JP6063670B2

JP6063670B2 - レーザ切断加工方法及び装置

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Description

本発明は、波長が１μｍ帯のレーザ光によって金属材料のワークのレーザ切断加工を行うレーザ切断加工方法及び装置に係り、さらに詳細には、レーザ光をリングビームに形成してワークのレーザ切断加工を行う方法及び装置に関する。

従来、レーザ光によって金属材料のワークのレーザ切断加工を行う場合、集光レンズを用いてレーザ光を１００μｍ〜５００μｍのスポットに集光し、エネルギー密度を高くしてワークを瞬間的に金属融点の１５００°以上に加熱して溶融又は昇華させ、アシストガスによって材料を除去しつつ切断加工を行っている。そして、ワークが軟鋼板（炭素鋼板）の厚板などのレーザ切断加工時には、アシストガスに酸素ガスを使用して酸化反応熱をも利用することが行われている。

ところで、固体レーザやファイバーレーザなどの波長が１μｍ帯のレーザ光は、ＣＯ2レーザなどの波長が１０μｍ帯のレーザ光と比較して金属材料のワークに対する光エネルギーの吸収率が非常に高いものである。したがって、アシストガスとして酸素ガスを用いて軟鋼板のワークのレーザ切断加工を行うと、ワーク上面の溶融幅が必要以上に大きくなり、カーフコントロールが難しくなる。また、過剰燃焼（セルフバーニング）を起こし易く、安定した品質でのレーザ切断加工が難しいという問題がある。

因みに、ＣＯ2レーザの場合とファイバーレーザの場合とを比較するために、レーザ光の集光径を同一径にすると共にレーザ加工条件（例えばレーザ出力、酸素ガスの圧力）を同一条件として、かつ焦点位置をワーク上面の０ｍｍ〜６ｍｍの範囲に変化させ、ワーク上面のカーフ幅の変化を実験したところ、図７（Ａ）に示すように、ＣＯ2レーザの場合には、ワーク上面に対する焦点位置の変化に対してカーフ幅の変化はほぼ同一の変化であるのに対し、ファイバーレーザの場合には、図７（Ｂ）に示すように、焦点位置の変化に対してカーフ幅が大きく変化している。したがって、ＣＯ2レーザの場合に比較して、ファイバーレーザの場合の方がレーザ切断加工ワークに与える熱影響が大きいものである。

すなわち、固体レーザやファイバーレーザなどの波長が１μｍ帯のレーザ光は、中心付近のエネルギー密度が非常に高く、かつワークに対する光エネルギーの吸収率が非常に高いものである。したがって、所望の切断幅でもってワークのレーザ切断加工を行うべく、レーザ光のスポット径を所望の径に集光してレーザ切断加工を行うときにアシストガスとして酸素ガスを使用すると、セルフバーニングを起こし易く、切断加工の工具幅としての軟鋼板の上面の溶融幅が必要以上に大きくなり過ぎ、カーフコントロールが難しく、安定した品質でのレーザ切断加工が難しいものである。しかし、ファイバーレーザなどにおいて、アシストガスとして酸素ガスを使用してワークの切断加工を行う場合であっても、ＣＯ2レーザによる切断加工と同様の加工品質が望まれている。

そこで、種々の実験を繰り返したところ、ファイバーレーザのレーザ光をリングビームに形成してレーザ切断加工を行うことにより、ＣＯ2レーザの場合と同様の効果が得られることを見出した。

ところで、ファイバーレーザのレーザ光をリングビームに形成してワークの切断加工を行う先行例として特許文献１がある。

ＷＯ２０１０／０９５７４４Ａ１

前記特許文献１に記載のレーザ切断加工装置は、概念的、概略的に示すと、図６に示すごとき構成である。すなわち、レーザ切断加工装置１は、固体レーザやファイバーレーザなどのレーザ発振器３を備えており、このレーザ発振器３にはプロセスファイバー５の一端側が接続してあり、このプロセスファイバー５の他端側はレーザ加工ヘッド７に接続してある。そして、前記レーザ加工ヘッド７内には、前記プロセスファイバー５の出射端（他端）から出射されたレーザ光ＬＢを平行光線化するためのコリメーションレンズ（図示省略）が備えられていると共に、平行光線化されたレーザ光ＬＢをリング状のビームに形成するためのリングビーム形成手段９を備えている。上記リングビーム形成手段９は、円錐形状のアキシコンレンズ１１と集光レンズ１３とを組合せることによって構成してある。

上記構成においては、集光レンズ１３の焦点位置Ｆを通過すると、内径ｒ及び外径Ｒは次第に大径に拡大している。すなわち、前記焦点位置Ｆから下側においては内径ｒ及び外径Ｒが共に拡大する傾向のリング状に形成されたリングビームＲＢの内径ｒと外径Ｒとの比率は変化するものである。

