JP4790737B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、中空体である金属製ワークの閉塞部位に対してレーザ光を照射することで貫通孔を形成するレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

図６は、自動車に搭載される燃料噴射ノズル１の先端部である。この図６に示されるように、該燃料噴射ノズル１の先端部は中空部として構成されている。また、燃料噴射ノズル１は、金属からなる。

燃料噴射ノズル１の先端部には、複数個の噴射孔２が貫通形成される（図６においては、その中の１個のみを示している）。近時、この穿孔加工は、レーザ光Ｌを用いて実施されている。換言すれば、噴射孔２を形成する際には、レーザ加工が行われる。

この場合、レーザ光Ｌは、前記先端部の外方側から照射される。従って、レーザ光Ｌは、前記先端部の壁部を外壁側から溶融し、内壁側まで進行する。最終的に、内壁が溶融することで噴射孔２が形成される。このように作用するレーザ光Ｌを照射するレーザ加工装置としては、例えば、特許文献１に記載のものが挙げられる。

ところで、上記のようにレーザ加工を行う場合、集光されたレーザ光の断面が真円にならないことがあり、このために噴射孔の直径や真円度等の精度が低下してしまうことがある。このような不具合を解消して加工精度を向上させるべく、特許文献２には、レーザ加工によって細孔を設けた後、該細孔に対して放電加工による仕上加工を行うことが提案され、また、特許文献３には、第１のレーザ光を照射してワークを予熱した後、フェムト秒レーザ光等の超短パルスレーザ光を照射してワークを加工することが提案されている。

特許第２６２３２９６号公報 特開２００１−１５０２４８号公報 特開２００１−２１２６８５号公報

特許文献１〜３に記載されているように、レーザ加工では、静止したワークに対してレーザ光が照射される。しかしながら、レーザ光はエネルギ密度が高いため、ワークにおける貫通孔が形成された部位には熱変質層が生成し易い。このことも、加工精度を向上することが容易ではない一因となっている。

また、レーザ光がワークに照射されると、ワークが溶融して気化することに伴って金属蒸気が発生する。この金属蒸気がレーザ光を遮るようになるので、レーザ光による穿孔加工が進行し難くなるという問題も指摘されている。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、熱変質層が発生し難いために加工精度を向上することが容易であり、しかも、金属蒸気がレーザ光を遮ることを回避して穿孔加工を効率よく進行させることも可能なレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、中空な金属製ワークの閉塞部位にナノ秒レーザ光及びピコ秒レーザ光の少なくともいずれか一方を照射して貫通孔を形成するレーザ加工装置であって、
前記ナノ秒レーザ光を照射するための第１レーザ発振機構と、前記ピコ秒レーザ光を照射するための第２レーザ発振機構とを有するレーザ加工ヘッドと、
前記金属製ワークを保持するとともに、該金属製ワークにおける前記ナノ秒レーザ光及び又はピコ秒レーザ光の少なくともいずれか一方が照射される部位を中心に該金属製ワークを回転動作させる回転保持機構と、
前記貫通孔を形成する際に前記金属製ワークから発生する金属蒸気を吸引する蒸気除去機構と、
前記レーザ加工ヘッド、前記回転保持機構、前記蒸気除去機構の駆動及び停止を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする。

このような構成とすることにより、金属製ワークを回転動作させながら仕上げ加工を行うことが可能となる。すなわち、例えば、仕上げ加工の際に回転動作する金属製ワークに対してレーザ光を照射することができるので、金属製ワークに熱変質層が生成することを回避することが容易となる。

しかも、金属製ワークを回転動作させながらレーザ光を照射して仕上げ加工を行った場合、集光されたレーザ光の断面形状が非円形であったとしても、略真円形状の貫通孔を得ることができる。

すなわち、本発明によれば、精度が良好な貫通孔を容易に得ることができる。

また、レーザ加工を行う際に金属蒸気を吸引する吸引機構を具備するので、発生した金属蒸気が速やかに吸引除去される。このため、金属蒸気が滞留することが回避されるので、レーザ光が加工箇所に到達することが容易となる。従って、レーザ加工を効率よく進行させることができる。

なお、蒸気除去機構は、金属製ワークの内部側から金属蒸気を吸引する吸引手段を有するものであることが好ましい。この場合、金属製ワークの外部側から金属蒸気を吸引するよりも大きな負圧が発生する。従って、金属蒸気が多量に発生した場合であっても、吸引機構による吸引除去が著しく容易となるからである。換言すれば、金属蒸気を速やかに除去することができる。

