JPH03216287A - レーザ切断加工方法 - Google Patents

レーザ切断加工方法

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JPH03216287A
JPH03216287A JP2010029A JP1002990A JPH03216287A JP H03216287 A JPH03216287 A JP H03216287A JP 2010029 A JP2010029 A JP 2010029A JP 1002990 A JP1002990 A JP 1002990A JP H03216287 A JPH03216287 A JP H03216287A
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laser beam
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condensing
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は軟鋼などの厚板を切断するレーザ切断加工方法
に関し、特に光学歪みによる集光特性を改良したレーザ
切断加工方法に関する。
〔従来の技術〕
従来のＣ　０　２レーザ加工機は出力ＩＫＷ以下のもの
が中心であって、軟鋼であれば板厚９ｍｍ程度が切断限
界であった。この出力領域ではいかに微小点までレーザ
光を集光光学系で絞れるかが最大の技術課題であった。
集光特性を左右する因子としてはレーザ光の発散角を決
定するモード次数、回折限界を決定する集光系上でのビ
ーム直径、集光系収差などがあり、なかでもＣＯ，レー
ザ加工機では第一因子のモード次数が重視され、最低次
数モードであるＴＥＭＯＯモードの達成が重視された。
このＴＥＭＯＯモードは発散角が最小のモードであって
、最も集光特性に優れ微小加工が可能なものである。
〔発明が解決しようとする課題〕
この考えは大出力ＣＯ，レーザを用いた加工機の場合に
も踏襲された。レーザ発振器の大出力化とＴＥＭＯＯモ
ード化は一般には両立しない条件であるが、種々の工夫
が施されてモード純化が試みられた。
しかし、我々は実験を通じて出力２ＫＷ以上の領域では
ＴＥＭＯＯ主成分のモードでは集光光学系に光学歪みが
発生し、小出力時とは全く異なったふるまいを示し、微
小点への集光は最早不可能であることを見いだした。
これはＺｎＳｅレンズの場合にもっとも顕著である。レ
ンズ上にレーザ光吸収による温度上昇が生じＴＥＭＯＯ
モードでは中心部分のパワー密度が顕著に高くなるので
温度分布も同様の分布を示す。その結果高温部分は熱膨
張と屈折率増加を発生し集光特性の局部的変化をもたら
す。
この集光特性の乱れは前記した集光特性を増大させる３
種の因子の効果をはるかに上回ったものである。いうな
れば集光特性を改良しようとする従来のアブローチは出
力２ＫＷ以上の領域では全く逆の効果しかなかったと言
える。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、リ
ングモードを主成分とするレーザ光を使用して光学歪み
による集光特性劣化を改良したレーザ切断加工方法を提
供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は集光光学系表面に気体を吹き
つけて冷却して、光学歪みによる集光特性劣化を改良し
たレーザ切断加工方法を提供することである。
さらに、本発明の他の目的は集光レンズとしてＫＣＬレ
ンズを使用して、光学歪みによる集光特性劣化を改良し
たレーザ切断加工方法を提供することである。
また、本発明の他の目的は集光レンズとして集光反射鏡
を使用して、光学歪みによる集光特性劣化を改良したレ
ーザ切断加工方法を提供することである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明では上記課題を解決するために、大出力レーザに
よって、厚板を加工するレーザ切断加工方法において、
中央部の欠落したリングモード主成分のレーザ光を使用
して切断加工を行うことを特徴とするレーザ切断加工方
法が、提供される。
また、大出力レーザによって、厚板を加工するレーザ切
断加工方法において、集光光学系表面に気体を吹き付け
ることで冷却することを特徴とするレーザ切断加工方法
が、提供される。
さらに、人出力レーザによって、厚板を加工するレーザ
切断加工方法において、集光レンズとして、ＫＣＬ　（
塩化カリウｌ．）レンズを使用することを特徴とするレ
ーザ切断加工方法が、提供される。
また、大出力レーザによって、厚板を加工するレーザ切
