雷射切割裝置和雷射切割方法
2023-04-29 22:37:21 2
專利名稱：雷射切割裝置和雷射切割方法
技術領域：
本發明涉及雷射切割裝置和雷射切割方法。
背景技術：
近年來，正在開發例如專利文獻I所記載的雷射切割裝置，該雷射切割裝置將雷射束從雷射振蕩器經由光纖傳送到用於切割金屬板工件的加工頭，並利用該雷射束切割工件。採用此光纖的雷射器(以下稱為「光纖雷射器」)利用光纖傳送固體雷射(例如，YAG系雷射)。另外，因為光纖雷射器與氣體雷射器(例如CO2雷射器)相比產生雷射所需的電能較少、與棒式固體雷射器相比雷射束的質量(雷射束的聚光性和直進性)較高、且輸出功率可以較高，所以正得以普及。這裡，雷射切割裝置在切割作為被加工物的金屬時，有時不僅利用雷射束的能量，而且利用氧化熱使被加工物處於高溫來進行切割，該氧化熱是在向被加工物照射雷射束的同時利用吹出的氧氣(輔助氣體)氧化金屬的氧化熱。由於被加工物變成高溫，構成被加工物的金屬和在獲得氧化熱的過程中生成的氧化金屬熔融成為熔融金屬。然後，通過在上述輔助氣體的壓力下從被加工物上吹走並除去熔融金屬來切割被加工物。然而，由於熔融金屬的溫度越高，其粘性越低且流動性越大，所以雷射切割裝置有必要通過升高被加工物的切割溫度來降低熔融金屬的粘性且提高利用輔助氣體排除熔融金屬的排除性。因此，在利用雷射束切割時，必須將被加工物內部的溫度即切割溫度設為高溫。例如，在成為切割對象的被加工物是Fe(鐵)的情況下，切割溫度必須設為1200°C 1700°C左右。現有技術文獻專利文獻專利文獻1:(日本)特開2008-296266號公報
發明內容
發明要解決的問題然而，用於光纖雷射器等的YAG系雷射被認為與以往採用的CO2雷射相比，切割時的溫度難以上升。其理由被認為如下。對於YAG系雷射和CO2雷射，由於YAG系雷射的波長為1.06 1.08 μ m, CO2雷射的波長為10.6μπι，兩者的波長大小不同，所以相對於材料的雷射吸收率(以下稱為「材料吸收率」)和相對於等離子體的雷射吸收率(以下稱為「等離子體吸收率」)不同。例如，如以往已知的圖6的實驗例所示，對於鐵的材料吸收率，CO2雷射為0.08，波長比CO2雷射短的YAG系雷射為0.39。
如此，由於YAG系雷射的材料吸收率比CO2雷射高，所以與0)2雷射相比，雷射束的能量被更多地消耗於被加工物的熔融，因而雷射束的能量難以幫助被加工物的溫度上升。另外，在切割被加工物時，作為被加工物的金屬的一部分蒸發並轉化為等離子體。另外，儘管等離子體溫度有助於所切割的被加工物內部的溫度上升，但YAG系雷射的等離子體吸收率與CO2雷射比較僅為CO2雷射的1/100左右。因此，YAG系雷射難以使所切割的被加工物內部的等尚子體溫度上升。另外，在採用了光纖雷射器的情況下，由於雷射振蕩器的個體差異、光纖隨時間的劣化、對光纖的力學壓力(應力)的積累和不均勻等，包層與纖芯之間的界面處產生應力且折射率發生變化，從而雷射束的質量和輸出功率降低，雷射切割裝置的切割性能下降。結果，採用波長比CO2雷射短的雷射的雷射切割裝置存在這樣的問題，在切割具有厚度的被加工物的情況下，不能使被加工物內部的溫度上升至切割所需的溫度，從而不能切割被加工物。本發明是鑑於此情況作出的，其目的是提供一種能夠採用波長比CO2雷射短的雷射切割具有厚度的被加工物的雷射切割裝置和雷射切割方法。