(57)【要約】      （修正有）【課題】アシストガスの消費量を少なくしながら、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】レーザビームの振幅量をＱｘ、板金Ｗの上面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第１の円形領域の半径をrtop、板金Ｗの下面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第２の円形領域の半径をrbottomとして、板金Ｗの切断進行方向と平行方向にレーザビームを振動させる。複数の板厚の板金Ｗを切断するときの計算値Ｖａの標準偏差をＶａｓｄとしたとき、加工ヘッド３５に取り付けられたノズル３６として、２Ｖａ−Ｖａｓｄで得られる最小値と２．５Ｖａ＋Ｖａｓｄで得られる最大値との間に開口３６ａの径が存在するノズルを用いる。Va=(Qx+rtop+√2xrbottom)【選択図】図１
2020006397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板金を切断するためのレーザビームを射出する開口が形成されたノズルが先端に取り付けられた加工ヘッドと、
前記板金の面に対する前記加工ヘッドの相対的な位置を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の相対的な位置を移動させて前記板金を切断するとき、前記板金の切断進行方向と平行方向にレーザビームを振動させるビーム振動機構と、
を備え、
前記ビーム振動機構によるレーザビームの振幅量をＱｘ、前記板金の上面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第１の円形領域の半径をrtop、前記板金の下面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第２の円形領域の半径をrbottomとし、
計算値Ｖａを以下の式で表し、
【数４】
2020006397.tif 000006
複数の板厚の板金を切断するときの計算値Ｖａの標準偏差をＶａｓｄとしたとき、
前記ノズルとして、２Ｖａ−Ｖａｓｄで得られる最小値と２．５Ｖａ＋Ｖａｓｄで得られる最大値との間に開口の径が存在するノズルを用いる
ことを特徴とするレーザ加工機。
【請求項２】
前記ノズルとして、前記最小値と前記最大値との間に開口の径が存在するノズルのうち、径が最小のノズルを用いることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
【請求項３】
カッティングフロントの前記板金の面に沿った方向の距離をΔＬとしたとき、前記ビーム振動機構は、レーザビームを、
ΔＬ−rbottom−rtop≦Ｑｘ≦ΔＬ
を満たすように振動させる
ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工機。
【請求項４】
板金を切断するためのレーザビームを、加工ヘッドの先端に取り付けられた開口が形成されたノズルより射出して、前記板金に照射し、
前記板金の面に対する前記加工ヘッドの相対的な位置を移動させることにより前記板金を切断し、
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にレーザビームを振動させ、
レーザビームを振動させるときの振幅量をＱｘ、前記板金の上面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第１の円形領域の半径をrtop、前記板金の下面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第２の円形領域の半径をrbottomとし、
計算値Ｖａを以下の式で表し、
【数５】
2020006397.tif 000007
複数の板厚の板金を切断するときの計算値Ｖａの標準偏差をＶａｓｄとしたとき、
前記ノズルとして、２Ｖａ−Ｖａｓｄで得られる最小値と２．５＋Ｖａｓｄで得られる最大値との間に開口の径が存在するノズルを用いる
ことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項５】
前記ノズルとして、前記最小値と前記最大値との間に開口の径が存在するノズルのうち、径が最小のノズルを用いることを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
カッティングフロントの前記板金の面に沿った方向の距離をΔＬとしたとき、
レーザビームを、
ΔＬ−rbottom−rtop≦Ｑｘ≦ΔＬ
を満たすように振動させる
ことを特徴とする請求項４または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】
本開示は、レーザビームによって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】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】JANUARY 2017 The FABRICATOR 67, Shaping the beam for the best cut
