WO2020245956A1

WO2020245956A1 - レーザ加工方法及びレーザ加工装置

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Publication number: WO2020245956A1
Application number: PCT/JP2019/022399
Authority: WO
Inventors: 宏樹森; 呉屋　真之; 明子井上
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2019-06-05
Filing date: 2019-06-05
Publication date: 2020-12-10
Also published as: JPWO2020245956A1; US20220234144A1

Abstract

複合材５にレーザＬを照射して複合材５を厚さ方向に亘って切断する切断加工を行うレーザ加工方法において、複合材５の厚さ方向の一方側からレーザＬを照射して、複合材５に第１切込み２１を形成する切込み工程と、複合材５の厚さ方向の他方側からレーザＬを照射して、第１切込み２１に対向する位置において複合材５に第２切込み２２を形成し、第１切込み２１に第２切込み２２を連通させて、複合材５を切断する切断工程と、を含み、切込み工程では、第１切込み２１の幅方向に並んだ複数の加工パスで、レーザＬを照射することで、第１切込み２１を形成し、切断工程では、第２切込み２２の幅方向に並んだ複数の加工パスで、レーザＬを照射することで、第２切込み２２を形成する。

Description

レーザ加工方法及びレーザ加工装置

　本発明は、複合材にレーザを照射して加工を行うレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関するものである。

　従来、複合材の加工部位に対して、高出力パワーレーザビームを多重線状に高速掃引速度で複数パス照射する第一工程と、第一工程の進展に従い、加工深さが順次深くなってきた際に多重線度を低減させる第二工程と、を実行する複合材のレーザ加工方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６－１０７５７４号公報

　特許文献１のレーザ加工方法では、第一工程で加工ラインを中心として多重線で加工し、第二工程で多重線度を低減させて加工している。このため、特許文献１のレーザ加工方法において、切断溝は、加工ラインを中心としたＶ型（つまり、加工深さが深くなるにつれて溝幅が狭くなるテーパ形状）となる。ここで、Ｖ型の切断溝により加工対象物を切断する場合、加工対象物が厚いほど、表面側を幅広く除去することになるため、加工パスのパス数が多くなると共に、除去量（除去体積）が多くなってしまう。加工パスのパス数が多くなってしまうと、切断にかかる時間が長くなってしまう。

　そこで、本発明は、除去量を低減し、加工速度を向上させることができるレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することを課題とする。

　本発明のレーザ加工方法は、複合材にレーザを照射して前記複合材を厚さ方向に亘って切断する切断加工を行うレーザ加工方法において、前記複合材の厚さ方向の一方側から前記レーザを照射して、前記複合材に第１切込みを形成する切込み工程と、前記複合材の厚さ方向の他方側から前記レーザを照射して、前記第１切込みに対向する位置において前記複合材に第２切込みを形成し、前記第１切込みに前記第２切込みを連通させて、前記複合材を切断する切断工程と、を含み、前記切込み工程では、前記第１切込みの幅方向に並んだ複数の加工パスで、前記レーザを照射することで、前記第１切込みを形成し、前記切断工程では、前記第２切込みの幅方向に並んだ複数の加工パスで、前記レーザを照射することで、前記第２切込みを形成する。

　また、本発明のレーザ加工装置は、複合材にレーザを照射して前記複合材を厚さ方向に亘って切断する切断加工を行うレーザ加工装置において、前記レーザを照射するレーザ照射部と、前記レーザ照射部から照射された前記レーザを、前記複合材の厚さ方向の一方側から照射する第１レーザヘッドと、前記レーザ照射部から照射された前記レーザを、前記複合材の厚さ方向の他方側から前記レーザを照射する第２レーザヘッドと、前記レーザ照射部から照射された前記レーザを、前記第１レーザヘッドと前記第２レーザヘッドとの間で切り替えるレーザスイッチと、前記第１レーザヘッドから照射される前記レーザを走査させる第１レーザスキャナと、前記第２レーザヘッドから照射される前記レーザを走査させる第２レーザスキャナと、前記レーザの照射を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記レーザスイッチにより前記レーザを前記第１レーザヘッドに切り替えて、前記第１レーザヘッドから前記レーザを照射して、前記複合材に第１切込みを形成する切込み工程と、前記レーザスイッチにより前記レーザを前記第２レーザヘッドに切り替えて、前記第２レーザヘッドから前記レーザを照射して、前記第１切込みに対向する位置において前記複合材に第２切込みを形成し、前記第１切込みに前記第２切込みを連通させて、前記複合材を切断する切断工程と、を実行し、前記切込み工程では、前記第１切込みの幅方向に並んだ複数の加工パスで、前記レーザを照射することで、前記第１切込みを形成し、前記切断工程では、前記第２切込みの幅方向に並んだ複数の加工パスで、前記レーザを照射することで、前記第２切込みを形成する。

　また、本発明の他のレーザ加工装置は、複合材にレーザを照射して前記複合材を厚さ方向に亘って切断する切断加工を行うレーザ加工装置において、前記レーザを照射する２つのレーザ照射部と、一方の前記レーザ照射部から照射された前記レーザを、前記複合材の厚さ方向の一方側から照射する第１レーザヘッドと、他方の前記レーザ照射部から照射された前記レーザを、前記複合材の厚さ方向の他方側から前記レーザを照射する第２レーザヘッドと、前記第１レーザヘッドから照射される前記レーザを走査させる第１レーザスキャナと、前記第２レーザヘッドから照射される前記レーザを走査させる第２レーザスキャナと、前記レーザの照射を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、一方の前記レーザ照射部からの前記レーザを、前記第１レーザヘッドから照射して、前記複合材に第１切込みを形成する切込み工程と、他方の前記レーザ照射部からの前記レーザを、前記第２レーザヘッドから照射して、前記第１切込みに対向する位置において前記複合材に第２切込みを形成し、前記第１切込みに前記第２切込みを連通させて、前記複合材を切断する切断工程と、を実行し、前記切込み工程では、前記第１切込みの幅方向に並んだ複数の加工パスで、前記レーザを照射することで、前記第１切込みを形成し、前記切断工程では、前記第２切込みの幅方向に並んだ複数の加工パスで、前記レーザを照射することで、前記第２切込みを形成する。

