(57)【要約】【課題】被加工物の内部深くまで残留応力を生じ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、レーザ光Ｌを出力する光源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を制御する波形制御部１１と、を備え、波形制御部１１によって制御されるレーザ光Ｌのパルス波形Ｗは、メインパルスＷｍと、メインパルスＷｍよりも時間的に先行するフットパルスＷｐとを有し、フットパルスＷｐのピーク強度は、メインパルスＷｍのピーク強度よりも小さく、且つメインパルスＷｍのピーク位置は、被加工物ＰへのフットパルスＷｐの入射によって生じるプラズマＫの維持時間Ｍ内に位置している。【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、
前記レーザ光を出力する光源と、
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波形制御部と、を備え、
前記波形制御部によって制御される前記レーザ光のパルス波形は、メインパルスと、前記メインパルスよりも時間的に先行するフットパルスとを有し、
前記フットパルスのピーク強度は、前記メインパルスのピーク強度よりも小さく、且つ前記メインパルスのピーク位置は、前記被加工物への前記フットパルスの入射によって生じるプラズマの維持時間内に位置しているレーザ加工装置。
【請求項２】
前記レーザ光のパルス波形は、単一のメインパルスと、単一のフットパルスとを有している請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記メインパルスのピーク強度を１００％とした場合の前記フットパルスのピーク強度は、２％以上１００％未満となっている請求項１又は２記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記フットパルスのピーク位置と前記メインパルスのピーク位置との時間間隔は、１ｎｓ以上２０ｎｓ以下となっている請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
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、
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波形制御ステップと、
前記波形制御ステップでパルス波形が制御された前記レーザ光を前記被加工物に照射する照射ステップと、を備え、
前記波形制御ステップでは、メインパルスと、前記メインパルスよりも時間的に先行するフットパルスとを前記レーザ光のパルス波形に形成し、
前記フットパルスのピーク強度を前記メインパルスのピーク強度よりも小さくし、且つ前記メインパルスのピーク位置を前記被加工物への前記フットパルスの入射によって生じるプラズマの維持時間内に位置させるレーザ加工方法。
【請求項６】
前記波形制御ステップでは、単一のメインパルスと、単一のフットパルスとを前記レーザ光のパルス波形に形成する請求項５記載のレーザ加工方法。
【請求項７】
前記波形制御ステップでは、前記メインパルスのピーク強度を１００％とした場合の前記フットパルスのピーク強度を２％以上１００％未満とする請求項５又は６記載のレーザ加工方法。
【請求項８】
前記波形制御ステップでは、前記フットパルスのピーク位置と前記メインパルスのピーク位置との時間間隔を１ｎｓ以上２０ｎｓ以下とする請求項５〜７のいずれか一項記載のレーザ加工方法。
【請求項９】
前記照射ステップでは、前記被加工物の表面に保護膜を形成した状態で前記レーザ光の照射を行う請求項５〜８のいずれか一項記載のレーザ加工方法。
【請求項１０】
前記照射ステップでは、前記被加工物の表面にプラズマ閉込膜を形成した状態で前記レーザ光の照射を行う請求項５〜９のいずれか一項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始めている。
