JP2020157324A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】品質の高い穴加工を行うことができるレーザ加工方法等を提供する。【解決手段】複合材にレーザＬを照射して貫通穴を形成する穴加工を行うレーザ加工方法において、複合材の表面にレーザＬを照射して、複合材に穴加工溝２１を形成する第１ステップＳ１と、第１ステップＳ１の実行後、穴加工溝２１にレーザＬを照射して貫通させることで、貫通穴２２を形成する第２ステップＳ２と、を含み、第１ステップＳ１では、第２ステップＳ２よりも単位時間当たりの入熱量が小さいレーザＬを照射すると共に、形成される穴加工溝２１の幅方向において、貫通穴２２の内周面側となる外側から中心側となる内側へ向うようにレーザＬを複数パスで照射し、第２ステップＳ２では、第１ステップＳ１よりも単位時間当たりの入熱量が大きいレーザを照射すると共に、穴加工溝２１の幅方向において、貫通穴２２の外側から内側へ向うようにレーザＬを複数パスで照射する。【選択図】図２

Description

本発明は、複合材にレーザを照射して加工を行うレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関するものである。

レーザ加工は、高エネルギー密度を有し、加工時間の短縮に有効であり、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、ＧＭＴ（ガラス長繊維強化プラスチック）等の繊維強化プラスチック複合材に対しても同様な効果が期待される。複合材の加工部位に対して、高出力パワーレーザビームを多重線状に高速掃引速度で複数パス照射する第一工程と、第一工程の進展に従い、加工深さが順次深くなってきた際に多重線度を低減させる第二工程と、を実行する複合材のレーザ加工方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−１０７５７４号公報

複合材の穴あけ加工では、加工穴の壁面の傾斜が小さいストレート形状となる貫通穴を形成することがある。レーザを用いて複合材に貫通穴を形成するため、特許文献１のレーザ加工方法を適用した場合、第二工程において多重線度を低減させることから、図６に示すように、貫通穴５０の壁面が傾斜を有してしまい、ストレート形状に形成することが困難となる。すなわち、第二工程において多重線度を第一工程に比して低減させるため、貫通穴の深さ方向に直交する貫通穴の径方向の長さが、貫通穴の深さが深くなるにつれて狭くなっていく。このため、貫通穴は、深さ方向に向かって狭くなるテーパ形状となってしまう。板厚が厚い複合材では、この傾向が顕著となるので、レーザ加工後にリーマ加工などにより傾斜を補正する必要があり、結果として加工時間がのびることが課題であった。

また、特許文献１のレーザ加工方法では、第一工程の方が、第二工程に比して多重線度が多く、切断幅を広げることで、表面のレーザ加工直後のスパッタ５１が増え、複合材表面にスパッタ５１やヒューム（レーザにより加工対象物が昇華して形成される高温ガス）が多く付着することも課題である。

そこで、本発明は、複合材表面のスパッタを抑制し、加工形状や熱影響層といった加工品質の面でも優れた特性を有する加工を行うことができるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することを課題とする。

本発明のレーザ加工方法は、複合材にレーザを照射して貫通穴を形成する穴加工を行うレーザ加工方法において、前記複合材の表面に前記レーザを照射して、前記複合材に穴加工溝を形成する第１ステップと、前記第１ステップの実行後、前記穴加工溝に前記レーザを照射して貫通させることで、貫通穴を形成する第２ステップと、を含み、前記第１ステップでは、前記第２ステップよりも単位時間当たりの入熱量が小さい前記レーザを照射すると共に、形成される前記穴加工溝の幅方向において、前記貫通穴の内周面側となる外側から中心側となる内側へ向うように前記レーザを複数パスで照射し、前記第２ステップでは、前記第１ステップよりも単位時間当たりの入熱量が大きい前記レーザを照射すると共に、前記穴加工溝の幅方向において、前記貫通穴の外側から内側へ向うように前記レーザを複数パスで照射する。

