(57)【要約】【課題】切断面の粗さ（断面粗さ）を低減することが可能な、新規かつ改良されたレーザ切断方法及びレーザ切断装置を提供することにある。【解決手段】上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、被切断材料にトーチ部からレーザビームを集光照射し、かつレーザビームの集光点を被切断材料上で走査することで、被切断材料を切断するレーザ切断方法であって、レーザビームの光軸を、トーチ部の移動方向に垂直な基準面に対してトーチ部の移動方向側に傾斜させ、かつ、前記光軸と前記基準面とのなす前傾角度を、カーフフロントの傾斜角度に基づいて調整することを特徴とする、レーザ切断方法が提供される。【選択図】図４
2016055326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被切断材料にトーチ部からレーザビームを集光照射し、かつ前記レーザビームの集光点を前記被切断材料上で走査することで、前記被切断材料を切断するレーザ切断方法であって、
前記レーザビームの光軸を、前記トーチ部の移動方向に垂直な基準面に対して前記トーチ部の移動方向側に前傾させ、かつ、前記光軸と前記基準面とのなす前傾角度を、カーフフロントの傾斜角度に基づいて調整することを特徴とする、レーザ切断方法。
【請求項２】
前記光軸と前記基準面とのなす前傾角度を、カーフフロントの傾斜角度よりも小さくすることを特徴とする、請求項１記載のレーザ切断方法。
【請求項３】
前記被切断材料の厚さが１６ｍｍ以上となる場合、前記前傾角度を０．３〜０．５°に調整することを特徴とする、請求項２記載のレーザ切断方法。
【請求項４】
前記前傾角度を０．４°に調整することを特徴とする、請求項３記載のレーザ切断方法。
【請求項５】
前記レーザビームの集光点を前記被切断材料上で前記トーチ部の移動方向と交差する方向に振動させることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ切断方法。
【請求項６】
被切断材料にトーチ部からレーザビームを集光照射し、かつ前記レーザビームの集光点を前記被切断材料上で走査することで、前記被切断材料を切断するレーザ切断装置であって、
前記レーザビームの光軸を、前記トーチ部の移動方向に垂直な基準面に対して前記トーチ部の移動方向側に前傾させる制御部を備え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、レーザ切断方法及びレーザ切断装置に関する。
【０００２】
レーザ発振器の発達に伴い、特許文献１に開示されるように、レーザビームを用いて被切断材料（例えば金属材料）を所望の形状に切断するレーザ切断方法が広く用いられるようになってきている。レーザ切断方法は、後処理工程不要、自動化が可能、高速切断が可能といった様々な利点を持つことから、広く産業において、各種被切断材料の切断に用いられている。
【０００３】
ここで、従来のレーザ切断方法、すなわち従来のレーザ切断装置が行う処理の概要について説明する。レーザ切断装置は、被切断材料の表面にトーチ部からレーザビームを集光照射する。集光照射されたレーザビームは、被切断材料に吸収される。被切断材料は、レーザビームとの相互作用による熱エネルギーにより加熱され、溶融する。一方、レーザ切断装置は、アシストガスをレーザビームと同軸方向に吹き付ける。これにより、溶融材料はアシストガスにより被切断材料の下方へと排除される。
【０００４】
そして、レーザ切断装置は、レーザビームの集光点を被切断材料上で走査しながら上記の処理を繰り返すことで、被切断材料の溶融及び排除を連続的に行う。これにより、レーザ切断装置は、被切断材料の切断を行う。
【０００５】
ここで、レーザビームの照射により被切断材料が除去された部分は、切断カーフ、又は単にカーフと呼ばれる。また、カーフの先端面はカーフフロントとも称される。カーフフロントは、レーザビームの集光点の下方に形成される。カーフフロントは、トーチ部の移動方向に垂直な基準面に対して傾斜している。具体的には、カーフフロントは、基準面に対してトーチ部の移動方向と逆方向に傾斜している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−７５３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、従来のレーザ切断装置では、レーザビームの光軸は被切断材料の表面に垂直に入射する（すなわち、基準面上に存在する）ため、カーフフロントの全体にレーザビームを照射することができなかった。このため、切断性が低下してしまい、切断面の断面粗さに影響するという問題があった。一方、特許文献１に開示された技術では、アクシコンレンズによるリングレーザ（リングビーム）を被切断材料Ｗに照射する。このリングビームの一部は、基準面に対して前傾しているといえる。以下、リングビームのうち、基準面に対して前傾している部分を前傾部分とも称する。
【０００８】
そして、後述するように、レーザビームが基準面に対して前傾している場合、切断性が向上する場合がある。ただし、切断性を向上するための前傾角度は、カーフフロントの傾斜角度に応じて多様に変化する。この点について、特許文献１では、前傾部分の前傾角度は、カーフフロントの傾斜角度によらず一定であった。また、特許文献１では、リングビームの一部である前傾部分だけが前傾しているに過ぎず、後傾部分も同時に照射されているので、切断性改善の効果は極めて小さい。このように、特許文献１では、上記の問題を何ら解決することができなかった。
【０００９】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、切断性を向上、すなわち、安定的に切断面の断面粗さを低く抑えることが可能な、新規かつ改良されたレーザ切断方法及びレーザ切断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、レーザ切断において従来行われていた材料表面へのレーザビームの垂直入射では、レーザビームがカーフフロント全体をカバーできていないことに問題があると考えた。そこで、本発明者らは、カーフフロント全体をカバーできるようレーザビームの走査方向にレービームを前傾して照射することを試みたところ、切断性がよく切断面の断面粗さを低く抑えられることを見出した。本発明者らは、このような知見の下、本発明に想到するに至った。具体的には、上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、被切断材料にトーチ部からレーザビームを集光照射し、かつレーザビームの集光点を被切断材料上で走査することで、被切断材料を切断するレーザ切断方法であって、レーザビームの光軸を、トーチ部の移動方向に垂直な基準面に対してトーチ部の移動方向側に前傾させ、かつ、光軸と基準面とのなす前傾角度を、カーフフロントの傾斜角度に基づいて調整することを特徴とする、レーザ切断方法が提供される。
【００１１】
ここで、光軸と基準面とのなす前傾角度を、カーフフロントの傾斜角度よりも小さくしてもよい。
【００１２】
