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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022006982
(43)【公開日】2022-01-13
(54)【発明の名称】レーザ加工機、及びレーザ加工方法
(51)【国際特許分類】
B23K 26/146 20140101AFI20220105BHJP
B23K 26/144 20140101ALI20220105BHJP
【ＦＩ】
B23K26/146
B23K26/144
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020109591
(22)【出願日】2020-06-25
(71)【出願人】
【識別番号】514135111
【氏名又は名称】マイクロプロセス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100137394
【弁理士】
【氏名又は名称】横井 敏弘
(72)【発明者】
【氏名】宮岸 喜幸
(72)【発明者】
【氏名】小関 良治
【テーマコード（参考）】
4E168
【Ｆターム（参考）】
4E168AD18
4E168CB03
4E168CB07
4E168DA43
4E168EA11
4E168FA05
4E168FB05
4E168FC04
4E168JA16
4E168JA17
4E168JA25
(57)【要約】
【課題】 熱影響を低減することができるレーザ加工機を提供することを目的とする。
【解決手段】
本実施形態のレーザ加工機１は、加工用のレーザ光を加工対象物に照射するレーザ照射部５０と、前記加工対象物の、前記レーザ照射部によりレーザ光が照射される位置の近傍に対して、液体を照射する冷却液照射部５３と、レーザ照射部５０により照射されるレーザ光の光軸に対して直交する方向に高圧ガスを噴出するガス噴出部５６とを有する。レーザ照射部５０は、レーザ光及びアシストガスを出すノズルを含み、冷却液照射部５３は、前記ノズルの周囲から、ミスト状の液体を照射する。また、冷却液照射部５３は、前記ノズルと同軸で、このノズルの外周に設けられた同軸ノズルを含み、この同軸ノズルから、ミスト状の水を照射する。
【選択図】図８
【解決手段】
本実施形態のレーザ加工機１は、加工用のレーザ光を加工対象物に照射するレーザ照射部５０と、前記加工対象物の、前記レーザ照射部によりレーザ光が照射される位置の近傍に対して、液体を照射する冷却液照射部５３と、レーザ照射部５０により照射されるレーザ光の光軸に対して直交する方向に高圧ガスを噴出するガス噴出部５６とを有する。レーザ照射部５０は、レーザ光及びアシストガスを出すノズルを含み、冷却液照射部５３は、前記ノズルの周囲から、ミスト状の液体を照射する。また、冷却液照射部５３は、前記ノズルと同軸で、このノズルの外周に設けられた同軸ノズルを含み、この同軸ノズルから、ミスト状の水を照射する。
【選択図】図８
【特許請求の範囲】
【請求項1】
加工用のレーザ光を加工対象物に照射するレーザ照射部と、
前記加工対象物の、前記レーザ照射部によりレーザ光が照射される位置の近傍に対して、液体を照射する冷却液照射部と、
前記レーザ照射部により照射されるレーザ光の光軸に対して直交する方向に高圧ガスを噴出するガス噴出部と
を有するレーザ加工機。
前記加工対象物の、前記レーザ照射部によりレーザ光が照射される位置の近傍に対して、液体を照射する冷却液照射部と、
前記レーザ照射部により照射されるレーザ光の光軸に対して直交する方向に高圧ガスを噴出するガス噴出部と
を有するレーザ加工機。
【請求項2】
前記レーザ照射部は、レーザ光及びアシストガスを出すノズルを含み、
前記冷却液照射部は、前記ノズルの周囲から、ミスト状の液体を照射する
請求項１に記載のレーザ加工機。
前記冷却液照射部は、前記ノズルの周囲から、ミスト状の液体を照射する
請求項１に記載のレーザ加工機。
【請求項3】
前記冷却液照射部は、前記ノズルと同軸で、このノズルの外周に設けられた同軸ノズルを含み、この同軸ノズルから、ミスト状の水を照射する
請求項２に記載のレーザ加工機。
請求項２に記載のレーザ加工機。
【請求項4】
前記レーザ照射部は、前記加工対象物に対して相対的に移動しながら、レーザ光を照射し、
前記ガス噴出部は、前記ノズルの近傍において、前記レーザ照射部の移動方向に高圧ガスを噴出する
請求項２に記載のレーザ加工機。
前記ガス噴出部は、前記ノズルの近傍において、前記レーザ照射部の移動方向に高圧ガスを噴出する
請求項２に記載のレーザ加工機。
【請求項5】