この構成によれば、第１ステップにおいて、複合材の表面に穴加工溝を、単位時間当たりの入熱量を低減して形成することができる。このため、複合材の表面における熱影響層の形成を抑制することができる。また、複合材の表面に加わる単位時間当たりの入熱量を小さくできることから、ヒュームの発生量を抑制することができ、複合材の表面に対してヒュームが付着することを抑制することができる。また、第２ステップにおいて、貫通穴の外側から内側へ向うようにレーザを複数パスで照射することで、穴加工溝をレーザの照射方向に沿って深く形成することができる。このため、レーザにより形成される貫通穴を、レーザの照射方向においてストレート形状に形成することができる。なお、複数パスは、貫通孔の開口が円形である場合、同心円状に配置されたパスであってもよいし、らせん状につながったパスであってもよい。

また、前記第２ステップにおける前記レーザのパス数は、前記第１ステップにおける前記レーザのパス数と同数以上となっていることが、好ましい。

この構成によれば、第２ステップにおいて、第１ステップのパス数と同数以上でレーザを照射することができるため、穴加工溝の幅方向における長さが第１ステップよりも短くなってしまうことを抑制することができる。

また、前記レーザのスキャン速度は、前記第２ステップに比して前記第１ステップを速くしていることが、好ましい。

この構成によれば、レーザのスキャン速度を第２ステップよりも速くすることで、第１ステップと第２ステップとでレーザの照射条件を変えることなく、第１ステップのレーザ照射による複合材への入熱量を小さくすることができる。なお、第１ステップのスキャン速度は、第２ステップに比して２倍以上に速くすることがより好ましい。

また、前記レーザの出力は、前記第２ステップに比して前記第１ステップの出力を小さくしていることが、好ましい。

この構成によれば、レーザの出力を第２ステップよりも小さくすることで、第１ステップと第２ステップとでレーザのスキャン速度を変えることなく、第１ステップのレーザ照射による複合材への単位時間当たりの入熱量を小さくすることができる。

また、前記第１ステップ及び前記第２ステップのそれぞれでは、複数パスのパス同士のピッチ間隔が前記幅方向において同じ間隔となっていることが、好ましい。

この構成によれば、第１ステップにおける複数パスのパス同士のピッチ間隔が同じ間隔となっているため、穴加工溝の溝深さを均等にすることができる。また、同様に、第２ステップにおける複数パスのパス同士のピッチ間隔が同じ間隔となっているため、穴加工溝の溝深さを均等にすることができる。

また、前記第２ステップでは、前記貫通穴の製品面となる前記内周面から前記レーザの照射を開始することが、好ましい。

この構成によれば、製品面となる貫通穴の内周面を精度良く穴加工することができる。

また、前記レーザは、極短パルスレーザまたは短パルスレーザであることが、好ましい。

ここで、連続波（ＣＷ）となるレーザを用いた加工は、基本的に熱加工であり、入熱量に応じてスパッタが発生することは回避できないものとなる。しかしながら、レーザとして、極短パルスレーザまたは短パルスレーザを用いれば、パルス幅を短くして非熱加工とすることができるため、スパッタやヒュームの発生量を抑制することが可能となる。このため、レーザを複合材に照射することで発生するスパッタを抑制し、ヒュームを減少させることができる。このため、第１ステップにおいて発生する細かいヒュームは、浮遊し易いものとなるため、複合材への付着を抑制することができる。なお、極短パルスレーザは、ピコ秒レーザやフェムト秒レーザという名称で用いられるレーザ発振器のことであり、パルス幅がナノ秒以下を示す。短パルスレーザは、パルス幅がナノ秒からマイクロ秒であるものを意味する。例えば、ピコ秒レーザとしては、１０ピコ秒や８００ピコ秒のパルス間隔であり、フェムト秒レーザとは、１００フェムト秒や９００フェムト秒のパルス間隔である。短パルスレーザとしては、数ナノ秒、１００ナノ秒、もしくは１０マイクロ秒のパルス間隔のレーザである。

また、前記第１ステップでは、形成される前記穴加工溝へ向かって、前記レーザの照射方向に交差する横方向からアシストガスを吹き付けることが、好ましい。

この構成によれば、レーザ照射時に生じるスパッタを除去するために、加工対象の基材の横方向からガスノズルによりアシストガスを吹き付けることで、レーザを複合材に照射することで発生するヒュームを、アシストガスにより強制的に除去することができる。このため、第１ステップにおいて、複合材に付着するヒュームの発生を抑制することができる。なお、第２ステップにおいても、アシストガスを複合材に噴射してもよい。

