特許 7437245 レーザ切断方法

(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】

(24)【登録日】2024-02-14

(45)【発行日】2024-02-22

(54)【発明の名称】レーザ切断方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/38 20140101AFI20240215BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20240215BHJP

【ＦＩ】

B23K26/38 A

B23K26/00 N

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020106740

(22)【出願日】2020-06-22

(65)【公開番号】P2022001375

(43)【公開日】2022-01-06

【審査請求日】2023-05-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000185374

【氏名又は名称】小池酸素工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000718

【氏名又は名称】弁理士法人中川国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 大己

【審査官】岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】特開平０７－１９５１８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０２２０６２３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－０６８１４４（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】

被切断材にレーザ光を照射して予め設定された予定切断線に沿って切断する際に、切断すべき角部を切断するレーザ切断方法であって、
切断すべき角部に接近するのに伴って切断速度を被切断材を切断する際に予め設定された速度よりも漸減させると共に入熱を被切断材を切断する際に予め設定された入熱よりも漸減させ、
角部に到達する以前に前記切断速度を引き続き漸減させつつ入熱を前記漸減させた入熱よりも漸増させ、
角部に到達したとき切断速度を最も低くすると共に前記漸増させた入熱を前記予め設定された入熱よりも低い入熱とし、
角部を通過した後、切断速度を漸増させると共に入熱を前記漸増させた入熱よりも漸減させ、
引き続き切断速度を前記予め設定された速度まで漸増させると共に入熱を前記予め設定された入熱まで漸増させ、切断速度が前記予め設定された速度に到達するのに伴って入熱を前記予め設定された入熱まで漸増させる
ことを特徴とするレーザ切断方法。

【請求項2】

前記入熱は、切断速度に対応して設定されていることを特徴とする請求項１に記載したレーザ切断方法。

【請求項3】

前記切断速度に対応した切断部への入熱の設定値は、レーザ光のデューティ又はレーザ出力或いは周波数の制御条件の中の少なくとも一つを設定することを特徴とする請求項１又は２に記載したレーザ切断方法。

【請求項4】

被切断材にレーザ光を照射して予め設定された予定切断線に沿って切断する際に、切断すべき角部を切断するレーザ切断装置であって、
予め被切断材の材質、板厚に対応させた切断速度及びレーザ条件を含む切断条件を記憶する切断条件記憶部と、
切断速度を、切断すべき角部に接近するのに伴って前記予め設定された切断速度よりも漸減させて角部に到達したとき最も低くし、角部を通過した後、切断速度を前記予め設定された切断速度まで漸増させるように制御する切断速度制御部と、
レーザ光による入熱を、切断すべき角部に接近するのに伴う切断速度の前記予め設定された切断速度の漸減に伴って被切断材を切断する際に予め設定された入熱よりも漸減させ、角部に到達する以前に前記漸減させた入熱よりも漸増させ、角部に到達したとき前記予め設定された入熱よりも低い入熱とし、角部を通過した後、前記漸増させた入熱よりも漸減させた後、更に前記予め設定された入熱まで漸増させるように制御するレーザ条件制御部と、
を有することを特徴とするレーザ切断装置。

【請求項5】

前記レーザ条件は、切断速度に対応して設定されていることを特徴とする請求項４に記載したレーザ切断装置。

【請求項6】

前記切断速度に対応したレーザ条件の設定値は、レーザ光のデューティ又はレーザ出力或いは周波数の制御条件の中の少なくとも一つを設定することを特徴とする請求項４又は５に記載したレーザ切断装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被切断材に向けてレーザ光を照射して角部を含む図形をレーザ切断する際に、角部を合理的に切断できるようにした角部レーザ切断方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

被切断材に向けてレーザ光を照射すると共に該レーザ光に添えてアシストガスを噴射し、て、或いはアシストガスに沿ってシールドガスを噴射して被切断材を切断するレーザ切断法が広く採用されている。

