JP3796125B2 - 金属材料のレーザ穴加工方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明はレーザを用いて金属材料表面に穴加工を実施する際に、穴加工部位周辺に付着するドロスを抑制する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属材料のレーザ穴開け加工においては、穿孔過程で発生する溶融物が金属自身の蒸発反力やアシストガスの背圧によって穴外部へスパッタとして排出され、穴周囲にドロスとして再付着することが多い。一般に、このようなドロスは、表面の平滑性を阻害するためこれを防止する手段が要求される。このような背景に基づき従来から各種のドロス除去もしくは抑制する手段が提案されている。
これまで比較的良く用いられてきた手段は、被加工面に固体マスク層を設け、マスクと共に被加工材を穴加工し、最終的にマスクを除去することで平滑な加工面を得るというものであった。しかしながら、この手法においては加工に先立ってマスクを被加工面に密着させる工程ならびに、レーザ加工後にマスクを除去する工程を必要とするため、全体としての加工効率ならびにコストの観点で問題を抱えていた。
【０００３】
また、付着したドロスを積極的に除去する手法として、特開平１０−２６３８５５号公報には冷間圧延用ワークロールへの微細穴形成用加工ヘッドに隣接し、ロール表面に付着した付着物の分布を均一化する手段としてへらや回転式電動研磨機を備える装置が開示されている。しかしながら、ドロスは溶融物が被加工面において再凝固して付着していることから、へらのような機械的な手段での完全な除去は難しく、さらに１０〜１００μｍ程度の深さの微細穴形成の場合、回転電動研磨機でドロスのみを除去することは機械精度上困難で、場合によっては過加工によって穴深さが減少する、といった問題点もあった。さらに、レーザ加工ヘッドに付帯的な装置を付加することになり装置が大型化するという問題点もあった。
【０００４】
一方、表面に油脂類に代表される液体状物質を事前塗布することで、加工後の表面性状を清浄化する方法も各種提案がなされている。例えば、特開昭５２−１１２８９５号公報にはレーザ光に対して透明な粘性物質を塗布する方法が、また特開昭６０−１８０６８６号公報には油類を塗布する方法としての開示がある。これらは、レーザによる溶融加工を念頭においたものであるが、塗布する物質の特性が全く記載されていない。特に以下で詳細に説明するように、油脂類を塗布する際に塗布する物質のレーザ波長に対する透過率が、加工後の表面性状に大きく影響を及ぼすことが本発明者らの実験研究検討によって明らかになっているが、これら従来の提案には、本発明による知見を示唆する記述は無く、金属材料のレーザ穴加工において再現性良くドロス付着抑制を実現することはできない、という問題点があった。
【０００５】
さらに、塗布する物質の特性を規定した公知文献として、特開昭５８−１１０１９０号公報には沸点が８０℃以上の油脂類を塗布することが開示され、また特開平１−２９８１１３号公報には塗布材の組成を規定する情報が開示されている。これらの開示情報において、前者では塗布材の特性規定としては沸点のみが規定されており、加工に用いるレーザ波長に対する透過率に関する開示は無く、本発明者らの実験研究によるとたとえ沸点が８０℃以上であっても吸収の大きな油脂類を用いるとドロス抑制ができなくなる問題点があった。また、後者においては詳細な組成開示がなされているが、基本思想はレーザ光の吸収率を高める、すなわちレーザ光の透過率を低下させる機能を発揮する塗布材の規定であって、塗布材での吸収が大きくなり過ぎると、金属材料の穴加工においてはドロス付着性はかえって悪化し、有効なドロス抑制手法とならない、という問題点があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題とするところは、上記の従来技術で問題であった、微細穴を形成する金属材料のレーザ穴加工方法において、付加的かつ複雑な処理を行うことなく簡便な手法で穴加工部周辺にドロス付着を抑制できる方法を提供すること、さらに油脂類の事前塗布という簡便な手法において、その特性を規定することによって、確実にドロス抑制を達成できる方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、具体的には、レーザビームによる金属材料の穴加工に先立って該金属材料の被加工面に油脂類を塗布材として塗布し高瞬時パワー密度のパルスレーザを照射して、穴加工部周辺へのドロスの付着を抑制しながら微細穴を形成するレーザ穴加工方法において、照射レーザ波長に対する吸収係数が２ｍｍ ^{- 1}以上、１０ｍｍ^-1 以下の塗布材を用い、且つ塗布層でのレーザ波長の透過率が５５％以上となるように塗布材の厚みを設定することを特徴とする金属材料のレーザ穴加工方法である。
また、本発明の金属材料のレーザ穴加工方法において前記パルスレーザは、パルスＱスイッチＣＯ ₂ レーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、及びエキシマレーザのうちのいずれかであることを特徴とする。
