JP2650138B2

JP2650138B2 - 金属のレーザー加工効率を向上させる手段

Info

Publication number: JP2650138B2
Application number: JP63017479A
Authority: JP
Inventors: ウアルター・ダブリユ・ダーレイ; グラント・キンスマン
Original assignee: PAWAAREEZASU Ltd
Current assignee: PAWAAREEZASU Ltd
Priority date: 1987-01-30
Filing date: 1988-01-29
Publication date: 1997-09-03
Anticipated expiration: 2012-09-03
Also published as: JPS63295093A; EP0278643A1; US4857699A; CA1295689C

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、レーザー加工、および特に次の加工に対
して材料表面を処理することに関する。

〔従来の技術〕

材料のレーザー加工では、レーザー光を利用して、何
らかの物理、化学または金属学的な変化が生じる温度に
材料の表面を加熱する。レーザー光は、加工中に材料に
より吸収され、局所的な領域で熱に変換される。この領
域の大きさは、何らかの外部手段、例えばレンズまたは
ミラーを用いて集束させる手段により制御できる。加工
する材料は、主として金属である。

レーザー加工を穴開け、切断、溶接および表面熱処理
に利用することは良く知られている。しかしながら、加
工中にレーザー光が材料に作用する効率は、材料の表面
状態と物理特性に依存する。加工用レーザーが赤外、例
えばCO₂レーザーの光を出す場合、特に金属表面は反射
率が大きいので、入射した光の一部のみ吸収され、熱に
変換される。それ故、銅、アルミニウムや銀のような金
属の赤外レーザーで加工するのが困難で、加工を行うに
充分な出力で普通に利用できるレーザーである。

入射レーザー光と金属の作用度は、酸化物、炭化物、
或いは他の物質の表面層の存在に影響される。そのよう
な非金属層または被覆層はレーザー光を強く吸収し、し
かも下地金属に熱を伝え、切断、溶接および穴開けの間
のレーザー加熱の全ての効率を改善する。レーザー加工
の効率を改善するには、レーザー加工の前にしばしばエ
ネルギ吸収材料である表面層または被膜を付ける。これ
等の被膜は、通常の方法で付けるグラファイト、シリ
カ、黒色ペイントまたは他の化合物である。しかし、そ
のような付着には時間がかかり、しかも加工の最終効果
は、付着処理の良さに依存する。

〔発明の課題〕

この発明の課題は、レーザー加工における上記の不利
を排除または緩和することにある。

〔課題を解決する手段〕

上記の課題は、この発明により、第一波長の第一レー
ザー光で次の加工を行うべき材料の表面に第一波長より
短い第二波長のパルス化された第二レーザー光を照射し
て、前記第一レーザー光に対する前記材料の表面の反射
率を低下させる材料表面の処理方法により解決されてい
る。

更に、上記の課題は、この発明により、第一波長の第
一レーザーに対して一定の反射率を示す表面上に第一波
長より短い第二波長の第二レーザーにより蒸発や溶融で
表面の粗さが増加しているパターンが形成されており、
前記第一レーザーを前記パターンに照射することによる
次の加工が可能である加工品により解決されている。

更に、上記の課題は、この発明により、第一波長の第
一レーザー光で二つの加工品を互いに溶接する方法にあ
って、端部を決める加工品の領域に第二レーザーから第
一波長より短い第二波長の光を照射して、各加工品の隣
り合う端部の反射率を低減する過程と、次いでこれ等の
端部に第一レーザー光を直接照射して端部を互いに溶着
する過程から成ることにより解決されている。

更に、上記の課題は、この発明により、レーザー光に
より材料を加工する装置にあって、前記材料の表面を照
射する第一波長の光ビームを発生する第一レーザーと、
前記材料と前記光ビームの間に相対運動を発生させて前
記光ビームを軌跡に沿って移動させる手段と、前記第一
レーザーの光ビームに先行して、前記軌跡を照射し、前
記第一波長の光に対する材料の反射率を低減させるた
め、第一波長より短い第二波長の光ビームを発生する第
二レーザーとから成ることにより解決されている。

〔作用と効果〕

この発明の一つの特徴によると、第一波長の第一レー
ザーの光による次の加工のために第二波長を有する第二
レーザーの光を材料の表面に照射して、第一波長の第一
レーザーの光に対する前記表面の反射率を低下させて材
料の表面を処理する方法を提供している。

