JPH07284965A - レーザマーキング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 文字線幅を大きく、深彫りの刻印を必要とす
る圧延ロール等刻印を行う方法において、低コストでド
ロス堆積が少なく均一な文字線形状が得られる刻印方法
を提供することを目的とする。 【構成】 パルスレーザを光ファイバーにて伝送し、伝
送された該パルスレーザを集光して被加工表面を照射す
るごとくなすと共に、被加工表面でのレーザビーム径を
文字線幅と同一とし、レーザパルスを重ね照射しながら
文字や図形パターンを描くように走査させるレーザマー
キング方法。及びアシストガスをレーザビームと同軸に
設けて、加工表面へ照射するごとくなし、アシストガス
照射方向をレーザビームの走査方向と同じになるように
制御するレーザマーキング方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧延ロールの軸端面等
に施される太幅文字、図形のマーキング装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】圧延用ロールなどの製造工程において、
鋳造番号やロール識別のため、軸両端面に文字や数字等
を刻印する必要がある。この刻印文字は、油膜が付着し
たり、打ち傷等が発生しても判読できるように、３ｍｍ
以上の太線で１ｍｍ以上の深彫りを行っている。従来こ
の刻印は、エアーチョッパ等の切削工具を用い、文字形
状や文字位置決めに熟練技術を必要とした人手作業で行
われている。

【０００３】また太線文字加工を行う別の方法として、
エンドミルなどを用いた機械的な切削加工方法がある。
しかしこのような装置を使用する場合、大重量のロール
を搭載、把持する機構や、切削時の反力を受ける構造が
必要であり、装置が大型化し、コストが高くなる。

【０００４】一方ＩＣパッケージやドリル工具等の線幅
０．２ｍｍ程度の微細文字の加工に近年レーザが多用さ
れている。このレーザマーキング装置は、レーザを集光
した高パワー密度を利用し、非接触で被加工物表面を焼
付け、または蒸発させてマーキングを施す装置である。
レーザマーキングの方法としてはマスクにレーザビーム
を通過させ、レーザビーム形状を文字状に整形し、被加
工物表面を焼き付ける方法である。またレーザビームを
走査させる方法として、特開昭６０−１０６６８６号公
報の様にＸＹ駆動装置によるものがある。この様な従来
のレーザマーキング法は、線幅の比較的小さい微細文字
を対象としており、本発明が目的とする太線深彫マーキ
ングを効率よく行う方法について述べられていない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】圧延用ロール刻印にお
いては、文字線幅を大きく、深彫りの刻印を必要とす
る。上記従来技術の様に機械式では、装置が大型となり
装置コストが大きくなる。また微細文字に適した従来レ
ーザマーキング方法で文字線幅を大きくするために文字
線幅方向にレーザビームを走査すると、既に加工済み面
に加工中のドロスが堆積し、均一な深さを有す文字線を
形成できない。

【０００６】本発明は文字線幅を大きく、深彫りの刻印
を必要とする圧延ロール等刻印を行う方法において、低
コストでドロス堆積が少なく均一な文字線形状が得られ
る刻印方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨は、レーザ
ビームを照射してマーキングする方法において、パルス
レーザを光ファイバーにて伝送し、伝送された該パルス
レーザを集光して被加工表面を照射するごとくなすと共
に、被加工表面でのレーザビーム径を文字線幅と同一と
し、レーザパルスを重ね照射しながら文字や図形パター
ンを描くように走査させることを特徴とするレーザマー
キング方法。およびアシストガスをレーザビームと同軸
に設けて、加工表面へ照射するごとくなし、アシストガ
ス照射方向をレーザビームの走査方向と同じになるよう
に制御することを特徴とするレーザマーキング方法であ
る。

【０００８】

【作用】以下、本発明を図面に示す実施態様例により説
明する。図１は、本発明によりロール１の軸端面２に刻
印を施している状態を示している。パルスＹＡＧレーザ
３から放出されるレーザビーム４を入射光学系５により
光ファイバー６に入射し、該光ファイバー６によりレー
ザビーム４を被加工材の近傍まで伝送する。該光ファイ
バー６に他端は加工ヘッド７につながっており、該加工
ヘッド７はＸＹＺ移動装置８に取り付けられている。加
工ヘッド７には、レーザビームを文字線幅に集光するよ
うにコリメートレンズ９及び集光レンズ１０とアシスト
ガスを照射するアシストガスノズル１１及びロール１の
軸端面２と加工ヘッド７の距離を測定する距離測定セン
サー１２を搭載している。

【０００９】駆動装置８は加工ヘッド７をロール軸端面
２に平行した平面ＸＺに沿って文字、図形状に走査し、
さらに、もう一軸のＹ方向は距離測定センサー１２の結
果に基づいて加工ヘッド７とロールの軸端面２との距離
を一定にたもつ微小移動をおこなう。この結果、加工ヘ
ッド７は図２に示すようにレーザビーム４による加工径
を文字線幅に調整し、文字や図形のパターンに沿って走
査される。

