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    公开号:WO1988004214A1
    申请号:PCT/JP1987/000933
    申请日:1987-12-01
    公开日:1988-06-16
    发明作者:Seiichi Hayashi
    申请人:Kabushiki Kaisha Komatsu Seisakusho；
    IPC主号:B23K26-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書 レーザビーム による加工方法および装置 技 術 分 野
    [0002] この発明は、 レーザビー ムを用いた加工方法および 装置に関 し 、 特に高融点材料、 高反射率材料の切断に 適用 して好適な レーザ ビームを用いた加工方法および 装置に関する。 背 景 技 術
    [0003] レーザ加工機を用いて鋼板等を切断加工する場合、 従来、 レーザ ビー ムを被切断材の表面ま た はその近傍 に収束させ、 アシス 卜 ガスのガス圧は 6 Z に満た ない比較的低い値に設定されていた 。
    [0004] と ころで、 上記従来の レーザ加工機において鋼板等 を切断する場合 は特に問題は生 じないがアルミ 二 ユ ウ ム、 銅等のよう な高融点材料、 高反射率材料を切断 し よ う と した場合、 良好な切断結果を得るこ とができな か っ た。
    [0005] すなわち 、 従来の レーザ加工機に おいて アルミ ニ ュ ゥ厶、 銅等の よ う な高融点材料、 高反射率材料を切断 し ょ う と した場合 、 この被切断材溶融物であるいわゆ る ド ロ スが被切断材の表面か ら裏面側に流れる間に急 激に冷却 し 、 このためその粘度が増大 し 、 この ド ロ ス が被切断材の裏面に付着して切断が不完全になっ た り 、 またこの ドロスによ っ て切断面が荒れる等の不都合が 生じた。
    [0006] また、 高反射率材料を加工する場合、 高反射率材料 により反射された レーザ光が レーザ発振器部に入り 、 これによ り レーザ発振器を摄傷させることがあっ た。
    [0007] この発明は上述した点に鑑みてなされたものでアル ミニ ユ ウム、 銅等のよ な高融点材靱、 高反射率材料 もきれいに切断できるように した レーザビームによる 切断方法および装置を提供しょう とするものである。 発 明 の 開 示 - この発明においては レーザビームを被加工材の裏 面またはその近傍に収束させるよう に し、 またアシス トガスのガス圧を従来のガス圧と比較して高圧に設定 している。 - - すなわち、 この発明は、 レーザビームを切断個所に 照射すると ともに、 この レーザビームの照射涸所にァ シス 卜ガスを吹ぎ付けることによ っ て被切断材を切断 する方法において、 上記レーザビームを上記被切断材 の裏面またはその近傍で収束させ、 かつ上記アシス 卜 ガスのガス圧を 6 Z 以上に設定される。
    [0008] レーザビームは被切断材の裏面またはその近傍に収 束され、 これによ つて被切断材の表面から裏面に流れ る ド ロスの急激な冷 ΪΡがおさえられ、 またアシス 卜 ガ スのガス圧を 6 ί^ Ζ αί以上 と高 く 設定する こ と に よ つ て ド ロ スが有効 に吹き飛ばされ、 これに よ つ て切断が 不完全 となるこ とがな く な り 、 切断面の荒れも生 じな い α
    [0009] ま た 、 この発明において は被加工材か らの反射光の 1 部を ビームスプ リ ッ タ を用いて取出 し、 この取出 し た反射光の レベルが所定 レペル以上 となる と照射 レー ザビームのパワ ーを低減させるか レーザ ビームに対す る被加工材の移動を停止させるよ う に構成されている 。 図面の簡単な説明 ' 第 1 図は レーザ加工機に よ-る切断の原理を示 した溉 念図、