ところで、前記特許文献１に記載の発明によるレーザ切断加工方法は、軟鋼などの炭素鋼板のレーザ切断を行うに当り、リング状に形成したレーザビーム（リングビーム）を被切断材であるワークに照射して加熱し、この加熱部位に酸素ガスを噴射して母材を燃焼させると共に、酸素ガスの有する運動エネルギーによって燃焼生成物、溶融した材料を母材から排除することによってワークの切断を行うものである。

すなわち、特許文献１に記載のレーザ切断加工方法は、レーザビームのエネルギーによってワークを蒸発或は溶融させて切断する従来のレーザ切断加工方法とは異なり、従来のガス切断法に近いものである（特許文献１の［００２０］参照）。

したがって、特許文献１に記載の発明においては、リングビームが照射されたワークの部位は蒸発或は溶融することなく、約９００℃〜１０００℃に加熱されるものである。そして、上記温度に加熱されたワークの加熱部位に対して、リングビームの軸に沿ってノズルから酸素ガスを噴射し、母材を燃焼し、溶融物を生じさせる。母材の燃焼に伴って発生した燃焼生成物及び溶融物を、噴射された酸素ガスの運動エネルギーによって母材から排除することにより、ワーク（母材）の切断を行っている。

前述のように、ワークに対してリングビームを照射した照射部位が蒸発或は溶融することなく９００℃〜１０００℃に加熱されるように、前記リングビームの内径を０．５ｍｍ〜２ｍｍに規定し、そして、リングビームの外径は１．５ｍｍ〜３ｍｍに規定している（特許文献１の［００２９］、［００３０］参照）。

特許文献１に記載の発明は、ワーク表面を９００℃〜１０００℃に加熱するためにリングビームを使用し、ワークの切断は噴射供給される酸素ガスとワーク自体の燃焼が継続されることによる燃焼熱を利用するものである。したがって、ワークの切断溝内に酸素ガスを充分に供給し、かつ次々に継続して生じた燃焼生成物と溶融金属を吹き飛ばすために、リングビームの外径を１．５ｍｍ〜３ｍｍとすることにより厚板の熱切断を行うことができるものである。この場合、切断溝の溝幅は１ｍｍ以上で大きなものである。

ところで、レーザ切断加工においては、集光レンズによってレーザ光を１００μｍ〜５００μｍのスポットに集光し、ワークの板厚等に対応して前記スポットの位置（集光レンズの焦点位置）を、ワークの上面位置、上面より上側の位置、上面より下側の位置などに位置決めして、レーザ切断加工を行っている。しかし、レーザ切断加工においては、切断溝の切断幅は大きな場合であっても０．３ｍｍ〜０．６ｍｍ程度である。

ここで、ファイバーレーザを用いて軟鋼板などのワークのレーザ切断を行うに当り、レーザ光を１００μｍ〜５００μｍのスポットに集光してレーザ切断加工を行おうとすると、ファイバーレーザの波長は１μｍ帯であってワークに対する光エネルギーの吸収率が高く、かつレーザ光の中央部におけるエネルギー密度が極めて大きいので、従来のＣＯ2レーザと同様に、補助ガスとして酸素及び／又はエアーを使用すると、セルフバーニングを生じて前記切断溝の溝幅が必要以上に大きくなることがある。

そこで、ファイバーレーザを用いて軟鋼板等のレーザ切断加工を行うとき、アシストガスとして酸素ガス及び／又はエアーを使用した場合であっても、従来のＣＯ2レーザと同様のレーザ切断加工が行われ得ることが望まれている。

本発明は、前述のごとき従来の問題に鑑みてなされたもので、波長が１μｍ帯のレーザ光によって金属材料のワークのレーザ切断を行うレーザ切断加工方法であって、集光レンズにおける焦点位置を通過して内径及び外径が共に拡大する傾向にあるリングビームによって前記ワークのレーザ切断を行うに当り、切断溝の幅が狭くなってアシストガスの流れが悪くなることを防止し、かつセルフバーニングを抑制するために、前記リングビームの外径は３００μｍ〜６００μｍであり、かつレーザ切断面の表面粗さが次第に粗くなることを抑制するために、内径比率は３０％〜７０％であることを特徴とするものである。

また、前記レーザ切断加工方法において、前記集光レンズの焦点深度は２ｍｍ〜５ｍｍであることを特徴とするものである。

また、前記レーザ切断加工方法において、前記レーザ光の非リング状部分をワーク表面へ照射してピアス加工を行った後、前記ワーク表面へ照射するレーザ光をリングビームに変更してワークのレーザ切断を行うことを特徴とするものである。

