JP6180240B2 - Laser cutting method - Google Patents
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Description
本発明は、金属材等の被切断材をレーザ加工により切断するレーザ切断方法に関する。 The present invention relates to a laser cutting method for cutting a material to be cut such as a metal material by laser processing.
CO2レーザやYAGレーザを用いる、例えば、金属材のレーザ切断(レーザカット)においては、集光したレーザ光を所定のスポット径(集光径)で金属材に照射し、その照射を、金属材の切断予定線に沿って所定の速度で走査(移動)させ、照射による発熱によって溶融、蒸発する金属をアシストガスで飛散させ(吹き飛ばし)ながら、その切断が行われる。このようなレーザ切断においては、照射スポット径と略同一の幅で切断できるために精度の高い切断が得られるし、レーザ出力を増大することにより切断速度も容易に高めることができる。一方、レーザ出力を高めて、例えば1回の走査で切断する場合には、パルスレーザで切断する場合でも、切断部は相対的に入熱過大(熱の集中)による溶融過多となり易いので、切断面に溶損が発生しやすく、平滑度(平滑性ないし面粗度)の高い切断面は得られ難い。このため、平滑度の高い高精度の切断面を得るには、レーザ出力を小さく設定して走査させることによって、被切断材(ワーク)の表面に走査方向に延びる切断溝を形成し、この切断溝上での走査を複数回、繰り返すことで、その切断を行うという方法が採られることがある(例えば、特許文献1(図4)、特許文献2(第2頁)参照、)。このような場合において、例えば、被切断材が貴金属材であるときは、蒸発、吹き飛ばしによる材料消失量(材料ロス)を減らしたいため、できるだけレーザ出力を小さくし、かつ、照射スポット径を小さくして切断幅(切断溝幅)を小さくしたい。特に、被切断材が貴金属材の小物(例えば、φ1mm程度又はそれ以下の細い線材)であるような場合には、十μm〜十数μm程度以下といった極めて小さい切断幅で切断したいという強い要請がある。このため、このような切断では、1回の走査により得られる切断溝の深さも、例えば数μm単位と小さくなる。したがって、このような切断では、被切断材の厚み(又は太さ)が1mmとすると、走査回数は百回程度、或いは数百回となることがあり、必然的に、切断完了までに長時間を要する。 For example, in laser cutting (laser cutting) of a metal material using a CO2 laser or a YAG laser, the focused laser beam is irradiated to the metal material with a predetermined spot diameter (condensed diameter), and the irradiation is performed on the metal material. The cutting is performed while scanning (moving) along the planned cutting line at a predetermined speed and scattering (blowing off) the metal that is melted and evaporated by the heat generated by irradiation with the assist gas. In such laser cutting, since cutting can be performed with substantially the same width as the irradiation spot diameter, cutting with high precision can be obtained, and cutting speed can be easily increased by increasing the laser output. On the other hand, when cutting by increasing the laser output, for example, by a single scan, even when cutting by a pulse laser, the cutting part is likely to be excessively melted due to excessive heat input (concentration of heat). It is difficult for a cut surface having high smoothness (smoothness or surface roughness) to be obtained. For this reason, in order to obtain a high-precision cutting surface with high smoothness, a cutting groove extending in the scanning direction is formed on the surface of the workpiece (workpiece) by scanning with a small laser output, and this cutting is performed. A method of cutting the groove by repeating the scanning a plurality of times may be employed (see, for example, Patent Document 1 (FIG. 4) and Patent Document 2 (second page)). In such a case, for example, when the material to be cut is a noble metal material, in order to reduce the amount of material lost due to evaporation and blowing (material loss), the laser output is made as small as possible and the irradiation spot diameter is made as small as possible. I want to reduce the cutting width (cutting groove width). In particular, when the material to be cut is a small noble metal material (for example, a thin wire having a diameter of about φ1 mm or less), there is a strong demand for cutting with an extremely small cutting width of about 10 μm to about several tens of μm or less. is there. For this reason, in such a cutting | disconnection, the depth of the cutting groove obtained by one scan also becomes small, for example with a unit of several micrometers. Accordingly, in such cutting, if the thickness (or thickness) of the material to be cut is 1 mm, the number of scans may be about 100 times or several hundred times, and inevitably, it takes a long time to complete the cutting. Cost.
