(57)【要約】【課題】  簡単なレーザ加工により、清浄な加工部表面を得る。【解決手段】  レーザ加工時に部品の保護に用いられるレーザ加工用マスキング剤において、アルカリ金属又はアルカリ土類金属と３価から６価の陽イオンとを含む水溶性の化合物を含む。部品の表面に保護層を形成する保護工程と、前記保護層にレーザを照射して前記部品を加工する加工工程と、前記加工工程後に前記保護層を液体で溶かす除去工程とを備えたレーザ加工部品の製造方法において、前記保護層がアルカリ金属又はアルカリ土類金属と３から６価の陽イオンとを含む水溶性の化合物である。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ加工時に部品の保護に用いられるレーザ加工用マスキング剤において、アルカリ金属又はアルカリ土類金属と３価から６価の陽イオンとを含む水溶性の化合物を含むことを特徴とするレーザ加工用マスキング剤。
【請求項２】
請求項１において、前記水溶性の化合物が酸化物であることを特徴とするレーザ加工用マスキング剤。
【請求項３】
請求項１又は２において、ｐＨが６から９であることを特徴とするレーザ加工用マスキング剤。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかにおいて、前記アルカリ金属がＬｉ、Ｎａ、Ｋのいずれかであることを特徴とするレーザ加工用マスキング剤。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れかにおいて、前記アルカリ土類金属がＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのいずれかであることを特徴とするレーザ加工用マスキング剤。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れかにおいて、前記陽イオンがＡｌ3+、Ｚｒ4+、Ｖ5+、Ｗ6+のいずれかであることを特徴とするレーザ加工用マスキング剤。
【請求項７】
請求項２において、前記アルカリ金属がＬｉ、Ｎａ、Ｋのいずれかであり、前記陽イオンがＶ5+であることを特徴とするレーザ加工用マスキング剤。
【請求項８】
部品の表面に保護層を形成する保護工程と、前記保護層にレーザを照射して前記部品を加工する加工工程と、前記加工工程後に前記保護層を液体で溶かす除去工程とを備えたレーザ加工部品の製造方法において、前記保護層がアルカリ金属又はアルカリ土類金属と３から６価の陽イオンとを含む水溶性の化合物であることを特徴とするレーザ加工部品の製造方法。
【請求項９】
請求項８において、前記除去工程で除去された前記保護層と前記液体との混合物から前記水溶性の化合物を分離する分離工程を備えることを特徴とするレーザ加工部品の製造方法。
【請求項１０】
請求項８又は９において、前記水溶性の化合物が酸化物であることを特徴とするレーザ加工部品の製造方法。
【請求項１１】
請求項８乃至１０の何れかにおいて、前記保護層のｐＨが６から９であることを特徴とするレーザ加工部品の製造方法。
【請求項１２】
請求項８乃至１１の何れかにおいて、前記アルカリ金属がＬｉ、Ｎａ、Ｋのいずれかであることを特徴とするレーザ加工部品の製造方法。
【請求項１３】
請求項８乃至１２の何れかにおいて、前記アルカリ土類金属がＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのいずれかであることを特徴とするレーザ加工部品の製造方法。
【請求項１４】
請求項８乃至１３の何れかにおいて、前記陽イオンがＡｌ3+、Ｚｒ4+、Ｖ5+、Ｗ6+のいずれかであることを特徴とするレーザ加工部品の製造方法。
【請求項１５】
請求項１０において、前記アルカリ金属がＬｉ、Ｎａ、Ｋのいずれかであり、前記陽イオンがＶ5+であることを特徴とするレーザ加工部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工用マスキング剤およびレーザ加工部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、製造工程の高効率化や製造部品の高品質化、高精度化の要請の高まりから、レーザ加工の利用が進んできている。従来は、放電加工が一般的であったが、放電加工は時間がかかる上、加工面がその性質上、放電目と呼ばれる山谷形状になりやすいため、製造部品の精密加工に課題があった。一方で、レーザは指向性と集光性が良いため、微細加工幅あるいは微細加工面積での加工が可能となる。その用途として、例えば、発電用タービン部品やプリント配線基板の層間接続用の孔加工等に利用されている。しかしながら、レーザで加工を行う場合には、加工時に生じるスパッタやドロス等の粉塵が、表面に付着するといった課題があった。
【０００３】
そこで近年、発電用タービン部品の孔加工時の表面への付着を抑制する目的で、対象物の表面にマスキング剤を塗布してレーザ孔加工を行う方法が開示されている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、金属粉末とシリカのペーストから成るマスキング剤を金属表面に塗布して、レーザにより孔加工を行った後、マスキング剤を除去する方法が開示されている。本手法はマスキング剤で表面を保護して、清浄な加工部の表面を得るものである。
【０００５】
