JP2012071314A - Machining method of composite material, and machining device of composite material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複合材の加工方法及び複合材の加工装置に関するものである。 The present invention relates to a composite material processing method and a composite material processing apparatus.
航空機の翼などの構造部材には、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)などの複合材が使用される。CFRPは、エポキシ系樹脂などのマトリクスを介して炭素繊維シートを多数枚積層したものである。炭素繊維は、ルツボに使用される黒鉛と同質であり、耐熱性が高く、難削材である。エポキシ系樹脂は、可燃性であり、軟化点が100℃程度と耐熱性が低い。 For structural members such as aircraft wings, composite materials such as carbon fiber reinforced plastic (CFRP) are used. CFRP is obtained by laminating a large number of carbon fiber sheets through a matrix such as an epoxy resin. Carbon fiber is the same quality as graphite used for crucibles, has high heat resistance, and is difficult to cut. Epoxy resins are flammable and have a softening point of about 100 ° C. and low heat resistance.
複合材の切断・穴あけなどの加工は、現状、ドリル刃を用いた機械加工で実施されている。しかしながら、上記手法は、加工時の工具消耗が激しく、刃の再研磨や交換刃など消耗品費用が高額となる。そのため、加工時に工具等が消耗しない加工方法として、レーザを用いた加工方法の開発が行われている(特許文献1参照)。 Processing such as cutting and drilling of composite materials is currently performed by machining using a drill blade. However, in the above method, tool consumption during processing is severe, and the cost of consumables such as blade re-polishing and replacement blades is high. For this reason, a machining method using a laser has been developed as a machining method in which tools and the like are not consumed during machining (see Patent Document 1).
レーザを用いて穴をあける場合、通常、図12に示すように、大穴の中央に加工開始点の貫通穴あけ(ピアシング)を行った後、焦点位置は一定で、レーザ光を大穴の輪郭を円弧状に1周させて加工する。 When drilling a hole using a laser, as shown in FIG. 12, after drilling a through hole (piercing) at the processing start point in the center of the large hole, the focal position is constant and the outline of the large hole is circled with laser light. Process by making one round in an arc.
一般に、レーザ加工装置では、レーザ発振器から発振されたレーザが、集光レンズを介して集光されてワーク(被加工材)面に照射される。そのため、加工形状は、レーザ光のエッジ形状(円錐形状)に依存し、テーパ形状となる。航空機の翼では、ボルト締め固定のために複合材に穴あけが行われるため、穴壁面が垂直壁であることが好ましい。そのため、テーパ角が大きい場合、ドリルなどで追加工を行い垂直壁を形成させる必要が生じる。 In general, in a laser processing apparatus, a laser oscillated from a laser oscillator is condensed through a condenser lens and irradiated onto a workpiece (workpiece) surface. Therefore, the processing shape depends on the edge shape (conical shape) of the laser beam and becomes a tapered shape. In an aircraft wing, since a hole is made in a composite material for bolting and fixing, the hole wall surface is preferably a vertical wall. Therefore, when the taper angle is large, it is necessary to perform additional machining with a drill or the like to form a vertical wall.
特許文献1では、大穴中央のピアシングの後、焦点位置をワーク下面に設定して、円錐状の集光ビームエッジがワーク上面に垂直になるように、ワーク支持台を傾けて、穴壁面を垂直に加工する方法が記載されている。しかしながら、特許文献1に記載の方法は、ワ−クを傾けるために支持台の複数の支持点の高さを変えつつ、XY軸移動を行うため、制御が複雑である。また、ワークが航空機の翼のような大型の構造物である場合、ワークを動かすのが困難となる。また、ワークが厚板の場合、貫通させながらの円周加工ができない場合があるという課題がある。
In
また、集光レンズで集光されたレーザ光は、断面のエネルギー分布がガウス分布である。図13及び図14に、このようなレーザ光を用いて穴あけした加工部の一例を示す。レーザ光の焦点位置をワーク内部に設定して照射すると、加工閾値以上のエネルギー領域で、除去加工が進行する(図13)。 Further, the laser beam condensed by the condenser lens has a Gaussian distribution of energy in the cross section. FIG. 13 and FIG. 14 show an example of a processed part that is drilled using such a laser beam. When the focal position of the laser beam is set inside and irradiated, removal processing proceeds in an energy region that is equal to or higher than the processing threshold (FIG. 13).
加工しながら焦点位置を下げていくと、ワーク上面に照射されるレーザ光の径は広がる(図13)。レーザ光の径が広がると、断面のエネルギー分布もブロードになる。そのため、レーザ光周縁部ではエネルギー密度が小さくなり、加工閾値に達しないケラレ部分が生じる。すなわち、レーザ光の焦点位置を下げていくと、ワーク上面では、レーザ光周縁部がケラレてしまい、集光されたレーザ光の中心部分のみが加工部内に入ることになる。加工部の上部内壁面は、レーザ照射方向となす角度が小さい。そのため、壁面に照射される単位面積当たりのレーザエネルギー密度が小さく、加工部上部の穴径は拡大されにくい。従って、加工部内に到達する光量が減少し、底の穴径が小さくなるため、加工が途中で進まなくなることがある。例えば、厚板の加工対象物の穴あけ加工の際に、ピアシングできない、または、ピアシングができたとしても、レーザ光を貫通させながら円周加工ができないという問題を生じる。 When the focal position is lowered while processing, the diameter of the laser beam irradiated on the upper surface of the workpiece increases (FIG. 13). As the diameter of the laser beam increases, the energy distribution in the cross section also becomes broader. For this reason, the energy density is reduced at the peripheral portion of the laser beam, and a vignetting portion that does not reach the processing threshold occurs. That is, when the focal position of the laser beam is lowered, the laser beam peripheral portion is vignetted on the workpiece upper surface, and only the central portion of the focused laser beam enters the processing portion. The upper inner wall surface of the processed portion has a small angle with the laser irradiation direction. Therefore, the laser energy density per unit area irradiated on the wall surface is small, and the hole diameter at the upper part of the processed portion is difficult to be expanded. Accordingly, the amount of light reaching the processing portion is reduced and the hole diameter at the bottom is reduced, so that the processing may not progress midway. For example, when drilling a workpiece to be processed with a thick plate, there is a problem that piercing cannot be performed, or even if piercing can be performed, circumferential processing cannot be performed while penetrating laser light.
