(57)【要約】【課題】レーザービーム（３，１３，２３）による物質（切断される試料）の切断方法、及びその方法を実施する装置を提供すること。【解決手段】レーザービーム（３，１３，２３）が走行し、レーザービーム補助ガス流が流れる集中／発散ノズル（２）と組合せて、幾つかの別々の焦点（ＦＰ１，ＦＰ２）にレーザービーム（３，１３，２３）を収束させるように、レンズ等のような少なくとも１つの多焦点光学手段（１）を用いること。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザービーム（３，１３，２３）が走行し、レーザービーム補助ガス流が流れる集中／発散ノズル（２）と組合せて、幾つかの別々の焦点（ＦＰ１，ＦＰ２）にレーザービーム（３，１３，２３）の焦点を結ぶように、少なくとも１つの多焦点光学手段（１）を用いる、レーザービーム（３，１３，２３）による物質の切断方法において、
前記光学手段は、レーザービームを中央サブビームと周辺サブビームに分割し、中央サブビームは第２の焦点（ＦＰ２）に焦点を結び、周辺サブビームは第１の焦点（ＦＰ１）に焦点を結び、
前記光学手段は、少なくとも、切断される試料の上面に近接して、好ましくは前記上面と一致するように、又は前記上面に近接する領域における切断される試料の厚さ内に位置する、第１の焦点（ＦＰ１）、及び切断される試料の下面に近接して、かつ試料の厚さ内に又は前記下面を越えて位置する第２の焦点（ＦＰ２）を得るように設計されていることを特徴とする物質の切断方法。
【請求項２】
前記多焦点光学手段は、レンズ、ミラー、及びその組み合わせから選択されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記光学手段は、二焦点レンズ又は幾つかのレンズの組み合わせであることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記補助ガスは、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、水素、二酸化炭素及びその混合物から選択されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記物質は、非合金又は低合金鋼、ステンレス鋼、クラッド鋼、アルミニウム、又はアルミニウム合金からなる試料であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記切断される試料の厚さは、０．８ｍｍ〜２０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記切断される試料の厚さは、２〜１２ｍｍであるであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記切断される試料は、板、シート、及び管から選択されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記ガスは、０．５〜３０バールの圧力にあることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記ガスは、１〜２８バールの圧力にあることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビームを幾つかの異なる焦点に収束させるために、多焦点光学ビームを収束させる手段、特に二焦点レンズ型の収束手段を採用するレーザビーム切断方法に関する。前記手段は、切断方法のための補助ガス流を放出するために、ラバル（Ｌａｖａｌ）ノズルと呼ばれる、所定の集中／発散構造を有するノズルと組み合わされている。
【背景技術】
【０００２】
通常、レーザビームによる物体の切断方法の実行に際しては、レーザビームによる溶融物質の運動力学的効果による排出を促進する役割を有する補助ガスが、ノズルを通して供給される。ノズルの内部形状は、ノズルの供給ガス圧との組み合わせで、切断溝の上及び中におけるガス流の特徴、特に切断溝の入口、即ち溶接ノズルに面する物質の上面における動圧を決定する。
【０００３】
更に、切断される試料に対する補助ガスの効果的な流路形成が望まれるときには、集中／発散型の、ラバル（Ｌａｖａｌ）ノズルと呼ばれる、軸対称内部形状を有するノズルを用いることが知られている。そのようなノズルは、発散部に生ずる超音波膨張により、放出するガスをかなり加速させるからである。その結果、同一の供給圧力及び同一のガス流量について円筒ノズルで得られるものよりも大きい動圧が発生する。
【０００４】
しかし、これまで、この型のノズルの特定の形状、特に通常の円筒型のノズルと比較して長さが大きく、切断溝はノズルの最小断面（スロート部）から必ず遠いという事実のため、切断される試料に対する焦点の正確な位置を維持しつつ、ノズルの孔内に、ビーム／ノズルの接触無しに、高出力レーザ（ＴＥＭ００又はＴＥＭ０１＊モード）により放出された通常のビームの火面、即ち外包絡面を収容することは、不可能ではないにしても、困難である。
【０００５】
レーザビームとノズルの壁との間の何らかの接触がこの壁を加熱し、損傷を加速させるか、或いはある場合にはほぼ完全に損傷させ、そのため、しばしば若しくは定期的な交換を必要とすることに注意すべきである。
【０００６】
その結果、この型のノズルは、かなりの技術的困難性又は最適でない動作をもって、レーザ切断に使用し得るに過ぎなかった。
【０００７】
