JP2012192420A - レーザ加工方法およびレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、繊維強化複合材料等の難加工材料のレーザ除去加工であって、工業的に満足できる加工速度を実現可能な効率のよいレーザ加工方法とそれに用いるレーザ加工装置とを提供することを課題とする。
【解決手段】 本発明は、繊維強化複合材料または機械切削が困難な無機材料よりなる被加工物表面にレーザを照射してレーザ照射部を除去するレーザ除去加工において、レーザ照射によって発生する分解生成物をレーザ照射と同時に除去する除去手段を用いることを特徴とする。除去手段は、流体をレーザ照射部へ０．３〜５．０ＭＰａで噴射するノズルである。
【選択図】図２

Description

本発明は機械切削が困難な難加工材料をレーザ加工するレーザ加工方法とそれに用いるレーザ加工装置に関する。

自動車、航空機、船舶、鉄道車両などの産業が抱えている現在のエネルギー問題、環境問題、資源問題を解決するために、軽量化、高性能化、高効率化、省資源・リサイクル化あるいは炭酸ガス排出量の低減を実現しうる新材料とその加工技術の開発が望まれている。

近年、このような材料として、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を各種繊維（例えば、炭素繊維、ガラス繊維など）で強化した繊維強化複合材料が輸送機器の構造部材として採用されている。なかでも炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰと称する。）は、すでに航空機産業や自動車産業では軽量化を目的として機体や車体の多くの部材に適用されるようになった。

しかし、これら材料のトリミングなどの切断加工や穴あけ加工については通常の切削工具では容易に加工できないために、ダイヤモンドカッターやウオータジェット切断など高価な切断方法が適用されている。また、機械切削が困難なジルコニアやアルミナなどのセラミックス、建築資材（例えば、石材）あるいは宝石などの無機材料の切削除去加工も加工時間が長いうえに工具の損耗が激しく、加工コストが嵩むという問題を抱えている。

特に、ＣＦＲＰやＦＲＭ（繊維強化金属）などの複合材料は、マトリックスと強化繊維とはそれぞれが異なる材質であるために、従来の切断加工、穴あけ加工、溝加工などの除去加工では、加工自体が困難であるばかりでなく、それらの除去加工時に、炭素繊維などの強化繊維が空中に飛散して作業環境を低下させるという問題も指摘されている。また、加工速度が遅く、加工費が嵩むというコストの問題もある。ウオータージェット切断も研磨剤の分離が困難であったり、穴明け加工においては事前にピアシング加工が必要であるなどと、その作業性やコストの面で課題が多い。同様にセラミックスや岩石などの無機材料も従来のダイヤモンドカッターによる切削加工は容易ではなかった。

特開２０１０−２４７２０６号公報

上記のような問題を解決するために、本発明者は、ＣＦＲＰ材などの繊維強化複合材料を超短パルスレーザを用いて加工するレーザ除去加工方法を提案した（特許文献１参照）。

この提案は、例えば８〜８０ナノ秒のパルス幅でレーザをＧＷ／ｃｍ^２オーダのエネルギ密度に集光して物体に照射すると、レーザ光が物体の原子構造中の電子と瞬時に作用し、物体の表面を約１万度に加熱してプラズマ化できることを確認してなされたものである。

すなわち、物質の熱拡散時間よりもパルスの時間幅が短いので、物質（材料）の照射面近傍でのみ熱の蓄積が生じて材料の加熱、溶融、蒸発が起こり、イオン化・分解も起こる。この結果、材料内部への熱伝達はほとんどなく、物体の熱歪みもほとんど生じない。そこで、この特性をＣＦＲＰなどの繊維強化複合材料に適用したところ、作業環境を低下させることなく、図５に示すように炭素繊維Ｃがまるでダイコンを包丁で輪切りしたように見事に切断できることを確認した。すなわち、超短パルスレーザを用いることで、従来法では不可能であったＣＦＲＰなどの繊維強化複合材料の切断除去加工が可能となった。

