JP2007222942A

JP2007222942A - Ａｒ／Ｈｅガス混合物を用いたチタンレーザー切断

Info

Publication number: JP2007222942A
Application number: JP2007026628A
Authority: JP
Inventors: Serge Suzon; セルジュ・スゾン
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: 2006-02-07
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2007-09-06
Also published as: EP1815937A1; CA2577059A1; US20070187374A1; CN101015889A

Abstract

【課題】切断欠陥が発生せず、経済的に優れた切断速度で切断できる、チタンまたはチタン合金のレーザ切断方法を提供する。
【解決手段】高出力レーザービームによるチタンまたはチタン合金の切断に用いる補助ガスがアルゴン／ヘリウム混合ガスであることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルゴン／ヘリウム混合物からなる補助ガスを用いてチタンおよびチタン合金を切断する、レーザービーム切断方法に関する。

チタンおよびその合金は特に有用な冶金学的および機械的な特性をもつ非鉄金属である。これは特にそれらの低密度（たとえばチタンの場合には約４．５ｇ／ｃｍ³である）のためである。チタンの性質は、特にハイテク応用のために非常に好ましい。

さらに、少なくとも１．５ｋＷの出力および／または少なくとも１ＭＷ／ｃｍ²の出力密度でのＣＯ₂レーザー切断において、集束レーザービームの高いエネルギー密度は切断する被加工物の材料の局所的な蒸発を起こす傾向がある。

条件によっては、金属蒸気が局所的にプラズマに変換され、周囲の切断ガス中へ伝播しがちである。それから金属およびガスのプラズマが多少の入射エネルギーを吸収し、切断溝で出力不足を起こすことがある。これは不可避的に切断欠陥の発生、特に切断溝の下面上でのバリをもたらす。

結果として、プラズマの発生を促進するあらゆる条件は、レーザー切断方法において、特に切断速度および調節適応性に関して、制限要因になると考えられている。

さらに、チタンおよびチタン合金は、酸素（酸化、燃焼）および窒素（窒化）に非常に感応性がある。

このような問題を避けるために、チタンおよびチタン合金を熱切断によって切断するにはアルゴンのみが用いられている。

しかし、アルゴンはイオン化ポテンシャルが約１５．４ｅＶであるため容易にイオン化されるガスであり、その結果、これは非常に急速にイオン化し、したがって切断プロセスを妨げるので、レーザー切断方法における制限要因を構成する。

結果として、約１０．６μｍの波長で動作するＣＯ₂源による高出力（＞１．５ｋＷおよび／または１ＭＷ／ｃｍ²）のレーザー切断は、レーザービームの補助ガスとして（いわゆる切断ガスとして）アルゴンを用いるのは効果がない。

アルゴンをヘリウムで置き換えることがすでに提案されている。ヘリウムをイオン化するのに要するエネルギーはアルゴンをイオン化するよりもはるかに大きく、すなわち約２４．５ｅＶであるからである。

したがって、切断ガスとしてヘリウムを用いることは有効かもしれないが、大きな流量が用いられる条件のときである。これは、ヘリウム分子が小さく、標準的なガス流量の場合に切断溝内でのガスの動的な衝突は非常にわずかなためである。

このため、ヘリウム下の非常に高い流量での切断は、切断ジェットの有効な速度条件が維持されることを可能にする。

しかし、ヘリウムの流量を増加させることは、ヘリウムの高コストのために、プロセスにとって経済的に不利益であり、多くのユーザーにこの解決策を拒否させる。

結果として、生じる問題は、上述した問題および欠点をもたないチタンおよびチタン合金のためのレーザー切断方法、特にチタンまたはチタン合金からなる被加工物の有効な切断（すなわち、バリなしにまたは最小のバリで、工業スケールでの使用に適合した切断速度、たとえば２．５ｍｍの厚さに対して少なくとも３ないし４ｍ／ｍｉｎの速度）をもたらし、ユーザーにとって経済的に容認できる方法を提供することにある。

本発明の解決策は、チタンまたはチタン合金からなる被加工物をレーザービームの補助ガスを使用して切断するレーザービーム切断方法において、前記補助ガスがアルゴン／ヘリウム混合物であることを特徴とする。