断加工方法において、集光反射鏡を使用することを特徴
とするレーザ切断加工方法。
〔作用〕
中央部の欠落したリングモード主成分のレーザ光を使用
することにより、集光用光学系、すなわち集光レンズの
中央部のレーザ光吸収による光学歪みを低減して、集光
特性の劣化を防止する。ＴＥＭ０１主成分のレーザ光を
用いても出力２ＫＷ以上でファイン切断することができ
る。更にこの方法によればビーム形状に制約がないので
レーザ光を遠距離伝搬させて切断に用いることが可能で
ある。厚板は通常ワークが長大であるので、このビーム
遠距離（たとえば２０ｍ）伝搬は実用上重要である。
また、集光光学系表面に気体を吹き付けることで集光光
学系、すなわち集光レンズの発熱の大きい中央部を直接
冷却し、集光レンズの温度を低下させ、集光レンズの中
央部のレーザ光吸収による光学歪みを低減して、集光特
性の劣化を防止する。
さらに、集光レンズとして、ＫＣＬ　（塩化カリウｌ、
）レンズを使用することにより、光学歪みを低減して、
集光特性の劣化を防止する。これはＫＣ　Ｌでは温度上
昇時に膨張と屈折率増大が異符号で発生し、互いに相殺
して、光学歪みの増大を抑えることができるからである
。
また、集光光学系として、集光反射鏡を使用する。反射
鏡は屈折系でないので熱変形による歪みしか存在せず、
屈折率の変化による集光特性の劣化を防止する。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
第１図（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は本発明のビームモー
ドを中抜けにするだめの説明図である。
第１図（ａ）はＴＥＭＯＯモードを、第１図（ｂ）はＴ
ＥＭＯ　１モードを、第１図（ｃ）はＴＥＭＩＯモード
をそれぞれ示す。ＴＥＭ０１モードのみは中央部が欠落
している。この時レーザ出力が同一レベルであってもパ
ワー密度が低下するし、周辺冷却をおこなっている集光
系では中心部の過熱がおこりやすいので中心部にレーザ
ビームが照射されないこのようなモードでは光学歪みが
発生しすらいものである。
モードは完全にＴＥＭＯ　１でな＜ＴＥＭＯＯモードと
ＴＥＭＯ　１モードを含むものであってもよいが、この
場合でもＴＥＭＯ　１が主成分である必要がある。また
ＴＥＭ０１モードであれば異なったモード間のホッピン
グが防止できモード安定性が高くなるので切断面精度も
すぐれたものになる。
特にＲＦ放電励起レーザは管壁付近に高利得が存在する
のでＴＥＭＯ　１モードには有利な放電方法であり、Ｔ
ＥＭＯ　Ｉモードを主成分とするレーザ光を得ることが
できる。また、共振器内にモード純化用のアパーチャや
中央部吸収体を設けることもできる。
第２図は集光レンズを冷却する方法を示す図である。従
来は集光レンズは周辺を間接水冷しており、特にＴＥＭ
ＯＯでは発熱は中央部に局在していたので前記した光学
歪みが多発した。本発明では集光レンズ中央部を直接空
冷する。第２図において、１０は集光レンズ等を保持す
る構造体、ｌ２の斜線部はレーザ光、１１は集光レンズ
、８は加工ノズルロ、１３は焦点、９がワークである。
レーザ光による切断そのものは既知として説明を古略す
る。本発明では集光レンズ１１の両面に冷却ガスを吹き
付けて強制冷却をする。そのために集光レンズＩＩの上
面の冷却のために冷却ガス導入口１から、例えばｌ＾浄
空気を導入し、矢印の方向で集光レンズ１ｌに吹き付け
て冷却ガス排出口２から排出させる。これは同時に集光
レンズ１１の表面の汚れ防止にもなる。集光レンズ１１
の下面冷却のために冷却ガス導入口３から酸素、あるい
は空気を導入し冷却ガス排出口４から排出する。この噴
射量は最適値に維持される必要があるので冷却用ガス流
は可変バルブ５によって調節する。このバルブ下流は排
気ポンプで引いてもよい。
また、加エノズルロ８からは切断用補助ガスが吹きだす
必要があるのでそれは補助ガス導入口６、７などから導
入され加工ノズルロ８から噴射される。
このような強制空冷で冷却を行う時、集光レンズ１ｌに
は光学歪みが発生しないのでＴＥＭ０１主成分のモード
でもよい集光特性を得ることができて厚板切断を行うこ
とができる。厚板ではワークは長大であるので加Ｉ点が
レーザ発振器から２０ｍ程度離れることがある。第１図
に示すＴＥＭ００モードを主成分とする方法は２０ｍの
距離にわたってＴＥＭＯＯモード構造を維持することが
困難であるが、’Ｉ’ＥＭＯ１モードを主成分とするレ
ーザを使用する本方法ではこの問題がない。
第３の方法はＫＣＬ、（塩化カリウム）レンズを用いる
ことである。この時、特別な冷却がなくても光学歪みは
発生しない。これはＫＣＬでは温度上昇時に膨張と屈折
