JPH11513935A - 材料をレーザー切断するための方法及び装置 - Google Patents
材料をレーザー切断するための方法及び装置Info
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- JPH11513935A JPH11513935A JP9516847A JP51684797A JPH11513935A JP H11513935 A JPH11513935 A JP H11513935A JP 9516847 A JP9516847 A JP 9516847A JP 51684797 A JP51684797 A JP 51684797A JP H11513935 A JPH11513935 A JP H11513935A
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Abstract
(57)【要約】
物体をレーザービームで切断する改良法及び装置は、約2から約100ワットの平均出力を有し、1012W/m2*sr超の平均レーザービーム輝度と1013W/m2*sr超の最大輝度を物体に送出するダイオードレーザー励起パルス固体レーザーを使用することにより成る。レーザー切断法で切断された物体の熱影響領域(HAZ)は4mm未満であり、微視亀裂は実質的に認められない。
Description
【発明の詳細な説明】
材料をレーザー切断するための方法及び装置
発明の背景
1.発明の分野
本発明は、集束高エネルギーレーザービームによる加工形成物のレーザー切断
法、材料の精密加工及び切削のためのシステム及び本方法により切断された加工
形成物に関する。
2.関連技術の記述
集束レーザービームによる加工形成物の切断方法は本技術において周知である
。ほとんどの工業用システムは光ファイバー束を利用し、ビームを切断部に送り
出す。しかし、光ファイバーの利用は精密切断には全く適さない。なぜならば、
光ファイバーはビーム特性を非常に劣化させるからである。ファイバー経由ビー
ムのビーム特性因子M2(以下に定義)は通例50から150の範囲であるのに対
し、精密切断に要求されるビーム特性因子M2は2未満である。M2は輝度(以下に
定義)の等式の分母に二乗で効いてくるので、ファイバー結合レーザーでは必要
輝度が桁違いに低下することになる。
切断に直接レーザービームを利用することについては、数少ない参考文献に論
じられているにすぎない。典型的なものは、Johnson等による米国特許番号5,
057,664であり、薄膜抵抗体として用いられるニクロムあるいはタンタル
窒化物等の高融点材料のきわめて薄い(約1mmもしくはそれ以下)フィルムを切
断するために、ダイオード励起Qス
イッチYAGレーザーを利用することについて記述したものである。きわめて平滑
で整った切断面が得られたことが報告されている。
Basu等による米国特許番号4,890,289は、レーザー切断等に適用可能
な高エネルギーダイオード励起固体レーザー装置について記述したものである。
放射とともに生ずる熱によるレーザー材料の歪みを防ぐために、励起ダイオード
をレーザー材料から一定距離離して配置し、光ファイバーにより励起放射を誘導
、集中させ、励起部を周期運動させて光励起放射によりレーザーに生ずる熱を分
散させることを提案している。このような構成は、明らかにかなり精巧な機械的
及び制御手段を要する。更に、Basu等が開示したようなスラブレーザーは、ロッ
ドレーザーに比べ、精密切断には適さない。なぜならば、スラブレーザーは通例
非点収差を示し、ビーム特性因子M2が望ましい範囲になることを妨げるからであ
る。
Baerによる米国特許番号5,059,764は、レーザーダイオードにより励
起される端面励起ファイバー結合固体ロッドレーザーを採用し、半導体の製造及
び修理に適用するものである。この装置においては、ビーム幅を1−2mm程度に
低くすることが可能であり、パルスは通例30mJのエネルギーを有する。
単一パルスを用い、半導体回路における不都合な接続を除去する。
上述のJohnson等及びBaerによる方法は、半導体回路における金属層等のかな
り薄い物体の加工に有用であり、材料は主に溶融除去される。Basu等の方法は、
通例、より厚い材料に適するが、切り口が比較的粗くであり、所望のものの10
倍程度の幅になる。より厚い加工物の精密微細切断法、すなわち、材料厚Lと切
り込み幅Dのアスペクト比L/Dが高い
