CN113165117A - 激光加工方法及激光加工装置 - Google Patents

Abstract

对由包含母材和导热率及加工阈值高于玻璃纤维的物性值的纤维在内的纤维强化复合材料构成的加工对象物进行激光加工的加工方法。激光加工方法包含下述工序，即，一边使加工对象物和加工头在预先确定的切断方向上相对移动，一边从加工头将脉冲激光(1)照射至加工对象物而形成将加工对象物贯通的多个贯通孔，由此对加工对象物进行加工。脉冲激光(1)的脉宽小于1ms，脉冲激光(1)具有能够通过1个脉冲形成贯通孔的能量密度。

Description

激光加工方法及激光加工装置

技术领域

本发明涉及将激光照射至加工对象物而切断加工对象物的激光加工方法及激光加工装置。

背景技术

近年，作为兼具高强度和轻量的材料，由如玻璃纤维强化塑料(Glass FiberReinforced Plastics：GFRP)这样的母材和强化纤维构成的纤维强化复合材料正在受到关注。纤维强化复合材料的母材和强化纤维各自具有不同的特性，因此已知加工困难。激光加工装置能够通过提高激光输出而提高加工速度，因此在要求加工速度的情况下，有时在纤维强化复合材料的加工中使用激光加工装置。

在专利文献1中，公开了形成通过1个脉冲的脉冲激光形成的多个贯通孔，使相邻的贯通孔的一部分重叠而切断玻璃纤维强化树脂膜。

专利文献1：日本特开2011－098381号公报

发明内容

但是，在上述专利文献1中，未提及包含有加工阈值及导热性的物性值远高于GFRP的纤维的纤维强化复合材料的切断。

例如碳纤维强化塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastic：CFRP)由热特性大幅不同的碳纤维和树脂这2种材料构成，与树脂相比导热率高的碳纤维作为在激光加工时产生的热的导热路径起作用。在CFRP中，碳纤维的熔点为3500℃左右，且树脂的熔点为250℃左右。在该情况下，切断加工时的加工点的温度与熔点高的一方相匹配而调整，因此成为大于或等于3500℃。因此，在CFRP的激光加工时，有可能由于在加工时产生而从碳纤维导热的热，在加工部位的周边的树脂中热损伤扩散。因此，在CFRP的切断中，为了减小向树脂的热影响，希望通过1个脉冲的脉冲激光使1个孔贯通。

在CFRP中由于热损伤导致纤维表面和树脂的界面的贴合度降低的情况下，作为CFRP的构造材料的机械强度特性劣化，切断后的CFRP的品质降低。因此，在CFRP的加工中，需要尽可能避免向加工部位的周围的热损伤扩散。

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于，得到能够抑制向纤维强化复合材料的树脂的热影响而进行纤维强化复合材料的加工的激光加工方法。

为了解决上述的课题，达到目的，本发明所涉及的激光加工方法对由包含母材和导热率及加工阈值高于玻璃纤维的物性值的纤维在内的纤维强化复合材料构成的加工对象物进行激光加工。激光加工方法包含下述工序，即，一边使加工对象物和加工头在预先确定的切断方向上相对移动，一边从加工头将脉冲激光照射至加工对象物而形成将加工对象物贯通的多个贯通孔，由此对加工对象物进行加工。脉冲激光的脉宽小于1ms，脉冲激光具有能够通过1个脉冲形成贯通孔的能量密度。

发明的效果

本发明所涉及的激光加工方法具有下述效果，即，能够抑制向纤维强化复合材料的树脂的热影响而进行纤维强化复合材料的加工。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的激光加工装置的功能结构的图。

图2是表示图1所示的激光加工装置的硬件结构的一个例子的示意图。

图3是表示图1所示的激光加工装置所涉及的激光加工方法的图。

图4是表示CFRP的物性值的图。

图5是表示在图1所示的激光加工装置中输出的脉冲激光束即脉冲激光的输出波形的图，是表示具有通过1次照射就能够形成在厚度方向贯通加工对象物的贯通孔即加工孔的能量的脉冲激光的输出波形的图。

图6是表示脉冲激光所涉及的加工对象物的加工条件不满足式(3)的条件的情况、重叠比率小于0的情况下的加工状态的示意图。

图7是表示脉冲激光所涉及的加工对象物的加工条件满足式(3)的条件的情况下的加工状态的示意图。

图8是表示脉冲激光所涉及的加工对象物的加工条件不满足式(3)的条件的情况、重叠比率大于或等于0.5的情况下的加工状态的示意图。

图9是表示对加工对象物的加工点刚进行第1次脉冲激光的照射后的状态的示意剖视图。

图10是表示对加工对象物的加工点进行第1次脉冲激光的照射后的坑的底部的放置期间的状态的示意剖视图。

图11是表示对加工对象物的加工点刚进行第2次脉冲激光的照射后的状态的示意剖视图。

图12是表示对加工对象物的加工点进行第2次脉冲激光的照射后的坑的底部的放置期间的状态的示意剖视图。

图13是表示对加工对象物的加工点进行多次脉冲激光的照射而在加工对象物形成有贯通孔的状态的示意剖视图。

图14是表示以与图5所示的输出波形的脉冲激光相同的加工速度，通过CW激光进行切断加工的情况下的CW激光的输出波形的图。

图15是表示使用从光轴之外朝向光轴喷射气体的侧流喷嘴即喷嘴的例子的图。

图16是表示使用从沿光轴的方向朝向加工点喷射气体的轴流喷嘴的例子的图。

图17是表示在使用激光加工装置的切断加工中得到加工对象物的良好的加工品质的切断加工条件例的图。

图18是表示在使用激光加工装置的切断加工中切断后的加工样品的图像的图。

图19是表示将图18所示的加工样品的区域A放大的图像的图。

图20是表示在图1所示的激光加工装置中将脉冲激光进行2次扫描而将切断长度切断加工的激光加工方法的图，是表示第1次脉冲激光的扫描状态的图。

图21是表示在图1所示的激光加工装置中将脉冲激光进行2次扫描而将切断长度切断加工的激光加工方法的图，是表示第2次脉冲激光的扫描状态的图。

图22是表示用于实现图1所示的控制部的功能的硬件结构的图。

具体实施方式

下面，基于附图对本发明的实施方式所涉及的激光加工方法及激光加工装置详细地进行说明。此外，本发明不受本实施方式限定。

实施方式1.

