▶ トルンプフ レーザー− ウント ジュステームテヒニク ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-02-26
(45)【発行日】2024-03-05
(54)【発明の名称】レーザ切断方法及びレーザ切断装置
(51)【国際特許分類】
B23K 26/073 20060101AFI20240227BHJP
B23K 26/38 20140101ALI20240227BHJP
B23K 26/064 20140101ALI20240227BHJP
【ＦＩ】
B23K26/073
B23K26/38 A
B23K26/064 K
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2022568782
(86)(22)【出願日】2021-05-11
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-06-21
(86)【国際出願番号】 EP2021062440
(87)【国際公開番号】W WO2021228829
(87)【国際公開日】2021-11-18
【審査請求日】2022-11-11
(31)【優先権主張番号】102020205948.9
(32)【優先日】2020-05-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(73)【特許権者】
【識別番号】506065105
【氏名又は名称】トルンプフ レーザー－ ウント ジュステームテヒニク ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング
【氏名又は名称原語表記】ＴＲＵＭＰＦ Ｌａｓｅｒ－ ｕｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｔｅｃｈｎｉｋ ＧｍｂＨ
【住所又は居所原語表記】Ｊｏｈａｎｎ－Ｍａｕｓ－Ｓｔｒａｓｓｅ ２， Ｄ－７１２５４ Ｄｉｔｚｉｎｇｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ
(74)【代理人】
【識別番号】100114890
【弁理士】
【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト
(74)【代理人】
【識別番号】100098501
【弁理士】
【氏名又は名称】森田 拓
(74)【代理人】
【識別番号】100116403
【弁理士】
【氏名又は名称】前川 純一
(74)【代理人】
【識別番号】100134315
【弁理士】
【氏名又は名称】永島 秀郎
(74)【代理人】
【識別番号】100162880
【弁理士】
【氏名又は名称】上島 類
(72)【発明者】
【氏名】ハムザ ドゥナスル
(72)【発明者】
【氏名】ティム ヘッセ
(72)【発明者】
【氏名】オルガ クラムリヒ
(72)【発明者】
【氏名】ヨハネス ゼーバッハ
(72)【発明者】
【氏名】ニコライ シュペーカー
【審査官】柏原 郁昭
(56)【参考文献】
【文献】特開２００１－３２１９７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－０４３８４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０７８０４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１８０２９５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２３Ｋ ２６／０７３
Ｂ２３Ｋ ２６／３８
Ｂ２３Ｋ ２６／０６４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
６ｍｍ未満の厚さ（１６）を有する、好ましくは金属及び／又は導電性のワークピース（１４）をレーザ切断、好ましくはレーザ溶融切断するための方法であって、第１のレーザビーム（１８）、第２のレーザビーム（２０）、及びガス噴射（２２）が、前記ワークピース（１４）の入射面（２４）に向けられ、
前記第１のレーザビーム（１８）は、前記第２のレーザビーム（２０）の完全に内側の前記ワークピース（１４）の領域に延びており、
前記第１のレーザビーム（１８）が、前記第２のレーザビーム（２０）よりも小さい焦点直径（５４）を有し、
前記第１のレーザビーム（１８）のビームパラメータ積が、最大で５ｍｍ＊ｍｒａｄであり、
総レーザ出力のうちの前記第２のレーザビーム（２０）の出力比率が、２０％未満であり、
破壊された切断エッジ（５８）を有する切断カーフ（１２）が、前記ワークピース（１４）の前記入射面（２４）上に形成される、方法。
【請求項2】
前記第１のレーザビーム（１８）の前記ビームパラメータ積が、最大で３ｍｍ＊ｍｒａｄであり、好ましくは最大で２ｍｍ＊ｍｒａｄである、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記切断エッジ（５８）の半径（６４）が、少なくとも２０μｍ、好ましくは少なくとも２５μｍ、及び／又は最大で１００μｍ、好ましくは最大で６０μｍ、特に好ましくは最大で３５μｍである、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項4】