また特許文献２では、レーザ加工中に生成した分解物を、照射部分の近傍で吸引除去しながら、加工を行う方法が開示されている。本手法は、スパッタ、ドロスといった分解物が表面に付着する前に、吸引することで、清浄な加工部の表面を得るものである。
【０００６】
また、特許文献３では、紫外線吸収剤を含有した水溶性樹脂をマスキング剤として半導体ウェーハ等の表面に塗布してレーザ加工を行った後、マスキング剤を除去する方法が開示されている。本手法はマスキング剤で表面を保護して、清浄な加工部表面を得るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４９１３２９７号公報
【特許文献２】特開２０１２−１２１０７３号公報
【特許文献３】特開２０１１−２２４６４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の従来の方法、例えば、特許文献１の方法ではマスキング剤がセラミックコーティングであるため、除去するのにブラスト等の処理が必要となる。
【０００９】
また特許文献２の方法では、装置が大掛かりになることや、その装置との干渉が問題になる可能性がある。またレーザ孔加工時にはレーザと同軸でガスを吹き付けることがあるが、その場合には、吸引効果が弱まり、清浄な加工部表面が得られない可能性がある。
【００１０】
また、特許文献３では、マスキング剤が樹脂のため、耐熱性が低く、レーザ加工時に溶解し、基材表面のドロスを抑制できず、清浄な加工表面が得られない可能性がある。
【００１１】
そこで本発明は、簡単なレーザ加工により、清浄な加工部表面を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、例えば特許請求の範囲に記載された構成を採用する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、簡単なレーザ加工により、清浄な加工部表面を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】アルカリ、アルカリ土類金属と３から６価の陽イオンを含む水溶性の化合物の示差熱分析で得られるＤＴＡ曲線である。
【図２】熱遮蔽膜付きＮｉ基合金の孔加工の工程図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。なお、本発明はここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
【００１６】
本実施形態では、レーザを用いて部品の表面加工をする際、部品の表面にアルカリ、アルカリ土類金属と３から６価の陽イオンを含む水溶性の化合物の保護層を設け、その上からレーザ加工する。レーザ加工後、液体洗浄することで保護層を除去するものである。液体は水や、水を主溶媒とする水溶液である。
【００１７】
上記の水溶性の化合物を溶媒に溶かしてマスキング溶液とし、マスキング溶液を部品表面に均一塗布し、それを所定の温度で乾燥し溶媒除去することで保護層を形成することが可能となる。保護層がレーザ加工時のドロスを抑制し、スパッタの除去効果を向上させる。
【００１８】
前記化合物をマスキング溶液とする際の溶媒は、水溶性のため水が好適だが、部品表面の親水性の程度から、その親和性により均一塗布の可否が決まるため、水と有機溶媒の混合溶媒も有効である。混合する有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、シクロヘキサン、アセトン、トルエン、ベンゼン、ジクロロベンゼン、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、キシレン、酢酸エチル、酢酸メチル、スチレン、ジメチルホルムアミド、１−ブタノール、２−ブタノール、メチルエチルケトン、Ｎ−メチルピロリドン等を用いることができる。
【００１９】
また、マスキング溶液のｐＨは、部品への腐食性、および安全性を鑑みて、６から９が好ましい。ｐＨが６よりも低い場合、コートする部品が腐食し、清浄表面が得られない可能性がある。また、ｐＨが９よりも高い場合、コート液が人体に触れた場合、皮膚および粘膜を侵される可能性がある。
【００２０】
マスキング溶液を用いて加工部品表面に保護層を形成する際、保護層は液体のままであってもよく、溶媒を除去した固体でも良い。加工部品の性状およびレーザ特性によって適宜選択することができる。
【００２１】
マスキング溶液中の溶媒を除去する方法としては、真空乾燥、大気中に放置、熱風乾燥等、適宜選択することができる。
【００２２】
マスキング溶液中の溶媒を除去する温度は、室温から６００℃以下が好ましい。６００℃以上で溶媒を除去した場合、保護層に用いる前記化合物が融解し、加工部品表面を均一に保護することができなくなる可能性がある。
【００２３】
前記化合物に含まれるアルカリ金属としては、Ｌｉ、Ｋ、Ｎａなどが用いられ、アルカリ土類金属としては、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等が用いられる。アルカリ金属に対してアルカリ土類金属を所望の量加えることで保護層の強度を上げることが可能となり、保護層の割れや剥離が抑制できると考えられる。ただし、アルカリ金属に対するアルカリ土類金属の比率は、２以下が好ましい。２よりも高い場合、難溶性の化合物を形成し、マスキング溶液として部材に均一塗布しにくくなるだけでなく、レーザ加工後の溶液による除去が困難になる可能性がある。
