(57)【要約】【課題】  左右対称の切断面と限界板厚の拡大を同時に達成でき、厚板切断に適したレーザ加工用ヘッドを提供する。【解決手段】  レーザビームとほぼ同軸でアシストガスを流しながら、レーザビームを被加工物に集光、照射して該被加工物を切断するレーザ切断方法において、切断線と平行な方向（ｙ）と切断線と直交する方向（ｘ）を振動軸として、前記被加工物上表面にてそれぞれの振動軸方向に独立に±0.2mm以内の範囲で、集光されたレーザスポットを振動させることを特徴とするレーザ切断方法および装置。【選択図】  図１
2005279730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームとほぼ同軸でアシストガスを流しながら、レーザビームを被加工物に集光、照射して該被加工物を切断するレーザ切断方法において、切断線と平行な方向（ｙ）と切断線と直交する方向（ｘ）を振動軸として、
前記被加工物上表面にてそれぞれの振動軸方向に独立に±0.2mm以内の範囲で、集光されたレーザスポットを振動させることを特徴とするレーザ切断方法。
【請求項２】
前記ｙ方向の振動周波数（Hz）/切断速度（mm/s）の値を約3〜6（mm-1）に設定することを特徴とする請求項１に記載のレーザ切断方法。
【請求項３】
前記振動の方法として、前記ｙ方向の振動周波数を前記ｘ方向の振動周波数の2倍とし、前記ｙ方向の振動波形の位相を前記ｘ方向の振動波形の位相に対して90°ずらすかもしくは前記ｘ方向の振動波形の位相を前記ｙ方向の振動波形の位相に対して４５°ずらすことにより円弧状の合成軌道とすることを特徴とする請求項２に記載のレーザ切断方法。
【請求項４】
前記ｙ方向の振動振幅を前記ｘ方向の振動振幅の20％以下とすることを特徴とする請求項３に記載のレーザ切断方法。
【請求項５】
前記ｙ方向の振動振幅の振動中心を、アシストガスの流れの中心から切断進行方向に0.01mm〜1.0mmずらすことを特徴とする請求項４に記載のレーザ切断方法。
【請求項６】
前記集光されたレーザスポットを、その振動中心をアシストガスの流れの中心からｙ方向に0.01mm〜1.0mmずらし、かつその方向の振動を停止し、前記ｘ方向の振動周波数（Hz）/切断速度（mm/s）の値を約3〜6（mm-1）に設定することを特徴とする請求項２に記載のレーザ切断方法。
【請求項７】
レーザビームを発生するビーム発生部と、該レーザビームを光スポットに集光して被加工物に照射する集光手段と、前記光スポットを前記被加工物面上を２次元的に走査する走査手段と、該レーザビームを通しかつ該レーザビームとほぼ同軸で被加工物の切断を促進するアシストガスを前記被加工物に吹き付ける切断トーチと、さらに、ビームの走査と切断作業を制御する制御手段とを備えたレーザ切断装置において、
前記集光手段は、前記光スポットを互いに直交する２軸に±０．２ｍｍ以下の範囲で振動させるスキャナ駆動部で構成され、
予め設定した切断条件によって出される前記制御手段による指令によって前記光スポットの走査と振動を重畳させて被加工物を切断するものであって、
前記制御手段が、前記光スポットの振動軌跡が切断線に対して映進対称または鏡映対称とみなし得る図形パターンを保つように、切断線と平行な方向（ｙ）と切断線と直交する方向（ｘ）の前記振動の周波数および振動振幅を制御する手段であることを特徴とするレーザ切断装置。
【請求項８】
レーザビームを発生するビーム発生部と、該レーザビームを光スポットに集光して被加工物に照射する集光手段と、前記光スポットを前記被加工物面上を２次元的に走査する走査手段と、該レーザビームを通しかつ該レーザビームとほぼ同軸で被加工物の切断を促進するアシストガスを前記被加工物に吹き付ける切断トーチと、さらに、ビームの走査と切断作業を制御する制御手段とを備えたレーザ切断装置において、
前記集光手段は、前記光スポットを互いに直交する２軸に±０．２ｍｍ以内の範囲で振動させるスキャナ駆動部とレーザ光軸を中心として前記スキャナ駆動部を回転させる回転機構とで構成され、
予め設定した切断条件によって出される前記制御手段による指令によって前記光スポットの走査と振動を重畳させて被加工物を切断するものであって、