前記ワークピース（１４）の前記厚さ（１６）が、５ｍｍ未満、好ましくは３ｍｍ超であり、前記総レーザ出力のうちの前記第２のレーザビーム（２０）の前記出力比率が、１５％未満である、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項5】
前記ワークピース（１４）の前記厚さ（１６）が、３ｍｍ未満、好ましくは１ｍｍ超であり、前記総レーザ出力のうちの前記第２のレーザビーム（２０）の前記出力比率が、７％未満、好ましくは５％である、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項6】
前記第１のレーザビーム（１８）の焦点（７２）が、伝播方向において前記第２のレーザビーム（２０）の焦点（７４）の上流にある、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項7】
２つのレーザビーム（１８、２０）の焦点（７２、７４）間の距離（７６）が、２ｍｍ以下、好ましくは最大で１ｍｍである、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項8】
前記ワークピース（１４）の前記入射面（２４）から前記第２のレーザビーム（２０）の焦点（７４）までの距離（８０）が、前記第２のレーザビーム（２０）のレイリー長の最大で２倍である、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項9】
前記第２のレーザビーム（２０）の焦点直径（５６）が、前記第１のレーザビーム（１８）の前記焦点直径（５４）の少なくとも２倍、好ましくは少なくとも３倍、及び／又は最大で５倍、好ましくは最大で４倍である、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項10】
前記第１のレーザビーム（１８）の遠方界発散角（Θ１）と前記第２のレーザビーム（２０）の遠方界発散角（Θ２）が、最大で１００ｍｒａｄだけ異なり、特に同じである、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項11】
２つのレーザビーム（１８、２０）が、互いに対して同心円状に重ね合わされている、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項12】
２つのレーザビーム（１８、２０）が、前記第１のレーザビーム（１８）用の第１のファイバコア（４０）及び前記第２のレーザビーム（２０）用の第２のファイバコア（４２）を有するマルチコアファイバ（３６）から出射し、前記第２のファイバコア（４２）が、前記第１のファイバコア（４０）を特に同心円状に取り囲む、請求項１～１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項13】
前記第１のファイバコア（４０）が、最大で１００μｍ、好ましくは最大で５０μｍの直径（４４）を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
前記ガス噴射（２２）のガス圧が、少なくとも１６ｂａｒ、好ましくは少なくとも１８ｂａｒ、及び／又は最大で２４ｂａｒ、好ましくは最大で２２ｂａｒである、請求項１～１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項15】
３次元の切断線に沿って、３次元形状の金属シートタイプのワークピース（１４）をレーザ切断、好ましくはレーザ溶融切断するための、レーザ切断装置（１０）、好ましくはレーザ溶融切断装置であって、－ 切断領域（２６）において第１のレーザビーム（１８）と第２のレーザビーム（２０）とを重ね合わせるためのレーザ光源デバイス（２８）であって、前記第１のレーザビーム（１８）が前記第２のレーザビーム（２０）よりも小さい焦点直径（５４）を有し、前記第１のレーザビーム（１８）のビームパラメータ積が最大で５ｍｍ＊ｍｒａｄであり、総レーザ出力のうちの前記第２のレーザビーム（２０）の出力比率が２０％未満である、レーザ光源デバイス（２８）と、
－ 前記切断領域（２６）にガス噴射（２２）を向けるためのノズル（２７）と、
－ 前記切断線に沿って前記ワークピース（１４）に対して前記切断領域（２６）を移動させるための移動デバイス（６６）と、
を備える、レーザ切断装置（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、６ｍｍ未満の厚さを有するワークピースをレーザ切断するための方法に関する。更に、本発明は、特に３次元形状の金属シートタイプのワークピースを３次元切断線に沿ってレーザ切断するためのレーザ切断装置に関する。
【背景技術】
【0002】
焦点直径が小さくなるにつれて、レーザ切断中の送り速度（切断速度）は、同じレーザ出力で増大させることができる。しかしながら、焦点が小さすぎると切断品質が許容できなくなるという事実により、これは制限される。特に、バリの形成が起こる。このバリの形成は、切断カーフが小さくなればなるほど切断カーフ内に侵入する切断ガスが少なくなるために、溶融金属の排出が確保されないことにより引き起こされる。
【0003】
このため、近年では、主に、固体レーザを用いてますます厚くなるワークピースを切断する際のビーム特性に影響を与え、特に焦点直径を拡大してより広い切断カーフを作成し、溶融金属の排出を改善するための努力がなされてきた。
