特許 6043773 ダイレクトダイオードレーザ光による板金の加工方法及びこれを実行するダイレクトダイオードレーザ加工装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6043773

(24)【登録日】2016年11月18日

(45)【発行日】2016年12月14日

(54)【発明の名称】ダイレクトダイオードレーザ光による板金の加工方法及びこれを実行するダイレクトダイオードレーザ加工装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/38 20140101AFI20161206BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20161206BHJP

   B23K 26/142 20140101ALI20161206BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/38 A

   B23K26/064 A

   B23K26/142

【請求項の数】14

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2014-211022(P2014-211022)

(22)【出願日】2014年10月15日

(65)【公開番号】特開2016-78073(P2016-78073A)

(43)【公開日】2016年5月16日

【審査請求日】2015年9月7日

(73)【特許権者】

【識別番号】390014672

【氏名又は名称】株式会社アマダホールディングス

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100100712

【弁理士】

【氏名又は名称】岩▲崎▼ 幸邦

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】石黒 宏明

(72)【発明者】

【氏名】杉山 明彦

【審査官】 青木 正博

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／００９６３７６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００１−０５３４４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１９３１０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１９１７１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１１４０９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０４３８４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０７５３３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１４−５０６１９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／００−２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

厚さ２ｍｍ以上の板金切断する場合には、焦点距離ｆ≧１５０ｍｍを有し、焦点位置Ｐｆを、板金の上面を基準として、−２．０mm＜ Pf ≦約0.0mmに配置した集光レンズを用いて、ＤＤＬモジュールからの平行レーザ光を前記板金に対して照射し、 厚さ２ｍｍより薄い板金を切断する場合には、焦点距離ｆとしてｆ≦１２０mmを有し、焦点位置Ｐｆを、板金の上面を基準として0.0mm＜ Pf ≦２．０mmに配置した集光レンズを用いて、ＤＤＬモジュールからの平行レーザ光を前記板金に照射する板金加工方法。

【請求項2】

切断加工に際して加工点に供給されるアシストガスのガス圧は１．５MPa(メガパスカル)以上である請求項１の板金加工方法。

【請求項3】

前記ＤＤＬモジュールからのレーザ光は、少なくとも2つ以上の多波長（multiple-wavelength）レーザ光で構成され、何れのレーザ光の波長も1000nm未満である請求項1又は２の板金加工方法。

【請求項4】

前記ＤＤＬモジュールからのレーザ光の波長（Wavelength）は800nm以上990nm以下の多波長（multiple-wavelength）で構成される請求項１乃至３の何れかに記載の板金加工方法。

【請求項5】

前記ＤＤＬモジュールから出射されるレーザ光のBPP（ビームパラメータ積（Beam parameter product））は、7mm*mrad以上20mm*mrad以下である請求項１乃至４の何れかに記載の板金加工方法。

【請求項6】

レーザ光のレーリー長は、1.5mm以上6mm以下である請求項１乃至５の何れかに記載の板金加工方法。

【請求項7】

厚さが１ｍｍの薄い板金を切断する方法であって、焦点距離ｆとしてｆ≦１２０mmを有し、焦点位置Ｐｆを、板金の上面を基準として0.0mm＜ Pf ≦２．０mmに配置した集光レンズを用いて、ＤＤＬモジュールからのレーザ光を前記板金に照射し、加工速度３〜６（m/分）で加工する板金加工方法。

【請求項8】

加工点に供給されるアシストガスのガス圧は０．８MPa乃至１．５MPaである請求項１乃至７の何れかに記載の板金加工方法。

【請求項9】

厚さが２ｍｍのアルミ板金を切断する方法であって、焦点距離ｆ≧１５０ｍｍを有し、焦点位置Ｐｆを、板金の上面を基準として−２．０mm＜ Pf ≦約0.0mmに配置した集光レンズを用いて、ＤＤＬモジュールからのレーザ光を前記板金に対して照射し、加工速度３〜５（m/分）で加工する板金切断方法。

