CN102325627B - 激光切割方法及激光切割装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供使用固体激光或光纤激光来切割钢板的切割方法和切割装置。切割方法将从固体激光振荡器或光纤激光振荡器射出的激光束形成为环状光束(1)而对被切割材料(4)照射，并沿着轴(5)喷射氧气(2)。切割装置具有：激光振荡器(11)；具有喷嘴(3)的激光炬(12)；构成在激光振荡器(11)至喷嘴(3)之间且至少具有圆锥棱镜(13)、凸透镜(14)及光纤(15)的光学系统；与激光炬(12)连接的氧气供给系统(17)，从激光振荡器射出的激光束经由光学系统形成环状光束(1)，从喷嘴(3)向被切割材料(4)照射，并将由氧气供给系统(17)供给的氧气(2)从喷嘴(3)向被切割材料(4)喷射，由此切割被切割材料(4)。

Description

激光切割方法及激光切割装置

技术领域

本发明涉及一种将从固体激光振荡器或光纤激光振荡器射出的激光束形成为环状而对被切割材料进行照射，并沿环状的光束轴喷射氧气而切割被切割材料的切割方法、及实施该切割方法的切割装置。

背景技术

从激光炬朝向被切割材料照射激光束并喷射辅助气体而进行切割。在该激光切割中，从激光振荡器射出的激光束由透镜聚光，从而在被切割材料上形成能量密度高的激光点。在形成有激光点的被切割材料中，母材发生蒸发或熔融，通过喷射出的辅助气体将其从母材排除。然后，通过使激光炬移动而在被切割材料上形成连续的槽来进行切割。

在被切割材料是含有低碳钢的钢板时，通常使用波长为10.6μm的二氧化碳激光。然而最近，包括YAG激光在内的固体激光和光纤激光等具有二氧化碳激光的波长的约1/10的波长的激光也作为用于切割钢材的机构而引起瞩目。

例如在专利文献1中记载有采用YAG激光进行焊接或切割的激光加工装置及激光加工头的发明。该发明将以往的从激光的周围供给切割气体所引起的、切割气体的压力受聚光透镜系统的耐压强度的影响而在升高方面存在限制这一点作为一个应解决的课题。

在专利文献1的技术中，激光加工头具备将激光分割成多束的光学系统、使激光向被加工部聚光的多个聚光光学系统、在由多个聚光光学系统所聚光的激光束之间将加工机构支承为更换自如并使加工机构的加工部位朝向被加工部配置的支承部，由此，对同一被加工部能够始终一致地同时进行激光加工和其他加工。其结果是，能够同时且不对透镜系统产生影响地向被加工部供给激光束和其他加工的加工用动力，而进行良好的加工。

【专利文献1】日本专利第3752112号公报

使用二氧化碳激光来切割钢板的激光切割方法及利用专利文献1所记载的激光加工装置来切割钢板的方法都使激光束的焦点位于被加工材料的大致表面而形成激光点。并且，通过朝向激光点喷射辅助气体或切割气体而切割被切割材料。即，在上述各技术中，在切割被切割材料时，利用激光使母材蒸发、熔融，并利用辅助气体或切割气体将熔融物从母材排除。

如上所述，在激光切割中，利用透镜对激光束进行聚光而形成能量密度高的激光点，从而集中地将能量向被切割材料施加，来切割被切割材料。即，激光束在对被切割材料的切割工艺中发挥主要作用，辅助气体、切割气体只不过起到辅助性的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用固体激光或光纤激光来切割含有低碳钢的钢板时的新的切割方法和实现该切割方法的新的切割装置。

为了解决上述课题，本发明涉及的激光切割方法的特征在于，将从固体激光振荡器或光纤激光振荡器射出的激光束形成为环状的光束而向被切割材料照射，并沿着该环状的光束的轴喷射氧气，由此切割被切割材料。

另外，本发明涉及的激光切割装置具有：固体激光振荡器或光纤激光振荡器；具有与被切割材料的表面对置配置的喷嘴的激光炬；构成在所述激光振荡器至所述激光炬的喷嘴之间且至少具有圆锥棱镜、凸透镜及光纤的光学系统；与所述激光炬连接的氧气供给系统，从所述激光振荡器射出的激光束经由所述光学系统而形成环状的光束，从所述激光炬的喷嘴朝向被切割材料照射，并将由所述氧气供给系统供给的氧气从所述激光炬的喷嘴朝向被切割材料喷射，由此切割被切割材料。

