JP2022053168A - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物の表面における対象エリアに沿って対象物に付与される圧縮残留応力がばらつくのを抑制する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。【解決手段】レーザ加工方法は、対象物１０の表面１０ａにおける対象エリア１１にレーザ光を照射することで、対象エリア１１に沿って対象物１０に圧縮残留応力を付与するレーザ加工方法である。当該レーザ加工方法は、単位面積当たりのレーザ光の強度の移動平均を大きくしつつ、対象エリア１１に対してレーザ光の照射スポットＳを走査する加工ステップを備える。【選択図】図５

Description

本発明は、レーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。

特許文献１には、対象物の表面に、レーザ光を吸収する吸収材料層を形成しつつ、吸収材料層にレーザ光を照射することで、対象物に圧縮残留応力を付与するレーザ加工方法が記載されている。特許文献１に記載のレーザ加工方法では、対象物に均一な圧縮残留応力を付与するために、吸収材料層の厚さが所定の厚さとなるように吸収材料層を形成する。

特開平８－１１２６８１号公報

しかしながら、特許文献１に記載のレーザ加工方法のように、吸収材料層の厚さが所定の厚さとなるように吸収材料層を形成するだけでは、対象物の表面における対象エリアに沿って対象物に均一な圧縮残留応力を付与することは困難である。

本発明は、対象物の表面における対象エリアに沿って対象物に付与される圧縮残留応力がばらつくのを抑制する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目的とする。

本発明のレーザ加工方法は、対象物の表面における対象エリアにレーザ光を照射することで、対象エリアに沿って対象物に圧縮残留応力を付与するレーザ加工方法であって、単位面積当たりのレーザ光の強度の移動平均を大きくしつつ、対象エリアに対してレーザ光の照射スポットを走査する加工ステップを備える。

このレーザ加工方法では、対象物の表面における対象エリアに対してレーザ光の照射スポットを走査することで、対象エリアに沿って対象物に圧縮残留応力を付与する。レーザ光の照射スポットの走査において、単位面積当たりのレーザ光の強度を一定とすると、レーザ光の照射スポットが走査されたエリアが対象エリアにおいて増えるほど、圧縮残留応力が付与され難くなる傾向があることが、実験的に確認された。そこで、単位面積当たりのレーザ光の強度の移動平均を大きくしつつ、対象エリアに対してレーザ光の照射スポットを走査する。これにより、単位面積当たりのレーザ光の強度を一定とした場合と比べて、対象物に付与される圧縮残留応力が低下することが抑制される。以上により、このレーザ加工方法によれば、対象物の表面における対象エリアに沿って対象物に付与される圧縮残留応力がばらつくのを抑制することができる。

本発明のレーザ加工方法では、加工ステップにおいては、第１方向に延在すると共に第１方向に垂直な第２方向に並ぶ複数のラインのそれぞれに沿ってレーザ光の照射スポットを移動させる処理を実施することで、対象エリアに対してレーザ光の照射スポットを走査し、加工ステップにおいては、複数のラインのうちの少なくとも１本のラインごとに、単位面積当たりのレーザ光の強度を大きくすることで、移動平均を大きくしてもよい。これにより、レーザ光の照射スポットの走査及び単位面積当たりのレーザ光の強度の制御を簡易且つ容易に実施することができる。

本発明のレーザ加工方法では、加工ステップにおいては、上記処理として、第１方向における一方の側から他方の側にレーザ光の照射スポットを移動させる処理、及び第１方向における他方の側から一方の側にレーザ光の照射スポットを移動させる処理を交互に実施してもよい。これにより、対象エリアに対してレーザ光の照射スポットを効率良く走査することができる。

本発明のレーザ加工方法では、加工ステップにおいては、対象エリアと交差する方向に沿ってレーザ光の集光スポットの位置を移動することで、移動平均を大きくしてもよい。これにより、これにより、レーザ光の出力を調整しなくても、単位面積当たりのレーザ光の強度の移動平均を大きくすることができる。

本発明のレーザ加工方法では、単位面積当たりのレーザ光の強度を一定にしつつ、サンプルの表面におけるサンプルエリアに対してレーザ光の照射スポットを走査し、サンプル表面に沿ってサンプルに付与された圧縮残留応力を取得する準備ステップを更に備え、加工ステップにおいては、サンプルに付与された圧縮残留応力に基づいて、単位面積当たりのレーザ光の強度の移動平均を大きくしてもよい。これにより、対象物に付与される圧縮残留応力がばらつくのをより確実に抑制することができる。

本発明のレーザ加工装置は、対象物の表面における対象エリアにレーザ光を照射することで、対象エリアに沿って対象物に圧縮残留応力を付与するレーザ加工装置であって、対象物を支持する支持部と、対象エリアにレーザ光を照射する照射部と、支持部及び照射部の少なくとも１つの動作を制御する制御部と、を備え、制御部は、単位面積当たりのレーザ光の強度の移動平均が大きくなりつつ、対象エリアに対してレーザ光の照射スポットが走査されるように、支持部及び照射部の少なくとも１つの動作を制御する。

このレーザ加工装置によれば、上述したレーザ加工方法と同様に、対象物の表面における対象エリアに沿って対象物に付与される圧縮残留応力がばらつくのを抑制することができる。

本発明によれば、対象物の表面に沿って付与される対象物の圧縮残留応力がばらつくのを抑制する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が可能になる。