また、被切断材料の厚さが１６ｍｍ以上となる場合、傾斜角度を０．３〜０．５°に調整してもよい。
【００１３】
また、傾斜角度を０．４°に調整してもよい。
【００１４】
また、レーザビームの集光点を被切断材料上でトーチ部の移動方向と交差する方向に振動させてもよい。
【００１５】
本発明の他の観点によれば、被切断材料にトーチ部からレーザビームを集光照射し、かつレーザビームの集光点を被切断材料上で走査することで、被切断材料を切断するレーザ切断装置であって、レーザビームの光軸を、トーチ部の移動方向に垂直な基準面に対してトーチ部の移動方向側に前傾させる制御部を備えることを特徴とする、レーザ切断装置が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように本発明によれば、レーザビームをカーフフロントのより広い範囲に照射することができるので、切断性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ切断装置の外観を示す斜視図である。
【図２】レーザ切断装置が備えるレーザ振動部及びトーチ部の構成を示す側断面図である。
【図３】レーザ切断装置が備える制御装置の内部構成を示すブロック図である。
【図４】レーザビームの光軸を基準面から外す制御の概要を示す説明図である。
【図５】被切断材料の切断面を概略的に示す説明図である。
【図６】集光点の軌跡を示す説明図である。
【図７】レーザビームの前傾角度と断面粗さとの相関を示すグラフである。
【図８】レーザビームによって被切断材料が切断される様子を示す斜視図である。
【図９】基準面に対して光軸を前傾させたレーザビームと基準面に光軸を一致させたレーザビームとがカーフフロントに照射される様子を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、以下の説明において、「被切断材料Ｗの表面」は、被切断材料Ｗの板厚方向に垂直な２つの平面のうち、レーザビームＬＢ（図２、図４参照）が照射される側の面を意味する。「被切断材料Ｗの裏面」は、被切断材料Ｗの板厚方向に垂直な２つの平面のうち、「被切断材料Ｗの表面」に対向する面を意味する。
【００１９】
＜１．本発明者による検討＞
本発明者は、従来のレーザ切断装置及びレーザ切断方法を検討することで、本実施形態に係るレーザ切断装置及びレーザ切断方法に想到した。そこで、まず、本発明者が行った検討について説明する。
【００２０】
図８に示すように、従来のレーザ切断装置は、被切断材料Ｗの表面にトーチ部７からレーザビームＬＢを集光照射する。ここで、レーザビームＬＢは、例えばＣＯ２レーザ発振器、ファイバレーザ発振器等から射出される。また、レーザビームの光軸（レーザビームの光束の中心軸）ＬＢａは被切断材料Ｗの表面に直交する。集光照射されたレーザビームＬＢは、被切断材料Ｗに吸収される。被切断材料Ｗは、レーザビームＬＢとの相互作用による熱エネルギーにより加熱され、溶融する。一方、レーザ切断装置は、アシストガスをレーザビームＬＢと同軸方向に吹き付ける。これにより、溶融材料（例えば溶鋼）はアシストガスにより被切断材料Ｗの下方へと排除される。
【００２１】
ここで、アシストガスとして酸素を使用した場合、被切断材料Ｗは、酸素によって酸化され、これにより発生した熱エネルギーによっても溶融する。すなわち、アシストガスとして酸素を用いるレーザ切断装置は、レーザビームＬＢとの相互作用による熱エネルギーと、酸素と被切断材料Ｗとの酸化反応により生じた熱エネルギーとを併用することで、被切断材料Ｗを溶融させる。
【００２２】
そして、レーザ切断装置は、レーザビームＬＢの集光点Ｐを被切断材料Ｗ上で走査しながら上記の処理を繰り返すことで、被切断材料Ｗの溶融及び排除を連続的に行う。これにより、レーザ切断装置は、被切断材料Ｗの切断を行う。
【００２３】
ここで、レーザビームＬＢの照射により被切断材料Ｗが除去された部分は、切断カーフ、又は単にカーフと呼ばれる。また、カーフの先端面はカーフフロントとも称される。図８では、被切断材料ＷにカーフＫ及びカーフフロントＫｆが形成されている。カーフフロントＫｆは、レーザビームＬＢの集光点Ｐの下方に形成される。カーフフロントＫｆは、トーチ部７の移動方向に垂直な基準面１００に対して傾斜している。具体的には、カーフフロントＫｆは、基準面１００に対してトーチ部７の移動方向と逆方向に傾斜している。なお、ベクトルＶは、トーチ部７の移動方向を示す。
【００２４】
ところで、従来のレーザ切断装置では、レーザビームＬＢの光軸ＬＢａは被切断材料Ｗの表面に直交する（すなわち、基準面１００上に存在する）ため、カーフフロントＫｆの全体にレーザビームＬＢを照射することができなかった。この様子を図９に示す。図９は、光軸ＬＢａ１が被切断材料Ｗの表面に直交するレーザビームＬＢ１と、光軸ＬＢａ２がトーチ部７の移動方向側に傾斜（すなわち前傾）するレーザビームＬＢ２とを示す。なお、図９では、理解を容易にするために、レーザビームＬＢ１、ＬＢ２の光束を円柱状とした。図９に示すように、レーザビームＬＢ１は、カーフフロントＫｆの上端部にしか照射されていない。このため、従来のレーザ切断装置には、切断性が悪くなってしまうという問題があった。
【００２５】
そこで、本発明者は、レーザビームＬＢをカーフフロントＫｆのより広い範囲に当てる技術について鋭意検討した。この結果、本発明者は、レーザビームＬＢの光軸ＬＢａを基準面１００に対して前傾させることに想到した。図９のレーザビームＬＢ２の光軸ＬＢａ２は、基準面１００に対して前傾している。具体的には、レーザビームＬＢ２の光軸ＬＢａ２は、基準面１００に対して角度ｃだけ前傾している。以下、レーザビームＬＢの光軸ＬＢａと基準面１００とのなす角度ｃを「前傾角度ｃ」とも称する。レーザビームＬＢ２は、レーザビームＬＢ１よりもカーフフロントＫｆの広い範囲に照射されている。
【００２６】
さらに、本発明者は、レーザビームＬＢをカーフフロントＫｆの全体に照射するために必要な前傾角度ｃの範囲についても検討した。この結果、本発明者は、レーザビームＬＢをカーフフロントＫｆの全体に照射するためには、前傾角度ｃを少なくともカーフフロントＫｆの傾斜角度ａよりも小さくする必要があることを見出した。図９に示す例では、レーザビームＬＢ２の前傾角度ｃは、カーフフロントＫｆの傾斜角度ａよりも小さくなっている。そして、レーザビームＬＢ２は、カーフフロントＫｆの全体に照射されている。
【００２７】
ただし、図９からも明らかな通り、ｃが０に近い場合、レーザビームＬＢはカーフフロントＫｆの下端部に届かなくなる。さらに、上記の例では、光軸に垂直な光束断面の大きさが一様である。しかし、実際の光束断面は、より複雑な形状を有する。具体的には、光軸に垂直な光束断面は、焦点で最も小さくなり、光束断面から焦点までの距離が大きくなるほど大きくなる。さらに、カーフフロントＫｆの傾斜角度ａは、例えばトーチ部７の移動速度、被切断材料Ｗの板厚等によって多様に変動しうる。したがって、レーザビームＬＢをカーフフロントＫｆの全体に照射させるためには、前傾角度ｃを０＜ｃ＜ａの範囲内でさらに調整する必要がある。本発明者は、上記知見に基づいて、本実施形態に係るレーザ切断装置１及びレーザ切断方法に想到するに至った。
