(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: Europejski Biuletyn Patentowy 14/03 EP B1 (13) (1) T3 Int.Cl. B23K 26/06 (06.01) B23K 26/38 (06.01) B23K 26/04 (06.01) G02B 1/02 (06.01) G02B 13/14 (06.01) (4) Tytuł wynalazku: LASEROWA GŁOWICA OGNISKUJĄCA Z SOCZEWKAMI Z ZNS MAJĄCYMI GRUBOŚĆ NA BRZEGACH WYNOSZĄCĄ CO NAJMNIEJ MM; ZESPÓŁ I PROCES LASEROWEGO CIĘCIA WYKORZYSTUJĄCY TAKĄ GŁOWICĘ OGNISKUJĄCĄ () Pierwszeństwo: FR (43) Zgłoszenie ogłoszono: w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 12/28 (4) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: Wiadomości Urzędu Patentowego 14/06 (73) Uprawniony z patentu: L'Air Liquide Société Anonyme pour l'etude et l'exploitation des Procédés Georges Claude, Paris, FR (72) Twórca(y) wynalazku: PL/EP T3 FRANCIS BRIAND, Paris, FR GAIA BALLERINI, Paris, FR ISABELLE DEBECKER, Paris, FR THOMAS JOUANNEAU, Paris, FR HAKIM MAAZAOUI, Pierrelaye, FR ERIC VERNA, BoissyL'aillerie, FR (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Irena Rachubik SULIMA-GRABOWSKA-SIERZPUTOWSKA BIURO PATENTÓW I ZNAKÓW TOWAROWYCH SP.J. skr. poczt Warszawa Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).

2 SGS-4844/VAL EP B1 Opis [0001] Wynalazek dotyczy głowicy ogniskującej wiązkę laserową według części przedznamiennej zastrzeżenia 1 (patrz np. FR ), ze szczególną konfiguracją optyczną zastosowaną w głowicy do cięcia laserem na ciele stałym, zwłaszcza światłowodowym, umożliwiającej opanowanie problemów dryftu ogniskowego i uszkodzeń laserem elementów optycznych głowicy ogniskującej oraz, w zespole laserowym wyposażonym w taką głowicę ogniskującą, zwłaszcza w zespole z laserem światłowodowym z włóknami iterbu. [0002] W nowych generacjach laserów na ciele stałym, takich jak lasery światłowodowe albo płytkowe, poczyniono poważne postępy i lasery te łączą w sobie moce wielu kw z doskonałymi współczynnikami jakości albo BPP (ang. Beam Product Parameter), w przeciwieństwie do laserów na litym ośrodku stałym, takich jak lasery Nd:YAG. [0003] Oprócz właściwości, które czynią z tych laserów źródła przystosowane do cięcia materiałów metalowych, w danym przypadku o krótszej długości fali (1,07 µm) niż w laserach CO2 (,6 µm), lepiej pochłanianej przez metal i transportowanej przez włókno optyczne, mniejszych gabarytach i większej niezawodności, ich duża jaskrawość polepsza znacząco wydajności cięcia materiałów metalowych lub niemetalowych. [0004] Zespół do cięcia laserem światłowodowym ma typowo źródło laserowe i urządzenia optyczne służące do transportowania wiązki laserowej aż do głowicy tnącej, zwanej także głowicą ogniskującą, która zapewnia ogniskowanie wiązki na grubości części przeznaczonej do cięcia. [000] Źródło laserowe jest laserem na włóknach domieszkowanych iterbem (Yb), wyposażonym co najmniej w jedno włókno optyczne doprowadzające wiązkę, zaś głowica tnąca ma urządzenia optyczne do kolimacji, przekierowywania i ogniskowania, umożliwiające doprowadzenie zogniskowanej wiązki laserowej do części przeznaczonej do cięcia. [0006] Urządzenia optyczne głowicy do cięcia laserem, takie jak soczewka ogniskująca, muszą wytrzymywać duże powierzchniowe gęstości mocy, typowo pomiędzy 1 i kw/cm 2 w zależności od właściwości źródła laserowego i średnicy wiązki na elementach optycznych, w sposób stały i podczas pracy w środowiskach zanieczyszczonych, które je osłabiają. [0007] W prowadzonej w sposób ciągły emisji laserowej, uszkodzenie elementów optycznych objawia się zwykle w postaci stopniowego pogorszenia sprawności elementów optycznych, w pierwszym okresie bez widocznych uszkodzeń, które wynika głównie ze zjawisk termicznych. [0008] W istocie, szczątkowe pochłanianie przez powłoki powierzchniowe i substraty elementów optycznych prowadzi do nierównomiernego nagrzewania elementu składowego elementu optycznego i kumulowania się naprężeń termicznych, zwłaszcza w przypadku elementu składowego przepuszczającego, takiego jak soczewki. Mechanizmy te wpływają na parametry i jakość wiązki laserowej i mogą, po długim okresie naświetlania, prowadzić do uszkodzenia elementów optycznych: pojawienia się wypaleń, odklejenia powłok, itp. [0009] Nagrzewanie się elementów optycznych głowicy tnącej powoduje także dryft DF punktu ogniskowania wiązki związany ze zjawiskiem soczewki termicznej, zwany także dryftem ogniskowym, który przedstawiono na figurze 1. Podczas ekspozycji soczewki 1, jest ona nagrzewana pośrodku przez poddaną kolimacji wiązkę laserową 2 dużej mocy doprowadzaną zgodnie z osią optyczną (AO), podczas gdy jej brzegi są chłodniejsze. W soczewce 1 powstaje promieniowo gradient termiczny. Amplituda tego gradientu jest tym większa, im większa jest gęstość mocy otrzymywanej przez soczewkę 1. Skutkiem tego gradientu termicznego jest gradient współczynnika załamania materiału. Zjawisko to, w