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的激光加工装置100的功能结构的图。图2是表示图1所示的激光加工装置100的硬件结构的一个例子的示意图。图3是表示图1所示的激光加工装置100所涉及的激光加工方法的图。在图3中，示出了与通过激光加工装置100进行的激光加工有关的要部。激光加工装置100具有激光振荡器11、光路12、加工头13、驱动部14、喷嘴15、喷嘴移动机构16、检测部17和控制部18。

激光加工装置100具有下述功能，即，向加工对象物W照射脉冲激光1，进行加工对象物W的切断加工。本实施方式1中的加工对象物W是由包含母材及强化纤维在内的纤维强化复合材料构成的板状的加工对象物。作为纤维强化复合材料的一个例子，举出CFRP。CFRP是由包含母材和导热率及加工阈值高于玻璃纤维的物性值的纤维在内的纤维强化复合材料构成的加工对象物。

图4是表示CFRP的物性值的图。在CFRP中，强化纤维是直径大于或等于5微米而小于或等于10微米的范围的碳纤维。在加工对象物W内，多个强化纤维沿预先决定的一个方向配置。在图3中，预先决定的一个方向是从图中的左下朝向右上的方向。

母材是以环氧树脂为代表的热硬化型的树脂。碳纤维的导热率为大于或等于100W/m·K而小于或等于800W/m·K的范围，高于树脂的导热率0.3W/m·K。碳纤维的熔点为大于或等于2000℃而小于或等于3500℃的范围，高于树脂的熔点250℃。即，CFRP中的碳纤维和树脂的熔点及导热性大幅不同，两个特性都是碳纤维相对于母材非常高。因此，纤维强化复合材料的一个例子即CFRP是包含母材和导热率及加工阈值高于母材的碳纤维在内的复合材料。

由CFRP构成的加工对象物W包含强化纤维即碳纤维Wa和母材即树脂Wb。为了便于图示，在图2等中，示出了多个碳纤维Wa在树脂Wb中配置于多层的状态，但实际上大量碳纤维Wa在树脂Wb中，沿预先决定的一个方向配置。此外，将加工对象物W的表面设为XY平面，将与XY平面垂直的方向设为Z轴方向。脉冲激光1的照射方向与Z轴平行。

为了进行比较，将在专利文献1中设为加工对象的GFRP的物性值在图4中一并示出。根据图4可知，CFRP的加工阈值及导热性都大幅地高于GFRP。在这里，碳纤维的导热性高，意味着由于在激光加工时从碳纤维导热的热，在加工部位的周围的树脂中热损伤扩散的可能性高。碳纤维的熔点高，意味着不易加工。即，碳纤维的熔点高，意味着加工阈值高，不易加工。加工阈值是指在脉冲激光1照射至加工对象物时，加工对象物的分解开始时的脉冲激光1的最小的能量密度。

激光振荡器11将脉冲激光1振荡而射出。在本实施方式1所涉及的激光加工装置100中使用的激光振荡器11优选为CO₂激光振荡器。即，在本实施方式1所涉及的激光加工装置100中使用的脉冲激光1优选为CO₂激光振荡器。

从激光振荡器11射出的脉冲激光1经由光路12向加工头13供给。光路12是将由激光振荡器11射出的脉冲激光1传送至加工头13为止的路径，可以是使脉冲激光1在空中传输的路径，也可以是通过光纤传送脉冲激光1的路径。光路12与脉冲激光1的特性相对应地设计。

加工头13具有将脉冲激光1向加工对象物W聚光的光学系统。加工头13对供给的脉冲激光1进行聚光而向加工对象物W的加工对象面即加工对象物W的一个面进行照射。加工头13优选具有将焦点连结于加工对象物W的表面附近这样的光学系统。

驱动部14能够对加工头13和加工对象物W的相对位置关系进行控制而使其变化。此外，在激光加工装置100中，驱动部14使加工头13的位置变化，由此使加工头13和加工对象物W的相对位置关系变化，但驱动部14也可以使对加工对象物W进行载置的工作台的位置变化，也可以使加工头13和对加工对象物W进行载置的工作台这两者的位置变化。即，驱动部14只要具有使加工头13及加工对象物W中的至少1个的位置变化的功能即可。

在驱动部14使加工头13和加工对象物W的相对位置关系变化的同时，加工头13向加工对象物W照射脉冲激光1，由此能够进行加工对象物W的切断加工。

喷嘴15是对从加工头13向加工对象物W照射脉冲激光1的部分喷射气体23的气体喷射嘴。喷嘴15从由加工头13向加工对象物W照射的脉冲激光1的光轴1a之外朝向光轴1a喷射气体23。更详细地说，喷嘴15从由加工头13向加工对象物W照射的脉冲激光1的光轴1a之外，朝向加工对象物W中的脉冲激光1所涉及的加工点喷射气体23。喷嘴15的位置通过喷嘴移动机构16而变化。喷嘴15的位置在加工对象物W的加工中能够通过控制部18的控制而移动至任意的位置。

检测部17是对加工对象物W的状态或激光加工装置100的状态进行检测的传感器。检测部17对加工中的加工对象物W的位置、在加工中产生的光的强度及波长、声波、超声波这样的物理量的测量值进行测量而作为时间序列信号。检测部17例如是静电容量传感器、光电二极管、CCD(Charge Coupled Device)传感器、CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)传感器、光谱分光器、音响传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器、距离传感器、位置检测器、温度传感器、湿度传感器等。检测部17将表示测量值的时间序列信号输入至控制部18。

控制部18按照所设定的加工条件及从检测部17发送的测量值，对激光振荡器11、驱动部14、喷嘴移动机构16等进行控制，以使得脉冲激光1对加工对象物W上的加工路径进行扫描。加工条件例如包含加工对象物W的材质、厚度及表面的状态。加工条件还包含激光振荡器11的激光输出强度、激光输出频率、激光输出的占空比、模式、波形及波长等。加工条件能够包含脉冲激光1的焦点位置、激光的聚光直径、从喷嘴15喷射的气体的种类、气体压力、喷嘴的坑径、加工速度等。另外，加工条件也能够包含加工对象物W和加工头13之间的距离、温度、湿度等从检测部17输入的测量值。

