WO2017179642A1 - レーザ加工機及びレーザ加工方法 - Google Patents

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WO2017179642A1
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laser
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plate
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明彦 杉山
祐也 溝口
雅仁 伊藤
正人 國廣
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株式会社アマダホールディングス
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    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof
    • G—PHYSICS
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/45—Nc applications
    • G05B2219/45041—Laser cutting

Definitions

  • the present disclosure relates to a laser processing machine and a laser processing method for cutting an aluminum plate by irradiating a laser beam.
  • Laser processing machines that cut a workpiece by irradiating the workpiece with laser light emitted from a laser oscillator have become widespread.
  • the laser oscillator there are various oscillators such as a CO 2 laser oscillator, a fiber laser oscillator, and a direct diode laser oscillator (DDL oscillator).
  • CO 2 laser oscillator a CO 2 laser oscillator
  • fiber laser oscillator a fiber laser oscillator
  • DDL oscillator direct diode laser oscillator
  • the CO 2 laser oscillator is large in size and high in cost.
  • the fiber laser oscillator and the DDL oscillator can reduce the size of the apparatus and have a low running cost.
  • the CO 2 laser oscillator has a wavelength of emitted laser light of about 10 ⁇ m
  • the fiber laser oscillator or the DDL oscillator has a wavelength of emitted laser light of about 1 ⁇ m. Accordingly, the laser light emitted from the fiber laser oscillator or the DDL oscillator has a small beam waist and a high power density, and thus is suitable for processing a thin plate material at high speed.
  • Patent Document 1 describes a technique for suppressing the occurrence of dross, but the technique described in Patent Document 1 alone may not sufficiently suppress the occurrence of dross. Therefore, a new technique for sufficiently suppressing the generation of dross when cutting an aluminum plate material is desired.
  • Embodiments are intended to provide a laser processing machine and a laser processing method capable of sufficiently suppressing the generation of dross and cutting an aluminum plate material with good cutting processing quality.
  • a laser oscillator that emits a laser beam having a wavelength of 1 ⁇ m band, and a laser beam emitted from the laser oscillator are irradiated to an aluminum plate member having a 1000 series material symbol.
  • a laser processing unit that cuts the plate material by moving an irradiation position of the laser beam on the plate material, and the laser beam is included in the area of the beam spot of the laser beam irradiated on the plate material.
  • the movement time tp is the time for moving the internal region of the area corresponding to 44% of the total heat energy within the area from the center
  • c is the specific heat of the plate material
  • ⁇ is the density of the plate material
  • ⁇ is The thermal conductivity of the plate material
  • T is the melting temperature of the plate material
  • T0 is the environmental temperature
  • A is the light absorptance of the plate material
  • Pd is the energy density of the internal region, and is calculated by Equation (1).
  • the laser processing unit has a value y, where y is a melting time tm for melting the plate, x is a plate thickness of the plate, and y is a value of tm / tp obtained by dividing the melting time tm by a moving time tp. Is set so as to be between the lower limit value obtained by Expression (2) and the upper limit value obtained by Expression (3), and the plate material is cut and processed, thereby providing a laser processing machine.
  • tm c ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ [(T ⁇ T0) / (2 ⁇ A ⁇ Pd)] 2 (1)
  • y 0.0027e 0.36x (2)
  • y 0.026e 0.4512x (3)
  • a laser oscillator that emits a laser beam having a wavelength of 1 ⁇ m band, and a laser beam emitted from the laser oscillator are irradiated to an aluminum plate material having a 5000 series material symbol.
  • a laser processing unit that cuts the plate material by moving an irradiation position of the laser beam on the plate material, and the laser beam is included in the area of the beam spot of the laser beam irradiated on the plate material.
  • the movement time tp is the time for moving the internal region of the area corresponding to 44% of the total heat energy within the area from the center
  • c is the specific heat of the plate material
  • ⁇ is the density of the plate material
  • ⁇ is The thermal conductivity of the plate material
  • T is the melting temperature of the plate material
  • T0 is the environmental temperature
  • A is the light absorptance of the plate material
  • Pd is the energy density of the internal region, and is calculated by Equation (1).
  • the laser processing unit has a value y, where y is a melting time tm for melting the plate, x is a plate thickness of the plate, and y is a value of tm / tp obtained by dividing the melting time tm by a moving time tp. Is set so as to be between the lower limit value obtained by Expression (4) and the upper limit value obtained by Expression (5), and the plate material is cut and processed.
  • tm c ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ [(T ⁇ T0) / (2 ⁇ A ⁇ Pd)] 2 (1)
  • y 0.0009e 0.5839x (4)
  • y 0.0019e 0.4582x (5)
  • a laser beam having a wavelength of 1 ⁇ m is irradiated to an aluminum plate having a 1000 series material symbol, and the irradiation position of the laser beam on the plate is moved to move the plate.
  • the area of the beam spot of the laser beam irradiated to the plate material after cutting the area corresponding to 44% of the total thermal energy within the area from the center of the beam spot.
  • the movement time tp is the movement time tp
  • c is the specific heat of the plate material
  • ⁇ is the density of the plate material
  • ⁇ is the thermal conductivity of the plate material
  • T is the melting temperature of the plate material
  • T0 is the environmental temperature
  • A is The light absorption rate of the plate material
  • Pd is the energy density of the internal region
  • the time calculated by the equation (1) is the melting time tm for melting the plate material
  • the plate thickness of the plate material is x
  • the melting time tm is moved Time tp
  • the value y is set so as to be between the lower limit value obtained by Equation (2) and the upper limit value obtained by Equation (3), and the plate material is cut
  • tm c ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ [(T ⁇ T0) / (2 ⁇ A ⁇ Pd)] 2 (1)
  • y 0.0027e 0.36x (2)
  • y 0.0
  • a laser beam having a wavelength of 1 ⁇ m is applied to an aluminum plate having a 5000 series material symbol, and the irradiation position of the laser beam on the plate is moved to move the plate.
  • the area of the beam spot of the laser beam irradiated to the plate material after cutting the area corresponding to 44% of the total thermal energy within the area from the center of the beam spot.
  • the movement time tp is the movement time tp
  • c is the specific heat of the plate material
  • ⁇ is the density of the plate material
  • ⁇ is the thermal conductivity of the plate material
  • T is the melting temperature of the plate material
  • T0 is the environmental temperature
  • A is The light absorption rate of the plate material
  • Pd is the energy density of the internal region
  • the time calculated by the equation (1) is the melting time tm for melting the plate material
  • the plate thickness of the plate material is x
  • the melting time tm is moved Time tp
  • the value y is set so as to be between the lower limit value obtained by Equation (4) and the upper limit value obtained by Equation (5), and the plate material is cut
  • a laser processing method characterized by processing.
  • the generation of dross can be sufficiently suppressed and the aluminum plate material can be cut with good cutting quality.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of the overall configuration of a laser beam machine according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration example of a mixed gas supply unit of a laser beam machine according to an embodiment.
  • FIG. 3 shows a ring-shaped beam profile.
  • FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration when the laser oscillator in FIG. 1 is configured by a fiber laser oscillator.
  • FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration when the laser oscillator in FIG. 1 is configured by a direct diode laser oscillator.
  • FIG. 6A is a diagram showing parameters of each sample when an aluminum plate having a 1000 series material symbol is cut.
  • FIG. 6A is a diagram showing parameters of each sample when an aluminum plate having a 1000 series material symbol is cut.
  • FIG. 6B is a diagram showing a relationship between an index and an evaluation when an aluminum plate having a 1000 series material symbol is cut.
  • FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relation between the plate thickness and the lower limit value and upper limit value of the index when cutting an aluminum plate material having a 1000 series material symbol by an approximate expression.
  • FIG. 8A is a diagram showing parameters of each sample when an aluminum plate having a material symbol of 5000 series is cut.
  • FIG. 8B is a diagram showing a relationship between an index and an evaluation when an aluminum plate having a 5000 series material symbol is cut.
  • FIG. 9 is a characteristic diagram showing an approximate expression of the relationship between the plate thickness and the lower and upper limit values of the index when cutting an aluminum plate having a 5000 series material symbol.
  • a laser beam machine and a laser beam machining method according to an embodiment will be described with reference to the accompanying drawings.
  • a fiber laser oscillator or a DDL oscillator is used as a laser oscillator that emits laser light having a wavelength of 1 ⁇ m band.