【請求項10】

前記板金はアルミ板金である請求項1乃至８の何れかの板金加工方法。

【請求項11】

多波長のレーザ光を発振するＤＤＬモジュールと、 前記ＤＤＬモジュールからの多波長レーザ光を伝送する伝送ファイバと、前記伝送ファイバにより伝送された多波長のレーザ光を集光して板金を加工するレーザ加工機であって、
厚さ２ｍｍ以上の板金切断する場合には、焦点距離ｆ≧１５０ｍｍを有し、焦点位置Ｐｆを、板金の上面を基準として−２．０mm＜ Pf ≦約0.0mmに配置した集光レンズを用いて、ＤＤＬモジュールからの平行レーザ光を前記板金に対して照射するレーザ加工機。

【請求項12】

厚さ３ｍｍのアルミ板金を切断する方法であって、焦点距離ｆ≧１５０ｍｍを有し、焦点位置Ｐｆを、板金の上面を基準として−1.0mm＜ Pf ≦−0.５mmに配置した集光レンズを用いて、ＤＤＬモジュールからのレーザ光を前記板金に対して照射する板金切断方法。

【請求項13】

加工速度２．５〜３（m/分）で加工する請求項１２の板金切断方法。

【請求項14】

厚さ２ｍｍ以上のアルミ板金を切断する方法であって、
厚さ２ｍｍのアルミ板金を切断する場合は、焦点距離ｆ≧１５０ｍｍを有し、焦点位置Ｐｆを、板金の上面を基準として0.0mm＜ Pf ≦約0.5mmに配置した集光レンズを用いて、
厚さ３ｍｍのアルミ板金を切断する場合は、焦点距離ｆ≧１５０ｍｍを有し、焦点位置Ｐｆを、板金の上面を基準として−1.0mm＜ Pf ≦−0.５mmに配置した集光レンズを用いて、
ＤＤＬモジュールからのレーザ光を前記板金に対して照射する板金切断方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ダイレクトダイオードレーザ光による板金の加工方法及びこれを実行するダイレクトダイオードレーザ加工装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、板金加工用のレーザ加工装置として、炭酸ガス（ＣＯ２）レーザ発振器やＹＡＧレーザ発振器、ファイバレーザ発振器をレーザ光源として用いたものが知られている。ファイバレーザ発振器は、ＹＡＧレーザ発振器よりも光品質に優れ、発振効率が極めて高い等の利点を有する。このため、ファイバレーザ発振器を用いたファイバレーザ加工装置は、産業用、特に板金加工用（切断又は溶接等）に利用されている。

【0003】

更に近年では、ダイレクトダイオードレーザ（ＤＤＬ：Direct Diode Laser）モジュールをレーザ光源として用いるレーザ加工機が開発されている。ＤＤＬモジュールは、複数のレーザダイオード（ＬＤ：Laser Diode）で生成された多波長（multiple-wavelength）のレーザ光を重畳し、伝送ファイバを用いて加工ヘッドまで伝送する。そして、伝送ファイバの端面から射出されたレーザ光は、コリメータレンズ及び集光レンズ等により被加工材（ワーク）上に集光されて照射される。

【0004】

ところで、レーザ加工において、ドロスの発生を抑制するために、レーザ光の焦点を、ワークの切断位置より上方に位置せしめ、切断幅がワーク板厚の略２分の１になるように、焦点ディフォーカスする切断方法が知られている（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１１−１７００７７

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１では、ドロス発生抑制はまだ十分でなかった。

【0007】

また、今までのレーザ加工機では、多波長のレーザ光を用いて加工を行う場合については、具体的に検討されていなかった。

【0008】

本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、多波長のレーザ光を用いて板金加工を行う際に、ドロスの付着状態が少なく、また付着したドロスも剥がし易い、板金のレーザ加工方法及びこれを実行するレーザ加工機を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一態様は、厚さ２ｍｍ以上の板金を切断する方法であって、焦点距離ｆ≧１５０ｍｍを有し、焦点位置Ｐｆを、板金の上面を基準として−２．０mm＜ Pf ≦約0.0mmに配置した集光レンズを用いて、ＤＤＬモジュールからのレーザ光を前記板金に対して照射するものである。