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
レーザ加工機はアシストガス供給装置を備え、アシストガスを板金へと吹き付けてカーフ内の溶融した溶融金属を排出しながら板金を切断する。一般的には、板金の板厚が厚くなるほどカーフ幅を広くする必要があり、それに伴って、加工ヘッドの先端に装着されたノズルに形成された開口の径（ノズル径）を大きくする必要がある。ノズル径が大きくなっても加工ヘッド内のアシストガス圧を一定以上に保つためには、アシストガスの流量を多くしなければならない。即ち、ノズル径が大きくなるほどアシストガスの消費量が多くなり、コストを増大させてしまう。
【０００６】
アシストガスの消費量を従来よりも少なくしながら、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】
１またはそれ以上の実施形態の第１の態様によれば、板金を切断するためのレーザビームを射出する開口が形成されたノズルが先端に取り付けられた加工ヘッドと、前記板金の面に対する前記加工ヘッドの相対的な位置を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の相対的な位置を移動させて前記板金を切断するとき、前記板金の切断進行方向と平行方向にレーザビームを振動させるビーム振動機構とを備え、前記ビーム振動機構によるレーザビームの振幅量をＱｘ、前記板金の上面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第１の円形領域の半径をrtop、前記板金の下面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第２の円形領域の半径をrbottomとし、計算値Ｖａを以下の式で表し、複数の板厚の板金を切断するときの計算値Ｖａの標準偏差をＶａｓｄとしたとき、前記ノズルとして、２Ｖａ−Ｖａｓｄで得られる最小値と２．５Ｖａ＋Ｖａｓｄで得られる最大値との間に開口の径が存在するノズルを用いることを特徴とするレーザ加工機が提供される。
【数１】
2020006397.tif 000003
【０００８】
１またはそれ以上の実施形態の第２の態様によれば、板金を切断するためのレーザビームを、加工ヘッドの先端に取り付けられた開口が形成されたノズルより射出して、前記板金に照射し、前記板金の面に対する前記加工ヘッドの相対的な位置を移動させることにより前記板金を切断し、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にレーザビームを振動させ、レーザビームを振動させるときの振幅量をＱｘ、前記板金の上面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第１の円形領域の半径をrtop、前記板金の下面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第２の円形領域の半径をrbottomとし、計算値Ｖａを以下の式で表し、複数の板厚の板金を切断するときの計算値Ｖａの標準偏差をＶａｓｄとしたとき、前記ノズルとして、２Ｖａ−Ｖａｓｄで得られる最小値と２．５＋Ｖａｓｄで得られる最大値との間に開口の径が存在するノズルを用いることを特徴とするレーザ加工方法が提供される。
【数２】
2020006397.tif 000004
【発明の効果】
【０００９】
１またはそれ以上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、アシストガスの消費量を従来よりも少なくしながら、板金を切断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、１またはそれ以上の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、１またはそれ以上の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、レーザビームの平行振動パターンを示す図である。
【図５】図５は、レーザビームを平行振動パターンで振動させるときの振幅量の適切な範囲をどのように決定すべきかを説明するための図である。
【図６Ａ】図６Ａは、レーザビームの振幅量が最小の状態を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、レーザビームの振幅量が最大の状態を示す図である。
【図７】図７は、平行振動パターンを用いて板金を切断することができる最小のノズル径を決定するために用いた実施例を表形式で示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、１またはそれ以上の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。１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法は、板金を切断する際に用いるノズルとして、従来よりもノズル径の小さいノズルを用いて、アシストガスの消費量を少なくする。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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る。１またはそれ以上の実施形態においては、板金Ｗの板厚は３ｍｍから２５ｍｍのうちのいずれかであるとする。
