JP6662397B2 - レーザ加工機およびレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工機およびレーザ加工方法に関する。

レーザ加工機は、ワークを切断することに利用されている（例えば、下記の特許文献１参照）。レーザ加工機によってワークを切断する場合、ワークにピアス穴を形成した後に、ワークとレーザヘッドとを相対移動させながらピアス穴を起点としてワークを切断する。切断加工の対象となるワークは、例えば、薄板の場合もあれば、中厚板の場合もあるし、厚板の場合もある。

特開２０１４−１８８００号公報

上述のようにレーザ光によって切断加工を行う場合、ワークの板厚によっては加工品質あるいは加工速度が低下することがある。例えば、レーザ光の出力（強度）を薄板に合わせて設定すると、厚板を切断する場合に、アシストガスがワークの下面側へ効率よく流れないこと等により切断面が揺らいでしまうことで加工品質が低下し、また切断速度が低下する。また、レーザ光の出力を厚板に合わせて設定すると、薄板にピアス穴を形成する際にスパッタ（溶融物）のワーク表面への付着が増加することで、加工品質が低下する。

本発明は、上述の事情に鑑み、ワークの板厚に応じたレーザ光に制御して、最適な加工品質、加工速度を実現することを目的とする。

本発明のレーザ加工機は、ワークの第１領域に照射されるレーザ光、及びワークのうち第１領域の周囲の第２領域に照射されるレーザ光を発生するレーザ発振部と、第１領域に照射されるレーザ光の出力および第２領域に照射されるレーザ光の出力を、ワークの板厚に基づいて、ワークにピアス穴を形成する期間とワークを切断する期間とで変化させる制御部と、を備え、制御部は、第１の板厚のワークにピアス穴を形成する期間に第２領域に照射されるレーザ光の出力と比較して、第１の板厚よりも厚い第２の板厚のワークにピアス穴を形成する期間に第２領域に照射されるレーザ光の出力を増加させ、第２の板厚のワークにピアス穴を形成する期間においてレーザ光の出力を段階的又は連続的に変化させ、第２の板厚のワークを切断する期間においてワークにピアス穴を形成する期間よりも、第１領域に照射されるレーザ光の出力を減少させる。

本発明のレーザ加工方法は、ワークの第１領域に照射されるレーザ光を発生することと、ワークのうち第１領域の周囲の第２領域に照射されるレーザ光を発生することと、第１領域に照射されるレーザ光の出力および第２領域に照射されるレーザ光の出力を、ワークの板厚に基づいて、ワークにピアス穴を形成する期間とワークを切断する期間とで変化させることと、を含み、第１の板厚のワークにピアス穴を形成する期間に第２領域に照射されるレーザ光の出力と比較して、第１の板厚よりも厚い第２の板厚のワークにピアス穴を形成する期間に第２領域に照射されるレーザ光の出力を増加させることと、第２の板厚のワークにピアス穴を形成する期間においてレーザ光の出力を段階的又は連続的に変化させ、第２の板厚のワークを切断する期間においてワークにピアス穴を形成する期間よりも、第１領域に照射されるレーザ光の出力を減少させることと、をさらに含む。

また、制御部は、ワークにピアス穴を形成する期間内で第２領域に照射されるレーザ光の出力を増加させてもよい。また、制御部は、ワークを切断する際の切断幅に対してピアス穴の径が同寸法以上になるように、ワークに照射されるレーザ光のビーム径を調整してもよい。また、レーザ発振部は、第１領域に照射されるレーザ光を発生する第１発振器と、第２領域に照射されるレーザ光を発生する第２発振器と、を備え、制御部は、第１発振器の出力および第２発振器の出力を制御してもよい。また、第１発振器は、光ファイバのうち内側の内層にレーザ光を供給し、第２発振器は、光ファイバのうち内層の外側の外層にレーザ光を供給してもよい。また、制御部は、ワークに対する加工条件を定めた加工データに基づいて、第１領域に照射されるレーザ光の出力および第２領域に照射されるレーザ光の出力を制御してもよい。

本発明によれば、ワークの第１領域に照射されるレーザ光の出力と、第２領域に照射されるレーザ光の出力とを、ワークの板厚に基づいて、ピアス穴を形成する期間とワークを切断する期間とで変化させるので、レーザ光の強度分布をピアス穴の形成に適した分布とワークの切断に適した分布とに切り替えることができ、板厚、材質に適したレーザ光に制御して、最適な加工品質、加工速度を実現することができる。