【００２８】
なお、上述した従来のレーザ切断装置では、前傾角度ｃは０°となる。特許文献１に開示された技術では、アクシコンレンズによるリングレーザ（リングビーム）を被切断材料Ｗに照射する。このリングビームの一部、即ち前傾部分は、基準面に対して前傾しているといえる。
【００２９】
そして、上述したように、レーザビームが基準面に対して前傾している場合、切断性が向上する場合がある。ただし、切断性を向上するための前傾角度は、カーフフロントの傾斜角度に応じて多様に変化する。この点について、特許文献１では、前傾部分の前傾角度は、カーフフロントの傾斜角度によらず一定であった。また、特許文献１では、リングビームの一部である前傾部分だけが前傾しているに過ぎないので、切断性改善の効果は極めて小さい。したがって、特許文献１に開示された技術では、上記問題点を何ら解決することができなかった。以下、本実施形態について説明する。
【００３０】
＜２．被切断材料＞
まず、本実施形態の被切断材料Ｗ（図１参照）について説明する。本実施形態の被切断材料Ｗは、以下の２つの要件を満たす材料であることが好ましい。（１）レーザビームＬＢとの相互作用による熱エネルギーによって溶融する。（２）酸素によって酸化され、これによって発生した熱エネルギーによって溶融する。すなわち、本実施形態に係るレーザ切断方法は、例えば、レーザビームＬＢの照射による熱エネルギーと、酸素と被切断材料Ｗとの反応によって生じた熱エネルギーとを併用することで、被切断材料Ｗを切断することができる。これらの要件を満たす被切断材料Ｗ、すなわち本実施形態に適用可能な被切断材料Ｗとしては、例えば軟鋼が挙げられる。なお、被切断材料Ｗの板厚は特に制限されない。
＜３．レーザ切断装置の構成＞
次に、図１〜図３にもとづいて、本発明の実施形態に係るレーザ切断装置１の構成について説明する。レーザ切断装置１は、図１に示すように、台車２と、レール３と、レーザ発振器４と、ミラーボックス５ａ〜５ｃと、レーザ導通管５ｄと、レーザ振動部６と、トーチ部７と、制御装置８とを備える。
【００３１】
台車２は、レール３上を図１中Ｘ軸方向（正方向または負方向）に移動するものであり、第１側面部２ａ、第２側面部２ｂ、第１底面部２ｃ、及び第２底面部２ｄを備える。台車２の移動は制御装置８により制御される。第１側面部２ａは、台車２の側面を構成し、レール３の長さ方向に伸びる。第２側面部２ｂは、台車２の側面を構成し、第１側面部２ａの長さ方向の一方の端部に設けられる。第２側面部２ｂの高さは第１側面部２ａの高さよりも大きい。
【００３２】
第１底面部２ｃは、第１側面部２ａの上端部同士を連結する平面であり、第１底面部２ｃ上にレーザ発振器４及び制御装置８が載せられる。第２底面部２ｄは、第２側面部２ｂの上端部同士を連結する平面であり、第２底面部２ｄ上にミラーボックス５ａ〜５ｃが載せられる。第２底面部２ｄには、第２底面部２ｄを板厚方向に貫通する貫通穴２ｅが第２底面部２ｄの長さ方向に亘って形成されている。この貫通穴２ｅには、レーザ導通管５ｄが通される。
【００３３】
レーザ発振器４は、例えば気体レーザ発振器（例えばＣＯ２レーザ発振器）、固体レーザ発振器（例えばファイバレーザ発振器）等であり、レーザビームＬＢをミラーボックス５ａに向けて射出する。レーザ発振器４が固体レーザ発振器となる場合、ミラーボックスの代わりに光ファイバを用いてレーザビームＬＢを伝送してもよい。ミラーボックス５ａは、第２底面部２ｄの長さ方向の両端部の内、一方の端部に設けられる。ミラーボックス５ａは、ミラーを内蔵しており、ミラーボックス５ａに到達したレーザビームＬＢをミラーボックス５ｂに向けて反射する。
【００３４】
ミラーボックス５ｂは、第２底面部２ｄの長さ方向の両端部の内、他方の端部に設けられる。ミラーボックス５ｂは、ミラーを内蔵しており、ミラーボックス５ｂに到達したレーザビームＬＢをミラーボックス５ｃに向けて反射する。すなわち、ミラーボックス５ｂは、レーザビームＬＢの光路長を調整するものである。
【００３５】
ミラーボックス５ｃは、ミラーボックス５ａ、５ｂの間に配置される。ミラーボックス５ｃは、ミラーを内蔵しており、ミラーボックス５ｃに到達したレーザビームＬＢをレーザ振動部６に向けて反射する。また、ミラーボックス５ｃは、第２底面部２ｄ上をＹ軸方向（正方向及び負方向）に移動可能となっている。ミラーボックス５ｃの移動は制御装置８によって制御される。レーザ導通管５ｄは、ミラーボックス５ｃの下端部に設けられ、ミラーボックス５ｃとレーザ振動部６とを連結する。また、レーザ導通管５ｄは、ミラーボックス５ｃで反射されたレーザビームＬＢをレーザ振動部６に伝達する。
【００３６】
レーザ振動部６は、レーザ導通管５ｄの下端部に設けられる。レーザ振動部６は、図２に示すように、ミラーボックス６ａと、ミラー６ｂ、６ｄと、ミラーホルダー６ｃ、６ｅと、ピエゾ素子６ｇとを備える。
【００３７】
ミラーボックス６ａは、中空構造となっており、ミラー６ｂ、６ｄと、ミラーホルダー６ｃ、６ｅと、ピエゾ素子６ｇとを格納する。レーザ振動部６に導入されたレーザビームＬＢは、ミラー６ｂ、６ｄに反射された後、トーチ部７に導入される。
【００３８】
ミラー６ｂは、ミラーホルダー６ｃに固定されている。また、ミラー６ｂの反射面は、ミラー６ｄ及び後述する集光レンズ７ｄに対向している。ミラーホルダー６ｃは、ピエゾ素子６ｇによって互いに直交する２つの回動方向に回動可能となっている。なお、ミラー６ｂはミラーホルダー６ｃと一体となって回動する。ミラーホルダー６ｃ、すなわちミラー６ｂが一方の回動方向（第１の回動方向）に回動することで、レーザビームＬＢの集光点Ｐが図１中Ｘ軸方向に移動する。また、ミラーホルダー６ｃ、すなわちミラー６ｂが他方の回動方向（第２の回動方向）に回動することで、レーザビームＬＢの集光点Ｐが図１中Ｙ軸方向に移動する。ピエゾ素子６ｇは、ミラーホルダー６ｃに設けられており、電気的に伸縮することで、ミラーホルダー６ｃ、すなわちミラー６ｂを２つの回動方向に回動させる。
【００３９】
具体的には、ピエゾ素子６ｇは、ミラー６ｂを第１の回動方向（Ｘ軸方向に相当）に回動させるピエゾ素子６１ｇと、ミラー６ｂを第２の回動方向（Ｙ軸方向に相当）に回動させるピエゾ素子６２ｇとに区分される。ピエゾ素子６１ｇ、６２ｇの伸縮、すなわちミラー６ｂの回動は制御装置８によって制御される。ミラー６ｄは、ミラーホルダー６ｅによってレーザ振動部６内に固定されている。また、ミラー６ｄの反射面は、ミラー６ｂの反射面に対向している。
【００４０】
本実施形態では、ミラー６ｂを回動させることで、レーザビームＬＢの前傾角度ｃを調整し、かつ、集光点Ｐをトーチ部７の移動方向と垂直な方向に振動させる。
【００４１】
なお、本実施形態では、ミラー６ｂを２つの回動方向に回動させることとしたが、ミラー６ｂを第１の回動方向（または第２の回動方向）に回動させ、かつ、ミラー６ｄを第２の回動方向（または第１の回動方向）に回動させるようにしてもよい。この場合、ミラーホルダー６ｅにもピエゾ素子が設けられる。また、ミラーホルダー６ｅのみにピエゾ素子が設けられていてもよい。また、ミラー６ｂ、６ｄは直接または間接的に水冷されてもよい。また、レーザビームＬＢの伝送方向から見てミラー６ｄの手前のミラー、例えばミラーボックス５ｃに内蔵されたミラーに同様の機能を具備させることでレーザ振動部６を省略し、ミラー以降のレーザ光路を直線化してミラーボックス５ｃとトーチ部７とを直結することもできる。その場合、トーチ７の長さを適切な長さに延長して、トーチ７と被切断材料Ｗの距離を適切に保つ必要があることは言うまでもない。