　これらの構成によれば、複合材の一方側に第１切込みを形成し、複合材の他方側に第２切込みを形成して、複合材を切断することができる。このため、複合材の一方側からレーザを照射して複合材を切断する場合に比して、除去量を低減することができるため、切断加工の加工速度を向上させることができる。

　また、前記複合材は、切断する進行方向に延びる切断ラインに沿って切断され、前記切断ラインは、前記複合材の厚さ方向の一方側において、前記切断ラインが延在する前記進行方向に複数並んで設定される第１切込み領域と、前記複合材の厚さ方向の他方側において、前記切断ラインが延在する前記進行方向に複数並んで設定される第２切込み領域と、を含み、前記切込み工程では、前記第１切込み領域に前記レーザを照射して前記第１切込みを形成し、前記切断工程では、第２切込み領域に前記レーザを照射して前記第２切込みを形成し、前記切断ラインの前記進行方向における一方側から他方側に向かって、前記切込み工程と前記切断工程とを交互に行いながら、前記切断ラインに沿って前記複合材を切断することが、好ましい。

　また、前記複合材は、切断する進行方向に延びる切断ラインに沿って切断され、前記切断ラインは、前記複合材の厚さ方向の一方側において、前記切断ラインが延在する前記進行方向に複数並んで設定される第１切込み領域と、前記複合材の厚さ方向の他方側において、前記切断ラインが延在する前記進行方向に複数並んで設定される第２切込み領域と、を含み、前記切込み工程では、前記第１切込み領域に前記レーザを照射して前記第１切込みを形成し、前記切断工程では、第２切込み領域に前記レーザを照射して前記第２切込みを形成し、前記制御部は、前記レーザスイッチにより前記第１レーザヘッドと前記第２レーザヘッドとを交互に切り替えることで、前記切断ラインの前記進行方向における一方側から他方側に向かって、前記切込み工程と前記切断工程とを交互に行いながら、前記切断ラインに沿って前記複合材を切断することが、好ましい。

　これらの構成によれば、切込み工程と切断工程とを交互に行うことで、切込み工程と切断工程とを同時に行う必要がないことから、切込み工程と切断工程とを同時に行うための装置を導入する必要がない。このため、装置構成の増強を抑制しつつ、切断加工の加工速度の向上を図ることができる。

　また、前記複合材は、切断する進行方向に延びる切断ラインに沿って切断され、前記切断ラインは、前記複合材の厚さ方向の一方側において、前記切断ラインが延在する前記進行方向に複数並んで設定される第１切込み領域と、前記複合材の厚さ方向の他方側において、前記切断ラインが延在する前記進行方向に複数並んで設定される第２切込み領域と、を含み、前記切込み工程では、前記第１切込み領域に前記レーザを照射して前記第１切込みを形成し、前記切断工程では、第２切込み領域に前記レーザを照射して前記第２切込みを形成し、前記切断ラインの前記前記進行方向における一方側から他方側に向かって、前記切込み工程と前記切断工程とを同時に行うと共に、前記切断工程に先行して前記切込み工程を行って、前記切断ラインに沿って前記複合材を切断することが、好ましい。

　また、前記複合材は、切断する進行方向に延びる切断ラインに沿って切断され、前記切断ラインは、前記複合材の厚さ方向の一方側において、前記切断ラインが延在する前記進行方向に複数並んで設定される第１切込み領域と、前記複合材の厚さ方向の他方側において、前記切断ラインが延在する前記進行方向に複数並んで設定される第２切込み領域と、を含み、前記切込み工程では、前記第１切込み領域に前記レーザを照射して前記第１切込みを形成し、前記切断工程では、第２切込み領域に前記レーザを照射して前記第２切込みを形成し、前記制御部は、前記第１レーザヘッドと前記第２レーザヘッドとから前記レーザを照射して、前記切断ラインの前記前記進行方向における一方側から他方側に向かって、前記切込み工程と前記切断工程とを同時に行うと共に、前記切断工程に先行して前記切込み工程を行って、前記切断ラインに沿って前記複合材を切断することが、好ましい。

　これらの構成によれば、切込み工程と切断工程とを同時に行うことができるため、切断加工の加工速度の向上をさらに図ることができる。

　また、前記切断工程では、前記複合材の厚さ方向の他方側から照射した前記レーザを受ける受け部材により前記レーザを遮蔽することが、好ましい。

　この構成によれば、切断工程において、レーザが第１切込みを通過して一方側へ照射されても、受け部材によりレーザを遮蔽することで、レーザが一方側へ照射されることを抑制することができる。

　また、前記複合材は、前記厚さ方向の一方側が下方側となり、前記厚さ方向の他方側が上方側となり、前記切込み工程では、前記複合材の厚さ方向の下方側から上方側に向かって前記レーザを照射し、前記切断工程では、前記複合材の厚さ方向の上方側から下方側に向かって前記レーザを照射することが、好ましい。

　この構成によれば、切断工程において、レーザを下方側に向かって照射することができるため、レーザをグラウンド側へ照射することとなり、レーザの空中への散乱を抑制することができる。

　また、前記複合材は、切断する進行方向に延びる切断ラインに沿って切断されると共に、前記複合材の厚さ方向に亘って加工ラインが設定されており、前記切断加工では、前記進行方向に直交する断面において、前記複合材に設定された前記加工ラインに対して、前記レーザの照射方向を傾斜させることが、好ましい。

　また、前記複合材は、切断する進行方向に延びる切断ラインに沿って切断されると共に、前記複合材の厚さ方向に亘って加工ラインが設定されており、前記進行方向に直交する断面において、前記複合材に設定された前記加工ラインに対して、前記レーザの照射方向を傾斜させるレーザ傾斜部を、さらに備えることが、好ましい。