  • the wavelength of laser light emitted from the fiber laser oscillator is generally 1060 nm to 1080 nm, and the wavelength of laser light emitted from the DDL oscillator is generally 910 nm to 950 nm.
  • Wavelengths 900 to 1100 are referred to as a 1 ⁇ m band.
  • a laser beam machine 1 cuts an aluminum plate material AW by irradiating a plate material AW mainly composed of aluminum with a laser beam indicated by an alternate long and short dash line (hereinafter referred to as an aluminum plate material AW).
  • the laser processing machine 1 includes a laser oscillator 10, a laser processing unit 20, a process fiber 2, a control device 50, an operation unit 51, and a display unit 52.
  • the control device 50 includes a holding unit 501.
  • the holding unit 501 may be provided outside the control device 50.
  • the control device 50 can be configured by an NC device.
  • Control device 50 controls laser oscillator 10 and laser processing unit 20.
  • the operator can set various parameters when the aluminum plate AW is processed by operating the operation unit 51.
  • the control device 50 controls the laser processing machine 1 to process the aluminum plate material AW based on automatically set parameters or manually set parameters by the operation unit 51.
  • the control device 50 controls the display unit 52 to display various types of information.
  • Laser oscillator 10 generates and emits laser light having a wavelength of 1 ⁇ m.
  • the laser oscillator 10 is a fiber laser oscillator or a DDL oscillator.
  • any laser oscillator that emits laser light having a wavelength of 1 ⁇ m may be used other than a fiber laser oscillator or a DDL oscillator.
  • the process fiber 2 has an input end connected to the laser oscillator 10 and an output end connected to the laser processing unit 20.
  • the process fiber 2 is mounted along X-axis and Y-axis cable ducts (not shown) arranged in the laser processing unit 20.
  • the process fiber 2 transmits the laser light emitted from the laser oscillator 10 to the laser processing unit 20.
  • the laser processing unit 20 includes a processing table 21 on which an aluminum plate AW is placed, a portal-shaped X-axis carriage 22 that is movable on the processing table 21 in the X-axis direction (left-right direction in FIG. 1), and an X-axis carriage 22 And a Y-axis carriage 23 that is movable in the Y-axis direction perpendicular to the X-axis (the front-rear direction in FIG. 1). Further, the laser processing unit 20 has a collimator unit 30 fixed to the Y-axis carriage 23.
  • the collimator unit 30 collimates the laser light transmitted from the output end of the process fiber 2 into a parallel light beam to make a substantially parallel light beam, and the laser light converted into the substantially parallel light beam is perpendicular to the X axis and the Y axis. And a bend mirror 32 that reflects downward in the Z-axis direction (vertical direction in FIG. 1). Further, the collimator unit 30 includes a focusing lens 33 (focusing lens) that focuses the laser light reflected by the bend mirror 32 to a high energy density, and a processing head 34.
  • focusing lens 33 focusing lens
  • the collimating lens 31, the bend mirror 32, the focusing lens 33, and the processing head 34 are fixed in the collimator unit 30 with the optical axis adjusted in advance.
  • the focusing lens 33 is a single focus lens.
  • the laser beam focused by the focusing lens 33 is emitted from the nozzle 35 at the tip of the processing head 34 and is applied to the aluminum plate AW.
  • the laser beam is applied to the aluminum plate AW in a state in which the beam waist (focal position) is adjusted so that it is positioned slightly closer to the nozzle 35 (processing head 34) than the aluminum plate AW. Is good.
  • the collimating lens 31 may be configured to move in the X-axis direction.
  • the collimator unit 30 is fixed to a Y-axis carriage 23 movable in the Y-axis direction, and the Y-axis carriage 23 is provided on an X-axis carriage 22 movable in the X-axis direction. Therefore, the laser processing unit 20 can move the position at which the laser light emitted from the processing head 34 is applied to the aluminum plate material AW in the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • the laser processing machine 1 includes a mixed gas supply unit 40.
  • the mixed gas supply unit 40 temporarily stores and pressurizes a mixer (oxygen concentration regulator) 41 for mixing nitrogen gas and oxygen gas, and a mixed gas of nitrogen gas and oxygen gas, that is, a mixed gas containing oxygen, And a booster 42 for adjusting the gas pressure.
  • a mixer oxygen concentration regulator
  • Nitrogen gas may be supplied to the mixer 41 from a liquid nitrogen gas cylinder, or nitrogen-rich gas purified by a nitrogen separation membrane composed of a hollow fiber capable of separating nitrogen from air may be supplied. Good. Further, oxygen gas may be supplied to the mixer 41 from an oxygen gas cylinder, or oxygen-rich gas purified by an oxygen separation membrane composed of a hollow fiber capable of separating oxygen from air is supplied. Also good.
  • the mixer 41 mixes nitrogen gas and oxygen gas, and adjusts the oxygen concentration (volume%) of the mixed gas.
  • the mixer 41 is a mass flow controller that automatically controls the flow rate of the mixed gas via a valve that equalizes the pressure of nitrogen gas or oxygen gas.
  • the mass flow may be manually adjusted from the measurement result of a mass flow meter that simply performs sensing.
  • the air has about 21% (volume%) oxygen and about 78% (volume%) nitrogen. Therefore, clean air from which fine particles have been removed and nitrogen gas may be mixed by the mixer 41 to adjust the oxygen concentration (volume%) of the mixed gas.
  • the booster 42 supplies the pressure-adjusted mixed gas into the processing head 34.
  • the mixed gas supplied into the processing head 34 is ejected from the nozzle 35 at the tip of the processing head 34 to the aluminum plate AW as an assist gas AG. Dissolution of the aluminum plate material AW can be promoted by performing cutting with laser light in combination with the assist gas AG. Thereby, the cutting speed of aluminum plate material AW and the surface roughness of a cut surface can be improved, and generation
  • the laser processing machine 1 is a mixed gas of nitrogen gas and oxygen gas, and irradiates the aluminum plate material AW with laser light while ejecting the assist gas AG with the oxygen concentration adjusted to the aluminum plate material AW.
  • the aluminum plate material AW is cut and processed.
  • a robot type laser beam machine may be used.
  • the laser oscillator 10 is provided with a BPP adjustment device for adjusting beam parameter products (hereinafter abbreviated as BPP) as described in Patent Document 2.
  • BPP is represented by the product of the radius of the beam waist and the half width at half maximum of the beam divergence angle.
  • the BPP adjusting device adjusts the BPP of laser light emitted from the laser oscillator 10 to the process fiber 2 to generate laser light having a predetermined beam profile.
  • the laser oscillator 10 has a so-called ring-shaped beam profile in which the central beam intensity is low and the peripheral beam intensity is high, as shown in FIG. A laser beam is emitted.
  • FIG. 4 shows a schematic configuration when the laser oscillator 10 is configured by a fiber laser oscillator 110.
  • the fiber laser oscillator 110 includes a plurality of laser diodes 111, a pump combiner 112, two fiber Bragg gratings (FBGs) 113 and 115, a Yb-doped fiber 114, a feeding fiber 116, and a beam coupler 120.
  • the beam coupler 120 includes lenses 121 and 122.
  • the plurality of laser diodes 111 each emit laser light having a wavelength ⁇ .
  • the excitation combiner 112 combines the laser beams emitted from the plurality of laser diodes 111 with a spatial beam.
  • the laser beam that is spatially beam-coupled by the excitation combiner 112 is incident on the Yb-doped fiber 114 via the FBG 113.
  • the Yb-doped fiber 114 is a fiber in which a rare earth Yb (ytterbium) element is added to the core.
  • the laser light incident on the Yb-doped fiber 114 repeats reciprocation between the FBG 113 and the FBG 115.
  • the FBG 115 emits laser light having a wavelength ⁇ ′ of approximately 1060 nm to 1080 nm, which is different from the wavelength ⁇ .
  • the laser light emitted from the FBG 115 is incident on the beam coupler 120 via the feeding fiber 116.
  • the laser light incident on the beam coupler 120 is incident on the process fiber 2 via the lenses 121 and 122.
  • the process fiber 2 is composed of one optical fiber, and the laser light transmitted through the process fiber 2 is not combined with other laser light until the aluminum plate material AW is irradiated.
  • FIG. 5 shows a schematic configuration when the laser oscillator 10 is configured by the DDL oscillator 210.