用於解決問題的手段為解決上述問題，本發明的雷射切割裝置採用以下手段。S卩，依據本發明第一方式的雷射切割裝置包括:射出裝置，射出波長比CO2雷射短且用於切割被加工物的雷射束，所述被加工物具有在被所述雷射束照射的情況下在內部產生熔融池的厚度；以及匯聚裝置，使該雷射束匯聚，使得從所述射出裝置射出的所述雷射束的截面形狀呈橢圓形且該橢圓形的長軸方向與該被加工物的切割行進方向一致。依據本發明的第一方式，利用射出裝置射出波長比CO2雷射短且用於切割被加工物的雷射束，被加工物具有在被該雷射束照射的情況下在內部產生熔融池的厚度；利用匯聚裝置使該雷射束匯聚，使得該雷射束的截面形狀呈橢圓形且該橢圓形的長軸方向與被加工物的切割行進方向一致。波長比CO2雷射短的雷射(例如，YAG系雷射)材料吸收率較高且等離子體吸收率較低，因此在利用雷射束切割被加工物的情況下，不能使被加工物的內部處於這樣一種程度的高溫，該高溫使得熔融金屬具有可利用輔助氣體吹走程度的低粘性。這裡，使雷射束的截面形狀呈橢圓形且橢圓形的長軸方向與被加工物的切割行進方向一致。由此，可改變雷射束能量從被加工物的熔融到切割區域的溫度上升的分配，被加工物的切割方向前方側的雷射束的能量消耗於被加工物的金屬的熔融，另一方面，被加工物的切割方向後方側的雷射束的能量消耗於熔融金屬的溫度上升，熔融金屬的溫度成為高溫。結果，熔融金屬的粘性可下降至能夠利用輔助氣體吹走熔融金屬的程度，所以本發明可採用波長比CO2雷射短的雷射切割具有厚度的被加工物。另外，在依據本發明第一方式的雷射切割裝置中，所述匯聚裝置可以具有:柱面透鏡，使該雷射束匯聚，使得從所述射出裝置射出的雷射束的截面形狀呈橢圓形；以及轉動裝置，使該柱面透鏡轉動，使得經所述柱面透鏡匯聚的雷射束的長軸方向與該被加工物的切割行進方向一致。依據本發明的第一方式，因為匯聚裝置具有:柱面透鏡，使從射出裝置射出的雷射束匯聚成截面形狀呈橢圓形；以及轉動裝置，使該柱面透鏡轉動，使得經柱面透鏡匯聚的雷射束的長軸方向與該被加工物的切割行進方向一致，所以能夠利用簡單的構造使雷射束的長軸方向與該被加工物的切割行進方向一致。另外，在依據本發明第一方式的雷射切割裝置中，所述雷射束可以為光纖雷射。依據本發明第一方式，由於光纖雷射是以高質量進行高輸出的雷射束，所以能夠更可靠地切割具有厚度的被加工物。另外，在依據本發明第一方式的雷射切割裝置中，所述雷射束可以為盤式雷射器產生的雷射束。依據本發明第一方式，由於盤式雷射器產生的雷射束是以高質量進行高輸出的雷射束，所以能夠更可靠地切割具有厚度的被加工物。另一方面，為解決上述問題，本發明的雷射切割方法採用以下手段。S卩，依據本發明第二方式的雷射切割方法包括:第一工序，射出波長比CO2雷射短且用於切割被加工物的雷射束，所述被加工物具有在被所述雷射束照射的情況下在內部產生熔融池的厚度；以及第二工序，使該雷射束匯聚，使得射出的所述雷射束的截面形狀呈橢圓形且該橢圓形的長軸方向與該被加工物的切割行進方向一致，匯聚成橢圓形的所述雷射束有助於所述熔融池的溫度上升。依據本發明第二方式，被加工物的切割方向前方側的雷射束的能量消耗於被加工物的金屬的熔融，另一方面，被加工物的切割方向後方側的雷射束的能量消耗於熔融金屬的溫度上升，熔融金屬的溫度成為高溫。結果，熔融金屬的粘性可下降至能夠利用輔助氣體吹走熔融金屬的程度，所以依據本發明第二方式的雷射切割方法能夠採用波長比CO2雷射短的雷射切割具有厚度的被加工物。發明的效果依據本發明，具有能夠採用波長比CO2雷射短的雷射切割具有厚度的被加工物的優良效果。
