(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工領域に案内された複合レーザービームを使用した切断方向におけるワークピース（１）のレーザー切断方法であって、
いわゆる溶融ビームである少なくとも１つの第１のレーザービーム（２）が、溶融物（５）を発生させてキーホール（３）を形成するようにワークピース（１）の材料内に結合され、
いわゆる溶融物排出ビームである少なくとも１つの第２のレーザービーム（６）が、溶融物の表面（７）から材料を蒸発させ、加工領域から溶融物（５）の少なくとも一部を押し出すための高圧をクヌーセン層内に与えるように、溶融物（５）の選択された表面領域（７）上に案内されることにより、切断前線（４）及び側壁（１０）を有する切り口（９）を形成し、
前記第２のレーザービーム（６）が、切り口（９）の側壁に沿って第１のレーザービーム（２）の後に続く少なくとも２つの追加のビームを含んで構成されて、側壁に沿って水平方向に流れる溶融物の漏洩を減少させる、方法。
【請求項２】
少なくとも１つの溶融物排出ビーム（６）が、溶融ビーム（２）の後方の選択された表面領域（７）上に案内される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
少なくとも１つの溶融物排出ビーム（６）が、切断方向を横切って延在しており且つ形成されるべき切り口（９）と一致する幅を有する溶融物の流動障壁を形成するように設けられている、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
少なくとも１つの溶融物排出ビームが、溶融ビーム（２）の方に面している側面上に凹状表面を有する溶融物の流動障壁を形成するように設けられている、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
溶融物の流動障壁が、Ｖ字状の横断面を有する、請求項３又は４に記載の方法。
【請求項６】
溶融物の流動障壁が、重なり合っている副ビーム（６０）の配置によって形成されている、請求項３から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
凹状の溶融物の流動障壁が、Ｖ字状の第１の枝部を形成する長方形の横断面を有する少なくとも１つの第１の副ビーム（６２ａ）と、Ｖ字状の第２の枝部を形成する長方形の横断面を有する少なくとも１つの第２の副ビーム（６２ｂ）とを含む、Ｖ字状に配置された、重なり合っている副ビーム（６２）によって形成されている、請求項５又は６に記載の方法。
【請求項８】
溶融物の流動障壁を形成する少なくとも１つの溶融物排出ビーム（６）が、回折光学素子（ＤＯＥ）を介して提供される、請求項３から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
ずらして配置された切断方向において少なくとも１つの溶融物排出ビーム（６）の後に続くように配設されたさらなる溶融物排出ビーム（６ａ、６ｂ、．．．）を備え、さらなる溶融物排出ビーム（６ａ、６ｂ、．．．）のそれぞれが、切断方向を横切って延在しており且つ形成されるべき切り口（９）と本質的に一致する幅を有する溶融物の流動障壁を形成する、請求項３から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
少なくとも２つの溶融物排出ビーム（１１ａ、１１ｂ）及び／又は溶融制御ビーム（６５ａ、６５ｂ）が、１０ｍｍ＊ｍｒａｄ未満、あるいは５ｍｍ＊ｍｒａｄ未満、あるいは１ｍｍ＊ｍｒａｄ未満、あるいは０．５ｍｍ＊ｍｒａｄ未満のビームパラメータ積を有する、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
少なくとも２つの溶融物排出ビーム（１１ａ、１１ｂ）及び／又は溶融制御ビーム（６５ａ、６５ｂ）のそれぞれが、平均出力周辺で変動する瞬時出力を有し、平均出力からの瞬時出力の偏差が、平均出力の略１０％未満、あるいは５％未満、あるいは１％未満、あるいは０．５％未満である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも２つの溶融物排出ビーム（１１ａ、１１ｂ）及び／又は溶融制御ビーム（６５ａ、６５ｂ）のそれぞれが、平均出力密度分布周辺で変動する瞬時空間出力密度分布を有し、各点における平均空間出力密度分布からの瞬時空間出力密度分布の偏差が、その点における平均出力密度分布の１０％未満、あるいは５％未満、あるいは１％未満、あるいは０．５％未満である、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
少なくとも２つの溶融物排出ビーム（１１ａ、１１ｂ）及び／又は溶融制御ビーム（６５ａ、６５ｂ）が、ファイバレーザー又はディスクレーザーから提供される、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも１つの溶融ビーム（２）及び／又は少なくとも１つの溶融物排出ビーム（６）が、１０ｍｍ＊ｍｒａｄ未満、あるいは５ｍｍ＊ｍｒａｄ未満、あるいは１ｍｍ＊ｍｒａｄ未満、あるいは０．５ｍｍ＊ｍｒａｄ未満のビームパラメータ積を有する、請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
少なくとも１つの溶融ビーム（２）及び／又は少なくとも１つの溶融物排出ビーム（６）が、平均出力周辺で変動する瞬時出力を有し、平均出力からの瞬時出力の偏差が、平均出力の略１０％未満、あるいは５％未満、あるいは１％未満、あるいは０．５％未満である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
少なくとも１つの溶融ビーム（２）及び／又は少なくとも１つの溶融物排出ビーム（６）が、平均出力密度分布周辺で変動する瞬時空間出力密度分布を有し、各点における平均空間出力密度分布からの瞬時空間出力密度分布の偏差が、その点における平均出力密度分布の１０％未満、あるいは５％未満、あるいは１％未満、あるいは０．５％未満である、請求項１４又は１５に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも１つの溶融ビーム（２）及び／又は少なくとも１つの溶融物排出ビーム（６）が、ファイバレーザー又はディスクレーザーによって提供される、請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
溶融ビーム（２）が、多数の横向きに配置された副ビーム（１３）を含む、請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
横向きの副ビーム（１３）のそれぞれが、分離したキーホール（３）を形成するように適応されている、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
溶融ビームが、切断方向と略同一線上に縦方向に配置されて同じキーホール（３）に向けられた多数の副ビーム（１５）を含む、請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
縦方向に配置された副ビーム（１５）の焦点が、ワークピース（１）の異なる垂直高さに配置されている、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
溶融ビーム（２）及び／又は溶融物排出ビーム（６）及び／又は溶融制御ビームの少なくとも１つからのレーザーエネルギが、パルスで与えられる、請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
少なくとも１つの溶融ビーム（２）及び／又は溶融物排出ビーム（６）及び／又は溶融制御ビームが、直線偏光（１７）されている、請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
少なくとも１つの溶融ビーム（２）が、ビーム（２）の入射面（１６）と平行な方向に直線偏光（１８）されており、各瞬間の入射面（１６）が、切断方向と整合されている、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
少なくとも１つの溶融ビーム（２）が、ビーム（２）の入射面（１６）に対して垂直な方向に直線偏光（１９）されており、各瞬間の入射面（１６）が、切断方向と整合されている、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
少なくとも１つの溶融ビーム（２）の直線偏光（１７）が、入射面（１６）と切断方向とによって囲まれた角度、及び／又は、入射角に応じて制御され、入射角及び入射面（１６）が、ワークピース（１）の表面法線に関して定義される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
溶融物排出ビーム及び／又は溶融制御ビームのそれぞれが、入射面（１６）に対して固定角で直線偏光（１７）されており、前記角度の絶対値が、０°から９０°、あるいは３０°から６０°、あるいは４０°から５０°に含まれ、入射面（１６）が、ワークピース（１）の表面法線に関して定義される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
溶融排出ビーム及び／又は溶融制御ビームのそれぞれの直線偏光（１７）が、入射面（１６）と切断方向とによって囲まれた角度、及び／又は、入射角を含むレーザー切断加工パラメータに応じて制御され、入射角及び入射面（１６）が、ワークピース（１）の表面法線に関して定義される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２９】
レーザー加工領域の方に向けられたアシストガスの噴射（３５）を与えることをさらに備える、請求項１から２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
少なくとも１つの光学ユニット（２１、２２、２３）を介して加工領域に案内されるように且つワークピース（１）の材料内に結合されるように適応された多数のレーザービーム（３３ａ）を放射するレーザービーム放射装置（２０）を備える、切断方向におけるワークピース（１）のレーザー切断用のシステムであって、
ワークピース材料を溶融してキーホール（３）を形成するように適応された、いわゆる溶融ビームである少なくとも１つの第１のレーザービーム（２）と、
溶融物（５）の表面（７）から材料を蒸発させ、加工領域から溶融物（５）を押し出すための高圧をクヌーセン層内に与えるように、溶融物（５）の選択された表面領域（７）を加熱するように適応された、いわゆる溶融物排出ビーム（６）である少なくとも１つの第２のレーザービームとを備え、
ワークピース（１）に対して前記レーザービーム（３３ａ）を移動させるための移動装置（２４）をさらに備え、
前記第２のレーザービーム（６）が、切り口（９）の側壁に沿って第１のレーザービーム（２）の後に続く少なくとも２つの追加のビームを含んで構成されて、側壁に沿って水平方向に流れる溶融物の漏洩を減少させる、システム。
【請求項３１】
少なくとも１つの溶融物排出ビームが、切り口の側壁に沿って溶融ビームの後に続くように配置された少なくとも２つの溶融物排出ビーム（１１ａ、１１ｂ）を含む、請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
切り口の側壁に沿って溶融ビームの後に続くように配置されており、内側に向けられた溶融物の流れを形成する少なくとも２つの溶融制御ビーム（６５ａ、６５ｂ）を備える、請求項３０又は３１に記載のシステム。
【請求項３３】
レーザービーム放射装置（２０）が、レーザービーム（３３）をそれぞれ放射する少なくとも２つのレーザーユニット（２５）を備える、請求項３０から３２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３４】