在上述激光切割装置中，优选，光学系统包括为了放大激光束而由凹透镜和凸透镜的组合构成的系统。

【发明效果】

在本发明的激光切割方法中，将从固体激光振荡器或光纤激光振荡器(以下简称为“激光振荡器”)射出的激光束形成为环状的光束而对被切割材料照射，由此，能够将被切割材料中的母材加热。并且，通过沿着环状的光束的轴喷射氧气，从而能够使被切割材料中的加热部位燃烧并将熔融物从母材排除来进行切割。

形成为环状的光束不使被切割材料的照射部位蒸发或熔融，而仅使照射部位的温度上升。并且，沿着环状的光束的轴喷射的氧气使被切割材料的母材燃烧并排除熔融物。此种基于氧气进行的母材的燃烧、熔融物的排除与气体切割法中的切割氧的功能相同。

因此，在本发明的激光切割方法中，与以往的激光切割法不同，而与以往的气体切割法类似。因此，能够实现基于母材的燃烧发热的被切割材料的加热，即使在使用相同输出的激光振荡器的情况下，也能够将更厚的被切割材料切割。

另外，在本发明的激光切割装置中，由于在激光振荡器至激光炬的喷嘴之间设有包括圆锥棱镜、凸透镜及光纤在内的光学系统，因此能够通过圆锥棱镜将从激光振荡器射出的激光束形成为环状，并利用凸透镜能够形成为环状的光束而使其从喷嘴朝向被切割材料照射。而且通过从氧气供给系统向激光炬供给氧气，从而能够将供给的氧气从激光炬的喷嘴喷射。

因此，能够从激光炬的喷嘴照射形成为环状的光束，且能够从喷嘴沿着光束轴喷射氧气。因此，将激光炬与被切割材料的表面对置配置，从激光振荡器射出激光束并从氧气供给系统供给氧气，从而能够利用形成为环状的光束将被切割材料加热，使加热部位燃烧并排除熔融物而进行切割。

附图说明

图1是说明激光切割方法的图。

图2是说明激光切割装置的简要结构的图。

图3是说明激光炬的结构的图。

图4是利用圆锥棱镜和凸透镜来形成环状的光束的说明图。

【符号说明】

1   环状光束

1a  内径

1b  外径

2   氧气

3  喷嘴

3a  孔

4  被切割材料

5  轴

11  激光振荡器

12  激光炬

12a  室

12b  主体部

12c  透镜单元部

12d  喷嘴单元部

13  圆锥棱镜

14  凸透镜

15  光纤

15a  保护管

16  光学系统

17  氧气供给系统

17a  软管

17b  管接头

18  耦合器

18a、18b  凸透镜

19  光学系统

19a  凹透镜

19b  凸透镜

20  分光镜

21  监控系统

21a  光轴

22  CCD相机

23  反射镜

24  透镜单元

25  调整环

28  冷却水通路

29  供排水口

具体实施方式

以下，说明本发明的激光切割方法、激光切割装置。本发明的激光切割方法利用形成为环状的激光束将被切割材料加热，对该加热部位喷射氧气而使母材燃烧，并通过氧气具有的动能将燃烧生成物、熔融物从母材排除，从而切割被切割材料。即，本发明的激光切割方法接近以往的气体切割法，但与利用激光束的能量使被切割材料蒸发或熔融来进行切割的以往的激光切割方法不同。

利用本发明的激光切割方法进行切割的被切割材料需要是母材能够在氧气下燃烧的材质。即，作为被切割材料，能够将一直以来利用气体切割法能实现良好的切割的全部材质作为对象，优选为包括低碳钢、碳钢、合金钢等材质的钢板。

首先，利用图1来说明本发明的激光切割方法。在本发明中，将从Nd.YAG激光器、DISC激光器等固体激光振荡器或光纤激光振荡器等激光振荡器射出的激光束形成为环状的光束(以下称为“环状光束”)1而从激光炬的喷嘴3向被切割材料4照射。

在本发明中，环状光束1只要将激光束形成为环状即可，并未限定利用何种机构形成为环状。作为形成环状光束1的方法，有后述的激光切割装置那样组合利用圆锥棱镜13和凸透镜14的方法，或利用短焦透镜的方法等方法，优选选择性地采用这些方法。

环状光束1的能量密度低于由透镜聚光而形成的激光点的能量密度，被环状光束1照射的被切割材料4的母材虽然温度上升，但不会发生蒸发或熔融。在本发明的激光切割方法中，环状光束1优选具有使被切割材料4的被照射部位能上升到约900℃～约1000℃左右的能量密度。在被切割材料4中的被环状光束1照射的被照射部位上升到约900℃～约1000℃的情况下，通过沿着环状光束1的轴5来喷射氧气2，而能够使母材燃烧。

