JP2006043744A - 切断加工用レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 厚板切断に適したレーザビームで切断を行えるレーザ装置。
【解決手段】 レーザ発振器ＬＳ自体が出力するレーザ光８ａの集光性指標Ｍ^２値は２．８以下で、ワーク（被加工物）に向けて出射する光学系に、反射面を備えたベンダミラー１０と球面レンズからなる集光レンズ１１の他に、集光特性改変光学素子（非球面レンズ）３２をアクチュエータ３１により、挿脱自在に配置する。例えばレーザ発振器ＬＳにＭ^２値が１．３、出力４ｋＷのガスレーザ発振器を用いることで、光学素子３２不使用時に１mm厚のアルミ合金の切断を切断速度８０ｍ／ｍｉｎで実行できる一方で、光学素子３２使用時には厚さ３０mmの軟鋼の安定切断が可能となる。集光特性改変光学素子として、可変型の非球面鏡を使用することもできる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、金属や樹脂などの材料を切断する用途に使用される切断加工用レーザ装置に関し、特に、同装置の厚板の切断加工における加工能力を向上させる技術に関する。

金属や樹脂を、レーザ光線により切断加工することは、広く行われている。切断用のレーザ装置はごく一般的なものなので、ここでは詳述しないが、その構成としては、レーザ光線源であるレーザ発振器と、レーザ光線を加工点に導き集光する光学系（導光システム）と、被加工材料上において集光点を走査する機械駆動系と、レーザ発振器・機械駆動系などを制御する制御系および冷却水供給装置や補助ガス供給装置などの補器などから成る。

このような切断用レーザ装置においては、一般に、使用されるレーザ光の集光性が高いほど加工能力も高いとされており、実際、炭酸ガスレーザを用いたレーザ切断装置において、従来からの主要な用途であるところの板金等の薄い金属材料においては、レーザビームの集光性が高いほど、切断速度が速く、また良好な面質の切断加工を行える。

一般的にレーザビームは、レーザ発振器から出力されたところでは概略平行な光線であり、集光性能が良いことが知られている。しかし、レーザビームといえども、そのエネルギー分布によっては、必ずしも回折現象で制限される限界まで小さな集光半径（スポットサイズ）に集光されないこともある。レーザビームの質により、集光レンズに入射する拡散角、ビーム径が同一でも、集光半径は異なったものとなる。これをレーザビームの集光性といい、集光性が高ければ、集光半径は小さくなる。

集光性を示す指標としては、しばしばＭ^２値が用いられる。その定義は、次のとおりである。
即ち、レーザ光の波長λ、任意の集光レンズを経て集光された時の焦点近傍での最小ビーム径ｄm 、及びビーム径が最小となる光軸上の位置（第１の位置）とビーム径が２×ｄm となる光軸上の位置（第２の位置）との間の距離Ｚr （Rayleigh長）を用いて、Ｍ^２は下記の式で定義される。
Ｍ^２＝π・（ｄm ）^２／（４λ・Ｚr ）
図１０には、集光レンズを経て集光されたレーザビームの焦点近傍でのビーム径の推移の例をグラフで示した。同グラフにおいて、横軸は集光レンズの光軸方向位置Ｚを同レンズのレンズ中心をＺ＝０（mm）にとって表わしており、縦軸は位置Ｚにおけるレーザビーム半径ｄ（mm）を表わしている。●点は実測で得たプロットで、プロット間を内挿近似すると、本例では「最小ビーム径ｄm （＝約０．２２mm）を与える位置」と「最小ビーム径ｄm のルート２倍ｄ１／２（＝約０．３１mm）を与える位置」の間の距離Ｚr は約４mmとなる。

