JP4925616B2 - ピアス加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば厚板のワークにピアス加工を行うピアス加工方法及びそのピアス加工方法に使用するレーザ加工装置に係り、さらに詳細には、過剰燃焼を防止して能率よくピアス加工を行うことのできるピアス加工方法及びレーザ加工装置に関する。

近年、大出力のレーザ発振器が開発され、例えば十数ｍｍ以上の厚板のレーザ切断も行われるようになってきている。板状のワークの複数箇所にレーザ加工を行って適宜形状の製品を切断分離したり、またはワークの複数箇所に適宜形状の孔を切り抜く切断加工を行う場合、切断加工に先立って、ワークの表面から裏面に貫通した貫通孔を加工するピアス加工（ピアシング加工）が行われる。そして、前記ピアス加工時と切断加工時はそれぞれ別々の加工条件で加工が行われている（例えば特許文献１参照）。

上記特許文献１に記載の発明は、初期パルス周波数及び初期パルスデューティ比で加工を開始し、所定時間が経過する毎にパルス周波数及びパルスデューティ比を所定増加量だけ増加させ、以後順次段階状にパルス周波数及びパルスデューティ比を増加させ、所定回数だけ増加させた後、もしくは、加工開始から所定時間が経過した後は、パルス周波数及びパルスデューティ比を増加させることなく加工終了まで穴明け加工を行うようにしたものがある。
特開平５−１１１７８３号公報

すなわち、特許文献１に記載の発明は、ピアス加工時に、レーザ光による入熱と、アシストガスとしての酸素とワークとの酸化反応による反応生成熱とによって熱暴走（過剰燃焼）が発生してスパッタが飛散することを防止するために、初期のレーザ出力を小さく抑制し、所定時間毎にレーザ出力を段階的に増加するものである。そして、ピアス加工から切断加工に移行する場合には、レーザ光の出力条件を、レーザ切断加工に適した出力条件に切換えるものである。

したがって、特許文献１に記載の発明においては、ピアス加工時の初期のレーザ出力（初期デューティー、初期周波数：初期平均出力、初期入熱回数など）の制約により、ワークの板厚が増す毎にピアス加工時間が長くなるものである。また、最終デューティ、最終周波数（最終平均出力、最終入熱回数）の制約によりワークの板厚が増す毎にピアス穴の溶融制御のバランスを崩し、貫通時間のバラツキを大きくするものである。

また、従来のピアス加工方法においては、例えば材料メーカー、材料成分等の材料の個体差に対応してピアス加工条件の設定が必要である等の問題がある。

本発明は前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、レーザ光をワーク表面に照射してピアス加工を行うとき、アシストガスとして窒素ガスを噴射して初期加工を行い、次にアシストガスを酸素ガスに切替えてピアス加工を行うピアス加工方法において、窒素ガスをアシストガスとして噴射するときのレーザ出力を、酸素ガスをアシストガスとして噴射するときのレーザ出力よりも大出力にしてあることを特徴とするものである。

また、前記ピアス加工方法において、アシストガスとして酸素ガスを使用するときのレーザ出力の出力条件は、ワークの切断加工を行うときのレーザ出力の出力条件と同一条件のレーザ出力であることを特徴とするものである。

また、レーザ発振器と、レーザ加工ヘッドと、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を制御するためのレーザ出力制御手段と、前記アシストガス供給手段から供給するアシストガスを窒素ガスから酸素ガスに切換えるためのバルブ切換手段とを備え、ワークのピアス加工時の初期加工時にはアシストガスとして窒素ガスを使用しかつレーザ出力を大出力に制御し、所定時間経過後にアシストガスを酸素ガスに切換えかつレーザ出力を前記出力よりも小出力に制御する構成であることを特徴とするものである。

本発明によれば、ピアス加工の初期に、ピアス加工穴の入口付近に窒化層が形成されるので、この窒化層によってピアス穴の入口付近の酸化反応が抑制されると共に軟化し難い組織となる。したがって、アシストガスとして酸素ガスを使用し、かつレーザ光の出力を大きくした場合であっても、熱暴走（過剰燃焼）を抑制することができ、能率よくピアス加工を行うことができるものである。

図１に概念的、概略的に示すように、本発明に係るレーザ加工装置１は、レーザ発振器３と集光レンズ５を備えたレーザ加工ヘッド７を備えており、前記レーザ発振器３とレーザ加工ヘッド７は、レーザ光ＬＢをレーザ加工ヘッド７へ導くように、例えばベンドミラー９等を備えた導光手段によって光学的に接続してある。また、前記レーザ光ＬＢをワークＷへ照射してレーザ加工を行うときに、前記ワークＷの加工位置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１１が備えられている。

前記アシストガス供給手段１１には、アシストガスとして窒素ガスを供給するためのガスタンク等のごとき窒素ガス供給手段１３及びアシストガスとして酸素ガスを供給するためのガスタンク等のごとき酸素ガス供給手段１５を備えている。上記窒素ガス供給手段１３及び酸素ガス供給手段１５は、前記レーザ加工ヘッド７に対して供給するアシストガスの切換えを行う切換弁１７に接続してあり、この切換弁１７は、アシストガスの圧力を調整するための圧力調整弁などのごとき圧力調整手段１９を介して前記レーザ加工ヘッド７に接続してある。

