｍ程度の範囲の酸素濃度分布を容易に調整することができ、これにより高い切断品質が容易に得られる、
（ｅ）質量流量制御装置により、酸素濃度分布の調整が容易かつ正確になり、切断品質を一層向上することができる
レーザ切断装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、被切断材に切断用のレーザビームを照射した切断点およびその近傍に、環状配置あるいは列設した複数のノズル口からガスを噴射しつつ行うレーザ切断方法において、 少なくとも一つの前記ノズル口から酸素濃度の高い高濃度ガスを噴射して前記レーザビームの周囲に気流を形成して別のノズル口から酸素に窒素等の別のガスを混合して前記高濃度ガスよりも酸素濃度の低い低濃度ガスを噴射して形成される気流により前記切断点から数ｍｍ程度の範囲の酸素濃度分布を調整し、前記切断点近傍に高い酸素濃度を確保し、かつ前記切断点よりも切断進行方向後ろ側の酸素濃度を低下させることを特徴とするレーザ切断方法を前記課題の解決手段とした。前記複数のノズル口とは、一つのノズルに複数形成したノズル口の他、複数集合させた独立のノズル、複数の付加ノズルを具備したノズル、これらを複合した形態のノズルを含む。また、各ノズル口はレーザビーム光軸に平行とは限らず、一部のノズル口はレーザビームに対して傾斜した方向にガスを噴射する構成とすることがより好ましく、これにより効率良く目的の酸素濃度分布を形成することができる。また、各ノズル口の傾斜は、一定では無く互いに異なることがより好ましく、これにより、より効率良く目的の酸素濃度分布を形成することができる。この切断方法により形成する酸素濃度分布は様々であり、切断条件に対応して高い切断品質が得られる最適酸素濃度分布を形成する。また、切断作業中に酸素濃度分布を調整することも含む。
【０００７】
本切断方法により形成する酸素濃度分布は、前記レーザビームの周囲に気流を形成する少なくとも一つのノズル口から酸素濃度の高い高濃度ガスを噴射し、別のノズル口から前記高濃度ガスよりも酸素濃度の低い低濃度ガスを噴射することにより前記切断点近傍に高い酸素濃度を確保し、かつ前記切断点よりも切断進行方向後ろ側の酸素濃度を低下させることがより好ましい。これにより、切断点近傍ではレーザ切断に適した高い酸素濃度（９９．５％以上）が確保され、切断点の後ろ側では酸素や鉄等が燃焼しない程度の酸素濃度が与えられてセルフバーニングやドロスの発生が防止される。また、切断点からガス気流の下流側でも酸素濃度を低下させてセルフバーニング等の不都合を防止することが好ましい。但し、この場合では、切断性を確保できる程度の酸素濃度を維持することがより好ましい。
【０００８】
請求項２記載の発明では、環状配置あるいは列設した複数のノズル口と、これらノズル口にガスを供給しかつ該酸素濃度を調整する機能を有するガス供給手段とを備え、各ノズル口から噴射するガスの酸素濃度が前記ガス供給手段個別に調整可能とされ、前記レーザビームの周囲に気流を形成する少なくとも一つの前記ノズル口には、酸素濃度の高い高濃度ガスが、別のノズル口には、前記高濃度ガスよりも酸素濃度を酸素に窒素等の別のガスを混合した低濃度ガスが供給されるように構成されていることを特徴とするレーザ切断装置を前記課題の解決手段とした。
本発明では、各ノズル口から供給するガスの酸素濃度をガス供給手段個別に調整するため、請求項１記載のレーザ切断方法での酸素濃度分布を容易に得ることができる。また、請求項３記載のように、前記ガス供給手段に酸素の質量流量を制御する質量流量制御装置を具備した構成を採用すると、酸素濃度を質量流量を以て制御するので、目的の酸素濃度分布を確実に得ることができ、切断品質を一層向上することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を、図１から図７を参照して説明する。
図１は本発明のレーザ切断装置１０の１実施形態を示す。
図１において、前記レーザ切断装置１０は、レーザ発振器１０ａと、ノズル１１と、該ノズル１１にガスを供給するガス供給手段１２ａ，１２ｂ（ガス供給装置）とを備えている。ノズル１１は複数のノズル口１１ａ、１１ｂを有し、各ノズル口１１ａ、１１ｂからはいずれかの前記ガス供給手段１２ａ，１２ｂ（ガス供給装置）から供給されたガスを噴射するようになっている。すなわち、ノズル１１は、ガス供給手段１２ａから供給されたガスを噴射するノズル口１１ａと、別のガス供給手段１２ｂから供給されたガスを噴射するノズル口１１ｂとを個別に備えている。
【００１０】
ガス供給装置１２ａは、酸素供給源１３から供給した純度９９．５％以上の高純度酸素と、ガス供給源１４から供給した酸素以外のガスとを混合器１５にて混合し、目的酸素濃度の混合ガスをノズル口１１ａに供給するようになっている。酸素供給源１３から供給した酸素は純度計１６および質量流量制御装置１７（ＭＦＣ：マスフローコントローラ）を介して混合器１５に流入する。前記純度計１６および質量流量制御装置１７の計測信号は純度コントローラ（酸素濃度を調整する機能）１８に伝送され、該純度コントローラ１８にて混合器１５に流入する酸素の質量流量が正確に算出される。ここで、質量流量制御装置１７は酸素の質量流量計として機能し、混合器１５への酸素の質量流量を監視する。前記純度コントローラ１８は、ガス供給源１４から混合器１５へのガス流路の途中に介在された質量流量制御装置１９と接続され、該質量流量制御装置１９（ＭＦＣ：マスフローコントローラ）に駆動信号を出力することにより混合器１５へのガス流量を調整する。なお、ガス供給源１４から供給するガスとしては様々であり、不燃性ガスとしては窒素、アルゴン、二酸化炭素、可燃性ガスとして圧縮空気、水素、メタン等が採用される。但し、圧縮空気はオイルミスト等の不純物を除去したものを使用する。
【００１１】
前記純度コントローラ１８には、入力手段２０、データテーブル２１を接続している。入力手段２０は、切断する被切断材の材質、板厚、切断速度等の加工条件を純度コントローラ１８に入力する。データテーブル２１には被切断材の材質、板厚、切断速度等の加工条件に対応する最適酸素濃度情報を記憶しており、前記入力手段２０からの入力情報に対応して前記純度コントローラ１８がデータテーブル２１から最適酸素濃度情報を選び出し、その情報に基づいて質量流量制御装置１９を制御して混合器１５からノズル１１の目的のノズル口１１ａに供給する酸素濃度および混合ガス流量を調整する。
ノズル１１の別のノズル口１１ｂに接続したガス供給手段１２ｂもガス供給手段１２ａと同様の構成であり、目的酸素濃度、流量の混合ガスを混合器１５から供給する。両ガス供給手段１２ａ，１２ｂは同一の純度コントローラ１８と接続し、純度コントローラ１８は両ガス供給手段１２ａ，１２ｂの供給する混合ガスの酸素濃度および流量を相対的に制御する。データテーブル２１には、両ガス供給手段１２ａ，１２ｂの供給する混合ガスの酸素濃度および流量の相対的な制御情報も記憶している。
【００１２】
