JPH03174990A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザビームを用いて金属材料等を加工するレ
ーザ加工装置に係り、特に所定板厚の金属材料等を切断
加工するレーザ加工装置に関する。

〔従来の技術〕

炭酸ガスレーザ加工装置の利用分野で、現在主流をなし
ているのは、金属材料の切断加工及び溶接加工である。

金属材料の切断加工に関していえば、レーザ出力２ｋＷ
クラスのもので、切断可能な最大板厚は、代表的なＳＳ
材で約２０ｍｍ程度である。従って、これ以上の板厚の
材料を切断する場合にはプラズマ切断を用いるというの
が現状である。

しかしながら、プラズマ切断で加工すると、切断面近傍
に、硬質で、かつ強度的に脆い加工変質層と呼ばれる比
較的厚い屑が形成されてしまうため、後加工が困難であ
るという問題が指摘されている。

これに対して、レーザ切断の場合は、切断面近傍の加工
変質屑の幅が非常に狭く、後加工が容易であるが、上述
のように切断可能な最大板厚に限界があるため、より厚
い板厚材料を切断できる炭酸ガスレーサ゛加工装置の出
現が望まれている。

〔発明が解決しようとする課題〕

より厚い板厚材料を切断するためには、より高出力の炭
酸ガスレーザ発振器を開発しなければならない。しかし
、切断加工は溶接加工と違って、厚物を切断するために
集光性に優れている低次モードのレーザビームが必要で
あり、低次モードのレーザビートを生成しようとすると
、共振器内の光学部品に照射されるエネルギー密度が高
くなり、光学部品の歪み等により、ビーム品質が劣化し
てしまうという問題がある。従って、切断加工に適する
ように、炭酸ガスレーザ発振器を高出力化するだけでは
厚い板厚材料を切断することは困難である。

レーザによる金属材料等の切断は、数百μｍに集光され
たレーザビームをアシストガス（主に０２ガス）と同時
に材料表面に照射することによって行われている。その
際、アシストガスの役割は、燃焼熱による金属の溶融の
促進及び溶融された金属を強制的に除去することにある
。そのために、加工ヘッドと金属材料板（ワークピース
）との間の距離は通常１ｍｍ程度に保つ必要がある。

即ち、切断加工というのはレーザビームのパワーのみに
よって行われるわけではないこと、レーザビーム自身も
焦点を境にして、そのスポット径が大きくなり、パワー
密度が小さくなること、及びアシストガスも板厚が大き
くなると深さ方向に対してその吹きつけ力が低下するこ
と等の複合的効果により、一定出力のレーザビームで切
断できる金属材料の板厚は制限されることになる。その
意味からいって、従来の炭酸ガスレーザ加工装置を用い
て、従来の加工方法を踏襲する限り、２０ｍｍ以上のＳ
Ｓ材を切断することは困難である。

以上述べたように、炭酸ガスレーザ加工装置を用いて金
属材料を切断加工する方法は、加工変質冶が少なく優れ
た切断特性を有するにも拘わらず、従来の炭酸ガスレー
ザ加工装置では２０ｍｍ以上のＳＳ材の切断は非常に困
難であり、まして、３０ｍｍ程度の板厚の切断は殆ど不
可能であった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、従
来のレーザ加工装置で切断可能な最大板厚より大きい板
厚の材料を切断加工できるレーザ加工装置を提供するこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段］ 本発明では上記課題を解決するために、加工ヘッドから
レーザビームを照射することによって所定板厚の材料を
切断するレーザ加工装置において、前記加工ヘッドを前
記材料の板厚方向の両側にそれぞれ設け、前記両側に設
けられた２個の加工ヘッドで前記材料を切断するように
構成したことを特徴とするレーザ加工装置が提供される
。

〔作用〕

加工ヘッドを材料の板厚方向の両側にそれぞれ設けるこ
とによって、材料に対して約２倍のレーザ出力のレーザ
ビーｌ、を照射することになる。また、レーザビームは
材料の板厚方向の両側から２個の加工ヘッドによって照
射されるので、それぞれの加工ヘッドと材料板との間の
距離を１ｍｍ程皮に保つことができる。これによって、
従来不可能とされていた板厚の材料を切断加工すること
ができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