加工用のレーザ光を加工対象物に照射するレーザ照射ステップと、
前記加工対象物の、前記レーザ光が照射される位置の近傍に対して、液体を照射する冷却液照射ステップと、
前記記レーザ照射部により照射されるレーザ光の光軸に対して直交する方向に高圧ガスを噴出するガス噴出ステップと
を有するレーザ加工方法。
前記加工対象物の、前記レーザ光が照射される位置の近傍に対して、液体を照射する冷却液照射ステップと、
前記記レーザ照射部により照射されるレーザ光の光軸に対して直交する方向に高圧ガスを噴出するガス噴出ステップと
を有するレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザ加工機、及びレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば、特許文献１には、被切断材の表面にレーザー光を照射して被切断材を切断するレーザー切断装置であって、レーザー光を被切断材の表面に向けて照射する照射ノズルと、被切断材の表面のレーザー光照射部周辺に向けて冷却用の水を霧状に噴霧する水噴霧ノズルとが備えられていることを特徴とするレーザー切断装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０００－５２０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明は、熱影響を低減することができるレーザ加工機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】
【0005】
本発明に係るレーザ加工機は、加工用のレーザ光を加工対象物に照射するレーザ照射部と、前記加工対象物の、前記レーザ照射部によりレーザ光が照射される位置の近傍に対して、液体を照射する冷却液照射部と、前記レーザ照射部により照射されるレーザ光の光軸に対して直交する方向に高圧ガスを噴出するガス噴出部とを有する。
【0006】
好適には、前記レーザ照射部は、レーザ光及びアシストガスを出すノズルを含み、前記冷却液照射部は、前記ノズルの周囲から、ミスト状の液体を照射する。
【0007】
好適には、前記冷却液照射部は、前記ノズルと同軸で、このノズルの外周に設けられた同軸ノズルを含み、この同軸ノズルから、ミスト状の水を照射する。
【0008】
好適には、前記レーザ照射部は、前記加工対象物に対して相対的に移動しながら、レーザ光を照射し、前記ガス噴出部は、前記ノズルの近傍において、前記レーザ照射部の移動方向に高圧ガスを噴出する。
【0009】
また、本発明に係るレーザ加工方法は、加工用のレーザ光を加工対象物に照射するレーザ照射ステップと、前記加工対象物の、前記レーザ光が照射される位置の近傍に対して、液体を照射する冷却液照射ステップと、前記記レーザ照射部により照射されるレーザ光の光軸に対して直交する方向に高圧ガスを噴出するガス噴出ステップとを有する。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、熱影響を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】レーザ加工機１の構成を例示する図である。
【図2】パルス発振器３の構成を例示する図である。
【図3】合成パルスレーザ光３０４のエネルギーの平均出力と増幅段数との関係を例示する図である。
【図4】放電励起によるガス温度上昇の解析を例示する図である。
【図5】寄生発振フィルタ１３０の内部構造及び除去原理を例示する図である。
【図6】ＳＦ６ガスのＣＯ２レーザ光透過率とエネルギー密度との関係を示す図である。
【図7】加工部５における加工ヘッド６０の構成を例示する図である。
【図8】レーザ加工時における加工ヘッド６０を例示する図である。
【図9】実施例と比較例とのレーザ加工面における蓄熱温度分布のシミュレーションを例示した図である。
【図10】実施例と比較例とのレーザ加工面を例示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
まず、本発明がなされた背景を説明する。
炭素繊維複合材（以下炭素繊維強化プラスチックと称呼する場合もある）に対する加工手法として、例えば、消耗が無く安定して使用することができるレーザ加工が国内外で有望視されている。炭素繊維複合材は、保護材であるプラスチック樹脂（融点：３００℃）が炭素繊維（融点：３，０００℃）を覆う構成であり、薄板の複合材であれば、ドイツのフランホッファー研究所が、短パルス光により高速で何度も走査することにより加工を実現している。これは、一般的にリモート切断（アブレーション加工）と呼ばれている。リモート切断においては、板厚２ｍｍぐらいまでの加工までが限界である。
