(57)【要約】本発明は、レーザービームを使用して部品を切削する方法であって、レーザービームを発生させるために、１乃至４μｍの波長を有する少なくとも１つのイッテルビウム系ファイバを含んだレーザービームの使用を含んだ方法に関する。レーザービームは、１００ｋＷ未満のパワーと、少なくとも１ＭＷ／ｃｍ2のパワー密度と、少なくとも０．１ｍｍの集束ビーム径と、１０ｍｍ．ｍｒａｄ未満のＱ値（ＢＰＰ）とを有するように選択される。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザービームを使用して被加工物を切削する方法であって、少なくとも１つのイッテルビウム含有ファイバを含み、１乃至４μｍの波長を有しているレーザービーム発生手段を使用してレーザービームを発生させ、前記レーザービームが、
−１００ｋＷ未満のパワーと、
−少なくとも１ＭＷ／ｃｍ2のパワー密度と、
−少なくとも０．１ｍｍの集束ビーム径と、
−１０ｍｍ．ｍｒａｄ未満のＱ値（ＢＰＰ）と
を有するように選択されることを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法であって、前記ファイバは、シリカ被覆されたイッテルビウムドープコアから形成されていることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の方法であって、前記イッテルビウム系ファイバが発生させるレーザービームは、１．０４乃至３μｍ、好ましくは１．０７μｍの波長を有することを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項記載の方法であって、前記レーザーの前記Ｑ値（ＢＰＰ）は、１乃至８ｍｍ．ｍｒａｄ、好ましくは２乃至６ｍ．ｍｒａｄであることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項記載の方法であって、前記レーザービームは、０．１乃至４０ｋＷ、好ましくは０．５乃至１５ｋＷのパワーを有することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１項記載の方法であって、前記レーザービームは、１．５乃至２０ＭＷ／ｃｍ2のパワー密度を有することを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項記載の方法であって、前記集束ビーム径は、０．１ｍｍ乃至０．５０ｍｍ、好ましくは０．１３乃至０．４０ｍｍであることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか１項記載の方法であって、前記レーザービームは、１乃至１０ｍｍ、好ましくは２乃至７ｍｍのローリー長（Ｚｒ）を有することを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか１項記載の方法であって、前記ビームは、０．２５°乃至５°の開口角（θ）と、前記集束レーザービームの径（２Ｗ0）を金属シート又はプレートの厚さ（Ｅ）で割ることによって定義される角度に対応した１．２５°乃至８°の角度（α）とで使用され、前記角度の和（α＋θ）が１．５°乃至８°であることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか１項記載の方法であって、前記レーザービーム用のアシストガスは、窒素、ヘリウム、アルゴン、酸素、ＣＯ2及びこれらの混合物から選択され、任意に、Ｈ2及びＣＨ4から選択される１種以上の追加の化合物も含有することを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１乃至１０の何れか１項記載の方法であって、切削すべき前記被加工物は、０．２５乃至３０ｍｍ、好ましくは０．４０乃至２０ｍｍの厚さを有していることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【０００１】