また、加工部の上部は、レーザ光の焦点位置を下げている間も、レーザ光が照射され続けているため、熱影響を受け変質する。このとき、レーザパワーを増加しても、貫通に至ることなく加工部周辺の温度が上昇する場合がある。 Further, the upper part of the processing part is deteriorated by the influence of heat because the laser beam is continuously irradiated even while the focal position of the laser beam is lowered. At this time, even if the laser power is increased, the temperature around the processed part may rise without reaching the penetration.
CFRPは、樹脂を含むため金属に比べて熱伝導性が低く、レーザ加工の際に、レーザ光からの熱が加工部周辺で蓄熱され、加工部周辺の温度が上昇しやすい。CFRPの厚板加工では、レーザ光からの入熱が大きくなるため、加工部周辺が溶融し、加工精度の悪化、層間剥離、樹脂の熱変質といった問題が発生する。また、CFRPの厚板加工では、加工部周辺が400℃以上となり、溶けた樹脂が炭素繊維シートの孔から噴出し、燃えることもある。これに対して、金属やセラミック板は不燃性であるため、溶融物の排出は問題とならない場合が多い。このように、CFRPのような複合材の厚板加工は、金属やセラミックの厚板加工に比べて難しい面が多い。 Since CFRP contains a resin, its thermal conductivity is lower than that of metal, and during laser processing, heat from the laser light is stored in the vicinity of the processing portion, and the temperature around the processing portion tends to increase. In CFRP thick plate processing, the heat input from the laser beam increases, so that the periphery of the processed portion melts, causing problems such as deterioration in processing accuracy, delamination, and thermal alteration of the resin. Further, in the thick plate processing of CFRP, the periphery of the processed portion becomes 400 ° C. or higher, and the melted resin may be ejected from the hole of the carbon fiber sheet and burned. On the other hand, since metal and ceramic plates are nonflammable, discharge of the melt is not often a problem. As described above, the thick plate processing of a composite material such as CFRP is more difficult than the thick plate processing of metal or ceramic.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、厚板の複合材で構成された大型構造部材においても、加工部周辺の熱影響を抑えつつ、ワークに垂直な加工壁面や、垂直穴を形成できる複合材の加工装置および加工方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and even in a large structural member formed of a thick plate composite material, while suppressing the thermal influence around the processing portion, An object of the present invention is to provide a processing apparatus and a processing method for a composite material capable of forming a vertical hole.
上記課題を解決するために、本発明は、光源と、光源から発振されるレーザ光を偏向させる偏向部と、前記偏向されたレーザ光を集光させるfθレンズと、を備える加工装置を用い、fθレンズの中心線と前記fθレンズで集光されたレーザ光の中心線とのなす照射角度(φ)が、前記集光されたレーザ光の収束角度(δ)以上となるようレーザ光を被加工部材の加工壁面が形成される箇所に照射する複合材の加工方法を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention uses a processing apparatus including a light source, a deflection unit that deflects laser light oscillated from the light source, and an fθ lens that condenses the deflected laser light. The laser beam is irradiated so that the irradiation angle (φ) formed by the center line of the fθ lens and the center line of the laser beam condensed by the fθ lens is equal to or larger than the convergence angle (δ) of the condensed laser beam. Provided is a method for processing a composite material that irradiates a portion where a processing wall surface of a processing member is formed.
上記発明によれば、fθレンズを用いることで、偏向部で偏向されたレーザ光を平らな像面に収束させ、容易に等速度スキャンすることができるため、高速でレーザ加工することができるようになる。照射角度(φ)と収束角度(δ)とを、φ≧δとして被加工部材の加工壁面が形成される箇所に照射することで、加工領域の中心における接線に垂直な線に平行な加工壁面を形成することができる。また、レーザ光の照射角度を偏向部で制御できるため、被加工部材を傾ける必要がなく、複雑なステージ制御や基板高さ制御は不要である。 According to the above invention, by using the fθ lens, the laser beam deflected by the deflecting unit can be converged on a flat image surface and can be easily scanned at a constant speed, so that laser processing can be performed at high speed. become. By irradiating the irradiation angle (φ) and the convergence angle (δ) to a portion where the processing wall surface of the workpiece is formed as φ ≧ δ, a processing wall surface parallel to a line perpendicular to the tangent at the center of the processing area Can be formed. Further, since the irradiation angle of the laser beam can be controlled by the deflecting unit, it is not necessary to incline the workpiece, and complicated stage control and substrate height control are unnecessary.
上記発明の一態様において、前記被加工部材にレーザ光を照射して、加工壁面が形成される箇所の上部から所定形状の溝を形成した後、前記レーザ光の照射位置を前記溝の幅よりも小さい距離だけ移動させて、同一焦点面内に、複数の別の溝を段階的に形成させ焦点面溝とすると良い。 In one aspect of the invention described above, after irradiating the member to be processed with laser light to form a groove having a predetermined shape from the upper part of the portion where the processing wall surface is formed, the irradiation position of the laser light is determined from the width of the groove. It is preferable to move a small distance to form a focal plane groove by forming a plurality of different grooves stepwise in the same focal plane.
レーザ光の照射位置を溝の幅、言い換えると、レーザ光のスポット径よりも小さい距離だけ移動させることで、焦点面溝を構成する各溝同士が重なるため、凹凸の少ない焦点面溝を形成することができる。 By moving the laser beam irradiation position by a distance smaller than the width of the groove, in other words, the spot diameter of the laser light, the grooves constituting the focal plane groove overlap each other, thereby forming a focal plane groove with less unevenness. be able to.
上記発明の一態様において、前記複数の別の溝を、前記加工壁面から離れる方向に、段階的に形成させると良い。 In one embodiment of the present invention, the plurality of other grooves may be formed stepwise in a direction away from the processing wall surface.
