(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物の融点を降下させる融点降下材をアシストガスに同伴させて当該被加工物に噴射しながら、レーザを照射することにより、前記被加工物における前記レーザの照射箇所に前記融点降下材を溶け込ませて当該被加工物の融点を下げるようにしたレーザ切断方法であって、
前記被加工物の母材が鉄（Ｆｅ）を主成分とする材料であり、
前記融点降下材がケイ素（Ｓｉ）またはホウ素（Ｂ）またはこれらの化合物である
ことを特徴とするレーザ切断方法。
【請求項２】
被加工物の融点を降下させる融点降下材をアシストガスに同伴させて当該被加工物に噴射しながら、レーザを照射することにより、前記被加工物における前記レーザの照射箇所に前記融点降下材を溶け込ませて当該被加工物の融点を下げるようにしたレーザ切断方法であって、
前記被加工物の母材がニッケル（Ｎｉ）を主成分とする材料であり、
前記融点降下材がホウ素（Ｂ）またはリン（Ｐ）またはケイ素（Ｓｉ）またはこれらの化合物である
ことを特徴とするレーザ切断方法。
【請求項３】
被加工物の融点を降下させる融点降下材をアシストガスに同伴させて当該被加工物に噴射しながら、レーザを照射することにより、前記被加工物における前記レーザの照射箇所に前記融点降下材を溶け込ませて当該被加工物の融点を下げるようにしたレーザ切断方法であって、
前記被加工物の母材がアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする材料であり、
前記融点降下材がマグネシウム（Ｍｇ）またはケイ素（Ｓｉ）またはこれらの化合物である
ことを特徴とするレーザ切断方法。
【請求項４】
被加工物の融点を降下させる融点降下材をアシストガスに同伴させて当該被加工物に噴射しながら、レーザを照射することにより、前記被加工物における前記レーザの照射箇所に前記融点降下材を溶け込ませて当該被加工物の融点を下げるようにしたレーザ切断方法であって、
前記被加工物の母材が銅（Ｃｕ）を主成分とする材料であり、
前記融点降下材がリン（Ｐ）またはスズ（Ｓｎ）またはケイ素（Ｓｉ）またはこれらの化合物である
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】
従来、金属材料からなる被加工物をレーザ切断する場合、前記被加工物にレーザを照射し、切断箇所を溶融した溶融物（溶融金属）を生成すると共に、前記切断箇所へアシストガスを噴射することによる圧力で前記切断箇所から前記溶融物を除去するようにしている。また、前記被加工物が炭素鋼などの鉄（Ｆｅ）を主成分とする材料からなる場合は、アシストガスに酸素を利用することにより、鉄と酸素の酸化反応熱を切断箇所に付与し、切断箇所から溶融物を除去し易くなるようにしている（例えば、下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１５６５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、前記被加工物をレーザ切断する場合には、レーザやガスにより当該被加工物を溶融させるのに必要な熱量を切断箇所に付与する必要があるが、被加工物が厚くなるに従い、切断箇所（溶融物）の体積が多くなるため、溶融させるのに必要なエネルギ（レーザパワーや酸素ガス流量）を増加させる必要がある。
【０００５】
特に、切断する被加工物の板厚が数１０ｍｍをこえるようになってくると、溶融物を除去するためのガス流動をしやすくするためには、切断幅（溶融幅）を広く（除去体積量を多く）する必要があり、さらに入熱を大きくしないと、前記被加工物の切断が困難であった。
【０００６】
よって、切断の板幅が大きくなるほど、切断幅が広がり、切断時に生じるドロスなどの２次生成物量が多くなり切断品質が低下する。また、単位板厚あたりの入り熱量を増大させる必要があるため、切断速度を非常に遅くするか、大出力の発振器を用意する必要があるため、切断能率の低下や切断コストが増大してしまうという課題があった。
【０００７】
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、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】
【０００９】
上述した課題を解決する第１の発明に係るレーザ切断方法は、被加工物の融点を降下させる融点降下材をアシストガスに同伴させて当該被加工物に噴射しながら、レーザを照射することにより、前記被加工物における前記レーザの照射箇所に前記融点降下材を溶け込ませて当該被加工物の融点を下げるようにしたレーザ切断方法であって、前記被加工物の母材が鉄（Ｆｅ）を主成分とする材料であり、前記融点降下材がケイ素（Ｓｉ）またはホウ素（Ｂ）またはこれらの化合物であることを特徴とする。
【００１０】
