RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP 1681127 (13) T3 (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: 22.12.0 099.7 (1) Int. Cl. B23K26/06 (06.01) (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej 13.08.08 Europejski Biuletyn Patentowy 08/33 EP 1681127 B1 (4) Tytuł wynalazku: Cięcie laserowe elementów metalowych o dużej grubości soczewką o podwójnym ogniskowaniu () Pierwszeństwo: FR00004 12.01.0 (43) Zgłoszenie ogłoszono: 19.07.06 Europejski Biuletyn Patentowy 06/29 (4) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono:.01.09 Wiadomości Urzędu Patentowego 01/09 (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 1681127 T3 Bertez Christophe, Vaureal, FR Chouf Karim, Levallois Perret, FR Maazaoui Hakim, Cergy Pontoise, FR (74) Pełnomocnik: Polservice Kancelaria Rzeczników Patentowych Sp. z o.o. rzecz. pat. Szafruga Anna 00-90 Warszawa skr. poczt. 33 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).
1 36P23334PL00 EP 1 681 127 B1 1 Wynalazek dotyczy sposobu cięcia wiązką laserową, według części nieznamiennej zastrzeżenia 1, wykorzystującego soczewkę o podwójnym ogniskowaniu i o wybranej długości ogniskowej. Sposób cięcia laserem wykorzystuje klasycznie wiązkę laserową pochodzącą, na przykład, z urządzenia laserowego typu CO 2 (λ =,6 µm) albo YAG, która to wiązka jest ogniskowana przez element optyczny, ogólnie soczewkę albo zwierciadło, z zadaną długością ogniskowej, na elemencie, który ma być cięty. Gaz pomocniczy pod ciśnieniem jest zwykle wstrzykiwany w szczelinę cięcia, żeby usuwać stopiony metal. Szczelina cięcia jest więc tworzona przez względne przemieszczenie, w stosunku do ciętego elementu, głowicy tnącej zawierającej element ogniskujący dostarczający wiązkę i dostarczający gaz pomocniczy. Przepuszczalne optyczne elementy ogniskujące, to znaczy soczewki, są elementami najczęściej używanymi dla cięcia laserem, ponieważ pozwalają one tworzyć szczelne wgłębienie pod ciśnieniem w głowicy tnącej, do którego gaz pomocniczy może być wstrzykiwany i wypływać następnie przez dyszę współosiową z wiązką laserową. Soczewka ogniskująca zawiera dwie powierzchnie oddzielające dwa ośrodki o różnych współczynnikach załamania albo powierzchnie, na które jest nałożony czynnik przeciwdziałający odbiciu przeznaczony do ograniczania strat mocy przy odbiciu. Materiałem rdzenia soczewki jest często z selenek cynku dla laserów typu CO 2 i stopiona krzemionka, szkło (bk7), kwarc albo odpowiednik dla laserów typu YAG.
2 1 Aktualnie, głównie są używane różne kształty soczewek: - soczewki płasko - wypukłe mające jedną sferyczną powierzchnię oddzielającą dwa ośrodki o różnych współczynnikach załamania i jedną płaską, - soczewki meniskowe mające dwie sferyczne powierzchnie oddzielające dwa ośrodki o różnych współczynnikach załamania. Ten kształt soczewki ma taką zaletę, że minimalizuje aberacje sferyczne w stosunku do soczewek płasko wypukłych i jest z tej racji szeroko stosowany do cięcia laserem. - soczewki niesferyczne, dla których kształt pierwszej powierzchni oddzielającej dwa ośrodki o różnych współczynnikach załamania nie jest już kulą o stałym promieniu ale jest optymalizowany tak, aby jeszcze bardziej zmniejszać aberracje geometryczne w stosunku do soczewki meniskowej o sferycznych powierzchniach oddzielających dwa ośrodki o różnych współczynnikach załamania i otrzymywać w ten sposób większe gęstości mocy w punkcie ogniskowania, zwłaszcza w przypadku krótkich długości ogniskowania, to znaczy mniejszych od 9, milimetra [3,7"). Wyjściowa powierzchnia oddzielające dwa ośrodki o różnych współczynnikach załamania soczewek niesferycznych jest ogólnie płaska, dla zmniejszania kosztu wyrobu. Wszystkie te soczewki dążą do ogniskowania wiązki laserowej tylko w jednym punkcie ogniskowania o minimalnym rozmiarze. Sposób według części nieznamiennej zastrzeżenia 1, cięcia laserem używający optyki o wielu punktach ogniskowania poprawiający rezultaty procesu cięcia laserem przedstawiono w dokumencie WO - A-98/142. Postać tej optyki, która jest typu soczewki albo
3 1 zwierciadła, jest taka, że padająca wiązka nie jest ogniskowana w jednym punkcie, ale w dwóch (soczewka o podwójnej ogniskowej) albo większej liczbie punktów ogniskowania (soczewka wieloogniskowa). Dokładniej, jak pokazano na figurze 1, kiedy używa się soczewkę LF o podwójnej ogniskowej, to część wiązki padającej znajdująca się na zewnątrz średnicy równej 2H jest ogniskowana w pierwszym punkcie ogniskowania PF1 położonym na długości głównej ogniskowej FL. Część padającej wiązki laserowej znajdująca się wewnątrz średnicy równej 2H jest, jeśli chodzi o nią, ogniskowana w drugim punkcie ogniskowania PF2 położonym w odległości DF za pierwszym punktem ogniskowania PF1 w kierunku rozchodzenia się światła. Ta soczewka ogniskująca LF o dwóch punktach ogniskowania jest wykonana o promieniu krzywizny jednej z powierzchni oddzielających dwa ośrodki o różnych współczynnikach załamania, tej powierzchni, na przykład, wypukłej, różnej wewnątrz i na zewnątrz średnicy 2H. Ten typ optyki ogniskującej pozwala osiągnąć zyski prędkości, jakości cięcia i tolerancji dopuszczalnym w stosunku do zmian odległości między soczewką i ciętym elementem oraz umożliwia też cięcie grubszych materiałów niż przy zastosowaniu konwencjonalnych soczewek z jedynym punktem ogniskowania. Mimo objaśnień przedstawionych w tym dokumencie, stwierdzono w praktyce, że uzyskanie cięcia skutecznego i o dobrej jakości dla pewnych grubości cięcia może stwarzać problem. Tak więc, powracający problem powstaje podczas cięcia płyt albo elementów metalowych o grubości zawartej między 4 i milimetrów, a zwłaszcza między i milimetrów, dla których stwierdzono, że było niezbędne stosowanie soczewek o długości ogniskowej
4 1 większej od 1 mm, dla uzyskania akceptowalnych parametrów cięcia. Ogólnie, te grubości są cięte z ogniskowymi standaryzowanymi 190, milimetra (7, cala) albo 228,6 milimetra (9 cali) przyjmując, że przy krótszych ogniskowych, cięcie tych grubości jest bardzo trudne. Tak więc, przy grubości ponad mm tworzą się systematycznie skazy zwłaszcza w dolnej części szczeliny cięcia. Celem obecnego wynalazku jest zaproponowanie rozwiązania tego problemu, to znaczy zaproponowanie sposobu cięcia laserem z soczewką o podwójnej ogniskowej, skutecznym dla elementów mających grubość zawartą między i milimetrów. Rozwiązaniem według wynalazku jest sposób cięcia wiązką laserową elementu metalowego według zastrzeżenia 1. Zależnie od przypadku, sposób według wynalazku może mieć jedną albo kilka następujących cech charakterystycznych : - soczewka ma ogniskową o długości zawartej między 180 i 0 milimetrów. - soczewka ma ogniskową o długości równej 190, milimetra. - średnica soczewki jest zawarta między 4 i 1 milimetrów. - tnie się element mający grubość zawartą między i milimetrów, korzystnie między 6 i 12 milimetrów. - odległość między dwoma punktami ogniskowania jest zawarta między i 12 milimetrów. - odległość między dwoma punktami ogniskowania jest zawarta między 7 i milimetrów.
