JP7297568B2 - レーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工方法に関する。

ガスタービンの静翼や動翼、航空機用エンジンの静翼、動翼および燃焼器パネルを構成するパネル等、高温に曝される部材には、耐熱性（遮熱性）が要求される。そこで、このような部材には、耐熱合金からなる金属層と、金属層の表面に積層され、遮熱性を有するサーマルバリアコーティング（ＴＢＣ）からなる保護層とを備える複合材が用いられる場合がある。

このような材料で形成した部材に、冷却用に微細な孔を形成するため、レーザ加工が用いられる場合がある。例えば、特許文献１には、冷却孔を開けるため、翼の表面に設けられた保護層を、パルス紫外線レーザで除去し、金属層をＹＡＧレーザ等で加工する構成が開示されている。

また、特許文献２には、加工対象物の保護層に大径部を形成した後、金属層に小径の補助貫通孔を切削し、この補助貫通孔を広げる態様で加工対象物に貫通孔を切削する構成が開示されている。この構成において、補助貫通孔を加工する工程では、パルス幅が１００マイクロ秒以下の短パルスレーザを照射した後、パルス幅がサブミリ秒以上のファイバレーザを照射して金属層に補助貫通孔を形成している。

米国特許第５２１６８０８号明細書 特開２０１７－２２５９９４号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたような構成では、保護層側から複合材にレーザを照射して孔を形成する場合、レーザを金属層に照射しているときに、孔が金属層を貫通する前の段階では、液状に溶融した金属が、レーザの照射方向手前側に跳ね返る。特許文献２に開示された構成においても、保護層に大径部を形成した後、金属層に補助貫通孔を形成する際に、ファイバレーザを金属層に照射すると、補助貫通孔が貫通する前の段階では、溶融金属がファイバレーザの照射方向手前側に跳ね返る。
このようにして跳ね返った溶融金属（ドロス）は、保護層及び金属層に形成中の加工穴の内周面に付着する。
このため、孔の内周面に付着した溶融金属の熱により、保護層と金属層との境界部で、保護層と金属層との剥離が生じることがある。

本開示は、上記いずれかの課題を解決するためになされたものであって、保護層と金属層との剥離を抑制できるレーザ加工方法を提供することを目的とする。

第１の態様のレーザ加工方法は、耐熱合金からなる金属層と遮熱コーティングからなる保護層とが積層された被加工材に、短パルスレーザである第一レーザを照射し、前記金属層を貫通する貫通孔を形成する工程と、前記被加工材にレーザを照射し、前記貫通孔を広げる工程と、を含む。

本態様によれば、第一レーザに短パルスレーザを用いる。短パルスレーザは、パルス幅がファイバレーザ等に比較すると短く、レーザ照射時の熱影響が小さい。このような短パルスレーザである第一レーザにより、少なくとも金属層に貫通孔を形成することで、貫通孔を形成する際に生じた溶融金属が保護層側に跳ね返るのを抑えることができる。また、貫通孔を形成することで、レーザを照射して貫通孔を広げる際に生じた溶融金属は、貫通孔を通して保護層とは反対側に排出される。これにより、貫通孔を広げる工程でも、溶融金属が保護層側に跳ね返るのを抑えることができる。
したがって、レーザ加工方法は、保護層と金属層との剥離を抑制できる。

また、第２の態様のレーザ加工方法は、前記貫通孔を形成する工程は、前記被加工材に前記第一レーザを照射し、前記保護層と前記金属層とを貫通する前記貫通孔を形成する第１の態様のレーザ加工方法である。

本態様によれば、第一レーザにより、保護層と金属層とを貫通する貫通孔を、効率良く形成することができる。また、熱影響を受けやすい保護層を、短パルスレーザである第一レーザにより加工することで、保護層への熱影響を抑え、良好な品質で加工を行うことができる。

また、第３の態様のレーザ加工方法は、前記貫通孔を広げる工程は、前記レーザとして前記第一レーザを前記保護層に照射し、前記保護層における前記貫通孔を広げる工程と、前記レーザとして前記第一レーザを前記金属層に照射し、前記金属層における前記貫通孔を広げる工程と、を含む第１または第２の態様のレーザ加工方法である。

本態様によれば、第一レーザにより保護層における貫通孔を広げることで、保護層への熱影響を抑え、良好な品質で加工を行うことができる。また、金属層についても、第一レーザにより貫通孔を広げることで、溶融金属が保護層側に跳ね返るのを抑えることができる。

また、第４の態様のレーザ加工方法は、前記金属層における前記貫通孔を広げる工程は、前記保護層における前記貫通孔を広げる工程よりも、前記第一レーザの出力を高める第３の態様のレーザ加工方法である。

本態様によれば、保護層において貫通孔を広げる工程では、第一レーザの出力を低くすることで、保護層への熱影響を抑えて、良好な品質で加工を行うことができる。これに対し、金属層において貫通孔を広げる工程では、第一レーザの出力を高めることにより、効率良く短時間で加工を行うことができる。

また、第５の態様のレーザ加工方法は、前記貫通孔を形成する工程の前に、前記第一レーザを前記保護層に照射し、前記貫通孔よりも内径が大きい広穴を前記保護層に形成する工程、をさらに含み、前記貫通孔を形成する工程は、前記広穴内に前記第一レーザを照射し、前記金属層を貫通する前記貫通孔を形成する第１の態様のレーザ加工方法である。

本態様によれば、短パルスレーザである第一レーザにより保護層に広穴を形成することによって、保護層への熱影響を抑え、良好な品質で加工を行うことができる。また、保護層への加工が一度で済むので、保護層と金属層とで加工条件を変更する場合に、条件変更も一度で済み、効率が高まる。

また、第６の態様のレーザ加工方法は、前記貫通孔を広げる工程が、前記広穴内に、前記レーザとして、前記第一レーザ、又は前記第一レーザよりもレーザ出力時のパルス幅が広い第二レーザを照射し、前記金属層における前記貫通孔を広げる第５の態様のレーザ加工方法である。

