JP4833773B2 - Micro drilling method - Google Patents
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Description
本発明は、微細穴開け加工方法の改良に関するものである。 The present invention relates to an improvement of a fine drilling method.
従来の微細加工方法として、まず、ナノ秒レーザ光を被加工物に照射して被加工物を予熱し、次に、フェムト秒レーザ光を被加工物に照射して加工するものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
特許文献1の図1を以下の図4で説明する。なお、符号は振り直した。
図4は従来の微細加工方法を実施するレーザー加工装置を示すブロック図であり、レーザー加工装置100は、パルスレーザ光(ナノ秒レーザ光)101を出力するYAGレーザ102と、フェムト秒レーザ光103を出力するチタンサファイヤレーザ104とを備える。
FIG. 1 of Patent Document 1 will be described with reference to FIG. In addition, the code | symbol was reassigned.
FIG. 4 is a block diagram showing a laser processing apparatus that performs a conventional fine processing method. The
YAGレーザ102から出力されたパルスレーザ光101はビームスプリッタ106にて反射した後、集光レンズ107で集光されて水晶基板108上に形成されているクロム膜111に照射される。
The
また、チタンサファイヤレーザ104から出力されたフェトム秒レーザ光103は、全反射ミラー112によって反射された後にビームスプリッタ106を透過し、集光レンズ107で集光されたクロム膜111に照射される。
The
初めにパルスレーザ光101がクロム膜111に照射されてクロム膜111の温度が上昇し、次に、フェトム秒レーザ光103がクロム膜111に照射されることで、熱的ポテンシャルが高い状態のクロム膜111が気化しアブレーション加工がなされる。
First, the
上記したフェトム秒レーザ光103は、パルス幅が非常に短いためにパルスエネルギーが小さいことから、フェトム秒レーザ光103で狭い範囲を熱影響を与えずに精度良く加工するには都合がよいが、例えば、微細な深穴の穴開け加工を行う場合は、少しずつ徐々に加工することになるため、加工に多くの時間を要する。
Since the
本発明の目的は、精度良く加工が行える上、高速で穴開け加工が行える微細穴開け加工方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fine drilling method that can perform machining with high accuracy and can perform drilling at high speed.
請求項1に係る発明は、部材にナノ秒レーザ光を照射して下穴を開ける下穴加工工程と、下穴の内壁にピコ秒レーザ光を照射して内壁を平滑に仕上げる仕上げ加工工程と、を有することを特徴とする。
作用として、部材に予めナノ秒レーザ光を照射して下穴を開け、次に、下穴の内壁にピコ秒レーザ光を照射して下穴の内壁を仕上げる。
The invention according to claim 1 is a pilot hole machining step of irradiating a member with a nanosecond laser beam to open a pilot hole, and a finishing machining step of irradiating the inner wall of the pilot hole with a picosecond laser beam to finish the inner wall smoothly. It is characterized by having.
As an action, the member is previously irradiated with nanosecond laser light to form a pilot hole, and then the inner wall of the pilot hole is irradiated with picosecond laser light to finish the inner wall of the pilot hole.
ナノ秒レーザ光では、従来のようなピコ秒レーザ光、フェムト秒レーザ光等の超短パルスレーザ光に比べてパルス幅が大きく、1パルス当たりのエネルギー、即ち、パルスエネルギーが大きいために、微細な深穴を高速で開けることが可能になる。 The nanosecond laser beam has a larger pulse width than conventional ultrashort pulse laser beams such as picosecond laser beams and femtosecond laser beams, and the energy per pulse, that is, the pulse energy is large. Drilling deep holes at high speed.
ピコ秒レーザ光では、ナノ秒レーザ光に比べてパルス幅が小さくパルス繰返し周期毎の照射時間が短いため、ピコ秒レーザ光の照射部分に近い部分の温度が上昇しにくく、熱影響部が生じにくいから、下穴内壁の仕上げ精度が向上し、下穴内壁がより平滑になる。 With a picosecond laser beam, the pulse width is smaller than that of a nanosecond laser beam and the irradiation time per pulse repetition period is short. Because it is difficult, the finishing accuracy of the inner wall of the pilot hole is improved and the inner wall of the pilot hole becomes smoother.
請求項2に係る発明は、下穴加工工程では、ナノ秒レーザ光を、その光軸を回転させずに照射し、部材を蒸発除去加工することを特徴とする。
作用として、ナノ秒レーザ光で光軸を回転させて穴開け加工を行うと、集光する位置は、少し偏心している場合があるので、回転させると、偏心分だけ下穴の内径が大きくなるが、光軸を回転させなければ、照射範囲を小さくでき、加工径を小さくすることが可能になる。
The invention according to claim 2 is characterized in that, in the pilot hole machining step, the nanosecond laser beam is irradiated without rotating the optical axis, and the member is evaporated and removed.
