(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザノズルから被切断材に向けてレーザ光を照射すると共に酸素ガスからなるアシストガスを噴射して該被切断材に厚さ方向の貫通孔を形成するレーザピアシング方法であって、
レーザ光の焦点を被切断材の表面から離隔した位置に設定すると共に該位置を保持した状態で、レーザノズルから被切断材に向けて、ピーク出力がレーザ発振器の定格出力の５０％以上で且つデューティ比が５０％以上に設定されたパルス状レーザ光を照射すると共に該被切断材を切断するのに適したアシストガスの圧力よりも低い圧力に設定したアシストガスを噴射し、且つ前記アシストガスの外側に酸素ガスを含むシールドガスを噴射することで、前記被切断材に厚さ方向に貫通することのない下穴を形成した後、
レーザ光の焦点を被切断材の板厚の内部方向の位置に設定すると共に該位置を保持した状態で、レーザノズルから被切断材に向けて、ピーク出力がレーザ発振器の定格出力の５０％以上で且つデューティ比が５０％乃至９８％に設定されたパルス状レーザ光を照射すると共に該被切断材を切断するのに適したアシストガスの圧力よりも低い圧力に設定したアシストガスを噴射し、且つ前記アシストガスの外側に酸素ガスを含むシールドガスを噴射することを特徴とするレーザピアシング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被切断材に向けてレーザ光を照射して貫通孔を形成するレーザピアシング方法に関し、特に、貫通孔の径を小さくすることができ、且つピアシングに要する時間の短縮化をはかることができるレーザピアシング方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属からなる被切断材に向けてレーザノズルからレーザ光を照射しつつ、該レーザノズルを目的の図形の形状に沿って移動させて切断することが行われている。このレーザ切断の場合、先ず、被切断材に於ける目的の図形から離隔したスクラップ側の位置でピアシングを行って貫通孔を形成し、この貫通孔を起点として切断を開始するのが一般的である。
【０００３】
被切断材にレーザ光を照射してピアシングを行う場合、レーザ光に沿って酸素ガスからなるアシストガスを噴射することが行われる。また、アシストガスに沿って酸素ガスからなるシールドガスを噴射することも行われている。アシストガスは、レーザ光が照射された部位の被切断材を燃焼させると共に、溶融した生成物を母材から排除する機能を有する。また、シールドガスはアシストガスを大気からシールドする機能を有する。
【０００４】
現在、ピアシング方法として、大別して二つの方法が採用されている。第１の方法は、デューティ比の低いパルスレーザ（ＰＷ）を利用して径が約１ｍｍ程度或いはそれよりも小さい孔を形成する方法である。この方法では小さい孔を形成することができる。しかし、被切断材の厚さが増加するのに伴って加工時間が急激に増大するという問題や、裏面側の径が小さくなりすぎて円滑に切断に移行し得なくなることがあるという問題がある。
【０００５】
第２の方法は、連続発振レーザ（ＣＷ）を利用し、レーザ光の焦点を被切断材の表面よりも上方に設定して短時間で孔を形成する方法である。この方法では短時間で孔を形成することができる。しかし、形成された孔の径が大きくなり、母材から排除される溶融物の量が大きくなってしまうという問題や、母材の蓄熱量が多くなってしまうという問題がある。
【０００６】
上記の如き問題を解決するために特許文献１に記載されたピアシング方法が提案されている。このピアシング方法は、第１のピアシング条件でレーザビームを照射した後、該レーザビームの照射を０．５秒以上停止し、その後、第２のピアシング条件でレーザビームを照射してピアシング加工を完了するようにしたものである。第１のピアシング条件は、レーザビームを連続波形モードとするか、或いはビームスポット径を変化させる、というものである。また、第２のピアシング条件は、レーザビームを連続波形モードとするか、或いはビームスポット径を変化させるか、レーザビームをパルス波形モードとする、というものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−０７５８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載された発明では、ピアシング加工途中にビーム停止期間を設けることで、ピアシング加工時に発生するスパッタ量を低減して短時間で貫通孔を形成することができるが、図６に記載されているように、被加工材に形成された穴径は６ｍｍである。この穴径は従来の第２の方法と比較すると十分に小さいといえる。しかし、レーザ切断を行っている企業からは、より小さい孔をより短時間で形成するピアシング方法の開発が要求されているのが実状である。
【０００９】
レーザ光を照射することで被切断材に形成された貫通孔は、表面側の径が大きく、裏面側の径が小さいのが一般的であり、切断は貫通孔を起点として行われる。そして、貫通孔に於ける裏面側の径が小さすぎると、切断に移行したとき、生成した溶融物が裏面側に円滑に排除されず、切断不良を引き起こすという問題もある。
