JP2002321078A - 二焦点光学手段と水素ベースのアシストガスとを用いるレーザー切断方法および装置 - Google Patents

二焦点光学手段と水素ベースのアシストガスとを用いるレーザー切断方法および装置

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cutting
workpiece
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オリビエ・マティール
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 切断性能を増加させ、切断ガスの消費量を制
限することが可能なレーザー切断方法を提供する。 【解決手段】 レーザービームとアシストガスとを用い
たワークピースの切断方法であって、少なくとも１つの
光学手段を用いて、レーザービームを互いに離れた複数
の焦点にフォーカスし、前記レーザービームに対するア
シストガスとして、水素と少なくとも１種の不活性ガス
とを含むガス混合物を用いる方法。光学手段は透明また
は反射光学手段であり、レンズ、ミラー、およびこれら
の組み合わせから選択され、好ましくは二焦点レンズで
ある。切断すべきワークピースは、ステンレス鋼、被覆
鋼、アルミニウムまたはアルミニウム合金、非合金鋼ま
たは合金鋼からなる。不活性ガスは、窒素、アルゴン、
ヘリウム、およびこれらの混合物から選択される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ステンレス鋼、被
覆鋼、アルミニウムおよびその合金、非合金鋼、合金
鋼、および高合金鋼（これらがフェライト系であろうと
オーステナイト系であろうと）を、複数の焦点を有する
レンズまたはミラーを用いて、レーザービームによって
切断する方法に関する。レンズまたはミラーによって、
レーザービームを、互いに離れた好ましくは同じ軸上に
位置する少なくとも２つの焦点にフォーカスする。また
水素と少なくとも１種の不活性成分たとえば窒素とから
なる混合物を、レーザービーム用のアシストガスとして
用いる。
【０００２】
【従来の技術】ステンレス鋼、被覆鋼、アルミニウムお
よびアルミニウム合金、非合金鋼、合金鋼、および高合
金鋼（これらがフェライト系であろうとオーステナイト
系であろうと）の切断は、特に、レーザービームを用い
て、また窒素または酸素をレーザービーム用のアシスト
ガスすなわち切断ガスとして用いて行なわれる。
【０００３】また窒素をこれらの材料に対する切断ガス
として用いると、切断速度が、酸素を用いたときに得ら
れる速度よりも著しく低くなり（典型的に３０〜６０％
低い）、またガス消費量が多くなる（典型的に３０〜６
００％高い）ことが知られている（これらの値は当該材
料に依存する）。
【０００４】また、特に文献EP-A-655 021において、窒
素／水素混合物を用いると、ストリップ状またはプレー
ト状、特にシート状の加工すべきワークピースをレーザ
ー切断するときに、切断速度を増加できることが示され
ている。
【０００５】言い換えれば、窒素／水素型の混合物を窒
素の代わりに用いることで、レーザー切断方法の特性
が、純粋窒素を用いたレーザー切断と比べて改善される
ことが知られている。
【０００６】また文献EP-A-886555において、窒素／水
素またはアルゴン／水素混合物を、速度が１０ｍ／分未
満のレーザー切断に対して用いることが提案されてい
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上述から生じる問題
は、ステンレス鋼、被覆鋼、アルミニウムおよびアルミ
ニウム合金、非合金鋼、合金鋼、および高合金鋼（これ
らがフェライト系であろうとオーステナイト系であろう
と）のレーザービーム切断方法を、どのようにしてさら
に改善して、切断速度を、他の全ての条件は等しい場合
に、純粋窒素を用いるレーザー切断方法と比べて少なく
とも３０〜４０％だけ、また窒素／水素混合物を用いる
レーザー切断方法と比べて少なくとも２０％だけ、増加
させるかである。
【０００８】また本発明の目的は、レーザー切断方法の
性能を向上させながら、一方でアシストガスの消費量の
制御または低減さえ行ない、またこのことを特に、使用
される工業用切断方法の全体コストを最適化するために
行なうことである。
【０００９】言い換えれば、本発明の目的は、切断性能
を増加させ、切断ガスの消費量を制限することが可能な
レーザー切断方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】従って本発明は、レーザ
ービームとアシストガスとを用いるワークピースの切断
方法であって、少なくとも１つの光学手段を用いて、レ
ーザービームを互いに離れた複数の焦点にフォーカスさ
