JP2012066265A - レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザビームによる貫通孔加工において、孔形状や孔寸法精度を維持できるレーザ加工方法を提供することを目的とする。
【解決手段】被加工物にレーザビームを照射して、目標とする仕上げの貫通孔の外周形状と略相似形で、目標とする仕上げの貫通孔よりも小さい半径の貫通孔を加工した後、この貫通孔に１５Ｊ／ｃｍ^２〜２０Ｊ／ｃｍ^２の加工エネルギ密度のレーザビームを照射して、目標とする最終の孔形状に仕上げる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザによるステンレス鋼などに対する、長円または楕円の外周形状の貫通孔加工に関する技術である。

従来、レーザ加工によるステンレス鋼の貫通孔加工には、大きく分類して、熱による溶融加工と、アブレーションと呼ばれる直接分解あるいは蒸発による気化加工とがある。
溶融加工で一般的に用いられるレーザとしては、連続あるいはパルス炭酸ガスレーザや、連続あるいはパルスＹＡＧレーザの赤外レーザである。

アブレーション加工に使われるレーザは、Ｑスイッチなどを用いてパルス幅をナノ秒にしたレーザである。また、アブレーション加工は、最近では加工部分での熱による変質がもたらす加工形状精度の劣化を避けるため、パルス幅がピコ秒やフェムト秒であるレーザも用いられている。

貫通孔加工プロセスには、１ショットのみで加工する方式、一箇所に多数のビームのショットを行うパーカッション方式、ビームを加工しようとする孔の外周に照射しながら円軌道により加工するトレパニング方式、加工しようとする孔の中心から外周に向かって螺旋状にビームを移動させる螺旋方式などがある。

高精度な貫通孔をレーザを用いて加工する技術としては、例えば、パルスレーザによるアブレーション加工で、加工しようとする孔の中心から外側に向かって螺旋状に加工してゆき、最後に加工しようとする孔の外周をトレパニング加工により高精度に仕上げる方法がある（例えば、特許文献１参照）。

図４は、被加工物に貫通孔９００をレーザ加工する従来のレーザ加工方法を示している。
図４に示すレーザ加工方法では、まず、貫通孔９００の外周線９３０より内側で、この外周線９３０から十分に離れた一点、例えば中心をアブレーション開始点９１０としてレーザビームを被加工物の表面に照射する。続いて、レーザビームを、アブレーション開始点９１０から外周線９３０の方向に螺旋状に可変速度で駆動し加工する。そして、外周線９３０内の材料をほぼ取り除くよう設計されたレーザ駆動パターン９２０で前記加工物の材料を加工することによって、開口を形成するトレパニング加工を実施している。

この方法により、貫通孔９００の外周のカケなどの欠陥を防ぎ、精密な貫通孔加工を行うことができるとされている。また、この場合のレーザエネルギ密度は、被加工物がステンレス鋼の場合５Ｊ／ｃｍ^２程度である。

図５は図４におけるレーザ加工方法の断面を示している。
被加工物１５５に集光されたレーザビーム１０７は、被加工物表面２０２から加工を行う。レーザビーム１０７のレーザ入射方向２０４は、鉛直上方向から行い加工面２１５でアブレーション加工が行われる。

加工面２１５では、アブレーションによる高温の金属蒸気が発生しプラズマ状態となっている。またレーザビームにより加工された加工物もデブリ（微小な切り屑）となり、加工面からデブリが発生する。これらプラズマやデブリは短い時間であるがその場所に停滞する。この場合、レーザビームはこれらプラズマやデブリにより反射、吸収され、実際の加工面２１５に到達するレーザエネルギは、見かけ上、小さくなる。デブリの除去のために、レーザ入射方向と同じ方向から空気や窒素などの不活性ガスをシールドガスとして用いる場合もあるが、その効果は完全ではない。

図５に示したように、被加工物表面２０２から被加工物底面２０５まで、孔形状２１０のようにテーパー状に加工する場合のように、アスペクト比（孔の径と孔の深さの比）の低い場合には、レーザ加工により被加工物１５５はすぐに貫通し加工面２１５からのプラズマ発生、デブリ発生が少なく、吸収、反射されるレーザエネルギも少ない。そのため、アスペクト比の低い場合は、カケなどの孔形状が著しく悪化する場合は少ない。

しかし、レーザによるアブレーション加工でアスペクト比の高い貫通孔９００を形成する場合、プラズマやデブリによるレーザビームの反射や吸収が起こる。さらに孔が非貫通の状態での加工は、プラズマやデブリがレーザ照射を遮る方向に噴出し、吸収や反射が頻繁に起こり、アブレーション加工に必要なエネルギ密度に十分に達せず、熱として被加工物に蓄積される。被加工物に蓄積された熱は加工部分周辺での溶融現象が起こり、その部分だけ急速に加工が進み、図６に示すように１０μｍ程度の円錐状の小穴６０５が出来る。この小穴６０５の部分にレーザが再度照射されると、小穴６０５内部でレーザが反射を繰り返し、深さ方向及び横方向に小穴６０５が成長する。