率増大が異符号で発生し、相殺するからである。この方
法もレーザ光の遠距離伝送時に使用することができる。
第３図は集光用反射鏡を使用場合の例を示す図である。
２５は軸はずしパラボラであってレーザ光２２を焦点２
３に丈光する。２４は軸はずしパラボラ２５等を保持す
る構造体である。１６は補助ガス導入口である。軸はず
しパラボラ２５は反射鏡で屈折系でないので熱変形によ
る歪みしか存在しない。しかも軸はずしパラボラ２５は
図に示すように背後から全域を間接冷却することができ
る。２６は冷却水通路である。この方法もレーザ光の遠
距離伝送時に問題がない。
以七４種の方法を紹介した。いずれも集光系の光学歪み
に起因する築光特性低下を防止する方法であって大出力
レーザによる切断加工には有効な技術と言える。
このうちの、第１の方法の中央部の欠落したリングモー
ド土成分のレーザ光を使用する方法と、その他の方法で
ある第２の集光レンズをガスで冷却する方法、第３のＫ
ＣＬレンズを使用する方法、第４の隼光反射鏡を使用す
る方法とは互いに組み合わせて、その効果を高めること
ができる。
これらの方法によれば、出力２ＫＷのＣＯ。レーザで軟
鋼２５ｍｍまでを切断でき、１９ｍｍまでをファイン切
断することができる。また、レーザ光伝搬距離２０ｍ以
上の大型加工機にたいしても安定した特性をあたえるこ
とができる。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明では、大出力レーザ光による
切断加工時に発生する集光系の光学歪みによる集光特性
低下を防止したので、従来切断不可能であった板厚のワ
ークを切断できる。
また、レーザ光伝搬距離の長い大型加工機に対しても安
定した特性をあたえることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は本発明のビｌ、モー
ドを中抜けにするだめの説明図、第２図は集光レンズを
冷却する方法を示す図、第３図は集光用反射鏡を使用す
る場合の例を示す図である。 冷却ガス導入口 冷却ガス排出口 可変バルブ 補助ガス導入口 加工ノズルロ ワーク 構造体 集光レンズ レーザ光 焦点 補助ガス導入口 加工ノズルロ ワーク レーザ光 焦点 構造体 軸はずしパラボラ 冷却水通路

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）大出力レーザによって、厚板を加工するレーザ切
    断加工方法において、 中央部の欠落したリングモード主成分のレーザ光を使用
    して切断加工を行うことを特徴とするレーザ切断加工方
    法。
  2. （２）前記リングモード主成分はＴＥＭ０１モード成分
    であることを特徴とする請求項１記載のレーザ切断加工
    方法。
  3. （３）前記リングモード主成分に対して、ＴＥＭ００モ
    ード成分を含むことを特徴とする請求項１記載のレーザ
    切断加工方法。
  4. （４）大出力レーザによって、厚板を加工するレーザ切
    断加工方法において、 集光光学系表面に気体を吹き付けることで冷却すること
    を特徴とするレーザ切断加工方法。
  5. （５）大出力レーザによって、厚板を加工するレーザ切
    断加工方法において、 集光レンズとして、ＫＣＬ（塩化カリウム）レンズを使
    用することを特徴とするレーザ切断加工方法。
  6. （６）大出力レーザによって、厚板を加工するレーザ切
    断加工方法において、 集光反射鏡を使用することを特徴とするレーザ切断加工
    方法。
  7. （７）大出力レーザによって、厚板を加工するレーザ切
    断加工方法において、 中央部の欠落したリングモード主成分のレーザ光を使用
    し、 集光光学系表面に気体を吹き付けることで冷却すること
    を特徴とするレーザ切断加工方法。
  8. （８）大出力レーザによって、厚板を加工するレーザ切
    断加工方法において、 中央部の欠落したリングモード主成分のレーザ光を使用
    し、 集光レンズとして、ＫＣＬ（塩化カリウム）レンズを使
    用することを特徴とするレーザ切断加工方法。
  9. （９）大出力レーザによって、厚板を加工するレーザ切
    断加工方法において、 中央部の欠落したリングモード主成分のレーザ光を使用
    し、 集光反射鏡を使用することを特徴とするレーザ切断加工
    方法。
JP2010029A 1990-01-19 1990-01-19 レーザ切断加工方法 Pending JPH03216287A (ja)

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