JP4734437B2 - 繊維強化複合材料のレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は繊維強化複合材料のレーザ加工方法に関する。

自動車、航空機、船舶、鉄道車両などの産業が抱えている現在のエネルギー問題、環境問題、資源問題を解決するために、軽量化、高性能化、高効率化、省資源・リサイクル化を実現しうる新材料とその加工技術の開発が叫ばれている。
近年、軽量な輸送機器の開発が急務で、各種複合材料が採用されつつあり、なかでもＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）はすでに航空機産業では機体の多くの部分に適用されるようになった。
従来、ＣＦＲＰの穴あけや切断にはダイヤモンドカッターやウオータジェット切断などが利用されている。しかし、ＣＦＲＰやＦＲＭ（繊維強化金属）などの複合材料はマトリックスと強化繊維が異なる材質であるために、その切断、穴あけ、溝加工などの除去加工が困難であるばかりでなく、溶接・接合加工も非常に難しい。たとえば、ダイヤモンド切削時や研削時には炭素繊維が空中に飛散して作業環境を低下させる虞がある。また、加工速度が遅く、加工費が高価である。このため航空機、レジャー品のゴルフクラブや釣り竿などの量産品以外には繊維強化複合材料が十分に適用されていないという課題があった。

繊維強化複合材料は強化炭素繊維や強化ガラスなどの繊維材料がプラスチックや金属のマトリッックスに複合化されてなり、その切断、穴あけ、溝加工および溶接、接合加工は非常に困難である。ダイヤモンドカッターやウオータジェット切断などの機械加工では、小さい半径をもつ曲線切断やコーナー加工などは非常に困難である。特にミクロンオーダーの加工物になれば不可能である。また、切断面の繊維のほぐれの問題や加工コストが高いことも応用分野の拡大を阻害する要因となっている。特にＣＦＲＰ材の切断時には、細かい炭素繊維が空中に飛散し、人体に問題があったり、また、材料費のみならず、加工費が高価であるという問題がある。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、切断加工時に細かい繊維が空中に飛散することなく、高精度でかつ安価に実施できる繊維強化複合材料のレーザ加工方法を提供することを課題とする。

１００ピコ秒から５０ナノ秒のパルスでレーザを物体に照射すると、レーザ光が物体の原子構造中の電子に瞬時に作用し、物体の表面を数万度に加熱する。物質の熱拡散時間よりもパルスの時間幅が短いので、材料（物質）の照射面近傍でのみ熱の蓄積が生じて材料の加熱、溶融、蒸発が起こり、イオン化・分解も起こる。１００ピコ秒から５０ナノ秒のパルスでレーザを物体に照射しても、材料内部への熱伝達はほとんどなく、物体の熱歪みもほとんど生じない。この特性を利用すれば、ＣＦＲＰなどの複合材料であってもピコ秒パルスレーザやナノ秒パルスレーザの照射により、炭素繊維がまるでダイコンを包丁で輪切りしたように見事に切断できる。このように、従来法では不可能であったＣＦＲＰなどの繊維強化複合材料のレーザ加工がピコ秒パルスレーザやナノ秒パルスレーザを用いることで可能となる。

すなわち、本発明の繊維強化複合材料のレーザ加工方法は、切断加工または穴あけ加工の何れか一のレーザ除去加工において、出力が１０Ｗ以上で２０ｋＷまでの範囲の高出力連続発振固体レーザを用いて、繊維強化複合材料を粗加工（第１の除去加工）した後に、粗加工後における除去加工面に、１０ピコ秒から１００ナノ秒の範囲のパルス幅で、パルスエネルギーが１ｍＪ〜５００Ｊの範囲である超短パルス固体レーザを１秒間に複数回照射して、さらに第２の除去加工を施すことを特徴とする。

本発明の繊維強化複合材料のレーザ加工方法において、切断加工の場合には、高出力連続発振固体レーザのビームスポットから約１ｍｍ〜１００ｍｍ後方に、この高出力連続発振固体レーザのビームスポット径より大きなビームスポット径を持つ前記超短パルス固体レーザのビームスポットを配置して、前記除去加工面の両面に第２の除去加工を施すようにしてもよい。
また、高出力連続発振固体レーザのビームスポットから約１ｍｍ〜１００ｍｍ後方に、この高出力連続発振固体レーザのビームスポット径より小さなビームスポット径を持つ超短パルスレーザのビームスポットを配置して前記除去加工面の片面に第２の除去加工を施すこともできる。

ここで、超短パルス固体レーザは、Ｑ―スイッチＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ピコ秒固体レーザのうちのいずれか一の固体レーザであることが望ましい。また、このような固体レーザの基本波長は約８００ｎｍ〜１０８０ｎｍの範囲にあり、その２倍波（ＹＡＧレーザの場合、波長が５３２ｎｍ）、３倍波（ＹＡＧレーザの場合、波長が３５５ｎｍ）を含むレーザを用いることができる。

