JP2014503358A - エアロゾルの量に関して最適化されたレーザ切断方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ある出力を有するレーザビーム（１１１）を発生させるためのレーザソース（１１）、及び切断レーザビーム（１１１）の通路のための端部ノズル（１３）を有する切断ヘッド（１２）、を有する切断システム（１０）によって材料から部分（１）を切り取るための最適化されたレーザ切断方法に関し、方法は、切断出力Ｐｄを、Ｐｄ＝Ｍａｘ（Ｐｏｐｔ；λｅ）のように決定するステップ（Ｓ５）を有することを特徴とし、Ｍａｘは最大値の数学演算子であり、Ｐｏｐｔは切断システム（１０）のレーザビーム（１１１）の最適な出力であって、部分（１）が切り取られている場合に発生するエアロゾル（２０）の量を最小にするために、切り取られることになる部分（１）、及び／又は切断パラメータ及び／又はシステム（１０）パラメータに応じて決定され、λは部分（１）の厚さのｍｍ当りの部分を切り取るために必要なｋＷの数を表す主係数であり、ｅは部分のｍｍの厚さである。

Description

本発明は、
− 一定の出力を有するレーザビームを作り出すためのレーザソース、及び
− 切断レーザビームの通路のための端部ノズルを有する切断ヘッド、
を有する、切断システムを用いて材料から一部を切断するための最適化されたレーザ切断方法に関する。

材料、特に金属を切断するためのレーザの応用は知られている。

レーザ切断は、非常に効率的であるが、３つのタイプの望ましくない残留物：
− 切り出す材料の表面に付着するスラグ、言い換えると、切断溝からの溶融物及び酸化還元によって形成されたそれの化合物の放出並びに切断された材料の溶融中の不純物の蓄積によって構成された固体粒子；
− 沈降スラグ、言い換えると、切り出す材料の表面に付着せず重力によって落下するスラグ；
− エアロゾル、言い換えると、切断からの材料及び切断された材料の溶融中の酸化還元によって形成された化合物の構成の一部の放射及び蒸発によって形成されるが、周囲のガス環境において浮遊状態に留まる、言い換えると、無視できる落下速度を有する、固体粒子；
を作り出す。

周囲環境における沈降スラグ及びエアロゾルの分散は制御することが難しい。

レーザ切断が核施設を解体するために使用される場合、残留物が放射線を浴びた又は汚染された材料、したがって放射性であるので、残留物はさらに好ましくないことが容易に理解されるであろう。

フィルタを有するエアロゾル収集装置がしたがって提供される。しかし、エアロゾルはフィルタを詰まらせるとともにフィルタに放射線を浴びせる。このフィルタはしたがって頻繁に交換されるとともに廃棄物として扱われる必要がある。

特に、フィルタをより少ない頻度で交換することが望まれる。

エアロゾルの発生を制限することを可能にする最適化されたレーザ切断方法は現時点で存在しない。

本発明はこれらの欠点の少なくとも１つを克服することを提案する。

この目的を達成するために、本発明によれば、切断システムによって材料から一部を切り取るための最適化されたレーザ切断方法が提案され、方法は、
− ある出力を有するレーザビームを作り出すためのレーザソース、及び
− 切断レーザビームの通路のための端部ノズルを有する切断ヘッド、を有し、
方法は、切断出力Ｐｄを
Ｐｄ＝Ｍａｘ（Ｐｏｐｔ；λｅ）
のように決定するステップを有することを特徴とし、
ここでＭａｘは最大値の数学演算子であり、
Ｐｏｐｔは、切断システムのレーザビームの最適な出力であって、部分が切り取られている場合に発生するエアロゾルの量を最小にするために、
切り取られることになる部分に応じて、及び／又は
切断パラメータ及び／又は
システムのタイプ、
に応じて決定され、
λは部分の厚さのｍｍ当りの部分を切り取るために必要なｋＷの数を表す主係数であり、
ｅは部分のｍｍの厚さである。

