CN1730226A - 激光切割加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可由激光束来适当切割厚度大的工件的激光切割加工装置。激光切割加工装置具备气体激光振荡器；和光学系统，该光学系统包含聚光透镜，传输且聚光由气体激光振荡器产生的激光束，并照射到工件上。当使用激光束的波长λ、在包含聚光透镜的焦点的规定光路范围内的激光束的最小束直径dm、和在规定光路范围内向激光束提供最小束直径dm的光轴上的第1位置与提供束直径21/2×dm的光轴上的第2位置之间的距离Zr，由公式M2＝π×(dm) 2/(4×λ×Zr)来定义评价从光学系统照射到工件上的激光束的聚光性的指数M2时，指数M2在2.8～4.5的范围内。

Description

激光切割加工装置
技术领域
本发明涉及一种激光切割加工装置。
背景技术
广泛采用利用激光束来切割加工由金属或树脂构成的原料。切割加工用的激光装置一般具备作为激光束源的激光振荡器、向被加工材料(即工件)传输且聚积激光束的光学系统(即导光系统)、在工件上扫描光束照射点的机械驱动系统、控制激光振荡器或机械驱动系统等的控制系统、和冷却水提供装置或辅助气体提供装置等的辅助装置。
这种激光切割加工装置一般被认为是激光束的聚光性(即激光质量)越高则加工能力也越高。实际上，就使用二氧化碳激光器的激光切割加工装置而言，已知当切割作为以前主要用途的钣金等薄金属材料时，激光束的聚光性越高，则切割速度越快，并且，能够进行良好表面质量的切割加工。
通常，由于激光束作为大致平行的光线从激光振荡器输出，所以聚光性出色。但是，即便是激光束，有时也会因其能量分布不同，而不能聚光成小至衍射界限的光斑尺寸。即，因为激光束的性质，即便入射到聚光透镜的扩散角或束直径相同，光斑尺寸也会不同。这是依赖于激光束的聚光性的现象，若提高聚光性，则光斑尺寸变小。
作为评价激光束的聚光性的指数，通常使用M2值。指数M2使用激光束的波长λ、在包含聚光透镜焦点的规定光路范围内的激光束的最小束直径dm、和在规定光路范围内向激光束提供最小束直径dm的光轴上的第1位置与提供束直径√2×dm的光轴上的第2位置之间的距离(即瑞利区域)Zr，由公式M2＝π×(dm)2/(4×λ×Zr)来定义。
图10表示由聚光透镜聚光的激光束在焦点附近的束直径的推移的一例。图10中，横轴是将聚光透镜的透镜中心位置作为Z＝0来表示聚光透镜的光轴方向的位置Z(mm)的轴，纵轴是表示位置Z的激光束的束直径d(mm)的轴。●点为实测值，若在点之间内插近似，则在图示的实例中，‘提供最小束直径dm(＝约0.22mm)的第1位置’与‘提供束直径√2×dm(＝约0.31mm)的第2位置’之间的距离Zr约为4mm。
根据上述定义式可知，M2值越小，则表示光斑尺寸越小、聚光性越高。M2的理论上的最小值为1，此时，激光束理论上具有最高的聚光性。
使用激光束的切割加工以前主要进行大致10mm或以下的薄金属板的切割，此时所需的M2值不足2.8，大体上使用具有2附近的M2值的激光束。但是，近年来，随着激光振荡器的高输出化，用来切割厚度为20mm～30mm或比其更的厚板的需求不断增加。当激光切割这种厚板时，存在不能向切割槽提供足够的辅助气体的问题。
就使用激光束的切割加工而言，通常从加工装置的加工喷嘴向工件表面聚光照射激光束，并在极高温下熔融工件的微小区域，另一方面，从同一加工喷嘴与激光束同轴地以规定压力和流量喷射辅助气体，通过熔融状态的工件材料与辅助气体的物理和化学的相互作用，局部去除工件。
