KR20230071144A - 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치 - Google Patents

레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20230071144A
KR20230071144A KR1020237010921A KR20237010921A KR20230071144A KR 20230071144 A KR20230071144 A KR 20230071144A KR 1020237010921 A KR1020237010921 A KR 1020237010921A KR 20237010921 A KR20237010921 A KR 20237010921A KR 20230071144 A KR20230071144 A KR 20230071144A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
laser beam
laser
target area
intensity
area
Prior art date
Application number
KR1020237010921A
Other languages
English (en)
Inventor
유키 가베야
다카시 구리타
료 요시무라
다케시 와타리
Original Assignee
하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤 filed Critical 하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
Publication of KR20230071144A publication Critical patent/KR20230071144A/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
    • B23K26/356—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment by shock processing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/073—Shaping the laser spot
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/12—Copper or alloys thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/14—Titanium or alloys thereof
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20—Recycling

Abstract

레이저 가공 방법은, 대상물의 표면에 있어서의 대상 에어리어에 레이저광을 조사함으로써, 대상 에어리어를 따라서 대상물에 압축 잔류 응력을 부여하는 레이저 가공 방법이다. 해당 레이저 가공 방법은, 단위 면적당 레이저광의 강도의 이동 평균을 크게 하면서, 대상 에어리어에 대해서 레이저광의 조사 스폿을 주사하는 가공 스텝을 구비한다.

Description

레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치
본 개시는 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
특허문헌 1에는, 대상물의 표면에, 레이저광을 흡수하는 흡수 재료층을 형성하면서, 흡수 재료층에 레이저광을 조사함으로써, 대상물에 압축 잔류 응력을 부여하는 레이저 가공 방법이 기재되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 레이저 가공 방법에서는, 대상물에 균일한 압축 잔류 응력을 부여하기 위해서, 흡수 재료층의 두께가 소정의 두께가 되도록 흡수 재료층을 형성한다.
일본 특허공개 평8-112681호 공보
그렇지만, 특허문헌 1에 기재된 레이저 가공 방법과 같이, 흡수 재료층의 두께가 소정의 두께가 되도록 흡수 재료층을 형성하는 것만으로는, 대상물의 표면에 있어서의 대상 에어리어를 따라서 대상물에 균일한 압축 잔류 응력을 부여하는 것은 곤란하다.
본 개시는 대상물의 표면에 있어서의 대상 에어리어를 따라서 대상물에 부여되는 압축 잔류 응력이 불균일해지는 것을 억제할 수 있는 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 측면의 레이저 가공 방법은, 대상물의 표면에 있어서의 대상 에어리어에 레이저광을 조사함으로써, 대상 에어리어를 따라서 대상물에 압축 잔류 응력을 부여하는 레이저 가공 방법으로서, 단위 면적당 레이저광의 강도의 이동 평균을 크게 하면서, 대상 에어리어에 대해서 레이저광의 조사 스폿을 주사하는 가공 스텝을 구비한다.
이 레이저 가공 방법에서는, 대상물의 표면에 있어서의 대상 에어리어에 대해서 레이저광의 조사 스폿을 주사함으로써, 대상 에어리어를 따라서 대상물에 압축 잔류 응력을 부여한다. 레이저광의 조사 스폿의 주사에 있어서, 단위 면적당 레이저광의 강도를 일정하게 하면, 레이저광의 조사 스폿이 주사된 에어리어가 대상 에어리어에 있어서 증가할수록, 압축 잔류 응력이 부여되기 어려워지는 경향이 있는 것이, 실험적으로 확인되었다. 그래서, 단위 면적당 레이저광의 강도의 이동 평균을 크게 하면서, 대상 에어리어에 대해서 레이저광의 조사 스폿을 주사한다. 이것에 의해, 단위 면적당 레이저광의 강도를 일정하게 한 경우와 비교하여, 대상물에 부여되는 압축 잔류 응력이 저하되는 것이 억제된다. 이상에 의해, 이 레이저 가공 방법에 의하면, 대상물의 표면에 있어서의 대상 에어리어를 따라서 대상물에 부여되는 압축 잔류 응력이 불균일해지는 것을 억제할 수 있다.
본 개시의 일 측면의 레이저 가공 방법에서는, 가공 스텝에 있어서는, 제1 방향으로 연재(延在)함과 아울러 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 늘어서는 복수의 라인 각각을 따라서 레이저광의 조사 스폿을 이동시키는 처리를 실시함으로써, 대상 에어리어에 대해서 레이저광의 조사 스폿을 주사하고, 가공 스텝에 있어서는, 복수의 라인 중 적어도 1개의 라인마다, 단위 면적당 레이저광의 강도를 크게 함으로써, 레이저광의 강도의 이동 평균을 크게 해도 된다. 이것에 의해, 레이저광의 조사 스폿의 주사 및 단위 면적당 레이저광의 강도의 제어를 간이(簡易)하고 용이하게 실시할 수 있다.
본 개시의 일 측면의 레이저 가공 방법에서는, 가공 스텝에 있어서는, 상기 처리로서, 제1 방향에 있어서의 일방의 측으로부터 타방의 측으로 레이저광의 조사 스폿을 이동시키는 처리, 및 제1 방향에 있어서의 타방의 측으로부터 일방의 측으로 레이저광의 조사 스폿을 이동시키는 처리를 교호로 실시해도 된다. 이것에 의해, 대상 에어리어에 대해서 레이저광의 조사 스폿을 효율 좋게 주사할 수 있다.
본 개시의 일 측면의 레이저 가공 방법에서는, 가공 스텝에 있어서는, 대상 에어리어와 교차하는 방향을 따라서 레이저광의 집광 스폿의 위치를 이동함으로써, 레이저광의 강도의 이동 평균을 크게 해도 된다. 이것에 의해, 이것에 의해, 레이저광의 출력을 조정하지 않아도, 단위 면적당 레이저광의 강도의 이동 평균을 크게 할 수 있다.
본 개시의 일 측면의 레이저 가공 방법에서는, 단위 면적당 레이저광의 강도를 일정하게 하면서, 샘플의 표면에 있어서의 샘플 에어리어에 대해서 레이저광의 조사 스폿을 주사하고, 샘플 표면을 따라서 샘플에 부여된 압축 잔류 응력을 취득하는 준비 스텝을 더 구비하고, 가공 스텝에 있어서는, 샘플에 부여된 압축 잔류 응력에 기초하여, 단위 면적당 레이저광의 강도의 이동 평균을 크게 해도 된다. 이것에 의해, 대상물에 부여되는 압축 잔류 응력이 불균일해지는 것을 보다 확실하게 억제할 수 있다.
본 개시의 일 측면의 레이저 가공 장치는, 대상물의 표면에 있어서의 대상 에어리어에 레이저광을 조사함으로써, 대상 에어리어를 따라서 대상물에 압축 잔류 응력을 부여하는 레이저 가공 장치로서, 대상물을 지지하는 지지부와, 대상 에어리어에 레이저광을 조사하는 조사부와, 지지부 및 조사부 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 제어부를 구비하고, 제어부는, 단위 면적당 레이저광의 강도의 이동 평균이 커지면서, 대상 에어리어에 대해서 레이저광의 조사 스폿이 주사되도록, 지지부 및 조사부 중 적어도 하나의 동작을 제어한다.
이 레이저 가공 장치에 의하면, 상술한 레이저 가공 방법과 마찬가지로, 대상물의 표면에 있어서의 대상 에어리어를 따라서 대상물에 부여되는 압축 잔류 응력이 불균일해지는 것을 억제할 수 있다.
본 개시에 의하면, 대상물의 표면을 따라서 부여되는 대상물의 압축 잔류 응력이 불균일해지는 것을 억제할 수 있는 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치를 제공하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 일 실시 형태의 레이저 가공 장치의 구성도이다.
도 2는 일 실시 형태의 레이저광의 단면도이다.
도 3은 일 실시 형태의 레이저 가공 방법의 플로차트이다.
