JP2003033890A

JP2003033890A - レーザ加工方法

Info

Publication number: JP2003033890A
Application number: JP2001219360A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sugibashi; 敦史杉橋; Naoya Hamada; 直也浜田; Hideyuki Hamamura; 秀行濱村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2003-02-04

Abstract

(57)【要約】【課題】定速移動中あるいは回転中の被加工材表面に
小径、深穴の微小穴加工をスパッタやリムの形成を極め
て低減した状態で行うことができるレーザ穴加工方法を
提供すること。【解決手段】微小穴加工用のレーザ発振器の発振を短
周期で繰り返す複数のＱスイッチレーザパルスが長周期
で繰り返すＱスイッチレーザパルス群とし、該Ｑスイッ
チレーザパルス群を定速で移動中あるいは回転中の該被
加工材表面に照射し、該Ｑスイッチレーザパルス群１単
位により金属体表面に１つの穴加工を行うことよりなる
レーザ加工方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｑスイッチレーザ
発振器にて、移動中の鋼板あるいは、圧延ロールあるい
は薄板連続鋳造用ドラムなどの円筒形状金属体表面に微
小穴加工を行うレーザ加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平５−２０８２８８号公報には、パ
ルスレーザの一定数ショットごとに被加工材を上昇さ
せ、複数のレーザパルスを用いて材料に深穴加工を行う
方法が開示されている。該発明は、被加工材表面の同一
位置にレーザパルスを複数照射して穴加工を行う際に、
焦点位置条件を常に最適位置に保持する事で、深穴加工
の実現を狙ったものである。このため、一つの穴加工中
において、被加工材はレーザ光軸と直交する面内では静
止状態であり、加工終了を待って、被加工材を移動し、
被加工材表面の別の位置の加工を開始する方法を取って
いる。

【０００３】また、特開平８−１５５０６号公報によ
り、レーザ発振器筐体内部に組み込まれたテレスコープ
光学系およびスリットを有し高速回転するチョッパディ
スクによりＱスイッチ化された炭酸ガスレーザ発振器の
レーザ光を回転する圧延ロール表面に集光照射し、該Ｑ
スイッチ炭酸ガスレーザの各Ｑスイッチレーザパルス１
発ごとに圧延ロール上に穴径２５０μｍ、深さ３０μｍ
の１つのダル加工を行う方法が開示されている。また、
特公平７−９６１４７号公報ではパルスレーザを用い
て、連鋳用の双ドラム表面に５０μｍ深さ、５００μｍ
径の微小ディンプル穴を加工する発明が開示されてい
る。これら２つの従来発明の加工方法は、いずれも定速
で回転している被加工物表面に単発のレーザパルスで穴
加工を行う方法である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】特開平５−２０８２８
８号公報の発明は、比較的少数の穴加工を行うには適し
ている。しかし、鉄鋼材料の様にラインを流れる大面積
の被加工材、あるいは圧延ロールなどの一定速度で回転
している被加工材の全面に、数１０〜数１００μｍ深さ
の微小穴加工を、数１００μｍピッチで行う場合には、
加工穴数が数１０００万〜数億個になるため、時間が掛
かりすぎる問題がある。

【０００５】また、特開平８−１５５０６号公報および
特公平７−９６１４７号公報の加工方法は、圧延ロール
あるいは薄板連続鋳造用ドラムなどの一定速度で回転し
ている円筒状金属体表面に微小穴加工を行う加工方法に
関する発明であるが、いずれの発明でも１発のレーザパ
ルスで１つの微小穴を形成する加工方法である。

【０００６】１発のレーザパルスにより１つの穴加工を
行う場合、所望の深さの穴加工を実現するためには、大
きなエネルギーを有するレーザパルスにより一度に大き
な体積の除去を行う事が必要となる。金属体表面に所定
の深さ（例えば３０μｍ）以上の深さの穴加工を１発の
レーザパルスで行う場合には、一定値（通常は２０〜５
０mJ）以上のエネルギーのレーザパルスが必要となる。
ところが金属体表面に形成される穴の直径は加工に用い
るレーザパルスエネルギーの増加とともに増加する。こ
のため従来のレーザ穴加工では、深さ３０μｍ以上で直
径１００μｍ程度よりも小さな穴加工を行う事が困難で
ある。

【０００７】また、１つのレーザパルスにより一度に大
きな体積除去を行うため、加工により飛散するスパッタ
が多量に発生し被加工金属体表面に付着する問題や、蒸
発に至らずに発生する溶融物が微小穴外周に付着するリ
ムと呼ばれる溶融固着物の量が大きくなる問題がある。

