JP2008055477A - 微細穴開け加工方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ワーク23にナノ秒レーザ光11を照射して下穴を開ける下穴加工工程と、下穴の内壁にピコ秒レーザ光17を照射して内壁を平滑に仕上げる仕上げ加工工程と、を有する。ナノ秒レーザ光11では、超短パルスレーザ光に比べてパルス幅が大きく、1パルス当たりのエネルギー、即ち、パルスエネルギーが大きいために、微細な深穴を高速で開けることが可能になる。ピコ秒レーザ光17では、ナノ秒レーザ光11に比べてパルス幅が小さくパルス繰返し周期毎の照射時間が短いため、ピコ秒レーザ光17の照射部分に近い部分の温度が上昇しにくく、熱影響部が生じにくいから、下穴内壁の仕上げ精度が向上し、下穴内壁がより平滑になる。
【選択図】図1
Description
図4は従来の微細加工方法を実施するレーザー加工装置を示すブロック図であり、レーザー加工装置100は、パルスレーザ光(ナノ秒レーザ光)101を出力するYAGレーザ102と、フェムト秒レーザ光103を出力するチタンサファイヤレーザ104とを備える。
作用として、部材に予めナノ秒レーザ光を照射して下穴を開け、次に、下穴の内壁にピコ秒レーザ光を照射して下穴の内壁を仕上げる。
作用として、ナノ秒レーザ光で光軸を回転させて穴開け加工を行うと、集光する位置は、少し偏心している場合があるので、回転させると、偏心分だけ下穴の内径が大きくなるが、光軸を回転させなければ、照射範囲を小さくでき、加工径を小さくすることが可能になる。
作用として、ピコ秒レーザ光を下穴の内径よりも小さく集光させ、下穴の内壁に照射して内壁を溶融、そして蒸発させる蒸発除去加工で徐々に除去すれば、下穴内壁の仕上げ精度が向上する。更に、ピコ秒レーザ光では熱影響部が生じにくいことからも、下穴内壁の仕上げ精度がより一層向上し、下穴内壁がより平滑になる。
作用として、ピコ秒レーザ光が下穴内壁の各部に均等に照射され、内壁の仕上げ精度がより向上する。また、ピコ秒レーザ光が下穴に局部的に照射されることがないため、熱影響部がより一層生じにくい。
作用として、発生した蒸気が蒸気除去装置で吸引又は圧送されるため、蒸気によってナノ秒レーザ光又はピコ秒レーザ光が遮られることがない。
作用として、レーザ発振器のピーク出力が300kW未満では、例えば、部材を金属とした場合には、金属蒸発が発生しにくくなり、蒸発除去加工に多くの時間を要する。
レーザ発振器のピーク出力が1MWを超えると、下穴の内壁に熱影響部が生じやすくなる。
作用として、ピコ秒レーザ光のパルス繰返し周期のうちの非照射時間が、パルス繰返し周期のうちのパルス幅の500倍未満であると、部材への入熱量が大きくなり、下穴内壁で熱影響部が生じやすくなる。
図1は本発明に係るレーザ加工装置の説明図であり、レーザ加工装置10は、ナノ秒レーザ光11を発振するナノ秒レーザ発振器12と、ピコ秒レーザ光13を発振する超短パルスレーザ発振器14と、この超短パルスレーザ発振器14から発振されたピコ秒レーザ光13を増幅する増幅器16と、この増幅器16から出力されたピコ秒レーザ光17を反射させるミラー18と、ピコ秒レーザ光17を透過させるとともにナノ秒レーザ発振器12で発振されたナノ秒レーザ光11を反射させるミラー21と、これらのナノ秒レーザ光11又はピコ秒レーザ光17の集光位置を変化させるビームローテータ22と、ナノ秒レーザ光11又はピコ秒レーザ光17をワーク23(例えば、鋼材)に集光させる集光レンズ24と、ワーク23を載せるテーブル26と、ワーク23にナノ秒レーザ光11又はピコ秒レーザ光17を照射したときにワーク23から発生する蒸気を吸引する吸引装置27と、ナノ秒レーザ発振器12、超短パルスレーザ発振器14、ビームローテータ22の作動及びテーブル26の水平移動を制御する制御装置28とからなる。なお、31は吸引装置27に備える吸引ダクトである。
ナノ秒レーザ発振器12は、レーザ媒質(即ち、発光物質)としてYAG等を用いたものである。
図2(a)〜(e)は本発明に係るレーザ加工装置による下穴加工工程を示す作用図である。
(a)において、ワーク23の上面23aに集光レンズの焦点が一致するように調整してワーク23の上面23aにナノ秒レーザ光11を照射する。なお、D0は焦点におけるナノ秒レーザ光11の集光径(即ち、スポット径)であり、例えば、集光径D0=約100μmである。
これにより、ワーク23の上面23aは融点に達して溶融し始める。23bは溶融部である。
溶融部23dの中央部は、周囲よりも温度が高いために、沸点に達して蒸気23eが盛んに発生するため、蒸気23eの圧力で外側に押し退けられる。この蒸気23eがナノ秒レーザ光11を遮ると、ワーク23の穴開けに支障をきたすので、吸引装置の吸引ダクト31から吸引する。
以降は、(b)及び(c)と同様な照射と非照射とを繰り返す。