도 4는 일 실시 형태의 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 샘플의 평면도이다.
도 5는 일 실시 형태의 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 대상물의 평면도이다.
도 6은 일 실시 형태의 레이저 가공 방법에 의해서 조사하는 레이저광의 조사 스폿의 지름을 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시예 1 및 실시예 2의 레이저 가공 방법에 의해서 조사한 레이저광의 강도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 비교예의 레이저 가공 방법에 의해서 대상물에 부여된 압축 잔류 응력의 이차원 분포를 나타내는 화상이다.
도 9는 실시예 1 및 실시예 2의 레이저 가공 방법에 의해서 대상물에 부여된 압축 잔류 응력의 이차원 분포를 나타내는 화상이다.
도 10은 비교예, 실시예 1 및 실시예 2의 레이저 가공 방법에 의해서 대상물에 부여된 압축 잔류 응력을 나타내는 그래프이다.
도 11은 비교예, 실시예 1 및 실시예 2의 레이저 가공 방법에 의해서 대상물에 부여된 압축 잔류 응력을 나타내는 표이다.
도 12는 비교예의 레이저 가공 방법에 의해서 대상물에 부여된 압축 잔류 응력과 보정 계수(Z)를 나타내는 그래프이다.
도 13은 실시예 1 및 실시예 2의 레이저 가공 방법에 의해서 대상물에 부여된 압축 잔류 응력의 실험값과 계산값을 나타내는 그래프이다.
도 14는 변형예 1의 샘플 조사 강도 및 대상물 조사 강도를 나타내는 그래프이다.
도 15는 변형예 2의 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 대상물의 평면도이다.
도 16은 변형예 3의 레이저 가공 방법을 설명하기 위한 대상물의 평면도이다.
이하, 본 개시의 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다.
［레이저 가공 장치］
도 1에 나타내지는 바와 같이, 레이저 가공 장치(1)는 지지부(2)와, 조사부(3)와, 제어부(4)를 구비하고 있다. 레이저 가공 장치(1)는, 대상물(10)의 표면(10a)에 있어서의 대상 에어리어(11)에 레이저광(L)을 조사함으로써, 대상 에어리어(11)를 따라서 대상물(10)에 압축 잔류 응력을 부여하는 장치이다. 즉, 레이저 가공 장치(1)는 대상물(10)의 표면(10a)에 있어서의 대상 에어리어(11)에 레이저 피닝(laser peening) 가공을 실시하는 장치이다. 이하의 설명에서는, 서로 직교하는 세 방향을 각각 X방향, Y방향 및 Z방향이라고 한다. 본 실시 형태에서는, Z방향은 제1 수평 방향이고, X방향은 제1 수평 방향과 수직인 제2 수평 방향이며, Y방향은 연직 방향이다.
지지부(2)는 대상물(10)의 표면(10a)이 Z방향과 직교하도록 대상물(10)을 지지한다. 지지부(2)는, 예를 들면, 대상물(10)을 협지(挾持)하는 클램프, 로봇 암 등을 포함하고 있다. 대상물(10)은, 예를 들면, 동, 알루미늄, 철, 티탄 등의 금속재료로 이루어지는 판 모양의 부재이다. 레이저 피닝 가공을 실시할 때에, 대상 에어리어(11)에는, 보호층(P)이 형성되고, 보호층(P)의 표면에는 가둠층(C)이 형성된다. 보호층(P)은 레이저광(L)의 조사에 의해서 발생하는 열로부터 대상 에어리어(11)를 보호하기 위해서 해당 열을 흡수하는 층이다. 보호층(P)은, 예를 들면, 금속 또는 수지층이다. 가둠층(C)은 레이저광(L)의 조사에 의해서 발생하는 플라스마의 충격을 대상물(10)에 주기 위해서 해당 플라스마를 가두는 층이다. 가둠층(C)은, 예를 들면, 보호층(P)을 덮도록 공급되는 물이다.
조사부(3)는 지지부(2)에 의해서 지지된 대상물(10)의 표면(10a)에 있어서의 대상 에어리어(11)에 레이저광(L)을 조사한다. 조사부(3)는, 레이저광(L)의 집광 스폿(CS)을 대상 에어리어(11)에 대해서 삼차원적(X방향, Y방향 및 Z방향)으로 이동시킴으로써, 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 대상 에어리어(11)에 있어서 이차원적(X방향 및 Y방향)으로 이동시킨다. 집광 스폿(CS)은, 레이저광(L)에 있어서, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도가 최대가 되는 영역이다. 레이저광(L)의 조사 스폿(S)은, 대상 에어리어(11)에 있어서의 레이저광(L)의 조사 영역이다. 예를 들면, 도 2의 (a)에 나타내지는 바와 같이, 집광 스폿(CS)이 대상 에어리어(11) 상에 위치시켜지는 경우에는, 집광 스폿(CS)이 조사 스폿(S)이 된다. 이 경우, 조사 스폿(S)의 지름이 최소가 되고, 조사 스폿(S)에 있어서, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도가 최대가 된다. 도 2의 (b)에 나타내지는 바와 같이, 집광 스폿(CS)이 대상 에어리어(11) 상에서 Z방향을 따라서 이동할수록, 조사 스폿(S)의 지름이 커지고, 조사 스폿(S)에 있어서, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도가 작아진다.
도 1에 나타내지는 조사부(3)는 광원(31)과, 광축 조정부(32)와, 광축 조정 렌즈(33)와, X축 가동 미러(34)와, Y축 가동 미러(35)와, 대물 렌즈(36)를 가지고 있다. 광원(31)은 레이저광(L)을 출사한다. 광원(31)은, 예를 들면, 펄스 발진 방식에 의해서 레이저광(L)을 출사하는 반도체 레이저이다. 광축 조정부(32)는 광축 조정 렌즈(33)를 지지하고 있다. 광축 조정부(32)는, 광축 조정 렌즈(33)를 Z방향을 따라서 이동시킴으로써, 레이저광(L)의 집광 스폿(CS)을 Z방향을 따라서 이동시킨다. X축 가동 미러(34)는, 레이저광(L)을 반사하는 미러면의 기울기를 조정함으로써, 레이저광(L)의 집광 스폿(CS)을 X방향을 따라서 이동시킨다. Y축 가동 미러(35)는, 레이저광(L)을 반사하는 미러면의 기울기를 조정함으로써, 레이저광(L)의 집광 스폿(CS)을 Y방향을 따라서 이동시킨다. X축 가동 미러(34) 및 Y축 가동 미러(35) 각각은, 예를 들면, 갈바노 미러이다. 대물 렌즈(36)는, 레이저광(L)의 집광 스폿(CS)이 Z방향과 수직인 평면 상에 위치하도록, 레이저광(L)의 집광 스폿(CS)의 위치를 광학적으로 보정한다. 대물 렌즈(36)는 예를 들면 f·θ렌즈이다.
제어부(4)는, 레이저광(L)의 집광 스폿(CS)이 대상 에어리어(11)에 대해서 소정의 궤적으로 삼차원적으로 이동하도록(바꿔 말하면, 레이저광(L)의 조사 스폿(S)이 대상 에어리어(11)에 있어서 소정의 궤적으로 이차원적으로 이동하도록), 조사부(3)의 동작을 제어한다. 집광 스폿(CS)이 대상 에어리어(11)에 대해서 소정의 궤적으로 삼차원적으로 이동함으로써, 조사 스폿(S)이 대상 에어리어(11)에 있어서 소정의 궤적으로 이차원적으로 이동하고, 조사 스폿(S)에 있어서, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도가 증감한다. 제어부(4)는 예를 들면 처리부(41)와, 기억부(42)와, 입력 접수부(43)를 가지고 있다. 처리부(41)는 프로세서, 메모리, 스토리지 및 통신 디바이스 등을 포함하는 컴퓨터 장치로서 구성되어 있다. 처리부(41)에서는, 프로세서가, 메모리 등에 읽혀넣어진 소프트웨어(프로그램)를 실행하고, 메모리 및 스토리지에서의 데이터의 읽어내기 및 쓰기, 그리고 통신 디바이스에 의한 통신을 제어한다. 기억부(42)는 하드 디스크 등으로, 각종 데이터를 기억한다. 입력 접수부(43)는 오퍼레이터로부터 각종 데이터의 입력을 접수하는 인터페이스부이다. 본 실시 형태에서는, 입력 접수부(43)는 GUI(Graphical User Interface)를 구성하고 있다.