レーザービーム放射装置（２０）が、レーザービーム（３３）を放射する少なくとも１つのレーザーユニット（２５）と、前記ビームを２つ以上のビームに分割するビームスプリッタとを備える、請求項３０又は３３に記載のシステム。
【請求項３５】
レーザービーム放射装置（２０）が、１０ｍｍ＊ｍｒａｄ未満、あるいは５ｍｍ＊ｍｒａｄ未満、あるいは１ｍｍ＊ｍｒａｄ未満、あるいは０．５ｍｍ＊ｍｒａｄ未満のビームパラメータ積を有するビームを放射する少なくとも１つのレーザーユニット（２５）を備える、請求項３０から３４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３６】
少なくとも１つのレーザービーム（３３）が、ファイバレーザー又はディスクレーザーによって提供される、請求項３０から３５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３７】
加工領域にアシストガスの噴射（３５）を与えるための手段（３６）をさらに備える、請求項３０から３６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３８】
少なくとも１つの光学ユニット（２１、２２、２３）のうちの少なくとも一部が、加工領域において、ワークピース表面に対して垂直な軸まわりに、少なくとも１つのワークピース（１）に対してレーザービーム（３３ａ）を一括して回転させるために回転可能である、請求項３０から３７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３９】
光学ユニット（２１）が、少なくとも１つの光入力ポート（４１）と、ビームコリメート光学系（２９）と、レーザービーム（３１）を一括して回転させるための手段と、光学ユニット（２１）の出力端（４２）に配置された集束光学系（３２）とを備える、請求項３０から３８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項４０】
光学ユニット（２１）が、偏光ビームスプリッタ等のビームスプリッタ（４３）と、偏光回転素子（４４）と、少なくとも１つのファラデー回転子を備え且つコリメート光学系（２９）とレーザービーム（３１）を一括して回転させるための手段との間に配置された光学アイソレータユニット（３０）とをさらに備える、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４１】
光学ユニット（２１）が、加工領域に向けられたアシストガスの噴射（３５）を与えるためのガスノズル等の手段（３６）をさらに備え、前記アシストガスの噴射（３５）を与えるための手段（３６）が、光学ユニット（２１）の出力端（４２）においてレーザービーム（３３ａ）の周囲に同軸に配置されている、請求項３９又は４０に記載のシステム。
【請求項４２】
コンピュータ制御走査光学系（３７）が、光学ユニット（２１）の出力端（４２）に配置されており、前記走査光学系（３７）が、集束光学系（３２）を介して放射されたレーザービーム（３３ａ）を一括して屈折させるように適応されている、請求項３９又は４０に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工領域に案内された多重レーザービームを使用した切断方向におけるワークピースのレーザー切断加工方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー切断及びレーザー溶接等のレーザー加工は、様々な材料を加工するために広く使用されている。レーザー加工のために代表的に使用されるレーザーは、ＣＯ２レーザー又はＮｄ−ＹＡＧレーザーである。
【０００３】
一例として、材料が導電性であるか非導電性であるか、硬質か軟質かにかかわらず、ＣＯ２レーザー又はＮｄ−ＹＡＧレーザー等のレーザーが、事実上全ての種類の材料のレーザー切断のために広く使用されている。レーザー切断のための代表的なセットアップは、レーザーと、ビーム案内及び集束光学系と、レーザービームとワークピースとを互いに移動させる手段と備える。メルトブロータイプの加工において、レーザー切断は、切り口から溶融材料に吹き飛ばすようにレーザービーム周囲に同心に配置されたノズルを介したアシストガスの噴射によって補助される。
【０００４】
しかしながら、ＣＯ２レーザーは、ビームが金属蒸気の溜まりに強く吸収され、直ちに溜まり内の分子をイオン化し、したがって、さらなるプラズマの吸収を発生させるという欠点を有する。
【０００５】
Ｎｄ−ＹＡＧレーザーの１つの主たる問題は、例えば低いＭ２値によって表現されるような良好なビーム品質を有する高出力レーザーを製造するのが困難であるということである。
【０００６】
さらに、ディスクレーザー及びファイバレーザーが、非常に低いビームパラメータ積（ＢＰＰ）を有するとして知られている。しかしながら、知られているシングルモードファイバレーザーの出力は、１０００Ｗ未満に限定されている。
【０００７】
切断深度及び加工速度は、ワークピースによって吸収されるエネルギ及び切り口から溶融材料を除去する能力によって決定される。知られているレーザー切断加工において、これらの課題は、レーザー出力及びアシストガスの圧力を増加することによって達成される。多くの制約が、この手段によって直面させられている。
【０００８】
１つの制約は、切断前線に向けての加工ビームの光路を損なう切り口内及び切り口外の過度の蒸発溜まりの形成である。これは、特に、キーホール形成に基づく加工の問題である。蒸気によるレーザーエネルギの吸収は、さらなるプラズマの吸収を発生させる蒸気内の分子のイオン化をもたらす。
【０００９】
この手段のさらなる制約は、アシストガスが、ノズルとワークピース表面との間の領域において、また、切り口内に向けての及び切り口を通って、ノズル自体における圧力降下を被るということである。したがって、深い切り口において、溶融ビームによって溶融した材料を効果的に除去するのに十分である切り口の底部におけるアシストガスの圧力を実現するのは困難である。これらの制約は、例えば切断品質に影響を及ぼし、粗い切断エッジやバリ等の欠陥をもたらす。例えばＣＯ２レーザーを使用したレーザー切断等のいくつかの加工は、良好な切断品質に与えることができるが、切断速度が遅い。
【００１０】
特開第２００４−３５８５２１号公報は、多数の二次ビームが実質的に同一の光軸を有する一次ビームに対して重畳されてワークピース内で異なる高さに集束されるレーザー加工方法を開示している。重畳されたビームは、ワークピースから材料を溶融して蒸発させ、これにより、単一のキーホールを形成する。ワークピースは、ワークピースとレーザービームとを互いに移動させることによって曲面に沿って加工され得る。アシストガスを加えることにより、レーザービームによって発生された溶融物は、ワークピースから排出され得、これにより、曲面に沿ってワークピースを切断することができる。
【００１１】
米国特許第４，８７０，２４４号明細書は、ワークピースを部分的に溶融するための第１のビームと、溶融物内でデトネーション衝撃波を生み出すように第１のビームのものと同一のスポットに向けられることによって加工領域からの溶融物であってワークピースから離れた溶融物の少なくとも一部に集束されたＱスイッチレーザーからのタイミングが正確なレーザーパルスとを使用したレーザー穴加工又は切断方法を開示している。開示された方法は、実行可能な高速切断を許容しない。Ｑスイッチレーザーからの短くて強烈なレーザーパルス及び発生されたデトネーション波は、溶融物内で十分な乱流をもたらす傾向があり、切断速度及び切り口の品質に強く影響を及ぼす。さらにまた、方法を実行するシステム、とりわけＱスイッチレーザーとＱスイッチレーザーからのレーザーパルスの発射を制御する正確な制御装置を必要とするシステムの複雑さに欠点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、上述した制約を克服するレーザー加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
これは、いわゆる溶融ビームである少なくとも１つの第１のレーザービームが、溶融物を発生させてキーホールを形成するようにワークピース材料に結合されており、いわゆる溶融物排出ビームである少なくとも１つの第２のレーザービームが、溶融物の表面から材料を蒸発させ、加工領域から溶融物の少なくとも一部を押し出すための高圧をクヌーセン層内に与えるように、溶融物の選択された表面領域上に案内され、これにより、切断前線及び側壁を有する切り口を形成する、多重レーザービームを使用したレーザー加工方法によって得られる本発明にしたがっている。クヌーセン層における高圧は、加工領域から溶融物の十分に規則的な流動を形成するように与えられるのが好ましい。
【００１４】
簡潔に説明するために、以下の用語がレーザー加工を説明するために使用される。
【００１５】
レーザー加工は、加工曲面に沿った加工方向における少なくとも１つのワークピースに対してレーザービームを移動することによって上記加工曲面に沿って、ワークピース、又は、多数の当接している若しくは重なり合っているワークピースに適用される。
【００１６】
少なくとも１つのワークピースは、一般に、平面であるか、又は、曲面若しくは３次元形状を有することができるシート材料から作られている。ワークピース上の所与の地点におけるワークピースの平面は、上記地点におけるワークピースに対する接線平面として画定されている。上記地点におけるワークピースの表面法線は、ワークピースから離れる方向に位置する接線平面上の対応する法線ベクトルとして画定されている。
【００１７】
加工曲面の各点において、加工曲面に対する接線は、上記地点についての対応する加工方向を与える。加工方向は、ワークピース表面の平面と平行であり、上記地点において対応するワークピースの表面法線に対して直交している。
【００１８】
用語「水平」は、ワークピースの平面と実質的に平行な方向を指す。用語「縦」は、加工方向と実質的に平行である水平方向を指す。用語「横」は、要素の水平分布によって特徴付けられる配置を指す。用語「垂直」は、ワークピースの平面に対して実質的に垂直な方向を指す。
【００１９】
少なくとも１つのワークピースは、第１の半空間に面している第１の側面と、第２の半空間に面している第２の側面とを有する。本出願において、第１の側面は、正面と称され、第２の側面は、ワークピースの裏面と称される。第１の半空間は、「上方」又は「上側」と称され、第２の半空間は、「下方」又は「下側」と称される。上方から下方の半空間へと指示するベクトル成分を有する方向は、「下向き」と称され、下方の半空間から上方の半空間へと指示するベクトル成分を有する方向は、「上向き」と称される。加工方向と平行なベクトル成分を有する方向は、「前方」と称され、加工方向と非平行なベクトル成分を有する方向は、「後方」と称される。
【００２０】
多重レーザービームとワークピースとを互いに移動させることにより、切り口は、切断曲面に沿った切断方向に形成される。レーザー加工についての上述した定義は、レーザー切断について対応して適用する。
【００２１】
溶融ビームは、切断前線においてワークピース材料を溶融する。溶融物は、切断前線から離れるように押し出され、切り口から下向き方向に、及び／又は、切り口の側壁に沿って溶融ビームの周囲の水平な後方に流れ得、最終的には溶融ビームを囲む。
【００２２】
溶融物排出ビームを用いて溶融物の表面を局所的に加熱することにより、材料は溶融物の表面から蒸発する。したがって、溶融物の表面から強制的に離れさせられる粒子の反跳は、いわゆるクヌーセン層として知られている層において、溶融物の表面のごく近傍における十分なガス圧を発生させる。この蒸発圧は、所望の方向に溶融物の流動を押し出し、切り口から離れて且つ外部へと溶融物を効率的に吹き飛ばす。