    [0010] 第 2 図 （ a ) および （ b ) は ピア ツ シ ング時および切断 時における レーザ ビームの集光位置をそれぞれ示 した 概念図、
    [0011] 第 3 図 は従来のノ ズルの構成を部分的に示 した断面 図、
    [0012] 第 4 図は本発明の実施例に用いた ノ ズルの構成を部 分的に示す断面図、
    [0013] 第 5 図は本発明の一実施例を示すプロ ッ ク 図ある 。 発明を実施するための最良の形態
    [0014] 以下、 図面を参照 して この発明の実施例を説明する 。 第 Ί 図に示す被切断材 1 を レーザ加工機で切断する 場合、 図示されていないレーザ発振器より出力された レーザビームが反射ミラー 2及び集光レンズ 3 を介し て被切断材 1 に入射され、 同時にノズル 4 の先端から 被切断材 Ί の切断点に向けてアシス 卜ガス 5 が吹付け られる。
    [0015] ところで、 上記被切断材 1 がアルミニウム、 銅等の ような高融点材料、 高反射率材 ^で形成されている場 合、 前記 したよう に従来の方法では良好な切断結果を 得るこ とができない。
    [0016] そこでこの実施例では、
    [0017] A )レーザビームを被切断材 1 の裏面またはその近傍に 収束させ、 -
    [0018] B )アシス 卜ガスのガス圧を高圧 （ 1 0〜 2 0 csf ) に設定する。 なお、 この実施例ではアシス 卜 ガスと し て窒素 （ N 2 ) ガスを使用 しているが、 被切断材を酸 化させないものであれば、 アルゴン （ A r ) ガスなど 他のガスも使用可能である。
    [0019] 上記加工条件に基づく切断を行なう に先だっ て、 い わゆる ピア ッ シング （下穴加工 ） が実施される。 すな わち、 第 2 図（a ) に示す如 く被切断材 1 の上面に レー ザビームを収束させて、 切靳開始点に下穴が形成され る。
    [0020] なお、 この ピア ッ シング時には、 材料の飛散を防止 するためァシス トガスの圧力を低く 設定する。
    [0021] 上記ピア ッ シングが終了する と、 上記加工条件に基 づ く 切断加工が行なわれる。
    [0022] すなわち 、 ノ ズル 4 が下降されて 、 第 2 図 （ b ) に 示す如 く レーザ ビー ムが被切断材 1 の下面ま た はその 近傍に収束される。 そ して切断点に吹き付け られる ァ シス 卜 ガスのガス圧は高圧 （ 1 0〜 2 0 Z ) に切 換え られ、 かつ被切断材 1 が切断方向に移動される。
    [0023] 上記実施例に よれば、 アルミ ニウム、 銅等の よ う な 高融点材料、 高反射率材料か らなる被切断材をきわめ て良好に切断できるこ とが確認された 。
    [0024] なお、 切断開始点が被切断材 1 の端である場合に は、 当然、 前記 ピア ッ シング処理は必要 と しない。
    [0025] ま たこの ピア ッ シングの時間は、 被切断材 1 の厚さ に応 じて異なるので、 適宜タ イ マ に よ っ てその時間が 設定される 。 もちろん、 被切断材 1 の下面側に光セン サを配設 し 、 このセンサに よ っ て ピア ツ シングの終了 を検出するこ とも可能である。
    [0026] 上記 した加工手順は、 全て N Cプ ロ グラ ム に従 っ て 自動的に実行される 。
    [0027] と ころで、 従来のよ う に レーザ ビー ムを被切断材の 表面に収束させて切断を行なう 場合 に は、 第 3 図に示 す よ う に ノ ズル 4 ' の先端 と レ ーザ ビ ー ム の収束点 と の距離 L ' が短か く て よ い 。 し た が っ て 、 ノ ズル 4 ' の開口径 ø ' に対するノ ズル先端のス 卜 レ一 卜 部 4 a ' の長さの比率を大き く とる こ とができ、 これに よ っ て アシス 卜 ガスを切断点に有効 に集中させる こ と が可能であっ た。 .
