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JP7549981B2 - Surface processing device and method - Google Patents

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JP7549981B2 JP2020110758A JP2020110758A JP7549981B2 JP 7549981 B2 JP7549981 B2 JP 7549981B2 JP 2020110758 A JP2020110758 A JP 2020110758A JP 2020110758 A JP2020110758 A JP 2020110758A JP 7549981 B2 JP7549981 B2 JP 7549981B2
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  • Laser Beam Processing (AREA)

Description

本開示は、加工対象物の表面にある塗装膜や錆などの付着物を除去する表面加工装置および方法に関するものである。 This disclosure relates to a surface processing device and method for removing paint films, rust, and other deposits from the surface of an object to be processed.

レーザにより加工対象物の表面にコーティングされている塗装膜を除去する場合、CW(連続発振)レーザ方式や短パルスレーザ方式が一般的である。このような技術として、例えば、下記特許文献に記載されたものがある。 When using a laser to remove a coating film that has been coated on the surface of an object to be processed, a CW (continuous wave) laser method or a short pulse laser method is generally used. Examples of such technologies include those described in the following patent documents:

特開2013-103228号公報JP 2013-103228 A

CW(連続発振)レーザ方式や短パルスレーザ方式によるレーザ照射で塗装膜を除去する場合、一般的な加工対象物としては鋼材である。鋼材は、高融点材料であるため、レーザの入熱による加工対象物の組織変態はあまり問題視されていない。ところが、加工対象物がアルミ合金や樹脂などの低融点材料の場合、レーザの入熱量が多いと、加工対象物の表面温度が融点、もしくは、時効温度を超えてしまい、疲労特性に悪影響を及ぼしてしまうおそれがある。そのため、低融点材料である加工対象物の塗装膜を除去する場合、加工対象物への入熱量を低減させる必要がある。ところが、CW(連続発振)レーザ方式や短パルスレーザ方式によるレーザ照射装置では、非照射時間に対する照射時間が長く、熱的な加工となりやすいため、加工対象物への入熱量を低減することは困難である。また、この場合、ガウス分布のレーザビームを加工対象物に照射することから、表面粗さに悪影響を及ぼしてしまうおそれがある。 When removing paint films by laser irradiation using a CW (continuous wave) laser method or a short pulse laser method, the workpiece is generally steel. Since steel is a high melting point material, the structural transformation of the workpiece due to the heat input of the laser is not considered to be a big problem. However, when the workpiece is a low melting point material such as an aluminum alloy or resin, if the heat input of the laser is large, the surface temperature of the workpiece may exceed the melting point or aging temperature, which may have a negative effect on the fatigue characteristics. Therefore, when removing paint films from a workpiece that is a low melting point material, it is necessary to reduce the heat input to the workpiece. However, with a laser irradiation device using a CW (continuous wave) laser method or a short pulse laser method, the irradiation time is long compared to the non-irradiation time, and it is easy to perform thermal processing, so it is difficult to reduce the heat input to the workpiece. In addition, in this case, the workpiece is irradiated with a laser beam with a Gaussian distribution, which may have a negative effect on the surface roughness.

本開示は、上述した課題を解決するものであり、加工時における加工対象物への入熱量を低減することで加工対象物の疲労寿命の向上を図る表面加工装置および方法を提供することを目的とする。 The present disclosure aims to solve the above-mentioned problems and provide a surface processing device and method that improves the fatigue life of a workpiece by reducing the amount of heat input to the workpiece during processing.

上記の目的を達成するための本開示の表面加工装置は、加工対象物の表面にレーザを照射して付着物を除去する表面加工装置において、極短パルスレーザを照射可能なレーザ発振装置と、前記極短パルスレーザのピークエネルギー密度を調整可能なビーム分布調整装置と、を備える。 To achieve the above object, the surface processing device disclosed herein is a surface processing device that irradiates a laser onto the surface of an object to be processed to remove deposits, and is equipped with a laser oscillator capable of irradiating an extremely short pulsed laser, and a beam distribution adjustment device capable of adjusting the peak energy density of the extremely short pulsed laser.

また、本開示の表面加工方法は、加工対象物の表面にレーザを照射して付着物を除去する表面加工方法において、極短パルスレーザのピークエネルギー密度を前記加工対象物の材料特性に応じて前記加工対象物の減肉に影響がなく且つ前記付着物のみ除去可能な予め設定された所定のピークエネルギー密度範囲に調整する工程と、前記加工対象物の表面に前記極短パルスレーザを照射する工程と、を有する。 The surface processing method disclosed herein is a surface processing method for removing deposits by irradiating a laser onto the surface of an object to be processed, and includes the steps of: adjusting the peak energy density of an extremely short pulse laser to a predetermined peak energy density range that does not affect thinning of the object to be processed and that can remove only the deposits, according to the material properties of the object to be processed; and irradiating the surface of the object to be processed with the extremely short pulse laser.

本開示の表面加工装置によれば、加工時における加工対象物への入熱量を低減することで加工対象物の疲労寿命の向上を図ることができる。 The surface processing device disclosed herein can improve the fatigue life of the workpiece by reducing the amount of heat input to the workpiece during processing.

図1は、第1実施形態の表面加工装置を表す概略構成図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a surface processing apparatus according to the first embodiment. 図2は、極短パルスレーザと短パルスレーザとの比較を表すグラフである。FIG. 2 is a graph showing a comparison between an ultrashort pulse laser and a short pulse laser. 図3は、第1実施形態の表面加工装置による適切なエネルギー密度を説明するためのグラフである。FIG. 3 is a graph for explaining an appropriate energy density by the surface processing apparatus of the first embodiment. 図4は、異なる材料におけるレーザフルエンスに対するレーザによる除去深さを表すグラフである。FIG. 4 is a graph depicting laser ablation depth versus laser fluence in different materials. 図5は、第2実施形態の表面加工装置を表す概略構成図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of a surface processing apparatus according to the second embodiment. 図6は、従来の表面加工装置によるレーザビームの処理を表す概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram showing the processing of a laser beam by a conventional surface processing device. 図7は、第2実施形態の表面加工装置によるレーザビームの処理を表す概略図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing the processing of a laser beam by the surface processing apparatus of the second embodiment. 図8は、第2実施形態の表面加工装置による表面加工方法を表す概略図である。FIG. 8 is a schematic diagram showing a surface processing method using the surface processing apparatus of the second embodiment. 図9は、第3実施形態の表面加工装置を表す概略構成図である。FIG. 9 is a schematic diagram showing the configuration of a surface processing apparatus according to the third embodiment. 図10は、第3実施形態の表面加工装置による表面加工方法を表す概略図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing a surface processing method using the surface processing apparatus of the third embodiment.

