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(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】6696671
(24)【登録日】2020年4月27日
(45)【発行日】2020年5月20日
(54)【発明の名称】レーザ加工装置
(51)【国際特許分類】
B23K 26/38 20140101AFI20200511BHJP
B23K 26/142 20140101ALI20200511BHJP
【ＦＩ】
B23K26/38 A
B23K26/142
【請求項の数】6
【全頁数】27
(21)【出願番号】特願2019-151084(P2019-151084)
(22)【出願日】2019年8月21日
(62)【分割の表示】特願2018-180518(P2018-180518)の分割
【原出願日】2018年9月26日
(65)【公開番号】特開2019-217552(P2019-217552A)
(43)【公開日】2019年12月26日
【審査請求日】2019年12月10日
(31)【優先権主張番号】特願2017-195965(P2017-195965)
(32)【優先日】2017年10月6日
(33)【優先権主張国】JP
(31)【優先権主張番号】特願2017-200048(P2017-200048)
(32)【優先日】2017年10月16日
(33)【優先権主張国】JP
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】390014672
【氏名又は名称】株式会社アマダ
(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】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】溝口 祐也
(72)【発明者】
【氏名】石黒 宏明
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 亮平
(72)【発明者】
【氏名】小林 遼
(72)【発明者】
【氏名】増田 健司
【審査官】
奥隅 隆
(56)【参考文献】
【文献】
国際公開第２０１０／１３７４７５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２００８−３０７５５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２０１６／０９３０５３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２０１５−２１３９３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２０１７／１４５５１８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２０１７−１０９２３８（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】
レーザ光が射出しアシストガスが噴出するノズル開口部を有するノズルと、
板材のワークにおいて切断対象となる複数の板厚毎に、最少のアシストガス消費量で切断性を良とする前記ノズル開口部の開口径を対応づけしたノズル選択テーブルが格納された記憶部と、
前記記憶部に格納された前記ノズル選択テーブルを参照して、次に切断するワークの板厚に対応づけされた最少のアシストガス消費量で切断性を良とする開口径の前記ノズル開口部を有するノズルを選択するノズル選択部と、
を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
板材のワークにおいて切断対象となる複数の板厚毎に、最少のアシストガス消費量で切断性を良とする前記ノズル開口部の開口径を対応づけしたノズル選択テーブルが格納された記憶部と、
前記記憶部に格納された前記ノズル選択テーブルを参照して、次に切断するワークの板厚に対応づけされた最少のアシストガス消費量で切断性を良とする開口径の前記ノズル開口部を有するノズルを選択するノズル選択部と、
を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項2】
前記ノズルは、アウタノズル部及びインナノズル部を有するダブルノズルであり、
前記ノズル開口部は、前記アウタノズル部の開口部であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
前記ノズル開口部は、前記アウタノズル部の開口部であることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項3】
前記インナノズル部の先端部は、前記アウタノズル部の先端部に対し、前記ノズルの軸線に沿って１ｍｍ以上かつ５．５ｍｍ以下の距離で奥側に位置していることを特徴とする請求項２記載のレーザ加工装置。
【請求項4】
前記ノズルは、前記アウタノズル部と前記インナノズル部との間に、前記アシストガスの一部が流れる横断面形状が環状のアウタ流路が形成されていることを特徴とする請求項２又は請求項３記載のレーザ加工装置。
【請求項5】
前記ノズルが先端に取り付けられ前記アシストガスが外部から供給される加工ヘッドと、
前記アシストガスを前記加工ヘッドに供給するアシストガス供給装置と、
備え、
前記アシストガス供給装置は、前記アシストガスのガス圧を前記加工ヘッドの内部の圧力として制御す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装置。
前記アシストガスを前記加工ヘッドに供給するアシストガス供給装置と、
備え、
前記アシストガス供給装置は、前記アシストガスのガス圧を前記加工ヘッドの内部の圧力として制御す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装置。
【請求項6】
前記ノズル選択テーブルにおいて前記板厚毎に対応づけされた前記開口径は、前記アシストガスの前記ガス圧が０．４〜０．６ＭＰａの範囲で切断性を良とする開口径であることを特徴とする請求項５記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１及び２には、ワークを、アシストガスを併用してファイバレーザ又はダイレクトダイオードレーザのレーザ光で切断するレーザ加工装置が記載されている。特許文献２に記載されたレーザ加工方法は、いわゆる倣い装置を備えたレーザ加工装置により、ワークとノズル先端との間の距離であるノズルギャップを所定値に維持して切断加工が行う方法である。
また、特許文献３には、窒素リッチガスを中空糸膜などの多孔質膜を用いて空気から生成し、その窒素リッチガスをアシストガスとしてレーザ加工ヘッドに供給する装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第５９１９３５６号公報
【特許文献2】特開２０１７−１３１８９７号公報
【特許文献3】特開平５−０８４５９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ステンレス鋼を含む鉄系の板状ワークの切断加工を、アシストガスに窒素ガスを用いファイバレーザ或いはダイレクトダイオードレーザのレーザ光によって行うと、ワークが比較的薄板の場合、ＣＯ２レーザよりも高速加工が可能となる。これは、ファイバレーザ及びダイレクトダイオードレーザのレーザ光が、ＣＯ２レーザのレーザ光と比較して短波長で高い材料吸収率を有することによる。
その結果、ファイバレーザ及びダイレクトダイオードレーザを用いた切断加工は、ＣＯ２レーザを用いた切断加工よりもアシストガスの消費量が少なくて済み、低コストとなる。
【0005】