このように、通常のレーザービームに集中／発散ノズルを用いることは、次のような結果を生ずる。
【０００８】
焦点において低い出力密度しかないことを意味する壁との接触なしに、ビームの包絡面をノズル内に収容させるために、非常に長い焦点距離を有する光学部品の使用、
或いは、切断される試料から最適でない距離、特に高すぎるポイント、即ち、レーザービームを放出するノズルに面して位置する、切断される試料の上面に近接し過ぎるポイントに焦点距離を設置すること、
或いは、補助ガスの消費をかなり増加させることを意味する、スロート部において非常に広い断面を有する集中／発散ノズルの使用。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、その欠点を有することのないラバルノズルを用いる利点から利益を得ること、及び通常の方法よりも切断速度を増加させることを可能とする、補助ガスを用いたレーザービーム切断方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
従って、上記課題を解決する本発明は、レーザービーム（３，１３，２３）が走行し、レーザービーム補助ガス流が流れる集中／発散ノズル（２）と組合せて、幾つかの別々の焦点（ＦＰ１，ＦＰ２）にレーザービーム（３，１３，２３）を収束させるように、少なくとも１つの多焦点光学手段（１）を用いる、レーザービーム（３，１３，２３）による物質（切断される試料）の切断方法を提供する。
【００１１】
場合により、本発明の方法は、以下の技術的特徴の１つ又はそれ以上を含む。
【００１２】
少なくとも、切断される試料の上面に近接して、好ましくは前記上面と一致するように、又は前記上面に近接する領域における切断される試料の厚さ内に位置する、第１の焦点（ＦＰ１）、及び切断される試料の下面に近接して、かつ試料の厚さ内に又は前記下面を越えて位置する第２の焦点（ＦＰ２）を得るように、光学手段が設計されている。
【００１３】
光学手段はレーザービームを中央サブビームと周辺サブビームに分割し、中央サブビームは第２の焦点（ＦＰ２）に収束し、周辺サブビームは第１の焦点（ＦＰ１）に収束する。
【００１４】
補助ガスは、酸素、窒素、アルゴン、ヘリウム、水素、二酸化炭素及びその混合物から選択される。
【００１５】
物質は、非合金又は低合金鋼、ステンレス鋼、クラッド鋼、アルミニウム、又はアルミニウム合金からなる試料である。
【００１６】
多焦点光学手段は、レンズ、ミラー、その組み合わせ、好ましくは二焦点レンズ、又は幾つかのレンズの組み合わせから選択される。
【００１７】
切断される試料の厚さは、０．８ｍｍ〜２０ｍｍ、好ましくは２〜１２ｍｍである。
【００１８】
切断される試料は、板、シート、及び管から選択される。
【００１９】
ガスは、０．５〜３０バール、好ましくは１〜２８バールの圧力にある。
【００２０】
本発明はまた、本発明の方法を実施し得る、補助ガスにより補助されたレーザービーム切断のための装置に係り、この装置は、
少なくとも１つのレーザービームを発生する少なくとも１つのレーザー発生器；
相互に異なる少なくとも第１の焦点（ＦＰ１）及び切第２の焦点（ＦＰ２）にレーザーサブビームを収束させることにより、前記レーザービームを少なくとも２つのレーザーサブビームに分割する、少なくとも１つの多焦点光学手段；
前記レーザーサブビームが通過する、少なくとも１つの集中／発散ノズル；及び
前記集中／発散ノズルに補助ガスを供給するための、少なくとも１つの補助ガス源
を具備する。
【発明の効果】
【００２１】
上述の記載から明らかなように、本発明は、集中／発散ノズルと多焦点部材又はレンズ、即ち幾つかの焦点距離を有する多焦点部材又はレンズとの組み合わせの使用に関するものであり、それにより、特にレンズ、光学部品、又は多焦点部材から出るビームの衝撃により発生する熱流速の良好な分布により、かつ集中／発散内部分布を有するノズルの使用から生ずる改良された運動力学的効果により、上記２つのデバイスの利点を有利に組合せることを可能とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明では、レーザービームの空間分布は、多焦点レンズ、ミラー、光学部品又は部材の使用により変化するので、包絡面は、壁と接触する危険なしにノズルの孔内に完全に閉じ込められる。
【００２３】
「多焦点レンズ、ミラー、光学部品又は部材」という表現は、文献ＥＰ−Ａ−９２９ ３７６に記載されているように、レーザー出力源、例えばＣＯ２又はＮｄ：ＹＡＧレーザーにより発したメインレーザービームを幾つかの（通常２つの）交差するサブビームに分割することにより、ノズルオリフィスの軸に沿って位置する、一般に２つの別々の点である、幾つかの焦点に同時に収束させる、１つ又はそれ以上の光学デバイスを意味するものと理解される。なお、分割されたサブビームのうち中央サブビームは、切断される試料の厚さ中の、周辺サブビームの下に収束する。
【００２４】
多焦点光学手段又はデバイスは、以下のように示されるが、より詳細には、文献ＥＰ−Ａ−９２９ ３７６（＝ＷＯ９８／１４３０２）を参照することが出来る。
【００２５】
レーザービーム発生器により放出されたメインレーザービームは、レーザーノズルの長軸に沿って位置する第１の焦点ＦＰ１及び第２の焦点ＦＰ２を得るように、二焦点光学手段により、典型的には２つのサブビームに分割される。
【００２６】
