JP6388986B2 - 最適化されたガスダイナミックスを用いてレーザ切断する方法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２ｍｍの厚さを有するプレート形状の金属製のワークピースを、レーザビームおよび切断ガスを用いて切断する方法であって、レーザビームおよび切断ガスの両方が一緒に切断ガスノズルのノズル開口から流出し、ノズル開口から流出する切断ガスが最高で１０ｂａｒの切断ガス圧を有している方法に関する。

このような方法は、例えば米国特許出願公開第２０１２／００１２５７０号明細書に基づいて公知である。

従来技術では、レーザ切断時に切断ガスの高消費を回避するために、通常、可能な限り小さなノズル直径を有する切断ガスノズルが使用される。このようなノズルを用いて良好な品質で切断を可能にするためには、切断ガスとして窒素を用いて切断する場合、１０ｂａｒ〜２５ｂａｒの範囲のガス圧（Ｎ_２・高圧・溶融切断プロセス）が使用されねばならない。切断ガスとして酸素を用いて切断する場合には、米国特許出願公開第２０１２／００１２５７０号明細書に記載のように、ガス圧は１０ｂａｒ未満であってよい。切断ガスの非効率的な入射は、一般的にかつ特に鋭いコーナの切断時に、切断速度の低下またはバリの形成を生じることがある。切断プロセスにおいて存在するガス流条件に切断パラメータを合わせることは、良好な切断結果および安定した製造条件のために必要な前提条件である。

さらに、特開２００３−０４８０９０号公報に基づいて、ＣＯ_２レーザビームを用いた切断時に切断間隙内における窒素プラズマの発生を回避するために、８ｍｍを超える厚さを有するワークピースの溶融切断時に、切断ガスの圧力を低減することが公知である。そのために特殊に成形された内輪郭を有する切断ガスノズルが提案されており、この切断ガスノズルは、ノズル開口に、拡大された直径を有する領域を有している。ワークピース側のノズル出口開口は、４ｍｍの直径を有しており、切断ガスの圧力は、７.８ｂａｒ〜１３.７ｂａｒの範囲にある。

本発明の課題は、プレート形状の（特に金属製の）ワークピースをレーザ切断する方法であって、高い切断速度において切断エッジの良好な品質が得られる方法を提供することである。

この課題を解決する本発明に係る方法では、冒頭に述べた方法において、ワークピース側のノズル端面の高さにおいて、レーザビームのビーム軸線は、ノズル開口の、切断方向において後方の開口壁部分から少なくとも３ｍｍの間隔をおいて位置しているようにした。つまりビーム軸線の方向で見て、切断フロントを起点として延びる切断間隙は、切断ガスノズルのノズル開口によって、少なくとも３ｍｍの長さにおいて被覆されるまたはオーバラップされる。

本発明に係る方法では、１０ｂａｒを下回る切断ガス圧によって、ワークピース側のノズル開口から流出する切断ガスが僅かに膨張する。流速度の低下によって、切断間隙の内部における切断ガス噴流の圧力衝撃の数および強さが減じられる。切断フロント表面からの切断ガス流の剥離は、切断間隙がノズル開口によって大きく被覆されていることに基づいて、たとえ発生したとしても、切断間隙内への可能な限り長い進入区間の後で初めて発生する。この効果は、比較的高い切断速度と、同時に切断エッジまたは切断コーナにおける高い品質と、切断可能な最大ワークピース厚さの増大とを可能にする。

本発明の認識では、ノズル内輪郭の形状は、厚いワークピースの切断時には切断品質に対して僅かな影響しか及ぼさず、かつ切断ガス圧の影響が決定的である。ノズル形状は、拡大していても収斂していてもよく、または切断ガスノズルは、バイパスフローノズルとして形成されていてもよいし長孔ノズルとして形成されていてもよい。高い切断ガス圧は、小さなノズル直径との関連において、２ｍｍよりも大きな厚さを有するワークピースの切断時に、切断間隙において不均一なガス流を生じさせる。ノズル開口の後ろで強く膨張するガス噴流は、その拡がり方向に沿って、強く不均一な密度分布および速度分布を有している。これによって、切断フロントおよび溶融物に対して作用する、ワークピースにおける剪断力もまた、噴流拡がり方向において強く異なっている。さらに、ガス流は、既に切断間隙における僅かな深さ（ワークピース表面の近傍）において、切断フロント表面から剥離し、このことは、切断間隙の下側領域における、溶融物を押し退ける剪断力の損失を意味し、顕著になるバリ形成によって品質の低い切断エッジを生じさせることになる。