    [0028] しか し、 上記実施例のょゔに、 レ一ザビームを被切 断材 1 の裏面またはその近傍に収束させる場合には、 第 4図に示すよう にノスル 4 の開口径 を大き くする 必要がある。
    [0029] つま り 、 被切断材 1 の厚みを考慮してノズル 4 と ピ ーム収束点間の距離 Lを大きく とる必要がある。
    [0030] 開口径 ^を大き くする と、 この開口径 に対するス 卜 レー ト部の比率が小さ ぐなるので、 アシス 卜 ガスが ノズル 4 の先端から拡散する という不都合を生じる。 そこで、 この実施例では、 第 4図に示したよう に、 ノ ズル 4の内周面を断面階段状に形成している。
    [0031] このノズル 4 によれば、 複数のス 卜 レー ト部 4 a が 形成されるので、 開口径 ø に対するス ト レー 卜部の比 率を実質的に大きく することができ、 これによつ てァ シス 卜 ガスを切断点に有効に集中させるこ とができる。
    [0032] なお、 上記実施例では、 被切断材の切断時において アシス 卜ガスのガス圧を 1 0〜 2 0 Z csf に設定 した が、 このガス圧は少なく とも 6 / ci以上に設定すれ ば良好な切断が可能となる。
    [0033] 第 5 図はこの発明の一実施例を示すもので、 レーザ 発振器 1 0には、 出力鏡 Ί Q a 、 反射鏡 1 Q bがその 内部に配設されている。
    [0034] 屈折鏡 Ί 4 a〜/！ 4 d は レーザ発振器 1 0 と加ェテ 一プル 1 8 の閏に配設される。 ピー ムスプ リ ッ タ 1 5 は集光 レ ンズ 3 に近接 し て配
    [0035] 3xさ 。
    [0036] 加工テーブル 1 8 は N C Ig動装置 （ 図示せず ） に よ り 前後、 左右方向 に移動する よ う 構成され、 上部に被 加工材 1 を保持 し 、 集光 レンズ 3 に近接 して配設され る。
    [0037] 加工テーブル 1 8 は加工材料の端部を挟持するよ う に構成されても よ く 、 移動も前後又は左右一方向のみ でおよい。
    [0038] ノ ズル 4 内 に ア シ ス 卜 ガ ス送出装置 5 0 か ら 窒素 ( N 2 ) 等か らなるアシス 卜 ガスが導入され、 このァ シス 卜 ガスはノ ズル 4 の先端か ら被加工材 Ί に吹き付 け ら れる。 アシス 卜 ガスのガス圧はアシス 卜 ガス送出 装置 5 0 に よ り ピア ツ シング時に は 6 以下の低 圧に保持され切断時には 6 ^以上の高圧に保持さ れる 。
    [0039] レ ンズ 3 は光軸方向に移動可能 と な っ て お り 、 ピア ッ シング時に は レーザ光が被加工材 1 の表面に収束 し 、 切断時に は被加工材 Ί の裏面に収束するよ う に レンズ 駆動機構 3 0 に よ り レンズ 3 の位置が移動制御される 。
    [0040] 被加工材 1 の裏面に配設された受光素子 2 5 は ピア ッ シングの終了を検出するもので、 この受光素子 2 5 の受光出力を ピア ツ シング終了検出回路 2 6 に よ り 検 出 し 、 この検出出力 を加工テープル駆動 N C制御装置 2 4 に加え、 これに よ り 加工テーブルの駆動 して被加 - a - ェ材 1 の切断を開始する。
    [0041] 受光体 1 9、 2 2 は ピームスプリ ッ タ Ί 5 に近接し て配設され、 それぞれパワーメ ータ 2 0、 2 3 と レー ザ光出力制御装置 2 1 、 加工テーブル駆動 N G制御装 置 2 4 に接続されている。
    [0042] レーザ発振器 1 0 か ら発振された レーザ光 1 2 は 反射'鏡 0 b 、 出力鏡 1 0 a を通 り 、 数枚の屈折鏡 1 4 a〜 1 4 d を通り ビームスプリ ッ タ 1 5 へ導かれ る。
    [0043] このピームスプリ ツ タ 1 5 は例えば反射率を 9 7 % . で遠遏率を 3 %に設定されているので、 レーザ光 1 2 の 9 7 %を反射光 1 2 a と して集光レンズ 3 により集 光されて被加工材 1 の表面に照射される。
    [0044] レーザ光 1 2 のう ちの残り 3 %はピームスプリ ッ タ 1 5 を通過し透過光 1 2 b と して受光体 1 9 に入力 し、 受光体 Ί 9ではビームスプリ ツ タ 1 5 の透過光 Ί 2 b に応じた出力信号が形成され、 その信号によりパヮメ ータ 2 0でレーザ光 Ί 2 の出力が表示され、 さらにそ の信号が レーザ光出力制御装置 2 Ί に入力され、 設定 出力に見合う信号量と比鲛演算され、 設定出力を保持 するよう作用する。
