(57)【要約】【課題】被加工物の内部に残留応力のピークを位置させることができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供する。【解決手段】レーザ加工装置１は、被加工物Ｐにレーザ光Ｌを照射して加工を行う装置であって、レーザ光Ｌを出射する光源２と、被加工物Ｐに照射されるレーザ光Ｌのパルス波形Ｗを制御するコントローラ４と、を備え、コントローラ４は、ピーク強度に至るまでの立ち上がり時間における光強度の傾きが、ピーク強度以降の立ち下がり時間における光強度の傾きよりも小さくなるようにレーザ光Ｌのパルス波形Ｗを制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物にレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工装置であって、
前記レーザ光を出射する光源と、
前記被加工物に照射される前記レーザ光のパルス波形を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、ピーク強度に至るまでの立ち上がり時間における光強度の傾きが、ピーク強度以降の立ち下がり時間における光強度の傾きよりも小さくなるように前記レーザ光の前記パルス波形を制御するレーザ加工装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記パルス波形の前記立ち上がり時間の長さの設定の入力を受け付ける入力受付部を有している請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記パルス波形の前記立ち下がり時間の長さの設定の入力を受け付ける入力受付部を有している請求項１又は２記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
被加工物にレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工方法であって、
ピーク強度に至るまでの立ち上がり時間における光強度の傾きが、ピーク強度以降の立ち下がり時間における光強度の傾きよりも小さくなるように前記レーザ光のパルス波形を制御するステップを有するレーザ加工方法。
【請求項５】
前記パルス波形の前記立ち上がり時間の長さを設定するステップを更に有する請求項４記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
前記パルス波形の前記立ち下がり時間の長さを設定するステップを更に有する請求項４又は５記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザピーニングと称されるレーザ加工方法が知られている。このレーザ加工方法では、パルスレーザを金属などの被加工物の表面に照射することで金属表面にプラズマを生成し、プラズマ圧力によって生じた衝撃波で金属を塑性変形させる（例えば特許文献１〜３参照）。塑性変形を生じさせることにより、被加工物の疲労強度の改善や、応力腐食割れの抑制といった効果が見込まれる。このため、かかるレーザ加工方法は、航空機や原子炉といった高い安全性が要求される分野の加工技術として使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５８−２０７３２１号公報
【特許文献２】特許第４２１５９８１号公報
【特許文献３】特許第３３７３６３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のレーザ加工方法では、あくまで被加工物の表面の改質・改変に留まり、被加工物の内部に残留応力を生じさせるような加工を施すことは困難であった。従来のレーザ加工方法においてレーザのフルエンスを単に高めるだけでは、被加工物の内部での残留応力のピーク位置の制御性に乏しく、量産性が求められる分野への普及が難しいことが課題となっていた。
