JP6652349B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

金属材料の表面改質技術として、ショットピーニングやウォータジェットピーニング及びレーザピーニングが一般的に知られている。レーザピーニングは、ハイパワーのパルスレーザを材料表面に照射し、材料表面に生じたアブレーションで発生したプラズマを塗装や水膜等で材料表面に閉じ込めることにより、プラズマ圧力から発生する衝撃波を材料側へ伝達することで金属材料の表面改質を行う技術である。

プラズマを閉じ込めるために水を使用する場合、水中でレーザを照射する方法、材料表面に水を供給して水膜を形成する方法等が使用される。また、プラズマを閉じ込めるために塗料等を使用する場合、事前に塗装等の前処理を行うことで材料表面に発生したプラズマ圧力を閉じ込め、金属材料の表面改質処理を行う。

プラズマ圧力を封じ込めるために水を使用するレーザピーニング法では、鉄鋼系等の水による酸化が起こりやすい材料には適用し難く。施工後に乾燥処理を行う等の処理が必要となる。さらに、水中で施工する場合、適用部材に寸法制約が発生する場合があるとともに、施工不要範囲まで水没させる必要が発生するなどの問題もある。

また、前処理として、レーザを透過し且つ発生したプラズマを封じ込めるためのシートを材料表面にコーティングすることによって、水を使用せずにレーザピーニング効果を得る方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、上記の方法では、レーザ照射により発生したプラズマにより、ピーニング効果が得られる範囲以上でコーティングが剥離することがあり、連続して施工を行うことが困難になる場合がある。さらに、レーザピーニング効果を重畳するために繰返し処理を行いたい場合には、改めて前処理であるコーティングを行う必要がある。

また、レーザ光を透過しプラズマを封じ込めるためのシートを帯状とし、このシートを同心円状に巻いた送り部と、レーザ照射後のシートを巻き取る巻き取り部とによって、シートをワーク表面にスライドさせるとともに、気体を吹き付けてシートをワーク表面に押し付けるレーザピーニング装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。このレーザピーニング装置では、レーザ光を透過しプラズマを封じ込めるためのシートを供給しつつレーザ照射を行うので、前処理の繰返しは不要である。

しかしながら、このレーザピーニング装置では、装置本体が施工対象に倣う必要があり十分広い平面がある場合には適用可能であるが、部品等の先端のみの施工は困難である上、施工面が平面以外の場合は照射密度を一定に保てずピーニング効果を十分に得られない可能性がある。また、シートは、ヘッド内面から供給される気体で施工面に押圧する構成となっているため、シートの施工面に対する押圧が不十分となり、プラズマの閉じ込めが不十分となる可能性がある。

特開２００６−１５９２９０号公報 特開２０１４−１７６８７０号公報

上述したように従来は、レーザピーニングを行う場合、連続施工等の施工方法や施工対象に制約があり、また、プラズマ圧力の閉じ込めが不十分になり所望の処理を行えない場合がある等の問題があった。

本発明は、上記の従来の事情に対処してなされたもので、プラズマ圧力の閉じ込めが不十分になることを抑制することの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。

レーザ加工装置の一態様は、被処理部材に照射するレーザ光を発振するためのレーザ発振器と、前記レーザ光を集光して前記被処理部材に導くボールレンズと、前記ボールレンズにより押圧されて当該ボールレンズと前記被処理部材との間に配される媒体を保持する媒体保持機構と、前記ボールレンズを回転自在に保持する保持機構と、前記媒体保持機構に具備され、前記ボールレンズと前記被処理部材との間に配される前記媒体を供給する媒体供給機構と、前記ボールレンズの回転状態を検出する検出機構と、前記検出機構によって検出された回転状態に基づいて前記媒体供給機構からの前記媒体の供給状態を制御する媒体供給制御機構と、を具備したことを特徴とする。

レーザ加工方法の一態様は、被処理部材にレーザ光を照射して表面処理を行うレーザ加工方法であって、レーザ発振器により前記被処理部材に照射する前記レーザ光を発振する工程と、前記レーザ発振器が発振した前記レーザ光をボールレンズに入射させて集光する工程と、前記ボールレンズと前記被処理部材の間に前記レーザ光を透過する媒体を配する工程と、前記媒体を前記ボールレンズにより押圧して前記被処理部材に当接させる工程と、前記ボールレンズを回転させつつ前記被処理部材へのレーザ光の照射位置を変更する工程と、検出機構によって前記ボールレンズ回転状態を検出する工程と、前記検出機構によって検出された回転状態に基づいて前記媒体の供給状態を制御する工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、プラズマ圧力の閉じ込めが不十分になることを抑制することができる。