ところで、例えば、線材を、レーザ光の照射によるその照射スポットの複数回の走査の繰り返しで切断する場合において、切断効率ないし切断速度を高めたい場合には、その走査を、往路と復路の繰返しとし、かつ、停止時間を設けることなく連続してその走査を繰返し行うことになる。しかし、このような走査の繰り返しを行うとすると、パルスレーザによる場合でさえも、直前の走査において形成された切断溝(表面)に残存するレーザ光の入熱による熱エネルギの放熱、冷却が行われていない段階で、次に続く走査による熱エネルギの付与が行われることになる。このため、往路行程及び復路行程における走査の終端で、その走査による放熱、冷却をまって(時間待ちして)、次の走査に入る場合に比べると、レーザ光の照射による入熱が過大となりがちとなる。結果として、切断途中の切断溝における溶融が過多となりやすく、最終的な切断面の平滑度の低下を招きやすい。このように、従来のレーザ切断方法におけるように、走査を多数回繰り返して、次第にその切断溝の深さを深くしていき、最終的に切断する、ということで得られる切断面は、平滑度(面粗度)が低下しがちであり、切断面の周縁にはバリやスパッタが発生しやすい。また、その切断裏面側の周縁には溶融物(溶融金属の固化塊)の付着が発生するという問題もあった。そして、この問題は、走査行程が小さい(切断予定線が短い)例えば細い線材の切断において顕在化しやすい。 By the way, for example, in the case of cutting a wire by repeating a plurality of scans of the irradiation spot by laser beam irradiation, when it is desired to increase the cutting efficiency or the cutting speed, the scanning is set to repeat the forward path and the backward path. In addition, the scanning is continuously repeated without providing a stop time. However, if such scanning is repeated, even if a pulse laser is used, heat energy is radiated and cooled by heat input of the laser light remaining in the cutting groove (surface) formed in the immediately preceding scan. In the stage where it is not known, the thermal energy is applied by the subsequent scanning. For this reason, at the end of the scanning in the forward path and the backward path, the heat radiation and cooling by the scanning are stopped (waiting for time), and the heat input due to laser light irradiation is excessive compared to the case of entering the next scanning. Tend to. As a result, the melt in the cut groove in the middle of cutting tends to be excessive, and the final smoothness of the cut surface tends to be lowered. As described above, as in the conventional laser cutting method, the scan surface obtained by repeating the scanning many times, gradually increasing the depth of the cutting groove, and finally cutting, has a smoothness. The (surface roughness) tends to decrease, and burrs and spatters are likely to occur at the periphery of the cut surface. Moreover, there also existed a problem that adhesion of the molten material (solidified lump of molten metal) generate | occur | produced in the periphery of the cut back surface side. This problem is easily manifested in the cutting of a thin wire having a small scanning stroke (short planned cutting line), for example.
このような問題は、上記したことからも明らかであるが、直前のレーザ光の走査により形成された切断溝に残存する熱エネルギが吸収され、或いは、その放熱により冷却が行われるようにしてから、次の走査を行うことで改善できる。例えば、往路行程と復路行程の走査の繰り返しによって多数回のレーザ光の走査を行う場合には、その各行程の終端で、アイドルタイム(停止時間)を設けて、直前の熱エネルギーの放熱、冷却を行わせてから、次の走査を行うというものである。しかしながら、このようにすると、アイドルタイムが、例えば、0.1秒であるとしても、切断までに百回の走査を要する場合には、その1切断に10秒のロスタイムが発生する。これにより、切断加工時間の長時間化、ひいては加工コストの増大を招いてしまうという問題があり、多量の切断加工には適さないといえる。しかも、このような問題は、特に、細い線材を切断する場合のように、1回の走査時間に対し、アイドルタイムが相対的に長くなる場合には大きな問題となる。しかも、高精度の平滑度の切断面となるように、多数回の走査を要する場合ほど、その影響は大きい。 Such a problem is apparent from the above, but after the thermal energy remaining in the cutting groove formed by the scanning of the laser beam immediately before is absorbed or cooled by the heat radiation. This can be improved by performing the next scan. For example, when scanning a laser beam a number of times by repeating the scanning of the forward path and the backward path, an idle time (stop time) is provided at the end of each stroke to release and cool the immediately preceding thermal energy. Is performed, and then the next scanning is performed. However, in this way, even if the idle time is 0.1 seconds, for example, if 100 scans are required before cutting, a loss time of 10 seconds occurs for one cutting. As a result, there is a problem that the cutting processing time is prolonged and the processing cost is increased, which is not suitable for a large amount of cutting processing. In addition, such a problem becomes a serious problem particularly when the idle time becomes relatively long with respect to one scanning time as in the case of cutting a thin wire rod. In addition, the more the scanning is performed so that the cut surface has a high degree of smoothness, the greater the influence.
このような場合、切断効率ないし切断速度を高める(加工時間短縮化)ため、レーザ出力を大きくして、比較的粗い切断面として切断し、後処理で、例えば、切断面(切断端面)を研削、又は研磨することで、最終的に平滑度の高い切断面にする、ということも考えられる。しかし、レーザ出力を大きくして切断する場合には、後処理の必要性に止まらず、上記もしたように、金属の溶融、蒸発(切断幅、切断溝幅)による問題(材料ロス)が大きい。したがって、特に、貴金属の小物の切断加工に、このような手法を採用するとなると、トータルとしてみると、大きなコストアップを招いてしまうことになる。 In such a case, in order to increase the cutting efficiency or cutting speed (to shorten the processing time), the laser output is increased to cut as a relatively rough cut surface, and, for example, the cut surface (cut end surface) is ground in post-processing. Alternatively, it is conceivable that a cut surface having a high smoothness is finally obtained by polishing. However, when cutting by increasing the laser output, the need for post-processing is not limited, and as described above, problems (material loss) due to metal melting and evaporation (cutting width, cutting groove width) are large. . Therefore, in particular, if such a method is adopted for cutting a noble metal accessory, the total cost will increase.
本発明は、レーザ切断(加工)において、複数回の走査で切断する場合に、冷却のためのアイドルタイムの設定に起因するような切断加工時間の長時間化を招くことなく、しかも、平滑度の高い綺麗な切断面が得られるレーザ切断方法を提供することをその目的とする。 In the laser cutting (machining), the present invention does not cause a long cutting time due to the setting of the idle time for cooling when cutting by a plurality of scans, and the smoothness. It is an object of the present invention to provide a laser cutting method capable of obtaining a high and clean cut surface.