本態様によれば、保護層に広穴を形成した後に、第一レーザにより金属層で貫通孔を広げることで、溶融金属が保護層側に跳ね返るのを抑えることができる。また、保護層に広穴を形成した後に、第二レーザにより金属層で貫通孔を広げれば、短時間で貫通孔を広げる加工を終えることができる。

また、第７の態様のレーザ加工方法は、前記第一レーザは、レーザ出力時のパルス幅が、１ナノ秒以上１マイクロ秒以下である第１～第６のいずれかの態様のレーザ加工方法である。

本態様によれば、保護層への熱影響、金属層側からの溶融金属の保護層側への跳ね返りを、有効に抑えることができる。

また、第８の態様のレーザ加工方法は、前記金属層において前記保護層と接する表面が露出した状態で、前記第一レーザを前記貫通孔の中心軸回りに旋回させながら照射する第１～第７のいずれかの態様のレーザ加工方法である。

本態様によれば、金属層の表面が露出した状態で、第一レーザを旋回させながら照射すると、金属層の表面から微細な微粒子が飛散して保護層の内周面に付着し、金属膜が形成される。これにより、保護層の内周面が保護される。

本発明の一態様によれば、保護層と金属層との剥離を抑制できるレーザ加工方法が提供される。

第一実施形態に係るレーザ加工方法で被加工材に孔を形成するためのレーザ加工システムの機能構成を示すブロック図である。 第一実施形態に係るレーザ加工方法で用いるレーザ加工システムにおける制御装置のハードウェア構成を示す図である。 第一実施形態に係るレーザ加工方法で用いるレーザ加工システムにおける制御装置の機能ブロック図である。 第一実施形態に係るレーザ加工方法で孔を形成する被加工材の一例を示す断面図である。 第一実施形態に係るレーザ加工方法の流れを示すフローチャートである。 第一実施形態に係るレーザ加工方法において、保護層に第一レーザを照射して貫通孔を形成している途中の状態を示す断面図である。 第一実施形態に係るレーザ加工方法において、金属層に第一レーザを照射して貫通孔を形成している途中の状態を示す断面図である。 第一実施形態に係るレーザ加工方法において、保護層と金属層とを貫通する貫通孔が形成された状態を示す断面図である。 第一実施形態に係るレーザ加工方法において、保護層において拡径穴を広げている状態を示す断面図である。 第一実施形態に係るレーザ加工方法において、金属層において拡径穴を広げている途中の状態を示す断面図である。 第一実施形態に係るレーザ加工方法において、保護層と金属層とを貫通する微細孔が形成された状態を示す断面図である。 第一実施形態の変形例に係るレーザ加工方法において、金属層の表面が露出した状態で、第一レーザを旋回させながら照射している状態を示す断面図である。 第二実施形態に係るレーザ加工方法で被加工材に孔を形成するためのレーザ加工システムの機能構成を示すブロック図である。 第二実施形態に係るレーザ加工方法で孔を形成する被加工材の一例を示す断面図である。 第二実施形態に係るレーザ加工方法の流れを示すフローチャートである。 第二実施形態に係るレーザ加工方法において、保護層に第一レーザを照射して広穴を形成している状態を示す断面図である。 第二実施形態に係るレーザ加工方法において、金属層に第一レーザを照射することで金属層を貫通する貫通孔が形成された状態を示す断面図である。 第二実施形態に係るレーザ加工方法において、保護層と金属層とを貫通する微細孔が形成された状態を示す断面図である。 第二実施形態の変形例に係るレーザ加工方法において、金属層の表面が露出した状態で、第一レーザを旋回させながら照射している状態を示す断面図である。

以下、本発明に係る各種実施形態について、図面を用いて説明する。

＜第一実施形態＞
以下、本発明の第一実施形態に係るレーザ加工方法について図１～図１１を参照して説明する。
図１は、第一実施形態に係るレーザ加工方法で被加工材に孔を形成するためのレーザ加工システムの機能構成を示すブロック図である。
図１に示されるように、本実施形態におけるレーザ加工方法で用いるレーザ加工システム１Ａは、レーザ光源２と、光学系３と、ノズル４と、ステージ５と、ステージ駆動機構６と、制御装置７と、を備えている。

レーザ光源２は、第一レーザＢ１を発振する。
第一レーザＢ１は、短パルスレーザである。
ここで、「短パルスレーザ」とは、１００マイクロ秒以下のパルス幅を有するレーザを意味する。
本実施形態では、レーザ光源２は、短パルスレーザとして、１００フェムト秒以上１０マイクロ秒以下のパルス幅を有する第一レーザＢ１を発振する。
第一レーザＢ１の、より好ましいパルス幅は、０.１ナノ秒以上１マイクロ秒以下である。
第一レーザＢ１の、さらにより好ましいパルス幅は、１ナノ秒以上１マイクロ秒以下である。
また、レーザ光源２で発振する第一レーザＢ１のパルス周波数は、例えば、１０ｋＨｚ～１０００ｋＨｚである。

光学系３は、レーザ光源２で発振された第一レーザＢ１を、ノズル４に案内する。光学系３は、第一レーザＢ１を、被加工材１００Ａ上の所定の照射位置に集光するための集光光学系（図示無し）。第一レーザＢ１を走査させるための走査機構、第一レーザＢ１の照射角度を変更する照射角度変更機構（図示無し）等を備える。このような光学系３としては、例えば、プリズムを用いた光学系や、ガルバノスキャナー等を用いることができる。なお、この光学系３の具体的な構成については、所要の機能を果たすことができるのであれば、何ら限定するものではない。

ノズル４は、光学系３によって案内された第一レーザＢ１を、被加工材１００Ａに照射する。

ステージ５は、ノズル４に対向して配置されている。ステージ５は、被加工材１００Ａを支持する。

ステージ駆動機構６は、ステージ５を、ノズル４から照射される第一レーザＢ１の照射軸方向に直交する面内で、被加工材１００Ａを支持するステージ５を移動させる。ステージ駆動機構６は、照射軸方向に直交する面内で互いに直交する２方向（Ｘ－Ｙ方向）に延びる２組のガイド（図示無し）と、各ガイドに沿ってステージ５を移動させる駆動部（図示無し）等を備える。また、ステージ駆動機構６は、ステージ５を、第一レーザＢ１の照射軸方向（Ｚ方向）に移動させるようにしてもよい。