例如，在切割钢板的情况下，尤其是在辅助气体中使用氧，氧的燃烧反应产生的发热也用于熔融。若板的厚度增加，则提供给钢板表面的氧辅助气体在厚度方向的途中被耗尽，在接近钢板背面的部分，由于氧不足，而处于难以切割的状况。此时，若增大辅助气体的供给压力以增加供给量，则辅助气体的流速过快，在钢板的表面侧产生异常燃烧(所谓的自燃现象)。结果，担心损害切割面的质量，或由于附着渣滓而使产品的功能恶化。
另外，即便在不伴有燃烧反应热而将氮或氩用于辅助气体的情况下，也存在随着工件厚度的增加，在工件厚度方向的途中气体的流速下降，吹散熔融金属等的力量不足的倾向。对于非金属材料，存在作为限制碳化作用或过度熔融的冷却气体的辅助气体的功能因流速下降而被损害的倾向。
为了解决这种问题，以前采用适当选择喷嘴直径、喷嘴与工件表面的距离、喷嘴形状等，或适当化喷嘴直径方向的气体流速分布(采用所谓的双喷嘴)的策略。另外，还知道通过在切割厚板时，使用焦距比薄板切割用的聚光透镜长的聚光透镜，在聚光的激光束的光斑尺寸大的部分进行切割，从而扩大工件的切割幅度，使辅助气体向板厚方向的提供量增加。同样，还知道通过调整聚光透镜的焦点位置，来进行光斑尺寸的调整及切割幅度的控制。
但是，利用喷嘴形状等的方式来控制辅助气体流的方法通常难以实现最佳设计。另外，调整聚光透镜的焦距或焦点位置的方法在实现期望效果的工件厚度上受限。
另一方面，还知道如特开平6-218565号公报(JP-A-60218565)、特开2002-118312号公报(JP-A-2002-118312)中所述那样，控制激光束的聚光性，来切割薄板和厚板两者。在这些文献记载的方法中，在激光振荡模式为TEM00模式(所谓的高斯模式：M2＝1.0)时，进行薄板切割，在为TEM01*模式(所谓的环形模式：M2＝1.7左右：*表示极坐标计算)时，进行厚板切割。在TEM01*模式下，与TEM00模式相比，由于聚光透镜中央部的热负荷小，所以可有效防止由于聚光透镜中央部的光束吸收引起的温度上升和随之而来的透镜形状和折射率分布的变形所产生的光束聚光性变差或焦点位置变动的现象。
但是，上述方法在例如以氧辅助气体来激光切割钢材的情况下，尽管在厚度为12mm～16mm的情况下取得了期望的效果，但若厚度超过20mm，则难以看出环形模式相对高斯模式的优越性。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术的各个问题，提供一种不变更加工喷嘴或聚光透镜的构成、可由激光束来适当切割厚度大的工件的激光切割加工装置。
为了实现上述目的，本发明提供一种激光切割加工装置，其中具备气体激光振荡器；和光学系统，该光学系统包含聚光透镜，传输且聚光由气体激光振荡器产生的激光束，并照射到工件上。当使用激光束的波长λ、在包含聚光透镜焦点的规定光路范围内的激光束的最小束直径dm、和在规定光路范围内向激光束提供最小束直径dm的光轴上的第1位置与提供束直径21/2×dm的光轴上之第2位置之间的距离Zr，并由公式M2＝π×(dm)2/(4×λ×Zr)来定义评价从光学系统照射到工件上的激光束的聚光性的指数M2时，指数M2在2.8～4.5的范围下。
上述激光切割加工装置中，最小束直径dm与所述距离Zr可具有dm/Zr＞0.003的关系。
光学系统可构成为不包含影响指数M2的值的聚光性改变光学元件。
或者，光学系统可包含影响指数M2的值的聚光性改变光学元件。
附图说明
通过关联于附图的以下最佳实施方式的说明，本发明的上述和其它目的、特征和优点变得更加显而易见。附图中，
图1是表示包含本发明一实施方式的激光切割加工装置的激光加工系统的整体构成的局部框图，
图2是示意表示图1的激光切割加工装置的基本构成的图，
图3是说明未使用聚光性改变光学元件的构成的图，