3 połączeniu ze zjawiskiem rozszerzalności termicznej materiału soczewki 1, wywołuje zmianę rzeczywistego promienia krzywizny soczewki 1 i zmianę jej charakterystyk ogniskowania. Początkowa płaszczyzna ogniskowa (PFI) wiązki, usytuowana w odległości F od soczewki, przesuwa się wzdłuż kierunku propagacji wiązki i przybliża się do soczewki ogniskującej 1 o odległość F', aż do osiągnięcia przesuniętej płaszczyzny ogniskowania (PFD). Obserwuje się wówczas przekształcenie początkowej wiązki ogniskowanej (FFI) na przesuniętą wiązkę ogniskowaną (FFD) mającą gorsze właściwości tnące. [00] Zanieczyszczenia powierzchni elementów optycznych przez środowisko, tzn. pyły, odpryski metalu albo wilgoć i ich starzenie, są czynnikami, które zwiększają pochłanianie przez soczewki i wzmacniają stopniowo zjawisko nagrzewania, prowadząc do zwiększenia amplitudy dryftu ogniskowego wraz z upływem czasu. [0011] Parametry przemysłowego procesu cięcia laserowego ocenia się na podstawie prędkości cięcia, jakości cięcia, mianowicie powierzchni cięcia prostych, gładkich i bez zadziorów, oraz tolerancji parametrów roboczych procesu. [0012] Proces cięcia laserem światłowodowym jest czuły na zmiany położenia punktu ogniskowania wiązki względem powierzchni obrabianej części, zwłaszcza w przypadku cięcia blach o dużych grubościach, mianowicie 4 mm i grubszych. Dopuszczalne tolerancje pozycjonowania punktu ogniskowania wynoszą typowo ± 0, mm. Jeżeli położenie ogniskowe wiązki laserowej zmienia się powyżej dopuszczalnych tolerancji, utrzymanie optymalnych parametrów cięcia nie jest już możliwe. [0013] Rozwiązanie polega wówczas na poszukiwaniu nowych parametrów cięcia, aby skompensować dryft ogniskowy albo na wymianie elementów optycznych głowicy ogniskującej. Skutkiem tego jest pogorszenie wydajności zautomatyzowanego procesu przemysłowego. [0014] Kluczowy problem powstaje w tedy, gdy położenie punktu ogniskowania zmienia się w trakcie operacji cięcia, ponieważ prowadzi to do niejednakowych parametrów cięcia pomiędzy poszczególnymi częściami, a nawet pomiędzy poszczególnymi powierzchniami tej samej części. [001] Opisane wyżej zjawiska pokazują, że trwałość parametrów procesu cięcia jest silnie związana z wytrzymałością urządzeń optycznych zapewniających propagację wiązki laserowej. Ponieważ pozycjonowanie punktu ogniskowania jest ważnym parametrem procesu cięcia laserem światłowodowym, zasadnicze znaczenie ma możliwie jak największa stabilność położenia ogniskowego wiązki oraz to, aby odchylenia pozostawały w ramach dopuszczalnych tolerancji. Odkształcenia termiczne, jakim ulegają elementy optyczne dużej mocy powinny być sprowadzone do minimum, aby uniknąć ich uszkodzenia. Wszystkie te wymagania należy brać pod uwagę przy wyborze elementów optycznych składających się na układ ogniskowania laserowej głowicy tnącej. [0016] Powstaje problem polegający na tym, że trudno jest przetransportować wiązki laserowe o dużej jaskrawości do zastosowań związanych z cięciem. Dostępne moce laserów wciąż rosną, ale to wytrzymałość urządzeń optycznych ogranicza moce, jakie można zastosować do cięcia. W istocie, wiązki o dużej jaskrawości charakteryzują się swymi dużymi mocami połączonymi z doskonałymi współczynnikami jakości, tzn. małymi BPP, np. rzędu 0,33 mm.mrad. Wynikiem tego są bardzo duże gęstości mocy na powierzchniach elementów optycznych głowic ogniskujących oraz wzrost gradientów i odkształceń termicznych. Stwierdza się również, że odporność materiałów optycznych na uszkodzenia laserowe jest mniejsza w przypadku laserów o dużej jaskrawości niż klasycznych laserów typu CO2, ponieważ mniejsza długość fali tych laserów jest bardziej czuła na wady wstępujące w podłożach i powłokach powierzchni elementów optycznych, co może powodować nadmierne miejscowe nagrzewanie. [0017] Problemem do rozwiązania jest więc możliwość opanowania opisanych wyżej problemów dryftu ogniskowego i uszkodzenia elementów optycznych powstające w