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、被加工物の融点を降下させる融点降下材をアシストガスに同伴させて当該被加工物に噴射しながら、レーザを照射することにより、前記被加工物における前記レーザの照射箇所に前記融点降下材を溶け込ませて当該被加工物の融点を下げるようにしたレーザ切断方法であって、前記被加工物の母材がニッケル（Ｎｉ）を主成分とする材料であり、前記融点降下材がホウ素（Ｂ）またはリン（Ｐ）またはケイ素（Ｓｉ）またはこれらの化合物であ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、被加工物の融点を降下させる融点降下材をアシストガスに同伴させて当該被加工物に噴射しながら、レーザを照射することにより、前記被加工物における前記レーザの照射箇所に前記融点降下材を溶け込ませて当該被加工物の融点を下げるようにしたレーザ切断方法であって、前記被加工物の母材がアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする材料であり、前記融点降下材がマグネシウム（Ｍｇ）またはケイ素（Ｓｉ）またはこれらの化合物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、被加工物の融点を降下させる融点降下材をアシストガスに同伴させて当該被加工物に噴射しながら、レーザを照射することにより、前記被加工物における前記レーザの照射箇所に前記融点降下材を溶け込ませて当該被加工物の融点を下げるようにしたレーザ切断方法であって、前記被加工物の母材が銅（Ｃｕ）を主成分とする材料であり、前記融点降下材がリン（Ｐ）またはスズ（Ｓｎ）またはケイ素（Ｓｉ）またはこれらの化合物であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
第１から第４の発明に係るレーザ切断方法によれば、レーザの照射箇所に対して融点降下材を供給することで、被加工物単体の場合と比べて融点を降下することができると共に、融点降下材が被加工物の溶融領域を溶融拡散することにより融点を確実に降下することができるので、被加工物を効率良く切断することができる。これにより、切断品質の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一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の概略図である。
【図２】前記レーザ切断方法の説明図であって、図２（ａ）にワークが溶け始めた状態を示し、図２（ｂ）に溶融領域が拡大した状態を示し、図２（ｃ）に溶融領域に融点降下材が溶融拡散した状態を示し、図２（ｄ）に溶融領域が裏面側に到達した状態を示す。
【図３】本発明の実施例に係るレーザ切断方法の確認試験を説明するために用いたＦｅ−Ｓｉの２元系状態図である。
【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一実施形態を図１および図２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】
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）Ｗは、上下方向に延設する表面（壁面）Ｗａを有するものである。すなわち、ノズル１５は、ワークＷの表面Ｗａと対向配置される。
【００２４】
上述のレーザ切断装置は、アシストガス供給部（アシストガス供給手段）１６と融点降下元素粉末供給部（融点降下材供給手段）１８を備える。前記アシストガス供給部１６は、アシストガス供給管１７を介してレーザ加工ヘッド１３と接続される。これにより、レーザ１の照射箇所に対して、アシストガス２を吹き付けることができる。
【００２５】
前記融点降下元素粉末供給部１８は、融点降下元素粉末供給管１９を介してレーザ加工ヘッド１３と接続される。これにより、レーザ１の照射箇所に対して、上述のアシストガス２と共に融点降下元素粉末（融点降下材）３を吹き付けることができる。前記融点降下元素粉末３は、ワークＷの融点を降下させると共に、生成する溶融物の粘性を低下させる元素からなる粉末である。なお、前記融点降下元素粉末３は、ワークＷに吹き付けられるアシストガス２に同伴して、アシストガス２と共にワークＷの表面Ｗａに吹き付けられることができる程度の粒径であることが好ましい。
【００２６】
上述のレーザ切断装置は、レーザ発振器１１およびアシストガス供給部１６および融点降下元素粉末供給部１８を制御する制御装置（アシストガス供給量調整手段、融点降下材供給量調整手段）２０をさらに備える。この制御装置２０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１のレーザ出力、パルス条件などが調整される。制御装置２０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Ｗを切断する切断方向、言い換えると、切断速度が調整される。制御装置２０によりアシストガス供給部１６を制御して、ノズル１５から噴射されるアシストガス２の噴射量が調整される。制御装置２０により融点降下元素粉末供給部１８を制御して、ノズル１５から噴射される融点降下元素粉末３の噴射量が調整される。