【００１０】
本発明の目的は、被切断材にレーザ光を照射して、円滑に切断に移行し得る程度の径の孔を、短時間で形成することができるレーザピアシング方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本件発明者等は、上記課題を解決するために種々の実験を行った。この実験は、ピーク出力が４０００Ｗの炭酸ガスレーザを用いてＳＳ４００、板厚１６ｍｍの鋼板に対しピアシングすることで行った。ピアシング時間の短縮化をはかるために、被切断材をピアシングする際に要する時間を２秒以下とし、２秒以上かかった場合はピアシング不成功として判定して孔あけ成功率を計算した。ここで、ピアシングに要する時間を２秒を限界として判定したのは、被切断材の板厚や、レーザ光のピーク出力を変化させた場合でも、ピアシングに要する時間に大きな変化がないことに基づいている。
【００１２】
また、ピアシング終了後、切断に円滑に移行し得るように、裏面側に於ける貫通孔の径を約１ｍｍ以上とし、且つ貫通孔の径を可及的に小さくするために、裏面側に於ける貫通孔の径を約３ｍｍ以下とする条件を設定して判定の目安とした。
【００１３】
特に、レーザ切断では、ピアシングから切断に至る一連の作業を自動化しているのが一般的であるため、孔あけ成功率が低い場合、作業性の面、稼働率の面から問題が生じる。従って、孔あけ成功率は１００％であることが望ましく、少なくとも９０％であることが好ましい。
【００１４】
そして、上記条件を満足するピアシングであれば、従来のピアシングと比較して十分に優位性を発揮し得るといえるとの感触を得た。
【００１５】
この結果、本発明に係るレーザピアシング方法は、レーザノズルから被切断材に向けてレーザ光を照射すると共に酸素ガスからなるアシストガスを噴射して該被切断材に厚さ方向の貫通孔を形成するレーザピアシング方法であって、レーザ光の焦点を被切断材の板厚の内部方向の位置に設定すると共に該位置を保持した状態で、レーザノズルから被切断材に向けて、ピーク出力がレーザ発振器の定格出力の５０％以上で且つデューティ比が５０％乃至９８％に設定されたパルス状レーザ光を照射すると共に該被切断材を切断するのに適したアシストガスの圧力よりも低い圧力に設定したアシストガスを噴射し、且つ前記アシストガスの外側に酸素ガスを含むシールドガスを噴射することを特徴とするものである。
【００１６】
上記レーザピアシングに先立って、被切断材に厚さ方向に貫通することのない下穴を形成することが好ましい。
【００１７】
また、前記下穴は、レーザ光の焦点を被切断材の表面から離隔した位置に設定すると共に該位置を保持した状態で、レーザノズルから被切断材に向けて、ピーク出力がレーザ発振器の定格出力の５０％以上で且つデューティ比が５０％以上に設定されたパルス状レーザ光を照射すると共に該被切断材を切断するのに適したアシストガスの圧力よりも低い圧力に設定したアシストガスを噴射し、且つ前記アシストガスの外側に酸素ガスを含むシールドガスを噴射することで形成することが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るレーザピアシング方法では、裏面側の径が小さく、且つ切断に移行するのに支障のない貫通孔を短時間で形成することができる。
【００１９】
即ち、被切断材に照射するレーザ光を、レーザ光の焦点を被切断材の板厚の内部方向に設定し、ピーク出力がレーザ発振器の定格出力の５０％以上、デューティ比が５０％乃至９８％のパルスレーザとし、アシストガスの圧力を切断時の圧力よりも低い圧力に設定し、アシストガスの外側に酸素ガスを含むシールドガスを噴射するので、パワー密度の高いパルスレーザを照射して焦点付近の母材温度を上昇させることができ、且つアシストガスによる被切断材の母材の燃焼を抑えることができる。このため、燃焼生成物の量を少なくすることができ、母材の排出量を少なくして穴の径を小さくすることができる。特に、シールドガスによってアシストガスを大気からシールドすると共に、該シールドガスに含まれる酸素ガスを、圧力を低下させることで流量が軽減したアシストガスの補助的なガスとして利用することができる。
【００２０】
また、上記レーザピアシング方法を実施するのに先立って、被切断材に厚さ方向に貫通することのない下穴を形成しておくことで、被切断材の厚さが厚くなった場合でも対応することができる。
【００２１】
また、下穴を形成する際に、レーザ光の焦点を被切断材の表面から離隔した位置に設定し、その後、ピーク出力がレーザ発振器の定格出力の５０％以上、デューティ比が５０％以上のパルスレーザとし、アシストガスの圧力を切断時の圧力よりも低い圧力に設定し、アシストガスの外側に酸素ガスを含むシールドガスを噴射することで、良好な下穴を形成することができる。
【００２２】
