JP2001501133A - レーザービームによる材料の加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は第１及び第２表面（８、９）を具える材料をレーザービーム（２）で加工することに当たり、特に、例えば複数のレンズから成る対物レンズにより上記材料に複数の焦点（Ｆ₁、Ｆ₂、...、Ｆ_n）を合焦し、これら焦点が第１表面（８）とある角度を成す共通軸線上で互いに離間して配置されているレーザービームを使用する加工方法に関するものである。本発明はプレートの切断に用いられ、複数の焦点がプレートの材料を溶融／切断するために使用される。これにより、スラグの付着が少なく、切断部分が良好に分離された好適な切断ノッチが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザービームによる材料の加工方法 技術分野 本発明は第１及び第２表面を具える材料のレーザービームによる加工方法に関 し、特に、例えば複数のレンズから成る対物レンズにより上記材料に複数の焦点 を合焦し、これら焦点が第１表面とある角度を成す共通軸線上で互いに離間して 配置されているレーザービームを使用する加工方法に関するものである。 背景技術 ドイツ特許出願公告第２７１３９０４号公報には、レーザービームによる物体 の加工方法が開示されており、この場合、レーザービームは物体の表面に孔を形 成するために使用され、その際に複数のレンズから成る対物レンズによって２個 の焦点で合焦される。この加工方法は、第１ビームによって物体の表面が溶融さ れ、その焦点が第１ビームの焦点よりも下側に位置する第２ビームが、溶融させ た後に気化によって除去すべき物体の箇所の周域を予熱する。このような加工方 法により、開口の縁部においてばりの形成がある程度まで回避される。しかしな がら、下側の焦点は切断プロセスには何ら活用されていない。 材料加工業界ではレーザーを使用して厚肉のプレート、例えば厚さ１５ｍｍ以 上のスチールプレートを切断可能な加工方法の需要が増大している。レーザービ ームの切断能力は合焦表面上又はその近傍で最高であるため、その効果を上記の 表面下に位置するプレートの複数部分に移行させなければならないという問題が 生じる。さらに材料の第２表面には大量のスラグが付着し、切断精度が低下する 問題が付随するので、特に切断部分が良好に分離されず、仕上げ処理が必要とな る。 本発明の簡単な説明 本発明の目的は、厚肉材料についても加工処理特性を好適に改良することので きるレーザーによる材料の加工方法を提供することにある。さらに、保護ガスの 消費量も低下させなければならない。 本発明による上述した形式の方法は、プレートの切断に用いられ、プレートの 材料を溶融／切断するために複数の焦点を使用するものである。複数のレンズか ら成る対物レンズには、ビーム全体の幅を比較的狭くすることにより、保護ガス 用のノズルを縮小すると共に保護ガスの消費量を低下させる効果がある。保護ガ スが切断処理及び切断精度に対して極めて重要であることは広く知られている。 本発明の好適な実施例によれば、複数の焦点を相互に、並びに第１及び第２表 面に対し所定距離だけ離間した固定位置に配置する。 焦点の数を２個とした実施例は、合焦光学系の構成を簡略化する上で有利であ る。 さらに、常時は第２表面に近接して位置する焦点を切断開始の間に第１表面上 に位置させるように、合焦光学系を有する切断ヘッドと第１表面との間の距離を 増加させ、これによりいわゆる初期開口を改良された態様で形成するのがさらに 有利である。これに加えて、この合焦光学系が金属の飛散により損傷を受ける危 険が低減する。 少なくとも１個の焦点を第１及び第２表面間において第２表面に近接配置し又 は第１及び第２表面にそれぞれ近接配置することが、着火、溶融、並びにメルト 及びスラグの除去に関して有利である。 レーザービームを切断ノッチ中に容易に侵入させるためには、合焦光学系によ りレーザービームを複数の焦点で合焦させ、レーザービームの中心軸線からの広 がりの増大に応じて第２表面からの焦点の距離を増加させ、その際にレーザービ ームの中央部分を第２表面に近接した焦点で合焦させるのがさらに好適である。 図面の簡単な説明 以下、添付図面に示した二通りの好適実施例について本発明をさらに説明する 。 図１ａは透過型合焦光学系を具えるレーザー切断ヘッドを示すものである。 図１ｂは反射型合焦光学系を具えるレーザー切断ヘッドを示すものである。 図２ａは３個の焦点を形成する透過型合焦光学系を示すものである。 図２ｂは３個の焦点を形成する反射型合焦光学系を示すものである。 図３ａは図１ａの切断ヘッドを材料の表面から離間させて配置した状態を示す ものである。 図３ｂは図１ｂの切断ヘッドを材料の表面から離間させて配置した状態を示す ものである。 発明を実施するために最良の形態 先ず図１ａを参照すると、同図にはレーザーによって切断すべきプレート６が 示されている。プレート６は第１表面８と第２表面９とを具える。切断ヘッド１ ０とも称される移動可能な一体型の光学系／ノズルシステムを、プレート６の第 １表面８の上方に配置する。切断ヘッド１０は被切断材料の切り込むべき第１表 面８に平行な面内で移動可能であり、これにより被切断材料を任意の形状で切断 することができる。このような切断ヘッド自体は既知であるので詳細な説明を省 略する。さらに、切断ヘッド１０を第１表面８に対して垂直な方向に所定範囲内 で移動可能とすることにより切断中に切断ヘッド１０が切断ガスの流れ及びレー ザービーム２の合焦に対して最適の位置まで移動可能とする。 切断ヘッド１０は流入開口４及び流出開口５を有する圧力チャンバ３を具え、 流入開口４が切断ガスを圧力チャンバ３に絶え間なく充填し、流出開口５が切断 ガスを切断位置に指向することができる。