一実施形態のレーザ加工装置の構成図である。 一実施形態のレーザ光の断面図である。 一実施形態のレーザ加工方法のフローチャートである。 一実施形態のレーザ加工方法を説明するためのサンプルの平面図である。 一実施形態のレーザ加工方法を説明するための対象物の平面図である。 一実施形態のレーザ加工方法によって照射するレーザ光の照射スポットの径を示すグラフである。 実施例１及び実施例２のレーザ加工方法によって照射したレーザ光Ｌの強度を示すグラフである。 比較例のレーザ加工方法によって対象物に付与された圧縮残留応力の二次元分布を示す画像である。 実施例１及び実施例２のレーザ加工方法によって対象物に付与された圧縮残留応力の二次元分布を示す画像である。 比較例、実施例１及び実施例２のレーザ加工方法によって対象物に付与された圧縮残留応力を示すグラフである。 比較例、実施例１及び実施例２のレーザ加工方法によって対象物に付与された圧縮残留応力を示す表である。 比較例のレーザ加工方法によって対象物に付与された圧縮残留応力と補正係数（Ｚ）とを示すグラフである。 実施例１及び実施例２のレーザ加工方法によって対象物に付与された圧縮残留応力と計算値とを示すグラフである。 変形例１のサンプル照射強度及び対象物照射強度を示すグラフである。 変形例２のレーザ加工方法を説明するための対象物の平面図である。 変形例３のレーザ加工方法を説明するための対象物の平面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［レーザ加工装置］

図１に示されるように、レーザ加工装置１は、支持部２と、照射部３と、制御部４と、を備えている。レーザ加工装置１は、対象物１０の表面１０ａにおける対象エリア１１にレーザ光Ｌを照射することで、対象エリア１１に沿って対象物１０に圧縮残留応力を付与する装置である。つまり、レーザ加工装置１は、対象物１０の表面１０ａにおける対象エリア１１にレーザピーニング加工を施す装置である。以下の説明では、互いに直交する３方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向という。本実施形態では、Ｚ方向は第１水平方向であり、Ｘ方向は第１水平方向に垂直な第２水平方向であり、Ｙ方向は鉛直方向である。

支持部２は、対象物１０の表面１０ａがＺ方向に直交するように対象物１０を支持する。支持部２は、例えば、対象物１０を挟持するクランプ、ロボットアーム等を含んでいる。対象物１０は、例えば、銅、アルミニウム、鉄、チタン等の金属材料からなる板状の部材である。レーザピーニング加工を施す時に、対象エリア１１には、保護層Ｐが形成され、保護層Ｐの表面には閉じ込め層Ｃが形成される。保護層Ｐは、レーザ光Ｌの照射によって発生する熱から対象エリア１１を保護するために当該熱を吸収する層である。保護層Ｐは、例えば、金属又は樹脂層である。閉じ込め層Ｃは、レーザ光Ｌの照射によって発生するプラズマの衝撃を対象物１０に与えるために当該プラズマを閉じ込める層である。閉じ込め層Ｃは、例えば、保護層Ｐを覆うように供給される水である。

照射部３は、支持部２によって支持された対象物１０の表面１０ａにおける対象エリア１１にレーザ光Ｌを照射する。照射部３は、レーザ光Ｌの集光スポットＣＳを対象エリア１１に対して三次元的（Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向）に移動させることで、レーザ光Ｌの照射スポットＳを対象エリア１１において二次元的（Ｘ方向及びＹ方向）に移動させる。集光スポットＣＳは、レーザ光Ｌにおいて、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度が最大になる領域である。レーザ光Ｌの照射スポットＳは、対象エリア１１におけるレーザ光Ｌの照射領域である。例えば、図２の（ａ）に示されるように、集光スポットＣＳが対象エリア１１上に位置させられる場合には、集光スポットＣＳが照射スポットＳとなる。この場合、照射スポットＳの径が最小になり、照射スポットＳにおいて、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度が最大になる。図２の（ｂ）に示されるように、集光スポットＣＳが対象エリア１１上からＺ方向に沿って移動するほど、照射スポットＳの径が大きくなり、照射スポットＳにおいて、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度が小さくなる。

図１に示される照射部３は、光源３１と、光軸調整部３２と、光軸調整レンズ３３と、Ｘ軸可動ミラー３４と、Ｙ軸可動ミラー３５と、対物レンズ３６と、を有している。光源３１は、レーザ光Ｌを出射する。光源３１は、例えば、パルス発振方式によってレーザ光Ｌを出射する半導体レーザである。光軸調整部３２は、光軸調整レンズ３３を支持している。光軸調整部３２は、光軸調整レンズ３３をＺ方向に沿って移動させることで、レーザ光Ｌの集光スポットＣＳをＺ方向に沿って移動させる。Ｘ軸可動ミラー３４は、レーザ光Ｌを反射するミラー面の傾きを調整することで、レーザ光Ｌの集光スポットＣＳをＸ方向に沿って移動させる。Ｙ軸可動ミラー３５は、レーザ光Ｌを反射するミラー面の傾きを調整することで、レーザ光Ｌの集光スポットＣＳをＹ方向に沿って移動させる。Ｘ軸可動ミラー３４及びＹ軸可動ミラー３５のそれぞれは、例えば、ガルバノミラーである。対物レンズ３６は、レーザ光Ｌの集光スポットＣＳがＺ方向に垂直な平面上に位置するように、レーザ光Ｌの集光スポットＣＳの位置を光学的に補正する。対物レンズ３６は、例えばｆ・θレンズである。

制御部４は、レーザ光Ｌの集光スポットＣＳが対象エリア１１に対して所定の軌跡で三次元的に移動するように（換言すれば、レーザ光Ｌの照射スポットＳが対象エリア１１において所定の軌跡で二次元的に移動するように）、照射部３の動作を制御する。集光スポットＣＳが対象エリア１１に対して所定の軌跡で三次元的に移動することで、照射スポットＳが対象エリア１１において所定の軌跡で二次元的に移動し、照射スポットＳにおいて、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度が増減する。制御部４は、例えば処理部４１と、記憶部４２と、入力受付部４３と、を有している。処理部４１は、プロセッサ、メモリ、ストレージ及び通信デバイス等を含むコンピュータ装置として構成されている。処理部４１では、プロセッサが、メモリ等に読み込まれたソフトウェア（プログラム）を実行し、メモリ及びストレージにおけるデータの読み出し及び書き込み、並びに、通信デバイスによる通信を制御する。記憶部４２は、ハードディスク等であり、各種データを記憶する。入力受付部４３は、オペレータから各種データの入力を受け付けるインターフェース部である。本実施形態では、入力受付部４３は、ＧＵＩ（Graphical User Interface）を構成している。
［レーザ加工方法］