なお、このレーザ切断装置では、３以上のノズル穴を有するノズルを採用することや、３以上のガス供給手段を具備することも可能である。
また、酸素供給源１３からは不純物を除去した目的純度の酸素が供給されることが一般的であるため、純度計１６は省略することが普通である。この場合、酸素純度の調整は、切断結果に基づいて、酸素供給源１３から供給する酸素純度を調整することでなされる。
【００１３】
次に、本発明のレーザ切断方法の実施形態を説明する。まず、レーザ切断方法の第１実施形態を説明する。図２は例えば図５に示したような環状２重のノズル口を有するノズルを用いたレーザ切断を示す平面図である。図２中符号２２はレーザビーム、２３は高純度（純度９９．５％以上）、２４は混合ガス、２５は被切断材（鋼板）を示す。本実施形態のレーザ切断方法では、径０．１〜０．５ｍｍのレーザビーム２２の周囲に、径１．５ｍｍ程度の高純度酸素２３の気流を形成し、さらに、該高純度酸素２３の外側に混合ガス２４の気流を形成する。混合ガス２４は酸素に窒素等の別のガスを混合したガスであり、酸素濃度を高純度酸素２３よりも低くしている。なお、高純度酸素２３や混合ガス２４は、例えば、図１に示すようなレーザ切断装置１０を採用することにより容易に得られる。また、高純度酸素２３は請求項１、２に記載の高濃度ガス、混合ガス２４は低濃度ガスに相当する。
【００１４】
図３は被切断材２５表面のレーザビーム２２が照射される切断点２６近傍の酸素濃度分布を示す正断面図である。
図３に示すように、レーザビーム２２は水平配置した被切断材２５（鋼板）を垂直（上下）に貫通し、高純度酸素２３は切断点２６までは所定の径を維持し切断点２６より下方では切断により形成された切断穴２７全体に拡がっている。混合ガス２８は、高純度酸素２３と平行に噴射されて切断穴２７内に流入し、被切断材２５表面より下方では拡散して高純度酸素２３の中央部に到達している。切断穴２７下部では高純度酸素２３と混合ガス２４とが混合して、両者の中間の酸素濃度になっている中間酸素濃度領域２８が形成される。
なお、図３中符号２９はノズルであり、環状２重のノズル口３０、３１を有する。高純度酸素２３は内側のノズル口３０によって形成し、混合ガス２４は外側のノズル口３１によって形成している。
【００１５】
本実施形態のレーザ切断方法によれば、切断点２６近傍では高純度酸素２３内にて所定の切断作業がなされる。一方、図３中矢印のレーザビーム２２の移動方向（切断進行方向）に対して後ろ側では、混合ガス２４によって鉄や酸素の燃焼エネルギーが低下するため、セルフバーニングやドロスや切断ノッチの発生が抑えられ、切断面（切断穴２７内面）に与える影響を防止できる。すなわち、図２に示すように、高純度酸素２３の切断進行方向後ろ側は酸素濃度が低い混合ガス２４に覆われるため、切断面近傍での鉄や酸素の燃焼エネルギーが大幅に低下し、過剰な燃焼エネルギーによる悪影響から切断面を保護することができ、滑らかな切断面が得られるのである。
【００１６】
また、図３に示すように、切断穴２７下部では、中間酸素濃度領域２８により切断に支障が無い程度の酸素濃度が確保され、しかも、セルフバーニングやドロスや切断ノッチの発生を抑えることができるので、これにより図１２に示すようにエグレ等の無い滑らかな切断面が得られる。
切断点２６の後方のセルフバーニング等の不都合を解消すると、切断点２６に発生する溶融物の排除性が向上し、切断点２６での切断品質そのものも向上する。また、連続パルスのレーザビーム２２を使用して高速切断を行っても切断面に悪影響を与えないので、切断速度を向上することができ、しかも、この場合においても高い切断品質が得られる。
【００１７】
また、このレーザ切断方法では高純度酸素２３や混合ガス２４の径を変更するだけでレーザビーム２２径や被切断材２５の板厚等の切断条件に簡便に対応でき、ノズルの交換によってレーザビーム径にノズル径を対応させる必要が無くなるので、切断作業性が向上するといった効果も得られる。図１に示したようなレーザ切断装置１０を採用すると、高純度酸素２３や混合ガス２４の質量流量の調整によりこれらの気流径の変更が容易になるため、切断作業性を容易に向上することができる。
なお、このレーザ切断方法では、レーザ切断装置１０以外、所定の酸素濃度に調製したガスを図３のノズル２９の各ノズル口３０、３１に直接供給する構成のレーザ切断装置等も採用可能である。
【００１８】
図４および図５は、前述の本実施形態のレーザ切断方法と従来技術のレーザ切断方法とを同一切断条件下にて実施した時の切断面粗さＲｚ（μｍ）を比較する図である。
図４の切断条件は、レーザ出力６ｋＷ、連続パルス、被切断材（鋼板：軟鋼黒皮材）の板厚１２ｍｍである。また、本実施形態に係るレーザ切断方法（図３参照）では、内側ノズル口３０から純度９９．８％の酸素を供給し、外側ノズル口３１から酸素濃度８４．０％の混合ガスを供給している。従来技術に係るレーザ切断方法では、内側、外側の両ノズル口から純度９９．８％の酸素を供給している。
図５の切断条件は、被切断材（鋼板：軟鋼黒皮材）が板厚２２ｍｍである他は、図４と同様である。
図４および図５に示すように、いずれの板厚においても、切断面粗さＲｚは、本実施形態に係るレーザ切断方法が従来技術のレーザ切断方法よりも改善されていることが判る。図４に示すように、板厚１２ｍｍの切断では、切断上面（被切断材表面）から被切断材板厚方向３ｍｍ地点近傍の切断面粗さＲｚが特に顕著に改善される。また、図５に示すように、板厚２２ｍｍの切断では、切断面全体にわたって切断面粗さＲｚの改善効果が一層顕著になる。
【００１９】
したがって、このレーザ切断方法は切断穴内に最適酸素濃度分布を形成することにより切断品質を向上するものであり、単一酸素濃度のガスをノズルから供給する従来技術では得られない優れた効果が得られる。
また、高い切断品質を安定に得るためには、図２および図３に示した高純度酸素２３や混合ガス２４を切断条件に対応して適宜変更する必要がある。
本出願人の検証では、例えば軟鋼材の切断の場合、図３に示したノズル２９の内側ノズル口３０から供給する高純度酸素２３の酸素濃度は９９．５％以上が好ましいことが判明した。
【００２０】
また、純度９９．５％以上の高純度酸素と、酸素と窒素とを混合してなる混合ガスと、連続パルス、出力６ｋＷのレーザビームとを用いて板厚９ｍｍの軟鋼材切断する時には、前記混合ガスの酸素濃度が７０％以下であることが好ましい。この場合、例えば、混合ガスの酸素濃度が０％であっても過剰な燃焼エネルギーが切断面に与える影響を抑えることができ、従来技術のレーザ切断方法に比べて高い切断品質が得られる。但し、混合ガス２４の酸素濃度が低すぎるとドロスの付着が増加するため、良好な切断品質を得るためには７０％近傍の酸素濃度であることが好ましい。例えば、前記条件下にて板厚１６〜２０ｍｍの軟鋼材を切断する時では、高純度酸素２３の酸素濃度（純度）は同じであっても、実用的な混合ガスの酸素濃度は約５０％が下限となり、これより低い酸素濃度ではドロスの付着等が顕著になり、切断品質が低下して実用には適さない。なお、この時、混合ガスの酸素濃度の上限は９０％程度であり、これより濃度が高くなると効果が得られない。また、板厚２５ｍｍの場合では、実用的な混合ガスの酸素濃度の下限は９０％となる。