切断法が依然必要とされている。Kobsa等による米国特許番号5,168,14
3は、紡績口金平板の複合細孔の切断にレーザービームを採用するものである。
この平板は0.1mm程度の薄さでも2.0mm程度の厚さのこともあるが、通例、
金属で形成され、0.2から1.0mmの厚さを有する。この方法では、集束レー
ザーエネルギーにより平板の表面(上面)と底面(下面)の間に溶融材料の貯留
が生ずるので、その溶融金属をレーザービームと同軸方向に流れる加圧流体で除
去する。
レーザービームは実質的に単モードビームであり、平板上面上部に位置設定され
た100mm未満のスポットサイズに集束される。レーザーはキセノンフラッシュ
管で励起され、100から200Hzの繰り返し周波数で作動されることが望まし
い。この方法により、十分な平滑な切断端部をもつ40mm幅の切り込みが、約0
.2から1.3mm厚の金属あるいはセラミック平板に形成可能であった。
この方法に特徴的なのは、熱影響領域(HAZ)が切り口に生ずることである。こ
れは、流体噴射では除去されずに残り、加工物における再結晶化の熱放散により
固体化した溶融材料や、熱応力による亀裂の発生、その他の影響により生ずるも
のである。既知のレーザー切断法により生ずる熱影響領域の厚さは、切断される
材料とプロセスパラメーターに左右され、通例25から50mmである。一般に、
熱影響領域における材料は、本体材料とは異なる物理的化学的性質を有する。こ
の結果、加工物を使用する際に、本体材料に比べ、熱影響領域は機械的摩耗及び
又はは薬品腐食に対する耐性が弱く、使用時の切断部の寸法が急に変化すること
がある。このことは明らかに不利である。
したがって、本発明の目的は、レーザー切断された物体の熱影響領域
の厚さを従来技術より有意に低下させ、レーザー切断法を改良することである。
本発明の概要
本発明により、約0.1から2.0mm厚の加工物の切断法が提供され、その切
断法はレーザーを使用する操作が含まれ、そのレーザーは、側面励起ダイオード
棒を有し、約2から約100ワットの平均出力をもち、1012W/m2*sr超の平均
レーザービーム輝度と1013W/m2*sr超の最大輝度を送出してレーザービームを
発する。レーザービームは、物体の上面と下面の間の平面に集束され、材料を溶
融あるいは気化させる。レーザービームにより溶融あるいは気化した材料は、レ
ーザービームと同軸方向に流れる加圧流体により物体から除去される。
本発明は、材料及び加工物の精密加工及び切削のためのレーザーシステムをも
包含する。このシステムは、レーザー媒質、望ましくはネオジム添加イットリウ
ム・アルミニウム・ガーネット(Nd : YAG)の円筒形ロッドからなる固体(sol
id state)レーザー光源と、二枚の止端ミラーからなるレーザー洞、レ
ーザー媒質を励起するためにその周囲に配置された複数のダイオード棒と、ビー
ム特性を改善するための光学要素とを具備する。このような光学要素は周知のも
のであり、単一モード(すなわちTEMooモード)を選択するための開口、レンズ
、曲面ミラー等である。更に、本システムは、レーザービームを拡大、平行化、
集束するレンズシステムを有する。集束レンズは、コリメーターの近くか、ビー
ム減衰器やビーム検証のためのビーム・スプリッタ等のシステムの他の要素の空
間を確保するためにいくらかの距離をおいて配置してもよい。更に、本システム
は、加工物をレーザービームに対し保持し移
動するためのワークステーションを有する。このワークステーションは、加工物
を締め付け要素等により保持し、直交する二方向に独立に動かし、また、レーザ
ーの焦点を前記二方向と直交する第三方向に独立に動かす手段を有する。
図面の簡単な記述
図1は、本発明の装置の説明図である。
図2は、本発明の光学要素の様式略図である。
図3は、レーザービーム送出アセンブリの部分断面立面図である。
図4は、レーザーロッド及び励起ダイオードの斜視図であり、レーザーロッド
を光励起するための好適構成を示す。
本発明の詳細記述
レーザーの平均輝度Bavは、レーザー出力とその焦点面におけるレーザービー
ムの断面積及び立体角に依存する。ここでパルスレーザーの輝度は次式により定
義される。
Bav =(n * E) / (A * Q) [W/m2*sr]
この式において、
E [J] = 一パルス当たりのエネルギー、
n [l/s] = 繰り返し率、
A [m2] = 焦点面におけるビームの断面積、
Q [sr] = くびれ部におけるビームによる立体角、