そのようにすることで、加工壁面付近に長時間、継続してレーザ光が照射されないため、被加工部材の加工壁面付近への蓄熱が少なくなる。そのため、被加工部材(複合材)の加工壁面付近での温度上昇を抑制することができ、熱変質が生じにくくなる。 By doing so, the laser beam is not continuously irradiated in the vicinity of the processing wall surface for a long time, so that the heat storage in the vicinity of the processing wall surface of the workpiece is reduced. Therefore, the temperature rise in the vicinity of the processed wall surface of the member to be processed (composite material) can be suppressed, and thermal alteration is less likely to occur.
上記発明の一態様において、前記溝と前記複数の別の溝とからなる焦点面溝を、その開口幅が所定距離となるよう形成した後、焦点面を前記溝の深さだけ下げ、開口幅が先の焦点面溝よりも狭い別の焦点面溝を形成する工程を繰り返し、前記加工壁面の下部に向かって近づくよう傾斜された側面を前記加工壁面に対向する側に有し、且つ、被加工部材を貫通する穴を形成すると良い。 In one aspect of the invention described above, the focal plane groove formed of the groove and the plurality of other grooves is formed so that the opening width is a predetermined distance, and then the focal plane is lowered by the depth of the groove, and the opening width Repeats the step of forming another focal plane groove narrower than the previous focal plane groove, and has a side surface inclined toward the lower portion of the processed wall surface on the side facing the processed wall surface, and A hole penetrating the processed member may be formed.
上記一態様によれば、ワークの上部に形成される焦点面溝の開口幅を広く、板厚方向下部にいくに従って開口幅が狭くなるような穴が形成される。それによって、焦点位置を下げながら加工しても、ワーク上部でレーザ光のケラレが生じない。従って、加工が止まることなく確実に被加工部材の切断や開溝ができるようになる。また、間口が広くなるため、加工部分に吹き付けられる空気などのアシストガスが深部まで入りやすくなる。それによって、加工部分を効率よく冷却することができ、加工壁面周辺の熱変質が抑制される。 According to the above-described aspect, the hole is formed such that the opening width of the focal plane groove formed in the upper part of the workpiece is wide and the opening width is narrowed toward the lower part in the plate thickness direction. Accordingly, even if processing is performed while lowering the focal position, vignetting of the laser beam does not occur at the upper part of the workpiece. Therefore, it is possible to reliably cut and open the workpiece without stopping the processing. Further, since the frontage is widened, it becomes easy for an assist gas such as air blown to the processed portion to enter deeper. As a result, the machined portion can be efficiently cooled, and thermal alteration around the machining wall surface is suppressed.
また、本発明は、光源と、光源から発振されるレーザ光を偏向させる偏向部、及び前記偏向されたレーザ光を集光させるfθレンズで構成された光学系と、fθレンズの中心線と前記fθレンズで集光されたレーザ光の中心線とのなす照射角度(φ)が、前記集光されたレーザ光の収束角度(δ)以上となるようレーザ光を被加工部材の加工壁面が形成される箇所に照射するよう前記光学系を制御する制御部とを備える複合材の加工装置を提供する。 The present invention also provides an optical system including a light source, a deflecting unit that deflects laser light emitted from the light source, an fθ lens that condenses the deflected laser light, a center line of the fθ lens, The processing wall surface of the workpiece is formed so that the irradiation angle (φ) formed with the center line of the laser beam focused by the fθ lens is equal to or greater than the convergence angle (δ) of the focused laser beam. There is provided a processing apparatus for a composite material, comprising: a control unit that controls the optical system so as to irradiate a portion to be applied.
上記発明によれば、fθレンズを備えることで、偏向部で偏向されたレーザ光を平らな像面に集光させ、容易に等速度スキャンすることができるため、高速でレーザ加工することができる。制御部を備えることで、照射角度(φ)と収束角度(δ)とを、φ≧δとして被加工部材の加工壁面が形成される箇所に照射させることができるため、加工領域の中心における接線に垂直な線に平行な加工壁面を形成することができる。また、レーザ光の照射角度を光学系で制御できるため、被加工部材を傾ける必要がなく、複雑なステージ制御や基板高さ制御が不要となる。 According to the above invention, since the fθ lens is provided, the laser beam deflected by the deflecting unit can be condensed on a flat image surface and can be easily scanned at a constant speed, so that laser processing can be performed at high speed. . By providing the control unit, it is possible to irradiate the irradiation angle (φ) and the convergence angle (δ) to the portion where the processing wall surface of the workpiece is formed as φ ≧ δ, and therefore, the tangent at the center of the processing region A machining wall surface parallel to a line perpendicular to the surface can be formed. Further, since the irradiation angle of the laser beam can be controlled by the optical system, it is not necessary to incline the workpiece, and complicated stage control and substrate height control are not necessary.
本発明によれば、fθレンズを備えたレーザ加工装置を用い、照射角度≧収束角度となるようレーザ光を被加工部材に照射することで、加工壁面をワーク上面に垂直に加工することができる。航空機の翼や自動車ボンネットのような複合材を用いた大型構造物の穴あけや切断にも対応しやすい。 According to the present invention, by using a laser processing apparatus equipped with an fθ lens and irradiating a member to be processed with laser light so that an irradiation angle ≧ a convergence angle, the processing wall surface can be processed perpendicularly to the workpiece upper surface. . It is easy to handle drilling and cutting of large structures using composite materials such as aircraft wings and automobile bonnets.
以下に、本発明に係る複合材の加工方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第1実施形態〕
本実施形態で加工される被加工部材1は、複合材とされ、プリプレグなどの複合材料が複数積層された層を備える。複合材は、繊維で強化された樹脂からなる。繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド樹脂(ケブラー)等の樹脂繊維、ステンレス等の金属繊維、アルミナ等のセラミックス繊維、または木材チップなどが用いられる。樹脂としては、エポキシ系樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、またはアクリル樹脂などが用いられる。複合材は、チタンなどの金属材料の上に複合材からなる層が形成された部材であっても良い。
Below, one Embodiment of the processing method of the composite material which concerns on this invention is described with reference to drawings.
