JP2009012061A - Laser-beam working machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被加工物の表面にレーザ光を照射して同表面の性状を変化させるレーザ加工機に関する。 The present invention relates to a laser processing machine that irradiates a surface of a workpiece with laser light to change the properties of the surface.
従来から、金属材料からなる被加工物の表面にパルス状のレーザ光を照射して、同表面の性状を変化させて残留応力の状態を改善する所謂レーザピーニングが行われている。レーザピーニングは、被加工物の表面にパルス状のレーザ光を照射することにより同表面の疲労強度、耐摩耗性および耐応力腐食特性を向上させる加工技術である。具体的には、被加工物の表面を構成する結晶を微細化、または同表面を塑性変形させることにより引張残留応力層を圧縮残留応力層に改質、または同表面に硬化層を形成させて同表面の疲労強度、耐摩耗性および耐応力腐食特性を向上させている。 Conventionally, so-called laser peening has been performed in which the surface of a workpiece made of a metal material is irradiated with pulsed laser light to change the property of the surface to improve the state of residual stress. Laser peening is a processing technique that improves the fatigue strength, wear resistance, and stress corrosion resistance of the surface of the workpiece by irradiating the surface of the workpiece with pulsed laser light. Specifically, the tensile residual stress layer is modified into a compressive residual stress layer by making the crystal constituting the surface of the workpiece finer, or plastically deforming the surface, or forming a hardened layer on the surface. The surface has improved fatigue strength, wear resistance and stress corrosion resistance.
近年、極めて短いパルス幅で1パルス当りのピーク出力が高いレーザ光を用いたレーザピーニングが提案されている。例えば、下記特許文献1には、大気圧下または真空下において被加工物の表面にps(ピコ秒:10−12sec)のパルス幅を持つレーザ光を照射してレーザピーニングする方法が開示されている。また、特許文献2には、大気中において被加工物の表面に水平に近い角度からfs(フェムト秒:10−15sec)のパルス幅を持つkW級出力のレーザ光を照射してレーザピーニングする方法が開示されている。
しかしながら、上記特許文献1に示されたレーザピーニング、すなわち、ps(ピコ秒:10−12sec)のパルス幅のレーザ光を用いたレーザピーニングにおいては、被加工物の表面の塑性変形量の増大、および同表面の溶融により表面粗さの精度が悪化するという問題がある。ここで、厚さの薄い被加工物とは、概ね数mm以下の厚さの被加工物である。本発明者らによれば、単にレーザ光の出力レベルを低下させるのみでは、厚さの薄い被加工物の表面粗さを維持した状態でレーザピーニングを行うことは困難であった。 However, in the laser peening disclosed in Patent Document 1, that is, laser peening using a laser beam having a pulse width of ps (picoseconds: 10 −12 sec), the amount of plastic deformation of the surface of the workpiece is increased. In addition, there is a problem that the accuracy of the surface roughness deteriorates due to melting of the surface. Here, the thin workpiece is a workpiece having a thickness of approximately several mm or less. According to the present inventors, it has been difficult to perform laser peening while maintaining the surface roughness of a thin workpiece by simply reducing the output level of laser light.
また、上記特許文献2に示されたレーザピーニング、すなわち、fs(フェムト秒:10−15sec)のパルス幅を持つkW級出力のレーザ光を用いたレーザピーニングにおいては、被加工物の表面に形成された圧縮残留応力層を積極的に除去しているため、レーザピーニング後の被加工物の仕上がり寸法が変化する。このため、レーザピーニングを行うに際しては、被加工物の寸法変化を考慮して前加工を行う必要があり作業が煩雑であるという問題がある。また、高出力のレーザ光源を用いたレーザピーニング加工機は、装置構成が大型となるためレーザピーニング加工機の導入の妨げともなっていた。 Further, in the laser peening shown in Patent Document 2, that is, laser peening using a laser beam of kW class output having a pulse width of fs (femtosecond: 10 −15 sec), the surface of the workpiece is Since the formed compressive residual stress layer is positively removed, the finished dimension of the workpiece after laser peening changes. For this reason, when performing laser peening, it is necessary to perform pre-processing in consideration of a dimensional change of the workpiece, and there is a problem that the work is complicated. Further, a laser peening machine using a high-power laser light source has become a hindrance to the introduction of the laser peening machine because of the large apparatus configuration.
そこで、本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、レーザピーニングによる被加工物の表面の除去量を抑えつつ、厚さの薄い被加工物の表面粗さを良好に維持した状態で同表面の性状を変化させて圧縮残留応力層を形成することができる方法を見出し本発明に至ったものである。 Therefore, as a result of intensive research, the present inventors have suppressed the removal amount of the surface of the workpiece by laser peening and maintained the surface roughness of the thin workpiece satisfactorily in the same state. The present inventors have found a method capable of forming a compressive residual stress layer by changing the properties of the present invention and have reached the present invention.
