CN103180085B - 激光切割装置和激光切割方法 - Google Patents

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Abstract

一种激光切割装置和激光切割方法，其能够采用波长比CO2激光短的激光切割具有厚度的被加工物。激光切割装置(10)从激光射出部(24)射出用于切割被加工物(30)的激光束(波长比CO2激光短的YAG系激光)，该激光切割装置利用光学系统(26)汇聚使得该激光束的截面形状呈椭圆形且该椭圆形的长轴方向与被加工物(30)的切割行进方向一致，汇聚成椭圆形的激光束有助于被加工物(30)内部的熔融池的温度上升。

Description

激光切割装置和激光切割方法
技术领域
本发明涉及激光切割装置和激光切割方法。
背景技术
近年来，正在开发例如专利文献1所记载的激光切割装置，该激光切割装置将激光束从激光振荡器经由光纤传送到用于切割金属板工件的加工头，并利用该激光束切割工件。采用此光纤的激光器(以下称为“光纤激光器”)利用光纤传送固体激光(例如，YAG系激光)。
另外，因为光纤激光器与气体激光器(例如CO2激光器)相比产生激光所需的电能较少、与棒式固体激光器相比激光束的质量(激光束的聚光性和直进性)较高、且输出功率可以较高，所以正得以普及。
这里，激光切割装置在切割作为被加工物的金属时，有时不仅利用激光束的能量，而且利用氧化热使被加工物处于高温来进行切割，该氧化热是在向被加工物照射激光束的同时利用吹出的氧气(辅助气体)氧化金属的氧化热。由于被加工物变成高温，构成被加工物的金属和在获得氧化热的过程中生成的氧化金属熔融成为熔融金属。然后，通过在上述辅助气体的压力下从被加工物上吹走并除去熔融金属来切割被加工物。
然而，由于熔融金属的温度越高，其粘性越低且流动性越大，所以激光切割装置有必要通过升高被加工物的切割温度来降低熔融金属的粘性且提高利用辅助气体排除熔融金属的排除性。
因此，在利用激光束切割时，必须将被加工物内部的温度即切割温度设为高温。例如，在成为切割对象的被加工物是Fe(铁)的情况下，切割温度必须设为1200℃～1700℃左右。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开2008-296266号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，用于光纤激光器等的YAG系激光被认为与以往采用的CO2激光相比，切割时的温度难以上升。
其理由被认为如下。
对于YAG系激光和CO2激光，由于YAG系激光的波长为1.06～1.08μm，CO2激光的波长为10.6μm，两者的波长大小不同，所以相对于材料的激光吸收率(以下称为“材料吸收率”)和相对于等离子体的激光吸收率(以下称为“等离子体吸收率”)不同。例如，如以往已知的图6的实验例所示，对于铁的材料吸收率，CO2激光为0.08，波长比CO2激光短的YAG系激光为0.39。
如此，由于YAG系激光的材料吸收率比CO2激光高，所以与CO2激光相比，激光束的能量被更多地消耗于被加工物的熔融，因而激光束的能量难以帮助被加工物的温度上升。另外，在切割被加工物时，作为被加工物的金属的一部分蒸发并转化为等离子体。另外，尽管等离子体温度有助于所切割的被加工物内部的温度上升，但YAG系激光的等离子体吸收率与CO2激光比较仅为CO2激光的1/100左右。因此，YAG系激光难以使所切割的被加工物内部的等离子体温度上升。
另外，在采用了光纤激光器的情况下，由于激光振荡器的个体差异、光纤随时间的劣化、对光纤的力学压力(应力)的积累和不均匀等，包层与纤芯之间的界面处产生应力且折射率发生变化，从而激光束的质量和输出功率降低，激光切割装置的切割性能下降。
结果，采用波长比CO2激光短的激光的激光切割装置存在这样的问题，在切割具有厚度的被加工物的情况下，不能使被加工物内部的温度上升至切割所需的温度，从而不能切割被加工物。
本发明是鉴于此情况作出的，其目的是提供一种能够采用波长比CO2激光短的激光切割具有厚度的被加工物的激光切割装置和激光切割方法。
用于解决问题的手段
为解决上述问题，本发明的激光切割装置采用以下手段。
即，依据本发明第一方式的激光切割装置包括：射出装置，射出波长比CO2激光短且用于切割被加工物的激光束，所述被加工物具有在被所述激光束照射的情况下在内部产生熔融池的厚度；以及汇聚装置，使该激光束汇聚，使得从所述射出装置射出的所述激光束的截面形状呈椭圆形且该椭圆形的长轴方向与该被加工物的切割行进方向一致。