第１実施形態のレーザ加工装置の全体概略構成を示す図。 図１のレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。 図１のレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。 第２実施形態のレーザ加工装置の要部概略構成を示す図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、第１実施形態に係るレーザ加工装置１００の全体概略構成を示す図である。

図１に示すように、レーザ加工装置１００は、施工対象２０にレーザ光３０を照射するためのトーチ１を具備する。トーチ１内には、ケーシング３が配設されており、ケーシング３の内部には筐体４が配設されている。筐体４内には、マイクロチップレーザ発振器５と、マイクロチップレーザ発振器５から出射されたレーザ光３０を平行光に成形する光学系６が配設されている。また、筐体４のレーザ光３０の出口部分には、保護ガラス７が配設されている。

筐体４とケーシング３との間には、筐体４の姿勢を制御するためのガイド機構８が配設されている。また、トーチ１のレーザ光３０の出口部分には、レーザ光３０を集光して施工対象２０に導くボールレンズ９が配設されている。このボールレンズ９は、ボールレンズ保持機構１０によって、回転自在に保持されている。一般的に、ボールレンズ９は、短焦点とすることが可能であり、レーザ光３０を近接した位置に集光することができる。ボールレンズ９の材質としては、レーザ光３０を効率良く透過させることができるとともに、傷つき難い材質であることが好ましく、例えば、サファイア等を好適に用いることができる。

レーザ加工装置１００では、レーザ光３０を透過しプラズマを封じ込めるため、ボールレンズ９により押圧されてボールレンズ９と施工対象２０との間に配される媒体として、シリコン等の透明な樹脂等からなり、帯状（テープ状）のシートから構成されたテープ状媒体１１を使用する。そして、レーザ加工装置１００は、テープ状媒体１１を供給し、回収する媒体供給回収機構１２を具備しており、本実施形態ではこの媒体供給回収機構１２が媒体を保持する媒体保持機構となっている。媒体供給回収機構１２は、テープ状媒体１１を巻きつけたリール及びテープ状媒体１１を巻き取るリール及びこれらのリールを回転させるモータ等から構成されている。媒体供給回収機構１２からは、ボールレンズ９と施工対象２０との間にテープ状媒体１１が供給され、レーザ光３０を通過させプラズマの閉じ込めに使用された後のテープ状媒体１１が媒体供給回収機構１２に回収される。

また、図１において、１３はレーザ加工装置１００全体の動作を制御するための制御部であり、１４はマイクロチップレーザ発振器５に光又は電気を供給してレーザ光３０を発振させるためのレーザ制御部である。また、１５は、トーチ１の姿勢（傾き）を検出するための姿勢センサである。

上記構成のレーザ加工装置１００において、マイクロチップレーザ発振器５には、レーザ制御部１４から、レーザ光３０を出射するための励起光若しくは電気が供給され、所定のパルス数でレーザ光３０が繰り返し発振される。マイクロチップレーザ発振器５から出射されたレーザ光３０は、光学系６にて平行光に成形され、保護ガラス７を通過し、ボールレンズ９で集光された後、テープ状媒体１１を透過して施工対象２０に照射される。

この時、ボールレンズ９は、テープ状媒体１１と当接された状態に維持することにより、実質的にテープ状媒体１１がボールレンズ９によって押圧される。こにれよりテープ状媒体１１は施工対象２０の表面に当接され、この状態で施工対象２０にレーザ光３０が照射される。これによって、レーザ光３０の照射によって発生したプラズマが確実にテープ状媒体１１によって閉じ込められ、確実にピーニングを行うことができる。すなわち、プラズマ圧力の閉じ込めが不十分になることを抑制することができる。

トーチ１を移動させる際は、ボールレンズ９をテープ状媒体１１に当接させ押圧した状態のままボールレンズ９を回転させつつ移動させる。ボールレンズ保持機構１０には、ボールレンズ９の回転の状態を検知する回転検知機構が設けられている。そして、この回転検知機構からの検知信号によって、制御部１３は、トーチ１の移動の有無と移動速度とを検出する。トーチ１の移動は、作業員が手動で行っても、ロボット等の駆動機構によって行ってもよい。

