JP2011036865A

JP2011036865A - 有底孔の形成方法

Info

Publication number: JP2011036865A
Application number: JP2009183988A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sasaki; 淳佐々木; Shinichi Wai; 伸一和井
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2011-02-24

Abstract

【課題】本発明は、金属基体の表面にレーザ加工で有底穴を形成する場合において、金属基体の非加工面の平滑性を確保できる有底孔の形成方法を提供することを第1の目的とし、複数の有底孔を効率的に形成可能な有底孔の形成方法を提供することを第２の目的とし、加えて有底孔同士の形状均一性を確保できる有底孔の形成方法を提供することを第３の目的としている。
【解決手段】本願発明に係わる有底孔の形成方法は、金属基体の表面にレーザ加工で有底孔を形成する有底孔の形成方法であって、金属基体の表面にレーザを照射しつつレーザによる金属基体の溶融部に側方からアシストガスを噴き付けることを特徴とする有底孔の形成方法である。かかる形成方法によれば、レーザで形成された溶融金属はアシストガスで除去されるので、金属基体に形成された有底孔の開口部の周囲を含む非加工面に溶融金属が付着することがない。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄、ステンレス、アルミニウムその他の金属基体の表面に、レーザを用いて有底孔を形成する方法に関するものである。

上記技術を用いた製品として、有底孔に微細球体や粉体を装入し位置決めする微細球体や粉体の位置決め装置や装入した状態で搬送する微細球体や粉体の搬送装置、印刷機に使用される円周面がダル加工された印刷ロール、下地処理として有底孔が施された塗膜・塗装製品などがある。これらの製品では、位置決め精度、搬送量、表面品質の安定性、均一な塗装面の形成のために製品表面、すなわち金属表面のうち有底孔が加工されていない部分である非加工面が平滑であること、また、形成された有底孔同士の形状が均一であることが要求され、加えて生産性が高く効率的に有底孔を形成できることが要求されている。この生産性に対する要求に対しては、近年加工効率の高いレーザ加工で有底孔を形成する方法が提案されており、その一例が下記特許文献１および２に開示されている。

特開平８−３００１７０号公報特開２００２−１０３０６４号公報

特許文献１及び２に記載されたレーザ加工で有底孔を形成する方法はいずれも高効率で金属表面に有底孔を形成できるという利点があるが、非加工面の平滑性、有底孔の形状均一性の点では更に改善できる余地があり、加えて加工効率を更に向上できる余地がある。すなわち、金属表面にレーザ加工で有底孔を形成する場合、レーザで瞬間的に溶融され形成された溶融金属は爆発的に周囲に飛散し、形成された有底孔の開口部の周囲に付着する。付着した溶融金属は、冷却固化後に突起となり非加工面の平滑性を害し、加えて非加工面の汚れや加工形状の不均一といった不良の原因となる。このレーザビームで形成された溶融金属をより効果的に除去するため、レーザビームによる個々の加工点にアシストガスを噴きつけ、溶融金属をアシストガスで除去する技術が周知である。具体的には、アシストガスは、レーザヘッドから照射されるレーザビームと同軸に配置された噴射ノズル、又は加工点に向い固定された噴射ノズルから噴射されるよう構成される。

ここで、一定の領域に配置される複数個の有底穴をレーザ加工する場合、ガルバノミラーやポリゴンミラーでレーザビームを高速で移動させながら加工する方法が加工効率の面から有用である。しかしながら、このような方法で有底孔を形成する場合には、加工点が高速に移動するため、上記のように個々の加工点に向いアシストガスが噴射されるよう噴射ノズルを配置する事が出来ず、溶融金属が非加工面に付着するという問題が生じる。さらに、アシストガスを使用した場合には、有底孔の開口部の周囲に溶融金属は付着しがたくなるが、開口部の周囲を越えて飛散した溶融金属が非加工面に付着するという問題がある。また、上記特許文献１及び２に記載されたレーザ加工で有底孔を形成する方法では、有底孔の形状均一性については不十分である。

本発明は、上記従来技術の問題点を鑑みてなされたものであり、金属基体の表面にレーザ加工で有底穴を形成する場合において、金属基体の非加工面の平滑性を確保できる有底孔の形成方法を提供することを第1の目的とし、複数の有底孔を効率的に形成可能な有底孔の形成方法を提供することを第２の目的とし、加えて有底孔同士の形状均一性を確保できる有底孔の形成方法を提供することを第３の目的としている。