前記制御手段が、前記光スポットの振動軌跡が切断線に対して映進対称または鏡映対称とみなし得る図形パターンを保つように、切断線と平行な方向（ｙ）と切断線と直交する方向（ｘ）の前記振動の周波数および振動振幅を制御する手段であることを特徴とするレーザ切断装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、厚鋼板等のレーザ切断方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザビームを鋼等の被切断材の表面に集光して前記被切断材を切断するレーザ切断方法として、図2に示すような、集光レンズ（３）によりレーザビームLBを被切断材Wの表面付近に集光して被切断材Wを溶融するとともに、ガス導入管（４）に導入されたアシストガスを同軸ガスノズル（５）から被切断材のレーザ照射点の表面にガス噴流として供給し、切断溝の形成を促進して被切断材Wを切断する方法が知られている。被切断材が鉄を含む金属である場合には、溶融部とアシストガスとの酸化反応が熱を生じ切断に有利であるため、通常、アシストガスには酸素が用いられる。ただし、切断面の酸化を嫌う場合には、窒素やアルゴンなどの不活性ガスをアシストガスとして用いることができる。なお、図２では被切断材を切断線に沿った断面で表示している。以下、酸素をアシストガスとして用いる場合を例にして述べるが、不活性ガスを用いる場合もほぼ同様である。
【０００３】
一般にレーザ切断方法は、切断速度が速い、熱歪みが少ないなどの種々の利点を有している。特に、被切断材が薄鋼板の場合には、ドロスフリーのため後処理が不要で、非常に有効であるため、産業的にも多方面の分野に普及している。ここで、ドロスフリーとは切断面下部に溶融物（ドロス）が付着しないことである。
しかし、一定のレーザ光強度下では、被切断材の厚みが厚くなるにつれ、切断溝の下部に溶融物（ドロス）が滞留しやすくなり、ドロスの付着やそれにより熱が籠もるために切断面粗さが粗くなるなど、切断能力や品質の劣化が顕在化してくる。これは、切断溝の深部に到達するレーザパワーが減少して入熱不足となり、溶融物の温度が下って粘性が高まることによる。また、ノズル開口部から噴出した後のガスの拡散や圧損により反応性アシストガス流による溶融物の加熱作用および除去作用が低下することも、被切断物の切断面の下部に溶融物が滞留し、切断面粗さが粗くなることの要因となっている。なお、現在市販されているレーザ切断装置の最高平均出力は5〜6ｋWであり、酸素をアシストガスとして用いる場合に、軟鋼の良好な切断が可能な板厚の最大値は厚くても25mm程度である。
【０００４】
こうしたレーザ出力が限られた状況下にて厚手材をレーザ切断する際、被加工材の切断溝の深部までレーザエネルギーを有効に伝えるように、焦点距離の長い集光レンズを使用したり、集光レンズへ入射するビーム径を小さくすることで焦点深度を長くしても、安定して良好な切断溝を形成することができない。この点についてさらに説明する。簡単のためガウシアンビームの場合を例にとると、集光スポット径ｄは、
ｄ＝4ｆλ/πD        (式1)
で表される。ここで、ｆはレンズの焦点距離、λは波長、Dは集光前のビーム径である。また、焦点深度ｄfは、
ｄf∝ｆ2λ/D2          （式2）
で表される。（式1）と（式２）より焦点距離ｆを大きくすると焦点深度ｄfは大きくなるがスポット径ｄもまた大きくなってしまうことがわかる。また、集光前のビーム径Dを小さくしても焦点深度ｄfが大となるがやはり同時にスポット径ｄが大となってしまうことがわかる。以上、簡単のためガウシアンビームの場合を説明したが、他の場合にも定性的な関係は同様に成り立つ。したがって、いずれにしてもレーザビームの集光スポット径が大きくなるため、一定のレーザ光強度下では、切断溝深部に到達するレーザエネルギーが減少して、ビームの裾部分の温度が被切断材の溶融しきい値を下回る。すなわち、切断溝深部への投入熱量が減少し入熱不足となる。この際に入熱不足を補うために切断速度を遅くすると、ビームの裾部分による伝熱加熱により反応域が異常に広がるセルフバーニングが発生しやすくなる。
【０００５】