【0010】

前記板金はアルミ板金であるのが好ましい。

【0011】

前記加工に際して加工点に供給されるアシストガスのガス圧は１．５MPa(メガパスカル)以上であるのが好ましい。

【0012】

前記板金は厚さが１００ｍｍ以下であるのが好ましい。

【0013】

好ましくは、前記ＤＤＬモジュールからのレーザ光は、少なくとも2つ以上の多波長（multiple-wavelength）レーザ光で構成され、何れのレーザ光の波長も1000nm未満である。

【0014】

好ましくは、前記ＤＤＬモジュールからのレーザ光の波長（Wavelength）は800nm以上990nm以下の多波長（multiple-wavelength）で構成される。

【0015】

好ましくは、前記ＤＤＬモジュールから出射されるレーザ光のBPP（ビームパラメータ積（Beam parameter product））は、7mm*mrad以上20mm*mrad以下である。

【0016】

好ましくは、レーザ光のBPP（ビームパラメータ積（Beam parameter product））が、10.3mm*mradである
好ましくは、前記ビームウエスト（Beam waist diameter）は、150μm以上370μm以下の径である。

【0017】

好ましくは、前記ビームウエスト（Beam waist diameter）は、300μm以上364μm以下である。

【0018】

好ましくは、焦点レンズの入射直径は２０ｍｍで、集光直径dは、３００μｍ〜３６４μｍである。

【0019】

好ましくは、レーザ光のレーリー長は、1.5mm以上6mm以下である。

【0020】

好ましくは、レーザ光のレーリー長は、2.2mm以上3.4mm以下である。

【0021】

本発明の他の態様は、厚さ２ｍｍより薄い板金を切断する方法であって、焦点距離ｆとしてｆ≦１２０mmを有し、焦点位置Ｐｆを、板金の上面を基準として0.0mm＜ Pf ≦２．０mmに配置した集光レンズを用いて、ＤＤＬモジュールからのレーザ光を前記板金に照射するものである。

【0022】

前記板金はアルミ板金であるのが好ましい。

【0023】

前記加工に際しては、加工点に供給されるアシストガスのガス圧は０．８MPa乃至１．５MPaであるのが好ましい。

【0024】

好ましくは、前記ＤＤＬモジュールからのレーザ光は、少なくとも2つ以上の多波長（multiple-wavelength）レーザ光で構成され、何れのレーザ光の波長も1000nm未満である。

【0025】

好ましくは、前記ＤＤＬモジュールからのレーザ光の波長（Wavelength）は800nm以上990nm以下の多波長（multiple-wavelength）で構成される。

【0026】

好ましくは、前記ＤＤＬモジュールから出射されるレーザ光のBPP（ビームパラメータ積（Beam parameter product））は、7mm*mrad以上20mm*mrad以下である。

【0027】

好ましくは、レーザ光のBPP（ビームパラメータ積（Beam parameter product））が、10.3mm*mradである
好ましくは、前記ビームウエスト（Beam waist diameter）は、150μm以上370μm以下の径である。

【0028】

好ましくは、前記ビームウエスト（Beam waist diameter）は、300μm以上364μm以下である。

【0029】

好ましくは、焦点レンズの入射径は、300μm以上364μm以下の径である
好ましくは、レーザ光のレーリー長は、1.5mm以上6mm以下である。

【0030】

好ましくは、レーザ光のレーリー長は、2.2mm以上3.4mm以下である。

【0031】

本発明の更に他の態様は、厚さ２ｍｍ以上の板金切断する場合には、焦点距離ｆ≧１５０ｍｍを有し、焦点位置Ｐｆを、板金の上面を基準として、−２．０mm＜ Pf ≦約0.0mmに配置した集光レンズを用いて、ＤＤＬモジュールからの平行レーザ光を前記板金に対して照射し、
厚さ２ｍｍより薄い板金を切断する場合には、焦点距離ｆとしてｆ≦１２０mmを有し、焦点位置Ｐｆを、板金の上面を基準として0.0mm＜ Pf ≦２．０mmに配置した集光レンズを用いて、ＤＤＬモジュールからの平行レーザ光を前記板金に照射するものである。

【0032】

この態様においては、厚さ２ｍｍ以上の板金切断する場合には、前記第１態様の後に記載した条件が充足されるのが好ましく、厚さ２ｍｍより薄い板金を切断する場合には、前記第２態様の後に記載した条件が充足されるのが好ましい。