【００２１】
本実施形態のレーザ切断方法では様々な構成のノズルが採用可能である。
図２および図３に示した高純度酸素２３や混合ガス２４を得るためには、付加ノズル等の採用も可能である。付加ノズルの場合、複数の付加ノズルを使用することも可能である。
【００２２】
図６はノズル形状の一例を示す下面図である。
図６に示したノズル３２では、中央ノズル口３３の周囲に３つの外側ノズル口３４を環状配置している。中央ノズル口３３からは高純度酸素を噴射し、各外側ノズル口３４からは酸素濃度の低い混合ガスを噴射する。このノズル３２では、例えば、一つの外側ノズル口３４を切断進行方向前側に配置し、他の二つの外側ノズル口３４、３４を後ろ側に配置することが好ましく、これにより、切断品質を効率良く向上することができる。すなわち、図２および図３に示したように、本実施形態のレーザ切断方法では、切断点２６よりも切断進行方向側方から後ろ側の酸素濃度を低下させることが特に重要であり、これら酸素濃度の低下を後ろ側に配置した二つの外側ノズル口３４、３４から供給する混合ガスにより実現できる。このノズル３２では切断点２６よりも切断進行方向側方および後ろ側の酸素濃度を確実に低下させることができ、切断品質を確実に高めることができる。しかも、中央ノズル口３３から噴射した高純度高純度酸素の外側全周を混合ガスにより覆う訳ではないので、混合ガスを節約することができ、レーザ切断作業の低コスト化が可能になる。
【００２３】
なお、形成する外側ノズル口３４の数は３以外であっても良く、また、形状の異なる外側ノズル口を中央ノズル口３３の周囲に配置しても良い。
また、複数配置した外側ノズルから互いに酸素濃度の異なるガスを噴射することも可能であり、これにより切断点周囲の酸素濃度分布を効率良く調整することができ、高い切断品質が効率良く得られる。
【００２４】
次に、本発明のレーザ切断方法の第２実施形態を図７（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図７（ａ）に示すように、本実施形態のレーザ切断方法では、純度９９．５％以上の二つの高純度酸素３５、３６の気流と、酸素に窒素等の別のガスを混合した混合ガス３７の気流とを、被切断材３８（鋼板）のレーザビーム３９を照射した切断点３９ａ近傍にノズル４０から供給しつつ切断を行う。図７（ａ）、（ｂ）に示すように、ノズル４０は、直列に配列した３つのノズル口４１、４２、４３を有し、切断進行方向最前部と最後部のノズル口４１、４３から高純度酸素３５、３６を噴射し、中央のノズル口４２から混合ガス３７を噴射する。なお、高純度酸素３５、３６は請求項１、２に記載の高濃度ガス、混合ガス３７は低濃度ガスに相当する。
【００２５】
ノズル４０から噴射された高純度酸素３５、３６および混合ガス３７はいずれも径１．５ｍｍ程度の気流を形成している。切断進行方向前側の高純度酸素３５の気流はレーザビーム３９の周囲を取り囲み、被切断材３８板厚方向に切断穴４４を貫通する。混合ガス３７は前記高純度酸素３５の後ろ側から斜めに傾斜して被切断材３８板厚方向中央部あるいは下部（図７（ａ）中下側）の切断穴４４内にて高純度酸素３５の気流に到達する気流を形成する。後ろ側の高純度酸素３６の気流は、混合ガス３７の後ろ側から斜めに傾斜して前記混合ガス３７よりも下方にて前記高純度酸素３５の気流に到達する気流を形成する。
【００２６】
切断穴４４上部（切断点３９ａ近傍）では高純度酸素３５内にて目的のレーザ切断が効率良くなされ、切断点３９ａの後ろ側では混合ガス３７により鉄や酸素の燃焼エネルギーが低下してセルフバーニングやドロスや切断ノッチの発生が防止される。切断点３９ａの下側では高純度酸素３５と混合ガス３７とが混合して両者の中間的な酸素濃度の中間酸素濃度領域４５が形成され、切断性を維持しつつセルフバーニング等の不都合の発生が防止される。中間酸素濃度領域４５の下側では、該中間酸素濃度領域４５の雰囲気にさらに高純度酸素３６を混合した濃度安定領域４６が形成される。濃度安定領域４６では、高純度酸素３５、３６および混合ガス３７の拡散により周囲の空気が混合して中間酸素濃度領域４５とほぼ同等の酸素濃度になっている。中間酸素濃度領域４５の後ろ側では、高純度酸素３６により酸素濃度が高まっているが、切断点３９ａから離間しているために低温であり鉄や酸素の燃焼エネルギーが低く、セルフバーニング等の不都合は発生しない。
【００２７】
したがって、このレーザ切断方法によれば、切断点３９ａ近傍に形成した酸素濃度分布により、切断点３９ａでの切断性を維持しつつ、切断点３９ａの周囲でのセルフバーニング等の不都合を防止するので、切断品質を向上することができる。されに、高純度酸素３７によって中間酸素濃度領域４５の下側に形成した濃度安定領域４６によって、板厚が大きい場合であっても被切断材３８の板厚全体に鉄や酸素の燃焼エネルギーを確保できるので効率良く切断することができ、しかも、高い切断品質が得られる。
また、このレーザ切断方法では、高純度酸素３７の流量を調整すると、板厚方向での燃焼エネルギー分布や濃度安定領域４６の範囲を簡便に調整できる。したがって、例えば、レーザビームエネルギーが弱いときには、高純度酸素３７の質量流量を増大することで濃度安定領域４６の燃焼エネルギーを増大することで切断性を維持することができる。この時、切断点３９ａや中間酸素濃度領域４５の酸素濃度に高純度酸素３７が影響を与えないため、これら切断点３９ａや中間酸素濃度領域４５での切断性はそのまま維持される。これにより、燃焼エネルギー分布を容易に調整することができ、切断品質を高めることができる。同様に、高純度酸素３７の質量流量の増大により濃度安定領域４６を拡げると、板厚の大きい被切断材３８を効率良く切断することができる。
【００２８】
なお、本発明は、前述の実施形態に限定されず、例えばノズルの構成等は適宜変更可能であることは言うまでも無い。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のレーザ切断方法によれば、複数のノズル口の少なくとも一つからノズル口から酸素濃度の高い高濃度ガスを噴射して前記レーザビームの周囲に気流を形成して別のノズル口から噴射する前記高濃度ガスよりも酸素濃度の低い低濃度ガスにより形成される気流により前記切断点から数ｍｍ程度の範囲の酸素濃度分布を調整し、前記切断点近傍に高い酸素濃度を確保し、かつ前記切断点よりも切断進行方向後ろ側の酸素濃度を低下させるので、（イ）切断点近傍では良好な切断条件の酸素濃度が確保され、切断点からやや離間した周囲では酸素や鉄等が燃焼しない程度の酸素濃度が与えられてセルフバーニングやドロスの発生等の不都合が防止されるので高い切断品質が得られる、（ロ）連続パルスのレーザビームにより切断を行っても高い切断品質が得られ、しかも、切断速度を向上できる、（ハ）高濃度ガスおよび低濃度ガスの酸素純度や流量等を調整することにより、被切断材の板厚等の各種切断条件に幅広く対応することができ、ノズルの交換が不要になるので、切断作業性が向上する、（ニ）（イ）により、切断点にて発生する溶融物の排除性等が向上するので、切断点での切断品質そのものも向上することができるといった優れた効果を奏する。