Q [sr] = くびれ部におけるビームによる立体角、
連続波レーザーの場合、n * Eは[W]単位で表現された出力に置き換え可能であ
る。
測定の容易な単位を用いると、この式は次のようになる。
Bav = (4/p)2 * (n * E)/(Wo2 * q2) [W/m2 * sr]
この式において
Wo [m] = くびれ部におけるビーム直径、
q [rad] = レーザービームの発散度
発散度qは、集束レンズに入射する前の平行ビーム直径とこのレンズの焦点距
離の比として決定される。
Woは便宜上mmで測定されるため、この式は次のようになる。
Bav = 1012 * (4 / p)2 * (n * E) / (Wo2 * q2) [W/m2*sr]
Bavをデューティーサイクルrで割ると、最大輝度が得られる。
Bp = Bav / r [W/m2 * sr]
例えば等しい矩形レーザーパルスでは、デューティーサイクルとは1つのパル
スの始点から次のパルスの始点間の時間間隔に対するレーザーパルスの持続時間
比を意味する。
したがって、高輝度を得るためには、パルスエネルギーEを増大させるか、ビ
ーム特性を示す積Wo*qを低下させるかのどちらか、あるいは、両方がなされなけ
ればならない。Wo*qの最小値は回折限界4 l/pに等しく、ここで、lはレーザー
放射の波長である。以下の考察において、ビーム特性因子M2を用いるが、これは
(Wo*q)の実測値と最小値の比であり、次式により定義される。
Wo*q = M2 * 4 * l / p [m*rad]
これを用いて平均輝度を求めることができる。
Bav = (n * E) / (l2*(M2)2) = 0.883*1012*n*E / (M2)2
[W/m2*sr]
Nd : YAGレーザーの場合、l = 1.064mmである。
この式は、高輝度レーザーを得るためには、ビーム特性因子M2を可能な限り小
さくしなければならないことを意味する。本発明による装置では、以下に説明す
るように、(1)レーザー洞内の一以上のレンズあるいは一以上の曲面止端ミラ
ーを利用し、熱集束を補正することにより、また、(2)レーザー媒質に対する
熱負荷を最小にし、補正困難あるいは不可能な非点収差等の高次の歪みを防ぐこ
とにより、M2を制御する。
本発明による装置は通例10で示される。装置10は、防震支持構造体20、
3軸位置決め機構30、加工物保持固定具40、レーザーシステム50、レーザ
ービーム減衰器60、レーザービーム拡大器70、レーザー抽出器80、レーザ
ービーム送出アセンブリ90、レーザービーム特性モニタ100、切断部位検分
システム110、容量距離検知器140、加圧ガス切断補助装置150及び遮光
安全格納装置160により構成される。
レーザー切断システム50は、レーザーダイオード励起パルスNd : YAG固体レ
ーザーヘッド52を中心とする。レーザーシステム50は、二枚の止端ミラーか
らなるレーザー洞、レーザー媒質、レーザー媒質を励起するための複数のダイオ
ード棒及びビーム特性を改善するための一以上の光学要素を有する。モデル3621
-3000-1等のVA、HerndonのFibertek社製レーザーシステムは、レーザーヘッド5
2、出力源54及び熱冷却装置56により構成されている。レーザーヘッドにお
いてレーザーロッド52Rを含むレーザー媒質は、各々50ワットの80個のレ
ーザーダイオード棒により励起される。これらのダイオード棒は、レーザーロッ
ドの周囲に、一列4×4個ずつ52D1から52D5まで5列に配置され
ている。図4はその配置を示す。平均レーザー出力は約2から約100ワットで
あるが、約30ワットが望ましい。パルス波長は150マイクロセカンド[μs
]であり、パルス繰り返し率は1秒当たり1000パルス[l/s]で、これはデ
ューティーサイクル0.15に相当する。ダイオード52D及びレーザーロッド
52Rは空気接触水冷装置56により冷却される。
レーザー媒質の温度分布は可能な限り対称であることが重要である。このこと
は、スラブ型レーザー媒質より円筒ロッド型レーザー媒質において容易に実現さ
れることが多いが、これはその対称性による。本発明による最適実施例において
は、図5に示されるように、レーザーロッド媒体が数列(例えば5列)のレーザ
ーダイオード棒により側面励起され、均一な温度分布を示し、半径方向に変化す
るが、円周方向にはほとんど変化しない。円筒ロッド52Rは透明な石英管52Q
に封入されるのが望ましく、冷却装置56から供給される脱イオン水等の温度調
