(57)【要約】【課題】被切断材の切断条件の如何に関わらずセルフバーニングの発生を抑えることができるレーザ切断方法を提供する。【解決手段】鉄系金属からなる被切断材に対し、レーザ光を照射すると共に、該レーザ光に添えて酸素ガスを主成分とするアシストガスを噴射し、更に該アシストガスに沿って酸素ガスを主成分とするシールドガスを噴射して切断する際に、アシストガスの酸素濃度及びシールドガスの酸素濃度を低下させて酸化反応を抑制しつつ切断する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄系金属からなる被切断材に対し、レーザ光を照射すると共に、該レーザ光に添えて酸素ガスを主成分とするアシストガスを噴射し、更に該アシストガスに沿って酸素ガスを主成分とするシールドガスを噴射して切断する際に、前記アシストガスの酸素濃度及びシールドガスの酸素濃度を低下させて酸化反応を抑制しつつ切断することを特徴とするレーザ切断方法。
【請求項２】
シールドガスの酸素濃度がアシストガスの酸素濃度よりも低いことを特徴とする請求項１に記載したレーザ切断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄系金属からなる被切断材に向けてレーザ切断するに際し、該被切断材の切断条件の如何に関わらずセルフバーニングの発生を抑えることができるようにしたレーザ切断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光を照射すると共に該レーザ光に添えて酸素ガスからなるアシストガスを噴射し、更にアシストガスに沿ってシールドガスを噴射して被切断材を切断するレーザ切断法が広く採用されている。
【０００３】
被切断材が鉄系金属である場合、レーザ光の照射部位の周辺で母材の溶融、酸化が発生するセルフバーニングと呼ばれる反応を引き起こすことがある。このセルフバーニングが発生すると、切断部位にえぐれが生じたり、切断面にノッチと呼ばれる深い溝が生じたりして切断品質の低下を招く。このため、セルフバーニングの発生を防ぐようなレーザ切断法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１に記載された発明は、少なくとも一つのノズル口から酸素濃度の高い高濃度ガスを噴射してレーザビームの周囲に気流を形成し、別のノズル口から酸素濃度の低い低濃度ガスを噴射して形成される気流により切断点から数ｍｍ程度の範囲の酸素濃度分布を調整して切断点近傍に高い酸素濃度を確保し、切断点よりも切断進行方向後ろ側の酸素濃度を低下させたものである。この発明では、切断点よりも切断の進行方向後ろ側の酸素濃度を低下させることで、セルフバーニングによる切断面への悪影響を防ぐことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４１８３７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載された発明ではセルフバーニングを防ぐことができる。しかし、セルフバーニングの発生点が必ずしも切断進行方向の後ろ側に限定されるものではないという問題がある。
【０００７】
例えば、鉄系金属、特に、溶接構造用圧延鋼材（ＳＭ材）や建築構造用圧延鋼材（ＳＮ材）等の鋼材に対する切断時、錆びていたり酸化膜（黒皮）が存在するような表面状態の劣化した鋼材に対する切断時、表面に防錆塗装が施された鋼材に対する切断時、開先切断のように切断トーチを鋼材に対して傾斜させるような切断時、には切断の進行方向の如何に関わらずセルフバーニングが発生するという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、被切断材の切断条件の如何に関わらずセルフバーニングの発生を抑えることができるレーザ切断方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本件発明者等は、鋼板に対してレーザ切断を実施している際に発生するセルフバーニングについて継続して研究し、セルフバーニングの発生を防ぎ或いは抑制する方法の開発を行っている。その結果、被切断材の材質や表面の性状、厚さ等の条件に応じて発生状況が異なることが判明した。
【００１０】
例えば、ＳＭ材やＳＮ材のような切断性の劣る鋼板を切断する場合、切断速度を低下させる必要があり、このためセルフバーニングが発生し易いことが判明した。
【００１１】
また、鋼板の表面に錆や黒皮等のスケール（以下「スケール」という）が存在する場合、母材から剥離したスケールが優先的に酸化反応を引き起こし、これが起点となってセルフバーニングが発生することが判明した。