上述のような厚手材における問題点を解決するレーザ切断方法として、例えば、特許文献２に示されたレーザ切断方法がある。このレーザ切断方法は、レーザビームの断面形状を、被切断材表面においては切断進行方向に細長い形状に、また被加工材の所定深さ以上では切断方向と直交する方向に細長い形状とし、被切断材の裏面近くの溝幅を広くし、被切断材下部での溶融物の滞留を抑制し切断面粗さを改善するというものである。しかし、この方法では、切断面粗さの低下は実現できるものの、切断面はフラットにならない。このため、切断後の組み立て時において突き合わせ精度や溶接性が悪化してしまうなどの問題があった。これでは結局、人手による手入れ作業が必要となり、レーザ切断の有利な効果が目減りしてしまうことになる。
【０００６】
また、特許文献１には、被加工材の表面に集光されたレーザビームを振動させつつ被加工材を切断するレーザ切断方法が開示されている。このレーザ切断方法によると、集光されたビームを振動することにより広い溶融部を形成するためビームの裾野のケラレがなく、切断溝の幅が広くなり、アシストガスが切断溝の奥部まで十分に供給されて厚手の被加工材を効果的にレーザ切断できるとされている。ビームの振動パターンは切断線に直角な直線か、あるいは切断線に直角な半円が好適とされている。前者の振動パターンは、図3に示すようにレーザビームの軌跡が切断線に対して左右対称であり、比較的良好な切断面が得られると考えられる。
一方、後者は、図4に示すように切断時のレーザビームの軌跡が著しく非対称となり、良好な切断が可能とは考えられない。ここで切断線は振動全幅の中心線と考える。また、左右対称とは厳密な鏡面対称だけでなく映進対称を含むものとする。いずれにしても上記特許文献には概念のみで振幅や周波数などの具体的な条件は明記されておらず必ずしも当業者が容易に実施できる内容とは言えない。
【０００７】
さらに、特許文献３には、被加工材の表面に集光されたレーザビームを振動させつつ被加工材を切断する他のレーザ切断方法として、振動パターンを切断線に平行な方向の直線振動、切断線に直角な方向の直線振動、あるいは両者の合成としての円軌道、そして、焦点位置をレーザ光の進行方向に振動させるレーザ切断方法が開示されている。このレーザ切断方法によると、焦点位置の振動により、切断溝の深部に到達するレーザビームを増加させることができ、切断溝深部の入熱不足が解消され、溶融物の温度が上昇して粘性が低くなり、結果として、被加工物切断面の下部において、溶融物の滞留が解消され、高品質の切断面を実現できる効果があるとされている。
しかし、前記の振動パターンの内、円軌道については、図5に示すように移動時の軌跡が切断線に対して非対称となるため、被加工物への熱入力も左面と右面とで異なることから上記公報に記載のような効果は得られないことが検証するまでもなく明らかである。一方、他の3種の振動パターンについては対称性があるので一定の効果があると考えられる。そこで、発明者等は特許文献３に記載された振動パターンの中で円軌道以外の3種の振動パターンについて検証実験を実施した。
【０００８】
第1に、切断線に平行な方向（ｙ方向）の直線振動の場合であるが、これは切断溝を拡大する効果がなく、アシストガスの流入量が改善されないため、ビームを振動させない場合に比較してさほど有意な改善効果が見られない結果となった。
第2に、レーザ光の進行方向（上下）に集光スポットを振動させる場合である。これも上記の切断線に平行な方向の直線振動と同様に切断溝の拡大効果がなく、アシストガスの流入量が改善されないため、ビームを振動させない場合に比較してさほど有意な改善効果は見られなかった。むしろ、この方法ではレーザビームの焦点が被切断材の表面に近づいた場合に表面スケールなどが剥離した粉状のものなどにレーザが着火してプラズマ化することがあり、その際の膨張反力等によって、溶融部が大幅に拡大するバーニング現象に至る極めて悪い結果となる場合もあった。
