(57)【要約】【課題】十分な加工速度をもって、狙いの加工深さで被加工物を加工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】加工深さの狙い値が閾値未満である場合には、式（１）を満たすようにレーザ光Ｌのフルエンスを調整し、閾値以上である場合には、式（２）を満たすようにレーザ光Ｌのフルエンスを調整し、かつ式（３）を満たすようにレーザ光Ｌのスポット半径を調整する。式（１）は、フルエンス＝係数Ａ×加工深さ、式（２）は、フルエンス＝係数Ｂ×（加工深さ）３＋係数Ｃ×（加工深さ）２＋係数Ｄ×加工深さ＋係数Ｅ、式（３）は、レーザ光のスポット半径＝加工深さ、である。係数Ａ〜Ｅは、０．１９＜Ａ＜０．２３、８×１０−３＜Ｂ＜２×１０−２、−６．５×１０−２＜Ｃ＜−４．５×１０−２、０．３＜Ｄ＜０．４、−０．２５＜Ｅ＜−０．０９を満たす。【選択図】図１
2017189815.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物の表面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、
前記被加工物の表面に照射される前記レーザ光の照射条件を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記被加工物の材質によって予め定められた加工深さに関する閾値を保有し、
加工深さの狙い値が前記閾値未満である場合には、下記式（１）を満たすように前記レーザ光のフルエンスを調整し、
加工深さの狙い値が前記閾値以上である場合には、下記式（２）を満たすように前記レーザ光のフルエンスを調整し、
かつ下記式（３）を満たすように前記被加工物の表面における前記レーザ光のスポット半径を調整する、レーザ加工装置。
フルエンス＝係数Ａ×加工深さ    …（１）
フルエンス＝係数Ｂ×（加工深さ）３＋係数Ｃ×（加工深さ）２＋係数Ｄ×加工深さ＋係数Ｅ    …（２）
レーザ光のスポット半径＝加工深さ    …（３）
（上記式（１）（２）において、係数Ａ〜Ｅは、０．１９＜Ａ＜０．２３、８×１０−３＜Ｂ＜２×１０−２、−６．５×１０−２＜Ｃ＜−４．５×１０−２、０．３＜Ｄ＜０．４、−０．２５＜Ｅ＜−０．０９をそれぞれ満たす。）
【請求項２】
被加工物の表面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、
前記被加工物の材質によって予め定められた加工深さに関する閾値を用い、
加工深さの狙い値が前記閾値未満である場合には、下記式（１）を満たすように前記レーザ光のフルエンスを調整し、
加工深さの狙い値が前記閾値以上である場合には、下記式（２）を満たすように前記レーザ光のフルエンスを調整し、
かつ下記式（３）を満たすように前記被加工物の表面における前記レーザ光のスポット半径を調整する、レーザ加工方法。
フルエンス＝係数Ａ×加工深さ    …（１）
フルエンス＝係数Ｂ×（加工深さ）３＋係数Ｃ×（加工深さ）２＋係数Ｄ×加工深さ＋係数Ｅ    …（２）
レーザ光のスポット半径＝加工深さ    …（３）
（上記式（１）（２）において、係数Ａ〜Ｅは、０．１９＜Ａ＜０．２３、８×１０−３＜Ｂ＜２×１０−２、−６．５×１０−２＜Ｃ＜−４．５×１０−２、０．３＜Ｄ＜０．４、−０．２５＜Ｅ＜−０．０９をそれぞれ満たす。）
【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】
従来のレーザ加工方法では、極小のスポット径を有するレーザ光を被加工物の表面上で走査している。このため、加工に時間を要するほか、加工深さについても被加工物の表面付近しか加工ができないという問題があり、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】
加工深さを大きくしようとする場合、レーザ光のフルエンス（単位面積当たりのエネルギー量）を高めることが考えられる。フルエンスを高めるには、被加工物の表面におけるレーザ光のスポット径を小さくするか、レーザ光の出力を大きくすることが必要となる。しかしながら、発明者らの研究によれば、フルエンスに対して加工深さが線形に増加する関係にはなく、単にレーザ光のフルエンスを高めるだけでは加工深さを大きくすることが困難であることが分かった。また、レーザ光のスポット径を過剰に小さくしてしまうと、上述したように、加工に要する時間が増大してしまうおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、十分な加工速度をもって、狙いの加工深さで被加工物を加工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】