【００３１】
請求項２記載のレーザ切断装置によれば、環状配置あるいは列設した複数のノズル口と、これらノズル口にガスを供給しかつ該酸素濃度を調整する機能を有するガス供給手段とを備え、各ノズル口から噴射するガスの酸素濃度が前記ガス供給手段個別に調整可能とされ、レーザビームの周囲に気流を形成する少なくとも一つの前記ノズル口には酸素濃度の高い高濃度ガスが、別のノズル口には前記高濃度ガスよりも酸素濃度の低い低濃度ガスが供給されるように構成されているので、請求項１記載のレーザ切断方法での酸素濃度分布が容易に得られ、高い切断品質が容易に得られるとともに、各ガス供給手段によってガス流量を調整することにより被切断材の板厚等の切断条件に対応して目的の酸素濃度分布を容易に形成することができ、切断品質の向上が容易になるといった優れた効果を奏する。
【００３２】
請求項３記載のように、前記ガス供給手段に酸素の質量流量を制御する質量流量制御装置を具備した構成を採用すると、酸素濃度を質量流量を以て制御するので、目的の酸素濃度分布を確実に得ることができ、切断品質を向上することができるといった優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のレーザ切断装置の実施の形態を示す全体図である。
【図２】 本発明のレーザ切断方法の第１実施形態を示す図であって、環状２重ノズルを使用して形成したレーザ切断における切断点近傍を示す平面図である。
【図３】 図２の正断面図であり、環状２重ノズルから噴射した高濃度ガスと低濃度ガスとによって形成した酸素濃度分布を示す。
【図４】 第１実施形態のレーザ切断方法の効果を示す図であって、板厚１２ｍｍの軟鋼板を切断により得られた切断面の面粗さの被切断材板厚方向の分布を示す。
【図５】 第１実施形態のレーザ切断方法の効果を示す図であって、板厚２２ｍｍの軟鋼板を切断により得られた切断面の面粗さの被切断材板厚方向の分布を示す。
【図６】 第１実施形態のレーザ切断方法に適用するノズルの例を示す図であって、中央ノズル口の周囲に複数の外側ノズル口を環状配置したノズルを示す下面図である。
【図７】 本発明のレーザ切断方法の第２実施形態を示す図であって、（ａ）は切断点近傍に形成した酸素濃度分布を示す正断面図、（ｂ）は直列に配列した３つのノズル口を有するノズルを示す下面図である。
【図８】 環状２重のノズル口を有するノズルを示す図であって、（ａ）は正断面図、（ｂ）は下面図である。
【図９】 付加ノズルを示す正面図である。
【図１０】 本発明が解決しようとする課題を示す図であって、（ａ）は環状２重ノズルを使用したレーザ切断を示す平面図、（ｂ）は正断面図である。
【図１１】 本発明が解決しようとする課題を示す図であって、従来技術のレーザ切断方法により形成した切断面を示す斜視図である。
【図１２】 本発明の効果を示す図であって、本発明のレーザ切断方法により得られた切断面を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０…レーザ切断装置、１１ａ…ノズル口、１１ｂ…ノズル口、１２ａ…ガス供給手段、１２ｂ…ガス供給手段、１８…酸素濃度を調整する機能（純度コントローラ）、１９…質量流量制御装置（マスフローコントローラ）、２２…レーザビーム、２３…高濃度ガス（高純度酸素）、２４…低濃度ガス（混合ガス）、２５…被切断材（鋼板）、２６…切断点、３０…ノズル口、３１…ノズル口、３３…ノズル口（中央ノズル口）、３４…ノズル口（外側ノズル口）、３５…高濃度ガス（高純度酸素）、３６…高濃度ガス（高純度酸素）、３７…低濃度ガス（混合ガス）、３８…被切断材（鋼板）、３９…レーザビーム、３９ａ…切断点、４１…ノズル口、４２…ノズル口、４３…ノズル口。
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ切断方法およびレーザ切断装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば、レーザパワーに比べて比較的板厚の厚い軟鋼材を切断する時には、レーザが照射される鋼材表面近傍では十分な切断エネルギーが確保されるものの、前記表面よりも板厚方向奥側ではレーザエネルギーが不足するケースが多い。この問題に鑑みて、近年では、例えば、図８（ａ）、（ｂ）に示すように環状２重のノズル口１ａ、１ｂを有する環状ノズル１や環状３重のノズル口を有する環状ノズル（図示せず）、あるいは図９に示すような付加ノズル３を採用し、切断点近傍に高純度酸素（純度９９．５％以上）を補給して板厚方向奥側の酸素濃度を維持し、鉄と酸素の燃焼反応熱によりレーザエネルギー不足を補うことが一般的になっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記環状ノズル１や付加ノズル２を利用したレーザ切断方法では、環状ノズル１や付加ノズル２から供給する酸素流量のみを調整し、供給するガスの酸素濃度は調整しないため、板厚や材質の変化によって最適な切断品質を作り出すことが困難であり、わずかな条件変化により酸素による過剰な燃焼熱が影響して切断面の品質低下を起こしやすいといった問題があった。
すなわち、特に軟鋼鋼板の切断では、切断速度が高速（１．５ｍ／ｍｉｎ以上）になるにしたがって、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、熱伝導度や熱拡散率との関係で切断前縁よりむしろ後方の既切断面部近傍に酸素と鉄の燃焼に十分な高温温度分布域３（図１０（ａ）、（ｂ）中２点鎖線）が存在するようになり、過剰な燃焼エネルギーが切断面に影響を与えて切断品質に悪影響を与える。この結果、例えば図１１に示すように、鋼板表面４近傍では正常な切断品質が得られても、前記表面４よりも板厚方向奥側の切断面４ａではエグレが生じることが多くなっていた。加えて、セルフバーニングやドロスの付着や切断ノッチも発生しやすく、切断品質の向上には限界があった。前記セルフバーニングは高速切断時にレーザビームが連続出力に近付くと発生頻度が上昇するため、例えば、レーザビームのパルスを切断する等の対策が一般的であるが、今度は切断速度が低下してしまうといった問題がある。
【０００４】