従って、上記の如くして下穴を形成した後、レーザ光の焦点位置を変化させて被切断材の板厚の内部方向に設定し、この状態で、ピーク出力がレーザ発振器の定格出力の５０％以上、デューティ比が５０％以上のパルスレーザとし、アシストガスの圧力を切断時の圧力よりも低い圧力に設定し、アシストガスの外側に酸素ガスを含むシールドガスを噴射することで、下穴、貫通孔を連続して加工することができる。このため、被切断材の板厚が厚くなった場合でも、円滑で良好なレーザピアシングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】レーザピアシング方法を実施するための装置の構成を模式的に説明する図である。
【図２】第１実施例に係るレーザピアシングを実施する手順を説明する図である。
【図３】第１実施例に於けるピアシング条件と結果を示す図である。
【図４】第１実施例に於けるピアシング条件と結果を示す図である。
【図５】第２実施例に係るレーザピアシングを実施する手順を説明する図である。
【図６】第２実施例に於けるピアシング条件と結果を示す図である。
【図７】第２実施例に於けるピアシング条件と結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明に係るレーザピアシング方法（以下単に「ピアシング方法」という）について説明する。本発明に係るピアシング方法は、被切断材に対し貫通孔を形成する際に、レーザ光の焦点位置を被切断材の厚さの内部方向に設定し、レーザ光をピーク出力がレーザ発振器の定格出力の５０％以上で且つデューティ比が５０％以上に設定し、且つアシストガスを被切断材を切断するのに適した圧力よりも低い圧力に設定し、このアシストガスの外側に酸素ガスを含むシールドガスを噴射することで、径が小さく且つ円滑に切断に移行し得るような貫通孔を短時間で形成するものである。
【００２５】
被切断材に対してレーザ光を照射してピアシングを行う場合、レーザ発振器のピーク出力と被切断材の厚さとは相関関係があり、ピーク出力が設定されたとき、所定時間内でピアシングを行える被切断材の板厚は自ずから設定される。このため、レーザ発振器のピーク出力が大きくなるに従ってピアシングし得る被切断材の厚さが厚くなるものの、ピアシング可能な最大板厚を越えたものに対してピアシングを行うことは極めて困難となる。
【００２６】
このことは、レーザ発振器のピーク出力が設定されたとき、このピーク出力でピアシングが可能な最大板厚が設定されると共に、該最大板厚よりも薄い被切断材をピアシングする場合、ピーク出力よりも小さい出力でピアシングすることが可能であることを意味している。
【００２７】
従って、レーザ発振器の定格出力の５０％以上のピーク出力に設定することで、このレーザ発振器からピーク出力のレーザ光を出射したときにピアシング可能な最大板厚までのピアシングを行うことが可能である。
【００２８】
また、予め被切断材に於ける貫通孔を形成する位置にレーザ光を照射して下穴を形成しておき、この下穴を形成した後、この下穴の位置に上記した条件でピアシングを行うことで、被切断材の厚さが厚くなった場合でも、径が小さい貫通孔を確実に形成することが可能である。
【００２９】
即ち、前述したように、レーザ発振器のピーク出力が設定されたとき、このレーザ発振器によってピアシング可能な最大板厚が設定される。このため、予め下穴を形成しておくことで、ピーク出力が設定されたレーザ発振器によるピアシング可能板厚の範囲を拡大することが可能となる。
【００３０】
また、下穴を形成する際に、レーザ光の焦点を被切断材から離隔した位置に設定し、レーザ光の性質、アシストガス圧力、シールドガス圧力からなる条件を夫々切断時の条件と異なる条件に設定してレーザ光を照射することで、被切断材に下穴を形成することが可能である。
【００３１】
即ち、下穴をレーザ光を照射して形成することで、設定されたピーク出力に応じてピアシング可能な最大板厚が決まっているレーザ発振器を用いた場合でも、ピアシング可能な最大板厚の範囲を拡大することが可能となる。
【００３２】
先ず、本発明に係るピアシング方法を実施するための装置の構成について図１により簡単に説明する。
【００３３】
レーザノズルＡには、先端にレーザ光が出射されると共にアシストガスが噴射するノズル１が設けられ、内部の所定位置にレンズ２が配置されている。３はレーザ光の光軸であり、ノズル１の中心とレンズ２の中心を結んで設定されている。また、ノズル１の周囲にはシールドガスを噴射するシールドガスノズル４が設けられている。
【００３４】
レーザノズルＡにはレーザ発振器１１が接続されている。このレーザ発振器１１は、光軸３の延長線上に配置されており、該レーザ発振器１１から出射されたレーザ光は、レンズ２によって集光され、ノズル１から出射して光軸３上の焦点Ｓに収束される。
【００３５】
また、レーザノズルＡには、アシストガス供給装置１２が接続されており、該アシストガス供給装置１２から供給されたアシストガスはホース１２ａを介してノズル１とレンズ２との間に形成された室５に流入し、該室５を経てノズル１から被切断材Ｂに向けて噴射される。
【００３６】