（１）上記第1の目的を達成する本願発明に係わる有底孔の形成方法は、金属基体の表面にレーザ加工で有底孔を形成する有底孔の形成方法であって、金属基体の表面にレーザを照射しつつレーザによる金属基体の溶融部に側方からアシストガスを噴き付けることを特徴とする有底孔の形成方法である。かかる形成方法によれば、レーザで形成された溶融金属はアシストガスで除去されるので、金属基体に形成された有底孔の開口部の周囲を含む非加工面に溶融金属が付着することがなく、さらに複数の加工点を含むようにアシストガスを側方から噴き付けることにより例えばガルバノミラーやポリゴンミラー等による高速加工に対応することができる。

（２）上記第２の目的を達成する本願発明に係わる有底孔の形成方法は、金属基体の所定領域に有底孔を複数個形成する上記（１）に記載の有底孔の形成方法において、レーザの光路をガルバノミラーで移動させてレーザ加工することを特徴とする有底孔の形成方法である。

（３）上記（２）の有底孔の形成方法において、金属基体の所定領域全体を含むようにアシストガスを噴き付けつつレーザ加工することが好ましい。

（４）上記（１）〜（３）の有底孔の形成方法において、上記上記第１の目的及び第３の目的を達成するためには、金属基体の所定領域に液状油を塗布した後にレーザ加工することが好ましい。

本発明によれば、上記のように構成したので、本発明の第1〜第３目的を達成することができる。

本発明に係わる有底孔の形成方法を実施するレーザ加工装置の概略構成を示す図である。レーザのパルス幅を５００ｎｓとし、パルス数とエネルギー密度を変化させて加工した場合の有底孔の孔径と深さの変化を表す図である。レーザのエネルギー密度を３３０ｍＪ／ｍｍ²とし、パルス数とパルス幅を変化させて加工した場合の有底孔の孔径と深さの変化を表す図である。被加工物の表面に液状油を塗布せず、アシストガスを噴射しない場合の有底孔の形状を示す図である。被加工物の表面に液状油を塗布せず、アシストガスは噴射した場合の有底孔の形状を示す図である。被加工物の表面に液状油は塗布したが、アシストガスは噴射しない場合の有底孔の形状を示す図である。被加工物の表面に液状油を塗布し、アシストガスも噴射した場合の有底孔の形状を示す図である。図４〜図７における有底孔の形成状態を説明する図である。実施例の条件で加工した場合の有底孔の形状を示す図である。

以下本発明について、その実施態様に基づき図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係わる有底孔の形成方法を実施するためのレーザ加工装置の一例を示す概略構成図である。このレーザ加工装置は、Ｘ−Ｙ方向に水平移動可能なステージ１３に載置された略矩形平板状のアルミニウム製基体である被加工物１４の表面（上面）に複数の有底孔をディンプル状にレーザで形成する。下記で詳述するように、被加工物１４の表面には溶融金属の付着を防止するとともにアシストガスとの相乗作用により有底孔の形状を均一化するための液状油が塗布されている。

レーザ加工装置において、符号１１はファイバーレーザ発振器であり、光伝播経路である光ファイバを介して接続されたガルバノ光学系１２の組合せによりレーザビーム１５を駆動する。このガルバノ光学系１２を用いることで、ステージ１３を水平移動させることなく被加工物１４の表面の所定領域にレーザビーム１５を走査することができ、複数の有底孔を高速に加工することができる。なお、ガルバノ光学系１２によるビーム走査範囲を超える領域を加工する場合にはステージ１３を水平移動させる。

図１において符号１６は、窒素ガスをアシストガス１７として噴射するノズルである。ノズル１６は、加工時に発生する溶融金属を一方向へ飛散させ、さらにガルバノ光学系１２によるレーザ走査範囲を含むようにアシストガス１７を噴射するため、レーザ走査範囲に対応した幅を有する噴射面に並設された多数個の噴射口を有している。ここで、ノズル１６からの距離が離れるほど溶融金属を飛散させるアシストガス１７の圧力は低下する。したがって、溶融金属を効果的に飛散させるためには、飛散効果のある領域を加工した後はステージ１３をレーザ照射の走査タイミングと同期して水平移動して被加工物１４次の加工領域に移動するよう構成することが好ましい。なお、被加工物の形状が円柱形状もしくは円筒形状である場合には、上記水平移動するステージ１３に替え、軸芯周りに被加工物を回転駆動してもよい。

