JP6071996B2 - ワークピースを破断分割するための方法、ワークピース及びレーザー装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に係る、ワークピースを破断分割するための方法、当該方法に従って製造されたワークピース並びにレーザー装置に関する。

本願出願人による特許文献１は、破断分割するコネクティングロッドの上端部に、レーザーエネルギーによって破断面を定めるノッチを形成する破断分割方法を開示している。ノッチは複数のノッチ部からなり、ノッチ部の距離はレーザーのパルスレート及びコネクティングロッドの上端部に対するレーザービームの移動速度（ｆｅｅｄ ｒａｔｅ）によって実質的に決まる。上記方法によれば、ノッチ部による連続するノッチに対して応力集中係数を非常に大きくすることができ、比較的小さなレーザー出力でノッチを形成することができる。小さなレーザー出力及びそれに伴って導入される低い熱エネルギーにより、ノッチ領域における望ましくない深い構造変化を防止することができる。構造変化はノッチの特定の周辺領域のみで生じ、破断分割挙動を改善することができる。

本願出願人による特許文献２は、直線的な形状ではなく、直線的に延びる端部を有する正弦形状を有するようにノッチを形成する改良された方法を開示している。予期せぬことだが、そのようにノッチを設計することによって破断分割挙動をさらに改善させることができる。

そのようなノッチ部を含むレーザーノッチは、その破断挙動が連続ノッチよりも優れているため、特にコネクティングロッド及びクランクケースの破断分割においては技術水準として確立されている。これらの破断分割特性は有用ではあるが、破断分割挙動をさらに改善させる試みがなされている。

欧州特許第０ ８０８ ２２８ Ｂ２号 ドイツ特許出願第２００５ ０３１ ３３５ Ａ１号

本発明の目的は、破断分割ノッチのノッチ部を容易に形成することができる方法を提供することにある。また、本発明の目的は、前記方法に従って製造されたワークピース及び前記方法を実施するためのレーザー装置を提供することにある。

上記目的は、請求項１に記載された特徴の組み合わせを含む方法、請求項１０に記載された特徴を含むワークピース及び請求項１２に記載された特徴を含むレーザー装置によって達成される。

本発明に係る方法では、従来の方法と同様に、レーザーエネルギーを使用して複数のノッチ部を有するレーザーノッチを形成する。本発明によれば、レーザーを使用するノッチの形成時に、移動（ｆｅｅｄ）の変調、つまり、効果的に関与しているレーザービームとワークピースとの間の相対的な運動及び／又はレーザーパルスが用いられる。上記変調により、ノッチ部の深さ又はノッチ間距離を異ならせることができる。ノッチ部の深さとは、レーザービームの方向におけるレーザービームの浸透深さを意味する。また、移動速度及び／又はパルスパラメータを変化させることにより、連続する領域（以下「ノッチ基部」という）の深さを変化させることができる。そのようなノッチは、ほぼ一定の形状を有する従来のノッチに対して高い応力集中係数及び改善された破断力学を有する。前記方法は、実質的に、破断分割に使用されるあらゆるレーザーを使用して実施することができる。

レーザービームは、縦方向ノッチ軸に対して斜めに照射することが好ましい。

予期しなかったことだが、上記基準を適切に選択することにより、非常に高いパルスレート及び高い移動速度を採用する場合でも、計算上のノッチ間距離よりもノッチ間距離がかなり大きい、穿孔を有するノッチを形成することができる。上記手法には、非常に高い移動速度を有する高周波レーザーを使用でき、従来の解決手段と比較して、熱の導入量を低下させながら、より高速にレーザーノッチを形成することができるという利点がある。

本発明によれば、周期関数、例えば正弦関数に従って移動速度を変化させるか、部品の形状に応じて移動速度を変化させることが好ましい。

レーザー加工時の移動速度は、１００〜１５００ｍｍ／分の範囲で変化させることができる。

レーザービームは、例えば、レーザーヘッドを移動させるか、より簡単な方法としては、傾斜ミラー（スキャナー）を使用することによって静止したワークピースに対して移動させることができる。あるいは、運動学的に反転させて、ワークピースを静止したレーザービームに対して移動させるか、それらの組み合わせを使用することができる。レーザービームは、径方向、つまり破断分割ノッチに対して垂直に照射するか、破断分割ノッチに対して斜めに照射することができる。

レーザービームを径方向に照射する場合には、ノッチ部はノッチ軸に対して法線方向に形成され、レーザービームを斜めに照射する場合には、ノッチ部はノッチ軸に対して傾斜して形成される。レーザービームは、縦方向ノッチ軸に対して垂直な平面（コネクティングロッドの場合には、コネクティングロッドの上端部の径方向の面）に対して４５°以下の角度で照射することが好ましい。コネクティングロッドが水平に保持され、移動方向がコネクティングロッドに対して垂直である（ノッチ軸）場合には、角度は水平方向に対して３０°であって、垂直方向に対して６０°とすることができる（図１１を参照）。