【００２３】
有利には、本発明によれば、溶融物排出ビームは、溶融物の流動を押し出すために必要とされる蒸発圧を発生させて提供するために、溶融物の選択された表面領域に案内され得る。この目的のために、少なくとも１つの溶融物排出ビームによって形成されるエネルギの空間分布は、断面出力密度分布（ビームプロファイル）を形成することにより、及び／又は、複数の溶融物排出副ビームを配置することにより、少なくとも１つの溶融物排出ビームの断面形状を選択することによって配置され得る。例えば、溶融物溜まりの外側に存在するガウスビームプロファイルの袖における出力密度が、固体のワークピース材料を溶融するための閾値を超えず、ガウスビームの残りのコアが切り口から溶融物を排出するために溶融物の表面から材料を蒸発させるのに十分な出力密度を形成するように、ガウスビームプロファイルを有する溶融物排出ビームは、溶融物溜まり幅を超える直径を有するように選択され得る。
【００２４】
本発明に係るレーザー切断方法の重大な効果は、切断前線から溶融物溜まりまで且つワークピースから外部への溶融物の流動が、高強度の溶融ビーム及び溶融物排出ビームの留意深い配置によって制御されるということであり、これにより、規則的な溶融物の流動が実現される。実際には、本発明に係るレーザー切断方法によって実現される驚くほど規則的な溶融物の流動は、高い切断速度で厚いワークピースを切断する場合に、かつてない切断品質を提供する。
【００２５】
より複雑な溶融物排出出力密度の空間分布による溶融物の流動及び溶融物の排出を制御するための他の構成が考えられ得る。そのような構成は、非ガウスビームプロファイルを有する副ビームを含む多重溶融物排出副ビームの配置を備えることができる。
【００２６】
溶融ビーム及び溶融物排出ビームに与えられるレーザー出力はまた、溶融するためにワークピースに受け渡されるエネルギを制御し、溶融物の流動を制御し、溶融物を排出するために、適時に調整され得る。少なくとも１つの溶融ビーム及び少なくとも１つの溶融物排出ビームは、双方とも、連続波（ｃｗ）又はパルスレーザー源から与えられ得る。
【００２７】
レーザー蒸発によって与えられる圧力は、狭い切り口の内部でアシストガスを用いて実現され得る圧力を間違いなく超えることができる。したがって、本発明に係る方法における溶融物排出は、アシストガス排出を使用する知られている加工よりも効率的である。本発明に係る方法は、アシストガスを用いることなく遠隔レーザー切断を可能とするというさらなる利点を有する。アシストガスが他の理由のために加工において必要とされる場合において、本発明に係る加工は、実質的にアシストガスの消費を少なくとも低減する。
【００２８】
好ましくは、溶融物排出ビームは、溶融ビームの後方、すなわち、切断前線の反対側の選択された表面領域上に案内され、実際には、溶融材料が再凝固する前に切り口から下向き方向に溶融材料を除去するために、垂直方向又は垂直方向から僅かに傾けられた方向に向けられる。この配置は、切断前線から離れる溶融物の流動が、溶融ビーム周囲で且つ切り口の側壁に沿って主に水平方向に起こる場合に、高い切断速度での及び／又は深い切り口における溶融物排出のために特に有利である。
【００２９】
さらに、本発明によれば、少なくとも１つの溶融物排出ビームは、切断方向を横切って延在しており且つ形成されるべき切り口と本質的に一致する幅を有する溶融物の流動障壁を形成するように設けられている。
【００３０】
本実施形態において、溶融物排出ビームは、溶融物の一方の側面から他方の側面まで水平方向に延在しており、したがって、加工方向に対して垂直な方向における溶融物の全幅を基本的にカバーしている。
【００３１】
切断作業中に、溶融物排出ビームは、溶融物と相互に作用し、クヌーセン層は、溶融物排出ビームが溶融物にあたる溶融物の表面に形成される。
【００３２】
クヌーセン層は、ワークピースの全厚にわたって延在している溶融物の表面を形成して保持するために局所的な圧力を与える。これにより、クヌーセン層は、ワークピースの平面内を溶融物がさらに流れるのを実質的に防止するように作用し、加工が進むのにともなって切断曲面に沿ってワークピースにわたって広がる水平に限定された溶融物溜まりを形成する。
【００３３】
切断前線、ワークピース、及び、溶融物排出ビームによって形成される溶融物の流動障壁による溶融物の水平の制限に起因して、溶融物は、下向き及び／又は上向き方向におけるワークピース平面からの方向に加工領域から強制的に離れさせられ、切り口は、溶融物溜まりの後方に形成される。
【００３４】
上向きに排出された溶融物は、例えば加工光学系を汚染したり、所定の加工システム構成においてワークピースの上側表面上に再堆積したりする可能性があることから、上向き方向における溶融物排出は、実際には、大抵望ましくない。したがって、好ましい実施形態において、溶融物が上向き方向に逃げるのを防止するために、追加の圧力が上側から加えられる。追加の圧力は、アシストガスによって、又は、上側から加えられる少なくとも１つのさらなる溶融物排出ビームによって与えられ、溶融物溜まりを基本的にカバーしてもよい。障壁を介した溶融物の漏洩が、例えば、切り口の側壁に沿って起こる場合において、少なくとも１つのさらなる溶融物排出ビームによってカバーされる表面は、上向きへの排出を防止するために後方に延在するように、及び／又は、漏洩溶融物への下向きの排出圧力を与えるように向けられてもよい。追加の圧力はまた、アシストガスと少なくとも１つのさらなる溶融物排出ビームの配置との組み合わせとして与えられてもよい。
【００３５】
上述したように、切断前線の反対側の背面上の溶融物溜まりの制限は、溶融物との溶融排出ビームの相互作用によって形成されたクヌーセン層を用いて形成されて保持される。溶融ビームによって発生される溶融物のための効率的な障壁を形成するために、溶融物排出ビームは、水平な溶融物の流動によって増加する圧力に対応するクヌーセン層における圧力を与えるのに十分な出力を有するべきである。遮断障壁を形成して保持するために必要とされるレーザー出力密度は、遮断出力密度と称されることがある。遮断出力密度は、溶融物排出ビームに向かう後方において水平に流れる溶融物によって及ぼされる岐点圧によって決まる。
【００３６】
僅かに後方に向くことによって要素に下向き方向に圧力を与えるクヌーセン層を形成して保持するように、溶融物の流動障壁を形成する少なくとも１つの溶融物排出ビームは、垂直方向に対して傾けられ得、これにより、優先的には上向き方向よりも下向き方向に溶融物をワークピースから強制的に離れさせることができる。
【００３７】
さらに、本発明によれば、少なくとも１つの溶融物排出ビームは、溶融ビームの方に面している側面上において本質的に凹状表面を有する溶融物の流動障壁を形成するように設けられている。凹状の溶融物の流動障壁は、好ましくは溶融物溜まりと固体のワークピース材料との間の固体液体界面にできる限り近い溶融物溜まりの側壁から溶融物を「こすり」落とし、中央における凹状表面の底部に向かって溶融物の流動を案内するのに適している。
【００３８】
切り口の側壁に沿った基本的に溶融物の流動を遮断する前方に向いた凹状の溶融物の流動障壁の先端として、こすり効果が起こる。溶融物の流動は、障壁周囲で溶融物の漏洩をもたらす側壁に沿って先端周囲を通過する第１の部分と、中央線に向かって先端周囲で逸らされる溶融物の流動の第２の部分とに分割される。そして、水平な溶融物の流動の第２の部分は、溶融物排出ビームによって形成された凹状の障壁によって閉じ込められ、水平から外れた方向、すなわち、ワークピースから離れて上向き及び下向き方向に逃げる傾向がある。これにより、切り口が形成される。
【００３９】
先端における曲面の直径が小さくなるほど、溶融物と固体のワークピース材料との間の固体液体界面に近くに先端が配置され得、これにより、溶融物の流動障壁周囲の漏洩量を低減し、「こすれ効果」の効率を増加させる。
【００４０】
上述したように、好ましい実施形態において、溶融物排出は、上側から追加の圧力を加えることによって下向き方向に強いられ得る。追加の圧力は、アシストガス及び／又は少なくとも１つのさらなる溶融物排出ビームの配置によって与えられる。
【００４１】
切断前線の反対側の溶融物溜まりの背面上の溶融物溜まりを「封止する」クヌーセン層を有する溶融物の表面を形成するために必要とされる最小出力は、主に、溶融物が加工において発生される速度によって決定される。したがって、障壁形成溶融物排出ビームの出力密度は、特には溶融物排出ビームの出力密度及び偏光、ワークピースの材料特性、並びに、ワークピース及び加工ビームが互いに移動されるときの切断速度によって決まる。溶融ビーム出力の１０％から２０％の障壁形成溶融物排出ビームの出力は、十分であり得る。しかしながら、所定の構成は、溶融ビーム出力の１００％までからなる溶融物排出ビームのより大きな出力を必要としてもよい。
【００４２】
さらに、本発明によれば、溶融物の流動障壁は、Ｖ字状の横断面を有する。
【００４３】
本発明の１つの有利な実施形態において、障壁は、Ｖ字状に配置された、重なり合っている副ビームによって形成される。副ビームは、円形又は楕円横断面を有することができ、切断前線から離れて後方を向いたＶ字の底端部を有する溶融物を横切る障壁として配置されたＶ字状構成に配置され得る。
【００４４】
溶融物の流動障壁を形成する個々の副ビームは、僅かに後方に向くことによって要素に下向き方向に圧力を与えるクヌーセン層を形成して保持するように、垂直方向に対して傾けられ得、これにより、優先的には上向き方向よりも下向き方向に溶融物をワークピースから強制的に離れさせることができる。
【００４５】
特に、ワークピース法線と個々の副ビームとの間の傾き角度は、最も外側のビームから最も内側のビームに向かって増加することができる。端部から障壁の中央に向かって傾き角度が徐々に増加する副ビームの配置は、溶融物の流動が、溶融物と固体のワークピース材料との間の固体液体界面から「こすり」落とされて溶融物の流動障壁の中央に向かって案内されるのにともない、主に水平方向から下向き方向に溶融物の流動を徐々に向け直すように作用し、最終的には下向き方向に優先的に溶融物を排出する。
【００４６】
個々の副ビームはまた、切断方向に対して垂直な平面内の角度成分だけ傾けられ得る。特に、厚いワークピースにわたる大きい断面において、頂部から底部に向かってより狭くなる下向き方向における溶融物溜まりの傾向がある。さらにまた、特に最も外側の副ビームによる端部に沿った溶融物のこすりは、レーザービームがワークピースにわたって広がるのにともない、より非効率的となり得る。この効果は、固体液体界面に向かう成分を有する方向に向けるように、特に最も外側の副ビームを傾けることによって補償され得る。
【００４７】
溶融物の流動障壁を形成する個々の副ビームは、異なるビーム径を有することができる。特に、最も外側の副ビームは、好ましくは、固体のワークピース材料から液体の溶融物を効率的にこすり落とすために固体液体界面にできる限り近くに生じるように、できる限り小さいビーム径を有する。
【００４８】
基本的にワークピースの深さ全体にわたって最小の可能なビーム径を保持するために、特に、最も外側の副ビームが、例えばファイバレーザー又はディスクレーザーによって与えられるような低いビームパラメータ積を有するのが好ましい。
【００４９】
上述した有利な実施形態のさらなる発展例において、最も外側の副ビームが、２倍の周波数、３倍の周波数、及び／又は、４倍の周波数から提供され、これにより、最も外側の副ビームの最小の実現可能なビームパラメータ積を低減する。より低いビームパラメータ積のおかげで、所与厚みのワークピースを加工するために必要とされる所与の焦点深度について、より小さいビーム径が実現され得る。焦点深度は、レイリー長の単位で表現され得る。限定しないが焦点深度についての実際的な条件は、レイリー長の２倍がワークピースの厚みと本質的に一致するということである。
【００５０】