上述したレーザ加工装置１において実施されるレーザ加工方法について、図３に示されるフローチャートに沿って説明する。当該レーザ加工方法は、対象物１０の表面１０ａにおける対象エリア１１にレーザ光Ｌを照射することで、対象エリア１１に沿って対象物１０に圧縮残留応力を付与する方法である。つまり、当該レーザ加工方法は、対象物１０の表面１０ａにおける対象エリア１１にレーザピーニング加工を施す方法である。本実施形態のレーザ加工方法では、以下に述べる準備ステップ及び加工ステップが実施される。

まず、サンプル２０（図４参照）を準備し、サンプル２０をレーザ加工装置１にセットする（図３に示されるステップＳ０１）。すなわち、サンプル２０の表面２０ａ（図４参照）がＺ方向と直交するように、サンプル２０を支持部２に固定する。サンプル２０がレーザ加工装置１にセットされると、サンプルエリア２１（図４参照）、レーザ光Ｌの照射条件等が制御部４によって設定される。本実施形態では、サンプル２０は、対象物１０と同一の材料からなり且つ対象物１０と同一の形状を有する部材である。サンプルエリア２１は、対象エリア１１と同一の形状を有するエリアである。本実施形態では、図４に示されるように、Ｘ方向における一方の側を第１側とし、Ｘ方向における他方の側を第２側とする。つまり、第１側及び第２側は、Ｘ方向において互いに対向する側である。また、Ｙ方向における一方の側を第３側とし、Ｙ方向における他方の側を第４側とする。つまり、第３側及び第４側は、Ｙ方向において互いに対向する側である。一例として、サンプルエリア２１は、Ｘ方向において対向する二辺、及びＹ方向において対向する二辺を有する矩形状のエリアである。

続いて、サンプルエリア２１に保護層Ｐが形成され且つ当該保護層Ｐの表面に閉じ込め層Ｃが形成された状態で、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度を一定にしつつ、サンプル２０の表面におけるサンプルエリア２１に対してレーザ光Ｌの照射スポットＳを走査する（図３に示されるステップＳ０２、準備ステップ）ように、制御部４が照射部３を制御する。具体的には、図４に示されるように、サンプルエリア２１において、Ｙ方向（第１方向）に延在すると共にＸ方向（第１方向に垂直な第２方向）に並ぶ複数のラインＬ１のそれぞれに沿ってレーザ光Ｌの照射スポットＳを移動させる第１処理を実施することで、サンプルエリア２１に対してレーザ光Ｌの照射スポットＳを走査する。本実施形態では、第１処理として、第３側から第４側に（第１方向における一方の側から他方の側に）レーザ光Ｌの照射スポットＳを移動させる処理、及び第４側から第３側に（第１方向における他方の側から一方の側に）レーザ光Ｌの照射スポットＳを移動させる処理を交互に実施する。なお、隣り合うラインＬ１の間隔は、Ｘ方向におけるレーザ光Ｌの照射スポットＳの幅の１／２程度である。

続いて、サンプル２０の表面２０ａに沿ってサンプル２０に付与された圧縮残留応力を取得する（図３に示されるステップＳ０３、準備ステップ）。本実施形態では、サンプル２０に付与された圧縮残留応力を、作業者が、Ｘ線残留応力測定装置によって測定し、入力受付部４３に入力する。

続いて、補正係数（Ｚ）を取得する（ステップＳ０４）。この「補正係数（Ｚ）」は、圧縮残留応力の付与し易さを示す係数である。本実施形態では、処理部４１が、サンプル２０に付与された圧縮残留応力に基づいて、補正係数（Ｚ）を取得する。具体的には、サンプル２０に付与された圧縮残留応力を、最初に照射スポットＳを走査したエリアにおいてサンプル２０に付与された圧縮残留応力で除算して、補正係数（Ｚ）が算出される。

続いて、サンプル２０に一定の圧縮残留応力を付与することができる単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度を取得する（ステップＳ０５）。なお、以下の説明において「サンプル２０に一定の圧縮残留応力を付与することができる単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度」を「サンプル照射強度」と呼称する。本実施形態では、処理部４１が、サンプル照射強度を取得する。処理部４１は、サンプル照射強度を、以下の導出過程によって導出する。

サンプル２０に発生した塑性変形の量（以下、塑性変形量と呼称する）は、サンプル２０に照射したレーザ光Ｌのパルス幅及びサンプル２０に発生した衝撃波圧力に比例するため、下記の数式（１）の関係を満たす。

数式（１）におけるＬ_ｐはサンプル２０に発生した塑性変形量（μｍ）、π_ｐはサンプル２０に照射したレーザ光Ｌのパルス幅（ｎｓ）、Ｐはサンプル２０に発生した衝撃波圧力（ＧＰａ）である。

圧縮残留応力は、塑性ひずみ量（塑性変形量を部材の変形前の長さで除算した値）と相関があるため、サンプル２０に付与された圧縮残留応力及びサンプル２０の塑性変形量は、下記の数式（２）の関係で表すことができる。

