JP3468949B2 - レーザマーキング方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属製等の対象部
材に識別用のマーキングを施すレーザマーキング方法お
よびその装置に係り、特に、原子炉の構成部材などの対
象部材に、その材料表面に材質の劣化が小さなマーキン
グを施すレーザマーキング方法およびその装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】軽水型原子炉は加圧水型原子炉と沸騰水
型原子炉に大別される。これらの原子炉には、高温高圧
環境下において十分な耐食性と高温強度を有する材料、
例えばオーステナイトステンレス鋼、ニッケル基合金あ
るいはジルコニウム合金等で構成された多種多様な構成
部材が多数使用されている。

【０００３】原子炉を建設したり、原子炉の構成部材を
製作する際、また、原子力発電プラントの運転開始後に
原子炉の点検・補修あるいは原子炉の構成部材の交換を
行う際などには、個々の構成部材を正確に識別する必要
性が生じる。

【０００４】原子炉内に類似した構成部材が多数用いら
れていたり、炉内に設置された状態で構成部材の識別を
行う必要がある場合などには、対象部材（構成部材）の
形状認識だけでは正確な識別が困難な場合がある。この
ため、原子炉の構成部材に直接識別用マーキングを施
し、対象部材を識別する方法が採られている。

【０００５】このマーキング技術として、ＣＷレーザ
（Continuous Wave Laser ）装置を用い、気体中で原子
炉の構成部材にＣＷレーザ光を照射して、材料表面を加
熱・溶融させて隆起させる（凸状に加工する）方法、Ｃ
Ｗレーザ光を照射して材料表面を溶融し雰囲気ガス中に
含まれる酸素（Ｏ₂ ）と化学反応させて変色させる方
法、あるいは、材料表面を溶融・蒸発させて除去する
（凹状に加工する）方法等のように多大のレーザエネル
ギを対象部材に入熱されるレーザ加熱・溶融加工によ
り、マーキングを施すレーザマーキング方法が、加工の
精度や効率性の観点から最近検討されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このマーキング技術
は、人の接近が困難な対象物、例えば放射化された原子
炉の構成部材を自動的に識別することに適用しており、
特に高温高圧下で使用される対象部材のマーキングに最
も多く用いられ、この対象部材として原子炉の構成部材
を例にとって説明する。

【０００７】原子炉の構成部材にＣＷレーザ光を照射し
て、大きなエネルギを対象部材に入熱させて材料表面を
溶融し隆起させる（凸状に加工する）レーザマーキング
方法を適用する場合は、材料表面へ多大なレーザエネル
ギの入熱を必要とするため、対象部材のマーキング部分
はレーザ光照射によって熱影響を受ける。この熱影響に
よる表面残留応力の変化（局所的な急加熱、急冷による
引張応力の残留）、表面組成や結晶粒界の変化、および
含有気体量の変化（雰囲気ガスとの化学反応による窒
化、水素化等）等を考慮すると、このレーザマーキング
方法ではマーキング部分の耐食性が低下することが予想
される。

【０００８】次に、ＣＷレーザ光を照射し、大きなレー
ザエネルギを対象部材に入熱させて材料表面を溶融し雰
囲気ガス中に含まれる酸素ガス（Ｏ₂ ）と化学反応させ
て変色させるレーザマーキング方法を適用する場合も、
通常、十分な変色（黒色化）を得るために材料表面へ多
大なレーザエネルギの熱量を流入させて１μｍを超える
厚い酸化層を形成するため、対象部材のマーキング部分
はレーザ光照射によって熱影響を受け、上述した理由に
より、マーキング部分の耐食性が低下することが予想さ
れる。

【０００９】その際、マーキング部分に酸化層が形成さ
れ、この酸化層の材料強度は低下している恐れがあるの
で、熱影響との相乗効果により酸化層に小さな亀裂が発
生し、マーキング部分の耐食性が著しく低下することも
懸念される。なお、酸化層の熱伝導率が小さいために、
対象部材の表層から内部への熱伝導が厚い酸化層により
遮断され、表層と内部の温度差が大きくなり、体積膨張
の差により歪みが生じ、小さな亀裂が発生し、マーキン
グ部分の耐食性が著しく低下する恐れもある。

【００１０】次に、材料表面を溶融・蒸発させて除去す
る（凹状に加工する）レーザマーキング方法を適用する
場合も、材料表面へ多大な入熱を必要とするため、対象
部材のマーキング部分はレーザ光照射によって熱影響を
受け、上述した理由により、マーキング部分の耐食性が
低下することが予想される。特に、沸点の違いに起因す
る選択的な蒸発により表面組成が変化し、耐食性が劣化
することが予想される。なお、マーキング部分の部分的
な除去により材料表面には角部が発生するが、この角部
に帯電がし易くなり、電気化学的な反応が促進されるの
で、耐食性が低下することも予想される。

【００１１】上記のように従来のレーザマーキング方法
はいずれも対象部材へのレーザエネルギの入熱量が大き
く、対象部材のマーキング部分を相当量積極的に加熱溶
融させているため、対象部材のマーキング部分は対象部
材の材質劣化が大きく、耐食性が著しく劣ることが予想
される。さらに、原子力発電プラントの運転中には原子
炉の構成部材は、高温高圧、中性子照射という極めて厳
しい腐食環境下に晒され、プラント運転中に構成部材の
マーキング部分に局所的に著しい腐食が発生して機械的
・物理的強度の低下を招くおそれがある。