また、制御部は、第１の板厚のワークにピアス穴を形成する期間に第２領域に照射されるレーザ光の出力と比較して、第１の板厚よりも厚い第２の板厚のワークにピアス穴を形成する期間に第２領域に照射されるレーザ光の出力を増加させる場合、例えば、第１の板厚のワークを加工する際に溶融物の飛散を抑制することができ、第２の板厚のワークを加工する際にアシストガスをワークの下面側へ効率よく流すことができるので、最適な加工品質、加工速度を実現することができる。また、制御部は、ワークにピアス穴を形成する期間内で第２領域に照射されるレーザ光の出力を増加させる場合、第１領域の外側の第２領域に照射されるレーザ光の出力が増加するので、ピアス穴の径を次第に広げるようにピアス穴を形成することができ、ピアス穴を最適な加工品質で形成することができる。また、制御部は、第１領域に照射されるレーザ光の出力を、ワークを切断する期間においてワークにピアス穴を形成する期間よりも減少させる場合、例えば、第１領域に照射されるレーザ光による溶融物が外側に広がることを抑制することができ、切断線を最適な加工品質で形成することができる。また、制御部は、ワークを切断する際の切断幅に対してピアス穴の径が同寸法以上になるように、ワークに照射されるレーザ光のビーム径を調整する場合、ワークの切断を開始する際の溶融物の飛散を抑制することなどができ、最適な加工品質、加工速度を実現することができる。また、レーザ照射部は、第１領域に照射されるレーザ光を発生する第１発振器と、第２領域に照射されるレーザ光を発生する第２発振器と、を備え、制御部は、第１発振器の出力および第２発振器の出力を制御する場合、第１領域と第２領域とで別の発振器を用いるので、レーザ光の出力を第１領域と第２領域とで独立して制御することが容易になる。また、第１発振器は、光ファイバのうち内側の内層にレーザ光を供給し、第２発振器は、光ファイバのうち内層の外側の外層にレーザ光を供給する場合、光ファイバの内層を介して第１領域に照射されるレーザ光の出力と、光ファイバの外層を介して第２領域に照射されるレーザ光の出力とを簡易な構成で調整することができる。また、制御部は、ワークに対する加工条件を定めた加工データに基づいて、第１領域に照射されるレーザ光の出力および第２領域に照射されるレーザ光の出力を制御する場合、例えば、第１領域に照射されるレーザ光の出力および第２領域に照射されるレーザ光の出力を自動的に制御することができ、生産性が高くなる。

実施形態に係るレーザ加工機を示す概念図である。 実施形態に係るレーザ加工機における光路、照射領域を示す概念図である。 レーザ加工機のビームモードを示す説明図である。 薄板用の加工モード、厚板用の加工モードの動作説明図である。 パルス発振を用いる際の発振器の動作を示す説明図である。 実施形態に係るレーザ加工方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら実施形態について説明する。以下の各図において、ＸＹＺ座標系を用いて図中の方向を説明する。このＸＹＺ座標系においては、鉛直方向をＺ方向とし、水平方向をＸ方向、Ｙ方向とする。

図１は、実施形態に係るレーザ加工機を示す概念図である。レーザ加工機１は、板状のワークＷに対してレーザ光ＬＢを照射し、ワークＷを切断することができる。レーザ加工機１は、ワークＷを切断する際に、まずピアス穴（貫通孔）を形成し、ピアス穴を起点としてワークＷを切断する。レーザ加工機１は、加工パレット２、加工ヘッド３、レーザ発振部４、ヘッド駆動部５、ヘッド制御部６、レーザ制御部７、及び制御装置８を備える。

加工パレット２は、例えば、矩形板状の基台上に複数の支持プレート２ａが起立した状態で形成されている。複数の支持プレート２ａは、Ｘ方向に並んで配置され、それぞれの上端が鋸歯状である。ワークＷは、複数の支持プレート２ａ上に載置され、水平面（ＸＹ平面）に沿って支持される。加工パレット２は、不図示の駆動装置によって例えばＸ方向に移動可能である。

加工パレット２は、例えば、レーザ加工を行う加工領域（加工ヘッド３の可動範囲）から離れた位置で未加工のワークＷが載置される、加工パレット２は、ワークＷを載置したまま移動することにより加工領域にワークＷを搬入する。加工ヘッド３によるレーザ加工は、加工パレット２に載置された状態のワークＷに対して行われる。レーザ加工後のワークＷは、加工パレット２に載置されたまま、加工パレット２の移動により加工領域から搬出される。なお、上記した加工パレット２は一例であって、他の形態であってもよい。例えば、鋸歯状の支持プレートに代えて、上端が波形の支持プレートでもよく、また、複数のピンが加工パレット２の基台上に形成され、これらピンの上端でワークＷを支持してもよい。

レーザ発振部４は、例えばファイバレーザなどであり、レーザ光ＬＢを発生する。レーザ発振部４は、第１発振器１１および第２発振器１２を備える。レーザ発振部４からのレーザ光ＬＢは、光ファイバ１３を介して加工ヘッド３に導入される。加工ヘッド３は、加工パレット２に載置されたワークＷの上方（Ｚ方向）に配置可能である。加工ヘッド３は、レーザ発振部４からのレーザ光ＬＢをワークＷ上に集光する光学系１４を内部に有し、光学系１４を介してレーザ光ＬＢをワークＷに向けて照射する。

図２は、実施形態に係るレーザ加工機におけるレーザ光の光路、及び照射領域を示す概念図である。図２（Ａ）には、光ファイバ１３からワークＷまでの光路を示した。また、図２（Ｂ）には、レーザ発振部４からワークＷまでの光路を直線的に展開して概念的に示した。光学系１４は、光ファイバ１３からワークＷに向かう順に、レンズ１４ａ、折り曲げミラー１５、レンズ１４ｂ、及び保護ガラス１６を備える。光ファイバ１３から出射したレーザ光ＬＢは、レンズ１４ａでコリメートされた後、折り曲げミラー１５で反射して光路が折れ曲がり、レンズ１４ｂによって集光された後に保護ガラス１６を通ってワークＷに照射される。

図２（Ｂ）に示すように、第１発振器１１および第２発振器１２は、それぞれ、レーザ光を発生する。第１発振器１１が発生するレーザ光ＬＢ１と、第２発振器１２が発生するレーザ光ＬＢ２とは、同じ波長であるが、異なる波長でもよい。図２（Ａ）に示したレーザ光ＬＢは、図２（Ｂ）のレーザ光ＬＢ１およびレーザ光ＬＢ２の一方のレーザ光または双方を含むレーザ光である。

