(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材と、熱伝導率および加工閾値がガラス繊維の物性値よりも高い繊維を含んだ繊維強化複合材料からなる加工対象物をレーザ加工する加工方法であって、
前記加工対象物と加工ヘッドとを予め定められた切断方向において相対移動させながら、前記加工ヘッドからパルスレーザ光を前記加工対象物に照射して前記加工対象物を貫通する複数の貫通孔を形成することによって前記加工対象物を加工する工程を含み、
前記パルスレーザ光は、パルス幅が１ｍｓ未満であり、前記貫通孔を１パルスで形成可能なエネルギー密度を有し、
１回の前記パルスレーザ光の照射で前記貫通孔を形成すること、
を特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記レーザ加工の間、前記パルスレーザ光の光軸の外から前記光軸に向けてガスを噴射し、
前記切断方向における前記パルスレーザ光の集光径を集光径ｄとし、加工長さを加工長さＬとし、前記加工長さＬの加工領域に照射される前記パルスレーザ光のパルス数をパルス数Ｎとしたときに、前記切断方向において隣り合う２つの前記貫通孔同士が前記切断方向においてオーバーラップする長さの前記集光径ｄに対する比率であるオーバーラップ比率ｒｏが下記式（１）を満たすこと、
を特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
０＜ｒｏ＝（ｄ−Ｌ／Ｎ）／ｄ＜０．５・・・（１）
【請求項３】
前記パルスレーザ光は、円形に集光されて前記加工対象物に照射され、
前記集光径ｄが前記パルスレーザ光によるレーザ切断溝幅と同じであること、
を特徴とする請求項２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記オーバーラップ比率ｒｏが０．２であること、
を特徴とする請求項２または３に記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記パルスレーザ光を発振するレーザ発振器がＣＯ２レーザであること、
を特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
母材と、熱伝導率および加工閾値がガラス繊維の物性値よりも高い繊維を含んだ繊維強化複合材料からなる加工対象物と、加工ヘッドと、を予め定められた切断方向において相対移動させながら、パルスレーザ光を前記加工対象物に照射して前記加工対象物を貫通する複数の貫通孔を形成することによって前記加工対象物をレーザ加工するレーザ加工装置であって、
前記パルスレーザ光を加工対象物に照射する加工ヘッドと、
前記加工対象物と加工ヘッドとの少なくとも一方を移動させる駆動部と、
前記パルスレーザ光の前記加工対象物への照射を制御する制御部と、
を備え、
前記パルスレーザ光は、パルス幅が１ｍｓ未満であり、前記貫通孔を１パルスで形成可能なエネルギー密度を有し、
１回の前記パルスレーザ光の照射で前記貫通孔を形成すること、
を特徴とするレーザ加工装置。
【請求項７】
前記パルスレーザ光の光軸の外から前記光軸に向けてガスを噴射するノズルを備え、
前記制御部は、
前記切断方向における前記パルスレーザ光の集光径を集光径ｄとし、加工長さを加工長さＬとし、前記加工長さＬの加工領域に照射される前記パルスレーザ光のパルス数をパルス数Ｎとしたときに、前記切断方向において隣り合う２つの前記貫通孔同士が前記切断方向においてオーバーラップする長さの前記集光径ｄに対する比率であるオーバーラップ比率ｒｏが下記式（２）を満たすように、前記加工ヘッドからパルスレーザ光を前記加工対象物に照射させ、前記レーザ加工の間、前記パルスレーザ光の光軸の外から前記光軸に向けてガスを噴射させること、
を特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
０＜ｒｏ＝（ｄ−Ｌ／Ｎ）／ｄ＜０．５・・・（２）
【請求項８】
前記パルスレーザ光は、円形に集光されて前記加工対象物に照射され、
前記集光径ｄが前記パルスレーザ光によるレーザ切断溝幅と同じであること、
を特徴とする請求項７に記載のレーザ加工装置。
【請求項９】
前記オーバーラップ比率ｒｏが０．２であること、
を特徴とする請求項７または８に記載のレーザ加工装置。
【請求項１０】
前記パルスレーザ光を発振するレーザ発振器を有し、
前記レーザ発振器がＣＯ２レーザであること、
を特徴とする請求項６から９のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を加工対象物に照射して加工対象物を切断するレーザ加工方法およびレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高い強度と軽さとを併せ持つ材料として、ガラス繊維強化プラスチック（Glass  Fiber  Reinforced  Plastics：ＧＦＲＰ）のような母材と強化繊維とから構成される繊維強化複合材料が注目されている。繊維強化複合材料は、母材と強化繊維とが各々異なる特性を有するため、加工が困難であることが知られている。レーザ加工装置は、レーザ出力を上げることで加工速度を上げることができるため、加工速度が求められる場合、繊維強化複合材料の加工に用いられることがある。【０００３】
特許文献１には、１パルスのパルスレーザで形成される複数の貫通孔を形成し、隣り合う貫通孔の一部をオーバーラップさせることによりガラス繊維強化樹脂フィルムを切断することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−０９８３８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１においては、ＧＦＲＰよりも加工閾値および熱伝導性の物性値が遙かに高い繊維を含んだ繊維強化複合材料の切断については言及されていない。【０００６】
例えば炭素繊維強化プラスチック（Carbon  Fiber  Reinforced  Plastic：ＣＦＲＰ）は、熱的特性が大きく異なった炭素繊維と樹脂との２種類の材料から構成されており、樹脂よりも熱伝導率が高い炭素繊維がレーザ加工時に発生する熱の伝熱経路として作用する。ＣＦＲＰでは、炭素繊維の融点は３５００℃程度であって、樹脂の融点は２５０℃程度である。この場合、切断加工時の加工点の温度は融点が高い方に合わせて調整されるため、３５００℃以上となる。このため、ＣＦＲＰのレーザ加工時においては、加工時に発生して炭素繊維から伝熱される熱に起因して加工部位の周辺の樹脂に熱損傷が拡散する懸念がある。したがって、ＣＦＲＰの切断においては、樹脂への熱影響を減らすために、１パルスのパルスレーザで１つの孔を貫通させることが望ましい。【０００７】