ワークピース厚さが大きくなればなるほど、かつ切断間隙内への進入時におけるガス速度が高くなればなるほど、切断間隙内におけるガス噴流の渦動はより激しくなり、かつこのような乱流のガス噴流が、残留物なしに（つまりバリなしに）ワークピース下側から剥離する、切断間隙から流出する均一な溶融糸を発生させることがより不可能になる。そして、切断間隙の深さが大きくなればなるほど、および切断間隙内へのガス流の進入速度が高くなればなるほど、ガス流はこの切断間隙においてさらに強く制動されることになる。

溶融物押退けのために必要なガス容積流が、小さなノズル開口を有する切断ガスノズルを通して切断間隙に向けられる場合、切断ガスは必要に応じて、高い速度でノズル開口から流出する必要があり、これによって極めて高い制動作用を、切断間隙内で有効方向において（つまりレーザビームに対して平行に）被ることになる。しかしながら、初期の拡大方向に対して横方向に（つまり既に形成された切断間隙内への切断方向とは逆向きに）おいては、ガス噴流に対する制動作用は比較的僅かである。なぜならば、この方向におけるガス噴流の初期速度は、ノズル開口からの流出後に同様に僅かだからである。つまり、小さなノズル開口から流出し、かつ制限された横方向の拡がりおよび切断間隙内への高い流入速度を有する「鋭い」高圧ガス噴流は、切断間隙内への短い進入深さの後で、大きな制動作用に基づいて、噴流軸線に沿って益々その方向を変化させ、かつ噴流軸線に対して横方向における比較的小さな制動作用に相応して、益々水平方向で、既に生じている切断間隙内へと流出する。これによって、ガス噴流は、既に短い進入深さの後で、溶融フィルムの加速のために（つまり溶融物押退けのために）もはや利用することができず、バリの形成に基づいて、切断結果は劣化してしまう。

しかしながら、所定された溶融物搬送のために必要な、単位時間当たり同じガス容積流が、極めて大きなノズル開口を有する切断ガスノズルを通して、切断間隙に向かって導かれる場合には、そのためには著しく低い切断ガス圧しか必要ない。これによって、この「ソフトな」切断ガス噴流は、切断間隙内への著しく低い進入速度を有するので、これによって有効方向（つまりレーザビーム軸線に対して平行な方向）において、著しく小さな制動作用しか発生させず、結果として、切断間隙を通る通過中に、その速度も方向もほとんど変化させない。つまり、幅広い横方向における拡がりと切断間隙内への低い進入速度を有するこのソフトな切断ガス噴流を、ワークピース厚さ全体にわたって、溶融フィルムの加速および押退けのために利用することができ、これによってバリのない切断を可能にする。

本発明に係る方法によって、例えば溶融切断（切断ガスは窒素）時におけるプロセス速度を、汎用のレーザ切断プロセスに対して５０％まで高めることができる。さらに、ノズル開口によって切断間隙を大きく被覆することによって、鋭い方向転換時におけるバリ形成および酸化が僅かになる。大きな直径を有するノズルから流出する比較的大面積の「ソフトな」ガス流は、さらに後方において切断間隙において生じた溶融物をもさらに確実に下方に向かって切断間隙から押し退け、かつこれによって比較的ゆっくりとした送りによるカーブ移動時にバリ形成を回避するのにより適している。加えて、従来技術に基づいて公知のノズル・ガス圧コンビネーションを用いて実施される場合に比べて、より厚いワークピースをバリなしに切断することができる。さらに、例えば圧縮空気切断（典型的には６ｂａｒ未満のガス圧で実施される）または窒素発生器によって現場で発生させられる窒素を用いた切断のような、ガス圧を制限されたプロセスを、従来はバリなしには切断することができなかったワークピース厚さにおいても使用することができる。