しかし、上記の超短パルスレーザを用いるＣＦＲＰのレーザ除去加工では、優れた切断加工面品質を得ることはできるものの、その加工速度が２〜３ｃｍ／分程度と工業的には満足できるものではなかった。

また、ＣＦＲＰ材を連続発振固体レーザを用いて切断すると高速切断は可能であるもののその断面品質は極めて劣るものであった。図６にその一例を示す。除去部Ｅに隣接する熱影響部Ｄは、広範囲に樹脂が蒸発して消失し炭素繊維Ｃがむき出しになっており、その先端Ｔは炭化して丸くなっているのが分かる。

本発明は、この問題を解決するためになされたものであり、繊維強化複合材料等の難加工材料のレーザ除去加工であって、工業的に満足できる加工速度を実現可能な効率のよいレーザ加工方法とそれに用いるレーザ加工装置とを提供することを課題とする。

本発明者は、ＣＦＲＰのレーザ除去加工工程を詳細に観察することにより、レーザ照射によって発生する分解生成物が効率的なレーザ除去加工を阻害していることに着目した。なお、本発明においては、レーザ照射と同時に発生する大量のプラズマと発生ガス、粉塵などの除去生成物を一括して分解生成物と呼ぶ。

従来、このような分解生成物は、レーザビーム照射部近傍に配置された排気口から真空吸引されるようにされていた。しかし、実際には、真空吸引だけではレーザビーム照射部近傍から分解生成物を瞬時にかつ完全に除去することは困難であった。このため残留するプラズマによるレーザエネルギの吸収や粉塵など微細な切断生成物によるレーザ光の散乱などが生じてレーザの照射効率が減衰し、これら分解生成物がレーザ除去加工の阻害要因となっていた。また、加工箇所近傍は高温となるために、樹脂などが分解して除去部近傍の熱影響部の品質を低下させていた。

このような問題を解決するために、本発明のレーザ加工方法は、繊維強化複合材料または機械切削が困難な無機材料よりなる被加工物表面にレーザを照射して該レーザ照射部を除去するレーザ除去加工において、レーザ照射によって発生する分解生成物をレーザ照射と同時に除去する除去手段を用いることを特徴とする。

本発明のレーザ加工方法において、除去手段は、流体をレーザ照射部へ噴射するノズルであることが望ましい。ここで、流体は、気体又は液体のいずれかであり、気体は、空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、炭酸ガス、酸素の群から選ばれる１種あるいは２種以上を混合した気体であることが望ましく、液体は、水または油のいずれかであることが好ましいこのような流体の噴射圧力は、ノズルの噴射口で０．３〜５．０ＭＰａであることが適当である。

ここで、ノズルは、レーザビームを出射するレーザトーチと同軸であることが望ましく、レーザトーチの光学系から流体を遮断する保護レンズを隔てて同軸に配置されているとよい。また、ノズルは、レーザビームを出射するレーザトーチと別体とすることもできる。

本発明のレーザ加工方法の好適な態様として、レーザは、パルス幅が１００ピコ秒〜１００ナノ秒の超短パルスレーザであることが望ましく、超短パルスレーザは、ナノ秒パルスレーザであるＱ−スイッチＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、あるいはピコ秒パルスレーザのうちのいずれか一の固体レーザとするとよい。

また、本発明のレーザ加工方法の他の好適な態様として、レーザはビーム照射部におけるエネルギ密度が１ＭＷ／ｍｍ^２〜２０ＭＷ／ｍｍ^２である連続発振固体レーザであり、加工速度が１０〜３０ｍ／分で、被加工物への入熱量が０．１〜１Ｗ／ｍｍとするレーザ加工方法である。

本発明のレーザ加工方法において、無機材料は、セラミックス、石材、宝石の群から選ばれる一の難加工材料であることが好ましい。

また、本発明のレーザ加工方法において、除去加工は、切断加工、穴明け加工、溝加工、彫刻加工のうちのいずれか一の加工とすることができる。

また、本発明のレーザ加工方法では、被加工物の被加工表面に対してノズルを３〜１７７°傾斜して流体を噴射することが望ましい。

本発明のレーザ加工装置は、繊維強化複合材料または機械切削が困難な無機材料よりなる被加工物表面にレーザを照射して該レーザ照射部を除去するレーザ加工装置において、レーザ照射によって発生する分解生成物をレーザ照射と同時に除去する除去手段を備えることを特徴とする。

