(57)【要約】      （修正有）【課題】鋼板等の被切断材を開先切断するに際し、裏開先側における切断面が粗くなることを防止して、良好な切断品質が得られるレーザ切断方法およびレーザ切断装置を提供する。【解決手段】二重管状に構成され、二重管のうちの中心管８からは、レーザビームを照射すると共に、切断アシストガスとしての高濃度酸素ガスを噴出させ、二重管のうちの外周管９からは、シールドガスとしての高濃度酸素ガスを噴出させるようにしたレーザ切断ノズル２を備えたレーザ切断装置１であって、開先切断を行うに際し、Ｒ1／ｂ≧０．７を満たすことを特徴とするレーザ切断装置１である。但し、ｂ（ｍｍ）：被切断材表面における、レーザビーム中心から裏開先側の加工幅、Ｒ1（ｍｍ）：レーザ切断ノズルにおける外周管の先端部内径の半径。【選択図】図２
2005021932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二重管状に構成され、二重管のうちの中心管からは、レーザビームを照射すると共に、切断アシストガスとしての高濃度酸素ガスを噴出させ、二重管のうちの外周管からは、シールドガスとしての高濃度酸素ガスを噴出させるようにしたレーザ切断ノズルにより被切断材を切断するレーザ切断方法であって、開先切断を行うに際し、
Ｒ１／ｂ≧０．７  を満たすことを特徴とするレーザ切断方法。
但し、
ｂ（ｍｍ）：被切断材表面における、レーザビーム中心から裏開先側の加工幅
Ｒ１（ｍｍ）：レーザ切断ノズルにおける外周管の先端部内径の半径
【請求項２】
二重管状に構成され、二重管のうちの中心管からは、レーザビームを照射すると共に、切断アシストガスとしての高濃度酸素ガスを噴出させ、二重管のうちの外周管からは、シールドガスとしての高濃度酸素ガスを噴出させるようにしたレーザ切断ノズルにより被切断材を切断するレーザ切断方法であって、開先切断を行うに際し、
Ｘ≧（（（−０．００１×θ＋０．１１８）×ｔ（０．０１６×θ＋０．８１９））×０．７）／ｃｏｓθ  を満たすことを特徴とするレーザ切断方法。
但し、
Ｘ：被切断材表面上において、レーザビームの中心から裏開先側でシールドガスが覆う部分の半径（ｍｍ）
ｔ：被切断材の板厚（ｍｍ）
θ：切断を行う開先角度（レーザビーム照射方向と被切断材表面に対し垂直方向とがなす角度）（°）
【請求項３】
二重管状に構成され、二重管のうちの中心管からは、レーザビームを照射すると共に、切断アシストガスとしての高濃度酸素ガスを噴出させ、二重管のうちの外周管からは、シールドガスとしての高濃度酸素ガスを噴出させるようにしたレーザ切断ノズルを備えたレーザ切断装置であって、開先切断を行うに際し、
Ｒ１／ｂ≧０．７  を満たすことを特徴とするレーザ切断装置。
但し、
ｂ（ｍｍ）：被切断材表面における、レーザビーム中心から裏開先側の加工幅
Ｒ１（ｍｍ）：レーザ切断ノズルにおける外周管の先端部内径の半径
【請求項４】
二重管状に構成され、二重管のうちの中心管からは、レーザビームを照射すると共に、切断アシストガスとしての高濃度酸素ガスを噴出させ、二重管のうちの外周管からは、シールドガスとしての高濃度酸素ガスを噴出させるようにしたレーザ切断ノズルを備えたレーザ切断装置であって、開先切断を行うに際し、
Ｘ≧（（（−０．００１×θ＋０．１１８）×ｔ（０．０１６×θ＋０．８１９））×０．７）／ｃｏｓθ  を満たすことを特徴とするレーザ切断装置。
但し、
Ｘ：被切断材表面上において、レーザビームの中心から裏開先側でシールドガスが覆う部分の半径（ｍｍ）
ｔ：被切断材の板厚（ｍｍ）
θ：切断を行う開先角度（レーザビーム照射方向と被切断材表面に対し垂直方向とがなす角度）（°）