被加工物１５５に入射されるレーザ強度が小さい場合は、加工面でのアブレーション加工が十分に行われず、レーザエネルギの一部が熱として被加工物に蓄積される。蓄積された熱により溶融が発生し、被加工物１５５の加工面２１５に前述の同様な小穴６０５が発生する。

被加工物１５５に入射されるレーザ強度が逆に大きすぎる場合にも、アブレーションに必要なエネルギ以外の過剰なエネルギにより熱が被加工物に蓄積される。この場合、加工速度を更に大きくし、アブレーション加工を頻繁に起こさせると熱蓄積は防止できるが、レーザビームを走査する走査手段の走査速度に限界があるため極端に走査速度を高めることはできないため、レーザエネルギを小さくする必要がある。

特表２００５−５３３６６２号公報

このような従来のレーザ加工方法では、アスペクト比の高い貫通孔加工を行った場合、孔が非貫通の状態での加工では、プラズマやデブリがレーザ照射を遮る方向に噴出し吸収反射が頻繁に起こり、レーザエネルギはアブレーション加工に使われず熱として蓄積される。

また、レーザエネルギが低い場合にもアブレーション加工にレーザエネルギが使われず、熱として被加工物に蓄積される。逆にレーザエネルギが高すぎる場合にもアブレーション加工は行われるが、過剰な熱は被加工物に蓄積される。

更に、孔形状が丸ではなく、例えば外周形状が長円または楕円の貫通孔加工の場合には、形状が点対称でないためレーザエネルギが短軸方向で蓄積されやすくなり、局部的に短軸方向に熱停滞が生じ、その結果、溶融現象が起こりその部分が起点となり成長し孔外周部にカケなどが生じ形状、精度が維持できない場合がある。

本発明は、これら従来の課題を解決し、周部にカケなどが発生せず、形状、精度が維持できるレーザ加工方法を提供することを目的とする。

従来の課題を解決するための本発明のレーザ加工方法は、目標貫通孔の外周形状と略相似形で、半径の大きさが前記目標貫通孔の半径の１０％より大きく４０％以下である前処理貫通孔をレーザ加工により形成した後、前記目標貫通孔をレーザ加工により形成することを特徴とする。

本発明によれば、被加工物への局部的な熱の蓄積を防ぎ、周部にカケなどが発生せず、形状、精度が維持できるレーザ加工を実現できる。

本発明の実施の形態１のレーザ加工方法のフローチャート 本実施の形態１のレーザ加工装置の概略構成図 本実施の形態１の加工中の孔形状の変化を示す断面図と平面図 従来のレーザ加工方法を示す平面図 従来のレーザ加工方法を示す断面図 溶融現象により加工中の貫通孔の内面に発生する小穴を示す断面図

以下、本発明のレーザ加工方法について、具体的な実施の形態に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１のレーザ加工方法のフローチャートを示し、図２は本発明の実施の形態１のレーザ加工装置の概略構成を示す。なお、図２では、本実施の形態１のレーザ加工装置において、レーザ加工に必要な主要機能を有する構成のみを図示している。

図２において、レーザ発振器１から出射したレーザビームは、途中にビームエクスパンダー２により平行光にされた後、２軸のガルバノスキャナー３ａ，３ｂで反射し、ｆθレンズ４により被加工物５に集光、加工される。ここで、２軸のガルバノスキャナー３ａ、３ｂは、被加工物５へのレーザビームを走査させるために回転可能に構成されている。また、被加工物５から発生するデブリ（加工屑）を除去するために、被加工物５に対してノズル６から高圧ブローを与えている。

被加工物５がステンレス鋼の場合、使用されるレーザ発振器１は、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザである。しかしながら、これら炭酸ガスレーザやＹＡＧレーザで微細な高精度の貫通孔加工を行う場合は、パルス幅の小さいピコ秒やフェムト秒のパルス発振するレーザが用いられる。これは、ＹＡＧレーザを含めた固体レーザなどで短波長へ変換した高調波のレーザや加工領域での被加工物の熱変質を避けるためである。

厚さ５００μｍ程度のステンレス鋼の被加工物５に、例えば短軸７０μｍ、長軸１２０μｍの貫通孔を加工する場合を検討する。この場合、レーザ発振器１としては周波数５ＫＨｚ、出力５Ｗ程度、パルス幅２０ピコ秒、波長約１μｍの発振器を用いる。被加工物５の加工点での集光ビーム径は、ビームエクスパンダー２の倍率とｆθレンズ４の焦点距離の組み合わせにより決定され、本実施の形態１の被加工物５の加工点では直径約３０μｍのビーム径としている。