ＣＦＲＰにおいて熱損傷によって繊維表面と樹脂との界面の密着度が低下した場合は、ＣＦＲＰの構造材としての機械的強度特性が劣化し、切断されたＣＦＲＰの品質が低下する。このため、ＣＦＲＰの加工において、加工部位の周囲への熱損傷拡散は極力回避する必要がある。【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、繊維強化複合材料の樹脂への熱影響を抑制して繊維強化複合材料の加工が可能なレーザ加工方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるレーザ加工方法は、母材と、熱伝導率および加工閾値がガラス繊維の物性値よりも高い繊維を含んだ繊維強化複合材料からなる加工対象物をレーザ加工する加工方法である。レーザ加工方法は、加工対象物と加工ヘッドとを予め定められた切断方向において相対移動させながら、加工ヘッドからパルスレーザ光を加工対象物に照射して加工対象物を貫通する複数の貫通孔を形成することによって加工対象物を加工する工程を含む。パルスレーザ光は、パルス幅が１ｍｓ未満であり、貫通孔を１パルスで形成可能なエネルギー密度を有する。レーザ加工方法は、１回のパルスレーザ光の照射で貫通孔を形成する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明にかかるレーザ加工方法は、繊維強化複合材料の樹脂への熱影響を抑制して繊維強化複合材料の加工が可能である、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工装置の機能構成を示す図
【図２】図１に示すレーザ加工装置のハードウェア構成の一例を示す模式図
【図３】図１に示すレーザ加工装置によるレーザ加工方法を示す図
【図４】ＣＦＲＰの物性値を示す図
【図５】図１に示すレーザ加工装置において出力されるパルスレーザ光であるパルスレーザの出力波形を示す図であり、加工対象物を厚み方向に貫通する貫通孔である加工孔を１回の照射で形成可能なエネルギーを有するパルスレーザの出力波形を示す図
【図６】パルスレーザ光による加工対象物の加工条件が式（３）の条件を満たさない場合であり、オーバーラップ比率が０未満の場合の加工状態を示す模式図
【図７】パルスレーザ光による加工対象物の加工条件が式（３）の条件を満たす場合の加工状態を示す模式図
【図８】パルスレーザ光による加工対象物の加工条件が式（３）の条件を満たさない場合であり、オーバーラップ比率が０．５以上の場合の加工状態を示す模式図
【図９】加工対象物の加工点に対して１回目のパルスレーザ光の照射を行った直後の状態を示す模式断面図
【図１０】加工対象物の加工点に対して１回目のパルスレーザ光の照射を行った後の穴の底部の放置期間における状態を示す模式断面図
【図１１】加工対象物の加工点に対して２回目のパルスレーザ光の照射を行った直後の状態を示す模式断面図
【図１２】加工対象物の加工点に対して２回目のパルスレーザ光の照射を行った後の穴の底部の放置期間における状態を示す模式断面図
【図１３】加工対象物の加工点に対して複数回のパルスレーザ光の照射が行われて加工対象物に貫通孔が形成された状態を示す模式断面図
【図１４】図５に示す出力波形のパルスレーザと同じ加工速度で、ＣＷレーザにより切断加工を行う場合のＣＷレーザの出力波形を示す図
【図１５】光軸の外から光軸に向けてガスを噴射するサイドフローノズルであるノズルを使用した例を示す図
【図１６】光軸に沿った方向から加工点に向けてガスを噴射する軸流ノズルを使用した例を示す図
【図１７】レーザ加工装置を用いた切断加工において加工対象物の良好な加工品質が得られた切断加工条件例を示す図
【図１８】レーザ加工装置を用いた切断加工において切断された加工サンプルの画像を示す図
【図１９】図１８に示す加工サンプルの領域Ａを拡大した画像を示す図
【図２０】図１に示すレーザ加工装置においてパルスレーザ光を２回走査して切断長を切断加工するレーザ加工方法を示す図であり、１回目のパルスレーザ光の走査状態を示す図
【図２１】図１に示すレーザ加工装置においてパルスレーザ光を２回走査して切断長を切断加工するレーザ加工方法を示す図であり、２回目のパルスレーザ光の走査状態を示す図
【図２２】図１に示す制御部の機能を実現するためのハードウェア構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００の機能構成を示す図である。図２は、図１に示すレーザ加工装置１００のハードウェア構成の一例を示す模式図である。図３は、図１に示すレーザ加工装置１００によるレーザ加工方法を示す図である。図３では、レーザ加工装置１００によるレーザ加工に関わる要部について示している。レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１１と、光路１２と、加工ヘッド１３と、駆動部１４と、ノズル１５と、ノズル移動機構１６と、検知部１７と、制御部１８とを有する。
【００１４】
レーザ加工装置１００は、加工対象物Ｗにパルスレーザ光１を照射して、加工対象物Ｗの切断加工を行う機能を有する。本実施の形態１における加工対象物Ｗは、母材および強化繊維を含む繊維強化複合材料からなる板状の加工対象物である。繊維強化複合材料の一例としては、ＣＦＲＰが挙げられる。ＣＦＲＰは、母材と、熱伝導率および加工閾値がガラス繊維の物性値よりも高い繊維を含んだ繊維強化複合材料からなる加工対象物である。
【００１５】
図４は、ＣＦＲＰの物性値を示す図である。ＣＦＲＰにおいて、強化繊維は、直径が５ミクロン以上、１０ミクロン以下の範囲である炭素繊維である。加工対象物Ｗ内においては、複数の強化繊維が予め決められた一方向に沿って配置されている。図３において、予め決められた一方向は、図中の左下から右上に向かう方向である。
【００１６】
母材は、エポキシ樹脂に代表される熱硬化型の樹脂である。炭素繊維の熱伝導率は、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、８００Ｗ／ｍ・Ｋ以下の範囲であり、樹脂の熱伝導率０．３Ｗ／ｍ・Ｋよりも高い。炭素繊維の融点は、２０００℃以上、３５００℃以下の範囲であり、樹脂の融点２５０℃以下よりも高い。すなわち、ＣＦＲＰにおける炭素繊維と樹脂とは、融点および熱伝導性が大きく異なり、両特性とも炭素繊維が母材に対して非常に高い。したがって、繊維強化複合材料の一例であるＣＦＲＰは、母材と、母材よりも熱伝導率および加工閾値が高い炭素繊維を含む複合材料である。
【００１７】
ＣＦＲＰからなる加工対象物Ｗは、強化繊維である炭素繊維Ｗａと、母材である樹脂Ｗｂとを含む。図示の便宜上、図２等においては、複数の炭素繊維Ｗａが樹脂Ｗｂ中において複数層に配置された状態を示しているが、実際にはより多数の炭素繊維Ｗａが樹脂Ｗｂ中に、予め決められた一方向に沿って配置されている。なお、加工対象物Ｗの表面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面に垂直な方向をＺ軸方向とする。パルスレーザ光１の照射方向は、Ｚ軸と平行である。
【００１８】
比較のため、特許文献１で加工対象にしているＧＦＲＰの物性値を図４に併せて示す。図４より、ＣＦＲＰは、加工閾値および熱伝導性が、ともにＧＦＲＰよりも大幅に高いことがわかる。ここで、炭素繊維の熱伝導性が高いことは、レーザ加工時において炭素繊維から伝熱される熱に起因して加工部位の周囲の樹脂に熱損傷が拡散する懸念が高いことを意味する。炭素繊維の融点が高いことは、加工しにくいことを意味する。すなわち、炭素繊維の融点が高いことは、加工閾値が高く、加工しにくいことを意味する。加工閾値とは、パルスレーザ光１が加工対象物に照射されたときに、加工対象物の分解が開始するときのパルスレーザ光１の最小のエネルギー密度のことである。