本発明に係る他の有利な実施形態において、凹状の溶融物の流動障壁は、Ｖ字状の第１の枝部を形成する長方形の横断面を有する少なくとも１つの第１の副ビームと、Ｖ字状の第２の枝部を形成する長方形の横断面を有する少なくとも１つの第２の副ビームとを含む、Ｖ字状に配置された、重なり合っている副ビームによって形成される。この実施形態は、２つの光シート、すなわち、長方形の略線状横断面を有するビームの配置として考えることができ、光シートの平面は、切断前線から離れて後方を向いたＶ字の底端部を有する溶融物を横切る障壁として配置された上述したＶ字状構成を形成するように共通角度で配置される。
【００５１】
本発明に係るさらに他の有利な実施形態において、溶融物の流動障壁を形成する少なくとも１つの溶融物排出ビームは、回折光学素子（ＤＯＥ）を介して提供される。この実施形態において、障壁は、回折光学素子（ＤＯＥ）を用いて適切なビームプロファイルを有するようにレーザービームを直接的に形作ることによって形成される。実際には、適切なビームプロファイルは、切断前線から離れて後方を向いた凹状形状の底部を有する溶融物を横切る障壁として配置された上述した凹状の構成を有することができる。
【００５２】
上述した有利な実施形態のさらなる発展例において、少なくとも１つの溶融ビームを含むレーザー切断用の多重レーザービームは、単一のＤＯＥを使用して提供され、これにより、レーザー切断のためのシステムの複雑さを低減する。多重レーザービームは、単一のレーザー源から提供され得る。
【００５３】
さらに、本発明によれば、さらなる溶融物排出ビームは、ずらして（ｓｔａｇｇｅｒｅｄ）配置された切断方向における少なくとも１つの溶融物排出ビームの後に続くように配設されている。溶融物の流動障壁を形成するさらなる溶融物排出ビームのそれぞれは、切断方向を横切って延在しており且つ形成されるべき切り口と本質的に一致する幅を有する。溶融物排出ビームを形成する第１の障壁を介した漏洩は、１つ以上の後の障壁によって収集され得、これにより、障壁の全体的な配置を介して水平な溶融物の流動の漏洩を低減することができるため、障壁形成溶融物排出ビームのずらした配置は、溶融物排出を改善し、これにより、切り口側壁の品質を改善するのに有利である。
【００５４】
さらに、本発明によれば、少なくとも１つの溶融物排出ビームは、切り口の側壁に沿って溶融ビームの後に続くように配置された少なくとも２つの溶融物排出ビームを含む。これらの溶融物排出ビームは、切り口の側壁に沿って溶融物の流動の少なくとも一部を排出するための蒸発圧を発生させ、内側に向けられた溶融物の流動を形成する。これらのレーザービームは、切断と同じ工程内で切り口の側壁を熱的に加工するために整形ビームとして同時に作用することができる。整形ビームは、バリ及び条痕を回避及び／又は除去するために、そして、切断エッジをきれいにするために、追加のレーザー加工を可能とする。
【００５５】
さらに、本発明によれば、少なくとも２つの溶融制御ビームが、切り口の側壁に沿って溶融ビームの後に続くように配置されており、内側に向けられた溶融物の流動を形成する。これにより、溶融制御ビームは、切り口の側壁から離れて切り口の中央に向かって溶融物の流動の少なくとも一部を案内する。
【００５６】
上述した実施形態のさらなる発展例において、溶融物溜まりの側面に沿って溶融ビームの後に続くように配置された少なくとも２つの溶融物排出ビーム及び／又は溶融制御ビームは、１０ｍｍ＊ｍｒａｄ未満、あるいは５ｍｍ＊ｍｒａｄ未満、あるいは１ｍｍ＊ｍｒａｄ未満、あるいは０．５ｍｍ＊ｍｒａｄ未満のビームパラメータ積を有する。これにより、液体溶融物と固体のワークピース材料との間の固体液体界面にできる限り近くに障壁の最も外側の先端を持って来ることが実現され、これにより、側壁に沿った水平な溶融物の流動の漏洩を最小に低減する。少なくとも２つの溶融物排出ビーム及び／又は溶融制御ビームはまた、切り口の側壁を整形するために固体液体界面を横切って配置され得る。
【００５７】
上述した小さいビームパラメータ積を有するレーザーは、本出願において高強度レーザーと称される。その例は、ディスクレーザー及びファイバレーザーである。
【００５８】
さらに、本発明によれば、少なくとも２つの溶融物排出ビーム及び／又は溶融制御ビームのそれぞれは、平均出力周辺で変動する瞬時出力を有し、平均出力からの瞬時出力の偏差は、平均出力の略１０％未満、あるいは５％未満、あるいは１％未満、あるいは０．５％未満である。
【００５９】
さらに、本発明によれば、少なくとも２つの溶融物排出ビーム及び／又は溶融制御ビームのそれぞれは、平均エネルギ密度分布周辺で変動する瞬時空間エネルギ分布を有し、各点における平均空間エネルギ密度分布からの瞬時空間エネルギ密度分布の偏差は、その点における平均エネルギ分布の１０％未満、あるいは５％未満、あるいは１％未満、あるいは０．５％未満である。
【００６０】
上述した安定性基準を満たすレーザーについての例は、ディスクレーザー及び特にファイバレーザーである。
【００６１】
有利な実施形態において、少なくとも２つの溶融物排出ビーム及び／又は溶融制御ビームは、ファイバレーザー又はディスクレーザーから提供される。
【００６２】
上述した実施形態のさらなる発展例において、少なくとも１つの溶融ビーム及び／又は少なくとも１つの溶融物排出ビームは、１０ｍｍ＊ｍｒａｄ未満、あるいは５ｍｍ＊ｍｒａｄ未満、あるいは１ｍｍ＊ｍｒａｄ未満のビームパラメータ積を有する。そのような低いビームパラメータ積によって特徴付けられるレーザーにおいて、レーザーエネルギは、切断用に適用される従来のレーザーと比較して、より小さい全出力を必要とする大幅により小さい焦点上に集中させることができ、同程度又はさらに高い焦点における強度をさらに実現することができる。溶融ビームとして低いビームパラメータ積を有するレーザーを適用することは、所与のレーザー出力について、焦点にレーザーを集中させた場合に、より高い強度が実現され得るため、溶融加工のために有利である。これにより、実現されたより高い強度は、より高速な切断前線伝播をもたらす。さらにまた、キーホール形成は、より小さいレーザー出力で且つより少ないプラズマ形成によって実現され得る。さらなる効果は、より小さいビーム幅に起因して、より小さい切り口が得られ得るということである。狭い切り口からの効率的な溶融物排出は、溶融物排出ビームを用いて実現される。
【００６３】
最新のファイバレーザーは、低いビームパラメータ積によって特徴付けられるレーザービームを提供することができる。例は、１μｍから１．５μｍ、実際には代表的に１．０７μｍの波長で０．４ｍｍ＊ｍｒａｄのビームパラメータ積を有するシングルモードファイバレーザーである。
【００６４】
さらに、本発明によれば、少なくとも１つの溶融ビーム（２）及び／又は少なくとも１つの溶融物排出ビーム（６）は、平均出力周辺で変動する瞬時出力を有し、平均出力からの瞬時出力の偏差は、平均出力の略１０％未満、あるいは５％未満、あるいは１％未満、あるいは０．５％未満である。
【００６５】
さらに、本発明によれば、少なくとも１つの溶融ビーム（２）及び／又は少なくとも１つの溶融物排出ビーム（６）は、平均出力密度分布周辺で変動する瞬時空間出力密度分布を有し、各点における平均空間出力密度分布からの瞬時空間出力密度分布の偏差は、その点における平均出力密度分布の１０％未満、あるいは５％未満、あるいは１％未満、あるいは０．５％未満である。
【００６６】
レーザービーム全体の空間出力密度分布のビーム品質及び安定性は、Ｍ２値の安定性の単位で定義され得る。有利には、本発明に係る方法を実施するために使用される多重レーザービームのうちの少なくとも一部は、１．５未満、あるいは１．２未満、あるいは１．１未満、あるいは１．０５未満のＭ２値を有し、平均のＭ２値からの瞬時のＭ２値の偏差は、平均のＭ２値の２０％未満、あるいは１０％未満、あるいは５％未満、あるいは１％未満である。
【００６７】
モードホッピング等によって引き起こされるノイズ等、レーザーのノイズは、出力及び／又はレーザーによって形成されるエネルギの空間分布の変動をもたらすことがある。キーホール形成ビームのための上述したビーム品質及び安定性の要求を満たすレーザービームを使用することにより、１０μｍから５０μｍの内径を有するいわゆるマイクロキーホールが溶融物溜まりに形成され得、レーザー切断加工中、安定に保持され得る。
【００６８】
したがって、加工領域に、特に溶融物溜まりの端部内若しくは端部に案内された溶融ビーム及び／又は溶融排出物ビームによって形成されたマイクロキーホールは、溶融物の流動を効率的に制御して安定させ、溶融物の流動内の乱流を低減するように作用し、これにより、さらに高速な切断速度で切断エッジをきれいにする。
【００６９】
上述した安定性基準を満たすレーザーについての例は、ディスクレーザー及び特にファイバレーザーである。
【００７０】
上述した実施形態のさらなる発展例において、少なくとも溶融ビーム及び／又は少なくとも１つの溶融物排出ビームは、ファイバレーザー又はディスクレーザーによって提供される。
【００７１】
さらに、本発明の１つの態様によれば、溶融ビームは、多数の横向きに配置された副ビームを含む。副ビームの横向きの配置は、ビーム強度プロファイルを適応させることによって溶融物の形成及び溶融物の流動を制御するのを可能とする。
【００７２】
上述した実施形態のさらなる発展例において、横向きの副ビームのそれぞれは、分離したキーホールを形成するように適応されている。所定の切断用途のために、より広い溶融領域を有するのが望ましい。そのような用途において、キーホールの横向きの配置が溶融物の流動を安定させるように作用することから、単一ビームの強度及びビーム幅を増加するよりはむしろ、同じ溶融物溜まり内で同時に多数の横向きに配置されたより小さいキーホールを発生させるのが有利であり得る。そのような配置において、溶融前線に最も近いキーホールを形成するビームは、固体のワークピース材料の溶融に主に寄与する一方で、残りのビームは、溶融物の流動を制御及び／又は安定させるために溶融物溜まり内でキーホールを形成するように配置される。実際には、これらのキーホールは、１０μｍから５０μｍの代表的な内径を有するいわゆるマイクロキーホールとして形成される。マイクロキーホールの形成は、ビームパラメータ積（ＢＰＰ）、出力安定性、及び、モード安定性についての上述した値を有するレーザービームを使用することによって実現され得る。
【００７３】
より小さいキーホールの配置において、切断前線から溶融ビームの後方の溶融物溜まりまでの各キーホール内の溶融物の流動経路は、同じ大きさの溶融物溜まりを有する対応する単一ビーム配置におけるものよりも短い。結果として、切断前線から離れる溶融物の塊の移動は、切断前線における溶融層の厚みを薄く保持するのにより効率的であり、これにより、切断前線におけるワークピース材料内にレーザーエネルギを結合するための結合効率を高め、これにより、切断速度を増加させる。溶融物溜まりにおけるキーホールの横向きの配置はまた、溶融物溜まり内の乱流を低減し、これにより、溶融物の流動を安定させる。
【００７４】
さらにまた、それぞれの横向きの副ビーム内の出力は、同じ大きさの溶融物溜まりを有する対応する単一ビーム配置におけるものよりも大幅に小さい。したがって、分散されたキーホール形成は、単一ビーム配置と比較して、過度のプラズマ形成を回避する。
【００７５】
さらに、本発明によれば、溶融ビームは、切断方向と本質的に同一線上に縦方向に配置されて同じキーホールに向けられた多数の副ビームを含む。
【００７６】
上述した実施形態のさらなる発展例において、縦方向に配置された副ビームの焦点は、ワークピースの異なる垂直高さに配置される。同じキーホールにおける溶融副ビームの垂直配置において、溶融及び蒸発のためのレーザーエネルギは、切断前線を越えて垂直に分散される。これにより、蒸気柱及びプラズマ形成は低減し、高強度がキーホールにわたってより容易に保持され得る。したがって、知られているレーザー切断方法と比較して、より高い侵入深さ、より高い切断速度、及び、よりきれいな切断が、この配置によって実現される。