【０００５】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、被加工物の内部に残留応力のピークを位置させることができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面に係るレーザ加工装置は、被加工物にレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工装置であって、レーザ光を出射する光源と、被加工物に照射されるレーザ光のパルス波形を制御する制御部と、を備え、制御部は、ピーク強度に至るまでの立ち上がり時間における光強度の傾きが、ピーク強度以降の立ち下がり時間における光強度の傾きよりも小さくなるようにレーザ光のパルス波形を制御する。
【０００７】
このレーザ加工装置では、立ち上がり時間における光強度の傾きが立ち下がり時間における光強度の傾きよりも小さくなるように、被加工物に照射するレーザ光のパルス波形を制御する。立ち上がり時間における光強度の傾きを緩やかにすることで、被加工物の表面だけではなく、被加工物の深さ方向に一定の均一性をもって残留応力を生じさせることができる。また、立ち下がり時間における光強度の傾きを立ち上がり時間における光強度の傾きに対して相対的に大きくすることで、被加工物の内部に残留応力を局所的に生じさせることができる。したがって、このレーザ加工装置では、被加工物の内部に残留応力のピークを位置させることができる。
【０００８】
また、制御部は、パルス波形の立ち上がり時間の長さの設定の入力を受け付ける入力受付部を有していてもよい。立ち上がり時間の長さを調整することで、残留応力のピーク位置を被加工物の深さ方向に制御することが可能となる。
【０００９】
また、制御部は、パルス波形の立ち下がり時間の長さの設定の入力を受け付ける入力受付部を有していてもよい。立ち下がり時間の長さを調整することで、残留応力のピーク値を制御することが可能となる。
【００１０】
また、本発明の一側面に係るレーザ加工方法は、被加工物にレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工方法であって、ピーク強度に至るまでの立ち上がり時間における光強度の傾きが、ピーク強度以降の立ち下がり時間における光強度の傾きよりも小さくなるようにレーザ光のパルス波形を制御するステップを有している。
【００１１】
このレーザ加工方法では、立ち上がり時間における光強度の傾きが立ち下がり時間における光強度の傾きよりも小さくなるように、被加工物に照射するレーザ光のパルス波形を制御する。立ち上がり時間における光強度の傾きを緩やかにすることで、被加工物の表面だけではなく、被加工物の深さ方向に一定の均一性をもって残留応力を生じさせることができる。また、立ち下がり時間における光強度の傾きを立ち上がり時間における光強度の傾きに対して相対的に大きくすることで、被加工物の内部に残留応力を局所的に生じさせることができる。したがって、このレーザ加工方法では、被加工物の内部に残留応力のピークを位置させることができる。
【００１２】
また、パルス波形の立ち上がり時間の長さを設定するステップを更に有していてもよい。立ち上がり時間の長さを調整することで、残留応力のピーク位置を被加工物の深さ方向に制御することが可能となる。
【００１３】
また、パルス波形の立ち下がり時間の長さを設定するステップを更に有していてもよい。立ち下がり時間の長さを調整することで、残留応力のピーク値を制御することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、被加工物の内部に残留応力のピークを位置させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一側面に係るレーザ加工装置を示す概略図である。
【図２】レーザ光のパルス波形の一例を示す図である。
【図３】図１に示したレーザ加工装置によるレーザ加工手順を示すフローチャートである。
【図４】実施例及び比較例に係るレーザ光のパルス波形を示す図であり、（ａ）及び（ｂ）は実施例、（ｃ）及び（ｄ）は比較例である。
【図５】実施例及び比較例における被加工物の残留応力のシミュレーション結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一側面に係るレーザ加工装置を示す概略図である。同図に示すように、レーザ加工装置１は、光源２と、導光光学系３と、コントローラ（制御部、入力受付部）４とを含んで構成されている。レーザ加工装置１は、レーザ光Ｌを金属などの被加工物Ｐの表面に照射することで金属表面にプラズマを生成し、プラズマ圧力によって生じた衝撃波で金属を所定の加工深さで塑性変形させる装置である。