依据本发明的第一方式，利用射出装置射出波长比CO2激光短且用于切割被加工物的激光束，被加工物具有在被该激光束照射的情况下在内部产生熔融池的厚度；利用汇聚装置使该激光束汇聚，使得该激光束的截面形状呈椭圆形且该椭圆形的长轴方向与被加工物的切割行进方向一致。
波长比CO2激光短的激光(例如，YAG系激光)材料吸收率较高且等离子体吸收率较低，因此在利用激光束切割被加工物的情况下，不能使被加工物的内部处于这样一种程度的高温，该高温使得熔融金属具有可利用辅助气体吹走程度的低粘性。
这里，使激光束的截面形状呈椭圆形且椭圆形的长轴方向与被加工物的切割行进方向一致。由此，可改变激光束能量从被加工物的熔融到切割区域的温度上升的分配，被加工物的切割方向前方侧的激光束的能量消耗于被加工物的金属的熔融，另一方面，被加工物的切割方向后方侧的激光束的能量消耗于熔融金属的温度上升，熔融金属的温度成为高温。结果，熔融金属的粘性可下降至能够利用辅助气体吹走熔融金属的程度，所以本发明可采用波长比CO2激光短的激光切割具有厚度的被加工物。
另外，在依据本发明第一方式的激光切割装置中，所述汇聚装置可以具有：柱面透镜，使该激光束汇聚，使得从所述射出装置射出的激光束的截面形状呈椭圆形；以及转动装置，使该柱面透镜转动，使得经所述柱面透镜汇聚的激光束的长轴方向与该被加工物的切割行进方向一致。
依据本发明的第一方式，因为汇聚装置具有：柱面透镜，使从射出装置射出的激光束汇聚成截面形状呈椭圆形；以及转动装置，使该柱面透镜转动，使得经柱面透镜汇聚的激光束的长轴方向与该被加工物的切割行进方向一致，所以能够利用简单的构造使激光束的长轴方向与该被加工物的切割行进方向一致。
另外，在依据本发明第一方式的激光切割装置中，所述激光束可以为光纤激光。
依据本发明第一方式，由于光纤激光是以高质量进行高输出的激光束，所以能够更可靠地切割具有厚度的被加工物。
另外，在依据本发明第一方式的激光切割装置中，所述激光束可以为盘式激光器产生的激光束。
依据本发明第一方式，由于盘式激光器产生的激光束是以高质量进行高输出的激光束，所以能够更可靠地切割具有厚度的被加工物。
另一方面，为解决上述问题，本发明的激光切割方法采用以下手段。
即，依据本发明第二方式的激光切割方法包括：第一工序，射出波长比CO2激光短且用于切割被加工物的激光束，所述被加工物具有在被所述激光束照射的情况下在内部产生熔融池的厚度；以及第二工序，使该激光束汇聚，使得射出的所述激光束的截面形状呈椭圆形且该椭圆形的长轴方向与该被加工物的切割行进方向一致，汇聚成椭圆形的所述激光束有助于所述熔融池的温度上升。
依据本发明第二方式，被加工物的切割方向前方侧的激光束的能量消耗于被加工物的金属的熔融，另一方面，被加工物的切割方向后方侧的激光束的能量消耗于熔融金属的温度上升，熔融金属的温度成为高温。结果，熔融金属的粘性可下降至能够利用辅助气体吹走熔融金属的程度，所以依据本发明第二方式的激光切割方法能够采用波长比CO2激光短的激光切割具有厚度的被加工物。
发明的效果
依据本发明，具有能够采用波长比CO2激光短的激光切割具有厚度的被加工物的优良效果。
附图说明
图1是表示依据本发明实施方式的激光切割装置的光学系统的构造的示意图。
图2A是表示利用采用了现有光纤激光器的激光切割装置切割的被加工物的切割状态的示意图。
图2B是表示利用依据本发明实施方式的激光切割装置切割的被加工物的切割状态的示意图。
图3是表示依据本发明实施方式的激光切割装置的切割方向与激光束方向之间的关系的示意图。
图4是依据本发明实施方式的激光切割装置的整体构造图。
图5是依据本发明实施方式的激光切割装置的筐筒的纵剖视图。
图6是表示材料吸收率随激光束波长的变化的图表。
具体实施方式
以下，参照附图说明依据本发明的激光切割装置和激光切割方法的一种实施方式。
图1表示依据本实施方式的激光切割装置10的光学系统的构造。
激光切割装置10包括激光振荡器20、光纤22、激光射出部24和光学系统26。依据本实施方式的激光切割装置10采用光纤激光器，该光纤激光器采用光纤22为介质。
另外，依据本实施方式的激光切割装置10通过向载置于工作台28上的被加工物30连续地照射激光束来切割被加工物30。被加工物30为金属，本实施方式中作为一例，将被加工物30设为铁(Fe)。另外，被加工物30的厚度例如为十至几十毫米(例如50mm)。
