JP2004348137A - レーザー切断のための集光光学部品 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザー光線切断プロセスで用いられるとき切断される被加工物に、すなわち切断切り溝に送られるエネルギーの分布がよりよくなるような改善された集光レンズを提供する。
【解決手段】材料のレーザー切断のために用いられ得る光学部品であって、該光学部品の光軸上に存在する直線セグメント上に入射ビームを集光するように成形された少なくとも１つの非球面屈折表面を備える光学部品。
【選択図】 図３

Description

本発明は、材料、特に金属または金属合金のレーザー切断のために用いられ得る非球面レンズのような光学部品に、およびそのような光学部品を用いるレーザー切断方法に関する。

レーザー光切断は、材料、特に金属または金属合金を切断するための工業で広く用いられている方法である。

簡単にいうと、この方法は、図１に模式的に示されるように、切断される被加工物６上への所定の集光長１のレンズまたはミラータイプで、所定の焦点距離１の少なくとも１つの光学要素３により集光されるレーザー光２、例えば、ＣＯ₂ レーザー（λ＝１０．６μｍ）またはＮｄ：ＹＡＧ（λ＝１．０６μｍ）レーザーにより出力されるレーザー光を使用する。

補助ガスが、溶融金属７を除去するために切断の切り口に注入され、前記切り口は、切断される被加工物６に対する切断ヘッドの相対的な動きにより作り出される。

切断ヘッドは、光学的集光部品３と、切断ノズル５を備え、切断ノズル５は、切断ノズル５に切断ガスを注入するための少なくとも１つのガス入口４を備える。

切断ヘッドに導入されるガスは、切断される被加工物６に面する１以上の出射チャンネルまたはオリフィスを介して切断ノズルから現れ、集光レンズ３により上流で集光されるレーザー光線２もまた一般的に前記チャンネルまたはオリフィスの１つを通過する。

ラバルノズルまたは最短長の収束−発散（convergent-divergent）ノズルのような様々の形態の補助ガス出射オリフィス、およびまたコアレッセントジェット（coalescent jets）を有するノズルおよび二重ガス流装置を性能を向上させるために用いることができる。

透過型集光光学部材、すなわち光学レンズは、補助ガスを注入することができ、ついで、レーザー光線と同軸のノズル５を介して補助ガスが出て行くところの切断ヘッド内に耐圧キャビティを作り出すということで、レーザー切断のために最も広く用いられる光学部品である。

集光レンズは、２つの屈折表面、すなわち、反射によるパワー損失を制限するために反射防止処理または塗膜が形成された２つの面を有する。

レンズのコアの材料は、しばしば、ＣＯ₂ レーザーについてはセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーについては“ｂｋ７”−タイプのガラスで作られている。

工業で主に用いられている様々の形態のレンズは、以下のとおりである。

− 球状屈折表面および平坦屈折表面で構成される平凸レンズ。

− ２つの球状屈折表面でできているメニスカスレンズ。この形態は、平凸レンズと比較して球面による光行差（aberration）を最小化する利点を有するので、それは、レーザー切断できわめて広く用いられる。

− もはや一定の半径の球ではないレンズの第１の屈折表面の形態が、球状屈折表面を有するメニスカスレンズと比較して幾何学的な光行差をさらに減少させるように、そしてそのようにして特に短い焦点長、すなわち９５．２５ｍｍ（３．７５”）未満の焦点長の場合に焦点で高いパワー密度を得るように最適化される、非球面レンズ。非球面レンズの出口側屈折表面は、一般的に平面であり、このことは、おもに製造コストを軽減させるためである。

それらの全てのレンズは、最小サイズの単一焦点上にレーザー光を集光する傾向がある。

しかしながら、レーザー切断プロセスの性能を向上させるためにいくつかの焦点を有するレンズに基づくコンセプトが特許文献１に示されている。

レンズまたはミラータイプのいずれかの光学装置の形態は、図２に模式的に示されているように、入射光が単一点ではなく２以上の焦点で集光されるようになっている。

特許文献１によれば、二重焦点レンズ１５が用いられるとき、外側に位置する入射光１６の直径１１を有する部分は主焦点距離１３に対応する第１の焦点１２で集光され、一方、内側に位置する入射光の直径１２を有する部分は光線の光伝達の方向で第１の焦点１２を超える距離１７に位置する第２の焦点１４に集光される。