数式（２）におけるσはサンプル２０に付与された圧縮残留応力（ＭＰａ）である。

閉じ込め層Ｃを水にした場合、サンプル２０に発生した衝撃波圧力は、サンプル２０に照射したレーザ光Ｌのレーザ強度と下記の数式（３）の関係を満たす。

数式（３）におけるＩは単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度（ＧＷ／ｃｍ²）である。

ここで、有効衝撃波圧力について下記の数式（４）の関係で表すことができる。この「有効衝撃波圧力」は、補正係数（Ｚ）を考慮した衝撃波圧力である。

数式（４）におけるＰ_１は有効衝撃波圧力（ＧＰａ）、Ｚは補正係数（Ｚ）である。

以上の数式（１）、数式（２）、数式（３）及び数式（４）によれば、補正係数（Ｚ）に応じて単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度を調整することで、サンプル２０に付与される圧縮残留応力を一定にできる。つまり、補正係数（Ｚ）に基づいて、サンプル照射強度が導出される。本実施形態では、以上の導出過程に基づいて、処理部４１がサンプル照射強度を取得する。

続いて、対象物１０に一定の圧縮残留応力を付与することができる単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度を取得する（ステップＳ０６）。なお、以下の説明において「対象物１０に一定の圧縮残留応力を付与することができる単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度」を「対象物照射強度」と呼称する。具体的には、処理部４１が、サンプル照射強度を、対象物照射強度に変換して取得する。本実施形態では、サンプルエリア２１が対象エリア１１と同一の形状を有するエリアであるため、処理部４１は、サンプル照射強度が適用されるエリアを等倍に変換することで、対象物照射強度を取得する。処理部４１が取得した対象物照射強度は、記憶部４２に記憶される。

続いて、対象物１０を準備し、対象物１０をレーザ加工装置１にセットする（ステップＳ０７）。すなわち、図１に示されるように、対象物１０の表面１０ａがＺ方向と直交するように、対象物１０を支持部２に固定する。対象物１０がレーザ加工装置１にセットされると、対象エリア１１、レーザ光Ｌの照射条件等が制御部４によって設定される。本実施形態では、図５に示されるように、Ｘ方向における一方の側を第１側とし、Ｘ方向における他方の側を第２側とする。つまり、第１側及び第２側は、Ｘ方向において互いに対向する側である。また、Ｙ方向における一方の側を第３側とし、Ｙ方向における他方の側を第４側とする。つまり、第３側及び第４側は、Ｙ方向において互いに対向する側である。一例として、対象エリア１１は、Ｘ方向において対向する二辺、及びＹ方向において対向する二辺を有する矩形状のエリアである。

続いて、対象エリア１１に保護層Ｐ（図１参照）が形成され且つ当該保護層Ｐの表面に閉じ込め層Ｃ（図１参照）が形成された状態で、サンプル２０に付与された圧縮残留応力に基づいて、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度の移動平均を大きくしつつ、対象エリア１１に対してレーザ光Ｌの照射スポットＳを走査する（図３に示されるステップＳ０８、加工ステップ）ように、制御部４が照射部３を制御する。この「移動平均」は、レーザ光Ｌの照射スポットＳを走査した所定範囲において、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度を平均した値である。本実施形態では、対象物照射強度に基づいて、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度の移動平均を大きくしつつ、対象エリア１１に対してレーザ光Ｌの照射スポットＳを走査する。具体的には、図５に示されるように、対象エリア１１において、Ｙ方向（第１方向）に延在すると共にＸ方向（第１方向に垂直な第２方向）に並ぶ複数のラインＬ１のそれぞれに沿ってレーザ光Ｌの照射スポットＳを移動させる第２処理を実施する。制御部４は、対象物照射強度に基づいて、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度を１本のラインＬ１ごとに大きくすることで、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度の移動平均を大きくする。具体的には、１本のラインＬ１ごとに、レーザ光Ｌの集光スポットＣＳの位置をＺ方向（対象エリア１１と交差する方向）に沿って対象エリア１１に近づけるように移動することで、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度を大きくする。

なお、本実施形態では、第２処理として、第３側から第４側に（第１方向における一方の側から他方の側に）レーザ光Ｌの照射スポットＳを移動させる処理、及び第４側から第３側に（第１方向における他方の側から一方の側に）レーザ光Ｌの照射スポットＳを移動させる処理を交互に実施する。

以上のように、準備ステップ及び加工ステップを実施することで、対象エリア１１に沿って対象物１０に圧縮残留応力を付与する。つまり、上記レーザ加工方法は、対象エリア１１に沿って圧縮残留応力が付与された対象物１０を製造する方法である。
［作用及び効果］

上記レーザ加工方法では、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度の移動平均を大きくしつつ、対象エリア１１に対してレーザ光Ｌの照射スポットＳを走査する。これにより、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度を一定とした場合と比べて、対象物１０に付与される圧縮残留応力が低下することが抑制される。よって、上記レーザ加工方法によれば、対象物１０の表面１０ａにおける対象エリア１１に沿って対象物１０に付与される圧縮残留応力がばらつくのを抑制することができる。

上記レーザ加工方法では、加工ステップにおいて、Ｙ方向に延在すると共にＸ方向に並ぶ複数のラインＬ１のそれぞれに沿ってレーザ光Ｌの照射スポットＳを移動させる第２処理を実施することで、対象エリア１１に対してレーザ光Ｌの照射スポットＳを走査し、加工ステップにおいては、複数のラインＬ１のうち１本のラインＬ１ごとに、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度を大きくすることで、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度の移動平均を大きくする。これにより、レーザ光Ｌの照射スポットＳの走査及び単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度の制御を簡易且つ容易に実施することができる。

上記レーザ加工方法では、加工ステップにおいては、上記第２処理として、Ｙ方向における一方の側から他方の側にレーザ光Ｌの照射スポットＳを移動させる処理、及びＹ方向における他方の側から一方の側にレーザ光Ｌの照射スポットＳを移動させる処理を交互に実施する。これにより、対象エリア１１に対してレーザ光Ｌの照射スポットＳを効率良く走査することができる。

上記レーザ加工方法では、加工ステップにおいて、Ｚ方向に沿ってレーザ光Ｌの集光スポットＣＳの位置を移動することで、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度の移動平均を大きくする。これにより、レーザ光Ｌの出力を調整しなくても、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度の移動平均を大きくすることができる。当該作用及び効果を以下に実証する。