【0004】
例えば、（特許文献１）、（特許文献２）、（特許文献３）、（特許文献４）、又は（特許文献５）は、異なるワークピース、特に異なる厚さを有するワークピースを切断できるように、マルチコアファイバの異なるコア内にビームを結合することによって、固体レーザビームのビーム品質、したがって集束性に影響を与えることについて記載している。
【0005】
加えて、（特許文献６）又は（特許文献７）は、透過型又は反射型の光学要素を用いて、レーザ切断中のレーザビームを、ビーム伝播方向にオフセットを有するワークピースの複数の焦点に集束される複数の部分ビームに分割することを提案している。同様に、可能な限り厚いワークピースを切断する能力も目的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】国際公開第２０１１１２４６７１Ａ１号パンフレット
【文献】国際公開第２０１３０００９４２Ａ１号パンフレット
【文献】国際公開第２０１４０６００９１Ａ１号パンフレット
【文献】米国特許出願公開第２０１８０１８８５４４Ａ１号明細書
【文献】国際公開第２０１８１０４５７５Ａ１号パンフレット
【文献】独国特許第６０２０６１８４Ｔ２号明細書
【文献】特開第２０００００５８９２Ａ号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明の目的は、高い切断速度と良好な切断品質とが組み合わされた、６ｍｍ未満の厚さを有する薄いワークピースのためのレーザ切断方法を特定することである。更に、本発明の目的は、特に３次元形状の金属シートを切断するのに適した、良好な切断品質で６ｍｍ未満の厚さを有するワークピースを効率的にレーザ切断するためのレーザ切断装置を特定することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
これらの目的は、本発明によれば、請求項１に記載の方法及び請求項１５に記載のレーザ切断装置によって達成される。従属請求項及びその説明は、有利な変形例又は実施形態を特定する。
【0009】
本発明によれば、６ｍｍ未満の厚さを有するワークピースをレーザ切断するための方法が提供される。そのような厚さを有するワークピースは、３Ｄレーザ切断装置上で頻繁に切断され、例えば車体構造に使用される。ワークピースは、好ましくは、３次元的に延びる切断線に沿って切断される。レーザ切断は、好ましくは、レーザ溶融切断によって行われる。レーザ溶融切断では、ワークピース材料を溶解して切断カーフを形成し、切断カーフから液体の形態で排出する。ワークピースは、金属シート、特に３次元形状の金属シートであり得る。ワークピースは、好ましくは、金属及び／又は導電性材料からなる。本発明による方法は、好ましくは、以下に説明する本発明によるレーザ切断装置を用いて実行される。
【0010】
本発明によるレーザ切断方法では、第１のレーザビーム、第２のレーザビーム、及びガス噴射がワークピースの入射面に向けられる。２つのレーザビーム及びガス噴射により、材料が溶解され、ワークピースから除去されて、切断カーフが形成される。入射面は、ビーム及び噴射が入射するワークピースの表面である。いったん切断カーフが形成されると、ビーム及び噴射の一部が通常、反対側の出射面においてワークピースから出現する。第１及び第２のレーザビームは通常、いずれの場合も、単一のレーザビームによって形成される。しかしながら、代替的に、第１及び／又は特に第２のレーザビームは、いずれの場合も、複数の部分ビームからなり得る。２つのレーザビームは、共通のレーザ光源を使用して生成され、ビームスプリッタを使用して互いに分離され得る。或いは、２つのレーザビームの各々は、別個のレーザ光源を使用して生成され得る。入射面に向けられ、切断カーフ内に注入されるガス噴射内の切断ガスは、例えば窒素又は圧縮空気であり得る。特別の場合では、切断ガスはまたアルゴンであり得る。
【0011】
レーザビームは、ワークピース上で互いに少なくとも部分的に重なり合う。換言すれば、２つのレーザビームは、いずれの場合も、ワークピースの表面若しくは体積内、又は切断カーフ内の共通領域を同時に覆う。第１のレーザビームは、好ましくは、第２のレーザビームの完全に内部のワークピースの領域に延びる。特に、２つのレーザビームを重ね合わせて１つの全体的なレーザビームを形成することができる。
【0012】
第１のレーザビームは、第２のレーザビームよりも小さい焦点直径を有する。第１のレーザビームのビームパラメータ積は、本発明によれば、最大で５ｍｍ＊ｍｒａｄである。好ましくは、第１のレーザビームのビームパラメータ積は、最大で３ｍｍ＊ｍｒａｄであり、特に好ましくは最大で２ｍｍ＊ｍｒａｄである。第１のレーザビームの高いビーム品質により、特に高い切断速度が可能になる。換言すれば、第１のレーザビームのビームパラメータ積が小さい場合、すなわちビーム品質が高い場合、本発明による方法の生産性を増大することができる。ビームパラメータ積は、遠方界でのレーザビームの角度の半分と、レーザビームの最も薄い点でのレーザビームの半径、すなわち焦点直径の半分との積として定義される。
【0013】
