JP6428450B2 - Method and apparatus for remote laser cutting of thin steel sheet - Google Patents
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Description
本発明は、薄鋼板の切断方法とその装置に関わり、特に、アシストガスを用いることができないリモートレーザを用いて、薄鋼板を切断する方法とその装置に関するものである。 The present invention relates to a method and apparatus for cutting a thin steel sheet, and more particularly to a method and apparatus for cutting a thin steel sheet using a remote laser that cannot use assist gas.
鋼板等の板状素材は、プレス機械などのプレス加工装置を使用して、曲げや絞り成形などの加工を施して所定形状のプレス品に成形されるもので、例えば、自動車を構成する骨格などに成形される。プレス加工が施されたプレス品は、製品部領域の周縁部に付帯した非製品部領域を有し、非製品部領域は、製品部領域周縁の外形に沿って切断(トリミング)される。また、製品部領域に開口部が形成されることがある。 A plate-like material such as a steel plate is formed into a pressed product of a predetermined shape by performing a process such as bending or drawing using a press processing device such as a press machine. For example, a skeleton constituting an automobile, etc. To be molded. The press product subjected to the press work has a non-product portion area attached to the peripheral portion of the product portion region, and the non-product portion region is cut (trimmed) along the outer shape of the periphery of the product portion region. Moreover, an opening part may be formed in a product part area | region.
一方、自動車用の部品は、地球環境問題に端を発した自動車の軽量化ニーズにより、高強度化が求められるようになってきている。引張強さが980MPaを超えるような自動車用の高強度鋼板は降伏強度が高く、このような高強度鋼板のプレス品のトリミングを、プレスによるシャー切断で行うと、切断端部の残留応力が高くなり、水素脆化(置き割れ、遅れ破壊とも呼ばれることがある)が生じやすくなる。 On the other hand, parts for automobiles are required to have high strength due to the need for weight reduction of automobiles originated from global environmental problems. High-strength steel sheets for automobiles with a tensile strength exceeding 980 MPa have high yield strength. When trimming a press product of such high-strength steel sheets by shear cutting with a press, the residual stress at the cut end is high. Therefore, hydrogen embrittlement (sometimes referred to as crazing or delayed fracture) is likely to occur.
それに対して、高強度鋼板のプレス品のトリミングを、レーザビームを用いて行えば、水素脆化などの問題は生じない。従来のレーザ切断法では、切断点において、レーザビームと同軸となるように設置したガスノズルからアシストガスを噴射し、その動圧によって、レーザビームで加熱溶融された溶融金属や酸化物(ドロス)を被加工部材の裏面に排除している。そのため、アシストガスを切断点に噴射できるように、アシストガスを噴出させるガスノズルが設置された集光ヘッドを切断点に移動させている。この場合、被加工部材の切断をしない部位上の集光ヘッドの移動時間が空走時間となってしまい、切断に多大な時間がかかり、コスト高となってしまう。 On the other hand, if trimming of a high-strength steel sheet press product is performed using a laser beam, problems such as hydrogen embrittlement do not occur. In the conventional laser cutting method, an assist gas is injected from a gas nozzle installed so as to be coaxial with the laser beam at the cutting point, and the molten metal or oxide (dross) heated and melted by the laser beam is generated by the dynamic pressure. Excluded on the back of the workpiece. Therefore, the condensing head provided with the gas nozzle for ejecting the assist gas is moved to the cutting point so that the assist gas can be injected to the cutting point. In this case, the moving time of the condensing head on the part where the workpiece is not cut becomes idle time, and it takes a lot of time for cutting, resulting in high cost.
一方、リモートレーザ切断では、レーザビームをガルバノスキャナによって、一定範囲内を自由に操作し、切断することが可能である。一つの切断を終了後、リモートヘッドを移動させつつ、ガルバノスキャナを用いて次の切断を開始すれば、リモートヘッドだけを移動させる空走時間が不要となる。しかしながら、リモートレーザ切断では、レーザビームと同軸となるようにガスノズルを設置して、アシストガスを噴射することができないため、溶融金属などを排除できない。そのため、箔などの極薄の被加工部材に対しては、レーザ光のパワー密度を高くすることによって、リモートレーザ切断が可能であるが、1〜2mm程度の板厚の自動車用の高強度鋼板などにおいては、溶接は可能であっても、切断は困難であった。 On the other hand, in remote laser cutting, a laser beam can be freely operated within a certain range by a galvano scanner and cut. If the next cutting is started using the galvano scanner while moving the remote head after one cutting is completed, the idle time for moving only the remote head is not necessary. However, in remote laser cutting, the gas nozzle is installed so as to be coaxial with the laser beam and the assist gas cannot be injected, so that molten metal or the like cannot be excluded. Therefore, for ultra-thin workpieces such as foil, it is possible to perform remote laser cutting by increasing the power density of the laser beam, but a high-strength steel sheet for automobiles having a thickness of about 1 to 2 mm. In some cases, cutting was difficult even though welding was possible.