さらに、ソフトな切断ガス噴流は、比較的小さな吸込み作用しか、プロセス箇所を取り囲む雰囲気に対して加えられないので、例えば窒素を用いた切断時に、外部空気は切断間隙内にほとんどもたらされない。これによって、切断エッジはほとんど酸化を生じず、かつ／または純度の低い窒素を使用することができる。

本発明によれば、ノズル開口の最小の横断面積のみならず、特に、ノズル開口によって切断間隙を被覆することが決定的に重要である。比較的薄いワークピース（例えばワークピース厚さ５ｍｍ）では、少なくとも３ｍｍの被覆が、かつ比較的厚いワークピース（例えばワークピース厚さ１５ｍｍ）では、少なくとも４ｍｍの被覆が好適であることが判明している。この比を最大に保つことが目標である。すなわち、気体力学的に、常に、特にコーナ移動時には、切断ガスによる切断間隙の最大可能な被覆を得ることが望ましい。制限は単に、経済的な観点および弾性に関する観点から生じる。すなわち、比較的大きなノズル開口というのは、高いガス消費と、既に切断された隣接したワークピース部分との高い衝突リスクとを意味している。したがって、比較的薄いワークピースでは、ノズル開口は比較的小さく選択される。好ましくは、１０ｍｍよりも大きな厚さを有するワークピースでは、レーザビームのビーム軸線は、ノズル開口の後方の開口壁部分から少なくとも４ｍｍの間隔をおいて位置している。

好ましくは、ノズル開口のワークピース側の開口面積、ノズル端面とワークピース表面との間の間隔および切断ガス圧は、切断間隙内への進入時における最高ガス流速度が、音速の１倍を上回らないように選択される。

好ましくは、ノズル開口の、ワークピース側の開口直径（円形のノズル開口の場合）または長軸におけるノズル開口の長さ（楕円形または方形のノズル開口、長孔ノズルの場合）は、切断間隙幅の１０倍〜３０倍に相当する。このように構成されていると、ノズル直径またはノズル開口のサイズを、ワークピース厚さに合わせられる。それというのは、切断間隙幅は、ワークピース厚さの増大に連れて大きくなるからである。このことは、極めて大きなノズル開口に起因する切断ガス消費の増大を抑制する。特に好ましくは、ノズル開口の、ワークピース側の開口直径または長軸におけるノズル開口の長さは、少なくとも７ｍｍである。２ｍｍよりも大きな厚さを有するワークピースを切断する場合、ノズル直径は、典型的には７ｍｍ〜１２ｍｍ、切断ガス圧は１ｂａｒ〜６ｂａｒである。

７ｍｍを上回る大きな開口直径（少なくとも長軸において）と１０ｂａｒを下回る低い切断ガス圧とを有する切断ガスノズルを同時に使用することによって、切断ガス流に対する複数の有益な効果を１つにまとめることができる。すなわち、低いガス圧によって、ノズル開口における切断ガスの膨張が減じられ、ひいては圧力衝撃の形成が僅かになる。大きなノズル開口によって、ノズル開口による切断間隙の被覆が大きくなり、これによって、切断間隙における切断ガス噴流があまり強く巻き上げ（auffaechern）られなくなり、ひいては切断フロント表面からの切断ガスの剥離ポイントを、下方に向かって効果的に移動させることができる。加えて、切断間隙におけるガス密度が低下し、これによって、高いレーザ出力の場合およびビーム源としてＣＯ_２レーザを使用する場合に、切断品質および切断速度に対して不都合に作用する窒素プラズマの発生の蓋然性が低下する。