図２は、一実施形態に係るレーザ加工方法で用いるレーザ加工システムにおける制御装置のハードウェア構成を示す図である。
図２に示すように、制御装置７は、レーザ光源２における第一レーザＢ１の発振、光学系３の動作、ステージ駆動機構６の動作等を制御する。制御装置７は、ＣＰＵ７１（Central Processing Unit）、ＲＯＭ７２（Read Only Memory）、ＲＡＭ７３（Random Access Memory）、ＨＤＤ７４（Hard Disk Drive）、信号送受信モジュール７５等を備えるコンピュータである。信号送受信モジュール７５は、レーザ光源２、光学系３、ステージ駆動機構６との間で、制御のための信号を送受信する。

図３は、第一実施形態に係るレーザ加工方法で用いるレーザ加工システムにおける制御装置の機能ブロック図である。
図３に示すように、制御装置７のＣＰＵ７１は、予め自装置で記憶するプログラムを実行することにより、光源制御部８１、光学系制御部８２、ステージ制御部８３、信号送受信部８４の各構成を備える。
光源制御部８１は、レーザ光源２における第一レーザＢ１の発振を制御する。光学系制御部８２は、光学系３各部の動作を制御する。ステージ制御部８３は、ステージ駆動機構６によるステージ５の動作を制御する。信号送受信部８４は、ハードウェア的には信号送受信モジュール７５であり、レーザ光源２、光学系３、ステージ駆動機構６との間で制御のための信号を送受信する。

図４は、第一実施形態に係るレーザ加工方法で孔を形成する被加工材の一例を示す断面図である。
図４に示すように、上記レーザ加工システム１Ａによってレーザ加工がなされる被加工材１００Ａは、金属層１０１と、保護層１０２とが積層された積層体からなる。被加工材１００Ａは、例えば、ガスタービンの静翼や動翼、航空機用エンジンの燃焼器を構成するパネル等、高温に曝される部材である。本実施形態では、被加工材１００Ａは、その厚さが、例えば数ｍｍ以下の薄板である。

金属層１０１は、例えばニッケル（Ｎｉ）基合金等の、耐熱合金からなる。そのほか、チタン合金、ハステロイ、トミロイ、ステンレス、耐熱鋼、チタン、タングステンなどで形成される材料にも適用可能である。

保護層１０２は、金属層１０１の一面を覆うように形成されている。保護層１０２は、サーマルバリアコーティング（ＴＢＣ：遮熱コーティング）であり、例えば、（イットリア安定化ジルコニア：Ｙｉｔｔｒｉａ－Ｓｔａｂｉｌｉｓｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）から形成されている。保護層１０２の厚さは、例えば、０．１～２ｍｍ程度である。保護層の厚さは、必要とされる耐熱性能から決められる。

本実施形態のレーザ加工方法では、このような被加工材１００Ａの金属層１０１及び保護層１０２に対し、例えば、０．５ｍｍ以下の内径を有した微細孔２００（図１１参照）を形成する。本実施形態では、例えば、被加工材１００Ａに対し、その加工材表面１００ｆに直交した方向に延びる微細孔２００を形成する。

次に、本実施形態に係るレーザ加工方法について説明する。
図５は、第一実施形態に係るレーザ加工方法の流れを示すフローチャートである。
図５に示すように、本実施形態に係るレーザ加工方法は、貫通孔２０１Ａを形成する工程Ｓ１と、貫通孔２０１Ａを広げる工程Ｓ２と、を含む。以下の各工程におけるレーザ加工システム１Ａの動作は、上記制御装置７のＣＰＵ７１がプログラムを実行することにより、光源制御部８１、光学系制御部８２、ステージ制御部８３、信号送受信部８４の各部の動作を制御することによって行われる。

貫通孔２０１Ａを形成する工程Ｓ１では、短パルスレーザである第一レーザＢ１を照射し、被加工材１００Ａに金属層１０１を貫通する貫通孔２０１Ａを形成する。
例えば、貫通孔２０１Ａを形成する工程Ｓ１では、短パルスレーザである第一レーザＢ１を照射し、被加工材１００Ａに保護層１０２と金属層１０１とを貫通する貫通孔２０１Ａを形成してもよい。
貫通孔２０１Ａを形成するために、ステージ５（図１参照）上の被加工材１００Ａに、レーザ光源２で発振され、光学系３を経た第一レーザＢ１が、ノズル４から照射される。本実施形態において形成する貫通孔２０１Ａの内径は、例えば０．２ｍｍ程度である。

図６は、第一実施形態に係るレーザ加工方法において、保護層に第一レーザを照射して貫通孔を形成している途中の状態を示す断面図である。
図６に示すように、第一レーザＢ１は、被加工材１００Ａの保護層１０２側の加工材表面１００ｆに照射される。第一レーザＢ１は、光学系３により、その照射軸周りに旋回するように走査させてもよい。第一レーザＢ１の照射により、まず、保護層１０２に加工穴２０２ｓが形成されていく。このとき、第一レーザＢ１は、パルス幅がファイバレーザ等に比較すると短い短パルスレーザであるので、レーザ照射時の熱影響が、保護層１０２の加工穴２０２ｓに及ぶことが抑えられる。

図７は、第一実施形態に係るレーザ加工方法において、金属層に第一レーザを照射して貫通孔を形成している途中の状態を示す断面図である。
図７に示すように、第一レーザＢ１の照射を継続すると、保護層１０２を貫通する貫通孔２０１Ａｓが形成される。さらに第一レーザＢ１の照射を継続すると、貫通孔２０１Ａｓの下方に連続して、金属層１０１に加工穴２０２ｍが形成されていく。短パルスレーザである第一レーザＢ１を用いることで、未貫通の加工穴２０２ｍにおいて、金属層１０１が溶融することで生じる溶融金属が、保護層１０２側に跳ね返ることが抑えられる。