本発明によれば、レーザ照射によって発生する分解生成物を照射箇所から発生と同時にそのほとんどを加工部近傍から除去することができる。これ故、ビームの光路上での分解生成物による散乱や吸収を生じることがなく、照射エネルギを照射部深部へ有効に浸透させることができる。このため、加工速度を従来よりも大幅に向上することができる。また、ビーム照射部を急冷することができるので、熱影響部における樹脂などの分解を抑制して優れた加工品質を得ることができる。

第１実施形態の除去手段を示す概要図である。 第２実施形態の除去手段を示す概要図である。 第３実施形態の除去手段を示す概要図である。 第４実施形態におけるビーム断面形状の調整手段を説明する概念図である。 超短パルスレーザによるＣＦＲＰ板の切断面を示すレーザ顕微鏡写真である。 高エネルギ密度ＣＷ固体レーザによるＣＦＲＰ板の切断部を示すレーザ顕微鏡写真である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

本発明のレーザ加工方法は、高圧の流体をレーザ照射と同時にレーザ照射部へ噴射してレーザ照射によって発生するプラズマなどの分解生成物を除去することを特徴とする。

（１）まず、分解生成物を除去する除去手段について説明する。

（第１実施形態）
図１は、除去手段の第１の実施形態を示す側面概要図である。本実施形態において、除去手段は噴射ノズル１０である。噴射ノズル１０は、円錐状のノズル本体１２とこのノズル本体１２の先端に設けられたチップ１４とよりなる。噴射ノズル１０の底部１６には、図示しない加圧手段から送給される高圧流体Ｆの流路１８が設けられている。噴射ノズル１０は、流体Ｆがノズル本体１２内に充満した後、チップ１４の先端に開口した噴射口１８から被加工物Ｍの加工個所へ照射されたレーザビームＬのビームスポットＰに向かって噴射されるように配置されている。そして、レーザビームＬの走査線上をレーザビームＬと同期して移動するようにされている。

ここで、流体は、気体又は液体のいずれかであることが望ましい。気体としては、空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、炭酸ガス、酸素の群から選ばれる１種あるいは２種以上を混合した混合気体のいずれか一を選択することができる。また、液体としては、水またはレーザ光の透過を阻害しない油のいずれかを選択することができる。これらの流体は、レーザ照射により発生する分解生成物を迅速かつ完全に除去することを目的に噴射されるので、その噴射圧力は、ノズルの噴射口１８で０．３〜５．０ＭＰａとするとよい。流体の噴射圧力が０．３ＭＰａでは、十分な除去効果が得られない。また、５．０ＭＰａを超えて高いと設備的な限界が生じることがある。

また、噴射ノズル１０の被加工物Ｍの表面に対する傾斜角度θは、３〜１７７°とするとよい。噴射角度θが３°未満または１７７°を超えると、加工部の深部において十分な除去効果が得られない。

（第２実施形態）
本実施形態は、前記第１実施形態における噴射ノズル１０をレーザトーチの光学系に接続してレーザビームＬと同軸に高圧流体Ｆを噴射するように構成したものである。

図２は、噴射ノズル１０をレーザビームＬと同軸に設けた加工ヘッドＨを示す断面概要図である。第１実施形態と同様の個所は同一の符番を付して説明を省略する。

加工ヘッドＨは、レーザトーチの光学系２０と、このレーザトーチの光学系２０と同軸に配置された噴射ノズル１０と、レーザトーチの光学系（図２では集光レンズ２４で代表する。）２０と噴射ノズル１０とを接続する接続部３０とよりなる。