節された冷却剤が、この管を介し一定速度で流れることにより、レーザーロッド
52Rを一定の平均温度に保つ。レーザー励起ダイオードを保持する棒52Dは、
高い熱伝導度をもつ放熱材で形成されており、これを介して温度調節された冷却
剤が一定の割合で冷却装置56から流れ、レーザー励起ダイオードを一定平均温
度に保つ。高パルスエネルギーを得るために、本発明による方法では、最大光励
起効率を得るように、レーザーロッド52Rと直接結合するレーザー励起ダイオ
ード52Dを有する側面励起レーザーロッド52Rを使用するのが望ましい。
特に、円筒ロッド型レーザー媒質が望ましい。励起ダイオードアレイはレーザ
ー媒質の近くに配置される。励起ダイオードはレーザー媒質の
周囲に配置されるのが望ましい。このように20から160という多数のダイオ
ードをレーザー媒質の近くに配置すると、各ダイオードは20から100ワット
の励起放射出力を有するので、数キロワットの励起出力が得られる。同時に、励
起エネルギーがレーザー媒質全体により均一に分布するので、熱応力がより低く
なる。
レーザーロッド内の熱を最も均一に分布させるためには、5あるいは7等の奇数
のダイオード棒アレイ列が、レーザーロッドの周囲に対称的に配置されるのが望
ましい。奇数が望ましいのは、ダイオード棒アレイ列からの光エネルギーのうち
レーザーロッドに吸収されない分が対面のダイオード棒アレイ列に衝突すること
がないからである。本発明では、一以上の曲面止端ミラーを使用し、レーザー媒
質を側面励起することにより、ビーム特性因子M2= 1.2が得られる。
ビーム減衰器60は、くさびフィルターとしても知られる密度変動グレイ(中
性)フィルターか、図2に示されるような反射率変動部分反射ミラー(部分反射
ビーム・スプリッタ)62等であり、光路に対し実質的に垂直方向に動かすこと
ができる。反射されたレーザーエネルギーはビームダンプ64に吸収される。減
衰器60としては、回折ビーム・スプリッタとしても知られる回折レーザービー
ム減衰器が特に望ましい。ビーム・スプリッタが広い減衰領域にわたり連続的に
可変であり、切断される材料を適切に処理するためのビーム出力をこの領域で選
択することができれば、これも有利なことである。適当な減衰器としては、Gent
ec社(カナダ、Quebec、Saint-Foy)の光学出力変調器(Optical Power Modulat
or)モデル OPM121-45021がある。
ビーム減衰器は、レーザーヘッド52の外部結合ミラー52M2と最
終集束レンズ94の間のいかなる場所にも便宜的に配置可能である。例えば、図
1及び2に示されるように、コーナーミラー58の直後に配置することも可能で
あるし、ビームが拡大され平行になった後のレーザーシステムに挿入することも
可能である。
ビームは上述のようにビーム減衰器60を通過する。その後、ビームはビーム
拡大レンズ72を通り、用途に応じこのレンズにより直径5から20mmに拡大さ
れ、ビームを平行化するビームコリメーターレンズ74を通る。次いでビーム分
離ミラーを含むビーム抽出器80が、約0.1%のビームを分析のためにレーザ
ービーム特性モニタ100に分離し、99.9%のビームを切断部にビームを集
束させるレーザービーム送出アセンブリ90に反射させる。ビーム抽出器80は
可視光に対し透過性であるため、切断過程の監視が可能であり、このことは切断
部位検分システム110に関して述べる通りである。レーザービーム特性モニタ
100のCCDカメラ102で検出される部分ビームにより、レーザービーム輪郭
のオンライン写真が得られるが、その写真はモニター109に表示され、オペレ
ーターはビーム特性を視覚的に監視できる。レーザービーム送出アセンブリ90
の集束レンズ94は、80ミリメートル(80mm)の焦点距離を有する。ノズル
98はレーザービーム送出アセンブリ90に取り付けられ、加工物表面に流体を
レーザービームと同軸方向に噴射するものであるが、これはKobsaの米国特許番
号5,168,143と同様である。切断のための加圧ガス切断補助装置150
に用いる好適流体は、酸素、窒素、二酸化炭素、アルゴンであり、その圧力は最
良の切断特性が得られるように調節可能で、例えば、約0.5MPaとすることが
可能である。支持構造体20は、Thyssen Laser-Technik G mbH
から入手できるユニット等、花崗岩もしくは類似材料で形成され、これにより、
振動が抑制され、光学系の適切な整合を維持することが望ましい。
