(57)【要約】  本発明はレーザービームを用いた材料切断方法に関し、レーザービームは内側端を有する切断ノズルを備えた切断ヘッドから出射し、切断前面に吸収される。レーザービームの軸は加工物の切断方向内の固定された方向の切断線に沿って、加工物と関連して移動する。本方法は切断ヘッドの位置（ｐ）が時間的平均値に関して変調される、または切断ヘッドのレーザーパワーとガス圧が変調されるところに特徴がある。
2008517772.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザービームを用いた材料切断方法で、前記レーザービームは内側端を有する切断ノズルを備えた切断ヘッドから出射して切断前面に吸収され、前記レーザービームの軸は加工物の切断方向内の前記加工物に相対的に固定された方向の切断線に沿って移動する方法において、
前記切断ヘッドの位置（ｐ）がその時間平均値に関して変調され、または前記切断ノズルのレーザーパワーとガス圧が変調されることを特徴とする材料切断方法。
【請求項２】
前記切断ヘッドの位置（ｐ）の変調は、切断方向に少なくとも焦点位置における前記レーザービーム半径（ｗ０）に到達し、最大で距離Ａ＝ｗＤ＋ｗ（ｚ＝ｄ）であるような、但し距離Ａは前記レーザービーム軸と前記ノズルの内側端前方位置との間の距離（ｗＤ）と板材の下端（ｚ＝ｄ）におけるレーザービーム半径ｗ（ｚ＝ｄ）との和、ｚは上端から測定された前記板材の深さ、ｄは板厚の、十分な長距離（ｐ１）にわたり実行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】
前記切断ヘッドの位置（ｐ）は切断方向と逆方向に距離（−ｐ０）（但しｐ０＜０）移動し、前記距離（−ｐ０）は最大で値（ｗＤ）に達し、この値（ｗＤ）は前記レーザービームの軸と前記ノズルの内側端の前方位置との間の距離（ｗＤ）と等しいことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
更に時間平均値に比較し前記レーザーパワーと前記切断ヘッドの位置（ｐ）とのほぼ同相の時間変調が実行されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記レーザーパワーと前記切断ヘッド位置との位相差は変調周期の２０％を超えないことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記レーザーパワーの変調は、後位置（ｐ０）での最小レーザーパワー（Ｐｍｉｎ）が可能な限り小さい値で、しかも既に溶融した材料の凝固を避けるため十分高く維持されることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記切断ノズルのガス圧の変調は、前記ノズルの開口から流出する切断ガスの流量が前記レーザーパワーと前記切断ヘッドの位置にほぼ逆位相に変調されるようにおこなわれることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記流量と前記切断ヘッドとの間の逆位相変調からの逸脱は、前記変調周期の２０％を超えないことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記レーザーパワーと前記切断ノズルのガス圧の変調は、前記レーザーパワーと前記ノズル開口から流出する切断ガスの流量がほぼ逆位相で変調されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記レーザーパワーと前記ノズル開口から流出する切断ガスの流量との間の逆位相変調からの逸脱は変調周期の２０％を超えないことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ノズル出口での流量変調は前記切断ガスの通過流量変化によることを特徴とする請求項７から１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記切断前面で吸収される前記レーザーパワーの変調は切断線に沿った交互方向の前記レーザービーム軸の移動により実行されることを特徴とする請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記レーザービーム軸の移動は、ｚを上端から測定した板材の深さ、ｄを板厚として、少なくとも焦点位置における前記レーザービームの半径（ｗ０）であり、前記板材の下端（ｚ＝ｄ）における前記レーザービームの半径ｗ（ｚ＝ｄ）値の４倍を超えないような十分長距離（ｐ１）で切断方向に起こることを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記レーザービーム軸の移動は切断方向と逆方向に距離（−ｐ０）（但しｐ０＜０）で起こり、前記距離（−ｐ０）は最大で前記板材の下端（ｚ＝ｄ）における前記レーザービームの半径ｗ（ｚ＝ｄ）の２倍に達することを特徴とする請求項１０から１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記レーザービーム軸の移動は往復形式で起こり、十分な長距離（ｐ１）と前記板材の下端（ｚ＝ｄ）における前記レーザービーム軸の距離（−ｐ０）の移動が、往復移動を通して監視されることを特徴とする請求項１０から１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