光学系２０は、円筒状の筒体２２と集光レンズ２４とを備え、集光レンズ２４は筒体２２の下端でレンズ保持体２６に保持されている。

接続部３０には、光学系２０と噴射ノズル１０の中空部１１とを区画する保護ガラス３２が設けられており、保護ガラス３２はガラス保持体３４に保持されている。ガラス保持体３４は、光学系２０と噴射ノズル１０の中空部１１とのシール性を保持している。

噴射ノズル１０の大径底部１３は開口されており、集光レンズ２４と保護ガラス３２とを透過したレーザビームＬは、噴射ノズル１０の中空部１１を通過して噴射口１８から出射される。出射されたレーザビームＬは、被加工物Ｍの所定の加工部位にビームスポットＰを形成する。

ノズル本体１２には、流体Ｆの流路１８が設けられており、流体Ｆは、図示しない加圧手段から流路１６を介してノズル本体１２へ送給され、中空部１１に充満された後、噴射口１８から噴出される。つまり、流体Ｆは、噴射口１８から被加工物Ｍの表面へレーザビームＬを囲繞するようにして噴出されるわけである。すなわち、本実施形態においては、噴射ノズル１０は、その軸線がレーザビームＬの軸線Ａと一致するように構成されている。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１実施形態における噴射ノズル１０と第２実施形態における加工ヘッドＨとを同時に用いて除去加工を行う除去手段である。図３は、本実施形態の概要を図３に示す。ここで、各々の傾斜角度θ（θ１、θ２）は３〜１７７°の範囲でお互いに干渉しない範囲で適宜選択すればよい。また、流体Ｆ（Ｆ１，Ｆ２）は、必ずしも同種の流体である必要はなく、それぞれ別の流体としてもよく、各流体Ｆ１，Ｆ２の噴射圧力も０．３〜５．０ＭＰａの範囲でそれぞれ選択することができる。噴射ノズル１０を２軸で用いる本実施形態の除去手段によれば、レーザ照射によって発生するプラズマなどの分解生成物をさらに一層効率よく除去するとともに、優れた加工品質を得ることが期待できる。

（２）次に、上記の除去手段を用いて実施するレーザ加工方法の実施の形態について説明する。

（第４実施形態）
本実施形態は、超短パルスレーザによるレーザ加工において上記の除去手段により分解生成物を除去しながら除去加工するレーザ加工法である。本実施形態において、超短パルスレーザのパルス幅は１００ピコ秒〜１００ナノ秒のピコ秒パルスレーザあるいはナノ秒パルスレーザを用いる。ナノ秒パルスレーザとしては、Ｑ−スイッチＹＡＧレーザあるいはＹＶＯ４レーザなどの固体レーザを例示することができる。これらの基本波長は、８００ｎｍ〜１０８０ｎｍであり、その２倍波および３倍波としてもよい。特に、ＹＡＧレーザの２倍波は水を透過することができるので、流体に水を用いる場合には好適である。

このような超短パルスレーザを用いることにより、曲率半径の小さな曲線切断加工や微小な穴明け加工、あるいは微細な溝加工や彫刻加工などの除去加工を高精度に実施して優れた加工品質を得ることができる。

ここで、レーザビームの横断面形状を除去加工部の態様に合わせて、円形、楕円形あるいは矩形などとすることにより、精度の高い溝形状を得ることができる。例えば、矩形ビーム断面を持つＱ−スイッチＹＡＧレーザを用いる場合には、図４に示すように、レーザから出射された断面形状が正方形（一辺の長さがａ）であるレーザビームＬをシリンドリカルレンズ４０を軸方向に移動させることにより、ビームスポットＰを一辺の長さが加工溝Ｑの溝幅ｂに近似するようにａ×ｂの矩形に変形することができる。シリンドリカルレンズ４０によってビームスポットＰの形状を最適化することにより、レーザビームの照射エネルギの利用効率を高めるとともに、加工効率を向上させることができる。このとき、噴射ノズル１０のチップ１４の端部１５を、その横断面（図２のＢ−Ｂ断面）がビームスポットＰに相似する矩形としかつ軸線Ａに平行な筒状に形成することにより、分解生成物をさらに効率よく除去することができ、加工速度と切断品質とを一層向上させることができる。なお、チップ１４の端部断面は、ビームスポットＰの形状に合わせて、円、楕円、半楕円、半円などを適宜選択することができる。