上記の定義式の形から判るように、Ｍ^２値は、それが小さいほど良く絞られた集光半径が得られ、集光性が高いことを表わしている。Ｍ^２の理論上の最小値は１であり、これが理論上最高の集光性を持つレーザビームのＭ^２値となる。
さて、レーザビームを用いて実際に切断加工を行なう場合、従来は、略１０mm以下の薄い金属の切断が主であり、その大半のケースではＭ^２値が２近辺、最大でも２．８未満のレーザビームが用いられてきた。
ところが近年、レーザ発振器の高出力化に伴い、板厚２０mm乃至３０mm以上の、厚い材料を切断するニーズが高まっている。このような厚板をレーザ切断するには、幾つかの技術的困難が伴う。その主因は、補助ガス（アシストガス）を切断溝に十分に供給できないことにある。
周知の通り、レーザ光を用いた切断加工においては、被加工材料の表面にレーザ光を集光し、微小領域を極めて温度の高い状況とする一方、補助ガスを加工ノズルから所定の圧力・流量率で噴出し、高温溶解状態の被加工材料と補助ガスとの物理的・化学的相互作用により、被加工材料が選択的に除去される。一般に、補助ガスは加工ノズルから、レーザ光線と同軸で噴出・供給される場合が多い。

例えば、鋼板の切断の場合、特に補助ガスに酸素を用い、その燃焼反応による発熱をも利用している。板厚が大きくなると、被加工材料表面に供給された酸素補助ガスは、板厚の厚さ方向の半ばで消費され尽くし、背面（加工ノズルから遠い側の面）の近い部分では酸素不足に陥り、切断不能となる。そこで、一般には、補助ガスの供給圧力を増大することで補助ガスの供給量を増やす方策がとられるのであるが、そうすると、補助ガスの流速が過分に速くなり、材料表面付近で異常燃焼が発生する。

これは言わば、熱暴走現象であり、セルフバーニング現象とも呼ばれている。この現象は、切断面の品質を損なうばかりか、除去困難なドロスの付着を伴ない、切断製品を利用不能な状態とすることも珍しくない。
燃焼反応熱を伴わない、窒素もしくはアルゴンを補助ガスに用いる場合であっても、類似した状況が発生する。即ち、板厚が厚くなると、いくら補助ガス供給圧力を上げても、板厚の厚さ方向の半ばでガス流が失速することが防げなくなる。そのため、金属にあっては溶融金属等を吹き飛ばす力が不足することになる。また、非金属にあっては炭化作用や熱伝導に伴う過分な溶融を制限する冷却ガスとして機能が十分に果たされなくなる。
このような問題に対する従来の解決策には、大きく分けて二通りのものがあった。
一つは、補助ガスの供給方法に工夫を施すことであり、ノズル径、ノズルと被加工物表面との距離、ノズル内の形状を適切に選択することで問題解決を図る方法である。また、ノズルの径方向の流速分布に工夫を施すことも有効であり、その手法の一つであるダブルノズルの採用については、多くの特許出願を見出すことができる。

厚板切断において、補助ガスの供給を増やすもう一つの手法は、切断幅を大きくする方法で、理論上単純で簡単に実行可能なものである。即ち、焦点距離の長い集光レンズを用いてレーザビームを集光し、集光半径が大きい部分で切断を行なえば、切断幅が大きくなり、補助ガスの板厚方向への供給が増える。その結果、被加工物の裏面近傍まで十分な物理作用・化学反応が起こり、良好な切断加工が行なわれる。実際、厚板を切断するときは、薄板を切断するときに用いる集光レンズに替えて、焦点距離の長いレンズを用いることは、広く行われていることである。
また、集光点の被加工物表面に対する高さ方向の位置を調整することで、集光半径を調整し、切断幅を制御することも、一般的な手法である。

更に、レーザビーム自体の集光性を制御する提案も見受けられる。下記特許文献１、２には、ＴＥＭ００モードで薄板切断を行い、ＴＥＭ０１＊モードで厚板切断を行うことが記載されている。特に、特許文献２は、厚板切断において、切断幅を大きくすることで補助ガスの効果を拡大することについて言及している。一方、双方の提案とも、ＴＥＭ０１＊モード即ちリングモードの効果として、集光レンズ中央における熱的負荷が小さいことを重要視している。即ち、レーザ発振器をＴＥＭ００モードで発振させた場合、集光レンズの中央部で強くレーザビームの吸収による温度上昇が起こり、レンズの形状と屈折率分布に歪みが生じ、ビームの集光特性が劣化したり、集光点の位置が変動する現象を生じやすいのに対し、ＴＥＭ０１＊モードでは、このような現象が起こり難いという訳である。

