JPS6324798B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は穿孔に係り、更に詳細にはレーザ光線
を使用して再鋳造層及び熱影響部のない孔を形成
する方法に係る。 数マイクロセカンドから数ミリセカンドまで変
化する継続時間と少なくとも１ジユールのパルス
エネルギと10パルス／sec以下のパルス繰返し速
度とを有する長パルスとしてレーザ光線を使用す
ることは、被加工物より効率的に材料を除去して
孔を形成し得るものであることがよく知られてい
る。被加工物へのパルスのエネルギは一部はパル
スの継続時間よりも短い時間内に表面材料を蒸発
化するのに使用され、他方パルスの残りのエネル
ギは吸収されて表皮下材料を溶融する。かくして
表面が蒸発化されることにより、表面温度を低減
しその最大温度領域が表皮下にくるようにする冷
却機構が生じる。又表皮下溶融により表皮下に高
圧力が生じ、この圧力により被加工物より溶融材
料が爆発的に放逐される。かくして溶融材料が被
加工物より放逐されるので、その一部は孔の壁面
に沿つて凝固し再鋳造層を形成する。再鋳造層の
材料構造は基材のそれとは異なつており、通常延
性が低く、基材内に伝播することもある収縮割れ
を発生し易い。又表皮下溶融によりかなりの熱が
被加工物の基材内に伝達され、孔の壁面内に熱影
響部が形成される。 深い孔は通常数パルスのレーザ光線を被加工物
に繰返し作用せしめることによつて得られる。か
くして得られる孔は一般に円形ではなく、厚さの
変動した再鋳造層を有しており従つてその長さに
沿つた孔の直径が変動しており、又一般にたいて
いの用途に望ましくない程大きなテーパを有して
いる。 溶融材料が爆発的に放逐されることにより溶融
スパツタが被加工物よりレーザ光線の通路に沿つ
た方向に発射される。もし何も保護が与えられて
いないと、このスパツタは光学焦点装置上に付着
し、パルス形状を変形したりパルスエネルギを吸
収したりし、これにより材料除去プロセスの効率
が低下する。光学焦点装置はスパツタを収集すべ
く透明な保護シールド体を該装置と被加工物との
間に挿入することにより、或はスパツタを偏向し
該光学装置上に衝突するのを阻止すべくレーザ光
線の通路を横切るガス流を使用することにより保
護される。 少なくとも20ns（ナノセカンド）の継続時間と
100ミリジユール以下のエネルギと10パルス／sec
以下のパルス繰返し速度とを有するパルスとして
レーザ光線を使用することも被加工物より材料を
除去することが知られている。かかる材料除去プ
ロセスは長パルスのそれに匹敵するものであり、
再鋳造層及び熱影響部を有する孔が得られる。 本発明の主要な目的は、レーザ光線を使用して
被加工物内に孔を形成することである。 本発明の好ましい実施例によれば、一連のパル
スのレーザ光線を使用してほとんど再鋳造層や熱
影響のない孔を得る方法には、蒸発化された被加
工物材料を酸化し得る環境ガス内に被加工物を配
置することと、被加工物材料を蒸発化するに必要
な時間に匹敵する継続時間（通常10ns或はそれ以
下）を有するパルスとしてレーザ光線を照射する
ことと、被加工物材料を蒸発化し得る出力密度を
被加工物上に得るべくパルスを焦点調整すること
と、焦点調整されたパルスを被加工物に作用せし
めて蒸発により材料を除去することと、所要量の
材料が除去されて孔が形成されるまで高パルス繰
返し速度（通常10パルス／sec或はそれ以上）に
て前記焦点調整されたパルスを被加工物に作用し
続けることが含まれている。本発明の一つの実施
例に於ては、一連のパルスのレーザ光線を使用し
てほとんど再鋳造層や熱影響部のない孔を形成す
る方法には、被加工物材料を蒸発化するに必要な
時間よりも長い継続時間を有するパルスとしてレ
ーザ光線を照射することと、表皮下材料を除去し
得る出力密度を得るべくパルスを焦点調整するこ