【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、被加工物の内部深くまで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、被加工物の内部深くまで残留応力を生じ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、レーザ光を出力する光源と、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波形制御部と、を備え、波形制御部によって制御されるレーザ光のパルス波形は、メインパルスと、メインパルスよりも時間的に先行するフットパルスとを有し、フットパルスのピーク強度は、メインパルスのピーク強度よりも小さく、且つメインパルスのピーク位置は、被加工物へのフットパルスの入射によって生じるプラズマの維持時間内に位置している。
【０００７】
このレーザ加工装置では、メインパルスに先行してフットパルスを被加工物に照射することで、被加工物に対して密度の十分に低いプラズマを被加工物の表面に生じさせる。その後、プラズマの維持時間内にフットパルスよりもピーク強度の高いメインパルスを被加工物に照射することで、プラズマが低密度アブレータとして作用し、衝撃インピータンスの差によって増大された強力な衝撃波を被加工物の内部に発生させることができる。これにより、このレーザ加工装置では、被加工物の内部深くまで残留応力を生じさせることができる。
【０００８】
また、レーザ光のパルス波形は、単一のメインパルスと、単一のフットパルスとを有していてもよい。これにより、フットパルスによって被加工物の表面にプラズマをより確実に生じさせることができる。また、メインパルスによって衝撃波をより確実に増大させることができる。
【０００９】
また、メインパルスのピーク強度を１００％とした場合のフットパルスのピーク強度は、２％以上１００％未満となっていてもよい。この範囲であれば、被加工物の表面にフットパルスによるプラズマを好適に生じさせることができる。また、フットパルス及びメインパルスによる被加工物の表面の焼けを抑制できる。
【００１０】
また、フットパルスのピーク位置とメインパルスのピーク位置との時間間隔は、１ｎｓ以上２０ｎｓ以下となっていてもよい。この場合、メインパルスをプラズマの維持時間内により確実に位置させることができる。
【００１１】
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、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波形制御ステップと、波形制御ステップでパルス波形が制御されたレーザ光を被加工物に照射する照射ステップと、を備え、波形制御ステップでは、メインパルスと、メインパルスよりも時間的に先行するフットパルスとをレーザ光のパルス波形に形成し、フットパルスのピーク強度をメインパルスのピーク強度よりも小さくし、且つメインパルスのピーク位置を被加工物へのフットパルスの入射によって生じるプラズマの維持時間内に位置させる。
【００１２】
このレーザ加工方法では、メインパルスに先行してフットパルスを被加工物に照射することで、被加工物に対して密度の十分に低いプラズマを被加工物の表面に生じさせる。その後、プラズマの維持時間内にフットパルスよりもピーク強度の高いメインパルスを被加工物に照射することで、プラズマが低密度アブレータとして作用し、衝撃インピータンスの差によって増大された強力な衝撃波を被加工物の内部に発生させることができる。これにより、このレーザ加工方法では、被加工物の内部深くまで残留応力を生じさせることができる。
【００１３】
また、波形制御ステップでは、単一のメインパルスと、単一のフットパルスとをレーザ光のパルス波形に形成してもよい。これにより、フットパルスによって被加工物の表面にプラズマをより確実に生じさせることができる。また、メインパルスによって衝撃波をより確実に増大させることができる。
【００１４】
また、波形制御ステップでは、メインパルスのピーク強度を１００％とした場合のフットパルスのピーク強度を２％以上１００％未満としてもよい。この範囲であれば、被加工物の表面にフットパルスによるプラズマを好適に生じさせることができる。また、フットパルスによるプラズマを用いることで、被加工物の表面が焼けない程度のピーク強度でも、十分に深くまで被加工物に残留応力を生じさせることができる。
【００１５】
また、波形制御ステップでは、フットパルスのピーク位置とメインパルスのピーク位置との時間間隔を１ｎｓ以上２０ｎｓ以下としてもよい。この場合、メインパルスをプラズマの維持時間内により確実に位置させることができる。
【００１６】
また、照射ステップでは、被加工物の表面に保護膜を形成した状態でレーザ光の照射を行ってもよい。これにより、被加工物の表面にプラズマを一層確実に生じさせることができる。また、保護膜により、被加工物の表面の焼けをより確実に抑制できる。
