(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピースをレーザ切断するための方法は、
ａ）固体状態レーザ共振器を供給する工程、
ｂ）少なくとも１ｍｍの厚さを持つ、切断されるべきワークピースを提供する工程、
ｃ）前記レーザ共振器を用いて少なくとも０．３ｋＷのレーザビームを生じさせる工程、
ｄ）一焦点よりも多くに前記レーザビームを集束させる工程であって、前記焦点の少なくとも一つは、前記切断されるべきワークピースの厚さの範囲内に位置するように前記レーザビームを集束させる工程；
ｅ）前記ワークピースを前記集束されたレーザビームを用いて少なくとも２０ｍ／ｍｉｎの切断速度で切断する工程
を含む、方法。
【請求項２】
前記焦点の一つは前記ワークピースの厚さ内に位置することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記レーザビームは、数種の異なる焦点に集束されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記ワークピースの厚さは、少なくとも約１．３ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記ワークピースの厚さは、１．５ｍｍ〜７ｍｍの範囲内であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記焦点は、少なくとも一つの光学レンズ又は鏡からなる手段によって集束されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
固体状態レーザは、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ及びディスクレーザの中から選択されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記レーザ共振器は、一又は数種のイッテルビウム含有繊維を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記レーザ共振器は、少なくとも１ｋＷのレーザ出力を有するレーザビームを生じさせるファイバ型レーザ共振器であることを特徴とする請求項１〜６，８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記レーザ共振器は、０．８〜１．３μｍの範囲内の波長、好ましくは約１．０７μｍの波長を有するレーザビームを生じさせることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
窒素、酸素、アルゴン、ヘリウム、水素、及びＣＯ2から選択されるアシストガスを供給する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記ワークピースは鋼、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、ニッケル合金、アルミニウム又はアルミニウム合金を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記レンズは、硫化亜鉛または溶融シリカを含むことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記切断速度は、少なくとも２３ｍ／ｍｉｎ、好ましくは少なくとも２４ｍ／ｍｉｎであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記ワークピースは自動車車体パネルの部品になり、好ましくは前記ワークピースは、鋼、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、ニッケル合金、アルミニウム又はアルミニウム合金を含むことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の概要】
【０００１】
発明の分野
本発明は、高速でワークピースをレーザ切断するための多焦点を用い、かつ優れた特性を有する固体状態レーザ切断方法に関する。
【０００２】
発明の背景技術
薄いゲージ金属の高体積切断は、大部分が、１分当り非常に高い衝突数で作動する機械的なプレス打ち抜き道具によってなされる。この高体積切断は、高価な専用の切断道具を必要とする。さらに、新規な高力合金の発達に伴い、そのような合金の薄いゲージ金属の機械的な切断は、カットエッジに沿った過剰なバリ及び／又は微小なクラックを持つ劣った品質の端部をもたらす。