前記変調周期はより厚い材料、より速い切断速度に対して、増加的により長くなることを特徴とする請求項１から８、９から１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記変調は切断変数の非線形変化により実行されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
前記変調周期は変調振幅（ｐｔｉ）における変化の４つの異なる割合の４つの時間間隔（ｔｉ但しｉ＝１、２、３、４）に細分されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
第１時間間隔（ｔ１）は排出段階の一部分をあらわし、前記第１時間間隔（ｔ１）の振幅（ｐ１１）と継続時間は、溶融物排出が支配的になるか、または開始する前に、溶融物から現在切断中の材料への熱拡散により溶融材料が冷却されるように設定されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
第２時間間隔（ｔ２）は排出段階の第二部分をあらわし、前記第２時間間隔（ｔ２）の振幅（ｐ１２）と継続時間は、可能な限り多量の溶融物が排出され、しかも溶融物の凝固が避けられるように設定されることを特徴とする請求項１８または請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
第３時間間隔（ｔ３）は除去段階の一部分をあらわし、前記第３時間間隔（ｔ３）の振幅（ｐ１３）と継続時間は、除去段階中に可能な限り多量の材料が溶融され、レーザービームが全切断前面を照射するように設定されることを特徴とする請求項１８から２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
第４時間間隔（ｔ４）は除去段階の一部分をあらわし、前記第４時間間隔（ｔ４）の振幅（ｐ１４）と継続時間は、除去段階は全板厚が除去されるまで継続し、しかも熱い溶融物の増加する排出は可能な限り少なく保つように設定されることを特徴とする請求項１から２１のいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
溶融膜の熱い表面の熱放射はカメラで記録され、前記カメラの記録の強く輝いている部分の領域の長さｌと測定信号の強度が、前記溶融物の排出と除去の異なる段階の開始と終了、または制御の効率を監視するのに使用されるのを特徴とする請求項１から２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
前記溶融膜の熱い表面の熱放射が空間的に平均化されて記録されることを特徴とする請求項１から２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２５】
前記熱い表面がフォトダイオードにより記録されることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
監視操作から得られた測定値が前記４つの異なる振幅（ｐｔｉ）と前記４つの異なる時間間隔（ｔｉ）との制御に用いられることを特徴とする請求項２３から２５のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザービームを用いた材料切断方法に関し、レーザービームは内側端を有する切断ノズルを備えた切断ヘッドから出射し、切断前面に吸収され、レーザービームの軸は加工物の切断方向内の、加工物に対して固定された方向の切断線に沿って移動する。
【背景技術】
【０００２】
レーザービームによる加工物の切断は確立された切断方法である。これは工業的応用におけるレーザー支援製造方法の中で主要な機能である。ユーザーから常に寄せられるひとつの要求は方法の向上した効率であるが、一方品質要求も高まり続けている。
【０００３】
レーザービーム切断を含む溶融切断において保証されなければならない必須の特性は、工程の効率、切断端の品質、可能な限り小さい波紋幅、付着屑の非形成、非酸化である。
【０００４】
同様に厚い板材のより短い加工時間と高品質切断が今日の工業開発の傾向である。絶えず向上しているレーザーの性能と高性能駆動装置を有するシステムが製造工程に導入される。
【０００５】
レーザー照射による金属切断の既知技術は切断エネルギーの注入に含まれる機構により、
・活性切断ガス噴射によるレーザービーム切断と、
・不活性切断ガス噴射によるレーザービーム切断
とに細分される。
【０００６】
