JP2019519377A - 作業面でのレーザビームの横方向パワー分布の制御を伴う金属材料のレーザ加工方法、ならびに前記方法の実施のための機械およびコンピュータプログラム - Google Patents

Abstract

金属材料の少なくとも１つの作業面において予め定めた横方向パワー分布を有する集束レーザビームを用いた金属材料のレーザ加工方法が記載され、・レーザビーム放射源を用意するステップと、・レーザビームを、ビーム輸送光路に沿って材料の近くに配置された加工ヘッドに導くステップと、・材料に入射する伝搬光軸に沿ってレーザビームをコリメートするステップと、・材料の作業面の領域にコリメートレーザビームを集束させるステップと、・一連の作業領域を含む金属材料上の作業経路に沿って前記集束レーザビームを導くステップとを含む。レーザビームは、・複数の独立して移動可能な反射領域を有する変形可能な制御表面反射エレメントを用いてコリメートビームを反射し、・現在の作業面の面積、及び／又は、金属材料上の作業経路の現在の方向の関数として、金属材料の少なくとも１つの作業面においてビームの予め定めた横方向パワー分布を確立するように、前記反射領域の配置を制御することによって、整形される。

Description

本発明は、金属材料のレーザ加工に関し、より詳細には、独立請求項１の前文に規定されるように、前記材料の切断(cutting)、穿孔(drilling)または溶接(welding)のためのレーザ加工方法に関する。

他の態様によれば、本発明は、レーザ加工方法を実施するように構成された金属材料のレーザ加工のための機械、およびプログラムが電子処理手段によって実行されるときに上記方法を実施するための１つ以上のコードモジュールを含むコンピュータプログラムに関する。

下記の説明および請求項において、用語「金属材料」は、例えば、シートまたは、例えば、閉じた断面（例えば、中空の円形、長方形または正方形）または開いた断面（例えば、平坦な断面またはＬ字、Ｃ字、Ｕ字などの形状の断面）を区別せずに有する細長い輪郭など、任意の金属ワークピースを定義するために使用される。

工業用金属加工方法、特に金属製のシートおよび輪郭の加工方法において、レーザは、加工対象の材料とのレーザビームの相互作用パラメータに依存して、特に材料へのレーザビームの入射体積当りのエネルギー密度、および相互作用時間間隔に依存して、多種多様の用途のための熱ツールとして使用される。

例えば、低エネルギー密度（表面ｍｍ^２当り数十Ｗのオーダー）を長時間（数秒のオーダー）向けることによって、硬化プロセスが達成され、一方、高エネルギー密度（表面ｍｍ^２当り数十ＭＷのオーダー）をフェムト秒またはピコ秒のオーダーの時間で向けると、フォトアブレーション(ablation)プロセスが達成される。増加するエネルギー密度および減少する作業時間の中間範囲では、これらのパラメータの制御は、溶接、切断、穿孔、彫刻(engraving)およびマーキングプロセスを実行することを可能にする。

穿孔および切断プロセスを含む多くのプロセスでは、レーザビームと材料との間の相互作用が生じる作業領域にアシストガスフローを供給する必要があり、それは、溶融材料の推進の機械的機能、または燃焼を補助する化学的機能を有し、または作業領域を包囲する環境から遮蔽する技術的機能をも有する。

金属材料のレーザ加工の分野では、レーザ切断、穿孔および溶接は、同じ機械によって実行できる加工操作であり、機械は、金属材料の少なくとも１つの作業面において予め定めた横方向パワー分布を有する高出力集束レーザビーム、典型的には、１〜１００００ｋＷ／ｍｍ^２の範囲のパワー密度を持つレーザビームを発生するように構成され、そして材料に沿ったビーム方向および入射位置を管理する。ある材料に対して実施できる異なるタイプの処理の間の相違は、使用されるレーザビームのパワー、およびレーザビームと処理対象の材料との間の相互作用の時間に実質的に起因する。

先行技術に係るレーザ加工機械を図１と図２に示す。

図１は、ＣＯ_２レーザおよび空中のレーザビーム光路を備えた工業用加工機械を概略的に示しており、シングルモードまたはマルチモードのレーザビームＢを放射できる、例えば、ＣＯ_２レーザ発生装置などの放射源１０と、放射源から放射されたレーザビームをビーム輸送光路に沿って、符号１４で全体的に示した、材料ＷＰの近くに配置された加工ヘッドに向けて導くように構成された複数の反射ミラー１２ａ，１２ｂ，１２ｃとを備える。加工ヘッド１４は、概して集束レンズからなる、レーザビームの集束光学系１６を備え、これは金属材料に入射する伝搬光軸に沿ってレーザビームを集束させるように構成される。ノズル１８は、集束レンズの下流に配置され、材料の作業面の領域に向けられたレーザビームによって横断される。ノズルは、図示していない相応のシステムによって注入されたアシストガスのビームを、材料上の作業領域に向けるように構成される。アシストガスは、作業プロセスの実行ならびに取得できる処理の品質を制御するために使用される。例えば、アシストガスは、金属との発熱反応を有利にして切断速度を増加できる酸素、または材料の融合に寄与しないが、作業輪郭のエッジにおいて不要な酸化から材料を保護すし、溶融材料のスプラッシュからも加工ヘッドを保護し、また材料上に生成された溝の側面を冷却し、熱的に変化した領域の拡大を閉じ込めるためにも使用できる、例えば、窒素などの不活性ガスを含んでもよい。

図２は、光ファイバを経由して導かれるレーザビームを備えた工業用加工機械を概略的に示す。それは、シングルモードまたはマルチモードを放射するように構成された、レーザビームを輸送ファイバ、例えばイッテルビウムでドープされたレーザファイバに供給できるレーザ発生装置または、ダイレクトダイオードレーザなどの放射源１０と、放射源から放射されたレーザビームを、材料Ｍに近接して配置された加工ヘッド１４に導くように構成された光ファイバケーブル１２ｄとを備える。加工ヘッドにおいて、制御された発散でファイバから出射されたレーザビームは、屈折コリメートシステム２０によってコリメートされ、反射システム２２によって反射され、そして、概して集束レンズからなる光学集束システム１６を経由して、放射ノズル１８を通過して、ＷＰ材料に入射する伝搬光軸に沿って集束される。

図３は、先行技術に係る例示の加工ヘッド１４を示す。符号３０では、Ｂで示すレーザビームがその中で伝送される円筒形または円錐形の断面を有する管状チャネルが示される。レーザビームＢは、放射源１０によって発生し、複数の反射で空中の光路によって、または光ファイバ内で加工ヘッドまで輸送され、加工対象の材料への入射方向にその光伝搬軸を偏向させる反射偏向エレメント３２上でコリメートする。光学集束システム１６は、反射偏向エレメント３２と、下流に配置され、集束システムを溶融材料のスプラッシュから遮蔽するように構成された保護スライド３４との中間にあり、レンズホルダユニット３６を備え、これに、レンズの位置決めをビームの伝搬方向（Ｘ−Ｙ軸）に対して横方向に、そしてビームの伝搬方向（Ｚ軸）に較正するための機械調整機構３８が接続される。

加工ヘッド内でレーザビームが受ける光学処理を図４と図５に示す。

自由空間内またはファイバ内の光輸送路を通って放射源Ｓから発するレーザビームＢは、予め定めた発散で加工ヘッドに到達する。図４にレンズＣで示される光学的コリメーションシステムは、レーザビームＢをコリメートし、レンズＦで表され、下流に配置された、集束レーザビームを生成できる光学集束システムに向ける。第１の近似では、光学集束システムの下流にある理想的なレーザビーム、即ち、理想的には平行光線にコリメートされたレーザビームは、幾何光学の法則に従って焦点に集中する。しかしながら、回折の物理法則は、最良のコリメーションおよび集束構成でも、レーザ集束システムの下流において、そのウエストにおいて有限の焦点スポットを有することを示している。このことは、ビームＢの焦点領域に対応する、Ｗで示す領域によって図４に表れている。一般に、工業加工用途では、材料の作業面はビームのウエストでの横断面と一致する。

図５は、通常にコリメートされたレーザビームのパワー密度の分布を示しており、これは典型的にはシングルモードビームの場合に回転対称性を備え、即ち、ビームの長手方向軸（Ｚ軸）の周りにパワーが集中し、周辺スカートに沿って徐々に減少するガウシアン形状であり、あるいは、マルチモードビームの場合には回転対称性を備えたガウシアンプロファイルの包絡線として記述できる。

ガウシアンとして１次近似で記述できる、シングルモードまたはマルチモードのレーザ放射を有するビームの使用は、高出力レーザ応用の分野における技術的制御要件を満たす。実際、ガウシアンビームは、幾つかのパラメータによって容易に記述され、パワー分布を変更することなくそれ自体を伝搬する特性を有するため、放射源から加工機械のヘッドまでの光輸送経路に沿った伝搬において容易に制御可能であり、それは、遠視野(far-field)伝搬条件における半径値および発散値によって記述できる（この場合、幾何光学近似が使用できる）。幾何光学近似がもはや有効ではない作業経路に沿った近視野(near-field)における集束ビームの伝搬条件において、ビームは、いずれの場合もその断面の各々においてガウシアンパワー分布パターンを維持する。