包含将脉冲激光1聚光于加工点的聚光透镜21的光学单元22是图1所示的加工头13的一部分。

激光加工装置100将脉冲激光1向加工对象物W的一个面照射而进行使加工对象物W分离为加工品29和边角料28的切断加工。加工品29是在切断加工后作为部件等被使用的一侧，边角料28是在切断加工后不需要的一侧。将脉冲激光1向加工对象物W照射的位置由控制部18控制，沿加工路径移动。

接下来，对加工对象物W即CFRP的通过激光加工装置100实现的加工方法进行说明。在加工对象物W的切断加工中，脉冲激光1如图3所示通过聚光透镜2在加工对象物W的表面聚光。脉冲激光1在加工对象物W的加工对象面在预先确定的切断方向扫描而照射。即，一边使加工头13和加工对象物W的相对位置关系变化而改变脉冲激光1相对于加工对象物W的照射位置，一边照射脉冲激光1。

图5是表示在图1所示的激光加工装置100中输出的脉冲激光1即脉冲激光的输出波形的图，是表示具有通过1次照射就能够形成在厚度方向将加工对象物W贯通的贯通孔即加工孔41的能量的脉冲激光的输出波形的图。为了切断出加工对象物W的切断长度L而将向加工对象物W照射的脉冲激光1的脉冲数设为N。N是大于或等于2的正数。例如，在一边以扫描速度v的速度使脉冲激光1的照射位置移动，一边如图5所示以频率f反复照射脉冲激光而通过1次扫描切断加工对象物W的情况下，向加工对象物W照射的脉冲激光1的脉冲数N通过下面的式(1)表示。

N＝L×f/v···(1)

在将加工对象物W的切断方向上的通过1个脉冲的脉冲激光1进行加工的加工孔41的孔径设为加工孔径d时，在切断方向上相邻的2个加工孔彼此的切断方向上的重叠比率ro即切断方向上的加工孔的重叠程度通过下面的式(2)表示。加工对象物W的切断方向是与脉冲激光1的扫描方向相同的方向。重叠比率ro是在切断方向上相邻的2个加工孔彼此在切断方向上重叠的长度的相对于加工孔径d的比率。加工孔径d与脉冲激光1的聚光直径相同。即，加工孔径d能够换言为加工对象物W的切断方向上的脉冲激光1的聚光直径d。此外，在图3等图中，为了容易理解加工孔彼此重叠的状态，将加工孔径d与脉冲激光1的聚光直径相比图示得大。

ro＝(d－L/N)/d···(2)

而且，在本实施方式1中，如以下的式(3)示出重叠比率ro那样，设为大于0而小于0.5的范围进行激光加工。

0＜ro＝(d－L/N)/d＜0.5···(3)

接下来，对以满足上述的式(3)的条件的方式照射的脉冲激光1能够通过1个脉冲将加工对象物W贯通而切断进行说明。图6至图8是表示使重叠比率ro变化的情况下的脉冲激光1所涉及的加工对象物W的加工状态的示意图。图6是表示脉冲激光1所涉及的加工对象物W的加工条件不满足式(3)的条件的情况、重叠比率ro小于0的情况下的加工状态的示意图。图7是表示脉冲激光1所涉及的加工对象物W的加工条件满足式(3)的条件的情况下的加工状态的示意图。图8是表示脉冲激光1所涉及的加工对象物W的加工条件不满足式(3)的条件的情况、重叠比率ro大于或等于0.5的情况下的加工状态的示意图。在图6至图8中，省略了喷嘴15的图示。

如图6所示在脉冲激光1所涉及的加工对象物W的加工条件不满足式(3)的条件的情况、重叠比率ro小于0的情况下，意味着切断方向上的相邻的加工孔41彼此在切断方向上不重叠即不叠加的情况。因此，在图6所示的加工中，无法切断加工对象物W。

如图8所示在脉冲激光1所涉及的加工对象物W的加工条件不满足式(3)的条件的情况、重叠比率ro大于或等于0.5、相邻的2个加工孔41彼此的切断方向上的重叠程度大于式(3)的条件的情况下，在切断长度L的整个区域中照射大于或等于2次脉冲激光1。在该情况下，向加工对象物W的、无助于切断的额外的入热量变多，从加工孔41的内表面对周围的树脂Wb产生不需要的热影响。另外，为了将切断长度L切断加工所需的脉冲激光1的照射数增加，使用的激光能量增大。

另一方面，在图7所示的情况下，在脉冲激光1所涉及的加工对象物W的加工条件满足式(3)的条件的情况下，只有1个脉冲量的脉冲激光1的能量进入至切断长度L的图7中的实施了阴影的加工区域42。在该状态下能够将加工对象物W的切断长度L切断，示出能够通过1个脉冲量的脉冲激光1的能量形成在厚度方向贯通加工对象物W的加工孔41而进行切断。

即，在图7所示的情况下，关于形成加工孔而切断后的区域，以在脉冲激光1的扫描方向上被照射2次脉冲激光的区域比图8所示的情况少的状态将切断长度L切断。即，如图7所示在脉冲激光1所涉及的加工对象物W的加工条件满足式(3)的条件的情况下，一边使脉冲激光1移动一边反复照射1个脉冲激光而切断的激光加工方法中，通过1次脉冲激光的照射，形成将加工对象物W贯通的贯通孔即加工孔41而进行加工对象物W的切断。由此，能够抑制向加工对象物W的树脂Wb的热影响而进行加工对象物W的切断。

此外，在图7中，通过n＝0时的脉冲激光1的照射，形成了开口形状为半圆状的加工孔41。另外，在n＝N时，通过脉冲激光1的照射，形成了开口形状为圆状的加工孔41。在这里，在n＝N的情况下形成的加工孔41中，为了将切断长度L切断所需的部分是在n＝N－1的情况下形成的加工孔41侧的开口形状为半圆状的部分。因此，能够将在n＝0时形成的开口形状为半圆状的加工孔41的部分和在n＝N时形成的加工孔41中的开口形状为半圆状的部分合起来而想象为1个圆状的加工孔41。因此，在图7所示的情况下，为了将加工对象物W的切断长度L切断而向加工对象物W照射的脉冲激光1的脉冲数认为是N。

