(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を照射するレーザと、指向性ガス流を工作物表面に作用させるノズルと、レーザに対して該ノズルを変位させる変位機構と、を有し、
前記ノズルは、工作物表面に対するガス流の衝突箇所を基準として各方向の、該ガス流によって誘起される該工作物表面上の圧力勾配を不均一にするノズルであり、
ガス流が、レーザ光の加工箇所に対して距離Ａを置いて工作物表面に衝突し、工作物表面に対するガス流の衝突箇所を基準として、該ガス流によって誘起される該工作表面内の最大圧力勾配Ｄｍａｘを成す方向に該加工箇所が位置するよう、該加工箇所に対する、ガス流を噴出するノズルの相対的位置の調整を、前記機構にさせる制御ユニットを備えている、
ことを特徴とする工作物加工装置。
【請求項２】
前記制御ユニットは、工作物表面に衝突するガス流が、レーザ光に平行に推移するおよび／または工作物表面に垂直に向けられるよう、前記機構を制御することを特徴とする請求項１記載の工作物加工装置。
【請求項３】
前記制御ユニットは、前記加工箇所においてガス分子の最大の運動エネルギが得られるよう加工箇所と衝突範囲との間の距離Ａを選択できることを特徴とする請求項１または２記載の工作物加工装置。
【請求項４】
前記ノズルのガス噴出口の形状が、長方形横断面を有し、ラバール・ノズルとして構成されていることを特徴とする請求項１、２、３のいずれか一項に記載の工作物加工装置。
【請求項５】
前記制御ユニットは、前記ガス流の衝突箇所を基準として前記工作表面内の最大圧力勾配Ｄｍａｘを成す方向が、工作物に対する前記レーザの相対的な送り方向Ｖに対して、４５°の角度を成すよう、前記機構を制御することを特徴とする請求項１、２、３、４のいずれか一項に記載の工作物加工装置。
【請求項６】
操作時に気化して、切除される材料を駆除し、加工された工作物表面の後浄化を行うドライアイスまたは研磨性媒体を工作物表面に作用させるノズルを備えていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５のいずれか一項に記載の工作物加工装置。
【請求項７】
溶湯表面の引裂を促進するため、出力ピークをレーザに付加することを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６のいずれか一項に記載の工作物加工装置。
【請求項８】
ガス流を噴出し、工作物表面に対するガス流の衝突箇所を基準として各方向の、該ガス流によって誘起される該工作物表面上の圧力勾配を不均一にするノズルを用い、
レーザによってレーザ光を工作物表面に照射する工程と、
レーザ光の加工箇所に対して距離Ａを置いて工作物表面にガス流を作用させる工程と、
前記加工箇所が、工作物表面に対するガス流の衝突箇所を基準として、ガス流によって生ずる最大圧力勾配Ｄｍａｘを成す方向へ配置されるようノズルを配置する工程と、
を含むことを特徴とする工作物加工法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス流を作用させるためノズルを使用し、レーザ光の加工箇所または相互作用ゾーンの近傍で工作物表面にガス流を衝突させる形式の、レーザ光による工作物の加工装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
よく知られているように、酸素支援の溶融切除（または剥除）の場合、供給されるレーザ出力および相互作用ゾーンに現れる発熱反応は、概ね、完全には活用できない。なぜならば、特に、溶融された材料容積が、溶湯駆除の能力を急速に上回るからである。溶湯駆除は、特に、溶融状態の切除容積を、隣接の相互作用ゾーンに付着、固化しないよう相互作用ゾーンから除去するように指向された溶湯運動を、ガス流によって形成するという課題を有する、使用した操作ノズル系によって決まる。
【０００３】