なお、ＴＥＭとは、共振器内のレーザ媒体が均一であるとの仮定のもとに算出される発振モードの表記であり、レーザビームのエネルギー分布は、共振器長と開口径および共振器ミラーの曲率に応じて、離散的に決定され、その次数が００から、０１、０２というように記号を付けて表現されるものである。ＴＥＭ００モードがいわゆるガウスモードであり、このときのＭ^２値は、理論上１．０となる。ＴＥＭ０１＊モードはリングモードと呼ばれ、このときのＭ^２値は、理論上１．７程度であり、記号＊は、極座標による計算であることを示す。
実際、低出力のレーザではこの理論に合致した結果が得られるが、高出力レーザにおいてはレーザ利得が特に大きいため、レーザ媒体が均一との仮定は成り立たないことが多くなり、理論との合致度が悪くなる。

特開平６−２１８５６５号公報 特開２００２−１１８３１２号公報

さて、上記した従来技術では、次のような問題点があり、改善が望まれている。
先ず、ダブルノズル等の補助ガスの流れをコントロールし、工夫する方法には、その提案の多さが逆説的に示しているように、実際に良い結果を得るための設計・適用が難しいという短所がある。発明者らの研究によれば、加工ノズル形状とレーザビーム集光径との間には、ある種の相性関係が存在する。即ち、あるノズル形状で好結果を得ても、他の条件では平凡な結果しか得られない場合が多い。
また、集光レンズの焦点距離を変更したり、集光点の被加工物表面に対する高さ方向の位置を調整することは、切断板厚が薄い条件では一定の効果を有する手法である。しかし、切断板厚が増すに従い、どれだけ長い焦点距離の集光レンズを選択しても、切断面の悪化が避けられず、ドロスの付着も多くなり、適切な切断幅を得ることができないという現象が起る。焦点の位置を変更する方法も同様である。

次に、厚板切断に、ＴＥＭ０１＊モード、即ちリングモードを用いる方法であるが、確かにＴＥＭ００（ガウスモード）を用いる場合よりも良い結果が得られるのであるが、その効果は、鋼材の酸素切断の場合、厚さ１２mmから１６mmまでの条件下で期待できるものであって、２０mmを超える板厚においては、ガウスモードとの実験的差異は見出し難くなる。
本発明の目的は、これら従来技術の短所を克服し、特殊な加工ノズルを用いることなく、本質的に厚板切断に適したレーザビームで切断を行うレーザ装置を提供することにある。

本発明は、上記の問題を解決するために、厚い材料のレーザ切断現象を研究し、厚い材料、特に金属の厚板切断で良好な加工性能が得られる、ガスレーザ光の集光性指標の数値条件を見出し、それをレーザ装置に課したものである。
より具体的に言えば、請求項１に記載の発明に係るレーザ装置は、ガスレーザ発振器と、集光レンズを含み、前記ガスレーザ発振器から出射されたレーザ光を入射させ、被加工物に向けて出射する光学系とを備え、レーザ光に関するビーム評価指数Ｍ^２を、
レーザ光の波長λ、レーザ光が前記集光レンズを経て集光された時の焦点近傍における最小ビーム径ｄm 、及び該最小ビーム径ｄm を与える光軸上の第１の位置とビーム径が２×ｄm となる前記光軸上の第２の位置位置との間の距離Ｚr を用いて下記の式、
Ｍ^２＝π・（ｄm ）^２／（４λ・Ｚr ）
で定義した時、該Ｍ^２の値が２．８〜４．５の範囲にあることを特徴としている。

請求項２に記載の発明に係るレーザ装置は、上記条件に加えて更に、前記径ｄm と、前記距離Ｚr に関して、ｄm ／Ｚr ＞０．００３なる関係が成立することを特徴としている。この条件は、厚板切断で良好な結果を得るためにより好ましいもので、特に、非鉄金属の窒素補助ガスによる切断品質を向上させる。

ここで、前記光学系は、前記Ｍ^２の値に影響を及ぼす光学手段を含まないものとすることができる（請求項３）。あるいは、前記光学系は、前記Ｍ^２の値に影響を及ぼす集光特性改変光学素子を含んでいても良い（請求項４）。その場合、前記ガスレーザ発振器から出射されるレーザ光は、前記集光特性改変光学素子の非存在を仮定した時には前記Ｍ^２に２．８未満の値を与えるものであって良い（請求項５）。
前記集光特性改変光学素子としては、例えば非球面レンズ、非球面鏡及び可変型非球面鏡の内のいずれかを利用することができる（請求項６）。また、前記集光特性改変光学素子はレーザ光光路に対して挿脱自在に設けることもできる（請求項７）。