【００４２】
トーチ部７は、レーザビームＬＢを被切断材料Ｗに集光照射するものであり、トーチ本体部７ａと、レーザ加工ノズル７ｂと、アシストガス供給口７ｃと、集光レンズ７ｄとを備える。トーチ本体部７ａは、中空構造となっている。トーチ本体部７ａの上端に集光レンズ７ｄが配置され、側面にアシストガス供給口７ｃが配置され、下端（先端）にレーザ加工ノズル７ｂが配置される。レーザビームＬＢは、トーチ本体部７ａの中空部を通ってレーザ加工ノズル７ｂから被切断材料Ｗに集光照射される。
【００４３】
レーザ加工ノズル７ｂは、レーザビームＬＢ及びアシストガスの出口となる開口面である。アシストガス供給口７ｃは、図示しないアシストガス供給装置から供給されるアシストガスをトーチ本体部７ａの中空部に導入する。アシストガスは、酸素ガスとなる。トーチ本体部７ａの中空部に導入されたアシストガスは、レーザ加工ノズル７ｂから被切断材料Ｗに吹きつけられる。
【００４４】
集光レンズ７ｄは、トーチ本体部７ａ内に導入されたレーザビームＬＢを被切断材料Ｗに集光することで、被切断材料ＷにレーザビームＬＢの集光点Ｐを形成する。また、集光レンズ７ｄは、レーザ振動部６とトーチ部７との隔壁の役割も果たすので、容易にレーザ振動部６の気密性を保つことができる。ここで、集光点Ｐは、被切断材料Ｗの表面に形成してもよく、被切断材料Ｗの内部または上方に形成してもよい。
【００４５】
制御装置８は、概略的には、トーチ部７、すなわち集光点ＰをＸＹ軸方向に移動させる。さらに、制御装置８は、レーザビームＬＢの前傾角度ｃを予め設定された値に調整する。さらに、制御装置８は、集光点Ｐをトーチ部７の移動方向と直交する方向に振動させることで、集光点Ｐの軌跡を正弦波形状とする。
【００４６】
図３に示すように、制御装置８は、制御部８ａと、移動速度検出部８ｂと、演算部８ｃと、振動制御部８ｄと、アシストガス制御部８ｅとを備える。ここで、制御装置８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のハードウェア構成を備え、これらのハードウェア構成によって制御部８ａと、移動速度検出部８ｂと、演算部８ｃと、振動制御部８ｄと、アシストガス制御部８ｅとが実現される。すなわち、ＲＯＭには、制御部８ａと、移動速度検出部８ｂと、演算部８ｃと、振動制御部８ｄと、アシストガス制御部８ｅとを実現するために必要なプログラムが記録されており、ＣＰＵは、ＲＯＭに記録されたプログラムを読みだして実行する。これにより、制御部８ａと、移動速度検出部８ｂと、演算部８ｃと、振動制御部８ｄと、アシストガス制御部８ｅとが実現される。
【００４７】
制御部８ａは、レーザ切断装置１全体の制御を行う他、以下の処理を行う。すなわち、制御部８ａは、レーザ発振器４からレーザビームＬＢを射出させる。また、制御部８ａは、トーチ部７を予め設定された経路（走査線）、及び移動速度（送り速度）に従って移動させる。具体的には、制御部８ａは、台車２及びミラーボックス５ｃを移動させることで、トーチ部７を移動させる。トーチ部７の経路、及び移動速度は例えばレーザ切断装置１のユーザによって予め設定される。また、制御部８ａは、トーチ部７の現在の移動速度（移動速さ及び方向）に関するトーチ部移動速度情報を生成し、移動速度検出部８ｂに出力する。なお、トーチ部７の移動速度は、Ｘ軸方向の速度成分と、Ｙ軸方向の速度成分とで示される。図６にトーチ部７（集光点Ｐ）が移動する様子を示す。ベクトルＶは、トーチ部７の移動速度を示し、ベクトルＶｘはＸ軸方向の速度成分を示し、ベクトルＶｙはＹ軸方向の速度成分を示す。曲線２００はトーチ部７の経路を示す。なお、ベクトル２１０は集光点Ｐの振動方向を示す。
【００４８】
さらに、制御部８ａは、図４に示すように、ピエゾ素子６１ｇにオフセット駆動電圧Ａｅｘ、ピエゾ素子６２ｇにオフセット駆動電圧Ａｅｙを印加することで、レーザビームＬＢの前傾角度ｃを調整する。オフセット駆動電圧Ａｅｘ、Ａｅｙがいずれもゼロとなる場合、ミラー６ｂは通常位置６ｂ−１に配置される。このとき、前傾角度ｃは０°となる。ただし、ピエゾ素子の伸縮状態をフルストロークの中立点とするためのベースのオフセット電圧は別に印加するものとする。
【００４９】
オフセット駆動電圧Ａｅｘ、Ａｅｙの少なくとも一方がゼロ以外の値になると、ミラー６ｂは軸外し位置６ｂ−２に配置される。前傾角度ｃは軸外し位置６ｂ−２によって決まり、軸外し位置６ｂ−２は、オフセット駆動電圧Ａｅｘ、Ａｅｙの値によって決まる。すなわち、制御部８ａは、オフセット駆動電圧Ａｅｘ、Ａｅｙを調整することで、前傾角度ｃを調整することができる。オフセット駆動電圧Ａｅｘ、Ａｅｙは、以下に説明する方法（実験）により予め設定される。
【００５０】
ここで、図４に基づいて、前傾角度ｃ及びオフセット駆動電圧Ａｅｘ、Ａｅｙの設定方法について説明する。まず、前傾角度ｃを０として被切断材料Ｗを切断し、カーフフロントＫｆの傾斜角度ａを測定する。なお、前傾角度ｃ以外の切断条件は、レーザビームＬＢの光軸ＬＢａを前傾させる際の切断条件と同一とする。
【００５１】
ここで、カーフフロントＫｆの傾斜角度ａは、以下のように測定される。すなわち、図５に示すように、被切断材料Ｗの切断面には、レーザ条痕１２０が形成される。ここで、レーザ条痕１２０は、被切断材料Ｗの切断面に生じる条痕のうち、目視により１つ１つが識別可能であり、かつ略直線状に伸びる条痕を意味する。レーザ条痕の形成には、レーザビームＬＢとの相互作用による熱エネルギーが被切断材料Ｗの酸化反応による熱エネルギーよりも大きく寄与する。レーザ条痕が長いほど、切断面の美観が向上する。本実施形態では、後述するように、集光点Ｐが振動しない（すなわち、集光点Ｐがトーチ部７の移動方向に垂直な方向に振動しない）場合よりもレーザ条痕１２０を長くすることができる。傾斜角度ａは、レーザ条痕１２０（より詳細には、レーザ条痕１２０の上端と下端とを結んだ直線）とトーチ部７の移動方向に垂直な基準面１００とがなす角度となる。なお、傾斜角度ａにばらつきがある場合、所定数（例えば１０個）の測定値を算術平均した値を傾斜角度ａとすればよい。
【００５２】
次に、前傾角度ｃを設定する。上述したように、レーザビームＬＢの光軸ＬＢａを前傾させることで、カーフフロントＫｆのより広い範囲にレーザビームＬＢを照射することができる。ただし、レーザビームＬＢがカーフフロントＫｆにどの程度照射されているのかを観察することは非常に困難である。その一方で、レーザビームＬＢが照射されるカーフフロントＫｆの範囲（面積）が広いほど、断面粗さが減少するといえる。そこで、前傾角度ｃを変更しながら被切断材料Ｗを切断し、各前傾角度ｃに対する断面粗さを評価することで、前傾角度ｃを設定する。
【００５３】