　これらの構成によれば、加工ラインに対して、レーザの照射方向を傾斜させることで、加工ラインに対する加工面の傾斜を抑制し、加工ラインに沿った加工面とすることができる。

図１は、実施形態１に係るレーザ加工装置を模式的に示す図である。図２は、実施形態１に係るレーザ加工方法に関する一例の説明図である。図３は、実施形態１に係るレーザ加工方法に関する一例の説明図である。図４は、実施形態１に係るレーザ加工方法の切込み領域に関する説明図である。図５は、実施形態１に係るレーザ加工方法により切断された複合材の断面図である。図６は、実施形態２に係るレーザ加工装置を模式的に示す図である。図７は、実施形態２に係るレーザ加工方法の切込み領域に関する説明図である。図８は、実施形態３に係るレーザ加工装置を模式的に示す図である。図９は、実施形態３に係るレーザ加工方法により切断された複合材の断面図である。

　以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

［実施形態１］
　図１は、実施形態１に係るレーザ加工装置を模式的に示す図である。図１に示すように、実施形態１に係るレーザ加工装置１０は、加工対象物となる複合材５にレーザＬを照射して、複合材５を切断することが可能な装置となっている。

　複合材５としては、例えば、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック、Carbon　Fiber　Reinforced　Plastics）、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、ＧＭＴ（ガラス長繊維強化プラスチック）等の繊維強化プラスチックである。

　図１に示すようにレーザ照射装置１１と、レーザスイッチ１６と、２つの走査光学系（レーザスキャナ）１２ａ，１２ｂと、２つの集光光学系（レーザヘッド）１３ａ，１３ｂと、２つのガスノズル１４ａ，１４ｂと、２つの遮蔽板（受け部材）１７ａ，１７ｂと、制御部１５と、を含んで構成される。

　レーザ照射装置１１は、レーザＬを出力する装置である。レーザ照射装置１１は、出力するレーザＬとして、パルス波（Continuous　Wave）または連続波（CW）であってもよい。実施形態１では、エネルギーを連続して供給可能な連続波となるレーザＬを照射するレーザ照射装置１１を用いることが好ましい。また、レーザ照射装置１１は、シングルモードまたはマルチモードでレーザＬを照射してもよい。実施形態１では、集光性の高いシングルモードでレーザＬを照射するレーザ照射装置１１を用いることが好ましい。

　レーザスイッチ１６は、レーザ照射装置１１から照射されたレーザＬの導光経路を切り替えるものであり、レーザＬが複合材５の表面側に向かうように切り替えたり、レーザＬが複合材５の裏面側に向かうように切り替えたりする。具体的に、レーザスイッチ１６は、複合材５の裏面側に向かう第１の導光経路Ｔ１と、複合材５の表面側に向かう第２の導光経路Ｔ２とを切り替えている。

　２つの走査光学系１２ａ，１２ｂは、第１の導光経路Ｔ１に設けられる第１の走査光学系１２ａと、第２の導光経路Ｔ２に設けられる第２の走査光学系１２ｂとを含んでいる。第１の走査光学系１２ａは、レーザスイッチ１６の切替により第１の導光経路Ｔ１を通るレーザＬを、複合材５の裏面上において走査させる光学系である。第２の走査光学系１２ｂは、レーザスイッチ１６の切替により第２の導光経路Ｔ２を通るレーザＬを、複合材５の表面上において走査させる光学系である。第１の走査光学系１２ａ及び第２の走査光学系１２ｂは、複合材５の裏面及び表面においてレーザＬを操作可能なスキャナを含み、スキャナとしては、例えば、ガルバノミラーが用いられる。

　２つの集光光学系１３ａ，１３ｂは、第１の導光経路Ｔ１に設けられる第１の集光光学系１３ａと、第２の導光経路Ｔ２に設けられる第２の集光光学系１３ｂとを含んでいる。第１の集光光学系１３ａは、第１の走査光学系１２ａから出射されたレーザＬを集光し、集光したレーザＬを複合材５の裏面に照射する光学系である。第２の集光光学系１３ｂは、第２の走査光学系１２ｂから出射されたレーザＬを集光し、集光したレーザＬを複合材５の表面に照射する光学系である。第１の集光光学系１３ａ及び第２の集光光学系１３ｂは、集光レンズ等の光学部材を含んで構成されている。

　２つのガスノズル１４ａ，１４ｂは、複合材５の裏面側に設けられる第１のガスノズル１４ａと、複合材５の表面側に設けられる第２のガスノズル１４ｂとを含んでいる。第１のガスノズル１４ａは、複合材５の裏面へ向かって不活性となるアシストガスを噴射する。第２のガスノズル１４ｂは、複合材５の表面へ向かってアシストガスを噴射する。アシストガスの噴射方向は、レーザＬの照射方向に対して交差する方向となっており、複合材５の裏面及び表面に沿う方向となっている。なお、図示は省略するが、レーザ加工装置１０には、アシストガスを吸い込む吸込み口が設けられている。

　２つの遮蔽板１７ａ，１７ｂは、複合材５の裏面側に設けられる第１の遮蔽板１７ａと、複合材５の表面側に設けられる第２の遮蔽板１７ｂとを含んでいる。第１の遮蔽板１７ａは、第１の集光光学系１３ａに取り付けられており、第２の集光光学系１３ｂからのレーザＬを遮蔽可能となっている。第２の遮蔽板１７ｂは、第２の集光光学系１３ｂに取り付けられており、第１の集光光学系１３ａからのレーザＬを遮蔽可能となっている。