逆に、高次横モードを含むレーザビームは、非ガウシアンパワー分布を有する。典型的には、これらの条件は、ガウシアン分布から出発してビーム形状を変更するジオプターシステム（透過型の光学システム、即ち、レンズ）を使用することによって得られる。この目的のために使用される光学系の典型的な特徴は、機械の光学的構成に関するそれらの「静的性質」または「剛性」である。実際、特定の光学系は、ただ１つのパワー分布形状、例えば、厚い材料に対する切断作業のためのガウシアン分布よりも広いパワー分布（ここで「厚い」とは、近赤外の波長、約４ｍｍから約２０ｍｍの厚さ）、または、薄い材料に対する高速の切断操作のためのガウシアン分布と比較して狭いパワー分布（ここで、「薄い」は、４ｍｍと等しいか、それ未満の厚さを意味することを意図する）を生成するように設計されており、これは、機械の加工ヘッド内に予め設置されており、光ヘッドシステムを交換することなしにパワー分布の幾何形状を変更できない。

レーザビームパワー分布の形状が２つの予め定めた状態の間で選択できる他の解決策、例えば、光源から加工ヘッドへの輸送ファイバのコアまたは中間クラッドを通るビーム輸送を制御し、これにより加工ヘッドの光コリメーションシステムに入るビームの有効直径を変更したり、またはＢＰＰ（ビームパラメータ積）、即ち、ビームの焦点半径と半発散角の積を制御することによって、あるいは、異なる直径および発散を有する集束する対応ビームの下流に生成するようにして、それをファイバに供給する前に、それを光源での発散を制御することによって得られる他の解決策が先行技術で知られている。これらの場合の両方において、装置自体の構造に起因して回転対称性を破ることは不可能である。

上述の解決策とは異なって、最近ではオルセン(Fleming Ove Olsen)教授によって、回転対称性の破れがプロセスに利点をもたらす切断プロセスの記述モデルが提案された。ガウシアン形状を持つ１次ピークパワー分布の後方に三日月形状の２次的パワー分布を発生し（加工の進行方向）、（１次パワー分布による）切断の進行前面(front)および、こうして生成された切断溝のエッジに沿って下降する傾向があり、そして（２次的パワー分布を通じて）急速に冷却する１次パワー分布によって生成される溶融材料の一部の両方を照射することが可能である。こうしたモデルは、各々が互いに独立して生成され制御される複数のコンポーネントレーザビームの組合せによって得られるパワー分布を有する包括的なレーザビームの再結合のために複雑かつ嵩張る装置によって、先行技術に従って実現できる。国際特許出願第２００８／０５２５４７号は、こうした解決策に関する。この場合も、構造的な解決法は、光学部品の構造に実質的な変更を加える必要なしで、作業プロセス中に機械を容易かつ迅速に再構成することを許容しない。

基本モードＴＥＭ_００（ガウシアンビームに対応）よりも高次の横方向電磁モードを発生するように、レーザ光源またはレーザビームの光輸送システムを制御することは可能であるが、これらは、同じのままで伝搬しないという不具合を有する。従って、一般にガウシアン形状とは異なり、回転対称性以外の対称性を有することがあるレーザビームの横方向パワー分布の形状を得ることは可能であるが、これは、ビームの明確に定義された伝搬位置（焦点面）においてのみ得られる。

これらの理由のため、レーザ加工の分野では、ガウシアン（または近似的にガウシアン）横方向パワー分布を有するようにレーザビームの伝搬を制御し、そしてレーザビームの伝搬光軸とアシストガスフローの重心軸との間の相互位置を決定的に確立するニーズが常にあった。

この設計選択は、純粋にシングルモードのビームの場合、ビームの回転対称性およびアシストガスフローに配慮し、それぞれレーザビームのパワーのガウシアン分布およびアシストガスの流出ノズルの口の円形断面によって決定され、加工が追従できる方向に関して各加工プロセス（切断、溶接など）の挙動の等方性を確保している。

材料上の作業経路に関するプロセスの等方性は、ＣＡＤ／ＣＡＭシステムにおいて予め定められた経路および幾何形状に従って、レーザ加工プロセスが電子処理手段によって制御される場合には常に好都合であると考えられていた。

材料上のレーザビームおよびアシストガスの入射ポイントにおける物理的に「不均衡な」システムまたは回転対称性のないシステムは、作業経路を制御するときの複雑さおよび困難さ、またはより悪い品質のプロセス結果をもたらすと広く考えられている。

本発明の目的は、動作速度、結果の品質、およびプロセスの費用対効果に関して、改善された性能を有するレーザ加工方法を提供することである。

本発明の他の目的は、既存の機械のサイズを増加させることなく達成可能であり、全ての動作条件において正確な加工結果を得るために、リアルタイムで制御可能なレーザ加工方法を提供することである。

本発明によれば、これらの目的は、請求項１に記載された特徴を有する金属材料のレーザ加工方法によって達成される。

特定の実施形態は、その内容が、本説明の不可欠な部分として理解されるべきである従属請求項の対象である。

本発明の更なる目的は、請求項に記載されているように、金属材料のレーザ加工のための機械およびコンピュータプログラムである。

要約すると、本発明は、レーザビームのパワー分布および、可能ならばビームの回転対称性の破れを制御することが、作業プロセスの速度、品質および費用対効果に関してより良い性能を可能にできるという考察からのインスピレーションを引き出す。作業経路に対して必要とされる場所でパワー分布を局所化または拡大することができ、メイン加工に付随する操作、例えば、切断または穿孔操作において溶融材料を加熱／維持するために利用可能なレーザ出力の一部を利用することができる。これは、アシストガスフローを用いて加工対象の材料からそれらの除去を容易にし、プロファイルおよび切断表面の純度を、同じ性能レベルのガウシアン形状のパワー分布に基づいて、プロセスによって得られるものよりも高い純度に到達することを可能にする。

本発明によれば、先行技術のシステムへの前述した考察の適用は、レーザビームのリアルタイム整形を制御することによって、加工レーザビームの横方向パワー分布の効率的な制御を実施することによって達成される。レーザビームの形状は、例えば、予め定めた直径のガウシアン型分布、環状（ドーナツ）分布、予め定めた直径の平坦プロファイル分布（フラットトップまたはトップハット）、ガウシアン分布および該ガウシアン分布に対して外側に同心である環状分布の同心重なり合いによって得られる複合円対称分布、ガウシアン形状の１次ピークパワー分布および１次パワー分布の後方にある三日月形状の２次パワー分布を含む複合非対称分布（文献（(F. O. Olsen, K. S. Hansen, and J. S. Nielsen, "Multibeam fiber laser cutting", J. Laser Appl., Vol. 21, p. 133, 2009)）に記載される）、楕円形断面を備えた非点収差分布、およびそれらの種々の組合せの中から、作業面上で横方向パワー分布を得るように好都合に制御される。

レーザビームの形状はまた、例えば、時間進展(time evolution)の予め定めた関係に従って、アシストガスフローの配給ゾーン内で隣接して結合された、空間的に相関した複数（例えば、一対）のガウシアンビームに対応する横方向パワー分布を作業面内に決定するように都合よく制御できる。ガスフローの配給領域内での前述した分布の重心に対するその相互位置及び／又は位置は、時間経過とともに同期的または非同期的に制御されてもよい。

本発明は、工業用途のための高出力レーザビームを整形するための光信号（従って、低出力の光放射）の処理のための科学的用途においてそれ自体既知である、制御された変形を備えた光学システムを使用するという原理に基づいている。

レーザビーム光輸送システムにおいて、制御された変形光学システムの適用により、迅速に変更可能な方法で得られるレーザビームの形状の範囲を拡大することができ、その結果、機械加工プロセスでの性能を改善し、あるいは革新的な機械加工プロセスを実装できる。

好都合には、本発明の方法は、元の光軸の周りのレーザビームのパワー分布を整形することによって、レーザ加工プロセスをリアルタイムで制御することを可能にし、こうして所望の用途に応じて個々のパワー分布形状のための特定の光学系を採用する必要性を排除したり、または、ビーム発生または輸送の段階、即ち、加工ヘッドから遠く離れたところでの特定のビームパラメータを制御することを可能にし、これは、機械を予め定めたプロセスに設定する場合に、オペレータの介入によってのみ達成できる。

さらにより好都合には、本発明の方法は、迅速なセトリング時間で、レーザビームの横方向パワー分布を複数の予め定めた形状に従って制御することを可能にし、そのため、こうした制御は加工サイクル内の「準備設定」として実施できるだけでなく、材料上の作業経路に沿ってレーザビームの横方向パワー分布を制御するために、加工プロセス中にリアルタイムで実施できる。

換言すると、本発明の方法は、例えば、レーザビームの横方向パワー分布を、その自由表面に対して材料の予め定めた作業面で、予め定めた位置において、作業経路の現在の方向（プロセスの進行方向）に対して特定の配向に従って瞬時に制御することによって、加工プロセス中にレーザビームの予め定めた横方向パワー分布計画を自動的に設定し開発することを可能にする。

