JPH03124385A - レーザー加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、冷延鋼板のような金属製品、あるいはかか
る製品を製造するのに使用する工具（例えば、圧延用ロ
ール）などの表面をレーザーで加工して粗面化する技術
に関し、とくに加工後の表面の目視外観性状における方
向性を解消する加工方法に関する。

（従来の技術） 金属表面を粗面化する方法にはショツトブラストや放電
加工等があるが、最近、ＣＯ□レーザーなどの高エネル
ギー密度ビームを用いた粗度の制御性に優れた粗面化方
法が開発され、塗装鮮映性に優れた自動車用鋼板の製造
に応用されつつある。

ＣＯｔレーザーによる粗面化方法は、レーザービームを
電気的、あるいは機械的方法により高周波数のパルスビ
ームに変調し、これをＮＣ制御により連続的に移動させ
ている製品、あるいは工具に照射するもので、高効率で
粗面化を行うことができるという特徴がある。その応用
例として、特公昭６２−１１９２２号公報に示される冷
延鋼板の粗面化方法があり、また、本出願人が提案した
特願昭６３６６０６２号の方法等がある。

レーザー照射による粗面の形成は上述のパルスビームの
一発毎に製品や工具の表面に一個の凹凸（以下、クレー
タ−と呼ぶ）を形成し、これを規則的に無数に配列させ
るもので、クレータ−の盛上がりや深さ、クレータ−の
間隔をレーザー出力やＮＣ制御で調整することにより粗
度のパラメーター、即ち、Ｒｍａｘ、、Ｒａ、　Ｐ、Ｐ
、１．などを任意に制御することができる。このように
、レーザー加工された粗面は、形状や大きさをコントロ
ールされた一個一個のクレータ−が規則的に配列してい
ることが特徴であり、ショツトブラストや放電加工法に
よる粗面と大きく異なる点は、その目視による外観であ
る。

鋼板の表面粗さ解析によればショツトブラストによる粗
面は様々な波長成分が不規則な位相で重規則性はロール
の回転と併進運動を一定速度で行い、５　ｋＨｚ以上の
一定周波数のパルスビームラ用いることにより得られる
もので、高速回転するロールやチョッパーを１１５００
０秒以下の短時間で回転速度を任意に変化させることは
不可能と考えられる。

（発明が解決しようとする課題） レーザー加工による粗面化には、前記のとおり多くの利
点があるが、その特有な目視外観の方向性が、用途によ
っては障害になる。そこでクレータ−の配列にある程度
の不規則性を付与し、外観における方向性を解消するこ
とが、その用途の拡大に有効であると考えられる。とこ
ろが、レーザーのパルスビームの周期や製品の回転速度
、逃道速度を前述のような短時間で変えることは困難で
あり、また、そのためのＮＣプログラムも膨大なものに
なり、実際的ではない。もちろん、数秒単位でならば、
これらの要素を変動させることば可能であるが、平均の
パルス周波数が５ｋｔｌｚ以上であるからクレータ−間
隔は変動するものの、方向なり合った曲線の集合であり
、その外観には方向性が認められず、金属光沢が失われ
、灰色に近い外観となる。このような従来の粗面化方法
によれば製品を無塗装、あるいは粗面が目視される程度
の薄い塗装や半透明な塗料による塗装を行って用いる場
合でも、特に方向を選択することなく使用することがで
きる。

一方、レーザー加工による粗面ば、上記のような状態で
使用に供すれば方向性が現れ、例えば、板同士を継いで
パネルを作る場合など、その方向性により著しく美観が
損なわれる。しかし、自動車用外板のように厚膜（６０
μｍ〜１００μｌ１１）の塗装を行えばクレータ−の目
視による識別は不可能となり、方向性は解消され、また
、塗装面のうねりが小さくなって鮮映性が向上するとい
う優れた特性を持つ。従って、レーザー加工による粗面
化鋼板は、主に厚塗装用鋼板として用いられている。

レーザーによる粗面化ではむしろ不規則なりレータ−の
配列を形成することは困難である。例えば、特公昭６１
１１９２２号公報に示される方法では、性は解消されず
、新たな周期性をもった模様が形成されるだけでなく、
粗度が位置により大きく異なり、性能、外観ともに劣下
する。また、当然のことながら、パルス周期を数秒に落
とせば不規則化は可能となろうが、全体の加工時間は図
り知れないものになり、工業的には到底実施できない。

本発明の目的は、パルス周波数を低下させることなく、
クレータ−間隔を局所的にランダムに変動させ、外観に
おける方向性を解消することができるレーザー加工方法
を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、パルス状のレーザービームにより製品の表面
に微小クレータ−をつけて粗面化する方法において、レ
ーザーの反射ミラーもしくは集光レンズをパルスの周波
数ｆＬに対し、 ｖ （ｎ　＋０．７５）　　≧−≧　（ｎ−１−０，２５）
　　　　・・・・・・・・・■Ｌ （ただし、ｎは自然数） ｆ。