　制御部１５は、レーザ照射装置１１、レーザスイッチ１６及び２つの走査光学系１２ａ，１２ｂを含む各部に接続され、各部を制御することで、レーザ加工装置１０の動作を制御している。制御部１５は、例えば、レーザ照射装置１１を制御することで、レーザ照射装置１１から照射されるレーザＬの照射条件を調整する。また、制御部１５は、レーザスイッチ１６の切替制御を行うことで、レーザＬを第１の導光経路Ｔ１または第２の導光経路Ｔ２に導光させる。さらに、制御部１５は、例えば、第１の走査光学系１２ａ及び第２の走査光学系１２ｂを制御することで、複合材５の表面上及び裏面上におけるレーザＬの走査動作を制御している。

　なお、複合材５は、図示しない支持部材によって所定位置に支持されている。複合材５は、例えば、平板状に形成されており、複合材５に照射されたレーザＬが、複合材５の表面及び裏面に対して、ほぼ垂直となるように照射される。つまり、レーザＬは、その光軸Ａ（図２参照）が複合材５の厚さ方向に沿っている。また、複合材５は、その表面が鉛直方向の上面となっており、その裏面が鉛直方向の下面となっている。そして、複合材５は、表面及び裏面が水平面となるように支持されている。この複合材５は、水平面内において移動可能となるように支持されていてもよい。

　上記のように構成されるレーザ加工装置１０は、レーザ照射装置１１からレーザＬを照射させ、照射されたレーザＬを、レーザスイッチ１６に案内する。レーザスイッチ１６は、制御部１５による切替制御に基づいて、レーザＬを第１の導光経路Ｔ１または第２の導光経路Ｔ２に導光させる。第１の導光経路Ｔ１に導光されたレーザＬは、第１の走査光学系１２ａに案内される。レーザ加工装置１０は、第１の走査光学系１２ａに入射したレーザＬを走査させることで、複合材５の裏面上におけるレーザＬの照射位置を可変させる。レーザ加工装置１０は、第１の走査光学系１２ａから出射したレーザＬを、第１の集光光学系１３ａに入射させ、集光したレーザＬを複合材５の裏面に照射する。一方で、第２の導光経路Ｔ２に導光されたレーザＬは、第２の走査光学系１２ｂに案内される。レーザ加工装置１０は、第２の走査光学系１２ｂに入射したレーザＬを走査させることで、複合材５の表面上におけるレーザＬの照射位置を可変させる。レーザ加工装置１０は、第２の走査光学系１２ｂから出射したレーザＬを、第２の集光光学系１３ｂに入射させ、集光したレーザＬを複合材５の表面に照射する。

　次に、図２から図４を参照して、上記のレーザ加工装置１０を用いて、複合材５を切断する切断加工を行うレーザ加工方法について説明する。図２は、実施形態１に係るレーザ加工方法に関する一例の説明図である。図３は、実施形態１に係るレーザ加工方法に関する一例の説明図である。図４は、実施形態１に係るレーザ加工方法の切込み領域に関する説明図である。ここで、複合材５は、例えば、１０ｍｍ以上となる板厚となっている。

　実施形態１のレーザ加工方法では、複合材５の表面及び裏面からレーザＬを交互に照射して、複合材５を切断している。また、図２に示すように、複合材５は、平板形状となっており（一部図示を省略）、レーザ加工方法において、切断加工前の複合材５には、複合材５の厚さ方向（図２の上下方向）に沿った加工ラインＩが予め設定されると共に、切断する進行方向（図２の奥行き方向）に延びる切断ラインＣが予め設定される。

　実施形態１のレーザ加工方法では、上記の加工ラインＩに対して、複合材５の厚さ方向の下方側から、複合材５の裏面へ向かってレーザＬを照射する切込み工程と、複合材５の厚さ方向の上方側から、複合材５の表面へ向かってレーザＬを照射する切断工程とを実行している。切込み工程では、複合材５の厚さ方向の下方側からレーザＬを照射して、加工ラインＩの下方側における複合材５に、第１切込み２１を形成する。切断工程では、複合材５の厚さ方向の上方側からレーザＬを照射して、加工ラインＩの上方側における複合材５に、第２切込み２２を形成する。そして、切断工程では、第１切込み２１に第２切込み２２を連通させることで、複合材５を切断する。

　また、切込み工程では、第１切込み２１の幅方向に並んだ複数の加工パスで、レーザＬを照射することで、第１切込み２１を形成している。切込み工程の複数の加工パスは、厚さ方向及び奥行き方向に直交する幅方向（図２の左右方向）に亘って並んで設定されており、各加工パスは、切断ラインＣに沿って延在して設定されている。このとき、複数の加工パスは、幅方向において、所定のピッチ間隔Ｐで並んで設定されており、例えば、加工パス同士のピッチ間隔Ｐは等間隔となっている。

　同様に、切断工程では、第２切込み２２の幅方向に並んだ複数の加工パスで、レーザＬを照射することで、第２切込み２２を形成している。切断工程の複数の加工パスは、切込み工程と同様に、幅方向に亘って並んで設定されており、各加工パスは、切断ラインＣに沿って延在して設定されている。このとき、複数の加工パスは、幅方向において、所定のピッチ間隔Ｐで並んで設定されており、例えば、加工パス同士のピッチ間隔Ｐは等間隔となっている。

　また、図３及び図４に示すように、実施形態１のレーザ加工方法において、切断ラインＣには、第１切込み２１に対応する第１切込み領域２５と、第２切込み２２に対応する第２切込み領域２６と、が設定されている。

　第１切込み領域２５は、複合材５の厚さ方向の下方側において、切断ラインＣが延在する進行方向に複数並んで設定されている。複数の第１切込み領域２５は、同じ大きさとなる領域となっている。第１切込み領域２５は、複合材５の厚さ方向において、複合材５の厚さの半分の長さとなっている。

　第２切込み領域２６は、複合材５の厚さ方向の上方側において、切断ラインＣが延在する進行方向に複数並んで設定されている。複数の第２切込み領域２６は、同じ大きさの領域となっており、また、第１切込み領域２５と同じ大きさの領域となっている。このため、第２切込み領域２６も、複合材５の厚さ方向において、複合材５の厚さの半分の長さとなっている。

