(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークにレーザビームを照射してピアシング穴を形成し、該ピアシング穴を加工開始点にして前記ワークを切断するレーザ加工方法であって、
前記ワークの上面から中央部に至る非貫通の前記ピアシング穴を形成する第１ピアシング工程と、前記ワークを冷却する冷却工程と、前記ピアシング穴を前記ワークの下面まで貫通させる第２ピアシング工程と、前記ワークを切断する切断工程とを有し、
前記第１ピアシング工程では、前記レーザビームの出力を第１の出力値にし、前記レーザビームの焦点位置をデフォーカス位置にし、前記レーザビームの焦点深度を第１の深度にし、加工点に供給するサイドガスの圧力であるサイドガスブロー圧を第１の圧力値にして前記レーザビームを前記ワークに照射してピアシング加工を行い、
前記第２ピアシング工程では、前記レーザビームの出力を前記第１の出力値よりも小さい第２の出力値にし、前記焦点位置を第１のインフォーカス位置にし、前記焦点深度を前記第１の深度よりも大きい第２の深度にし、前記サイドガスブロー圧を前記第１の圧力値よりも小さい第２の圧力値にした状態から、前記レーザビームの出力を前記第１の出力値よりも小さく前記第２の出力値よりも大きい第３の出力値にし、前記焦点位置を前記第１のインフォーカス位置よりもインフォーカス量が大きい第２のインフォーカス位置にし、前記焦点深度を前記第２の深度よりも大きい第３の深度にした状態まで変化させながら前記レーザビームを前記ワークに照射してピアシング加工を行うことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記第１ピアシング工程では、前記レーザビームを前記ワークへ照射する加工ヘッドの前記ワークからの高さである加工ヘッド高さを第１の高さにし、
前記冷却工程では、前記加工ヘッド高さを前記第１の高さに維持し、
前記第２ピアシング工程では、前記加工ヘッド高さを前記第１の高さよりも低い第２の高さにすることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記冷却工程の実行中に、前記焦点位置を前記デフォーカス位置から前記第１のインフォーカス位置に変更し、前記焦点深度を前記第１の深度から前記第２の深度に変更することを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記第２ピアシング工程において、前記レーザビームの出力、前記焦点位置及び前記焦点深度を段階的に変化させることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記第１ピアシング工程、前記第２ピアシング工程及び前記切断工程の各々に先立って前記ワークの温度を測定し、測定した前記ワークの温度に基づいて、前記第１ピアシング工程、前記第２ピアシング工程及び前記切断工程における前記レーザビームの出力、前記焦点位置、前記焦点深度及び前記サイドガスブロー圧を加工パラメータ調整用関数によって調整して加工を行うことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
前記第１ピアシング工程及び前記第２ピアシング工程中のセルフバーニングの発生と、加工開始から前記ピアシング穴が貫通するまでに要した貫通時間とを検出し、
前記セルフバーニングの発生を検出したときに前記加工パラメータ調整用関数を時間増加側へ補正し、
前記セルフバーニングの発生を非検出で前記貫通時間が前回よりも長い場合には、前記加工パラメータ調整用関数を時間短縮側へ補正することを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工方法。
【請求項７】
前記第１ピアシング工程、前記第２ピアシング工程及び前記切断工程の各々に先立って、前記ワークに冷却用流体を吹き付けることを特徴とする請求項５又は６に記載のレーザ加工方法。
【請求項８】
ワークにレーザビームを照射してピアシング穴を形成し、該ピアシング穴を加工開始点にして前記ワークを切断するレーザ加工装置であって、
前記レーザビームを発振するレーザ発振器と、
前記レーザビームの焦点深度を変更する曲率可変光学部品と、
前記ワークからの高さである加工ヘッド高さが可変であり、前記ワークに向けて前記レーザビームを照射する加工ヘッドと、
前記加工ヘッドの内部に設けられ、前記曲率可変光学部品から出射した前記レーザビームの焦点位置を前記加工ヘッド高さとは独立して変更するレンズと、
前記ワークの加工点に噴射するサイドガスの圧力であるサイドガスブロー圧を変更可能なサイドガス供給装置と、
前記レーザビームの出力と、前記焦点深度と、前記焦点位置と、前記加工ヘッド高さと、前記サイドガスブロー圧とを制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記ワークの上面から中央部に至る非貫通の前記ピアシング穴を形成する第１ピアシング工程では、前記レーザビームの出力を第１の出力値にし、前記焦点位置をデフォーカス位置にし、前記焦点深度を第１の深度にし、前記サイドガスブロー圧を第１の圧力値にして前記レーザビームを前記ワークに照射してピアシング加工を行い、
前記ピアシング穴を前記ワークの下面まで貫通させる第２ピアシング工程では、前記レーザビームの出力を前記第１の出力値よりも小さい第２の出力値にし、前記焦点位置を第１のインフォーカス位置にし、前記焦点深度を前記第１の深度よりも大きい第２の深度にし、前記サイドガスブロー圧を前記第１の圧力値よりも小さい第２の圧力値にした状態から、前記レーザビームの出力を前記第１の出力値よりも小さく前記第２の出力値よりも大きい第３の出力値にし、前記焦点位置を前記第１のインフォーカス位置よりもインフォーカス量が大きい第２のインフォーカス位置にし、前記焦点深度を前記第２の深度よりも大きい第３の深度にした状態まで変化させながらピアシング加工を行うことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項９】