パルス変調は、例えば、パルス幅、パルス周波数、パルス振幅及び／又はパルス位相を変化させることによって行うことができる。これらのパラメータはパルス変調のみにより、あるいは記録されたパルス出力／パルスエネルギー又は例えば一定のパルス出力におけるパルスシーケンスを組み合わせることにより、ノッチの深さ又はノッチ間距離を変化させ、破断挙動を最適化するためにも変化させることができる。例えば、粘性材料の場合には、周辺破断分割ノッチが形成される。それらのワークピースでは、ノッチ間距離又はノッチの深さを破断分割ノッチに応じて変化させることができ、例えば、コネクティングロッドの上端部及び実際のコネクティングロッドの上端部の外側に延びる部分に沿って変化させることができる。

これらのパラメータを適切に選択することにより、例えば、前記変調を実質的に一定のパルス周波数における時間制御パルスエネルギーランピングによって行うことができる。「ランピング」という用語は、パルスシーケンス時にパルス出力を勾配（ｒａｍｐ）に向けて増加及び／又は勾配から減少させる方法を意味する。

前記変調は、パルスシーケンス／パルス周波数変調によっても行うことができ、そのような場合には、パルス出力をほぼ一定に保つことができる。

上述したように、その他のパラメータも変化させることができる。

また、移動速度とパルスの両方を変調させることもでき、そのような変調は連続的又は重複するように又は同時に行うことができる。

本発明によれば、ファイバーレーザーをレーザーとして使用することが好ましい。ファイバーレーザーは公知であり、ファイバーレーザーの構造の詳細な説明は省略する。

本発明の一実施形態においては、約１００〜２００ｎｓのパルス持続期間において５０Ｗ又は１００Ｗの平均出力及び１ｋＨｚ、好ましくは１０ｋＨｚを超えるパルスレートを有するレーザーを使用し、１０００ｍｍ／分を超える移動速度とすることができる。従来の方法におけるパルスレートはほぼ上記範囲内であり、パルス周波数はより低い（例えば５０〜１４０Ｈｚ）。

本発明の好適な実施形態においては、ノッチ部は連続ノッチ基部から延びている。

前記方法に従って製造されたワークピースは、例えば、コネクティングロッド又はクランクケース、若しくは開口部（ｂｅａｒｉｎｇ ｅｙｅ）又はその他の領域を破断分割法によって分割するあらゆるワークピースであってもよい。

前記方法に従って製造されたワークピースは、レーザーの移動速度又はパルスを変化させることによって形成された異なる深さ又は異なるノッチ間距離のノッチ部を有することができる。移動速度の変化はノッチ部に沿って周期的に繰り返されることが特に好ましい。

前記方法を実施するためのレーザー装置は、レーザーモジュールと、レーザーモジュールから放射されたレーザービームを加工されるワークピースに集光するためのレーザーヘッドと、移動方向に可動である移動軸と、を含む。移動軸は制御装置によって制御することができ、レーザー加工時に移動距離を調節することができる。また、制御装置によってパルス変調を行うこともできる。

ノッチ間距離は、パルス変調の周期、例えば、パルスエネルギーランピング又はパルス周波数変調の周期によって決まる。出願人は上記特徴に関する請求については権利を保留する。

０．５ｇを超え、好ましくは１〜２ｇの加速度で移動速度を変化させることができる非常にダイナミックな移動軸が好ましい。すなわち、正弦形状（矩形であってもよい）を有するように移動速度プロファイルを高精度で変化させることができる。

図１は、大型のコネクティングロッドの上端部に破断分割ノッチを形成するためのレーザー装置の概略図を示す。 図２は、本発明の方法に従って形成された破断分割ノッチの拡大図を示す。 図３は、レーザー出力及び／又はパルスレートを変化させた場合の破断分割ノッチの拡大図を示す。 図４は、移動速度に依存する破断分割ノッチを示す。 図５は、平均レーザー出力に依存する破断分割ノッチを示す。 図６は、レーザービームの移動速度に対するノッチの深さの依存度を説明する図である。 図７は、時間の関数としての移動速度変調を説明する図である。 図８は、移動速度変調を行う場合の平均移動速度に対するノッチの深さの依存度を説明する図である。 図９は、移動速度変調を行う場合及び行わない場合の同様な条件における破断分割ノッチの画像を示す。 図１０は、移動速度変調を行うレーザー方法に使用することができるレーザー装置の概略図を示す。 図１１は、図１０に示すレーザー装置のレーザーヘッドの概略図を示す。 図１２は、レーザーのパルス振幅変調を説明する図である。 図１３は、レーザーのパルスシーケンス変調を説明する図である。 図１４は、図１２及び図１３に示す実施形態の変形例である。 図１５は、移動速度及びパルス周波数変調のノッチの深さに対する影響を説明する図である。

