(57)【要約】【課題】レーザビームによる軟鋼厚板切断において、安定した部品可能が可能となり、歩留まりと生産性に優れたレーザ装置を提供する。【解決手段】ワークの温度を検出するワーク温度検出手段と、あらかじめ入力されたワークの板厚や熱伝導率および熱容量を用いて温度検出手段によって検出された部位以外のワーク各部の温度を計算するワーク温度分布計算手段と、任意の位置に加工トーチを移動させる軸移動手段と、レーザ出力およびアシストガス流量を制御するレーザ加工パラメータ制御手段を備え、ワーク温度に対応して、加工トーチ位置を移動させる、もしくはレーザ出力およびアシストガス流量を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを集光する集光レンズと、前記集光レンズを備えてワークの所定位置にレーザビームを照射するように構成された加工トーチと、集光したレーザビームと同軸にワークに吹き付けられるアシストガスを備え、レーザビームによるワークの切断を行なうレーザ装置において、
前記ワークの温度を検出するワーク温度検出手段と、あらかじめ入力されたワークの板厚、熱伝導率および熱容量を用いて、前記温度検出手段によって検出された部位以外のワーク各部の温度の分布を計算するワーク温度分布計算手段と、任意の位置に加工トーチを移動させる軸移動手段と、レーザ出力およびアシストガス流量を制御するレーザ加工パラメータ制御手段を備え、
算出されたワーク各部の温度の分布に対応して、加工トーチを移動させる位置を制御するレーザ装置。
【請求項２】
レーザビームを集光する集光レンズと、前記集光レンズを備えてワークの所定位置にレーザビームを照射するように構成された加工トーチと、集光したレーザビームと同軸にワークに吹き付けられるアシストガスを備え、レーザビームによるワークの切断を行なうレーザ装置において、
前記ワークの温度を検出するワーク温度検出手段と、あらかじめ入力されたワークの板厚、熱伝導率および熱容量を用いて、前記温度検出手段によって検出された部位以外のワーク各部の温度の分布を計算するワーク温度分布計算手段と、任意の位置に加工トーチを移動させる軸移動手段と、レーザ出力およびアシストガス流量を制御するレーザ加工パラメータ制御手段を備え、
算出されたワーク各部の温度の分布に対応して、レーザ出力およびアシストガス流量を制御するレーザ装置。
【請求項３】
前記ワーク温度検出手段は、トーチ近傍に備えられた非接触式の赤外線温度検出装置である事を特徴とする請求項１または２に記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は主として板金切断用途に用いられるレーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図４に従来の板金切断レーザ加工機の概略構成の一例を示す。以下、図４を参照しながら従来のレーザ加工機を説明する。
【０００３】
この図に於いて、レーザ発振器１から出射されたレーザビーム８は、反射鏡１５にて反射され、ワーク１６近傍へ導かれる。レーザビーム８は、トーチ１７内部に備えられた集光レンズ１８によって高密度のエネルギビームに集光され、ワーク１６に照射され、切断加工が行われる。
【０００４】
ワーク１６は加工テーブル１９上に固定されており、Ｘ軸モータ２０あるいはＹ軸モータ２１によって、トーチ１７はワーク１６に対して相対的に移動する事で、所定の形状の加工が行われる。
【０００５】
レーザ切断では、集光レンズを介してワークに照射されるレーザビームと同軸に、アシストガス２２と呼ばれる気体をワークに吹き付けて加工を行なう。特に軟鋼切断の場合には、アシストガス２２に酸素を用いる事で、酸化反応熱を利用して切断を行なうことが一般的である。
【０００６】
酸化反応を利用したレーザ切断により、切断可能板厚は、レーザ出力６ｋＷの場合で、軟鋼３２ｍｍ以上が可能となる。酸素を用いない加工を行なう場合に比べ、倍以上の板厚が切断可能となる。
【０００７】
以上のようなレーザ加工ではワークの温度は重要なパラメータである。従来技術の一例として、予めワークに対する切断を停止させる切断停止温度と切断を開始させる切断開始温度を設定しておき、ワークの切断部位の近傍の温度が切断停止温度よりも高い場合は切断を停止し、温度が切断開始温度よりも低い場合は切断を開始するように制御するレーザ装置がある（例えば、特許文献１を参照）。
【０００８】
あるいは、従来技術の異なる一例として、加工ヘッドにワークの加工点の温度を測定する温度センサを設けて、この温度センサで検出された温度と設定値を比較して設定値を越えると警告を出し自動的にレーザ加工を中断させるように制御するレーザ装置がある（例えば、特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−０７５８７６号公報