1 - element metalowy jest ze stali nierdzewnej, stali miękkiej, z aluminium albo ze stopu aluminium, z tytanu albo ze stopu tytanu, z miedzi albo stopu miedzi - wykorzystuje się gaz pomocniczy zawierający azot. - wiązka laserowa ma moc zawartą pomiędzy 0, i kw, korzystnie między 1 i 6 kw. - wiązka laserowa jest emitowana przez urządzenie laserowe typu CO 2. Kiedy wynalazcy niniejszego wynalazku zajmowali się rozwiązaniem postawionego powyżej problemu, zauważyli, że proces cięcia laserem z soczewką o podwójnej ogniskowej był uwarunkowany przez parametry użytej soczewki, to znaczy długością jej ogniskowej FL, jej 2H i jej DF, jak pokazano na figurze 1. 2H soczewki odpowiada średnicy części położonej w środku soczewki mającym promień krzywizny różny od promienia części zewnętrznej soczewki. Część wiązki padającej położonej na zewnątrz średnicy 2H jest ogniskowana w pierwszym punkcie ogniskowania PF1 położonym na długości głównej ogniskowej FL. Część wiązki padającej położonej wewnątrz średnicy 2H jest ogniskowana w drugim punkcie ogniskowania PF2 położonym na długości głównej ogniskowej FL2. Rozmiar średnicy 2H określa ilość energii skupionej na poziomie drugiego punktu ogniskowanie PF2. Odległości DF odpowiada, jeśli chodzi o nią, różnicy między długościami ogniskowych FL i FL2, jak pokazano na Figurze 1. Przykład Próby wykonano na stali nierdzewnej o grubości 6 milimetrów i 8 milimetrów, których wyniki są przedstawione odpowiednio na Figurach 2 i 3,
6 1 potwierdzają, że dla grubości zawartych między, odpowiednio, 4 i milimetrów, należy używać soczewek o podwójnym ogniskowaniu o ogniskowej o długości FL=190, milimetra i mających, poza tym, wartości 2H zawarte między 4 i 1 milimetrów. Zostały uzyskane wyniki: - dla ciśnienia 16 barów (paski szare) i 19 barów (paski czarne)na Figurze 2 używając, w dwóch przypadkach, soczewki z podwójnym ogniskowaniem. - dla ciśnienia 19 barów (na figurze 3) i w używając albo soczewki z podwójnym ogniskowaniem (pasek czarny), albo, tytułem porównania, klasyczną soczewkę jednoogniskową (paski szare). Okazuje się, że dla ogniskowej o długości FL=190, milimetra i poprzednich wartości 2H, najlepsze rezultaty cięcia laserem były otrzymane dla wartości DF zawartych pomiędzy 7 i milimetrów, jak pokazano na Figurze 2. Dla grubości blachy 8 milimetrów (Fig. 3), soczewka z podwójnym ogniskowaniem z odległością DF równą 8 milimetrów umożliwia uzyskanie zysków prędkości przy jakości cięcia nieporównywalnej z innymi testowanymi wartościami DF, zwłaszcza brak jest skazy. Dla tych wartości FL, DF i 2H, rozdział energetyczny energii laserowej pochłanianej w szczelinie cięcia staje się optymalny. Ponadto, szerokość szczeliny staje się wystarczająca dla umożliwienia dobrego wnikania gazu i optymalnego usuwanie stopionego metalu. L AIR LIQUIDE, Société Anonyme pour l Etude et l Exploitation des Procédés Georges Claude Pełnomocnik:
7 36P23334PL00 EP 1 681 127 B1 Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób cięcia wiązką laserową elementu metalowego mającego grubość zawartą pomiędzy i milimetrów, w którym wykorzystuje się soczewkę o podwójnym ogniskowaniu umożliwiającym ogniskowanie wiązki laserowej w co najmniej pierwszym (PF1) i drugim (PF2) punkcie ogniskowania oddzielonych od siebie i położonych na osi wiązki laserowej, znamienny tym, że soczewka ma ogniskową o długość (FL) zawartej między 170 i 0 milimetrów i tym, że soczewka ma środkową część o średnicy (2H) mającą pierwszy promień krzywizny dla ogniskowania w pierwszym punkcie ogniskowania (PF1) o długości ogniskowej (FL), wspomniana średnica (2H) jest mniejsza od milimetrów. 2. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że soczewka ma ogniskową o długości (FL) zawartej pomiędzy 180 i 0 milimetrów. 3. Sposób według zastrzeżenia 1 albo 2, znamienny tym, że soczewka ma ogniskową o długości (FL) równej 190, milimetra. 4. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że średnica (2H) soczewki jest zawarta pomiędzy 4 i 1 milimetrów.. Sposób według zastrzeżenia 1 do 4, znamienny tym, że tnie się element mający grubość zawartą pomiędzy 6 i 12 milimetrów. 6. Sposób według zastrzeżenia 1 do, znamienny tym, że odległość (DF) między dwoma punktami ogniskowania (PF1, PF2) jest zawarta pomiędzy i 12 milimetrów.
8 7. Sposób według zastrzeżenia 6, znamienny tym, że odległość (DF) między dwoma punktami ogniskowania (PF1, PF2) jest zawarta pomiędzy 7 i milimetrów. 8. Sposób według zastrzeżenia 1 do 7, znamienny tym, że element metalowy jest ze stali nierdzewnej, stali miękkiej, z aluminium albo ze stopu aluminium, z tytanu albo ze stopu tytanu, z miedzi albo stopu miedzi. 9. Sposób według zastrzeżenia 1 do 8, znamienny tym, że wykorzystuje się gaz pomocniczy zawierający azot.. Sposób według zastrzeżenia 1 do 9, znamienny tym, że wiązka laserowa ma moc zawartą pomiędzy 0, i kw, korzystnie pomiędzy 1 i 6 kw. 11. Sposób według zastrzeżenia 1 do, znamienny tym, że wiązka laserowa jest emitowana przez urządzenie laserowe typu CO 2. L AIR LIQUIDE, Société Anonyme pour l Etude et l Exploitation des Procédés Georges Claude Pełnomocnik: