WO2021200953A1 - レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

多数の貫通孔を形成した場合であっても、ワークに生じる歪みの低減を図ることが可能なレーザ加工方法を提供する。レーザ加工方法は、ワーク１の背面側のガス圧を表面側のガス圧よりも大きな状態とするガス供給工程（Ｓ３）と、ワーク１の表面側から第１の繰り返し周波数ｆ１を有するパルスレーザを照射して、ワーク１に貫通孔Ａを形成する深穴工程（Ｓ５）と、貫通孔Ａの内面に第１の繰り返し周波数ｆ１より小さい第２の繰り返し周波数ｆ２を有するパルスレーザを照射する仕上げ工程（Ｓ７）とを含む。

Description

レーザ加工方法

　本発明は、レーザ加工方法に関する。

　レーザパルスを照射して、ワークに貫通孔を形成する際、孔の深さなどに応じて、レーザ光のピーク出力、パルス幅、繰り返し周波数、ショット数などを適宜設定している。加工の際、レーザ光照射側からガスを供給し、レーザ加工ヘッドへのヒュームの飛び込みを防止している。また、貫通後の孔から溶融金属を排出させて、孔の内面にドロス（溶融物）が付着することを防止している。

　しかし、特に多数の貫通孔を近接してレーザ加工で形成する場合、レーザ光による入熱によるリキャスト（recast、再溶融）が発生し、溶融金属の凝固により歪みが発生することがある。そして、この歪みにより、ワークにクラックが発生するおそれがある。入熱を抑えながらレーザ加工することが考えられるが、加工時間が大幅に長くなるという欠点がある。

　そこで、特許文献１には、ワークのレーザ光出射側からもガスを供給し、入射側よりも出射側のガス圧力を高くすることが開示されている。これによって、出射側から入射側へ向かうガス流が形成され、加工の際に生じたドロスが入射側へ排出される。

　また、特許文献２には、ナノ秒レーザを照射して下穴加工を行った後に、ピコ秒レーザを照射して仕上げ加工を行うことが開示されている。これにより、仕上げ時の温度上昇が抑制され、仕上げ精度が向上する。

特開２００２－３５９７３号公報 特開２００８－５５４７７号公報

　しかしながら、特許文献１又は２などに記載された従来の技術では、多数の貫通孔を形成する場合、特に高アスペクト比の貫通孔を近接して形成する場合、歪みが大きくなるという課題がある。この課題は、特にワークが円環状である場合、顕著に生じる。

　本発明は、以上の点に鑑み、多数の貫通孔を形成する場合であっても、ワークに生じる歪みの低減を図ることが可能なレーザ加工方法を提供することを目的とする。

　本発明のレーザ加工方法は、ワークの背面側のガス圧を表面側のガス圧よりも大きな状態とする工程と、前記ワークの表面側から第１の繰り返し周波数を有するパルスレーザを照射して、当該ワークに貫通孔を形成する工程と、前記貫通孔の内面に前記第１の繰り返し周波数より小さい第２の繰り返し周波数を有するパルスレーザを照射する工程とを含むことを特徴とする。

　本発明のレーザ加工方法によれば、貫通孔を形成する工程において照射するパルスレーザの第１の繰り返し周波数より小さい第２の繰り返し周波数を有するパルスレーザを貫通
孔の内面に照射する。これにより、貫通孔裏側から流れるガスによる排熱と貫通孔表側より照射されるレーザによる入熱とのバランスが取ることが可能となる。よって、貫通孔内部の蓄熱を抑えながら第２の繰り返し周波数を有するパルスレーザを照射することによる貫通孔の仕上げ工程が可能となり、ワークに生じる歪みの抑制を図ることが可能となる。

　また、ワークへの蓄熱を抑制することができるので、仕上げ工程におけるショット数を増加させることが可能となり、リキャストの削減を図ることができる。また、リキャストの削減により、リキャストの再凝固によるワークの歪みやクラックの発生の削減を図ることができる。また、ワークに生じた残留歪みの削減を図ることができるので、加工後の修正工程を削減することが可能となる