前記ワークの温度を測定する温度センサをさらに有し、
前記制御手段は、前記第１ピアシング工程、前記第２ピアシング工程及び前記切断を行う切断工程に先立って前記ワークの温度を前記温度センサにより測定し、測定した前記ワークの温度に基づいて、前記第１ピアシング工程、前記第２ピアシング工程及び前記切断工程における前記レーザビームの出力、前記焦点位置、前記焦点深度及び前記サイドガスブロー圧を加工パラメータ調整用関数によって調整してレーザ加工を行うことを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
前記第１ピアシング工程及び前記第２ピアシング工程中のセルフバーニングの発生と、加工開始から前記ピアシング穴が貫通するまでに要した貫通時間とを検出する光センサをさらに有し、
前記制御手段は、前記セルフバーニングの発生を検出したときに前記加工パラメータ調整用関数を時間増加側へ補正し、
前記セルフバーニングの発生を非検出で前記貫通時間が前回よりも長い場合には、前記加工パラメータ調整用関数を時間短縮側へ補正することを特徴とする請求項９に記載のレーザ加工装置。
【請求項１１】
前記ワークに冷却用流体を吹き付ける手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記第１ピアシング工程、前記第２ピアシング工程及び前記切断工程に先立って、前記ワークに前記冷却用流体を吹き付けることを特徴とする請求項９又は１０に記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピアシング加工を行うレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ加工でワークを切断するに当たっては、切断の開始に先立ってワークの切断開始点に貫通穴を形成する手法が用いられている。この貫通穴はピアシング穴と称されており、ピアシング穴を形成する加工はピアシング加工と称されている。【０００３】
特許文献１には、第１の条件にてワークにビームを照射する第１の工程と、一旦ビーム照射を停止する第２の工程と、第２の条件にて再度ビームを照射する第３の工程とによりピアシング加工を行うことにより、ピアンシング加工中における酸化燃焼反応を抑制し、飛散する溶融金属量を低減させ、短時間でピアシング穴を形成するレーザ加工方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−７５８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に開示されるレーザ加工方法は、第１の工程及び第３の工程でのビーム照射時のセルフバーニングを抑制する手法を開示していない。このため、照射するビーム出力に関して上限が発生するため、ピアシング加工の時間の短縮効果は限定的であるのが現状である。【０００６】
さらに、特許文献１に開示されるレーザ加工方法は、第３の工程において、ピアシング加工中の溶融金属の排出が難しくなることに加え、ピアシング加工の加工点高さが時間経過とともに変化する。したがって、第３の工程のピアシング効率は第１の工程よりも低く、必要な加工時間は長くなるが、特許文献１に開示されるレーザ加工方法ではこの解決手段が提供されていない。【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ビーム照射時のセルフバーニングを抑制し、ピアシング加工に必要な時間の短縮を図れるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ワークにレーザビームを照射してピアシング穴を形成し、ピアシング穴を加工開始点にしてワークを切断するレーザ加工方法であって、ワークの上面から中央部に至る非貫通のピアシング穴を形成する第１ピアシング工程と、ワークを冷却する冷却工程と、ピアシング穴をワークの下面まで貫通させる第２ピアシング工程と、ワークを切断する切断工程とを有し、第１ピアシング工程では、レーザビームの出力を第１の出力値にし、レーザビームの焦点位置をデフォーカス位置にし、レーザビームの焦点深度を第１の深度にし、加工点に供給するサイドガスの圧力であるサイドガスブロー圧を第１の圧力値にしてレーザビームをワークに照射してピアシング加工を行い、冷却工程では、レーザビームを停止させ、サイドガスブロー圧を第１の圧力値に維持してワークを冷却し、第２ピアシング工程では、レーザビームの出力を第１の出力値よりも小さい第２の出力値にし、焦点位置を第１のインフォーカス位置にし、焦点深度を第１の深度よりも大きい第２の深度にし、サイドガスブロー圧を第１の圧力値よりも小さい第２の圧力値にした状態から、レーザビームの出力を第１の出力値よりも小さく第２の出力値よりも大きい第３の出力値にし、焦点位置を第１のインフォーカス位置よりもインフォーカス量が大きい第２のインフォーカス位置にし、焦点深度を第２の深度よりも大きい第３の深度にした状態まで変化させながらレーザビームをワークに照射してピアシング加工を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明にかかるレーザ加工方法及びレーザ加工装置は、ビーム照射時のセルフバーニングを抑制し、ピアシング加工に必要な時間の短縮を図れるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工方法を実行するレーザ加工装置を示す装置構成図