また、前記第２ステップの実行後、前記第２ステップの前記幅方向における複数パスのパス同士のピッチ間隔よりも狭くした前記レーザを、前記貫通穴に照射する第３ステップを、さらに含むことが、好ましい。

この構成によれば、貫通孔の内周面をより精度良く穴加工することができる。なお、第３ステップでは、ピッチ間隔が狭くなる分、レーザのパス数を多くしてもよいし、レーザのパス数を同じにしてもよい。レーザのパス数が同じとなる場合、貫通孔の内周面側からレーザの照射を開始してもよい。

本発明のレーザ加工装置は、複合材にレーザを照射して貫通穴を形成する穴加工を行うレーザ加工装置において、前記複合材の表面に、前記レーザとして極短パルスレーザまたは短パルスレーザを照射するレーザ照射部と、前記レーザを走査させるレーザスキャナと、前記複合材の表面へ向かってアシストガスを噴射すると共に、前記レーザの照射方向に対して交差する横方向にアシストガスを噴射するガスノズルと、前記レーザ照射部及び前記レーザスキャナの動作を制御する制御部と、を備える。

この構成によれば、極短パルスレーザまたは短パルスレーザを複合材に照射することで、発生するヒュームをＣＷレーザに比べて細かいものとすることができる。このとき、アシストガスを複合材の表面へ向かって噴射することで、細かいヒュームを吹き飛ばすことができ、複合材の表面にヒュームが付着することを抑制できる。

また、前記制御部は、前記複合材の表面に前記レーザを照射して、前記複合材に穴加工溝を形成する第１ステップと、前記第１ステップの実行後、前記穴加工溝に前記レーザを照射して貫通させることで、貫通穴を形成する前記第２ステップと、を実行し、前記第１ステップでは、前記第２ステップよりも単位時間当たりの入熱量が小さい前記レーザを照射すると共に、形成される前記穴加工溝の幅方向において、前記貫通穴の内周面側となる外側から中心側となる内側へ向うように前記レーザを複数パスで照射し、前記第２ステップでは、前記第１ステップよりも単位時間当たりの入熱量が大きい前記レーザを照射すると共に、前記穴加工溝の幅方向において、前記貫通穴の外側から内側へ向うように前記レーザを複数パスで照射することが、好ましい。

この構成によれば、第１ステップにおいて、複合材の表面に穴加工溝を、単位時間当たりの入熱量を低減して形成することができる。このため、複合材の表面における熱影響層の形成を抑制することができるとともにスパッタやヒュームが表面に付着することを抑制可能である。また、第２ステップにおいて、貫通穴の外側から内側へ向うようにレーザを複数パスで照射することで、穴加工溝をレーザの照射方向に沿って切断することができる。このため、レーザにより形成される貫通穴を、レーザの照射方向においてストレート形状に形成することができる。

図１は、実施形態１に係るレーザ加工装置を模式的に示す図である。 図２は、実施形態１に係るレーザ加工方法の加工条件に関する説明図である。 図３は、実施形態１に係るレーザ加工方法の第１ステップに関する説明図である。 図４は、実施形態１に係るレーザ加工方法の第２ステップに関する説明図である。 図５は、実施形態２に係るレーザ加工方法の加工条件に関する説明図である。 図６は、従来に係るレーザ加工方法により形成される貫通穴の断面図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

［実施形態１］
図１は、実施形態１に係るレーザ加工装置を模式的に示す図である。図１に示すように、実施形態１に係るレーザ加工装置１０は、加工対象物となる複合材５にレーザＬを照射して、複合材５に穴加工を行うことが可能な装置となっている。

複合材５としては、例えば、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック：Carbon Fiber Reinforced Plastics）、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック：Glass Fiber Reinforced Plastics）、ＧＭＴ（ガラス長繊維強化プラスチック：Glass Mat reinforced Thermoplastics）等の繊維強化プラスチックである。

図１に示すように、レーザ加工装置１０は、レーザ発振器１１と、走査光学系１２と、集光光学系１３と、支持台６と、ガスノズル１４と、制御部１５と、を含んで構成される。

レーザ発振器１１は、レーザＬを出力する装置である。実施形態１で用いられるレーザ発振器１１は、パルス発振（Pulsed Operation）方式を用いたレーザ発振器であり、極短パルスレーザＬを出力する極短パルスレーザ発振器である。極短パルスレーザとは、パルス幅が、数ピコ秒から数フェムト秒となるレーザである。なお、実施形態１では、極短パルスレーザに適用して説明するが、短パルスレーザを適用してもよい。短パルスレーザとは、パルス幅が、数ナノ秒、１００ナノ秒、もしくは１０マイクロ秒となるレーザである。