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、厚鋼板等の被切断材を開先切断するに際し、裏開先側における切断面が粗くなることを防止して、良好な切断品質が得られるようにした、レーザ切断方法およびレーザ切断装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、厚鋼板のレーザ切断に関する技術は幾つか提案されているが（例えば、特許文献１等を参照。）、厚鋼板をレーザ切断によって開先切断（レーザ切断ノズルを、被切断材に対し、垂直方向に対して角度をつけて配置して切断すること）する技術については、表開先側（被切断材において、レーザビームが照射される表面部で鈍角的な切断部となる側）及び裏開先側（被切断材において、レーザビームが照射される表面側で鋭角的な切断部となる側）に良好な切断品質が得られる実用的なものは、これまで無いと言える。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２１９２８４号公報
【０００４】
図１は、従来技術による厚鋼板のレーザ開先切断を示す図である。図１に示すように、この開先切断では、レーザ切断トーチに取り付けられたレーザ切断ノズル２から被切断材としての鋼板４（厚鋼板）に斜めにレーザビーム３を照射し、この照射位置付近にレーザ切断ノズル２からアシストガスやシールドガスを供給しながら、鋼板４に対するレーザビーム３の照射位置を移動して、鋼板４を切断する。ここで符号ｅは、レーザビーム３の中心（レーザビーム光軸）であり、切断による切り溝１４は、レーザビーム中心ｅから裏開先側６が、レーザビーム中心ｅから表開先側７に比べて、広い形状となる。これは、レーザ切断によって、裏開先側６の上面５側に形成される鋭角部１５（特に、図１における鋭角の先端）の蓄熱によりレーザビーム照射範囲よりも広い範囲（鎖線の範囲）において、鋼板４が燃焼あるいは溶融することで、レーザビーム中心から表開先側７における溶融距離ａよりも裏開先側６における溶融距離ｃの方が大きくなるためと考えられる。そして、本発明者等は、研究により、表開先側の切断品質は良好に確保できるものの、裏開先側は、ドロスの付着、ノッチの発生などにより、滑からな切断面が得られにくいことを把握している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題を解決するものであり、厚鋼板等の被切断材の開先切断において、被切断材の裏開先側切断面が粗くなることを防止して、良好な切断品質が得られる、被切断材のレーザ切断方法およびレーザ切断装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、二重管状に構成され、二重管のうちの中心管からは、レーザビームを照射すると共に、切断アシストガスとしての高濃度酸素ガスを噴出させ、二重管のうちの外周管からは、シールドガスとしての高濃度酸素ガスを噴出させるようにしたレーザ切断ノズルにより被切断材を切断するレーザ切断方法であって、開先切断を行うに際し、Ｒ１／ｂ≧０．７  を満たすことを特徴とするレーザ切断方法を提供する。
但し、ｂ（ｍｍ）：被切断材表面における、レーザビーム中心から裏開先側の加工幅、Ｒ１（ｍｍ）：レーザ切断ノズルにおける外周管の先端部内径の半径。
【０００７】
また、本発明では、二重管状に構成され、二重管のうちの中心管からは、レーザビームを照射すると共に、切断アシストガスとしての高濃度酸素ガスを噴出させ、二重管のうちの外周管からは、シールドガスとしての高濃度酸素ガスを噴出させるようにしたレーザ切断ノズルにより被切断材を切断するレーザ切断方法であって、開先切断を行うに際し、Ｘ≧（（（−０．００１×θ＋０．１１８）×ｔ（０．０１６×θ＋０．８１９））×０．７）／ｃｏｓθ  を満たすことを特徴とするレーザ切断方法を提供する。  但し、Ｘ：被切断材表面上において、レーザビームの中心から裏開先側でシールドガスが覆う部分の半径（ｍｍ）、ｔ：被切断材の板厚（ｍｍ）、θ：切断を行う開先角度（レーザビーム照射方向と被切断材表面に対し垂直方向とがなす角度）（°）。
【０００８】