【0033】

本発明の更に他の態様は、多波長のレーザ光を発振するＤＤＬモジュールと、 前記ＤＤＬモジュールからの多波長レーザ光を伝送する伝送ファイバと、前記伝送ファイバにより伝送された多波長のレーザ光を集光して板金を加工するレーザ加工機であって、
厚さ２ｍｍ以上の板金切断する場合には、焦点距離ｆ≧１５０ｍｍを有し、焦点位置Ｐｆを、板金の上面を基準として−２．０mm＜ Pf ≦約0.0mmに配置した集光レンズを用いて、ＤＤＬモジュールからの平行レーザ光を前記板金に対して照射するものである。

【0034】

本発明の更に他の態様は、多波長のレーザ光を発振するＤＤＬモジュールと、 前記ＤＤＬモジュールからの多波長レーザ光を伝送する伝送ファイバと、前記伝送ファイバにより伝送された多波長のレーザ光を集光して板金を加工するレーザ加工機であって、
厚さ２ｍｍより薄い板金を切断する場合には、焦点距離ｆとしてｆ≦１２０mmを有し、焦点位置Ｐｆを、板金の上面を基準として0.0mm＜ Pf ≦２．０mmに配置した集光レンズを用いて、ＤＤＬモジュールからの平行レーザ光を前記板金に照射するものである。

【0035】

本発明の更に他の態様は、多波長のレーザ光を発振するＤＤＬモジュールと、 前記ＤＤＬモジュールからの多波長レーザ光を伝送する伝送ファイバと、前記伝送ファイバにより伝送された多波長のレーザ光を集光して板金を加工するレーザ加工機であって、
厚さ２ｍｍ以上の板金切断する場合には、焦点距離ｆ≧１５０ｍｍを有し、焦点位置Ｐｆを、板金の上面を基準として、−２．０mm＜ Pf ≦約0.0mmに配置した集光レンズを用いて、ＤＤＬモジュールからの平行レーザ光を前記板金に対して照射し、
厚さ２ｍｍより薄い板金を切断する場合には、焦点距離ｆとしてｆ≦１２０mmを有し、焦点位置Ｐｆを、板金の上面を基準として0.0mm＜ Pf ≦２．０mmに配置した集光レンズを用いて、ＤＤＬモジュールからの平行レーザ光を前記板金に照射するものである。

【発明の効果】

【0036】

本発明によれば、多波長のレーザ光を用いて加工を行う際に、ドロスの付着状態が少なく、また付着したドロスも剥がし易い。

【図面の簡単な説明】

【0037】

【図1】本発明の実施形態に係るレーザ加工機の一例を示す斜視図である。

【図2】図２（ａ）は、本発明の実施形態に係るレーザ発振器の一例を示す側面図である。図２（ｂ）は、前記レーザ発振器の正面図である。

【図3】本発明の実施形態に係るＬＤモジュールの一例を示す概略図である。

【図4】アルミ切断面における軽ドロスを示す写真図である。

【図5】アルミ切断面における通常ドロスを示す写真図である。

【図6】アルミ切断面における重ドロスを示す写真図である。

【図7】本発明の実施例１の試験結果を示す表である。

【図8】本発明の実施例２の試験結果を示す表である。

【図9】本発明の実施例３の試験結果を示す表である。

【図10】本発明の比較例１の試験結果を示す表である。

【発明を実施するための形態】

【0038】

図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。

【0039】

図１は、本発明の実施形態に係るＤＤＬレーザ加工機の全体構成を示す。同図に示すように、前記実施形態に係るＤＤＬレーザ加工機は、多波長のレーザ光ＬＢを発振するレーザ発振器１１と、レーザ発振器１１により発振されたレーザ光ＬＢを伝送する伝送ファイバ（プロセスファイバ）１２と、伝送ファイバ１２により伝送されたレーザ光ＬＢを高エネルギー密度に集光させて被加工材（ワーク）Ｗに照射するレーザ加工機（レーザ加工機本体部）１３とを備える。