【００１７】
また、照射ステップでは、被加工物の表面にプラズマ閉込膜を形成した状態でレーザ光の照射を行ってもよい。これにより、レーザ光の照射によって生じる衝撃波を効率良く被加工物の内部に伝達させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、被加工物の内部深くまで残留応力を生じさせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】レーザ加工装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】波形制御部によって制御されるレーザ光のパルス波形の一例を示す模式的な図である。
【図３】効果確認試験で用いたレーザ光のパルス波形を示す図である。
【図４】実施例及び比較例における被加工物の表面方向（Ｘ方向）の応力状態を示す図である。
【図５】実施例及び比較例における被加工物の表面方向（Ｙ方向）の応力状態を示す図である。
【図６】実施例及び比較例における被加工物の深さ方向（Ｚ方向）の応力状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
図１は、レーザ加工装置の一実施形態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材料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材料を所定の加工深さで塑性変形させる装置である。
【００２２】
被加工物Ｐは、例えば銅、アルミニウム、鉄などの各種金属材料からなる物体である。被加工物Ｐは、例えば大気、真空、水、加圧水などの雰囲気中にセットされる。例えば水、加圧水を用いる場合、これらの媒質によって被加工物Ｐの表面にプラズマを閉じ込める作用を持つプラズマ閉込膜１２が構成される。プラズマ閉込膜１２は、水などの媒質を用いる場合に限られず、石英ガラスやサファイアガラスなどのレーザ光Ｌを透過可能な透過材料を被加工物Ｐの表面に接着することによって構成してもよい。また、被加工物Ｐの表面には、保護膜１３が形成されていてもよい。保護膜１３は、例えば厚さ数百μｍ程度のテープや塗料によって構成され得る。
【００２３】
光源２は、レーザ光Ｌを出力する光源である。光源２の種類に特に制限は無く、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の動作及びレーザ光Ｌの出力状態は、コントローラ４によって制御される。レーザ光Ｌは、例えばパルス光である。一例として、レーザ光Ｌの繰り返し周波数は、１Ｈｚとなっている。
【００２４】
導光光学系３は、例えば一対の反射ミラー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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。例えば可動ステージ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、例えば可動ステージ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。
【００２７】
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、各種の制御機能をプロセッサによって実行する。コントローラ４は、例えばＦＰＧＡ（Field-programmable gate array）といった集積回路によって構成されていてもよい。
【００２８】
コントローラ４は、機能的には、光源２から出力するレーザ光Ｌのパルス波形を制御する波形制御部１１を有している。波形制御部１１によるパルス波形の制御（整形）手法に特に制限はないが、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、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。
【００２９】
図２は、波形制御部１１によって制御されるレーザ光Ｌのパルス波形の一例を示す模式的な図である。同図では、横軸に時間、縦軸に強度を示している。図２に示すように、パルス波形Ｗには、メインパルスＷｍと、メインパルスＷｍよりも時間的に先行するフットパルスＷｐとが含まれている。図２の例では、パルス波形Ｗは、単一のメインパルスＷｍと単一のフットパルスＷｐとによって形成されている。また、メインパルスＷｍ及びフットパルスＷｐは、いずれもガウシアン形状となっている。