【0003】

このレーザ切断は、レーザトーチに取り付けたノズルから被切断材の上面に向けてレーザ光を照射すると共にアシストガスを噴射し、照射されたレーザ光や噴射されたアシストガスによって生成した溶融物を裏面側に排除して切溝を形成することで行われる。そして、レーザトーチを予め設定された予定切断線に沿って移動させることで、この予定切断線に沿って連続した切溝を形成して目的の切断を行っている。

【0004】

このような切断では、被切断材の表面側の反応と裏面側の反応との間に時間的なズレが生じ、被切断材に形成された切断面には切断の進行方向から後方に向かうような斜めの線（ドラグライン）が形成される。

【0005】

上記の如き斜めのドラグラインが形成された場合でも、目的の予定切断線が直線であれば大きな問題ではない。しかし、予定切断線に角部が存在する場合、角部の表面側が目的の角度で切断されていたとしても、裏面側にはドラグラインの遅れが表現されてしまうため、目的の角度で切断されないという問題が生じる。

【0006】

このため、角部を切断するに際し、如何にして表面側に対する裏面側の遅れを解消するかが課題として挙げられている。この課題を解決するために、角部を構成する一方の辺を切断したまま該角部を通過させて切断した後、レーザトーチを移動させて該角部の他方の辺の延長線上から或いは角部から、切断するようにした切断方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２０１６－０６８１４４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

特許文献１に記載された発明では、角部を表面側から裏面側まで略同じ角度で切断することができる。しかし、被切断材に対する切断領域が、角部を構成する二辺から離脱するため、スクラップとなる面積が増加して歩留まりが悪くなるという問題がある。

【0009】

角部を切断する場合、切断速度を低下させることで連続して切断するか、或いは角部で一度停止させて切断する。この場合、角部を切断する際の入熱を辺を切断する際の入熱のままとすると、角部では入熱が過大になってセルフバーニングが生じる虞がある。このため、切断速度を低下させるのに伴って入熱も低下させることが行われるが、この場合、裏面側の切断遅れを解消することができないという問題がある。

【0010】

本発明の目的は、被切断材から切断すべき図形の角部を切断する際に、裏面側の切断遅れを低減させることができるレーザ切断方法と、レーザ切断装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明に係る代表的な角部レーザ切断方法は、被切断材にレーザ光を照射して予め設定された予定切断線に沿って切断する際に、切断すべき角部を切断するレーザ切断方法であって、切断すべき角部に接近するのに伴って切断速度を被切断材を切断する際に予め設定された速度よりも漸減させると共に入熱を被切断材を切断する際に予め設定された入熱よりも漸減させ、角部に到達する以前に前記切断速度を引き続き漸減させつつ入熱を前記漸減させた入熱よりも漸増させ、角部に到達したとき切断速度を最も低くすると共に前記漸増させた入熱を前記予め設定された入熱よりも低い入熱とし、角部を通過した後、切断速度を漸増させると共に入熱を前記漸増させた入熱よりも漸減させ、引き続き切断速度を前記予め設定された速度まで漸増させると共に入熱を前記予め設定された入熱まで漸増させ、切断速度が前記予め設定された速度に到達するのに伴って入熱を前記予め設定された入熱まで漸増させることを特徴とするものである。

【0012】

また、本発明に係る代表的なレーザ切断装置は、被切断材にレーザ光を照射して予め設定された予定切断線に沿って切断する際に、切断すべき角部を切断するレーザ切断装置であって、予め被切断材の材質、板厚に対応させた切断速度及びレーザ条件を含む切断条件を記憶する切断条件記憶部と、切断速度を、切断すべき角部に接近するのに伴って前記予め設定された切断速度よりも漸減させて角部に到達したとき最も低くし、角部を通過した後、切断速度を前記予め設定された切断速度まで漸増させるように制御する切断速度制御部と、レーザ光による入熱を、切断すべき角部に接近するのに伴う切断速度の前記予め設定された切断速度の漸減に伴って被切断材を切断する際に予め設定された入熱よりも漸減させ、角部に到達する以前に前記漸減させた入熱よりも漸増させ、角部に到達したとき前記予め設定された入熱よりも低い入熱とし、角部を通過した後、前記漸増させた入熱よりも漸減させた後、更に前記予め設定された入熱まで漸増させるように制御するレーザ条件制御部と、
を有するものである。