【００７７】
本発明に係るさらなる実施形態において、溶融ビーム及び／又は溶融物排出ビームのうちの少なくとも１つからのレーザーエネルギは、パルスで与えられる。パルスは、規則的な溶融物の流動を発生させるような速度で与えられる。
【００７８】
実際には、以下の溶融ビーム特性と溶融物排出ビーム特性との組み合わせが考えられ得る。ビーム強度プロファイルの以下の記載は、厳密に理解されるべきではないが、対応するレーザービームの特性を基本的に記載している。
【表１】
0005384354.tif 000002
【００７９】
さらに、本発明によれば、少なくとも１つの溶融ビーム及び／又は少なくとも１つの溶融物排出ビーム及び／又は溶融制御ビームは、直線偏光されている。本発明に係るレーザ切断方法において直線偏光された光を使用することは、所定の用途の要求にしたがって材料内へのレーザー光の結合を最適化するのを可能とする。直線偏光された光の使用のさらなる利点は、ファラデーアイソレータが、後方反射された光が送信ファイバ及び／又はレーザー空胴に入射するのを防止するために使用され得るということである。
【００８０】
本発明に係る好ましい実施形態において、少なくとも１つの溶融ビームは、入射面と平行な方向に直線偏光されており、各瞬間の入射面は、切断の方向と整合されている。入射面と平行な直線偏光された、すなわち、入射面内で振動する電界を有する（ｐ偏光）溶融ビームは、切断前線においてワークピース材料内に結合されるレーザーエネルギを増加させ、したがって、切断速度を高める。
【００８１】
本発明に係る他の好ましい実施形態において、少なくとも１つの溶融ビームは、入射面に対して垂直な方向に直線偏光されており、各瞬間の入射面は、切断の方向と整合されている。入射面に対して垂直に直線偏光された、すなわち、入射面に対して垂直に振動する電界を有する（ｓ偏光）溶融ビームは、切断前線以外における溶融ビームの両側においてワークピース材料内に結合されるレーザーエネルギを増加させる。したがって、ｓ偏光された溶融ビームは、切断速度を低減して切り口幅の増加をもたらす。
【００８２】
溶融ビームの偏光の他の方向は、切断方向に関して非対称であるエネルギ吸収をもたらすように選択され得る。非対称吸収は、少なくとも１つの溶融ビームの入射方向に対して傾けられた切り口をもたらすことになる。
【００８３】
本発明に係るさらなる実施形態において、少なくとも１つの溶融ビームの偏光は、入射面と切断方向とによって囲まれた角度、及び／又は、入射角に応じて制御される。ここで、入射角及び入射面は、ワークピースの表面法線に関して定義される。
【００８４】
例えば、遠隔走査システムを使用して曲面を切断する場合、入射面は、大抵は切断方向と平行でない。結果として、溶融ビームは、切断方向とワークピースの表面法線とによってまたがられた平面に関して、ある角度でワークピースと交差し、傾けられた切り口をもたらす。このアーチファクトは、ワークピース表面に対する入射角、及び／又は、入射面と切断方向とによって囲まれた角度に応じて偏光角を制御することにより、反対に作用され得るか、又は、さらに補償され得る。ここで、入射角及び入射面は、ワークピースの表面法線に関して定義される。
【００８５】
さらにまた、溶融物排出ビームの直線偏光は、溶融物の表面内へのレーザーエネルギの結合を最適化するように使用され得る。
【００８６】
本発明に係るさらなる実施形態において、少なくとも１つの溶融物排出ビームは、入射面と平行な方向に直線偏光されており（ｐ偏光）、入射面は、ワークピースの表面法線に関して定義される。
【００８７】
本発明に係るさらなる実施形態において、少なくとも１つの溶融物排出ビームは、入射面に対して垂直な方向に直線偏光されており（ｓ偏光）、入射面は、ワークピースの表面法線に関して定義される。
【００８８】
本発明に係るさらなる実施形態において、各溶融物排出ビーム及び／又は溶融制御ビームは、入射面に対して固定角で直線偏光されている。上記角度の絶対値は、０°から９０°、あるいは３０°から６０°、あるいは４０°から５０°に含まれ、入射面は、ワークピースの表面法線に関して定義される。
【００８９】
溶融物の選択された表面領域に対して所望の出力密度分布を形成するために、複数の溶融物排出副ビームが加工領域に適用され得る。溶融物の表面は、複雑に曲げられた３次元形状を有することができる。個々の副ビームのそれぞれについて選択された溶融物の表面領域内へのレーザー出力の結合を最適化するために、溶融物排出副ビームの偏光を調整することは、大きな効果である。これは、例えば、局所的な溶融物の表面法線にしたがって偏光を調整する、すなわち、溶融物排出副ビームが溶融物と相互に作用する選択された表面領域の方向にしたがって副ビームの偏光を調整することによって行われ得る。したがって、上記溶融物排出ビームの入射面が切断方向と平行である、切り口の側壁に沿って溶融ビームの後に続く２つの溶融物排出ビームのそれぞれは、切断方向に対していずれの側にも回転させられる偏光をそれぞれ有することができる。入射面と偏光の方向との間の角度は、前方におけるワークピースの材料内に向いたいずれの側に対しても４５°であるように選択され得る。
【００９０】
本発明に係るさらなる実施形態において、溶融物排出ビーム及び／又は溶融制御ビームのそれぞれの偏光は、入射面と切断方向とによって囲まれた角度、及び／又は、入射角を含むレーザー切断加工パラメータに応じて制御され、入射角及び入射面は、ワークピースの表面法線に関して定義される。
【００９１】
溶融物の表面内への溶融物排出レーザー出力の結合は、直接的に又は間接的に、レーザー切断加工のさらなるパラメータに依存することができる。したがって、予めプログラムされた方式で、又は、カメラ、フォトダイオード、光学センサのアレイ等のインライン加工監視手段からのフィードバックを介して、これらの加工パラメータに応じて偏光を制御することは、大きな効果である。
【００９２】
少なくとも１つの溶融ビーム及び少なくとも１つの溶融物排出ビームの偏光についての上述した配置の組み合わせが考えられ得る。上記組み合わせの効果は、当業者にとって自明である。
【００９３】
本発明のさらなる実施形態において、本方法は、レーザー加工領域の方に向けられたアシストガスの噴射を与えることを備える。
【００９４】
さらに、本発明によれば、切断方向におけるワークピースのレーザー加工用のシステムは、少なくとも１つの光学ユニットを介して加工領域に案内され且つワークピース材料内に結合されるように適応された多数のレーザービームを放射するレーザービーム放射装置と、ワークピース材料を溶融してキーホールを形成するように適応されたいわゆる溶融ビームである少なくとも１つの第１のレーザービームと、溶融物の表面から材料を蒸発させ且つ溶融物を加工領域から押し出すためにクヌーセン層において高圧を与えるように、溶融物の選択された表面領域を加熱するように適応されたいわゆる溶融物排出ビームである少なくとも１つの第２のレーザービームとを備え、さらに、ワークピースに対して上記レーザービームを移動させるための移動装置を備える。
【００９５】
クヌーセン層における高圧は、好ましくは、加工領域からの溶融物の十分に規則的な流動を形成するように与えられる。
【００９６】
上記移動装置は、固定された光学系と、ワークピースを移動させるための手段とを備えることができるか、又は、固定されたワークピースと、光学系を移動させるための手段とを備えることができるか、又は、光学系を移動させるための手段と、ワークピースを移動させるための手段とを備えることができる。さらにまた、上述した動作手段は、コンピュータ制御のアクチュエータによって駆動されるミラー系等の走査光学系と組み合わせ可能である。この組み合わせは、ロボットアーム上の又は直交ガントリ系上の走査光学系の配置であってもよい。
【００９７】
さらに、本発明に係るレーザー切断システムにおいて、少なくとも１つの溶融物排出ビームは、切り口の側壁に沿って溶融ビームの後に続くように配置された少なくとも２つの溶融物排出ビームを含む。
【００９８】
さらに、本発明に係るレーザー切断システムは、切り口の側壁に沿って溶融ビームの後に続くように配置された少なくとも２つの溶融制御ビームを含み、内側に向けられた溶融物の流動を形成する。
【００９９】
さらに、本発明の１つの態様によれば、レーザービーム放射装置は、レーザービームをそれぞれ放射する少なくとも２つのレーザーユニットを備える。
【０１００】
さらに、本発明の１つの態様によれば、レーザービーム放射装置は、レーザービームを放射する少なくとも１つのレーザーユニットと、上記ビームを２つ以上のビームに分割するビームスプリッタとを備える。
【０１０１】
上述した実施形態のさらなる発展例において、ビームスプリッタは、ビームスプリッタ部品のカスケード配置である。ビームスプリッタ部品のカスケード配置を使用することにより、溶融物の流動障壁を形成する多重溶融物排出副ビームのＶ字状配置等、複数の近接配置されたビーム又は重ね合っているビームは、簡便且つ信頼性のある方法で提供され得る。
【０１０２】
さらに、本発明によれば、レーザービーム放射装置は、１０ｍｍ＊ｍｒａｄ未満、あるいは５ｍｍ＊ｍｒａｄ未満、あるいは１ｍｍ＊ｍｒａｄ未満、あるいは０．５ｍｍ＊ｍｒａｄ未満のビームパラメータ積を有するビームを放射する少なくとも１つのレーザーを備える。
【０１０３】
独立に調整可能な個々のレーザービームとして加工領域にレーザーエネルギを与えることは、任意のエネルギ分布がビーム品質及び強度に妥協することなく配置され得るという効果を有する。したがって、加工領域に与えられるエネルギ分布は、単一の高出力レーザービームの適切でないビーム形状によって制限されるよりもむしろ、切断加工の要求に応じて決定され得る。実際には、それらが回折限界に近いスポット上に有効な出力を集中させるのを可能とするように、シングルモードファイバレーザー又はディスクレーザー等の上述したビームパラメータ積の範囲によって特徴付けられるような高強度レーザー源から個々のレーザービームを提供することを好まれ得る。
【０１０４】
本発明に係る上述した実施形態のさらなる発展例において、少なくとも１つのレーザービームは、ファイバレーザー又はディスクレーザーによって提供される。
【０１０５】
さらに、本発明に係るシステムは、加工領域にアシストガスの噴射を与えるための手段を備える。
【０１０６】
さらに、本発明によれば、少なくとも１つの光学ユニットの少なくとも一部は、加工領域において、ワークピース表面に対して垂直な軸まわりに、少なくとも１つのワークピースに対してレーザービームを一括して回転させるために回転可能である。実際には、回転軸は、切断前線又は溶接前線においてワークピースと交差することができる。特に、レーザー加工が曲面に沿って実施される場合、この実施形態は、ビームの同じ配置が加工方向に関して保持されるという効果を有する。ワークピースに対するレーザービームの一括しての回転は、同じ軸まわりに全てのレーザービームを回転させるための光学像回転子によって実現され得るか、又は、光学システム、若しくは、ワークピースを回転させるための回転ワークテーブルを回転させるためのロボットアーム等の動作手段によって得られ得る。
【０１０７】
本発明に係るシステムのさらなる実施形態において、光学ユニットは、少なくとも１つの光入力ポートと、ビームコリメート光学系と、レーザービームを一括して回転させるための手段と、光学ユニットの出力端に配置された集束光学系とを備える。
【０１０８】
本発明に係るシステムのさらなる実施形態において、光学ユニットは、さらに、偏光ビームスプリッタ等のビームスプリッタと、偏光回転素子と、少なくとも１つのファラデー回転子を備え且つコリメート光学系とレーザービームを一括して回転させるための手段との間に配置された光学アイソレータユニットとを備える。
【０１０９】
本発明に係るシステムのさらなる実施形態において、光学ユニットは、さらに、加工領域に向けられたアシストガスの噴射を与えるためのガスノズル等の手段を備え、上記アシストガスの噴射を与えるための手段は、光学ユニットの出力端においてレーザービーム周囲に同心に配置されている。