【0040】

レーザ加工機１３は、伝送ファイバ１２から射出されたレーザ光ＬＢをワークへ照射する加工ヘッド１７を有する。この加工ヘッド１７は、前記ファイバ１２からのレーザ光を、コリメータレンズ１５で略平行光に変換するコリメータユニット１４と、略平行光に変換されたレーザ光ＬＢを、Ｘ軸及びＹ軸方向に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射するベンドミラー１６と、ベンドミラー１６により下方へ反射されたレーザ光ＬＢを集光する集光レンズ１８と、先端にノズルとを有する。コリメータレンズ１５及び集光レンズ１８としては、例えば石英製の平凸レンズ等の一般的なレンズが使用可能である。

【0041】

なお、図１では図示を省略するが、コリメータユニット１４内には、コリメータレンズ１５を光軸に平行な方向（Ｘ軸方向）に駆動するレンズ駆動部が設置されている。また、レーザ加工機は、レンズ駆動部を制御する制御部を更に備える。

【0042】

レーザ加工機１３は更に、被加工材（ワーク）Ｗが載置される加工テーブル２１と、加工テーブル２１上においてＸ軸方向に移動する門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｘ軸キャリッジ２２上においてＸ軸方向に垂直なＹ軸方向に移動するＹ軸キャリッジ２３とを備える。コリメータユニット１４内のコリメータレンズ１５、ベンドミラー１６、及び加工ヘッド１７内の集光レンズ１８は、予め光軸の調整が成された状態でＹ軸キャリッジ２３に固定され、Ｙ軸キャリッジ２３と共にＹ軸方向に移動する。なおＹ軸キャリッジ２３に対して上下方向へ移動可能なＺ軸キャリッジを設け、当該Ｚ軸キャリッジに集光レンズ１８を設けることも出来る。

【0043】

本発明の実施形態に係るレーザ加工機は、集光レンズ１８により集光されて所定集光直径のレーザ光ＬＢを被加工材Ｗに照射し、また同軸にアシストガスを噴射して溶融物を除去しながら、Ｘ軸キャリッジ２２及びＹ軸キャリッジ２３を移動させる。これにより、レーザ加工機は被加工材Ｗを切断加工することができる。被加工材Ｗとしては、ステンレス鋼、軟鋼、アルミニウム等の種々の材料が挙げられる。被加工材Ｗの板厚は、例えば０．１ｍｍ〜１００ｍｍ程度である。

【0044】

図２及び図３は、レーザ発振器１１の詳細を示す。レーザ発振器１１は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、筐体６０と、筐体６０内に収容され、伝送ファイバ１２に接続されているＬＤモジュール１０と、筐体６０内に収容され、ＬＤモジュール１０に電力を供給する電源部６１と、筐体６０内に収容され、ＬＤモジュール１０の出力等を制御する制御モジュール６２等が設けられている。また、筐体６０の外側には、筐体６０内の温度及び湿度を調整する空調機器６３が設置されている。

【0045】

ＬＤモジュール１０は、図３に示すように、多波長（multiple-wavelength）λ１，λ２，λ３，・・・，λｎのレーザ光を重畳して出力する。ＬＤモジュール１０は、複数のレーザダイオード（以下、「ＬＤ」という。）３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎ（ｎは４以上の整数）と、ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎにファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎを介して接続され、多波長λ１，λ２，λ３，・・・，λｎのレーザ光に対してスペクトルビーム結合（spectral beam combining）を行うスペクトルビーム結合部５０を備える。

【0046】

複数のＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎとしては、各種の半導体レーザが採用可能であり、その種類と数の組み合わせは特に限定されず、板金加工の目的に合わせて適宜選択可能である。ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎの波長λ１，λ２，λ３，・・・，λｎは、例えば１０００ｎｍ未満で選択したり、８００ｎｍ〜９９０ｎｍの範囲で選択したり、９１０ｎｍ〜９５０ｎｍの範囲で選択したりすることができるが、この実施形態では、９１０ｎｍ〜９５０ｎｍに設定されている。

【0047】

多波長λ１，λ２，λ３，・・・，λｎのレーザ光は、例えば、波長帯域毎に群（ブロック）管理されて制御される。そして、波長帯域毎に個別に出力を可変調節することができる。また、ワークへの所望の吸収率となるように、全波長帯域の出力を調整することができる。