本発明は上記問題に対処するためなされたもので、その目的は、レーザピーニングによる被加工物の表面の除去量を抑えつつ、厚さの薄い被加工物に対しても表面粗さの精度を維持した状態で同被加工物の表面に圧縮残留応力層を形成することができるレーザ加工機を提供することにある。 The present invention has been made to address the above problems, and its purpose is to reduce the amount of surface removal of a workpiece by laser peening and to improve surface roughness accuracy even for thin workpieces. An object of the present invention is to provide a laser processing machine capable of forming a compressive residual stress layer on the surface of the workpiece while maintaining the same.
上記目的を達成するため、本発明の特徴は、被加工物の表面にレーザ光を照射して同表面の性状を変化させるレーザ加工装置において、可視領域以上かつ近赤外線領域以下の波長のレーザ光をfs(フェムト秒:10−15sec)のパルス幅で出射するレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を被加工物の表面に向けて集光する集光光学系と、被加工物の表面におけるレーザ光が集光される部分に接した状態で配置され、同レーザ光が透過可能な透明物体と、被加工物の表面におけるレーザ光の集光密度を所定の密度としつつ、集光光学系によって集光されるレーザ光を、被加工物に対して相対的に変位させる変位手段とを備えたことにある。 In order to achieve the above object, a feature of the present invention is that in a laser processing apparatus that irradiates a surface of a workpiece with laser light to change the properties of the surface, laser light having a wavelength of not less than the visible region and not more than the near infrared region. A laser light source that emits light with a pulse width of fs (femtosecond: 10 −15 sec), a condensing optical system that condenses the laser light emitted from the laser light source toward the surface of the workpiece, and the workpiece A transparent object that is disposed in contact with a portion where the laser beam is collected on the surface of the laser beam, and a transparent object that can transmit the laser beam, and a collection density of the laser beam on the surface of the workpiece are set to a predetermined density. Displacement means for displacing the laser beam condensed by the optical optical system relative to the workpiece is provided.
この場合、前記レーザ光源は、例えば、パルス幅が数fs以上かつ数百fs以下、1パルス当りのピーク出力が数百MW以上かつ数百GW以下のレーザ光を出射し、変位手段は、被加工物の表面に集光されるレーザ光の集光密度を数百GW/cm2以上かつ数百TW/cm2とするとよい。また、前記集光光学系は、被加工物の表面に対して略垂直方向からレーザ光を集光するとよい。また、前記透明物体は、例えば、ガラスとすることができる。この場合、前記ガラスに代えて、例えば、前記レーザ加工装置において、さらに、被加工物の表面おけるレーザ光が集光される部分に液体を存在させるための加工液供給手段を備え、透明物体は、加工液供給手段により供給される液体にしてもよい。この場合、透明液体を、例えば、水にするとよい。 In this case, for example, the laser light source emits a laser beam having a pulse width of several fs or more and several hundred fs or less, and a peak output per pulse of several hundred MW or more and several hundreds GW or less. The density of the laser beam focused on the surface of the workpiece may be several hundred GW / cm 2 or more and several hundred TW / cm 2 . The condensing optical system may condense laser light from a direction substantially perpendicular to the surface of the workpiece. Further, the transparent object may be glass, for example. In this case, instead of the glass, for example, the laser processing apparatus further includes a processing liquid supply means for causing a liquid to exist in a portion where the laser beam on the surface of the workpiece is condensed, The liquid supplied by the processing liquid supply means may be used. In this case, the transparent liquid may be water, for example.
このように構成した本発明の特徴によれば、パルス幅がfs(フェムト秒)のレーザ光を所定の集光密度で透明液物体を介して被加工物の表面に照射している。このため、被加工物の表面におけるレーザ光が照射された部分には、極めて高い圧力のプラズマが極めて短時間に断続的に生じる。これにより、被加工物の表面には、従来技術に比べて塑性変形量の小さな加工痕が無数に形成されて厚さが数μm〜数十μmの圧縮残留応力層が形成される。この結果、数mm以下の薄い厚さの被加工物に対しても表面粗さの精度を維持した状態で圧縮残留応力層を形成することができる。 According to the feature of the present invention configured as described above, the surface of the workpiece is irradiated with a laser beam having a pulse width of fs (femtosecond) through the transparent liquid object at a predetermined concentration. For this reason, extremely high pressure plasma is intermittently generated in a very short time in the portion irradiated with the laser beam on the surface of the workpiece. As a result, innumerable processing traces having a small amount of plastic deformation as compared with the prior art are formed on the surface of the workpiece, and a compressive residual stress layer having a thickness of several μm to several tens of μm is formed. As a result, the compressive residual stress layer can be formed in a state in which the accuracy of the surface roughness is maintained even for a workpiece having a thin thickness of several mm or less.
以下、本発明に係るレーザ加工機について図面を参照しながら説明する。図1は、本発明に係るレーザ加工機の構成を模式的に示す構成概略図である。なお、図1は、本発明に係るレーザ加工機の構成を模式的に示したものであり、本発明の理解を容易にするため各構成要素または各構成要素相互の関係を適宜誇張して示している。このレーザ加工機は、被加工物WKの表面にパルス状のレーザ光を照射することにより圧縮残留応力層を形成して同表面の疲労強度、耐摩耗性および耐応力腐食特性を向上させる装置である。 Hereinafter, a laser beam machine according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram schematically showing the configuration of a laser beam machine according to the present invention. FIG. 1 schematically shows the configuration of the laser processing machine according to the present invention, and in order to facilitate understanding of the present invention, each component or the relationship between components is exaggerated as appropriate. ing. This laser processing machine is an apparatus that improves the fatigue strength, wear resistance, and stress corrosion resistance of the surface by forming a compressive residual stress layer by irradiating the surface of the workpiece WK with a pulsed laser beam. is there.