走査光学系１２は、レーザ発振器１１から照射されたレーザＬを、複合材５上において走査させる光学系である。走査光学系１２は、複合材５の表面内においてレーザを操作可能なスキャナを含み、スキャナとしては、例えば、プリズムを回転させるプリズムローテータまたはガルバノミラーが用いられる。

集光光学系１３は、走査光学系１２から出射されたレーザＬを集光し、集光したレーザＬを複合材５に照射する光学系である。集光光学系１３は、集光レンズ等の光学部材を含んで構成されている。

支持台６は、複合材５を所定位置に支持する。なお、支持台６は、複合材５を水平面内において移動させる移動ステージとしてもよい。レーザ発振器１１から照射されたレーザＬは、支持台６に配置された複合材５の表面に対して、ほぼ垂直に照射される。

ガスノズル１４は、複合材５の表面へ向かって不活性となるアシストガスを噴射する。アシストガスの噴射方向は、レーザＬの照射方向に対して交差する横方向となっており、複合材５の表面に沿う方向となっている。なお、図示は省略するが、複合材５を挟んでガスノズル１４の反対側には、アシストガスを吸い込む吸込み口が設けられている。

制御部１５は、レーザ発振器１１及び走査光学系１２を含む各部に接続され、各部を制御することで、レーザ加工装置１０の動作を制御している。制御部１５は、例えば、レーザ発振器１１を制御することで、レーザ発振器１１から照射されるレーザＬの照射条件を調整する。また、制御部１５は、例えば、走査光学系１２を制御することで、複合材５の表面上におけるレーザＬの走査動作を制御している。

上記のように構成されるレーザ加工装置１０は、レーザ発振器１１からレーザＬを照射させ、照射されたレーザＬを、走査光学系１２に案内する。レーザ加工装置１０は、走査光学系１２に入射したレーザＬを走査させることで、複合材５の表面上におけるレーザＬの照射位置を可変させる。レーザ加工装置１０は、走査光学系１２から出射したレーザＬを、集光光学系１３に入射させ、集光したレーザＬを複合材５に照射する。

次に、図２から図４を参照して、上記のレーザ加工装置１０を用いて、複合材５に貫通穴の穴加工を行うレーザ加工方法について説明する。図２は、実施形態１に係るレーザ加工方法の加工条件に関する説明図である。図３は、実施形態１に係るレーザ加工方法の第１ステップに関する説明図である。図４は、実施形態１に係るレーザ加工方法の第２ステップに関する説明図である。ここで、複合材５は、例えば、１０ｍｍ以上となる板厚となっている。

レーザ加工方法では、複合材５の表面にレーザＬを照射して、複合材５に穴加工溝２１を形成する第１ステップＳ１と、穴加工溝２１にレーザＬを照射して貫通させることで、貫通穴２２を形成する第２ステップＳ２とを行っている。第１ステップＳ１及び第２ステップにおいて、レーザ発振器１１から照射されるレーザＬの照射条件は、同じ照射条件となっている。具体的な例として、実施形態１のレーザ加工方法において、レーザ発振器１１は、パルス幅が１０ｐｓ以下、波長１０３０ｎｍのピコ秒レーザを、パルスの繰り返し周波数が１００〜５００ｋＨｚ、最大パルスエネルギーを２．０ｍＪとして、平均出力２００〜１０００Ｗとなる照射条件で、レーザＬを照射している。

ここで、レーザ加工により貫通穴２２を形成する場合、図２及び図３に示すように、第１ステップＳ１では、形成される穴加工溝２１を、複合材５の表面内において円環形状となる溝とする。そして、第２ステップＳ２では、図２及び図４に示すように、穴加工溝２１を貫通させ、また、穴加工溝２１の内側のコア材を除去することで、円柱形状（ストレート形状）となる貫通穴２２を形成する。