【０００３】
レーザ切断は機械的な切断方法に取って変り得ることができ、カットエッジの改良された特性と、除かれた高価な切断道具とを達成することが可能である。しかしながら、レーザ切断の使用は生産性に直面し、そして、金属の厚さが増加する際、特に厚さが約１ｍｍよりも大きく、好ましくは約１．３ｍｍよりも大きい際に、裁断速度が著しく低下するのに従って採算性は変化する。この場合、切断速度は２０ｍ／ｍｉｎを超えるべきである。レーザ出力の単純な増加は、切断性能を消極的に変化させる熱的なレンジング（lensing）に起因する焦点変化の可能性を増加させる。
【０００４】
米国特許公報Ｎｏ．２００７／１１９８３３及び米国特許公報Ｎｏ．２００７／１１９８３４は、ワークピースの厚さに位置する特有の焦点内にレンズによって集束された約１．０７μｍの波長を持つレーザビームを放出するイッテルビウムドープファイバレーザ共振器を用いるＣ−Ｍｎ鋼あるいはステンレス鋼のレーザ切断方法をそれぞれ開示する。３０ｍｍまでの厚さを有するワークピースはこの方法で切断され得、最大切断速度は約２０ｍ／ｍｉｎであることのみ可能である。
【０００５】
さらに、切断される材料の厚さが約２ｍｍよりも大きく、約３ｍｍまでの場合に、このようにして得られた端部面もしくは切断特性はかなり早くに劣化する。もっと詳細に述べると、ワークピースが金属もしくは金属合金からなる場合、切断端部の表面は常に平坦ではなく、そしてドロスの付着が切片の底部に現れる。
【０００６】
また、ファイバレーザ共振器と、標準集束システム、すなわち、一焦点にレーザビームを集束させるためのレンズあるいは鏡とを含めたレーザ切断方法の使用は、高出力、すなわち、３ｋＷあるいはそれを超える出力での焦点変動を生じるような他の問題点を導く可能性がある。
【０００７】
これらの理由のため、現存する産業用レーザ切断方法は、良好な端部特性、すなわち、良好な表面平滑性と、端部の底部でのドロス付着の欠如とを通常もたらすＣＯ2レーザ共振器を用いて、通常行われる。例えば、米国特許Ｎｏ．６，１７５，０９６は、ＣＯ2型レーザ共振器により発生し、次いで、互いに距離を隔て、かつ切断板に使用される数種の焦点中に複合対物レンズ（multilens objective）によって集束されたレーザビームで金属板のような材料をレーザ加工する方法を開示する。焦点は、板材料の溶融及び切断用に使用される。その結果、良好な切断ノッチが、切断部分の良好な分離及びスラグの乏しい付着と共に得られる。しかしながら、多焦点レンズを備えたＣＯ2レーザ共振器の使用は、鏡、窓及びレンズのような数種の光学素子と、ビーム伝達導管とを含むビーム伝達システムの洗浄及び維持を要求する欠点を有する。
【０００８】
解決しようとする問題は、それゆえ、少なくともいくつかの前述の問題を解決するレーザ切断方法、特に、少なくとも約１ｍｍ、好ましくは少なくとも約１．３ｍｍ、さらに好ましくは少なくとも約１．５ｍｍの厚さを有する金属片の、一般に少なくとも約２０ｍ／ｍｉｎ、好ましくは少なくとも約２５ｍ／ｍｉｎの高速度切断を導き、同時に、良好な切断特性を提供するレーザ切断方法を提供することである。
【０００９】
発明の要旨
本発明は、固体状態レーザ共振器、特にファイバレーザ共振器から放出されたレーザビームが、ワークピース、特に金属又は金属合金のワークピースを切断するために使用される多数焦点に集束され、それにより良好な切断特性を持つ高速レーザ切断が得られるレーザ切断方法を提供する。
【００１０】
本発明による、ワークピースをレーザ切断するための方法は、
ａ  固体状態レーザ共振器を供給する工程、
ｂ  少なくとも１ｍｍの厚さを持つ、切断されるべきワークピースを提供する工程、
ｃ  レーザ共振器を用いて少なくとも０．３ｋＷのレーザビームを生じさせる工程、
ｄ  一焦点よりも多くにレーザビームを集束させる工程、前記焦点の少なくとも一つは、切断されるべきワークピースの厚さの範囲内に位置する；
ｅ  前記ワークピースを前記集束されたレーザビームを用いて少なくとも２０ｍ／ｍｉｎの切断速度で切断する工程
を含む。
【００１１】
さらに、実施形態によれば、本発明の方法は一又は数種の以下の追加の特徴を含む：
−焦点の一つは、ワークピースの厚さ内に位置する。
【００１２】
−レーザビームは数種の別個の焦点に集束される。
【００１３】
−ワークピースの厚さは、少なくとも約１．３ｍｍである。
【００１４】
−ワークピースの厚さは、１．５ｍｍ〜７ｍｍの範囲内である。
【００１５】
−焦点は、少なくとも一つの光学レンズ又は鏡の手段によって集束される。
【００１６】
