(57)【要約】【課題】切断面の品質を向上させながら、レーザビームによってステンレス鋼よりなる板金を切断することができるレーザ加工機を提供する。【解決手段】制御装置は、ビームスポットを、切断進行方向の前端である第１の照射位置から、切断進行方向の後方側であって切断進行方向と直交方向に変位した第２の照射位置へと移動させ、第２の照射位置から切断進行方向の前端であって切断進行方向と直交方向に変位した第３の照射位置へと移動させ、第２の照射位置を経由する第１の照射位置から第３の照射位置への移動と、第２の照射位置を経由する第３の照射位置から第１の照射位置への移動とを繰り返すＣ字状振動パターンで、レーザビームを振動させるようビーム振動機構を制御する。制御装置は、第１〜第３の照射位置におけるビームスポットを互いにオーバラップさせて、板金Ｗを切断するように制御する。【選択図】図４
2020019037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼よりなる板金を切断するためのレーザビームを射出する加工ヘッドと、
前記板金の面に対して前記加工ヘッドを相対的に移動させる移動機構と、
前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させて前記板金を切断するとき、レーザビームを前記板金の切断進行方向と平行方向及び前記切断進行方向と直交する直交方向の双方に振動させるビーム振動機構と、
前記移動機構及び前記ビーム振動機構を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記加工ヘッドの相対的な移動によるレーザビームの移動を含まない、前記ビーム振動機構のみによるレーザビームの振動パターンとして、
前記板金の面に照射されるビームスポットを、前記切断進行方向の前端である第１の照射位置から、前記切断進行方向の後方側であって前記切断進行方向と直交方向に変位した第２の照射位置へと移動させ、前記第２の照射位置から前記切断進行方向の前端であって前記切断進行方向と直交方向に変位した第３の照射位置へと移動させ、前記第２の照射位置を経由する前記第１の照射位置から前記第３の照射位置への移動と、前記第２の照射位置を経由する前記第３の照射位置から前記第１の照射位置への移動とを繰り返すＣ字状振動パターンで、レーザビームを振動させるよう前記ビーム振動機構を制御し、
レーザビームを前記Ｃ字状振動パターンで振動させながら前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させるとき、前記第１の照射位置におけるビームスポットと、前記第２の照射位置におけるビームスポットと、前記第３の照射位置におけるビームスポットとを互いにオーバラップさせて、前記板金を切断するように制御する
レーザ加工機。
【請求項２】
前記板金の板厚ごとに、前記第１または第３の照射位置におけるビームスポットと前記第２の照射位置におけるビームスポットとのオーバラップ率の第１の上限値及び第１の下限値と、前記第１の照射位置におけるビームスポットと第３の照射位置におけるビームスポットとのオーバラップ率の第２の上限値及び第２の下限値とが設定されており、
前記制御装置は、切断しようとする前記板金の板厚に応じて、前記第１の上限値と前記第１の下限値との間のオーバラップ率で、前記第１または第３の照射位置におけるビームスポットと前記第２の照射位置におけるビームスポットとをオーバラップさせ、前記第２の上限値と前記第２の下限値との間のオーバラップ率で、前記第１の照射位置におけるビームスポットと第３の照射位置におけるビームスポットとをオーバラップさせるよう、前記ビーム振動機構及び前記移動機構を制御する
請求項１に記載のレーザ加工機。
【請求項３】
レーザビームを前記Ｃ字状振動パターンで振動させるときの前記切断進行方向の周波数または複数の周波数よりなるグループに対応して、前記板金の板厚ごとに、前記第１の上限値及び前記第１の下限値、前記第２の上限値及び前記第２の下限値が設定されており、
前記制御装置は、前記切断進行方向の周波数及び切断しようとする前記板金の板厚に応じて、設定された前記第１の上限値と前記第１の下限値との間のオーバラップ率と、前記第２の上限値と前記第２の下限値との間のオーバラップ率で、前記第１〜第３の照射位置におけるビームスポットを互いにオーバラップさせるよう、前記ビーム振動機構及び前記移動機構を制御する
請求項２に記載のレーザ加工機。
【請求項４】
ステンレス鋼よりなる板金を切断するためのレーザビームを加工ヘッドより射出して、前記板金に照射し、
移動機構によって、前記板金の面に対する前記加工ヘッドを相対的に移動させることにより前記板金を切断し、
ビーム振動機構によって、前記板金を切断するときに前記板金の切断進行方向と平行方向及び前記切断進行方向と直交する直交方向の双方にレーザビームを振動させ、
前記加工ヘッドの相対的な移動によるレーザビームの移動を含まない、前記ビーム振動機構のみによるレーザビームの振動パターンとして、
前記板金の面に照射されるビームスポットを、前記切断進行方向の前端である第１の照射位置から、前記切断進行方向の後方側であって前記切断進行方向と直交方向に変位した第２の照射位置へと移動させ、前記第２の照射位置から前記切断進行方向の前端であって前記切断進行方向と直交方向に変位した第３の照射位置へと移動させ、前記第２の照射位置を経由する前記第１の照射位置から前記第３の照射位置への移動と、前記第２の照射位置を経由する前記第３の照射位置から前記第１の照射位置への移動とを繰り返すＣ字状振動パターンで、レーザビームを振動させるよう前記ビーム振動機構を制御し、
レーザビームを前記Ｃ字状振動パターンで振動させながら前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させるとき、前記第１の照射位置におけるビームスポットと、前記第２の照射位置におけるビームスポットと、前記第３の照射位置におけるビームスポットとを互いにオーバラップさせて、前記板金を切断するように制御する
レーザ加工方法。
【請求項５】
