WO2012132653A1 - 金属部材へのマーキング方法 - Google Patents

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WO2012132653A1
WO2012132653A1 PCT/JP2012/054231 JP2012054231W WO2012132653A1 WO 2012132653 A1 WO2012132653 A1 WO 2012132653A1 JP 2012054231 W JP2012054231 W JP 2012054231W WO 2012132653 A1 WO2012132653 A1 WO 2012132653A1
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metal member
laser
pattern
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加藤　賢治
健二 井阪
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日本碍子株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a technique for marking a metal member, and particularly to a technique for marking a pressed metal member with a laser beam.
  • Patent Document 1 discloses a ferritic stainless steel excellent in cold workability, which is used for automobile parts such as an oxygen sensor.
  • Patent Document 2 discloses a method of producing a metal fitting used for an automobile sensor by forging of ferritic stainless steel.
  • various parts that are mass-produced industrially are generally marked (printed) with product identification information such as manufacturer name, country name, product type, lot number, and solid identification number in the manufacturing process. This is to ensure traceability after the post-process or after entering the market.
  • marking there is a technique for performing marking by irradiating a laser beam.
  • a technique for forming a concave portion by ablation by irradiating the surface of a glass substrate for liquid crystal with laser light is already known (for example, see Patent Document 3).
  • a technique of marking by providing a marking layer made of a thin film metal layer on the surface of a ceramic electronic device and forming a recess in the marking layer with a laser beam is also known (see, for example, Patent Document 4).
  • In-vehicle gas sensors such as NOx sensors and oxygen sensors usually have a configuration in which an element body portion is covered with an exterior cover (protective cover) that is a protective member, and in an exhaust gas piping path that is exhausted from an automobile engine. Is used in a state in which a part thereof is projected.
  • the exterior cover is manufactured by press working using stainless steel that has been heat-treated to ensure hardness.
  • the product identification information is marked with a laser beam for the purpose as described above.
  • Such marking needs to be performed so that the product identification information can be clearly seen even after the in-vehicle gas sensor is used in the market.
  • a relatively simple marking technique such as that disclosed in Patent Document 3 in which a laser beam is irradiated to form a recess
  • the exterior cover after marking has low corrosion resistance and stress.
  • corrosion cracking is likely to occur.
  • the inventors of the present invention confirmed that stress corrosion cracking starting from the marking portion is likely to occur. ing.
  • Patent Document 4 ensures the visibility, it is necessary to attach a thin film metal layer that is originally unnecessary to the device itself, which makes the process complicated and increases the cost. Moreover, it is difficult to ensure visibility even if a similar method is applied to the metal member.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2001-200345 JP 2002-316236 A Japanese Patent Laid-Open No. 11-033752 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-197402
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a marking method in which corrosion resistance of a marking object is ensured.
  • a second object is to provide a marking method for a metal member that ensures good visibility.
  • a method of performing laser marking on a metal member includes applying laser light to a base treatment target region including a marking target region on a marking target surface of the metal member. And a marking process for forming a marking pattern by irradiating the marking target region with the laser beam under a second irradiation condition, wherein the laser beam under the first irradiation condition is provided.
  • the input energy of the laser beam smaller than the input energy of the laser beam in the second irradiation condition, the residual energy between the marking pattern and the non-irradiated region not irradiated with the laser beam is greater than that of the non-irradiated region.
  • the surface roughness of the base region is smaller than the surface roughness of the non-irradiated region and the marking pattern.
  • the surface roughness of the marking target surface is 0.01 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less.
  • the metal member is stainless steel and has a hardness of 300 Hv or more.
  • the metal member is subjected to a heat treatment for increasing hardness prior to the base treatment step.
  • the laser light irradiation is performed by moving a predetermined laser light emitting source relative to the marking target surface.
  • the base region is provided by making the scanning speed of the laser light under the first irradiation condition larger than the scanning speed of the laser under the second irradiation condition.
  • a ground region having a larger residual stress than the non-irradiated region and a smaller residual stress than the marking pattern is provided between the marking pattern and the non-irradiated region. Occurrence of stress corrosion cracks starting from the underlying region or the marking pattern is suppressed.
  • the base region having a small surface roughness by providing the base region having a small surface roughness, an unevenness difference is provided between the marking pattern and the surrounding base region, and the base A difference is given to the surface roughness both between the region and the surrounding non-irradiated region and between the marking pattern and the surrounding underlying region. These ensure the visibility of the marking pattern.
  • the residual stress difference between the marking pattern and the surrounding underlying region and the residual stress difference between the underlying region and the surrounding non-irradiated region
  • marking is performed on a metal member that is sufficiently small compared to the residual stress difference between the marking pattern and its surroundings in the conventional method, stress corrosion cracking starting from the base region or marking pattern is more reliably performed. Be suppressed.
  • FIG. 1 It is a figure which shows typically the relative magnitude relationship between the average height of the surface position in each site
  • FIG. 1 It is a figure which shows typically the relative magnitude relationship between the average height of the surface position in each site
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a marking process using laser light.
  • the marking process in the present embodiment irradiates a marking target surface M1 of a metal member (also referred to as a base material) M with a laser beam LB emitted from an emission source S, and the laser beam
  • a process for forming a processing line L that is a linear processing alteration region or a recess on the marking target surface M1 is performed according to a predetermined marking pattern (for example, a character).
  • a predetermined marking pattern for example, a character
  • the metal member M stainless steel, rolled steel plate, aluminum alloy, titanium alloy, magnesium alloy and the like are suitable.
  • irregularities having a surface roughness value of about 0.01 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less are formed on the marking target surface M1 of the metal member M.
  • the processed surface of stainless steel after being heat-treated at a temperature of 500 ° C. to 600 ° C. and subjected to press working such as deep drawing in order to ensure a predetermined hardness is within the above surface roughness range. Meet.
  • this does not exclude applying the laser marking method according to the present embodiment to the metal member M having a surface roughness value outside the above range.
  • the laser marking method according to the present embodiment may be applied as long as the degree of surface unevenness on the marking target surface M1 is within a range that does not hinder the use of the metal member M.
  • the surface roughness value is expressed by arithmetic average roughness (Ra), but may be expressed by using a root mean square roughness (RMS) or other surface roughness index.
  • RMS root mean square roughness
  • the range of the surface roughness value for satisfying a certain requirement may be set according to the index.
  • the laser beam LB one having a wavelength of about 0.2 ⁇ m to 10 ⁇ m may be used.
  • an Nd: YAG laser, an Nd: YVO 4 laser, an ultraviolet laser, a fiber laser, or the like can be used.
  • the emission source S only needs to include a laser oscillator that emits these lasers, an optical system for adjusting the beam shape of the laser light LB, and the like.
  • FIG. 2 to FIG. 6 are diagrams showing a state from the start to the end of the marking process performed in the present embodiment.
  • a marking target region RE1 is set on the marking target surface M1 of the metal member M.
  • the marking target region RE1 is a region to be marked, specifically, a region to be irradiated with laser light for marking.
  • the marking target area RE1 is set so that five characters “A” are printed adjacent to each other.
  • the background processing target region RE2 is set together with the setting of the marking target region RE1.
  • the ground processing target region RE2 is set so as to include the entire marking target region RE1 on the marking target surface M1.
  • the background processing target region RE2 is set in a rectangular shape, but may be set in another shape as long as the entire marking target region RE1 is included.
  • the base processing target region RE2 is set in a shape that facilitates high-speed scanning with laser light. In this respect, it is more preferable to set the background processing target region RE2 to a rectangular shape.
  • the ground treatment is an irradiation condition (ground treatment irradiation condition) in which the energy (input energy) applied to the metal member M is smaller than the irradiation condition of the laser beam LB (hereinafter referred to as the main irradiation condition) when performing the marking process described later. ),
  • the laser beam LB is irradiated to the ground processing target region RE2.
  • the ground processing is performed including the marking target region RE1.
  • the laser is emitted from the radiation source S while moving the radiation source S relative to the metal member M in the direction of the arrow AR1 under a certain ground treatment irradiation condition.
  • the laser light LB is scanned in the direction of the arrow AR1, and a processing line L along the scanning locus is formed.
  • the moving direction of the emission source S is reversed at a position adjacent to the processing line L, and the laser beam LB is scanned in the direction of the arrow AR2.
  • a base region RE3 is formed in the base processing target region RE2, as shown in FIG.
  • the reciprocating scanning is performed in FIG. 3, the relative movement of the emission source S while irradiating the laser light may be performed only in one direction. The same applies to the marking process described later.
  • the relative movement of the emission source S with respect to the metal member M may be performed by fixing the metal member M and moving the emission source S, or fixing the emission source S and moving the metal member M (more specifically, The fixing member formed by mounting and fixing the metal member M) may be moved. The same applies to the marking process described later.
  • the laser beam LB emission conditions for example, peak power
  • the laser beam LB scanning speed emission source S
  • (Moving speed) is preferably larger than the main irradiation conditions.
  • the scanning speed can be normally changed only by mechanical operation control, and it is not necessary to change the irradiation state of the laser beam LB from the emission source S. Therefore, there is an advantage that the execution is easy. is there.