図８は、第一実施形態に係るレーザ加工方法において、保護層と金属層とを貫通する貫通孔が形成された状態を示す断面図である。
図８に示すように、第一レーザＢ１の照射をさらに継続すると、加工穴２０２ｍが貫通し、金属層１０１に貫通孔２０１Ａｍが形成される。これにより、保護層１０２の貫通孔２０１Ａｓと金属層１０１の貫通孔２０１Ａｍとが連通し、被加工材１００Ａに保護層１０２と金属層１０１とを貫通する貫通孔２０１Ａが形成される。

貫通孔２０１Ａが形成された後、貫通孔２０１Ａを広げる工程Ｓ２に移行する。
貫通孔２０１Ａを広げる工程Ｓ２は、被加工材１００Ａに第一レーザ（レーザ）Ｂ１を照射し、貫通孔２０１Ａを広げ、微細孔２００を形成する。図５に示すように、本実施形態において、貫通孔２０１Ａを広げる工程Ｓ２は、保護層１０２において貫通孔２０１Ａｓを広げる工程Ｓ３と、金属層１０１において貫通孔２０１Ａｍを広げる工程Ｓ４と、を、含む。

図９は、第一実施形態に係るレーザ加工方法において、保護層において貫通孔２０１Ａｓを広げている状態を示す断面図である。
図９に示すように、保護層１０２における貫通孔２０１Ａｓを広げる工程Ｓ３では、第一レーザ（レーザ）Ｂ１を保護層１０２に照射し、保護層１０２に形成された貫通孔２０１Ａｓの内径を広げる。この工程Ｓ３では、光学系３やステージ駆動機構６の動作により、被加工材１００Ａに対し、第一レーザＢ１を、貫通孔２０１Ａｓの中心軸周りに旋回するように走査させる。これにより、貫通孔２０１Ａｓの内径が広げられ、保護層１０２に拡径穴２０３ｓが形成されていく。短パルスレーザである第一レーザＢ１により保護層１０２における貫通孔２０１Ａｓを広げることで、保護層１０２への熱影響が抑えられる。
拡径穴２０３ｓが、形成すべき微細孔２００の内径まで拡径されたら、保護層１０２における貫通孔２０１Ａｓを広げる工程Ｓ３を終了し、金属層１０１における貫通孔２０１Ａｍを広げる工程Ｓ４に移行する。

図１０は、第一実施形態に係るレーザ加工方法において、金属層において貫通孔２０１Ａｍを広げている途中の状態を示す断面図である。
図１０に示すように、金属層１０１における貫通孔２０１Ａｍを広げる工程Ｓ４では、第一レーザＢ１を、拡径穴２０３ｓ内に露出した金属層１０１に照射し、金属層１０１における貫通孔２０１Ａｍの内径を広げる。この工程Ｓ４においても、光学系３やステージ駆動機構６の動作により、被加工材１００Ａに対し、第一レーザＢ１が貫通孔２０１Ａｍの中心軸周りに旋回するように走査される。これにより、貫通孔２０１Ａｍの内径が広げられ、金属層１０１に拡径穴２０３ｍが形成されていく。
ここで、貫通孔２０１Ａｍの内径を広げる際に生じた溶融金属は、貫通孔２０１Ａを通して保護層１０２とは反対側の下方に排出される。また、この工程Ｓ４では、パルス幅がファイバレーザ等に比較すると短い短パルスレーザである第一レーザＢ１を用いているので、貫通孔２０１Ａｍの内径を広げる際に生じた溶融金属が保護層１０２側に跳ね返ることも抑制される。

また、金属層１０１における貫通孔２０１Ａｍを広げる工程Ｓ４では、金属層１０１に照射する第一レーザＢ１の出力を、保護層１０２における貫通孔２０１Ａｓを広げる工程Ｓ３のときの第一レーザＢ１の出力よりも高める。このように、金属層１０１において貫通孔２０１Ａｍを広げる工程Ｓ４で第一レーザＢ１の出力を高めることにより、拡径穴２０３ｍの形成を、効率良く短時間で行える。

図１１は、第一実施形態に係るレーザ加工方法において、保護層と金属層とを貫通する微細孔が形成された状態を示す断面図である。
図１１に示すように、金属層１０１への第一レーザＢ１の照射を継続していくと、拡径穴２０３ｍが金属層１０１を貫通する。これにより、保護層１０２の拡径穴２０３ｓと金属層１０１の拡径穴２０３ｍとが連通し、被加工材１００Ａの保護層１０２と金属層１０１とを貫通する微細孔２００が形成される。

本実施形態では、レーザ加工方法は、耐熱合金からなる金属層１０１と遮熱コーティングからなる保護層１０２とが積層された被加工材１００Ａに、短パルスレーザである第一レーザＢ１を照射し、被加工材１００Ａの少なくとも金属層１０１を貫通する貫通孔２０１Ａを形成する工程Ｓ１と、被加工材１００Ａに第一レーザＢ１を照射し、貫通孔２０１Ａを広げる工程Ｓ２と、を含む。このような構成によれば、第一レーザＢ１に短パルスレーザを用いる。短パルスレーザは、パルス幅がファイバレーザ等に比較すると短く、レーザ照射時の熱影響が小さい。このような短パルスレーザである第一レーザＢ１で金属層１０１に貫通孔２０１Ａを形成することで、貫通孔２０１Ａを形成する際に生じた溶融金属が保護層１０２側に跳ね返るのを抑えることができる。また、貫通孔２０１Ａを形成することで、第一レーザＢ１を照射して貫通孔２０１Ａを広げる際に生じた溶融金属は、貫通孔２０１Ａを通して保護層１０２とは反対側に排出される。これにより、貫通孔２０１Ａを広げる工程Ｓ２でも、溶融金属が保護層１０２側に跳ね返るのを抑えることができる。したがって、レーザ加工方法は、保護層と金属層との剥離を抑制できる。
さらに、レーザ加工方法は、ドロスの付着や、ドロスの熱による保護層１０２と金属層１０１との剥離を抑えることにより、第一レーザＢ１の照射により形成される微細孔（孔）２００の品質を高めることができる。

