專利名稱：激光切割裝置和激光切割方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及激光切割裝置和激光切割方法。
背景技術(shù)：
近年來，正在開發(fā)例如專利文獻I所記載的激光切割裝置，該激光切割裝置將激光束從激光振蕩器經(jīng)由光纖傳送到用于切割金屬板工件的加工頭，并利用該激光束切割工件。采用此光纖的激光器(以下稱為“光纖激光器”)利用光纖傳送固體激光(例如，YAG系激光)。另外，因為光纖激光器與氣體激光器(例如CO2激光器)相比產(chǎn)生激光所需的電能較少、與棒式固體激光器相比激光束的質(zhì)量(激光束的聚光性和直進性)較高、且輸出功率可以較高，所以正得以普及。這里，激光切割裝置在切割作為被加工物的金屬時，有時不僅利用激光束的能量，而且利用氧化熱使被加工物處于高溫來進行切割，該氧化熱是在向被加工物照射激光束的同時利用吹出的氧氣(輔助氣體)氧化金屬的氧化熱。由于被加工物變成高溫，構(gòu)成被加工物的金屬和在獲得氧化熱的過程中生成的氧化金屬熔融成為熔融金屬。然后，通過在上述輔助氣體的壓力下從被加工物上吹走并除去熔融金屬來切割被加工物。然而，由于熔融金屬的溫度越高，其粘性越低且流動性越大，所以激光切割裝置有必要通過升高被加工物的切割溫度來降低熔融金屬的粘性且提高利用輔助氣體排除熔融金屬的排除性。因此，在利用激光束切割時，必須將被加工物內(nèi)部的溫度即切割溫度設為高溫。例如，在成為切割對象的被加工物是Fe(鐵)的情況下，切割溫度必須設為1200°C 1700°C左右?，F(xiàn)有技術(shù)文獻專利文獻專利文獻1:(日本)特開2008-296266號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題然而，用于光纖激光器等的YAG系激光被認為與以往采用的CO2激光相比，切割時的溫度難以上升。其理由被認為如下。對于YAG系激光和CO2激光，由于YAG系激光的波長為1.06 1.08 μ m, CO2激光的波長為10.6μπι，兩者的波長大小不同，所以相對于材料的激光吸收率(以下稱為“材料吸收率”)和相對于等離子體的激光吸收率(以下稱為“等離子體吸收率”)不同。例如，如以往已知的圖6的實驗例所示，對于鐵的材料吸收率，CO2激光為0.08，波長比CO2激光短的YAG系激光為0.39。
如此，由于YAG系激光的材料吸收率比CO2激光高，所以與0)2激光相比，激光束的能量被更多地消耗于被加工物的熔融，因而激光束的能量難以幫助被加工物的溫度上升。另外，在切割被加工物時，作為被加工物的金屬的一部分蒸發(fā)并轉(zhuǎn)化為等離子體。另外，盡管等離子體溫度有助于所切割的被加工物內(nèi)部的溫度上升，但YAG系激光的等離子體吸收率與CO2激光比較僅為CO2激光的1/100左右。因此，YAG系激光難以使所切割的被加工物內(nèi)部的等尚子體溫度上升。另外，在采用了光纖激光器的情況下，由于激光振蕩器的個體差異、光纖隨時間的劣化、對光纖的力學壓力(應力)的積累和不均勻等，包層與纖芯之間的界面處產(chǎn)生應力且折射率發(fā)生變化，從而激光束的質(zhì)量和輸出功率降低，激光切割裝置的切割性能下降。結(jié)果，采用波長比CO2激光短的激光的激光切割裝置存在這樣的問題，在切割具有厚度的被加工物的情況下，不能使被加工物內(nèi)部的溫度上升至切割所需的溫度，從而不能切割被加工物。本發(fā)明是鑒于此情況作出的，其目的是提供一種能夠采用波長比CO2激光短的激光切割具有厚度的被加工物的激光切割裝置和激光切割方法。用于解決問題的手段為解決上述問題，本發(fā)明的激光切割裝置采用以下手段。