【図２】実施の形態１にかかるレーザ加工装置の動作の流れを示すフローチャート
【図３】実施の形態１にかかるレーザ加工装置のピアシング加工中の加工ヘッドの位置及びレーザプロファイルの変化を示す図
【図４】実施の形態１にかかるレーザ加工装置のピアシング加工中の加工パラメータの変化を示す図
【図５】実施の形態１にかかるレーザ加工装置の変形構成例を示す図
【図６】本発明の実施の形態２にかかるレーザ加工方法を実行するレーザ加工装置の装置構成図
【図７】実施の形態２にかかるレーザ加工装置の動作の流れを示すフローチャート
【図８】本発明の実施の形態３にかかるレーザ加工方法を実行するレーザ加工装置の装置構成図
【図９】実施の形態３にかかるレーザ加工装置の加工パラメータ調整用関数の補正処理の流れを示すフローチャート
【図１０】本発明の実施の形態４にかかるレーザ加工方法を実行するレーザ加工装置の装置構成図
【図１１】実施の形態４にかかるレーザ加工装置の動作の流れを示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工方法を実行するレーザ加工装置を示す装置構成図である。レーザ加工装置１００は、ワークＷにレーザビームＬを照射してピアシング穴ｈを形成し、ピアシング穴ｈを加工開始点にしてワークＷを切断する装置である。レーザ加工装置１００は、レーザビームＬを発振するレーザ発振器１、レーザ発振器１から入射するレーザビームＬのビーム径を変化させることによりレーザビームＬの焦点深度を変更する曲率可変光学部品２、ワークＷに対してレーザビームＬを照射しアシストガスＡを噴射する加工ヘッド３、加工ヘッド３にアシストガスＡを供給するアシストガス供給装置６、ワークＷの加工点へ向けてサイドガスＳを噴射するサイドガスノズル７、サイドガスノズル７にサイドガスＳを供給し、ワークＷの加工点にサイドガスノズル７から噴射するサイドガスＳの圧力であるサイドガスブロー圧を変更可能なサイドガス供給装置８、加工ヘッド３とワークＷとの間隔を制御するギャップコントローラ１１、ＸＹＺの各軸のサーボモータを制御するサーボ制御回路１２、数値制御プログラムを実行してレーザビームＬの出力と、レーザビームＬの焦点深度と、レーザビームＬの焦点位置と、ワークＷからの加工ヘッド３の高さである加工ヘッド高さと、加工点に供給するサイドガスＳの圧力であるサイドガスブロー圧とを制御する制御手段である数値制御装置１３及びレーザ発振器１を制御するレーザ発振制御回路１４を有する。なお、曲率可変光学部品２の一例を挙げると可変ミラーである。また、焦点深度とはレーザ光を集光した際にできるスポット径が光学的に同じ径であると見なされる範囲を表し、「レイリーの範囲」と称されている定義ではスポット半径の２√２倍の径に拡がるまでの範囲である。
【００１３】
加工ヘッド３は、曲率可変光学部品２から入射したレーザビームＬを集光するレンズ４、レンズ４を光軸方向に移動させるレンズ駆動モータ４ａ及びレンズ４から出射したレーザビームＬが出力されるとともにアシストガス供給装置６から供給されるアシストガスＡをワークＷの加工点に噴射するノズル５を有する。ノズル５には、ノズル５とワークＷとの距離を検出するギャップセンサ５ａが設けられている。レンズ４は、加工ヘッド３の内部に設けられており、曲率可変光学部品２から出射したレーザビームＬの焦点位置を加工ヘッド高さとは独立して変更する。
【００１４】
レーザ発振器１から出射されたレーザビームＬは、予め定められた光路に曲率可変光学部品２によって導かれ、加工ヘッド３に入射される。加工ヘッド３内には、レーザビームＬを集光するためのレンズ４が設けられている。レーザビームＬは、レンズ４で集光され、加工ヘッド３の先端に設けられたノズル５よりワークＷに向けて照射される。なお、レーザ発振器１から出射されたレーザビームＬをファイバ伝送するようにしても良い。この場合には曲率可変光学部品２には、透過光の焦点深度を変更可能な光学部品を用いる。
【００１５】
レーザ発振器１の出力の増減並びにオン及びオフは、加工プログラムが入力された数値制御装置１３からの指令値に基づき、レーザ発振制御回路１４により制御される。ワークＷは、加工テーブル２０の載置面２０ａ上に載置されており、加工テーブル２０と加工ヘッド３とは、駆動源であるＸ軸サーボモータ２１ｘ、Ｙ軸サーボモータ２１ｙ及びＺ軸サーボモータ２１ｚにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に相対的に移動して、加工プログラムに従った加工が行われる。なお、以下の説明においては、Ｘ軸サーボモータ２１ｘ、Ｙ軸サーボモータ２１ｙ及びＺ軸サーボモータ２１ｚにより加工ヘッド３が移動するものとするが、加工テーブル２０を移動させてもよいし、加工ヘッド３及び加工テーブル２０の両方を移動させてもよい。Ｘ軸サーボモータ２１ｘ、Ｙ軸サーボモータ２１ｙ及びＺ軸サーボモータ２１ｚは、加工プログラムが入力された数値制御装置１３からの指令値に基づき、サーボ制御回路１２により制御される。なお、Ｚ軸方向は、加工テーブル２０の載置面２０ａに対して垂直な方向であり、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、加工テーブル２０の載置面２０ａと平行な方向である。
【００１６】
また、ギャップセンサ５ａにより検出された情報はギャップコントローラ１１に送られ、ギャップコントローラ１１は、数値制御装置１３からの指令値と測定値とを比較し、補正指令をサーボ制御回路１２に送り、加工ヘッド３とワークＷとの距離を常に指令値に一致させる。なお、ギャップセンサ５ａは、ノズル５とは別個に設けられていても良い。