As an effect, when drilling is performed by rotating the optical axis with nanosecond laser light, the condensing position may be slightly decentered, so when rotated, the inner diameter of the pilot hole increases by the amount of decentration. However, if the optical axis is not rotated, the irradiation range can be reduced and the processing diameter can be reduced.
請求項3に係る発明は、下穴加工工程の蒸発除去加工に際して、一旦溶融した後に凝固して下穴に形成される凝固部の層厚さを下穴の内径に対して10%〜40%としたことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the evaporative removal process of the pilot hole machining step, the layer thickness of the solidified portion that is once melted and solidified to form the pilot hole is 10% to 40% with respect to the inner diameter of the pilot hole. It is characterized by that.
作用として、ナノ秒レーザ光による蒸発除去加工で下穴を開けた場合、パルスエネルギーが大きいことにより、下穴の内壁に一旦溶融してから凝固した凝固部が形成される。この凝固部は下穴の穴精度を低下させる。 As an effect, when the pilot hole is opened by the evaporative removal process using the nanosecond laser beam, the solidified part that is once melted and solidified on the inner wall of the pilot hole is formed due to the large pulse energy. This solidified portion reduces the accuracy of the pilot hole.
凝固部の層厚さが40%を超えると、後工程である仕上げ加工工程での加工量が多くなり、加工に多くの時間を要する。凝固部の層厚さを10%〜40%に抑えれば、仕上げ加工工程での加工時間を短縮することが可能になる。 When the layer thickness of the solidified part exceeds 40%, the amount of processing in the finishing process, which is a subsequent process, increases, and a long time is required for processing. If the layer thickness of the solidified portion is suppressed to 10% to 40%, the processing time in the finishing process can be shortened.
請求項4に係る発明は、ピコ秒レーザ光を下穴の内径よりも小さく集光させ、下穴の内壁を蒸発除去加工することを特徴とする。
作用として、ピコ秒レーザ光を下穴の内径よりも小さく集光させ、下穴の内壁に照射して内壁を溶融、そして蒸発させる蒸発除去加工で徐々に除去すれば、下穴内壁の仕上げ精度が向上する。更に、ピコ秒レーザ光では熱影響部が生じにくいことからも、下穴内壁の仕上げ精度がより一層向上し、下穴内壁がより平滑になる。
The invention according to claim 4 is characterized in that the picosecond laser beam is condensed smaller than the inner diameter of the pilot hole, and the inner wall of the pilot hole is evaporated and removed.
As a function, if the picosecond laser beam is focused to be smaller than the inner diameter of the pilot hole, the inner wall of the pilot hole is irradiated to melt and evaporate the inner wall, and then removed gradually, the finishing accuracy of the inner wall of the pilot hole Will improve. Further, since the heat-affected zone is less likely to be generated by the picosecond laser light, the finishing accuracy of the inner wall of the pilot hole is further improved, and the inner wall of the pilot hole becomes smoother.
請求項5に係る発明は、仕上げ加工工程では、ピコ秒レーザ光を部材と相対的に旋回させながら照射することを特徴とする。
作用として、ピコ秒レーザ光が下穴内壁の各部に均等に照射され、内壁の仕上げ精度がより向上する。また、ピコ秒レーザ光が下穴に局部的に照射されることがないため、熱影響部がより一層生じにくい。
The invention according to claim 5 is characterized in that, in the finishing process, the picosecond laser beam is irradiated while rotating relative to the member.
As an effect, picosecond laser light is evenly applied to each part of the inner wall of the prepared hole, and the finishing accuracy of the inner wall is further improved. In addition, since the picosecond laser beam is not locally irradiated to the pilot hole, the heat affected zone is less likely to occur.
請求項6に係る発明は、下穴加工工程、あるいは仕上げ加工工程の少なくとも一方の工程では、ナノ秒レーザ光又はピコ秒レーザ光を内壁に照射したときに内壁が溶融し蒸発して発生する蒸気を蒸気除去装置で吸引又は圧送することを特徴とする。
作用として、発生した蒸気が蒸気除去装置で吸引又は圧送されるため、蒸気によってナノ秒レーザ光又はピコ秒レーザ光が遮られることがない。
According to a sixth aspect of the present invention, in at least one of the pilot hole machining step and the finishing machining step, vapor generated by evaporating and evaporating the inner wall when the inner wall is irradiated with nanosecond laser light or picosecond laser light. Is sucked or pumped by a vapor removing device.
As an effect, the generated vapor is sucked or pumped by the vapor removing device, so that the nanosecond laser beam or the picosecond laser beam is not blocked by the vapor.
請求項7に係る発明は、ピコ秒レーザ光を発振するレーザ発振器のピーク出力を、300kW〜1MWとしたことを特徴とする。
作用として、レーザ発振器のピーク出力が300kW未満では、例えば、部材を金属とした場合には、金属蒸発が発生しにくくなり、蒸発除去加工に多くの時間を要する。
レーザ発振器のピーク出力が1MWを超えると、下穴の内壁に熱影響部が生じやすくなる。
The invention according to claim 7 is characterized in that the peak output of the laser oscillator that oscillates the picosecond laser beam is 300 kW to 1 MW.