レーザ加工機は、加工槽11を備えている。加工槽11は、被加工物WKを加工する際の加工液Wを貯留するための容器であり、上面が開放された箱状に形成されている。加工槽11における一方の側面(図示左側側面)の下部には、給排水管12を介して給排水ポンプ13が接続されている。給排水ポンプ13は、後述するコントローラ20に制御されて、図示しない加工液タンクから加工槽11内に加工液Wを供給するとともに、同加工槽11内から加工液タンクに加工液Wを排水するための電動ポンプであり、図示しない電源に接続されている。加工槽11に給排水される加工液Wは、水からイオン成分を取り除いた所謂イオン交換水であり、無色透明である。すなわち、加工槽11は本発明に係る加工液供給手段に相当し、加工液Wは本発明に係る透明物体に相当する。
The laser processing machine includes a
加工槽11の底部には、被加工物WKを支持するための支持テーブル14が設けられている。支持テーブル14は、加工槽11の底部に直立した状態で設けられている4つの脚部14a上に平板状の上板14bが水平状態で支持されて構成されている。これらのうち、上板11bは、被加工物WKを固定するためのテーブルである。加工槽11の上方には、多関節アーム15に支持された状態でレーザ光出射ノズル16が設けられている。多関節アーム15は、アームの先端部に保持するレーザ光出射ノズル16を三次元的に変位させることができる変位機構で構成された所謂垂直多関節ロボットである。この多関節アーム15の変位機構は、後述する多関節アーム制御回路23によって作動が制御される。すなわち、この多関節アーム15および多関節アーム制御回路23は、本発明に係る変位手段に相当する。
A support table 14 for supporting the workpiece WK is provided at the bottom of the
レーザ光出射ノズル16は、レーザ光源17から出射されパルスコンプレッサ18および光伝送ケーブル19を介して導かれるレーザ光を支持テーブル14上に載置された被加工物WKの表面上に所定の集光密度で集光させることが可能な集光レンズ(図示せず)を備えた光学部品である。本実施形態においては、2.5TW/cm2の集光密度で被加工物WKの表面にレーザ光を集光させることが可能な対物レンズを用いている。すなわち、このレーザ光出射ノズル16が、本発明に係る集光光学系に相当する。レーザ光源17は、800nmの近赤外線領域の波長(λ)のレーザ光をfs(フェムト秒:10−15sec)のパルス幅かつ1パルス当りのピーク出力が数百MW〜数百GWの範囲で出射するレーザ媒質(例えば、チタンサファイア結晶)で構成された光学部品である。このレーザ光源17は、後述するレーザ駆動回路22によって作動が制御される。なお、本実施形態においては、平均出力が1Wのレーザ光源17を用いている。
The laser
パルスコンプレッサ18は、レーザ光源17から出射されたレーザ光の分散によるパルス幅の伸長を補償するための分散補償装置である。具体的には、レーザ光源17から出射されたレーザ光が主として加工液W内を透過する際に分散してパルス幅が伸びることを防止するために、予めレーザ光のパルス幅をより短くして補償するものである。光伝送ケーブル19は、レーザ光源17から出射されたレーザ光をレーザ光出射ノズル16に導くためのケーブルであり、fs(フェムト秒)のパルス幅のレーザ光を伝送してもパルス幅が増大しない光ファイバによって構成されている。具体的には、中空状の石英ガラスチューブの内側に金属膜および誘電体膜がそれぞれ形成されるとともに空気をコアとして形成されている。
The
レーザ加工機は、コントローラ20を備えている。コントローラ20は、CPU、ROM、RAMなどからなり、入力装置21からの指示に応じて、レーザ駆動回路22および多関節アーム制御回路23の作動をそれぞれ制御する。入力装置21は、複数の押しボタンスイッチからなり、作業者からの入力操作を受け付けて同入力操作に対応する信号をコントローラ20に出力する。レーザ駆動回路22は、コントローラ20からの指示に応じて、レーザ光源17の作動を制御する。多関節アーム制御回路23は、コントローラ20からの指示に応じて、多関節アーム15に内蔵される変位機構の作動を制御する回路である。また、コントローラ20には、表示装置24が接続されている。表示装置24は、液晶ディスプレイで構成されており、コントローラ20の作動状態およびコントローラ20による処理結果などの情報を表示する。
The laser processing machine includes a
次に、上記のように構成したレーザ加工機の作動について説明する。本実施形態においては、アルミニウム材を厚さ1mmの平板状に形成したものを被加工物WKとする。まず、作業者は、被加工物WKを支持テーブル14上にセットする。具体的には、作業者は、加工液Wが導入されていない加工槽11内の支持テーブル14上に被加工物WKを載置して所定の固定具により固定する。この場合、作業者は、被加工物WKにおける加工面を上方に向けた状態で支持テーブル14上にセットする。そして、作業者は、レーザ加工機における図示しない電源スイッチを投入する。これにより、コントローラ20は、作業者からの指令の入力を待つ待機状態となる。
Next, the operation of the laser beam machine configured as described above will be described. In the present embodiment, a workpiece WK is formed by forming an aluminum material into a flat plate shape having a thickness of 1 mm. First, the operator sets the workpiece WK on the support table 14. Specifically, the operator places the workpiece WK on the support table 14 in the