本発明によれば、総レーザ出力のうちの第２のレーザビームの出力比率が２０％未満になるように準備される。総レーザ出力は、第１及び第２のレーザビームのレーザ出力の合計である。換言すれば、総レーザ出力のうちの第１のレーザビームの出力比率は、少なくとも８０％である。総レーザ出力のうちの第２のレーザビームの出力比率は、ゼロよりも大きい。典型的には、総レーザ出力のうちの第２のレーザビームのレーザ比率は、少なくとも２％、好ましくは少なくとも３％である。本発明によれば、６ｍｍ未満の厚さを有する薄いワークピースの場合、高いビーム品質及び実際の切断ビーム（第１のレーザビーム）の小さい焦点直径により、切断速度（したがって生産性）を増大させることが可能になると同時に、総レーザ出力の特定の部分がより大きい直径で（すなわち第２のレーザビーム上で）ワークピース上に集束されると、切断カーフにおいて切断フランクの良好な品質が達成されることが見いだされた。総レーザ出力は、少なくとも１ｋＷ、好ましくは少なくとも２ｋＷであり得る。
【0014】
第１のレーザビーム（実際の切断ビーム）を取り囲む低出力の第２のレーザビームにより、ガス噴射から切断カーフへの切断ガスの結合効率が改善される。方法パラメータは、切断カーフが切断ガスの流れに関して有利な状態が生じるよう幾何学的に成形されるように、本発明に従って選択される。本発明によれば、破壊された切断エッジを有する切断カーフが、この目的のためにワークピースの入射面に形成される。破壊された切断エッジは、特に、除去領域を有する切断エッジ、すなわち、丸みを帯びた又は面取りされた切断エッジを意味すると理解される。重なり合うレーザビームの共通の強度プロファイルは、入射面における切断カーフが漏斗状に形成されるように設計される。漏斗形状は、切断カーフの切断フランクにおいて導入部半径又は導入部面取りを形成する。漏斗形状により、切断ガスがわずかな抵抗で切断カーフ内に流入することを可能にする。衝撃及び乱流による圧力損失は、長方形の直角（シャープ）エッジよりも破壊された切断エッジにおいて大幅に低くなる。
【0015】
切断エッジは、好ましくは、丸みを帯びている。切断エッジの半径は、少なくとも２０μｍ、好ましくは少なくとも２５μｍ、及び／又は最大で１００μｍ、好ましくは最大で６０μｍ、特に好ましくは最大で３５μｍであり得る。非常に特に好ましくは、半径は３０μｍである。半径に対するこれらの値は、切断ガスの流入に対して特に有利な状態をもたらす。
【0016】
方法パラメータは、最高の可能な切断速度（生産性）と良好な切断品質の両方が達成されるように選択される。一方、より小さいビーム直径及び高いビーム品質を有する実際の切断ビーム（第１のレーザビーム）の出力は、高い切断速度を達成するのに十分に大きくなければならない。他方、より大きいビーム直径を有する部分ビーム（第２のレーザビーム）の出力は、切断カーフの切断エッジに除去領域を形成するために十分に高くなければならない。外側の第２のレーザビームの出力比率は、この目的のために、ワークピースの厚さに応じて有利に選択される。
【0017】
ワークピースの厚さは、５ｍｍ未満、好ましくは３ｍｍ超であり得る。特に、厚さは４ｍｍであり得る。その場合、総レーザ出力のうちの第２のレーザビームの出力比率は、好ましくは１５％未満である。
【0018】
ワークピースの厚さは、３ｍｍ未満、好ましくは１ｍｍ超であり得る。特に、厚さは２ｍｍであり得る。その場合、総レーザ出力のうちの第２のレーザビームの出力比率は、好ましくは７％、特に５％未満である。
【0019】
前述の値は、切断カーフ導入部の拡大（入射面における切断エッジの除去領域による）と、最高の可能な生産性（すなわち切断速度）との間の良好な妥協点をもたらすのに役立つ。
【0020】
第１のレーザビームの焦点は、レーザビームの伝播方向において第２のレーザビームの焦点の上流にあり得る。第１のレーザビームの焦点は、ワークピース内、好ましくは入射面により近いワークピースの半分、又はワークピースの外側にあり得る。次いで、第２のレーザビームの焦点は、ワークピースの内部により深く、又は入射面のより近くにある。（高出力の）第１のレーザビームの焦点は、好ましくはワークピース表面の領域にある。特に、入射面からの第１のレーザビームの焦点までの距離は、ワークピースの厚さの３０％未満、好ましくは１５％未満であり得る。２つのレーザビームの焦点間の距離は、好ましくは最大で２ｍｍ、特に最大で１ｍｍであり、典型的には０．５～０．７ｍｍである。
【0021】
ワークピースの入射面からの第２のレーザビームの焦点までの距離は、第２のレーザビームのレイリー長の最大で２倍であり得る。レイリー長は、伝播媒質の屈折率、円周率ｐｉ、及び焦点におけるレーザ光の半径の２乗の積を被除数として、レーザ光の真空波長を除数としたときの、商として定義される。
【0022】
第２のレーザビームの焦点直径は、第１のレーザビームの焦点直径の少なくとも２倍、好ましくは少なくとも３倍、及び／又は最大で５倍、好ましくは最大で４倍であり得る。特に、第１のレーザビームの焦点直径は、少なくとも５０μｍ、好ましくは少なくとも８０μｍ、及び／又は最大で３００μｍ、好ましくは最大で１５０μｍであり得る。これらの値の範囲は、最大６ｍｍの異なる厚さのワークピースに対して有効であることがわかっている。
【0023】
２つのレーザビームの伝播軸は、互いに対して傾斜させることができ、又は好ましくは互いに平行にすることができる。有利には、伝播軸は一致している。
【0024】
遠方界における第１及び第２のレーザビームの発散角は、同じであり得るか、又は最大でΔΘ＝１００ｍｒａｄだけ異なり得る。これにより、レーザビームを誘導及び集束するための光学系のシンプルな設計が可能になり、この方法のプロセス信頼性に貢献する。
【0025】