  • the laser beam LB it is preferable to irradiate the laser beam LB at a scanning speed approximately 3 to 6 times the upper limit of the scanning speed in the marking process. However, it is necessary to set the scanning speed within a range where the background processing itself can be suitably performed.
  • the base region RE3 is a homogenized / flattened portion having a surface roughness smaller than that of the marking target surface M1, although there is almost no difference in height from the marking target surface M1. Yes.
  • the marking target surface M1 that has not been subjected to the base treatment has a metallic luster, whereas the base region RE3 loses such luster and is lighter than the marking target surface M1. Observed in color.
  • the surface roughness value of the ground processing target region RE2 before the ground processing is about 0.05 ⁇ m
  • the surface roughness value of the ground region RE3 formed by performing the ground processing is 0. It is reduced to about 02 ⁇ m.
  • the marking process is performed after such a background process is performed. That is, as indicated by arrows AR3 and AR4 in FIG. 5, while moving the emission source S relative to the metal member M, only the marking target region RE1 is irradiated with the laser beam LB under the main irradiation conditions, and marking is performed. A region that is not the target region RE1 is prevented from being irradiated with LB by laser light. As a matter of course, processing alteration and formation of concave portions accompanying the irradiation occur only in the portion where the laser beam LB is irradiated and the energy of the laser beam is input. In FIG. 5, arrows AR3 and AR4 are indicated by solid lines where the laser beam LB is irradiated, and broken lines at other locations.
  • the specific setting contents of the irradiation conditions may be determined according to the type of the laser beam LB, the material of the metal member M, etc. on the assumption that the marking pattern MP is formed satisfactorily. However, if the scanning speed is too low, the irradiation energy per unit time in the marking target region RE1 becomes excessive, and the residual stress in the marking pattern MP becomes too large, which is not preferable. On the other hand, if the scanning speed is too high, the irradiation energy per unit time is not given sufficiently, so that the formation of the marking pattern MP itself is not sufficiently performed. In view of this point, the scanning speed is preferably about 90 mm / s to 500 mm / s.
  • the irradiation of the laser beam LB in such a manner is sequentially repeated until the entire marking target region RE1 is processed, whereby a marking pattern MP is formed as shown in FIG.
  • the obtained marking pattern MP has excellent visibility as compared with the marking pattern MP formed without performing the ground treatment as in the prior art.
  • the visibility means that the marking pattern MP can be clearly distinguished from the surroundings when the observer visually observes the marking target surface M1 of the metal member M.
  • the marking pattern MP It means that the visual information given by can be easily recognized. In short, when the difference in appearance between the target portion and the surroundings (for example, differences in color, contrast, brightness, etc.) is clear, the visibility is high. In many cases, when visually observed, the marking pattern MP is observed in a darker color than the surrounding base region RE3. Details of the realization of the visibility will be described below.
  • the metal member M on which the obtained marking pattern MP is formed has excellent corrosion resistance as compared with the marking pattern MP formed without performing the ground treatment as in the prior art.
  • the corrosion resistance means that the occurrence of stress corrosion cracking in the metal member M starting from the formation region of the base region RE3 or the marking pattern MP is suppressed. Details of the realization of the corrosion resistance will be described later.
  • FIG. 7 shows the case where the marking process is performed directly on the marking target surface M1 without performing the ground processing as in the conventional laser marking method, and the marking processing is performed after the ground processing is performed as in the present embodiment. It is a figure which shows typically the relative magnitude relationship between the average height of the surface position in each site
  • a region (non-irradiation region) in which neither the ground processing nor the marking processing is performed is represented as a marking target surface M1.
  • the marking target surface M1 is about 0.01 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less.
  • FIG. 7A shows the case of the conventional method.
  • the laser beam LB is irradiated under irradiation conditions in which the marking pattern MP is formed as a recess having an average height lower than that of the surrounding marking target surface M1.
  • the laser beam LB is irradiated with an input energy sufficient to form a recess.
  • the degree of surface roughness in the marking pattern MP at this time is not so different from the marking target surface M1.
  • the surface roughness of the marking target surface M1 (non-irradiation region) and the marking pattern MP is the same for the sake of simplicity of illustration, but in practice, there is a gap between the two. Some differences have occurred.
  • FIG. 7B shows the case of the present embodiment.
  • the base region RE3 formed by the base processing is hardly different from the marking target surface M1, or has an average height slightly lower than the marking target surface M1 (non-irradiation region).
  • the surface roughness is smaller than the marking target surface M1 (non-irradiation region) and is a homogenized / flattened region. This was realized by irradiating the laser beam LB in accordance with the base processing irradiation condition in which the input energy of the laser beam LB is lower than the main irradiation condition, which is the irradiation condition for forming the marking pattern MP, in the base processing. Is.
  • the marking pattern MP formed by irradiating the laser beam LB under the main irradiation conditions has a concave portion whose average height is lower than that of the surrounding base region RE3 and whose surface roughness is larger than that of the base region RE3. It has become. That is, as shown in FIG. 7B, there is a difference in both the average height and the surface roughness between the marking pattern MP and the surrounding base region RE3.
  • the depth of the recess formed as the marking pattern MP in the present embodiment may be similar to that in the conventional method, and FIG. 7B also illustrates such a case.
  • the marking pattern MP is formed on the base region RE3 having a small surface roughness, the concave portion to be formed is shallower (smaller in depth) than in the conventional method, or Furthermore, even when the surface roughness of the marking pattern MP is smaller than the marking target surface M1 (non-irradiation region), it is possible to form the marking pattern MP with sufficient visibility. This is because, as in the present embodiment, when the marking process is performed after the ground process is performed, the laser beam LB with a smaller input energy is smaller than in the conventional method in which the ground process is not performed. Even if it is irradiation, it means that the marking pattern MP having better visibility than before can be formed.
  • FIG. 8 shows the case where the marking process is performed directly on the marking target surface M1 without performing the ground processing as in the conventional laser marking method, and the marking processing is performed after the ground processing is performed as in the present embodiment. It is a figure which shows typically the relative magnitude relationship of the residual stress in each site
  • the marking target surface M1 (non-irradiation region) has a two-stage distribution in which the residual stress is relatively small.
  • stress corrosion cracking starting from the formation position of the marking pattern MP is caused. This is considered to be a factor that arises.
  • FIG. 8B illustrates a case in which the residual stress is generated in the latter case at the same level as when the base treatment is not performed.
  • the residual stress generated in the ground region RE3 by the base processing is compared with the residual stress generated in the marking pattern MP by the marking processing. It is considered small.
  • the residual stress is considered to have a three-stage distribution. Therefore, the residual stress difference between the marking pattern MP and the surrounding underlying region RE3 and the residual stress difference between the underlying region RE3 and the surrounding marking target surface M1 (non-irradiation region) are the conventional methods. This is considered to be smaller than the residual stress difference between the marking pattern MP and its surroundings. Alternatively, since the base region RE3 is interposed, in the present embodiment, the residual stress gradient between the marking pattern MP and the marking target surface M1 (non-irradiation region) is larger than in the conventional method. It can be said that it is small.
  • the metal member M having such a distribution of residual stress suppresses stress corrosion cracking starting from the base region RE3 or the marking pattern MP, that is, improves the corrosion resistance of the marking pattern MP. It is thought that it contributes to.
  • heat treatment for increasing the hardness may be performed on the metal member M before being subjected to the base treatment and the marking treatment.
  • Such heat treatment also has the effect of reducing the residual stress difference as described above. This is because the absolute value of the residual stress on the marking target surface M1 (non-irradiation region) is increased and used for the base processing.
  • performing heat treatment so that the Vickers hardness is 300 Hv or more is suitable for realizing a state in which the residual stress difference is sufficiently small and obtaining corrosion resistance more reliably.
  • the base region is applied to the region including the formation target region, and the base region formed thereby A marking pattern is formed on the top.
  • production of the stress corrosion crack starting from a marking pattern is suppressed.
  • the formed marking pattern has excellent visibility.
  • the method of laser marking according to the above-described embodiment is a metal with superior surface flatness such that the surface unevenness of the marking target surface M1 is smaller than the above, for example, the surface roughness value is 0.01 ⁇ m or less. It may be applied to the member M.
  • FIG. 9 shows the case where the marking process is performed directly on the marking target surface M1 without performing the ground treatment, and the case where the marking process is performed after performing the ground treatment for the metal member M. It is a figure which shows typically the relative magnitude relationship of the average height of the surface position in each site
  • the relationship between the surface position and the surface roughness when the base treatment is not performed is the same as that of FIG. 7A as shown in FIG. This relationship is different from that in FIG. Specifically, as shown in FIG. 9B, the surface roughness of the base region RE3 formed by performing the base processing becomes larger than that before the processing. However, since the surface roughness of the marking pattern MP formed by subsequent laser marking is larger than the surface roughness of the base region RE3, the marking pattern MP with sufficiently ensured visibility can be formed. Is the same even when the surface flatness of the metal member M is excellent.
  • the relationship between the residual stresses at the respective portions is the same as that shown in FIG. That is, even when marking is performed on the metal member M having excellent surface flatness, the presence of the base region RE3 reduces the residual stress difference between the marking pattern MP and the surrounding area, resulting in excellent corrosion resistance. Realized. That is, the marking pattern MP excellent in visibility and corrosion resistance can be formed.
