JP2012086230A

JP2012086230A - レーザ切断装置及びレーザ切断方法

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Publication number: JP2012086230A
Application number: JP2010232676A
Authority: JP
Inventors: Masanari Watanabe; 眞生渡辺
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2012-05-10
Anticipated expiration: 2030-10-15
Also published as: EP2628564A1; CN103180085B; CN103180085A; EP2628564A4; JP5766423B2; US20130146572A1; WO2012050045A1

Abstract

【課題】厚みを有する被加工物を、ＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザを用いて切断することができるレーザ切断装置及びレーザ切断方法を得ることを目的とする。
【解決手段】レーザ切断装置１０は、レーザ出射部２４から被加工物３０を切断するためのレーザビーム（ＣＯ_２レーザよりも波長が短いＹＡＧ系レーザ）が出射され、光学系２６によって、該レーザビームの断面形状が楕円形となり、かつ該楕円形の長軸方向と被加工物３０の切断の進行方向とが一致するように該レーザビームが集束され、楕円形に集束されたレーザビームが被加工物３０内部の溶融池の温度上昇に寄与する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ切断装置及びレーザ切断方法に関するものである。

近年、例えば、特許文献１に記載されているような、金属板のワークを切断する加工ヘッドに、レーザ発振器から光ファイバーを介してレーザビームが送られ、該レーザビームによってワークを切断するレーザ切断装置の開発が進んでいる。この光ファイバーを用いたレーザ（以下、「ファイバーレーザ」という。）は、固体レーザ（例えば、ＹＡＧ系レーザ）が光ファイバーを用いて伝送されるものである。
そして、ファイバーレーザは、気体レーザ（例えば、ＣＯ_２レーザ）に比較してレーザの生成に要する電気エネルギーが少なく、ロッドタイプの固体レーザに比較してレーザビームの品質（レーザビームの集光性と直進性）が高く、高出力化が可能であるため、普及が進んでいる。

ここで、レーザ切断装置は、被加工物である金属の切断において、レーザビームのパワーだけでなく、レーザビームを被加工物に照射すると共に吹きつける酸素ガス（アシストガス）によって金属が酸化する酸化熱も利用して被加工物を高温にすることにより、切断を行う場合がある。被加工物が高温となることで、被加工物を構成する金属及び酸化熱を得る過程で生成される酸化金属は、溶融して溶融金属となる。そして、溶融金属が上記アシストガスの圧力によって被加工物から吹き流されて除去されることによって、被加工物は切断される。
ところで、溶融金属は、温度が高いほど粘性が下がり流動性が高くなるため、レーザ切断装置は、被加工物の切断温度を高くすることで溶融金属の粘性を下げ、アシストガスによる溶融金属の排除性を向上させる必要がある。

このため、レーザビームによる切断では、被加工物内部の温度、すなわち切断温度を高温にしなければならない。例えば、切断対象となる被加工物がＦｅ（鉄）の場合、切断温度は、１２００℃〜１７００℃前後としなければならない。

特開２００８−２９６２６６号公報

しかし、ファイバーレーザ等に用いられるＹＡＧ系レーザでは、従来から用いられているＣＯ_２レーザに比較して切断時の温度が上昇しにくいことが指摘されている。

この理由は、以下のように考えられている。
ＹＡＧ系レーザとＣＯ_２レーザとでは、ＹＡＧ系レーザの波長が１．０６〜１．０８μｍ、ＣＯ_２レーザの波長が１０．６μｍというように波長の大きさが異なることによって、材料に対するレーザの吸収率（以下、「材料吸収率」という。）及びプラズマに対するレーザの吸収率（以下、「プラズマ吸収率」という。）が異なる。例えば、従来から知られている図６の実験例に示すように、鉄に対する材料吸収率は、ＣＯ_２レーザでは０．０８であり、ＣＯ_２レーザよりも波長の短いＹＡＧ系レーザでは０．３９である。

このように、ＹＡＧ系レーザでは、ＣＯ_２レーザに比較して材料吸収率が高いため、ＣＯ_２レーザに比較して被加工物の溶融にレーザビームのパワーがより消費され、そのためレーザビームのパワーが被加工物の温度上昇に寄与しづらい。さらに、被加工物を切断する際には、被加工物である金属の一部が蒸発し、プラズマ化する。そして、切断される被加工物内部での温度上昇には、プラズマ温度が寄与するが、ＹＡＧ系レーザのプラズマ吸収率は、ＣＯ_２レーザに比較して１００分の１程度である。そのため、ＹＡＧ系レーザは、切断する被加工物内部でのプラズマ温度を上昇させにくい。