２つのレーザビームは、互いに対して偏心して重ね合わせることができる。しかしながら、２つのレーザビームは、互いに対して同心円状に重ね合わせることが有利である。このようにして、例えば切断ヘッド内の光学ユニットを回転させることによって、２つのレーザビームの向きを切断方向に適合させる必要なく、全ての方向で切断することが可能である。
【0026】
２つのレーザビームは、第１のレーザビーム用の第１のファイバコア及び第２のレーザビーム用の第２のファイバコアを有するマルチコアファイバから出射されるように準備され得る。マルチコアファイバは、互いに対して平行に走るファイバを有し得る。好ましくは、第２のファイバコアは、第１のファイバコアを取り囲む。換言すれば、第１のファイバコアは、第２のファイバコアの半径方向内部に配置される。したがって、第２のファイバコアは、リングファイバの形態で具現化される。特に、第１及び第２のファイバコアは、互いに対して同心円状であり得る。
【0027】
第１のレーザビームが出射する第１のファイバコアは、最大で１００μｍ、好ましくは最大で５０μｍの直径を有し得る。第２のレーザビームが出射する第２のファイバコアは、最大で３００μｍ、好ましくは最大で２００μｍの直径を有し得る。
【0028】
切断ガスのガス噴射は、円形又は楕円形の開口部直径を有する円錐形ノズル、２次流ノズル、又はデラバルノズルから出射することができる。ノズルから出射した後のガス流のガス圧、特に動的ガス圧は、少なくとも１６ｂａｒ、好ましくは少なくとも１８ｂａｒ、及び／又は最大で２４ｂａｒ、好ましくは最大で２２ｂａｒであり得る。そのようなガス圧により、ワークピース材料は、特に出射面上にバリを形成することなく、切断カーフから確実に排出され得る。
【0029】
特に３次元形状の金属シートタイプのワークピースを、特に３次元の切断線に沿ってレーザ切断するためのレーザ切断装置も更に、本発明の範囲内に入る。レーザ溶融切断装置は、好ましくは、レーザ溶融切断のためのレーザ溶融切断装置である。レーザ切断装置は、有利には、上述した本発明によるレーザ切断方法を実行するように構成されている。特に、上述の実質的な特徴は、本発明によるレーザ切断装置に提供することができる。レーザ切断装置は、上述のパラメータを有する第１のレーザビーム、第２のレーザビーム、及び／又はガス噴射を生成し、それらを上述の方法でワークピースに向けるように構成され得る。
【0030】
レーザ切断装置は、切断領域において第１のレーザビームと第２のレーザビームとを重ね合わせるレーザ光源デバイスを有する。第１のレーザビームは、第２のレーザビームよりも小さいビーム直径及び小さい焦点直径を有する。第１のレーザビームのビームパラメータ積は、最大で５ｍｍ＊ｍｒａｄ、好ましくは最大で３ｍｍ＊ｍｒａｄである。総レーザ出力のうちの第２のレーザビームの出力比率は、２０％未満である。レーザ光源デバイスは、２つのレーザビームを切断領域に集束させるための光学ユニットを有し得る。
【0031】
レーザ切断装置は更に、ガス噴射を切断領域に向けるためのノズルを有する。ガス噴射は、レーザ切断中に形成される切断カーフからのワークピース材料を排出するために、例えば窒素、圧縮空気、又はアルゴンなどの切断ガスを提供する。２つのレーザビームは通常、ノズルを通って出射する。
【0032】
レーザ切断装置は更に、３次元切断線に沿ってワークピースに対して切断領域を移動させるための移動デバイスを有する。レーザ切断装置は、レーザ切断装置において、特にレーザ切断装置のマシンベッドに固定して配置されるワークピースホルダを有し得る。レーザ光源デバイス又はレーザ光源デバイス全体の光学ユニット及びノズルは、特にマシンベッドに対して並進的及び／若しくは回転的に移動可能又は回転可能であり得る。或いは、ワークピースホルダは、レーザ切断装置のマシンベッドに移動可能に配置され得る。次いで、光学ユニット又はレーザ光源デバイス及びノズルは、レーザ切断装置に固定して配置され得る。また、相対移動のいくつかの自由度を、例えば１つ以上の並進方向におけるワークピースホルダの移動可能性によって、及び他の自由度を、光学ユニット又はレーザ光源デバイス及びノズルの移動可能性、特に１つ以上の軸の周りの回転可能性によって作成することも考えられる。
【0033】
本発明の更なる特徴及び利点は、本明細書及び図面から明らかである。本発明によれば、上述した特徴及びなおも更に提示される特徴は、いずれの場合も、個別に又は任意の所望の適切な組み合わせで併用することができる。図示及び説明される実施形態は、網羅的な列挙として理解されるべきではなく、むしろ本発明を概説するための例示的な特徴のものである。
【0034】
本発明は、例示的な実施形態に基づいて更に詳細に提示され、図面に示されている。
【図面の簡単な説明】
【0035】
【図1a】共通のマルチコアファイバから出射してワークピース上の切断領域で互いに重なり合う、第１及び第２のレーザビームの重ね合わせを伴う本発明によるレーザ切断方法の実行中の、本発明によるレーザ切断装置の概略側面図である。
【図1b】第１のレーザビーム用の第１のファイバコアが第２のレーザビーム用の第２のファイバコア内部に同心円状に配置されていることを見ることが可能である、図１ａのレーザ切断装置のマルチコアファイバを通る概略断面図である。
【図2】本発明によるレーザビーム方法の概略フローチャートである。
【図3a】本発明によるレーザ切断方法における第１及び第２のレーザビームのビーム経路の概略図である。