また、本発明では、二重管状に構成され、二重管のうちの中心管からは、レーザビームを照射すると共に、切断アシストガスとしての高濃度酸素ガスを噴出させ、二重管のうちの外周管からは、シールドガスとしての高濃度酸素ガスを噴出させるようにしたレーザ切断ノズルを備えたレーザ切断装置であって、開先切断を行うに際し、Ｒ１／ｂ≧０．７  を満たすことを特徴とするレーザ切断装置を提供する。  但し、ｂ（ｍｍ）：被切断材表面における、レーザビーム中心から裏開先側の加工幅、Ｒ１（ｍｍ）：レーザ切断ノズルにおける外周管の先端部内径の半径。
【０００９】
また、本発明では、二重管状に構成され、二重管のうちの中心管からは、レーザビームを照射すると共に、切断アシストガスとしての高濃度酸素ガスを噴出させ、二重管のうちの外周管からは、シールドガスとしての高濃度酸素ガスを噴出させるようにしたレーザ切断ノズルを備えたレーザ切断装置であって、開先切断を行うに際し、Ｘ≧（（（−０．００１×θ＋０．１１８）×ｔ（０．０１６×θ＋０．８１９））×０．７）／ｃｏｓθ  を満たすことを特徴とするレーザ切断装置を提供する。  但し、Ｘ：被切断材表面上において、レーザビームの中心から裏開先側でシールドガスが覆う部分の半径（ｍｍ）、ｔ：被切断材の板厚（ｍｍ）、θ：切断を行う開先角度（レーザビーム照射方向と被切断材表面に対し垂直方向とがなす角度）（°）。
【００１０】
以上、述べたような、本発明によるレーザ切断方法またはレーザ切断装置によれば、厚鋼板等の被切断材の開先切断において、被切断材の裏開先側切断面が粗くなることを防止して、良好な切断品質を得ることができる。
【００１１】
尚、レーザ切断の際、被切断材の加工幅の広がりを抑えるためには、常識的には、レーザビームの照射位置付近への酸素ガスの供給量の減少等により、酸素が高濃度に分布する領域の縮小を図り、被切断材の溶融を抑制することが有効と考えられるが、実験により、酸素ガスの噴射量を増加させ、セルフバーニングを起こして、更に、それを制御することにより、切断品質の向上を図れることを見出して、本発明が成立したものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照にして説明する。
【００１３】
図２、３は、本発明の実施の形態によるレーザ切断ノズル２を示す詳細図である。
このレーザ切断ノズル２は、二重管状に構成され、二重管のうちの中心管８からは、レーザビームを照射すると共に、切断アシストガスとしての高濃度酸素ガスを噴出させ、二重管のうちの外周管９からは、シールドガスとしての高濃度酸素ガスを噴出させるようにしている。外周管９内への高濃度酸素ガスの供給は、レーザ切断ノズル２の外部から供給口１６を介して行われる。
【００１４】
図２に示すように、ｔは、切断を行なう鋼板４の板厚（ｍｍ）である。また、θは、切断を行なう開先角度（°）であり、Ｘは、鋼板４の上面５上でシールドガスが覆う部分の半径（ｍｍ）である。また、図３に示すように、Ｒ１は、外周管９の先端部内径の半径（ｍｍ）であり、Ｒ２は、中心管８の先端部外径の半径（ｍｍ）であり、Ｒ３は、外周管９の先端部外径の半径（ｍｍ）であり、Ｈは、シールドガス噴出孔幅（ｍｍ）であり、ｄは、中心管８の内径（ｍｍ）であり、Ｌは、中心管８と外周管９の先端部の段差である。
【００１５】
図４中、「ｂ」で示す、鋼板表面（鋼板上面）５における、レーザビーム中心から裏開先側６の加工幅（ｍｍ。以下、「ｂ」について、「裏開先側の加工幅」と略称する場合がある）は、裏開先側６における鋼板４の表面５付近で蓄熱によりレーザビーム照射範囲よりも広い範囲が燃焼するが、鋼板表面５における、燃焼箇所１１と非燃焼箇所１２との境界１３からレーザビーム中心までの距離のことである。
【００１６】
本出願人は、外周管９の先端部内径の半径（ｍｍ）であるＲ１と裏開先側の加工幅（ｍｍ）であるｂとの関係が、開先切断の際、切断面の良否に多大な影響を与えることをつき止め、これらの関係に対する実験を行い、図５における実験結果を得た。
図５は、外周管９の先端部内径の半径（ｍｍ）であるＲ１と、Ｒ１／ｂ［ｂは、裏開先側の加工幅（ｍｍ）］との関係（実験結果）を示すグラフである。
尚、この実験は、ガス濃度条件として、切断アシストガス、シールドガス共に、酸素濃度９９．７％以上のガスを用いて行なったものである。