  • the intensity of the laser beam is weak, the visibility itself is lowered. That is, it can be said that it is limited to some extent when marking is performed only by laser light irradiation under the surface treatment irradiation conditions and a suitable marking pattern is formed.
  • FIG. 10 is an external perspective view of the main body (hereinafter referred to as sensor main body) 1 of the gas sensor 100 as an example of the target of the marking process according to the present embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing the internal configuration of the main part of the sensor main body 1.
  • the gas sensor 100 is for detecting a predetermined gas component (for example, NOx) by the sensor element 10 (FIG. 11) provided therein.
  • the sensor element 10 is a long columnar or thin plate-shaped member mainly composed of an element body made of oxygen ion conductive solid electrolyte ceramics such as zirconia.
  • the sensor element 10 has a configuration in which a gas inlet and an internal space are provided on the one end portion 10a side, and various electrodes and wiring patterns are provided on the surface and inside of the element body.
  • the test gas introduced into the internal space is reduced or decomposed in the internal space to generate oxygen ions.
  • the concentration of the gas component is determined based on the fact that the amount of oxygen ions flowing inside the element is proportional to the concentration of the gas component in the test gas.
  • the outer side of the sensor body 1 of the gas sensor 100 is mainly composed of a first cover 2, a fixing bolt 3, and a second cover 4.
  • the first cover 2 has a substantially cylindrical shape that protects a portion of the sensor element 10 that directly contacts the test gas during use, specifically, one tip portion 10a provided with a gas inlet or an internal space. It is an exterior member. More specifically, the first cover 2 has a two-layer structure of an outer cover 2a and an inner cover 2b. Each of the outer cover 2a and the inner cover 2b has a cylindrical shape with a bottom on one side, and is provided with a plurality of through holes H1 and H2 through which gas can pass in the side surface portion. Note that the arrangement positions and the number of arrangement of the through holes H1 and H2 shown in FIGS. 10 and 11 are merely examples, and are not limited thereto.
  • the fixing bolt 3 is an annular member used when the sensor body 1 is fixed at the measurement position.
  • the fixing bolt 3 includes a threaded bolt portion 3a and a holding portion 3b that is held when the bolt portion 3a is screwed.
  • the bolt portion 3 a is screwed with a nut provided at the attachment position of the sensor main body portion 1.
  • the sensor body 1 is fixed to the exhaust pipe in such a manner that the side of the first cover 2 is exposed in the exhaust pipe by screwing the bolt part 3a to a nut part provided in the exhaust pipe of the automobile.
  • the second cover 4 is a cylindrical member that protects other parts of the sensor body 1.
  • a cable C for electrically connecting the sensor main body 1 and a drive control unit (not shown) extends from the end of the second cover 4.
  • the second cover is made of austenitic stainless steel (for example, SUS304L) heat-treated at a temperature of 4500 ° C. to 600 ° C.
  • the heat treatment temperature is 500 ° C. to 600 ° C.
  • the Vickers hardness of the stainless steel is 300 Hv or more, but when the heat treatment temperature is lower than 300 ° C., the Vickers hardness of the stainless steel is less than 300 Hv. It has been confirmed in advance.
  • the first cover 2 and the second cover 4 both having a cylindrical shape are formed by deep drawing a plate made of the above stainless steel of about 0.2 mm to 0.6 mm (for example, 0.55 mm). It is produced by barrel-polishing the surface.
  • product identification information such as a manufacturer name, a country name, a product model, a lot number, and a solid identification number is marked (printed) on the outer surface of the second cover 4.
  • the sensor element 10 is provided with a plurality of insulators and a plurality of sealing materials alternately arranged adjacent to each other, leaving one tip portion 10a provided with a gas inlet or the like. (Talc) is fitted to each axial center position.
  • Talc is fitted to each axial center position.
  • two insulators 6 and 8 and two sealants 7 and 9 are shown, but actually, insulators are further provided adjacent to the sealant 9.
  • the two insulators 6 and 8 and the sealing material 7 between them are fitted into the inner cylinder portion of the housing 5 having a substantially cylindrical shape.
  • one end side of the housing 5 is fitted to the first cover 2, and the other end side is fitted to the second cover 4 that covers the sealing material 9 and the insulating material thereon.
  • the fixing bolt 3 is fixed to the outer periphery of the.
  • the atmosphere around the tip end portion 10 a of the sensor element 10 (atmosphere in the first cover 2) and the external atmosphere in a state of being attached at a predetermined position. Are completely cut off, so that the concentration of the target gas component in the test gas can be accurately measured.
  • FIG. 14 shows an optical microscope image (FIG. 14A) in the case where the outer surface of the second cover 4 of the sensor body 1 is the marking target surface M1 and the marking pattern MP is marked without performing the ground treatment.
  • FIG. 14B is a diagram (FIG. 14B) for explaining the captured content.
  • the laser beam LB an Nd: YVO 4 laser having an emission wavelength of 1.06 ⁇ m was used as the laser beam LB.
  • the power (peak power) of the laser beam LB was 9.6 W, and the frequency was 100 kHz.
  • the scanning speed was set to 3000 mm / s for the base processing and 160 mm / s for the marking processing.
  • the line width of the marking pattern MP was 0.1 mm.
  • FIG. 14A As shown in FIG. 14B, two characters “9” and “E” should be marked, but the marking pattern MP and the surrounding marking target surface There is almost no contrast with M1, and the visibility is extremely low.
  • FIG. 12 and FIG. 13 are compared with FIG. 14A, it is possible to ensure the visibility of the marking pattern by forming a ground region by ground processing and marking the marking pattern on the ground region. It shows that it is effective.
  • Example 2 A total of 15 types of second covers 4 that have been subjected to the marking process were prepared by varying the type of the metal member M serving as the base material, the presence or absence of the base treatment, and the laser light irradiation conditions in the marking process (sample) No. 1 to 15) were subjected to stress corrosion cracking tests. In addition, the visibility of the marking pattern MP for the sample after the test was also confirmed. In addition, No. Except for 15 samples, the number of test lots was 5. No. Only 15 and the number of test lots was 2.
  • a material obtained by heat-treating SUS304L having a thickness of 0.5 mm was prepared, and after deep-drawing this, barrel polishing was performed to obtain the second cover 4.
  • the heat treatment temperature at that time was changed to two levels of 550 ° C. and 400 ° C.
  • an Nd: YVO 4 laser having an emission wavelength of 1.06 ⁇ m was used as the laser light LB.
  • the power (peak power) of the laser beam LB was 9.6 W, and the frequency was 100 kHz.
  • the scanning speed of the laser beam LB (specifically, the scanning speed of the emission source S) was set to 3000 mm / s in the base treatment.
  • the scanning speed at the time of the marking process was different at five levels of 45 mm / s, 90 mm / s, 160 mm / s, 500 mm / s, and 1000 mm / s.
  • the stress corrosion cracking test was conducted in accordance with method A of JIS G-0576. Specifically, a 42% magnesium chloride aqueous solution having a boiling point of 143 ° C. ⁇ 1 ° C. was prepared as a test solution, and each sample was immersed in the test solution whose temperature was kept at the boiling point. The sample was taken out from the test solution and observed with a magnifying glass to confirm the occurrence of cracks. Further, the visibility of the marking pattern MP was confirmed with the naked eye. In addition, it is thought that a crack generate
  • Table 1 shows the preparation conditions of each sample, the results of the stress corrosion cracking test, and the results of confirming the visibility.
  • the base material was a heat-treated product at 550 ° C. and no surface treatment was performed.
  • Samples Nos. 1 to 5 are collectively referred to as Group A, and the base material is a heat treated product at 550 ° C.
  • Samples Nos. 6 to 10 are collectively referred to as Group B, and the base material is a heat-treated product at 400 ° C. and the base treatment was performed.
  • Samples 11 to 15 are collectively referred to as Group C.
  • the scanning speed is 500 mm / s or less. 1-No. In the sample No. 4, although the visibility was good, cracks occurred in all lots when the immersion time was 30 minutes to 60 minutes. On the other hand, No. with a scanning speed of 1000 mm / s. In sample No. 5, cracks were not confirmed even after immersion for 120 minutes, but the visibility was not sufficient.
  • the scanning speed is 45 mm / s.
  • the visibility was good, cracks occurred in all lots when the immersion time was 60 minutes.
  • the visibility was good, and the occurrence of cracks was not confirmed except for a few exceptions (one lot of the No. 7 sample after 120-minute immersion). That is, it can be said that these samples are formed with a marking pattern having good visibility and good corrosion resistance.
  • No. whose scanning speed is 1000 mm / s. In the sample No. 10, cracks were not confirmed even after immersion for 120 minutes, but the visibility was not sufficient.

