(57)【要約】【課題】ドロスの発生を十分に抑制することができるレーザ加工機を提供する。【解決手段】レーザ光が、レーザ光のビームスポットの面積のうち、ビームスポットの中心から面積内の全熱エネルギのうちの４４％の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間ｔｐとする。ｃを比熱、ρを密度、λを熱伝導度、Ｔを融解温度、Ｔ０を環境温度、Ａを光吸収率、Ｐｄを内部領域のエネルギ密度として、式（１）で計算される時間を板材ＡＷが融解する融解時間ｔｍとする。板材の板厚をｘ、融解時間ｔｍを移動時間ｔｐで除したｔｍ／ｔｐの値をｙとしたとき、レーザ加工ユニット２０は、値ｙを式（２）で得られる下限値から式（３）で得られる上限値までの間となるように設定して、板材ＡＷを切断加工する。  ｔｍ＝ｃ×ρ×λ×π［（Ｔ−Ｔ０）／（２×Ａ×Ｐｄ）］２    …（１）  ｙ＝0.0027e0.36x    …（２）  ｙ＝0.0026e0.4512x    …（３）【選択図】図１
2017192986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長が１μｍ帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から射出されたレーザ光を、１０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工するレーザ加工ユニットと、
を備え、
レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの４４％の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間ｔｐとし、
ｃを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Ｔを前記板材の融解温度、Ｔ０を環境温度、Ａを前記板材の光吸収率、Ｐｄを前記内部領域のエネルギ密度として、式（１）で計算される時間を前記板材が融解する融解時間ｔｍとし、
ｔｍ＝ｃ×ρ×λ×π［（Ｔ−Ｔ０）／（２×Ａ×Ｐｄ）］２    …（１）
前記板材の板厚をｘ、融解時間ｔｍを移動時間ｔｐで除したｔｍ／ｔｐの値をｙとしたとき、
ｙ＝0.0027e0.36x    …（２）
ｙ＝0.0026e0.4512x    …（３）
前記レーザ加工ユニットは、値ｙを式（２）で得られる下限値から式（３）で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工する
ことを特徴とするレーザ加工機。
【請求項２】
式（２）及び式（３）を保持する保持部と、
前記レーザ加工ユニットによって、１０００系の材料記号を有するアルミニウムの所定の板厚の板材を設定された加工条件で切断加工しようとするときに、値ｙが式（２）で得られる下限値から式（３）で得られる上限値までの間となるか否かを判定して、判定結果を表示部に表示するよう制御する制御装置と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
【請求項３】
波長が１μｍ帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から射出されたレーザ光を、５０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工するレーザ加工ユニットと、
を備え、
レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの４４％の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間ｔｐとし、
ｃを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Ｔを前記板材の融解温度、Ｔ０を環境温度、Ａを前記板材の光吸収率、Ｐｄを前記内部領域のエネルギ密度として、式（１）で計算される時間を前記板材が融解する融解時間ｔｍとし、
ｔｍ＝ｃ×ρ×λ×π［（Ｔ−Ｔ０）／（２×Ａ×Ｐｄ）］２    …（１）
前記板材の板厚をｘ、融解時間ｔｍを移動時間ｔｐで除したｔｍ／ｔｐの値をｙとしたとき、
ｙ＝0.0009e0.5839x    …（４）
ｙ＝0.0019e0.4582x    …（５）
前記レーザ加工ユニットは、値ｙを式（４）で得られる下限値から式（５）で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工する
ことを特徴とするレーザ加工機。
【請求項４】
式（４）及び式（５）を保持する保持部と、
前記レーザ加工ユニットによって、１０００系の材料記号を有するアルミニウムの所定の板厚の板材を設定された加工条件で切断加工しようとするときに、値ｙが式（４）で得られる下限値から式（５）で得られる上限値までの間となるか否かを判定して、判定結果を表示部に表示するよう制御する制御装置と、
をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工機。
【請求項５】
前記板材の板厚は、２ｍｍ〜４ｍｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
【請求項６】
波長が１μｍ帯であるレーザ光を、１０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、
前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工し、
レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの４４％の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間ｔｐとし、
ｃを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Ｔを前記板材の融解温度、Ｔ０を環境温度、Ａを前記板材の光吸収率、Ｐｄを前記内部領域のエネルギ密度として、式（１）で計算される時間を前記板材が融解する融解時間ｔｍとし、
ｔｍ＝ｃ×ρ×λ×π［（Ｔ−Ｔ０）／（２×Ａ×Ｐｄ）］２    …（１）
前記板材の板厚をｘ、融解時間ｔｍを移動時間ｔｐで除したｔｍ／ｔｐの値をｙとしたとき、
ｙ＝0.0027e0.36x    …（２）
ｙ＝0.0026e0.4512x    …（３）
値ｙを式（２）で得られる下限値から式（３）で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工する
ことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項７】
式（２）及び式（３）を保持部に保持し、
１０００系の材料記号を有するアルミニウムの所定の板厚の板材を設定された加工条件で切断加工しようとするときに、値ｙが式（２）で得られる下限値から式（３）で得られる上限値までの間となるか否かを判定し、
判定結果に基づき、値ｙが式（２）で得られる下限値から式（３）で得られる上限値までの間となるか否かで異なる文字、記号、または画像を表示部に表示する
ことを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工方法。
【請求項８】
波長が１μｍ帯であるレーザ光を、５０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、
前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工し、
レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの４４％の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間ｔｐとし、
ｃを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Ｔを前記板材の融解温度、Ｔ０を環境温度、Ａを前記板材の光吸収率、Ｐｄを前記内部領域のエネルギ密度として、式（１）で計算される時間を前記板材が融解する融解時間ｔｍとし、
ｔｍ＝ｃ×ρ×λ×π［（Ｔ−Ｔ０）／（２×Ａ×Ｐｄ）］２    …（１）
前記板材の板厚をｘ、融解時間ｔｍを移動時間ｔｐで除したｔｍ／ｔｐの値をｙとしたとき、
ｙ＝0.0009e0.5839x    …（４）
ｙ＝0.0019e0.4582x    …（５）
値ｙを式（４）で得られる下限値から式（５）で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工する
ことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項９】
式（４）及び式（５）を保持部に保持し、
５０００系の材料記号を有するアルミニウムの所定の板厚の板材を設定された加工条件で切断加工しようとするときに、値ｙが式（４）で得られる下限値から式（５）で得られる上限値までの間となるか否かを判定し、
判定結果に基づき、値ｙが式（４）で得られる下限値から式（５）で得られる上限値までの間となるか否かで異なる文字、記号、または画像を表示部に表示する
ことを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工方法。
【請求項１０】
前記板材の板厚は、２ｍｍ〜４ｍｍであることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を照射してアルミニウムの板材を切断するレーザ加工機及びレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ発振器から射出されたレーザ光を被加工物に照射することにより被加工物を切断加工するレーザ加工機が普及している。レーザ発振器として、ＣＯ２レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）等の各種の発振器がある。
【０００３】
ＣＯ２レーザ発振器は、装置が大型化し、高コストである。これに対して、ファイバレーザ発振器やＤＤＬ発振器は、装置を小型化することができ、低ランニングコストである。また、ＣＯ２レーザ発振器は、射出するレーザ光の波長が１０μｍ程度であるのに対し、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器は、射出するレーザ光の波長が１μｍ程度である。従って、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器が射出するレーザ光は、ビームウエストが小さく、パワー密度が高いため、板厚が薄い板材を高速で加工するのに適している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１７００７７号公報