ここで、前傾角度ｃは以下の手順で測定する。すなわち、図４に示すように、被切断材料Ｗを除去し、レーザビームＬＢを、被切断材料Ｗの表面から所定距離Ｌ３（例えば１ｍ）下方の測定面３００にレーザビームＬＢを照射する。そして、光軸ＬＢａと測定面３００との交点から基準面１００までの距離ｘを測定する。そして、以下の数式（１）にしたがって、前傾角度ｃを測定（算出）する。
【００５４】
ｃ＝ａｒｃｔａｎ（ｘ／Ｌ３）・・・（１）
【００５５】
そして、断面粗さを以下の方法で評価する。なお、評価方法は以下の方法に限られず、断面粗さを評価する方法であればどのような方法で評価してもよい。まず、断面上に、被切断材料Ｗの表面から１ｍｍ下方、被切断材料Ｗの厚さ方向の中心、被切断材料Ｗの裏面から１ｍｍ上方のそれぞれに所定長さ（例えば１０ｍｍ）の測定線を設定する。各測定線は、被切断材料Ｗの表面に平行である。そして、粗さ計を用いて各測定線の１０点平均粗さＲｚを測定する。そして、各測定線の１０点平均粗さの組み合わせを（平均的な）断面粗さとする。ここで、各測定線の１０点平均粗さを組み合わせる方法については、実施例で詳述する。以下、被切断材料Ｗの表面から１ｍｍ下方に設定された測定線、被切断材料Ｗの厚さ方向の中心に設定された測定線、被切断材料Ｗの裏面から１ｍｍ上方に設定された測定線を、それぞれ上側測定線、中心測定線、下側測定線とも称する。
【００５６】
そして、前傾角度ｃを振りながら断面粗さを測定すると、０＜ｃ＜ａの範囲内で、断面粗さが最小値をとる。さらに、上側測定線、中心測定線、下側測定線のいずれかの１０点平均粗さＲｚ（例えば、中心測定線の１０点平均粗さＲｚ）も最小値をとる。断面粗さが最小値となる場合に、レーザビームＬＢはカーフフロントＫｆの全体に照射されていると考えられる。すなわち、断面粗さが最も小さく、最も効果的に被切断材の切断加工が行われていると考えられる。言い換えれば、切断性が最高となる。したがって、断面粗さが最小値またはその前後の値となる範囲（以下、「極小範囲」とも称する）内で前傾角度ｃを設定することが好ましい。極小範囲は、例えば、前傾角度ｃ＝０となる場合よりも断面粗さが小さい範囲となる。
【００５７】
すなわち、前傾角度ｃは、０＜ｃ＜ａの範囲内で設定されることが好ましく、極小範囲内で設定されることがさらに好ましい。前傾角度ｃの好ましい範囲は、被切断材料Ｗの板厚によって変動する。例えば、後述する実施例に示されるように、板厚が１６ｍｍ以上となる場合、極小範囲は０．３〜０．５°となる。また、前傾角度ｃが０．４°となる場合、断面粗さが最も小さくなる。すなわち、切断性が最高となる。したがって、板厚が１６ｍｍ以上となる場合、前傾角度ｃは０．３〜０．５°以下が好ましく、０．４°がより好ましい。
【００５８】
なお、前傾角度ｃは、カーフフロントＫｆの傾斜角度ａよりも大きくてもよい。この場合であっても、カーフフロントＫｆのより広い範囲にレーザビームＬＢを照射することができる。ただし、前傾角度ｃが大きすぎると、トーチ部７の開口縁にレーザビームＬＢが掛かる可能性がある。この場合、被切断材料Ｗに照射されるレーザビームＬＢの光束が減少する。したがって、前傾角度ｃは、レーザビームＬＢが開口縁に掛からない範囲で調整されることが好ましい。上記の方法により、前傾角度ｃを設定する。
【００５９】
一方、ミラー６ｂのレーザビーム反射点から集光レンズ７ｄ内の主面までの距離をＬ１、集光レンズ７ｄの主面からレーザビームＬＢの集光点Ｐまでの距離をＬ２とすると、ミラー６ｂの傾斜角度ｂは、以下の式（２）で示される。ここで、主面は、集光レンズ７ｄへの入射側の光軸の延長線と集光レンズ７ｄの出射側の光軸の延長線との交点（主点）がなす平面である。
【００６０】
ｂ＝Ｌ２／Ｌ１×ｃ・・・（２）
【００６１】
そして、ミラー６ｂを傾斜角度ｂだけ傾けるのに必要なオフセット駆動電圧Ａｅｘ、Ａｅｙは、以下の式（３）、（４）で示される。
【００６２】
Ａｅｘ＝Ｋ１×ｂ・・・（３）
Ａｅｙ＝Ｋ２×ｂ・・・（４）
ここで、Ｋ１、Ｋ２はピエゾ素子の特性によって決まる定数である。したがって、前傾角度ｃと、上記の数式（２）〜（４）とに基づいて、オフセット駆動電圧Ａｅｘ、Ａｅｙが設定される。
【００６３】
移動速度検出部８ｂは、制御部８ａからトーチ部移動速度情報を取得し、演算部８ｃに出力する。なお、光学式または電磁式の位置センサをレーザ振動部６の下端面（被切断材料Ｗに対向する面）に設けておき、移動速度検出部８ｂは、この位置センサからの信号にもとづいて、トーチ部７の現在の移動速度を算出してもよい。
【００６４】
演算部８ｃは、トーチ部移動速度情報にもとづいて、ピエゾ素子６ｇの振動の方向（集光点Ｐの振動の方向に相当）と振動の時間周波数（集光点Ｐの振動の時間周波数に相当）を決定する。さらに、演算部８ｃは、ピエゾ素子６ｇの駆動電圧の振幅を決定する。具体的には、演算部８ｃは、集光点Ｐの振動方向がトーチ部７の移動方向と直交するように、ピエゾ素子６１ｇ、６２ｇの振動の振幅を決定する。集光点Ｐの振動方向の一例を図６に示す。図６に示すベクトルＰ２１０は、集光点Ｐの振動方向を示す。
【００６５】
また、演算部８ｃは、トーチ部７の移動速度と、以下の式（５）とにもとづいて、ピエゾ素子６ｇの振動の時間周波数を算出（決定）する。
【００６６】
ｆ＝ｃ×ｖ・・・（５）
【００６７】
ここで、ｆはピエゾ素子６ｇの振動の時間周波数（Ｈｚ）であり、ｃは定数であり、ｖはトーチ部７の移動速さ（ｍｍ／ｓ）である。
【００６８】
ここで、ｃは集光点Ｐの振動の空間周波数、すなわちトーチ部７の移動方向の単位長さ（ｍｍ）あたりに生じるレーザ条痕の数に一致する。したがって、ｃの逆数は、レーザ条痕の幅（ピッチ）に一致する。ｃを大きくすればレーザ条痕のピッチが小さくなり、ｃを小さくすればレーザ条痕のピッチが大きくなる。発明者の実験によれば、ｃは２以上６以下が好ましく、より好ましくはｃ＝４である。ｃ＝４の場合、レーザ条痕のピッチは０．２５（ｍｍ）となる。
【００６９】
演算部８ｃは、例えば、以下の式（６）にもとづいて、ピエゾ素子６ｇの駆動電圧の振幅を算出する。
【００７０】
Ａ＝２．７５−０．１５×ｖ・・・（６）
【００７１】
ここで、Ａはピエゾ素子６ｇの駆動電圧の振幅（Ｖ）であり、ｖはトーチ部７の移動速さ（ｍｍ／ｓ）である。式（６）によれば、トーチ部７の移動速さが大きいほど、ピエゾ素子６ｇの駆動電圧が小さくなる。例えば、トーチ部７の移動速さが５００（ｍｍ／ｍｉｎ）＝８．３３（ｍｍ／ｓ）となる場合、ピエゾ素子６ｇの駆動電圧は１．５（Ｖ）となる。だたし、ここではピエゾ素子のフルストローク電圧が１０Ｖであるとして説明している。
【００７２】
ここで、ピエゾ素子６ｇの駆動電圧の振幅は、集光点Ｐの振動の振幅に対応する値である。ピエゾ素子６ｇの駆動電圧の振幅が大きいほど、集光点Ｐの振動の振幅が大きくなる。したがって、トーチ部７の移動速さが大きいほど、集光点Ｐの振動の振幅が小さくなる。例えば、ピエゾ素子６ｇの駆動電圧の振幅が１．５（Ｖ）となる場合、集光点Ｐの振幅は８０μｍに設定される。したがって、トーチ部７の移動速さが６２０（ｍｍ／ｍｉｎ）＝１０．３（ｍｍ／ｓ）となる場合、ピエゾ素子６ｇの駆動電圧の振幅は式（６）により１．２（Ｖ）となり、集光点Ｐの振幅は８０×１．２／１．５＝６４（μｍ）となる。
【００７３】