請求項1に記載の本発明は、所定のスポット径で照射するレーザ光を、被切断材の切断予定線に沿って走査させることによって、被切断材の表面に、その走査方向に延びる切断溝を形成し、該切断溝上において前記走査を複数回繰返すことで被切断材を切断するレーザ切断方法において、
被切断材における前記切断予定線に沿って、前記スポット径の範囲内において、ずらして複数の走査用仮想線を設定しておき、
前記スポット径の中心が該走査用仮想線を通るレーザ光の走査を、複数の各走査用仮想線について順繰りに行うことによって、その各走査用仮想線において走査方向に延びる切断溝を形成し、この順繰りに行う一巡の走査の行程を、複数回繰返すレーザ加工工程を含めることで被切断材を切断することを特徴とする。
The present invention according to claim 1 is a cutting groove extending in the scanning direction on the surface of the material to be cut by scanning the laser beam irradiated with a predetermined spot diameter along the planned cutting line of the material to be cut. In the laser cutting method of cutting the material to be cut by repeating the scanning a plurality of times on the cutting groove,
Along the planned cutting line in the material to be cut, within the range of the spot diameter, a plurality of virtual lines for scanning are set by shifting,
Scanning the laser beam with the center of the spot diameter passing through the scanning virtual line is sequentially performed for each of the plurality of scanning virtual lines, thereby forming a cutting groove extending in the scanning direction in each scanning virtual line, It is characterized in that the material to be cut is cut by including a laser processing step in which this one-step scanning process is repeated a plurality of times.
請求項2に記載の本発明は、前記複数の走査用仮想線は、前記スポット径の10%〜90%の範囲内において、ずらして設定されていることを特徴とする請求項1に記載のレーザ切断方法である。
請求項3に記載の本発明は、前記走査用仮想線は、その数が2であり、互いに平行に又は等間隔で延びているものであることを特徴とする請求項1又は2のいずれか1項に記載のレーザ切断方法である。
The present invention described in claim 2 is characterized in that the plurality of scanning imaginary lines are set to be shifted within a range of 10% to 90% of the spot diameter. This is a laser cutting method.
According to a third aspect of the present invention, in the scanning imaginary line, the number of the imaginary lines for scanning is two, and the scanning imaginary lines extend in parallel with each other or at equal intervals. 2. The laser cutting method according to item 1.
請求項4に記載の本発明は、前記レーザ光の一巡の走査の行程を、2つの前記走査用仮想線のうち、一方を往路行程とし、他方を復路行程とし、前記ずらし分の移動を含めて周回状のものとしたことを特徴とする請求項3に記載のレーザ切断方法である。
請求項5に記載の発明は、前記被切断材は貴金属製の線材である請求項1〜4のいずれか1項に記載のレーザ切断方法である。
According to a fourth aspect of the present invention, a round of scanning process of the laser beam includes one of the two virtual scanning lines as an outward path and the other as a backward path, and includes movement of the shift amount. The laser cutting method according to claim 3, wherein the laser cutting method is a circular shape.
The invention according to claim 5 is the laser cutting method according to any one of claims 1 to 4, wherein the material to be cut is a noble metal wire.
本発明のレーザ切断方法では、上記した構成に基づき、例えば、走査用仮想線を2つ設定するとしたとき、その2つの走査用仮想線について、スポット径の中心が順繰りに(交互に)通るレーザ光の走査(一巡の走査)を行った後では、各走査用仮想線上において延びる形で、2つの切断溝が、少なくとも一部が重なる形をなし、被切断材の表面において凹状をなすように形成される。そして、その後の一巡の走査の複数回の繰返しにより、その各切断溝は溝深さが次第に深くなり、最終的に切断に至る。ところで、このようなレーザ光の一巡の走査の繰返しの過程において、一方の切断溝を深くするレーザ光の走査が行われているときは、他方の切断溝側の、切断面となる側寄りの溝壁面(切断溝の重なり状態によっては溝底を含む溝壁面)にはレーザ光は照射されない。したがって、その一方の切断溝における走査行程中は、その他方の切断溝のうち、切断面となる側寄りの溝壁面には、前回のレーザ光の照射により残存する熱エネルギーの放熱のための時間が付与されることになる。よって、一方の切断溝における走査行程中は、その時間が付与された当該溝壁面については放熱、冷却が行われることになる。そして、一巡の走査の繰返しの過程においては、交互の走査が行われるのであるから、次に行われる、この他方の切断溝上においてレーザ光の走査が行われるときは、その放熱、冷却の後の走査となるから、その走査において、その切断面をなす側寄り部位の溝壁面における入熱過大による溶融過多が防止される。 In the laser cutting method of the present invention, based on the above configuration, for example, when two scanning imaginary lines are set, the laser passes through the center of the spot diameter sequentially (alternately) with respect to the two scanning imaginary lines. After the light scanning (one round of scanning), the two cutting grooves are formed so as to extend on each scanning imaginary line so that at least a part thereof overlaps, and the surface of the material to be cut has a concave shape. It is formed. Then, by repeating a single round of scanning a plurality of times, the depth of each cut groove gradually becomes deeper and finally cut. By the way, in the process of repeating such a round of scanning of laser light, when scanning of laser light to deepen one cutting groove is performed, the side closer to the cutting surface on the other cutting groove side The groove wall surface (the groove wall surface including the groove bottom depending on the overlapping state of the cutting grooves) is not irradiated with laser light. Therefore, during the scanning process in one of the cutting grooves, the time for the heat energy remaining due to the previous laser light irradiation to the groove wall near the cutting surface among the other cutting grooves is removed. Will be granted. Therefore, during the scanning process in one cutting groove, the groove wall surface to which the time is given is radiated and cooled. In the process of repeating one round of scanning, alternate scanning is performed. Therefore, when laser scanning is performed on the other cutting groove which is performed next, after the heat radiation and cooling, Since scanning is performed, excessive melting due to excessive heat input at the groove wall surface near the cut surface is prevented in the scanning.