また、プラスチック樹脂と炭素繊維とを何層にも重ねた板厚２ｍｍ以上となる厚板の複合材では、レーザ加工による切断が難しくなる。具体的には、熱影響の拡大と、複合材の厚さが増すことによりレーザ光が複合材の側面で吸収される割合が多くなり加工点までレーザ光を導光することが出来ず、加工に要する十分なパワーを伝搬する事が出来ないこととの課題がある。またリモート切断では、アシストガス等による積極的な冷却が出来ないため加工に限界がある。
炭素繊維複合材（以下炭素繊維強化プラスチックと称呼する場合もある）に対する加工手法として、例えば、消耗が無く安定して使用することができるレーザ加工が国内外で有望視されている。炭素繊維複合材は、保護材であるプラスチック樹脂（融点：３００℃）が炭素繊維（融点：３，０００℃）を覆う構成であり、薄板の複合材であれば、ドイツのフランホッファー研究所が、短パルス光により高速で何度も走査することにより加工を実現している。これは、一般的にリモート切断（アブレーション加工）と呼ばれている。リモート切断においては、板厚２ｍｍぐらいまでの加工までが限界である。
また、プラスチック樹脂と炭素繊維とを何層にも重ねた板厚２ｍｍ以上となる厚板の複合材では、レーザ加工による切断が難しくなる。具体的には、熱影響の拡大と、複合材の厚さが増すことによりレーザ光が複合材の側面で吸収される割合が多くなり加工点までレーザ光を導光することが出来ず、加工に要する十分なパワーを伝搬する事が出来ないこととの課題がある。またリモート切断では、アシストガス等による積極的な冷却が出来ないため加工に限界がある。
【0013】
そこで、上記事情を一着眼点にして本発明の実施形態を創作するに至った。本発明の実施形態によれば、レーザ加工後に気化冷却を行うことにより、熱影響を抑えることが可能である。以下、このような本発明の実施形態によるレーザ加工機１を図面を参照して説明する。
【0014】
図１は、レーザ加工機１の構成を例示する図である。
図１に例示するように、レーザ加工機１は、２つのパルスレーザ光を合成及び増幅したパルスレーザ光を用いて、例えば炭素繊維複合材である加工対象物Ｗの切断又は穴あけ加工を行う加工機である。レーザ加工機１は、ＭＯＰＡが１つになったオールインワン構造となっている。
レーザ加工機１は、パルス発振器３と、加工部５とを有する。パルス発振器３は、伝送ミラー７に対して加工レーザ３０を出射し、伝送ミラー７は、出射された加工レーザ３０を加工部５に伝送する。そして、加工部５は、伝送された加工レーザ３０を加工対象物Ｗに照射する。このとき加工部５は、加工対象物Ｗに対して相対的に移動しながら、レーザ光を照射する。
図１に例示するように、レーザ加工機１は、２つのパルスレーザ光を合成及び増幅したパルスレーザ光を用いて、例えば炭素繊維複合材である加工対象物Ｗの切断又は穴あけ加工を行う加工機である。レーザ加工機１は、ＭＯＰＡが１つになったオールインワン構造となっている。
レーザ加工機１は、パルス発振器３と、加工部５とを有する。パルス発振器３は、伝送ミラー７に対して加工レーザ３０を出射し、伝送ミラー７は、出射された加工レーザ３０を加工部５に伝送する。そして、加工部５は、伝送された加工レーザ３０を加工対象物Ｗに照射する。このとき加工部５は、加工対象物Ｗに対して相対的に移動しながら、レーザ光を照射する。
【0015】
図２は、パルス発振器３の構成を例示する図である。
図２に例示するように、パルス発振器３は、第１マスターオシレータ１００、第２マスターオシレータ１０２、ビームコンバイナ１１０、光増幅器１２０、寄生発振フィルタ１３０、及び、伝送ミラー１４０を有する。
図２に例示するように、パルス発振器３は、第１マスターオシレータ１００、第２マスターオシレータ１０２、ビームコンバイナ１１０、光増幅器１２０、寄生発振フィルタ１３０、及び、伝送ミラー１４０を有する。
【0016】
第１マスターオシレータ１００は、共振器とＡＯモジュレータとにより、偏光パルスレーザ光（第１パルスレーザ光３００）を生成し出力する。第１マスターオシレータ１００の発振器構造は、電気光変換効率の良い高速軸流が好ましい。第１マスターオシレータ１００は、伝送ミラー１４０Ａを介して、第２マスターオシレータ１０２が出力する偏光パルスレーザ光に対して直交する第１パルスレーザ光３００を出力する。出力された第１パルスレーザ光３００は、ビームコンバイナ１１０に入射する。
また、第１マスターオシレータ１００は、平均出力２８０ｗ～３２０ｗの偏光パルスレーザ光を出力し、本例では平均出力３００ｗである。また、第１パルスレーザ光３００は、２５０ｋＨｚのパルス（周期：４μｓｅｃ）で発振している。