媒体供給回収機構１２は、制御部１３によって検出されたトーチ１の移動速度に合わせてテープ状媒体１１の供給、回収速度を自動的に調整する。テープ状媒体１１は、トーチ１内のケーシング３の外側を通ってボールレンズ９と施工対象２０との間に供給され、回収される。

また、トーチ１の移動が停止した場合、進行方向が変化した場合等は、ボールレンズ保持機構１０の回転検知機構によって、ボールレンズ９の回転状態の変化を検知することにより、制御部１３にて検出することができる。制御部１３は、この検出結果に基づいて、マイクロチップレーザ発振器５によるレーザ光３０の発振のオンオフを制御する。さらに、トーチ１の進行状態の変更に合わせて、テープ状媒体１１の未使用面がボールレンズ９と施工対象２０との間に供給されるように、媒体供給回収機構１２によるテープ状媒体１１の供給と回収を制御する。

図２、図３は、トーチ１の先端部分を拡大して示す図である。図２、図３に示すように、本実施形態のレーザ加工装置１００では、平板状の施工対象２０にレーザ光３０を照射してレーザピーニングを行っている際に、例えば、図２に示す状態から図３に示す状態のように、トーチ１が傾いた場合、制御部１３においてその傾きを検知し、ガイド機構８を駆動して筐体４が傾かないようにその姿勢を一定に保持する。なお、トーチ１の傾きは、図１に示したように、トーチ１に配置した姿勢センサ１５からの検出信号に基づいて検知する。このような構成を採用することによって、トーチ１が傾いた場合でも、レーザ光３０の照射間隔が変化することを抑制することができ、設定した密度でレーザ光３０を施工対象２０に照射することができる。

なお、ボールレンズ保持機構１０には、ボールレンズ９を洗浄するための洗浄機構を設けることができる。また、ボールレンズ保持機構１０に光センサを設け、ボールレンズ９を透過する光又はボールレンズ９で乱反射する光等を検出し、ボールレンズ９の劣化の程度を検知することができる。例えば、ボールレンズ９を透過する光を検出して透過度を求め、透過度の低下（すなわち減衰量）が所定値（例えば５％）を超えたか否かによって、劣化によるボールレンズ９の交換時期を検知することができる。なお、ボールレンズ９の材質としてサファイアを用いることでレンズの耐久性が向上し長時間にわたって安定したピーニング施工を行うことが可能となる。

以上のように、本実施形態のレーザ加工装置１００によれば、前処理を必要とせず、連続的に施工を行うことができる。また、マイクロチップレーザ発振器５から発振されたレーザ光３０をボールレンズ９によって集光する構成となっているので、トーチ１を小型化することができ、ボールレンズ９をテープ状媒体１１に当接回転させながら施工できるので、施工の際の自由度を向上させることができ、施工対象についての制約も緩和することができる。

さらに、ボールレンズ９を、テープ状媒体１１に当接した状態に維持することにより、テープ状媒体１１の剥がれ、浮き上がり等を防止することができ、レーザ光３０の照射によって発生したプラズマを確実にテープ状媒体１１によって閉じ込めることができる。すなわち、プラズマ圧力の閉じ込めが不十分になることを抑制することができ、所望のピーニングを行うことができる。なお、本実施形態においてはボールレンズ９を回転自在に保持するボールレンズ保持機構１０と、テープ状媒体１１を供給し回収する媒体供給回収機構１２とを備える構成としているが、テープ状媒体１１がボールレンズ９により押圧されてボールレンズ９と施工対象２０との間に配されるように構成してボールレンズ９をテープ状媒体１１に当接した状態に維持することができればよい。この場合、ホールレンズ保持機構１０についてはボールレンズ９を回転自在に保持する構成としなくてもよく、また媒体保持機構についてはテープ状媒体１１を供給し回収する媒体供給回収機構１２を省略し、単にテープ状媒体１１をボールレンズ９により押圧可能にボールレンズ９と施工対象２０との間に配するように保持する機構とすればよい。

次に、図４を参照して第２実施形態に係るレーザ加工装置１０１について説明する。本実施形態のレーザ加工装置１０１は、ボールレンズ９により押圧されてボールレンズ９と施工対象２０との間に配されてプラズマを閉じ込める媒体としてゲル状媒体１１１を使用する。

