JPH08500060A - 帯材または板材、特に電磁鋼板をレーザビームで切断する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、帯材または板材を高速、特に１００ｍ／分を超える速度でレーザビーム切断する方法に関する。レーザビームによって、切断点では蒸気毛管の発生を伴いながら材料が溶融され、溶融物は不活性ガスと水素との混合ガスである切断ガスによって追い出される。蒸気毛管を維持するために、溶融物の表面温度が融点に保たれ且つ溶融物が蒸気毛管の切断方向とは反対の側で連続的に追い出されるように、切断用混合ガス中の水素分を多くすると共に、この切断用混合ガスを切断点の溶融物の表面に供給する際のガスの圧力および圧力分布を調節する。

Description

【発明の詳細な説明】 帯材または板材、特に電磁鋼板をレーザビームで切断する方法 本発明は、帯材または板材、特に＜１ｍｍ、特に＜０．５ｍｍの厚さを有する 電磁鋼板をレーザビームで切断する方法であって、レーザ源から放出されるレー ザビームが切断箇所に蒸気毛管を形成しつつ材料を溶融し、その際に水素を含む 不活性の切断ガスによって溶融物が追い出されるものに関する。 従来のレーザ切断の場合には例えば１．５ｋＷのＣＯ₂レーザと標準集束装置 が使用され、両者は約１０⁶Ｗ／ｃｍ²の集束領域の強度をもたらす。この切断の 場合に金属の切断フロントにフレネル吸収が発生し、それによって材料の蒸発を 無視することができる。 金属材料のレーザビーム切断、特に１ｍｍ未満の厚さを有するステンレス鋼板 の切断は、ドイツ特許出願第３６１９５１３号から知られている。不活性な切断 ガス内の切断作用のあるガスは酸素である。この酸素は切断ガスの３０から９０ vol％の割合を有する。これは鋼と化学的に発熱反応して付加的な熱エネルギを 発生させ、それによって切断プロセスを促進するために用いられる。さらに酸素 は切断ガスと共に切断領域に発生する溶融物を金属薄板の切断間隙から追い出す 。しかし、酸化生成物は間隙から完全には追い出されないので、大体において酸 化生成物を含まない切断端縁は得られないことが明かにされている。さらに化学 的な発熱反応によって比較的大きな熱影響ゾーンが切断領域の側方に発生し、そ れによって材料、特に金属薄板と場合によってはその上にあるコーティングの損 傷がもたらされる。 ずっと以前から電磁鋼板の分離がレーザ切断のための興味深い使 用領域であると見なされている。この種の公知の方法（ドイツ特許公開公報第２ ７４３５４４号）においては、１ｍｍ未満の厚さを有する電磁鋼板の切断に数百 ワットの出力を有するＣＯ₂レーザが使用される。レーザビーム切断の場合に材 料の分離箇所にノズルから酸素を含むガスが供給され、その場合にノズル前の圧 力は５ barを越える。この切断においては１０ｍ／分そこそこの切断速度しか得 られない。しかしこの種の切断速度は電磁鋼板の場合には経済的に問題にならな い。さらにこの種の低い速度は、それに伴って特に方向性電磁鋼板の切断間隙に 隣接するゾーンが加熱されるために磁気特性に好ましくない影響がもたらされる 。従って専門分野では、材料を切断ガスとして好ましくは酸素または窒素を使用 して切断する高出力レーザ、特にＣＯ₂レーザを電磁鋼板、特に方向性電磁鋼板 に使用することは適さないとされている（Ｓｔａｈｌ ｕｎｄ Ｅｉｓｅｎ）、 １１０（１９９０）第１２号、第１４７−１５３頁）。 しかしさらに、より大きな速度で材料のレーザビーム切断を実施することがで きるようにするために、様々な考察と実験が行われている。例えばＷＯ８８／０ １５５３からは、切断箇所へガスを供給するためのノズルによって包囲されてい るレーザビームの軸をガスノズルの圧力中心の軸に関して変位させ、特に切断さ れない薄板方向へ変位させることが知られている。それの基礎となるのは、まず 材料を溶融しておけば、その後後続の箇所においてその材料を切断間隙からうま く追い出すことができるという考えである。しかしこの種のレーザビーム切断は 、大きな切断速度で切断を行おうとする場合には、薄い金属薄板の場合にはうま く利用されない。 