溶湯流動は、例えば、溶湯被膜に作用するガス圧の体積力および溶湯を通過するガスの摩擦または剪断による表面力から流動駆動力を引出すことができる。他の若干の量（例えば、動粘度および溶湯の表面張力）以外に、通過するガスの圧力および溶湯とガス流との間の摩擦にもとづく剪断応力が、溶湯被膜内の速度分布および圧力に対して決定的な影響を与える。加工ゾーンの圧力および剪断力の大きさは、例えば、ガスの流動場によって決まる。
【０００４】
例えば、工作物の方向へ移動し、溶融体を、例えば、工作物の切断目地から駆除する全体流にレーザ光軸に沿って統合されるガス流を形成するノズルを、レーザ光の出口の軸線のまわりに配置することは、ドイツ特許公開第４１１８６９３号から公知である。即ち、この公報には、ガス流およびレーザ光の同軸の配置、即ち、同軸の案内が記載されている。このような同軸案内の欠点は、相互作用ゾーンにおいて衝突するガス流が、相互作用ゾーンからほぼ回転対称に溶湯を除去するという点にある。従って、更に、なお溶融状態にある駆除された切除容積が、レーザ光がもはや届かない材料範囲に堆積することになる。さて、このように再固化した材料は、材料の表面品質の低下を招く。その直接的結果として、要求品質がＲｚ（ＤＩＮ）＜１０μｍの場合、同軸ノズルによる切除速度は約０，５−５ｍｍ３／ｍｉｎである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、高い表面品質において高い切除速度を実現する、レーザ光によって工作物を加工する装置および方法を創成することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明にもとづき、それぞれ請求項１および請求項１２に記載の、レーザ光による工作物の加工装置および加工法によって解決される。従属請求項に本発明の有利な実施例を開示した。
【０００７】
本発明に係る装置は、工作物表面にガス流を作用させるノズルを有する。この場合、ガス流は、レーザ光の加工箇所に対して距離Ａを置いて工作物表面に衝突する。加工箇所は、レーザ光と工作物材料との間の相互作用ゾーンに対応する。加工箇所は、工作物表面に対するガス流の衝突箇所に関して、工作物表面に衝突するガス流によって誘起される最大圧力勾配の方向へ配置される。
【０００８】
工作物表面に衝突するガス流は、レーザ光に平行に推移できおよび／または工作物表面に垂直に向けることができる。
【０００９】
更に、加工箇所においてガス分子の最大の運動エネルギが得られるよう加工箇所と衝突範囲との間の距離を選択できる。加工箇所における運動エネルギが最大値を有することが特に有利である。しかしながら、特定の使用条件下では、距離をゼロに減少できる。
【００１０】
本発明によって、レーザ加工において複数の利点が得られる。１つには、レーザ光に平行におよび／または工作物表面に垂直にガス流を配置することによって、ノズル出口と材料表面との間に比較的大きい距離不感性が得られる。かくして、距離が特定範囲内で変化した場合、加工箇所に同一な流動状態が得られる。レーザ光に対して角度をなすようガス流を配置した場合、レーザヘッドと被加工材料との間の距離の変化とともに、ガス流の衝突範囲と相互作用ゾーンとの間の距離も変化する。しかしながら、かくして、加工箇所の流動状態が変化するので、特に、加工の再現性が劣化する。
【００１１】
ここで注意するが、ノズルは、レーザヘッドに設置でき、即ち、レーザヘッドの移動時、連動される。合目的的である限り、ノズルヘッドに対して別の態様でノズルを設置できる。ガス流をレーザ光に平行に配置することによってまたはガス流を工作物表面に垂直に配置することによって、ガス流によって工作物表面に生ずる圧力パタンのレーザ光軸に対する位置は、ノズルと工作物表面との間の距離が変化しても、一定である。このようなガス流は、２つのノズルを直径方向へ対向して配置し、上記ノズルから、鋭角で相互にぶつかり、パルスのベクトル和にもとづき、レーザ光軸に平行に向け得る合成ガス流を形成するガス流を発生することによって形成できる。