【００１９】
レーザ発振器１１は、パルスレーザ光１を発振して射出する。本実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００に用いるレーザ発振器１１は、ＣＯ２レーザ発振器が好ましい。すなわち、本実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００に用いるパルスレーザ光１は、ＣＯ２レーザ光が好ましい。
【００２０】
レーザ発振器１１から射出されたパルスレーザ光１は、光路１２を介して加工ヘッド１３へ供給される。光路１２は、レーザ発振器１１が射出したパルスレーザ光１を加工ヘッド１３まで伝送する経路であり、パルスレーザ光１を空中で伝搬させる経路でもよいし、光ファイバを通じてパルスレーザ光１を伝送させる経路でもよい。光路１２は、パルスレーザ光１の特性に対応して設計される。
【００２１】
加工ヘッド１３は、パルスレーザ光１を加工対象物Ｗへ集光する光学系を有している。加工ヘッド１３は、供給されたパルスレーザ光１を集光して加工対象物Ｗの加工対象面である加工対象物Ｗの一方の面へ照射する。加工ヘッド１３は、加工対象物Ｗの表面付近に焦点を結ぶような光学系を備えていることが望ましい。
【００２２】
駆動部１４は、加工ヘッド１３と加工対象物Ｗとの相対位置関係を制御して変化させることができる。なお、レーザ加工装置１００において、駆動部１４は加工ヘッド１３の位置を変化させることで、加工ヘッド１３と加工対象物Ｗとの相対位置関係を変化させることとしたが、駆動部１４は、加工対象物Ｗを載置するテーブルの位置を変化させてもよいし、加工ヘッド１３と加工対象物Ｗを載置するテーブルとの両方の位置を変化させてもよい。つまり、駆動部１４は、加工ヘッド１３および加工対象物Ｗの少なくとも１つの位置を変化させる機能を有していればよい。
【００２３】
駆動部１４が加工ヘッド１３と加工対象物Ｗとの相対位置関係を変化させながら、加工ヘッド１３が加工対象物Ｗにパルスレーザ光１を照射することで、加工対象物Ｗの切断加工を行うことができる。
【００２４】
ノズル１５は、加工ヘッド１３から加工対象物Ｗにパルスレーザ光１が照射される部分にガス２３を噴射するガス噴射ノズルである。ノズル１５は、加工ヘッド１３から加工対象物Ｗに照射されるパルスレーザ光１の光軸１ａの外から光軸１ａに向けてガス２３を噴射する。より詳細には、ノズル１５は、加工ヘッド１３から加工対象物Ｗに照射されるパルスレーザ光１の光軸１ａの外から、加工対象物Ｗにおけるパルスレーザ光１による加工点に向けてガス２３を噴射する。ノズル１５の位置は、ノズル移動機構１６によって変化させられる。ノズル１５の位置は、加工対象物Ｗの加工中において制御部１８の制御により任意の位置に移動可能である。
【００２５】
検知部１７は、加工対象物Ｗの状態またはレーザ加工装置１００の状態を検知するセンサである。検知部１７は、加工中の加工対象物Ｗの位置、加工中に発生する光の強度および波長、音波、超音波といった物理量の計測値を時系列信号として計測する。検知部１７は、例えば、静電容量センサ、フォトダイオード、ＣＣＤ（Charge  Coupled  Device）センサ、ＣＭＯＳ（Complementary  Metal  Oxide  Semiconductor）センサ、スペクトル分光器、音響センサ、加速度センサ、ジャイロセンサ、距離センサ、位置検出器、温度センサ、湿度センサなどである。検知部１７は、計測値を示す時系列信号を制御部１８に入力する。
【００２６】
制御部１８は、設定された加工条件および検知部１７から送信される計測値に従って、パルスレーザ光１が加工対象物Ｗ上の加工経路を走査するようにレーザ発振器１１、駆動部１４、ノズル移動機構１６などを制御する。加工条件は、例えば、加工対象物Ｗの材質、厚み、および表面の状態を含む。加工条件は、さらに、レーザ発振器１１のレーザ出力強度、レーザ出力周波数、レーザ出力のデューティ比、モード、波形、および波長などを含む。加工条件は、パルスレーザ光１の焦点位置、パルスレーザ光１の集光径、ノズル１５から噴射するガスの種類、ガス圧、ノズルの穴径、加工速度などを含むことができる。また、加工条件は、加工対象物Ｗと加工ヘッド１３との間の距離、温度、湿度など検知部１７から入力される計測値を含むこともできる。
【００２７】
パルスレーザ光１を加工点に集光する集光レンズ２１を含む光学ユニット２２は、図１に示す加工ヘッド１３の一部である。
【００２８】
レーザ加工装置１００は、パルスレーザ光１を加工対象物Ｗの一方の面へ照射して加工対象物Ｗを加工品２９と端材２８とに分離させる切断加工を行う。加工品２９は、切断加工の後に部品などとして使用される側であり、端材２８は、切断加工の後に不要となる側である。パルスレーザ光１を加工対象物Ｗに照射する位置は、制御部１８によって制御され、加工経路に沿って移動する。
【００２９】
つぎに、加工対象物ＷであるＣＦＲＰのレーザ加工装置１００による加工方法について説明する。加工対象物Ｗの切断加工においては、パルスレーザ光１は、図３に示すように集光レンズ２１で加工対象物Ｗの表面に集光される。パルスレーザ光１は、加工対象物Ｗの加工対象面において予め定められた切断方向に走査させて照射される。すなわち、パルスレーザ光１は、加工ヘッド１３と加工対象物Ｗとの相対位置関係を変化させて加工対象物Ｗに対するパルスレーザ光１の照射位置を変えながら照射される。
【００３０】
図５は、図１に示すレーザ加工装置１００において出力されるパルスレーザ光１であるパルスレーザの出力波形を示す図であり、加工対象物Ｗを厚み方向に貫通する貫通孔である加工孔４１を１回の照射で形成可能なエネルギーを有するパルスレーザの出力波形を示す図である。加工対象物Ｗの切断長さＬを切断するために加工対象物Ｗに照射するパルスレーザ光１のパルス数をＮとする。Ｎは、２以上の正数である。例えば、走査速度ｖの速度でパルスレーザ光１の照射位置を移動させながら、図５に示すように周波数ｆでパルスレーザを繰り返し照射して１回の走査で加工対象物Ｗを切断する場合は、加工対象物Ｗに照射するパルスレーザ光１のパルス数Ｎは、以下の式（１）で表される。
【００３１】
Ｎ＝Ｌ×ｆ／ｖ・・・（１）
【００３２】
加工対象物Ｗの切断方向における、１パルスのパルスレーザ光１で加工される加工孔４１の孔径を加工孔径ｄとしたとき、切断方向において隣り合う２つの加工孔同士の切断方向におけるオーバーラップ比率ｒｏ、すなわち切断方向における加工孔の重なり具合は、以下の式（２）で表される。加工対象物Ｗの切断方向は、パルスレーザ光１の走査方向と同じ方向である。オーバーラップ比率ｒｏは、切断方向において隣り合う２つの加工孔同士が切断方向においてオーバーラップする長さの、加工孔径ｄに対する比率である。加工孔径ｄは、パルスレーザ光１の集光径と同じである。すなわち、加工孔径ｄは、加工対象物Ｗの切断方向における、パルスレーザ光１の集光径ｄと換言できる。なお、図３等の図においては、加工孔同士がオーバーラップした状態を理解しやすくするために、加工孔径ｄをパルスレーザ光１の集光径よりも大きくして図示している。
【００３３】
ｒｏ＝（ｄ−Ｌ／Ｎ）／ｄ・・・（２）