一方、ワークが厚板の場合、例えば、ＳＵＳ３０４の概ね６ｍｍ以上の厚板をファイバレーザの出力６ｋＷでのレーザ光で切断する場合、現状において、ＣＯ２レーザの切断加工よりも高コストとなる傾向にある。これは、ファイバレーザ及びダイレクトダイオードレーザによる切断加工では、切断カーフがＣＯ２レーザによる切断カーフよりも狭く、ワークが厚くなるほど溶融金属の排出がより困難になると推察されることによる。そのため、狭いカーフ内から溶融金属の排出を促すべくＣＯ２レーザの場合よりもアシストガスを高圧で噴射させる必要があり、アシストガスの消費量が多く高コストとなる。
また、ステンレス鋼を含む鉄系の板状ワークの切断加工では、切り出される製品の切断面に酸化皮膜が形成されることを避ける必要がある。そのため、アシストガスに、比較的高価な高純度の窒素ガスを用い、その窒素ガスを１．０ＭＰａを超える高圧で噴射することで無酸素切断とするのが一般的であり、高コストの要因となっている。
また、アシストガスを高圧で噴射させるためには、昇圧設備も必要となり、この点もコストアップの要因となっている。
このように、ファイバレーザ及びダイレクトダイオードレーザによる切断加工は、鉄系の厚板のワークの切断において高コストとなる傾向にあるため、低コストで切断ができることが望まれている。
【0006】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、鉄系の厚板材を、より低コストで切断できるレーザ加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記の課題を解決するために、本発明は次の構成を有する。１） レーザ光が射出しアシストガスが噴出するノズル開口部を有するノズルと、
板材のワークにおいて切断対象となる複数の板厚毎に、最少のアシストガス消費量で切断性を良とする前記ノズル開口部の開口径を対応づけしたノズル選択テーブルが格納された記憶部と、
前記記憶部に格納された前記ノズル選択テーブルを参照して、次に切断するワークの板厚に対応づけされた最少のアシストガス消費量で切断性を良とする開口径の前記ノズル開口部を有するノズルを選択するノズル選択部と、
を備えたことを特徴とするレーザ加工装置である。
２） 前記ノズルは、アウタノズル部及びインナノズル部を有するダブルノズルであり、
前記ノズル開口部は、前記アウタノズル部の開口部であることを特徴とする１）に記載のレーザ加工装置である。
３） 前記インナノズル部の先端部は、前記アウタノズル部の先端部に対し、前記ノズルの軸線に沿って１ｍｍ以上かつ５．５ｍｍ以下の距離で奥側に位置していることを特徴とする２）に記載のレーザ加工装置である。
４） 前記ノズルは、前記アウタノズル部と前記インナノズル部との間に、前記アシストガスの一部が流れる横断面形状が環状のアウタ流路が形成されていることを特徴とする２）又は３）に記載のレーザ加工装置。
５） 前記ノズルが先端に取り付けられ前記アシストガスが外部から供給される加工ヘッドと、
前記アシストガスを前記加工ヘッドに供給するアシストガス供給装置と、
備え、
前記アシストガス供給装置は、前記アシストガスのガス圧を前記加工ヘッドの内部の圧力として制御することを特徴とする１）〜４）のいずれか一つに記載のレーザ加工装置である。
６） 前記ノズル選択テーブルにおいて前記板厚毎に対応づけされた前記開口径は、前記アシストガスの前記ガス圧が０．４〜０．６ＭＰａの範囲で切断性を良とする開口径であることを特徴とする５）に記載のレーザ加工装置である。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、鉄系の厚板材をより低コストで切断できる、という効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
（実施例１）本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法を、実施例１のレーザ加工装置５１及びそれを用いて行うレーザ加工方法により説明する。
以下の説明において、板厚ｔが６ｍｍ以上の板材を、厚板材と称する。また、板厚ｔが３ｍｍ以上６ｍｍ未満の板材を中厚板材と称する。
【0011】
図１は、レーザ加工装置５１の概略全体構成を示す図である。レーザ加工装置５１は、ワークテーブル１，加工ヘッド２，駆動部３，及び制御装置５を備えている。
ワークテーブル１には、鉄系板材のワークＷが載置される。加工ヘッド２は、ワークテーブル１上に載置されたワークＷに対しレーザ光Ｌｓを照射する。駆動部３は、ワークテーブル１及び加工ヘッド２の少なくとも一方を移動させて両者の３次元的相対位置を変化させる。制御装置５は、加工ヘッド２及び駆動部３の動作を制御する。
また、レーザ加工装置５１は、レーザ発振器６及びアシストガス供給装置７を備えている。
レーザ発振器６は、プロセスファイバ６ａを介して加工ヘッド２にレーザ光Ｌｓを供給する。レーザ発振器６は、例えば、波長が１μｍ帯のレーザ光Ｌｓを出力して加工ヘッド２に供給する。
アシストガス供給装置７は、加工ヘッド２にアシストガスＡＧとして窒素ガスを供給する。アシストガス供給装置７は、例えば、窒素ガスのボンベを用いて純度９９．９９９％の窒素ガスを加工ヘッド２に供給する。よって、加工ヘッド２は、いわゆる無酸素切断を目的とするアシストガス流を切断面へ提供する。
【0012】
加工ヘッド２は、本体部２ａ，ノズル２ｂ，及びセンサ４を備えている。本体部２ａは、動作状態において、上下方向（鉛直方向）に延びる軸線ＣＬ２を軸とする筒状を呈する。ノズル２ｂは、本体部２ａの下端に着脱自在に取り付けられている。センサ４は、ノズル２ｂの下方の先端部２ｂ１とワークテーブル１上に載置されたワークＷの表面Ｗａとの距離であるノズルギャップＧｐ（以下、単にギャップＧｐと称する）を測定する。
また、レーザ加工装置５１は、ノズル２ｂを自動交換するノズルチェンジャ８を備えている。ノズルチェンジャ８は、この例において、ノズル番号Ｎ１〜Ｎ５のノズルをストック可能とされ、制御装置５が有するノズル選択部１４（詳細は後述）の制御により指定された番号のノズルを、本体部２ａに脱着する。
【0014】
ノズル２ｂは、アウタノズル部２ｂａとインナノズル部２ｂｂとを有するいわゆるダブルノズルである。ノズル２ｂは、本体部２ａの下部に対し、ねじによって着脱自在に装着可能とされている
【0015】
アウタノズル部２ｂａの先端部２ｂ１には開口部２ｂ２がノズル開口部として開口し、インナノズル部２ｂｂの先端部２ｂｂ１には開口部２ｂｂ２が開口している。インナノズル部２ｂｂの先端部２ｂｂ１の位置は、アウタノズル部２ｂａの先端部２ｂ１に対し上側であるノズル２ｂの軸線ＣＬ２に沿った奥側にあり、アウタノズル部２ｂａの開口縁と先端部２ｂｂ１との間に開口径Ｄを内径とする円筒状の空間Ｖａが形成されている。
インナノズル部２ｂｂの開口部２ｂｂ２が開口した先端部２ｂｂ１と、アウタノズル部２ｂａの開口部２ｂ２が開口した先端部２ｂ１との軸線ＣＬ２方向の距離を、ノズル段差Ｈｎと称する。ノズル段差Ｈｎは、例えば５．５ｍｍである。
アウタノズル部２ｂａとインナノズル部２ｂｂとの間には、横断面形状が略環状となるアシストガスのアウタ流路Ｒ１が形成される。
インナノズル部２ｂｂには、インナ流路Ｒ２が形成されている。インナ流路Ｒ２は、下方先端に向かうに従って内径が小さくなるように形成されている。
【0016】
本体部２ａには、アシストガス供給装置７から窒素ガスがアシストガスＡＧとして供給される。供給されたアシストガスＡＧは、アウタ流路Ｒ１及びインナ流路Ｒ２を流れ、空間Ｖａで合流し、図１に示されるように、先端部２ｂ１の開口部２ｂ２から下方へ噴出する。アシストガスＡＧのガス圧Ｐｎ（詳細は後述）は、本体部２ａ内の圧力としてアシストガス供給装置７によって制御される。
レーザ発振器６から本体部２ａに供給されたレーザ光Ｌｓは、本体部２ａ内に備えられたコリメーションレンズ及びフォーカスレンズ（いずれも不図示）を経て、インナ流路Ｒ２内を軸線ＣＬ２上に進み開口部２ｂ２から下方に射出する。
【0017】
図１に戻り、制御装置５は、中央処理装置（ＣＰＵ）１１，記憶部１２，倣い制御部１３，及びノズル選択部１４を含んで構成されている。
【0018】