【図3b】本発明によるレーザ切断方法において、２つの同心円状のファイバコアを有するマルチコアファイバから出射するときの、第１及び第２のレーザビームのビーム経路の概略図である。
【図4a】ノズルから出射する２つのレーザビーム及びガス噴射がワークピースの入射面に向けられている、本発明によるレーザ切断方法の一部としての切断カーフの導入中のワークピースの概略透視図である。
【図4c】本発明によるレーザ切断方法の一変形例における、切断フランクと入射面との間に面取りを有する切断カーフにおける、切断エッジの代替的な実施形態の概略断面図である。
【図5】先行技術によるレーザ切断方法によって製造された切断カーフを有するワークピースを通る概略断面図である。
【図6】図６ａ及び図６ｂは、別々のレーザ光源で生成されてワークピースの異なる深さに集束される、第１及び第２のレーザビームの重ね合わせを伴う本発明によるレーザ切断方法の実行中の、本発明による更なるレーザ切断装置の概略図である。
【図7a】本発明によるレーザ切断方法中に実験的に確認され、且つ総レーザ出力のうちの第２のレーザビームの出力比率が１０％である場合の入射面に対する第１のレーザビームの焦点位置の関数として、良好な切断エッジの品質が依然として達成されている切断速度の図である。
【発明を実施するための形態】
【0036】
図１ａは、レーザ切断方法、ここではレーザ溶融切断方法の実行中の、レーザ切断装置１０を概略的に示している。レーザ切断方法では、切断カーフ１２（以下で更に参照される図４ａを参照）がワークピース１４に導入される。ワークピース１４は、金属シートの形態で具現化され、６ｍｍ未満の厚さ１６を有する。厚さ１６は、ここでは一例として２ｍｍである。ワークピース１４は、詳細には図示されていない方法で、少なくとも部分的に３次元的に湾曲することができる。
【0037】
ワークピース１４に切断カーフ１２を生成するために、第１のレーザビーム１８、第２のレーザビーム２０、及びガス噴射２２が、ワークピース１４の入射面２４に向けられる。この場合、２つのレーザビーム１８、２０、及び典型的にはガス噴射２２もまた、切断領域２６において互いに重なり合う。レーザ溶融切断中、切断領域２６におけるワークピース１４の材料は、切断カーフ１２を形成しながら、ガス噴射２２によって液化及び排出される。
【0038】
レーザ切断方法の原理的な手順は、図２のフローチャートに示されている。ステップ１０２では、第１のレーザビーム１８が生成され、ワークピース１４の入射面２４に向けられる。ステップ１０４では、第２のレーザビーム２０が生成され、ワークピース１４の入射面２４に向けられる。ステップ１０６では、ガス噴射２２が生成され、ワークピース１４の入射面２４に向けられる。ガス噴射２２及び２つのレーザビーム１８、２０は、ここではノズル２７から出射することができる。２つのレーザビーム１８、２０及びガス噴射２２は、切断領域２６において互いに重なり合う。ステップ１０８では、切断カーフ１２が、２つのレーザビーム１８、２０及びガス噴射２２によってワークピース１４に生成される。ステップ１０２、１０４、１０６、及びそれらのステップから生じるステップ１０８は、原則として同時に実行される。ワークピース１４の入射面２４からノズル２７までの距離７０は、例えば２ｍｍであり得るが、その距離はそれより大きくても小さくてもよい。ノズル２７から出射される切断ガスの動的ガス圧は、例えば２０ｂａｒであり得る。
【0039】
２つのレーザビーム１８、２０は、レーザ光源デバイス２８によって生成される（図１ａを参照）。レーザ光源デバイス２８は、この場合、（単一の）レーザ光源３０、例えば固体レーザを有する。レーザ光源３０は、（単一の）出力レーザビーム３２を放出する。ビームスプリッタ３４において、出力レーザビーム３２は、第１のレーザビーム１８と第２のレーザビーム２０とに分割される。２つのレーザビーム１８、２０は、マルチコアファイバ３６を使用して、レーザ切断装置１０の切断ヘッド（より詳細には図示せず）の光学ユニット３８に誘導される。
【0040】
マルチコアファイバ３６は、第１のレーザビーム１８用の第１のファイバコア４０及び第２のレーザビーム２０用の第２のファイバコア４２を有する（図１ｂも参照）。第２のファイバコア４２は、この場合、リングファイバの形態で具現化され、その周囲で第１のファイバコア４０を取り囲む。第１及び第２のファイバコア４０、４２は、互いに対して同心円状に配置され得る。第１のファイバコア４０の直径４４は、４０μｍであり得る。第２のファイバコア４２の直径４６は、１５０μｍであり得る。ファイバコア４０、４２よりも低い屈折率を有する中間クラッド（図示せず）を、ファイバコア４０、４２の間に配置することができる。
【0041】
図３ａ及び図３ｂは、２つのレーザビーム１８、２０の経路を概略的に示している。図３ａは、ワークピース１４の領域におけるビーム経路を示している。ここで、縦座標ｚは、２つのレーザビーム１８、２０の伝播方向に対応している。ここで、２つのレーザビーム１８、２０の焦点は、例として、ｚ＝０にある。原則として、２つのレーザビーム１８、２０の焦点は、伝播方向において互いに対してオフセットされ得る。横座標ｘは、伝播軸４８に沿ったそれぞれの位置におけるレーザビーム１８、２０の半径に対応している。この場合、２つのレーザビーム１８、２０は互いに対して同心円状に走っている。
【0042】