【００３４】
そして、本実施の形態１においては、オーバーラップ比率ｒｏを以下の式（３）に示すように、０より大であり０．５未満の範囲としてレーザ加工が行われる。
【００３５】
０＜ｒｏ＝（ｄ−Ｌ／Ｎ）／ｄ＜０．５・・・（３）
【００３６】
つぎに、上記の式（３）の条件を満たすように照射されるパルスレーザ光１が１パルスで加工対象物Ｗを貫通して切断可能であることについて説明する。図６から図８は、オーバーラップ比率ｒｏを変化させた場合のパルスレーザ光１による加工対象物Ｗの加工状態を示す模式図である。図６は、パルスレーザ光１による加工対象物Ｗの加工条件が式（３）の条件を満たさない場合であり、オーバーラップ比率ｒｏが０未満の場合の加工状態を示す模式図である。図７は、パルスレーザ光１による加工対象物Ｗの加工条件が式（３）の条件を満たす場合の加工状態を示す模式図である。図８は、パルスレーザ光１による加工対象物Ｗの加工条件が式（３）の条件を満たさない場合であり、オーバーラップ比率ｒｏが０．５以上の場合の加工状態を示す模式図である。図６から図８においては、ノズル１５の図示を省略している。
【００３７】
図６に示すようにパルスレーザ光１による加工対象物Ｗの加工条件が式（３）の条件を満たさない場合であり、オーバーラップ比率ｒｏが０未満の場合は、切断方向における隣り合う加工孔４１同士が切断方向においてオーバーラップしない、すなわち重ならない場合を意味する。したがって、図６に示す加工では、加工対象物Ｗを切断できない。
【００３８】
図８に示すようにパルスレーザ光１による加工対象物Ｗの加工条件が式（３）の条件を満たさない場合であり、オーバーラップ比率ｒｏが０．５以上であり隣り合う２つの加工孔４１同士の切断方向における重なり具合が式（３）の条件よりも大きい場合は、切断長Ｌの全域において２回以上、パルスレーザ光１が照射されている。この場合には、加工対象物Ｗへの、切断に寄与しない余分な入熱量が多くなり、加工孔４１の内面から周囲の樹脂Ｗｂに対して不要な熱影響が生じる。また、切断長Ｌを切断加工するために必要なパルスレーザ光１の照射数が増え、使用するレーザエネルギーが増大してしまう。
【００３９】
一方、図７に示す場合は、パルスレーザ光１による加工対象物Ｗの加工条件が式（３）の条件を満たす場合であり、切断長Ｌにおける図７中のドットハッチングを施した加工領域４２には、１パルス分のパルスレーザ光１のエネルギーしか入らない。この状態で加工対象物Ｗの切断長Ｌを切断できるということは、１パルス分のパルスレーザ光１のエネルギーで加工対象物Ｗを厚み方向に貫通する加工孔４１を形成して切断を行っていることを示している。
【００４０】
すなわち、図７に示す場合は、加工孔が形成されて切断された領域について、パルスレーザ光１の走査方向においてパルスレーザが２回照射された領域が図８に示す場合よりも少ない状態で、切断長Ｌが切断される。つまり、図７に示すようにパルスレーザ光１による加工対象物Ｗの加工条件が式（３）の条件を満たす場合は、パルスレーザ光１を移動させながら１つのパルスレーザを繰り返し照射して切断するレーザ加工方法において、１回のパルスレーザの照射で、加工対象物Ｗを貫通する貫通孔である加工孔４１を形成して加工対象物Ｗの切断を行う。これにより、加工対象物Ｗの樹脂Ｗｂへの熱影響を抑制して加工対象物Ｗの切断が可能である。
【００４１】
なお、図７において、ｎ＝０のときのパルスレーザ光１の照射により、開口形状が半円状の加工孔４１が形成されている。また、ｎ＝Ｎのときにはパルスレーザ光１の照射により、開口形状が円状の加工孔４１が形成されている。ここで、ｎ＝Ｎの場合に形成された加工孔４１において、切断長さＬを切断するために必要な部分は、ｎ＝Ｎ−１の場合に形成された加工孔４１側の、開口形状が半円状の部分である。したがって、ｎ＝０のときに形成された開口形状が半円状の加工孔４１の部分と、ｎ＝Ｎのときに形成された加工孔４１における開口形状が半円状の部分と、を合わせて１つの円状の加工孔４１と考えることできる。このため、図７に示す場合、加工対象物Ｗの切断長さＬを切断するために加工対象物Ｗに照射するパルスレーザ光１のパルス数はＮと考えられる。
【００４２】
レーザ加工装置１００による加工対象物Ｗの切断加工において、制御部１８は、上記の式（３）の条件を満たすように駆動部１４を制御して、加工ヘッド１３と加工対象物Ｗとの相対位置関係を制御して変化させる。すなわち、制御部１８は、加工対象物Ｗの切断加工を行う場合に、上記の式（３）の条件を満たすように、パルスレーザ光１の照射位置と加工対象物Ｗとの相対位置関係を制御する。
【００４３】
なお、本実施の形態１においては、上述したようにオーバーラップ比率ｒｏを「０＜ｒｏ＜０．５」の範囲とするが、オーバーラップ比率ｒｏは「０＜ｒｏ＜０．５」の範囲においても極力小さいこと、すなわち０に近いことが、より好ましい。オーバーラップ比率ｒｏを極力小さくすることにより、既に貫通している貫通孔の部分に再度照射されるパルスレーザ光１を減らし、加工対象物Ｗへの、切断に寄与しない余分な入熱を低減することができる。
【００４４】
オーバーラップ比率ｒｏの最適値は、０．２である。オーバーラップ比率ｒｏが０．２のとき、切断速度が遅くなることなく、かつ切断端面の平滑度も高くなる。すなわち、オーバーラップ比率ｒｏが０．２のときには、加工孔４１同士をオーバーラップさせても加工速度の低下が抑えられつつ、切断端面において高い平滑度が得られる。
【００４５】
上述したように本実施の形態１にかかる加工対象物Ｗのレーザ加工方法により、１回のパルスレーザの照射で加工対象物Ｗを貫通させて切断することの効果について、加工対象物Ｗを深さ方向において複数回に分けて穴加工を繰り返して加工対象物Ｗを切断する比較例のレーザ加工方法と比較して説明する。
【００４６】
以下で説明する比較例のレーザ加工方法では、１回のパルスレーザ光１の照射では加工対象物Ｗを貫通する貫通孔が形成されず、同一箇所に対する複数回のパルスレーザ光１の照射により加工対象物Ｗを貫通する貫通孔を形成して切断を行う。図９は、加工対象物Ｗの加工点に対して１回目のパルスレーザ光１の照射を行った直後の状態を示す模式断面図である。図１０は、加工対象物Ｗの加工点に対して１回目のパルスレーザ光１の照射を行った後の穴５１の底部５２の放置期間における状態を示す模式断面図である。図１１は、加工対象物Ｗの加工点に対して２回目のパルスレーザ光１の照射を行った直後の状態を示す模式断面図である。図１２は、加工対象物Ｗの加工点に対して２回目のパルスレーザ光１の照射を行った後の穴５１の底部５２の放置期間における状態を示す模式断面図である。図１３は、加工対象物Ｗの加工点に対して複数回のパルスレーザ光１の照射が行われて加工対象物Ｗに貫通孔が形成された状態を示す模式断面図である。図９から図１３は、図８におけるＩＸ−ＩＸ線、Ｘ−Ｘ線、ＸＩ−ＸＩ線、ＸＩＩ−ＸＩＩ線およびＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿った断面に対応する。
【００４７】
理解の容易のため、パルスレーザ光１のビームプロファイルはトップハットであり、ビームの形通りに加工対象物Ｗが加工されるものとする。加工対象物Ｗの加工点に対して１回目のパルスレーザ光１の照射を行った直後、加工対象物Ｗにパルスレーザ光１が照射されて形成された穴５１の底部５２には、注入されたエネルギーが加工閾値に到達せずに、すなわち温度が融点に達せずに高温のまま残った炭素繊維Ｗａが存在する。