ワークＷを切断加工するための加工プログラムＰＧ及びノズル選択テーブルＴｎ（詳細後述）は予め作成され、通信インターフェース（不図示）などを介して外部から供給され或いは作業者により直接入力されて、記憶部１２に記憶される。切断加工において、ＣＰＵ１１は、加工プログラムＰＧにより規定される切断経路に沿ってレーザ光ＬｓがワークＷに照射されるように、レーザ発振器６及び駆動部３の動作を制御する。
ノズル２ｂの先端部２ｂ１とワークＷの表面Ｗａとの距離であるギャップＧｐは、センサ４の検出結果に基づき、倣い制御部１３による駆動部３の上下駆動制御で加工ヘッド２の上下方向位置が制御されて維持される。
【0019】
ワークＷをレーザ光Ｌｓによって切断加工する際にアシストガスＡＧを使用する場合、ＣＰＵ１１は、アシストガス供給装置７によるアシストガスＡＧの供給動作を制御する。供給されたアシストガスＡＧは、既述のようにノズル２ｂの開口部２ｂ２から下方へ噴出する。
【0020】
図１に示されるように、記憶部１２にはノズル選択テーブルＴｎが格納される。図１０は、ノズル選択テーブルＴｎの構成例を示している。ノズル選択テーブルＴｎは、開口径Ｄの異なる複数種類のノズル番号Ｎ１〜Ｎ５のノズルの中から、加工するワークＷの板厚ｔ及びレーザ光の出力Ｍに応じて利用可能な選択すべきノズルが、対応付けにされることにより特定可能とされたテーブルである。
【0021】
ノズル選択テーブルＴｎに示された、板厚ｔ及び出力Ｍと、ノズル（開口径Ｄ）との関係は、アシストガスＡＧが低いガス圧Ｐｎで噴出しても厚板材のワークＷを良好に切断できる関係である。次に説明するように、レーザ加工装置５１によるワークＷの切断に際し、ノズル選択テーブルＴｎに示される関係が予め把握されている。以下、ノズル選択テーブルＴｎを取得する方法及びその技術的意義について、図３〜図８を参照して説明する。
【0022】
まず、ワークＷのレーザ光による切断性の良否判定について図３を参照して説明する。切断性の良否は、ワークＷにおける切断部位の、加工ヘッド２とは反対側の面（下面）におけるドロスの下方への突出量の大小で判定する。
ドロスの突出量が少ないほど切断性が良好であり、切断経路に沿って付着したドロスの最大突出量が所定の基準値以下の場合、切断性が良（以下、良切断と称する）と判定する。
基準値は、板厚ｔ及びレーザ光Ｌｓの出力Ｍに依存し、板厚ｔが６〜２０ｍｍ、出力Ｍが６ｋＷの場合、例えば図３に示される特性とされる。
具体的には、基準値は、板厚ｔが６ｍｍでは５０μｍ（基準比率０．００８３）、板厚ｔが１２ｍｍでは３００μｍ（基準比率０．０２５）、板厚ｔが２０ｍｍでは１２００μｍ（基準比率０．０６）とされる。
以下、ドロスの最大突出量をドロス高さとも称する。
図３に示された基準値のプロットは、板材の板厚ｔ及び使用するノズル２ｂの開口径Ｄなどが連続的ではなく段階的であることから、滑らかな線上に乗る性質のものではない。図３では、理解を深める参考として、滑らかな近似曲線を破線で付記してある。
【0023】
鉄系板材のワークに対し、いくつかの基本的な加工条件を、次に示す＜固定条件Ａ＞として固定する一方、＜パラメータ＞として示した項目を変えてレーザ切断を試切断として実行し、切断性をドロス高さで評価した。また、切断性が良（良切断）として維持できる最大切断速度Ｖｍａｘを求めた。＜固定条件Ａ＞
レーザ光の出力Ｍ：６ｋＷ
レーザ光の波長：１．０８μｍ
プロセスファイバーコア径：１００μｍ
ノズル２ｂの開口径Ｄ：７ｍｍ
ノズル段差Ｈｎ：５．５ｍｍ
ギャップＧｐ：０．３ｍｍ
ビーム品質（ＢＰＰ）： ≦４．０ｍｍ＊ｍｒａｄ
ワーク材質：ＳＵＳ３０４
アシストガスＡＧの種類：窒素ガス
＜パラメータ＞
ワークの板厚ｔ：６，１２，２０ｍｍ の３種
アシストガスＡＧのガス圧Ｐｎ：０．４〜１．２ＭＰａの範囲で０．２ＭＰａ毎
【0024】
各板厚ｔにおける切断性の良判定は、図３を参照した既述のようにそれぞれ次の通りである。板厚ｔ＝６ｍｍ ：ドロス高さ ５０μｍ以下
板厚ｔ＝１２ｍｍ ：ドロス高さ ３００μｍ以下
板厚ｔ＝２０ｍｍ ：ドロス高さ １２００μｍ以下
【0025】
図４〜図６は、得られた鉄系材料の結果のうち、ＳＵＳ３０４を代表として、それぞれワークの板厚ｔが６，１２，２０ｍｍの場合の結果を示したグラフである。ＳＵＳ３０４以外の軟鋼などの鉄系材料も、概ね同様の結果を得た。
【0026】
(板厚ｔ＝６ｍｍ)図４に示される板厚ｔが６ｍｍの場合において、ガス圧Ｐｎが０．４〜０．６ＭＰａの範囲で、ドロス高さは基準値（５０μｍ）以下となり、切断性は良と判定された。
また、最大切断速度Ｖｍａｘは、ガス圧Ｐｎが０．４〜１．２ＭＰａの範囲すべてにおいて８０００〜８５００ｍｍ／ｍｉｎの範囲内で得られた。
【0027】
（板厚ｔ＝１２ｍｍ）図５に示される板厚ｔが１２ｍｍの場合において、ガス圧Ｐｎが０．４〜０．６ＭＰａの範囲で、ドロス高さは基準値（３００μｍ）以下となり、切断性は良と判定された。また、ガス圧Ｐｎが０．８〜１．２ＭＰａの範囲で、ドロス高さは基準値（３００μｍ）を超え、切断性は不良と判定された。
また、最大切断速度Ｖｍａｘは、ガス圧Ｐｎが０．４〜０．８ＭＰａの範囲で約２８００ｍｍ／ｍｉｎが得られ、０．８ＭＰａを超えると低下傾向にあり、１．２ＭＰａにおいて約２０００ｍｍ／ｍｉｎに低下した。
【0028】
（板厚ｔ＝２０ｍｍ）図６に示される板厚ｔが２０ｍｍの場合において、ガス圧Ｐｎが０．４〜１．２ＭＰａすべての範囲で、ドロス高さは基準値（１２００μｍ）以下となり、切断性は良と判定された。
また、最大切断速度Ｖｍａｘは、ガス圧Ｐｎが０．４〜１．２ＭＰａすべての範囲で４００〜６００ｍｍ／ｍｉｎが得られた。
【0029】
以上の結果から、開口径Ｄが７ｍｍのノズルを用いた場合、少なくともガス圧Ｐｎが０．４〜０．６ＭＰａの範囲において、板厚ｔが６〜２０ｍｍの厚板材であるＳＵＳ３０４材を、切断性を良として切断可能であることが明らかになった。また、最大切断速度Ｖｍａｘは、０．４〜１．２ＭＰａのガス圧範囲において、ガス圧Ｐｎが小さいほど、大きくなることが明らかになった。
【0030】
この方法を用い、ノズルの開口径Ｄをパラメータとし、開口径Ｄが２．０，４．０，７．０，１０．０，１２．０ｍｍのそれぞれのノズルにおいて、ガス圧Ｐｎが０．４〜０．６ＭＰａの範囲において、切断性が良となる切断が可能か否かを実験し、ノズルの開口径Ｄに対する良切断が可能なＳＵＳ３０４の板厚を調べた。図７は、その結果を示すグラフである。
【0031】
また、図９に示されるように、開口径Ｄが２．０，４．０，７．０，１０．０，１２．０ｍｍのノズルを、それぞれノズル番号Ｎ１〜Ｎ５として特定する。
【0032】
図７に示されるように、概ね、開口径Ｄが大きくなる程、厚い板厚でも良切断が可能になる傾向があることが判明した。すなわち、良切断可能な板厚最大値は、ノズルの開口径Ｄに依存している。
また、開口径Ｄが１０ｍｍ以上において切断可能板厚は飽和傾向となることが判明した。
【0033】
図７によれば、例えば、固定条件Ａ（開口径Ｄは除く）によって板厚ｔが１０ｍｍの板材のレーザ切断加工を行う場合、ノズル番号Ｎ１〜Ｎ５のすべてのノズルを選択可能であることがわかる。また、板厚ｔが２０ｍｍの板材のレーザ切断加工を行う場合、ノズル番号Ｎ３〜Ｎ５のノズルを選択可能であることがわかる。
【0034】
次に、選択可能なノズル２ｂがレーザ光Ｌｓの出力Ｍに依存するか否かを、固定条件Ａにおけるレーザ光Ｌｓの出力Ｍをパラメータとして変えて、同様の実験を行った。具体的には、出力Ｍを、既述の６ｋＷ以外の、４ｋＷ、９ｋＷの二つの場合とし、それぞれにおいて、良切断可能な板厚ｔと開口径Ｄとの関係を実験で求めた。
そして、良切断が可能な開口径Ｄのノズル２ｂが複数種類ある場合には、最大切断速度Ｖｍａｘが大きい方を選択した。最大切断速度Ｖｍａｘが大きいほど、加工所要時間が短くてアシストガスＡＧの消費量が少なくなる。
図８にその結果を示す。
【0035】
図８に示される結果から、出力Ｍが大きいほど、より厚いワークを良切断できることが明らかになった。また、出力Ｍによらず、板厚ｔが厚いほど、良切断のために開口径Ｄの大きいノズルが必要となる傾向にあることがわかった。
【0036】