【特許文献２】特開平５−１５４６７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述の従来技術に係るレーザ装置は、下記課題を有している。
【００１１】
加工ワークは一般的に定尺材と呼ばれる平板が用いられ、その面積は、通常１５００ｍｍ×３０００ｍｍ程度が一般的である。切断する部品のサイズが仮に、９０ｍｍ×９０ｍｍの大きさである場合、部品同士の間に１０ｍｍ程度の切り残しを残すとすると、１５００ｍｍ×３０００ｍｍの定尺材から、約４５０個の部品が切り出せる事になる。
【００１２】
ただし課題で述べたとおり、切断不良が起きると、その部品は使用できないため、歩留まりが悪化する。いかに切断品質を保ちながら４５０個全ての部品を高品質な状態で切り出せるかがポイントとなる。
【００１３】
例えば軟鋼のレーザ切断の場合、板厚１６ｍｍ以上の材料は、それ以下の厚さのワークを薄板もしくは中厚板と呼ぶのに対して、厚板と呼ばれ、レーザ切断の難易度が格段に上がる領域である。その理由は、酸化反応を利用したレーザ切断において、熱影響による過剰酸化の抑制が非常に困難なためである。
【００１４】
前述の通り、軟鋼切断において、アシストガスに酸素を用いた酸素切断は、酸化反応熱を利用できる事が大きなメリットであるが、一方で過剰酸化が起きると、切断面荒れが発生し、切断したワークの品質が極端に低下する。
【００１５】
過剰酸化は、特にワークの温度が上昇した場合に発生する。ワークの温度が１５０℃を超えると、ワークのレーザ光吸収率が急激に上昇し、ワークの温度がさらに上昇する。ワークの温度が上昇することで、さらにレーザ光吸収率が上昇するという繰り返しによる、いわゆる熱暴走現象によりワーク温度が一気に酸化反応温度である１０００℃以上へ達し、過剰酸化による切断面荒れが起きると考えられている。
【００１６】
これを防ぎ、高品質なレーザ切断を行なう為に、従来は、作業者が経験的に、ワークの温度が上がって来たと判断し、定尺材の温度が上がっていない部分にトーチ１７を移動させて、切断を継続するなどの手法がとられていた。
【００１７】
作業者が一旦レーザ加工を中断させ、ワークの表面温度を接触式温度計で測る、あるいは皮手袋を介して手で触るなどの行為により、ワークの温度が上がってきたと作業者が判断し、その場合にレーザ出力を下げるなどの方法で入熱を押さえ、過剰酸化を抑制するなどの手法がとられていた。
【００１８】
ただし、いずれも勘と経験にたよった属人的な手法であるため、十分な効果が得られていないのが実態であった。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、上記問題点を解決するために、レーザビームを集光する集光レンズと、前記集光レンズを備えてワークの所定位置にレーザビームを照射するように構成された加工トーチと、集光したレーザビームと同軸にワークに吹き付けられるアシストガスを備え、レーザビームによるワークの切断を行なうレーザ装置において、前記ワークの温度を検出するワーク温度検出手段と、あらかじめ入力されたワークの板厚、熱伝導率および熱容量を用いて、前記温度検出手段によって検出された部位以外のワーク各部の温度の分布を計算するワーク温度分布計算手段と、任意の位置に加工トーチを移動させる軸移動手段と、レーザ出力およびアシストガス流量を制御するレーザ加工パラメータ制御手段を備え、算出されたワーク各部の温度の分布に対応して、加工トーチ位置を移動させる、もしくはレーザ出力およびアシストガス流量を制御することを特徴とし、前記ワーク温度検出手段は、トーチ近傍に備えられた非接触式の赤外線温度検出装置であることを特徴とするレーザ装置である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に示す構成により、特に軟鋼厚板切断において、安定した部品可能が可能となり、歩留まりと生産性に優れたレーザ装置を提供出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施例であり請求項１および２に関するレーザ装置の構成図
【図２】従来のレーザ装置における定尺材の切断例を示した図であり、連続して隣のワークを切断する状態を示した図
【図３】本発明の実施例における定尺材の切断状態を示した図であり、ワーク温度上昇に応じてワークを飛ばしながら切断する状態を示した図