また、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザビーム５と切断ガス６、６（高純度酸素）とを同一ノズルから出すレーザ切断では、レーザビーム５径よりも切断ガス６、６気流半径の方が大きく、必然的にレーザビーム５の切断進行方向後方にも切断ガス６気流が存在するため、例えばノズル径をビーム径に極力近づけるようにしても、レーザビーム５の後ろ側に形成される高温温度分布域３では酸素によって燃焼エネルギーが高まるため、問題を根本的に解決することは出来ない。この場合、逆に、レーザビーム５の僅かな芯ずれ等により切断品質が大きく左右されるためレーザビーム５径にノズル径を対応させるためにノズルを頻繁に交換しなければならないという不都合が生じてしまう。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、
（ａ）複数のノズル口から噴射するガスの酸素濃度をそれぞれ調整することにより、切断点から数ｍｍ程度の範囲の酸素濃度分布を容易に調整することができ、切断品質を向上することができる、
（ｂ）切断点よりも切断進行方向後ろ側の酸素濃度を低下させることにより、セルフバーニング等による切断面への悪影響を防ぐことができ、高い切断品質が得られる、
（ｃ）（ａ）、（ｂ）により高速切断においても高い切断品質が安定に得られるレーザ切断方法を提供することを目的とする。
また、
（ｄ）酸素濃度調整機能を有するガス供給手段により該ガス供給手段別に酸素濃度を調整したガスをノズル口から噴射するので、切断点から数ｍｍ程度の範囲の酸素濃度分布を容易に調整することができ、これにより高い切断品質が容易に得られる、
（ｅ）質量流量制御装置により、酸素濃度分布の調整が容易かつ正確になり、切断品質を一層向上することができる
レーザ切断装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、被切断材に切断用のレーザビームを照射した切断点およびその近傍に、環状配置あるいは列設した複数のノズル口からガスを噴射しつつ行うレーザ切断方法において、 少なくとも一つの前記ノズル口から酸素濃度の高い高濃度ガスを噴射して前記レーザビームの周囲に気流を形成して別のノズル口から酸素に窒素等の別のガスを混合して前記高濃度ガスよりも酸素濃度の低い低濃度ガスを噴射して形成される気流により前記切断点から数ｍｍ程度の範囲の酸素濃度分布を調整し、前記切断点近傍に高い酸素濃度を確保し、かつ前記切断点よりも切断進行方向後ろ側の酸素濃度を低下させることを特徴とするレーザ切断方法を前記課題の解決手段とした。前記複数のノズル口とは、一つのノズルに複数形成したノズル口の他、複数集合させた独立のノズル、複数の付加ノズルを具備したノズル、これらを複合した形態のノズルを含む。また、各ノズル口はレーザビーム光軸に平行とは限らず、一部のノズル口はレーザビームに対して傾斜した方向にガスを噴射する構成とすることがより好ましく、これにより効率良く目的の酸素濃度分布を形成することができる。また、各ノズル口の傾斜は、一定では無く互いに異なることがより好ましく、これにより、より効率良く目的の酸素濃度分布を形成することができる。この切断方法により形成する酸素濃度分布は様々であり、切断条件に対応して高い切断品質が得られる最適酸素濃度分布を形成する。また、切断作業中に酸素濃度分布を調整することも含む。
【０００７】
本切断方法により形成する酸素濃度分布は、前記レーザビームの周囲に気流を形成する少なくとも一つのノズル口から酸素濃度の高い高濃度ガスを噴射し、別のノズル口から前記高濃度ガスよりも酸素濃度の低い低濃度ガスを噴射することにより前記切断点近傍に高い酸素濃度を確保し、かつ前記切断点よりも切断進行方向後ろ側の酸素濃度を低下させることがより好ましい。これにより、切断点近傍ではレーザ切断に適した高い酸素濃度（９９．５％以上）が確保され、切断点の後ろ側では酸素や鉄等が燃焼しない程度の酸素濃度が与えられてセルフバーニングやドロスの発生が防止される。また、切断点からガス気流の下流側でも酸素濃度を低下させてセルフバーニング等の不都合を防止することが好ましい。但し、この場合では、切断性を確保できる程度の酸素濃度を維持することがより好ましい。
【０００８】
請求項２記載の発明では、環状配置あるいは列設した複数のノズル口と、これらノズル口にガスを供給しかつ該酸素濃度を調整する機能を有するガス供給手段とを備え、各ノズル口から噴射するガスの酸素濃度が前記ガス供給手段個別に調整可能とされ、前記レーザビームの周囲に気流を形成する少なくとも一つの前記ノズル口には、酸素濃度の高い高濃度ガスが、別のノズル口には、前記高濃度ガスよりも酸素濃度を酸素に窒素等の別のガスを混合した低濃度ガスが供給されるように構成されていることを特徴とするレーザ切断装置を前記課題の解決手段とした。
本発明では、各ノズル口から供給するガスの酸素濃度をガス供給手段個別に調整するため、請求項１記載のレーザ切断方法での酸素濃度分布を容易に得ることができる。また、請求項３記載のように、前記ガス供給手段に酸素の質量流量を制御する質量流量制御装置を具備した構成を採用すると、酸素濃度を質量流量を以て制御するので、目的の酸素濃度分布を確実に得ることができ、切断品質を一層向上することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を、図１から図７を参照して説明する。
図１は本発明のレーザ切断装置１０の１実施形態を示す。
図１において、前記レーザ切断装置１０は、レーザ発振器１０ａと、ノズル１１と、該ノズル１１にガスを供給するガス供給手段１２ａ，１２ｂ（ガス供給装置）とを備えている。ノズル１１は複数のノズル口１１ａ、１１ｂを有し、各ノズル口１１ａ、１１ｂからはいずれかの前記ガス供給手段１２ａ，１２ｂ（ガス供給装置）から供給されたガスを噴射するようになっている。すなわち、ノズル１１は、ガス供給手段１２ａから供給されたガスを噴射するノズル口１１ａと、別のガス供給手段１２ｂから供給されたガスを噴射するノズル口１１ｂとを個別に備えている。
【００１０】
ガス供給装置１２ａは、酸素供給源１３から供給した純度９９．５％以上の高純度酸素と、ガス供給源１４から供給した酸素以外のガスとを混合器１５にて混合し、目的酸素濃度の混合ガスをノズル口１１ａに供給するようになっている。酸素供給源１３から供給した酸素は純度計１６および質量流量制御装置１７（ＭＦＣ：マスフローコントローラ）を介して混合器１５に流入する。前記純度計１６および質量流量制御装置１７の計測信号は純度コントローラ（酸素濃度を調整する機能）１８に伝送され、該純度コントローラ１８にて混合器１５に流入する酸素の質量流量が正確に算出される。ここで、質量流量制御装置１７は酸素の質量流量計として機能し、混合器１５への酸素の質量流量を監視する。前記純度コントローラ１８は、ガス供給源１４から混合器１５へのガス流路の途中に介在された質量流量制御装置１９と接続され、該質量流量制御装置１９（ＭＦＣ：マスフローコントローラ）に駆動信号を出力することにより混合器１５へのガス流量を調整する。なお、ガス供給源１４から供給するガスとしては様々であり、不燃性ガスとしては窒素、アルゴン、二酸化炭素、可燃性ガスとして圧縮空気、水素、メタン等が採用される。但し、圧縮空気はオイルミスト等の不純物を除去したものを使用する。