【００１７】
また、数値制御装置１３からの指令値により、アシストガス供給装置６はアシストガスＡを、加工ヘッド３内に供給する。供給されたアシストガスＡは、ノズル５先端よりレーザビームＬと同軸上に噴出されて、ワークＷの溶融促進及び溶融金属の除去に使用される。
【００１８】
サイドガス供給装置８は、数値制御装置１３からの指令値により、サイドガスＳをサイドノズル７に供給する。サイドガスＳの一例を挙げると、空気である。供給されたサイドガスＳは、サイドノズル７よりワークＷ上のピアシング穴ｈ周辺に噴射されて、ピアシング穴ｈ周囲のスパッタの除去及び冷却並びに酸素濃度の制御に使用される。サイドノズル７は加工ヘッド３に固定されており、加工ヘッド３とともに上下動する。
【００１９】
実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００は、ピアシング加工を、ワークＷの上面から中央部に至る非貫通のピアシング穴ｈを形成する第１ピアシング工程と、ワークＷを冷却する冷却工程と、ピアシング穴ｈをワークＷの下面まで貫通させる第２ピアシング工程とに分けて行う。さらに、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００は、第２ピアシング工程を２工程に分けて行う。従って、実施の形態１にかかるレーザ加工装置は、ピアシング加工を四つの工程に分けて行う。
【００２０】
図２は、実施の形態１にかかるレーザ加工装置がピアシング加工及び切断加工を行う場合の動作の流れを示すフローチャートである。実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００は、ステップＳ０１の第１の工程からステップＳ０４の第４の工程までのピアシング加工によりワークＷにピアシング穴ｈを形成したのち、ステップＳ０５の切断工程で、定められた切断条件でレーザビームＬをワークＷに照射して切断加工を行う。
【００２１】
実施の形態１では、加工パラメータが工程ごとに制御されてセルフバーニングの抑制とピアシング効率の向上とが図られる。ここでの加工パラメータは、レーザ出力、ビームプロファイル、加工ヘッド高さ及びサイドガスブロー圧である。ビームプロファイルは、焦点位置及び焦点深度を含む。
【００２２】
まず、ピアシング加工の四つの工程の概略について説明する。
【００２３】
第１の工程は、ワークＷの上部側をピアシングする第１ピアシング工程である。第１の工程では、短時間でワークＷの中央部までピアシングを行うことを目的にして、高出力のレーザビームＬをワークＷに照射する。第１の工程では、高出力のレーザビームＬによるセルフバーニングの発生を抑制するためにサイドガスノズル７から大流量のサイドガスＳを噴射し、高温のスパッタをピアシング穴ｈ内から排出することを促進するとともに、加工点の酸素純度を低減する。なお、サイドガスノズル７から噴射するサイドガスＳの流量は、サイドガス供給装置８がサイドガスノズル７に供給するサイドガスＳの圧力を変更することによって間接的に制御され、サイドノズルブロー圧が高圧であるほど流量が大きくなる。スパッタとは、レーザ加工により溶融した金属である。第１の工程では、本工程及び後述する第３の工程以降のスパッタ排出を容易にするために、スポット径の大きいビームを照射して広穴を形成する。すなわち、レンズ４に入射するレーザビームＬのビーム径を曲率可変光学部品２によって小さくして焦点深度を小さくするとともに、Ｚ軸サーボモータ２１ｚにより加工ヘッド３が第１の加工ヘッド高さに配置される。また、第１の工程では、レンズ駆動モータ４ａによりレンズ４を光軸に沿って移動させ、焦点位置をデフォーカス位置に位置させる。
【００２４】
なお、デフォーカス位置とは、加工面よりも光源に近い位置に焦点が位置する状態である。インフォーカス位置とは、加工面よりも光源から離れた位置に焦点が位置する状態である。ジャストフォーカス位置とは、加工面に焦点が位置する状態である。デフォーカス位置にある焦点とジャストフォーカス位置との距離をデフォーカス量という。また、インフォーカス位置にある焦点とジャストフォーカス位置との距離をインフォーカス量という。
【００２５】
第２の工程は、冷却工程である。第２ピアシング工程の準備工程となる第２の工程では、レーザビームＬの照射を停止し、酸化反応を遮断する。第１の工程後、ピアシング穴ｈの内部は一部スパッタが堆積しているため、大流量のサイドガスＳの噴射により、高温のスパッタを排出する。また、大流量のサイドガスＳによる冷却と母材の熱拡散とによる自然冷却によって、高温で一部溶融状態にあるピアシング穴ｈを凝固させる。
【００２６】
第３の工程は、第２ピアシング工程の前半であり、ワークＷの中央部をピアシングする。第３の工程では、第２の工程で停止したピアシングを再開する。第３の工程では、第１の工程で形成されたピアシング穴ｈの内部に効率良くレーザビームＬを照射するために、焦点深度が第１の工程よりも大きくされるとともに、焦点位置がインフォーカス位置とされる。また、第３の工程では、パルス波のレーザビームＬが用いられる。パルス波のレーザビームＬを低平均出力かつ高ピーク出力とすることにより、高効率のピアシング加工を行えるとともに、ワークＷに過大な熱が吸収されることによるセルフバーニングを抑制する。また、第３の工程におけるパルス波のレーザビームＬはピアシング穴ｈからのスパッタの排出を促し、ピアシング加工の効率をさらに高める。加工点へのアシストガスＡの供給を確保しつつ、材料温度上昇抑制とピアシング穴ｈ周辺にスパッタが堆積することを防止するために、第３の工程では、第１の工程及び第２の工程よりも低流量のサイドガスＳが加工点に向けて噴射される。