　そして、第１切込み領域２５と第２切込み領域２６とは、加工ラインＩ及び切断ラインＣを含む面内において、格子状に配置されている。なお、第１切込み領域２５と第２切込み領域２６とは、複合材５の厚さ方向の中央において、一部重複させてもよい。

　そして、切断加工では、上記のように設定された加工ラインＩ、切断ラインＣ及び複数の加工パスに基づいて、切込み工程及び切断工程を実行している。図４に示すように、切断加工では、切断ラインＣの進行方向における一方側（図４の右側）から他方側（図４の左側）に向かって、切込み工程と切断工程とを交互に行いながら、切断ラインＣに沿って複合材５を切断している。

　具体的に、切断加工では、先ず、レーザスイッチ１６によりレーザＬを、第１の導光経路Ｔ１に導光させる。そして、切断ラインＣの図４の右側における第１切込み領域２５（図４の「１」）に対して、切込み工程を実行し、第１切込み２１を形成する。続いて、切断加工では、レーザスイッチ１６によりレーザＬを、第２の導光経路Ｔ２に導光させる。そして、切断ラインＣの図４の右側における第２切込み領域２６（図４の「２」）に対して、すなわち、第１切込み２１に対向する位置の第２切込み領域２６に対して、切断工程を実行し、第２切込み２２を形成する。なお、切断工程では、レーザＬが第１切込み２１を通過する場合であっても、第２の遮蔽板１７ｂによりレーザＬを遮蔽している。また、切込み工程においては、レーザＬが複合材５を通過することはないが、安全のために、第１の遮蔽板１７ａを設けている。

　この後、切断工程では、レーザスイッチ１６によりレーザＬを第１の導光経路Ｔ１に切り替えて、再び、切断ラインＣの第１切込み２１に隣接する第１切込み領域２５（図４の「３」）に対して、切込み工程を実行し、第１切込み２１を形成する。続いて、切断工程では、レーザスイッチ１６によりレーザＬを第２の導光経路Ｔ２に切り替えて、第１切込み２１に対向する位置の第２切込み領域２６（図４の「４」）に対して、切断工程を実行し、第２切込み２２を形成する。そして、切断工程では、切込み工程と切断工程とを複数回（Ｎ回）行うことで、切断ラインＣにおける複合材５の切断を行う。

　上記のような切断加工を行うことで、複合材５の切断ラインＣに直交する切断面は、図５に示すものとなる。図５に示すように、加工ラインＩに沿って形成された第１切込み２１及び第２切込み２２は、複合材５の厚み方向の中央に向かって先細りとなるテーパ形状に形成される。このときの除去量は、第１切込み２１及び第２切込み２２が形成された体積となっている。一方で、図５に示す点線は、従来の切断加工、すなわち、複合材５の一方側の面からレーザＬを照射して複合材５を切断する切断加工において形成される切込みであり、この切込みは、複合材５の表面から裏面に向かって先細りとなるテーパ形状に形成される。従来の切断加工において除去される除去量は、実施形態１の除去量に比して多いものとなっている。

　以上のように、実施形態１によれば、複合材５の下方側に第１切込み２１を形成し、複合材５の上方側に第２切込み２２を形成して、複合材５を切断することができる。このため、複合材５の一方側からレーザＬを照射して複合材５を切断する場合に比して、除去量を低減することができるため、切断加工の加工速度を向上させることができる。

　また、実施形態１によれば、切込み工程と切断工程とを交互に行うことで、切込み工程と切断工程とを同時に行う必要がないことから、切込み工程と切断工程とを同時に行うための装置を導入する必要がない。このため、レーザ加工装置１０の装置構成の増強を抑制しつつ、切断加工の加工速度の向上を図ることができる。

　また、実施形態１によれば、切断工程において、レーザＬが第１切込み２１を通過して下方側へ照射されても、第２の遮蔽板１７ｂによりレーザＬを遮蔽することで、レーザＬが下方側へ照射されることを抑制することができる。

　また、実施形態１によれば、切断工程において、レーザＬを下方側に向かって照射することができるため、レーザＬをグラウンド側へ照射することとなり、レーザＬの空中への散乱を抑制することができる。

［実施形態２］
　次に、図６及び図７を参照して、実施形態２に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法について説明する。なお、実施形態２では、重複した記載を避けるべく、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図６は、実施形態２に係るレーザ加工装置を模式的に示す図である。図７は、実施形態２に係るレーザ加工方法の切込み領域に関する説明図である。

　実施形態１のレーザ加工装置及びレーザ加工方法では、切込み工程と切断工程とを交互に行いながら、切断ラインＣに沿って複合材５を切断していた。これに対して、実施形態２のレーザ加工装置及びレーザ加工方法では、切込み工程と切断工程とを同時に行いながら、切断ラインＣに沿って複合材５を切断している。

　図６に示すように、実施形態２のレーザ加工装置３０は、２つのレーザ照射装置１１ａ，１１ｂと、２つの走査光学系１２ａ，１２ｂと、２つの集光光学系１３ａ，１３ｂと、２つのガスノズル１４ａ，１４ｂと、２つの遮蔽板１７ａ，１７ｂと、制御部１５と、を含んで構成される。なお、２つの走査光学系１２ａ，１２ｂと、２つの集光光学系１３ａ，１３ｂと、２つのガスノズル１４ａ，１４ｂと、２つの遮蔽板１７ａ，１７ｂとは、実施形態１と同様であるため、説明を省略する。また、実施形態２のレーザ加工装置３０は、実施形態１のレーザ加工装置１０に設けたレーザスイッチ１６を省いた構成となっている。

　２つのレーザ照射装置１１ａ，１１ｂは、複合材５の表面側にレーザＬを照射する第１のレーザ照射装置１１ａと、複合材５の裏面側にレーザＬを照射する第２のレーザ照射装置１１ｂとを含んでいる。第１のレーザ照射装置１１ａは、第１の走査光学系１２ａへ向けてレーザＬを照射する。また、第２のレーザ照射装置１１ｂは、第２の走査光学系１２ｂへ向けてレーザＬを照射する。