使用するガスは被切断材料に依存する が、通常の鋼材を切断する場合には酸素ガスであり、ステンレス鋼を切断する場 合には不活性ガス、例えば窒素である。 さらに、切断ヘッド１０は、レーザビーム２を複数の焦点Ｆ₁、Ｆ₂、.....、 Ｆ_nに合焦させるための光学素子１ａ、１ｂ、２１ａ、２１ｂを具える。これら 焦点は、被切断材料の第１表面８に対してある角度、典型的には直角を成す共通 軸線Ａ上に分散して配置されている。これら焦点Ｆ₁、Ｆ₂、.....、Ｆ_nは相互に 、並びに被切断材料の第１表面８及び第２表面９に対し離間した固定位置に存在 する。説明の便宜のため、図１ａ及び図１ｂは切断ノッチ７に焦点Ｆ....．を位 置させた状態を示す線図である。 図１ａ及び図１ｂに示した実施例において、光学素子１ａ及び１ｂは、この素 子の中央部分、すなわちｄ₂より内側の中央部分のレーザービーム２の中央部分 を材料の第２表面９に近接した焦点Ｆ₂に合焦させ、ｄ₂より外側の外周部分がレ ーザービーム２の外側部分を材料の第１表面８に近接した焦点Ｆ₁に合焦させる 。上述した実施例においては、焦点Ｆ₁は切断の観点から表面８の上方に位置さ れ ているが、全焦点Ｆ₁、Ｆ₂、.....、Ｆ_nを第１表面８と第２表面９との間に位置 させることも可能である。 本発明による光学系は多種の態様で構成することができる。図面にはレンズ１ ａ又はミラー１ｂを使用した簡単な実施例が示されている。 図２ａ及び図２ｂは複数の焦点Ｆ₁、Ｆ₂、.....、Ｆ_nを有する光学系２１ａ、 ２１ｂの実施例が示されており、明確を期すために３つの焦点のみ表されている 。この場合には、光学素子２１ａ、２１ｂの各同心円状部分の焦点は、中心から の距離の増大に応じて焦点距離が減少するように形成されている。 切断ヘッド１０全体と第１表面との間の距離を可変とすることにより、切断処 理開始の間に距離を増加させ、これにより切断中には通常第２表面９に近接する 焦点Ｆ₂を第１表面上に位置させ得るものとする。その結果として切断ヘッド１ ０と第１表面８との間の距離が増加するので、溶融材料が飛散してノズル５に吹 き戻され、光学素子１ａ、１ｂを破損する恐れを低減させる。ビーム通路をより 明瞭に示すために、図３ａ、図３ｂでは切断ノッチ７を線図的に示しているが、 このようなノッチ７が切断作業開始前に実存するものではないことはいうまでも ない。 上述した実施例は単純なレンズ部材を含むものであるが、より複雑な光学的配 置、例えば所望数の焦点を形成するためのレンズ群を使用することも可能である 。 本発明の基本的な概念から逸脱することなく、焦点を厳密に軸線状に位置決め させない構成とし、又は光軸を材料表面に対して直角以外の角度を成す構成とす ることも可能である。このような変形例は、例えば深層領域における切断を、そ れよりも上方の表面層領域に対して最小限の変位量をもって達成する切断速度に 関して有効である場合に適用できるものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＥ，Ｄ Ｋ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ， ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，Ｌ Ｕ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ， ＳＩ，ＳＫ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，Ｕ Ａ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１及び第２表面（８、９）を具える材料のレーザービーム（２）による加 工方法であって、例えば複数のレンズから成る対物レンズにより前記材料に複数 の焦点（Ｆ₁、Ｆ₂、...、Ｆ_n）を合焦し、これら焦点は第１表面とある角を成す 共通軸線上で互いに離間して配置されているレーザービームを使用する加工方法 において、プレートの切断に用いられ、プレートの材料を溶融／切断するために 複数の焦点を使用し、レーザービーム（２）の中央部分を第２表面（９）に近接 する焦点（Ｆ₁）で合焦させることを特徴とする方法。 ２．請求項１に記載の方法において、前記複数の焦点（Ｆ₁、Ｆ₂、...、Ｆ_n）を 、相互に、並びに第１及び第２表面（８、９）から離間した固定位置に配置する ことを特徴とする加工方法。 ３．請求項１又は２に記載の方法において、前記焦点（Ｆ₁、Ｆ₂、...、Ｆ_n）の 数を２個とすることを特徴とする加工方法。 ４．請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法において、少なくとも１つの焦点 （Ｆ₁、Ｆ₂、...、Ｆ_n）を、第１及び第２表面（８、９）間で第２表面（９）に 近接配置し、又は第１及び第２表面にそれぞれ近接配置することを特徴とする加 工方法。 ５．請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法において、常時は前記第２表面( ９)に近接して位置する焦点を、切断開始の間に前記第１表面（８）上に位置さ せることを特徴とする加工方法。 ６．請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法において、光学素子（１ａ、１ｂ 、２１ａ、２１ｂ）により前記レーザービーム（２）を複数の焦点（Ｆ₁、Ｆ₂、 ...、Ｆ_n）で合焦させ、前記レーザービームの中心軸線からの広がりの増大に応 じて前記第２表面（９）からの焦点の距離を増加させることを特徴とする加工方 法。