特許 7535282 レーザ加工用治具及びこれを有するレーザ加工装置、レーザ加工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-07

(45)【発行日】2024-08-16

(54)【発明の名称】レーザ加工用治具及びこれを有するレーザ加工装置、レーザ加工方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/70 20140101AFI20240808BHJP

   B23K 26/382 20140101ALI20240808BHJP

【ＦＩ】

B23K26/70

B23K26/382

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2024041782

(22)【出願日】2024-03-16

【審査請求日】2024-04-07

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】304053979

【氏名又は名称】株式会社共伸

(74)【代理人】

【識別番号】100144358

【弁理士】

【氏名又は名称】藤掛 宗則

(72)【発明者】

【氏名】太田 明雄

(72)【発明者】

【氏名】前田 真作

【審査官】岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－１２９６８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平４－２６２８８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－７４００１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－７５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１００７２０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／７０

Ｂ２３Ｋ ２６／３８２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アシストガスの供給とともにレーザ光を照射してパイプ材に貫通孔を形成するレーザ加工に用いるレーザ加工用治具であって、
前記パイプ材の管内で挿抜可能に内接し、且つ、当該パイプ材の長さよりも相対的に長く形成された柱状部を有し、
前記柱状部には、前記形成する貫通孔の幅よりも相対的に幅広に、且つ、少なくとも前記パイプ材の長手方向の端部から相対的に距離が長い方の前記貫通孔の端部位置までの距離を超える長さの溝部が形成されることを特徴とする、
レーザ加工用治具。

【請求項2】

前記柱状部の前記溝部は、当該溝部の端部が前記パイプ材の長手方向における前記貫通孔の一方の端部位置から、当該貫通孔の他方の端部位置に向けて当該端部が管内を移動して当該パイプ材の端部にまで到達することができる長さに形成されることを特徴とする、
請求項１に記載のレーザ加工用治具。

【請求項3】

レーザ加工用治具を用いて、アシストガスの供給とともにレーザ光を照射してパイプ材に貫通孔を形成するレーザ加工方法であって、
前記レーザ加工用治具は、前記パイプ材の管内で挿抜可能に内接し、且つ、当該パイプ材の長さよりも相対的に長く形成された柱状部を有し、
前記柱状部には、前記形成する貫通孔の幅よりも相対的に幅広に、且つ、少なくとも前記パイプ材の長手方向の端部から相対的に距離が長い方の前記貫通孔の端部位置までの距離を超える長さの溝部が形成されており、
前記貫通孔を形成する際に供給されるアシストガスが、前記レーザ加工用治具の溝部を通過して前記パイプ材の端部から排出可能となるように当該レーザ加工用治具を挿入する工程、
前記レーザ加工用治具が前記パイプ材に挿入された状態で、前記アシストガスの供給とともに前記レーザ光を照射して当該パイプ材に貫通孔を形成する工程、
前記貫通孔が形成された後に、前記レーザ加工用治具の溝部の端部が前記パイプ材の長手方向における当該貫通孔の一方の端部位置から、当該貫通孔の他方の端部位置に向けて当該端部が管内を移動し当該パイプ材の端部にまで到達するまで当該レーザ加工用治具をさらに押し込む工程、とを有することを特徴とする、
レーザ加工方法。

【請求項4】

アシストガスの供給とともにレーザ光を照射してパイプ材に貫通孔を形成するレーザ加工に用いるレーザ加工装置であって、
前記アシストガスを供給する供給手段と、
前記レーザ光を照射するレーザ照射手段と、
前記パイプ材の管内で挿抜可能に内接し、且つ、当該パイプ材の長さよりも相対的に長く形成された柱状部を有し、この柱状部を介して当該パイプ材を保持する保持手段と、
前記パイプ材に対して前記保持手段を挿入又は抜去する挿抜手段と、を有し、
前記保持手段の前記柱状部には、前記形成する貫通孔の幅よりも相対的に幅広に、且つ、少なくとも前記パイプ材の長手方向の端部から相対的に距離が長い方の前記貫通孔の端部位置までの距離を超える長さの溝部が形成されることを特徴とする、
レーザ加工装置。