なお、大きな出力のレーザ光で、厚い材料を切断する場合には、補助ガスの作用も重要である。補助ガスが加工品質に与える影響と本発明の関係について、若干補足しておく。 背景技術の欄で言及したように、レーザビームの集光径は切断溝幅で左右される一方、切断溝幅は補助ガスの流れに適したものである必要がある。レーザ光の集光性を高くすると、切断溝幅が狭くなり、補助ガスの流れが悪くなる。その結果、切断性能は低下する。逆に、集光性を低くすれば、切断に必要なエネルギー密度が得られず、やはり切断能力は低下する。本発明は、このジレンマを克服すべく、レーザ光による切断現象について研究を重ね、良好な加工性能が得られる要件が、上述の評価関数の数値範囲の具体的な範囲即ち、２．８≦Ｍ^２≦４．５で特定できることをみいだしたものである。この要件は、切断速度、切断面質や切断板厚などの加工能力に関して、従来装置の２０％以上の性能向上を可能にするものである。

また、使用する発振器から出力されるレーザビームのＭ^２値が、そのまま集光レンズを通したのでは２．８より相当小さい場合でも、レーザビーム伝送過程において、上記Ｍ^２値の範囲に改変する光学素子を配置して、上記要件を満足し得るようにしている。この光学素子は、上述の通り、脱着可能に設けることができる。また、可変型円錐面鏡の如く、Ｍ^２値の改変の程度を制御可能とする光学素子を使用することもできる。これらの場合には、被加工物の厚さ等に応じて、Ｍ^２値を調節し、薄板の切断においても厚板の切断においても優れた加工性能が発揮される。

また、最小ビーム径ｄm と、ビーム径が最小となる光軸上の位置とビーム径が√２×ｄm となる光軸上の位置との間の距離Ｚr に関して、ｄm ／Ｚr ＞０．００３なる関係の構成とした場合、集光レンズで集光された光が、適切な角度で集光されるので、切断溝内で多重反射することにより切断が進行する非鉄金属の窒素補助ガスによる切断加工が、極めて良好に行えるようになる。

本発明によれば、板厚２０mm以上の厚板切断においても良好な加工特性が得られ、板厚２０mm未満の切断においても、切断面質の向上が期待できる。また、レーザ光の集光性指標の範囲を明確にしたので、レーザ装置の開発において、設計緒元の決定が容易となり、開発費用が大幅に削減でき、レーザ装置の加工能力を予め予測しておくことも可能になる。
また、必要に応じてレンズによる集光系にＭ^２値を調整する光学素子を配置することで、レーザ装置の厚板切断における加工性能の向上を図ることが可能になった。つまり、本発明によれば、特殊なレーザ発振器を用いることなく、簡便に、薄板切断性能と厚板切断性能の双方に優れたレーザ装置を得ることになる。

また更に、本発明により、非鉄金属の窒素補助ガスによる切断品質をも向上させるｄm （最小ビーム半径）とＺr （光軸上で、ｄm を与える位置と√２ｄm を与える位置の間の距離）の間の条件も明らかにすることができた。

図１は、本発明の一つの実施形態に係るレーザ装置の全体構成を示したものである。また、図２はレーザ発振器から出力されたレーザ光がワーク（被加工物）に照射される様子を示した抽出図である。図１あるいは図２において、符号１はプロセッサ（ＣＰＵ）で、図示を省略したメモリに格納された加工プログラムを読み出し、レーザ装置全体の動作を制御する。出力制御回路２は、内部にＡ／Ｄコンバータを内蔵しており、プロセッサ１から出力された出力指令信号を電流指令信号に変換して出力する。励起用電源３は、商用電源を整流した後、スイッチング動作を行って高周波電圧を発生し、電流指令値に応じた高周波電流を放電管４に供給する。

放電管４の内部にはレーザガス５が循環しており、励起用電源３から高周波電圧が印加されると放電を生じてレーザガス５が励起される。リア鏡６は反射率９９．５％のゲルマニウム製の鏡、出力鏡７は、反射率６５％のジンクセレン製の鏡であり、安定型共振器を構成し、励起されたレーザガス分子から誘導放出される１０．６μｍの光を増幅して一部を出力鏡７からレーザ光８として外部に出力する。出力されたレーザ光８の光路には開閉制御可能なシャッタ９が配置されている。