3軸位置決め機構30は、コントローラー32、X軸位置決めステージ34、Y
軸位置決めステージ36及びZ軸位置決めステージ38から成る。位置決めステ
ージ34、36、38は、各々、可動台34T、36T、38Tを有する。レーザ
ーシステム50は、レーザーヘッド52、レーザー出力源54及びレーザー冷却
装置56を含む。レーザービーム拡大器70は、ビーム拡大レンズ72とビーム
コリメーターレンズ74を具備する。レーザービーム送出アセンブリ90は、ビ
ーム送出管92、対物あるいは集束レンズ94、ウィンド96及びノズル98を
具備する。
レーザービーム特性モニタ100は、調焦装置104を有するビーム像影CCD
カメラアセンブリ102と画像処理・制御装置108により構成される。ビーム
抽出器80を通過するレーザービームエネルギーの一部は、調焦装置104を通
り、ビーム像影CCDカメラアセンブリ102のCCD配列平面102A に集束される
。画像処理・制御装置108は調焦装置104を制御し、集束レンズ106を数
カ所の特定の位置に位置決めする。レンズ106の第一位置はビームを正確にCC
Dアレイ102Aに集束され、第二位置はビームをCCDアレイ102Aの平面から少
し離れた位置に集束され、第三位置はビームをCCDアレイ102Aの平面から更に
離れた位置に調焦集束されるのに対応する。これら異なる焦点位置に形成された
画像は画像処理・制御装置108に受像され、ビーム特性因子M2が、1993年
、Carl HanserVerlagによるWerkstoffbearbeitungmit Laserstrahlung(Munchen)
におけるHerziger及びLoosenの第3及び
4章に記載された方法により計算される。
切断部位検分システム110は、CCDカメラアセンブリ112、補助光源11
4及び画像表示装置116を具備する。切断部位検分システム110は、レーザ
ービーム送出アセンブリ90に隣接したZ軸位置決めステージ38に取り付けら
れる。加工物の切断部位で反射されたレーザービームあるいは補助光源114か
らの光は、対物レンズ94により平行化され、ビーム抽出器80を通る。カメラ
アセンブリ112のレンズ112Lは、切断部位の画像をCCD像影アレイ112A
に集束させる。
支持構造体20はベース22を有し、その上に二本の支持支柱24が取り付け
られ、更にその上に上部プラットフォーム26が設けられる。加工物保持固定具
40はY軸位置決めステージ36に取り付けられるが、これはX軸位置決めステー
ジ34に取り付けられ、さらにX軸位置決めステージは支持構造体20のベース
22に取り付けられる。レーザーヘッド52、コーナーミラー58、レーザービ
ーム減衰器60、コーナーミラー68、レーザービーム拡大器70及びZ軸位置
決めステージ38は上部プラットフォーム26に取り付けられる。レーザービー
ム送出アセンブリ90はZ軸位置決めステージ38に取り付けられる。
3軸位置決め補助機構30として使用に適するのは、市販装置PA(ピッツバー
グのAerotech社)であり、モデルUNIDEX(R)model 31 シリーズコントローラー
32、X軸ステージ34となるモデルATS 50060位置決め台、Y軸ステージ36と
なるモデルATS 50060位置決め台及びZ軸部38となるモデルATS 50060位置決め
台により構成される。
容量距離検知器140は、距離検知要素142と制御モジュール144を具備
する。モジュール144の出力は、ケーブル146を介しコン
トローラー32に接続される。距離検知器140は、対物集束レンズ116から
加工物表面までの距離を測定する。検知要素142はノズル98に取り付けられ
てもよい。操作時、制御モジュール144が対物レンズと加工物間の距離を表わ
す電気信号を送り、コントローラー32が制御信号をZ軸ステージ38に送るこ
とにより、Z軸ステージ台38Tすなわちレーザービーム送出アセンブリ90を位
置決めし、これを加工物表面から所望の距離に保持し、最終的に対物レンズ94
がレーザービームを加工物表面に対して所望の位置に集束させる。
ガス切断補助装置150は、ガス供給源150C、供給管152及び切断ノズ
ル98を含み、このノズルは集束レンズ94と加工物W間のレーザービームと同
軸に位置合わせして取り付けられ、ワークステーションに保持される加工物表面
に加圧流体を噴射する。この流体は、酸素、アルゴン、二酸化炭素、窒素等のガ
スであることが望ましい。
