JP2007021518A - レーザ加工方法,レーザ加工装置,およびレーザ加工方法にて製造された構造部材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 構造材を被加工材とするレーザ加工方法において,被加工材の溶融,高温軟化,熱分解,又は昇華を抑制した熱応力起因の破砕現象を利用して加工することにより,レーザビームのエネルギー損失を抑制し高エネルギー効率で高速にレーザ加工を実施することができ,さらに,充分な加工精度とエネルギー効率を持ち,比較的小容量のレーザ装置で実施可能な加工を実現できる。
【選択図】 図1
Description
(1) 本発明のレーザ加工方法は,無機材料または有機材料からなる構造部材を被加工材とするレーザ加工方法において,被加工材にレーザビームを所定の加工部に照射して昇温し,該加工部で熱応力起因の破砕を発生させることを特徴とする。
(2) 本発明のレーザ加工方法は,(1)に記載の発明において,前記レーザビームの照射により,加工部の最高温度が,被加工材の融点,軟化温度,熱分解温度,又は昇華点以下となるようにレーザビームのパワー,操作速度,又は加工部上のレーザビームスポット寸法形状を制御することを特徴とする。
(3) 本発明のレーザ加工方法は,(1)又は(2)に記載の発明において,前記レーザビームはパルス光であって,冷却ガス又は冷却液を加工部に付与しながらレーザビームを照射することを特徴とする。
(4) 本発明のレーザ加工方法は,(1)〜(3)のうちの一つに記載の発明において,前記被加工材が耐火材,コンクリート,岩石の構造材であることを特徴とする。
(5) 本発明のレーザ加工方法は,(1)に記載の発明において,前記被加工材は耐火材,コンクリート,又は岩石の構造材で,前記レーザビームはパルス光又は連続光であって,レーザビーム照射により,加工部の最高温度が被加工材の融点,軟化温度,熱分解温度,又は昇華点以下で,且つ,融点,軟化温度,熱分解温度,又は昇華点と,加工部の最高温度との温度差が300℃以内となるようにレーザビームのパワー,操作速度,又は加工部上のレーザビーム寸法形状を制御することを特徴とする。
(6) (1)〜(5)のうちの一つに記載のレーザ加工方法により加工された構造部材である。
(7) 本発明のレーザ加工装置は,無機材料または有機材料からなる構造部材を被加工材とするレーザ加工装置において,レーザ光源と,該レーザ光源から出射したレーザビームを被加工材の所定の加工部に集光照射するためのレーザ集光光学系と,前記レーザビームを被加工材上で走査する為のスキャニング装置とを具備し,前記被加工材の所定の加工部にレーザビームを集光照射して昇温し,該加工部で熱応力起因の破砕を発生させることを特徴とする。
(8) 本発明のレーザ加工装置は,無機材料または有機材料からなる構造部材を被加工材とするレーザ加工装置において,レーザ光源と,該レーザ光源から出射したパルス光のレーザビームを被加工材の所定の加工部に集光照射するためのレーザ集光光学系と,該加工部に冷却ガス又は冷却液を付与する為の冷却ノズルと,前記加工部で発生する加工屑を排出する為の吸引ノズルと,前記レーザビームを被加工材上で走査する為のスキャニング装置とを具備し,前記被加工材の所定の加工部にレーザビームを集光照射して昇温し,該加工部で熱応力起因の破砕を発生させることを特徴とする。
(9) 本発明のレーザ加工装置は,(7)又は(8)に記載のレーザ加工装置であって,さらに,前記加工部の表面の二次元温度分布を検知する放射温度計を具備し,該放射温度計の温度測定データに基づいて前記被加工材の融点,軟化温度,熱分解,又は昇華点以下の温度で破砕加工できるようにしたことを特徴とする。
(10) 本発明のレーザ加工装置は,(7)又は(8)に記載のレーザ加工装置であって,さらに,前記加工部の表面の二次元温度分布を検知する放射温度計と,該放射温度計の温度測定データに基づいて前記レーザビームのパワーを制御する最高温度制御部とを具備し,前記被加工材の融点,軟化温度,熱分解,又は昇華点以下の温度で破砕加工できるようにしたことを特徴とする。
<第一の実施の形態>
図1は,本発明におけるレーザ加工方法の実施の形態の一例を示す概略図である。図1は,レーザ加工線に沿って被加工材3の断面を図示したものである。加工点7近傍には,加熱用のレーザビーム1,ガス又は液体を噴射する噴射ノズル4,粉体を吸引する為の吸引ノズル6が設置されている。レーザビーム1を集光光学系である集光レンズ2により被加工物3に集光・照射し,被加工物3表面を昇温させて被加工物3表面近傍を部分的に膨張させ,発生させた熱応力により破砕する。破砕された被加工材破砕物5は自然落下するが,噴射ノズル4から噴射した粉体除去用の窒素ガス等のアシストガス,又は水等の液体で加工部より除去するとさらに加工性が改善する。また,被加工材破砕物5の一部又は全部を吸引ノズル6にて除去しても良い。上記は,加工部表層を加熱し,膨張させることにより発生させた熱応力で破砕する手法であるが,レーザビーム1により加熱を受けた被加工部を冷却して部分的に収縮させ,冷却の際に発生する熱応力によって被加工材5を破砕することもできる。その場合には,冷却用ガス,又は冷却用液体を噴出ノズル4より加工点7付近に噴射することにより破砕を行っても良い。
▽2θ−(1/κ)(dθ/dt)=− P/ρ・C (1)
但し,κは被加工材の熱拡散定数,ρは密度,Cは熱容量である。