このような状況のもと、特許文献1には、リモートレーザ切断において、被加工部材の被切断領域の表裏を箱体で覆い、表側(レーザビーム照射側)を正圧、裏面を負圧として圧力差を設け、その圧力差によって、溶融金属などを被加工部材の裏面に飛散させる技術が開示されている。しかしながら、特許文献1に開示の技術では、箱体の設置が大がかりになること、レーザビームを透過できる表側の箱体がスパッタやヒュームにより汚損され、レーザビームの透過性が安定しないこと、及び、前記汚損された部分でレーザビームが吸収され、それにより発熱し、表側箱体が破損することがあった。
Under such circumstances, in
また、リモートレーザ切断ではない通常のレーザ切断において、加熱溶融された溶融金属などを飛散させる技術の一つとして、特許文献2には、レーザ切断装置に、レーザ発振パルスに同期した振動を被加工部材に加える加振手段を備える技術が開示されている。この特許文献2に開示の技術では、レーザビームと共にアシストガスを噴射させない場合、上下に振動する被加工部材の下向きの加速度が最大の時に、レーザ光のパルスを発振させ、レーザビームの熱によって溶融金属などが生成すると同時に、振動により溶融金属などに加わる上向きの慣性力を最大として、溶融金属などを被加工部材から上方に飛散して、除去するとされている。
In addition, as one of the techniques for scattering molten metal that has been heated and melted in normal laser cutting that is not remote laser cutting,
そこで、特許文献2に開示の技術をリモートレーザ切断装置に適用したところ、被加工部材から上方に飛散した溶融金属などが、被加工部材の上方に位置するリモートヘッドの保護ガラスに付着してしまい、付着物がレーザビームが保護ガラスを透過するのを妨げ、レーザビームの透過性が安定せず、リモートレーザ切断の続行が困難になることがあった。また、パルスレーザは、瞬時パワーの高い光を間欠的に出射するレーザであり、微細な切断及び微細な表面加工に有効であるが、自動車用の高強度鋼板プレス品のトリミングなどに対しては、より高速で切断可能な連続波レーザが望まれていた。
Therefore, when the technique disclosed in
本発明は、このような実情に鑑み、リモートレーザ切断において、装置が大がかりなることなく、安定してレーザ切断を行う方法を提供することを課題とする。 In view of such a situation, an object of the present invention is to provide a method for stably performing laser cutting without enlarging the apparatus in remote laser cutting.
そこで、本発明者らは、上記課題を解決する方法について鋭意検討した。被加工部材に対して駆動力を機械的に与え、リモートレーザ切断で生じる溶融金属を被加工部材から離脱させる方法について調査した。その結果、被加工部材を、リモートヘッドに近づく方向と遠ざかる方向に振動させる際に、被加工部材がリモートヘッドに近づく方向の最大加速度を、遠ざかる方向の最大加速度より大きくすることで、溶融金属などを被加工部材の下方、つまり、リモートヘッドから遠ざかる方向に飛散させることができることを見出した。 Therefore, the present inventors diligently studied a method for solving the above problems. A method of mechanically applying a driving force to the workpiece and detaching the molten metal generated by remote laser cutting from the workpiece was investigated. As a result, when the workpiece is vibrated in the direction approaching and away from the remote head, the maximum acceleration in the direction in which the workpiece approaches the remote head is made larger than the maximum acceleration in the direction away from the molten metal, etc. Has been found to be scattered below the workpiece, that is, in a direction away from the remote head.
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨とするところは以下の通りである。
(1)被加工部材の切断ラインに沿って連続発振させたレーザビームを照射してレーザ切断を行うリモートレーザ切断方法において、前記被加工部材のレーザビーム照射部を、リモートヘッドに近づく方向の加速度がリモートヘッドから遠ざかる方向の加速度より大きくなるように、リモートヘッドに近づく方向と遠ざかる方向に振動させて、前記被加工部材のレーザビームによって溶融した溶融金属をリモートヘッドから遠ざかる方向に飛散させることを特徴とするリモートレーザ切断方法。
(2)前記溶融金属に作用する最大加速度は、前記リモートヘッドに近づく方向の最大加速度を、リモートヘッドから遠ざかる方向の最大加速度の2倍以上、かつ、重力加速度の2倍以上とすることを特徴とする前記(1)に記載のリモートレーザ切断方法。
(3)前記振動の周波数(Hz)を、vを切断速度(m/min)として、10×v以上100×v以下とすることを特徴とする前記(1)又は(2)に記載のリモートレーザ切断方法。
(4)前記被加工部材の板厚の半分(mm)と前記振動の振幅(mm)とを足した数値を前記リモートヘッドの焦点距離の2%以下とすることを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれかに記載のリモートレーザ切断方法。
(5)前記(1)〜(4)のいずれかに記載のリモートレーザ切断方法を実行するリモートレーザ切断装置であって、リモートレーザ装置と、被加工部材の加振装置とを有することを特徴とするリモートレーザ切断装置。
The present invention has been made based on the above findings, and the gist thereof is as follows.
(1) In a remote laser cutting method of performing laser cutting by irradiating a laser beam continuously oscillated along a cutting line of a workpiece, the laser beam irradiation portion of the workpiece is accelerated in a direction approaching a remote head. Oscillating in the direction approaching and moving away from the remote head so that the acceleration is larger than the acceleration in the direction moving away from the remote head, and the molten metal melted by the laser beam of the workpiece is scattered in the direction moving away from the remote head. A featured remote laser cutting method.