活性切断ガス噴射（例えば酸素、高圧空気）によるレーザービーム切断においては、レーザービームと発熱化学反応が共同で切断パワーを供給する。活性切断ガス噴射によるレーザービーム切断の技術は、レーザービームが切断切り込みに支配的な役割を果たすか（レーザービーム活性ガス切断）、それとも板材の上面に付加的に照射されるか（燃焼安定レーザービーム炎切断）という点に関する特徴により更に区別される。
【０００７】
不活性切断ガス噴射（例えば窒素）によるレーザービーム切断の場合、レーザービームが切断パワーを供給する。不活性切断ガス噴射によるレーザービーム切断は溶融物を促進し排出するための異なる機構により更に区別される。切断ガス噴射に加え溶融した材料が蒸発し、蒸発が溶融を促進する。前進速度が速くなるほど駆動作用は蒸発により増加する。以下の三つの改良方法の間に区別がある。
【０００８】
・レーザービーム溶融切断：
溶融表面の温度は蒸発温度より低く、溶融物は切断ガス噴射のみにより排出される。この改良方法は工業的には薄い、中程度の、そして厚い板材に用いられる。溶融物は主に切断前面の先端つまりレーザービーム軸の前面で流出する。速すぎる、または遅すぎる切断速度において見られる付着屑形成は品質を損なう。
【０００９】
・急速切断：
切断前面下部において蒸発温度を超えており、切断ガスによる排出作用と蒸発材料による排出作用が同じ位である。溶融物は主に切断前面の前部分、レーザービーム軸に隣接した左右の側で流出する。この改良方法は薄い、および中程度の厚さの板材に用いられる。超高速切断で見られるウィスカー形成は品質に悪影響を及ぼす。
【００１０】
・高速切断
切断前面のほぼ全体について蒸発温度を超えている。蒸発による駆動作用が支配的である。溶融物はレーザービーム軸の回りを流れ、レーザービームに続く切断切り込みの一部を塞ぎ、そこは切断ガスの作用で排出される。この改良方法は薄い板材に用いられる。
【００１１】
レーザー照射で金属を切断することに関する先行技術は、レーザー切断装置の一定に設定される変数により工程を最適化するための手段を記載している。このような手段は、レーザービームパワーを可能な限り全て有効利用すること（切断前面の照射）、切り込みに隣接する材料の加熱により生じるパワー損失を減らすこと、溶融物を可能な限り完全に排出するための切断ガス効率を高めることを目的とする。
【００１２】
文献はレーザービームのパワーは材料に一部吸収され、一部反射されると述べている。吸収された部分は切断工程に利用でき、有効パワーと種々のパワー損失に分割される。
【００１３】
文献から、切断装置の加速には限界があるため狭い輪郭の切断では切断速度は減速すべきであることも知られている。過度のレーザーパワーによる切り込みの所望しない拡張と、過度に遅い切断速度による付着屑またはウィスカーの形成を避けるため、レーザーパワーは変調できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来の方法では切断装置の変数は一定値に設定され、高品質切断の限界に到達しようとする。既知の方法では対流損失の削減目標は可能でない。
【００１５】
本発明の目的は、切断端の品質、小さい波紋幅、僅かのウィスカー形成そして無酸化切断端に注意しつつ、より高速の切断速度が得られる、ないしはより厚い板材が切断できるように、上述のタイプのレーザー照射による切断方法を進歩させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この目的は以下のレーザービームを用いた材料切断方法により達成される、レーザービームは内側端を有する切断ノズルを備えた切断ヘッドから出射し切断前面に吸収され、レーザービームの軸は加工物の切断方向内の、加工物に対して固定された方向の切断線に沿って移動し、この方法は切断ヘッドの位置（ｐ）が時間平均値に関して変調される、またはレーザーパワーと切断ノズルのガス圧が変調される点に特徴がある。
【００１７】
本発明の材料切断方法は、レーザービームを用いた材料切断方法で、前記レーザービームは内側端を有する切断ノズルを備えた切断ヘッドから出射して切断前面に吸収され、前記レーザービームの軸は加工物の切断方向内の前記加工物に相対的に固定された方向の切断線に沿って移動する方法において、前記切断ヘッドの位置（ｐ）がその時間平均値に関して変調され、または前記切断ノズルのレーザーパワーとガス圧が変調されることを特徴とする。
【００１８】
本発明の材料切断方法は、前記切断ヘッドの位置（ｐ）の変調は切断方向に、少なくとも焦点位置における前記レーザービーム半径（ｗ０）に到達し、最大で距離Ａ＝ｗＤ＋ｗ（ｚ＝ｄ）であるような、但し距離Ａは前記レーザービーム軸と前記ノズルの内側端前方位置との間の距離（ｗＤ）と板材の下端（ｚ＝ｄ）におけるレーザービーム半径ｗ（ｚ＝ｄ）との和、ｚは上端から測定された前記板材の深さ、ｄは板厚の、十分な長距離（ｐ１）にわたり実行されることを特徴とする。
【００１９】
本発明の材料切断方法は、前記切断ヘッドの位置（ｐ）は切断方向と逆方向に距離（−ｐ０）（但しｐ０＜０）移動し、前記距離（−ｐ０）は最大で値（ｗＤ）に達し、この値（ｗＤ）は前記レーザービームの軸と前記ノズルの内側端の前方位置との間の距離（ｗＤ）と等しいことを特徴とする。
