(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板などの被加工物に対しレーザビームを照射して切断するレーザ切断装置において、複数のレーザビームを出力する複数のファイバレーザと、前記複数のファイバレーザと１対１に対応する複数の光ファイバと、前記複数のファイバレーザの端部と前記複数のファイバレーザと１対１に対応する複数の光ファイバの端部とを接続するファイバコネクタと、前記ファイバコネクタに接続した複数の光ファイバのもう一方の端部を互いに等間隔に且つ互いに接触しないリング状に配置した貫通孔にそれぞれ挿入し反挿入側からリング状のレーザビームを出力するリングビーム発生器と、前記リング状のレーザビームを集光する光学素子と、前記リングビーム発生器と光学素子とを保持する筒状のトーチと、前記筒状のトーチに結合され、集光したレーザビームを出力し、同時に集光したレーザビームと同軸方向に酸素ガスを主成分とするアシストガスを流すノズルと、から成り、且つ、前記複数の光ファイバは前記ファイバコネクタと前記リングビーム発生器との接続および切離が可能であり交換できることを特徴とするレーザ切断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は鋼板の切断などに用いられるレーザ切断技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、薄鋼板など比較的薄手の被加工物に対するレーザ切断は高速切断ができ、また、寸法精度も良好であるなどの点で優れた方法とされている。近年、レーザ装置の高出力化に伴い、適用板厚の拡大が図られ、厚鋼板のレーザ切断も普及しつつある。しかし、厚鋼板ではしばしば切断面の品質が劣化する問題が生じることがあり生産性の向上を阻害する要因となっている。すなわち、厚鋼板の切断においては、数kWレベルのレーザ出力が必要となるが、レーザ出力の増大に伴いほぼガウス分布をしたレーザビーム強度分布の裾野成分も増大することから実際に切れ落ちる部分である切断カーフ部の周辺部の加熱が強まり、温度上昇するため酸素雰囲気下にある素材が自己発火して断面がえぐれる現象が生じ易くなるのである。こうした切断不良は表面スケールの剥離部などで生じ易いことがわかっているが、厚板では鋼板表面のスケール密着性やスケール厚みの均一性が薄板に比べて劣るため、切断不良頻度が増大する結果となっているのが現状である。そこで、鋼材側の対策として表面スケール密着性の良い鋼板などが提案されている（例えば、特開平８-３６９２号公報など参照）。一方、レーザ切断装置側からの対策としては、レーザビーム強度分布として基本ガウスモードより裾野の分布が少ない高次横モード（例えばＴＥＭ01*モード（ドーナツ形状）など）の適用やパルス運転などが提案されている（例えば、溶接学会誌第６６巻第７号２８頁など参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述したレーザ光の横モード制御技術ではＣＯ2レーザがベースとなっている。ＣＯ2レーザは、従来のレーザ切断装置にて一般的に用いられているものであるが、発振器構成が２枚の対向する共振器ミラー間にレーザ媒質を配した発振器構成となっていることから、経時的にはどうしても２枚の共振器ミラーの機械的な相対変位が避けられずレーザビーム強度分布が非対称となって切断性能の切断方向依存性などの問題を生じていた。このため定期的な共振器アライメント調整が必要となり、装置の稼働を休止することを余儀なくされていた。この調整作業は１〜２日の工程を要し、稼働率が重視されるレーザ切断機においては重大な能率低下と言わざるを得ない。
【０００４】
本発明は、上記の従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、レーザ切断においてアライメント調整を廃するとともにシャープな立ち上がりのレーザ強度分布を実現し、断面品質に優れたレーザ切断方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）鋼板などの被加工物に対しレーザビームを照射して切断するレーザ切断装置において、複数のレーザビームを出力する複数のファイバレーザと、前記複数のファイバレーザと１対１に対応する複数の光ファイバと、前記複数のファイバレーザの端部と前記複数のファイバレーザと１対１に対応する複数の光ファイバの端部とを接続するファイバコネクタと、前記ファイバコネクタに接続した複数の光ファイバのもう一方の端部を互いに等間隔に且つ互いに接触しないリング状に配置した貫通孔にそれぞれ挿入し反挿入側からリング状のレーザビームを出力するリングビーム発生器と、前記リング状のレーザビームを被加工材に対しほぼ垂直に集光する光学素子と、前記リングビーム発生器と光学素子とを保持する筒状のトーチと、前記筒状のトーチに結合され、集光したレーザビームを出力し、同時に集光したレーザビームと同軸方向に酸素ガスを主成分とするアシストガスを流すノズルと、から成り、且つ、前記複数の光ファイバは前記ファイバコネクタと前記リングビーム発生器との接続および切離が可能であり交換できることを特徴とするレーザ切断装置。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の本旨とするところをより詳らかとするため、以下、添付の図面に基づき説明を行う。
