JP5565690B2 - プラズマ加工方法およびプラズマ加工装置 - Google Patents
プラズマ加工方法およびプラズマ加工装置Info
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Description
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、加工ワークに与える熱量を抑制しつつ穴あけ加工が可能となるプラズマ加工方法およびプラズマ加工装置を提供することである。
また、プラズマジェットを発生させる具体的な構成は特に限定されず、様々な方法をとることができる。例えば、電極と、その電極を覆うように配置されるノズルと、の間にアルゴンなどの放電支援ガスを通過させ、その状態で電極とノズルとの間に直流電圧を放電させてプラズマジェットを発生する方法が一般的に用いられるが、それ以外の方法でプラズマジェットを発生してもよい。
なお、加工領域の周辺の温度を下げるためには様々な方法が考えられる。例えばプラズマジェットの出力調整や、加工ワークとプラズマジェット発生位置との距離の調整を行うことなどにより温度を下げることができる。
なお、上述した請求項2のプラズマ加工方法を用いる場合には、請求項3に記載のように、加工ワークとして高張力鋼板を用いてもよい。
請求項4に記載の発明は、プラズマジェットを発生し、略円筒状のノズルを通過して前記プラズマジェットを外部に照射するプラズマジェット発生手段と、前記ノズル内部に窒素ガスを添加する窒素ガス供給口と、前記ノズル内部に水素ガスを添加する水素ガス供給口と、を備え、前記窒素ガス供給口は、前記水素ガス供給口よりも前記ノズルの先端側に位置することを特徴とするプラズマ加工装置である。
(1)プラズマ加工装置の構成
本実施例のプラズマ加工装置1の模式図を図1に示す。プラズマ装置加工装置1は、プラズマジェット発生部11においてプラズマジェット13を発生させ、容器部15に配置された加工ワーク17にプラズマジェット13を照射して加工ワーク17に穴あけ加工を行う装置である。
ノズル27には第2ガス供給口31が形成されており、この第2ガス供給口31からノズル27にエッチング支援ガス(本発明における添加ガス)が供給される。
チャンバ33には、観測窓41が設けられている。観測窓41は、チャンバ33内部の状態を外部から視認することができる。
なお、陰極21の先端から噴出口45までの距離D1は20mm、陰極21の先端から第2ガス供給口31の中心までの距離D2は15mmである。また、ノズル27径(噴出口45の径)D3はφ4mmである。
(2)プラズマ加工装置1による穴あけ加工
[実施例1]
上述したプラズマ加工装置1を用いて穴あけ操作を行った。また、全く同条件で3回の操作を行い、加工ワークの温度を3点において測定した。
プラズマ照射条件を以下に示す。
放電支援ガス:Ar 3L/min
エッチング支援ガス:N2 3L/min
プラズマジェット照射時間:3秒
ワーク‐噴射口間距離(図1中、距離D4):20mm
加工ワークの温度は熱電対によって測定した。熱電対は、3つの加工ワークにおけるプラズマジェット照射の中心位置からの距離をそれぞれ変化させて配置した。
[実施例2]
実施例1と同様のプラズマ加工装置1および加工ワークを用い、加工ワーク‐噴射口間距離を10mm、プラズマジェット照射時間を4秒にした以外は実施例1と同じ条件にてプラズマジェット照射を行った。
[実施例3]
加工ワーク‐噴射口間距離を12mmとした以外は実施例2と同じ条件にてプラズマジェット照射を行った。
[実施例4]
加工ワーク‐噴射口間距離を15mmとした以外は実施例2と同じ条件にてプラズマジェット照射を行った。
[実施例5]
実施例1と同様のプラズマ加工装置1および加工ワークを用い、エッチング支援ガスをN2に変えてH2を用い、加工ワーク‐噴射口間距離を10mm、プラズマジェット照射時間を4秒に変更してプラズマジェット照射を行った。
その結果、直径約3mmの貫通穴が形成された。貫通穴の周辺に脆性が生じた箇所はなかった。
[参考例1]
加工ワーク‐噴射口間距離を25mmとした以外は実施例2と同じ条件にてプラズマジェット照射を行った。