せ、また前記レーザービームに対するアシストガスとし
て、水素と少なくとも１種の不活性ガスとを含むガス混
合物を用いる方法に関する。
【００１１】場合により、本発明の方法には、１または
複数の以下の特徴が含まれていても良い。
【００１２】−多焦点型の光学手段は、レンズ、ミラ
ー、およびこれらの組み合わせから選択され、好ましく
は二焦点レンズ、すなわちビームを互いに離れた２つの
焦点にフォーカスさせるレンズである。より一般的に、
本発明の場合、用語「多焦点型の光学手段」とは、レー
ザービームを互いに離れた複数の焦点（通常は第１およ
び第２焦点）にフォーカスさせる光学手段を意味すると
理解される。これらの焦点は、レーザー装置のノズルの
軸、すなわち１または複数のレーザービームを放出する
レーザーヘッドの軸とほぼ同軸の軸上に離れて位置す
る。このような光学手段とレーザー切断におけるその使
用とが、文献EP-A-929376に記載されている。
【００１３】−切断すべきワークピースは、プレート、
シート、チューブから選択される。
【００１４】−光学手段は、透明または反射光学手段で
あり、レンズ、ミラー、およびこれらの組み合わせから
選択され、好ましくは二焦点レンズである。
【００１５】−切断すべきワークピースは、ステンレス
鋼、被覆鋼、アルミニウムまたはアルミニウム合金、非
合金鋼または合金鋼からなる。
【００１６】−不活性ガスは、窒素、アルゴン、ヘリウ
ム、およびこれらの混合物から選択され、好ましくは不
活性ガスは、窒素、アルゴン、およびこれらの組み合わ
せから選択される。
【００１７】−アシストガスは、１５０体積ｐｐｍ〜４
０体積％の水素、好ましくは、０．５体積％〜３０体積
％の水素を含み、残りは不活性ガスである。
【００１８】−アシストガスは、５体積％〜３０体積％
の水素からなり、残りは窒素である。
【００１９】−切断すべきワークピースの厚みは、０．
２ｍｍ〜２０ｍｍであり、典型的には０．３ｍｍ〜１６
ｍｍである。
【００２０】−切断速度が０．５ｍ／分〜２０ｍ／分で
ある。
【００２１】−光学手段は、切断すべきワークピースの
上面付近に位置する、好ましくは前記上面と一致する、
または切断すべきワークピースの厚み内の前記上面付近
の領域に位置する少なくとも１つの第１焦点と、切断す
べきワークピースの下面付近で、ワークピースの厚み内
に、またはワークピースの外側に位置する少なくとも１
つの第２焦点とが得られるように配置されている。
【００２２】−アシストガスは、水素を、切断すべきワ
ークピースの厚みおよび／または成分材料に基づいて調
整された量で含む。
【００２３】また本発明は、本発明の方法を実施するた
めのレーザービーム切断装置であって、 −少なくとも１つのレーザービームを発生させるための
少なくとも１つのレーザー発生器と、 −少なくとも１つのレーザービーム入口と少なくとも１
つのレーザービーム出口とを有する少なくとも１つの切
断ノズルと、 −前記レーザービームを複数の焦点にフォーカスさせる
ための少なくとも１つの多焦点型の透明または反射光学
手段と、 −前記ノズルにアシストガスを供給するための、前記レ
ーザービーム用の水素と少なくとも１種の不活性ガスと
を含むアシストガスの少なくとも１つの供給源とを備え
るレーザービーム切断装置に関する。
【００２４】代替的に、本発明の方法を実施するための
レーザービーム切断装置は、 −少なくとも１つのレーザービームを発生させるための
少なくとも１つのレーザー発生器と、 −少なくとも１つのレーザービーム入口と少なくとも１
つのレーザービーム出口とを有する少なくとも１つの切
断ノズルと、 −前記レーザービームを複数の焦点にフォーカスさせる
ための少なくとも１つの多焦点型の透明または反射光学
手段と、 −少なくとも水素を含むガスの少なくとも第１の供給源
と、 −少なくとも１種の不活性ガスを含むガスの少なくとも
第２の供給源と、 −前記ノズルに供給される、水素と少なくとも１種の不
活性ガスとを含む前記レーザービーム用のアシストガス
を得るために、第１のガス供給源からのガスと、第２の
ガス供給源からのガスとを混合するためのガス混合手段
とを備える。
【００２５】
【発明の実施の形態】本発明は、以下のものを組み合わ
せて用いることに基づいている。一方で、同じ軸上にほ
ぼ位置する複数の離れた焦点（ＦＰ１、ＦＰ２など）を
レーザービームに対して得るための、１または複数の透
明または反射光学部品たとえばレンズまたはミラー。他
方で、アシストガスすなわち切断ガスとしての、水素
と、１または複数種の不活性ガス成分、特に窒素、アル
ゴン、またはこれらの成分の混合物とを含む混合物。
【００２６】本発明の実施に使用できる切断装置は、例
えば、レーザービームを発生させるためのＣＯ2型レー
ザー発生器と、レーザービームが通過する出力ノズル
と、前記レーザービームをフォーカスさせるための少な