  • the DDL oscillator 210 includes a plurality of laser diodes 2111 to 211n and an optical box 220.
  • the laser diodes 2111 to 211n emit laser beams having different wavelengths ⁇ 1 to ⁇ n, respectively.
  • the wavelengths ⁇ 1 to ⁇ n are 910 nm to 950 nm.
  • the optical box 220 combines the laser beams emitted from the laser diodes 2111 to 211n with a spatial beam.
  • the optical box 220 includes a collimating lens 221, a grating 222, and a focusing lens 223.
  • the collimating lens 221 collimates the laser beam combined with the spatial beam.
  • the grating 222 deflects the collimated laser beam by 90 degrees and makes it incident on the focusing lens 223.
  • the focusing lens 223 focuses the laser light and makes it incident on the process fiber 2.
  • the process fiber 2 is composed of one optical fiber, and the laser light transmitted through the process fiber 2 is not combined with other laser light until the aluminum plate material AW is irradiated.
  • a typical aluminum plate material AW there are, for example, a pure aluminum material with a material symbol of 1000 series and an Al—Mg material with an aluminum magnesium alloy with a material symbol of 5000 series.
  • Materials containing aluminum as a main component, including pure aluminum materials and Al—Mg materials, are referred to as aluminum.
  • A1050 (material symbol), which is a pure aluminum material (1000 series), is composed of 99.5% or more of an aluminum component and includes chemical components such as Si, Fe, Cu, Mn, Mg, Zn, and Ti. .
  • Si is 0.25% or less
  • Fe content is 0.4% or less.
  • the other chemical components are each 0.05% or less.
  • A5052 (material symbol) which is an aluminum magnesium alloy (5000 series) is a typical material having intermediate strength among aluminum alloys, and is the most frequently used alloy. A5052 contains chemical components such as Si, Fe, Cu, Mn, Mg, Cr and Zn in the main component aluminum. A5052 has a Mg content of 2.2% to 2.8%.
  • the laser oscillator 10 is a fiber laser oscillator 110 shown in FIG. 4, and laser light having a single wavelength of 1060 nm to 1080 nm is used.
  • the output of the fiber laser oscillator 110 was 2 kW.
  • the incident angle of the laser beam to the cut end surface of the aluminum plate AW was 84 °.
  • Aluminum of A1050 and A5052 was used as the aluminum plate material AW, and the plate thickness was 2 mm, 3 mm, and 4 mm.
  • Aluminum has a specific heat of 913 (J / kg ⁇ ° C.), a specific gravity (density) of 2700 (kg / m 3 ), a thermal conductivity of 225 (W / m ° C.), and a maximum melting temperature of 657 ° C.
  • the ratio of the dross height to the plate thickness of the aluminum plate AW is 3% or less when the plate thickness is 2 mm or 3 mm, or 3.5% or less when the plate thickness is 4 mm, dross generation is sufficient. It is assumed that the cutting quality is good.
  • FIG. 6A and 6B show the experimental results when 29 samples numbered 1 to 29 were cut by the laser processing machine 1 using A1050 aluminum as the aluminum plate AW.
  • the nozzle diameter is the opening diameter Rn of the nozzle 35 shown in FIG.
  • the area to be cut increases.
  • the amount of metal melted at the time of cutting is proportional to the plate thickness, and it is desirable to increase the opening diameter Rn of the nozzle 35 in order to blow off the melted metal within a certain time.
  • the gas pressure is the pressure of the assist gas AG shown in FIG.
  • the focus offset is a distance from the surface of the aluminum plate AW to the beam waist of the laser beam located slightly away from the nozzle 35 side.
  • the oxygen concentration is the oxygen concentration contained in the assist gas AG.
  • the cutting speed is the moving speed of the irradiation position of the laser beam on the aluminum plate material AW.
  • the 44% spot diameter is 44 out of the total thermal energy within the area from the center of the beam spot in the area of the beam spot of the laser beam. It is the diameter of the internal region of the area corresponding to the heat energy of%. In the present embodiment, 44% of the inner region is used on the center side of the inner region of the area corresponding to 86% of the total heat energy in the area from the center of the generally used beam spot. Based on the index, the cutting quality was verified.
  • the power density Pd is an energy density (unit: W / m 2 ) at a 44% spot diameter.
  • the moving time tp is the time for the laser beam moving while cutting the aluminum plate material AW to move the 44% spot diameter. If the 44% spot diameter is d and the cutting speed of the aluminum plate AW is v, the movement time tp is expressed by d / v.
  • the melting time tm is a logical time for melting the aluminum plate AW when the aluminum plate AW is irradiated with a 44% spot diameter laser beam.
  • the melting time tm is calculated by the equation (1) for both A1050 and A5052 aluminum.
  • c is the specific heat (unit: J / kg ⁇ ° C.) of aluminum (that is, aluminum plate AW)
  • ⁇ is the density of aluminum (unit: kg / m 3 )
  • ⁇ is the thermal conductivity of aluminum (unit: ( (W / m ⁇ ° C.)
  • T is the melting temperature of aluminum (unit: ° C.)
  • T 0 is the environmental temperature (unit: ° C.)
  • A is the light absorption rate (unit:%) of aluminum. 1 can be derived.
  • tm c ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ [(T ⁇ T0) / (2 ⁇ A ⁇ Pd)] 2 (1)
  • the present inventor evaluated cutting quality using tm / tp as an index based on the knowledge that tm / tp affects the height of dross generated by dividing melting time tm by movement time tp.
  • OK in the evaluation column means that the ratio of the dross height to the plate thickness of the aluminum plate AW is 3% or less when the plate thickness is 2 mm and 3 mm, and 3.5 when the plate thickness is 4 mm. % Or less.
  • NG means that the ratio of the dross height does not satisfy the condition or the aluminum sheet AW could not be cut.
  • 6A and 6B among the samples evaluated as NG, the aluminum plate material AW was cut except for the samples 5 and 26, but the ratio of the dross height did not satisfy the condition. In the samples 5 and 26, the aluminum plate material AW was Can not cut.
  • FIG. 6B shows that when cutting A1050 aluminum having a thickness of 2 mm as the aluminum plate material AW, tm / tp is preferably 1.153% or more and 1.596% or less.
  • tm / tp is preferably 0.817% or more and 0.894% or less.
  • tm / tp is preferably 0.561% or more and 0.647% or less.
  • the focal position of the laser beam is preferably a position shifted by 2.0 mm to 2.5 mm toward the nozzle 35 from the surface of the aluminum plate AW.
  • the opening diameter Rn of the nozzle 35 is preferably 67% to 100% of the plate thickness.
  • the assist gas AG preferably contains 0.17% by volume to 0.40% by volume of oxygen, and the gas pressure is preferably 1.0 MPa to 1.6 MPa.
  • FIG. 7 is a graph in which the abscissa represents the plate thickness, the ordinate represents the value of tm / tp, and the lower limit value and upper limit value of the tm / tp values for the plate thicknesses of 2 mm, 3 mm, and 4 mm are plotted.
  • the lower limit value and the upper limit value can be expressed by approximate expressions represented by equations (2) and (3), respectively.
  • the plate thickness of the aluminum plate AW is not limited to 2 mm, 3 mm, and 4 mm, but the value of tm / tp determined by the plate thickness is the upper limit value obtained from Equation (2) from the lower limit value obtained from Equation (2). If it is between, the aluminum plate material AW of A1050 can be cut with good cutting quality while sufficiently suppressing the generation of dross.
  • 8A and 8B show the experimental results when 28 samples numbered 1 to 28 were cut by the laser processing machine 1 using aluminum of A5052 as the aluminum plate material AW.
  • the aluminum plate material AW was cut except for the samples 24 and 25, but the ratio of the dross height did not satisfy the condition, and in the samples 24 and 25, the aluminum plate material AW was Can not cut.
  • FIG. 8B shows that tm / tp is preferably 1.104% or more and 1.239% or less when aluminum of A5052 having a thickness of 2 mm is cut as the aluminum plate material AW. It can be seen that when aluminum A5052 having a thickness of 3 mm is cut as the aluminum plate AW, tm / tp is preferably 0.507% or more and 0.642% or less. It can be seen that when cutting A5052 aluminum having a thickness of 4 mm as the aluminum plate material AW, tm / tp should be 0.315% or more and 0.496% or less.