以下、本発明の好適な実施形態を、概略図面を参照して詳細に説明する。

図１は、破断分割によって軸受座とコネクティングロッド側の部分とに分割される大型のコネクティングロッドの上端部１の断面図を示す。破断分割面２は、直径方向に延びる左右の破断分割ノッチ群４（図１には一方のみを示す）によって予め定められており、破断分割ノッチ群４は、好ましくは複数のノッチ部６を有する穿孔である。背景技術の説明において述べたように、図１におけるコネクティングロッドの上端部１の左右の壁部に破断分割ノッチ群４を形成した後、拡げ心棒をコネクティングロッドの上端部に挿入し、コネクティングロッドの上端部を支持しながら拡げ心棒によって適切に拡げることによってコネクティングロッドのロッド側部分から軸受座を分割し、構造条件の結果として破断分割面の形状を利用して２つの部材を正確かつ容易に組み合わせることができる。

破断分割ノッチ４を形成（設計）するためにはファイバーレーザーを使用する。図１にはファイバーレーザーのレーザーヘッド８を模式的に示す。このようなファイバーレーザーとしては、グラスファイバーのコアが活性媒体を構成するダイオード励起固体レーザーを基本的に使用することができる。固体レーザーの放射線はファイバーに導入され、実際のレーザー増幅が行われる。レーザーのビーム特性及びビーム品質は、レーザーの大部分に外部衝撃が加わらず、非常に簡単な構造を有するようにファイバー（グラスファイバー）の形状・配置を設計することによってレーザーを調節することができる。

アクティブファイバーから出たレーザービームはグラスファイバーに導入され、放射線はグラスファイバー内を通って図１に示すレーザーヘッド８に案内され、焦点光学系１０によって加工されるワークピース１に集光される。図１に示す実施形態では、レーザービーム１２は径方向（ノッチ軸方向（図１における垂直方向）に対して法線方向）に放射される。このような構成は、レーザービームを９０°の角度で照射することによって反射ビーム及び残留溶融物が光路に沿って直接戻るため、焦点光学系１０が溶融材料によって汚染される場合があるという欠点がある。レーザービームを斜め方向（例えば、３０°又は４５°）に照射する場合には、反射ビーム及び残留溶融物は反射角（図１の１２”）で進み、汚染は生じない。斜め放射レーザー装置については図１０及び図１１を参照して説明する。

レーザービームを９０°の角度で放射する場合の別の欠点は、緩やか又は鋭いビーム制御を行うことができないことである。レーザービームを斜め方向に放射する場合には、緩やか（図１１の上方向）又は鋭い（図１１の下方向）ビーム制御によってノッチの形状にさらに影響を及ぼすことができる。また、ノズルを介して溶融物に作用する気流によってノッチの形状にさらに影響を及ぼすことができる。上記２つの特徴は従属請求項に記載されている。

これらのファイバーレーザーは、非常にコンパクトな構造で優れた電気光学効率と深い焦点深度を有する優れたビーム品質を達成する点で優れており、従来のレーザーよりも小さな構造空間でさらに費用効率の高い解決手段を提供することができる。ファイバーレーザーは高いピーク出力と優れた集光能力を有するため、エネルギー密度（ｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ）は比較的高く、材料を蒸発させることができる。ただし、エネルギーの一部は熱に変換されるため、溶融物と環境への熱的影響が生じる。残留熱は蓄積されて明確な溶融現象が生じ、実際のノッチ間距離は計算上のノッチ間距離よりも明らかに大きくなり、他のパラメータは変動するが、ノッチ間距離は比較的安定している。

図１において左側に位置するコネクティングロッドの壁部を加工した後に、レーザーヘッドを約１８０°回転させ、右側に位置するコネクティングロッドの壁部を加工する。なお、原則として、左右の壁部を同時に加工できるクロスヘッドを使用することもできる。

本実施形態では、ワークピース（コネクティングロッド）は固定され、レーザーヘッド８は軸方向又は軸に平行に移動速度（ｆｅｅｄ ｒａｔｅ）Ｖで移動し、レーザー出力は約５０Ｗであり、図示する実施形態におけるレーザーのパルス周波数は約２０ｋＨｚである。スポット径は約３０μｍであり、移動速度Ｖは約１５００ｍｍ／分である。これらのパラメータを使用する場合には、計算上のノッチ間距離は約０．００１２５ｍｍとなる。レーザービームを４５°の角度で斜め方向に照射した場合の実際のノッチ間距離Ｋは約０．１ｍｍである。