図６に示されるように、照射スポットＳのＺ方向位置と照射スポットＳの径との相関関係を取得した。当該相関関係によれば、照射スポットＳの径は、照射スポットＳのＺ方向位置を変数とする一次関数によって近似される。レーザ光Ｌの出力が一定の場合、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度は、照射スポットＳの径の２乗と反比例するため、Ｚ方向に沿ってレーザ光Ｌの集光スポットＣＳの位置を移動することで、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度の移動平均を大きくできることが実証された。

上記レーザ加工方法では、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度を一定にしつつ、サンプル２０の表面におけるサンプルエリア２１に対してレーザ光Ｌの照射スポットＳを走査し、サンプル２０の表面２０ａに沿ってサンプル２０に付与された圧縮残留応力を取得する準備ステップを実施する。加工ステップにおいては、サンプル２０に付与された圧縮残留応力に基づいて、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度の移動平均を大きくする。これにより、対象物１０に付与される圧縮残留応力がばらつくのをより確実に抑制することができる。

上記レーザ加工装置１によれば、上記レーザ加工方法と同様に、対象物１０の表面１０ａにおける対象エリア１１に沿って対象物１０に付与される圧縮残留応力がばらつくのを抑制することができる。
［比較例及び実施例］

次に、比較例、実施例１及び実施例２のレーザ加工方法について説明する。比較例、実施例１及び実施例２のレーザ加工方法によって照射したレーザ光の照射条件は次の通りである。
レーザ光の条件
波長：１０６４ｎｍ
パルスエネルギー：４２ｍＪ
パルス幅：３９．４ｎｓ（ガウシアン）
集光サイズ：φ０．１９～０．３０ｍｍ
強度：１．５～３．８ＧＷ／ｃｍ^２
繰り返し周波数：３００Ｈｚ
対象物の条件
材質：アルミニウム合金（Ａ２０２４）
形状：４９×４９ｍｍ
厚さ：３ｍｍ
対象エリア：３×３ｍｍ
保護層：アルミニウムテープ（厚さ：１００μｍ以下）
閉じ込め層：流水

比較例のレーザ加工方法では、単位面積当たりのレーザ光の強度の移動平均を一定にしつつ、対象エリアに対してレーザ光の照射スポットを走査するステップ（準備ステップ）を４回実施した。実施例１及び実施例２のレーザ加工方法では、単位面積当たりのレーザ光の強度の移動平均を大きくしつつ、対象エリア１１に対してレーザ光の照射スポットを走査するステップ（加工ステップ）を４回実施した。なお、実施例１及び実施例２のレーザ加工方法では、単位面積当たりのレーザ光の強度は、集光スポットをＺ方向に沿って移動することによって調整された。

比較例のレーザ加工方法によって照射されたレーザ光は、単位面積当たりのレーザ光の強度が、３．８ＧＷ／ｃｍ^２を維持するように調整された。実施例１のレーザ加工方法によって照射されたレーザ光は、図７の（ａ）に示されるように、単位面積当たりのレーザ光の強度が、３．０ＧＷ／ｃｍ^２から３．８ＧＷ／ｃｍ^２となるように調整された。実施例２のレーザ加工方法によって照射されたレーザ光は、図７の（ｂ）に示されるように、単位面積当たりのレーザ光の強度が、１．５ＧＷ／ｃｍ^２から３．８ＧＷ／ｃｍ^２となるように調整された。

比較例、実施例１及び実施例２のレーザ加工方法によって対象物に付与された圧縮残留応力の二次元分布を、Ｘ線残留応力測定装置によって測定した。圧縮残留応力の二次元分布の測定条件は、次のとおりである。
圧縮残留応力の二次元分布の測定条件
Ｘ線サイズ：φ０．５ｍｍ
範囲：５．０×２．５ｍｍ
間隔：０．２５ｍｍ
管球：Ｃｏ

比較例のレーザ加工方法によって対象エリアに沿って付与された圧縮残留応力の二次元分布は、図８に示されるように、最初にレーザ光が走査された側（Ｘ＝１．０ｍｍ側）から最後にレーザ光が走査された側（Ｘ＝４．０ｍｍ側）に向かって低下する分布となった。これにより、単位面積当たりのレーザ光の強度を一定とすると、レーザ光の照射スポットが走査されたエリアが対象エリアにおいて増えるほど（すなわち、レーザ光の照射スポットが走査されたエリアが対象エリアにおいて密になるほど）、圧縮残留応力が付与され難くなる傾向があることが、実験的に確認された。実施例１のレーザ加工方法によって対象エリアに沿って付与された圧縮残留応力の二次元分布は、図９の（ａ）に示されるように、比較例のレーザ加工方法による圧縮残留応力の二次元分布に比べ、ばらつきが抑制された分布となった。実施例２のレーザ加工方法によって対象エリアに沿って付与された圧縮残留応力の二次元分布は、図９の（ｂ）に示されるように、比較例のレーザ加工方法による圧縮残留応力の二次元分布に比べ、ばらつきが抑制された分布となったが、実施例１のレーザ加工方法による圧縮残留応力の二次元分布に比べ、ばらつきが広がった分布となった。なお、図９、図９の（ａ）及び（ｂ）において、圧縮残留応力は、負の値で示されている。

図１０は、比較例、実施例１及び実施例２のレーザ加工方法によって対象物に付与された圧縮残留応力を示すグラフである。図１０において、「Ｘ方向位置」は、Ｘ方向における位置を意味し、「Ｙ方向平均残留応力」は、各Ｘ方向位置での「Ｙ方向に沿った部分に付与された圧縮残留応力の平均値」を意味する。図１０に示されるように、対象エリアにおけるＹ方向平均残留応力について、最大値と最小値との差に着目すると、当該差については、比較例のレーザ加工方法による値よりも実施例１及び実施例２のレーザ加工方法による値が小さくなり、実施例２のレーザ加工方法による値よりも実施例１のレーザ加工方法による値が小さくなった。