また、蒸気除去機構は、貫通孔が形成された後にガスを供給するガス供給手段を有するものであることが好ましい。この場合、金属蒸気をガスによって容易に圧送することができるので、金属蒸気が滞留することを一層容易に回避することができるようになる。

また、本発明は、中空な金属製ワークの閉塞部位にナノ秒レーザ光及びピコ秒レーザ光の少なくともいずれか一方を照射して貫通孔を形成するレーザ加工方法であって、
回転保持機構に保持された前記金属製ワークに対し、第１レーザ発振機構から前記ナノ秒レーザ光を照射して貫通孔を形成する工程と、
前記回転保持機構の作用下に前記金属製ワークを回転動作させた後、回転動作する前記金属製ワークの前記貫通孔の内壁に対し、第２レーザ発振機構から前記ピコ秒レーザ光を照射して仕上げ加工を行う工程と、
を有し、
前記貫通孔を形成する工程を行う最中、前記金属製ワークの外部側から金属蒸気を吸引し、
且つ前記貫通孔を形成する工程の後、前記金属製ワークの外部側からガスを供給するとともに、該金属製ワークの内部側から吸引を行うことを特徴とする。

このような工程を行うことにより、精度が良好な貫通孔を効率よく形成することが可能となる。

本発明によれば、金属製ワークを回転動作させながらレーザ加工を行うことが可能となるので、該金属製ワークに熱変質層が生成することを回避することができるようになるとともに、金属製ワークにおけるレーザ光の照射位置を変化させることができるようになるので、真円形状、又は真円形状に近い貫通孔を形成することができる。すなわち、精度が良好な貫通孔を容易に得ることができる。

また、レーザ加工に伴って発生する金属蒸気を吸引除去するようにしているので、レーザ光を加工位置に効率よく到達させることができる。従って、レーザ加工を効率よく進行させることも可能である。

以下、本発明に係るレーザ加工方法につき、それを実施するレーザ加工装置との関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係るレーザ加工装置１０の要部縦断面構成図である。このレーザ加工装置１０は、燃料噴射ノズル１（金属製ワーク）を保持する回転保持機構１２と、前記燃料噴射ノズル１に対して後述するレーザ光を照射するレーザ加工ヘッド１４と、噴射孔２を形成する途中で燃料噴射ノズル１から発生する金属蒸気を吸引するための後述する蒸気除去機構とを有する。

回転保持機構１２は、ベース部１６と、該ベース部１６にベアリング１８を介して回転自在に支持された回転部２０と、該回転部２０の上部に設けられたワーク保持部２２とを有する。この中、ベース部１６には回転駆動用モータ２４が付設されている。また、該回転駆動用モータ２４の回転軸２５には、駆動プーリ２６が嵌合されている。

前記回転部２０は、カラー２８及びナット３０によってベアリング１８に取り付けられた回転筒部材３４を備え、この回転筒部材３４の小径な筒状先端には、従動プーリ３６が外嵌されている。この従動プーリ３６と前記駆動プーリ２６には、ベルト３８が巻回されている。

ワーク保持部２２は、止軸４０を介して回転筒部材３４に連結された保持ベース４２と、この保持ベース４２にベアリング４３を介して回転自在に取り付けられた断面略Ｔ字状のワーク保持本体４４と、ワーク保持本体４４のベアリング４３からの抜け止めをなすカラー４８及びナット５０と、シール部材５２を支持するために保持ベース４２に連結された環状部材５４と、ワーク保持本体４４の一端を支持するために保持ベース４２からワーク保持本体４４の端部まで延在する延長部材５６と、ワーク保持本体４４の端部に取り付けられて該ワーク保持本体４４を回転させるための駆動装置（図示せず）から駆動力を得るための従動ギヤ５８と、ワーク保持本体４４を所定角度毎に位置決めするためのワーク回転角度割り出し機構６０とからなる。なお、参照符号６２は、ワーク保持本体４４で燃料噴射ノズル１を支持する際に該燃料噴射ノズル１が回転することを防止するための位置決めピンである。

ワーク保持本体４４の内部には、燃料噴射ノズル１の内部に連通する第１通路６４と、該第１通路６４に直交する第２通路６６とが形成されている。この中、第２通路６６は、延長部材５６の内部に形成された第３通路６８に連通する。さらに、第３通路６８は、保持ベース４２に形成された第４通路７０を介して回転筒部材３４の中空部７１に連通する。