【０００７】
本発明の一側面に係るレーザ加工装置は、被加工物の表面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、被加工物の表面に照射されるレーザ光の照射条件を制御する制御部と、を備え、制御部は、被加工物の材質によって予め定められた加工深さに関する閾値を保有し、加工深さの狙い値が閾値未満である場合には、下記式（１）を満たすようにレーザ光のフルエンスを調整し、加工深さの狙い値が閾値以上である場合には、下記式（２）を満たすようにレーザ光のフルエンスを調整し、かつ下記式（３）を満たすように被加工物の表面におけるレーザ光のスポット半径を調整する。
【０００８】
ここで、式（１）は、フルエンス＝係数Ａ×加工深さ、式（２）は、フルエンス＝係数Ｂ×（加工深さ）３＋係数Ｃ×（加工深さ）２＋係数Ｄ×加工深さ＋係数Ｅ、式（３）は、レーザ光のスポット半径＝加工深さ、である。式（１）（２）において、係数Ａ〜Ｅは、０．１９＜Ａ＜０．２３、８×１０−３＜Ｂ＜２×１０−２、−６．５×１０−２＜Ｃ＜−４．５×１０−２、０．３＜Ｄ＜０．４、−０．２５＜Ｅ＜−０．０９をそれぞれ満たす。
【０００９】
このレーザ加工装置では、被加工物の材質によって予め定められた閾値に基づいて、閾値未満の深さの加工を行う場合には、加工深さに対して１次関数で表されるフルエンスでレーザ光を照射し、閾値以上の深さの加工を行う場合には、加工深さに対して３次関数で表されるフルエンスでレーザ光を照射する。これにより、加工深さに応じて被加工物にレーザ光を十分なフルエンスで照射することが可能となる。また、このレーザ加工装置では、被加工物に照射するレーザ光のスポット半径を加工深さの狙い値に一致させる。加工深さの狙い値が大きい場合には、これに伴ってレーザ光のスポット半径が大きくなるため、加工に要する時間が増大することを回避できる。したがって、このレーザ加工装置では、十分な加工速度をもって、狙いの加工深さで被加工物を加工できる。
【００１０】
また、本発明の一側面に係るレーザ加工方法は、被加工物の表面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、被加工物の材質によって予め定められた加工深さに関する閾値を用い、加工深さの狙い値が閾値未満である場合には、下記式（１）を満たすようにレーザ光のフルエンスを調整し、加工深さの狙い値が閾値以上である場合には、下記式（２）を満たすようにレーザ光のフルエンスを調整し、かつ下記式（３）を満たすように被加工物の表面におけるレーザ光のスポット半径を調整する。
【００１１】
ここで、式（１）は、フルエンス＝係数Ａ×加工深さ、式（２）は、フルエンス＝係数Ｂ×（加工深さ）３＋係数Ｃ×（加工深さ）２＋係数Ｄ×加工深さ＋係数Ｅ、式（３）は、レーザ光のスポット半径＝加工深さ、である。式（１）（２）において、係数Ａ〜Ｅは、０．１９＜Ａ＜０．２３、８×１０−３＜Ｂ＜２×１０−２、−６．５×１０−２＜Ｃ＜−４．５×１０−２、０．３＜Ｄ＜０．４、−０．２５＜Ｅ＜−０．０９をそれぞれ満たす。
【００１２】
このレーザ加工方法では、被加工物の材質によって予め定められた閾値に基づいて、閾値未満の深さの加工を行う場合には、加工深さに対して１次関数で表されるフルエンスでレーザ光を照射し、閾値以上の深さの加工を行う場合には、加工深さに対して３次関数で表されるフルエンスでレーザ光を照射する。これにより、加工深さに応じて被加工物にレーザ光を十分なフルエンスで照射することが可能となる。また、このレーザ加工方法では、被加工物に照射するレーザ光のスポット半径を加工深さの狙い値に一致させる。加工深さの狙い値が大きい場合には、これに伴ってレーザ光のスポット半径が大きくなるため、加工に要する時間が増大することを回避できる。したがって、このレーザ加工方法では、十分な加工速度をもって、狙いの加工深さで被加工物を加工できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、十分な加工速度をもって、狙いの加工深さで被加工物を加工できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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】加工深さとレーザ光のフルエンスとの関係を示す図である。