　本発明のレーザ加工方法において、前記第２の繰り返し周波数を有するパルスレーザを照射する工程において、前記ワークの背面側のガス圧を前記表面側のガス圧よりも大きな状態を継続することが好ましい。

　この場合、第２の繰り返し周波数を有するパルスレーザを照射する工程において、ワークの背面側から表面側に向けて継続してガスが流動する。これにより、さらに、ワークの歪みやクラックの発生の削減を図ることが可能となる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工方法に使用されるレーザ加工装置の一例を模式的に示す断面図。 本発明の実施形態に係るレーザ加工方法を示すフローチャート。 レーザショット回数とクラックとの関係を示すグラフ。 第２の繰り返し周波数とワークの歪みとの関係を示すグラフ。 第２の繰り返し周波数の相違によるテストピースの温度変化を示すグラフ。

　以下、本発明の実施形態に係るレーザ加工方法を行う際に使用されるレーザ加工装置１００の一例について図１を参照して説明する。レーザ加工装置１００は、略半ドーナツ形状のワーク（被加工物）１に多数の貫通孔Ａをレーザ加工によって形成するものである。

　ワーク１は、全体として、上面視が略円環状の上方に凸となる略半円のアーチ状の縦断面となる壁部２を有している。そして、ワーク１には、壁部２の頂部に同径の貫通したポート孔３が上面視で同一円上に均等に間隔をおいて複数個、ここでは８個形成されている。ただし、位相決めを行うために、特定の１つのポート孔３が他のポート孔３と径又は径の公差が相違していてもよい。ワーク１は、例えば、モリブデン、クロム等を添加したニッケル合金などの耐熱性、耐食性の優れた合金などからなる。

　そして、レーザ加工装置１００を用いて、ワーク１の壁部２の略上半分の略全面に亘って上方から時計の回転方向に同じ角度だけ傾斜した多数の微細な貫通孔Ａが形成される。このように貫通孔Ａは、孔径が微小であり斜行しているので、アスペクト比が大きく、さらに、近接して形成される。なお、貫通孔Ａの孔径、傾斜角度は、同じであっても相違していてもよい。

　レーザ加工装置１００は、レーザ加工ヘッド１０、ワーク支持部２０、クランプ３０，４０，５０、ガス供給手段６０及び制御部７０を備えている。

　加工ヘッド１０は、例えば、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ファイバレーザなどのレーザパルスを発生することが可能なレーザ源１１と、レーザ源１１に伝送ファイバ１２によって接続され、ミラー、レンズなどの光学系を有するレーザ光照射部１３とから構成されている。制御部７０で設定された条件に従ってレーザ源１１が発生したレーザ光は伝送ファイバ１２によりレーザ光照射部１３に案内される。レーザ光照射部１３は、伝送ファイバ１２により伝送されたレーザ光を制御部７０で設定された箇所に集光する。

　ワーク支持部２０は、ワーク１を下面（背面）側から支持する。この下面側がレーザの出射側となる。ワーク支持部２０が貫通孔Ａを加工する前のワーク１を支持することにより、ワーク１の下面とワーク支持部２０との間に密閉空間Ｓが形成される。ワーク支持部２０は、ここでは、ワーク１のポート孔３が形成されている部分の周縁部と、内周側の壁部２の下面と、外周側の壁部の下面との３か所でワーク１を載置して支持する。

　詳細には、ワーク支持部２０は、ワーク支持部２０の本体を構成する支持部本体２１に固定された円柱状のピン２２を有している。そして、このピン２２の頂部にピン２２より小径の短い円柱状の突起部２３が一体的に設けられている。そして、突起部２３がポート孔３内に位置した状態で、ピン２２の上面に、ワーク１のポート孔３の外周部の下面を載置した状態でワーク１を支持している。

　さらに、突起部２３の頂部にはボルト孔２４が形成されており、このボルト孔２４に螺合するボルト２５によって、ポートクランプ３０が突起部２３の上面に固定される。これにより、ワーク１がワーク支持部２０の所定の位置に固定される。