【特許文献２】特表２０１５−５００５７１号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】片山、「溶接接合教室−基礎を学ぶ  第１章  溶接法および機器  （１−４）レーザ溶接」、溶接学会誌  第７８巻（２００９）第２号、溶接学会、２００９年３月、ｐ１２４〜１３８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
レーザ加工機が、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器より射出された１μｍ帯のレーザ光を用いて被加工物としてアルミニウムを主成分とする板材を切断すると、ドロスが発生しやすい。特許文献１にはドロスの発生を抑制する手法が記載されているが、特許文献１に記載された手法のみではドロスの発生を十分に抑制することができないことがあった。そこで、アルミニウムの板材を切断する際のドロスの発生を十分に抑制する新たな手法が望まれる。
【０００７】
本発明は、ドロスの発生を十分に抑制して、アルミニウムの板材を良好な切断加工品質で切断することができるレーザ加工機及びレーザ加工方法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】
【０００８】
本発明は、波長が１μｍ帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から射出されたレーザ光を、１０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工するレーザ加工ユニットとを備え、レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの４４％の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間ｔｐとし、ｃを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Ｔを前記板材の融解温度、Ｔ０を環境温度、Ａを前記板材の光吸収率、Ｐｄを前記内部領域のエネルギ密度として、式（１）で計算される時間を前記板材が融解する融解時間ｔｍとし、前記板材の板厚をｘ、融解時間ｔｍを移動時間ｔｐで除したｔｍ／ｔｐの値をｙとしたとき、前記レーザ加工ユニットは、値ｙを式（２）で得られる下限値から式（３）で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工することを特徴とするレーザ加工機を提供する。
ｔｍ＝ｃ×ρ×λ×π［（Ｔ−Ｔ０）／（２×Ａ×Ｐｄ）］２    …（１）
ｙ＝0.0027e0.36x    …（２）
ｙ＝0.0026e0.4512x    …（３）
【０００９】
本発明は、波長が１μｍ帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から射出されたレーザ光を、５０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工するレーザ加工ユニットとを備え、レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの４４％の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間ｔｐとし、ｃを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Ｔを前記板材の融解温度、Ｔ０を環境温度、Ａを前記板材の光吸収率、Ｐｄを前記内部領域のエネルギ密度として、式（１）で計算される時間を前記板材が融解する融解時間ｔｍとし、前記板材の板厚をｘ、融解時間ｔｍを移動時間ｔｐで除したｔｍ／ｔｐの値をｙとしたとき、前記レーザ加工ユニットは、値ｙを式（４）で得られる下限値から式（５）で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工することを特徴とするレーザ加工機を提供する。
ｔｍ＝ｃ×ρ×λ×π［（Ｔ−Ｔ０）／（２×Ａ×Ｐｄ）］２    …（１）
ｙ＝0.0009e0.5839x    …（４）
ｙ＝0.0019e0.4582x    …（５）
【００１０】
本発明は、波長が１μｍ帯であるレーザ光を、１０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工し、レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの４４％の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間ｔｐとし、ｃを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Ｔを前記板材の融解温度、Ｔ０を環境温度、Ａを前記板材の光吸収率、Ｐｄを前記内部領域のエネルギ密度として、式（１）で計算される時間を前記板材が融解する融解時間ｔｍとし、前記板材の板厚をｘ、融解時間ｔｍを移動時間ｔｐで除したｔｍ／ｔｐの値をｙとしたとき、値ｙを式（２）で得られる下限値から式（３）で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工することを特徴とするレーザ加工方法を提供する。
ｔｍ＝ｃ×ρ×λ×π［（Ｔ−Ｔ０）／（２×Ａ×Ｐｄ）］２    …（１）
ｙ＝0.0027e0.36x    …（２）
ｙ＝0.0026e0.4512x    …（３）
【００１１】