本発明は、イッテルビウム系ファイバレーザーソースを使用するレーザー切削方法に関する。
【０００２】
ＣＯ2レーザーソースを使用して、１０．６μｍの波長と、現時点では６ｋＷまでのパワーとを持つレーザービームを発生させるレーザー切削が、この産業において広く使用されている。というのは、このタイプのソースは、良好なビーム特性、すなわち良好なＱ値（Ｍ2、ＢＰＰなど）及び良好な空間エネルギー分布（ＴＥＭ０１*）を与えるからである。
【０００３】
これらＣＯ2レーザーソースを用いて、例えば、アルミニウム及びその合金、ステンレス鋼、炭素鋼、軟鋼などの金属及びそれらの合金、又は、木材、ボード、セラミックなどの他の非金属材料を切削することができる。
【０００４】
しかしながら、達成できる切削速度及びそこから得られる切削の質は、切削すべき材料に依存して、更には、アシストガスの性質、集束ビームの径及び入射レーザーのパワーなどの、採用される切削法パラメータに依存して、大いに変化しやすい。更には、コンタミネーションを避けるべく及びビームの良好な伝播に必要な一定の光学指数の媒体を維持するべく、光路は必ず不活性雰囲気中に保たれねばならない。
【０００５】
これら問題を緩和する試みの中で、レーザー切削において、Ｎｄ:ＹＡＧレーザーデバイスを使用することが提案されている。この場合、ビームを発生させる共振器は、ネオジム（Ｎｄ）ロッドである固体の増幅媒体を含んでおり、かくして得られるビームは、次に、光ファイバを介して集束ヘッドへと送られる。
【０００６】
しかしながら、この解決策は、産業的な観点からは満足できるものではない。というのは、それは、ビームのＱ値（ＢＰＰ）がレーザー切削に適切でないからだけではなく、ビームの横エネルギー分布がガウシアンではなく、シルクハット（top hat）プロファイルを有し、焦点を越えると、横エネルギー分布がさらにランダムであるために、切削の質及び切削速度の点で芳しくない結果を与えるからである。
【０００７】
それ故に、生ずる問題は、上述の欠点及び制限を持たず、且つ、当該厚さに応じて、１５乃至２０ｍ／分までの速度又はそれよりも高い速度と、良好な切削の質、すなわちバリがなくわずかしか粗さを持たない真っ直ぐな切削面とを達成することができる改善されたレーザー切削方法を、如何にして提供するかにある。
【０００８】
それ故に、本発明の解決策は、レーザー切削方法であって、少なくとも１つのイッテルビウム含有ファイバを含んだレーザービーム発生手段を使用して、被加工物を溶融させるレーザービームを発生させ、かくして実際の切削を行う方法である。
【０００９】
より正確には、本発明は、レーザービームを用いて被加工物を切削する方法であって、少なくとも１つのイッテルビウム含有ファイバを含み、１乃至４μｍの波長を有しているレーザービーム発生手段を使用してレーザービームを発生させる方法に関する。
【００１０】
本発明に従うと、レーザービームは、
−１００ｋＷ未満のパワーと、
−少なくとも１ＭＷ／ｃｍ2のパワー密度と、
−少なくとも０．１ｍｍの集束ビーム径と、
−１０ｍｍ．ｍｒａｄ未満のＱ値（ＢＰＰ）と
を有するように選択される。
【００１１】
更に、本発明に従うと、レーザービーム発生手段は、レーザービームを発生させるために、増幅媒体とも呼ばれる少なくとも１つの被励起素子（excited element）と協同する少なくとも１つの励起素子（exciter element）、好ましくは複数の励起素子を含んでいる。励起素子は、好ましくは、複数のレーザーダイオードであり、被励起素子は、イッテルビウムコアを持ったシリカファイバであるか、又は、好ましくは、複数のこのようなファイバである。
【００１２】
更には、本発明の文脈では、用語「レーザービーム発生手段」及び「共振器」を、区別なく使用する。増幅媒体が、コアがイッテルビウムに基づいた特別な光ファイバのアレイであるので、このタイプのレーザーソースは、通常、「ファイバ」レーザー又は「イッテルビウムファイバ」レーザーソースと呼ばれる。