大きなノズル開口に起因する切断ガス消費の増大をさらに抑制するために、ノズル開口とワークピース表面との間の間隔は、可能な限り小さいことが望ましい。理想的には、装着されたノズルを用いて、０間隙を調節できることが望ましい。それというのは、この場合には、ガス消費を最大に減じることができ、かつガス流を、理想的に切断間隙内に入射させられるからである。したがって、ノズル端面とワークピース表面との間の間隔は、好ましくは０ｍｍ〜０.５ｍｍである。

レーザ出力から溶融出力への変換時における最大効率（つまり最大の入射効率（Einkoppeleffizienz））は、ワークピース厚さと切断間隙幅または焦点直径との比が５の値に相当する場合に得られる。したがって、理想的には、焦点直径はワークピース厚さの１／５であることが望ましく、かつワークピース厚さの１／１０〜１／３０よりも小さくないことが望ましい。このように構成されていると、切断間隙の、送り方向に向く部分（切断フロント）を、レーザビームによって最適に溶融することができる。同時に、切断ガスを比較的簡単に切断間隙内に進入させることができる。高出力レーザのためにレーザ切断時に好適に使用することができる焦点直径の範囲は、１００μｍ〜２０００μｍであり、好ましくは少なくとも１５０μｍ、特に好ましくは少なくとも２００μｍである。

さらに好ましくは、レーザ切断プロセスの安定性および効率のために、レーザビームの焦点は、ワークピース表面の高さにまたはワークピース表面に配置されており、かつ（特に溶融切断時に）切断間隙幅は、全金属薄板厚さにわたって焦点直径に相当する。つまり、収束したビーム（ビーム火線）の直径の経過は、全ワークピース厚さにわたって、可能な限り僅かしか変化しないことが望ましい。したがって、ビームパラメータ製造および収束したレーザビームの焦点直径は、発生するレイリー長さがワークピース厚さの０.５倍〜１倍に相当するように合わせられていることが望ましい。このとき結果として生じる切断間隙幅は、選択された焦点直径の１倍〜１.４倍の値に相当する。

本発明に係る方法は、基本的にはすべてのレーザ出力に対して使用可能であり、かつ特に比較的大きなワークピース厚さにおいて、つまり３０００Ｗ以上のレーザ出力において好適であることが判明している。本発明に係る方法は、切断ガスとして窒素または窒素・酸素混合物（圧縮空気）を使用する、溶融切断プロセスのために特に好適であることが判明している。レーザ源としては、ＣＯ_２レーザおよび固体レーザまたはダイオードレーザを使用することができる。（例えば国際公開第２０１６／０４６９５４号に記載のように）特にビーム源としてダイオードレーザを用いた場合に、本発明に係る方法を好適に使用することができる。それというのは、固体レーザに比べて低い、ダイオードレーザのビーム品質に基づいて、切断間隙幅は増大し、したがってノズルのワークピース側の開口による切断間隙の大きな被覆によって、プロセスに対する特に好適な作用が加えられるからである。

特に好ましくは、多重波長のレーザビーム（Mehrfachwellenlaengen-Laserstrahl）を発生させるダイオードレーザが、レーザビーム源として使用される。

図示および記載の実施形態は、最終的なリストとしてではなく、本発明を説明するための単なる例示的な特徴であると理解されるべきである。

本発明によるレーザ切断時にプレート形状のワークピースにわたって移動される切断ガスノズルを示す縦断面図である。 図１に示したプレート形状のワークピースおよび切断ガスノズルを下から示す図であって、円形のノズル開口横断面を有する切断ガスノズルを示す図である。 図１に示したプレート形状のワークピースおよび切断ガスノズルを下から示す図であって、楕円形のノズル開口横断面を有する切断ガスノズルを示す図である。 プレート形状のワークピースをレーザ切断する本発明に係る方法を実施するレーザ切断機を示す図である。

図面の以下の記載において、同じまたは機能が同じ部材に対しては、同一符号が使用される。

図１に示した切断ガスノズル１は、少なくとも２ｍｍの厚さｄを有するプレート形状の金属製のワークピース２を、レーザビーム３および切断ガス４を用いてレーザ切断するのに用いられる。このとき、レーザビーム３および切断ガス４の両方が一緒に切断ガスノズル１のノズル開口５から流出する。レーザ切断法は、切断ガス４として窒素または窒素・酸素混合物、特に圧縮空気が使用される溶融切断プロセスであってよい。

