專(zhuān)利名稱(chēng)：激光切割加工裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光切割加工裝置。
背景技術(shù)：
廣泛采用利用激光束來(lái)切割加工由金屬或樹(shù)脂構(gòu)成的原料。切割加工用的激光裝置一般具備作為激光束源的激光振蕩器、向被加工材料(即工件)傳輸且聚積激光束的光學(xué)系統(tǒng)(即導(dǎo)光系統(tǒng))、在工件上掃描光束照射點(diǎn)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制激光振蕩器或機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等的控制系統(tǒng)、和冷卻水提供裝置或輔助氣體提供裝置等的輔助裝置。
這種激光切割加工裝置一般被認(rèn)為是激光束的聚光性(即激光質(zhì)量)越高則加工能力也越高。實(shí)際上，就使用二氧化碳激光器的激光切割加工裝置而言，已知當(dāng)切割作為以前主要用途的鈑金等薄金屬材料時(shí)，激光束的聚光性越高，則切割速度越快，并且，能夠進(jìn)行良好表面質(zhì)量的切割加工。
通常，由于激光束作為大致平行的光線從激光振蕩器輸出，所以聚光性出色。但是，即便是激光束，有時(shí)也會(huì)因其能量分布不同，而不能聚光成小至衍射界限的光斑尺寸。即，因?yàn)榧す馐男再|(zhì)，即便入射到聚光透鏡的擴(kuò)散角或束直徑相同，光斑尺寸也會(huì)不同。這是依賴(lài)于激光束的聚光性的現(xiàn)象，若提高聚光性，則光斑尺寸變小。
作為評(píng)價(jià)激光束的聚光性的指數(shù)，通常使用M2值。指數(shù)M2使用激光束的波長(zhǎng)λ、在包含聚光透鏡焦點(diǎn)的規(guī)定光路范圍內(nèi)的激光束的最小束直徑dm、和在規(guī)定光路范圍內(nèi)向激光束提供最小束直徑dm的光軸上的第1位置與提供束直徑√2×dm的光軸上的第2位置之間的距離(即瑞利區(qū)域)Zr，由公式M2＝π×(dm)2/(4×λ×Zr)來(lái)定義。
圖10表示由聚光透鏡聚光的激光束在焦點(diǎn)附近的束直徑的推移的一例。圖10中，橫軸是將聚光透鏡的透鏡中心位置作為Z＝0來(lái)表示聚光透鏡的光軸方向的位置Z(mm)的軸，縱軸是表示位置Z的激光束的束直徑d(mm)的軸?！顸c(diǎn)為實(shí)測(cè)值，若在點(diǎn)之間內(nèi)插近似，則在圖示的實(shí)例中，‘提供最小束直徑dm(＝約0.22mm)的第1位置’與‘提供束直徑√2×dm(＝約0.31mm)的第2位置’之間的距離Zr約為4mm。
根據(jù)上述定義式可知，M2值越小，則表示光斑尺寸越小、聚光性越高。M2的理論上的最小值為1，此時(shí)，激光束理論上具有最高的聚光性。
使用激光束的切割加工以前主要進(jìn)行大致10mm或以下的薄金屬板的切割，此時(shí)所需的M2值不足2.8，大體上使用具有2附近的M2值的激光束。但是，近年來(lái)，隨著激光振蕩器的高輸出化，用來(lái)切割厚度為20mm～30mm或比其更的厚板的需求不斷增加。當(dāng)激光切割這種厚板時(shí)，存在不能向切割槽提供足夠的輔助氣體的問(wèn)題。
就使用激光束的切割加工而言，通常從加工裝置的加工噴嘴向工件表面聚光照射激光束，并在極高溫下熔融工件的微小區(qū)域，另一方面，從同一加工噴嘴與激光束同軸地以規(guī)定壓力和流量噴射輔助氣體，通過(guò)熔融狀態(tài)的工件材料與輔助氣體的物理和化學(xué)的相互作用，局部去除工件。