【０００８】例えば、圧延ロール表面にダル穴加工を行
う場合、ロール磨耗減による穴深さの低減をカバーする
だけの深さ（通常は約３０μｍ程度）のダル穴加工を行
うためには約５０mJ/pのエネルギーが必要であり、直径
１００μｍ以下のダル穴加工をする事が困難であった。
こうした大きなダル穴加工を有した圧延ロールで鋼板の
圧延を行うと、ダル穴に鋼板表面が入り込む事によるダ
ル穴模様の転写が鋼板に発生する問題があり、冷間圧延
の最終段圧延あるいは圧下量の小さな調質圧延などロー
ル表面性状の影響が製品鋼板表面に残留する工程へのダ
ル加工圧延ロールの適用が困難であった。さらに、スパ
ッタおよびリムが圧延ロール表面に多量に付着した状態
で圧延を行うと、鋼板表面の品質を低下させるだけでな
く、圧延ロール表面の摩擦係数が大きくなり過ぎ、圧延
が不安定になる問題がある。このため、レーザダル加工
後にスパッタあるいはリムをブラシなどを用いて除去す
る工程が必要となり、ロール加工時間および加工コスト
の増加となる問題があった。

【０００９】薄板連続鋳造用ドラム表面への穴加工の場
合は、さらに深い５０μｍ以上の微小穴加工を必要とす
るので、加工可能最小穴径の制約およびリム、スパッタ
付着の問題がさらに大きくなる。加工穴径が大きすぎた
り、スパッタによる表面荒れが残存すると、薄板鋳片表
面の割れ欠陥の発生原因となる。

【００１０】また、ＱスイッチＹＡＧレーザの単パルス
で穴加工を行う場合、深穴加工を目的とし、パルスエネ
ルギーの大きな出力を取り出すために、ＹＡＧ結晶への
励起入力を大きくすると、高次モードの発振が主となる
事により、集光性が劣化したビームモードとなり、集光
後には穴加工に必要なエネルギー密度を満足できなくな
り、１０μｍ以上の深穴の加工をする事が困難となる。

【００１１】また、パルスランプ励起によるいわゆるノ
ーマルパルスＹＡＧレーザを使用した場合、パルス点灯
ランプの寿命は約１０００万パルス程度であり、通常サ
イズの幅１０００mm、直径１０００mmのドラムに０．２
５mmピッチでの穴加工を行うと６０００万パルスの照射
が必要であり、加工途中にランプ交換が必要となる問題
がある。

【００１２】従って、本発明は、ライン上を搬送中の鋼
板などの定速移動材表面あるいは、圧延ロールおよび薄
板連続鋳造用ドラムなどの定速回転中の円筒状材表面
に、小径かつ深穴の微小穴加工を、スパッタやリムの形
成を極めて低減した状態で行うためのレーザ穴加工方法
を提供する事を課題とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨とするとこ
ろは、Ｑスイッチレーザ発振器を用いて移動中あるいは
回転中の被加工材表面に微小穴加工を施すレーザ加工方
法において、前記レーザ発振器の発振形態を短周期で繰
り返す複数個のＱスイッチレーザパルスで構成されるＱ
スイッチレーザパルス列をパルス群１単位とし、該パル
ス群を長周期で繰り返す発振形態とし、該パルス群を定
速で移動中あるいは回転中の該被加工材表面に照射し、
前記パルス群１単位により被加工材表面に１つの穴加工
を行うレーザ加工方法、ならびに、上記加工方法におい
て、前記パルス群を構成するＱスイッチレーザパルス列
の各Ｑスイッチレーザパルスの周期内における被加工材
の移動量を、各Ｑスイッチレーザパルス単体で加工され
る加工穴径の３０％以下とすることを特徴とするレーザ
加工方法である。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に使用する複数Ｑ
スイッチレーザパルス列Ｐ₁からＰ_nを１群とするＱス
イッチレーザパルス群Ｐ_tの時間波形の例示図である。
この様なＱスイッチレーザパルス群を得るには、例え
ば、Ｑスイッチ炭酸ガスレーザの場合、特開平６−３２
６３９５号公報に開示されている方法がある。特開平６
−３２６３９５号公報によれば、直流あるいは高周波数
の励起放電をレーザ媒質中に設置した回転チョッパのス
リットの開閉タイミングに同期し、かつ１回の励起放電
の時間中に複数回の回転チョッパのスリットが開閉され
る様に、周期的に行う事で、回転チョッパのスリットの
開閉繰り返し周期で発振する均一なピーク出力を持つＱ
スイッチレーザパルス列からなるレーザパルス群を得る
事ができる。