光ファイバ１３は、レーザ光が伝搬する層を２以上含む多層構造である。光ファイバ１３は、円柱状の内層１３ａと、内層１３ａの外周を覆う中間層１３ｂと、中間層１３ｂの外周を覆う円環状の外層１３ｃとを有する。中間層１３ｂは、内層１３ａとの界面でレーザ光ＬＢ１が反射し、外層１３ｃとの界面でレーザ光ＬＢ２が反射するドープ層である。第１発振器１１からのレーザ光ＬＢ１は、内層１３ａに導入（供給）され、内層１３ａと中間層１３ｂとの界面で繰り返し反射しながら、加工ヘッド３（図１参照）へ導かれる。第２発振器１２からのレーザ光ＬＢ２は、外層１３ｃに導入（供給）され、外層１３ｃと中間層１３ｂとの界面および外層１３ｃの外周面で繰り返しながら、加工ヘッド３へ導かれる。

光ファイバ１３から射出されたレーザ光ＬＢ１、レーザ光ＬＢ２は、それぞれ、光学系１４に入射する。光学系１４のレンズ１４ａは、コリメータであり、レーザ光ＬＢ１、レーザ光ＬＢ２をそれぞれ平行化する。光学系１４のレンズ１４ｂは、コンデンサであり、レンズ１４ａからのレーザ光ＬＢ１、レーザ光ＬＢ２をそれぞれワークＷ上に集光する。

図２（Ｃ）は、ワークＷ上におけるレーザ光の照射領域ＡＲを示す図である。照射領域ＡＲは、ワークＷの第１領域（以下、内側領域ＡＲ１という）と、ワークのうち第１領域の周囲の第２領域（以下、外側領域ＡＲ２という）とを含む。内側領域ＡＲ１は、例えば、照射領域ＡＲの中心部に配置される円状の領域である。外側領域ＡＲ２は、内側領域ＡＲ１の周囲に配置される円環状の領域である。内側領域ＡＲ１は、光ファイバ１３の内層１３ａに対応する領域である。第１発振器１１からのレーザ光ＬＢ１は、光ファイバ１３の内層１３ａを通って、内側領域ＡＲ１に照射される。外側領域ＡＲ２は、光ファイバ１３の外層１３ｃに対応する領域である。第２発振器１２からのレーザ光ＬＢ２は、光ファイバ１３の外層１３ｃを通って、外側領域ＡＲ２に照射される。

光学系駆動部２１は、光学系１４のフォーカス位置を調整可能である。例えば、光学系駆動部２１は、光学系１４に含まれるレンズの少なくとも一部を、光学系１４の光軸ＡＸと平行な方向に移動させ、フォーカス位置を調整する。図２（Ｃ）に示す内側領域ＡＲ１の直径Ｄ１および外側領域ＡＲ２の直径Ｄ２は、それぞれ、ワークＷが光学系１４のフォーカス位置から離れるほど、大きくなる。ワークＷ上のレーザ光（図１のレーザ光ＬＢ）のスポットサイズは、第１発振器１１と第２発振器１２とのうち第１発振器１１のみからレーザ光ＬＢ１が照射される場合、直径Ｄ１で表される。この場合、ピアス穴の直径、及び切断加工時の切断幅は、直径Ｄ１に応じた値になる。また、ワークＷ上のレーザ光のスポットサイズは、第２発振器１２からレーザ光ＬＢ２が照射される場合、直径Ｄ２で表される。この場合、ピアス穴の直径、及び切断加工時の切断幅は、直径Ｄ２に応じた値になる。光学系駆動部２１は、光学系１４のフォーカス位置を変更することで、ワークＷ上のレーザ光のスポットサイズを変化させることができる。すなわち、光学系駆動部２１は、ピアス穴の直径、切断幅を調整可能である。なお、ピアス穴の直径、切断幅は、第１発振器１１からレーザ光ＬＢ１を照射し、かつ第２発振器１２からレーザ光ＬＢ２を照射しない状態と、第２発振器１２からレーザ光ＬＢ２を照射する状態とで切り替えることもできる。

図１の説明に戻り、ヘッド駆動部５は、光学系駆動部２１、Ｘ駆動部２２、Ｙ駆動部２３、及びＺ駆動部２４、を備える。Ｘ駆動部２２、Ｙ駆動部２３、Ｚ駆動部２４、及び光学系駆動部２１は、それぞれアクチュエータを含む。Ｘ駆動部２２は、ワークＷに対して加工ヘッド３をＸ方向に移動させる。Ｙ駆動部２３は、ワークＷに対して加工ヘッド３をＹ方向に移動させる。Ｚ駆動部２４は、ワークＷに対して加工ヘッド３をＺ方向に移動させる。ヘッド駆動部５は、ワークＷにピアス穴を形成する際に、Ｘ駆動部２２、Ｙ駆動部２３、及びＺ駆動部２４によってワークＷに対して加工ヘッド３を位置決めする。また、ヘッド駆動部５は、ワークＷを切断する際に、Ｘ駆動部２２およびＹ駆動部２３によって、加工ヘッド３をワークＷに対して相対的に移動させる。

ヘッド制御部６は、制御装置８からの指令に基づいて、ヘッド駆動部５を制御する。例えば、ヘッド制御部６は、加工ヘッド３の目標位置および目標速度をヘッド駆動部５に供給する。ヘッド駆動部５のＸ駆動部２２、Ｙ駆動部２３、及びＺ駆動部２４は、加工ヘッドの位置、速度がそれぞれ目標位置、目標速度に近づくように、加工ヘッド３を移動させる。また、ヘッド制御部６は、光学系１４のフォーカス位置の目標値をヘッド駆動部５に供給する。ヘッド駆動部５の光学系駆動部２１は、光学系１４のフォーカス位置が目標値に近づくように、光学系１４に含まれるレンズを移動させる。