例如，在切割鋼板的情況下，尤其是在輔助氣體中使用氧，氧的燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的發(fā)熱也用于熔融。若板的厚度增加，則提供給鋼板表面的氧輔助氣體在厚度方向的途中被耗盡，在接近鋼板背面的部分，由于氧不足，而處于難以切割的狀況。此時(shí)，若增大輔助氣體的供給壓力以增加供給量，則輔助氣體的流速過(guò)快，在鋼板的表面?zhèn)犬a(chǎn)生異常燃燒(所謂的自燃現(xiàn)象)。結(jié)果，擔(dān)心損害切割面的質(zhì)量，或由于附著渣滓而使產(chǎn)品的功能惡化。
另外，即便在不伴有燃燒反應(yīng)熱而將氮或氬用于輔助氣體的情況下，也存在隨著工件厚度的增加，在工件厚度方向的途中氣體的流速下降，吹散熔融金屬等的力量不足的傾向。對(duì)于非金屬材料，存在作為限制碳化作用或過(guò)度熔融的冷卻氣體的輔助氣體的功能因流速下降而被損害的傾向。
為了解決這種問(wèn)題，以前采用適當(dāng)選擇噴嘴直徑、噴嘴與工件表面的距離、噴嘴形狀等，或適當(dāng)化噴嘴直徑方向的氣體流速分布(采用所謂的雙噴嘴)的策略。另外，還知道通過(guò)在切割厚板時(shí)，使用焦距比薄板切割用的聚光透鏡長(zhǎng)的聚光透鏡，在聚光的激光束的光斑尺寸大的部分進(jìn)行切割，從而擴(kuò)大工件的切割幅度，使輔助氣體向板厚方向的提供量增加。同樣，還知道通過(guò)調(diào)整聚光透鏡的焦點(diǎn)位置，來(lái)進(jìn)行光斑尺寸的調(diào)整及切割幅度的控制。
但是，利用噴嘴形狀等的方式來(lái)控制輔助氣體流的方法通常難以實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)。另外，調(diào)整聚光透鏡的焦距或焦點(diǎn)位置的方法在實(shí)現(xiàn)期望效果的工件厚度上受限。
另一方面，還知道如特開(kāi)平6-218565號(hào)公報(bào)(JP-A-60218565)、特開(kāi)2002-118312號(hào)公報(bào)(JP-A-2002-118312)中所述那樣，控制激光束的聚光性，來(lái)切割薄板和厚板兩者。在這些文獻(xiàn)記載的方法中，在激光振蕩模式為T(mén)EM00模式(所謂的高斯模式M2＝1.0)時(shí)，進(jìn)行薄板切割，在為T(mén)EM01*模式(所謂的環(huán)形模式M2＝1.7左右*表示極坐標(biāo)計(jì)算)時(shí)，進(jìn)行厚板切割。在TEM01*模式下，與TEM00模式相比，由于聚光透鏡中央部的熱負(fù)荷小，所以可有效防止由于聚光透鏡中央部的光束吸收引起的溫度上升和隨之而來(lái)的透鏡形狀和折射率分布的變形所產(chǎn)生的光束聚光性變差或焦點(diǎn)位置變動(dòng)的現(xiàn)象。
但是，上述方法在例如以氧輔助氣體來(lái)激光切割鋼材的情況下，盡管在厚度為12mm～16mm的情況下取得了期望的效果，但若厚度超過(guò)20mm，則難以看出環(huán)形模式相對(duì)高斯模式的優(yōu)越性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術(shù)的各個(gè)問(wèn)題，提供一種不變更加工噴嘴或聚光透鏡的構(gòu)成、可由激光束來(lái)適當(dāng)切割厚度大的工件的激光切割加工裝置。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種激光切割加工裝置，其中具備氣體激光振蕩器；和光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)包含聚光透鏡，傳輸且聚光由氣體激光振蕩器產(chǎn)生的激光束，并照射到工件上。當(dāng)使用激光束的波長(zhǎng)λ、在包含聚光透鏡焦點(diǎn)的規(guī)定光路范圍內(nèi)的激光束的最小束直徑dm、和在規(guī)定光路范圍內(nèi)向激光束提供最小束直徑dm的光軸上的第1位置與提供束直徑21/2×dm的光軸上之第2位置之間的距離Zr，并由公式M2＝π×(dm)2/(4×λ×Zr)來(lái)定義評(píng)價(jià)從光學(xué)系統(tǒng)照射到工件上的激光束的聚光性的指數(shù)M2時(shí)，指數(shù)M2在2.8～4.5的范圍下。