送風機１９にはターボブロワが使用され、レーザガス５を冷却器２０ａ及び２０ｂを通して循環する。冷却器２０ａはレーザ発振を行って高温となったレーザガス５を冷却するための冷却器であり、冷却器２０ｂは送風器１９による圧縮熱を除去するための冷却器である。シャッタ制御回路２１は、プロセッサ１の指令に基づいてシャッタ９を開閉する。シャッタ９は表面に金メッキが施された銅板またはアルミ板で構成されており、その閉時には出力鏡７から出力されたレーザ光８を反射してビームアブソーバ２２に吸収させる。

シャッタ９を開くと、レーザ光８はベンダミラー１０で方向を変え、集光レンズ（場合によってはレンズ系）１１に向かう。なお、図２においては、シャッタ９の図示を省略した。レーザ光８は集光レンズ１１で集光され、ワーク（被加工物）１２の表面に向けて出射される。

ワーク（被加工物）１２上のレーザ光照射位置（光軸に垂直な平面内での位置）は、ワーク１２を載置したテーブル１８の移動位置（ＸＹ位置）によって決まる。即ち、位置制御回路１３が、プロセッサ１からの指令によってサーボアンプ１４を介してサーボモータ１５を回転制御し、ボールスクリュー１６及びナット１７によってテーブル１８の移動を制御し、ワーク１２の位置が制御される。

また、ワーク１２あるいはレーザ光照射系側のＺ方向位置（光軸方向位置）についても、図２に示したように、集光されたレーザ光が最小径（集光径）２３を持つ位置（焦点位置）が、ワーク１２の内部に来るように調整される。テーブル１８の駆動について、図１では１軸のみが表示されているが、実際には複数の制御軸があり、Ｚ軸が含まれる場合、この焦点位置調整はＺ軸で行なうことができる。

前述した集光性指標Ｍ^２の式の形からも判るように、ワーク１２に照射されるレーザビームの集光性は、焦点付近での集光径２３が小さい程（即ち、ｄm が小さい程）、また、光軸方向位置に依存したビーム径の変化が小さい程（即ち、Ｚr が大きい程）高くなる。換言すれば、集光性指標Ｍ^２値は小さくなる。集光性指標の値は、リア鏡６、出力鏡７の曲率や、共振器長２４、放電管内径２５などの値により変化する。従って、実際のレーザ装置においては、特に集光性指標値を改変する集光特性改変光学素子（具体例は後述）を用いなくとも、集光性指標Ｍ^２値を２．８〜４．５の範囲（本発明における基本的要件）に収めることができる場合と、Ｍ^２値改変光学素子を使用して同範囲のＭ^２値を得るケースとが生じる。

図３は、前者のケースの例（集光特性改変光学素子使用せず）を示す図である。本例においては、レーザ発振器ＬＳ自体が、２．８〜４．５の範囲に収まる集光性指標Ｍ^２値を持つレーザ光８を出力している。このレーザ光８は、平面反射面を備えたベンダミラー１０、収差が無視できる球面レンズからなる集光レンズ１１で構成された光学系を通してワーク（図３では図示省略）に照射される。この過程で、集光性指標Ｍ^２値が４．５を超えるようなビームモードの変質を避けるべく注意する。具体的には、レーザ発振器ＬＳから加工地点までの間のレーザ光伝送光路中に集光性指標Ｍ^２値を改変するような集光特性改変光学素子を配置しないようにすれば、レーザ発振器ＬＳからの出力時の集光性指標Ｍ^２値が維持された状態でワークに向けてレーザ光が照射される。これにより、２５mmを超えるような金属あるいは非金属の切断加工を支障なく実行することができる。