レーザ制御部７は、レーザ発振部４を制御する。レーザ制御部７は、ビームモード指令部３１および発振モード司令部３２を備える。レーザ加工機１は、ワークＷに照射されるレーザ光の強度分布が異なる複数のビームモード（後に図３に示す）を備え、ビームモード指令部３１は、複数のビームモードを切替可能である。

ビームモード指令部３１は、例えば、ビームモードを指定する指令として、第１発振器１１の出力（レーザ光ＬＢ１の強度）の目標値と、第２発振器１２の出力（レーザ光ＬＢ２の強度）の目標値とをレーザ発振部４に供給する。レーザ発振部４は、第１発振器１１の出力がビームモード指令部３１から供給された目標値に近づくように、第１発振器１１をレーザ発振させる（駆動する）。同様に、レーザ発振部４は、第２発振器１２の出力がビームモード指令部３１から供給された目標値に近づくように、第２発振器１２をレーザ発振させる（駆動する）。このように、ビームモード指令部３１は、各発振器の出力の目標値を調整することによって、ワークＷに照射されるレーザ光ＬＢの強度分布を調整可能である。

発振モード司令部３２は、第１発振器１１の発振方式および第２発振器１２の発振方式をそれぞれ制御する。第１発振器１１および第２発振器１２は、それぞれ、発振方式をパルス発振および連続発振（ＣＷ）から選択可能であり、発振モード司令部３２は、パルス発振および連続発振のいずれを選択するかを示す発振モード指令を、レーザ発振部４に供給する。レーザ発振部４は、第１発振器１１および第２発振器１２を、発振モード指令に指定された発振方式で発振させる。なお、第１発振器１１の発振方式および第２発振器１２は、パルス発振と連続発振の一方のみが可能でもよい。この場合、発振モード司令部３２は、省略可能である。

制御装置８は、外部から供給される加工データに基づいて、レーザ加工機１の各部を包括的に制御する。加工データは、例えば、加工条件を定めたＮＣデータである。加工条件は、ワークＷの材質、板厚、切断線の位置、各工程の内容などである。加工データには、各工程の内容（切断線の始点、終点、切断速度）が工程順に並んでいる。制御装置８は、加工データに基づいて、ヘッド制御部６およびレーザ制御部７のそれぞれに指令を供給する。レーザ制御部７の発振モード司令部３２は、制御装置８からの指令に基づいて、レーザ発振部４の発振方式を設定する。

また、レーザ制御部７のビームモード指令部３１は、制御装置８からの指令に基づいて、ビームモード（第１発振器１１の出力および第２発振器１２の出力）を、ワークＷの板厚に基づいて設定する。すなわち、レーザ制御部７のビームモード指令部３１は、ワークＷに対する加工条件を定めた加工データに基づいて、第１発振器１１の出力および第２発振器１２の出力を制御する。ビームモード指令部３１は、ワークＷにピアス穴を形成する期間（ピアス加工）と、ワークＷを切断する期間（切断加工）とでビームモードを変化させる。

図３は、複数のビームモードを示す説明図である。ここでは、複数のビームモードとして、モードＡ、モードＢ、モードＣ、モードＤ、及びモードＥの５つのモードが設けられる例を説明する。図３には、内側領域ＡＲ１および外側領域ＡＲ２におけるレーザ光の出力（強度）の空間的な分布を示した。図３の縦軸は、レーザ光の出力の最大出力に対する比率である。ＰＷ０は、例えば０％（オフ状態）であり、ＰＷ３は、例えば１００％（最大出力）である。また、ＰＷ１、ＰＷ２は、それぞれ、ＰＷ０よりも大きくＰＷ３よりも小さい出力（第１中間出力、第２中間出力）である。ＰＷ２は、ＰＷ１よりも大きく、例えば、ＰＷ１が２５％であり、ＰＷ２が５０％である。

モードＡにおいて、内側領域ＡＲ１におけるレーザ光の出力はＰＷ３であり、外側領域ＡＲ２におけるレーザ光の出力はＰＷ０である。モードＢは、モードＡに比べて、外側領域ＡＲ２のレーザ光の出力を大きくしたモードである。モードＢにおいて、内側領域ＡＲ１におけるレーザ光の出力はＰＷ３であり、外側領域ＡＲ２におけるレーザ光の出力はＰＷ３である。モードＣは、モードＢに比べて、内側領域ＡＲ１のレーザ光の出力を小さくしたモードである。モードＣにおいて、内側領域ＡＲ１におけるレーザ光の出力がＰＷ２であり、外側領域ＡＲ２におけるレーザ光の出力がＰＷ３である。モードＤは、モードＣと比べて、内側領域ＡＲ１のレーザ光の出力をさらに小さくしたモードである。モードＤにおいて、内側領域ＡＲ１におけるレーザ光の出力がＰＷ１であり、外側領域ＡＲ２におけるレーザ光の出力がＰＷ３である。モードＥは、モードＤと比べて、内側領域ＡＲ１のレーザ光の出力をさらに小さくしたモードである。モードＥにおいて、内側領域ＡＲ１におけるレーザ光の出力がＰＷ０であり、外側領域ＡＲ２におけるレーザ光の出力がＰＷ３である。

上述の内側領域ＡＲ１におけるレーザ光の出力は第１発振器１１の出力に対応し、外側領域ＡＲ２におけるレーザ光の出力は、第２発振器１２の出力に対応する。ビームモード指令部３１は、ワークＷの板厚に基づいて、第１発振器１１の出力および第２発振器１２の出力を変化させる。ここでは、第１の板厚のワーク（例、薄板）に対する加工モード（薄板用の加工モード）、及び第１の板厚よりも厚い第２の板厚のワーク（例、厚板）に対する加工モード（厚板用の加工モード）を例に挙げて説明する。例えば、薄板は、板厚が１ｍｍ以上３ｍｍ以下の板材であり、厚板は、板厚が１０ｍｍ以上あるいは１２ｍｍ以上の板材である。