とと、所要量の材料が除去されて再鋳造層や熱影
響部の如き望ましからざる品質を有する孔が形成
されるまで焦点調整されたパルスを被加工物に作
用せしめることとが含まれており、その後前述の
好ましい実施例の工程が行なわれて上述の望まし
からざる品質が除去される。 本発明の好ましい実施の態様は、10ns或はそれ
以下の継続時間を有するパルスとしてレーザ光線
を使用することである。好ましくは1/10ジユール
或はそれ以上のエネルギを有するパルスが0.04〜
0.01cmの直径を有する点に焦点調整され、出力密
度が８×10⁹〜10×10¹⁰w／cm²であるパルスとされ
る。焦点調整された光線パルスは好ましくは少な
くとも50パルス／secの高パルス繰返し速度にて
被加工物に作用され、蒸発により材料が除去され
る。蒸発化され被加工物より放逐された材料は酸
化環境ガスと反応し、被加工物上に凝結すること
のない酸化蒸気を形成する。ほぼパルスの全エネ
ルギが被加工物材料の熱反応時間よりも短い時間
内に材料を蒸発化するのに使用され、従つてほと
んど或は全然熱が基材内に伝達されない。 本発明の主要な利点は、再鋳造層のない従つて
かかる再鋳造層から基材内へ微細な割れが伝播す
るという従来の問題のない壁部を有する孔を形成
し得ることである。又最小限の熱しか基材内に伝
達されず、被加工物の機械的強度が改善される。
更に繰返しパルスを使用することにより孔を幾何
学形状に形成することが可能であり、又孔の入口
から出口までの間のテーパの大きさが低減され
る。 本発明の一つの特定の実施例の利点は、従来技
術と再鋳造層及び熱影響部を除去するという本発
明の好ましい実施例とを組合せることにより、再
鋳造層や熱影響部を有する孔を効率的に形成し得
ることである。更に放逐された蒸発材料が酸化環
境と反応することにより生じた酸化蒸気は光学焦
点装置の表面上に凝結することはない。このこと
により光学焦点装置の交換頻度がかなり低減され
る。 以下に添付の図を参照しつつ、本発明をその好
ましい実施例について詳細に説明する。 １パルスのエネルギを被加工物に作用すること
により除去される材料の量及びかかる作用により
発生される熱が被加工物内に到達する深さは以下
の式により概算される。 Ｓ＝∫Pdt／ρLv＋ρCpTv−１／４・δ（Ｐ、ｔ）／（L
v／CpTv＋１） ここにｔは時間（ns）、Ｓは蒸発深さ（cm）、Ｐ
はレーザパルスのうちの被加工材料に吸収される
単位時間当りのエネルギ（ｗ／cm²）、ρは被加工
材料の密度（ｇ／cm³）、Cpは被加工材料の比熱
（cal／ｇ℃）、Tvは被加工材料の蒸発温度（℃）、
Lvは被加工材料の溶融潜熱（cal／ｇ）、δ（Ｐ、
ｔ）は上記のＰ及びｔの関数として定まる被加工
物に於ける熱浸透深さ（cm）である。 この式をニツケル基合金であるMar−M200＋
HF材料（Cr9.0％、Co10.0％、C0.014％、Ti2.0
％、Al5.0％、W12.4％、B0.015％、Cb1.0％、
Hf2.0％、残部Ni）の被加工物に於ける蒸発深さ
及び熱浸透深さの計算に適用した場合の結果が
種々の形状のエネルギパルスについて表１に示さ
れている。この計算に於ては、ρ＝8.64ｇ／cm³、
Cp＝0.098cal／ｇ℃、Tv＝2774℃、Lv＝
960cal／ｇとされており、また熱浸透深さδは材
料の熱伝導率を0.033×10^-9cal／nscm℃として計
算されている。尚熱伝導率及び比熱は計算を容易
にするために材料の温度に拘らず一定であると仮
定されている。

【表】 表１に於てt_rはパルスの上昇時間（ns）であ
り、t_fはパルスの下降時間（ns）であり、Ｅは被
加工物内に吸収されたパルスのエネルギである。
第１Ａ図は表１に於るパルスＡのパルス形状を示
している。このパルスは20（ns）の継続時間を有
し、上昇時間は4ns、下降時間は16nsである。第