［레이저 가공 방법］
상술한 레이저 가공 장치(1)에 있어서 실시되는 레이저 가공 방법에 대해서, 도 3에 나타내지는 플로차트를 따라서 설명한다. 해당 레이저 가공 방법은, 대상물(10)의 표면(10a)에 있어서의 대상 에어리어(11)에 레이저광(L)을 조사함으로써, 대상 에어리어(11)를 따라서 대상물(10)에 압축 잔류 응력을 부여하는 방법이다. 즉, 해당 레이저 가공 방법은 대상물(10)의 표면(10a)에 있어서의 대상 에어리어(11)에 레이저 피닝(laser peening) 가공을 실시하는 방법이다. 본 실시 형태의 레이저 가공 방법에서는, 이하에 기술하는 준비 스텝 및 가공 스텝이 실시된다.
먼저, 샘플(20)(도 4 참조)을 준비하고, 샘플(20)을 레이저 가공 장치(1)에 세트한다(도 3에 나타내지는 스텝 S01). 즉, 샘플(20)의 표면(20a)(도 4 참조)이 Z방향과 직교하도록, 샘플(20)을 지지부(2)에 고정한다. 샘플(20)이 레이저 가공 장치(1)에 세트되면, 샘플 에어리어(21)(도 4 참조), 및 레이저광(L)의 조사 조건 등이 제어부(4)에 의해서 설정된다. 본 실시 형태에서는, 샘플(20)은 대상물(10)과 동일한 재료로 이루어지고 또한 대상물(10)과 동일한 형상을 가지는 부재이다. 샘플 에어리어(21)는 대상 에어리어(11)와 동일한 형상을 가지는 에어리어이다. 본 실시 형태에서는, 도 4에 나타내지는 바와 같이, X방향에 있어서의 일방의 측을 제1 측으로 하고, X방향에 있어서의 타방의 측을 제2 측으로 한다. 즉, 제1 측 및 제2 측은, X방향에 있어서 서로 대향하는 측이다. 또한, Y방향에 있어서의 일방의 측을 제3 측으로 하고, Y방향에 있어서의 타방의 측을 제4 측으로 한다. 즉, 제3 측 및 제4 측은, Y방향에 있어서 서로 대향하는 측이다. 일례로서, 샘플 에어리어(21)는 X방향에 있어서 대향하는 2변, 및 Y방향에 있어서 대향하는 2변을 가지는 직사각형 모양의 에어리어이다.
이어서, 샘플 에어리어(21)에 보호층(P)이 형성되고 또한 해당 보호층(P)의 표면에 가둠층(C)이 형성된 상태에서, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도를 일정하게 하면서, 샘플(20)의 표면에 있어서의 샘플 에어리어(21)에 대해서 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 주사하도록(도 3에 나타내지는 스텝 S02, 준비 스텝), 제어부(4)가 조사부(3)를 제어한다. 구체적으로는, 도 4에 나타내지는 바와 같이, 샘플 에어리어(21)에 있어서, Y방향(제1 방향)으로 연재함과 아울러 X방향(제1 방향과 수직인 제2 방향)으로 늘어서는 복수의 라인(L1) 각각을 따라서 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 이동시키는 제1 처리를 실시함으로써, 샘플 에어리어(21)에 대해서 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 주사한다. 본 실시 형태에서는, 제1 처리로서, 제3 측으로부터 제4 측으로(제1 방향에 있어서의 일방의 측으로부터 타방의 측으로) 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 이동시키는 처리, 및 제4 측으로부터 제3 측으로(제1 방향에 있어서의 타방의 측으로부터 일방의 측으로) 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 이동시키는 처리를 교호로 실시한다. 또한, 서로 이웃하는 라인(L1)의 간격은, X방향에 있어서의 레이저광(L)의 조사 스폿(S)의 폭의 1/2 정도이다.
이어서, 샘플(20)의 표면(20a)을 따라서 샘플(20)에 부여된 압축 잔류 응력을 취득한다(도 3에 나타내지는 스텝 S03, 준비 스텝). 본 실시 형태에서는, 샘플(20)에 부여된 압축 잔류 응력을, 작업자가 X선 잔류 응력 측정 장치에 의해서 측정하고, 입력 접수부(43)에 입력한다.
이어서, 보정 계수(Z)를 취득한다(스텝 S04). 이 「보정 계수(Z)」는 압축 잔류 응력의 부여 용이성을 나타내는 계수이다. 본 실시 형태에서는, 처리부(41)가, 샘플(20)에 부여된 압축 잔류 응력에 기초하여, 보정 계수(Z)를 취득한다. 구체적으로는, 샘플(20)에 부여된 압축 잔류 응력을, 처음에 조사 스폿(S)을 주사한 에어리어에 있어서 샘플(20)에 부여된 압축 잔류 응력으로 나누어, 보정 계수(Z)가 산출된다.
이어서, 샘플(20)에 일정한 압축 잔류 응력을 부여할 수 있는 단위 면적당 레이저광(L)의 강도를 취득한다(스텝 S05). 또한, 이하의 설명에 있어서 「샘플(20)에 일정한 압축 잔류 응력을 부여할 수 있는 단위 면적당 레이저광(L)의 강도」를 「샘플 조사 강도」라고 호칭한다. 본 실시 형태에서는, 처리부(41)가, 샘플 조사 강도를 취득한다. 처리부(41)는, 샘플 조사 강도를, 이하의 도출 과정에 의해서 도출한다.
샘플(20)에 발생한 소성(塑性) 변형의 양(이하, 소성 변형량이라고 호칭함)은, 샘플(20)에 조사한 레이저광(L)의 펄스 폭 및 샘플(20)에 발생한 충격파 압력에 비례하기 때문에, 하기의 수식 (1)의 관계를 충족한다.
Figure pct00001
수식 (1)에 있어서의 Lp는 샘플(20)에 발생한 소성 변형량(㎛)이다. πp는 샘플(20)에 조사한 레이저광(L)의 펄스 폭(㎱)이다. P는 샘플(20)에 발생한 충격파 압력(GPa)이다.
압축 잔류 응력은 소성 스트레인량(소성 변형량을 부재의 변형 전의 길이로 나눈 값)과 상관이 있다. 따라서, 샘플(20)에 부여된 압축 잔류 응력 및 샘플(20)의 소성 변형량은, 하기의 수식 (2)의 관계로 나타낼 수 있다.
Figure pct00002
수식 (2)에 있어서의 σ는 샘플(20)에 부여된 압축 잔류 응력(MPa)이다.
가둠층(C)을 물로 했을 경우, 샘플(20)에 발생한 충격파 압력은, 샘플(20)에 조사한 레이저광(L)의 강도와 하기의 수식 (3)의 관계를 충족한다.
Figure pct00003
수식 (3)에 있어서의 I는 단위 면적당 레이저광(L)의 강도(GW/㎠)이다.
여기서, 유효 충격파 압력에 대해 하기의 수식 (4)의 관계로 나타낼 수 있다. 이 「유효 충격파 압력」은 보정 계수(Z)를 고려한 충격파 압력이다.
Figure pct00004
수식 (4)에 있어서의 P1은 유효 충격파 압력(GPa), Z는 보정 계수(Z)이다.
이상의 수식 (1), 수식 (2), 수식 (3) 및 수식 (4)에 의하면, 보정 계수(Z)에 따라서 단위 면적당 레이저광(L)의 강도를 조정함으로써, 샘플(20)에 부여되는 압축 잔류 응력을 일정하게 할 수 있다. 즉, 보정 계수(Z)에 기초하여, 샘플 조사 강도가 도출된다. 본 실시 형태에서는, 이상의 도출 과정에 기초하여, 처리부(41)가 샘플 조사 강도를 취득한다.