σ=α・Δθ・E (2)
但し,αは被加工材の線膨張率,Δθは温度勾配 ,Eヤング率である。
また,冷却媒体を用いて被加工物表面を急冷することによっても負の温度勾配Δθを作り出すことが可能であり,被加工材を熱変形等から守ることにも工業的には大きな効果がある。この為,レーザビームをパルス化し,パルス間に冷却ガス,又は冷却液をノズルより付与しこの効果を発揮させることができる。この際,微少領域を繰り返し破砕すれば,加工形状精度向上も容易となる。
本発明のレーザ加工方法および加工装置においては,レーザビームによる加熱時に加工部の最高温度が,被加工材の融点,軟化温度,熱分解温度,又は昇華点以下とすることを特徴としている。本実施の形態では図7に示したように,加工点7の温度を必要以上に上げないために加工点7近傍の二次元温度分布を放射温度計21を用いて測定し,レーザ加工時に被加工材3が融解,熱軟化,熱分解,又は昇華しないように加工点7の温度をモニタリングできるようにして,温度が高くなり過ぎたときにはレーザビーム1のパワーを下げて加工できるようにした。
なお,レーザビームを被加工物粉が遮ると加工の昇温過程に阻害が出る為,吸引ノズルを用い被加工物粉を除去を促進させることが有効である。
本加工に用いるレーザビームとしては,焦点深度が大きく取れるビーム発散パラメータM2の小さいレーザ装置の方が,厚物加工時にレンズからの位置が変化する際にもレーザエネルギーの密度変化が小さいため望ましい。このような,レーザとしては現状,ファイバレーザ,DISKレーザ等があげられる。
2…集光レンズ
3…被加工物
4…噴射ノズル
5…破砕された被加工物
6…吸引ノズル
7…加工点
8…ビームスキャン装置
9…必要揺動量
10…レーザ発振器,冷却装置,コンプレッサ,電源
11…光ファイバ
12…高所作業車
13…被加工物
14…レーザ加工用ヘッド
15…トラック又は貨車
21…放射温度計
22…最高温度制御用パーソナルコンピュータ
23…レーザ発振器本体
Claims (10)
- 無機材料または有機材料からなる構造部材を被加工材とするレーザ加工方法において,
レーザビームを被加工材の所定の加工部に照射して昇温し,該加工部で熱応力起因の破砕を発生させること特徴とする,レーザ加工方法。 - 前記レーザビームの照射により,加工部の最高温度が被加工材の融点,軟化温度,熱分解温度,又は昇華点以下となるように,レーザビームのパワー,操作速度,又は加工部上のレーザビームスポット寸法形状を制御することを特徴とする,請求項1に記載のレーザ加工方法。
- 前記レーザビームがパルス光であって,冷却ガス又は冷却液を加工部に付与しながらレーザビームを照射することを特徴とする,請求項1又は請求項2に記載のレーザ加工方法。
- 前記被加工材が耐火材,コンクリート,岩石の構造材であることを特徴とする,請求項1〜請求項3のうちの一項に記載のレーザ加工方法。
- 前記被加工材は耐火材,コンクリート,又は岩石の構造材で,前記レーザビームはパルス光又は連続光であって,
レーザビーム照射により,加工部の最高温度が被加工材の融点,軟化温度,熱分解温度,又は昇華点以下で,且つ,融点,軟化温度,熱分解温度,又は昇華点と,加工部の最高温度との温度差が300℃以内となるようにレーザビームのパワー,操作速度,又は加工部上のレーザビーム寸法形状を制御することを特徴とする,請求項1に記載のレーザ加工方法。 - 請求項1〜請求項5のうちの一項に記載のレーザ加工方法により加工された,構造部材。
- 無機材料または有機材料からなる構造部材を被加工材とするレーザ加工装置において,
レーザ光源と,該レーザ光源から出射したレーザビームを被加工材の所定の加工部に集光照射するためのレーザ集光光学系と,前記レーザビームを被加工材上で走査する為のスキャニング装置とを具備し,
前記被加工材の所定の加工部にレーザビームを集光照射して昇温し,該加工部で熱応力起因の破砕を発生させることを特徴とする,レーザ加工装置。 - 無機材料または有機材料からなる構造部材を被加工材とするレーザ加工装置において,
レーザ光源と,該レーザ光源から出射したパルス光のレーザビームを被加工材の所定の加工部に集光照射するためのレーザ集光光学系と,該加工部に冷却ガス又は冷却液を付与する為の冷却ノズルと,前記加工部で発生する加工屑を排出する為の吸引ノズルと,前記レーザビームを被加工材上で走査する為のスキャニング装置とを具備し,
前記被加工材の所定の加工部にレーザビームを集光照射して昇温し,該加工部で熱応力起因の破砕を発生させることを特徴とする,レーザ加工装置。 - 請求項7又は請求項8に記載のレーザ加工装置であって,
さらに,前記加工部の表面の二次元温度分布を検知する放射温度計を具備し,
該放射温度計の温度測定データに基づいて前記被加工材の融点,軟化温度,熱分解温度,又は昇華点以下の温度で破砕加工できるようにしたことを特徴とする,レーザ加工装置。 - 請求項7又は請求項8に記載のレーザ加工装置であって,
さらに,前記加工部の表面の二次元温度分布を検知する放射温度計と,
該放射温度計の温度測定データに基づいて前記レーザビームのパワーを制御する最高温度制御部とを具備し,
前記被加工材の融点,軟化温度,熱分解温度,又は昇華点以下の温度で破砕加工できるようにしたことを特徴とする,レーザ加工装置。
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