(2) The maximum acceleration acting on the molten metal is such that the maximum acceleration in the direction approaching the remote head is at least twice the maximum acceleration in the direction away from the remote head and at least twice the gravitational acceleration. The remote laser cutting method according to (1) above.
(3) The frequency according to (1) or (2), wherein the frequency (Hz) of the vibration is 10 × v or more and 100 × v or less, where v is a cutting speed (m / min). Laser cutting method.
(4) The value obtained by adding half (mm) of the plate thickness of the workpiece and the amplitude (mm) of the vibration is 2% or less of the focal length of the remote head (1) The remote laser cutting method according to any one of to (3).
(5) A remote laser cutting device for executing the remote laser cutting method according to any one of (1) to (4), including a remote laser device and a vibration device for a workpiece. Remote laser cutting device.
本発明によれば、集光ヘッドの空走時間を無くし、切断コストを下げることができる。 According to the present invention, it is possible to eliminate idle time of the condensing head and reduce the cutting cost.
本発明のリモートレーザ切断方法(以下、「本発明の切断法」という)は、被加工部材に連続発振させたレーザビームを照射してリモートレーザ切断を行う方法において、被加工部材のレーザビーム照射部を、リモートヘッドに近づく方向の加速度がリモートヘッドから遠ざかる方向の加速度より大きくなるように、リモートヘッドに近づく方向と遠ざかる方向に振動させて、レーザビームによって溶融した溶融金属に働く慣性力によって、溶融金属をリモートヘッドから遠ざかる方向に飛散させるものである。
これにより、リモートレーザを利用して、被加工部材を切断することができるため、集光ヘッドの空走時間を無くすことができ、また、大がかりなレーザ切断装置とすることなく、レーザ切断の際により生じる溶融金属を、被加工部材の下方であるリモートヘッドから遠ざかる方向に飛散させることができる。
The remote laser cutting method of the present invention (hereinafter referred to as “the cutting method of the present invention”) is a method of performing remote laser cutting by irradiating a workpiece with a laser beam continuously oscillated. By the inertial force acting on the molten metal melted by the laser beam, the part is vibrated in the direction approaching and away from the remote head so that the acceleration in the direction approaching the remote head is larger than the acceleration in the direction away from the remote head. The molten metal is scattered in a direction away from the remote head.
As a result, the workpiece can be cut using a remote laser, so that the free running time of the condensing head can be eliminated, and the laser cutting can be performed without using a large-scale laser cutting device. The molten metal generated by the above can be scattered in the direction away from the remote head below the workpiece.
以下、本発明の切断法に至った検討の経緯について説明する。
リモートレーザ切断では、レーザビームと同軸にアシストガスを噴射できないため、自動車用の高強度鋼板などのトリミングにおいては、切断により生じる溶融金属を排除することができず、また、従来のリモートレーザ切断においては、被加工部材の切断で生じる溶融金属の除去に対して、大がかりな装置で対応していたため、改善することが望まれていた。
Hereinafter, the background of the study that led to the cutting method of the present invention will be described.
In remote laser cutting, the assist gas cannot be injected coaxially with the laser beam. Therefore, in the trimming of high-strength steel sheets for automobiles, molten metal generated by cutting cannot be excluded, and in conventional remote laser cutting, Has been desired to improve the removal of the molten metal generated by cutting the workpiece by using a large-scale apparatus.
そこで、本発明者らは、連続発振させたレーザ光を用いて、レーザ切断で生じる溶融金属を下方、つまり、リモートヘッドから遠ざかる方向に飛散させる方法について、検討した。その結果、被加工部材の少なくともレーザビーム照射部を、レーザ発振源に近づく方向と遠ざかる方向に振動させる際に、リモートヘッドに近づく方向の加速度をリモートヘッドから遠ざかる方向の加速度より大きくすることを着想した。 Accordingly, the present inventors have studied a method of scattering the molten metal generated by laser cutting downward, that is, in a direction away from the remote head, using continuously oscillated laser light. As a result, when oscillating at least the laser beam irradiation part of the workpiece in a direction away from the laser oscillation source and away from it, the acceleration in the direction approaching the remote head is made larger than the acceleration in the direction away from the remote head. did.
すなわち、被加工部材にリモートヘッドに近づく方向又はリモートヘッドから遠ざかる方向の加速度が加わると、レーザ光によって溶融した溶融金属などには、加速方向と逆向きに慣性力が働く。そこで、溶融金属をリモートヘッドから遠ざかる方向へ飛散させるためには、被加工部材に対して、リモートヘッドに近づく方向に加速度が働いている間に、溶融金属を被加工部材から離脱させ、リモートヘッドから遠ざかる方向に加速度が働いている間は、溶融金属を被加工部材に留まらせることで達成される。 That is, when acceleration in a direction approaching the remote head or away from the remote head is applied to the workpiece, an inertial force acts on the molten metal melted by the laser beam in the direction opposite to the acceleration direction. Therefore, in order to disperse the molten metal away from the remote head, the molten metal is separated from the workpiece while the acceleration is acting in the direction approaching the remote head with respect to the workpiece, and the remote head This is achieved by allowing the molten metal to remain on the workpiece while the acceleration is moving away from the workpiece.
