JP2012192438A - レーザ加工方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】レーザ加工方法は、被加工部13を有する表層部11と、表層部11に空間14を介在して配置された下層部12を有する中空状の立体構造物1を、レーザ加工装置2のジェットノズル21から噴射された液体噴流B2内に導かれたレーザ光Aで加工する方法である。このレーザ加工方法は、空間14内に液体3を流通させ、空間14内に入ったレーザ光Aを伴った液体噴流B2を液体3によって乱すことによりレーザ光Aを散乱させる方法である。
【選択図】図1
Description
しかしながら、ドライレーザ加工方法では、レーザ光200が集光レンズ(図示省略)によって集光された焦点に近い部分210でしか加工することができない。
また、レーザ光320を導く液体噴流310で立体構造物100を冷却しながら加工するので、水を使用しないドライレーザ加工方法と比べ、レーザ光320で被加工物を加工する際に発生する熱を水によって急激に冷却することで熱の拡散を抑えることができ、被加工物に対する熱の影響が少ない加工方法である(例えば、特許文献3参照)。
ウォータジェットレーザ加工方法で表層部110のみをレーザ加工できるようにするためには、ウォータビーム300を遮断する遮蔽物を表層部110と下層部120との間に挿入する必要がある。しかしながら、立体構造物100が配管等の長尺な物の場合は、液体噴流310を遮断できる位置に表層部110と下層部120の間の遮蔽物を移動させることは難しい。
したがって、このレーザ加工方法は、例えば、下層部に熱に弱い電子部品等の品物が配置された場合や、下層部が熱に弱い部材からなる場合等に特に有効である。
図1に示すように、立体構造物1は、後記するレーザ加工装置2によって加工される被加工物である。この立体構造物1は、被加工部13を有する表層部11と、この表層部11に対向して配置された下層部12と、表層部11と下層部12との間に形成されて液体3が流動する空間14と、を有する中空状の複層構造体からなる。立体構造物1は、液体3が流通する空間14があるものであればよく、例えば、円筒状あるいは角筒状の筒体、配管、パイプ、箱体等の中空部材からなる。また、立体構造物1の材質は、レーザ光Aによって加工可能なものであればよく、例えば、金属や合成樹脂やセラミック等からなる。さらに立体構造物1は、液体3を流動させることができるように、空間14に連通する少なくとも1つの貫通孔を有する。以下、立体構造物1としてステンレス鋼からなる長尺の配管を例に挙げて説明する。
不図示の液体供給部は、空間14へ液体3を供給するため、不図示のポンプからホースを介して立体構造物1に装着した液体導入ノズル23へ、液体3を供給する。
液体3は、例えば、レーザ光Aが通過可能な透光性のものからなり、例えば、清水等の水、レイノルズ数Reが4,520以上393,000以下の液体3、あるいは、所謂マイクロバブル水等である。なお、レイノルズ数Reは液体3の流速や流量、空間14の大きさによって変化するので、少なくともレイノルズ数Reは4,520以上であればよく、さらには、液体3が層流から乱流へ遷移する値以上であれば液体噴流B2を乱してレーザ光Aを散乱させることができ、レーザ光Aが下層部12を損傷させることを防止できる。また、液体3には、0.5kgf/cm2以上の圧力Pがかかっているとよい。
マイクロバブル水とは、微細な気泡が含まれている水である。
レーザ加工装置2は、ジェットノズル21から噴射された液体噴流B2内に導かれたレーザ光Aで表層部11の被加工部13をレーザ加工する装置である。レーザ加工装置2は、不図示のポンプから送られた高圧液B1(例えば、高圧水)と、不図示のレーザ発振装置から発せられたレーザ光Aと、が供給されるレーザ加工ヘッド部2aを備えている。
このレーザ加工ヘッド部2aは、前記高圧水を液体噴流B2として噴射するジェットノズル21と、レーザ発振装置(図示省略)から伝送されたレーザ光Aを集光する集光レンズ部22と、を備えている。
集光レンズ部22は、不図示のレーザ発振装置から光ファイバ等と介して伝送されて来たレーザ光Aを集光してジェットノズル21の液体噴流B2内を介して被加工部13に向けて照射するように構成されている。
レーザ光Aは、例えば、YAGレーザの二倍波である、波長が532nmの所謂グリーンレーザからなる。なお、レーザ光Aは、グリーンレーザに限定されるものではなく、他の波長のレーザ光を使用しても構わない。
次に、図1を参照しながら本実施形態に係るレーザ加工方法の作用を説明する。
図1に示すように、レーザ加工装置2のジェットノズル21から噴射された液体噴流B2は、水柱状に噴射されて、表層部11の表面の被加工部13を噴き付ける。レーザ加工装置2から発せられたレーザ光Aは、ジェットノズル21から噴射された液体噴流B2を光導体として、その液体噴流B2内を通って表層部11の被加工部13を照射して溶融させる。溶融された溶融物は、ジェットノズル21から噴射された液体噴流B2によって吹き飛ばされる。
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の改造及び変更が可能であり、本発明はこれら改造及び変更された発明にも及ぶことは勿論である。なお、既に説明した構成は同じ符号を付してその説明を省略する。
図2は、本発明の実施形態に係るレーザ加工方法の第1変形例を示す要部概略断面図である。
このような湾曲形状の立体構造物1Aであっても、前記実施形態と同様に、下層部12Aが加工されないように保護することができる。
図3は、本発明の実施形態に係るレーザ加工方法の第2変形例を示す要部概略断面図である。
前記した立体構造物1(図1参照)は、図3に示す立体構造物1Bのように、表層部11Bと下層部12Bとの間の空間14Bに連通する1つの開口部1Baと、開口部1Baと対向する空間14Bの一方側が閉塞された略ボックス状となっている。
この場合、開口部1Baに、液体3を空間14B内に送る供給口23Baと、空間14B内の液体3を排出する排出口23Bbと、を有する液体導入ノズル23Bを設ける。