また、ファイバーレーザを用いた場合は、レーザ発振器の個体差、ファイバーの経年的な劣化、ファイバーに対する力学的なストレス（応力）の蓄積及び偏在等によってクラッドとコアとの界面にストレスが生じ、屈折率が変化することによって、レーザビームの品質及び出力の低下が生じ、レーザ切断装置の切断性能が低下することがある。

この結果、ＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザを用いたレーザ切断装置は、厚みを有する被加工物を切断する場合、被加工物内部の温度を切断に必要な温度まで上昇させることができず、被加工物を切断することができない場合があるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、厚みを有する被加工物を、ＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザを用いて切断することができるレーザ切断装置及びレーザ切断方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のレーザ切断装置は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係るレーザ切断装置は、ＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザビームが照射された場合に内部に溶融池が発生する厚みを有する被加工物を切断するための前記レーザビームを出射する出射手段と、前記出射手段から出射された前記レーザビームの断面形状が楕円形となり、かつ該楕円形の長軸方向と該被加工物の切断の進行方向とが一致するように該レーザビームを集束させる集束手段と、を備える。

本発明によれば、出射手段によって、ＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザビームが照射された場合に内部に溶融池が発生する厚みを有する被加工物を切断するためのレーザビームが出射され、集束手段によって、該レーザビームの断面形状が楕円形となり、かつ該楕円形の長軸方向と被加工物の切断の進行方向とが一致するように該レーザビームが集束される。

ＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザ（例えば、ＹＡＧ系レーザ）は、材料吸収率が高く、プラズマ吸収率が低い、そのため、被加工物をレーザビームで切断する場合に、被加工物の内部を、アシストガスで吹き飛ばせるほど低い粘性を溶融金属が有するほどの高温にすることができなかった。

そこで、レーザビームの断面形状を楕円形とし、楕円形の長軸方向と被加工物の切断の進行方向とを一致させる。これによって、ビームエネルギーを被加工物の溶融から切断領域の温度上昇に配分を変えることを用いて、被加工物の切断方向前方側のレーザビームのパワーが、被加工物である金属の溶融に消費される一方、被加工物の切断方向後方側のレーザビームのパワーが、溶融金属の温度上昇に消費され、溶融金属の温度が高温となる。この結果、溶融金属をアシストガスで吹き飛ばせるほど溶融金属の粘性を下げることが可能となるので、本発明は、厚みを有する被加工物を、ＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザを用いて切断することができる。

また、本発明のレーザ切断装置では、前記集束手段が、前記出射手段から出射されたレーザビームの断面形状が楕円形となるように、該レーザビームを集束させるシリンドリカルレンズと、前記シリンドリカルレンズで集束されたレーザビームの長軸方向と該被加工物の切断の進行方向とが一致するように該シリンドリカルレンズを回転させる回転手段と、を有するとしてもよい。
本発明によれば、集束手段が、出射手段から出射されたレーザビームの断面形状を楕円形に集束させるシリンドリカルレンズと、シリンドリカルレンズで集束されたレーザビームの長軸方向と該被加工物の切断の進行方向とが一致するように該シリンドリカルレンズを回転させる回転手段と、を有するので、簡易な構成で、レーザビームの長軸方向と該被加工物の切断の進行方向とを一致させることができる。

また、本発明のレーザ切断装置では、前記レーザビームを、ファイバーレーザとしてもよい。
本発明によれば、ファイバーレーザは高品質で高出力のレーザビームであるため、厚みを有する被加工物を、より確実に切断することができる。

また、本発明のレーザ切断装置では、前記レーザビームを、ディスクレーザとしてもよい。
本発明によれば、ディスクレーザは高品質で高出力のレーザビームであるため、厚みを有する被加工物を、より確実に切断することができる。