【００３０】
フットパルスＷｐは、メインパルスＷｍよりも時間的に先行して被加工物Ｐに入射し、被加工物Ｐに対して密度の十分に低いプラズマＫを被加工物Ｐの表面に生じさせる。フットパルスＷｐのパルス幅（半値全幅）は、例えば１ｎｓ〜２０ｎｓとなっている。メインパルスＷｍは、フットパルスＷｐによりも時間的に後行して被加工物Ｐに入射し、衝撃波を被加工物Ｐの内部に発生させる。メインパルスＷｍのパルス幅（半値全幅）は、例えば１ｎｓ〜２０ｎｓとなっている。また、フットパルスＷｐのピーク強度は、メインパルスＷｍのピーク強度よりも小さくなっている。メインパルスＷｍのピーク強度を１００％とした場合のフットパルスＷｐのピーク強度は、例えば２％以上１００％未満となっている。
【００３１】
メインパルスＷｍのピーク位置は、被加工物ＰへのフットパルスＷｐの入射によって生じるプラズマＫの維持時間Ｍ内に位置している。フットパルスＷｐによるプラズマＫの発生は、フットパルスＷｐのピークが被加工物Ｐに入射する時刻と一致すると見做すことができる。したがって、フットパルスＷｐのピーク位置に対応する時刻をＴ１、メインパルスＷｍのピーク位置に対応する時刻をＴ２、被加工物ＰへのフットパルスＷｐの入射によって発生したプラズマＫの消滅時刻をＴ３とした場合、時刻Ｔ２は、時刻Ｔ１と時刻Ｔ２との間の時刻となる。
【００３２】
フットパルスＷｐのピーク位置とメインパルスＷｍのピーク位置との時間間隔（Ｔ２−Ｔ１）は、例えば１ｎｓ以上２０ｎｓ以下である。被加工物Ｐ、保護膜１３、及びプラズマ閉込膜１２の種類にもよるが、プラズマＫの維持時間Ｍが例えば十数ｎｓ程度である場合、フットパルスＷｐのピーク位置とメインパルスＷｍのピーク位置との時間間隔（Ｔ２−Ｔ１）は、例えば２０ｎｓとすればよい。なお、メインパルスＷｍの裾部とフットパルスＷｐの裾部とは、時間的に重なり合っていてもよく、離間していてもよい。
【００３３】
上述したレーザ加工装置１を用いたレーザ加工方法は、被加工物Ｐに照射されるレーザ光Ｌのパルス波形Ｗを制御する波形制御ステップと、波形制御ステップでパルス波形が制御されたレーザ光Ｌを被加工物Ｐに照射する照射ステップと、を備えて構成されている。
【００３４】
波形制御ステップでは、上述した単一のメインパルスＷｍと、メインパルスＷｍよりも時間的に先行する単一のフットパルスＷｐとをレーザ光Ｌのパルス波形Ｗに形成する。波形制御ステップでは、フットパルスＷｐのピーク強度をメインパルスＷｍのピーク強度よりも小さくし、且つメインパルスＷｍのピーク位置を被加工物ＰへのフットパルスＷｐの入射によって生じるプラズマＫの維持時間Ｍ内に位置させる。また、波形制御ステップでは、メインパルスＷｍのピーク強度を１００％とした場合のフットパルスＷｐのピーク強度を２％以上１００％未満とし、フットパルスＷｐのピーク位置とメインパルスＷｍのピーク位置との時間間隔を１ｎｓ以上２０ｎｓ以下とする。
【００３５】
照射ステップでは、被加工物Ｐの表面に予め保護膜１３及びプラズマ閉込膜１２を形成した状態で、パルス波形Ｗが制御されたレーザ光Ｌの照射を行う。照射ステップでは、メインパルスＷｍよりも時間的に先行してフットパルスＷｐが被加工物Ｐに入射し、被加工物Ｐに対して密度の十分に低いプラズマＫを被加工物Ｐの表面に生じさせる。その後、被加工物Ｐの表面にプラズマＫが維持された状態でメインパルスＷｍが被加工物Ｐに入射し、衝撃波を被加工物Ｐの内部に発生させる。
【００３６】
以上のように、レーザ加工装置１では、メインパルスＷｍに先行してフットパルスＷｐを被加工物Ｐに照射することで、被加工物Ｐに対して密度の十分に低いプラズマＫを被加工物Ｐの表面に生じさせる。その後、プラズマＫの維持時間Ｍ内にフットパルスＷｐよりもピーク強度の高いメインパルスＷｍを被加工物Ｐに照射することで、プラズマＫが低密度アブレータとして作用し、衝撃インピータンスの差によって増大された強力な衝撃波を被加工物Ｐの内部に発生させることができる。これにより、レーザ加工装置１では、被加工物Ｐの内部深くまで残留応力を生じさせることができる。
【００３７】
また、本実施形態では、レーザ光Ｌのパルス波形Ｗは、単一のメインパルスＷｍと、単一のフットパルスＷｐとによって構成されている。これにより、フットパルスＷｐによって被加工物Ｐの表面にプラズマをより確実に生じさせることができる。また、メインパルスＷｍによって衝撃波をより確実に増大させることができる。
【００３８】