【００１３】
場合に応じて、本発明の方法は、以下の特徴の１つ以上を含み得る。
【００１４】
−ファイバは、シリカ被覆されたイッテルビウムドープコアから形成されている；
−イッテルビウム系ファイバが発生させるレーザービームは、１．０４乃至５μｍ、好ましくは１．０７乃至１．１μｍ、より好ましくは１．０７μｍに等しい波長を有する；
−レーザービームは、０．１乃至４０ｋＷ、好ましくは０．５乃至１５ｋＷのパワーを有する；
−レーザービームは、連続又はパルスであり、好ましくは連続である；
−切削速度は、０．１乃至２０ｍ／分、好ましくは１乃至１５ｍ／分である；
−レーザービーム用のアシストガスは、窒素、ヘリウム、アルゴン、酸素、ＣＯ2及びそれらの混合物から選択され、任意に、Ｈ2及びＣＨ4から選択される１種以上の追加の化合物も含有する；
−より一般的には、アシストガスの圧力は、約０．１ｂａｒ乃至２５ｂａｒであり、切削すべき厚さに応じて選択される；
−ガス注入オリフィスの径は、０．５乃至５ｍｍ、典型的には１乃至３ｍｍである；
−レーザーのＱ値（ＢＰＰ）は、１乃至８ｍｍ．ｍｒａｄ、好ましくは２乃至６ｍｍ．ｍｒａｄである；
−レーザービームは、１．５乃至２０ＭＷ／ｃｍ2のパワー密度を有する；
−集束ビーム径は、０．１ｍｍ乃至０．５０ｍｍ、好ましくは０．１３乃至０．４０ｍｍである；
−レーザービームは、１乃至１０ｍｍ、好ましくは２乃至７ｍｍのローリー（Raleigh）長（Ｚｒ）を有する；
−ビームは、０．２５°乃至５°の開口角（θ）と、集束レーザービームの径（２Ｗ0）を金属シート又はプレートの厚さ（Ｅ）で割ることによって定義される角度に対応した１．２５°乃至８°の角度（α）とで使用され、角度の和（α＋θ）は１．５°乃至８°である；及び
−切削すべき被加工物は、０．２５乃至３０ｍｍ、好ましくは０．４０乃至２０ｍｍの厚さを有する。
【００１５】
実際、切削プロセスにおいて効力を発揮するレーザー照射の主な特性は、レーザーの波長、ビームのＱ値（Ｍ2、Ｋ、ＢＰＰ）、ソース出口で測定されるビームの径、レーザーの入射パワー及び切削すべき材料の表面近傍にレーザーを集束させる方法である。
【００１６】
イッテルビウム「ファイバ」レーザーソースの波長は、概して、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーのそれに近い。即ち、約１．０７μｍである。
【００１７】
一般に、このタイプのイッテルビウムファイバレーザーソースについて、ビームの性質を特徴付けるのに、ＢＰＰ（ビームパラメータ積（Beam Parameter Product））が使用される。ＢＰＰは、ビームウェストの位置でのビーム径とその広がり角との積として定義される。ＢＰＰは、ｍｍ．ｍｒａｄ．で表される。ＢＰＰが小さいほど、ビームの質はより良好である。
【００１８】
産業的観点から、これらイッテルビウムファイバレーザーソースは、良好なビームの質を維持しながら、光ファイバを介して、作業領域の近くにある集束システムに対して直角に伝播されるという利点を有する。それ故に、ソースの出口で得られるビームの径は、それを運ぶ光ファイバの有効径に等しい。
【００１９】
これらビームのパワーレベル及びＱ値は、特に切削速度及び切削の質の点で、このレーザー切削プロセスにとって満足できるものである。このタイプのソースを用いて得られるパワーレベルは、１００Ｗ乃至４０ｋＷであり、それらのＱ値（ＢＰＰ）は、０．３ｍｍ．ｍｒａｄ．乃至１５ｍｍ．ｍｒａｄ．において変化する。更には、伝播用の光ファイバの径は、それが送らねばならないレザーパワーに応じて変化する。パワーが高いほど、ファイバの径は大きい。
【００２０】
従って、例えば、２ｋＷのパワーに対しては、使用されるファイバは、５０μｍの径と２ｍｍ．ｍｒａｄ．のＢＰＰとを有するであろうし、４ｋＷに対しては、その径は１００μｍであり、そのＢＰＰは４ｍｍ．ｍｒａｄ．であろう。