【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】従来技術で開示されている加工深さとレーザ光のフルエンスとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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）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。
【００１７】
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や、原子炉などのプラント構造物を構成す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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。集光レンズ７によるレーザ光Ｌの集光径は、１００μｍ以上であることが好ましい。
【００２０】
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。
【００２１】
コントローラ４は、被加工物Ｐの表面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。
【００２２】
コントローラ４は、被加工物Ｐの材質によって予め定められた閾値を保有している。この閾値は、被加工物Ｐの加工深さに関する閾値である。加工深さは、レーザ光Ｌによって被加工物Ｐの表面から深さ方向に形成される残留応力深さである。レーザ光Ｌの走査方向について残留応力深さが分布を持つ場合には、残留応力深さのピーク値が加工深さとなる。
【００２３】
コントローラ４は、レーザ光Ｌの照射条件に関し、被加工物Ｐに照射されるレーザ光Ｌのフルエンス（単位面積当たりのエネルギー量）と、被加工物Ｐの表面でのレーザ光Ｌのスポット半径とを制御する。より具体的には、コントローラ４は、レーザ光Ｌのフルエンスに関して、以下の式（１）及び式（２）を保有している。
【００２４】
フルエンス＝係数Ａ×加工深さ    …（１）
【００２５】
フルエンス＝係数Ｂ×（加工深さ）３＋係数Ｃ×（加工深さ）２＋係数Ｄ×加工深さ＋係数Ｅ    …（２）
【００２６】
（上記式（１）（２）において、係数Ａ〜Ｅは、０．１９＜Ａ＜０．２３、８×１０−３＜Ｂ＜２×１０−２、−６．５×１０−２＜Ｃ＜−４．５×１０−２、０．３＜Ｄ＜０．４、−０．２５＜Ｅ＜−０．０９をそれぞれ満たす。）
【００２７】
コントローラ４は、入力装置によって入力された加工深さの狙い値が閾値未満であるときは、式（１）を適用し、式（１）を満たすようにレーザ光Ｌのフルエンスを調整する。また、コントローラ４は、入力装置によって入力された加工深さの狙い値が閾値以上であるときは、式（２）を適用し、式（２）を満たすようにレーザ光Ｌのフルエンスを調整する。被加工物Ｐの材質がアルミニウムである場合には、閾値は２ｍｍとなる。また、被加工物Ｐの材質が鉄である場合には、閾値は１．２４ｍｍとなる。
【００２８】
係数Ａ〜Ｅは、被加工物Ｐの材質によって予め決定される。例えば被加工物Ｐの材質がアルミニウムの場合には、Ａ＝０．２２、Ｂ＝０．００８５、Ｃ＝−０．０４９、Ｄ＝０．３９、Ｅ＝−０．２３となる。また、例えば被加工物Ｐの材質が鉄の場合には、Ａ＝０．２１、Ｂ＝０．０１９８、Ｃ＝−０．６３、Ｄ＝０．３６、Ｅ＝−０．１となる。
【００２９】
図２は、式（１）及び式（２）に基づく加工深さとレーザ光のフルエンスとの関係を示す図である。同図に示す例は、被加工物Ｐの材質がアルミニウムである場合の例である。被加工物Ｐの材質がアルミニウムである場合、上述したように、加工深さの閾値は２ｍｍとなっている。したがって、加工深さの狙い値が２ｍｍ未満である場合には、式（１）に基づき、加工深さに対して１次関数で表されるフルエンスでレーザ光Ｌを被加工物Ｐに照射する。また、加工深さの狙い値が２ｍｍ以上である場合には、式（２）に基づき、加工深さに対して３次関数で表されるフルエンスでレーザ光Ｌを被加工物Ｐに照射する。
【００３０】
また、コントローラ４は、レーザ光Ｌのスポット半径に関して、以下の式（３）を保有している。
【００３１】
レーザ光のスポット半径＝加工深さ    …（３）
【００３２】
レーザ光Ｌのスポット半径は、被加工物Ｐの表面におけるレーザ光Ｌのビーム半径である。レーザ光Ｌがガウシアンビームであると仮定した場合、レーザ光Ｌのビーム半径は、光強度がピーク光強度の１／ｅ２となる円の半径である。レーザ光Ｌのスポット半径は、レーザ光Ｌの集光位置が被加工物Ｐの表面と一致する場合にはレーザ光Ｌの集光径の半径と一致し、レーザ光Ｌの集光位置が被加工物Ｐの表面と一致しない場合には、レーザ光Ｌの集光径の半径よりも大きくなる。上記式（３）は、加工深さの狙い値が大きくなるほど、被加工物Ｐの表面に照射されるレーザ光Ｌの径が大きくなることを意味している。
