JP2017109238A

JP2017109238A - レーザ切断方法

Info

Publication number: JP2017109238A
Application number: JP2016191795A
Authority: JP
Inventors: 博幸角; Hiroyuki Sumi
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2016-09-29
Publication date: 2017-06-22

Abstract

【課題】固体レーザまたはファイバーレーザを用いて低合金鋼材を切断する際に、高速かつ高品質な切断が実施できるレーザ切断方法を提供する。【解決手段】固体レーザ発振器またはファイバーレーザ発振器から出射されたレーザビームを被切断材に照射するとともに、レーザビームを照射した切断部位にアシストガスを噴射しながら切断するレーザ切断方法において、前記被切断材が低合金鋼材であって、前記レーザビームの出力が８ｋＷ以上、かつ、そのレーザ入熱が０．５ｋＪ／ｍｍ以下であり、前記アシストガスが体積％で９０％以上のＮ２を含んだ不活性ガスであるとともに、前記アシストガスの被切断材への噴出圧力が０．５〜１．０ＭＰａであることを特徴とするレーザ切断方法。【選択図】図１

Description

本発明は、固体レーザ発振器又はファイバーレーザ発振器から出射されたレーザビームを被切断材に照射するとともに、レーザビームを照射した切断部位にアシストガスを噴射しながら切断するレーザ切断方法に関し、特に低合金鋼材を被切断材とするレーザ切断方法に関する。

炭素鋼や合金鋼などの鉄鋼材料の熱切断方法としては、ガス切断、プラズマ切断、レーザ切断が一般的である。その中でもレーザ切断は、切断溝が小さく、熱影響部や熱ひずみの少ない切断が可能であり、発生するノロや粉塵の量も少なく、自動化も容易であるなどのメリットを有している。

レーザ切断に用いられるレーザ発振器としては、従来はＣＯ_２レーザが多く用いられてきた。しかしながら、ＣＯ_２レーザはレーザ出力が高くなるとビーム集光性が劣化するため、レーザ切断に用いられるレーザ出力は８ｋＷ以下に限定されている。

一方、最近ではＣＯ_２レーザの約１／１０の波長である固体レーザやファイバーレーザを適用したレーザ切断が注目されている。このような固体レーザやファイバーレーザは光ファイバーでの伝送が可能であるため、装置の取り回しなど扱いが容易である。またＣＯ_２レーザよりもエネルギー変換効率やビーム品質に優れ、高出力化も容易である。さらに、高出力でもビーム集光性は良好であり、ビームプロファイルも比較的自由に制御することが可能である。

このような、固体レーザやファイバーレーザを用いたレーザ切断方法として、例えば特許文献１〜３に示す技術が開示されている。

特許文献１には、固体レーザ又はファイバーレーザのレーザビームをリング状に形成して被切断材に照射するとともに、その切断部位にアシストガスとして酸素ガスを噴射して被切断材を切断するレーザ切断方法が開示されている。

特許文献２には、波長１μｍ帯のレーザビームを、外径が３００〜６００μｍのリングビームに形成し、かつ内径比を３０〜７０％に設定することで、レーザビーム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を図ったレーザ切断方法が開示されている。

特許文献３には、ＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザビームを楕円形状に形成して、該楕円形の長軸方向と被切断物の切断の進行方向とが一致する様にレーザビームを集束させるとともに、被切断物にアシストガスとして酸素ガスを吹きかけながら切断を行うレーザ切断方法が開示されている。

また、レーザ切断に用いるアシストガスについても、被切断材の材質に応じて、例えば特許文献４〜６に示す技術が開示されている。

特許文献４には、ステンレス鋼のレーザ切断において、還元剤であるＨ_２を添加したＮ_２＋Ｈ_２やＡｒ＋Ｈ_２をアシストガスに用いるレーザ切断方法が開示されている。

特許文献５には、チタンあるいはチタン合金のレーザ切断においては、Ａｒに５０％以下の体積比でＨ_２やＨｅを混合したアシストガスを用いるレーザ切断方法、ステンレス鋼のレーザ切断においては、Ｎ_２に５０％以下の体積比でＨ_２やＨｅを混合したアシストガスを用いるレーザ切断方法が開示されている。

特許文献６には、ステンレス鋼のレーザ切断において、Ｎ_２、Ｈｅ、Ａｒまたはそれらの混合物にＯ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２、ＣＨ_４から選択した１つ以上の化合物を追加した混合ガスをアシストガスに用いるレーザ切断方法が開示されている。