また、貫通孔２０１Ａを形成する工程Ｓ１は、被加工材１００Ａに第一レーザＢ１を照射し、保護層１０２と金属層１０１とを貫通する貫通孔２０１Ａを形成する。このような構成によれば、第一レーザＢ１により、保護層１０２と金属層１０１とを貫通する貫通孔２０１Ａを、効率良く形成することができる。また、熱影響を受けやすい保護層１０２を、短パルスレーザである第一レーザＢ１により加工することで、保護層１０２への熱影響を抑え、良好な品質で加工を行うことができる。

また、貫通孔２０１Ａを広げる工程Ｓ２は、第一レーザＢ１を保護層１０２に照射し、保護層１０２における貫通孔２０１Ａｓを広げる工程Ｓ３と、第一レーザＢ１を金属層１０１に照射し、金属層１０１における貫通孔２０１Ａｍを広げる工程Ｓ４と、を含む。このような構成によれば、第一レーザＢ１により保護層１０２における貫通孔２０１Ａｓを広げることで、保護層１０２への熱影響を抑え、良好な品質で加工を行うことができる。また、金属層１０１についても、第一レーザＢ１により貫通孔２０１Ａｍを広げることで、溶融金属が保護層１０２側に跳ね返るのを抑えることができる。

また、金属層１０１における貫通孔２０１Ａｍを広げる工程Ｓ４は、保護層１０２における貫通孔２０１Ａｓを広げる工程Ｓ３よりも、第一レーザＢ１の出力を高める。このような構成によれば、保護層１０２において貫通孔２０１Ａｓを広げる工程Ｓ３では、第一レーザＢ１の出力を低くすることで、保護層１０２への熱影響を抑えて、良好な品質で加工を行うことができる。これに対し、金属層１０１において貫通孔２０１Ａｍを広げる工程Ｓ４では、第一レーザＢ１の出力を高めることにより、効率良く短時間で加工を行うことができる。

（第一実施形態の変形例）
図１２は、第一実施形態の変形例に係るレーザ加工方法において、金属層の表面が露出した状態で、第一レーザを旋回させながら照射している状態を示す断面図である。
図１２に示すように、変形例として、上記第一実施形態の貫通孔２０１Ａを広げる工程Ｓ２において、保護層１０２に形成された拡径穴２０３ｓの内周面に、金属膜３００を形成するようにしてもよい。
例えば、上記第一実施形態の金属層１０１における貫通孔２０１Ａｍを広げる工程Ｓ４おいて、保護層１０２に形成された拡径穴２０３ｓの内周面に、金属膜３００を形成するようにしてもよい。
例えば、金属膜３００は、保護層１０２と金属層１０１の境界をまたいで形成されてもよい。
金属膜３００を形成するために、保護層１０２における貫通孔２０１Ａｓを広げる工程Ｓ３が完了した後、拡径穴２０３ｓの内側に、金属層１０１において保護層１０２と接する表面１０１ｆが露出した状態で、第一レーザＢ１を表面１０１ｆに照射する。第一レーザＢ１は、貫通孔２０１Ａの中心軸回りに旋回させながら金属層１０１の表面１０１ｆに照射する走査を行う。すると、金属層１０１の表面１０１ｆから微細な金属微粒子が飛散して保護層１０２の拡径穴２０３ｓと金属層１０１との境界を含む内周面に付着する。これにより、保護層１０２の拡径穴２０３ｓの内周面に、スパッタリングのようにして形成された金属膜３００が形成される。
なお、本変形例では、第一レーザＢ１を、貫通孔２０１Ａの中心軸回りに旋回させているが、貫通孔２０１Ａを広げる工程Ｓ２のうちの初期段階だけ、第一レーザＢ１を、貫通孔２０１Ａの中心軸回りに旋回させて、金属膜３００を形成してもよい。
また、本変形例では、第一レーザＢ１を表面１０１ｆに照射することにより、保護層１０２の拡径穴２０３ｓと金属層１０１との境界を含む内周面に金属膜３００を形成しているが、どのような金属膜３００を形成してもよい。
例えば、保護層１０２の拡径穴２０３ｓの内周面が耐熱合金により薄く被覆されるように、第一レーザＢ１を表面１０１ｆに照射して、金属膜３００を形成してもよい。

本実施形態の変形例では、金属層１０１において保護層１０２と接する表面１０１ｆが露出した状態で、第一レーザＢ１を貫通孔２０１Ａの中心軸回りに旋回させながら照射する。このような構成によれば、金属層１０１の表面１０１ｆが露出した状態で、第一レーザＢ１を旋回させながら照射すると、金属層１０１の表面１０１ｆから微細な金属微粒子が飛散して保護層１０２の拡径穴２０３ｓと金属層１０１との境界を含む内周面に付着し、スパッタリングのような金属膜３００が形成される。この金属膜３００により、保護層１０２の拡径穴（開口）２０３ｓの内周面が保護され、その後に行われる金属層１０１において貫通孔２０１Ａｍを広げる工程Ｓ４で生じたドロスの熱により、金属層１０１と保護層１０２との剥離が生じるのを抑えることができる。

＜第二実施形態＞
次に本発明の第二実施形態について図１３～図１８を参照して説明する。第二実施形態において、第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図１３は、第二実施形態に係るレーザ加工方法で被加工材に孔を形成するためのレーザ加工システムの機能構成を示すブロック図である。
図１３に示されるように、本実施形態におけるレーザ加工方法で用いるレーザ加工システム１Ｂは、第一レーザ光源２Ｂと、第二レーザ光源８と、光源切換部９と、光学系３Ｂと、ノズル４と、ステージ５と、ステージ駆動機構６と、制御装置７Ｂと、を備えている。

第一レーザ光源２Ｂは、第一レーザＢ１１を発振する。
第一レーザＢ１１は、短パルスレーザである。
本実施形態では、第一レーザ光源２Ｂは、短パルスレーザとして、１００フェムト秒以上１０マイクロ秒以下のパルス幅を有する第一レーザＢ１１を発振する。
第一レーザＢ１１の、より好ましいパルス幅は、０．１ナノ秒以上１マイクロ秒以下である。
第一レーザＢ１１の、さらにより好ましいパルス幅は、１ナノ秒以上１マイクロ秒以下である。
また、第一レーザ光源２Ｂで発振する第一レーザＢ１１のパルス周波数は、例えば、１０ｋＨｚ～１０００ｋＨｚである。このような第一レーザ光源２Ｂとしては、例えば、ファイバレーザやＹＡＧレーザを用いることができる。