【００２０】
本発明の材料切断方法は、更に時間平均値に比較し前記レーザーパワーと前記切断ヘッドの位置（ｐ）とのほぼ同相の時間変調が実行されることを特徴とする。
【００２１】
本発明の材料切断方法は、前記レーザーパワーと前記切断ヘッド位置との位相差は変調周期の２０％を超えないことを特徴とする。
【００２２】
本発明の材料切断方法は、前記レーザーパワーの変調は、後位置（ｐ０）での最小レーザーパワー（Ｐｍｉｎ）が可能な限り小さい値で、しかも既に溶融した材料の凝固を避けるため十分高く維持されることを特徴とする。
【００２３】
本発明の材料切断方法は、前記切断ノズルのガス圧の変調は、前記ノズルの開口から流出する切断ガスの流量が前記レーザーパワーと前記切断ヘッドの位置にほぼ逆位相に変調されるようにおこなわれることを特徴とする。
【００２４】
本発明の材料切断方法は、前記流量と前記切断ヘッドとの間の逆位相変調からの逸脱は、前記変調周期の２０％を超えないことを特徴とする。
【００２５】
本発明の材料切断方法は、前記レーザーパワーと前記切断ノズルのガス圧の変調は、前記レーザーパワーと前記ノズル開口から流出する切断ガスの流量がほぼ逆位相で変調されることを特徴とする。
【００２６】
本発明の材料切断方法は、前記レーザーパワーと前記ノズル開口から流出する切断ガスの流量との間の逆位相変調からの逸脱は変調周期の２０％を超えないことを特徴とする。
【００２７】
本発明の材料切断方法は、前記ノズル出口での流量変調は前記切断ガスの通過流量変化によることを特徴とする。
【００２８】
本発明の材料切断方法は、前記切断前面で吸収される前記レーザーパワーの変調は切断線に沿った交互方向の前記レーザービーム軸の移動により実行されることを特徴とする。
【００２９】
本発明の材料切断方法は、前記レーザービーム軸の移動は、ｚを上端から測定した板材の深さ、ｄを板厚として、少なくとも焦点位置における前記レーザービームの半径（ｗ０）であり、前記板材の下端（ｚ＝ｄ）における前記レーザービームの半径ｗ（ｚ＝ｄ）値の４倍を超えないような十分長距離（ｐ１）で切断方向に起こることを特徴とする。
【００３０】
本発明の材料切断方法は、前記レーザービーム軸の移動は切断方向と逆方向に距離（−ｐ０）（但しｐ０＜０）で起こり、前記距離（−ｐ０）は最大で前記板材の下端（ｚ＝ｄ）における前記レーザービームの半径ｗ（ｚ＝ｄ）の２倍に達することを特徴とする。
【００３１】
本発明の材料切断方法は、前記レーザービーム軸の移動は往復形式で起こり、十分な長距離（ｐ１）と前記板材の下端（ｚ＝ｄ）における前記レーザービーム軸の距離（−ｐ０）の移動が、往復移動を通して監視されることを特徴とする。
【００３２】
本発明の材料切断方法は、前記変調周期はより厚い材料、より速い切断速度に対して、増加的により長くなることを特徴とする。
【００３３】
本発明の材料切断方法は、前記変調は切断変数の非線形変化により実行されることを特徴とする。
【００３４】
本発明の材料切断方法は、前記変調周期は変調振幅（ｐｔｉ）における変化の４つの異なる割合の４つの時間間隔（ｔｉ但しｉ＝１、２、３、４）に細分されることを特徴とする。
【００３５】
本発明の材料切断方法は、第１時間間隔（ｔ１）は排出段階の一部分をあらわし、前記第１時間間隔（ｔ１）の振幅（ｐ１１）と継続時間は、溶融物排出が支配的になるか、または開始する前に、溶融物から現在切断中の材料への熱拡散により溶融材料が冷却されるように設定されることを特徴とする。
【００３６】
本発明の材料切断方法は、第２時間間隔（ｔ２）は排出段階の第二部分をあらわし、前記第２時間間隔（ｔ２）の振幅（ｐ１２）と継続時間は、可能な限り多量の溶融物が排出され、しかも溶融物の凝固が避けられるように設定されることを特徴とする。
【００３７】
本発明の材料切断方法は、第３時間間隔（ｔ３）は除去段階の一部分をあらわし、前記第３時間間隔（ｔ３）の振幅（ｐ１３）と継続時間は、除去段階中に可能な限り多量の材料が溶融され、レーザービームが全切断前面を照射するように設定されることを特徴とする。
【００３８】
本発明の材料切断方法は、第４時間間隔（ｔ４）は除去段階の一部分をあらわし、前記第４時間間隔（ｔ４）の振幅（ｐ１４）と継続時間は、除去段階は全板厚が除去されるまで継続し、しかも熱い溶融物の増加する排出は可能な限り少なく保つように設定されることを特徴とする。
【００３９】
本発明の材料切断方法は、溶融膜の熱い表面の熱放射はカメラで記録され、前記カメラの記録の強く輝いている部分の領域の長さｌと測定信号の強度が、前記溶融物の排出と除去の異なる段階の開始と終了、または制御の効率を監視するのに使用されるのを特徴とする。
【００４０】
本発明の材料切断方法は、前記溶融膜の熱い表面の熱放射が空間的に平均化されて記録されることを特徴とする。
【００４１】
本発明の材料切断方法は、前記熱い表面がフォトダイオードにより記録されることを特徴とする。
【００４２】
