JP2006192504A

JP2006192504A - 二重焦点レンズを用いる、厚い金属部品のレーザー切断

Info

Publication number: JP2006192504A
Application number: JP2006003725A
Authority: JP
Inventors: Karim Chouf; カリム・シュー; Hakim Maazoui; アキム・マアザウイ; Christophe Bertez; クリストフ・ベルテ
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2005-01-12
Filing date: 2006-01-11
Publication date: 2006-07-27
Also published as: PL1681127T3; DE602005008886D1; FR2880568A1; CN1803373A; EP1681127B1; CA2531879A1; FR2880568B1; US20060196859A1; ES2311946T3; BRPI0600120A; AU2006200026A1; CN100546752C; EP1681127A1; ATE404316T1

Abstract

【課題】より短い焦点距離で、切断が非常に難しい４から２５ｍｍの間の厚さを有する金属部品を効果的にレーザ切断する方法を提供すること。
【解決手段】本発明は、４から２５ｍｍの間の厚さを有する金属部品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、互いに離れてレーザー光軸上にある第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１７０から３００ｍｍの間の焦点距離（ＦＬ）を有することを特徴とする方法に関する。
【選択図】図２

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部品上に光学素子（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、切断しようとする部品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（二重焦点レンズ）またはそれ以上の点（多焦点レンズ）に集光させるものである。

より正確には、図１に示すように、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、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（例えば凸面の）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、およびレンズと部品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、４から２５ｍｍの間の厚さ、好ましくは５から２０ｍｍの間の厚さを有する金属板もしくは部品（これらに対して、許容できる切断性能を得るためには、１３０ｍｍ以上の焦点距離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。

より短い焦点距離でこれらの厚さを切断することは非常に難しいことを考えて、これらの厚さを通常は１９０．５ｍｍ（７．５インチ）または２２８．６ｍｍ（９インチ）の標準化された焦点距離で切断する。特に、５ｍｍの厚さを超える切断溝の下部に、バリが組織的に形成される。
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４から２５ｍｍの間の厚さ、好ましくは５から２０ｍｍの間の厚さを有する部品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、４から２５ｍｍの間の厚さを有する金属部品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て、少なくとも、互いに離れてレーザー光軸上にある第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１７０から３００ｍｍの間の焦点距離（ＦＬ）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１８０から２００ｍｍの間の焦点距離を有する。

−レンズは１９０．５ｍｍ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。

−４から２０ｍｍの間、好ましくは６から１２ｍｍの間にある厚さを有する部品を切断する。

−２つの焦点間の距離は５から１２ｍｍの間である。

−２つの焦点間の距離は７から１０ｍｍの間である。

−金属部品はステンレス鋼、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２０ｋＷ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。

上述の問題を解決することに関わった際に、本発明の発明者らは、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ということに気付いた。

レンズの２Ｈはレンズの中央にある部分の径に対応し、レンズ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ＰＥ１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）
６ｍｍと８ｍｍの厚さを有するステンレス鋼部品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。それぞれ４から２０ｍｍの間の厚さに対して、焦点距離が１９０．５ｍｍであり、さらに２Ｈの値が４ｍｍから１５ｍｍの間にあるレンズを使用することが適切であることが確認される。

図２の１６ｂａｒ（灰色の棒グラフ）および１９ｂａｒ（黒色の棒グラフ）の圧力について、二重焦点レンズを使用して両方の場合で結果を得た。

１９ｂａｒ（図３）の圧力について、二重焦点レンズ（黒色の棒グラフ）、または比較のために従来の単焦点レンズ（灰色の棒グラフ）を使用して結果を得た。

焦点がＦＬ＝１９０．５ｍｍであり、２Ｈが上述の値である場合、図２からわかるように、７から１０ｍｍ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。

８ｍｍのシート金属厚さ（図３）に対して、８ｍｍに等しい距離ＤＦを有する二重焦点レンズは、試験した他の値のＤＦとは比べものにならない切断品質（特にバリがないという点）とともに速度の増大を得ることを可能にする。

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。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

４から２５ｍｍの間の厚さを有する金属部品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、互いに離れてレーザー光軸上にある第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１７０から３００ｍｍの間の焦点距離（ＦＬ）を有することを特徴とする方法。
前記レンズは１８０から２００ｍｍの間の焦点距離（ＦＬ）を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
前記レンズは１９０．５ｍｍ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。
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。
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。
４から２０ｍｍの間、好ましくは６から１２ｍｍの間にある厚さを有する部品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。
前記２つの焦点（ＰＦ１、ＰＦ２）間の距離（ＰＦ）は５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。
前記２つの焦点（ＰＦ１、ＰＦ２）間の距離（ＰＦ）は７から１０ｍｍの間であることを特徴とする請求項７記載の方法。
前記金属部品はステンレス鋼、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。
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。
前記レーザービームは０．５から２０ｋＷ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。
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。