ワーク回転角度割り出し機構６０は、ワーク保持本体４４を構成する大径部７２の外周面に、周回方向に沿って所定角度毎に設けられた複数個の凹部７４と、保持ベース４２において大径部７２の外周面に対向するように設けられたケース７６と、このケース７６内に配置されて前記凹部７４の各々に嵌合可能なボール７８と、該ボール７８を凹部７４側に向かって弾発付勢するコイルスプリング８０とを有する。

ワーク保持部２２を構成する保持ベース４２におけるワーク保持本体４４に臨む側の側面には、該保持ベース４２を円滑に回転動作させるために、ワーク保持本体４４及び燃料噴射ノズル１の重量に対応したカウンタウェイト手段（図示せず）が配設されている。ここで、カウンタウェイト手段としては、その重量に対応した錘を取り付けるものが例示される。又は、液体が貯留されるタンクを保持ベース４２内に具備するとともに、ベース部１６に配置された図示しないセンサで回転筒部材３４の振れを監視し、前記センサが振れ量に応じて発した信号を受信する制御回路９８（図２参照）が前記回転筒部材３４の振れを小さくするように、前記タンクに水等の液体を供給する指令を出すようなものであってもよい。この場合、ワーク保持本体４４及び燃料噴射ノズル１の重量に応じて液体（水等）が供給され、これにより重量を均衡化することが図られる。いずれの場合においても、加工される燃料噴射ノズル１の重量に応じてカウンタウェイト手段の重量が変更される。

隣接する凹部７４、７４同士の離間間隔は、燃料噴射ノズル１において隣接する噴射孔２、２同士の離間間隔に対応する。

レーザ加工ヘッド１４は、図２に示すように、ナノ秒レーザ光Ｌ１を発振するナノ秒レーザ発振器８２と、ピコ秒レーザ光Ｌ２を発振する超短パルスレーザ発振器８４（ピコ秒レーザ発振器）とを有する。このレーザ加工ヘッド１４には、さらに、超短パルスレーザ発振器８４から発振されたピコ秒レーザ光Ｌ２を増幅する増幅器８６と、該増幅器８６から出力されたピコ秒レーザ光Ｌ２を反射するためのミラー８８と、ナノ秒レーザ発振器８２から発振されたナノ秒レーザ光Ｌ１を反射するためのミラー８９と、ナノ秒レーザ光Ｌ１及びピコ秒レーザ光Ｌ２の集光位置を変化させるビームローテータ９０と、ナノ秒レーザ光Ｌ１及びピコ秒レーザ光Ｌ２を燃料噴射ノズル１に集光させる集光レンズ９２とを有する。

蒸気除去機構は、燃料噴射ノズル１の内方に挿入された吸引ノズル９４（図５参照）を介して回転筒部材３４の中空部７１から吸引を行うことが可能な図示しない吸引機構と、燃料噴射ノズル１の外部近傍に配置された吸引・供給ノズル９６（図１及び図２参照）を具備する吸引・供給機構とを有する。

以上の構成において、回転駆動用モータ２４、ナノ秒レーザ発振器８２、超短パルスレーザ発振器８４、ビームローテータ９０、吸引機構、吸引・供給機構及び駆動装置は、制御回路９８（図２参照）に電気的に接続されている。

本実施の形態に係るレーザ加工方法は、上記のように構成されたレーザ加工装置１０を用い、以下のようにして実施される。

はじめに、図１に示す状態において、回転駆動用モータ２４を駆動することなくレーザ加工ヘッド１４からナノ秒レーザ光Ｌ１を発振する。すなわち、制御装置によってナノ秒レーザ発振器８２を駆動させ、ビームローテータ９０及び集光レンズ９２の作用下に、ナノ秒レーザ光Ｌ１を燃料噴射ノズル１の所定位置に照射する。同時に、吸引・供給機構を駆動する。

ナノ秒レーザ光Ｌ１が照射されることにより、図３に示すように、燃料噴射ノズル１が外壁側から溶融して溶融部Ｓが形成される。この際、溶融部Ｓからは多量の金属蒸気Ｖが発生する。この金属蒸気Ｖがナノ秒レーザ光Ｌ１を遮ると、穿孔加工（レーザ加工）の進行に支障を来すが、本実施の形態では、金属蒸気Ｖが吸引・供給ノズル９６を介して速やかに吸引される。このため、ナノ秒レーザ光Ｌ１が燃料噴射ノズル１の所定箇所に容易に到達するようになるので、レーザ加工が効率よく進行する。