【請求項5】

前記保持手段の前記溝部は、当該溝部の端部が前記パイプ材の長手方向における前記貫通孔の一方の端部位置から、当該貫通孔の他方の端部位置に向けて当該端部が管内を移動して当該パイプ材の端部にまで到達することができる長さに形成されることを特徴とする、
請求項４に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、パイプ材に貫通孔（貫通穴）を形成するレーザ加工に用いるレーザ加工用治具に関する。

【背景技術】

【0002】

パイプ材に貫通孔（貫通穴）を形成するレーザ加工の分野では、従来からパイプ材の内面に溶融金属付着、焦げ、キズ、又一部へこみや貫通穴等が発生して品質や生産性の低下という課題を抱えている。

【0003】

例えば特許文献１では、被加工素材に対してレーザ加工を行う際にこの被加工素材を支持する被加工素材固定用治具が開示されている。被加工素材は、レーザ加工によって肉厚方向に貫通するように加工される貫通加工予定部を備えており、被加工素材固定用治具の被加工素材を支持する支持面には、被加工素材の貫通加工予定部に対応する位置に凹部が形成されている、というものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１３－７５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

図６（ａ）、（ｂ）は、従来のパイプ材に貫通孔（貫通穴）を形成するレーザ加工の一例を示す図である。従来のレーザ加工では、パイプ材の内面に溶融金属付着、焦げ、キズ、又一部へこみや貫通穴等が発生するという問題が残る。そのため、後工程のブラストや電解研磨、化学研磨に多大な工数を要していた。また、それらの工程を経ても取り切れない溶融金属やキズへこみ穴などがある物は、選別され廃棄となってしまう。また、これらの問題により全数確認が必要となり生産性が著しく低下するという課題が残る。
これらの点は特許文献１に開示された被加工素材固定用治具であっても解消されない課題である。

【0006】

本発明は、パイプ材に貫通孔（貫通穴）を形成するレーザ加工における生産性向上及び品質向上のためのレーザ加工用治具を提供することを、主たる目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明はアシストガスの供給とともにレーザ光を照射してパイプ材に貫通孔を形成するレーザ加工に用いるレーザ加工用治具であって、前記パイプ材の管内で挿抜可能に内接し、且つ、当該パイプ材の長さよりも相対的に長く形成された柱状部を有し、前記柱状部には、前記形成する貫通孔の幅よりも相対的に幅広に、且つ、少なくとも前記パイプ材の長手方向の端部から相対的に距離が長い方の前記貫通孔の端部位置までの距離を超える長さの溝部が形成されることを特徴とする。

【0008】

また、本発明はレーザ加工用治具を用いて、アシストガスの供給とともにレーザ光を照射してパイプ材に貫通孔を形成するレーザ加工方法であって、前記レーザ加工用治具は、前記パイプ材の管内で挿抜可能に内接し、且つ、当該パイプ材の長さよりも相対的に長く形成された柱状部を有し、前記柱状部には、前記形成する貫通孔の幅よりも相対的に幅広に、且つ、少なくとも前記パイプ材の長手方向の端部から相対的に距離が長い方の前記貫通孔の端部位置までの距離を超える長さの溝部が形成されており、前記貫通孔を形成する際に供給されるアシストガスが、前記レーザ加工用治具の溝部を通過して前記パイプ材の端部から排出可能となるように当該レーザ加工用治具を挿入する工程、前記レーザ加工用治具が前記パイプ材に挿入された状態で、前記アシストガスの供給とともに前記レーザ光を照射して当該パイプ材（被加工素材）に貫通孔を形成する工程、前記貫通孔が形成された後に、前記レーザ加工用治具の溝部の端部が前記パイプ材の長手方向における当該貫通孔の一方の端部位置から、当該貫通孔の他方の端部位置に向けて当該端部が管内を移動し当該パイプ材の端部にまで到達するまで当該レーザ加工用治具をさらに押し込む工程、とを有することを特徴とする。