ビームモード指令部３１は、例えば、加工データに含まれるワークＷの板厚に基づいて、薄板用の加工モードを適用するか、厚板用の加工モードを適用するかを判定する。例えば、ビームモード指令部３１は、加工データに含まれるワークＷの板厚が閾値以上である場合に厚板用の加工モードを適用すると判定し、それ以外の場合に薄板用の加工モードを適用すると判定する。なお、ビームモード指令部３１は、加工データに含まれるワークＷの板厚が閾値以下である場合に薄板用の加工モードを適用すると判定し、それ以外の場合に厚板用の加工モードを適用すると判定してもよい。また、薄板用の加工モードを用いるのか、厚板用の加工モードを用いるのかについては、例えば、オペレータが制御装置８を介して指定してもよい。この場合、ビームモード指令部３１は、いずれの加工モードを用いるのかを判定しなくてもよい。また、レーザ加工機１は、薄板用の加工モードと厚板用の加工モードと以外の加工モードを有してもよく、例えば、極薄板用の加工モードあるいは中厚板用の加工モードを有してもよい。

図４（Ａ）は、薄板用の加工モードの説明図であり、図４（Ｂ）は、厚板用の加工モードの説明図である。ここでは、連続発振である場合とし、パルス発振の場合については後に図５で説明する。まず、薄板用の加工モードについて説明する。ヘッド駆動部５は、ヘッド制御部６に制御され、加工データに定められたワークＷ上の切断線の起点の位置（ピアス穴の形成位置）に、加工ヘッド３を位置決めする。ビームモード指令部３１は、図４（Ａ）に示すように、ビームモードをモードＡに設定して、第１発振器１１に出力がＰＷ３のレーザ光ＬＢ１を発生させ、レーザ光ＬＢ１を内側領域ＡＲ１に照射させる。また、ビームモード指令部３１は、第２発振器１２にレーザ発振を行わない状態を維持する。レーザ光ＬＢ１が内側領域ＡＲ１に所定の時間だけ照射されることで、ワークＷにピアス穴が形成される。

なお、薄板用の加工モードにおいて、ピアス穴の直径は、ワークＷ上のレーザ光ＬＢ１のスポットサイズに対応する。レーザ光ＬＢ１の照射に先立ち、光学系駆動部２１は、ヘッド制御部６に制御され、光学系１４のフォーカス位置をワークＷからずらすこと（デフォーカス）によって、切断幅に対してピアス穴の直径が大きくなるように、ワークＷ上のレーザ光ＬＢ１のスポットサイズを広げる。

また、光学系駆動部２１は、ヘッド制御部６に制御され、ピアス穴が形成された後（上記の所定の時間の経過後）に、ワークＷ上のレーザ光ＬＢ１のスポットサイズを切断幅に合わせるように、光学系１４のフォーカス位置を調整する。ヘッド駆動部５は、光学系１４のフォーカス位置が調整された後に、ワークＷ上のレーザ光ＬＢ１が切断線に沿って移動するように、加工ヘッド３を移動させる。この際、ビームモード指令部３１は、ビームモードをモードＡに維持しておく。すなわち、薄板用の加工モードを適用する場合、ビームモード指令部３１は、ピアス加工および切断加工のそれぞれにおいて、ビームモードをモードＡに設定する。

次に、厚板用の加工モードについて説明する。ヘッド駆動部５は、ピアス穴の形成位置に、加工ヘッド３を位置決めする。ビームモード指令部３１は、図４（Ｂ）に示すように、ビームモードをモードＡに設定して、第１発振器１１に出力がＰＷ３のレーザ光ＬＢ１を発生させ、レーザ光ＬＢ１を内側領域ＡＲ１に照射させる。ビームモード指令部３１は、モードＡで所定の時間だけレーザ光が照射された時点で、ビームモードをモードＢに設定する。すなわち、ビームモード指令部３１は、第２発振器１２に出力がＰＷ３のレーザ光ＬＢ２を発生させ、レーザ光ＬＢ２を外側領域ＡＲ２に照射させる。

ビームモード指令部３１は、モードＢで所定の時間だけレーザ光が照射された時点で、ビームモードをモードＣに設定する。すなわち、ビームモード指令部３１は、第１発振器１１に出力をＰＷ２に変更し、出力がＰＷ２のレーザ光ＬＢ１を内側領域ＡＲ１に照射させる。ビームモード指令部３１は、モードＣで所定の時間だけレーザ光が照射された時点で、ビームモードをモードＤに設定する。すなわち、ビームモード指令部３１は、第１発振器１１に出力をＰＷ１に変更し、出力がＰＷ１のレーザ光ＬＢ１を内側領域ＡＲ１に照射させる。以上のようなモードＡからモードＤでレーザ光が照射されることにより、ピアス穴が形成される。

図４（Ａ）および図４（Ｂ）を比較すると分かるように、第２発振器１２の出力は、第１の板厚のワーク（例、薄板）にピアス穴を形成する期間においてＰＷ０に設定されるのに対し、第１の板厚よりも厚い第２の板厚のワーク（例、厚板）にピアス穴を形成する期間においてＰＷ３に設定される。このように、制御部（ビームモード指令部３１）は、薄板にピアス穴を形成する期間における第２発振器１２の出力と比較して、厚板にピアス穴を形成する期間における第２発振器１２の出力を増加させる。

