(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄板，ないし棒材の集合体で個々の素体相互間に空隙がある金属構造物をワークとして、該ワークに加工トーチを通じてアシストガスを吹き付けつつ、レーザビームを照射して切断するレーザ切断加工方法において、ワークに対してレーザビームを切断方向に沿って複数回繰り返し往復走査させ、かつこの走査行程の進行に合わせてレーザの単位切断長当たりの投入パワーを漸次増加させていくことを特徴とするレーザ切断加工方法。
【請求項２】
請求項１記載の切断加工において、レーザの投入パワーを増加させる手段として、ワークの切断速度をレーザ走査行程の進行に合わせて漸次遅くするようにしたことを特徴とするレーザ切断加工方法。
【請求項３】
請求項１記載の切断加工方法において、レーザの投入パワーを増加させる手段として、レーザ出力をレーザ走査行程の進行に合わせて漸次高めるようにしたことを特徴とするレーザ切断加工方法。
【請求項４】
請求項１記載の切断加工方法において、レーザ走査の進行に合わせてアシストガスの供給量を漸次増加させていくことを特徴とするレーザ切断加工方法。
【請求項５】
請求項１記載の切断加工方法において、加工トーチに組み込んだ集光レンズの焦点位置をワークの内部にデフォーカスして設定したことを特徴とするレーザ切断加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば原子炉設備の構造廃棄物などのように、薄板，ないし棒材の集合体で個々の素体相互間に空隙があるような金属構造物を裁断する場合に適用するレーザ切断加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビームを使って鋼材などの金属構造物（ワーク）を切断する加工方法として、レーザ発振器から出力したレーザビームを集光レンズを通してワークの表面に照射し、かつレーザ照射面にアシストガス（酸素）を吹き付けながらワークを切断方向に移動させ、レーザビームのエネルギーとアシストガスとの酸化反応熱を利用してワークの照射地点を溶融させ、その溶融物，蒸発物をアシストガスにより飛散させて切断する加工方法が周知である。
【０００３】
ここで、レーザ切断に用いるレーザ加工装置の概要を図２に示す。図２において、１はレーザ発振器、２はミラー、３は加工トーチ（レーザヘッド）、４はワーク、５はワーク４を載置した移動テーブル、６はアシストガスボンベ、７は流量制御弁、８は制御部である。また、加工トーチ３は集光レンズ３ａを内蔵し、先端のノズル３ｂを通じてワーク４にレーザビーム９を照射する。また、アシストガスボンベ６から供給したアシストガス１０は流量制御弁７を通じてガス入口３ｃより加工トーチ３の内部に導入し、先端のノズル３ｂを通じてワークに吹き付けられる。そして、レーザ発振器１の出力，移動テーブル５で設定するワーク４の切断速度，および流量制御弁７で設定するアシストガスの供給量などは制御部８にて設定，制御する。なお、レーザ発振器１がＹＡＧレーザである場合には、ミラー２を使わずにレーザ発振器１と加工トーチ３との間を柔軟性に富む光ファイバを接続してレーザビームの伝送を行うことが可能である。
【０００４】
また、図３はレーザ切断加工の基本として、板厚の厚い金属のバルク材をワークとして、図２のレーザ加工装置を用いてレーザ切断する場合に、ワークと加工トーチとの関係のパラメータを表した模式図であり、図中でｇは加工トーチ３のノズル３ｂとワーク４との間の距離、Ｏは集光レンズ３ａの焦点位置、ｆは焦点距離、ｆｄはワーク表面を基準としたデフォーカス距離を表している。
【０００５】