第3に、切断線に直角な方向の直線振動の場合である。これは切断溝の上部が広く下部が狭い状態になった。このため、図6に示すように、切断溝の後方からみて左右の溶融物の流れが下部の狭隘部にて衝突して乱れ、断面粗さが粗くなり、少なくとも被切断材下部についてはビームを振動させない場合よりも断面粗さが劣化してしまう場合があることがわかった。ただし、振動周波数が比較的低い領域において限定ではあるが、一定のレーザ出力にて被切断材を分離する能力については拡大することが確認された。これは切断溝幅を拡大したことでアシストガスの流入量が増大したため、また、溶鋼が流れ落ちるのに十分な時間があるためと考えられる。また、単純に切断溝幅が広がり、溶融物の排出性が向上することも寄与していると考えられる。
上述のように、レーザビームを振動させるレーザ切断方法のうち、切断線と直角な方向の直線振動については切断面がテーパ状になり、下部が粗くなるという欠点があった。しかし、限界板厚を拡大する効果があると認められる。
【特許文献１】特開昭６０−２１０３８４号公報
【特許文献２】特開平４−２８４９９０４号公報
【特許文献３】特開平７−２３６９８７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、断面品質を良好とすることが可能で、かつ限界板厚が従来よりも大きいレーザ切断方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するための本発明の要旨は、
（１）  レーザビームとほぼ同軸でアシストガスを流しながら、レーザビームを被加工物に集光、照射して該被加工物を切断するレーザ切断方法において、切断線と平行な方向（ｙ）と切断線と直交する方向（ｘ）を振動軸として、
前記被加工物上表面にてそれぞれの振動軸方向に独立に±0.2mm以内の範囲で、集光されたレーザスポットを振動させることを特徴とするレーザ切断方法。
（２）  前記ｙ方向の振動周波数（Hz）/切断速度（mm/s）の比値を3〜6（mm-1）に設定することを特徴とする（１）に記載のレーザ切断方法。
（３）  前記振動の方法として、前記ｙ方向の振動周波数を前記ｘ方向の振動周波数の2倍とし、前記ｙ方向の振動波形の位相を前記ｘ方向の振動波形の位相に対して90°ずらすかもしくは前記ｘ方向の振動波形の位相を前記ｙ方向の振動波形の位相に対して４５°ずらすことにより円弧状の合成軌道とすることを特徴とする（２）に記載のレーザ切断方法。
（４）  前記ｙ方向の振動振幅を前記ｘ方向の振動振幅の20％以下とすることを特徴とする（３）に記載のレーザ切断方法。
（５）  前記ｙ方向の振動振幅の振動中心を、アシストガスの流れの中心から切断進行方向に0.01mm〜1.0mmずらすことを特徴とする（４）に記載のレーザ切断方法。
（６）  前記集光されたレーザスポットを、その振動中心をアシストガスの流れの中心からｙ方向に0.01mm〜1.0mmずらし、かつその方向の振動を停止し、前記ｘ方向の振動周波数（Hz）/切断速度（mm/s）の値を3〜6（mm-1）に設定することを特徴とする（２）に記載のレーザ切断方法。    
（７）レーザビームを発生するビーム発生部と、該レーザビームを光スポットに集光して被加工物に照射する集光手段と、前記光スポットを前記被加工物面上を２次元的に走査する走査手段と、該レーザビームを通しかつ該レーザビームとほぼ同軸で被加工物の切断を促進するアシストガスを前記被加工物に吹き付ける切断トーチと、さらに、ビームの走査と切断作業を制御する制御手段とを備えたレーザ切断装置において、
前記集光手段は、前記光スポットを互いに直交する２軸に±０．２ｍｍ以下の範囲で振動させるスキャナ駆動部で構成され、
予め設定した切断条件によって出される前記制御手段による指令によって前記光スポットの走査と振動を重畳させて被加工物を切断するものであって、
前記制御手段が、前記光スポットの振動軌跡が切断線に対して映進対称または鏡映対称とみなし得る図形パターンを保つように、切断線と平行な方向（ｙ）と切断線と直交する方向（ｘ）の前記振動の周波数および振動振幅を制御する手段であることを特徴とするレーザ切断装置。
（８）  レーザビームを発生するビーム発生部と、該レーザビームを光スポットに集光して被加工物に照射する集光手段と、前記光スポットを前記被加工物面上を２次元的に走査する走査手段と、該レーザビームを通しかつ該レーザビームとほぼ同軸で被加工物の切断を促進するアシストガスを前記被加工物に吹き付ける切断トーチと、さらに、ビームの走査と切断作業を制御する制御手段とを備えたレーザ切断装置において、