次に、作業者は、入力装置21を操作してコントローラ20に対して加工槽11内への加工液Wの導入を指示する。この指示に応答して、コントローラ20は、給排水ポンプ13を作動させて図示しない加工液タンクから加工液Wを吸水して加工槽11内に導入する。この場合、コントローラ20は、加工槽11内の被加工物WKが完全に浸漬される程度に加工液Wを導入する。次に、作業者は、入力装置21を操作してコントローラ20に対して被加工物WKへの加工の開始を指示する。具体的には、作業者は、被加工物WKにおける加工開始位置、加工範囲および加工条件などの情報を入力装置21を操作してコントローラ20に入力する。ここで、加工条件とは、被加工物WKに照射するレーザ光のパルス幅、ピーク出力、集光点での集光密度、繰り返し周波数、およびカバレージである。本実施形態においては、パルス幅を50fs(フェムト秒)、1パルス当りのピーク出力を6GW、集光密度を2.5TW/cm2、繰り返し周波数を1kHzとする。また、カバレージは、単位面積当たりの照射レーザスポットの数であり、本実施形態においては、500スポット/mm2である。
Next, the operator operates the
この指示に応答して、コントローラ20は、多関節アーム15が保持するレーザ光出射ノズル16の位置および向きに関する情報を多関節アーム制御回路23に出力する。これにより、多関節アーム制御回路23は、多関節アーム15に内蔵される変位機構の作動を制御してレーザ光出射ノズル16を所定の位置および向きに位置決めする。この場合、多関節アーム15は、被加工物WKの表面に集光されるレーザ光の集光密度が2.5TW/cm2となる位置(被加工物WKの表面とレーザ光出射ノズル16に内蔵される対物レンズとの距離)にレーザ光出射ノズル16を位置決めする。
In response to this instruction, the
また、この場合、レーザ光出射ノズル16におけるレーザ光が出射される部分(レーザ光出射ノズル16の先端部)が加工液W内に位置するように位置決めされる。これは、レーザ光出射ノズル16の先端部が加工液Wの外に位置すると、出射したレーザ光が加工液Wの表面にて屈折してレーザ光の反射および進行方向のずれが生じるためである。また、レーザ光出射ノズル16は、被加工物WKの表面に集光されるレーザ光の集光密度が2.5TW/cm2となる位置(被加工物WKの表面とレーザ光出射ノズル16に内蔵される対物レンズとの距離)に位置決めされる。また、レーザ光出射ノズル16は、被加工物WKの表面に導かれるレーザ光の光軸が被加工物WKの表面に対して直交する向きで位置決めされるが、厳密には、同レーザ光の光軸が被加工物WKの表面に対して僅かに傾いた状態で位置決めされる。これは、被加工物WKによって反射されたレーザ光が、再びレーザ光出射ノズル16内に入射してレーザ光源17に導かれてレーザ光源17を損傷することを防止するためである。
Further, in this case, the laser
次に、コントローラ20は、レーザ駆動回路22を介してレーザ光源17からレーザ光Lを出射させる。これにより、レーザ光源17から出射されたレーザ光Lは、パルスコンプレッサ18、光伝送ケーブル19およびレーザ光出射ノズル16を介して被加工物WKの表面に所定の集光密度(2.5TW/cm2)で集光される。被加工物WKの表面に集光されたレーザ光Lは、被加工物WKの極表層部の原子を瞬間的に電離させて蒸発させ、被加工物WKの表面におけるレーザ光Lが集光された部分にプラズマPを生じさせる(この現象を「アブレーション」という)。
Next, the
この場合、プラズマP内の圧力は、発生したプラズマPの体積膨張が加工液Wの慣性力によって抑えられるため極めて高い状態、具体的には、数百MPa〜数百GPa程度に達する。これにより、被加工物WKの表面はプラズマPの圧力によって塑性変形する。すなわち、被加工物WKの表面に圧縮残留応力が付与される。一方、レーザ光Lはfs(フェムト秒)の極めて短い時間のパルス幅で照射されるため、被加工物WK上に生じるプラズマPも極めて短い持続時間で断続的に生じる。このため、被加工物WKの表面には、塑性変形する範囲や深さが極めて小さい加工痕が複数形成される。 In this case, the pressure in the plasma P reaches a very high state, specifically, about several hundred MPa to several hundred GPa because the volume expansion of the generated plasma P is suppressed by the inertial force of the machining liquid W. Thereby, the surface of the workpiece WK is plastically deformed by the pressure of the plasma P. That is, compressive residual stress is applied to the surface of the workpiece WK. On the other hand, since the laser beam L is irradiated with a pulse width of fs (femtosecond) for a very short time, the plasma P generated on the workpiece WK is also intermittently generated with a very short duration. For this reason, a plurality of machining traces having a very small range and depth of plastic deformation are formed on the surface of the workpiece WK.