【００１０】図２（Ａ）は加工ヘッド内のコリメートレ
ンズ９および集光レンズ１０の構成を示す概念図であ
る。コリメートレンズ９と集光レンズ１０は一定距離を
たもったまま、光ファイバー６の端面とコリメートレン
ズ９の距離ｇを制御できる。距離ｇを変化させることに
よりコリメートレンズからでるレーザビーム１３の発散
角θおよび集光レンズ１０に入射するビーム径Ｄを制御
することが出来、この結果集光レンズにより集光される
レーザビームスポット径を任意に制御できる。このため
仮に加工する文字線幅が変化してもコリメートレンズ９
と光ファイバー６の端面の距離ｇを制御するだけで、い
つでも同様の加工が行える。図２（Ｂ）に、コア径１．
０ｍｍ、ＮＡ０．２の光ファイバー、焦点距離１００ｍ
ｍのコリメートレンズ、焦点距離２００ｍｍの集光レン
ズを両レンズ間距離を５０ｍｍとして用いた場合の、光
ファイバー端面とコリメートレンズ間の距離を変化させ
た時の集光ビームスポット径の変化を示す。（勿論コリ
メートレンズと集光レンズが独立に動くようになってい
てもよい。） 図４は従来の集光ビームを文字幅方向に走査させながら
加工をする場合と比較した様子を模式的に示している。
従来の方法では、図（ｃ），（ｄ）に示す如く微細穴の
集合で文字線形状を構成することから、文字線底部の凹
凸が大きく、さらに最も問題になるのはロール刻印に必
要な太線加工を行おうとして、微細穴を密に加工する過
程で加工中の穴から飛散するドロスが既に加工済み穴１
４の中に堆積し、加工済み穴１４をふさぐため（こうし
て堆積したドロスを後処理で除去することは非常に困難
である）、均一な断面をもつ文字線形状が得られないこ
とである。これに対し、本発明では図（ａ），（ｂ）に
示す如くレーザビーム４を文字線幅と同一に集光し、被
加工材表面にパルスレーザを重ね打ちすることで、被加
工材表面を僅かづつ削りとるように文字を形成して行
く。この方法によると、最初から文字線幅と同一の太い
グルーブが形成されるため、加工済みの領域にドロスの
飛散があっても、太いグルーブ中では飛散するドロスを
遮るものがないためドルスグルーブを通り過ぎるので、
ドロスの堆積が殆ど起こらず、従来法のように加工済み
の穴がドロスにより埋まる事がない。従って線底部が均
一な文字線形状が得られる。

【００１１】図５はレーザビーム４のパルス幅とパワー
密度に対する金属の溶融状態図を示している。金属表面
の溶融に必要なレーザパワー密度はパルス幅の短縮に従
い高くなる。パルス励起レーザの場合、パルス幅が１〜
１０ｍｓｅｃ程度でこの時の溶融に必要なピーク出力密
度Ｐｄは１０８〜１０９Ｗ／ｍ² となる。このときの必
要ピーク出力ＰＪは ＰＪ＝Ｐｄ×πＷ² ／４ Ｐｄ：ピーク出力密
度 Ｗ ：文字線幅 で表され、文字線幅Ｗが３〜５ｍｍ程度とすると、必要
ピーク出力ＰＪは数ｋＷとなる。パルスＹＡＧレーザで
は平均出力１００Ｗ程度のもので必要パルス出力が得ら
れる。これに対し、Ｑスイッチパルスレーザでは、パル
ス幅が１００ｎｓｅｃオーダーとなり、ＱスイッチＹＡ
Ｇレーザで出力できるエネルギーレベルを越えたパルス
エネルギーが要求され、ロール加工に必要な溶融除去加
工は困難である。また連続発振レーザでは、必要な平均
出力が数ｋＷ以上となり、レーザ発振器が高価なものと
なる。

【００１２】したがって本発明が目的とする低コストで
文字線幅の大きな深彫り刻印を施す場合、パルスＹＡＧ
レーザが適当である。

【００１３】本発明の第２の発明では、前記第１の発明
に於て、図３の様にアシストガスノズル１１をレーザビ
ーム４の進行方向に向け、進行方向の変化にしたがって
ノズル位置を変化させ、アシストガス照射方向をレーザ
ビーム４の進行方向に合わせ制御する装置を有してい
る。アシストガスをレーザビームと同軸に照射すると、
加工により発生するドロスの飛散方向が均一になるた
め、わずかではあるが加工済み穴の底部にドロスの堆積
がおこる。アシストガスを加工済み穴と反対方向に吹く
とドロスは未加工面の方向に飛散するので、加工済み穴
底部にはドロスの堆積が起こらず、加工後のドロス処理
が不要な刻印ができる。