前記集光手段は、前記光スポットを互いに直交する２軸に±０．２ｍｍ以内の範囲で振動させるスキャナ駆動部とレーザ光軸を中心として前記スキャナ駆動部を回転させる回転機構とで構成され、
予め設定した切断条件によって出される前記制御手段による指令によって前記光スポットの走査と振動を重畳させて被加工物を切断するものであって、
前記制御手段が、前記光スポットの振動軌跡が切断線に対して映進対称または鏡映対称とみなし得る図形パターンを保つように、切断線と平行な方向（ｙ）と切断線と直交する方向（ｘ）の前記振動の周波数および振動振幅を制御する手段であることを特徴とするレーザ切断装置。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るレーザ切断方法および装置によれば、左右対称なレーザ照射軌跡で良好な切断面形状と、限界板厚を従来より大幅に拡大することが同時に達成でき、厚板切断に適したレーザ加工用ヘッドを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明のレーザ加工装置の構成例を模式的に示す図である。図1に図示するように、加工ヘッドの構造としては、レーザビームの進行方向から見て順に、まず内部にレーザビームを通す中空のトーチ1があり、トーチ1の下手に2軸振動ミラーボックス2を設け、その内部に互いに直交する方向に振動する2枚のミラー6を設け、2軸振動ミラーボックス2の下手にレーザビームＬＢを集光せしめる集光レンズ３を設け、集光レンズ３の下手に酸素などのアシストガスを噴射するレーザ加工ノズル１５を設けてある。アシストガスは導入口３１から供給される。図1では2軸振動ミラーボックスが1つの場合を示している。
2軸振動ミラーボックス2の内部に設けるミラー6の振動手段は以下のようなものである。ミラー6をジンバル構造のミラーホルダー8に固定し、ミラーホルダー8の背面をサーボモータ7により回転する偏心カム17で押す。これによりミラーを一定の周波数および振幅で振動させることができる。2枚のミラーのジンバル軸を直交させておけば互いに直交する方向に振動させることができる。カムによる振動波形が完全な正弦波形でなくてもレーザ切断の性能において有意な違いはない。2枚のミラーの動きが同期さえしていれば問題ない。また、ここでは偏心を発生する機構として偏心カムを用いたが偏心を発生する機構であれば偏心ローラーなど他の機構でも何ら問題ない。
【００１３】
ミラーホルダーは水冷構造になっている。なお、振動手段としてガルバノミラーを用いることも可能である。しかし、レーザ切断装置のように5〜6ｋW級の高出力レーザビームを用いる場合には微小な吸収に起因する面の歪みなどを避けるためにミラーの冷却が不可欠である。そのためミラーに冷却水路などを備える必要がありそれだけ重くなってしまう。そこでトルクの強いガルバノモータを用いることになるがこれは高価である。また、ガルバノミラーの素材として軽量で熱伝導の良いベリリウムを用いることもできるが、これもまたさらに高価である。ダストの付着などでミラーが破損することを考えると高価なベリリウムミラーを産業用に用いることは現実的でない。そこで、本発明では本実施形態では上記のような振動手段を用いているのである。ミラーとしては安価なシリコンミラーを用いている。もちろん、他の素材を用いることもできる。サーボモータを用いる理由はレーザ切断装置の制御用NCによる一元制御が可能になるからである。曲線切断時の軌跡と連動して2枚組のミラーの振幅と位相をどう割り振るか一元的に制御できる。基本的には後述のように2枚組のミラーは集光スポットが単振動するように同振幅、同位相で制御する。
【００１４】
2軸振動ミラーボックスと集光レンズの配置順序を入れ替えることもできる。この場合はレンズの集光作用によってミラー位置でのビーム径が小さくなるため、より小径のミラーを用いることが可能になる利点がある。そのかわり、2軸ミラーボックスを気密構造にする必要がある。以下は2軸振動ミラーボックスの後に集光レンズを配置する場合を例として説明する。