圖1是表示依據本發明實施方式的雷射切割裝置的光學系統的構造的示意圖。圖2A是表示利用採用了現有光纖雷射器的雷射切割裝置切割的被加工物的切割狀態的示意圖。圖2B是表示利用依據本發明實施方式的雷射切割裝置切割的被加工物的切割狀態的示意圖。圖3是表示依據本發明實施方式的雷射切割裝置的切割方向與雷射束方向之間的關係的不意圖。圖4是依據本發明實施方式的雷射切割裝置的整體構造圖。圖5是依據本發明實施方式的雷射切割裝置的筐筒的縱剖視圖。圖6是表示材料吸收率隨雷射束波長的變化的圖表。
具體實施例方式以下，參照
依據本發明的雷射切割裝置和雷射切割方法的一種實施方式。
圖1表示依據本實施方式的雷射切割裝置10的光學系統的構造。雷射切割裝置10包括雷射振蕩器20、光纖22、雷射射出部24和光學系統26。依據本實施方式的雷射切割裝置10採用光纖雷射器，該光纖雷射器採用光纖22為介質。另外，依據本實施方式的雷射切割裝置10通過向載置於工作檯28上的被加工物30連續地照射雷射束來切割被加工物30。被加工物30為金屬，本實施方式中作為一例，將被加工物30設為鐵(Fe)。另外，被加工物30的厚度例如為十至幾十毫米(例如50mm)。雷射振蕩器20生成雷射(本實施方式中為YAG系雷射)，所生成的雷射利用光纖22傳送，並從設在光纖22末端的雷射射出部24射向光學系統26。光學系統26從上遊側起具有準直光學系統40、柱面透鏡系統42和聚光光學系統
44,且準直光學系統40、柱面透鏡系統42和聚光光學系統44以中心軸為同軸的方式配置。準直光學系統40包括準直透鏡，且使從光纖22射出的具有預定擴束(開口數NA=sin Θ )的雷射束成為平行光。柱面透鏡系統42包括柱面透鏡，且使利用準直光學系統40而成為平行光的雷射束僅朝向一個方向匯聚。即，雷射束在柱面透鏡系統42的作用下以截面形狀呈橢圓形的方式匯聚。聚光光學系統44使在柱面透鏡系統42的作用下以截面形狀呈橢圓形的方式匯聚的雷射束匯聚為適於切割被載置在工作檯28上的被加工物30的直徑。準直光學系統40、柱面透鏡系統42和聚光光學系統44由例如石英玻璃形成。另夕卜，準直光學系統40、柱面透鏡系統42和聚光光學系統44分別可以由一個透鏡構成，也可以由多個透鏡構成。另外，依據本實施方式的雷射切割裝置10在切割被加工物30時一邊向切割部分吹送作為輔助氣體的氧氣，一邊進行切割。這裡，圖2A表示利用採用現有光纖雷射器的雷射切割裝置切割的被加工物30的示意圖，圖2B表示利用依據本實施方式的雷射切割裝置10切割的被加工物30的示意圖。如圖2A的俯視圖所示，現有的雷射切割裝置對被加工物30照射截面形狀呈圓形的雷射束以切割被加工物30。雷射束的徑向寬度近似成為切口寬度(切割寬度)。然而，在被加工物30的厚度較厚(例如十至幾十毫米(例如50mm))的情況下，如圖2A的縱剖視圖所示，YAG系雷射存在不能到達被加工物30的底面而不能切割被加工物30的情況。此理由被認為是因為YAG系雷射與CO2雷射相比材料吸收率較高且等離子體吸收率較低。更具體地說，由於YAG系雷射與CO2雷射相比材料吸收率較高，所以雷射束的能量被更多地消耗於被加工物30的熔融，因而雷射束的能量難以幫助被加工物30的溫度上升。