以下に図面を参照して、本開示の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。また、実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。 Below, a preferred embodiment of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present disclosure is not limited to these embodiments, and when there are multiple embodiments, the present disclosure also includes configurations that combine the various embodiments. Furthermore, the components in the embodiments include those that a person skilled in the art would easily imagine, those that are substantially the same, and those that are within the so-called equivalent range.

[第1実施形態]
<表面加工装置の構成>
図1は、第1実施形態の表面加工装置を表す概略構成図である。
[First embodiment]
<Configuration of surface processing device>
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a surface processing apparatus according to the first embodiment.

第1実施形態において、図1に示すように、表面加工装置10は、加工対象物100の表面にレーザを照射して付着物を除去するものである。加工対象物100は、母材101の表面に付着物102が存在する。ここで、加工対象物100の母材101は、低融点材料である。低融点材料としては、アルミニウム合金などの時効温度が100度程度、または、100度以下の金属合金、または、合成樹脂材料などである。また、付着物102としては、塗装膜や錆などがある。 In the first embodiment, as shown in FIG. 1, the surface processing device 10 irradiates a laser onto the surface of the workpiece 100 to remove deposits. The workpiece 100 has deposits 102 on the surface of a base material 101. Here, the base material 101 of the workpiece 100 is a low-melting point material. Low-melting point materials include metal alloys such as aluminum alloys with an aging temperature of about 100 degrees or less than 100 degrees, and synthetic resin materials. Also, examples of deposits 102 include paint films and rust.

表面加工装置10は、レーザ発振装置11と、レーザ加工ヘッド12と、伝送用ファイバ13と、移動装置14と、制御装置15とを有する。 The surface processing device 10 has a laser oscillation device 11, a laser processing head 12, a transmission fiber 13, a moving device 14, and a control device 15.

レーザ発振装置11は、極短パルスレーザLを照射可能である。極短パルスレーザLは、パルス幅がピコ秒以下のパルスレーザである。この場合、極短パルスレーザLは、パルス幅が短ければ短いほど好適であり、フェムト秒以下のパルスレーザであってもよい。レーザ発振装置11は、パルス幅がピコ秒以下、または、フェムト秒以下のパルスレーザを照射可能であることから、短パルスレーザと比較して、加工対象物100への入熱量を低減することが可能である。 The laser oscillation device 11 is capable of emitting an extremely short pulse laser L. The extremely short pulse laser L is a pulse laser with a pulse width of picoseconds or less. In this case, the shorter the pulse width of the extremely short pulse laser L, the more preferable it is, and it may be a pulse laser of femtoseconds or less. Since the laser oscillation device 11 is capable of emitting a pulse laser with a pulse width of picoseconds or less or femtoseconds or less, it is possible to reduce the amount of heat input to the workpiece 100 compared to a short pulse laser.

レーザ加工ヘッド12は、集光光学系21と、ガルバノモータ22と、加工ノズル23とを有する。集光光学系21は、図示しないが、例えば、複数の凸レンズや凹レンズにより構成される。極短パルスレーザLは、各レンズ間で一度集光されることが好ましい。 The laser processing head 12 has a focusing optical system 21, a galvanometer motor 22, and a processing nozzle 23. Although not shown, the focusing optical system 21 is composed of, for example, multiple convex lenses and concave lenses. It is preferable that the extremely short pulse laser L is focused once between each lens.

集光光学系21は、本発明のビーム分布調整装置として機能する。集光光学系21は、極短パルスレーザLのビーム分布を調整可能である。具体的に、集光光学系21は、極短パルスレーザLのビーム径を調整することでビーム分布を調整する。集光光学系21は、極短パルスレーザLを集光して加工ノズル23から出力する。集光光学系21は、照射位置の違いによりビーム径が調整される。ガルバノモータ22は、図示しないが、ガルバノミラーの角度により極短パルスレーザLを走査するものである。 The focusing optical system 21 functions as the beam distribution adjustment device of the present invention. The focusing optical system 21 can adjust the beam distribution of the extremely short pulse laser L. Specifically, the focusing optical system 21 adjusts the beam distribution by adjusting the beam diameter of the extremely short pulse laser L. The focusing optical system 21 focuses the extremely short pulse laser L and outputs it from the processing nozzle 23. The focusing optical system 21 adjusts the beam diameter depending on the difference in the irradiation position. The galvanometer motor 22, not shown, scans the extremely short pulse laser L by the angle of the galvanometer mirror.

レーザ発振装置11とレーザ加工ヘッド12とは、伝送用ファイバ13により接続される。伝送用ファイバ13は、レーザ発振装置11から発振された極短パルスレーザLをレーザ加工ヘッド12に導く。 The laser oscillator 11 and the laser processing head 12 are connected by a transmission fiber 13. The transmission fiber 13 guides the extremely short pulse laser L oscillated from the laser oscillator 11 to the laser processing head 12.

移動装置14は、レーザ加工ヘッド12を少なくともレーザ照射方向およびレーザ走査方向に沿って移動可能である。レーザ走査方向は、レーザ照射方向に対して直交する方向である。制御装置15は、レーザ発振装置11を制御可能である。 The moving device 14 can move the laser processing head 12 at least along the laser irradiation direction and the laser scanning direction. The laser scanning direction is a direction perpendicular to the laser irradiation direction. The control device 15 can control the laser oscillation device 11.