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Abstract

　視認性が良好に確保されるとともに、マーキング対象物における耐腐食性が確保された、プレス加工金属部品へのマーキング方法を提供する。金属部材へのマーキング方法が、マーキング対象領域を含む下地処理対象領域にレーザー光を第１照射条件で照射する下地処理工程と、マーキング対象領域にレーザー光を第２照射条件で照射することによりマーキングパターンを形成するマーキング工程と、を備え、第１照射条件において第２照射条件よりもレーザー光の投入エネルギーを小さくすることにより、マーキングパターンと非照射領域との間に、非照射領域よりも残留応力が大きくマーキングパターンよりも残留応力が小さい下地領域を設ける、ようにすることで、視認性を確保する。さらに、熱処理して硬度を高めた金属部材を用いることで、耐腐食性を確保する。

Description

金属部材へのマーキング方法
　本発明は、金属部材に対してマーキングを行う技術、特にプレス加工された金属部材に対しレーザー光によりマーキングを行う技術に関する。
　自動車搭載用（以下、車載用）の金属部品（例えばガスセンサの外装カバーなど）には、一般に、ステンレス鋼が用いられる（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。特許文献１には、酸素センサをはじめとする自動車用部品などに使用される、冷間加工性に優れたフェライト系ステンレス鋼が、開示されている。特許文献２には、自動車用センサに用いる金具を、フェライト系ステンレス鋼の鍛造成形によって作製する方法が開示されている。
　また、工業上量産される種々の部品には、その製造工程において、一般に、メーカー名、国名、製品型式やロット番号、固体識別用番号などの製品識別情報がマーキング（印字）される。これは、後工程や、市場に出回った後におけるトレーサビリティを確保するためである。係るマーキングの一手法として、レーザー光を照射してマーキングを行う技術がある。液晶用のガラス基板の表面にレーザー光を照射してアブレーションによる凹部を形成する技術が既に公知である（例えば、特許文献３参照）。また、セラミック製の電子デバイスの表面に薄膜金属層からなるマーキング層を設け、該マーキング層にレーザー光によって凹部を形成することでマーキングする技術も公知である（例えば、特許文献４参照）。
　ＮＯｘセンサや酸素センサなどの車載用ガスセンサは、通常、素子本体部分をその保護部材である外装カバー（保護カバー）で被覆した構成を有し、自動車のエンジンから排出される排気ガスの配管経路内にその一部を突出させた状態で使用される。外装カバーは、硬度を確保するべく熱処理がなされたステンレス鋼を材料として、プレス加工によって作製される。
　係る外装カバーに対しても、上述したような目的で、レーザー光による製品識別情報のマーキングは行われる。係るマーキングは、車載用ガスセンサが市場で使用された後においても、製品識別情報が明瞭に視認されるように行われる必要がある。しかしながら、特許文献３に開示されているような、レーザー光を照射して凹部を形成するという比較的単純なマーキング手法を適用した場合、マーキング後の外装カバーには、耐腐食性が弱く、応力腐食割れが生じやすいという問題がある。具体的には、マーキング後の外装カバーを塩化マグネシウム水溶液に浸漬することによって行う応力腐食割れ試験において、マーキング部分を起点とする応力腐食割れが発生しやすいことが、本発明の発明者によって確認されている。これは、プレス加工（深絞り加工）によって作製されることで、もともとある程度の凹凸が存在する外装カバーの表面に、視認性のあるマーキングパターンを設けようとして、表面凹凸に比してより深い凹部が形成されるよう強度の大きなレーザー光を照射した結果、レーザー光の被照射領域（マーキング領域）と周囲との残留応力差（あるいは残留応力勾配）が大きくなることが原因であると考えられる。なお、ここでいう視認性とは、概略、観察者が対象部分を肉眼視した場合において、対象部分とその周囲とを明確に判別することができ、対象部分が与える視覚的情報を容易に認識可能であることを意味するものとする。
　一方で、耐腐食性が確保される範囲にレーザー光の強度を抑制すると、マーキングの視認性を十分に得ることは難しい。結果として、特許文献３に開示されているような手法を、上述の外装カバーのように加工が施されることである程度の凹凸のある金属部品に適用したとしても、耐腐食性を確保しつつ製品識別情報の視認性を十分に得ることは難しかった。
　また、特許文献４に開示された手法は、視認性は確保されるものの、デバイスそのものには本来不要な薄膜金属層を付着させる必要があるため、工程が煩雑となり、コスト高の要因となる。また、金属部材に同様の手法を適用しても、視認性を確保することは困難である。
特開２００１－２００３４５号公報 特開２００２－３１６２３６号公報 特開平１１－０３３７５２号公報 特開２００３－１９７４０２号公報
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、マーキング対象物における耐腐食性が確保されたマーキング方法を提供することを目的とする。また、視認性が良好に確保される金属部材へのマーキング方法を提供することを第２の目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明の第１の態様では、金属部材に対してレーザーマーキングを行う方法が、前記金属部材のマーキング対象面のマーキング対象領域を含む下地処理対象領域にレーザー光を第１照射条件で照射する下地処理工程と、前記マーキング対象領域に前記レーザー光を第２照射条件で照射することによりマーキングパターンを形成するマーキング工程と、を備え、前記第１照射条件における前記レーザー光の投入エネルギーを前記第２照射条件における前記レーザー光の投入エネルギーよりも小さくすることにより、前記マーキングパターンと前記レーザー光が照射されていない非照射領域との間に、前記非照射領域よりも残留応力が大きく前記マーキングパターンよりも残留応力が小さい下地領域を設けるようにした。
　本発明の第２の態様では、第１の態様に係るレーザーマーキング方法において、前記下地領域の表面粗さが、前記非照射領域および前記マーキングパターンの表面粗さよりも小さいようにした。
　本発明の第３の態様では、第２の態様に係るレーザーマーキング方法において、前記マーキング対象面の表面粗さが０．０１μｍ以上１．０μｍ以下であるようにした。
　本発明の第４の態様では、第１ないし第３のいずれかの態様に係るレーザーマーキング方法において、前記金属部材がステンレス鋼であり、かつ、３００Ｈｖ以上の硬度を有するようにした。
　本発明の第５の態様では、第４の態様に係るレーザーマーキング方法において、前記金属部材が、前記下地処理工程に先立って硬度を高めるための熱処理が施されたものであるようにした。
　本発明の第６の態様では、第１ないし第５のいずれかの態様に係るレーザーマーキング方法において、前記レーザー光の照射を、所定のレーザー光出射源を前記マーキング対象面に対して相対移動させることにより行い、前記第１照射条件における前記レーザー光の走査速度を前記第２照射条件における前記レーザーの走査速度よりも大きくすることにより前記下地領域を設けるようにした。
　本発明の第１ないし第６の態様によれば、マーキングパターンと非照射領域との間に、非照射領域よりも残留応力が大きくマーキングパターンよりも残留応力が小さい下地領域が設けられることで、下地領域あるいはマーキングパターンを起点とする応力腐食割れの発生が抑制される。
　また、本発明の第２および第３の態様によれば、表面粗さの小さい下地領域が設けられることで、マーキングパターンとその周囲の下地領域との間に凹凸差が与えられ、かつ、下地領域とその周囲の非照射領域との間、および、マーキングパターンとその周囲の下地領域との間の双方において、表面粗さに差異が与えられている。これらによって、マーキングパターンの視認性が確保される。
　また、本発明の第４または第５の態様によれば、マーキングパターンとその周囲の下地領域との間の残留応力差、および、下地領域とその周囲の非照射領域との間の残留応力差が、従来手法におけるマーキングパターンとその周囲との残留応力差に比して、充分に小さくなる金属部材に対してマーキングを行うので、下地領域あるいはマーキングパターンを起点とする応力腐食割れがより確実に抑制されてなる。
　また、本発明の第６の態様によれば、レーザー光の出射源からの照射状態自体を変更することなく、機械的な動作制御のみで、下地処理とマーキング処理とを切り替えることができるので、両者の切り替えを容易に行える。