S卩，依據(jù)本發(fā)明第一方式的激光切割裝置包括:射出裝置，射出波長比CO2激光短且用于切割被加工物的激光束，所述被加工物具有在被所述激光束照射的情況下在內(nèi)部產(chǎn)生熔融池的厚度；以及匯聚裝置，使該激光束匯聚，使得從所述射出裝置射出的所述激光束的截面形狀呈橢圓形且該橢圓形的長軸方向與該被加工物的切割行進方向一致。依據(jù)本發(fā)明的第一方式，利用射出裝置射出波長比CO2激光短且用于切割被加工物的激光束，被加工物具有在被該激光束照射的情況下在內(nèi)部產(chǎn)生熔融池的厚度；利用匯聚裝置使該激光束匯聚，使得該激光束的截面形狀呈橢圓形且該橢圓形的長軸方向與被加工物的切割行進方向一致。波長比CO2激光短的激光(例如，YAG系激光)材料吸收率較高且等離子體吸收率較低，因此在利用激光束切割被加工物的情況下，不能使被加工物的內(nèi)部處于這樣一種程度的高溫，該高溫使得熔融金屬具有可利用輔助氣體吹走程度的低粘性。這里，使激光束的截面形狀呈橢圓形且橢圓形的長軸方向與被加工物的切割行進方向一致。由此，可改變激光束能量從被加工物的熔融到切割區(qū)域的溫度上升的分配，被加工物的切割方向前方側(cè)的激光束的能量消耗于被加工物的金屬的熔融，另一方面，被加工物的切割方向后方側(cè)的激光束的能量消耗于熔融金屬的溫度上升，熔融金屬的溫度成為高溫。結(jié)果，熔融金屬的粘性可下降至能夠利用輔助氣體吹走熔融金屬的程度，所以本發(fā)明可采用波長比CO2激光短的激光切割具有厚度的被加工物。另外，在依據(jù)本發(fā)明第一方式的激光切割裝置中，所述匯聚裝置可以具有:柱面透鏡，使該激光束匯聚，使得從所述射出裝置射出的激光束的截面形狀呈橢圓形；以及轉(zhuǎn)動裝置，使該柱面透鏡轉(zhuǎn)動，使得經(jīng)所述柱面透鏡匯聚的激光束的長軸方向與該被加工物的切割行進方向一致。依據(jù)本發(fā)明的第一方式，因為匯聚裝置具有:柱面透鏡，使從射出裝置射出的激光束匯聚成截面形狀呈橢圓形；以及轉(zhuǎn)動裝置，使該柱面透鏡轉(zhuǎn)動，使得經(jīng)柱面透鏡匯聚的激光束的長軸方向與該被加工物的切割行進方向一致，所以能夠利用簡單的構(gòu)造使激光束的長軸方向與該被加工物的切割行進方向一致。另外，在依據(jù)本發(fā)明第一方式的激光切割裝置中，所述激光束可以為光纖激光。依據(jù)本發(fā)明第一方式，由于光纖激光是以高質(zhì)量進行高輸出的激光束，所以能夠更可靠地切割具有厚度的被加工物。另外，在依據(jù)本發(fā)明第一方式的激光切割裝置中，所述激光束可以為盤式激光器產(chǎn)生的激光束。依據(jù)本發(fā)明第一方式，由于盤式激光器產(chǎn)生的激光束是以高質(zhì)量進行高輸出的激光束，所以能夠更可靠地切割具有厚度的被加工物。另一方面，為解決上述問題，本發(fā)明的激光切割方法采用以下手段。S卩，依據(jù)本發(fā)明第二方式的激光切割方法包括:第一工序，射出波長比CO2激光短且用于切割被加工物的激光束，所述被加工物具有在被所述激光束照射的情況下在內(nèi)部產(chǎn)生熔融池的厚度；以及第二工序，使該激光束匯聚，使得射出的所述激光束的截面形狀呈橢圓形且該橢圓形的長軸方向與該被加工物的切割行進方向一致，匯聚成橢圓形的所述激光束有助于所述熔融池的溫度上升。依據(jù)本發(fā)明第二方式，被加工物的切割方向前方側(cè)的激光束的能量消耗于被加工物的金屬的熔融，另一方面，被加工物的切割方向后方側(cè)的激光束的能量消耗于熔融金屬的溫度上升，熔融金屬的溫度成為高溫。結(jié)果，熔融金屬的粘性可下降至能夠利用輔助氣體吹走熔融金屬的程度，所以依據(jù)本發(fā)明第二方式的激光切割方法能夠采用波長比CO2激光短的激光切割具有厚度的被加工物。發(fā)明的效果依據(jù)本發(fā)明，具有能夠采用波長比CO2激光短的激光切割具有厚度的被加工物的優(yōu)良效果。