また、前記レーザ切断加工方法において、ピアス加工を行った後、ワーク表面に対してレーザ加工ヘッドを相対的に接近移動し、この接近移動の動作後にレーザ加工ヘッドをワーク表面に沿う方向へ相対的に移動してワークのレーザ切断加工を行うことを特徴とするものである。

また、レーザ切断加工装置であって、レーザ発振器と、レーザ発振器側に一端側を接続したプロセスファイバーと、当該プロセスファイバーの他端側から出射されたレーザ光を平行光線化するためのコリメーションレンズを備えたレーザ加工ヘッドと、平行光線化されたレーザビームをリングビームに形成するためのリングビーム形成手段とを備え、当該リングビーム形成手段は、切断溝の幅が狭くなってアシストガスの流れが悪くなることを防止し、かつセルフバーニングを抑制するために、リングビームの外径を３００μｍ〜６００μｍに形成し、かつレーザ切断面の表面粗さが次第に粗くなることを抑制するために、内径比率を３０％〜７０％に規定するための集光レンズを備えていることを特徴とするものである。

また、前記レーザ切断加工装置において、前記集光レンズの焦点深度は２ｍｍ〜５ｍｍであることを特徴とするものである。

また、前記レーザ切断加工装置において、前記レーザ加工ヘッドは、前記コリメーションレンズをレーザ光の光軸方向に位置調節可能に備えた構成であることを特徴とするものである。

また、前記レーザ切断加工装置において、前記レーザ加工ヘッドは、前記リングビーム形成手段方向へレーザ光を反射する凹面鏡を備え、この凹面鏡は凹面の曲率を変更自在な構成であることを特徴とするものである。

また、前記レーザ切断加工装置において、前記リングビーム形成手段は、レーザビームをリングビームに形成するアキシコンレンズと集光レンズとを一体化した形態の光学素子であることを特徴とするものである。

また、レーザ加工ヘッドに備えた集光レンズにおける焦点位置を通過すると内径及び外径が共に拡大するリングビームになる傾向にあるレーザ光を使用してワークのレーザ切断加工を行うレーザ切断加工方法であって、レーザ加工ヘッドを高ギャップに保持し、前記レーザ光の非リング状部分をワーク表面へ照射してピアス加工を行った後、前記ワーク表面へ照射するレーザ光をリングビームに変更し、レーザ加工ヘッドを低ギャップに保持してワークのレーザ切断加工を行うことを特徴とするものである。

本発明によれば、波長が１μｍ帯のレーザ光を、外径が３００μｍ〜６００μｍのリングビームに形成し、かつ内径比を３０％〜７０％に設定してあるので、レーザ光の中心部におけるエネルギー密度の大きさをリング状に均等化でき、エネルギー密度を小さく抑制できる。そして、内径比を３０％〜７０％に設定することにより、前記エネルギー密度を適正値にすることができるものである。したがって、アシストガスとして酸素ガス及び／又は空気を供給した場合であってもセルフバーニングを抑制でき、前述したごとき従来の問題を解消し得るものである。

本発明の実施形態に係るリングビームにおける望ましい内径比率を示す実験結果の説明図である。ファイバーレーザによってワークのレーザ切断加工を行う際に、標準の集光レンズを用いた場合と、リングビーム化した場合における集光径と上面カーフとの関係を示した説明図である。ワークのピアス加工から切断加工に移行する際の動作説明図である。本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの構成を概念的、概略的に示した説明図である。レーザ光、リングビームの断面形状及びエネルギー密度の関係を概念的、概略的に示した説明図である。従来のレーザ切断加工装置の構成を概念的、概略的に示した説明図である。ＣＯ2レーザとファイバーレーザにおける集光径と上面カーフの関係の説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明するに、本発明の実施形態に係るレーザ切断加工装置の全体的構成は、概念的、概略的には前述した従来のレーザ切断加工装置１の構成とほぼ同一の構成であるから、同一機能を奏する構成要素には同一符号を付することとして重複した説明は省略する。

ところで、前述した従来のレーザ切断加工方法は、９００℃〜１０００℃にワークを加熱した加熱部位に酸素ガスを噴射供給することによってワークを燃焼させ、この燃焼熱によってワークを溶融させるものである。換言すれば、ワーク自体の燃焼熱を利用するものであるから、ワークの材質としては鉄材（炭素鋼材）に限られるものである。

すなわち、鋼の熱切断については、酸化鉄の溶融点が１３８０℃で、純鉄の融点が１５３５℃であり、その温度差を利用し、材料を燃焼し酸化発熱で酸化鉄を溶融し、ガス圧で溶融物を吹き飛ばすことを連続させて切断を行うものである。