本発明の材料切断方法は、監視操作から得られた測定値が前記４つの異なる振幅（ｐｔｉ）と前記４つの異なる時間間隔（ｔｉ）との制御に用いられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４３】
この方法はレーザー照射を用いた金属切断の従来技術を、より高速の切断速度を実現できる、あるいはより厚い板材を切断できる、そしてあらゆる溶融凝固した付着物を避けられるように改良する。切断装置の一定に設定された変数による品質の良い切断の工程枠は、より速い切断速度及び／またはより厚い板厚を実現するため拡大される。切断のパワー損失は低減される。特定の実施態様では切断ガスの必要流量も低減でき、これは切断ガスの消費とコストを削減する。本発明による手段は小さな波紋幅（溝振幅）、ウィスカー非形成、またはあったとしても問題にならないようなウィスカー形成、非酸化切断端を実現することが見出されている。レーザー照射が板材の下側端に至るまで切断方向に材料に吸収される、即ちレーザー照射が材料の切断方向の切断前面全体を照射することが必須であり、それにより板全体の厚さが除去される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
切断端の品質、波紋幅、ウィスカー形成、酸化に関する上記の詳細が以下簡潔に説明される。
【００４５】
・切断端の品質：粗さ、付着屑、ウィスカー、酸化層形成以外に、平坦度、直角度が切断端の必須の品質特性である。切断−溶接の工程連鎖は結合隙間の準備に関していかに切断端の品質が重要であるかを示す例である。研磨や平坦化による仕上げ作業を何ら必要としない細幅の溶接をレーザーで生産可能とするため、結合される部品の切断は付着屑や酸化物の無い平坦で直角で滑らかな切断端であることが望ましい。
【００４６】
・可能なら小さい波紋幅：特に切断端の下部に、切断端での溶融した金属の凝固により作られる幅の広い波紋が形成される。
【００４７】
・ウィスカーが形成されないこと：特に高速進行速度では、溶融物が加工物の下端から完全には分離しない。付着して凝固した溶融物は望ましくない付着屑を形成する。
【００４８】
・酸化がないこと：溶接線におけるひび、空孔の形成は活性ガス切断で形成されるように、酸化した結合端によることがある。不活性切断ガスを用いた溶融切断が無酸化切断端を得るため用いられる。
【００４９】
板材の厚さ、使用される切断ガスノズル、切断切り込みの幅、切断材料に応じて本発明の方法により、より厚い板厚、より速い切断速度、より少ない切断ガス消費、より高品質の板切断が可能となる。
【００５０】
本発明の方法に重要なのは切断ヘッドの位置、レーザーパワー、プレナム圧力、ノズル圧力を高品質切断の工程枠を拡大するため変調しなければならないことで、従来既知のように一定値に設定することはできない。
【００５１】
切断材料（材料の性質、板厚など）、使用レーザー（パワー、強度分布、変調能力）、使用切断ノズル（断面円形ノズル、長円ノズル、ノズル−板材上面間距離、ノズル内レーザービーム軸位置）に応じて切断装置の上述の変数の複合した変調を供給することが本発明の利点である。パワー変調だけでは有益でなく、他変数の変調の付加または組み合わせのみが有益なことが本発明の特徴である。
【００５２】
更に切断装置の永久的に設定された変数と比較し、切断ヘッドの位置変調のみで高品質切断の工程枠を拡大するのに十分であることが重要である。
【００５３】
時間平均値に比べ切断ヘッドの位置ｐの時間的変調が特徴的である。切断ヘッドｐの位置に関して、レーザービーム軸と切断ノズルとの互いに固定された位置は変えられる。
【００５４】
好ましくは切断ヘッドの位置ｐの変調は、少なくとも焦点位置でのレーザービームの半径ｗ０に達し、距離Ａ＝ｗＤ＋ｗ（ｚ＝ｄ）は超えない、切断方向の十分長い距離ｐ１について実行される。距離Ａは、レーザービーム軸とノズル内側端の前位置間の距離ｗＤと、板材の下端（ｚ＝ｄ）でのレーザービーム半径ｗ（ｚ＝ｄ）との和であり、ｚは上端から測定した板材の深さ、ｄは板材の厚さを示す。
【００５５】
更に切断ヘッドの位置ｐは好ましくは距離（−ｐ０）（ｐ０＜０）だけ切断方向と逆方向に動く。距離（−ｐ０）は最大で値ｗＤに達する。移動ｐ０とｐ１の合計ｄｓ＝ｐ０＋ｐ１は変調周期内の時間平均前進移動に対応する。
【００５６】
本発明の方法に必須である、固体材料の溶融（除去段階）と溶融した材料の排出（排出段階）は連続した時間間隔で起こり、この時間系列はレーザーパワーまたは切断ヘッド位置または切断ノズルのガス圧力の変調と切断ヘッドの位置変調により達成される。基本設定で用いられるこれらの手段とは別に、レーザーパワーが追加して変調され、従来技術の場合のように一定値に設定されることはない。この点に関して本方法は更に、時間平均値に比較して、レーザーパワーと切断ヘッドの位置ｐがほぼ同相の時間変調をするようにレーザーパワーが発生するように変形され、それにより切断ヘッドの位置が不必要に長距離（−ｐ０）を動く必要がなくなる。負および正のｐ値に対し、レーザーパワーは時間平均値に対しより小さく、およびより大きく制御される。