また、第１マスターオシレータ１００は、平均出力２８０ｗ～３２０ｗの偏光パルスレーザ光を出力し、本例では平均出力３００ｗである。また、第１パルスレーザ光３００は、２５０ｋＨｚのパルス（周期：４μｓｅｃ）で発振している。
【0017】
第２マスターオシレータ１０２は、共振器とＡＯモジュレータとにより、偏光パルスレーザ光（第２パルスレーザ光３０２）を生成し出力する。第２マスターオシレータ１０２の発振器構造は、電気光変換効率の良い高速軸流が好ましい。第２マスターオシレータ１０２は、第１マスターオシレータ１００が出力する第１パルスレーザ光３００に対して、直交する第２パルスレーザ光３０２を出力する。出力された第２パルスレーザ光３０２は、ビームコンバイナ１１０に入射する。
また、第２マスターオシレータ１０２は、平均出力２８０ｗ～３２０ｗの偏光パルスレーザ光を出力し、本例では平均出力３００ｗである。また、第２パルスレーザ光３０２は、２５０ｋＨｚのパルス（周期：４μｓｅｃ）で発振している。
また、第２マスターオシレータ１０２は、平均出力２８０ｗ～３２０ｗの偏光パルスレーザ光を出力し、本例では平均出力３００ｗである。また、第２パルスレーザ光３０２は、２５０ｋＨｚのパルス（周期：４μｓｅｃ）で発振している。
【0018】
ビームコンバイナ１１０は、直交する２つの偏光パルスレーザ光を光学的に合成する光学部品である合成手段の一例であり、第１マスターオシレータ１００から出力された第１パルスレーザ光３００と、第２マスターオシレータ１０２から出力された第２パルスレーザ光３０２とを１本のレーザ光に合成する。本例のビームコンバイナ１１０は、平均出力３００ｗである第１パルスレーザ光３００と、平均出力３００ｗであり第２パルスレーザ光３０２とを、平均出力６００ｗであるレーザ光（合成パルスレーザ光３０４）に合成する。また本例のビームコンバイナ１１０は、炭酸ガスレーザ用の偏光ビームコンバイナである。なお、ビームコンバイナ１１０は、合成手段の一例である。
【0019】
光増幅器１２０は、ビームコンバイナ１１０により合成された合成パルスレーザ光３０４を増幅する光学用の増幅器である。光増幅器１２０は、複数段の増幅器を含み、炭素繊維強化プラスチックの切断に適した出力となる程度の増幅器の数となっている。本例の光増幅器１２０は、第１増幅器１２２、第２増幅器１２４、第３増幅器１２６、及び、第４増幅器１２８の４つの増幅器を含み、これらは直列に接続されている。光増幅器１２０は、４つの増幅器を介して、平均出力６００ｗの合成パルスレーザ光３０４を平均出力３０００ｗの合成パルスレーザ光３０４に増幅する。このように、合成パルスレーザ光３０４のモードやパルス条件を維持した状態で、出力を上げることができる。なお、光増幅器１２０は、増幅手段の一例である。
【0020】
寄生発振フィルタ１３０は、光増幅器１２０により増幅された合成パルスレーザ光３０４から、寄生発振のレーザ光（寄生発振光）を除去する。ここで、寄生発振光とは、光増幅器１２０により増幅の段階でガラスチューブ内面等で反射増幅（寄生発振）された領域の光であり、切断加工に悪影響を与える光である。寄生発振フィルタ１３０は、可飽和吸収ガスを内部循環させながら格納しており、可飽和吸収ガス中に合成パルスレーザ光３０４を通すことで、寄生発振光を除去する。本例では、可飽和吸収ガスは、ＳＦ６ガスであり、寄生発振フィルタ１３０は、ＳＦ６ガスによるフィルタリングにより寄生発振レーザ光を除去する。なお、寄生発振フィルタ１３０は、本発明に係るフィルタの一例である。
【0021】
伝送ミラー１４０は、偏向パルスレーザ光を伝送する光学用ミラーである。伝送ミラー１４０は、伝送ミラー１４０Ａ、伝送ミラー１４０Ｂ、及び伝送ミラー１４０Ｃを含む。伝送ミラー１４０Ａは、第１マスターオシレータ１００から出力された第１パルスレーザ光３００を反射させビームコンバイナ１１０に伝送する。また、伝送ミラー１４０Ｂは、第２増幅器１２４から出射された合成パルスレーザ光３０４を伝送ミラー１４０Ｃに伝送し、伝送ミラー１４０Ｃは、伝送ミラー１４０Ｂから伝送された合成パルスレーザ光３０４を第３増幅器１２６に伝送する。本例の伝送ミラー１４０Ａ、伝送ミラー１４０Ｂ、及び伝送ミラー１４０Ｃは、ゼロシフト全反射ミラーである。
【0022】
次に、光増幅器１２０の増幅段数及びレーザチューブ内径を説明する。
（光増幅器１２０：増幅段数の選択）
図３は、合成パルスレーザ光３０４のエネルギーの平均出力と増幅段数との関係を例示する図である。縦軸に合成パルスレーザ光３０４のエネルギー平均出力を、横軸に増幅段数をとり、増幅段数による平均出力の変化を示した。