これを実現するには、被加工部材をリモートヘッドに近づく方向と遠ざかる方向に振動させる際に、リモートヘッドに近づく方向の加速度とリモートヘッドから遠ざかる方向の加速度に差を設ければ、溶融金属に上向きの慣性力より下向きの慣性力が大きくなり、溶融金属が優先的に下方に飛散し除去できる。 To achieve this, when the workpiece is vibrated in the direction approaching and away from the remote head, if the difference between the acceleration in the direction approaching the remote head and the acceleration in the direction away from the remote head is provided, the molten metal The downward inertial force is greater than the upward inertial force, and the molten metal can be scattered and removed preferentially.
そこで、本発明者らは、以下に説明する、被加工部材のレーザビーム照射部を、リモートヘッドに近づく方向の加速度をリモートヘッドから遠ざかる方向の加速度より大きくなる、被加工部材の振動手段を用いて、レーザ切断を行うことを着想した。 Therefore, the present inventors use a vibration means for the workpiece to be processed, in which the laser beam irradiation portion of the workpiece to be described below has an acceleration in a direction approaching the remote head greater than an acceleration in a direction away from the remote head. The idea was to perform laser cutting.
図1に、被加工部材を振動させながら切断する方法の概略を示す。被加工部材1と対向して、リモートレーザ切断装置のロボット2に取り付けたリモートヘッド3を配置する。以下、被加工部材1からリモートヘッド3に向かう方向を上方といい、それの反対方向を下方ということもある。リモートヘッド3には、レーザ発振器(図示せず)よりレーザ光を伝送する光ファイバー4が接続されている。光ファイバー4によりリモートヘッド3に伝送されたレーザ光を、照射方向を変更させるミラー5(代表して1枚のみ示す)によって反射させ、長焦点のレーザビーム6として被加工部材1上の未来切断位置7a、7bに照射する。そして、レーザビーム6を未来切断位置7aに沿って走査することで、既切断部8を形成する。
FIG. 1 shows an outline of a method of cutting a workpiece while vibrating it. A
このリモートレーザ切断装置では、レーザビーム6をミラー5によって、一定範囲内を自由に操作し、切断することが可能となる。例えば、未来切断位置7aの切断が終了後、リモートヘッド3をロボット2により移動させつつ、ミラー5を用いて未来切断位置7bの切断を開始することができ、リモートヘッド3だけを移動させる空走時間が不要となる。
In this remote laser cutting device, the
そして、レーザビーム6を被加工部材1上の未来切断位置7a、7bを走査する際に、バネ9とカム10で構成される振動手段により、被加工部材1を白抜き矢印で示される上下方向に振動させる。カム10は、円板状部分と、円板中心から外周方向に突出した突出部分とを有している。カム10をカム回転軸11により回転させると、被加工部材1は、円板状部分と接触している間は、上下方向にほぼ移動せず、突出部分と接触する(突出部分に叩かれる)と、上方に突上げられ、リモートヘッド3に向かう方向に加速度が与えられる。その後、被加工部材1は、バネ9により下方へ押し戻される。このバネ9とカム10の一連の動作の継続により、被加工部材1は上下に移動(振動)する。
When the
次に、バネ9とカム10で構成される振動手段の動作について、詳しく説明する。図2は、振動手段の動作を示す図である。図2(a)から図2(e)のそれぞれの図は、図1のバネ9とカム10の部分の拡大図であり、白抜き矢印で示すように、図2(a)から図2(e)に向かって、カム10の回転位置と被加工部材1の位置の経時変化を示している。なお、カム10の回転位置と被加工部材1の位置は、図2(e)から図2(a)の状態に再び戻る。また、図3は、カムとバネによって振動させられる被加工部材の速度と加速度を示す図である。図3の(a)から(e)は、図2(a)から図2(e)のカム10の回転位置に対応した被加工部材1の速度と加速度を示している。
Next, the operation of the vibration means composed of the
図2において、バネ9は、バネ支え12(図1では図示せず)により被加工部材1と接触する側と反対側の端部が支持される。この状態でカム回転軸位置11を上下左右方向に固定し、カム回転軸11を図2(a)の黒矢印の方向に回転させて、カム10を回転させる。図2(a)では、被加工部材1は、カム9の円板状部分と接触しており、突出部分と接触する直前を示している。その後、図2(b)では、被加工部材1は、突出部分と接触し、又は、突出部分に叩かれ、急速に突上げられている。この時、レーザビーム6によって溶融された溶融金属には、リモートヘッド3からカム10の方向(下方)への慣性力が与えられ、重力の効果と合わさって、溶融金属は下方へ飛散する。
In FIG. 2, the end of the
図2(a)から図2(b)における被加工部材1の速度は、図3の上段図(イ)の時間に対する(カム10の回転位置に対応する)速度の関係の図から、カム10によって突上げられ、速くなることがわかる。そして、図3の下段図(ロ)の時間に対する(カム10の回転位置に対応する)加速度の関係の図から、被加工部材1は、カム10によって、突上げられ、リモートヘッド3の方向(上方)への大きな加速度が与えられることがわかる。
The speed of the
図2(b)から図2(c)では、突き上げられた被加工部材1の上方への速度は、バネ9により徐々に抑制され、被加工部材1は、下方へ移動方向を転じようとしている。図2(b)から(c)における被加工部材1の上方への速度は、図3の上段図(イ)から、バネ9により徐々に抑制されて遅くなり、(c)において、被加工部材1の速度は、ゼロになっている。