一方、上記課題を解決するために、本発明のレーザ切断方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係るレーザ切断方法は、ＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザビームが照射された場合に内部に溶融池が発生する厚みを有する被加工物を切断するための前記レーザビームを出射する第１工程と、出射された前記レーザビームの断面形状が楕円形となり、かつ該楕円形の長軸方向と該被加工物の切断の進行方向とが一致するように該レーザビームを集束させ、楕円形に集束させた前記レーザビームを前記溶融池の温度上昇に寄与させる第２工程と、を含む。

本発明によれば、被加工物の切断方向前方側のレーザビームのパワーが、被加工物である金属の溶融に消費される一方、被加工物の切断方向後方側のレーザビームのパワーが、溶融金属の温度上昇に消費され、溶融金属の温度が高温となる。この結果、溶融金属をアシストガスで吹き飛ばせるほど溶融金属の粘性を下げることが可能となるので、本発明は、厚みを有する被加工物を、ＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザを用いて切断することができる。

本発明によれば、厚みを有する被加工物を、ＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザを用いて切断することができる、という優れた効果を有する。

本発明の実施形態に係るレーザ切断装置の光学系の構成を示す模式図である。本発明の実施形態に係るレーザ切断装置による被加工物の切断の状態を示す模式図である。本発明の実施形態に係るレーザ切断装置による切断方向とレーザビームの向きとの関係を示す模式図である。本発明の実施形態に係るレーザ切断装置の全体構成図である。本発明の実施形態に係るレーザ切断装置の筐筒の縦断面図である。レーザビームの波長に応じた材料吸収率の変化を示すグラフである。

以下に、本発明に係るレーザ切断装置及びレーザ切断方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１に、本実施形態に係るレーザ切断装置１０の光学系の構成を示す。
レーザ切断装置１０は、レーザ発振器２０、光ファイバー２２、レーザ出射部２４、及び光学系２６を備えている。なお、本実施形態に係るレーザ切断装置１０は、光ファイバー２２を媒質に用いたファイバーレーザを用いる。

そして、本実施形態に係るレーザ切断装置１０は、テーブル２８に載置されている被加工物３０に連続的にレーザビームを照射することで被加工物３０を切断する。なお、被加工物３０は、金属であり、本実施形態では被加工物３０を一例として鉄（Ｆｅ）とする。また、被加工物３０の厚みは、例えば１０〜数十ｍｍ（例えば５０ｍｍ）である。

レーザ発振器２０は、レーザ（本実施形態では、ＹＡＧ系レーザ）を生成し、生成されたレーザは、光ファイバー２２で伝送され、光ファイバー２２の末端に設けられているレーザ出射部２４から光学系２６へ出射される。

光学系２６は、上流側からコリメート光学系４０、シリンドリカルレンズ系４２、及び集光光学系４４を有しており、コリメート光学系４０、シリンドリカルレンズ系４２、及び集光光学系４４は、中心軸が同軸となるように配置されている。

コリメート光学系４０は、コリメートレンズを備えており、光ファイバー２２から出射される所定の拡がり（開口数ＮＡ＝ｓｉｎθ）を有するレーザビームを平行光にする。

シリンドリカルレンズ系４２は、シリンドリカルレンズを備えており、コリメート光学系４０によって平行光とされたレーザビームを、一方向にだけ集束させる。すなわち、レーザビームは、シリンドリカルレンズ系４２によって断面形状が楕円形となるように集束される。

集光光学系４４は、シリンドリカルレンズ系４２によって断面形状が楕円形に集束されたレーザビームを、テーブル２８に載置された被加工物３０を切断するために適した径となるように集束させる。

なお、コリメート光学系４０、シリンドリカルレンズ系４２、及び集光光学系４４は、例えば、石英ガラスで形成されている。また、コリメート光学系４０、シリンドリカルレンズ系４２、及び集光光学系４４は、各々一つのレンズで構成されてもよいし、複数のレンズで構成されてもよい。

また、本実施形態に係るレーザ切断装置１０は、被加工物３０を切断する際に、アシストガスである酸素ガスを切断部分に吹きかけながら切断する。

ここで、図２（Ａ）に従来のファイバーレーザを用いたレーザ切断装置で切断されている被加工物３０の模式図、図２（Ｂ）に、本実施形態に係るレーザ切断装置１０で切断されている被加工物３０の模式図を示す。