本発明は、波長が１μｍ帯であるレーザ光を、５０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工し、レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの４４％の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間ｔｐとし、ｃを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Ｔを前記板材の融解温度、Ｔ０を環境温度、Ａを前記板材の光吸収率、Ｐｄを前記内部領域のエネルギ密度として、式（１）で計算される時間を前記板材が融解する融解時間ｔｍとし、前記板材の板厚をｘ、融解時間ｔｍを移動時間ｔｐで除したｔｍ／ｔｐの値をｙとしたとき、値ｙを式（４）で得られる下限値から式（５）で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工することを特徴とするレーザ加工方法を提供する。
ｔｍ＝ｃ×ρ×λ×π［（Ｔ−Ｔ０）／（２×Ａ×Ｐｄ）］２    …（１）
ｙ＝0.0009e0.5839x    …（４）
ｙ＝0.0019e0.4582x    …（５）
【発明の効果】
【００１２】
本発明のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、ドロスの発生を十分に抑制して、アルミニウムの板材を良好な切断加工品質で切断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施形態のレーザ加工機の全体的な構成例を示す斜視図である。
【図２】一実施形態のレーザ加工機の混合ガス供給部の概略的な構成例を示す図である。
【図３】リング形状のビームプロファイルを示す図である。
【図４】図１中のレーザ発振器をファイバレーザ発振器で構成した場合の概略的な構成を示す図である。
【図５】図１中のレーザ発振器をダイレクトダイオードレーザ発振器で構成した場合の概略的な構成を示す図である。
【図６Ａ】１０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材を切断したときの各サンプルのパラメータを示す図である。
【図６Ｂ】１０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材を切断したときの指標と評価との関係を示す図である。
【図７】１０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材を切断するときの板厚と指標の下限値及び上限値との関係を近似式で示す特性図である。
【図８Ａ】５０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材を切断したときの各サンプルのパラメータを示す図である。
【図８Ｂ】５０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材を切断したときの指標と評価との関係を示す図である。
【図９】５０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材を切断するときの板厚と指標の下限値及び上限値との関係を近似式で示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、一実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法について、添付図面を参照して説明する。本実施形態においては、波長が１μｍ帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器として、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器を用いた場合を説明する。ファイバレーザ発振器が射出するレーザ光の波長は一般的に１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍ、ＤＤＬ発振器が射出するレーザ光の波長は一般的に９１０ｎｍ〜９５０ｎｍである。波長９００〜１１００を１μｍ帯と称する。
【００１５】
図１に示すように、レーザ加工機１は、一点鎖線にて示すレーザ光をアルミニウムを主成分とする板材ＡＷ（以下、アルミ板材ＡＷと称す）に照射することにより、アルミ板材ＡＷを切断加工する。レーザ加工機１は、レーザ発振器１０と、レーザ加工ユニット２０と、プロセスファイバ２と、制御装置５０と、操作部５１と、表示部５２とを備える。制御装置５０は保持部５０１を備える。保持部５０１は制御装置５０の外部に設けられていてもよい。制御装置５０は、ＮＣ装置によって構成することができる。
【００１６】
制御装置５０は、レーザ発振器１０及びレーザ加工ユニット２０を制御する。オペレータは、操作部５１を操作してアルミ板材ＡＷを加工するときの各種のパラメータを設定することができる。制御装置５０は、自動的に設定されるパラメータまたは操作部５１によって手動で設定されたパラメータに基づいて、アルミ板材ＡＷを加工するようレーザ加工機１を制御する。制御装置５０は、表示部５２に各種の情報を表示するよう制御する。
【００１７】
レーザ発振器１０は、波長が１μｍ帯であるレーザ光を生成して射出する。レーザ発振器１０は、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器である。但し、波長が１μｍ帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器であれば、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器以外であってもよい。