上記構成により、前記レーザ加工ヘッド７からワークＷへレーザ光ＬＢを照射してレーザ加工を行うとき、前記切換弁１７を切換操作することによって、アシストガスとして、窒素ガス又は酸素ガスの供給を切換えることができるものである。

前記レーザ発振器３のレーザ出力を制御するために、レーザ出力制御手段２１が備えられていると共に、前記切換弁１７の切換えを行うためのバルブ切換手段２３が備えられている。上記レーザ出力制御手段２１は、予め設定されたピアス加工初期出力条件、ピアス加工出力条件、レーザ切断出力条件でもってレーザ出力を行うように前記レーザ発振器３のレーザ出力を制御するものである。前記バルブ切換手段２３は、前記レーザ出力制御手段２１からレーザ発振器３へ与えられるレーザ出力条件が、ピアス加工初期出力条件からピアス加工出力条件に変わったときに、前記レーザ加工ヘッド７へ供給するアシストガスを窒素ガスから酸素ガスに切換えるように、切換弁１７を切換え操作するものである。

前記レーザ出力制御手段２１にはレーザ出力条件設定手段２５が接続してあり、このレーザ出力条件設定手段２５には入力手段２７が接続してある。前記入力手段２７は、例えばパルスレーザのピーク出力指令、初期周波数、初期デューティー、繰返し回数、ワークの材質、板厚など、ワークＷのピアス加工に必要なパラメータ、データを入力するものである。前記レーザ出力条件設定手段２５は、前記入力手段２７から入力されたパラメータ、データを基にして、図２に示すように、ピアス加工時の初期加工時には、例えばレーザ発振器３の出力をフルパワーとした大出力のパルスレーザＰＬを所望のデューティー；所望の周波数で所望時間出力する出力条件Ａ及び大出力パルスレーザＰＬよりも小出力のパルスレーザＬＬを所望のデューティー、所望の周波数で所望時間出力（例えばピアス加工終了時又は切断加工終了時までに出力）する出力条件Ｂを設定するものである。

ところで、前記大出力パルスＰＬ、小出力パルスＬＬは、例えばレーザ発振器３の１パルスレーザ（単位パルスレーザ）の出力値を一定に保持した状態において、デューティー比、周波数を変えることによる単位時間当たりの総計のレーザ出力エネルギーを示すものである。換言すれば、前記単位パルスレーザの出力が密である場合、すなわちデューティー比が大きく、かつ周波数が大であるようにレーザ発振器３のレーザ出力を制御することにより、前記大出力パルスＰＬの出力が得られるものであり、逆の場合は小出力パルスＬＬの出力が得られるものである。

なお、前記出力条件Ａ，Ｂの設定は自動的に又は手動的に行ってもよく、またワークの材質、板厚範囲毎に予め実験的に求めて格納したデータベース２９を、入力されたワークの材質、板厚に対応して検索し、この検索した結果によって前記出力条件Ａ，Ｂを設定してもよいものである。

なお、前記小出力のパルスレーザＬＬのデューティー、周波数及び出力値は、切断対象とするワークのレーザ切断加工を行うレーザ出力条件に対応した出力条件にほぼ近い出力条件でもって設定することが望ましい。すなわち、上述のごとき出力条件とすることにより、ワークのピアス加工終了後に、レーザ出力条件を変更することなくレーザ切断加工に移行することができ、円滑な切断加工を行うことができるものである。

前記大出力のパルスレーザＰＬのデューティー、周波数及び出力値は、所望とすることができ、レーザ出力は、レーザ発振器３の最大出力とすることも可能である。しかし、上記大出力のパルスレーザＰＬのワークに対する照射時間は、ワーク表面に僅かにピアス加工が行われる程度の微小時間であることが望ましいものである。

以上のごとき構成において、例えば１０ｍｍ〜４０ｍｍ位の厚板のレーザ切断を行うに先立ってピアス加工を行うべく、入力手段２７からレーザ出力条件設定手段２５へ必要なデータを入力すると、図２に示したごときレーザ出力条件Ａ，Ｂが設定される。

なお、前述したように、上記レーザ出力条件Ａ，Ｂの設定は手動的に行っても、予めレーザ出力条件Ａ，Ｂを格納したデータベース２９を検索してレーザ出力条件Ａ，Ｂを設定してもよいものである。

レーザ出力条件設定手段２５において、例えば図２に示すごときレーザ出力条件Ａ，Ｂが設定されると、このレーザ出力条件Ａ，Ｂがレーザ出力制御手段２１に入力される。そして、入力された前記レーザ出力条件Ａ，Ｂに基いてレーザ出力制御手段２１はレーザ発振器３のレーザ出力を制御する。