【００２１】
更に、使用されるソースのタイプに関わらず、ソースから出力されるレーザービームは、レンズ又は特別な光学系、例えば複数の鏡などの集束手段によって集束されねばならない。使用されるレンズの性質に応じて、集束ビームの特性が変化し、結果として、レーザー切削の性能が変更される。レンズ及びビーム集束の実行についての選択は、当業者の一般知識の一部を成している。
【００２２】
実際面では、ファイバレーザーソースのＢＰＰは、レーザービームを発生させるソースに含まれている基本繊維の数を変更することによって変化させられ得る。これは、基本繊維の各々が、一般に、約０．３ｍｍ．ｍｒａｄ．のＢＰＰを有する単一モード（mono-mode）のビームを与えるからである。結果として、繊維の数及びそれらの「バンドル」され方が、様々なＢＰＰ値を与える。次に、これら基本繊維レーザーは、様々な手段により、伝播用の光ファイバ内に入射させられる。この伝播用光ファイバの径が大きいほど、出力ビームのＢＰＰは高い。従って、所定のパワーに対して、かなりの広い範囲に亘ってＢＰＰを変化させることができ、それによって、所望のＢＰＰ、即ち、１０ｍｍ．ｍｒａｄ．未満、好ましくは１乃至８ｍｍ．ｍｒａｄ．、より好ましくは２乃至６ｍｍ．ｍｒａｄ．の本発明に従うＢＰＰを選択することができる。
【００２３】
このビームは、一般的に、切削すべき材料上に、２つの光学レンズを使用して集束させられる。これらレンズの特性は、所望の径のフォーカルスポット、即ち、少なくとも０．１ｍｍの集束ビーム径を被加工物上に得るように、当業者によって経験的に決定される。この径は、一般的に、伝播用ファイバの出口の径と、選択された焦点距離と、ファイバの出口でのＢＰＰとに依存する。
【００２４】
最終的に、平均パワー密度は、レーザービームのパワーの、このレーザービームを用いて得られるフォーカルスポットの面積に対する比であり、それ故に、フォーカルスポットの径に依存する。これらパラメータを決定することは、当業者にとって特に難しいことではない。
【００２５】
集束レーザービームが、常に、以下のように定義される開口角（２θ）を持つという結果になる。
【００２６】
ｔａｎ（θ）    ＝  １／２  Ｄ／Ｆ
ここで、図２に図式的に示されているように、Ｄはレンズの表面での入射ビームの径であり、Ｆはその焦点距離である。
【００２７】
レーザー切削プロセスの性能は、材料によるレーザーエネルギーの吸収に直接依存する。この吸収は、切削すべき材料の性質と、レーザービームの特性，特には、上で説明したように波長であるが、ビームと切削すべき材料との間の入射角及びその偏り（polarisation）でもある，とに依存する。
【００２８】
例えば、図５は、入射角と偏りとに依存する、ＣＯ2レーザービーム及びＮｄ：ＹＡＧレーザービームの吸収のばらつきを示しており、これは、F. Dausinger（Stuttgart University）、“Laser with different wavelengths − implication for various applications”、ECLAT 90、 Vol. 1、3rd Conference on Laser Treatment of Materials、 p． 1-14に説明されている。
【００２９】
Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの１．０６μｍという波長に非常に近いイッテルビウムファイバレーザーの１．０７μｍという波長は、Ｎｄ：ＹＡＧと同様の最大エネルギー吸収を示唆するが、ＣＯ2レーザーとは入射角が異なる。
【００３０】
切削プロセスの最中、「切削端面」（'front avant' de decoupe）と呼ばれる定常境界領域が、固体金属と液体金属との間に確立される。確立される端面は、切削の長さ全体に亘って変化しない角度αとともに、ビームの進行の速度と、その特性とに依存する。
【００３１】
