JP5535423B2 - ファイバレーザでステンレス鋼を切削する方法 - Google Patents

Description

本発明は、イッテルビウムドープファイバ型のレーザ光源を用いてステンレス鋼を切削するレーザ切削方法に関する。

現時点では、ＣＯ₂型のレーザ光源を用いて、波長が１０．６μｍであり、パワーが６ｋＷまでのレーザビームを発生させるレーザ切削が、産業において広く使用されている。この方法は、特に、ステンレス鋼の切削に使用されている。

しかしながら、達成され得る切削速度及びそれにより得られる切削品質は、切削すべき材料に依存して、及び、さらには、援助（assistance）ガスの性質、集束ビームの径、入射レーザパワーなどの適用する切削法のパラメータに依存して、非常に変わり易い。

それゆえ、ＣＯ₂レーザは、その方法を害し得る寄生プラズマを発生するリスクなしで、例えばアルゴンなどのイオン化ポテンシャルが低い援助ガスと共に使用され得ない。
そのうえ、ＣＯ₂レーザは、パワーの点で制限され、これにより、切削速度に直接に影響を及ぼす。

加えて、レーザビームをレーザ発生器から集束ヘッド，すなわち切削ヘッド，へと正しく案内しなければならないという事実は、特に光路における光学素子の位置合わせの観点で欠点を有している。これは、案内光学素子は、一般には、複数の磨き及び／又は被覆銅鏡であり、後者の位置はレーザビームが通る光路を決定するからである。それゆえ、レーザビームが集束ヘッド又は切削ヘッドの中へと最適に入射するのを確実にするために、それら鏡の位置合わせは完璧に行われなければならない。目下のところ、これら鏡の位置は、一般には、機械的手段によって調節されているが、それは、時間、部品の磨耗、及び環境条件，特には、周囲温度、湿度など，に応じて容易に位置ずれを生じ得る。

加えて、ビームの光路は、汚染を避けるため及び媒質をビームの良好な伝搬に必要な一定の光学指数に保つために、不活性雰囲気中に必ず保たれていなければならない。これら条件は、ビーム径及びビームエネルギーの横分布に関する特性並びにビーム品質特性が、その方法にとって満足なままとすることを可能とする。なお、切削で使用されるハイパワーＣＯ₂レーザビームのビームパラメータ積（beam parameter product:ＢＰＰ）についてのＱ値（quality factor）は、一般には、３ｍｍ．ｍｒａｄ乃至６ｍｍ．ｍｒａｄである。また、そのような雰囲気は、案内光学素子を保全し、それらの劣化を防止することを可能とする。
目下のところ、これは、産業状況において実用的ではなく、追加の出費を招く。

これら問題を改善する試みにおいて、Ｎｄ：ＹＡＧ型のレーザデバイスでステンレス鋼を切削することが提案されており、そこでは、ビームは、固体増幅媒質，すなわち、ネオジムドープＹＡＧロッド，を含んだ共振器が発生し、光ファイバを介して集束ヘッドへと送られる。

しかしながら、この解決法は、産業的見地からでも完全に満足いくものではない。
これは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ光源で得られる波長が１．０６μｍのレーザビームを用いた切削は、切削品質及び切削速度の観点で不満足な結果を与えることが見出されているからである。

これは、Ｎｄ：ＹＡＧ型のレーザは、レーザ切削プロセスには不適当なＱ値を有しているからである。これらレーザのＱ値（ＢＰＰ値）は、典型的には、その光源に依存して、約１５ｍｍ．ｍｒａｄ乃至３０ｍｍ．ｍｒａｄの範囲内にある。目下のところ、レーザのＱ値が大きくなると、すなわち、集束ビームウエストとビーム発散度との積がより大きくなると、そのレーザビームはレーザ切削プロセスにとって有効性がより低くなる。

加えて、集束Ｎｄ：ＹＡＧレーザビームにおける横エネルギー分布は、ガウス分布ではなくシルクハット（top-hat）形状を有しており、焦点を越えると、横エネルギー分布はランダムである。

さらに一般的には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いたレーザ切削によりステンレス鋼を切削することは、産業的見地から許容され得る切削速度及び切削品質を達成することが望まれる場合には、決して明らかではない。

それゆえ、ここで生じる問題は、厚さに依存して１５乃至２０ｍ／分までの又はそれよりも速い速度と良好な切削品質，すなわち、真っ直ぐな切削面（cutting face）、バリが無い、粗さが制限されている，とを達成し得る改良され且つ産業的に許容され得るレーザビームを用いたステンレス鋼の切削方法を如何にして提供するかということである。