このように、本発明によれば、例えば2つの切断溝について、レーザ光の走査が交互に、繰返し行われる。よって、その走査が繰返し行われる間、次に、切断溝上においてレーザ光の走査が行われるときは、その前に、切断溝上においてレーザ光の走査が行われることで要した時間が、放熱、冷却の時間として与えられることになる。これにより、当該切断溝上においてレーザ光の走査が行われるときは、常に、与えられた所定の時間における放熱、冷却の後の走査となるので、その走査が行われている切断溝のうち、切断面をなす側寄り部位の溝壁面における入熱過大による溶融過多が防止される。このため、最終的に切断されるときにおいて、各切断溝のうち、それぞれ切断面をなす側寄り部位の溝壁面であった、対向する両切断面には、溶損の発生が防止される。これにより、切断面には高い平滑度が得られる。 Thus, according to the present invention, for example, the scanning of the laser light is alternately and repeatedly performed for two cutting grooves. Therefore, while the scanning is repeated, the next time the laser beam is scanned on the cutting groove, the time required for the scanning of the laser beam on the cutting groove is the heat dissipation and cooling. Will be given as time. As a result, when scanning of the laser beam is performed on the cutting groove, the scanning is always performed after heat dissipation and cooling in a given time period. Therefore, the cutting groove in which the scanning is performed is cut. Excessive melting due to excessive heat input at the groove wall surface near the surface is prevented. For this reason, when finally cut | disconnected, generation | occurrence | production of melt | disassembly is prevented in the both cut surfaces which were the groove | channel wall surfaces of the side side part which makes a cut surface among each cut groove, respectively. Thereby, high smoothness is obtained at the cut surface.
すなわち、従来のように、1つの同じ切断溝の上を、最終的に切断されるまで、連続して繰返し走査する場合には、直前のレーザ光の走査による熱エネルギーが、放熱、冷却されること無く残存している切断溝(表面)の上を、同じスポット径で照射するレーザ光を繰返し走査することになる。このため、入熱過大となり、溶融過多を発生させがちとなり、最終的な切断面の平滑度の低下を招き易いという問題があった。これに対して本発明では、上記したように、同一切断溝を続けて走査することにはならないので、例えば、2つの走査用仮想線とする場合には、1回の走査時間が自動的に、走査していない他方の切断溝のうちの、切断面をなす側の溝壁面に残存している熱エネルギーの放出(冷却)のための冷却時間となる。よって、こうした問題の発生を防止する効果が得られる。 That is, as in the prior art, when scanning continuously over a single cutting groove until it is finally cut, the thermal energy from the scanning of the last laser beam is dissipated and cooled. The laser beam irradiated with the same spot diameter is repeatedly scanned over the remaining cutting groove (surface). For this reason, there is a problem in that heat input is excessive, melting tends to occur, and the smoothness of the final cut surface is liable to be lowered. On the other hand, in the present invention, as described above, since the same cutting groove is not continuously scanned, for example, when two scanning virtual lines are used, one scanning time is automatically set. This is the cooling time for releasing (cooling) the thermal energy remaining on the groove wall surface on the side of the cut surface of the other non-scanned cut grooves. Therefore, the effect of preventing the occurrence of such a problem can be obtained.
一方、従来の切断方法のように、同一の切断溝上を繰り返し走査する場合において、放熱、冷却の時間を得るためには、例えば、レーザ光の走査を、往路行程と復路行程の繰返しで行う場合、各行程の終端(終点)で、走査を停止して所定の停止時間を設ける必要があることから切断の長時間化を招く。これに対し、本発明によれば、往路行程と復路行程の走査を、このような停止時間を設けることなく連続して繰返し行うとしても、異なる(ずれた)位置にある切断溝上において、その走査を行うことになることから、走査を行っていない他方の切断溝における切断面をなす側の溝壁面に残存している熱エネルギーの放出(冷却)のための冷却時間を自動的に確保することができる。よって、停止時間を設けることなく冷却時間を確保しながら、連続してその走査を繰り返すことができるため、長時間化を招くこともなく、平滑度の高い切断面の切断が得られる。なお、本発明では、3つ以上の走査用仮想線について、スポット径の中心が順繰りに通るようにレーザ光の走査を行って、この順繰りに行う一巡の走査の工程を繰り返して被切断材を切断するようにしてもよい。 On the other hand, in the case where the same cutting groove is repeatedly scanned as in the conventional cutting method, in order to obtain heat dissipation and cooling time, for example, when scanning with laser light is performed by repeating the forward path and the backward path Since it is necessary to stop scanning at the end (end point) of each stroke and to provide a predetermined stop time, the cutting time is increased. On the other hand, according to the present invention, even if the scanning of the forward path and the backward path is continuously repeated without providing such a stop time, the scanning is performed on the cutting grooves at different (shifted) positions. Therefore, the cooling time for releasing (cooling) the thermal energy remaining on the groove wall on the side forming the cut surface of the other cutting groove not being scanned is automatically secured. Can do. Therefore, since the scanning can be repeated continuously while ensuring the cooling time without providing a stop time, the cutting of the cut surface with high smoothness can be obtained without increasing the time. In the present invention, the laser beam is scanned so that the center of the spot diameter passes through the three or more scanning virtual lines in order, and the material to be cut is obtained by repeating this round of scanning steps. You may make it cut | disconnect.
