RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP 1681126 (13) T3 (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: 22.12.0 098.9 (1) Int. Cl. B23K26/06 (06.01) (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej 31.12.08 Europejski Biuletyn Patentowy 09/01 EP 1681126 B1 (4) Tytuł wynalazku: Cięcie laserowe z zastosowaniem soczewki o podwójnej ogniskowej elementów metalicznych o małej grubości () Pierwszeństwo: FR00003 12.01.0 (43) Zgłoszenie ogłoszono: 19.07.06 Europejski Biuletyn Patentowy 06/29 (4) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono:.06.09 Wiadomości Urzędu Patentowego 06/09 (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 1681126 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. Słomczyńska Elżbieta 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).
31P24012PL00 EP 1 681 126 B1 Opis 1 2 [0001] Wynalazek dotyczy sposobu cięcia wiązką laserową z zastosowaniem soczewki o podwójnym ogniskowaniu i o wybranej długości ogniskowej. [0002] W sposobie cięcia laserowego stosuje się tradycyjnie wiązkę laserową pochodzącą, na przykład, z urządzenia laserowego typu CO 2 (λ=,6 µm) lub YAG, w którym wiązka jest ogniskowana przez element optyczny, zwykle soczewkę lub zwierciadło o danej długości ogniskowej, na elemencie do odcięcia. Gaz pomocniczy pod ciśnieniem jest zwykle wtryskiwany do szczeliny odcięcia tak, aby usuwać stopiony metal. Szczelina cięcia jest więc utworzona przez względne przemieszczanie, w stosunku do ciętego elementu, głowicy cięcia zawierającej element ogniskowania dostarczającej wiązkę i dostarczającej gaz pomocniczy. [0003] Przepuszczalne układy optyczne ogniskowania, to znaczy soczewki, są elementami najczęściej używanymi do odcinania laserowego, ponieważ umożliwiają one wytworzenie szczelnej wnęki pod ciśnieniem w głowicy tnącej, do której gaz pomocniczy może być wtryskiwany i wypływać następnie przez dyszę współosiową z wiązką laserową. [0004] Soczewka ogniskowania zawiera dwa dioptry lub powierzchnie, na które jest nałożona powłoka przeciwodblaskowa przeznaczona do ograniczenia strat mocy przez odbicie.
2 1 2 [000] Materiałem rdzenia soczewki jest często selenek cynku dla laserów typu CO 2 i stopiona krzemionka, szkło (bk7), kwarc lub podobny dla laserów typu YAG. [0006] Obecnie, różnymi kształtami soczewki zasadniczo stosowanymi są: - soczewki płasko-wypukłe składające się z dioptra sferycznego i z dioptra płaskiego, - soczewki meniskowe składające się z dwóch dioptrów sferycznych. Ten kształt soczewki ma zaletę ograniczenia aberracji sferycznej w porównaniu z soczewkami płasko-wypukłymi, i z tego powodu jest bardzo szeroko stosowany w cięciu laserowym. - soczewki asferyczne, dla których kształt pierwszego dioptra nie jest kulą o stałym promieniu, ale jest zoptymalizowany tak, aby jeszcze ograniczyć aberracje geometryczne w porównaniu z soczewką meniskową z dioptrami sferycznymi i uzyskać w ten sposób większe gęstości mocy w punkcie ogniskowania, zwłaszcza w przypadku krótkich długości ogniskowych, to znaczy mniejszych od 9,2 mm (3,7 ). Dioptr na wyjściu soczewek asferycznych jest zwykle płaski aby ograniczyć koszt ich wytwarzania. [0007] Te wszystkie soczewki mają na celu zogniskowanie wiązki laserowej w jednym punkcie ogniskowania o minimalnym wymiarze. [0008] Sposób cięcia laserowego z zastosowaniem układu optycznego o kilku punktach ogniskowania poprawiający skuteczność sposobu cięcia laserowego jest objaśniony
3 1 2 zwłaszcza w dokumencie WP-A-98/142. Kształt tego układu optycznego, który jest typu soczewki lub zwierciadła, jest taki, że padająca wiązka nie jest ogniskowana tylko w jednym punkcie, ale w dwóch lub więcej punktach ogniskowania, poprzez soczewkę dwu lub wielo-ogniskową. [0009] Dokładnie, kiedy stosuje się soczewkę LF o podwójnej ogniskowej aby zogniskować wiązkę laserową, część padającej wiązki usytuowana na zewnątrz średnicy równej 2H, jak przedstawiono na Figurze 1, jest ogniskowana w pierwszym punkcie ogniskowania PF1 usytuowanym na głównej długości ogniskowej FL. Część padającej wiązki laserowej L usytuowana wewnątrz średnicy równej 2H jest ogniskowana w drugim punkcie ogniskowania PF2 usytuowanym w odległości DF za pierwszym punktem