図８に示される結果から、実際の切断加工において、前の加工（第１の切断加工）で切断したワークＷ（第１の板材）の板厚（第１の板厚）に対する次の加工（第２の切断加工）で切断しようとするワークＷ（第２の板材）の板厚（第２の板厚）の増減（厚薄）に応じて、レーザ光Ｌｓの出力Ｍ及びノズル２ｂの開口径Ｄの一方又は両方を変えて、ワークＷの板厚によらず良切断を維持できることが判明した。これについて次に詳述する。
【0037】
＜開口径Ｄのみを変える場合＞レーザ光Ｌｓの出力Ｍを変えずに板厚の異なるワークＷを切断したい場合は、板厚ｔに応じて開口径Ｄの異なるノズル２ｂを選択するとよい。
詳しくは、次の加工で切断するワークＷの板厚ｔが前の加工で切断したワークＷの板厚ｔより増大（厚くなる）する場合は、前の加工で使用したノズル２ｂの開口径Ｄよりも大きい開口径Ｄを有するノズル２ｂを選択する。減小する（薄くなる）場合は、前の加工で使用したノズル２ｂの開口径Ｄよりも小さい開口径Ｄを有するノズル２ｂを選択する。そして、選択したノズル２ｂを、現状のノズル２ｂと交換して次の切断加工を実行する。
例えば、図８において、前の加工で切断したワークＷの板厚ｔが１０ｍｍで、次の加工で切断するワークＷの板厚ｔが１６ｍｍの場合、出力Ｍは６ｋＷを維持し、ノズル２ｂを、開口径が２ｍｍのものから７ｍｍのものに変更する。
【0038】
＜レーザ光Ｌｓの出力Ｍのみを変える場合＞使用中のノズル２ｂを交換せずに、板厚ｔの異なるワークＷを切断したい場合は、その板厚ｔに応じてレーザ光Ｌｓの出力Ｍを異なる値に設定するとよい。
詳しくは、次の加工で切断するワークＷの板厚ｔが前の加工で切断したワークＷの板厚ｔより増大する（厚くなる）場合は、レーザ光Ｌｓの出力Ｍを前の加工で設定した出力Ｍよりも大きく設定し、減小する（薄くなる）場合は、レーザ光Ｌｓの出力Ｍを前の加工で設定した出力Ｍよりも小さく設定して切断加工を実行するとよい。
例えば、図８において、前の加工で切断したワークＷの板厚ｔが１０ｍｍで、次の加工で切断するワークＷの板厚ｔが１６ｍｍの場合、開口径Ｄが４ｍｍのノズル２ｂはそのままとし、レーザ光Ｌｓの出力Ｍを４ｋＷから９ｋＷに上げて設定する。
【0039】
＜ノズル２ｂの開口径Ｄ及びレーザ光Ｌｓの出力Ｍの両方を変える場合＞また、次の加工対象のワークＷが、良切断した前の加工のワークＷと同じ板厚ｔの場合、開口径Ｄ及び出力Ｍの一方を大きくなるように変え、他方を小さくなるように変えることで、良切断を維持することができる。
例えば、図８において、前の加工及び次の加工共にワークＷの板厚が１２ｍｍの場合で、前の加工で用いたノズル２ｂの開口径が２ｍｍで出力が９ｋＷのとき、次の加工で、ノズル２ｂを開口径Ｄの大きい７ｍｍのものに交換し、出力Ｍを４ｋＷに小さくする。
【0040】
次の加工で、ノズル２ｂを開口径Ｄの異なるものに交換するかレーザ光Ｌｓの出力Ｍを変更するかは、次以降の加工に供されるワークＷの板厚ｔ、レーザ発振器６の消費電力、用いるノズル２ｂの履歴（メンテナンス時期）など、種々の条件を基に適宜決定できる。この２つのパラメータの選択で良切断が維持できることにより、生産効率の低下を抑制できる。これは、例えば、ある開口径Ｄのノズル２ｂが損傷した、或いはレーザ発振器６の故障である値以上の出力が得られなくなった、などの不具合に対して、前者はレーザ発振器６の出力Ｍを調整する、後者は開口径Ｄの異なるノズル２ｂに選択交換することで良切断を維持できる可能性が増すことによる。
【0041】
このように、所望の板厚材のワークＷを良切断するために選択可能なノズル２ｂは、レーザ光Ｌｓの出力Ｍに応じて決めることができる。同じ開口径Ｄの場合に、レーザ光Ｌｓの出力Ｍが大きいほど厚い板材を良切断できる理由は次のように推察される。
すなわち、出力Ｍが大きいほどレーザパワー密度が高くなるので、カーフ内の溶融金属の粘度が低下する。噴出させるアシストガスＡＧのガス圧Ｐｎが同じであるならば、アシストガスＡＧによる溶融金属の冷却熱量は変わらない。そのため、出力Ｍが増大した分だけ、溶融金属の粘度低下が生じ、溶融金属のカーフ外への排出が良好となる。従って、同じ開口径Ｄのノズル２ｂを用いてもより厚いワークＷに対し良切断が可能となる。
【0042】
また、上述の同じ開口径Ｄのノズルを用いた場合に、出力Ｍが大きいほど厚い板材を良切断できる理由を、カーフ内のプラズマ状態を考慮すると次のように推考される。すなわち、噴出させるアシストガスＡＧのガス圧Ｐｎが同じであればカーフ内のプラズマ状態も変化しない。そのため、レーザ光Ｌｓの出力Ｍが大きいほど、照射するレーザ光Ｌｓのエネルギのうちのプラズマの影響を受けないエネルギが増加する。このエネルギの増加により、ワークＷのカーフ側面の融解が促進されてより厚い板材の良切断が可能になる。
【0043】
以上の結果から、切断実験によって、ワークＷの板厚ｔと、その板厚ｔのワークＷを良切断するために選択すべきノズル番号と、の関係を特定可能であることがわかる。そこで、異なる出力Ｍ及び異なるワークＷの板厚ｔの組み合わせそれぞれにおいて、最小のアシストガス消費量で良切断できるノズル番号を実験により把握し、テーブル化した。
図１０は、そのノズル選択テーブルＴｎの内容例を示している。
【0044】
図１０に示されたノズル選択テーブルＴｎは、各板厚ｔに対し、レーザ光Ｌｓの出力Ｍ以外の項目を固定し出力Ｍを変えた場合の、板厚ｔと出力Ｍ毎に選択すべきノズル番号を、紐付けによって特定可能にするものである。
【0045】
例えば、板厚ｔが１０．０ｍｍで、出力Ｍが９ｋＷの場合、Ｎ１番のノズルを選択すれば、良切断をアシストガスＡＧの消費量を最も少なく行うことができる、ということがわかる。また、板厚ｔが２０ｍｍの場合、出力Ｍが４ｋＷでは、Ｎ１〜Ｎ５番の中から選択できるノズルがなく、出力Ｍが６ｋＷ及び９ｋＷでＮ３番のノズルを選択すれば、良切断をアシストガスＡＧの消費量を最も少なく行うことができる、ということがわかる。
【0046】
このノズル選択テーブルＴｎは、外部から制御装置５に入力され記憶部１２に記憶される。ノズル選択テーブルＴｎを記憶したレーザ加工装置５１は、図１１に示される手順例によりノズルを選択し、切断加工を実行する。
【0047】
制御装置５のノズル選択部１４は、記憶部１２に記憶された加工プログラムＰＧから、次の切断加工で切断するワークＷの板厚ｔを取得し（Ｓｔｅｐ１）、その切断加工で照射するレーザ光Ｌｓの出力Ｍを取得する（Ｓｔｅｐ２）。
【0048】
次にノズル選択部１４は、記憶部１２に記憶されたノズル選択テーブルＴｎを参照し、（Ｓｔｅｐ１）で取得した板厚ｔ及び出力Ｍに対応したノズル番号を把握する。例えば、図１０において、取得した板厚ｔが１２．０ｍｍで出力Ｍが６ｋＷであれば、Ｎ２番のノズルが対応することを把握する（Ｓｔｅｐ３）。
【0049】
ノズル選択部１４は、ノズルチェンジャ８に対し、選択したＮ２番のノズルをノズル２ｂの本体部２ａに装着するよう指示し、ノズルチェンジャ８は、本体部２ａに対し、指示されたＮ２番のノズルを装着する（Ｓｔｅｐ４）。ＣＰＵ１１の指示により、レーザ発振器６は、指定された６ｋＷの出力でレーザ光Ｌｓを加工ヘッド２に供給する。また、アシストガス供給装置７は、アシストガスのガス圧Ｐｎを、０．４〜０．６ＭＰａの範囲内で維持する。また、駆動部３は加工プログラムＰＧの指定経路にレーザ光Ｌｓが照射されるよう加工ヘッド２及びワークＷを相対移動させてワークＷの切断加工を実行する（Ｓｔｅｐ５）。
【0050】
図１２及び図１３は、アシストガスＡＧの消費量を破線で示したグラフである。図１２は、従来のＣＯ２レーザにおける消費量を示している。図１３は、ファイバレーザ光を発振するレーザ発振器６及び記憶部１２に格納されたノズル選択テーブルＴｎを用いて、ノズルを選択使用する加工方法におけるアシストガスＡＧの消費量を示している。
【0051】