二焦点光学手段により得られた、より大きな角度の収束（周辺サブビーム）から生ずる第１の焦点ＦＰ１は、切断される試料の上面に近接して、好ましくは前記上面に一致するように、又は前記上面に近接する領域にある物質の厚さ中に位置する。
【００２７】
更に、二焦点光学手段により得られた、より小さい角度の収束（中央サブビーム）から生ずる第２の焦点ＦＰ２は、切断される試料の下面に近接して、物質の厚さ中又は前記下面を越えて位置する。
【００２８】
言い換えると、周辺サブビーム及び中央サブビームは同軸であり、異なる収束角を有する。
【００２９】
サブビームのそれぞれについて選択される収束角は、レーザー切断手段が備えるノズルの長さ及び形状、切断される物質の厚さ、それぞれの焦点の位置の選択等に従って、渡欧業者により経験的に選択することが出来る。
【００３０】
比較実施例
例として、表Ｉ及びＩＩは、様々なレンズ／ノズルを用いた補助ガスによるレーザービーム切断方法を実施したときの、光学部品（一焦点又は多焦点光学部品）とノズル（円筒状又は集中／発散ノズル）の様々な組み合わせにより得られた結果を比較する。
【００３１】
これらの試験中、３ｍｍの厚さのステンレス板が、表Ｉ及びＩＩに詳細に示すように、レーザービーム補助ガスとして純窒素を用い、様々なレンズ／ノズルの組み合わせを用いて、出力１５００ＷのＣＯ２型レーザー発生器により放出されたレーザーにより切断された。表Ｉの試験Ａ〜Ｄは、切断ガスの圧力及び流量（流量＝１５ｍ３／ｈ）を一定にして実施され、一方、表ＩＩに示す試験（試験Ｅ〜Ｈ）は、切断速度を一定に維持して（＝２．２ｍ／分）実施された。
【００３２】
しかし、(ノズル／試料距離、焦点の位置、前ガス及び後ガスの期間等のような）すべての他の操作条件は、同一であった。
【００３３】
使用されたガスは、ＬＡＳＡＬ２００１という商品名でエールリキッド社から市販されている窒素であった。
【表１】
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【表２】
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【００３４】
これらの試験は、レーザービーム切断において本発明による（二焦点光学部品／ラバルノズルの）組み合わせを用いることにより、通常のデバイスに用いられるのと同一の流量が用いられる時に、切断スピードの増加が得られるか、又は通常のデバイスに用いられるのと同一の切断スピードのために必要とされる補助ガスの消費量の減少が得られる。
【００３５】
本発明のレーザー切断装置の切断ヘッドは、添付図面に模式的に示されており、このヘッドは、１つ又はそれ以上の透明又は反射光学手段１、例えば二焦点レンズと、試料４が切断されるような集中／発散輪郭を有するラバルノズル２とを組合せの形で備える。なお、二焦点レンズは、このレンズ１により２つのサブビームに分割されたメインレーザービーム３から、同時に２つの別々の焦点ＦＰ１及びＦＰ２を得ることを可能とする。
【００３６】
そのような装置は、レーザービーム３を発生する、少なくとも１つのＣＯ２型又はＮｄ：ＹＡＧ型レーザー発生器、メインレーザービーム３の分割から生じた２つのレーザーサブビーム１３，２３が通る、補助ガスを放出する集中／発散ノズル２、２つの焦点ＦＰ１及びＦＰ２に焦点を結ぶようにレーザービーム３を第１のレーザーサブビーム１３と第２のレーザーサブビーム２３に分割するための少なくとも１つの光学手段１、及び補助ガスをノズル２に供給するための少なくとも１つのレーザービーム補助ガス源を具備する。なお、補助ガスのノズル２への導入は、通常、１つ又はそれ以上のガス入口オリフィスを通して行われる。
【００３７】
本発明の範囲内で使用され得る幾つかの焦点を有するレンズ型の光学手段１は、文献ＷＯ−Ａ−９８／１４３０２に記載されており、またＶ＆Ｓ社から市販されている。
【００３８】
しかし、より大きな収束角、この場合サブビーム２３の角度βが、切断される試料４の上面に近接して、好ましくは前記上面と一致するか又は前記上面に近い領域における物質の厚さ内に位置するように、一方、より小さい収束角、この場合サブビーム１３の角度βから生じた第２の焦点ＦＰ２が物質の厚さ内の試料の下面に近接して、又は下面を越えて位置するように、これらの光学手段が２つの焦点ＦＰ１及びＦＰ２において収束するならば、他の光学手段を用いてもよい。
【００３９】
このフォーカスの型は、２つのサブビームが交差するので、クロスフォーカスとも呼ばれる。
【００４０】
上述したように、ノズル２は、例えば０．５ｍｍ〜３ｍｍの径、１ｍｍ〜６ｍｍの集中／発散部の長さを有する、集中／発散内部形状のラバルノズルである。
【００４１】
多焦点を有するビームの幾何学形状にマッチし、かつ所望の圧力／流量条件にマッチした内部形状を有する、そのようなノズルは、通常の機械加工手段により、工業的スケールで製造することが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、非合金及び低合金鋼、ステンレス鋼、クラッド鋼、アルミニウム、及びアルミニウム合金の切断に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明のレーザー切断装置の切断ヘッドを示す図。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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