【００１７】
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。
【００１８】
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の面に対する加工ヘッド３５の相対的な位置を移動させる移動機構を備えていればよい。
【００１９】
加工ヘッド３５の先端には、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例えば窒素を加工ヘッド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。アシストガスは、板金Ｗが溶融したカーフ内の溶融金属を排出する。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
ガルバノスキャナユニット３２による作用によって、レーザビームの光軸が細実線で示す位置から太実線で示す位置へと変位したとする。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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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の切断進行方向をｘ方向、板金Ｗの面内でｘ方向と直交する方向を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。
【００３２】
図４に示すように、ガルバノスキャナユニット３２は、ＮＣ装置５０による制御に基づいて、ビームスポットＢｓをビームスポットＢｓの進行によって形成された溝Ｗｋ内でｘ方向に振動させる。この振動パターンを平行振動パターンと称する。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平行振動パターンで振動させられる。非特許文献１には、レーザビームを平行振動パターンで振動させながら板金を切断することが記載されている。
【００３３】
ビームスポットＢｓを切断進行方向と平行方向に振動させる周波数をＦｘ、切断進行方向と直交する方向に振動させる周波数をＦｙとすれば、平行振動パターンはＦｘ：Ｆｙが１：０の振動パターンである。溝Ｗｋのカーフ幅Ｋ１は、ビームスポットＢｓを平行振動パターンで振動させないときのカーフ幅と同じである。
【００３４】
次に、図５を用いて、レーザビームを平行振動パターンで振動させるときの好ましい振幅量を検討する。図５において、レーザ加工機１００は、加工ヘッド３５を白抜き矢印で示す切断進行方向に移動させながら、かつ、板金Ｗに照射するレーザビームを平行振動パターンで振動させながら、板金Ｗを切断する。
【００３５】
ＬＢ１及びＬＢ２は、それぞれ、切断進行方向に対して最も後ろ側及び最も前側に変位した位置のレーザビームを示している。レーザビームは、切断進行方向に振幅量Ｑｘで振動する。振幅量Ｑｘは、板金Ｗ上でのレーザビームＬＢ１及びＬＢ２の焦点位置の間隔である。１またはそれ以上の実施形態においては、従来のようにレーザビームをデフォーカスの状態とする必要はなく、集束点を板金Ｗの上面またはその近傍に位置させるジャストフォーカスの状態とすればよい。
【００３６】
但し、デフォーカスの状態を利用することを排除するものではない。板金Ｗの板厚が８ｍｍよりも厚い場合に、溶融した金属を良好に排出させるために、カーフ内にフォーカスさせるいわゆるインフォーカスという状態のデフォーカスを利用してもよい。
【００３７】
従来のレーザ加工機が１μｍ帯のレーザビームを平行振動パターンで振動させずに板金Ｗを切断するとき、加工不良となりやすいのは、幅の狭いカーフ内の溶融した金属が短時間のうちに冷却されて粘度が増大して、排出されにくくなるからである。
【００３８】
板金Ｗを切断するには、板金Ｗに次の２つ要件を満足するのに必要充分で断続的なエネルギが供給されることが必要である。第１の要件として、振動するレーザビームの一度の照射時間内で金属が溶融し、溶融した金属が排出されるまでの時間内に振動するレーザビームが溶融した金属に複数回照射されて溶融状態（特に粘度）が維持される。第２の要件として、切断面（カーフの内面）が過剰に溶融しない。
【００３９】
１またはそれ以上の実施形態においては、レーザビームを平行振動パターンで振動させることによって、上記の２つの要件を満足し、溶融した金属の粘度が低い状態が従来よりも長い時間維持される。従って、カーフ幅Ｋ１が従来と同じであってもカーフ内の溶融した金属が排出されやすくなるので、切断面の品質が良好となる。
【００４０】