１Ｂ図、第１Ｃ図、第１Ｄ図はそれぞれ表１に於
るパルスＢ，Ｃ，Ｄのパルス形状を示している。 表１に於て、照射されたレーザパルスのうち材
料に吸収される単位時間当りのエネルギを示す値
Ｐはレーザパルス照射面の単位面積当りのワツト
数にて示されており、その値は第１Ａ図、第１Ｂ
図、第１Ｃ図、第１Ｄ図にそれぞれ対応するパル
スＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄについてそれぞれ８×10⁸、８
×10⁸、８×10⁸、４×10⁸w／cm²である。またこれ
ら各パルスの全照射時間ｔ、パルスの上昇時間
tr、パルスの降下時間間tfはそれぞれ表１に示さ
れている通りであり、またパルスの照射直径は
0.01cmである。かかるパルスの照射条件より被加
工物内に吸収されたパルスのエネルギＥは表１に
示されている如くなる。 かかる１パルス当りの吸収エネルギ量と上述の
如き被加工物材料の密度ρ、比熱Cp、蒸発温度
Tv、溶融潜熱Lv及び熱伝導率の値を用いて前記
式(1)の関係を満足すべき蒸発深さＳと熱浸透深さ
δの値を求めると、パルスＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄのそれ
ぞれについて表１に示されている如き値が得られ
る。 この結果より理解される通り、第１Ｃ図に示さ
れている如き全照射時間が短くしかもその短い照
射時間の間に多量のエネルギを投入することので
きるレーザパルスが使用されることにより、熱浸
透深さδを他の場合に比して極端に小さい値に抑
え、しかも十分な蒸発深さＳを達成することがで
きる。このことは、レーザパルスを単位時間当り
のエネルギ密度の高いものとして極く短時間継続
するものとして与えること、即ち表１に示すMar
−M200＋HF材料の例に於ては、照射密度が８
×10⁸w／cm²であつて、その全照射時間が20ns程
度であるが、その波形が第１Ｃ図に示されている
如きものであつて、20nsの如き短時間に直径0.01
cmの照射部に１ミリジユール程度のエネルギを照
射できるようなものであれば、レーザ光線の照射
により被加工物の一つの部分即ち第一の部分を蒸
発させるが、該第一の部分よりそれに隣接する他
の一つの部分即ち第二の部分へ熱が殆ど伝導する
間のないうちに該第一の部分の蒸発を完了せしめ
ることができ、蒸発した被加工物材料はそれが孔
外へ放出されるとき与えられた熱を共に持ち去る
ので、それ以後は幾ら時間が経過しても孔の周囲
の材料へ熱が伝導されることはなくなり、かかる
要領によつて孔の周囲の材料に加熱による再鋳造
層や加熱による熱影響を受けた部分を生じない孔
あけ加工を達成することができる。 またかかる高強度短時間、即ち被加工物の一部
にそれを蒸発させるに十分な熱を与えるがその熱
が当該部分の周りに熱伝導により伝わろうとする
前に当該部分の蒸発を完了せしめるような高強度
短時間のレーザパルスによつて周囲に再鋳造層や
熱影響部を生じない孔あけ加工を達成するという
孔あけのメカニズムは、それが物理的条件による
ものであることから明らかな通り、被加工材料の
種類には実質的に左右されないものであり、従つ
て上に記したMar−M200＋HF材料については
上記の表１に示す結果から判断される如く、レー
ザパルスとしてはその密度が８×10⁸w／cm²であ
つてその持続時間が20ns程度の矩形状パルスが所
期の目的を達成するものであることが確認された
が、これらのパルス強度及び持続時間に関する具
体的な数値は一つの実施例に過ぎないものであ
り、本発明を他の被加工材料に適用する時には、
当該材料の密度、比熱、蒸発温度、溶融潜熱、熱
伝導率の如何によつてパルス強度及びその持続時
間は目的の達成に適した値に選定されるべきこと
は明らかであろう。要は、レーザパルスをそれが
被加工物の或る第一の部分に照射されたとき該第