【0048】

切断加工に際しては、ＬＤ３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎを同時に動作させると共に、酸素、窒素等の適宜のアシストガスを焦点位置近傍へ吹き付ける。これにより、当該各ＬＤからの各波長のレーザ光が、相互に協働すると共に、酸素等のアシストガスとも協働してワークを高速で溶融する。また当該溶融ワーク材料がアシストガスにより吹き飛ばされてワークが高速で切断される。

【0049】

スペクトルビーム結合部５０は、ファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎの射出端側を束ねて固定しファイバアレイ４とする固定部５１と、ファイバ４_１，４_２，４_３,・・・４_ｎからのレーザ光を平行光にするコリメータレンズ５２と、多波長λ１，λ２，λ３，・・・，λｎのレーザ光を回折する回折格子（diffraction grating）５３と、回折格子５３からのレーザ光を集光して伝送ファイバ１２へ入射させる集光レンズ５４とを備える。なお、回折格子５３と、集光レンズ５４との間には、ＬＤユニット３_１，３_２，３_３,・・・３_ｎ後端部に設けた反射面と共に共振器を構成する部分反射カプラ５５が設けてある。この部分反射カプラ５５は、コリメータレンズ５２と集光レンズ５４との間に配置されるのが好ましい。

【0050】

再び図１を参照するに、このようなレーザ加工機１３による切断加工等の加工においては、多波長λ１，λ２，λ３，・・・，λｎのレーザ光の波長毎のビームウエストは、例えば１００μｍ〜４００μｍ程度であって、これら複数の径で以って多焦点をなす。ビームウエストは、集光レンズ１８の入射径が２ｍｍ〜２０ｍｍ程度であって、焦点距離が５０ｍｍ〜３００ｍｍである光学要素により形成される。被加工材Ｗの板厚は例えば０．５ｍｍ〜３０ｍｍ程度である。レーザ発振器１１の波長毎又は波長帯域毎の制御の出力可変調節において入射角が０°より大きく５０°より小さい範囲においては短波長側の波長帯域の出力を、長波長側の出力より大きくすることができる。被加工材Ｗの切断速度は、例えば６０ｍ／ｍｉｎ〜２５０ｍ／ｍｉｎの範囲で選択できる。

【0051】

（板金切断加工方法）
以下、前記レーザ加工機を用いて、板厚１mm乃至５０mmの板金を加工する本発明の実施形態の板金加工方法を説明する。

【0052】

１．第１の加工方法
この加工方法は、厚さ２ｍｍ以上の板金を切断する方法であって、焦点距離ｆ≧１５０ｍｍを有し、焦点位置Ｐｆを、板金の上面を基準として−２．０mm＜ Pf ≦約0.0mmに配置した集光レンズを用いて、ＤＤＬモジュールからの平行レーザ光を前記板金に対して照射するものである。

【0053】

前記方法によれば、高速（例えば３ｍ／分〜６ｍ／分の速度）で厚さ２ｍｍ以上の板金を切断することができ、且つ、その切断面には、容易に除去可能なドロスを発生するのみである。

【0054】

ここに前記板金はアルミ板金であるのが好ましい。

【0055】

また、前記ＤＤＬモジュールからのレーザ光は、２以上の多波長レーザ光を含み、各レーザ光の波長は何れも１０００ｎｍ未満であるのが好ましい。

【0056】

前記レーザ光の波長は８００ｎｍ以上９９０ｎｍ以下の波長を有するのが更に好ましい。

【0057】

前記ＤＤＬモジュールから出射されるレーザ光のあるいはレーザ光のＢＰＰ（ビームパラメータ積）は、７mm*mrad以上２０mm*mrad以下であるのが好ましい。

【0058】

例えば前記ＢＰＰは１０．３mm*mradである。

【0059】

前記レーザ光のビームウエスト（直径）は、150μm以上370μm以下であるのが好ましい。

【0060】

さらに好ましくは前記ビームウエストは300μm以上364μm以下である。

【0061】

前記レーザ光のレーリー長は１．５ｍｍ以上６ｍｍ以下であるのが好ましく更に好ましくは２．２ｍｍ以上３．４ｍｍ以下である。

【0062】

２．第２の加工方法
この板金加工方法の第2の実施形態は、厚さ２ｍｍより薄い板金を加工する方法であって、焦点距離ｆとして１２０ｍｍ以下を有し、焦点位置Ｐｆを、板金の上面を基準として０．０ｍｍから２．０ｍｍに設定した集光レンズを用いて前記ＤＤＬモジュールからの平行レーザ光を前記板金に照射するものである。