また、図４（Ｂ）に示すように、第１発振器１１の出力は、モードＡおよびモードＢにおいてＰＷ３に設定されるのに対して、モードＢよりの後のモードＣおよびモードＤでは、ＰＷ２、ＰＷ１と順に減少するように設定される。このように、制御部（ビームモード指令部３１）は、ワークＷにピアス穴を形成する期間内で第１発振器１１の出力を減少させる。また、第２発振器１２の出力は、モードＡにおいてＰＷ０に設定されるのに対し、モードＢからモードＤではＰＷ３に設定される。このように、制御部（ビームモード指令部３１）は、ワークＷにピアス穴を形成する期間内で第２発振器１２の出力を増加させる。

なお、厚板用の加工モードにおいて、ピアス穴の直径は、ワークＷ上のレーザ光ＬＢ２のスポットサイズに対応する。レーザ光ＬＢ２の照射に先立ち、光学系駆動部２１は、ヘッド制御部６に制御され、光学系１４のフォーカス位置をワークＷからずらすこと（デフォーカス）によって、切断幅に対してピアス穴の直径が同寸法以上になるように、ワークＷ上のレーザ光ＬＢ２のスポットサイズを広げる。

レーザ加工機１は、ピアス穴が形成された後（ピアス加工の終了後）に切断加工を開始する。光学系駆動部２１は、ヘッド制御部６に制御され、ピアス穴の形成後に、ワークＷ上のレーザ光ＬＢ２のスポットサイズ（図２の外側領域ＡＲ２の直径）を切断幅に合わせるように、光学系１４のフォーカス位置を調整する。ビームモード指令部３１は、切断加工において、ビームモードをモードＥに設定する。すなわち、ビームモード指令部３１は、第１発振器１１に出力をＰＷ０に変更し、レーザ光ＬＢ１の照射を停止させる。このように、制御部（ビームモード指令部３１）は、第１発振器１１の出力を、ワークＷを切断する期間においてワークＷにピアス穴を形成する期間よりも減少させる。ヘッド駆動部５は、ビームモードがモードＥに変更された後、ワークＷ上のレーザ光ＬＢ２が切断線に沿って移動するように、加工ヘッド３を移動させる。

次に、レーザ発振部４をパルス発振させる際の動作について説明する。図５は、実施形態に係るレーザ加工機の発振器のパルス発振時の動作を示す説明図である。第１発振器１１および第２発振器は、それぞれ、パルス発振時に予め定められた強度のレーザ光を間欠的に発生する。図５（Ａ）には、各レーザ光の出力（ＰＷ０〜ＰＷ３）に対応するレーザ発振のオン、オフのタイミングを示した。ここでは、出力がＰＷ３の場合、連続発振が用いられ、出力がＰＷ１、ＰＷ２の場合、パルス発振が用いられる。

出力がＰＷ０に設定される場合、レーザ発振はオフに維持される。出力がＰＷ１に設定される場合、パルス周期Ｔａに対してパルス幅がＴｂ１に設定される。パルス周期Ｔａは、パルスの立ち上がり（レーザ発振が開始する）時点から、次のパルスの立ち上がり時点までの時間である。また、パルス幅Ｔｂ１は、１つのパルスの立ち上がり時点から立ち下り（レーザ発振が終了する）時点までの時間である。レーザ光の単位時間あたりの出力は、パルス周期Ｔａに占めるパルス幅Ｔｂ１の比率（デューティ）と対応する。レーザ光の単位時間あたりの出力は、Ｔｂ１／Ｔａが大きくなるほど、大きい。例えば、ＰＷ１が２５％である場合、Ｔｂ１／Ｔａは０．２５に設定されてもよい。出力がＰＷ２に設定される場合、パルス周期Ｔａに対してパルス幅がＴｂ２に設定される。パルス幅Ｔｂ２は、出力がＰＷ１に設定される場合のパルス幅Ｔｂ１よりも長い。例えば、ＰＷ２が５０％である場合、Ｔｂ１／Ｔａは０．５に設定されてもよい。出力がＰＷ３に設定される場合、発振器を連続発振させ、レーザ発振をオンに維持する。なお、出力がＰＷ３に設定される場合にも、発振器をパルス駆動してもよく、この場合、各出力に対応するパルス幅を適宜調整すればよい。

図５（Ｂ）は、各ビームモードにおける第１発振器１１および第２発振器１２の動作を示す図である。モードＡにおいて、第１発振器１１は、連続発振に設定され、第２発振器は、レーザ発振がオフに維持される。モードＢにおいて、第１発振器１１は、連続発振に設定され、第２発振器は、連続発振に設定される。モードＣにおいて、第１発振器１１は、パルス幅がＴｂ２に設定され、第２発振器は、連続発振に設定される。モードＤにおいて、第１発振器１１は、パルス幅がＴｂ１に設定され、第２発振器は、連続発振に設定される。モードＥにおいて、第１発振器１１は、レーザ発振がオフに維持され、第２発振器は、連続発振に設定される。

上述のように第１発振器１１および第２発振器１２がパルス発振される場合においても、図４（Ｂ）と同様に、ビームモードを切替ながらピアス加工、切断加工を行うことができる。なお、パルス発振させる場合に、パルス幅を複数のビームモードで一定値とし、パルスの振幅（強度）を変化させることで、レーザ光の出力を変化させてもよい。また、第１発振器１１および第２発振器１２の少なくとも一方は、複数のレーザ光源（例、複数の発振器）を備えてもよく、複数のレーザ光源のうち点灯させるレーザ光源の数を変化させることで、レーザ光の総出力を調整してもよい。例えば、第１発振器１１は、４つのレーザ光源を備え、２つを点灯させ２つを消灯させることで出力を５０％とし、１つを点灯させ３つを消灯させることで出力を２５％にしてもよい。

