(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光線により切断または溶接するための装置であって、
少なくとも１つの主レーザー光線を発生させるための少なくとも１つのレーザー発生装置、
前記主レーザー光線を少なくとも２つの副次レーザー光線に分割することを可能とする第１の光学手段、
前記副次レーザー光線の少なくとも一方が通過する少なくとも１つの第１の出口ノズル、
前記副次レーザー光線の少なくとも他方が通過する少なくとも第２の出口ノズル
を備え、
前記第１及び第２の出口ノズルは互いにほぼ同軸である
装置。
【請求項２】
前記第１の光学手段が主レーザー光線を中央光線および環状または筒状の周辺光に分割することを可能とし、前記中央光線を焦点（ＰＦ）上に集光し、第２の光学手段が周辺光を焦点（ＰＦ）とは異なる環状集光ゾーン（ＺＡＦ）上に集光することを可能とすることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
少なくとも１つの金属加工物を切断または溶接する方法であって、
（ａ）少なくとも１つの主レーザー光線を発生させ、
（ｂ）前記主レーザー光線を少なくとも２つの副次レーザー光線に分割し、
（ｃ）前記副次レーザー光線の一方を第１の出口ノズルを通して案内し、前記光線を第１の集光手段により焦点（ＰＦ）上に集光し、
（ｄ）前記副次レーザー光線の他方を、第１の出口ノズルとほぼ同軸に配置された第２の出口ノズルを通して案内し、前記副次光線を、環状集光ゾーン（ＺＡＦ）上に集光し、
（ｅ）切断または溶接を、前記副次光線により少なくとも１つの加工物の少なくとも一部を溶融させることにより行う
方法。
【請求項４】
副次光線が第２の集光手段により前記環状集光ゾーン（ＺＡＦ）上に集光されることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
工程（ｂ）において、主レーザー光線が、第１の光学手段により前記焦点（ＰＦ）上に集光する中央光線と周辺環状または筒状光線とに分割され、周辺光線は、この周辺光線を環状集光ゾーン（ＺＡＦ）上に集光させることを可能とする第２の集光手段に向けて誘導されるか移動されることを特徴とする請求項３または４記載の方法。
【請求項６】
中央光線及び周辺光線が互いに同軸に案内されるか集光されることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
中央光線は切断される加工物の下方表面に近くに位置する焦点（ＰＦ）上に集光され、前記集光ゾーン（ＺＡＦ）は、加工物の上方表面近傍に、加工物の厚さの範囲内に、または加工物の外側に集光され、好ましくは用いられる切断気体は非酸化性気体であることを特徴とする請求項３ないし６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
中央光線は切断される加工物の上方表面に近くに位置する焦点（ＰＦ）上に集光され、前記集光ゾーン（ＺＡＦ）は、加工物の表面近傍に、加工物の厚さの範囲内に、または加工物の外側に集光され、好ましくは用いられる切断気体は酸化性気体であることを特徴とする請求項３ないし６のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
第１の出口ノズルは酸化性気体を供給され、第２の出口ノズルは非酸化性気体を供給され、鋼鉄、アルミニウムまたはそれらの合金で作られている加工物が切断されることを特徴とする請求項３ないし８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
第１の出口ノズルが非酸化性気体を供給され、第２の出口ノズルが非酸化性気体を供給され、少なくとも１つのポリマー層で被覆された鋼鉄、好ましくはステンレス鋼で作られた加工物が切断される請求項３ないし７のいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