このように、立体構造物1Bの開口部1Baに、供給口23Baと排出口23Bbとを有する液体導入ノズル23Bを設けたことによって、空間14B内に空気層が形成されることなく、液体3を容易に空間14B内に供給することができると共に、液体3が停留することなく流通させることができる。
図6は、本発明に係るレーザ加工方法の実施例1の実験結果を示す表であり、前記実施形態のような貫通孔がある立体構造物であるパイプ材の実験結果を示す。図7は、本発明に係るレーザ加工方法の実施例1における立体構造物の内径とレイノルズ数との関係を示すグラフであり、図6の番号1−1〜番号5−4までの実験結果を示す。
L=PQ/60
である。
Re=UD1/V
であり、この計算式を利用して図6及び図7のレイノルズ数Reを算出した。
番号1−1〜1−2の実験結果より、レイノルズ数Reが3.07×103以下であるとき、下層部12に焼けが発生した。
番号2−1〜2−2の実験結果より、レイノルズ数Reが2.95×103以下であるとき、下層部12に焼けが発生した。
番号3−1〜3−3の実験結果より、レイノルズ数Reが4.19×103以下であるとき、下層部12に焼けが発生した。
番号4−1の実験結果より、レイノルズ数Reが3.54×103であるとき、下層部12に焼けが発生した。
番号5−1の実験結果より、レイノルズ数Reが3.54×103であるとき、下層部12に焼けが発生した。
グラフ中の一点鎖線aは、下層部12に焼けが発生しないおおよそのレイノルズ数Reの最小値を示し、実線bは前記実験の最大流量20,000ml(20リットル)/min(図6の番号1−6,2−6,3−6,4−4,5−4)におけるレイノルズ数を示している。
図8は、本発明に係るレーザ加工方法の実施例1で使用したレーザ加工装置及び立体構造物を示す要部概略断面図であり、前記立体構造物1Dはボックス状の形をしている。
実施例2は、実施例1と同様、レーザ加工装置2のジェットノズル21の径は60μm、レーザの出力23W、周波数10kHz、液体噴流B2の水圧は13MPaである。また、立体構造物1Dの空間14Dに水31を供給する液体導入ノズル23Dのノズル孔中心からの距離r、内径2r0=φ1.2mm、液体導入ノズル23Dの先端から表層部11Dの内壁までの距離D4=4mmとして、空間14Dに遮蔽物として樹脂やセラミックを設置した場合、エアや水31、マイクロバブル水を供給した場合、遮蔽物や液体3などの供給もしない場合の実験を行った。
Re=Um・D4/V ・・・ 〔2〕
また、前記代表速度Umは、以下の式で表すことができる(参照:社河内敏彦 著「噴流工学」P49)。
Um=2.1×r0/r×U0 ・・・ 〔3〕
r0は液体導入ノズル23Dのノズル孔の半径、rは液体導入ノズル23Dのノズル孔中心からの距離、U0は図中U0における流速を示しており、r=r0で最大値となる。さらに流速U0は流量をQとすると以下のように表すことができる。
U0=Q/πr0D4 [m/s] ・・・ 〔4〕
空間14Dに遮蔽物として樹脂やセラミックを配置してレーザ加工を行うと、下層部12Dには焼けが発生せず、被加工部13Dの形状も良好であったが、樹脂やセラミックにレーザ光Aによって溶けた跡や加工された跡が残った。
また、圧力Pが0.5kgf/cm2のとき、加工形状は良好であったが、下層部12Dに焼けが発生した。
水31の圧力Pが0.5kgf/cm2以下のとき、加工形状は良好であったが、下層部12Dに焼けが発生した。
マイクロバブル水の圧力Pが1.0kgf/cm2、流量Qが525ml/min、流速U0が0.58m/sec、レイノルズ数Reが4.52×103のとき、下層部12Dに焼けは発生せず、加工形状も良好であった。
マイクロバブル水の圧力Pが3.0kgf/cm2、流量Qが1,320ml/min、流速U0が1.46m/sec、レイノルズ数Reが1.14×104のとき、下層部12Dに焼けは発生しなかったが、加工形状が悪くなった。
水31の圧力が0.0kgf/cm2、レイノルズ数Reが0のとき、加工形状は良好であったが、下層部12Dに焼けが発生した。
2,2A〜2D レーザ加工装置
3 液体
11,11A〜11D 表層部
12,12A〜12D 下層部
13,13A〜13D 被加工部
14,14A〜14D 空間
21 ジェットノズル
31 水
A レーザ光
B2 液体噴流
Claims (6)
- 被加工部を有する表層部と、前記表層部に空間を介在して配置された下層部を有する中空状の立体構造物を、レーザ加工装置のジェットノズルから噴射された液体噴流に導かれたレーザ光で加工するレーザ加工方法であって、
前記空間内に液体を流通させ、前記空間内に入った前記レーザ光を伴った前記液体噴流を前記液体によって乱すことにより、前記レーザ光を散乱させることを特徴とするレーザ加工方法。 - 前記空間内は、前記液体が充満されて空気層がない状態で流通されることを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工方法。
- 前記液体は、レイノルズ数が、4,520以上393,000以下であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレーザ加工方法。
- 前記液体は、マイクロバブル水であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
- 前記レーザ光は、グリーンレーザ(波長532nm)であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
- 前記下層部は、前記表層部の前記被加工部から前記液体噴流の同軸方向へ0.5〜30mm以下離間された位置に配置されていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
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