本発明の方法はまた、例えば、予め定めた作業経路またはこうした経路の瞬間的な方向に沿った材料上の作業領域の空間位置に応じて、全て、例えば、加工対象の材料の厚さの関数として、加工プロセス中のレーザビームの横方向パワー分布についての可変変更計画を自動的に設定することを可能にする。例えば、４ｍｍ以上の大きい厚さの場合、プロセスの技術的ニーズは、幅広の溝を作成し、溶融材料の容易な除去を可能にし、そして溶融材料自体の高い粘度を維持することは、溝自体の壁での溶融材料の減少した接着または接着無しを確保し、最終的にはバリのない切断を提供し、ガウシアンビームで得られるものと比較して粗さが減少する。例えば、ビームが進行方向の後方でガウシアン中心成分および三日月形成分からなる場合など、ビームの非対称分布は、プロセスを改善するニーズを満たすと同時に、その性質では典型的には固定されていないことによって、切断経路の瞬間的な方向に従って、材料の表面に対して回転するニーズを満たす。予め定めた時間進展関係性に従って結合された２つのビームを使用する場合、本発明は、材料上の入射面上および材料自体の厚さ中の深さの両方においてその位置を制御することを可能にし、そのため、加工が予め定めた経路に沿って進行する際（即ち、全体的な光パワー分布が切断の前縁に追従する際）、ある体積の材料を瞬時に高周波で照射する。この場合も、溝から排出される溶融体積の減少した粘度が得られる。

金属材料での作業面の領域におけるビームの横方向パワー分布の制御は、本発明に従って、前記フローの配給ゾーンを定義するアシストガスフローの軸の予め定めた近傍において実装される。アシストガスフローの配給ゾーン（本発明の制御方法の体積作用領域を表す）は、加工ヘッドのノズルの「影響される体積」として識別可能であり、ノズルは、典型的には、直径が１ｍｍ〜３．５ｍｍである口を有し、６ｍｍ〜２０ｍｍの高さを持つ円錐台の典型的な寸法であり、小底部（ノズル部）は、ノズル口の直径に等しい直径を有し、１〜３ｍｍで増加し、大底部は、その特徴的寸法が円錐台状体積の高さおよび母線の傾斜角（典型的には１５〜３０度）の関数である。適切には、ノズルの体積は可能な限り小さく、そしてそれは加工対象の表面の凹部内でも作用できるように、それは可能な限り最もスリムな外観を有する。

好都合には、本発明の方法によって実施される自動制御は、１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの動作周波数を用いてリアルタイムで実行できる。

本発明の方法を実行するように構成された制御システムは、先行技術のシステムと好都合に区別される。その理由は、それが加工ヘッド上に統合でき、即ち、それがレーザビームの発生および加工ヘッドへの搬送から独立しているためである。

さらに、特定の加工のための機械を設定しまたは作動するための既知の解決策とは異なり、レーザビームの横方向パワー分布は、特定の光学系を交換するためにオペレータによる手動介入によって調整してもよく、あるいは、レーザビームの横方向パワー分布の変更は、極めて限られた数の予め定めた形状の中で実装され、本発明の方法は、作業経路に沿ったビームの局在化の関数として、レーザビームの横方向パワー分布をリアルタイムで有効に制御することを可能にし、作業経路に沿った予め定めた位置で生じるプログラムされた加工条件に応じて、レーザビームの横方向パワー分布を正確な方法で修正することが可能である。こうしてプログラムされた加工条件は、非限定的な例として、予め定めた作業経路に沿った現在の作業位置（またはより一般的には現在の作業面の面積(area)）及び／又は材料上の作業経路の現在の方向、及び／又はアシストガスフローの軸の現在の並進方向、そして特定の作業位置で予想される加工のタイプ（例えば、穿孔、切断への接近、および切断プロセスの間の切替え）を含む。

材料の穿孔プロセスにおいて、本発明の方法は、例えば、加工材料上の予め定めた固定位置における予め定めた一連の第１の狭いビームパルスの照射を含む第１段階、および溶融材料の放出を可能にするために拡大した直径を備えた予め定めた作業経路に沿って進行するレーザビームの照射を含む第２段階を少なくとも含む一連の加工操作を実施することによって、それをリアルタイムで制御可能にし、より有効にすることによって、プロセスを改善する。

穿孔プロセスの更なる例によれば、一連の加工操作が実施され、第１ステップにおいて、加工材料上の予め定めた穿孔座標において予め定めた第１の一連の狭いビームパルスの照射を含む、その伝搬軸はアシストガスフローの影響される体積内の中心にあり、そして、第２ステップにおいて、穿孔が終了しながら溶融材料を「スクランブル」するように構成された、前記予め定めた穿孔座標と同心である円運動または螺旋運動に従ってレーザビームの（連続的またはパルス状）照射を含む。

材料の切断プロセスにおいて、本発明の方法は、下記を含む一連の処理操作を実施することによって、それをリアルタイムで制御可能にし、より有効にすることによって、プロセスを改善する。
・切断される材料の局所的厚さまたは要求される特定の切断操作（例えば、連続的な溝切断または傾斜エッジを有する斜面(bevel)）の関数としてのビーム直径の変更、及び／又は、
・ガウシアン分布と比較して、切断溝の中心およびその側面の両方で照射されるレーザビームのパワーの割合を減少させるために、平坦プロファイルモードを優先してビームパワー分布の状況変更（そうでなければ、不必要に加熱され、横方向伝導によってエネルギーの散逸を生じさせ、低温溶融材料の発生をもたらし、それは溝を出る前に再堆積され、バリを作り出す）、及び／又は、
・ばり(burr)を除去するように、溶融材料のテールの温度を増加させるように構成され、軸方向に局所化したガウシアン分布との重ね合わせによって組み合わせ可能な、環状型モードを優先したビームパワー分布の状況変更、及び／又は、
・回転対称性の破れ、および切断方向での前述した形態の各々の分布、および他の方向および材料を溝から排出する方向での対応する切断、及び／又は、
・切断方向に瞬間的に向けられた楕円形ビームによる、回転対称性の破れおよび加工の進行方向におけるパワー分布での強調。

好都合には、レーザビームの異なる横方向パワー分布を達成することに加えて、本発明はまた、プロセスの他の２つの次元、深さおよび時間を制御する能力に関する。

実際、上述した横方向パワー分布は、使用する光学集束システムに依存したビームの伝搬方向（より良好な集束面の周りのビームの腐食(caustic)」）に沿ったコヒーレンス間隔（または「厚さ」）で明確に定義された集束面においてのみ得られる。本発明の技術的解決策は、所望のパワー分布が確立されるビームの伝搬方向に沿って焦点面の位置を制御することを可能にし、そのため材料の表面に対する作業面の深さは、オンラインで変更可能な追加のプロセスパラメータである。この特徴は関連性があり、理由は、ガルバノミラーを備えたスキャナシステムを含む、既知の技術のシステムのものとは異なる材料の加工プロセスを制御する際に３次元の柔軟性を可能にするためであり、それは、典型的には１つの焦点位置のみを有し、材料に対して加工ヘッド全体を移動することによる以外では調整できない。

さらに、ビームの分布および空間内のその位置決めを迅速に、即ち、プロセスの典型的な相互作用時間に対応するものより高い周波数（１００Ｈｚ超えで、最大１０ｋＨｚまで）で制御することによって、減少した時間内で一連のビームパワー分布を単に制御することによって（その包絡線は、前記見かけ体積を構成する）、レーザビームと任意形状の材料との間の相互作用の見かけ体積を定義することが可能である。