前記出力条件ＡはワークＷにピアス加工を開始するときの出力条件（初期出力条件）であって、この場合には、アシストガス供給手段１１から窒素ガスがレーザ加工ヘッド７へ供給されており、窒素ガスがアシストガスとしてワークＷの加工部へ噴射されているものである。したがって、ワークＷのピアス加工開始は、アシストガスとして窒素ガスを噴射した状態において高出力（大出力）のパルスレーザＰＬが瞬間的に照射されるものである。よって、ワークＷのピアス加工部には、図３に示すように、小径の孔（ピアス加工穴）３１が加工されると共に、小孔３１の入口付近に窒化層（硬化層）３３が形成され、かつワークＷの上面には窒化した溶融物が堆積した窒化物堆積層３５が形成されることとなる。換言すれば、ワークＷのピアス加工部における小径の孔３１の周囲及び小径孔３１に近接したワークＷの表面は窒化層３３によって保護された形態となる。

上述のように、ワークＷのピアス加工部における小径孔３１の入口に近接したワークＷの表面等に窒化層３３が形成されると、レーザ出力条件は出力条件Ｂに制御される。

出力条件Ａが出力条件Ｂに変わると、バルブ切換手段２３によって切換弁１７が切換えられて、アシストガスとして酸素ガスが供給されると共に、パルスレーザは小出力パルスレーザＬＬになる。この際、小径の孔３１の入口付近は窒化層３３によって保護された形態にあり、入口付近の酸化反応は抑制される。そして、前記孔３１内へ入射されたレーザビームＬＢによる入熱と、孔３１内へ噴射された酸素とワークＷとの酸化反応による反応生成熱によりワークＷのレーザ加工が効果的に行われるものである。

そして、前記出力条件Ｂは、ワークＷのレーザ切断加工時のレーザ出力条件に近い条件であるから、ピアス加工の終了と同時に同一条件でもってレーザ切断加工に移行可能である。

ところで、ワークＷのピアス加工の開始時に、アシストガスとして酸素ガスを使用し、かつレーザ出力条件を大出力の条件（例えば前記出力条件Ａ）としてピアス加工を開始すると、レーザビームによる入熱と、酸素とワークとの酸化反応による反応生成熱とが合算される形態となり過剰燃焼（熱暴走）を生じて、ワーク表面には例えば火山の噴火のような現象を生じ、大きなクレータ状の穴を生じると共にスパッタが周囲に飛散される現象が生じる。したがって、従来は、ピアス加工開始時のレーザの出力条件は小出力条件に制御し、ピアス加工が進行するに従って次第にレーザ出力を増加しているものであるから、ピアス加工に時間を要するものであり、またピアス加工からレーザ切断加工に移行する際にもレーザ出力条件を変更する必要があり、レーザ出力条件の設定が中々厄介なものであった。

ところが、本実施形態によれば、ピアス加工開始時にアシストガスとして窒素ガスを使用してワークの酸化反応を防止すると共にワーク表面に窒化層を形成するものであるから、ピアス加工開始時におけるレーザ出力条件を高出力（大出力）の出力条件とすることができるものである。そして、窒化層を形成した後においては、ワークのレーザ切断を行うときのレーザ出力条件に近い出力条件でもってピアス加工を行うことができるものであるから、従来のピアス加工に比較してピアス加工を迅速に行うことができるものであって、加工能率向上を図ることができるものである。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置を概念的、概略的に示した説明図である。 ピアス加工を行うときのレーザ出力条件の一例を示す説明図である。 ピアス加工時の作用説明図である。

符号の説明

１ レーザ加工装置
３ レーザ発振器
７ レーザ加工ヘッド
１１ アシストガス供給手段
１３ 窒素ガス供給手段
１５ 酸素ガス供給手段
１７ 切換弁
２１ レーザ出力制御手段
２３ バルブ切換手段
２５ レーザ出力条件設定手段
２７ 入力手段
２９ データベース
３１ 小径の孔
３３ 窒化層
３５ 窒化物堆積層

Claims (3)

1. レーザ光をワーク表面に照射してピアス加工を行うとき、アシストガスとして窒素ガスを噴射して初期加工を行い、次にアシストガスを酸素ガスに切替えてピアス加工を行うピアス加工方法において、窒素ガスをアシストガスとして噴射するときのレーザ出力を、酸素ガスをアシストガスとして噴射するときのレーザ出力よりも大出力にしてあることを特徴とするピアス加工方法。
2. 請求項１に記載のピアス加工方法において、アシストガスとして酸素ガスを使用するときのレーザ出力の出力条件は、ワークの切断加工を行うときのレーザ出力の出力条件と同一条件のレーザ出力であることを特徴とするピアス加工方法。
3. レーザ発振器と、レーザ加工ヘッドと、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を制御するためのレーザ出力制御手段と、前記アシストガス供給手段から供給するアシストガスを窒素ガスから酸素ガスに切換えるためのバルブ切換手段とを備え、ワークのピアス加工時の初期加工時にはアシストガスとして窒素ガスを使用しかつレーザ出力を大出力に制御し、所定時間経過後にアシストガスを酸素ガスに切換えかつレーザ出力を前記出力よりも小出力に制御する構成であることを特徴とするレーザ加工装置。

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