[First Embodiment]
The
本実施形態で使用する加工装置を、図1を参照して説明する。
本実施形態で使用するレーザ加工装置は、レーザ光2を発振させる光源と、レーザ光2を偏向させる偏向部3、及び偏向されたレーザ光2が通過するfθレンズ4で構成された光学系とを備える。
光源は、図示しないが、紙面に垂直な方向にレーザ光2を発振するよう偏向部3aの紙面奥側に配置されている。
The processing apparatus used in this embodiment will be described with reference to FIG.
The laser processing apparatus used in this embodiment includes an optical system including a light source that oscillates
Although not shown, the light source is disposed on the back side of the paper surface of the deflecting
偏向部3は、ガルバノミラー系またはポリゴンミラー系のいずれかとされる。本実施形態では、ガルバノミラー系を用いる。ガルバノミラー系は、第1ガルバノミラー3aと第2ガルバノミラー3bとを備えている。第1ガルバノミラー3aは、軸回転可能であり、光源から発信されたレーザ光2を第2ガルバノミラー3bに向けて偏向させることができる。第2ガルバノミラー3bは、第1ガルバノミラー3aの軸に対して垂直方向に軸回転可能であり、第1ガルバノミラー3aで偏向されたレーザ光2を偏向させ、所望の角度でfθレンズ4へ入射させることができる。
The deflecting unit 3 is either a galvanometer mirror system or a polygon mirror system. In this embodiment, a galvanometer mirror system is used. The galvanometer mirror system includes a
fθレンズ4は、有効焦点距離fのfθレンズ4へレーザ光が入射角度θで入射された場合、fθレンズ系の中心線7の焦点位置6から中心線に対して垂直方向に、X=fθ離れた位置に焦点を結ぶように設計されたレンズである。fθレンズ4に入射されたレーザ光は、平らな焦点面(像面)5に集光される。fθレンズ4は、所望の焦点面5及び収束角度(δ)を得られるレンズが適宜選択される。fθレンズ4は、複数枚組み合わせられたfθレンズ系として使用されても良い。
なお、偏向部及びfθレンズを含む光学系は、上下方向に移動することができる。
When the laser light is incident on the
Note that the optical system including the deflection unit and the fθ lens can move in the vertical direction.
次に、上記加工装置を用いた複合材の加工方法を説明する。
上記構成の加工装置を、被加工部材の加工したい領域面の中心6における垂直線上に、fθレンズ4またはfθレンズ系の中心線7を合せて配置する。また、偏向部3及びfθレンズ4を含む光学系を、焦点面5が被加工部材2の上表面と略一致するような高さに配置する。
Next, the processing method of the composite material using the said processing apparatus is demonstrated.
The processing apparatus having the above-described configuration is arranged so that the
上記加工装置において、光源からレーザ光2を発振すると、レーザ光2は、第1ガルバノミラー3aで第2ガルバノミラー3bに向けて偏向される。該偏向されたレーザ光2は、第2ガルバノミラー3bでfθレンズ4に向かって偏向される。このとき、照射角度(Φ)が、fθレンズ4で集光されたレーザ光2の収束角度(δ)と同等以上の大きさとなるように、光学系を制御する。具体的には、fθレンズ4へのレーザ光2の入射角度(θ)を設定する。
In the processing apparatus, when the
収束角度(δ)とは、レーザ光2の中心線8とレーザ光2の外周線9(エッジライン)との間の角度である。照射角度(Φ)とは、fθレンズの中心線7とfθレンズ4で集光されたレーザ光の中心線8との間の角度である。図2では、中心線7を平行移動させた線7aを示す。Φは、焦点面からみたレーザ光2の仮想中心における振れ角でもある。入射角度(θ)とは、fθレンズの中心線7とレーザ光の中心線8との間の角度である。
The convergence angle (δ) is an angle between the
レーザ光2のfθレンズ4への入射角度とレーザ光の照射角度との関係を、図2を参照して説明する。
図2(a):
レーザ光2のfθレンズ4への入射角(θ)がθ=0のとき、照射角度(Φ)はΦ=0となる。すなわち、レーザ光の中心線8が、被加工部材1の加工したい面領域の中心における垂線と重なるとともに、焦点面5に対して垂直に照射される。
The relationship between the incident angle of the
FIG. 2 (a):
When the incident angle (θ) of the
図2(b)及び図2(c):
レーザ光2のfθレンズ4への入射角(θ)がθ>0のとき、照射角度(Φ)はΦ>0となる。ここで、照射角度(Φ)と収束角度(δ)とを、Φ=δとすると、レーザ光の一エッジライン9が、焦点面5に対して垂直な線と重なる(図2(b))。また、Φ>δとすると、図2(c)のように、被加工部材5の加工したい領域面の中心から離れる方向Xに向けて焦点を移動させることができる。このような角度のレーザ光2を用いて複合材を加工すると、複合材に垂直壁を形成することができる。
2 (b) and 2 (c):
When the incident angle (θ) of the
上記のように、レーザ光の入射角度(θ)を変化させることにより、穴半径などの加工範囲を制御することができる。
例えば、レーザ光の焦点から有効焦点距離fだけ光源側にさかのぼった位置におけるレーザ光の径をdとする。f=180mm、d=12mm、のとき焦点のスポット径は30μmである。この値は、dに比べかなり小さいため、レーザ光の収束角度(δ)は、d/2fで近似できるものと仮定すると、δ=0.033rad(1.9°)となる。
As described above, the processing range such as the hole radius can be controlled by changing the incident angle (θ) of the laser beam.
For example, let d be the diameter of the laser beam at a position going back from the focal point of the laser beam to the light source side by an effective focal length f. When f = 180 mm and d = 12 mm, the focal spot diameter is 30 μm. Since this value is considerably smaller than d, assuming that the convergence angle (δ) of the laser beam can be approximated by d / 2f, δ = 0.033 rad (1.9 °).