本発明において、繊維強化複合材料（以下、適宜「複合材料」とも呼ぶ。）とは、軽量で高強度の複合材料である炭素繊維やガラス繊維で強化されたプラスチック（ＦＲＰ）、またはこれらで強化された金属（ＦＲＭ）であり、マトリックスの材料（プラスチックまたは金属）と繊維材料（炭素繊維、ガラス繊維、ウイスカーなど）とでは著しく材料特性が異なるものを意味する。マトリックスの材料と繊維材料とはレーザ吸収特性も異なり、融点も大きく異なるが、数億分の１秒というナノ秒で切断することにより、除去加工中の熱伝導を著しく抑制できるので、レーザ切断、レーザ穴あけ、レーザマーキング、レーザ溝加工およびレーザ微細除去加工などの除去（切断）面の品質を数段向上できるという特徴を有する。
本発明のレーザ加工方法における好適な加工条件として、レーザの波長が８００ｎｍから１０８０ｎｍの範囲にあるピコ秒またはナノ秒パルス固体レーザ（超短パルス固体レーザ）であって、１００ピコ秒から５０ナノ秒の範囲の超短パルス幅で、０．１〜２０ＧＷ/ｃｍ^２の高出力密度を持ち、繰り返し数の大きい超短パルス固体レーザを用いて空気中または水中で第２の除去加工を行うことを例示することができる。

また、本発明において、まず、高出力連続発振固体レーザを用いて複合材料をレーザ除去加工したところを数１０μm〜数１００μｍの幅で進行方向に垂直にずらし（振動させ）ながら、再度同じ切断線に沿って切断、穴あけ、溝加工などのレーザ除去加工を超短パルス固体レーザでビームスポット径をより大きく（図１の場合）またはより小さくして（図２の場合）、両面または片面をそれぞれ仕上げ加工することにより、前の粗加工の切断面に露出した繊維およびマトリックスの樹脂を蒸発除去（アブレーション）するようにしてもよい。

本発明のレーザ加工方法によれば、繊維強化複合材料を所望の切断線に沿って高精度に切断することができる。これ故、繊維強化複合材料よりなる溶接継手の開先形状を、嵌合可能なモザイク状に切断加工するには好適な手法であり、このようにして、図４に示すような繊維強化複合材料または複合材料合板のモザイク（ファスナー状）継手を得ることができる。

本発明によれば、ＣＦＲＰを含む繊維強化複合材料が革新的なレーザ加工法により、精度良く、高品質な切断加工あるいは穴あけ加工などのレーザ除去加工が可能となる。この精密な除去加工により、ＣＦＲＰを含む複合材料の微細レーザ加工が可能になり、炭素粉体の飛散も防止でき、人体への影響も低減できる。さらに繊維強化複合材料に適正な形状の溶接継手を作製することができ、従来は困難であった複合材料の突合せ溶接が、モザイク継手を利用することで可能となる。

第１実施形態を説明する説明図である。両面２重レーザ切断法を示す。 第１実施形態を説明する説明図である。片面２重レーザ切断法を示す。 第２実施形態を説明する説明図である。モザイク継手の例を模式的に示す。 超短パルス固体レーザ３によるＣＦＲＰの切断面を示すレーザ顕微鏡写真である。 高出力連続発振固体レーザ１によるＣＦＲＰの切断溝を示すレーザ顕微鏡写真である。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。

通常、高出力連続発振固体レーザ１（例えばファイバーレーザ）でＣＦＲＰのような複合材料６をレーザ切断すると、図１１のように炭素繊維が剥き出て、かつその先端は溶融炭化して丸くなる。これを１００ピコ秒から５０ナノ秒超短パルスレーザ（例えば１０ナノ秒のナノ秒パルスレーザ）３で切断すると、レーザ光が物体の原子構造中の電子と瞬時に作用し、物体の表面を数万度に加熱する。物質の熱拡散時間よりもパルスの時間幅が短いので、熱の蓄積が表面に生じて、材料（物質）の照射面近傍でのみ熱が発生し、その熱により材料は加熱、溶融、蒸発が起こり、イオン化・分解も起こる。この結果、材料内部への熱伝達はほとんどなく、熱歪みも生じないので、この特性をＣＦＲＰなどの複合材料に適用すると、図１０に示すように炭素繊維がまるでダイコンを包丁で輪切りしたように見事に切断できる。

（参考形態）
超短パルスのパルスエネルギーが６．５ｍＪのＱースイッチＹＡＧレーザ装置を用いて、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）の板材（板厚：０．７ｍｍ）の除去加工（レーザ切断）を２０Ｈｚでアシストガスを用いないで大気中で実施したところ、従来のＣＯ_２レーザやファイバーレーザで切断した場合に切断部に見られる図１１に示すような炭素繊維のむき出しは見られず、図１０に示すような非常に良好な切断品質の切断面が得られた。このような切断面は従来のレーザでは得られなかった。レーザパルス幅がピコ秒やナノ秒になるとこのような切断が可能となる。