【００２７】
なお、焦点深度が大きいほど加工点に効率良くビームを照射することが可能であるが、第３の工程においてピアシング穴ｈが小さくなりすぎると、後述する第４の工程でのピアシング効率が低下する。このため、第３の工程において、焦点深度は、第１の工程での焦点深度と、後述する第４の工程での焦点深度との間の大きさにしている。
【００２８】
第４の工程は、第２ピアシング工程の後半であり、ワークＷの底部がピアシングされる。第４の工程では、第１から第３の工程で加工されたピアシング穴ｈの内部のワークＷ底部に効率良くレーザビームＬを照射するために、焦点深度を第３の工程よりも大きくするとともに、インフォーカス量を第３の工程よりも大きくしてレーザビームＬを照射する。第４の工程で使用されるレーザビームＬは、第３の工程と同様に、高ピークのパルス波によって発生させたビームである。第４の工程では、第３の工程よりもピアシング穴ｈの深い位置にレーザビームＬを照射するため、レーザビームＬの平均出力は第３の工程よりも高くされる。第４の工程では、第３の工程と同様に、加工点へのアシストガスＡの供給を確保しつつ、ワークＷの温度上昇抑制及びピアシング穴ｈ周辺にスパッタが堆積することを防止するために、第１の工程及び第２の工程よりも低流量のサイドガスＳが加工点に向けて噴射される。
【００２９】
図３は、実施の形態１にかかるレーザ加工装置のピアシング加工中の加工ヘッドの位置及びレーザプロファイルの変化を示す図である。図４は、実施の形態１にかかるレーザ加工装置のピアシング加工中の加工パラメータの変化を示す図である。図３及び図４を参照しつつ、四つの工程について詳細に説明する。なお、図４中では、第１の工程をｔ１、第２の工程をｔ２、第３の工程をｔ３、第４の工程をｔ４と表記している。
【００３０】
まず、第１の工程について説明する。第１の工程では、加工の難易度が低いワークＷの上部側にターゲットを絞り、短時間でワークＷの中央部まで一気にピアシングを行う。第１の工程では、第３の工程以降のピアシングの効率を高めるために、第３の工程以降で形成されるピアシング穴ｈよりも大径の穴が形成される。
【００３１】
第１の工程において、数値制御装置１３は、レーザ発振制御回路１４に指令を送り、レーザ発振器１を第１の出力値で発振させる。一例を挙げると、第１の出力値は最大出力値である。ただし、第１の出力値は、最大出力値に限定されることはない。また、数値制御装置１３は、曲率可変光学部品２を制御して加工ヘッド３のレンズ４へ入射するレーザビームＬのビーム径を制御し、焦点深度を第１の深度とする。数値制御装置１３は、サーボ制御回路１２に指令を送り、加工ヘッド３を移動させて、加工ヘッド高さを第１の高さとする。数値制御装置１３は、レンズ駆動モータ４ａに指令を送り、レンズ４を光軸に沿って移動させて焦点位置をデフォーカス位置とする。
【００３２】
数値制御装置１３は、サイドガス供給装置８に指令を送り、サイドガスノズル７から噴射するサイドガスＳのサイドガスブロー圧を、レーザビームＬの出力に応じて定まる第１の圧力値に制御することにより、高出力ビームによるセルフバーニングを抑制する高圧のサイドガスＳを加工点に噴射し、高温のスパッタを瞬時に排出するとともに、加工点の酸素純度を低減する。第１の出力値をレーザ発振器の最大出力に設定することで第１の工程のピアシング効率を最大限に高められるため、サイドガスブロー圧は最大出力に応じた圧力に設定される。なお、レーザビームＬの出力に比してサイドガスブロー圧が高すぎると、加工点への酸素供給が妨げられるとともに、スパッタがピアシング穴ｈから巻き上げられ、サイドガスＳによって除去されにくくなる。
【００３３】
次に、第２の工程において、数値制御装置１３は、レーザ発振制御回路１４に指令を送り、レーザビームＬの照射を停止させる。また、数値制御装置１３は、サイドガスブロー圧及び加工ヘッド高さを、第１の工程と同じ第１の圧力値及び第１の高さに維持する。第２の工程においてはレーザビームＬを照射しないが、第１の工程で生じた酸化燃焼反応はすぐに止まらないため、サイドガスＳを継続して高圧で噴射し、高温のスパッタをピアシング穴ｈから排出するとともに加工点の酸素純度を低減して酸化反応を遮断する。また、溶融スパッタの排出効率を上げるためには、加工ヘッド３とワークＷの上面とには十分な大きさのクリアランスを確保する必要があるため、第２の工程においても第１の高さを維持する。第２の工程において、加工ヘッド高さを第１の高さに維持することにより、溶融スパッタの排出効率を上げることができる。第２の工程の加工ヘッド高さを第１の高さ以上に設定し、溶融スパッタの排出効率をさらに高められることは言うまでも無い。このように、第２の工程においては、加工ヘッド３がワークＷに近づき過ぎて溶融スパッタの排出効率が低下しないように加工ヘッド３を適正な位置にコントロールする。
【００３４】
さらに、数値制御装置１３は、曲率可変光学部品２に指令を送ってレーザビームＬのビーム径を変え、焦点深度を第１の深度よりも大きい第２の深度に変更する。また、数値制御装置１３は、レンズ駆動モータ４ａに指令を送ってレンズ４を移動させ、焦点位置を第１のインフォーカス位置に変更する。焦点位置及び焦点深度の変更は、第３の工程の準備のための動作であるが、第２の工程では、レーザビームＬを照射しないため、焦点深度及び焦点位置の変更による影響は生じない。第２の工程の間に、焦点位置をデフォーカス位置から第１のインフォーカス位置に変更し、焦点深度を第１の深度から第２の深度に変更することにより、第２の工程が終了してから第３の工程を開始するまでの時間を短縮することができる。
【００３５】