【発明の効果】

【0013】

本発明に係るレーザ切断方法では、角部を切断する際に、被切断材の裏面側の遅れを軽減することができる。即ち、切断速度を、目的の被切断材を切断する際に予め設定された速度を角部に接近するのに伴って漸減させ、角部を到達したときに最も低くし、角部を通過した後は予め設定された速度まで漸増させる。そして、入熱を、切断速度の漸減と共に漸減させ、角部に到達する以前に漸増させつつ角部に到達させ、角部を通過した後再度漸減させ、その後、漸増させる。従って、角部に到達して通過する際に、切断速度は最も低い速度となるにも関わらず、入熱は最も低くはならない。

【0014】

このように角部を通過する際には、切断速度に比較して入熱が高くなる。このため、相対的な切断能力が高くなる。従って、被切断材の裏面側に対する入熱が高くなり、該裏面側に生じた切断の遅れを軽減又は解消することができる。

【0015】

また、本発明に係るレーザ切断装置では、予め設定された予定切断線を切断する際に存在する角部を、円滑に切断することができる、

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明に係るレーザ切断方法を模式的に説明する図である。

【図2】本実施例に係るレーザ切断方法を実施する際の切断速度の変化と入熱の変化を説明する図である。

【図3】本実施例によって切断された被切断材の裏面と、従来のレーザ切断方法によって切断された被切断材の裏面を比較した写真である。

【図4】本実施例に係るレーザ切断装置を模式的に説明する図である。

【図5】レーザ切断装置を構成する制御装置の構成を模式的に説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明に係るレーザ切断方法及びレーザ切断装置について図１、図４を用いて説明する。本発明に係るレーザ切断方法は、図１に示す被切断材Ａに設定された切断すべき図形１に含まれた角部２を切断する際の方法である。特に、角部２に於ける被切断材Ａの表面側に対する裏面側の切断遅れを軽減或いは解消することによって、角部２を表面側から裏面側に向けて略直線となるように切断するものである。

【0018】

本発明に係るレーザ切断装置は、レール２０に沿って走行する台車２１と、この台車２１にレール２０に直交する方向に走行する横行キャリッジ２３を有している。台車２１は走行モータ２２によって駆動され、横行キャリッジ２３は横行モータ２４によって駆動される。横行キャリッジ２３にはレーザトーチ２５が昇降可能に配置されており、このレーザトーチ２５にレーザ発振器２６が接続されている。台車２１には操作盤２８が配置されており、この操作盤２８に、走行モータ２２、横行モータ２４、レーザ発振器２６を制御する制御装置２９が構成されている。

【0019】

上記の如く構成されたレーザ切断装置の走行モータ２２及び横行モータ２４、レーザ発振器２６を制御することで、レーザトーチ２５から被切断材Ａに向けてレーザ光を照射すると共に切断すべき図形１の輪郭に沿って走行させることで切断が実行される。そして、この過程で角部２の切断が行われる。

【0020】

角部２を切断するに際し、切断線３～角部２～切断線４の順に切断を進行させるか、切断線４～角部２～切断線３の順に切断を進行させるかは限定しない。また、被切断材Ａに対する切断速度は、被切断材Ａの板厚や材質或いは表面状態などの条件に応じて変化するものの、主として板厚に対応して設定されている。

【0021】

図２に示すように、角部２に於いて切断方向が変化するため、レーザノズル２５の走行速度（切断速度）は角部２に達したとき最も遅くなるように設定されている。しかし、レーザノズル２５の走行を停止させることはなく、切断速度を漸減させた状態で切断方向を変化させるようにしている。このため、角部２は許容された範囲で僅かに曲面となる。