図２は、レーザービームを４５°の角度で斜め方向に照射した場合の、上述したパラメータを使用して本発明の方法に従って加工したコネクティングロッドの上端部の拡大図を示す。平均レーザー出力は約５０Ｗであり、パルス出力は約８ｋＷである。穿孔間距離（ノッチ間距離）Ｋは約０．１ｍｍであり、連続ノッチ基部（Ｇ）から穿孔を形成する各ノッチ部６が延びている。図２に示す実施形態では、ノッチ基部Ｇの深さは約０．５１ｍｍであり、（径方向における）ノッチ部６の深さＰ（コネクティングロッドの上端部１の周壁１４から測定）は約０．７８ｍｍである。

図３は、レーザー出力を減少させ（４０Ｗ）、レーザービーム１２の照射角度をより小さくした（３０°）、図２と同様な実施形態を示す。図３に示すように、大きな変化は見られず、ノッチ間距離Ｋ、ノッチ基部の深さＧ、ノッチ部の深さＰはわずかに増加している。照射角度をやや小さくした場合には、上述した実施形態よりも小さな出力で破断挙動を改善させるノッチを形成することができる。

図４は、レーザービームを縦方向（ノッチ軸方向）に移動させる移動速度Ｖ（図１を参照）に対する破断分割ノッチの依存度を示す。

図４から明らかなように、移動速度（５００ｍｍ／分、１０００ｍｍ／分、１５００ｍｍ／分）を変化させても、ノッチ間距離はほとんど変化していない。移動速度が低い場合にはノッチ基部の深さＧは増加し、ノッチ部の軸方向長さ（Ｐ−Ｇ）は移動速度に逆比例している。５００ｍｍ／分と１０００ｍｍ／分との間の差は比較的小さい。

図５は、レーザー出力に対する破断分割ノッチの依存度を示す。図５の上側の画像は平均レーザー出力を５０Ｗに設定した場合を示す。図５の下側の画像は平均レーザー出力を１００Ｗに設定した場合を示し、他のパラメータは同一である。図５から明らかなように、レーザー出力を減少させるとノッチ部がより長いノッチ構造が形成されているが、上述したように、ノッチ間距離はほとんど変化していない。また、予測によれば、レーザー出力を減少させると、レーザー出力が高い場合と比較してやや浅い深さＧを有する連続ノッチ基部が形成される。従って、破断力学に関しては、５００〜１５００ｍｍ／分の範囲の平均移動速度では、比較的小さなレーザー出力（５０Ｗ以下）を有するレーザーの使用が最適であると考えられる。

ビーム品質はＱ―スイッチによって向上させることができる。Ｑ―スイッチは、パルスレーザーの場合にパルス遅延が生じると、急速に増加し、鋭い最大値に達した時に再び急速に減少する非常に鋭いレーザーパルスを得るように、パルス持続時間を減少させ、パルス高さ（ピーク性能）を増加させる光学部品である。Ｑ―スイッチを使用しない場合には、パルスは明確により広くフラットな形状を有する。

図６は、１００〜３０００ｍｍ／分の範囲の移動速度に対するノッチの深さの依存度を示す。測定値Ｓ２は所定のノッチ基部の深さＧに対応し、測定値Ｓ１はノッチの総深さＰ（図２及び図３を参照）に対応し、ノッチ部の長さは差（Ｇ−Ｐ）に対応する。上側の曲線はノッチの総深さＳ１の推移を示し、下側の曲線はノッチ基部の深さＳ２の推移を示す。図６から明らかなように、約８００ｍｍ／分までの範囲の比較的低い移動速度では、移動速度に対するノッチの深さ（Ｓ１，Ｓ２）の比較的強い依存度がみられる。より高い移動速度（約８００〜３０００ｍｍ／分）では、移動速度に対する依存度は明確ではない。これらの実験は、５０ｋＨｚのパルス周波数及び５０Ｗの平均パルス出力で行った。従って、移動速度に対するノッチの形状の依存度が図６に示す実験結果によって確認された。

以下に詳細に説明するように、非常に低い移動速度（２００ｍｍ／分未満）では、ノッチ基部の領域における過熱のためにノッチ品質は不十分だった。炭化した（焦げた）領域が形成され、レーザー加工を行ったワークピースは実際に使用できなくなった。炭化した領域は、例えば図９の上側の画像に示されている（詳細は後述）。

従って、レーザー加工においては、破断分割ノッチを形成する際に品質低下を回避できるように移動速度を制御することが必要である。

上記現象はレーザー加工時に移動速度を変化させることによって回避することができ、十分な深さを有すると共に、高い移動速度（短時間）で形成することができる破断分割ノッチが得られ、破断力学の劣化をもたらす品質低下は生じない。