前記板金の板厚ごとに設定されている、前記第１または第３の照射位置におけるビームスポットと前記第２の照射位置におけるビームスポットとのオーバラップ率の第１の上限値及び第１の下限値と、前記第１の照射位置におけるビームスポットと第３の照射位置におけるビームスポットとのオーバラップ率の第２の上限値及び第２の下限値とを参照し、
切断しようとする前記板金の板厚に応じて、前記第１の上限値と前記第１の下限値との間のオーバラップ率で、前記第１または第３の照射位置におけるビームスポットと前記第２の照射位置におけるビームスポットとをオーバラップさせ、前記第２の上限値と前記第２の下限値との間のオーバラップ率で、前記第１の照射位置におけるビームスポットと第３の照射位置におけるビームスポットとをオーバラップさせるよう、前記ビーム振動機構及び前記移動機構を制御する
請求項４に記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
レーザビームを前記Ｃ字状振動パターンで振動させるときの前記切断進行方向の周波数または複数の周波数よりなるグループに対応して、前記板金の板厚ごとに設定されている、前記第１の上限値及び前記第１の下限値、前記第２の上限値及び前記第２の下限値を参照し、
前記切断進行方向の周波数及び切断しようとする前記板金の板厚に応じて、設定されている前記第１の上限値と前記第１の下限値との間のオーバラップ率と、前記第２の上限値と前記第２の下限値との間のオーバラップ率で、前記第１〜第３の照射位置におけるビームスポットを互いにオーバラップさせるよう、前記ビーム振動機構及び前記移動機構を制御する
請求項５に記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームによってステンレス鋼よりなる板金を加工するレーザ加工機及びレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ発振器より射出されたレーザビームによって板金を切断して、所定の形状を有する製品を製作するレーザ加工機が普及している。近年、レーザ加工機で使用するレーザビームを射出するレーザ発振器としては、大型及び高コストのＣＯ２レーザ発振器と比較して、小型で低コストであるファイバレーザ発振器またはダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）が広く用いられている。
【０００３】
ＣＯ２レーザ発振器が射出するレーザビームの波長は１０μｍ程度であるのに対し、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器が射出するレーザビームの波長は１μｍ程度である。よって、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器が射出するレーザビームはビームウエストが小さく、レーザビームの照射によって製品の周囲に形成される溝のカーフ幅は狭い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２７９７３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、１μｍ帯のレーザビームを射出するレーザ発振器を用いるレーザ加工機は、ステンレス鋼よりなる板金を、レーザビームの集束点を板金の上面よりも上方または下方に位置させるデフォーカスの状態として切断する。このようにすれば、カーフ幅を広くして、板厚が３ｍｍ以上であっても板金を切断することができる。
【０００６】
しかしながら、従来のレーザ加工機及びレーザ加工方法による切断では、切断面の表面粗さが悪く、切断面に多くのドロスが付着して、切断面の品質がよくないという問題点を有する。切断面の品質を向上させながら、レーザビームによってステンレス鋼よりなる板金を切断することができるレーザ加工機及びレーザ加工方法が求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ステンレス鋼よりなる板金を切断するためのレーザビームを射出する加工ヘッドと、前記板金の面に対して前記加工ヘッドを相対的に移動させる移動機構と、前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させて前記板金を切断するとき、レーザビームを前記板金の切断進行方向と平行方向及び前記切断進行方向と直交する直交方向の双方に振動させるビーム振動機構と、前記移動機構及び前記ビーム振動機構を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記加工ヘッドの相対的な移動によるレーザビームの移動を含まない、前記ビーム振動機構のみによるレーザビームの振動パターンとして、前記板金の面に照射されるビームスポットを、前記切断進行方向の前端である第１の照射位置から、前記切断進行方向の後方側であって前記切断進行方向と直交方向に変位した第２の照射位置へと移動させ、前記第２の照射位置から前記切断進行方向の前端であって前記切断進行方向と直交方向に変位した第３の照射位置へと移動させ、前記第２の照射位置を経由する前記第１の照射位置から前記第３の照射位置への移動と、前記第２の照射位置を経由する前記第３の照射位置から前記第１の照射位置への移動とを繰り返すＣ字状振動パターンで、レーザビームを振動させるよう前記ビーム振動機構を制御し、レーザビームを前記Ｃ字状振動パターンで振動させながら前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させるとき、前記第１の照射位置におけるビームスポットと、前記第２の照射位置におけるビームスポットと、前記第３の照射位置におけるビームスポットとを互いにオーバラップさせて、前記板金を切断するように制御するレーザ加工機を提供する。
【０００８】
