JP2009506890A

JP2009506890A - 周縁フィールド除去のための光学絞りを備えたレーザ加工装置

Info

Publication number: JP2009506890A
Application number: JP2008528348A
Authority: JP
Inventors: ゲシュヴァントナーマルク; ヘーベルレノルベルト
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2005-09-03
Filing date: 2005-09-03
Publication date: 2009-02-19
Also published as: WO2007025562A1; EP1926568A1; CN101257992A; US20080314880A1; CN101257992B; EP1926568B1

Abstract

レーザビーム（４）をビーム案内室（５）内で中間集束する集束光学系（６）と、中間焦点（ＺＦ）の領域に配置されレーザビーム（４）をビーム成形する光学絞り（９）が設けられているレーザ加工装置（１）において、本発明によれば絞り開口部直径は、中間集束されたレーザビーム（４）の９９％ビーム直径よりも約１．２〜２．５倍大きい。

Description

本発明は、レーザ加工装置たとえばレーザ切断装置またはレーザ溶接装置に関する。この装置には、レーザビームをビーム案内空間内で中間集束する集束光学系と、中間焦点の領域に配置されたレーザビームのビーム成型用光学絞り（空間絞り）が設けられている。この種のレーザ加工装置はたとえばEP-A-1 180 409によりすでに知られている。

レーザを用いた材料処理の場合、たとえばレーザ切断またはレーザ溶接の場合、処理成果はレーザビームの出力密度とビーム品質に左右される。この場合、望ましい処理結果を得るためには処理個所におけるレーザビーム直径を精確に調節しなければならないことが多い。レーザビームにはレーザモードのほか、ビーム直径ならびに遠方フィールド発散がレーザモードよりも大きい回折構造（回折成分）も含まれている。レーザビームを処理すべき加工物のところに集束する場合、この回折構造はレーザモードのビーム直径の外側に位置し、これによって加工個所の外側で加工物が不所望に加熱することになり、それによって切断品質ないしは溶接品質が劣化してしまい、たとえば切断エッジのざらつき、浸食、酸化、作業バンド幅の狭まりなどが生じることになる。しかも酸素（Ｏ₂）レーザ切断の場合、最大に切断可能な材料厚が著しく減少する。

したがって公知のレーザ加工装置においては、ビーム成型のためのたとえば回折構造を取り除くための光学絞りが設けられている。そのため冒頭で述べたEP-A-1 180 409によれば、中間集束されたレーザビームにおいて回折構造（周縁フィールド）および高次のレーザモードを光学絞りにより除去することが知られており、これは中間焦点に配置されている。これによれば絞り開口部は、ガス洗浄されるビーム案内室内において光学絞りの前方で光学絞りの後方よりも著しく高い圧力（正圧ないしは超過圧力）が生じるよう、小さく選定されている。つまりこの絞り開口部は、そこを貫流するガス量を低減するために、ビーム案内室を貫流する洗浄ガスのための絞り部材としても同時に機能する。ただし、絞り開口部が小さくなればなるほど、レーザモードの強度損失も大きくなる。

したがって本発明の課題は、冒頭で述べた形式のレーザ加工装置において、妨害を及ぼす回折構造（周縁フィールド）をレーザモードにおける強度損失を生じさせることなく取り除くことである。

本発明によればこの課題は、絞り開口部直径は中間集束されたレーザビームの９９％ビーム直径よりも１．２〜２．５倍大きいことにより解決される。９９％ビーム直径は、レーザビーム中央における最大強度Ｉ（０）が１％低減されているビーム直径として定義される。

本発明に従って構成された酸素（Ｏ_２）レーザ切断装置における試験によれば、酸化が生じることなくきわめて滑らかな切断エッジが得られた。このように切断品質が改善される理由は、レーザビーム中に存在し加工個所においてその外側の加工物を加熱させる回折構造が光学絞りにより除去されることによる。

集束光学系の焦点距離の選択は、「上」に向かう方向ではレーザ加工装置の幾何学的最大サイズによって制限され、「下」に向かう方向ではｋＷレーザ領域における熱的もしくは機械的な安定性と光学絞りの調節性能により制限される。１ｍｍよりも小さい絞り直径はマルチｋＷ領域では実用にならない。レーザ共振器の出力結合窓とビーム案内室の偏向ミラーたとえば第１の偏向ミラーとの間に中間焦点が配置されていると有利である。