As an effect, when the peak output of the laser oscillator is less than 300 kW, for example, when the member is made of metal, metal evaporation hardly occurs and much time is required for evaporation removal processing.
When the peak output of the laser oscillator exceeds 1 MW, a heat affected zone is likely to occur on the inner wall of the prepared hole.
請求項8に係る発明は、ピコ秒レーザ光のパルス繰返し周期のうちの非照射時間を、パルス繰返し周期のうちのパルス幅の500倍以上としたことを特徴とする。
作用として、ピコ秒レーザ光のパルス繰返し周期のうちの非照射時間が、パルス繰返し周期のうちのパルス幅の500倍未満であると、部材への入熱量が大きくなり、下穴内壁で熱影響部が生じやすくなる。
The invention according to claim 8 is characterized in that the non-irradiation time in the pulse repetition period of the picosecond laser beam is 500 times or more of the pulse width in the pulse repetition period.
As an effect, if the non-irradiation time in the pulse repetition period of the picosecond laser beam is less than 500 times the pulse width of the pulse repetition period, the amount of heat input to the member is increased, and the heat effect on the inner wall of the pilot hole Part tends to occur.
請求項1に係る発明では、部材にナノ秒レーザ光を照射して下穴を開ける下穴加工工程と、下穴の内壁にピコ秒レーザ光を照射して内壁を平滑に仕上げる仕上げ加工工程と、を有するので、下穴加工工程では、パルスエネルギーの大きなナノ秒レーザ光で下穴を高速で開けることができる。また、仕上げ加工工程では、パルス幅の小さなピコ秒レーザ光を照射することにより下穴内壁に熱影響部が生じにくくなり、下穴内壁を精度良く平滑に仕上げることができる。 In the invention according to claim 1, a pilot hole machining step of irradiating a member with nanosecond laser light to open a pilot hole, and a finishing machining step of irradiating the inner wall of the pilot hole with picosecond laser light to finish the inner wall smoothly Therefore, in the pilot hole machining step, the pilot hole can be opened at a high speed with a nanosecond laser beam having a large pulse energy. Further, in the finishing process, by irradiating a picosecond laser beam having a small pulse width, a heat-affected zone is hardly generated on the inner wall of the prepared hole, and the inner wall of the prepared hole can be finished with high accuracy and smoothness.
請求項2に係る発明では、下穴加工工程では、ナノ秒レーザ光を、その光軸を回転させずに照射し、部材を蒸発除去加工するので、ナノ秒レーザ光で光軸を回転させて穴開け加工を行う場合に比べてナノ秒レーザ光の照射範囲を小さくすることができ、内径の小さな下穴を開けることができる。 In the invention according to claim 2, in the pilot hole machining step, the nanosecond laser beam is irradiated without rotating the optical axis, and the member is evaporated and removed, so the optical axis is rotated by the nanosecond laser beam. Compared to the case of drilling, the irradiation range of the nanosecond laser beam can be reduced, and a pilot hole with a small inner diameter can be formed.
請求項3に係る発明では、下穴加工工程の蒸発除去加工に際して、一旦溶融した後に凝固して下穴に形成される凝固部の層厚さを下穴の内径に対して10%〜40%としたので、凝固部の層厚さを下穴の内径の10%〜40%に抑えることで、後工程である仕上げ加工工程での加工量を少なくすることができ、加工時間を短縮することができる。 In the invention according to claim 3, when evaporating and removing in the pilot hole machining step, the thickness of the solidified part that is once melted and solidified to form the pilot hole is 10% to 40% with respect to the inner diameter of the pilot hole. Therefore, by controlling the layer thickness of the solidified part to 10% to 40% of the inner diameter of the pilot hole, the processing amount in the finishing process, which is a subsequent process, can be reduced, and the processing time can be shortened. Can do.
請求項4に係る発明では、ピコ秒レーザ光を下穴の内径よりも小さく集光させ、下穴の内壁を蒸発除去加工するので、下穴の内径よりも小さく集光させたピコ秒レーザ光によって、下穴の内壁の小さな範囲を徐々に蒸発除去加工することができ、下穴の内壁をより精度よく平滑に加工することができる。 In the invention according to claim 4, since the picosecond laser beam is condensed smaller than the inner diameter of the pilot hole and the inner wall of the pilot hole is removed by evaporation, the picosecond laser beam condensed smaller than the inner diameter of the pilot hole is collected. Thus, a small range of the inner wall of the pilot hole can be gradually removed by evaporation, and the inner wall of the pilot hole can be processed more accurately and smoothly.
