CN107000121A - 贯穿加工方法以及激光加工机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种贯穿加工方法以及激光加工机(1)，其能够在短时间内进行厚板的贯穿加工。是通过波长为1μm带的激光对金属材料(W)进行贯穿加工的加工方法，在将激光的聚光直径作为d、将瑞利长作为Zr时，保持为8≦Zr/d≦12的范围进行贯穿加工。此时，将激光的焦点位置设定于工件(W)的表面或工件(W)的外部。并且，激光的射线轮廓通过射线品质可变装置(13)将单模式的激光光束转换为高礼帽状。

Description

贯穿加工方法以及激光加工机
技术领域
本发明涉及在通过如固体激光、光纤维激光等的波长为1μm带的激光进行板金材料的激光切割加工时进行贯穿加工的贯穿加工方法以及激光加工机，更详细地说，涉及能够在短时间内进行软钢板的厚板的贯穿加工的贯穿加工方法以及激光加工机。
背景技术
在进行软钢板等的板状工件的激光切割加工的情况下，对上述工件进行贯穿加工，从该贯穿加工位置开始工件的激光切割加工。上述贯穿加工由于在工件为薄板的情况下几乎瞬间(数100m sec)进行，所以，即使是贯穿加工反复多次的激光切割加工，也几乎不存在问题。可是，若工件为厚板，则贯穿加工就需要时间。例如，若使用4kW碳酸气体激光振荡器对板厚19mm的软钢板进行贯穿加工，则切割时间大约需要20秒左右。因此，在进行工件的激光切割加工的情况下，希望缩短上述贯穿加工的时间。并且，作为可以认为涉及本发明的文献，有专利文献1。
上述专利文献1中所记载的贯穿加工方法在贯穿加工初期作为辅助气体使用氮气、且以高输出进行贯穿加工，然后，作为辅助气体使用氧气、且低输出地进行贯穿加工。因此，在贯穿加工初期，在贯穿加工孔上形成氮化层而能抑制氧化反应。因此，即使激光输出变大的情况下也能防止过度的燃烧，能够在更短的时间内进行贯穿加工。
可是，在搭载光纤维激光器的激光加工机中，即使实施上述专利文献1中记载的贯穿加工方法，也不能够大幅缩短贯穿加工时间。即，在具备光纤维激光振荡器的的激光加工机中，为了合理地进行作为工件的软钢板的激光切割加工，存在在激光加工切割头的聚光透镜上使用圆锥(Axicon)透镜的情况。该圆锥透镜由于在环状的射线上形成入射的激光，因此在工件的切割加工时存在激光射线的能量对工件不能有效地起作用的可能性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第4925616号公报
发明内容
本发明在激光加工切割头上配置聚光透镜的结构中，在进行厚板的激光切割加工时，若在进行贯穿加工将利用聚光透镜的激光的聚光直径径d与瑞利长Zr的比Zr/d设定于规定的范围内，则发现能有效地进行厚板的贯穿加工。
根据本发明的一方案，是通过波长为1μm带的激光对金属材料进行贯穿加工的加工方法，提供由使波长为1μm带的激光振荡、以将向金属材料照射的激光的聚光直径d与瑞利长Zr的关系保持为8≦Zr/d≦12的范围的方式将振荡后的激光转换为所希望的多模的射线模式、使用射线模式转换后的激光对金属材料进行贯穿加工而形成的贯穿加工方法。
另外，在上述贯穿加工方法中，以将向上述金属材料照射的激光的聚光直径d与瑞利长Zr的关系保持为9≦Zr/d≦11的范围的方式对振荡后的激光进行转换。
另外，在上述贯穿加工方法中，以将向上述金属材料照射的激光的聚光直径d与瑞利长Zr的关系保持为Zr/d≒10的方式对振荡后的激光进行转换。
另外，在上述贯穿加工方法中，将上述射线模式转换后的激光的焦点位置设定于工件的表面或工件的外部。
另外，在上述贯穿加工方法中，上述射线模式转换后的激光的射线轮廓在贯穿了金属材料的工件的位置附近是高礼帽状、即缩顶型。