前記複数の走査用仮想線は、請求項2に記載のように、前記スポット径の10%〜90%の範囲内において、ずらして(異ならせて)設定するのがよいといえるが、高い放熱、冷却効果を得たいのであれば、スポット径(切断溝)の重なりを小さくする(スポットの中心間隔を大きくする)方がよい。なお、上記したように、走査用仮想線の数の制限は無く、したがって、3以上の走査をなすものとしてもよいが、請求項3に記載のように、2とするのが走査回数も少なく、切断効率が高められる。なお、走査用仮想線の数を3以上とするとしても、切断後においては、切断面を挟んで2部材となり、その各部材が切断面を有することに変わりはない。このため、切断前における切断溝のうち、その切断面をなす側寄り部位の2つの切断溝についてみれば、上記したのと同様の作用、効果が得られることは明らかである。なお、前記走査用仮想線の数を2とする場合には、請求項3に記載の本発明のように、切断予定線が直線の場合には、互いに平行に設定するのがよく、直線でなければ、等間隔で延びるものとするのがよい。 It can be said that the plurality of scanning imaginary lines are preferably set to be shifted (different) within a range of 10% to 90% of the spot diameter, as described in claim 2. If it is desired to obtain a cooling effect, it is better to reduce the overlap of spot diameters (cutting grooves) (increase the center distance between spots). As described above, there is no limit on the number of virtual lines for scanning, and therefore, it is possible to perform scanning of three or more. However, as described in claim 3, setting the number to 2 reduces the number of scans. , Cutting efficiency is increased. Even if the number of virtual lines for scanning is 3 or more, after cutting, there are two members with the cut surface interposed therebetween, and each member has a cut surface. For this reason, it is clear that the same operation and effect as described above can be obtained by looking at the two cutting grooves at the side portion forming the cut surface among the cutting grooves before cutting. When the number of the virtual scanning lines is 2, when the planned cutting lines are straight lines as in the third aspect of the present invention, they are preferably set parallel to each other. If not, it should extend at equal intervals.
なお、例えば、走査用仮想線の数を2とし、スポット径(切断溝)の重なりを小さくする(スポットの中心間隔を大きくする)と、切断溝全体の幅がその分大きくなる。また切断溝の重なりが減る分、切断溝全体の深さが浅くなるために切断までの走査回数の増加を招く。一方、走査用仮想線の数を2とし、スポット径の重なりを大きくすれば、これと逆のこととなる。したがって、その重なりは、これらを考慮し、要求される切断面の平滑度、被切断材の材質、切断面箇所の大きさ等の諸条件から、レーザ出力等のレーザ切断のための適切条件を見つけ出すこととすればよい。 For example, if the number of scanning imaginary lines is set to 2 and the overlap of the spot diameters (cutting grooves) is reduced (the center distance between the spots is increased), the entire width of the cutting groove is increased accordingly. Further, since the depth of the entire cutting groove is reduced by the amount of overlap of the cutting grooves, the number of scans until cutting is increased. On the other hand, if the number of virtual scanning lines is set to 2 and the overlap of the spot diameters is increased, the reverse is true. Therefore, in consideration of these factors, the overlap is determined based on various conditions such as the required smoothness of the cut surface, the material of the material to be cut, the size of the location of the cut surface, and appropriate conditions for laser cutting such as laser output. Find it.
また、走査用仮想線の数を2とする場合には、請求項4に記載のように、前記レーザ光の一巡の走査の行程を、2つの前記走査用仮想線のうち、一方を往路行程とし、他方を復路行程とし、前記ずらし分の移動を含めて周回状のものとするのがよい。というのは、走査方向(進行方向)を同じにして、2つの走査(一巡の走査)としてもよいが、このようにする場合には、走査の進行終端から進行始端に戻す行程がロスタイムとなるためである。すなわち、請求項4に記載のように、周回状にレーザを走査させる場合には、このようなロスタイムをなくすことができるので、切断効率が高められるため好ましいといえる。 Further, when the number of virtual lines for scanning is two, as described in claim 4, the scanning process of one cycle of the laser light is performed in one of the two virtual lines for scanning. It is preferable that the other is a return stroke and has a circular shape including the shift amount. This is because the scanning direction (traveling direction) may be the same, and two scannings (one round of scanning) may be performed, but in this case, the process of returning from the progressing end of scanning to the start of traveling becomes the loss time. Because. That is, as described in claim 4, when the laser is scanned in a circular manner, such a loss time can be eliminated, so that the cutting efficiency is improved, which is preferable.
なお、切断後の一方の部材が製品で、他方の部材が製品でなく残材(例えば、切り屑、又は端材)として処理(又は再生処理)されるものであるような場合ににおいては、平滑度の高い切断面が要求されるのは、製品となる側の切断面だけである。したがって、このような場合には、製品側の切断面に直接影響するレーザ光の走査と、これに直接影響しない残材の切断面側寄り部位に照射、走査されるレーザ光は、同じ条件でなくともよい。また、例えば、残材の切断面側寄り部位に照射されるレーザ光も走査は、切断予定線が直線であるとしても、直線でなくともよく、したがって、例えば、ジグザクでもよい。 In addition, in the case where one member after cutting is a product and the other member is not a product but is processed (or reclaimed) as a remaining material (for example, chip or scrap), A cut surface with high smoothness is required only for the cut surface on the product side. Therefore, in such a case, the scanning of the laser beam that directly affects the cut surface on the product side and the laser beam that is irradiated and scanned on the portion of the remaining material that does not directly affect the cutting surface side are scanned under the same conditions. Not necessary. Further, for example, the laser beam irradiated to the portion of the remaining material closer to the cut surface may be scanned even if the planned cutting line is a straight line, and therefore may be a zigzag, for example.