在通过激光加工装置100进行的加工对象物W的切断加工中，控制部18对驱动部14进行控制，对加工头13和加工对象物W的相对位置关系进行控制而使其变化，以使得满足上述的式(3)的条件。即，控制部18在进行加工对象物W的切断加工的情况下，对脉冲激光1的照射位置和加工对象物W的相对位置关系进行控制，以使得满足上述的式(3)的条件。

此外，在本实施方式1中，如上所述将重叠比率ro设为“0＜ro＜0.5”的范围，但重叠比率ro更优选是在“0＜ro＜0.5”的范围中尽可能小即接近0的值。通过尽可能减小重叠比率ro，从而能够减少向已经贯通的贯通孔的部分再次照射的脉冲激光1，减少向加工对象物W的无助于切断的额外的入热。

重叠比率ro的最佳值为0.2。在重叠比率ro为0.2时，切断速度不会变慢，且切断端面的平滑度也会提高。即，在重叠比率ro为0.2时，即使将加工孔41彼此重叠也会抑制加工速度的降低，并在切断端面得到高的平滑度。

关于如上所述通过本实施方式1所涉及的加工对象物W的激光加工方法，以1次脉冲激光的照射使加工对象物W贯通而进行切断的效果，与将加工对象物W在深度方向上分为多次而反复进行坑加工而将加工对象物W切断的对比例的激光加工方法相比较而进行说明。

在以下进行说明的对比例的激光加工方法中，没有通过1次脉冲激光1的照射而形成将加工对象物W贯通的贯通孔，而是通过针对同一部位的多次脉冲激光1的照射形成将加工对象物W贯通的贯通孔而进行切断。图9是表示针对加工对象物W的加工点刚进行第1次脉冲激光1的照射后的状态的示意剖视图。图10是表示针对加工对象物W的加工点进行第1次脉冲激光1的照射后的坑51的底部52的放置期间的状态的示意剖视图。图11是表示针对加工对象物W的加工点刚进行第2次脉冲激光1的照射后的状态的示意剖视图。图12是表示针对加工对象物W的加工点进行第2次脉冲激光1的照射后的坑51的底部52的放置期间的状态的示意剖视图。图13是表示针对加工对象物W的加工点进行多次脉冲激光1的照射而在加工对象物W形成有贯通孔的状态的示意剖视图。图9至图13与沿图8中的IX－IX线、X－X线、XI－XI线、XII－XII线及XIII－XIII线的剖面相对应。

为了容易理解，脉冲激光1的光束轮廓为顶帽，如光束的形状那样对加工对象物W进行加工。在针对加工对象物W的加工点刚进行第1次脉冲激光1的照射后，注入的能量未达到加工阈值，即温度未达到熔点，仍为高温而残留的碳纤维Wa存在于向加工对象物W照射脉冲激光1而形成的坑51的底部52。

碳纤维Wa的熔点为3500℃左右。碳纤维Wa在接近3500℃的温度的状态下没有被去除而残留。而且，在直至针对坑51照射下一个激光1为止的期间，在坑51的底部52仍为高温而残存的碳纤维Wa的热，在导热性与树脂相比非常高的碳纤维Wa中传递而向坑51的周围的树脂Wb导热，形成热影响层53。碳纤维Wa的热向坑51的下方导热，并且如图10中的箭头所示那样在从坑51向外侧分离的方向导热。

热影响层53是树脂Wb之中的、受到在碳纤维Wa中传递而导热的、由于在坑51的底部52仍为高温而残存的碳纤维Wa的热而温度上升的热影响的区域。在坑51的底部52仍为高温而残存的碳纤维Wa的热在碳纤维Wa中传递的导热，是在从照射第1次脉冲激光1至照射第2次脉冲激光1为止的期间，在坑51的底部52的高温的碳纤维Wa被放置的放置期间发生的。

此时从碳纤维Wa向树脂Wb导热的热量，在熔点小于或等于250℃、加工阈值低的母材的树脂中为大的热量。认为坑51的底部52的坑径d1长度的3500℃左右的碳纤维所具有的热在碳纤维Wa中传递而导热至树脂Wb。在该情况下，在碳纤维Wa的延伸方向上母材即树脂Wb达到加工阈值的范围长度D通过下面的式(4)表示，涉及至底部52的坑径d1的14倍。范围长度D是在碳纤维Wa的延伸方向上以坑51的中心轴为中心的范围。

D＝d1×3500/250＝14×d1· · · (4)

如果将坑径d1设为0.2mm，则D为2.8mm，碳纤维Wa的延伸方向上的热影响层53的长度h成为h＝2.8/2－0.2/2＝1.3mm，与坑径d1相比变得非常大。热影响层53的长度h是碳纤维Wa的延伸方向上的从坑51的开口端部至热影响层53中的碳纤维Wa的延伸方向上的外侧的端部为止的长度。

热影响层53的程度根据脉冲激光1的能量而不同，但由于热损伤，碳纤维Wa和树脂Wb部的界面的贴合度降低，作为加工对象物W的构造材料的机械强度特性劣化，切断后的加工对象物W的品质降低。

接下来，如果针对加工对象物W中的形成有坑51的切断加工位置照射第2次脉冲激光1，则如图12所示，坑51的深度加深，并且在直至下一个脉冲激光1被照射为止的放置期间，形成通过第1次脉冲激光1的照射而形成的热影响层53向下方及外侧扩展的新的热影响层53。

此后，直至坑51深度达到加工对象物W的厚度而形成贯通孔为止进行第3脉冲及其以后的脉冲激光1的照射。在第3脉冲及其以后的脉冲激光1的照射后，也与上述同样地产生热影响层53。而且，通过多次脉冲激光1的照射，最终如图13所示形成贯通孔54。而且，使脉冲激光1在切断方向进行扫描，一边使相邻的贯通孔54彼此重叠一边形成多个贯通孔54，由此在切断方向上相邻的贯通孔54彼此连通，加工对象物W被切断。