【００４８】
炭素繊維Ｗａの融点は、３５００℃程度である。炭素繊維Ｗａは、３５００℃に近い温度の状態で除去されずに残っている。そして、穴５１に対して次のレーザ光１が照射されるまでの間は、穴５１の底部５２に高温のまま残存した炭素繊維Ｗａの熱が、熱伝導性が樹脂に比べて非常に高い炭素繊維Ｗａを伝って穴５１の周囲の樹脂Ｗｂに伝熱し、熱影響層５３が形成される。炭素繊維Ｗａの熱は、穴５１の下方に伝熱されるとともに図１０における矢印で示すように穴５１から外側に離れる方向に伝熱される。
【００４９】
熱影響層５３は、樹脂Ｗｂのうち、炭素繊維Ｗａを伝って伝熱した、穴５１の底部５２に高温のまま残存した炭素繊維Ｗａの熱により温度が上昇して熱の影響を受けた領域である。穴５１の底部５２に高温のまま残存した炭素繊維Ｗａの熱の炭素繊維Ｗａを伝った伝熱は、１回目のパルスレーザ光１が照射後から２回目のパルスレーザ光１が照射されるまでの間、穴５１の底部５２の高温の炭素繊維Ｗａが放置される放置期間において生じる。
【００５０】
このとき炭素繊維Ｗａから樹脂Ｗｂに伝熱する熱量は、融点が２５０℃以下であり加工閾値が低い母材の樹脂においては大きな熱量である。穴５１の底部５２の穴径ｄ１の長さの３５００℃程度の炭素繊維が有する熱が、炭素繊維Ｗａを伝って樹脂Ｗｂに伝熱すると考える。この場合、炭素繊維Ｗａの延在方向において母材である樹脂Ｗｂが加工閾値に到達する範囲長さＤは、以下の式（４）で表され、底部５２の穴径ｄ１の１４倍に及ぶ。範囲長さＤは、炭素繊維Ｗａの延在方向において穴５１の中心軸を中心とした範囲である。
【００５１】
Ｄ＝ｄ１×３５００／２５０＝１４×ｄ１・・・（４）
【００５２】
穴径ｄ１を０．２ｍｍとすると、Ｄは２．８ｍｍであり、炭素繊維Ｗａの延在方向における熱影響層５３の長さｈは、ｈ＝２．８／２−０．２／２＝１．３ｍｍとなり、穴径ｄ１に比べて非常に大きくなる。熱影響層５３の長さｈは、炭素繊維Ｗａの延在方向における、穴５１の開口端部から、熱影響層５３における炭素繊維Ｗａの延在方向における外側の端部までの長さである。
【００５３】
熱影響層５３は、パルスレーザ光１のエネルギーによって程度が異なるが、熱損傷によって炭素繊維Ｗａと樹脂Ｗｂ部との界面の密着度が低下し、加工対象物Ｗの構造材としての機械的強度特性が劣化し、切断された加工対象物Ｗの品質が低下する。
【００５４】
つぎに、加工対象物Ｗにおける穴５１が形成された切断加工位置に対して２回目のパルスレーザ光１が照射されると、図１２に示すように、穴５１の深さが深くなるとともに、次のパルスレーザ光１が照射されるまでの放置期間において、１回目のパルスレーザ光１の照射により形成された熱影響層５３の下方および外側に拡がる新たな熱影響層５３が形成される。
【００５５】
以降、穴５１深さが加工対象物Ｗの厚みに達して貫通孔が形成されるまで３パルス目以降のパルスレーザ光１の照射が行われる。３パルス目以降のパルスレーザ光１の照射後においても、上記と同様に熱影響層５３が発生する。そして、複数回のパルスレーザ光１の照射により、最終的に図１３に示すように貫通孔５４が形成される。そして、パルスレーザ光１を切断方向に走査させて、隣り合う貫通孔５４同士をオーバーラップさせながら複数の貫通孔５４を形成することで、切断方向において隣り合う貫通孔５４同士が連通し、加工対象物Ｗが切断される。
【００５６】
そして、上記のように形成された貫通孔５４の周囲には、パルスレーザ光１の照射から次のパルスレーザ光１が照射されるまでの放置期間において穴５１の底部５２に高温のまま残存した炭素繊維Ｗａの熱が炭素繊維Ｗａを伝って伝熱して発生した熱影響層５３が存在し、切断された加工対象物Ｗの品質が低下する。
【００５７】
上述した現象は、繊維強化複合材料に特有の現象である。単一材料からなる加工対象物における同一箇所を深さ方向に複数回に分けて切断する場合は、上記と同様に切断途中に形成される穴の底部の温度は、加工閾値以下である。このため、穴の底部の熱が、穴の周囲の領域に伝熱しても、穴の周囲の領域が加工されることはない。
【００５８】
一方、上述した本実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００では、１回のパルスレーザ光１の照射で加工対象物Ｗを厚み方向に貫通する貫通孔を形成可能なエネルギーのパルスレーザで切断加工を行う。これにより、上述した放置期間に穴５１の底部５２に高温のまま残存した炭素繊維Ｗａの熱が炭素繊維Ｗａを伝って伝熱する現象を無くして、熱影響層５３の発生を防止できる。すなわち、上述した本実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００では、切断加工の途中に形成される穴の底部に残存する炭素繊維Ｗａに溜まっている熱が炭素繊維Ｗａを伝って周囲の樹脂Ｗｂに伝熱することが無く、炭素繊維Ｗａに比べて加工閾値の低い樹脂Ｗｂが加熱されて熱影響層５３が発生することを防止できる。これにより、加工対象物Ｗのレーザ加工時における加工対象物Ｗの樹脂Ｗｂへの熱影響を抑制することができ、切断加工に起因した切断後の加工対象物Ｗの機械的強度特性の劣化を防止し、高品質な切断加工が可能である。
【００５９】
また、レーザ加工装置１００では、切断加工を行うためのパルスレーザ光１の走査回数が１回であるため、切断加工時間が短い。すなわち、レーザ加工装置１００では、高品質かつ効率良く加工対象物Ｗをレーザ切断することが可能となる。
【００６０】
上述した１回目のパルスレーザ光１の照射後から２回目のパルスレーザ光１が照射されるまでの放置期間に生じる熱影響層５３の発生を抑制するために、たとえばガルバノスキャナを用いてパルスレーザ光１を走査し、且つ、次のパルスレーザ光１の照射までに１００ｍｓ以上の走査時間間隔を設けることで、穴５１の底部５２に溜まる熱量を抑制することが考えられる。
【００６１】
しかしながら、パルスレーザ光１の走査速度を高くすれば、パルスレーザ光１の１照射当たりに形成される穴の加工深さが浅いため、パルスレーザ光１の照射数を大幅に増やす必要があり、加工時間が長くなる。
【００６２】
また、加工対象物Ｗの加工エリアが広ければ、パルスレーザ光１の走査時間間隔の間に加工対象物Ｗにおける他の加工部分を加工すれば、レーザ加工装置１００の休止時間は発生しない。しかしながら、ガルバノスキャナを用いる場合は、加工エリアが１００ｍｍ程度と小さいため、加工対象物Ｗにおける他の部分を加工し続けることはできない。
【００６３】
例えば直径が９．５ｍｍであり周長３０ｍｍの穴を加工する場合を考える。例えばパルスレーザ光１の走査速度ｖが６ｍ／ｓであり、休止時間が３００ｍｓあれば、パルスレーザ光１の照射回数が２０回であっても、走査時間は、３０ｍｍ／６ｍ／ｓ×２０回＝１００ｍｓと比較的短い時間となる。一方、休止時間が３００ｍｓ×２０回＝６０００ｍｓである。このため、走査時間と休止時間との合計である全体の加工時間は、６．１ｓとなる。この加工時間を加工速度に換算すれば、０．３ｍ／ｍｉｎとなり、レーザ加工速度としては一般的なＣＦＲＰのレーザ加工速度よりも遅い加工速度となる。