レーザー光を用いたマーキング処理の様子を概略的に示す図である。 本実施の形態において行うマーキング処理の開始から終了までの様子を示す図である。 本実施の形態において行うマーキング処理の開始から終了までの様子を示す図である。 本実施の形態において行うマーキング処理の開始から終了までの様子を示す図である。 本実施の形態において行うマーキング処理の開始から終了までの様子を示す図である。 本実施の形態において行うマーキング処理の開始から終了までの様子を示す図である。 金属部材Ｍの各部位における表面位置の平均高さと表面粗さとの相対的な大小関係を、従来の場合とともに模式的に示す図である。 金属部材Ｍの各部位における残留応力の相対的な大小関係を、従来の場合とともに模式的に示す図である。 変形例に係る金属部材Ｍの各部位における表面位置の平均高さと表面粗さとの相対的な大小関係を、従来の場合とともに模式的に示す図である。 本実施の形態に係るマーキング処理の対象の一例としてのガスセンサ１００の本体部１の外観斜視図である。 センサ本体部１の要部の内部構成を示す断面図である。 下地領域ＲＥ３を形成したうえでマーキングパターンＭＰをマーキングした場合のマーキングパターンＭＰ近傍の光学顕微鏡像である。 下地領域ＲＥ３を形成したうえでマーキングパターンＭＰをマーキングした場合のマーキングパターンＭＰ近傍の光学顕微鏡像である。 下地処理を行うことなくマーキングパターンＭＰをマーキングした場合の光学顕微鏡像と、その撮像内容を説明する図である。
　　＜マーキングの原理＞
　図１は、レーザー光を用いたマーキング処理の様子を概略的に示す図である。本実施の形態におけるマーキング処理とは、図１に示すように、金属部材（母材とも称する）Ｍのマーキング対象面Ｍ１に対して出射源Ｓから出射したレーザー光ＬＢを照射し、該レーザー光ＬＢを所定の走査方向ＤＲへと走査することによって、マーキング対象面Ｍ１に線状の加工変質領域あるいは凹部である加工線Ｌを形成する処理を、所定のマーキングパターン（例えば文字など）に応じて行う加工処理のことをいう。これにより、マーキング対象面Ｍ１にマーキングパターンが形成される。
　金属部材Ｍとしては、ステンレス鋼や圧延鋼板、アルミニウム合金、チタン合金、マグネシウム合金などが好適である。なお、本実施の形態においては、特に断らない限り、金属部材Ｍのマーキング対象面Ｍ１に表面粗さ値が０．０１μｍ以上１．０μｍ以下程度の凹凸が形成されているものとする。例えば、所定の硬度を確保するために５００℃～６００℃の温度で熱処理されたうえで深絞りなどのプレス加工が施された後のステンレス鋼の加工表面などが、上記の表面粗さの範囲をみたす。ただし、このことは、表面粗さの値が上記範囲外である金属部材Ｍに対して本実施の形態に係るレーザーマーキング手法を適用することを除外するものではない。マーキング対象面Ｍ１における表面凹凸の程度が、金属部材Ｍの使用に支障のない範囲であれば、本実施の形態に係るレーザーマーキング手法が適用されてよい。また、表面粗さ値は算術平均粗さ（Ｒａ）で表すものとするが、二乗平均粗さ（ＲＭＳ）その他の表面粗さ指標を用いて表す態様であってもよい。その場合、ある要件をみたすための表面粗さ値の範囲も、その指標に応じて設定されればよい。
　レーザー光ＬＢとしては、波長が０．２μｍ～１０μｍ程度のものを用いればよい。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー、紫外線レーザー、ファイバーレーザーなどを用いることができる。具体的には、出射源Ｓが、それらのレーザーを発するレーザー発振器と、レーザー光ＬＢのビーム形状などを調製するための光学系などを備えていればよい。
　図２ないし図６は、それぞれ、本実施の形態において行うマーキング処理の開始から終了までの様子を示す図である。
　まず、図２に示すように、金属部材Ｍのマーキング対象面Ｍ１に、マーキング対象領域ＲＥ１を設定する。マーキング対象領域ＲＥ１は、マーキングを行おうとする領域、具体的には、マーキングのためにレーザー光が照射されることになる領域である。図２ないし図６に示す例では、「Ａ」なる文字が５つ隣り合って印字されるように、マーキング対象領域ＲＥ１が設定されているとする。
　また、本実施の形態では、マーキング対象領域ＲＥ１の設定に併せて、下地処理対象領域ＲＥ２を設定する。下地処理対象領域ＲＥ２は、マーキング対象面Ｍ１において、マーキング対象領域ＲＥ１を全て包含するように設定する。なお、図６においては、下地処理対象領域ＲＥ２を矩形状に設定しているが、マーキング対象領域ＲＥ１の全てが包含される限りにおいて、他の形状にて設定するようにしてもよい。ただし、後述する予備照射処理を鑑みると、下地処理対象領域ＲＥ２は、レーザー光の高速走査が行いやすい形状に設定されるのが好ましい。この点では、下地処理対象領域ＲＥ２を矩形状に設定するのがより好適である。
　次に、設定された下地処理対象領域ＲＥ２全体に対して、下地処理を行う。下地処理は、後述するマーキング処理を行う際のレーザー光ＬＢの照射条件（以下、本照射条件）に比して、金属部材Ｍに与えるエネルギー（投入エネルギー）が小さくなる照射条件（下地処理照射条件）にて、レーザー光ＬＢを下地処理対象領域ＲＥ２に対して照射する加工処理である。下地処理は、マーキング対象領域ＲＥ１を含めて行う。
　下地処理にあたっては、図３に示すように、まず、ある下地処理照射条件のもとで、出射源Ｓを金属部材Ｍに対して矢印ＡＲ１の方向へと相対移動させつつ該出射源Ｓからレーザー光ＬＢを下地処理対象領域ＲＥ２に対し照射することによって、レーザー光ＬＢによる矢印ＡＲ１の方向への走査を行い、その走査軌跡に沿った加工線Ｌを形成する。その後、該加工線Ｌに隣り合う位置において出射源Ｓの移動方向を反転させて矢印ＡＲ２の方向へとレーザー光ＬＢを走査させる。これらを、下地処理対象領域ＲＥ２の全体が加工されるまで順次に繰り返すことで、図４に示すように、下地処理対象領域ＲＥ２に下地領域ＲＥ３が形成される。なお、図３では往復走査を行うようにしているが、レーザー光を照射しながらの出射源Ｓの相対移動は、一方向にのみ行われる態様であってもよい。これは、後述するマーキング処理の場合も同様である。
　出射源Ｓの金属部材Ｍに対する相対移動は、金属部材Ｍを固定し、出射源Ｓを移動させることによって行ってもよいし、出射源Ｓを固定し、金属部材Ｍを（より具体的には金属部材Ｍを載置固定してなる固定部材を）移動させるようにしてもよい。これは、後述するマーキング処理についても同様である。
　下地処理照射条件の設定の仕方としては、出射源Ｓからのレーザー光ＬＢの出射条件（例えば、ピークパワーなど）は本照射条件と同じとする一方で、レーザー光ＬＢの走査速度（出射源Ｓの移動速度）を本照射条件よりも大きくするのが、好適である。係る場合、単位領域あたりのレーザー光ＬＢの照射時間が小さくなるので、当該単位領域における投入エネルギーが小さくなるからである。また、通常、走査速度の変更は、機械的な動作制御のみで実行でき、出射源Ｓからのレーザー光ＬＢの照射状態自体を変更する必要がないことから、その実行が容易であるという利点もある。より具体的には、マーキング処理における走査速度の上限のおおよそ３倍～６倍程度の走査速度にてレーザー光ＬＢを照射するのが好適である。ただし、下地処理自体が好適に行える範囲で走査速度を設定する必要がある。
　下地処理ではレーザー光ＬＢの投入エネルギーがマーキング処理に比して小さいことから、下地処理に際してレーザー光ＬＢが照射された箇所において主に起こるのは、照射前まで存在していた凸部（突起部）の除去であり、新たな凹部の形成は、必ずしも支配的ではない。それゆえ、下地領域ＲＥ３は、平均的にみれば、マーキング対象面Ｍ１との高低差はほとんどないものの、表面粗さがマーキング対象面Ｍ１よりも小さい、均質化・平坦化された部位となっている。多くの場合、肉眼視すると、下地処理が施されていないマーキング対象面Ｍ１は金属光沢があるのに対して、下地領域ＲＥ３ではそのような光沢が失われており、マーキング対象面Ｍ１よりも淡い色味に観察される。
　例えば、下地処理前の下地処理対象領域ＲＥ２の表面粗さ値が０．０５μｍ程度である場合であれば、下地処理を行うことによって形成された下地領域ＲＥ３においては、表面粗さ値が０．０２μｍ程度に低減される。
　本実施の形態においては、このような下地処理を行ったうえで、マーキング処理を行う。すなわち、図５において矢印ＡＲ３およびＡＲ４にて示すように、出射源Ｓを金属部材Ｍに対して相対移動させながら、マーキング対象領域ＲＥ１に対してのみ本照射条件でレーザー光ＬＢを照射し、マーキング対象領域ＲＥ１ではない領域にはレーザー光がＬＢを照射しないようにする。当然ながら、レーザー光ＬＢが照射されてレーザー光のエネルギーが投入された箇所のみにおいて、当該照射に伴った加工変質や凹部の形成が生じる。なお、図５においては、矢印ＡＲ３およびＡＲ４を、レーザー光ＬＢが照射される箇所を実線にて、それ以外の箇所を破線にて示している。
　本照射条件の具体的な設定内容は、マーキングパターンＭＰが良好に形成されることを前提として、レーザー光ＬＢの種類や、金属部材Ｍの材質などに応じて定められればよい。ただし、走査速度が小さすぎるとマーキング対象領域ＲＥ１における単位時間あたりの照射エネルギーが過剰となって、マーキングパターンＭＰにおける残留応力が大きくなり過ぎるので好ましくない。一方、走査速度が大きすぎると、単位時間あたりの照射エネルギーが充分なエネルギーが与えられないためにマーキングパターンＭＰの形成自体が充分に行われないので好ましくない。この点を鑑みると、走査速度は、おおよそ９０ｍｍ／ｓ～５００ｍｍ／ｓであるのが好適である。