アシストガス供給装置１２は、アシストガスを構成する酸素ガスを供給するための酸素ボンベや工場内の酸素配管等の供給設備と、前記供給設備によって供給される一次圧力をアシストガスとして用いる圧力に調整する圧力調整装置を有して構成されている。特に、圧力調整装置として二系列設けておき、ピアシング時に室５に供給する圧力と、切断時に室５に供給する圧力を簡単に切り換えることが可能なように構成することが好ましい。
【００３７】
また、レーザノズルＡには、シールドガス供給装置１３が接続されており、該シールドガス供給装置１３から供給されたシールドガスはホース１３ａを介して室６に流入し、室６を経てシールドガスノズル４から被切断材Ｂに向けて噴射する。
【００３８】
シールドガス供給装置１３は、シールドガスを構成する酸素ガスを供給する酸素ガス供給装置と、シールドガスを構成する他のガス、例えば窒素ガスを供給する供給装置と、これらのガスを混合する混合器と、を有して構成されている。
【００３９】
本実施例では、シールドガスとして圧縮空気を用いているため、シールドガス供給装置１３としては、エアコンプレッサー、脱湿器、圧力調整器を有して構成されている。
【００４０】
尚、１４は焦点位置調整装置であり、レンズ２の被切断材Ｂからの距離を変化させることで焦点Ｓの位置を所望の位置に調整する機能を有するものである。焦点位置調整装置１４は前記機能を発揮し得るものであれば良い。このため、レーザノズルＡそのものの位置を変更し得るように構成して、レンズ２の被切断材Ｂからの距離を変化させるように構成することが可能である。また、レンズ２を単独で位置を変化させることが可能な構造としておき、レーザノズルＡと被切断材Ｂとの距離の如何に関わらず、レンズ２のみによって被切断材Ｂからの距離を変化させるように構成することも可能である。
【００４１】
次に、上記の如く構成されたレーザノズルＡを用いて被切断材Ｂに対しピアシングを実施する方法について説明する。
【実施例１】
【００４２】
本実施例は、被切断材Ｂの厚さが比較的薄い場合に適用して有利なピアシング方法である。本実施例に於いて、被切断材Ｂとして、材質；ＳＳ４００、厚さ；１６ｍｍの鋼板を用いている。また、レーザ発振器１１として、ピーク出力４０００Ｗの炭酸ガスレーザを用いている。
【００４３】
上記被切断材Ｂを通常の切断を行う切断条件は、レーザ光の条件を、ピーク出力；４０００Ｗ、周波数；１０００Ｈｚ、デューティ比；４５％、焦点位置；被切断材表面とし、ガス条件を、アシストガス圧；０．０３５ＭＰａ、シールドガス；酸素ガス圧力０．０３ＭＰａとし、切断速度；８００ｍｍ／ｍｉｎとして設定されている。この切断条件は、被切断材Ｂを切断面の品質を保持して安定した状態で確実に切断することが可能なものである。
【００４４】
被切断材Ｂに対しレーザノズルＡによってピアシングを行う際の両者の標準的な位置関係について図２により説明する。図に示すように、レーザノズルＡを被切断材Ｂの表面から高さＨ離隔した位置に設定し、このとき、焦点Ｓの位置を被切断材Ｂの厚さに於ける内部方向にＤｍｍ入り込んだ位置に設定する。この状態で、レーザノズルＡから被切断材Ｂに向けてレーザ光７を照射すると共に、アシストガス、シールドガスを噴射してピアシングを行い、被切断材Ｂに貫通孔８を形成する。
【００４５】
本実施例では、上記の如くして被切断材Ｂをピアシングする際の標準的なピアシング条件を、ピーク出力；４０００Ｗ、周波数；１００Ｈｚ、デューティ比；６０％、焦点位置；被切断材の厚さに於ける内部方向に５ｍｍ入り込んだ位置とし、ガス条件を、アシストガス圧；０．０２ＭＰａ、シールドガス；空気圧力０．２５ＭＰａとして設定している。
【００４６】
そして、上記ピアシング条件を構成する何れか一つの条件を変化させると共に、他の条件を固定した状態でピアシング実験を行った。
【００４７】
各実験に於いて、ピアシングが良好に行われたか否かは、ピアシングに要する時間が２秒以下であることを基準として判定し、前記時間以内でピアシングが終了しない場合、ピアシング不成功として穴あけ成功率を計算した。
【００４８】
前述したように、レーザ切断では、ピアシングから切断に至る一連の作業を自動化しているのが一般的であるため、孔あけ成功率が低い場合、他の条件を満足していても信頼性の面からみて問題が生じるため、孔あけ成功率は１００％であることが望ましく、少なくとも９０％はあることが好ましい。従って、孔あけ成功率が９０未満であるような場合、良好なピアシングではないと判定した。
【００４９】
また、ピアシングに要した時間が２秒以内であった場合、形成された貫通孔の裏面側の径を測定した。そして、貫通孔の裏面側の径が約１ｍｍ以上約３ｍｍ以下の範囲にある場合、良好なピアシングであるとして判定した。
【００５０】
また、ピアシングが進行する過程で発生した生成物（ドロス）が被切断材Ｂの表面に付着したときの平均径と、高さを測定した。ドロスの平均径は板厚の約１／２程度を標準として判定した。この判定基準は、レーザ切断装置を使用している企業の現場で一般的に行われているものである。また、ドロスの付着高さが高くなった場合、ピアシングから切断に移行する際にレーザノズルを被切断材の表面に向けて下降させたときに接触する虞がある。このため、ドロスの高さは１ｍｍ以下を基準として判定した。