なお、本実施形態において、レーザ発振部４は、内側領域ＡＲ１に照射されるレーザ光ＬＢ１を第１発振器１１で発生させ、外側領域ＡＲ２で照射されるレーザ光ＬＢ２を第２発振器１２で発生させており、照射領域ＡＲの領域ごとに担当する発振器を分けた構成であるが、このような構成に限定されない。例えば、レーザ発振器４は、１つの発振器で発生したレーザ光を分岐させ、分岐した一方のレーザ光を光ファイバ１３の内層１３ａに導入し、分岐した他方のレーザ光を光ファイバ１３の外層１３ｃに導入する構成でもよい。レーザ光を分岐させるには、ハーフミラーを用いてもよいし、回折格子などを用いてもよい。また、分岐した片方のレーザ光と、もう片方のレーザ光とで出力を調整するには、例えば、片方のレーザ光をシャッタなどで遮光してもよいし、減光フィルタなどを用いて一方のレーザ光と他方のレーザ光とで光量を調整してもよい。

次に、上述のレーザ加工機１の動作に基づき、実施形態に係るレーザ加工方法について説明する。図６は、実施形態に係るレーザ加工方法を示すフローチャートである。ステップＳ１において、制御装置８は、加工条件を取得する。例えば、制御装置８には、加工データが供給され、制御装置８は、加工データに定められた加工条件を取得する。ここでは、ワークＷが厚板である場合について説明する。ステップＳ２において、制御装置８は、アシストガスの噴射を開始させる。ステップＳ３において、ヘッド駆動部５は、ヘッド制御部６に制御されて加工ヘッド３を移動させ、加工ヘッド３をピアス穴の形成位置に対して位置決めする。

ステップＳ４において、レーザ発振部４は、第１発振器１１の出力および第２発振器１２の出力を定めたビームモード指令を取得する。ステップＳ５において、レーザ発振部４は、第１発振器１１の発振方式および第２発振器の発振方式を定めた発振モード指令を取得する。ビームモード指令は、レーザ制御部７のビームモード指令部３１によって、ワークＷの板厚、及び加工の段階に応じて生成される。

ステップＳ６において、レーザ発振部４は、第１発振器１１および第２発振器１２のそれぞれの発振条件（出力、発振モード、発振時間）を設定する。そして、レーザ発振部４は、設定した発振条件に従って、第１発振器１１および第２発振器１２のそれぞれを発振させる。例えば、ピアス加工を開始した際に、レーザ発振部４は、図４（Ｂ）のモードＡで第１発振器１１および第２発振器１２のそれぞれを動作させる。

レーザ発振部４は、発振条件に定められた発振時間の経過後に、ステップＳ７においてピアス加工が終了したか否かを判定する。レーザ発振部４は、図４（Ｂ）に示したモードＤによる加工が終了していない場合、ピアス加工が終了していないと判定（ステップＳ７；Ｎｏ）し、ステップＳ４に戻り次のビームモード指令を取得する。例えば、ビームモード指令部３１は、モードＡでの加工の次にモードＢでの加工を行うことを示すビームモード指令を生成し、レーザ発振部４は、このビームモード指令を取得する。以下同様に、レーザ発振部４は、ステップＳ４からステップＳ７の処理を繰り返し行い、モードＡでの加工からモードＤでの加工までを順に行う。

ステップＳ７において、レーザ発振部４は、図４（Ｂ）に示したモードＤによる加工が終了している場合、ピアス加工が終了したと判定（ステップＳ７；Ｙｅｓ）し、ステップＳ８において、第１発振器１１および第２発振器１２のそれぞれの発振条件を変更する。例えば、レーザ発振部４は、ビームモードを図４（Ｂ）のモードＥに設定し、第１発振器１１からのレーザ発振を停止させる。ステップＳ９において、ヘッド駆動部５は、ヘッド制御部６に制御され、切断線に沿って加工ヘッド３を移動させる。ヘッド制御部６は、加工データに定められた１つの工程（例、１つの切断線の切断）が終了した際に、ステップＳ１０において、切断加工が終了したか否かを判定する。ヘッド制御部６は、制御装置８から指令される次の工程がある場合に、切断加工が終了していないと判定（ステップＳ１０；Ｎｏ）し、ステップＳ９に戻り、次の工程（例、次の切断線の切断）に応じて加工ヘッド３を移動させる。ステップＳ１０において、ヘッド制御部６は、制御装置８から指令される次の工程がない場合に、切断加工が終了したと判定（ステップＳ１０；Ｙｅｓ）し、一連の処理を終了する。なお、レーザ制御部７は、制御装置８から指令に応じて、切断加工の終了時にレーザ光の照射を停止させる。

なお、図３では複数のビームモードとしてモードＡからモードＥを例示したが、モードＡからモードＤのうち１以上のモードは省略可能である。例えば、上述の実施形態において、ピアス加工を行う際にモードＡからモードＤを順に切り替えることとしたが、モードＡからモードＤのいずれか１つを用いてピアス加工を行ってもよい。また、ＡからモードＤのうち１以上のモードを省略し、２つ以上のモードを用いてピアス加工を行ってもよく、例えば、モードＤを省略し、モードＡからモードＣを順に行ってもよい。また、切断加工を行う際に、内側領域ＡＲ１にレーザ光ＬＢ１を照射してもよく、例えば、モードＥの代わりにモードＤを用いて切断加工を行ってもよい。この場合、レーザ加工機１は、モードＥを備えなくてもよい。また、レーザ加工機１は、モードＡからモードＥのいずれとも違うビームモードを有してもよい。例えば、ピアス加工を開始する際に、上述の実施形態では外側領域ＡＲ２にレーザ光ＬＢ２を照射しないこととしたが、モードＡの代わりに、モードＢよりも出力が小さいモードを設け、レーザ光ＬＢ２を外側領域ＡＲ２に照射してもよい。また、上述の実施形態では、モードＡからモードＥのそれぞれにおいてレーザ光の出力が一定であり、モードＡからモードＥへ切り替えることで、レーザ光の出力を段階的に切り替えることとしたが、レーザ光の出力を連続的に変化させてもよい。例えば、モードＣおよびモードＤの代わりに、レーザ光ＬＢ１の出力がＰＷ３からＰＷ０へ連続的に変化するモードが設けられてもよい。また、ＰＷ１からＰＷ３の出力は、それぞれ、２５％、５０％、１００％であるとして説明したが、０％より大きく１００％以下の任意の値に設定される。