　さらに、ワーク支持部２０の支持したワーク１の内方の上面には、ボルト４１を用いて内側クランプ４０が、ワーク１の内周側の壁部２を上方から当接するように固定されている。また、ワーク支持部２０の支持したワーク１の外方の上面には、ボルト５１を用いて外側クランプ５０が、ワーク１の外周側の壁部２を上方から当接するように固定されている。

　ガス供給手段６０は、密閉空間Ｓ内に空気、アルゴン、窒素などのガスを、支持部本体２１に形成されたガス供給路６１を介して供給することにより、密閉空間Ｓのガス圧をその外部、特にワーク１の表面側に位置する空間のガス圧よりも大きくする。具体的には、外部のガス圧に対して、０．１ＭＰａ以上、より好ましくは０．５ＭＰａ以上のガス圧の差が生じるように、ガス供給手段６０によってガスを密閉空間Ｓ内に供給する。なお、図示しないが、ワーク１の表面側にもガスを供給することが好ましい。

　制御部７０は、レーザ加工ヘッド１０及びガス供給手段６０に接続されており、それぞれの作動を制御する。なお、制御部７０は、レーザ加工ヘッド１０及びガス供給手段６０をそれぞれ制御するように別個に設けてもよく、全体を制御するように統一的に設けてもよい。

　以下、上述したレーザ加工装置１００を用いた、本発明の実施形態に係るレーザ加工方法について説明する。

　まず、ワーク１をワーク支持部２０の所定の位置に載置するワーク載置工程（Ｓ１）を行う。具体的には、予め、クランプ３０，４０，５０をワーク支持部２０から外した状態に位置させておく。そして、作業者が、ワーク１の各ポート孔３が突起部２３内に位置するようにしてワーク１をワーク支持部２０の所定の位置に載置する。

　そして、ワーク支持部２０の所定の位置に載置したワーク１をクランプ３０，４０，５０によって固定するワーク固定工程（Ｓ２）を行う。具体的には、作業者が、各ポートクランプ３０によってワーク１をワーク支持部２０に固定する。さらに、内方クランプ４０
及び外方クランプ５０によってもワーク１をワーク支持部２０に固定する、

　次に、ガス供給手段６０によって、密閉空間Ｓ内が所定のガス圧となるように密閉空間Ｓ内にガスを供給するガス供給工程（Ｓ３）を行う。

　密閉空間Ｓの内部のガス圧が所定以上の圧力とした後、レーザ加工ヘッド１０によって、ワーク１に貫通孔Ａの入口付近を形成する孔入口加工工程（Ｓ４）を行う。その後、貫通孔Ａを深穴にする深穴加工程（Ｓ５）を行う。これらの工程において、レーザ加工ヘッド１０からは第１の繰り返し周波数ｆ１を有するパルスレーザを照射する。第１の繰り返し周波数ｆ１は、貫通孔Ａを形成するに適するとされる従来と同じ周波数であればよく、例えば、５０Ｈｚから１００Ｈｚである。また、孔入口加工工程（Ｓ４）及び深穴工程（Ｓ５）において照射するパルスレーザのピーク出力、パルス幅、ショット数などの設定条件は、従来と同じでよい。

　次に、貫通孔Ａを貫通させる孔貫通工程（Ｓ６）を行う。その後、レーザパルスを貫通した貫通孔Ａの内面に照射する孔仕上げ工程（Ｓ７）を行う。孔仕上げ工程（Ｓ６）は、貫通孔Ａを１個貫通させた毎に行う。

　孔貫通工程（Ｓ６）及び孔仕上げ工程（Ｓ６）においては、第２の繰り返し周波数ｆ２を有するパルスレーザを照射する。孔入口加工工程（Ｓ４）、深穴工程（Ｓ５）、貫通工程（Ｓ６）及び孔仕上げ工程（Ｓ７）は連続して行うことが好ましい。特に、深穴工程（Ｓ５）の直後に繰り返し周波数を第１の繰り返し周波数ｆ１から第２繰り返し周波数ｆ２に変更して孔貫通工程（Ｓ６）を行うことが好ましい。