主に、第二レーザーは強度が強く幅の狭い光の重畳パ
ルスを表面に照射して、次に第一レーザーからの光を金
属に照射する時、作用を強める構造的および化学的な変
化を促進する。

金属の強力で短時間のパルスを予め照射すると、薄い
表面積を溶かしたり蒸発させる。これは、第二レーザー
の集束領域で決まる局所領域の表面を粗くする。前処理
レーザーで前処理を行うので、材料中に通路や溝も形成
される。更に、照射中に発生する高温は、赤外や可視領
域の光を有効に吸収する酸化物のような表面化合物を形
成する。これ等の化合物は、ガス中て照射する間に表面
の上に形成されてこの表面に付着する。これ等の両方の
効果は反応度を高める。

予備照射の他の効果は金属表面に当たる圧力波を発生
する点にある。この衝撃は、溶融した金属を模様のある
構造にして再付着させる。加えて、この衝撃に伴う応力
波は、金属表面にマイクロクラックを発生させる。これ
等のマイクロクラックは、次に加工用レーザー光に対す
るトラップとして働き、この光と金属表面の反応を高め
る。

第二レーザーからの光を正確に集束できるので、表面
の小さな領域のみを前処理するだけでよい。この領域の
選定はマスクを用いると容易になる。これは、幅の狭い
切断や溶接を前処理レーザーで定めておいた通路に沿っ
て行えると言う効果をもたらす。パルス化されたレーザ
ー光で前加工すると、次の光に対する吸収度が増加する
ので、通常、赤外領域で反射係数が非常に高い銅、アル
ミニウムのような金属のレーザー加工効率が特に高ま
る。

第二レーザーに対して材料を相対移動させると、前処
理の間に光学手段または他の手段で検知可能な模様を材
料の表面上に形成できる。その時、この信号を用いて、
第一レーザーを次の加工用の表面の適当な点に指向させ
ることができる。このようにして、パターンの情報を第
二レーザーに与えるだけでよい。あるいは、同じ位置情
報を電算機のプログラムを介して処理用レーザーと前処
理用レーザーに供給できる。

〔実施例〕

この発明の具体例を例示により添付した図面を参照し
て説明する。

第１図では、レーザー10が窓12を介して所定の波長を
有する干渉性の光パルスを容器14に放射する。レーザー
10は平均出力10ワットで繰返周期30Hzのエキシマレイザ
ーである。このレーザー10から放射される光の波長は、
大体240nmまたは308nmの紫外領域にある。

レーザー10の光ビームはレンズ16で集束され、容器14
の中で板材18の表面を照射する。この材料は矢印20で示
すレーザービームに対して移動するように組み込まれて
いる。

操作時には、矢印20の方向に移動すると、レーザー10
からの光ビームが加工すべき領域を表す通路に沿って照
射されるように、材料18の板が位置決めされている。そ
の時、レーザー10を作動させ、このレーザー10からの光
の断続的なパルスが重なった模様となって表面に当た
る。レーザー10から放射された光の波長に対する表面の
反射率は、光を吸収して材料の薄い表面層を溶融・蒸発
させるようになっている。このことは、光ビームが回路
に相当する局所領域で表面を粗くする。光により生じる
表面の温度上昇は、赤外や可視領域の光を有効に吸収す
る酸化物のような表面化合物を形成する。例えば、酸素
濃度の高い雰囲気を使用して、あるいは所要の化合物を
形成するため表面と反応する化学化合物を用いて表面化
合物の発生を促進するように、容器14の内部の雰囲気を
選ぶ。

第１図の系で処理した後、材料18の表面はUVレーザー
10で形成された軌跡に沿ってより強力なCO₂レーザーま
たはYAGレーザーで生じた赤外光を吸収できる。事実、
レーザー10は、処理した表面の反射率を低減させ、赤外
光の吸収効率を高める。

表面処理を行うためエキシマレイザーを用いて銅に関
して行った試験は、赤外光の吸収を通常の未処理銅の表
面で３・1/2％から、処理後60と70％の間へ改善するこ
とを示している。上記のエキシマレイザーによる処理の
後、毎分20〜50インチの切断速度が、1200ワットの連続
波長の二酸化炭酸レーザーを使用し、厚さ1mmの銅試料
に関して得られた。切断の品質の良さは、通常の機械的
な切断装置で得られるものと等しかった。