  • the focal position of the laser beam be shifted from the surface of the aluminum plate material AW to the nozzle 35 side by 2.5 mm to 4.0 mm.
  • the opening diameter Rn of the nozzle 35 is preferably 67% to 100% of the plate thickness.
  • the assist gas AG preferably contains 0.13% to 0.34% by volume of oxygen, and the gas pressure is preferably 0.9 MPa to 1.6 MPa.
  • FIG. 9 is a graph in which the lower and upper limits of the tm / tp values of 2 mm, 3 mm, and 4 mm are plotted with the horizontal axis representing the plate thickness and the vertical axis representing the value of tm / tp.
  • the plate thickness is x and the value of tm / tp is y
  • the lower limit value and the upper limit value can be expressed by approximate expressions shown by the equations (4) and (5), respectively.
  • the plate thickness of the aluminum plate AW is not limited to 2 mm, 3 mm, and 4 mm, but the value of tm / tp determined by the plate thickness is the upper limit value obtained from the lower limit value obtained from the equation (4) and the upper limit value obtained from the equation (5).
  • the aluminum plate material AW of A5052 can be cut with good cutting quality while sufficiently suppressing the generation of dross.
  • the holding unit 501 holds Expressions (2) and (3), Expression (4), and Expression (5).
  • the value y is expressed by the equation (2).
  • the control device 50 calculates the value y as follows: ) Is determined from the lower limit value obtained in (5) to the upper limit value obtained in Expression (5).
  • the expressions (2) and (3), the expressions (4) and (5) stored in the holding unit 501 are exponential approximate curve expressions, and the change rate of the value of tm / tp determined by the plate thickness is tm. This is an approximate expression proportional to the value of / tp.
  • the approximate expression can be solved by a differential equation from the rate of change of the value of tm / tp. By calculating the constant used for the power of the base of the natural logarithm and the integral constant, it is possible to adjust a small amount of the approximate expression caused by the difference in steel material manufacturers. In the equations (2) to (5), 0.0027, 0.0026, 0.0009, and 0.0019 are integral constants.
  • each tm / tp is changed according to the difference in steel material manufacturers, etc., and is held in the holding unit 501, and the control device 50 calculates the constants and integral constants of the approximate expression, and formulas (2) to (5) are obtained. It is only necessary to generate and hold the expressions (2) to (5) in the holding unit 501.
  • the control device 50 displays a determination result as to whether or not the value y is between the lower limit value and the upper limit value when trying to cut the aluminum plate material AW under the processing conditions set by the laser processing unit 20. 52 to control the display.
  • the control device 50 displays different characters, symbols, or images on the display unit 52 depending on whether or not the value y is between the lower limit value and the upper limit value.
  • the control device 50 displays a symbol ⁇ indicating good on the display unit 52.
  • the control device 50 displays a symbol ⁇ indicating caution on the display unit 52 when the value y is 95% or more and 105% or less of the lower limit value or 95% or more and 105% or less of the upper limit value.
  • the control device 50 displays a symbol x indicating impossibility on the display unit 52.
  • control device 50 may display characters on the display unit 52 such as “good”, “caution”, and “impossible”.
  • the range to be noted is not limited to ⁇ 5% of the lower limit value and the upper limit value, and the control device 50 may be appropriately set to ⁇ 3% or ⁇ 7%.
  • the control device 50 displays the determination result on the display unit 52, so that the operator can sufficiently suppress the occurrence of dross and has good cutting quality. It can be confirmed whether it is obtained.
  • the present invention can be used when an aluminum plate is cut with a laser beam.

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Abstract

レーザ光が、レーザ光のビームスポットの面積のうち、ビームスポットの中心から面積内の全熱エネルギのうちの４４％の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間ｔｐとする。ｃを比熱、ρを密度、λを熱伝導度、Ｔを融解温度、Ｔ０を環境温度、Ａを光吸収率、Ｐｄを内部領域のエネルギ密度として、式（１）で計算される時間をアルミニウムの板材が融解する融解時間ｔｍとする。板材の板厚をｘ、融解時間ｔｍを移動時間ｔｐで除したｔｍ／ｔｐの値をｙとしたとき、レーザ加工ユニットは、値ｙを式（２）で得られる下限値から式（３）で得られる上限値までの間となるように設定して、板材を切断加工する。　ｔｍ＝ｃ×ρ×λ×π［（Ｔ－Ｔ０）／（２×Ａ×Ｐｄ）］２　…（１）　ｙ＝0.0027e0.36x　…（２）　ｙ＝0.0026e0.4512x　…（３）

