JP2004526574A - 適合したガスを用いる高速レーザー切断方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくともレーザー光線および少なくとも前記レーザー光線のアシストガスを用いて金属または金属合金を切断するための方法であって、前記アシストガスは、ヘリウムおよびアルゴンおよび／または窒素の、または窒素と酸素の混合物からなり、切断速度は、１５ｍ／分より速い方法に関する。切断される加工物の厚さは、０．５ｍｍないし１０ｍｍの範囲にあり、好ましくは、０．５ｍｍを超える。切断される加工物は、板、金属シートおよび管から選択される。レーザー光線は、ＣＯ_２ タイプまたはＹＡＧ：Ｎｄレーザー装置により放射される。

Description

【０００１】
本発明は、レーザー光線を集光するためのレンズとレーザー光線アシストガスを用いる高速レーザー光線切断方法に関する。
【０００２】
レーザー切断において、低速切断速度、すなわち典型的には１５ｍ／分未満については、切断プロフィールは単純であり、溶融した金属は光線の軸に沿って取り除かれることが知られている。
【０００３】
しかしながら、高速、すなわち１５ｍ／分を超える高速で実施される切断については、ガス状プラズマが、形成されつつある切り溝の領域に出現し、薄いシートに対する切断性能を制限する、すなわち、２ｍ／分未満に切断性能を制限することが立証されている。
【０００４】
それら２つのタイプの現象は、例えば、文献ＵＳ−Ａ−５５７８２２８、ＤＥ−Ａ−４１１２３７１６またはＫ．Ｕ．プライジッヒおよびフラウンヘーファー・インスティテュート・フュール・ラーザーテクニークによる「薄い金属シートの高速レーザー切断」、ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．２２０７、１９９６に記載されている。
【０００５】
このプラズマの生成は、切断プロフィールで誘発される動きにより説明される。これは、切断の間に発生する流体力学的な動きが、溶融金属が切断プロフィールの後ろに取り除かれることを引き起こすためである。
【０００６】
結果として、切断プロフィールは、２つの部分から形成されると考えられ得る、すなわち、高エネルギー密度切断方法の場合のように蒸気毛管に関連する非除去部分および、溶融金属の除去を生じさせる除去部分である。
【０００７】
それゆえ、当業者は、高エネルギー密度溶接、例えば、鍵穴モードのプラズマ溶接（除去溶接）で形成される毛管と、高速レーザー溶接で形成される毛管との間の類推を行うであろう。
【０００８】
これは、高い特定の出力レベルのために、レーザー溶接での製造は、高温でイオン化する金属蒸気で満たされる「鍵穴」毛管ができる光線の衝撃のポイントで材料が溶融する局所的溶融現象に依存しているためである。この毛管の壁は、溶融した金属で形成さいる。
【０００９】
この毛管は重要な役割を有している。というのはそれは、エネルギーが材料の芯部（ｃｏｒｅ）に直接伝達されることを可能とするからである。
【００１０】
このように溶接プールは形成され、維持され、結合される加工物の間を動く。
【００１１】
光線が通過した後金属は固化し、このようにして加工物を互いに結合する。
【００１２】
言い換えれば、毛管の出現は、金属蒸気プラズマ、すなわち、電気的に中性で、高温であるイオン化されたガス状媒体の生成を伴う。
【００１３】
この金属蒸気プラズマは、レーザー光線と加工物との間の有効なカップリングに由来する。
【００１４】
このタイプのプラズマは、少量の入射エネルギーを吸収するが、しかし、溶接ビードの幅と深さをそれほどは変化させない。
【００１５】
