JPH0471796A - レーザ切断方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ この発明はレーザ切断方法に関し、特にレーザビームの
デユーティ比及び周波数を制御して切断面の粗さを改善
するレーザ切断方法に関するものである。

［従来の技術］ 従来のレーザ加工は厚板の軟鋼材を高速で切断する場合
は、レーザ光の出力形態は時間に対し連続で出射するＣ
Ｗ（連続波）切断が用いられ、シャープエツジ又は小加
工穴を加工する場合は逆に被加工物の入熱を最少に押さ
えるために、低周波のパルス切断が用いられていた。

特に、ＣＷ切断ではビームの移動速度と酸化反応の伝播
速度との相互作用によって、切断面に条痕（０，４ｍｍ
以上）が生じ、切断面を粗くしていた。

第６図（ａ）はＣＷ加工によるレーザ加工の条痕につい
て説明する図である。

第６図（ｂ）はＣＷ加工による反応開始面の温度状態を
示すものである。

図において、（１）はレーザビーム円、（２）は条痕、
（３）は反応開始面、■８はレーザビーム移動速度であ
る。ＶＲは酸化反応の伝播速度であり、例えば酸素アセ
チレン切断では、１．５ｍ／ｍｉｎ以上の速度で切断す
ることができないものであり、点線は反応に必要な最低
温度である。

また、第６図（ａ）及び（ｂ）の１−０とする図は酸化
反応開始を示し、切断速度がＶ　Ｒ（１，５ｓ／ｓｉｎ
）以下の低速度領域ではレーザビーム加熱が酸化反応の
引き金となることを示すものである。

第６図（ａ）及び（ｂ）のｔ−τ１は酸化反応域の拡大
を示し、切断面前面は温度が酸化反応開始温度よりも上
昇してレーザビームより速く前進することを示すもので
ある。

第６図（ａ）及び（ｂ）のｔ−τ２は酸化反応域の停止
を示し、切断前面はレーザ加熱域から離れるために次第
に温度が低下し、反応に必要な最低温度になると酸化反
応の前進が停止することを示すものである。

第６図（ａ）及び（ｂ）のｔ−τ　〜を一τ４は酸化反
応域の中断（完全に停止していない）を示し、再びレー
ザビームが切断面に追い付くと、前の酸化反応温度と加
算されて１サイクルの加工が完了して１本の条痕が形成
されることを示すものである。

このような、サイクルで加工すると、ｔ−０〜τ４の現
象が繰返発生して起こり、この切断の中断の繰返が前の
酸化反応温度と加算され酸化反応領域が拡大して０．４
ｍｍ以上の凹凸の条痕を発生させていた。

この条痕のピッチは切断速度によらずに、はぼ一定であ
り、ビーム直径が大きいほどピッチ幅は増大する。

また、ＣＷ加工では熱が連続して発生するので、酸化反
応の領域が拡大し、切断面が粗くなる。

しかし、理論的にはＶＢ＞ＶＲで条痕のない切断面とな
るはずであるが、実際には若干の傾向が残る。

第７図（ａ）〜（Ｃ）は連続加工をした場合の切断面の
条痕を示す図である。

同図は例えば、板厚１２ｍｍの５Ｓ４１をＣＷ切断した
ときの切断面の粗さを示すものである。

図において、（ａ）は板の上から０．５ｍｍの位置の粗
さ、（ｂ）は中央部の粗さ、（Ｃ）は下から１ｍｍの位
置の粗さである。

即ち、同図は特に上部で０．４ｍｍ以上の大きな条痕が
発生していることを示している。

従って、０．４ｍｍ以上であれば、対象サンプルにもよ
るが加工の後にグラインダをかけたり、リューダ等で切
断面を再加工していた。

また、レーザビームの出力を周波数２００Ｈ２゜デユー
ティ比を８０％のＰＷ加工で加工すると、ＣＷ加工より
はピッチは小さくなるものの上記と同様にグラインダを
かけたり、リューダ等で切断面を再加工していた。