（第５実施形態）
本実施形態は、１ＭＷ／ｍｍ^２〜２０ＭＷ／ｍｍ^２のエネルギ密度を有する連続発振固体レーザによるレーザ加工において上記の除去手段を用いて分解生成物を除去しながら除去加工するレーザ加工法である。このレーザ加工方法は、被加工部位が長い直線や曲率半径が大きく単調な曲線（例えば、直径が３０ｃｍ以上の円）である場合に特に有効である。ここで、エネルギ密度が１ＭＷ／ｍｍ^２未満では工業的に満足できる加工速度が得られない。一方、２０ＭＷ／ｍｍ^２を超えると設備的に限界がある。

上記の各実施形態において、被加工物は、繊維強化複合材料あるいは機械切削が困難なセラミックス、石材、宝石などの無機材料である。繊維強化複合材料としては、ＣＦＲＰやＣＦＲＭを、セラミックスとしては、ジルコニアやアルミナを、石材としては、建築資材である大谷石や墓石を、宝石としてはサファイアや瑪瑙などを例示することができる。

（実施例１）
本実施例は、超短パルスレーザによる穴明け加工において、図１の噴射ノズル１０を除去手段としたレーザ加工方法である。レーザは、パルス幅が１０ナノ秒の超短パルスＹＡＧレーザであり、厚さが１．２ｍｍのＣＦＲＰ板に穴を貫通させる穴明け加工である。すなわち、穴の円周に沿ってレーザビームを走査して円周の内部を刳り抜く穴明け加工である。レーザビームＬをＣＦＲＰ板Ｍの表面に垂直に照射して、噴射ノズル１０を８５°に傾斜して噴射圧が０．３ＭＰａのアルゴンガスをビームスポットＰへ噴射して分解生成物を除去ながらレーザ除去加工した。１回の走査で幅５０μｍ、深さ約１〜２μｍの溝を形成することができた。この走査を１００〜１５０回繰り返すことによりに所望の穴を貫通させることができた。加工に要した時間は約１分であり、これは噴射ノズル１０を用いない従来のパルスレーザによる加工時間の約1／５であった。また、断面は、図５に示す断面と同様に良好であった。

（実施例２）
本実施例は、超短パルスレーザを用い、ジルコニア製の回転体（直径：１０ｍｍ）の外周面に幅が２００μｍで、深さが５μｍの複数の円環状の溝を形成する溝加工において、図２の加工ヘッドＨを除去手段としたレーザ加工方法である。レーザはパルスエネルギが６．５ｍＪの超短パルスＹＡＧレーザを用いた。また、本実施例では、図４に示すシリンドリカルレンズ４０を集光レンズ２４と保護ガラス３２との間に設け、シリンドリカルレンズ４０を軸線Ａに沿って上下に調整して、一辺が加工溝の溝幅に近似する２００μｍの矩形のレーザスポットＰとした。

加工ヘッドＨを８５°に傾斜して噴射圧が０．３ＭＰａのアルゴンガスをビームスポットＰへ噴射して分解生成物を除去ながらレーザ除去加工した。外周を１周走査することにより、円環状の溝１本を刻設することができた。刻設に要した時間は約１０秒であり、これは従来の加工時間の約1／１０であった。

（実施例３）
本実施例は、高エネルギ密度ＣＷ固体レーザを用い、厚さが１ｍｍのＣＦＲＰ板を直線状に切断する切断加工において、図２の加工ヘッドＨを除去手段としたレーザ加工方法である。高エネルギ密度ＣＷ固体レーザとしては３ｋＷのシングルモードのファイバーレーザを用いた。レーザ出力を３００Ｗとし、切断速度は２０ｍ／分とした。このレーザのレーザスポットＰにおけるエネルギ密度は、約２ＭＷ／ｍｍ^２であった。