图4是说明使用聚光性改变光学元件的构成的图，
图5A和图5B是说明将形状可变型的非球面镜用作聚光性改变光学元件的构成的图，
图6是表示激光束的输出与聚光性评价指数的关系的图，
图7是表示输出为6kW时的聚光性评价指数与最大切割厚度的关系的图，
图8是表示以输出6kW来切割厚度为12mm的软钢时的切割面粗糙度的测定结果的图，
图9A是与高斯模式下的能量分布相对比来表示本发明的激光束的能量分布一例的图，
图9B是与环形模式下的能量分布相对比来表示本发明的激光束的能量分布另一例的图，
图10是表示聚光透镜焦点附近的激光束的束直径的推移的一例的图。
具体实施方式
下面，参照附图来详细说明本发明的实施方式。图中，向相同或类似的构成要素附加相同的参照符号。
参照附图，图1表示包含本发明一实施方式的激光切割加工装置10的激光加工系统的整体构成，图2示意表示图1的激光切割加工装置10的基本构成。
如图2所示，本发明的激光切割加工装置10包含气体激光振荡器12与光学系统16，该光学系统16包含聚光透镜14，传输且聚光由气体激光振荡器12产生的激光束L，照射到工件W上。另外，激光切割加工装置10构成如下：当使用激光束L的波长λ、在包含聚光透镜14的焦点的规定光路范围内的激光束L的最小束直径dm、和在规定光路范围内向激光束L提供最小束直径dm的光轴上的第1位置与提供束直径√2×dm的光轴上的第2位置之间的距离(瑞利区域)Zr，由公式M2＝π×(dm)2/(4×λ×Zr)来定义评价从光学系统16照射到工件W上的激光束L的聚光性(光束质量)的指数M2时，指数M2在2.8～4.5的范围内。
激光束的聚光性左右工件的切割槽宽度，切割槽宽度影响辅助气体流动。即，若过度提高激光束的聚光性，则切割槽幅度变窄，随之而来，辅助气体流动变差，切割能力下降。另一方面，若过度降低激光束的聚光性，则得不到切割所需的能量密度，从而切割能力仍然低下。
本申请发明人反复研究基于激光束的切割现象，发现可由作为上述聚光性评价指数的具体范围的2.8≤M2≤4.5来规定得到良好加工能力的必要条件。该必要条件涉及切割速度、切割表面质量、切割板厚等的加工能力，实现现有装置的20％或以上的性能提高。另外，在下面描述特定聚光性评价指数与加工能力的关系的实验结果。
这样，根据具有上述构成的激光切割加工装置10，当切割例如厚度为20mm或以上的工件W时，能够得到良好的加工特性，当切割厚度不足20mm的工件W时，也可期待切割表面质量的提高。另外，因为明确了激光束L的聚光性评价指数的范围，所以对于激光切割加工装置的开发而言，容易确定各设计元素，从而可大幅度削减开发费用，还可事先预测激光切割加工装置的加工能力。
图1表示包含上述激光切割加工装置10的激光加工系统的整体构成。如图1和图2所示，处理器(CPU)18读出存储在未图示的存储器中的加工程序，控制激光加工系统整体的动作。输出控制电路20内置A/D转换器，将从处理器18输出的输出指令信号变换为电流指令信号后输出。激励用电源22在整流商用电源之后，进行开关动作，产生高频电压，向气体激光振荡器12的放电管24提供对应于电流指令值的高频电流。
激光媒介气体26经气体激光振荡器12的循环路径在放电管24内部循环，若从激励用电源22施加高频电压，则放电管24产生放电，激励激光媒介气体26。由反射率为99.5％的锗制镜构成的后镜28与由反射率为65％的锌硒(ジンクセレン)制镜构成的输出镜30在放电管24内形成稳定型谐振器，并放大从激励的激光媒介气体分子感应放出的10.6微米的光，将一部分作为激光束L，从输出镜30输出到外部。在输出的激光束L的光路中，配置可开闭控制的快门32(仅示于图1中)。