それゆえ、本発明によって提供される解決法は、ステンレス鋼ワークピースを切削するためのレーザ切削方法であって、そこでは、レーザビームを発生するための少なくとも１つのイッテルビウム含有ファイバを備えたレーザビーム発生手段を前記ワークピースの溶解に使用して、それにより実切削を行い、前記レーザビームのＱ値は０．３３乃至８ｍｍ．ｍｒａｄであることを特徴とする。

レーザビーム発生手段は、レーザビームを発生するために、少なくとも１つの励起素子（excited element）と共同し、増幅媒質とも呼ばれている１つの励振器、好ましくは複数の励振器を備えている。それら励振器は、好ましくは複数のレーザダイオードであり、それら励起素子は、複数のファイバ，好ましくはイッテルビウムドープコアを有する複数のシリカファイバ，である。

本発明のために、用語「レーザビーム発生手段」及び「共振器」は、区別なしに使用される。
場合によっては、本発明の方法は、以下の特徴の１つ以上を含んでいてもよい。

− その又はそれらファイバは、シリカ被覆イッテルビウムドープコアからなる。
− イッテルビウム系ファイバが発生するレーザビームは、１乃至５μｍの、好ましくは１．０４乃至３μｍの波長を有している。

− イッテルビウム系ファイバが発生するレーザビームは、１．０７乃至１．０９μｍの、好ましくは１．０７μｍの波長を有している。
− レーザビームは、０．１乃至２５ｋＷの、好ましくは０．５乃至１５ｋＷのパワーを有している。

− レーザビームは、連続又はパルスレーザビーム、好ましくは連続レーザビームである。
− 切削すべきワークピースは、０．２５乃至３０ｍｍの、好ましくは０．４０乃至２０ｍｍの厚さを有している。

− 切削速度は、０．１乃至２５ｍ／分、好ましくは２乃至２０ｍ／分である。
− レーザビームのための援助ガスは、窒素、ヘリウム、アルゴン及びそれら混合物の中から選ばれ、任意に、Ｏ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂、ＣＨ₄などから選ばれる１つ以上の追加の化合物をさらに含有している。

− レーザビームのＱ値は、１乃至８ｍｍ．ｍｒａｄであり、好ましくは２ｍｍ．ｍｒａｄよりも大きく、さらにより好ましくは３ｍｍ．ｍｒａｄよりも大きく、及び／又は、好ましくは７ｍｍ．ｍｒａｄ未満であり、より好ましくは５ｍｍ．ｍｒａｄ未満である。

− より一般的には、援助ガスの圧力は、約８バール乃至２５バールであり、切削すべきワークピースの厚さに応じて選ばれる。
− ガス噴射オリフィスの径は、０．５乃至４ｍｍであり、典型的には１乃至３ｍｍであり、切削すべきワークピースの厚さと共に増加する。

ここに添付する図１は、レーザビーム３を用いてステンレス鋼ワークピース１０を切削するレーザ切削方法を実行するための設備の原理を示す図であり、この設備は、イッテルビウムをドープしたコアを有するシリカファイバからなる共振器又はレーザビーム発生手段２を備えたレーザ光源１を用いてレーザビーム３を発生する。

レーザ光源１は、波長が１μｍ乃至５μｍの、より正確には１．０７μｍのレーザビーム３を発生するのに使用する。

このビーム３は、２０μｍ乃至３００μｍの直径を有する石英ガラス（fused silica）からなる光ファイバなどのビーム伝送手段４を介して、ビーム３とワークピース１０との相互作用のゾーン１１，すなわち、切り口が現れるゾーン，まで伝搬する。

このファイバ４から出射した際、レーザビーム３は、特定の光学的特徴と１乃至８ｍｍ．ｍｒａｄのＱ値（ＢＰＰ）とを有している。

次に、ビーム３は、ファイバから出射したビームの発散を制限し且つそのレーザビームを平行にするようにコーティングされた石英ガラスからなるコリメーションダブレットを装備したオプティカルコリメータ５を用いて平行化される。

次いで、コリメータによって発散が相当に制限されている平行ビーム３は、８０ｍｍ乃至５１０ｍｍの、好ましくは１００ｍｍ乃至２５０ｍｍの焦点距離を有するコーティング石英レンズ６により、切削すべきワークピース１０上に又はその中にフォーカスされる。