図３に例示するように、出力制限のある直交する２つのＡＯＭで取り出される第１パルスレーザ光３００及び第２パルスレーザ光３０２をビームコンバイナ１１０により合成し、１本の合成パルスレーザ光３０４とする。増幅前における合成パルスレーザ光３０４の出力を、平均出力０．５ｍＪ＠２５０ｋＨｚ、平均出力１．５ｍＪ＠２５０ｋＨｚ、及び平均出力３．０ｍＪ＠２５０ｋＨｚとして比較した。
解析結果から、増幅後における合成パルスレーザ光３０４の出力を平均出力３０００ｗ＠２５０ｋＨｚ以上として得るには、増幅前における合成パルスレーザ光３０４の出力を平均出力１．５ｍＪ＠２５０ｋＨｚ以上、かつ、増幅段数を６段以下であると解った。すなわち、増幅前における合成パルスレーザ光３０４の出力を高めると、増幅器の数を減らすことができるため、結果として小型化することができる。よって、増幅前における合成パルスレーザ光３０４の出力に応じて炭素繊維複合材の切断に適した出力を得られるよう増幅器の数を適宜選択できる。なお、本例では、増幅前における合成パルスレーザ光３０４の出力を平均出力６００ｗとし、４段の増幅を経て、増幅後における合成パルスレーザ光３０４の出力を平均出力３０００ｗとしている。
（光増幅器１２０：増幅段数の選択）
図３は、合成パルスレーザ光３０４のエネルギーの平均出力と増幅段数との関係を例示する図である。縦軸に合成パルスレーザ光３０４のエネルギー平均出力を、横軸に増幅段数をとり、増幅段数による平均出力の変化を示した。
図３に例示するように、出力制限のある直交する２つのＡＯＭで取り出される第１パルスレーザ光３００及び第２パルスレーザ光３０２をビームコンバイナ１１０により合成し、１本の合成パルスレーザ光３０４とする。増幅前における合成パルスレーザ光３０４の出力を、平均出力０．５ｍＪ＠２５０ｋＨｚ、平均出力１．５ｍＪ＠２５０ｋＨｚ、及び平均出力３．０ｍＪ＠２５０ｋＨｚとして比較した。
解析結果から、増幅後における合成パルスレーザ光３０４の出力を平均出力３０００ｗ＠２５０ｋＨｚ以上として得るには、増幅前における合成パルスレーザ光３０４の出力を平均出力１．５ｍＪ＠２５０ｋＨｚ以上、かつ、増幅段数を６段以下であると解った。すなわち、増幅前における合成パルスレーザ光３０４の出力を高めると、増幅器の数を減らすことができるため、結果として小型化することができる。よって、増幅前における合成パルスレーザ光３０４の出力に応じて炭素繊維複合材の切断に適した出力を得られるよう増幅器の数を適宜選択できる。なお、本例では、増幅前における合成パルスレーザ光３０４の出力を平均出力６００ｗとし、４段の増幅を経て、増幅後における合成パルスレーザ光３０４の出力を平均出力３０００ｗとしている。
【0023】
（光増幅器１２０：レーザチューブ内径の選択）
図４は、放電励起によるガス温度上昇の解析を例示する図である。縦軸にガス温度を、横軸にガラス内径をとり、ガラス内径によるガス温度の変化を示した。
光増幅器１２０は、２つのマスターオシレータの発振器と同様の構造とした。ただし、図４に例示するように、放電によるレーザガス温度上昇が３００℃を越えるとレーザ光増幅の低下と、発生したレーザ光の吸収とが生じる。そのため、レーザチューブ内径をΦ１５ｍｍ以上１７ｍｍ以下としガス流速を上げ単位時間流量を増すことで、ガス温度上昇を低減させた。
図４は、放電励起によるガス温度上昇の解析を例示する図である。縦軸にガス温度を、横軸にガラス内径をとり、ガラス内径によるガス温度の変化を示した。
光増幅器１２０は、２つのマスターオシレータの発振器と同様の構造とした。ただし、図４に例示するように、放電によるレーザガス温度上昇が３００℃を越えるとレーザ光増幅の低下と、発生したレーザ光の吸収とが生じる。そのため、レーザチューブ内径をΦ１５ｍｍ以上１７ｍｍ以下としガス流速を上げ単位時間流量を増すことで、ガス温度上昇を低減させた。
【0024】
次に、寄生発振フィルタ１３０を詳細に説明する
図５は、寄生発振フィルタ１３０の内部構造及び除去原理を例示する図である。図５（Ａ）は、寄生発振フィルタ１３０の内部構造を例示し、図５（Ｂ）は、寄生発振フィルタ１３０の除去原理を例示する図である。
図５（Ａ）に例示するように、寄生発振フィルタ１３０は、集光レンズとコリメータレンズとを備え、集光レンズの焦点位置を通るように可飽和吸収ガスが通り内部で循環する構造となっている。