【００２７】
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および図２（ａ）〜（ｄ）を用いて具体的に説明する。
【００２８】
先ず、図１に示すように、ノズル１５を切断箇所であるワークＷの表面Ｗａと対向配置し、制御装置２０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Ｗの表面Ｗａに照射される。レーザ１の照射によりワークＷが加熱されて、当該ワークＷが溶融した溶融物Ｗｄからなる溶融領域Ｗｃを生成する。このとき、制御装置２０によりアシストガス供給部１６および融点降下元素粉末供給部１８も制御する。これにより、図１および図２（ａ）に示すように、レーザ１の照射箇所（切断箇所）であるワークＷの表面Ｗａにアシストガス２が噴射されると共に、当該アシストガス２に同伴されて融点降下元素粉末３も噴射される。ワークＷの表面Ｗａにおけるレーザ１の照射箇所にあっては、アシストガス２の噴射による圧力により融点降下元素粉末３が当該ワークＷの表面Ｗａと接触する一方、当該レーザ１により加熱される。
【００２９】
前記レーザ１の照射を継続することにより、図２（ｂ）に示すように、溶融領域ＷｃがワークＷの厚さ方向へ拡大していくことになる。このとき、アシストガス２をワークＷにおけるレーザ１の照射箇所に噴射しており、アシストガス２の噴射による圧力により当該アシストガス２に同伴され、レーザ１により加熱された融点降下元素粉末３がワークＷの表面Ｗａから溶融領域Ｗｃ中に溶融拡散することになる。
【００３０】
融点降下元素粉末３の溶融領域Ｗｃへの溶融拡散により、図２（ｃ）に示すように、ワークＷ単体の場合と比べて融点が降下することから、溶融領域ＷｃがワークＷの厚さ方向へ急激に拡大することになる。このときも、アシストガス２をワークＷにおけるレーザ１の照射箇所に噴射しており、アシストガス２の噴射による圧力により当該アシストガス２に同伴される融点降下元素粉末３が、レーザ１により加熱されると共に、ワークＷの表面Ｗａから溶融領域Ｗｃ中に溶融拡散することになる。
【００３１】
続いて、溶融領域ＷｃがワークＷの裏面Ｗｂ側まで拡大すると、図２（ｄ）に示すように、レーザ１の照射箇所へのアシストガス２の噴射による圧力により溶融領域Ｗｃから溶融物Ｗｄが吹き飛ばされることになる。
【００３２】
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Ｗの融点を降下させる融点降下元素粉末３をアシストガス２に同伴させて当該ワークＷに噴射しながら、レーザ１を照射することにより、ワークＷにおけるレーザ１の照射箇所に融点降下元素粉末３を溶け込ませて当該ワークＷの融点を下げるようにしたことで、レーザ１の照射によるワークＷの溶融開始直後（アシストガス２による融点降下元素粉末３の供給開始直後）から、当該融点降下元素粉末３がワークＷの溶融に作用し、ワークＷの溶融領域Ｗｃの拡大に伴い、融点降下元素粉末３が当該溶融領域Ｗｃ内に溶融拡散していくことから、融点降下元素粉末を用いない従来のアシストガスを用いたレーザ切断方法や、レーザの照射箇所に鉄を混入したアシストガスを噴射して、レーザによって溶融した溶融物の流動性を高めるようにした上記特許文献１に記載のレーザ切断方法とは異なり、ワークＷ単体の場合と比べて融点を降下することができる。これにより、従来のレーザ切断方法と比べて、短時間で且つ、低エネルギでワークＷを切断することができる。すなわち、ワークＷを効率良く切断することができる。また、切断品質の低下を防ぐことができる。
【００３３】
ワークＷの母材が鉄（Ｆｅ）を主成分とする材料である場合には、融点降下元素粉末３として、ケイ素（Ｓｉ）またはホウ素（Ｂ）またはこれらの化合物を用いることが好ましい。これは、鉄−ケイ素の２元系状態図、鉄−ホウ素の２元系状態図からも分かるように、融点降下元素粉末３がワークＷの溶融領域Ｗｃを溶融拡散することにより融点を確実に降下することができ、ワークＷを効率良く切断することができるからである。
【００３４】
ワークＷの母材がニッケル（Ｎｉ）を主成分とする材料である場合には、融点降下元素粉末３として、ホウ素（Ｂ）またはリン（Ｐ）またはケイ素（Ｓｉ）またはこれらの化合物を用いることが好ましい。これは、上述の場合と同様、ニッケル−ホウ素の２元系状態図、ニッケル−リンの２元系状態図、ニッケル−ケイ素の２元系状態図の２元系状態図からも分かるように、融点降下元素粉末３がワークＷの溶融領域Ｗｃを溶融拡散することにより融点を確実に降下することができ、ワークＷを効率良く切断することができるからである。
【００３５】