２重焦点レンズは、屈折表面の１つの曲率半径で、例えば、直径１１の内側が直径１１の外側の曲率半径とは異なる凸面の曲率半径で製造される。

このタイプの集光光学部品は、切断速度および／または品質の向上、またはレンズと被加工物との間の距離の変化に対するプロセスの許容差の向上、および／または単一焦点を有する従来のレンズより厚い材料を切断する能力の向上を達成することを可能とする。

しかしながら、２焦点レンズにより与えられるパワー密度場の特性は、焦点の数の個別の選択により制限されているままである。

第１の屈折表面の曲率半径は間隔について一定であるので、現在の２焦点または多焦点レンズおよびミラーは、光線の特性および顧客の用途にレンズを最適に調整することを可能としない。

単焦点レンズ、すなわち、図１の従来のレンズと比較して、得られる生産性の向上は、光軸に沿って２以上の最大値を取る切断切り溝（cutting kerf）内のパワーおよびパワー密度の分布によるものであるが、しかし、このエネルギー分布は最適ではない。と言うのは、被加工物の厚さ全体に渡って連続的ではないからである。

さらに、レーザー切断で用いられる２焦点または多焦点レンズは、光線の直系の変化に感受性がある。と言うのは、様々の焦点の間のパワー分布は、光線の直径に依存しているからである。

単焦点レンズはまた、光線の変化に感受性がある。と言うのは、入射光の発散の変化は、焦点の位置の変化を引き起こし得るからである。このことは、プロセスの許容力をなくし、例えば、切断ヘッドが動き、レーザーとヘッドとの間の光経路の長さが変化するとき、切断の品質を一定に維持することに困難を引き起こす。
ＷＯ９８／１４３０２

従って、本発明の課題は、レーザー光線切断プロセスで用いられるとき切断される被加工物に、すなわち切断切り溝に送られるエネルギーの分布がよりよくなるような改善された集光レンズを提供することであり、それゆえまた、従来の単焦点および多焦点レンズと比較して生産性を向上させることである。

本発明の解決策は、材料のレーザー切断のために用いられ得る光学部品であって、該光学部品の光軸上に存在する直線セグメント上に入射ビームを集光するように成形された少なくとも１つの非球面屈折表面を備える光学部品である。

本発明のコンテキストにおいて、
−「直線セグメント」と言う表現は、レーザー光が、連続した直線集光領域を形成するようにそろえられた無限の点からなる領域、すなわち、その両末端で２つの点により限定された０．０１ｍｍから５０ｍｍまでの範囲をとり得る長さを有する直線の部分で集光されることを意味するものと理解される。

−「光軸」と言う用語は、レンズの対称の軸および入射レーザー光線の対称の軸を意味するものと理解され、それは一般的に光軸と呼ばれて空間中に単一の直線で配列し、単一の直線を形成する。

場合に応じて、本発明の光学部品は、以下に示す１以上の技術的特徴を含み得る。

−それは、透過型または反射型のものである。

−光線が集光される直線セグメントは、材料の厚さと性質に応じて、０．０１から５０ｍｍまで、好ましくはほぼ１から２０ｍｍまでの長さを有する。

−光学部品は、非球状屈折表面（すなわち、入射側にあり、すなわち、光線により最初に影響を受ける屈折表面）がレンズの光軸からの距離とともに連続的に変化する曲率半径により規定されるところのレンズにより形成される。