　第２の繰り返し周波数ｆ２は、第１の繰り返し周波数ｆ１より小さく、例えば、第１の繰り返し周波数ｆ１の２／３以下または半分以下、あるいは４０Ｈｚ以下または３０Ｈｚ以下である。孔貫通加工工程（Ｓ６）及び孔仕上げ工程（Ｓ７）において照射するパルスレーザのピーク出力、パルス幅などの設定条件は、深穴加工工程（Ｓ５）と同じでよい。また、孔貫通工程（Ｓ６）及び孔仕上げ工程（Ｓ７）におけるショット数は、貫通孔Ａの孔径、深さなどに応じて適宜設定すればよいが、例えば１０ショット以上２００ショット以下である。

　また、孔入口加工工程（Ｓ４）及び深穴工程（Ｓ５）において照射するパルスレーザの第１の繰り返し周波数ｆ１、ピーク出力、パルス幅などの設定条件は同じであっても相違していてもよい。さらに、孔貫通工程（Ｓ６）及び孔仕上げ工程（Ｓ７）において照射するパルスレーザの第２の繰り返し周波数ｆ２、ピーク出力、パルス幅などの設定条件は同じであっても相違していてもよい。

　なお、貫通孔Ａが形成されるとそこからガスが外部に漏れ出るので、孔貫通工程（Ｓ６）後においては、ガス供給手段６０によるガスの供給は連続的又は断続的に継続して行うことが好ましい。

　以上のようにして全ての微細な貫通孔Ａを形成した後、作業員が、クランプ３０，４０，５０を解除して、ワーク１を取り出すワーク取り出し工程（Ｓ８）を行う。これにより、全ての工程が終了する。

　以上説明したように、本実施形態によれば、孔貫通工程（Ｓ６）及び孔仕上げ工程（Ｓ５）をおいて照射するパルスレーザの第２の繰り返し周波数ｆ２が、孔入口加工工程（Ｓ４）及び深穴工程（Ｓ５）において照射するパルスレーザの第１の繰り返し周波数ｆ１より小さい。これにより、貫通孔Ａ裏側から流れるガスによる排熱と貫通孔Ａ表側より照射されるレーザによる入熱とのバランスが取れることが可能となる。よって、貫通孔Ａ内部の蓄熱を抑えながら第２の繰り返し周波数ｆ２を有するパルスレーザを照射する孔仕上げ工程（Ｓ６）が可能となり、ワーク１に生じる歪みの抑制を図ることが可能となる。

　また、ワーク１への蓄熱を抑制することができるので、孔仕上げ工程（Ｓ６）におけるショット数を増加することが可能となり、リキャストの削減を図ることができる。また、リキャストの削減により、リキャストの再凝固によるワーク１の歪みやクラックの発生の削減を図ることができる。また、ワーク１に生じた残留歪みの削減を図ることができるので、加工後の修正工程を削減することが可能となる。

　なお、発明者は、テストピースを用いて、孔仕上げ工程（Ｓ７）において照射するパルスレーザの第２の繰り返し周波数ｆ２のレーザショット回数の相違によって生じたクラックの深さを測定した。測定結果を図３に示す。図３において、丸印は平均のクラック深さを三角印はクラックの最大深さをそれぞれ示している。なお、第１の繰り返し周波数ｆ１でのショット数は約１００回であり、孔仕上げ工程（Ｓ５）におけるパルスレーザのレーザショット数以外の設定条件は全て同一であった。

　図３から、レーザショット数０回、すなわち孔仕上げ工程（Ｓ７）を行わない場合と比較して、孔仕上げ工程（Ｓ７）において第２の繰り返し周波数ｆ２のパルスレーザを照射することにより、クラックが抑制されることが分かる。これは、リキャストが削減されたからであると考えられる。また、レーザショット数が２０回の場合と比較して、レーザショット数が１００回の場合、クラックはさらに抑制されるが、その差は左程大きくない。