オフセット駆動電圧Ａｅｘ、Ａｅｙを考慮すると、ピエゾ素子６ｇ（ピエゾ素子６１ｇ、６２ｇ）の駆動電圧は、以下の式（７）、（８）で示される。
【００７４】
Ａｘ＝Ａｅｘ＋Ａ・ｃｏｓθ・ｓｉｎ（２πｆｔ）・・・（７）
Ａｙ＝Ａｅｙ＋Ａ・ｓｉｎθ・ｓｉｎ（２πｆｔ）・・・（８）
【００７５】
ここで、Ａｘはピエゾ素子６１ｇの駆動電圧であり、Ａｅｘは上述したオフセット駆動電圧である。Ａはピエゾ素子６１ｇ、６２ｇの駆動電圧の振幅である。θは、図６に示すように、トーチ部７の移動方向（ベクトルＶの方向）とＸ軸とのなす角度である。ｆは式（５）で示される時間周波数であり、ｔは時間である。Ａｙはピエゾ素子６２ｇの駆動電圧であり、Ａｅｙは上述したオフセット駆動電圧である。したがって、ミラー６ｂは、オフセット駆動電圧Ａｅｘ、Ａｅｙによって決まる軸外し位置６ｂ−２を中心として第１及び第２の回動方向に振動する。
【００７６】
なお、集光点Ｐの振幅をレーザビームＬＢのスポット径で除算した値は、０．０４以上０．２以下であることが好ましい。ここで、レーザビームＬＢのスポット径は、被切断材料Ｗの表面のうち、レーザビームＬＢが照射される部分（いわゆるスポット）の直径である。この条件が満たされる場合、被切断材料Ｗ裏面での溶け落ち量が抑制される。
【００７７】
演算部８ｃは、上記の各パラメータの他、アシストガス圧を決定してもよい。すなわち、本発明者は、カーフ幅が大きくなるほどアシストガス圧を低下させることで、切断面の美観が向上することを見出した。ここで、カーフ幅は、レーザビームＬＢの集光照射により溶融した部分、すなわちカーフの幅である。本実施形態では、集光点Ｐはトーチ部７の移動方向と直交する方向に振動するので、カーフ幅は集光点Ｐが振動しない場合よりも拡大する。集光点Ｐの振幅が大きいほど、カーフ幅は拡大する。したがって、演算部８ｃは、集光点Ｐの振幅が大きくなるほど、アシストガス圧を小さくする。
【００７８】
例えば、演算部８ｃは、カーフ幅が０．７ｍｍとなる場合のアシストガス圧を０．０２５ＭＰａに決定し、カーフ幅が０．８２ｍｍとなる場合のアシストガス圧を０．０２０Ｍｐａに決定してもよい。なお、アシストガス圧の具体的な値は、被切断材料Ｗの種類毎に設定される。
【００７９】
演算部８ｃは、ピエゾ素子６ｇの振動方向、振動の時間周波数、及び駆動電圧の振幅に関する振動制御情報を生成し、振動制御部８ｄに出力する。演算部８ｃは、アシストガス圧を決定した場合には、アシストガス圧に関するアシストガス制御情報を生成し、アシストガス制御部８ｅに出力する。
【００８０】
振動制御部８ｄは、演算部８ｃから与えられた振動制御情報にもとづいて、ピエゾ素子６ｇを駆動する。例えば、振動制御部８ｄは、集光点Ｐの振動方向がＸ軸方向となる場合、ミラー６ｄが第１の回動方向に振動するように、ピエゾ素子６ｇを駆動する。振動制御部８ｄは、集光点Ｐの振動方向がＹ軸方向となる場合、ミラー６ｄが第２の回動方向に振動するように、ピエゾ素子６ｇを駆動する。また、振動制御部８ｄは、ミラー６ｄを集光点Ｐの振動の時間周波数で振動させる。また、振動制御部８ｄは、ピエゾ素子６ｇを振動制御情報が示す駆動電圧の振幅で駆動する。
【００８１】
アシストガス制御部８ｅは、アシストガスを予め設定されたアシストガス圧及び流量でトーチ本体部７ａ内に導入する。アシストガス制御部８ｅは、アシストガス制御情報が与えられた場合には、アシストガスをアシストガス制御情報が示すアシストガス圧でトーチ本体部７ａ内に導入する。
【００８２】
このように、制御装置８は、レーザビームＬＢを前傾させる。さらに、制御装置８は、ミラーボックス５ｃをＹ軸方向に移動させる際に、ミラー６ｄを第１の回動方向に振動させる。これにより、制御装置８は、トーチ部７をＹ軸方向に進行させ、かつ、集光点ＰをＸ軸方向に振動させる。一方、制御装置８は、台車２をＸ軸方向に移動させる際に、ミラー６ｄを第２の回動方向に振動させる。これにより、制御装置８は、トーチ部７をＸ軸方向に進行させ、かつ、集光点ＰをＹ軸方向に振動させる。これにより、集光点Ｐの軌跡は正弦波形状となる。
【００８３】
＜４．レーザ切断方法＞
次に、レーザ切断装置１の動作、すなわちレーザ切断装置１を用いたレーザ切断方法について説明する。
【００８４】
制御部８ａは、レーザ発振器４にレーザビームＬＢを射出させる。レーザビームＬＢは、ミラーボックス５ａ〜５ｃ、レーザ振動部６、及びトーチ部７を通って被切断材料Ｗに集光照射される。さらに、制御部８ａは、トーチ部７を予め設定された経路、及び移動速度に従って移動させる。また、制御部８ａは、トーチ部７の現在の移動速度に関するトーチ部移動速度情報を生成し、移動速度検出部８ｂに出力する。さらに、制御部８ａは、予め設定されたオフセット駆動電圧Ａｅｘ、Ａｅｙをピエゾ素子６１ｇ、６２ｇに印加する。これにより、レーザビームＬＢが前傾角度ｃだけ前傾する。
【００８５】
次いで、移動速度検出部８ｂは、制御部８ａからトーチ部移動速度情報を取得し、演算部８ｃに出力する。演算部８ｃは、トーチ部移動速度情報に基づいて、ピエゾ素子６ｇの振動方向、振動の時間周波数、及び駆動電圧の振幅を決定する。演算部８ｃは、アシストガス圧を決定してもよい。演算部８ｃは、ピエゾ素子６ｇの振動方向、振動の時間周波数、及び駆動電圧の振幅に関する振動制御情報を生成し、振動制御部８ｄに出力する。演算部８ｃは、アシストガス圧を決定した場合には、アシストガス圧に関するアシストガス制御情報を生成し、アシストガス制御部８ｅに出力する。
【００８６】
振動制御部８ｄは、演算部８ｃから与えられた振動制御情報にもとづいて、ピエゾ素子６ｇを駆動する。アシストガス制御部８ｅは、アシストガスを予め設定されたアシストガス圧及び流量でトーチ本体部７ａ内に導入する。アシストガス制御部８ｅは、アシストガス制御情報が与えられた場合には、アシストガスをアシストガス制御情報が示すアシストガス圧でトーチ本体部７ａ内に導入する。トーチ本体部７ａ内に導入されたアシストガスは、レーザ加工ノズル７ｂから被切断材料Ｗに吹きつけられる。
【００８７】
これにより、レーザ切断装置１は、レーザビームＬＢを被切断材料Ｗに集光照射し、レーザビームＬＢの集光点Ｐを被切断材料Ｗ上でトーチ部７の移動方向と直交する方向に振動させながら走査する。これにより、レーザ切断装置１は、被切断材料Ｗを切断する。具体的には、被切断材料Ｗは、レーザビームＬＢとの相互作用による熱エネルギーを吸収することで、溶融する。さらに、レーザ切断装置１は、アシストガス（酸素ガス）を噴射する。未溶融の被切断材料Ｗは、溶融した被切断材料Ｗ、即ち溶融材料から熱エネルギーが与えられ、昇温する。そして、昇温した未溶融の被切断材料Ｗは、酸素ガスによって酸化され、これによって発生した熱エネルギーによっても溶融する。溶融材料は、アシストガスにより被切断材料Ｗの下方から排出される。これにより、被切断材料Ｗが切断される。レーザ切断装置１は、被切断材料Ｗを切断することで、所望の形状のレーザ切断材料を作製する。
【００８８】