【0009】

また、本発明はアシストガスの供給とともにレーザ光を照射してパイプ材に貫通孔を形成するレーザ加工に用いるレーザ加工装置であって、前記アシストガスを供給する供給手段と、前記レーザ光を照射するレーザ照射手段と、前記パイプ材の管内で挿抜可能に内接し、且つ、当該パイプ材の長さよりも相対的に長く形成された柱状部を有し、この柱状部を介して当該パイプ材を保持する保持手段と、前記パイプ材に対して前記保持手段を挿入又は抜去する挿抜手段と、を有し、前記保持手段の前記柱状部には、前記形成する貫通孔の幅よりも相対的に幅広に、且つ、少なくとも前記パイプ材の長手方向の端部から相対的に距離が長い方の前記貫通孔の端部位置までの距離を超える長さの溝部が形成されることを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、パイプ材に貫通孔（貫通穴）を形成するレーザ加工における生産性向上及び品質向上のためのレーザ加工用治具を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】（ａ）、（ｂ）は、本実施形態に係るレーザ加工用治具を用いてレーザ加工するパイプ材（被加工素材）の一例を説明するための図。

【図2】（ａ）～（ｄ）は、レーザ加工用治具の構成の一例を説明するための図。

【図3】パイプ材の管内にレーザ加工用治具の柱状部が挿入された状態でレーザ加工を行っている状態の一例を示す概略縦断面図。

【図4】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、レーザ加工用治具を用いて行うレーザ加工の特徴の一つを説明するための図。

【図5】本実施形態に係るレーザ加工装置の構成の一例を説明するための図。

【図6】（ａ）、（ｂ）は、従来の加工方法の一例を説明するための図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照しながら本発明に係るレーザ加工用治具及びこれを有するレーザ加工装置、レーザ加工方法の実施形態を説明する。なお、以下の説明においてはレーザ加工用治具の構成の特徴を中心に説明を進める。

【0013】

また、本実施形態に係る説明では一例として、円筒形のパイプ材の長手方向に楕円形の貫通孔（貫通穴）を形成するレーザ加工を挙げて説明をする。
なおレーザ加工とは、レーザ光の熱作用及び噴射ガスのアシスト（アシストガス）によって材料を切断する加工法である。加工ヘッドからレーザ光が材料表面に照射されると、材料表層部で波長吸収され電子振動を起こし発火点昇温し赤色スポットや溶融池、さらにクレーター形成される。そしてアシストガスの噴流でクレーターは深くなりレーザ光は板厚方向へ貫通する。この状態から加工ヘッドの移動、又は、材料の移動、あるいは両方を移動させて連続的な形状切断を行う、というものである。

【0014】

［実施形態例］
図１は、本実施形態に係るレーザ加工用治具を用いてレーザ加工するパイプ材１０（被加工素材１０）の一例を説明するための図である。
図１（ａ）は正面図（左側）と側面図（右側）であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ－Ａ線断面図である。
なお、パイプ材１０は、例えば板厚が０．０５［ｍｍ］～２．０［ｍｍ］程度であり、ステンレス、鉄、銅、チタン素材で形成された被加工素材である。

【0015】

ここで本実施形態に係るレーザ加工用治具を用いたレーザ加工では、図１に示すように、パイプ材１０に幅Ｗ、長さＬの楕円形の貫通孔１１が形成されるものとする。
また、一例として、後述するレーザ加工用治具１００の柱状部１００ｂは、図１に示すパイプ材１０の長手方向右側から左側に向かって当該パイプ材１０の管内に挿入されるものとする。
なお、レーザ加工用治具１００の柱状部１００ｂは、レーザ加工が終了した後にさらにパイプ材１０の長手方向右側から左側に向かって当該パイプ材１０の管内でさらに押し込まれる。詳細は後述する。

