JP2022104827A - ドーナツキーホールレーザ切断 - Google Patents

Abstract

【課題】ドーナツキーホールレーザ切断を提供する。【解決手段】材料の切断されることになる領域をレーザビームで有効温度範囲に加熱すること、並びに酸素気流を加熱された領域へ導入し、ひいては材料を切断することを含む、組み合わされたレーザ及び酸素切断の方法。レーザビームは周期的経路で方向付けられる。【選択図】図１

Description

金属加工産業において、熱切断プロセス、例えばレーザ切断、プラズマ切断及び酸素燃料切断が、利用可能で最も経済的な手段であることが多い。典型的には、それらは、切断コンポーネントの幾何学的形状について、又は切断パイプ及びプロファイルについて溶接縁の準備をするのに好適である。全てのこれらの熱切断プロセスは凝縮された高エネルギー熱源を用いる。そして全てのこれらのプロセスについて、切断速度はシート厚さが増加するとともに低下する。

レーザ切断には人気があるが、金属切削能力の最大厚さに関しては、典型的にはレーザ出力に応じておよそ１～１．５インチに限定されている。これは、これらの他の方法、例えばプラズマ切断（最大で２インチ）及び酸素燃料切断（１２インチの厚さの鋼スラブはまれではない）とは対照的である。研磨性水ジェットもまた一般的であり、最大で８インチまで切断できる。

厚さ能力を増すために、レーザ産業は典型的には単純にレーザ出力を増加させることに依存している。そして依然として、１２ｋＷレーザ出力であっても、２インチの鋼厚さ切断能力をほとんど満たし得ない。

代替的に、産業はいわゆるＬＡＳＯＸプロセスを試してきた。このプロセスは、レーザビームスポットを工作物上の大きいスポットに、９００℃を超える導通モードでそれを加熱するのに十分なエネルギー密度で、収束させることからなる。これらの温度で、酸素切断プロセスは、酸素フローを原因として溶けてなくなり切断カーフを作り出す金属の発熱酸化により可能となる。

レーザは熱源として使用されているが、切断速度は酸素切断プロセスにより主に決定付けられている。結果として、この方法は＄／インチの単位で従来の酸素燃料加熱より費用がかかる。この方法にはまたレンズでのピアシング及びスパッター予測における困難さが伴う。別の既知の方法はレーザビームが工作物上の大きいリング型スポットに集束させられる場合である。このリングスポットは、酸素フローをリング内部に通すのに十分に大きいことが意図されている。この方法は、酸素切断プロセスが可能となり得るように工作物を９００℃超に加熱するために、集束させられたスポットを導通モードで作動させる。導通モードにおいて、切断速度はこの場合も酸素切断プロセスによってのみ決定付けられている。周期的ループパターンで振動させるための焦点スポットを得るための機械的方法が用いられたが、しかしながら、閉鎖されたパターン領域にわたるキーホール型での要件は満たされていない。

材料の切断されることになる領域をレーザビームで有効温度範囲に加熱すること、及び酸素気流を加熱された領域へ導入し、ひいては材料を切断することを含む、組み合わされたレーザ及び酸素切断の方法。レーザビームは周期的経路で方向付けられる．

本発明の本質及び目的のさらなる理解のために、同様の要素には同じ又は類似の参照符号が付された添付図面とあわせて以下の詳細な説明が参照されるべきである。

本発明の一実施形態による、ドーナツキーホールレーザ切断の概略図である。 本発明の一実施形態による、非円形の周期的ループパターンの概略図である。 本発明の一実施形態による、線形平行移動での非円形の周期的ループパターンの概略図である。 本発明の一実施形態による、開いたドーナツ型周期的ループパターンの概略図である。 本発明の一実施形態による、線形平行移動での開いたドーナツ型周期的ループパターンの概略図である。 本発明の一実施形態による、円形の周期的ループパターンの概略図である。 本発明の一実施形態による、線形平行移動での円形の周期的ループパターンの概略図である。