一の部分に隣接する第二の部分へ実質的な量の熱
が伝達される前に該第一の部分を蒸発せしめるよ
うに材料の種類に応じてレーザパルスの強度と時
間を制御することである。 第１Ａ図〜第１Ｄ図と表１との比較より理解さ
れる通り、パルスＡ及びＢの如くレーザパルスの
全照射時間が本発明の実施例に相当するパルスＣ
のそれと同程度に短くても、レーザパルスが上昇
部と下降部とを有することにより全体としての強
度が低く、パルス照射間内に与えられるエネルギ
がレーザ光線照射部の材料を十分に蒸発させるこ
とができない時には、当該部分に与えられた熱は
当該照射部の蒸発には有効に使用されず、その熱
はレーザパルスの照射終了後にも当該照射部より
周りへ熱伝導により伝わり、熱浸透深さδは大き
い値となり、周囲の材料が再溶融その他の熱影響
を受けることとなる。 また、パルスＤの如くパルス波形はパルスＣと
同様であり、全体としての照射エネルギの量は同
じくパルスＣの場合と同等であつても、その照射
強度が低く照射時間が長い場合には、照射部の蒸
発は十分に行われず、また蒸発された材料の除去
が遅れることから周りへの熱伝導が生じ、周りの
材料が再溶融その他の熱影響を受けることにな
る。 第２図は材料内に孔を形成するシステムの典型
的な装置を示している。レーザ１０からの放射パ
ルスは、表面１６と裏面１８とを有する被加工物
１４上に光学焦点装置１２により焦点を合され
る。犠牲材２０が前記裏面１８に当接する状態で
配置される。 本発明によれば、第３図に概略を示された工程
により再鋳造層や熱影響部のない孔を材料内に形
成することができる。第３図の工程には、蒸発化
された被加工物材料を酸化し得る環境ガス内に被
加工物を配置することと、犠牲性を被加工物の裏
面に接触して配置することと、10ns或はそれ以下
の継続時間を有するパルスとしてTEM₀₀モード
にてレーザ光線を照射することと、被加工物に於
る出力密度が少なくとも10⁹w／cm²となるようレ
ーザ光線を焦点調整することと、このレーザ光線
を被加工物に作用し前記環境ガスと反応して酸化
蒸気を形成する材料の蒸気を発生せしめること
と、所要量の材料が除去されるまで少なくとも10
パルス／sec、好ましくは少なくとも50パルス／
secのパルス繰返し速度にて前記レーザ光線を被
加工物に作用し続けることとが含まれている。 作動に於ては、犠牲材２０が蒸発化された被加
工物材料を酸化し得る環境ガス内に裏面１８に当
接して配置された状態で被加工物１４はレーザに
近接して配置される。10ns或はそれ以下の継続時
間を有するパルスとしてレーザ光線がTEM₀₀モ
ードにてレーザより放射され、少なくとも
10⁹w／cm²の出力密度となるまで光学焦点装置に
より被加工物上に焦点を合される。かかる高強度
短継続時間のパルスは少なくとも10好ましくは50
パルス／sec或はそれ以上のパルス繰返し速度に
て被加工物に作用し、蒸発化することにより被加
工物材料を除去する。材料の熱応答時間はパルス
の継続時間よりも大きいので、吸収されたエネル
ギのほとんど全てが材料を蒸発することに消費さ
れほとんど或は全然エネルギが基材内に伝達され
ず、従つてほとんど或は全然熱影響部が孔に近接
した材料内に発生しない。 蒸発化された被加工物材料はその被加工物より
放逐されて酸化環境ガスと反応し、孔の壁面上に
は落下沈着しない酸化蒸気を形成する。このこと
により再鋳造層のない孔が形成される。しかし材
料が非酸化性雰囲気中にて蒸発化されると、その
場合に得られる孔はかなりの再鋳造層を有する孔
となつてしまう。酸化環境が不足すると蒸気が凝
結し孔の壁面上に凝固して再鋳造層を形成する。
被加工物を酸化環境に配置することの他の一つの
付加的利点は、酸化蒸気が光学焦点装置の表面に
付着せず、従つてかかる光学装置の交換頻度がか
なり低減されることである。 １パルス当りに除去される材料の量は、パルス