本発明の更なる特徴および利点は、添付の図面を参照しつつ、非限定的な例を前提として、その一実施形態の下記詳細な説明においてより詳細に説明している。

先行技術に係るレーザ加工用機械の一例である。 先行技術に係るレーザ加工用機械の一例である。 先行技術に係るレーザ機械の加工ヘッドの構造の一例を示す。 先行技術に係る、金属材料の工業用加工の用途のためのレーザビームの形状の概略図を示す。 先行技術に係る、金属材料の工業用加工の用途のためのレーザビームの形状の概略図を示す。 本発明の方法を実施するように構成された加工ヘッド内のレーザビームの光路の概略図である。 本発明の方法を実施するための光ビームを整形する制御表面反射エレメントの概略図である。 本発明に係る加工方法を実施するように構成された、レーザ加工機械の制御電子回路のブロック図である。 横方向集束面におけるビーム強度の３次元表現およびビーム強度の分布の２次元表現をそれぞれ用いてガウシアン形状の横方向パワー分布を示すグラフである。 横方向集束面におけるビーム強度の３次元表現およびビーム強度の分布の２次元表現をそれぞれ用いて平坦プロファイルの横方向パワー分布を示すグラフである。 図１０ａの横方向パワー分布を発生するように構成された、変形可能な制御表面反射エレメントの表面の３次元構成を示すグラフである。 作業面で平坦プロファイルを有する、同じビームの伝搬方向に沿ったビームの強度分布（２次元表現）の進展を示すグラフである。 横断集束面におけるビーム強度の３次元表現およびビームの強度の分布の２次元表現をそれぞれ用いて、実際の環状プロファイルを有する横方向パワー分布を示すグラフである。 図１１ａの横方向パワー分布を発生するように構成された、変形可能な制御表面反射エレメントの表面の３次元構成を示すグラフである。 作業面で環状プロファイルを有する、同じビームの伝搬方向に沿ったビームの強度分布（２次元表現）の進展を示すグラフである。 横断集束面におけるビーム強度の３次元表現およびビームの強度の分布の２次元表現をそれぞれ用いて、ビームの入射方向に対して４５°傾斜した反射エレメントを用いて得られる環状の横方向パワー分布を示すグラフである。 図１２ａの横方向パワー分布を発生するように構成された、変形可能な制御表面反射エレメントの３次元構成を示すグラフである。 横断集束面におけるビーム強度の３次元表現およびビームの強度の分布の２次元表現をそれぞれ用いて、ガウシアン分布および該ガウシアン分布に対して外側に同心である環状分布の同心円状の重ね合わせによって得られる円形対称プロファイルを有する横方向パワー分布を示すグラフである。 図１３ａの横方向パワー分布を発生するように構成された、変形可能な制御表面反射エレメントの表面の３次元構成を示すグラフである。 作業面で図１３ａで説明したタイプのプロファイル（ガウシアン環状としても記述可能）を有する、同じビームの伝搬方向に沿ったビームの強度分布（２次元表現）の進展を示すグラフである。 横断集束面におけるビーム強度の３次元表現およびビームの強度の分布の２次元表現をそれぞれ用いて、楕円形プロファイルを有する横方向パワー分布を示すグラフである。 図１４ａの横方向パワー分布を発生するように構成された、変形可能な制御表面反射エレメントの３次元構成を示すグラフである。 作業面で楕円形プロファイルを有する、同じビームの伝搬方向に沿ったビームの強度分布（２次元表現）の進展を示すグラフである。 横断集束面におけるビーム強度の３次元表現およびビーム強度分布の２次元表現をそれぞれ用いて、オルセンによって説明されたような横方向パワー分布を示すグラフである。 図１５ａの横方向パワー分布を発生するように構成された、変形可能な制御表面反射エレメントの表面の３次元構成を示すグラフである。 作業面でオルセンによって説明されたようなプロファイルを有する、同じビームの伝搬方向に沿ったビームの強度分布（２次元表現）の進展を示すグラフである。 本発明の方法に係る加工処理例の概略図である。 本発明の方法に係る加工処理例の概略図である。 光ビームを整形するための制御面反射エレメントの例示的な実施形態である。

図１〜図５は、先行技術を参照して既に説明しており、それらの内容は、ここでは本発明の教示に従って加工プロセスを実行するために制御される加工機械の製造に共通するものとして参照される。

本発明に係る、金属材料のレーザ加工のための機械の加工ヘッド内のレーザビームの光路を図６に示す。

図６の光学系は、レーザビームＢの入力装置１００、例えば、光ファイバケーブルの端部、または自由空間内の光路に沿って放射源によって伝搬されたビームの光ピックアップシステム、を備え、そこからレーザビームＢは予め定めた発散で出現する。

入力装置１００の下流には、光学コリメーションシステム１２０、例えば、コリメーションレンズ（典型的にはレーザ切断機械の加工ヘッド用のコリメーションレンズは、５０ｍｍ〜１５０ｍｍの焦点距離を有する）など、が配置され、その下流では、コリメートされたレーザビームが光学集束システム１４０、例えば、スクリーンまたは保護ガラス１６０を経由して作業面Πにビームを集束させるように配置された集束レンズ（典型的にはレーザ切断機械の加工ヘッド用の集束レンズは、１００ｍｍ〜２５０ｍｍの焦点距離を有し、レーザ溶接の場合、焦点距離は４００ｍｍにも達する）に導かれる。

コリメーション光学系１２０と光学集束システム１４０との間の光路中には、光ビーム整形手段１８０が介在される。

特に、図６に示されるレーザビームの光路の図式化を参照して、本発明は、レーザビームを整形するための光学手段１８０の製作、および材料の予め定めた作業面において、制御された方法でレーザの横方向パワー分布を達成するための前記手段の制御に関する。この図において、レーザビームを整形するための光学手段１８０が例示的な実施形態で示されており、これらはビームの伝搬方向に対して４５°でそれら自身の対称軸を有するように配置される。

このためレーザビームを整形するための光学手段１８０は、図７に示すように、独立して移動可能な複数の反射領域を含む、制御された表面を備えた変形可能な反射エレメント２００として製作され、これは、静止状態で基準反射面上に位置する反射面を定義する。前記変形可能な制御表面反射エレメント２００は、連続的なフォイル（箔）ミラーを提供し、その反射面は、静止状態で採用された基準平坦反射面に対して３次元的に変更可能である。前記変形可能な制御表面反射エレメント２００は、複数の反射領域を含む連続的な曲率を備えた反射面を有し、これに後側に結合された、図に２００ａ，２００ｂ，…で示される対応する複数の移動モジュールが存在しており、レーザビームの波長での高反射コーティング（少なくとも９９％）、および直接チャネリングによって水で冷却されるコンタクトホルダへのマウンティングの共同使用によって、高い光出力での使用のために適切に処理される。移動モジュールは、連続的な曲率反射面と一体的であり、独立して移動可能である。連続的な曲率を備えた反射面の反射領域は、これらの間にエッジを有しておらず、即ち、反射面全体は、全ての方向に連続的な局所導関数(derivative)を有する。前記複数の移動モジュール２００ａ，２００ｂの移動は、静止状態で採用された基準平坦反射面に対して、例えば、前方または後方の移動など、対応する反射領域の並進移動、または、静止状態で採用された基準平坦反射面に対して平行な軸の周りの対応する反射領域の回転移動、またはこれらの組合せを含む。反射面の変形、即ち、移動モジュール２００ａ，２００ｂの移動は、好ましくは既知の圧電技術によって駆動され、これらは、移動モジュールの移動を制御し、結果として生じる反射領域の位置、即ち、各モジュールの並進及び／又は回転による移動の組合せから生じる位置のそれらの変更を制御することを可能にし、他のものから互いに独立した予め定めた自由度で、典型的には±４０μｍオーダーの移動量であり、これによりゼルニケ(Zernike)多項式の組合せによって定義される連続湾曲面の近似を得ることが可能であり、これにより、所望の加工用途の目的に従って、レーザビームの光学伝搬軸の位置の調整、より一般的にはレーザビームの横方向パワー分布の制御を適用することが可能である（少なくとも理論的には、そして所望の目的のためには実際には十分な近似を用いて）。

図７は、図６の図に示されるように、４５°のコリメートレーザビームの入射角のために採用された、楕円形プロファイルおよび関連する後方移動モジュールを備えた反射器エレメント２００の好ましい実施形態を示す。こうした実施形態は、純粋に例示的であり、本発明の実装に対して非限定的であるものでとして理解されるべきである。コリメートされたレーザビームの入射が、静止状態でエレメント２００の表面に対して垂直またはほぼ垂直である別の好ましい実施形態では、反射エレメント２００のプロファイルは円形プロファイルである。

楕円形プロファイルを備えた反射エレメントの実施形態では、それは、コリメーション光学系１２０によって得られる、ミラーに入射するレーザビームの最大横方向開口サイズに対応して、３８ｍｍの長軸および２７ｍｍの短軸を有する。

具体的には、好ましい実施形態では、前記変形可能な制御表面反射エレメント２００は、中央領域と、前記中央領域と同心である複数の列(rank)の円形クラウン扇形(circular crown sector)とを含む、対応する複数の移動モジュールによって独立に移動可能な複数の反射領域を含む。現時点で好ましい実施形態では、同心円状の円形クラウン扇形の列は６個であり、円形クラウン扇形は各列について８個であり、円形クラウン扇形の高さは、反射エレメントの外側へ半径方向に、第１列から第３列まで、そして第４列から第６列まで増加する。第４列の円形クラウン扇形の高さは、第１列および第２列の円形クラウン扇形の高さの中間である。好ましくは、反射エレメント２００の制御構造を設計したように簡素化するために、周囲の円形クラウンを形成する複数の円形扇形が固定されてもよく、内側円形クラウン扇形の列だけが移動可能であり、こうしてこれらが４１個に制限された総数のアクチュエータを採用してもよい。

一般に、円形扇形の列数、円形クラウン扇形の数、および円形クラウン扇形の高さは、選択された数の反射領域について反射エレメントに入射するレーザビームの横方向パワー分布の傾向についてのシミュレーション手順を通して、レーザビームの予め定めた所望の横方向パワー分布を得るのに必要な反射面形状に従って決定される。実際、エレメント２００の反射面の制御された変形性は、レーザビームの位相に作用することによって焦点面上のレーザビームの強度の制御された変動を誘起させる。現時点の好ましい実施形態では、反射エレメント２００の表面の変形は、ゼルニケ多項式の組合せに起因する反射面を決定するように制御される。こうして反射エレメント２００の反射領域の移動によって制御される位相変化に従って、焦点面上のレーザビームの強度の分布は、数学的計算方法を用いて好都合にシミュレートできる。