在气体激光振荡器12的循环路径中，设置送风机(例如涡轮鼓风机)34，通过冷却器36a和36b，使激光媒介气体26循环。处理器18经高频逆变器38，控制送风机34的动作。送风机34上游侧的冷却器36a冷却进行激光振荡后变为高温的激光媒质气体26，下游侧的冷却器36b去除送风机34产生的压缩热。快门控制电路40根据处理器18的指令，使快门32进行开闭动作。
快门32由在表面实施镀金的铜板或铝板构成，在快门关闭时，反射从输出镜30输出的激光束L，使之吸收到束吸收器42中。若打开快门32，则弯曲镜44方向转换激光束L，导入聚光透镜(不同情况下为透镜系统)14中。激光束L被聚光透镜14聚光，照射到工件W的表面上。
工件W上的激光束照射位置(在垂直于光轴的平面内的位置)由载置工件W的工作台46的移动位置(X-Y轴位置)确定。位置控制电路48根据来自处理器18的指令，经伺服放大器5旋转控制伺服电机52，并经球螺杆54和螺母56来控制工作台46的移动。由此，控制工件W的位置。
另外，适当调整工件W或激光束照射侧部件(例如未图示的喷嘴)的光轴方向(Z轴方向)的位置，以如图2所示将聚光的激光束的最小束直径dm的位置(即聚光透镜14的焦点位置)设定在工件W的内部。另外，在工作台46的驱动机构中包含Z轴驱动机构的情况下，还可在工作台46侧进行焦点位置调整。
从上述聚光性评价指数M2的公式可知，焦点附近的最小束直径dm越小，则照射到工件W上的激光束L的聚光性越高，另外，束直径沿光轴的变化越小(即Zr越大)，则照射到工件W上的激光束L的聚光性越高(即聚光性评价指数M2变小)。另一方面，聚光性评价指数M2也随后镜28和输出镜30的曲率、谐振器长度S1、放电管内径S2等气体激光振荡器12的构成要素尺寸而变化。因此，为了将聚光性评价指数M2设定在2.8～4.5的范围内，可采用适当修正气体激光振荡器12的构成的方法、和适当修正光学系统16的构成的方法之一或双方。
图3表示通过适当修正气体激光振荡器12的构成、向工件照射具有2.8～4.5范围的聚光性评价指数M2的激光束L的构成。在该构成中，通过调整气体激光振荡器12的构成要素的尺寸，从气体激光振荡器12输出2.8≤M2≤4.5的激光束L。该激光束L通过不使聚光性评价指数M2变化、由具备平面反射面的弯曲镜44和可忽视像差的球面透镜构成的聚光透镜14构成的光学系统16，照射到工件上(图3中未图示)。为了防止从气体激光振荡器12输出的激光束L的聚光性评价指数M2发生变化，只要在从气体激光振荡器12至加工点之间的光学系统16中，配置改变聚光性评价指数M2的光学元件(在本申请中称为聚光性改变光学元件)即可。通过该构成，可无障碍地进行例如厚度超过25mm的金属或非金属制的工件的切割加工。
图4表示通过适当修正光学系统16的构成、向工件照射具有2.8～4.5范围的聚光性评价指数M2的激光束L的构成。在该构成中，气体激光振荡器12输出聚光性评价指数M2不足2.8的激光束La。另外，通过在由具备平面反射面的弯曲镜42和可忽视像差的球面透镜构成的聚光透镜14构成的光学系统16中插入配置聚光性改变光学元件58，改变从气体激光振荡器12输出的激光束La的聚光性评价指数M2，向工件(图4中未图示)照射2.8≤M2≤4.5的激光束L。聚光性改变光学元件58例如是非球面透镜，利用致动器60相对激光束L的光路可插入且可脱离地被设置。作为致动器60，可采用例如根据来自CPU18(图1)的指令进行动作的电磁式致动器。另外，虽然非球面透镜是典型的透过型的聚光性改变光学元件，但有时也可通过组合焦距短的球面透镜来利用球面像差的影响来使M2值增加。
