WO1991010533A1

WO1991010533A1 - Method of laser cutting work

Info

Publication number: WO1991010533A1
Application number: PCT/JP1991/000022
Authority: WO
Inventors: Norio Karube
Original assignee: Fanuc Ltd
Priority date: 1990-01-19
Filing date: 1991-01-11
Publication date: 1991-07-25
Also published as: EP0464213B1; DE69111314T2; US5237150A; EP0464213A1; EP0464213A4; DE69111314D1; JPH03216287A

Description

明細書 - レーザ切断加工方法技術分野

本発明は軟鐧などの厚板を切断するレーザ切断加工方法に関し、特に光学歪みによる集光特性を改良したレーザ切断加ェ方法に関する。背景技術

従来の C〇 ₂ レーザ加工機は出力 1 KW以下のものが中心であって、軟鐧であれば板厚 9 mm程度が切断限界であった。この出力領域ではいかに微小点までレーザ光を集光光学系で絞れるかが最大の技術課題であった。集光特性を左右する因子としてはレーザ光の発散角を決定するモード次数、回折限界を決定する集光系上でのビーム直径、集光系収差などがあり、なかでも C〇 ₂ レーザ加工機では第一因子のモード次数が重視され、最低次数モードである TEM 0 0モードの達成が重視された。この TEM 0 0モードは発散角が最小のモードであって、最も集光特性に優れ微小加工が可能なものである o

この考えは大出力 C 0₂ レーザを用いた加工機の場合にも踏襲された。レーザ発振器の大出力化と T EM 0 0モード化は一般には両立しない条件であるが、種々の工夫が施されてモード低次数化が試みられた。しかし、我々は実験ならびに理論解析を通じて出力 2 K W 以上の領域では T E M 0 0主成分のモードでは集光光学系に光学歪みが発生し、小出力時とは全く異なつたふるまいを示し、微小点への集光は最早不可能であることを見いだした。これは Z n S e レンズの場合にもっとも顕著である。レンズ上にレーザ光吸収による温度上昇が生じ T E M 0 0モードでは中心部分のパワー密度が顕著に高くなるので温度分布も同様の分布を示す。その結果高温部分は熱膨張と屈折率増加を発生し集光特性の局部的変化をもたらす。

この集光特性の乱れは前記した集光特性を増大させる 3種の因子の効果をはるかに上回つたものである。いうなれば集光特性を改良しょうとする従来のアプローチは出力 2 K W以上の領域では全く逆の効果しかなかったと言える。発明の開示

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、リンダモードを主成分とするレーザ光を使用して光学歪みによる集光特性劣化を改良したレーザ切断加工方法を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は集光光学系表面に気体を吹きつけて冷却して、光学歪みによる集光特性劣化を改良したレーザ切断加工方法を提供することである。

さらに、本発明の他の目的は集光レンズとして K C L レンズを使用して、光学歪みによる集光特性劣化を改良したレーザ切断加工方法を提供することである。また、本発明の他の目的は集光光学系として集光反射鏡を使用して、光学歪みによる集光特性劣化を改良したレーザ切断加工方法を提供することである。

本発明では上記課題を解決するために、

大出力レーザによって、厚板を加工するレーザ切断加工方法において、中央部の欠落したリングモード主成分のレーザ光を使用して切断加工を行うことを特徵とするレーザ切断加ェ方法が、提供される。

また、大出カレーザによって、厚板を加工するレーザ切断加工方法において、集光光学系表面に気体を吹き付けることで冷却することを特徵とするレーザ切断加工方法が、提供される。

さらに、大出カレーザによって、厚板を加工するレーザ切断加工方法において、集光レンズとして、 K C L (塩化カリゥム）レンズを使用することを特徴とするレーザ切断加工方法が、提供される。

また、大出力レーザによって、厚板を加工するレーザ切断加工方法において、集光反射鏡を使用することを特徴とするレーザ切断加工方法が、提供される。

中央部の欠落したリングモード主成分のレーザ光を使用することにより、集光用光学系、すなわち集光レンズの中央部のレーザ光吸収による光学歪みを低減して、集光特性の劣化を防止する。 T E M 0 1主成分のレーザ光を用いても出力 2 K W以上でファィン切断することができる。更にこの方法によればビーム形状に制約がないのでレーザ光を遠距離伝搬させて切断に用いることが可能である。厚板は通常ヮークが長大であるので、このビーム遠距離（たとえば 2 0 m ) 伝搬は実用上重要である。