図７に示した反射エレメント２００の表面の再分割の幾何形状（反射領域の移動モジュールの幾何形状に対応する）は、その回転対称性の保持とは関係せずに、ビーム整形での大きな自由度とともに、異なる形状の横方向パワー分布を得るためのシミュレーション手順を通して発明者によって決定される。それ以外には、パワー分布の形状の変化が必要とされず、光学伝搬軸に対するその変位だけが必要とされるガウシアンパワー分布に厳密に関連する用途のために、より簡単な幾何形状、例えば、等しく間隔があいた列、即ち、円形クラウン扇形の高さが扇形のすべての列の中で一定である列、を使用することが可能である。ビームパワー分布の回転対称性が保持されるべき用途では、半径方向に独立した円形クラウンの形態で複数の反射領域および個々の移動モジュールを提供することが可能である。

図８は、本発明の方法の実装のための、金属材料のレーザ加工用機械の電子制御システムの回路図を示す。

このシステムは、ＥＣＵに集合的に図に示された電子処理および制御手段を備え、これらは機械に搭載された単一の処理ユニットに統合されてもよく、分散形態で実装されてもよく、例えば、加工ヘッドを含む、機械の異なる部分に配置された処理モジュールを備える。

電子処理および制御手段ＥＣＵに関連するメモリ手段Ｍは、例えば、加工ヘッド及び／又は加工対象の材料のための移動命令の形態で、予め定めた作業経路を含む予め定めた処理パターンまたはプログラムを保存し、そして、作業経路の関数として、光ビームのパワー分布、ビームのパワー強度、およびレーザビーム活性化時間を示す物理的処理パラメータを保存する。

電子処理および制御手段ＥＣＵは、メモリ手段Ｍにアクセスして作業経路を取得し、前記経路に沿って加工レーザビームの付与を制御するように構成される。予め定めた作業経路に沿ったレーザビームの付与の制御は、予め定めたパターンまたはプログラムを参照して、即ち、メモリ手段から取得された作業経路情報および作業パラメータに従って、アシストガスフローの配給の制御と、予め定めた作業領域に対するレーザビームの予め定めたパワー分布の放射の制御とを含む。

センサ手段ＳＥＮＳは、加工ヘッドと加工対象の材料との間の相互位置、およびこうした位置の経時変化をリアルタイムで検出するために、機械に搭載される。

電子処理および制御手段ＥＣＵは、加工ヘッドと加工対象の材料との間の相互位置を経時的に示す、即ち、現在の作業面の面積及び／又は作業経路の現在の方向の変化を経時的に示す信号を、センサ手段ＳＥＮＳから受信するように構成される。

電子処理および制御手段ＥＣＵは、加工の機械パラメータを制御するための第１制御モジュールＣＭ１を備え、第１コマンド信号ＣＭＤ_１をアクチュエータ手段の既知のアセンブリに発信するように構成され、加工ヘッドの位置に対して加工対象材料を移動させるための機械およびアクチュエータ手段の具体的な実施形態によって可能となる自由度に沿って、加工ヘッドを移動させるためのアクチュエータ手段を備え、加工ヘッドを移動させるためのアクチュエータ手段と協力して、作業ヘッドのノズルにおいて加工される材料上にプログラムされた作業経路を提示するように構成される。これらのアクチュエータ手段は、当該技術分野において既知であるため、詳細には説明しない。

電子処理および制御手段ＥＣＵは、物理的な加工パラメータを制御するための第２制御モジュールＣＭ２を備え、第２コマンド信号ＣＭＤ_２を発信して、ガスフロー配給手段およびレーザビームを発生し伝送するための制御手段を支援するように構成される。

電子処理および制御手段ＥＣＵは、光学処理パラメータを制御するための第３制御モジュールＣＭ３を備え、第３コマンド信号ＣＭＤ_３を、前記エレメントの独立移動可能な反射領域の移動モジュールの実装のために、光ビーム整形手段の変形可能な制御表面反射エレメント２００に発信して、即ち、それらの相互の空間的変位（反射エレメントの光軸に沿った並進またはそれに対する傾斜）を制御するように構成される。コマンド信号ＣＭＤ_３は、得られるレーザビームの予め定めた整形に従って、本発明の方法の実装のための制御モデルまたはプログラムの命令を有する１つ以上のコードモジュールを含むコンピュータプログラムによって処理され、即ち、金属材料の少なくとも１つの作業面の領域で材料に入射する光学伝搬軸に沿った瞬時の処理条件の関数として、レーザビームの予め定めた横方向パワー分布、その結果、レーザビームの光学伝搬軸の予め定めた位置を確立する。材料の作業面は、例えば、厚い材料、即ち、典型的には集束ビームのレイリー長の１．５倍を超える厚さ（典型的な場合、４ｍｍ超で３０ｍｍまでの厚さ）を持つ材料の切削または穿孔のため、材料の表面または材料の厚さで深さが変化する面である。前述のコマンド信号ＣＭＤ_３はまた、瞬時の作業条件、即ち、現在の作業面の面積及び／又は金属材料上の作業経路の現在の方向に従って、アシストガスフローの軸の予め定めた近傍および前記フローの配給領域内で、レーザビームの予め定めた横方向パワー分布を確立するために、コンピュータプログラムによって処理される。

従って、電子処理および制御手段ＥＣＵは、アシストガスフローの軸の現在位置及び／又は現在の並進方向を検出して、金属材料上の予め定めた作業経路に沿って、アシストガスフローの軸の相対並進を制御し、アシストガスフローの軸の現在位置及び／又は検出された現在の並進方向に従って、レーザビームの光学伝搬軸の位置を自動的に調整したり、またはレーザビームの横方向パワー分布を自動的に制御するように構成される。

作業面に対応する伝搬方向を横断する断面においてガウシアンプロファイルを備えたレーザビームの従来のパワー分布を図９に示しており、上側グラフは、ビームの正規化強度の３次元表現であり、下側グラフは、６０ミクロンのオーダーの、作業面の領域での集束スポット半径を有する典型的なビームについて集束面内のビームの強度分布の２次元表現である。

本発明の方法の一実施形態によれば、変形可能な制御表面反射エレメントの反射領域の配置は、予め定めた直径のガウシアン分布を有する、金属材料の加工面の領域内でビームの横方向パワー分布を確立するように実装される。反射領域のこの配置は、ほぼ垂直入射の場合は、基準平面に対して凸状または凹状である変形可能な反射エレメントの球面を可能にし、または４５度入射の場合は、楕円形伸長に比例するトーリック面を可能にする。この状態では、ビームは、発散の変動（最小ではあるが）を受ける。得られるビームの横方向パワー分布は、材料の異なる作業面間で焦点の位置を移動させる必要がある場合、または材料自体の表面上で入射ビームの直径を広げたり狭めたりする必要がある場合に用途が見つかる。

本発明の方法のさらなる実施形態によれば、変形可能な制御表面反射エレメントの反射領域の配置は、予め定めた直径の平坦なプロファイル（フラットトップまたはトップハット）を有する、金属材料上の作業面の領域内にビームの横方向パワー分布を確立するように実装される。平坦なプロファイルパワー分布が、図１０ａに示されており、作業面上に１２０ミクロンオーダーの焦点半径を有する典型的なビームについて、上側グラフは、焦点面におけるビームの正規化強度の３次元表現であり、下側グラフは、焦点面におけるビームの強度分布の２次元表現である。図１０ｂのグラフは、変形可能な制御表面反射エレメントの表面の３次元構成を示し、グラフの軸は正確な縮尺ではなく、プロファイルのより良い観察を可能にするため、垂直軸はミクロンで表される（水平軸はミリメートルで表される）。可動反射領域の移動モジュールの最大移動量は、０．５ミクロンのオーダーである。伝搬方向に沿ったビーム強度分布の進展は、図１０ｃのグラフに示されており、パワー分布の変化が、作業面からの異なる深さでシミュレーションされる（垂直軸ｚに沿って座標０によって示される）。特に、パワー分布の進展は、作業面から３ミリメートル上と３ミリメートル下との間の深さ範囲で、１ミリメートルのステップでシミュレーションされている。

本発明の方法の更なる実施形態によれば、予め定めた直径の環状プロファイル（ドーナツ）を有する、金属材料上の作業面の領域内にビームの横方向パワー分布を確立するように構成された、変形可能な制御表面反射エレメントの反射領域のための配置が実装される。環状プロファイルパワー分布は、図１１ａに示されており、上側グラフは、ビームの正規化強度の３次元表現であり、下側グラフは、１８０ミクロンのオーダーの外径および４０ミクロンのオーダーの内径を備えた、作業面領域上の集束スポットサイズを有する典型的なビームについて集束面におけるビーム強度分布の２次元表現である。ここで、環状プロファイルの内側のパワーは全ビームパワーの１％を超えない。図１１ｂのグラフは、変形可能な制御表面反射エレメントの表面の３次元構成を示し、グラフの軸は正確な縮尺ではなく、プロフィールのより良い観察を可能にするために、垂直軸はミクロンで表される（水平軸はミリメートルで表される）。可動反射領域の移動モジュールの最大移動量は、５ミクロンのオーダーである。理想的な環状プロファイルを達成するために、有限の寸法を備えた反射エレメントの中央領域の存在に起因して不可能な頂点での角度を有する円錐面を形成するように反射エレメントを調節することが必要であろう。その結果、物理的に実現可能な頂点で傾斜したプロファイルを備えるが、類似した表面の定義に頼ることによって、実際の環状プロファイルが達成できる。いずれの場合も、円錐面の近似は、スポットの中心に分散されたエネルギー量に関してビームのパワー分布を過度に劣化させることはない。伝搬方向に沿ったビームの強度分布の進展は、図１１ｃのグラフによって示されており、パワー分布の変化が作業面からの異なる深さでシミュレーションされる（垂直軸ｚに沿った座標０によって示される）。特に、パワー分布の進展は、作業面から１０ミリメートル上と５０ミリメートル下との間の深さ範囲で、１０ミリメートルのステップでシミュレーションされている。