上記ファイバーレーザが組み込まれたレーザ加工装置を用いて、まず開口部の径（以下孔径という。）が１００μｍ、深さが５０μｍの有底孔を形成可能な条件を検討した。なお、以下の説明では、ファイバーレーザを使用し有底孔を形成した例を中心に説明するが、ビーム品質が高く集光性が良い炭酸ガスレーザ、材料に対する波長吸収率が比較的高いＹＡＧレーザなど金属基体を構成する材料等により使用するレーザは適宜選択することができる。また、複数の有底孔を加工する場合には、レーザの発振形態はパルス発振が望ましい。

まず、レーザのエネルギー密度及びパルス数と有底孔の形状との関係について確認した結果について説明する。図２は、パルス幅を５００ｎｓと固定し、エネルギー密度及びパルス数を変化させた場合の有底孔の孔径及び深さとの関係を示したものである。なお、エネルギー密度は、１パルス当りのエネルギーをビーム径で除した値である。また、有底孔の孔径及び深さは、各加工条件において形成した複数個の有底孔のうち１２個の有底孔を抽出し、それらの孔径及び深さを平均した値を示している（図３において同様。）。

図２（ａ）に示すように有底孔の孔径については、いずれのエネルギー密度でも、複数回レーザを同一加工点に照射することによって所望の寸法を確保することが出来る。一方で、図２（ｂ）に示すように有底孔の深さについては、エネルギー密度が１７０ｍＪ／ｍｍ²以下の場合には、複数回レーザを照射しても有底孔の深さは増加せず、有底孔の深さとエネルギー密度との間には一定の相関があり、所定の深さの有底孔を形成するためには所定の値以上のエネルギー密度を有する条件で加工する必要があることが判った。

次に、レーザのパルス幅及びパルス数と有底孔の形状との関係について確認した結果について説明する。図３は、エネルギー密度を３３０ｍＪ／ｍｍ²と固定し、パルス幅及びパルス数を変化させた場合の有底孔の孔径及び深さとの関係を示したものである。

図３（ａ）に示すように有底孔の孔径については、エネルギー密度を確保するためビームのスポット径をより絞る必要のあるパルス幅が３０ｎｓでは孔径が小径となるが、それ以外のパルス幅では所望の寸法を確保することができる。また、図３（ｂ）に示すように有底孔の深さについては、いずれのパルス幅においても、複数回レーザを照射することによって、所望の深さの有底孔を形成することが可能である。

次に、アシストガス及び被加工物の表面に塗布する液状油の効果について説明する。ここで、以下説明する有底孔を形成する加工条件は、図２及び図３を参照し説明した加工条件のうち、開口部の径（以下孔径という。）が１００μｍ、深さが５０μｍの有底孔を形成することが可能な、エネルギー密度が３３０ｍＪ／ｍｍ²、パルス幅が５００ｎｓ、１つの加工点におけるレーザの繰り返し照射数であるパルス数が４回である。

上記加工条件で、アシストガスを噴射せず、被加工物の表面に液状油を塗布しない第１の条件で加工を行った結果を図４に示す。ここで図４（ａ）は複数の有底孔２１を含む外観写真、同図（ｂ）は（ａ）の孔２１の拡大写真、同図（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａに沿って測定した断面図である（以下図５〜７において同じ。）。この第１の条件で加工した場合、有底孔２１の開口部の辺縁に溶融金属の付着による突起２１１が多数観察される。これは、図８（ａ）に示すように、レーザビームによる被加工物１４の溶融爆破による溶融金属の除去力は弱く、溶融金属のほとんどは有底孔２の開口部の辺縁に付着し再凝固し、突起３となるからである。なお、溶融金属の一部はわずかに飛散し、有底孔２の辺縁以外の非加工面にも付着し突起となる。

図５に、アシストガスを噴射したが、被加工物の表面に液状油を塗布しない第２の条件で加工した場合の結果を示す。この第２の条件では、第１の条件に比べて有底孔２２の辺縁における溶融金属の付着は少なくなり非加工面の平滑性は改善されている。しかしながら、非加工面への溶融金属の付着２２１が多く見られ、非加工面には若干の凹凸がある。これは、アシストガスを噴射した場合、図８（ｂ）に示すように、アシストガス１７で有底孔から溶融金属は除去されるが、除去された溶融金属がアシストガス１７で飛散し被加工物１４の非加工面に触れ再凝固するためである。