図４は、後者のケースの例（集光特性改変光学素子を使用）を示す図である。本例においては、レーザ発振器ＬＳ自体が出力するレーザ光８ａの集光性指標Ｍ^２値は２．８以下であり、このＭ^２値を集光特性改変光学素子を使用することで２．８〜４．５の範囲のＭ^２値を持つレーザ光８ｂに修正する。本例ではレーザ発振器ＬＳから出射されたレーザ光８ａを入射させ、ワーク（被加工物）に向けて出射する光学系に、反射面を備えたベンダミラー１０と収差が無視できる球面レンズからなる集光レンズ１１の他に、集光特性改変光学素子３２を挿入配置することが可能になっている。集光特性改変光学素子３２は例えば非球面レンズであり、アクチュエータ３１により、レーザ光光路に対して挿脱可能に設けられている。このアクチュエータ３１としては、例えば前述した制御装置からの指令で動作する周知の電磁式のものが利用できる。なお、光を透過させて集光特性を改変する典型的な集光特性改変光学素子３２は非球面レンズであるが、球面レンズであっても、焦点距離の短いレンズを組み合わせるなどすれば、球面収差の影響によって、Ｍ^２値を大きくすることができる。

このように、集光特性改変光学素子３２を挿脱自在に設ければ、例えばレーザ発振器ＬＳにＭ^２値が１．３、出力４ｋＷのガスレーザ発振器を用いることで、集光特性改変光学素子不使用時（光路から退避）に１mm厚のアルミ合金の切断を、切断速度８０ｍ／ｍｉｎで実行することが可能になる一方で、光学素子使用時（光路中に挿入配置）には厚さ３０mmの軟鋼の安定切断が可能となる。

Ｍ^２値を改変する働きのある光学素子としては、上記した非球面レンズのような透過型の素子の他に、非球面鏡がある。特に、可変型の非球面鏡を使用すると、反射面の曲率を変えることでＭ^２値の改変能力を調整することができるという利点が得られる。図５（ａ）、（ｂ）は、可変型非球面鏡を用いた例を示す図である。同図において、符号３４は図３に示した配置において、ベンダミラー１０に代えて配置される可変型非球面鏡を表わしている。可変型非球面鏡３４は、反射面が薄膜でできており、アクチュエータ３３の働きにより、反射面が平面と非球面（ここでは円錐面）の間で変更可能になっている。図５（ａ）は反射面が非球面（円錐面）３４ａとなった状態を示し、（ｂ）は反射面が平面３４ｂとなった状態を表わしている。なお、アクチュエータ３３の動作を３段階以上とすることで、図５（ａ）と図５（ｂ）の間に１つあるいは２個以上の中間的な状態を設定することもできる。

なお、図示は省略したが、反射面の背後は、概大気圧の冷却液で満たされており、反射面の過熱を防止している。図５（ｂ）に示すように、反射面が平面のときは、無論、入射するレーザ光８ｃのＭ^２値を変化させることはなく、レーザ発振器にＭ^２値の小さい（例えば２．８以下）レーザ光８ｃを出力するものを選べば、極めて高速に薄板切断が可能である。厚板切断に際しては、Ｍ^２値を２．８〜４．５の範囲に変換するべく、アクチュエータ３３を動作させて反射面を例えば図５（ｂ）のように変形させる。すると、同じレーザ光８ｃを入射させても、反射レーザ光８ｄは入射レーザ光８ｃとは異なったＭ^２を持つものに変化する。これを利用して、例えば２．８以下のＭ^２値を持つ入射レーザ光８ｃを２．８〜４．５の範囲のＭ^２値を持つ反射レーザ光８ｄとすることができる。

さて、ここで上記の諸例において、焦点深度に相当する指標Ｚr と集光点のビーム径を示すｄm の比、ｄm／Ｚr について考えてみる。この比は、焦点深度に対してビーム径がどの程度の大きさを有しているかを表わしているが、別の言い方をすれば、集光レンズで集光された光の集光角度を表現している指標でもある。この集光角度は、切断加工の品質を左右する１つのファクタである。特に、窒素アシストガスを用いて行なう非鉄金属の切断加工では、切断溝内で多重反射することにより切断が進行するため、集光角度が適切であれば、切断加工の品質を向上させる上で非常に有利である。

今、集光レンズに入射する概平行なビーム径Ｄのレーザビームを、焦点距離ｆの集光レンズで集光したときの、集光点に向かう絞り角度をθ（全角）とすると、
Ｍ^２＝π（ｄm ）^２／（４λＺr ）＝π（ｄm )θ／４λ
であるから、
θ＝ｄm ／Ｚr
となる。他方、
ｔａｎ(θ／２)＝Ｄ／（２ｆ）
であることから、
θ＝ｄm ／Ｚr ＝２ｔａｎ^−１（Ｄ／（２ｆ））
となる。