また、集光光学系表面に気体を吹き付けることで集光光学系、すなわち集光レンズの発熱の大きい中央部を直接冷却し、集光レンズの温度を低下させ、集光レンズの中央部のレーザ光吸収による光学歪みを低減して、集光特性の劣化を防止する o

さらに、集光レンズとして、 K C L (塩化力リウム）レンズを使用することにより、光学歪みを低減して、集光特性の劣化を防止する。これは K C Lでは温度上昇時に膨張と屈折率増大が異符号で発生し、互いに相殺して、光学歪みの増大を抑えることができるからである。

また、集光光学系として、集光反射鏡を使用する。反射鏡は屈折系でないので熱変形による歪みしか存在せず、屈折率の変化による集光特性の劣化を防止する。図面の簡単な説明

第 1図（ a ) 、 ( b ) 及び（ c ) は本発明のビームモードを中抜けにするための説明図、

第 2図は集光レンズを冷却する方法を示す図、

第 3図は集光用反射鏡を使用する場合の例を示す図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。第 1図（a) 、 ( b ) 及び（c ) は本'発明のビームモードを中抜けにするための説明図である。第 1図（ a) は TEM 0 0モードを、第 1図（b) は TEM 0 1モードを、第 1図 ( c ) は TEM 1 0モードをそれぞれ示す。 TEM O 1モ一ドのみは中央部が欠落している。この時レーザ出力が同一レベルであつてもパヮ一密度が低下するし、周辺冷却をおこなつている集光系では中心部の過熱がおこりやすいので中心部にレーザビームが照射されないこのようなモードでは光学歪みが発生しずらいものである。

モードは完全に T EM 0 1でなく TEM O 0モードと TE M 0 1モードを含むものであってもよいが、この場合でも T EM 0 1が主成分である必要がある。また TEM 0 1モードであれば異なったモード間のホッピングが防止できモード安定性が高くなるので切断面精度もすぐれたものになる。

特に R F放電励起レーザは管壁付近に高利得が存在するので TEM 0 1モードには有利な放電方法であり、 TEM 0 1 モードを主成分とするレーザ光を得ることができる。また、共振器内にモード純化用のアパーチャや中央部吸収体を設けること ¾>で ¾る。

第 2図は集光レンズを冷却する方法を示す図である。従来は集光レンズは周辺を間接水冷しており、特に TEM O 0では発熱は中央部に局在していたので前記した光学歪みが多発した。本発明では集光レンズ中央部を直接空冷する。第 2図において、 1 0は集光レンズ等を保持する構造体、 1 2の斜線部はレーザ光、 1 1は集光レンズ、 8は加工ノズル口、 1 3は焦点、 9がワークである。 - レーザ光による切断そのものは既知として説明を省略する。本発明では集光レンズ 1 1の両面に冷却ガスを吹き付けて強制冷却をする。そのために集光レンズ 1 1の上面の冷却のために冷却ガス導入口 1から、例えば清净空気を導入し、矢印の方向で集光レンズ 1 1 に吹き付けて冷却ガス排出口 2から排出させる。これは同時に集光レンズ 1 1の表面の汚れ防止にもなる。集光レンズ 1 1の下面冷却のために冷却ガス導入口 3 から酸素、あるいは空気を導入し冷却ガス排出口 4から排出する。この噴射量は最適値に維持される必要があるので . 冷却用ガス流は可変バルブ 5 によって調節する。このバルブ下流は排気ポンプで引いてもよい。

また、加エノズルロ 8からは切断用補助ガスが吹きだす必要があるのでそれは補助ガス導入口 6、 7などから導入され加エノズルロ 8から噴射される。

このような強制空冷で冷却を行う時、集光レンズ 1 1 には光学歪みが発生しないので T E M 0 1主成分のモードでもよい集光特性を得ることができて厚板切断を行うことができる。厚板ではワークは長大であるので加工点がレーザ発振器から 2 0 m程度離れることがある。第 1図に示す T E M 0 0モードを主成分とする方法は 2 0 mの距離にわたって T E M 0 0 モード構造を維持することが困難であるが、 T E M 0 1モードを主成分とするレーザを使用する本方法ではこの問題がない。