レーザビームの進行方向それぞれの位置における断面積のうち、実際に金属の溶融に寄与するのは、断面積における全光エネルギのうちの中心側のほぼ８６％の光エネルギを占める面積を有する円形領域である。板金Ｗの上面では、上面でのレーザビームの断面積（即ち、ビームスポットＢｓの面積）のうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する円形領域top86が板金Ｗを溶融させる。板金Ｗの下面では、下面でのレーザビームの断面積のうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する円形領域bottom86が板金Ｗを溶融させる。
【００４１】
図５に示すように、カッティングフロントＣＦの板金Ｗの面に沿った方向の距離をΔＬとする。カッティングフロントＣＦの角度θはおおよそ８５°であるので、角度θは８５°とみなせばよい。距離ΔＬは、板金Ｗの板厚ｔをｔａｎθで除算することによって求められる。
【００４２】
図６Ａは、振幅量Ｑｘが最小の状態を示している。図５は、図６Ａの状態に相当する。このとき、距離ΔＬは、振幅量Ｑｘと、円形領域bottom86の半径rbottomと、円形領域top86の半径rtopとを用いて式（１）で表すことができる。図６Ａ及び図６Ｂにおける３６ｃｔｒは、ノズル３６の中心を示している。
ΔＬ＝Ｑｘ＋rbottom＋rtop    …（１）
【００４３】
図６Ｂは、振幅量Ｑｘが最大の状態を示している。円形領域bottom86の中心からカッティングフロントＣＦの下端部までの距離は半径rtopに等しい。よって、図６Ｂにおける距離ΔＬは振幅量Ｑｘと等しくなる。
【００４４】
よって、振幅量Ｑｘが取る好ましい範囲は式（２）で表すことができる。
ΔＬ−bottom−rtop≦Ｑｘ≦ΔＬ    …（２）
【００４５】
ＮＣ装置５０が、ガルバノスキャナユニット３２によって、式（２）を満たすようにレーザビームを振動させれば、カッティングフロントＣＦの全体にレーザビームを照射させることができ、板金Ｗを良好に切断することができる。板厚ｔが厚くなるほど距離ΔＬが長くなるから、板厚ｔが厚くなるほど振幅量Ｑｘを大きくする必要がある。
【００４６】
ところで、カッティングフロントＣＦの角度θは、金属のエネルギ吸収率が最も高い角度であるブリュースター角度であってもよいし、ブリュースター角度でなくてもよい。振動するレーザビームの一度の照射時間内で金属が溶融する要件として、ブリュースター角度は必須ではない。エネルギ密度と金属の溶融に要する時間との関係が、一度の照射時間内に成り立てばよい。また、溶融した金属の粘度とカッティングフロントＣＦの角度θとの関係から、溶融した金属が流れ落ちればよい。
【００４７】
以上のように、１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法において、板厚３ｍｍ以上のステンレス鋼よりなる板金を切断するために、レーザビームを平行振動パターンで振動させるときの適切な振幅量を設定することが好ましい。
【００４８】
次に、１またはそれ以上のレーザ加工機及びレーザ加工方法において、アシストガスの消費量をどのように削減するかについて説明する。上述のように、ノズル径が大きくなるほどアシストガスの消費量が多くなるから、アシストガスの消費量を少なくするにはノズル径を小さくすればよい。
【００４９】
図７に示す番号１〜４で示す板金Ｗを切断した実施例を用いて、板金Ｗを切断することができる最小のノズル径をどのように決定するかを説明する。図７に示すように、番号１の板厚４ｍｍの板金Ｗを切断するときの振幅量Ｑｘは０．１４０ｍｍ、半径rtopは０．０５７ｍｍ、半径rbottomは０．１１６ｍｍである。番号２の板厚６ｍｍの板金Ｗを切断するときの振幅量Ｑｘは０．２２４ｍｍ、半径rtopは０．０５７ｍｍ、半径rbottomは０．１８５ｍｍである。
【００５０】
番号３の板厚８ｍｍの板金Ｗを切断するときの振幅量Ｑｘは０．３０１ｍｍ、半径rtopは０．０５７ｍｍ、半径rbottomは０．２５５ｍｍである。番号４の板厚１０ｍｍの板金Ｗを切断するときの振幅量Ｑｘは０．５００ｍｍ、半径rtopは０．０５７ｍｍ、半径rbottomは０．３２５ｍｍである。
【００５１】
計算値Ｖａを式（３）で定義する。式（３）において、半径rbottomにルート２を乗じているのは次の理由による。カッティングフロントＣＦを板金Ｗの上面側から下面側へと流れていくアシストガスのガス流が下面側において影響を及ぼす範囲は半径rbottomよりも長い距離であり、ルート２を乗じることにより実際にガス流が影響を及ぼす範囲の距離とすることができるからである。
【００５２】
【数３】
2020006397.tif 000005
【００５３】
計算値Ｖａの標準偏差をＶａｓｄとすると、標準偏差Ｖａｓｄは０．２７９となる。計算上のノズル径の最小値Ｄｍｉｎを２Ｖａ−Ｖａｓｄで表し、計算上のノズル径の最大値Ｄｍａｘを２．５Ｖａ＋Ｖａｓｄで表す。番号１〜４の板金Ｗを切断するときの最小値Ｄｍｉｎ及び最大値Ｄｍａｘは、それぞれ、０．４４及び１．１８、０．８１及び１．６４、１．１６及び２．０８、１．７６及び２．８２となる。
【００５４】