図１１は、比較例、実施例１及び実施例２のレーザ加工方法によって対象物に付与された圧縮残留応力を示す表である。図１１において、「最大値」は、図８、図９の（ａ）及び図９の（ｂ）のそれぞれに示される対象エリア（３×３ｍｍの点線枠内）に沿って付与された圧縮残留応力の最小値を意味し、「最小値」は、当該対象エリアに沿って付与された圧縮残留応力の最大値を意味し、「平均値」は、当該対象エリアに沿って付与された圧縮残留応力の平均値を意味する。「偏差」は、当該対象エリアに沿って付与された圧縮残留応力が平均値からばらついた大きさを意味し、「偏差／｜平均値｜」は、当該対象エリアに沿って付与された圧縮残留応力が平均値からばらついた割合を意味する。図１１に示されるように、「偏差」及び「偏差／｜平均値｜」については、比較例のレーザ加工方法による値よりも実施例１及び実施例２のレーザ加工方法による値が小さくなり、実施例２のレーザ加工方法による値よりも実施例１のレーザ加工方法による値が小さくなった。すなわち、実施例２において対象エリアに沿って付与された圧縮残留応力は、比較例において対象エリアに沿って付与された圧縮残留応力より均一である。また、実施例１において対象エリアに沿って付与された圧縮残留応力は、実施例２において対象エリアに沿って付与された圧縮残留応力よりも均一である。

以上の結果から、単位面積当たりのレーザ光の強度を一定とすると、レーザ光の照射スポットが走査されたエリアが対象エリアにおいて増えるほど、圧縮残留応力が付与され難くなる傾向があることが実証された。また、単位面積当たりのレーザ光の強度の移動平均を大きくしつつ、対象エリアに対してレーザ光の照射スポットを走査することで、対象物の表面における対象エリアに沿って対象物に付与される圧縮残留応力がばらつくのを抑制できることが立証された。

図１２の（ａ）は、比較例のレーザ加工方法によって対象物に付与された圧縮残留応力を示すグラフである。比較例のレーザ加工方法では、レーザ光の強度を一定にしつつ、対象物の表面の対象エリアに対してレーザ光の照射スポットを走査した。この「比較例のレーザ加工方法に用いられた対象物」を「上記実施形態のレーザ加工方法のステップＳ０２に用いられたサンプル」とすると、図１２の（ａ）は、単位面積当たりのレーザ光の強度を一定にしつつ、サンプルの表面におけるサンプルエリアに対してレーザ光の照射スポットを走査し、サンプルの表面に沿ってサンプルに付与された圧縮残留応力を示すグラフである。

図１２の（ａ）に示されるように、最初にレーザ光が走査されたエリア（Ｘ＝１ｍｍのエリア）に近く、サンプルエリアにおいて圧縮残留応力が付与された領域が疎の状態であるほど、圧縮残留応力は付与され易い。最後にレーザ光が走査されたエリア（Ｘ＝４ｍｍのエリア）に近く、サンプルエリアにおいて圧縮残留応力が付与された領域が密の状態であるほど、圧縮残留応力は付与され難い。図１２の（ｂ）は、当該サンプルに付与された圧縮残留応力に基づいて求められた補正係数（Ｚ）を示すグラフである。図１２の（ｂ）に示されるように、補正係数（Ｚ）は、サンプルの表面に沿ってサンプルに付与された圧縮残留応力を、最初にレーザ光が走査されたエリアにおいてサンプルに付与された圧縮残留応力で除算して求められる。

対象物に付与される圧縮残留応力の理論値は、補正係数（Ｚ）及び単位面積当たりのレーザ光の強度に基づく計算値（以下、計算値と呼称する）として算出される。図１３の（ａ）の実験値１は、実施例１のレーザ加工方法によって対象物に付与された圧縮残留応力を示す。図１３の（ａ）の計算値１は、実施例１のレーザ加工方法によって対象物に照射されたレーザ光（図７の（ａ）参照）に基づく計算値を示す。図１３の（ａ）に示されるように、対象物に付与された圧縮残留応力と、圧縮残留応力の計算値は、実施例１において定性的に一致することが確認された。図１３の（ｂ）の実験値２は、実施例２のレーザ加工方法によって対象物に付与された圧縮残留応力を示す。図１３の（ｂ）の計算値２は、実施例２のレーザ加工方法によって対象物に照査されたレーザ光（図７の（ｂ）参照）に基づく計算値を示す。図１３の（ｂ）に示されるように、対象物に付与された圧縮残留応力と、圧縮残留応力の計算値は、実施例２において定性的に一致することが確認された。
［変形例］

本発明は、上述した実施形態及び実施例に限定されない。上記実施形態のレーザ加工方法では、サンプル２０は、対象物１０と同一の材料からなる部材であったが、対象物１０と異なる材料からなる部材であってもよい。サンプル２０は、対象物１０と同一の形状を有する部材であったが、対象物１０と異なる形状を有する部材であってもよい。また、サンプルエリア２１は、対象エリア１１と同一の形状を有するエリアであったが、対象エリア１１と異なる形状を有するエリアであってもよい。この場合、処理部４１が、サンプル照射強度を、対象物照射強度に変換して取得する。

対象エリア１１がサンプルエリア２１より大きい場合の変形例１を説明する。実施例１のレーザ加工方法によって照射されたレーザ光は、図１４の（ａ）に示されるように、単位面積当たりのレーザ光の強度が、３．０ＧＷ／ｃｍ^２から３．８ＧＷ／ｃｍ^２に大きくなる。実施例１のレーザ加工方法に用いられた対象物１０をサンプルとすると、上述した単位面積当たりのレーザ光の強度は、サンプル照射強度である。図１４の（ｂ）は、変形例１として当該サンプル照射強度を変換して取得した対象物照射強度である。図１４の（ａ）及び（ｂ）に示されるように、サンプル照射強度が適用される３ｍｍのエリア（Ｘ＝１．０ｍｍ～４．０ｍｍ、図１４の（ａ）参照）を９ｍｍのエリア（Ｘ＝１．０ｍｍ～１０．０ｍｍ、図１４の（ｂ）参照）に変換することで、対象物照射強度を取得する。