請求項5に係る発明では、仕上げ加工工程では、ピコ秒レーザ光を部材と相対的に旋回させながら照射するので、ピコ秒レーザ光を下穴の内壁の各部により均等に照射することができ、下穴の内壁をより平滑に仕上げることができる。また、下穴に局部的に照射されることがないため、熱影響部をより一層生じにくくすることができる。 In the invention according to claim 5, in the finishing process, the picosecond laser beam is irradiated while being rotated relative to the member, so that the picosecond laser beam can be uniformly irradiated by each part of the inner wall of the pilot hole, The inner wall of the pilot hole can be finished more smoothly. Moreover, since the pilot hole is not locally irradiated, the heat affected zone can be made more difficult to occur.
請求項6に係る発明では、下穴加工工程、あるいは仕上げ加工工程の少なくとも一方の工程では、ナノ秒レーザ光又はピコ秒レーザ光を内壁に照射したときに内壁が溶融し蒸発して発生する蒸気を蒸気除去装置で吸引又は圧送するので、蒸気によってナノ秒レーザ光又はピコ秒レーザ光が遮られることがなく、良好に仕上げ加工することができる。 In the invention according to claim 6, in at least one of the pilot hole machining step and the finishing machining step, vapor generated by melting and evaporating the inner wall when the inner wall is irradiated with nanosecond laser light or picosecond laser light. Is sucked or pumped by the vapor removing device, so that the nanosecond laser beam or the picosecond laser beam is not blocked by the vapor, and can be finished satisfactorily.
請求項7に係る発明では、ピコ秒レーザ光を発振するレーザ発振器のピーク出力を、300kW〜1MWとしたので、下穴内壁の蒸発除去加工を短時間で行うことができるとともに下穴内壁に熱影響部を生じにくくすることができる。 In the invention according to claim 7, since the peak output of the laser oscillator that oscillates the picosecond laser beam is set to 300 kW to 1 MW, evaporation removal processing of the inner wall of the pilot hole can be performed in a short time and the inner wall of the pilot hole is heated. The affected part can be made difficult to occur.
請求項8に係る発明では、ピコ秒レーザ光のパルス繰返し周期のうちの非照射時間を、パルス繰返し周期のうちのパルス幅の500倍以上としたので、ピコ秒レーザ光の非照射時間を大きくすることで、下穴内壁に熱影響部を生じにくくすることができる。 In the invention according to claim 8, since the non-irradiation time in the pulse repetition period of the picosecond laser light is set to 500 times or more of the pulse width in the pulse repetition period, the non-irradiation time of the picosecond laser light is increased. By doing so, it is possible to make it difficult to produce a heat affected zone on the inner wall of the prepared hole.
本発明を実施するための最良の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図1は本発明に係るレーザ加工装置の説明図であり、レーザ加工装置10は、ナノ秒レーザ光11を発振するナノ秒レーザ発振器12と、ピコ秒レーザ光13を発振する超短パルスレーザ発振器14と、この超短パルスレーザ発振器14から発振されたピコ秒レーザ光13を増幅する増幅器16と、この増幅器16から出力されたピコ秒レーザ光17を反射させるミラー18と、ピコ秒レーザ光17を透過させるとともにナノ秒レーザ発振器12で発振されたナノ秒レーザ光11を反射させるミラー21と、これらのナノ秒レーザ光11又はピコ秒レーザ光17の集光位置を変化させるビームローテータ22と、ナノ秒レーザ光11又はピコ秒レーザ光17をワーク23(例えば、鋼材)に集光させる集光レンズ24と、ワーク23を載せるテーブル26と、ワーク23にナノ秒レーザ光11又はピコ秒レーザ光17を照射したときにワーク23から発生する蒸気を吸引する吸引装置27と、ナノ秒レーザ発振器12、超短パルスレーザ発振器14、ビームローテータ22の作動及びテーブル26の水平移動を制御する制御装置28とからなる。なお、31は吸引装置27に備える吸引ダクトである。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The drawings are viewed in the direction of the reference numerals.
FIG. 1 is an explanatory diagram of a laser processing apparatus according to the present invention. A laser processing apparatus 10 includes a
ナノ秒レーザ光11は、ナノ秒レーザ発振器12でパルス発振により生成されたパルスレーザ光であり、そのパルス幅がナノ秒のオーダー、即ち10−9秒のオーダーのものである。
ナノ秒レーザ発振器12は、レーザ媒質(即ち、発光物質)としてYAG等を用いたものである。
The
The
ピコ秒レーザ光13は、超短パルスレーザ発振器14でパルス発振により生成されたパルスレーザ光であり、そのパルス幅がピコ秒のオーダー、即ち10−12秒のオーダーのものである。
The
超短パルスレーザ発振器14は、レーザ媒質としてイットリビウム(Ytterbium)を用いたものであり、例えば、パルス繰返し周波数が500kHz〜100MHzのシード光(種光)用レーザを発振することができるシード光用レーザ発振器である。このようなシード光用レーザ発振器は市販されているため、安価に入手することができる。
The ultrashort
まず、以上に述べたナノ秒レーザ光11によってワーク23に下穴を開ける下穴加工工程を次に説明する。
図2(a)〜(e)は本発明に係るレーザ加工装置による下穴加工工程を示す作用図である。
(a)において、ワーク23の上面23aに集光レンズの焦点が一致するように調整してワーク23の上面23aにナノ秒レーザ光11を照射する。なお、D0は焦点におけるナノ秒レーザ光11の集光径(即ち、スポット径)であり、例えば、集光径D0=約100μmである。
これにより、ワーク23の上面23aは融点に達して溶融し始める。23bは溶融部である。
First, a pilot hole machining process for making a pilot hole in the
2 (a) to 2 (e) are operational views showing a prepared hole machining step by the laser machining apparatus according to the present invention.
