(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光線を発振するレーザ発振器と、このレーザ発振器から発振されたレーザ光線を被加工物に向けて照射するフォーカスヘッドとを備え、
上記フォーカスヘッドと被加工物を相対的に移動させて該被加工物の切断加工を行なうレーザ加工機において、
厚さが２０ｍｍを超える被加工物を切断加工するにあたり、上記レーザ光線のＭ２値を７以上１２以下の範囲で設定したレーザ発振器を用いることを特徴とするレーザ加工機。
【請求項２】
上記レーザ光線のパワー密度の最大値が、１．５×１０６Ｗ／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ加工機に関し、より詳しくは２０ｍｍを超える厚さの被加工物を好適に切断加工することができるレーザ加工機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザ加工機として、レーザ光線を出力するレーザ発振器と、このレーザ発振器から出力されたレーザ光線を被加工物に向けて照射するフォーカスヘッドとを備えたものは知られている。
この種のレーザ加工機では、フォーカスヘッドと被加工物を相対的に変位させながら該被加工物を切断加工するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来一般にレーザ光線による切断加工には、集光特性に優れてパワー密度の高いシングルモードのレーザ光線がよいとされている。
しかしながら、被加工物が鋼板等の鉄製の金属材料の場合には、その厚さが厚くなるほど貫通するのに時間がかかるようになり、さらにシングルモードによる狭い切断溝幅ではアシストガス（酸素）が充分に切断溝内に入込めず、溶融金属を適度に燃焼させることができないため、溶融金属への入熱量が大きくなって温度が高くなり過ぎ、酸素と過剰に反応して溶融金属が飛び散るバーニング現象を引き起こして加工不良となってしまう。
そこで従来では、厚い鋼板の被加工物を切断加工する場合には、ビームモードをマルチモードとして切断溝幅を広げるとともに、さらにはパルス発振させて溶融金属の適度な燃焼と入熱量の低減を図ってバーニングを抑制するようにしている（特許第２６２３３５５号公報、特公平５−４９３９６号公報）。
ところが、マルチモードのレーザ光線で厚い鋼板の被加工物を切断加工する場合でも、従来の知見に準じて比較的パワー密度の高いマルチモードのレーザ光線を選択していた。
より具体的には、レーザ光線の品質を示す指標であるＭ２値に換算したときに２〜５の範囲を選択していた。ちなみにＭ２値の１はシングルモードのレーザ光線であり、１よりも大きいものは全てマルチモードのレーザ光線であるが、その値が大きくなるほどパワー密度は低くなるものである。
しかしながら、特に厚さが２０ｍｍを超える鋼板の被加工物を切断加工する場合には、従来の知見に準じて設定されるマルチモードのレーザ光線では好適に切断加工することが困難であった。
本発明はそのような事情に鑑み、厚さが２０ｍｍを超える被加工物を好適に切断加工することができるようにしたものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、レーザ光線を発振するレーザ発振器と、このレーザ発振器から発振されたレーザ光線を被加工物に向けて照射するフォーカスヘッドとを備え、
上記フォーカスヘッドと被加工物を相対的に移動させて該被加工物の切断加工を行なうレーザ加工機において、
厚さが２０ｍｍを超える被加工物を切断加工するにあたり、上記レーザ光線のＭ２値を７以上１２以下の範囲で設定したレーザ発振器を用いるものである。
【０００５】
【作用】
上述したＭ２の値が７以上１２以下の範囲では、レーザ光線のパワー密度の分布が均等化（平坦化）されるが、レーザ光線の発散角度が大きくなり過ぎず、２０ｍｍを超える厚さの被加工物を切断加工するのに適切なので、Ｍ２値が７以上１２以下の範囲のレーザ光線を発振することができるレーザ発振器を用いることにより従来の知見に準じて切断加工する場合に比較して良好に切断加工することができ、しかもレーザ光線を従来では困難であった連続発振させることができるので切断効率の向上を図ることができる。
【０００６】
【発明の実施形態】
以下図示実施例について本発明を説明すると、図１において、レーザ加工機１は、レーザ光線Ｌを発振する炭酸ガスレーザ発振器２（以下レーザ発振器２）と、このレーザ発振器２から発振されたレーザ光線Ｌを集光する集光レンズ３を収納したフォーカスヘッド４と、軟鋼板からなる被加工物７を載置する加工テーブル８とを備えている。
上記レーザ発振器２は、７以上１２以下の範囲で選定される所定のＭ２値のレーザ光線Ｌを発振することができるように共振器長、アパーチャ径、ミラー曲率が選定されて構成されており、このレーザ発振器２は、図示しない制御装置により出力が制御されるようになっている。
上記フォーカスヘッド４と加工テーブル８は、いずれか一方または両方が水平方向に移動可能に構成されるとともに、その水平面内における相対移動を上記制御装置により制御されるようになっており、これによりフォーカスヘッド４と被加工物７を水平面内で相対移動させて該被加工物７を切断加工するようになっている。
また上記フォーカスヘッド４は、鉛直方向に昇降可能に構成されるとともに、上記集光レンズ３の焦点距離に応じて上記制御装置により高さ位置を制御されるようになっており、これによりレーザ光線Ｌの焦点を被加工物７の厚さ方向における所定位置で結ぶ一方、フォーカスヘッド４の先端からその焦点位置に向けてアシストガス（酸素）を吹付けるようになっている。