ワークピース１０をストライクする前に、ビーム３は、切削すべきワークピース１０と向き合って設置された軸方向射出オリフィス８を有するノズル７が取り付けられたレーザヘッド６を軸方向に通過し、ビーム３と援助ガスとは、そのノズルを通過する。ノズルのオリフィスは、０．５ｍｍ乃至５ｍｍであってもよく、好ましくは１ｍｍ乃至３ｍｍである。

レーザヘッド６自体には、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム又はこれらガスの混合物などの不活性ガス、或いは、例えば、酸素などの活性ガス、或いは、活性／不活性ガス混合物のためのガス注入口９を介して、援助ガスが供給される。

援助ガスは、ワークピースがレーザヘッド６に対して所望の切削経路に沿って相対的に移動したときに、ワークピース１０に形成された切り口１２から溶融金属を除去するのに使用される。ワークピースを固定したまま切削ヘッドを移動させる逆の状況は、同じ結果を与える。

図３は、切り口（厚さｅの材料）で切削している間の構成を示す図であり、そこでは、集束後のレーザビームの広がり角θと、集束ビームの径２Ｗ_oと、切削端面（cutting front）の角度αとが示されている。
ビームＱ値又はＢＰＰは、広がり角θと半径Ｗ_oとの積として規定される。

この切削プロセスは、切削中におけるレーザビームからのエネルギーの材料中での吸収によって左右される。それゆえ、使用するレーザビームの波長に依存して、材料によるエネルギー吸収に最適な角度が存在する。この最適角度から外れると、エネルギーの幾分かは反射及び／又は損失される。

図３は、最適な切削条件では、切削端面の角度αは、材料の総厚さｅの直径２Ｗ_oを有するビームへの暴露に対応しているという事実を説明している。

図４は、切削端面の最適角度αの切削厚さの関数としての変化を示している。上方の曲線は、ＴＥＭ０１^*モードの４ｋＷＣＯ₂レーザで得られたものに対応し、下方の曲線は、本発明に係る２ｋＷイッテルビウム系ファイバレーザで得られたものである。これら２つの曲線は、ＣＯ₂レーザの波長である１０．６μｍでの最適エネルギー吸収角度とイッテルビウム系ファイバレーザの波長である１．０７μｍでの最適エネルギー吸収角度との相違のせいで、完全に一致してはいない。

これら曲線から、小さな厚さについての切削端面の最適角度が、より大きな厚さについての切削端面の最適角度と比較してより大きいことは明らかである。レーザエネルギーを材料中へと伝送する最大角度は、幾何学的に得られ、それら角度の和，すなわち、α＋θ，である。

それゆえ、小さな厚さ（数ｍｍ）を切削する場合には、スポット径は使用するファイバ径によって設定されるので、最適エネルギー吸収角度を一定に保つために、小さなビーム広がり角，すなわち、小さなＢＰＰ，を使用する必要があることが理解されるであろう。

また、それから、ビームから材料へのエネルギーの伝送は、８ｍｍ．ｍｒａｄの値を超えると、より低効率になることが推測される。

それゆえ、本発明の目的のためには、好ましくは１乃至８ｍｍ．ｍｒａｄの、より好ましくは２乃至８ｍｍ．ｍｒａｄのＱ値を有するレーザビームを使用する。

本発明の方法の有効性を説明するために、ステンレス鋼ワークピースへの幾つかの切削試験を、本発明の方法に係るイッテルビウムドープコアを有する複数の光ファイバで構成された増幅媒質又はレーザビーム発生手段を含んだ共振器を用いて実行し、以下の例に、得られた結果を示す。

より詳細には、以下の例で使用したレーザ光源は、ダイオード励起イッテルビウムドープファイバからなる増幅媒質で構成され、２ｋＷのパワー及び１．０７μｍの波長を有するレーザビームを発生し、１００μｍコーテッド石英ガラス光ファイバ中を伝搬し、そのファイバから出射する際に４ｍｍ．ｍｒａｄのＱ値（ＢＰＰ）を有していた。そのファイバの出口に設置されたコリメータは、焦点距離が５５ｍｍのダブレットを装備していた。

切削すべきワークピースの厚さ並びに使用する援助ガスの圧力及び組成に応じて本発明の方法で達成され得る速度範囲を決定するために、１．５ｍｍ乃至８ｍｍの厚さを有する複数のステンレス鋼ワークピースに対して切削試験を実施した。