図６に、アシストガスを噴射せず、被加工物の表面に液状油を塗布した第３の条件で加工した場合の結果を示す。この第３の条件では、有底孔２３の辺縁における溶融金属の付着及び非加工面への溶融金属の付着ともに少なく、上記第１の条件及び第２の条件に比べて非加工面の平滑性が改善されている。これは、図８（ｃ）に示すように、液状油を塗布した場合、液状油が保護膜の役割をし非加工面に溶融金属が付着しないためである。ところで、図６（ｃ）に示す有底孔２３１と２３２のように、有底孔２３の形状のばらつきが大きくなっている。これは、図８（ｃ）に示すように、液状油４の塗布膜厚が不均一な部分が生じていると、塗布膜厚が厚い部分では被加工物が充分に溶融除去されず所定の深さの有底孔２３１が形成されないためである。

図７に、アシストガスを噴射し、被加工物の表面に液状油を塗布した第４の条件で加工した場合の結果を示す。図７に示すように、有底孔２４の辺縁への溶融金属の付着及び非加工面への溶融金属の付着ともに少なく第１の条件及び第２の条件に比べ非加工面の平滑性が改善され、さらに第３の条件に比べ有底孔２４の形状も均一である。これは、図８（ｄ）に示すように、第４の条件では溶融金属が円滑に除去され、被加工物の表面に塗布した液状油により溶融金属が付着することを防止できているためである。さらに、アシストガスを側方から被加工物の表面に噴射することで被加工物の表面に塗布されている液状油の塗布膜厚は均一化される。このアシストガスと液状油の相乗作用により加工された有底孔の形状均一性が確保される。なお、液状油に触れた溶融金属は凝固し異物となるが、この異物は液状油とともに流動し除去されるので、異物が非加工面に残存しがたく非加工面を清浄にすることができる。

図１のレーザ加工装置により、被加工物１４である厚み５ｍｍのＡ６０６３アルミニウム材に径０．１±０．０２ｍｍ、深さ０．０５±０．０１ｍｍの有底孔を０．１５ｍｍピッチの千鳥配列で加工を行った。レーザ発振器１１にはパルスファイバーレーザを使用した。ガルバノ光学系１２の集光レンズは焦点距離１００ｍｍのfθレンズを用いた。レーザのエネルギー密度は３３０ｍＪ／ｍｍ²、パルス幅は５００ｎｓ、１穴あたりのパルス数は４回、発振周波数は５０ｋＨｚである。ノズルは内径１ｍｍのものを２．５ｍｍピッチで１６個横一列に並べたものを用いた。加工点との距離は１０ｍｍ、角度は水平面に対して３０度傾けている。ステージを移動させてもノズルとガルバノ光学系の位置関係が変わらないように固定してある。アシストガスは窒素ガスを用い、使用圧力は０．５ＭＰａとした。液状油は粘度６８ｍｍ²／ｓの潤滑油をあらかじめ、被加工物表面に塗布した。

上記条件で加工により図９の示す有底孔が得られる。同図（ａ）は複数の有底孔の外観写真、同図（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面形状を示している。有底孔２５の辺縁への溶融金属による突起も発生しておらず、非加工面に溶融金属の付着も見られない。また、加工した有底孔２４の形状を３０点測定したところ、平均で孔径が０．０９８mm、深さが０．０４９mmと良好な形状が得られた。

１１レーザ発振器
１２ガルバノ光学系
１３ステージ
１４被加工物
１５レーザビーム
１６ノズル
１７アシストガス
２（２１、２２、２３、２４、２５）有底孔
３溶融物
４液状油

Claims

金属基体の表面にレーザ加工で有底孔を形成する有底孔の形成方法であって、金属基体の表面にレーザを照射しつつレーザによる金属基体の溶融部に側方からアシストガスを噴き付けることを特徴とする有底孔の形成方法。
金属基体の所定領域に有底孔を複数個形成する請求項１に記載の有底孔の形成方法において、レーザの光路をガルバノミラーで移動させてレーザ加工することを特徴とする有底孔の形成方法。
金属基体の所定領域全体を含むようにアシストガスを噴き付けつつレーザ加工する請求項２に記載の有底孔の形成方法。
金属基体の所定領域に液状油を塗布した後にレーザ加工する請求項１乃至３のいずれかに記載の有底孔の形成方法。