但し、このアブレーションによる加工においては、レーザ光源17の出力が小さいこと、レーザ光Lが被加工物の表面に対して略垂直に照射されることなどから、アブレーションによる被加工物WKの表面の除去量は従来技術に比べて少ない。すなわち、本発明に係るレーザ加工機においては、被加工物WKの表面の一部を除去しているものの、従来技術のように被加工物WKの表面における引張残留応力層を積極的に除去しているものではなく、被加工物WKの表面における引張残留応力層を圧縮残留応力層に改質しているものである。
However, in this processing by ablation, since the output of the
そして、コントローラ20は、被加工物WKの表面にレーザ光Lを照射した状態で、多関節アーム制御回路23を介して多関節アーム15の作動を制御することによりレーザ光出射ノズル16(レーザ光L)の変位を開始させる。この場合、コントローラ20は、前記カバレージに対応する速度でレーザ光照射ノズル16、すなわち、レーザ光Lが変位するように多関節アーム15の作動を制御する。これにより、被加工物WKの表面に集光されたレーザ光Lは、前記カバレージに対応する速度で被加工物WKの表面上を連続的に変位する。レーザ光Lの変位の過程において、コントローラ20は、被加工物WKの表面に形成される光スポットが互いに重なり合うようにレーザ光照射ノズル16を変位させてレーザ光Lによる未照射領域が生じないようにする。これにより、レーザ光Lが通過した被加工物WKの表面には、厚さ約20μm程度の圧縮残留応力層が形成される。
Then, the
コントローラ20は、作業者によって指示された加工範囲のすべての領域にレーザ光Lを照射した場合には、レーザ光源17からのレーザ光Lの出射を停止させるとともに、レーザ光照射ノズル16を所定の待機位置に退避させる。これにより、被加工物WKの表面における加工範囲内全面に均質な状態で圧縮残留応力層が形成される。一方、作業者は、レーザ光照射ノズル16が所定の待機位置に退避した場合には、入力装置21を操作してコントローラ20に対して加工槽11内の加工液Wの排出を指示する。この指示に応答して、コントローラ20は、給排水ポンプ13の作動を制御して加工槽11内の加工液Wを図示しない加工液タンクに排出する。そして、作業者は、支持テーブル14によるチャックを解除して被加工物WKを取り外す。これにより、被加工物WKのピーニング加工が終了する。
When the
上記作動説明からも理解できるように、上記実施形態によれば、パルス幅が50fs(フェムト秒)、1パルス当りのピーク出力が6GW、集光密度が2.5TW/cm2のレーザ光を加工液Wを介して被加工物WKの表面に照射している。このため、被加工物WKの表面におけるレーザ光が照射された部分には、極めて高い圧力のプラズマPが極めて短時間に断続的に生じる。これにより、被加工物WKの表面には、従来技術に比べて塑性変形量の小さな加工痕が無数に形成されて厚さが約20μmの圧縮残留応力層が形成される。この結果、レーザピーニングによる被加工物WKの表面の除去量を抑えつつ、1mm程度の薄い厚さの被加工物WKに対しても表面粗さの精度を維持した状態で圧縮残留応力層を形成することができる。 As can be understood from the above operation description, according to the above embodiment, a laser beam having a pulse width of 50 fs (femtosecond), a peak output per pulse of 6 GW, and a condensing density of 2.5 TW / cm 2 is processed. The surface of the workpiece WK is irradiated through the liquid W. For this reason, extremely high pressure plasma P is intermittently generated in a very short time in the portion irradiated with the laser beam on the surface of the workpiece WK. As a result, innumerable machining traces having a smaller amount of plastic deformation than the prior art are formed on the surface of the workpiece WK, and a compressive residual stress layer having a thickness of about 20 μm is formed. As a result, a compression residual stress layer is formed in a state in which the surface roughness accuracy is maintained even for a workpiece WK having a thin thickness of about 1 mm while suppressing the amount of removal of the surface of the workpiece WK by laser peening. can do.
さらに、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。 Furthermore, in carrying out the present invention, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the object of the present invention.
