レーザ加工におけるレーザ焦点位置の高周波揺動を用いた厚板鋼板の切断面における条痕の制御

摘要

酸素をアシストガスとして用いるレーザ切断加工では，切断面に，周期的な酸化反応による条痕が形成されることが知られており，面粗さ悪化の原因として指摘されている．これは，酸化燃焼反応速度に対し，レーザの走査速度が遅いことが主な原因であるため，充分に高速で加工できない厚板切断加工では，特に深い条痕が形成されやすい．そこで，厚板切断加工時の面粗さを低減するため，切断加工中にレーザ焦点を面内に高周波円揺動し，積極的に細かい条痕を形成する手法を提案する．円揺動時，レーザ照射位置が切断面前面に高速で接近，及び退避することで，酸化燃焼反応の発生，停止の周期が短縮され，レーザ光の走査軌跡に沿った形状に近い条痕を形成できると推測している．そのため，設定した円揺動半径や周波数に応じて，条痕の形状を制御でき，それにより細かい条痕の形成が可能と考えている．また，レーザ焦点を板厚方向に高周波上下搖動することで，板厚方向に渡って均一な条痕を形成できると考えている．レーザ光はレンズで集光されているため，焦点位置から離れるに従い，ビーム径の拡大及びエネルギ密度の低下を招く．板厚が増加する程，切断面上における板厚方向のエネルギ密度の違いが大きくなるため，焦点高さに対して適切な範囲にない部分では，面が荒れることが想定される．レーザ焦点位置を上下搖動することで，板厚方向のエネルギ密度を均一に近づけることが可能と推測している．著者らは，集光レンズを６軸方向に駆動可能な磁気浮上アクチュエータを開発しており，既存レーザ加工機に搭載することで，レーザ切断加工中に，アシストガスノズルに対して相対的に，レーザ焦点位置の任意な位置決めを実現可能である．そこで，本報告では，まず，厚板切断加工における条痕形状に対する，レーザ焦点位置の揺動振幅及び周波数の影響を評価したので報告する．