更に、本発明により、厚さ約0.1から2.0mmで物体を切断する方法が提供
される。その切断法にはレーザーを使用する操作が含まれ、そのレーザーは、側
面励起ダイオード棒を有し、約2から約100ワットの平均出力をもち、1012
W/m2*sr超の平均レーザービーム輝度と1013W/m2*sr超の最大輝度を放出してレ
ーザービームを発するものである。レーザービームは、物体の上面と下面の間の
平面に集束され、材料を溶融あるいは気化させる。レーザービームにより溶融あ
るいは気化した材科は、レーザービームと同軸方向に流れる加圧流体により物体
から除去される。
本発明による方法では、パルスレーザーが望ましい。なぜならば、パルスレー
ザーにより、システムに過度の熱負荷をかけることなくきわめ
て高い最大輝度を得ることができるからである。少なくとも1秒当たり500パ
ルス[l/s]の繰り返し周波数nでレーザー切断機器を動作させることが更に望まし
い。
本発明による方法では、レーザー50を一定の平均出力で作働させ、最適ビー
ム特性を維持すること、そして、レーザーヘッド52と加工物Wの間、望ましく
はレーザーヘッド52の直後に配置される減衰器60によりレーザー強度を調整
することが更に望ましい。こうすると、レーザーは一定の平均出力で進み、加工
物におけるレーザービームの有効平均出力は、減衰器60により、特定の用途に
適したレベルに調節される。加工物におけるレーザービームの出力をレーザー切
断の実行に必要十分なレベルに調整することは概して有益なことである。過度の
レベルの出力を用いると、熱影響領域が増大する。このことは、レーザー媒質の
屈折率の半径方向の非均一性、つまり半径方向の熱勾配により生じる媒体不可避
の熱集束が、共振洞の適切な設計、或いは図2に示される光学補正要素52Eに
より、一定に維持され、効果的に補正可能であることを意味する。
集束レンズ94と加工物W表面間の距離を監視し、この距離を一定値に制御す
ることは更に望ましい。こうすると、加工物の凹凸や曲りの影響を排除し、レー
ザービームの焦点を加工物表面に対して所望の位置に保持することができる。こ
のような制御は、ドイツ、GaggenauのPrecitec GmbHのLasermaticRII等の距離
検知システム140によってなされ、そのシステムは、レーザービーム送出管9
2に取り付けられる容量検知器142を有し、適切に3座標ワークステーション
30の制御装置32に電気信号を送り、これにより、レーザービームの焦点を加
工物表面に
対して所望の位置に保持する。
厚い物体を切断する時は、ビームの最小断面積すなわち最大フルエンス、貯ま
り、最大輝度が一平面に限定されることを覚えておかなければならない。このビ
ームは集束光学系のため、この平面の上下では、ビームは広広がっている。これ
は、ビームが最小面積(くびれ部における)の2倍以上に発散される距離を意味
する所謂レイリー長Zrにより表わされ、次式により与えられる。
Zr = Wo2 * p / (M2 * l) = 4 Wo / q
ここで、Zr、Wo及びlは同一単位で測定される。
一般に、Zrの約2倍かそれより僅かに厚い材料までは質の高い切断が可能であ
る。このことは、Zrが材料厚の約0.4倍超であるのが望ましいことを意味する
。
適当なビーム拡大器を選択することにより、レイリー長Zrを制御することがで
きる。ビームを拡大すればするほど、くびれ部ビーム直径Woすなわち発散度qは
小さくなり、レイリー長Zrも小さくなる。一方、くびれ部のビーム直径Woが小さ
くなればなるほど切断の切り口を細くすることができる。Zrの約2倍の厚さの材
料を切断する時にできる切り口幅は、Woの約1.4倍である。実際の切り口幅は
切断される材料の熱伝導度に左右され、この値より僅かに大きくなる。
本発明による切断法は多種の材料に適用可能である。ステンレス鋼、銅、アル
ミニウム等の金属やタングステン等の高融点金属、アルミナ(HoechstのKERAMTE
CR(R)708等)、炭化ケイ素、酸化ジルコニウム等のセラミック材に好適である。
また、炭素繊維補強熱硬化性樹脂、炭素繊維補強炭素等の複合材料やセラミック
層で被覆されたステンレス鋼等のク
ラッド材を切断することもできる。
本発明の方法による切断面はきわめて平滑であり、その熱影響領域も非常に薄
く、通例4mm以下であることが認められた。これは、本発明によるレーザー切断
機器がきわめて低いM2値を有することと、1パルス当たりの有効出力を、切断に
は適するが加工物に余分なエネルギーを残存させないレベルに調整することによ