作为沿着环状光束1的轴5喷射的氧气2，可以使用与通常的气体切割中使用的氧气为相同纯度的氧气。尤其是沿着环状光束1的轴5来喷射氧气2时，喷射出的氧气2优选沿着环状光束1的内径1a。

即，从喷嘴3喷射出的氧气2优选外径与环状光束1的内径1a一致或比该内径1a稍小。然而，由于氧气2在具有比大气压高的压力的状态下向喷嘴3供给，因此在从喷嘴3喷射出的同时进行膨胀，而无法保证沿着环状光束1的内径1a喷射。

因此，通过将激光炬中的作为环状光束1的射出孔且作为氧气2的喷射孔的喷嘴3的孔3a形成为与环状光束1的内径1a大致相等或比该内径1a稍小的值，而能够使从喷嘴3喷射出的氧气2大致沿着环状光束1的内径1a。喷嘴3的孔3a的形状根据与向喷嘴3供给的氧气的压力的关系而优选适当设定成直线状、末端扩散状等。

另外，从喷嘴3的孔3a喷射出的氧气2无需准确地沿着环状光束1的内径1a，例如，即使氧气2大于环状光束1的内径1a，其一部分与环状光束1重复也没有问题。而且，在氧气2比环状光束1的内径1a小而在两者之间形成有间隙的情况下，在开始对被切割材料4的切割时或多或少地会多花费一些时间，但是一旦开始切割后不会产生大问题。然而，在氧气2与环状光束1完全重合或大于外径1b时，有可能会发生过烧。

环状光束1的内径1a的尺寸并未特别限定。该环状光束1的内径1a是限定对被切割材料4加热的加热范围的值，对喷射氧气2时燃烧的母材的范围进行限定，并对形成在被切割材料4上的切割宽度的值进行限定。因此，环状光束1的内径1a的尺寸根据被切割材料4的厚度而变化，但优选在约0.5mm～约2mm的范围内。

另外，环状光束1的外径1b的尺寸也未限定。尤其是环状光束1的外径1b与内径1a之差的1/2(光束宽度)成为具有对被切割材料4进行加热的加热功能的部位(加热部)。该加热部的尺寸根据被切割材料4的厚度而变化，但只要是约0.5mm左右就足够。因此，环状光束1的外径1b的尺寸优选为约1.5mm～约3mm左右。

然而，环状光束1的内径1a、外径1b的尺寸并未限定为上述的尺寸，当然可以设定成具有在短时间内使被切割材料4的表面上升至约900℃～1000℃所需的能量密度的尺寸。

另外，喷嘴3的距被切割材料4的表面的距离(喷嘴3的高度)并未限定，但考虑到从该喷嘴3喷射出的氧气2的膨胀、空气引起的纯度下降时，优选使喷嘴3尽可能地接近被切割材料4的表面。然而，若降低喷嘴3的高度，则存在当被切割材料4发生变形时与喷嘴3相接触、或从切割部位产生的溅射物附着于喷嘴3或进入到孔3a的内部的情况。因此，优选将喷嘴3的高度设定成约3mm以上。

尤其是在利用平行光线来形成环状光束1时，无论喷嘴3的高度为如何值都不会产生变化，但在利用凸透镜进行聚光时，需要考虑与凸透镜的焦点距离的关系。

下面，说明利用本发明的激光切割方法对被切割材料4穿孔及以穿孔点为起点进行切割的工序。首先，设定喷嘴3的高度，并使喷嘴3移动而停止在被切割材料4上预先设定的切割的开始点(穿孔点)。

在规定的停止位置上，从喷嘴3朝向被切割材料4照射环状光束1时，被环状光束1照射到的部位的母材温度上升。然后，在被切割材料4中的由环状光束1所照射的照射部位的温度上升到约900℃～约1000℃的范围时，若沿着环状光束1的轴5从喷嘴3的孔3a喷射氧气2，则温度上升的部位的母材发生燃烧，产生熔融物。

伴随母材的燃烧而产生的具有流动性的燃烧生成物及熔融物通过喷射出的氧气的动能而被从母材排除，从而新的母材露出。而且，在伴随母材的燃烧的燃烧热量的作用下，母材被沿厚度方向加热。即，被切割材料4中，表面侧被环状光束1加热，厚度方向被燃烧热量加热。因此，在持续的氧气2的喷射的作用下，母材继续燃烧，从而在被切割材料4上形成(穿孔)出沿厚度方向贯通的孔。