次に、穴あけ加工を例として、レーザ光2の照射手順を説明する。本実施形態のレーザ光の照射手順は、焦点面溝を形成する工程と、貫通穴を形成する工程とから構成される。図3は、穴あけ加工を施した加工部分を説明する図であり、(a)は斜視図、(b)は(a)のX−X線における断面図、(c)は上面図を示す。図4は、図3(b)の破線領域Zの拡大図である。
Next, the irradiation procedure of the
焦点面溝を形成する工程では、まず、照射位置を加工壁面が形成される箇所の上部の加工開始点(C)に合わせたレーザ光2を所定の形状(輪郭)に沿って照射して図3(c)に示すように溝C1を形成させる。本実施形態における所定の形状は、ボルト締めするためのボルト孔を想定した円形(半径fθ)とされる。
レーザ光の照射条件(パルス周波数、パワー等)は、使用する加工装置や被加工部材の材質などによって適宜設定される。レーザ光の発振方式は、パルス発振または連続発振のいずれであっても良い。
In the step of forming the focal plane groove, first, a
The laser light irradiation conditions (pulse frequency, power, etc.) are appropriately set depending on the processing apparatus used, the material of the workpiece, and the like. The laser beam oscillation method may be either pulse oscillation or continuous oscillation.
炭素繊維で強化されたエポキシ樹脂からなる複合材を被加工部材とする場合、例えば、パルス幅300f(フェムト)秒、波長532nmのレーザ加工装置を使用し、パルス周波数20kHz、パワー1.2wの条件でレーザ光を照射すると、加工深さ(Δt)が0.06mmの溝を形成することができる。
例えば、パルス幅1n(ナノ)秒、波長532nmのレーザを使用し、パルス周波数50kHz、パワー8wの条件でレーザ光を照射すると、加工深さ(Δt)が0.4mmの溝を形成することができる。
例えば、パルス幅400n秒、波長1065nmのレーザを使用し、パルス周波数50kHz、パワー35wの条件でレーザ光を照射すると、加工深さ(Δt)が1.5mmの溝を形成することができる。
When a composite material made of an epoxy resin reinforced with carbon fiber is used as a workpiece, for example, a laser processing apparatus having a pulse width of 300 f (femto) seconds, a wavelength of 532 nm, a pulse frequency of 20 kHz and a power of 1.2 w is used. When a laser beam is irradiated at, a groove having a processing depth (Δt) of 0.06 mm can be formed.
For example, when a laser having a pulse width of 1 n (nanosecond) and a wavelength of 532 nm is used and laser light is irradiated under the conditions of a pulse frequency of 50 kHz and a power of 8 w, a groove having a processing depth (Δt) of 0.4 mm may be formed. it can.
For example, when a laser having a pulse width of 400 nsec and a wavelength of 1065 nm is used and laser light is irradiated under the conditions of a pulse frequency of 50 kHz and a power of 35 w, a groove having a processing depth (Δt) of 1.5 mm can be formed.
溝C1を形成後、レーザ光2の照射位置を同一焦点面内で半径方向内側に移動させる。このとき、レーザ光2の照射位置の移動幅は、レーザ光のスポット径と同じまたはスポット径よりも小さい幅とされる。次に、レーザ光2を照射しながらC1溝の円周に沿って一回転回させ、溝C1と同心円の溝C2を形成させる。次に、溝C2と同様にレーザ光2の照射位置を移動させ、半径を順に小さくしながら、段階的に溝C1と同心円の溝を溝Cnまで形成させ、第1の焦点面溝を加工する。焦点面溝の開口幅は、所定距離Lとされ、nは、開口幅(点Cから点Dまでの距離)が所定距離Lに達する整数とされる。
所定距離Lは、式(1)から算出される。
L=t・tan(φ+δ)・・・(1)
tは、被加工部材の厚さである。
After forming the grooves C 1, it moves radially inward the irradiation position of the
The predetermined distance L is calculated from the equation (1).
L = t · tan (φ + δ) (1)
t is the thickness of the workpiece.
なお、「照射位置」とは、レーザ光2の焦点位置であることが好ましいが、少しデフォーカスして、加工点におけるスポット径を大きくして照射することも含む。
Note that the “irradiation position” is preferably the focal position of the
貫通穴を形成する工程では、焦点面を溝の深さだけ下げ、開口幅が先の焦点面溝よりも狭い別の焦点面溝を形成する工程を繰り返し、被加工部材を貫通する穴を形成する。貫通穴は、加工壁面の下部に向かって近づくよう傾斜された側面を、加工壁面に対向する側に有する。 In the step of forming a through hole, the focal plane is lowered by the depth of the groove, and the step of forming another focal plane groove whose opening width is narrower than the previous focal plane groove is repeated to form a hole that penetrates the workpiece. To do. The through hole has a side surface inclined so as to approach the lower portion of the processing wall surface on the side facing the processing wall surface.