圖1是表示依據(jù)本發(fā)明實施方式的激光切割裝置的光學系統(tǒng)的構(gòu)造的示意圖。圖2A是表示利用采用了現(xiàn)有光纖激光器的激光切割裝置切割的被加工物的切割狀態(tài)的示意圖。圖2B是表示利用依據(jù)本發(fā)明實施方式的激光切割裝置切割的被加工物的切割狀態(tài)的示意圖。圖3是表示依據(jù)本發(fā)明實施方式的激光切割裝置的切割方向與激光束方向之間的關(guān)系的不意圖。圖4是依據(jù)本發(fā)明實施方式的激光切割裝置的整體構(gòu)造圖。圖5是依據(jù)本發(fā)明實施方式的激光切割裝置的筐筒的縱剖視圖。圖6是表示材料吸收率隨激光束波長的變化的圖表。
具體實施例方式以下，參照

依據(jù)本發(fā)明的激光切割裝置和激光切割方法的一種實施方式。
圖1表示依據(jù)本實施方式的激光切割裝置10的光學系統(tǒng)的構(gòu)造。激光切割裝置10包括激光振蕩器20、光纖22、激光射出部24和光學系統(tǒng)26。依據(jù)本實施方式的激光切割裝置10采用光纖激光器，該光纖激光器采用光纖22為介質(zhì)。另外，依據(jù)本實施方式的激光切割裝置10通過向載置于工作臺28上的被加工物30連續(xù)地照射激光束來切割被加工物30。被加工物30為金屬，本實施方式中作為一例，將被加工物30設為鐵(Fe)。另外，被加工物30的厚度例如為十至幾十毫米(例如50mm)。激光振蕩器20生成激光(本實施方式中為YAG系激光)，所生成的激光利用光纖22傳送，并從設在光纖22末端的激光射出部24射向光學系統(tǒng)26。光學系統(tǒng)26從上游側(cè)起具有準直光學系統(tǒng)40、柱面透鏡系統(tǒng)42和聚光光學系統(tǒng)
44,且準直光學系統(tǒng)40、柱面透鏡系統(tǒng)42和聚光光學系統(tǒng)44以中心軸為同軸的方式配置。準直光學系統(tǒng)40包括準直透鏡，且使從光纖22射出的具有預定擴束(開口數(shù)NA=sin Θ )的激光束成為平行光。柱面透鏡系統(tǒng)42包括柱面透鏡，且使利用準直光學系統(tǒng)40而成為平行光的激光束僅朝向一個方向匯聚。即，激光束在柱面透鏡系統(tǒng)42的作用下以截面形狀呈橢圓形的方式匯聚。聚光光學系統(tǒng)44使在柱面透鏡系統(tǒng)42的作用下以截面形狀呈橢圓形的方式匯聚的激光束匯聚為適于切割被載置在工作臺28上的被加工物30的直徑。準直光學系統(tǒng)40、柱面透鏡系統(tǒng)42和聚光光學系統(tǒng)44由例如石英玻璃形成。另夕卜，準直光學系統(tǒng)40、柱面透鏡系統(tǒng)42和聚光光學系統(tǒng)44分別可以由一個透鏡構(gòu)成，也可以由多個透鏡構(gòu)成。另外，依據(jù)本實施方式的激光切割裝置10在切割被加工物30時一邊向切割部分吹送作為輔助氣體的氧氣，一邊進行切割。這里，圖2A表示利用采用現(xiàn)有光纖激光器的激光切割裝置切割的被加工物30的示意圖，圖2B表示利用依據(jù)本實施方式的激光切割裝置10切割的被加工物30的示意圖。如圖2A的俯視圖所示，現(xiàn)有的激光切割裝置對被加工物30照射截面形狀呈圓形的激光束以切割被加工物30。激光束的徑向?qū)挾冉瞥蔀榍锌趯挾?切割寬度)。然而，在被加工物30的厚度較厚(例如十至幾十毫米(例如50mm))的情況下，如圖2A的縱剖視圖所示，YAG系激光存在不能到達被加工物30的底面而不能切割被加工物30的情況。此理由被認為是因為YAG系激光與CO2激光相比材料吸收率較高且等離子體吸收率較低。更具體地說，由于YAG系激光與CO2激光相比材料吸收率較高，所以激光束的能量被更多地消耗于被加工物30的熔融，因而激光束的能量難以幫助被加工物30的溫度上升。另外，在切割被加工物30時，作為被加工物30的金屬的一部分蒸發(fā)并轉(zhuǎn)化為等離子體。