上述のレーザ加工方法によれば、板厚ｔが６ｍｍ以上のＳＵＳ３０４の板材に対し、それぞれの板厚ｔに応じた開口径Ｄを有するノズルを用いることで、０．４〜０．６ＭＰａの比較的低いアシストガスＡＧのガス圧Ｐｎで高速の良切断が可能になる。そして、板厚ｔに応じ、少ないアシストガスＡＧで良切断を可能とする開口径Ｄのノズルを特定できるノズル選択テーブルＴｎを予め用意し、そのノズル選択テーブルＴｎを切断加工に際し参照することで、切断加工に最適なノズルを、容易に選択使用できる。このように、実施例のレーザ加工装置５１及びレーザ加工方法によれば、図１３に示されるように、厚板のワークＷのレーザ光による切断を、アシストガスＡＧの消費量を少なく低コストで行うことができる。
【0052】
上述のレーザ加工方法における切断は、ギャップＧｐを固定条件Ａに含め、ギャップＧｐ＝０．３ｍｍ一定とした場合を説明した。更に、発明者は、ギャップＧｐをパラメータとした実験を行い、ドロス高さ及びアシストガス消費量が、ギャップＧｐに少なからず依存することを明らかにしたので、図１４〜図１６を参照して説明する。
【0053】
図１４〜図１６は、それぞれ板厚ｔが６ｍｍ，１２ｍｍ，２０ｍｍのＳＵＳ３０４材の切断において、ガス圧Ｐｎ（横軸）と、最大切断速度Ｖｍａｘ（左縦軸）及びドロス高さ（右縦軸）と、の関係を、３種のギャップＧｐで示したグラフである。３種のギャップＧｐは、０．３ｍｍ，０．５ｍｍ，０．７ｍｍである。
【0054】
まず、板厚ｔが６ｍｍの場合を示す図１４によれば、ガス圧Ｐｎが０．４ＭＰａにおいて、ギャップＧｐが０．７ｍｍの場合のドロス高さが他の場合よりも高く、良切断ができず切断性が劣化することがわかる。また、ガス圧Ｐｎが０．６ＭＰａにおいて、ギャップＧｐ違いによる切断性の差は認められず、良切断が実行される。
一方、ガス圧Ｐｎが０．８ＭＰａにおいて、ギャップＧｐが０．３ｍｍの場合、ドロス高さが他の場合よりも高く、良切断ができず切断性が劣化することがわかる。
さらに、ガス圧Ｐｎが１．０ＭＰａ以上において、いずれのギャップにおいても、良切断は実行できないことがわかる。
最大切断速度Ｖｍａｘは、ギャップＧｐによらず、０．４〜１．２ＭＰａすべての範囲で８５００〜９０００ｍｍ／ｍｉｎが得られる。
【0055】
板厚ｔが１２ｍｍの場合を示す図１５によれば、ガス圧Ｐｎが０．４〜０．６ＭＰａの範囲では、ギャップＧｐが０．７ｍｍの場合のドロス高さが、他の場合よりも高く、良切断ができず切断性が劣化することがわかる。一方、ガス圧Ｐｎが０．８ＭＰａ以上の範囲で切断性は逆転する傾向を示している。また、ギャップＧｐが０．７ｍｍの場合、ガス圧Ｐｎが０．８ＭＰａでドロス高さはギャップＧｐが０．３ｍｍの場合よりも低く良切断可能となる。また、１．０ＭＰａ以上でドロス高さは他の２種のギャップの場合よりも低くなって、良切断が可能で切断性が良化することがわかる。
また、最大切断速度Ｖｍａｘは、ギャップ違いでの差は大きくないものの、ギャップＧｐが０．７ｍｍの場合、ガス圧Ｐｎによらず３種のギャップのなかでの最大値を維持することがわかる。
【0056】
板厚ｔが２０ｍｍの場合を示す図１６によれば、ガス圧Ｐｎが０．４ＭＰａにおいて、ギャップＧｐが０．５ｍｍ及び０．７ｍｍの場合、ドロス高さが、０．３ｍｍの場合よりも高く、特に０．７ｍｍの場合は良切断ができず切断性が劣化することがわかる。一方、ガス圧Ｐｎが０．６ＭＰａ以上では、ギャップＧｐ間でドロス高さに顕著な差はなく良切断が可能となることがわかる。
また、最大切断速度Ｖｍａｘは、ガス圧Ｐｎが０．４〜１．２ＭＰａの範囲内でギャップＧｐ間の顕著な差はなく、ガス圧Ｐｎが大きくなるほど低下する傾向が認められる。
【0057】
図１４〜図１６から、ギャップＧｐが大きいほど、良切断が可能なガス圧Ｐｎの最大値が大きくなる傾向にあることが把握される。そして、ガス圧Ｐｎが０．４〜０．８ＭＰａの範囲においては、良切断が得られない板厚ｔであっても、ギャップＧｐを例えば１段階大きく（広く）することで、良切断できる可能性のあることがわかる。また、仮にギャップＧｐをこのように大きくした場合に、微調整として切断速度を下げガス圧Ｐｎを上げる操作が必要になったとしても、０．６ＭＰａ以下の場合と遜色のない高速で実行できることは、図１４〜図１６での説明のように明らかである。従って、ギャップＧｐを大きくした場合に、アシストガス消費量Ｑが、ガス圧Ｐｎが１ＭＰａを超える場合と比べて少なくて済むことも期待できる。
【0058】
具体的に図４〜図６を参照して説明した例を踏まえて説明する。ガス圧Ｐｎを、ガス消費量を少なくすべく低く設定した切断加工において（例えばガス圧Ｐｎ＝０．４〜０．６ＭＰａ）、特定の板厚（例えば板厚ｔ＝１２ｍｍ）で良切断が難しい場合、その板厚の加工時にギャップＧｐを大きくし、ガス圧Ｐｎを上げることで良切断が可能になる。例えば、ギャップＧｐを０．３ｍｍから０．５ｍｍにし、ガス圧Ｐｎを０．４〜０．６ＭＰａから０．８ＭＰａにする。
【0059】
図１７は、３種（０．３ｍｍ，０．５ｍｍ，０．７ｍｍ）のギャップＧｐについて、ガス圧Ｐｎ（横軸）とアシストガス消費量Ｑ（縦軸）との関係を示すグラフである。ノズル２ｂの開口径Ｄは７ｍｍである。図１７から、アシストガス消費量Ｑは、ガス圧Ｐｎが大きいほど多くなり、いずれのガス圧Ｐｎにおいても、ギャップＧｐが大きいほど多くなることがわかる。
ギャップＧｐが小さい（狭い）と、ノズル２ｂから噴出するアシストガスが受けるワークＷによる抵抗が大きく、本体部２ａ内のガス圧Ｐｎが同じであっても噴出するガスの量が抑えられ消費量が抑制すると考えられる。
従って、アシストガス消費量Ｑの観点からは、ギャップＧｐは小さい(狭い)方が好ましい。
【0060】
この結果から、ギャップＧｐが０．７ｍｍ以上での切断は、ガス圧Ｐｎを０．４〜０．６ＭＰａよりも高くすることで、高速で良切断を行うことができるが、アシストガス消費量Ｑが他の２種の小さいギャップＧｐのときよりも増える。従って、ギャップＧｐに関しての、アシストガス消費量Ｑの低減最適化観点では、次例のような設定方法が有効である。
すなわち、倣い制御部１３は、通常のギャップＧｐを０．３〜０．５ｍｍ程度に小さく設定し、駆動部３を制御する。そして、ワークＷの表面Ｗａの局部的にうねりが大きい部位を切断する場合に、倣い移動におけるワークＷとノズル２ｂとの接触の可能性を低減すべく、一時的にギャップＧｐを大きくするよう駆動部３の上下動作を制御する。
【0061】
また、発明者は、インナノズル部２ｂｂの先端部２ｂｂ１と、アウタノズル部２ｂａの先端部２ｂ１との軸線ＣＬ２方向の距離であるノズル段差Ｈｎをパラメータとした実験を行った。その結果、ノズル段差Ｈｎと、ドロス高さ（μｍ）及び良切断となるレーザ光の焦点距離の幅である良好切断焦点幅（ｍｍ）との関係が明らかになったので、図１８〜図２２を参照して説明する。
図１８〜図２２は、材質又は板厚が異なる５種類のワークＷにおける結果である。便宜的に、良好切断焦点幅を棒線で示し、ドロス高さを折れ線で示している。
図１８は、熱間圧延鋼板（ＳＰＨ）の板厚４．５ｍｍ、図１９は、一般構造用圧延鋼板（ＳＳ４００）の厚さ９．０ｍｍ、図２０〜図２３は、それぞれステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）の板厚８．０ｍｍ，１２．０ｍｍ，１６．０ｍｍでの結果である。
各図の横軸となるノズル段差Ｈｎは、０ｍｍ（段差なし）と、段差有りの１ｍｍ，３ｍｍ，５．５ｍｍとの合計で４種で実験を行った。
良好切断焦点幅は、値が大きいほど焦点調節に余裕が生じるので、加工動作の容易性の観点で好ましい。
【0062】
図１８に示されるＳＰＨ材（板厚４．５ｍｍ）の結果において、良好切断焦点幅については、ノズル段差Ｈｎが５．５ｍｍの場合、３ｍｍ以下の場合よりも大きい値が得られる。一方、ドロス高さについては、ノズル段差Ｈｎが０（ゼロ）の場合よりも、１ｍｍ以上の場合の方が低くなる。良好切断焦点幅が大きいほど、次のメリットが得られる。
レーザ加工装置の製造者が加工現場に提供する加工条件の基となる加工環境と、実際の加工現場における手配材料及び設置機械などを含む加工環境と、に多少の差異がある場合、製造者が推奨するレーザ光の焦点位置に対し、加工現場での実際のレーザ加工の焦点位置が多少ずれる場合が想定される。この場合でも、ワークＷを良好に切断できる焦点位置の幅（範囲）である良好切断焦点幅が大きければ（広ければ）、他の条件を調整することなくワークＷを良好に切断できる。