In (a), adjustment is made so that the focal point of the condenser lens coincides with the
Thereby, the
ナノ秒レーザ光11は、その横断面形状が円形でない場合には、その光軸を回転させることで横断面を円形にすることがある。しかし、光軸を回転させると、回転させる装置の精度によりナノ秒レーザ光のワークへの照射部分が広がり、加工径が大きくなる。
When the cross-sectional shape of the
本実施形態では、ナノ秒レーザ光11の光軸を回転させないので、照射範囲を小さくすることができる。ただし、ワーク23への照射部分は円形でなくなる場合があるので、後工程である仕上げ加工工程で仕上げ加工と共に円形となるように加工する。従って、特別に円形に加工する工程は設けていない。
In this embodiment, since the optical axis of the
(b)において、ナノ秒レーザ光11が照射されたワーク23には(a)のときよりも大きな溶融部23dが出来る。
溶融部23dの中央部は、周囲よりも温度が高いために、沸点に達して蒸気23eが盛んに発生するため、蒸気23eの圧力で外側に押し退けられる。この蒸気23eがナノ秒レーザ光11を遮ると、ワーク23の穴開けに支障をきたすので、吸引装置の吸引ダクト31から吸引する。
In (b), the
Since the temperature of the central part of the
(c)は、ナノ秒レーザ光が照射されない非照射時間での状態を示す。(b)に示した溶融部23dの母材に近い部分は凝固して凝固部23fとなり、この凝固部23fの内側に未凝固状態にある溶融部23gが残る。
以降は、(b)及び(c)と同様な照射と非照射とを繰り返す。
(C) shows the state in the non-irradiation time when the nanosecond laser beam is not irradiated. The part close to the base material of the melted
Thereafter, irradiation and non-irradiation similar to (b) and (c) are repeated.
(d)は、ワーク23の上面23aから下面23jに貫通する下穴23Lが開けられた状態を示す。23kは加工中に一旦溶融し、そして凝固して下穴23Lの表層に出来た筒状の凝固部、23mは凝固部23kの周囲に出来た熱影響部(複数の点で示される層状の部分)、33は下穴23Lの内面である。
(D) shows a state in which a
熱影響部23mは、凝固部23kと、ワーク23の熱影響を受けていない部分(即ち、母材原質域)との間の部分で、母材に対して組織が変化している部分である。
ここで、下穴23Lの内径(即ち、凝固部23kの内径)をD1、凝固部23kの外径をD2、熱影響部23mの外径をD3、下穴23Lの穴深さ(ここでは、ワーク23の厚さに一致する。)をdeとする。下穴23Lの穴深さdeは、例えば、小さくとも1mmである。
上記した凝固部23kの層厚さ(D2−D1)/2は、下穴23Lの内径D1の10〜40%である。
The heat-affected
Here, the inner diameter of the
The layer thickness (D2-D1) / 2 of the solidified
(e)は、(a)〜(c)に示したナノ秒レーザ光の発振器であるナノ秒レーザ発振器12(図1参照)の出力と時間との関係を示すグラフであり、縦軸は出力、横軸は時間を表す。
ナノ秒レーザ発振器の出力はゼロからピーク出力P1までパルス状に変化する。図中のT1はパルス幅、即ちナノ秒レーザ光の照射時間(即ち、パルス幅T1は10−9秒のオーダーである。)、T2はナノ秒レーザ光の非照射時間、T0はパルス繰返し周期である。このパルス繰返し周期T0から求められるパルス繰返し周波数(発振周波数)は、例えば、1kHz〜50kHzである。
(E) is a graph which shows the relationship between the output of nanosecond laser oscillator 12 (refer FIG. 1) which is an oscillator of the nanosecond laser beam shown to (a)-(c), and time, and a vertical axis | shaft is output. The horizontal axis represents time.
The output of the nanosecond laser oscillator changes in a pulse shape from zero to the peak output P1. In the figure, T1 is the pulse width, that is, the irradiation time of the nanosecond laser beam (that is, the pulse width T1 is on the order of 10-9 seconds), T2 is the non-irradiation time of the nanosecond laser beam, and T0 is the pulse repetition period. It is. The pulse repetition frequency (oscillation frequency) obtained from this pulse repetition period T0 is, for example, 1 kHz to 50 kHz.