−固体状態レーザは、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ及びディスクレーザの中から選択される。
【００１７】
−レーザ共振器は、一又は数種のイッテルビウム含有繊維を含む。
【００１８】
−ファイバ型レーザ共振器は、少なくとも１ｋＷ、好ましくは２ｋＷより大きい、さらに好ましくは４ｋＷのレーザ出力を有するレーザビームを生じさせる。
【００１９】
−レーザ共振器は、０．８〜１．３μｍの範囲内の波長、好ましくは約１．０７μｍの波長を有するレーザビームを生じさせる。
【００２０】
−それは、窒素、酸素、アルゴン、ヘリウム、水素、ＣＯ2、及びそれらの混合物から選択されるアシストガスを供給する工程をさらに含む。
【００２１】
−ワークピースは金属又は金属合金を含む。
【００２２】
−レンズは、硫化亜鉛または溶融シリカを含む。
【００２３】
−切断速度は、少なくとも２３ｍ／ｍｉｎ、好ましくは少なくとも２４ｍ／ｍｉｎである。
【００２４】
−ワークピースは自動車車体パネルの部品になる、好ましくはワークピースは、鋼、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、ニッケル合金、アルミニウム又はアルミニウム合金を含む。
【００２５】
発明の詳細な説明
本発明は、ワークピースのレーザ切断のための方法を提供する。本発明の方法において、方法の第１の工程は固体状態型レーザ共振器、特にファイバ型レーザ共振器を提供する。本発明の方法によると、固体状態型レーザ共振器又は発生器は、ファイバ型レーザ共振器のように、約０．８μｍ〜約１．３μｍの範囲からの波長、好ましくは約１．０７μｍの波長を有するレーザビームを放出するために使用される。本方法の好ましい一実施形態において、ファイバ型レーザ共振器は、一又は数種のイッテルビウム含有繊維を含む。いっそうさらなる実施形態において、ファイバ型レーザ共振器は、少なくとも１ｋＷ、好ましくは２ｋＷより大きく、さらに好ましくは少なくとも４ｋＷのレーザ出力を有するレーザビームを発生させる。
【００２６】
方法の第２の工程は、少なくとも１ｍｍ、好ましくは少なくとも１．３ｍｍの厚さを持つ、切断されるべきワークピースを提供することを含む。本発明のさらなる実施形態において、ワークピースの厚さは少なくとも約１．５ｍｍであり、好ましくは約１．５ｍｍ〜約７ｍｍの範囲内である。本発明の方法において、本発明でレーザ切断されるべきワークピースは、金属又は金属合金を含む。好ましくは、金属又は金属合金は、鋼、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、ニッケル合金、アルミニウム又はアルミニウム合金から選択される。本発明の方法は、様々な状況において使用されることが可能であるが、一つの特に好ましい使用は、自動車車体パネルになることが予定されているワークピースの切断用である。
【００２７】
本発明の一つの実施形態において、方法の第３の工程で、少なくとも０．３ｋＷのレーザビームをレーザ共振器を用いて発生させる。本発明の好ましい実施形態において、レーザ出力が約３００Ｗを超えている、好ましくは約２ｋＷを超えた出力であり、さらに好ましくは約４ｋＷを超えた出力である。
【００２８】
先に示したように、焦点の少なくとも一つは、ワークピースの厚さ内に位置されるものである。本発明の一つの好ましい実施形態において、焦点の一つはワークピースの厚さ内に位置する。一層更なる実施形態において、二つの焦点が生じている。
【００２９】
本発明の他の実施形態において、焦点は、少なくとも一つの光学レンズの手段により集束される。代わりの実施形態において、焦点は、少なくとも一つの光学鏡の手段により集束される。好ましくは、二焦点のような多焦点の集束光学レンズ、又は光学鏡は、レーザ共振器により伝達されたレーザビームを集束させるために使用される。レーザビームは、後に速やかに、前記共振器から、切断されるべきワークピースにビームを引き渡すレーザヘッドに、光学繊維によって運搬（移動）される。
【００３０】
レンズもしくは鏡は、レーザヘッド内に直接か、そのレーザヘッドの直前、すなわち、レーザビームを運ぶ光学繊維の末端とワークピースとの間にあるレーザビーム経路上に一般に配置される。多焦点レンズが使用される場合、それは、硫化亜鉛（ＺｎＳ）材料あるいは溶融シリカ材料から好ましくは作られる。
【００３１】
二焦点鏡が通常の集束レンズと組み合わせて使用される場合、通常の集束レンズは溶融シリカから作られることが可能であるが、硫化亜鉛から好ましくは作られるであろう。また、集束素子は、数種の反射光学素子から構成されることができ、そして透過光学素子からは潜在的に構成されない可能性がある。