上述激光切割加工裝置中，最小束直徑dm與所述距離Zr可具有dm/Zr＞0.003的關(guān)系。
光學(xué)系統(tǒng)可構(gòu)成為不包含影響指數(shù)M2的值的聚光性改變光學(xué)元件。
或者，光學(xué)系統(tǒng)可包含影響指數(shù)M2的值的聚光性改變光學(xué)元件。


通過(guò)關(guān)聯(lián)于附圖的以下最佳實(shí)施方式的說(shuō)明，本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)變得更加顯而易見(jiàn)。附圖中，圖1是表示包含本發(fā)明一實(shí)施方式的激光切割加工裝置的激光加工系統(tǒng)的整體構(gòu)成的局部框圖，圖2是示意表示圖1的激光切割加工裝置的基本構(gòu)成的圖，圖3是說(shuō)明未使用聚光性改變光學(xué)元件的構(gòu)成的圖，圖4是說(shuō)明使用聚光性改變光學(xué)元件的構(gòu)成的圖，圖5A和圖5B是說(shuō)明將形狀可變型的非球面鏡用作聚光性改變光學(xué)元件的構(gòu)成的圖，圖6是表示激光束的輸出與聚光性評(píng)價(jià)指數(shù)的關(guān)系的圖，圖7是表示輸出為6kW時(shí)的聚光性評(píng)價(jià)指數(shù)與最大切割厚度的關(guān)系的圖，圖8是表示以輸出6kW來(lái)切割厚度為12mm的軟鋼時(shí)的切割面粗糙度的測(cè)定結(jié)果的圖，圖9A是與高斯模式下的能量分布相對(duì)比來(lái)表示本發(fā)明的激光束的能量分布一例的圖，圖9B是與環(huán)形模式下的能量分布相對(duì)比來(lái)表示本發(fā)明的激光束的能量分布另一例的圖，圖10是表示聚光透鏡焦點(diǎn)附近的激光束的束直徑的推移的一例的圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參照附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。圖中，向相同或類(lèi)似的構(gòu)成要素附加相同的參照符號(hào)。
參照附圖，圖1表示包含本發(fā)明一實(shí)施方式的激光切割加工裝置10的激光加工系統(tǒng)的整體構(gòu)成，圖2示意表示圖1的激光切割加工裝置10的基本構(gòu)成。
如圖2所示，本發(fā)明的激光切割加工裝置10包含氣體激光振蕩器12與光學(xué)系統(tǒng)16，該光學(xué)系統(tǒng)16包含聚光透鏡14，傳輸且聚光由氣體激光振蕩器12產(chǎn)生的激光束L，照射到工件W上。另外，激光切割加工裝置10構(gòu)成如下當(dāng)使用激光束L的波長(zhǎng)λ、在包含聚光透鏡14的焦點(diǎn)的規(guī)定光路范圍內(nèi)的激光束L的最小束直徑dm、和在規(guī)定光路范圍內(nèi)向激光束L提供最小束直徑dm的光軸上的第1位置與提供束直徑√2×dm的光軸上的第2位置之間的距離(瑞利區(qū)域)Zr，由公式M2＝π×(dm)2/(4×λ×Zr)來(lái)定義評(píng)價(jià)從光學(xué)系統(tǒng)16照射到工件W上的激光束L的聚光性(光束質(zhì)量)的指數(shù)M2時(shí)，指數(shù)M2在2.8～4.5的范圍內(nèi)。
激光束的聚光性左右工件的切割槽寬度，切割槽寬度影響輔助氣體流動(dòng)。即，若過(guò)度提高激光束的聚光性，則切割槽幅度變窄，隨之而來(lái)，輔助氣體流動(dòng)變差，切割能力下降。另一方面，若過(guò)度降低激光束的聚光性，則得不到切割所需的能量密度，從而切割能力仍然低下。