次に、第３の工程において、数値制御装置１３は、レーザ発振制御回路１４に指令を送り、レーザ発振器１を第１の出力値のパルス波で発振させる。第１の工程で形成したピアシング穴ｈの底部を加工する第３の工程では、ピアシング穴ｈからスパッタを排出することが困難になるため、レーザ出力が高いと加工ワークＷに吸収される熱が過大となり、セルフバーニングが発生する。パルス波のレーザビームＬをレーザ発振器１から発振させ、低平均出力かつ高ピーク出力とすることにより、高効率のピアシング加工を行うとともに、ワークＷに過大な熱が吸収されることを防ぎ、セルフバーニングを抑制する。
【００３６】
また、第３の工程において、数値制御装置１３は、サーボ制御回路１２に指令を送り、加工ヘッド３を移動させて、加工ヘッド高さを第１の高さよりも低い第２の高さとする。これにより、ピアシング穴ｈの底部でのアシストガスＡを純度高く供給する。数値制御装置１３は、サイドガス供給装置８に指令を送り、サイドガスノズル７から噴射するサイドガスＳのサイドガスブロー圧を第１の圧力よりも低圧の第２の圧力に変化させる。これにより、サイドガスノズル７からは、第１の工程よりも低流量である第２の流量でサイドガスＳが加工点へ噴射される。また、数値制御装置１３は、焦点位置及び焦点深度を、第１のインフォーカス位置及び第２の深度に維持する。
【００３７】
第４の工程において、数値制御装置１３は、レーザ発振制御回路１４に指令を送り、レーザ発振器１を第１の出力値のパルス波で発振させる。数値制御装置１３は、曲率可変光学部品２に指令を送り、焦点深度を第２の深度よりも大きい第３の深度に変更する。また、数値制御装置１３は、レンズ駆動モータ４ａに指令を送り、焦点位置を第２のインフォーカス位置に変更する。また、数値制御装置１３は、サイドガスブロー圧及び加工ヘッド高さを、第３の工程と同じ第２の圧力値及び第２の高さに維持する。
【００３８】
図５は、実施の形態１にかかるレーザ加工装置の変形構成例を示す図である。変形構成例にかかるレーザ加工装置１０１は、図１に示した構成に加え、ワークＷの加工点にスパッタ付着防止剤Ｏを噴射するスパッタ付着防止剤ノズル９、スパッタ付着防止剤ノズル９にスパッタ付着防止剤を供給するスパッタ付着防止剤供給装置１０をさらに備えている。
【００３９】
スパッタ付着防止剤供給装置１０は、数値制御装置１３からの指令値によりスパッタ付着防止剤Ｏをスパッタ付着防止剤ノズル９に供給する。ここで、スパッタ付着防止剤Ｏとは、ワークＷへのスパッタの固着を防止するための、離型剤又は油分を成分とするものである。スパって付着防止剤ノズル９に供給されたスパッタ付着防止剤Ｏは、スパッタ付着防止剤ノズル９からワークＷ上のピアシング穴ｈ周辺に噴射されて、ピアシング穴ｈ周囲のスパッタ固着の防止に使用される。
【００４０】
スパッタ付着防止剤ノズル９は、スパッタ付着防止剤Ｏがノズル５に付着しないように、加工ヘッド３とは独立して固定されている。そして、スパッタ付着防止剤Ｏが噴射されるときは、加工ヘッド３は退避位置まで上昇している。
【００４１】
スパッタ付着防止剤ノズル９及びスパッタ付着防止剤供給装置１０を備えた構成においては、第２の工程の終了後にサイドガスブローを一旦停止した上で加工ヘッド３を待避位置まで上昇させて、スパッタ付着防止剤Ｏを加工点へ供給する。このような動作により、ワークＷへのスパッタの固着を抑制できる。
【００４２】
上記の説明では、第２ピアシング工程を２工程に分けて行う例について説明したが、第２ピアシング工程は、３工程以上に分けて行われてもよい。なお、第２ピアシング工程中にレーザビームＬの出力、焦点深度及び焦点位置と、加工ヘッド高さと、サイドガスブロー圧とを連続して変化させるようにしてもよいが、段階的に変化させる方が制御は容易である。
【００４３】
実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００は、第１ピアシング工程及び第２ピアシング工程中に、サイドガスブローを加工点に供給するため、サイドガスブロー無しではセルフバーニングが発生する出力までレーザの出力を高めてもセルフバーニングの発生を抑制できる。実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００は、高出力のレーザビームＬでピアシング加工を行うことにより、サイドガスブロー無しでもセルフバーニングが発生しないレーザ出力でピアシング加工を行う場合と比較してピアシング加工に必要な時間を短縮することができる。
【００４４】
また、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００は、第２ピアシング工程中に、レーザビームＬの出力を第１の出力値よりも小さい第２の出力値にし、焦点位置を第１のインフォーカス位置にし、焦点深度を第１の深度よりも大きい第２の深度にし、サイドガスブロー圧を第１の圧力値よりも小さい第２の圧力値にした状態から、レーザビームＬの出力を第１の出力値よりも小さく第２の出力値よりも大きい第３の出力値にし、焦点位置を第１のインフォーカス位置よりもインフォーカス量が大きい第２のインフォーカス位置にし、焦点深度を第２の深度よりも大きい第３の深度にした状態まで変化させる。これにより、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００は、ピアシング加工効率を高めることができ、ピアシング穴ｈの貫通に要する時間の短縮化を図ることができる。
【００４５】