光学絞りは、精確に中間焦点のところに配置しなくてもよく、すなわち中間集束されたレーザビームのくびれ部分に配置する必要はなく、中間焦点から最大でレイリー距離だけ隔たったところに配置することができる。ビームのくびれを中心としたこの領域においては、フレネル数はゼロと等しくもしくはほぼゼロであり、したがってレーザモードと回折構造との空間的な分離が最大となるので、ここで回折構造を取り除くことができ、レーザモードにおける損失は最小となる。

焦点シフトを生じさせない素子をビーム経路中に組み込むのが有利である。この理由から、集束光学系とレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドは非透過性の光学系であり、あるいは透過性の光学系であり、その熱的なレンズ効果はＺｎＳｅ光学系よりも小さい。透過性の光学系（たとえばＺｎＳｅレンズ）はその屈折率を、透過させるレーザ出力に依存してレーザビームの吸収および温度勾配の形成により変化させるので、上述の熱的なレンズが形成される。このようなレンズ作用により、中間焦点領域で伝播方向に沿って焦点の遷移が引き起こされ、妨害を及ぼす出力依存の焦点シフトが加工個所（切断ヘッド、溶接ヘッド等）において引き起こされる。光学絞りの最適な動作を実現し加工個所における焦点シフトを僅かにするために、レンズ作用の僅かな透過性光学系（たとえばダイアモンド出力結合窓）あるいは非透過性光学系（たとえばミラー光学系を備えた加工ヘッド）を選択すべきである。これらのポジションにＺｎＳｅレンズを用いることもたしかに可能ではあるが、上述の欠点を有している。

焦点光学系を、たとえばビーム案内室中に配置された外部のミラーまたはデルタ型折り込み部材としてもよく、あるいは有利には出力結合窓に組み込むことができる。

有利にはビーム案内室はガス洗浄され、その際に有利には光学絞りの前後に生じるガス圧力がそれぞれ等しいかほぼ等しい。

以下の説明ならびに図面には、本発明のその他の利点が示されている。上述の特徴ならびにあとで詳述する特徴を、単独であるいは複数組み合わせて適用することも同様に可能である。以下において説明する図面に示された実施形態は網羅的に列記されたものではなく、むしろ本発明を説明するための例示的な特徴を示すものにすぎない。

図１は、本発明によるレーザ加工装置におけるレーザビームのビーム経路を略示する図であり、図２は、図１に示したレーザビームのビーム半径について中間焦点での強度プロフィルを示す図である。

図１に示したＣＯ₂レーザ加工装置１は、出力結合窓（出力結合ミラー）３を備えたＣＯ₂レーザ発生器２ないしはレーザ共振器２を有しており、この出力結合窓を介してレーザビーム４がガス洗浄されたビーム案内室５に出力結合される。出力結合窓３には集束光学系６が組み込まれており、これによってレーザビーム４がビーム案内室５内で中間焦点ＺＦに中間集束される。中間焦点ＺＦのポジションは任意であるが、２つの光学素子の間で固定的な間隔を選択するのが有用であり、図示の実施例では出力結合窓３と偏向ミラー７との間で固定的な間隔を選択するのが有用である。偏向ミラー７および場合によってはさらに別の素子のところで向きの変えられたレーザビーム４は、レーザ加工ヘッド８を介して処理すべき加工物（図示せず）上に集束される。このレーザ加工装置１をたとえばレーザ切断装置またはレーザ溶接装置とすることができる。

レーザビーム４をビーム成形するため中間焦点ＺＦに、円形の絞り開口部を備えた水冷式光学絞り（空間絞り）９が配置されている。ビーム半径Ｒに関して図２に描かれた強度Ｉが示すように、絞り開口部直径ｄは中間焦点ＺＦにおけるレーザビーム４の９９％ビーム直径Ｄ_99%よりも著しく大きい。比ｄ／Ｄ_99%は約１．２〜約２．５の間にあり、図示の実施例では約１．４である。たとえば６ｍｍである円対称の９９％ビーム直径Ｄ_99%の場合、選択すべき絞り開口部直径ｄは約７．２ｍｍ〜１５．０ｍｍの間にある。光学絞り９は、精確に中間焦点ＺＦのところに配置しなくてもよく、すなわち中間集束されたレーザビームのくびれ部分に配置する必要はなく、中間焦点ＺＦから最大でレイリー距離ＲＬだけ隔たったところに配置することができる。光学絞り９に関してサービスフレンドリー性能を良好にしポジション設定を容易にするため、中間焦点ＺＦひいては光学絞り９は理想的には集束光学系６から１ｍ〜２ｍ離れたところにおかれる。