【００１１】
前記純度コントローラ１８には、入力手段２０、データテーブル２１を接続している。入力手段２０は、切断する被切断材の材質、板厚、切断速度等の加工条件を純度コントローラ１８に入力する。データテーブル２１には被切断材の材質、板厚、切断速度等の加工条件に対応する最適酸素濃度情報を記憶しており、前記入力手段２０からの入力情報に対応して前記純度コントローラ１８がデータテーブル２１から最適酸素濃度情報を選び出し、その情報に基づいて質量流量制御装置１９を制御して混合器１５からノズル１１の目的のノズル口１１ａに供給する酸素濃度および混合ガス流量を調整する。
ノズル１１の別のノズル口１１ｂに接続したガス供給手段１２ｂもガス供給手段１２ａと同様の構成であり、目的酸素濃度、流量の混合ガスを混合器１５から供給する。両ガス供給手段１２ａ，１２ｂは同一の純度コントローラ１８と接続し、純度コントローラ１８は両ガス供給手段１２ａ，１２ｂの供給する混合ガスの酸素濃度および流量を相対的に制御する。データテーブル２１には、両ガス供給手段１２ａ，１２ｂの供給する混合ガスの酸素濃度および流量の相対的な制御情報も記憶している。
【００１２】
なお、このレーザ切断装置では、３以上のノズル穴を有するノズルを採用することや、３以上のガス供給手段を具備することも可能である。
また、酸素供給源１３からは不純物を除去した目的純度の酸素が供給されることが一般的であるため、純度計１６は省略することが普通である。この場合、酸素純度の調整は、切断結果に基づいて、酸素供給源１３から供給する酸素純度を調整することでなされる。
【００１３】
次に、本発明のレーザ切断方法の実施形態を説明する。まず、レーザ切断方法の第１実施形態を説明する。図２は例えば図５に示したような環状２重のノズル口を有するノズルを用いたレーザ切断を示す平面図である。図２中符号２２はレーザビーム、２３は高純度（純度９９．５％以上）、２４は混合ガス、２５は被切断材（鋼板）を示す。本実施形態のレーザ切断方法では、径０．１〜０．５ｍｍのレーザビーム２２の周囲に、径１．５ｍｍ程度の高純度酸素２３の気流を形成し、さらに、該高純度酸素２３の外側に混合ガス２４の気流を形成する。混合ガス２４は酸素に窒素等の別のガスを混合したガスであり、酸素濃度を高純度酸素２３よりも低くしている。なお、高純度酸素２３や混合ガス２４は、例えば、図１に示すようなレーザ切断装置１０を採用することにより容易に得られる。また、高純度酸素２３は請求項１、２に記載の高濃度ガス、混合ガス２４は低濃度ガスに相当する。
【００１４】
図３は被切断材２５表面のレーザビーム２２が照射される切断点２６近傍の酸素濃度分布を示す正断面図である。
図３に示すように、レーザビーム２２は水平配置した被切断材２５（鋼板）を垂直（上下）に貫通し、高純度酸素２３は切断点２６までは所定の径を維持し切断点２６より下方では切断により形成された切断穴２７全体に拡がっている。混合ガス２８は、高純度酸素２３と平行に噴射されて切断穴２７内に流入し、被切断材２５表面より下方では拡散して高純度酸素２３の中央部に到達している。切断穴２７下部では高純度酸素２３と混合ガス２４とが混合して、両者の中間の酸素濃度になっている中間酸素濃度領域２８が形成される。
なお、図３中符号２９はノズルであり、環状２重のノズル口３０、３１を有する。高純度酸素２３は内側のノズル口３０によって形成し、混合ガス２４は外側のノズル口３１によって形成している。
【００１５】
本実施形態のレーザ切断方法によれば、切断点２６近傍では高純度酸素２３内にて所定の切断作業がなされる。一方、図３中矢印のレーザビーム２２の移動方向（切断進行方向）に対して後ろ側では、混合ガス２４によって鉄や酸素の燃焼エネルギーが低下するため、セルフバーニングやドロスや切断ノッチの発生が抑えられ、切断面（切断穴２７内面）に与える影響を防止できる。すなわち、図２に示すように、高純度酸素２３の切断進行方向後ろ側は酸素濃度が低い混合ガス２４に覆われるため、切断面近傍での鉄や酸素の燃焼エネルギーが大幅に低下し、過剰な燃焼エネルギーによる悪影響から切断面を保護することができ、滑らかな切断面が得られるのである。
【００１６】
また、図３に示すように、切断穴２７下部では、中間酸素濃度領域２８により切断に支障が無い程度の酸素濃度が確保され、しかも、セルフバーニングやドロスや切断ノッチの発生を抑えることができるので、これにより図１２に示すようにエグレ等の無い滑らかな切断面が得られる。
切断点２６の後方のセルフバーニング等の不都合を解消すると、切断点２６に発生する溶融物の排除性が向上し、切断点２６での切断品質そのものも向上する。また、連続パルスのレーザビーム２２を使用して高速切断を行っても切断面に悪影響を与えないので、切断速度を向上することができ、しかも、この場合においても高い切断品質が得られる。
【００１７】
また、このレーザ切断方法では高純度酸素２３や混合ガス２４の径を変更するだけでレーザビーム２２径や被切断材２５の板厚等の切断条件に簡便に対応でき、ノズルの交換によってレーザビーム径にノズル径を対応させる必要が無くなるので、切断作業性が向上するといった効果も得られる。図１に示したようなレーザ切断装置１０を採用すると、高純度酸素２３や混合ガス２４の質量流量の調整によりこれらの気流径の変更が容易になるため、切断作業性を容易に向上することができる。
なお、このレーザ切断方法では、レーザ切断装置１０以外、所定の酸素濃度に調製したガスを図３のノズル２９の各ノズル口３０、３１に直接供給する構成のレーザ切断装置等も採用可能である。
【００１８】
図４および図５は、前述の本実施形態のレーザ切断方法と従来技術のレーザ切断方法とを同一切断条件下にて実施した時の切断面粗さＲｚ（μｍ）を比較する図である。
図４の切断条件は、レーザ出力６ｋＷ、連続パルス、被切断材（鋼板：軟鋼黒皮材）の板厚１２ｍｍである。また、本実施形態に係るレーザ切断方法（図３参照）では、内側ノズル口３０から純度９９．８％の酸素を供給し、外側ノズル口３１から酸素濃度８４．０％の混合ガスを供給している。従来技術に係るレーザ切断方法では、内側、外側の両ノズル口から純度９９．８％の酸素を供給している。
図５の切断条件は、被切断材（鋼板：軟鋼黒皮材）が板厚２２ｍｍである他は、図４と同様である。
図４および図５に示すように、いずれの板厚においても、切断面粗さＲｚは、本実施形態に係るレーザ切断方法が従来技術のレーザ切断方法よりも改善されていることが判る。図４に示すように、板厚１２ｍｍの切断では、切断上面（被切断材表面）から被切断材板厚方向３ｍｍ地点近傍の切断面粗さＲｚが特に顕著に改善される。また、図５に示すように、板厚２２ｍｍの切断では、切断面全体にわたって切断面粗さＲｚの改善効果が一層顕著になる。
【００１９】