【００３２】
切断工程中、切断されるべきワークピースにレーザビームを引き渡すレーザヘッド、及び、前記ワークピースは、一方が他方を基準にして相対的に移動される。例えば、レーザヘッドは固定されることが可能で、そして、例えば切断テーブル又は類似の装置のような可動の保持手段上に配置されることでワークピースは可動である、反対に、例えばロボットアーム又は電動保持構造に配置されることでレーザヘッドは可動なものであることができ、そしてワークピークは固定されることが可能である。
【００３３】
所望の切断経路に沿ったワークピースに関連したレーザヘッドの動きは、ＣＮＣあるいはその類似手段のような制御手段によって制御される。実際に、多焦点レンズヘッドとファイバレーザ共振器の組み合わせは、高速度で少なくとも約１ｍｍの厚さ、好ましくは少なくとも約１．３ｍｍの厚さ、さらに好ましくは少なくとも約２０ｍ／ｍｉｎの速度で少なくとも約１．５ｍｍの厚さを有するワークピースの効果的な切断と、さらに、端部平滑性及びドロスの欠如に関して結果をもたらす予期しない良好な品質とを導く。方法の最終的な工程において、ワークピースは、集光レーザビームによって少なくとも２０ｍ／ｍｉｎの切断速度で切断される。本発明の一実施形態において、切断速度は少なくとも２３ｍ／ｍｉｎ、好ましくは少なくとも２４ｍ／ｍｉｎである。
【００３４】
本発明の方法は、窒素、酸素、アルゴン、ヘリウム、水素、ＣＯ2及びそれらの混合物から選択されるアシストガスを供給するさらなる工程を含んでいて良い。
【００３５】
本発明の方法の他の代替的な実施形態は、一もしくは数種のイッテルビウム含有繊維を含むファイバ型レーザ共振器を供給すること；少なくとも１．３ｍｍの厚さを有する切断されるべきワークピースを供給すること；レーザ共振器を用いて少なくとも１ｋＷのレーザ出力を有するレーザビームを発生させること；切断されるべきワークピースの厚さ内の二つの異なる焦点にレーザビームを集束させること；及び、前記ワークピースを前記集光レーザビームにより少なくとも２３ｍ／ｍｉｎの切断速度で切断することを含む方法を備える。
【００３６】
よりさらなる実施形態は、一もしくは数種のイッテルビウム含有繊維を含むファイバ型レーザ共振器を供給すること；少なくとも１．３ｍｍの厚さを有し、鋼、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる切断されるべきワークピースを供給すること；レーザ共振器を用い、少なくとも２ｋＷのレーザ出力と、０．８〜１．３μｍの範囲内からの波長とを有するレーザビームを発生させること；少なくとも一つが切断されるべきワークピースの厚さ内に集束された二つの異なる焦点に、レーザビームをＺｎＳ含有レンズの手段により集束させること；及び、前記ワークピースを前記集束されたレーザビームにより少なくとも２３ｍ／ｍｉｎの切断速度で切断することを含む。
【００３７】
最終的な実施形態は、一もしくは数種のイッテルビウム含有繊維を含むファイバ型レーザ共振器を供給すること；少なくとも１．４ｍｍの厚さを有し、鋼、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる切断されるべきワークピースを供給すること；レーザ共振器を用い、少なくとも２ｋＷのレーザ出力と、約１．０７μｍの波長とを有するレーザビームを発生させること；切断されるべきワークピースの厚さ内の二つの異なる焦点に、レーザビームをＺｎＳ含有レンズの手段により集束させること；及び、前記ワークピースを前記集束されたレーザビームにより少なくとも２３ｍ／ｍｉｎの切断速度で切断することを含む。
【００３８】
実施例
本発明の実施形態による方法の効率を示すため、３つのレーザ切断試験が行われた。試験において、１．５ｍｍ厚の高張力鋼片が以下の条件に従って切断された。
【００３９】
試験Ａ（比較例）：例えばイッテルビウム−ファイバレーザ共振器のようなファイバ型レーザ共振器は、切断されるべきワークピースの厚さ内に、１４３ｍｍの焦点距離（ＦＬ）を示す標準単焦点レンズによって、集束された５ｋＷ出力レーザビーム（波長＝１．０７μｍ）を運ぶために使用された。
【００４０】
試験Ｂ（比較例）：ＣＯ2型レーザ共振器は、１２７ｍｍの焦点距離（ＦＬ）の集束レンズと組み合わされた二焦点鏡によりワークピースの厚さ内に集束された５ｋＷ出力レーザビームを運ぶために使用された。
【００４１】