なお、本実施の形態１では、ガルバノスキャナー３ａ，３ｂを用いてレーザビームを走査しているが、ピエゾを用い、これと同等な働きをする２軸のジンバル構造を走査手段でも実現可能である。

図１は、本発明の実施の形態１におけるレーザ加工方法の加工手順を示す。
図１のフローチャートにおいて、まず、ステップＳ１では、被加工物５にレーザビーム１０を照射して、貫通孔である第１孔７（前処理貫通孔）をレーザ加工により形成する。図３（ａ１）にステップＳ１で構成される第１孔７の断面図を示し、そのときの平面図を図３（ａ２）に示す。７Ｕが第１孔７の被加工物表面側の開口、７Ｄが第１孔７の被加工物底面側の開口である。

第１孔７は、第３孔９（目標貫通孔）の半径の１０％より大きく約４０％以下の大きさの半径の長円または楕円形状を有す貫通孔である。具体的には外周形状が長円または楕円形状を有す貫通孔の長径と短径とが、それぞれ半径の１０％より大きく約４０％以下の大きさである。すなわち、第３孔９の半径ｒ_３と第１孔７の半径ｒ_１との関係は、
０．１ｒ_３ ＜ ｒ_１ ≦ ０．４ｒ_３
となる。ここで、第１孔７の外周形状は、第３孔の外周形状の略相似形である必要がある。また、第３孔９は、目標とする仕上げの貫通孔で、被加工物表面側の開口９Ｄが短軸７０μｍ、長軸１２０μｍの貫通孔である。

前処理の貫通孔（前処理貫通孔）である第１孔の形状を、第３孔９の外周形状の略相似形の約４０％以下とする理由は、第３孔９の半径の５０％以上の孔を前処理用貫通孔としてレーザ加工してしまうと、被加工物５の熱変質層が外周形状まで広がり形状寸法精度の悪化が生じる場合や、第３孔９の半径の５０％以上の貫通孔に発生したカケが後工程で修正しきれない場合があるためである。また、第１孔７の半径を第３孔９の外周形状の１０％より大きくする理由は、逆に、第１孔７が第３孔９の半径の１０％ほどの小さな貫通孔であると、被加工物５の加工点でのレーザエネルギ集中が起こり、小さい孔形状にも係わらずカケが発生する場合があるためである。

このステップＳ１での加工速度は０．６ｍｍ／秒ほどである。加工面でのプラズマやデブリの発生により入射されるレーザエネルギの反射や吸収をできるだけ小さくするために、第１孔７は、レーザ加工工程の初期の段階で形成することが望ましい。また、本実施の形態１においても、シールドガスなどを使ってプラズマやデブリの除去が行われるが、これらのガスは被加工物の冷却効果をもたらす場合もある。冷却効果をもたらすために、シールドガスとしては、圧縮空気、窒素、不活性ガスのいずれかを用いることが望ましい。

続いて、ステップＳ２では、ステップＳ１で形成する第１孔７が貫通したかどうかを判定する。本実施の形態１では、第１孔７が貫通したか否かを、被加工物５の加工点でのプラズマ発生がなくなったか否かにより判定している。本実施の形態１では、加工点にプラズマが発生しなくなると、第１孔７が貫通したと判定する。

プラズマ発生により貫通したか否かを判定できる理由について説明する。前述のように、レーザビームにより被加工物５でアブレーション加工を行っている場合は、プラズマが発生する。ここで、貫通孔が形成されると、加工点がなくなり、プラズマの発生がなくなる。そのため、被加工物５の加工点をＣＣＤカメラなどを使って撮影することで、被加工物５の加工点でのプラズマの発生を確認し、貫通したか否かを判定できる。

そして、このステップＳ２でプラズマ発生がなくなったかどうかを判定し、プラズマが発生していると判定された場合には、ステップＳ１に戻り、貫通するまでステップＳ１を繰り返し実行する。ステップＳ２において、プラズマ発生がなくなったと判定された場合には、貫通孔の形成が確認できたと判定し、ステップＳ３に移る。

続いて、ステップＳ３では、ステップＳ１で形成された略相似形の貫通孔である第１孔７に、図２に示したレーザ装置によってレーザビームを照射して、第２孔８（仕上げ前貫通孔）を形成する。この第２孔８の半径は、第３孔９（目標貫通孔）の半径の９０％程度の大きさである。具体的には外周形状が長円または楕円形状を有す貫通孔の長径と短径とが、それぞれ半径の約９０％以下の大きさである。すなわち、第２孔８の半径ｒ_２と第３孔９の半径ｒ_３との関係は、 ｒ_２≒０．９ｒ_３ である。なお、第２孔８も、第１孔７と同様に、第３孔９の略相似形である必要がある。図３（ｂ１）にステップＳ３で形成される第２孔８の断面図を示し、そのときの平面図を図３（ｂ２）に示す。８Ｕが第２孔８の被加工物表面側の開口、８Ｄが第２孔８の被加工物底面側の開口である。