【００１２】
もちろん、他のノズル配置も可能である。例えば、レーザ光に対して偏心したガス流を発生する唯一つのノズルを設けることができる。
【００１３】
１つまたは複数の上記ノズルは、ラバール・ノズルであってよい。更に、上記ノズルは、衝突箇所に本質的に長方形横断面を有することができる。かくして、工作物表面に、縦長形状の等圧線を構成できる。もちろん、等圧線のこのような縦長の構成は、（それぞれ流体機械的設計に依存して）異なる出口範囲横断面を有するノズルによっても達成できる。縦長の等圧線推移によって、等圧線の細い側の範囲に、即ち、等圧線が相互に最も密に配置された箇所に最大値を有する圧力勾配が形成される。この場合、圧力勾配は、等圧線に垂直である。
【００１４】
既述の如く、溶湯の主運動方向は、最大圧力勾配の推移によって決まる。例えば、送り方向に関して４５°の角度が生ずるよう、最大圧力勾配に関して加工点を配置すれば有利である（例えば、図２参照）。
【００１５】
更に、相互作用ゾーンまたは加工箇所が、ガス流動の運動エネルギが最大値を取る箇所にあるよう、ガス流の衝突箇所と相互作用ゾーンとの間の距離を変更できる。かくして、溶湯の駆除を更に改善できる。
【００１６】
更に、ノズルをレーザヘッドに可動に設置すれば有利である。この場合、ノズルが６軸レーザ加工機の第６軸をなすよう、ノズルを、例えば、レーザヘッドに回転自在に設けることができる。即ち、適切な位置信号に対応して、例えば、ＳＰＳ（メモリプログラミング制御系）を介して送り方向へノズルを変位できる。
【００１７】
この場合、角度αの調節のため、ＳＰＳは各種の入力を有することができる。例えば、工作物の加工すべき輪郭が役割を演ずる。例えば、極めて小さいアールを加工する場合、真っすぐなミゾを作製する場合とは異なる角度で“ブロー”を行うのが有利である。更に、角度αは、例えば、工作物の被加工材料、工作物またはレーザヘッドの送り速度、レーザ出力および／または距離センサの信号および／または深さセンサの信号に依存できる。角度αは、加工種類にも依存できる。例えば、レーザカットを実施する場合、レーザ溶融削除の場合とは異なる角度が生ずる。工作物表面を更に改善するため、工作物表面にドライアイスまたは研磨性媒体を作用させることができ、かくして、溶湯除去が改善され、加工された工作物表面の後浄化が実施される。ドライアイスの作用は、送り方向に関して前方および／または後方で加えることができる。ドライアイスのブローによって、高度の浄化作用を得ることができる。ドライアイスの作用によって、工作物に付着して再固化した溶融物粒子を引きはがすことができる。更に、かくして、溶湯駆除を改善できる。ドライアイスは、操作中に、例えば、ガス流発生ノズルを介してまたは別個のノズルを介して導入できる。場合によっては、同軸のノズルによってドライアイスを作用させれば有利である（距離Ａはゼロ）。この場合、偏心状態のガス供給は、場合によっては、不要であり、かくして、固有の独自の解決法が得られる。
【００１８】
ドライアイスは、各種の方法で、例えば、キャリヤガスを使用して、回転板などを介して、工作物に作用させることができる。この場合、キャリヤガスは、空気、酸素または酸素を富化した空気であってよい。ドライアイスの爆発的気化によって、溶湯内に圧力波が導入され、かくして、溶湯に衝撃力を加えることができる。かくして、溶湯駆除が改善される。ドライアイス（炭酸ガス）は、ドライアイス華が形成されるよう噴霧することもできる。
【００１９】
更に、溶湯表面の引裂を改善できるようレーザに出力ピークを付与することができ、かくして、作用するガス流の駆除効果を改善できる。出力ピークの付与によって、溶湯の粘度および表面張力を減少できる。
【００２０】
本発明にもとづき、更に、レーザ光溶融切除による工作物加工法を提供する。この場合、レーザによってレーザ光を放射し、レーザ光の加工箇所の近傍の工作物表面にガス流を作用させ、加工箇所が、本質的に、工作物表面に衝突するガス流から生ずる最大圧力勾配の方向へ配置されるようノズルを配置する。