燃料噴射ノズル１においてナノ秒レーザ光Ｌ１が照射された部位の溶融は、最終的に、中空内部に臨む内壁まで進行する。これにより、噴射孔２としての貫通孔が形成される。

制御回路９８は、ナノ秒レーザ発振器８２の駆動を停止させた後、「回転駆動用モータ２４を駆動する」との指令信号を発する。この指令信号を受けた回転駆動用モータ２４は、その回転軸２５を回転動作させる。これに追従して駆動プーリ２６が回転し、その結果、ベルト３８を介して従動プーリ３６が回転することで回転筒部材３４が回転動作を開始する。

回転筒部材３４が回転動作することに伴い、該回転筒部材３４に止軸４０を介して連結された保持ベース４２が回転動作する。その結果、図４に示すように、燃料噴射ノズル１が噴射孔２を回転中心として回転する。

次に、制御回路９８は、超短パルスレーザ発振器８４を駆動させ、ビームローテータ９０及び集光レンズ９２の作用下に、ピコ秒レーザ光Ｌ２を噴射孔２の開口近傍に照射する。同時に、吸引・供給機構及び吸引機構が駆動される。なお、燃料噴射ノズル１の外方に位置する吸引・供給ノズル９６からは圧縮ガスが供給され、一方、吸引機構は、燃料噴射ノズル１の内方に挿入された吸引ノズル９４を介して吸引を行う。

燃料噴射ノズル１が回転しているため、図５に示すように、ピコ秒レーザ光Ｌ２は、噴射孔２の軸線に対して若干傾斜するように進行する。これにより噴射孔２の内周壁が溶融し、該噴射孔２が所定の直径に仕上げられるとともに内周壁が所定の表面粗さに仕上げられる。すなわち、噴射孔２に対して仕上げ加工が施される。

この際、内周壁の溶融に伴って発生した金属蒸気Ｖは、吸引・供給ノズル９６を介して排出された圧縮ガスによって燃料噴射ノズル１の内方に速やかに圧送される。一方、燃料噴射ノズル１の内方には上記したように吸引ノズル９４が配置されており、しかも、この吸引ノズル９４を介して吸引機構が吸引を行っているため、金属蒸気Ｖは、速やかに吸引機構に吸引される。

燃料噴射ノズル１が回転している状態では、金属蒸気Ｖは噴射孔２の内部で層状に滞留し易い。しかしながら、本実施の形態においては、上記したように、燃料噴射ノズル１の外方から内方へと金属蒸気Ｖを圧送するとともに、内方で金属蒸気Ｖを吸引している。しかも、燃料噴射ノズル１の内方から吸引を行うと、外方から吸引を行う場合に比して負圧が大きくなる。このため、金属蒸気Ｖが多量であっても、容易に吸引除去することが可能となる。

以上のような理由から、金属蒸気Ｖを速やかに除去することができる。これによりピコ秒レーザ光Ｌ２を内周壁に容易に到達させることができるようになるので、内周壁に対するレーザ加工を効率よく進行させることができる。

燃料噴射ノズル１を回転させながらピコ秒レーザ光Ｌ２を照射しているため、ピコ秒レーザ光Ｌ２は、常に噴射孔２の内周壁に到達する。このため、集光されたピコ秒レーザ光Ｌ２の断面形状が非円形であったとしても、略真円形状の噴射孔２を得ることができる。

その上、燃料噴射ノズル１が回転しているので、エネルギ密度が高いピコ秒レーザ光Ｌ２が照射された場合であっても、熱変質層が生成し難くなる。このため、加工精度も向上する。

すなわち、燃料噴射ノズル１を回転させる本実施の形態によれば、真円形状、又は真円形状に近い円形状の噴射孔２を形成することができる。換言すれば、噴射孔２を精度よく形成することが可能となるという利点がある。