切断ガスノズル１は、ワークピース２に切断間隙７を形成するために、ワークピース２の上方を切断方向６に移動される。このときワークピース側のノズル端面８とワークピース表面９との間の間隔Ａは、好ましくは、０ｍｍ〜０.５ｍｍの間である。ノズル開口５から流出する切断ガス４は、最高１０ｂａｒの切断ガス圧ｐを有している。レーザビーム３のビーム軸線は、１０で示されている。好ましくは、レーザビーム３の焦点は、ワークピース表面９の高さにまたはワークピース表面９に配置されており、レーザビーム３の焦点直径は、ワークピース厚さｄの少なくとも１／５である。レーザビーム３のビームパラメータ積（Strahlparameterprodukt）および焦点直径は、理想的には、生じるレイリー長がワークピース厚さｄの０.５倍〜１倍に相当するように選択されている。ノズル開口５の開口側の開口面積、ノズル端面８とワークピース表面９との間の間隔Ａおよび切断ガス圧ｐは、理想的には、最高ガス流速度が切断間隙７への進入時に、音速の１倍を超えないように選択されている。

図２ａには、円形の開口横断面を備えた切断ガスノズル１を下から見た図が示されており、図２ｂには、楕円形の開口横断面を備えた長孔切断ガスノズル１を下から見た図が示されている。代替的に、長孔切断ガスノズルの開口横断面は、方形であってもよい。ワークピース側のノズル端面の高さにおいて、レーザビーム３のビーム軸線１０は、ノズル開口５の、切断方向６において後方の開口壁部分１１から、少なくとも３ｍｍの間隔をおいて位置している。つまり、ビーム軸線１０の方向で見て、切断フロント１２を起点とする切断間隙７は、切断ガスノズル１のノズル開口５によって、少なくとも３ｍｍの長さＬで被覆されるかまたはオーバラップされる。図２ａに示された円形の開口横断面の場合には、ノズル開口５の開口直径は、好ましくは切断間隙幅ｂの１０倍〜３０倍に相当し、少なくとも７ｍｍである。図２ｂに示した、楕円形の開口横断面を備えた長孔切断ガスノズル１の場合には、ノズル開口５の、切断方向６に延びる長軸の長さａは、好ましくは切断間隙幅ｂの１０倍〜３０倍に相当し、少なくとも７ｍｍである。

１０ｂａｒ未満の切断ガス圧は、ノズル開口５から流出する切断ガス４を僅かに膨張させる。これによって減じられた流速度によって、切断間隙７における圧力衝撃の数および強さが低減される。切断フロント表面１２からの切断ガス流の剥離は、ノズル開口５による切断間隙７の大きな被覆に基づいて、たとえ発生したとしても、切断間隙７内への可能な限り大きな進入区間の後で初めて発生する。この効果は、切断エッジまたは切断コーナにおいて同時に得られる高い品質と共に、比較的高い切断速度を可能にし、かつ切断可能な最大のワークピース厚さｄの増大を可能にする。ノズル開口５によって切断間隙７が大きく被覆されていることによって、鋭い方向転換時におけるバリの形成および酸化が僅かになる。切断ガスノズル１の大きな開口直径からの「ソフトな」大面積のガス流は、さらに後方において切断間隙７において発生する溶融物をも、さらに確実に下方に向かって切断間隙７から押し退けることができ、かつこれによって比較的僅かな送りによるカーブ走行時にバリの形成を回避することができる。