本発明は有利には、単独で又は任意の技術的に可能な組合せで用いられる、以下の特徴によって完成される：
− Ｐｏｐｔの決定は、
Ｐｏｐｔ＝α・ＤＢ＋β・ｅ＋γ・ｋ＋δ
になるように、切断システムのタイプを代表する、所定の４つ組の定数（α；β；γ；δ）を用いて行われ、
ここでＤＢは、ミリメートルでのノズルの直径であり、
ｅは、ミリメートルでの部分の厚さであり、
ｋは、切断ヘッドの制限速度係数、すなわち、標準的な切断速度と部分の制限切断速度との間の比であり；
− 約１μｍの波長を有するレーザビームのためのイットリウムアルミニウムガーネットＹＡＧタイプのレーザソースを有する切断システムを代表する、所定の４つ組の定数（α；β；γ；δ）は、
（−０．１４；０．０７；−１．１２；５．６４）であり、
− 方法は、切り取られることになる部分に応じて、及び／又は切断パラメータ、及び／又はシステムのタイプに応じてレーザビームの出力の式を決定する初期ステップを有し、この初期ステップによれば：
− システムは、ビームの出力、及び／又は切り取られることになる部分、及び／又は切断パラメータ及び／又はシステムのタイプを変化させながら、部分の複数の試験切断を実行し；
− センサは、部分の各試験切断の間に発生するエアロゾルの量の複数の対応する測定を実行し、
− コンピュータは、
ビームの出力、及び／又は切り取られることになる部分、及び／又は切断パラメータ及び／又はシステムのタイプに従って、部分の各試験切断の間に発生するエアロゾルの量を表し；
レーザビームの出力に対して、発生するエアロゾルの量の式の偏導関数を求め、及び切り取られることになる部分、及び／又は切断パラメータ及び／又はシステムのタイプに従って前述の偏導関数をキャンセルすることを可能にする式を決定する。

本発明は多くの利点を有する。

周囲環境へのエアロゾルの分散が、容易に制御されるとともに減少され、これは、レーザ切断が核施設を解体するために使用される場合に有利である。その結果、必要なフィルタの数、したがって廃棄物の数が減少する。

出力は、切断が効果的であるように常に選択される。

本発明の他の特性、目的及び利点は、以下の記載から明らかになるであろう。この記載は、単なる実例であって限定するものではなく、添付の図面を参照して読まれるべきである。

図１は、既に説明された切断システムを示す。 図２は、本発明による方法の主要なサブステップを示す。 図３は、０．１、０．５及び０．７の速度係数ｋ（ノズル部分の距離Ｈ＝３０ｍｍ）、１０ｍｍの切り取られる厚さのための３ｍｍ及び６ｍｍに等しいＤＢに対する、レーザビームの出力に応じたエアロゾルの発生に関するノズル直径ＤＢの効果を示す。 図４は、０．１、０．５及び０．７の速度係数ｋ（Ｈ＝３０ｍｍ）、３０ｍｍの切り取り厚さのための３ｍｍ及び６ｍｍに等しいＤＢに対する、レーザビームの出力に応じたエアロゾルの発生に関するノズル直径ＤＢの効果を示す。 図５は、０．１、０．５及び０．７の速度係数ｋ（Ｈ＝３０ｍｍ）、３ｍｍに等しいＤＢに対する、部分の厚さｅに応じたエアロゾルの発生に関するレーザの出力の効果を示す。 図６は、０．１、０．５及び０．７の速度係数ｋ（Ｈ＝３０ｍｍ）、６ｍｍに等しいＤＢに対する、部分の厚さｅに応じたエアロゾルの発生に関するレーザの出力の効果を示す。 図７は、１０及び３０ｍｍの厚さｅ（Ｈ＝３０ｍｍ）、３ｍｍに等しいＤＢに対する、速度係数ｋに応じたエアロゾルの発生に関するレーザの出力の効果を示す。 図８は、１０及び３０ｍｍの厚さｅ（Ｈ＝３０ｍｍ）、６ｍｍに等しいＤＢに対する、速度係数ｋに応じたエアロゾルの発生に関するレーザの出力の効果を示す。 図９は、０．５及び０．７の速度係数ｋ（Ｈ＝３０ｍｍ、ＤＢ＝３ｍｍ）に対する、部分の厚さｅに応じたエアロゾルの発生に関するレーザの出力の効果を示す。