第１図は本発明のレーザ加工装置によって、所定板厚の
材料が加工ヘッドで切断加工される状態を模式的に示し
た図である。

本実施例では、レーザ加工装置の１個の加工へラドで切
断可能な板厚をｄとして説明する。加工ヘッド１及び２
は材料３の板厚方向の両側にそれぞれ近接するように設
けられており、この２個の加工ヘッド１及び２で材料３
を切断加工する。

加工ヘッド１及び２から出射されるレーザビームｌａ及
び２ａは材料の進行方向３ａと板厚方向３ｂとから決ま
る平面上、即ち第１図の紙面上を進行する。そして、加
工ヘッド１は、そのレーザビーム１ａが材料の板厚方向
３ｂと同方向、即ち進行方向３ａに対して垂直方向に進
むように設けられ、加工ヘッド２は、レーザビーム２ａ
が材料３の進行方向３ａに対して所定の角度θの方向に
進むように設けられている。

また、加工ヘッド１のレーザビーム１ａが加工ヘッド２
に照射しないように、加工ヘッド２は材料方向３ａに所
定間隔だけずれた位置に固定されている。

次に本実施例による切断加工の動作を説明する。

レーザ共振器から出射されたレーザビームは、加工ヘッ
ド２に導かれる。それと同時に材料３を進行方向３ａに
移動させる。すると、加工ヘッド２から出Ｑ・↑される
レーザビーム２ａは、所定の角度θを保ちながら点ａ。

から点ａ、に向かって相対的に移動する。これによって
、加工へラド２は、点ａ。、点ａ、及び点Ｃ８で囲まれ
た領域を切断加工する。

この時点で、加工ヘッド１は点ｂ１上に存在するので、
加工へラド１が点す。上に存在するように材料３を進行
方向３ａとは逆の方向に移動させる。

加工へラド１が点す。上の位置に達したら、つぎに、レ
ーザビームを加工ヘッド１に導くと同時に、材料３を進
行方向３ａに移動させる。すると加工ヘッド２の時と同
じように、加工ヘッド１から出射されるレーザビーム１
ａは、点す。から点ｂ＋に向かって移動し、加工へラド
１は、点す。

、点す３、点ｅｌ及び点Ｃ６で囲まれた領域を切断加工
する。

以下、点ａ、−点ａ２、点す、−点ｂ２・・’の順番に
交互にこの動作を繰り返す。これによって、加工ヘッド
１及び２は、いずれも初期に仮定した１個の加工ヘッド
で切断可能な板厚ｄ以下の材料３を切断していることに
なり、レーザ加工装置全体としては板厚４以上の材料を
切断する。

このようなレーザ加工装置で材料を切断加工すると最大
板厚ｄ　ｗａｘの材料の切断加工が可能となる。

この最大板厚ｄ　ｍａＭは簡単な幾何計算により、ｄ　
ｓａｗ　”　ｄ　（１＋　Ｓ　ｌ　ｎθ）−ｘ、ｔａｎ
θとなる。上式において、ｄは１個の加工ヘッドで切断
可能な板厚、ＸＯは一回当たりの材料の送り量、０は加
工へラド２のレーザビーム２ａが材ｔ）３の進行方向３
ａに対してなす角度である。

例えばｄ＝２０ｍｍ、θ＝π／４、ｘｏ　＝４ｍｍとし
て切断加工を行うと、最大板厚ｄ、、、＝３Ｑ、１ｍｍ
の材料を切断加工できることとなり、３０ｍｍ以上の板
厚の材料を従来のレーザビームの出力で切断可能となる
。

勿論、θ及びＸ。を適当に選ぶことで１個の加工ヘッド
で切断可能な板厚ｄ＝２０ｍｍの約２倍、即ち、板ａ４
０ｍｍに近い材料を切断加工することも可能である。但
し、このように板厚を大きくすると、レーザビー１８を
加工ヘッドから交互に出射している関係上、−回当たり
の材料の送り量ｘ。の値が小さくなり、加工速度が遅く
なるということは避けられない。