【００１４】

【実施例】図１に示す本発明を実施する装置（例）に、
次にしめす構成にて刻印を行った。

【００１５】（レーザ装置仕様） 定格平均出力：３００Ｗ 定格ピーク出力：１０ｋＷ （光ファイバー仕様） コア径：１．０ｍｍ ＮＡ：０．２ （加工ヘッド仕様） コリメートレンズ：焦点距離１００ｍｍ 集光レンズ：焦点距離２００ｍｍ 実施例１ 上記レーザ装置を用い、コリメートレンズと光ファイバ
ー端面の距離を８７ｍｍとして集光ビームスポット径を
３ｍｍに設定し、レーザパルスエネルギー：３０Ｊｕｌ
ｅ／Ｐｕｌｓｅ、パルス幅：３ｍｓｅｃ、パルス周波
数：１０Ｈｚにて文字線幅３ｍｍ、深さ１ｍｍの図形パ
ターンをレーザビーム走査速度３ｍｍ／ｓｅｃで加工し
た。加工後文字線底にドロスがわずかに堆積したが、グ
ラインダで容易に除去できた。加工中のアシストガスと
してエアーを用いたが、図３の様にアシストガス照射方
向をレーザビーム進行方向と同一としたら、文字線底の
ドロス堆積の無い加工が可能であった。

【００１６】実施例２ 上記レーザ装置を用い、コリメートレンズと光ファイバ
ー端面の距離を８０ｍｍとして集光ビームスポット径を
４ｍｍに設定し、レーザパルスエネルギー：３０Ｊｕｌ
ｅ／Ｐｕｌｓｅ、パルス幅：３ｍｓｅｃ、パルス周波
数：１０Ｈｚにて文字線幅４ｍｍ、深さ１ｍｍの図形パ
ターンをレーザビーム走査速度０．５ｍｍ／ｓｅｃで加
工した。加工後文字線底にドロスがわずかに堆積した
が、グラインダで容易に除去できた。加工中のアシスト
ガスとしてエアーを用いたが、図３の様にアシストガス
照射方向をレーザビーム進行方向と同一としたら、文字
線底のドロス堆積の無い加工が可能であった。

【００１７】図６に照射ビーム径に対する文字線幅の変
化、図７に文字線幅の異なる条件において、走査速度に
対する文字線深さの変化を示している。

【００１８】更に本実施例で、使用するレーザの出力を
大きくするまたはアシストガスに酸素を使用する等によ
り、加工速度をより高速に出来る。また本実施例では加
工ヘッドを動かすのにＸＹＺ３軸の移動テーブルを用い
たが、加工ヘッドをロボットアームに取り付けることに
よりより簡便で小型のロール刻印装置が構成できる。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、圧延用ロール刻印など
の文字線幅が大きく、深彫りの刻印を必要とする場合で
も、パルス励起レーザとこれを集光し加工表面を溶融さ
せる集光レンズと、アシストガスをレーザビームと同軸
に加工表面へ照射するアシストガス照射装置を備え、加
工表面でのレーザビーム加工径と文字線幅を同一とし、
レーザパルスを重ね照射しながら文字や図形パターンを
描くように走査させるレーザ刻印装置により、低コスト
でドロス堆積が少ない均一な文字線形状が得られる。

【００２０】更に、加工表面に照射するアシストガスの
照射方向を、レーザビームの進行方向と同じになるよう
に制御するアシストガス照射装置を備えることにより後
処理の不要な装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１発明の実施態様例を示す図。

【図２】（Ａ）は本発明の加工ヘッドの概略図、（Ｂ）
は本発明の加工ヘッドを用いた場合の集光特性例を示す
図。

【図３】本発明の第２発明の実施態様例を示す図。

【図４】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は本発明と従
来技術との比較を示す図。

【図５】金属表面の溶融状態の例を示す図。

【図６】本発明の実施例における照射ビーム径に対する
文字線幅の変化を示す図。

【図７】本発明の実施例における走査速度に対する文字
線深さの変化を示す図。

【符号の説明】

１…圧延用ロール ２…ロール軸端
面 ３…パルスＹＡＧレーザ ４…レーザビー
ム ５…入射光学系 ６…光ファイバ
ー ７…加工ヘッド ８…ＸＹＺ駆動
装置 ９…コリメートレンズ １０…集光レン
ズ １１…アシストガスノズル １２…距離測定
センサー １３…レーザビーム １４…加工済み
穴

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザビームを照射してマーキングする
   方法において、パルスレーザを光ファイバーにて伝送
   し、伝送された該パルスレーザを集光して被加工表面を
   照射するごとくなすと共に、被加工表面でのレーザビー
   ム径を文字線幅と同一とし、レーザパルスを重ね照射し
   ながら文字や図形パターンを描くように走査させること
   を特徴とするレーザマーキング方法。
2. 【請求項２】 アシストガスをレーザビームと同軸に設
   けて、加工表面へ照射するごとくなし、アシストガス照
   射方向をレーザビームの走査方向と同じになるように制
   御することを特徴とする請求項１記載のレーザマーキン
   グ方法。