−光学部品は、出口屈折表面が平坦面であるところのレンズにより形成される。

−光学部品は、４ｍｍないし６０ｍｍまでの直径を有するレンズにより形成される。

本発明はまた、本発明による少なくとも１つの光学部品がレーザー光線を集光するために用いられるところの材料をレーザー光線切断するための方法に関する。

場合に応じて、本発明の方法は、以下に示される１以上の技術的特徴を含み得る。

−光学部品は、前記光学部品の光軸上に存在し、切断される材料の厚さの範囲内に存在する直線セグメント上にレーザー光線を集光する。

−直線セグメントは、切断される材料の厚さに等しいかほぼ等しい長さを有する。

−レンズの中央に到達する入射光は、切断される材料の下側付近に集光され、レンズの周辺に到達する光線は、切断される材料の頂部付近に集光される。この方法では、切断される材料の厚さ全体に渡って集光を達成することが可能であり、レーザー光が集光される直線セグメントがこのとき光学部品の軸と一致し、切断される加工物の厚さ全体に等しい長さを有する。

−入射光と光軸が交差する点の軌跡（locus）は、集光セグメントを形成する。レーザー光線のエネルギーは、その集光セグメントに沿って連続的に分布する。

−レーザー光線は、窒素、酸素、ヘリウム、アルゴンおよび例えば、窒素／酸素混合物、アルゴン／ヘリウム混合物、窒素／ヘリウム混合物、窒素／アルゴン／酸素混合物などのような二元、三元、四元または他の混合物のようなその混合物から選ばれる少なくとも１つの成分を含む補助ガスにより補助され、補助ガスは、また、特に水素、ＣＯ₂ などの他の成分を含み得るものであり、用いられるガスは、切断される金属または合金の性質にしたがって選ばれる。

言い換えれば、本発明は、レンズのような透過性であり得る、またはミラーのような反射性であり得る、材料のレーザー切断のための光学部品に関し、光学部品は、光軸上に存在する直線セグメント上に入射光を集光する少なくとも１つの非球状屈折表面を有する。

図３に模式的に示されるレンズ２１のような透過型光学部品の場合には、屈折表面２２は、レンズの光軸２９上に存在する直線セグメント２５上にレンズに到達する入射光を集光するようにレンズの光軸２９からの距離とともに連続的に変化する曲率半径２４により規定される。

このセグメントは、切断される材料２６の厚さに近い長さを有し得る。そうするために、レンズの中央に到達する入射光２９は、有利には、切断される部材の下側２７近くに集光され得るものであり、レンズの周辺に到達する光線３０は、切断される加工物の頂部２８近くに集光され得る。

入射光と光軸の交差する点の軌跡は、光線のエネルギーが連続的に分布する集光セグメント２５を形成する。

図３の例で示されるレンズの出口屈折表面３２は、製造コストを軽減させるために平坦面であり得る。

本発明による直線状集光レンズは、追求される目的が、回折によるかまたは光線の質によってのみ制限される、可能な限り小さい面積に光線を集めることではなく、光軸上に存在する集光セグメントに沿って連続的に入射光を分布させることであると言う点で非球面屈折表面を有する公知のレンズとは異なることが注意されるべきである。

切断される被加工物に送られるエネルギーの分布は、この方法では、切り溝の中でよりよく分布し、短焦点および多焦点レンズと比較してよりすぐれた生産性を達成することを可能とする。

同様に、本発明はまた、レーザー光線の強度が連続的に分布する集光セグメントを発生させ、別個の数の連続的焦点ではないという点で特許文献１で示される多焦点レンズとも異なる。

本発明によれば、集光セグメントに沿っての入射光の分布は、非球状屈折表面の形態によりそして特に光軸からの距離の関数としての曲率半径を規定する連続関数により決定される。この関数は、切断される材料の厚さおよび性質に適合させられ得るものであり、また、入射光の光パワー密度の分布プロフィールにも適合させられ得る。

特に、屈折表面の曲率半径が、
− 集光セグメントにそっての均一パワー密度、または
− 被加工物の頂部と下部の両方に近接する最大値を有する集光セグメントに沿ってのパワー密度
を得るための入射光のパワー密度の放射状分布の関数であるような方式でその非球状屈折表面を規定することが可能である。

工業で用いられるレーザー光は、しばしば、可変的な直径で、可変的な発散（divergence）のものである。特に、動く集光ヘッドの場合には、光経路の長さ、それゆえ光線の直径と発散は、切断テーブル上のヘッドの位置に依存する。