本発明の例示的な実施形態が以下に記載されている。本発明は様々な修正形態及び代替的形式を受け入れる余地があるが、その特定の実施形態が一例として図面に示され、本明細書において詳細に説明されている。しかしながら、本明細書における特定の実施形態の説明は本発明を開示された特定の形式に限定することを意図されたものではなく、対照的に、添付の特許請求の範囲により定義された本発明の趣旨及び範囲に該当する全ての修正形態、均等物、及び代替形態をカバーすることを意図していることが理解されるべきである。

当然のことながら、任意のそのような実際の実施形態の開発において、開発者の特定のゴールを達成するために、実装形態により変わるシステム関連及びビジネス関連の制限を順守するなど数多くの実装形態固有の決定がなされなければならないことが認められる。さらに、このような開発努力は複雑で時間のかかるものであり得るが、それにも関わらず、この開示の利益を有する当業者にとっては所定の仕事であることが理解されよう。

本発明の方法はいわゆるＬＡＳＯＸ原理を用いており、酸素切断プロセスが可能とされるためには工作物は約９００～１０００℃を超える温度で加熱されなければならない。しかしながら、この場合、これはレーザビームを極めて大きいスポット又はリングスポットに集束させ、プレートを導通モードで加熱することによっては達成されない。代わりに、本発明の方法は、小さなスポット上に集束させられた集束レーザビームを用い、したがって、１ミクロン波長でおよそ０．５ＭＷ／ｃｍ^２のキーホール型閾値を超えるパワー密度を作り出す。この集束スポットはまた周期的パターンで振動する。この周期的パターンは、円形又は半円形の閉鎖ループパターンであっても、同様の開いたループパターンであってもよい。集束スポットは、周期的ループパターンにより掃引される領域における平均パワー密度の各ＭＷ／ｃｍ^２毎に少なくとも０．５ｋＨｚの高周波数で振動する。これは、周期的ループパターンにより掃引される領域平均パワー密度が約０．５ＭＷ／ｃｍ^２のキーホール閾値を超えたままとなるような方法でなされる。

本発明の方法は、レーザビームを直径（ｄ２～ｄ１）／２の極小の集束スポットへ収束させることによりレーザ切断システムの最大厚さ能力を最適化する。集束スポットは約１５０ミクロン未満の直径を有してもよい。スポットは比較的長い焦点距離の集束レンズで生じさせられてもよい。集束レンズは２００ｍｍを超えてもよく、好ましくは３００ｍｍを超えてもよい。集束スポットは周期的ループパターン照射領域にわたって高速で振動させられ得る。この振動は１ｋＨｚを超えてもよく、切断速度が速いほど、振動周波数も大きくなるべきである。周期的ループパターンが円形である場合、（切断されることになる工作物の厚さに依存して）１～３又は４ｍｍの直径ｄ２の円が代表的なものとなる。又は、集束スポットが非円形の周期的ループパターンとなるよう振動させられる場合、これは、なおいっそう効率的であるとともに、ガルバノミラーで又は他の光学的手段若しくは電子的手段により機械的に達成可能である。この方法は、既存のいわゆるＬＡＳＯＸプロセスの主な欠点を緩和する。この方法はＯ_２支援ガスでの極めて厚いプレートの切断を可能にする。実際は、この方法は、酸素燃料切断によるのと実質的に同じくらい厚いプレートが切断されることを可能にする。好ましい向きは、支援ガス及び集束レーザビームを共通のノズル送達を通じて工作物へ同軸に送達されるようにすることである。小さな集束スポットビームの運動振動の高周波数で、ドーナツリングから工作物が受ける平均パワー密度はキーホールについての閾値を超える。これは、レーザが工作物の、ドーナツの内部にある部分を加熱することを可能にし、一方で、ドーナツ自体のリングにおいてキーホール型で実際に切断を開始する。ドーナツキーホールリング領域におけるビーム振動は、レーザ共鳴装置を制御することにより高周波数で、光学的に又は電子的にレンズを揺らすことにより機械的に実施され得る。