【0022】

切断速度の変化に対応させて被切断材Ａに対するレーザ光の照射による入熱を制御することで、角部２を構成する切断線３による面と切断線４による面とによって構成されたエッジを表面側から裏面側にかけて略垂直に構成することが可能である。即ち、角部２を基準として、切断の進行方向上流側（切断線３側）及び下流側（切断線４側）に、夫々角部２からの離隔距離、又は角部２に到達する時間或いは角部２から離脱した時間を設定し、各設定点に於ける切断速度と入熱を対応させて制御している。

【0023】

図２に示すように、角部２を基準として複数の位置Ｓを、切断線３から角部２に向けて切断方向を変更し始める位置Ｓ３、角部２からの離隔距離、又は角部２に到達する時間に設定された位置Ｓ０３、位置Ｓ０４、角部２から切断線４に向けて切断方向の変更が完了する位置Ｓ４、として設定する。尚、各位置Ｓ相互の間隔は一義的に設定されるものではなく、被切断材Ａの板厚や、入熱の条件などに応じて設定されている。

【0024】

本実施例では、被切断材Ａの板厚が１２ｍｍの場合、位置Ｓ３から位置Ｓ０３までの間隔及び位置Ｓ０４から位置Ｓ４までの間隔は略１．６ｍｍ又は時間ｔ１は略０．１秒、位置Ｓ０３から位置Ｓ２までの間隔及び位置Ｓ２から位置Ｓ０４までの間隔は略０．８ｍｍ又は時間ｔ２は略０．０７秒に設定されている。また、被切断材Ａの板厚が１９ｍｍの場合、位置Ｓ３から位置Ｓ０３までの間隔及び位置Ｓ０４から位置Ｓ４までの間隔は略１．５ｍｍ又は時間ｔ１は略０．１秒、位置Ｓ０３から位置Ｓ２までの間隔及び位置Ｓ２から位置Ｓ０４までの間隔は略０．６ｍｍ又は時間ｔ２は略０．０６秒に設定されている。更に、被切断材Ａの板厚が２５ｍｍの場合、位置Ｓ３から位置Ｓ０３までの間隔及び位置Ｓ０４から位置Ｓ４までの間隔は略１．９ｍｍ又は時間ｔ１は略０．２秒、位置Ｓ０３から位置Ｓ２までの間隔及び位置Ｓ２から位置Ｓ０４までの間隔は略０．５ｍｍ又は時間ｔ２は略０．０６秒に設定されている。

【0025】

各位置Ｓに於ける切断速度Ｖは、位置Ｓ３では速度Ｖ３、位置Ｓ０３では速度Ｖ０３、位置Ｓ２では速度Ｖ２、位置Ｓ０４では速度Ｖ０４として設定されている。位置Ｓ３、Ｓ４に設定された速度Ｖ３、Ｖ４は、被切断材Ａを切断する際の切断速度として設定されている。また、位置Ｓ２に設定された速度Ｖ２は、角部２を切断する際の切断速度として設定されている。更に、位置Ｓ０３、Ｓ０４に設定された速度Ｖ０３、Ｖ０４は、速度Ｖ３から速度Ｖ２に到達する過程で位置Ｓ０３を通過する際の切断速度、速度Ｖ２から速度Ｖ４に到達する過程で位置Ｓ０４を通過する際の切断速度として設定されている。

【0026】

本実施例では、被切断材Ａの板厚が１２ｍｍの場合、速度Ｖ３、Ｖ４は略毎分１１００ｍｍに、速度Ｖ２は略毎分６５０ｍｍに、速度Ｖ０３、Ｖ０４は略毎分８５０ｍｍに、夫々設定されている。また、被切断材Ａの板厚が１９ｍｍの場合、速度Ｖ３、Ｖ４は略毎分９００ｍｍに、速度Ｖ２は略毎分５５０ｍｍに、速度Ｖ０３、Ｖ０４は略毎分７００ｍｍに、夫々設定されている。更に、被切断材Ａの板厚が２５ｍｍの場合、速度Ｖ３、Ｖ４は略毎分６５０ｍｍに、速度Ｖ２は略毎分４５０ｍｍに、速度Ｖ０３、Ｖ０４は略毎分５００ｍｍに、夫々設定されている。