図７は、正弦関数に従って行われる移動速度変調の例を示す。なお、移動速度変調は他の関数（好ましくは周期的関数）に従って行うこともできる。図７は、形成される破断分割ノッチの全長に対応するものではない特定の範囲における移動速度の推移を時間の関数として示す。６７．５〜６９．５ｍｍの移動範囲（すなわち、破断分割ノッチ全体の２ｍｍ）を具体的に示しているが、図示していない破断分割ノッチの領域でも対応して移動速度変調を行っている。左側の上部から右側の下部に向かってわずかに波打つ曲線（一点鎖線で示す上側の曲線／破線で示す下側の曲線）は、破断分割ノッチの方向における実際の移動を時間ｔの関数として示している。このようなわずかに波打つ移動時に、プロットした正弦関数に従って移動速度を変化させており、大きな振幅を有する正弦関数が一点鎖線で示すレーザー経路に割り当てられ、小さな振幅を有する正弦関数が破線で示すレーザー経路に割り当てられている。移動速度は比較的高い周波数で変化させており、レーザーヘッド８は形成される破断分割ノッチに沿った運動プロファイルを調節するために短時間において強く加速及び減速される。

図７では、調節を行った実際の移動速度を右側に示している。上側の移動速度変調では、移動速度を１１７〜１１５７ｍｍ／分の範囲で変化させた。そのような移動速度変調を行って破断分割ノッチを形成する場合には、図８及び図９に例示するような破断分割ノッチ形状が得られる。図８は、ノッチの深さを平均移動速度Ｖ_ｍ（上述した移動速度変調の平均値）の関数として調節した場合を示す。図８に示すように、例えば、平均移動速度が８００ｍｍ／分の場合（移動速度は図７に示すように正弦関数に従って変化する）には、図８にプロットした破断分割ノッチが形成される。図８から明らかなように、正弦周期に対応する測定値Ｓ２（Ｇ）を有するノッチ基部から異なるノッチ部が形成される。Ｓ３で示すノッチ部は、移動速度が比較的低い領域で形成される。Ｓ１で示すノッチ部は、レーザーが比較的高い速度で移動する領域で形成される。

平均移動速度に対する特徴的パラメータＳ１（Ｐ）、Ｓ２（Ｇ）及びＳ３（Ｐ）の推移を図８に示す。上側の曲線は低い移動速度におけるノッチの総深さ（Ｓ３）の推移を示し、曲線Ｓ１は比較的高い移動速度（移動速度変調時）におけるノッチの深さの推移を示し、曲線Ｓ２はノッチ基部の深さの推移を示す。図８に示すように、平均移動速度を増加させるとノッチの深さが減少する。ただし、移動速度変調を行うと、深さが異なるノッチ部を形成することができる。そのようなノッチは、先行技術のノッチに対して明らかに改善された破断力学を有する。すなわち、移動速度変調により、移動速度変調を行わずに形成され、連続した穿孔を含む破断分割ノッチに対して、初期破断靭性（ｉｎｉｔｉａｔｉｎｇ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ）及び最終破壊靭性（ａｒｒｅｓｔｉｎｇ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ）を明確に向上させる比較的深く鋭いノッチを形成することができる。

従って、複雑な部分を破断させることができ、部分的な形状に応じて移動速度変調を行うことができる。すなわち、例えば、破断分割ノッチの領域における開口部を含む非常に複雑な部分では、移動速度を当該部分の形状に合わせて調節し、複雑ではない領域では比較的高い移動速度又は移動速度変調の振幅を適用し、より複雑な領域では移動速度変調を適切に減少させ、低い平均移動速度又は一定の移動速度に調節することができる。

上述した移動速度変調の利点について図９を参照して説明する。図９の上側の画像は、２００ｍｍ／分の比較的低い一定の移動速度を使用した場合の破断分割ノッチを示す。比較的大きなノッチの深さと、低い移動速度における熱の導入によって生じ得る焼け／焦げが明確に観察される。そのような破断分割ノッチは実質的に役に立たない。

一方、図９の下側の画像は本発明の方法に従って移動速度変調を行いながら形成されたノッチを示しており、移動速度は１１７〜１１５７ｍｍ／分の範囲で変調した。移動速度変調を行うことにより、ノッチ基部の領域において焼けを確実に回避することができることが明らかである。また、適切な移動速度変調によって形成された異なる深さを有するノッチ部が示されており、ノッチ部の深さはレーザーの傾斜角度にも依存している。図示する実施形態では、傾斜角度（照射角度）は図９の水平方向に対して約３０°とした。

図１０及び図１１を参照して、移動速度変調を行う上述した方法を実施するために特に適したレーザー装置について説明する。図１０に示すように、レーザー装置は、例えばファイバーレーザーとファイバーレーザーの制御装置とを含むレーザーモジュール１６を含む。レーザーモジュール１６の制御装置は、レーザービームの移動速度を上述したように変調することができるように構成されている。