計算値Ｖａに対する倍率を２及び２．５としているのは次の理由による。発明者は、計算値Ｖａがおおよそノズル３６の半径に相当することに着目した。そこで、ノズル３６の直径（ノズル径）とするために、倍率の最小値は２となる。
【００５５】
カッティングフロントＣＦを流れていくアシストガスの作用の１つは、放熱（熱伝達）である。熱伝達は流速の立方根の二乗に比例すると言われている。立方体の上面の正方形をノズル３６の開口３６ａに内接する正方形と考えると、ノズル３６の半径を１としたとき、正方形の１辺はルート２となる。これらを考慮すると、倍率の最大値は次に式（４）で得られる。
【００５６】
［｛（２Ｖａ）１／２｝１／３］２×２Ｖａ    …（４）
【００５７】
計算値Ｖａを１とすると、式（４）より倍率の最大値はほぼ２．５となる。
【００５８】
実際に存在するノズル径は、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ、４．０ｍｍ、７．０ｍｍ、１０．０ｍｍであるから、番号１〜４の板金Ｗを切断するときに用いることができる計算上のノズル径は、それぞれ、１．０ｍｍ、１．０ｍｍ及び１．５ｍｍ、１．５ｍｍ及び２．０ｍｍ、２．０ｍｍとなる。よって、番号１〜４の板金Ｗを切断するときに用いることができる最小ノズル径は、それぞれ、１．０ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍとなる。
【００５９】
図７に示すように、番号１〜３の板金Ｗを切断するときに用いる標準のノズル径は４．０ｍｍであり、番号４の板金Ｗを切断するときに用いる標準のノズル径は７．０ｍｍである。１またはそれ以上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、標準のノズル径よりも小さなノズル径のノズル３６を用いて板金Ｗを切断することができる。なお、例えば、番号１〜４の板金Ｗを切断するときのアシストガスのガス圧は、それぞれ、１．２ＭＰａ、１．４ＭＰａ、１．６ＭＰａ、１．３ＭＰａである。
【００６０】
１またはそれ以上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、レーザビームを平行振動パターンで振動させることによって、板金Ｗを切断面の品質が良好で高速に切断することができる。また、１またはそれ以上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、以上のような理論で選択した最小値Ｄｍｉｎから最大値Ｄｍａｘまでの範囲にあって使用可能なノズル径のノズル３６を用いて、切断面の品質が良好で高速切断が可能という効果を損なうことなく、板金Ｗを切断することができる。
【００６１】
１またはそれ以上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、アシストガスの消費量を従来よりも大幅に少なくすることができるので、板金Ｗを切断して製品を製作するコストを低減させることができる。
【００６２】
本発明は以上説明した１またはそれ以上の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】
【００６３】
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
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】
2020006397.tif 000008
【図２】
2020006397.tif 000009
【図３】
2020006397.tif 000010
【図４】
2020006397.tif 000011
【図５】
2020006397.tif 000012
【図６Ａ】
2020006397.tif 000013
【図６Ｂ】
2020006397.tif 000014
【図７】
2020006397.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】令和1年5月24日(2019.5.24)
【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】
板金を切断するためのレーザビームを射出する開口が形成されたノズルが先端に取り付けられた加工ヘッドと、
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、前記板金の切断進行方向と平行方向にレーザビームを振動させるビーム振動機構と、
を備え、
前記ビーム振動機構によるレーザビームの振幅量をＱｘ、前記板金の上面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第１の円形領域の半径をrtop、前記板金の下面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第２の円形領域の半径をrbottomとし、
計算値Ｖａを以下の式で表し、
【数４】
2020006397.tif 000016
複数の板厚の板金を切断するときの計算値Ｖａの標準偏差をＶａｓｄとしたとき、