また、特開昭５６−９９０９１には、プラスチック材の
形状に応じて適切なビーム出力形式が選択される加工方
法が開示されているが、連続とパルス加工の組み合わせ
で加工しており、しかも周波数は１００Ｈｚであった。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のような従来のレーザ加工においては、酸化反応領
域は、切断面に照射されたレーザビームのピーク値が酸
化反応温度に必要な値であれば、その反応領域はピーク
値の幅で決定されるから、例えば連続でレーザビームを
照射した場合は、ピーク値の幅が大きいので、酸化反応
領域が拡大して切断面に０．４ｍｍ以上の条痕のピッチ
が発生し、切断後にグラインダー等で再度加工しなけれ
ばならないという問題点があった。

また、パルス加工をすると、ビームＯＦＦ時間に酸化反
応温度が低下するので連続よりは発生する条痕のピッチ
の条痕は小さいものの、０．３ｍｍ以上の条痕のピッチ
が発生し、切断後にグラインダー等で再度加工しなけれ
ばならないという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたも
ので、高速で軟鋼材をレーザで加工する場合に、連続で
発射しなくとも連続で加工したときと同様な加工速度を
得ると共に、ピッチ間隔が０．４ｍｍ以下の条痕の少な
いレーザ加工方法を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係るレーザ切断方法は、被加工物の材質、厚
さ又は加工形状に応じてレーザビームを制御して被加工
物を加工するレーザ切断方法において、レーザビームの
出力パルスのデユーティ比を７０％以下（０を除く）に
し、かつ出力パルスの周波数を１０００Ｈｚ以上に設定
するレーザ切断方法である。

［作用］ この発明においては、レーザビームの出力パルスのデユ
ーティ比を７０％以下（０を除く）にして被加工物での
酸化反応温度を高くし、かつ出力パルスの周波数を１０
００Ｈｚ以上にすることにより、酸化反応温度の拡大領
域を小さくなる。

［実施例］ 第１図はこの発明を用いるレーザ加工装置の概念を説明
する図である。

図において、（１０）は入力手段であり、被加工物（１
４）を高速で加工させる場合は、レーザビームの出力が
ＣＷ（連続）で出力されるように後述する共振パルス変
調部から出力する放電電流の出力タイミングを設定し、
また例えばシャープエツジ又は小穴加工する場合は被加
工物への入熱が押さえられるように、レーザビームの出
力のパルスデューティ比が７０％以下、周波数が１００
０Ｈｚ以上のパルス形態となるように共振パルス変調部
の放電電流の出力タイミングを設定するものである。

（１１）は共振パルス変調部であり、入力手段（１０）
によって設定された放電電流のタイミングに基づく放電
電流が出力されるように高周波数電源（図示せず）を制
御するものである。

（１２）はレーザ発振器であり、共振パルス変調部（１
１）から出力される放電電流のタンニングに対応するレ
ーザビームを出力するもので、例えばパルスデューティ
比が７０％以下、周波数が１０００Ｈｚ以上のパルス形
態となるような放電電流の出力タイミングであれば、そ
の数値に対応するパルス形態のレーザビームを出力する
。

また、本説明ではパルスピーク値（Ｐｐ）を３ＫＷ、パ
ルス平均値（Ｐａ）を１．６ＫＷのレーザビーム出力と
することが可能なレーザ発振器とする。このパルス平均
値（Ｐａ）は大まかに、Ｐａ−Ｐｐ／Ｄ（デユーティ比
）で示されるものとする。

（１３）は光学系部であり、レーザ発振器（１２）から
のレーザビームを集光し、被加工物（１４）に照射する
ものである。

上記のように構成されたレーザ加工装置を用いて発明を
説明する。

この場合は、レーザビームの出力を周波数１３００Ｈ２
，デユーティ比を５０％、出力パワーを１３５０Ｗ、加
工速度を０．８／分として被加工物（１４）を加工した
場合を説明する。

第２図（ａ）〜（ｅ）は本発明による被加工物の切断面
の粗さを説明する図である。

同図（ａ）は前記のＰＷ加工をしたときの被加工物（１
４）の上から０．５ｍｍでの面の粗さを示し、従来のＣ
Ｗ加工した被加工物の上から０．５ｍｍでの面（第７図
の（ａ））の粗さと比較すると、より滑らかな面になっ
ている。

同図（ｂ）は前記のＰＷ加工をしたときの被加工物（１
４）の中央部での面の粗さを示し、従来の被加工物の中
央部上での面（第７図の（ｂ））の粗さと比較すると、
より滑らかな面になっている。

同図（Ｃ）は前記のＰＷ加工をしたときの被加工物（１
４）の下から１ｍｍでの面の粗さを示し、従来の被加工
物の下から１ｍｍでの面（第７図の（ａ））の粗さと比
較すると、より滑らかな面になっている。

第３図はＣＷ加工と本発明によるＰＷ加工を説明する図
であり、Ｚはレーザビームの焦点位置を示し、０〜＋４
まで変化させた切断面の比較である。

Ｚ−０〜＋４では、切断溝幅の変化はＣＷ加工の方が大
きく、レーザビームの出力を周波数１３００Ｈ２，デユ
ーティ比を５０％にしたＰＷ加工の方が、切断溝幅の変
化は小さい。

さらに、＋３以上ではＣＷでの切断面が大きく変形し不
安定である。

つまり、レーザビームの出力を周波数１３００Ｈ７，デ
ユーティ比を５０％にしたＦＷ加工をすると、従来のＰ
Ｗ加工に比較しピーク値が多くなり、強力な穿孔作用に
よって切断溝の形成が容易に行われ、かつ周波数１３０
０Ｈ２，デユーティ比を５０％にすればレーザの出力タ
イミングと酸化反応のタイミングが合うようになり、安
定して加工面の条痕が小さくなる。

これは、レーザビームの出力周波数ｆｐ１平均出力をＰ
ａとし、面粗さをＰｋとして示すと局留の以下の式で示
される。

Ｐ　ｋ　＝　Ｐ　ａ　Ｘ　ｔ　−Ｐ　ａ　／　ｆ　ｐこ
の式により、レーザビームの出力周波数ｆｐを高くする
と切断面の粗さが小さくなる。

また、酸化反応の拡大領域は平均出力Ｐａ（Ｐａ　−Ｐ
　ｐ　／　Ｄ　）の値によって決まるから、Ｄを大きく
すると被加工物に出力される平均出力Ｐａは小さくなり
、所定の酸化反応温度に達しなくなる。

しかし、Ｄを小さくするとＰａは大きくなり、酸化反応
温度を十分に満足するが大き過ぎると、酸化反応の拡大
領域が広がりピッチが大きくなる。

そこで、周波数ｆｐを高くすると、Ｐａの幅は小さくな
り、酸化反応温度を満足すると共に、エネルギー量が少
ないから結果として酸化反応拡大領域は小さくなり、ピ
ッチが小さくなる。

従って、酸化反応温度を十分にするためにＤを小さくし
、酸化反応の拡大領域が広がらない出力タイミングの周
波数にしてピッチを小さくすることである。

第４図（ａ）はレーザビームの出力周波数と条痕の関係
を説明する図である。

図において、（１７）は切断面のバラツキを示す記号で
あり、例えば切断面における条痕のピッチを１０個程度
サンプリングして平均したものである。

また、バー（１Ｂ）が長いと条痕のピッチ間隔はバラツ
キが大きいことを示し、切断面の面の粗さが安定してい
ないことを示すものである。

同図によると、レーザビームの出力周波数は６００Ｈｚ
から１３００Ｈ２にかけて被加工物の条痕のピッチは急
激に減少し、１３００Ｈｚ〜３０００Ｈｚにかけては過
渡現象的に増加し、その条痕のピッチは最大０６１８ｍ
ｍであり、かつ切断面の粗さは１０００Ｈｚから２００
０Ｈｚにかけて安定している。

しかし、切断面がバラツキがあってもピッチ間隔が最大
０．１８ｍｍと小さければ十分目的にかなう。

第４図（ｂ）はレーザビームのデユーティ比と条痕の関
係を説明する図である。

図において、（１７）及び（１８）は第４図と同様なも
のである。

同図によれば、デユーティ比が１００％では条痕のピッ
チは最大（０，４ｍｍ以上）であるが、デユーティ比を
小さくするにつれて以後の条痕のピッチは小さくなって
いる。