이어서, 대상물(10)에 일정한 압축 잔류 응력을 부여할 수 있는 단위 면적당 레이저광(L)의 강도를 취득한다(스텝 S06). 또한, 이하의 설명에 있어서 「대상물(10)에 일정한 압축 잔류 응력을 부여할 수 있는 단위 면적당 레이저광(L)의 강도」를 「대상물 조사 강도」라고 호칭한다. 구체적으로는, 처리부(41)가, 샘플 조사 강도를, 대상물 조사 강도로 변환하여 취득한다. 본 실시 형태에서는, 샘플 에어리어(21)는 대상 에어리어(11)와 동일한 형상을 가지는 에어리어이다. 따라서, 처리부(41)는, 샘플 조사 강도가 적용되는 에어리어를 등배(等倍)로 변환함으로써, 대상물 조사 강도를 취득한다. 처리부(41)가 취득한 대상물 조사 강도는, 기억부(42)에 기억된다.
이어서, 대상물(10)을 준비하고, 대상물(10)을 레이저 가공 장치(1)에 세트한다(스텝 S07). 즉, 도 1에 나타내지는 바와 같이, 대상물(10)의 표면(10a)이 Z방향과 직교하도록, 대상물(10)을 지지부(2)에 고정한다. 대상물(10)이 레이저 가공 장치(1)에 세트되면, 대상 에어리어(11), 및 레이저광(L)의 조사 조건 등이 제어부(4)에 의해서 설정된다. 본 실시 형태에서는, 도 5에 나타내지는 바와 같이, X방향에 있어서의 일방의 측을 제1 측으로 하고, X방향에 있어서의 타방의 측을 제2 측으로 한다. 즉, 제1 측 및 제2 측은, X방향에 있어서 서로 대향하는 측이다. 또한, Y방향에 있어서의 일방의 측을 제3 측으로 하고, Y방향에 있어서의 타방의 측을 제4 측으로 한다. 즉, 제3 측 및 제4 측은, Y방향에 있어서 서로 대향하는 측이다. 일례로서, 대상 에어리어(11)는 X방향에 있어서 대향하는 2변, 및 Y방향에 있어서 대향하는 2변을 가지는 직사각형 모양의 에어리어이다.
이어서, 대상 에어리어(11)에 보호층(P)(도 1 참조)이 형성되고 또한 해당 보호층(P)의 표면에 가둠층(C)(도 1 참조)이 형성된 상태에서, 샘플(20)에 부여된 압축 잔류 응력에 기초하여, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도의 이동 평균을 크게 하면서, 대상 에어리어(11)에 대해서 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 주사하도록(도 3에 나타내지는 스텝 S08, 가공 스텝), 제어부(4)가 조사부(3)를 제어한다. 이 「이동 평균」은, 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 주사한 소정 범위에 있어서, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도를 평균한 값이다. 본 실시 형태에서는, 대상물 조사 강도에 기초하여, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도의 이동 평균을 크게 하면서, 대상 에어리어(11)에 대해서 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 주사한다. 구체적으로는, 도 5에 나타내지는 바와 같이, 대상 에어리어(11)에 있어서, Y방향(제1 방향)으로 연재함과 아울러 X방향(제1 방향과 수직인 제2 방향)으로 늘어서는 복수의 라인(L1) 각각을 따라서 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 이동시키는 제2 처리를 실시한다. 제어부(4)는, 대상물 조사 강도에 기초하여, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도를 1개의 라인(L1)마다 크게 함으로써, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도의 이동 평균을 크게 한다. 구체적으로는, 1개의 라인(L1)마다, 레이저광(L)의 집광 스폿(CS)의 위치를 Z방향(대상 에어리어(11)와 교차하는 방향)을 따라서 대상 에어리어(11)에 근접하도록 이동함으로써, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도를 크게 한다.
또한, 본 실시 형태에서는, 제2 처리로서, 제3 측으로부터 제4 측으로(제1 방향에 있어서의 일방의 측으로부터 타방의 측으로) 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 이동시키는 처리, 및 제4 측으로부터 제3 측으로(제1 방향에 있어서의 타방의 측으로부터 일방의 측으로) 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 이동시키는 처리를 교호로 실시한다.
이상과 같이, 준비 스텝 및 가공 스텝을 실시함으로써, 대상 에어리어(11)를 따라서 대상물(10)에 압축 잔류 응력을 부여한다. 즉, 상기 레이저 가공 방법은 대상 에어리어(11)를 따라서 압축 잔류 응력이 부여된 대상물(10)을 제조하는 방법이다.
［작용 및 효과］
상기 레이저 가공 방법에서는, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도의 이동 평균을 크게 하면서, 대상 에어리어(11)에 대해서 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 주사한다. 이것에 의해, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도를 일정하게 한 경우와 비교하여, 대상물(10)에 부여되는 압축 잔류 응력이 저하되는 것이 억제된다. 따라서, 상기 레이저 가공 방법에 의하면, 대상물(10)의 표면(10a)에 있어서의 대상 에어리어(11)를 따라서 대상물(10)에 부여되는 압축 잔류 응력이 불균일해지는 것을 억제할 수 있다.
상기 레이저 가공 방법에서는, 가공 스텝에 있어서, Y방향으로 연재함과 아울러 X방향으로 늘어서는 복수의 라인(L1) 각각을 따라서 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 이동시키는 제2 처리를 실시함으로써, 대상 에어리어(11)에 대해서 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 주사하고, 가공 스텝에 있어서는, 복수의 라인(L1) 중 1개의 라인(L1)마다, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도를 크게 함으로써, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도의 이동 평균을 크게 한다. 이것에 의해, 레이저광(L)의 조사 스폿(S)의 주사 및 단위 면적당 레이저광(L)의 강도의 제어를 간이하고 용이하게 실시할 수 있다.
상기 레이저 가공 방법에서는, 가공 스텝에 있어서는, 상기 제2 처리로서, Y방향에 있어서의 일방의 측으로부터 타방의 측으로 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 이동시키는 처리, 및 Y방향에 있어서의 타방의 측으로부터 일방의 측으로 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 이동시키는 처리를 교호로 실시한다. 이것에 의해, 대상 에어리어(11)에 대해서 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 효율 좋게 주사할 수 있다.
상기 레이저 가공 방법에서는, 가공 스텝에 있어서, Z방향을 따라서 레이저광(L)의 집광 스폿(CS)의 위치를 이동함으로써, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도의 이동 평균을 크게 한다. 이것에 의해, 레이저광(L)의 출력을 조정하지 않아도, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도의 이동 평균을 크게 할 수 있다. 해당 작용 및 효과를 이하에 실증한다.
도 6에 나타내지는 바와 같이, 집광 스폿(CS)의 Z방향 위치와 조사 스폿(S)의 지름과의 상관 관계를 취득했다. 해당 상관 관계에 의하면, 조사 스폿(S)의 지름은, 집광 스폿(CS)의 Z방향 위치를 변수로 하는 일차 함수에 의해서 근사(近似)된다. 레이저광(L)의 출력이 일정한 경우, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도는, 조사 스폿(S)의 지름의 2승과 반비례하기 때문에, Z방향을 따라서 레이저광(L)의 집광 스폿(CS)의 위치를 이동함으로써, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도의 이동 평균을 크게 할 수 있는 것이 실증되었다.
상기 레이저 가공 방법에서는, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도를 일정하게 하면서, 샘플(20)의 표면에 있어서의 샘플 에어리어(21)에 대해서 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 주사하고, 샘플(20)의 표면(20a)을 따라서 샘플(20)에 부여된 압축 잔류 응력을 취득하는 준비 스텝을 실시한다. 가공 스텝에 있어서는, 샘플(20)에 부여된 압축 잔류 응력에 기초하여, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도의 이동 평균을 크게 한다. 이것에 의해, 대상물(10)에 부여되는 압축 잔류 응력이 불균일해지는 것을 보다 확실하게 억제할 수 있다.