4 związku ze stosowaniem laserów na ciele stałym, zwłaszcza laserów światłowodowych, zwłaszcza z włóknami iterbu, aby zapewnić w sposób trwały parametry cięcia, zwłaszcza w przypadku stosowania procesu cięcia laserem dużej mocy, tzn. o mocy co najmniej 1 kw. [0018] Rozwiązaniem według wynalazku jest więc głowica ogniskująca wiązkę laserową mająca soczewkę kolimacyjną i soczewkę ogniskującą, w której soczewka kolimacyjna i soczewka ogniskująca są wykonane z ZnS i mają grubość na brzegach wynoszącą co najmniej mm, oraz zwierciadło odchylające działające przy kącie padania (α) zawartym pomiędzy i 0 jest umieszczone na drodze wiązki laserowej wewnątrz wspomnianej głowicy ogniskującej, pomiędzy soczewką kolimacyjna i soczewką ogniskującą. [0019] W zależności od przypadku, głowica ogniskująca według wynalazku może mieć jedną lub większą liczbę następujących cech charakterystycznych: - soczewka kolimacyjna i soczewka ogniskująca mają grubość na brzegach zawartą pomiędzy i mm, korzystnie pomiędzy 6 i 8 mm. - soczewka kolimacyjna i soczewka ogniskująca mają średnicę zawartą pomiędzy 3 i mm. - zwierciadło odchylające jest wykonane z krzemu. [00] Wynalazek dotyczy także zespołu do cięcia wiązką laserową mającego: - urządzenie z laserem na ciele stałym emitującym wiązkę laserową o długości fali zawartą w zakresie od 1,06 do 1, µm i mocy w zakresie od 0,1 do 2 kw, - głowicę ogniskującą według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, i - włókno doprowadzające łączące urządzenie z laserem na ciele stałym z głowicą ogniskującą tak, aby doprowadzać wiązkę laserową emitowaną przez urządzenie z laserem na ciele stałym do głowicy ogniskującej. [0021] W zależności od przypadku, zespół według wynalazku może mieć jedną lub większą liczbę następujących cech charakterystycznych: - urządzenie z laserem na ciele stałym jest typu światłowodowego, korzystnie z włóknami z iterbu, - urządzenie z laserem na ciele stałym emituje wiązkę laserową o mocy w zakresie od 1 do kw w sposób ciągły, prawie ciągły lub impulsowy, korzystnie w sposób ciągły, - włókno doprowadzające ma średnicę mniejszą lub równą µm, korzystnie średnicę wynoszącą 0 µm albo 0 µm, - urządzenie z laserem na ciele stałym emituje wiązkę laserową mającą BPP w zakresie pomiędzy 1,6 i 4 mm.mrad. - włókno doprowadzające ma średnicę 0 µm i BPP w zakresie pomiędzy 1,6 i 2,2 mm.mrad, zaś soczewka kolimacyjna ma odległość ogniskową zawartą pomiędzy 70 i 1 mm, a soczewka ogniskująca ma odległość ogniskową zawartą pomiędzy 0 i mm. Ścisłej mówiąc, w przypadku włókna doprowadzającego o średnicy 0 µm, którego BPP zawiera się pomiędzy 1,6 i 2,2 mm.mrad, odległość ogniskowa soczewki kolimacyjnej zawiera się pomiędzy 70 i 1 mm, korzystnie pomiędzy 70 i 90 mm. Aby ciąć materiał, którego grubość jest bezwzględnie mniejsza od mm, odległość ogniskowa ogniskowania zawiera się korzystnie pomiędzy 0 i 0 mm, korzystnie pomiędzy 2 i 280 mm, natomiast aby ciąć materiał, którego grubość jest większa lub równa mm, odległość ogniskowa ogniskowania zawiera się korzystnie pomiędzy i mm, korzystnie pomiędzy 380 i 4 mm. - włókno doprowadzające (FDC) ma średnicę 0 µm i BPP zawarte pomiędzy 2,6 i 4 mm.mrad, zaś soczewka kolimacyjna ma odległość ogniskową zawartą pomiędzy 1 i 180 mm, a soczewka ogniskująca ma odległość ogniskową zawartą pomiędzy 0 i mm. Ściślej mówiąc, w przypadku włókna doprowadzającego o średnicy 0 µm, którego BPP zawiera się pomiędzy 2,6 i 4 mm.mrad, odległość ogniskowa soczewki kolimacyjnej zawiera się pomiędzy 1 i 180 mm, korzystnie zawiera się

5 pomiędzy 1 i 180 mm. Aby ciąć materiał, którego grubość jest bezwzględnie mniejsza od mm, odległość ogniskowa ogniskowania zawiera się korzystnie pomiędzy 0 i 0 mm, korzystnie pomiędzy 2 i 280 mm, natomiast aby ciąć materiał, którego grubość jest większa lub równa mm, odległość ogniskowa ogniskowania zawiera się korzystnie pomiędzy i mm, korzystnie zawiera się pomiędzy 380 i 4 mm. - soczewka ogniskująca ma odległość ogniskową zawartą pomiędzy 0 i mm. [0022] Ponadto wynalazek dotyczy także procesu cięcia wiązką laserową części metalowej, w którym stosuje się głowicę ogniskującą albo zespół do cięcia wiązką laserową według wynalazku. [0023] Niniejszy wynalazek, który dotyczy zwłaszcza specjalnej konfiguracji optycznej używanej w głowicy do cięcia laserem światłowodowym, stanie się lepiej zrozumiały w świetle zamieszczonego w dalszym ciągu szczegółowego opisu i załączonych figur, na których: - Figura 2 przedstawia schemat zasady typowego układu optycznego głowicy do cięcia i