特に、デユーティ比を７０％であれば、第４図と同様に
、条痕のピッチは０．１８ｍｍ以下となり、かつ切断面
のバラツキも安定している。

第５図は本発明の詳細な説明する図であり、横軸に周波
数ｆ、デユーティ比Ｄ１縦軸にピッチ間隔を示したもの
である。

同図によると、周波数１０００Ｈｚでデユーティ比、７
０％にすると第４図（ａ）及び（ｂ）の関係から条痕の
ピッチは０．１８ｍｍであり、周波数１５００Ｈｚでデ
ユーティ比、６０％にするとピッチは０．１１ｍｍであ
り、周波数２０００Ｈｚでデユーティ比、５０％であれ
ばピッチは０．　１ｍｍとなる。

つまり、周波数１０００Ｈｚ以上、デユーティ比７０％
以下にしたレーザビームにすることにより、ＯＮ時（レ
ーザビームが出力されている時間）には酸化反応温度は
より高く、かつ酸化反応の伝達する領域が小さくなり、
ＯＦＦ時には酸化反応を停止させた後に、ＯＮになるよ
うにしたので条痕のピッチは０．１８ｍｍ以下を維持す
ることができ、切断面の粗さが従来のＣＷ加工より安定
するので、改めてグラインダー等の処理をする必要がな
い。

但し、周波数１０００Ｈｚ以上、デユーティ比７０％以
下の限界はレーザ発振器の性能による。

なお、上記実施例では軟鋼材の厚板の面粗向上に対して
発明の数値によるパルス切断の効果の大きさを示したが
軟鋼材以外のアルミニューム、ステンレス、チタン、高
炭素鋼等の他に、金属及び非金属材料に対しても可能で
ある。

また、パルスピーク値と平均値が同じパルス発振器では
電源のパワーアップと電極の強度アップをしてパルスピ
ーク値が高くなるようにして、本発明の周波数とデユー
ティ比を用いればよい。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、レーザビームの出力パ
ルスのデユーティ比を７０％以下（０を除く）にし、か
つその出力パルスの周波数を１０００Ｈｚ以上にするこ
とにより、被加工物での酸化反応温度を高くすると共に
、酸化反応温度の拡大領域を小さくするようにしたので
、例えば切断面のピッチ間隔が０．１８ｍｍ以下になっ
て、切断面の粗さが改善でき、仕上げ加工が不要になる
という効果が得られている。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明を用いるレーザ加工装置の概念を説明
する図、第２図（ａ）〜（Ｃ）は本発明による被加工物
の切断面の粗さを説明する図、第３図はＣＷ加工と本発
明によるＰＷ加工を説明する図、第４図（ａ）はレーザ
ビームの出力周波数と条痕の関係を説明する図、第４図
（ｂ）はレーザビームのデユーティ比と条痕の関係を説
明する図、第５図は本発明の詳細な説明する図、第６図
（ａ）は従来のレーザ加工の条痕について説明する図、
第６図（ｂ）は反応開始面の温度状態を示す図、第７図
（ａ）〜（ｃ）は連続加工をした場合の切断面の条痕を
示す図である。 図において、（１）はレーザビーム円、（２）は条痕、
（３）は反応開始面、ＶＢはレーザビーム移動速度、Ｖ
Ｒは酸化反応の伝搬速度、（１０）は入力手段、（１１
）は共振パルス変調部、（１２）はレーザ発信器、（１
３）は光学系部、（１７）は切断面のバラツキを示す記
号である。 なお、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。 代理人　弁理士　佐々木　宗　治 （ａ） （ｂ） 第 図 Ｐｕ１ｅｓ　ｄｕｔｙ　　Ｄ　（鷺） （ｂ） 第４図 −Ｑ ｔ＝τ１ を賜【１ （ｂ） −ｒ２ を楓ｒ３ ｔ−【４ （Ｑ） を璽ｒ２ （ｂ） 第６図 を繻ｒ３ ｔ＝ｒ４ 手続補正書 （自発） 庁長官殿 事件の表示 特願平２−１８１６１２号 ２゜ 発明の名称 レーザ切断方法 ３、補正をする者 事件との関係 住所 名称 ４、代理人 住所

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 被加工物の材質、厚さ又は加工形状に応じてレーザビー
   ムを制御して前記被加工物を加工するレーザ切断方法に
   おいて、 前記レーザビームの出力パルスのデューティ比を７０％
   以下（０を除く）にし、かつ前記出力パルスの周波数を
   １０００Ｈｚ以上に設定するレーザ切断方法。