図２（Ａ）の上面図に示すように、従来のレーザ切断装置では、被加工物３０に対して断面形状を円形としたレーザビームを照射し、被加工物３０を切断していた。なお、レーザビームの径の幅が、略カーフ幅（切断幅）となる。

しかし、被加工物３０の厚みが厚い（例えば１０〜数十ｍｍ（例えば５０ｍｍ））場合、図２（Ａ）の縦断面図に示すように、ＹＡＧ系レーザは、被加工物３０の底面に達することができず、被加工物３０を切断できない場合があった。

この理由は、ＹＡＧ系レーザは、ＣＯ_２レーザに比較して材料吸収率が高く、プラズマ吸収率が低いためと考えられる。
より具体的に説明すると、ＹＡＧ系レーザは、ＣＯ_２レーザに比較して材料吸収率が高いため、被加工物３０の溶融にレーザビームのパワーがより消費され、レーザビームのパワーが被加工物３０の温度上昇に寄与しづらい。さらに、被加工物３０が切断される際には、被加工物３０である金属の一部が蒸発し、プラズマ化する。そして、切断される被加工物３０内部での温度上昇には、プラズマ温度が寄与するが、ＹＡＧ系レーザのプラズマ吸収率は、ＣＯ_２レーザに比較して低く、ＹＡＧ系レーザは、切断する被加工物３０内部でのプラズマ温度を上昇させにくいためであると考えられる。

この結果、被加工物３０を構成する金属及び酸化金属が溶融し溶融金属となり、被加工物３０内部で溶融池が発生しても、レーザビームは、溶融池の温度を十分に上昇させることができないため、溶融金属の粘性が下がらず、アシストガスは、溶融金属を被加工物３０内部から流し出すことができない。このため、従来のレーザ切断装置では、内部に溶融池が発生する厚みを有する被加工物３０を切断することができない場合があった。

一方、本実施形態に係るレーザ切断装置１０では、図２（Ｂ）の上面図に示すように、被加工物３０には断面形状が楕円形とされたレーザビームが照射される。
断面形状が楕円形とされたレーザビームが、被加工物３０に照射されると、被加工物３０の切断方向前方側の該レーザビームは、被加工物３０である金属の溶融にそのパワーを消費する一方、被加工物３０の切断方向後方側の該レーザビームは、溶融金属の温度上昇にそのパワーを消費することができる。

この結果、溶融金属の粘性が上がり、アシストガスは、その圧力で溶融金属を被加工物３０外に吹き流すことができるので、レーザ切断装置１０は、厚みのある被加工物３０を切断することが可能となる。なお、溶融金属の粘性が上がることによって、溶融金属を下方向へ吹き流すことが可能となるため、図２（Ｂ）の縦断面図に示すようにドラッグラインは、図２（Ａ）の縦断面図に示す従来例に比較して立ち上がることとなる。

なお、本実施形態に係るレーザ切断装置１０は、図３に示すように、厚みのある被加工物３０を切断するために、レーザビームの長軸方向と被加工物３０の切断の進行方向とが一致するようにレーザビームを集束させる。

図４は、レーザ切断装置１０の全体構成図である。
レーザ切断装置１０が備える光学系２６は、上部にレーザ出射部２４が配置されている筐筒５０に収められている。

筐筒５０は、３軸方向（ｘｙｚ軸）に移動できる３軸アーム５２によって支持され、３軸アーム５２が駆動することによって、被加工物３０の切断の進行方向が変化する。なお、３軸アーム５２の移動は、制御盤５４によって制御される。

また、本実施形態に係る筐筒５０は、図５の筐筒５０の縦断面図に示すように、上下で分割されており、上部筐筒５０Ａには、レーザ出射部２４及びコリメート光学系４０が配置され、下部筐筒５０Ｂには、シリンドリカルレンズ系４２及び集光光学系４４が配置されている。

上部筐筒５０Ａは、３軸アーム５２に支持されており、下部筐筒５０Ｂは、上部筐筒５０Ａに対して同軸上で回転可能なように嵌め合わされている。

さらに、上部筐筒５０Ａの側面には、モータ５６が設けられている。
モータ５６の回転軸５６Ａには、方向補正ギア５８Ａが、下部筐筒５０Ｂの側面に設けられているギア５８Ｂに噛み合うように設けられている。