そして、前記金属材料はＮｉ又は鉄系金属材料であってもよい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関わる金属材料のレーザ穴加工方法について詳細に説明する。図１はパルスレーザによる金属材料の穴加工現象を側方から示した説明図である。被加工材である金属材料１の表面には、油脂類からなる塗布材２が予め塗布されている。レーザビーム３は金属材料１の表面に焦点を結ぶよう図示されない集光レンズによって集光照射される。この際、レーザビーム３は空気と塗布材２の界面で屈折した後、所定の吸収を受けて金属材料１の表面に至る。金属材料１の表面ではレーザビーム３の高い瞬時パワー密度に起因して昇華現象が発生し穴加工に至る。この際、ミクロに見ると穴底部には溶融相表面５と固相と溶融相の界面４が形成され、両界面（５，４）間に存在する溶融相の内の一部は、金属材料１の蒸発反力ならびにアシストガスの背圧によって表面張力に打ち勝つ力が加えられ、それがスパッタ６となって穴外へ放出される。このスパッタ６の内、穴近傍に留まる程度の運動量しかもたない成分は溶融相のまま被加工材の表面に到達し、塗布材が無い場合には金属材料１の表面に溶着してドロスとなる。
【０００９】
一方、表面に塗布材２が予め塗布されていると、塗布材２による冷却効果によって金属材料１の表面に至るまでに固化する、もしくは塗布材２が持っている金属との濡れ性の悪さに起因して、スパッタ６が再度反射されて遠くへ飛散する、という現象が発生する。以上が、一般的な塗布材の事前塗布によるドロス付着抑制の原理である。
【００１０】
次に、本発明者らは、上記の原理がどのような油脂類に対しても成立するかどうかの実験研究を実施した。その結果、油脂類の種類や塗布厚みに依存して、ドロス付着抑制効果が著しく異なることを見出した。これらの実験結果を系統的に調査した結果、塗布媒質の厚み方向でのレーザ波長における透過率によって、現象相違を整理できることが判明した。すなわち、物質の吸収が大きい場合、たとえ塗布厚みが薄くてもドロス抑制が困難になること、また吸収が小さい媒質を用いても塗布厚みが厚くなると前記と同様にドロス抑制が困難になることがわかった。
【００１１】
この現象を解明するため、パルスレーザ照射時に生成するプラズマの時間分解分光評価を行った。その結果、塗布媒質の吸収が大きい条件においては、時間的にパルス初期の段階でプラズマ中の電子密度ならびに電子温度（プラズマ温度）が、吸収が小さい条件と比較すると著しく高くなることがわかった。さらに、このプラズマは、逆制動輻射過程を経て後続のパルスエネルギを吸収し、加速的に電子温度が高くなった。プラズマによるパルスエネルギの吸収は、被加工物である金属材料の表面に到達するエネルギを減少させると共に、プラズマ自身が二次熱源となる。このプラズマは時間的に急速に膨張するため、この二次熱源の大きさはレーザ集光径よりも桁違いに大きくなる。この結果、図１で説明した過程を経て発生したスパッタの内で、運動量の少ない成分はこのプラズマによって再加熱され、加工穴近傍へのドロスとしての付着成分を増加させることにつながる。
【００１２】
以上の解析に基づき、各種媒質の吸収係数αを評価した上で、厚みを逐次変更してドロス付着抑制に関する実験評価を実施した。ここで吸収係数αは、媒質の厚みをｔ、光透過率をＴとした時に(1)式で定義される係数である。
Ｔ＝exp[-α・ｔ] …(1)
その結果を表１に示す。
【表１】

以上の結果から、塗布する油脂類への要求要件としては
塗布膜での光透過率 Ｔ≧0.55 …(2)
吸収係数 2mm ^-1 ≦α≦10mm^-1 …(3)
の両者を同時に満足することが必要であることが判明した。光透過率Ｔが0.55より小さくなる、すなわち塗布材での吸収が大きくなり過ぎると、上述の現象が発生してドロス抑制効果が劣化する。また吸収係数αが(3)式を満たさなくなると、たとえ光透過率Ｔが0.55以上であっても、同様にドロス抑制効果が劣化する。
これは単位厚み当たりの吸収率が大きくなる過ぎると、塗布層表面での吸収が相対的に大きくなるため、レーザ生成プラズマの成長が著しくなり、上述の現象が発生するためである。以上が本発明におけるドロス抑制効果を有効かつ再現性良く実現するための要求要件の骨子である。なお以上の説明において、塗布すべき油脂類は特に特定しなかったが、石油系潤滑材が最も好適な効果を発揮する。しかし、(2),(3)式を満たす条件であれば、どのような油脂であっても選択が可能である。
【００１３】
【実施例】
（実施例１）
図２は本発明の実施例として用いた第３石油系潤滑材の赤外分光透過特性を測定した結果であり（ａ）は潤滑材厚み１５μｍの場合、（ｂ）は潤滑材厚み５０μｍの場合の結果を示している。なお、測定はＫＢｒ単結晶をウインドウ材として用いた関係上、ウインドウでの透過損失７．５％が含まれた結果である。本実施例では、後述のごとくパルスＣＯ_２レーザを用いた穴加工の例を示すので、ＣＯ_２レーザの発振波長１０．５９μｍ（１０Ｐ２０発振ライン）に相当する波数の部分を↑で示した。