　制御部１５は、２つのレーザ照射装置１１ａ，１１ｂを制御して、２つのレーザ照射装置１１ａ，１１ｂのそれぞれからレーザＬが照射されるように制御したり、２つのレーザ照射装置１１ａ，１１ｂのいずれかからレーザＬが照射されるように制御したりする。

　上記のように構成されるレーザ加工装置３０は、２つのレーザ照射装置１１ａ，１１ｂのそれぞれからレーザＬを照射させ、照射されたレーザＬを、２つの走査光学系１２ａ，１２ｂのそれぞれに入射させる。レーザ加工装置３０は、第１の走査光学系１２ａに入射したレーザＬを走査させることで、複合材５の裏面上におけるレーザＬの照射位置を可変させる。レーザ加工装置３０は、第１の走査光学系１２ａから出射したレーザＬを、第１の集光光学系１３ａに入射させ、集光したレーザＬを複合材５の裏面に照射する。また、レーザ加工装置３０は、第２の走査光学系１２ｂに入射したレーザＬを走査させることで、複合材５の表面上におけるレーザＬの照射位置を可変させる。レーザ加工装置１０は、第２の走査光学系１２ｂから出射したレーザＬを、第２の集光光学系１３ｂに入射させ、集光したレーザＬを複合材５の表面に照射する。

　次に、図７を参照して、上記のレーザ加工装置３０を用いて、複合材５を切断する切断加工を行うレーザ加工方法について説明する。

　実施形態２のレーザ加工方法では、複合材５の表面及び裏面からレーザＬを同時に照射して、複合材５を切断している。なお、切込み工程及び切断工程については、実施形態１と同様であるため説明を省略する。また、切断ラインＣにおいて設定される第１切込み領域２５及び第２切込み領域２６についても、実施形態１と同様であるため説明を省略する。

　図７に示すように、切断加工では、切断ラインＣの進行方向における一方側（図７の右側）から他方側（図７の左側）に向かって、切込み工程と切断工程とを同時に行いながら、切断ラインＣに沿って複合材５を切断している。

　具体的に、切断加工では、先ず、第１のレーザ照射装置１１ａによりレーザＬを照射して、切断ラインＣの図４の右側における第１切込み領域２５（図７の「１」）に対して、切込み工程を実行し、第１切込み２１を形成する。続いて、切断加工では、切込み工程と切断工程とを同時に行う。つまり、切断加工では、第２のレーザ照射装置１１ｂによりレーザＬを照射して、切断ラインＣの図４の右側における第２切込み領域２６（図７の上側の「２」）に対して、すなわち、第１切込み２１に対向する位置の第２切込み領域２６に対して、切断工程を実行し、第２切込み２２を形成する。同時に、切断加工では、切断ラインＣの第１切込み２１に隣接する第１切込み領域２５（図７の下側の「２」）に対して、切込み工程を実行し、第１切込み２１を形成する。このため、切断ラインＣにおいて、切込み工程が切断工程に先行して行われる。

　この後、切断工程では、再び、第１切込み２１に対向する位置の第２切込み領域２６（図７の上側の「３」）に対して、切断工程を実行し、第２切込み２２を形成すると共に、第１切込み２１に隣接する第１切込み領域２５（図７の下側の「３」）に対して、切込み工程を実行し、第１切込み２１を形成する。そして、切断工程では、切込み工程と切断工程とを複数回（Ｎ－１回）行った後、Ｎ回目において、第１切込み２１に対向する位置の第２切込み領域２６（図７の上側の「Ｎ」）に対して、切断工程を実行することで、切断ラインＣにおける複合材５の切断を行う。

　以上のように、実施形態２によれば、切込み工程と切断工程とを同時に行うことができるため、切断加工の加工速度の向上をより図ることができる。

［実施形態３］
　次に、図８及び図９を参照して、実施形態３に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法について説明する。なお、実施形態３でも、重複した記載を避けるべく、実施形態１及び２と異なる部分について説明し、実施形態１及び２と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図８は、実施形態３に係るレーザ加工装置を模式的に示す図である。図９は、実施形態３に係るレーザ加工方法により切断された複合材の断面図である。

　実施形態１及び実施形態２のレーザ加工装置１０，３０及びレーザ加工方法では、切込み工程と切断工程とにおいて複合材５の表面及び裏面に照射されるレーザＬの照射方向（光軸Ａ）が、複合材５の厚み方向に沿った方向となっていた。ここで、加工ラインＩを挟んで一方側が製品側となり他方側が残部側となる場合、加工ラインＩを製品側端部に設定すると、製品側（表面側）の部位がレーザにより除去される。製品側（表面側）の部位がレーザにより除去されることを避けるために、加工ラインＩの位置を製品側から離れるようにスライドさせて加工すると、製品側（裏面側）に残部が形成されてしまい、鉛直な切断面にしたい場合、後処理が必要となってしまう。このため、実施形態３に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法では、切込み工程と切断工程とにおいて複合材５の表面及び裏面に照射されるレーザＬの照射方向（光軸Ａ）が、複合材５の厚み方向に対して傾斜するものとなっている。

　実施形態３のレーザ加工装置４０は、実施形態１のレーザ加工装置１０に、複合材５に対してレーザＬを相対的に傾斜させるレーザ傾斜部４１を、さらに備えたものとなっている。なお、実施形態３では、複合材５を固定し、レーザＬを傾斜させる構成としているが、レーザＬを固定し、複合材５を可動させる構成としてもよい。レーザ傾斜部４１は、走査光学系１２ａ，１２ｂ及び集光光学系１３ａ，１３ｂを傾斜させることで、加工ラインＩに対してレーザＬを傾斜させている。加工ラインＩは、複合材５の厚さ方向に亘って設定されるラインである。具体的に、レーザ傾斜部４１は、切断ラインＣの進行方向に直交する断面（例えば、図８及び図９）において、加工ラインＩが延在する深さ方向に対して、レーザＬの光軸Ａを傾斜させている。なお、レーザ傾斜部４１は、走査光学系１２ａ，１２ｂまたは集光光学系１３ａ，１３ｂの少なくとも一方を物理的に傾斜させてもよいし、走査光学系１２ａ，１２ｂまたは集光光学系１３ａ，１３ｂに含まれる光学部材によりレーザＬを傾斜させてもよく、特に限定されない。