したがって、このレーザ切断方法は切断穴内に最適酸素濃度分布を形成することにより切断品質を向上するものであり、単一酸素濃度のガスをノズルから供給する従来技術では得られない優れた効果が得られる。
また、高い切断品質を安定に得るためには、図２および図３に示した高純度酸素２３や混合ガス２４を切断条件に対応して適宜変更する必要がある。
本出願人の検証では、例えば軟鋼材の切断の場合、図３に示したノズル２９の内側ノズル口３０から供給する高純度酸素２３の酸素濃度は９９．５％以上が好ましいことが判明した。
【００２０】
また、純度９９．５％以上の高純度酸素と、酸素と窒素とを混合してなる混合ガスと、連続パルス、出力６ｋＷのレーザビームとを用いて板厚９ｍｍの軟鋼材切断する時には、前記混合ガスの酸素濃度が７０％以下であることが好ましい。この場合、例えば、混合ガスの酸素濃度が０％であっても過剰な燃焼エネルギーが切断面に与える影響を抑えることができ、従来技術のレーザ切断方法に比べて高い切断品質が得られる。但し、混合ガス２４の酸素濃度が低すぎるとドロスの付着が増加するため、良好な切断品質を得るためには７０％近傍の酸素濃度であることが好ましい。例えば、前記条件下にて板厚１６〜２０ｍｍの軟鋼材を切断する時では、高純度酸素２３の酸素濃度（純度）は同じであっても、実用的な混合ガスの酸素濃度は約５０％が下限となり、これより低い酸素濃度ではドロスの付着等が顕著になり、切断品質が低下して実用には適さない。なお、この時、混合ガスの酸素濃度の上限は９０％程度であり、これより濃度が高くなると効果が得られない。また、板厚２５ｍｍの場合では、実用的な混合ガスの酸素濃度の下限は９０％となる。
【００２１】
本実施形態のレーザ切断方法では様々な構成のノズルが採用可能である。
図２および図３に示した高純度酸素２３や混合ガス２４を得るためには、付加ノズル等の採用も可能である。付加ノズルの場合、複数の付加ノズルを使用することも可能である。
【００２２】
図６はノズル形状の一例を示す下面図である。
図６に示したノズル３２では、中央ノズル口３３の周囲に３つの外側ノズル口３４を環状配置している。中央ノズル口３３からは高純度酸素を噴射し、各外側ノズル口３４からは酸素濃度の低い混合ガスを噴射する。このノズル３２では、例えば、一つの外側ノズル口３４を切断進行方向前側に配置し、他の二つの外側ノズル口３４、３４を後ろ側に配置することが好ましく、これにより、切断品質を効率良く向上することができる。すなわち、図２および図３に示したように、本実施形態のレーザ切断方法では、切断点２６よりも切断進行方向側方から後ろ側の酸素濃度を低下させることが特に重要であり、これら酸素濃度の低下を後ろ側に配置した二つの外側ノズル口３４、３４から供給する混合ガスにより実現できる。このノズル３２では切断点２６よりも切断進行方向側方および後ろ側の酸素濃度を確実に低下させることができ、切断品質を確実に高めることができる。しかも、中央ノズル口３３から噴射した高純度高純度酸素の外側全周を混合ガスにより覆う訳ではないので、混合ガスを節約することができ、レーザ切断作業の低コスト化が可能になる。
【００２３】
なお、形成する外側ノズル口３４の数は３以外であっても良く、また、形状の異なる外側ノズル口を中央ノズル口３３の周囲に配置しても良い。
また、複数配置した外側ノズルから互いに酸素濃度の異なるガスを噴射することも可能であり、これにより切断点周囲の酸素濃度分布を効率良く調整することができ、高い切断品質が効率良く得られる。
【００２４】
次に、本発明のレーザ切断方法の第２実施形態を図７（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図７（ａ）に示すように、本実施形態のレーザ切断方法では、純度９９．５％以上の二つの高純度酸素３５、３６の気流と、酸素に窒素等の別のガスを混合した混合ガス３７の気流とを、被切断材３８（鋼板）のレーザビーム３９を照射した切断点３９ａ近傍にノズル４０から供給しつつ切断を行う。図７（ａ）、（ｂ）に示すように、ノズル４０は、直列に配列した３つのノズル口４１、４２、４３を有し、切断進行方向最前部と最後部のノズル口４１、４３から高純度酸素３５、３６を噴射し、中央のノズル口４２から混合ガス３７を噴射する。なお、高純度酸素３５、３６は請求項１、２に記載の高濃度ガス、混合ガス３７は低濃度ガスに相当する。
【００２５】
ノズル４０から噴射された高純度酸素３５、３６および混合ガス３７はいずれも径１．５ｍｍ程度の気流を形成している。切断進行方向前側の高純度酸素３５の気流はレーザビーム３９の周囲を取り囲み、被切断材３８板厚方向に切断穴４４を貫通する。混合ガス３７は前記高純度酸素３５の後ろ側から斜めに傾斜して被切断材３８板厚方向中央部あるいは下部（図７（ａ）中下側）の切断穴４４内にて高純度酸素３５の気流に到達する気流を形成する。後ろ側の高純度酸素３６の気流は、混合ガス３７の後ろ側から斜めに傾斜して前記混合ガス３７よりも下方にて前記高純度酸素３５の気流に到達する気流を形成する。
【００２６】
切断穴４４上部（切断点３９ａ近傍）では高純度酸素３５内にて目的のレーザ切断が効率良くなされ、切断点３９ａの後ろ側では混合ガス３７により鉄や酸素の燃焼エネルギーが低下してセルフバーニングやドロスや切断ノッチの発生が防止される。切断点３９ａの下側では高純度酸素３５と混合ガス３７とが混合して両者の中間的な酸素濃度の中間酸素濃度領域４５が形成され、切断性を維持しつつセルフバーニング等の不都合の発生が防止される。中間酸素濃度領域４５の下側では、該中間酸素濃度領域４５の雰囲気にさらに高純度酸素３６を混合した濃度安定領域４６が形成される。濃度安定領域４６では、高純度酸素３５、３６および混合ガス３７の拡散により周囲の空気が混合して中間酸素濃度領域４５とほぼ同等の酸素濃度になっている。中間酸素濃度領域４５の後ろ側では、高純度酸素３６により酸素濃度が高まっているが、切断点３９ａから離間しているために低温であり鉄や酸素の燃焼エネルギーが低く、セルフバーニング等の不都合は発生しない。
【００２７】
したがって、このレーザ切断方法によれば、切断点３９ａ近傍に形成した酸素濃度分布により、切断点３９ａでの切断性を維持しつつ、切断点３９ａの周囲でのセルフバーニング等の不都合を防止するので、切断品質を向上することができる。されに、高純度酸素３７によって中間酸素濃度領域４５の下側に形成した濃度安定領域４６によって、板厚が大きい場合であっても被切断材３８の板厚全体に鉄や酸素の燃焼エネルギーを確保できるので効率良く切断することができ、しかも、高い切断品質が得られる。
また、このレーザ切断方法では、高純度酸素３７の流量を調整すると、板厚方向での燃焼エネルギー分布や濃度安定領域４６の範囲を簡便に調整できる。したがって、例えば、レーザビームエネルギーが弱いときには、高純度酸素３７の質量流量を増大することで濃度安定領域４６の燃焼エネルギーを増大することで切断性を維持することができる。この時、切断点３９ａや中間酸素濃度領域４５の酸素濃度に高純度酸素３７が影響を与えないため、これら切断点３９ａや中間酸素濃度領域４５での切断性はそのまま維持される。これにより、燃焼エネルギー分布を容易に調整することができ、切断品質を高めることができる。同様に、高純度酸素３７の質量流量の増大により濃度安定領域４６を拡げると、板厚の大きい被切断材３８を効率良く切断することができる。