【００１５】また、音響光学素子を使用したＱスイッチ
ＹＡＧレーザの場合にもＱスイッチ素子へのＲＦ信号と
ゲート信号を積算する事で、図２の様なＱスイッチパル
ス群を容易に得る事ができる。

【００１６】図４は、本発明のＱスイッチレーザパルス
群Ｐ_tを用いて円筒状金属体表面に穴加工を行う加工装
置の構成図である。レーザ発振器１より出射されたレー
ザ光８はベンドミラー２により伝送され、集光光学系３
により集光され、ドライエアーなどの加工アシストガス
と同軸に加工ノズル４より円筒状金属体５表面に照射さ
れる。円筒状金属体５は回転装置６により一定の回転速
度で回転しており、該集光光学系３および加工ノズル４
は円筒状金属体５の軸と平行移動する１軸移動テーブル
７により一定速度で移動する。

【００１７】Ｑスイッチレーザパルス群Ｐ_tに含まれる
各ＱスイッチパルスＰ₁からＰ_n（図１ではｎ＝４）の
発振周波数を１００kHz 、Ｑスイッチレーザパルス群Ｐ
_tの繰り返し周波数を２kHz とする。円筒状金属体の外
径を４５０mm、回転速度を３４rpm とすると、円筒状金
属体の外周速度は８００mm/secとなる。この時に一軸移
動テーブル７の移動速度を０．２８３mm/secとすると、
Ｑスイッチレーザパルス群Ｐ_tに含まれる各Ｑスイッチ
レーザパルスＰ_nは円筒状金属体表面に８μｍピッチで
照射される事になる。

【００１８】８μｍのずれ量は通常の炭酸ガスレーザの
集光スポット径（１００μｍ程度）に対して１０％以下
の十分小さい値であり、ほぼ同一の場所に各Ｑスイッチ
レーザパルスＰ_nが照射される事を意味する。このため
各ＱスイッチレーザパルスＰ _n+1は前のＱスイッチレー
ザパルスＰ_nにより形成された微小穴Ｄ_n（図３中、点
線で表示）の内壁にて反射を繰り返し、効率良く穴底面
に到達し、穴深さを増加させる方向にレーザエネルギー
を消費する事で、重ねて照射される事になり、図３
（ａ）から（ｄ）に示す模式図のように、さらに深い穴
Ｄ_n+1（図中実線）を順次円筒状金属体表面に形成す
る。

【００１９】一方、Ｑスイッチレーザパルス群Ｐ_tの周
波数は２kHz であり、各ＱスイッチパルスＰ_nの周波数
に対し十分遅く、Ｐ₁〜Ｐ_nまでの各Ｑスイッチレーザ
パルスが照射終了した後には、約４６０μsec の間レー
ザ光は照射されない。この間にも円筒状金属体は一定速
度３４rpm で回転しているため、後続のＱスイッチレー
ザパルス群Ｐ_tの先頭ＱスイッチパルスＰ₁は金属体の
４００μｍ離れた場所に照射され、再びＰ₁〜Ｐ_nの複
数Ｑスイッチレーザパルスによる穴加工が行われる。

【００２０】本発明の複数のＱスイッチレーザパルスに
よるレーザパルス群Ｐ_tでの穴加工では、複数のレーザ
パルスにより１つの穴加工を行うため、一度に加工除去
する金属量は従来法による穴加工に対し数分の１でよ
く、そのため各Ｑスイッチレーザパルスのエネルギーも
数分の１で良い。このため、各Ｑスイッチレーザパルス
Ｐ_nによるスパッタおよびリムの発生は非常に少量です
む。

【００２１】またレーザパルス群Ｐ_tでのダル穴加工で
は、前Ｑスイッチレーザパルスにより形成されたダル穴
が後続のＱスイッチレーザパルスを内部に多重反射によ
り導光し、レーザ光の吸収効率を増加させる作用があ
る。このため、レーザパルス群Ｐ_tに含まれる全Ｑスイ
ッチレーザパルスの合計エネルギーと同じエネルギーを
持つ１発の大きなＱスイッチレーザパルスで加工した場
合よりも、より深いダル穴加工を行える。この事は同一
のピッチのダル穴加工を圧延ロール全面に行う場合にト
ータルで必要なレーザエネルギーが少なくなる事を意味
し、その結果ダル加工装置として、より小さな出力の炭
酸ガスレーザ発振器での加工が可能となり、装置コスト
が低くなるメリットがある。