上記実施形態においては、レーザ光源17から出射されるレーザ光Lの出力条件を、パルス幅が50fs(フェムト秒)、1パルス当りのピーク出力が6GWに設定するとともに、被加工物WKの表面に集光されるレーザ光の集光密度を2.5TW/cm2とした。しかし、レーザ光源17から出射されるレーザ光の出力条件や被加工物WKの表面に集光されるレーザ光の集光密度は、被加工物WKの種類や形状、被加工物WK上に形成する圧縮残留応力層の厚さなどに応じて適宜設定されるものであり、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の発明者らによれば、パルス幅は数fs以上かつ数百fs以下、1パルス当りのピーク出力は数百MW以上かつ数百GW以下、および集光密度は数TW/cm2以上かつ数十TW/cm2以下の条件によるレーザ光Lが好適であることが見出されている。これによれば、レーザピーニングによる被加工物WKの表面の除去量を抑えつつ、概ね数μm〜数十μmの圧縮残留応力層の形成が可能である。したがって、本発明は、被加工物の厚さを問わず、数μm〜数十μmの圧縮残留応力層の形成することが求められる分野に広く適用できるものでもある。
In the above embodiment, the output condition of the laser light L emitted from the
なお、本実施形態においては、800nmの近赤外線領域の波長のレーザ光Lを用いたが、加工液Wを透過可能な波長のレーザ光であれば、これに限定されるものではない。すなわち、近赤外線における他の波長(約800〜約2500nm)のレーザ光を用いてもよいし、可視波長の領域(約400〜約800nm)の波長のレーザ光の用いてもよい。これらによっても、上記実施形態と同様の効果が期待できる。 In the present embodiment, the laser light L having a wavelength in the near-infrared region of 800 nm is used. However, the laser light is not limited to this as long as the laser light has a wavelength capable of transmitting the machining liquid W. That is, a laser beam having a wavelength in the near infrared (about 800 to about 2500 nm) may be used, or a laser beam having a wavelength in the visible wavelength range (about 400 to about 800 nm) may be used. Also by these, the same effect as the above embodiment can be expected.
また、本実施形態においては、被加工物WKの表面に形成されるレーザ光Lの光スポットの大きさを一定としたが、これに限定されるものではない。すなわち、被加工物WKの表面に集光されるレーザ光Lの変位過程において、被加工物WKの表面に形成されるレーザ光Lの光スポットの大きさを変化させるように構成してもよい。これによれば、被加工物WKの表面に形成される光スポットが互いに重なり合う割合が大きくなり、被加工物WKの表面におけるレーザ光Lによる未照射領域が生じ難くなる。この結果、被加工物WKの表面により精度良く均一な圧縮残留応力層を形成することができる。 In the present embodiment, the size of the light spot of the laser beam L formed on the surface of the workpiece WK is constant, but the present invention is not limited to this. That is, the size of the light spot of the laser beam L formed on the surface of the workpiece WK may be changed in the displacement process of the laser beam L focused on the surface of the workpiece WK. . According to this, the rate at which the light spots formed on the surface of the workpiece WK overlap each other increases, and an unirradiated region due to the laser light L on the surface of the workpiece WK is less likely to occur. As a result, a uniform compressive residual stress layer can be formed on the surface of the workpiece WK with high accuracy.
また、上記実施形態においては、被加工物WKとして厚さ1mmのアルミニウム材を用いた。しかし、被加工物WKは、塑性変形が可能な材質であれば、これに限定されるものではない。例えば、鉄系の材料や金、銀、銅またはステンレス鋼などの非鉄系材料、樹脂材などを被加工物WKとしてもよい。また、極めて高い圧力のプラズマPによって塑性変形させるため、硬度が高い材料、例えば、超硬合金やダイス鋼、焼入れなどの熱処理を施した材料に圧縮残留応力層を形成することもできる。また、被加工物WKの厚さも上記実施形態に限定されるものではなく、数μm〜数十μmの圧縮残留応力層の形成することが求められる厚さの部材に広く適用できるものである。 In the above embodiment, an aluminum material having a thickness of 1 mm is used as the workpiece WK. However, the workpiece WK is not limited to this as long as it can be plastically deformed. For example, an iron-based material, a non-ferrous material such as gold, silver, copper, or stainless steel, a resin material, or the like may be used as the workpiece WK. Further, since the plastic deformation is performed by the plasma P at an extremely high pressure, the compressive residual stress layer can be formed on a material having high hardness, for example, a material subjected to heat treatment such as cemented carbide, die steel, or quenching. Further, the thickness of the workpiece WK is not limited to the above embodiment, and can be widely applied to members having a thickness required to form a compression residual stress layer of several μm to several tens of μm.
但し、本発明は、厚さの薄い被加工物WKに対して特に有効である。具体的には、0.1mm〜数mmの厚さの被加工物WKに対して表面粗さの精度を維持した状態で圧縮残留応力層の形成が可能である。したがって、本発明は、厚さの薄い部材・部分に圧縮残留応力層を形成する場合に特に有効である。例えば、マイクロマシンまたはMEMS(Micro Electro Mechanical System)などの構成部品・部分、注射針の先端部や外科手術用刃物の刃先、厚さ数ミリの板バネ、線径数mm以下のコイルバネや燃料電池のセパレータなどの各表面に圧縮残留応力層の形成することができ、これらの各表面の疲労強度、耐摩耗性および耐応力腐食特性を向上させることができる。 However, the present invention is particularly effective for the workpiece WK having a small thickness. Specifically, it is possible to form a compressive residual stress layer in a state in which the accuracy of the surface roughness is maintained for the workpiece WK having a thickness of 0.1 mm to several mm. Therefore, the present invention is particularly effective when a compressive residual stress layer is formed on a thin member / part. For example, components / parts such as micromachines or MEMS (Micro Electro Mechanical System), tips of injection needles and blades of surgical blades, leaf springs with a thickness of several millimeters, coil springs with a diameter of several millimeters or less, and fuel cells A compressive residual stress layer can be formed on each surface of a separator or the like, and the fatigue strength, wear resistance, and stress corrosion resistance properties of each surface can be improved.