ここで、板厚５０ｍｍのステンレス鋼（バルク材）を切断する場合に、その加工条件として、レーザ発振器（パルスＹＡＧレーザ）の平均出力：２ｋＷ、パルス幅：９．５ｍｓ、周波数：１０Ｈｚ、デフォーカス距離ｆｄ：±３ｍｍ以下、切断速度：１００ｍｍ／ｍｉｎ、アシストガスに酸素を使用して加工トーチ内のガス圧が０．３ＭＰａとなるように設定してレーザ切断を行うことにより、ワーク４はセルフバーニング現象の発生もなく，かつ切断面においても平行なドラグラインが得られるように切断できる。また、切断部のカーフ幅はワーク４の表面に照射したレーザビームのスポット径に対応してワーク表面から裏面までほぼ同じ幅で切断されている。これは、レーザビームが焦点位置Ｏで最小スポット径に収束した後に、ワークの切断面で反射を繰り返しながらジグザグに奥に進行するために、そのビーム径はレーザが直進する場合のようには広がらず、この結果として切断部におけるカーフ幅の末広がりが抑えられるものと考えられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、頭記した原子炉設備の構造廃棄物などのように、薄板，ないし棒材の集合体で個々の素体相互間に空隙がある金属構造物をレーザ切断する場合には次に記すような問題がある。すなわち、図４で示すように板厚が５〜６ｍｍ程度であるステンレス鋼の薄板４ａを空隙４ｂを隔てて複数枚積層した金属構造物（総厚さは図３のバルク材と同程度）をワーク４として、図３で述べたバルク材の切断と同じ加工条件でレーザ切断を行ったところ、セルフバーニング現象が発生し、ワーク４に大きな爆発穴が生じて切断面が不整いになるほか、アシストガスの機能が十分に働かないで良好な切断が行えないことが判明した。また、丸棒の集合体になる金属構造物をレーザ切断した場合にも、前記と同じようにセルフバーニング現象が発生して適正に切断できないことが確認されている。
【０００７】
前記したセルフバーニング現象の発生は次のような点に原因がある考えられる。すなわち、ワーク４を構成している個々の薄板４ａ，あるいは細い丸棒は図３に示した板厚の厚いバルク材と比べて熱容量が遙に小さく、かつその相互間には空隙４ｂが存在する。このために、あらかじめ設定した加工条件でワーク４の表面側に高パワーなレーザビームを照射し、かつここにアシストガスとして酸素が吹き付けられると、レーザビームとアシストガスの酸化反応熱のトータルエネルギーが過剰となってワークの表面に並んでいる薄板，丸棒の切断箇所に爆発的な燃焼が生じ、かつこの燃焼が周囲に波及していくものと推定される。また、ワークの内部には空隙が存在するために切断地点に吹き付けたアシストガスが空隙に逸散してしまい、アシストガスとしての機能が十分に果たせなくなる。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、薄板，ないし棒材の集合体で個々の素体相互間に空隙がある金属構造物をワークとしてレーザ切断を行う場合に、その加工条件として各種パラメータを適正化し、セルフバーニング現象の発生を押さえて良好に切断できるようにしたレーザ切断加工方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、薄板，ないし棒材の集合体で個々の素体相互間に空隙がある金属構造物ワークとして、該ワークに加工トーチを通じてアシストガスを吹き付けつつ、同時にレーザビームを照射してワークを切断するレーザ切断加工方法において、
ワークに対しレーザビームを切断方向に沿って複数回繰り返し往復走査させ、かつこのレーザ走査行程の進行に合わせてレーザの単位切断長当たりの投入パワーを当初に設定した低めの値から漸次増加させていく（請求項１）ものとし、その実施態様として、前記のレーザ走査行程の進行に合わせてワークの切断速度を漸次遅くする（請求項２）、もしくはレーザ出力を漸次高めるようにする（請求項３）。
【００１０】
薄板，ないしは棒材の集合体からなる金属構造物をワークとしてレーザ切断加工する際に、レーザ加工条件のパラメータを前記のように設定することにより、切断開始から終了までにセルフバーニング現象が発生せずに安定した切断が行える。すなわち、最初の走査行程ではワークの表面に照射するレーザの投入パワーを低めに抑えているので、熱容量の小さな薄板，あるいは細い丸棒に加わるレーザビームのエネルギーが過剰になることがなく、これによりセルフバーニング現象の発生が抑制される。また、レーザビーム走査行程の進行に合わせてレーザの投入パワーを漸次増加させることにより、ワーク内方の空隙に散乱するレーザビームの損失分を補ってワークを構成している個々の薄板，ないしは棒材を確実に切断することができる。
【００１１】