国際公開番号ＷＯ２０１０／０９５７４４Ａ１国際公開番号ＷＯ２０１３／０３９１６１Ａ１特開２０１２−８６２３０号公報特開平２−３０３８９号公報特開平１１−３１４１９１号公報特開２００７−１４４５１７号公報

特許文献１〜３に記載の固体レーザやファイバーレーザを用いたレーザ切断方法は、レーザ切断のアシストガスとして酸素ガスを適用することを前提としている。これは、以下に述べるレーザ切断の一般的なメカニズムに基づくものである。

すなわち、レーザ切断は、集光レンズなどで数百μｍのスポット径に集光させることでエネルギー密度を高くしたレーザビームを被切断材に照射し、瞬間的に融点以上に加熱して溶融又は昇華させるとともに、アシストガスの圧力によって溶融金属を除去することで切断が進行する。この時、低合金鋼が被切断材の場合、アシストガスに酸素ガスを用いることで鉄と酸素の燃焼反応熱を利用し、被切断材の高温化を図って切断を行っている。

しかしながら、固体レーザやファイバーレーザは、ＣＯ_２レーザに比べて金属材料に対するエネルギー吸収率が高い。このため低合金鋼が被切断材の場合、酸素ガスをアシストガスに用いてレーザ切断を行うと、切断表面における溶融幅が過大となり、カーフコントロールが難しくなることがある。また、セルフバーニングを起こしやすく、安定した品質でのレーザ切断が困難となるなどの問題がある。特に、被切断材の板厚が大きくなると（例えば、板厚が６ｍｍ以上になると）、燃焼反応熱を適正に制御する必要があるとともに、切断速度は鉄と酸素の燃焼反応の進行過程に律速されるため、切断速度の大幅な改善は図られないなどの問題もある。

これに対して、特許文献４〜６に記載のレーザ切断方法は、酸素ガス以外の混合ガスをアシストガスに用いたレーザ切断方法であるが、ステンレス鋼や非鉄金属を被切断材にしたものであり、低合金鋼を被切断材にしたものではない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、固体レーザまたはファイバーレーザを用いて低合金鋼材を切断する際に、高速かつ高品質な切断が実施できるレーザ切断方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］固体レーザ発振器またはファイバーレーザ発振器から出射されたレーザビームを被切断材に照射するとともに、レーザビームを照射した切断部位にアシストガスを噴射しながら切断するレーザ切断方法において、前記被切断材が低合金鋼材であって、前記レーザビームの出力が８ｋＷ以上、かつ、そのレーザ入熱が０．５ｋＪ／ｍｍ以下であり、前記アシストガスが体積％で９０％以上のＮ_２を含んだ不活性ガスであるとともに、前記アシストガスの被切断材への噴出圧力が０．５〜１．０ＭＰａであることを特徴とするレーザ切断方法。

［２］前記被切断材の板厚が６ｍｍ以上であることを特徴とする前記［１］に記載のレーザ切断方法。

本発明によれば、固体レーザまたはファイバーレーザを用いて低合金鋼材を切断する際に、高速かつ高品質な切断を実施することができる。

本発明の一実施形態において用いるレーザ切断装置の説明図である。

本発明に係るレーザ切断方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態において用いるレーザ切断装置は、図１に示すように、レーザ発振器（ＹＡＧレーザやディスクレーザなどの固体レーザ発振器またはファイバーレーザ発振器）１と、レーザ発振器１に接続された光ファイバー２と、光ファイバー２の他端にレーザ出射部３を介して接続されたレーザ切断ヘッド４とを備える。レーザ切断ヘッド４には、レーザ出射部３から出射されたレーザビーム５を平行光線化するためのコリメーションレンズ６と、平行光線化されたレーザビーム５を集光させる集光レンズ７が備わっている。このようなレーザ切断ヘッド４に、アシストガス配管８を介してアシストガス供給装置９が接続される。アシストガス供給装置９は、例えば、アシストガスである不活性ガスを貯蔵するガスボンベとガス圧力調整器（レギュレータ）などで構成される。レーザ切断ヘッド４の下方に、集光レンズ７にて集光されたレーザビーム５およびアシストガス１０を噴出するための穴を設けた切断ノズル１１を装着させる。切断ノズル１１の下面より例えば２〜３ｍｍの空間を設けて被切断材１２が設置され、レーザ切断が実施される。