全ての図面において、同様の要素は、同一の参照符号を有する。

図１は、
− ある厚さｅの部分１を切り取るための、ある出力を有するレーザビーム１１１を発生させるためのレーザソース１１、及び
− 切断レーザビーム１１１の通路のための端部ノズル１３を有する切断ヘッド１２、を主に有する、切断システム１０を示す。

部分１は平らに表されるが、例えば湾曲状等、任意の外形も有し得る。

ビーム１１１は、典型的には、切り取られることになる部分の、特にステンレス鋼の、厚さのｃｍ（１０ｍｍ）当たり１ｋＷの出力を有さなければならない。

ノズル１３の直径はＤＢと呼ばれる。それは、概して３ｍｍ又は６ｍｍであるが、他の値も当然可能である。

ソース１１は２つの光ファイバによってヘッドに接続される。作業現場又は解体セルの外側に置かれた、第１のものは、作業現場の内側に置かれた第２のものと違って、汚染されることがない。２つのファイバの両方は、光結合器１６を用いて接続される。各ファイバは、それぞれの端部に、ソースから、結合器から及び光学ヘッドからの取外しを可能にするコネクタを備える。ヘッド１２及び第２のファイバの交換はしたがって、特にヘッド１２又はファイバが核施設を解体するために使用され、したがって汚染を通じて放射性になる可能性が高い場合、容易にされる。

ファイバ１８は任意の長さであり得るが、一般的にソース１１から結合器１６まで１００ｍ（例えば４００μｍの直径に対して）、及び結合器１６からヘッド１２まで２０ｍ（例えば６００μｍの直径に対して）の長さである。

ビーム１１１の切断位置は、優先的に、切り取られることになる部分１に対して直角、例えば水平である。ノズル１３の端部と部分１との間の距離Ｈは、異なる値であり得るが、ビーム１１１の出力及び部分の厚さｅに応じて、一般的に、５と３０ｍｍとの間である。

ヘッド１２は、アクチュエータ１７（典型的には５軸ロボット又はリモートマニピュレータ）を用いて、切断を実行するように５軸（３つの並進及び２つの回転）に沿って動かされ得る。

ヘッド１２の運動は、切断中、一定の標準的な切断速度Ｖで行われる。与えられたビーム１１１の出力に対して、ある厚さｅの部分１を切断するために、一定の時間が必要であり、ヘッド１２が部分１に対してあまりに速く動く場合、切断は全厚さｅに渡って正しく実行されないことが理解される。制限切断速度Ｖ_Ｌは、それより上では部分１を切り取ることができない速度を示す。

制限速度Ｖ_Ｌは、安全マージンを確保するために及び部分の切断を保証するために、解体作業現場で実際には決して到達されない。

したがって、切断ヘッド１２の制限速度係数と呼ばれ、標準的な速度と部分１の制限切断速度との間の比として、係数ｋ、すなわち：
ｋ＝Ｖ／Ｖ_Ｌ
が定められる。

ｋは一般的に、作業現場によって０．５又は０．７の値を取るが、所望の安全マージンにしたがって１より下の任意の値を有し得る。

従来の方法では、ヘッド１２は、内部チャンバ１２３及び、加圧されたガス１２１のための及びチャンバ１２３を満たすための、概して側面にある、入口１２２を有する。ノズル１２３はまた、ビーム１１１を囲む加圧されたガス１２１を放出させる。ガス１２１は、ビーム１１１によって溶かされ且つ蒸発された材料を部分１から排除することを可能にする。ガス１２１は一般的に空気である。ガス流路流速は約４００Ｌ／ｍｉｎである。

チャンバ１２３は、ビーム１１１のためのコリメーティングレンズ１２４及びビーム１１１のための集束レンズ１２５を有する。コリメーティングレンズ１２４の焦点距離は例えば８０ｍｍであり得るとともに、集束レンズ１２５の焦点距離は例えば２５３ｍｍであり得る。

ビーム１１１による部分１の切断中、大量のエアロゾル２０が発生する。

本発明の一般的な原理
本発明は、切断システム１０のレーザビーム１１１の最適な出力Ｐｏｐｔを決定することによって、部分１の切断中に発生するエアロゾル２０の量を最小化することを可能にする。

この目的を達成するために、切断システム１０のレーザビーム１１１の最適な出力Ｐｏｐｔは、部分１が切り取られているときに発生するエアロゾル２０の量を最小化するために、
− 切り取られることになる部分１、及び／又は
− 切断パラメータ、及び／又は
− システム１０のタイプ、
に応じて、式で表される。