また、上記実施形態においては、被加工物WKの表面に対して略垂直方向からレーザ光を照射するように構成した。これは、レーザ光が照射された部分に略均一なエネルギーを与えるためである。換言すれば、被加工物WKの表面に対して平行に近い方向からレーザ光を照射すると、レーザ光が照射された部分におけるエネルギー密度にムラが生じプラズマPの発生状態が不安定となる。このため、被加工物WKの表面に対して略垂直方向からレーザ光を照射することが好ましい。本発明者らによれば、被加工物WKの表面に対して略垂直方向からレーザ光を照射することが好適であるが、同垂直方向に対して±45°の角度の方向からレーザ光を照射しても圧縮残留応力層の形成は可能である。 Moreover, in the said embodiment, it comprised so that a laser beam might be irradiated from the substantially perpendicular | vertical direction with respect to the surface of the workpiece WK. This is to give substantially uniform energy to the portion irradiated with the laser beam. In other words, when the laser beam is irradiated from a direction nearly parallel to the surface of the workpiece WK, the energy density in the portion irradiated with the laser beam becomes uneven, and the generation state of the plasma P becomes unstable. For this reason, it is preferable to irradiate a laser beam from a substantially perpendicular direction with respect to the surface of the workpiece WK. According to the present inventors, it is preferable to irradiate the surface of the workpiece WK with a laser beam from a substantially vertical direction. However, the laser beam is emitted from an angle of ± 45 ° with respect to the vertical direction. A compression residual stress layer can be formed even by irradiation.
なお、本実施形態においては、上記したように、レーザ光の光軸が被加工物WKの表面に対して僅かに傾いた状態で位置決めした。しかし、レーザ光源17に向かって反射光が戻ってもよい構成であれば、必ずしもレーザ光の光軸を傾ける必要はない。
In the present embodiment, as described above, positioning is performed in a state where the optical axis of the laser beam is slightly inclined with respect to the surface of the workpiece WK. However, it is not always necessary to tilt the optical axis of the laser light as long as the reflected light may return toward the
また、上記実施形態においては、チタンサファイア結晶からなるレーザ媒質を用いてレーザ光源17を構成した。しかし、fs(フェムト秒)のパルス幅のレーザ光Lを出射可能なレーザ光源であれば、これに限定されるものではない。例えば、ネオジウムイオンやイッテルビウムイオンなどを含むガラスや結晶、または自由電子などをレーザ媒質とするレーザ光源を用いてもよい。また、その他、YAGレーザ、半導体レーザ、銅蒸気レーザまたはエキシマレーザなどを用いることもできる。これらによっても、上記実施形態と同様の効果が期待できる。
Moreover, in the said embodiment, the
また、上記実施形態においては、光ファイバによって光伝送ケーブル19を構成した。しかし、レーザ光源17から出射されたfs(フェムト秒)のパルス幅のレーザ光Lを正確に伝送できれば、これに限定されるものではない。例えば、レーザ光源17から出射されたレーザ光Lを複数の反射ミラーを介してレーザ光照射ノズル16に導くように構成してもよい。これによっても、上記実施形態と同様の効果が期待できる。
Moreover, in the said embodiment, the
また、上記実施形態においては、レーザ光源17から出射されたレーザ光のパルス幅を補償するためにパルスコンプレッサ18を用いた。しかし、レーザ光源17から出射されたレーザ光のパルス幅を補償する必要がない場合には、当然、パルスコンプレッサ18は不要である。また、本実施形態のように、レーザ光源17とパルスコンプレッサ18とをそれぞれ別々に設ける必要もなく、パルスコンプレッサ18の機能を備えたレーザ光源17を用いてもよい。これらによっても、上記実施形態と同様の効果が期待できる。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態においては、多関節アーム15により被加工物WKに対してレーザ光出射ノズル16、すなわち、レーザ光Lを変位させる構成とした。しかし、被加工物WKの表面におけるレーザ光の集光密度を所定の密度としつつ、被加工物WK上に照射されるレーザ光Lに対して被加工物WKが変位できれば、これに限定されるものではない。すなわち、レーザ光照射ノズル16(レーザ光L)の位置を固定として被加工物WKの位置をレーザ光照射ノズル16(レーザ光L)に対して変位させる構成としてもよい。これによっても、上記実施形態と同様の効果が期待できる。
Moreover, in the said embodiment, it was set as the structure which displaces the laser
また、上記実施形態においては、加工液Wとしてイオン交換水を用いたが、被加工物WKに導かれるレーザ光Lが透過可能であって、プラズマP内の圧力上昇を助長するとともに同プラズマPの発生により発火・爆発などの反応をしない透明な物体であれば、これに限定されるものではない。例えば、不燃性または難燃性の油を加工液Wとして用いることができる。また、液体以外の物体を用いてもよい。例えば、ガラスプレートを被加工物WKにおけるレーザ光Lが照射される部分に配置して、同ガラスプレートを介してレーザ光を照射するように構成してもよい。これらによれば、水を嫌う被加工物WK、または液体を嫌う被加工物WKに対しても圧縮残留応力層の形成を行うことができ、本発明の適用範囲を一層拡大することができる。 In the above embodiment, ion-exchanged water is used as the processing liquid W. However, the laser light L guided to the workpiece WK can be transmitted, and the pressure in the plasma P is promoted and the plasma P is increased. However, the present invention is not limited to this as long as it is a transparent object that does not react such as ignition or explosion due to the occurrence of. For example, nonflammable or flame retardant oil can be used as the processing liquid W. Moreover, you may use objects other than a liquid. For example, a glass plate may be disposed in a portion of the workpiece WK that is irradiated with the laser light L, and the laser light may be irradiated through the glass plate. According to these, the compressive residual stress layer can be formed on the workpiece WK that dislikes water or the workpiece WK that dislikes liquid, and the scope of application of the present invention can be further expanded.