【0016】

また、レーザ加工による貫通孔１１の加工開始位置は、図１に示す貫通孔１１の位置Ｐを加工が開始される位置とする場合を例に挙げて説明を進める。
また、加工開始位置Ｐから図１に示すパイプ材１０の長手方向左側端部までの距離は距離Ｍとして説明を進める。

【0017】

図２は、本実施形態に係るレーザ加工用治具１００の構成の一例を説明するための図である。
図２（ａ）は、レーザ加工用治具１００の長さ方向の側面図であり、図２（ｂ）は、長さ方向の正面図である。
図２（ｃ）は、パイプ材１０に対してレーザ加工が開始されるときの当該パイプ材１０の管内にレーザ加工用治具１００（柱状部１００ｂ）が挿入されている様子を示す模式図である。
図２（ｄ）は、パイプ材１０に対してレーザ加工が終了し、当該パイプ材１０の長手方向右側から左側に向かってさらにレーザ加工用治具１００（柱状部１００ｂ）が押し込まれたときの様子を示す模式図である。
以下、図２を用いて本実施形態に係るレーザ加工用治具１００の具体的な構成の一例について説明する。

【0018】

レーザ加工用治具１００は、図２（ａ）～（ｄ）に示すように、パイプ材１０の管内で挿抜可能に内接し、且つ、当該パイプ材１０の長さよりも相対的に長く形成された柱状部１００ｂを有する。
また、柱状部１００ｂには、形成する貫通孔１１の幅Ｗよりも相対的に幅広に、且つ、少なくとも当該貫通孔１１の加工開始位置Ｐから当該パイプ材１０の端部までの距離Ｍを超える長さＮの溝部１００ａが形成される。

【0019】

換言すると柱状部１００ｂには、形成する貫通孔の幅よりも相対的に幅広に、且つ、少なくともパイプ材１０の長手方向の端部から相対的に距離が長い方の貫通孔１１の端部位置Ｐ（本例では加工開始位置Ｐ）までの距離Ｍを超える長さＮの溝部１００ａが形成されることになる。

【0020】

柱状部１００ｂの溝部１００ａは、図２（ｄ）に示すように、パイプ材１０に形成される貫通孔１１の加工開始位置Ｐ側の溝部１００ａの端部１００ｃがパイプ材１０の管内を移動し、当該パイプ材１０の端部にまで到達することができる長さに形成される。
つまり、パイプ材１０の加工開始位置Ｐを基準に、加工開始位置Ｐからパイプ材１０の端部までの距離Ｍに対して、溝部１００ａの長さＮが相対的に長くなるように溝部１００ａを形成する。

【0021】

換言すると柱状部１００ｂの溝部１００ａは、この溝部１００ａの端部１００ｃがパイプ材１０の長手方向における貫通孔１１の一方の端部位置から、当該貫通孔１１の他方の端部位置に向けて溝部１００ａの端部１００ｃが管内を移動して当該パイプ材１０の端部にまで到達することができる長さに形成されることになる。

【0022】

図３は、パイプ材１０の管内にレーザ加工用治具の柱状部１００ｂが挿入された状態でレーザ加工を行っている状態の一例を示す概略縦断面図である。
図３に示す加工ヘッドＨは、レーザ光の熱作用及び噴射ガスのアシスト（アシストガス）によって材料を切断するための機構である。
また、パイプ材１０は、図３に示すように、その管内に柱状部１００ｂが挿入された状態、つまりレーザ加工用治具１００によりパイプ材１０が保持された状態でレーザ加工が実行される。

【0023】

レーザ加工用治具１００を用いて、アシストガスの供給とともにレーザ光を照射してパイプ材１０（被加工素材）に貫通孔１１を形成する本実施形態に係るレーザ加工方法は、貫通孔１１を形成する際に供給されるアシストガスが、レーザ加工用治具１００の溝部１００ａを通過してパイプ材１０の端部から排出可能となるように当該レーザ加工用治具１００を挿入する。