部分１は例えば、部分の厚さの値ｅによって前述の式で表されるが、例えば、部分が含む材料及び／又は合金のタイプ（例えば、３０４Ｌ又は３１６Ｌタイプのステンレス鋼）等、部分を代表する他のパラメータによっても表され得る。

前述の式の切断パラメータは、例えば、
− ノズル１３と部分１との間の距離Ｈ、又は
− 係数ｋ、或いは又、例えば、
− ビームの衝突直径、
である。

システムのタイプは、例えば、ガス１２１の流速に関連がある、直径ＤＢによって前述の式に表されるが、他のパラメータ、例えば、
− ガスの流速、
− ガスの性質、
− 部分１の表面での切断圧力、又は
− 光ファイバのタイプ、
等もまた、考慮され得る。

切断圧力は、ガス１２１の運動エネルギに関連するとともに、ガス１２１の流速、ノズル１３の直径ＤＢ及び幾何形状、並びに距離Ｈから生じる。

最小切断圧力が、切断を確実にするために必要とされる。したがって、部分上の２と４ｍｍとの間であるレーザビームの衝突直径に対して、０．０８ｂａｒの圧力が１０ｍｍのステンレス鋼を切り取るために必要である。実際、０．２５ｂａｒが、８０ｍｍに満たない部分の厚さに対して十分なロバスト性を確保する値である。０．８ｂａｒの圧力は、１００ｍｍまでのステンレス鋼部分の切り取りを可能にする。

より高い切断圧力は、同じ出力に対してより高い制限速度を提供することによって、切断の生産性を明らかに向上させる（０．８ｂａｒの圧力が従って２０と８０ｍｍとの間に含まれる厚さに対して０．２５ｂａｒの衝突圧力で得られる切断制限速度を２倍にすることを可能にする）が、切断端部の内側を形成する溶融材料及びスラグの排出を助ける沈降スラグ及びエアロゾルの利益に対する付着スラグの比率を減少させる。

０．２５の値がしたがって８０ｍｍに満たない厚さに対して推奨され、増大された生産性が必要とされる場合、０．８ｂａｒの値が８０から１００ｍｍ又は２０から８０ｍｍの厚さに対して推奨される。

出力を決定する一般的な原理
出力Ｐｏｐｔを決定することを可能にするために、切り取られることになる材料、及び／又は切断パラメータ、及び／又はシステム１０のタイプに従って、出力の式を決定する初期ステップを経ることが必要であることが理解される。

図２の概略的な方法で表された決定の初期ステップによれば、システム１０は、ステップＳ１の間、ビーム１１１の出力、及び／又は切り取られることになる部分１、及び／又は切断パラメータ及び／又はシステム１０のタイプを変更しながら、部分１の複数の試験切断を実行する。

Ｓ１の間、システム１０はしたがって、例えば、
− ビーム１１１の異なる出力値、及び／又は
− 部分１の厚さｅの異なる値、及び／又は
− ｋの異なる値、及び／又は
− Ｈの異なる値、及び／又は
− ＤＢの異なる値、
を用いて切断を行う。

ステップＳ２の間、センサ１４は、部分１の各試験切断中に発生したエアロゾル２０の量の複数の対応する測定を実行する。

ステップＳ２の間に使用されるセンサ１４は特に、吸引による抽出の回路、エアロゾル２０の回収のためのフィルタ、及び除去されたエアロゾルの量を測定するための装置を有する。

全てのコンベンショナルメモリ及び処理手段を有し、センサ１４に接続された、当業者に知られているコンピュータ１５は、ビーム１１１の出力に応じて発生したエアロゾルの量の放出を一般的な方法で表す、図３乃至図９の曲線を描くことを可能にする。図３乃至図９の曲線は、本説明において以下により詳細に記載される。

発明者は、図３乃至図９の曲線が、エアロゾル２０の量が本記載においてＰｏｐｔと呼ばれる、ある出力に対して最小になることに注目していた。

ステップＳ３及びＳ４は、したがって、センサ１４の測定に従ってＰｏｐｔを決定することを可能にする。

この目的を達成するために、Ｓ３の間、コンピュータ１５は、例えばＭで示される、ビーム１１１の出力、及び／又は切り取られることになる部分１、及び／又は切断パラメータ及び／又はシステム１０のタイプにしたがって、部分１の各試験切断の間に発生したエアロゾル２０の量を表す。

