本发明专利技术涉及一种可由激光束来适当切割厚度大的工件的激光切割加工装置。激光切割加工装置具备气体激光振荡器；和光学系统，该光学系统包含聚光透镜，传输且聚光由气体激光振荡器产生的激光束，并照射到工件上。当使用激光束的波长λ、在包含聚光透镜的焦点的规定光路范围内的激光束的最小束直径ｄｍ、和在规定光路范围内向激光束提供最小束直径ｄｍ的光轴上的第１位置与提供束直径２↑［１／２］×ｄｍ的光轴上的第２位置之间的距离Ｚｒ，由公式Ｍ↑［２］＝π×（ｄｍ）↑［２］／（４×λ×Ｚｒ）来定义评价从光学系统照射到工件上的激光束的聚光性的指数Ｍ↑［２］时，指数Ｍ↑［２］在２．８～４．５的范围内。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种激光切割加工装置。
技术介绍
广泛采用利用激光束来切割加工由金属或树脂构成的原料。切割加工用的激光装置一般具备作为激光束源的激光振荡器、向被加工材料(即工件)传输且聚积激光束的光学系统(即导光系统)、在工件上扫描光束照射点的机械驱动系统、控制激光振荡器或机械驱动系统等的控制系统、和冷却水提供装置或辅助气体提供装置等的辅助装置。这种激光切割加工装置一般被认为是激光束的聚光性(即激光质量)越高则加工能力也越高。实际上，就使用二氧化碳激光器的激光切割加工装置而言，已知当切割作为以前主要用途的钣金等薄金属材料时，激光束的聚光性越高，则切割速度越快，并且，能够进行良好表面质量的切割加工。通常，由于激光束作为大致平行的光线从激光振荡器输出，所以聚光性出色。但是，即便是激光束，有时也会因其能量分布不同，而不能聚光成小至衍射界限的光斑尺寸。即，因为激光束的性质，即便入射到聚光透镜的扩散角或束直径相同，光斑尺寸也会不同。这是依赖于激光束的聚光性的现象，若提高聚光性，则光斑尺寸变小。作为评价激光束的聚光性的指数，通常使用M2值。指数M2使用激光束的波长λ、在包含聚光透镜焦点的规定光路范围内的激光束的最小束直径dm、和在规定光路范围内向激光束提供最小束直径dm的光轴上的第1位置与提供束直径√2×dm的光轴上的第2位置之间的距离(即瑞利区域)Zr，由公式M2＝π×(dm)2/(4×λ×Zr)来定义。图10表示由聚光透镜聚光的激光束在焦点附近的束直径的推移的一例。图10中，横轴是将聚光透镜的透镜中心位置作为Z＝0来表示聚光透镜的光轴方向的位置Z(mm)的轴，纵轴是表示位置Z的激光束的束直径d(mm)的轴。●点为实测值，若在点之间内插近似，则在图示的实例中，‘提供最小束直径dm(＝约0.22mm)的第1位置’与‘提供束直径√2×dm(＝约0.31mm)的第2位置’之间的距离Zr约为4mm。根据上述定义式可知，M2值越小，则表示光斑尺寸越小、聚光性越高。M2的理论上的最小值为1，此时，激光束理论上具有最高的聚光性。使用激光束的切割加工以前主要进行大致10mm或以下的薄金属板的切割，此时所需的M2值不足2.8，大体上使用具有2附近的M2值的激光束。但是，近年来，随着激光振荡器的高输出化，用来切割厚度为20mm～30mm或比其更的厚板的需求不断增加。当激光切割这种厚板时，存在不能向切割槽提供足够的辅助气体的问题。就使用激光束的切割加工而言，通常从加工装置的加工喷嘴向工件表面聚光照射激光束，并在极高温下熔融工件的微小区域，另一方面，从同一加工喷嘴与激光束同轴地以规定压力和流量喷射辅助气体，通过熔融状态的工件材料与辅助气体的物理和化学的相互作用，局部去除工件。例如，在切割钢板的情况下，尤其是在辅助气体中使用氧，氧的燃烧反应产生的发热也用于熔融。若板的厚度增加，则提供给钢板表面的氧辅助气体在厚度方向的途中被耗尽，在接近钢板背面的部分，由于氧不足，而处于难以切割的状况。此时，若增大辅助气体的供给压力以增加供给量，则辅助气体的流速过快，在钢板的表面侧产生异常燃烧(所谓的自燃现象)。结果，担心损害切割面的质量，或由于附着渣滓而使产品的功能恶化。另外，即便在不伴有燃烧反应热而将氮或氩用于辅助气体的情况下，也存在随着工件厚度的增加，在工件厚度方向的途中气体的流速下降，吹散熔融金属等的力量不足的倾向。对于非金属材料，存在作为限制碳化作用或过度熔融的冷却气体的辅助气体的功能因流速下降而被损害的倾向。为了解决这种问题，以前采用适当选择喷嘴直径、喷嘴与工件表面的距离、喷嘴形状等，或适当化喷嘴直径方向的气体流速分布(采用所谓的双喷嘴)的策略。另外，还知道通过在切割厚板时，使用焦距比薄板切割用的聚光透镜长的聚光透镜，在聚光的激光束的光斑尺寸大的部分进行切割，从而扩大工件的切割幅度，使辅助气体向板厚方向的提供量增加。