また、レーザ加工ヘッド12は、偏光板(偏光部材)24を有する。レーザ発振装置11が発振する極短パルスレーザLは、シングルモードであり、偏光を生じるおそれがある。偏光板24は、レーザ発振装置11から発振された極短パルスレーザLのレーザビームが円偏光になるように偏光状態を制御する。偏光板24により極短パルスレーザLを円偏光することで、面内の均一性が向上し、走査方向における出力の偏りを抑制することができる。 The laser processing head 12 also has a polarizing plate (polarizing member) 24. The extremely short pulse laser L oscillated by the laser oscillator 11 is a single mode laser, and may be polarized. The polarizing plate 24 controls the polarization state so that the laser beam of the extremely short pulse laser L oscillated from the laser oscillator 11 becomes circularly polarized. By circularly polarizing the extremely short pulse laser L with the polarizing plate 24, the uniformity within the surface is improved, and output bias in the scanning direction can be suppressed.

ところで、極短パルスレーザLは、ピークエネルギー密度の高さから微細加工に用いられることが多い。ところが、このような極短パルスレーザLを加工対象物100の表面に付着物(塗装膜)102を除去するものに適用した場合、付着物102だけでなく、母材101の表面まで加工してしまい、母材101の表面に荒れが生じる。そこで、第1実施形態の表面加工装置10は、集光光学系21からの極短パルスレーザLの照射位置を調整してビーム径を調整することで、極短パルスレーザLのピークエネルギー密度を低下させ、エネルギー密度を加工対象物100の材料特性に応じて最適なものとする。 The extremely short pulse laser L is often used for micromachining because of its high peak energy density. However, when such an extremely short pulse laser L is applied to remove adhesions (paint film) 102 from the surface of the workpiece 100, not only the adhesions 102 but also the surface of the base material 101 is processed, causing roughness on the surface of the base material 101. Therefore, the surface processing device 10 of the first embodiment adjusts the irradiation position of the extremely short pulse laser L from the focusing optical system 21 to adjust the beam diameter, thereby reducing the peak energy density of the extremely short pulse laser L and optimizing the energy density according to the material properties of the workpiece 100.

図2は、極短パルスレーザと短パルスレーザとの比較を表すグラフ、図3は、第1実施形態の表面加工装置による適切なエネルギー密度を説明するためのグラフ、図4は、異なる材料におけるレーザフルエンスに対するレーザによる除去深さを表すグラフである。 Figure 2 is a graph showing a comparison between an ultrashort pulse laser and a short pulse laser, Figure 3 is a graph explaining the appropriate energy density using the surface processing device of the first embodiment, and Figure 4 is a graph showing the laser removal depth versus laser fluence in different materials.

図1および図2に示すように、極短パルスレーザおよび短パルスレーザは、所定の周期ごとに発振される。このとき、極短パルスレーザLのパルス幅W1は、短パルスレーザのパルス幅W2より狭く、極短パルスレーザLのレーザ出力密度P1は、短パルスレーザのレーザ出力密度P2より高い。そのため、図1および図3に示すように、極短パルスレーザLのピークエネルギー密度を加工対象物100(母材101)の材料特性に応じて加工対象物100の減肉に影響がなく、且つ、所定深さだけ除去可能な予め設定された所定のピークエネルギー密度範囲に調整する。 As shown in Figures 1 and 2, the ultrashort pulse laser and the short pulse laser are oscillated at a predetermined cycle. At this time, the pulse width W1 of the ultrashort pulse laser L is narrower than the pulse width W2 of the short pulse laser, and the laser output density P1 of the ultrashort pulse laser L is higher than the laser output density P2 of the short pulse laser. Therefore, as shown in Figures 1 and 3, the peak energy density of the ultrashort pulse laser L is adjusted to a predetermined peak energy density range that does not affect the thinning of the workpiece 100 according to the material properties of the workpiece 100 (base material 101) and can remove only a predetermined depth.

図3に表すように、領域A1は、加工対象物100の減肉が発生するおそれがあるピークエネルギー密度範囲である。ここで、極短パルスレーザLのピークエネルギー密度を低下させ、ピーク値が領域A2に位置するように低下させる。領域A2は、加工対象物100の減肉に影響がなく、且つ、所定深さだけ、つまり、極短パルスレーザLを除去可能な所定のピークエネルギー密度範囲である。なお、集光光学系21により極短パルスレーザLのピークエネルギー密度を更に低下させると、ピーク値が領域A3に位置する。この領域A3は、加工対象物100の減肉に影響がないものの、付着物102を除去不可能なピークエネルギー密度範囲である。 As shown in FIG. 3, region A1 is a peak energy density range where thinning of the workpiece 100 may occur. Here, the peak energy density of the extremely short pulse laser L is reduced so that the peak value is located in region A2. Region A2 is a predetermined peak energy density range that does not affect thinning of the workpiece 100 and can remove only a predetermined depth, that is, the extremely short pulse laser L. Note that if the peak energy density of the extremely short pulse laser L is further reduced by the focusing optical system 21, the peak value will be located in region A3. This region A3 is a peak energy density range that does not affect thinning of the workpiece 100 but cannot remove the deposit 102.

加工対象物100の減肉に影響がなく、且つ、所定深さだけ除去可能な所定のピークエネルギー密度範囲である領域A2は、加工対象物100の母材101の材料特性に応じて相違する。図4に示すように、レーザフルエンス(ピークエネルギー密度)に対するレーザの1パルス当たりの除去深さは、母材101の材料特性に応じて相違している。例えば、低融点材料としてのPMMAアクリル樹脂、ポリイミド、また、高融点材料としての鋼は、レーザフルエンスに対するレーザの1パルス当たりの除去深さの関係が相違する。領域A2は、母材101の低融点材料と表面の付着物102との除去速度の比が約10以上であることが好ましい領域である。 Area A2, which is a predetermined peak energy density range that does not affect the thinning of the workpiece 100 and can remove a predetermined depth, differs depending on the material properties of the base material 101 of the workpiece 100. As shown in FIG. 4, the removal depth per laser pulse relative to the laser fluence (peak energy density) differs depending on the material properties of the base material 101. For example, PMMA acrylic resin and polyimide as low melting point materials, and steel as high melting point material, have different relationships between the laser fluence and the removal depth per laser pulse. Area A2 is an area where the ratio of the removal speed between the low melting point material of the base material 101 and the surface deposit 102 is preferably about 10 or more.