根据相对激光束光路自由插脱地设置聚光性改变光学元件58的上述构成，采用例如可输出M2＝1.3的激光束La的输出4kW的气体激光振荡器12，在聚光性改变光学元件58从激光束光路脱离的状态下，以切割速度80m/min来进行厚度为1mm的铝合金的切割加工，另一方面，在将聚光性改变光学元件58插入激光束光路中的状态下，可稳定切割厚度为30mm的软钢。因此，不使用特殊的气体激光振荡器12就可方便地得到薄板切割性能与厚板切割性能双方都好的激光切割加工装置10。
作为改变M2值的聚光性改变光学元件58，除上述非球面透镜那样的透过型元件外，还可采用作为反射型元件的非球面镜。尤其是若使用可变更反射面曲率的形状可变型非球面镜，则得到可通过变更反射面的曲率来调整聚光性改变光学元件58具有的M2改变能力的优点。图5A和图5B表示在聚光性改变光学元件58中使用形状可变型非球面镜的构成。在该构成中，配置由形成可变型非球面镜构成的聚光性改变光学元件58来代替图3中示出的弯曲镜44。
由形状可变型非球面镜构成的聚光性改变光学元件58具备具有反射面62a的薄膜62，通过致动器64的动作变形薄膜62，可在平面与非球面(图中为圆锥面)之间变更反射面62a的形状。图5A表示反射面62a为非球面的状态，图5B表示反射面62a为平面的状态。另外，通过将致动器64的动作位置设为3或以上，还可在图5A的形状与图5B的反射面形状之间设定一个或以上的中间反射面形状。另外，也可在与反射面62a相反侧的薄膜62的背后充满用于防止反射面62a过热的大致为大气压的冷却液。
如图5B所示，当反射面62a为平面时，入射到聚光性改变光学元件58的激光束La不使M2变化地被反射。因此，若不存在其它聚光性改变光学元件，则通过在气体激光振荡器12中采用输出M2小(例如不足2.8)的激光束La的气体激光振荡器，可极高速地切割薄板工件。另外，当切割厚板工件时，通过使致动器64动作，使反射面62a变形为例如图5A的形状，可相对M2小(例如不足2.8)的激光束La，使反射激光束L的M2在2.8～4.5的范围内变化。
下面，分析上述激光切割加工装置10中相当于焦点深度的距离Zr与焦点的束直径dm的比[dm/Zr]。该比表示束直径相对于焦点深度为何种程度的大小，但若改变看法，则也是表示由聚光透镜14聚光的激光束L的聚光角度的指数。激光束L的聚光角度是左右切割加工品质的一个因素。尤其是在使用氮辅助气体来进行的非铁金属的切割加工中，由于通过在切割槽内激光束多重反射来进行切割，所以若聚光角度适当，则可明显提高切割加工的品质。
若设由焦距f的聚光透镜14聚光以束直径D入射的大致平行的激光束时的、朝向焦点的光圈角度为θ(全角)时，则由于
M2＝π×(dm)2/(4×λ×Zr)＝π×dm×θ/4λ所以
θ＝dm/Zr
另一方面，由于
tan(θ/2)＝D/(2f)
所以
θ＝dm/Zr＝2tan-1(D/(2f))
这里，当f＝20英寸(508mm)、D＝15mm时，为
dm/Zr＝0.00295
另外，当f＝2.5英寸(63.5mm)、D＝20mm时，为
dm/Zr＝0.312
根据实验结果，当选择聚光透镜14的入射束直径D和焦距f以便有dm/Zr＞0.003时，由于以适当角度来聚光由聚光透镜14聚光的激光束L，所以尤其能很好实施通过在切割槽内多重反射来进行切割的非铁金属的基于氮辅助气体的切割加工。因此，最好组合f与D的值，以便由公式dm/Zr＝2tan-1(D/(2f))计算的值为0.003或以上。
下面，参照表示各种实验结果的图6～图9B来说明作为本发明的基本构成必要条件的2.8≤M2≤4.5的临界意义。