【００１８】
プロセスファイバ２は、入力端側がレーザ発振器１０に接続され、出力端側がレーザ加工ユニット２０に接続されている。プロセスファイバ２は、レーザ加工ユニット２０に配置されたＸ軸及びＹ軸のケーブルダクト（図示せず）に沿って装着されている。プロセスファイバ２は、レーザ発振器１０から射出されたレーザ光をレーザ加工ユニット２０へ伝送する。
【００１９】
レーザ加工ユニット２０は、アルミ板材ＡＷを載せる加工テーブル２１と、加工テーブル２１上でＸ軸方向（図１では左右方向）に移動自在である門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向（図１では手前奥方向）に移動自在であるＹ軸キャリッジ２３とを有する。また、レーザ加工ユニット２０は、Ｙ軸キャリッジ２３に固定されたコリメータユニット３０を有する。
【００２０】
コリメータユニット３０は、プロセスファイバ２の出力端から伝送されたレーザ光を平行光化して略平行光束とするコリメートレンズ３１と、略平行光束に変換されたレーザ光をＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向（図１では上下方向）の下方に向けて反射させるベンドミラー３２とを有する。また、コリメータユニット３０は、ベンドミラー３２で反射したレーザ光を高エネルギ密度に集束させる集束レンズ３３（フォーカシングレンズ）と、加工ヘッド３４とを有する。
【００２１】
コリメートレンズ３１、ベンドミラー３２、集束レンズ３３、及び、加工ヘッド３４は、予め光軸が調整された状態でコリメータユニット３０内に固定されている。集束レンズ３３は単焦点レンズである。
【００２２】
図２に示すように、集束レンズ３３により集束されたレーザ光は、加工ヘッド３４の先端部のノズル３５から射出されてアルミ板材ＡＷに照射される。具体的には、レーザ光は、ビームウエスト（焦点位置）がアルミ板材ＡＷよりもわずかにノズル３５側（加工ヘッド３４側）に位置するように調整された状態でアルミ板材ＡＷに照射されるのがよい。焦点位置を補正するために、コリメートレンズ３１がＸ軸方向に移動するように構成されていてもよい。
【００２３】
コリメータユニット３０は、Ｙ軸方向に移動自在のＹ軸キャリッジ２３に固定され、Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸方向に移動自在のＸ軸キャリッジ２２に設けられている。よって、レーザ加工ユニット２０は、加工ヘッド３４から射出されるレーザ光がアルミ板材ＡＷに照射される位置を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動させることができる。
【００２４】
レーザ加工機１は、混合ガス供給部４０を備える。混合ガス供給部４０は、窒素ガスと酸素ガスとを混合させる混合器（酸素濃度調整器）４１と、窒素ガスと酸素ガスの混合ガス、即ち酸素を含む混合ガスを一時貯蔵して昇圧させ、ガス圧を調整する昇圧器４２とを有する。
【００２５】
混合器４１に対して、液体窒素ガスボンベから窒素ガスを供給してもよいし、空気から窒素を分離可能な中空糸で構成された窒素分離膜により精製された窒素リッチなガスを供給してもよい。また、混合器４１に対して、酸素ガスボンベから酸素ガスを供給してもよいし、空気から酸素を分離可能な中空糸で構成された酸素分離膜により精製された酸素リッチなガスを供給してもよい。
【００２６】
混合器４１は、窒素ガスと酸素ガスとを混合させ、混合ガスの酸素濃度（体積％）を調整する。例えば、混合器４１は、窒素ガスまたは酸素ガスの圧力を等圧にする弁を介して混合ガスの流量を自動制御するマスフローコントローラである。自動制御の代わりに単にセンシングを行うマスフローメータの測定結果からマスフロー（質量流量）を手動で調整するようにしてもよい。
【００２７】
通常、空気は約２１％（体積％）の酸素と、約７８％（体積％）の窒素とを有する。そこで、微粒子を取り除いた清浄な空気と窒素ガスとを混合器４１で混合させ、混合ガスの酸素濃度（体積％）を調整するようにしてもよい。
【００２８】
昇圧器４２は、圧力調整された混合ガスを、加工ヘッド３４の内部に供給する。加工ヘッド３４の内部に供給された混合ガスは、加工ヘッド３４の先端部のノズル３５からアシストガスＡＧとしてアルミ板材ＡＷに噴出される。アシストガスＡＧを併用してレーザ光による切断加工を施すことにより、アルミ板材ＡＷの溶解を促進させることができる。これにより、アルミ板材ＡＷの切断速度や切断面の面粗度を向上させ、ドロスの発生を抑制することができる。
【００２９】
以上の構成により、レーザ加工機１は、窒素ガスと酸素ガスとの混合ガスであり、酸素濃度が調整されたアシストガスＡＧをアルミ板材ＡＷに噴出させながら、レーザ光をアルミ板材ＡＷに照射し、アルミ板材ＡＷを切断加工する。
【００３０】
図１に示すレーザ加工機１の代わりに、ロボット型のレーザ加工機としてもよい。
【００３１】
レーザ発振器１０には、特許文献２に記載されているような、ビームパラメータ積（Beam Parameter Products）（以下、ＢＰＰと略記する）を調整するＢＰＰ調整装置が設けられている。ＢＰＰは、ビームウエストの半径とビームの発散角の半値半幅との積で表される。ＢＰＰ調整装置は、レーザ発振器１０がプロセスファイバ２に射出するレーザ光のＢＰＰを調整して、所定のビームプロファイルを有するレーザ光を生成する。
【００３２】