以下に、第１図の加工ヘッドの変形例について説明する
。

第２図は本発明の他の実施例を示す図である。

本実施例では、一台のレーザ発振器４から出射されるレ
ーザビームを加工ヘッド１及び２に交互に分配すること
によって、加工ヘッドからレーザビーｌ、を出射してい
る。また、加工ヘッド１及び２から出射されるレーザビ
ーｌ、１ａ及び２ａがそれぞれ垂直に交差するように、
加工ヘッド１及び２は設けられている。即ち、レーザビ
ーム１ａは地面に対して平行に、レーザビー１ｂ　２　
ａは地面に対して垂直となるように、加工ヘッド１及び
２は設けられている。さらに、材料３はレーザビーム■
ａ及び２ａの進行方向に対してそれぞれ角度π／４だけ
傾いて、進行方向３ａに移動可能なように加工台に設置
されている。

レーザ発振器４から出射されたレーザビームは全反射鏡
５で反射され、加工ヘッド２に導かれ、レーザビーム２
ａとして材料３に照射される。そして、レーザビームを
加工へラド１に導くために、全反射鏡５は矢印５ａのよ
うに移動可能となっている。従って、加工へラド２での
切断加工が終了した時点で、全反射鏡５を点線５ｂの位
置に移動させ、レーザ発振器４から出射されたレーザビ
ームを全反射鏡６及び７を介して加工ヘッド１に導く。

また、１個の加工ヘッドから出射されるレーザビームで
切断可能な板厚をｄｍｍとし、材料３の板厚をＤｍｍと
すると、本実施例のレーザ加工装置で切断可能な最大板
厚ｄ　ｗｈａｘは、ｄ、、Ｘ＝２ｄｓ　ｉｎ　（ｙｒ／
４）’ｉ１．４１ｄとなる。

次に、本実施例の動作について説明する。レーザ発振器
４から出射されたレーザビームは、全反射鏡５によって
加工ヘッド２に導かれる。それと同時に、材料３を進行
方向３ａに２（２ｄｓｉｎ（７ｒ／４）　−Ｄ）　＝２
　（１，４１ｄ　−Ｄ）　ｍｍだけ移動させる。次に、
全反射鏡５を点線５ｂの位置に移動させると同時に、材
料３を進行方向３ａとは逆方向に２　（１，４１ｄ−Ｄ
）　ｍｍだけ移動させる。そして、レーザ発振器４から
出射されたレーザビームを全反射鏡６及び７によって、
加工ヘッド１に導き、それと同時に、材料３を進行方向
３ａに、同様に２　（１，４１ｄ　−Ｄ）　ｍｍだけ移
動させる。

以下、同様の操作を交互に繰り返す。この場合、各々の
加工ヘッド１及び２から出射されたレーザビームで切断
している板厚ｄは１個の加工ヘッドから出射されるレー
ザビームで切断可能な板厚であるから、このような方法
で、板厚ｄよりも大きな板厚りの材料３を切断加工でき
る。なお本実施例では、材料３をレーザビーム１ａ及び
２ａの進行方向に対してそれぞれ角度π／４だけ傾けて
いるが、それ以外の角度でも十分に本発明の効果を達成
できる。なお、加工効率の点からは材料３の進行方向と
レーザビーム１ａ及び２ａのいずれかの進行方向とがな
ず角度θは、π／６＜θ＜π／３の範囲が望ましい。

第３図は本発明のさらに他の実施例を示す図である。第
３図において、第２図と同一の構成要素には同一の符号
が付しであるので、その説明は省略する。本実施例では
、材料３が地面に対して垂直に移動可能なように配置さ
れていて、レーザビーム１ａ及び２ａが材料３の進行方
向３ａに対して所定の角度θ（π／６＜０＜π／２）で
照射されている。従って、材料３は地面に対して垂直方
向に移動し、また加工ヘッド１及び２から出射されるレ
ーザビーム１ａ及び２ａも地面に向かって進行する。こ
れによって、第２図のようにレーザビーム１ａが地面に
対して平行に進行しなくなるので、その安全対策を容易
に施すことができる。