本発明が適用できるレーザ切断方法は、上記したことからも明らかであるが、被切断材を直線に切断する場合に限定されるものではない。平板に円形孔をあけるため、又は平板から円形板を得るために、円形に切断する穴あけ加工においても本発明は適用できる。また、任意の曲線状に切断する場合や、直線と曲線が連なる任意の切断予定線で切断する場合であってもよい。また、これら一次元的な切断や二次元的な切断(切断予定線)に限られず、三次元的な切断にも適用できる。これより明らかなように、本願において、切断面について平滑度(平滑性)というのは、切断線が曲線の場合には、これを直線にした場合の切断面の平滑度の意味である。また、本発明の切断方法が適用できる切断材は金属に限定されものではなく、広くレーザ切断の対象とされ得る素材に適用できるが、特に貴金属の切断には好適である。貴金属は、それ自身の高コスト性より、蒸発等により消失することになる切断幅の最小化が要求され、このためには切断面の平滑度も高度に要求されるところ、本発明ではその要求に、切断の長時間化を招くことなく応じられるためである。 The laser cutting method to which the present invention can be applied is apparent from the above description, but is not limited to the case of cutting the material to be cut in a straight line. The present invention can also be applied to a drilling process in which a circular hole is cut into a flat plate in order to make a circular hole or to obtain a circular plate from the flat plate. Moreover, the case where it cut | disconnects in arbitrary curved shapes, and the case where it cut | disconnects by the arbitrary cutting plan lines which a straight line and a curve continue may be sufficient. Further, the present invention is not limited to these one-dimensional cutting and two-dimensional cutting (scheduled cutting line), and can also be applied to three-dimensional cutting. As is clear from this, in the present application, the smoothness (smoothness) of the cut surface means the smoothness of the cut surface when the cut line is a straight line. Further, the cutting material to which the cutting method of the present invention can be applied is not limited to metals, and can be applied to materials that can be widely used for laser cutting, but is particularly suitable for cutting noble metals. Precious metals are required to minimize the cutting width that will disappear due to evaporation, etc. due to their high cost, and for this purpose, the smoothness of the cut surface is also highly required. This is because it is possible to respond without causing a long cutting time.
本発明に係るレーザ切断方法を具体化した実施の形態例について、切断状態(レーザ加工工程)を説明する模式図(図1〜図4)を参照しながら詳細に説明する。図1に示したように、本例では、被切断材100における切断箇所を平面視したとき、その表面103に所定の間隔(ずらし量)K1で、平行な2本の走査用仮想線(直線)L1,L2が切断予定線(図示せず)を挟んで、ずらして設けられている。ただし、この間隔K1は、照射するレーザ(パルスレーザ)のスポット径(円の直径)の半分とされている。本例では、図2に示したように、この2本の走査用仮想線L1,L2のうち、図1の上方の走査用仮想線L1の上を、スポット径(図2中に示したパルスを想定した多数の円)Sの中心が通るようにして、その左端から右端に向けて、レーザ光を所定の速度で走査させる。続いて、図2に示したように、図1の下方の走査用仮想線L2の上を、スポット径Sの中心が通るようにして、その右端から左端に向けて、同レーザ光を所定の速度で走査させる。なお、この走査の行程(軌跡)は、走査用仮想線L1,L2の全長を確実に走査するように、走査の開始端、及び終端位置は、ともに被切断材100の外側に位置するように設定されている。また、本例では、2つの走査用仮想線L1、L2の相互の間隔(ずらし幅)K1分の移動行程を含む、矩形周回状(図2において右周り)にレーザ光を走査することで、2つの走査用仮想線L1,L2について、その走査を順繰りに(交互に)行うものとしている。すなわち、この矩形周回状の1行程を、レーザ光の一巡の走査の行程として、各切断線予定線L1、L2に沿って切断溝を形成し、このレーザ加工工程を複数回連続して繰返すこととしている。
Embodiments embodying the laser cutting method according to the present invention will be described in detail with reference to schematic views (FIGS. 1 to 4) for explaining a cutting state (laser processing step). As shown in FIG. 1, in this example, when the cut portion in the
図3に基づいてこのレーザ加工工程を説明する。本例では、図3のA−Dに示したように、被切断材100の表面103において、2つの切断線予定線(走査方向)L1,L2に沿って、交互にレーザ光Laを照射し、走査することにより、2つの切断溝111、112が形成される。このように形成される切断溝は、照射されるレーザ光Laのスポット径(直径)Sの約1/2の幅において重複した状態となる。そして、この各切断溝111,112の被切断材100の表面103からの深さは、図3のA−Cに示したように、次第に深くなり、両切断溝からなる1つの深い切断溝となり、最終的に図3のDに示したように被切断材100は切断される。このようにして切断された後の切断面121,122は、従来のように、1つの切断線予定線の上を、スポット径の中心が通るレーザ光の走査を、連続して複数回、繰返し行って切断溝を深くし、切断して得られる切断面よりも、平滑度の高い切断面となる。
This laser processing step will be described with reference to FIG. In this example, as shown in FIGS. 3A to 3D, the laser beam La is alternately irradiated on the
ここで図4を参照しながら、このような平滑度の高い切断面121,122が得られる過程について説明する。図4に示したように、その左(一方)の切断溝111に沿うレーザ光Laの走査行程では、その右(他方)の切断溝112のうち、切断後において切断面となる切断面(図4中の破線)122寄り部位に、ダブルハッチングで示した溝壁面112aの領域にはレーザ光Laの照射がされない。このため、この左(一方)の切断溝111に沿うレーザ光Laの走査行程では、右(他方)の切断溝112のうち、切断面122寄り部位の溝壁面112aにおいては、前回のレーザ光の照射で付与され、残存している熱の放熱、冷却をさせることができる。したがって、次に、この右(他方)の切断溝112に沿うレーザ光の走査で、その切断溝112を深くするレーザ加工時には、その切断面122寄り部位の溝壁面112aが入熱過多となったり、溶融過多となることを防止できる。