【００５１】
本実施例に係る実験結果について説明するに先立って、ピーク出力が４０００Ｗのレーザ発振器のピアシング可能最大板厚について説明する。ピーク出力４０００Ｗのレーザ光をＳＳ４００の鋼板に照射してピアシングを行う場合、ピアシング可能な最大板厚は１６ｍｍであることが確かめられている。
【００５２】
このため、ピーク出力を４０００Ｗ以下（３０００Ｗ、３５００Ｗ）に設定したレーザ光を被切断材Ｂに照射した場合の孔あけ成功率は最大でも６５％であった。また、ＳＳ４００で板厚１２ｍｍの鋼板にピーク出力を３０００Ｗ、３５００Ｗに設定したレーザ光を照射してピアシングを行ったとき、孔あけ成功率は１００％であり、貫通孔に於ける裏面側の径も約１．５ｍｍ程度であった。そして、このピアシングの場合、円滑に切断に移行することが可能であった。
【００５３】
次に、上記実験の条件と結果を図３、４に示して説明する。
【００５４】
図３（ａ）は、ピアシングを行う場合、レーザ光７の焦点Ｓを被切断材Ｂに対し如何なる位置に設定したときに、良好なピアシング作業を行うことが可能で、且つ良好な貫通孔を形成し得るか、を判定するための実験を行った結果を示すものである。
【００５５】
背景技術の項で説明したように、レーザ光７の焦点Ｓの位置を被切断材Ｂの表面から離隔させた場合、被切断材Ｂに形成された貫通孔の径が大きくなることがしられている。このため、レーザ光７の焦点Ｓの被切断材Ｂの厚さに於ける内部方向に入り込んだ寸法（図２（ａ）のＤ）を変化させた実験を行った。
【００５６】
図に示すように、焦点Ｓの位置は深さ方向に−１ｍｍ〜−１１ｍｍ（ここで、−１ｍｍとはＤ＝１ｍｍの意味である）まで２ｍｍ刻みで変化させた。この結果、焦点位置が−１ｍｍ、−１１ｍｍでは孔あけ成功率が０であり、−３ｍｍでは６５％であった。また、−５ｍｍ〜−９ｍｍの範囲では孔あけ成功率は１００％であった。
【００５７】
また、−３ｍｍ〜−９ｍｍの範囲に於ける孔直径（図２（ｂ）に示す被切断材Ｂに形成された貫通孔８の裏面側に於ける孔径）は１．４ｍｍ〜１．７ｍｍの範囲であり、何れもピアシングから切断に円滑に移行し得る寸法であった。また、ドロスの直径は６ｍｍ〜７．５ｍｍの範囲にあり、高さは０．４ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲にあった。
【００５８】
従って、レーザ光７の焦点Ｓの位置は、被切断材Ｂの厚さに於ける内部方向に３ｍｍ〜９ｍｍ入り込んだ位置に設定することが必要であり、５ｍｍ〜９ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００５９】
図３（ｂ）は、レーザ発振器１１の出力を定格出力の１００％とし、デューティ比を４０％〜１００％の範囲で変化させることで、平均出力を変化させた実験の結果を示すものである。図に示すように、デューティ比が４０％の場合孔あけ成功率は０％であり、１００％の場合で６５％であった。また、デューティ比が５０％及び９８％の場合孔あけ成功率は９０％で、デューティ比が６０％〜９５％の範囲では１００％の孔あけ成功率を得た。
【００６０】
また、孔直径は、デューティ比が５０％〜９０％の範囲である場合、１．３ｍｍ〜２．９ｍｍであり、デューティ比が１００％の場合には３ｍｍであった。また、デューティ比が９５％では３．７ｍｍ、デューティ比が９８％では４．１ｍｍであった。
【００６１】
この実験の結果、レーザ光７は、連続発振モードで発振するよりもパルスモードであることが好ましいといえる。また、レーザ光７をパルスモードとした場合、確実なピアシングを実施するためにはデューティ比は５０％以上であれば良い。しかし、径の小さい貫通孔を得るためには、デューティ比が５０％〜９０％の範囲であることが好ましく、６０％〜９０％の範囲であればより好ましいといえる。
【００６２】
図４（ａ）は、ノズル１から噴射するアシストガス圧を変化させた実験の結果を示している。レーザ光７に沿って噴射されるアシストガスは酸素ガスによって構成されるため、レーザ光７の照射によって溶融した母材を酸化、燃焼させる機能を有する。溶融生成物の量は、ピアシングが進行するのに伴って増加するため、ピアシング時に切断時と同じ圧力を持ったアシストガスを噴射した場合、過大な量の酸素ガスが供給される虞がある。このため、本実験は、ピアシング時のアシストガス圧を切断時のアシストガス圧よりもどの程度低下させることが好ましいかを判定するものである。
【００６３】
図に示すように、アシストガス圧が０．０１ＭＰａのとき孔あけ成功率は９０％で、０．０１５ＭＰａ〜０．０５５ＭＰａの範囲では孔あけ成功率は１００％であった。また、孔直径は、０．０１ＭＰａ〜０．０４５ＭＰａの範囲であ１．５ｍｍ〜２．９ｍｍであり、０．０５５ＭＰａのときは３．５ｍｍであった。
【００６４】