<表面加工装置の作動>
図1に示すように、表面加工装置10にて、制御装置15は、レーザ発振装置11を制御し、極短パルスレーザLを発振する。極短パルスレーザLは、伝送用ファイバ13によりレーザ加工ヘッド12に導かれる。ここで、極短パルスレーザLは、極短パルスレーザLのビーム径または焦点距離が調整されることで、ピークエネルギー密度が調整される。具体的に、極短パルスレーザLのピークエネルギー密度を加工対象物100(母材101)の材料特性に応じて加工対象物100の減肉に影響がなく、且つ、付着物102を除去可能な予め設定された所定のピークエネルギー密度範囲に調整する。極短パルスレーザLのピークエネルギー密度を調整するとき、母材101の表面から除去する付着物102の厚さも考慮する。
<Operation of the surface treatment device>
As shown in FIG. 1, in the surface processing device 10, the control device 15 controls the laser oscillation device 11 to oscillate an extremely short pulse laser L. The extremely short pulse laser L is guided to the laser processing head 12 by a transmission fiber 13. Here, the peak energy density of the extremely short pulse laser L is adjusted by adjusting the beam diameter or focal length of the extremely short pulse laser L. Specifically, the peak energy density of the extremely short pulse laser L is adjusted to a predetermined peak energy density range that does not affect the thinning of the workpiece 100 according to the material characteristics of the workpiece 100 (base material 101) and can remove the deposit 102. When adjusting the peak energy density of the extremely short pulse laser L, the thickness of the deposit 102 to be removed from the surface of the base material 101 is also taken into consideration.

また、極短パルスレーザLは、偏光板24によりレーザビームが円偏光になるように制御される。そのため、極短パルスレーザLのレーザ照射方向に直交する面内の均一性が向上する。この状態で、制御装置15は、ガルバノモータ22により極短パルスレーザLを走査させる。そのため、加工対象物100は、極短パルスレーザLの照射により表面が所定厚さだけ剥離され、母材101の表面が損傷することがなく、付着物102だけが除去される。 The polarizing plate 24 controls the extremely short pulse laser L so that the laser beam becomes circularly polarized. This improves uniformity in a plane perpendicular to the laser irradiation direction of the extremely short pulse laser L. In this state, the control device 15 scans the extremely short pulse laser L using the galvanometer motor 22. As a result, the surface of the workpiece 100 is peeled off by a predetermined thickness by irradiation with the extremely short pulse laser L, and only the deposits 102 are removed without damaging the surface of the base material 101.

[第2実施形態]
図5は、第2実施形態の表面加工装置を表す概略構成図である。なお、上述した第1実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
[Second embodiment]
5 is a schematic diagram showing the configuration of a surface processing device according to a second embodiment of the present invention. Note that members having the same functions as those in the first embodiment described above are given the same reference numerals and detailed descriptions thereof are omitted.

第2実施形態において、図5に示すように、表面加工装置10Aは、レーザ発振装置11と、レーザ加工ヘッド12と、伝送用ファイバ13と、移動装置14と、制御装置15とを有する。ここで、レーザ発振装置11、伝送用ファイバ13、移動装置14、制御装置15は、第1実施形態と同様であることから、詳細な説明は省略する。 In the second embodiment, as shown in FIG. 5, the surface processing device 10A has a laser oscillation device 11, a laser processing head 12, a transmission fiber 13, a moving device 14, and a control device 15. Here, the laser oscillation device 11, the transmission fiber 13, the moving device 14, and the control device 15 are the same as those in the first embodiment, so detailed explanations are omitted.

レーザ加工ヘッド12は、集光光学系21と、ガルバノモータ22と、加工ノズル23とに加えて、ビーム成形装置25を有する。ここで、集光光学系21、加工ノズル23は、第1実施形態と同様であることから、詳細な説明は省略する。 The laser processing head 12 has a beam shaping device 25 in addition to a focusing optical system 21, a galvanometer motor 22, and a processing nozzle 23. Here, the focusing optical system 21 and the processing nozzle 23 are the same as those in the first embodiment, so detailed explanations are omitted.

ビーム成形装置25は、回折光学素子26と、アパーチャ27とを有する。極短パルスレーザLは、ガウシアンビームであって、回折光学素子26は、ガウシアンビームを回折および干渉することによりピーク値を平坦に成形する。アパーチャ27は、回折光学素子26により分離した光の不要な部分を取り去ることで、極短パルスレーザ(ガウシアンビーム)Lのビーム径を縮小する。 The beam shaping device 25 has a diffractive optical element 26 and an aperture 27. The extremely short pulse laser L is a Gaussian beam, and the diffractive optical element 26 shapes the Gaussian beam to have a flat peak value by diffracting and interfering with it. The aperture 27 reduces the beam diameter of the extremely short pulse laser (Gaussian beam) L by removing unnecessary parts of the light separated by the diffractive optical element 26.

従来は、図6に示すように、レーザ発振装置から発振された極短パルスレーザ(a)に対して、ピークエネルギー密度を低下させると共にビーム径を拡大する(b)。そして、アパーチャにより極短パルスレーザの中心位置から所定距離だけ離れた領域以外を除去する。この場合、エネルギー密度が低下してもエネルギー分布としてピーク値が存在するため、加工対象物の母材の悪影響を与えてしまうおそれがある。 Conventionally, as shown in FIG. 6, the peak energy density of an extremely short pulse laser (a) emitted from a laser oscillator is reduced and the beam diameter is expanded (b). Then, an aperture is used to remove all areas except for those a specified distance away from the center position of the extremely short pulse laser. In this case, even if the energy density is reduced, a peak value still exists in the energy distribution, which may adversely affect the base material of the workpiece.