In FIG. 2 (b) to FIG. 2 (c), the upward speed of the
図2(c)から図2(d)では、被加工部材1は、バネ9の押し戻す力によって下方へ移動している。図2(c)から(d)における被加工部材1の下方への速度は、図3の上段図(イ)から、バネ9の押し戻す力によって所定の値となるが、絶対値において、図2(a)から図2(b)における被加工部材1の速度より遅い。そして、図3の下段図(ロ)から、(c)から(d)における被加工部材1の加速度は、徐々に低下している。
In FIG. 2C to FIG. 2D, the
図2(d)から図2(e)では、被加工部材1は、バネ9の押し戻す力によって下方へ移動し、図2(e)において、カム10と接触する。図2(d)から(e)における被加工部材1の下方への速度は、図3の上段図(イ)から、バネ9の押し戻す力が弱くなり、徐々に低下し、ゼロになり、被加工部材1の上下方向の移動(振動)は、一旦、停止する。そして、図3の下段図(ロ)から、(d)から(e)における被加工部材1の加速度は、徐々に低下している。
In FIG. 2D to FIG. 2E, the
その後、被加工部材1は、再び、図2(e)から図2(a)の状態をとり、一連の上下方向の移動を繰り返すが、図2(e)から図2(a)では、被加工部材1がカム9の円板状部分と接触しており、その間は、上下方向の移動はなく、図3から、被加工部材1の速度及び加速度はゼロとなることがわかる。
Thereafter, the
このように、被加工部材1が急速にカム10に突き上げられる移動を含む一連の上下方向の移動、すなわち、被加工部材1を、リモートヘッド2に近づく方向の加速度がリモートヘッド2から遠ざかる方向の加速度より大きくなるように振動させることで、レーザ切断により生じる溶融金属などを、被加工部材の下方であるリモートヘッドから遠ざかる方向に飛散させることができる。
In this manner, a series of vertical movements including movement in which the
本発明は、以上のような検討過程を経て上記(1)に記載の発明に至ったものであり、そのような本発明について、さらに、必要な要件や好ましい要件について順次説明する。 The present invention has reached the invention described in the above (1) through the examination process as described above, and the necessary and preferred requirements will be further described in order.
本発明の切断法は、被加工部材のレーザビーム照射部を、リモートヘッドに近づく方向と遠ざかる方向に振動させるものであり、リモートヘッドに近づく方向の加速度をリモートヘッドから遠ざかる方向の加速度より大きくする点に特徴を有するため、まず、被加工部材の振動方法について説明する。 In the cutting method of the present invention, the laser beam irradiation part of the workpiece is vibrated in the direction approaching and away from the remote head, and the acceleration in the direction approaching the remote head is made larger than the acceleration in the direction away from the remote head. Since it has the feature in a point, the vibration method of a to-be-processed member is demonstrated first.
(被加工部材への振動)
リモートヘッド3からカム方向(下方)へ溶融金属を飛散させるために、被加工部材1のレーザビーム6の照射部を、リモートヘッド3に近づく方向と遠ざかる方向に振動させるが、下方へ効率良く、溶融金属を飛散させるためには、振動方向と板厚方向がほぼ一致するように振動させる。つまり、被加工部材1のレーザビーム6の照射部からリモートヘッド3側への移動距離Aと、被加工部材1のレーザビーム6の照射面の他の個所(例えば、中心部、端部)からリモートヘッド3側への移動距離B、移動距離Cなどとを、同等、例えば、移動距離Aと、移動距離Bや移動距離Cとの差分が移動距離Aの10%以下とする。
(Vibration to workpiece)
In order to scatter the molten metal from the
そして、レーザ切断中に、リモートヘッド3に近づく方向と遠ざかる方向に、振動手段の振幅を超えて、被加工部材1を移動させると、レーザビーム6の焦点位置と被加工部材1の照射部との相対的な位置がずれてしまい、被加工部材1を溶融させるのに必要なレーザビーム6のパワー密度を維持することが困難になる。そのため、レーザ切断中に、被加工部材1の上下方向の位置は移動しないようにする。ただし、レーザ切断の間に、リモートヘッド3に近づく方向と遠ざかる方向に被加工部材1を振動の振幅を超えて移動させても、切断箇所が少なければ、リモートヘッド3の焦点位置補正機能によって、被加工部材1の切断に必要なパワー密度を維持すること、つまり、焦点付近に被加工部材1を維持することが可能である。
When the
なお、本発明の切断法では、レーザ切断において、被加工部材1を振動させているが、振動の振幅が焦点距離の1%程度(例えば、振動の振幅が5mm程度)であるため、被加工部材1を溶融させるのに必要なレーザビーム1のパワー密度を維持することができる。
In the cutting method of the present invention, the
本発明の切断法における被加工部材の振動方法に関し、図1及び図2を用いて、バネとカムにより被加工部材を振動させることを説明したが、次に、本発明の切断法の他の例を説明する。 Regarding the vibration method of the workpiece in the cutting method of the present invention, it has been explained using FIG. 1 and FIG. 2 that the workpiece is vibrated by a spring and a cam. An example will be described.