　このような態様でのレーザー光ＬＢの照射を、マーキング対象領域ＲＥ１の全体が加工されるまで順次に繰り返すことで、図６に示すように、マーキングパターンＭＰが形成される。得られたマーキングパターンＭＰは、従来のように下地処理を行わずに形成されたマーキングパターンＭＰに比して、優れた視認性を有するものとなっている。なお、本実施の形態において、視認性とは、概略、観察者が金属部材Ｍのマーキング対象面Ｍ１を肉眼視した場合において、マーキングパターンＭＰを周囲と明確に判別することができ、マーキングパターンＭＰが与える視覚的情報を容易に認識可能であることを意味するものとする。端的にいえば、対象部分と周囲との見え方の違い（たとえば、色味、コントラスト、明るさなどの違い）が明りょうである場合に、視認性が高いということになる。多くの場合、肉眼視すると、マーキングパターンＭＰは周囲の下地領域ＲＥ３よりも濃い色味に観察される。係る視認性の実現の詳細については次述する。
　また、得られたマーキングパターンＭＰが形成された金属部材Ｍは、従来のように下地処理を行わずに形成されたマーキングパターンＭＰに比して、優れた耐腐食性を有するものとなっている。ただし、本実施の形態において、耐腐食性とは、金属部材Ｍについて、下地領域ＲＥ３あるいはマーキングパターンＭＰの形成箇所を起点とする応力腐食割れの発生が抑制されてなることをいう。係る耐腐食性の実現の詳細についても後述する。
　　＜マーキングパターンの視認性＞
　図７は、従来のレーザーマーキング手法のように、下地処理を行わずマーキング対象面Ｍ１に直接にマーキング処理を行った場合と、本実施の形態のように下地処理を行ったうえでマーキング処理を行った場合とのそれぞれについて、金属部材Ｍの各部位における表面位置の平均高さと表面粗さとの相対的な大小関係を、模式的に示す図である。なお、図７においては、便宜上、下地処理およびマーキング処理のいずれもが行われていない領域（非照射領域）を、マーキング対象面Ｍ１と表している。図７に示すマーキング対象面Ｍ１の状態は、非照射領域の状態を表すとともに、下地処理およびマーキング処理を行う前の下地領域ＲＥ３およびマーキングパターンＭＰの形成領域の状態をも表していることになる。また、マーキング対象面Ｍ１の表面粗さ値は０．０１μｍ以上１．０μｍ以下程度であるとする。
　まず、図７（ａ）は、従来手法の場合を示している。係る場合、マーキングパターンＭＰが周囲のマーキング対象面Ｍ１よりも平均高さが低い凹部として形成される照射条件にて、レーザー光ＬＢが照射される。換言すれば、凹部が形成される程度の投入エネルギーにてレーザー光ＬＢが照射される。その結果として、このときの、マーキングパターンＭＰにおける表面粗さの程度は、マーキング対象面Ｍ１とあまり相違がないものとなっている。なお、図７（ａ）においては、図示の簡単のためにマーキング対象面Ｍ１（非照射領域）とマーキングパターンＭＰとの表面粗さを同じにしているが、実際には、両者の間には多少の相違は生じている。
　これに対して、図７（ｂ）には、本実施の形態の場合を示している。本実施の形態の場合、下地処理によって形成される下地領域ＲＥ３は、マーキング対象面Ｍ１とほとんど変わらないか、あるいはマーキング対象面Ｍ１（非照射領域）よりもわずかに低い平均高さを有しつつも、表面粗さはマーキング対象面Ｍ１（非照射領域）よりも小さい、均質化・平坦化された領域となっている。これは、下地処理において、マーキングパターンＭＰを形成するための照射条件である本照射条件よりもレーザー光ＬＢの投入エネルギーが小さい下地処理照射条件に従ってレーザー光ＬＢが照射されることで、実現されたものである。
　一方、本照射条件にてレーザー光ＬＢが照射されることによって形成されたマーキングパターンＭＰは、周囲の下地領域ＲＥ３よりも平均高さが低く、かつ、表面粗さが下地領域ＲＥ３よりも大きい凹部となっている。すなわち、図７（ｂ）に示すように、マーキングパターンＭＰとその周囲の下地領域ＲＥ３との間には、平均高さおよび表面粗さの双方において相違があることになる。
　よって、本実施の形態の場合、表面粗さの小さい下地領域ＲＥ３を設けることで、マーキングパターンＭＰとその周囲の下地領域ＲＥ３との間に凹凸差が与えられており、かつ、下地領域ＲＥ３とその周囲のマーキング対象面Ｍ１（非照射領域）との間、および、マーキングパターンＭＰとその周囲の下地領域ＲＥ３との間の双方において、表面粗さに差異が与えられている。これらによって、マーキングパターンＭＰの視認性が確保されているものといえる。
　これに対して、従来手法の場合、マーキングパターンＭＰとその周囲のマーキング対象面Ｍ１（非照射領域）との間には、凹凸差は与えられているものの、表面粗さの相違はほとんどない。それゆえ、マーキングパターンＭＰの視認性が十分に得られないものと考えられる。
　また、本実施の形態においてマーキングパターンＭＰとして形成する凹部の深さは、従来手法の場合と同程度であってよく、図７（ｂ）においても、そのような場合を例示している。しかしながら、従来手法の場合と異なり、表面粗さが小さい下地領域ＲＥ３に対してマーキングパターンＭＰを形成することから、形成する凹部が従来手法の場合に比して浅く（深さが小さく）、あるいはさらにマーキングパターンＭＰの表面粗さがマーキング対象面Ｍ１（非照射領域）より小さいような場合であっても、充分に視認性のあるマーキングパターンＭＰを形成することは可能である。このことは、本実施の形態のように、下地処理を行ったうえでマーキング処理を行う場合は、下地処理を行わない従来手法の場合に比して、より小さい投入エネルギーでのレーザー光ＬＢの照射であっても、従来よりも視認性の優れたマーキングパターンＭＰを形成できることを意味している。
　　＜マーキングパターンの耐腐食性＞
　金属部材Ｍに対してレーザー光ＬＢを照射すると、瞬間的に非常に大きなエネルギーが与えられることで、その被照射領域に残留応力が生じる。すなわち、レーザー光ＬＢが照射された領域と照射されていない領域との間には、応力状態に違いが生じる。
　図８は、従来のレーザーマーキング手法のように、下地処理を行わずマーキング対象面Ｍ１に直接にマーキング処理を行った場合と、本実施の形態のように下地処理を行ったうえでマーキング処理を行った場合とのそれぞれについて、金属部材Ｍの各部位における残留応力の相対的な大小関係を、模式的に示す図である。また、図８に示す場合においても、図７の場合と同様、マーキング対象面Ｍ１の表面粗さ値は０．０１μｍ以上１．０μｍ以下程度であるとする。
　従来のように、下地処理を行うことなくマーキングパターンＭＰを形成した場合、概略的には、図８（ａ）に示すように、マーキングパターンＭＰのところでは残留応力が相対的に大きく、その周囲のマーキング対象面Ｍ１（非照射領域）においては残留応力が相対的に小さい、二段階の分布となっている。このマーキングパターンＭＰとその周囲との残留応力差（あるいは両者の間の残留応力勾配）が、従来手法でレーザーマーキングされた金属部材Ｍにおいて、マーキングパターンＭＰの形成箇所を起点とする応力腐食割れが生じる要因であると考えられる。
　一方、本実施の形態のように、下地処理を行ったうえでマーキング処理を行う場合、下地処理がなされた時点で該下地処理にて形成される下地領域ＲＥ３に残留応力が生じ、さらにその後のマーキング処理の際に、マーキングパターンＭＰに残留応力が生じる。図８（ｂ）には、後者に際し、下地処理を行わない場合と同程度の残留応力が生じる場合を例示している。ただし、下地処理におけるレーザー光ＬＢの投入エネルギーはマーキング処理の場合に比して相対的に小さいため、下地処理によって下地領域ＲＥ３に生じる残留応力は、マーキング処理によってマーキングパターンＭＰに生じる残留応力に比して小さいと考えられる。
　すなわち、本実施の形態の場合、残留応力は三段階の分布となっていると考えられる。それゆえ、マーキングパターンＭＰとその周囲の下地領域ＲＥ３との間の残留応力差、および、下地領域ＲＥ３とその周囲のマーキング対象面Ｍ１（非照射領域）との間の残留応力差は、従来手法におけるマーキングパターンＭＰとその周囲との残留応力差に比して、小さいと考えられる。あるいは、下地領域ＲＥ３が介在していることで、本実施の形態においては、従来手法の場合に比して、マーキングパターンＭＰとマーキング対象面Ｍ１（非照射領域）との間の残留応力勾配が小さいともいえる。
　そして、金属部材Ｍがこのような残留応力の分布を有してなることが、下地領域ＲＥ３あるいはマーキングパターンＭＰを起点とする応力腐食割れの抑制、つまりは、マーキングパターンＭＰの耐腐食性の向上に寄与していると考えられる。