本申請(qǐng)發(fā)明人反復(fù)研究基于激光束的切割現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)可由作為上述聚光性評(píng)價(jià)指數(shù)的具體范圍的2.8≤M2≤4.5來(lái)規(guī)定得到良好加工能力的必要條件。該必要條件涉及切割速度、切割表面質(zhì)量、切割板厚等的加工能力，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有裝置的20％或以上的性能提高。另外，在下面描述特定聚光性評(píng)價(jià)指數(shù)與加工能力的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
這樣，根據(jù)具有上述構(gòu)成的激光切割加工裝置10，當(dāng)切割例如厚度為20mm或以上的工件W時(shí)，能夠得到良好的加工特性，當(dāng)切割厚度不足20mm的工件W時(shí)，也可期待切割表面質(zhì)量的提高。另外，因?yàn)槊鞔_了激光束L的聚光性評(píng)價(jià)指數(shù)的范圍，所以對(duì)于激光切割加工裝置的開(kāi)發(fā)而言，容易確定各設(shè)計(jì)元素，從而可大幅度削減開(kāi)發(fā)費(fèi)用，還可事先預(yù)測(cè)激光切割加工裝置的加工能力。
圖1表示包含上述激光切割加工裝置10的激光加工系統(tǒng)的整體構(gòu)成。如圖1和圖2所示，處理器(CPU)18讀出存儲(chǔ)在未圖示的存儲(chǔ)器中的加工程序，控制激光加工系統(tǒng)整體的動(dòng)作。輸出控制電路20內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，將從處理器18輸出的輸出指令信號(hào)變換為電流指令信號(hào)后輸出。激勵(lì)用電源22在整流商用電源之后，進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，產(chǎn)生高頻電壓，向氣體激光振蕩器12的放電管24提供對(duì)應(yīng)于電流指令值的高頻電流。
激光媒介氣體26經(jīng)氣體激光振蕩器12的循環(huán)路徑在放電管24內(nèi)部循環(huán)，若從激勵(lì)用電源22施加高頻電壓，則放電管24產(chǎn)生放電，激勵(lì)激光媒介氣體26。由反射率為99.5％的鍺制鏡構(gòu)成的后鏡28與由反射率為65％的鋅硒(ジンクセレン)制鏡構(gòu)成的輸出鏡30在放電管24內(nèi)形成穩(wěn)定型諧振器，并放大從激勵(lì)的激光媒介氣體分子感應(yīng)放出的10.6微米的光，將一部分作為激光束L，從輸出鏡30輸出到外部。在輸出的激光束L的光路中，配置可開(kāi)閉控制的快門(mén)32(僅示于圖1中)。
在氣體激光振蕩器12的循環(huán)路徑中，設(shè)置送風(fēng)機(jī)(例如渦輪鼓風(fēng)機(jī))34，通過(guò)冷卻器36a和36b，使激光媒介氣體26循環(huán)。處理器18經(jīng)高頻逆變器38，控制送風(fēng)機(jī)34的動(dòng)作。送風(fēng)機(jī)34上游側(cè)的冷卻器36a冷卻進(jìn)行激光振蕩后變?yōu)楦邷氐募す饷劫|(zhì)氣體26，下游側(cè)的冷卻器36b去除送風(fēng)機(jī)34產(chǎn)生的壓縮熱。快門(mén)控制電路40根據(jù)處理器18的指令，使快門(mén)32進(jìn)行開(kāi)閉動(dòng)作。
快門(mén)32由在表面實(shí)施鍍金的銅板或鋁板構(gòu)成，在快門(mén)關(guān)閉時(shí)，反射從輸出鏡30輸出的激光束L，使之吸收到束吸收器42中。若打開(kāi)快門(mén)32，則彎曲鏡44方向轉(zhuǎn)換激光束L，導(dǎo)入聚光透鏡(不同情況下為透鏡系統(tǒng))14中。激光束L被聚光透鏡14聚光，照射到工件W的表面上。