切断されるワークピース１４の領域における第１のレーザビーム１８のビーム直径５０は、第２のレーザビーム２０のビーム直径５２よりも小さい。特に、第１のレーザビーム１８の焦点直径５４は、第２のレーザビーム２０の焦点直径５６よりも小さい。第２のレーザビーム２０の焦点直径５６は、第１のレーザビーム１８の焦点直径５４のサイズの３．５倍であり得る。第１のレーザビーム１８のビームパラメータ積は、５ｍｍ＊ｍｒａｄ未満であり、この場合、例えば２ｍｍ＊ｍｒａｄである。
【0043】
図３ｂは、マルチコアファイバ３６の端部から始まる２つのレーザビーム１８、２０の経路及び発散角Θ１、Θ２を示している。第１のレーザビーム１８の発散角Θ１及び第２のレーザビーム２０の発散角Θ２は、２つのレーザビーム１８、２０のビーム直径５０、５２と同様に、互いに漸近的に近づき、且つ遠方界において同じサイズである。
【0044】
総レーザ出力（２つのレーザビーム１８、２０のレーザ出力の合計）のうちの第２のレーザビーム２０の出力比率は、２０％未満である。２ｍｍのワークピース１４の厚さ１６において、第２のレーザビーム２０の出力比率は、例えば５％であり得る。
【0045】
レーザ切断方法の上述の改良により、切断カーフ１２の切断エッジ５８が入射面２４において破壊されることになる（図４ａを参照）。換言すれば、本発明によるレーザ切断方法は、切断カーフ１２の切断フランク６０と入射面２４とがシャープエッジで互いに隣接するのではなく、切断エッジ５８の領域において除去領域が形成されることを達成する。これにより、ガス噴射２２の切断ガスに対する切断カーフ１２への流入状態が改善される。その結果、特にバリが、入射面２４の反対側にあるワークピース１４の出射面６２上に形成されるのを防止することができる。
【0046】
対照的に、先行技術によるレーザ切断方法では、切断カーフ１２’の切断エッジ５８’が、ワークピース１４’の入射面２４’においてシャープエッジを有する（図５を参照）。その結果、切断カーフ１２’内に通過する切断ガスが少なくなり、切断品質又は可能な切断速度が、本発明によるレーザ切断方法と比較して低いままである。
【0047】
図４ｂは、本発明によるレーザ切断方法における切断エッジ５８が丸みを帯びた設計を有し得ることを示している。ガス噴射２２の切断ガスに対する特に有利な流入状態のために、切断エッジ５８の半径６４は３０μｍであり得る。
【0048】
図４ｃは、切断エッジ５８における除去領域がまた、面取りとして設計され得ることを示している。面取りの高さ又は幅は、少なくとも２０μｍ、好ましくは少なくとも２５μｍ、及び／又は最大で１００μｍ、好ましくは最大で６０μｍ、非常に特に好ましくは最大で３５μｍであり得る。面取りの高さ及び幅は、例えば３０μｍであり得る。
【0049】
切断カーフ１２を、特に３次元の切断線に沿って移動させるために、切断領域２６がワークピース１４に対して移動される。レーザ切断装置１０は、この目的のために移動デバイス６６を有し得る（図１ａを参照）。移動デバイス６６は、固定されたマシンベッドに対して移動可能であるワークピースホルダ６８を有し得る。ワークピース１４は、ここでは、ワークピースホルダ６８上に保持される。
【0050】
図６ａ及び図６ｂは、例として、レーザ切断方法の実行中のレーザ切断装置１０の更なる変形例を概略的に示している。この場合のレーザ切断装置１０のレーザ光源デバイス２８は、第１のレーザビーム１８及び第２のレーザビーム２０を生成するために、２つの別個のレーザ光源３０ａ及び３０ｂを有する。レーザ光源３０ａ、３０ｂは、例えば、ＣＯ２レーザ、固体レーザ、又はダイオードレーザであり得る。レーザ光源デバイス２８は更に、２つのレーザビーム１８，２０を重ね合わせてレーザビーム全体を形成するための光学ユニット３８を有し、この光学ユニットは、例えばホールミラー３８ａ（図６ａ）又は波長選択ビームスプリッタミラー３８ａ’（図６ｂ）及び集束レンズ要素３８ｂを備える。レーザビーム１８、２０は、互いに対して同心円状に重ね合わせることができ、その結果、共通の伝播軸４８に沿ってワークピース１４に向かって伝播する。
【0051】
第１のレーザビーム１８の焦点７２は、第２のレーザビーム２０の焦点７４に対して伝播軸４８に沿ってオフセットされ得る。ここで、第１のレーザビーム１８の焦点７２は、レーザビーム１８、２０の伝播方向において第２のレーザビーム２０の焦点７４の上流にある。伝播軸４８に沿った焦点７２、７４間の距離７６は、例えば０．７ｍｍであり得る。
【0052】
第２の焦点７４及び好ましくは第１の焦点７２もまた、ワークピース１４内部、すなわち、レーザビーム１８、２０の伝播方向において入射面２４の向こう側にあり得る。入射面２４から第１の焦点７２までの距離７８は、例えば、ワークピース１４の厚さ１６の４分の１であり得る。入射面２４から第２の焦点７４までの距離８０は、第２のレーザビーム２０のレイリー長の２倍未満、例えば１．５倍であり得る。
【0053】
図６のレーザ切断装置１０又はこの関連で説明したレーザ切断方法の更なるパラメータは、以前に説明したレーザ切断方法及び図１ａのレーザ切断装置１０と同様に選択することができる。したがって、２つのレーザビーム１８、２０の焦点７２、７４の互いに対する、及びここで説明したワークピース１４に対する配置もまた、以前に説明したレーザ切断方法及び図１ａのレーザ切断装置１０において提供され得る。
【0054】