この実験の結果、アシストガス圧は０．０１ＭＰａ〜０．０５５ＭＰａの範囲であればピアシングを行うことが可能である。しかし、孔直径の小さい貫通孔を得るためには、アシストガス圧は０．０１ＭＰａ〜０．０３ＭＰａの範囲であることが好ましく、０．０１５ＭＰａ〜０．０２５ＭＰａの範囲であることがより好ましい。従って、ピアシングを実施する際のアシストガス圧は、切断を行う際のアシストガス圧よりも低いことが好ましいといえる。
【００６５】
図４（ｂ）は、シールドガスノズル４から噴射するシールドエア圧を変化させた実験の結果を示している。被切断材Ｂに対しレーザ切断を行う場合、アシストガスに沿って酸素ガスからなるシールドガスを噴射するのが一般的である。しかし、ピアシング時にシールドガスとして酸素ガスを噴射させると、過大な量の酸素ガスが供給されることとなり、貫通孔の径が全体に大きくなることが判明した。このため、酸素純度を低下させたガス（本実験では酸素約２１％の空気）をシールドガスとしてアシストガスに沿って噴射させると共に、ピアシングに適したシールドガス圧を判定した。
【００６６】
図に示すように、シールドガスを噴射しない状態からシールドガス圧０．４ＭＰａとした範囲で孔あけ成功率１００％であり、シールドガス圧０．４５ＭＰａのとき孔あけ成功率は８０％であった。また、孔直径はシールドガス圧が０．１ＭＰａ〜０．４５ＭＰａの範囲で１．３ｍｍ〜２ｍｍであり、シールドガスを噴射しない場合、０．０５ＭＰａの場合に３．５ｍｍ、３．４ｍｍであった。
【００６７】
この実験の結果、シールドガスとして酸素約２１％の空気を用いた場合、圧力を０．１ＭＰａ〜０．４ＭＰａの範囲であることが好ましいといえる。また、酸素ガスと窒素ガスを混合器で混合させることで、酸素ガスを所望の比率で混合させたガスをシールドガスとして用いる場合、酸素ガスの混合比を高くしたときには圧力を低下することが好ましく、酸素ガスの混合比を低くしたときには圧力を高くすることが好ましい。
【００６８】
図３（ｂ）に示すように、ピアシングを行う際に、被切断材Ｂに照射するレーザ光７は、連続発振モードよりもパルスモードが好ましい実験結果を得ている。このため、図４（ｃ）に示す実験では、周波数を変化させたパルス状レーザ光７を照射してピアシングを行ったときの実験結果を示している。
【００６９】
図に示すように、周波数が１０Ｈｚ、１６００Ｈｚのとき、孔あけ成功率は６０％であり、２５Ｈｚ、５０Ｈｚ、８００Ｈｚのとき、孔あけ成功率は８０％であった。また、１００Ｈｚ〜６００Ｈｚの範囲では、孔あけ成功率は１００％であった。また、孔直径は１０Ｈｚ〜１６００Ｈｚの範囲で１．２ｍｍ〜１．５ｍｍであった。
【００７０】
この実験の結果、周波数は１００Ｈｚ〜６００Ｈｚの範囲であることが好ましいといえる。
【００７１】
上記の如き一連の実験を行った結果に基づいて、レーザ光７の焦点Ｓを被切断材Ｂの板厚の内部方向の位置に設定し、この位置を保持した状態で、レーザノズルＡから被切断材Ｂに向けて、ピーク出力がレーザ発振器１１の定格出力の５０％以上で且つデューティ比が５０％以上に設定されたパルス状レーザ光を照射し、且つ被切断材Ｂを切断するのに適したアシストガスの圧力よりも低い圧力に設定したアシストガスを噴射すると共にアシストガスの外側に酸素ガスを含むシールドガスを噴射することで、良好なピアシングを行って貫通孔８を形成することが可能となる。
【００７２】
そして、上記の如くして形成された貫通孔８では、被切断材Ｂの裏面側の径が連続して切断を行うのに必要とされる寸法を有しており、円滑に切断に移行することが可能である。
【実施例２】
【００７３】
次に、第２実施例に係るピアシング方法について説明する。本実施例に係るピアシング方法は、被切断材の厚さがレーザ発振器のピーク出力に応じたピアシング可能厚さよりも大きい場合に、この被切断材を良好な状態でピアシングするものである。
【００７４】
前述したように、レーザ発振器のピーク出力が設定されたとき、このピーク出力でピアシングし得る被切断材Ｂの厚さには上限が生じる。このため、本実施例では、予め被切断材に貫通することのない下穴を形成し、該下穴の底部から裏面までの厚さをレーザ発振器のピーク出力でピアシングし得る寸法としている。
【００７５】
下穴を形成する方法は、作業性の面や設備の簡易性から見て、ピアシングを行う際に用いるレーザ発振器を利用することが好ましい。
【００７６】
本実施例では、ピアシングを行うためのレーザ発振器１１を用いて下穴を形成し、その後、同じレーザ発振器１１によって貫通孔を形成している。本実施例に係るピアシング方法について図５を用いて説明する。
【００７７】
図５（ａ）に示すように、被切断材Ｂに下穴を形成する際に、レーザノズルＡを被切断材Ｂに対向させ、焦点Ｓが被切断材Ｂの表面から上方に距離Ｌ離隔する位置（レーザノズルＡの高さＨ）となるように設定する。この位置を保持して、後述する実験で得た条件でレーザ光７を照射すると共にアシストガス及びシールドガスを噴射する。この結果、同図（ｂ）に示すように、下穴９が形成される。
【００７８】
その後、同図（ｃ）に示すように、レーザノズルＡを被切断材Ｂに接近（下降）させ、レーザ光７の焦点Ｓを下穴９の底部から裏面側に（被切断材Ｂの厚さの内部方向に）距離Ｄ入り込んだ位置に設定し、前述の第１実施例と同じ条件でレーザ光７を照射すると共に、アシストガス及びシールドガスを噴射することで、同図（ｄ）に示すように、被切断材Ｂの厚さ方向に下穴９と連続した貫通孔８を形成する。