このように構成されるレーザ加工機１は、上記図示しない制御装置によってレーザ発振器２から所定のＭ２値となるレーザ光線Ｌを所定出力で発振させ、このレーザ光線Ｌをフォーカスヘッド４で集光して被加工物７に照射しつつアシストガスを吹き出し、フォーカスヘッド４と被加工物７を適切な速度で相対的に移動させて切断加工を行なうようになっている。
【０００７】
しかして、以下において９ｋＷの出力を有するレーザ発振器２から発振されるレーザ光線Ｌの異なるＭ２値の強度分布を示す図２から図９によりＭ２値の選定について説明する。
先ず図２で示すＭ２値が６の場合には、パワー密度は分散しているものの中央部分のパワー密度が依然として突出し、さらに、全体的にパワー密度の高い部分が集光スポット径における中央寄りに分布していることがわかる。
このような強度分布を示すレーザ光線によれば、必要な切断幅を得られるよう集光スポット径を設定したとしても、切断のためにパワーが有効に作用する幅は実際にはそれよりも狭くなってしまうため、厚さが２０ｍｍを超える、特に厚さが２５ｍｍの軟鋼板の被加工物７の切断テストにおいては依然としてバーニングが発生し易いものとなった。
これに対し、Ｍ２値を６から一つ上げて７（図３）とすると、Ｍ２値が６の場合に比較して中央部分のパワー密度の突出がなくなるとともにパワー密度の分布が半径方向外方に広がるので、板厚が２０ｍｍを超える場合に必要な切断溝幅（スポット半径で０．５±０．１ｍｍ程度）に対して概ね均等にパワーが作用するようになる。このように切断溝幅に対してパワー密度が均等化（平坦化）する傾向は図４〜図９を参照すれば明らかであるようにＭ２値を上げるほどに顕著になるものである。
また、厚さが２０ｍｍを超える軟鋼板の被加工物７の切断加工の場合には、パワー密度の最高値が１．５×１０６Ｗ／ｃｍ２を超えるとバーニングが発生し易いことが切断テストにより分かっており、集光スポット径を上記のように厚さが２０ｍｍを超える軟鋼板の切断加工７に必要な径とした場合には、レーザ光線ＬのＭ２値が７以上であればパワー密度の最高値が１．５×１０６Ｗ／ｃｍ２以下となることも明らかである。
ところで、Ｍ２値が大きくなるに従いレーザ光線のレイリー長が短くなってしまうことは知られている。このようにレーザ光線のレイリー長が短くなると、焦点から遠ざかるに従いパワー密度の低下の変化が大きくなって、被加工物７の厚さ方向に伝わるパワーは弱くなるため切断速度を遅くする必要が生じる。しかしながら切断速度を遅くすると、切断溝内の溶融金属への入熱時間が長くなってしまうことからバーニングが発生し易くなってしまう。
上記レイリー長は、レーザ光線のビーム半径がビームウエスト半径の√２倍になるビームウエストからの距離を示すもので、厚さが２０ｍｍを超える軟鋼板の被加工物７の切断テストでは、レイリー長が概ね２３ｍｍ以下となるとバーニングの発生頻度が高くなるという実験結果が得られている。この実験結果を考慮すると、図９で示すＭ２値が１３であるとレイリー長が短くバーニングが発生し易くなり、Ｍ２値が１２以下（図３〜図８）であれば良好な切断結果を得ることができるものである。
以上の説明より理解されるように、Ｍ２値を７以上１２以下の範囲で設定したレーザ発振器２を用いることにより厚さが２０ｍｍを超える軟鋼板の被加工物７をバーニングを防止して良好に切断加工することができる。しかも、このときにレーザ光線Ｌを従来では困難であった連続発振させることができるので加工効率の向上を図ることができる。
【０００８】
ところで、上記実施例では９ｋＷ出力時について述べたがこれに限定されるものではなく、それ以外の出力についても適用することができるものである。
すなわち、通常一般にレーザ光線Ｌの出力は、被加工物の厚さが厚くなるほど出力を高く設定するようにしているが、Ｍ２値により示されるパワー密度の強度分布はレーザ光線Ｌの出力に関わらず概ね同じ形状となるからである。
ただし、例えば厚さが３０ｍｍ、４０ｍｍを超えるような軟鋼板の被加工物７を切断加工するあたり、レーザ光線Ｌの出力を１２ｋＷとした場合には、レーザ光線Ｌのスポット径を９ｋＷ出力の場合と同じにすると、パワー密度は１．５×１０６Ｗ／ｃｍ２を超えてしまう場合がある。しかしながらこの場合には、出力が高出力化された分、切断溝幅を広げても厚さ方向におけるパワーが充分に得られるため、集光スポット径を適宜大きくしてパワー密度を１．５×１０６Ｗ／ｃｍ２を下回るように設定することにより、均等化された強度分布を得ることができる（図１１〜図１６参照、なお図１０はＭ２値が６の場合、図１７はＭ２値が１３の場合を示したものである）。
また逆に出力が比較的低い場合であっても、具体的にはレーザ光線Ｌの出力が５ｋＷの場合には、レーザ光線の集光スポット径を９ｋＷ出力時と同じとすると全体的にパワー密度が低下してしまうことになるが、出力が低下した分、切断溝内の溶融金属への入熱量が低下するためスポット径を適宜小さくすることにより、切断溝幅に対して概ね均等にパワーを作用させることができる（図１９〜図２４参照、なお図１８はＭ２値が６の場合、図２５はＭ２値が１３の場合を示したものである）。
以上の説明より理解されるように、切断加工される軟鋼板の被加工物７の厚さまたは加工条件に応じてレーザ光線Ｌの出力の異なるレーザ発振器２を用いる場合でも、Ｍ２値を７以上１２以下の範囲で設定することにより上述した同様の作用効果を得ることができる。