図２は、本発明によるレーザ切断方法の概念を説明する図であり、被切断鋼板上に集光されたレーザビームを模式的に示している。複数のレーザビームをリング状に配設することが本発明の特徴である。これは切断面品質に関して方向性のないレーザ切断に必要な集光レーザ強度分布の対称性を発現するためである。図２は８個のレーザビームを円周上に等間隔に配した場合を示す。なお、図２にて示した概念は複数のＹＡＧレーザなどのビーム合成によっても実現できるが、以下では特にファイバレーザを用いる場合について述べる。
【０００７】
図１は本発明によるレーザ切断装置の構成例を示す図である。リング状ビーム発生器１は８本の光ファイバ２の端部を正８角形に配列させる円筒状のホルダーに固定したものである。また、ホルダーは切断トーチ３に取り外し可能に固定している。光ファイバ２はそれぞれコア径５０μｍ、外径７５μｍのステップインデックス型光ファイバであり、リング状ビーム発生器１内で例えば直径２００μｍの円に内接する正8角形の各頂点を中心として配列されている。この場合ビーム直径と対角線長さの比は1対４となる。この程度の緊密さでビームを配列することにより被切断材から見て実質的に連続的なリング状光源とみなすことができる。
【０００８】
光ファイバ２はコネクタ５にてコア径５０μｍ、外径７５μｍのステップインデックス型ファイバレーザ６と接続される。ファイバレーザ６はそれぞれ波長１．０６μｍ付近にて平均出力５００Ｗを出力する。出力端でのパワー密度はそれぞれ２５MW／cm2となり鋼の溶融に十分な値を持っている。光ファイバ２に伝送されたファイバレーザ光はリング状ビーム発生器１から出た後、集光レンズ７にて被切断鋼板４上に1対１結像される。この際のトータルの伝送効率は９０％である。したがって、それぞれの集光スポットのパワー密度は２２．５MW/cm2となる。トータルの照射パワーは３．６kWとなる。トータルのパワーは直径３００μｍの円内に存在するので全体の平均パワー密度は５MW/cm2となる。
切断トーチ３の先端にノズル８が接続されており、レーザ光と同軸でアシストガスの酸素ガスを噴出する。出口口径は２．５mmとした。
【０００９】
以上のような構成のレーザ切断機にて鋼のレーザ切断を行ったところ、方向性のない切断が可能であった。本装置によれば、ビームのパターンはリング状ビーム発生器にて固定されており可動部が存在しないのでアライメント調整の必要がない。また、個々のビームは５０μｍに絞られており強度分布の立ち上がりが鋭いため切断不良が発生しにくい。また、個々のビームは集光性が良いのでビームを全体としての焦点深度も大きくなり、より厚手の材料に対する適用性が向上した。さらに、故障の際の復元もファイバーコネクタ、リング状ビーム発生器等切り離し可能なので先端部だけの交換が可能となり迅速である。
【００１０】
なお、以上の説明ではリング状ビームの集光方法として1対1結像を示したが、結像倍率を変更して良い。また、集光光学系としてはリング状ビーム発生器の後で一旦コリメートしてから一括して集光してもよい。さらに、ファイバレーザは一部を連続波、他をパルスのように組み合わせても良い。波長も１．０６μｍに限るものではなく単一の波長でなくても良い。さらにまた、ファイバレーザとリング状ビーム発生器とを連絡する光ファイバは通常の受動素子型のファイバでも良いしファイバレーザと同一のものでも良い。本発明のリング状ビーム発生器に配列するファイバは１重ではなく２重以上としても良い。最終的にリングの中心に位置するファイバがあっても良い。
【００１１】
【発明の効果】
本発明により、レーザ切断においてアライメント調整を廃するとともにシャープな立ち上がりのレーザ強度分布を実現し、断面品質に優れたレーザ切断方法とその装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーザ切断装置の構成例を示す断面的鳥瞰図。
【図２】本発明のビーム集光パターン例を説明する図。
【符号の説明】
１．リング状ビーム発生器
２．光ファイバ
３．切断トーチ
４．被切断鋼板
５．ファイバコネクタ
６．ファイバレーザ
７．集光レンズ
８．ノズル
９．ビーム群
１０．カーフ
１１．ドロス
【図１】
0003892711.tif 000002
【図２】
0003892711.tif 000003