切断ガスとして酸素（Ｏ_２）を用いるこのようにして形成されたレーザ切断装置によれば、酸化が生じることなくきわめて滑らかな切断エッジが得られる。このように切断品質が改善される理由は、レーザビーム３に含まれ加工個所においてその外側の加工物を加熱させる回折構造１０が光学絞り９により除去されることによる。

光学絞り９の最適な動作ならびに加工個所における僅かな焦点シフトを得るために、出力結合窓３は組み込まれた集束光学系６とともにダイアモンドから成り、レーザ加工ヘッド８はミラー型切断ヘッドである。

光学絞り９により２つのサブ空間５ａ，５ｂに分割されたビーム案内室５は、粒子またはガスが外部からビーム案内室５に入り込むのを防止する目的で、洗浄ガスにより洗浄される。洗浄ガスは、出力結合窓３の近くで前方サブ空間５ａへ導入され（流れを示す矢印６ａ）、光学絞り９の手前で正圧弁（図示せず）を介して再び排出される（流れを示す矢印６ｂ）。同様に洗浄ガスは、レーザ加工ヘッド８の近くで後方サブ空間５ｂへ導入され（流れを示す矢印７ａ）、光学絞り９の後方で正圧弁（図示せず）を介して再び排出される（流れを示す矢印７ｂ）。両方の正圧弁は等しい開放圧力に合わせて調整されているので、ガス洗浄されたビーム案内室５内で光学絞り９の前方と後方に生じるガス圧力Ｐ₁、Ｐ₂は等しいかほぼ等しくなり、光学絞り９はビーム案内室５に設けられている洗浄ガスに対する絞り作用を及ぼさなくなる。これに加えて光学絞り９にさらに別の貫流開口部を設けることもでき、これを介して２つのサブ空間５ａ、５ｂ双方の間の圧力補償を行うこともできる。

本発明によるレーザ加工装置におけるレーザビームのビーム経路を略示する図図１に示したレーザビームのビーム半径について中間焦点での強度プロフィルを示す図

Claims

レーザビーム（４）をビーム案内室（５）内で中間集束する集束光学系（６）と、中間焦点（ＺＦ）の領域に配置され前記レーザビーム（４）をビーム成形する光学絞り（９）が設けられているレーザ加工装置（１）たとえばレーザ切断装置またはレーザ溶接装置において、
絞り開口部直径（ｄ）は、中間集束されたレーザビーム（４）の９９％ビーム直径（Ｄ_99%）よりも約１．２〜２．５倍大きいことを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１記載のレーザ加工装置において、
前記中間焦点（ＺＦ）は、レーザ共振器（２）の出力結合窓（３）と前記ビーム案内室（５）の偏向ミラーたとえば第１の偏向ミラー（７）との間に配置されていることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１または２記載のレーザ加工装置において、
前記光学絞り（９）は、中間集束されたレーザビーム（４）の中間焦点（ＺＦ）から最大でレイリー距離（ＲＬ）だけ隔てて配置されていることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１から３のいずれか１項記載のレーザ加工装置において、
前記集束光学系（６）および／またはレーザ加工ヘッド（８）は非透過性の光学系であることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１から４のいずれか１項記載のレーザ加工装置において、
前記集束光学系（６）および／またはレーザ共振器（２）の出力結合窓（３）および／またはレーザ加工ヘッド（８）は透過性の光学系であり、該光学系の熱的レンズ作用はＺｎＳｅ光学系よりも小さいことを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１から５のいずれか１項記載のレーザ加工装置において、
前記集束光学系（６）は前記出力結合窓（３）に組み込まれていることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１から５のいずれか１項記載のレーザ加工装置において、
前記集束光学系（６）は前記ビーム案内室（５）に配置された外部のミラーであることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項１から７のいずれか１項記載のレーザ加工装置において、
前記ビーム案内室（５）はガス洗浄されることを特徴とするレーザ加工装置。
請求項８記載のレーザ加工装置において、
ガス洗浄された前記ビーム案内室（５）内で前記光学絞り（９）の前方と後方に生じるガス圧力（Ｐ₁，Ｐ₂）は等しいまたはほぼ等しいことを特徴とするレーザ加工装置。