このように、パルスレーザ光であるナノ秒レーザ光をワークにパルス繰返し周期T0毎に照射時間T1だけ照射することで、段階的に母材を溶融・蒸発させて下穴加工することができる。 In this way, by irradiating the workpiece with the nanosecond laser beam, which is a pulsed laser beam, for the irradiation time T1 at each pulse repetition period T0, the base material can be melted and evaporated stepwise to form the pilot hole.
ナノ秒レーザ光では、照射時間がピコ秒レーザ光に比べて長いため、パルスエネルギーを大きくすることができ、蒸発除去加工量を多くすることができて、下穴をより高速で開けることができる。 With nanosecond laser light, the irradiation time is longer than with picosecond laser light, so the pulse energy can be increased, the amount of evaporation removal can be increased, and the pilot hole can be opened at a higher speed. .
次に、以上に述べたピコ秒レーザ光17によってワーク23の下穴23Lの内壁を仕上げる仕上げ加工工程を説明する。
図3(a)〜(d)は本発明に係るレーザ加工装置による下穴の仕上げ加工工程を示す作用図である。
(a)において、前工程である下穴加工工程では、下穴23Lの表層に精度を低下させる凝固部23kが残っているので、この凝固部23k(あるいは凝固部23kとこの周囲の熱影響部23m)をピコ秒レーザ光17で除去する。本実施形態では下穴23Lに出来ている凝固部23kを厚さを有する内壁とし、この内壁にピコ秒レーザ光17を照射して除去し、内面の精度が高い平滑な穴を形成する。
Next, the finishing process for finishing the inner wall of the
3 (a) to 3 (d) are operational views showing a finishing process of the prepared hole by the laser processing apparatus according to the present invention.
In (a), in the pilot hole machining step, which is the previous process, the solidified
まず、ワーク23の凝固部23kの上端面に集光レンズの焦点が一致するように調整して、ビームローテータによってピコ秒レーザ光17が筒状の凝固部23kの端面に常に照射されるように渦巻き状に照射される位置を変更する。(凝固部23kと熱影響部23mとを除去する場合は、凝固部23kと熱影響部23mとの両端面にピコ秒レーザ光17を照射する。)
これにより、ワーク23の凝固部23kは渦巻き状に除去される。
First, adjustment is made so that the focal point of the condensing lens coincides with the upper end surface of the solidified
Thereby, the solidified
(b)は凝固部23kの除去の途中の状態を示す。ピコ秒レーザ光17を照射中は、凝固部23kが沸点に達して蒸気23pが発生するため、この蒸気23pを吸引装置の吸引ダクト31(吸引ダクト31は吸引ダクト31a,31bからなる。)で吸引し、蒸気23pによって仕上げ加工が阻害されるのを防止する。
(B) shows the state in the middle of removal of the
仕上げ加工が進むにつれて、ピコ秒レーザ17の入光側とは反対側の吸引ダクト31bで吸引する方がよい。レーザ光を遮ることなく加工することができるからである。例えば、入光側から焦点位置までの距離に比して、吸引ダクト31bの負圧を上げるように図示しない制御手段で制御してもよいし、また、吸引ダクト31aを利用して、吸引ダクト31aから気体を噴出させて気流を作り、入光側とは反対側から吸引ダクト31bで気体と共に蒸気23pを吸引してもよい。
As the finishing process progresses, it is better to suck by the
凝固部23kの除去は、引き続きワーク23の下面まで行う。なお、35は下穴23Lの仕上げ加工が完了した仕上げ完了穴であり、仕上げ完了穴35の内面36は精度良く平滑に仕上げられている。
The removal of the solidified
ピコ秒レーザ17による蒸発除去加工中は、後述するように加工部分に近い部分、即ち、仕上げ完了穴35に熱影響部が生じにくい。仕上げ完了穴35の内壁36はもともと熱影響部23mであるが、この熱影響部23mの熱影響度合がピコ秒レーザ17による加工を行っても更に大きくなりにくい。
凝固部23kと熱影響部23mとの両方をピコ秒レーザ17で蒸発除去加工した場合には、熱影響部23mに隣接していた母材には熱影響部が生じにくい。
During evaporation removal processing by the
When both the solidified
(c)は凝固部23kの平面図であり、この凝固部23kに集光径D4のピコ秒レーザ光17を矢印の向きに回転させながら照射する状態を示す。ピコ秒レーザ光17の集光径D4は、例えば、5μmである。
(C) is a plan view of the
(d)は、(a),(b)に示したピコ秒レーザ光の発振器である超短パルスレーザ発振器14(図1参照)の出力と時間との関係を示すグラフであり、縦軸は出力、横軸は時間を表す。
超短パルスレーザ発振器の出力はゼロからピーク出力P2までパルス状に変化する。図中のT4はパルス幅、即ちピコ秒レーザ光の照射時間(即ち、パルス幅T4は10−12秒のオーダーである。)、T5はピコ秒レーザ光の非照射時間、T3はパルス繰返し周期である。
(D) is a graph showing the relationship between the output and time of the ultrashort pulse laser oscillator 14 (see FIG. 1) which is an oscillator of the picosecond laser beam shown in (a) and (b), and the vertical axis is Output, horizontal axis represents time.