図４に示すように、第２実施形態に係るレーザ加工装置１０１では、ボールレンズ９と施工対象２０との間にゲル状媒体１１１を供給するとともに、ボールレンズ９を洗浄する機能を有するゲル供給洗浄ライン１１２ａ、１１２ｂが設けられており、このゲル供給洗浄ライン１１２ａ、１１２ｂが媒体保持機構を構成している。なお、他の構成は、第１実施形態に係るレーザ加工装置１００と同様であるため、対応する部分には、同一の符号を付して重複した説明は、省略する。

レーザ加工装置１０１において、マイクロチップレーザ発振器５から出射されたレーザ光３０は、光学系６にて平行光に成形され、保護ガラス７を通過し、ボールレンズ９で集光された後、ゲル状媒体１１１を透過して施工対象２０に照射される。

この時、ボールレンズ９は、ゲル状媒体１１１と当接された状態に維持することにより、実質的にゲル状媒体１１１がボールレンズ９によって押圧される。これによりゲル状媒体１１１は施工対象２０に当接され、この状態で施工対象２０にレーザ光３０が照射される。これによって、レーザ光３０の照射によって発生したプラズマが確実にゲル状媒体１１１によって閉じ込められ、確実にピーニングを行うことができる。すなわち、プラズマ圧力の閉じ込めが不十分になることを抑制することができる。

トーチ１を移動させる際は、ボールレンズ９をゲル状媒体１１１に当接させ押圧した状態のままボールレンズ９を回転させつつ移動させる。ボールレンズ保持機構１０には、ボールレンズ９の回転の状態を検知する回転検知機構が設けられている。そして、この回転検知機構からの検知信号によって、制御部１３は、トーチ１の移動の有無と移動速度とを検出する。トーチ１が停止した際には、マイクロチップレーザ発振器５からのレーザ光３０の発振を停止する。

制御部１３は、検出されたトーチ１の移動速度に合わせて図示しないゲル状媒体供給機構からゲル供給洗浄ライン１１２ａ、１１２ｂを通じて供給されるゲル状媒体１１１の供給量を自動的に調整する。また、ゲル供給洗浄ライン１１２ａ、１１２ｂからのゲル状媒体１１１の供給、及びゲル供給洗浄ライン１１２ａ、１１２ｂによるボールレンズ９の洗浄は、トーチ１の移動方向によって切り替える。

すなわち、トーチ１の移動方向に対して前方側からゲル状媒体１１１を供給し、後方側ではボールレンズ９の洗浄を行う。例えば、図４中に矢印で示すように、トーチ１が右方向に移動する場合、移動方向に対して前方側のゲル供給洗浄ライン１１２ａからゲル状媒体１１１を供給し、後方側のゲル供給洗浄ライン１１２ｂではボールレンズ９の洗浄を行う。また、トーチ１の移動方向が変更され、図４中トーチ１が左方向に移動する場合、移動方向に対して前方側のゲル供給洗浄ライン１１２ｂからゲル状媒体１１１を供給し、後方側のゲル供給洗浄ライン１１２ａではボールレンズ９の洗浄を行う。

これによって、レーザ光３０が、常に清浄なボールレンズ９の面を透過して施工対象２０に照射される。なお、ボールレンズ９の洗浄は、水、その他の溶媒等、ゲル状媒体１１１を除去可能な液体を供給して行う。

第２実施形態に係るレーザ加工装置１０１では、前述した第１実施形態に係るレーザ加工装置１００と同様な効果を得られる。また、第２実施形態に係るレーザ加工装置１０１では、ゲル状媒体１１１を用いている。このため、トーチ１の進行方向の変更時にレーザ発振を停止することなく連続してピーニング施工を行うことが可能となる。なお、ゲル状媒体１１１の他、粘性の少ない液状の媒体、例えばインク等も同様にして用いることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１……トーチ、３……ケーシング、４……筐体、５……マイクロチップレーザ発振器、６……光学系、７……保護ガラス、８……ガイド機構、９……ボールレンズ、１０……ボールレンズ保持機構、１１……テープ状媒体、１２……媒体供給回収機構、１３……制御部、１４……レーザ制御部，１５……姿勢センサ、２０……施工対象、３０……レーザ光、１００，１０１……レーザ加工装置、１１１……ゲル状媒体、１１２ａ，１１２ｂ……ゲル供給洗浄ライン。

Claims (8)