【００６４】
本実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００において使用するレーザ発振器１１は、ＣＯ２レーザ発振器が好ましい。すなわち、レーザ加工装置１００に用いるパルスレーザ光１は、ＣＯ２レーザ発振器により発振されたＣＯ２レーザ光が適している。例えばファイバーレーザから発振されたレーザ光は、樹脂に吸収されない。このため、ファイバーレーザから発振されたレーザ光を用いた場合には、炭素繊維から樹脂へ伝熱する熱により樹脂を加熱除去することになる。これに対して、ＣＯ２レーザ光は、ファイバーレーザから発振されたレーザ光に比べて樹脂における吸収率が高いため、上記伝熱時間が不要な分だけ短時間で、且つ少ない投入熱量で、貫通孔を加工することが可能となる。したがって、レーザ加工装置１００においてＣＯ２レーザ光を使用することで、より効率的に且つ熱影響の少ない切断加工が可能である。
【００６５】
つぎに、上述したようにパルスレーザを用いる本実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００におけるレーザ加工方法と、連続的にレーザ光を出すＣＷレーザ（Continuous  Wave  Laser）を用いたレーザ加工方法と、の違いについて説明する。図１４は、図５に示す出力波形のパルスレーザと同じ加工速度で、ＣＷレーザにより切断加工を行う場合のＣＷレーザの出力波形を示す図である。加工速度が同じ速度であるということは、図５に示す出力波形のパルスレーザと、図１４に示す出力波形のＣＷレーザの平均出力が同じということである。
【００６６】
ここで、図１４に示すようにＣＷレーザの出力は、図５に示すパルスレーザの出力より低くなる。一方、図１４および図５に示すように、ＣＷレーザにより切断加工を行う場合に加工対象物Ｗを厚み方向に貫通する貫通孔を１つ加工するために要する加工時間Ｔｗｃは、パルスレーザにより切断加工を行う場合に加工対象物Ｗを厚み方向に貫通する貫通孔を１つ加工するために要する加工時間Ｔｐよりも大幅に長くなる。そして、加工時間Ｔｗｃは、パルスレーザにより切断加工を行う場合に貫通孔を１つ加工し終わって２つ目の貫通孔の加工が開始されるまでの時間１／ｆと同じである。すなわち、加工対象物Ｗを厚み方向に貫通する１つの貫通孔を加工するために要する時間は、ＣＷレーザを用いた加工の場合の方が、パルスレーザを用いた加工よりも長くなる。
【００６７】
貫通孔の形成途中においてレーザが照射される穴の底部は、加工対象物Ｗが除去された部分の直下であるため、加工閾値に近く、温度がほぼ融点であり、レーザの出力に関係なく温度は３５００℃程度となる。ＣＷレーザを用いる場合、貫通孔の形成途中において穴の底部が存在している時間は加工時間Ｔｗｃに近似される。パルスレーザ（ｗ）を用いる場合、貫通孔の形成途中において穴の底部が存在している時間は加工時間Ｔｐに近似される。
【００６８】
そして、パルスレーザ（ｗ）を用いる場合は、ＣＷレーザを用いる場合よりも貫通孔の形成途中において穴の底部が存在している時間が短い分だけ、穴の底部から穴の周囲への伝熱を抑制して、穴の周囲の樹脂Ｗｂへの熱影響を低減できる。
【００６９】
特に、ＣＷレーザを用いて１つの貫通孔を加工するために要する加工時間Ｔｗｃは、Ｔｗｃ＝１／ｆ＝｛ｄ（１−ｒｏ）｝／ｖとなる。このことより、加工時間Ｔｗｃは、走査速度ｖが低速であるほど長くなるため、レーザ出力が小さくても走査速度ｖが低速であるほど加工品質が悪くなる。
【００７０】
一方、パルスレーザを用いる本実施の形態１にかかるレーザ加工方法では、１つの貫通孔を加工するために要する加工時間Ｔｐは、走査速度ｖに依存しないため、走査速度ｖが低速であっても良好な切断品質が得られる。
【００７１】
つぎに、上述したようにパルスレーザを用いる本実施の形態１にかかるレーザ加工方法におけるパルス幅について説明する。上述したように、本実施の形態１にかかるレーザ加工方法において、貫通孔の形成途中において穴の底部が存在している時間は加工時間Ｔｐに近似される。このため、本実施の形態１にかかるレーザ加工方法におけるパルスレーザ光１のパルスレーザのパルス幅は、短いほど好ましい。そして、後述する具体的実施例に示すように、パルスレーザ光１のパルス幅が１ｍｓ以上になると、熱影響層５３が大きくなる。このため、パルスレーザ光１のパルス幅は、１ｍｓ未満であることが好ましい。
【００７２】
一方、パルスレーザ光１のピーク出力が１５０Ｋｗを超えると、エアーブレイクダウンと言われる、大気がプラズマ化する現象が発生する。プラズマ化した大気は、パルスレーザ光１を吸収、散乱するため切断品質が悪化する。後述するように、厚み１ｍｍのＰＡＮ（Polyacrylonitrile）系炭素繊維含有率７０％のＣＦＲＰからなる加工対象物に、パルスレーザ光１の１パルスで貫通孔を形成するために最低必要なパルスエネルギーは、０．１５Ｊであった。パルス幅を計算すると、０．１５／１５００００＝１ｅ−６［ｓ］＝１［μｓ］となる。したがって、パルス幅は短いほど好ましいが、パルスレーザ光１のパルス幅の下限を１μｓとすることで、切断品質を悪化させることなく切断が可能である。
【００７３】
なお、パルスレーザ光のパルス幅をナノ秒より小さいピコ秒レベルにすることで、高い加工品質で繊維強化複合材料を切断できることが知られている。しかしながら、この場合は、レーザ発振器の出力が１０Ｗ程度と低いため、加工時間が非常に長くなる。
【００７４】
上述したように、本実施の形態１にかかるレーザ加工方法では、オーバーラップ比率ｒｏを０．５未満と小さくしているため、加工対象物Ｗの切断方向に沿って形成される複数の加工孔４１は、隣の加工孔４１との境界部分の開口が小さい。また、加工孔４１の形成途中の穴が貫通するまでは、穴の底部は塞がっている。このため、加工孔４１の形成途中の穴が貫通するまでは、パルスレーザ光１の光軸１ａの軸方向において、パルスレーザ光１の照射側、すなわち加工ヘッド１３側上向きにしか、切断加工の際に発生する分解生成物３０の穴からの出口がない。したがって、分解生成物３０は、穴の内部からパルスレーザ光１の照射側に向かって激しく吹き上がる。
【００７５】
特に、炭素繊維の加工閾値は、図４に示すようにガラス繊維と比較して高く、大きなパルスエネルギーのパルスレーザで加工する必要があるため、穴からの分解生成物３０の噴出は非常に激しい。
【００７６】
また、切断加工時における加工対象物への熱影響を少なくするために、近年の高ピークパワーを発生するレーザ発振器を用いて、パルス幅を１ｍｓ未満と短くする場合は、分解生成物は貫通孔の形成途中の穴から激しく噴出する。発明者等の実験では、高ピークパワーを発生するレーザ発振器を用いてパルス幅を１ｍｓ未満と短くして加工対象物Ｗの切断加工を行う場合に、貫通孔の形成途中の穴からの分解生成物３０の噴出速度は１００ｍ／ｓにも達するとの知見を得ている。ピークパワーは、パルスエネルギー（Ｊ）＝パルス幅（ｓ）×ピークパワー（Ｗ）で定義される。
【００７７】