エネルギ、パルス継続時間、対象物上に於るパル
スの出力密度などに依存する。本発明の方法に於
ては、パルスは通常0.04〜0.01cmの直径に焦点を
合され、被加工物上に於る出力密度は８×10⁹〜
10×10¹⁰w／cm²とされる。かかる特徴を有するパ
ルスは通常１パルス当り10^-5cm³以下の被加工物材
料を蒸発化し、高パルス繰返し速度が孔を形成す
るのに必要とされる。かくして形成された孔は通
常0.127cm以下の直径を有する。 第４図は本発明の方法により数パルスのレーザ
光線にて形成された孔２２の200倍の複合顕微鏡
写真である。この孔２２は材料の表面にほぼ垂直
な入口２４を有しており、又ほぼ直線であり従つ
て孔の全長に亘つて直径がほぼ一定である側壁２
６を有している。この200倍に拡大された複合顕
微鏡写真によつても再鋳造層は見られない。孔の
周りの基材２８をよく調べてみると、孔の近傍に
は熱影響部が全然或はほとんど存在していないこ
とがわかる。線３０は顕微鏡写真を複合して形成
したが為に生じたものであり、孔の品質を示すも
のではない。 第５図は従来技術の方法によりM_ar−M200＋
HF材料内に形成された孔３４の200倍の複合顕
微鏡写真である。孔の入口３６はロート形状を有
しており、かなりの再鋳造層３８が孔の側壁に沿
つて存在している。収縮割れ４０が再鋳造層を貫
通して発生しており、割れによつては基材４４内
へ侵入している。線３０は第４図の説明に於ても
述べた如く、複合写真を形成したがために生じた
ものである。 被加工物内に形成される孔は初期には一般形状
の頚部３２を有している。レーザ作用が継続され
るとこの頚部３２は材料内に深く進行し、直径の
大きな孔２４が該頚部の背後に形成される。この
孔２４はキヤビテイを形成し、この中に於てレー
ザ光線は孔の壁部内にほとんど全て吸収されて蒸
気を発生し材料を除去する。しかし頚部３２が被
加工物の裏面を貫通して孔の出口を形成する点に
まで孔２４の深さが増大すると、レーザ光線は孔
の側壁より多数の反射を受け、又被加工物内に吸
収されることなく孔の出口を通つて被加工物より
出て行つてしまう。第１図に図示されている如く
犠牲性２０が被加工物の裏面１８に接触して配置
され、これにより作動に於て、孔２４の断面が被
加工物全体に亘つて第４図に図示された如き一様
断面となり得るに充分な深さまで頚部３２が被加
工物内を進行して犠牲材２０に到達し得るように
なつている。この犠牲材２０はパルスのエネルギ
が被加工物内に吸収され続けるようキヤビテイを
維持する。 本発明の好ましい実施例は、材料を酸化環境に
於て蒸発化し再鋳造層や熱影響部のない孔を形成
する方法である。しかし蒸発は通常再鋳造層や熱
影響部（多くの用途に於てこれらは被加工物が使
用される前に除去されねばならない）を有する孔
を形成すべく使用された長パルスを有するレーザ
光線を使用する従来の方法に比べ効率の悪い材料
除去方法である。第６図に模式的に図示された如
き本発明の一つの実施例に於ては、被加工物より
材料を除去し再鋳造層や熱影響部を有する孔を効
率的に形成すべく、長い継続時間のパルスを有す
るレーザ光線が使用され、次いで酸化環境に於て
再鋳造層及び熱影響部を蒸発せしめることにより
再鋳造層や熱影響部を除去すべく本発明の方法が
使用される。かかるプロセスによれば両方の方法
の望ましい面が最大限に利用される。この実施例
の工程には、被加工物をレーザ光線源に近接して
配置することと、少なくとも200ms（マイクロセ
カンド）の継続時間を有するパルスとして
TEM₀₀モードにてレーザ光線を照射することと、
表面材料を溶融するに充分な出力密度、通常少な
くとも10⁶w／cm²を得るべく前記レーザ光線を焦
点調整することと、前記焦点調整されたレーザ光
線を被加工物に作用せしめて材料を除去すること
と、所要量の材料が除去されて再鋳造層や熱影響