るものである。セラミック等の脆い材料を切断する時も、従来技術の方法による
結果とは対照的に、切断面に微視亀裂が実質的に認められなかった。
本発明による方法は、自動車工業及び電気電子工業の精密セラミック部品製造
における金属板や繊維工業における紡糸口金板、ディーゼルエンジン等の燃料噴
射ノズルの精密切断等、種々の技術分野に適用できる。
本システムにおける光路はレーザーヘッドから加工物へ延びる。ミラーやレン
ズ、ビーム・スプリッタ等の光学要素は、光路上に本技術の通例と同様に配置さ
れる。
ダイオード側面励起レーザーが小型構造であり消費出力が適度であるため、本
レーザーシステムは比較的小型に格納配置可能であることがわかった。したがっ
て、本システムを外側ハウジングに格納し、その扉をレーザー出力供給と連動さ
せるのが望ましい。このような装備は、公認されているレーザー安全基準に準ず
る第I種レーザーシステムとして取り扱うことができる。
実施例 1
0.5mm厚のステンレス鋼板を、上述の装置を用い、切断速度3m/分、最大
平均レーザー出力n*E=30ワットで切断した。上記のように定義されるビーム
特性因子M2は1.2であった。本実験における最大輝
度を上記にしたがい計算すると、Bp=12.3*1013[W/m2*sr]であり、平均輝
度はBav=18.4*1012[W/m2*sr]であった。
実施例 2
第二実験において、0.2mm厚のステンレス鋼板を、0.2m/分の速度で切
断した。切断過程をモニタ116で視覚的に観察し、切断に必要十分な出力にな
るよう減衰器60を調節すると、その時の平均レーザー出力はn*E=2.5ワッ
トであった。ビーム特性は実施例1と変化なく、ビーム特性因子M2は1.2であ
った。本実験における輝度は、Bp=1.03*1013[W/m2*sr]であり、Bav=1
.53*1012[W/m2*sr]であった。
熱影響領域幅が金属組織学的方法(研磨及びエッチング)により測定され、実
施例1及び2の材料切断面双方において、2mmであった。更なる試験で、中間の
切断速度、10ワットの平均レーザー出力においても、ビーム特性因子は変わら
なかった。
これらの結果に対し、Kobsa等の米国特許番号5,168,143に記載の従
来技術による方法では、n*E=11ワット、Wo=42mm、q=80mrad、すなわち
、平均輝度Bav=0.4*1012[W/m2*sr]であり、熱影響領域は5mmよりかなり
厚く、約25mmになることもあった
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1. 材料を精密加工及び切削するためのレーザーシステムにおいて、 (a) (i)二枚の止端ミラーにより構成されるレーザー洞と、 (ii)レーザー媒質と、 (iii)複数のレーザーダイオードアレイにより直接側面励起される 円筒レーザーロッドと、 (iv)ビーム特性を改善するための一以上の光学要素とを具備するパ ルス固体レーザーと、 (b)レーザービームを拡大し、平行化し、集束するレーザービーム送出システ ムと、 (c)加工物をレーザービームに対し保持、移動するためのワークステーション と、 (d)前記加工物表面に加圧流体を噴射する切断ノズルとを具備し、レーザービ ームは約2から約100ワットの平均出力をもち、集束レーザービームは1012 W/m2*sr超の平均レーザービーム輝度と1013W/m2*sr超の最大輝度を有すること を特徴とするレーザーシステム。 2. 固体レーザー媒質はネオジム添加イットリウム・アルミニウム・ガーネッ ト(Nd : YAG)であることを特徴とする上記1に記載のシステム。 3. レーザー洞の外に連続可変ビーム・スプリッタを更に具備することを特徴 とする上記1に記載のシステム。 4. 光路にビーム抽出器と、レーザービーム特性モニタとを更に具備し、前記 ビーム抽出器は、ビームのごく一部をビーム特性モニタに導くことを特徴とする 上記1に記載のシステム。 5. レーザービーム特性モニタは、2次元CCDアレイと調焦装置と画像処理・ 制御装置とを有するCCDカメラアセンブリを具備し、ビーム抽出器を通過したレ ーザービームエネルギーの一部が調焦装置を通り、2次元CCDアレイに集束され 、レーザービーム特性の監視のためのレーザービームの画像を形成することを特 徴とする上記4に記載のシステム。 6. レーザービーム送出システムに固定された距離検知器を更に具備し、ワー クステーションへの入力を与え、ワークステーション集束レンズと材料表面間の 距離を制御することを特徴とする上記1に記載のシステム。 