一方、図7に示すように、第2実施形態のビーム成形装置25は、レーザ発振装置から発振された極短パルスレーザ(a)に対して、回折光学素子26によりピークエネルギー密度を低下させると共に、ビームの径方向で分離し、各ピーク値を平坦に成形する(b)。そして、アパーチャ27により極短パルスレーザLの中心位置から所定距離だけ離れた領域以外を除去する。すると、極短パルスレーザLは、ピーク値が平坦で、径方向の外側の裾野部分が少ないビーム分布となる。そのため、アパーチャ27により中心から所定距離だけ離れた領域以外の部分に極短パルスレーザが照射されないため、加工対象物100の領域以外への極短パルスレーザによる損傷を抑制できる。また、極短パルスレーザLのピーク値がほぼ平坦になることで、均一なエネルギー密度となり、付着物102を均一に除去可能である。 On the other hand, as shown in FIG. 7, the beam shaping device 25 of the second embodiment reduces the peak energy density of the extremely short pulse laser (a) emitted from the laser oscillator by the diffractive optical element 26, separates the beam in the radial direction, and shapes each peak value to be flat (b). Then, the aperture 27 removes the extremely short pulse laser L except for the area a predetermined distance away from the center position. Then, the extremely short pulse laser L has a beam distribution with a flat peak value and a small radial outer skirt portion. Therefore, the aperture 27 does not irradiate the extremely short pulse laser to areas other than the area a predetermined distance away from the center, so that damage caused by the extremely short pulse laser to areas other than the object 100 to be processed can be suppressed. In addition, the peak value of the extremely short pulse laser L is almost flat, resulting in a uniform energy density, and the deposit 102 can be uniformly removed.

図8に示すように、ビーム成形装置25は、極短パルスレーザLが加工対象物100の表面に到達する照射位置で、極短パルスレーザLのビーム形状を矩形状に成形する。極短パルスレーザLは、ピーク値が平坦で、径方向の外側の裾野部分が少ないビーム形状である。そのため、1パルスの極短パルスレーザLにより加工対象物100の表面に矩形状の付着物除去領域Laを形成することができる。すると、レーザ加工ヘッド12を移動しながら、加工対象物100の表面に極短パルスレーザLを照射すると、矩形状の付着物除去領域Laを敷き詰めるような、付着物除去領域Laが走査方向に連続する幅Waで長さSaの領域で付着物102を除去することができ、エネルギーの無駄がなく、且つ、均一に付着物102を除去することができる。 As shown in FIG. 8, the beam shaping device 25 shapes the beam shape of the ultrashort pulse laser L into a rectangular shape at the irradiation position where the ultrashort pulse laser L reaches the surface of the workpiece 100. The ultrashort pulse laser L has a beam shape with a flat peak value and a small radially outer base. Therefore, a rectangular attachment removal area La can be formed on the surface of the workpiece 100 with one pulse of the ultrashort pulse laser L. Then, when the ultrashort pulse laser L is irradiated onto the surface of the workpiece 100 while moving the laser processing head 12, the attachment removal area La can be removed in an area of width Wa and length Sa in which the attachment removal area La is continuous in the scanning direction, as if the rectangular attachment removal area La is spread out, and the attachment 102 can be removed uniformly without wasting energy.

[第3実施形態]
図9は、第3実施形態の表面加工装置を表す概略構成図である。なお、上述した第1実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
[Third embodiment]
9 is a schematic diagram showing the configuration of a surface processing device according to a third embodiment. Note that members having the same functions as those in the first embodiment described above are given the same reference numerals and detailed descriptions thereof are omitted.

第3実施形態において、図9に示すように、表面加工装置10Bは、レーザ発振装置11と、レーザ加工ヘッド12と、伝送用ファイバ13と、移動装置(支持装置)14と、制御装置15とを有する。また、表面加工装置10Bは、空気噴出装置31と、回収装置32と、冷却装置33とを備える。 In the third embodiment, as shown in FIG. 9, the surface processing device 10B has a laser oscillation device 11, a laser processing head 12, a transmission fiber 13, a moving device (support device) 14, and a control device 15. The surface processing device 10B also has an air ejection device 31, a recovery device 32, and a cooling device 33.

ここで、レーザ発振装置11、レーザ加工ヘッド12、伝送用ファイバ13、制御装置15は、第1実施形態と同様である。移動装置14は、多関節ロボットである。多関節ロボットは、レーザ加工ヘッド12を支持し、レーザ走査方向に沿って移動可能である。制御装置15は、移動装置14としての多関節ロボットを制御可能である。 Here, the laser oscillation device 11, the laser processing head 12, the transmission fiber 13, and the control device 15 are the same as those in the first embodiment. The moving device 14 is a multi-joint robot. The multi-joint robot supports the laser processing head 12 and is capable of moving along the laser scanning direction. The control device 15 is capable of controlling the multi-joint robot as the moving device 14.

空気噴出装置31は、圧縮空気供給源41と、清浄用フィルタ42とを有し、配管13aを介してレーザ加工ヘッド12に連結される。空気噴出装置31は、圧縮空気供給源41の圧縮空気を清浄用フィルタ42を通じて配管13aからレーザ加工ヘッド12に供給する。レーザ加工ヘッド12は、加工対象物100におけるレーザ照射位置に圧縮空気を噴出することで、除去された付着物102やヒュームなどをレーザ照射位置から除去する。回収装置32は、配管13bを介してレーザ加工ヘッド12に連結される。回収装置32は、加工対象物100から除去された付着物102やヒュームなどを配管13bを介して回収する。冷却装置33は、レーザ発振装置11に冷却媒体を循環することで冷却する。 The air ejection device 31 has a compressed air supply source 41 and a cleaning filter 42, and is connected to the laser processing head 12 via the piping 13a. The air ejection device 31 supplies compressed air from the compressed air supply source 41 to the laser processing head 12 from the piping 13a through the cleaning filter 42. The laser processing head 12 ejects compressed air at the laser irradiation position on the workpiece 100 to remove the removed attachments 102, fumes, etc. from the laser irradiation position. The recovery device 32 is connected to the laser processing head 12 via the piping 13b. The recovery device 32 recovers the attachments 102, fumes, etc. removed from the workpiece 100 via the piping 13b. The cooling device 33 cools the laser oscillation device 11 by circulating a cooling medium.