상기 레이저 가공 장치(1)에 의하면, 상기 레이저 가공 방법과 마찬가지로, 대상물(10)의 표면(10a)에 있어서의 대상 에어리어(11)를 따라서 대상물(10)에 부여되는 압축 잔류 응력이 불균일해지는 것을 억제할 수 있다.
［비교예 및 실시예］
다음으로, 비교예, 실시예 1 및 실시예 2의 레이저 가공 방법에 대해 설명한다. 비교예, 실시예 1 및 실시예 2의 레이저 가공 방법에 의해서 조사한 레이저광의 조사 조건은 다음과 같다.
레이저광의 조건
파장: 1064㎚
펄스 에너지: 42mJ
펄스 폭: 39.4㎱(가우시안)
집광 사이즈: φ0.19~0.30㎜
강도: 1.5~3.8GW/㎠
반복 주파수: 300Hz
대상물의 조건
재질: 알루미늄 합금(A2024)
형상: 49×49㎜
두께: 3㎜
대상 에어리어: 3×3㎜
보호층: 알루미늄 테이프(두께: 100㎛ 이하)
가둠층: 유수(流水)
비교예의 레이저 가공 방법에서는, 단위 면적당 레이저광의 강도의 이동 평균을 일정하게 하면서, 대상 에어리어에 대해서 레이저광의 조사 스폿을 주사하는 스텝(준비 스텝)을 4회 실시했다. 실시예 1 및 실시예 2의 레이저 가공 방법에서는, 단위 면적당 레이저광의 강도의 이동 평균을 크게 하면서, 대상 에어리어(11)에 대해서 레이저광의 조사 스폿을 주사하는 스텝(가공 스텝)을 4회 실시했다. 또한, 실시예 1 및 실시예 2의 레이저 가공 방법에서는, 단위 면적당 레이저광의 강도는, 집광 스폿을 Z방향을 따라서 이동하는 것에 의해서 조정되었다.
비교예의 레이저 가공 방법에 의해서 조사된 레이저광은, 단위 면적당 레이저광의 강도가, 3.8GW/㎠를 유지하도록 조정되었다. 실시예 1의 레이저 가공 방법에 의해서 조사된 레이저광은, 도 7의 (a)에 나타내지는 바와 같이, 단위 면적당 레이저광의 강도가, 3.0GW/㎠로부터 3.8GW/㎠가 되도록 조정되었다. 실시예 2의 레이저 가공 방법에 의해서 조사된 레이저광은, 도 7의 (b)에 나타내지는 바와 같이, 단위 면적당 레이저광의 강도가, 1.5GW/㎠로부터 3.8GW/㎠가 되도록 조정되었다.
비교예, 실시예 1 및 실시예 2의 레이저 가공 방법에 의해서 대상물에 부여된 압축 잔류 응력의 이차원 분포를, X선 잔류 응력 측정 장치에 의해서 측정했다. 압축 잔류 응력의 이차원 분포의 측정 조건은, 다음과 같다.
압축 잔류 응력의 이차원 분포의 측정 조건
X선 사이즈: φ0.5㎜
범위: 5.0×2.5㎜
간격: 0.25㎜
관구(管球): Co
비교예의 레이저 가공 방법에 의해서 대상 에어리어를 따라서 부여된 압축 잔류 응력의 이차원 분포는, 도 8에 나타내지는 바와 같이, 처음에 레이저광이 주사된 측(X=1.0㎜ 측)으로부터 마지막에 레이저광이 주사된 측(X=4.0㎜ 측)을 향하여 저하되는 분포로 되었다. 이것에 의해, 단위 면적당 레이저광의 강도를 일정하게 하면, 레이저광의 조사 스폿이 주사된 에어리어가 대상 에어리어에 있어서 증가할수록(즉, 레이저광의 조사 스폿이 주사된 에어리어가 대상 에어리어에 있어서 조밀하게 될수록), 압축 잔류 응력이 부여되기 어려워지는 경향이 있는 것이, 실험적으로 확인되었다. 실시예 1의 레이저 가공 방법에 의해서 대상 에어리어를 따라서 부여된 압축 잔류 응력의 이차원 분포는, 도 9의 (a)에 나타내지는 바와 같이, 비교예의 레이저 가공 방법에 의한 압축 잔류 응력의 이차원 분포에 비해, 불균일이 억제된 분포로 되었다. 실시예 2의 레이저 가공 방법에 의해서 대상 에어리어를 따라서 부여된 압축 잔류 응력의 이차원 분포는, 도 9의 (b)에 나타내지는 바와 같이, 비교예의 레이저 가공 방법에 의한 압축 잔류 응력의 이차원 분포에 비해, 불균일이 억제된 분포로 되었지만, 실시예 1의 레이저 가공 방법에 의한 압축 잔류 응력의 이차원 분포에 비해, 불균일이 확장된 분포로 되었다. 또한, 도 8, 도 9, 도 9의 (a) 및 도 9의 (b)에 있어서, 압축 잔류 응력은, 음의 값으로 나타내져 있다.
도 10은 비교예, 실시예 1 및 실시예 2의 레이저 가공 방법에 의해서 대상물에 부여된 압축 잔류 응력을 나타내는 그래프이다. 도 10에 있어서, 「X방향 위치」는 X방향에 있어서의 위치를 의미하고, 「Y방향 평균 잔류 응력」은 각 X방향 위치에서의 「Y방향을 따른 부분에 부여된 압축 잔류 응력의 평균값」을 의미한다. 도 10에 나타내지는 바와 같이, 대상 에어리어에 있어서의 Y방향 평균 잔류 응력에 대해서, 최대값과 최소값의 차에 주목하면, 해당 차에 대해서는, 비교예의 레이저 가공 방법에 의한 값보다도 실시예 1 및 실시예 2의 레이저 가공 방법에 의한 값이 작고, 실시예 2의 레이저 가공 방법에 의한 값보다도 실시예 1의 레이저 가공 방법에 의한 값이 작다. 또한, 도 10에 있어서, 압축 잔류 응력은 음의 값으로 나타내져 있다(후술하는 도 11, 도 12의 (a), 도 13의 (a) 및 도 13의 (b)에 있어서도 마찬가지임).
도 11은 비교예, 실시예 1 및 실시예 2의 레이저 가공 방법에 의해서 대상물에 부여된 압축 잔류 응력을 나타내는 표이다. 도 11에 있어서, 「최대값」은 도 8, 도 9의 (a) 및 도 9의 (b) 각각에 나타내지는 대상 에어리어(3×3㎜의 점선 테두리 내)를 따라서 부여된 압축 잔류 응력의 최소값을 의미하고, 「최소값」은 해당 대상 에어리어를 따라서 부여된 압축 잔류 응력의 최대값을 의미하고, 「평균값」은 해당 대상 에어리어를 따라서 부여된 압축 잔류 응력의 평균값을 의미한다. 「편차」는 해당 대상 에어리어를 따라서 부여된 압축 잔류 응력이 평균값으로부터 벗어난 크기를 의미하고, 「편차/｜평균값｜」은 해당 대상 에어리어를 따라서 부여된 압축 잔류 응력이 평균값으로부터 벗어난 비율을 의미한다. 도 11에 나타내지는 바와 같이, 「편차」 및 「편차/｜평균값｜」에 대해서는, 비교예의 레이저 가공 방법에 의한 값보다도 실시예 1 및 실시예 2의 레이저 가공 방법에 의한 값이 작고, 실시예 2의 레이저 가공 방법에 의한 값보다도 실시예 1의 레이저 가공 방법에 의한 값이 작다. 즉, 실시예 2에 있어서 대상 에어리어를 따라서 부여된 압축 잔류 응력은, 비교예에 있어서 대상 에어리어를 따라서 부여된 압축 잔류 응력보다 균일하다. 또한, 실시예 1에 있어서 대상 에어리어를 따라서 부여된 압축 잔류 응력은, 실시예 2에 있어서 대상 에어리어를 따라서 부여된 압축 잔류 응력보다도 균일하다.