図３に示された最大角αは、選択された最大切削速度における切削の最中に溶融金属の端面が為す角に対応した理論量として、
ｔａｎ（α）  ＝  ２Ｗ0  ／  Ｅ
と定義され、ここで、２Ｗ0は集束ビームのウェストに対応し、Ｅは切削すべき被加工物の厚さに対応する。
【００３２】
所定のレーザービームについては、切削すべき金属シート又はプレートの厚さが大きいほど、角度αは小さくなる。所定の厚さの切削すべき材料については、フォーカルスポットが大きいほど、角度αは大きくなる。
【００３３】
それ故に、端面に対するビームの最大入射角は、角度（α＋θ）によって定義される。この角度は、いわば、レーザービームのその中心から最も遠い光線が切削端面に対してなす角度に対応する。
【００３４】
切削プロセスにおける他の重要な側面は、大きなばらつきなしに、レーザーエネルギーを、材料の厚さの芯部内に分布させる能力である。ローリー長、即ち被写界深度（profondeur de champ）は、ビーム径が５％を超えて増加しない、ビームの伝播軸に沿ったウェストからの距離である。
【００３５】
この領域内ではエネルギー分布が著しく変化することがないことと、この値が切削すべき材料の厚さに関連するに違いないこととが考えられる。
【００３６】
ローリー距離Ｚｒは、以下の等式によって、ビームのＱ値であるＢＰＰと関連付けられ得る。
【００３７】
Ｚｒ  ＝  Ｗ02  ／  ＢＰＰ
ここで、Ｗ0は、ウェストの位置でのビームの径である。
【００３８】
それ故に、切削方法を改善することが所望される場合には、Ｑ値を、それゆえ、ローリー長を考慮に入れることが最も重要である。
【００３９】
従って、切削プロセスを改善するのを望むべく、集束レーザービームの径φを考慮に入れることも必要であることが理解されるであろう。というのは、このパラメータは、角度αに対して、そして結果的には和α＋θによるビームの吸収に対して直接的な影響を有しているからである。
【００４０】
この点から、これら様々なパラメータを何よりも特に考慮に入れて、以下に述べられる比較試験が、特には以下の表に挙げられるパラメータ及び条件を採用して行われた。
【００４１】
これら試験を通じて、レーザービーム３を使用してステンレス鋼被加工物１０を切削するのに、図１に模式的に示された装置が使用された。この装置は、波長が１．０７μｍであるレーザービーム３を発生させるイッテルビウムドープコアを有したシリカファイバを具備した共振器２又はレーザービーム発生手段を備えた２ｋＷのレーザーソース１を具備している。
【００４２】
ビーム３は、場合に応じて５０μｍ又は１００μｍの径を持つ石英ガラスからなる光ファイバなどのビーム搬送手段４を通して、ビーム３と被加工物１０との間の相互作用が起こる領域１１まで伝播し、そこで、このビームが、切削すべき被加工物に当たり、前記被加工物を構成する材料を溶融させ、端面の移動によって切溝を漸次形成する。
【００４３】
このファイバ４を出ると、レーザービーム３は、特定の光学的特性と、当該ファイバ径に応じて、それぞれ、２又は４．２ｍｍ．ｍｒａｄ（±０．２ｍｍ．ｍｒａｄ）であるＱ値（ＢＰＰ）とを有する。次に、ビーム３は、ファイバから出て行くビームの広がりを制限し且つレーザービームを平行にするように被覆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備えた光学コリメータ５を使用して平行化される。
【００４４】
図２及び図３に概略的に示された原理に従って、次に、平行ビーム３は、以下の表に挙げられた５ｍｍ乃至７．５ｍｍの焦点距離を有する被覆石英ガラスレンズ６によって、厚さがＥの切削すべき被加工物１０の上に又はその中へと集束される。被加工物１０に当たる前に、ビーム３はレーザーヘッド５を軸方向に通り抜ける。レーザーヘッド５は、切削すべき被加工物１０と対向して位置した軸方向出口オリフィス８を有したノズル７を備えており、ビーム３及びアシストガスが前記オリフィスを通る。ノズルのオリフィスは、０．５ｍｍ乃至５ｍｍ、好ましくは１ｍｍ乃至３ｍｍであり得る。