また、上記実施形態においては、被加工物WKがセットされる加工槽11内に加工液Wを貯留することにより、加工液Wを介して被加工物WKの表面にレーザ光を照射するように構成した。しかし、レーザ光Lが照射される被加工物WKの表面に加工液Wが存在する構成であれば、これに限定されるものではない。例えば、レーザ光Lが照射される被加工物WKの表面に加工液Wを部分的に供給(例えば、吹き掛け)するように構成してもよい。これによれば、加工槽11内の加工液W内に浸漬することが困難、または不適な被加工物WKに対しても圧縮残留応力層の形成が行うことができ、本発明の適用範囲を一層拡大することができる。
Further, in the above embodiment, by storing the machining liquid W in the
WK…被加工物、W…加工液、11…加工槽、12…給排水管、13…給排水ポンプ、14…支持テーブル、15…多関節アーム、16…レーザ光照射ノズル、17…レーザ光源、18…パルスコンプレッサ、19…光伝送ケーブル、20…コントローラ、21…入力装置、22…レーザ駆動回路、23…多関節アーム制御回路、24…表示装置。 WK ... workpiece, W ... working fluid, 11 ... processing tank, 12 ... water supply / drain pipe, 13 ... water supply / drainage pump, 14 ... support table, 15 ... articulated arm, 16 ... laser light irradiation nozzle, 17 ... laser light source, 18 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Pulse compressor, 19 ... Optical transmission cable, 20 ... Controller, 21 ... Input device, 22 ... Laser drive circuit, 23 ... Articulated arm control circuit, 24 ... Display device.
Claims (6)
可視領域以上かつ近赤外線領域以下の波長のレーザ光をfs(フェムト秒:10−15sec)のパルス幅で出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記被加工物の表面に向けて集光する集光光学系と、
前記被加工物の表面における前記レーザ光が集光される部分に接した状態で配置され、同レーザ光が透過可能な透明物体と、
前記被加工物の表面における前記レーザ光の集光密度を所定の密度としつつ、前記集光光学系によって集光されるレーザ光を、前記被加工物に対して相対的に変位させる変位手段とを備えることを特徴とするレーザ加工機。 In a laser processing apparatus that changes the properties of the surface by irradiating the surface of the workpiece with laser light,
A laser light source that emits a laser beam having a wavelength not less than the visible region and not more than the near infrared region with a pulse width of fs (femtosecond: 10 −15 sec);
A condensing optical system for condensing laser light emitted from the laser light source toward the surface of the workpiece;
A transparent object that is disposed in contact with a portion where the laser beam is collected on the surface of the workpiece, and is capable of transmitting the laser beam;
Displacement means for displacing the laser beam condensed by the condensing optical system relative to the workpiece while setting the concentration of the laser beam on the surface of the workpiece to a predetermined density A laser processing machine comprising:
前記レーザ光源は、パルス幅が数fs以上かつ数百fs以下、1パルス当りのピーク出力が数百MW以上かつ数百GW以下のレーザ光を出射し、
前記変位手段は、前記被加工物の表面に集光されるレーザ光の集光密度を数百GW/cm2以上かつ数百TW/cm2とするレーザ加工機。 In the laser beam machine according to claim 1,
The laser light source emits laser light having a pulse width of several fs or more and several hundred fs or less, and a peak output per pulse of several hundred MW or more and several hundred GW or less,
It said displacement means, the laser processing machine to a condenser density several hundred GW / cm 2 or more and several hundred TW / cm 2 the laser beam is focused on the surface of the workpiece.
前記集光光学系は、前記被加工物の表面に対して略垂直方向から前記レーザ光を集光するレーザ加工機。 In the laser beam machine according to claim 1 or 2,
The condensing optical system is a laser processing machine that condenses the laser light from a direction substantially perpendicular to the surface of the workpiece.
前記被加工物の表面おける前記レーザ光が集光される部分に液体を存在させるための加工液供給手段を備え、
前記透明物体は、前記加工液供給手段により供給される液体であるレーザ加工機。 The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
A processing liquid supply means for causing a liquid to exist in a portion where the laser beam is condensed on the surface of the workpiece;
The laser processing machine, wherein the transparent object is a liquid supplied by the processing liquid supply means.
前記液体は、水であるレーザ加工機。 In the laser beam machine according to claim 4,
The laser processing machine, wherein the liquid is water.
前記透明物体は、ガラスであるレーザ加工機。 In the laser beam machine according to any one of claims 1 to 3,
The transparent object is a laser processing machine in which glass is glass.
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