考慮されるパラメータが、出力Ｐ、厚さｅ、係数ｋ、距離Ｈ及びノズル直径ＤＢである場合、以下のタイプの式：
Ｍ＝ｆ（Ｐ、ｅ、ｋ、Ｈ、ＤＢ） （Ｅ１）
が、コンピュータ１５を使って、得られる。

式Ｅ１を求めるために、コンピュータ１５はしたがって、例えば、線形、対数の、平方の、又はその他、複数の回帰を使用して、センサ１４から生じた測定値にしたがって数学的モデルの構築を実行し、式が測定値に最も近いモデルを与え続けさせる。言い換えると、モデルは、測定値とモデルによって与えられた値との間の既知の数学的な相関係数Ｒ^２、例えば：
Ｒ^２＞０．９
を与える。

発生するエアロゾルの量Ｍは、実際には表面質量Ｍ２、言い換えると、ｇ／ｍ^２で表される、部分の厚さ及び切り取る部分のメートルごとに応じたエアロゾル２０の質量で表され得る。Ｍ２の認識は、主に解体する作業現場のオペレータに関心がありそうである。したがって、モデルを調整することが有利に選択される。

発生するエアロゾルの量Ｍはまた、例えば、センサ１４の抽出回路に運び込まれるとともにセンサ１４によって測定され、ｇ／ｍで表される、単位長さ当たりの質量Ｍ１、言い換えると、切り取る部分の単位長さ当たりの発生するエアロゾル２０の質量、で表され得る。

Ｍ１とＭ２との間の関係は、
Ｍ_２＝１０^３Ｍ_１／ｅ
で知られる。

研究は、結果は測定がＭ１で行われようとＭ２で行われようと同一の発生を生じることを示す。

図３乃至図９の曲線は、出力に応じた量Ｍ（Ｍ１であろうとＭ２であろうと）が最小値を有するので、コンピュータ１５は、ステップＳ４の間、レーザビームの出力に対して発生するエアロゾル２０の量の式（Ｅ１）の偏導関数をキャンセルすることによって、この最小値を見つける。偏導関数のキャンセルがＰの最小値に対応することはその時知られている。

コンピュータ１５はしたがって初めに：

を実行する。

コンピュータ１５はまた次に、ステップＳ４の間、切り取られることになる部分１、及び／又は切断パラメータ及び／又はシステム１０のタイプにしたがって偏導関数をキャンセルすることを可能にする式を決定する。偏導関数のキャンセルがＰの最適値に対応することはそのとき知られている。

コンピュータ１５はしたがって、発生するエアロゾルの量を最小にするＰの式を見つけるために：

を実行する。

決定の例
ステップＳ１の間、システム１０は、ノズル１３の直径ＤＢ及び切断ヘッド１２の制限速度係数ｋを使って、厚さｅの部分１の複数の試験切断を実行する。

使用されるシステム１０は、約１μｍの波長を有するレーザビーム１１１を発生することができる、例えばディスク型の、イットリウムアルミニウムガーネットＹＡＧタイプのレーザ源１１を有する。

切断の間、レーザビーム１１１の出力Ｐは、切断を効果的にするために利用可能な部分の厚さの各ｃｍに対して約１ｋＷを有する必要があるという事実を考慮して、１から８ｋＷまで可変である（例えば３ｋＷ、５ｋＷ及び８ｋＷの出力が使用される）。

ガス１２１の流速は、複数の切断の間、一定且つ４００Ｌ／ｍｉｎと等しく維持される。

切り取られることになる部分１は、解体されることになる核施設の構成部品を代表する、厚さｅを持つ３１６Ｌステンレス鋼（ＡＦＮＯＲ標準参照：Ｘ２ Ｃｒ Ｎｉ Ｍｏ １８−１０ １．４４０４）で作られた部分である。試験切断中、厚さｅは例えば１０ｍｍから８０ｍｍに変化する。