点Cから点Dまで焦点面溝を形成した後、照射位置を点Dから半径方向外側に向けてΔLだけ移動させる。更に、焦点面5を被加工部材1の厚さ方向下側にΔtだけ移動させ、照射位置を点Eに合わせる。焦点面5の移動は、光学系を被加工部材に対して移動させることで行うと良い。ΔLは、式(2)から算出される。
ΔL=Δt・tan(φ+δ)・・・(2)
After forming the focal plane groove from the point C to the point D, the irradiation position is moved from the point D outward in the radial direction by ΔL. Further, the
ΔL = Δt · tan (φ + δ) (2)
レーザ光2を点Eに照射しながら一回転回させ、溝C1と同心円の溝E1を形成させる。レーザ照射条件は、溝C1の形成時と同様とする。続いて、レーザ光2の照射位置を半径方向外側に、スポット径と同じまたはスポット径よりも小さい幅だけ移動させる。次に、レーザを照射しながら、一回転回させ、溝C1と同心円の溝E2を形成させる。次に、溝E2と同様にレーザ光2の照射位置を移動させ、半径を順に大きくしながら、段階的に溝C1と同心円の溝を溝Emまで形成させ、第2の焦点面溝を加工する。mは、第2の焦点面溝の溝幅がL−ΔLの距離(点F)に達するのに必要な整数とされる。
While irradiating the
次に、焦点面5をΔtだけ下方向に平行移動させ、照射位置を点Gに合わせる。レーザ光2を照射しながら、一回転回させ、溝C1と同心円の溝G1を形成させる。続いて、溝C2〜溝Cnと同様に、半径を順に小さくしながら、点Hまで溝G2〜溝Goを形成させ、第3の焦点面溝を加工する。oは、第3の焦点面溝の溝幅(点Gから点Hまで)が、L−2ΔLの距離に達するのに必要な整数とされる。
Next, the
焦点壁面が被加工部材の下部(点B)に達するまで、溝E1〜Em、溝G1〜溝Goの加工工程を繰り返し行い、複数の焦点面溝を形成させる。このとき、各焦点面溝は、一側面が加工壁面と一致し、且つ、先の焦点面溝よりも開口幅が狭くなるように形成される。具体的には、焦点面溝の加工壁面から離れた側の端面が、焦点面を1つ下げるごとに、ΔLだけ加工壁面側に移動するように加工する。そうすることによって、被加工部材1の下部に向かって近づくよう角度(φ+δ)で傾斜された側面を有する楔状にくりぬかれた穴を加工することができる。焦点面が点Bに達したとき、上記穴が被加工部材5の板厚方向に貫通される。側面がテーパ上になった残材を除去すると、垂直壁面を有する穴が形成される。尚、加工開始点は、点Cではなく、点Dから点Cに向けて、同心円の半径を大きくするように行ってもよい。
To the focal wall reaches the bottom (point B) of the workpiece, the groove E 1 to E m, repeats the processing steps of the groove G 1 ~ groove G o, to form a plurality of focal plane groove. At this time, each focal plane groove is formed such that one side surface coincides with the processing wall surface and the opening width is narrower than the previous focal plane groove. Specifically, the end surface on the side away from the processing wall surface of the focal plane groove is processed so as to move to the processing wall side by ΔL each time the focal plane is lowered by one. By doing so, it is possible to machine a hole hollowed in a wedge shape having a side surface inclined at an angle (φ + δ) so as to approach the lower part of the
上記垂直壁面を有する穴はφ≧δとなる半径以上で形成可能である。φ=δのときが、最も加工除去量が少なくなる。通常、fθレンズスガルバノミラースキャン光学系は、トリミング(配線などの微小部分の膜を除去)やマーキング(刻印)などに使われており、焦点のスポット径は12〜50μm程度である。また、スポット径を小さくするためにレーザ光の径dは8〜30mmと大きい。しかし、複合材の穴あけ加工では、スポット径を小さく絞る必要はない。むしろ、加工速度を速くするためには、スポット径は大きいほうが良く、50〜300μmが好適である。そのため、dは1〜7mm程度でよい。dが小さいときビームの収束角度δが小さくなる。例えば、d=4mmのとき半径が3mm以上、d=2mmのとき半径が1.5mm以上(ただしφ/θ=0.65)の垂直穴あけ加工が可能である。また、半径50mmの大穴加工であっても、dが小さいほどδが小さくなり、加工除去量が少なくなる。 The hole having the vertical wall surface can be formed with a radius greater than or equal to φ ≧ δ. When φ = δ, the processing removal amount is the smallest. Usually, the fθ lens sgalvano mirror scanning optical system is used for trimming (removing a film of a minute portion such as wiring) or marking (engraving), and the focal spot diameter is about 12 to 50 μm. In order to reduce the spot diameter, the laser beam diameter d is as large as 8 to 30 mm. However, it is not necessary to reduce the spot diameter in the drilling process of the composite material. Rather, in order to increase the processing speed, the spot diameter should be large, and 50 to 300 μm is preferable. Therefore, d may be about 1 to 7 mm. When d is small, the beam convergence angle δ is small. For example, vertical drilling with a radius of 3 mm or more when d = 4 mm and a radius of 1.5 mm or more (φ / θ = 0.65) when d = 2 mm is possible. Even in the case of machining a large hole with a radius of 50 mm, the smaller d is, the smaller δ is, and the smaller the machining removal amount is.
〔第2実施形態〕
図5を参照して、穴あけ加工の別の一例を説明する。本実施形態において、被加工部材や使用する加工装置などは、第1実施形態と同様とする。図5は、穴あけ加工を施した加工部分を説明する図であり、(a)は上面図、(b)は(a)のK−L線における断面図、(c)は(a)のI−J線における断面図を示す。本実施形態では、第1実施形態と同様に、まず、レーザ光2を加工面20上部の加工開始点に照射し、そのままレーザ光2を所定の形状(輪郭)に沿って照射して溝C1を形成させる。本実施形態における所定の形状は、正方形とされる。
[Second Embodiment]
With reference to FIG. 5, another example of drilling will be described. In the present embodiment, the workpiece and the processing device to be used are the same as those in the first embodiment. 5A and 5B are diagrams for explaining a machined portion subjected to drilling, where FIG. 5A is a top view, FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line KL in FIG. 5A, and FIG. Sectional drawing in the -J line is shown. In the present embodiment, similarly to the first embodiment, first, the
レーザ光2の照射手順は、所定距離Lの算出方法が異なる以外は、第1実施形態と同様とする。
図5(b)のK−L断面と図5(c)のI−J断面とでは所定距離Lが異なる。K−L断面、I−J断面(対角)における所定距離L1及び所定距離L2は、それぞれ式(3)及び式(4)から算出される。
L1=t・tan(φ1+δ)・・・(3)
L2=t・tan(φ2+δ)・・・(4)
L2=√2L1
φ2>φ1
φ1:K−L断面における照射角度(Φ)の最大必要な角度
φ2:I−J断面(対角)における照射角度(Φ)の最大必要な角度
The irradiation procedure of the
The predetermined distance L differs between the KL cross section in FIG. 5B and the IJ cross section in FIG. K-L cross-section, a predetermined distance L 1 and the predetermined distance L 2 in I-J cross-section (diagonal) is calculated from each of formulas (3) and (4).
L 1 = t · tan (φ 1 + δ) (3)
L 2 = t · tan (φ 2 + δ) (4)
L 2 = √2L 1
φ 2 > φ 1
φ 1 : Maximum required angle of irradiation angle (Φ) in KL section φ 2 : Maximum required angle of irradiation angle (Φ) in IJ section (diagonal)
また、垂直壁を有する穴の形成には、K−L断面においてφ1≧δである必要がある。 Further, in order to form a hole having a vertical wall, it is necessary that φ 1 ≧ δ in the KL cross section.