另外，在上述贯穿加工方法中，上述射线模式转换后的激光的射线轮廓的光强度高的直径从工件上面至工件下面大致恒定，且在工件下面是高礼帽状。
另外，在上述贯穿加工方法中，上述贯穿加工由作为聚光透镜具有圆锥透镜的激光加工切割头进行。
另外，根据本发明另外一方案，是通过波长为1μm的激光对金属材料进行贯穿加工的激光加工机，提供由使波长为1μm的激光振荡的激光振荡器、将从上述激光振荡器振荡后的激光转换为所期望的多模的射线模式的射线品质可变装置、使用通过上述射线品质可变装置转换了射线模式的激光对金属材料进行贯穿加工的激光加工切割头、控制上述激光振荡器的输出和上述激光加工切割头动作且以将从上述激光加工切割头向金属材料照射的激光的聚光直径d与瑞利长Zr的关系保持为8≦Zr/d≦12的范围的方式控制上述射线品质可变装置的控制装置而构成的激光加工机。
另外，在上述激光加工机中，上述控制装置以将向上述金属材料照射的激光的聚光直径d与瑞利长Zr的关系保持为9≦Zr/d≦11的范围的方式控制上述射线品质可变装置。
另外，在上述激光加工机中，上述控制装置以将向上述金属材料照射的激光的聚光直径d与瑞利长Zr的关系保持为Zr/d≒10的方式控制上述射线品质可变装置。
另外，在上述激光加工机中，上述控制位置将上述射线模式已转换的激光的焦点位置设定于工件的表面或工件的外部。
另外，在上述激光加工机中，上述射线模式已转换的激光的射线轮廓在贯穿了金属材料工件的位置附近是高礼帽状、即缩顶型。
另外，在上述激光加工机中，上述射线模式已转换的激光的射线轮廓的光强度高的直径从工件上面至工件下面大致恒定，且在工件下面是高礼帽状。
另外，在上述激光加工机中，上述激光加工切割头作为聚光镜头具备圆锥透镜。
根据本发明，由于是将激光的聚光直径d与瑞利长Zr的比设定为适当的范围而进行贯穿加工，因此能够更有效地进行厚板的贯穿加工。
附图说明
图1是概念性地、概略地表示涉及本发明的实施方式的激光加工机(激光加工系统)的整体构成的构成说明图。
图2是表示进行厚板的贯穿加工的情况下的射线轮廓的说明图。
图3是表示厚板的贯穿加工时间与Zr/d值的关系的试验结果的图表。
具体实施方式
如图1中概念性、概略地表示，涉及本发明的实施方式的激光加工机(激光加工系统)1具备激光振荡器3与加工机主体5。上述激光振荡器3是使波长为1μm带的激光的光纤维激光振荡器等的激光振荡器。并且，上述激光振荡器3也可以使具有波长小于1μm的种光的半导体激光光束为直接二极管激光。上述加工机主体5具备如相对于载置于工作台7上的软钢板等那样的厚板状的工件W向X、Y、Z轴方向相对性地自由移动定位的激光加工切割头9。在该激光加工切割头9上配置聚光透镜(省略图示)。并且，上述激光振荡器3以及加工机主体5由于可以是已经熟知的结构，因此关于激光振荡器3以及加工机主体5结构的详细内容的说明省略。
上述激光振荡器3与上述激光加工切割头9通过加工光纤11光学性地连接。并且，在该加工光纤11中介设射线品质可变装置13。该射线品质可变装置13例如如WO2013/086227A1、日本特开2012-24782号公报等所记载，由于已经众所周知，因此关于射线品质可变装置13结构的详细内容的说明省略。这种射线品质可变装置13是可将从激光振荡器3振荡的激光从高斯型的单模向如高礼帽状(缩顶型)的多模转换的装置。
上述激光加工机1具备如NC装置等的那样的控制装置15。该控制装置15由电脑构成，具备控制上述激光振荡器3的输出以及配备于上述加工机主体5上的上述激光加工切割头9的动作的功能。而且，上述控制装置15为了将从上述激光振荡器3所振荡的激光转换为所期望的多模的射线模式，具备控制上述射线品质可变装置13的功能。