而且，在从脉冲激光1的照射至下一个脉冲激光1被照射为止的放置期间在坑51的底部52仍为高温而残存的碳纤维Wa的热在碳纤维Wa中传递、导热而产生的热影响层53存在于以上述方式形成的贯通孔54的周围，切断后的加工对象物W的品质降低。

上述的现象是纤维强化复合材料特有的现象。在将由单一材料构成的加工对象物中的同一部位在深度方向分为多次而进行切断的情况下，与上述同样地在切断中途形成的坑的底部的温度小于或等于加工阈值。因此，坑的底部的热即使向坑的周围的区域导热，坑的周围的区域也不会被加工。

另一方面，在上述的本实施方式1所涉及的激光加工装置100中，通过以1次脉冲激光1的照射而能够形成在厚度方向将加工对象物W贯通的贯通孔的能量的脉冲激光进行切断加工。由此，能够消除在上述的放置期间在坑51的底部52仍为高温而残存的碳纤维Wa的热在碳纤维Wa中传递而导热的现象，防止热影响层53的产生。即，在上述的本实施方式1所涉及的激光加工装置100中，在形成于切断加工的中途的坑的底部残存的碳纤维Wa中积存的热不会在碳纤维Wa中传递而是向周围的树脂Wb导热，与碳纤维Wa相比能够防止加工阈值低的树脂Wb被加热而产生热影响层53。由此，能够抑制加工对象物W的激光加工时的向加工对象物W的树脂Wb的热影响，能够防止由切断加工引起的切断后的加工对象物W的机械强度特性的劣化，进行高品质的切断加工。

另外，在激光加工装置100中，用于进行切断加工的脉冲激光1的扫描次数为1次，因此切断加工时间短。即，在激光加工装置100中，能够高品质且高效地将加工对象物W激光切断。

为了抑制在从上述的第1次脉冲激光1照射后至第2次脉冲激光1照射为止的放置期间产生的热影响层53的发生，例如使用电扫描器使脉冲激光1进行扫描，且直至下一个脉冲激光1的照射为止设置大于或等于100ms的扫描时间间隔，由此认为会抑制在坑51的底部52积存的热量。

但是，如果提高脉冲激光1的扫描速度，则脉冲激光1的每1次照射所形成的坑的加工深度浅，因此需要大幅地增大脉冲激光1的照射数，加工时间变长。

另外，如果加工对象物W的加工区域广，则在脉冲激光1的扫描时间间隔之间对加工对象物W中的其他加工部分进行加工时，没有激光加工装置100的休止时间。但是，在使用电扫描器的情况下，加工区域小，为100mm左右，因此无法持续对加工对象物W中的其他部分进行加工。

例如考虑对直径为9.5mm、周长30mm的坑进行加工的情况。例如如果脉冲激光1的扫描速度v为6m/s、休止时间为300ms，则即使脉冲激光1的照射次数为20次，扫描时间也会为30mm/6m/s×20次＝100ms这一比较短的时间。另一方面，休止时间为300ms×20次＝6000ms。因此，扫描时间和休止时间的合计即整体的加工时间成为6.1s。如果将该加工时间换算为加工速度，则成为0.3m/min，成为比作为激光加工速度的通常的CFRP的激光加工速度慢的加工速度。

在本实施方式1所涉及的激光加工装置100中使用的激光振荡器11优选是CO₂激光振荡器。即，在激光加工装置100中使用的脉冲激光1应用通过CO₂激光振荡器振荡产生的CO₂激光。例如从光纤激光器振荡产生的激光不被树脂吸收。因此，在使用从光纤激光器振荡产生的激光的情况下，通过从碳纤维向树脂导热的热将树脂加热去除。与此相对，CO₂激光与从光纤激光器振荡产生的激光相比树脂中的吸收率高，因此不需要上述导热时间，相应地能够以短时间且少的投入热量对贯通孔进行加工。因此，通过在激光加工装置100中使用CO₂激光，从而能够进行更高效且热影响少的切断加工。

接下来，对如上所述使用脉冲激光的本实施方式1所涉及的激光加工装置100中的激光加工方法和连续地射出激光的CW激光(Continuous Wave Laser)的激光加工方法的差异进行说明。图14是表示以与图5所示的输出波形的脉冲激光相同的加工速度，通过CW激光进行切断加工的情况下的CW激光的输出波形的图。加工速度为相同的速度是图5所示的输出波形的脉冲激光和图14所示的输出波形的CW激光的平均输出相同。

在这里，图14所示CW激光的输出低于图5所示的脉冲激光的输出。另一方面，如图14及图5所示，在通过CW激光进行切断加工的情况下，用于加工出1个在厚度方向将加工对象物W贯通的贯通孔所需的加工时间Twc，与在通过CW激光进行切断加工的情况下用于加工出1个在厚度方向将加工对象物W贯通的贯通孔所需的加工时间Tp相比大幅地变长。而且，加工时间Twc与在通过脉冲激光进行切断加工的情况下从加工1个贯通孔结束至第2个贯通孔的加工开始为止的时间1/f相同。即，对于用于加工出1个在厚度方向将加工对象物W贯通的贯通孔所需的时间而言，使用CW激光的加工情况下的时间比使用脉冲激光的加工更长。

在贯通孔的形成中途被照射激光的坑的底部处于加工对象物W被去除的部分的正下方，因此接近加工阈值，温度为大致熔点，与激光的输出无关，温度成为3500℃左右。在使用CW激光的情况下，在贯通孔的形成中途坑的底部存在的时间与加工时间Twc近似。在使用脉冲激光(w)的情况下，在贯通孔的形成中途坑的底部存在的时间与加工时间Tp近似。

而且，在使用脉冲激光(w)的情况下，与使用CW激光的情况相比，在贯通孔的形成中途坑的底部存在的时间短，相应地抑制从坑的底部向坑的周围的导热，能够减小向坑的周围的树脂Wb的热影响。

特别地，使用CW激光用于加工出1个贯通孔所需的加工时间Twc成为Twc＝1/f＝{d(1－ro)}/v。由此，加工时间Twc是扫描速度v越低速则变得越长，因此即使激光输出小，扫描速度v越低速则加工品质变得越差。