〔第3実施形態〕
図6を参照して、切断加工の一例を説明する。図6は切断加工を施した加工部分を説明する図であり(a)は上面図、(b)は(a)のA−A線の断面図である。図6(a)において、円形破線はレーザ照射可能範囲を示す。本実施形態において、被加工部材や使用する加工装置などは、第1実施形態と同様とする。
[Third Embodiment]
An example of the cutting process will be described with reference to FIG. FIGS. 6A and 6B are diagrams for explaining a processed part subjected to cutting, where FIG. 6A is a top view and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. In FIG. 6A, a circular broken line indicates a laser irradiable range. In the present embodiment, the workpiece and the processing device to be used are the same as those in the first embodiment.
本実施形態では、第1実施形態と同様に、まず、レーザ光2を加工壁面30上部の加工開始点Cに照射し、そのままレーザ光2を所定の形状(輪郭)に沿って照射して溝C1を形成させる。本実施形態における所定の形状は、直線状とされる。
本実施形態では、加工したい領域がレーザ光の照射可能範囲よりも広いため、被加工部材21を移動させることで、所定の形状の溝C1を形成させる。例えば、前後左右に移動可能な保持台の上に被加工部材21を保持させる。被加工部材21の加工開始点Cに、レーザ光2の照射位置を合せ固定し、照射を開始する。保持台を切断方向S(片方向)に移動させることで被加工部材21に所定形状の溝C1を形成させる。
In the present embodiment, as in the first embodiment, first, the
In this embodiment, the processed like region for wider than the irradiation range of the laser beam, by moving the
溝C1を形成後、レーザ光2の照射位置を同一焦点面内で加工壁面30と離れる方向(点Mから点Nに向かう方向)に移動させる。このとき、レーザ光2の照射位置の移動幅は、レーザ光のスポット径と同じまたはスポット径よりも小さい幅とされる。レーザ光2を固定し、被加工部材21をSとは反対方向に移動させることで溝C1に平行な溝C2を形成させる。次に、溝C2と同様にレーザ光2の照射位置を切断方向S(先と反対方向)に移動させ、段階的に溝C1に平行な溝を溝Cpまで形成させて、第1の焦点面溝を加工する。pは、第1の焦点面溝の溝幅(点Mから点Nまで)が所定距離Lに達する整数とされる。所定距離Lは、第1実施形態と同様に算出する。
After forming the grooves C 1, moves the irradiation position of the
貫通穴を形成する工程では、第1実施形態と同様に、焦点面を溝の深さだけ下げ、開口幅が先の焦点面溝よりも狭い別の焦点面溝を形成する工程を繰り返し、被加工部材を貫通する穴を形成する。 In the step of forming the through hole, similar to the first embodiment, the focal plane is lowered by the depth of the groove, and the step of forming another focal plane groove whose opening width is narrower than the previous focal plane groove is repeated. A hole penetrating the processed member is formed.
本実施形態において、所定形状は直線状であるため、焦点面溝の開口幅を狭くするための照射位置の移動は、点Mから点Nに向かう方向、またはその逆方向で行われる。また、第2の焦点面溝以降の複数の焦点面溝の形成は、第1の焦点面溝の形成と同様に、レーザ光2は固定し、被加工部材21を移動させて行う。
In the present embodiment, since the predetermined shape is a straight line, the movement of the irradiation position for narrowing the opening width of the focal plane groove is performed in the direction from the point M to the point N or in the opposite direction. Further, the formation of the plurality of focal plane grooves after the second focal plane groove is performed by fixing the
焦点面が被加工部材21の下部(点O)に達するまで、焦点面溝の形成を繰り返し行い、貫通穴を形成させる。このとき、各焦点面溝は、一側面が加工壁面30と一致し、且つ、先の焦点面溝よりも溝幅が狭くなるように形成される。具体的には、焦点面溝の加工壁面30から離れた側の端面が、焦点面を1つ下げるごとに、ΔLだけ加工壁面側に移動するように加工する。そうすることによって、被加工部材21の下部に向かって近づくよう角度(φ+δ)で傾斜された側面32を有する楔状にくりぬかれた穴を加工することができる。
Until the focal plane reaches the lower part (point O) of the
レーザ光2の照射位置を点Mと直径方向反対側に移動させることで、fθレンズの中心線7を挟んで対象な位置に上記と同様の加工を行うことができる。
By moving the irradiation position of the
本実施形態の変形例として、残材の加工方法を説明する。図7に残材33のN側端部を示す。
まず、残材33のN側端部をfθレンズの中心線7を挟んで反対側移動させる。点Nを、fθレンズの中心線7を挟んで点Mと対象な位置に配置することが好ましい。所定距離Lは、各焦点面に含まれるテーパ部34の幅(加工壁面35から他端部までの距離)とされる。本変形例では、残材33の端部のテーパ部34を切除することで、残材33の端部を垂直壁面とする。端部の加工では、ケラレを回避できる。そのため、レーザ光2をΦ≧δとなるような角度で点Nに照射し、点Pまで照射位置を垂直下方向に移動させて加工しても良い。そうすることで、切削量を最小とすることができる。
As a modification of the present embodiment, a remaining material processing method will be described. FIG. 7 shows the N-side end of the remaining
First, the N-side end of the remaining
〔第4実施形態〕
図8〜図11を参照して、溝加工の一例を説明する。図8は、溝加工後の被加工部材の斜視図である。図9は、溝加工の一例を説明する図であり(a)は断面図、(b)は(a)の上面図である。図10は、溝加工の別の一例を説明する図であり(a)は断面図、(b)は(a)の上面図である。図11は、溝加工の更に別の一例を説明する図であり(a)は断面図、(b)は(a)の上面図である。図9(b)、図10(b)、図11(b)において、円形破線はレーザ照射可能範囲を示す。本実施形態において、被加工部材や使用する加工装置などは、第1実施形態と同様とする。
[Fourth Embodiment]
An example of grooving will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a perspective view of the workpiece after groove processing. 9A and 9B are diagrams for explaining an example of the groove processing. FIG. 9A is a cross-sectional view, and FIG. 9B is a top view of FIG. 10A and 10B are views for explaining another example of the groove processing. FIG. 10A is a cross-sectional view, and FIG. 10B is a top view of FIG. FIGS. 11A and 11B are diagrams for explaining another example of the groove processing, in which FIG. 11A is a cross-sectional view, and FIG. 11B is a top view of FIG. In FIG. 9B, FIG. 10B, and FIG. 11B, a circular broken line indicates a laser irradiable range. In the present embodiment, the workpiece and the processing device to be used are the same as those in the first embodiment.