そのため、図9および図10に示すように、表面加工装置10Bにて、制御装置15は、レーザ発振装置11を制御し、レーザ加工ヘッド12から加工対象物100に対して極短パルスレーザLを発振する。また、制御装置15は、ガルバノモータ22により極短パルスレーザLを走査させる。ここで、レーザ発振装置11が発振する極短パルスレーザLの出力、レーザ加工ヘッド12のレーザ走査速度、レーザ加工ヘッド12のレーザ走査パターンなどのパラメータは、制御プログラムとして設定されている。制御装置15は、制御プログラムに基づいてレーザ発振装置11や移動装置14などを制御する。このとき、空気噴出装置31は、レーザ加工ヘッド12から加工対象物100におけるレーザ照射位置に圧縮空気を噴出することで、除去された付着物102やヒュームなどをレーザ照射位置から除去する。また、回収装置32は、加工対象物100から除去された付着物102やヒュームなどを配管13bを介して回収する。そのため、加工対象物100は、極短パルスレーザLの照射により表面が所定厚さだけ剥離され、母材101の表面が損傷することなく、付着物102だけが除去される。 9 and 10, in the surface processing device 10B, the control device 15 controls the laser oscillation device 11 to oscillate an extremely short pulse laser L from the laser processing head 12 to the workpiece 100. The control device 15 also scans the extremely short pulse laser L using the galvanometer motor 22. Here, parameters such as the output of the extremely short pulse laser L oscillated by the laser oscillation device 11, the laser scanning speed of the laser processing head 12, and the laser scanning pattern of the laser processing head 12 are set as a control program. The control device 15 controls the laser oscillation device 11 and the moving device 14 based on the control program. At this time, the air ejection device 31 ejects compressed air from the laser processing head 12 to the laser irradiation position on the workpiece 100, thereby removing the removed attachment 102, fumes, etc. from the laser irradiation position. The recovery device 32 also recovers the attachment 102, fumes, etc. removed from the workpiece 100 via the piping 13b. Therefore, the surface of the workpiece 100 is peeled off by a predetermined thickness by irradiation with the ultrashort pulse laser L, and only the attached matter 102 is removed without damaging the surface of the base material 101.

レーザ加工ヘッド12は、先端部に半透明でレーザ吸収材で形成された加工ノズル23が装着されており、移動装置14は、レーザ加工ヘッド12の加工ノズル23を加工対象物100の表面に押し当てながらレーザ加工ヘッド12を移動する。そのため、加工ノズル23により加工対象物100から除去された付着物102やヒュームなどが周囲に飛散することがなく、回収装置32により適正に回収できる。 The laser processing head 12 is fitted with a processing nozzle 23 made of a translucent laser absorbing material at its tip, and the moving device 14 moves the laser processing head 12 while pressing the processing nozzle 23 of the laser processing head 12 against the surface of the workpiece 100. As a result, the deposits 102 and fumes removed from the workpiece 100 by the processing nozzle 23 do not scatter into the surrounding area, and can be properly collected by the collection device 32.

[本実施形態の作用効果]
第1の態様に係る表面加工装置は、加工対象物100の表面にレーザを照射して付着物102を除去する表面加工装置10,10A,10Bにおいて、極短パルスレーザLを照射可能なレーザ発振装置11と、極短パルスレーザLのピークエネルギー密度を調整可能なビーム分布調整装置とを備える。
[Effects of this embodiment]
The surface processing apparatus of the first aspect is a surface processing apparatus 10, 10A, 10B that irradiates a laser onto the surface of an object to be processed 100 to remove adhesions 102, and is equipped with a laser oscillation device 11 capable of irradiating an extremely short pulse laser L, and a beam distribution adjustment device capable of adjusting the peak energy density of the extremely short pulse laser L.

第1の態様に係る表面加工装置は、ピークエネルギー密度が適正に調整された極短パルスレーザLを加工対象物100の表面に照射することで、極短パルスレーザLによる加工時における加工対象物100への入熱量を低減することができ、適正に付着物102だけを除去することで加工対象物100の疲労寿命の向上を図ることができる。 The surface processing device according to the first aspect can reduce the amount of heat input to the workpiece 100 during processing with the ultrashort pulse laser L by irradiating the surface of the workpiece 100 with an extremely short pulse laser L whose peak energy density has been properly adjusted, and can improve the fatigue life of the workpiece 100 by properly removing only the deposits 102.

第2の態様に係る表面加工装置は、極短パルスレーザLのピークエネルギー密度を加工対象物100の材料特性に応じて加工対象物100の減肉に影響がなく且つ所定深さだけ付着物102を除去可能な予め設定された所定のピークエネルギー密度範囲に調整する。これにより、加工対象物100の材料特性に拘わらず、ピークエネルギー密度が適正に調整された極短パルスレーザLを加工対象物100の表面に照射することができ、極短パルスレーザLによる加工時における加工対象物100への入熱量を低減して適正に付着物102だけを除去することができる。 The surface processing device according to the second aspect adjusts the peak energy density of the ultrashort pulse laser L to a preset peak energy density range that does not affect thinning of the workpiece 100 and can remove the deposits 102 to a predetermined depth according to the material characteristics of the workpiece 100. This makes it possible to irradiate the surface of the workpiece 100 with an ultrashort pulse laser L whose peak energy density has been appropriately adjusted, regardless of the material characteristics of the workpiece 100, and to reduce the amount of heat input to the workpiece 100 during processing with the ultrashort pulse laser L, thereby appropriately removing only the deposits 102.

第3の態様に係る表面加工装置は、ビーム分布調整装置は、極短パルスレーザLのビーム径と焦点距離の少なくともいずれか一つを調整することでピークエネルギー密度を調整する。これにより、簡単な方法で適正に極短パルスレーザLのピークエネルギー密度を調整することができる。 In the surface processing device according to the third aspect, the beam distribution adjustment device adjusts the peak energy density by adjusting at least one of the beam diameter and focal length of the extremely short pulse laser L. This makes it possible to appropriately adjust the peak energy density of the extremely short pulse laser L in a simple manner.

第4の態様に係る表面加工装置は、ビーム分布調整装置としての集光光学系21を設ける。これにより、構造の簡素化を図ることができる。 The surface processing device according to the fourth aspect is provided with a focusing optical system 21 as a beam distribution adjustment device. This allows for a simplified structure.