なお、図２では、円環形状となる穴加工溝２１の周方向に直交する切断面を図示している。また、図２では、穴加工溝２１の径方向の一方側（図２の左側）が内側となっており、穴加工溝２１の径方向の他方側（図２の右側）が外側となっている。また、穴加工溝２１の外側の面が、貫通穴２２の内周面となる。第１ステップＳ１では、穴加工溝２１の深さが、例えば、０．５ｍｍとなるように加工される。つまり、第１ステップＳ１では、第２ステップＳ２に比して深さ方向における長さが浅いレーザ加工となっている。

第１ステップＳ１では、第２ステップＳ２よりも単位時間当たりの複合材５への入熱量が小さいレーザＬを照射している。具体的に、第１ステップＳ１では、レーザＬの走査速度（スキャン速度）が、第２ステップＳ２よりも速いものとしている。このとき、第１ステップＳ１及び第２ステップＳ２において、レーザＬの照射条件は、同じ照射条件となっていることから、第１ステップＳ１の走査速度が速い分、複合材５への入熱量を小さくすることができる。

また、図２に示すように、第１ステップＳ１では、穴加工溝２１の幅方向（径方向）に並ぶ複数パスで、レーザＬを照射している。実施形態１では、例えば、３パスでレーザＬを照射している。３つのパスは、パス同士のピッチ間隔が同じ間隔となるように設定されている。また、第１ステップＳ１では、貫通穴２２の内周面側となる外側のパスから、貫通穴２２の中心側となる内側のパスへ向かうように、レーザＬを走査しながら照射する。つまり、穴加工溝２１は、円環形状となっていることから、第１ステップＳ１では、レーザＬを外側から内側へ向かって、周方向に３周させることで、穴加工溝２１を形成している。

図３に示すように、第１ステップＳ１では、先ず、形成される穴加工溝２１の外側、つまり、形成される貫通穴２２の内周面側において、レーザＬを周方向に１周分走査して１パス目の照射を行う（ステップＳ１ａ）。続いて、ステップＳ１ａの実行後、１パス目に対してレーザＬを所定のピッチ間隔だけ内側に走査し、１パス目の内側において、レーザＬを周方向に１周分走査して２パス目の照射を行う（ステップＳ１ｂ）。さらに、ステップＳ１ｂの実行後、２パス目に対してレーザＬを所定のピッチ間隔だけ内側に走査し、２パス目の内側、すなわち、形成される穴加工溝２１の内側において、レーザＬを周方向に１周分走査して３パス目の照射を行う（ステップＳ１ｃ）。このように、第１ステップＳ１を実行することで、所定の深さとなる穴加工溝２１を形成する。ここで、１パス目から３パス目までレーザＬを照射する場合、レーザＬの走査動作は、１パス目から３パス目が同心円状となるように走査動作が設定されてもよいし、１パス目から３パス目がらせん状に連続するように走査動作が設定されてもよい。なお、第１ステップＳ１は、所定の回数繰り返して行ってもよい。

また、第１ステップＳ１では、複合材５にレーザＬを照射することでスパッタ５１及びヒューム５２が発生する。第１ステップＳ１では、レーザＬによる穴加工溝２１の加工時において、ガスノズル１４から複合材５の表面へ向けてアシストガスを噴射すると共に、図示しない吸込み口からスパッタ５１及びヒューム５２を含むアシストガスを吸い込んでいる。これにより、第１ステップＳ１では、スパッタ５１及びヒューム５２を除去している。

第２ステップＳ２では、第１ステップＳ１よりも単位時間当たりの複合材５への入熱量が大きいレーザＬを照射している。具体的に、第２ステップＳ２では、レーザＬの走査速度（スキャン速度）が、第１ステップＳ１よりも遅いものとしている。このとき、第１ステップＳ１及び第２ステップＳ２において、レーザＬの照射条件は、同じ照射条件となっていることから、第２ステップＳ２の走査速度が遅い分、複合材５への単位時間当たりの入熱量を大きくすることができ、切断能率を向上させることができる。