【００２８】
なお、本発明は、前述の実施形態に限定されず、例えばノズルの構成等は適宜変更可能であることは言うまでも無い。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のレーザ切断方法によれば、複数のノズル口の少なくとも一つからノズル口から酸素濃度の高い高濃度ガスを噴射して前記レーザビームの周囲に気流を形成して別のノズル口から噴射する前記高濃度ガスよりも酸素濃度の低い低濃度ガスにより形成される気流により前記切断点から数ｍｍ程度の範囲の酸素濃度分布を調整し、前記切断点近傍に高い酸素濃度を確保し、かつ前記切断点よりも切断進行方向後ろ側の酸素濃度を低下させるので、（イ）切断点近傍では良好な切断条件の酸素濃度が確保され、切断点からやや離間した周囲では酸素や鉄等が燃焼しない程度の酸素濃度が与えられてセルフバーニングやドロスの発生等の不都合が防止されるので高い切断品質が得られる、（ロ）連続パルスのレーザビームにより切断を行っても高い切断品質が得られ、しかも、切断速度を向上できる、（ハ）高濃度ガスおよび低濃度ガスの酸素純度や流量等を調整することにより、被切断材の板厚等の各種切断条件に幅広く対応することができ、ノズルの交換が不要になるので、切断作業性が向上する、（ニ）（イ）により、切断点にて発生する溶融物の排除性等が向上するので、切断点での切断品質そのものも向上することができるといった優れた効果を奏する。
【００３１】
請求項２記載のレーザ切断装置によれば、環状配置あるいは列設した複数のノズル口と、これらノズル口にガスを供給しかつ該酸素濃度を調整する機能を有するガス供給手段とを備え、各ノズル口から噴射するガスの酸素濃度が前記ガス供給手段個別に調整可能とされ、レーザビームの周囲に気流を形成する少なくとも一つの前記ノズル口には酸素濃度の高い高濃度ガスが、別のノズル口には前記高濃度ガスよりも酸素濃度の低い低濃度ガスが供給されるように構成されているので、請求項１記載のレーザ切断方法での酸素濃度分布が容易に得られ、高い切断品質が容易に得られるとともに、各ガス供給手段によってガス流量を調整することにより被切断材の板厚等の切断条件に対応して目的の酸素濃度分布を容易に形成することができ、切断品質の向上が容易になるといった優れた効果を奏する。
【００３２】
請求項３記載のように、前記ガス供給手段に酸素の質量流量を制御する質量流量制御装置を具備した構成を採用すると、酸素濃度を質量流量を以て制御するので、目的の酸素濃度分布を確実に得ることができ、切断品質を向上することができるといった優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のレーザ切断装置の実施の形態を示す全体図である。
【図２】 本発明のレーザ切断方法の第１実施形態を示す図であって、環状２重ノズルを使用して形成したレーザ切断における切断点近傍を示す平面図である。
【図３】 図２の正断面図であり、環状２重ノズルから噴射した高濃度ガスと低濃度ガスとによって形成した酸素濃度分布を示す。
【図４】 第１実施形態のレーザ切断方法の効果を示す図であって、板厚１２ｍｍの軟鋼板を切断により得られた切断面の面粗さの被切断材板厚方向の分布を示す。
【図５】 第１実施形態のレーザ切断方法の効果を示す図であって、板厚２２ｍｍの軟鋼板を切断により得られた切断面の面粗さの被切断材板厚方向の分布を示す。
【図６】 第１実施形態のレーザ切断方法に適用するノズルの例を示す図であって、中央ノズル口の周囲に複数の外側ノズル口を環状配置したノズルを示す下面図である。
【図７】 本発明のレーザ切断方法の第２実施形態を示す図であって、（ａ）は切断点近傍に形成した酸素濃度分布を示す正断面図、（ｂ）は直列に配列した３つのノズル口を有するノズルを示す下面図である。
【図８】 環状２重のノズル口を有するノズルを示す図であって、（ａ）は正断面図、（ｂ）は下面図である。
【図９】 付加ノズルを示す正面図である。
【図１０】 本発明が解決しようとする課題を示す図であって、（ａ）は環状２重ノズルを使用したレーザ切断を示す平面図、（ｂ）は正断面図である。
【図１１】 本発明が解決しようとする課題を示す図であって、従来技術のレーザ切断方法により形成した切断面を示す斜視図である。
【図１２】 本発明の効果を示す図であって、本発明のレーザ切断方法により得られた切断面を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０…レーザ切断装置、１１ａ…ノズル口、１１ｂ…ノズル口、１２ａ…ガス供給手段、１２ｂ…ガス供給手段、１８…酸素濃度を調整する機能（純度コントローラ）、１９…質量流量制御装置（マスフローコントローラ）、２２…レーザビーム、２３…高濃度ガス（高純度酸素）、２４…低濃度ガス（混合ガス）、２５…被切断材（鋼板）、２６…切断点、３０…ノズル口、３１…ノズル口、３３…ノズル口（中央ノズル口）、３４…ノズル口（外側ノズル口）、３５…高濃度ガス（高純度酸素）、３６…高濃度ガス（高純度酸素）、３７…低濃度ガス（混合ガス）、３８…被切断材（鋼板）、３９…レーザビーム、３９ａ…切断点、４１…ノズル口、４２…ノズル口、４３…ノズル口。
Claims (3)
- 被切断材に切断用のレーザビームを照射した切断点およびその近傍に、環状配置あるいは列設した複数のノズル口からガスを噴射しつつ行うレーザ切断方法において、
少なくとも一つの前記ノズル口から酸素濃度の高い高濃度ガスを噴射して前記レーザビームの周囲に気流を形成して別のノズル口から酸素に窒素等の別のガスを混合して前記高濃度ガスよりも酸素濃度の低い低濃度ガスを噴射して形成される気流により前記切断点から数ｍｍ程度の範囲の酸素濃度分布を調整し、前記切断点近傍に高い酸素濃度を確保し、かつ前記切断点よりも切断進行方向後ろ側の酸素濃度を低下させることを特徴とするレーザ切断方法。 - 環状配置あるいは列設した複数のノズル口と、これらノズル口にガスを供給しかつ該酸素濃度を調整する機能を有するガス供給手段とを備え、
各ノズル口から噴射するガスの酸素濃度が前記ガス供給手段個別に調整可能とされ、
前記レーザビームの周囲に気流を形成する少なくとも一つの前記ノズル口には、酸素濃度の高い高濃度ガスが、
別のノズル口には、前記高濃度ガスよりも酸素濃度を酸素に窒素等の別のガスを混合した低濃度ガスが供給されるように構成されていることを特徴とするレーザ切断装置。 - 前記ガス供給手段に酸素の質量流量を制御する質量流量制御装置を具備したことを特徴とする請求項２のレーザ切断装置。
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