    [0045] ま た被加工材 1 の表面よ り 反射された加工反射光 3 はビームスプリ ッ タ 1 5 によりその 9 7 %は加工 反射光 1 3 a と して直角に折曲げら れ屈折镜 4 c！ 〜 4 aを通り出力镜 1 0 aの透通比率に応じた光出が レ 一ザ発振器 1 0 内 に帰還 し 、 発振器内 レーザ光 と 合流 し 、 光力 を増 し 、 さ ら に出力鏡 1 0 a の非透過光も '反 射合流 し 、 レーザ光 1 2 と周 じ光路を通 り 再び被加工 材 1 に照射され、 一部は ピームスプ リ ッ タ 1 5 を介 し て受光体 1 9 に達せ られる 。 一方受光体 1 9 に入力 し た光は出力信号を増加させ、 この増加出力 は レーザ光 出力制御装置 1 2 に加え ら れ、 設定出力の信号量 と比 較演算さ れ、 レーザ発振器 1 0 の レーザ光出力 を下げ る よ う 作用 す る 。 こ の镍 り 返 し に よ り レ ー ザ発振器
    [0046] 1 0 の出力 レーザ光は一定の値に保持される。
    [0047] 前記加工反射光 1 3 は ピー ムスプ リ ッ タ 1 5 に よ り その 9 7 % は加工反射光 1 3 a と して レーザ発振器に 帰還 し 、 残 り の 3 % は ビームスプ リ ッ タ 1 5 を通 り 、 加工反射透過光 1 3 b と し て受光体 2 2 に入力 し 、 受
    [0048] 光体 2 2 では加工反射透過光 1 3 b に応 じた出力信号 が形成さ れ、 その信号に よ りパヮメ ータ 2 3 で加工反 射光 1 3 の出力が表示され、 さ ら に その信号が加工テ
    [0049] 一プル駆動 N C制御装置 2 4 に入力 され、 この反射光 が一定値を超える時は加工テーブル駆動 N C制御装置
    [0050] 2 4 に よ り 材料移動を非常停止させる よ う に し 、 こ れ - に よ り レーザ発振器の損傷を防止するよ う に し ている。
    [0051] なお、 上記実施例では反射光が一定値を超える と材 料移動を非常停止するよ う に構成 し たが、 第 5 図に点 線で示すよ う にパヮ メ ータ 2 3 の出力を レーザ光出力 制御装置に加え、 材料移動を非常停止する代わ り に レ 一ザ発振器 1 ひから発振される レーザビームのパワー を低減させるよう に構成してもよい。
    [0052] 産業上の利甩可能性
    [0053] この発明によればアルミニウム、 銅等の高融点材料、 高反射率材料からなる被加工材を適性に切断すること ができ、 また被加工材からの反射光による レーザ発振 器の破摄を防止することができる。
    权利要求:
    Claims

    請 求 の 範 囲
    . レ ーザ ビー ムを切断個所に照射する と と も に 、 こ の レーザ ビームの照射個所に ア シス 卜 ガスを吹き付け る こ と に よ っ て被切断材を切断する方法に おいて 、
    前記 レ ーザ ビ ー ムを前記被切断材の裏面ま た はその 近傍で収束させ、
    かつ前記アシス 卜 ガスのガス圧を 6 ½ 以上に設 定 し た こ とを特徴 とする レーザビー ムに よる加工方法。
    2 . 前記アシス 卜 ガス と して N 2 を用いた特許請求の 範囲第 1 項記載の レーザ ビー ム に よる加工方法。
    3 . 前記アシス 卜 ガスのガス圧が 6〜 2 0 ノ αίに設 定さ れた請求の範西第 1 項記載の レ ーザ ビー ム に よ る 加工方法。
    4 . レーザ ビー ムを加工個所に照射する と ともに 、 こ の レーザ ビームの照射個所に アシス 卜 ガスを吹き付け るこ と に よ っ て被加工材を加工する方法において 、
    前記 レーザビー ムを前記被加工材の表面ま た はその 近傍で収束させ、 かつ前記アシス 卜 ガスのガス圧を 6 fis g Z 以上の第 1 の所定圧に設定 して前記被加工材 に下穴を穿設する ピア ッ シング工程 と、
    前記 レーザ ビー ムを前記被加工材の裏面ま た はその 近傍で収束させ、 かつ前記アシス 卜 ガスのガス圧を 6 g Z csi以上の第 2 の所定圧に設定 し て前記被加工材 を切断する切断工程 と
    を具えた レーザ ビームに よる加工方法。
    5 . レーザビームを発生する レーザビーム発生手段と、 このレ一ザビーム発生手段から髡生されたレーザビ 一ムを被切靳林の裏面またはその近傍に収束させる光 学手段と、
    ガス圧が 6 以上の高圧のアシス 卜 ガスを送出 するアシス トガス送出手段と、
    このアシス 卜 ガス送出手段から送出された高圧のァ シス トガスを前記レーザピームの照射箇所に吹き付け るノズルと、
    前記レーザビーム発生手段から発生された レーザビ ームを所定の切断鎳に沿つ て走查させるべく前記レー ザビーム又は前記被切断材を所定の速度で移動させる , 手段と .