【００２２】図５は１つのレーザパルス群Ｐ_t（Ｐ₁〜
Ｐ_n）内の各Ｑスイッチパルスの周期Ｔ_t（μsec ）の
時間内に、移動速度Ｖ（mm/sec）の一定速度で移動中の
被加工材表面が移動する距離Ｌ（μｍ）と、該レーザパ
ルス群を構成する各Ｑスイッチレーザパルスを単パルス
で被加工材に照射した際に得られる加工穴径Ｄ（μｍ）
との比Ｌ／Ｄを横軸に、パルス群内に含まれるパルス数
を３〜６パルスと変化させた際に得られる加工穴深さを
縦軸にとったグラフである。

【００２３】各ＱスイッチレーザパルスＰ_nのエネルギ
ーは７mJ、焦点距離５０mmの集光レンズを用いて集光
し、被加工材としては圧延ロールに用いられる５％クロ
ム鋼を使用した。グラフ中の例示マーク▲、●、□、◇
はそれぞれ、単位パルス群に含まれるＱスイッチレーザ
パルス数を示し、▲は３パルス、●は４パルス、□は５
パルス、◇は６パルスにより穴加工を行った結果を示し
ている。

【００２４】図５のグラフによると、Ｌ／Ｄが０．３以
上になると、パルス数を増加しても加工深さの変化が非
常に小さくなっている。Ｌ／Ｄが大きくなるという事
は、レーザパルス群中の各ＱスイッチレーザパルスＰ₁
とＰ₂の照射位置が離れる事を意味している。したがっ
て図５のグラフは、レーザパルス群内の各Ｑスイッチレ
ーザパルスの照射位置がある値以上離れた場合には、後
続のＱスイッチレーザパルスＰ₂のレーザエネルギーの
うち、直前のＱスイッチレーザパルスＰ₁により事前に
加工された微小穴Ｄ₁の内壁に沿って底面に到達し、さ
らに穴深さを増加させる方向に作用するレーザエネルギ
ーの割合が小さくなり、それよりも微小穴Ｄ₁の側壁部
を加工し、各Ｑスイッチパルスによる加工穴が繋がる溝
加工現象が支配的となる事を示している。

【００２５】このため複数のパルス群によって一つの穴
加工を行う場合には、Ｑスイッチレーザパルス群を構成
する各微小レーザパルス間の周期時間内における該被加
工材の移動量が、該微小レーザパルス単発で加工される
加工穴径の３０％以下とする事が好ましく、できれば１
０％以下とする事が理想的である。

【００２６】

【実施例】［実施例１］特開平６−３２６３９５号公報
により開示されているＱスイッチ炭酸ガスレーザを用い
て、周波数１００kHz のＱスイッチレーザパルス４発か
らなるレーザパルス群Ｐ_tが２kHz の周波数で繰り返す
Ｑスイッチレーザパルス群を得た。各Ｑスイッチレーザ
パルスのパルス幅は５μｓ、パルスエネルギーは７mJで
あった。

【００２７】該Ｑスイッチ炭酸ガスレーザ光を図４の構
成の装置により直径４５０mmの圧延ロール上に伝送、ｆ
＝３０mmのＺｎＳｅレンズにて集光して圧延ロール表面
にダル穴加工をおこなった。圧延ロールは毎分３４回転
の速度で回転しており、１軸移動テーブルを０．２８３
mm/secの速度で圧延ロール軸と平行に１２００mmの幅に
わたって移動した。圧延ロール全表面に穴直径８０μ
ｍ、穴深さ４５μｍ、リム高さ１μｍのダル穴が、ロー
ル周方向にピッチ４００μｍ、ロール軸方向にピッチ４
００μｍで加工された。

【００２８】同じ焦点距離３０mmの集光レンズを用い
て、Ｑスイッチレーザパルスエネルギー２８mJ/pの１発
のＱスイッチレーザパルスを用いてダル穴加工を行った
場合、加工されたダル穴形状は、穴直径１２０μｍ、深
さ２５μｍ、リム高さ８μｍであった。本発明のレーザ
パルス群によるダル穴加工により、穴径、リム高さも小
さく、穴深さの深いダル穴加工を行う事ができた。

【００２９】上記で加工した圧延ロールを用いて、冷延
鋼板を圧下率５％で調質圧延を行ったところ、鋼板表面
には全くダル穴の転写は確認できなかった。また、圧延
ロールのすべりの発生によるロール交換を必要とするま
でに、ダル穴加工無しの通常圧延ロールの２．５倍の圧
延が可能であった。