ここで、下穴23Lの内径(即ち、凝固部23kの内径)をD1、凝固部23kの外径をD2、熱影響部23mの外径をD3、下穴23Lの穴深さ(ここでは、ワーク23の厚さに一致する。)をdeとする。下穴23Lの穴深さdeは、例えば、小さくとも1mmである。
上記した凝固部23kの層厚さ(D2−D1)/2は、下穴23Lの内径D1の10〜40%である。
ナノ秒レーザ発振器の出力はゼロからピーク出力P1までパルス状に変化する。図中のT1はパルス幅、即ちナノ秒レーザ光の照射時間(即ち、パルス幅T1は10−9秒のオーダーである。)、T2はナノ秒レーザ光の非照射時間、T0はパルス繰返し周期である。このパルス繰返し周期T0から求められるパルス繰返し周波数(発振周波数)は、例えば、1kHz〜50kHzである。
図3(a)〜(d)は本発明に係るレーザ加工装置による下穴の仕上げ加工工程を示す作用図である。
(a)において、前工程である下穴加工工程では、下穴23Lの表層に精度を低下させる凝固部23kが残っているので、この凝固部23k(あるいは凝固部23kとこの周囲の熱影響部23m)をピコ秒レーザ光17で除去する。本実施形態では下穴23Lに出来ている凝固部23kを厚さを有する内壁とし、この内壁にピコ秒レーザ光17を照射して除去し、内面の精度が高い平滑な穴を形成する。
これにより、ワーク23の凝固部23kは渦巻き状に除去される。
凝固部23kと熱影響部23mとの両方をピコ秒レーザ17で蒸発除去加工した場合には、熱影響部23mに隣接していた母材には熱影響部が生じにくい。
超短パルスレーザ発振器の出力はゼロからピーク出力P2までパルス状に変化する。図中のT4はパルス幅、即ちピコ秒レーザ光の照射時間(即ち、パルス幅T4は10−12秒のオーダーである。)、T5はピコ秒レーザ光の非照射時間、T3はパルス繰返し周期である。
パルス繰返し周期T3から求められるパルス繰返し周波数(発振周波数)は、例えば、100kHz〜1.1MHzである。
ピコ秒レーザ光17を下穴23Lの内径D1よりも小さく集光させ、下穴23Lの内壁に照射して内壁を溶融、そして蒸発させる蒸発除去加工で小さな範囲を徐々に除去すれば、下穴23Lの内壁の仕上げ精度を向上させることができる。
更に、ピコ秒レーザ光17による熱影響部が生じにくいことからも、下穴23Lの内壁の仕上げ精度がより一層向上し、下穴23Lの内壁をより平滑にすることができる。
これにより、ピコ秒レーザ光17を下穴23Lの内壁の各部により均等に照射することができ、下穴23Lの内壁をより平滑に仕上げることができる。また、ピコ秒レーザ光17が下穴23Lの内壁に局部的に照射されることがないため、熱影響部をより一層生じにくくすることができる。
これにより、蒸気によってナノ秒レーザ光11又はピコ秒レーザ光17が遮られることがなく、良好に仕上げ加工することができる。
超短パルスレーザ発振器14の出力が300kW未満では、例えば、ワーク23を金属とした場合には、金属蒸発が発生しにくくなり、蒸発除去加工に多くの時間を要する。
超短パルスレーザ発振器14の出力が1MWを超えると、下穴23Lの内壁に熱影響部が生じやすくなる。
Claims (8)
- 部材にナノ秒レーザ光を照射して下穴を開ける下穴加工工程と、
前記下穴の内壁にピコ秒レーザ光を照射して前記内壁を平滑に仕上げる仕上げ加工工程と、を有することを特徴とする微細穴開け加工方法。 - 前記下穴加工工程では、前記ナノ秒レーザ光を、その光軸を回転させずに照射し、前記部材を蒸発除去加工することを特徴とする請求項1記載の微細穴開け加工方法。
- 前記下穴加工工程の蒸発除去加工に際して、一旦溶融した後に凝固して前記下穴に形成される凝固部の層厚さが前記下穴の内径に対して10%〜40%であることを特徴とする請求項2記載の微細穴開け加工方法。
- 前記ピコ秒レーザ光を前記下穴の内径よりも小さく集光させ、前記下穴の内壁を蒸発除去加工することを特徴とする請求項1記載の微細穴開け加工方法。
- 前記仕上げ加工工程では、前記ピコ秒レーザ光を前記部材と相対的に旋回させながら照射することを特徴とする請求項1又は請求項4記載の微細穴開け加工方法。
- 前記下穴加工工程、あるいは前記仕上げ加工工程の少なくとも一方の工程では、前記ナノ秒レーザ光又は前記ピコ秒レーザ光を前記内壁に照射したときに内壁が溶融し蒸発して発生する蒸気を蒸気除去装置で吸引又は圧送することを特徴とする請求項4又は請求項5記載の微細穴開け加工方法。
- 前記ピコ秒レーザ光を発振するレーザ発振器のピーク出力は、300kW〜1MWであることを特徴とする請求項4、請求項5又は請求項6記載の微細穴開け加工方法。
- 前記ピコ秒レーザ光のパルス繰返し周期のうちの非照射時間は、前記パルス繰返し周期のうちのパルス幅の500倍以上であることを特徴とする請求項4〜請求項7のいずれか1項記載の微細穴開け加工方法。
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