また、図２に示すように、第２ステップＳ２では、穴加工溝２１の幅方向（径方向）に並ぶ複数パスで、レーザＬを照射している。実施形態１では、例えば、第１ステップＳ１と同様に、３パスでレーザＬを照射している。なお、第２ステップＳ２では、第１ステップＳ１と同じパス数としたが、第１ステップＳ１よりも多いパス数としてもよい。３つのパスは、パス同士のピッチ間隔が同じ間隔となるように設定されている。また、第２ステップＳ２では、第１ステップＳ１と同様に、貫通穴２２の内周面側となる外側のパスから、貫通穴２２の中心側となる内側のパスへ向かうように、レーザＬを走査しながら照射する。つまり、穴加工溝２１は、円環形状となっていることから、第２ステップＳ２でも、レーザＬを外側から内側へ向かって、周方向に３周させることで、穴加工溝２１を深さ方向に加工して貫通させている。このとき、第２ステップＳ２では、形成される貫通穴２２の製品面となる内周面からレーザＬの照射を開始している。

図４に示すように、第２ステップＳ２では、穴加工溝２１の外側、つまり、形成される貫通穴２２の内周面側において、レーザＬを周方向に１周分走査して１パス目の照射を行う（ステップＳ２ａ）。続いて、ステップＳ２ａの実行後、１パス目に対してレーザＬを所定のピッチ間隔だけ内側に走査し、１パス目の内側において、レーザＬを周方向に１周分走査して２パス目の照射を行う（ステップＳ２ｂ）。さらに、ステップＳ２ｂの実行後、２パス目に対してレーザＬを所定のピッチ間隔だけ内側に走査し、２パス目の内側、すなわち、穴加工溝２１の内側において、レーザＬを周方向に１周分走査して３パス目の照射を行う（ステップＳ２ｃ）。このように、第２ステップＳ２を実行することで、穴加工溝２１に対して深さ方向にさらに加工を行う。なお、第２ステップＳ２は、穴加工溝２１が深さ方向に貫通するまで繰り返し行う。

また、第２ステップＳ２でも、複合材５にレーザＬを照射することでスパッタ５１及びヒューム５２が発生する。第２ステップＳ２では、第１ステップＳ１と同様に、レーザＬによる穴加工時において、ガスノズル１４から複合材５の表面へ向けてアシストガスを噴射すると共に、図示しない吸込み口からスパッタ５１及びヒューム５２を含むアシストガスを吸い込むことで、スパッタ５１及びヒューム５２を除去している。

レーザＬを照射することによって、穴加工溝２１が深さ方向に貫通すると、穴加工溝２１の内側に円柱形状のコア材が残存し、残存したコア材を除去することで、円柱形状となる貫通穴２２が形成される。

以上のように、実施形態１によれば、第１ステップＳ１において、複合材５の表面に穴加工溝２１を、小さい入熱量で形成することができる。このため、複合材の厚さが厚い場合であっても、複合材５の表面における熱影響層の形成を抑制することができる。また、複合材５の表面に加わる入熱量を小さくできることから、スパッタ５１及びヒューム５２の発生を抑制することができ、複合材５の表面に対してスパッタ５１及びヒューム５２が付着することを抑制することができる。また、第２ステップＳ２において、貫通穴２２の外側から内側へ向うようにレーザＬを複数パスで照射することで、穴加工溝２１をレーザＬの照射方向に沿って深く形成することができる。このため、レーザＬにより形成される貫通穴２２を、レーザＬの照射方向においてストレート形状に形成することができる。

また、実施形態１によれば、第２ステップＳ２において、第１ステップＳ１のパス数と同数以上でレーザＬを照射することができるため、穴加工溝２１の幅方向における長さが第１ステップＳ１よりも短くなってしまうことを抑制することができる。

また、実施形態１によれば、レーザＬの走査速度を第２ステップＳ２よりも速くすることで、第１ステップＳ１及び第２ステップＳ２のレーザＬの照射条件を変えることなく、第１ステップＳ１のレーザ照射による複合材５への入熱量を小さくすることができる。

また、実施形態１によれば、第１ステップＳ１における複数パスのパス同士のピッチ間隔が同じ間隔となっているため、穴加工溝２１の溝深さを均等にすることができる。つまり、穴加工溝２１の底面の平滑化を図ることができる。また、同様に、第２ステップＳ２における複数パスのパス同士のピッチ間隔が同じ間隔となっているため、穴加工溝２１の溝深さを均等にすることができる。

また、実施形態１によれば、第２ステップＳ２において、製品面となる貫通穴２２の内周面からレーザＬの照射を開始できることから、貫通穴２２の内周面を精度良く穴加工することができる。