通过上述结构，通过在控制装置15的控制之下控制激光振荡器3的输出，并且控制激光加工切割头9的动作，能够相对于工作台7上的工件W进行激光加工。此时，通过在控制装置15的控制之下控制射线品质可变装置13，能够将从上述激光振荡器3所振荡的激光的射线轮廓(射线模式)从单模(高斯型)转换为多模(缩顶型或环型)并向加工光纤11中传送。因此，配备于激光加工切割头9中的聚光透镜对多模的激光进行聚光并向工件W照射。
另外，在激光加工切割头9中作为聚光透镜而配置圆锥透镜的其他结构中，是经过焦点位置的激光射线转换为环型模式的装置。该环型模式适用于板状的工件(软钢板)的激光切割加工，可是在用于开始厚板的激光切割加工的贯穿加工时需要时间，在反复贯穿加工的激光切割加工中，希望在更短的时间内进行贯穿加工。
激光加工中的贯穿加工，一直以来将激光聚集的焦点位置设定在工件上面(表面)或其附近，一气呵成地进行加热、熔融、去除。在使用作为聚光透镜而配置圆锥透镜的上述激光加工切割头9进行厚板的贯穿加工的情况下，由于在焦点位置的下方位置激光扩大为环型模式，因此激光对贯穿加工不能有效地发挥作用，贯穿加工时间变长。
因此，在通过上述射线品质可变装置13对激光的射线模式进行多种转换的同时，对相对于工件表面(上面)的焦点位置进行多种改变地进行厚板的贯穿加工。另外，在对工件进行贯穿加工的情况下，通过辅助气体去除熔融金属并进行孔加工。因此，在聚光直径d小的情况下，在贯穿加工的孔内所产生的熔融金属从小的上部孔排出变得困难。另外，在聚光直径d大的情况下，照射至工件W的能量密度降低，熔融能量降低的同时通过辅助气体去除的熔融金属的量变多。而且，在聚集的激光射线的瑞利长Zr短的情况下，若进行贯穿加工的孔变深，则激光扩大，能量密度降低，熔融能力降低。
因此，若使用上述射线品质可变装置13转换激光的模式(轮廓)，则可连续地调节聚光直径d与瑞利长Zr。因此，为了找出上述聚光直径d与瑞利长Zr的关系与厚板(软钢板，t＝19mm、22mm、25mm)的贯穿加工时间的良好关系而进行了多种试验，结果，在上述聚光直径d与瑞利长Zr的比Zr/d在预定的范围内时，发现厚板的贯穿加工时间变短。
即，如图2所示，将激光的焦点位置设定在工件的表面或工件的外部，变更激光射线的射线品质进行厚板的贯穿加工。并且，调整伴随上述射线品质的变更的聚光直径d与瑞利长Zr，调整瑞利长Zr/聚光直径d。在图2(A)中的射线轮廓中，聚光直径d＝0.148mm、瑞利长Zr＝1.98mm，Zr/d≒13。在图2(B)的情况下，d＝0.185mm、Zr＝2.34mm，Zr/d≒12.6，在图2(C)的情况下，d＝0.253mm、Zr＝2.54mm，Zr/d≒10。在图2(D)的情况下，d＝0.307mm、Zr＝2.49mm，Zr/d≒8.1。并且，在图2(E)的情况下，d＝0.328mm、Zr＝2.42mm，Zr/d≒7.4。
并且，利用图2(A)～图2(E)所示的射线轮廓进行厚板的贯穿加工的贯穿时间与Zr/d的关系如图3所示。从图3中可以清楚，Zr/d的范围优选是8≦Zr/d≦12的范围(PR)。在此，Zr/d≒10是图2(C)所示的射线轮廓。该射线轮廓是贯穿加工时间最少、最优选的值。并且，该射线轮廓在贯穿了工件W的位置附近是所谓的高礼帽状(缩顶型)。即，由于从工件上面至下面光强度高的直径大致恒定、且在工件的下面呈现不是高斯型也不是环型的高礼帽状(缩顶型)，因此，成为容易利用辅助气体气压排出在贯穿孔内侧所溶解的金属的射线轮廓。
并且，从如图3中可以看出，作为接下来优选的范围是9≦Zr/d≦11的范围。即，在该范围中，贯穿加工时间相比较于Zr/d≒10的情况多少变长了，可是，是允许范围内的时间。