第二レーザ光源８は、第一レーザＢ１１よりもパルス幅が広い第二レーザＢ１２を発振する。本実施形態において、第二レーザ光源８で発振する第二レーザＢ１２は、例えば、１０マイクロ秒以上１００ミリ秒以下のパルス幅を有する。
第二レーザＢ１２の、より好ましいパルス幅は、０．０５ミリ秒以上１０ミリ秒以下である。
第二レーザＢ１２の、さらにより好ましいパルス幅は、０．１ミリ秒以上１ミリ秒以下である。
また、第二レーザ光源８で発振する第二レーザＢ１２のパルス周波数は、例えば、１００Ｈｚ～２００Ｈｚである。このような第二レーザ光源８としては、例えば、ファイバレーザ、ＹＡＧレーザ等を用いることができる。

光源切換部９は、第一レーザ光源２Ｂで発振された第一レーザＢ１１と、第二レーザ光源８で発振された第二レーザＢ１２とを切り換える。光源切換部９は、第一レーザ光源２Ｂで発振された第一レーザＢ１１と、第二レーザ光源８で発振された第二レーザＢ１２との一方を選択し、光学系３Ｂに供給する。光源切換部９の構成については、何ら限定するものではない。

光学系３Ｂは、光源切換部９から供給された第一レーザＢ１１、又は第二レーザＢ１２を、ノズル４に案内する。光学系３Ｂは、第一レーザＢ１１、第二レーザＢ１２を、被加工材１００Ｂ上の所定の照射位置に集光するための集光光学系（図示無し）。第一レーザＢ１１、第二レーザＢ１２を走査させるための走査機構、第一レーザＢ１１、第二レーザＢ１２の照射角度を変更する照射角度変更機構（図示無し）等を備える。このような光学系３Ｂとしては、例えば、プリズムを用いた光学系や、ガルバノスキャナー等を用いることができる。なお、この光学系３Ｂの具体的な構成については、所要の機能を果たすことができるのであれば、何ら限定するものではない。

ノズル４は、光学系３Ｂによって案内された第一レーザＢ１１又は第二レーザＢ１２を、ステージ５上の被加工材１００Ｂに照射する。

制御装置７Ｂは、第一レーザ光源２Ｂ、第二レーザ光源８における第一レーザＢ１１、第二レーザＢ１２の発振、光源切換部９における光源切換動作、光学系３Ｂの動作、ステージ駆動機構６の動作等を制御する。制御装置７Ｂのハードウェア構成は、図２に示した第一実施形態における制御装置７と同様である。図３に示すように、制御装置７Ｂは、予め自装置で記憶するプログラムを実行することにより、光源制御部８１Ｂ、光学系制御部８２、ステージ制御部８３、信号送受信部８４の各構成を備える。
光源制御部８１Ｂは、第一レーザ光源２Ｂにおける第一レーザＢ１１の発振、第二レーザ光源８における第二レーザＢ１２の発振、光源切換部９における光源切換動作を制御する。

図１４は、第二実施形態に係るレーザ加工方法で孔を形成する被加工材の一例を示す断面図である。
図１４に示すように、上記レーザ加工システム１Ｂによってレーザ加工がなされる被加工材１００Ｂは、金属層１０１と、保護層１０２とが積層された積層体からなる。被加工材１００Ｂは、例えば、ガスタービンの静翼や動翼、航空機用エンジンの燃焼器を構成するパネル等、高温に曝される部材である。本実施形態において、被加工材１００Ｂは、保護層１０２側の加工材表面１００ｇに直交する方向に対して傾斜する方向に、微細孔２００Ｂが形成される。このように、微細孔２００Ｂを被加工材１００Ｂの加工材表面１００ｇに対して傾斜して形成することで、被加工材１００Ｂをレーザ加工する寸法が、例えば数ｍｍ以上と大きくなっている。
本実施形態のレーザ加工方法では、このような被加工材１００Ｂの金属層１０１及び保護層１０２に対し、例えば、０．５ｍｍ～３ｍｍ程度の内径を有した微細孔２００Ｂを形成する。

次に、本実施形態に係るレーザ加工方法について説明する。
図１５は、第二実施形態に係るレーザ加工方法の流れを示すフローチャートである。
図１５に示すように、本実施形態に係るレーザ加工方法は、広穴（開口）２１１を保護層１０２に形成する工程Ｓ１１と、金属層１０１に貫通孔２１２を形成する工程Ｓ１２と、金属層１０１で貫通孔２１２を広げる工程Ｓ１３と、を含む。以下の各工程におけるレーザ加工システム１Ｂの動作は、上記制御装置７ＢのＣＰＵ７１がプログラムを実行することにより、光源制御部８１Ｂ、光学系制御部８２、ステージ制御部８３、信号送受信部８４の各部の動作を制御することによって行われる。

図１６は、第二実施形態に係るレーザ加工方法において、保護層に第一レーザを照射して広穴を形成している状態を示す断面図である。
図１６に示すように、広穴２１１を保護層１０２に形成する工程Ｓ１１では、第一レーザＢ１１を保護層１０２に照射し、広穴２１１を形成する。これには、図１３に示したレーザ加工システム１Ｂにおいて、光源切換部９で、第一レーザ光源２Ｂを選択する。ステージ５上の被加工材１００Ｂに、第一レーザ光源２Ｂで発振され、光学系３Ｂを経た第一レーザＢ１１を、ノズル４から照射する。広穴２１１は、形成すべき微細孔２００Ｂと同じ内径を有している。広穴２１１は、工程Ｓ１２で金属層１０１に形成する貫通孔２１２よりも内径が大きい。第一レーザＢ１１は、光学系３Ｂやステージ駆動機構６の動作により、被加工材１００Ｂに対して、第一レーザＢ１１の照射軸周りに旋回するように走査される。このように、短パルスレーザである第一レーザＢ１１により保護層１０２に広穴２１１を形成することによって、保護層１０２への熱影響が抑えられる。
保護層１０２に、微細孔２００Ｂと同じ内径を有し、保護層１０２を貫通する広穴２１１が形成されたら、工程Ｓ１２に進む。