【００３０】［実施例２］特開平６−３２６３９５号公
報により開示されているＱスイッチ炭酸ガスレーザを用
いて、周波数１００kHz のＱスイッチレーザパルス７発
からなるレーザパルス群Ｐ_tが１kHz の周波数で繰り返
すＱスイッチレーザパルス群を得た。各Ｑスイッチレー
ザパルスのパルス幅は５μｓ、パルスエネルギーは１０
mJであった。該Ｑスイッチ炭酸ガスレーザ光を図４の構
成の装置により、直径１０００mm、幅１０００mmの薄板
連続鋳造用ドラムに伝送し、焦点距離３０mmのＺｎＳｅ
レンズによりドラム表面に集光し、穴加工をおこなっ
た。

【００３１】連鋳用ドラムは毎分９．６回転の速度で回
転しており、１軸移動テーブルを２．４mm/minの速度で
連鋳用ドラム軸と平行に１０００mmの幅にわたって移動
した。連鋳用ドラム全表面に短径９０μｍ×長径１００
μｍ、穴深さ１２０μｍ、リム高さ１μｍの微小穴が、
ドラム周方向にピッチ２５０μｍ、ドラム軸方向にピッ
チ２５０μｍで加工された。上記の条件にて加工したド
ラムを用いてステンレス鋼の連続鋳造をおこなったとこ
ろ、表面割れなどの欠陥のない良好な薄板鋳片を製造す
る事ができた。

【００３２】

【発明の効果】本発明による複数Ｑスイッチレーザパル
ス列によるパルス群を１単位として穴加工を行うレーザ
加工方法により、定速移動する被加工材表面に穴加工を
行うことで、従来のレーザ単パルス加工法に対して小
径、深穴でスパッタ、リムの発生の極めて少ない良好な
微小穴加工を行う事ができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）はチョッパディスク上スリットの開閉繰
り返し信号、（ｂ）は周波数変換回路の出力信号、
（ｃ）は遅延パルス発生装置の出力信号、（ｄ）はレー
ザ励起放電電圧波形、（ｅ）はＱスイッチ炭酸ガスレー
ザパルス発振波形である。

【図２】上からそれぞれ、ＱスイッチＹＡＧレーザ発振
波形、ｃ、ｄの合成によるＱｓｗ素子駆動信号、ゲート
回路信号、Ｑｓｗ駆動用ＲＦ出力信号である。

【図３】本発明の複数Ｑスイッチレーザパルスによる被
加工材表面への穴加工工程の模式図である。

【図４】本発明のＱスイッチ炭酸ガスレーザ発振器によ
る圧延ロール加工装置の例示図である。

【図５】本発明のレーザパルス群Ｐ_t内の各Ｑスイッチ
パルスの周期内に被加工材表面が移動する距離と各Ｑス
イッチレーザ単パルスで被加工材に照射した際に得られ
る加工穴径との比を変化させた際に得られる加工穴深さ
の変化の様子を示すグラフである。

【符号の説明】

Ｐ₁、Ｐ_n：本発明のＱスイッチレーザパルス群を構成
する各Ｑスイッチレーザパルス波形Ｐ_t：本発明のＱスイッチレーザパルス群Ｔ_n：Ｑスイッチレーザパルス群Ｐ_tを構成する各Ｑス
イッチレーザパルスＰ_nの周期Ｔ_t：レーザパルス群Ｐ_tの周期１：本発明で使用したＱスイッチレーザ発振器２：ベンドミラー３：加工ノズル４：集光レンズ５：圧延ロール６：ロール回転装置７：１軸移動テーブル８：レーザ光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者濱村秀行千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内Ｆターム(参考） 4E068 AF01 CA03 CE04 DB01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｑスイッチレーザ発振器を用いて移動中
あるいは回転中の被加工材表面に微小穴加工を施すレー
ザ加工方法において、前記レーザ発振器の発振形態を短
周期で繰り返す複数個のＱスイッチレーザパルスで構成
されるＱスイッチレーザパルス列をパルス群１単位と
し、該パルス群を長周期で繰り返す発振形態とし、該パ
ルス群を定速で移動中あるいは回転中の該被加工材表面
に照射し、前記パルス群１単位により被加工材表面に１
つの穴加工を行うことを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】前記パルス群を構成するＱスイッチレー
ザパルス列の各Ｑスイッチレーザパルスの周期内におけ
る被加工材の移動量を、各Ｑスイッチレーザパルス単体
で加工される加工穴径の３０％以下とすることを特徴と
する請求項１に記載したレーザ加工方法。