【0063】
図１９に示されるＳＳ材（板厚９．０ｍｍ）の結果では、良好切断焦点幅については、ノズル段差Ｈｎが０（ゼロ）の場合よりも１ｍｍ以上の場合の方が大きい値が得られる。一方、ドロス高さについては、ノズル段差Ｈｎが５．５ｍｍの場合、３ｍｍ以下の場合よりも低くなる。
【0064】
図２０に示されるＳＵＳ材（板厚８．０ｍｍ）の結果では、良好切断焦点幅については、ノズル段差Ｈｎが０（ゼロ）の場合よりも１ｍｍ以上の場合の方が大きい値が得られる。一方、ドロス高さについては、ノズル段差Ｈｎが０（ゼロ）の場合よりも、１ｍｍ以上の場合の方が低くなる。
【0065】
図２１に示されるＳＵＳ材（板厚１２．０ｍｍ）の結果では、良好切断焦点幅については、ノズル段差Ｈｎが０（ゼロ）の場合よりも１ｍｍ以上の場合の方が大きい値が得られる。一方、ドロス高さについては、ノズル段差Ｈｎによる顕著な違いは認められない。
【0066】
図２２に示されるＳＵＳ材（板厚１６．０ｍｍ）の結果では、良好切断焦点幅については、ノズル段差Ｈｎが０（ゼロ）の場合よりも１ｍｍ以上の場合の方が大きい値が得られる。一方、ドロス高さについては、ノズル段差Ｈｎが５．５ｍｍの場合、３ｍｍ以下の場合よりも低くなる。
【0067】
図１８〜図２２に示された各種材料を用いた結果から、良好切断焦点幅については、ノズル段差Ｈｎを１ｍｍ以上とすることは、いずれの結果においても、ノズル段差Ｈｎがない０（ゼロ）ｍｍの場合と比較して同等以上の値が得られるので、好ましい。特に、ノズル段差Ｈｎを５．５ｍｍにすることは、いずれの結果においても、３ｍｍ以下とした場合と比べて同等以上の値が得られるので、より好ましい。
【0068】
ドロス高さについては、ノズル段差Ｈｎが０（ゼロ）ｍｍの場合と１ｍｍ以上とした場合との比較では、全結果について共通の傾向は認められない。一方、ノズル段差Ｈｎを５．５ｍｍとした場合は、３ｍｍ以下とした場合と比べて同等以下の低さとなり、好ましい。
以上の結果から、ノズル段差Ｈｎを０（ゼロ）ではなく少なくとも１ｍｍ以上に設定することは、好ましく、さらに、５．５ｍｍに設定することは、より好ましいことが判明した。
【0069】
以上詳述した切断加工条件での切断加工手順は、実験に供したＳＵＳ材，ＳＰＨ材，ＳＳ材はもとより、ＳＰＣＣ（冷間圧延鋼板）材を含むいわゆる鉄系材料において同様に実行でき、同様の効果が得られる。また、レーザ発振器６は、ファイバレーザに限らず、ファイバレーザの波長と同様に、波長がＣＯ２レーザの約１／１０程度のダイレクトダイオードレーザであってもよく、ファイバレーザの場合と同様の効果が得られる。
【0071】
ここでドロスのクーラント効果を考慮すると、ガス圧Ｐｎが高くなるほどアシストガスＡＧの流量及び流速が増加するため、カーフ内の溶融金属は、冷却が促進されて粘度が上昇しカーフから排出されにくくなる。一方で、板厚ｔが厚いほど、カーフ内を貫流しようとするアシストガスＡＧの流れが妨げられるため、カーフ内のアシストガスＡＧによる冷却促進は抑制される。
【0072】
そのため、上述の条件での厚さが６ｍｍ〜２０ｍｍのワークＷの切断において、ワークＷの板厚ｔが薄いほど、カーフ内の溶融金属に対して冷却の促進よりもガス流の勢いによる排出が勝り、ドロス高さは抑制される。一方、ワークＷの板厚ｔが厚いほど、カーフ内の溶融金属に対して冷却の促進が抑制されるので、薄板の場合と同様にガス流の勢いによる溶融金属の排出が勝り、ドロス高さが抑制される。
これらから、ワークＷが中間厚において、カーフ内の溶融金属の冷却がガス流による排出作用に勝り、溶融金属の粘度が上がってその排出が抑制され、ドロス高さが大きくなる場合のあることが推察される。
【0073】
予め行う実験で、切断対象のワーク板厚範囲においてこのようなドロス高さが極大となる範囲が存在することが確認できた場合、その極大となる範囲について、レーザ光Ｌｓの出力Ｍを大きくする、或いは図１４を参照して説明したようにガス圧Ｐｎを大きくして良切断を可能にする、という設定が可能である。
【0074】
上述において、レーザ加工装置５１のアシストガス供給装置７は、アシストガスＡＧとして、窒素ガスのボンベから９９．９９９％の窒素ガスを供給するものとした。これ以外に、窒素ガスを、大気などからフィルタなどを通して精製し供給してもよく、この場合、アシストガスＡＧに任意割合の（例えば数パーセントの）酸素を含ませることができる。
【0075】
例えば数パーセントの酸素を含有する窒素リッチのアシストガスＡＧａを、レーザ光Ｌｓと共に使用して軟鋼を切断すれば、切断時に酸化反応熱が発生する。この酸化反応熱は、アシストガスＡＧａの流れによる溶融金属の奪熱(冷却)を抑制するように作用するので、溶融金属の粘度上昇を抑制し、カーフ外への排出が促進されてドロス高さが低くなる、と考えられる。すなわち、図４〜図６を参照して説明した良切断加工を、ガス圧Ｐｎが０．８ＭＰａ以上の領域においても行うことが可能になる。
【0076】
レーザ加工装置５１は、アシストガスＡＧのガス圧Ｐｎが少なくとも０．４〜０．６ＭＰａで、鉄系厚板材のレーザ切断加工が良切断として可能である。また、ワークＷの板厚に応じてギャップＧｐを選択調整する場合は、少なくとも０．４〜０．８ＭＰａで、鉄系厚板材のレーザ切断加工が良切断として可能である。０．４〜０．６ＭＰａのガス圧は、一般に、ピアス加工でのガス圧と同等であるため、従来、ピアス加工に対し高圧に切り換えて行っていた切断加工を、ピアス加工と同等のガス圧で実行可能となっている。
すなわち、従来、ピアス加工と切断加工との切り換えで行っていたガス圧Ｐｎの昇降切り換えを行う必要がない。これにより、ガス圧Ｐｎの高低切り換えに伴うガス圧静定時間がなくなって切断加工効率が向上する。
【0077】
本発明の実施例１は、上述した構成及び手順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変形例としてもよい。
【0078】
ノズル２ｂの種類は、ダブルノズルに限定されず、シングルノズルであってもよい。開口部２ｂ２が先端部２ｂ１近傍で急峻に拡径せず、円筒又は円筒に近く緩やかに径変化する空間Ｖａが形成されていれば、図２３（ａ）〜（ｅ）に例示される種々の形状のノズルを用いて同様の効果を得ることができる。また、一般にダブルノズルの方がシングルノズルよりもアシストガスＡＧの消費量が少ないので、ノズル２ｂとしてダブルノズルを用いることは好ましい。
【0079】
切断性の良否判定を、ドロス高さの大小で行うことを説明したが、これに限定されない。例えば、切断面の表面粗さの大小で判定してもよい。
【0080】
レーザ加工装置５１は、ノズルチェンジャ８を備えていなくてもよい。この場合、ノズル選択部１４は、使用するノズルの番号を、情報出力部１５（図１参照）から音声又は画像で出力し、使用者の手作業によるノズル交換を促す。
もちろん、ノズルチェンジャ８によるノズル２ｂの自動交換が可能な場合においても、情報出力部１５から、使用するノズルの番号などのノズルを特定する情報を外部に出力することは好ましい。
【0081】
次に、上述のノズル２ｂと同じノズルＡ２ｂを用いると共にアシストガスＡＧを窒素リッチガスのアシストガスＡＡＧとして良切断が可能となる例を実施例２として説明する。
【0082】
（実施例２）本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法の実施例２として、レーザ加工装置Ａ５１及びそれを用いて行うレーザ加工方法により説明する。
【0083】
図２４は、レーザ加工装置Ａ５１の概略全体構成を示す図である。レーザ加工装置Ａ５１は、ワークテーブルＡ１，加工ヘッドＡ２，駆動部Ａ３，及び制御装置Ａ５を備えている。
ワークテーブル１には、板材のワークＡＷが載置される。加工ヘッドＡ２は、ワークテーブルＡ１上に載置された板材のワークＡＷに対しレーザ光ＡＬｓを照射する。駆動部Ａ３は、ワークテーブルＡ１及び加工ヘッドＡ２の少なくとも一方を移動させて両者の３次元的相対位置を変化させる。制御装置Ａ５は、加工ヘッドＡ２及び駆動部Ａ３の動作を制御する。
【0084】