上述の実施形態において、レーザ制御部７は、例えばコンピュータシステムを含む。レーザ制御部７は、記憶装置（図示せず）に記憶されているプログラム（制御プログラム）を読み出し、このプログラムに従って各種の処理を実行する。このプログラムは、コンピュータに、ワークＷの内側領域ＡＲ１に照射されるレーザ光ＬＢ１を発生させることと、ワークＷのうち内側領域ＡＲ１の周囲の外側領域ＡＲ２に照射されるレーザ光ＬＢ２を発生させることと、内側領域ＡＲ１に照射されるレーザ光ＬＢ１の出力および外側領域ＡＲ２に照射されるレーザ光ＬＢ２の出力を、ワークＷの板厚に基づいて、ワークＷにピアス穴を形成する期間とワークＷを切断する期間とで変化させることと、を実行させる。このプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記録されて提供されてもよい。

なお、本発明の技術範囲は、上述の実施形態などで説明した態様に限定されない。上述の実施形態などで説明した要件の１つ以上は、省略されることがある。また、上述の実施形態などで説明した要件は、適宜組み合わせることができる。また、法令で許容される限りにおいて、日本特許出願である特願２０１６−０２０４５８、及び本明細書で引用した全ての文献の開示を援用して本文の記載の一部とする。

１・・・レーザ加工機
７・・・レーザ制御部（制御部）
１１・・・第１発振器
１２・・・第２発振器
１３・・・光ファイバ
１３ａ・・・内層
１３ｃ・・・外層
１４・・・光学系
ＡＲ１・・・内側領域（第１領域）
ＡＲ２・・・外側領域（第２領域）
ＬＢ１、ＬＢ２・・・レーザ光
Ｗ・・・ワーク

Claims (7)

1. ワークの第１領域に照射されるレーザ光、及び前記ワークのうち前記第１領域の周囲の第２領域に照射されるレーザ光を発生するレーザ発振部と、
   前記第１領域に照射されるレーザ光の出力および前記第２領域に照射されるレーザ光の出力を、前記ワークの板厚に基づいて、前記ワークにピアス穴を形成する期間と前記ワークを切断する期間とで変化させる制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   第１の板厚の前記ワークにピアス穴を形成する期間に前記第２領域に照射されるレーザ光の出力と比較して、前記第１の板厚よりも厚い第２の板厚の前記ワークにピアス穴を形成する期間に前記第２領域に照射されるレーザ光の出力を増加させ、
   前記第２の板厚の前記ワークにピアス穴を形成する期間においてレーザ光の出力を段階的又は連続的に変化させ、前記第２の板厚の前記ワークを切断する期間において前記ワークにピアス穴を形成する期間よりも、前記第１領域に照射されるレーザ光の出力を減少させる、レーザ加工機。
2. 前記制御部は、前記第２の板厚の前記ワークにピアス穴を形成する期間内で前記第２領域に照射されるレーザ光の出力を増加させる、請求項１に記載のレーザ加工機。
3. 前記制御部は、前記ワークを切断する際の切断幅に対して前記ピアス穴の径が同寸法以上になるように、前記ワークに照射されるレーザ光のビーム径を調整する、請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工機。
4. 前記レーザ発振部は、
   前記第１領域に照射されるレーザ光を発生する第１発振器と、
   前記第２領域に照射されるレーザ光を発生する第２発振器と、を備え、
   前記制御部は、前記第１発振器の出力および前記第２発振器の出力を制御する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のレーザ加工機。
5. 前記第１発振器は、光ファイバのうち内側の内層にレーザ光を供給し、
   前記第２発振器は、前記光ファイバのうち前記内層の外側の外層にレーザ光を供給する、請求項４に記載のレーザ加工機。
6. 前記制御部は、前記ワークの板厚を含む加工条件を定めた加工データに基づいて、前記第１領域に照射されるレーザ光の出力および前記第２領域に照射されるレーザ光の出力を決定する、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のレーザ加工機。
7. ワークの第１領域に照射されるレーザ光を発生することと、
   前記ワークのうち前記第１領域の周囲の第２領域に照射されるレーザ光を発生することと、
   前記第１領域に照射されるレーザ光の出力および前記第２領域に照射されるレーザ光の出力を、前記ワークの板厚に基づいて、前記ワークにピアス穴を形成する期間と前記ワークを切断する期間とで変化させることと、を含み、
   第１の板厚の前記ワークにピアス穴を形成する期間に前記第２領域に照射されるレーザ光の出力と比較して、前記第１の板厚よりも厚い第２の板厚の前記ワークにピアス穴を形成する期間に前記第２領域に照射されるレーザ光の出力を増加させることと、
   前記第２の板厚の前記ワークにピアス穴を形成する期間においてレーザ光の出力を段階的又は連続的に変化させ、前記第２の板厚の前記ワークを切断する期間において前記ワークにピアス穴を形成する期間よりも、前記第１領域に照射されるレーザ光の出力を減少させることと、をさらに含む、レーザ加工方法。

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