ちょうど公知となった冒頭で述べた種類のレーザ切断方法（ＤＶＳリポート（ ＤＶＳ−Ｂｅｒｉｃｈｔｅ）１３５、１９９１、第１２から１５頁）においては 、ビーム種類指標Ｋ、集束指標Ｆ及び所 定のレーザビームタイプ、好ましくはＣＯ₂レーザによる集束された強度などの パラメータが互いに最適に一致している場合に、板厚０．２５ｍｍおよび材料と してのＦｅ合金において約１００ｍ／分の切断速度が得られる。その場合に切断 ガスとして水素が添加されるかあるいは切断ガスがもともと酸素からなるかは本 質的な差異とならない。というのは酸素を用いるとわずかに切断速度が大きくな るだけだからである。 さらにレーザビームを用いてスリットを形成することのできる切断方法が知ら れており（ドイツ特許第３９３４９２０号）、その場合に切断はレーザビームま たはレーザビームのディスク上への衝突点の前へ向けられる酸素ビームを使用し て行われる。この種の反応性ガスからなるビームによって幅広のスリットが形成 され、圧力ガスによって溶融物がスリットから追い出される。この種の方法は切 断ガスが反応性であるので、不活性な切断ガスを用いて作業を行う本発明による 方法とは原則的に異なる。 前の特許出願（Ｐ４１２３７１６．１−３４）の対象である冒頭で述べた種類 の方法においては、レーザビームの中心軸は材料に向けられた水素を含む不活性 の切断ガスビームの内部にある。切断ガスビームはレーザビームのレーザ軸に対 して切断方向に先行し、かつ溶融物が連続的に切断間隙から追い出されるように 向けられている。 本発明の課題は、所定の材料と材料厚さについて冒頭で述べた種類の方法を従 来の最大取得可能な切断速度に関して改良し、その場合に切断端縁の品質を低下 させることのないようにすることである。 この課題は本発明によれば、蒸気毛管を維持するために次のように、すなわち 蒸気毛管の下方が閉鎖されたままになり、溶融物の表面の温度が蒸発温度に維持 され、かつ溶融物が蒸気毛管の切断方向 とは反対の側で連続的に切断間隙から追い出されるように、切断ガスの水素割合 が高く調節され、かつレーザビームを包囲する不活性の切断ガスが前記のような 圧力および圧力分布で切断箇所において溶融物へ供給されることによって解決さ れる。 本発明にとって重要な認識は、必要とする大きい強度がレーザビームに関する クラシックなフレネル吸収の限界を越えるということである。修正された相互作 用幾何学配置と組み合わせた部分的な蒸発によって、レーザビームの遮閉をもた らす可能性のあるプラズマと蒸気毛管が形成される。蒸気毛管は本発明に従って 、より大きい切断速度をもたらすために利用される。すなわち切断領域において 材料表面に対して平行に蒸気毛管の回りを回る溶融物の流れと蒸気毛管の後方に おける切断間隙から下方への溶融物の追い出しが形成される。もちろんこれだけ では充分ではない。というのはプロセスが誤って案内された場合にはそれによっ て溶融物の堰止めがもたらされ、溶融物と切断間隙の溶融物に隣接する端縁ゾー ンの過熱並びに切断間隙の拡幅の危険が伴うからである。これらの現象によって 、所望の速度上昇がまったく、あるいはいずれにしてもその著しい部分が達成で きないことがもたらさられる可能性がある。 本発明によれば切断ガス混合物の圧力を調節する他にできるだけ大きな割合で 水素が切断ガスに添加されるので、上述の望ましくない現象を制限することがで きる。材料の蒸発に基づくプラズマは発生するが、レーザビームに関するプラズ マの遮閉作用は実際には回避され、特に溶融物の追い出しの妨害は発生しない。 すなわち水素はその分子が軽いことによる、例えば三重衝突（電子−イオン−水 素）毎の再結合率が増大することによる冷却作用を有するので、溶融物、蒸発し た材料および形成されるプラズマの過熱の危険が防止される。さらに溶融物の表 面応力が水素によって減少し、それが溶 融物の堰止めとそれに伴う溶融物の追い出しの阻止に拮抗することは重要である 。 従って本発明方法によれば、従来技術に比較してさらに増大した切断速度でバ リのない切断端縁と、分離すべき材料の切断端縁に隣接するゾーンのできるだけ 小さい影響が得られ、それは特に方向性電磁鋼板にとっては重要である。 上述の意味において、水素が切断ガス内に最大２５ vol％まで含まれていると 効果的である。上述のＤＶＳリポートによれば従来技術に比較して約１５％の速 度上昇が達成できた。 不活性の切断ガスに適した圧力はＣＯ₂レーザの場合には３ barから８ barの 間である。