または、　０．９＞　−＞０．１　　−−−−−−−−
−＠ｆ。

の何れかを満足する周波数ｆｖで振動させること、およ
び、振動させない場合のレーザー光路に対して振動させ
た場合の変位の振幅Ｘ　（ｍｍ）をクレータ−間隔Ｎ　
（ｍｍ）に対して、 ０．７１≧Ｘ≧０．１１　　・・・・・・・・・■とす
ること、を特徴とするレーザー加工方法、を要旨とする
。

上記の方法において、反射ミラーもしくは集光レンズを
高周波または超音波による振動子により振動させ、その
冷却をガス吹付けにより行うのが望ましい。

レーザーは、一般にミラーおよび集光レンズで光路の調
整やフォーカシングを行う。従って、これらの光学系の
いずれかを振動させることによって光路を変化させるこ
とができる。その振動数はパルス周波数に比較して著し
く小さければ、前述のように方向性は解消されず、周期
的な模様が現れる。そこで、超音波振動子などの周波数
が数１Ｏｋｌｌｚの振動が可能な素子により光学系部品
を振動させることによって、クレータ−間隔を不規則化
Ａは下記の式で表される。

ｆｖ Ａ＝Ｘｓｉｎ（２ｎ　π・−＋θ） ｆＬ ここで、（ｆ　、／　ｆ　Ｌ）が整数ならば、Ａ＝Ｘｓ
ｉｎθとなり変位は一定であり、方向性は解消されない
。

ｆｖとｆＬの比が整数倍より半波長逝くはずれた場合、
変位がランダムになり方向性が解消されるのである。

ｆｖ＜ｆｈのときは、変位は一定とならず、このような
干渉は起きにくいが、周期性を避けるためにはその比も
整数倍から半波長はずした方が望ましい。

また、■式で（ｆｖ／ｆＬ）＞　０．１と規定するのは
、もしｆｖがｆｔに比べ極端に小さいと、変動周期が長
過ぎて局所的に見ると効果がないからである。

■式の条件、即ち、振幅Ｘを０．７ｒ≧Ｘ≧０．１１と
するのは０．１！未満の振幅では振幅が小さ過ぎて効果
がなく、一方、０．７１を超える場合は方向する方法を
検討し、外観の優れた粗面を得るのに適正な光学系部品
の振動条件を確定したのが本発明方法の特徴である。

（作用） 本発明方法において、クレータ−間隔を不規則に変動さ
せ、粗面の方向性を解消するための方法として、レーザ
ーの光学系部品、すなわち、反射ミラーもしくは集光レ
ンズを振動させる方法を用いているのは、前述の加工物
の位置制御やパルス周期を変動させる方法と比較し、高
速でクレータ−間隔を変動させることができるからであ
る。この方法によれば、方向性を解消しながら新たな周
期性をもった模様を発生させることなく外観が改善でき
るのである。

振動の周波数ｆｖを前記０式または■式で規定するのは
、下記の理由による。

ｆｖ＞ｆｔのときは、ｆＬがｆｖの整数倍に近いと、光
路の変位がＡ＝Ｘｓｉｎ（２πｆｖｔ十〇）であり、レ
ーザーのパルスが到達する時刻がｔ＝ｎ／ｆＬ　（ｎは
自然数）となるため、上記の性は解消されるが、反面、
振幅が大き過ぎてクレータ−の疎密が現れやすく、まだ
ら模様として認識されるためである。

レーザー光学系は、高周波振動子または超音波振動子で
振動させるのが望ましい。それは、通常のレーザーによ
る粗面化加工におけるｆＬが数１０ｋｌｌｚであること
から所定のｆｖを得るためである。

かかる高周波の振動では、通常行われる光学系部品の水
冷を行うと、冷却水に振動エネルギーが奪われ、効率が
悪くなるから、冷却は空気、窒素などのガスをノズルか
ら集光レンズ、反射ミラーに吹付ける方法が望ましい。

（実施例） 第１図に示す要領で、直径１００ｍｍのＪＩＳ　５ＵＪ
−２鋼製ロール１に、クレータ−間隔０　、３ｍｍ、周
波数１２ｋｌｌｚ、レーザー出力１ｋｗで、反射ミラー
２を高周波振動子３により種々の振動数で振動させてレ
ーザー加工を行った。なお、第１図中、４はレーザー発
信器、５は固定式の反射ミラー、６は集光レンズ、７は
チョッパーである。ロール１は、そ０ の中心軸の回りに６９ｒｐｍで回転し、軸方向（矢印方
向）に３．４ｍｍ／秒の速度で移動する。なお、反射ミ
ラー、集光レンズはエアーで冷却した。