charakterystyczne parametry wiązki laserowej propagującej się przez układ optyczny, - Figura 3 przedstawia schematycznie zasadę działania zespołu i procesu cięcia laserem, według wynalazku, - Figura 4 przedstawia porównanie zmiany położenia punktu ogniskowego wiązki w trakcie naświetlania laserowego układu soczewek z ZnS albo stopionego krzemu (S), i - Figura przedstawia porównanie zmiany położenia punktu ogniskowego wiązki ogniskowanej przez układ soczewek z ZnS mający soczewkę kolimacyjną o grubości na brzegach wynoszącej 2 albo 7 mm. [0024] Zespół do cięcia według wynalazku zawiera źródło z laserem SL na ciele stałym wyposażone co najmniej w jedno włókno optyczne FC doprowadzające wiązkę i głowicę ogniskującą 3, zwaną także głowicą tnącą, do transportowania i ogniskowania wiązki laserowej FL na albo w części przeznaczonej do cięcia. Cechy charakterystyczne i zakresy działania zespołu objaśniono w dalszym ciągu i pokazano na figurze 3. [002] Głowica tnąca 3 ma, w sposób klasyczny, urządzenia optyczne do kolimacji, przekierowywania i ogniskowania wiązki laserowej. [0026] Ponadto wiązka laserowa jest emitowana przez urządzenie albo generator z laserem na ciele stałym, korzystnie z laserem światłowodowym z włóknami domieszkowanymi iterbem (Yb). W urządzeniu laserowym, zjawisko laserowe, tzn. zjawisko wzmacniania światła służące do generowania promieniowania laserowego, uzyskuje się za pomocą ośrodka wzmacniającego, korzystnie pompowanego za pomocą diod laserowych, utworzonego z jednego lub typowo z większej liczby domieszkowanych włókien optycznych, korzystnie z krzemu domieszkowanego iterbem. [0027] Długość fali promieniowania emitowanego na wyjściu urządzenia laserowego zawiera się pomiędzy 1,06 i 1, µm, a moc laserowa mieści się w zakresie pomiędzy 0,1 i 2 kw, typowo pomiędzy 1 i kw. [0028] Laser może działać w sposób ciągłym, prawie ciągły albo impulsowy, ale niniejszy wynalazek jest szczególnie korzystny, gdy pracuje się w sposób ciągły, ponieważ jest to sposób naświetlania najbardziej dotkliwy dla elementów optycznych głowicy tnącej. [0029] Wiązka generowana przez źródło laserowe na ciele stałym jest emitowana i doprowadzona do głowicy ogniskującej za pomocą co najmniej jednego optycznego włókna doprowadzającego z niedomieszkowanego krzemu, o średnicy mniejszej od µm, np. równej 0 albo 0 µm. [00] Ogólnie biorąc, użycie źródła laserowego o dużej jaskrawości, takich jak lasery światłowodowe, umożliwia generowanie wiązek o dużej mocy i doskonałych współczynnikach jakości. Stopień jakości wiązki laserowej mierzy się jej współczynnikiem

6 1 jakości albo Beam Parameter Product (BPP). Parametr BPP określa się poprzez parametry źródła laserowego SL i średnicę włókna doprowadzającego FDC. Wyraża się on jako iloczyn promienia w0 w miejscu przewężenia ogniskowanej wiązki laserowej i połowy jej kąta rozbieżności θ0, jak pokazano na figurze 2. Parametr BPP definiuje się także jako iloczyn promienia wfib optycznego włókna doprowadzającego emitującego wiązkę laserową i połowy kąta rozbieżności wiązki na wyjściu włókna θfib. A zatem, dla włókna o średnicy 0 µm, BPP wiązki zawiera się typowo pomiędzy 1,6 i 2 mm.mrad, podczas gdy dla włókna o średnicy 0 µm, BPP zawiera się typowo pomiędzy 2,7 i 4 mm.mrad. [0031] Jak pokazano na figurze 2, układ ogniskujący głowicy do cięcia laserowego składa się kolejno, w kierunku przebiegu wiązki laserowej, co najmniej z jednej soczewki kolimacyjnej LC umożliwiającej uzyskanie kolimacji wiązki FC z rozbieżnej wiązki FD i co najmniej z jednej soczewki ogniskującej LF umożliwiającej uzyskanie ogniskowanej wiązki FF i skupienie energii lasera na części przeznaczonej do cięcia. Odległości ogniskowe kolimacji i ogniskowania dobiera się tak, aby uzyskać plamkę ogniskową mającą średnicę odpowiednią dla uzyskania gęstości mocy potrzebnej do cięcia części. [0032] Średnicę wiązki 2w0 w płaszczyźnie ogniskowania określa się jako iloczyn średnicy 2wfib włókna i optycznego powiększenia G układu ogniskującego i wyraża się równaniem: 2 Gdzie: - G jest dane stosunkiem odległości ogniskowej Ffoc soczewki ogniskującej FC i odległości ogniskowej Fcol soczewki kolimacyjnej LC. - w0 i wfib są promieniami charakterystycznymi wiązki, odpowiednio w płaszczyźnie ogniskowej i włókna. Przez promień charakterystyczny w należy rozumieć odległość od osi optycznej, gdzie natężenie spada do około 1/e 2 (około 13,%) swej maksymalnej wartości co oznacza, że 