JP2006192503A - 二重焦点レンズを用いる、薄い金属被加工物のレーザー切断 - Google Patents

Abstract

【課題】５ｍｍ以下の厚さ、好ましくは２から５ｍｍの間の厚さを有する金属被加工物を二重焦点レンズを使用してレーザー切断する効率的な方法を提供する。
【解決手段】二重焦点レンズを用いて、少なくとも、互いに離れてビーム軸上にある第１焦点および第２焦点に、レーザービームを集光させることを可能にし、前記レンズは８０から１３５ｍｍの間の焦点距離ＦＬを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は二重焦点と選択された焦点距離とを有するレンズを使用するレーザービーム切断方法に関する。

レーザー切断方法は従来、例えばＣＯ_２型（λ＝１０．６μｍ）またはＹＡＧ型のレーザーマシーンによって放出されるレーザービームを用いる。そのビームは切断しようとする被加工物上に光学素子（通常、所定の焦点距離のレンズまたはミラー）によって集光される。通常、溶融金属を除去するように、加圧補助ガスを切断溝に注入する。その後、ビームを発し、かつ補助ガスを送り出す集光素子を具備する切断ヘッドを、切断しようとする被加工物に対して相対的に変位させることにより、切断溝を作り出す。

透過型の集光光学系、すなわちレンズは、レーザー切断のために最も一般的に使用される素子である。というのは、レンズは、切断ヘッドに加圧耐漏洩性キャビティー（補助ガスを注入でき、それから補助ガスがレーザービームと同軸のチューブを通して出ることができる）を作り出すことを可能にするためである。

集光レンズは、２つのジオプター（dioptre）または面を具備し、その上に反射防止処理が施され反射による損失を制限している。

レンズの“コア”の材料は多くの場合、ＣＯ_２型のレーザー用にはセレン化亜鉛であり、ＹＡＧ型のレーザー用には融解シリカ、ガラス（ｂｋ７）、水晶などである。

現在主に使用されている様々なレンズの形は：
−球面ジオプターと平面ジオプターとから構成される平凸レンズ、
−２つの球面ジオプターから構成されるメニスカスレンズ。このレンズの形は球面収差を最小にできるという点で平凸レンズに対して有利であり、この理由でレーザー切断において非常に広く使用されている；
−非球面レンズ、このレンズにおいて第１ジオプターの形は一定の半径の球体ではなく、球面ジオプターをもつメニスカスレンズに対してさらに幾何収差を低減できるように最適化されている。それにより、特に、短い、すなわち９５．２５ｍｍ（３．７５”）以下の焦点距離の場合、より大きなパワー密度を焦点で得ることができる。非球面レンズのアウトプットジオプターは、製造コストを低減させるために、通常平面である。

これら全てのレンズはレーザービームを最小径の１つの焦点で集光させる性質がある。

レーザー切断方法の性能を向上させる、多数の焦点を有する光学系を使用するレーザー切断方法が特に文献WO-A-98/14302に教示されている。レンズ型またはミラー型のこれらの光学系の形は、入射レーザービームをただ１つの点ではなく２つまたはそれ以上の点に二重焦点レンズまたは多焦点レンズを介して集光させるものである。

より正確には、二重焦点レンズＬＦを使用してレーザービームを集光させる場合、２Ｈに等しい径の外に位置する入射レーザービームの部分は、図１に示したように、主焦点距離ＦＬにある第１焦点ＰＦ１に集光される。さらに、２Ｈに等しい径の中に位置する入射レーザービームＬの部分は、光の伝播方向において第１焦点ＰＦ１から後方の距離ＤＦに位置する、第２焦点に集光される。２つの焦点を有するこの集光レンズＬＦは、直径２Ｈの内側と外側とで、異なる曲率半径の１つのジオプター（例えば凸面）をもって製造される。

これらのタイプの集光光学系は、速度、切断品質、およびレンズと被加工物間の距離の変化に対する許容範囲の増大を達成することを可能にし、さらに、１つの焦点をもつ従来のレンズよりも厚い材料を切断することも可能にする。

この文献の教示にも関わらず、実際には、効率的で、高品質の切断を得ることは、ある厚さに関しては問題を生じる可能性があることが知られている。

例えば、５ｍｍ以下、好ましくは０．５から３ｍｍの間の厚さを有する金属板もしくは被加工物（これらに対して、許容できる切断性能を得るためには、短い焦点距離（≦１３０ｍｍ）を有するレンズを使用する必要があることが知られている）を切断する場合、繰返し起こる問題に遭遇する。

これらの厚さを通常は１２５ｍｍ（５インチ）または９５．２５ｍｍ（３．７５インチ）の標準化された焦点距離で切断する。

より長い焦点距離を使用すると、良好な切断品質を得るために、切断速度を著しく低下させる必要がある。
国際公開公報第Ａ−９８／１４３０２

本発明の目的は、この問題の解決策を提供すること、すなわち５ｍｍ以下の厚さ、好ましくは２から５ｍｍの間の厚さを有する被加工物を二重焦点レンズを使用してレーザー切断する効率的な方法を提供することである。

本発明の解決策は、５ｍｍ以下の厚さを有する金属被加工物をレーザービーム切断する方法であって、二重焦点レンズを用い、少なくとも、互いに離れてビーム軸上にある第１焦点および第２焦点に、レーザービームを集光させることを可能にし、レンズは８０から１３５ｍｍの間の焦点距離を有することを特徴とする方法である。