また、レーザ加工装置Ａ５１は、レーザ発振器Ａ６及びアシストガス供給装置Ａ７を備えている。レーザ発振器Ａ６は、ファイバレーザのレーザ光ＡＬｓを加工ヘッドＡ２に供給する。
レーザ発振器Ａ６は、波長９００ｎｍ〜１１００ｎｍのいわゆる１μｍ帯のレーザ光を生成出力するものであればファイバレーザに限定されず、ＤＤＬ（ダイレクトダイオードレーザ）やディスクレーザであってもよい。ファイバレーザ発振器及びＤＤＬ発振器を例とすると、ファイバレーザ発振器は、波長１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍのレーザ光を出力し、ＤＤＬ発振器は、波長９１０ｎｍ〜９５０ｎｍのレーザ光を出力する。
アシストガス供給装置Ａ７は、加工ヘッドＡ２にアシストガスＡＡＧとして窒素リッチガスＡＡＧ１を供給する。
アシストガス供給装置Ａ７は、例えば、気体分離膜である中空糸膜のフィルタを用いた気体分離ユニットＡ７ａを有し、アシストガスＡＡＧとして窒素リッチガスＡＡＧ１を出力する周知構造のガス供給装置である。
【0085】
加工ヘッドＡ２は、本体部Ａ２ａ，ノズルＡ２ｂ，及びセンサＡ４を備えている。本体部Ａ２ａは、動作状態において、上下方向（鉛直方向）に延びる軸線ＣＬ２を軸とする筒状を呈する。ノズルＡ２ｂは、本体部Ａ２ａの下端に着脱自在に取り付けられている。センサＡ４は、ノズルＡ２ｂの下方の先端部Ａ２ｂ１とワークテーブルＡ１上に載置されたワークＡＷの表面ＡＷａとの距離であるノズルギャップＡＧｐ（以下、単にギャップＡＧｐと称する）を測定する。
ノズルＡ２ｂは、実施例１において説明したノズル２ｂと同じものであり、実施例に応じ、便宜的に異なる符号を付与してある。
なお、実施例２のノズルＡ２ｂは、ノズル２ｂとは異なるシングルノズルのものであってもよい。これは、実施例２のアシストガスＡＡＧが酸素を含む窒素リッチガスＡＡＧ１であり、ワークＡＷを切断する際に、鉄と酸素との反応熱が切断に寄与してアシストガスＡＡＧの流れが単にワークＡＷを冷却するのみではないことによる。
【0086】
制御装置Ａ５は、中央処理装置（ＣＰＵ）Ａ１１，記憶部Ａ１２，及び倣い制御部Ａ１３を含んで構成されている。
【0087】
ワークＡＷを切断加工するための加工プログラムＡＰＧは、通信インターフェース（不図示）などを介して外部から供給され、記憶部Ａ１２に格納される。中央処理装置Ａ１１は、切断加工において、加工プログラムＡＰＧにより規定される切断経路に沿ってレーザ光ＡＬｓがワークＷに照射されるように、レーザ発振器Ａ６及び駆動部Ａ３の動作を制御する。
レーザ光ＡＬｓは、ノズルＡ２ｂの先端部Ａ２ｂ１に形成された開口部Ａ２ｂ２（照射口）を通って軸線ＡＣＬ２上に下方へ射出される。以下、この開口部Ａ２ｂ２の内径を、開口径ＡＤと称する。
ノズルＡ２ｂにおける先端部Ａ２ｂ１，開口部Ａ２ｂ２，及び開口径ＡＤは、それぞれ実施例１で説明したノズル２ｂにおける先端部２ｂ１，開口部２ｂ２，及び開口径Ｄに対応する。
【0088】
レーザ光ＡＬｓによる切断加工をアシストガスＡＡＧの併用で行う場合、中央処理装置Ａ１１は、アシストガス供給装置Ａ７によるアシストガスＡＡＧの供給動作を制御する。アシストガスＡＡＧは、軸線ＡＣＬ２を含む所定の横断面形状の流束として（例えば円形断面の流束）、所望のガス圧で、ノズルＡ２ｂにおける先端部Ａ２ｂ１の開口部Ａ２ｂ２から下方に噴射される。ここで、ガス圧は、例えば加工ヘッドＡ２の本体部Ａ２ａ内の圧力として、制御装置Ａ５により制御される。
【0089】
図２５は、アシストガス供給装置Ａ７の構成を示す図である。アシストガス供給装置Ａ７は、流路上流側（図２５における右側）から、塵埃除去フィルタＡ７ｂ，気体分離ユニットＡ７ａ，及び電磁開閉弁Ａ７ｃを有する。
塵埃除去フィルタＡ７ｂは、例えば工場内に敷設され、洗浄などに用いる１ＭＰａ程度の圧縮空気ラインＡＰに接続され、流入する高圧空気に混在している塵埃を除去する。
塵埃が除去された高圧空気は、気体分離ユニットＡ７ａの入力口Ａ７ａ１に流入する。
アシストガス供給装置Ａ７に供給する圧縮空気は、圧縮空気ラインＡＰから供給されるものに限らず、例えば、圧縮空気ラインＡＰに対し独立設置した、いわゆる別置きのコンプレッサから供給されるものであってもよい。
【0090】
気体分離ユニットＡ７ａは、例えば、気体分離膜である中空糸膜フィルタを有し、分子のサイズ違いを利用して空気から酸素を分離する。これにより、酸素が除かれた窒素リッチガスＡＧ１が出力口Ａ７ａ２から流出する。また、中空糸膜フィルタによって分離された酸素リッチガスＡＧ２が出力口Ａ７ａ３から流出する。通常、中空糸膜フィルタを用いて分離生成される窒素リッチガスＡＧ１の窒素濃度は、圧縮空気の供給圧力や中空糸膜フィルタの経年劣化にもよるが、９０％以上〜９９．５％未満（体積比率）であり、残りの大部分は、概ね、分離しきれなかった酸素である。すなわち、窒素リッチガスＡＧ１において、酸素は、濃度が少なくとも０．５％以上かつ１０％未満の範囲の値として含まれる。
【0091】
窒素の濃度範囲は、使用時間の経過に伴うフィルタの分離機能低下を考慮したものであって、この範囲の中で使用時間に伴い低下する。すなわち９０％に低下した時点で中空糸膜フィルタの寿命とする。窒素リッチガスＡＧ１は、窒素ボンベ由来の、９９．９９９％以上の高純度の窒素ガスに比べて酸素ガスの混合比率が十分高いため、窒素と酸素との混合ガスと見なせる。そこで、窒素リッチガスＡＧ１は、以下、混合ガスＡＧ１とも称する。
また、アシストガス供給装置Ａ７は、窒素リッチガスを生成出力するものであるから、窒素リッチガス発生装置として機能する。
窒素と酸素との混合ガスを精製する方法は、窒素ボンベと、大気又は酸素ボンベと、を使い混合する方法や、ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）法によって窒素リッチガスを得て、大気又は酸素ボンベからの酸素と混合する方法もとり得る。これらの場合、高価な窒素ボンベやＰＳＡ装置が必要となるが、少なくとも本発明の加工方法で用いるアシストガスのガス圧は、後述のように１．０ＭＰａ以下の低圧で使用するため、従来の高価な窒素を１．０ＭＰａを超える高圧で使用する加工方法に対し、アシストガスの消費コストは低くなる。
【0092】
図２５において、出力口Ａ７ａ２から流出した混合ガスＡＧ１は、電磁開閉弁Ａ７ｃを経て、加工ヘッドＡ２の本体部Ａ２ａに供給される。電磁開閉弁Ａ７ｃの開閉動作は、制御装置Ａ５によって制御される。
【0093】
レーザ加工装置Ａ５１におけるアシストガス供給装置Ａ７は、工場などにおいて一般的に敷設された圧縮空気ラインＡＰからの１．０ＭＰａ程度の高圧空気を得て窒素リッチの混合ガスＡＧ１を生成し、昇圧せずにノズルＡ２ｂの開口部Ａ２ｂ２から噴射させる。圧縮空気ラインＡＰにおける空気圧に対し、気体分離ユニットＡ７ａを通過した混合ガスＡＧ１の圧力は低下し、１．０ＭＰａ以下になっている。
【0094】
上述からわかるように、アシストガスＡＡＧを、窒素ボンベを用いることなく空気から生成した窒素リッチの混合ガスＡＧ１とし、さらに、生成した混合ガスＡＧ１を１．０ＭＰａ未満のガス圧で噴射する。これにより良好な切断品質でのレーザ切断加工が可能であれば、高価なボンベは不要であり、かつガス圧が低く噴射量が少なくて済むので、レーザ切断加工は低コストとなる。
【0095】
そこで、アシストガスＡＡＧを、アシストガス供給装置Ａ７によって空気から生成した混合ガスＡＧ１として併用し、従来よりも十分低圧の０．６ＭＰのガス圧で、鉄系の板材を良好切断可能な条件が見いだせるか否か、を実験で確認した。また、切断可能な条件が見いだせた場合の切断性及び切断性が最適となる切断速度である最適切断速度ＡＶ（ｍ／ｍｉｎ）を評価した。
【0096】
実験に用いた板材の板厚Ａｔ及び材質、並びに固定する加工条件は次のとおりである。板厚Ａｔ：１．６ｍｍ，３．２ｍｍ，４．５ｍｍ，６．０ｍｍ，９．０ｍｍ の５種
材質 ：ＳＰＨ（熱間圧延鋼板）
＜固定加工条件＞
ガス圧：０．６ＭＰａ
レーザ光の出力ＡＭ：６ｋＷ
ノズル段差Ｈｎ（図２参照）：５．５ｍｍ
ギャップＡＧｐ：０．３ｍｍ
【0097】