また、本実施形態では、メインパルスＷｍのピーク強度を１００％とした場合のフットパルスＷｐのピーク強度が２％以上１００％未満となっている。この範囲であれば、被加工物Ｐの表面にフットパルスＷｐによるプラズマを好適に生じさせることができる。また、フットパルスＷｐによるプラズマを用いることで、被加工物Ｐの表面が焼けない程度のピーク強度でも、十分に深くまで被加工物Ｐに残留応力を生じさせることができる。さらに、本実施形態では、フットパルスＷｐのピーク位置とメインパルスＷｍのピーク位置との時間間隔（Ｔ２−Ｔ１）が１ｎｓ以上２０ｎｓ以下となっている。これにより、メインパルスＷｍをプラズマの維持時間Ｍ内により確実に位置させることができる。
【００３９】
次に、本発明の効果確認試験について説明する。
【００４０】
この試験は、フットパルスを用いた場合（実施例）と、フットパルスを用いなかった場合（比較例）とで、被加工物に生じる残留応力の分布を計測したものである。比較例１では、被加工物の表面に保護膜及びプラズマ閉込膜を形成し、メインパルスのみが含まれるパルス波形を有するレーザ光を被加工物に照射した。比較例２では、被加工物の表面にプラズマ閉込膜のみを形成し、メインパルスのみが含まれるパルス波形を有するレーザ光を被加工物に照射した。実施例では、被加工物の表面に保護膜及びプラズマ閉込膜を形成し、メインパルス及びフットパルスの双方が含まれるパルス波形を有するレーザ光を被加工物に照射した。被加工物としては、アニール処理を施したクロムニオブデン鋼を用いた。保護膜には油性黒ペイントを用い、プラズマ閉込膜には水を用いた。
【００４１】
図３は、効果確認試験で用いたレーザ光のパルス波形を示す図である。同図に示すように、実施例で用いたレーザ光では、メインパルスに対してフットパルスが時間的に約５ｎｓ程度先行しており、メインパルスのピーク強度とフットパルスのピーク強度との比は、１：４９程度となっている。また、実施例及び比較例の共通条件として、メインパルスのパルス幅（半値全幅）を５ｎｓ、レーザ光の断面形状を５ｍｍ角、レーザ光のパワー密度を３．８ＧＷ／ｃｍ２、ショット数を５とした。また、アニール処理後の被加工物の表面の残留応力（残留応力の初期値）は、約−９０ＭＰａであった。
【００４２】
図４は、実施例及び比較例における被加工物の表面方向（Ｘ方向）の応力状態を示す図である。また、図５は、実施例及び比較例における被加工物の表面方向（Ｙ方向）の応力状態を示す図である。残留応力が負の値である場合には、圧縮応力を表し、残留応力が正の値である場合には、引張応力を表す。
【００４３】
図４に示すように、Ｘ方向について、比較例１では、被加工物の残留応力は、中心から４ｍｍまでの範囲において略一定で、−９０ＭＰａ〜−１００ＭＰａ程度で推移していた。また、比較例２では、被加工物の残留応力は、中心付近で高い正の値であり、中心から２ｍｍまでの範囲において＋４００ＭＰａ〜＋５００ＭＰａ程度で推移し、中心から２ｍｍ〜３ｍｍの範囲では、徐々に減少して０ＭＰａ〜＋１００ＭＰａ程度で推移していた。この比較例２では、メインパルスによって被加工物に焼けが生じ、それにより圧縮応力とは逆の引張応力が残留してしまったものと推定される。
【００４４】
一方、実施例では、中心から３ｍｍまでの範囲において徐々に減少していくものの、中心では約−３５０ＭＰａ、中心から１ｍｍの位置では約−２６０ＭＰａ、中心から２ｍｍの位置では約−１９０ＭＰａとなっている。したがって、比較例１，２の場合と比べて明らかに高い圧縮応力が中心からＸ方向に広がって残存していることが分かる。
【００４５】
また、図５に示すように、Ｙ方向について、比較例１では、被加工物の残留応力は、中心から４ｍｍまでの範囲において略一定で、−９０ＭＰａ〜−１００ＭＰａ程度で推移していた。また、比較例２では、被加工物の残留応力は、中心付近で高い正の値であり、中心から２ｍｍまでの範囲において＋４５０ＭＰａ〜＋５００ＭＰａ程度で推移し、中心から２ｍｍ〜３．５ｍｍの範囲では、徐々に減少して＋４０ＭＰａ〜＋４６０ＭＰａ程度で推移していた。この比較例２では、Ｘ方向の場合と同様、メインパルスによって被加工物に焼けが生じ、それにより圧縮応力とは逆の引張応力が残留したものと推定される。
【００４６】
一方、実施例では、中心から３ｍｍまでの範囲において徐々に減少していくものの、中心では約−３５０ＭＰａ、中心から１ｍｍの位置では約−２４０ＭＰａ、中心から２ｍｍの位置では約−１３０ＭＰａとなっている。したがって、比較例１，２の場合と比べて明らかに高い圧縮応力が中心からＹ方向に広がって残存していることが分かる。
【００４７】
また、図６は、実施例及び比較例における被加工物の深さ方向（Ｚ方向）の応力状態を示す図である。図６においても、残留応力が負の値である場合には、圧縮応力を表し、残留応力が正の値である場合には、引張応力を表す。
【００４８】
図６に示すように、Ｚ方向について、比較例１では、表面位置では約−１００ＭＰａであったが、深さ１００μｍ以降では、ほぼ０ＭＰａであった。また、比較例２では、表面位置では約＋５００μｍであり、被加工物に強い焼けが生じていることが分かる。被加工物の内部では、圧縮応力が残留しているものの、深さ５０μｍでは約−１８０ＭＰａ、深さ１００μｍでは約−１５０ＭＰａ、深さ２００μｍでは約−８０ＭＰａ、深さ３００μｍではほぼ０ＭＰａであった。
【００４９】
一方、実施例では、表面位置では約−３３０ＭＰａ、深さ５０μｍでは約−２３０ＭＰａ、深さ１００μｍでは約−２１０ＭＰａ、深さ２００μｍでは約−１３０ＭＰａ、深さ３００μｍでは約−２０ＭＰａであり、いずれも比較例１，２の場合と比べて明らかに高い圧縮応力がＺ方向に残存していることが分かる。
【００５０】
以上説明したように、レーザ加工装置１では、メインパルスＷｍに先行してフットパルスＷｐを被加工物Ｐに照射することで、被加工物Ｐに対して密度の十分に低いプラズマを被加工物Ｐの表面に生じさせる。その後、プラズマＫの維持時間Ｍ内にフットパルスＷｐよりもピーク強度の高いメインパルスＷｍを被加工物Ｐに照射することで、プラズマＫが低密度アブレータとして作用し、衝撃インピータンスの差によって増大された強力な衝撃波を被加工物Ｐの内部に発生させることができる。これにより、レーザ加工装置１では、被加工物Ｐの内部深くまで残留応力を生じさせることができる。
【００５１】
また、本実施形態では、レーザ光Ｌのパルス波形Ｗは、単一のメインパルスＷｍと、単一のフットパルスＷｐとを含んでいる。これにより、フットパルスＷｐによって被加工物Ｐの表面にプラズマＫをより確実に生じさせることができる。また、メインパルスＷｍによって衝撃波をより確実に増大させることができる。
【００５２】
また、本実施形態では、メインパルスＷｍのピーク強度を１００％とした場合のフットパルスＷｐのピーク強度が２％以上１００％未満となっている。この範囲を採用することにより、被加工物Ｐの表面にフットパルスＷｐによるプラズマＫを好適に生じさせることができる。また、フットパルスＷｐ及びメインパルスＷｍによる被加工物Ｐの表面の焼けを抑制できる。被加工物Ｐの表面に保護膜１３を設けた場合でも、メインパルスＷｍ及びフットパルスＷｐのピーク強度によっては被加工物Ｐの表面が保護膜１３と共にプラズマ化してしまうことも考えられるが、上記範囲ではそのような事態を好適に回避できる。
【００５３】
また、本実施形態では、フットパルスＷｐのピーク位置とメインパルスＷｍのピーク位置との時間間隔（Ｔ２−Ｔ１）が１ｎｓ以上２０ｎｓ以下となっている。これにより、メインパルスＷｍをプラズマＫの維持時間Ｍ内により確実に位置させることができる。
【００５４】
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、被加工物Ｐの表面にプラズマ閉込膜１２及び保護膜１３を形成しているが、これらの膜は必ずしも形成しなくてもよい。また、上記実施形態では、レーザ光Ｌのパルス波形Ｗは、単一のメインパルスＷｍと、単一のフットパルスＷｐとを含んでいるが、単一のメインパルスＷｍに対して複数のフットパルスＷｐとを組み合わせてもよい。複数のフットパルスＷｐを用いる場合、これらのフットパルスＷｐのピーク強度は、互いに同一であってもよく、時間的に先行しているフットパルスＷｐから順に徐々にピーク強度が増大するものであってもよい。さらに、メインパルスＷｍ及びフットパルスＷｐは、ガウシアン形状に限られず、矩形波状、正弦波状などの他の形状であってもよく、これらを組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１…レーザ加工装置、２…光源、１１…波形制御部、１２…プラズマ閉込膜、１３…保護膜、Ｋ…プラズマ、Ｍ…維持時間、Ｌ…レーザ光、Ｐ…被加工物、Ｗ…パルス波形、Ｗｍ…メインパルス、Ｗｐ…フットパルス。
【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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【図６】
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