なお、従来のレーザ切断加工方法においては、前述したように、ワーク自体の燃焼熱によってワークを溶融するものである。したがって、最初に、例えばレーザビームによってワークを酸化燃焼反応が可能な温度に予熱した後は、酸素ガスを連続して噴射供給することにより、ワーク自体が燃焼し、この燃焼熱によって溶融し得るので、例えば、ワークの溶融部位へのレーザビームの照射を停止したような場合であっても極めて厚いワークの切断（この場合、ガス切断である）が可能なものである。

ところで、レーザ切断加工においては、集光レンズ１３によって集光したレーザ光ＬＢを金属材料のワークに照射することによってワークの照射部位を溶融又は昇華し、上記照射部位にアシストガスを噴射することによって溶融又は昇華された材料を除去しながらレーザ切断加工を行っている。そして、ワークが鋼材で比較的厚い場合には、アシストガスとして酸素ガス及び／又は空気を使用して、ワークの酸化反応熱をも利用してワークのレーザ切断加工を行うこともある。

上述のごとく、アシストガスとして酸素ガス及び／又は空気を使用してワークの酸化反応熱をも利用する場合、レーザ光ＬＢとしてＣＯ2レーザの場合は大きな問題となることはなかった。しかし、レーザ光ＬＢとしてファイバーレーザを使用した場合、ファイバーレーザの波長は１μｍ帯（ＣＯ2レーザは１０μｍ帯）であって、ＣＯ2レーザに比較して波長が短く、しかもワークに対するレーザ光ＬＢのエネルギー吸収率が非常に高いことから、ワークが比較的厚い場合に、アシストガスとして酸素ガス及び／又は空気を使用すると、過剰燃焼を起こしてしまい、ワーク上面における切断溝の幅を適正値に保つことが難しいものであった。

そこで、種々の実験を行ったところ、ファイバーレーザの場合であっても、レーザ光ＬＢをリング状のビームに形成して、レーザ光ＬＢをリング状に分散してエネルギー密度を低下させることにより、アシストガスとして酸素ガス及び／又は空気を使用した場合であっても、ＣＯ2レーザと同様にレーザ切断加工を行い得ることを見出した。すなわち、同一出力のファイバーレーザに対して標準の集光レンズを使用した場合と、ファイバーレーザをリングビームに形成するための集光レンズを使用した場合について、集光径とワーク上面のカーフ幅との関係を実験した結果は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すとおりであった。なお、図２（Ａ）、（Ｂ）において、焦点位置０ｍｍは、焦点位置をワーク上面に一致させた場合で、−方向はワーク上面よりも下方向であり、＋方向はワーク上面よりも上方向である。

図２（Ａ）、（Ｂ）の実験結果から明らかなように、レーザ光ＬＢとしてファイバーレーザを使用し、かつアシストガスとして酸素ガス及び／又は空気を使用して鋼板のレーザ切断を行うとき、標準的な集光レンズを使用してレーザ切断加工を行うと、レーザ光ＬＢの集光径に比較して上面カーフが約２倍に大きくなるのに対し、レーザ光ＬＢをリングビームＲＢに形成した場合には、集光径に対する上面カーフを約１．５倍以下に抑えることができ、効果的である。

ここで、レーザ光ＬＢをリングビームＲＢに形成してワークに照射した場合であっても、前記特許文献１に記載のごとく、ワークを加熱することはできるものの溶融することができない場合がある。ワークを溶融することができない場合には、アシストガスとして例えばチッソガス等を用いてレーザ切断加工を行うようなときには溶融物を除去することができず、レーザ切断加工は不可能である。

したがって、ワークに対してリングビームＲＢを照射した場合にはワークを溶融することができ、かつアシストガスとして酸素ガス及び／又は空気を使用してワークの酸化反応熱をも利用してワークのレーザ切断加工を行う場合には、焦点径に対して上面カーフを小さく抑制できるビーム径である必要がある。すなわち、レーザ光ＬＢをリングビームＲＢに形成してワークのレーザ切断加工を行う場合、ワークに照射する部分のリングビームＲＢの径を適正値に設定することが必要である。この場合、リングビームＲＢがワークへ照射される部分の外径と内径との関係（内径比率％）が適正値であることが望ましいものである。

なお、ファイバーレーザをリングビームＲＢに形成して利用する位置は、集光レンズ１３の焦点位置Ｆより下方である。したがって、ワークのレーザ切断加工を行うときには、前記焦点位置はワークの上面より上側に位置するものである。