【００３３】
なお、被加工物Ｐの材質が鉄である場合の加工深さをＬＦｅとし、被加工物Ｐの材質がアルミニウムである場合の加工深さをＬＡｌとすると、同一のスポット半径及びフルエンスのレーザ光Ｌを用いた場合に、下記式（４）の関係が成り立つ。
【００３４】
ＬＦｅ＝０．６２×ＬＡｌ    （４）
【００３５】
図３は、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に被加工物Ｐの材質及び加工深さの狙い値が入力される（ステップＳ０１）。被加工物Ｐの材質の入力により、式（１）及び式（２）における係数Ａ〜Ｅが決定される。また、加工深さの狙い値の入力により、被加工物Ｐの表面におけるレーザ光Ｌのスポット半径が決定される（ステップＳ０２）。
【００３６】
次に、加工深さの狙い値と被加工物Ｐの材質に基づく閾値とに基づいて、式（１）及び式（２）のいずれを適用するかの選択がなされ、選択された式に基づいてレーザ光Ｌのフルエンスが決定される（ステップＳ０３）。スポット半径及びフルエンスが決定された後、コントローラ４の制御により、集光レンズ７が配置されている可動ステージ８がレーザ光Ｌの光軸方向に駆動される。これにより、被加工物Ｐの表面におけるレーザ光Ｌのスポット半径がステップＳ０２で決定されたスポット半径に一致するようにレーザ光Ｌの集光位置が調整される（ステップＳ０４）。
【００３７】
また、レーザ光Ｌの集光位置の調整の後、コントローラ４の制御により、レーザ光ＬのフルエンスがステップＳ０３で決定されたフルエンスに一致するように光源２の出力が制御される（ステップＳ０５）。ステップＳ０５では、被加工物Ｐの表面におけるレーザ光Ｌのスポット半径は、ステップＳ０４で調整された状態に維持される。
【００３８】
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。
【００３９】
以上説明したように、このレーザ加工装置１では、被加工物Ｐの材質によって予め定められた閾値に基づいて、閾値未満の深さの加工を行う場合には、加工深さに対して１次関数で表されるフルエンスでレーザ光Ｌを照射し、閾値以上の深さの加工を行う場合には、加工深さに対して３次関数で表されるフルエンスでレーザ光Ｌを照射する。これにより、加工深さに応じて被加工物Ｐにレーザ光を十分なフルエンスで照射することが可能となる。
【００４０】
また、レーザ加工装置１では、被加工物Ｐに照射するレーザ光Ｌのスポット半径を加工深さの狙い値に一致させる。加工深さの狙い値が大きい場合には、これに伴ってレーザ光Ｌのスポット半径が大きくなるため、加工に要する時間が増大することを回避できる。したがって、このレーザ加工装置１では、十分な加工速度をもって、狙いの加工深さで被加工物Ｐを加工できる。
【００４１】
また、本実施形態では、選択された式に基づいてレーザ光Ｌのフルエンスが決定された後、まず、被加工物Ｐの表面におけるレーザ光Ｌのスポット半径を調整し、このスポット半径を維持したまま光源２の出力を制御してレーザ光Ｌのフルエンスを調整する。このように、先にレーザ光Ｌのスポット半径を確定させることで、レーザ光Ｌのフルエンスの調整を容易に実施できる。
【００４２】
なお、図４は、従来技術で開示されている加工深さとレーザ光のフルエンスとの関係を示す図である。特許文献１（特開昭５８−２０７３２１号）では、フルエンスが０．０７ｋＪ／ｃｍ２のレーザ光を用いて最大で１．２ｍｍ程度の加工深さが得られている（図４における点Ａ）。特許文献２（特許第４２１５９８１号）では、フルエンスが最大０．２ｋＪ／ｃｍ２のレーザ光を用いて約１ｍｍ程度の加工深さが得られている（図４における点Ｂ）。
【００４３】
いずれの従来技術においても、レーザ光による残留応力深さは、被加工物の表面付近に限られている。これに対し、レーザ加工装置１では、加工深さの狙い値に基づいて式（１）又は式（２）を適用し、かつ式（３）に基づいてレーザ光Ｌのスポット半径を加工深さの狙い値に応じて増大させている。このため、十分な加工速度をもって、被加工物Ｐのより深層まで残留応力を付加することが可能となる。
【符号の説明】
【００４４】
１…レーザ加工装置、２…光源、４…コントローラ（光源）、Ｌ…レーザ光、Ｐ…被加工物。
【図１】
2017189815.tif 000003
【図２】
2017189815.tif 000004
【図３】
2017189815.tif 000005
【図４】
2017189815.tif 000006