例えば、ｆ＝２０”（５０８mm）、Ｄ＝１５mmのとき、
ｄm ／Ｚr ＝０．００２９５
となる。
また、ｆ＝２.５”（６３．５mm）、Ｄ＝２０mmのとき、
ｄm ／Ｚr ＝０．３１２
となる。
実験によれば、ｄm ／Ｚr ＞０．００３となるように、レンズ上のビーム径および集光レンズ焦点距離を選択すると、集光レンズで集光された光が、適切な角度で集光されるので、切断溝内で多重反射することにより切断が進行する非鉄金属の窒素アシストガスによる切断加工が、極めて良好に行えるようになる。従って、上記の式、
ｄm ／Ｚr ＝２ｔａｎ^−１（Ｄ／（２ｆ））
の右辺で計算される値が０．００３以上になるようにｆとＤの値を組み合わることが好ましいと言うことになる。

最後に本発明における基本要件２．８≦Ｍ^２≦４．５が良好結果を与えることのいくつかの実証例について、図６〜図９を参照して説明する。
先ず図６のグラフは、本発明のために行なった研究において実験に供したレーザビームの出力と集光性指標Ｍ^２に関して、最大切断板厚２５mm以上となる実験結果が得られた範囲を示している。同グラフにおいて、横軸はレーザ出力（ｋＷ）で、縦軸はＭ^２を表わしている。そして、●で記したプロットが厚さ２５mm以上の最大切断板厚を得たポイントを表わし、△で記したプロットは厚さ２５mm以下の最大切断板厚しか得られなかったポイントを表わしている。このグラフから、幅広いレーザ出力レンジにおいて、Ｍ^２ 値を２．８〜４．５とすれば、厚さ２５mm以上の最大切断板厚が安定して得られることが理解される。

また、出力条件を６ｋＷと揃えて、Ｍ^２値のみを変化させたとき、最大切断板厚がどのようになるかを図７のグラフに示した。同グラフにおいて、横軸はＭ^２を表わし、縦軸はそのＭ^２値の下での最大切断板厚を表わしている。両グラフにおいて、切断に供した材料は軟鋼ＳＳ４００材である。最適な結果を与える集光レンズ焦点距離、アシストガス圧、焦点位置、切断速度等の条件は、その都度変化するので、別途、適値に定めることが望ましい。いずれにしろ、これら条件を設計的に適宜定めれば、厚板の切断において、Ｍ^２値が２．８〜４．５の範囲で極めて有利な条件が実現されることは十分に確認できた。

更に、極端に厚い材料でなくても、この上記Ｍ^２値の範囲では、切断面の品質向上に効果のある場合がある。図８のグラフは、板厚１２mmの軟鋼を切断した場合の面粗度を測定した結果を表わしている。同グラフにおいて、横軸はＭ^２値を表わし、縦軸は面粗度をＲａ・μｍ単位（算術平均粗さ）で表わしている。出力は同じく６ｋＷで、アシストガスは酸素、切断速度は２．４ｍ／ｍｉｎである。このグラフから、Ｍ^２値が２．８〜４．５の範囲で低い面粗度が得られることが判る。一般に、面粗度が低い程、切断面が滑らかで良好な結果を表わしている。

以上のように、Ｍ^２値が２．８〜４．５の範囲で良好な諸結果が得られた訳であるが、ビーム形状については特定の形状が要求されないことも判った。即ち、必ずしも、中心部分のエネルギー密度が小さいことが要求されないことも明らかにできた。
図９は、Ｍ^２値が２．８〜４．５の範囲となり、好結果を得たときのレーザビームのエネルギー分布の例（ｃ）、（ｄ）を、Ｍ^２値が１．０となるガウスモード（ＴＥＭ００モード）におけるエネルギー分布（ａ）及びＭ^２値が１．７となるリングモード（ＴＥＭ０１＊モード）におけるエネルギー分布（ｂ）とともに示したものである。（ｃ）はＭ^２値＝２．８で得られた例で、ガウスモードにやや近いエネルギー分布を示している。また、（ｄ）はＭ^２値＝４．１で得られた例で、リングモードにやや近いエネルギー分布を示している。