[参考例2]
加工ワーク‐噴射口間距離を30mmとした以外は実施例2と同じ条件にてプラズマジェット照射を行った。
[参考例3]
エッチング支援ガスを供給しない以外は実施例2と同じ条件にてプラズマジェット照射を行った。
[結果]
エッチング支援ガスとしてN2またはH2を使用することで、貫通穴のエッジから5mm離れた位置の温度が650℃以下となるプラズマジェット照射条件によって貫通穴を形成することができた。また、実施例4と同様の操作でプラズマジェット照射時間を長くすることにより、温度を上昇させることなく貫通穴を形成することができた。
(3)発明の効果
本実施例のプラズマ加工装置1では、ノズル内部にエッチング支援ガスを供給することで、高張力鋼板の温度を比較的低温に維持したままプラズマジェット照射による穴あけ加工を実現できた。このように加工された高張力鋼板は、そのじん性などの品質を低下させることがない。
(4)変形例
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、上記実施例に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
(5)エッチングガス供給口の最適位置の設計
エッチングガス供給口の位置設定による加工ワーク近傍の窒素原子密度の変化をシミュレーションした。
(5.1)計算条件
モデル場(軸対象場)を図7に示す。なお、基板位置には障害物を置かずに計算した。
流量:Ar=3L/min,N2=3L/min
温度:プラズマ領域中心=9727K,壁面300K(冷却)
N2供給口は、5mm(試験条件A),10mm(同B),15mm(同C)とした。
(A)N2+e→N+N+eの反応のレート係数を定める。
d[N]/dt=k1[e][N2]-k2[N][N][M]であるから、k1[e]という積が生成項の値を決めている。下記参考文献1のFig.7を参照し(図8に示す)、零次元方程式を解いた時に、図8とほぼ同じ[N]の定常値となるようにk1[e]の値を定めた。
(B)N+N+M→N2+M
k2=5.0E+14*1.0E‐12*exp(‐4182/(8.314472*T)) (単位:m6 mol-1 s-1)
NISTデータベースによる(温度の単位はK)。
(5.2)計算結果
計算結果を図9(A)〜(C)に示す。(A)〜(C)がそれぞれ試験条件A〜Cに対応している。N2の導入口をプラズマジェット発生位置から遠ざけることで、逆に基板がおかれる場所近傍のN原子密度が増えていることがわかる。
Claims (5)
- 加工ワークにプラズマジェットを照射することにより、前記加工ワークに穴あけ加工を行うプラズマ加工方法であって、
前記プラズマジェットを、略円筒状のノズルを通過させて前記加工ワークに照射し、
前記ノズルの内部において、窒素ガスおよび水素ガスを添加ガスとして添加し、
窒素ガスの添加位置が、水素ガスの添加位置よりも前記ノズルの先端側である
ことを特徴とするプラズマ加工方法。 - 前記加工ワークにおける穴あけがなされる加工領域から5mm離間した点における温度が650℃以下となるように前記プラズマジェットの照射を行う
ことを特徴とする請求項1に記載のプラズマ加工方法。 - 前記加工ワークは、高張力鋼板である
ことを特徴とする請求項2に記載のプラズマ加工方法。 - プラズマジェットを発生し、略円筒状のノズルを通過して前記プラズマジェットを外部に照射するプラズマジェット発生手段と、
前記ノズル内部に窒素ガスを添加する窒素ガス供給口と、前記ノズル内部に水素ガスを添加する水素ガス供給口と、を備え、
前記窒素ガス供給口は、前記水素ガス供給口よりも前記ノズルの先端側に位置する
ことを特徴とするプラズマ加工装置。 - 前記ノズルは、前記窒素ガス供給口の位置する領域から先端側における流路の断面積が、前記領域よりも前記ノズルの後端側における流路の断面積と比較して大きくなるように形成されている
ことを特徴とする請求項4に記載のプラズマ加工装置。
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