くとも１つの透明または反射光学手段と、出力ノズルに
アシストガスを供給するためのレーザービーム用アシス
トガス源とを備え、アシストガスはノズル内部に、例え
ばノズルの周囲壁を通過する１または複数のガス入口に
よって導入される。しかし、レーザーはＮｄ：ＹＡＧ型
であっても良い。
【００２７】本発明においては、出力が５００〜６００
０Ｗのレーザーを用いる。
【００２８】光学手段は、多焦点型であり、好ましくは
二焦点レンズである。アシストガス源からノズルに、水
素と少なくとも１種の不活性ガスとを含むアシストガス
混合物が供給される。
【００２９】この型の透明または反射光学部品、すなわ
ち複数の焦点を有する光学部品であって、本発明の文脈
において使用可能なものは、文献EP-A-929376に記載さ
れている。この文献を参照することで、より詳細が得ら
れる。
【００３０】多焦点光学手段の動作原理の概要を以下に
述べる。
【００３１】第１焦点ＦＰ１は、前記多焦点光学手段に
よって得られる最大収束角に由来し、切断すべきワーク
ピースの上面付近に、好ましくは前記上面と一致するよ
うに位置し、または切断すべきワークピースの厚み内の
前記上面付近の領域に位置する。
【００３２】また第２焦点ＦＰ２は、前記多焦点光学手
段によって得られる最小収束角に由来し、ワークピース
の下面付近で、この材料の厚み内に、またはワークピー
スの外側に位置する。
【００３３】この原理によって、標準的な光学部品を用
いた場合と比較して、より小さいノズル径を用いること
ができるため、ガス消費量を低減することができる。と
いうのは、このような標準的な光学部品、すなわち単一
焦点のみを有するものは、その単一焦点（収束角が最大
である）を、材料の下面に、実際にはそれよりも下に、
位置合わせしなければならない。そのため、レーザービ
ームを通過させるためには大きな径のノズルを用いる必
要があり、相応して、ガス消費量が増加する。
【００３４】（比較するための例）本発明を例証するた
めに、比較試験を行なった。これらの試験の結果（切断
速度に関する）を下表に示す。
【００３５】３ｍｍ厚のステンレス鋼板を、ＣＯ2レー
ザー（出力１５００Ｗ）によって、純粋窒素（試験１）
またはガス混合物（２５体積％のＨ2を含み、残りは窒
素）を用いて切断した。このガス混合物の場合、最初に
標準レンズ（試験２）すなわち単一焦点レンズを用いて
行ない、２番目に二焦点レンズ（試験３）を使用し他の
全ての動作条件は同じにして行なった。
【００３６】
【表１】 表から分かるように、本発明に係る試験３の結果におい
て、切断速度が、従来の方法で得られる速度（試験１お
よび２）よりも著しく高い。これは、二焦点レンズとＮ
2／Ｈ2混合物とを組み合わせて使用し、Ｈ2含有量を注
意深く制御したからである。同じことが、ガス消費量が
節約されていることにも当てはまる。
【００３７】この理由は、本発明の方法によって切断速
度が、上述の試験の条件下で、標準レンズと純粋窒素と
を用いる方法（試験１）に対して４０％を超えて、標準
レンズと窒素／水素混合物とを用いる方法（試験２）と
比べて２０％を超えて、増加できるからである。またこ
れらの試験から、試験３はガスの節約を最大にできるも
のであることが明らかである。
【００３８】使用すべきＨ2の比率は、種々の動作条
件、たとえば切断すべき材料の種類および／または厚み
に応じて制御または調整する。これは特に、切り口の底
部に付着するフラッシュの形成、および／または酸素も
しくは大気空気による切断面の酸化を避けるために行な
う。
【００３９】好ましくは、Ｈ2含有量は５体積％〜３０
体積％で、残りは窒素である。
【００４０】また、窒素の代わりにアルゴンを、またＡ
ｒ＋Ｎ2＋Ｈ2混合物を用いることも考えられる。
【００４１】要約すれば、本発明に係るレーザー切断方
法を用いれば切断速度が高くなり、すなわち、厚みおよ
び切断すべき材料によって、速度が約０．５ｍ／分〜約
１２ｍ／分になる。これとともに、切断ガスの流量が低
くなり、典型的に３５０ｍ3／時以下になる。そのた
め、高品質低コストの切断ワークピースが、特にレーザ
ー源として例えば出力が１８００Ｗのものを用いたとき
に製造される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4E068 AE01 CD04 CH08 CJ01 CJ02 DB01 DB04

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザービームとアシストガスとを用い
    るワークピースの切断方法であって、少なくとも１つの
    光学手段を用いて、レーザービームを互いに離れた複数
    の焦点にフォーカスし、前記レーザービームに対するア
    シストガスとして、水素と少なくとも１種の不活性ガス