図３に模式的に示されている本発明のレンズの利点は、光線直径の変動が、公知の２焦点または多焦点系より切断切り溝内でパワー分布およびパワー密度分布についてあまり影響を有さないと言うことである。

これは、光線直径の変動が集光セグメントに沿ってパワー分布を規定する関数についての連続変動を引き起こし、この変数に対してより大きな許容差を提供するからである。

入射光の発散の変動もまた短焦点レンズの場合におけるより切断の質について影響が少ない。

これは、エネルギーが垂直セグメント上に連続的に分布するので、入射光の発散が変化するとき被加工物に対するその集光セグメントの光軸に沿っての移行が、エネルギーが被加工物に対する位置が良好な性能を獲得するための重要なパラメーターである単一の焦点に集中するときより、被加工物に対して透過したパワー密度について衝撃が少ないからである。

それゆえ、本発明による漸増的な曲率半径を有するレンズの使用は、例えば、切断速度について、単焦点、程度は少ないけれど２焦点または多焦点レンズが用いられるときに起こる切断の品質の急激な低下または切断の完全な消失の恐れ無しに切断プロセスの限界まで生産性のさらなる向上を達成することを可能とする。

一般的に、本発明の光学部品は、非球状屈折表面が、例えば限定されないが、光軸２９からの距離に対数的に依存する項（term）を含む式、例えば、限定されないが、式Ｂ² Ｃｒ＝ＡｌｎＡ＋Ｂｚ−Ａｌｎ（Ａ＋Ｂｚ）（式中、式を満足させる（ｒ，ｚ）対は、正規直交軸（ｒ→、z→）の基準系（reference frame）において屈折表面を規定する点の座標の集合を形成し、ｒ→は、光軸に対して垂直な放射状単位ベクトル（radial unit vector）であり、z→は、光軸と同一直線上にある軸方向単位ベクトル（axial unit vector）であり、Ａ、ＢおよびＣは、入射光、材料および用途に依存する定数である。）により規定されるレンズ２１により形成され得る。

代わりに、本発明の光学部品はまた、非球面屈折平面２２が、円錐の式（equation of conical）例えば、限定されないが、式ｒ² ＋Ｐｚ² −２Ｒｚ＝０（式中、（ｒ，ｚ）対は、正規直交軸（ｒ→，ｚ→）の基準系において屈折表面を規定する点の座標の集合を形成し、ｒ→は、光軸に対して垂直な放射状単位ベクトルであり、ｚ→は、光軸と同一直線上にある軸単位ベクトルであり、ＰおよびＲは、入射光、材料および用途に依存する定数である）により規定されるところのレンズ２１により形成され得る。

両方の場合に、上記式の一方または他方を解く（充足する）数値は、非球面屈折表面が本発明による連続セグメントにそっての集光をもたらすような方式で選択される。

本発明のコンテキストでは、以下の表１に示されるガスまたは混合物は、特に切断速度または切断の質に対して有意義な影響を獲得する目的のために、表示されている材料を切断するために用いられ得る。

もちろん、ある種のガス混合物もまた、そのように得られた混合物の成分の特性を利用するために上記表１に列挙されているガスの代わりに用いられ得るであろう。例えば、ステンレス鋼を切断するために、窒素のみまたは酸素のみと比較して切断速度と質の両方を向上させることが所望されるとき、酸素／窒素混合物を用いることが可能である。

同様に、上記表１に示されるガスは、その作用が特定の材料を切断するために有益であり得る他のガス性化合物と組み合わせられ得るものである。例えば、水素が加えられた（３０体積％未満まで）窒素／アルゴン混合物は、バリのない光る切断面（酸化物が付着していない）、すなわち高品質切断面を得るようにステンレス鋼を切断するために用いられ得るであろう。