　なお、下地処理およびマーキング処理に供される前の金属部材Ｍに対して、硬度を高めるための熱処理が行われていることがある。このような熱処理も、上述のような残留応力差を小さくする効果がある。なぜならば、マーキング対象面Ｍ１（非照射領域）の残留応力の絶対値が大きくなった状態で、下地処理に供されるからである。例えば、ビッカース硬度が３００Ｈｖ以上となるような熱処理を行うことは、残留応力差が十分に小さい状態を実現し、耐腐食性をより確実に得るうえにおいて、好適であるといえる。
　以上、説明したように、本実施の形態においては、金属部材のマーキング対象面へのマーキングパターンの形成に先立ち、その形成対象領域を含む領域に下地処理を施し、これによって形成された下地領域の上に、マーキングパターンを形成するようにしている。これにより、マーキングパターンを起点とする応力腐食割れの発生が抑制されてなる。また、下地領域が設けられることで、形成されたマーキングパターンは視認性が優れたものとなっている。
　　＜変形例＞
　上述の実施の形態に係るレーザーマーキングの手法は、マーキング対象面Ｍ１の表面凹凸が上述よりも小さい、例えば表面粗さの値が０．０１μｍ以下であるような、より表面平坦性の優れた金属部材Ｍに対して適用されてもよい。図９は、係る金属部材Ｍを対象に、下地処理を行わずマーキング対象面Ｍ１に直接にマーキング処理を行った場合と、下地処理を行ったうえでマーキング処理を行った場合とのそれぞれについて、金属部材Ｍの各部位における表面位置の平均高さと表面粗さとの相対的な大小関係を、模式的に示す図である。
　この場合、下地処理を行わない場合の表面位置と表面粗さとの関係は、図９（ａ）に示すように図７（ａ）の場合と同様となるが、下地処理を行った場合の両者の関係は、図７（ｂ）の場合とは異なってくる。具体的には、図９（ｂ）に示すように、下地処理を行うことで形成される下地領域ＲＥ３の表面粗さは処理前よりも大きくなる。しかしながら、その後に行うレーザーマーキングで形成されるマーキングパターンＭＰの表面粗さの方が、下地領域ＲＥ３の表面粗さよりも大きくなることから、視認性が十分に確保されたマーキングパターンＭＰが形成できる点は金属部材Ｍの表面平坦性が優れている場合でも同様である。
　一方で、各部位の残留応力の関係については、図８（ｂ）に示す場合と同様である。すなわち、表面平坦性が優れた金属部材Ｍに対してマーキングを行う場合も、下地領域ＲＥ３が存在することでマーキングパターンＭＰと周囲との残留応力差が小さくなり、結果として優れた耐腐食性が実現される。すなわち、視認性および耐腐食性に優れたマーキングパターンＭＰを形成することができる。
　下地処理照射条件でレーザー光ＬＢを照射して形成された被照射領域と金属部材Ｍとの間にも、ある程度のコントラストは生じるので、係る照射条件のもとで金属部材Ｍにレーザーマーキングを行う態様も考えられる。しかしながら、レーザーマーキングされるのは主として線の細い文字や記号などであるのに対し、多くの場合、下地処理照射条件のもとで形成される被照射領域の色味は淡いため、係る下地処理照射条件で細い文字や記号を形成したとしても、視認性という点では上述の実施の形態に比して劣ることになる。また、視認性を高めるべくレーザー光の強度を強めることは、結局のところ従来の手法に近づいてしまい、応力腐食割れの可能性が高くなる。一方で、レーザー光の強度が弱いと、視認性そのものが低下してしまうことになる。すなわち、下地処理照射条件でのレーザー光の照射のみでマーキングを行い、好適なマーキングパターンが形成される場合は、ある程度限定的であるといえる。
　（マーキングの対象物）
　図１０は、本実施の形態に係るマーキング処理の対象の一例としてのガスセンサ１００の本体部（以下、センサ本体部）１の外観斜視図である。図１１は、係るセンサ本体部１の要部の内部構成を示す断面図である。本実施の形態において、ガスセンサ１００とは、内部に備わるセンサ素子１０（図１１）によって所定のガス成分（例えば、ＮＯｘ等）を検出するためのものである。
　なお、センサ素子１０は、ジルコニアなどの酸素イオン伝導性固体電解質セラミックスからなる素子体を主たる構成材料とする長尺の柱状あるいは薄板状の部材である。センサ素子１０は、一先端部１０ａの側にガス導入口や内部空所などを備えるとともに、素子体表面および内部に種々の電極や配線パターンを備えた構成を有する。センサ素子１０においては、内部空所に導入された被検ガスが内部空所内で還元ないしは分解されて酸素イオンが発生する。ガスセンサ１００においては、素子内部を流れる酸素イオンの量が被検ガス中における当該ガス成分の濃度に比例することに基づいて、係るガス成分の濃度が求められる。
　ガスセンサ１００のセンサ本体部１の外側は、主として、第１カバー２と、固定ボルト３と、第２カバー４とから構成される。
　第１カバー２は、センサ素子１０のうち、使用時に被検ガスに直接に接触する部分、具体的には、ガス導入口や内部空所などが備わる一先端部１０ａを保護する、略円筒状の外装部材である。より詳細には、第１カバー２は、外側カバー２ａと内側カバー２ｂとの２層構造となっている。外側カバー２ａと内側カバー２ｂは、それぞれ、一方側が有底の円筒状をしているとともに、側面部分に気体が通過可能な複数の貫通孔Ｈ１、Ｈ２が設けられてなる。なお、図１０および図１１に示す貫通孔Ｈ１、Ｈ２の配置位置および配置個数はあくまで例示であって、これに限られるものではない。
　固定ボルト３は、センサ本体部１を測定位置に固定する際に用いられる環状の部材である。固定ボルト３は、ねじ切りがされたボルト部３ａと、ボルト部３ａを螺合する際に保持される保持部３ｂとを備えている。ボルト部３ａは、センサ本体部１の取り付け位置に設けられたナットと螺合する。例えば、自動車の排気管に設けられたナット部にボルト部３ａが螺合されることで、センサ本体部１は、第１カバー２の側が排気管内に露出する態様にて該排気管に固定される。
　第２カバー４は、センサ本体部１の他の部位を保護する円筒状部材である。第２カバー４の端部からは、センサ本体部１と図示しない駆動制御部とを電気的に接続するためのケーブルＣが延在している。
　第２カバー４５００℃～６００℃の温度で熱処理されたオーステナイト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４Ｌなど）からなる。なお、熱処理温度が５００℃～６００℃の場合には該ステンレス鋼のビッカース硬度は３００Ｈｖ以上となるが、熱処理温度が３００℃を下回る場合は、該ステンレス鋼のビッカース硬度は３００Ｈｖを下回ることが、あらかじめ確認されている。また、いずれも円筒形状をなしている第１カバー２と第２カバー４とは、０．２ｍｍ～０．６ｍｍ程度（例えば０．５５ｍｍ）の上記ステンレス鋼からなる板を深絞り加工し、その表面をバレル研磨することによって作製されてなる。
　係るセンサ本体部１に対しては、第２カバー４の外側面に、メーカー名、国名、製品型式やロット番号、固体識別用番号などの製品識別情報がマーキング（印字）される。
　センサ本体部１の内部においては、図１１に示すように、センサ素子１０が、ガス導入口等が備わる一先端部１０ａを残して、交互に隣接配置された複数のガイシと複数の封止材（タルク）のそれぞれの軸中心位置に嵌合されている。なお、図１１においては、２つのガイシ６、８と２つの封止材７、９とを示しているが、実際には、封止材９に隣接してさらにガイシが設けられる。また、２つのガイシ６、８とその間の封止材７が、略円筒状をなすハウジング５の内筒部に嵌合されてなる。そして、このハウジング５の一方端側は第１カバー２に嵌合されてなり、他方端側は封止材９およびその上のガイシを被覆する第２カバー４に嵌合されてなり、ハウジング５の外周に、固定ボルト３が固着されてなる。
　以上のような構成を有することで、センサ本体部１では、所定位置に取り付けられた状態において、センサ素子１０の一先端部１０ａの周りの雰囲気（第１カバー２内の雰囲気）と外部の雰囲気とが完全に遮断されるようになっており、これにより、被検ガス中における対象ガス成分の濃度を精度良く測定できるようになっている。
　（実験例１）
　図１２および図１３は、センサ本体部１の第２カバー４の外側面をマーキング対象面Ｍ１とし、下地領域ＲＥ３を形成したうえでマーキングパターンＭＰをマーキングした場合の、マーキングパターンＭＰ近傍の光学顕微鏡像である。一方、図１４は、センサ本体部１の第２カバー４の外側面をマーキング対象面Ｍ１とし、下地処理を行うことなくマーキングパターンＭＰをマーキングした場合の光学顕微鏡像（図１４（ａ））に、その撮像内容を説明する図（図１４（ｂ）を付したものである。
　いずれの場合も、レーザー光ＬＢとしては、発光波長が１．０６μｍのＮｄ；ＹＶＯ４レーザーを用いた。レーザー光ＬＢのパワー（ピークパワー）は９．６Ｗとし、周波数は１００ｋＨｚとした。走査速度は、下地処理では３０００ｍｍ／ｓとし、マーキング処理では１６０ｍｍ／ｓとした。また、マーキングパターンＭＰの線幅は０．１ｍｍとした。