したがって、本実施形態に係るレーザ切断装置１は、レーザビームＬＢの光軸ＬＢａを前傾させる。これにより、レーザ切断装置１は、カーフフロントＫｆのより広い範囲にレーザビームＬＢを照射することができる。この結果、断面粗さを低減することが可能となる。特に、被切断材料Ｗの板厚が大きくなるほど、被切断材料Ｗを切断するのにより大きなエネルギーが必要となる。この点、レーザ切断装置１は、レーザビームＬＢの光軸ＬＢａを前傾させることで、カーフフロントＫｆにより効果的にエネルギーを供給することができる。したがって、レーザ切断装置１は、板厚の大きな被切断材料Ｗも効果的に切断することができ、かつ、断面粗さを低減することができる。すなわち、レーザ切断能力が向上する。
【００８９】
また、レーザ切断装置１は、カーフフロントＫｆに効果的にエネルギーを供給することができるので、トーチ部７の移動速度を大きくすることができる。従来のレーザ切断方法では、カーフフロントＫｆの上端部だけにしかレーザビームＬＢを照射することができなかった。このため、レーザビームＬＢのエネルギーを効果的にカーフフロントＫｆに供給することができなかった。このため、板厚が大きい場合には、トーチ部７の移動速度を大きく減少させる必要があった。これに対し、本実施形態では、カーフフロントＫｆのより広い範囲にレーザビームＬＢを照射することができる。すなわち、被切断材料Ｗの板厚が大きくなっても、レーザビームＬＢのエネルギーを効果的にカーフフロントＫｆに供給することができる。したがって、本実施形態では、板厚が大きい場合であっても、トーチ部７の移動速度を向上することができる。
【００９０】
さらに、レーザ切断装置１は、従来のレーザ切断装置と同一の出力で比較した場合に、切断面の美観が向上する。すなわち、レーザ切断装置１は、カーフフロントＫｆのより広い範囲にレーザビームＬＢを照射することができるので、被切断材料Ｗを効果的に溶融し、除去することができる。すなわち、溶融材料がよりスムーズに溶融し、排出される。このため、被切断材料Ｗの断面の美観が向上する（例えば、レーザ条痕が長くなる）。また、レーザ切断装置１は、被切断材料Ｗの切断に要する熱エネルギーを低減することができる。
【００９１】
さらに、レーザ切断装置１は、レーザビームＬＢの集光点Ｐを被切断材料Ｗ上でトーチ部７の移動方向と直交する方向に振動させるので、カーフの幅を集光点Ｐが振動しない場合よりも大きくすることができる。したがって、レーザ切断装置１は、集光点Ｐが振動しない場合よりも溶融材料を効率よく排出することができる。
【００９２】
さらに、レーザ切断装置１は、レーザビームＬＢの集光点Ｐを被切断材料Ｗ上でトーチ部７の移動方向と直交する方向に振動させるので、被切断材料Ｗの切断面に一定の空間周波数でレーザビームＬＢを接触させることができる。したがって、切断面に形成されるレーザ条痕の幅（ピッチ）を一定にすることができる。ここで、レーザ条痕の幅が一定であるとは、レーザ条痕の最大幅（最大ピッチ）と最小幅（最小ピッチ）との比（最大幅／最小幅）が２未満であることを意味する。
【００９３】
ここで、レーザ条痕は、上述したように、被切断材料Ｗの切断面に生じる条痕のうち、目視により１つ１つが識別可能な条痕を意味する。レーザ条痕の形成には、レーザビームＬＢとの相互作用による熱エネルギーが被切断材料Ｗの酸化反応による熱エネルギーよりも大きく寄与する。レーザビームＬＢとの相互作用による熱エネルギーにより溶融する部分は、レーザビームＬＢが通過する部分及びその周辺の一定領域に限られるので、レーザ条痕の各々は目視により区別可能である。一方、昇温した未溶融の被切断材料Ｗはランダムに酸化反応を起こす。したがって、レーザ条痕以外の条痕、すなわち被切断材料Ｗの酸化反応による熱エネルギーがレーザビームＬＢとの相互作用による熱エネルギーよりも大きく寄与することで形成された条痕は、目視により区別できない。
【００９４】
このように、レーザ条痕は、切断面の美観に大きく寄与する。本実施形態では、レーザ条痕の幅（ピッチ）を一定にすることができるので、切断面形状が規則的になり、ひいては、切断面の美観が向上する。
【００９５】
さらに、本実施形態では、レーザ条痕の幅（ピッチ）が一定となるので、レーザ条痕を通る溶融材料の流速が一定となる。すなわち、カーフ内での溶融材料の流れが安定する。これにより、被切断材料Ｗの下方から排出される溶融材料の量がカーフの長さ方向で一定となる。
【００９６】
一方、集光点Ｐを振動させずに形成したレーザ条痕の幅（ピッチ）はばらつくので、レーザ条痕を通る溶融材料の流速もばらつく。すなわち、溶融材料の流速に脈動が生じる。そして、例えば隣接するレーザ条痕の幅（ピッチ）の比が２倍以上となる領域では、溶融材料がカーフの側方に溢れる。被切断材料Ｗを構成する材料のうち、溶融材料に接触した部分は昇温し、酸化反応を起こす。そして、酸化反応を起こした部分は、当該酸化反応により発生した熱エネルギーによって溶融する。このため、溶け落ちが発生する。また、溶融材料が過剰に生成されるので、カーフ内で溶融材料が詰まる場合がある。カーフ内に詰まった材料は、未溶融の被切断材料Ｗを昇温する。昇温した未溶融の被切断材料Ｗは、酸化反応を起こし、この酸化反応によって発生した熱エネルギーにより溶融する。したがって、溶融材料がさらに過剰になるので、溶け落ち量が増大する他、切断面のえぐれ、セルフバーニングも発生しやすくなる。
【００９７】
これに対し、本実施形態では、被切断材料Ｗの下方から排出される溶融材料の量がカーフの長さ方向で一定となるので、裏面の溶け落ち量が低減し、切断面のえぐれ、及びセルフバーニングの発生も抑制される。
【００９８】
また、本実施形態では、レーザ条痕を通る溶融材料の流速が一定となることから、本実施形態のレーザ条痕は、集光点Ｐを振動させずに形成したレーザ条痕よりも長くなる。この点でも、切断面の美観が向上し、かつ、カーフ内での溶融材料の流れが安定する。このように、レーザ条痕の幅（ピッチ）を一定とすること、及びレーザ条痕を長くすることは、裏面の溶け落ち量を低減するための手段であるとともに、切断面の美観を向上するという効果も有する。すなわち、レーザ切断材料には、切断面の美観を向上することが求められている。これに対し、本実施形態では、レーザ条痕を一定にし、かつレーザ条痕を長くすることで、切断面の美観を向上するという目的を達成することができる。
【実施例】
【００９９】
次に、本発明の実施例及び比較例について説明する。実施例及び比較例では、被切断材料ＷとしてＳＳ４００黒皮材を用いた。板厚は３２ｍｍであった。また、レーザ切断装置として日酸ＴＡＮＡＫＡ社製ＬＭＸＶＩＩ３５−６０００を用い、切断条件を以下のように設定した。
線源：ＣＯ２
レーザ出力：６０００Ｗ
周波数：５００Ｈｚ
デューティ比：６５％
トーチ部７の移動速度（送り速度）：５５０ｍｍ／ｍｉｎ
酸素圧：２２（＊１０６Ｐａ）
倣い高さ（トーチ部７の下端面から被切断材料Ｗの表面までの距離）：２ｍｍ
【０１００】
また、ピエゾ素子６ｇの振動条件は以下のとおりとした。
駆動電圧の振幅：１．２Ｖ
駆動電圧の時間周波数：４１Ｈｚ
式（５）中のｃ＝４（トーチ部７の移動方向の単位長さ（ｍｍ）あたりにレーザ条痕は４つ形成される。レーザ条痕の幅の理論値は０．２５ｍｍ。）
【０１０１】