実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２にかかるレーザ加工方法を実行するレーザ加工装置の装置構成図である。実施の形態２に係るレーザ加工装置１０２は、温度センサ１５をさらに有する点で実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００と相違する。温度センサ１５は、加工点の周囲のワークＷの温度を測定するセンサである。実施の形態２にかかるレーザ加工装置１０２は、温度センサ１５以外の構成要素は実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００と同様である。
【００４６】
実施の形態２においては、数値制御装置１３は、加工パラメータの各成分について、ワークＷの温度と調整量との関係を示す関数である加工パラメータ調整用関数を保持しており、温度センサ１５の測定結果を加工パラメータ調整用関数に代入することにより、加工パラメータの調整量を算出する。加工パラメータ調整用関数は、基準温度における加工パラメータの値を基準値とし、基準温度とワークＷの温度との温度差に応じて加工パラメータの基準値から増減させる調整量を関数として定義したものである。加工パラメータ調整用関数は、実際にピアシング加工を行った結果に基づいて求められる。数値制御装置１３は、加工パラメータ調整用関数を用いて調整した加工パラメータを用いてレーザ加工を行う。
【００４７】
図７は、実施の形態２にかかるレーザ加工装置のピアシング加工の動作の流れを示すフローチャートである。第１ピアシング工程、第２ピアシング工程及び切断工程でのレーザ照射に先立って、ワークＷの温度が温度センサ１５で測定される。すなわち、ステップＳ０１の第１の工程、ステップＳ０３の第３の工程、ステップＳ０４の第４の工程及びステップＳ０５の切断工程に先立って、ステップＳ１１からＳ１４でワークＷの温度が温度センサ１５により測定される。そして、ステップＳ０１の第１の工程では、ステップＳ１１での温度センサ１５の測定結果に基づいて、加工パラメータが調整された上で加工が行われる。ステップＳ０３の第３の工程では、ステップＳ１２での温度センサ１５の測定結果に基づいて加工パラメータが調整された上で加工が行われる。ステップＳ０４の第４の工程では、ステップＳ１３での温度センサ１５の測定結果に基づいて加工パラメータが調整された上で加工が行われる。ステップＳ０５の切断工程では、ステップＳ１４での温度センサ１５の測定結果に基づいて加工パラメータが調整された上でレーザ加工が行われる。
【００４８】
なお、ステップＳ０１の第１の工程、ステップＳ０３の第３の工程、ステップＳ０４の第４の工程及びステップＳ０５の切断工程で用いられる加工パラメータ調整用関数は、同じであっても良いし、異なっていても良い。
【００４９】
セルフバーニングの発生確率は、ワークＷの組成の個体差、ワークＷの表面酸化皮膜状態の個体差及びワークＷの余熱状態によって異なるが、実施の形態２では、ワークＷの温度を温度センサ１５で測定して加工パラメータを調整する。このため、実施の形態２は、セルフバーニングの発生を抑え、かつピアシング時間の増大を抑える効果が、実施の形態１と比較して高くなる。すなわち、実施の形態２は、実施の形態１と比較して、セルフバーニングの発生を防止する効果は同様でありながら、ピアシング加工時間をさらに短縮することが可能となる。
【００５０】
実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３にかかるレーザ加工方法を実行するレーザ加工装置の装置構成図である。実施の形態３に係るレーザ加工装置１０３は、光センサ１６をさらに有する点で実施の形態２と相違する。光センサ１６は加工点の光強度を検出するセンサである。数値制御装置１３は、光センサ１６の検出した光強度に基づいて、セルフバーニングの発生及びピアシング穴ｈの貫通時間を検知可能である。実施の形態３にかかるレーザ加工装置１０３は、光センサ１６以外の構成要素は、実施の形態２にかかるレーザ加工装置１０２と同様である。
【００５１】
セルフバーニングの発生確率とピアシング穴ｈの貫通時間とはトレードオフの関係にある。従って、セルフバーニングの発生確率が低くなるように加工パラメータが設定されるとピアシング穴ｈの貫通時間が長くなり、ピアシング穴ｈの貫通時間が短くなるように加工パラメータが設定されるとセルフバーニングの発生確率が高くなる。
【００５２】
実施の形態３では、セルフバーニングが発生した場合には、貫通時間が長くなるがセルフバーニングの発生確率が低くなるように加工パラメータを補正し、セルフバーニングが発生せずにピアシング穴ｈが貫通した場合には、より短時間でピアシング穴ｈを貫通できるように加工パラメータを補正できるようにするために、数値制御装置１３は、光センサ１６の検出結果に基づいて加工パラメータ調整用関数を補正する。すなわち、セルフバーニングが発生した場合には、数値制御装置１３は、加工パラメータが時間増加側に変更されるように加工パラメータ調整用関数を補正し、セルフバーニングが発生せずにピアシング穴ｈが貫通した場合には、加工パラメータが時間短縮側に変更されるように加工パラメータ調整用関数を補正する。
【００５３】
具体的には、実施の形態３にかかるレーザ加工装置１０３は、光センサ１６によって検知したセルフバーニングの発生及びピアシング穴ｈの貫通時間に基づいて、加工パラメータ調整用関数を補正する。図９は、実施の形態３にかかるレーザ加工装置の加工パラメータ調整用関数の補正処理の流れを示すフローチャートである。加工パラメータ調整用関数の補正は、ピアシング加工を行うたびに数値制御装置１３が実行する。
【００５４】
ステップＳ５１において、数値制御装置１３は、光センサ１６の測定結果を取り込む。ステップＳ５２において、数値制御装置１３は、バーニング検知信号があったか否かを、光センサ１６の測定結果に基づいて判断する。バーニング検知信号があれば（ステップＳ５２：Ｙｅｓ）、ステップＳ５６に進み、数値制御装置１３は、加工パラメータ調整用関数を時間増加側に補正し、補正後の関数を登録して時間短縮側上限とする。ステップＳ５６の後、数値制御装置１３は処理を終了する。