另夕卜，盡管等離子體的溫度有助于升高所切割的被加工物30內(nèi)部的溫度，但YAG系激光的等離子體吸收率比CO2激光低，所以可認為YAG系激光難以使所切割的被加工物30內(nèi)部的等尚子體溫度上升。結(jié)果，即使構(gòu)成被加工物30的金屬和氧化金屬熔融成為熔融金屬并在被加工物30內(nèi)部生成熔融池，由于激光束不能使熔融池的溫度充分上升，所以熔融金屬的粘性不降低，輔助氣體不能使熔融金屬從被加工物30的內(nèi)部流出。由此，現(xiàn)有激光切割裝置存在不能切割具有在內(nèi)部產(chǎn)生熔融池厚度的被加工物30的情況。另一方面，如圖2B的俯視圖所示，依據(jù)本實施方式的激光切割裝置10向被加工物30照射截面形狀呈橢圓形的激光束。當截面形狀呈橢圓形的激光束向被加工物30照射時，被加工物30的切割方向前方側(cè)的該激光束的能量消耗于被加工物30的金屬的熔融。另一方面，被加工物30的切割方向后方側(cè)的該激光束的能量可消耗于熔融金屬的溫度上升。結(jié)果，熔融金屬的粘性上升，輔助氣體能夠利用其壓力把熔融金屬吹出被加工物30外，所以激光切割裝置10可以切割具有厚度的被加工物30。利用熔融金屬的粘性上升，變得可以向下方吹走熔融金屬，所以如圖2B的縱剖視圖所示，切割劃痕(F' ” W 與圖2A的縱剖視圖所示的現(xiàn)有例相比變得立起。如圖3所示，依據(jù)本實施方式的激光切割裝置10為了切割具有厚度的被加工物30，使激光束匯聚成激光束的長軸方向與被加工物30的切割行進方向一致。圖4是激光切割裝置10的整體構(gòu)造圖。激光切割裝置10所包括的光學系統(tǒng)26被收容在上部配置有激光射出部24的筐筒50中?？鹜?0由能在三軸方向上(xyz軸)移動的三軸臂狀件52支承，且通過三軸臂狀件52驅(qū)動，被加工物30的切割 行進方向可以變化。三軸臂狀件52的移動由控制盤54控制。另外，如圖5的筐筒50的縱剖視圖所示，依據(jù)本實施方式的筐筒50被上下分割，上部筐筒50A內(nèi)配置有激光射出部24和準直光學系統(tǒng)40，下部筐筒50B內(nèi)配置有柱面透鏡系統(tǒng)42和聚光光學系統(tǒng)44。上部筐筒50A由三軸臂狀件52支承，下部筐筒50B以可相對于上部筐筒50A同軸轉(zhuǎn)動的方式嵌合。另外，上部筐筒50A的側(cè)面設有電機56。方向補正齒輪58A以與設在下部筐筒50B側(cè)面上的齒輪58B卩齒合的方式設在電機56的轉(zhuǎn)軸56A上。另外，電機56的轉(zhuǎn)軸56A的轉(zhuǎn)動角度與由于三軸臂狀件52的移動所導致的被加工物30的切割行進方向的變化同步并由控制盤54控制?？刂票P54通過經(jīng)由與方向補正齒輪58A嚙合的齒輪58B使下部筐筒50B即柱面透鏡系統(tǒng)42轉(zhuǎn)動，控制電機56的轉(zhuǎn)軸56A的轉(zhuǎn)動角度，使得被加工物30的切割行進方向與激光束的長軸方向一致。如以上所說明的，在依據(jù)本實施方式的激光切割裝置10中，用于切割被加工物的激光束(本實施方式中為波長比CO2激光短的YAG系激光)從激光射出部24射出，該激光束利用光學系統(tǒng)26匯聚成該激光束的截面形狀呈橢圓形且該橢圓形的長軸方向與被加工物的切割行進方向一致，匯聚成橢圓形的激光束有助于被加工物30內(nèi)部的熔融池的溫度上升，所以熔融金屬的粘性可下降至能夠利用輔助氣體吹走熔融金屬的程度，從而能夠采用波長比CO2激光短的激光切割具有厚度的被加工物30。以上，采用上述實施方式對本發(fā)明進行了說明，但本發(fā)明的技術(shù)范圍不限于上述實施方式所記載的范圍。在不脫離發(fā)明要旨的范圍內(nèi)，可對上述實施方式進行各種變更和改良，進行了該變更和改良的方式也包含在本發(fā)明的技術(shù)范圍內(nèi)。