工件W上的激光束照射位置(在垂直于光軸的平面內(nèi)的位置)由載置工件W的工作臺(tái)46的移動(dòng)位置(X-Y軸位置)確定。位置控制電路48根據(jù)來(lái)自處理器18的指令，經(jīng)伺服放大器5旋轉(zhuǎn)控制伺服電機(jī)52，并經(jīng)球螺桿54和螺母56來(lái)控制工作臺(tái)46的移動(dòng)。由此，控制工件W的位置。
另外，適當(dāng)調(diào)整工件W或激光束照射側(cè)部件(例如未圖示的噴嘴)的光軸方向(Z軸方向)的位置，以如圖2所示將聚光的激光束的最小束直徑dm的位置(即聚光透鏡14的焦點(diǎn)位置)設(shè)定在工件W的內(nèi)部。另外，在工作臺(tái)46的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中包含Z軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的情況下，還可在工作臺(tái)46側(cè)進(jìn)行焦點(diǎn)位置調(diào)整。
從上述聚光性評(píng)價(jià)指數(shù)M2的公式可知，焦點(diǎn)附近的最小束直徑dm越小，則照射到工件W上的激光束L的聚光性越高，另外，束直徑沿光軸的變化越小(即Zr越大)，則照射到工件W上的激光束L的聚光性越高(即聚光性評(píng)價(jià)指數(shù)M2變小)。另一方面，聚光性評(píng)價(jià)指數(shù)M2也隨后鏡28和輸出鏡30的曲率、諧振器長(zhǎng)度S1、放電管內(nèi)徑S2等氣體激光振蕩器12的構(gòu)成要素尺寸而變化。因此，為了將聚光性評(píng)價(jià)指數(shù)M2設(shè)定在2.8～4.5的范圍內(nèi)，可采用適當(dāng)修正氣體激光振蕩器12的構(gòu)成的方法、和適當(dāng)修正光學(xué)系統(tǒng)16的構(gòu)成的方法之一或雙方。
圖3表示通過(guò)適當(dāng)修正氣體激光振蕩器12的構(gòu)成、向工件照射具有2.8～4.5范圍的聚光性評(píng)價(jià)指數(shù)M2的激光束L的構(gòu)成。在該構(gòu)成中，通過(guò)調(diào)整氣體激光振蕩器12的構(gòu)成要素的尺寸，從氣體激光振蕩器12輸出2.8≤M2≤4.5的激光束L。該激光束L通過(guò)不使聚光性評(píng)價(jià)指數(shù)M2變化、由具備平面反射面的彎曲鏡44和可忽視像差的球面透鏡構(gòu)成的聚光透鏡14構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)16，照射到工件上(圖3中未圖示)。為了防止從氣體激光振蕩器12輸出的激光束L的聚光性評(píng)價(jià)指數(shù)M2發(fā)生變化，只要在從氣體激光振蕩器12至加工點(diǎn)之間的光學(xué)系統(tǒng)16中，配置改變聚光性評(píng)價(jià)指數(shù)M2的光學(xué)元件(在本申請(qǐng)中稱(chēng)為聚光性改變光學(xué)元件)即可。通過(guò)該構(gòu)成，可無(wú)障礙地進(jìn)行例如厚度超過(guò)25mm的金屬或非金屬制的工件的切割加工。
圖4表示通過(guò)適當(dāng)修正光學(xué)系統(tǒng)16的構(gòu)成、向工件照射具有2.8～4.5范圍的聚光性評(píng)價(jià)指數(shù)M2的激光束L的構(gòu)成。在該構(gòu)成中，氣體激光振蕩器12輸出聚光性評(píng)價(jià)指數(shù)M2不足2.8的激光束La。另外，通過(guò)在由具備平面反射面的彎曲鏡42和可忽視像差的球面透鏡構(gòu)成的聚光透鏡14構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)16中插入配置聚光性改變光學(xué)元件58，改變從氣體激光振蕩器12輸出的激光束La的聚光性評(píng)價(jià)指數(shù)M2，向工件(圖4中未圖示)照射2.8≤M2≤4.5的激光束L。