ところで、ファイバーレーザをリングビームＲＢに形成してワークのレーザ切断加工を行った。この場合、材質：ＳＳ４００−１９ｔ、切断条件：切断速度６００ｍｍ／ｍｉｎ、出力３５００Ｗ、周波数１０００Ｈz、デューティ８０％、酸素ガス、０．０６ＭPa、焦点位置０ｍｍ〜＋６ｍｍ、の条件でレーザ切断加工を行った結果は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すとおりであった。

なお、ワークに対して照射するリングビームＲＢの集光径が２００μｍ以下の場合にはカーフ幅が狭くアシストガスの流れが悪く、レーザ切断加工が難しいものであった。また、集光径が７００μｍ以上になると、セルフバーニングが発生し、ワーク上面のカーフ幅を所望の幅に制御することが難しいものであった。そして、集光径が３００μｍの場合にはワークの切断は可能であるが板厚がより厚くなると、切断が難しくなるものであった。集光径が４００μｍ〜５００μｍの場合には加工性は極めて良好であった。集光径が６００μｍの場合には、切断は可能であるが、切断面の条痕が粗くなり、セルフバーニングが発生し易いものであった。

そこで、集光径が３００μｍ、４５０μｍ及び６００μｍの場合において、内径比率の範囲を定めるべくワークの切断実験を行ったものである。そして、ワーク上面から２ｍｍの位置におけるレーザ切断面の表面粗さを測定した結果が図１（Ａ）に示すとおりである。図１（Ａ）より明らかなように、集光径が３００μｍ、４５０μｍ、６００μｍの場合においては、内径比率は約２３％〜７０％の範囲が望ましいものである。すなわち、内径比率が２０％以下及び７０％以上になると、表面粗さが次第に粗くなるものである。

次に、焦点深度と内径比率との関係の実験を行った。なお、焦点深度に関しては、集光レンズ１３の位置を１ｍｍピッチで上下に調節し、切断可能な焦点幅を確認した。その結果は図１（Ｂ）に示すとおりである。図１（Ａ）に示した内径比率の範囲を、図１（Ｂ）に適用すると、焦点深度（レイリー長）は２ｍｍ〜５ｍｍが望ましいものである。

以上のごとき記載から理解されるように、ファイバーレーザをリングビームＲＢに形成してワークのレーザ切断加工を行うに当り、アシストガスとして酸素ガス及び／又は空気を使用して、ワークの酸化反応熱（燃焼熱）をも利用する場合、リングビームの外径を３００μｍ〜６００μｍとし、かつ内径比率が３０％〜７０％の範囲のリングビームＲＢとすることにより、ワークのセルフバーニングを抑制することができ、従来のＣＯ2レーザと同様のレーザ切断加工を行い得るものである。この場合、焦点深度（レイリー長）が２ｍｍ〜５ｍｍである集光レンズを用いることにより、ワークのレーザ切断加工を良好に行い得るものである。

既に理解されるように、本実施形態に係るレーザ切断加工装置は、レーザ発振器と、レーザ発振器側に一端側を接続したプロセスファイバーと、当該プロセスファイバーの他端側から出射されたレーザ光を平行光線化するためのコリメーションレンズを備えたレーザ加工ヘッドと、平行光線化されたレーザビームをリングビーム化するためのリングビーム形成手段とを備え、当該リングビーム形成手段は、リングビームの外径を３００μｍ〜６００μｍに形成し、かつ内径比率を３０％〜７０％に規定するための集光レンズを備えているものである。そして、前記集光レンズの焦点深度は２ｍｍ〜５ｍｍである。

前述したように、ファイバーレーザによって炭素鋼材のレーザ切断加工を行うとき、アシストガスとして酸素ガス及び／又は空気を使用する場合、ファイバーレーザをリングビームＲＢに形成し、かつリングビームの外径を３００μｍ〜６００μｍの範囲に設定し、内径比率を３０％〜７０％の範囲に設定すると、良好なレーザ切断加工を行い得ることが分かった。

ところで、ワークのレーザ切断を行うには、初期のレーザ加工としてピアス加工が必要である。ワークのピアス加工を行うに際しては、ピアス加工位置からのスパッタがレンズに付着することを防止するために、図３に示すように、レーザ加工ヘッドＨとワークＷの表面とのギャップＧは高ギャップとすることが望ましい。そして、ピアス加工終了後には、ワークＷに対してレーザ加工ヘッドＨを相対的に接近移動して低ギャップとし、この低ギャップを保持すべく、レーザ加工ヘッドＨをワーク表面に沿う方向へ相対的に移動してワークＷのレーザ切断加工を行うことが望ましいものである。