光増幅器１２０から出射した合成パルスレーザ光３０４は、集光レンズから入射し焦点位置にて集光する。集光した合成パルスレーザ光３０４は、寄生発振フィルタ１３０に格納された可飽和吸収ガスの中を通過する。このとき、可飽和吸収ガスは、集光レンズの焦点位置近傍において、合成パルスレーザ光３０４に対して直交する方向に流れ高速循環している。これにより、焦点位置近傍において、可飽和吸収ガスの劣化のない、フレッシュな可飽和吸収ガスと合成パルスレーザ光３０４とが常に反応可能となり、２５０ｋＨｚの繰返しパルスに対応することができる。可飽和吸収ガス内を通過した合成パルスレーザ光３０４は、コリメータレンズからコリメートされ出射し、加工レーザ光３０となる。
図５は、寄生発振フィルタ１３０の内部構造及び除去原理を例示する図である。図５（Ａ）は、寄生発振フィルタ１３０の内部構造を例示し、図５（Ｂ）は、寄生発振フィルタ１３０の除去原理を例示する図である。
図５（Ａ）に例示するように、寄生発振フィルタ１３０は、集光レンズとコリメータレンズとを備え、集光レンズの焦点位置を通るように可飽和吸収ガスが通り内部で循環する構造となっている。
光増幅器１２０から出射した合成パルスレーザ光３０４は、集光レンズから入射し焦点位置にて集光する。集光した合成パルスレーザ光３０４は、寄生発振フィルタ１３０に格納された可飽和吸収ガスの中を通過する。このとき、可飽和吸収ガスは、集光レンズの焦点位置近傍において、合成パルスレーザ光３０４に対して直交する方向に流れ高速循環している。これにより、焦点位置近傍において、可飽和吸収ガスの劣化のない、フレッシュな可飽和吸収ガスと合成パルスレーザ光３０４とが常に反応可能となり、２５０ｋＨｚの繰返しパルスに対応することができる。可飽和吸収ガス内を通過した合成パルスレーザ光３０４は、コリメータレンズからコリメートされ出射し、加工レーザ光３０となる。
【0025】
図５（Ｂ）に例示するように、合成パルスレーザ光３０４を光増幅器１２０で増幅（ＰＭ）した際に、ガラスチューブ内面の反射等で発生した寄生発振レーザ光も同時に増幅する。そのため、増幅した寄生発振レーザ光は、レーザ加工に悪影響を及ぼすため除去する必要がある。合成パルスレーザ光３０４は、寄生発振フィルタ１３０内にて集光レンズにより集光し、集光部にシングルモード及び高次モードを出現させる。このとき、焦点位置近傍において、シングルモードのレーザ光のスポット径は、回折限界付近まで絞り込まれる。一方、焦点位置近傍において、高次モードのレーザ光（いわゆる、寄生発振レーザ光に相当）のスポット径は、シングルモードのレーザー光のスポット径よりも大きくなる。光増幅器１２０で増幅した合成パルスレーザ光３０４は、エネルギー密度が高いパルスレーザ光となっているため、例えば、スペイシャルフィルタにより高次モードのレーザ光の除去を行っても、ナイフエッジピンホールの一部が加熱溶融され損傷部分が発生する。そのため、通常使われるピンホールでの高次モードの除去は難しい。そこで、可飽和吸収ガスであるＳＦ６ガスをスペイシャルフィルタのように機能させることで、高次モードのレーザ光を除去し加工に良好なレーザ光にすることができる。
【0026】
図６は、合成パルスレーザ光３０４におけるＳＦ６ガスの透過率曲線を例示する図である。
図６に例示するように、エネルギー密度が低い高次モード領域に対して、エネルギー密度が高いシングルモード領域の透過率が大きい。つまり、レーザエネルギー密度に依存してＳＦ６ガスの吸収割合に違いがある。このため、集光レンズにより集光されたシングルモード領域のレーザー光は、焦点位置近傍において、エネルギー密度が高くなり可飽和吸収ガスであるＳＦ６ガスを透過する。一方、エネルギー密度の低い高次モード領域のレーザー光は、焦点位置近傍において、エネルギー密度が低くなり可飽和吸収ガスであるＳＦ６ガスにより吸収される。入射光によりＳＦ６ガスは、振動励起されレーザ光を吸収する。通常は、レーザ光のエネルギー密度が低いためＳＦ６ガスの解離は発生しない。光励起されたＳＦ６ガスは、数～数１０ｎｓｅｃで分子間衝突効果の励起や緩和が行われる。この吸収パラメータは、ガス圧・混合比や温度に依存するため安定した動作を保障するためにはパルス間にフレッシュなＳＦ６ガスと置換する必要がある。
従って、寄生発振フィルタ１３０は、集光レンズの焦点位置近傍において、合成パルスレーザ光３０４に対して直交する方向にＳＦ６ガスを高速循環させることにより、フレッシュな可飽和吸収ガスと合成パルスレーザ光３０４とを常に反応させることで、合成パルスレーザ光３０４から、寄生発振レーザ光を除去することができる。