7. 約0.1から2.0mm厚の加工物の切断法において、 (a)複数のダイオードアレイにより直接側面励起される円筒レーザーロッド を有するレーザーを用い、該レーザーは約2から約100ワットの平均出力をも ち、1012W/m2*sr超の平均レーザービーム輝度と1013W/m2*sr超の最大輝度を 放出してレーザービームを発し (b)レーザービームを物体の上面と下面の間の平面に集束し、材料を溶融あ るいは気化させ、 (c)レーザービームにより溶融あるいは気化した材料をレーザービームと同 軸方向に流れる加圧流体により物体から除去すること を特徴とする方法。 8. レーザーは2未満のビーム特性因子M2を有することを特徴とする上記7に 記載の方法。 9. レーザーは1.5未満のビーム特性因子M2を有することを特徴とする上記 7に記載の方法。 10. レーザー出力は、ビーム特性因子M2が2.0未満になるような一定の平 均出力に維持され、レーザービーム強度は、レーザーと物体間の光路に配置され た減衰器により物体のレーザー切断に必要十分なレベルに調節され、これらによ り、物体の熱影響領域を最小限に抑えることを特徴とする上記8に記載 の方法。 11. レーザービームの集束レンズと材料表面間の距離が自動的に制御される ことを特徴とする上記7に記載の方法。 12. レーザービームのレイリー長が、切断される材料厚の約0.4倍超であ ることを特徴とする上記7に記載の方法。 13. レーザーの繰り返し率が、500Hz超であることを特徴とする上記7に 記載の方法。 14. 上記7に記載の方法でなされるレーザー切断により生じる表面を有する 物体。 15. 前記表面下の熱影響領域が4mm未満であることを特徴とする上記14に 記載の物体。 16. 該物体は金属であることを特徴とする上記14に記載の物体。 17. 該物体はセラミック材であることを特徴とする上記14に記載の物体。 18. 該物体は複合材料あるいはクラッド材で形成されていることを特徴とす る上記14に記載の物体。 19. 前記表面下の熱影響領域は2mm未満であることを特徴とする上記14に 記載の物体。 20. セラミック材の表面に微視亀裂が実質的に認められないことを 特徴とする上記17に記載の物体。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP9511695.8 | 1995-10-27 | ||
EP95116958A EP0724380B1 (en) | 1995-01-27 | 1995-10-27 | Waterproof casing structure for electronic equipment |
PCT/US1996/017226 WO1997015417A1 (en) | 1995-10-27 | 1996-10-25 | Method and apparatus for laser cutting materials |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11513935A true JPH11513935A (ja) | 1999-11-30 |
Family
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Family Applications (1)
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---|---|---|---|
JP9516847A Ceased JPH11513935A (ja) | 1995-10-27 | 1996-10-25 | 材料をレーザー切断するための方法及び装置 |
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Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH11513935A (ja) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
1996
- 1996-10-25 JP JP9516847A patent/JPH11513935A/ja not_active Ceased
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