第４図は本発明のさらに別の実施例を示す図である。第
１図、第２図及び第３図の実施例では、レーザ発振器を
１個設け、そのレーザビームを交互に２個の加工ヘッド
に導くようにしたが、本実施例では、レーザ発振器を加
工ヘッドと同じように２個設け、それぞれの加工ヘッド
に対して独立にレーザビームを供給するようにした。

レーザ発振器４ａから出射されたレーザビームは全反射
鏡６及び８を介して加工へラド１に導かれ、レーザ発振
器４ｂから出射されたレーザビームは全反射鏡５及び９
を介して加工ヘッド２に導かれる。

このようにレーザ発振器を２個設けることによって、上
述のように全反射鏡５を移動させたり、材料を逆方向に
移動させなくてもよくなる。

また、−回当たりの材料の送り量ｘ。の値を考慮しなく
てもよくなり、２個の加工ヘッドから出射するレーザビ
ームのなす角度を適当に調整することによって、切断可
能な最大板厚を決定することができる。

さらに、第１図のように加工へラド１及び２を配置して
、切断加工を行う場合に、加工ヘッド１から出射される
レーザビームで切断可能な板厚をｄとすると、加工ヘッ
ド２から出射されるレーザビーｌ、で切断可能な板厚を
約ｄ／２とすることができるので、加工ヘッド２にレー
ザビームを供給するレーザ発振器４ｂのレーザ出力を加
工ヘッド１にレーザビームを供給するレーザ発振器４ａ
よりも小さくすることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、従来のレーザ加工
装置に用いられているレーザ発振器を用いて、従来のレ
ーザ加工装置で切断可能な最大板厚より大きい板厚の材
料を切断することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のレーザ加工装置によって、所定板厚の
材料が加工ヘッドで切断加工される状態を模式的に示し
た図、 第２図は本発明の他の実施例を示す図、第３図は本実施
例のさらに他の実施例を示す図、第４図は本発明のさら
に別の実施例を示す図である。 １．２ １ａ、２ａ ａ ｂ ４．４ａ、４ｂ ５．６．７．８、 加工へラド レーザビーム 材料 材料の進行方向 材料の板厚方向 レーザ発振器 全反射鏡

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）加工ヘッドからレーザビームを照射することによ
   って所定板厚の材料を切断加工するレーザ加工装置にお
   いて、 前記加工ヘッドを前記材料の板厚方向の両側にそれぞれ
   設け、前記両側に設けられた２個の加工ヘッドで前記材
   料を切断加工するように構成したことを特徴とするレー
   ザ加工装置。
2. （２）前記加工ヘッドの一方は前記材料の進行方向に対
   して垂直に前記レーザビームを出射するように設けられ
   、前記加工ヘッドの他方は前記材料の進行方向に対して
   所定の角度で前記レーザビームを出射するように設けら
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   レーザ加工装置。
3. （３）前記加工ヘッドは前記材料の進行方向と前記板厚
   方向とから決まる平面上でレーザビームを前記材料に照
   射することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレ
   ーザ加工装置。
4. （４）一台のレーザ発振器から出力されるレーザビーム
   を前記加工ヘッドに交互に分配して前記加工ヘッドから
   レーザビームを出射することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のレーザ加工装置。
5. （５）それぞれ別々に設けられた２個のレーザ発振器か
   ら前記２個の加工ヘッドに前記レーザビームを供給する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザ加
   工装置。
6. （６）それぞれのレーザビームが垂直に交差するように
   前記加工ヘッドを設けたことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のレーザ加工装置。
7. （７）前記材料の進行方向と前記レーザビームのいずれ
   かの進行方向とがなす角度θは、π／６＜θ＜π／３の
   範囲であることを特徴とする特許請求の範囲第６項記載
   のレーザ加工装置。
8. （８）前記レーザビームは炭酸ガスレーザビームである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザ加
   工装置。