【００１８】
被加工物Ｐは、例えば銅やアルミニウムなどの金属材料からなる物体である。被加工物Ｐとしては、自動車・航空機などに用いられる金属部品、原子炉などのプラント構造物を構成する金属部品、人工衛星等に用いられる金属部品などが挙げられる。被加工物Ｐは、例えば大気、真空、水などの雰囲気中にセットされる。
【００１９】
光源２は、パルスレーザであるレーザ光Ｌを出射させる光源である。光源２の種類は、特に制限は無く、被加工物Ｐの材質に応じて種々の光源を用いることができる。光源２の波長は、被加工物Ｐの構成材料に対して吸収性を有する範囲で選択される。光源２から出射するレーザ光Ｌの出力は、コントローラ４によって制御される。レーザ光Ｌのパルス幅は、例えば１０ｎｓ秒以下である。
【００２０】
導光光学系３は、一対の反射ミラー５，６と、集光レンズ７とを含んで構成されている。反射ミラー５は、光源２から出射したレーザ光Ｌを反射ミラー６に向かって略直角に反射させる。また、反射ミラー６は、反射ミラー５で反射したレーザ光Ｌを集光レンズ７に向かって略直角に反射させる。集光レンズ７は、反射ミラー６で反射したレーザ光Ｌを被加工物Ｐに向けて集光させる。
【００２１】
集光レンズ７によるレーザ光Ｌの集光径は、例えば１００μｍ以上であることが好ましい。また、被加工物Ｐの表面におけるレーザ光Ｌのスポット形状は、通常は円形であるが、楕円形、矩形、或いは線形であってもよい。レーザ光Ｌのスポット形状を矩形或いは線形とする場合、例えば被加工物Ｐに段差による矩形の隅部などが存在していても、当該部分の加工漏れを無くすことが可能となる。
【００２２】
集光レンズ７は、可動ステージ８上に設けられている。可動ステージ８上の集光レンズ７と反射ミラー６とは、可動ステージ９上に設けられている。可動ステージ８，９の動作は、いずれもコントローラ４によって制御される。可動ステージ８によって集光レンズ７がレーザ光Ｌの光軸方向に駆動することで、被加工物Ｐの近傍におけるレーザ光Ｌの集光位置が調整される。また、可動ステージ９によって反射ミラー６及び集光レンズ７が被加工物Ｐの表面の面内方向に駆動することで、被加工物Ｐの表面に対してレーザ光Ｌが走査される。
【００２３】
コントローラ４は、被加工物Ｐに照射されるレーザ光Ｌの照射条件を制御する部分である。コントローラ４は、物理的には、プロセッサ、メモリ等を含んで構成されるコンピュータシステムである。コントローラ４には、モニタなどの表示装置、キーボード・マウスといった入力装置などが接続されている。コントローラ４は、レーザ光Ｌの照射条件を制御する機能をプロセッサによって実行する。
【００２４】
コントローラ４は、光源２から出射されるレーザ光Ｌのパルス波形を制御する。より具体的には、コントローラ４は、ピーク強度に至るまでの立ち上がり時間における光強度の傾きが、ピーク強度以降の立ち下がり時間における光強度の傾きよりも小さくなるようにレーザ光Ｌのパルス波形を制御する。パルス波形の制御（整形）は、特に制限はないが、例えばパルス幅の異なる複数のレーザ光の合波といった光学的な手法を用いてもよく、例えば光源２への駆動信号の入力といった電気的な手法を用いてもよい。
【００２５】
図２は、レーザ光のパルス波形の一例を示す図である。同図では、横軸が時間、縦軸が光強度となっており、時刻ｔｐにおいて光強度がピーク強度（１００％）となる非対称のパルス波形Ｗが示されている。
【００２６】
立ち上がり時間とは、光強度が０から増加して光強度がピーク強度となる時刻までの時間である。本実施形態では、例えば光強度が１０％となる時刻ｔａから光強度が９０％まで増加する時刻ｔｂまでの長さ（ｔｂ−ｔａ）を立ち上がり時間Ｔ１と定義する。一方、立ち下がり時間とは、光強度がピーク強度となった時刻から光強度が減少して０となる時刻までの時間である。本実施形態では、例えば光強度が９０％となる時刻ｔｃから光強度が１０％まで減少する時刻ｔｄまでの長さ（ｔｄ−ｔｃ）を立ち下がり時間Ｔ２と定義する。
【００２７】