ガス濃度条件としては、切断アシストガスとして、酸素濃度９９．５％以上、シールドガスとして、酸素濃度９０．０％以上、であれば、この実験結果と同様の結果が得られるものである。
また、鋼板４の板厚ｔが９ｍｍ以上、開先角度θが５°以上のときに、図５における実験結果が得られた。
図５におけるように、Ｒ１／ｂ≧０．７であれば、Ｒ１が何れの値であっても、切断面が粗くならず、良好な切断面を得ることができることが把握される。
Ｒ１／ｂ≧０．７であれば、良好な切断面を得ることができる理由は、上記であれば、レーザビーム照射の周辺に対し、充分に、外周管９から、シールドガスとしての高濃度酸素ガスを噴出されるため、円滑な鋼板の燃焼が可能となるためと考えられる。
また、３≦Ｒ１≦５、１．０≦Ｒ１／ｂ≦２．０、の範囲において、切断面が粗くならないと共に、ドロスの少量の付着もないものである。
【００１７】
次に、図６、７を参照して、裏開先側の加工幅ｂ（ｍｍ）と、鋼板の板厚ｔ（ｍｍ）と、開先角度θ（°）との関係につき、説明する。
まず、実験により、板厚ｔと開先角度θを種々に設定した場合、鋼板の表面における、レーザビーム中心からの加工幅として、表１の実験結果が得られる。この加工幅は、レーザビームの照射速度を変化させることにより、鋼板への入熱量を調整し、良好な切断品質が得られた際の加工幅である。レーザビームの照射速度を遅くするに従って、切断品質が上昇して、加工幅が広くなる。尚、レーザビームの照射速度を変化させるのではなく、レーザビームの照射パワーを調整することにより、入熱量を調整しても良い。
【００１８】
【表１】
2005021932.tif 000003
【００１９】
図６は、表１において得られた実験結果をグラフ化したものである。
図６において、横軸は、板厚ｔ（ｍｍ）を示し、縦軸は、鋼板表面における、レーザビーム中心からの加工幅ｍｍを示している。
また、図６は、各開先角度における、鋼板の表面における、レーザビーム中心から裏開先側の加工幅（ｂ）ｍｍを、表１における実験結果から板厚ｔを変数として求められた下記近似式を記載している。
【００２０】
表１の実験結果をグラフ化したところ、鋼板の表面における、レーザビーム中心から裏開先側の加工幅（ｂ）ｍｍは、板厚ｔ（ｍｍ）を変数としたＡｔＢとして求められることが把握された。
即ち、レーザビーム中心から裏開先側の加工幅（ｂ）＝ＡｔＢ
開先角度θが１０°の場合、レーザビーム中心から裏開先側の加工幅（ｂ）＝ＡｔＢ＝０．１０９５ｔ０．９７９７
開先角度θが２０°の場合、レーザビーム中心から裏開先側の加工幅（ｂ）＝ＡｔＢ＝０．１０６５ｔ１．１３１１
開先角度θが３０°の場合、レーザビーム中心から裏開先側の加工幅（ｂ）＝ＡｔＢ＝０．０９５６ｔ１．２９８９
開先角度θが４０°の場合、レーザビーム中心から裏開先側の加工幅（ｂ）＝ＡｔＢ＝０．０８９８ｔ１．４５２
即ち、ＡおよびＢの値は、開先角度θにより変化するものである。
【００２１】
次に、表２は、図６におけるグラフを基に記載したものであり、開先角度θと変数Ａ、Ｂの関係を示している。
【００２２】
【表２】
2005021932.tif 000004
【００２３】
表２に記載した開先角度θと変数Ａ、Ｂとの関係をグラフ化すると、図７に示すグラフとなる。
図７から把握されるように、変数Ａ、Ｂの値は、開先角度θを変数とした下記近似式で求められる。
ここでＣ、Ｅは比例定数であり、Ｄ、Ｆは定数である。
Ａ＝Ｃθ＋Ｄ＝−０．０００７θ＋０．１１７９
Ｂ＝Ｅθ＋Ｆ＝０．０１５８θ＋０．８１９３
以上を総合すると、レーザビーム中心から裏開先側の加工幅ｂは、板厚ｔおよび開先角度θを変数とした下記近似式が成り立つことが把握される。
レーザビーム中心から裏開先側の加工幅ｂ（ｍｍ）＝ＡｔＢ＝（Ｃθ＋Ｄ）ｔ（Ｅθ＋Ｆ）＝（−０．０００７θ＋０．１１７９）×ｔ（０．０１５８θ＋０．８１９３）
この式を、簡素化（小数点３桁）とすると、
レーザビーム中心から裏開先側の加工幅ｂ（ｍｍ）＝（−０．００１θ＋０．１１８）×ｔ（０．０１６θ＋０．８１９）となった。