1. 被処理部材に照射するレーザ光を発振するためのレーザ発振器と、
   前記レーザ光を集光して前記被処理部材に導くボールレンズと、
   前記ボールレンズにより押圧されて当該ボールレンズと前記被処理部材との間に配される媒体を保持する媒体保持機構と、
   前記ボールレンズを回転自在に保持する保持機構と、
   前記媒体保持機構に具備され、前記ボールレンズと前記被処理部材との間に配される前記媒体を供給する媒体供給機構と、
   前記ボールレンズの回転状態を検出する検出機構と、
   前記検出機構によって検出された回転状態に基づいて前記媒体供給機構からの前記媒体の供給状態を制御する媒体供給制御機構と、
   を具備したことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 被処理部材に照射するレーザ光を発振するためのレーザ発振器と、
   前記レーザ光を集光して前記被処理部材に導くボールレンズと、
   前記ボールレンズにより押圧されて当該ボールレンズと前記被処理部材との間に配される媒体を保持する媒体保持機構と、
   前記ボールレンズを回転自在に保持する保持機構と、
   前記媒体保持機構に具備され、前記ボールレンズと前記被処理部材との間に配される前記媒体を供給する媒体供給機構と、
   前記ボールレンズの回転速度を検出する検出機構と、
   前記検出機構によって検出された回転速度に基づいて前記レーザ光の照射タイミングを制御するレーザ照射制御機構と、
   を具備したことを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項２記載のレーザ加工装置であって、
   前記ボールレンズの回転状態を検出する回転状態検出機構と、
   前記回転状態検出機構によって検出された回転状態に基づいて前記媒体供給機構からの前記媒体の供給状態を制御する媒体供給制御機構
   を具備したことを特徴とするレーザ加工装置。
4. 被処理部材に照射するレーザ光を発振するためのレーザ発振器と、
   前記レーザ光を集光して前記被処理部材に導くボールレンズと、
   前記ボールレンズと前記被処理部材との間に配されて前記ボールレンズにより押圧されるゲル状または液状の媒体を保持する媒体保持機構と、
   前記ボールレンズを洗浄するための洗浄機構と、
   を具備したことを特徴とするレーザ加工装置。
5. 請求項１乃至４いずれか１項記載のレーザ加工装置であって、
   前記レーザ発振器を収容する筐体と、
   前記筐体を収容するケーシングと、
   前記筐体と前記ケーシングとの間に介在し、前記筐体の姿勢を一定に維持する姿勢制御機構と、
   を具備したことを特徴とするレーザ加工装置。
6. 被処理部材に照射するレーザ光を発振するためのレーザ発振器と、
   前記レーザ光を集光して前記被処理部材に導くボールレンズと、
   前記ボールレンズにより押圧されて当該ボールレンズと前記被処理部材との間に配される媒体を保持する媒体保持機構と、
   前記レーザ発振器を収容する筐体と、
   前記筐体を収容するケーシングと、
   前記筐体と前記ケーシングとの間に介在し、前記筐体の姿勢を一定に維持する姿勢制御機構と
   を具備したことを特徴とするレーザ加工装置。
7. 被処理部材にレーザ光を照射して表面処理を行うレーザ加工方法であって、
   レーザ発振器により前記被処理部材に照射する前記レーザ光を発振する工程と、
   前記レーザ発振器が発振した前記レーザ光をボールレンズに入射させて集光する工程と、
   前記ボールレンズと前記被処理部材の間に前記レーザ光を透過する媒体を配する工程と、
   前記媒体を前記ボールレンズにより押圧して前記被処理部材に当接させる工程と、
   前記ボールレンズを回転させつつ前記被処理部材へのレーザ光の照射位置を変更する工程と、
   検出機構によって前記ボールレンズ回転状態を検出する工程と、
   前記検出機構によって検出された回転状態に基づいて前記媒体の供給状態を制御する工程と、
   を備えることを特徴とするレーザ加工方法。
8. 被処理部材にレーザ光を照射して表面処理を行うレーザ加工方法であって、
   レーザ発振器により前記被処理部材に照射する前記レーザ光を発振する工程と、
   前記レーザ発振器が発振した前記レーザ光をボールレンズに入射させて集光する工程と、
   前記ボールレンズと前記被処理部材の間に前記レーザ光を透過する媒体を配する工程と、
   前記媒体を前記ボールレンズにより押圧して前記被処理部材に当接させる工程と、
   前記レーザ発振器を収容する筐体と、前記筐体を収容するケーシングとの間に介在する姿勢制御機構により、前記筐体の姿勢を一定に維持する工程と、
   を備えることを特徴とするレーザ加工方法。

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