以下の等式が本発明のシステムを定義する。
ｄ１＝リングスポットの内径（図を参照）（好ましくはｄ１＞０．１ｍｍ）
ｄ２＝リングスポットの外径（図を参照）
Ｄ＝（ｄ２－ｄ１）／２
ｆ＝システムの焦点距離（好ましくはｆ＞２００ｍｍ）
Ｍ^２＝レーザビーム品質因子
λ＝レーザの波長
Ｐ＝レーザの出力
Ｐ_ｄ＝集束ビームスポットのパワー密度
Ｐ_ａ＝リング内部の平均パワー密度
Ｄ～Ｍ２^＊λ^＊ｆ／（π^＊Ｄ）
Ｐ_ｄ＝Ｐ／（π^＊Ｄ^２／４）＞０．５ＭＷ／ｃｍ^２（好ましくはＰ_ｄ＞５ＭＷ／ｃｍ^２）
Ｐ_ａ＝Ｐ／［（（π^＊ｄ２^２）／４）－（（π^＊ｄ１^２）／４）］（好ましくはＰ_ａ＞０．５ＭＷ／ｃｍ^２）

既存の技術を上回る本発明の方法の利点の一部は以下の通りである。集束レンズのための長い焦点距離はレンズを溶接スパッターから保護する。長い焦点距離は長いレイリー長さ（Ｚｒ）を生じ、したがって、厚い工作物切断中により良好な切断品質を提供する。ドーナツ領域におけるキーホール型は、はるかにより効率的に工作物を加熱すると同時にはるかにより速く深い溶け込み切断を可能にする。ドーナツ領域における穴は、１～２ｍｍの大きいカーフを可能にすることによりカーフ幅を決定し、これはカーフ内部深くでの支援ガスのより有効なフロー、酸素支援ガスでの深い酸素切断及び窒素支援ガスでのきれいなドロスの無い切断を可能にする。

本発明のドーナツキーホールレーザ切断のための同じレーザ機械及び単純な集束ヘッド後付け部品で、エンドユーザである消費者は、酸素燃料でよりもはるかに速くはるかにより厚いプレートを切断することができる。より幅広のカーフにおけるはるかにより良好な支援ガスフローを理由として、従来のレーザ切断と比較して、切断品質は優れている。切断速度は従来のレーザ切断と比較して改良される。

図１～４ｂを見ると、ドーナツキーホールレーザ切断の方法が提供されている。典型的な切断ノズル１０１が切断ガスフロー１０２を切断されることになる材料１０３の表面へ案内する。切断ガス１０２は酸素であってもよい。レーザビーム１０４は集束スポット１０５を形成するように方向付けられる。集束スポット１０５は、周期的ループパターン２００において方向付けられ、したがって加熱照射ゾーン１０７を作り出す。加熱照射ゾーン１０７は、発火点近くの温度、典型的には９００超～１０００℃に到達する。切断ガス１０２と接触すると、加熱照射ゾーン１０７における金属は蒸発し、切断されることになる材料１０３に穴を作り出す。レーザビーム１０４が周期的ループパターン２００の周りで振動し続ける際、切断ノズル１０１、及びしたがって切断ガス１０２は、切断されることになる材料１０３にわたって線形方向Ｄに移動する。

加熱照射ゾーン１０７は、１ミクロン波長で０．５ＭＷ／ｃｍ^２のキーホール型閾値を超えるパワー密度を有し得る。これは、切断されることになる材料１０３が沸点に達して蒸気柱を形成することを可能にする。レーザビームキーホールがこのようにして形成され、これは切断されることになる材料を貫通し、溶解した材料により囲まれる。切断ノズル１０１、及びしたがって切断ガス１０２が切断されることになる材料１０３にわたって移動すると、キーホール、結果としての溶け込みがそれとともに移動し、したがって、切断されることになる材料１０３の切断を生じさせる。

