(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザを透過すると共に、前記レーザの照射により液体が気化する厚さの液膜を被加工物の表面に形成するように、前記被加工物に対して前記液体を噴霧により供給し、且つ、前記被加工物における前記レーザの照射箇所に対し衝撃を間欠的に付与しつつ、前記被加工物が溶融した溶融物からなる溶融領域を生成し、前記溶融領域が前記被加工物の厚さ方向へ拡大するように、前記被加工物に前記レーザをパルスで照射し続けることにより、前記衝撃によって前記溶融領域から前記溶融物が流れるようにした
ことを特徴とするレーザ切断方法。
【請求項２】
請求項１に記載されたレーザ切断方法であって、
前記液体の供給は、前記レーザの照射箇所から離れた箇所に行なわれる
ことを特徴とするレーザ切断方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載されたレーザ切断方法であって、
前記液体は、水である
ことを特徴とするレーザ切断方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか一項に記載されたレーザ切断方法であって、
前記被加工物は、配管であり、
前記レーザの照射箇所を含むように前記配管内を閉塞部材で閉塞すると共に、前記閉塞部材で閉塞された前記配管内を減圧する
ことを特徴とするレーザ切断方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れか一項に記載されたレーザ切断方法であって、
前記レーザの照射は、前記被加工物における上下方向に延設する壁面に対して行われる
ことを特徴とするレーザ切断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ切断方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザで金属製被加工物の切断を行う場合、切断箇所から溶融金属を除去することが、切断品質を維持するため必要である。従来、切断箇所近傍にノズルを配置し、当該ノズルを介してアシストガスを切断箇所に噴射することにより、この噴射による圧力で切断箇所から溶融金属の除去を行うようにしている。
【０００３】
下記特許文献１には、鋼板の表面にガスを噴射しつつレーザ光を照射して鋼板を切断する際、鋼板の表面のレーザ光照射部周囲に、冷却用の水を霧状に噴霧することにより、前記鋼板の表面のレーザ光照射部周囲を冷却して、鋼板の板厚方向の熱変形を抑制したレーザ切断方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−０５２０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、前記ノズルと被加工物とに距離があり、アシストガスの噴射による圧力を切断箇所に作用させることができない場合、前記レーザの照射のみで前記被加工物を切断することができるものの、前記レーザの照射により生成する溶融金属が表面張力で前記被加工物の切断箇所に付着し続けて、溶融に伴う２次生成物量が多くなり、切断品質を低下させる可能性があった。また、レーザの切断箇所が上下方向に延設する壁面である場合、レーザの照射箇所を広くして切断箇所を含めた広い領域を溶融状態にし、溶融金属の自重により被加工物の切断箇所から溶融金属が落下することで当該切断箇所から溶融金属の除去を行うことができるものの、レーザの照射箇所を広げた分だけ、切断に要するエネルギが増加し、切断効率を低下させる可能性があった。
【０００６】