另外，在切割被加工物30時，作為被加工物30的金屬的一部分蒸發並轉化為等離子體。另夕卜，儘管等離子體的溫度有助於升高所切割的被加工物30內部的溫度，但YAG系雷射的等離子體吸收率比CO2雷射低，所以可認為YAG系雷射難以使所切割的被加工物30內部的等尚子體溫度上升。結果，即使構成被加工物30的金屬和氧化金屬熔融成為熔融金屬並在被加工物30內部生成熔融池，由於雷射束不能使熔融池的溫度充分上升，所以熔融金屬的粘性不降低，輔助氣體不能使熔融金屬從被加工物30的內部流出。由此，現有雷射切割裝置存在不能切割具有在內部產生熔融池厚度的被加工物30的情況。另一方面，如圖2B的俯視圖所示，依據本實施方式的雷射切割裝置10向被加工物30照射截面形狀呈橢圓形的雷射束。當截面形狀呈橢圓形的雷射束向被加工物30照射時，被加工物30的切割方向前方側的該雷射束的能量消耗於被加工物30的金屬的熔融。另一方面，被加工物30的切割方向後方側的該雷射束的能量可消耗於熔融金屬的溫度上升。結果，熔融金屬的粘性上升，輔助氣體能夠利用其壓力把熔融金屬吹出被加工物30外，所以雷射切割裝置10可以切割具有厚度的被加工物30。利用熔融金屬的粘性上升，變得可以向下方吹走熔融金屬，所以如圖2B的縱剖視圖所示，切割劃痕(F' 」 W 與圖2A的縱剖視圖所示的現有例相比變得立起。如圖3所示，依據本實施方式的雷射切割裝置10為了切割具有厚度的被加工物30，使雷射束匯聚成雷射束的長軸方向與被加工物30的切割行進方向一致。圖4是雷射切割裝置10的整體構造圖。雷射切割裝置10所包括的光學系統26被收容在上部配置有雷射射出部24的筐筒50中。筐筒50由能在三軸方向上(xyz軸)移動的三軸臂狀件52支承，且通過三軸臂狀件52驅動，被加工物30的切割 行進方向可以變化。三軸臂狀件52的移動由控制盤54控制。另外，如圖5的筐筒50的縱剖視圖所示，依據本實施方式的筐筒50被上下分割，上部筐筒50A內配置有雷射射出部24和準直光學系統40，下部筐筒50B內配置有柱面透鏡系統42和聚光光學系統44。上部筐筒50A由三軸臂狀件52支承，下部筐筒50B以可相對於上部筐筒50A同軸轉動的方式嵌合。另外，上部筐筒50A的側面設有電機56。方向補正齒輪58A以與設在下部筐筒50B側面上的齒輪58B卩齒合的方式設在電機56的轉軸56A上。另外，電機56的轉軸56A的轉動角度與由於三軸臂狀件52的移動所導致的被加工物30的切割行進方向的變化同步並由控制盤54控制。控制盤54通過經由與方向補正齒輪58A嚙合的齒輪58B使下部筐筒50B即柱面透鏡系統42轉動，控制電機56的轉軸56A的轉動角度，使得被加工物30的切割行進方向與雷射束的長軸方向一致。如以上所說明的，在依據本實施方式的雷射切割裝置10中，用於切割被加工物的雷射束(本實施方式中為波長比CO2雷射短的YAG系雷射)從雷射射出部24射出，該雷射束利用光學系統26匯聚成該雷射束的截面形狀呈橢圓形且該橢圓形的長軸方向與被加工物的切割行進方向一致，匯聚成橢圓形的雷射束有助於被加工物30內部的熔融池的溫度上升，所以熔融金屬的粘性可下降至能夠利用輔助氣體吹走熔融金屬的程度，從而能夠採用波長比CO2雷射短的雷射切割具有厚度的被加工物30。以上，採用上述實施方式對本發明進行了說明，但本發明的技術範圍不限於上述實施方式所記載的範圍。