例如，在上述實施方式中說明了采用氧氣作為輔助氣體的情況，但本發(fā)明不限于此,也可以采用氮氣、氬氣等其它氣體作為輔助氣體。另外，在上述實施方式中說明了激光切割裝置10中采用YAG系激光的情況，但本發(fā)明不限于此，也可以采用其它激光作為波長比CO2激光短的激光。另外，在上述實施方式中說明了激光切割裝置中采用光纖激光器的情況，但本發(fā)明不限于此，也可以采用盤式激光器(波長1.05 1.09 μ m)。另外，在上述實施方式中說明了通過使由三軸臂狀件52支承的筐筒50移動來使被加工物30的切割行進方向變化的情況，但本發(fā)明不限于此，也可以將移動筐筒50設為不可移動，使載置被加工物30的工作臺28能在三軸方向上移動，且通過使該工作臺28移動來改變被加工物30的切割行進方向。在此方式的情況下，電機56的轉(zhuǎn)軸56A的轉(zhuǎn)動角度與由工作臺28的移動導致的被加工物30的切割行進方向的變化同步并由控制盤54控制。另外，在上述實施方式中說明了筐筒50由三軸臂狀件52支承的情況，但本發(fā)明不限于此，也可以設為由在縱(X)和橫(y)向上移動的二軸臂狀件支承的方式。符號的說明10激光切割裝置24激光射出部26光學系統(tǒng)30被加工物40準直光學系統(tǒng)42柱面透鏡系統(tǒng)44聚光光學系統(tǒng)56 電機
權(quán)利要求
1.一種激光切割裝置，包括: 射出裝置，射出波長比CO2激光短且用于切割被加工物的激光束，所述被加工物具有在被所述激光束照射的情況下在內(nèi)部產(chǎn)生熔融池的厚度；以及 匯聚裝置，使該激光束匯聚，使得從所述射出裝置射出的所述激光束的截面形狀呈橢圓形且該橢圓形的長軸方向與該被加工物的切割行進方向一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光切割裝置，所述匯聚裝置具有: 柱面透鏡，使該激光束匯聚，使得從所述射出裝置射出的激光束的截面形狀呈橢圓形；以及 轉(zhuǎn)動裝置，使該柱面透鏡轉(zhuǎn)動，使得經(jīng)所述柱面透鏡匯聚的激光束的長軸方向與該被加工物的切割行進方向一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光切割裝置，所述激光束為光纖激光器產(chǎn)生的激光束。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光切割裝置，所述激光束為盤式激光器產(chǎn)生的激光束。
5.—種激光切割方法,包括: 第一工序，射出波長比CO2激光短且用于切割被加工物的激光束，所述被加工物具有在被所述激光束照射的情況下在內(nèi)部產(chǎn)生熔融池的厚度；以及 第二工序，使該激光束匯聚，使得射出的所述激光束的截面形狀呈橢圓形且該橢圓形的長軸方向與該被加工物的切割行進方向一致，匯聚成橢圓形的所述激光束有助于所述熔融池的溫度上升。
全文摘要
一種激光切割裝置和激光切割方法，其能夠采用波長比CO2激光短的激光切割具有厚度的被加工物。激光切割裝置(10)從激光射出部(24)射出用于切割被加工物(30)的激光束(波長比CO2激光短的YAG系激光)，該激光激光切割裝置利用光學系統(tǒng)(26)匯聚使得該激光束的截面形狀呈橢圓形且該橢圓形的長軸方向與被加工物(30)的切割行進方向一致，匯聚成橢圓形的激光束有助于被加工物(30)內(nèi)部的熔融池的溫度上升。
文檔編號B23K26/38GK103180085SQ201180046039
公開日2013年6月26日 申請日期2011年10月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者渡邊真生 申請人:三菱重工業(yè)株式會社