激光振荡器20生成激光(本实施方式中为YAG系激光)，所生成的激光利用光纤22传送，并从设在光纤22末端的激光射出部24射向光学系统26。
光学系统26从上游侧起具有准直光学系统40、柱面透镜系统42和聚光光学系统44，且准直光学系统40、柱面透镜系统42和聚光光学系统44以中心轴为同轴的方式配置。
准直光学系统40包括准直透镜，且使从光纤22射出的具有预定扩束(开口数NA＝sinθ)的激光束成为平行光。
柱面透镜系统42包括柱面透镜，且使利用准直光学系统40而成为平行光的激光束仅朝向一个方向汇聚。即，激光束在柱面透镜系统42的作用下以截面形状呈椭圆形的方式汇聚。
聚光光学系统44使在柱面透镜系统42的作用下以截面形状呈椭圆形的方式汇聚的激光束汇聚为适于切割被载置在工作台28上的被加工物30的直径。
准直光学系统40、柱面透镜系统42和聚光光学系统44由例如石英玻璃形成。另外，准直光学系统40、柱面透镜系统42和聚光光学系统44分别可以由一个透镜构成，也可以由多个透镜构成。
另外，依据本实施方式的激光切割装置10在切割被加工物30时一边向切割部分吹送作为辅助气体的氧气，一边进行切割。
这里，图2A表示利用采用现有光纤激光器的激光切割装置切割的被加工物30的示意图，图2B表示利用依据本实施方式的激光切割装置10切割的被加工物30的示意图。
如图2A的俯视图所示，现有的激光切割装置对被加工物30照射截面形状呈圆形的激光束以切割被加工物30。激光束的径向宽度近似成为切口宽度(切割宽度)。
然而，在被加工物30的厚度较厚(例如十至几十毫米(例如50mm))的情况下，如图2A的纵剖视图所示，YAG系激光存在不能到达被加工物30的底面而不能切割被加工物30的情况。
此理由被认为是因为YAG系激光与CO2激光相比材料吸收率较高且等离子体吸收率较低。
更具体地说，由于YAG系激光与CO2激光相比材料吸收率较高，所以激光束的能量被更多地消耗于被加工物30的熔融，因而激光束的能量难以帮助被加工物30的温度上升。另外，在切割被加工物30时，作为被加工物30的金属的一部分蒸发并转化为等离子体。另外，尽管等离子体的温度有助于升高所切割的被加工物30内部的温度，但YAG系激光的等离子体吸收率比CO2激光低，所以可认为YAG系激光难以使所切割的被加工物30内部的等离子体温度上升。
结果，即使构成被加工物30的金属和氧化金属熔融成为熔融金属并在被加工物30内部生成熔融池，由于激光束不能使熔融池的温度充分上升，所以熔融金属的粘性不降低，辅助气体不能使熔融金属从被加工物30的内部流出。由此，现有激光切割装置存在不能切割具有在内部产生熔融池厚度的被加工物30的情况。
另一方面，如图2B的俯视图所示，依据本实施方式的激光切割装置10向被加工物30照射截面形状呈椭圆形的激光束。
当截面形状呈椭圆形的激光束向被加工物30照射时，被加工物30的切割方向前方侧的该激光束的能量消耗于被加工物30的金属的熔融。另一方面，被加工物30的切割方向后方侧的该激光束的能量可消耗于熔融金属的温度上升。
结果，熔融金属的粘性下降，辅助气体能够利用其压力把熔融金属吹出被加工物30外，所以激光切割装置10可以切割具有厚度的被加工物30。利用熔融金属的粘性下降，变得可以向下方吹走熔融金属，所以如图2B的纵剖视图所示，切割划痕(ドラツグライン)与图2A的纵剖视图所示的现有例相比变得立起。
如图3所示，依据本实施方式的激光切割装置10为了切割具有厚度的被加工物30，使激光束汇聚成激光束的长轴方向与被加工物30的切割行进方向一致。
图4是激光切割装置10的整体构造图。
激光切割装置10所包括的光学系统26被收容在上部配置有激光射出部24的筐筒50中。
筐筒50由能在三轴方向上(xyz轴)移动的三轴臂状件52支承，且通过三轴臂状件52驱动，被加工物30的切割行进方向可以变化。三轴臂状件52的移动由控制盘54控制。
另外，如图5的筐筒50的纵剖视图所示，依据本实施方式的筐筒50被上下分割，上部筐筒50A内配置有激光射出部24和准直光学系统40，下部筐筒50B内配置有柱面透镜系统42和聚光光学系统44。
上部筐筒50A由三轴臂状件52支承，下部筐筒50B以可相对于上部筐筒50A同轴转动的方式嵌合。
另外，上部筐筒50A的侧面设有电机56。
方向补正齿轮58A以与设在下部筐筒50B侧面上的齿轮58B啮合的方式设在电机56的转轴56A上。