本発明は、ステンレス鋼よりなる板金を切断するためのレーザビームを加工ヘッドより射出して、前記板金に照射し、移動機構によって、前記板金の面に対する前記加工ヘッドを相対的に移動させることにより前記板金を切断し、ビーム振動機構によって、前記板金を切断するときに前記板金の切断進行方向と平行方向及び前記切断進行方向と直交する直交方向の双方にレーザビームを振動させ、前記加工ヘッドの相対的な移動によるレーザビームの移動を含まない、前記ビーム振動機構のみによるレーザビームの振動パターンとして、前記板金の面に照射されるビームスポットを、前記切断進行方向の前端である第１の照射位置から、前記切断進行方向の後方側であって前記切断進行方向と直交方向に変位した第２の照射位置へと移動させ、前記第２の照射位置から前記切断進行方向の前端であって前記切断進行方向と直交方向に変位した第３の照射位置へと移動させ、前記第２の照射位置を経由する前記第１の照射位置から前記第３の照射位置への移動と、前記第２の照射位置を経由する前記第３の照射位置から前記第１の照射位置への移動とを繰り返すＣ字状振動パターンで、レーザビームを振動させるよう前記ビーム振動機構を制御し、レーザビームを前記Ｃ字状振動パターンで振動させながら前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させるとき、前記第１の照射位置におけるビームスポットと、前記第２の照射位置におけるビームスポットと、前記第３の照射位置におけるビームスポットとを互いにオーバラップさせて、前記板金を切断するように制御するレーザ加工方法を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、レーザビームによってステンレス鋼よりなる板金を良好な切断面の品質で切断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、一実施形態のレーザ加工機の全体的な構成例を示す図である。
【図２】図２は、一実施形態のレーザ加工機におけるコリメータユニット及び加工ヘッドの詳細な構成例を示す斜視図である。
【図３】図３は、ビーム振動機構によるレーザビームの板金への照射位置の変位を説明するための図である。
【図４】図４は、ビーム振動機構のみによるレーザビームのＣ字状振動パターンを示す図である。
【図５】図５は、加工ヘッドを切断進行方向に移動させたときの実際のＣ字状振動パターンを示す図である。
【図６】図６は、図４に示すＣ字状振動パターンの平行方向及び直交方向の振動の位相及び周波数を示す図である。
【図７】図７は、Ｃ字状振動パターンの切断進行方向の周波数を１５００Ｈｚとしたときの、第１または第３の照射位置と第２の照射位置とにおけるビームスポットのオーバラップ率の好ましい範囲を示す特性図である。
【図８】図８は、Ｃ字状振動パターンの切断進行方向の周波数を１５００Ｈｚとしたときの、第１の照射位置と第３の照射位置とにおけるビームスポットのオーバラップ率の好ましい範囲を示す特性図である。
【図９】図９は、Ｃ字状振動パターンの切断進行方向の周波数を２０００Ｈｚとしたときの、第１または第３の照射位置と第２の照射位置とにおけるビームスポットのオーバラップ率の好ましい範囲を示す特性図である。
【図１０】図１０は、Ｃ字状振動パターンの切断進行方向の周波数を２０００Ｈｚとしたときの、第１の照射位置と第３の照射位置とにおけるビームスポットのオーバラップ率の好ましい範囲を示す特性図である。
【図１１】図１１は、隣接する２つの周期の照射位置においてビームスポットがオーバラップしている状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、一実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法について、添付図面を参照して説明する。図１において、レーザ加工機１００は、レーザビームを生成して射出するレーザ発振器１０と、レーザ加工ユニット２０と、レーザ発振器１０より射出されたレーザビームをレーザ加工ユニット２０へと伝送するプロセスファイバ１２とを備える。
【００１２】
また、レーザ加工機１００は、操作部４０と、ＮＣ装置５０と、加工プログラムデータベース６０と、加工条件データベース７０と、アシストガス供給装置８０とを備える。ＮＣ装置５０は、レーザ加工機１００の各部を制御する制御装置の一例である。
【００１３】
レーザ発振器１０としては、レーザダイオードより発せられる励起光を増幅して所定の波長のレーザビームを射出するレーザ発振器、またはレーザダイオードより発せられるレーザビームを直接利用するレーザ発振器が好適である。レーザ発振器１０は、例えば、固体レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ディスクレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）である。
【００１４】
レーザ発振器１０は、波長９００ｎｍ〜１１００ｎｍの１μｍ帯のレーザビームを射出する。ファイバレーザ発振器及びＤＤＬ発振器を例とすると、ファイバレーザ発振器は、波長１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍのレーザビームを射出し、ＤＤＬ発振器は、波長９１０ｎｍ〜９５０ｎｍのレーザビームを射出する。
【００１５】
レーザ加工ユニット２０は、加工対象の板金Ｗを載せる加工テーブル２１と、門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｙ軸キャリッジ２３と、Ｙ軸キャリッジ２３に固定されたコリメータユニット３０と、加工ヘッド３５とを有する。板金Ｗはステンレス鋼よりなり、板厚は例えば３ｍｍ〜１５ｍｍである。
【００１６】
Ｘ軸キャリッジ２２は、加工テーブル２１上でＸ軸方向に移動自在に構成されている。Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向に移動自在に構成されている。Ｘ軸キャリッジ２２及びＹ軸キャリッジ２３は、加工ヘッド３５を板金Ｗの面に沿って、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、または、Ｘ軸とＹ軸との任意の合成方向に移動させる移動機構として機能する。
【００１７】