【００１２】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、対象部材に識別劣化が小さく、耐食性に優れた
レーザマーキングを簡単にかつ容易に施すことができる
レーザマーキング方法およびその装置を提供することを
目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係るレーザマー
キング方法は、上述した課題を解決するために、請求項
１に記載したように、金属製の対象部材に少なくとも不
活性ガス（Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｒｎ）と酸
素ガス（Ｏ_２）の混合気体の組成比をコントロールし、
この混合気体中の雰囲気で対象部材にレーザ装置から発
振されるレーザビームを照射し、上記対象部材のレーザ
被照射面の極表層を溶融・再凝固させることにより、上
記対象部材のレーザ被照射面をレーザ未照射面から表面
状態を変化させてマーキングを施す方法である。

【００１４】また、上述した課題を解決するために、本
発明に係わるレーザマーキング方法は、請求項１におい
て、対象部材の表面が機械研磨面であるとき、レーザビ
ームを照射し、レーザ被照射面の極表層を溶融・再凝固
させることにより、レーザ被照射面の表面状態をレーザ
未照射面よりも滑らかにさせることによりマーキングを
施す方法である。

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【００１８】他方、上述した課題を解決するために、本
発明に係わるレーザマーキング方法は、請求項１におい
て、レーザビームを透過する透過媒体に、不活性ガス
（Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｒｎ）が７０％以
上、酸素ガス（Ｏ_２）が３０％以下の組成を有する混合
気体を用い、この気体中の雰囲気で対象部材にレーザビ
ームを照射する方法である。

【００１９】また、本発明に係るレーザマーキング装置
は、上述した課題を解決するために、請求項４に記載し
たように、レーザビームを発振させるレーザ装置と、こ
のレーザ装置から発振されるレーザビームを対象部材の
レーザ被照射面に照射するレーザ走査光学系と、上記対
象部材のレーザ被照射面の極表層だけを加熱溶融させる
ようにレーザビーム照射条件の制御を行なうレーザ作動
制御装置と、少なくとも不活性ガス（Ｈｅ，Ｎｅ，Ａ
ｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｒｎ）と酸素ガス（Ｏ_２）の混合気体
の組成比をコントロールし、前記対象部材に供給するガ
ス供給装置とを有し、前記レーザ装置からの発振レーザ
ビームを、前記混合気体中の雰囲気で対象部材のレーザ
被照射面に照射し、このレーザ被照射面の表面状態をレ
ーザ未照射面より変化させてマーキングを施したもので
ある。

【００２０】また、上述した課題を解決するために、本
発明に係るレーザマーキング装置は、請求項４に加え
て、ネオジウムＹＡＧのパルスレーザ装置、パルスＣＯ
_２レーザ装置およびパルス半導体レーザ装置の少なくと
も１つのパルスレーザ装置を用いたものである。

【００２１】さらに、上述した課題を解決するために、
本発明に係るレーザマーキング装置は、請求項４に加え
て、対象部材は少なくともレーザ被照射面を予め研磨加
工して滑らかな機械研磨面に形成したものである。

【００２２】

【００２３】上述した課題を解決するために、本発明に
係るレーザマーキング装置は、請求項４に加えて、ガス
供給装置により供給される混合気体は、不活性ガス（Ｈ
ｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｒｎ）が７０％以上、酸
素ガス（Ｏ_２）が３０％以下のレーザビーム透過媒体で
ある。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付図面を参照して説明する。

【００２５】［Ａ］本発明の第１実施形態 図１は本発明に係るレーザマーキング装置の第１実施形
態を概略的に示す原理図である。

【００２６】このレーザマーキング装置１０は、レーザ
ビームを発振させるレーザ装置１１と、このレーザ装置
１１から発振されるレーザビームＬＢを対象部材１２の
表面に照射するレーザ走査光学系１３と、上記レーザ装
置１１のレーザ出力制御やレーザ走査光学系１３の駆動
系の走査速度制御等のレーザビーム照射条件の制御を行
なうレーザ作動制御装置１４とを有する。

【００２７】レーザ装置１１には、ネオジウムＹＡＧの
パルスレーザ装置、パルスＣＯ₂ レーザ装置、パルス半
導体レーザ装置等のように発振波長が可視波長または赤
外波長（４００nm以上）のように長いパルスレーザ装置
が適するが、パルスレーザ装置以外のＣＷ（Continuous
Wave ）レーザ装置でもよい。

【００２８】また、レーザ走査光学系１３は少なくとも
反射ミラー１５と集光レンズ１６とを組み合せて構成さ
れ、レーザ装置１１から発振されるレーザビームＬＢを
走査している。レーザ走査光学系１３は、その駆動系
（図示せず）がレーザ作動制御装置１４により必要に応
じて作動制御されて、対象部材１２に照射されるレーザ
装置１１からの発振レーザビームＬＢの走査速度が制御
されるようになっている。