本発明のコンテキストの中では、切断性能を向上させるために用いられ、上記記載されている補助ガスを分布させる全ての様々の方法が用いられ得る。

以下の例では、本発明によるレンズは、４ｋＷパワーのＣＯ₂ レーザー光線によりＡＵＧ４グレードの６ｍｍ厚さのアルミニウム板を切断するために用いられ、横断強度分布（transverse intensity distribution）モード（００電磁横断モード）は、８６％パワーでレンズに入射する１４ｍｍ直径を有するガウシアン（Gaussian）であった。

レンズは、平坦面の出口屈折表面と非球面入口屈折表面を有し、後者の非球面表面は、長さほぼ５ｍｍの直線セグメント上に入射光を集光する回転楕円体（ellipsoid of revolution）である。

このセグメントの下側末端は、レンズの出口屈折表面からほぼ１２７ｍｍであり、それは、ほぼ３８．１ｍｍの直径と約７．６ｍｍのエッジでの厚さを有していた。

レンズの面は、先行技術による反射防止処理で被覆されていた。

切断のために用いられたガスは、２ｍｍ直径ノズルに１５バールの相対圧力で注入された窒素であった。

１９０ｍｍ焦点距離の従来の単焦点レンズの使用と比較して、このレンズの使用は、単焦点レンズで得られる１．８ｍ／分をほぼ３３％超える向上であるほぼ２．４ｍ／分の切断速度を達成することを可能とした。

切断速度が２．１５ｍ／分である１９０ｍｍの主焦点長および２つの焦点の間に７．５ｍｍの距離を有する３８．１ｍｍ外直径の２焦点レンズ（離間した２つの焦点で光線を集光する）と比較すると、速度の向上は、約１２％であった。

従来の単焦点レンズによるレーザー切断の模式図である。 従来の２焦点レンズによるレーザー集光の模式図である。 本発明によるレーザー集光によるレーザー切断の模式図である。

符号の説明

１…集光長、２…レーザー光線、３…工学要素、４…ガス入り口、５…切断ノズル、６…被加工物、７…溶融した金属、１１…直径、１２，１４…焦点、１５…２重焦点レンズ、１６…入射光、２１…レンズ、２２…屈折表面、２５…直線セグメント、２６…材料、２９…光軸、３０…光線

Claims (12)

1. 材料のレーザー切断のために用いられ得る光学部品であって、該光学部品の光軸上に存在する直線セグメント上に入射ビームを集光するように成形された少なくとも１つの非球面屈折表面を備える光学部品。
2. 透過型または反射型のものであることを特徴とする請求項１記載の光学部品。
3. 前記直線セグメントが、０．０１から５０ｍｍまでの、好ましくはほぼ１から２０ｍｍまでの長さを有することを特徴とする請求項１または２記載の光学部品。
4. 前記光学部品がレンズにより形成され、該レンズの非球状屈折表面は、該レンズの光軸からの距離とともに連続的に変化する曲率半径により規定されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の光学部品。
5. 前記光学部品がレンズにより形成され、該レンズの出口屈折表面は平坦であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の光学部品。
6. ４ｍｍないし６０ｍｍの直径を有するレンズにより形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の光学部品。
7. 請求項１ないし６の１ずれか１項記載の少なくとも１つの光学部品をレーザー光を集光するために用いることを特徴とする、材料をレーザー切断するための方法。
8. 前記光学部品が、前記光学部品の光軸上に存在し、切断される材料の厚さの範囲内に存在する直線セグメント上にレーザー光を集光させることを特徴とする請求項７記載の切断方法。
9. 前記直線セグメントが、切断される材料の厚さに等しいかほぼ等しい長さを有することを特徴とする請求項７または８記載の切断方法。
10. 前記レンズの中央に到達する入射光線が、切断される材料の下側近傍に集光され、前記レンズの周辺に到達する光線が、切断される材料の頂部近傍に集光されることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項記載の切断方法。
11. 入射光線と光軸が交差する点の軌跡が、集光セグメントを形成し、レーザー光線のエネルギーが、その集光セグメントに沿って連続的に分布することを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか１項記載の切断方法。
12. レーザー光が、窒素、酸素、ヘリウム、アルゴンおよびその混合物から選ばれる少なくとも１つの成分を含む補助ガスにより補助されることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれか１項記載の切断方法。

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