【００７９】
上記手順により、レーザ発振器１１のピーク出力ではピアシング不能である厚さを持った被切断材Ｂに対するピアシングを行うことが可能である。
【００８０】
次に、被切断材Ｂに下穴９を形成する際の条件を設定するためにした実験結果について図６、７により説明する。尚、本実施例に於いて、被切断材Ｂとして、材質；ＳＳ４００、厚さ；１９ｍｍの鋼板を用いて、レーザ発振器１１として、ピーク出力４０００Ｗの炭酸ガスレーザを用いている。
【００８１】
下穴９は、形成された後、連続して底部を起点とするピアシングが行われる。このため、必ずしもピアシングの際に形成する貫通孔８と同様の形状である必要はなく、被切断材Ｂの表面側の径が大きく、厚さの内部方向に入り込むに従って径が小さくなるテーパ状であることが好ましい。そして、底部の径は貫通孔８に於ける裏面側の径よりも十分に大きい寸法であって良い。
【００８２】
また、下穴９の深さは、レーザ発振器１１のピーク出力に応じて設定されたピアシングの最大厚さに対応して設定される。例えば、レーザ発振器１１のピーク出力が４０００Ｗである場合、ピアシング可能な最大厚さは１６ｍｍ程度である。従って、ピーク出力が４０００Ｗのレーザ発振器１１を用いて、厚さが１９ｍｍの被切断材Ｂをピアシングする場合、下穴９の深さは３ｍｍ以上であることが必要である。
【００８３】
図６（ａ）は、被切断材Ｂを厚さ方向に貫通することのない下穴９を形成する際に、レーザ光７の焦点Ｓを被切断材Ｂに対し如何なる位置に設定したときに、良好な形状を持った下穴９を形成し得るか、を判定するための実験を行った結果を示すものである。
【００８４】
図に示すように、焦点Ｓの位置は被切断材Ｂの表面から離隔する方向に＋７ｍｍ〜＋１ｍｍ、表面上、深さ方向に−１ｍｍ〜−４ｍｍまで１ｍｍ刻みで変化させた。この結果、下穴９の深さは４．５ｍｍ〜８．１ｍｍの範囲にあった。このような深さを持った下穴９の場合、底部から被切断材Ｂの裏面までの寸法（見掛け上の板厚）は１４．５ｍｍ〜１０．９ｍｍとなり、ピーク出力４０００Ｗのレーザ発振器１１で確実にピアシングし得る寸法である。
【００８５】
また、下穴直径は、焦点Ｓの位置が＋７ｍｍ〜＋１ｍｍの範囲の場合、３．１ｍｍ〜２ｍｍの範囲にあり、焦点Ｓが表面にある場合、１．８ｍｍであり、焦点Ｓが−１ｍｍ〜−４ｍｍの場合、１．８ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲にあった。前述したように、下穴９の径は次工程でピアシングを行うことから余り小さいのは好ましくはなく、少なくとも１．５ｍｍよりも大きいことが好ましい。
【００８６】
従って、下穴９を形成する際のレーザ光７の焦点Ｓの位置は−２ｍｍ〜＋７ｍｍの範囲であることが好ましく、被切断材Ｂの表面から離隔する方向に設定されていることがより好ましく、＋５ｍｍよりも離隔した位置にあることが望ましい。
【００８７】
図６（ｂ）は、レーザ発振器１１の出力を定格出力の１００％とし、デューティ比を３０％〜１００％の範囲で変化させることで、平均出力を変化させた実験の結果を示すものである。図に示すように、デューティ比が３０％〜１００％の範囲で、深さが５．３ｍｍ〜７．３ｍｍの下穴９を得た。
【００８８】
また、下穴直径は、デューティ比が３０％、４０％である場合、０．８ｍｍ、１．２ｍｍであり、デューティ比が１００％の場合には３ｍｍであった。また、デューティ比が５０％以上では、１．５ｍｍ〜２．８ｍｍであった。
【００８９】
また、ドロスの高さは、デューティ比が８０％のとき０．７ｍｍであり、９０％のとき０．９ｍｍ、更に、９５％、９８％では１ｍｍ、１００％では１．３ｍｍであった。
【００９０】
この実験の結果、下穴９を形成する場合、下穴９の深さ、直径に観点をおくと、レーザ光７は、ＣＷモード、及びデューティ比が５０％以上のパルスモードであって良い。しかし、被切断材Ｂの表面に付着したドロスの状態からすると、デューティ比が９０％よりも低いパルスモードであることが好ましい。従って、下穴９を形成する際に用いるレーザ光７は、デューティ比が５０％以上であることが好ましく、５０％〜９０％の範囲であることがより好ましい。更に、７０％〜９０％の範囲であると望ましい。
【００９１】
図７（ａ）は、ノズル１から噴射するアシストガス圧を変化させた実験の結果を示している。図に示すように、下穴９の深さは、アシストガス圧が０．０１ＭＰａ〜０．０５ＭＰａの範囲で６．９ｍｍ〜８．５ｍｍであり、充分に下穴としての機能を発揮することが可能である。
【００９２】
下穴直径は、アシストガス圧が０．０１ＭＰａ〜０．０４ＭＰａの範囲で１．５ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲にあり、０．０５ＭＰａのとき４．５ｍｍであった。また、被切断材Ｂの表面に付着したドロスの高さは、アシストガス圧が０．０３ＭＰａ〜０．０４ＭＰａの範囲で１ｍｍであり、０．０５ＭＰａのとき１．５ｍｍであった。