【００５７】
上記の手順に関して、レーザーパワーと切断ヘッドの位置の位相差は変調周期の２０％を超えてはならない。これは溶融（除去段階）と排出（排出段階）が時間的に分離されることを保証する。
【００５８】
レーザーパワーが、後位置ｐ０（排出段階中の位置）の最小レーザーパワーＰｍｉｎが可能な限り小さい値で、かつ既溶融材料の凝固を避けるのに十分大きく維持するように変調されるとき、本発明の更なる利点となる。
【００５９】
上記の工程変数が監視されるとき、切断ノズルのガス圧（プレナム圧力またはノズル圧力とも呼ばれる）は変調できる。この目的のため、ノズル開口から流出する切断ガスの流量がレーザーパワーと切断ヘッドの位置に関してほぼ逆相に変調されるように、切断ノズルのガス圧が変調される。
【００６０】
この手段は、より高い達成可能な平均切断速度の利益とより厚い切断可能な板厚の利益を増すが、大口径ノズル（変調行程が過大となる）と厚い板厚（圧縮率、ガス流の緩和時間が増加する）についての効果は減少する。したがって排出段階の継続時間は十分長く選択すべきである。
【００６１】
上記の切断ノズルのガス圧の変調について、流量と切断ヘッド位置の間の逆位相変調からの偏差は変調周期の２０％を超えるべきでない。
【００６２】
レーザーパワーと切断ノズルのガス圧との変調は、レーザーパワーとノズル開口から流出する切断ガスの流量とがほぼ逆位相で変調するようにする。このことは溶融（除去段階）と排出（排出段階）が異なる時間に実行される効果を有する。この種の変調に関して、レーザーパワーとノズル開口から流出する切断ガスの流量との間の逆位相変調からの偏差は変調周期の２０％を超えるべきでない。このことが溶融（除去段階）と排出（排出段階）が時間的に顕著に分離されることを確実にする。
【００６３】
排出段階への可能な限りの速い変化を達成するため、切断ガスの流速の変化によるノズル出口での流量変調が有益である。
【００６４】
更に切断前面に吸収されるレーザーパワーの変調は、切断線に沿った交互方向のレーザー軸の移動により、切断ノズルの移動なしに実行される（ここで交互方向とはレーザービーム軸の位置が前後に移動することを意味する）。この手段こそ変調周期を小さな値にすることを可能にする、というのはレーザービームには質量が無く、鏡の慣性は切断ノズルの慣性より小さいからである。
【００６５】
レーザービーム軸が切断方向に、少なくとも焦点位置でのレーザービーム半径（ｗ０）から板材の下端のレーザービーム半径ｗ（ｚ＝ｄ）の４倍値を超えない十分な長距離（ｐ１）を移動するとき、ここでｚは上端から測った板材の深さ、ｄは板厚であるが、固体材料内を溶融前面が移動する最大距離がもたらされ、同時に全切断前面の照射が確実になる。
【００６６】
レーザービーム軸の移動が切断方向と逆方向に距離（−ｐ０）（ｐ０＜０）となるとき、ここで距離（−ｐ０）は最大で板材の下端（ｚ＝ｄ）のレーザービームの半径ｗ（ｚ＝ｄ）の２倍であるが、切断前面は排出段階中もはやレーザービームに囲まれない。
【００６７】
変調周期として小さな値が設定可能である状況を達成するため、例えば走査鏡が用いられ、レーザービーム軸の移動が往復または振り子形式で実行される。更に十分長距離（ｐ１）、および板材の下端（ｚ＝ｄ）での距離（−ｐ０）のレーザービーム軸の移動が往復移動により監視される。ここで往復移動とはレーザービーム軸の方向が変化することを意味する。
【００６８】
より厚い板厚とより高速の平均切断速度のため、変調周期（特に切断ヘッド位置または切断ノズルのガス圧またはレーザーパワーについての変調）が増加するより大きな値に設定されるとき、本発明の方法は更に有利になる。これは非変調切断と比較し、より厚い板厚またはより高速の平均切断速度を意味する。
【００６９】
上記の規則が守られないとき常に、例えば切断ヘッドの位置ｐからの非常に小さいまたは大きい値とレーザーパワーの非常に小さい値Ｐｍｉｎのとき、得られる平均切断速度または切断可能な厚さが小さくなり、溶融物の排出が不完全となり、または付着屑やウィスカーが形成されることが見出されている。
【００７０】
この方法においては切断条件を最適化するため変調の時間系列に注意しなければならない。個々の切断変数の変調が調和的な（例えば正弦曲線の）方式で実行されなければ、利点が達成できることが見出されている。この目的を達成するため切断変数の非線形的変化が予定される。
【００７１】
更に変調周期は、変調振幅ｐｔｉにおいて４つの異なる変化割合をもつ４つの時間間隔ｔｉ（ｉ＝１、２、３、４）に細分される。
【００７２】
４つの時間間隔のうち第１時間間隔ｔ１は排出段階の一部分をあらわし、振幅（ｐｔ１）と第１時間間隔（ｔ１）の継続時間は、溶融物排出が支配的になるかまたは開始する前に、溶融した材料の冷却が溶融物から現在切断中の材料への熱拡散により実行されるように設定される。
【００７３】
更に排出段階の第２部分を示す第２時間間隔ｔ２に関して、振幅ｐ１２と第２時間間隔ｔ２の継続時間はできる限り多くの溶融物が排出され、溶融物の凝固が避けられるように設定される。