使用したガスは、不活性ガス，すなわち窒素，であり、使用するガスに依存して圧力を８乃至２５バールの範囲内で変化させ、場合に応じてオリフィスの径を０．５乃至４ｍｍの範囲内で変えたレーザ切削ノズル，典型的には１乃至３ｍｍ径のオリフィスを有するレーザ切削ノズル，を介して、ビームがワークピースと相互作用する相互作用ゾーン中へと噴射した。切削すべき厚さが大きいほど、ノズルの径をより大きくする必要がある。

ダイオード励起イッテルビウムドープファイバを含んだ増幅媒質が発生したレーザビームを集束させるために、焦点距離が１２７ｍｍ乃至１９０．５ｍｍの複数の集束レンズを使用し、そのビームは、１００μｍ径光ファイバなどの光伝送手段によって切削ヘッドの集束レンズへと伝送した。

より詳細には、４ｍｍ以下の厚さは通常は焦点距離が１２７ｍｍのレンズを用いて切削し、より大きな厚さは焦点距離が１９０．５ｍｍのレンズを用いて切削した。

圧力が１５バールの窒素を用いて得られた結果は、得られた切削品質の見地から満足のいくものであると判断され、添付の図２に与えられており、それは、切削すべき厚さ（ｘ軸に示されている）の関数として得られた速度（ｙ軸に示されている）を示している。

この図は、２ｍｍ厚のシートについては、上述した実験条件のもとでは、本発明の方法は、１６ｍ／分のオーダの速度を達成し得ることを示している。しかしながら、また、この図は、切削速度は、切削すべき材料の厚さの増加と共に必然的に減少することも示している。

切削面を調べた後、得られた切れ目の品質は、切削した全ての厚さについて、バリ及び条線（striations）の点で非常に満足のいくものであったことが強調されるべきである。

しかしながら、ここで使用したレーザパワーを用いて上述した実験条件のもとで切削した最大厚さは８ｍｍであった。

それゆえ、本発明の方法は、ステンレス鋼の切削速度及び切削品質の双方の点で有効である。

レーザビームを用いてステンレス鋼ワークピースを切削するレーザ切削方法を実行するための設備の原理を示す図。 本発明の方法の有効性を説明する図。 切り口で切削している間の構成を示す図。 切削端面の最適角度の切削厚さの関数としての変化を示す図。

符号の説明

１…レーザ光源、２…共振器又はレーザビーム発生手段、３…レーザビーム、４…ビーム伝送手段、５…コリメータ、６…レーザヘッド、７…ノズル、８…オリフィス、９…ガス注入口、１０…ワークピース、１１…相互作用ゾーン、１２…切り口。

Claims (10)

1. ステンレス鋼ワークピースを切削するためのレーザ切削方法であって、
   レーザビームを発生するためのイッテルビウムドープコアを有する少なくとも１つのシリカファイバで構成された増幅媒質を備えたレーザビーム発生手段を用いて前記ワークピースを溶融させ、それにより、実際の切削を行い、かつ前記レーザビームのための援助ガスを用い、
   前記レーザビームのＱ値は２乃至８ｍｍ．ｍｒａｄの範囲内にあり、切削すべき前記ワークピースは０．２５乃至３０ｍｍの厚さを有し、かつ前記レーザビームは０．１乃至２５ｋＷのパワーを有し、
   前記援助ガスの圧力が８乃至２５バールである方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記増幅媒質が発生した前記レーザビームは、１乃至５μｍの波長を有していることを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載の方法であって、前記増幅媒質が発生した前記レーザビームは、１．０７乃至１．０９μｍの波長を有していることを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の方法であって、前記レーザビームは、０．５乃至１５ｋＷのパワーを有していることを特徴とする方法。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法であって、前記レーザビームは、連続又はパルスレーザビームであることを特徴とする方法。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の方法であって、切削すべき前記ワークピースは、０．４０乃至２０ｍｍの厚さを有していることを特徴とする方法。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の方法であって、切削速度は、０．１乃至２５ｍ／分であることを特徴とする方法。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の方法であって、前記レーザビームのための援助ガスは、窒素、ヘリウム、アルゴン及びそれらの混合物から選ばれ、それは、Ｏ₂、ＣＯ₂、Ｈ₂及びＣＨ₄から選ばれる１つ以上の追加の化合物をさらに含有した方法。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の方法であって、前記レーザビームのＱ値は、３ｍｍ．ｍｒａｄより大きい方法。
10. 請求項１乃至９の何れか１項に記載の方法であって、前記レーザビームのＱ値は、７ｍｍ．ｍｒａｄ未満である方法。

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