非酸化性気体が窒素であるか、または主として窒素を含む気体混合物であり、酸化性気体が酸素であるか、または酸素を含む気体混合物であることを特徴とする請求項３ないし１０のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、補助気体の複流（ｄｕａｌ  ｆｌｏｗ）及びレーザー光線を集光するための二重集光によるレーザー切断ヘッドを備えるレーザー装置を用いるレーザー光線による切断のための方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工業において、１以上の金属加工物を切断または溶接するためにレーザー光線を用いることは周知である。例として、刊行物ＤＥ−Ａ−２７１３９０４、ＤＥ−Ａ−４０３４７４５、ＪＰ−Ａ−０１０４８６９２、ＪＰ−Ａ−５６１２２６９０、ＷＯ９７／３４７３０、ＪＰ−Ａ−０１００５６９２、ＤＥ−Ａ−４１２３７１６、ＪＰ−Ａ−０２０３０３８９、ＵＳ−Ａ−４，８７１，８９７、ＪＰ−Ａ−２３０３８９、ＪＰ−Ａ−６２１０４６９３、ＪＰ−Ａ−１５６９２、ＪＰ−Ａ−１５６９３、ＪＰ−Ａ−１５６９４、ＪＰ−Ａ−２２０６８１、ＪＰ−Ａ−２２０６８２、ＪＰ−Ａ−２２０６８３、ＷＯ−Ａ−８８／０１５５３、ＤＥ−Ａ−３６１９５１３およびＤＥ−Ａ−３９３４９２０が言及され得る。
【０００３】
現存する方法に代わるものが刊行物ＷＯ−Ａ−９８／１４３０２により提案され、それは、互いに異なり、同じ軸上に位置し、異なる集光角を有するいくつかの焦点上にレーザー光線を焦点形成するために、透明または反射光学手段、すなわち、鏡またはレンズを用いて金属加工物を切断するための方法を教示する。
【０００４】
更に、補助気体として酸素または酸素を含む気体混合物を用いる構造鋼の切断は、切断面上に酸化物を発生させ、そのことはこの方式での切断加工物上の塗料の粘着を妨げることが知られている。
【０００５】
この問題に着手し、解決するために、現在、２つの解決策が存在する。
【０００６】
第１の解決策は、それぞれの切断の後に加工物をブラシがけすることからなり、それは長く、退屈である。
【０００７】
第２の解決策は、典型的には１０から２０バール台の高圧で窒素下で加工物を切断することであり、それは、顕著な窒素消費、遅い切断速度および切断され得る厚さの限界のために大きなコストがかかる。
【０００８】
更に、ステンレス鋼または被覆されたアルミニウムの場合には、それらを保護することを意図して表面上にプラスチックフィルムが通常存在するので、しばしばバリを発生させ、切断操作の正確な実施を妨げる。
【０００９】
このとき行われることは、レーザー切断にとって適切なプラスチックコーティングを選ぶことであるが、しかしそれは現在いまだ希少であり、高価である。あるいは、最初の気化経路（ｖａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎ  ｐａｓｓ）、すなわち、材料の実際の切断の前にレーザーによりプラスチック層の表面を燃焼させることを実施することも考えられるが、それは手順を複雑にし、生産性を低下させる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、レーザー光線により切断または溶接するための改善された方法、すなわち、特に構造鋼が酸化気体の下で切断されるとき形成される酸化物の層を最小化または除去しながら構造鋼を切断することを可能とし、実際の切断の前に最初の気化経路を実施することを回避しながらプラスチックフィルムでコートされたステンレス鋼を切断することを可能とする方法を提供することにより上記問題を解決することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
−少なくとも１つの主レーザー光線を発生させるための少なくとも１つのレーザー発生装置、
−前記主レーザー光線を少なくとも２つの副次レーザー光線に分割することを可能とする第１の光学手段、
−少なくとも一方の前記副次レーザー光線が通過する少なくとも１つの第１の出口ノズル、
−少なくとも他方の前記副次レーザー光線が通過する少なくとも第２の出口ノズル、
を備え、
−前記第１及び第２の出口ノズルが互いにほぼ同軸である
レーザー光線による切断または溶接のための装置に関する。
【００１２】
事例に応じて、本発明の装置は１以上の以下の特徴を備え得る。
【００１３】
−中央の光線は第１の出口ノズルを通過し、周辺の光線は第２の出口ノズルを通過する。
【００１４】
−第１の光学手段と第２の光学手段は互いに同軸に配置される。
【００１５】
−前記第１の光学手段は主たるレーザー光線を中央光線と環状または筒状の周辺光に分割することを可能とし、前記中央光線は焦点上に集光され、更に、第２の光学手段は、周辺光を焦点とは異なる環状集光ゾーン上に集光させることを可能とする