前述のごとく、レーザ光をリングビームに形成するためのリング形成手段を備えた構成においては、集光レンズの焦点位置を通過したレーザ光はリングビームに形成されている。したがって、前述のごとく、ワークＷとレーザ加工ヘッドＨとの間のギャップＧを高ギャップに保持すると、レーザ光のリングビームでもってピアス加工を行うこととなり、エネルギー密度が小さく望ましいものではない。また逆に、前記ギャップＧを低ギャップに保持すべく、レーザ加工ヘッドＨをワークＷに接近離動すると、集光レンズの焦点位置付近又はレーザ光の非リング状部分（焦点位置より上側の部分）でもってワークのレーザ切断加工を行うことがあり、ピアス加工位置からのスパッタがレンズに付着することを防止できず望ましいものではない。

ところで、レーザ光をリングビームに形成するためのリング形成手段を備えたレーザ加工ヘッドにおいても、ワークにピアス加工を行う場合は、図４に示すように、焦点位置Ｆ付近で行うことが望ましいものである。そして、ワークの切断加工を行う場合には、前記焦点位置Ｆよりも下側であって、レーザ光ＬＢがリング状に形成されたリングビームＲＢであり、かつリングビームの外径が３００μｍ〜６００μｍの範囲で、内径比率が３０％〜７０％の範囲であるＡ位置付近であることが望ましいものである。

図４の記載から理解されるように、前記焦点位置Ｆをワークの表面に近接するとレーザ加工ヘッドＨがワーク表面に近接することになり、前記Ａ位置をワークの表面に近接すると、レーザ加工ヘッドＨはワーク表面から離反することになる。そこで、図４に示すレーザ加工ヘッドＨにおいては、前記焦点位置Ｆをレーザ加工ヘッドＨに対して光軸方向に位置調節可能に構成してある。

すなわち、図４（Ａ）に概念的、概略的に示すレーザ加工ヘッドＨＡの構成は、プロセスファイバー５の出射端とリングビーム形成手段９との間に、コリメートレンズＣＬをレーザ光ＬＢの光軸方向へ位置調節可能に備えて、前記リングビーム形成手段９に入射されるレーザ光ＬＢのビーム径を変更自在に構成してある。より詳細には、前記コリメートレンズＣＬを光軸方向へ位置調節するための位置調節手段２１を備えている。この位置調節手段２１は、前記コリメートレンズＣＬの一部に備えたナット部材２３と螺合したねじ部材２５を備えている。そして、前記ねじ部材２５は、レーザ加工ヘッドＨＡにおけるハウジング２７の適宜位置に装着したサーボモータ２９に連動連結してある。

したがって、制御装置（図示省略）の制御の下に、前記サーボモータ２９を正逆回転することにより、前記コリメートレンズＣＬをレーザ光ＬＢの光軸方向に位置調節することができるものである。なお、前記位置調節手段２１の構成としては、前記構成に限ることなく、例えばリニアモータなどの適宜のリニアアクチュエータを採用してコリメートレンズＣＬを位置調節する構成とすることができるものである。すなわち、位置調節手段２１の構成としては種々の構成を採用することができるものである。

なお、前記リングビーム形成手段９の構成としては、図６（Ｂ）に示した従来の構成と同一構成であってもよいが、図４に示す構成においては、アキシコンレンズ１１と集光レンズ１３とを一体化した構成にて例示してある。すなわち、図４（Ｃ）に概念的、概略的に誇張して示すように、アキシコンレンズ１１と非球面レンズから構成されている集光レンズ１３とを一体化するに当り、前記アキシコンレンズ１１における円錐面１１Ｆに集光レンズ１３を重ねた形態である。換言すれば、アキシコンレンズ１１の頂点を残して前記円錐面１１Ｆを環状の凸曲面に形成した形態である。

なお、アキシコンレンズ１１と集光レンズ１３とを一体化する構成としては、例えば、アキシコンレンズ１１の平面と集光レンズ１３の平面とを接合した形態とすることも可能である。

前記構成において、コリメートレンズＣＬを、プロセスファイバー５の出射端に近接するように、すなわち、リングビーム形成手段９から離反するように移動すると、前記コリメートレンズＣＬを透過したレーザ光ＬＢは径が拡大する傾向になって前記リングビーム形成手段９に入射される。したがって、焦点長さは長くなる。よって、レーザ加工ヘッドＨＡを高ギャップに保持し、レーザ光ＬＢの焦点位置Ｆ付近をワーク表面へ照射してピアス加工を行うことができるものである。

逆に、コリメートレンズＣＬを、前記プロセスファイバー５の出射端から離反する方向、すなわち前記リングビーム形成手段９に近接する方向に位置調節すると、焦点長さは短くなるものである。したがって、レーザ加工ヘッドＨＡを低ギャップに保持し、リングビームＲＢにおけるＡ位置付近をワーク表面へ照射することができ、リングビームＲＢによってのレーザ切断加工を行うことができるものである。

