JP4505190B2

JP4505190B2 - レーザ切断装置

Info

Publication number: JP4505190B2
Application number: JP2003087450A
Authority: JP
Inventors: 浩文今井; 基城戸; 辰彦坂井; 敦史杉橋; 秀行濱村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP2004291031A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼板の切断などに用いられるレーザ切断技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、薄鋼板など比較的薄手の被加工物に対するレーザ切断は高速切断ができ、また、寸法精度も良好であるなどの点で優れた方法とされている。近年、レーザ装置の高出力化に伴い、適用板厚の拡大が図られ、厚鋼板のレーザ切断も普及しつつある。しかし、厚鋼板ではしばしば切断面の品質が劣化する問題が生じることがあり生産性の向上を阻害する要因となっている。すなわち、厚鋼板の切断においては、数kWレベルのレーザ出力が必要となるが、レーザ出力の増大に伴いほぼガウス分布をしたレーザビーム強度分布の裾野成分も増大することから、実際に切れ落ちる部分である切断カーフ部の周辺部の加熱が強まり、温度上昇するため酸素雰囲気下にある素材が自己発火して断面がえぐれる現象が生じ易くなるのである。こうした切断不良は表面スケールの剥離部などで生じ易いことがわかっているが、厚板では鋼板表面のスケール密着性やスケール厚みの均一性が薄板に比べて劣るため、切断不良頻度が増大する結果となっているのが現状である。そこで、鋼材側の対策として表面スケール密着性の良い鋼板などが提案されている（例えば、特許文献１など参照）。一方、レーザ切断装置側からの対策としては、レーザビーム強度分布として基本ガウスモードより裾野の分布が少ない高次横モード（例えばＴＥＭ₀₁*モード（ドーナツ形状）など）の適用やパルス運転などが提案されている（例えば、非特許文献１など参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−３６９２号公報
【非特許文献１】
溶接学会誌第６６巻第７号２８頁
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述したレーザ光の横モード制御技術ではＣＯ₂レーザがベースとなっている。ＣＯ₂レーザは、従来のレーザ切断装置にて一般的に用いられているものであるが、発振器構成が２枚の対向する共振器ミラー間にレーザ媒質を配した発振器構成となっていることから、経時的にはどうしても２枚の共振器ミラーの機械的な相対変位が避けられず、レーザビーム強度分布が非対称となって切断性能の切断方向依存性などの問題を生じていた。このため定期的な共振器アライメント調整が必要となり、装置の稼働を休止することを余儀なくされていた。この調整作業は１〜２日の工程を要し、稼働率が重視されるレーザ切断機においては重大な能率低下と言わざるを得ない。
【０００５】
本発明は、上記の従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、レーザ切断においてアライメント調整を廃するとともにシャープな立ち上がりのレーザ強度分布を実現し、断面品質に優れたレーザ切断装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するものであり、その要旨とするところは以下の通りである。
鋼板などの被加工物に対しレーザビームを照射して切断するレーザ切断装置において、複数のレーザビームを出力するファイバレーザの少なくとも１台と、前記ファイバレーザの出力レーザビームを複数本に分岐し複数のレーザビームを出力する光ファイバと、前記ファイバレーザの端部と前記光ファイバの入力側の端部とを接続するファイバコネクタと、前記ファイバコネクタに接続した光ファイバの出力側の複数の端部のうちの一部の端部を互いに等間隔に且つ互いに接触しないリング状に配置した複数の貫通孔にそれぞれ挿入し、また、他の一部の光ファイバの先端部分の配列高さを貫通孔に挿入された他の光ファイバの先端部と異なるようにし、反挿入側からリング状に並んだレーザビームおよびその内側のレーザビームからなる複数のレーザビームを出力するリングビーム発生器と、前記リングビーム発生器から出力されたリング状に並んだレーザビームとその内側のレーザビームとを互いに集光位置をずらして集光する光学素子と、前記リングビーム発生器と光学素子とを保持する筒状のトーチと、前記筒状のトーチに結合され、集光したレーザビームを出力し、同時に集光したレーザビームと同軸方向に酸素ガスを主成分とするアシストガスを流すノズルと、から成り、且つ、前記複数の光ファイバは前記ファイバコネクタと前記リングビーム発生器との接続および切離が可能であり交換できることを特徴とするレーザ切断装置。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の本旨とするところをより詳らかとするため、以下、添付の図面に基づき説明を行う。
図２は、本発明装置によるレーザ切断方法の概念を説明する図であり、被切断鋼板上に集光されたレーザビームを模式的に示している。複数のレーザビームをリング状に配設することが本発明の特徴である。これは切断面品質に関して方向性のないレーザ切断に必要な集光レーザ強度分布の対称性を発現するためである。図２は８個のレーザビームを円周上に等間隔に配した場合を示す。なお、図２にて示した概念は複数のＹＡＧレーザなどのビーム合成によっても実現できるが、以下では特にファイバレーザを用いる場合について述べる。