以上のことから、本発明は前述した課題を解決するために為されたものであって、アシストガスを用いないにも関わらずに、被加工物を効率良く切断することができるレーザ切断方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決する第１の発明に係るレーザ截断方法は、レーザを透過すると共に、前記レーザの照射により液体が気化する厚さの液膜を被加工物の表面に形成するように、前記被加工物に対して前記液体を噴霧により供給し、且つ、前記被加工物における前記レーザの照射箇所に対し衝撃を間欠的に付与しつつ、前記被加工物が溶融した溶融物からなる溶融領域を生成し、前記溶融領域が前記被加工物の厚さ方向へ拡大するように、前記被加工物に前記レーザをパルスで照射し続けることにより、前記衝撃によって前記溶融領域から前記溶融物が流れるようにしたことを特徴とする。
【０００９】
上述した課題を解決する第２の発明に係るレーザ切断方法は、前述した第１の発明に係るレーザ切断方法であって、前記液体の供給は、前記レーザの照射箇所から離れた箇所に行なわれることを特徴とする。
【００１１】
上述した課題を解決する第３の発明に係るレーザ切断方法は、前述した第１又は第２の発明に係るレーザ切断方法であって、前記液体は、水であることを特徴とする。
【００１２】
上述した課題を解決する第４の発明に係るレーザ切断方法は、前述した第１から第３の発明の何れか一つに係るレーザ切断方法であって、前記被加工物は、配管であり、前記レーザの照射箇所を含むように前記配管内を閉塞部材で閉塞すると共に、前記閉塞部材で閉塞された前記配管内を減圧することを特徴とする。
【００１３】
上述した課題を解決する第５の発明に係るレーザ切断方法は、前述した第１から第４の発明の何れか一つに係るレーザ切断方法であって、前記レーザの照射は、前記被加工物における上下方向に延設する壁面に対して行われることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明に係るレーザ切断方法によれば、レーザのパルスでの照射時の金属蒸気発生に伴う反跳圧が、繰り返し溶融池に作用すると共に、液体の気化時の蒸気圧も被加工物に対して伝わるため、溶融領域からの溶融物の流れ出しが促される。これにより、アシストガスを用いずにレーザのみを連続的に照射する場合と比べて、被加工物を効率良く切断することができ、切断品質の低下を抑制できる。さらに、被加工物の表面に均一の厚さの液膜を容易に形成することができ、液膜の大きさに起因する被加工物の切断効率の低下を抑制することができるので、前記衝撃に起因する圧力を被加工物に対して確実に伝えることができる。
【００１６】
第２の発明に係るレーザ切断方法によれば、液体と接触することによりレーザが散乱することを防止することができる。
【００１８】
第３の発明に係るレーザ切断方法によれば、水の蒸気圧が大きいことから、前記衝撃に起因する圧力を被加工物に対して効率良く伝えることができ、被加工物をより一層効率良く切断することができる。
【００１９】
第４の発明に係るレーザ切断方法によれば、溶融領域からの溶融物の流れ出しを促すことができ、被加工物をより一層効率良く切断することができる。
【００２０】
第５の発明に係るレーザ切断方法によれば、溶融領域からの溶融物の流れ出しに当該溶融物の重力も作用することになり、被加工物をより一層効率良く切断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第一の実施形態に係るレーザ切断方法の説明図であって、図１（ａ）にレーザ照射時の状態を示し、図１（ｂ）に切断時の状態を示す。
【図２】本発明の第二の実施形態に係るレーザ切断方法の説明図であって、図２（ａ）にレーザ照射時の状態を示し、図２（ｂ）に切断時の状態を示す。
【図３】本発明の第三の実施形態に係るレーザ切断方法の説明図であって、図３（ａ）にその全体を示し、図３（ｂ）に囲み線ＩＩＩの拡大を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明に係るレーザ切断方法の実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は、図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。