加工ヘッド３５を板金Ｗの面に沿って移動させる代わりに、加工ヘッド３５は位置が固定されていて、板金Ｗが移動するように構成されていてもよい。レーザ加工機１００は、板金Ｗの面に対して加工ヘッド３５を相対的に移動させる移動機構を備えていればよい。
【００１８】
加工ヘッド３５には、先端部に円形の開口３６ａを有し、開口３６ａよりレーザビームを射出するノズル３６が取り付けられている。ノズル３６の開口３６ａより射出されたレーザビームは板金Ｗに照射される。アシストガス供給装置８０は、アシストガスとして窒素を加工ヘッド３５に供給する。板金Ｗの加工時に、アシストガスは開口３６ａより板金Ｗへと吹き付けられる。
【００１９】
図２に示すように、コリメータユニット３０は、プロセスファイバ１２より射出された発散光のレーザビームを平行光（コリメート光）に変換するコリメーションレンズ３１を備える。また、コリメータユニット３０は、ガルバノスキャナユニット３２と、ガルバノスキャナユニット３２より射出されたレーザビームをＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射させるベンドミラー３３を備える。加工ヘッド３５は、ベンドミラー３３で反射したレーザビームを集束して、板金Ｗに照射する集束レンズ３４を備える。
【００２０】
レーザ加工機１００は、ノズル３６の開口３６ａより射出されるレーザビームが開口３６ａの中心に位置するように芯出しされている。基準の状態では、レーザビームは、開口３６ａの中心より射出する。ガルバノスキャナユニット３２は、加工ヘッド３５内を進行して開口３６ａより射出されるレーザビームを、開口３６ａ内で振動させるビーム振動機構として機能する。ガルバノスキャナユニット３２がレーザビームをどのように振動させるかについては後述する。
【００２１】
ガルバノスキャナユニット３２は、コリメーションレンズ３１より射出されたレーザビームを反射するスキャンミラー３２１と、スキャンミラー３２１を所定の角度となるように回転させる駆動部３２２とを有する。また、ガルバノスキャナユニット３２は、スキャンミラー３２１より射出されたレーザビームを反射するスキャンミラー３２３と、スキャンミラー３２３を所定の角度となるように回転させる駆動部３２４とを有する。
【００２２】
駆動部３２２及び３２４は、ＮＣ装置５０による制御に基づき、それぞれ、スキャンミラー３２１及び３２３を所定の角度範囲で往復振動させることができる。スキャンミラー３２１とスキャンミラー３２３とのいずれか一方または双方を往復振動させることによって、ガルバノスキャナユニット３２は、板金Ｗに照射されるレーザビームを振動させる。
【００２３】
ガルバノスキャナユニット３２はビーム振動機構の一例であり、ビーム振動機構は一対のスキャンミラーを有するガルバノスキャナユニット３２に限定されない。
【００２４】
図３は、スキャンミラー３２１とスキャンミラー３２３とのいずれか一方または双方が傾けられて、板金Ｗに照射されるレーザビームの位置が変位した状態を示している。図３において、ベンドミラー３３で折り曲げられて集束レンズ３４を通過する細実線は、レーザ加工機１００が基準の状態であるときのレーザビームの光軸を示している。
【００２５】
なお、詳細には、ベンドミラー３３の手前に位置しているガルバノスキャナユニット３２の作動により、ベンドミラー３３に入射するレーザビームの光軸の角度が変化し、光軸がベンドミラー３３の中心から外れる。図３では、簡略化のため、ガルバノスキャナユニット３２の作動前後でベンドミラー３３へのレーザビームの入射位置を同じ位置としている。
【００２６】
ガルバノスキャナユニット３２による作用によって、細実線で示す光軸が太実線で示すように変位したとする。ベンドミラー３３で反射するレーザビームが角度θで傾斜したとすると、板金Ｗへのレーザビームの照射位置は距離Δｓだけ変位する。集束レンズ３４の焦点距離をＥＦＬ（Effective Focal Length）とすると、距離Δｓは、ＥＦＬ×ｓｉｎθで計算される。
【００２７】
ガルバノスキャナユニット３２がレーザビームを図３に示す方向とは逆方向に角度θだけ傾ければ、板金Ｗへのレーザビームの照射位置を図３に示す方向とは逆方向に距離Δｓだけ変位させることができる。距離Δｓは開口３６ａの半径未満の距離であり、好ましくは、開口３６ａの半径から所定の余裕量だけ引いた距離を最大距離とした最大距離以下の距離である。
【００２８】
ＮＣ装置５０は、ガルバノスキャナユニット３２の駆動部３２２及び３２４を制御することによって、レーザビームを板金Ｗの面内の所定の方向に振動させることができる。レーザビームを振動させることによって、板金Ｗの面上に形成されるビームスポットを振動させることができる。
【００２９】
以上のように構成されるレーザ加工機１００において、ＮＣ装置５０は、加工プログラムデータベース６０より加工プログラムを読み出し、加工条件データベース７０に記憶されている複数の加工条件のいずれかを選択する。ＮＣ装置５０は、読み出した加工プログラム及び選択した加工条件に基づいて板金Ｗを加工するよう、レーザ加工機１００を制御する。レーザ加工機１００は、レーザ発振器１０より射出されたレーザビームによって板金Ｗを切断して所定の形状を有する製品を製作する。
【００３０】
本実施形態において、ガルバノスキャナユニット３２は、図４に示すようにレーザビームを振動させる。板金Ｗの切断進行方向と平行方向をｘ方向、板金Ｗの面内でｘ方向と直交する直交方向をｙ方向とする。図４の右方向を＋ｘ方向、左方向を−ｘ方向、図４の上方向を＋ｙ方向、下方向を−ｙ方向とする。図４は、振動パターンを理解しやすいよう、加工ヘッド３５をｘ方向に移動させない状態での振動パターンを示している。
【００３１】
図４において、加工ヘッド３５をｘ方向に移動させない状態（即ち、加工ヘッド３５の位置の移動によるレーザビームの移動を含まない状態）での振動パターンを説明すると、ＮＣ装置５０は、ビームスポットＢｓを次のように振動させるようにガルバノスキャナユニット３２を制御する。
【００３２】