レーザーモジュール１６が発生するレーザービーム１２は導光部１８を介してリコリメータ２０に導光される（図１０を参照）。リコリメータ２０においてレーザービームは平行ビームに変換され、ビーム径は約６ｍｍである。平行ビームは導光部１８を介してレーザーヘッド８に導光され、レーザービームは加工されるワークピース（この場合には、コネクティングロッドの上端部１）に集光される。集光されたレーザービームは、図１０の水平方向に対して３０°の角度で照射される。レーザーヘッド８はＺ移動軸２２を有するように構成されており、Ｚ移動軸２２によって縦方向ノッチ軸における移動が生じる。Ｚ移動軸は非常にダイナミックな軸であり、Ｚ移動軸により高い閉ループゲインと大きなジャーク(時間に対する加速度の変化率)で非常に高い加速度を達成することができ、非常に正確に変調を制御することが必要である。加速度は例えば１〜２ｇの範囲とすることができ、閉ループゲインは１０ｎ／ｍｉｎ／ｍｍ（１６６．７１／ｓ）の範囲とすることができ、ジャークは４００ｍ／ｓ^３超とすることができる。コネクティングロッドの上端部１の両側を加工するために、レーザーヘッド８は回転軸２４を有するように構成されており、Ｚ移動軸２２を中心として回転させることができる。また、レーザー装置はＸ調節軸２６を含み、レーザーヘッド８全体をＸ方向（コネクティングロッドの上端部１に対して径方向）に移動させることができる。そのような手段により、正弦形状の破断分割ノッチを形成することができる。

図１１は、レーザーヘッド８においてビームを導光する基本構造を示す。導光部１８はファイバーレーザー（レーザーモジュール１６）に接続されている。レーザービームはリコリメータ２０において約６ｍｍのビーム径を有する平行ビームに変換され、偏向ミラー２８によってコネクティングロッドの上端部の軸の方向に９０°偏向する。偏向したレーザービーム１２は、例えば１００ｍｍの焦点距離を有する光学系によってコネクティングロッドの上端部の壁部に集光され、図示する実施形態では水平方向に対して６０°の角度で傾斜した偏向ミラー３２によってコネクティングロッドの周壁に向けられ、レーザービームは、水平方向に対して３０°の照射角度又は偏向ミラー３２（偏向：６０°）に入射するレーザービーム１２の鉛直部分に対して６０°の傾斜角度でコネクティングロッドの周壁に入射する。レーザービームはノズル３４から出射し、ノズル３４の出射面の前方約３ｍｍにレーザスポットが位置するように集光される。光学系３０とミラー２８，３２の汚染を回避するために、保護ガラス３６がノズル３４と偏向ミラー３２との間の光路に設けられている。図１１には回転軸２４も示されており、レーザーヘッド８は図示しないモーターによって回転軸受３８を介してＺ移動軸２２を中心として回転させることができ、コネクティングロッドのあらゆる周壁領域にレーザービームを照射することができる。

ファイバーレーザーを使用し、移動速度変調及び（従来の解決手段と比較して）比較的高いパルスレートを適切に選択する場合には、最適な応力集中係数を有する穿孔を、従来のシステムと比較してかなり低いエネルギー投入及びかなり速い移動速度で形成することができる。

実験によれば、５０Ｗの出力及び２０ｋＨｚのパルス周波数を有するファイバーレーザーを使用する場合には、ノッチ部６が１／１０ｍｍ、好ましくは０．１〜０．３ｍｍの距離で形成された破断分割ノッチ４を形成することができる。３０Ｗの出力を有するレーザーを使用した場合でも、非常に有効な穿孔破断分割ノッチ４を形成することができる。

上述した実施形態では移動速度変調を行っている。移動速度変調の代わり又は移動速度変調と組み合わせて、例えば以下に記載する方法でパルス変調を行うことができる。

そのようなパルス変調では、パルス状のキャリア又や基底関数を変調し、例えばパルス幅、パルス持続時間又はパルス位相を変化させることができる。好ましくは、パルスエネルギー（パルスランピング（ｐｕｌｓｅ ｒａｍｐｉｎｇ））又はパルス周波数／パルスシーケンスを変調する。パルス振幅変調では、パルス振幅を変化させることによって矩形キャリアパルスシーケンスを変化させる。パルス持続時間変調では、基礎となるキャリア関数のパルス幅を適宜変化させる。パルス位相変調では、キャリア関数に対してパルス位置を位相シフトし、固定パルス幅及びパルス振幅を使用する。

一定のパルス周波数及びほぼ一定のパルス出力のパルスシーケンス変調による時間制御パルスエネルギーランピングについて以下に説明する。

時間制御パルスエネルギーランピングでは、現在の（好ましくは一定の）移動速度及び所望のノッチ部グリッド（穿孔グリッド）に時間制御を適用する。この場合、パルスエネルギーランプ形状は穿孔形状を近似的に示す。