図３には、上記のレーザ切断方法を実施するのに適したレーザ切断機２０が示されている。

レーザ切断機２０は、例えばレーザビーム発生器２１としてのＣＯ_２レーザまたは固体レーザ、および好ましくはダイオードレーザ、走行可能なレーザ切断ヘッド２２およびワークピース支持体２３を有しており、このワークピース支持体２３上には、ワークピース２が配置されている。レーザビーム発生器２１においてレーザビーム３が発生させられ、このレーザビーム３は、光導ケーブル（図示せず）または変向ミラー（図示せず）を用いてレーザビーム発生器２１からレーザ切断ヘッド２２に導かれる。レーザビーム３は、レーザ切断ヘッド２２内に配置された焦準光学系を用いて、ワークピース２に向けられる。レーザ切断機２０には、さらに例えば酸素および窒素である切断ガス２４が供給される。切断ガス２４は、レーザ切断ヘッド２２の切断ガスノズル１に供給され、この切断ガスノズル１から切断ガス２４は、レーザビーム３と一緒に流出する。レーザ切断機２０はさらに機械制御装置２５を有しており、この機械制御装置２５は、レーザ切断ヘッド２２をその切断ガスノズル１と一緒に切断輪郭に相応してワークピース２に対して移動させるようにプログラミングされている。

Claims (11)

1. 少なくとも２ｍｍの厚さ（ｄ）を有するプレート形状の金属製のワークピース（２）を、固体レーザまたはダイオードレーザのレーザビーム（３）および切断ガス（４）としての窒素を用いて溶融切断する方法であって、前記レーザビーム（３）および前記切断ガス（４）の両方が一緒に切断ガスノズル（１）のノズル開口（５）から流出し、該ノズル開口（５）から流出する前記切断ガス（４）は、最高で１０ｂａｒの切断ガス圧（ｐ）を有しており、
   ワークピース側のノズル端面（８）の高さにおいて、前記レーザビーム（３）のビーム軸線（１０）は、前記ノズル開口（５）の、切断方向（６）において後方の開口壁部分（１１）から少なくとも３ｍｍの間隔をおいて位置している方法において、
   前記ノズル開口（５）の、ワークピース側の開口直径または長軸の長さ（ａ）が、少なくとも７ｍｍであり、
   溶融切断時に前記ワークピース側のノズル端面（８）とワークピース表面（９）との間の間隔（Ａ）が、０ｍｍよりも大きくかつ０.５ｍｍ未満であり、
   前記ノズル開口（５）の、ワークピース側の開口面積、前記ノズル端面（８）と前記ワークピース表面（９）との間の間隔（Ａ）、および前記切断ガス圧（ｐ）は、切断間隙（７）内への進入時における最大ガス流速度が音速の１倍を上回らないように選択されている、
   ことを特徴とする、レーザ切断する方法。
2. １０ｍｍよりも大きな厚さ（ｄ）を有する前記ワークピース（２）では、前記レーザビーム（３）の前記ビーム軸線（１０）は、前記ノズル開口（５）の前記後方の開口壁部分（１１）から少なくとも４ｍｍの間隔をおいて位置している、請求項１記載の方法。
3. 前記ノズル開口（５）の、前記ワークピース側の開口直径または長軸の長さ（ａ）が、切断間隙幅（ｂ）の１０倍〜３０倍に相当する、請求項１または２記載の方法。
4. 前記レーザビーム（３）の焦点直径が、前記ワークピースの厚さ（ｄ）の少なくとも１／３０である、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記レーザビーム（３）の前記焦点直径は、前記ワークピースの厚さ（ｄ）の少なくとも１／１０である、請求項４記載の方法。
6. 前記レーザビーム（３）の前記焦点直径は、前記ワークピースの厚さ（ｄ）の少なくとも１／５である、請求項５記載の方法。
7. 前記レーザビーム（３）の焦点直径が、少なくとも１５０μｍである、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記レーザビーム（３）の前記焦点直径は、少なくとも２００μｍである、請求項７記載の方法。
9. 前記レーザビーム（３）の焦点は、前記ワークピース表面（９）の高さに配置されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. ビームパラメータ積および前記レーザビーム（３）の焦点直径が、発生するレイリー長さが前記ワークピースの厚さ（ｄ）の０.５倍〜１倍に相当するように選択されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. レーザビーム発生器（２１）として、多重波長のレーザビーム（３）を発生させるダイオードレーザを使用する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。

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