【００２３】
［第一の実施形態］
本発明の第一の実施形態に係るレーザ切断方法を図１に基づいて説明する。
【００２４】
本実施形態に係るレーザ切断方法で用いるレーザ切断装置は、図１（ａ）に示すように、レーザ発振器１１と、レーザ発振器１１に接続された光ファイバ１２と、光ファイバ１２の他端にレーザ出射部１４を介して接続されたレーザ加工ヘッド１３とを備える。レーザ加工ヘッド１３には、ノズル１５が設けられる。ノズル１５は、その先端が側方に向けて配置される。前記レーザ切断装置の切断対象となるワーク（被加工物）Ｗ１は、上下方向に延設する表面（壁面）Ｗ１ａを有するものである。すなわち、ノズル１５は、ワークＷ１の表面Ｗ１ａと対向配置される。ワークＷ１は、例えば、厚さが１ｍｍ〜２００ｍｍの範囲内であり、アシストガスを用いたレーザ照射により切断可能な金属製の板材（例えば、鋼板）や管材（例えば、鋼管）である。
【００２５】
上述のレーザ切断装置は、レーザ発振器１１を制御する制御装置５０をさらに備える。この制御装置５０によりレーザ発振器１１を制御して、レーザ発振器１１から発振されるレーザ出力、パルス幅が調整される。また、制御装置５０によりレーザ発振器１１を制御して、ノズル１５から出射するレーザ１によりワークＷ１を切断する切断速度が調整される。
【００２６】
ここで、上述のレーザ切断装置によるレーザ切断方法について、図１（ａ）および図１（ｂ）を用いて説明する。
先ず、図１（ａ）に示すように、ノズル１５を切断箇所であるワークＷ１の表面Ｗ１ａと対向配置し、制御装置５０によりレーザ発振器１１を制御する。これにより、当該レーザ発振器１１から発振されたレーザ１が、光ファイバ１２、レーザ出射部１４、レーザ加工ヘッド１３およびノズル１５を介して切断箇所であるワークＷ１の表面Ｗ１ａにパルスで照射される。レーザ１の照射によりワークＷ１が加熱されて、当該ワークＷ１が溶融した溶融物Ｗ１ｅからなる溶融領域Ｗ１ｄを生成する。
【００２７】
前記レーザ１のパルスでの照射を継続することにより、溶融領域Ｗ１ｄがワークＷ１の厚さ方向へ拡大していくことになる。なお、レーザ１をパルスでワークＷ１に対して照射しているときには、レーザ１がワークＷ１に照射時の反跳圧４を当該ワークＷ１に対して間欠的に付与することになる。
【００２８】
さらに、前記レーザ１の照射を継続することにより、溶融領域Ｗ１ｄがワークＷ１の表面Ｗ１ａから裏面Ｗ１ｂまで拡大すると、図１（ｂ）に示すように、レーザ１をワークＷ１に照射時の金属蒸気発生に伴う反跳圧４が間欠的にワークＷ１の表面Ｗ１ａ側から裏面Ｗ１ｂ側に伝わり、この間欠的に付与される圧力Ｐ１により溶融領域Ｗ１ｄからの溶融物Ｗ１ｅの流れ出しが促されて当該溶融物Ｗ１ｅが流れ出すことになる。
【００２９】
したがって、本実施形態に係るレーザ切断方法によれば、ワークＷ１におけるレーザ１の照射箇所に対して衝撃を間欠的に付与しつつ、ワークＷ１が溶融した溶融物Ｗ１ｅからなる溶融領域Ｗ１ｄを生成し、溶融領域Ｗ１ｄがワークＷ１の厚さ方向へ拡大するように、ワークＷ１に対してレーザをパルスで照射することにより、前記照射時の金属蒸気発生に伴う反跳圧４がワークＷ１の厚さ方向に伝わり、溶融領域Ｗ１ｄからの溶融物（ドロス）Ｗ１ｅの流れ出しが促される。これにより、アシストガスを用いずにレーザのみを連続的に照射する場合と比べて、切断箇所から溶融物Ｗ１ｅを効率良く除去することができ、ワークＷ１を効率良く切断することができる。これにより、切断品質の低下を抑制できる。
【００３０】
なお、上述したレーザ１のピークパワー密度は、１０ｋＷ／ｍｍ2以上であることが好ましい。レーザ１のパルス幅は、０．１ｍｓ〜５００ｍｓであることが好ましい。これは、レーザ１のピークパワー密度およびパルス幅が上述の範囲内であれば、ノズル１５とワークＷ１との距離が、アシストガスがレーザの照射箇所に十分な圧力を付与できないアシストガスノズル径の３倍以上の距離にある場合でも、上述のワークＷ１をレーザ１のパルスでの照射により加熱してワークＷ１が溶融した溶融物Ｗ１ｅからなる溶融領域Ｗ１ｄを生成すると共に、レーザ１をワークＷ１に照射時の金属蒸気発生に伴う反跳圧４が当該ワークＷ１の厚さ方向に伝わり、溶融領域Ｗ１ｄからの溶融物Ｗ１ｅの流れ出しを確実に促すことになるからである。