【００２４】
また、前記化合物に含まれる３から６価の陽イオンとしては、Ａｌ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｂ、Ｓｉ、Ｐ、Ｖ、Ｃｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ等が挙げられるが、前記コート液のｐＨや水溶性を鑑みた場合、特にＶが好適である。
【００２５】
またＶを含む前記化合物はレーザ吸収性に優れるため、レーザの吸収率が低いＣｕ（銅）やＡｌ（アルミニウム）等を加工する場合に、表面に塗布することでレーザ吸収率を増加させ、加工効率を改善することができる。またこれらの化合物は容易に水に溶けるため、レーザ加工後、加工時に生成したスパッタやドロス等とともに洗い流すことができる。Ｖを含まない前記化合物であっても、１０μｍ程度の波長のレーザを吸収することができるため、レーザの波長を適宜選択することで、良好な加工品質を得ることができる。
【００２６】
前記化合物からなる保護層は、保護層が形成された加工部品のレーザ加工によって生じた粉塵をその保護層表面で回収し、粉塵の付着した保護層を溶媒で除去することにより清浄な加工表面を得るものである。その際、除去した溶媒を回収し、その溶媒と保護層との混合物に含まれる粉塵および溶媒を除去して、再度、水溶性の化合物を得ることが可能である。保護層に用いる前記化合物の再利用により、保護層形成のコストを大幅に低減することが可能となる。
【００２７】
このような化合物を用いた保護層は、タービン部品以外にも、太陽電池等の多層薄膜上の透明電極に利用される透明導電膜や樹脂膜・金属薄膜をパターン加工するレーザ加工面や、ガラス、プラスチック、金属上にも用いられる。保護層に用いる前記化合物の組成や構造は、Ｘ線光電子分光法や、誘導結合プラズマ発光分光分析や、蛍光Ｘ線分析や、Ｘ線回折分析によって確認することができる。
【実施例】
【００２８】
次に、本発明の実施例を示して具体的に説明するが、本発明の技術的範囲はこれらに限定されるものではない。
【００２９】
前記化合物を用いた保護層の効果は、保護層無しの加工部品をレーザ加工した場合の表面観察結果と、保護層を形成した加工部品をレーザ孔加工し、溶液により保護層を除去した後の加工部位の表面観察の結果とを比較して検証した。なお、よく除去ができた場合には「◎」、比較的除去できた場合には「○」、あまり除去できなかった場合には「△」、除去できなかった場合には「×」と評価した。また、同時に各実施例で作製した前記化合物の溶解性および保護除去の簡便さを目視で評価した。なお、よく溶かし除去ができた場合には「◎」、溶かすことができた場合には「○」、あまり溶けなかった場合には「△」、溶かすことができなかった場合には「×」と評価した。
[実施例１]
【水溶性化合物の作製】
【００３０】
実施例１としては、水溶性化合物を以下の手順で作製し、それを溶媒に溶解してマスキング溶液にした後、レーザ加工部品となる熱遮蔽膜付きのＮｉ基合金に塗布、乾燥し、保護層付き加工部品を形成した。
【００３１】
はじめに、１．８５ｇの炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）と４．５５ｇの五酸化二バナジウム（Ｖ２Ｏ５）を秤量して乳鉢に投入し、均一になるまで混合した。次いで、得られた混合物を、φ５０ｍｍの白金るつぼに入れ替え、焼成炉で熱処理した。なお、この熱処理は、大気雰囲気において、１０℃／分の昇温速度で６５０℃まで昇温させた後、６５０℃で３時間保持する処理とした。そして、熱処理の後、混合物を１００℃まで冷却し、水溶性化合物を得た。図１に代表的な水溶性化合物の示差熱分析（ＤＴＡ）結果を示す。図に示すように前期化合物の融点は約６００℃であり、６００℃までの高い耐熱性を有することがわかる。
【マスキング溶液の作製】
【００３２】
続いて、得られた水溶性化合物２．０ｇを、純水２．０ｇに溶解し、マスキング溶液を作製した。
【保護層付き加工部品の作製】
【００３３】
作製したマスキング溶液１．０ｇをピペットで採取し、これを加工部品である熱遮蔽膜付きのＮｉ基合金に滴下、塗布し、これを真空乾燥することにより、保護層付き加工部品を形成した。
【加工部品のレーザ穴加工】
【００３４】
加工部品のレーザ孔加工の条件は、レーザはファイバレーザ、孔径はφ０．８ｍｍとφ１．４ｍｍとし、孔角度は９０°と４５°とした。また、ガスにはＡｒガスを用い、ガス圧は０．５ＭＰａとした。図２に代表的なＮｉ基合金のレーザ孔加工の工程図を示す。１１はＮｉ基合金、１２は熱遮蔽膜、１３は、水溶性化合物を用いた保護層、２１はレーザ、３１はスパッタやドロスなどの粉塵である。
【保護層の除去】
【００３５】
レーザ孔加工後の保護層の除去は、５００ｍｌ純水の入ったガラスビーカにレーザ加工後の加工部品を浸漬させ、超音波洗浄を３０分することにより実施した。その際、保護層の溶解性を評価した。その後、加工部品を取り出し、スパッタやドロス等の粉塵の除去状態を評価した。
[実施例２]
実施例２は、水溶性化合物のマスキング溶液を作製する際、Ｎ−メチルピロリドンを３．０ｇ加えたこと以外は実施例１と同様の手順で実施した。
[実施例３]