【0063】

前記方法により、例えば１ｍｍの厚さの板金（アルミニウム）を通常ドロスを発生することなく高速（例えば１４ｍ／分の速度）で切断することができる。
前記加工に際して加工点に供給されるアシストガスのガス圧は０．８MPa乃至１．５MPaであるのが好ましく、０．８MPaから１．２MPaであるのが更に好ましい。

【0064】

ＤＤＬモジュールからのレーザ光の波長、ＢＰＰ、レーリー長、ビームウェスト等の光学的パラメータは上記第1の加工方法と同様である。

【実施例】

【0065】

以下、前記実施形態の実施例を説明する。

【0066】

なお、以下の実施例において特に断り書きがない限りレーザ発振器の出力は２ｋＷであり、ワーク（被加工材）としてのアルミ板へのレーザ光の入射角は７０°である。多波長レーザ光としては、波長９１０ｍｍ〜９５０ｎｍのレーザ光を使用した。

【0067】

１．加工評価の指標
この実施例においては加工評価の指標は、図７に示すようなドロスが発生せず、切断面が均一で溶け落ちて凹んだり波打ったりしない状態を良好な切断品位であると定める。

【0068】

なお、「ドロス」とは、熱切断の場合において材料の切断時にレーザ光により溶融した物質が材料下部に溶融物となって付着するものをいう。

【0069】

レーザ切断の結果、切断面は、図４乃至図６のような状態になるものである。

【0070】

図４は、アルミ切断においてドロスが発生するが、当該ドロスは、手で容易に剥ぎ取れる状態でありドロス状態が軽微である場合を示す（以下、軽ドロスと云い、記号○で示す。）。

【0071】

図５は、アルミ切断においてドロスが発生し、このドロスは手でも剥ぎ取れるが工具を使うことにより容易に剥ぎ取る場合を示す（以下、通常ドロスと云い記号○△で示す。）。 図６は、アルミ切断においてドロスが発生し、かつこのドロスは工具を使わなければ剥ぎ取れない状態を示す（以下、重ドロスと云い、記号△で示す。）。この場合は同図から分かるようにドロスの高さも図４，図５の場合と比べて大きいことが理解される。

【0072】

従って、以下の指標を採用する。
１）ドロスなし：◎
２）軽ドロス（容易に手で剥がせる程度のドロス）：○
３）通常ドロス（ヤスリ等の工具で容易に落とすことが可能なドロス）：○△
４）重ドロス（削り取らなければ成らないほど溶着したドロス：△
５）加工不能：×

【0073】

２．実施例１
図７は、実施例１の試験結果を示す。

【0074】

この実施例では、ワーク（アルミ）の厚さは１．０ｍｍであり、コリメータレンズの焦点距離は１００ｍｍであり、集光レンズの焦点距離は１２０ｍｍであった。

【0075】

アシストガスは窒素（Ｎ2）であり、その圧力は０．８MPaであり、ノズルは直径２ｍｍであり、ＧＰ（ノズル先端と材料との距離であるノズルギャップ）は０．５ｍｍであった。

【0076】

図７から分かるように、実施例１ではワーク上面よりも０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ上方位置に焦点を設定した場合に軽ドロスの切断が実現できた。

【0077】

さらに焦点位置を、ワーク上面よりも０．５ｍｍ〜１．５ｍｍに設定した場合に、軽ドロスの状態で、速度１４ｍ／分でワークを切断することができた。

【0078】

より詳細には、軽ドロス切断を実現する為の焦点位置の上限は、集光レンズの焦点距離（１２０ｍｍ）を基準として、１．７％（２／１２０）であり、好ましくは０．８％（１／１２０）であり、下限は０．０％である。

【0079】

すでに述べたように、図７の表において、○印は、容易に手で剥がせる程度の軽ドロスを意味し、○△印は、通常ドロス（ヤスリ等の工具で容易に落とすことができるもの）を意味し、△印は、削り取らなければならないほどの重ドロスを意味し、×印は、加工不能を意味する。