【０００８】
図１は本発明によるレーザ切断装置の構成例を示す図である。リング状ビーム発生器１は８本の光ファイバ２の端部を正８角形に配列させる円筒状のホルダーに固定したものである。また、ホルダーは切断トーチ３に対して取り外し可能に固定している。光ファイバ２はコネクタ５にて分岐後の光ファイバ６と接続される。
【０００９】
次に分岐装置２２について説明する。１台のファイバレーザを８本に分岐した。出力１kW、コア径１５０μｍのファイバレーザを光源とし、図７に示すようなファイバカプラ２３によってほぼ同じコア径にて８分岐した。出力端でのパワー密度はそれぞれ５．７MW／cm²となる。鋼の溶融には十分な値である。なお、分岐の方法としては図７のように逐次等分配で２分岐することにこだわる必要はなく、結果的に等分配になるようにすればよい。
【００１０】
リング状ビーム発生器１内では直径６７５μｍの円に内接する正８角形の各頂点を中心として配列した。この場合ビーム直径と対角線長さの比は１対４．５となる。この程度の緊密さでビームを配列すれば、被切断材の熱伝導特性から見て実質的に連続的なリング状光源とみなすことができる。図３にこのときの位置関係を示す。以下１対１結像にてリング状に集光した。トータルの伝送効率は９０％である。それぞれの集光スポットにおけるパワー密度は５．１MW/cm²となる。トータルの照射パワーは０．９kWとなる。トータルのパワーは直径６００μｍの円内に存在するので全体の平均パワー密度は０．３MW/cm²となる。したがって、単純に単一ビームを中実状況で集光した場合に比べ局部的には１桁以上高いパワー密度を達成できることから、切断性能を向上できることが本発明の利点である。
【００１１】
なお、光ファイバの分岐方法としては図４に示すような多面ルーフトップミラー１８による空間的分割と個別のファイバ結合としても良い。図４は概念として６分割の場合を示し、そのうち半分を図示している。さらに、図５のように部分反射ミラー２０によって分割しても良い。例えば、４本に分岐する場合、第１の部分反射ミラーの反射率は７５％、第２の部分反射ミラーの反射率は３３．３％、第３の部分反射ミラーの反射率は５０％、そして最後に全反射ミラーを配置すればよい。もちろん、ビームの伝播線上に集光レンズを配置して最後の全反射ミラー２１を省略することも可能である。
【００１２】
光ファイバ２に伝送されたレーザ光はリング状ビーム発生器１から出た後、集光レンズ７にて被切断鋼板４上に１対１結像される。切断トーチ３の先端にノズル８が接続されており、レーザ光と同軸でアシストガスの酸素ガスを噴出する。出口口径は２．５mmとした。
【００１３】
以上のような構成のレーザ切断機にて鋼のレーザ切断を行ったところ、方向性のない切断が可能であった。本装置によれば、ビームのパターンはリング状ビーム発生器にて固定されており可動部が存在しないのでアライメント調整の必要がない。また、個々のビームは１５０μｍに絞られており強度分布の立ち上がりが鋭いため切断不良が発生しにくい。また、個々のビームは集光性が良いのでビームを全体としての焦点深度も大きくなり、より厚手の材料に対する適用性が向上した。さらに、故障の際の復元もファイバコネクタ、リング状ビーム発生器等切り離し可能なので先端部だけの交換が可能となり迅速である。
【００１４】
なお、以上の説明ではリング状ビームの集光方法として１対１結像を示したが、結像倍率を変更して良い。また、集光光学系としてはリング状ビーム発生器の後で一旦コリメートしてから一括して集光してもよい。さらに、ファイバレーザは一部を連続波、他をパルスのように組み合わせても良い。波長も１．０６μｍに限るものではなく単一の波長でなくても良い。さらにまた、ファイバレーザとリング状ビーム発生器とを連絡する光ファイバは、通常の受動素子型のファイバでも良いしファイバレーザと同一のものでも良い。本発明のリング状ビーム発生器に配列するファイバは、１重ではなく２重以上としても良い。最終的にリングの中心に位置するファイバがあっても良い。また、単独のファイバレーザと分岐型ファイバレーザの組み合わせとしても何ら差し支えない。
【００１５】
また、図６に示すようにリング状ビーム発生器１内部にて一部の光ファイバ２の先端部分の配列高さを他と異なる配置とすれば、焦点深度の長い集光ビームを形成することができ、厚手の被切断材のレーザ切断に好適である。図６は概念の説明のため７本の光ファイバを用いる場合を示している。
【００１６】
【発明の効果】
本発明により、レーザ切断においてアライメント調整を廃するとともにシャープな立ち上がりのレーザ強度分布を実現し、断面品質に優れたレーザ切断装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーザ切断装置の構成例を示す断面的鳥瞰図。
【図２】本発明のビーム集光パターン例を説明する図。
【図３】本発明の別のビーム集光パターン例を説明する図。
【図４】本発明のビーム分岐例を説明する概念図。
【図５】本発明の別のビーム分岐例を説明する概念図。
【図６】一部の光ファイバの配列高さを他と異なるように配列した本発明によるレーザ切断装置の構成例を示す断面的鳥瞰図。
【図７】ファイバカプラによる分岐例を示す図。
【符号の説明】
１リング状ビーム発生器
２光ファイバ
３切断トーチ
４被切断鋼板
５ファイバコネクタ
６光ファイバ
７集光レンズ
８ノズル
９ビーム群
１０カーフ
１１ドロス
１２光ファイバコア
１３光ファイバクラッド
１４集光レンズ
１５コリメートレンズ
１６ファイバレーザ出射端
１７反射ミラー
１８多面ルーフトップミラー
１９レーザ光
２０部分反射ミラー
２１全反射ミラー
２２分岐装置