図４（Ｂ）に例示したレーザ加工ヘッドＨＢは、別形態のレーザ加工ヘッドを示すもので、このレーザ加工ヘッドＨＢにおいては、コリメートレンズＣＬを透過して平行光線化されたレーザ光ＬＢをリングビーム形成手段９方向へ屈曲反射する凹面鏡ＣＭを備えた構成である。上記凹面鏡ＣＭは、例えば流体圧機構などのごとき適宜のアクチュエータＡＣを備えており、このアクチュエータＡＣの作動によって凹状の反射面の曲率を変更自在な構成である。

したがって、コリメートレンズＣＬを透過して平行光線化されたレーザ光ＬＢをリングビーム形成手段９方向へ反射するとき、反射して前記リングビーム形成手段９へ入射されるレーザ光ＬＢの径を所望径に大径化、小径化できることになる。よって、焦点長さ調節できることとなり、前述したレーザ加工ヘッドＨＡと同様の効果を奏し得るものである。

既に理解されるように、レーザ加工ヘッドＨＡ，ＨＢは、リングビーム形成手段９に対して入射されるレーザ光ＬＢのビーム径を調節自在なビーム径調節手段を備えた構成である。

ところで、前記リングビーム形成手段９を透過したレーザ光ＬＢは、図５（Ａ）に概念的に示すように、焦点位置Ｆに集光される。そして、焦点位置Ｆよりも下側においてリングビームＲＢに形成されるものである。

前記リングビーム形成手段９を透過した後のレーザ光ＬＢの断面形状は、図５（Ｂ）に示すように、前記焦点位置Ｆの位置におけるビーム径が最小であり、この焦点位置Ｆにおいてはリング状になることなく中実である。前記焦点位置Ｆより上側（リングビーム形成手段９側）においては、焦点位置Ｆにおけるビーム径より大径であって中実である。そして、前記焦点位置Ｆより下側においては、レーザ光ＬＢは次第に大径になると共に、中空状のリングビームＲＢになるものである。

そして、前記各位置でのレーザ光のエネルギー密度の分布は、図５（Ｃ）に示すように、焦点位置Ｆにおいては尖鋭で大きく高いものである。焦点位置Ｆより上側においてのエネルギー密度は、焦点位置Ｆにおけるエネルギー密度に比較して小さく低いものである。そして、焦点位置Ｆより下側であって、リングビームＲＢに形成されたＡ位置付近においてのエネルギー密度は、焦点位置Ｆにおけるエネルギー密度よりも小さく低く、かつエネルギー密度の分布は円形状である。

ワークのレーザ切断加工を行うときには、先ず、レーザ光ＬＢの前記焦点位置Ｆ付近の非リング状部分をワーク表面へ照射してピアス加工を行う。この際、ビーム径調節手段によって、リングビーム形成手段９へ入射されるレーザ光ＬＢのビーム径を調節して、ワーク表面からレーザ加工ヘッドＨＡ，ＨＢを大きく離反し、高ギャップに保持するものである。したがって、ピアス加工位置から飛散するスパッタ等がレーザ加工ヘッドＨＡ，ＨＢ内へ入り込むことを抑制することができるものである。

ワークのピアス加工後には、ビーム径調節手段によって、リングビーム形成手段９へ入射されるレーザ光ＬＢのビーム径を調節して、レーザ加工ヘッドＨＡ，ＨＢをワークに近接する方向へ移動し、ワークとレーザ加工ヘッドとのギャップを低ギャップに保持すると共に、リングビームＲＢのＡ位置付近をワーク表面へ照射し、アシストガスとして酸素ガス及び／又は空気を使用してレーザ切断加工を行うものである。

以上のごとき説明より理解されるように、ファイバーレーザによってワーク（炭素鋼板）のレーザ切断加工を行うときに、アシストガスとして酸素ガス及び／又は空気を使用する場合には、レーザ光ＬＢをリングビームＲＢに変形することが望ましいものである。そして、レーザ切断加工の初期加工としてピアス加工を行うときには、レーザ加工ヘッドとワーク表面との間のギャップを高ギャップに保持し、レーザ光ＬＢの非リング状部分（集光レンズ１３の焦点位置Ｆ付近）をワーク表面に照射することが望ましいものである。

上述のように、高ギャップに保持し、レーザ光ＬＢの非リング状部分でもってピアス加工を行うことにより、レーザ光ＬＢにおいてエネルギー密度の大きな部分でピアス加工を行うこととなり、能率よくピアス加工を行うことができる。そして、高ギャップであることにより、ピアス加工時に発生したスパッタがレーザ加工ヘッド内へ入り込むことを抑制することができるものである。