−装置は、第１の出口ノズルに供給する補助気体の第１の供給源および／または第２の出口ノズルに供給する補助気体の第２の供給源を備える。
【００１６】
−第１の光学手段および／または第２の光学手段は、透明または反射性であり、好ましくは第１の光学手段および／または第２の光学手段はレンズである。
【００１８】
もう１つの側面によれば、本発明はまた、少なくとも１つの金属加工物を切断または溶接するための方法にも関し、
（ａ）少なくとも１つの主レーザー光線を発生させ、
（ｂ）前記主レーザー光線を少なくとも２つの副次レーザー光線に分割し、
（ｃ）前記副次レーザー光線の一方を第１の出口ノズルを通して案内し、前記光線を第１の集光手段により焦点（ＰＦ）上に集光し、
（ｄ）前記副次レーザー光線の他方を第１の出口ノズルとほぼ同軸に配置された第２の出口ノズルを通して案内し、前記副次光線を環状集光ゾーン（ＺＡＦ）上に集光し、
（ｅ）切断または溶接を、前記副次光線により少なくとも１つの加工物の少なくとも一部を溶融させることにより行う。
【００１９】
事例に応じて、本発明の方法は、１以上の以下の特徴を備え得る。
【００２０】
−それは、少なくとも１つの付加的な工程、
（ｆ）１以上の気体または気体混合物を第１の出口ノズルおよび／または第２の出口ノズルに供給する工程、
（ｇ）第１の出口ノズルおよび／または第２の出口ノズルに対し、切断されるかまたは溶接される加工物の相対的な移動を実施する工程
を含む。
【００２１】
−副次光線は、第２の集光手段により前記環状集光ゾーン上に集光される。
【００２２】
−工程（ｂ）において、主レーザー光線は、第１の光学手段により前記焦点上に集光する中央光線と周辺環状または筒状光線とに分割され、周辺光線は、この周辺光線を環状集光ゾーン上に集光されることを可能とする第２の集光手段に向けて案内または移動される。
【００２３】
−中央光線及び周辺光線は、互いに同軸的に誘導され、集光される。
【００２４】
−中央光線は切断される加工物の下方表面に近接して位置する焦点上に集光され、前記集光ゾーンは加工物の上方表面近傍に、加工物の厚さの範囲内にまたは加工物の外側に集光され、好ましくは用いられる切断気体は非酸化性気体である。
【００２５】
−中央光線は切断される加工物の上方表面に近接して位置する焦点上に集光され、前記集光ゾーンは加工物の表面近傍に加工物の厚さの範囲内に、または加工物の外側に集光され、好ましくは、用いられる切断気体は酸化気体である。
【００２６】
−第１の出口ノズルは酸化性気体を供給され、第２の出口ノズルは非酸化性気体を供給され、鋼鉄、アルミニウムまたはそれらの合金で作られた加工物が切断される。
【００２７】
−第１の出口ノズルが非酸化性気体を供給され、第２の出口ノズルが非酸化性気体を供給され、少なくとも１種のポリマーで被覆された鋼鉄、好ましくはステンレス鋼で作られた加工物が切断される。
【００２８】
−非酸化性気体が窒素またはほとんど窒素を含む気体混合物であり、酸化性気体が酸素または酸素を含む気体混合物である。
【００２９】
−切断される材料の厚さの範囲内で集光位置（ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｐｏｓｉｔｉｏｎ）または焦点および／または集光ゾーンの位置を変化させるために２つの集光手段の少なくとも１つの相対的な位置が調節されるかまたは他に対して変化する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明は、本発明によるレーザー光線により切断するための装置の切断ヘッドを示す添付の図面において例示される。
【００３１】
より具体的には、ＣＯ2 またはＮｄ：ＹＡＧタイプのレーザー発生装置（図示せず）により発生する主レーザー光線１０は、レンズのような第１の光学手段１を通過して２つの副次レーザー光線１１、１２に分割されるかまたは分離する。
【００３２】
第１の光学手段１は、２つの部分すなわち下位光線（ｓｕｂ−ｂｅａｍ）すなわち、中央位置に位置する中央光線１１と周辺に位置する環状または筒状周辺光線１２とに光線１０を分割することを可能とする切断ヘッド６に配置され、２つの下位光線はほぼ同軸である。
【００３３】
第１の光学手段１は、好ましくは、中央光線１１が集光されることを可能とするその直径の部分に渡ってゼロでない（ｎｏｎ−ｚｅｒｏ）曲率半径を有する中央部分及び前記中央部分の回りに輪を形成し、第２の光学手段２に向かい集光されない光線１２を得るためにゼロの曲率半径を有する周辺部分を備えるレンズである。