【００７４】
更に除去段階の一部分をあらわす第３時間間隔ｔ３は、振幅ｐｔ３と継続時間に関して、除去段階の間にできる限り多くの材料が溶融され、レーザービームが全切断前面を照射するように設定される。これは溶融前面ができる限り短い時間にできる限り遠くへ、現在切断中の材料中へ移動することを意味する。あらゆる深さの溶融前面をできる限り一様に加熱するため、全切断前面がレーザービームで照射されることが有益である。
【００７５】
４つの時間間隔の最後、即ち時間間隔ｔ４は除去段階の一部分をあらわし、振幅ｐｔ４と継続時間に関して、除去段階は板材の全厚が除去状態になり、熱い溶融物の排出の増加は極力重要でない状態に止まるような長さの時間続くように設定される。これは除去行為が十分長い時間にわたり起こらねばならないことを意味する、その結果溶融前面はあらゆる深さでできる限り一様に前進する。除去段階は、排出が支配的な形で開始し、その時熱くなり続ける状態で流出する溶融物が熱エネルギーの不必要な損失をもたらす前に完成すると有利である。
【００７６】
制御された変調の効果が監視されると、または変調変数が制御されるだけでも有益である。
【００７７】
このような監視操作内において、溶融膜の熱い表面の熱放射がカメラで記録される。カメラ記録の強く輝いている場所の範囲の長さと測定信号の強度は、溶融物の排出と除去という異なる段階の始点と終点、または制御効率を監視するため用いられる。
【００７８】
溶融膜の熱い表面の熱放射がフォトダイオードで記録されるとき、監視または制御操作はカメラに比べ安価な装置でより高い記録周波数で実行できる。この時、カメラ記録の強く輝いている場所の範囲の長さと測定信号の強度はフォトダイオードの空間的に平均化した信号によっても定性的に感知される。この時、この監視操作から導かれる測定値は４つの異なる振幅（ｐｔ）と４つの異なる時間間隔（ｔ）を上記のように制御するのに用いられる。
【００７９】
本発明による方法が以下図面を参照して説明される：
図１（ａ）〜１（ｃ）は切断ヘッドの位置の変調を説明する３つの個別図であり、
図２は切断加工物の概略図であり、
図３は４つの時間間隔に細分された切断ヘッドの変調の時間曲線を示す概略図であり、
図４Ａ〜Ｃは排出段階中の切断前面からの熱放射の監視をあらわす３つの個別図である。
【００８０】
図１（ａ）から１（ｃ）は４つの段階における切断ヘッドの変調を概略的に示す。切断ヘッドのこのような変調は増加した切断速度、増加した切断厚さを実現し、切断端にほとんど波紋やウィスカーが形成されず実質的に酸化がない高品質の切断端を成し遂げるのに既に十分である。
【００８１】
図１は切断または分離すべき加工物を符号１で示す。図１（ｂ）に示すように加工物１は厚さｄである。符号２のレーザービームは詳細は示されないレーザー切断装置の切断ヘッド３から出射する。切断ガスノズルのノズル出口での内半径ｗＤは、図１（ａ）に示されるが、ノズルの内端４で定義される。加工物１に対する切断ヘッド３の各位置はレーザービーム軸の位置により定義され、符号５で表わされる。
【００８２】
図１（ａ）は変調のない切断ヘッドの静止位置を示すが、図１（ｂ）と１（ｃ）は時間変調中の切断ヘッドの最も離れた位置を示す。これらの最も離れた位置には図１（ｂ）に示される排出段階と図１（ｃ）に示される除去段階の区別がある。排出段階中は（図１（ｂ）参照）切断方向で見ると切断ヘッドは後位置にあり、溶融物はガス噴射により排出される。除去段階では（図１（ｃ）参照）レーザービームは切断前面を加熱し、まず薄い溶融膜をつくり、そして溶融した前面が移動する。各段階について時間平均値に対する切断ヘッドの位置ｐの時間変調が特徴的である。図１（ｂ）と１（ｃ）に示す段階で実行される変調は十分長距離ｐ１で実行され、この距離ｐ１は少なくとも焦点位置におけるレーザービームの半径ｗ０（図１（ｂ））に対応し、距離Ａ＝ｗＤ＋ｗ（ｚ＝ｄ）（ｚは上端から測った加工物１の深さ）を超えてはならない。切断ヘッド３が切断方向と逆方向に距離−ｐ０移動することが必須である。しかし距離−ｐ０は値ｗＤを超えてはならない。移動距離ｐ０とｐ１の合計ｄｓ（図１（ｃ）参照）は変調周期における平均前進移動に対応する（ｄｓ＝ｐ０＋ｐ１）。排出段階の初めにおいて（図１（ｂ）参照）切断前面は符号１’の位置にある。排出段階中に溶融物はほぼ完全に排出される。除去段階の初めにおいて（図１（ｃ）参照）切断前面は符号１’の位置にある。除去段階中に固体材料は溶融し、ほとんどの溶融物は排出されない。
【００８３】
図２は切断端に沿った効果と有効パワーＰｓをパワー損失Ｐｋ、Ｐλおよび吸収パワーＰＡを含め説明するため、方向矢印６に沿ってレーザービームにより切断される厚さｄの加工物の一部を示す。固体材料と液体材料（溶融物）との間の領域は溶融前面と呼ばれる。切断方向即ち矢印６の方向から見ると、切断前面上の溶融膜７が前進するレーザービームの領域に形成される。図２でＰｓと呼ばれる有効パワーは排出されるべき材料を加熱、溶融するパワーである。有効パワーＰｓは切断切り口を形成するのに必要な最小のパワーである。
【００８４】