聚光性改變光學(xué)元件58例如是非球面透鏡，利用致動(dòng)器60相對(duì)激光束L的光路可插入且可脫離地被設(shè)置。作為致動(dòng)器60，可采用例如根據(jù)來(lái)自CPU18(圖1)的指令進(jìn)行動(dòng)作的電磁式致動(dòng)器。另外，雖然非球面透鏡是典型的透過(guò)型的聚光性改變光學(xué)元件，但有時(shí)也可通過(guò)組合焦距短的球面透鏡來(lái)利用球面像差的影響來(lái)使M2值增加。
根據(jù)相對(duì)激光束光路自由插脫地設(shè)置聚光性改變光學(xué)元件58的上述構(gòu)成，采用例如可輸出M2＝1.3的激光束La的輸出4kW的氣體激光振蕩器12，在聚光性改變光學(xué)元件58從激光束光路脫離的狀態(tài)下，以切割速度80m/min來(lái)進(jìn)行厚度為1mm的鋁合金的切割加工，另一方面，在將聚光性改變光學(xué)元件58插入激光束光路中的狀態(tài)下，可穩(wěn)定切割厚度為30mm的軟鋼。因此，不使用特殊的氣體激光振蕩器12就可方便地得到薄板切割性能與厚板切割性能雙方都好的激光切割加工裝置10。
作為改變M2值的聚光性改變光學(xué)元件58，除上述非球面透鏡那樣的透過(guò)型元件外，還可采用作為反射型元件的非球面鏡。尤其是若使用可變更反射面曲率的形狀可變型非球面鏡，則得到可通過(guò)變更反射面的曲率來(lái)調(diào)整聚光性改變光學(xué)元件58具有的M2改變能力的優(yōu)點(diǎn)。圖5A和圖5B表示在聚光性改變光學(xué)元件58中使用形狀可變型非球面鏡的構(gòu)成。在該構(gòu)成中，配置由形成可變型非球面鏡構(gòu)成的聚光性改變光學(xué)元件58來(lái)代替圖3中示出的彎曲鏡44。
由形狀可變型非球面鏡構(gòu)成的聚光性改變光學(xué)元件58具備具有反射面62a的薄膜62，通過(guò)致動(dòng)器64的動(dòng)作變形薄膜62，可在平面與非球面(圖中為圓錐面)之間變更反射面62a的形狀。圖5A表示反射面62a為非球面的狀態(tài)，圖5B表示反射面62a為平面的狀態(tài)。另外，通過(guò)將致動(dòng)器64的動(dòng)作位置設(shè)為3或以上，還可在圖5A的形狀與圖5B的反射面形狀之間設(shè)定一個(gè)或以上的中間反射面形狀。另外，也可在與反射面62a相反側(cè)的薄膜62的背后充滿用于防止反射面62a過(guò)熱的大致為大氣壓的冷卻液。
如圖5B所示，當(dāng)反射面62a為平面時(shí)，入射到聚光性改變光學(xué)元件58的激光束La不使M2變化地被反射。因此，若不存在其它聚光性改變光學(xué)元件，則通過(guò)在氣體激光振蕩器12中采用輸出M2小(例如不足2.8)的激光束La的氣體激光振蕩器，可極高速地切割薄板工件。另外，當(dāng)切割厚板工件時(shí)，通過(guò)使致動(dòng)器64動(dòng)作，使反射面62a變形為例如圖5A的形狀，可相對(duì)M2小(例如不足2.8)的激光束La，使反射激光束L的M2在2.8～4.5的范圍內(nèi)變化。
下面，分析上述激光切割加工裝置10中相當(dāng)于焦點(diǎn)深度的距離Zr與焦點(diǎn)的束直徑dm的比[dm/Zr]。該比表示束直徑相對(duì)于焦點(diǎn)深度為何種程度的大小，但若改變看法，則也是表示由聚光透鏡14聚光的激光束L的聚光角度的指數(shù)。激光束L的聚光角度是左右切割加工品質(zhì)的一個(gè)因素。尤其是在使用氮輔助氣體來(lái)進(jìn)行的非鐵金屬的切割加工中，由于通過(guò)在切割槽內(nèi)激光束多重反射來(lái)進(jìn)行切割，所以若聚光角度適當(dāng)，則可明顯提高切割加工的品質(zhì)。