図１２ａと図１２ｂは、反射エレメントが、コリメートビームの入射方向に対して４５度に配置されている状態で、環状プロファイル（ドーナツ）を備えたパワー分布、および変形可能な反射エレメントの表面の３次元構成をそれぞれ示す。可動反射領域の移動モジュールの最大移動量は、６ミクロンのオーダーである。

本発明の方法の更なる実施形態によれば、ガウシアンプロファイルの外側にある環状プロファイルと重なり合う、予め定めた直径のガウシアンプロファイルを有する、金属材料上の作業面の領域内でビームの横方向パワー分布を確立するように構成された、変形可能な制御表面反射エレメントの反射領域の配置が実装される。前述したプロファイルに係るパワー分布は、図１３ａに示しており、上側グラフは、ビームの正規化強度の３次元表現であり、下のグラフは、１３０ミクロンのオーダーの、作業面の領域での集束スポットサイズを有する典型的なビームについて集束面内のビームの強度分布の２次元表現であり、中央プロファイルのパワーがビームの全パワーの２５％である。図１３ｂのグラフは、変形可能な制御表面反射エレメントの表面の３次元構成を示しており、グラフの軸は正確な縮尺ではなく、プロファイルのより良い観察を可能にするため、垂直軸はミクロンで表される（水平軸はミリメートルで表される）。可動反射領域の移動モジュールの最大移動量は、５ミクロンオーダーである。反射エレメントの中央平坦領域の直径の関数として、中央プロファイルと周囲の環状プロファイルとの間のビームの全パワーの配分において、異なるプロファイルを生成することが可能である。伝搬方向に沿ったビームの強度分布の進展は、図１３ｃのグラフに示されており、パワー分布の変化が、作業面からの異なる深さでシミュレーションされる（垂直軸ｚに沿った座標０によって示される）。特に、パワー分布の進展は、作業面と、作業面下６０ミリメートルとの間の深さ範囲で、１０ミリメートルのステップでシミュレーションされている。

図示したグラフから明らかなように、円形対称性を保持する、平坦（フラットトップ）または環状（ドーナツ）プロファイルを備え、あるいはガウシアン−環状の組合せでの横方向パワー分布を得るためのガウシアンパワー分布の変更に関連する用途のために、変形可能な制御表面反射エレメント２００は、半径方向に独立した円形クラウンの形態の複数の独立して移動可能な反射領域を含んでもよい。

本発明の方法の更なる実施形態によれば、楕円形の断面を備え、好ましくは、作業経路の局所方向に従って配向した、例えば、作業経路の進行方向に配向した、作業面の領域内に対称軸を有するガウシアンプロファイルを有する作業面の領域内でビームの横方向パワー分布を確立するように構成された、変形可能な制御表面反射エレメントの反射領域の配置が実装される。ガウシアン楕円プロファイルを備えたパワー分布は、図１４ａに示されており、上側グラフは、ビームの正規化強度の３次元表現であり、下側グラフは、それぞれ５０ミクロンおよび８５ミクロンのオーダーの、作業面の領域上に集束スポットの軸を有する典型的なビーム（シングルモード）について集束面内のビームの強度分布の２次元表現である。図１４ｂのグラフは、変形可能な制御表面反射エレメントの表面の３次元構成を示し、グラフの軸は正確な縮尺ではなく、プロファイルのより良い観察を可能にするため、垂直軸はミクロンで表される（水平軸はミリメートルで表される）。可動反射領域の移動モジュールの最大移動量は、１０ミクロンのオーダーである。伝搬方向に沿ったビーム強度分布の進展は、図１４ｃのグラフに示されており、パワー分布の変化が、作業面からの異なる深さでシミュレーションされる（垂直軸ｚに沿って座標０によって示される）。特に、パワー分布の進展は、作業面から２０ミリメートル上と２０ミリメートル下との間の深さ範囲で、５ミリメートルのステップでシミュレーションされている。

本発明の方法の更なる実施形態によれば、オルセンによって記述されたようなプロファイル、即ち、ガウシアン形状を備えたピーク１次パワーの分布および１次パワー分布の後方にある三日月形の２次パワー分布を含み、好ましくは、作業経路の局所的方向に従って配向した、例えば、作業経路の進行方向に配向した、作業面の領域内に対称軸を有する非対称複合プロファイルを有する、金属材料上の作業面の領域内にビームの横方向パワー分布を確立するように構成された、変形可能な制御表面反射エレメントの反射領域のための配置が実装される。前述したプロファイルに係るパワー分布は、図１５ａに示されており、上側グラフは、ビームの正規化強度の３次元表現であり、下側グラフは、１２０ミクロンのオーダーの、作業面の領域上に集束スポットサイズを有する典型的なビームについて集束面内のビームの強度分布の２次元表現であり、１次プロファイルのパワーは、ビームの全パワーの３０％のオーダーである。図１５ｂのグラフは、変形可能な制御表面反射エレメントの表面の３次元構成を示し、グラフの軸は正確な縮尺ではなく、プロファイルのより良い観察を可能にするため、垂直軸はミクロンで表される（水平軸はミリメートルで表される）。可動反射領域の移動モジュールの最大移動量は、４ミクロンのオーダーである。反射エレメントは、非放射状対称である反射領域の配置によって変形される。即ち、ドーナツ−ガウシアン型分布を発生する変形と、基準に対して傾斜面を再構成する配置との間の重なり合いのような配置を記述することが可能である。反射領域の分布の対称性の破れのサイズに応じて、１次中央プロファイルと周囲の２次プロファイルとの間のビームの全パワーの配分において異なるプロファイルを生成することが可能である。伝搬方向に沿ったビーム強度分布の進展は、図１５ｃのグラフに示されており、パワー分布の変化が、作業面からの異なる深さでシミュレーションされる（垂直軸ｚに沿って座標０によって示される）。特に、パワー分布の進展は、作業面と、作業面下６０ｍｍとの間の深さ範囲で、１０ミリメートルのステップでシミュレーションされている。

図１５ｃに見えるように、オルセンによって記述されるようなパワー分布は、ガウシアン１次パワー分布および三日月形の２次パワー分布を同時に実施し制御する可能性によって特徴付けられ、その配分は、ビームの光軸に沿った伝搬、即ち、作業面の深さの関数である。このことは、例えば、照射、従って、溝内の進行前面の加熱が必要である材料の表面上の作業面で１次ガウシアンパワー分布が優勢であるパワー分布を発生することによって、材料上の加工の３次元性のリアルタイム制御を好都合に可能にし、そしておよび三日月形の２次パワー分布は、材料中に深く、同じ溝から出てくる溶融材料のテール(tail)を照射する必要がある材料の体積内の作業面において優勢である。これは、ガウシアンの場合、レーザビームによる照射の欠如から生ずる進行性の冷却に起因して、同じ溝の壁に付着することがある。

本発明の方法に係る加工の一例が図１６に示され、特に、材料Ｍの長方形凹部Ｒの切断操作が示される。

この図では、プログラムされた作業経路がＴで示されている。作業経路は、穿孔領域Ｈ、アプローチまたは接続プロファイルＣ、および切断プロファイルＰを含み、これは、一例として、一連の直線セクションおよび湾曲接続セクションを含み、閉じたラインを形成する。

レーザ切断機械は、現在の加工段階に従って、材料に入射するレーザビームのパワー分布を変えることによって、中断なしの加工を実施するようにプログラムされる。

レーザビーム整形手段の反射領域の配置の駆動は、穿孔領域Ｈにおいて可能である最小の集束スポットを有するガウシアン型のビームの第１横方向パワー分布を確立し、より幅広のガウシアン型からフラットトップ、そしてドーナツへの第２横方向パワー分布を確立し、溶融材料の押出しのための穿孔を広げると同時に、材料の容易な流れおよび適切な波面照射を可能にし、穿孔が完了すると、ビームがアプローチまたは接続プロファイルＡを通過し始めるように制御される。ガウシアン−三日月形の組合せによって得られる非対称タイプのビームの第３横方向パワー分布は、切断プロファイルＣにおいて使用され、切断プロファイルの一連の直線セクションおよび湾曲セクションにおいて、作業経路の局所的方向に従って配向される。任意の鋭いエッジ経路の変更において、よって移動の局所的な停止において、横方向パワー分布はまた速度値を考慮して、例えば、楕円形パワー分布を介して溶融材料およびアシストガスの排出の方向変化を容易にする。