从图2、图3中可以看出，Zr/d＜8的区域中为图2(E)且射线直径逐渐变大的区域，因此，有激光的广角变大、贯穿厚板的深位置附近上的能量密度变小的倾向。另外，Zr/d＞12是图2(B)、图2(A)且射线直径变小的区域。该情况下，激光射线的广角变小、进行厚板的贯穿加工的深位置上的射线直径变小、在深位置上熔融的金属的排除变得困难。因此，Zr/d优选8≦Zr/d≦12的范围。

Claims (14)

1.一种贯穿加工方法，其是通过波长为1μm带的激光对金属材料进行贯穿加工的加工方法，该贯穿加工方法的特征在于，
具备下述步骤：
使波长为1μm带的激光振荡；
以将向金属材料照射的激光的聚光直径d与瑞利长Zr的关系保持为8≦Zr/d≦12的范围的方式，将已振荡的激光转换为所期望的多模的射线模式；以及
使用射线模式已转换的激光对金属材料进行贯穿加工。
2.根据权利要求1所述的贯穿加工方法，其特征在于，
以将向上述金属材料照射的激光的聚光直径d与瑞利长Zr的关系保持为9≦Zr/d≦11的范围的方式对已振荡的激光进行转换。
3.根据权利要求2所述的贯穿加工方法，其特征在于，
以将向上述金属材料照射的激光的聚光直径d与瑞利长Zr的关系保持为Zr/d≒10的方式对已振荡的激光进行转换。
4.根据权利要求1～3任一项所述的贯穿加工方法，其特征在于，
将上述射线模式已转换的激光的焦点位置设定于工件的表面或工件的外部。
5.根据权利要求1～4任一项所述的贯穿加工方法，其特征在于，
上述射线模式已转换的激光的射线轮廓在贯通了金属材料的工件的位置附近是高礼帽状即缩顶型。
6.根据权利要求1～5任一项所述的贯穿加工方法，其特征在于，
上述射线模式已转换的激光的射线轮廓的光强度高的直径从工件上面至工件下面大致恒定，且在工件下面附近是高礼帽状。
7.根据权利要求1～6任一项所述的贯穿加工方法，其特征在于，
上述贯穿加工由具有聚光透镜的圆锥透镜的激光加工切割头进行。
8.一种激光加工机，其通过波长为1μm带的激光对金属材料进行贯穿加工，该激光加工机的特征在于，
具备：
使波长为1μm带的激光振荡的激光振荡器；
将由上述激光振荡器振荡后的激光转换为所期望的多模的射线模式的射线品质可变装置；
使用通过上述射线品质可变装置转换了射线模式的激光，对金属材料进行贯穿加工的激光加工切割头；以及
控制装置，其控制上述激光振荡器的输出和上述激光加工切割头的动作，并且以将从上述激光加工切割头向金属材料照射的激光的聚光直径d与瑞利长Zr的关系保持为8≦Zr/d≦12的范围的方式控制上述射线品质可变装置。
9.根据权利要求8所述的激光加工机，其特征在于，
上述控制装置以将向上述金属材料照射的激光的聚光直径d与瑞利长Zr的关系保持为9≦Zr/d≦11的范围的方式控制上述射线品质可变装置。
10.根据权利要求9所述的激光加工机，其特征在于，
上述控制装置以将向上述金属材料照射的激光的聚光直径d与瑞利长Zr的关系保持为Zr/d≒10的方式控制上述射线品质可变装置。
11.根据权利要求8～10任一项所述的激光加工机，其特征在于，
上述控制装置将上述射线模式已转换的激光的焦点位置设定于工件的表面或工件的外部。
12.根据权利要求8～11任一项所述的激光加工机，其特征在于，
上述射线模式已转换的激光的射线轮廓在贯通了金属材料的工件的位置附近是高礼帽状、即缩顶型。
13.根据权利要求8～12任一项所述的激光加工机，其特征在于，
上述射线模式已转换的激光的射线轮廓的光强度高的直径从工件上面至工件下面大致恒定，且在工件下面是高礼帽状。
14.根据权利要求8～13任一项所述的激光加工机，其特征在于，
上述激光加工切割头具有作为聚光透镜的圆锥透镜。
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