【００９３】
この実験の結果、下穴９を形成する場合、下穴９の深さ、直径に観点をおくと、アシストガス圧は０．０１ＭＰａ〜０．０５ＭＰａの範囲であって良い。しかし、ドロスの付着状態からすると、０．０２５ＭＰａよりも低いことが好ましい。
【００９４】
図７（ｂ）は、シールドガスノズル４から噴射するシールドエア圧を変化させた実験の結果を示している。本実施例では、前述の第１実施例と同様にシールドガスとして酸素約２１％の空気をアシストガスに沿って噴射させている。
【００９５】
図に示すように、シールドガスを噴射しない状態からシールドガス圧０．４ＭＰａとした範囲で得た下穴９の深さは６．２ｍｍ〜９．６ｍｍの範囲にあり、何れも下穴９として好ましく利用することが可能である。
【００９６】
下穴直径はシールドガスを噴射しない状態からシールドガス圧０．１５ＭＰａとした範囲で、５ｍｍ〜６ｍｍの範囲にあり、０．２ＭＰａ〜０．４ＭＰａの範囲では、２ｍｍ〜２．５ｍｍであった。また、ドロスの高さは、シールドガスを噴射しない状態からシールドガス圧０．１５ＭＰａとした範囲で、１．５ｍｍ〜５ｍｍであり、０．２ＭＰａでは０．９ｍｍであり、０．２５ＭＰａ〜０．４ＭＰａの範囲では０．５ｍｍ〜０．６ｍｍであった。
【００９７】
この実験の結果、シールドガスとして酸素約２１％の空気を用いた場合、下穴直径及びドロスの付着状態の面から、圧力を０．２ＭＰａ〜０．４ＭＰａの範囲であることが好ましく、０．２５ＭＰａ〜０．４ＭＰａの範囲であることがより好ましい。また、酸素ガスの濃度を高くしたときには圧力を低くすることが好ましく、酸素ガスの濃度を低くしたときには圧力を高くすることが好ましい。
【００９８】
下穴９を形成する際に、被切断材Ｂに照射するレーザ光７は、ＣＷモードよりもＰＷモードが好ましい実験結果を得ている（図６（ｂ）参照）。このため、図７（ｃ）に示す実験では、周波数を変化させたパルス状レーザ光７を照射して下穴９を形成したときの実験結果を示している。
【００９９】
図に示すように、周波数が１０Ｈｚ、１６００Ｈｚのとき、下穴深さは５．５ｍｍ〜７．３ｍｍの範囲にあり、下穴直径は１．６ｍｍ〜２．３ｍｍの範囲にある。また、ドロスの高さは、０．５ｍｍ〜０．７ｍｍの範囲にある。
【０１００】
この実験の結果、周波数は１０Ｈｚ〜１６００Ｈｚの範囲であれば好ましいといえる。
【０１０１】
上記の如き一連の実験の結果に基づいて、レーザ光７の焦点Ｓを被切断材Ｂの表面から離隔した位置に設定し、この位置を保持した状態で、レーザノズルＡから被切断材Ｂに向けて、ピーク出力がレーザ発振器１１の定格出力の５０％以上で且つデューティ比が５０％以上に設定されたパルス状レーザ光７を照射し、且つ被切断材Ｂを切断するのに適したアシストガスの圧力よりも低い圧力に設定したアシストガスを噴射すると共にアシストガスの外側に酸素ガスを含むシールドガスを噴射することで、良好な形状を持った下穴９を形成することが可能である。
【０１０２】
そして、上記の如くして下穴９を形成した後、レンズ２を被切断材Ｂに向けて接近させることで焦点Ｓの位置を下穴９の底部から被切断材Ｂの厚さの内部方向に設定し、この状態を保持して第１実施例に係るピアシング方法を実施することで、下穴９の底部に連続させて貫通孔８を形成することが可能である。
【０１０３】
そして、上記の如くして形成された貫通孔８では、被切断材Ｂの裏面側の径が連続して切断を行うのに必要とされる寸法を有しており、円滑に切断に移行することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
上記の如く構成した本発明のレーザ切断方法では、被切断材の温度を実測することなくバーニングの発生を防止して円滑な且つ安定した切断を行うことが可能となり有利である。
【符号の説明】
【０１０５】
Ａ                  レーザノズル
Ｂ                  被切断材
Ｓ                  焦点
Ｄ、Ｌ              焦点Ｓの位置
Ｈ                  レーザノズルの被切断材の表面からの高さ
１                  ノズル
２                  レンズ
３                  光軸
４                  シールドガスノズル
５、６              室
７                  レーザ光
８                  貫通孔
９                  下穴
１１                レーザ発振器
１２                アシストガス供給装置
１２ａ、１３ａ      ホース
１３                シールドガス供給装置
１４                焦点位置調整装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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