図１２は、時間制御パルスエネルギーランピングによる変調を示す。図１２は、開始又はキャリア関数として時間に対するパルスエネルギーＥ_Ｋｌの推移を示しており、例えば１２０ｎｓのパルス幅と５０ｋＨｚの周波数におけるパルスエネルギーは１ｍＪである。パルスエネルギーのランプ状変調（Ｐ_Ｒａｍｐ）をキャリア関数に重畳する（図１２を参照）。パルスランプ形状は近似的に正弦形状を有し、図示する実施形態ではゼロ交差はない。ただし、原則として、増加及び減少する斜面（ｆｌａｎｋ）及び一定の出力／エネルギーの横這い領域を有する他のランプも使用することができる。図示する実施形態では、開始又はキャリア関数の変調は、所定の最大パルスエネルギー（１ｍＪ）が周期的に減少し、最大パルスエネルギーの減少及び最大パルスエネルギーの増加（ランピング）がほぼ正弦形状に生じるように行われる。

キャリア関数Ｅ_Ｋｌを適切に変調させることにより、図示するランプ形状を有するパルスエネルギーの変化（Ｅ_Ｒａｍｐ）が得られる。図１２から明らかなように、時系列のランプ（パルスエネルギーのランプ形状）はノッチ間距離Ｋを定め、パルスエネルギーのランプ形状は穿孔の形状を示す。図示する実施形態では、移動速度は一定（約２００ｍｍ／分）であり、関数Ｐ_Ｒａｍｐのパルス周波数／周期は１１．１Ｈｚである。レーザーのパルスエネルギー（Ｅ_Ｒａｍｐ）は同一の周波数におけるランプ関数に従って変動し、ノッチ間距離Ｋは周波数及び選択された移動速度に応じて調節される。図示する実施形態では、ノッチ間距離Ｋは実質的に選択されたランプ関数の周波数／周期（１１．１Ｈｚ）に依存するため、実際のパルス周波数（５０ｋＨｚ（関数Ｅ_Ｋｌ））及び選択された移動速度から算出されるよりも大きくなるようにノッチ間距離Ｋは調節される。

図１３は、パルスシーケンス又はパルス周波数変調を行う実施形態を示す。上述した実施形態と同様に、１ｍＪのパルスエネルギーと１２０ｎｓのパルス幅を有する出力又はキャリアパルスシーケンスを使用する。パルスシーケンス変調時には、１００ｋＨｚの最大値と２０ｋＨｚの最小値との間でパルス周波数を変化させることによって出力関数を変調させ、パルス周波数は図１３に示すほぼ正弦形状で変化させる。パルスシーケンス又は周波数変化の期間によってノッチ間距離Ｋが決まる。図１３から明らかなように、１ｍＪのパルス出力及び１００ｋＨｚの高周波数を有する領域では最大深さのノッチが形成される。従って、ノッチの深さはパルス周波数（パルス出力が一定の場合）に依存する。図示する実施形態では、パルス変調周期は１１．１Ｈｚである。移動速度は２００ｍｍ／分である。そのようなキャリア関数の変調では、１１．１Ｈｚの変調周波数（パルス列周期）においてパルスシーケンスが１０〜５０μｓの範囲で変化するパルスシーケンス変調Ｅ_ＫｌＰｆとなる。

図１２に示す実施形態と同様に、そのようなパルスシーケンス変調におけるノッチ間距離Ｋは１１．１Ｈｚの周期で得られ、周波数周期（パルスシーケンス変調）又はランプ形状の周期（パルスエネルギーランピング）を適切に選択することによって穿孔グリッド（ノッチ間距離Ｋ）が得られる。上記実施形態では、ノッチ間距離は例えば０．３ｍｍに調節される。このような変調は「周波数ウォブリング（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｗｏｂｂｌｉｎｇ）」と呼ぶことができる。

図１４は、出力をダイナミックに制御しながら、パルス出力Ｐを変化させることによってノッチの深さ又はノッチ間距離を変化させる実施形態を示す。パルス幅及びパルス振幅並びに適切な場合にはパルス周波数も変化させる。

基本的に、パルス変調時には、一定数のパルスに達するか、エネルギー蓄積装置が放電されるまでレーザーパルスをエネルギー蓄積装置から出力するバーストモードを採用することができる。この場合、破断分割ノッチが完全に形成され、ワークピースは別のステーションに供給される。エネルギー蓄積装置は、ワークピースのハンドリング時に次のレーザー加工のために充電される。

図１５を参照して、本発明による知見について要約する。図１５は、ノッチの深さを移動速度及びパルス周波数の関数として示している。

詳細に説明したように、移動速度が比較的低い場合にはノッチは深くなり、パルス周波数の変調を行うと、ノッチの深さは周波数が高くなるにつれて増加する。従って、移動速度が一定の場合には、高周波数（１００ｋＨｚ）の場合のノッチの深さは、パルス周波数が５０ｋＨｚの場合のノッチの深さの約２倍となる。この場合、１００Ｗの平均出力を有するレーザーを１ｍＪのパルスエネルギー、１３０ｎｓのパルス幅及び９０°の照射角度で使用する。