本発明の特徴である横向き振動は左右対称的な円弧状の振動パターン図形を生成する。以下のように設定する。すなわち、切断線方向をｙ方向、切断線と直角な方向をｘ方向としたとき、ｙ方向の振動数をｘ方向の振動数の2倍とし、ｘ方向の位相をｙ方向の振動波形の位相に対して90°ずらすかもしくはｘ方向の振動波形の位相をｙ方向の振動波形の位相に対して４５°ずらす。このとき合成の振動パターン図形は切断線が直線の場合には図7または図8のようになる。いずれも円弧状の振動パターン図形を連続した映進対称図形となる。これらは上記のように設定したときにのみ得られる図形である。
これらを切断の軌跡が曲線である場合にも切断線に対して常に一定の関係が保たれるようにすればよい。そのためには図12のように2軸振動ミラーボックスを2組用意するか、図13のようにレーザ光軸を中心とした回転軸14を併用すればよい。図12のように2組の2軸振動ミラーボックスを用いる場合は互い違いに組み合わせレーザ光軸が入射光軸と同じ元通りになるようにできる。図13のように回転軸14を用いる場合も追加のミラー61を2枚加えてレーザ光軸が不変となるようにすることができる。これらのミラーと回転軸を称してスキャナ駆動部と考え後述のNCを一元的なスキャナ制御部として制御する。
【００１５】
まず、簡単のため、振動パターン図形が図3のような単純な直線型となる場合について具体的に説明する。この場合はｙ方向の振動振幅を0としたことに相当する。実際には後述のように切断進行方向に若干ずらして用いる。直線型の場合、円弧パターンの時と同様の平滑さを有する切断面を維持するには特別にｘ方向の振動周波数（Hz）/切断速度（mm/s）の比値を3〜6（mm-1）に設定する必要がある。この場合、2軸振動ミラーボックスは1つでよく回転軸も不要である。すなわち、図1に示す構成である。図１０に示した切断機装置を上面から見て横行方向をXm、長手方向をYmとする。図11のように切断線ｙとYm軸とがなす角をθとする。θは座標回転角とみなすことができる。また、2軸振動ミラーボックス中の2枚のミラーは一方がXm方向、他方がYm方向に振動するものとする。そう決めても一般性を失うわけではない。
レーザ切断装置のトーチはNC装置の指示によりモーター駆動でXm方向、Ym方向の2方向に移動する。NCの2軸送りデータから切断線方向を割り出し逐次2軸振動ミラーの位相角φに電気的に補正をかけることで合成振動パターンが常に切断線方向に対して一定の姿勢を保つように制御することができる。特に、今述べている、振動の軌跡が直線型の場合は簡単で、
Xm=A×cosθ×sin(ω1t+φ)      (式3)
に従って第1のミラーを振動させ、
Ym= A×sinθ×sin(ω1t+φ)      (式4)
に従って第2のミラーを振動させればよい。
ただし、Aは最大の振動振幅、ω1は周波数、φは位相角である。このとき振動の軌跡は機械座標軸Xmに対してθだけ回転した直線となる。すなわち、ｘ方向の単振動となる。
【００１６】
反射方向の順番は逆にしても良い。また、直線軌道の場合は2つのミラーの振動波形が完全な正弦波形でなくてもよく矩形波や三角波、あるいは鋸波でも同期さえ取れていれば合成振動の軌跡は直線になる。この点も偏心カムによる振動方式には便利である。
振動の振幅については、断面下部の荒れを抑制するためには図６に示すような溶鋼流れの分裂が起きない範囲が適正であることが実験的に明らかとなった。数値的にはx方向の振幅は±0.2mm以下がよい。ここで、振動させることが必須であるから０ｍｍを除く。
さらに組み合わせるｙ方向の振動については溶鋼の流れを整流化する作用があることが判明した。つまり、左右からの溶鋼の流れがそれぞれ真下に向かうようにできる。レーザビームがカーフ側面に留まる時間が長くなるためと思われる。数値的にはｙ方向の振幅がｘ方向のそれの20％以下のときに効果が大である。
【００１７】
さて、ｙ方向の振動を発生させるには2軸振動ミラーボックスをもう1組用意して図12のような構成とする必要がある。そして上述の直線運動とその座標回転角θの関係を今度はｙ方向についても同様に展開すればよい。すなわち、第2の2軸振動ミラーボックスにおいて、