【００２１】
更に、ノズルをレーザ光に関して回転自在におよび／または摺動自在に配置することができる。この場合、ノズルの変位装置を制御ユニットによって制御できる。ノズルをレーザ光のまわりに回転できるのみならず、レーザ光とノズルとの間の距離を調節できる。かくして、溶湯の駆除方向を変更でき、ガス流の衝突箇所と相互作用ゾーンとの間の距離を適切に調節できる。
【００２２】
例えば、メアンダー状の切除を実施する場合は、回転方向を反転しレーザを再び照射した後に、加工箇所に最適なガス流が得られるよう、送り方向反転範囲においてノズルを１８０°だけ回転する。
【００２３】
総括して、本発明に係る装置および方法によって、レーザ溶融切除操作の切除速度を著しく改善でき、この場合、高い表面品質が保証される。ガス流によって誘起される圧力勾配が本質的に最大値を取る範囲に工作物表面の加工箇所、即ち、ガス流の衝突箇所を配置することによって、極めて良い切除結果を達成できる。更に、縦長の等圧線が極めて有利であることが判明している。なぜならば、かくして、指向性溶融切除が可能であるからである。更に、このような等圧線は、最大圧力方向に垂直な軸変位に対して不感である。なぜならば、等圧線は、長辺において広い範囲にわたってほぼ湾曲なく延び、即ち、ほぼ直線をなすからである。
【００２４】
本発明に係る解決法の別の利点は、工作物表面に垂直なガス流によってまたはレーザ光に平行に設定されたガス流によって、ｚ軸に関して高い距離非依存性が得られ、即ち、ガスノズルを備えたレーザヘッドをレーザヘッドまたはガスノズルと工作物表面との間の距離の広い範囲に設定でき、しかも、この場合、加工箇所の流動状態は本質的に変化しないという点にある。即ち、更に、加工のフレキシビイリティの著しい改善（例えば、輪郭加工の改善）を達成できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
添付の略図を参照して、以下に、本発明の実施例を説明する。
【００２６】
図１に、ノズル作動機構２を含むノズル１を示した。ノズル作動機構２は、レーザヘッド３に対してノズル１を調節する。ノズル１のガス出口箇所から、ガス流４が出て工作物７の表面６の衝突範囲５にぶつかる。
【００２７】
レーザヘッド３から、レーザ光８が出て工作物７または工作物表面６の加工箇所９にぶつかる。加工箇所９には、レーザ光８と工作物材料との間の相互作用ゾーンが形成される。右へ向く矢印で相対送り方向Ｖを示した。この場合、レーザヘッド３は、ノズル作動機構２を介してノズルヘッドに設置したノズル１とともに、工作物７の方向へ移動できる。しかしながら、レーザヘッド３の位置を固定して、工作物７自体を移動することもできる。もちろん、工作物７およびレーザヘッド３が、それぞれ、送り運動を行うこともでき、この場合、相対的送りが生ずる。
【００２８】
ノズル作動機構２は、ガス流４または衝突範囲５とレーザ光８との間の距離Ａを変更できるよう構成できる。更に、ノズル作動機構２は、ノズル１がレーザヘッド３のまわりに配置されるよう、構成できる。この場合、３６０°までの回転角度を実現できる。更に、レーザヘッド３の下端と工作物表面６との間の距離を高さＨで示した。
【００２９】
図１に、レーザ光８に対して平行なガス流４を示した。かくして、ｚ方向へ高さＨが変化した場合、ガス流４の衝突範囲５と加工箇所９との間の距離Ａは変化しない。従って、高さＨが最大値を取るより深い凹み加工の場合、加工箇所９に再現可能な流動条件が得られる。なぜならば、等圧線および圧力勾配推移の構成および加工箇所９における全流動状態の構成は、距離Ａの変化にもとづき変化しないからである。これは、ガス流４がレーザ光８に対して角度を有する場合である。この場合、高さＨが変化すると、距離Ａが変化する。
【００３０】