【００１４】
図３は上記の潤滑材について、各種の厚みに対して図２のように透過特性を評価し、ウインドウ材での透過率を補正した潤滑材そのものの光透過率を導出し、それを潤滑材厚みの関数として表わした結果である。図中黒丸が実測値であり、実線は（１）式に従ってフィッティングした結果であり、（１）式の妥当性を示している。したがって、この潤滑材の吸収係数αは４．０５ｍｍ^−１である。
【００１５】
以上に示した特性を持つ潤滑材を用いて、金属材料の穴加工を実施した。被加工材である金属材料としてＮｉを用い、その上に潤滑材を５０μｍ塗布した。この際の潤滑材部分の光透過率は０．８２である。この材料に対してＱスイッチＣＯ_２パルスレーザによる穴加工を行った。パルスエネルギは９０ｍＪ、パルスレーザビームの集光径は９５μｍ、アシストガスとして空気をレーザビームと同軸に２００ｌ／ｍｉｎの流量で供給した。以上の条件で表面穴径として１７０μｍ、深さ８０μｍの微細穴が形成された。この条件で加工を行った表面概観の模式図を図４（ｂ）に示す。対比のため、潤滑材を事前に塗布しなかった場合の表面概観の模式図を同図（ａ）に、またこの潤滑材を２００μｍ事前塗布した場合（光透過率Ｔ＝０．４４）の表面概観の模式図を同図（ｃ）に示す。図から明らかにわかるように、潤滑材を塗布しない（ａ）に比べて、本発明の条件で塗布を行った（ｂ）では有意にドロス付着が抑制され、さらに同一の潤滑材であっても厚く塗布して光透過率が０．５より小さくなる（ｃ）の条件では、塗布しない（ａ）と同様にドロス付着抑制ができなくなることが判明した。
【００１６】
なお、以上の実施例においては被加工物としての金属材料でＮｉの場合を例示したが、鉄系金属材料など他の金属に対しても本発明の条件で有意にドロス付着が抑制されることが確認されており、材料が金属であればどのような種類に対しても本発明は適用可能である。また、上記の実施例においては、レーザ光源としてパルスＱスイッチＣＯ_２レーザを用いた穴加工での例を示したが、レーザ波長に対する塗布材の吸収特性を本願発明の範囲に規定することで他のレーザ源を用いることも可能で、例えばＹＡＧレーザ（波長１．０６μｍ）、半導体レーザ（波長約０．８μｍ）、エキシマレーザ（波長：紫外領域）などに対しても適用が可能である。さらに、上記例においては、穴径１７０μｍ、穴深さ８０μｍの微細穴形成の例を示したが、本願発明はさらに大きな穴径や深さの大きな穴加工、もしくは更に小さな微小穴加工への適用も可能である。
【００１７】
【発明の効果】
以上詳細に説明した通り、本発明によれば、特定条件を満たす油脂類を被加工物である金属材料表面に事前に塗布するという簡便な手法によって、レーザ穴加工時のドロス付着を再現性良く抑制できるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザによる金属材料の穴加工方法における加工現象を側方から示した説明図である。
【図２】本発明の実施例に用いた石油系潤滑材の赤外透過特性を測定した結果を表すグラフであり、（ａ）が潤滑材厚み１５μｍの場合、（ｂ）が潤滑材厚み５０μｍの場合の結果である。
【図３】本発明の実施例に用いた石油系潤滑材の波長１０．５９μｍにおける塗布層厚みに対する光透過率特性の関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例として穴加工表面概観を示した模式図であり、（ａ）従来法で塗布材無し、（ｂ）本発明の条件で図２の塗布材を５０μｍ塗布した結果、（ｃ）本発明から逸脱する条件として図２の塗布材を２００μｍ塗布した結果である。
【符号の説明】
１…金属材料
２…塗布材
３…レーザビーム
４…固相と溶融相の界面
５…溶融相表面
６…スパッタ

Claims (3)

1. レーザビームによる金属材料の穴加工に先立って該金属材料の被加工面に油脂類を塗布材として塗布し高瞬時パワー密度のパルスレーザを照射して、穴加工部周辺へのドロスの付着を抑制しながら微細穴を形成するレーザ穴加工方法において、照射レーザ波長に対する吸収係数が２ｍｍ ^-1 以上、１０ｍｍ^-1以下の塗布材を用い、且つ塗布層でのレーザ波長の透過率が５５％以上となるように塗布材の厚みを設定することを特徴とする金属材料のレーザ穴加工方法。
2. 前記パルスレーザは、パルスＱスイッチＣＯ ₂ レーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、及びエキシマレーザのうちのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の金属材料のレーザ穴加工方法。
3. 前記金属材料は、Ｎｉ又は鉄系金属材料であることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属材料のレーザ穴加工方法。

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