この技術は、或る波長で高い反射率を有するが、他の
波長で反射率の低い材料に対して適用できる。大抵の金
属は、赤外波長領域で高い反射率を有し、紫外波長領域
でかなり反射率が低下する。従って、赤外光で加工する
前に、波長のより短い光を用いて材料の表面を処理する
技術は、アルミニウム、銀、真鍮、チタン、ステンレス
スチール、および20/24アルミニウムのようなアルミニ
ウム合金、および上記の例に示した銅のような金属に関
し、効果的に使用できる。

表面処理に関してパルスレーザーをこれまで説明して
きたが、適当な波長の連続波長のレーザーも使用でき
る。

この結果は、エキシマレイザーに対して特定するもの
ではない。例えば、前処理に対して二重ないしは三重の
YAG系も使用できる。

第２図は、材料の前処理とそれに続く加工を一回の通
過で行う代わりの配置を示す。第２図では、エキシマレ
イザー22はレンズ24で銅板26の表面に集束される。この
板26は矢印28の方向に移動するので、材料の表面上に軌
跡30が形成される。ノズル16を通してレーザービームで
照射される領域に酸素を供給すると、材料26の表面に酸
化物が生じる。

赤外レーザー32はエキシマレーザー22と整列させてあ
るので、このエキシマレーザー22により生じた軌跡は、
赤外レーザー32から生じ、レンズ34を経由して集束され
るビームの下を通る。赤外レーザーは、材料26の板を切
断するのに充分なエネルギの発生する強力なビームを形
成する。軌跡30がビームの下を通るので、表面の酸化物
や物理的な粗さは、赤外光の吸収を高める。その結果、
不連続部36が材料中に形成される。加工効率や仕上がり
の良さを最適にする酸素またはアルゴンのような補助的
なガスは、ノズル38を介して光ビームで照射たれた領域
へ供給される。二つのレーザー32,22は、直線状に加工
する場合、互いに固定されているが、直線でない軌跡を
発生させてそれを追従するビーム偏向装置25および35を
組み込み、両者を別々に移動させることができる。

第３図の配置では、材料40の板を初め第１図に示した
装置を用いて処理する。その結果、適当な輪郭の軌跡42
が材料40の表面上に形成される。その場合、この材料は
直交３軸に対して移動可能な裁断テーブル44上に取り付
ける。赤外レーザー46は、参照数字50で示すように、レ
ンズ48を経由して材料40の表面上の集束領域に入射する
赤外光のビームが生じるように位置決めされている。テ
ーブル24の動きは、光センサ54からの入力を受ける自動
制御系52を介して制御される。光源56はレンズ58を経由
して光ビームを材料表面上に向け、そこからビームを光
学系60を通して反射させ、センサ54の中に入れる。軌跡
42の反射率が残りの表面に比べて低下しているので、制
御系52はセンサ54での反射率の変化を検出して、軌跡に
追従するように操作できる。テーブルはこのように所定
の軌跡に沿って材料40を移動させるので、レーザー56も
この軌跡に追従し、材料の板から所望の輪郭を切り出
す。

この配置を用いると、未処理材料表面の効率が低いた
め、レーザー46と軌跡42の間に不整があっても不正な輪
郭とならず、簡単には切断部を形成することはない。こ
の事実を利用して、赤外レーザーに付随する集束部材の
精度を低減することにも使用できる。何故なら、板材の
切断や加工が周囲の材料よりはむしろ軌跡で規定される
領域に限定されるからである。

この結果は、加工や超小型電子機器または類似の製品
に有利に使用できる。2kWのCO₂レーザーの集束に対する
実用的な限界は光学系の欠陥やレーザー出力の発散のた
め、直径100μｍの点またはレーザー波長の約10倍であ
る。しかし、10μｍ幅の板の帯状領域を予備処理するた
めに、波長のより短いエキシマレーザー66を使用できる
ので、次の照射は予備処理した帯状領域にのみ効果的で
ある。こうして、CO₂レーザーを「ペンキのブラシ」と
して使用し、表面の多数の未処理領域を同時に処理でき
る。

第４図は、第１図に似ているが断面にした配置を示
す。この配置では、エキシマレーザー66で前処理する前
に、マスク62を材料64の表面に位置決めする。このレー
ザーはレンズ68を介して材料表面に集束されが、マスク
の絞り70が処理領域をこの絞り70の載っている表面に制
限する。このことが、問題となるエキシマレイザーを微
細に集束させる要求をなくしている。