第 3の方法は K C L (塩化カリウム）レンズを用いることである。この時、特別な冷却がなくても ·光学歪みは発生しない。これは K C Lでは温度上昇時に膨張と屈折率増大が異符号で発生し、相殺するからである。この方法もレーザ光の遠距離伝送時に使用することができる。

第 3図は集光用反射鏡を使用する場合の例を示す図である。 2 5は軸はずしパラボラであってレーザ光 2 2を焦点 2 3に集光する。 2 4は軸はずしパラボラ 2 5等を保持する構造体である。 1 6は補助ガス導入口である。軸はずしパラボラ 2 5は反射鏡で屈折系でないので熱変形による歪みしか存在しない。しかも軸はずしパラボラ 2 5は図に示すように背後から全域を間接冷却することができる。 2 6は冷却水通路である。この方法もレーザ光の遠距離伝送時に問題がない。

以上 4種の方法を紹介した。いずれも集光系の光学歪みに起因する集光特性低下を防止する方法であって大出力レーザによる切断加工には有効な技術と言える。

このうちの、第 1の方法の中央部の欠落したリングモード主成分のレーザ光を使用する方法と、その他の方法である第 2 の集光レンズをガスで冷却する方法、第 3の K C L レンズを使用する方法、第 4の集光反射鏡を使用する方法とは互いに組み合わせて、その効果を高めることができる。

これらの方法によれば、出力 3 K Wの C 0 ₂ レーザで軟鐧 2 5 m mまでを切断でき、 1 9 m mまでをファイン切断することができる。また、レーザ光伝搬距離 2 0 τη以上の大型加ェ機にたいしても安定した特性をあたえることができる。以上説明したように本発明では、大出力レーザ光による切断加工時に発生する集光系の光学歪みによる集光特性低下を防止したので、従来切断不可能であった板厚のワークを切断できる。

また、レーザ光伝搬距離の長い大型加工機に対しても安定した特性をあたえることができる。

Claims

請求の範囲

1 . 大出力レーザによって、厚板を加工するレーザ切断加ェ方法において、

中央部の欠落したリングモード主成分のレーザ光を使用して切断加工を行うことを特徴とするレーザ切断加工方法。

2 . 前記リングモード主成分は T E M 0 1 モード成分であることを特徴とする請求項 1記載のレーザ切断加工方法。

3 . 前記リングモード主成分に対して、 T E M 0 0モード成分を含むことを特徵とする請求項 1記載のレーザ切断加工方法。

4 . 大出力レーザによって、厚板を加工するレーザ切断加ェ方法において、

集光光学系表面に気体を吹き付けることで冷却することを特徴とするレーザ切断加工方法。

5 . 大出力レーザによって、厚板を加工するレーザ切断加ェ方法において、

集光レンズとして、 K C L (塩化カリウム）レンズを使用することを特徵とするレーザ切断加工方法。

6 . 大出力レーザによって、厚板を加工するレーザ切断加ェ方法において、

集光反射鏡を使用することを特徴とするレーザ切断加工方法。

7 . 大出力レーザによって、厚板を加工するレーザ切断加ェ方法において、

中央部の欠落したリングモード主成分のレーザ光を使用し、 - 1 o - 集光光学系表面に気体を吹き付けるこ-とで冷却することを特徵とするレーザ切断加工方法。

8 . 大出力レーザによって、厚板を加工するレーザ切断加ェ方法において、

中央部の欠落したリングモード主成分のレーザ光を使用し、集光レンズとして、 K C L (塩化カリウム）レンズを使用することを特徴とするレーザ切断加工方法。

9 . 大出力レーザによって、厚板を加工するレーザ切断加ェ方法において、

中央部の欠落したリングモード主成分のレーザ光を使用し、集光反射鏡を使用することを特徵とするレーザ切断加工方法。