図１７は、第二実施形態に係るレーザ加工方法において、金属層に第一レーザを照射することで金属層を貫通する貫通孔が形成された状態を示す断面図である。
図１７に示すように、金属層１０１に貫通孔２１２を形成する工程Ｓ１２では、短パルスレーザである第一レーザＢ１１を照射し、被加工材１００Ｂの金属層１０１に貫通孔２１２を形成する。これには、ステージ５（図１３参照）上の被加工材１００Ｂに、第一レーザ光源２Ｂで発振され、光学系３Ｂを経た第一レーザＢ１１を、ノズル４から照射する。本実施形態において、貫通孔２１２の内径は、例えば０．２ｍｍ程度である。

金属層１０１に貫通孔２１２を形成する際に、短パルスレーザである第一レーザＢ１１を用いることで、貫通孔２１２が未貫通の状態であっても、金属層１０１が溶融することで生じる溶融金属が、保護層１０２側に跳ね返ることが抑えられる。金属層１０１に貫通孔２１２が形成された後、金属層１０１で貫通孔２１２を広げる工程Ｓ１３に移行する。

図１８は、第二実施形態に係るレーザ加工方法において、保護層と金属層とを貫通する微細孔が形成された状態を示す断面図である。
図１８に示すように、金属層１０１で貫通孔２１２を広げる工程Ｓ１３は、被加工材１００Ｂに第二レーザ（レーザ）Ｂ１２を照射して、金属層１０１に形成された貫通孔２１２の内径を広げる。これには、図１３に示したレーザ加工システム１Ｂにおいて、光源切換部９で、第二レーザ光源８を選択する。ステージ５上の被加工材１００Ｂに、第二レーザ光源８で発振されて光学系３Ｂを経た第二レーザＢ１２を、ノズル４から照射する。この工程Ｓ１３では、光学系３Ｂやステージ駆動機構６の動作により、被加工材１００Ｂに対し、第二レーザＢ１２を、貫通孔２１２の中心軸周りに旋回するように走査させる。

拡径穴２３１が、形成すべき微細孔２００Ｂの内径まで拡径されると、被加工材１００Ｂには、広穴２１１と内径が広げられた貫通孔２１２とが連通した微細孔２００Ｂが貫通形成される。
ここで、貫通孔２１２の内径を広げる際に生じた溶融金属は、貫通孔２１２を通して保護層１０２とは反対側の下方に排出される。また、この工程Ｓ１３では、パルス幅が短パルスレーザである第一レーザＢ１１に比較するとパルス幅が長い第二レーザＢ１２を用いている。したがって、貫通孔２１２の内径を広げる加工を、第一レーザＢ１１を用いる場合よりも短時間で行える。
なお、この貫通孔２１２を広げる工程Ｓ１３では、第二レーザＢ１２に代えて、第一レーザ光源２Ｂで発振する第一レーザＢ１１を用いるようにしてもよい。

本実施形態では、レーザ加工方法は、耐熱合金からなる金属層１０１と遮熱コーティングからなる保護層１０２とが積層された被加工材１００Ｂに、短パルスレーザである第一レーザＢ１１を照射し、被加工材１００Ｂの金属層１０１を貫通する貫通孔２１２を形成する工程Ｓ１２と、被加工材１００Ｂに第二レーザＢ１２を照射し、貫通孔２１２を広げる工程Ｓ１３と、を含む。このような構成によれば、短パルスレーザである第一レーザＢ１１で金属層１０１に貫通孔２１２を形成することで、貫通孔２１２を形成する際に生じた溶融金属が保護層１０２側に跳ね返るのを抑えることができる。また、貫通孔２１２を形成することで、第二レーザＢ１２を照射して貫通孔２１２を広げる際に生じた溶融金属は、貫通孔２１２を通して保護層１０２とは反対側に排出される。これにより、貫通孔２１２を広げる工程Ｓ１３でも、溶融金属が保護層１０２側に跳ね返るのを抑えることができる。
したがって、レーザ加工方法は、保護層と金属層との剥離を抑制できる。
さらに、レーザ加工方法は、ドロスの付着や、ドロスの熱による保護層１０２と金属層１０１との剥離を抑えることにより、第一レーザＢ１１、第二レーザＢ１２の照射により形成される微細孔（孔）２００Ｂの品質を高めることができる。

また、貫通孔２１２を形成する工程Ｓ１２の前に、第一レーザＢ１１を保護層１０２に照射し、貫通孔２１２よりも内径が大きい広穴２１１を保護層１０２に形成する工程Ｓ１１をさらに含む。また、貫通孔２１２を形成する工程Ｓ１２は、広穴２１１内に第一レーザＢ１１を照射し、金属層１０１を貫通する貫通孔２１２を形成する。このような構成によれば、短パルスレーザである第一レーザＢ１１により広穴２１１及び貫通孔２１２を形成することによって、保護層１０２への熱影響を抑え、良好な品質で加工を行うことができる。また、保護層１０２への加工が一度で済むので、保護層１０２と金属層１０１とで加工条件を変更する場合に、条件変更も一度で済み、効率が高まる。

また、貫通孔２１２を広げる工程Ｓ１３は、広穴２１１内に、第一レーザＢ１１よりもレーザ出力時のパルス幅が広い第二レーザＢ１２を照射し、金属層１０１における貫通孔２１２を広げる。このような構成によれば、保護層１０２に広穴２１１を形成した後に、第二レーザＢ１２により金属層１０１で貫通孔２１２を広げることで、短時間で貫通孔２１２を広げる加工を終えることができる。