レーザ発振器１０は、ＢＰＰ調整装置がレーザ光のＢＰＰを調整することにより、図３に示すような、中心部のビーム強度が低く、周辺部のビーム強度が高い、いわゆるリング形状のビームプロファイルを有するレーザ光を射出する。
【００３３】
図４は、レーザ発振器１０をファイバレーザ発振器１１０で構成した場合の概略的な構成を示している。
【００３４】
ファイバレーザ発振器１１０は、複数のレーザダイオード１１１と、励起コンバイナ１１２と、２つのファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）１１３，１１５と、Ｙｂドープファイバ１１４と、フィーディングファイバ１１６と、ビームカップラ１２０とを有する。ビームカップラ１２０は、レンズ１２１，１２２を有する。
【００３５】
複数のレーザダイオード１１１はそれぞれ波長λのレーザ光を射出する。励起コンバイナ１１２は、複数のレーザダイオード１１１から射出されたレーザ光を空間ビーム結合させる。
【００３６】
励起コンバイナ１１２で空間ビーム結合されたレーザ光は、ＦＢＧ１１３を介してＹｂドープファイバ１１４に入射される。Ｙｂドープファイバ１１４は、コアに希土類のＹｂ（イッテルビウム）元素が添加されたファイバである。
【００３７】
Ｙｂドープファイバ１１４に入射されたレーザ光は、ＦＢＧ１１３とＦＢＧ１１５との間で往復を繰り返す。その結果、ＦＢＧ１１５からは、波長λとは異なる概ね１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍの波長λ’のレーザ光が射出される。
【００３８】
ＦＢＧ１１５から射出されたレーザ光は、フィーディングファイバ１１６を介してビームカップラ１２０に入射される。ビームカップラ１２０に入射したレーザ光は、レンズ１２１，１２２を介してプロセスファイバ２に入射される。
【００３９】
なお、プロセスファイバ２は１本の光ファイバで構成されており、アルミ板材ＡＷに照射されるまで、プロセスファイバ２で伝送されるレーザ光が他のレーザ光と合成されることはない。
【００４０】
図５は、レーザ発振器１０をＤＤＬ発振器２１０で構成した場合の概略的な構成を示している。
【００４１】
ＤＤＬ発振器２１０は、複数のレーザダイオード２１１１〜２１１ｎと、オプティカルボックス２２０とを有する。レーザダイオード２１１１〜２１１ｎはそれぞれ互いに異なる波長λ１〜λｎのレーザ光を射出する。波長λ１〜λｎは９１０ｎｍ〜９５０ｎｍである。
【００４２】
オプティカルボックス２２０は、レーザダイオード２１１１〜２１１ｎから射出されたレーザ光を空間ビーム結合させる。オプティカルボックス２２０は、コリメートレンズ２２１と、グレーティング２２２と、集束レンズ２２３とを有する。
【００４３】
コリメートレンズ２２１は、空間ビーム結合されたレーザ光を平行光化する。グレーティング２２２は、平行光化されたレーザ光を９０度偏向させ、集束レンズ２２３に入射させる。集束レンズ２２３は、レーザ光を集束してプロセスファイバ２に入射させる。
【００４４】
なお、プロセスファイバ２は１本の光ファイバで構成されており、アルミ板材ＡＷに照射されるまで、プロセスファイバ２で伝送されるレーザ光が他のレーザ光と合成されることはない。
【００４５】
代表的なアルミ板材ＡＷの材質として、例えば材料記号が１０００系の純アルミニウム系材料と、材料記号が５０００系のアルミニウムマグネシウム合金であるＡｌ−Ｍｇ系材料とがある。純アルミニウム系材料及びＡｌ−Ｍｇ系材料を含め、アルミニウムを主成分とする材料をアルミニウムと称することとする。
【００４６】
例えば、純アルミニウム系材料（１０００系）であるＡ１０５０（材料記号）は、９９．５％以上がアルミニウム成分で構成され、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｔｉ等の化学成分を含む。なお、Ｓｉの含有率は０．２５％以下であり、Ｆｅの含有率は０．４％以下である。それ以外の化学成分は、それぞれ０．０５％以下である。
【００４７】
アルミニウムマグネシウム合金（５０００系）であるＡ５０５２（材料記号）は、アルミニウム合金の中で中間的な強度を有す代表的な材料であり、最もよく使用される合金である。Ａ５０５２は、主成分のアルミニウムにＳｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｚｎ等の化学成分が含まれている。Ａ５０５２は、Ｍｇの含有率が２．２％〜２．８％である。
【００４８】
次に、本発明者は、以下のように、ドロスの発生が少なく、アルミ板材ＡＷを良好な切断加工品質で切断することができる条件を検証した。レーザ発振器１０を図４に示すファイバレーザ発振器１１０とし、１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍの単波長のレーザ光を用いた。ファイバレーザ発振器１１０の出力を２ｋＷとした。アルミ板材ＡＷの切断端面へのレーザ光の入射角を８４°とした。
【００４９】
アルミ板材ＡＷとしてＡ１０５０及びＡ５０５２のアルミニウムを用い、板厚を２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍとした。アルミニウムは、比熱９１３（Ｊ／ｋｇ・℃）、比重（密度）２７００（ｋｇ／ｍ３）、熱伝導度２２５（Ｗ／ｍ℃）であり、最大融解温度を６５７℃とした。
【００５０】
アルミ板材ＡＷの板厚に対するドロス高さの比率が、板厚が２ｍｍ及び３ｍｍの場合には３％以下、板厚が４ｍｍの場合には３．５％以下であるとき、ドロスの発生が十分に抑制されて切断加工品質が良好であるとする。
【００５１】