【図４】従来のレーザ装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。なお背景技術として説明した構成と同じものに関しては同一の符号を付し、その説明も省略するものとする。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態の一例に関するレーザ装置の構成図である。
【００２４】
トーチ１７近傍に非接触式の赤外線温度検出装置２５が備えられている。赤外線温度検出装置２５は、ワーク１６の表面温度を検出出来るようにセットアップされており、検出した温度はリアルタイムでレーザ制御装置９へ送られる。
【００２５】
レーザ制御装置９には、あらかじめ入力されたワークの板厚、熱伝導率および熱容量を用いて、赤外線温度検出装置２５によって検出された部位以外のワーク各部の温度を計算するワーク温度分布計算手段が備えられている。
【００２６】
たとえば、ワークの種類として軟鋼２５ｍｍ、ワークのサイズ１５００ｍｍ×３０００ｍｍおよび切断ワーク形状を入力すると、あらかじめ内蔵されたワークの物性情報に応じて、軟鋼の熱伝導率および熱容量が導出される。任意の位置のワーク温度が赤外線温度検出装置２５により測定されると、定尺材全領域のワーク温度が自動的に計算される。
【００２７】
軟鋼材料において、切断開始前のワーク温度１５０℃が過剰酸化発生有無の閾値になっているため、前記計算結果によってワーク温度１５０℃以下の領域にトーチを移動させて切断を行なえば、常に良好切断が可能となる。
【００２８】
ワーク温度が１５０℃を超えた領域についても、他の領域にトーチを移動させて切断を行なっている間に、自然冷却により温度が下がってくるため、温度が１５０℃以下になってから、改めて切断をすれば問題なく良好切断が可能である。
【００２９】
レーザ切断部分の温度上昇および切断を行なっていない部分の温度低下は、赤外線温度検出装置により測定に基づく補正を行いつつ、常に計算が行なわれ、リアルタイムで定尺材の温度分布が把握され、最適位置にトーチを移動して、レーザ切断が継続される。
【００３０】
課題で述べたように、１５００ｍｍ×３０００ｍｍの定尺材から９０ｍｍ×９０ｍｍの大きさの部品を、部品同士の間に１０ｍｍ程度の切り残しを残しつつ、４５０個切り出す場合を考える。
【００３１】
これを説明する図が、図２および図３である。図２は従来の加工順序の一例である。ワーク温度を無視して切断を行なう場合は、図２の通り、加工順序２６に示すように連続して隣のワークを切断する事になるが、この場合、ワーク温度上昇による切断不良が発生する。
【００３２】
本発明における切断の加工順序の一例を示すと図３のようになる。加工順序２６が示す通り、ワーク温度上昇に応じて、ワークを一つ飛ばし、あるいは二つ飛ばしなどしながら、切断を行なっていく事になる。
【００３３】
これはワーク温度に応じて、レーザ制御装置によって自動的に決定されるため、作業者は全く意識する必要がなく、且つ確実に良好切断を行なえる為、生産性が高く、歩留まりも良好である。
【００３４】
また従来の切断例として、定尺材の各部品を同じレーザ切断パラメータ、すなわち同じレーザ出力および同じアシストガス流量で切断する場合がある。
【００３５】
切断に伴うワーク温度上昇により、切断が進むにつれて、切断不良の発生が起きてくる。本発明の実施例における切断例ではワーク温度が上昇すると、過剰酸化がおきやすくなる反面、ワーク温度が低い場合よりも少ないレーザ出力および少ないアシストガス流量で切断が可能となる事を利用して、ワーク温度に応じてレーザ出力およびアシストガス流量を最適値に制御する事で、良好切断を継続する事が可能となる。これは特に、定尺材全体の温度が上がりきってしまって、１５０℃以下の領域を少なくなってきた場合にも良好切断を継続する場合に有効である。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明に示す構成により、特に軟鋼厚板のレーザ切断において、歩留まりの良化と生産性の向上を図ることが出来、レーザ装置として有用である。
【符号の説明】
【００３７】
１    レーザ発振器
２    ビーム出口
７    全反射ミラー
８    レーザビーム
９    レーザ制御装置
１６    ワーク
１７    トーチ
１８    集光レンズ
１９    加工テーブル
２０    Ｘ軸モータ
２１    Ｙ軸モータ
２２    アシストガス
２３    定尺材
２４    部品
２５    赤外線温度検出装置
２６    加工順序
【図１】
2013244505.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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