（第二実施形態の変形例）
図１９は、第二実施形態の変形例に係るレーザ加工方法において、金属層の表面が露出した状態で、第一レーザを旋回させながら照射している状態を示す断面図である。
図１９に示すように、上記第二実施形態の金属層１０１に貫通孔２１２を形成する工程Ｓ１２において、保護層１０２に形成された広穴２１１の内周面に、金属膜３００Ｂを形成するようにしてもよい。
例えば、金属膜３００Ｂは、保護層１０２と金属層１０１の境界をまたいで形成されてもよい。
金属膜３００Ｂを形成するため、広穴２１１を保護層１０２に形成する工程Ｓ１１が完了した後、広穴２１１の内側に、金属層１０１において保護層１０２と接する表面１０１ｇが露出した状態で、第一レーザＢ１１を表面１０１ｇに照射する走査を行う。第一レーザＢ１１は、貫通孔２１２の中心軸回りに旋回させながら金属層１０１の表面１０１ｇに照射される。すると、金属層１０１の表面１０１ｇから微細な金属微粒子が飛散して保護層１０２の広穴２１１の内周面に付着する。これにより、保護層１０２の広穴２１１と金属層１０１との境界を含む内周面に、スパッタリングのようにして形成された金属膜３００Ｂが形成される。

本実施形態の変形例では、金属層１０１において保護層１０２と接する表面１０１ｇが露出した状態で、第一レーザＢ１１を貫通孔２１２の中心軸回りに旋回させながら照射する。このような構成によれば、金属層１０１の表面１０１ｇが露出した状態で、第一レーザＢ１１を旋回させながら照射すると、金属層１０１の表面１０１ｇから微細な金属微粒子が飛散して保護層１０２の広穴２１１と金属層１０１との境界を含む内周面に付着し、スパッタリングのような金属膜３００Ｂが形成される。この金属膜３００Ｂにより、保護層１０２の広穴２１１の内周面が保護され、その後に行われる金属層１０１で貫通孔２１２を広げる工程Ｓ１３で生じたドロスの熱により、金属層１０１と保護層１０２との剥離が生じるのを抑えることができる。
なお、本変形例では、第一レーザＢ１１を、貫通孔２１２の中心軸回りに旋回させているが、貫通孔２１２を形成する工程Ｓ１２のうちの初期段階だけ、第一レーザＢ１１を、貫通孔２１２の中心軸回りに旋回させて、金属膜３００Ｂを形成してもよい。
また、本変形例では、第一レーザＢ１１を表面１０１ｇに照射することにより、保護層１０２の広穴２１１と金属層１０１との境界を含む内周面に金属膜３００Ｂを形成しているが、どのような金属膜３００Ｂを形成してもよい。
例えば、保護層１０２の広穴２１１の内周面が耐熱合金により薄く被覆されるように、第一レーザＢ１１を表面１０１ｇに照射して、金属膜３００Ｂを形成してもよい。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものとする。

１Ａ…レーザ加工システム
１Ｂ…レーザ加工システム
２…レーザ光源
２Ｂ…第一レーザ光源
３…光学系
３Ｂ…光学系
４…ノズル
５…ステージ
６…ステージ駆動機構
７…制御装置
７Ｂ…制御装置
８…第二レーザ光源
９…光源切換部
７１…ＣＰＵ
７２…ＲＯＭ
７３…ＲＡＭ
７４…ＨＤＤ
７５…信号送受信モジュール
８１…光源制御部
８１Ｂ…光源制御部
８２…光学系制御部
８３…ステージ制御部
８４…信号送受信部
１００Ａ…被加工材
１００Ｂ…被加工材
１００ｆ…加工材表面
１００ｇ…加工材表面
１０１…金属層
１０１ｆ…表面
１０１ｇ…表面
１０２…保護層
２００…微細孔（孔）
２００Ｂ…微細孔（孔）
２０１Ａ…貫通孔
２０１Ａｍ…貫通孔
２０１Ａｓ…貫通孔
２０２ｍ…加工穴
２０２ｓ…加工穴
２０３ｍ…拡径穴
２０３ｓ…拡径穴（開口）
２１１…広穴（開口）
２１２…貫通孔
２３１…拡径穴
３００…金属膜
３００Ｂ…金属膜
Ｂ１…第一レーザ（レーザ）
Ｂ１１…第一レーザ
Ｂ１２…第二レーザ（レーザ）

Claims (7)

1. 耐熱合金からなる金属層と遮熱コーティングからなる保護層とが積層された被加工材に、短パルスレーザである第一レーザを照射し、前記金属層を貫通する貫通孔を形成する工程と、
   前記被加工材に前記第一レーザ、又は前記第一レーザよりもレーザ出力時のパルス幅が広い第二レーザを照射し、前記貫通孔を広げる工程と、
   を含み、
   前記第一レーザは、レーザ出力時のパルス幅が、１００フェムト秒以上１０マイクロ秒以下であるレーザ加工方法。
2. 前記貫通孔を形成する工程は、前記被加工材に前記第一レーザを照射し、前記保護層と前記金属層とを貫通する前記貫通孔を形成する請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記貫通孔を広げる工程は、
   前記第一レーザを前記保護層に照射し、前記保護層における前記貫通孔を広げる工程と、
   前記第一レーザを前記金属層に照射し、前記金属層における前記貫通孔を広げる工程と、を含む請求項１または請求項２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記金属層における前記貫通孔を広げる工程は、前記保護層における前記貫通孔を広げる工程よりも、前記第一レーザの出力を高める請求項３に記載のレーザ加工方法。
5. 前記貫通孔を形成する工程の前に、前記第一レーザを前記保護層に照射し、前記貫通孔よりも内径が大きい広穴を前記保護層に形成する工程、をさらに含み、
   前記貫通孔を形成する工程は、前記広穴内に前記第一レーザを照射し、前記金属層を貫通する前記貫通孔を形成する請求項１に記載のレーザ加工方法。
6. 前記貫通孔を広げる工程は、前記広穴内に、前記第一レーザ、又は前記第二レーザを照射し、前記金属層における前記貫通孔を広げる請求項５に記載のレーザ加工方法。
7. 前記金属層において前記保護層と接する表面が露出した状態で、前記第一レーザを前記貫通孔の中心軸回りに旋回させながら照射する
   請求項１から６の何れか一項に記載のレーザ加工方法。

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