図６Ａ及び図６Ｂは、アルミ板材ＡＷとしてＡ１０５０のアルミニウムを用い、番号１〜２９の２９個のサンプルをレーザ加工機１によって切断したときの実験結果を示している。図６Ａ（及び後述する図８Ａ）において、ノズル径とは、図２に示すノズル３５の開口径Ｒｎである。
【００５２】
板厚が厚くなれば、切断される面積が広くなる。板厚が厚くなれば、切断幅を大きくすることが望ましい。切断時に融解された金属量は板厚に比例し、融解された金属を一定時間内に吹き飛ばすためには、ノズル３５の開口径Ｒｎを大きくすることが望ましい。
【００５３】
ガス圧は図２に示すアシストガスＡＧの圧力である。焦点オフセットは、アルミ板材ＡＷの表面から、ノズル３５側にわずかに離れて位置するレーザ光のビームウエストまでの距離である。酸素濃度とは、アシストガスＡＧに含まれる酸素濃度である。切断速度は、アルミ板材ＡＷに対するレーザ光の照射位置の移動速度である。
【００５４】
図６Ｂ（及び後述する図８Ｂ）において、４４％スポット径とは、図３に示すように、レーザ光のビームスポットの面積のうち、ビームスポットの中心から面積内の全熱エネルギのうちの４４％の熱エネルギに相当する面積の内部領域の径である。本実施形態においては、一般的に用いられるビームスポットの中心から面積内の全熱エネルギのうちの８６％の熱エネルギに相当する面積の内部領域よりも中心側の４４％の内部領域を用いた指標に基づいて、切断加工品質を検証した。
【００５５】
パワー密度Ｐｄとは、４４％スポット径におけるエネルギ密度（単位Ｗ／ｍ２）である。移動時間ｔｐとは、アルミ板材ＡＷを切断しながら移動するレーザ光が４４％スポット径を移動する時間である。４４％スポット径をｄ、アルミ板材ＡＷの切断速度をｖとすれば、移動時間ｔｐはｄ／ｖで表される。融解時間ｔｍとは、４４％スポット径のレーザ光がアルミ板材ＡＷに照射されたときに、アルミ板材ＡＷが融解する論理的な時間である。
【００５６】
融解時間ｔｍは、Ａ１０５０及びＡ５０５２のアルミニウム共通で、式（１）で計算される。式（１）において、ｃはアルミニウム（即ち、アルミ板材ＡＷ）の比熱（単位Ｊ／ｋｇ・℃）、ρはアルミニウムの密度（単位ｋｇ／ｍ３）、λはアルミニウムの熱伝導度（単位（Ｗ／ｍ・℃）、Ｔはアルミニウムの融解温度（単位℃）、Ｔ０は環境温度（単位℃）、Ａはアルミニウムの光吸収率（単位％）である。式（１）は、非特許文献１に記載されている事項から導くことができる。
ｔｍ＝ｃ×ρ×λ×π［（Ｔ−Ｔ０）／（２×Ａ×Ｐｄ）］２    …（１）
【００５７】
本発明者は、融解時間ｔｍを移動時間ｔｐで除したｔｍ／ｔｐが発生するドロスの高さに影響を与えるとの知見に基づき、ｔｍ／ｔｐを指標として用いて切断加工品質を評価した。評価の欄におけるＯＫとは、上記のように、アルミ板材ＡＷの板厚に対するドロス高さの比率が、板厚が２ｍｍ及び３ｍｍの場合に３％以下、板厚が４ｍｍの場合に３．５％以下を満たすことを意味する。
【００５８】
ＮＧとはドロス高さの比率がその条件を満たさないか、アルミ板材ＡＷを切断できなかったことを意味する。図６Ａ及び図６Ｂにおいて、ＮＧと評価されたサンプルのうち、サンプル５及び２６以外ではアルミ板材ＡＷを切断できたもののドロス高さの比率が条件を満たさず、サンプル５及び２６ではアルミ板材ＡＷを切断できなかった。
【００５９】
図６Ｂより、アルミ板材ＡＷとして板厚が２ｍｍのＡ１０５０のアルミニウムを切断する場合、ｔｍ／ｔｐを１．１５３％以上、１．５９６％以下とするのがよいことが分かる。アルミ板材ＡＷとして板厚が３ｍｍのＡ１０５０のアルミニウムを切断する場合、ｔｍ／ｔｐを０．８１７％以上、０．８９４％以下とするのがよいことが分かる。アルミ板材ＡＷとして板厚が４ｍｍのＡ１０５０のアルミニウムを切断する場合、ｔｍ／ｔｐを０．５６１％以上、０．６４７％以下とするのがよいことが分かる。
【００６０】
レーザ光の焦点位置はアルミ板材ＡＷの表面よりもノズル３５側に２．０ｍｍ〜２．５ｍｍシフトした位置とすることが好ましい。ノズル３５の開口径Ｒｎは板厚の６７％〜１００％であることが好ましい。アシストガスＡＧは０．１７体積％〜０．４０体積％の酸素を含むことが好ましく、ガス圧は１．０ＭＰａ〜１．６ＭＰａであることが好ましい。
【００６１】
図７は、横軸を板厚、縦軸をｔｍ／ｔｐの値とし、板厚２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍそれぞれのｔｍ／ｔｐの値の下限値と上限値をプロットしたグラフである。板厚をｘ、ｔｍ／ｔｐの値をｙとすると、下限値及び上限値はそれぞれ式（２）及び（３）で示す近似式で表すことができる。
【００６２】
ｙ＝0.0027e0.36x    …（２）
ｙ＝0.0026e0.4512x    …（３）
【００６３】
図７より、アルミ板材ＡＷの板厚が２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍのみに限らず、板厚によって決まるｔｍ／ｔｐの値が式（２）で求められる下限値から式（３）で求められる上限値までの間にあれば、Ａ１０５０のアルミ板材ＡＷを、ドロスの発生を十分に抑制して、良好な切断加工品質で切断することができるということになる。
【００６４】
次に、アルミ板材ＡＷとしてＡ５０５２のアルミニウムを用いた場合の実験結果を説明する。図８Ａ及び図８Ｂは、アルミ板材ＡＷとしてＡ５０５２のアルミニウムを用い、番号１〜２８の２８個のサンプルをレーザ加工機１によって切断したときの実験結果を示している。
【００６５】
図８Ａ及び図８Ｂにおいて、ＮＧと評価されたサンプルのうち、サンプル２４及び２５以外ではアルミ板材ＡＷを切断できたもののドロス高さの比率が条件を満たさず、サンプル２４及び２５ではアルミ板材ＡＷを切断できなかった。