　レーザ傾斜部４１により傾斜されたレーザＬは、図８に示すように、光軸Ａに対して所定の角度θをもって集光される。そして、レーザＬの光軸Ａは、加工ラインＩの深さ方向に対して傾斜される。つまり、レーザＬは、集光される所定の角度θを考慮して、加工ラインＩの深さ方向に対する光軸Ａの傾斜角度を設定する。この傾斜角度は、０．１～５°の範囲、好ましくは、０．１～２°の範囲、さらに好ましくは、０．１～１°の範囲で設定されている。

　実施形態３の切断加工では、切込み工程及び切断工程において、レーザ傾斜部４１によりレーザＬを、複合材５の厚み方向に対して傾斜させて照射することで、複合材５の切断ラインＣに直交する切断面は、図９に示すものとなる。図９に示すように、加工ラインＩに沿って形成された第１切込み２１及び第２切込み２２は、複合材５の厚み方向の中央に向かって先細りとなるテーパ形状に形成される。このとき、レーザＬを傾斜させた分、傾斜させた側（図９の左側）のテーパ角度は、傾斜させた側とは反対側（図９の右側）のテーパ角度に比して急角度となっている。

　このため、切断加工後において複合材５から切り出される製品の加工面（図９の右側の面）を、加工ラインＩに沿った形状とする場合には、光軸Ａに対して所定の角度θをもって集光されるレーザＬを、加工ラインＩに対して、所定の角度θを成すように傾斜させる。

　以上のように、実施形態３によれば、加工ラインＩに対して、レーザＬの照射方向（光軸Ａ）を傾斜させることで、加工ラインＩに対する加工面の傾斜を抑制し、加工ラインＩに沿った加工面とすることができる。

　５　複合材
　１０　レーザ加工装置
　１１　レーザ照射装置
　１１ａ，１１ｂ　レーザ照射装置
　１２ａ，１２ｂ　走査光学系
　１３ａ，１３ｂ　集光光学系
　１４ａ，１４ｂ　ガスノズル
　１５　制御部
　１６　レーザスイッチ
　１７ａ，１７ｂ　遮蔽板
　２１　第１切込み
　２２　第２切込み
　２５　第１切込み領域
　２６　第２切込み領域
　３０　レーザ加工装置（実施形態２）
　４０　レーザ加工装置
　４１　レーザ傾斜部
　Ｔ１　第１の導光経路
　Ｔ２　第２の導光経路
　Ｌ　レーザ
　Ｉ　加工ライン
　Ｃ　切断ライン
　Ａ　光軸