また、本発明によれば、前記の加工条件と併せて、次記のような方法を併用することで、より安定したレーザ切断加工が行える。
(1) レーザ走査の進行に合わせてアシストガスの供給量を漸次増加させていき、ワーク内部で薄板，ないし細い棒材の間の空隙にガスが逸散する分を補ってレーザ切断に関与するアシストガスの機能を確保するようにする（請求項４）。
【００１２】
(2) 加工トーチに組み込んだ集光レンズの焦点位置をワークの内部にデフォーカスして設定し、ワークの裏面に至るまでの照射範囲でレーザビームのスポット径が広がるのをできるだけ小さく抑えて切断部のカーフ幅が不要に拡大するのを防ぐようにする。（請求項５）。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１，図２を基に説明する。なお、図１において図３に対応する部材には同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
図１は板厚６．５ｍｍのステンレス鋼薄板４ａを空隙４ｂを隔てて積層した総厚さ６０ｍｍの集合体をワーク４としてレーザ切断加工する場合の状態を模式図として表したものであり、この実施例では加工条件として各種パラメータを次のように設定する。
【００１４】
すなわち、レーザ発振器（パルスＹＡＧレーザ）１の平均出力を２ｋＷとして、加工トーチ３の集光レンズ３ａを通じてワーク４に照射するレーザビーム９の焦点位置Ｏをワーク４の表面から内方に１１ｍｍほど入り込んだ位置にデフォーカスして設定する。
また、ワーク４へのレーザ照射は８回に分けて繰り返し往復走査するものとし、その往復走査の進行に合わせて切断速度を２，０００ｍｍ／ｍｉｎから開始し、最終の走査行程では５００ｍｍ／ｍｉｎまで遅くするように制御して単位切断長当たりの投入パワーを段階的に増加させるようにする。さらに、アシストガス（酸素）についても、当初は加工トーチ３の内圧を０．０５ＭＰａに設定して往復走査の進行に合わせて段階的に増加させ、最終走査行程では０．１ＭＰａとなるように流量制御弁７（図２参照）を制御する。
【００１５】
上記の切断方法により、図１に示した薄板４ａの積層集合体としてなるワーク４を、セルフバーニングの発生がなく、かつ均一なカーフ幅で表面から裏面まで良好に切断できることが確認されている。
なお、上記したパラメータの設定数値はあくまでも一例であり、適用するワークの材質，板厚などの条件に合わせて最適値に調整するものとする。
【００１６】
また、ワークの単位切断長当たりの投入パワーを段階的に増加させる手段として、前記実施例では切断速度を漸次遅くするようにしているが、切断速度を一定にしてレーザ発振器１のランプ入力を漸次増してレーザ出力を段階的に増加させるようにしてもよい。
さらに、前記実施例ではレーザとしてパルスＹＡＧレーザを使用したが、他にＣＷレーザ、あるいはＣＯ2 レーザでも同様に実施できることは勿論である。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のレーザ切断加工方法を採用することにより、従来の方法ではセルフバーニングが発生して良好な切断が行えなかった薄板，ないし棒材の集合体で個々の素体相互間に空隙がある金属構造物を、セルフバーニングの発生なしに安定よく切断することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による薄板積層体の金属構造物をワークとしたレーザ切断加工の状態を表す模式図
【図２】図１のレーザ切断加工に用いるレーザ加工装置の概要図
【図３】従来のレーザ切断加工方法による厚板の切断に対応した切断条件のパラメータを表す模式図
【図４】従来のレーザ切断加工方法による薄板積層体の金属構造物をワークとした切断状態を表す模式図
【符号の説明】
１    レーザ発振器
３    加工トーチ
３ａ  集光レンズ
４    ワーク
４ａ  薄板
４ｂ  空隙
９    レーザビーム
１０    アシストガス
【図１】
0004186403.tif 000002
【図２】
0004186403.tif 000003
【図３】
0004186403.tif 000004
【図４】
0004186403.tif 000005