ビームスポットＢｓが照射位置Ｐ１（第１の照射位置）に位置しているとすると、ガルバノスキャナユニット３２は、照射位置Ｐ１に位置しているビームスポットＢｓを−ｘ方向及び−ｙ方向に移動させて照射位置Ｐ２（第２の照射位置）に位置させる。ガルバノスキャナユニット３２は、続けて、照射位置Ｐ２に位置しているビームスポットＢｓを＋ｘ方向及び−ｙ方向に移動させて照射位置Ｐ３（第３の照射位置）に位置させる。
【００３３】
さらに、ガルバノスキャナユニット３２は、照射位置Ｐ３に位置しているビームスポットＢｓを−ｘ方向及び＋ｙ方向に移動させて照射位置Ｐ２に位置させ、続けて、＋ｘ方向及び＋ｙ方向に移動させて照射位置Ｐ１に位置させる。
【００３４】
このように、ガルバノスキャナユニット３２は、ビームスポットＢｓを、ｘ方向の同じ位置であってｙ方向の互いに異なる２つの位置である照射位置Ｐ１及びＰ３に交互に位置させる。照射位置Ｐ１及びＰ３は、ビームスポットＢｓの切断進行方向の前端位置であって、振動パターンにおける前端位置である。
【００３５】
また、ガルバノスキャナユニット３２は、照射位置Ｐ１から照射位置Ｐ３へと移動させるとき、及び、照射位置Ｐ３から照射位置Ｐ１へと移動させるときに、照射位置Ｐ１及びＰ３のｘ方向の位置よりも切断進行方向の後方側の位置であって、照射位置Ｐ１及びＰ３のｙ方向の位置の中間の位置である照射位置Ｐ２を経由させる。照射位置Ｐ２は、振動パターンにおける後端位置である。
【００３６】
図４に示すレーザビームをｘ方向及びｙ方向の双方に振動させる振動パターンをＣ字状振動パターンと称することとする。Ｃ字状振動パターンは、ｘ方向とｙ方向の双方に振動させる振動パターンである。
【００３７】
実際には、加工ヘッド３５が切断進行方向に移動しながらレーザビームがＣ字状振動パターンで振動させられるので、振動パターンは、図５に示すように、図４に示す振動パターンに切断進行方向（ｘ方向）の変位を加えた振動パターンとなる。
【００３８】
図５において、照射位置Ｐ１に位置しているビームスポットＢｓは、ガルバノスキャナユニット３２による照射位置の変位によって−ｘ方向及び−ｙ方向に移動し、かつ、加工ヘッド３５が−ｘ方向に移動するので、二点鎖線ではなく実線で示す照射位置Ｐ２へと移動する。照射位置Ｐ２に位置しているビームスポットＢｓは、ガルバノスキャナユニット３２による照射位置の変位によって＋ｘ方向及び−ｙ方向に移動し、かつ、加工ヘッド３５が−ｘ方向に移動するので、二点鎖線ではなく実線で示す照射位置Ｐ３へと移動する。
【００３９】
図４に示すように、レーザビームをＣ字状振動パターンで振動させながら加工ヘッド３５を＋ｘ方向に移動させると、板金Ｗには、照射位置Ｐ１及びＰ３のｙ方向の幅に応じたカーフ幅Ｋ１の溝Ｗｋが形成される。レーザビームをＣ字状振動パターンで振動させることにより、レーザビームをｙ方向に振動させない場合と比較して広いカーフ幅とすることができる。
【００４０】
ガルバノスキャナユニット３２がビームスポットＢｓを照射位置Ｐ１から照射位置Ｐ２へと移動させるとき、照射位置Ｐ２から照射位置Ｐ３へと移動させるとき、及び、この逆方向に移動させるとき、ビームスポットＢｓが放物線を描くように移動させるのがよい。ガルバノスキャナユニット３２は、ビームスポットＢｓを照射位置Ｐ１と照射位置Ｐ２との間、及び、照射位置Ｐ２と照射位置Ｐ３との間で、ほぼ直線状に移動させてもよい。
【００４１】
図４に示すＣ字状振動パターンのｘ方向及びｙ方向の振動の位相及び周波数は図６のように表すことができる。レーザビームをｘ方向に振動させる周波数をＦｘ、ｙ方向に振動させる周波数をＦｙとすれば、図６より分かるように、周波数Ｆｙは周波数Ｆｘの１／２である。Ｃ字状振動パターンはＦｘ：Ｆｙが２：１の振動パターンである。周波数Ｆｘは、１０００Ｈｚ以上とするのがよい。
【００４２】
本発明者の検証により、板金Ｗの切断面の品質を向上させるには、加工ヘッド３５の移動に伴ってレーザビームが変位している状態で、次のようにレーザビームを振動させることが好ましいことが明らかとなった。第１に、Ｃ字状振動パターンにおける切断進行方向の前端に位置するビームスポットＢｓと、後方側に位置するビームスポットＢｓとがオーバラップしている。即ち、図５に示す照射位置Ｐ１またはＰ３と照射位置Ｐ２とでビームスポットＢｓがオーバラップしている。第２に、Ｃ字状振動パターンにおける切断進行方向の前端に位置する２つのビームスポットＢｓがオーバラップしている。即ち、図５に示す照射位置Ｐ１と照射位置Ｐ３とでビームスポットＢｓがオーバラップしている。
【００４３】
特許文献１には、Ｃ字状振動パターンでレーザビームを振動させることが記載されているものの、前端に位置するビームスポットＢｓと、後方側に位置するビームスポットＢｓとがオーバラップしておらず、前端に位置する２つのビームスポットＢｓもオーバラップしていない。
【００４４】
図７〜図１０を用いて、ビームスポットＢｓの好ましいオーバラップ率を説明する。オーバラップ率とは、照射位置Ｐ１〜Ｐ３のうちの２つの照射位置において、ビームスポットＢｓの直径分の距離における重複している割合である。
【００４５】
図７は、周波数Ｆｘを１５００Ｈｚとしたときの、照射位置Ｐ１またはＰ３と照射位置Ｐ２とにおけるビームスポットＢｓのオーバラップ率の好ましい範囲を示している。図８は、周波数Ｆｘを１５００Ｈｚとしたときの、切断進行方向の前端である照射位置Ｐ１及びＰ３に位置する２つのビームスポットＢｓのオーバラップ率の好ましい範囲を示している。ここでは、板金Ｗの板厚を、３ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍとしている。
【００４６】
図９は、周波数Ｆｘを２０００Ｈｚとしたときの、照射位置Ｐ１またはＰ３と照射位置Ｐ２とにおけるビームスポットＢｓのオーバラップ率の好ましい範囲を示している。図１０は、周波数Ｆｘを２０００Ｈｚとしたときの、切断進行方向の前端である照射位置Ｐ１及びＰ３に位置する２つのビームスポットＢｓのオーバラップ率の好ましい範囲を示している。ここでは、板金Ｗの板厚を、３ｍｍ、４ｍｍ、８ｍｍとしている。
【００４７】
図７〜図１０において、板金Ｗの切断面に付着したドロスのドロス高さが低い状態を切断面の品質が良好であるとし、良好な切断面の品質が得られるオーバラップ率の上限値と下限値とを示している。具体的には、切断面における３箇所でドロス高さを測定したときの平均のドロス高さが、板厚３ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍそれぞれで２０μｍ以下、４０μｍ以下、１００μｍ以下、２００μｍ以下を切断面の品質が良好であるとする。
【００４８】
オーバラップ率が上限値と下限値との範囲から外れると、切断面の品質が不良となるか、板金Ｗを切断できない。
【００４９】
図７において、板厚が３ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍのときのオーバラップ率の上限値（第１の上限値）は、それぞれ、９０％、９４％、９５％、９５％であり、下限値（第１の下限値）は、それぞれ、７９％、７０％、５０％、４０％である。図８において、板厚３ｍｍ、４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍのときのオーバラップ率の上限値（第２の上限値）は、それぞれ、９６％、９５％、９６％、９６％であり、下限値（第２の下限値）は、それぞれ、６６％、６５％、５０％、４０％である。
【００５０】
図９において、板厚が３ｍｍ、４ｍｍ、８ｍｍのときのオーバラップ率の上限値（第１の上限値）は、それぞれ、９０％、９５％、９５％であり、下限値（第１の下限値）は、それぞれ、５７％、５２％、３０％である。図１０において、板厚３ｍｍ、４ｍｍ、８ｍｍのときのオーバラップ率の上限値（第２の上限値）は、それぞれ、９６％、９６％、９６％であり、下限値（第２の下限値）は、それぞれ、６６％、６２％、４０％である。
【００５１】
図７〜図１０より分かるように、照射位置Ｐ１〜Ｐ３においてビームスポットＢｓをオーバラップさせることによって、１μｍ帯のレーザビームによって、ステンレス鋼よりなる板金Ｗを良好な切断面の品質で切断することができる。
【００５２】
図７〜図１０より分かるように、板金Ｗの板厚が小さくなるほどオーバラップ率の下限値は高くなる傾向があり、板厚が大きくなるほどオーバラップ率の下限値は低くなる傾向がある。ＮＣ装置５０は、板金Ｗの板厚に応じた下限値と上限値との間のオーバラップ率となるように、ガルバノスキャナユニット３２によるレーザビームの振動と、移動機構による加工ヘッド３５の移動とを制御すればよい。
【００５３】
加工条件データベース７０には、各周波数Ｆｘに対応して、板金Ｗの板厚ごとに設定された第１の上限値と第１の下限値、及び、第２の上限値と第２の下限値が記憶されていることが好ましい。ＮＣ装置５０は、加工条件データベース７０を参照してオーバラップ率を決定すればよい。
【００５４】
具体的には、ＮＣ装置５０は、加工条件データベース７０より、周波数Ｆｘ及び切断しようとする板金Ｗの板厚に応じて、第１の上限値と第１の下限値、及び、第２の上限値と第２の下限値を読み出す。ＮＣ装置５０は、第１の上限値と第１の下限値との間のオーバラップ率を選択し、第２の上限値と第２の下限値との間のオーバラップ率を選択して、選択した各オーバラップ率でレーザビームを振動及び移動させればよい。
【００５５】
第１の上限値と第１の下限値、及び、第２の上限値と第２の下限値は、各周波数Ｆｘに対応して、板金Ｗの板厚ごとに設定されていることが好ましい。簡略化のため、複数の周波数Ｆｘよりなるグループごとに共通に用いることができる、板金Ｗの板厚ごとの第１の上限値と第１の下限値、及び、第２の上限値と第２の下限値が設定されていてもよい。さらなる簡略化のため、選択可能なオーバラップ率が限定されるものの、全ての周波数Ｆｘで共通に用いることができる、板金Ｗの板厚ごとの第１の上限値と第１の下限値、及び、第２の上限値と第２の下限値が設定されていてもよい。
【００５６】
各周波数Ｆｘまたは周波数Ｆｘのグループごとに第１の上限値と第１の下限値、及び、第２の上限値と第２の下限値が設定されている場合には、ＮＣ装置５０は、次のようにレーザビームの振動と加工ヘッド３５の移動とを制御すればよい。ＮＣ装置５０は、周波数Ｆｘ及び切断しようとする板金Ｗの板厚に応じて、設定された第１の上限値と第１の下限値との間のオーバラップ率と、第２の上限値と第２の下限値との間のオーバラップ率で、照射位置Ｐ１〜Ｐ３におけるビームスポットＢＳを互いにオーバラップさせる。
【００５７】
ところで、図５において、照射位置Ｐ３に位置しているビームスポットＢｓは、次の周期の振動によって切断進行方向の後方側である次の照射位置Ｐ２に位置した後に、切断進行方向の前端である次の照射位置Ｐ１に位置する。さらに次の周期の振動によって、照射位置Ｐ１に位置しているビームスポットＢｓは、切断進行方向の後方側である次の照射位置Ｐ２に位置した後に、切断進行方向の前端である次の照射位置Ｐ３に位置する。ビームスポットＢｓはこのような往復振動を繰り返す。
【００５８】
図１１において、現在の照射位置Ｐ１の直前の周期における照射位置Ｐ１を照射位置Ｐ１（−１）とし、照射位置Ｐ１（−１）に位置するビームスポットＢｓを二点鎖線で示している。連続する２つの周期において、照射位置Ｐ１〜Ｐ３におけるビームスポットＢｓはオーバラップしている。連続する２つの周期におけるビームスポットＢｓのオーバラップ率は８０％以上であることが好ましく、９０％以上であるとより好ましい。ここでも、オーバラップ率とは、ビームスポットＢｓの直径分の距離における重複している割合である。
【００５９】
以上のように、本実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、レーザビームによってステンレス鋼よりなる板金Ｗを、良好な切断面の品質で切断することができる。
【００６０】
本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１０  レーザ発振器
１２  プロセスファイバ
２０  レーザ加工ユニット
３０  コリメータユニット
３１  コリメーションレンズ
３２  ガルバノスキャナユニット（ビーム振動機構）
３３  ベンドミラー
３４  集束レンズ
３５  加工ヘッド
３６  ノズル
３６ａ  開口