変形例２のレーザ加工方法について説明する。変形例２のレーザ加工方法では、図１５に示されるように、対象エリア１１の中心から対象エリア１１の外縁まで（すなわち、対象エリア１１の内側から外側に向かって）、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度の移動平均を大きくしつつ、レーザ光Ｌの照射スポットＳを渦巻状のラインＬ１に沿って移動させて、対象エリア１１に対してレーザ光Ｌの照射スポットＳを走査する。この場合、照射スポットＳが渦巻状のラインＬ１に沿った移動を１周する度に、レーザ光Ｌの強度を切り替えると好ましい。すなわち図１５においては、照射スポットＳのＸ方向における位置がスタート地点のＸ方向における位置と一致し、且つ照射スポットＳのＹ方向における位置がスタート地点のＹ方向における位置よりも負側に位置する度に、レーザ光Ｌの強度を切り替えると好ましい。なお、対象エリア１１において入れ子状に並んだ環状のラインに沿って、レーザ光Ｌの照射スポットＳを移動させてもよい。一例として、複数の環状のラインのそれぞれに沿って照射スポットＳを移動させる処理を、内側の環状のラインから外側の環状のラインに向かって（すなわち、対象エリア１１の内側から外側に向かって）順次に実施することで、対象エリア１１に対してレーザ光Ｌの照射スポットＳを走査してもよい。この場合、レーザ光Ｌの照射スポットＳが所定の環状のラインを移動する間はレーザ光Ｌの強度を固定し、大きさの異なる環状のラインに移動する度に強度を切り替えると好ましい。つまり、照射スポットＳが所定の環状のラインを１周移動するごとに、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度を大きくすることで移動平均を大きくすると好ましい。当該変形例２のレーザ加工方法では、レーザ光Ｌの照射スポットＳを、対象エリア１１の内側から外側に向かって移動させてレーザ光Ｌの照射スポットＳを走査したが、レーザ光Ｌの照射スポットＳを、対象エリア１１の外側から内側に向かって移動させてレーザ光Ｌの照射スポットＳを走査してもよい。

変形例３のレーザ加工方法について説明する。変形例３のレーザ加工方法では、対象エリア１１を複数のエリアに分割して、複数のエリアのそれぞれにおいて、上記実施形態のレーザ加工方法を実施する。例えば、図１６に示されるように、Ｘ方向及びＹ方向に沿って二行二列に配列された４つのエリアに対象エリア１１を分割する。当該４つのエリアのそれぞれにおいて並行して上記実施形態のレーザ加工方法を実施することで、対象エリア１１が広い場合であっても、対象エリア１１に沿って対象物１０に圧縮残留応力を付与する時間を短縮化することができる。

上記実施形態のレーザ加工装置１では、制御部４が、レーザ光Ｌの集光スポットＣＳが対象エリア１１に対して所定の軌跡で三次元的に移動するように（換言すれば、レーザ光Ｌの照射スポットＳが対象エリア１１において所定の軌跡で二次元的に移動するように）照射部３の動作を制御したが、制御部４は、支持部２及び照射部３の少なくとも１つの動作を制御すればよい。例えば、制御部４は、レーザ光Ｌの集光スポットＣＳが対象エリア１１に対して所定の軌跡で三次元的に移動するように、支持部２の動作を制御してもよい。或いは、制御部４は、レーザ光Ｌの集光スポットＣＳが対象エリア１１に対して所定の軌跡で三次元的に移動するように、支持部２の動作及び照射部３の動作を制御してもよい。

また、上記実施形態のレーザ加工装置１では、加工ステップにおいて、対象エリア１１と交差するＺ方向に沿ってレーザ光Ｌの集光スポットＣＳの位置を移動することで、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度を大きくしたが、照射部３が出射するレーザ光Ｌの出力を大きくすることで、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度を大きくしてもよい。

上記実施形態のレーザ加工方法では、加工ステップにおいて、第３側から第４側にレーザ光Ｌの照射スポットＳを移動させる処理、及び第４側から第３側にレーザ光Ｌの照射スポットＳを移動させる処理を交互に実施したが、第３側から第４側にレーザ光Ｌの照射スポットＳを移動させる処理、又は第４側から第３側にレーザ光Ｌの照射スポットＳを移動させる処理を連続して実施してもよい。

上記実施形態のレーザ加工方法では、加工ステップにおいて、１本のラインＬ１ごとに、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度を大きくしたが、複数のラインＬ１ごとに、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度を大きくしてもよい。

上記実施形態のレーザ加工方法では、隣り合うラインＬ１の間隔は、Ｘ方向におけるレーザ光Ｌの照射スポットＳの幅の１／２程度に並んでいたが、この間隔は等間隔であってもよい。隣り合うラインＬ１の間隔が等間隔の場合、上記実施形態のレーザ加工方法において照射スポットＳの幅が最小の（すなわち、集光スポットＣＳの位置がＺ方向において対象エリア１１に最も近い場合の照射スポットＳの幅の）場合の１／２であると好ましい。この場合、隣り合うラインＬ１の間は、照射スポットＳによって確実に２回以上走査される。また、隣り合うラインＬ１の間隔は、上記実施形態のレーザ加工方法において照射スポットＳの幅が最大（すなわち、集光スポットＣＳの位置がＺ方向において対象エリア１１に最も遠い場合の照射スポットＳの幅の）場合の１／２であってもよい。この場合、複数のラインＬ１において、隣り合うラインＬ１の間隔が疎になるため、レーザ加工方法全体の加工時間を短縮できる。