【００２９】レーザ作動制御装置１４は、レーザ装置１
１からの発振レーザビームの出力制御を行なう一方、レ
ーザ走査光学系１３によるレーザビームＬＢの走査速度
を必要に応じて制御している。レーザビームの出力制御
や走査速度制御等のレーザビームＬＢの作動制御をレー
ザ作動制御装置１４により行なうことにより、対象部材
１２のレーザ被照射面にその極表層（１μｍ以下の厚さ
の極薄層）だけを融点以上に加熱溶融させてレーザ未照
射面から変化させ、マーキングを施すようになってい
る。

【００３０】このレーザマーキング装置１０では対象部
材１２のレーザ被照射面の極表層だけを融点以上に加熱
溶融させるものであるから、レーザビームＬＢの照射に
よる対象部材１２へのレーザ入熱量を抑制し、著しく軽
減させることができる。レーザ被照射面の極表層だけを
１μｍ以下の溶融厚さで加熱溶融させる条件は、レーザ
照射条件（レーザビームの発振波長やレーザ出力、走査
速度等）、対象部材の種類、対象部材の表面状態等に応
じて決定される。

【００３１】また、対象部材１２は種々の合金材料を含
めた金属製の部材が適する。この対象部材１２としては
人の接近が困難な対象物、例えば原子炉の構成部材のよ
うに、高温高圧環境下で使用され、高い耐食性と高温強
度が要求される金属製の部材がある。対象部材１２に
は、例えばオーステナイトステンレス鋼、ニッケル基合
金あるいはジルコニウム合金が用いられる。金属製部材
以外の部材、例えばセラミックに用いてもよい。

【００３２】次にレーザマーキング装置１０によるレー
ザマーキングについて説明する。

【００３３】レーザマーキング装置１０のレーザ装置１
１をレーザ作動制御装置１４により作動させてレーザ装
置１１からパルスレーザ光あるいはＣＷ（Continuous W
ave）レーザ光のレーザビームＬＢを発振させる。レー
ザ装置１１から発振されたレーザビームＬＢはレーザ走
査光学系１３の反射ミラー１５により対象部材１２の方
向へ向きが変更されて走査される。反射ミラー１５によ
り走査されたレーザビームＬＢは集光レンズ１６により
絞られて集光され、対象部材１２の表面に照射される。

【００３４】このレーザマーキング装置１０は、レーザ
装置１１からパルスレーザ光あるいはＣＷレーザ光のレ
ーザビームＬＢを対象部材１２の表面に照射し、対象部
材１２のレーザ被照射面（レーザビーム照射部）の１μ
ｍ以下の極表層を融点以上に加熱溶融し、レーザビーム
照射部の極表層だけを溶融・再凝固させることにより、
対象部材１２のレーザビーム照射部の表面状態を変化さ
せ、レーザビーム照射部とレーザビーム未照射部との表
面状態の相違により対象部材１２の表面にマーキング
（印）を施すものである。マーキングはレーザ走査光学
系１３の走査により種々のパターンが施される。図２の
（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）は対象部材１２の表面にレ
ーザビームＬＢを照射する前、照射中および照射後の表
面変化状態を示す断面図である。

【００３５】金属製の対象部材１２にレーザビームＬＢ
を照射する際、レーザビームのパワーや走査速度をレー
ザ作動制御装置１４により制御することにより、対象部
材１２のレーザ被照射面の極表層だけを１μｍ以下の厚
さで融点以上の温度に加熱し溶融させ、溶融層１８を形
成することができる。レーザ照射後、レーザ被照射面が
冷却され再凝固すると、このレーザ被照射面はレーザビ
ーム照射前と比較して表面状態に変化が生じ、再凝固層
１９が形成され、周辺のレーザ未照射面と比較して表面
状態に相違が生じる。この表面状態の相違により対象部
材の表面に識別可能なマーキングが施される。

【００３６】図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、図１に示
すレーザマーキング装置１０を用いて対象部材１２の表
面のレーザ処理により生じる対象部材１２の表面変化を
示すもので、図２の（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）にそれ
ぞれ対応する。

【００３７】図３において、レーザビーム照射中、対象
部材１２へのレーザビームエネルギの流入により対象部
材１２の極表層が溶融し、溶融層１８が１μｍ以下の厚
さで形成される。この溶融層１８はレーザビーム照射
後、冷却され再凝固して再凝固層１９に変化する。再凝
固層１９の表面状態（表面状態Ｂ）はレーザビーム照射
前の表面状態（表面状態Ａ）と異なっている。即ち、レ
ーザ被照射面の表面状態（表面状態Ｂ）と周辺のレーザ
未照射面の表面状態（表面状態Ａ）との間で表面状態に
相違が生じている。

【００３８】レーザ装置１１から発振されるレーザビー
ムＬＢを対象部材１２に照射する際、レーザ作動制御装
置１４により対象部材１２のレーザ被照射面が受ける単
位面積当たりのレーザエネルギーを制御することによ
り、対象部材１２のレーザ被照射面の極表層だけを融点
以上に加熱し例えば１μｍ以下の溶融厚さで溶融させる
ことができる。レーザビーム照射後、溶融層１８は冷却
され再凝固する。この再凝固層１９の表面はレーザビー
ム照射前と比較して表面状態に変化が生じ、レーザ被照
射面は周辺のレーザ未照射面と比較して表面状態に相違
が生じる。この表面状態の相違により対象部材１２の表
面に識別可能なマーキングが施される。