次に、本実施形態に係るレーザ切断方法について説明する。

本実施形態に係るレーザ切断方法は、レーザ発振器（固体レーザ発振器、ファイバーレーザ発振器）１から出射され出力が８ｋＷ以上のレーザビーム５によって被切断材（低合金鋼材）１２を加熱し、この加熱部位に体積比で９０％以上のＮ_２を含んだ不活性ガスをアシストガス１０として高圧（０．５〜１．０ＭＰａ）で切断ノズル１１から噴射させることで、溶融金属を母材から排除して、被切断材１２を切断するものである。

すなわち、本実施形態に係るレーザ切断方法は、従来のような、酸素ガスをアシストガスに用いて鉄と酸素の燃焼反応を活用したレーザ切断方法とは異なり、高エネルギー密度に集光させたレーザビーム５のエネルギーのみによって被切断材１２を溶融させ、不活性ガスの運動エネルギーで溶融金属を排除して切断するレーザ切断方法である。これにより、過剰燃焼による切断品質劣化の防止とレーザ切断速度の向上が実現できる。

なお、低合金鋼材とは、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｃｏ、Ｐｂ、ＷおよびＺｒから選択される少なくとも一種の合金元素を含有する鋼であって、該合金元素の含有量の合計が５質量％以下の鋼材である。

本発明では、レーザ発振器（固体レーザ発振器、ファイバーレーザ発振器）から出射された８ｋＷ以上のレーザビームを被切断材に照射する。これら固体レーザまたはファイバーレーザのレーザビームは、高出力でのビーム集光性がＣＯ_２レーザよりも優れている。本発明に係るレーザ切断方法では、酸素ガスによる燃焼反応熱を利用しないため、高エネルギー密度に集光することができるレーザビームを使用することが必須条件となる。また、レーザ出力についても、従来のようなアシストガスに酸素ガスを用いたレーザ切断方法で用いられるよりも高い出力が必要となる。例えば、板厚６ｍｍの鋼板を切断するには、レーザビームの出力（レーザ出力）は８ｋＷ以上が必要との検討結果が得られた。このため、本発明では、固体レーザ発振器またはファイバーレーザ発振器から出射された８ｋＷ以上のレーザビームに限定する。レーザビームの出力は、１００ｋＷ以下であることが好ましい。ただし、レーザビームのレーザ入熱が過剰になると良好な切断面が得られなくなるので、レーザビームのレーザ入熱は０．５ｋＪ／ｍｍ以下とする。レーザ入熱の下限値としては、好ましくは、０．１ｋＪ／ｍｍ以上とする。なお、「レーザ入熱」とは、「レーザビームの出力」／「切断速度」、すなわち、「レーザビームの出力」／「レーザ切断ヘッドの進行速度」で求められるものである。

本発明では、体積％で９０％以上のＮ_２を含んだ不活性ガスから構成されるアシストガスを用いる。体積％で９０％以上のＮ_２が含まれた不活性ガスから構成されるガスを用いることで、レーザ切断位置近傍はほぼ無酸素状態となるため、セルフバーニングなどは発生しないし、カーフコントロールも容易である。また、切断面にドロスと呼ばれる酸化化合物の付着もほとんど生じない。したがって、切断品質が良好である。さらに、酸素ガスをアシストガスに用いた従来のレーザ切断方法では、その切断速度は鉄と酸素の酸化反応速度に律速されることや、ドロスの生成量が多くその排出に時間を要することなどから、レーザ出力を増大させても切断速度の向上を図ることはできなかった。これに対して、体積％で９０％以上のＮ_２を含んだ不活性ガスから構成されるアシストガスを用いた場合には、その切断速度はレーザ照射によって溶融した金属を排出する時間に支配されることになる。また、ドロスもほとんど生成しない。このため、レーザ出力を増大させることやアシストガスの噴出圧力を高めることで、切断速度の向上を図ることが可能となる。このように、体積％で９０％以上のＮ_２を含んだ不活性ガスから構成されるアシストガスを用いることで、良好な切断品質、高速切断を同時に達成することが可能となる。また、ドロスの付着がほとんど生じないため付着物の除去作業が軽減され、切断作業性も良好になる。また、被切断材が低合金鋼材の場合は、その表面の酸化スケールはステンレス鋼や非鉄金属のものに比べて分解し易い。このため、アシストガスに強還元剤であるＨ_２を添加する必要はなく、酸素が混入しなければ良い。このため、本発明では、体積％で９０％以上のＮ_２を含んだ不活性ガスから構成されるアシストガスを用いる。なお、アシストガス中のＮ_２以外に含まれる不活性ガス成分としては、アルゴン、ヘリウムなどで問題はない。