図4は、被加工部材を振動させながら切断する方法の他の例の概略を示す図である。被加工部材1は、当該被加工部材1を挟み、バネ支え(図示せず)によって、被加工部材1と接する反対側の端部が支持されるバネ9の対によって拘束されている。そして、被加工部材1のリモートヘッド(図示せず)と対向する側(上方)には、大きな加速度で被加工部材1を引き上げるために、電磁石12が設けられている。なお、図4では、バネ9の対と電磁石12との組を被加工部材の角部近傍に4組配置しているが、これに限定されるものでなく、被加工部材の質量、形状、寸法などにより、バネ9の対と電磁石12との組数及び配置は調整することができる。
FIG. 4 is a diagram showing an outline of another example of a method of cutting while vibrating a workpiece. The
続いて、図4の被加工部材の振動方法の動作について説明する。また、図5は、電磁石とバネによって振動させられる被加工部材の速度と加速度を示す図である。図5の上段図(イ)に示すように、電磁石14に電流を流し磁力によって被加工部材1を引き上げると、図5の中段図(ロ)及び(ハ)に示すように、被加工部材1は急速に上方へ移動し、その後、被加工部材1の移動に伴って、上方のバネ9が圧縮され、上方への加速度は徐々に小さくなる。
Next, the operation of the method for vibrating the workpiece in FIG. 4 will be described. FIG. 5 is a diagram showing the speed and acceleration of a workpiece to be vibrated by an electromagnet and a spring. As shown in the upper diagram (A) of FIG. 5, when a current is passed through the
続いて、図5の上段図(イ)に示すように、電磁石12の電流を止めると、図5の中段図(ハ)に示すように、被加工部材1は、所定の加速度で、バネ9によって下方に押し戻される。被加工部材1が押し戻されると、下方のバネ9が圧縮され、被加工部材1を上方へ押し戻す力が強くなり、被加工部材1は、上下のバネ9の伸び縮みの無い中立位置に止まろうとするが、図5に示すように、再び、電磁石12に電流を流し磁力によって被加工部材1を再び上方へ引き上げる。この一連の動きによって、リモートヘッドに近づく方向の加速度がリモートヘッドから遠ざかる方向の加速度より大きくなる振動が、被加工部材1に加えられる。また、図5より、電磁石14に電流を流し始めにおける被加工部材1に対する上方への加速度は、下方への加速度より、大きいことが分かる。
Subsequently, as shown in the upper diagram (A) of FIG. 5, when the current of the
ここまで、振動手段として、バネ、カム又は電磁石を用いたが、これらは、振動手段の一例であり、限定されるものでない。バネは、他の弾性体に変更でき、弾性体は、被加工部材の下方への加速度に対して、上方への加速度を大きくできる弾性特性を有するものを、被加工部材の質量、形状や、切断速度、被加工部材の上下方向の速度を考慮して、選択すればよい。また、カムの形状は、被加工部材を突上げる構造を有し、切断中に繰り返し被加工部材を上下方向に移動させることができる所定の強度を有していれば、特に限定されるものでない。また、電磁石は、電流を流して被加工部材を引き上げられる能力を有していればよく、特に限定されるものでない。さらに、被加工部材を、ストッパーに衝突させて、リモートヘッドから遠ざかる下向きの速度を急速に失わせてもよい。 So far, a spring, a cam or an electromagnet has been used as the vibration means, but these are examples of the vibration means and are not limited. The spring can be changed to another elastic body, and the elastic body has an elastic characteristic that can increase the acceleration upward relative to the acceleration downward of the workpiece, the mass, shape of the workpiece, The selection may be made in consideration of the cutting speed and the vertical speed of the workpiece. The shape of the cam is not particularly limited as long as it has a structure that pushes up the workpiece and has a predetermined strength that can repeatedly move the workpiece in the vertical direction during cutting. . Further, the electromagnet is not particularly limited as long as it has an ability to pull up the workpiece by passing an electric current. Furthermore, the workpiece may collide with the stopper, and the downward speed away from the remote head may be rapidly lost.