在不脫離發明要旨的範圍內，可對上述實施方式進行各種變更和改良，進行了該變更和改良的方式也包含在本發明的技術範圍內。例如，在上述實施方式中說明了採用氧氣作為輔助氣體的情況，但本發明不限於此,也可以採用氮氣、氬氣等其它氣體作為輔助氣體。另外，在上述實施方式中說明了雷射切割裝置10中採用YAG系雷射的情況，但本發明不限於此，也可以採用其它雷射作為波長比CO2雷射短的雷射。另外，在上述實施方式中說明了雷射切割裝置中採用光纖雷射器的情況，但本發明不限於此，也可以採用盤式雷射器(波長1.05 1.09 μ m)。另外，在上述實施方式中說明了通過使由三軸臂狀件52支承的筐筒50移動來使被加工物30的切割行進方向變化的情況，但本發明不限於此，也可以將移動筐筒50設為不可移動，使載置被加工物30的工作檯28能在三軸方向上移動，且通過使該工作檯28移動來改變被加工物30的切割行進方向。在此方式的情況下，電機56的轉軸56A的轉動角度與由工作檯28的移動導致的被加工物30的切割行進方向的變化同步並由控制盤54控制。另外，在上述實施方式中說明了筐筒50由三軸臂狀件52支承的情況，但本發明不限於此，也可以設為由在縱(X)和橫(y)向上移動的二軸臂狀件支承的方式。符號的說明10雷射切割裝置24雷射射出部26光學系統30被加工物40準直光學系統42柱面透鏡系統44聚光光學系統56 電機
權利要求
1.一種雷射切割裝置，包括: 射出裝置，射出波長比CO2雷射短且用於切割被加工物的雷射束，所述被加工物具有在被所述雷射束照射的情況下在內部產生熔融池的厚度；以及 匯聚裝置，使該雷射束匯聚，使得從所述射出裝置射出的所述雷射束的截面形狀呈橢圓形且該橢圓形的長軸方向與該被加工物的切割行進方向一致。
2.根據權利要求1所述的雷射切割裝置，所述匯聚裝置具有: 柱面透鏡，使該雷射束匯聚，使得從所述射出裝置射出的雷射束的截面形狀呈橢圓形；以及 轉動裝置，使該柱面透鏡轉動，使得經所述柱面透鏡匯聚的雷射束的長軸方向與該被加工物的切割行進方向一致。
3.根據權利要求1或2所述的雷射切割裝置，所述雷射束為光纖雷射器產生的雷射束。
4.根據權利要求1或2所述的雷射切割裝置，所述雷射束為盤式雷射器產生的雷射束。
5.—種雷射切割方法,包括: 第一工序，射出波長比CO2雷射短且用於切割被加工物的雷射束，所述被加工物具有在被所述雷射束照射的情況下在內部產生熔融池的厚度；以及 第二工序，使該雷射束匯聚，使得射出的所述雷射束的截面形狀呈橢圓形且該橢圓形的長軸方向與該被加工物的切割行進方向一致，匯聚成橢圓形的所述雷射束有助於所述熔融池的溫度上升。
全文摘要
一種雷射切割裝置和雷射切割方法，其能夠採用波長比CO2雷射短的雷射切割具有厚度的被加工物。雷射切割裝置(10)從雷射射出部(24)射出用於切割被加工物(30)的雷射束(波長比CO2雷射短的YAG系雷射)，該雷射雷射切割裝置利用光學系統(26)匯聚使得該雷射束的截面形狀呈橢圓形且該橢圓形的長軸方向與被加工物(30)的切割行進方向一致，匯聚成橢圓形的雷射束有助於被加工物(30)內部的熔融池的溫度上升。
文檔編號B23K26/38GK103180085SQ201180046039
公開日2013年6月26日 申請日期2011年10月6日 優先權日2010年10月15日
發明者渡邊真生 申請人:三菱重工業株式會社