【０１１０】
本発明に係るシステムのさらなる実施形態において、コンピュータ制御の走査光学系が、光学ユニットの出力端に配置されており、上記走査光学系は、集束光学系を介して放射されたレーザービームを一括して屈折させるように適応されている。そのような走査光学系についての例は、ガルバノモータを用いて駆動されるミラーの配置である。
【０１１１】
本発明は、図面を参照して実施形態を例示することにより、ここに説明される。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の１つの実施形態に係る多重ビームレーザー切断加工による横断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る多重ビームレーザー切断加工による横断面図である。
【図３】本発明のさらなる実施形態に係る多重ビームレーザー切断加工による横断面図である。
【図４】多重円形溶融物排出副ビームがＶ字状に配置された、本発明のさらなる実施形態に係るレーザー切断加工の上面図である。
【図５】２つの線形集束された溶融物排出副ビームがＶ字状に配置された、本発明のさらなる実施形態に係るレーザー切断加工の上面図である。
【図６】２つの線形集束された溶融物排出副ビーム及び追加の溶融物排出ビームがＶ字状に配置された、本発明のさらなる実施形態に係るレーザー切断加工の上面図である。
【図７】Ｕ字状の溶融物排出ビームを有する、本発明のさらなる実施形態に係るレーザー切断加工の上面図である。
【図８】Ｕ字状の溶融物排出ビームがずらして配置された、本発明のさらなる実施形態に係るレーザー切断加工の上面図である。
【図９】本発明のさらなる実施形態に係る多重ビームレーザー切断加工による横断面図である。
【図１０】溶融制御ビーム及びＵ字状の溶融物排出ビームを有する、本発明のさらなる実施形態に係るレーザー切断加工の上面図である。
【図１１】本発明のさらなる実施形態に係るレーザー切断加工の上面図である。
【図１２】本発明のさらなる実施形態に係る多重ビームレーザー切断加工による横断面図である。
【図１３】加工ビームの横向き配置によって発生されるようなキーホール及び溶融物溜まりの上面図である。
【図１４】本発明のさらなる実施形態に係る切断加工におけるレーザービームの縦方向の直線配置による横断面図である。
【図１５】本発明のさらなる実施形態に係る切断加工におけるレーザービームの縦方向の直線配置による横断面図である。
【図１６】本発明のさらなる実施形態に係るｐ偏光の溶融ビームの上面図である。
【図１７】本発明のさらなる実施形態に係るｓ偏光の溶融ビームの上面図である。
【図１８】直線偏光された溶融物排出ビームを有する、図１１に係るレーザー切断加工の上面図である。
【図１９】本発明の１つの実施形態に係るレーザー加工システムである。
【図２０】本発明の他の実施形態に係るレーザー加工システムである。
【図２１】本発明のさらなる実施形態に係るレーザー加工システムである。
【図２２】ビームの調整、回転、及び、集束用の光学系である。
【図２３】本発明の１つの実施形態に係る光学ユニットである。
【図２４】本発明の他の実施形態に係る光学ユニットである。
【図２５】本発明のさらなる実施形態に係る光学ユニットである。
【図２６】入射面における反射偏光ビームスプリッタの横断面図である。
【図２７】図２６の線Ａ−Ａに沿った分離ビームによる横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０１１３】
図１は、２つのレーザービームを使用した、本発明に係るレーザー切断加工の１つの実施形態についての概略的な横断面図を示している。ワークピース１は、ワークピース１から材料の一部を溶融して蒸発させることによってキーホール３を形成する、いわゆる溶融ビームである高強度レーザービーム２に晒されている。図１における矢印によって示されるような切断方向に溶融ビーム２が前進することは、切断方向に広がる切断前線４を形成する。溶融ビーム２によって発生された溶融物５は、溶融ビーム２の周囲を流れる。
【０１１４】
溶融物の表面７に衝突する、いわゆる溶融物排出ビームである第２のレーザービーム６は、表面７から薄層内において溶融物５をさらに加熱し、材料の一部を蒸発させる。いわゆるクヌーセン層８である溶融物の表面７上の薄層において、表面７を離れる気相分子の反跳力は、表面７内へと垂直に向けられた十分な蒸発圧を発生させる。蒸発圧は、溶融物５を囲む気相における他の分子との衝突に起因して、クヌーセン層の厚みに一致する表面７からのいくつかの平均自由行程長内で衰える。溶融物の表面７上に作用する蒸発圧は、溶融物排出ビーム６が溶融物５と相互に作用する選択された表面領域から、溶融物５を離れさせる。したがって、溶融物５は、下向き方向に流され、最終的にはワークピース１から離れ、これにより、ワークピース１から材料を除去し、切断前線４及び側壁１０を有する切り口９を形成する。
【０１１５】
溶融物排出ビーム６の横断面は、円形若しくは楕円形等の円形状、又は、正方形、矩形、若しくは、台形等の略四辺形状を有することができる。
【０１１６】
切断前線４から離れる溶融物の流動は、切り口の側壁１０に沿って主に水平であり、溶融ビーム２を完全に囲む溶融物溜まりを形成するように溶融ビーム２の後方に融合する。図１において示される実施形態において、したがって、溶融物排出ビーム６は、切り口９から下向き方向に溶融物５を排出するために、溶融ビーム２の後方、すなわち、切断前線４の反対側の切断方向における溶融物の表面７の選択された領域上へと下向きに向けられる。
【０１１７】
図２は、２つのレーザービームを使用した、本発明に係るレーザー切断加工の他の実施形態についての概略的な横断面図を示している。溶融物排出ビーム６に加えて、追加のアシストガスが噴射される。アシストガスは、レーザービームに対して軸外に配置された、又は、レーザービームの周囲に略同軸に配置されたガスノズルを介して適用され得る。アシストガスは、溶融物の表面７の選択された表面領域において溶融物排出ビーム６によって形成された溶融物排出に加えて、溶融物５に全圧を加える。アシストガスは、図２における破線ＡＧによって示されるように、溶融物を下向きに強制的に流す。
【０１１８】
図３は、本発明に係るキーホールレーザー切断加工の他の実施形態の概略的な横断面図である。少なくとも１つの溶融物排出ビーム６は、溶融ビーム２に対して傾いている。溶融物排出ビーム６は、下向き及び後方に向けられ、溶融ビーム２の後方で溶融物５の表面と相互に作用し、溶融物排出ビームの方向と略平行な溶融物の表面７を形成する。実際には、溶融物排出ビーム６の直径は、溶融ビーム２の直径を超え、溶融物溜まりの全幅をカバーする。
【０１１９】
溶融物排出ビーム６の横断面は、円形若しくは楕円形等の円形状、又は、正方形、矩形、若しくは、台形等の略四辺形状を有することができる。
【０１２０】
図４から図８は、それぞれ、本発明に係るレーザー切断加工のさらなる実施形態の上面図を示しており、少なくとも１つの溶融物排出ビーム６は、切断方向に対して垂直な方向に延在し且つ形成されるべき切り口９に本質的に一致する幅を有する溶融物の流動障壁を形成するように、切断前線４の反対側に設けられている。
【０１２１】
溶融ビーム２は、ブロック矢印によって示される切断方向において示されるように、溶融ビーム２の前方に形成される切断前線４において溶融物を発生させる。溶融物は、溶融ビーム２の周囲を流れ、凹状に形成された溶融物排出ビーム６によって閉じ込められる。その結果、前方は切断前線４によって、側面に向かって固体のワークピース材料によって、後方は溶融物排出ビーム６によって区切られた溶融物溜まり５が形成される。図４から図８において、溶融物溜まり５における溶融物の流動は、小さな黒一色の矢印によって示されている。
【０１２２】
溶融物排出ビーム６は、溶融物がワークピース１の平面内でさらに流動するのを大幅に遮断し、溶融物を下向き及び／又は上向き方向に強制的に流動させることによって排出し、切り口９を形成する。
【０１２３】
図４において示された構成において、溶融物排出ビーム６は、８つの重なり合っている副ビーム６０、６１がＶ字状に配置されており、各ビームは略円形の横断面からなる。Ｖ字状は、溶融物溜まり５の全幅をカバーし、Ｖ字状の底部は、後方を向いた中央線に近接して配置されている。Ｖ字状の先端は、最も外側の溶融物排出副ビーム６１によって形成されており、側方において固体液体界面に近接して配置されている。複数の溶融物排出副ビーム６０、６１から溶融物の流動障壁を構成することの効果は、多種多様の溶融物排出ビームのプロファイルが、異なる種類の材料の加工、ワークピースの厚みの変動、加工速度の変動等、加工パラメータの調整に対して最大の柔軟性を有して生成可能であるということである。
【０１２４】
溶融物は、最も外側の副ビーム６１によって側面上において固体液体界面から「こすり落とされ」、さらなる副ビーム６０によって中央に向かって案内され、最終的には溶融物の流動障壁の中央に閉じ込められる。最も外側の副ビーム６１の内側案内効果のために、上記副ビームはまた、後述する溶融物制御ビームとしてみなされてもよい。結果として、溶融物排出副ビーム６０、６１のＶ字状の配置は、上向き及び下向き方向への溶融物排出をもたらす。
【０１２５】
特に最も外側の副ビーム６１の周囲で、溶融物の流動障壁を介した溶融物の流動の漏洩が生じ、漏洩溶融物は、主に、溶融物排出副ビームと固体のワークピース材料との間を流れ、最終的には切り口９の側壁１０において凝固する。
【０１２６】
より小さいビーム径を有するレーザービーム、特に、最も外側の溶融物排出副ビーム６１を使用することにより、漏洩は低減する。すなわち、最も外側の副ビーム６１のビーム径が小さいほど、「こすり効果」が高まる。したがって、少なくとも最も外側の副ビーム６１は、より小さいビーム径を有するのが好ましい。ワークピースの深さにわたってこの小さいビーム径を維持するために、少なくとも最も外側の副ビーム６１を、シングルモードファイバレーザー又はディスクレーザー等の非常に低いＢＰＰを有するレーザー源から提供するのが有利である。
【０１２７】
溶融物排出副ビーム６０、６１は、下向き及び後方を向いた角度で配置されてもよい。この方法において、溶融物の流動障壁は、溶融物の流動を下向き方向に向ける傾向がある。傾き角度は、最も外側のビーム６１から徐々に増加し、最も内側のビーム６０に向かって垂直方向に近接して整合され得る。
【０１２８】
図５において示される構成において、溶融物排出ビーム６は、線形集束された（「光シート」）を有する２つの副ビーム６２がＶ字状に配置されている。上述した実施形態のように、Ｖ字状は、溶融物溜まり５の全幅をカバーし、Ｖ字状の底部は、中央線に近接して配置されて後方を向いている。この実施形態の利点は、光学系の複雑さを低減した効率的な溶融物の流動障壁が形成可能であるということである。
【０１２９】
図６は、本発明に係るさらなる実施形態を示しており、追加の溶融物排出ビーム６３が上側から適用される。追加の溶融物排出ビーム６３は、下向き方向に溶融物を排出するために上側から圧力を与える。追加の溶融物排出ビーム６３は、好ましくは、略均一の出力密度分布を有し、溶融物溜まり５をカバーする。追加の溶融物排出ビーム６３は、溶融物排出ビーム６によって形成された溶融物の流動障壁を介して漏洩する溶融物を排出させるために、溶融物排出ビーム６によって形成された障壁バリアを越えて後方に延在してもよい。追加の溶融物排出ビーム６３の代替として又は補完するものとして、アシストガスによって上側から圧力が加えられてもよい。
【０１３０】
図７において示される構成において、溶融物排出ビーム６は、Ｕ字状の横断面６４を有するビームである。そのようなＵ字状横断面６４は、回折光学素子（ＤＯＥ）を用いて形成され得る。これは、複雑な横断面ビームプロファイルを有する溶融物排出ビーム６が、簡便なレーザー源を使用した簡便な光学セットアップを用いて設けることができ、精巧な多重ビームの調整の必要性を低減し、加工の安定性を増加させるという効果を有する。