The output of the ultrashort pulse laser oscillator changes in a pulse shape from zero to the peak output P2. In the figure, T4 is the pulse width, that is, the irradiation time of the picosecond laser beam (that is, the pulse width T4 is on the order of 10-12 seconds), T5 is the non-irradiation time of the picosecond laser beam, and T3 is the pulse repetition period. It is.
上記の非照射時間T5は、例えば、パルス幅T4の500倍以上の時間である。
パルス繰返し周期T3から求められるパルス繰返し周波数(発振周波数)は、例えば、100kHz〜1.1MHzである。
The non-irradiation time T5 is, for example, a time that is 500 times or more the pulse width T4.
The pulse repetition frequency (oscillation frequency) obtained from the pulse repetition period T3 is, for example, 100 kHz to 1.1 MHz.
このように、エネルギー密度を高くすることが可能なピコ秒レーザ光をワークにパルス繰返し周期T3毎に照射時間T4だけ照射することで、段階的に瞬時に母材を溶融・蒸発させて下穴23Lの凝固部23kを削除して高速で仕上げ加工することができる。
In this way, by irradiating the workpiece with the picosecond laser beam capable of increasing the energy density for the irradiation time T4 every pulse repetition period T3, the base material is instantaneously melted and evaporated step by step. The 23L solidified
また、ピコ秒レーザ光で仕上げ加工を行う場合には、パルス繰返し周期T3に非照射時間T5を有するから、この非照射時間T5でワークへの入熱をコントロールすることができ、連続発振によるレーザ光に比べて、ワークの照射箇所近傍での温度上昇を抑えることができ、熱影響部を生じにくくすることができる。 In addition, when finishing with picosecond laser light, the pulse repetition period T3 has a non-irradiation time T5. Therefore, the heat input to the workpiece can be controlled by this non-irradiation time T5, and laser by continuous oscillation is used. Compared with light, the temperature rise in the vicinity of the irradiated part of the workpiece can be suppressed, and the heat-affected zone can be made difficult to occur.
以上の図2(a)〜(e)及び図3(a)〜(d)に示したように、本発明は第1に、部材としてのワーク23にナノ秒レーザ光11を照射して下穴23Lを開ける下穴加工工程と、下穴23Lの内壁(凝固部23k)にピコ秒レーザ光17を照射して内壁を平滑に仕上げる仕上げ加工工程と、を有することを特徴とする。
As shown in FIGS. 2 (a) to 2 (e) and FIGS. 3 (a) to 3 (d), the present invention firstly irradiates the
これにより、下穴加工工程では、パルスエネルギーの大きなナノ秒レーザ光11で下穴23Lを高速で開けることができる。また、仕上げ加工工程では、パルス幅T4の小さなピコ秒レーザ光17を照射することにより下穴23Lの内壁に熱影響部が生じにくくなり、下穴23Lの内壁を精度良く平滑に仕上げることができる。
Thereby, in the pilot hole machining step, the
本発明は第2に、下穴加工工程では、ナノ秒レーザ光11を、その光軸を回転させずに照射し、ワーク23を蒸発除去加工することを特徴とする。
Secondly, the present invention is characterized in that, in the pilot hole machining step, the
これにより、ナノ秒レーザ光11で光軸を回転させて穴開け加工を行う場合に比べてナノ秒レーザ光11の照射範囲を小さくすることができ、内径D1の小さな下穴23を開けることができる。
As a result, the irradiation range of the
本発明は第3に、下穴加工工程の蒸発除去加工に際して、一旦溶融した後に凝固して下穴23に形成される凝固部23kの層厚さを下穴23の内径D1に対して10%〜40%としたことを特徴とする。
Thirdly, according to the present invention, in the evaporative removal process of the pilot hole machining step, the thickness of the solidified
凝固部23kの層厚さを下穴23の内径D1の10%〜40%に抑えることで、後工程である仕上げ加工工程での加工量を少なくすることができ、加工時間を短縮することができる。
By suppressing the layer thickness of the solidified
本発明は第4に、ピコ秒レーザ光17を下穴23Lの内径D1よりも小さく集光させ、下穴23Lの内壁を蒸発除去加工することを特徴とする。
ピコ秒レーザ光17を下穴23Lの内径D1よりも小さく集光させ、下穴23Lの内壁に照射して内壁を溶融、そして蒸発させる蒸発除去加工で小さな範囲を徐々に除去すれば、下穴23Lの内壁の仕上げ精度を向上させることができる。