【００３１】
上述のように、ワークＷ１の表面Ｗ１ａは上下方向に延設していることが好ましい。これにより、溶融領域Ｗ１ｄからの溶融物Ｗ１ｅの流れ出しに当該溶融物Ｗ１ｅの重力も作用することになり、ワークＷ１をより一層効率良く切断することができる。
【００３２】
［第二の実施形態］
本発明の第二の実施形態に係るレーザ切断方法を図２に基づいて説明する。本実施形態では、上述した第一の実施形態に係るレーザ切断方法で用いるレーザ切断装置に水供給装置を追加した装置を用いている。本実施形態では、第一の実施形態と同一機器には同一符号を付記している。
【００３３】
本実施形態に係るレーザ切断方法で用いるレーザ切断装置は、図２に示すように、水供給装置（水噴霧装置）２０を備える。水供給装置２０は、噴霧ノズル２１と水供給管２２とポンプ２３と水貯留タンク２４とを備える。水貯留タンク２４には水（液体）２が溜められる。水貯留タンク２４には、水供給管２２の基端側が接続される。水供給管２２の先端側が噴霧ノズル２１の基端側と接続される。ポンプ２３は、水供給管２２に設けられる。
【００３４】
上述のレーザ切断装置が備える制御装置５０は、水供給装置２０のポンプ２３と信号線で接続しており、制御装置５０がポンプ２３の作動を制御可能になっている。この制御装置５０により、ポンプ２３の作動を制御することにより、水貯留タンク２４内の水２が水供給管２２を流通して噴霧ノズル２１からワークＷ１の表面Ｗ１ａに対して噴霧される水２の噴霧量（供給量）が調整される。噴霧ノズル２１によるワークＷ１の表面Ｗ１ａへの水２の噴霧量（供給量）は、鋼板の板厚方向の熱変形を抑制するようにレーザの照射箇所に水を噴霧してレーザの照射箇所周囲を冷却する上記特許文献１に記載のレーザ切断方法とは異なり、レーザ１を透過すると共に、レーザ１の照射により水２が気化する厚さｔ（例えば、数１０μｍ〜１００μｍ）の液膜３をワークＷ１の表面Ｗ１ａに形成するように調整することが好ましい。これにより、レーザ１がワークＷ１の表面Ｗ１ａを確実に照射し当該ワークＷ１における当該レーザ１の照射箇所を確実に加熱して当該ワークＷ１に溶融領域Ｗ１ｄを生成することができる。水２が気化したときの蒸気圧をワークＷ１に対して伝えることができる。
【００３５】
ここで、上述のレーザ切断装置によるレーザ切断方法について、図２（ａ）および図２（ｂ）を用いて説明する。
先ず、図２（ａ）に示すように、ノズル１５を切断箇所であるワークＷ１の表面Ｗ１ａと対向配置する一方、噴霧ノズル２１を切断箇所と離れた箇所（図２（ａ）ではレーザ１の照射箇所の上方）と対向配置し、制御装置５０によりレーザ発振器１１およびポンプ２３を制御する。これにより、レーザ発振器１１から発振されたレーザ１が、光ファイバ１２、レーザ出射部１４、レーザ加工ヘッド１３およびノズル１５を介して切断箇所であるワークＷ１の表面Ｗ１ａにパルスで照射される。また、水貯留タンク２４内の水２が、水供給管２２を介して噴霧ノズル２１からワークＷ１の表面Ｗ１ａに対して噴霧される。ワークＷ１の表面Ｗ１ａに上述の厚さｔの液膜３が形成される一方、レーザ１の照射によりワークＷ１が加熱されて、当該ワークＷ１が溶融した溶融物Ｗ１ｅからなる溶融領域Ｗ１ｄを生成する。
【００３６】
前記レーザ１のパルスでの照射を継続することにより、溶融領域Ｗ１ｄがワークＷ１の厚さ方向へ拡大していくことになる。なお、レーザ１をワークＷ１に対してパルスで照射しているときには、レーザ１がワークＷ１に当たったときと、当該レーザ１により水２が気化したときの蒸気圧との衝撃５を当該ワークＷ１に対して間欠的に付与することになる。
【００３７】