４０  操作部
５０  ＮＣ装置（制御装置）
６０  加工プログラムデータベース
７０  加工条件データベース
８０  アシストガス供給装置
１００  レーザ加工機
３２１，３２３  スキャンミラー
３２２，３２４  駆動部
Ｗ  板金
【図１】
2020019037.tif 000003
【図２】
2020019037.tif 000004
【図３】
2020019037.tif 000005
【図４】
2020019037.tif 000006
【図５】
2020019037.tif 000007
【図６】
2020019037.tif 000008
【図７】
2020019037.tif 000009
【図８】
2020019037.tif 000010
【図９】
2020019037.tif 000011
【図１０】
2020019037.tif 000012
【図１１】
2020019037.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】令和1年9月24日(2019.9.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステンレス鋼よりなる板金を切断するためのレーザビームを射出する加工ヘッドと、
前記板金の面に対して前記加工ヘッドを相対的に移動させる移動機構と、
前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させて前記板金を切断するとき、レーザビームを前記板金の切断進行方向と平行方向及び前記切断進行方向と直交する直交方向の双方に振動させるビーム振動機構と、
前記移動機構及び前記ビーム振動機構を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記加工ヘッドの相対的な移動によるレーザビームの移動を含まない、前記ビーム振動機構のみによるレーザビームの振動パターンを、前記板金の面に照射されるビームスポットを、前記切断進行方向の前端である第１の照射位置から、前記切断進行方向の後方側であって前記切断進行方向と直交方向に変位した第２の照射位置へと移動させ、前記第２の照射位置から前記切断進行方向の前端であって前記切断進行方向と直交方向に変位した第３の照射位置へと移動させ、前記第２の照射位置を経由する前記第１の照射位置から前記第３の照射位置への移動と、前記第２の照射位置を経由する前記第３の照射位置から前記第１の照射位置への移動とを繰り返す振動パターンであって、前記切断進行方向と平行方向の周波数をＦｘ、前記切断進行方向と直交方向の周波数をＦｙとしたときに、Ｆｘ：Ｆｙが２：１であるＣ字状振動パターンとし、
レーザビームを１０００Ｈｚ以上の周波数Ｆｘで振動させるよう前記ビーム振動機構を制御し、
レーザビームを前記Ｃ字状振動パターンで振動させながら前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させるとき、前記第１の照射位置におけるビームスポットと、前記第２の照射位置におけるビームスポットと、前記第３の照射位置におけるビームスポットとを互いにオーバラップさせて、前記板金を切断するように制御する
レーザ加工機。
【請求項２】
前記板金の板厚ごとに、前記第１または第３の照射位置におけるビームスポットと前記第２の照射位置におけるビームスポットとのオーバラップ率の第１の上限値及び第１の下限値と、前記第１の照射位置におけるビームスポットと第３の照射位置におけるビームスポットとのオーバラップ率の第２の上限値及び第２の下限値とが設定されており、
前記制御装置は、切断しようとする前記板金の板厚に応じて、前記第１の上限値と前記第１の下限値との間のオーバラップ率で、前記第１または第３の照射位置におけるビームスポットと前記第２の照射位置におけるビームスポットとをオーバラップさせ、前記第２の上限値と前記第２の下限値との間のオーバラップ率で、前記第１の照射位置におけるビームスポットと第３の照射位置におけるビームスポットとをオーバラップさせるよう、前記ビーム振動機構及び前記移動機構を制御する
請求項１に記載のレーザ加工機。
【請求項３】
レーザビームを周波数Ｆｘまたは複数の周波数Ｆｘよりなるグループに対応して、前記板金の板厚ごとに、前記第１の上限値及び前記第１の下限値、前記第２の上限値及び前記第２の下限値が設定されており、
前記制御装置は、周波数Ｆｘ及び切断しようとする前記板金の板厚に応じて、設定された前記第１の上限値と前記第１の下限値との間のオーバラップ率と、前記第２の上限値と前記第２の下限値との間のオーバラップ率で、前記第１〜第３の照射位置におけるビームスポットを互いにオーバラップさせるよう、前記ビーム振動機構及び前記移動機構を制御する
請求項２に記載のレーザ加工機。
【請求項４】
ステンレス鋼よりなる板金を切断するためのレーザビームを加工ヘッドより射出して、前記板金に照射し、
移動機構によって、前記板金の面に対する前記加工ヘッドを相対的に移動させることにより前記板金を切断し、
ビーム振動機構によって、前記板金を切断するときに前記板金の切断進行方向と平行方向及び前記切断進行方向と直交する直交方向の双方にレーザビームを振動させ、
前記加工ヘッドの相対的な移動によるレーザビームの移動を含まない、前記ビーム振動機構のみによるレーザビームの振動パターンを、前記板金の面に照射されるビームスポットを、前記切断進行方向の前端である第１の照射位置から、前記切断進行方向の後方側であって前記切断進行方向と直交方向に変位した第２の照射位置へと移動させ、前記第２の照射位置から前記切断進行方向の前端であって前記切断進行方向と直交方向に変位した第３の照射位置へと移動させ、前記第２の照射位置を経由する前記第１の照射位置から前記第３の照射位置への移動と、前記第２の照射位置を経由する前記第３の照射位置から前記第１の照射位置への移動とを繰り返す振動パターンであって、前記切断進行方向と平行方向の周波数をＦｘ、前記切断進行方向と直交方向の周波数をＦｙとしたときに、Ｆｘ：Ｆｙが２：１であるＣ字状振動パターンとし、
レーザビームを１０００Ｈｚ以上の周波数Ｆｘで振動させるよう前記ビーム振動機構を制御し、