まず、前傾角度ｃ＝０°とし、上記の切断条件、振動条件の下で被切断材料Ｗを切断した。そして、このときの断面粗さを測定した。具体的には、上側測定線、中心測定線、下側測定線の各々に対する１０点平均粗さＲｚ（μｍ）を測定した。上側測定線と下側測定線は、それぞれ表面から１ｍｍの位置に設定した。粗さ計は東京精密製サーフコム４７０Ａを用いた。さらに、上述した方法によりカーフフロントＫｆの傾斜角度ａを測定した。すなわち、条痕の上端と下端を結んだ直線と基準線とのなす角を傾斜角度ａとして計測した。この結果、傾斜角度ａは０．６度となった。
【０１０２】
そして、前傾角度ｃを０．１°〜０．５°の範囲内（＜傾斜角度ａ）で振って、上記の切断条件、振動条件の下で被切断材料Ｗを切断した。そして、各前傾角度ｃに対する断面粗さを測定した。評価結果を図７にヒストグラムで示す。図７のヒストグラムの「上」は、上側測定線の１０点平均粗さＲｚを示し、「中」は中心測定線の１０点平均粗さＲｚを示し、「下」は下側測定線の１０点平均粗さＲｚを示す。「上」、「中」、「下」のヒストグラムを組み合わせることで、切断面の平均的な断面粗さを求めた。すなわち、「上」、「中」、「下」の間で断面粗さは連続的に変化していると考え、板厚方向を横軸に、断面粗さを縦軸にとった座標軸を考え、「上」、「中」、「下」の断面粗さを示す３点を通る二次曲線を引き、「中」を中心とした板厚方向±１５ｍｍの領域で積分した値を板厚方向の領域３０ｍｍで除して平均的な断面粗さとした。前傾角度ｃが０．１°〜０．５°に対する平均的な断面粗さを求め、図７に破線の折れ線で示した。前傾角度ｃ＝０．０°は本実施形態の比較例に相当し、前傾角度ｃ＝０．１°〜０．５°は本実施形態の実施例に相当する。
【０１０３】
図７に示すように、破線の折れ線で示した平均的な断面粗さは、ｃ＝０．３，０．４，０．５°で比較例であるｃ＝０．０°に比べて小さくなっていることが判る。ヒストグラムで示した中心測定線の１０点平均粗さＲｚも、ｃ＝０．３，０．４，０．５°で比較例であるｃ＝０．０°に比べて小さくなっていることが判る。すなわち、極小範囲は０．３〜０．５°となることもわかった。特に、ヒストグラムで示した中心測定線の１０点平均粗さＲｚと破線の折れ線で示した平均的な断面粗さが前傾角度ｃ＝０．４°で最小値をとることがわかった。したがって、前傾角度ｃ＝０．４°となる場合に、断面粗さが最も小さく、最も効果的に被切断材の切断加工が行われていると考えられる。なお、「下」の下側測定線の１０点平均粗さＲｚが９０μｍ程度の数値を示しているが、板厚を考慮すれば低い値であり妥当な数値である。一方、前傾角度ｃが大きくなるほど、ドロス（溶融金属）の排出遅れが減少した。すなわち、ドロスは切断を横から観察した場合に、被切断材料Ｗの裏面から鉛直下方、もしくはやや切断方向の前方に排出されるのが最良で、ドロスの排出方向がトーチ部７の移動方向に対して逆方向に傾くほどドロスの排出が遅れることになる。すなわち、前傾角度ｃが大きくなるほど、レーザ光のエネルギーを十分に吸収してドロスが高温になるために粘性が低下し、カーフフロントを滑り落ちやすくなり、アシストガスの運動量を受けて前方に飛び出すようになると考えられる。以上より、前傾角度ｃ＝０．４°となる場合に、断面が最も美麗となり、効果的に被切断材の除去加工が行われていると考えられる。
【０１０４】
本発明者は、板厚１６ｍｍ、２５ｍｍのＳＳ４００黒皮材を用いて同様の実験を行ったが、上述した結果と同様の結果が得られた。これらの結果から、レーザビームＬＢの光軸ＬＢａを前傾させることで、切断性を向上できることが確認できた。すなわち、傾斜角度ａに近い範囲内で前傾角度ｃの極小範囲が存在し、さらに、前傾角度ｃの極小範囲内で切断性が最高となる前傾角度ｃが存在することもわかった。例えば、板厚が１６ｍｍ以上となる場合、極小範囲は０．３〜０．５°となり、前傾角度ｃが０．４°となる場合に切断性が最高となることがわかった。
【０１０５】
以上により、本実施形態によれば、レーザビームＬＢの光軸ＬＢａを前傾させ、かつ、前傾角度ｃをカーフフロントＫｆの傾斜角度ａよりも小さくしたので、レーザビームＬＢをカーフフロントＫｆのより広い範囲に照射することができ、ひいては、断面粗さを安定的に低減することができる。すなわち、本実施形態に係るレーザ切断装置１は、切断性を向上することができる。
【０１０６】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１０７】
例えば、上記実施形態では、集光点Ｐの振動方向をトーチ部７の移動方向と直交する方向としたが、集光点Ｐの振動方向はトーチ部７の移動方向に交差する方向であれば良い。
【０１０８】
また、上述した実施形態では、被切断材料Ｗとして、軟鋼を挙げたが、被切断材料Ｗは、レーザビームＬＢとの相互作用による熱エネルギーによって溶融するものであればどのようなものであってもよい。本実施形態は、被切断材料ＷをレーザビームＬＢとの相互作用による熱エネルギーによって切断（溶断）する際にレーザビームＬＢを前傾させることによって、断面粗さを低減するものである。したがって、被切断材料ＷとしてレーザビームＬＢとの相互作用による熱エネルギーによって溶融するものを用いることによって、上記の効果が得られる。
【０１０９】
たとえば、被切断材料Ｗは、軟鋼以外の鋼材、例えば高強度鋼、ステンレス鋼であってもよい。ここで、上述した実施例では軟鋼を切断する際のレーザ切断条件を列挙したが、他の鋼材を被切断材料Ｗとする際のレーザ切断条件は以下のとおりである。すなわち、高強度鋼をレーザ切断する場合には、溶鋼を排除するアシストガスとしての酸素ガスの圧力を本実施例よりも高く、レーザ出力も高く、また、必要に応じ送り速度を低く設定すれば良い。それ以外のレーザ切断条件は、上述した実施例と同じでよい。また、ステンレス鋼をレーザ切断する場合は、溶鋼を排除するアシストガスを窒素とし、レーザ出力を本実施例よりも高く、また、必要に応じ送り速度を低く設定すれば良い。それ以外のレーザ切断条件は、上述した実施例と同じでよい。また、被切断材料Ｗは、レーザビームＬＢとの相互作用による熱エネルギーによって溶融するものであれば軟鋼、高強度鋼、及びステンレス鋼以外の鋼材であってもよく、さらには鋼材以外の材料であってもよい。
【符号の説明】
【０１１０】
１      レーザ切断装置
２      台車
３      レール
４      レーザ発振器
５ａ〜５ｃ    ミラーボックス
５ｅ      道通管
６      レーザ振動部
６ａ    ミラーボックス
６ｂ、６ｄ    ミラー
６ｃ、６ｅ    ミラーホルダー
６ｇ、６１ｇ、６２ｇ    ピエゾ素子
７      トーチ部
７ａ    トーチ本体部
７ｂ    レーザ加工ノズル
７ｃ    アシストガス供給口
７ｄ    集光レンズ
８      制御装置
【図１】
2016055326.tif 000003
【図２】
2016055326.tif 000004
【図３】
2016055326.tif 000005
【図４】
2016055326.tif 000006
【図５】
2016055326.tif 000007
【図６】
2016055326.tif 000008
【図７】
2016055326.tif 000009
【図８】
2016055326.tif 000010
【図９】
2016055326.tif 000011