更に熱伝導損失Ｐλが切断または分離工程中に発生する。これは切断切り口に隣接する加工物１の材料を加熱するパワーに関係する。このパワー損失は切断された材料に残存し、有効パワーＰｓを減少させる。
【００８５】
更に対流損失Ｐｋが発生する。これは溶融物を融点より高い温度に加熱するパワーに関係する。このパワーは溶融物と一緒に排出され、符号８の付された付着屑の冷却中に再び材料に伝わる。対流損失Ｐｋにより引き起こされるパワー損失も有効パワーＰｓを減少させる。
【００８６】
更に他のパワー損失がある；高温の表面の熱放射と切断ガスまたは雰囲気ガスへの熱伝導がこのパワー損失の例である。しかしこれらのパワー損失は有効パワーＰｓに比べて僅かである。
【００８７】
更に図２のように符号９をつけた切断端には波紋または溝１０ができる。これらの波紋と切断端に沿った付着屑あるいはウィスカー８は避けるべきである。
【００８８】
既に述べたように、切断変数の非線形変化が供給される。この目的のため連続的変調周期が図３のグラフに示されるように４つの時間間隔ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４に細分される。この４つの時間間隔の間に切断ヘッドの位置Ｐが変化する。図３の位置データｄｓ、ｐ０、ｐ１は図１のデータと関連する。
【００８９】
周期ｔ１−ｔ４は第１節つまり時間間隔ｔ１、ｔ２を含む溶融物の排出段階と第２節つまり時間間隔ｔ３、ｔ４を含む溶融物の除去段階に細分できる。
【００９０】
排出段階で切断ヘッドの位置は、溶融した材料の冷却が溶融した材料から現在切断中の材料への熱の拡散を通じて起こるように、即ち溶融物の排出が支配的になり開始する前に設定される（この時間間隔ｔ１は切断ヘッドの位置が後位置に移動する時間に対応する（図１（ｂ）参照））。
【００９１】
切断ヘッドは、ガス噴射が排出動作を可能な限り速やかに全深さについておこなうように、後位置へ高速で移動する（振幅ｐｔ１は大きく選択されなければならない）。
【００９２】
第２部分、排出段階、即ち時間間隔ｔ２では、振幅と時間間隔ｔ２の長さは可能な限り多くの溶融物が排出され、しかも溶融材料の凝固が避けられるように設定される。
【００９３】
除去段階は時間間隔ｔ３に始まる。この除去段階においては可能な限り多量の材料が溶融され、全切断前面がレーザービームにより照射される。切断ヘッドは高速で切断方向に移動する（振幅ｐ１３は大きく選ばれなければならない）、その結果溶融前面は可能な限り遠くまで可能な限り短い時間間隔内に現在切断中の材料内へ移動できる。溶融前面があらゆる深さで可能な限り一様に加熱されることを確実にするため、全切断前面がレーザービームで照射されるのが有益である。
【００９４】
第４時間間隔ｔ４即ち除去段階の第２節は、ここで切断ヘッドの位置が切断方向にゆっくり移動するが、できる限り長く続くべきであるものの、この継続時間は高温状態の溶融物の増加する排出が可能な限り少なくなければならないため限界がある。図３の説明に見られるように時間間隔ｔ３と時間間隔ｔ４では速度が異なる。
【００９５】
上述の変調の効果は監視でき、変調変数も検出値により制御できる。この目的のため熱放射が光学的に感知される。図４上部に各々溶融膜７と溶融膜の表面、切断前面１’（図１（ｂ）、（ｃ）にも示されている）を有する加工物１を示す。図の下部に図３の時間間隔ｔ１、ｔ２に対応する排出段階中の切断前面の熱放射の強度を示し、強度は各時点に上方即ち加工物１の表面に垂直な方向から見たものである。符号１１はレーザービーム２の前進する切断を示す。「１」と称する領域は熱放射のより低い強度の領域であり、「２」と称する部分は中程度の強度で、「３」と称する部分は高強度の部分である。強く輝いている部分から得られる測定信号の各強度の検出と、この輝いている部分の広がりの長さｌとは別に、これらの測定結果は各変調変数の制御に使用できる。
【００９６】
図４から更に見られるように、測定信号の強度と長さｌとは当然同時に大きな値、または小さな値になる。これが使用された変調変数の効果が、少なくとも定性的には正しい方法で、部分的に平均化した測定により検出できる理由である。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】切断ヘッドの位置の変調を説明する３つの個別図。
【図２】切断加工物の概略図。
【図３】４つの時間間隔に細分された切断ヘッドの変調の時間曲線を示す概略図。
【図４】排出段階中の切断前面からの熱放射の監視をあらわす３つの個別図。
【符号の説明】
【００９８】
１  加工物
１’  切断前面
２  レーザービーム
３  切断ヘッド
４  ノズルの内端
５  レーザービーム軸
６  方向矢印
７  溶融膜
８  付着屑
９  切断端
１０  波紋または溝
１１  レーザービームの前進する切断
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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