図６のレーザ切断装置１０の移動ユニット６６は、ワークピース１４に対して光学ユニット３８又は光学ユニット３８の一部を傾斜するように構成することができる。加えて、光学ユニット３８及びワークピース１４は、互いに対して並進して移動され得る。このようにして、切断領域２６は、特に３次元的に延びる切断線に沿って移動されて、切断カーフを形成することができる。特にワークピース１４が３次元形状の入射面２４を有する場合、傾斜により、ワークピース１４上へのレーザビーム１８、２０及びガス噴射２２の少なくともほぼ直角の入射が配置され得る。図１ａのレーザ切断装置１０では、光学ユニット３８又は光学ユニット３８の一部は、ワークピース１４に対して傾斜可能であり得る。
【0055】
図７ａ及び図７ｂは、本発明によるレーザ切断方法中に実験的に確認され、且つノズル２７（図４ａを参照）の出射開口部に対する第１のレーザビームの焦点位置（ここでは「ＥＳ」で示されている）の関数として、切断カーフ１２、特に切断フランク６０及び切断エッジ５８の良好な品質がまた達成されている、切断速度の図を示している。図７ａの図において、総レーザ出力のうちの第２のレーザビーム２０の出力比率は１０％であり、図７ｂの図において、総レーザ出力のうちの第２のレーザビーム２０の出力比率は５％である。
【0056】
図７ａ及び図７ｂは、３ｋＷの総レーザ出力で２ｍｍのワークピース厚さ１６を有するワークピースを切断するための図を示している。プロットされた点の各々は、良好な切断品質が依然として得られる最大の可能な切断速度を示している。換言すれば、プロットされた線内のパラメータペアに対して良好な切断品質が得られた。第２のレーザビーム２０の出力比率が５％の場合、出力比率が１０％の場合よりも大幅に高い切断速度を達成できることが分かり得る。それにもかかわらず、第２のレーザビーム２０の出力比率は、消滅してはならないが、破壊された切断エッジ５８の形成を介して切断カーフ１２への切断ガスの流れの改善を確保しなければならず、その結果、特にワークピース１４の出射面６２上にバリが形成されないという効果を有する。
【0057】
実験では更に、第１のレーザビーム１８の１００μｍの小さい焦点直径５４で６ｍｍ未満の厚さ１６を有するワークピースを、１５０μｍの焦点直径５４の場合よりも３０％超速く、具体的には最大で２４ｍ／分で切断できることを示した。
【符号の説明】
【0058】
１０ レーザ切断装置
１２ 切断カーフ
１４ ワークピース
１６ ワークピースの厚さ
１８ 第１のレーザビーム
２０ 第２のレーザビーム
２２ ガス噴射
２４ 入射面
２６ 切断領域
２７ ノズル
２８ レーザ光源デバイス
３０ レーザ光源
３２ 出力レーザビーム
３４ ビームスプリッタ
３６ マルチコアファイバ
３８ 光学ユニット
３８ａ ホールミラー
３８ａ’ ビームスプリッタミラー
３８ｂ 集束レンズ要素
４０ 第１のファイバコア
４２ 第２のファイバコア
４４ 第１のファイバコア４０の直径
４６ 第２のファイバコア４２の直径
４８ 伝播軸
５０ 第１のレーザビーム１８のビーム直径
５２ 第２のレーザビーム２０のビーム直径
５４ 第１のレーザビーム１８の焦点直径
５６ 第２のレーザビーム２０の焦点直径
５８ 切断エッジ
６０ 切断フランク
６２ 出射面
６４ 切断エッジ５８の半径
６６ 移動デバイス
６８ ワークピースホルダ
７０ ノズル２７と入射面２４との間の距離
７２ 第１のレーザビーム１８の焦点
７４ 第２のレーザビーム２０の焦点
７６ 焦点７２と焦点７４との間の距離
７８ 入射面２４から第１の焦点７２までの距離
８０ 入射面２４から第２の焦点７４までの距離
Θ１、Θ２ 発散角
ステップ１０２：入射面２４に第１のレーザビーム１８を向ける
ステップ１０４：入射面２４に第２のレーザビーム２０を向ける
ステップ１０６：入射面２４にガス噴射２２を向ける
ステップ１０８：ワークピース１４に切断カーフ１２を作成する
１２ 切断カーフ
１４ ワークピース
１６ ワークピースの厚さ
１８ 第１のレーザビーム
２０ 第２のレーザビーム
２２ ガス噴射
２４ 入射面
２６ 切断領域
２７ ノズル
２８ レーザ光源デバイス
３０ レーザ光源
３２ 出力レーザビーム
３４ ビームスプリッタ
３６ マルチコアファイバ
３８ 光学ユニット
３８ａ ホールミラー
３８ａ’ ビームスプリッタミラー
３８ｂ 集束レンズ要素
４０ 第１のファイバコア
４２ 第２のファイバコア
４４ 第１のファイバコア４０の直径
４６ 第２のファイバコア４２の直径
４８ 伝播軸
５０ 第１のレーザビーム１８のビーム直径
５２ 第２のレーザビーム２０のビーム直径
５４ 第１のレーザビーム１８の焦点直径
５６ 第２のレーザビーム２０の焦点直径
５８ 切断エッジ
６０ 切断フランク
６２ 出射面
６４ 切断エッジ５８の半径
６６ 移動デバイス
６８ ワークピースホルダ
７０ ノズル２７と入射面２４との間の距離
７２ 第１のレーザビーム１８の焦点
７４ 第２のレーザビーム２０の焦点
７６ 焦点７２と焦点７４との間の距離
７８ 入射面２４から第１の焦点７２までの距離
８０ 入射面２４から第２の焦点７４までの距離
Θ１、Θ２ 発散角
ステップ１０２：入射面２４に第１のレーザビーム１８を向ける
ステップ１０４：入射面２４に第２のレーザビーム２０を向ける
ステップ１０６：入射面２４にガス噴射２２を向ける
ステップ１０８：ワークピース１４に切断カーフ１２を作成する
【図1a】
【図1b】
【図2】
【図3a】
【図3b】
【図4a】
【図4b】
【図4c】
【図5】
【図6a】
【図6b】
【図7a】
【図7b】