【0027】

各位置Ｓに於けるレーザ光の照射による入熱Ｐは、位置Ｓ３では入熱Ｐ３、位置Ｓ０３では入熱Ｐ０３、位置Ｓ２では入熱Ｐ２、位置Ｓ０４では入熱Ｐ０４として設定されている。位置Ｓ３、Ｓ４に設定された入熱Ｐ３、Ｐ４は、被切断材Ａを切断する際の入熱として設定されている。また、位置Ｓ２に設定された入熱Ｐ２は、角部２を切断する際の入熱として設定されている。更に、位置Ｓ０３、Ｓ０４に設定された入熱Ｐ０３、Ｐ０４は、入熱Ｐ３から入熱Ｐ２に到達する過程で位置Ｓ０３を通過する際の入熱として、入熱Ｐ２から入熱Ｐ４に到達する過程で位置Ｓ０４を通過する際の入熱として設定されている。

【0028】

本実施例では、レーザ光の照射による入熱Ｐをデューティを制御することで変化させている。被切断材Ａの板厚が１２ｍｍの場合、入熱Ｐ３、Ｐ４はデューティ略５０％に、入熱Ｐ２はデューティ略４１％に、入熱Ｐ０３、Ｐ０４はデューティ略３５％に、夫々設定されている。また、被切断材Ａの板厚が１９ｍｍの場合、入熱Ｐ３、Ｐ４はデューティ略７５％に、入熱Ｐ２はデューティ略６１％に、入熱Ｐ０３、Ｐ０４はデューティ略５３％に、夫々設定されている。更に、被切断材Ａの板厚が２５ｍｍの場合、入熱Ｐ３、Ｐ４はデューティ略６５％に、入熱Ｐ２はデューティ略５３％に、入熱Ｐ０３、Ｐ０４はデューティ略４９％に、夫々設定されている。

【0029】

前述の設定値によって各板厚の被切断材Ａを切断し、角部２に於ける表面側の丸みと裏面側の丸みを比較したところ、裏面側の方が僅かに丸みが大きいものの、充分に実用に耐えると判断される。例えば板厚１９ｍｍの場合、表面側の丸みが略７００μｍであったのに対し、裏面側の丸みが略８００μｍであった。このように、厚さが１９ｍｍで表面側と裏面側の丸みの差が１００μｍということは充分に実用的である。

【0030】

図３は、本発明に係るレーザ切断方法で切断した被切断材の裏面（図３（ａ））と、従来のレーザ切断方法で切断した被切断材の裏面（図３（ｂ））とを示す図である。図に示すように、本発明のレーザ切断方法で切断した角部の裏面の丸みの方が、従来のレーザ切断方法で切断した角部の裏面の丸みよりも小さいことが明らかである。

【0031】

尚、前述の実施例では被切断材Ａに対する入熱の変化をデューティを制御することで行っている。しかし、入熱を変化させる場合、デューティのみならず、レーザ出力、出力周波数の少なくとも一つを制御することでよいことは当然である。