さらに、前記レーザ１のパルスでの照射を継続することにより、溶融領域Ｗ１ｄがワークＷ１の表面Ｗ１ａから裏面Ｗ１ｂまで拡大すると、図２（ｂ）に示すように、前記衝撃５による圧力Ｐ２が間欠的にワークＷ１の表面Ｗ１ａ側から裏面Ｗ１ｂ側に伝わり、この間欠的な圧力Ｐ２により溶融領域Ｗ１ｄからの溶融物Ｗ１ｅの流れ出しが促されて当該溶融物Ｗ１ｅが流れ出すことになる。
【００３８】
したがって、本実施形態に係るレーザ切断方法によれば、レーザ１がワークＷ１の表面Ｗ１ａに当たったときと、レーザ１による水２の気化時の蒸気圧とによる衝撃５が圧力Ｐ２としてワークＷ１の厚さ方向に間欠的に作用することから、レーザ１の照射により生成する溶融領域Ｗ１ｄから溶融物Ｗ１ｅを効率良く除去することができる。
【００３９】
なお、噴霧ノズル２１によるワークＷ１の表面Ｗ１ａへの水２の噴霧（供給）は、レーザ１の照射箇所から離れた箇所に行なわれることが好ましい。これにより、水２との接触によりレーザ１が散乱することを防止することができる。
【００４０】
ワークＷ１の表面Ｗ１ａへの水２の供給を噴霧により行うことが好ましい。これにより、ワークＷ１の表面Ｗ１ａの広範な領域に均一な厚さの液膜３を容易に形成することができ、液膜３の大きさに起因するワークＷ１の切断効率の低下を抑制することができる。また、前記衝撃５に起因する圧力Ｐ２をワークＷ１に対して確実に伝えることができる。
【００４１】
ワークＷ１の表面Ｗ１ａに対し液体として水２を供給することが好ましい。これは、水２の蒸気圧が大きく、衝撃５に起因する圧力Ｐ２をワークＷ１に対して効率良く伝えることができ、ワークＷ１をより一層効率良く切断することができるからである。
【００４２】
［第三の実施形態］
本発明の第三の実施形態に係るレーザ切断方法を図３に基づいて説明する。本実施形態では、上述した第二の実施形態に係るレーザ切断方法で用いるレーザ切断装置に減圧装置を追加した装置を用いている。本実施形態では、第二の実施形態と同一機器には同一符号を付記している。
【００４３】
本実施形態に係るレーザ切断方法で用いるレーザ切断装置は、図３（ａ）に示すように、減圧装置３０を備える。前記レーザ切断装置の切断対象となるワーク（被加工物）Ｗ２は、上下方向に延設する表面（壁面）Ｗ２ａを有するものである。ワークＷ２は、例えば、厚さ１ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内であり、アシストガスを用いたレーザ照射により切断可能な金属製の管材（例えば、鋼管）である。減圧装置３０は、閉塞部材３１，３２と排気管３３とブロア３４とを備える。閉塞部材３１，３２は、当該閉塞部材３１，３２で囲まれる領域がワークＷ２における切断箇所を含むように配置される。すなわち、一方の閉塞部材３１は、レーザ１の照射箇所に対して上方側を閉塞するようにワークＷ２内に配置される。他方の閉塞部材３２は、レーザ１の照射箇所に対して下方側を閉塞するようにワークＷ２内に配置される。一方の閉塞部材３１には、開口部３１ａが設けられている。排気管３３の基端は、閉塞部材３１の開口部３１ａと接続して設けられる。ブロア３４は、排気管３３に設けられる。
【００４４】
上述のレーザ切断装置が備える制御装置５０は、減圧装置３０のブロア３４と信号線で接続しており、制御装置５０がブロア３４の作動を制御可能になっている。この制御装置５０により、ブロア３４の作動を制御して、閉塞部材３１，３２で形成される密閉空間が負圧となるように調整される。
【００４５】
ここで、上述のレーザ切断装置によるレーザ切断方法について、図３（ａ）および図３（ｂ）を用いて説明する。