【００５５】
バーニング検知信号がなければ（ステップＳ５２：Ｎｏ）、ステップＳ５３において数値制御装置１３は、ピアシング穴ｈの貫通時間が前回のピアシング加工での貫通時間よりも短いか否かを判断する。ピアシング穴ｈの貫通時間が前回のピアシング加工での貫通時間よりも短ければ（ステップＳ５３：Ｙｅｓ）、数値制御装置１３は処理を終了する。ピアシング穴ｈの貫通時間が前回のピアシング加工での貫通時間以上であれば（ステップＳ５３：Ｎｏ）、ステップＳ５４において数値制御装置１３は、現在の加工パラメータ調整用関数が時間短縮側上限となっているか否かを判断する。現在の加工パラメータ調整用関数が時間短縮側上限となっていれば（ステップＳ５４：Ｙｅｓ）、数値制御装置１３は処理を終了する。現在の加工パラメータ調整用関数が時間短縮側上限となっていなければ（ステップＳ５４：Ｎｏ）、ステップＳ５５において数値制御装置１３は、加工パラメータ調整用関数を時間短縮側に補正する。ステップＳ５５の後、数値制御装置１３は処理を終了する。
【００５６】
加工パラメータ調整用関数は、材料規格ごとに求めることが望ましいが、上述のように加工パラメータ調整用関数は、ピアシング加工を実際に行った結果に基づいて求められる。したがって、加工対象となり得る全ての材料規格に関して加工パラメータ調整用関数を求め、それらを数値制御装置１３に記憶させておくことは労力を伴う。実施の形態３にかかるレーザ加工装置１０３は、セルフバーニングの発生及びピアシング穴ｈの貫通時間を光センサ１６で検知し、光センサ１６の検知結果に基づいて加工パラメータ調整用関数を補正する。このため、実施の形態３にかかるレーザ加工装置１０３は、代表的な材料規格の加工パラメータ調整用関数を類似規格の材料の加工パラメータの調整に用いることができるため、加工パラメータ調整用関数を作成し、数値制御装置１３に記憶させる労力を軽減できる。
【００５７】
また、実施の形態３にかかるレーザ加工装置１０３は、同一規格の材料の加工においても、材料組成の個体差、表面酸化皮膜状態の個体差、ワークＷの余熱状態の変化によるセルフバーニングの発生確率の上昇を抑えることができる。
【００５８】
実施の形態４．
図１０は、本発明の実施の形態４にかかるレーザ加工方法を実行するレーザ加工装置の装置構成図である。実施の形態４に係るレーザ加工装置１０４は、冷却用流体噴射ノズル１７をさらに有する点で実施の形態３と相違する。冷却用流体噴射ノズル１７はワークＷの加工点付近に向けて冷却用流体を噴射するノズルである。冷却用流体の一例には、水を挙げることができる。実施の形態４にかかるレーザ加工装置１０４の冷却用流体噴射ノズル１７以外の構成要素は、実施の形態３と同様である。
【００５９】
図１１は、実施の形態４にかかるレーザ加工装置の動作の流れを示すフローチャートである。第１ピアシング工程の直前、冷却工程の直前及び切断工程の直前に、冷却用流体噴射ノズル１７からワークＷへ冷却用流体を吹き付ける。すなわち、ステップＳ０１の第１の工程、ステップＳ０２の第２の工程及びステップＳ０５の切断工程の直前に、ステップＳ２１からＳ２３で冷却用流体噴射ノズル１７からワークＷへ冷却用流体を吹き付ける。
【００６０】
ステップＳ２１からＳ２３でワークＷへ冷却用流体を吹き付けることにより、ワークＷの温度が低下する。したがって、冷却用流体を吹き付けない場合と比較して、セルフバーニングの発生確率を低減し、加工の安定化を図ることができる。
【００６１】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１  レーザ発振器、２  曲率可変光学部品、３  加工ヘッド、４  レンズ、４ａ  レンズ駆動モータ、５  ノズル、５ａ  ギャップセンサ、６  アシストガス供給装置、７  サイドガスノズル、８  サイドガス供給装置、９  スパッタ付着防止剤ノズル、１０  スパッタ付着防止剤供給装置、１１  ギャップコントローラ、１２  サーボ制御回路、１３  数値制御装置、１４  レーザ発振制御回路、１５  温度センサ、１６  光センサ、１７  冷却用流体噴射ノズル、２０  加工テーブル、２０ａ  載置面、２１ｘ  Ｘ軸サーボモータ、２１ｙ  Ｙ軸サーボモータ、２１ｚ  Ｚ軸サーボモータ、１００，１０１，１０２，１０３，１０４  レーザ加工装置。
【要約】
ワーク（Ｗ）の上面から中央部に至る非貫通のピアシング穴を形成する第１ピアシング工程と、ワーク（Ｗ）を冷却する冷却工程と、ピアシング穴をワークの下面まで貫通させる第２ピアシング工程と、ワークを切断する切断工程とを有するレーザ加工方法であって、第２ピアシング工程では、レーザビームの出力を第１の出力値よりも小さい第２の出力値にし、焦点位置を第１のインフォーカス位置にし、焦点深度を第１の深度よりも大きい第２の深度にし、サイドガスブロー圧を第１の圧力値よりも小さい第２の圧力値にした状態から、レーザビーム（Ｌ）の出力を第１の出力値よりも小さく第２の出力値よりも大きい第３の出力値にし、焦点位置を第１のインフォーカス位置よりもインフォーカス量が大きい第２のインフォーカス位置にし、焦点深度を第２の深度よりも大きい第３の深度にした状態まで変化させつつレーザビーム（Ｌ）をワーク（Ｗ）に照射してピアシング加工を行うことで、ビーム照射時のセルフバーニングを抑制し、ピアシング加工に必要な時間の短縮を図る。【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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