更に、ピコ秒レーザ光17による熱影響部が生じにくいことからも、下穴23Lの内壁の仕上げ精度がより一層向上し、下穴23Lの内壁をより平滑にすることができる。
Fourth, the present invention is characterized in that the
If the
Furthermore, since the heat affected zone due to the
本発明は第5に、ピコ秒レーザ光17をワーク23と相対的に旋回させながら照射することを特徴とする。
これにより、ピコ秒レーザ光17を下穴23Lの内壁の各部により均等に照射することができ、下穴23Lの内壁をより平滑に仕上げることができる。また、ピコ秒レーザ光17が下穴23Lの内壁に局部的に照射されることがないため、熱影響部をより一層生じにくくすることができる。
Fifth, the present invention is characterized in that the
Thereby, the
本発明は第6に、下穴加工工程、あるいは仕上げ加工工程の少なくとも一方の工程では、ナノ秒レーザ光11又はピコ秒レーザ光17を内壁に照射したときに内壁が溶融し蒸発して発生する蒸気23pを蒸気除去装置としての吸引装置27で吸引することを特徴とする。
これにより、蒸気によってナノ秒レーザ光11又はピコ秒レーザ光17が遮られることがなく、良好に仕上げ加工することができる。
According to the sixth aspect of the present invention, in at least one of the pilot hole machining process and the finishing machining process, the inner wall is melted and evaporated when the
Thereby, the
本発明は第7に、ピコ秒レーザ光17を発振する超短パルスレーザ発振器14(図1参照)のピーク出力は、300kW〜1MWであることを特徴とする。
超短パルスレーザ発振器14の出力が300kW未満では、例えば、ワーク23を金属とした場合には、金属蒸発が発生しにくくなり、蒸発除去加工に多くの時間を要する。
超短パルスレーザ発振器14の出力が1MWを超えると、下穴23Lの内壁に熱影響部が生じやすくなる。
Seventh, the present invention is characterized in that the peak output of the ultrashort pulse laser oscillator 14 (see FIG. 1) that oscillates the
When the output of the ultrashort
When the output of the ultrashort
従って、本発明では、超短パルスレーザ発振器14の出力を、300kW〜1MWとしたので、下穴23Lの内壁の蒸発除去加工を短時間で行うことができるとともに下穴23Lの内壁に熱影響部を生じにくくすることができる。
Therefore, in the present invention, since the output of the ultrashort
本発明は第8に、ピコ秒レーザ光17のパルス繰返し周期T3のうちの非照射時間T5を、パルス繰返し周期T3のうちのパルス幅T4の500倍以上としたことを特徴とする。
Eighthly, the present invention is characterized in that the non-irradiation time T5 in the pulse repetition period T3 of the
ピコ秒レーザ光17のパルス繰返し周期T3のうちの非照射時間T5が、パルス繰返し周期T3のうちのパルス幅T4の500倍未満であると、ワーク23への入熱量が大きくなり、下穴23Lの内壁で熱影響部が生じやすくなる。
If the non-irradiation time T5 in the pulse repetition period T3 of the
従って、本発明では、ピコ秒レーザ光17の非照射時間T5をパルス幅T4の500倍以上としたので、ピコ秒レーザ光17の非照射時間T5を大きくすることができ、下穴23Lの内壁に熱影響部を生じにくくすることができる。
Therefore, in the present invention, the non-irradiation time T5 of the
尚、本実施形態では、図1に示したように、蒸気除去装置として吸引装置27を用いたが、これに限らず、蒸気除去装置として、蒸気に圧縮空気を吹き付けて蒸気を圧送することで蒸気がピコ秒レーザ光を遮るのを防止する圧送装置を用いてもよい。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
本発明の微細穴開け加工方法は、部材の深穴加工に好適である。 The fine hole drilling method of the present invention is suitable for deep hole drilling of members.
11…ナノ秒レーザ光、14…レーザ発振器(超短パルスレーザ発振器)、17…ピコ秒レーザ光、22…ビームローテータ、23…部材(ワーク)、23p…蒸気、23k…内壁(凝固部)、23L…下穴、27…蒸気除去装置(吸引装置)、D0…ナノ秒レーザ光の集光径、D1…下穴の内径(凝固部の内径)、T3…ピコ秒レーザ光のパルス繰返し周期、T4…ピコ秒レーザ光のパルス幅、T5…ピコ秒レーザ光の非照射時間、P2…レーザ発振器の出力(超短パルスレーザ発振器のピーク出力)。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記下穴の内壁にピコ秒レーザ光を照射して前記内壁を平滑に仕上げる仕上げ加工工程と、を有することを特徴とする微細穴開け加工方法。 A pilot hole processing step of piercing a member with nanosecond laser light to open a pilot hole;
A fine drilling method, comprising: finishing the inner wall smoothly by irradiating the inner wall of the prepared hole with a picosecond laser beam.
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