また、上述した式（４）から分かるように、切断加工時の樹脂Ｗｂへの熱影響を小さくするためには、貫通孔の形成途中の穴の底部５２の穴径ｄ１は小さい方が好ましい。これは、本実施の形態１にかかる加工対象物Ｗのレーザ加工方法による切断においても同様であり、パルスレーザ光１の照射時における樹脂Ｗｂへの熱影響を小さくするためには、パルスレーザ光１により形成される貫通孔の孔径は小さい方が好ましい。一方で、貫通孔の孔径を小さくすると、貫通孔の形成途中の穴の穴径も小さくなり、穴のアスペクト比が大きくなるため、穴からの分解生成物３０の噴出速度が早くなる。
【００７８】
そして、分解生成物３０は、パルスレーザ光１の光軸１ａの軸方向に噴出される。このため、分解生成物３０を放置した状態で切断加工を行うと、分解生成物３０がパルスレーザ光１を吸収したり、分解生成物３０がパルスレーザ光１を散乱させたりするため、加工品質および加工速度を悪化させる。
【００７９】
そこで、レーザ加工装置１００においては、サイドフローノズルであるノズル１５を使用することにより、上述した問題を解消している。図１５および図１６は、図１に示すレーザ加工装置１００の効果の説明図である。図１５は、図２に示すレーザ加工装置１００と同様に、光軸１ａの外から光軸１ａに向けてガス２３を噴射するサイドフローノズルであるノズル１５を使用した例を示す図である。図１６は、板金の切断加工において一般的に使用される比較例であり、光軸１ａに沿った方向から加工点に向けてガス２３を噴射する軸流ノズル６１を使用した例を示す図である。
【００８０】
軸流ノズル６１を用いた場合には、ガス２３の軸流の進行方向の先にある穴の底は塞がっているため、ガス２３の流速は低下する。また、ガス２３の噴出方向と穴の深さ方向とが一致しているため、分解生成物３０は軸流ノズル６１内に入りやすい。軸流ノズル６１の先端の細い部分以外はガス２３の流路の断面積が大きく、ガス２３の流速が低いため、軸流ノズル６１に入った分解生成物は、ノズル内、つまり光軸上に滞留し、レーザ光を吸収したり、レーザ光の集光性を悪化させたりする。
【００８１】
これに対して、サイドフローノズルでは、光軸１ａの外から加工点の光軸１ａに向けてガス２３を噴射するため、分解生成物３０の吹き飛ばされる方向は穴の深さ方向と異なる方向となる。サイドフローノズルは、光軸１ａと同じ方向である分解生成物３０の噴出方向に対して、直交する速度成分を持たせているため、分解生成物３０の噴出方向を光軸１ａの軸方向以外に変えることができ、効率的に光軸１ａ上における分解生成物３０の滞留を防止することができ、光軸１ａ上に滞留する分解生成物３０に起因した加工対象物Ｗの加工速度の低下を防止できる。
【００８２】
また、光軸１ａと直交する方向には、ガス２３の流れを遮る物がないため、ガス２３の流速の低下がなく、分解生成物３０の噴出方向を効率良く光軸１ａの軸方向以外の方向に変えることができる。
【００８３】
この結果、レーザ加工装置１００は、切断後の加工対象物Ｗの機械的強度特性の劣化を防止するとともに効率的な加工対象物Ｗの切断加工が可能であり、加工対象物Ｗの高品質および効率的に短時間でレーザ切断が可能となる。
【００８４】
本実施の形態１にかかるレーザ加工装置１００における加工対象物Ｗの切断加工では一般的なレーザ切断加工とは異なり、分解生成物３０の噴出方向が光軸１ａと一致し、通孔の形成途中の穴である止まり穴がガス２３の流れの障害になることに着目することにより、上記のサイドフローノズルを使用している。
【００８５】
ガス２３の種類は、分解生成物３０の除去が目的であるため、特に限定されず、窒素、ヘリウムまたは酸素等のガスが使用可能である。ガス２３の吹きつけガスの圧力は、０．１ＭＰａ以上が好ましい。ガス２３の吹きつけガスの圧力は、０．１ＭＰａ以下の場合には、分解生成物３０の除去効果が不足し、加工品質が悪化するおそれがある。
【００８６】
また、パルスレーザ光１の集光ビームのプロファイルが円形の場合は、切断方向における１パルスのパルスレーザ光１で加工される加工孔の加工孔径ｄは、レーザ切断加工のカーフ幅Ｃ、すなわちレーザ切断加工の切断溝幅と同じになる。すなわち、加工孔径ｄをパルスレーザ光の集光径ｄと読み替えると、集光径ｄはレーザ切断加工におけるレーザ切断溝幅と同じとなり、上述した式（３）において、加工孔径ｄをカーフ幅Ｃで読み替えることができる。すなわち、パルスレーザ光１が円形ビームの場合は、カーフ幅Ｃをパルスレーザ光１の集光ビーム径と見なせる。この場合、集光径ｄを制御することで、レーザ切断加工の切断溝幅を精度よく制御することができる。
【００８７】
次に、レーザ加工装置１００を用いた具体的な切断加工例について説明する。厚み１ｍｍのＰＡＮ系炭素繊維含有率７０％のＣＦＲＰを加工対象物に用いて、１パルスで貫通するために必要なパルスエネルギーを調べたところ、少なくとも、０．１５Ｊという大きなパルスエネルギーが必要であった。
【００８８】
パルスレーザ光１には、ＣＯ２レーザ光を用いた。パルスレーザ光１の集光径、すなわち１パルスのパルスレーザ光１で加工される加工孔の加工孔径ｄは、２００μｍである。パルスレーザ光１のパルス幅は、１ｍｓを超えると、切断品質が悪化することが発明者の実験により確認された。このため、パルスレーザ光１のパルス幅は、１ｍｓ未満であることが好ましい。
【００８９】
図１７は、レーザ加工装置１００を用いた切断加工において加工対象物の良好な加工品質が得られた切断加工条件例を示す図である。図１８は、レーザ加工装置１００を用いた切断加工において切断された加工サンプルの画像を示す図である。図１８は、厚み１ｍｍの加工対象物に対して、加工速度６ｍ／ｍｉｎで、１回のパルスレーザ光１の走査で切断加工したサンプルを示している。図１９は、図１８に示す加工サンプルの領域Ａを拡大した画像を示す図である。
【００９０】
図１７に示すように、切断加工は、板厚が１ｍｍの加工サンプルと板厚が２ｍｍのサンプルの２種類の加工サンプルついて実施した。この結果、板厚が１ｍｍの加工サンプルについては、オーバーラップ比率ｒｏが２３％で熱影響層の長さｈは、０．１ｍｍの小さい値となった。板厚が２ｍｍの加工サンプルについては、オーバーラップ比率ｒｏが２９％で熱影響層の長さｈは、０．１５ｍｍ以下の小さい値となった。なお、図１７においては、オーバーラップ比率ｒｏを百分率で表示している。また、加工速度０．２ｍ／ｍｉｎの低速条件で切断加工を行った場合でも、パルスレーザ光１の周波数を低くすることで、熱影響層の長さｈは０．１５ｍｍ以下の小さい値となり、良好な加工が可能であることが分かった。
【００９１】
３次元ロボットを用いて加工対象物の切断加工を行うことを想定する場合、加減速時および切断経路のコーナ部では、低速での加工条件が必要となる。ＣＦＲＰは、レーザ出力を小さくしても、低速で加工すると、熱影響が非常に大きくなることが知られている。
【００９２】
これに対して、本実施の形態１にかかるレーザ加工方法では、加工速度に対応してパルス周波数を変えてＣＦＲＰの切断加工を行うことで、ＣＦＲＰの樹脂への熱影響の少ない、高品質な加工が実現できることが上記の実験結果において示されている。
【００９３】
本実施の形態１にかかるレーザ加工方法は、複数の強化繊維が単層で単一方向に沿って混入された繊維強化複合材料、複数の強化繊維が複数の層において異なる方向に沿って混入された繊維強化複合材料、また、短い強化繊維が単層または複数の層にランダムに混入されている繊維強化樹脂などの各種の繊維強化複合材料の加工に適用可能である。この場合も、本実施の形態１にかかるレーザ加工方法の効果が得られる。