切断性は、ワークＡＷの切断部における、ノズルＡ２ｂとは反対側の面から突出するドロスの最大高さ（ドロス高さ）で評価した。良劣は、ドロス高さが製品として求められる、予め設定した所定の基準値以下となる場合を良とし、以下、切断性が良となる切断を、この例でも良切断と称する。
【0098】
実験の結果、板厚Ａｔに応じた開口径ＡＤのノズルＡ２ｂを選択することで、上記の各板厚ＡｔのワークＡＷを良切断できることが明らかになった。板厚Ａｔと、その板厚を良切断可能なノズルＡ２ｂの開口径ＡＤと、の関係は、次のとおりである。
（板厚Ａｔ） （開口径ＡＤ）
１．６ｍｍ ４ｍｍ
３．２ｍｍ〜６．０ｍｍ ７ｍｍ
９．０ｍｍ １０ｍｍ
さらに、この条件で、各板厚Ａｔにおいて切断性が最も優れたものとなる最適切断速度ＡＶ（ｍ／ｍｉｎ）を求め、加工する板材の板厚Ａｔを横軸、最適切断速度ＡＶを縦軸として図２６の実線のグラフを得た。
【0099】
図２６には、比較実験として、アシストガスＡＡＧを従来の窒素ボンベ由来の純度９９．９９９％以上の窒素ガスとし、窒素ガスにおいて良切断となるよう板厚Ａｔに応じて設定された既知の標準条件で同じ材料を切断した場合の、板厚Ａｔと最適切断速度ＡＶとの関係を、破線で示してある。レーザ光の出力ＡＭは、混合ガスＡＧ１の場合と同じ６ｋＷである。
【0100】
アシストガスＡＡＧを窒素ガスとした場合の、レーザ切断加工での標準条件は次のとおりである。＜標準条件＞
（板厚Ａｔ） （開口径ＡＤ） （ガス圧）
１．６ｍｍ ２．０ｍｍ １．２ＭＰａ
３．２ｍｍ ２．５ｍｍ １．８ＭＰａ
４．５ｍｍ，６．０ｍｍ ４．０ｍｍ １．６ＭＰａ
９．０ｍｍ ７．０ｍｍ １．５ＭＰａ
レーザ光の出力ＡＭ：６ｋＷ
【0101】
図２６から明らかなように、板厚Ａｔが１．２〜９．０ｍｍの範囲で、アシストガスＡＡＧを混合ガスＡＧ１とした切断加工の方が、窒素ガスとした場合よりも最適切断速度が高速で良好な切断性が得られることがわかった。
【0102】
同じガス圧において最適切断速度が速いと、所定経路の切断加工を短時間で実行できるので、アシストガスＡＡＧの消費量は少なくなる。比較実験のガス圧が最低でも１．２ＭＰａであることに対し、この実験の混合ガスＡＧ１のガス圧は半分以下の０．６ＭＰａである。そのため、アシストガスＡＡＧを混合ガスＡＧ１とした場合の消費量は、窒素ガスとした場合よりも顕著に少ないことは明らかである。
【0103】
図２７は、最適切断速度ＡＶにおける各板厚でのドロス高さを、混合ガスＡＧ１の場合及び比較としての窒素ガスの場合について示したグラフである。図２７に示されるように、板厚Ａｔが１．６〜９．０ｍｍの全範囲において、混合ガスＡＧ１の場合のドロス高さが窒素ガスのドロス高さ以下となっており、切断性に優れていることがわかる。
特に、ドロス高さがほぼ同等の板厚４．５ｍｍの場合を除き、混合ガスＡＧ１のドロス高さは、窒素ガスの場合の約半分程度であり、極めて良好な切断性が得られることが明らかとなった。
【0104】
アシストガスＡＡＧを混合ガスＡＧ１とした場合、窒素ガスとした場合に比べて、低いガス圧、高速の切断、低いドロス高さ、で加工できる理由は、上記実験の切断面観察などから次のように推察された。混合ガスＡＧ１の酸素の体積比率が０．５％以上あると、切断部位に顕著な酸化反応が生じ、その反応熱によってカーフ内の溶融金属の粘度が低下して溶融範囲が更に拡張する。
カーフ内の溶融範囲が拡張することで、溶融金属の総量は増えるが、レーザ光のみで加熱される場合よりも、酸化反応熱による加熱効果が融解金属の粘度が低下させることに寄与し、アシストガスＡＡＧが低圧の噴流であっても、溶融金属はカーフ外へ排出される。これにより、切断速度の高速化が図られる。
【0105】
また、カーフ内の溶融範囲の拡張によってカーフ幅が広がり、アシストガスＡＡＧ噴流がカーフ内部で受ける抵抗が低減する。これにより、より低いガス圧でもカーフ内にアシストガスＡＡＧを貫流させることが可能になると共に、カーフ内の溶融金属の排出が維持され、結果として１．０ＭＰａ以下の低ガス圧化が図られると共に、ドロス高さの低下が図られる。
つまり、板厚領域が中厚板材及び厚板材のＳＰＨ材（熱間圧延鋼板）の切断加工を、アシストガスＡＡＧを窒素リッチである混合ガスＡＧ１とし、アシストガスＡＡＧのガス圧を１ＭＰａ以下とし、ノズル２ｂとして開口径ＡＤが標準条件よりも大きいノズルを用いて実行すると、標準条件の場合と比較して、切断速度が向上し、ドロス高さが低減する効果が得られる、ということである。
【0106】
本発明の実施例２は、上述した構成及び手順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変形例としてもよい。
【0107】
上述のレーザ加工方法では、切断性をドロス高さで評価する例を説明したが、ドロス高さのみに限定されるものではない。ドロス高さの大小の他に、切断面の面粗さなどの他の項目の優劣を組み合わせて総合的に評価してもよい。上述のレーザ加工方法では、被切断材としてＳＰＨの板材を用いた例を説明したが、ＳＰＣ（冷間圧延鋼板）やステンレス鋼などを含む鉄系材料に対し同様に適用でき同様の効果が得られる。
ガス圧は、０．６ＭＰａでの例を説明したが、１．０ＭＰａ以下の少なくとも０．６ＭＰａ以上の範囲で、同様の効果が得られる。
制御装置Ａ５は、レーザ加工装置Ａ５１に備えられていなくてもよい。例えば、制御装置Ａ５を別体としてレーザ加工装置Ａ５１の近傍又は遠隔位置に配置し、レーザ加工装置Ａ５１に対し、無線又は有線で通信可能なものとしてもよい。
【0108】
レーザ加工装置Ａ５１は、次の構成を有するものとしてもよい。すなわち、レーザ加工装置Ａ５１は、波長が１μｍ帯のレーザ光を生成出力するレーザ発振器Ａ６と、酸素濃度０．５％以上かつ１０％未満の範囲の値の窒素リッチガスＡＧ１を生成出力する窒素リッチガス発生装置であるアシストガス供給装置Ａ７と、を有する。
レーザ加工装置Ａ５１は、さらに所定の板厚Ａｔに対するノズルＡ２ｂの開口径ＡＤを設定し、予め把握した加工条件を、板厚Ａｔ毎に記憶する記憶部Ａ１２を有する。
記憶する加工条件には最適切断速度ＡＶを含む。最適切断速度ＡＶは、次のように決められる速度である。
すなわち、アシストガス供給装置Ａ７からの酸素濃度０．５％以上かつ１０％未満の範囲の値の窒素リッチガスＡＧ１をアシストガスＡＧとし、鉄系板材のワークＡＷを、アシストガスＡＧを１．０ＭＰａ以下のガス圧で噴射しレーザ光ＡＬｓで切断したときに、切断可能かつ最も切断性に優れる速度である。
そして、レーザ加工装置Ａ５１は、記憶部Ａ１２に記憶された加工条件のなかから、次に加工する板厚Ａｔに対応する加工条件を選択し、選択された加工条件に基づいて、レーザ発振器６，アシストガス供給装置Ａ７，及び加工ヘッドＡ２の動作を制御する制御装置Ａ５を、備える。
【符号の説明】
【0109】
１，Ａ１ ワークテーブル２，Ａ２ 加工ヘッド
２ａ，Ａ２ａ 本体部
２ｂ，Ａ２ｂ ノズル
２ｂａ アウタノズル部
２ｂｂ インナノズル部
２ｂｂ１ 先端部
２ｂ１，Ａ２ｂ１ 先端部
２ｂ２，Ａ２ｂ２ 開口部
３，Ａ３ 駆動部
４，Ａ４ センサ
５，Ａ５ 制御装置
６，Ａ６ レーザ発振器
６ａ プロセスファイバ
７，Ａ７ アシストガス供給装置
Ａ７ａ 気体分離ユニット
Ａ７ａ１ 入力口
Ａ７ａ２，Ａ７ａ３ 出力口
Ａ７ｂ 塵埃除去フィルタ
Ａ７ｃ 電磁開閉弁
８ ノズルチェンジャ
１１，Ａ１１ 中央処理装置（ＣＰＵ）
１２，Ａ１２ 記憶部
１３，Ａ１３ 倣い制御部
１４ ノズル選択部
１５ 情報出力部
５１，Ａ５１ レーザ加工装置
Ａ 固定条件
ＡＧ，ＡＧａ，ＡＡＧ アシストガス
ＡＧ１ 窒素リッチガス
ＡＰ 圧縮空気ライン
ＣＬ２，ＡＣＬ２ 軸線
Ｄ，ＡＤ 開口径
Ｇｐ，ＡＧｐ ギャップ
Ｈｎ ノズル段差
Ｌｓ，ＡＬｓ レーザ光
Ｍ，ＡＭ （レーザ光の）出力
Ｎ１〜Ｎ５ ノズル番号
Ｐｎ ガス圧
ＰＧ 加工プログラム
Ｑ アシストガス消費量
Ｒ１ アウタ流路
Ｒ２ インナ流路
Ｔｎ ノズル選択テーブル
ｔ，Ａｔ 板厚
ＡＶ 最適切断速度
Ｖａ 空間
Ｖｍａｘ 最大切断速度
Ｗ，ＡＷ ワーク
Ｗａ，ＡＷａ 表面