図２に、等圧線１０を示した。等圧線１０は、ガス流４が工作物表面６に衝突した際に生ずる。ガス流４の衝突範囲５には、最大全圧力が生ずる。全圧力は、距離の増加とともに、等圧線１０にもとづき外方へ低下する。更に、等圧線から合成される最大圧力勾配を示す圧力勾配Ｄｍａｘを示した。もちろん、等圧線１０の別の側には、図示してないが鏡像対称の圧力勾配が存在する。圧力勾配Ｄｍａｘは、加工箇所９において送り方向Ｖの接線Ｔｖと交差する。圧力勾配Ｄｍａｘと接線Ｔｖとの間の迎え角αを示した。この迎え角αは、例えば、４５°である。更に、図２に、衝突範囲５と加工箇所９との間の距離Ａを示した。
【００３１】
等圧線１０は、縦長の形状を有し、縦辺１１および横辺１２を有する。等圧線１０の縦辺１１では、等圧線の間の間隔は最小であり、従って、この縦辺に最大圧力勾配Ｄｍａｘが生ずる。等圧線１０の横辺１２では、圧力勾配はより小さい。なぜならば、この場合、各等圧線の間の間隔がより大きいからである。
【００３２】
図面から更に明らかな如く、縦辺１１の等圧線は、範囲Ｂにおいて、ほぼ近似的に直線に対応する。即ち、各等圧線（少なくとも外側の等圧線）は、ほぼ直線として推移する。かくして、加工箇所９に対する衝突箇所５の位置は、図示の圧力勾配Ｄｍａｘに対する法線をなす軸線に沿う摺動に対してある程度不感である。即ち、レーザ加工の再現性が改善される。なぜならば、距離調節または迎え角調節のより小さい不正確さは、レーザ加工に影響を与えずレーザ加工を劣化しないからである。
【００３３】
迎え角αは、ノズル作動機構２を介して調節できる。例えば、図３に示した如く、送りラインＶｖの左側（図３の送り方向下方）にある等圧線を形成することもできる。迎え角αの調節は、各種の基準にもとづき選択できる。例えば、迎え角は、選択した送り速度、選択したガス圧、凹み深さなどに依存させることができる。
【００３４】
更に、ノズルの操作ガスとして高圧空気を使用できる。相互作用ゾーンまたは加工箇所９における反応の発熱度を増大するために、もちろん、空気に酸素を加えることができる。もちろん、他のガス（例えば、不活性ガス、ドライアイス、研磨性媒体）を単独にまたは適切に混合して使用できる。
【００３５】
図２，３に示した縦長の等圧線１０によって、溶湯を最適な態様で圧力勾配Ｄｍａｘの方向へ追出すことができる。
【００３６】
更に、加工箇所９においてガス分子の運動エネルギの最大値が構成されるよう、距離Ａを選択する。かくして、溶湯駆除が更に改善される。溶湯駆除の達成された補足効果によって、駆除された溶湯が、工作物の範囲において、もはや加工されない（従って、表面品質を低下する）再固化した溶湯として固定されることはない。本発明にもとづき、現在、工作物表面が満足できる状態において、最大１０００ｍｍ３／ｍｉｎの切除速度を達成できる。例えば、荒さＲｚ（ＤＩＮ）＜１０μｍにおいて１５０〜２００ｍｍ３／ｍｉｎの切除速度を達成できる。
【００３７】
既述の如く、溶湯の主移動方向は、最大圧力勾配Ｄｍａｘの推移によって決まる。送り方向Ｖまたは接線Ｔｖに対して４５°の迎え角が、極めて効果的な溶湯駆除を保証するということが判明している。もちろん、他の迎え角αを選択することもできる。例えば、小さい半径において約９０°の方向変更部分を有する切除ラインの場合、ラインの最小アール部分において、衝突範囲５が送りラインＶｖの外側にあるよう迎え角αを選択する（図３も参照）。
【００３８】
縦長の等圧線の代わりに、他の等圧線も考えられる。ノズルの設計の場合、ガス流の衝突箇所に対する加工箇所の位置変化に対して方向がある程度不感であるような大きい圧力勾配が形成されるよう留意すべきである。この場合、最大圧力勾配に対して法線方向の位置変化のみならず、圧力勾配の軸線に沿う位置変化も考えられる。ここで付言するが、縦長の等圧線も距離Ａの変化に対して大きい不感性を有する。これに関連して、凹に湾曲した側に最大等圧線密度を有するリンゴ状等圧線も考えられる。このような等圧線は、唯一つの最大圧力勾配を有するに過ぎず、即ち、大きい駆除作用を示す。