Ｎｄ：ＹＡＧレーザの場合には、ずっと高い圧力、特に５０ barまで の圧力を使用することが効果的である。 不活性ガスとして窒素またはアルゴンを使用することが推奨される。これらは 産業的に供給可能な安価なガスである。窒素は通常は特に鉄金属からなる材料に 適しており、アルゴンは重点的に非鉄金属の場合に好ましい不活性特性を示すこ とができる。 レーザビームと材料との大きな相互作用面積において狭い切断間隙の形成が可 能となる本発明の他の実施例によれば、切断方向に延びる主軸を有する長円形の 焦点上に集束されている。それによって切断フロントに関するレーザビームの強 度が減少され、それによって材料の望ましくない激しい蒸発とそれに基づく著し いプラズマ形成が防止される。さらにレーザビームの集束された焦点が材料の半 分の高さに、すなわち材料の中心に保持される場合に高い切断速度に関して好ま しい作用がもたらされる。 本発明の実施例によれば、不活性な切断ガスはレーザビーム軸に対して偏心し て案内され、先行して切断箇所に衝突する。さらに不活性な切断ガスが角度＜９ ０゜で切断箇所に衝突する場合に、効果 的である。すべての実施例にとって共通なのは、切断ガスの圧力中心が切断され ない材料方向に変位されていることである。このように調節することによって、 ガスビームが切断間隙に入射する際に横方向の圧力勾配が発生する。それによっ て開放した切断間隙の縦に延びる方向の流れ成分がもたらされるので、レーザビ ームと薄板の材料との相互作用領域からの溶融物並びに蒸気の急速な搬出と減少 された蒸発とが得られる。溶融物の追い出しの際に切断ガスの水素による溶融物 の表面応力の減少と切断ガスの横方向の圧力勾配が共働し、それによって溶融物 の追い出しが促進される。 レーザビームをできるだけ強く集束することができるようにするために、低い モードオーダーのレーザビーム、すなわち好ましくは＞０．５のできるだけ大き ビーム種類指標Ｋが選択される。 蒸気毛管の切断方向とは反対側において切断間隙からの溶融物の追い出しを支 援するために、さらにガス状、液状または粒子からなる付加ビームを使用するこ とができる。 図面を用いて本発明を説明する。 第１図は、レーザビーム切断装置の概略的な斜視図であり、 第２図は、厚さｄの材料の切断領域の概略的な縦断面図である。 レーザビーム２１を有する切断装置２５は材料１０の上方で案内され、その場 合にレーザビーム１１は集束光学系１２によって集束される。集束されたレーザ ビーム１１は金属薄板として図示される、厚さｄを有する材料１０上へ向けられ ている。薄板１０が切断装置２５に対して矢印２２方向へ移動させられると、レ ーザビーム１１が薄板に切断間隙１６を発生させる。 切断速度は例えば１ｍｍ未満の薄板の場合に２５０ｍ／分に達するか、あるい はそれ以上になる。切断装置２５は例えば縦および／または横分断装置やトリミ ング装置の形で使用され、そこにおいて 薄板が例えばコイルから解かれる。 集束光学系１２は集束レンズを有し、その集束レンズによってレーザビーム１ １は、焦点が板厚ｄの半分の範囲になるように集束される（第２図を参照）。切 断することが重要である薄い薄板を考慮し、特に切断間隙１６は狭いことが望ま れるので、集束はできるだけ強くなければならず、従って焦点はできるだけ小さ くなる。これは例えば、レーザビームができるだけ低いモードオーダーを有する ことによって達成することができる。 レーザビーム２１は切断ガス１４用のガスノズル１３によって包囲されている 。切断ガス１４はレーザビーム１１の方向において薄板１０の切断領域２０上に 衝突する。切断ガスは窒素またはアルゴンなどの不活性ガスからなり、特にレー ザビーム１１による切断の際に発生される溶融物１５を追い出すのに用いられる 。さらに切断ガスに水素が添加され、その作用については後述する。 現在の技術水準に相当する速度で切断する場合に、第１図に示すように切断フ ロント２３が形成され、そこから直接溶融物１５の追い出しが行われる。従って 切断間隙１６に隣接する領域のできるだけ小さい熱応力を有する大きな切断速度 と、酸化のない切断端縁１６についての最適な条件は達成されない。本発明によ る手段を使用して初めてより大きな切断速度への移行が可能となり、その速度に おいてはその後切断間隙の下方が閉鎖され、すなわち溶融物はまず第２図に示す ように、蒸気毛管を形成して間隙内に残留する。