図１７は、本発明の方法に係る加工の一例を示し、予め定めた経路に沿って実施される切断プロセス中に適用可能なパワー分布の進展の時間的遷移を示しており、特に、全体としては示していないが、その移動方向および移動の感覚が図中の矢印Ｆで示している。

レーザ切断機械は、図１７ａ、図１７ｂおよび図１７ｃの図を参照して、後述する法則に従って、時間経過とともに周期的に材料に入射するレーザビームのパワー分布を変化させることによって、中断なしで作業を実施するようにプログラムされており、加工ヘッドと材料との間の相対的な移動に追従する予め定めた経路に沿って連続的に移動する加工領域Ａの平面図、背面図および側面図をそれぞれ示す。

Ｓ１，…，Ｓ４は、加工対象の材料へのレーザビームの入射スポットを示し、レーザビームの光軸の位置の周囲に外接し、作業領域Ａ全体に共通である、加工材料上のアシストガスフローの配給ゾーンに含まれる。一般に、厚さ４ｍｍ〜３０ｍｍの炭素鋼、厚さ４ｍｍ〜２５ｍｍのステンレス鋼、厚さ４ｍｍ〜１５ｍｍのアルミニウム合金、厚さ４ｍｍ〜１２ｍｍの銅および黄銅(brass)での切断及び／又は穿孔操作では、アシストガスフローの配給ゾーンの典型的なサイズは１．８ｍｍ〜４ｍｍの範囲であることに留意すべきである。

作業領域Ａ内の制御されたパワー分布は、作業経路の方向に対して横方向に整列した２つの別個のガウシアンビームの組合せによって得られ、従って横方向電磁モードＴＥＭ１０として記述できる。この分布は、レーザビーム整形手段の反射エレメント２００を、反射エレメントの軸（直径）に沿って接合される２つのサブエレメント２００’，２００”に分割することによって得られ、中央領域によって、図１８に示すように、レーザビームの伝搬空間に面する凹状の二面角(dihedral)（０．１〜０．３度のオーダー）を形成するように配向可能である。反射エレメントの２つの半エレメントの接合直径は、移動モジュールの配置によって識別される直径のいずれでもよいことは理解すべきである。各反射半エレメント２００’，２００”は、（元のビームを分離することによって）ガウシアン横方向パワー分布を発生するように構成され、個々の移動モジュールは、好ましくは互いに同期し、互いに鏡像化して、全体として、個々の静止状態に対して、半エレメントの予め定めた全体的な傾斜移動を行うように制御され、それが加工材料上のレーザビームスポットの空間的変位を決定する。

２つのガウシアンビームの個々の光学伝搬軸の相対位置は、図に示される空間法則に従って経時的に変化する。作業領域内の２つのビームの移動は、作業経路の局所的方向に従って、そして一連の作業面において同期して生ずる。それは、下記の移動を組み合わせることによって、図１７ａ、図１７ｂ、および図１７ｃを参照して説明できる。
１）全体パワー分布の重心は、作業経路Ｆの局所的方向に従って経時的に進行し、アシストガスフローの配給軸と一致し、またはアシストガスフローの配給軸から、作業経路の進行方向の前方の位置においてノズル口の半径の半分を超えない距離にある。
２）図１７ａの水平面への投影において、２つのガウシアンビームの各々の光軸は、個々の回転の重心から、ウエストでのシングルビームの集光スポットの半径の０．３倍〜２倍の距離で、それぞれ加工の進行方向に対してパワー分布全体の重心の右側で時計回りに、そして加工の進行方向に対してパワー分布全体の重心の左側で反時計回りに、個々の予め定めた時間回転(time revolution)の幾何学的重心の周りの楕円軌道に従って局所的に移動する。
３）個々の予め定めた重心の周りの時間回転移動の際、個々の光学伝搬軸に沿った２つのガウシアンビームの各々の集束面の位置は、図１７ｃのサジタル平面投影における平行四辺形経路に従って逆行進展を伴って、材料の厚さ中で深さが変化し、これは、図１７ｂに示す前面投影における２つのガウシアンビームの各々の光軸の進展を決定する。
４）２つのガウシアンビームの各々の光軸の回転の重心は、全体パワー分布の重心の移動方向に対して平行な方向に従って、それぞれその右側および左側に経時的に進行し、前面およびサジタル面での投影において、正弦波パターンに従って全体的な進展を決定する。

前回のステップ１〜４で説明した移動は、図中に配向ラインで表される。Ｓ１は、作業経路Ｆに従って局所的により前進した位置において材料の表面上の各ガウシアンビームの集束スポットを示す。Ｓ２’およびＳ２”は、材料体積内の第１中間深さにおいて、個々の予め定めた時間回転の幾何学的重心の周りの回転移動の際、作業経路Ｆに対して位置Ｓ１と比較して後退した第１中間位置において、ガウシアンビームの別個の集束スポットを示す。Ｓ３’およびＳ３”は、個々の予め定めた時間回転の幾何学的重心の周りの回転移動中に、材料体積内の最大深さにおいて、そして位置Ｓ１と比較して第２中間後退位置において、作業経路Ｆに対して位置Ｓ２’およびＳ２”と比較してさらに後退した、ガウシアンビームの別々の集束スポットを示す。

こうした加工は、例えば、１０００〜２０００ｍｍ／分の予め定めた作業経路に沿って典型的な送り速度で窒素雰囲気中で１０ｍｍ厚の鋼板を切断するために実行される。少なくとも５００Ｈｚ、好ましくは１ｋＨｚ、より一般的には、ｖ／２Ｄの整数倍であるビームパワー分布の周期的制御周波数（ここで、ｖは、全体パワー分布の重心の進行速度であり、ミクロン／秒で表され、Ｄは、ウエストでのレーザビーム集束スポットの直径であり、ミクロンで表される）は、ガウシアンビーム対の高速局所的変位によって生成される構造化された見かけの相互作用体積を得ることを可能にする。２つのビームは、位置Ｓ１で材料の表面で合流し、切断の前縁に最大量のエネルギーを供給し、そしてそれを流体に維持するために排出される材料の深部およびテールで下降する。好都合には、この加工方法は、原則として、進行前面に対する切削努力を維持しまたは増加させ、材料自体の自己排出力を増加させることを可能とし、その結果、アシストガスのニーズの削減をもたらす。

前述の例示的な実施形態においてガウスシアンパワー分布と称するものは、同じまたは互いに異なる各半エレメントによって、そして各ビームの鏡像化されまたはされていない他の移動によって発生するレーザビームの他のタイプのパワー分布に拡張してもよい。

当然ながら、本発明の原理を変更することなく、実施形態および実装の詳細は、添付の請求項によって定義される本発明の保護の範囲から逸脱することなく、純粋に非限定的な例として説明し図示したものに対して広範に変更してもよい。

Claims (20)