第5の態様に係る表面加工装置は、極短パルスレーザLのビームを偏光可能な偏光板(偏光部材)24を設ける。これにより、レーザ発振装置11から発振された極短パルスレーザLは、偏光板24によりレーザビームが円偏光になるように偏光状態が制御されることで、極短パルスレーザLの照射方向に直交する面内の均一性が向上し、走査方向における出力の偏りを抑制することができる。 The surface processing device according to the fifth aspect is provided with a polarizing plate (polarizing member) 24 capable of polarizing the beam of the extremely short pulse laser L. As a result, the polarization state of the extremely short pulse laser L oscillated from the laser oscillation device 11 is controlled by the polarizing plate 24 so that the laser beam becomes circularly polarized, improving the uniformity in the plane perpendicular to the irradiation direction of the extremely short pulse laser L and suppressing output bias in the scanning direction.

第6の態様に係る表面加工装置は、極短パルスレーザLは、ガウシアンビームであって、ガウシアンビームを回折および干渉することによりピーク値を平坦に成形すると共にビーム径を縮小するビーム成形装置25を設ける。これにより、極短パルスレーザLは、ピーク値が平坦で、径方向の外側の裾野部分が少ないビーム分布となり、付着物102の除去能率が向上し、且つ、均一なエネルギー密度を持つため、付着物102を均一に除去することができる。 In the surface processing device according to the sixth aspect, the extremely short pulse laser L is a Gaussian beam, and a beam shaping device 25 is provided that diffracts and interferes with the Gaussian beam to shape the peak value to be flat and reduce the beam diameter. As a result, the extremely short pulse laser L has a beam distribution with a flat peak value and a small radially outer skirt portion, improving the removal efficiency of the deposit 102, and since it has a uniform energy density, the deposit 102 can be removed uniformly.

第7の態様に係る表面加工装置は、ビーム成形装置25は、加工対象物100の照射位置での極短パルスレーザLのビーム形状を矩形状に成形する。これにより、レーザ加工ヘッド12を移動しながら加工対象物100の表面に極短パルスレーザLを照射すると、矩形状の付着物除去領域Laを隙間なく敷き詰めるように付着物102を除去することができ、エネルギーの無駄がなく、且つ、均一に付着物102を除去することができる。 In the surface processing device according to the seventh aspect, the beam shaping device 25 shapes the beam shape of the extremely short pulse laser L into a rectangular shape at the irradiation position of the workpiece 100. As a result, when the extremely short pulse laser L is irradiated onto the surface of the workpiece 100 while moving the laser processing head 12, the attachments 102 can be removed so as to completely cover the rectangular attachment removal area La without any gaps, and the attachments 102 can be removed uniformly without wasting energy.

第8の態様に係る表面加工装置は、レーザ発振装置11に伝送用ファイバ13を介してレーザ加工ヘッド12を連結し、レーザ加工ヘッドに加工対象物100におけるレーザ照射位置に空気を噴出する空気噴出装置31と、加工対象物100から除去した付着物102を回収する回収装置32とを連結する。これにより、加工対象物100から高精度に付着物102を除去することができる。 The surface processing device according to the eighth aspect connects a laser processing head 12 to a laser oscillation device 11 via a transmission fiber 13, and connects to the laser processing head an air ejection device 31 that ejects air at the laser irradiation position on the workpiece 100, and a recovery device 32 that recovers the deposits 102 removed from the workpiece 100. This allows the deposits 102 to be removed from the workpiece 100 with high accuracy.

第9の態様に係る表面加工装置は、レーザ発振装置11に伝送用ファイバ13を介してレーザ加工ヘッド12を連結し、レーザ加工ヘッド12を走査方向に沿って移動可能な移動装置(支持装置)14を設け、移動装置14を制御可能な制御装置15を設ける。これにより、加工対象物100から高精度に付着物102を除去することができる。 The surface processing device according to the ninth aspect connects a laser processing head 12 to a laser oscillation device 11 via a transmission fiber 13, provides a moving device (support device) 14 capable of moving the laser processing head 12 along the scanning direction, and provides a control device 15 capable of controlling the moving device 14. This allows the attachment 102 to be removed from the workpiece 100 with high accuracy.

第10の態様に係る表面加工装置は、加工対象物100を低融点材料とする。これにより、ピークエネルギー密度が適正に調整された極短パルスレーザLを加工対象物100の表面に照射することで、極短パルスレーザLによる加工時における加工対象物100への入熱量を低減することができ、加工対象物100が低融点材料であっても、加工対象物100の疲労寿命の向上を図ることができる。 In the surface processing device according to the tenth aspect, the workpiece 100 is a low melting point material. As a result, by irradiating the surface of the workpiece 100 with an extremely short pulse laser L whose peak energy density has been properly adjusted, the amount of heat input to the workpiece 100 during processing with the extremely short pulse laser L can be reduced, and the fatigue life of the workpiece 100 can be improved even if the workpiece 100 is a low melting point material.

第11の態様に係る表面加工方法は、加工対象物100の表面にレーザを照射して付着物102を除去する表面加工方法において、極短パルスレーザLのピークエネルギー密度を加工対象物100の材料特性に応じて加工対象物100の減肉に影響がなく且つ前記付着物のみ除去可能な予め設定された所定のピークエネルギー密度範囲に調整する工程と、加工対象物100の表面に極短パルスレーザLを照射する工程とを有する。これにより、ピークエネルギー密度が適正に調整された極短パルスレーザLを加工対象物100の表面に照射することで、極短パルスレーザLによる加工時における加工対象物100への入熱量を低減することができ、適正に付着物102だけを除去することで加工対象物100の疲労寿命の向上を図ることができる。 The surface processing method according to the eleventh aspect is a surface processing method for irradiating a laser onto the surface of a workpiece 100 to remove an attachment 102, and includes the steps of adjusting the peak energy density of the extremely short pulse laser L to a predetermined peak energy density range that does not affect the thinning of the workpiece 100 and can remove only the attachment according to the material characteristics of the workpiece 100, and irradiating the surface of the workpiece 100 with the extremely short pulse laser L. As a result, by irradiating the surface of the workpiece 100 with the extremely short pulse laser L whose peak energy density has been appropriately adjusted, the amount of heat input to the workpiece 100 during processing with the extremely short pulse laser L can be reduced, and by appropriately removing only the attachment 102, the fatigue life of the workpiece 100 can be improved.