本実施形態では、被加工部材は面内方向に移動可能な保持台で保持させ、被加工部材の予定する溝の幅の中心にfθレンズの中心線7を合せる。所定形状は、直線状とされる。
図9では、第3実施形態の第1の焦点面溝と同様に、レーザ光2の照射位置を所定の位置に固定し、被加工部材41を移動させて溝C1〜溝Cq(第1の焦点面溝)を形成させる。このとき、所定距離Lは開口幅L3とされる。開口幅L3は、点Qから、直径方向反対側に位置する点Rまでを指す。qは、第1の焦点面溝の開口幅が所定距離L3に達するのに必要な整数とされる。
本実施形態では、以降の焦点面溝の開口幅をすべてL3とし、所定深さに達するまで複数の焦点面溝を形成させる。
In the present embodiment, the member to be processed is held by a holding base that is movable in the in-plane direction, and the
In FIG. 9, similarly to the first focal plane groove of the third embodiment, the irradiation position of the
In the present embodiment, the all L 3 the opening width of the focal plane groove after, to form a plurality of focal plane groove to reach a predetermined depth.
図10では、被加工部材41を固定したまま、点Qから点Rまでレーザ光2を走査し、開口幅方向(点Qから点Rに向かう方向)に溝C1を形成させる。その後、被加工部材41を加工壁面40と平行な方向Uに移動させる。このとき、被加工部材41の移動幅(すなわち、レーザ光2の照射位置の移動幅)は、レーザ光のスポット径と同じまたはスポット径よりも小さい幅とされる。溝を形成して被加工部材を移動させる操作を繰り返して第1の焦点面溝(溝C1〜溝Cr)を形成させる。rは、第1の焦点面溝の長さ(加工壁面40と平行な方向の長さ)が所定距離L4に達するのに必要な整数とされる。
In Figure 10, while fixing the
図11では、被加工部材41を固定したまま、点Qから点Rまでレーザ光2を走査し、点Qから点Rに向かう方向に溝C1を形成させる。図10では、点Qと点Rとを結ぶ線は、加工壁面40に対して垂直としたが、図11では、点Qと点Rとを結ぶ線が加工壁面40に対して斜めになるようにした。それ以外は、図10と同様に第1の焦点面溝を形成させる。溝加工において、レーザ光2の収束角度(δ)が大きい場合、レーザ光2を加工面40に対して垂直方向に移動させると、開口幅(点Qから点Rまでの距離)が大きくなる。そのため、レーザ光2を加工面40に対して斜め方向に移動させることで、開口幅(加工壁面に垂直な方向の幅)を小さくすることが可能となる。
In FIG. 11, the
1、11、21、41 被加工部材
2 レーザ光
3 偏向部
4 fθレンズ
5 焦点面
6 被加工部材の加工したい領域面の中心
7 fθレンズの中心線
8 レーザ光の中心線
9 レーザ光の外周線
10、20、30、35、40 加工壁面
32 傾斜された側面
33 残材
34 テーパ部
1, 11, 21, 41
Claims (5)
fθレンズの中心線と前記fθレンズで集光されたレーザ光の中心線とのなす照射角度(φ)が、前記集光されたレーザ光の収束角度(δ)以上となるようレーザ光を被加工部材の加工壁面が形成される箇所に照射する複合材の加工方法。 Using a processing apparatus comprising a light source, a deflection unit that deflects the laser light oscillated from the light source, and an fθ lens that condenses the deflected laser light,
The laser beam is irradiated so that the irradiation angle (φ) formed by the center line of the fθ lens and the center line of the laser beam condensed by the fθ lens is equal to or larger than the convergence angle (δ) of the condensed laser beam. A method of processing a composite material that irradiates a portion where a processing wall surface of a processing member is formed.
焦点面を前記溝の深さだけ下げ、開口幅が先の焦点面溝よりも狭い別の焦点面溝を形成する工程を繰り返し、
前記加工壁面の下部に向かって近づくよう傾斜された側面を前記加工壁面に対向する側に有し、且つ、被加工部材を貫通する穴を形成する請求項2または請求項3に記載の複合材の加工方法。 After forming the focal plane groove composed of the groove and the plurality of other grooves so that the opening width is a predetermined distance,
Decreasing the focal plane by the depth of the groove, repeating the process of forming another focal plane groove whose opening width is narrower than the previous focal plane groove,
4. The composite material according to claim 2, wherein the composite material has a side surface inclined so as to approach the lower portion of the processed wall surface on a side facing the processed wall surface, and forms a hole penetrating the workpiece. Processing method.
光源から発振されるレーザ光を偏向させる偏向部、及び前記偏向されたレーザ光を集光させるfθレンズで構成された光学系と、
fθレンズの中心線と前記fθレンズで集光されたレーザ光の中心線とのなす照射角度(φ)が、前記集光されたレーザ光の収束角度(δ)以上となるようレーザ光を被加工部材の加工壁面が形成される箇所に照射するよう前記光学系を制御する制御部と、
を備える複合材の加工装置。
A light source;
An optical system composed of a deflection unit that deflects laser light emitted from a light source, and an fθ lens that condenses the deflected laser light;
The laser beam is irradiated so that the irradiation angle (φ) formed by the center line of the fθ lens and the center line of the laser beam condensed by the fθ lens is equal to or larger than the convergence angle (δ) of the condensed laser beam. A control unit for controlling the optical system so as to irradiate a portion where a processing wall surface of the processing member is formed;
A composite material processing apparatus comprising:
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