Description

レーザ加工機及びレーザ加工方法
　本開示は、レーザ光を照射してアルミニウムの板材を切断するレーザ加工機及びレーザ加工方法に関する。
　レーザ発振器から射出されたレーザ光を被加工物に照射することにより被加工物を切断加工するレーザ加工機が普及している。レーザ発振器として、ＣＯ２レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）等の各種の発振器がある。
　ＣＯ２レーザ発振器は、装置が大型化し、高コストである。これに対して、ファイバレーザ発振器やＤＤＬ発振器は、装置を小型化することができ、低ランニングコストである。また、ＣＯ２レーザ発振器は、射出するレーザ光の波長が１０μｍ程度であるのに対し、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器は、射出するレーザ光の波長が１μｍ程度である。従って、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器が射出するレーザ光は、ビームウエストが小さく、パワー密度が高いため、板厚が薄い板材を高速で加工するのに適している。
特開平１１－１７００７７号公報 特表２０１５－５００５７１号公報
片山、「溶接接合教室－基礎を学ぶ　第１章　溶接法および機器　（１－４）レーザ溶接」、溶接学会誌　第７８巻（２００９）第２号、溶接学会、２００９年３月、ｐ１２４～１３８
　レーザ加工機が、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器より射出された１μｍ帯のレーザ光を用いて被加工物としてアルミニウムを主成分とする板材を切断すると、ドロスが発生しやすい。特許文献１にはドロスの発生を抑制する手法が記載されているが、特許文献１に記載された手法のみではドロスの発生を十分に抑制することができないことがあった。そこで、アルミニウムの板材を切断する際のドロスの発生を十分に抑制する新たな手法が望まれる。
　実施形態は、ドロスの発生を十分に抑制して、アルミニウムの板材を良好な切断加工品質で切断することができるレーザ加工機及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。
　実施形態の第１の態様によれば、波長が１μｍ帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から射出されたレーザ光を、１０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工するレーザ加工ユニットとを備え、レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの４４％の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間ｔｐとし、ｃを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Ｔを前記板材の融解温度、Ｔ０を環境温度、Ａを前記板材の光吸収率、Ｐｄを前記内部領域のエネルギ密度として、式（１）で計算される時間を前記板材が融解する融解時間ｔｍとし、前記板材の板厚をｘ、融解時間ｔｍを移動時間ｔｐで除したｔｍ／ｔｐの値をｙとしたとき、前記レーザ加工ユニットは、値ｙを式（２）で得られる下限値から式（３）で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工することを特徴とするレーザ加工機が提供される。
　ｔｍ＝ｃ×ρ×λ×π［（Ｔ－Ｔ０）／（２×Ａ×Ｐｄ）］２　　…（１）
　ｙ＝0.0027e0.36x　　…（２）
　ｙ＝0.0026e0.4512x　　…（３）
　実施形態の第２の態様によれば、波長が１μｍ帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から射出されたレーザ光を、５０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工するレーザ加工ユニットとを備え、レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの４４％の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間ｔｐとし、ｃを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Ｔを前記板材の融解温度、Ｔ０を環境温度、Ａを前記板材の光吸収率、Ｐｄを前記内部領域のエネルギ密度として、式（１）で計算される時間を前記板材が融解する融解時間ｔｍとし、前記板材の板厚をｘ、融解時間ｔｍを移動時間ｔｐで除したｔｍ／ｔｐの値をｙとしたとき、前記レーザ加工ユニットは、値ｙを式（４）で得られる下限値から式（５）で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工することを特徴とするレーザ加工機が提供される。
　ｔｍ＝ｃ×ρ×λ×π［（Ｔ－Ｔ０）／（２×Ａ×Ｐｄ）］２　　…（１）
　ｙ＝0.0009e0.5839x　　…（４）
　ｙ＝0.0019e0.4582x　　…（５）
　実施形態の第３の態様によれば、波長が１μｍ帯であるレーザ光を、１０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工し、レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの４４％の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間ｔｐとし、ｃを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Ｔを前記板材の融解温度、Ｔ０を環境温度、Ａを前記板材の光吸収率、Ｐｄを前記内部領域のエネルギ密度として、式（１）で計算される時間を前記板材が融解する融解時間ｔｍとし、前記板材の板厚をｘ、融解時間ｔｍを移動時間ｔｐで除したｔｍ／ｔｐの値をｙとしたとき、値ｙを式（２）で得られる下限値から式（３）で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工することを特徴とするレーザ加工方法が提供される。
　ｔｍ＝ｃ×ρ×λ×π［（Ｔ－Ｔ０）／（２×Ａ×Ｐｄ）］２　　…（１）
　ｙ＝0.0027e0.36x　　…（２）
　ｙ＝0.0026e0.4512x　　…（３）
　実施形態の第４の態様によれば、波長が１μｍ帯であるレーザ光を、５０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工し、レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの４４％の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間ｔｐとし、ｃを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Ｔを前記板材の融解温度、Ｔ０を環境温度、Ａを前記板材の光吸収率、Ｐｄを前記内部領域のエネルギ密度として、式（１）で計算される時間を前記板材が融解する融解時間ｔｍとし、前記板材の板厚をｘ、融解時間ｔｍを移動時間ｔｐで除したｔｍ／ｔｐの値をｙとしたとき、値ｙを式（４）で得られる下限値から式（５）で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工することを特徴とするレーザ加工方法が提供される。
　ｔｍ＝ｃ×ρ×λ×π［（Ｔ－Ｔ０）／（２×Ａ×Ｐｄ）］２　　…（１）
　ｙ＝0.0009e0.5839x　　…（４）
　ｙ＝0.0019e0.4582x　　…（５）
　実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、ドロスの発生を十分に抑制して、アルミニウムの板材を良好な切断加工品質で切断することができる。
図１は、一実施形態のレーザ加工機の全体的な構成例を示す斜視図である。 図２は、一実施形態のレーザ加工機の混合ガス供給部の概略的な構成例を示す図である。 図３は、リング形状のビームプロファイルを示す図である。 図４は、図１中のレーザ発振器をファイバレーザ発振器で構成した場合の概略的な構成を示す図である。 図５は、図１中のレーザ発振器をダイレクトダイオードレーザ発振器で構成した場合の概略的な構成を示す図である。 図６Ａは、１０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材を切断したときの各サンプルのパラメータを示す図である。 図６Ｂは、１０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材を切断したときの指標と評価との関係を示す図である。 図７は、１０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材を切断するときの板厚と指標の下限値及び上限値との関係を近似式で示す特性図である。 図８Ａは、５０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材を切断したときの各サンプルのパラメータを示す図である。 図８Ｂは、５０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材を切断したときの指標と評価との関係を示す図である。 図９は、５０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材を切断するときの板厚と指標の下限値及び上限値との関係を近似式で示す特性図である。
　以下、一実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法について、添付図面を参照して説明する。本実施形態においては、波長が１μｍ帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器として、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器を用いた場合を説明する。ファイバレーザ発振器が射出するレーザ光の波長は一般的に１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍ、ＤＤＬ発振器が射出するレーザ光の波長は一般的に９１０ｎｍ～９５０ｎｍである。波長９００～１１００を１μｍ帯と称する。