이상의 결과로부터, 단위 면적당 레이저광의 강도를 일정하게 하면, 레이저광의 조사 스폿이 주사된 에어리어가 대상 에어리어에 있어서 증가할수록, 압축 잔류 응력이 부여되기 어려워지는 경향이 있는 것이 실증되었다. 또한, 단위 면적당 레이저광의 강도의 이동 평균을 크게 하면서, 대상 에어리어에 대해서 레이저광의 조사 스폿을 주사함으로써, 대상물의 표면에 있어서의 대상 에어리어를 따라서 대상물에 부여되는 압축 잔류 응력이 불균일해지는 것을 억제할 수 있는 것이 입증되었다.
도 12의 (a)는 비교예의 레이저 가공 방법에 의해서 대상물에 부여된 압축 잔류 응력을 나타내는 그래프이다. 비교예의 레이저 가공 방법에서는, 레이저광의 강도를 일정하게 하면서, 대상물의 표면의 대상 에어리어에 대해서 레이저광의 조사 스폿을 주사했다. 이 「비교예의 레이저 가공 방법에 이용된 대상물」을 「상기 실시 형태의 레이저 가공 방법의 스텝 S02에 이용된 샘플」로 하면, 도 12의 (a)는, 단위 면적당 레이저광의 강도를 일정하게 하면서, 샘플의 표면에 있어서의 샘플 에어리어에 대해서 레이저광의 조사 스폿을 주사하고, 샘플의 표면을 따라서 샘플에 부여된 압축 잔류 응력을 나타내는 그래프이다.
도 12의 (a)에 나타내지는 바와 같이, 처음에 레이저광이 주사된 에어리어(X=1㎜의 에어리어)에 가깝고, 샘플 에어리어에 있어서 압축 잔류 응력이 부여된 영역이 성김(疎)의 상태일수록, 압축 잔류 응력은 부여되기 쉽다. 마지막에 레이저광이 주사된 에어리어(X=4㎜의 에어리어)에 가깝고, 샘플 에어리어에 있어서 압축 잔류 응력이 부여된 영역이 조밀함(密)의 상태일수록, 압축 잔류 응력은 부여되기 어렵다. 도 12의 (b)는, 해당 샘플에 부여된 압축 잔류 응력에 기초하여 구해진 보정 계수(Z)를 나타내는 그래프이다. 도 12의 (b)에 나타내지는 바와 같이, 보정 계수(Z)는, 샘플의 표면을 따라서 샘플에 부여된 압축 잔류 응력을, 처음에 레이저광이 주사된 에어리어에 있어서 샘플에 부여된 압축 잔류 응력으로 나누어 구해진다.
대상물에 부여되는 압축 잔류 응력의 이론값은, 보정 계수(Z) 및 단위 면적당 레이저광의 강도에 기초하는 계산값(이하, 계산값이라고 호칭함)으로서 산출된다. 도 13의 (a)의 실험값은, 실시예 1의 레이저 가공 방법에 의해서 대상물에 부여된 압축 잔류 응력을 나타낸다. 도 13의 (a)의 계산값은, 실시예 1의 레이저 가공 방법에 의해서 대상물에 조사된 레이저광의 강도(도 7의 (a) 참조)에 기초하는 계산값을 나타낸다. 도 13의 (a)에 나타내지는 바와 같이, 대상물에 부여된 압축 잔류 응력과, 압축 잔류 응력의 계산값은, 실시예 1에 있어서 정성적으로 일치하는 것이 확인되었다. 도 13의 (b)의 실험값은, 실시예 2의 레이저 가공 방법에 의해서 대상물에 부여된 압축 잔류 응력을 나타낸다. 도 13의 (b)의 계산값은, 실시예 2의 레이저 가공 방법에 의해서 대상물에 조사된 레이저광의 강도(도 7의 (b) 참조)에 기초하는 계산값을 나타낸다. 도 13의 (b)에 나타내지는 바와 같이, 대상물에 부여된 압축 잔류 응력과, 압축 잔류 응력의 계산값은, 실시예 2에 있어서 정성적으로 일치하는 것이 확인되었다.
［변형예］
본 개시는 상술한 실시 형태 및 실시예로 한정되지 않는다. 상기 실시 형태의 레이저 가공 방법에서는, 샘플(20)은 대상물(10)과 동일한 재료로 이루어지는 부재였지만, 대상물(10)과 다른 재료로 이루어지는 부재여도 된다. 샘플(20)은 대상물(10)과 동일한 형상을 가지는 부재였지만, 대상물(10)과 다른 형상을 가지는 부재여도 된다. 또한, 샘플 에어리어(21)는 대상 에어리어(11)와 동일한 형상을 가지는 에어리어였지만, 대상 에어리어(11)와 다른 형상을 가지는 에어리어여도 된다. 이 경우, 처리부(41)가, 샘플 조사 강도를, 대상물 조사 강도로 변환하여 취득한다.
대상 에어리어(11)가 샘플 에어리어(21)보다 큰 경우의 변형예 1을 설명한다. 실시예 1의 레이저 가공 방법에 의해서 조사된 레이저광은, 도 14의 (a)에 나타내지는 바와 같이, 단위 면적당 레이저광의 강도가, 3.0GW/㎠로부터 3.8GW/㎠로 커진다. 실시예 1의 레이저 가공 방법에 이용된 대상물(10)을 샘플로 하면, 상술한 단위 면적당 레이저광의 강도는, 샘플 조사 강도이다. 도 14의 (b)는 변형예 1로서 해당 샘플 조사 강도를 변환하여 취득한 대상물 조사 강도이다. 도 14의 (a) 및 (b)에 나타내지는 바와 같이, 샘플 조사 강도가 적용되는 3㎜의 에어리어(X=1.0㎜~4.0㎜, 도 14의 (a) 참조)를 9㎜의 에어리어(X=1.0㎜~10.0㎜, 도 14의 (b) 참조)로 변환함으로써, 대상물 조사 강도를 취득한다.
변형예 2의 레이저 가공 방법에 대해 설명한다. 변형예 2의 레이저 가공 방법에서는, 도 15에 나타내지는 바와 같이, 대상 에어리어(11)의 중심으로부터 대상 에어리어(11)의 외연까지(즉, 대상 에어리어(11)의 내측으로부터 외측을 향하여), 단위 면적당 레이저광(L)의 강도의 이동 평균을 크게 하면서, 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 소용돌이 모양의 라인(L1)을 따라서 이동시켜, 대상 에어리어(11)에 대해서 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 주사한다. 이 경우, 조사 스폿(S)이 소용돌이 모양의 라인(L1)을 따른 이동을 1주(周)할 때마다, 레이저광(L)의 강도를 전환하면 바람직하다. 즉 도 15에 있어서는, 조사 스폿(S)의 X방향에 있어서의 위치가 스타트 지점의 X방향에 있어서의 위치와 일치하고, 또한 조사 스폿(S)의 Y방향에 있어서의 위치가 스타트 지점의 Y방향에 있어서의 위치보다도 음(-)측에 위치할 때마다, 레이저광(L)의 강도를 전환하면 바람직하다. 또한, 대상 에어리어(11)에 있어서 네스팅(nesting) 박스 모양으로 늘어선 고리 모양의 라인을 따라서, 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 이동시켜도 된다. 일례로서, 복수의 고리 모양의 라인 각각을 따라서 조사 스폿(S)을 이동시키는 처리를, 내측의 고리 모양의 라인으로부터 외측의 고리 모양의 라인을 향하여(즉, 대상 에어리어(11)의 내측으로부터 외측을 향하여) 순차적으로 실시함으로써, 대상 에어리어(11)에 대해서 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 주사해도 된다. 이 경우, 레이저광(L)의 조사 스폿(S)이 소정의 고리 모양의 라인을 이동하는 동안은 레이저광(L)의 강도를 고정하고, 크기가 다른 고리 모양의 라인으로 이동할 때마다 강도를 전환하면 바람직하다. 즉, 조사 스폿(S)이 소정의 고리 모양의 라인을 1주 이동할 때마다, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도를 크게 함으로써 이동 평균을 크게 하면 바람직하다. 해당 변형예 2의 레이저 가공 방법에서는, 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을, 대상 에어리어(11)의 내측으로부터 외측을 향하여 이동시켜 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 주사했지만, 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을, 대상 에어리어(11)의 외측으로부터 내측을 향하여 이동시켜 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 주사해도 된다.