【００４５】
レーザーヘッド５自身は、ガスインレット９を介して、アシストガス、例えば窒素、アルゴン、ヘリウム若しくはこれらガスのうちの幾つかからなる混合物などの不活性ガスか、又は、例えば酸素などの活性ガスか、又は活性ガス／不活性ガスの混合物が供給され、使用すべきガスの選択は、切削すべき材料に依存する。
【００４６】
被加工物が所望の切削経路に沿ってレーザーヘッド５に対して相対移動するとき、加圧アシストガスが、被加工物１０に形成された切溝１２から溶融金属を除去するのに使用される。被加工物を定置し、切削ヘッドを移動させるといった逆の解決策は、同様の結果を与える。
【００４７】
他のパラメータ（Ｚｒ、ＢＰＰ、角度など）の値が、以下の表に挙げられている。
【表１】
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【００４８】
切削試験は、１．５ｍｍ乃至６ｍｍの厚さを有したステンレス鋼被加工物に対して行われた。
【００４９】
使用されたガスは窒素であり、これが、１．５及び２ｍｍの厚さ用の１．５ｍｍのオリフィスと、４及び６ｍｍの厚さ用の２ｍｍ径のオリフィスとを有したレーザー切削ノズルを通して、０．６乃至２５ｂａｒの様々な圧力で、ビームと被加工物とが相互作用する領域へと注入された。
【００５０】
得られた結果は、切削の質の点で或る良好な結果を有しており、図４にプロットされている。得られた結果についての点を超えた範囲を補外した曲線は、ｙ軸にプロットされた角度の和（α＋θ）と、ｘ軸にプロットされた切削すべき被加工物の厚さ（Ｅ）との間に密接な関係があることを示していることが分かり得る。
【００５１】
言い換えると、得られた結果は、以下の条件のうちの全て又は幾つかが満たされた場合のみ、１．０７μｍの波長を持つイッテルビウム「ファイバ」タイプのレーザービームソースを使用する切削が満足できるものであることを示している。
【００５２】
−ビームのパワーは、１乃至１００ｋＷである；
−集束パワー密度は、少なくとも１ＭＷ／ｃｍ2、好ましくは１ＭＷ／ｃｍ2乃至１００ＭＷ／ｃｍ2、有利には少なくとも３ＭＷ／ｃｍ2か又は少なくとも３．２ＭＷ／ｃｍ2である；
−集束レーザービームの径（φ）は、少なくとも０．１ｍｍ、好ましくは０．１５乃至０．３ｍｍである；
−Ｑ値（ＢＰＰ）は、１０ｍｍ．ｍｒａｄ未満、好ましくは１．５乃至６ｍｍ．ｍｒａｄである；
−角度の和（α＋θ）は、以下の変化曲線に従わなければならず、即ち、１ｍｍ乃至１５ｍｍの厚さを持つプレートについては、角度は１°乃至８°である；
−ローリー長Ｚｒは、０．１ｍｍ乃至４０ｍｍであり、Ｚｒの値は、有利には、切削すべき金属シート又はプレートの厚さＥの少なくとも半分に対応して選択される。
【００５３】
従って、一例として、バリのある切削を提供した、表に示す最後の２つのパラメータの組が挙げられ得る。分析から、それらは上述の基準を満たしておらず、特に、角度（α＋θ）と切削厚との間の対応がなく、パワー密度が低過ぎることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】記載なし。
【図２】記載なし。
【図３】記載なし。
【図４】記載なし。
【図５】記載なし。
【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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【国際調査報告】
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2009525189.tif 000010
2009525189.tif 000011
2009525189.tif 000012
2009525189.tif 000013
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