图6表示激光束的输出P与聚光性评价指数M2的关系。图6中，横轴表示激光输出P(kW)，纵轴表示评价指数M2。另外，●点表示可切割的工件的最大厚度为25mm或以上的条件(P与M2的组合)，△点表示可切割的工件的最大厚度不足25mm的条件(P与M2的组合)。从图中可知，就宽范围的激光输出P而言，若设M2为2.8～4.5，则可稳定切割厚度为25mm或以上的工件。
图7表示将激光输出条件固定为6kW时的、聚光性评价指数M2与可切割的工件的最大厚度T的关系。图7中，横轴表示评价指数M2，纵轴表示最大切割厚度T。在该实验中，切割的工件是软钢SS400，辅助气体是氧。另外，根据状况来确定产生最佳结果的聚光透镜焦距、辅助气体压力、焦点位置、切割速度等条件。如图所示，在M2值为2.8～4.5的范围内，可有利于切割厚度为25mm或以上的工件。
图8表示将激光输出条件固定在6kW来切割厚度为12mm的软钢时的切割面粗糙度的测定结果。图8中，横轴表示评价指数M2，纵轴用算术平均粗糙度Ra(μm)来表示切割面粗糙度。在该实验中，切割的工件是软钢SS400，辅助气体是氧，切割速度是2.4m/min。如图所示，在M2值为2.8～4.5的范围内，切割面粗略度下降。因此，在将本发明适用于较薄的工件中的情况下，可实现得到光滑、良好的切割面的效果。
图9A及图9B表示作为本发明的特征构成必要条件的2.8≤M2≤4.5与激光束L的模式无关。即，与JP-A-2002-118312等中记载的现有技术不同，激光束的中心部分的能量密度小在本发明中不是厚度切割的必要条件。
如图9A所示，本发明的M2＝2.8的激光束L的能量分布类似于M2＝1.0的高斯模式(TEM00模式)的激光束的能量分布。另外，如图9B所示，本发明的M2＝4.1的激光束L的能量分布类似于M2＝1.7的环形模式(TEM01*模式)的激光束的能量分布。
以上关联于最佳实施方式来说明了本发明，但本领域的技术人员应该理解，在不脱离后述的权利要求的精神和公开范围下，可进行各种修正和变更。

Claims (7)

1.一种激光切割加工装置，其特征在于，
具备气体激光振荡器(12)；和光学系统(16)，该光学系统(16)包含聚光透镜(14)，传输且聚光由所述气体激光振荡器产生的激光束(L)，并照射到工件(W)上，
当使用该激光束的波长λ、在包含所述聚光透镜的焦点的规定光路范围内的该激光束的最小束直径dm、和在该规定光路范围内向该激光束提供该最小束直径dm的光轴上的第1位置与提供束直径21/2×dm的光轴上的第2位置之间的距离Zr，并由公式M2＝π×(dm)2/(4×λ×Zr)来定义评价从所述光学系统照射到工件上的激光束的聚光性的指数M2时，指数M2在2.8～4.5的范围内。
2.根据权利要求1所述的激光切割加工装置，其特征在于，
所述最小束直径dm与所述距离Zr具有dm/Zr＞0.003的关系。
3.根据权利要求1或2所述的激光切割加工装置，其特征在于，
所述光学系统不包含影响所述指数M2的值的聚光性改变光学元件。
4.根据权利要求1或2所述的激光切割加工装置，其特征在于，
所述光学系统包含影响所述指数M2的值的聚光性改变光学元件(58)。
5.根据权利要求4所述的激光切割加工装置，其特征在于，
由所述气体激光振荡器产生的激光束在不通过所述聚光性改变光学元件的情况下，呈现不足2.8的所述指数M2。
6.根据权利要求4所述的激光切割加工装置，其特征在于，
从包含非球面透镜、非球面镜和形状可变型非球面镜的镜群中选择所述聚光性改变光学元件。
7.根据权利要求4所述的激光切割加工装置，其特征在于，
相对于所述激光束的光路可插入且可脱离地设置所述聚光性改变光学元件。
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