レーザビームを前記Ｃ字状振動パターンで振動させながら前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させるとき、前記第１の照射位置におけるビームスポットと、前記第２の照射位置におけるビームスポットと、前記第３の照射位置におけるビームスポットとを互いにオーバラップさせて、前記板金を切断するように制御する
レーザ加工方法。
【請求項５】
前記板金の板厚ごとに設定されている、前記第１または第３の照射位置におけるビームスポットと前記第２の照射位置におけるビームスポットとのオーバラップ率の第１の上限値及び第１の下限値と、前記第１の照射位置におけるビームスポットと第３の照射位置におけるビームスポットとのオーバラップ率の第２の上限値及び第２の下限値とを参照し、
切断しようとする前記板金の板厚に応じて、前記第１の上限値と前記第１の下限値との間のオーバラップ率で、前記第１または第３の照射位置におけるビームスポットと前記第２の照射位置におけるビームスポットとをオーバラップさせ、前記第２の上限値と前記第２の下限値との間のオーバラップ率で、前記第１の照射位置におけるビームスポットと第３の照射位置におけるビームスポットとをオーバラップさせるよう、前記ビーム振動機構及び前記移動機構を制御する
請求項４に記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
レーザビームを周波数Ｆｘまたは複数の周波数Ｆｘよりなるグループに対応して、前記板金の板厚ごとに設定されている、前記第１の上限値及び前記第１の下限値、前記第２の上限値及び前記第２の下限値を参照し、
周波数Ｆｘ及び切断しようとする前記板金の板厚に応じて、設定されている前記第１の上限値と前記第１の下限値との間のオーバラップ率と、前記第２の上限値と前記第２の下限値との間のオーバラップ率で、前記第１〜第３の照射位置におけるビームスポットを互いにオーバラップさせるよう、前記ビーム振動機構及び前記移動機構を制御する
請求項５に記載のレーザ加工方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明は、ステンレス鋼よりなる板金を切断するためのレーザビームを射出する加工ヘッドと、前記板金の面に対して前記加工ヘッドを相対的に移動させる移動機構と、前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させて前記板金を切断するとき、レーザビームを前記板金の切断進行方向と平行方向及び前記切断進行方向と直交する直交方向の双方に振動させるビーム振動機構と、前記移動機構及び前記ビーム振動機構を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記加工ヘッドの相対的な移動によるレーザビームの移動を含まない、前記ビーム振動機構のみによるレーザビームの振動パターンを、前記板金の面に照射されるビームスポットを、前記切断進行方向の前端である第１の照射位置から、前記切断進行方向の後方側であって前記切断進行方向と直交方向に変位した第２の照射位置へと移動させ、前記第２の照射位置から前記切断進行方向の前端であって前記切断進行方向と直交方向に変位した第３の照射位置へと移動させ、前記第２の照射位置を経由する前記第１の照射位置から前記第３の照射位置への移動と、前記第２の照射位置を経由する前記第３の照射位置から前記第１の照射位置への移動とを繰り返す振動パターンであって、前記切断進行方向と平行方向の周波数をＦｘ、前記切断進行方向と直交方向の周波数をＦｙとしたときに、Ｆｘ：Ｆｙが２：１であるＣ字状振動パターンとし、レーザビームを１０００Ｈｚ以上の周波数Ｆｘで振動させるよう前記ビーム振動機構を制御し、レーザビームを前記Ｃ字状振動パターンで振動させながら前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させるとき、前記第１の照射位置におけるビームスポットと、前記第２の照射位置におけるビームスポットと、前記第３の照射位置におけるビームスポットとを互いにオーバラップさせて、前記板金を切断するように制御するレーザ加工機を提供する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明は、ステンレス鋼よりなる板金を切断するためのレーザビームを加工ヘッドより射出して、前記板金に照射し、移動機構によって、前記板金の面に対する前記加工ヘッドを相対的に移動させることにより前記板金を切断し、ビーム振動機構によって、前記板金を切断するときに前記板金の切断進行方向と平行方向及び前記切断進行方向と直交する直交方向の双方にレーザビームを振動させ、前記加工ヘッドの相対的な移動によるレーザビームの移動を含まない、前記ビーム振動機構のみによるレーザビームの振動パターンを、前記板金の面に照射されるビームスポットを、前記切断進行方向の前端である第１の照射位置から、前記切断進行方向の後方側であって前記切断進行方向と直交方向に変位した第２の照射位置へと移動させ、前記第２の照射位置から前記切断進行方向の前端であって前記切断進行方向と直交方向に変位した第３の照射位置へと移動させ、前記第２の照射位置を経由する前記第１の照射位置から前記第３の照射位置への移動と、前記第２の照射位置を経由する前記第３の照射位置から前記第１の照射位置への移動とを繰り返す振動パターンであって、前記切断進行方向と平行方向の周波数をＦｘ、前記切断進行方向と直交方向の周波数をＦｙとしたときに、Ｆｘ：Ｆｙが２：１であるＣ字状振動パターンとし、レーザビームを１０００Ｈｚ以上の周波数Ｆｘで振動させるよう前記ビーム振動機構を制御し、レーザビームを前記Ｃ字状振動パターンで振動させながら前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させるとき、前記第１の照射位置におけるビームスポットと、前記第２の照射位置におけるビームスポットと、前記第３の照射位置におけるビームスポットとを互いにオーバラップさせて、前記板金を切断するように制御するレーザ加工方法を提供する。