実施例３は、水溶性化合物を作製する際、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）の代わりに炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）を２．６５ｇ加えたこと以外は実施例１と同様の手順で実施した。
[実施例４]
実施例４は、水溶性化合物を作製する際、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）を１．４８ｇと炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ３）を０．４２ｇを加えたこと以外は実施例１と同様の手順で実施した。
[実施例５]
実施例５は、水溶性化合物を作製する際、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）を０．６９ｇと炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ３）を１．６８ｇを加えたこと以外は実施例１と同様の手順で実施した。
[実施例６]
実施例６は、水溶性化合物を作製する際、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）を１．４８ｇと炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）を０．５０ｇを加えたこと以外は実施例１と同様の手順で実施した。
[実施例７]
実施例７は、水溶性化合物を作製する際、炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）を０．６９ｇと炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）を２．００ｇを加えたこと以外は実施例１と同様の手順で実施した。
[実施例８]
実施例８は、水溶性化合物を作製する際、五酸化二バナジウムの代わりに酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を２．５３ｇ加えたこと以外は実施例１と同様の手順で実施した。
[実施例９]
実施例９は、水溶性化合物を作製する際、五酸化二バナジウムの代わりに酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を３．１０ｇ加えたこと以外は実施例１と同様の手順で実施した。
[実施例１０]
実施例１０は、水溶性化合物を作製する際、五酸化二バナジウムの代わりに酸化タングステン（ＷＯ３）を５．８０ｇ加えたこと以外は実施例１と同様の手順で実施した。
[比較例１]
比較例１は、加工部品に保護層を付けなかったことを除いて実施例１と同様の手順で実施した。
【００３６】
次に、レーザ孔加工した実施例１から１０、および比較例１の粉塵除去効果および保護層除去の評価結果を表１に示す。
【００３７】
【表１】
2016101595.tif 000003
*1：（  ）内はＬｉに対するモル比  *2：（  ）内は価数
実施例１から４、６および８から１０では、比較例１と比べて粉塵除去効果が非常に高いことがわかり、またレーザ加工後の水洗による保護層除去も容易に実施できることがわかる。これらの結果から、コート液の溶媒に有機溶媒を加えても保護層の効果が落ちないこと、およびアルカリ金属をＬｉからＮａに変えても保護層の効果が十分に得られていることがわかる。このことから、例えば、ＫはＬｉやＮａと性質が類似していることから、ＬｉをＫに変えても同様の効果が得られると考えられる。さらに、アルカリ土類金属を加えた実施例４および６の結果から、アルカリ土類金属を入れても保護層の効果が十分に得られることがわかる。このことから、例えば、アルカリ土類金属として、ＳｒやＢａを加えても同様の効果が得られると考えられる。
【００３８】
ただし、実施例５および７の結果から、アルカリ土類金属の添加量を増加させるとマスキング溶液が懸濁し、保護層が均一に形成し難くなることで粉塵の除去効果が少し低下するとともに、水洗による保護層の除去がし難くなるが、保護層を付けない比較例１と比べると明らかに保護層の効果が認められた。
【００３９】
また、実施例８から１０の結果から、陽イオンの価数が３、４、６の化合物においても粉塵除去、および保護層の除去が比較例に比べ、効果的に実施できることが明らかとなった。このことから、他の３から６価の陽イオン、例えば、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｙ、Ｍｏ、Ｔａなどを用いた場合でも同様の効果が期待できる。
【００４０】
これらの結果から、レーザ加工部品の表面に保護層を形成する保護工程と、保護層にレーザを照射して部品を加工する加工工程とを備えたレーザ加工部品の製造方法において、保護層にアルカリ、アルカリ土類金属と３から６価の陽イオンを含む水溶性の化合物を用いることで簡単なレーザ加工により、清浄な加工部表面を得ることが可能となる。
【符号の説明】
【００４１】
１１  Ｎｉ基合金
１２  熱遮蔽膜
１３  水溶性化合物を用いた保護層
２１  レーザ
３１  レーザ加工時の粉塵
【図１】
2016101595.tif 000004
【図２】
2016101595.tif 000005