【００１２】
また、表面にジンクリッチプライマのような防錆塗料が施されていたり、厚板の切断のように切断負荷が大きい場合、切断速度の低下、アシストガスの流量の増加、レーザ光の出力の増加、等の条件を選択して単独或いは複数同時に対応する必要がある。このため、被切断材に対する入熱量が増加することとなり、レーザ光の照射部位の周辺が燃焼温度まで上昇してセルフバーニングが発生し易くなることが判明した。
【００１３】
また、開先切断のように切断トーチを傾斜させて切断する場合、レーザ光の照射面が楕円形になることから被切断材に於けるレーザ光の照射点の周辺でエネルギの吸収率に差異が生じ、セルフバーニングが発生し易いことが判明した。
【００１４】
上記知見の結果、本発明に係る代表的なレーザ切断方法は、鉄系金属からなる被切断材に対し、レーザ光を照射すると共に、該レーザ光に添えて酸素ガスを主成分とするアシストガスを噴射し、更に該アシストガスに沿って酸素ガスを主成分とするシールドガスを噴射して切断する際に、前記アシストガスの酸素濃度及びシールドガスの酸素濃度を低下させて酸化反応を抑制しつつ切断することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るレーザ切断方法では、レーザ光に添わせて噴射するアシストガスと、アシストガスに沿って噴射するシールドガスの夫々の酸素濃度を低下させることで、被切断材を切断する際の酸化反応を抑制することができる。このため、セルフバーニングの発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係るレーザ切断法を実施する際のレーザノズルの構成を説明する図である。
【図２】アシストガス、シールドガスの供給系統の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係るレーザ切断方法について説明する。本発明に係るレーザ切断方法は、鉄系金属からなる被切断材（以下「鋼板」という）にレーザ光を照射すると共に該レーザ光に添えて酸素ガスを主成分とするアシストガスを噴射し、更にアシストガスに沿わせてシールドガスを噴射する際に、アシストガス及びシールドガスの酸素濃度を低下させるものである。
【００１８】
このように、アシストガス及びシールドガスの酸素濃度が低下することで、鋼板の母材の酸化反応を抑制することが可能となり、この結果、セルフバーニングの発生を抑えることが可能となる。
【００１９】
本発明に於いて、レーザ光の波長は限定するものではなく、現在一般に利用されている１．０７０μｍ〜１０．６００μｍの範囲のレーザ光に適用することが可能である。
【００２０】
本発明に於いて、アシストガスの酸素濃度の範囲を限定するものではない。即ち、アシストガスの酸素濃度の低い方の限界は、レーザ切断の安定した継続をはかることが可能で、且つ切断面の品質が保持し得る値である。また、アシストガスの酸素濃度の高い方の限界は、セルフバーニングの発生を抑えることが可能な値である。
【００２１】
セルフバーニングの発生頻度とアシストガスの酸素濃度との関係は、鋼板の材質、鋼板の表面状態、鋼板を開先切断する場合の開先角度、鋼板の板厚、等の夫々の切断条件に応じて変化する。このため、アシストガスの酸素濃度は、目的の鋼板に於ける切断条件に対応させて適宜設定することが好ましい。
【００２２】
本件発明者等が上記各条件に対応させて切断実験を行ったところ、アシストガスの酸素濃度が９５％よりも低下すると、セルフバーニングが発生することはないものの、切断速度の低下、切断面品質の劣化等の悪影響が生じた。また、アシストガスの酸素濃度を９９．５％とすると、切断速度、切断面品質は共に略良好であり、セルフバーニングの発生頻度を抑えることができた。更に、アシストガスの酸素濃度を９９．７％とすると切断速度、切断面品質は共に略良好ではあるものの、頻繁にセルフバーニングが発生した。
【００２３】
上記の結果から、セルフバーニングの発生をなくして、切断速度を確保すると共に切断面品質を略良好な状態に確保するには、アシストガスの酸素濃度の低い方の限界は略９５％である。また、セルフバーニングの発生を抑制して、切断速度を確保すると共に切断面品質を良好な状態に確保するには、アシストガスの酸素濃度の高い方の限界は略９９．５％である。これらのことから、アシストガスの酸素濃度は、略９５％〜略９９．５％の範囲であるといえる。
【００２４】
本発明では、アシストガスの酸素濃度を低下させると共にシールドガスの酸素濃度も低下させている。シールドガスはアシストガスに沿って該アシストガスの周囲を包み込むように噴射している。このため、シールドガスを鋼板の表面に対して噴射したときの噴射面積はアシストガスに比較して広くなる。従って、鋼板の表面に存在するスケールに対する影響が大きくなる。