立ち上がり時間Ｔ１における光強度の傾き、及び立ち下がり時間Ｔ２における光強度の傾きは、例えば線形近似によって求めることができる。ガウシアン型のパルス波形の場合、立ち上がり時間Ｔ１及び立ち下がり時間Ｔ２の制御により、立ち上がり時間Ｔ１における光強度の傾き、及び立ち下がり時間Ｔ２における光強度の傾きを制御できる。
【００２８】
光源２の出力を一定とした場合、立ち上がり時間Ｔ１を長くすると、立ち上がり時間Ｔ１における光強度の傾きを減少させることができ、立ち上がり時間Ｔ１を短くすると、立ち上がり時間Ｔ１における光強度の傾きを増加させることができる。同様に、立ち下がり時間Ｔ２を長くすると、立ち下がり時間Ｔ２における光強度の傾きを減少させることができ、立ち下がり時間Ｔ２を短くすると、立ち下がり時間Ｔ２における光強度の傾きを増加させることができる。
【００２９】
コントローラ４は、機能的な構成要素として、パルス波形Ｗの立ち上がり時間Ｔ１の長さの設定の入力、及び立ち下がり時間Ｔ２の長さの設定の入力を受け付ける入力受付部（不図示）を有している。コントローラ４は、キーボードなどの入力装置によって入力された設定値に基づいて、パルス波形Ｗの立ち上がり時間Ｔ１の長さ及び立ち下がり時間Ｔ２の長さを制御する。
【００３０】
図３は、上述したレーザ加工装置１によるレーザ加工手順を示すフローチャートである。同図に示すように、レーザ加工装置１を用いて被加工物Ｐの加工を行う場合、まず、コントローラ４にレーザ光Ｌの出力条件（フルエンス、スポット径等）を入力する（ステップＳ０１）。次に、コントローラ４にレーザ光Ｌのパルス波形Ｗの立ち上がり時間Ｔ１及び立ち下がり時間Ｔ２を入力する。
【００３１】
立ち上がり時間Ｔ１及び立ち下がり時間Ｔ２が入力されると、これらの設定に基づいて、コントローラ４が光源２から出力されるレーザ光Ｌのパルス波形Ｗの制御を実行する（ステップＳ０２）。これにより、ピーク強度に至るまでの立ち上がり時間Ｔ１における光強度の傾きが、ピーク強度以降の立ち下がり時間Ｔ２における光強度の傾きよりも小さくなるようにレーザ光Ｌのパルス波形Ｗが整形される。
【００３２】
その後、コントローラ４の制御により、光源２からレーザ光Ｌが出力されると共に、反射ミラー６及び集光レンズ７が配置されている可動ステージ９が被加工物Ｐの表面の面内方向に駆動される。これにより、被加工物Ｐの表面に対してレーザ光Ｌが走査され、被加工物Ｐに対して狙い値に応じた加工深さで残留応力が付加される。
【００３３】
以上説明したように、レーザ加工装置１では、立ち上がり時間Ｔ１における光強度の傾きが立ち下がり時間Ｔ２における光強度の傾きよりも小さくなるように、被加工物Ｐに照射するレーザ光Ｌのパルス波形Ｗを制御する。立ち上がり時間Ｔ１における光強度の傾きを緩やかにすることで、被加工物Ｐの表面だけではなく、被加工物Ｐの深さ方向に一定の均一性をもって残留応力を生じさせることができる。また、立ち下がり時間Ｔ２における光強度の傾きを立ち上がり時間における光強度の傾きに対して相対的に大きくすることで、被加工物Ｐの内部に残留応力を局所的に生じさせることができる。したがって、このレーザ加工装置１では、被加工物Ｐの内部に残留応力のピークを位置させることができる。
【００３４】
また、レーザ加工装置１では、コントローラ４がパルス波形Ｗの立ち上がり時間Ｔ１の長さの設定の入力を受け付ける入力受付部を有している。立ち上がり時間Ｔ１の長さを調整することで、残留応力のピーク位置を被加工物Ｐの深さ方向に制御することが可能となる。立ち上がり時間Ｔ１を短くすると、立ち上がり時間Ｔ１における光強度の傾きが増加し、残留応力のピーク位置を浅い位置にシフトさせることができる。立ち上がり時間Ｔ１を長くすると、立ち上がり時間Ｔ１における光強度の傾きが減少し、残留応力のピーク位置を深い位置にシフトさせることができる。
【００３５】
また、レーザ加工装置１では、コントローラ４がパルス波形Ｗの立ち下がり時間Ｔ２の長さの設定の入力を受け付ける入力受付部を有している。立ち下がり時間Ｔ２の長さを調整することで、残留応力のピーク値を制御することが可能となる。立ち下がり時間Ｔ２を短くすると、立ち下がり時間Ｔ２における光強度の傾きが増加し、残留応力のピーク値を増加させることができる。立ち下がり時間Ｔ２を長くすると、残留応力のピーク値を増加させることができる。