なお、Ｍ２値を７以上１２以下の範囲で具体的にどの数値を選択するかについては、被加工物７の厚さや加工品質、加工速度等の条件に応じて適宜選択すればよく、これに応じたレーザ発振器を用いてレーザ加工機１を構成するようにする。
【０００９】
なお上記実施例では、レーザ発振器２として炭酸ガスレーザを用いていたがこれに限定されるものではなく、その他のガスレーザやＹＡＧ等の固体レーザであってもよい。
【００１０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、２０ｍｍを超える被加工物を切断加工する場合には、従来の知見に準じて切断加工する場合に比較して良好に切断加工することができるし、しかもレーザ光線を連続発振させることにより加工効率の向上を図ることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例をレーザ加工機１の概略の正面図。
【図２】９ｋＷ出力時においてＭ２値を６に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図３】９ｋＷ出力時においてＭ２値を７に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図４】９ｋＷ出力時においてＭ２値を８に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図５】９ｋＷ出力時においてＭ２値を９に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図６】９ｋＷ出力時においてＭ２値を１０に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図７】９ｋＷ出力時においてＭ２値を１１に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図８】９ｋＷ出力時においてＭ２値を１２に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図９】９ｋＷ出力時においてＭ２値を１３に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図１０】１２ｋＷ出力時においてＭ２値を６に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図１１】１２ｋＷ出力時においてＭ２値を７に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図１２】１２ｋＷ出力時においてＭ２値を８に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図１３】１２ｋＷ出力時においてＭ２値を９に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図１４】１２ｋＷ出力時においてＭ２値を１０に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図１５】１２ｋＷ出力時においてＭ２値を１１に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図１６】１２ｋＷ出力時においてＭ２値を１２に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図１７】１２ｋＷ出力時においてＭ２値を１３に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図１８】５ｋＷ出力時においてＭ２値を６に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図１９】５ｋＷ出力時においてＭ２値を７に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図２０】５ｋＷ出力時においてＭ２値を８に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図２１】５ｋＷ出力時においてＭ２値を９に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図２２】５ｋＷ出力時においてＭ２値を１０に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図２３】５ｋＷ出力時においてＭ２値を１１に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図２４】５ｋＷ出力時においてＭ２値を１２に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【図２５】５ｋＷ出力時においてＭ２値を１３に設定したときのパワー密度の強度分布を示す特性線図。
【符号の説明】
１…レーザ加工機              ２…レーザ発振器
４…フォーカスヘッド          ７…被加工物
８…加工テーブル              Ｌ…レーザ光線
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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