前記ノズルとして、２Ｖａ−Ｖａｓｄで得られる最小値と２．５Ｖａ＋Ｖａｓｄで得られる最大値との間に開口の径が存在するノズルを用いる
レーザ加工機。
【請求項２】
前記ノズルとして、前記最小値と前記最大値との間に開口の径が存在するノズルのうち、径が最小のノズルを用いる請求項１に記載のレーザ加工機。
【請求項３】
カッティングフロントの前記板金の面に沿った方向の距離をΔＬとしたとき、前記ビーム振動機構は、レーザビームを、
ΔＬ−rbottom−rtop≦Ｑｘ≦ΔＬ
を満たすように振動させる
請求項１または２に記載のレーザ加工機。
【請求項４】
板金を切断するためのレーザビームを、加工ヘッドの先端に取り付けられた開口が形成されたノズルより射出して、前記板金に照射し、
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ことにより前記板金を切断し、
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にレーザビームを振動させ、
レーザビームを振動させるときの振幅量をＱｘ、前記板金の上面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第１の円形領域の半径をrtop、前記板金の下面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第２の円形領域の半径をrbottomとし、
計算値Ｖａを以下の式で表し、
【数５】
2020006397.tif 000017
複数の板厚の板金を切断するときの計算値Ｖａの標準偏差をＶａｓｄとしたとき、
前記ノズルとして、２Ｖａ−Ｖａｓｄで得られる最小値と２．５＋Ｖａｓｄで得られる最大値との間に開口の径が存在するノズルを用いる
レーザ加工方法。
【請求項５】
前記ノズルとして、前記最小値と前記最大値との間に開口の径が存在するノズルのうち、径が最小のノズルを用いる請求項４に記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
カッティングフロントの前記板金の面に沿った方向の距離をΔＬとしたとき、
レーザビームを、
ΔＬ−rbottom−rtop≦Ｑｘ≦ΔＬ
を満たすように振動させる
請求項４または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】
１またはそれ以上の実施形態の第１の態様によれば、板金を切断するためのレーザビームを射出する開口が形成されたノズルが先端に取り付けられた加工ヘッドと、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、前記板金の切断進行方向と平行方向にレーザビームを振動させるビーム振動機構とを備え、前記ビーム振動機構によるレーザビームの振幅量をＱｘ、前記板金の上面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第１の円形領域の半径をrtop、前記板金の下面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第２の円形領域の半径をrbottomとし、計算値Ｖａを以下の式で表し、複数の板厚の板金を切断するときの計算値Ｖａの標準偏差をＶａｓｄとしたとき、前記ノズルとして、２Ｖａ−Ｖａｓｄで得られる最小値と２．５Ｖａ＋Ｖａｓｄで得られる最大値との間に開口の径が存在するノズルを用いることを特徴とするレーザ加工機が提供される。
【数１】
2020006397.tif 000018
【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】
１またはそれ以上の実施形態の第２の態様によれば、板金を切断するためのレーザビームを、加工ヘッドの先端に取り付けられた開口が形成されたノズルより射出して、前記板金に照射し、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ことにより前記板金を切断し、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にレーザビームを振動させ、レーザビームを振動させるときの振幅量をＱｘ、前記板金の上面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第１の円形領域の半径をrtop、前記板金の下面におけるレーザビームの断面積における全光エネルギのうちの中心側の８６％の光エネルギを占める面積を有する第２の円形領域の半径をrbottomとし、計算値Ｖａを以下の式で表し、複数の板厚の板金を切断するときの計算値Ｖａの標準偏差をＶａｓｄとしたとき、前記ノズルとして、２Ｖａ−Ｖａｓｄで得られる最小値と２．５＋Ｖａｓｄで得られる最大値との間に開口の径が存在するノズルを用いることを特徴とするレーザ加工方法が提供される。
【数２】
2020006397.tif 000019
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
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。