　また、発明者は、テストピースを用いて、孔貫通工程（Ｓ６）及び孔仕上げ工程（Ｓ７）において照射するパルスレーザの第２の繰り返し周波数ｆ２の相違によって生じる歪みを測定した。測定結果を示す図４を参照して、第２の繰り返し周波数ｆ２が１０Ｈｚ、２０Ｈｚ、３０Ｈｚと小さいときには、歪み量は小さく抑制された。一方、第２の繰り返し周波数ｆ２が第１の繰り返し周波数ｆ１と同じ７５Ｈｚのときは、歪み量は大きかった。なお、孔貫通工程（Ｓ６）及び孔仕上げ工程（Ｓ５）におけるパルスレーザの繰り返し周波数ｆ２の周波数以外の設定条件は全て同一であった。

　さらに、発明者は、テストピースを用いて、孔仕上げ工程（Ｓ７）において照射するパルスレーザの第２の繰り返し周波数ｆ２の相違によるテストピースの温度変化を測定した。測定結果を図５に示す。図５において、水平線は各第２の繰り返し周波数ｆ２における到達最高温度を示している。

　図５から、第２の繰り返し周波数ｆ２が１０Ｈｚ、２０Ｈｚ、３０Ｈｚの場合は、テストピースへの蓄熱が左程増加せず、到達温度が左程高くならないことが分かる。これから、第２の繰り返し周波数ｆ２が３０Ｈｚ以下であれば、ショット数を増して長時間にわたって孔仕上げ工程（Ｓ７）を行っても、ワーク１は左程高温にならず、リキャストは抑制されると考えられる。

　一方、第２の繰り返し周波数ｆ２が７５Ｈｚの場合は、テストピースへの蓄熱が時間経過とともに増加し、到達温度が高くなる。そのため、ショット数が増して長時間にわたって孔仕上げ工程（Ｓ７）を行うと、ワーク１が高温になり、リキャストが増加すると考えられる。よって、ショット数を抑制することが好ましい。

　また、孔仕上げ工程（Ｓ７）において第２の繰り返し周波数ｆ２を１０Ｈｚであるがガス供給手段６０によって密閉空間Ｓ内にガスを供給するガス供給工程（Ｓ３）を省いた場合は、テストピースへの蓄熱が時間経過とともに増加し、到達温度が非常に高くなる。そ
のため、ワーク１が高温になり、リキャストが増加すし、クラックが大きくなるので好ましくない、

　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明に使用されるワーク１及びレーザ加工装置１００の構成や形態は適宜変更可能である。また、貫通孔Ａを傾斜して形成する場合について説明したが、貫通孔Ａを垂直に形成してもよい。

　また、孔貫通工程（Ｓ６）において第２の繰り返し周波数ｆ２を有するパルスレーザを照射する場合について説明した。しかし、これに限定されず、孔貫通工程（Ｓ６）において深穴工程（Ｓ５）と同じパルスレーザを照射する、すなわち、第１の繰り返し周波数ｆ１を有するパルスレーザを照射してもよい。この場合、深穴工程（Ｓ５）と孔貫通工程（Ｓ６）が一体化することになる。

　１…ワーク、　２…壁部、　３…ポート孔、　１０…レーザ加工ヘッド、　１１…レーザ源、　１２…伝送ファイバ、　１３…レーザ光照射部、　２０…ワーク支持部、　２１…支持部本体、　２２…ピン、　２３…突起部、　２４…ボルト孔、　２５…ボルト、　３０…ポートクランプ、　４０…内側クランプ、　４１…ボルト、　５０…外側クランプ、　５１…ボルト、　６０…ガス供給手段、　６１…ガス供給路、　７０…制御部、　１００…レーザ加工装置。
 

Claims (2)

1. 　ワークの背面側のガス圧を表面側のガス圧よりも大きな状態とする工程と、
   　前記ワークの表面側から第１の繰り返し周波数を有するパルスレーザを照射して、当該ワークに貫通孔を形成する工程と、
   　前記貫通孔の内面に前記第１の繰り返し周波数より小さい第２の繰り返し周波数を有するパルスレーザを照射する工程とを含むことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 　前記第２の繰り返し周波数を有するパルスレーザを照射する工程において、前記ワークの背面側のガス圧を前記表面側のガス圧よりも大きな状態を継続することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
    

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