在被切割材料4上形成贯通孔后，若在持续进行环状光束1的照射及氧气2的喷射的状态下使喷嘴3向预先设定的方向移动，则伴随着喷嘴3的移动，环状光束1连续地对被切割材料4的表面进行加热，同时氧气2持续地对被切割材料4进行母材的燃烧、以及燃烧生成物及熔融物从母材的排除。通过如上所述这样在被切割材料4上形成连续的槽，而能够切割被切割材料4。

接下来，利用图2～图5对激光切割装置进行说明。首先，利用图2对激光切割装置的简要结构进行说明。

激光切割装置包括：激光振荡器11；具有喷嘴3的激光炬12；构成在激光振荡器11与喷嘴3之间且至少具有圆锥棱镜13、凸透镜14及光纤15的光学系统16；经由软管17a与激光炬12连接的氧气供给系统17。

激光振荡器11由从Nd.YAG激光器、DISC激光器等固体激光振荡器或光纤激光振荡器等中选择出的激光振荡器构成。从这些激光振荡器射出的激光束的波长为约1μm，是从二氧化碳激光振荡器射出的激光束的波长的约1/10。

在激光振荡器11为固体激光振荡器时，激光束的开口数(NA)为0.2，且较大而约为32度，激光振荡器11和激光炬12经由光纤15直接连接。光纤15的芯径并未特别限定，而使用开口数为0.2或0.2以上且芯径为0.3mm～0.6mm的光纤。

然而，在激光振荡器11为光纤激光振荡器时，激光束的开口数为0.1，扩展角为从固体激光振荡器射出的激光束的扩展角的1/2。因此，在激光振荡器11上配置设有凸透镜18a、18b的耦合器18，并在该耦合器18内将激光束的开口数从0.1转换成0.2后，向光纤15入射。

如图3所示，在激光炬12的内部形成有室12a，该室12a能够使激光束通过，且能够设置圆锥棱镜13、凸透镜14。而且，激光炬12具有：主体部12b；相对于主体部12b构成为可拆装的透镜单元部12c；相对于透镜单元部12c构成为可拆装的喷嘴单元部12d。并且，通过相对于主体部12b安装透镜单元部12c、喷嘴单元部12d，而构成内部具有室12a的激光炬12。

在激光炬12的主体部12b的上端侧连接有由保护管15a保护的光纤15，该光纤15向室12a开口从而能射出激光束。

在激光炬12的与室12a的上游侧对应的主体部12b上设有用于放大激光束的、通过凹透镜19a和凸透镜19b的组合而构成的光学系统19，在该光学系统19的下游侧设有分光镜20。并且，在分光镜20的作用下，向该分光镜入射的激光束的大部分经由圆锥棱镜13、凸透镜14而向在激光炬12的下端设置的喷嘴3方向分光，一部分向监控系统21分光。

监控系统21具有CCD相机22、反射镜23、透镜单元24，各结构部件22～24沿着相对于分光镜20为45度的光轴21a配置。在如此构成的监控系统21中，从分光镜20分光出的激光束沿着光轴21a前进，由透镜单元24聚光并同时由反射镜23改变路径而向CCD相机22入射。

因此，CCD相机22对分光镜20中的激光束进行拍摄，被该CCD相机22拍摄到的激光束显示在未图示的显示器上，由操作者监视激光束的运行状况。

圆锥棱镜13及凸透镜14设置在透镜单元部12c上，且各自的光轴配置成与同一轴5一致，该透镜单元部12c以可拆装的方式设置在激光炬12的主体部12b上。因此，能够将通过分光镜20而向圆锥棱镜13入射的激光束形成为具有轴5的环状光束1。

透镜单元部12c由双重圆筒构成，在内周面上安装有圆锥棱镜13和凸透镜14。而且，在双重圆筒的内部构成冷却水通路28。并且，在透镜单元部12c的外周面上设有向冷却水通路28供给或排出冷却水的供排水口29。因此，通过从一方的供排水口29向冷却水通路28供给冷却水，而能够通过构成透镜单元部12c的圆筒部件将圆锥棱镜13、凸透镜14冷却。

圆锥棱镜13及凸透镜14隔着调整环25安装在透镜单元部12c上，从而将两者的间隔保持成恒定。而且，通过将圆锥棱镜13及凸透镜14的外周面配置成能够与透镜单元部12c的内周面接触，而能够实现良好的冷却。尤其是由于向激光炬12的室12a供给具有压力的氧气，因此通过事先使圆锥棱镜13、凸透镜14如上所述构成，从而相互的间隔不会发生变化，能够实现稳定的激光束的折射和聚光。

圆锥棱镜13及凸透镜14的规格对应于向圆锥棱镜13入射的激光束的直径、应形成的环状光束1的尺寸而适当设定。在本实施例中，将圆锥棱镜13的底面与法线所成的角度设定成1度，凸透镜14选择使用焦点距离为30mm、50mm、100mm的透镜而与圆锥棱镜13组合。

在如上所述组合而成的圆锥棱镜13和凸透镜14中，如图4所示，向圆锥棱镜13入射的激光束对应于圆锥面的倾斜进行折射，从而形成环状光束。并且，从圆锥棱镜13射出的环状光束1向凸透镜14入射而被聚光，通过焦点后被放大而在被切割材料4上形成环状光束1。

喷嘴单元部12d相对于安装在激光炬12的主体部12b上的透镜单元部12c的下端部能够拆装，且在前端形成有射出环状光束1并喷射氧气2的孔3a。所述孔3a的中心轴与圆锥棱镜13、凸透镜14的光轴5一致，即，与环状光束1的轴5一致，通过对被切割材料4从孔3a照射环状光束1并喷射氧气2，而能够沿着环状光束1的轴5来喷射氧气。

在喷嘴单元部12d的规定位置上安装有管接头17b，该管接头17b经由软管17a与氧气供给系统17连接。氧气供给系统17的结构并未特别限定，可以采用包括氧气瓶、工厂配管的氧气供给系统。

另外，从氧气供给系统17向喷嘴单元部12d供给的供给压力根据形成在喷嘴3上的孔3a的截面形状来设定。即，所述供给压力优选设定成从孔3a喷射出的氧气喷流尽可能地保持直线性，且能够高效率地将压力能量转换成速度能量的压力。

在如上所述构成的激光切割装置中，从激光振荡器11射出的激光束根据该激光振荡器11的结构，直接通过光纤15或经由耦合器18后通过光纤15而到达激光炬12的室12a。接下来，在室12a中从光纤15射出，经由构成光学系统19的凹透镜19a、凸透镜19b，成为大致平行的光束，并向分光镜20入射。

通过分光镜20，入射的激光束的一部分沿着光轴21a被导向监控系统21，大部分沿着轴5被导向圆锥棱镜13、凸透镜14。在监控系统21中，由CCD相机22拍摄到的图像被显示在未图示的显示器上，通过操作者来监控激光束的运行状况。

向圆锥棱镜13入射的激光束朝向轴5折射，向凸透镜14入射而被聚光，从而形成环状光束1。形成的环状光束1通过喷嘴3的孔3a，如图1所示，向被切割材料4照射而将该被切割材料4加热。

在环状光束1对被切割材料4进行加热的同时或经过规定时间后，从氧气供给系统17向喷嘴单元部12d供给氧气。向喷嘴单元部12d供给的氧气从喷嘴3的孔3a朝向被切割材料4的加热部位喷射，使预先被加热的母材燃烧，并利用燃烧热量将母材加热，且排除燃烧生成物。

如上所述通过进行母材的燃烧、燃烧生成物的排除并同时使激光炬12向预先设定的切割方向移动，从而能够切割被切割材料。

【工业实用性】

本发明的激光切割方法及激光切割装置适合利用在通过以往的气体切割法进行切割的钢板的切割中。

Claims (1)

1.一种激光切割装置，其特征在于，具有：

固体激光振荡器或光纤激光振荡器；具有与被切割材料的表面对置配置的喷嘴的激光炬；构成在所述固体激光振荡器或光纤激光振荡器至所述激光炬的喷嘴之间且至少具有圆锥棱镜、凸透镜及光纤的光学系统；与所述激光炬连接的氧气供给系统，

构成所述激光炬的喷嘴具有射出形成为环状的光束且沿着该光束喷射氧气的孔，

所述光学系统构成为能够使从所述固体激光振荡器或光纤激光振荡器射出的激光束形成为环状的光束，

并且，构成所述激光炬的喷嘴的孔构成为能够以大致等于或稍小于向被切割材料照射的所述环状的光束的内径的直径来喷射从所述氧气供给系统供给的氧气，

从构成所述激光炬的喷嘴的孔朝向被切割材料照射环状的光束并沿着所述环状的光束以大致等于或稍小于该环状的光束的内径的直径向被切割材料喷射氧气，由此切割被切割材料，

所述光学系统包括用于放大激光束的由凹透镜和凸透镜的组合构成的系统。