本発明の一つの実施形態に係るレーザ装置の全体構成を示したものである。 実施形態に係るレーザ装置について、レーザ発振器から出力されたレーザ光がワーク（被加工物）に照射される様子を示した抽出図である。 集光特性改変光学素子を使用しない例について説明する図である。 集光特性改変光学素子を使用する例について説明する図である。 可変型の非球面鏡を集光特性改変光学素子として使用する例について説明する図で、（ａ）は反射面を非球面（円錐面）にした状態を表わし、（ｂ）は反射面を平面にした状態を表わしている。 レーザビームの出力と集光性指標に関して、最大切断板厚２５mm以上となる実験結果が得られた範囲を示したグラフである。 出力条件を６ｋＷと揃えて、Ｍ^２値のみを変化させたときの最大切断板厚の変化を示したグラフである。 板厚１２mmの軟鋼を切断した場合の面粗度を測定した結果を表わしたグラフである。 Ｍ^２値が２．８〜４．５の範囲となり、好結果を得たときのレーザビームのエネルギー分布の例（ｃ）、（ｄ）を、Ｍ^２値が１．０となるガウスモードにおけるエネルギー分布（ａ）及びＭ^２値が１．７となるリングモードにおけるエネルギー分布（ｂ）とともに示したものである。 集光レンズを経て集光されたレーザビームの焦点近傍でのビーム径の推移の例をグラフで示したものである。

符号の説明

１ プロセッサ
２ 出力制御回路
３ 励起用電源
４ 放電管
５ レーザガス
６ リア鏡
７ 出力鏡
８、８ａ、８ｂ、８ｃ，８ｄ レーザ光
９ シャッタ
１０ ベンダミラー
１１ 集光レンズ
１２ ワーク（被加工物）
１３ 位置制御回路
１４ サーボアンプ
１５ サーボモータ
１６ ボールスクリュー
１７ ナット
１８ テーブル
１９ 送風機
２０ 冷却器
２１ シャッタ制御回路
２２ ビームアブソーバ
２３ 集光径
２４ 共振器長
２５ 放電管内径
３１、３３ アクチュエータ
３２ 集光特性改変光学素子（非球面レンズ）
３４ 集光特性改変光学素子（可変型非球面鏡）
３４ａ 円錐反射面
３４ｂ 平面反射面

Claims (7)

1. ガスレーザ発振器と、
   集光レンズを含み、前記ガスレーザ発振器から出射されたレーザ光を入射させ、被加工物に向けて出射する光学系とを備え、
   レーザ光に関するビーム評価指数Ｍ^２を、
   レーザ光の波長λ、レーザ光が前記集光レンズを経て集光された時の焦点近傍における最小ビーム径ｄm 、及び該最小ビーム径ｄm を与える光軸上の第１の位置とビーム径が２^１／２×ｄm となる前記光軸上の第２の位置との間の距離Ｚr を用いて下記の式、
   Ｍ^２＝π・（ｄm ）^２／（４λ・Ｚr ）
   で定義した時、該Ｍ^２の値が２．８〜４．５の範囲にあることを特徴とする、切断加工用レーザ装置。
2. 前記径ｄm と、前記距離Ｚr に関して、ｄm ／Ｚr ＞０．００３なる関係が成立する、請求項１記載の切断加工用レーザ装置。
3. 前記光学系は、前記Ｍ^２の値に影響を及ぼす光学手段を含まない、請求項１または請求項２に記載の切断加工用レーザ装置。
4. 前記光学系は、前記Ｍ^２の値に影響を及ぼす集光特性改変光学素子を含んでいる、請求項１または請求項２に記載の切断加工用レーザ装置。
5. 前記ガスレーザ発振器から出射されるレーザ光は、前記集光特性改変光学素子の非存在を仮定した時には前記Ｍ^２に２．８未満の値を与えるものである、請求項４に記載の切断加工用レーザ装置。
6. 前記集光特性改変光学素子は、非球面レンズ、非球面鏡及び可変型非球面鏡の内のいずれかである、請求項４または請求項５に記載の切断加工用レーザ装置。
7. 前記集光特性改変光学素子が前記レーザ光の光路に対して挿脱自在に設けられている、請求項４〜請求項６の内のいずれか１項に記載の切断加工用レーザ装置。

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