另外，电机56的转轴56A的转动角度与由于三轴臂状件52的移动所导致的被加工物30的切割行进方向的变化同步并由控制盘54控制。
控制盘54通过经由与方向补正齿轮58A啮合的齿轮58B使下部筐筒50B即柱面透镜系统42转动，控制电机56的转轴56A的转动角度，使得被加工物30的切割行进方向与激光束的长轴方向一致。
如以上所说明的，在依据本实施方式的激光切割装置10中，用于切割被加工物的激光束(本实施方式中为波长比CO2激光短的YAG系激光)从激光射出部24射出，该激光束利用光学系统26汇聚成该激光束的截面形状呈椭圆形且该椭圆形的长轴方向与被加工物的切割行进方向一致，汇聚成椭圆形的激光束有助于被加工物30内部的熔融池的温度上升，所以熔融金属的粘性可下降至能够利用辅助气体吹走熔融金属的程度，从而能够采用波长比CO2激光短的激光切割具有厚度的被加工物30。
以上，采用上述实施方式对本发明进行了说明，但本发明的技术范围不限于上述实施方式所记载的范围。在不脱离发明要旨的范围内，可对上述实施方式进行各种变更和改良，进行了该变更和改良的方式也包含在本发明的技术范围内。
例如，在上述实施方式中说明了采用氧气作为辅助气体的情况，但本发明不限于此，也可以采用氮气、氩气等其它气体作为辅助气体。
另外，在上述实施方式中说明了激光切割装置10中采用YAG系激光的情况，但本发明不限于此，也可以采用其它激光作为波长比CO2激光短的激光。
另外，在上述实施方式中说明了激光切割装置中采用光纤激光器的情况，但本发明不限于此，也可以采用盘式激光器(波长1.05～1.09μm)。
另外，在上述实施方式中说明了通过使由三轴臂状件52支承的筐筒50移动来使被加工物30的切割行进方向变化的情况，但本发明不限于此，也可以将移动筐筒50设为不可移动，使载置被加工物30的工作台28能在三轴方向上移动，且通过使该工作台28移动来改变被加工物30的切割行进方向。在此方式的情况下，电机56的转轴56A的转动角度与由工作台28的移动导致的被加工物30的切割行进方向的变化同步并由控制盘54控制。
另外，在上述实施方式中说明了筐筒50由三轴臂状件52支承的情况，但本发明不限于此，也可以设为由在纵(x)和横(y)向上移动的二轴臂状件支承的方式。
符号的说明
10激光切割装置
24激光射出部
26光学系统
30被加工物
40准直光学系统
42柱面透镜系统
44聚光光学系统
56电机

Claims (5)

1.一种激光切割装置，一边向切割部分吹送作为辅助气体的氧气，一边利用激光束来切割被加工物，该激光切割装置包括：
射出装置，射出波长比CO2激光短且用于切割所述被加工物的激光束，所述被加工物具有在被所述激光束照射的情况下在内部产生熔融池的厚度，其厚度为10mm～50mm；以及
汇聚装置，使该激光束汇聚，使得从所述射出装置射出的所述激光束的截面形状呈椭圆形且该椭圆形的长轴方向与该被加工物的切割行进方向一致，
通过使所述被加工物的切割方向前方侧的所述激光束的能量消耗于所述被加工物的熔融，使所述被加工物的切割方向后方侧的所述激光束的能量消耗于熔融的所述被加工物的温度上升，来切割所述被加工物。
2.根据权利要求1所述的激光切割装置，所述汇聚装置具有：
柱面透镜，使该激光束汇聚，使得从所述射出装置射出的激光束的截面形状呈椭圆形；以及
转动装置，使该柱面透镜转动，使得经所述柱面透镜汇聚的激光束的长轴方向与该被加工物的切割行进方向一致。
3.根据权利要求1或2所述的激光切割装置，所述激光束为光纤激光器产生的激光束。
4.根据权利要求1或2所述的激光切割装置，所述激光束为盘式激光器产生的激光束。
5.一种激光切割方法，一边向切割部分吹送作为辅助气体的氧气，一边利用激光束来切割被加工物，该激光切割方法包括：
第一工序，射出波长比CO2激光短且用于切割所述被加工物的激光束，所述被加工物具有在被所述激光束照射的情况下在内部产生熔融池的厚度，其厚度为10mm～50mm；以及
第二工序，使该激光束汇聚，使得射出的所述激光束的截面形状呈椭圆形且该椭圆形的长轴方向与该被加工物的切割行进方向一致，汇聚成椭圆形的所述激光束有助于所述熔融池的温度上升，
通过使所述被加工物的切割方向前方侧的所述激光束的能量消耗于所述被加工物的熔融，使所述被加工物的切割方向后方侧的所述激光束的能量消耗于熔融的所述被加工物的温度上升，来切割所述被加工物。
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