ogniskowym PF1 w kierunku rozchodzenia się światła. Soczewka ogniskowania LF z podwójnym punktem ogniskowania jest wykonana z promieniem krzywizny jednego z dioptrów, na przykład dioptra powierzchni wypukłej, różnym wewnątrz i na zewnątrz średnicy 2H. [00] Ten typ układu optycznego ogniskowania umożliwia uzyskanie zysków prędkości, jakości cięcia i tolerancji w stosunku do zmian odległości między soczewką i elementem i umożliwia również cięcie grubszych materiałów niż tradycyjne soczewki z tylko jednym punktem ogniskowania. [0011] Mimo objaśnień z tego dokumentu, w praktyce stwierdzono że uzyskanie odcięcia skutecznego i dobrej
4 1 2 jakości dla niektórych grubości do cięcia może stanowić problem. [0012] Skądinąd, dokument WP-A-03/018246 opisuje sposób cięcia laserowego z zastosowaniem soczewki o kilku ogniskowych w połączeniu z dyszą typu zbieżnego/rozbieżnego. [0013] Ponadto, dokument DE-A-403474 objaśnia sposób cięcia laserowego oparty na dynamicznym ogniskowaniu wiązki w dwóch zmiennych punktach ogniskowania. [0014] Tak więc, powyższy problem występuje podczas cięcia płyt lub elementów metalicznych mających grubość mniejszą od mm, korzystnie zawartą między 0, mm i 3 mm, dla których stwierdzono, że koniecznym było użycie soczewek o krótkiej długości ogniskowej ( 1mm), aby otrzymać zadowalające wyniki cięcia. [001] Zwykle te grubości są odcinane ze standartowymi ogniskowymi 127 mm ( cali) lub 9,2 mm (3,7 cala). [0016] Przy dłuższych ogniskowych, konieczne jest spowolnienie szybkości odcinania w znaczący sposób, aby uzyskać dobre ilości cięcia. [0017] Celem niniejszego wynalazku jest zaproponowanie rozwiązania tego problemu, to znaczy zaproponowanie skutecznego sposobu cięcia laserowego z zastosowaniem soczewki z podwójną ogniskową elementów mających grubość mniejszą od mm, korzystnie zawartą między 2 i mm. [0018] Rozwiązaniem według wynalazku jest sposób cięcia przez wiązkę laserową elementu metalicznego mającego grubość mniejszą od mm, w którym stosuje się soczewkę o podwójnym ogniskowaniu umożliwiającą ogniskowanie
1 2 wiązki laserowej w co najmniej pierwszym PF1 i drugim PF2 punkcie ogniskowania, odrębnych i usytuowanych na osi wiązki, przy czym soczewka ma część środkową o średnicy 2H mającą promień krzywizny inny niż promień obwodowej części zewnętrznej soczewki, część padającej wiązki usytuowana na zewnątrz średnicy 2H jest zogniskowana w pierwszym punkcie ogniskowania PF1 usytuowanym na długości ogniskowej FL i część padającej wiązki usytuowana wewnątrz średnicy 2H jest zogniskowana w drugim punkcie ogniskowania PF2 usytuowanym w odległości DF za pierwszym punktem ogniskowym PF1 w kierunku rozchodzenia się światła, charakteryzujący się tym, że długość ogniskowej FL jest zawarta między 80 i 13 mm, i wspomniana średnica 2H jest mniejsza od mm. [0019] Zależnie od przypadku, sposób według wynalazku może mieć jedną lub kilka z następujących właściwości: - soczewka ma długość ogniskowej zawartą między 90 i 1 mm, korzystnie co najmniej 0 mm, - soczewka ma długość ogniskowej równą 127 mm, - średnica soczewki zawarta jest między 4 i 1 mm - cięty element ma grubość między 1 i 4 mm - odległość między dwoma punktami ogniskowymi zawarta jest między 1 i 12 mm, - odległość między dwoma punktami ogniskowymi zawarta jest między 3 i mm, - element metaliczny jest ze stali nierdzewnej, stali miękkiej, z aluminium lub stopu aluminium, z tytanu lub stopu tytanu, z miedzi lub stopu miedzi,
6 1 2 - stosuje się gaz pomocniczy zawierający azot, - wiązka laserowa ma moc zawartą między 0, i 1 kw, korzystnie między 1 kw i 6 kw, - wiązka laserowa jest emitowana przez urządzenie laserowe typu CO 2. [00] W ramach niniejszego wynalazku zostało wykazane, że sposób cięcia laserowego z zastosowaniem soczewki z podwójną ogniskową był uwarunkowany przez parametry zastosowanej soczewki, to znaczy jej długości ogniskowej FL, jej 2H i jej DF, jak przedstawiono na figurze 1. [0021] Średnica 2H soczewki odpowiada średnicy części usytuowanej w środku soczewki mającej promień krzywizny różny od promienia obwodowej części zewnętrznej soczewki. Część padającej wiązki usytuowana na zewnątrz średnicy 2H jest ogniskowana w pierwszym punkcie ogniskowania PF1 usytuowanym na głównej długości ogniskowej FL. Część padającej wiązki usytuowana wewnątrz średnicy 2H jest ogniskowana w drugim punkcie ogniskowania PF2 usytuowanym na głównej długości ogniskowej FL2. [0022] Wymiar średnicy 2H określa ilość energii ogniskowanej na poziomie drugiego punktu ogniskowania PF2. [0023} Odległość DF odpowiada różnicy między długościami ogniskowych FL i FL2, jak pokazano na Figurze 1. Przykład [0024] Próby przeprowadzone na elementach ze stali nierdzewnej o grubości 2 mm i 4 mm, których wyniki są