　図１２および図１３からは、下地領域ＲＥ３を形成した場合は、マーキングパターンＭＰが良好な視認性を有していることがわかる。一方で、図１４（ａ）には、図１４（ｂ）に示すように「９」、「Ｅ」の２つの文字がマーキングされているはずであるが、マーキングパターンＭＰと周囲のマーキング対象面Ｍ１とのコントラストがほとんどついておらず、極めて視認性の低い状態となっている。
　すなわち、図１２および図１３と、図１４（ａ）とを対比すると、下地処理によって下地領域を形成した上で該下地領域にマーキングパターンをマーキングすることが、マーキングパターンの視認性を確保するうえにおいて有効であることを示している。
　（実験例２）
　母材となる金属部材Ｍの種類と、下地処理の有無と、マーキング処理におけるレーザー光の照射条件とを種々に違えることで、計１５種類のマーキング処理済みの第２カバー４を作製し（試料Ｎｏ．１～１５）、それぞれについて、応力腐食割れ試験を行った。併せて、試験後の試料についてのマーキングパターンＭＰの視認性の確認も行った。なお、Ｎｏ．１５の試料を除き、試験ロット数は５とした。Ｎｏ．１５のみ、試験ロット数は２とした。
　具体的には、母材としては厚さが０．５ｍｍのＳＵＳ３０４Ｌを熱処理したものを用意し、これを深絞り加工した後、バレル研磨を行って、第２カバー４を得た。その際の熱処理温度を、５５０℃と４００℃の２水準に違えた。
　下地処理およびマーキング処理においては、レーザー光ＬＢとして、発光波長が１．０６μｍのＮｄ；ＹＶＯ４レーザーを用いた。レーザー光ＬＢのパワー（ピークパワー）は９．６Ｗとし、周波数は１００ｋＨｚとした。
　レーザー光ＬＢの走査速度（具体的には出射源Ｓの走査速度）は、下地処理では３０００ｍｍ／ｓとした。一方、マーキング処理の際の走査速度は、４５ｍｍ／ｓ、９０ｍｍ／ｓ、１６０ｍｍ／ｓ、５００ｍｍ／ｓ、１０００ｍｍ／ｓの５水準で違えた。
　応力腐食割れ試験は、ＪＩＳ Ｇ ０５７６のＡ法に準拠して行った。具体的には、沸点が１４３℃±１℃の４２％塩化マグネシウム水溶液を試験溶液として用意し、温度を沸点に保った該試験溶液中にそれぞれの試料を浸漬し、一定時間が経過するたびに、試料を試験溶液から取り出して、拡大鏡を用いて観察し、クラックの発生の有無を確認した。また、マーキングパターンＭＰの視認性について、肉眼で確認した。なお、クラックは、応力腐食割れに伴い発生するものと考えられる。試験溶液中への浸漬時間は、３０分、６０分、９０分、１２０分の４水準に違えた。
　それぞれの試料の作製条件と、応力腐食割れ試験の結果と、視認性の確認結果とを表１に示す。なお、表１および以降においては、母材が５５０℃熱処理品で、かつ、下地処理が行われなかったＮｏ．１～５の試料をグループＡと総称し、母材が５５０℃熱処理品で、かつ、下地処理が行われたＮｏ．６～１０の試料をグループＢと総称し、母材が４００℃熱処理品で、かつ、下地処理が行われたＮｏ．１１～１５の試料をグループＣと総称する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、グループＡの試料についてみると、走査速度が５００ｍｍ／ｓ以下であるＮｏ．１～Ｎｏ．４の試料では、視認性は良好であるものの、浸漬時間が３０分ないしは６０分の時点で、全てのロットでクラックが発生した。一方で、走査速度が１０００ｍｍ／ｓであるＮｏ．５の試料においては、１２０分浸漬した後でも、クラックは確認されなかったが、視認性が十分ではなかった。
　一方、グループＢの試料についてみると、走査速度が４５ｍｍ／ｓであるＮｏ．６の試料では、視認性は良好であるものの、浸漬時間が６０分の時点で、全てのロットでクラックが発生した。走査速度が９０ｍｍ／ｓ～５００ｍｍ／ｓであるＮｏ．７～Ｎｏ．９の試料では、視認性は良好であり、かつ、わずかな例外（Ｎｏ．７の１２０分浸漬後の試料のうちの１ロット）を除いては、クラックの発生は確認されなかった。すなわち、これらの試料は、視認性が良好で、かつ、耐腐食性が良好なマーキングパターンが形成されているものであるといえる。なお、走査速度が１０００ｍｍ／ｓであるＮｏ．１０の試料においては、１２０分浸漬した後でも、クラックは確認されなかったが、視認性が十分ではなかった。
　さらに、グループＣの試料についてみると、走査速度が５００ｍｍ／ｓ以下であるＮｏ．１１～Ｎｏ．１４の試料では、視認性は良好であるものの、浸漬時間が３０分の時点で、全てのロットでクラックが発生した。一方で、走査速度が１０００ｍｍ／ｓであるＮｏ．１５の試料においては、９０分浸漬した後でクラックが確認され、また、視認性が十分ではなかった。
　グループＡとグループＢの結果を対比すると、下地処理を行うことは、耐腐食性があり、かつ視認性の確保されるマーキングパターンを形成するうえで効果があることがわかる。なお、グループＢのＮｏ．６の試料において、下地処理を行ったにもかかわらずクラックが発生したのは、走査速度が遅いためにレーザー光ＬＢの投入エネルギーが必要以上に大きくなってしまったためであると考えられる。一方、グループＡのＮｏ．５の試料やグループＢのＮｏ．１０の試料において視認性が十分ではなかったのは、走査速度が速すぎて、レーザー光ＬＢの投入エネルギーが小さ過ぎたためであると考えられる。また、グループＢにおいて、下地処理の走査速度を、Ｎｏ．１０の試料における走査速度である１０００ｍｍ／ｓの３倍である３０００ｍｍ／ｓとしていることは、下地処理に際して、マーキング処理の際よりも小さい投入エネルギーにてレーザー光が照射されていることを意味している。
　また、グループＢとグループＣの結果を対比すると、グループＣの試料の母材に対して行われた４００℃での熱処理は、母材に十分な硬度を与えるには至らないものであり、熱処理後のマーキング対象面Ｍ１（非照射領域）における残留応力はグループＢの場合に対して小さいと考えられる。それゆえ、グループＢとグループＣとは、下地処理の後にマーキング処理を行うという点では共通するものの、グループＣの場合は、熱処理後の母材に十分な残留応力が生じていないために、グループＢでは耐腐食性が良好なマーキングパターンが形成されているマーキング条件でマーキング処理が行われたものであっても、残留応力差が大きくなってしまい、耐腐食性が得られなかったといえる。なお、Ｎｏ．１５の試料において浸漬時間が３０分の場合にクラックの発生が確認されなかったのは、走査速度が１０００ｍｍ／ｓと大きく投入エネルギーが小さいために、下地領域ＲＥ３との残留応力差がＮｏ１１．～Ｎｏ．１４の試料に比して小さかったためであると推察される。

Claims (6)

  1. 　金属部材に対してレーザーマーキングを行う方法であって、
    　前記金属部材のマーキング対象面のマーキング対象領域を含む下地処理対象領域にレーザー光を第１照射条件で照射する下地処理工程と、
    　前記マーキング対象領域に前記レーザー光を第２照射条件で照射することによりマーキングパターンを形成するマーキング工程と、
    を備え、
    　前記第１照射条件における前記レーザー光の投入エネルギーを前記第２照射条件における前記レーザー光の投入エネルギーよりも小さくすることにより、前記マーキングパターンと前記レーザー光が照射されていない非照射領域との間に、前記非照射領域よりも残留応力が大きく前記マーキングパターンよりも残留応力が小さい下地領域を設ける、
    ことを特徴とする金属部材へのレーザーマーキング方法。
  2. 　請求項１に記載のレーザーマーキング方法であって、
    　前記下地領域の表面粗さが、前記非照射領域および前記マーキングパターンの表面粗さよりも小さい、
    ことを特徴とする金属部材へのレーザーマーキング方法。
  3. 　請求項２に記載のレーザーマーキング方法であって、
    　前記マーキング対象面の表面粗さが０．０１μｍ以上１．０μｍ以下である、
    ことを特徴とする金属部材へのレーザーマーキング方法。
  4. 　請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のレーザーマーキング方法であって、
    　前記金属部材がステンレス鋼であり、かつ、３００Ｈｖ以上の硬度を有する、
    ことを特徴とする金属部材へのレーザーマーキング方法。
  5. 　請求項４に記載のレーザーマーキング方法であって、
    　前記金属部材が、前記下地処理工程に先立って硬度を高めるための熱処理が施されたものである、
    ことを特徴とする金属部材へのレーザーマーキング方法。
  6. 　請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のレーザーマーキング方法であって、
    　前記レーザー光の照射を、所定のレーザー光出射源を前記マーキング対象面に対して相対移動させることにより行い、
    　前記第１照射条件における前記レーザー光の走査速度を前記第２照射条件における前記レーザーの走査速度よりも大きくすることにより前記下地領域を設ける、
    ことを特徴とする金属部材へのレーザーマーキング方法。
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