【００２５】
即ち、鋼板の表面に付着しているスケールは切断の進行に伴って母材から剥離する。そして、母材の表面に存在している剥離したスケールは熱容量が小さいため速やかに温度が上昇し発火点に到達する。このため、シールドガスの主成分である酸素ガスにより酸化反応が引き起こされることとなる。このようにして、鋼板の表面に存在するスケールがセルフバーニングの起点となる。
【００２６】
このため、本発明では、アシストガスの酸素濃度を低下させるのに加えて、シールドガスの酸素濃度も低下させることで、セルフバーニングの発生を抑えることを実現している。シールドガスの酸素濃度は特に限定するものではないが、アシストガスの酸素濃度よりも低いことが好ましい。即ち、シールドガスの酸素濃度がアシストガスの酸素濃度よりも高いと、アシストガスの酸素濃度の低下に伴って切断性能が低下しているにも関わらず、シールドガスによるセルフバーニングが発生する虞が増加することとなる。
【００２７】
本件発明者等の実験では、前述した切断条件に対応して異なるものの、シールドガスの酸素濃度は略５０％〜略９８％の範囲で、且つアシストガスの酸素濃度よりも低くすることで、シールドガスに起因するセルフバーニングの発生を抑制することが可能であった。
【００２８】
アシストガス、シールドガスの酸素濃度を低下させる際に混合するガスの種類は限定するものではなく、チッソガスやアルゴンガス或いは空気等のガスを利用することが可能である。しかし、これらのガス以外であっても良く、例えば、水素ガス、ヘリウムガス、クリプトンガス等を利用することが可能である。特に、酸素濃度を低下させるガスにヘリウムガスを利用した場合には、発生するヒュームを軽減することが可能である。
【００２９】
アシストガス、シールドガスの酸素濃度を低下させるには、上記したガスの中から選択された一種類のガス、或いは複数のガスを混合させたガスを利用することが可能である。そして、前記ガスを所定量だけ高濃度の酸素ガスに混合させることで、アシストガス、シールドガスを目的の酸素濃度に低下させることが可能である。
【００３０】
また、酸素濃度を低下させたアシストガス、シールドガスを製造する工程も限定するものではなく、例えば予め目的の酸素濃度に調整したアシストガス、シールドガスをレーザ切断トーチに供給することで良い。また、アシストガス、シールドガスの夫々の供給系で酸素濃度を低下させるようにしても良い。
【００３１】
また、レーザノズル内部でアシストガス通路とシールドガス通路を連通させておき、酸素濃度を低下させることのないアシストガスに酸素濃度を低下させたシールドガスが混合し、或いはシールドガスがアシストガスに拡散することで、アシストガスの酸素濃度を低下させるようにしても良い。更に、シールドガス通路と大気とを連通させておき、シールドガスに大気が混合し、或いは拡散することで、シールドガスの酸素濃度を低下させるようにしても良い。
【００３２】
次に、本発明に係るレーザ切断方法を実施する際に用いることが可能なレーザノズルの例について説明する。
【００３３】
図１に示すレーザノズルＡは、図示しないレーザヘッドに取り付けられ、レーザ発振器から発振されたレーザ光を被切断材に向けて照射すると共にアシストガスを噴射し、該アシストガスに沿わせてシールドガスを噴射し得るように構成されている。
【００３４】
レーザノズルＡは、インナーノズル１とアウターノズル２とを有している。インナーノズル１とアウターノズル２は一体的に構成されており、両ノズル１、２の間にシールドガスの通路３が構成され、該通路３の先端にシールドガスを噴射するリング状の噴射口３ａが構成されている。
【００３５】
インナーノズル１の中心には、レーザ光とアシストガスを噴射する噴射孔４が形成されている。また、インナーノズル１の胴部１ａには複数の連通孔５が形成されており、該連通孔５を介して噴射孔４とシールドガスの通路３が連通している。
【００３６】
インナーノズル１にシールドガスの通路３と連通した連通孔５を形成することによって、アシストガスを噴射するのに伴って通路３を流通するシールドガスがアシストガス中に拡散することとなる。このため、酸素濃度を低下させることのないアシストガスと、酸素濃度を低下させたシールドガスを供給した場合、アシストガスにシールドガスが拡散することで、アシストガスの酸素濃度を低下させることが可能となる。
【００３７】
アウターノズル２には軸心に沿って貫通した複数の孔６が形成されており、該孔６を介してレーザヘッドのシールドガス通路と通路３が連通し得るように構成されている。
【００３８】