    とを含むガス混合物を用いることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 光学手段は、透明または反射光学手段で
    あり、レンズ、ミラー、およびこれらの組み合わせから
    選択され、好ましくは二焦点レンズであることを特徴と
    する請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 切断すべきワークピースが、ステンレス
    鋼、被覆鋼、アルミニウムまたはアルミニウム合金、非
    合金鋼または合金鋼からなることを特徴とする請求項１
    および２いずれか１項記載の方法。
  4. 【請求項４】 不活性ガスが、窒素、アルゴン、ヘリウ
    ム、およびこれらの混合物から選択され、好ましくは不
    活性ガスは、窒素、アルゴン、およびこれらの混合物か
    ら選択されることを特徴とする請求項１ないし３いずれ
    か１記載の方法。
  5. 【請求項５】 アシストガスは、１５０体積ｐｐｍ〜４
    ０体積％の水素、好ましくは、０．５体積％〜３０体積
    ％の水素を含み、残りは不活性ガスであることを特徴と
    する請求項１ないし４いずれか１項記載の方法。
  6. 【請求項６】 アシストガスは、５体積％〜３０体積％
    の水素からなり、残りは窒素であることを特徴とする請
    求項１ないし５いずれか１項記載の方法。
  7. 【請求項７】 切断すべきワークピースの厚みが、０．
    ２ｍｍ〜２０ｍｍであり、典型的には０．３ｍｍ〜１６
    ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし６いずれか
    １項記載の方法。
  8. 【請求項８】 切断速度が０．５ｍ／分〜２０ｍ／分で
    あることを特徴とする請求項１ないし７いずれか１項記
    載の方法。
  9. 【請求項９】 光学手段が、切断すべきワークピースの
    上面付近に、好ましくは前記上面と一致するように位置
    する、または切断すべきワークピースの厚み内の前記上
    面付近の領域に位置する少なくとも１つの第１焦点と、
    切断すべきワークピースの下面付近で、ワークピースの
    厚み内に、またはワークピースの外側に位置する少なく
    とも１つの第２焦点とが得られるように配置されている
    ことを特徴とする請求項１ないし８いずれか１項記載の
    方法。
  10. 【請求項１０】 アシストガスが、水素を、切断すべき
    ワークピースの厚みおよび／または成分材料に基づいて
    調整された量で含むことを特徴とする請求項１ないし９
    いずれか１項記載の方法。
  11. 【請求項１１】 請求項１ないし１０いずれか１項記載
    の方法を実施するためのレーザービーム切断装置であっ
    て、 −少なくとも１つのレーザービームを発生させるための
    少なくとも１つのレーザー発生器と、 −少なくとも１つのレーザービーム入口と少なくとも１
    つのレーザービーム出口とを有する少なくとも１つの切
    断ノズルと、 −前記レーザービームを複数の焦点にフォーカスさせる
    ための少なくとも１つの多焦点型の透明または反射光学
    手段と、 −前記ノズルにアシストガスを供給するための、前記レ
    ーザービーム用の水素と少なくとも１種の不活性ガスと
    を含むアシストガスの少なくとも１つの供給源とを備え
    ることを特徴とするレーザービーム切断装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１ないし１０いずれか１項記載
    の方法を実施するためのレーザービーム切断装置であっ
    て、 −少なくとも１つのレーザービームを発生させるための
    少なくとも１つのレーザー発生器と、 −少なくとも１つのレーザービーム入口と少なくとも１
    つのレーザービーム出口とを有する少なくとも１つの切
    断ノズルと、 −前記レーザービームを複数の焦点にフォーカスさせる
    ための少なくとも１つの多焦点型の透明または反射光学
    手段と、 −少なくとも水素を含むガスの少なくとも第１の供給源
    と、 −少なくとも１種の不活性ガスを含むガスの少なくとも
    第２の供給源と、 −前記ノズルに供給される、水素と少なくとも１種の不
    活性ガスとを含む前記レーザービーム用のアシストガス
    を得るために、第１のガス供給源からのガスと、第２の
    ガス供給源からのガスとを混合するためのガス混合手段
    とを備えることを特徴とするレーザービーム切断装置。
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