試験切断中、直径ＤＢは３ｍｍ又は６ｍｍの値を取る。

０．１；０．２５；０．５及び０．７の値がｋのために取られる。

情報として、ステンレス鋼部分−Ｈ３０ｍｍ−流速４００Ｌ／ｍｉｎに対する、制限速度（ｍｍ／ｍｉｎ）Ｖ_Ｌの値が以下の表１及び２に複写される。

表３は以下センサ１４の測定を要約する。

ステップＳ２の間、コンピュータ１５は、センサ１４から生じる測定値及びステップＳ１の切断のためのテーブル３にしたがって、図３乃至９の曲線を作図する。

図３及び図４は、３つの速度係数ｋ（０．１、０．５及び０．７）及び２つの厚さｅ（図３の１０ｍｍ及び図４の３０ｍｍ）に関する、レーザビーム１１１の出力Ｐ（横軸に）とノズル直径ＤＢとの間の相互作用に応じて発生するエアロゾルの量の変化（発生するエアロゾルの表面質量Ｍ２の対数ＬＮによって表される（縦軸に））を示している曲線を示す。

発生するエアロゾルの最少量を持つ、出力の二次の効果が図３及び図４に明らかに見られ得る。この最小値は、２つのノズル直径に対して同じではない。速度係数が高いほど（ｋ＝０．７）、ノズル直径の効果がより重要になる。低速度（ｋ＝０．１）及び最大出力（Ｐ＝８ｋＷ）では、２つのノズルの間に差は無い。速度係数ｋは、発生するエアロゾルの量に影響を与え、ｋが増加するとき減少する、最適な出力の移動が観察され得る。

図５及び図６は、３つの速度係数ｋ（０．１、０．５及び０．７）、２つのノズル直径ＤＢ（図５のＤＢ＝３ｍｍ及び図６のＤＢ＝６ｍｍ）に関する、レーザビーム１１１の出力Ｐ（横軸に）と部分の厚さｅ（曲線の束ａ＝１０ｍｍからｈ＝８０ｍｍ）との間の相互作用に応じて発生するエアロゾルの量の変化（発生するエアロゾルの表面質量Ｍ２の対数ＬＮによって表される（縦軸に））を示している曲線を示す。

ここで再び部分の厚さとともに増加するとともに切断速度とともに減少する最適な出力を持つ、出力の二次の効果が観察される。

図５及び図６の曲線は、切り取られることになる部分の厚さのセンチメートル当たり１ｋＷの出力を必要とする制約を考慮せずに描かれている。したがって、有効な領域が減少されなければならず、この領域の境界がその上限を示す黒い曲線によって与えられる。これは、その横軸が切断に必要な最小出力に対応する曲線ａからｈの点を接続することによって描かれる（曲線ａ：ｅ＝１０ｍｍ、Ｐ＝１ｋＷ；曲線ｂ：ｅ＝２０ｍｍ、Ｐ＝２ｋＷ）。したがって、この領域より上にある部分は、切断することができないので有効ではない。

図７及び図８は、３つの部分の厚さ１０ｍｍ及び３０ｍｍ並びに２つのノズル直径ＤＢ（図７のＤＢ＝３ｍｍ及び図８のＤＢ＝６ｍｍ）に関する、レーザビーム１１１の出力Ｐ（横軸に）と速度係数ｋとの間の相互作用に応じて発生するエアロゾルの量の変化（発生するエアロゾルの表面質量Ｍ２の対数ＬＮによって表される（縦軸に））を示している曲線を示す。

図７及び図８は、与えられた厚さの部分に対する速度係数に応じた最適な出力の変位を可視化することを可能にする。３０ｍｍの厚さに対して、切断が行われるための最小出力は３ｋＷであり、したがって、横軸のスケールは３ｋＷから８ｋＷまで変化する。

図３乃至８の曲線の研究は、発生するエアロゾルの量を減らすために、最高の速度係数を選択することが必要であることを示す。この係数は、切り取られることになる部分の厚さに依存する最適な出力に対応する。これらの観察は、２つのノズルに関して有効であるが、エアロゾルの量は６ｍｍのノズルで少ない。３ｍｍのノズルを使用することは高い厚みに対する制約であることが思い出されるべきである。