上述したように、移動速度及びレーザーパルスを変調することができる。主として最大レーザー出力において移動速度を変化させているが、移動速度の変調に対するノッチの深さの依存度はほぼ直線的であるため、最大レーザー出力を常時使用することができる。リニアモーター技術を使用することにより、非加工時間をかなり減少させることができ、移動速度変調を比較的容易に行うことができる。直線的な軸を大幅に省略することができるように傾斜ミラー又は光学系によってレーザーの位置合わせを行うスキャナ技術を含むようにレーザーが構成されている場合には変調をさらに容易化することができる。

本発明は、ワークピースの破断分割方法及び当該方法に従って製造されたワークピースに関する。本発明によれば、レーザー加工時に、ワークピースの形状及び／又はレーザー出力に応じて移動速度及び／又はレーザーパルスを変調させる。

１ コネクティングロッドの上端部
２ 破断面
４ 破断分割ノッチ
６ ノッチ部
８ レーザーヘッド
１０ 焦点光学系
１２ レーザービーム
１４ 周壁
１６ レーザーモジュール
１８ 導光部
２０ リコリメータ
２２ 移動軸
２４ 回転軸
２６ 制御軸
２８ 偏向ミラー
３０ 光学系
３２ 偏向ミラー
３４ ノズル
３６ 保護ガラス
３８ 回転軸受

Claims (12)

1. 破断分割面で破断分割される２つの部材を前記破断分割面の形状により組み合わせるために、レーザーエネルギーを使用してワークピース（１）を前記破断分割面で前記２つの部材に破断分割するための方法であって、レーザービーム（１２）と前記ワークピース（１）とを相対的に移動させることにより、破断分割面（２）を定める破断分割ノッチ（４）を、連続ノッチ基部と、前記連続ノッチ基部から延びている複数のノッチ部（６）と、を含む穿孔として形成し、加工時に、レーザーの平均出力を、２０ｋＨｚ超の最大パルスレートにおいて１００Ｗ以下とし、かつ、前記レーザーの移動速度（Ｖ）を１００〜１５００ｍｍ／分の範囲で変化させ、前記レーザービームの浸透深さを変化させることにより、異なる深さ（Ｐ）を有するノッチ部（６）を形成することを特徴とする方法。
2. 請求項１において、前記レーザービーム（１２）を縦方向ノッチ軸に対して斜めに照射する方法。
3. 請求項１又は２において、前記移動速度（Ｖ）を周期関数に従って変化させる方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、加工時にレーザーのパルスパラメータを変化させる方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項において、
   パルス幅、パルス周波数、パルス振幅及び／又はパルス位相を変化させることによってパルス変調を行い、パラメータを単独又は任意の組み合わせで変化させ、所定のノッチ間距離（Ｋ）に調節されるように変調周期が選択される方法。
6. 請求項５において、一定のパルス周波数における時間制御パルスエネルギーランピングによって前記パルス変調を行う方法。
7. 請求項５又は６において、一定のパルス出力におけるパルスシーケンス／パルス周波数変調によって前記パルス変調を行う方法。
8. 破断分割面で破断分割される２つの部材を前記破断分割面の形状により組み合わせるために用いられる破断分割前のワークピースであって、前記ワークピースは、前記ワークピースの形状に応じて、前記破断分割面を定めるノッチ部が、１以上の浅いノッチ部（６）及び１以上の深いノッチ部（６）又は異なる深さ（Ｐ）を有するノッチ部（６）からなる、周期的に繰り返される配列を有するワークピース。
9. ファイバーレーザーと、破断分割面で破断分割される２つの部材を前記破断分割面の形状により組み合わせるために用いられる加工対象のワークピースに、レーザービーム（１２）を集光するレーザーヘッド（８）と、移動方向に移動する少なくとも１つの移動軸（２２）と、破断分割ノッチを形成しながら、レーザーの移動速度を変化させる制御装置（１６）と、を含み、
   前記ファイバーレーザーは、加工時に、平均出力を、２０ｋＨｚ超の最大パルスレートにおいて１００Ｗ以下とし、かつ、移動速度（Ｖ）を１００〜１５００ｍｍ／分の範囲で変化させることを特徴とするレーザー装置。
10. 請求項９において、前記制御装置（１６）は、前記破断分割ノッチを形成しながら、レーザーのパルスパラメータを変化させることを特徴とするレーザー装置。
11. 請求項９または１０において、前記移動軸（２２）は、前記破断分割ノッチを形成しながら、０．５ｇ未満の加速度で前記移動速度を変化させることができるように構成されているレーザー装置。
12. 請求項９〜１１のいずれか１項において、パルス幅、パルス周波数、パルス振幅及び／又はパルス位相を変化させることによってパルス変調を行い、パラメータを単独又は任意の組み合わせで変化させ、所定のノッチ間距離（Ｋ）に調節されるように変調周期が選択されるレーザー装置。