場合によって、本発明の方法は以下の特徴の１以上を含んでいてもよい：
−レーザービームをＣＯ₂、Ｎｄ：ＹＡＧ、ダイオードまたはファイバータイプのレーザー発生装置によって得る；
−ガス混合物は体積で２０ないし８０％のアルゴンを含む、および／またはガス混合物は体積で２０ないし８０％のヘリウムを含む；
−ガス混合物は体積で３０ないし７０％のアルゴンを含む、および／またはガス混合物は体積で３０ないし７０％のヘリウムを含む；
−ガス混合物はアルゴンおよびヘリウムのみからなる；
−ガス混合物は体積で４０ないし６０％のアルゴンからなり、残りがヘリウムである；
−ガス混合物は５０％のアルゴンおよび５０％のヘリウムからなる；
−レーザービームは出力が少なくとも１ｋＷ、好ましくは１．５ないし２０ｋＷである；
−切断される被加工物は０．５ｍｍないし４ｍｍ、好ましくは少なくとも１ｍｍの厚さを有するプレートである；
−切断速度が少なくとも２ｍ／ｍｉｎ、好ましくは３ないし１０ｍ／ｍｉｎである；
−レーザービームをＣＯ₂レーザー源またはイッテルビウムファイバーレーザー源によって発生させる；および
−切断ガスの圧力が５ｂａｒないし２０ｂａｒおよび／または切断ガスの流量が５ないし７５ｍ³／ｈである。

アルゴン／ヘリウムガス混合物を予め混合してから切断ヘッドへ導入してもよいし、でなければ切断ヘッド中においてまたは切断ヘッドを離れるときにたとえば二重ガス流により（これらのガスを互いに同心円状に分配してから必要とされる割合に混合して所望のＨｅ／Ａｒ混合物を得る）１つのガスを他のものと混合することによってその場で混合物を生成してもよい。後者の場合、いっしょに混合する２つのガスは、「純」ガスたとえば一方がアルゴンで他方がヘリウムでもよいし、でなければ同じ組成または異なる組成のＡｒ／Ｈｅ混合物（これらを切断ヘッド中においてまたは切断ヘッドを離れるときに混合する）でもよい。

したがって、本発明の原理は、高出力ＣＯ₂レーザー切断のための補助ガスとしてアルゴン／ヘリウム混合物を用いて切断ガスのイオン化ポテンシャルを増加させることにある。補助ガスへのヘリウムの添加は、ガスのイオン化ポテンシャルを減少させる傾向があるが、一方で切断ガスジェットの動力学ポテンシャルを維持する。

本発明は切断ガス中に望ましくないプラズマを生成しやすい、あらゆる他の種類のレーザー源に適用できるであろう。しかし、ヘリウムによるおよびアルゴンによるチタンへの比較のレーザー切断試験の間に、ヘリウムによる切断速度を制限するのは速すぎる切断速度から生じる切断溝の底の小さいバリの出現であり、一方でアルゴンの存在下では切断欠陥は切断溝中のプラズマの出現から実質的に生じることがわかっている。

さらに、アルゴンで用いるのより３倍高いヘリウム流量を用いることが必要である。

これを考慮すると、このことから、体積で１００％のヘリウムを含む補助ガスは不要であり、アルゴン／ヘリウム混合物は最適切断速度すなわちチタンのバリなし切断を得るための最大可能速度でプラズマの出現をなくすか最少にするのに十分であろうことが推論された。

アルゴン／ヘリウム混合物は切断条件たとえばレーザー出力および切断する被加工物の形態に従って選択すべきである。選択はユーザーによって経験的になされるであろう。

全ての場合において、本発明に従ってチタンまたはチタン合金を切断するためにアルゴン／ヘリウム混合物を用いることは、ヘリウムの長所およびアルゴンの長所の両方から恩恵を被ることを可能にするが、これらのガスを単独で用いた場合に遭遇する欠点がない。

これらの所見を確認するために、本発明の発明者は以下の比較試験を行った。

これらの試験の目的は、種々のアルゴン／ヘリウム混合物について、および比較として純アルゴンについて、必要な品質基準たとえば粗さ、微細バリ、バーニングによる切断の喪失または低品質の切断、シーリングガス中でのプラズマの出現などによる、切断溝の最大許容出力および対応する切断速度を決定することである。