隣り合うラインＬ１の間隔は等間隔でなくてもよい。隣り合うラインＬ１の間隔が等間隔ではない場合、照射スポットＳが移動した領域が均一に重なり合う間隔（すなわち、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度に応じて変化する照射スポットＳの幅の１／２）に調整されると好ましい。この場合、隣り合うラインＬ１の間の領域は、照射スポットＳによって重複なく２回走査される。この場合、対象エリア１１に対して照射スポットＳを均一に走査することができる。

上記実施形態のレーザ加工方法では、加工ステップにおいて、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度を１本のラインＬ１ごとに大きくしたが、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度の移動平均を大きくすればよい。例えば、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度を連続的に大きくしてもよい。或いは、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度を小さくしても、対象エリア１１に対してレーザ光Ｌの照射スポットＳが走査した所定範囲において、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度の移動平均を大きくすればよい。

上記実施形態のレーザ加工方法では、準備ステップにおいて、作業者が、サンプル２０に付与された圧縮残留応力をＸ線残留応力測定装置によって測定し、入力受付部４３に入力していたが、Ｘ線残留応力測定装置を更に備えるレーザ加工装置１が対象物１０に付与された圧縮残留応力を測定し、サンプル２０に付与された圧縮残留応力を取得してもよい。この場合、処理部４１がＸ線残留応力測定装置からサンプル２０に付与された圧縮残留応力を取得する。

上記実施形態のレーザ加工方法では、１回の準備ステップを１回の加工ステップのために実施していたが、１回の準備ステップを複数回の加工ステップのために実施してもよい。この場合、一つのサンプル２０に準備ステップを実施した後に、複数の対象物１０に加工ステップを実施することができる。

上記実施形態のレーザ加工方法では、準備ステップ及び加工ステップが連続して実施されていたが、準備ステップ及び加工ステップは、別々に実施されてもよい。この場合、サンプル２０の表面２０ａに沿ってサンプル２０に付与された圧縮残留応力又は所定の係数を記憶部４２に取得させることで、レーザ加工装置１の製造時に準備ステップを実施することができる。この「所定の係数」は、サンプル２０の表面２０ａに沿ってサンプル２０に付与された圧縮残留応力に基づいて求められるサンプル照射強度、対象物照射強度又は補正係数等の係数である。或いは、所定の係数を予めデータベースに記憶して、データベースから所定の係数を処理部４１が取得することで、準備ステップを実施することができる。

上記実施形態のレーザ加工方法では、準備ステップを実施していたが、少なくとも加工ステップを実施すればよい。この場合も、単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度を一定とした場合と比べて、対象物１０に付与される圧縮残留応力がばらつくのを抑制することができる。ただし、準備ステップを実施すれば、サンプル２０に付与された圧縮残留応力に基づいて単位面積当たりのレーザ光Ｌの強度の移動平均を大きくすることができるため、対象物１０に付与される圧縮残留応力がばらつくのをより確実に抑制することができる。

対象エリア１１は、平面に限定されず、曲面であってもよい。対象エリア１１は、矩形に限定されず、円形等の他の形状であってもよい。ラインＬ１は、直線に限定されず、曲線であってもよい。

１…レーザ加工装置、２…支持部、３…照射部、４…制御部、１０…対象物、１０ａ…表面、１１…対象エリア、２０…サンプル、２０ａ…表面、２１…サンプルエリア、Ｌ…レーザ光、ＣＳ…集光スポット、Ｓ…照射スポット、Ｌ１…ライン。

Claims (6)

1. 対象物の表面における対象エリアにレーザ光を照射することで、前記対象エリアに沿って前記対象物に圧縮残留応力を付与するレーザ加工方法であって、
   単位面積当たりの前記レーザ光の強度の移動平均を大きくしつつ、前記対象エリアに対して前記レーザ光の照射スポットを走査する加工ステップを備える、レーザ加工方法。
2. 前記加工ステップにおいては、第１方向に延在すると共に前記第１方向に垂直な第２方向に並ぶ複数のラインのそれぞれに沿って前記レーザ光の照射スポットを移動させる処理を実施することで、前記対象エリアに対して前記レーザ光の照射スポットを走査し、
   前記加工ステップにおいては、前記複数のラインのうちの少なくとも１本のラインごとに、単位面積当たりの前記レーザ光の強度を大きくすることで、前記移動平均を大きくする、請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記加工ステップにおいては、前記処理として、前記第１方向における一方の側から他方の側に前記レーザ光の照射スポットを移動させる処理、及び前記第１方向における前記他方の側から前記一方の側に前記レーザ光の照射スポットを移動させる処理を交互に実施する、請求項２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記加工ステップにおいては、前記対象エリアと交差する方向に沿って前記レーザ光の集光スポットの位置を移動することで、前記移動平均を大きくする、請求項１～３のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
5. 単位面積当たりの前記レーザ光の強度を一定にしつつ、サンプルの表面におけるサンプルエリアに対して前記レーザ光の照射スポットを走査し、前記サンプルの表面に沿って前記サンプルに付与された圧縮残留応力を取得する準備ステップを更に備え、
   前記加工ステップにおいては、前記サンプルに付与された前記圧縮残留応力に基づいて、単位面積当たりの前記レーザ光の強度の移動平均を大きくする、請求項１～４のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
6. 対象物の表面における対象エリアにレーザ光を照射することで、前記対象エリアに沿って前記対象物に圧縮残留応力を付与するレーザ加工装置であって、
   前記対象物を支持する支持部と、
   前記対象エリアに前記レーザ光を照射する照射部と、
   前記支持部及び前記照射部の少なくとも１つの動作を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、単位面積当たりの前記レーザ光の強度の移動平均が大きくなりつつ、前記対象エリアに対して前記レーザ光の照射スポットが走査されるように、前記支持部及び前記照射部の少なくとも１つの動作を制御する、レーザ加工装置。

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