【００３９】このレーザマーキング方法は、対象部材１
２への入熱量を抑制し、レーザ被照射面の極表層だけを
融点以上に加熱し溶融させるので、対象部材１２のマー
キング部分への熱影響は小さい。したがって、このレー
ザマーキング方法によれば、対象部材１２の材料劣化が
小さく、耐食性に優れたレーザマーキング方法を提供す
ることができる。対象部材１２が例えばジルコニウム合
金である場合、表面からの溶融厚さを１μｍ以下の極表
層とすることで、冶金的ミクロ組織に生じる熱影響部の
深さを浅くし、例えば３０μｍ以下とすることができ、
対象部材１２のマーキング部分の熱影響を従来に比べ著
しく小さくすることができる。

【００４０】表面状態の変化には、例えば、対象部材１
２の表面粗さの変化がある。図３に示すように、対象部
材１２の表面にある程度の粗さがある場合に、レーザビ
ームＬＢの照射により対象部材１２のレーザ被照射面の
極表層だけを溶融・再凝固させると、再凝固層１９の表
面は凹凸が少なく滑らかなので、レーザ被照射面の表面
粗さはレーザビーム照射前より小さくなる。レーザ被照
射面は周辺のレーザ未照射面より表面粗さが小さくなめ
らかになる。この表面粗さの相違により対象部材１２の
表面に識別可能なマーキングを施すことができる。

【００４１】この場合、レーザ装置１１としては、特に
ネオジウムＹＡＧのパルスレーザ装置、パルスＣＯ2 レ
ーザ装置、パルス半導体レーザ装置等のパルスレーザ装
置が適している。その理由は、第１に、これらのパルス
レーザ装置は発振波長が可視波長あるいは赤外波長（４
００nm以上）のように長いので、光子の量子エネルギー
は小さく、そのため、アブレーション等の量子現象は発
生し難く、溶融等の熱加工に適しているからである。第
２に、これらのパルスレーザ装置はパルスレーザビーム
を発振するので、対象部材１２への入熱量を抑え、極表
層だけを１μｍ以下の溶融厚さで溶融する加工に適して
いる。したがって、これらのパルスレーザ装置を用いる
ことにより、入熱量を抑制して対象部材１２のレーザ被
照射面の極表層だけを、溶融加工し、周辺のレーザ未照
射面から変化させるマーキングを施すことができる。

【００４２】［Ｂ］本発明の第２実施形態 図４は、本発明に係るレーザマーキング装置の第２実施
形態を示す原理図である。

【００４３】図４に示すレーザマーキング装置１０Ａは
図１に示すレーザマーキング装置１０にガス供給装置２
０を設け、このガス供給装置２０はレーザビームＬＢの
透過媒体である不活性ガス（He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn ）を対
象部材１２の表面に吹き付けるようにしたものである。
他の構成は図１に示すレーザマーキング装置１０と異な
らないので、同一符号を付して説明を省略する。

【００４４】ガス供給装置２０は不活性ガスを貯溜した
ガスボンベ等のガス供給源２１と、このガス供給源２１
から延設された給気配管２２と、給気配管２２の先端側
に設けられた吹付ノズル２３と、給気配管２２の途中に
設けられたバルブ２４とを備えている。ガス供給源２１
には不活性ガス（He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn ）が充填されてお
り、この不活性ガスは給気配管を通って吹付ノズル２３
から対象部材１２の表面に吹き付けられる。

【００４５】一方、レーザ装置１１から発振された、Ｃ
Ｗ（Continuous Wave ）レーザ光あるいはパルスレーザ
光のレーザビームＬＢは、レーザ走査光学系１３の反射
ミラー１５によって対象部材の方向へ反射・伝送され、
集光レンズ１６により集光され、不活性ガス（He,Ne,A
r,Kr,Xe,Rn ）中の雰囲気で対象部材１２の表面に照射
される。

【００４６】図４に示すレーザマーキング装置１０Ａに
おいては、図１に示すレーザマーキング装置１０の作用
・効果に加えて、以下の作用・効果がある。

【００４７】一般に、レーザ装置１１から発振されたレ
ーザビームＬＢを対象部材１２に照射させると、対象部
材１２を構成する物質と対象部材１２の表面を覆うレー
ザビームＬＢの透過媒体が化学反応を起こし、対象部材
１２の表層に新しい化合物が形成されることが考えられ
る。この化合物は耐食性が劣り、低い恐れがある。ま
た、機械的・物理的強度も低い恐れもあり、レーザ照射
時の急加熱・急冷に伴う体積の膨張・収縮の過程で化合
物に小さな亀裂が発生し、耐食性が著しく劣化する可能
性がある。

【００４８】しかし、図４に示すレーザマーキング装置
１０Ａにおいては、レーザビーム照射時には、ガス供給
装置２０により不活性ガスが対象部材１２の表面に吹き
付けられ、対象部材１２の表面全体あるいは少なくとも
レーザ被照射面を覆うようになっている。