図６に例示するように、エネルギー密度が低い高次モード領域に対して、エネルギー密度が高いシングルモード領域の透過率が大きい。つまり、レーザエネルギー密度に依存してＳＦ６ガスの吸収割合に違いがある。このため、集光レンズにより集光されたシングルモード領域のレーザー光は、焦点位置近傍において、エネルギー密度が高くなり可飽和吸収ガスであるＳＦ６ガスを透過する。一方、エネルギー密度の低い高次モード領域のレーザー光は、焦点位置近傍において、エネルギー密度が低くなり可飽和吸収ガスであるＳＦ６ガスにより吸収される。入射光によりＳＦ６ガスは、振動励起されレーザ光を吸収する。通常は、レーザ光のエネルギー密度が低いためＳＦ６ガスの解離は発生しない。光励起されたＳＦ６ガスは、数～数１０ｎｓｅｃで分子間衝突効果の励起や緩和が行われる。この吸収パラメータは、ガス圧・混合比や温度に依存するため安定した動作を保障するためにはパルス間にフレッシュなＳＦ６ガスと置換する必要がある。
従って、寄生発振フィルタ１３０は、集光レンズの焦点位置近傍において、合成パルスレーザ光３０４に対して直交する方向にＳＦ６ガスを高速循環させることにより、フレッシュな可飽和吸収ガスと合成パルスレーザ光３０４とを常に反応させることで、合成パルスレーザ光３０４から、寄生発振レーザ光を除去することができる。
【0027】
図７は、加工部５における加工ヘッド６０の構成を例示する図である。
図１に例示した加工部５は、加工対象物Ｗに対して相対的に移動しながら、レーザ光を照射する。加工部５は、加工ヘッド６０を有し、加工ヘッド６０を通じて加工レーザ光３０を加工対象物Ｗに照射する。なお、加工ヘッド６０は、第１ノズル６１と第２ノズル６３を含む。図７に例示するように、加工部５は、レーザ照射部５０と、冷却液照射部５３と、ガス噴出部５６とを有する。レーザ照射部５０は、第１ノズル６１を含み、冷却液照射部５３は、第２ノズル６３を含む。但し、内部空間Ｓ１を陽圧力にするためガス噴出部５６を削除する組合せもある。
図１に例示した加工部５は、加工対象物Ｗに対して相対的に移動しながら、レーザ光を照射する。加工部５は、加工ヘッド６０を有し、加工ヘッド６０を通じて加工レーザ光３０を加工対象物Ｗに照射する。なお、加工ヘッド６０は、第１ノズル６１と第２ノズル６３を含む。図７に例示するように、加工部５は、レーザ照射部５０と、冷却液照射部５３と、ガス噴出部５６とを有する。レーザ照射部５０は、第１ノズル６１を含み、冷却液照射部５３は、第２ノズル６３を含む。但し、内部空間Ｓ１を陽圧力にするためガス噴出部５６を削除する組合せもある。
【0028】
レーザ照射部５０は、加工用のレーザ光（加工レーザ光３０）及びアシストガスを第１ノズル噴出口６１Ａから出す第１ノズル６１を含み、この第１ノズル６１から加工レーザ光３０を加工対象物Ｗに照射する。レーザ照射部５０は、加工対象物Ｗに対して相対的に移動しながら、レーザ光を照射する。また、第１ノズル６１には集光レンズ６５が設けられる。なお、集光レンズ６５は、放物面鏡で集光するように変更してもよい。
【0029】
冷却液照射部５３は、供給される冷却液を第２ノズル噴出口６３Ａから出す第２ノズル６３を含み、加工対象物Ｗの、レーザ照射部５により加工レーザ光３０が照射される位置の近傍に対して、冷却液を照射する。また、冷却液照射部５３に含まれる第２ノズル６３は、第１ノズル６１と同軸で、第１ノズル６１の外周に設けられた同軸ノズルであり、第１ノズル噴出口６１Ａの周囲から冷却液を照射する。ここで、冷却液照射部５３から照射される冷却液は、ミスト状の液体であり、本例ではミスト状の水（水ミストと称呼する）である。
【0030】
ガス噴出部５６は、ガス噴出部５６は、第１ノズル６１の第１ノズル噴出口６１Ａと集光レンズ６５との間の位置おいて、第１ノズル６１内を進む加工レーザ光３０の光軸に対して直交する方向に高圧ガスを噴出する。具体的には、ガス噴出部５６は、第１ノズル６１の近傍において、レーザ照射部５０の移動方向に高圧ガスを噴出する。なお高圧ガスとは、本例では圧縮空気である。また、ガス噴出部５６は、ガス流路５６２、及びガス排出部５６４を含み、互いに対向する位置に設けられる。
【0031】
次に、レーザ加工機１のレーザ加工方法を説明する。
図８は、加工対象物Ｗを加工しているレーザ加工機１を例示する図である。
図８に例示するように、レーザ加工機１は、加工部５を高速移動させながら、加工対象物Ｗ（ＣＦＲＰ又はＣＦＲＴＰ）の表面に加工レーザ光３０を照射し加工を行う。本例では、加工部５を４ｍ／ｓｅｃの速度で高速移動させながら、一回の走査におけるレーザ加工での除去加工深さＤを１０～１００μｍ程度とする。また、予め集光レンズ６５の焦点距離は厚さに比例して自動調整したものとする。
ステップ１００（Ｓ１００）において、レーザ照射部５０は、レーザ発振器３から出射された加工レーザ光３０を集光レンズ６５に入射させ、入射させた加工レーザ光３０を焦点位置にて集光させる。すなわち、レーザ照射部５０は、加工対象物Ｗに加工レーザ光３０を照射する。このパルスレーザ加工時において、加工対象物Ｗの表面から飛散した微粒子（アブレーション粒子）が発生する。