周期的ループパターンは、当業者に利用可能な任意の実用的な形状であってもよい。非限定的な例として、周期的ループパターンは図２ａ及び２ｂにおいて示された非円形２０１であり得る。振動方向Ｏは図においては時計回りの方向であるとして示されているが、振動の方向Ｏは時計回りであっても、反時計回りであってもよく、２つの間で交互であってもよい。この振動パターンは、図２ｂにおける通り、非対称であってもよく、パターンの、より略円形に近い部分Ａは、進む方向に方向付けられる。任意の所与の周期について、集束スポット１０５は切断されることになる材料と、部分Ｂ（略円形に近くない方の部分）においてよりも部分Ａにおいてより長く接触し、この方向付けは熱がもたらされるゾーン１０７への最大レーザ出力を提供する。しかしながら、当業者は、非円形の周期的ループパターン２０１を用途に最も好適なやり方で方向付け得る。

別の非限定的な例として、図３に示された円形の（半円形の）又は非円形の開いたドーナツ型２０２があり得る。振動の方向Ｏは、時計回りであっても、反時計回りであってもよく、２つの間で交互であってもよい。この振動パターンは、レーザ出力を、熱がもたらされるゾーン１０７の先端のみに導入及び集中させる。したがって、全ての事柄が等しい場合、切断深さ見込みの増大又は切断速度の上昇のいずれかをもたらし得る。

なお別の非限定的な例として、図４に示された円形のドーナツ２０３があり得る。振動の方向Ｏは、時計回りであっても、反時計回りであってもよく、２つの間で交互であってもよい。この振動パターンはより均等に分布する加熱照射ゾーン１０７を生成し、及びしたがってより一般的な用途のものであり得る。

本発明の本質を説明するために本明細書において説明された詳細、材料、ステップ及び部品の配置構成における多くの追加的な変更が、添付の特許請求の範囲において表現された本発明の原理及び範囲内で当業者によりなされ得ることが理解される。したがって、本発明は、上記で与えられた例における特定の実施形態に限定されることを意図されていない。

１０１ 切断ノズル
１０２ 切断ガスフロー
１０３ 切断されることになる材料
１０４ レーザビーム
１０５ 集束レーザビームスポット
１０７ 熱照射ゾーン
２００ 周期的ループパターン
２０１ 非円形の周期的ループパターン
２０２ 開いたドーナツ型周期的ループパターン
２０３ 円形の周期的ループパターン

Claims (8)

1. 材料の切断されることになる領域をレーザビームで有効温度範囲に加熱すること、並びに酸素気流を前記加熱された領域へ導入し、ひいては前記材料を切断することを含む、組み合わされたレーザ及び酸素切断の方法であって、前記レーザビームが周期的経路で方向付けられる方法。
2. 前記有効温度が９００℃を超える、請求項１に記載の方法。
3. 前記有効温度が１０００℃を超える、請求項１に記載の方法。
4. 前記レーザビームが、前記材料の前記切断されることになる領域において０．５ＭＷ／ｃｍ^２を超える平均パワー密度を生じる、請求項１に記載の方法。
5. 前記レーザビームが、掃引領域を生じさせる周期的曲線経路に沿って進み、前記レーザビームが、前記掃引領域において平均パワー密度の各ＭＷ／ｃｍ^２当たり０．５ｋＨｚを超える周波数で振動する、請求項４に記載の方法。
6. 前記レーザビームが、２００ｍｍを超える焦点距離を有する集束レンズで前記切断されることになる材料に集束させられる、請求項１に記載の方法。
7. 前記レーザビームが、３００ｍｍを超える焦点距離を有する集束レンズで前記切断されることになる材料に収束させられる、請求項１に記載の方法。
8. 前記材料の前記切断されることになる領域における前記平均パワー密度が、キーホール型レーザ加工のための閾値を超える、請求項１に記載の方法。
   

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