변형예 3의 레이저 가공 방법에 대해 설명한다. 변형예 3의 레이저 가공 방법에서는, 대상 에어리어(11)를 복수의 에어리어로 분할하고, 복수의 에어리어 각각에 있어서, 상기 실시 형태의 레이저 가공 방법을 실시한다. 예를 들면, 도 16에 나타내지는 바와 같이, X방향 및 Y방향을 따라서 2행 2열로 배열된 4개의 에어리어로 대상 에어리어(11)를 분할한다. 해당 4개의 에어리어 각각에 있어서 병행하여 상기 실시 형태의 레이저 가공 방법을 실시함으로써, 대상 에어리어(11)가 넓은 경우라도, 대상 에어리어(11)를 따라서 대상물(10)에 압축 잔류 응력을 부여하는 시간을 단축화할 수 있다.
상기 실시 형태의 레이저 가공 장치(1)에서는, 제어부(4)가 레이저광(L)의 집광 스폿(CS)이 대상 에어리어(11)에 대해서 소정의 궤적으로 삼차원적으로 이동하도록(바꿔 말하면, 레이저광(L)의 조사 스폿(S)이 대상 에어리어(11)에 있어서 소정의 궤적으로 이차원적으로 이동하도록) 조사부(3)의 동작을 제어했지만, 제어부(4)는 지지부(2) 및 조사부(3) 중 적어도 하나의 동작을 제어하면 된다. 예를 들면, 제어부(4)는, 레이저광(L)의 집광 스폿(CS)이 대상 에어리어(11)에 대해서 소정의 궤적으로 삼차원적으로 이동하도록, 지지부(2)의 동작을 제어해도 된다. 혹은, 제어부(4)는, 레이저광(L)의 집광 스폿(CS)이 대상 에어리어(11)에 대해서 소정의 궤적으로 삼차원적으로 이동하도록, 지지부(2)의 동작 및 조사부(3)의 동작을 제어해도 된다.
또한, 상기 실시 형태의 레이저 가공 장치(1)에서는, 가공 스텝에 있어서, 대상 에어리어(11)와 교차하는 Z방향을 따라서 레이저광(L)의 집광 스폿(CS)의 위치를 이동함으로써, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도를 크게 했지만, 조사부(3)가 출사하는 레이저광(L)의 출력을 크게 함으로써, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도를 크게 해도 된다.
상기 실시 형태의 레이저 가공 방법에서는, 가공 스텝에 있어서, 제3 측으로부터 제4 측으로 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 이동시키는 처리, 및 제4 측으로부터 제3 측으로 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 이동시키는 처리를 교호로 실시했지만, 제3 측으로부터 제4 측으로 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 이동시키는 처리, 또는 제4 측으로부터 제3 측으로 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 이동시키는 처리를 연속해서 실시해도 된다.
상기 실시 형태의 레이저 가공 방법에서는, 가공 스텝에 있어서, 1개의 라인(L1)마다, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도를 크게 했지만, 복수의 라인(L1)마다, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도를 크게 해도 된다.
상기 실시 형태의 레이저 가공 방법에서는, 서로 이웃하는 라인(L1)의 간격은, X방향에 있어서의 레이저광(L)의 조사 스폿(S)의 폭의 1/2 정도로 늘어서 있었지만, 이 간격은 등간격이어도 된다. 서로 이웃하는 라인(L1)의 간격이 등간격인 경우, 상기 실시 형태의 레이저 가공 방법에 있어서 조사 스폿(S)의 폭이 최소인(즉, 집광 스폿(CS)의 위치가 Z방향에 있어서 대상 에어리어(11)에 가장 가까운 경우의 조사 스폿(S)의 폭인) 경우의 1/2이면 바람직하다. 이 경우, 서로 이웃하는 라인(L1)의 사이는, 조사 스폿(S)에 의해서 확실하게 2회 이상 주사된다. 또한, 서로 이웃하는 라인(L1)의 간격은, 상기 실시 형태의 레이저 가공 방법에 있어서 조사 스폿(S)의 폭이 최대인(즉, 집광 스폿(CS)의 위치가 Z방향에 있어서 대상 에어리어(11)에 가장 먼 경우의 조사 스폿(S)의 폭인) 경우의 1/2이어도 된다. 이 경우, 복수의 라인(L1)에 있어서, 서로 이웃하는 라인(L1)의 간격이 성기게 되기 때문에, 레이저 가공 방법 전체의 가공 시간을 단축할 수 있다.
서로 이웃하는 라인(L1)의 간격은 등간격이 아니어도 된다. 서로 이웃하는 라인(L1)의 간격이 등간격이 아닌 경우, 조사 스폿(S)이 이동한 영역이 균일하게 서로 중첩되는 간격(즉, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도에 따라 변화하는 조사 스폿(S)의 폭의 1/2)으로 조정되면 바람직하다. 이 경우, 서로 이웃하는 라인(L1)의 사이의 영역은, 조사 스폿(S)에 의해서 중복없이 2회 주사된다. 이 경우, 대상 에어리어(11)에 대해서 조사 스폿(S)을 균일하게 주사할 수 있다.
상기 실시 형태의 레이저 가공 방법에서는, 가공 스텝에 있어서, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도를 1개의 라인(L1)마다 크게 했지만, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도의 이동 평균을 크게 하면 된다. 예를 들면, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도를 연속적으로 크게 해도 된다. 혹은, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도를 작게 해도, 대상 에어리어(11)에 대해서 레이저광(L)의 조사 스폿(S)을 주사한 소정 범위에 있어서, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도의 이동 평균을 크게 하면 된다.
상기 실시 형태의 레이저 가공 방법에서는, 준비 스텝에 있어서, 작업자가 샘플(20)에 부여된 압축 잔류 응력을 X선 잔류 응력 측정 장치에 의해서 측정하고, 입력 접수부(43)에 입력하고 있었다. 그렇지만, X선 잔류 응력 측정 장치를 더 구비하는 레이저 가공 장치(1)가 대상물(10)에 부여된 압축 잔류 응력을 측정하고, 샘플(20)에 부여된 압축 잔류 응력을 취득해도 된다. 이 경우, 처리부(41)가 X선 잔류 응력 측정 장치로부터 샘플(20)에 부여된 압축 잔류 응력을 취득한다.
상기 실시 형태의 레이저 가공 방법에서는, 1회의 준비 스텝을 1회의 가공 스텝을 위해서 실시하고 있었지만, 1회의 준비 스텝을 복수 회의 가공 스텝을 위해서 실시해도 된다. 이 경우, 하나의 샘플(20)에 준비 스텝을 실시한 후에, 복수의 대상물(10)에 가공 스텝을 실시할 수 있다.
상기 실시 형태의 레이저 가공 방법에서는, 준비 스텝 및 가공 스텝이 연속해서 실시되고 있었지만, 준비 스텝 및 가공 스텝은, 별개로 실시되어도 된다. 이 경우, 샘플(20)의 표면(20a)을 따라서 샘플(20)에 부여된 압축 잔류 응력 또는 소정의 계수를 기억부(42)에 취득시킴으로써, 레이저 가공 장치(1)의 제조시에 준비 스텝을 실시할 수 있다. 이 「소정의 계수」는 샘플(20)의 표면(20a)을 따라서 샘플(20)에 부여된 압축 잔류 응력에 기초하여 구해지는 샘플 조사 강도, 대상물 조사 강도 또는 보정 계수 등의 계수이다. 혹은, 소정의 계수를 미리 데이터베이스에 기억하고, 데이터베이스로부터 소정의 계수를 처리부(41)가 취득함으로써, 준비 스텝을 실시할 수 있다.