【0024】

そして、レーザ加工用治具１００がパイプ材１０に挿入された状態で、アシストガスの供給とともにレーザ光を照射して当該パイプ材１０に貫通孔１１を形成する。

【0025】

そして、貫通孔１１が形成された後に、レーザ加工用治具１００の溝部１００ａの端部１００ｃがパイプ材１０の長手方向における貫通孔１１の一方の端部位置から、当該貫通孔１１の他方の端部位置に向けて端部１００ｃが管内を移動し当該パイプ材１０の端部にまで到達するまで当該レーザ加工用治具１００をさらに押し込む。このようにしてパイプ材１０に貫通孔１１が形成される。この点について以下説明する。

【0026】

図４は、本実施形態に係るレーザ加工用治具１００を用いて行うレーザ加工の特徴の一つを説明するための図である。
図４（ａ）は、貫通孔１１を形成する際に供給されるアシストガスが、レーザ加工用治具１００の溝部１００ａを通過してパイプ材１０の端部から排出可能となるように当該レーザ加工用治具１００が挿入されている様子の一例を示す概略縦断面図である。

【0027】

前述したように、レーザ加工用治具１００の柱状部１００ｂには、形成する貫通孔１１の幅Ｗよりも相対的に幅広に、且つ、少なくとも当該貫通孔１１の加工開始位置Ｐから当該パイプ材１０の端部までの距離Ｍを超える長さＮの溝部１００ａが形成されている。

【0028】

これにより、図４（ａ）に示すように、貫通孔１１を形成する際に供給されたアシストガスは溝部１００ａを通過してパイプ材１０の端部から排出できることになり、パイプ材１０外への溶融金属の排出が可能になる。また、パイプ材１０の内側へ柱状部１００ｂを挿入してレーザ加工を行うことで、照射されるレーザ光を遮光することが可能となり、反加工面のキズ、へこみ、貫通穴の発生を防止することができる。

【0029】

図４（ｂ）は、貫通孔１１を形成する際に生じたカットカス（抜きカス）１２、ドロス１３（バリ等含む）、管内に付着した溶融金属１４などレーザ加工終了時の様子の一例を示す概略縦断面図である。

【0030】

図４（ｃ）は、貫通孔１１が形成された後に、レーザ加工用治具１００の溝部１００ａの端部１００ｃがパイプ材１０の長手方向における貫通孔１１の一方の端部位置から、当該貫通孔１１の他方の端部位置に向けて端部１００ｃが管内を移動し当該パイプ材１０の端部にまで到達するまで当該レーザ加工用治具１００をさらに押し込んだときの様子の一例を示す概略縦断面図である。

【0031】

図４（ｂ）に示す状態から図４（ｃ）に示す状態にレーザ加工用治具１００を動作させる（あるいは、図４（ｃ）に示す状態になるようにパイプ材１０を移動させる）ことで、柱状部１００ｂのフラット面（溝部１００ａ）とパイプ材１０隙間に溶融金属１４等が付着したとしても、レーザ加工用治具１００（柱状部１００ｂ）が加工後に動作することでこれらを排出することができる。
また、貫通孔１１の切断面内側にドロスやバリが出たとしてもレーザ加工用治具１００（柱状部１００ｂ）の動作により削り取って排出することができる（図４（ｃ））。

【0032】

図５は、本実施形態に係るレーザ加工装置Ｓの構成の一例を説明するための図である。
なお、これまでに説明した構成については、同一の符号を付すとともにその説明を省略する。
レーザ加工装置Ｓは、レーザ光の熱作用及び噴射ガスのアシスト（アシストガス）によって材料を切断するための機構である加工ヘッドＨ、レーザ加工用治具１００を動作させる駆動機構２０１、パイプ材１０が載置される筐体２００、制御部５０を含んで構成される。

【0033】

加工ヘッドＨは、レーザ加工の加工位置に向けてアシストガスを供給する供給手段として機能する。なお、アシストガスの供給開始又はその停止、単位時間当たりの供給量などは予め設定された条件などに基づいて主として制御部５０により制御される。