（第１実施形態）
第１実施形態では、出力が１０Ｗ以上で２０ｋＷまでの範囲の高出力連続発振固体レーザを用いて、ＦＲＰ材料及びＦＲＭ（繊維強化金属）材料を含む繊維強化複合材料あるいは複合材料合板を切断して粗加工した後に、図１に示すように、その切断溝５の両面を超短パルス固体レーザ３で、小出力で、高繰り返し数のレーザで切断する。例えば、第１集光レンズ２で集光された先行のレーザ１と、第２集光レンズ４で集光された後行のレーザ３の間隔は約１ｍｍ〜１００ｍｍとし、１００ピコ秒から５０ナノ秒の範囲のパルス幅で、高出力連続発振固体レーザ１のビームスポット径より大きなビームスポット径を持つ超短パルス固体レーザビーム３を配置し、切断溝５の両面をさらに同時に切断すると、厚いＣＦＲＰ材も高品質で切断できる。これを「両面２重レーザ切断法」とここでは呼ぶ。他方、図２に示すように高出力連続発振固体レーザ１のビームスポット径よりも小さいビームスポット径の超短パルス固体レーザビーム３を配置し、切断溝５の片面をさらにレーザ切断する方法を「片面２重レーザ切断法」と呼ぶ。その結果、図１０に示すような切断溝７の断面が得られる。

（第２実施形態）
図４はモザイク継手を示す。１４は繊維強化複合材料Ａ、１５は繊維強化複合材料Ｂまたは金属材料、１６は溶接開先面である。このような溶接開先面１６は、繊維強化複合材料または複合材料合板の溶接継手の開先として、推奨されるもので、第１実施形態の技術により開先の形状をジグザグとしたり、モザイク状に精密に開先加工することができ、繊維強化複合材料または複合材料合板の溶接継手として、適切な継手となる。

本発明は、航空機部材のみならず、自動車、高速列車、船舶、建築、産業機械、航空宇宙機器、駐車施設、圧力容器などの部材として繊維強化複合材料をレーザ加工する上で多大な効果を奏する。

１：高出力連続発振固体レーザ
２：第１集光レンズ
３：超短パルス固体レーザ
４：第２集光レンズ
５：切断溝（高出力連続発振固体レーザ切断後）
６：繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）または金属（ＦＲＭ）
７：切断溝（超短パルス固体レーザ切断後）
１４：複合材料Ａ
１５：複合材料Ｂ（または金属材料）
１６：溶接開先面

Claims (8)

1. 切断加工または穴あけ加工の何れか一のレーザ除去加工において、
   出力が１０Ｗ以上で２０ｋＷまでの範囲の高出力連続発振固体レーザを用いて、繊維強化複合材料を粗加工（第１の除去加工）した後に、
   該粗加工後における除去加工面に、１０ピコ秒から１００ナノ秒の範囲のパルス幅で、パルスエネルギーが１ｍＪ〜５００Ｊの範囲である超短パルス固体レーザを１秒間に複数回照射して、さらに第２の除去加工を施すことを特徴とする繊維強化複合材料のレーザ加工方法。
2. 前記切断加工において、
   前記高出力連続発振固体レーザのビームスポットから約１ｍｍ〜１００ｍｍ後方に、該高出力連続発振固体レーザのビームスポット径より大きなビームスポット径を持つ前記超短パルス固体レーザのビームスポットを配置して、前記除去加工面の両面に前記第２の除去加工を施す請求項１に記載の繊維強化複合材料のレーザ加工方法。
3. 前記切断加工において、
   前記高出力連続発振固体レーザのビームスポットから約１ｍｍ〜１００ｍｍ後方に、該高出力連続発振固体レーザのビームスポット径より小さなビームスポット径を持つ超短パルス固体レーザのビームスポットを配置して前記除去加工面の片面に前記第２の除去加工を施す請求項１に記載の繊維強化複合材料のレーザ加工方法。
4. 前記超短パルス固体レーザは、Ｑ―スイッチＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ピコ秒固体レーザのうちのいずれか一である請求項１〜３のいずれか１項に記載の繊維強化複合材料のレーザ加工方法。
5. 前記超短パルス固体レーザの基本波長は約８００ｎｍ〜１０８０ｎｍの範囲にあり、その２倍波（ＹＡＧレーザの場合、波長が５３２ｎｍ）、３倍波（ＹＡＧレーザの場合、波長が３５５ｎｍ）を含むレーザを用いる請求項４に記載の繊維強化複合材料のレーザ加工方法。
6. 前記第２の除去加工において、前記パルス幅が１００ピコ秒から５０ナノ秒の範囲で、かつ、エネルギー密度が０．１〜２０ＧＷ/ｃｍ^２であるレーザビームを用いて空気中または水中で行う請求項１〜３のいずれか１項に記載の繊維強化複合材料のレーザ加工方法。
7. 前記高出力連続発振固体レーザはファイバーレーザであり、前記超短パルスレーザはＱースイッチＹＡＧレーザである請求項１〜３のいずれか１項に記載の繊維強化複合材料のレーザ加工方法。
8. 繊維強化複合材料よりなる溶接継手の開先形状を、嵌合可能なモザイク状に切断加工する請求項１〜３のいずれか１項に記載の繊維強化複合材料のレーザ加工方法。