さらに、本発明では、アシストガスの噴出圧力は０．５〜１．０ＭＰａとする。噴出圧力が０．５ＭＰａ未満では、アシストガスの運動エネルギーが低いため溶融金属を十分に排除することが難しく、被切断材を切断（分離）することができなかったり、切断面の凹凸（切断面粗さ）が大きくなって切断品質が悪くなったりする。また、噴出圧力が１．０ＭＰａを越えると、アシストガスの運動エネルギーが高すぎて、切断品質が劣化する。このため、本発明では、アシストガスの噴出圧力は０．５〜１．０ＭＰａとする。なお、好ましくは０．６〜０．８ＭＰａである。

本発明を実施例によって説明する。

図１に示したレーザ切断装置を用いて、種々の板厚の低合金鋼材（Ｃ：０．１６質量％、Ｓｉ：０．３３質量％、Ｍｎ：１．４５質量％、Ｃｕ：０．１３質量％、Ｎｉ：０．２０質量％、Ｃｒ：０．０４質量％、Ｍｏ：０．０１質量％。合金元素含有量の合計：２．１６質量％。）を被切断材としてレーザ切断試験を実施し、その切断品質について評価した。なお、レーザ切断装置のレーザ発振器には最大レーザ出力が２５ｋＷで、レーザビームの波長が１．０７０ｎｍのファイバーレーザ発振器を用い、切断ノズルの下面より２．５ｍｍの空間を設けて被切断材を設置した。そのレーザ切断試験条件および試験結果を表１に示す。表１の「アシストガス」の欄に、アシストガスの種類とその体積％を併記する。なお、表１における「切断速度」はレーザ切断ヘッドの進行速度を意味しており、実際に切断（分離）したことを意味しているわけではない。また、表１における「アシストガスの噴出圧力」は切断ノズル出口でのアシストガスの圧力であり、請求項の「アシストガスの被切断材への噴出圧力」を意味する。

表１から明らかなように、本発明例（Ｎｏ．２、４、６、７、９、１１、１２）は、レーザ切断条件が本発明で規定する条件を満たしているため、板厚が厚い被切断材（６〜１８ｍｍ）に対して、高速度の切断速度（２．５〜６ｍ／ｍｉｎ）で、良好な切断品質が得られている。なお、本発明例では、レーザ切断ヘッドが進行すると実際に被切断材が切断（分離）されており、表１に記載された「切断速度」が、被切断材の切断速度と言える。

これに対して、比較例（Ｎｏ．１、３、５、８、１０、１３）は、レーザ切断条件が本発明で規定する条件を満たしていないため、以下のように、良好な切断品質が得られていない。

比較例であるＮｏ．１は、レーザビームの出力が６ｋＷと本発明で規定する範囲を外れているため、切断（分断）できなかった。

比較例であるＮｏ．３および１０は、アシストガスのＮ_２含有量が本発明で規定する範囲を外れているため、切断面にドロスが付着した。

比較例であるＮｏ．５および８は、アシストガスの噴出圧力が本発明で規定する範囲を外れているため、良好な切断面性状が得られず、切断品質が不良であった。

比較例であるＮｏ．１３は、レーザ入熱が本発明で規定する範囲を外れているため、良好な切断面性状が得られず、切断品質が不良であった。

本発明によれば、低合金鋼材を高速かつ高品質でレーザ切断することができるので、産業上極めて有用な効果がもたらされる。

１レーザ発振器
２光ファイバー
３レーザ出射部
４レーザ切断ヘッド
５レーザビーム
６コリメーションレンズ
７集光レンズ
８アシストガス配管
９アシストガス供給装置
１０アシストガス
１１切断ノズル
１２被切断材

Claims

固体レーザ発振器またはファイバーレーザ発振器から出射されたレーザビームを被切断材に照射するとともに、レーザビームを照射した切断部位にアシストガスを噴射しながら切断するレーザ切断方法において、前記被切断材が低合金鋼材であって、前記レーザビームの出力が８ｋＷ以上、かつ、そのレーザ入熱が０．５ｋＪ／ｍｍ以下であり、前記アシストガスが体積％で９０％以上のＮ_２を含んだ不活性ガスであるとともに、前記アシストガスの被切断材への噴出圧力が０．５〜１．０ＭＰａであることを特徴とするレーザ切断方法。
前記被切断材の板厚が６ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ切断方法。