【００３４】
中央光線１１は第１の出口ノズル４すなわち切断ノズルを通過し、周辺光線１２は、第２の光学手段２により集光された後、第２の出口ノズル３すなわちフラッシングノズル（ｆｌｕｓｈｉｎｇ  ｎｏｚｚｌｅ）を通過する。
【００３５】
第１のノズル４はヘッド６の内側に位置し、一方、第２のノズル３は、ヘッドの外側に第１のノズル４と同軸に配置される。
【００３６】
第１の光学手段１を通過した後、周辺すなわち環状光線１２を集光させることを可能とする第２の光学手段２は、この場合において、切断ノズル４の位置がそこに固定され、維持され得るように、その中央において凹状のレンズにより形成される。
【００３７】
中央光線１１は、第１のノズル４を通過し、周辺光線１２は、第２の出口ノズル３を通過する。
【００３８】
第１の光学手段１は、中央光線１１が焦点ＰＦで集光することを可能とし、一方、第２の光学手段２は、筒状周辺光線１２が環状集光ゾーンＺＡＦ、すなわち、環状リングに集光することを可能とし、前記環状集光ゾーンＺＡＦは焦点ＰＦとは異なる。
【００３９】
得られる焦点ＰＦは、用いられる切断ガスのタイプに応じて切断される加工物の下方または上方表面に近接して位置する。例えば、もし気体が酸素であれば、そのときは焦点は、好ましくは、加工物の上方部上に形成され、一方、もし気体が窒素であれば、そのときは、焦点は、好ましくは、加工物の下方部に形成される。
【００４０】
更に、環状集光ゾーンＺＡＦそれ自体は、材料の厚さの範囲内かまたは材料の外側で、加工物の上方表面に近接して位置する。
【００４１】
言葉を変えれば、環状集光ゾーンＺＡＦは、場合に応じて、その上を焦点ＰＦを通過し、切断される加工物の表面の平面に平行な平面に、例えば、平行な面を有するプレートの場合には、その下を焦点ＰＦを通過する平面に、または焦点ＰＦの平面と同じ平面に位置する。後者の場合においては、焦点ＰＦは環状集光ゾーンＺＡＦにより取り囲まれる。
【００４２】
レーザー光線の作用を補助するために、それぞれ、供給源ＡおよびＢから第１のノズル４は切断気体を供給され、第２のノズル４はフラッシング気体（ｆｌａｓｈｉｎｇ  ｇａｓ）を供給される。
【００４３】
構造用鋼で作られた加工物の場合において、供給源Ａ由来の切断気体は、例えば、酸素であり、一方、供給源Ｂ由来のフラッシング気体は、例えば、窒素である。手順のこの方法は、切断の間に、切断面上に通常生成する酸化物の層の形成をなくすかまたは最小化することを可能とする。
【００４４】
逆に、プラスチックフィルムで被覆されたステンレス鋼で作られた加工物の場合には、供給源Ａ由来の切断気体および供給源Ｂ由来のフラッシング気体は、例えば窒素である。この場合において、方法の生産性は、本発明の方法を用いることにより不利にならない。
【００４５】
加えて、加工物の表面上または表面に近接しての環状集光ゾーンＺＡＦの存在は、瞬時に前方への通過の実施の必要なしにプラスチックフィルムを除去することを可能とする。
【００４６】
言葉を変えれば、本発明によれば、表面を研磨するかまたは、例えば、それぞれポリマーフィルムまたは亜鉛層のような表面上に存在する被覆物を蒸発させることが所望されるとき、切断されるかまたは溶接される加工物の上方表面上または前記上方表面のわずか上に周辺光１２を集光させることが選択される。
【００４７】
逆に、切断切り口の端部上に酸化物の存在しない切断を得ることが所望されるとき、切断される加工物の下方表面上または前記加工物の厚さの範囲内で周辺光１２を集光させることが選択される。
【００４８】
本発明の方法は、機械加工される材料および／または用いられるレーザーの出力に応じて、プレート、金属シート及び金属管、特に１ｍｍないし２０ｍｍまたは更にそれ以上の厚さを有する加工物を切断または溶接するために用いられ得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーザー光線により切断するための装置の切断ヘッドを示す図である。
【符号の説明】
１…第１の光学手段、２…第２の光学手段、３…第２の出口ノズル、４…第１の出口ノズル、６…切断ヘッド、１０…主レーザー光線、１１，１２…副次レーザー光線
【図１】
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