Claims

鋼板などの被加工物に対しレーザビームを照射して切断するレーザ切断装置において、
複数のレーザビームを出力するファイバレーザの少なくとも１台と、
前記ファイバレーザの出力レーザビームを複数本に分岐し複数のレーザビームを出力する光ファイバと、
前記ファイバレーザの端部と前記光ファイバの入力側の端部とを接続するファイバコネクタと、
前記ファイバコネクタに接続した光ファイバの出力側の複数の端部のうちの一部の端部を互いに等間隔に且つ互いに接触しないリング状に配置した複数の貫通孔にそれぞれ挿入し、また、他の一部の光ファイバの先端部分の配列高さを貫通孔に挿入された他の光ファイバの先端部と異なるようにし、反挿入側からリング状に並んだレーザビームおよびその内側のレーザビームからなる複数のレーザビームを出力するリングビーム発生器と、
前記リングビーム発生器から出力されたリング状に並んだレーザビームとその内側のレーザビームとを互いに集光位置をずらして集光する光学素子と、
前記リングビーム発生器と光学素子とを保持する筒状のトーチと、
前記筒状のトーチに結合され、集光したレーザビームを出力し、同時に集光したレーザビームと同軸方向に酸素ガスを主成分とするアシストガスを流すノズルと、から成り、且つ、
前記複数の光ファイバは前記ファイバコネクタと前記リングビーム発生器との接続および切離が可能であり交換できることを特徴とするレーザ切断装置。