另一方面，在使用脉冲激光的本实施方式1所涉及的激光加工方法中，用于加工出1个贯通孔所需的加工时间Tp不依赖于扫描速度v，因此即使扫描速度v为低速，也会得到良好的切断品质。

接下来，对如上所述使用脉冲激光的本实施方式1所涉及的激光加工方法中的脉宽进行说明。如上所述，在本实施方式1所涉及的激光加工方法中，在贯通孔的形成中途坑的底部存在的时间与加工时间Tp近似。因此，本实施方式1所涉及的激光加工方法中的脉冲激光1的脉冲激光的脉宽优选越短越好。而且，如后面记述的具体的实施例所示，如果脉冲激光1的脉宽大于或等于1ms，则热影响层53变大。因此，脉冲激光1的脉宽优选小于1ms。

另一方面，如果脉冲激光1的峰值输出超过150Kw，则发生被称为空气击穿的大气等离子化的现象。等离子化的大气会吸收脉冲激光1，用于散射，因此切断品质恶化。如后面所述，为了在由厚度1mm的PAN(Polyacrylonitrile)类碳纤维含有率70％的CFRP构成的加工对象物通过脉冲激光1的1个脉冲形成贯通孔所需最低的脉冲能量为0.15J。如果计算脉宽，则成为0.15/150000＝1e^－6[s]＝1[μs]。因此，优选脉宽越短越好，但通过将脉冲激光1的脉宽的下限设为1μs，从而能够不使切断品质恶化而进行切断。

此外，已知通过将脉冲激光的脉宽设为比纳秒小的皮秒级，从而能够以高的加工品质切断纤维强化复合材料。但是，在该情况下，激光振荡器的输出低，为10W左右，因此加工时间变得非常长。

如上所述，在本实施方式1所涉及的激光加工方法中，减小重叠比率ro而小于0.5，因此沿加工对象物W的切断方向形成的多个加工孔41与相邻的加工孔41的边界部分的开口小。另外，直至加工孔41的形成中途的坑贯通为止，坑的底部堵塞。因此，直至加工孔41的形成中途的坑贯通为止，在脉冲激光1的光轴1a的轴向上，脉冲激光1的照射侧即加工头13侧朝上，没有在切断加工时产生的分解生成物30从坑吹出的出口。因此，分解生成物30从坑的内部朝向脉冲激光1的照射侧被猛烈吹起。

特别地，碳纤维的加工阈值如图4所示比玻璃纤维高，需要大的脉冲能量的脉冲激光进行加工，因此分解生成物30从坑的喷出非常猛烈。

另外，为了减少切断加工时的向加工对象物的热影响，近年使用产生高峰值功率的激光振荡器，在缩短脉宽而小于1ms的情况下，分解生成物从贯通孔的形成中途的坑猛烈地喷出。在发明人等的实验中，在使用产生高峰值功率的激光振荡器将脉宽缩短为小于1ms而进行加工对象物W的切断加工的情况下，得到分解生成物30从贯通孔的形成中途的坑的喷出速度达到100m/s的见解。峰值功率通过脉冲能量(J)＝脉宽(s)×峰值功率(W)进行定义。

另外，如根据上述的式(4)所知那样，为了减小切断加工时的向树脂Wb的热影响，优选贯通孔的形成中途的坑的底部52的坑径d1小。这在通过本实施方式1所涉及的加工对象物W的激光加工方法进行的切断中也是同样的，为了减小脉冲激光1的照射时的向树脂Wb的热影响，优选通过脉冲激光1形成的贯通孔的孔径小。另一方面，如果减小贯通孔的孔径，则贯通孔的形成中途的坑的坑径也变小，坑的高宽比变大，因此分解生成物30从坑的喷出速度变快。

而且，分解生成物30在脉冲激光1的光轴1a的轴向喷出。因此，如果在放置分解生成物30的状态下进行切断加工，则分解生成物30会吸收脉冲激光1，或分解生成物30使脉冲激光1散射，因此使加工品质及加工速度恶化。

因此，在激光加工装置100中，通过使用侧流喷嘴即喷嘴15，从而消除了上述的问题。图15及图16是图1所示的激光加工装置100的效果的说明图。图15与图2所示的激光加工装置100同样地，是表示使用从光轴1a之外朝向光轴1a喷射气体23的侧流喷嘴即喷嘴15的例子的图。图16是在板金的切断加工中通常使用的对比例，是表示使用从沿光轴1a的方向朝向加工点喷射气体23的轴流喷嘴61的例子的图。

在使用轴流喷嘴61的情况下，在气体23的轴流的行进方向的前端存在的坑的底堵塞，因此气体23的流速降低。另外，气体23的喷出方向和坑的深度方向一致，因此分解生成物30容易进入轴流喷嘴61内。轴流喷嘴61的前端的细部分以外是气体23的流路的截面积大，气体23的流速低，因此进入至轴流喷嘴61的分解生成物滞留于喷嘴内即光轴上，会吸收激光或使激光的聚光性恶化。

与此相对，在侧流喷嘴中，从光轴1a之外朝向加工点的光轴1a喷射气体23，因此分解生成物30的吹飞的方向成为与坑的深度方向不同的方向。侧流喷嘴相对于与光轴1a相同的方向即分解生成物30的喷出方向，具有正交的速度成分，因此能够将分解生成物30的喷出方向改变为光轴1a的轴向以外，能够有效地防止光轴1a上的分解生成物30的滞留，能够防止由滞留于光轴1a上的分解生成物30引起的加工对象物W的加工速度的降低。

另外，在与光轴1a正交的方向，没有遮挡气体23的流动的物体，因此气体23的流速不会降低，能够有效地将分解生成物30的喷出方向改变为光轴1a的轴向以外的方向。

其结果，激光加工装置100能够防止切断后的加工对象物W的机械强度特性的劣化，并且能够进行高效的加工对象物W的切断加工，能够以加工对象物W的高品质及高效地以短时间进行激光切断。

在本实施方式1所涉及的激光加工装置100中的加工对象物W的切断加工中，与通常的激光切断加工不同，着眼于分解生成物30的喷出方向与光轴1a一致，通孔的形成中途的坑即盲孔会妨碍气体23的流动，由此使用上述的侧流喷嘴。