(リモートヘッドに近づく方向の加速度)
本発明の切断法では、被加工部材を、リモートヘッドに近づく方向の最大加速度がリモートヘッドから遠ざかる方向の最大加速度より大きくするが、その際のリモートヘッドに近づく方向の最大加速度は、切断速度や、レーザビームによって溶融した溶融金属の性質に応じて、溶融金属が下方へ飛散できる加速度となるように設定すればよい。ただし、溶融金属に働くリモートヘッドに近づく方向の最大加速度を、リモートヘッドから遠ざかる方向の最大加速度の2倍以上、かつ、重力加速度の2倍以上とすることで、効率よく溶接金属をリモートヘッドから遠ざかる方向へ飛散させることができる。例えば、下向きに切断する場合、被加工部材に、リモートヘッドに近づく方向に重力以上の加速度を作用させれば、溶融金属には、それ自身に重力が働いているため、この重力加速度と合わせてリモートヘッドから遠ざかる方向に重力加速度の2倍以上の加速度が働くことになる。リモートヘッドに近づく方向の被加工物に作用させる最大加速度は、10〜50m/s2が例示される。
(Acceleration toward the remote head)
In the cutting method of the present invention, the maximum acceleration in the direction approaching the remote head is made larger than the maximum acceleration in the direction away from the remote head, and the maximum acceleration in the direction approaching the remote head at that time is the cutting speed or Depending on the properties of the molten metal melted by the laser beam, the acceleration may be set so that the molten metal can be scattered downward. However, the maximum acceleration in the direction approaching the remote head acting on the molten metal is more than twice the maximum acceleration in the direction away from the remote head and more than twice the gravitational acceleration, so that the weld metal can be efficiently removed from the remote head. It can be scattered away. For example, when cutting downward, if an acceleration greater than gravity is applied to the workpiece in the direction approaching the remote head, the molten metal has its own gravity, so this gravity acceleration is combined. The acceleration more than twice the gravitational acceleration acts in the direction away from the remote head. The maximum acceleration to be applied to the workpiece in the direction approaching the remote head is exemplified by 10 to 50 m / s 2 .
(振動の周波数)
リモートヘッドに近づく方向と遠ざかる方向に振動させる振動の周波数(Hz)は、vを切断速度(m/min)として、10×v以上100×v以下とするとよい。図6に、レーザ切断の様子を示す。図6(a)は、振動の周波数を10×v(Hz)未満としてレーザ切断した様子を示し、図6(b)は、振動の周波数を100×v(Hz)超としてレーザ切断した様子を示す。被加工部材1のレーザビーム照射部15にレーザビーム6を照射しながら、矢印で示す切断進行方向にレーザビーム6を移動させる際に、被加工部材1への振動の周波数を10×v(Hz)未満とすると、長時間、溶融金属16を飛散させないことになり、図6(a)に示すように、溶融金属16が飛散されないまま、切断進行方向の反対側に長く伸び、その結果、凝固してしまい、被加工部材を切断できないことがある。
(Vibration frequency)
The frequency (Hz) of vibration that vibrates in the direction approaching and moving away from the remote head is preferably 10 × v or more and 100 × v or less, where v is the cutting speed (m / min). FIG. 6 shows the state of laser cutting. FIG. 6A shows a state of laser cutting with a vibration frequency less than 10 × v (Hz), and FIG. 6B shows a state of laser cutting with a vibration frequency exceeding 100 × v (Hz). Show. When the
また、溶融金属16は、切断進行方向の固体壁面に張り付いているが、被加工部材1のレーザビーム照射部15にレーザビーム6を照射しながら、矢印で示す切断進行方向にレーザビーム6を移動させる際に、振動の周波数を100×v(Hz)超とすると、周期が短いため、1回の振動の際に飛散させる溶融金属16の量が少なく、図6(b)に示すように、固体壁面との接触面積の割に溶融金属16の質量が小さくなってしまう。このため、慣性力(=溶融金属の質量×加速度)が小さく、溶融金属16を固体壁面から引き剥がすことが困難となり、被加工部材を切断できないことがある。また、振動の周波数は、10〜200Hzが例示される。
Further, the
(振動の振幅)
被加工部材の板厚の1/2(mm)と振動の振幅(mm)とを足した数値をリモートレーザ切断に用いるリモートヘッドの焦点距離の0.02倍(2%)以下とすると良い。リモートヘッドの焦点距離の±2%を超えた範囲で切断すると、ビーム径が広くなり過ぎ、被加工部材を溶融させるのに必要なパワー密度を、板厚全体にわたって維持できないことがある。焦点距離が500mmのリモートヘッドを用いる場合、被加工物の板厚の半分と振動の振幅の合計を10mm以内とする。より望ましくは、被加工部材の板厚の半分(mm)と振動の振幅(mm)とを足した数値をリモートレーザ切断に用いるリモートヘッドの焦点距離の1%以下とすると良い。
(Amplitude of vibration)
A value obtained by adding 1/2 (mm) of the plate thickness of the workpiece and the amplitude of vibration (mm) may be 0.02 times (2%) or less of the focal length of the remote head used for remote laser cutting. If the cutting is performed in a range exceeding ± 2% of the focal length of the remote head, the beam diameter becomes too wide, and the power density required to melt the workpiece may not be maintained over the entire plate thickness. When a remote head with a focal length of 500 mm is used, the total of the plate thickness of the workpiece and the vibration amplitude is within 10 mm. More preferably, a value obtained by adding half (mm) of the plate thickness of the workpiece and the amplitude (mm) of vibration is 1% or less of the focal length of the remote head used for remote laser cutting.