ワークＷの母材がアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする材料である場合には、融点降下元素粉末３として、マグネシウム（Ｍｇ）またはケイ素（Ｓｉ）またはこれらの化合物を用いることが好ましい。これは、上述の場合と同様、アルミニウム−マグネシウムの２元系状態図、アルミニウム−ケイ素の２元系状態図からも分かるように、融点降下元素粉末３がワークＷの溶融領域Ｗｃを溶融拡散することにより融点を確実に降下することができ、ワークＷを効率良く切断することができるからである。
【００３６】
ワークＷの母材が銅（Ｃｕ）を主成分とする材料である場合には、融点降下元素粉末３として、リン（Ｐ）またはスズ（Ｓｎ）またはケイ素（Ｓｉ）またはこれらの化合物を用いることが好ましい。これは、上述の場合と同様、銅−リンの２元系状態図、銅−スズの２元系状態図、銅−ケイ素の２元系状態図からも分かるように、融点降下元素粉末３がワークＷの溶融領域Ｗｃを溶融拡散することにより融点を確実に降下することができ、ワークＷを効率良く切断することができるからである。
【００３７】
さらに、制御装置２０により、レーザ発振器１１、アシストガス供給部１６、融点降下元素粉末供給部１８をそれぞれ制御して、アシストガス２の噴射量および融点降下元素粉末３の供給量を調整することが好ましい。これにより、融点降下元素粉末３のワークＷへの供給量に起因する融点の降下を制御して、ワークＷを効率良く切断することができるからである。
【実施例】
【００３８】
本発明に係るレーザ切断方法の作用効果を確認するために行なった実施例について、図３に基づいて以下に説明するが、本発明は、各種データに基づいて説明する以下の実施例のみに限定されるものではない。なお、図３において、横軸が鉄に対するケイ素の添加（混合）割合を示し、縦軸が温度（Ｋ）を示している。
【００３９】
まず、鉄−ケイ素の２元系状態図である図３に示すように、ワークＷの母材が１００％鉄（Ｆｅ）である場合には、融点が１８００℃であることが分かる。
【００４０】
続いて、ケイ素の割合が鉄に対して約３０％となると、３００℃程度融点が下がることが分かる。
【００４１】
すなわち、鉄−ケイ素の２元系状態図から、ワークＷの母材が鉄（Ｆｅ）を主成分とする材料である場合には、融点降下元素粉末（融点降下材）としてケイ素を用い、このケイ素をワークＷに作用させて、ワークＷの母材の鉄に対して３０％程度まで溶融させることで、融点降下元素材を用いないときと比べて、３００℃程度下げることができ、その分ワークＷを効率良く切断できることが確認された。
【００４２】
上記にて、ワークＷの母材が鉄（Ｆｅ）を主成分とする材料であり、融点降下元素粉末（融点降下材）３としてケイ素（Ｓｉ）を用いた場合についてワークＷの融点が降下することが確認されたことから、融点降下元素粉末３としてケイ素の代わりにケイ素の化合物、ホウ素（Ｂ）またはホウ素の化合物を用いた場合であっても、上述のケイ素を用いたときの確認結果と同様な結果を得ることができると推定される。
【００４３】
ワークの母材がニッケル（Ｎｉ）を主成分とする材料であり、融点降下元素粉末（融点降下材）としてホウ素（Ｂ）またはリン（Ｐ）またはケイ素（Ｓｉ）またはこれら化合物を用いた場合には、これら母材と融点降下元素の２元系状態図に基づき、ワークの母材単体のときと比べて融点が降下することが推定される。
【００４４】
ワークの母材がアルミニウム（Ａｌ）を主成分とする材料であり、融点降下元素粉末（融点降下材）としてマグネシウム（Ｍｇ）またはケイ素（Ｓｉ）またはこれら化合物を用いた場合には、これら母材と融点降下元素の２元系状態図に基づき、ワークの母材単体のときと比べて融点が降下することが推定される。
【００４５】
ワークの母材が銅（Ｃｕ）を主成分とする材料であり、融点降下元素粉末（融点降下材）としてリン（Ｐ）またはスズ（Ｓｎ）またはケイ素（Ｓｉ）またはこれら化合物を用いた場合には、これら母材と融点降下元素の２元系状態図に基づき、ワークの母材単体のときと比べて融点が降下することが推定される。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、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】
【００４７】
１        レーザ
２        アシストガス
３        融点降下元素粉末
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
１６      アシストガス供給部
１７      アシストガス供給管
１８      融点降下元素粉末供給部
１９      融点降下元素粉末供給管
２０      制御装置
Ｗ        ワーク（被加工物）
Ｗａ      表面
Ｗｂ      裏面
Ｗｃ      溶融領域
Ｗｄ      溶融物（ドロス）
【図１】
0006621984.tif 000002
【図２】
0006621984.tif 000003
【図３】
0006621984.tif 000004