Here, with reference to FIG. 4, a process of obtaining such cut surfaces 121 and 122 with high smoothness will be described. As shown in FIG. 4, in the scanning stroke of the laser beam La along the left (one) cutting
本例では、この左右2つの切断溝(走査用仮想線)111,112について、交互にレーザ光Laの走査を繰返し行うものであるから、このような作用効果が、左右2つの切断溝111,112において交互に繰り返され、最終的に切断に至る。このため、切断過程で切断面寄り部位の溝壁面であったところの切断面121,122の平滑度は、従来のように、同一の1つの切断溝(走査用仮想線)について、レーザ光の走査を繰返し行うことによって切断した場合に比べて高いものとなる。すなわち、従来のレーザ切断方法のように、同一の切断溝に沿って同じ走査を、連続して繰返して行う場合には、溝壁面に残存している熱エネルギーの放熱、冷却のための時間を積極的に付与できない。これに対し本発明を具体化した上記例では、レーザ光の走査を連続して繰り返して行うものでありながらも、その走査過程においては、上記したように、交互に切断面寄り部位の溝壁面に、放熱、冷却のための時間を自動的に付与できるため、最終的に切断された際の切断面の平滑度は、従来に比べて高いものとなる。
In this example, since the left and right two cutting grooves (scanning imaginary lines) 111 and 112 are alternately scanned with the laser beam La, such an effect is obtained by the two right and left cutting
また、従来のレーザ切断方法においても、レーザ光の走査の往路行程と復路行程の終端で停止時間を設けることとすれば、積極的に冷却時間を付与することはできる。しかし、このようにすると、切断時間の長時間化を招いてしまう。そして、材料ロスの低減化と共に、超精密切断が要求される貴金属(例えばPt線、Pt合金線)の切断では、例えば、それがφ0.3mmといった細い線材で、その切断面(端面)において、事後的に他部材との突き合わせによる高度な位置決めを行うために要求される平滑度を確保するには、切断までに100回程度のレーザ光の走査が必要とされていた。こうしたことから、各走査行程の終端で、0.1秒のアイドルタイムを設けるとすると、1切断に10秒余計に時間がかかり、切断時間の長時間化を招いてしまう。これより理解されるが、このような貴金属材の精密切断においては、本発明によれば著しい効果が得られる。因みに、φ0.3mmのPt線を、従来のレーザ切断法により、100回の走査でレーザ切断したときの条件(レーザ出力等のパラメータ)の概要は次のようである。レーザは、波長532nmのパルスレーザで、出力は、12W、レーザ光の照射スポット径(照射集光径)10μm、走査速度200mm/sec。一方、本発明を具体化した、走査用仮想線が2本の上記例において、その走査用仮想線L1,L2相互のずらし量(間隔)K1を、5μmとしたことによる本例方法による場合においては、停止時間が無いだけでなく、約50回の走査回数(交互に行う1巡の走査が約25回)で切断に至ることも確認できた。これは、レーザ光の走査による切断箇所の放熱、冷却は、切断面の平滑度だけでなく、切断効率の向上にも大きく寄与することを意味するものと考えられる。 Also in the conventional laser cutting method, if the stop time is provided at the end of the forward path and the return path of the laser beam scanning, the cooling time can be positively provided. However, if this is done, the cutting time will be lengthened. And in the cutting of precious metals (for example, Pt wire, Pt alloy wire) that require ultra-precise cutting along with reduction of material loss, for example, it is a thin wire rod of φ0.3 mm, and at the cut surface (end surface), In order to secure the smoothness required to perform advanced positioning by abutting with other members after the fact, scanning of laser light about 100 times was required before cutting. For this reason, if an idle time of 0.1 seconds is provided at the end of each scanning process, it takes an extra 10 seconds for one cutting, resulting in a long cutting time. As will be understood from this, in the precision cutting of such a precious metal material, a significant effect can be obtained according to the present invention. Incidentally, the outline of the conditions (parameters such as laser output) when the Pt line of φ0.3 mm is laser-cut by 100 times of scanning by the conventional laser cutting method is as follows. The laser is a pulse laser with a wavelength of 532 nm, the output is 12 W, the laser beam irradiation spot diameter (irradiation condensing diameter) is 10 μm, and the scanning speed is 200 mm / sec. On the other hand, in the above-described example in which the present invention is embodied, in the above-described example in which there are two scanning virtual lines, the shift amount (interval) K1 between the scanning virtual lines L1 and L2 is 5 μm. In addition to the absence of stop time, it was confirmed that cutting was achieved with about 50 scans (about 25 scans performed alternately). This is considered to mean that the heat radiation and cooling of the cut portion by the scanning of the laser light greatly contributes not only to the smoothness of the cut surface but also to the improvement of the cutting efficiency.