【００３９】
図４に、図１と類似の装置を示した。以下では、図１とは異なる要素のみについて説明する。レーザヘッド３には、工作物表面６にドライアイスを吹付けるのに役立つ補助ノズル１３が設けてある。ドライアイス（Ｃ０２）は、例えば、３００μｍの粒径で補助ノズル１３から吹出される。このＣ０２粒子または滴は、一方では、溶湯を引裂くことができ、かくして、溶融切除が改善される。他方、吹付けられたドライアイスは、付着して再固化した材料を除去でき、かくして、工作物表面が更に改善される。ドライアイスが工作物表面または溶湯上で気化した場合、容積は７００倍に増大する。かくして、例えば、工作物表面６に付着して再固化した脆い材料を有利な態様で引きはがすことができ、かくして、選択的な研磨操作が実現される。更に、ドライアイスは無公害である。なぜなら、ドライアイスは気化して炭酸ガスとなり、残渣のない加工が可能であるからである。
【００４０】
この場合、補助ノズル１３は、送り方向Ｖに関して前方および後方に配置できる。もちろん、補助ノズル１３を送り方向Ｖに直角にまたは他の任意の位置に配置することもできる。
【００４１】
溶融切除を更に改善するため、レーザ脈動中に、所定数の強い片勾配のＱスイッチングパルスピークをレーザに付加できる。これは、例えば、対応する回路技術（例えば、Ｑスイッチレーザ）によって実現できる。この場合、Ｑスイッチングパルスピークは、通常のパルス出力の約２０倍の出力を有することができる。
【００４２】
Ｑスイッチングパルスピークの上記の強い片勾配によって、この片勾配パルスの印加時、溶湯温度は著しく上昇される。かくして、溶湯の表面張力および粘度が低下する。溶湯の小さい表面張力および低い粘度によって、溶湯駆をが更に改善できる。なぜならば、溶湯を掃過するガス分子が、軽い溶湯粒子を随伴できるからである。
【００４３】
更に、本発明にもとづき、軌道計画を実施する制御法を実現できる。これに関連して、軌道計画とは、溶融切除による工作物の加工時のすべての過程の計画を意味する。切除操作の開始前に、完成部材の所望のジオメトリは知られているので、データバンクにもとづきおよび／または数式でしめされる法則にもとづき、軌道制計画を実施できる。この場合、例えば、速度の関数である３つの定数ａ，ｂ，ｃを含む二次式を使用できる。即ち、Ｔ＝ａ・Ｐ２＋ｂ・Ｐ＋ｃ（Ｔ：切除深さ；ｐ：レーザ出力）。
【００４４】
更に、例えば、出力Ｐは、切除深さＴの関数であることができ、１つのパラメータ（例えば、送り速度）を介して表として示すことができる。
【００４５】
別の出力値として、例えば、迎え角αを工作物輪郭（即ち、例えば、走行すべきラインの形状）に依存して調節できる。もちろん、更に、真っすぐに加工される凹み深さによって、送り速度などに依存して、迎え角αを変更できる。
【００４６】
上記の制御方策は、可能な制御原理の単なる例をなすに過ぎない。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高い表面品質において高い切除速度を実現する、レーザ光による工作物加工を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る装置の図面である。
【図２】送り推移の各軌道点の加工箇所に対する等圧線の配置を示す図面である。
【図３】図２とは異なる送り推移の加工箇所に対する等圧線の配置を示す図面である。
【図４】工作物表面にドライアイスを作用する補助ノズルを有する別の実施例の本発明に係る装置の図面である。
【符号の説明】
１  ノズル
３  レーザヘッド
４  ガス流
５  衝突範囲
６  工作物表面
７  工作物
８  レーザ光
９  加工箇所
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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