【００３６】
図４は、実施例及び比較例に係るレーザ光のパルス波形を示す図である。図４において、（ａ）及び（ｂ）は、実施例に係るパルス波形であり、（ｃ）及び（ｄ）は、比較例に係るパルス波形である。これらのパルス波形のピーク強度は、互いに等しくなっている。図４（ａ）に示すパルス波形Ａは、光強度がピーク強度となる時刻が１０ｎｓ、立ち上がり時間Ｔ１が８ｎｓ、立ち下がり時間Ｔ２が立ち上がり時間Ｔ１の５０％以下の非対称波形となっている。
【００３７】
図４（ｂ）に示すパルス波形Ｂは、光強度がピーク強度となる時刻が３０ｎｓ、立ち上がり時間Ｔ１が２４ｎｓ、立ち下がり時間Ｔ２が立ち上がり時間Ｔ１の５０％以下の非対称波形となっている。一方、図４（ｃ）に示すパルス波形Ｃは、半値全幅が１０ｎｓの矩形波となっている。また、図４（ｄ）に示すパルス波形Ｄは、半値全幅が１ｎｓの対称ガウシアン型となっている。
【００３８】
図５は、実施例及び比較例における被加工物の残留応力のシミュレーション結果を示す図である。同図では、横軸が深さ（被加工物の表面からの距離）、縦軸が残留応力となっており、図４の（ａ）〜（ｄ）に示した各パルス波形のレーザ光を用いて被加工物の加工を行った場合の深さ方向の残留応力値がそれぞれプロットされている。被加工物の材質は、アルミニウムである場合を仮定している。
【００３９】
図５に示すように、パルス波形Ａを有するレーザ光を被加工物の加工に用いた場合、深さ約７００μｍの位置に残留応力のピークが出現し、そのピーク値は約２．０ＧＰａとなる結果が得られた（グラフＡ）。パルス波形Ｂを有するレーザ光を加工に用いた場合、深さ約１４００μｍの位置に残留応力のピークが出現し、そのピーク値は約１．８ＧＰａとなる結果が得られた（グラフＢ）。
【００４０】
これに対し、パルス波形Ｃを有するレーザ光を加工に用いた場合、被加工物の表面（深さ０μｍ）に残留応力のピークが出現し、被加工物の深さが大きくなるに従って残留応力の値が減少するという結果が得られた（グラフＣ）。また、パルス波形Ｄを有するレーザ光を加工に用いた場合、パルス波形Ｃの場合と同様に、被加工物の表面（深さ０μｍ）に残留応力のピークが出現し、被加工物の深さが大きくなるに従って残留応力の値が減少するという結果が得られた。パルス波形Ｃとパルス波形Ｄとでは、深さに対する残留応力値の減少度に差が見られるが、いずれも被加工物の内部に残留応力のピークは見られなかった。
【００４１】
以上の結果から、立ち上がり時間Ｔ１における光強度の傾きが立ち下がり時間Ｔ２における光強度の傾きよりも小さいパルス波形を有するレーザ光を用いて被加工物の加工を行うことにより、被加工物の内部に残留応力のピークを位置させることが可能であることが確認できた。
【００４２】
また、図５のグラフＡ及びグラフＢの結果から、立ち上がり時間Ｔ１が長いパルス波形Ｂを用いた場合の方が、立ち上がり時間Ｔ１が短いパルス波形Ａを用いた場合に比べて残留応力のピーク位置が深くなり、立ち下がり時間Ｔ２が短いパルス波形Ａを用いた場合の方が、立ち下がり時間Ｔ２が長いパルス波形Ｂを用いた場合に比べて残留応力のピーク値が高くなることも確認できた。この結果から、立ち上がり時間Ｔ１及び立ち下がり時間Ｔ２の制御によって残留応力のピーク位置及びピーク値を制御できることも確認できた。
【００４３】
このような残留応力のピーク位置及びピーク値の制御によれば、被加工物の内部に、被加工物の他の部分とは異なる状態の物質を局所的に形成することも可能となる。例えば実施例に係るパルス波形を有するレーザ光をグラファイトに対して照射し、グラファイトーダイヤモンド構造相転移が生じる残留応力をグラファイトの内部に付与することで、グラファイトの内部に局所的なダイヤモンド層を形成することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１…レーザ加工装置、２…光源、４…コントローラ（制御部、入力受付部）、Ｌ…レーザ光、Ｐ…被加工物、Ｔ１…立ち上がり時間、Ｔ２…立ち下がり時間、Ｗ…パルス波形。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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