部を有する孔が形成されるまで通常10パルス／
sec以下のパルス繰返し速度にてパルスを被加工
物に作用し続けることと、蒸発化された被加工物
材料を酸化し得る環境ガスを被加工物の周りに与
えることと、被加工物の裏面に接触して犠性材を
配置することと、10ns或はそれ以下の継続時間を
有する短パルスとしてTEM₀₀モードにてレーザ
光線を照射することと、少なくとも10⁹w／cm²の
出力密度を被加工物上に得るべく前記レーザ光線
を焦点調整することと、前記レーザ光線を被加工
物に作用せしめ、前記環境ガスと反応して酸化蒸
気を形成する材料の蒸気を発生することと、所要
量の再鋳造層及び熱影響部が除去されるまで少な
くとも10パルス／secの繰返し速度にて前記レー
ザ光線を被加工物に作用し続けることとが含まれ
ている。 本発明の方法は、多くの技術により形成された
孔に近接する材料を除去するために、或は多くの
方法により形成された孔を整形するために使用さ
れてよいことが理解されよう。 以上に於ては本発明をその特定の実施例につい
て詳細に説明したが、本発明はかかる実施例に限
定されるものではなく、本発明の範囲内にて種々
の修正並びに省略が可能であることは当業者にと
つて明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ図はM_ar−M200＋
HF材料について材料除去深さ及び熱影響部深さ
を求めるために使用されたパルス形状を示す図で
ある。第２図は被加工物内に孔を形成するシステ
ムの解図である。第３図は本発明により孔を形成
する工程の模式図である。第４図はM_ar−M200
＋HF材料に本発明の方法を使用して形成された
孔の顕微鏡写真（200倍）である。第５図はM_ar
−M200＋HF材料に従来技術の方法により形成
された孔の顕微鏡写真（200倍）である。第６図
は本発明の一つの実施例により孔を形成する工程
の模式図である。 １０〜レーザ、１２〜光学焦点装置、１４〜被
加工物、１６〜表面、１８〜裏面、２０〜犠牲
材、２２〜孔、２４〜入口、２６〜側壁、２８〜
基材、３０〜線、３２〜頚部、３４〜孔、３６〜
入口、３８〜再鋳造層、４０，４２〜割れ、４４
〜基材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ニツケル基合金よりなる被加工物にレーザ光
   線にて孔を形成する方法にして、蒸発した被加工
   物材料を酸化して該被加工物材料に付着すること
   のない酸化蒸気を形成し得る環境ガス内に被加工
   物を配置し、被加工物の孔とされるべき第一の部
   分にレーザ光線を10ns程度の極小時間だけ継続す
   る矩形波状のパルスとして照射し且該レーザ光線
   の出力密度を前記第一の部分よりそれに隣り合う
   第二の部分へ熱が殆ど伝導する間のないうちに該
   第一の部分を蒸発させるに十分な大きさとするこ
   とにより、周りに再鋳造層及び熱影響部の殆どな
   い孔を形成することを特徴とする方法。 ２ ニツケル基合金よりなる被加工物にレーザ光
   線にて孔を形成する方法にして、まず被加工物に
   レーザ光線の照射によつて実質的な量の再鋳造層
   及び熱影響部を伴う孔を形成し、次いで蒸発した
   被加工物材料を酸化して該被加工物材料に付着す
   ることのない酸化蒸気を形成し得る環境ガス内に
   被加工物を配置し、前記再鋳造層及び熱影響部を
   含む被加工物の孔とされるべき第一の部分にレー
   ザ光線を10ns程度の極小時間だけ継続する矩形波
   状のパルスとして照射し且該レーザ光線の出力密
   度を前記第一の部分よりそれに隣り合う第二の部
   分へ熱が殆ど伝導する間のないうちに該第一の部
   分を蒸発させるに十分な大きさとすることによ
   り、周りに再鋳造層及び熱影響部の殆どない孔を
   形成することを特徴とする方法。