１個の噴射孔２が形成された後、制御回路９８は、燃料噴射ノズル１を所定角度回転させる指令信号を駆動装置に発する。この信号を受けた駆動装置は、従動ギヤ５８を介して該ワーク保持本体４４を回転させることによって、燃料噴射ノズル１を所定角度回転させる。最終的に、ワーク回転角度割り出し機構６０を構成する凹部７４にボール７８が嵌合することによって燃料噴射ノズル１が位置決めされる。この位置決めされた先端部に対して上記と同様に穿孔加工が施され、新たな噴射孔２が形成される。所定個数の噴射孔２が形成されることに伴い、全ての穿孔加工が終了する。

なお、上記した実施の形態においては、中空金属製ワークとして燃料噴射ノズル１を例示して説明したが、特にこれに限定されるものではないことはいうまでもない。

また、吸引・供給機構に吸引機能のみを営ませ、中空金属製ワーク（例えば、燃料噴射ノズル１）の外方及び内方の双方から金属蒸気Ｖの吸引を行うようにしてもよい。

本実施の形態に係るレーザ加工装置の要部縦断面構成図である。 図１のレーザ加工装置を構成するレーザ加工ヘッドの概略回路構成図である。 燃料噴射ノズルに対してナノ秒レーザ光を照射し、噴射孔を形成している状態を示す要部縦断面図である。 噴射孔が形成された燃料噴射ノズルを、噴射孔を中心として回転させた状態を示す要部平面図である。 噴射孔の内周壁に対してピコ秒レーザ光を照射し、仕上げ加工を行っている状態を示す要部斜視断面図である。 自動車に搭載される燃料噴射ノズルの先端部近傍の概略縦断面図である。

符号の説明

１…燃料噴射ノズル ２…噴射孔
１０…レーザ加工装置 １２…回転保持機構
１４…レーザ加工ヘッド ２２…ワーク保持部
２４…回転駆動用モータ ３４…回転筒部材
４４…ワーク保持本体 ５８…従動ギヤ
６０…ワーク回転角度割り出し機構 ６４、６６、６８、７０…通路
７４…凹部 ７８…ボール
８０…コイルスプリング ８２…ナノ秒レーザ発振器
８４…超短パルスレーザ発振器 ９２…集光レンズ
９４…吸引ノズル ９６…吸引・供給ノズル
９８…制御回路 Ｌ…レーザ光
Ｌ１…ナノ秒レーザ光 Ｌ２…ピコ秒レーザ光
Ｓ…溶融部 Ｖ…金属蒸気

Claims (4)

1. 中空な金属製ワークの閉塞部位にナノ秒レーザ光及びピコ秒レーザ光の少なくともいずれか一方を照射して貫通孔を形成するレーザ加工装置であって、
   前記ナノ秒レーザ光を照射するための第１レーザ発振機構と、前記ピコ秒レーザ光を照射するための第２レーザ発振機構とを有するレーザ加工ヘッドと、
   前記金属製ワークを保持するとともに、該金属製ワークにおける前記ナノ秒レーザ光及び又はピコ秒レーザ光の少なくともいずれか一方が照射される部位を中心に該金属製ワークを回転動作させる回転保持機構と、
   前記貫通孔を形成する際に前記金属製ワークから発生する金属蒸気を吸引する蒸気除去機構と、
   前記レーザ加工ヘッド、前記回転保持機構、前記蒸気除去機構の駆動及び停止を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１記載の装置において、前記蒸気除去機構は、前記金属製ワークの内部側から前記金属蒸気を吸引する吸引手段を有することを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項１又は２記載の装置において、前記蒸気除去機構は、前記貫通孔が形成された後にガスを供給するガス供給手段を有することを特徴とするレーザ加工装置。
4. 中空な金属製ワークの閉塞部位にナノ秒レーザ光及びピコ秒レーザ光の少なくともいずれか一方を照射して貫通孔を形成するレーザ加工方法であって、
   回転保持機構に保持された前記金属製ワークに対し、第１レーザ発振機構から前記ナノ秒レーザ光を照射して貫通孔を形成する工程と、
   前記回転保持機構の作用下に前記金属製ワークを回転動作させる際、回転動作する前記金属製ワークの前記貫通孔の内壁に対し、第２レーザ発振機構から前記ピコ秒レーザ光を照射して仕上げ加工を行う工程と、
   を有し、
   前記貫通孔を形成する工程を行う最中、前記金属製ワークの外部側から金属蒸気を吸引し、
   且つ前記貫通孔を形成する工程の後、前記金属製ワークの外部側からガスを供給するとともに、該金属製ワークの内部側から吸引を行うことを特徴とするレーザ加工方法。

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