図９は再び、レーザビーム１１１の出力Ｐ（横軸に）と４０ｍｍから８０ｍｍまで変化する（４ｋＷより上のレーザ出力Ｐを意味する）厚さｅに関する部分の厚さｅとの間の相互作用に応じて発生するエアロゾルの量の変化（発生するエアロゾルの表面質量Ｍ２の対数ＬＮによって表される（縦軸に））を示している曲線を示し、２つの速度係数ｋ（０．５及び０．７）に関してもそのように示す。黒い曲線は、切り取られることになる部分の厚さのセンチメートル当たり１ｋＷの出力の制約を考慮するために、曲線の有効な領域の上限を示す。

ステップＳ３の間、コンピュータ１５は、システム１０のビーム１１１の出力Ｐ、切り取られることになる部分１の厚さｅ、距離Ｈ、係数ｋ及びノズル直径ＤＢに応じて部分１の各試験切断の間に発生するエアロゾル２０の量を表す。

コンピュータ１５は、最良のモデルを与えるためにステップＳ２の測定値から対数回帰を使用する。我々の例及び表３の測定値では、式（Ｅ１）は以下のよう：
Ｍ_２＝ｅｘｐ［５．３８６−０．２０８(ＤＢ−４．４５)＋０．０３９(ｅ−２５．２)−０．０２１（Ｈ−２５．７）−１．９９（ｋ−０．３８）＋０．０３３(ＤＢ−４．４５)（Ｐ−６．３４）−０．５４７(ＤＢ−４．４５)（ｋ−０．３８）−０．０１６(Ｐ−６．３４)（ｅ−２５．２）＋０．２５７（Ｐ−６．３４）（ｋ−０．３８）＋０．１１５（Ｐ−６．３４）^２］ （Ｅ１）
に表される。

表３の測定値に対する（Ｅ１）の相関係数は、
Ｒ^２＝０．９１１５
である。

（Ｅ１）において考慮されるパラメータの中で、実際には、幾つかの値は作業現場の切断中変化しないので、幾つかは定数として選択されることが考慮され得ることが理解される。したがって、式を簡略化するために、例えば、
Ｈ＝定数
を選択し得る。

発生するエアロゾル２０の量の（Ｅ１）の式の偏導関数に対応する式（Ｅ２）は、したがって、

である。

コンピュータ１５は次に、切り取られることになる部分１、切断パラメータ及びシステム１０のタイプにしたがって、この偏導関数をキャンセルすることを可能にする式を決定する。

を持ち出すことによって、コンピュータ１５は、
Ｐｏｐｔ＝−０．１４ＤＢ＋０．０７ｅ−１．１２ｋ＋５．６４ （Ｅ３）
を見つける。

したがって、約１μｍ（例えば１．０３μｍ）の波長を有するレーザビーム１１１を発生することができる、例えばディスク型の、イットリウムアルミニウムガーネットＹＡＧタイプのレーザ源１１を有するシステム１０に関して、
Ｐｏｐｔ＝α・ＤＢ＋β・ｅ＋γ・ｋ＋δ
のように切断システム１０のタイプを代表する、所定の４つ組の定数、
（α；β；γ；δ）
が、
（−０．１４；０．０７；−１．１２、５．６４）
のように、定められ、ここで、ＤＢは、ミリメートルのノズル１３の直径であり、ｅはミリメートルの部分１の厚さであり、ｋは切断ヘッド１２の制限速度係数、すなわち標準的な切断速度と部分１の制限切断速度との間の比である。

したがって、切断出力Ｐｄを決定するステップＳ５は好ましくは出力Ｐｏｐｔであり、これは、部分１が切断されているときに発生するエアロゾル２０の量を最小化する一方、出力Ｐｄが少なくとも切断出力に等しいことを保証する（切断を効果的にするために、部分の厚さの各ｃｍに対して約１ｋＷを利用可能にすることが必要であることが思い出される）。

λｅに等しい最小出力Ｐｍｉｎはしたがって、λが部分１の厚さのｍｍ毎の部分を切断するために必要とされるｋＷの数を表す主係数であり、ｅがｍｍの部分の厚さであるように、定められ得る。