【0080】

従って、実施例１によれば、厚さ1ｍｍのアルミ板は、焦点距離１２０ｍｍの集光レンズを用い、その焦点をワーク上面から０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ上方位置に設定することにより、１４ｍ／分の加工速度で軽ドロスの切断をすることができることが判る。

【0081】

３．実施例２
図８は、実施例２の試験結果を示す。

【0082】

この実施例では、ワークとしてのアルミ板の厚さは、２ｍｍであり、コリメータレンズの焦点距離は１００ｍｍであり、集光レンズの焦点距離は１５０ｍｍであった。

【0083】

アシストガスとしての窒素の圧力は１．２MPaであり、ノズル径は２ｍｍであった。

【0084】

図８から理解されるように、実施例２においては、ワーク上面に対して＋０．５ｍｍ〜−３.０ｍｍの位置に焦点を設定する場合に軽ドロスの切断を実現できた。

【0085】

なかんずく焦点位置をワーク上面に対して０ｍｍ〜＋０．５ｍｍに設定することにより、６ｍ／分の速度でアルミワークを切断することができた。

【0086】

より詳細には、軽ドロス切断を実現する為の焦点位置の上限は、集光レンズの焦点距離（１５０ｍｍ）を基準として、０．３％（０，５／１５０）であり、下限は、―２.0％（-3/150）であり、好ましくはー１．３％（―２．０／１５０）であり、より好ましくは-0.7% (-1/150), 更に好ましくは０％である。

【0087】

従って、実施例２によれば、厚さ２ｍｍのアルミ板は、焦点距離１５０ｍｍの集光レンズを用い、その焦点をワーク上面から０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ上方位置に設定することにより、１４ｍ／分の加工速度で軽ドロスの切断をすることができることが判る。なお、０．５ｍｍは、焦点距離１５０ｍｍの０．３％であり、上記焦点位置は、焦点距離１５０ｍｍの０．３％と表現できる。

【0088】

４．実施例３
図９は、実施例３の試験結果を示す。

【0089】

この実施例は、板厚３ｍｍのアルミワークを、前記と同様のコリメータ及び、焦点距離１５０ｍｍの集光レンズを使用して加工したものである。

【0090】

アシストガス（窒素）の圧力は１．５MPaであり、そのガスノズル径は２ｍｍであった。

【0091】

図９から分かるように、実施例３では、集光レンズの焦点位置をワーク上面に対して０．０ｍｍ〜―１．５ｍｍに設定することにより軽ドロスの切断を実現できた。なかんずく前記焦点位置を、ワーク上面に対して−０．５ｍｍ〜−１．０ｍｍに設定することにより３ｍ／分の速度で軽ドロスの切断を実現することができた。

【0092】

より詳細には、軽ドロス切断を実現する為の焦点位置の上限は、集光レンズの焦点距離（１５０ｍｍ）を基準として、０．０％（0.0／１５０）であり、より好ましくはー０．３％（0.5/150）であり、下限は、―１.0％（-1.5/150）であり、好ましくはー０．７％（-1/150）である。

【0093】

５．比較例１
図１０は、比較例１の試験結果をしめす。

【0094】

この例では、板厚２ｍｍのアルミ材を、前記と同様のコリメータ及び、焦点距離１２０ｍｍの集光レンズを用いて切断した例である。

【0095】

図１０から理解されるように、比較例１では、焦点位置をワーク上面に対して−０．５ｍｍ〜−０．２ｍｍに設定することにより軽ドロスの切断をすることができたが、実施例２（図８）と比較して切断速度は５ｍ／分と減少した。

【0096】

このことから、板厚２ｍｍのワークの切断に対しては焦点距離１２０ｍｍの集光レンズよりも焦点距離１５０ｍｍの集光レンズのほうが望ましいことが理解される。

【0097】

６．比較例２
板厚２ｍｍのアルミ材を、ファイバレーザを用い且つ、焦点距離１５０ｍｍの集光レンズを用い切断したところ、焦点位置の選択に拘わらず重ドロスが発生することが分かった。

【0098】

従ってドロス付着に関してファイバレーザよりもＤＤＬレーザのほうが優れていることが理解される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図4】

【図5】

【図6】