　図１に示すように、レーザ加工機１は、一点鎖線にて示すレーザ光をアルミニウムを主成分とする板材ＡＷ（以下、アルミ板材ＡＷと称す）に照射することにより、アルミ板材ＡＷを切断加工する。レーザ加工機１は、レーザ発振器１０と、レーザ加工ユニット２０と、プロセスファイバ２と、制御装置５０と、操作部５１と、表示部５２とを備える。制御装置５０は保持部５０１を備える。保持部５０１は制御装置５０の外部に設けられていてもよい。制御装置５０は、ＮＣ装置によって構成することができる。
　制御装置５０は、レーザ発振器１０及びレーザ加工ユニット２０を制御する。オペレータは、操作部５１を操作してアルミ板材ＡＷを加工するときの各種のパラメータを設定することができる。制御装置５０は、自動的に設定されるパラメータまたは操作部５１によって手動で設定されたパラメータに基づいて、アルミ板材ＡＷを加工するようレーザ加工機１を制御する。制御装置５０は、表示部５２に各種の情報を表示するよう制御する。
　レーザ発振器１０は、波長が１μｍ帯であるレーザ光を生成して射出する。レーザ発振器１０は、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器である。但し、波長が１μｍ帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器であれば、ファイバレーザ発振器またはＤＤＬ発振器以外であってもよい。
　プロセスファイバ２は、入力端側がレーザ発振器１０に接続され、出力端側がレーザ加工ユニット２０に接続されている。プロセスファイバ２は、レーザ加工ユニット２０に配置されたＸ軸及びＹ軸のケーブルダクト（図示せず）に沿って装着されている。プロセスファイバ２は、レーザ発振器１０から射出されたレーザ光をレーザ加工ユニット２０へ伝送する。
　レーザ加工ユニット２０は、アルミ板材ＡＷを載せる加工テーブル２１と、加工テーブル２１上でＸ軸方向（図１では左右方向）に移動自在である門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向（図１では手前奥方向）に移動自在であるＹ軸キャリッジ２３とを有する。また、レーザ加工ユニット２０は、Ｙ軸キャリッジ２３に固定されたコリメータユニット３０を有する。
　コリメータユニット３０は、プロセスファイバ２の出力端から伝送されたレーザ光を平行光化して略平行光束とするコリメートレンズ３１と、略平行光束に変換されたレーザ光をＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向（図１では上下方向）の下方に向けて反射させるベンドミラー３２とを有する。また、コリメータユニット３０は、ベンドミラー３２で反射したレーザ光を高エネルギ密度に集束させる集束レンズ３３（フォーカシングレンズ）と、加工ヘッド３４とを有する。
　コリメートレンズ３１、ベンドミラー３２、集束レンズ３３、及び、加工ヘッド３４は、予め光軸が調整された状態でコリメータユニット３０内に固定されている。集束レンズ３３は単焦点レンズである。
　図２に示すように、集束レンズ３３により集束されたレーザ光は、加工ヘッド３４の先端部のノズル３５から射出されてアルミ板材ＡＷに照射される。具体的には、レーザ光は、ビームウエスト（焦点位置）がアルミ板材ＡＷよりもわずかにノズル３５側（加工ヘッド３４側）に位置するように調整された状態でアルミ板材ＡＷに照射されるのがよい。焦点位置を補正するために、コリメートレンズ３１がＸ軸方向に移動するように構成されていてもよい。
　コリメータユニット３０は、Ｙ軸方向に移動自在のＹ軸キャリッジ２３に固定され、Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸方向に移動自在のＸ軸キャリッジ２２に設けられている。よって、レーザ加工ユニット２０は、加工ヘッド３４から射出されるレーザ光がアルミ板材ＡＷに照射される位置を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動させることができる。
　レーザ加工機１は、混合ガス供給部４０を備える。混合ガス供給部４０は、窒素ガスと酸素ガスとを混合させる混合器（酸素濃度調整器）４１と、窒素ガスと酸素ガスの混合ガス、即ち酸素を含む混合ガスを一時貯蔵して昇圧させ、ガス圧を調整する昇圧器４２とを有する。
　混合器４１に対して、液体窒素ガスボンベから窒素ガスを供給してもよいし、空気から窒素を分離可能な中空糸で構成された窒素分離膜により精製された窒素リッチなガスを供給してもよい。また、混合器４１に対して、酸素ガスボンベから酸素ガスを供給してもよいし、空気から酸素を分離可能な中空糸で構成された酸素分離膜により精製された酸素リッチなガスを供給してもよい。
　混合器４１は、窒素ガスと酸素ガスとを混合させ、混合ガスの酸素濃度（体積％）を調整する。例えば、混合器４１は、窒素ガスまたは酸素ガスの圧力を等圧にする弁を介して混合ガスの流量を自動制御するマスフローコントローラである。自動制御の代わりに単にセンシングを行うマスフローメータの測定結果からマスフロー（質量流量）を手動で調整するようにしてもよい。
　通常、空気は約２１％（体積％）の酸素と、約７８％（体積％）の窒素とを有する。そこで、微粒子を取り除いた清浄な空気と窒素ガスとを混合器４１で混合させ、混合ガスの酸素濃度（体積％）を調整するようにしてもよい。
　昇圧器４２は、圧力調整された混合ガスを、加工ヘッド３４の内部に供給する。加工ヘッド３４の内部に供給された混合ガスは、加工ヘッド３４の先端部のノズル３５からアシストガスＡＧとしてアルミ板材ＡＷに噴出される。アシストガスＡＧを併用してレーザ光による切断加工を施すことにより、アルミ板材ＡＷの溶解を促進させることができる。これにより、アルミ板材ＡＷの切断速度や切断面の面粗度を向上させ、ドロスの発生を抑制することができる。
　以上の構成により、レーザ加工機１は、窒素ガスと酸素ガスとの混合ガスであり、酸素濃度が調整されたアシストガスＡＧをアルミ板材ＡＷに噴出させながら、レーザ光をアルミ板材ＡＷに照射し、アルミ板材ＡＷを切断加工する。
　図１に示すレーザ加工機１の代わりに、ロボット型のレーザ加工機としてもよい。
　レーザ発振器１０には、特許文献２に記載されているような、ビームパラメータ積（Beam Parameter Products）（以下、ＢＰＰと略記する）を調整するＢＰＰ調整装置が設けられている。ＢＰＰは、ビームウエストの半径とビームの発散角の半値半幅との積で表される。ＢＰＰ調整装置は、レーザ発振器１０がプロセスファイバ２に射出するレーザ光のＢＰＰを調整して、所定のビームプロファイルを有するレーザ光を生成する。
　レーザ発振器１０は、ＢＰＰ調整装置がレーザ光のＢＰＰを調整することにより、図３に示すような、中心部のビーム強度が低く、周辺部のビーム強度が高い、いわゆるリング形状のビームプロファイルを有するレーザ光を射出する。
　図４は、レーザ発振器１０をファイバレーザ発振器１１０で構成した場合の概略的な構成を示している。
　ファイバレーザ発振器１１０は、複数のレーザダイオード１１１と、励起コンバイナ１１２と、２つのファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）１１３，１１５と、Ｙｂドープファイバ１１４と、フィーディングファイバ１１６と、ビームカップラ１２０とを有する。ビームカップラ１２０は、レンズ１２１，１２２を有する。
　複数のレーザダイオード１１１はそれぞれ波長λのレーザ光を射出する。励起コンバイナ１１２は、複数のレーザダイオード１１１から射出されたレーザ光を空間ビーム結合させる。
　励起コンバイナ１１２で空間ビーム結合されたレーザ光は、ＦＢＧ１１３を介してＹｂドープファイバ１１４に入射される。Ｙｂドープファイバ１１４は、コアに希土類のＹｂ（イッテルビウム）元素が添加されたファイバである。
　Ｙｂドープファイバ１１４に入射されたレーザ光は、ＦＢＧ１１３とＦＢＧ１１５との間で往復を繰り返す。その結果、ＦＢＧ１１５からは、波長λとは異なる概ね１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍの波長λ’のレーザ光が射出される。
　ＦＢＧ１１５から射出されたレーザ光は、フィーディングファイバ１１６を介してビームカップラ１２０に入射される。ビームカップラ１２０に入射したレーザ光は、レンズ１２１，１２２を介してプロセスファイバ２に入射される。
　なお、プロセスファイバ２は１本の光ファイバで構成されており、アルミ板材ＡＷに照射されるまで、プロセスファイバ２で伝送されるレーザ光が他のレーザ光と合成されることはない。
　図５は、レーザ発振器１０をＤＤＬ発振器２１０で構成した場合の概略的な構成を示している。
　ＤＤＬ発振器２１０は、複数のレーザダイオード２１１１～２１１ｎと、オプティカルボックス２２０とを有する。レーザダイオード２１１１～２１１ｎはそれぞれ互いに異なる波長λ１～λｎのレーザ光を射出する。波長λ１～λｎは９１０ｎｍ～９５０ｎｍである。
　オプティカルボックス２２０は、レーザダイオード２１１１～２１１ｎから射出されたレーザ光を空間ビーム結合させる。オプティカルボックス２２０は、コリメートレンズ２２１と、グレーティング２２２と、集束レンズ２２３とを有する。
　コリメートレンズ２２１は、空間ビーム結合されたレーザ光を平行光化する。グレーティング２２２は、平行光化されたレーザ光を９０度偏向させ、集束レンズ２２３に入射させる。集束レンズ２２３は、レーザ光を集束してプロセスファイバ２に入射させる。
　なお、プロセスファイバ２は１本の光ファイバで構成されており、アルミ板材ＡＷに照射されるまで、プロセスファイバ２で伝送されるレーザ光が他のレーザ光と合成されることはない。
　代表的なアルミ板材ＡＷの材質として、例えば材料記号が１０００系の純アルミニウム系材料と、材料記号が５０００系のアルミニウムマグネシウム合金であるＡｌ－Ｍｇ系材料とがある。純アルミニウム系材料及びＡｌ－Ｍｇ系材料を含め、アルミニウムを主成分とする材料をアルミニウムと称することとする。