Ｐｏｐｔが、
Ｐｏｐｔ＜（λｅ＝Ｐｍｉｎ）
のような場合、λｅはＰｄと見なされる。

反対に、Ｐｏｐｔが、
Ｐｏｐｔ＞（λｅ＝Ｐｍｉｎ）
のような場合、ＰｏｐｔはＰｄと見なされる。

応用例
３ｍｍのノズル直径ＤＢ、及び０．５の速度係数ｋに対して、並びに４０ｍｍの厚さｅの部分を切断することが望まれる場合、ビーム１１１の最適な出力Ｐｏｐｔは、７．４６ｋＷ、すなわち実質的に７．５ｋＷである。

同じノズル直径ＤＢに対して、０．７の係数ｋで同じ部分１を切断することが求められる場合、ビーム１１１の最適な出力Ｐｏｐｔは、７．２４ｋＷ、すなわち実質的に７．２５ｋＷである。

０．５の係数ｋで、５０ｍｍの厚さの部分を切断することが望まれる場合、出力Ｐｏｐｔが８．１６ｋＷであることが特筆される。一般的に、前述のタイプのソース１１は、８ｋＷの最大出力を有する。したがって、この場合、
− 切断に８ｋＷの最大出力を加える；
− 又は、８ｋＷより上の最大出力を有するソース１１を有するシステムで切断を実行する、
ことができる。

Claims (4)

1. ある出力を有するレーザビームを発生させるためのレーザソース、及び
   切断レーザビームの通路のための端部ノズルを有する切断ヘッド、を有する切断システムによって材料から部分を切り取るための最適化されたレーザ切断方法であって、
   前記方法は、切断出力Ｐｄを、
   Ｐｄ＝Ｍａｘ（Ｐｏｐｔ；λｅ）
   のように決定するステップを有することを特徴とし、
   Ｍａｘは最大値の数学演算子であり、
   Ｐｏｐｔは、前記切断システムの前記レーザビームの最適な出力であって、前記部分が切り取られている場合に発生するエアロゾルの量を最小にするために、
   切り取られることになる前記部分、及び／又は
   切断パラメータ及び／又は
   前記システムのタイプ、
   に応じて決定され、
   λは、前記部分の厚さのｍｍ当りの前記部分を切り取るために必要なｋＷの数を表す主係数であり、
   ｅは前記部分のｍｍの厚さである、
   方法。
   
2. 前記Ｐｏｐｔの前記決定は、
   Ｐｏｐｔ＝α・ＤＢ＋β・ｅ＋γ・ｋ＋δ
   のように、前記切断システムのタイプを代表する、所定の４つ組の定数（α；β；γ；δ）を用いて行われ、
   ＤＢは、ミリメートルでの前記ノズルの前記直径であり、
   ｅは、ミリメートルでの前記部分の厚さであり、
   ｋは、前記切断ヘッドの制限速度係数、すなわち、標準的な切断速度と前記部分の制限切断速度との間の比である、
   請求項１に記載の方法。
3. 約１μｍの波長を有するレーザビームのためのイットリウムアルミニウムガーネットＹＡＧタイプのレーザソースを有する切断システムを代表する、前記所定の４つ組の定数（α；β；γ；δ）は、
   （−０．１４；０．０７；−１．１２；５．６４）である、
   請求項２に記載の方法。
4. 切り取られることになる前記部分に応じて、及び／又は前記切断パラメータ、及び／又は前記システムのタイプに応じて前記レーザビームの前記出力の式を決定する初期ステップを有し、前記初期ステップによれば：
   − 前記システムは、前記ビームの前記出力、及び／又は切り取られることになる前記部分、及び／又は前記切断パラメータ及び／又は前記システムのタイプを変化させながら、前記部分の複数の試験切断を実行し；
   − センサは、前記部分の各前記試験切断の間に前記発生するエアロゾルの量の複数の対応する測定を実行し、
   − コンピュータは、
   前記ビームの前記出力、及び／又は切り取られることになる前記部分、及び／又は前記切断パラメータ及び／又は前記システムのタイプに従って、前記部分の各前記試験切断の間に発生する前記エアロゾルの量を表し；
   前記レーザビームの前記出力に対して、発生する前記エアロゾルの量の前記式の偏導関数を求め、及び切り取られることになる前記部分、及び／又は前記切断パラメータ及び／又は前記システムのタイプに従って前記偏導関数をキャンセルすることを可能にする式を決定する、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
   

Images