【０１３１】
図８は、本発明に係るレーザー切断加工のさらなる実施形態を示しており、ずらして配置された溶融物の流動障壁を形成するように、さらなる溶融物排出ビーム６ａ、６ｂが切断方向において第１の溶融物排出ビーム６の後に続くように配設されている。さらなる溶融物の流動障壁は、漏洩溶融物を収集して閉じ込め、そのまま排出することにより、切り口９の形成品質を改善する。有利には、さらなる溶融物排出ビーム６ａ、６ｂは、例えばビームスプリッタユニット内に溶融物排出ビーム６を光学的に複製することによって設けられている。
【０１３２】
図９は、３つのレーザービームを使用した、本発明に係るキーホールレーザー切断加工の他の実施形態の概略的な横断面図を示している。溶融ビーム２の後方の溶融物溜まりに１つの大きな溶融物排出ビーム６を向けるよりもむしろ、図９において示される実施形態は、側壁１０に沿って且つ切り口９を介して下向きに案内される２つの溶融物排出ビーム（図示している）１１ａ、（図示しない）１１ｂによって形成されている。溶融物排出ビーム１１ａ、１１ｂのレーザーエネルギは、溶融物５内に結合され、切り口９から溶融物５を排出するためにクヌーセン層８内に蒸発圧を与える。溶融物５の排出に加えて、溶融物排出ビーム１１ａ、１１ｂはまた、切断エッジを整形するように側壁１０から材料を除去してもよい。
【０１３３】
溶融物排出ビーム１１ａ、１１ｂは、溶融ビーム２と比較して、同程度又はより小さい直径を有する。溶融物排出ビーム１１ａ、１１ｂは、互いに重なり合うように配置されてもよく、及び／又は、溶融物排出は、アシストガスを加えることによってさらに後押しされてもよい。上述したように、アシストガスは、軸外に又は同軸のノズルを介して加えられる。
【０１３４】
図１０は、本発明のさらなる有利な実施形態を示しており、切り口９の側壁１０に沿って案内される溶融物制御ビーム６５ａ、６５ｂは、上述したいずれかの実施形態に係る溶融物排出ビーム６によって形成された溶融物の流動障壁に組み合わされる。溶融物制御ビーム６５ａ、６５ｂは、例えばＤＯＥによって形成されるような凹状の溶融物排出ビームを補完してもよい。溶融物制御ビーム６５ａ、６５ｂは、切り口の壁に沿った溶融物の流動を最小化し、矢印によって示されるように、内側に向けられた溶融物の流動を形成するように適応されている。あるいは、側壁１０に添って案内される溶融物制御ビーム６５ａ、６５ｂ、障壁形成溶融物排出ビーム６、及び、任意には溶融ビーム２もまた、単一のＤＯＥを使用して設けられている。
【０１３５】
溶融物制御ビーム６５ａ、６５ｂは、１ｍｍ＊ｍｒａｄ未満、あるいは０．４ｍｍ＊ｍｒａｄ未満のビームパラメータ積を有する高強度ビームであるのが好ましい。
【０１３６】
高強度の溶融物制御ビーム６５ａ、６５ｂは、非常に小さいビーム径まで集束され、溶融物溜まりの側面上の固体液体界面に非常に近接して又は横切って溶融物排出ビーム６の凹状の先端に配置されてもよい。この配置により、高強度の溶融物制御ビーム６５ａ、６５ｂは、固体液体界面からの溶融物の収集を改善し、本発明に係る上述した実施形態におけるように、溶融物排出ビーム６によって形成された障壁によって閉じ込められた溶融物の流動を中央線に向かって案内する。さらにまた、溶融物制御ビーム６５ａ、６５ｂの強度、焦点、及び、正確な方向は、固体液体界面から溶融物を最適に収集するために、及び／又は、側壁１０を整形するために、溶融物排出ビーム６とは独立に調整され得、これにより、溶融物排出ビーム６の障壁の先端の周囲における溶融物の漏洩を低減させることができる。
【０１３７】
上述した実施形態はまた、上面図の図１１において示されたような４つのレーザービームを使用したレーザー切断加工と組み合わせられてもよい。高強度のレーザービーム２は、ワークピース１の材料を溶融して蒸発させ、キーホール３及び溶融物溜まり５を形成する。切断前線４は、溶融ビーム２が溶融物溜まり５を後方に形成しながらワークピース１を貫いて前進するのにともない、ワークピース１にわたって広がる。溶融物排出ビーム６は、切り口９を形成するワークピース１から溶融物５の大部分を排出するように、溶融ビーム２によって発生された溶融物５を基本的にカバーするように配置されている。中央の溶融物排出ビーム６に加えて、残りの溶融物を側壁１０から排出して切断エッジを整形するために、２つのさらなる溶融物排出ビーム１１ａ、１１ｂが切り口９の側壁１０に沿って溶融ビーム２の後に続いている。
【０１３８】
図１２は、本発明のさらなる実施形態に係る概略的な横断面図を示している。溶融物排出ビームの配置は、２つの副ビーム、すなわち、溶融物が上方に加工領域から離れるのを回避するためにキーホール３の周囲の溶融物に向けられた第１の溶融物排出ビーム１２ａと、溶融物５を切り口９から下向き方向に排出するために第１の溶融物排出ビーム１２ａの後に続くように配置された第２の溶融物排出ビーム１２ｂとを備える。実際には、第１の溶融物排出ビーム１２ａは、第２の溶融物排出ビーム１２ｂよりも強度が弱くてもよい。さらにまた、実際には、第１の溶融物排出ビーム１２ａは、キーホール内及びその周囲で、特に切断前線４において、溶融物５を適切に照射するために、前方を向くように傾けられてもよい。第２の溶融物排出ビーム１２ｂは、後方を向くように傾けられ、第２の溶融物排出ビーム１２ｂの方向と略平行な溶融物溜まりの表面７を形成してもよい。
【０１３９】
図１３は、本発明に係るレーザー加工装置のさらなる実施形態の上面図を示している。溶融物溜まり５は、ブロック矢印によって示されるような加工方向において、ワークピース１を貫いて前進する５つの溶融副ビーム１３を横向きに配置することによって形成されている。横向きの副ビーム１３のそれぞれは、キーホール３を形成する。溶融物５は、細い矢印によって示されるように、キーホール３の周囲を流れる。これにより、キーホール３の横向き配置は、ふるいのように作用し、流れを制御すると同時に、大きな溶融物溜まりを形成する。少なくとも１つの溶融物排出ビームが、図１３において示されていないことに留意すべきである。
【０１４０】
図１３における５つの副ビームの配置は、本発明に係る横向き配置の単なる１つの例である。横向き配置の他の数及び形状的な変形例は、当業者にとって自明である。
【０１４１】
溶融副ビームの有利な配置を有する本発明に係るレーザー切断加工のさらなる実施形態が、図１４及び図１５において示されている。ここでは３つの副ビーム１５が示されているが、多数の溶融副ビーム１５は、切断方向と平行に縦方向に直線配置されており、同一のキーホール３に向けられている。説明のために、少なくとも１つの溶融物排出ビーム６を示しながら、第４のビームが図１４及び図１５において示されている。
【０１４２】
本発明に係るレーザー加工装置についてのさらなる実施形態において、少なくとも１つの溶融ビーム及び／又は少なくとも１つの溶融物排出ビームは、直線偏光されている。直線偏光は、加熱、溶融、及び／又は、溶融物排出のための少なくとも１つのワークピース１の材料内へのレーザーエネルギの結合を最適化することができる。
【０１４３】
図１６において示される本発明に係るレーザー切断加工についての実施形態において、溶融ビーム２は、ブロック矢印によって示される切断方向と平行に整合された入射面１６にわたってワークピース１上に入射されている。明確にするために、溶融ビーム２のみが図１６において示されている。入射面は、切断前線４の中央においてワークピース１と交差する。溶融ビーム２は、入射面と平行な方向に偏光されている（ｐ偏光１８）。ｐ偏光１８は、切断前線４内への溶融ビーム２の結合を増加させ、これにより、切断速度が高まる。
【０１４４】
同様に、図１７は、溶融ビーム２が入射面に対して垂直な方向に直線偏光されている（ｓ偏光１９）、本発明に係る実施形態を示している。明確にするために、溶融ビーム２のみが図１７において示されている。ｓ偏光１９は、溶融ビーム２の隣の側壁１０内への溶融ビーム２の結合を増加させ、これにより、より広い切り口９が得られる。
【０１４５】
図１８は、溶融ビーム２、溶融物排出ビーム６、及び、切断エッジ整形用の追加の溶融物排出ビーム１１ａ、１１ｂを備える、図１１に係る加工の概略的な上面図を示しており、切断エッジ整形用の溶融物排出ビーム１１ａ、１１ｂは、直線偏光されている。溶融物排出ビーム１１ａ、１１ｂのそれぞれの偏光方向は、０°から９０°、あるいは３０°から６０°、好ましくは４０°から５０°の角度で前方においてワークピース材料内を向くように切断方向に対して回転させられる。
【０１４６】
本発明の１つの実施形態に係るレーザー加工システムが図１９において示されている。レーザー加工システムは、多数のレーザビームを放射するレーザービーム放射装置２０と、ビーム調整及び集束光学ユニット２２、２３と、移動装置２４とを備える。レーザービーム放射装置は、ファイバレーザーモジュール又は異なるレーザー源の組み合わせ等の多数のレーザーユニット２５を備え、レーザービームを別個にビーム調整及び集束光学ユニット２２、２３に案内するためのパッシブ光ファイバ等のビーム案内手段２６を含む。あるいは、レーザービーム放射装置２０は、ビーム調整及び集束光学ユニット２２、２３内に配置されて結合されている、レーザービームを多数のレーザービームに分割するためのビームスプリッタ光学系（図示しない）を備えてもよい。
【０１４７】
図１９において示された実施形態は、ビーム調整及び集束用の２つの光学ユニット２２、２３を有し、光ファイバ２６を介した光学ユニット２２、２３のそれぞれには、３つの分割したレーザービームが供給される。ビーム調整光学系２２、２３を用いて、レーザービームは、切断又は溶接等の加工用途に応じたエネルギ分布に組み合わされ、ワークピース１上に集束される。光学ユニット２２は、ワークピース材料を溶融してキーホールを形成するように適応されたいわゆる溶融ビームである少なくとも１つの第１のレーザービームを形成しており、他方の光学ユニット２３は、溶融物の選択された表面領域を加熱するように適応された、例えば切断用途におけるいわゆる溶融物排出ビームである少なくとも１つの第２のレーザービームを形成しており、これにより、材料は、材料の表面から蒸発され、溶融物を加工領域から押し出すための蒸発圧を発生させる。
【０１４８】
ワークピース１は、平行移動及び／又は回転ステージ等、光学ユニット２２、２３に対してワークピース１を移動させるための移動装置２４が設けられたワークテーブル上に配置される。移動装置２４はまた、固定されたワークピースに対して光学ユニット２２、２３を移動させるように適応されてもよいことに留意すべきである。あるいは、光学ユニット２２、２３には、ワークピース１にわたってレーザービームを走査するための遠隔走査光学系が設けられてもよい。制御ユニット２７は、所望の加工曲面に沿ってワークピース１を加工するために、レーザービーム放射装置２０と、光学ユニット２２、２３と、移動装置２４とを同時に制御するように設けられている。
【０１４９】
カメラ、ラインカメラ、フォトセンサ、フォトセンサのアレイ等の光学監視ユニット２８は、レーザー切断加工を監視するのを可能とする。図１９において示されるような軸外配置の代わりに、監視ユニット２８は、少なくとも１つの光学ユニット２２、２３と直線配置及び／又は一体形成されてもよい。
【０１５０】
ここで、図２０から図２２を参照する。実際には、単一の光学ユニット２１を介して少なくとも１つの溶融ビーム２及び少なくとも１つの溶融物排出ビーム６を設けるのが好ましい。図２０は、本発明に係るレーザー加工システムのさらなる実施形態を示しており、レーザービーム３３ａは、単一の光学ユニット２１によって設けられている。図２２を参照すると、光学ユニット２１は、コリメータ２９と、ファラデー回転子等の光学アイソレータ素子３０と、回転可能なミラー系３１又は電動ビーム及び偏光回転子と、集束光学系３２とを備えてもよい。システムはまた、アシストガス供給部３５を備える。アシストガスは、分離ノズルを介して、又は、図２０において示されるように、ワークピース１に面した光学ユニット２１の端部においてレーザービーム３３ａの周囲に略同軸で配置されたガスノズル３６を介して、レーザービーム３３ａに対して軸外に与えられ得る。