7 1 2 przedstawione na figurach 2 i 3, odpowiednio, potwierdzają, że dla grubości mniejszych od mm, to znaczy generalnie zawartych między 1 i 4 mm, pożądane jest stosowanie soczewki o długości ogniskowej FL=127 mm i mającej wartości 2H zawarte między 4 mm i 1 mm. [002] Wartość średnicy 2H w tych próbach wynosi 8 mm, moc lasera wynosi 4 kw, a gazem pomocniczym jest azot. [0026] Ponadto, w tych próbach wyniki zostały uzyskane dla ciśnień 1 barów lub 16 barów (bary zakreskowane odpowiednio na Figurze 2 i 3) i 19 barów (bary zaczernione na Figurach 2 i 3), przy zastosowaniu, we wszystkich przypadkach, soczewki o podwójnej ogniskowej. [0027] Dla długości ogniskowej FL=127 mm i poprzednio podanych wartości 2H, najlepsze wyniki cięcia laserowego zostały uzyskane dla wartości DF zawartych między 3 i mm, jak to jest widoczne na Figurach 2 i 3. [0028] Rzeczywiście, dla tych wartości FL, 2H i DF, rozkład energetyczny energii lasera pochłanianej w szczelinie cięcia jest optymalny. Ponadto, szerokość szczeliny staje się wystarczająca, aby umożliwić dobre przenikanie gazu i optymalne usuwanie stopionego materiału. L'AIR LIQUIDE, Société Anonyme pour l'etude et l'exploitation des Procédés Georges Claude Pełnomocnik:
8 31P24012PL00 EP 1 681 126 B1 Zastrzeżenia 1 2 1. Sposób cięcia wiązką laserową elementu metalicznego mającego grubość mniejszą od mm, w którym stosuje się soczewkę o podwójnym ogniskowaniu umożliwiającą ogniskowanie wiązki laserowej w co najmniej pierwszym (PF1) i drugim (PF2) punkcie ogniskowania odrębnych od siebie i usytuowanych na osi wiązki, przy czym soczewka ma część środkową o średnicy (2H) mającą promień krzywizny inny niż promień obwodowej części zewnętrznej soczewki, część padającej wiązki usytuowana na zewnątrz średnicy (2H) jest zogniskowana w pierwszym punkcie ogniskowania (PF1) usytuowanym na długości ogniskowej (FL) i część padającej wiązki usytuowana wewnątrz średnicy (2H) jest zogniskowana w drugim punkcie ogniskowania (PF2) usytuowanym w odległości (DF) za pierwszym punktem ogniskowania (PF1) w kierunku rozchodzenia się światła, znamienny tym, że długość ogniskowej (FL) zawarta jest między 80 i 13 mm, i wyżej wspomniana średnica (2H) jest mniejsza od mm. 2. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że soczewka ma długość ogniskowej (LF) zawartą między 90 i 1 mm.
9 1 2 3. Sposób według zastrzeżenia 1 albo 2, znamienny tym, że soczewka ma długość ogniskowej (LF) równą 127 mm. 4. Sposób według zastrzeżenia 2, znamienny tym, że soczewka ma długość ogniskowej (LF) co najmniej 0 mm.. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że średnica (2H) soczewki zawarta jest między 4 i 1 mm. 6. Sposób według jednego z zastrzeżeń od 1 do, znamienny tym, że odcina się element mający grubość zawartą między 1 i 4mm. 7. Sposób według jednego z zastrzeżeń od 1 do 6, znamienny tym, że odległość (PF) między dwoma punktami ogniskowymi (PF1, PF2) zawarta jest między 1 i 12 mm. 8. Sposób według zastrzeżenia 7, znamienny tym, że odległość (PF) między dwoma punktami ogniskowania (PF1, PF2) zawarta jest między 3 i mm. 9. Sposób według jednego z zastrzeżeń od 1 do 8, znamienny tym, że element metaliczny jest ze stali nierdzewnej, stali miękkiej, z aluminium lub stopu aluminium, z tytanu lub stopu tytanu, z miedzi lub stopu miedzi.. Sposób według jednego z zastrzeżeń od 1 do 9, znamienny tym, że stosuje się gaz pomocniczy zawierający azot. 11. Sposób według jednego z zastrzeżeń od 1 do, znamienny tym, że wiązka laserowa ma moc zawartą między 0, i 1 kw, korzystnie między 1 kw i 6 kw.
12. Sposób według jednego z zastrzeżeń od 1 do 11 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:
1/2 31P24012PL00
2/2 31P24012PL00