86,% mocy wiązki zawiera się w okręgu o promieniu w. Wszystkie parametry wiązki określa się według tego kryterium. [0033] Promień wiązki naświetlającej elementy optyczne kolimacji i ogniskowania jest dany następującą zależnością: [0034] Połowa kąta rozbieżności θfib wiązki emitowanej przez włókno doprowadzające wyprowadza się z wartości BPP ogniskowanej wiązki dzięki zależności: [003] Średnią gęstość mocy na jednostkę powierzchni, zwaną także gęstością mocy (DP) i wyrażoną w kw/cm 2, oświetlającą elementy optyczne, określa się w następujący sposób: 3 4 gdzie: Plas jest całkowitą mocą promieniowana emitowanego przez źródło laserowe, zaś wcol jest promieniem charakterystycznym wiązki oświetlającej elementy optyczne. [0036] Na tej podstawie można zrozumieć problemy występujące w przypadku stosowania generatora laserowego o dużej jaskrawości, takiego jak laser światłowodowy, a mianowicie: - Ten typ źródła charakteryzuje się małymi BPP, a więc wiązkami o mniejszej rozbieżności θfib na wyjściu włókna. Parametr ten wyraża prędkość rozchodzenia się w polu odległym wiązki emitowanej przez włókno doprowadzające i określa średnicę wiązki na optycznych elementach układu. W równoważnej odległości ogniskowej kolimacji, wiązka lepszej jakości, a więc o mniejszej rozbieżności, ma mniejszą średnicę 2wcol na soczewce kolimacyjnej. Skutkiem tego jest wzrost DP. Dla orientacji, poniższa tabela 1 podaje porównanie typowych parametrów wiązki dla różnych laserów, jak również gęstości mocy uzyskane na elementach

7 6 optycznych przy mocy 2 kw i odległości ogniskowej soczewki kolimacyjnej równej 0 mm. - Przy identycznym powiększeniu optycznym, wiązka o mniejszym BPP ogniskuje się z tą samą średnicą ogniskową i ma mniejszą rozbieżność θ0. Jej długość Rayleigha zr=w0/θ0 jest większa. A przecież przesunięcie punktu ogniskowego wywołane nagrzewaniem układu ogniskującego dużej mocy jest proporcjonalne do zr. Tabela 1 Źródło laserowe Nd:YAG (1,06 µm) Włókno (1,07 µm) Pompowanie Lampy Diody Diody Typowa średnica włókna (µm) BPP typowy (mm.mrad) Rozbieżność θfib (mrad) wcol (mm) dla Fcol=0mm 16,7 1,0 12,0 DP przy 2 kw (kw/cm 2 ) 0,9 1,1 1, [0037] Widać, że gęstość mocy na soczewkach rośnie, gdy wiązka ma lepszą jakość. A przecież amplituda gradientu termicznego powstającego w elementach optycznych pod wpływem naświetlania laserowego rośnie wraz z gęstością mocy przenoszonej przez elementy optyczne. Jest więc pomysłowe, aby pracować z elementami optycznymi mającymi możliwie jak najlepsze zachowanie termiczne, aby uniknąć problemów dryftu ogniskowego i uszkodzenia laserowego. [0038] W tym celu układ optyczny według wynalazku łączy w sobie szczególne właściwości opisane powyżej, zgodnie ze schematem przedstawionym na figurze 3. [0039] Głowica tnąca 3 składa się z urządzeń optycznych pracujących w sposób przepuszczający, tzn. w tym przypadku z soczewek 13, 14, służących do operacji kolimacji (w 13) i ogniskowania (w 14) wiązki laserowej FL opuszczającej włókno doprowadzające, a generowanej przez źródło laserowe SL na ciele stałym. [00] Używa się korzystnie siarczku cynku (ZnS) jako podłoża dla soczewki kolimacyjnej 13 i soczewki ogniskującej 14. W istocie, amplituda gradientu termicznego powstającego w soczewkach pod wpływem naświetlania laserowego jest odwrotnie proporcjonalna do przewodności cieplnej materiału tworzącego soczewki. A przecież przewodność cieplna ZnS (0,272 W/cm/ C) jest rzędu razy większa od przewodności cieplnej stopionego krzemu (0,0138 W/cm/ C). Ta większa przewodność cieplna oznacza większą zdolność ZnS do odprowadzania ciepła i umożliwia ograniczenie amplitudy gradientów i odkształceń cieplnych wywołanych w obrębie soczewek w wyniku naświetlania o dużej mocy. [0041] Te urządzenia optyczne 13 do kolimacji i ogniskowania 14 można wybrać spośród różnych typów dostępnych soczewek. Soczewki są korzystnie pojedynczymi elementami, aby ograniczyć liczbę optycznych powierzchni układu ogniskującego i zminimalizować ryzyko uszkodzenia. Można stosować soczewki o różnej geometrii, np. płasko-wypukłe, dwuwypukłe albo meniski. Są one korzystnie płasko-wypukłe. Wszystkie powierzchnie optyczne mają korzystnie pokrycia przeciwodblaskowe odpowiednie do długości fali lasera. [0042] Soczewki głowicy tnącej są umieszczone w obsadzie o regulowanej termice. Woda płynie w obsadzie i umożliwia chłodzenie poprzez pośredni styk z soczewkami. Temperatura wody zawiera się pomiędzy 19 i 2 C.

8 [0043] Grubość i średnica soczewek 13, 14 także wpływa na ich zachowanie termiczne. Im większe są wymiary soczewek, tym lepiej ciepło jest odprowadzane w kierunku chłodniejszych stref obrzeżnych i tym bardziej maleje amplituda gradientów termicznych. W klasycznych głowicach tnących stosuje się soczewki grube, tzn. mające grubość na brzegach co najmniej mm, wyłącznie do przeprowadzenia operacji ogniskowania. W istocie, gaz pomocniczy jest wtłaczany bezpośrednio za soczewką ogniskującą, co poddaje ją działaniu wysokich ciśnień. Soczewki ogniskujące muszą więc być grube, aby mieć dobrą wytrzymałość mechaniczną. W ramach wynalazku, aby zmniejszyć zjawisko dryftu optycznego, używa się soczewek grubych zarówno do kolimacji jak i do ogniskowania wiązki. W przeciwieństwie do zwykłej praktyki, głowica tnąca 3 składa się więc z soczewek, których grubość na brzegach wynosi co najmniej mm, a korzystnie zawiera się pomiędzy 6 i 8 mm. Podobnie jak większa grubość zapewnia lepsze zachowanie termiczne, elementy optyczne o większej średnicy lepiej odprowadzają ciepło w kierunku swych brzegów. Bez względu na wymiar wiązki padającej na elementy optyczne głowicy tnącej, w głowicy tnącej 3 zastosowano soczewki, których średnica zawiera się pomiędzy 3 i mm. [0044] W głowicy tnącej 3, element odbijający 1 jest umieszczony na drodze wiązki laserowej pomiędzy soczewką kolimacyjną 13 i soczewką ogniskującą 14. Ten element jest zwierciadłem płaskim i nie zmienia parametrów propagacji wiązki. Podłożem zwierciadła jest stopiony krzem. [004] Co najmniej jedna powierzchnia zwierciadła jest powleczona pokryciem odbijającym. Powłoka ta składa się z cienkich warstw optycznych i odbija długość fali tnącej wiązki laserowej, jak również długości fali zawarte pomiędzy 6 i 670 nm. Natomiast pokrycie jest przezroczyste dla widzialnej lub podczerwonej części widma, włączając długość fali układu oświetlającego, np. diody laserowej. W ten sposób możliwe jest podłączenie urządzenia do kontroli procesu (typu kamery albo fotodiody) z tyłu zwierciadła. Działa ono przy kącie padania α zawartym pomiędzy i 0, korzystnie równym 4. Grubość zwierciadła zawiera się pomiędzy 3 i 1 mm, korzystnie pomiędzy 8 i 12 mm. Zwierciadło to umożliwia przede wszystkim zmniejszenie pionowych gabarytów głowicy, aby polepszyć stabilność mechaniczną. Ponadto w tej konfiguracji włókno doprowadzające jest utrzymywane w poziomie, co zmniejsza ryzyko wprowadzenia pyłu podczas operacji montażu i demontażu włókna albo kolimatora. I wreszcie, wbudowanie elementu odbijającego na drodze wiązki umożliwia skompensowanie części dryftu ogniskowego wywołanego przez soczewki. W istocie, wzdłużne przemieszczenie punktu ogniskowego wywołane przez element odbijający zachodzi w kierunku przeciwnym do dryftu ogniskowego wywołanego przez element przepuszczający. [0046] Soczewki głowicy tnącej 3 charakteryzują się także szczególnymi odległościami ogniskowymi, przystosowanymi do BPP używanego włókna doprowadzającego. Te ogniskowe są konieczne do uzyskania średnicy plamki ogniskowej 2w0 odpowiedniej do cięcia obrabianego materiału. W przypadku włókna doprowadzającego o średnicy 0 µm, BPP wiązki zawiera się typowo pomiędzy 1,6 i 2,2 mm.mrad. W przypadku tego włókna, odległość ogniskowa soczewki kolimacyjnej zawiera się pomiędzy 70 i 1 mm, korzystnie pomiędzy 70 i 90 mm. Wybór odległości ogniskowej kolimacji warunkuje następnie wybór odległości ogniskowej ogniskowania, w zależności od powiększenia optycznego pożądanego do cięcia grubości obrabianego materiału. [0047] W przypadku materiałów, których grubość jest bezwzględnie mniejsza od mm, odległość ogniskowa ogniskowania zawiera się pomiędzy 0 i 0 mm, korzystnie pomiędzy 2 i 280 mm. W przypadku materiałów, których grubość jest większa lub równa mm, odległość ogniskowa ogniskowania zawiera się pomiędzy i mm, korzystnie pomiędzy 380 i 4 mm. [0048] W przypadku włókna doprowadzającego o średnicy 0 µm, BPP wiązki zawiera się typowo pomiędzy 2,6 i 4 mm.mrad. W przypadku tego włókna, odległość ogniskowa

9 soczewki kolimacyjnej zawiera się pomiędzy 1 i 180 mm, korzystnie pomiędzy 1 i 180 mm. W przypadku materiałów, których grubość jest bezwzględnie mniejsza od mm, odległość ogniskowa ogniskowania zawiera się pomiędzy 0 i 0 mm, korzystnie pomiędzy 2 i 280 mm. W przypadku materiałów, których grubość jest większa lub równa mm, odległość ogniskowa ogniskowania zawiera się pomiędzy i mm, korzystnie pomiędzy 380 i 4 mm. [0049] Głowica ogniskująca 3 jest zasilana gazem wspomagającym za pośrednictwem wlotu gazu wykonanego w ściance wspomnianej głowicy ogniskującej 3, przez który gaz albo mieszaninę gazową pod ciśnieniem pochodzący(ą) ze źródła gazu, np. z jednej lub większej liczby butli z gazem, zbiornika magazynującego albo z jednego lub większej liczby przewodów gazowych, jak np. z sieci rozdzielczej gazu, doprowadza się przed dyszę 4 i wypuszcza się tą dyszą 4 w kierunku części do cięcia wiązką laserową. [000] Gaz wspomagający służy do usuwania stopionego metalu ze szczeliny 12 cięcia powstałej w wyniku topienia metalu za pomocą wiązki laserowej FL, którą ogniskuje się w położeniu 11 względem powierzchni części przeznaczonej do cięcia. [001] Wybór gazu odbywa się w zależności od właściwości materiału przeznaczonego do cięcia, zwłaszcza jego składu, odmiany, grubości. Przykładowo, powietrze, tlen, mieszaniny azot/tlen albo hel/azot można stosować do cięcia stali, podczas gdy azot i mieszaniny azot/wodór albo argon/azot można stosować do cięcia aluminium albo stali nierdzewnej. [002] W istocie, część przeznaczona do cięcia przez laser może być wykonana z różnych materiałów metalowych, jak np. stal, stal nierdzewna, stal miękka albo lekkie stopy, jak np. aluminium i jego stopy, a nawet tytan i jego stopy, oraz może mieć grubość zawierającą się typowo pomiędzy 0,1 mm i mm. [003] W trakcie procesu cięcia, wiązkę laserową można ogniskować (w 11) w grubości albo w bezpośredniej bliskości lub na jednej z powierzchni części, tzn. na zewnątrz i na wysokości kilku mm nad albo pod górną powierzchnią a albo dolną powierzchnią b części albo na górnej powierzchni a lub dolnej powierzchni b. Korzystnie, położenie 11 punktu ogniskowego jest usytuowane pomiędzy mm nad górną powierzchnią a i mm pod dolną powierzchnią b części. [004] Dzięki niniejszemu wynalazkowi utrzymuje się stabilne położenie ogniskowania wiązki laserowej w trakcie przeprowadzania cięcia, ponieważ unika się albo minimalizuje wszelki dryft ogniskowy i uszkodzenia elementów optycznych, co umożliwia zapewnienie zasadniczo stałych parametrów przez cały czas trwania operacji cięcia laserowego. [00] Korzyść płynącą z zastosowania w głowicy do cięcia laserowego jednej bądź większej liczby soczewek z ZnS zamiast ze stopionego krzemu uwypuklono porównując dryft ogniskowy wywołany podczas ekspozycji z dużą mocą tych dwóch typów soczewek. [006] W tym celu porównano dwa układy optyczne, z których każdy składał się z soczewki kolimacyjnej o odległości ogniskowej 80 mm i soczewki ogniskującej o odległości ogniskowej mm. Jeden składał się z soczewek z ZnS, drugi ze stopionego krzemu. [007] Powierzchnię kaustyczną wiązki laserowej ogniskowanej przez każdy układ można było zarejestrować dzięki analizatorowi wiązki. Urządzenie to mierzy promień wiązki, dla którego 86% mocy lasera zawiera się w okręgu o tym promieniu, w kolejnych płaszczyznach propagacji usytuowanych w odległości około mm po jednej i drugiej stronie przewężenia ogniskowanej wiązki. [008] Na podstawie zarejestrowanej powierzchni kaustycznej można ustalić położenie płaszczyzny ogniskowej wiązki laserowej wzdłuż jej kierunku propagacji. Zmianę położenia płaszczyzny ogniskowej w trakcie dłuższej ekspozycji optycznych elementów ogniskujących można śledzić wykonując serię analiz wiązki.