【００４９】不活性ガスは化学反応し難いので化合物は
形成され難く、化合物の形成による耐食性の劣化や強度
劣化の恐れが無い。さらに、レーザ加工中に透過媒体
（質）である不活性ガスが固溶等の形態で対象部材１２
の内部に取り込まれた場合も、不活性ガスは化学反応し
難いので、対象部材の耐食性に悪影響を与えない。ま
た、不活性ガス流体をレーザビーム照射部に吹き付ける
ことにより冷却の効果が得られ、対象部材１２への熱影
響を低減することができ、耐食性に優れたレーザマーキ
ングを施すことができる。

【００５０】（ａ）第２実施形態の第１変形例 次に、第２実施形態における第１変形例を説明する。

【００５１】この変形例は、ガス供給装置２０から酸素
ガス（Ｏ₂ ）を一成分として含む気体をレーザビームＬ
Ｂの透過媒体として吹き付けるようにしたものである。
このため、ガス供給源２１には不活性ガスに代えて酸素
ガスを一成分として含む気体が充填されている。全体的
な構成は図４に示すものと異ならないので、図４を参照
し、図示を省略する。

【００５２】この変形例に示されたレーザマーキング装
置１０Ｂは、レーザビームＬＢの透過媒体として酸素ガ
スを一成分として含む気体を用い、この気体中の雰囲気
で対象部材１２にレーザビームＬＢを照射して、対象部
材１２のレーザ被照射面にレーザマーキングを施すもの
である。

【００５３】この変形例は、第２実施形態と同様なレー
ザマーキング方法を実施するものであるが、対象部材１
２の表面に酸素ガスを一成分として含む気体を吹き付け
ながら、レーザマーキングを行う点が異なる。

【００５４】この変形例では、ガス供給装置２０が酸素
ガスを一成分として含む気体が充填されたガスボンベ等
のガス供給源２１と、このガス供給源２１から延びる給
気配管２２と、給気配管２２の先端に取り付けられた吹
付ノズル２３と、給気配管２２に設けられたバルブ２４
から構成され、ガス供給源２１から給気配管２２、吹付
ノズル２３を通じて、酸素ガスを一成分として含む気体
が対象部材１２の表面に吹き付けられる。

【００５５】一方、レーザ装置１１から発振された、Ｃ
Ｗ（Continuous Wave ）レーザ光あるいはパルスレーザ
光のレーザビームＬＢが、レーザ走査光学系１３の反射
ミラー１５によって対象部材１２の方向へ反射・伝送さ
れ、集光レンズ１６により集光され、酸素ガス（Ｏ₂ ）
を一成分として含む気体中の雰囲気で対象部材１２の表
面に照射される。

【００５６】第１変形例によれば、第１実施形態の作用
・効果に加えて、次の作用・効果を奏する。

【００５７】このレーザマーキング装置１０Ｂにおいて
は、レーザビームＬＢの照射により対象部材１２のレー
ザ被照射面の極表層を１μｍ以下の溶融厚さで溶融・再
凝固させる過程で、対象部材１２の構成物質が酸素ガス
と反応し、このレーザ被照射面に薄い酸化膜が形成され
る。この酸化膜はレーザビームＬＢの吸収率が高いた
め、レーザビームＬＢを同じ位置に複数回照射してマー
キングを施す場合に、レーザビームＬＢのエネルギを抑
制することができる。また、酸素ガスを含む気体をレー
ザビーム照射部に吹き付けることにより冷却の効果が得
られ、対象部材１２への熱影響を低減することができ、
耐食性に優れたレーザマーキングを経済的に施すことが
できる。

【００５８】（ｂ）第２実施例の第２変形例 次に、レーザマーキング装置の第２実施形態における第
２変形例について説明する。

【００５９】この変形例に示されたレーザマーキング装
置１０Ｃは、レーザビームを透過する透過媒体に少なく
とも不活性ガス（He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn ）と酸素ガス（Ｏ
₂ ）を成分として含む混合気体を用い、この気体中の雰
囲気で対象部材１２にレーザビームＬＢを照射してレー
ザマーキングを施すものである。このレーザマーキング
装置１０の全体的な構成は、図４に示すレーザマーキン
グ装置１０Ａと異ならないので、図４を参照し、図示を
省略する。

【００６０】この変形例のレーザマーキング装置１０Ｃ
は、第２実施形態のレーザマーキング装置１０Ａと同様
な方法でレーザマーキングが施されるが、対象部材１２
の表面に少なくとも不活性ガス（He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn ）
と酸素ガス（Ｏ₂ ）を成分として含む気体を吹き付けな
がら、レーザマーキングを行う点が第２実施形態と異な
る。

【００６１】この変形例では、ガス供給装置２０は少な
くとも不活性ガス（He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn ）と酸素ガス
（Ｏ₂ ）を成分として含む気体が充填されたガスボンベ
等のガス供給源２１と、このガス供給源２１から延びる
給気配管２２と、給気配管２２の先端に取り付けられた
吹付ノズル２３と、給気配管に設けられたバルブ２４か
ら構成され、ガス供給源２１から給気配管２２、吹付ノ
ズル２３を通じて、少なくとも不活性ガス（He,Ne,Ar,K
r,Xe,Rn ）と酸素ガス（Ｏ₂ ）を成分として含む気体が
対象部材１２の表面に吹き付けられる。ガス供給源２１
は不活性ガスのガスボンベと酸素ガスのガスボンベとを
個別に用意してもよい。