ある種の条件、特に出力、速度、厚さ、ガスの性質および形状に関連する条件の下では、金属蒸気プラズマは、そのエネルギーの一部を遮蔽ガスに移行させ、遮蔽ガスプラズマが生成する危険が存在し、このことは、ある種の場合には、レーザー光線のエネルギーを吸収し、それにより、表面上で広く、材料をあまり貫通しない溶接ビードを作り出し得る。
【００１６】
それゆえ、このとき生じる問題は、遮蔽ガスプラズマの生成を回避することである。
【００１７】
そうするために、そのタイプのプラズマの出現を制限するための最も適切なガスであると考えられるヘリウムを用いることがすでに提案されている。
【００１８】
しかしながら、このガスは、他のガスと比較して相対的に密度が小さいという欠点を有し、このことは、動力学的効果を制限し、相対的に高い切断圧力の使用という結果をもたらす。
【００１９】
それゆえ、本発明の目的は、高速、典型的には１５ｍ／分を超える速度でのレーザー光線切断を可能とするために、優れたガス混合物の使用により前記望ましくないプラズマの生成を制限し、そうして、ガス流の動力学的エネルギーを改善することを可能とするレーザー切断方法を提供することにより公知のレーザー光線切断方法を改善することである。
【００２０】
それゆえ、本発明は、少なくとも１つのレーザー光線および前記レーザー光線のための少なくとも１つのアシストガスを用いることにより金属または金属合金で作られた加工物を切断する方法であって、アシストガスはヘリウム／アルゴンおよび／またはヘリウム／窒素または窒素／酸素混合物から形成され、切断速度は１５ｍ／分を超えることを特徴とする方法に関する。
【００２１】
場合に応じて、本発明の方法は、１以上の以下の特徴を含み得る。
【００２２】
−切断速度は、１８ｍ／分を超え、好ましくは２０ｍ／分を超え、より好ましくは２５ｍ／分を超える。
【００２３】
−切断速度は、３００ｍ／分未満である。
【００２４】
−アシストガスは、ヘリウム／アルゴン、ヘリウム／窒素または窒素／酸素混合物から形成される。
【００２５】
−アシストガスは、２０から８０体積％のヘリウム、好ましくは２５から７５体積％のヘリウムと残部のアルゴンを含むヘリウム／アルゴン混合物からなる。
【００２６】
−アシストガスは、２０から８０体積％のヘリウム、好ましくは２５から７５体積％のヘリウムと残部の窒素を含むヘリウム／窒素混合物から形成される。
【００２７】
−アシストガスは、０．５％から４０体積％の酸素、好ましくは１から２０体積％の酸素と残部の窒素を含み、窒素／酸素混合物から形成される。
【００２８】
−切断されるべき加工物の厚さは、０．０５ｍｍないし５ｍｍであり、好ましくは０．１ｍｍを超える。
【００２９】
−切断されるべき加工物は、板、シートおよび管から選ばれる。
【００３０】
−レーザー光線は、ＣＯ_２ タイプまたはＮｄ：ＹＡＧタイプのレーザー装置により放射される。
【００３１】
−０．５ｍｍないし１０ｍｍ、好ましくは１ｍｍないし３ｍｍの内径を有するノズルが用いられる。
【００３２】
−レーザー光線を集光するための光学手段は、レンズ、鏡およびそれらの組み合わせから選ばれ、好ましくはレンズである。
【００３３】
−５００ないし６０００ワットの出力をもたらすレーザー光源が用いられる。
そして、
−切断されるべき加工物は、板、シートおよび管から選ばれる。
【００３４】
以後、本発明のよりよい理解は、例示により与えられ、限定を含意しない以下の説明から得られるであろう。
【００３５】
本発明のコンテキストにおいて、遮蔽ガスプラズマの望ましからぬ生成を回避または最小化するためには、高いイオン化ポテンシャル（ｅＶ単位）を有するガス、すなわち好ましくはヘリウムを含むものを用いることが必要であることが立証されている。様々のガスのイオン化ポテンシャルは以下の表１に与えられている。
【表１】