加工後のロール表面を１．５Ｘ１．５ｍｍの範囲で１０
カ所サンプリングし、「ロール周方向並び」に関す不規
則度Ｓを稠査した。

不規則度Ｓは次のようにして求める。即ち、第２図（ａ
）に示すように１．５Ｘ１’、５　ｍｍの範囲内にクレ
ータ−が２５個含まれる部分を、ロール周方向（Ｘ座標
）にクレータ−が５個づつのグループに分け、それぞれ
の５個を１列の並びとみなす。そして、第２図■）に示
すように、そのＸ座標の平均Ｘｉをとり、それぞれのグ
ループに対しＸｉである線、つまり平均線を求め、その
平均線に対するばらつきを下記のように計算し不規則度
Ｓとする。

Ｓ　＝　Σ　　　Σ　（Ｘ！−Ｘ　五）２１・重ｊ−１
” １ 一定になり、Ｓ−０、すなわち方向性が解消されない。

Ｎα１０〜１３は本発明例で、Ｓ、疎密とも良好だが、
ｆ　ｖ／　ｆ　Ｌが整数分の１になっているＮｏ、１１
．１３では第３図（ａ）に示すように線並びが認められ
るので前述のようにＮα１０．１２の方が望ましい。

Ｎα１４〜１８はｆｖ＞ｆＬの場合で、ｆ　ｖ／　ｒ　
Ｌが整となるＮα１５．１７．１８はすべて線並びが認
められ、方向性は解消されない。Ｎα１４．１６は本発
明例で良好な結果が得られている。

以上、第１図に示す反射ミラー２を振動させる実施例に
ついて説明した。この外に、集光レンズ６を振動させる
方法も実験したところ、全く同じ効果が得られることが
確認された。

３ 第１表に、反射ミラー（第１図の２）の振動周波数ｆｖ
（ｋＨｚ）、このｆｖとパルス周波数ｆ　Ｌ（ｋＨｚ）
との比（ｆ　ｖ／　ｆ　ｔ）、反射ミラーの変位の振幅
Ｘ（ｍｍ）、Ｓ（但し、１０箇所の平均）、クレータ−
分布の粗密、および「線並び」の有無を示す。なお、「
線並び」とは、第３図（ａ）に示すように、クレータ−
がロール軸に平行な線上に一線に並んでしまう状態を言
い、この「線並び」が多くなると、目視上の方向性が現
れる。

第３図に、得られたクレータ−分布の代表的な数例を挙
げた。

第１表のＮ０１１〜８は、反射ミラーの変位の振幅Ｘの
影響を副べたもので、Ｎｏ、　１．２は振幅過小でＳが
小さく、方向性が大きい。またＮ００７．８は、振幅過
大でＳは大きいが第３図ら）のように疎密がが甚だしく
なり外観で損なわれる。Ｎｏ、３〜６は本発明例であり
、第３図（Ｃ）のように不規則度Ｓが高く粗密も適正で
ある。

Ｎｏ、　９〜１３は、ｆｖ≦ｆＬの場合のｒ　ｖ／　ｒ
　＋、の影響を訓ぺたもので、ｆｖ””ｆｔ、では干渉
により変位が２ １４ （発明の効果） 本発明方法によって粗面化された製品は、レーザー加工
特有の鮮映性を備えながら、外観における方向性が解消
されている。従って、無塗装、クリアー塗装、あるいは
薄膜塗装の状態で用いられる建材、電気製品の外板等の
製造法として好適である。また、本発明方法でロール表
面を加工し、そのロールを用いて板などを圧延すれば、
同じような優れた特性の粗面化ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法によってロール表面を粗面化する
方法の一例を説明する図、 第２図（ａ）および（ｂ）は、粗面化した表面のクレー
タ−分布の不規則度を説明する図、 第３図（ａ）〜（Ｃ）は、粗面化した表面のクレータ−
分布状態の例、である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）パルス状のレーザービームにより金属の表面に微
   小クレーターをつけて粗面化する方法において、レーザ
   ーの反射ミラーもしくは集光レンズをパルスの周波数ｆ
   ＿Ｌに対し、 （ｎ＋０．７５）≧ｆ＿Ｖ／ｆ＿Ｌ≧（ｎ＋０．２５）
   （ｎは自然数）または、　０．９＞ｆ＿Ｖ／ｆ＿Ｌ＞０
   ．１の関係にある周波数ｆ＿ｖで振動させ、かつ振動さ
   せない場合のレーザー光路に対して振動させた場合の変
   位の振幅Ｘ（ｍｍ）をクレーター間隔ｌ（ｍｍ）に対し
   て、 ０．７ｌ≧Ｘ≧０．１ｌ とすることを特徴とするレーザー加工方法。
2. （２）反射ミラーもしくは集光レンズを高周波または超
   音波による振動子により振動させ、その冷却をガス吹付
   けにより行うことを特徴とする請求項（１）のレーザー
   加工方法。