1. 金属材料の少なくとも１つの作業面において予め定めた横方向パワー分布を有する集束レーザビームを用いた金属材料のレーザ加工方法、特に、前記材料のレーザ切断、穿孔または溶接のためのレーザ加工方法であって、
   ・レーザビーム放射源を用意するステップと、
   ・前記放射源によって放射されたレーザビームを、ビーム輸送光路に沿って前記金属材料の近くに配置された加工ヘッドに導くステップと、
   ・金属材料に入射する伝搬光軸に沿ってレーザビームをコリメートするステップと、
   ・前記金属材料の作業面の領域に前記コリメートレーザビームを集束させるステップと、
   ・一連の作業領域を含む金属材料上の作業経路に沿って前記集束レーザビームを導くステップとを含み、
   該方法は、レーザビームを整形するステップを含み、レーザビームを整形するステップは、
   ・複数の独立して移動可能な反射領域を含む連続的な曲率を備えた反射面を有する変形可能な制御表面反射エレメントを用いて前記コリメートビームを反射することと、
   ・現在の作業面の面積、及び／又は、金属材料上の作業経路の現在の方向の関数として、金属材料の少なくとも１つの作業面においてビームの予め定めた横方向パワー分布を確立するように、前記反射領域の配置を制御することとを含み、
   該方法は、
   ・アシストガスフローの軸に沿って金属材料の作業面の前記領域に向けてアシストガスのフローを配給するステップと、
   ・アシストガスフローの軸を金属材料上の予め定めた作業経路に対して相対的に並進させるステップと、
   ・アシストガスフローの軸の現在位置及び／又は現在の並進方向を検出するステップと、
   ・前記反射領域の配置を制御することによって、アシストガスフローの軸の検出された現在位置及び／又は検出された現在の並進方向の関数として、レーザビームの横方向パワー分布を自動的に制御し、アシストガスフローの軸の周りの予め定めた近傍内で前記フローの配給領域内に含まれる、金属材料上の作業面の領域内でビームの前記予め定めた横方向パワー分布を確立するステップと、を含むことを特徴とする方法。
2. アシストガスフローの軸の検出された現在位置及び／又は検出された現在の並進方向の関数としてのレーザビームの横方向パワー分布の自動制御は、予め定めた制御パターンまたはプログラムへの参照によって実施される請求項１記載の方法。
3. 前記反射領域の配置を制御して、金属材料上の少なくとも１つの作業面の領域内で、予め定めた直径を備えたガウシアン形状を有するビームの横方向パワー分布を確立するステップを含む請求項１または２記載の方法。
4. 前記反射領域の配置を制御して、金属材料上の少なくとも１つの作業面の領域内で、環状の形状を有するビームの横方向パワー分布を確立するステップを含む請求項１または２記載の方法。
5. 前記反射領域の配置を制御して、金属材料上の少なくとも１つの作業面の領域内で、予め定めた直径を備えた平坦プロファイル形状を有するビームの横方向パワー分布を確立するステップを含む請求項１または２記載の方法。
6. 前記反射領域の配置を制御して、金属材料上の少なくとも１つの作業面の領域内で、予め定めた直径を備えたガウシアン分布および該ガウシアン分布に対して外側に同心である環状分布を含むビームの横方向パワー分布を確立するステップを含む請求項１または２記載の方法。
7. 前記反射領域の配置を制御して、金属材料上の少なくとも１つの作業面の領域内で、予め定めた直径を備えたガウシアン分布および該ガウシアン分布に対して外側に同心である半環状分布を含むビームの横方向パワー分布を確立するステップを含む請求項１または２記載の方法。
8. 作業経路の局所的方向に応じて、作業面の領域内で、予め定めた直径を備えたガウシアン分布および該ガウシアン分布に対して外側に同心である半環状分布を含むビームの前記横方向パワー分布の対称軸の配向を含む請求項７記載の方法。
9. 金属材料上の少なくとも１つの作業面の領域内で、楕円形断面を備えたガウシアン形状を有するビームの横方向パワー分布を確立するために、前記反射領域の配置を制御するステップを含む請求項１または２記載の方法。
10. 作業経路の局所的方向に応じて、作業面の領域内で、楕円形断面を備えたガウシアン形状を有するビームの前記横方向パワー分布の対称軸の配向を含む請求項９記載の方法。
11. 金属材料上の予め定めた作業経路に沿ったアシストガスフローの軸の相対的並進、アシストガスフローの軸の現在位置の検出及び／又は現在の並進方向の検出、およびアシストガスフローの軸の検出された現在位置及び／又は検出された現在の並進方向の関数としてのレーザビームの伝搬光軸の位置の自動調整を含む請求項１記載の方法。
12. アシストガスフローの軸の検出された現在位置及び／又は検出された現在の並進方向の関数としてのレーザビームの伝搬光軸の位置の自動調整は、予め定めた調整パターンまたはプログラムへの参照によって実施される請求項１１記載の方法。
13. 前記反射領域の配置を制御して、金属材料上の少なくとも１つの作業面の領域内に、作業経路の方向に対して横方向に整列した予め定めた直径を備えた２つのガウシアン分布の組合せを含む、ＴＥＭ１０横電磁モードに対応するビームの全体横方向パワー分布を確立するステップを含み、
    光学伝搬軸の相対位置および前記２つのガウシアン分布の集束面は、下記の移動の組合せを含む法則に従って、作業経路の局所的方向に応じて経時的に周期的に変化する請求項１２記載の方法。
    ・作業経路の局所的方向に沿った全体パワー分布の重心の進行。
    ・水平面上に投影された場合、個々の予め定めた時間回転幾何学的重心の周りの楕円回転軌跡に従う、前記２つのガウシアン分布の各々の光軸の移動であって、それぞれ作業の進行方向に対して全体パワー分布の重心の右側において時計回り、および作業の進行方向に対して全体パワー分布の重心の左側において反時計回りの移動。
    ・個々の予め定めた重心の周りの時間回転運動の際、サジタル面上の投影における平行四辺形軌道に沿った逆行進展とともに、個々の伝搬光軸に沿って前記２つのガウシアン分布の各々の集束面の場所を変化させること。
    ・それぞれその右側および左側に、全体パワー分布の重心の移動方向に対して平行な方向に沿った前記２つのガウシアン分布の各々の光軸の回転の重心の進行。
14. 前記２つのガウシアン分布の各々の伝搬光軸の相対位置および個々の伝搬光軸に沿った前記２つのガウシアン分布の各々の集束面の場所の周期的変動は、ｖ／２Ｄの整数倍の周波数で発生する請求項１３記載の方法。
    ここで、ｖは、全体パワー分布の重心の進行速度であり、Ｄは、ウエストにおけるレーザビームの集束スポットの直径である。
15. 制御表面反射エレメントの前記反射領域の配置を制御することは、反射基準平面に対する前記領域の移動の組合せを制御することを含む請求項１〜１４のいずれかに記載の方法。
16. 制御表面反射エレメントの前記反射領域の配置を制御することは、反射エレメントの光軸に沿った前記領域の並進移動及び／又は前記領域の回転を制御して、反射エレメントの光軸に対する傾斜を得ることを含む請求項１５記載の方法。
17. 中央領域および、前記中央領域と同心である複数の列の円形クラウン扇形を含む、対応する複数の移動モジュールによって、複数の独立移動可能な反射領域を含む連続的な曲率を備えた反射面を有する変形可能な制御表面反射エレメントを用意することを含む請求項１〜１６記載の方法。
18. 同心の円形クラウン扇形の前記列は６個であり、前記円形クラウン扇形は各列につき８個であり、円形クラウン扇形の高さは、反射エレメントの外側に向かって半径方向に、第１列から第３列まで、そして第４列から第６列まで増加しており、第４列の円形クラウン扇形の高さは、第１列および第２列の円形クラウン扇形の高さの中間である請求項１７記載の方法。
19. 金属材料の少なくとも１つの作業面において予め定めた横方向パワー分布を有する集束レーザビームを用いた金属材料のレーザ加工機械、特に、前記材料のレーザ切断、穿孔または溶接のためのレーザ加工機械であって、
    ・レーザビーム放射源と、
    ・前記放射源によって放射されたレーザビームを、ビーム輸送光路に沿って前記金属材料の近くに配置された加工ヘッドに導くための手段と、
    ・金属材料に入射する伝搬光軸に沿ってレーザビームをコリメートするための光学手段と、
    ・前記金属材料の作業面の領域に前記コリメートレーザビームを集束させるための光学手段であって、前記コリメートレーザビームの少なくとも前記集束光学手段は、前記金属材料から制御された距離で前記加工ヘッドによって運ばれるようにした、光学手段と、
    ・前記加工ヘッドと前記金属材料との間の相互位置を調整するための手段であって、一連の作業領域を含む金属材料上の作業経路に沿って前記集束レーザビームを導くように構成された手段と、
    ・複数の独立して移動可能な反射領域を含む連続的な曲率を備えた反射面を有する変形可能な制御表面反射エレメントを含む、レーザビームを整形するための光学手段であって、前記コリメートビームを反射するように構成され、前記反射領域の配置は、金属材料の少なくとも１つの作業面においてビームの予め定めた横方向パワー分布を確立するように構成される、光学手段と、
    ・現在の作業面の面積、及び／又は、金属材料上の作業経路の現在の方向の関数として、金属材料の少なくとも１つの作業面においてビームの予め定めた横方向パワー分布を確立するように、前記反射領域の配置を制御するように構成された電子処理および制御手段とを備え、
    材料上の作業領域に向けてアシストガスのフローを向けるように構成されたノズルを備え、
    前記電子処理および制御手段はさらに、
    ・アシストガスフローの軸を金属材料上の予め定めた作業経路に対して相対的に並進させ、
    ・アシストガスフローの軸の現在位置及び／又は現在の並進方向を検出し、
    ・アシストガスフローの軸の検出された現在位置及び／又は検出された現在の並進方向の関数として、レーザビームの横方向パワー分布を自動的に制御する
    ように構成されることを特徴とするレーザ加工機械。
20. レーザビームを整形する方法を実施するための１つ以上のコードモジュールを含むコンピュータプログラムであって、プログラムは、金属材料のレーザ加工のための機械内にある電子処理および制御手段によって実行され、
    前記機械は、
    複数の独立して移動可能な反射領域を含む連続的な曲率を備えた反射面を有する変形可能な制御表面反射エレメントを含み、コリメートレーザビームを反射するように構成され、前記反射領域の配置は、金属材料の少なくとも１つの作業面においてビームの予め定めた横方向パワー分布を確立するように構成された、レーザビームを整形するための光学手段と、
    現在の作業面の面積、及び／又は、金属材料上の作業経路の現在の方向の関数として、金属材料の少なくとも１つの作業面においてビームの予め定めた横方向パワー分布を確立するように、前記反射領域の配置を制御するように構成された電子処理および制御手段とを備え、
    レーザビームを整形する前記方法は、前記反射領域の配置を制御することによって、作業面の領域に向けて配給されるアシストガスフローの軸の検出された現在位置及び／又は検出された現在の並進方向の関数として、レーザビームの横方向パワー分布を自動的に制御し、アシストガスフローの軸の周りの予め定めた近傍内で前記フローの配給領域内に含まれる、金属材料上の作業面の領域内でビームの前記予め定めた横方向パワー分布を確立することを含む、コンピュータプログラム。

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