　例えば、純アルミニウム系材料（１０００系）であるＡ１０５０（材料記号）は、９９．５％以上がアルミニウム成分で構成され、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｔｉ等の化学成分を含む。なお、Ｓｉの含有率は０．２５％以下であり、Ｆｅの含有率は０．４％以下である。それ以外の化学成分は、それぞれ０．０５％以下である。
　アルミニウムマグネシウム合金（５０００系）であるＡ５０５２（材料記号）は、アルミニウム合金の中で中間的な強度を有す代表的な材料であり、最もよく使用される合金である。Ａ５０５２は、主成分のアルミニウムにＳｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｚｎ等の化学成分が含まれている。Ａ５０５２は、Ｍｇの含有率が２．２％～２．８％である。
　次に、本発明者は、以下のように、ドロスの発生が少なく、アルミ板材ＡＷを良好な切断加工品質で切断することができる条件を検証した。レーザ発振器１０を図４に示すファイバレーザ発振器１１０とし、１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍの単波長のレーザ光を用いた。ファイバレーザ発振器１１０の出力を２ｋＷとした。アルミ板材ＡＷの切断端面へのレーザ光の入射角を８４°とした。
　アルミ板材ＡＷとしてＡ１０５０及びＡ５０５２のアルミニウムを用い、板厚を２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍとした。アルミニウムは、比熱９１３（Ｊ／ｋｇ・℃）、比重（密度）２７００（ｋｇ／ｍ３）、熱伝導度２２５（Ｗ／ｍ℃）であり、最大融解温度を６５７℃とした。
　アルミ板材ＡＷの板厚に対するドロス高さの比率が、板厚が２ｍｍ及び３ｍｍの場合には３％以下、板厚が４ｍｍの場合には３．５％以下であるとき、ドロスの発生が十分に抑制されて切断加工品質が良好であるとする。
　図６Ａ及び図６Ｂは、アルミ板材ＡＷとしてＡ１０５０のアルミニウムを用い、番号１～２９の２９個のサンプルをレーザ加工機１によって切断したときの実験結果を示している。図６Ａ（及び後述する図８Ａ）において、ノズル径とは、図２に示すノズル３５の開口径Ｒｎである。
　板厚が厚くなれば、切断される面積が広くなる。板厚が厚くなれば、切断幅を大きくすることが望ましい。切断時に融解された金属量は板厚に比例し、融解された金属を一定時間内に吹き飛ばすためには、ノズル３５の開口径Ｒｎを大きくすることが望ましい。
　ガス圧は図２に示すアシストガスＡＧの圧力である。焦点オフセットは、アルミ板材ＡＷの表面から、ノズル３５側にわずかに離れて位置するレーザ光のビームウエストまでの距離である。酸素濃度とは、アシストガスＡＧに含まれる酸素濃度である。切断速度は、アルミ板材ＡＷに対するレーザ光の照射位置の移動速度である。
　図６Ｂ（及び後述する図８Ｂ）において、４４％スポット径とは、図３に示すように、レーザ光のビームスポットの面積のうち、ビームスポットの中心から面積内の全熱エネルギのうちの４４％の熱エネルギに相当する面積の内部領域の径である。本実施形態においては、一般的に用いられるビームスポットの中心から面積内の全熱エネルギのうちの８６％の熱エネルギに相当する面積の内部領域よりも中心側の４４％の内部領域を用いた指標に基づいて、切断加工品質を検証した。
　パワー密度Ｐｄとは、４４％スポット径におけるエネルギ密度（単位Ｗ／ｍ２）である。移動時間ｔｐとは、アルミ板材ＡＷを切断しながら移動するレーザ光が４４％スポット径を移動する時間である。４４％スポット径をｄ、アルミ板材ＡＷの切断速度をｖとすれば、移動時間ｔｐはｄ／ｖで表される。融解時間ｔｍとは、４４％スポット径のレーザ光がアルミ板材ＡＷに照射されたときに、アルミ板材ＡＷが融解する論理的な時間である。
　融解時間ｔｍは、Ａ１０５０及びＡ５０５２のアルミニウム共通で、式（１）で計算される。式（１）において、ｃはアルミニウム（即ち、アルミ板材ＡＷ）の比熱（単位Ｊ／ｋｇ・℃）、ρはアルミニウムの密度（単位ｋｇ／ｍ３）、λはアルミニウムの熱伝導度（単位（Ｗ／ｍ・℃）、Ｔはアルミニウムの融解温度（単位℃）、Ｔ０は環境温度（単位℃）、Ａはアルミニウムの光吸収率（単位％）である。式（１）は、非特許文献１に記載されている事項から導くことができる。
　ｔｍ＝ｃ×ρ×λ×π［（Ｔ－Ｔ０）／（２×Ａ×Ｐｄ）］２　　…（１）
　本発明者は、融解時間ｔｍを移動時間ｔｐで除したｔｍ／ｔｐが発生するドロスの高さに影響を与えるとの知見に基づき、ｔｍ／ｔｐを指標として用いて切断加工品質を評価した。評価の欄におけるＯＫとは、上記のように、アルミ板材ＡＷの板厚に対するドロス高さの比率が、板厚が２ｍｍ及び３ｍｍの場合に３％以下、板厚が４ｍｍの場合に３．５％以下を満たすことを意味する。
　ＮＧとはドロス高さの比率がその条件を満たさないか、アルミ板材ＡＷを切断できなかったことを意味する。図６Ａ及び図６Ｂにおいて、ＮＧと評価されたサンプルのうち、サンプル５及び２６以外ではアルミ板材ＡＷを切断できたもののドロス高さの比率が条件を満たさず、サンプル５及び２６ではアルミ板材ＡＷを切断できなかった。
　図６Ｂより、アルミ板材ＡＷとして板厚が２ｍｍのＡ１０５０のアルミニウムを切断する場合、ｔｍ／ｔｐを１．１５３％以上、１．５９６％以下とするのがよいことが分かる。アルミ板材ＡＷとして板厚が３ｍｍのＡ１０５０のアルミニウムを切断する場合、ｔｍ／ｔｐを０．８１７％以上、０．８９４％以下とするのがよいことが分かる。アルミ板材ＡＷとして板厚が４ｍｍのＡ１０５０のアルミニウムを切断する場合、ｔｍ／ｔｐを０．５６１％以上、０．６４７％以下とするのがよいことが分かる。
　レーザ光の焦点位置はアルミ板材ＡＷの表面よりもノズル３５側に２．０ｍｍ～２．５ｍｍシフトした位置とすることが好ましい。ノズル３５の開口径Ｒｎは板厚の６７％～１００％であることが好ましい。アシストガスＡＧは０．１７体積％～０．４０体積％の酸素を含むことが好ましく、ガス圧は１．０ＭＰａ～１．６ＭＰａであることが好ましい。
　図７は、横軸を板厚、縦軸をｔｍ／ｔｐの値とし、板厚２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍそれぞれのｔｍ／ｔｐの値の下限値と上限値をプロットしたグラフである。板厚をｘ、ｔｍ／ｔｐの値をｙとすると、下限値及び上限値はそれぞれ式（２）及び（３）で示す近似式で表すことができる。
　ｙ＝0.0027e0.36x　　…（２）
　ｙ＝0.0026e0.4512x　　…（３）
　図７より、アルミ板材ＡＷの板厚が２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍのみに限らず、板厚によって決まるｔｍ／ｔｐの値が式（２）で求められる下限値から式（３）で求められる上限値までの間にあれば、Ａ１０５０のアルミ板材ＡＷを、ドロスの発生を十分に抑制して、良好な切断加工品質で切断することができるということになる。
　次に、アルミ板材ＡＷとしてＡ５０５２のアルミニウムを用いた場合の実験結果を説明する。図８Ａ及び図８Ｂは、アルミ板材ＡＷとしてＡ５０５２のアルミニウムを用い、番号１～２８の２８個のサンプルをレーザ加工機１によって切断したときの実験結果を示している。
　図８Ａ及び図８Ｂにおいて、ＮＧと評価されたサンプルのうち、サンプル２４及び２５以外ではアルミ板材ＡＷを切断できたもののドロス高さの比率が条件を満たさず、サンプル２４及び２５ではアルミ板材ＡＷを切断できなかった。
　図８Ｂより、アルミ板材ＡＷとして板厚が２ｍｍのＡ５０５２のアルミニウムを切断する場合、ｔｍ／ｔｐを１．１０４％以上、１．２３９％以下とするのがよいことが分かる。アルミ板材ＡＷとして板厚が３ｍｍのＡ５０５２のアルミニウムを切断する場合、ｔｍ／ｔｐを０．５０７％以上、０．６４２％以下とするのがよいことが分かる。アルミ板材ＡＷとして板厚が４ｍｍのＡ５０５２のアルミニウムを切断する場合、ｔｍ／ｔｐを０．３１５％以上、０．４９６％以下とするのがよいことが分かる。
　レーザ光の焦点位置はアルミ板材ＡＷの表面よりもノズル３５側に２．５ｍｍ～４．０ｍｍシフトした位置とすることが好ましい。ノズル３５の開口径Ｒｎは板厚の６７％～１００％であることが好ましい。アシストガスＡＧは０．１３体積％～０．３４体積％の酸素を含むことが好ましく、ガス圧は０．９ＭＰａ～１．６ＭＰａであることが好ましい。
　図９は、横軸を板厚、縦軸をｔｍ／ｔｐの値とし、板厚２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍそれぞれのｔｍ／ｔｐの値の下限値と上限値をプロットしたグラフである。板厚をｘ、ｔｍ／ｔｐの値をｙとすると、下限値及び上限値はそれぞれ式（４）及び（５）で示す近似式で表すことができる。
　ｙ＝0.0009e0.5839x　　…（４）
　ｙ＝0.0019e0.4582x　　…（５）
　図９より、アルミ板材ＡＷの板厚が２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍのみに限らず、板厚によって決まるｔｍ／ｔｐの値が式（４）で求められる下限値から式（５）で求められる上限値までの間にあれば、Ａ５０５２のアルミ板材ＡＷを、ドロスの発生を十分に抑制して、良好な切断加工品質で切断することができるということになる。
　図１において、保持部５０１は、式（２）及び（３）、式（４）及び式（５）を保持する。制御装置５０は、レーザ加工ユニット２０によって、１０００系の材料記号を有するアルミニウムの所定の板厚の板材を設定されたパラメータに基づく加工条件で切断加工しようとするときに、値ｙが式（２）で得られる下限値から式（３）で得られる上限値までの間となるか否かを判定する。
　制御装置５０は、レーザ加工ユニット２０によって、５０００系の材料記号を有するアルミニウムの所定の板厚の板材を設定されたパラメータに基づく加工条件で切断加工しようとするときに、値ｙが式（４）で得られる下限値から式（５）で得られる上限値までの間となるか否かを判定する。
　なお、保持部５０１に保存される式（２）及び（３）、式（４）及び式（５）は指数近似曲線式であって、板厚によって決まるｔｍ／ｔｐの値の変化率がｔｍ／ｔｐの値に比例する近似式である。その近似式は、ｔｍ／ｔｐの値の変化率から微分方程式で解くことができる。自然対数の底の累乗に使われる定数と積分定数とを算出することによって、鋼材メーカの違い等に起因する近似式を微量に調整することができる。式（２）～（５）において、0.0027，0.0026，0.0009，0.0019が積分定数である。