先ず、図３（ａ）に示すように、ノズル１５を切断箇所であるワークＷ２の壁面Ｗ２ａと対向配置する一方、噴霧ノズル２１を切断箇所と離れた箇所（図３（ａ）ではレーザ１の照射箇所の上方）と対向配置し、制御装置５０によりレーザ発振器１１およびポンプ２３およびブロア３４を制御する。これにより、当該レーザ発振器１１から発振されたレーザ１が、光ファイバ１２、レーザ出射部１４、レーザ加工ヘッド１３およびノズル１５を介して切断箇所であるワークＷ２の表面Ｗ２ａにパルスで照射される。また、水貯留タンク２４内の水２が、水供給管２２を介して噴霧ノズル２１からワークＷ２の表面Ｗ２ａに対して噴霧される。閉塞部材３１，３２で囲まれる領域内から空気６が排気管３３を通じて排気される。このとき、領域内が負圧となる一方、ワークＷ２の表面Ｗ２ａに上述の厚さｔの液膜３が形成されると共に、レーザ１の照射によりワークＷ２が加熱されて、当該ワークＷ２が溶融した溶融物Ｗ２ｅからなる溶融領域Ｗ２ｄを生成する。
【００４６】
前記レーザ１のパルスでの照射を継続することにより、溶融領域Ｗ２ｄがワークＷ２の厚さ方向へ拡大していくことになる。なお、レーザ１をワークＷ２に対してパルスで照射しているときには、レーザ１がワークＷ２に当たったときと、当該レーザ１により水２が気化したときの蒸気圧との衝撃を当該ワークＷ２に対して間欠的に付与することになる。
【００４７】
さらに、前記レーザ１のパルスでの照射を継続することにより、溶融領域Ｗ２ｄがワークＷ２の表面Ｗ２ａから内面Ｗ２ｃまで拡大すると、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、レーザ１がワークＷ２に当たったときと、当該レーザ１により水２が気化したときの蒸気圧とによる衝撃５と、前記領域内が負圧であることとの圧力Ｐ３が当該ワークＷ２に対して間欠的に伝わることになる。これにより、溶融領域Ｗ２ｄからの溶融物Ｗ２ｅの流れ出しが促されて当該溶融物Ｗ２ｅが流れ出すことになる。
【００４８】
したがって、本実施形態に係るレーザ切断方法によれば、レーザ１がワークＷ２の表面Ｗ２ａに当たったときと、レーザ１による水２の気化時の蒸気圧とによる衝撃５と、前記領域内が負圧であることとの圧力Ｐ３が当該ワークＷ２の厚さ方向に間欠的に作用することから、レーザ１の照射により生成する溶融領域Ｗ２ｄから溶融物Ｗ２ｅを効率良く除去することができる。
【００４９】
上述のように、ワークＷ２の表面Ｗ２ａは上下方向に延設していることが好ましい。これにより、溶融領域Ｗ２ｄからの溶融物Ｗ２ｅの流れ出しに当該溶融物Ｗ２ｅの重力も作用することになり、ワークＷ２をより一層効率良く切断することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明に係るレーザ溶接方法は、アシストガスを用いないにも関わらずに、被加工物を効率良く切断することができるので、各種産業において、極めて有益に利用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１        レーザ
２        水（液体）
３        液膜
４        反跳圧
５        衝撃
１１      レーザ発振器
１２      光ファイバ
１３      レーザ加工ヘッド
１４      レーザ出射部
１５      ノズル
２０      水供給装置（水噴霧装置）
２１      噴霧ノズル
２２      水供給管
２３      ポンプ
２４      水貯留タンク
３０      減圧装置
３１      閉塞部材（閉塞板）
３１ａ    開口部
３２      閉塞部材（閉塞板）
３３      排気管
３４      ブロア
５０      制御装置
ｔ        厚さ
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３  圧力
Ｗ１      ワーク（被加工物）
Ｗ１ａ    表面（壁面）
Ｗ１ｂ    裏面
Ｗ１ｄ    溶融領域
Ｗ１ｅ    溶融物（ドロス）
Ｗ２      ワーク（被加工物）
Ｗ２ａ    表面（壁面）
Ｗ２ｃ    内面
Ｗ２ｄ    溶融領域
Ｗ２ｅ    溶融物（ドロス）
【図１】
0006512685.tif 000002
【図２】
0006512685.tif 000003
【図３】
0006512685.tif 000004