Claims

　複合材にレーザを照射して前記複合材を厚さ方向に亘って切断する切断加工を行うレーザ加工方法において、
　前記複合材の厚さ方向の一方側から前記レーザを照射して、前記複合材に第１切込みを形成する切込み工程と、
　前記複合材の厚さ方向の他方側から前記レーザを照射して、前記第１切込みに対向する位置において前記複合材に第２切込みを形成し、前記第１切込みに前記第２切込みを連通させて、前記複合材を切断する切断工程と、を含み、
　前記切込み工程では、前記第１切込みの幅方向に並んだ複数の加工パスで、前記レーザを照射することで、前記第１切込みを形成し、
　前記切断工程では、前記第２切込みの幅方向に並んだ複数の加工パスで、前記レーザを照射することで、前記第２切込みを形成するレーザ加工方法。
　前記複合材は、切断する進行方向に延びる切断ラインに沿って切断され、
　前記切断ラインは、
　前記複合材の厚さ方向の一方側において、前記切断ラインが延在する前記進行方向に複数並んで設定される第１切込み領域と、
　前記複合材の厚さ方向の他方側において、前記切断ラインが延在する前記進行方向に複数並んで設定される第２切込み領域と、を含み、
　前記切込み工程では、前記第１切込み領域に前記レーザを照射して前記第１切込みを形成し、
　前記切断工程では、第２切込み領域に前記レーザを照射して前記第２切込みを形成し、
　前記切断ラインの前記進行方向における一方側から他方側に向かって、前記切込み工程と前記切断工程とを交互に行いながら、前記切断ラインに沿って前記複合材を切断する請求項１に記載のレーザ加工方法。
　前記複合材は、切断する進行方向に延びる切断ラインに沿って切断され、
　前記切断ラインは、
　前記複合材の厚さ方向の一方側において、前記切断ラインが延在する前記進行方向に複数並んで設定される第１切込み領域と、
　前記複合材の厚さ方向の他方側において、前記切断ラインが延在する前記進行方向に複数並んで設定される第２切込み領域と、を含み、
　前記切込み工程では、前記第１切込み領域に前記レーザを照射して前記第１切込みを形成し、
　前記切断工程では、第２切込み領域に前記レーザを照射して前記第２切込みを形成し、
　前記切断ラインの前記進行方向における一方側から他方側に向かって、前記切込み工程と前記切断工程とを同時に行うと共に、前記切断工程に先行して前記切込み工程を行って、前記切断ラインに沿って前記複合材を切断する請求項１に記載のレーザ加工方法。
　前記切断工程では、前記複合材の厚さ方向の他方側から照射した前記レーザを受ける受け部材により前記レーザを遮蔽する請求項１に記載のレーザ加工方法。
　前記複合材は、前記厚さ方向の一方側が下方側となり、前記厚さ方向の他方側が上方側となり、
　前記切込み工程では、前記複合材の厚さ方向の下方側から上方側に向かって前記レーザを照射し、
　前記切断工程では、前記複合材の厚さ方向の上方側から下方側に向かって前記レーザを照射する請求項１に記載のレーザ加工方法。
　前記複合材は、切断する進行方向に延びる切断ラインに沿って切断されると共に、前記複合材の厚さ方向に亘って加工ラインが設定されており、
　前記切断加工では、前記進行方向に直交する断面において、前記複合材に設定された前記加工ラインに対して、前記レーザの照射方向を傾斜させる請求項１に記載のレーザ加工方法。
　複合材にレーザを照射して前記複合材を厚さ方向に亘って切断する切断加工を行うレーザ加工装置において、
　前記レーザを照射するレーザ照射部と、
　前記レーザ照射部から照射された前記レーザを、前記複合材の厚さ方向の一方側から照射する第１レーザヘッドと、
　前記レーザ照射部から照射された前記レーザを、前記複合材の厚さ方向の他方側から前記レーザを照射する第２レーザヘッドと、
　前記レーザ照射部から照射された前記レーザを、前記第１レーザヘッドと前記第２レーザヘッドとの間で切り替えるレーザスイッチと、
　前記第１レーザヘッドから照射される前記レーザを走査させる第１レーザスキャナと、
　前記第２レーザヘッドから照射される前記レーザを走査させる第２レーザスキャナと、
　前記レーザの照射を制御する制御部と、を備え、
　前記制御部は、
　前記レーザスイッチにより前記レーザを前記第１レーザヘッドに切り替えて、前記第１レーザヘッドから前記レーザを照射して、前記複合材に第１切込みを形成する切込み工程と、
　前記レーザスイッチにより前記レーザを前記第２レーザヘッドに切り替えて、前記第２レーザヘッドから前記レーザを照射して、前記第１切込みに対向する位置において前記複合材に第２切込みを形成し、前記第１切込みに前記第２切込みを連通させて、前記複合材を切断する切断工程と、を実行し、
　前記切込み工程では、前記第１切込みの幅方向に並んだ複数の加工パスで、前記レーザを照射することで、前記第１切込みを形成し、
　前記切断工程では、前記第２切込みの幅方向に並んだ複数の加工パスで、前記レーザを照射することで、前記第２切込みを形成するレーザ加工装置。
　前記複合材は、切断する進行方向に延びる切断ラインに沿って切断され、
　前記切断ラインは、
　前記複合材の厚さ方向の一方側において、前記切断ラインが延在する前記進行方向に複数並んで設定される第１切込み領域と、
　前記複合材の厚さ方向の他方側において、前記切断ラインが延在する前記進行方向に複数並んで設定される第２切込み領域と、を含み、
　前記切込み工程では、前記第１切込み領域に前記レーザを照射して前記第１切込みを形成し、
　前記切断工程では、第２切込み領域に前記レーザを照射して前記第２切込みを形成し、
　前記制御部は、
　前記レーザスイッチにより前記第１レーザヘッドと前記第２レーザヘッドとを交互に切り替えることで、前記切断ラインの前記進行方向における一方側から他方側に向かって、前記切込み工程と前記切断工程とを交互に行いながら、前記切断ラインに沿って前記複合材を切断する請求項７に記載のレーザ加工装置。
　複合材にレーザを照射して前記複合材を厚さ方向に亘って切断する切断加工を行うレーザ加工装置において、
　前記レーザを照射する２つのレーザ照射部と、
　一方の前記レーザ照射部から照射された前記レーザを、前記複合材の厚さ方向の一方側から照射する第１レーザヘッドと、
　他方の前記レーザ照射部から照射された前記レーザを、前記複合材の厚さ方向の他方側から前記レーザを照射する第２レーザヘッドと、
　前記第１レーザヘッドから照射される前記レーザを走査させる第１レーザスキャナと、
　前記第２レーザヘッドから照射される前記レーザを走査させる第２レーザスキャナと、
　前記レーザの照射を制御する制御部と、を備え、
　前記制御部は、
　一方の前記レーザ照射部からの前記レーザを、前記第１レーザヘッドから照射して、前記複合材に第１切込みを形成する切込み工程と、
　他方の前記レーザ照射部からの前記レーザを、前記第２レーザヘッドから照射して、前記第１切込みに対向する位置において前記複合材に第２切込みを形成し、前記第１切込みに前記第２切込みを連通させて、前記複合材を切断する切断工程と、を実行し、
　前記切込み工程では、前記第１切込みの幅方向に並んだ複数の加工パスで、前記レーザを照射することで、前記第１切込みを形成し、
　前記切断工程では、前記第２切込みの幅方向に並んだ複数の加工パスで、前記レーザを照射することで、前記第２切込みを形成するレーザ加工装置。
　前記複合材は、切断する進行方向に延びる切断ラインに沿って切断され、
　前記切断ラインは、
　前記複合材の厚さ方向の一方側において、前記切断ラインが延在する前記進行方向に複数並んで設定される第１切込み領域と、
　前記複合材の厚さ方向の他方側において、前記切断ラインが延在する前記進行方向に複数並んで設定される第２切込み領域と、を含み、
　前記切込み工程では、前記第１切込み領域に前記レーザを照射して前記第１切込みを形成し、
　前記切断工程では、第２切込み領域に前記レーザを照射して前記第２切込みを形成し、
　前記制御部は、
　前記第１レーザヘッドと前記第２レーザヘッドとから前記レーザを照射して、前記切断ラインの前記進行方向における一方側から他方側に向かって、前記切込み工程と前記切断工程とを同時に行うと共に、前記切断工程に先行して前記切込み工程を行って、前記切断ラインに沿って前記複合材を切断する請求項９に記載のレーザ加工装置。
　前記複合材は、切断する進行方向に延びる切断ラインに沿って切断されると共に、前記複合材の厚さ方向に亘って加工ラインが設定されており、
　前記進行方向に直交する断面において、前記複合材に設定された前記加工ラインに対して、前記レーザの照射方向を傾斜させるレーザ傾斜部を、さらに備える請求項７から１０のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。