关于气体23的种类，由于以分解生成物30的去除为目的，因此并不特别受到限定，能够使用氮气、氦气或氧气等气体。气体23的吹气压力优选大于或等于0.1MPa。在气体23的吹气压力小于或等于0.1MPa的情况下，分解生成物30的去除效果不足，有可能加工品质恶化。

另外，在脉冲激光1的聚光光束的光束轮廓为圆形的情况下，通过切断方向上的1个脉冲的脉冲激光1进行加工的加工孔的加工孔径d成为与激光切断加工的切口宽度C即激光切断加工的切断槽宽度相同。即，如果改称为加工孔径d和脉冲激光的聚光直径d，则聚光直径d成为与激光切断加工中的激光切断槽宽度相同，在上述的式(3)中，能够将加工孔径d改称为切口宽度C。即，在脉冲激光1为圆形光束的情况下，将切口宽度C视作脉冲激光1的聚光光束直径。在该情况下，通过控制聚光直径d，从而能够高精度地控制激光切断加工的切断槽宽度。

接下来，对使用激光加工装置100的具体的切断加工例进行说明。在加工对象物中使用厚度1mm的PAN类碳纤维含有率70％的CFRP，对用于通过1个脉冲进行贯通所需的脉冲能量进行了调整，其结果，至少需要0.15J这一大小的脉冲能量。

脉冲激光1使用CO₂激光。脉冲激光1的聚光直径，即通过1个脉冲的脉冲激光1进行加工的加工孔的加工孔径d为200μm。通过发明人的实验确认到如果脉冲激光1的脉宽超过1ms，则切断品质恶化。因此，脉冲激光1的脉宽优选小于1ms。

图17是表示在使用激光加工装置100的切断加工中得到加工对象物的良好的加工品质的切断加工条件例的图。图18是表示在使用激光加工装置100的切断加工中切断后的加工样品的图像的图。图18示出了针对厚度1mm的加工对象物，以加工速度6m/min，通过1次脉冲激光1的扫描进行切断加工后的样品。图19是表示将图18所示的加工样品的区域A放大的图像的图。

如图17所示，切断加工对板厚为1mm的加工样品和板厚为2mm的样品这2种加工样品进行了实施。其结果，关于板厚为1mm的加工样品，重叠比率ro为23％，热影响层的长度h成为0.1mm的小值。关于板厚为2mm的加工样品，重叠比率ro为29％，热影响层的长度h成为小于或等于0.15mm的小值。此外，在图17中，将重叠比率ro通过百分率进行显示。另外，可知在以加工速度0.2m/min的低速条件进行切断加工的情况下，通过降低脉冲激光1的频率，从而热影响层的长度h也成为小于或等于0.15mm的小值，能够进行良好的加工。

在设想使用3维机器人进行加工对象物的切断加工的情况下，在加减速时及切断路径的角部，需要低速的加工条件。CFRP已知即使减小激光输出，如果以低速进行加工，则热影响也会变得非常大。

与此相对，在上述的实验结果中示出了通过本实施方式1所涉及的激光加工方法，与加工速度相对应地改变脉冲频率而进行CFRP的切断加工，由此能够实现向CFRP的树脂的热影响少的高品质的加工。

本实施方式1所涉及的激光加工方法能够应用于多个强化纤维以单层沿单一方向混入的纤维强化复合材料、多个强化纤维在多个层中沿不同的方向混入的纤维强化复合材料、以及短的强化纤维随机地混入于单层或多层的纤维强化树脂等各种纤维强化复合材料的加工。在该情况下，也会得到本实施方式1所涉及的激光加工方法的效果。

另外，在本实施方式1中，将强化纤维设为碳，但强化纤维也可以是SiC或B等，另外，母材也可以是以聚酰胺树脂及聚碳酸酯树脂为代表的热塑型树脂。

另外，本实施方式1所涉及的激光加工方法通过应用于强化纤维复合材料的切断、挖坑及切边这样的加工，从而能够与机械加工及水射流加工相比以短时间高效地进行加工。

如上所述，根据本实施方式1所涉及的激光加工装置及激光加工方法，通过1个脉冲的脉冲激光1使加工对象物W在厚度方向贯通，因此能够防止由于在贯通孔的形成中途的坑的底部仍成为高温的状态所引起的热影响层53的产生。

另外，根据本实施方式1所涉及的激光加工装置及激光加工方法，一边从光轴1a外朝向加工点吹出气体23一边进行加工，因此能够在光轴1a之外将分解生成物30去除，能够防止由滞留于光轴1a上的分解生成物30引起的加工对象物W的加工速度的降低。

另外，根据本实施方式1所涉及的激光加工装置及激光加工方法，通过小于1ms的短脉宽的脉冲激光1进行加工，因此向要形成的贯通坑的周围的热影响小，能够进行高品质的强化纤维复合材料的切断加工。

因此，本根据实施方式1，具有能够抑制向纤维强化复合材料的树脂的热影响而对纤维强化复合材料进行激光加工，能够提高激光加工中的纤维强化复合材料的加工速度及加工品质这一效果。

实施方式2.

在上述的实施方式1中，示出了通过将脉冲激光1进行1次扫描而将切断长度L切断加工的例子，但也可以通过将脉冲激光1进行2次扫描而将切断长度L切断加工。图20是表示在图1所示的激光加工装置100中将脉冲激光1进行2次扫描而将切断长度L切断加工的激光加工方法的图，是表示第1次脉冲激光1的扫描状态的图。图21是表示在图1所示的激光加工装置100中将脉冲激光1进行2次扫描而将切断长度L切断加工的激光加工方法的图，是表示第2次脉冲激光1的扫描状态的图。

如图19所示，在第1次脉冲激光1的扫描中，对第奇数个加工孔41即加工孔41a进行加工。接下来，如图20所示，在第2次脉冲激光1的扫描中，对第偶数个加工孔41即加工孔41b进行加工而将切断长度L切断加工。

在本实施方式2的情况下，控制部18也对驱动部14进行控制，对加工头13和加工对象物W的相对位置关系进行控制而使其变化，以使得满足上述的式(3)的条件。另外，控制部18在第1次脉冲激光1的扫描时，进行形成加工孔41a的控制。另外，控制部18在第2次脉冲激光1的扫描时，进行形成加工孔41b的控制。