【００６６】
図８Ｂより、アルミ板材ＡＷとして板厚が２ｍｍのＡ５０５２のアルミニウムを切断する場合、ｔｍ／ｔｐを１．１０４％以上、１．２３９％以下とするのがよいことが分かる。アルミ板材ＡＷとして板厚が３ｍｍのＡ５０５２のアルミニウムを切断する場合、ｔｍ／ｔｐを０．５０７％以上、０．６４２％以下とするのがよいことが分かる。アルミ板材ＡＷとして板厚が４ｍｍのＡ５０５２のアルミニウムを切断する場合、ｔｍ／ｔｐを０．３１５％以上、０．４９６％以下とするのがよいことが分かる。
【００６７】
レーザ光の焦点位置はアルミ板材ＡＷの表面よりもノズル３５側に２．５ｍｍ〜４．０ｍｍシフトした位置とすることが好ましい。ノズル３５の開口径Ｒｎは板厚の６７％〜１００％であることが好ましい。アシストガスＡＧは０．１３体積％〜０．３４体積％の酸素を含むことが好ましく、ガス圧は０．９ＭＰａ〜１．６ＭＰａであることが好ましい。
【００６８】
図９は、横軸を板厚、縦軸をｔｍ／ｔｐの値とし、板厚２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍそれぞれのｔｍ／ｔｐの値の下限値と上限値をプロットしたグラフである。板厚をｘ、ｔｍ／ｔｐの値をｙとすると、下限値及び上限値はそれぞれ式（４）及び（５）で示す近似式で表すことができる。
【００６９】
ｙ＝0.0009e0.5839x    …（４）
ｙ＝0.0019e0.4582x    …（５）
【００７０】
図９より、アルミ板材ＡＷの板厚が２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍのみに限らず、板厚によって決まるｔｍ／ｔｐの値が式（４）で求められる下限値から式（５）で求められる上限値までの間にあれば、Ａ５０５２のアルミ板材ＡＷを、ドロスの発生を十分に抑制して、良好な切断加工品質で切断することができるということになる。
【００７１】
図１において、保持部５０１は、式（２）及び（３）、式（４）及び式（５）を保持する。制御装置５０は、レーザ加工ユニット２０によって、１０００系の材料記号を有するアルミニウムの所定の板厚の板材を設定されたパラメータに基づく加工条件で切断加工しようとするときに、値ｙが式（２）で得られる下限値から式（３）で得られる上限値までの間となるか否かを判定する。
【００７２】
制御装置５０は、レーザ加工ユニット２０によって、５０００系の材料記号を有するアルミニウムの所定の板厚の板材を設定されたパラメータに基づく加工条件で切断加工しようとするときに、値ｙが式（４）で得られる下限値から式（５）で得られる上限値までの間となるか否かを判定する。
【００７３】
なお、保持部５０１に保存される式（２）及び（３）、式（４）及び式（５）は指数近似曲線式であって、板厚によって決まるｔｍ／ｔｐの値の変化率がｔｍ／ｔｐの値に比例する近似式である。その近似式は、ｔｍ／ｔｐの値の変化率から微分方程式で解くことができる。自然対数の底の累乗に使われる定数と積分定数とを算出することによって、鋼材メーカの違い等に起因する近似式を微量に調整することができる。式（２）〜（５）において、0.0027，0.0026，0.0009，0.0019が積分定数である。
【００７４】
各ｔｍ／ｔｐの値を鋼材メーカの違い等に応じて変更して保持部５０１に保持し、制御装置５０が近似式の定数と積分定数とを算出して式（２）〜（５）を生成して、式（２）〜（５）を保持部５０１に保持すればよい。
【００７５】
制御装置５０は、アルミ板材ＡＷをレーザ加工ユニット２０によって設定された加工条件で切断加工しようとするときに、値ｙが下限値から上限値までの間となるか否かの判定結果を表示部５２に表示するよう制御する。制御装置５０は、値ｙが下限値から上限値までの間となるか否かで異なる文字、記号、または画像を表示部５２に表示する。
【００７６】
例えば、制御装置５０は、値ｙが下限値の１０５％よりも大きく、上限値の９５％よりも小さいときには良好を示す記号○を表示部５２に表示する。制御装置５０は、値ｙが下限値の９５％以上１０５％以下であるか、上限値の９５％以上１０５％以下であるときには注意を示す記号△を表示部５２に表示する。制御装置５０は、値ｙが下限値の９５％未満であるか、上限値の１０５％より大きいときには不可を示す記号×を表示部５２に表示する。
【００７７】
記号○，△，×は記号の一例であり、制御装置５０は、「良好」，「注意」，「不可」のように表示部５２に文字を表示してもよい。注意とする範囲は下限値及び上限値の±５％に限定されず、制御装置５０は、±３％または±７％のように適宜に設定すればよい。
【００７８】
レーザ加工ユニット２０がアルミ板材ＡＷの切断加工を開始する前に制御装置５０が
表示部５２に判定結果を表示することにより、オペレータは、ドロスの発生が十分に抑制され、良好な切断加工品質が得られるか否かを確認することができる。
【００７９】
本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１  レーザ加工機
１０  レーザ発振器
２０  レーザ加工ユニット
５０  制御装置
５１  操作部
５２  表示部
５０１  保持部
ＡＷ  アルミ板材
【図１】
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【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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