Xm=B×sinθ×sin(ω2t+ψ) +C          (式5)
に従って第1のミラーを振動させ、
Ym= B×cosθ×sin(ω2t+ψ) +C        (式6)
に従って第2のミラーを振動させればよい。ただし、Bは最大の振動振幅、ω2は周波数、ψは位相角、Cはオフセット量である。このとき振動の軌跡は機械座標軸Ymに対してθだけ回転した直線となる。すなわち、ｙ方向の単振動となる。
そして、ｙ方向の振動数ω2をｘ方向の振動数ω1の2倍とし、ｘ方向の位相角φをｙ方向の振動波形の位相角ψに対して90°ずらすかもしくはｘ方向の振動波形の位相角φをｙ方向の振動波形の位相角ψに対して４５°ずらすことにより、好適な合成振動図形が生成できる。
【００１８】
さらに、図9に示すようにレーザビームを切断の進行方向に対して若干オフセットさせることが好ましい。これにより、レーザビームの強度分布の裾野成分が切断点前方に作用して予熱効果を発揮する。そして異物やスケールの剥離等が生じてもアシストガス流の拡散成分によって洗い流される。加えてアシストガス流の主流はカーフ内に有効に到達するので安定な切断が可能となる。これはデフォーカスによってカーフ全体にビームの裾野成分が作用する場合と異なり、前方のみに作用するのでバーニングにはつながらず有利な効果のみを得ることができる。適正なオフセット量はおおよそビーム一つ分か二つ分程度までの範囲である。すなわち、0.01mm〜1.0mm程度である。これは実験的に適正範囲を求めた。
上述のオフセットの発生方法は、ｙ方向の振動を発生させる2軸振動ミラーボックスの場合は2軸カムの形状を楕円にするなどして単振動の原点をオフセットすればよい。もしくは図3のような単純な直線型の場合には2組の2軸振動ミラーボックスのうちｙ方向の振動を受け持つ2軸振動ミラーボックスにて振動を停止してもよい。すなわち、式5、式6においてω＝0とする。
【００１９】
ところで、レーザ切断において特徴的な断面の条痕のピッチは通常、切断トーチの進行速度と酸化反応の進行速度の違いによって自然に生じるものである。酸化反応の進行速度は大体1．5m/分の程度である。しかし、本発明の方法によればレーザビームの局所的な移動速度が酸化反応の速度よりも速いので、条痕ピッチはレーザの振動で決まる。すなわち、切断速度（mm/s）をｘ方向の振動周波数（Hz）で割った値になる（mm）。見た目の程度からピッチは0.3mm以下程度が望ましい。よって、振動周波数（Hz）は切断速度（mm/s）の3倍以上が望ましい。一方、条痕ピッチを小さくするほど断面は平滑化する。しかし、実際にはいくらでも小さくできるというものではない。条痕ピッチが小さいことはすなわち周波数が速いことに対応する。周波数が100Hz程度以上に速くなると溶融金属の落下がレーザビームの動きの速さに追随しなくなり、レーザ照射部近傍で溶融金属が滞留する。これによりカーフ内で溶融金属の閉塞が生じガウジングにつながる。つまり、条痕ピッチの下限は溶融金属の応答性によって決まる。    一般に厚手材とは19mm超級の板厚を指し、市販の6ｋWレーザ切断装置では16mm/s程度の速度である。これらを勘案すれば振動の周波数（Hz）は切断速度（mm/s）の6倍程度に止めておく必要がある。そこで本発明では3倍から6倍を好適としている。より好ましくは下限と上限の中間の4倍程度である。例えば10mm/sの場合、ｘ方向の周波数は40Hzが好ましい。そして、このとき条痕ピッチは必ず0.25mmにすることができる。
【００２０】
本発明の加工ヘッドにて出力６kWのＣＯ2レーザビームを集光し、軟鋼のレーザ切断を試みた。集光レンズの焦点距離は254mmとした。集光レンズの素材はZnSeを用いた。集光レンズへの入射ビーム径は約50mm、集光点でのスポットサイズは約0.4mmである。供試材はＳＳ４００材である。