また、上記例では、2つの走査用仮想線(切断溝)L1、L2の上を交互に行う一巡の走査を、ずらし量K1を含めて、その長方形の辺に沿う周回状のものとしたため、平滑度の高い切断面が得られるだけではなく、切断時間の短縮化も図られる。ただし、この2つの走査用仮想線L1、L2を通るレーザ光Laの走査は、例えば、往路行程(図2における右行き行程)の繰返しとしてもよい。被切断材が微小部材のように、その走査用仮想線の長さが短い場合や、切断面により高度の平滑度が要求される場合に適する。なお、レーザ光の走査の駆動制御は、公知手段により、レーザ光側、又は被切断材側のいずれか、又はその両方を移動する駆動制御によればよい。 Further, in the above example, since one round of scanning alternately performed on the two scanning imaginary lines (cutting grooves) L1 and L2 is a circular shape along the rectangular side including the shift amount K1, Not only can a cut surface with high smoothness be obtained, but also the cutting time can be shortened. However, the scanning of the laser beam La passing through the two scanning imaginary lines L1 and L2 may be, for example, a repetition of the forward path (the rightward path in FIG. 2). This is suitable when the length of the imaginary scanning line is short, such as a minute member, or when a high degree of smoothness is required by the cut surface. In addition, the drive control of the laser beam scanning may be a drive control that moves either the laser beam side, the workpiece side, or both by known means.
上記例では、スポット径(円の直径)Sの半分、すなわち、半径分の寸法で、2本の走査用仮想線L1、L2をずらした平行配置としたが、このずらし量は、適宜に、すなわち、切断面に要求される平滑度(又は面粗度)が得られる範囲で、被切断材(例えばその厚さ)、及びレーザ出力等の切断条件を勘案して設定すればよい。ただし、このずらし量K1は、スポット径(直径)が、10μmでは、その10%〜90%の範囲とするのがよい。なお、被切断材によっては、走査用仮想線の数を3以上としてもよいのは上記した通りである。 In the above example, the two scanning imaginary lines L1 and L2 are shifted in parallel by a half of the spot diameter (diameter of the circle) S, that is, the dimension of the radius. That is, it may be set in consideration of cutting conditions such as a material to be cut (for example, its thickness) and laser output within a range where smoothness (or surface roughness) required for the cut surface is obtained. However, the shift amount K1 is preferably in the range of 10% to 90% when the spot diameter (diameter) is 10 μm. As described above, depending on the material to be cut, the number of scanning virtual lines may be three or more.
なお、切断線を挟む一方の部材のみの切断面の平滑度(又は面粗度)の向上のみが要求され、切断線を挟む他方の部材の切断面にはそれが要求されない場合には、上記もしたように、この他方の部材の切断面側を走査するレーザ光の走査は直線でなく、ジグザグとしてもよい。また、走査速度も同じでなくともよいなど、レーザ条件を異ならせてもよい。 In addition, when only the improvement of the smoothness (or surface roughness) of the cut surface of only one member sandwiching the cutting line is required and the cutting surface of the other member sandwiching the cutting line is not required, As is the case, the scanning of the laser beam that scans the cut surface of the other member may be a zigzag instead of a straight line. Further, the laser conditions may be varied such that the scanning speed need not be the same.
本発明は、CO2レーザ、YAGレーザ、その他の公知の各種のレーザを用いたレーザ切断方法(レーザ切断機の使用)において広く適用できる。上記例ではパルスレーザによる場合で説明したが、連続発信レーザでも本発明ては適用でき、従来のように同一の切断予定線(切断溝)上を繰返し走査する場合に比べると、平滑度の高い切断面が得られる。また、上記例では、直線で切断する場合で説明したが、曲線で切断する場合においても本発明が適用できることは上記したとおりである。 The present invention can be widely applied to a laser cutting method (use of a laser cutting machine) using a CO2 laser, a YAG laser, and other known various lasers. In the above example, the case of using a pulse laser has been described. However, the present invention can also be applied to a continuous wave laser, and has higher smoothness than the conventional case where scanning is repeatedly performed on the same planned cutting line (cutting groove). A cut surface is obtained. In the above example, the case of cutting along a straight line has been described. However, as described above, the present invention can also be applied to the case of cutting along a curved line.
100 被切断材
103 被切断材の表面
111,112 切断溝
121,122 切断面
S スポット径
La レーザ光
L1,L2 走査用仮想線
100 Material to be cut 103
Claims (5)
被切断材における前記切断予定線に沿って、前記スポット径の範囲内において、ずらして複数の走査用仮想線を設定しておき、
前記スポット径の中心が該走査用仮想線を通るレーザ光の走査を、複数の各走査用仮想線について順繰りに行うことによって、その各走査用仮想線において走査方向に延びる切断溝を形成し、この順繰りに行う一巡の走査の行程を、複数回繰返すレーザ加工工程を含めることで被切断材を切断することを特徴とするレーザ切断方法。 A laser beam irradiated at a predetermined spot diameter is scanned along the planned cutting line of the material to be cut to form a cutting groove extending in the scanning direction on the surface of the material to be cut, and the scanning is performed on the cutting groove. In a laser cutting method of cutting a material to be cut by repeating a plurality of times,
Along the planned cutting line in the material to be cut, within the range of the spot diameter, a plurality of virtual lines for scanning are set by shifting,
Scanning the laser beam with the center of the spot diameter passing through the scanning virtual line is sequentially performed for each of the plurality of scanning virtual lines, thereby forming a cutting groove extending in the scanning direction in each scanning virtual line, A laser cutting method characterized by cutting a material to be cut by including a laser processing step in which the scanning process performed in this order is repeated a plurality of times.
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