材料を移動させレーザーを固定する加工法を説明した
が、板材を固定して、レーザーに対して移動ないしは走
査させることもできる。この方法は、大きい板材を加工
する場合に有利である。

同様に予備処理した表面の連続軌跡は必ずしも重要で
はない。ある種の応用では、不連続な軌跡、例えば一列
のミシン穴が要求されるような軌跡が有利である。

従って、材料の加工に使用する波長とは異なった波長
のレーザーで材料の表面を処理して、材料の反射率を低
減し、次の加工の効率をかなり高くできることが分か
る。次の加工は、上に述べたような切断があるが、溶接
または表面熱処理であってもよい。溶接の場合には、上
記のようにエキシマレイザーの下を通過させて材料板の
端部または予備切断した輪郭を処理し、次いで二酸化炭
素レーザーで隣の板に溶接する。この代わりに、溶接の
前に輪郭を切り出す必要があるところでは、この前処理
は材料の切り出しと、それに続く溶接を促進させること
が分かる。

更に第三レーザーで表面を照射し、CO₂レーザーで処
理した領域を平坦にしたり、残留応力を排除するため表
面を再加熱できる。この代わりに、そのような他の処理
は、溶接スケールを除去するため、または表面の反射率
を高めて、溶接部を見えにくくするのに利用できる。

パルス化された光に対する露光効果を第５図と第６図
に示す。第５図は、レーザーの走査を遅くするか、また
はパルスの周波数を増加させて重なったパルスの数の増
加による効果を示すグラフである。重なりパルスの数が
増加すると、赤外領域で測定した反射率が直線的に減少
し、最大結合効果を示す飽和レベルに達することが分か
る。同様な効果は第６図に示す銅に関して見られる。こ
の場合、反射率に同じような減少が得られ、改善された
反応効果を示していることが分かる。

【図面の簡単な説明】

第１図、パルス化されたレーザー光を用いる表面処理用
の系の模式図、第２図、空気中で金属表面を処理し、次の加工で他のレ
ーザーを用いる系の模式図、第３図、第１図の系で作成された軌跡またはパターンを
使って他のレーザーを案内する系の模式図、第４図、マスクを用い第１図の系でパターンを発生させ
る系の模式断面図、第５図、アルミニユームに対する光と反射率の関係を示
す代表的な曲線、第６図、銅に対する光と反射率の関係を示す代表的な曲
線。図中参照符号： 10……UVレーザー 14……容器 16,38……ノズル 18,26,40,64……材料 22,26……エキシマレイザー 24,58,68……レンズ 25,35……ビーム偏向装置 30,42……軌跡 32,46……赤外レーザー 52……自動制御系 54……光センサ 62……マスク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者グラント・キンスマンカナダ国、オンタリオ州、ダウンビユー、キール・ストリート、4700 ヨーク・ユニバーシテイ内 (56)参考文献特開昭56−129340（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−114289（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第一波長の第一レーザー光で次の加工を行
うべき材料の表面に第一波長より短い第二波長のパルス
化された第二レーザー光を照射して、前記第一レーザー
光に対する前記材料の表面の反射率を低下させることを
特徴とする材料表面の処理方法。
【請求項２】第一波長の第一レーザーに対して一定の反
射率を示す表面上に第一波長より短い第二波長の第二レ
ーザーにより蒸発や溶融で表面の粗さが増加しているパ
ターンが形成されており、前記第一レーザーを前記パタ
ーンに照射することによる次の加工が可能であることを
特徴とする加工品。
【請求項３】第一波長の第一レーザー光で二つの加工品
を互いに溶接する方法において、端部を決める加工品の
領域に第二レーザーから第一波長より短い第二波長の光
を照射して、各加工品の隣り合う端部の反射率を低減す
る過程と、次いでこれ等の端部に第一レーザー光を直接
照射して端部を互いに溶着する過程から成ることを特徴
する方法。
【請求項４】レーザー光により材料を加工する装置にお
いて、前記材料の表面を照射する第一波長の光ビームを
発生する第一レーザーと、前記材料と前記光ビームの間
に相対運動を発生させて前記光ビームを軌跡に沿って移
動させる手段と、前記第一レーザーの光ビームに先行し
て、前記軌跡を照射し、前記第一波長の光に対する材料
の反射率を低減させるため、第一波長より短い第二波長
の光ビームを発生する第二レーザーとから成ることを特
徴とする装置。