10,10A,10B 表面加工装置
11 レーザ発振装置
12 レーザ加工ヘッド
13 伝送用ファイバ
14 移動装置(支持装置)
15 制御装置
21 集光光学系(ビーム分布調整装置)
22 ガルバノモータ
23 加工ノズル
24 偏光板(偏光部材)
25 ビーム成形装置
26 回折光学素子
27 アパーチャ
31 空気噴出装置
32 回収装置
33 冷却装置
41 圧縮空気供給源
42 清浄用フィルタ
100 加工対象物
101 母材
102 付着物
L 極短パルスレーザ
10, 10A, 10B Surface processing device 11 Laser oscillation device 12 Laser processing head 13 Transmission fiber 14 Moving device (support device)
15 Control device 21 Focusing optical system (beam distribution adjustment device)
22 Galvano motor 23 Processing nozzle 24 Polarizing plate (polarizing member)
25 Beam shaping device 26 Diffractive optical element 27 Aperture 31 Air ejection device 32 Recovery device 33 Cooling device 41 Compressed air supply source 42 Cleaning filter 100 Processing object 101 Base material 102 Adherent matter L Ultrashort pulse laser

Claims (9)

アルミニウム合金または時効温度が100度以下の低融点材料である加工対象物の表面にレーザを照射して付着物を除去する表面加工装置において、
極短パルスレーザを照射可能なレーザ発振装置と、
前記極短パルスレーザのピークエネルギー密度を調整可能なビーム分布調整装置と、
を備え、
前記ビーム分布調整装置は、前記極短パルスレーザのピークエネルギー密度を前記加工対象物の材料特性の一つである前記付着物の厚さに応じて前記加工対象物の減肉に影響がなく且つ所定深さだけ前記付着物を除去可能な予め設定された所定のピークエネルギー密度範囲に調整する、
表面加工装置。
A surface processing device for removing deposits by irradiating a laser onto a surface of an object to be processed , the surface being an aluminum alloy or a low-melting-point material having an aging temperature of 100° C. or less, comprising:
A laser oscillator capable of emitting an extremely short pulse laser;
a beam distribution adjusting device capable of adjusting a peak energy density of the ultrashort pulse laser;
Equipped with
the beam distribution adjustment device adjusts the peak energy density of the ultrashort pulse laser to a predetermined peak energy density range that is set in advance in accordance with the thickness of the deposit, which is one of the material properties of the workpiece, and that is capable of removing the deposit to a predetermined depth without affecting thinning of the workpiece.
Surface processing equipment.
前記ビーム分布調整装置は、前記極短パルスレーザのビーム径と焦点距離の少なくともいずれか一つを調整することで前記ピークエネルギー密度を調整する、
請求項1に記載の表面加工装置。
The beam distribution adjustment device adjusts the peak energy density by adjusting at least one of a beam diameter and a focal length of the ultrashort pulse laser.
The surface processing device according to claim 1.
前記ビーム分布調整装置は、集光光学系を有する、
請求項2に記載の表面加工装置。
The beam distribution adjustment device has a focusing optical system.
The surface processing device according to claim 2.
前記極短パルスレーザのビームを偏光可能な偏光部材を有する、
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の表面加工装置。
A polarizing member capable of polarizing the beam of the ultrashort pulse laser,
The surface processing device according to any one of claims 1 to 3.
前記極短パルスレーザは、ガウシアンビームであって、前記ガウシアンビームを回折および干渉することによりピーク値を平坦に成形すると共にビーム径を縮小するビーム成形装置を有する、
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の表面加工装置。
The ultrashort pulse laser is a Gaussian beam, and a beam shaping device is provided that diffracts and interferes with the Gaussian beam to flatten a peak value and reduce a beam diameter.
The surface processing device according to any one of claims 1 to 4.
前記ビーム成形装置は、前記加工対象物の照射位置での前記極短パルスレーザのビーム形状を矩形状に成形する、
請求項5に記載の表面加工装置。
The beam shaping device shapes the beam shape of the extremely short pulse laser into a rectangular shape at the irradiation position of the workpiece.
The surface processing apparatus according to claim 5.
前記レーザ発振装置にレーザ伝送用ファイバを介してレーザ加工ヘッドが連結され、前記レーザ加工ヘッドは、前記加工対象物におけるレーザ照射位置に空気を噴出する空気噴出装置と、前記加工対象物から除去した前記付着物を回収する回収装置とが連結される、
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の表面加工装置。
A laser processing head is connected to the laser oscillation device via a laser transmission fiber, and the laser processing head is connected to an air ejection device that ejects air at a laser irradiation position on the processing object, and a recovery device that recovers the deposit removed from the processing object.
The surface processing device according to any one of claims 1 to 6.
前記レーザ発振装置にレーザ伝送用ファイバを介してレーザ加工ヘッドが連結され、前記レーザ加工ヘッドを走査方向に沿って移動可能な支持装置が設けられ、前記支持装置を制御可能な制御装置が設けられる、
請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の表面加工装置。
A laser processing head is connected to the laser oscillation device via a laser transmission fiber, a support device capable of moving the laser processing head along a scanning direction is provided, and a control device capable of controlling the support device is provided.
The surface processing device according to any one of claims 1 to 7.
アルミニウム合金または時効温度が100度以下の低融点材料である加工対象物の表面にレーザを照射して付着物を除去する表面加工方法において、
極短パルスレーザのピークエネルギー密度を前記加工対象物の材料特性の一つである前記付着物の厚さに応じて前記加工対象物の減肉に影響がなく且つ前記付着物のみ除去可能な予め設定された所定のピークエネルギー密度範囲に調整する工程と、
前記加工対象物の表面に前記極短パルスレーザを照射する工程と、
を有する表面加工方法。
A surface processing method for removing deposits by irradiating a laser onto a surface of an object to be processed , the surface being an aluminum alloy or a low-melting-point material having an aging temperature of 100° C. or less, comprising:
adjusting a peak energy density of the ultrashort pulse laser to a predetermined peak energy density range that is set in advance according to a thickness of the deposit, which is one of the material properties of the object, and that does not affect thinning of the object and can remove only the deposit;
irradiating a surface of the object with the ultrashort pulse laser;
The surface processing method includes the steps of:
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