根据上述的实施方式2所涉及的激光加工方法，得到与上述的实施方式1的情况相同的效果，具有能够抑制向纤维强化复合材料的树脂的热影响而对纤维强化复合材料进行激光加工，使激光加工中的纤维强化复合材料的加工速度及加工品质提高的效果。

图22是表示用于实现图1所示的控制部18的功能的硬件结构的图。激光加工装置100的控制部18的功能如图22所示，是通过具有CPU(Central Processing Unit)201、存储器202、存储装置203、显示装置204及输入装置205的控制装置实现的。由控制部18执行的功能是通过软件、固件或者软件和固件的组合而实现的。软件或固件作为计算机程序被记述而储存于存储装置203。CPU 201通过将在存储装置203中存储的软件或固件读出至存储器202而执行，从而实现控制部18的功能。即，计算机系统具有存储装置203，该存储装置203用于对在控制部18的功能由CPU 201执行时，实施在实施方式1中说明的控制部18的动作的程序步最终得以执行的程序进行储存。另外，这些程序可以说是使计算机执行实现控制部18的功能的处理。存储器202相当于如RAM(Random Access Memory)这样的易失性的存储区域。存储装置203相当于如ROM(Read Only Memory)、闪存这样的非易失性或易失性的半导体存储器、磁盘。显示装置204的具体例为监视器、显示器。输入装置205的具体例为键盘、鼠标、触摸面板。

以上的实施方式所示的结构，表示本发明的内容的一个例子，也能够将实施方式的技术彼此组合，也能够与其他公知技术进行组合，在不脱离本发明的主旨的范围，也能够对结构的一部分进行省略、变更。

标号的说明

1脉冲激光，1a光轴，2聚光透镜，11激光振荡器，12光路，13加工头，14驱动部，15喷嘴，16喷嘴移动机构，17检测部，18控制部，21聚光透镜，22光学单元，23气体，28边角料，29加工品，30分解生成物，41、41a、41b加工孔，42加工区域，51坑，52底部，53热影响层，54贯通孔，61轴流喷嘴，100激光加工装置，201 CPU，202存储器，203存储装置，204显示装置，205输入装置，C切口宽度，d加工孔径，d1坑径，f频率，L切断长度，N脉冲数，ro重叠比率，Tp、Twc加工时间，v扫描速度，W加工对象物，Wa碳纤维，Wb树脂。

Claims (10)

1.一种激光加工方法，其对由包含母材和导热率及加工阈值高于玻璃纤维的物性值的纤维在内的纤维强化复合材料构成的加工对象物进行激光加工，

该加工方法的特征在于，

包含下述工序，即，一边使所述加工对象物和加工头在预先确定的切断方向上相对移动，一边从所述加工头将脉冲激光照射至所述加工对象物而形成将所述加工对象物贯通的多个贯通孔，由此对所述加工对象物进行加工，

所述脉冲激光的脉宽小于1ms，所述脉冲激光具有能够通过1个脉冲形成所述贯通孔的能量密度。

2.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，

在所述激光加工的期间，从所述脉冲激光的光轴之外朝向所述光轴喷射气体，

在将所述切断方向上的所述脉冲激光的聚光直径设为聚光直径d，将加工长度设为加工长度L，将向所述加工长度L的加工区域照射的所述脉冲激光的脉冲数设为脉冲数N时，在所述切断方向上相邻的2个所述贯通孔彼此在所述切断方向上重叠的长度相对于所述聚光直径d的比率即重叠比率ro满足下述式(1)，

0＜ro＝(d－L/N)/d＜0.5· · · (1)。

3.根据权利要求2所述的激光加工方法，其特征在于，

所述脉冲激光聚光为圆形而照射至所述加工对象物，

所述聚光直径d与通过所述脉冲激光形成的激光切断槽宽度相同。

4.根据权利要求2或3所述的激光加工方法，其特征在于，

所述重叠比率ro为0.2。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光加工方法，其特征在于，

使所述脉冲激光进行振荡的激光振荡器为CO₂激光器。

6.一种激光加工装置，其一边使由包含母材和导热率及加工阈值高于玻璃纤维的物性值的纤维在内的纤维强化复合材料构成的加工对象物、和加工头在预先确定的切断方向上相对移动，一边将脉冲激光照射至所述加工对象物而形成将所述加工对象物贯通的多个贯通孔，由此对所述加工对象物进行激光加工，

该激光加工装置的特征在于，具有：

加工头，其将所述脉冲激光照射至加工对象物；

驱动部，其使所述加工对象物和加工头中的至少一者移动；以及

控制部，其对所述脉冲激光向所述加工对象物的照射进行控制，

所述脉冲激光的脉宽小于1ms，所述脉冲激光具有能够通过1个脉冲形成所述贯通孔的能量密度。

7.根据权利要求6所述的激光加工装置，其特征在于，

具有喷嘴，该喷嘴从所述脉冲激光的光轴之外朝向所述光轴喷射气体，

所述控制部在将所述切断方向上的所述脉冲激光的聚光直径设为聚光直径d，将加工长度设为加工长度L，将向所述加工长度L的加工区域照射的所述脉冲激光的脉冲数设为脉冲数N时，以在所述切断方向上相邻的2个所述贯通孔彼此在所述切断方向上重叠的长度相对于所述聚光直径d的比率即重叠比率ro满足下述式(2)的方式，从所述加工头使脉冲激光照射至所述加工对象物，在所述激光加工的期间，从所述脉冲激光的光轴之外朝向所述光轴喷射气体，

0＜ro＝(d－L/N)/d＜0.5· · · (2)。

8.根据权利要求7所述的激光加工装置，其特征在于，

所述脉冲激光聚光为圆形而照射至所述加工对象物，

所述聚光直径d与通过所述脉冲激光形成的激光切断槽宽度相同。

9.根据权利要求7或8所述的激光加工装置，其特征在于，

所述重叠比率ro为0.2。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的激光加工装置，其特征在于，

具有使所述脉冲激光进行振荡的激光振荡器，

所述激光振荡器为CO₂激光器。

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