【００９４】
また、本実施の形態１では、強化繊維を炭素としたが、強化繊維はＳｉＣまたはＢ等でもよく、また、母材も、ポリアミド樹脂およびポリカーボネート樹脂に代表される熱可塑型樹脂でもよい。
【００９５】
また、本実施の形態１にかかるレーザ加工方法は、強化繊維複合材料の切断、穴あけおよびトリミングといった加工に適用することで、機械加工およびウォータージェット加工よりも短時間で効率良く加工を行うことが可能になる。
【００９６】
上述したように、本実施の形態１にかかるレーザ加工装置およびレーザ加工方法によれば、１パルスのパルスレーザ光１で加工対象物Ｗを厚み方向に貫通させるため、貫通孔の形成途中の穴の底部が高温のままの状態とされることに起因した熱影響層５３の発生を防止できる。
【００９７】
また、本実施の形態１にかかるレーザ加工装置およびレーザ加工方法によれば、光軸１ａ外から加工点に向けてガス２３を吹き付けながら加工を行うため、分解生成物３０を光軸１ａの外に除去することができ、光軸１ａ上に滞留する分解生成物３０に起因した加工対象物Ｗの加工速度の低下を防止できる。
【００９８】
また、本実施の形態１にかかるレーザ加工装置およびレーザ加工方法によれば、１ｍｓ未満の短いパルス幅のパルスレーザ光１で加工を行うため、形成される貫通孔の周囲への熱影響が小さい、高品質な強化繊維複合材料の切断加工が可能となる。
【００９９】
したがって、本実施の形態１によれば、繊維強化複合材料の樹脂への熱影響を抑制して繊維強化複合材料をレーザ加工することができ、レーザ加工における繊維強化複合材料の加工速度および加工品質を向上可能である、という効果を奏する。
【０１００】
実施の形態２．
上述した実施の形態１では、パルスレーザ光１を１回走査することで切断長Ｌを切断加工する例を示したが、パルスレーザ光１を２回走査することで切断長Ｌを切断加工してもよい。図２０は、図１に示すレーザ加工装置１００においてパルスレーザ光１を２回走査して切断長Ｌを切断加工するレーザ加工方法を示す図であり、１回目のパルスレーザ光１の走査状態を示す図である。図２１は、図１に示すレーザ加工装置１００においてパルスレーザ光１を２回走査して切断長Ｌを切断加工するレーザ加工方法を示す図であり、２回目のパルスレーザ光１の走査状態を示す図である。
【０１０１】
図１９に示すように、１回目のパルスレーザ光１の走査では、奇数番目の加工孔４１である加工孔４１ａを加工する。つぎに、図２０に示すように、２回目のパルスレーザ光１の走査では、偶数番目の加工孔４１である加工孔４１ｂを加工して切断長Ｌを切断加工する。
【０１０２】
本実施の形態２の場合も、制御部１８は、上記の式（３）の条件を満たすように駆動部１４を制御して、加工ヘッド１３と加工対象物Ｗとの相対位置関係を制御して変化させる。また、制御部１８は、１回目のパルスレーザ光１の走査で、加工孔４１ａを形成する制御を行う。また、制御部１８は、２回目のパルスレーザ光１の走査で、加工孔４１ｂを形成する制御を行う。
【０１０３】
上述した実施の形態２にかかるレーザ加工方法によれば、上述した実施の形態１の場合と同様の効果が得られ、繊維強化複合材料の樹脂への熱影響を抑制して繊維強化複合材料をレーザ加工することができ、レーザ加工における繊維強化複合材料の加工速度および加工品質を向上可能である、という効果を奏する。
【０１０４】
図２２は、図１に示す制御部１８の機能を実現するためのハードウェア構成を示す図である。レーザ加工装置１００の制御部１８の機能は、図２２に示すように、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）２０１、メモリ２０２、記憶装置２０３、表示装置２０４および入力装置２０５を備える制御装置により実現される。制御部１８が実行する機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアは、コンピュータプログラムとして記述されて記憶装置２０３に格納される。ＣＰＵ２０１は、記憶装置２０３に記憶されたソフトウェアまたはファームウェアをメモリ２０２に読み出して実行することにより、制御部１８の機能を実現する。すなわち、コンピュータシステムは、制御部１８の機能がＣＰＵ２０１により実行されるときに、実施の形態１で説明した制御部１８の動作を実施するステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するための記憶装置２０３を備える。また、これらのプログラムは、制御部１８の機能が実現する処理をコンピュータに実行させるものであるともいえる。メモリ２０２は、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）といった揮発性の記憶領域が該当する。記憶装置２０３は、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、フラッシュメモリといった不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスクが該当する。表示装置２０４の具体例は、モニタ、ディスプレイである。入力装置２０５の具体例は、キーボード、マウス、タッチパネルである。
【０１０５】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、実施の形態の遺影対の技術同士を組み合わせることも可能であるし、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【０１０６】
１  パルスレーザ光、１ａ  光軸、２  集光レンズ、１１  レーザ発振器、１２  光路、１３  加工ヘッド、１４  駆動部、１５  ノズル、１６  ノズル移動機構、１７  検知部、１８  制御部、２１  集光レンズ、２２  光学ユニット、２３  ガス、２８  端材、２９  加工品、３０  分解生成物、４１，４１ａ，４１ｂ  加工孔、４２  加工領域、５１  穴、５２  底部、５３  熱影響層、５４  貫通孔、６１  軸流ノズル、１００  レーザ加工装置、２０１  ＣＰＵ、２０２  メモリ、２０３  記憶装置、２０４  表示装置、２０５  入力装置、Ｃ  カーフ幅、ｄ  加工孔径、ｄ１  穴径、ｆ  周波数、Ｌ  切断長、Ｎ  パルス数、ｒｏ  オーバーラップ比率、Ｔｐ，Ｔｗｃ  加工時間、ｖ  走査速度、Ｗ  加工対象物、Ｗａ  炭素繊維、Ｗｂ  樹脂。
【要約】
母材と、熱伝導率および加工閾値がガラス繊維の物性値よりも高い繊維を含んだ繊維強化複合材料からなる加工対象物をレーザ加工する加工方法である。レーザ加工方法は、加工対象物と加工ヘッドとを予め定められた切断方向において相対移動させながら、加工ヘッドからパルスレーザ光（１）を加工対象物に照射して加工対象物を貫通する複数の貫通孔を形成することによって加工対象物を加工する工程を含む。パルスレーザ光（１）は、パルス幅が１ｍｓ未満であり、貫通孔を１パルスで形成可能なエネルギー密度を有する。【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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