【０１５１】
図２１は、本発明に係るレーザー加工システムのさらなる実施形態を示している。システムは、単一の光学ユニット２１を有する。図２２を参照すると、光学ユニット２１は、コリメータ２９と、ファラデー回転子等の光学アイソレータ素子３０と、回転可能なミラー系３１等の電動ビーム及び偏光回転子と、集束光学系３２とを備えてもよい。
【０１５２】
図２１において示されるシステムは、アシストガスを使用することなく作動する。電動及びコンピュータ制御ミラー３８等の遠隔走査光学系３７は、光学ユニット２１とワークピース１との間に配置されている。遠隔走査光学系３７は、加工曲面に沿ってワークピース１の表面上にレーザービーム３３ａを移動させるように適応されたコンピュータ制御部２７と組み合わせられる。遠隔走査光学系３７によって与えられるワークピース１に対するレーザービーム３３ａの移動に加えて、且つ／又は、この移動と相俟って、さらなる移動が移動装置２４を用いて行われる。移動装置２４は、図２１において示されるような多軸電動ワークテーブル等のワークピースを移動させるための手段、及び／又は、ロボットアーム若しくは直交ガントリ系（図示しない）等の光学系を移動させるための手段を備えてもよい。
【０１５３】
図２２は、本発明に係るレーザー加工システムの１つの実施形態に係るビーム調整及び集束光学系２１の例を示している。３つの光学ファイバ２６が直線偏光されたレーザービーム３３を放射する。コリメート光学系２９は、レーザービーム３３を平行にし、後方反射光が後方に伝播してレーザー切断システムにおける光学部品を損傷しないように設けられた光学アイソレータ素子３０内にレーザービーム３３を案内する。
【０１５４】
実際には、上記コリメート光学系２９は、各光ファイバ２６用のコリメータレンズを備えてもよく、上記コリメータレンズは、光ファイバ２６の端部から出る分岐レーザー光３３を平行ビームに平行にするように適応されており、平行にした後、レーザービームが互いに略並行に伝播するように配置されている。
【０１５５】
上記光学アイソレータ素子３０は、例えば矢印によって示されるビームダンプに向かって偏光された後方反射光を選択的に向け直すように適応されたファラデー回転子を備えてもよい。異なる偏光を有する多数の異なるレーザービームを有して動作するシステムにおいて、光学アイソレータ素子３０は、１つが各偏光に対応する複数のファラデー回転子を備えてもよい。
【０１５６】
ミラー系３１は、光学アイソレータ３０から出るレーザービームの像及び偏光を光軸３４まわりに回転させるように配置されている。
【０１５７】
光学アイソレータ３０を離れたレーザービームは、光軸３４と略平行な方向におけるミラー系３１に入射する。第１のミラーＭ１は、光軸３４の方を向いている表面法線を有して光軸３４から離間されて配置された第２のミラーＭ２上において９０°よりも僅かに大きい角度だけレーザービームを屈折させるように光軸３４上に配置されている。第２のミラーＭ２は、第３のミラーＭ３は、レーザービームが光軸３４の方向に再度進むようにレーザービームを屈折させるように光軸３４上に配置された第３のミラーＭ３にレーザービームを反射させるように適応されている。光軸３４まわりにミラー系３１を回転させることにより、ミラー系３１を離れたレーザービーム３３ａの像は、ミラー系３１に入射するレーザービーム３３の対応する像に対して回転させられる。
【０１５８】
最後に、ミラー系３１を離れたレーザービーム３３ａは、集束光学系３２によってワークピース１上に集束される。
【０１５９】
ここで、図２３から図２５を参照する。本発明に係る好ましい実施形態において、全てのレーザービーム３３ａは、単一の光学ユニット２１を介して設けられている。単一の光学ユニット２１は、実質的に全ての要求されたビーム調整及び集束機能を組み込むとともに、加工領域上に与えられるべき所望のエネルギ分布の構築を扱う。実際には、単一の光学ユニット２１は、本発明に係るレーザー加工システムに着脱可能に固定され得るレーザー加工ヘッドとして作用する。レーザー加工ヘッドは、加工制御のための調整可能な特徴を備えてもよく、及び／又は、薄板切断、厚板における切断、大きい断面の溶接、突き合わせ溶接、異なる材料の溶接等の所定のタイプの加工のために設計されてもよい。
【０１６０】
以下において、多数の光学ユニットがレーザー切断タイプの加工ヘッドとして記載される。示される実施形態はまた、溶接用途に使用されてもよいことに留意されたい。
【０１６１】
図２３は、レーザー切断用の光学ユニット２１を示している。レーザービームは、光入力ポート４１に接続された光学ファイバ等のビーム案内手段２６を介して光学ユニット２１に送られ、光学ユニット２１のハウジング４０に入射する。ハウジング４０は、図２２を参照して説明されたような光学素子、より具体的には、好ましくは各光ファイバに対応したコリメート光学系２９と、ファラデー回転子等の光学アイソレータユニット３０と、関連するビームダンプ３９と、回転可能なミラー光学系３１と、出力端４２における集束手段３２とを備える。したがって、光学ユニット２１は、キーホール形成用の中央配置された溶融ビーム２と、僅かに後方に向くように傾けられた主要溶融物排出ビーム１２ｂと、ワークピース１の表面上の溶融ビーム２のスポットに向けられ且つ僅かに前方に向くように傾けられたいわゆる表面溶融物排出ビーム１２ａとを有する、図１２において示されるようなレーザービーム配置を設けるように適応されている。アシストガス３５は、レーザービーム２、１２ａ、１２ｂの集合体の周囲に略同軸に配置されたガスノズル３６を介して与えられ得る。図２において示される加工に対応するよりも簡便な実施形態において、表面溶融物排出ビーム１２ａ及び対応する光学系は、省略されてもよい。
【０１６２】
図２４は、アシストガス３５なしに遠隔走査するために適応されたレーザー加工ヘッドを示しており、図２３において示されるレーザー切断ヘッドの変形例である。アシストガスノズル３６の代わりに、電動コンピュータ制御ミラー３８を備える遠隔走査手段３７が光学ユニット２１の光出力端４２に配置されている。任意には、アシストガスは、軸外ノズル（図示しない）を介して加えられ得る。遠隔走査用のレーザー加工ヘッドは、例えば、図２１に係るシステムにおいて使用されてもよい。
【０１６３】
図２５は、図２３に係るレーザー加工ヘッドのさらなる発展例を示している。レーザー加工ヘッドは、５つのビームを有するレーザー加工ビーム配置を設けるように適応されている。溶融ビーム２に加えて、主要溶融物排出ビーム１２ｂ及び表面溶融物排出ビーム１２ａ、横向きに配置されたエッジ整形ビーム１１ａ、１１ｂ（図示しない）が、光学ユニット２１を介して設けられ得る。エッジ整形ビーム１１ａ、１１ｂは、ビーム案内手段２６を介して提供され且つ光入力ポート４１ａを介して光学ユニット２１内に結合された単一のレーザービームから発生される。単一のレーザービームは、偏光ビームスプリッタを用いて２つの直角偏光ビーム４９、５０に分割される。２つのビーム４９、５０は、横向き方向に、すなわち、図２５の図平面の外部に調整可能に相互に間隔をあけて配置されている。偏光ビームスプリッタ４３は、例えば、図２６を参照して以下に説明されるように、薄膜系４５、４６、４７からの反射を用いて入射ビーム４８を分割することができる。２つの直角偏光ビーム４９、５０の偏光は、図１８において示されるような所望の方向の直線偏光１７のエッジ整形ビーム１１ａ、１１ｂを得るように、偏光コントローラ４４によって回転され得る。ミラーＭを介して、エッジ整形ビーム１１ａ、１１ｂは、３つの他のレーザービーム２、１２ａ、１２ｂのビーム経路内に結合される。その後、５つの加工ビームの集合体は、図２２を参照して上述したように、ワークピース１上に一括して投射されて集束される。アシストガス３５は、光学ユニット２１の出力端４２においてレーザービームの集合体の周囲に同軸に配置されたガスノズル３６を介して加えられ得る。
【０１６４】
図２３及び図２４において示された光学ユニットと同様であって上述した図２５において示される光学ユニットはまた、光学ユニット２１の出力端４２において配置された遠隔走査光学系３７と組み合わされてもよいことに留意すべきである。
【０１６５】
図２６は、入射ビーム４８を２つの直角偏光ビーム４９、５０に分離するように適応された薄膜層系を示している。入射ビーム４８は、まず、入射角αで偏光選択コーティング４５に到達する。偏光選択コーティングは、第１の直線偏光（Ｘ偏光）で第１のビーム４９を直接的に反射し、第１の偏光に対して直角である第２の直線偏光（Ｙ偏光）で第２のビーム５０を伝達する。第２のビームは、スネルの法則にしたがって、厚みｔからなる透明層４６内に回折され、透明層４６の後方上の高反射表面４７おいて反射され、入射ビーム４８の入射面内で第１のビーム４９に対して距離ｄだけ変位された第１のビーム４９と平行に伝播するように、透明層４６の外部に回折される。距離ｄは、入射角αと、透明層４６の厚みｔ及び屈折率と、周囲媒体とによって決まる。したがって、入射ビームに対して薄膜層系を回転させることは、距離ｄを調整するのを可能とする一方で、層４６の厚みｔ及び屈折率の選択は、調整範囲を決定する。
【０１６６】
図２６における線Ａ−Ａに沿った、相互に間隔をあけたビーム４９、５０の横断面図が、図２７において示されている。
【０１６７】
ビームスプリッタ部品４３をカスケードすることにより、多数の相互に間隔をあけた高強度ビームが、調整可能な相互間隔を有して提供され得る。したがって、そのような配置はまた、例えば、主要溶融物排出のための副ビームの配置を形成するのに適している。
【０１６８】
本発明は、好ましい実施形態に関して記載された。しかしながら、本発明の範囲は、示された実施形態に限定されるべきではなく、上記本発明の要旨を逸脱せずに変更及び変形が実施可能である。
【符号の説明】
【０１６９】
１  ワークピース
２  溶融ビーム
３  キーホール
４  切断前線
５  溶融物
６、６ａ、６ｂ、１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、  溶融物排出ビーム
７  溶融物の表面
８  クヌーセン層
９  切り口
１０  側壁
１３、１５  溶融副ビーム
１６  入射面
１７  直線偏光
１８  ｐ偏光
１９  ｓ偏光
２０  レーザービーム放射装置
２１、２２、２３  光学ユニット
２４  移動装置
２５  レーザーユニット
２６、２６ａ  ビーム案内手段
２７  制御ユニット、コンピュータ制御部
２８  監視ユニット
２９  コリメータ
３０  光学アイソレータ素子
３１  回転可能なミラー系、レーザビーム
３２  集束光学系
３３、３３ａ  レーザービーム
３４  光軸
３５  アシストガス
３６  ガスノズル
３７  遠隔走査光学系
３８  コンピュータ制御ミラー
３９  ビームダンプ
４０  ハウジング
４１、４１ａ  光入力ポート
４２  出力端
４３  ビームスプリッタ
４４  偏光コントローラ、偏光回転素子
４５  偏光選択コーティング
４６  透明層
４７  高反射表面
４８  入射ビーム
４９、５０  直角偏光ビーム
６０、６１、６２ａ、６２ｂ  副ビーム
６３  追加の溶融物排出ビーム
６４  Ｕ字状横断面
６５ａ、６５ｂ  溶融物制御ビーム
Ｍ、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３  ミラー
ＡＧ  アシストガス破線
α  入射角
ｔ  厚み
ｄ  距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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