若設(shè)由焦距f的聚光透鏡14聚光以束直徑D入射的大致平行的激光束時(shí)的、朝向焦點(diǎn)的光圈角度為θ(全角)時(shí)，則由于M2＝π×(dm)2/(4×λ×Zr)＝π×dm×θ/4λ所以θ＝dm/Zr另一方面，由于tan(θ/2)＝D/(2f)所以θ＝dm/Zr＝2tan-1(D/(2f))這里，當(dāng)f＝20英寸(508mm)、D＝15mm時(shí)，為dm/Zr＝0.00295另外，當(dāng)f＝2.5英寸(63.5mm)、D＝20mm時(shí)，為dm/Zr＝0.312根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)選擇聚光透鏡14的入射束直徑D和焦距f以便有dm/Zr＞0.003時(shí)，由于以適當(dāng)角度來(lái)聚光由聚光透鏡14聚光的激光束L，所以尤其能很好實(shí)施通過(guò)在切割槽內(nèi)多重反射來(lái)進(jìn)行切割的非鐵金屬的基于氮輔助氣體的切割加工。因此，最好組合f與D的值，以便由公式dm/Zr＝2tan-1(D/(2f))計(jì)算的值為0.003或以上。
下面，參照表示各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果的圖6～圖9B來(lái)說(shuō)明作為本發(fā)明的基本構(gòu)成必要條件的2.8≤M2≤4.5的臨界意義。
圖6表示激光束的輸出P與聚光性評(píng)價(jià)指數(shù)M2的關(guān)系。圖6中，橫軸表示激光輸出P(kW)，縱軸表示評(píng)價(jià)指數(shù)M2。另外，●點(diǎn)表示可切割的工件的最大厚度為25mm或以上的條件(P與M2的組合)，△點(diǎn)表示可切割的工件的最大厚度不足25mm的條件(P與M2的組合)。從圖中可知，就寬范圍的激光輸出P而言，若設(shè)M2為2.8～4.5，則可穩(wěn)定切割厚度為25mm或以上的工件。
圖7表示將激光輸出條件固定為6kW時(shí)的、聚光性評(píng)價(jià)指數(shù)M2與可切割的工件的最大厚度T的關(guān)系。圖7中，橫軸表示評(píng)價(jià)指數(shù)M2，縱軸表示最大切割厚度T。在該實(shí)驗(yàn)中，切割的工件是軟鋼SS400，輔助氣體是氧。另外，根據(jù)狀況來(lái)確定產(chǎn)生最佳結(jié)果的聚光透鏡焦距、輔助氣體壓力、焦點(diǎn)位置、切割速度等條件。如圖所示，在M2值為2.8～4.5的范圍內(nèi)，可有利于切割厚度為25mm或以上的工件。
圖8表示將激光輸出條件固定在6kW來(lái)切割厚度為12mm的軟鋼時(shí)的切割面粗糙度的測(cè)定結(jié)果。圖8中，橫軸表示評(píng)價(jià)指數(shù)M2，縱軸用算術(shù)平均粗糙度Ra(μm)來(lái)表示切割面粗糙度。在該實(shí)驗(yàn)中，切割的工件是軟鋼SS400，輔助氣體是氧，切割速度是2.4m/min。如圖所示，在M2值為2.8～4.5的范圍內(nèi)，切割面粗略度下降。因此，在將本發(fā)明適用于較薄的工件中的情況下，可實(shí)現(xiàn)得到光滑、良好的切割面的效果。
圖9A及圖9B表示作為本發(fā)明的特征構(gòu)成必要條件的2.8≤M2≤4.5與激光束L的模式無(wú)關(guān)。即，與JP-A-2002-118312等中記載的現(xiàn)有技術(shù)不同，激光束的中心部分的能量密度小在本發(fā)明中不是厚度切割的必要條件。
如圖9A所示，本發(fā)明的M2＝2.8的激光束L的能量分布類(lèi)似于M2＝1.0的高斯模式(TEM00模式)的激光束的能量分布。另外，如圖9B所示，本發(fā)明的M2＝4.1的激光束L的能量分布類(lèi)似于M2＝1.7的環(huán)形模式(TEM01*模式)的激光束的能量分布。