【0032】

次に本実施例に係るレーザ切断装置に於ける制御装置２９の構成について説明する。この制御装置２９は、演算部２９ａと、予め被切断材Ａの材質、予め板厚に対応させた切断速度及びレーザ条件を含む切断条件を記憶する切断条件記憶部２９ｂと、切断速度を、切断すべき角部に接近するのに伴って前記予め設定された切断速度よりも漸減させて角部に到達したとき最も低くし、角部を通過した後、切断速度を前記予め設定された切断速度まで漸増させるように制御する切断速度制御部２９ｃと、レーザ出力を、切断すべき角部に接近するのに伴う切断速度の前記予め設定された切断速度の漸減に伴って被切断材を切断する際に予め設定された出力よりも漸減させ、角部に到達する以前に前記漸減させた出力よりも漸増させ、角部に到達したとき前記予め設定された出力よりも低い出力とし、角部を通過した後、前記漸増させた出力よりも漸減させた後、更に前記予め設定された出力まで漸増させるように制御するレーザ条件制御部２９ｄと、入力装置３０から入力された一次記憶する一次記憶部２９ｅを有して構成されている。

【0033】

上記の如く構成された制御装置２９を有するレーザ切断装置では、被切断材Ａを切断する際に、目的の被切断材Ａの板厚を含む切断条件、及び切断すべき図形１などの情報を入力装置３０から入力して切断を開始すると、入力された条件に従って図形１の切断線３を切断する。

【0034】

そして、レーザトーチ２５が角部２に接近し、位置Ｓ３に到達すると、図２に示すように、走行モータ２２横行モータ２４の回転を制御すると共にレーザ発振器２６を制御して角部２に対する切断を進行する。この切断の過程で、切断速度Ｖは位置Ｓ３から位置Ｓ２に向けて漸減し、位置Ｓ２を通過した後位置Ｓ４に向けて漸増する。このような切断速度Ｖの漸減、漸増の過程は従来から行われているレーザ切断と変わることはない。

【0035】

レーザトーチ２５は図形１の切断線３に対し入熱Ｐ３で行い、図２に示すように、位置Ｓ３に到達した後、位置Ｓ０３に向けて入熱Ｐ３から入熱Ｐ０３まで漸減する。そして、位置Ｓ０３に到達したとき入熱Ｐ０３に達し、その後位置Ｓ２に向けて入熱Ｐ２まで漸増し、位置Ｓ２で入熱Ｐ２となり、位置２を通過した後位置Ｓ０４に向けて入熱Ｐ０４まで漸減する。更に、位置Ｓ０４に到達したときの入熱Ｐ０４は位置Ｓ４に向けて漸増し、位置Ｓ４で入熱Ｐ４に到達した後、予め設定された入熱Ｐ４で切断線４に対する切断を継続する。

【0036】

このようにしてレーザトーチ２５が、角部２に対応した位置Ｓ２を通過する際に、入熱Ｐを漸増させることで、被切断材Ａの裏面側に生じている切断遅れの部分に対する切断能力を向上させることとなる。その結果、切断の進行方向上流側に生じている切断遅れ部分に対する切断が進行し、切断遅れを軽減或いは解消させることが可能となる。このため、切断された図形１の角部２の表面側と裏面側の丸みの差を小さくし、表面側から裏面側にかけての角部２を略垂直な線として構成することが可能となる、

【産業上の利用可能性】

【0037】

本発明に係るレーザ切断方法では、被切断材の厚さの如何に関わらず、角部を良好に切断することが可能となり、被切断材を精密切断する際に利用して有利である。

【符号の説明】

【0038】

Ａ 被切断材
Ｓ、Ｓ３、Ｓ０３、Ｓ２、Ｓ０４、Ｓ４ 位置
Ｖ、Ｖ３、Ｖ０３、Ｖ２、Ｖ０４、Ｖ４ 切断速度
Ｐ、Ｐ３、Ｐ０３、Ｐ２、Ｐ０４、Ｐ４ 入熱
ｔ１、ｔ２ 時間
１ 図形
２ 角部
３、４ 切断線
２０ レール
２１ 台車
２２ 走行モータ
２３ 横行キャリッジ
２４ 横行モータ
２５ レーザトーチ
２６ レーザ発振器
２８ 操作盤
２９ 制御装置
２９ａ 演算部
２９ｂ 切断条件記憶部
２９ｃ 切断速度制御部
２９ｄ レーザ条件制御部
２９ｅ 一次記憶部
３０ 入力装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】