蒸気毛管の形成と維持によって 、溶融物が比較的著しく液状のままであることが可能となる。このようにして形 成された蒸気毛管によるより高いエネルギ結合によって、より大きな切断速度が 得られ、それによって隣接ゾーン２６のわずかな熱応力と酸化のない切断端縁が 得られる。第２図はさらに、本発明方法においては切断フロント２ ３は、角度がほぼ９０゜で従って切断フロント２３がきわめて急峻に延びている 純粋な、ないしは実際にフレネル吸収だけを有する従来の切断に比較して、ずっ とフラットであること、すなわち例えば６５〜７５゜であることを示している。 フラットな切断フロント２３は焦点直径ｄｆと薄板厚ｄからなる大きな比を有す る薄板において、そして特により大きいビーム強度ないしはより強い集束にも拘 らず説明できる。例えば３ｍｍ厚さの薄板を焦点直径ｄｆ＝３／１０ｍｍで従来 のように切断する場合には、薄板厚ｄに関して１：１０の比が得られる。例えば ６／１００ｍｍまでの強い集束によってビーム強度が大きくなるにも拘らず、薄 板厚さが０．２ｍｍである場合に、比３：１０が得られるので、レーザビームを 完全に結合するためには、最大の切断速度において切断フロントはよりフラット でなければならない。これは相互作用面積がより大きいことを意味している。さ らに比較的大きい溶融物の堰止めが生じる。というのは切断速度が大きいのでよ り大きい体積流が与えられており、かつ溶融物の流れの最大速度が制限されてい るからである。従って特に第２図の矢印２４方向に薄板材料の強化された蒸発が 行われる。従って切断フロント２３が平坦になると共に溶融物の追い出しの際の 溶融物１５の流れ速度も減少するので、レーザ強度が大きい場合には遮閉する金 属蒸気プラズマが発生する可能性がある。両者は不活性な切断ガスへの水素の混 合により防止される。水素によって、溶融物の表面応力の減少がもたらされるの で、溶融物はより迅速に吹き出され、それによって溶融物フィルム厚、表面温度 及び蒸発率が低下する。切断間隙１６が非常に狭く、かつ薄板が薄く、しかし追 い出すべき質量流（単位時間当りの質量）は切断速度が大きいことによって全体 として非常に大きいように考慮する場合には、この状態に重要な意味がある。さ らに水素の軽い分子がプラズマを冷却 し、それによって遮閉する金属蒸気プラズマの発生に拮抗する。それによって最 大の切断速度の増大の他に切断プロセスの安定性も増大され、それが切断品質に もプラスに作用する。 第２図には薄板厚ｄの領域において直径ｄｆの焦点を有するレーザビーム１１ が図示されている。レーザビーム１１の軸は符号１８で示されている。ガスノズ ル１３も同様に回転対称に形成されており、かつその軸は符号１７で示されてい る。軸１７はここでは、第１図に示すように切断領域２０へ供給される切断ガス １４の圧力中心と同義である。 ガスノズル１３とレーザビーム１１が互いに対応している場合に、ガスノズル １３の軸１７がレーザビーム１１の軸１８に関して偏心率ｅで、特に切断されな い領域１０の方向へ変位されていることが注目に値する。このように先行するよ うにノズルを調節した結果として切断ガス１４が切断間隙１６に進入する際に、 開放した切断間隙の長手方向に、従って軸１８に対して垂直に横方向の圧力勾配 が発生する。それによって発生する金属蒸気に、金属蒸気プラズマの遮閉作用が 防止されるような影響が与えられる。さらに溶融物は比較的フラットな切断フロ ント２３の方向へより急速に搬出される。従って切断フロント２３がフラットで あることによって切断フロントが急峻である場合よりも追い出し距離は長くなる が、溶融物の表面応力を減少させる水素と切断ガスの改良された横方向のガイド との共働によって、溶融物１５のより良好な追い出しが得られる。 第２図から明らかなように、切断ガスの横方向の圧力勾配は、ガスノズル１３ が薄板１０に対して傾斜した軸１９または１９’を有するように配置されること によっても達成される。軸１９、１９’の傾斜と配置は切断フロント２３の傾斜 との組合せにおいて横方向の圧力勾配の大きさを決定する。軸１９、１９’の配 置において、 軸１９は切断領域２０において軸１８の領域で切断フロントを横切り、軸１９’ は切断されない薄板１０の方向において上述の切断点の前に位置することが異な っている。