【００６２】一方、レーザ装置１１から発振された、Ｃ
Ｗ（Continuous Wave ）レーザ光あるいはパルスレーザ
光のレーザビームＬＢが、レーザ走査光学系１３の反射
ミラー１５によって対象部材１２の方向へ反射・伝送さ
れ、，集光レンズ１６により集光され、少なくとも不活
性ガス（He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn ）と酸素ガス（Ｏ₂ ）を成
分として含む気体中の雰囲気で対象部材１２の表面に照
射される。

【００６３】第２変形例によれば、第２実施形態の第１
変形例の作用・効果に加えて、以下の作用・効果があ
る。

【００６４】第２実施形態の第１変形例において説明し
たように、酸化膜の形成はレーザビームＬＢの吸収率を
増加させる作用があり、レーザビームＬＢのエネルギー
を節約できる効果があるが、形成される酸化膜が厚くな
ると、酸化膜は熱伝導率が小さいために、対象部材１２
の表層から内部への熱伝導が遮断され、表層と内部の温
度差が大きくなり、体積膨張の差により歪みが生じ、小
さな亀裂が発生する恐れがある。

【００６５】このレーザマーキング装置１０Ｃにおいて
は、レーザビームの透過媒体である雰囲気ガスに不活性
ガスと酸素ガスを主成分として含む混合ガスを用いたの
で、その組成比をコントロールすることにより、形成酸
化膜の厚さを制御し、強度上問題のない１μｍ以下の厚
さに抑えることができる。なお、非酸素ガスに不活性ガ
スを使用するのは、第２実施形態において説明したよう
に、酸化物以外の化合物の形成および酸素以外の雰囲気
ガス成分の取り込みによる対象部材１２の耐食性の劣化
を最小限に抑制するためである。従って、耐食性に優れ
たレーザマーキングを経済的に施すことができる。

【００６６】（ｃ）第２実施形態の第３変形例 次に、第２実施形態における第３変形例を説明する。こ
の変形例に示されたレーザマーキング装置１０Ｄは、レ
ーザビームＬＢを透過する透過媒体に、不活性ガス（H
e,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn ）が70％以上、酸素ガス（Ｏ₂ ）が3
0％以下の組成を持つ混合気体を用い、この気体中の雰
囲気で対象部材１２にレーザビームＬＢを照射するレー
ザマーキングを実施するものである。全体的な構成は、
図４に示すレーザマーキング装置１０Ａと異ならないの
で、図４を参照し、図示を省略する。

【００６７】この変形例は、対象部材の表面に、不活性
ガス（He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn ）が70％以上、酸素ガス（Ｏ
₂ ）が30％以下の組成を持つ気体を吹き付けながら、レ
ーザマーキングを行う点で第２実施形態と異なる。

【００６８】この変形例では、ガス供給装置２０は不活
性ガス（He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn ）が70％以上、酸素ガス
（Ｏ₂ ）が30％以下の組成を持つ気体が充填されたガス
ボンベ等のガス供給源２１と、このガス供給源２１から
延びる給気配管２２と、給気配管２２の先端に取り付け
られた吹付ノズル２３と、給気配管２２に設けられたバ
ルブ２４から構成され、ガス供給源２１から給気配管２
２、吹付ノズル２３を通じて、不活性ガス（He,Ne,Ar,K
r,Xe,Rn ）70％が以上、酸素ガス（Ｏ₂ ）が30％以下の
組成を持つ気体が対象部材１２の表面に吹き付けられ
る。

【００６９】一方、レーザ装置１１から発振された、Ｃ
Ｗ（Continuous Wave ）レーザ光あるいはパルスレーザ
光のレーザビームＬＢが、レーザ走査光学系１３の反射
ミラー１５によって対象部材１２の方向へ反射・伝送さ
れ、集光レンズ１６により集光され、不活性ガス（He,N
e,Ar,Kr,Xe,Rn ）70％以上、酸素ガス（Ｏ₂ ）が30％以
下の組成を持つ気体中の雰囲気で対象部材１２の表面に
照射される。

【００７０】次に、第３変形例の作用と効果を説明す
る。

【００７１】この第３変形例によれば、第２実施形態の
第２変形例の作用・効果に加えて、次の作用・効果を奏
する。

【００７２】酸素ガス（Ｏ₂ ）の含有量が30％を超過す
ると、対象部材１２のレーザ被照射面に厚い酸化膜が形
成され、第２実施形態の第２変形例において説明したよ
うに、小さな亀裂が発生する可能性が高くなる。酸素ガ
ス（Ｏ₂ ）の含有量を30％以下とすれば酸化膜が１μｍ
以下の厚さとなり、その可能性を低く抑えることがで
き、耐食性に優れたレーザマーキングを経済的に施すこ
とができる。