なお、このステップＳ３では、できるだけ加工速度を増加させ、レーザビームの入射エネルギが加工エネルギに費やされるように、レーザビームを早く走査し加工を行う必要がある。本実施の形態１では、レーザビームの加工速度は、５ｍｍ／秒ほどに設定している。

続いて、ステップＳ４では、ステップＳ３で形成した第２孔８の形状を最終形状精度に仕上げする。図３（ｃ１）にステップＳ４で形成される第３孔９の断面図を示し、そのときの平面図を図３（ｃ２）に示す。９Ｕが第３孔９の被加工物表面側の開口、９Ｄが第３孔９の被加工物底面側の開口である。ステップＳ４で行う加工は、第２孔８の外周形状の外周をなぞるようにレーザ加工を行って第３孔９を形成する、トレパニング加工である。本実施の形態１の場合、仕上げ加工として外周形状の外周をなぞるようなトレパニング加工を行うため、対策が必要である。具体的な対策としては、熱停滞をさけるためレーザビームの照射時間を短くする、被加工物５の加工量を少なくする、加工速度を約１．５ｍｍ／秒にする、などの対策がある。これらの対策により、第３孔９の形状、精度を維持することが必要である。

本発明者らが様々な実験を行った結果、ステンレス鋼の被加工物５に対し、本実施の形態１のようにステップＳ１，Ｓ３，Ｓ４で孔加工するのに必要なエネルギ密度は、１５〜２０Ｊ／ｃｍ^２であることが分かった。レーザビームのエネルギ密度を１５〜２０Ｊ／ｃｍ^２とすることで、投入エネルギのほとんどがアブレーションに必要な加工エネルギとして費やされ、被加工物５への熱蓄積を防ぐことができ、外周形状と形状精度が維持できる。

なお、本実施の形態１におけるステップＳ１〜Ｓ４でのレーザ加工は、貫通孔の外周形状が長円または楕円の場合に、特に効果を奏するものである。
なお、図３に図示したように、本実施の形態１におけるステップＳ１，Ｓ３，Ｓ４で加工する貫通孔は、それぞれの貫通孔の孔中心が同じである。

なお、少なくとも第３孔９を加工するステップＳ４において、レーザビームのエネルギ密度を１５〜２０Ｊ／ｃｍ^２にし、ステップＳ１，Ｓ３は、ステップＳ４よりも小さいエネルギ密度とすることで、ステップＳ１，Ｓ３で発生した欠けをステップＳ４で修正することが可能である。

本発明に係るレーザ加工方法は、孔形状、孔精度を維持できるため、複雑な形状や高精度な貫通孔を被加工物に加工する各種の装置に適用できる。

１ レーザ発振器
２ ビームエクスパンダー
３ａ，３ｂ ガルバノスキャナー
４ ｆθレンズ
５ 被加工物
６ ノズル
７ 第１孔
８ 第２孔
９ 第３孔
１０ レーザビーム

Claims (6)

1. 目標貫通孔の外周形状と略相似形で、半径の大きさが前記目標貫通孔の半径の１０％より大きく４０％以下である前処理貫通孔をレーザ加工により被加工物に形成した後、
   前記前処理貫通孔と同じ孔中心の前記目標貫通孔をレーザ加工により前記被加工物に形成する
   レーザ加工方法。
2. 目標貫通孔の外周形状と略相似形で、半径の大きさが前記目標貫通孔の半径の１０％より大きく４０％以下である前処理貫通孔をレーザ加工により被加工物に形成し、
   前記前処理貫通孔と同じ孔中心かつ前記目標貫通孔の外周形状と略相似形で、半径の大きさが前記目標貫通孔の半径の９０％の仕上前貫通孔をレーザビームを螺旋状に操作させたレーザ加工により前記被加工物に形成した後、
   前記前処理貫通孔と同じ孔中心の前記目標貫通孔をレーザ加工により前記被加工物に形成する
   請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記目標貫通孔の外周形状が、長円または楕円である
   請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記被加工物がステンレス鋼である
   請求項１から３いずれか１項に記載のレーザ加工方法。
5. 前記目標貫通孔のレーザ加工に用いるレーザビームの加工エネルギ密度が２０Ｊ／ｃｍ^２以下である
   請求項１から４いずれか１項に記載のレーザ加工方法。
6. 前記前処理貫通孔のレーザ加工に用いるレーザビームの加工エネルギ密度が、前記目標貫通孔のレーザ加工に用いるレーザビームの加工エネルギよりも小さい
   請求項１から５いずれか１項に記載のレーザ加工方法。

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