また、加工ヘッドＨを８５°に傾斜して噴射圧が０．３ＭＰａのアルゴンガスをビームスポットＰへ噴射して分解生成物を除去ながらレーザ除去加工した。このときの被加工部への入熱量は０．９Ｗ／ｃｍであり、１回の走査で深さが１００〜１２０μｍの除去加工ができた。この走査を１０回繰り返すことによりＣＦＲＰ板を切断することができた。切断箇所には熱影響部にわずかな樹脂の蒸発が認められるだけであり、良好な切断品質を得ることができた。

本発明は、繊維強化複合材料、セラミックス、石材、宝石などの難加工材料の切断加工、穴明け加工、溝加工、彫刻加工などのレーザ除去加工に好適に用いることができる。

１０：噴射ノズル（除去手段） １２：ノズル本体 １４：チップ １６：流体流路 ２０：レーザトーチの光学系 ２４：集光レンズ ３０：接続部 ３２：保護レンズ ４０：シリンドリカルレンズ Ｆ：流体 Ｈ：加工ヘッド（同軸） Ｌ：レーザビーム Ｍ：被加工物 Ｐ：レーザスポット

Claims (17)

1. 繊維強化複合材料または機械切削が困難な無機材料よりなる被加工物表面にレーザを照射して該レーザ照射部を除去するレーザ除去加工において、
   該レーザ照射によって発生する分解生成物を該レーザ照射と同時に除去する除去手段を用いることを特徴とするレーザ加工方法。
2. 前記除去手段は、流体を前記レーザ照射部へ噴射するノズルである請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記流体は、気体又は液体のいずれかである請求項２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記気体は、空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、炭酸ガス、酸素の群から選ばれる１種の気体あるいは２種以上を混合した気体である請求項３に記載のレーザ加工方法。
5. 前記液体は、水または油のいずれかである請求項３に記載のレーザ加工方法。
6. 前記レーザは、パルス幅が１００ピコ秒〜１００ナノ秒の超短パルスレーザである請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ加工方法。
7. 前記超短パルスレーザは、ナノ秒パルスレーザであるＱ−スイッチＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、あるいはピコ秒パルスレーザのうちのいずれか一の固体レーザである請求項６に記載のレーザ加工方法。
8. 前記レーザはビーム照射部におけるエネルギ密度が１ＭＷ／ｍｍ^２〜２０ＭＷ／ｍｍ^２の連続発振固体レーザである請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ加工方法。
9. 加工速度が１０〜３０ｍ／分で、前記被加工物への入熱量が０．１〜１Ｗ／ｍｍである請求項８に記載のレーザ加工方法。
10. 前記流体の噴射圧力は、前記ノズルの噴射口で０．３〜５．０ＭＰａである請求項２〜９のいずれかに記載のレーザ加工方法。
11. 前記ノズルは、レーザビームを出射するレーザトーチと同軸である請求項２〜１０のいずれかに記載のレーザ加工方法。
12. 前記ノズルは、レーザトーチの光学系と前記流体とを遮断する保護ガラスを隔てて同軸に配置されている請求項１１に記載のレーザ加工方法。
13. 前記ノズルは、レーザビームを出射するレーザトーチと別体である請求項２〜１０のいずれかに記載のレーザ加工方法。
14. 前記無機材料は、セラミックス、石材、宝石の群から選ばれる一の難加工材料である請求項１に記載のレーザ加工方法。
15. 前記除去加工は、切断加工、穴明け加工、溝加工、彫刻加工のうちのいずれか一の加工である請求項１に記載のレーザ加工方法。
16. 前記被加工物の被加工表面に対して前記ノズルを３〜１７７°傾斜して前記流体を噴射する請求項１５に記載のレーザ加工方法。
17. 繊維強化複合材料または機械切削が困難な無機材料よりなる被加工物表面にレーザを照射して該レーザ照射部を除去するレーザ加工装置において、
    該レーザ照射によって発生する分解生成物を該レーザ照射と同時に除去する除去手段を備えることを特徴とするレーザ加工装置。