以上關(guān)聯(lián)于最佳實(shí)施方式來(lái)說(shuō)明了本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離后述的權(quán)利要求的精神和公開(kāi)范圍下，可進(jìn)行各種修正和變更。
權(quán)利要求
1.一種激光切割加工裝置，其特征在于，具備氣體激光振蕩器(12)；和光學(xué)系統(tǒng)(16)，該光學(xué)系統(tǒng)(16)包含聚光透鏡(14)，傳輸且聚光由所述氣體激光振蕩器產(chǎn)生的激光束(L)，并照射到工件(W)上，當(dāng)使用該激光束的波長(zhǎng)λ、在包含所述聚光透鏡的焦點(diǎn)的規(guī)定光路范圍內(nèi)的該激光束的最小束直徑dm、和在該規(guī)定光路范圍內(nèi)向該激光束提供該最小束直徑dm的光軸上的第1位置與提供束直徑21/2×dm的光軸上的第2位置之間的距離Zr，并由公式M2＝π×(dm)2/(4×λ×Zr)來(lái)定義評(píng)價(jià)從所述光學(xué)系統(tǒng)照射到工件上的激光束的聚光性的指數(shù)M2時(shí)，指數(shù)M2在2.8～4.5的范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光切割加工裝置，其特征在于，所述最小束直徑dm與所述距離Zr具有dm/Zr＞0.003的關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光切割加工裝置，其特征在于，所述光學(xué)系統(tǒng)不包含影響所述指數(shù)M2的值的聚光性改變光學(xué)元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光切割加工裝置，其特征在于，所述光學(xué)系統(tǒng)包含影響所述指數(shù)M2的值的聚光性改變光學(xué)元件(58)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光切割加工裝置，其特征在于，由所述氣體激光振蕩器產(chǎn)生的激光束在不通過(guò)所述聚光性改變光學(xué)元件的情況下，呈現(xiàn)不足2.8的所述指數(shù)M2。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光切割加工裝置，其特征在于，從包含非球面透鏡、非球面鏡和形狀可變型非球面鏡的鏡群中選擇所述聚光性改變光學(xué)元件。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光切割加工裝置，其特征在于，相對(duì)于所述激光束的光路可插入且可脫離地設(shè)置所述聚光性改變光學(xué)元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可由激光束來(lái)適當(dāng)切割厚度大的工件的激光切割加工裝置。激光切割加工裝置具備氣體激光振蕩器；和光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)包含聚光透鏡，傳輸且聚光由氣體激光振蕩器產(chǎn)生的激光束，并照射到工件上。當(dāng)使用激光束的波長(zhǎng)λ、在包含聚光透鏡的焦點(diǎn)的規(guī)定光路范圍內(nèi)的激光束的最小束直徑dm、和在規(guī)定光路范圍內(nèi)向激光束提供最小束直徑dm的光軸上的第1位置與提供束直徑文檔編號(hào)B23K26/073GK1730226SQ20051008990
公開(kāi)日2006年2月8日 申請(qǐng)日期2005年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月5日
發(fā)明者江川明, 安藤稔, 森敦 申請(qǐng)人:發(fā)那科株式會(huì)社