　各ｔｍ／ｔｐの値を鋼材メーカの違い等に応じて変更して保持部５０１に保持し、制御装置５０が近似式の定数と積分定数とを算出して式（２）～（５）を生成して、式（２）～（５）を保持部５０１に保持すればよい。
　制御装置５０は、アルミ板材ＡＷをレーザ加工ユニット２０によって設定された加工条件で切断加工しようとするときに、値ｙが下限値から上限値までの間となるか否かの判定結果を表示部５２に表示するよう制御する。制御装置５０は、値ｙが下限値から上限値までの間となるか否かで異なる文字、記号、または画像を表示部５２に表示する。
　例えば、制御装置５０は、値ｙが下限値の１０５％よりも大きく、上限値の９５％よりも小さいときには良好を示す記号○を表示部５２に表示する。制御装置５０は、値ｙが下限値の９５％以上１０５％以下であるか、上限値の９５％以上１０５％以下であるときには注意を示す記号△を表示部５２に表示する。制御装置５０は、値ｙが下限値の９５％未満であるか、上限値の１０５％より大きいときには不可を示す記号×を表示部５２に表示する。
　記号○，△，×は記号の一例であり、制御装置５０は、「良好」，「注意」，「不可」のように表示部５２に文字を表示してもよい。注意とする範囲は下限値及び上限値の±５％に限定されず、制御装置５０は、±３％または±７％のように適宜に設定すればよい。
　レーザ加工ユニット２０がアルミ板材ＡＷの切断加工を開始する前に制御装置５０が
表示部５２に判定結果を表示することにより、オペレータは、ドロスの発生が十分に抑制され、良好な切断加工品質が得られるか否かを確認することができる。
　本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
　本発明は、アルミニウムの板材をレーザ光によって切断する際に利用できる。

Claims (10)

  1. 　波長が１μｍ帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器と、
    　前記レーザ発振器から射出されたレーザ光を、１０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工するレーザ加工ユニットと、
    　を備え、
    　レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの４４％の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間ｔｐとし、
    　ｃを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Ｔを前記板材の融解温度、Ｔ０を環境温度、Ａを前記板材の光吸収率、Ｐｄを前記内部領域のエネルギ密度として、式（１）で計算される時間を前記板材が融解する融解時間ｔｍとし、
    　ｔｍ＝ｃ×ρ×λ×π［（Ｔ－Ｔ０）／（２×Ａ×Ｐｄ）］２　　…（１）
    　前記板材の板厚をｘ、融解時間ｔｍを移動時間ｔｐで除したｔｍ／ｔｐの値をｙとしたとき、
    　ｙ＝0.0027e0.36x　　…（２）
    　ｙ＝0.0026e0.4512x　　…（３）
    　前記レーザ加工ユニットは、値ｙを式（２）で得られる下限値から式（３）で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工する
    　ことを特徴とするレーザ加工機。
  2. 　式（２）及び式（３）を保持する保持部と、
    　前記レーザ加工ユニットによって、１０００系の材料記号を有するアルミニウムの所定の板厚の板材を設定された加工条件で切断加工しようとするときに、値ｙが式（２）で得られる下限値から式（３）で得られる上限値までの間となるか否かを判定して、判定結果を表示部に表示するよう制御する制御装置と、
    　をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
  3. 　波長が１μｍ帯であるレーザ光を射出するレーザ発振器と、
    　前記レーザ発振器から射出されたレーザ光を、５０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工するレーザ加工ユニットと、
    　を備え、
    　レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの４４％の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間ｔｐとし、
    　ｃを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Ｔを前記板材の融解温度、Ｔ０を環境温度、Ａを前記板材の光吸収率、Ｐｄを前記内部領域のエネルギ密度として、式（１）で計算される時間を前記板材が融解する融解時間ｔｍとし、
    　ｔｍ＝ｃ×ρ×λ×π［（Ｔ－Ｔ０）／（２×Ａ×Ｐｄ）］２　　…（１）
    　前記板材の板厚をｘ、融解時間ｔｍを移動時間ｔｐで除したｔｍ／ｔｐの値をｙとしたとき、
    　ｙ＝0.0009e0.5839x　　…（４）
    　ｙ＝0.0019e0.4582x　　…（５）
    　前記レーザ加工ユニットは、値ｙを式（４）で得られる下限値から式（５）で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工する
    　ことを特徴とするレーザ加工機。
  4. 　式（４）及び式（５）を保持する保持部と、
    　前記レーザ加工ユニットによって、１０００系の材料記号を有するアルミニウムの所定の板厚の板材を設定された加工条件で切断加工しようとするときに、値ｙが式（４）で得られる下限値から式（５）で得られる上限値までの間となるか否かを判定して、判定結果を表示部に表示するよう制御する制御装置と、
    　をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工機。
  5. 　前記板材の板厚は、２ｍｍ～４ｍｍであることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
  6. 　波長が１μｍ帯であるレーザ光を、１０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、
    　前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工し、
    　レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの４４％の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間ｔｐとし、
    　ｃを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Ｔを前記板材の融解温度、Ｔ０を環境温度、Ａを前記板材の光吸収率、Ｐｄを前記内部領域のエネルギ密度として、式（１）で計算される時間を前記板材が融解する融解時間ｔｍとし、
    　ｔｍ＝ｃ×ρ×λ×π［（Ｔ－Ｔ０）／（２×Ａ×Ｐｄ）］２　　…（１）
    　前記板材の板厚をｘ、融解時間ｔｍを移動時間ｔｐで除したｔｍ／ｔｐの値をｙとしたとき、
    　ｙ＝0.0027e0.36x　　…（２）
    　ｙ＝0.0026e0.4512x　　…（３）
    　値ｙを式（２）で得られる下限値から式（３）で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工する
    　ことを特徴とするレーザ加工方法。
  7. 　式（２）及び式（３）を保持部に保持し、
    　１０００系の材料記号を有するアルミニウムの所定の板厚の板材を設定された加工条件で切断加工しようとするときに、値ｙが式（２）で得られる下限値から式（３）で得られる上限値までの間となるか否かを判定し、
    　判定結果に基づき、値ｙが式（２）で得られる下限値から式（３）で得られる上限値までの間となるか否かで異なる文字、記号、または画像を表示部に表示する
    　ことを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工方法。
  8. 　波長が１μｍ帯であるレーザ光を、５０００系の材料記号を有するアルミニウムの板材に照射し、
    　前記板材に対するレーザ光の照射位置を移動させて前記板材を切断加工し、
    　レーザ光が、前記板材に照射されるレーザ光のビームスポットの面積のうち、前記ビームスポットの中心から前記面積内の全熱エネルギのうちの４４％の熱エネルギに相当する面積の内部領域を移動する時間を移動時間ｔｐとし、
    　ｃを前記板材の比熱、ρを前記板材の密度、λを前記板材の熱伝導度、Ｔを前記板材の融解温度、Ｔ０を環境温度、Ａを前記板材の光吸収率、Ｐｄを前記内部領域のエネルギ密度として、式（１）で計算される時間を前記板材が融解する融解時間ｔｍとし、
    　ｔｍ＝ｃ×ρ×λ×π［（Ｔ－Ｔ０）／（２×Ａ×Ｐｄ）］２　　…（１）
    　前記板材の板厚をｘ、融解時間ｔｍを移動時間ｔｐで除したｔｍ／ｔｐの値をｙとしたとき、
    　ｙ＝0.0009e0.5839x　　…（４）
    　ｙ＝0.0019e0.4582x　　…（５）
    　値ｙを式（４）で得られる下限値から式（５）で得られる上限値までの間となるように設定して、前記板材を切断加工する
    　ことを特徴とするレーザ加工方法。
  9. 　式（４）及び式（５）を保持部に保持し、
    　５０００系の材料記号を有するアルミニウムの所定の板厚の板材を設定された加工条件で切断加工しようとするときに、値ｙが式（４）で得られる下限値から式（５）で得られる上限値までの間となるか否かを判定し、
    　判定結果に基づき、値ｙが式（４）で得られる下限値から式（５）で得られる上限値までの間となるか否かで異なる文字、記号、または画像を表示部に表示する
    　ことを特徴とする請求項８に記載のレーザ加工方法。
  10. 　前記板材の板厚は、２ｍｍ～４ｍｍであることを特徴とする請求項６～９のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
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