そして、モータ５６の回転軸５６Ａの回転角度は、３軸アーム５２の移動による被加工物３０の切断の進行方向の変化に同期して制御盤５４によって制御される。
制御盤５４は、方向補正ギア５８Ａに噛み合わされているギア５８Ｂを介して下部筐筒５０Ｂ、すなわちシリンドリカルレンズ系４２を回転させることによって、被加工物３０の切断の進行方向とレーザビームの長軸方向とが一致するように、モータ５６の回転軸５６Ａの回転角度を制御する。

以上説明したように、本実施形態に係るレーザ切断装置１０は、レーザ出射部２４から被加工物を切断するためのレーザビーム（本実施形態ではＣＯ_２レーザよりも波長が短いＹＡＧ系レーザ）が出射され、光学系２６によって、該レーザビームの断面形状が楕円形となり、かつ該楕円形の長軸方向と被加工物の切断の進行方向とが一致するように該レーザビームが集束され、楕円形に集束されたレーザビームが被加工物３０内部の溶融池の温度上昇に寄与するので、溶融金属をアシストガスで吹き飛ばせるほど溶融金属の粘性を下げることが可能となり、厚みを有する被加工物３０を、ＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザを用いて切断することができる。

以上、本発明を、上記実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更または改良を加えることができ、該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、上記実施形態では、アシストガスとして酸素ガスを用いる場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、アシストガスとして窒素ガスやアルゴンガス等、他のガスを用いる形態としてもよい。

また、上記実施形態では、レーザ切断装置１０にＹＡＧ系レーザを用いた場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、ＣＯ_２レーザよりも波長の短いレーザであれば他のレーザを用いる形態としてもよい。

また、上記実施形態では、レーザ切断装置にファイバーレーザを用いた場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、ディスクレーザ（波長１．０５〜１．０９μｍ）を用いる形態としてもよい。

また、上記実施形態では、３軸アーム５２に支持された筐筒５０を移動させることによって、被加工物３０の切断の進行方向を変化させる場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、筐筒５０を移動可能とせずに、被加工物３０を載置したテーブル２８を３軸方向に移動可能とし、テーブル２８を移動させることによって、被加工物３０の切断の進行方向を変化させる形態としてもよい。なお、この形態の場合、モータ５６の回転軸５６Ａの回転角度は、テーブル２８の移動による被加工物３０の切断の進行方向の変化に同期して制御盤５４によって制御される。

また、上記実施形態では、３軸アーム５２に筐筒５０が支持される場合について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、縦（ｘ）及び横（ｙ）に移動する２軸アームに支持される形態としてもよい。

１０レーザ切断装置
２４レーザ出射部
２６光学系
３０被加工物
４０コリメート光学系
４２シリンドリカルレンズ系
４４集光光学系
５６モータ

Claims

ＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザビームが照射された場合に内部に溶融池が発生する厚みを有する被加工物を切断するための前記レーザビームを出射する出射手段と、
前記出射手段から出射された前記レーザビームの断面形状が楕円形となり、かつ該楕円形の長軸方向と該被加工物の切断の進行方向とが一致するように該レーザビームを集束させる集束手段と、
を備えたレーザ切断装置。
前記集束手段は、
前記出射手段から出射されたレーザビームの断面形状が楕円形となるように、該レーザビームを集束させるシリンドリカルレンズと、
前記シリンドリカルレンズで集束されたレーザビームの長軸方向と該被加工物の切断の進行方向とが一致するように該シリンドリカルレンズを回転させる回転手段と、
を有する請求項１記載のレーザ切断装置。
前記レーザビームは、ファイバーレーザである請求項１又は請求項２記載のレーザ切断装置。
前記レーザビームは、ディスクレーザである請求項１又は請求項２記載のレーザ切断装置。
ＣＯ_２レーザよりも波長が短いレーザビームが照射された場合に内部に溶融池が発生する厚みを有する被加工物を切断するための前記レーザビームを出射する第１工程と、
出射された前記レーザビームの断面形状が楕円形となり、かつ該楕円形の長軸方向と該被加工物の切断の進行方向とが一致するように該レーザビームを集束させ、楕円形に集束させた前記レーザビームを前記溶融池の温度上昇に寄与させる第２工程と、
を含むレーザ切断方法。