同样，还知道通过调整聚光透镜的焦点位置，来进行光斑尺寸的调整及切割幅度的控制。但是，利用喷嘴形状等的方式来控制辅助气体流的方法通常难以实现最佳设计。另外，调整聚光透镜的焦距或焦点位置的方法在实现期望效果的工件厚度上受限。另一方面，还知道如特开平6-218565号公报(JP-A-60218565)、特开2002-118312号公报(JP-A-2002-118312)中所述那样，控制激光束的聚光性，来切割薄板和厚板两者。在这些文献记载的方法中，在激光振荡模式为TEM00模式(所谓的高斯模式M2＝1.0)时，进行薄板切割，在为TEM01*模式(所谓的环形模式M2＝1.7左右*表示极坐标计算)时，进行厚板切割。在TEM01*模式下，与TEM00模式相比，由于聚光透镜中央部的热负荷小，所以可有效防止由于聚光透镜中央部的光束吸收引起的温度上升和随之而来的透镜形状和折射率分布的变形所产生的光束聚光性变差或焦点位置变动的现象。但是，上述方法在例如以氧辅助气体来激光切割钢材的情况下，尽管在厚度为12mm～16mm的情况下取得了期望的效果，但若厚度超过20mm，则难以看出环形模式相对高斯模式的优越性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术的各个问题，提供一种不变更加工喷嘴或聚光透镜的构成、可由激光束来适当切割厚度大的工件的激光切割加工装置。为了实现上述目的，本专利技术提供一种激光切割加工装置，其中具备气体激光振荡器；和光学系统，该光学系统包含聚光透镜，传输且聚光由气体激光振荡器产生的激光束，并照射到工件上。当使用激光束的波长λ、在包含聚光透镜焦点的规定光路范围内的激光束的最小束直径dm、和在规定光路范围内向激光束提供最小束直径dm的光轴上的第1位置与提供束直径21/2×dm的光轴上之第2位置之间的距离Zr，并由公式M2＝π×(dm)2/(4×λ×Zr)来定义评价从光学系统照射到工件上的激光束的聚光性的指数M2时，指数M2在2.8～4.5的范围下。上述激光切割加工装置中，最小束直径dm与所述距离Zr可具有dm/Zr＞0.003的关系。光学系统可构成为不包含影响指数M2的值的聚光性改变光学元件。或者，光学系统可包含影响指数M2的值的聚光性改变光学元件。附图说明通过关联于附图的以下最佳实施方式的说明，本专利技术的上述和其它目的、特征和优点变得更加显而易见。附图中，图1是表示包含本专利技术一实施方式的激光切割加工装置的激光加工系统的整体构成的局部框图，图2是示意表示图1的激光切割加工装置的基本构成的图，图3是说明未使用聚光性改变光学元件的构成的图，图4是说明使用聚光性改变光学元件的构成的图，图5A和图5B是说明将形状可变型的非球面镜用作聚光性改变光学元件的构成的图，图6是表示激光束的输出与聚光性评价指数的关系的图，图7是表示输出为6kW时的聚光性评价指数与最大切割厚度的关系的图，图8是表示以输出6kW来切割厚度为12mm的软钢时的切割面粗糙度的测定结果的图，图9A是与高斯模式下的能量分布相对比来表示本专利技术的激光束的能量分布一例的图，图9B是与环形模式下的能量分布相对比来表示本专利技术的激光束的能量分布另一例的图，图10是表示聚光透镜焦点附近的激光束的束直径的推移的一例的图。具体实施例方式下面，参照附图来详细说明本专利技术的实施方式。图中，向相同或类似的构成要素附本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种激光切割加工装置，其特征在于，具备气体激光振荡器（１２）；和光学系统（１６），该光学系统（１６）包含聚光透镜（１４），传输且聚光由所述气体激光振荡器产生的激光束（Ｌ），并照射到工件（Ｗ）上，当使用该激光束的波长λ、在包含 所述聚光透镜的焦点的规定光路范围内的该激光束的最小束直径ｄｍ、和在该规定光路范围内向该激光束提供该最小束直径ｄｍ的光轴上的第１位置与提供束直径２↑［１／２］×ｄｍ的光轴上的第２位置之间的距离Ｚｒ，并由公式Ｍ↑［２］＝π×（ｄｍ）↑［２］／（４×λ×Ｚｒ）来定义评价从所述光学系统照射到工件上的激光束的聚光性的指数Ｍ↑［２］时，指数Ｍ↑［２］在２．８～４．５的范围内。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：江川明，安藤稔，森敦，
申请(专利权)人：发那科株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
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