切断ガス１４は切断フロント２３上および／または切断されない薄板 １０上へ衝突する。 第２図においてはレーザビーム１１は直径ｄｆの焦点で図示されている。従っ てビーム横断面は円形である。しかしレーザビーム１１は好ましくは長円形ない しは細長く集束させることもできる。その場合にはｄｆは長円形の大きい半軸の 長さであって、これは切断方向に配置される。その結果フラットな切断フロント 上のレーザビームの強度は減少し、それによってレーザビームが薄板内へ結合さ れる際の相互作用面積が増大する。それによって切断プロセスが安定化される。 というのはプラズマ形成と溶融物の追い出しが良好にコントロールできるからで ある。同時にレーザ焦点の幅とそれに伴って切断間隙１６の幅を小さく抑えるこ とができる。 本発明方法によれば、酸化のない切断端縁で１００ｍ／分より大で、好ましく は２５０ｍ／分までの切断速度が達成される。切断速度が大きいことによって切 断間隙の端縁ゾーンのマイナスの熱影響がわずかになり、それは方向性電磁鋼板 の場合には特に重要である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ペトリンク，ディルク オランダ国，エヌエル―6462 ハーエー ケルクレーデ，フェルドビス 125 (72)発明者 ビンゲナー，ディーター ドイツ連邦共和国，デー―57223 クロイ ツタル，ドルンザイフェル シュトラーセ 30 (72)発明者 リーン，ハンス−ディーター ドイツ連邦共和国，デー―45966 グラド ベク，パウル―ロエベ―シュトラーセ117

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．レーザビーム源から放出されるレーザビームが切断箇所において蒸気毛管 を形成しつつ材料を溶融し、その場合に溶融物が水素を含む不活性の切断ガスに よって追い出される、帯材または板材、特に厚さ＜１ｍｍ、特に＜０．５ｍｍの 電磁鋼板をレーザビーム切断する方法において、 蒸気毛管を維持するために次のように、すなわち蒸気毛管の下方が閉鎖された ままになり、溶融物の表面の温度が蒸発温度に維持され、かつ溶融物が蒸気毛管 の切断方向とは反対の側で連続的に切断間隙から追い出されるように、切断ガス の水素割合が高く調節され、かつレーザビームを包囲する不活性の切断ガスが前 記のような圧力および圧力分布で切断箇所において溶融物へ供給されることを特 徴とする帯材または板材をレーザビーム切断する方法。 ２．切断ガスが２５ vol％までの割合の水素を含むことを特徴とする請求の範 囲第１項に記載の方法。 ３．レーザビーム源としてのＣＯ₂レーザにおいて、切断ガス混合物の圧力が ３ barから８ barの間に調節されることを特徴とする請求の範囲第１項または第 ２項に記載の方法。 ４．レーザビーム源としてのＮｄ：ＹＡＧレーザにおいて、切断ガス混合物の 圧力が５０ barまでに調節されることを特徴とする請求の範囲第１項から第３項 までのいずれか１項に記載の方法。 ５．切断ガスが窒素またはアルゴンであることを特徴とする請求の範囲第１項 から第４項までのいずれか１項に記載の方法。 ６．切断ガスがレーザビームに対して偏心して案内され、かつ先行して切断箇 所に衝突することを特徴とする請求の範囲第１項から第５項までのいずれか１項 に記載の方法。 ７．切断ガスが＜９０゜の角度で切断箇所へ衝突することを特徴 とする請求の範囲第１項から第６項までのいずれか１項に記載の方法。 ８．レーザビームが切断方向に延びる主軸を有する長円形の焦点上に集束され ることを特徴とする請求の範囲第１項から第７項までのいずれか１項に記載の方 法。 ９．レーザビームの集束された焦点が材料の半分の高さに維持されることを特 徴とする請求の範囲第１項から第８項までのいずれか１項に記載の方法。 １０．レーザビーム源から放出されるレーザビームが低いモードオーダーであ ることを特徴とする請求の範囲第１項から第９項までのいずれか１項に記載の方 法。 １１．溶融物が蒸気毛管の後方の切断間隙からさらにガス状、液状あるいは粒 子からなる付加ビームによって追い出されることを特徴とする請求の範囲第１項 から第１０項までのいずれか１項に記載の方法。