そして、ピアス加工後には、レーザ光ＬＢをリングビームＲＢに形成すると共に、レーザ加工ヘッドとワークとの間のギャップを低ギャップに保持し、アシストガスとして酸素ガス及び／又はエアを使用してレーザ切断加工を行うものであるから、良好なレーザ切断加工を行い得るものである。

１レーザ切断加工装置
３レーザ発振器
５プロセスファイバー
７レーザ加工ヘッド
９リングビーム形成手段
１１アキシコンレンズ
１３集光レンズ

Claims

波長が１μｍ帯のレーザ光によって金属材料のワークのレーザ切断を行うレーザ切断加工方法であって、集光レンズにおける焦点位置を通過して内径及び外径が共に拡大する傾向にあるリングビームによって前記ワークのレーザ切断を行うに当り、切断溝の幅が狭くなってアシストガスの流れが悪くなることを防止し、かつセルフバーニングを抑制するために、前記リングビームの外径は３００μｍ〜６００μｍであり、かつレーザ切断面の表面粗さが次第に粗くなることを抑制するために、内径比率は３０％〜７０％であることを特徴とするレーザ切断加工方法。
請求項１に記載のレーザ切断加工方法において、前記集光レンズの焦点深度は２ｍｍ〜５ｍｍであることを特徴とするレーザ切断加工方法。
請求項１又は２に記載のレーザ切断加工方法において、前記レーザ光の非リング状部分をワーク表面へ照射してピアス加工を行った後、前記ワーク表面へ照射するレーザ光をリングビームに変更してワークのレーザ切断を行うことを特徴とするレーザ切断加工方法。
請求項３に記載のレーザ切断加工方法において、ピアス加工を行った後、ワーク表面に対してレーザ加工ヘッドを相対的に接近移動し、この接近移動の動作後にレーザ加工ヘッドをワーク表面に沿う方向へ相対的に移動してワークのレーザ切断加工を行うことを特徴とするレーザ切断加工方法。
レーザ切断加工装置であって、レーザ発振器と、レーザ発振器側に一端側を接続したプロセスファイバーと、当該プロセスファイバーの他端側から出射されたレーザ光を平行光線化するためのコリメーションレンズを備えたレーザ加工ヘッドと、平行光線化されたレーザビームをリングビームに形成するためのリングビーム形成手段とを備え、当該リングビーム形成手段は、切断溝の幅が狭くなってアシストガスの流れが悪くなることを防止し、かつセルフバーニングを抑制するために、リングビームの外径を３００μｍ〜６００μｍに形成し、かつレーザ切断面の表面粗さが次第に粗くなることを抑制するために、内径比率を３０％〜７０％に規定するための集光レンズを備えていることを特徴とするレーザ切断加工装置。
請求項５に記載のレーザ切断加工装置において、前記集光レンズの焦点深度は２ｍｍ〜５ｍｍであることを特徴とするレーザ切断加工装置。
請求項５又は６に記載のレーザ切断加工装置において、前記レーザ加工ヘッドは、前記コリメーションレンズをレーザ光の光軸方向に位置調節可能に備えた構成であることを特徴とするレーザ切断加工装置。
請求項５又は６に記載のレーザ切断加工装置において、前記レーザ加工ヘッドは、前記リングビーム形成手段方向へレーザ光を反射する凹面鏡を備え、この凹面鏡は凹面の曲率を変更自在な構成であることを特徴とするレーザ切断加工装置。
請求項５〜８のいずれかに記載のレーザ切断加工装置において、前記リングビーム形成手段は、レーザビームをリングビームに形成するアキシコンレンズと集光レンズとを一体化した形態の光学素子であることを特徴とするレーザ切断加工装置。
レーザ加工ヘッドに備えた集光レンズにおける焦点位置を通過すると内径及び外径が共に拡大するリングビームになる傾向にあるレーザ光を使用してワークのレーザ切断加工を行うレーザ切断加工方法であって、レーザ加工ヘッドを高ギャップに保持し、前記レーザ光の非リング状部分をワーク表面へ照射してピアス加工を行った後、前記ワーク表面へ照射するレーザ光をリングビームに変更し、レーザ加工ヘッドを低ギャップに保持してワークのレーザ切断加工を行うことを特徴とするレーザ切断加工方法。
請求項１０に記載のレーザ切断加工方法において、ピアス加工を行った後、ワーク表面に対してレーザ加工ヘッドを相対的に接近移動し、この接近移動の動作後にレーザ加工ヘッドをワーク表面に沿う方向へ相対的に移動してワークのレーザ切断加工を行うことを特徴とするレーザ切断加工方法。