【００７３】［Ｃ］本発明の第３実施形態 図５は本発明に係るレーザマーキング装置の第３実施形
態を概略的に示す原理図である。

【００７４】この実施形態に示されたレーザマーキング
装置１０Ｅの全体的な構成は図１に示すレーザマーキン
グ装置１０と異ならないので同一符号を付して説明を省
略する。ただ、対象部材１２にはその表面２６が機械研
磨により予め表面処理したものが用いられる。対象部材
１２は、例えば原子炉の構成部材等の金属製の部材であ
り、高温高圧環境下で使用され高い耐食性と高温強度が
要求される部材である。

【００７５】このレーザマーキング装置１０Ｅを用いて
対象部材１２の表面２６にレーザマーキングが施され
る。このレーザマーキングを行なう場合、図５に示すよ
うに、レーザ装置１１はＣＷ（Continuous Wave ）レー
ザ光あるいはパルスレーザ光のレーザビームＬＢを発振
し、レーザ装置１１から発振されたレーザビームＬＢは
冷凍サイクル走査光学系１３の反射ミラー１５によって
反射されて対象部材１２の方向へ伝送される。反射ミラ
ー１５により伝送されたレーザビームＬＢは集光レンズ
１６により集光され、対象部材１２の表面２６に照射さ
れる。

【００７６】レーザ装置１１には、ネオジウムＹＡＧの
パルスレーザ装置、パルスＣＯ₂ レーザ装置、パルス半
導体レーザ装置等のパルスレーザ装置が好ましい。

【００７７】図６は第３実施形態における対象部材１２
の表面２６の変化を示す図であり、レーザビームＬＢの
照射前、照射中、及び照射後における対象部材１２の断
面が図示されている。

【００７８】図６において、対象部材１２の表面２６に
は予め機械研磨が施され、ある一様な表面粗さを有して
いる（表面状態Ｃ）。レーザ装置１１から発振されたレ
ーザビームＬＢが対象部材１２に照射されると、レーザ
ビームエネルギの流入により対象部材１２の極表層が溶
融し、溶融層１８が１μｍ以下の厚さで形成される。レ
ーザビーム照射後には溶融層１８は冷却され再凝固して
再凝固層１９を形成する。再凝固層１９の表面は滑らか
で表面粗さが小さく（表面状態Ｄ）、レーザ被照射面は
周辺のレーザ未照射面（表面状態Ｃ）より表面粗さが小
さくなる。

【００７９】次に、第３実施形態の作用と効果を説明す
る。

【００８０】対象部材１２にレーザビームＬＢを照射す
る際、レーザ被照射面が受ける単位面積当たりのレーザ
エネルギーをレーザ作動制御装置１４で制御することに
より、対象部材１２のレーザ被照射面の極表層だけを融
点以上に加熱し溶融させ、溶融層１８を１μｍ以下の厚
さで形成することができる。レーザ照射後、溶融層１８
は冷却され再凝固する。この再凝固層１９の表面はレー
ザビーム照射前の表面２６と比較して表面状態に変化が
生じている。即ち、レーザビーム照射前における対象部
材１２の表面２６は機械研磨面であるのである一様な表
面粗さを有しているが、再凝固層１９の表面は滑らかな
ので表面粗さが小さい。したがって、レーザビーム照射
後において、レーザ被照射面は周辺のレーザ未照射面よ
り表面粗さが小さくなる。この表面粗さの相違により対
象部材１２の表面２６に識別可能なマーキングを施すこ
とができる。

【００８１】このレーザマーキング方法は、対象部材１
２への入熱量を抑制し、レーザ照射面の極表層だけを融
点以上に加熱し溶融させるので、対象部材１２のマーキ
ング部分への熱影響は小さい。したがって、この方法に
よれば、対象部材１２への劣化が小さく、耐食性に優れ
たレーザマーキング方法を提供することができる。

【００８２】特に、レーザ装置１１としては、ネオジウ
ムＹＡＧのパルスレーザ装置、パルスＣＯ₂ レーザ装
置、パルス半導体レーザ装置等のパルスレーザ装置が適
している。その理由は、第１に、これらのパルスレーザ
装置は発振波長が長く、光子の量子エネルギーは小さい
ので、アブレーション等の量子現象は発生し難く、溶融
等の熱加工に適している。第２に、これらのパルスレー
ザ装置はパルスレーザビームを発振するので、対象材料
への入熱量を抑え、極表層だけを溶融する加工に適して
いるからである。

【００８３】

【発明の効果】以上に述べたように本発明に係るレーザ
マーキング方法およびその装置によれば、金属製の対象
部材にレーザ装置から発振されるレーザビームを照射
し、この対象部材のレーザ被照射面の極表層を溶融・再
凝固させ、このレーザ被照明面の表面状態をレーザ未照
射面から変化させることにより、マーキングを施すよう
にしたので、対象部材の表面に劣化が小さく、耐食性に
優れたレーザマーキングを施すことができる。

【００８４】レーザ装置として、ネオジウムＹＡＧのパ
ルスレーザ装置、パルスＣＯ₂ レーザ装置、パルス半導
体レーザ装置のいずれかのパルスレーザ装置を用いる
と、パルスレーザ装置から発振されるレーザビームは長
波長を有し、また、パルス光であることから、対象材料
の極表層だけを溶融するような入熱量が小さい熱加工に
適しているので、対象部材の表面劣化が小さく、耐食性
に優れたレーザマーキングを容易に施すことができる。