場合によって、本発明の方法は１つまたはそれ以上の以下の特徴を含んでいてもよい：
−レンズは９０から１３０ｍｍの間、好ましくは少なくとも１００ｍｍの焦点距離を有する；
−レンズは１２７ｍｍに等しい焦点距離を有する；
−レンズは焦点距離にある第１焦点に集光させるための第１曲率半径を有する中央部の径を有し、前記径は２０ｍｍ以下である；
−レンズの径は４から１５ｍｍの間である；
−１から４ｍｍの間にある厚さを有する被加工物を切断する；
−２つの焦点間の距離は１から１２ｍｍの間である；
−２つの焦点間の距離は３から５ｍｍの間である；
−金属被加工物はステンレス鋼、軟鋼、アルミニウムもしくはアルミニウム合金、チタンもしくはチタン合金、銅もしくは銅合金から作られている；
−窒素を含む補助ガスを使用する；
−レーザービームは０．５から１５ｋＷの間、好ましくは１ｋＷから６ｋＷの間の出力を有する；
−レーザービームをＣＯ_２型のレーザー装置で放射する。

本発明の文脈において、二重焦点レンズを用いるレーザー切断方法は、使用するレンズのパラメータ、すなわち図１に示すような焦点距離ＦＬ、２Ｈ、２Ｆによって調整されることが示されている。

レンズの径２Ｈはレンズの中央にある部分の径に対応し、レンズの周辺の外側部分のそれとは異なる曲率半径を有する。径２Ｈの外側にある入射ビームの部分は主焦点距離ＦＬに位置する第１焦点ＰＦ１に集光される。径２Ｈの内部にある入射ビームの部分は主焦点距離ＦＬ２に位置する第２焦点ＰＦ２に集光される。

径２Ｈの大きさは第２焦点ＰＦ２に集光されるエネルギーの量を決定する。

さらに、距離ＤＦは、図１に示すように、焦点距離ＦＬとＦＬ２との差に相当する。

（例）
２ｍｍと４ｍｍの厚さを有するステンレス鋼被加工物に関して試験を行い、その結果をそれぞれ図２および図３に示す。５ｍｍ以下の厚さ、すなわち一般的に１から４ｍｍの厚さに対して、焦点距離が１２７ｍｍであり、２Ｈの値が４ｍｍから１５ｍｍの間であるレンズの使用が望ましいことが確認される。

これらの試験での径２Ｈの値は８ｍｍであり、レーザーの出力は４ｋＷであり、補助ガスは窒素である。

さらに、これらの試験で、１５ｂａｒまたは１６ｂａｒ（それぞれ図２および３において灰色の棒グラフ）および１９ｂａｒ（それぞれ図２および３において黒色の棒グラフ）の圧力についての結果を全ての場合で二重焦点レンズを使用して得た。

焦点がＦＬ＝１２７ｍｍであり、２Ｈが上の値である場合、これら図２および図３からわかるように、３から５ｍｍの間にあるＤＦの値で最高のレーザー切断性能が得られた。

これは、ＦＬ、２ＨならびにＤＦがこれらの値である場合、切断溝に吸収されるレーザーエネルギーのエネルギー分布が最適になるためである。さらに、溝の幅はガスの良好な浸透および溶融金属の適切な除去を可能にするのに十分になる。

二重焦点レンズによる集光を示す図。 ＤＦと切断速度の関係を示す図。 ＤＦと切断速度の関係を示す図。

Claims (12)

1. ５ｍｍ以下の厚さを有する金属被加工物をレーザービーム切断する方法であって、二重焦点レンズを用い、少なくとも、互いに離れてビーム軸上にある第１焦点（ＰＦ１）および第２焦点（ＰＦ２）に、レーザービームを集光させることを可能にし、前記レンズは８０から１３５ｍｍの間の焦点距離（ＦＬ）を有することを特徴とする方法。
2. 前記レンズは９０から１３０ｍｍの間、好ましくは少なくとも１００ｍｍの焦点距離（ＦＬ）を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記レンズは１２７ｍｍに等しい焦点距離（ＦＬ）を有することを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 前記レンズは、前記焦点距離（ＦＬ）にある前記第１焦点（ＰＦ１）に集光させるための第１曲率半径を有する中央部の径（２Ｈ）を有し、前記径（２Ｈ）は２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記レンズの前記径（２Ｈ）は４から１５ｍｍの間であることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. １から４ｍｍの間にある厚さを有する被加工物を切断することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の方法。
7. 前記２つの焦点（ＰＦ１、ＰＦ２）間の距離（ＰＦ）は１から１２ｍｍの間であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の方法。
8. 前記２つの焦点（ＰＦ１、ＰＦ２）間の距離（ＰＦ）は３から５ｍｍの間であることを特徴とする請求項７記載の方法。
9. 前記金属被加工物はステンレス鋼、軟鋼、アルミニウムもしくはアルミニウム合金、チタンもしくはチタン合金、銅もしくは銅合金から作られていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載の方法。
10. 窒素を含む補助ガスを使用することを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載の方法。
11. 前記レーザービームは０．５から１５ｋＷの間、好ましくは１ｋＷから６ｋＷの間の出力を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項記載の方法。
12. 前記レーザービームをＣＯ_２型のレーザー装置で放射することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項記載の方法。

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