また、実施形態１によれば、レーザＬとして極短パルスレーザを用いることにより、レーザＬを複合材５に照射することで発生するヒューム５２を細かいものとすることができる。このため、第１ステップＳ１において発生するヒューム５２は細かいものとなり、浮遊し易いものとすることができるため、複合材５に付着するヒューム５２の発生を抑制することができる。

また、実施形態１によれば、第１ステップＳ１及び第２ステップＳ２において穴加工溝２１へ向かってアシストガスを噴射することで、レーザＬを複合材５に照射することで発生するスパッタ５１及びヒューム５２を、アシストガスにより除去することができる。このため、第１ステップＳ１において、複合材５に付着するスパッタ５１及びヒューム５２の発生を抑制することができる。

なお、実施形態１では、第１ステップＳ１及び第２ステップＳ２において、３パスとしたが、特に限定されず、複数パスであればよい。また、第１ステップＳ１においてレーザＬの走査速度を速くし、第２ステップＳ２においてレーザＬの走査速度を遅くすることで、複合材５への入熱量を調整したが、この構成に限定されない。第１ステップＳ１においてレーザＬの出力を小さくし、第２ステップＳ２においてレーザＬの出力を第１ステップＳ１に比して大きくしてもよい。この場合、第１ステップＳ１と第２ステップＳ２とのレーザＬの走査速度を変えることなく、第１ステップＳ１及び第２ステップＳ２における複合材５への入熱量を調整することができる。このように、第１ステップＳ１において複合材５への入熱量が小さくなり、第２ステップＳ２において複合材５への入熱量が第１ステップＳ１に比して大きくなる構成であれば、何れの構成であってもよい。

また、実施形態１において、貫通穴２２は、開口が円形となる中空の円柱形状としたが、貫通穴２２の形状は特に限定されず、例えば、開口が多角形状となっていてもよく、何れの形状であってもよい。

［実施形態２］
次に、図５を参照して、実施形態２に係るレーザ加工方法について説明する。なお、実施形態２では、重複した記載を避けるべく、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図５は、実施形態２に係るレーザ加工方法の加工条件に関する説明図である。

実施形態２のレーザ加工方法では、第２ステップＳ２の後に、第３ステップＳ３を実行している。第３ステップＳ３は、第２ステップＳ２の幅方向における複数パスのパス同士のピッチ間隔よりも狭くしたレーザＬを、貫通穴２２に照射するステップとなっている。

図５に示すように、第３ステップＳ３では、貫通穴２２の径方向（貫通前の穴加工溝２１の幅方向）に並ぶ複数パスで、レーザＬを照射している。実施形態２では、例えば、５パスでレーザＬを照射している。５つのパスは、パス同士のピッチ間隔が同じ間隔となるように設定されている。このとき、５つのパスの幅方向における長さは、第２ステップＳ２における３つのパスの幅方向における長さと同じとなっていることから、第３ステップＳ３では、第２ステップＳ２に比してパス数が多い分、第２ステップＳ２に比してパス同士のピッチ間隔が狭いものとなっている。また、第３ステップＳ３でも、第１ステップＳ１及び第２ステップＳ２と同様に、貫通穴２２の内周面側から、貫通穴２２の中心側へ向かうように、レーザＬを走査しながら照射する。

ここで、図５では、第２ステップＳ２において残存するコア材を除去する前に、第３ステップＳ３を実行している。なお、コア材を除去した後に第３ステップＳ３を実行してもよい。第３ステップＳ３では、貫通穴２２の内周面側において、レーザＬを周方向に１周分走査して１パス目の照射を行う。続いて、１パス目の照射後、１パス目に対してレーザＬを所定のピッチ間隔だけ内側に走査し、１パス目の内側において、レーザＬを周方向に１周分走査して２パス目の照射を行う。なお、３パス目から５パス目のレーザＬの照射も、２パス目と同様であるため、説明を省略する。このように、第３ステップＳ３では、第２ステップＳ２よりも狭いピッチ間隔となる複数パスで、貫通穴にレーザＬを照射することで、貫通穴２２の貫通方向において内周面の平滑にすることできる。

なお、第３ステップＳ３では、第１ステップＳ１及び第２ステップと同様に、ガスノズル１４から複合材５の表面へ向けてアシストガスを噴射している。

以上のように、実施形態２によれば、第３ステップＳ３を行うことで、貫通穴２２の内周面を貫通方向において平滑にすることができ、より精度良く貫通穴２２の穴加工することができる。