これらの切断試験は、Ｔｒｕｍｆによる３ｋＷのＣＯ₂レーザー装置を用い、厚さ２．５ｍｍのチタンプレートに４つの異なる（体積％）切断ガスを用いて行った。すなわち、
試験Ａ：純アルゴン；
試験Ｂ：７０％Ａｒ／３０％Ｈｅ混合物；
試験Ｃ：５０％Ａｒ／５０％Ｈｅ混合物；
試験Ｄ：３０％Ａｒ／７０％Ｈｅ混合物。

試験の他の条件および得られた試験の結果を、下の表1および表２に示す。

さらに、添付の図面は、これらの試験の間に得られた最大許容出力密度をＡｒ／Ｈｅガス混合物中のヘリウム含有量の関数として示している。

わかるように、試験は、ヘリウムの割合を増加することにより被加工物による許容出力を増加することができ、より高速な切断速度をもたらすことを示している。この増加は、体積で５０％を超えるヘリウムで、直線メートルあたりの補助ガスの消費を減らすことを可能にする。アルゴンと比較して、体積で３０％のヘリウムが導入されるとすぐに柔軟性の調整が起こる。最終的に、微細なバリのために、７０％のヘリウムで出力および切断速度の限界に達する。このことはヘリウムがわずかに過剰であることの効果を強調している。

したがって、これらの試験から、ヘリウム／アルゴン混合物を使用することは、ヘリウムの長所およびアルゴンの長所の両方から恩恵を被ることができることが明らかになる。この点については、３０％のヘリウムが導入されるとすぐに柔軟性の調整が起こり、体積で約７０％のヘリウムのヘリウム含有量で最大出力に達する。

加えて、本発明によるＡｒ／Ｈｅ混合物の使用は、プラズマ生成の減少、切断速度の減少、使用するヘリウムの量の減少、したがって補助ガスの流量の減少をもたらす。

下の表２は、試験した４つの混合物Ａ〜Ｄについて、それ以上では切断ガス中で有害なプラズマが発生する、最大切断速度および最大レーザー出力のパーセンテージ（％）を示している。

これは、純アルゴン（試験Ａ）では１．８ｍ／ｍｉｎの切断速度を超えることはできないが、本発明による混合物では切断速度だけでなく有用なレーザー出力も増加できることを示している。

最大許容出力密度をＡｒ／Ｈｅガス混合物中のヘリウム含有量の関数として示す図。

Claims

チタンまたはチタン合金からなる被加工物をレーザービームの補助ガスを使用して切断するレーザービーム切断方法において、前記補助ガスがアルゴン／ヘリウム混合物であることを特徴とする方法。
レーザービームをＣＯ₂、Ｎｄ：ＹＡＧ、ダイオードまたはファイバータイプのレーザー発生装置によって得ることを特徴とする請求項1に記載の方法。
ガス混合物は体積で２０ないし８０％のアルゴンを含む、および／またはガス混合物は体積で２０ないし８０％のヘリウムを含むことを特徴とする請求項1または２に記載の方法。
ガス混合物は体積で３０ないし７０％のアルゴンを含む、および／またはガス混合物は体積で３０ないし７０％のヘリウムを含むことを特徴とする請求項1または２に記載の方法。
ガス混合物はアルゴンおよびヘリウムのみ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項に記載の方法。
ガス混合物は体積で４０ないし６０％のアルゴンからなり、残りがヘリウムであることを特徴とする請求項1ないし５のいずれか1項に記載の方法。
ガス混合物は５０％のアルゴンおよび５０％のヘリウムからなることを特徴とする請求項1ないし６のいずれか1項に記載の方法。
レーザービームは出力が少なくとも１ｋＷ、好ましくは１．５ないし２０ｋＷであることを特徴とする請求項1ないし７のいずれか1項に記載の方法。
切断される被加工物は０．５ｍｍないし４ｍｍ、好ましくは少なくとも１ｍｍの厚さを有するプレートであることを特徴とする請求項1ないし８のいずれか1項に記載の方法。
切断速度が少なくとも２ｍ／ｍｉｎ、好ましくは３ないし１０ｍ／ｍｉｎであることを特徴とする請求項1ないし９のいずれか1項に記載の方法。
レーザービームをＣＯ₂レーザー源またはイッテルビウムファイバーレーザー源によって発生させることを特徴とする請求項1ないし１０のいずれか1項に記載の方法。
切断ガスの圧力が５ｂａｒないし２０ｂａｒおよび／または切断ガスの流量が５ないし７５ｍ³／ｈであることを特徴とする請求項1ないし１１のいずれか1項に記載の方法。