【００３６】
しかしながら、本発明者がこの基準を受け入れるべきであるならば、ヘリウムは、実際に、用いられるガスの中で最良であろう。
【００３７】
しかしながら、上記のように、ヘリウムは比較的低い密度を有するという欠点を有し、それにより、動力学的効果を制限し、比較的大きな切断圧力の使用をもたらすので、これでは不十分である。
【００３８】
その結果、本発明者は、高速レーザー切断で考慮されるべき他のパラメーターは、ガスの密度であることを立証した。というのは、薄い場合（典型的には、０．１ｍｍから２ｍｍ）には、金属排除の側面は、相対的に大きい切断速度のために、反応時間が制限されるので、発熱の側面に対して優勢であるからである。
【００３９】
実際、もしレーザー切断中に用いられるガス流の動力学的エネルギー（Ｅｋ）を考慮するならば、これは、以下の式（１）
Ｅ_ｋ ＝１／２ρＶ^２ （１）
（式中ρはガスの密度（ｋｇ／ｍ^３ 単位）であり、Ｖ^２ は前記ガスの速度（ｍ／秒単位）の平方である）により与えられる。
【００４０】
ここで、その速度は、流量（ｑ）および切断用ガスを放出するために用いられるノズルの直径（Ｄ）に依存する、すなわち、
Ｖ＝ｑ／（π（Ｄ^２ ／４）） （２）。
【００４１】
次いで、これは以下の式（３）をあたえる：
Ｅ_ｋ ＝ｆ（ρ，ｑ^２ ，１／Ｄ^４ ） （３）。
【００４２】
言い換えれば、ガスの動力学的エネルギーは、流量、それゆえガスの圧力、ノズルの直径およびガスの密度に依存する。
【００４３】
それゆえ、切断速度を速くするためには、高密度が要求される。
【００４４】
表１の様々のガスの１５℃における１．０１３バールでの密度が、以下の表２に与えられる。
【表２】

【００４５】
それゆえ、高速（＞１５ｍ／ｓ）でのレーザー光線切断にとって特に適切な混合物は、ヘリウム／アルゴンおよび／またはヘリウム／窒素混合物であり、それらは、ヘリウムの大きなイオン化ポテンシャルとアルゴンおよび／または窒素の大きなガス密度とを組み合わせていることが表１および２から明らかである。
【００４６】
それらほど好ましくないが、窒素／酸素混合物もまた適切であり得るであろう。

Claims (10)

1. 少なくとも１つのレーザー光線および少なくとも１つの前記レーザー光線のためのアシストガスを用いることにより、金属または金属合金で作られた加工物を切断する方法であって、前記アシストガスは、ヘリウム／アルゴンおよび／またはヘリウム／窒素または窒素／酸素混合物から形成され、切断速度が１５ｍ／分より速いことを特徴とする方法。
2. 切断速度が１８ｍ／分を超え、好ましくは２０ｍ／分を超えることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 切断速度が３００ｍ／分未満であることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. アシストガスが、ヘリウム／アルゴン、ヘリウム／窒素または窒素／酸素混合物から形成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項記載の方法。
5. アシストガスが、２０から８０体積％のヘリウム、好ましくは２５から７５体積％のヘリウムと残部のアルゴンを含むヘリウム／アルゴン混合物からなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の方法。
6. アシストガスが、２０から８０体積％のヘリウム、好ましくは２５から７５体積％のヘリウムと残部の窒素を含むヘリウム／窒素混合物から形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の方法。
7. アシストガスが、０．５から４０体積％の酸素、好ましくは１から２０体積％の酸素と残部の窒素を含む窒素／酸素混合物から形成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の方法。
8. 切断される加工物の厚さが０．０５ｍｍないし５ｍｍであり、好ましくは０．１ｍｍを超えること、および／または切断される加工物が板、シートおよび管から選ばれることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項記載の方法。
9. レーザー光線が、ＣＯ_２ タイプまたはＮｄ：ＹＡＧタイプのレーザー装置により放射されることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項記載の方法。
10. ０．５ｍｍないし１０ｍｍ、好ましくは１ｍｍないし３ｍｍの内径を有するノズルを用いることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項記載の方法。