상기 실시 형태의 레이저 가공 방법에서는, 준비 스텝을 실시하고 있었지만, 적어도 가공 스텝을 실시하면 된다. 이 경우도, 단위 면적당 레이저광(L)의 강도를 일정하게 한 경우와 비교하여, 대상물(10)에 부여되는 압축 잔류 응력이 불균일해지는 것을 억제할 수 있다. 다만, 준비 스텝을 실시하면, 샘플(20)에 부여된 압축 잔류 응력에 기초하여 단위 면적당 레이저광(L)의 강도의 이동 평균을 크게 할 수 있기 때문에, 대상물(10)에 부여되는 압축 잔류 응력이 불균일해지는 것을 보다 확실하게 억제할 수 있다.
대상 에어리어(11)는 평면으로 한정되지 않고, 곡면이어도 된다. 대상 에어리어(11)는 직사각형으로 한정되지 않고, 원형 등의 다른 형상이어도 된다. 라인(L1)은 직선으로 한정되지 않고, 곡선이어도 된다.
1…레이저 가공 장치 2…지지부
3…조사부 4…제어부
10…대상물 10a…표면
11…대상 에어리어 20…샘플
20a…표면 21…샘플 에어리어
L…레이저광 CS…집광 스폿
S…조사 스폿 L1…라인

Claims (6)

  1. 대상물의 표면에 있어서의 대상 에어리어에 레이저광을 조사함으로써, 상기 대상 에어리어를 따라서 상기 대상물에 압축 잔류 응력을 부여하는 레이저 가공 방법으로서,
    단위 면적당 상기 레이저광의 강도의 이동 평균을 크게 하면서, 상기 대상 에어리어에 대해서 상기 레이저광의 조사 스폿을 주사하는 가공 스텝을 구비하는 레이저 가공 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가공 스텝에 있어서는, 제1 방향으로 연재함과 아울러 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 늘어서는 복수의 라인 각각을 따라서 상기 레이저광의 조사 스폿을 이동시키는 처리를 실시함으로써, 상기 대상 에어리어에 대해서 상기 레이저광의 조사 스폿을 주사하고,
    상기 가공 스텝에 있어서는, 상기 복수의 라인 중 적어도 1개의 라인마다, 단위 면적당 상기 레이저광의 강도를 크게 함으로써, 상기 이동 평균을 크게 하는 레이저 가공 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 가공 스텝에 있어서는, 상기 처리로서, 상기 제1 방향에 있어서의 일방의 측으로부터 타방의 측으로 상기 레이저광의 조사 스폿을 이동시키는 처리, 및 상기 제1 방향에 있어서의 상기 타방의 측으로부터 상기 일방의 측으로 상기 레이저광의 조사 스폿을 이동시키는 처리를 교호로 실시하는 레이저 가공 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가공 스텝에 있어서는, 상기 대상 에어리어와 교차하는 방향을 따라서 상기 레이저광의 집광 스폿의 위치를 이동함으로써, 상기 이동 평균을 크게 하는 레이저 가공 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    단위 면적당 상기 레이저광의 강도를 일정하게 하면서, 샘플의 표면에 있어서의 샘플 에어리어에 대해서 상기 레이저광의 조사 스폿을 주사하고, 상기 샘플의 표면을 따라서 상기 샘플에 부여된 압축 잔류 응력을 취득하는 준비 스텝을 더 구비하고,
    상기 가공 스텝에 있어서는, 상기 샘플에 부여된 상기 압축 잔류 응력에 기초하여, 단위 면적당 상기 레이저광의 강도의 이동 평균을 크게 하는 레이저 가공 방법.
  6. 대상물의 표면에 있어서의 대상 에어리어에 레이저광을 조사함으로써, 상기 대상 에어리어를 따라서 상기 대상물에 압축 잔류 응력을 부여하는 레이저 가공 장치로서,
    상기 대상물을 지지하는 지지부와,
    상기 대상 에어리어에 상기 레이저광을 조사하는 조사부와,
    상기 지지부 및 상기 조사부 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는, 단위 면적당 상기 레이저광의 강도의 이동 평균이 커지면서, 상기 대상 에어리어에 대해서 상기 레이저광의 조사 스폿이 주사되도록, 상기 지지부 및 상기 조사부 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 레이저 가공 장치.
KR1020237010921A 2020-09-24 2021-07-05 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치 KR20230071144A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020159831A JP2022053168A (ja) 2020-09-24 2020-09-24 レーザ加工方法及びレーザ加工装置
JPJP-P-2020-159831 2020-09-24
PCT/JP2021/025359 WO2022064808A1 (ja) 2020-09-24 2021-07-05 レーザ加工方法及びレーザ加工装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230071144A true KR20230071144A (ko) 2023-05-23

Family

ID=80845270

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020237010921A KR20230071144A (ko) 2020-09-24 2021-07-05 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20230330779A1 (ko)
EP (1) EP4197689A1 (ko)
JP (1) JP2022053168A (ko)
KR (1) KR20230071144A (ko)
CN (1) CN116323084A (ko)
WO (1) WO2022064808A1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08112681A (ja) 1993-12-07 1996-05-07 Toyota Motor Corp レーザショック処理方法および装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3461948B2 (ja) * 1995-02-06 2003-10-27 株式会社東芝 水中レーザ加工方法
JP5677033B2 (ja) * 2009-11-05 2015-02-25 株式会社東芝 レーザ加工装置及びその方法
JP2015221918A (ja) * 2014-05-22 2015-12-10 Ntn株式会社 レーザピーニング装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08112681A (ja) 1993-12-07 1996-05-07 Toyota Motor Corp レーザショック処理方法および装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP4197689A1 (en) 2023-06-21
US20230330779A1 (en) 2023-10-19
WO2022064808A1 (ja) 2022-03-31
CN116323084A (zh) 2023-06-23
JP2022053168A (ja) 2022-04-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102437379B1 (ko) 레이저 가공 장치 및 레이저 가공 방법
JP6519106B2 (ja) レーザの焦点ずれ検査方法および補正方法
JP2009259860A (ja) レーザ加工装置、及び、レーザ加工方法
CN109079313B (zh) 激光抛光设备及方法
CN108136544A (zh) 用于丝化非面平行形状的工件的方法和装置以及通过丝化产生的工件
CN105798455A (zh) 激光加工系统和方法
CN109093253B (zh) 激光加工品的制造方法和激光加工品
JP2013130856A5 (ko)
KR101420565B1 (ko) 레이저 가공장치 및 레이저 가공방법
JP2008215829A (ja) 較正用治具、較正方法、及び該方法を用いたレーザ加工装置
JP6911277B2 (ja) レーザー加工装置及びレーザー加工方法
JP2006049606A (ja) レーザ加工装置
KR20230071144A (ko) 레이저 가공 방법 및 레이저 가공 장치
KR102076790B1 (ko) 3차원 레이저 컷팅 장치
WO2019116826A1 (ja) チャックプレート、アニール装置、及びアニール方法
JP2008212941A (ja) レーザ加工装置及びレーザ加工装置の制御方法
JP6727724B2 (ja) ウエハ位置計測装置及びウエハ位置計測方法
US20230330774A1 (en) Laser processing method and laser processing device
JP6780544B2 (ja) レーザ溶接装置
US11486822B2 (en) Specimen inspection device and specimen inspection method
JP6633297B2 (ja) レーザ加工装置、及び、レーザ加工装置の集光角設定方法
JPH0557465A (ja) レーザによる金属板曲げ加工方法及び装置
JP2012064697A (ja) レーザ加工方法およびレーザ加工装置
JPH0724587A (ja) レーザ照射装置
KR102070726B1 (ko) 레이저 가공 시스템 및 레이저 가공 방법