試験Ｃ（本発明による）：イッテルビウムファイバ型レーザ共振器は、二焦点レンズ、すなわちＺｎＳ型レンズを用いて５ｋＷ出力レーザビーム（波長＝１．０７μｍ）を運ぶために使用された。レンズは、レーザビームを、切断されるべき材料の厚さ内で、かつビームの指示方向の軸に沿って、他方から一方まで約８ｍｍ（ｄＦ＝８ｍｍ）に位置する二つの異なる焦点に集束させた。
【００４２】
各試験中に使用された切断ガスは窒素であった。
【００４３】
結果を下記の表に示す。
【００４４】
ドロスなし端部特性を課した場合、従来の方法（すなわち、試験Ａ及び試験Ｂ）により得られた最大切断速度は約２２．５ｍ／ｍｉｎで、ドロス形成を伴うこと以外は切断が今まで通り生じるものを超えていた。ドロス形成の深刻さは、切断速度に伴って増加する。反対に、本発明による実施形態（試験Ｃ）によると、２０％高い切断速度、すなわち等価な又はより良い端部特性で約２７ｍ／ｍｉｎの切断速度に達した。
【表１】
0005524217.tif 000002
【００４５】
従って、比較試験Ａ及びＢによる切断方法と比較して、本発明の実施形態によるレーザ切断方法を行うための、ファイバ型レーザ共振器と二焦点レンズの組み合わせの使用は、材料表面と厚さに関連する焦点位置においてより大きな許容範囲を浸透させることができる。
【００４６】
その結果、切断速度が約２０％増加された時でさえ切断端部特性は顕著に高められ、２７ｍ／ｍｉｎの切断速度を１．５ｍｍの厚さについて得ることができる。
【００４７】
集光二焦点レンズをファイバレーザ技術と組み合わせることによって、改良された切断端部特性で意義深い切断速度増加を獲得することができ、そしてそれゆえに生産における切断操作の総合的な収益性を拡大することができる。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[１]  ワークピースをレーザ切断するための方法は、
ａ）固体状態レーザ共振器を供給する工程、
ｂ）少なくとも１ｍｍの厚さを持つ、切断されるべきワークピースを提供する工程、
ｃ）レーザ共振器を用いて少なくとも０．３ｋＷのレーザビームを生じさせる工程、
ｄ）一焦点よりも多くに前記レーザビームを集束させる工程、前記焦点の少なくとも一つは、前記切断されるべきワークピースの厚さの範囲内に位置する；
ｅ）前記ワークピースを前記集束されたレーザビームを用いて少なくとも２０ｍ／ｍｉｎの切断速度で切断する工程
を含む。
[２]  前記焦点の一つは前記ワークピースの厚さ内に位置することを特徴とする[１]記載の方法。
[３]  前記レーザビームは、数種の異なる焦点に集束されることを特徴とする[１]または[２]記載の方法。
[４]  前記ワークピースの厚さは、少なくとも約１．３ｍｍであることを特徴とする[１]〜[３]のいずれかに記載の方法。
[５]  前記ワークピースの厚さは、１．５ｍｍ〜７ｍｍの範囲内であることを特徴とする[１]〜[４]のいずれかに記載の方法。
[６]  前記焦点は、少なくとも一つの光学レンズ又は鏡の手段によって集束されることを特徴とする[１]〜[５]のいずれかに記載の方法。
[７]  前記固体状態レーザは、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ及びディスクレーザの中から選択されることを特徴とする[１]〜[６]のいずれかに記載の方法。
[８]  前記レーザ共振器は、一又は数種のイッテルビウム含有繊維を含むことを特徴とする[１]〜[７]のいずれかに記載の方法。
[９]  前記ファイバ型レーザ共振器は、少なくとも１ｋＷのレーザ出力を有するレーザビームを生じさせることを特徴とする[１]〜[８]のいずれかに記載の方法。
[１０]  前記レーザ共振器は、０．８〜１．３μｍの範囲内の波長、好ましくは約１．０７μｍの波長を有するレーザビームを生じさせることを特徴とする[１]〜[９]のいずれかに記載の方法。
[１１]  窒素、酸素、アルゴン、ヘリウム、水素、ＣＯ2、及びそれらの混合物から選択されるアシストガスを供給する工程をさらに含むことを特徴とする[１]〜[１０]のいずれかに記載の方法。
[１２]  前記ワークピースは金属又は金属合金を含むことを特徴とする[１]〜[１１]のいずれかに記載の方法。
[１３]  前記レンズは、硫化亜鉛または溶融シリカを含むことを特徴とする[１]〜[１２]のいずれかに記載の方法。
[１４]  前記切断速度は、少なくとも２３ｍ／ｍｉｎ、好ましくは少なくとも２４ｍ／ｍｉｎであることを特徴とする[１]〜[１３]のいずれかに記載の方法。
[１５]  前記ワークピースは自動車車体パネルの部品になり、好ましくは前記ワークピースは、鋼、ステンレス鋼、チタン、チタン合金、ニッケル合金、アルミニウム又はアルミニウム合金を含むことを特徴とする[１]〜[１４]のいずれかに記載の方法。