アウターノズル２の下端側に形成された筒部２ａには、該筒部２ａの壁面を貫通した貫通孔７が形成されている。この貫通孔７はアウターノズル２の下端側に接近させて形成されている。貫通孔７をこのような部位に形成することで、鋼板に対するレーザ切断を行っているときに何等かの事情でシールドガスが鋼板の裏面側まで通過しなくなったとき、通路３から供給されているシールドガスを噴射口３ａと貫通孔７から同時に噴射してスパッタの付着を防ぐことが可能となる。
【００３９】
また、シールドガスの通路３にシールドガスを供給すると貫通孔７に吸引効果が生じ、該貫通孔７から大気が吸引されてシールドガスと共に噴射口３ａから噴射する。このため、酸素濃度を低下させることのないシールドガスを供給しても、該シールドガスは酸素濃度が低下することとなる。
【００４０】
本発明に係るレーザ切断方法は、上記の如く構成されたレーザノズルＡを利用することに限定するものではない。即ち、本発明に係るレーザ切断方法は、現在一般に利用されているレーザ光に添えてアシストガスを噴射し、且つアシストガスに沿ってシールドガスを噴射し得るようにしたレーザノズルに適用することが可能である。
【００４１】
次に、本発明に係るレーザ切断方法を実施する際に利用することが可能なアシストガスとシールドガスの酸素濃度を低下させる供給系の例について説明する。
【００４２】
図に示すように、アシストガスの供給配管１１とシールドガスの供給配管１２には、夫々酸素ガス配管１１ａ、１２ａと、酸素濃度を低下させるための例えば窒素ガス配管１１ｂ、１２ｂが接続されている。酸素ガス配管１１ａ、１２ａには夫々マスフローコントローラ１３ａ、１４ａ及び逆止弁１５ａ、１６ａが配置されると共に酸素ガスボンベ或いは工場配管等の酸素供給源１７が接続されている。また、窒素ガス配管１１ｂ、１２ｂには夫々マスフローコントローラ１３ｂ、１４ｂ及び逆止弁１５ｂ、１６ｂａが配置されると共に窒素ガスボンベ或いは工場配管等の窒素供給源１８が接続されている。
【００４３】
上記の如く構成された供給系では、予め鋼板の切断条件に対応させて設定されたアシストガスの酸素濃度、シールドガスの酸素濃度に応じた酸素ガスの流量を各マスフローコントローラ１３ａ、１４ａに設定すると共に、窒素ガスの流量を各マスフローコントローラ１３ｂ、１４ｂに設定する。
【００４４】
そして、酸素供給源１７、窒素供給源１８から酸素ガス、窒素ガスを供給することで、各ガスは各マスフローコントローラ１３ａ、１４ａ、１３ｂ、１４ｂに設定された流量でアシストガス配管１１、シールドガス配管１２に供給される。そして、レーザノズルＡの噴射孔４からは酸素濃度が低下したアシストガスが噴射され、噴射口３ａからはアシストガスの酸素濃度よりも低い酸素濃度のシールドガスが噴射される。
【００４５】
上記の如く構成されたガスの供給系を利用することで夫々目的の鋼板を切断する際に該鋼板の切断条件に対応させて最適な酸素濃度のアシストガス、シールドガスを得ることが可能である。しかし、本発明に係るレーザ切断方法は、上記したガスの供給系を利用することに限定するものではないことは当然である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明に係るレーザ切断方法では、材質や表面状態等の切断条件に対応させてセルフバーニングの発生を抑えることが可能であり、鋼板を切断する際に利用して有利である。
【符号の説明】
【００４７】
Ａ                  レーザノズル
１                  インナーノズル
２                  アウターノズル
３                  通路
３ａ                噴射口
４                  噴射孔
５                  連通孔
６                  孔
７                  貫通孔
１１、１２          供給配管
１１ａ、１２ａ      酸素ガス配管
１１ｂ、１２ｂ      窒素ガス配管
１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ
マスフローコントローラ
１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂ
逆止弁
１７                酸素供給源
１８                窒素供給源
【図１】
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【図２】
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