(被加工部材)
本発明の切断法では、被加工部材は特に限定されるものでなく、曲げ加工、プレス加工などが施されていてもよい。被加工部材の形状も、特に限定されるものでなく、例えば、図1において、リモートヘッド2側からみたとき、矩形状、円形状、楕円形状などいかなる形状でもよい。また、被加工部材1の板厚は、0.4mm超5.0mm未満とすることが好ましい。板厚が0.4mm以下であれば、被加工部材を振動させなくとも、リモートレーザ切断ができる。また、板厚が5.0mm以上になると、切断速度が遅くなり、空走時間の短縮による効率化の効果が小さくなることがある。板厚は、好ましくは0.5〜2.3mmである。また、被加工部材1の鋼種や成分組成は、特に限定されない。このような被加工部材として、自動車用の高強度鋼板プレス品が有効である。
(Work piece)
In the cutting method of the present invention, the member to be processed is not particularly limited, and bending or pressing may be performed. The shape of the workpiece is not particularly limited, and may be any shape such as a rectangular shape, a circular shape, or an elliptical shape when viewed from the
(リモートレーザ装置)
被加工部材1にリモートヘッド3からレーザビーム6を照射するリモートレーザ装置は、高出力のレーザ光を発振できる発振器を有していれば、特に限定されるものでない。そのような発振器として、ファイバレーザ、YAGレーザ、ディスクレーザ、半導体レーザ、炭酸ガスレーザなどが例示される。レーザ光の出力やビーム径は、被加工部材1の材質や板厚によって、調整すればよく、出力は1〜10kW、ビーム径は0.3〜1.0mmが例示される。
(Remote laser device)
The remote laser device that irradiates the
レーザビーム6の移動は、リモートヘッド3内でミラー5のスキャンにより行い、被加工部材上のレーザビーム6の走査速度(切断速度)は、切断できる範囲から選択すればよく、特に限定されるものでないが、1〜100m/minが例示される。好ましくは、5〜20m/minである。
The movement of the
次に、本発明の実施例について説明するが、実施例での条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。 Next, examples of the present invention will be described. The conditions in the examples are one example of conditions used for confirming the feasibility and effects of the present invention, and the present invention is based on this one example of conditions. It is not limited. The present invention can adopt various conditions as long as the object of the present invention is achieved without departing from the gist of the present invention.
被加工部材を自動車用の高強度鋼板プレス品として、本発明の切断法を用いて切断を実施した。図7は、自動車用の高強度鋼板プレス品を切断する概略を示す図である。図7の自動車用の高強度鋼板プレス品17は、1500〜1800MPaホットスタンプ材からなり、板厚1.6mmのセンターピラー18のトリミング前のものであり、センターピラー18が得られるように、プレス品17の斜線領域を取り除く。
The workpiece was cut as a high-strength steel plate press for automobiles using the cutting method of the present invention. FIG. 7 is a diagram showing an outline of cutting a high-strength steel plate press for automobiles. The high-strength
センターピラー18の外周のプレス品17の斜線領域に、リモートヘッドからのレーザビーム6を照射して貫通孔を形成した。なお、プレス品17の斜線領域が少なく、斜線領域の端部から切断位置まで距離が短い場合は、貫通孔を形成せずに、端部から本発明の切断法を適用できる。
A through-hole was formed by irradiating the
プレス品17の斜線領域に貫通孔を形成した後、バネ9及びカム10(図示せず)で構成される加振装置を用いて、プレス品17をリモートヘッドに近づく方向の加速度がリモートヘッドから遠ざかる方向の加速度より大きくなるように、リモートヘッドに近づく方向と遠ざかる方向に振動させて、プレス品17にレーザビーム6を照射して切断した。
After a through-hole is formed in the shaded area of the
レーザビームは、レーザ光の出力を5kW、焦点距離500mmでビーム径0.6mmに集光した。センターピラー18の板厚1.6mmの半分の0.8mmと振動の振幅1.0mmとを足した1.8mmは、焦点距離の0.36%である。また、切断条件は、レーザビームの走査速度(切断速度)5m/min、リモートヘッドに近づく方向の最大加速度を20m/s2、リモートヘッドから遠ざかる方向の最大加速度を7m/s2、振動の周波数を60Hzとした。
The laser beam was focused to a beam diameter of 0.6 mm with a laser beam output of 5 kW and a focal length of 500 mm. 1.8 mm obtained by adding 0.8 mm which is half of the plate thickness 1.6 mm of the
これにより、切断されたセンターピラー18は、プレス品17をシャー切断で切断する場合と比べ、切断端面の残留応力が低減し、水素脆化を抑制することができた。
Thereby, compared with the case where the
本発明によれば、集光ヘッドの空走時間を無くし、切断コストを下げることができる。よって、本発明は、産業上の利用可能性が高いものである。 According to the present invention, it is possible to eliminate idle time of the condensing head and reduce the cutting cost. Therefore, the present invention has high industrial applicability.
1 被加工部材
2 ロボット
3 リモートヘッド
4 光ファイバー
5 ミラー
6 レーザビーム
7a 未来切断位置
7b 未来切断位置
8 既切断部
9 バネ
10 カム
11 カム回転軸
12 バネ支え
13 カム回転軸位置
14 電磁石
15 レーザビーム照射部
16 溶融金属
17 プレス品
18 センターピラー
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