【0034】

また加工ヘッドＨは、レーザ加工の加工位置に向けてレーザ光を照射するレーザ照射手段として機能する。なお、レーザ光の照射開始又はその停止、単位時間当たりの照射量などは予め設定された条件などに基づいて主として制御部５０により制御される。

【0035】

レーザ加工用治具１００の柱状部１００ｂは、パイプ材１０を保持する保持手段として機能する。
駆動機構２０１は、パイプ材１０に対して保持手段であるレーザ加工用治具１００（柱状部１００ｂ）を挿入又は抜去する挿抜手段として機能する。なお、挿入又は抜去の動作の開始又はその停止、押し込み量などは予め設定された条件などに基づいて主として制御部５０により制御される。

【0036】

このように本実施形態に係るレーザ加工用治具１００（レーザ加工装置Ｓ、レーザ加工方法）は、パイプ材１０に貫通孔１１を形成する際に供給されたアシストガスが溝部１００ａを通過してパイプ材１０の端部から排出することができる。これにより、パイプ材１０外への溶融金属の排出が可能になる。

【0037】

また、パイプ材１０の内側へレーザ加工用治具１００の柱状部１００ｂを挿入してレーザ加工を行うことで、照射されるレーザ光を遮光することが可能となり、反加工面のキズ、へこみ、貫通穴の発生を防止することができる。

【0038】

また、レーザ加工用治具１００の柱状部１００ｂのフラット面（溝部１００ａ）とパイプ材１０隙間に溶融金属１４等が付着したとしても、レーザ加工用治具１００（柱状部１００ｂ）が加工後に動作することでこれらを排出することができる。

【0039】

また、貫通孔１１の切断面内側にドロスやバリが出たとしてもレーザ加工用治具１００（柱状部１００ｂ）の動作により削り取って排出することができる。

【0040】

上記説明は、本発明をより具体的に説明するためのものであり、本発明の範囲が、これらの例に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。

【0041】

例えば、レーザ加工用治具１００の挿抜の方向や加工開始位置Ｐなどは任意に設定することができる。この設定に応じて、形成する貫通孔の幅よりも相対的に幅広に、且つ、少なくともパイプ材１０の長手方向の端部から相対的に距離が長い方の貫通孔１１の端部位置Ｐ（本例では加工開始位置Ｐ）までの距離Ｍを超える長さＮの溝部１００ａが形成されるように柱状部１００ｂを形成する。また、柱状部１００ｂの溝部１００ａを、この溝部１００ａの端部１００ｃがパイプ材１０の長手方向における貫通孔１１の一方の端部位置から、当該貫通孔１１の他方の端部位置に向けて溝部１００ａの端部１００ｃが管内を移動して当該パイプ材１０の端部にまで到達することができる長さに形成する。これら条件を満たすようにレーザ加工用治具１００を構成する。

【0042】

同様にまた、パイプ材の形状は円形のみならず例えば矩形であっても良い。その場合、レーザ加工用治具の柱状部も管内で挿抜可能に内接する形状に形成する。

【符号の説明】

【0043】

１０・・・パイプ材、１１・・・貫通孔、５０・・・制御部、１００・・・レーザ加工用治具、２００・・・筐体、２１０・・・駆動機構、Ｈ・・・加工ヘッド、Ｓ・・・レーザ加工装置。

【要約】

【課題】パイプ材に貫通孔（貫通穴）を形成するレーザ加工における生産性向上及び品質向上のためのレーザ加工用治具を提供する。
【解決手段】アシストガスの供給とともにレーザ光を照射してパイプ材に貫通孔を形成するレーザ加工に用いるレーザ加工用治具は、パイプ材の管内で挿抜可能に内接し、且つ、当該パイプ材の長さよりも相対的に長く形成された柱状部を有する。レーザ加工用治具の柱状部には、形成する貫通孔の幅よりも相対的に幅広に、且つ、少なくともパイプ材の長手方向の端部から相対的に距離が長い方の貫通孔の端部位置までの距離を超える長さの溝部が形成される。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】