10 9 1 2 [009] W trakcie tych prób, każdy układ optyczny poddawano ekspozycji przez około minut. W badanej konfiguracji optycznej, wiązka miała średnicę 9,6 mm na soczewce, co prowadziło do gęstości mocy rzędu 2,8 kw/cm 2 przy 2 kw. [0060] Figura 4 przedstawia porównanie zmiany położenia punktu ogniskowego wiązki ogniskowanej przez układ soczewek z ZnS albo ze stopionego krzemu (S). Dla każdej krzywej, pierwszy punkt odpowiada położeniu zmierzonemu podczas pierwszej analizy wiązki wykonanej przy 0 W. Przy tej mocy, przesunięcie ogniskowe wywołane zjawiskiem soczewki termicznej jest pomijalne. Można uważać, że położenie zmierzone odpowiada położeniu, w którym znajduje się punkt ogniskowy wiązki natychmiast po zapłonie lasera. Następnie od tego położenia mierzy się przesunięcie ogniskowe. Pierwszy punkt krzywych odpowiada więc zerowemu przesunięciu punktu ogniskowego. [0061] Na figurze można zobaczyć, że wzdłużne przesunięcie punktu ogniskowego jest większe w przypadku układu ze stopionego krzemu (S) niż w układzie z ZnS. Tym samym zastosowanie ZnS umożliwia zmniejszenie amplitudy przemieszczenia punktu ogniskowego podczas naświetlania elementów optycznych z dużą mocą. [0062] Zbadano także wpływ zmiany grubości na brzegach soczewki kolimacyjnej. W tym celu porównano amplitudę przemieszczenia punktu ogniskowego uzyskane z układem soczewek z ZnS mającego soczewkę kolimacyjną o grubości E przy brzegu równej 2 mm z układem mającym soczewkę kolimacyjną o grubości E przy brzegu równej 7 mm. [0063] Figura przedstawia porównanie zmiany położenia punktu ogniskowego wiązki ogniskowanej przez obydwa układy, zgodnie z opisanym wcześniej sposobem. [0064] Można zobaczyć, że wzdłużne przesunięcie punktu ogniskowego jest większe, gdy soczewka kolimacyjna jest cieńsza. [006] Połączenie urządzeń optycznych według wynalazku umożliwia zapewnienie trwałości parametrów procesu cięcia laserowego zwłaszcza w przypadku procesu cięcia laserowego za pomocą lasera na ciele stałym, w szczególności lasera światłowodowego, dzięki opanowaniu amplitudy zjawiska dryftu ogniskowego i problemów uszkodzeń elementów optycznych. Zastrzeżenia patentowe Głowica ogniskująca wiązkę laserową mająca soczewkę kolimacyjną (13) i soczewkę ogniskującą (14), znamienna tym, że: - soczewka kolimacyjna (13) i soczewka ogniskująca (14) są wykonane z ZnS i mają grubość przy brzegach co najmniej mm, i - zwierciadło odchylające (1) działające przy kącie padania (α) zwierającym się pomiędzy i 0 jest umieszczone na drodze wiązki laserowej wewnątrz wspomnianej głowicy ogniskującej, pomiędzy soczewką kolimacyjną (13) i soczewką ogniskującą (14). 2. Głowica ogniskująca według zastrzeżenia 1, znamienna tym, że soczewka kolimacyjna (13) i soczewka ogniskująca (14) mają grubość przy brzegach zawierającą się pomiędzy i mm, korzystnie pomiędzy 6 i 8 mm. 3. Głowica ogniskująca według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienna tym, że soczewka kolimacyjna (13) i soczewka ogniskująca (14) mają średnicę zawierającą się pomiędzy 3 i mm. 4. Głowica ogniskująca według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienna tym, że zwierciadło odchylające (1) jest wykonane z krzemu.. Zespół do cięcia wiązką laserową zawierający: - urządzenie z laserem (SL) na ciele stałym emitujące wiązkę laserową o długości fali w zakresie pomiędzy 1,06 i 1, µm i mocy zawartej w zakresie pomiędzy 0,1 i 2 kw, - głowicę ogniskującą według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, i

11 1 2 - włókno doprowadzające (FDC) łączące urządzenie z laserem (SL) na ciele stałym z głowicą ogniskującą tak, aby doprowadzać wiązkę laserową emitowaną przez urządzenie z laserem (SL) na ciele stałym do głowicy ogniskującej. 6. Zespół według zastrzeżenia, znamienny tym, że urządzenie z laserem (SL) na ciele stałym jest typu światłowodowego, korzystnie z włóknami z iterbu. 7. Zespół według dowolnego z zastrzeżeń albo 6, znamienny tym, że urządzenie z laserem (SL) na ciele stałym emituje wiązkę laserową o mocy w zakresie pomiędzy 1 i kw w sposób ciągły, prawie ciągły lub impulsowy, korzystnie w sposób ciągły. 8. Zespół według dowolnego z zastrzeżeń do 7, znamienny tym, że włókno doprowadzające (FDC) ma średnicę mniejszą lub równą µm, korzystnie średnicę równą 0 µm albo 0 µm. 9. Zespół według dowolnego z zastrzeżeń do 8, znamienny tym, że urządzenie z laserem (SL) na ciele stałym emituje wiązkę laserową mającą BPP w zakresie pomiędzy 1,6 i 4 mm.mrad.. Zespół według dowolnego z zastrzeżeń do 9, znamienny tym, że włókno doprowadzające (FDC) ma średnicę 0 µm i BPP w zakresie pomiędzy 1,6 i 2,2 mm.mrad, a soczewka kolimacyjna ma odległość ogniskową zawartą pomiędzy 70 i 1 mm. 11. Zespół według dowolnego z zastrzeżeń do 9, znamienny tym, że włókno doprowadzające (FDC) ma średnicę 0 µm i BPP zawarte w zakresie pomiędzy 2,6 i 4 mm.mrad, a soczewka kolimacyjna ma odległość ogniskową zawartą pomiędzy 1 i 180 mm. 12. Zespół według dowolnego z zastrzeżeń do 11, znamienny tym, że soczewka ogniskująca ma odległość ogniskową zawartą pomiędzy 0 i mm. 13. Proces cięcia wiązką laserową części metalowej (), w którym stosuje się głowicę ogniskującą według dowolnego z zastrzeżeń 1 do 4 albo zespół do cięcia wiązką laserową według dowolnego z zastrzeżeń do 12. Uprawniony: L Air Liquide Société Anonyme pour l Etude et l Exploitation des Procédés Georges Claude Pełnomocnik: mgr inż. Irena Rachubik Rzecznik patentowy

12 11 Figura 1

13 Figura 2 12

14 13 Figura 3

15 14 Przesunięcie punktu ogniskowego Czas trwania ekspozycji Figura 4 Przesunięcie punktu ogniskowego Czas trwania ekspozycji Figura