なお、実施形態２において、第３ステップＳ３では、第２ステップＳ２よりもレーザＬのパス数を多くしたが、パス数については、特に限定されない。第３ステップＳ３では、第２ステップＳ２よりもパス同士のピッチ間隔が狭ければよく、例えば、第２ステップＳ２のパス数と同じパス数としてもよい。第３ステップＳ３のパス数が、第２ステップＳのパス数と同じとなる場合、貫通穴２２の内周面側からレーザＬの照射を開始してもよい。

５ 複合材
６ 支持台
１０ レーザ加工装置
１１ レーザ発振器
１２ 走査光学系
１３ 集光光学系
１４ ガスノズル
１５ 制御部
２１ 穴加工溝
２２ 貫通穴
Ｌ レーザ

Claims (11)

1. 複合材にレーザを照射して貫通穴を形成する穴加工を行うレーザ加工方法において、
   前記複合材の表面に前記レーザを照射して、前記複合材に穴加工溝を形成する第１ステップと、
   前記第１ステップの実行後、前記穴加工溝に前記レーザを照射して貫通させることで、貫通穴を形成する第２ステップと、を含み、
   前記第１ステップでは、前記第２ステップよりも単位時間当たりの入熱量が小さい前記レーザを照射すると共に、形成される前記穴加工溝の幅方向において、前記貫通穴の内周面側となる外側から中心側となる内側へ向うように前記レーザを複数パスで照射し、
   前記第２ステップでは、前記第１ステップよりも単位時間当たりの入熱量が大きい前記レーザを照射すると共に、前記穴加工溝の幅方向において、前記貫通穴の外側から内側へ向うように前記レーザを複数パスで照射するレーザ加工方法。
2. 前記第２ステップにおける前記レーザのパス数は、前記第１ステップにおける前記レーザのパス数と同数以上となっている請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記レーザのスキャン速度は、前記第２ステップに比して前記第１ステップを速くしている請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記レーザの出力は、前記第２ステップに比して前記第１ステップの出力を小さくしている請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
5. 前記第１ステップ及び前記第２ステップのそれぞれでは、複数パスのパス同士のピッチ間隔が前記幅方向において同じ間隔となっている請求項１から４のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
6. 前記第２ステップでは、前記貫通穴の製品面となる前記内周面から前記レーザの照射を開始する請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
7. 前記レーザは、極短パルスレーザまたは短パルスレーザである請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
8. 前記第１ステップでは、形成される前記穴加工溝へ向かって、前記レーザが照射される照射方向に交差する横方向からアシストガスを吹き付ける請求項１から７のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
9. 前記第２ステップの実行後、前記第２ステップの前記幅方向における複数パスのパス同士のピッチ間隔よりも狭くした前記レーザを、前記貫通穴に照射する第３ステップを、さらに含む請求項１から８のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。
10. 複合材にレーザを照射して貫通穴を形成する穴加工を行うレーザ加工装置において、
    前記複合材の表面に、前記レーザとして極短パルスレーザまたは短パルスレーザを照射するレーザ照射部と、
    前記レーザを走査させるレーザスキャナと、
    前記複合材の表面へ向かってアシストガスを噴射すると共に、前記レーザの照射方向に対して交差する横方向にアシストガスを噴射するガスノズルと、
    前記レーザ照射部及び前記レーザスキャナの動作を制御する制御部と、を備えるレーザ加工装置。
11. 前記制御部は、
    前記複合材の表面に前記レーザを照射して、前記複合材に穴加工溝を形成する第１ステップと、
    前記第１ステップの実行後、前記穴加工溝に前記レーザを照射して貫通させることで、貫通穴を形成する第２ステップと、を実行し、
    前記第１ステップでは、前記第２ステップよりも単位時間当たりの入熱量が小さい前記レーザを照射すると共に、形成される前記穴加工溝の幅方向において、前記貫通穴の内周面側となる外側から中心側となる内側へ向うように前記レーザを複数パスで照射し、
    前記第２ステップでは、前記第１ステップよりも単位時間当たりの入熱量が大きい前記レーザを照射すると共に、前記穴加工溝の幅方向において、前記貫通穴の外側から内側へ向うように前記レーザを複数パスで照射する請求項１０に記載のレーザ加工装置。

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