【００８５】

【００８６】

【００８７】また、対象部材の表面にレーザマーキング
を施す際、レーザビーム透過媒体として、不活性ガス
（He,Ne,Ar,Kr,Xe,Rn ）と酸素ガス（Ｏ₂ ）を成分とし
て含む気体を用い、この組成比を制御しながら、この透
過媒体中の雰囲気でレーザマーキングを行うと、対象部
材の表面に劣化が小さく、耐食性に優れた、信頼性の高
いレーザマーキングを経済的に施すことができる。

【００８８】一方、表面に機械研磨を施された対象部材
に対しては、この機械研磨面にレーザ装置から発振され
るレーザビームを照射し、この対象部材のレーザ被照射
面の極表層を溶融・再凝固させると、このレーザ被照射
面の表面状態をレーザ未照射面よりも変化させ、滑らか
にさせることにより、マーキングを施すことができるの
で、対象部材の機械研磨面に劣化が小さく、耐食性に優
れたレーザマーキングを施すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザマーキング装置の第１実施
形態を概略的に示す原理図。

【図２】表面粗さの変化によりレーザマーキングを施す
方法を示す図。

【図３】第１実施形態における対象部材の表面の変化を
示す断面図。

【図４】本発明に係るレーザマーキング装置の第２実施
形態を概略的に示す原理図。

【図５】本発明に係るレーザマーキング装置の第３実施
形態を概略的に示す原理図。

【図６】第３実施形態における対象部材の表面の変化を
示す断面図。

【符号の説明】

１０，１０Ａ〜１０Ｅ レーザマーキング装置 １１ レーザ装置 １２ 対象部材 １３ レーザ走査光学系 １４ レーザ作動制御装置 １５ 反射ミラー １６ 集光レンズ １８ 溶融層 １９ 再凝固層 ２１ ガス供給源（ガスボンベ） ２２ 給気配管 ２３ 吹付ノズル ２４ バルブ ２６ 機械研磨面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秋山 英俊 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株式会社東芝 横浜事業所内 (72)発明者 山田 明孝 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会 社東芝 本社事務所内 (56)参考文献 特開 平４−269446（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−235587（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−258183（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−328275（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/42

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属製の対象部材に少なくとも不活性ガ
   ス（Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｒｎ）と酸素ガス
   （Ｏ_２）の混合気体の組成比をコントロールし、この混
   合気体中の雰囲気で対象部材にレーザ装置から発振され
   るレーザビームを照射し、上記対象部材のレーザ被照射
   面の極表層を溶融・再凝固させることにより、上記対象
   部材のレーザ被照射面をレーザ未照射面から表面状態を
   変化させてマーキングを施すことを特徴とするレーザマ
   ーキング方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のレーザマーキング方法
   において、対象部材の表面が機械研磨面であるとき、こ
   の対象部材の機械研磨面にレーザビームを照射し、レー
   ザ被照射面の極表層を溶融・再凝固させることにより、
   レーザ被照射面の表面状態をレーザ未照射面よりも滑ら
   かにさせることによりマーキングを施すことを特徴とす
   るレーザマーキング方法。
3. 【請求項３】 請求項１に記載のレーザマーキング方法
   において、レーザビームを通過する透過媒体の混合気体
   の組成を、不活性ガス（Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘ
   ｅ，Ｒｎ）を７０％以上、酸素ガス（Ｏ_２）を３０％以
   下とすることを特徴とするレーザマーキング方法。
4. 【請求項４】 レーザビームを発振させるレーザ装置
   と、このレーザ装置から発振されるレーザビームを対象
   部材のレーザ被照射面に照射するレーザ走査光学系と、
   上記対象部材のレーザ被照射面の極表層だけを加熱溶融
   させるようにレーザビーム照射条件の制御を行なうレー
   ザ作動制御装置と、少なくとも不活性ガス（Ｈｅ，Ｎ
   ｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｒｎ）と酸素ガス（Ｏ_２）の混
   合気体の組成比をコントロールし、前記対象部材に供給
   するガス供給装置とを有し、前記レーザ装置からの発振
   レーザビームを、前記混合気体中の雰囲気で対象部材の
   レーザ被照射面に照射し、このレーザ被照射面の表面状
   態をレーザ未照射面より変化させてマーキングを施した
   ことを特徴とするレーザマーキング装置。
5. 【請求項５】 前記レーザ装置は、ネオジウムＹＡＧの
   パルスレーザ装置、パルスＣＯ_２レーザ装置およびパル
   ス半導体レーザ装置の少なくとも１つのパルスレーザ装
   置を用いた請求項４記載のレーザマーキング装置。
6. 【請求項６】 前記対象部材は少なくともレーザ被照射
   面を予め研磨加工して滑らかな機械研磨面に形成した請
   求項４記載のレーザマーキング装置。
7. 【請求項７】 前記ガス供給装置により供給される混合
   気体は、不活性ガス（Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，
   Ｒｎ）が７０％以上、酸素ガス（Ｏ_２）が３０％以下の
   レーザビーム透過媒体である請求項４のレーザマーキン
   グ装置。