    を具えたレーザビームによる加工装置。
    6 . 前記光学手段は光轆方向に移動可能なよう に配設 された耐高圧レンズを含む請求の範囲第 5 項記載の レ 一ザビームによる加工装置。
    7 . 前記ノズルはその内周面が光軸方向に延ひ'る複数 のス 卜 レー 卜部を有する断面が階段状に形成され、 開 口径に対するス ト レー 卜部の比率を実質的に大に した ものである請求の範囲第 5項記載の レーザビームによ る加工装置。
    8 . レーザピー厶を発生する レ一ザビーム発生手段と、 このレーザビ一厶 ¾生手段から発生された レーザピ ームの収束位置を変化させる手段と、 ガス圧が 6 ノ '以下の第 1 の低圧の ア シス 卜 ガス と 6 Ζ αΙ以上の第 2 の高圧の ア シス 卜 ガス とを ¾渙 えて送出可能な ア シス 卜 ガス送出手段 と 、
    この アシス 卜 ガス送出手段か ら送出された高圧の ァ シス 卜 ガスを前記 レーザ ビームの照射箇所に吹き付け るノ ズル と
    前記 レーザ ビーム発生手段か ら発生された レーザ ピ ームを所定の ピア ツ シング位置で停止させ、 その後所 定の切断線に沿 つ て走査させるベ く 前記 レーザ ビーム 又は前記被切断材の移動を制御する手段 と
    を具えた レーザ ビームに よる加工装置。
    9 . レーザ ビームを発生する レーザ ビーム発生手段 と 、 この レーザ ビーム発 手段か ら発生された レーザ ビ ーム被切断材の切断箇所に照射する手段 と、
    被切新材か ら の反射 レーザ ビーム光の一部を分離取 出す ピームスプ リ ッ タ と、
    この ビームスプ リ ッ タ に よ り 取出された レーザ ピー 厶の レベルを検出するセンサ手段 と 、
    このセンサ手段に よる検出 レベルが所定の レベル以 上となる と前記 レーザビーム発生手段か ら 出力される レーザ ビームのパワ ーを低據させる手段
    とを具えた レーザ ビームによる加工装置。
    1 0 . レーザ ビームを発生する レーザ ビーム発生手段 と、
    この レーザ ビー ム発生手段か ら発生された レーザ ビ 一ムを被切断轼 切断箇所に照射する手段と、
    被切断材からの反射レーザピーム光の一部を分離取 出すビームスプリ ッ タ と、
    この ピームスプ リ ッタ によ り取出された レーザビー ムの レベルを検出するセンサ手段と、
    前記 レーザどーム発生手段から発生されたレーザピ ームを所定の切断線に沿 っ て走査させるぺく 前記 レー ザビーム又は前記被切断材を所定の速度で移動させる 移動手段と、
    前記センサ手段による検出 レペルが所定の レベル以 上になる と前記移動手段による前記レーザビーム又は 前記被切断林の移動を非常停止させる手段と
    を具えた レーザビームによる加工装置。 ，
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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    引用文献:
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    法律状态:
    1988-06-16| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): KR US |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP61/286488||1986-12-01||
    JP28648886||1986-12-01||KR88700851A| KR960005213B1|1986-12-01|1987-12-01|레이저 비임에 의한 가공방법 및 장치|
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