図10に本発明のレーザ切断装置の構成例を示す。切断トーチ1は幅方向（Xm方向）に移動する伸縮機構11に接続されている。それら全体が長手方向（Ym方向）にレール13の上を移動する台車12に搭載されている。前記伸縮機構11および台車12によって2軸の移動走査機構をなす。また、レーザ9と前記伸縮機構１１および移動台車12の移動量や移動速度を制御する移動機構制御手段10も同一の台車12上に搭載している。レーザビームを直交する2軸で独立に振動させるスキャナ駆動部を内蔵する2軸振動ミラーボックス2は切断トーチ1の下に設置される。レーザビームの振動軌跡が切断線に対して常に一定の振動姿勢を保つように、切断線と平行な方向（ｙ）と切断線と直交する方向（ｘ）の振動周波数および振動振幅を所定の値に制御することは前記移動機構制御手段（例えばＮＣ装置）10によって一元的に行っている。すなわち、移動機構制御手段10はスキャナ制御部を兼ねる。
【００２１】
以下、説明の簡単のため、レーザ切断装置の長手方向（Ym軸）に沿って切断を進行する場合について述べる。切断速度は10mm/sとした。ｘ方向の振動数は40Hzとした。本発明の方法によればｘ方向の振動周波数をｙ方向の振動周波数の1/2倍とするので、ｙ方向の振動数は80Hzとなる。そして、ｙ方向の振動波形の位相をｘ方向の振動波形の位相に対して90°ずらすことにより、図8のような軌跡を作り出した。ｘ方向の振幅は±0.05mm、ｙ方向の振幅はｘ方向の振幅の10％以内に抑制した。また、ノズルの中心軸に対してレーザビームをｙ方向に0.5mmオフセットした。このようにすることによってカーフ内での溶鋼の流れが整流化されると共に酸素流が有効にカーフ内に供給され下部断面の粗さも改善した。
ビームを駆動させない場合はレーザ出力6ｋWにて最大切断板厚が２５mmに限定されるが、上記正弦波状振動を与えた場合、最大切断板厚は35mmに拡大した。また、左右の切断面は共に良好となった。ｙ方向の振幅をｘ方向の振幅の10％以内に抑制することによって下部断面の粗さも改善した。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のレーザ加工ヘッド（集光手段）を模式的に示す断面図である。
【図２】従来のレーザ加工ヘッドを模式的に示す断面図である。
【図３】半円を移動させた軌跡を模式的に示す図である。
【図４】切断線に直角な方向の直線振動を移動させた軌跡を模式的に示す図である。
【図５】円を移動させた軌跡を模式的に示す図である。
【図６】横振動におけるカーフ内でのドロスの衝突を模式的に示す図である。
【図７】本発明のレーザ振動軌跡を模式的に示す図である。
【図８】本発明のレーザ振動軌跡を模式的に示す図である。
【図９】本発明のビームオフセットの概念を模式的に示す図である。
【図１０】本発明の装置構成を模式的に示す図である。
【図１１】角度の定義を示す図である。
【図１２】2組の2軸振動ミラーボックスを備えた本発明のレーザ加工ヘッド(集光手段)を模式的に示す断面図である。
【図１３】1組の2軸振動ミラーボックスと回転機構を備えた本発明の装置構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  レーザ加工トーチ
２  2軸振動ミラーボックス
３  集光レンズ
４  アシストガス導入口
５  アシストガスノズル
６  ミラー
７  モーター
８  ミラーホルダー
９ レーザ
１０  制御手段（NC装置）
１１  幅方向伸縮機構
１２  長手方向移動台車
１３  レール
１４  回転機構
１５  レーザ加工ノズル
１６  増速ギア
ＬＢ  レーザビーム
Ｗ  ワーク（被切断材）
【図１】
2005279730.tif 000003
【図２】
2005279730.tif 000004
【図３】
2005279730.tif 000005
【図４】
2005279730.tif 000006
【図５】
2005279730.tif 000007
【図６】
2005279730.tif 000008
【図７】
2005279730.tif 000009
【図８】
2005279730.tif 000010
【図９】
2005279730.tif 000011
【図１０】
2005279730.tif 000012
【図１１】
2005279730.tif 000013
【図１２】
2005279730.tif 000014
【図１３】
2005279730.tif 000015