尚、図２等から把握されるように、Ｘ×ｃｏｓθ＝Ｒ１であるため、図５における実験結果から良好な切断面が得られる範囲とされたＲ１／ｂ≧０．７は、Ｘ×ｃｏｓθ／ｂ≧０．７となる。よって、Ｘ≧ｂ×０．７／ｃｏｓθとなり、Ｘ≧（（−０．００１θ＋０．１１８）×ｔ（０．０１６θ＋０．８１９））×０．７／ｃｏｓθとなる。
【００２４】
尚、本発明の実施の形態によるレーザ切断方法およびレーザ切断装置では、０．５≦Ｈ≦３．０、０．８≦ｄ≦４．０、Ｌ≧（Ｒ３−Ｒ２）×ｔａｎθ［Ｈ：シールドガス噴出孔の幅（ｍｍ）、ｄ：中心管の内径（ｍｍ）、Ｌ：中心管の先端部と外周管の先端部の段差（ｍｍ）、θ：開先角度］の条件を満たすことが、良好な開先切断面を得るために有効である。
【００２５】
図８は、本発明による実施の形態のレーザ切断ノズル２を有するレーザ切断装置１と、中心管（単一管）のみを備えており、外周管を備えていないレーザ切断ノズル（いわゆるシングルノズル）を有するレーザ切断装置を使用した場合における、鋼板の切断面の実験結果を示している。
【００２６】
図８（ａ）は、単一管を有するレーザ切断ノズルを使用した際の表開先側切断面であり、図８（ｂ）は、単一管を有するレーザ切断ノズルを使用した際の裏開先側切断面であり、図８（ｃ）は、本発明の実施の形態によるレーザ切断ノズルを使用した際の表開先側切断面であり、図８（ｄ）は、本発明の実施の形態によるレーザ切断ノズルを使用した際の裏開先側切断面である。
【００２７】
図８における実験結果から明らかなように、図８（ｂ）における、単一管を有するレーザ切断ノズルを使用した際の裏開先側切断面が著しく粗くなり、ドロス１０の付着も確認されたのに対し、図８（ｄ）は、本発明の実施の形態によるレーザ切断ノズルを使用した際の裏開先側切断面は良好であり、ドロス１０の付着も確認されなかった。
即ち、裏開先側の切断面において、本発明による実施の形態のレーザ切断ノズルを有するレーザ切断装置を使用して、本発明の条件を満たす場合、従来の中心管（単一管）のみを備えており、外周管を備えていないレーザ切断ノズルを有するレーザ切断装置を使用した場合と比較し、粗さのない良好な切断面が得られることが把握された。
【００２８】
【発明の効果】
以上、述べたように、本発明では、たとえ、レーザ切断ノズルを、鋼板等の被切断部材に対し、傾斜した状態で配置して切断する場合であっても、
被切断材の開先切断において、被切断材の裏開先側切断面が粗くなることを防止して、良好な切断品質が得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術によるレーザ切断装置を用いたレーザ切断方法を示す概念図である。
【図２】本発明の実施の形態によるレーザ切断ノズルと被切断材の関係を示す詳細図である。
【図３】本発明の実施の形態によるレーザ切断ノズルを示す詳細図である。
【図４】本発明の実施の形態によるレーザビーム中心から裏開先側の加工幅を示す図である。
【図５】図５は、外周管の先端部内径の半径であるＲ１と、Ｒ１／ｂ［ｂは、鋼板の表面における、レーザビーム中心から裏開先側の加工幅］との関係を示すグラフである。
【図６】板厚ｔと鋼板表面における、レーザビーム中心から裏開先側の加工幅ｂとの関係を示すグラフである。
【図７】開先角度θと変数Ａ、Ｂとの関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施の形態によるレーザ切断ノズルと従来技術としてのレーザ切断ノズルを使用した場合の実験結果である。
【符号の説明】
１‥‥レーザ切断装置、２‥‥レーザ切断ノズル、３‥‥レーザビーム、４‥‥鋼板（被切断材）、５‥‥表面（上面）、６‥‥裏開先側、７‥‥表開先側、８‥‥中心管、９‥‥外周管、１０‥‥ドロス、１１‥燃焼箇所、１２‥‥非燃焼箇所、１３‥‥境界、１４‥‥切り溝、１５‥‥鋭角部、１６‥‥供給口
【図１】
2005021932.tif 000005
【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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