図８は、加工対象物Ｗを加工しているレーザ加工機１を例示する図である。
図８に例示するように、レーザ加工機１は、加工部５を高速移動させながら、加工対象物Ｗ（ＣＦＲＰ又はＣＦＲＴＰ）の表面に加工レーザ光３０を照射し加工を行う。本例では、加工部５を４ｍ／ｓｅｃの速度で高速移動させながら、一回の走査におけるレーザ加工での除去加工深さＤを１０～１００μｍ程度とする。また、予め集光レンズ６５の焦点距離は厚さに比例して自動調整したものとする。
ステップ１００（Ｓ１００）において、レーザ照射部５０は、レーザ発振器３から出射された加工レーザ光３０を集光レンズ６５に入射させ、入射させた加工レーザ光３０を焦点位置にて集光させる。すなわち、レーザ照射部５０は、加工対象物Ｗに加工レーザ光３０を照射する。このパルスレーザ加工時において、加工対象物Ｗの表面から飛散した微粒子（アブレーション粒子）が発生する。
【0032】
ステップ１０２（Ｓ１０２）において、冷却液照射部５３は、加工対象物Ｗの加工面のうち、加工レーザ光３０が照射される位置の近傍に水ミストを照射する。照射された水ミストは、加工対象物Ｗの表面にて蒸発するため、既にレーザ加工を終えた加工対象物Ｗの表面を気化冷却させ、レーザ加工後の温度上昇を防止する。これにより、熱蓄積と熱影響とを抑えることができる。
【0033】
ステップ１０４（Ｓ１０４）において、ガス噴出部５６は、ガス噴出部５６は、第１ノズル６１の第１ノズル噴出口６１Ａと集光レンズ６５との間の位置おいて、レーザ照射部５０の第１ノズル６１から照射されるレーザ光の光軸に対して直交する方向に第１ノズル６１の内部から外部に向かって高圧ガスである圧縮空気を噴出し、第１ノズル６１の内部に侵入したアブレーション粒子を、第１ノズル６１の外部に排出する。これにより、集光レンズ６５にアブレーション粒子が付着することを防止する。
このように、Ｓ１００～Ｓ１０４を繰り返すことにより、レーザ加工パス間中に温度上昇した加工対象物Ｗの加工面を積極的に冷却できるため、熱伝導による温度上昇を低減することができる。なお、Ｓ１０２及びＳ１０４は、実行する順序を入れ替えてもよいし、同じタイミングで行ってもよい。
このように、Ｓ１００～Ｓ１０４を繰り返すことにより、レーザ加工パス間中に温度上昇した加工対象物Ｗの加工面を積極的に冷却できるため、熱伝導による温度上昇を低減することができる。なお、Ｓ１０２及びＳ１０４は、実行する順序を入れ替えてもよいし、同じタイミングで行ってもよい。
【0034】
図９は、実施例と比較例とのレーザ加工面における蓄熱温度分布のシミュレーションを例示した図である。図９（Ａ）は、実施例の蓄熱温度分布のシミュレーションを例示した図であり、図９（Ｂ）は、比較例の蓄熱温度分布のシミュレーションを例示した図である。
加工対象物Ｗの加工面の冷却を行う場合（実施例）と、加工対象物Ｗの加工面の冷却を行わない場合（比較例）とで、蓄熱温度分布のシミュレーションを行った。
図９（Ａ）に例示するように、実施例では、パスとパスの短時間に加工対象物Ｗの加工面を冷却する場合、熱影響部（ＨＡＺ）領域を最小に低減できる結果が得られた。一方で、図９（Ｂ）に例示するように、比較例では、パスとパスの間に加工対象物Ｗの加工面を冷却しない場合、熱伝導により４００℃近くに樹脂層が加熱され、ＨＡＺ領域が拡大する結果が得られた。また、加工対象物Ｗ（ＣＦＲＰ）の温度が１，０００℃異なる結果が得られた。
加工対象物Ｗの加工面の冷却を行う場合（実施例）と、加工対象物Ｗの加工面の冷却を行わない場合（比較例）とで、蓄熱温度分布のシミュレーションを行った。
図９（Ａ）に例示するように、実施例では、パスとパスの短時間に加工対象物Ｗの加工面を冷却する場合、熱影響部（ＨＡＺ）領域を最小に低減できる結果が得られた。一方で、図９（Ｂ）に例示するように、比較例では、パスとパスの間に加工対象物Ｗの加工面を冷却しない場合、熱伝導により４００℃近くに樹脂層が加熱され、ＨＡＺ領域が拡大する結果が得られた。また、加工対象物Ｗ（ＣＦＲＰ）の温度が１，０００℃異なる結果が得られた。
【0035】
図１０は、実施例と比較例とのレーザ加工面を例示した図である。図１０（Ａ）は、実施例のレーザ加工面を例示した図であり、図１０（Ｂ）は、比較例のレーザ加工面を例示した図である。
加工対象物Ｗの加工面の冷却を行う場合（実施例）と、加工対象物Ｗの加工面の冷却を行わない場合（比較例）とで、加工対象物Ｗのレーザ加工を行った。
図１０（Ａ）に例示するように、実施例では、レーザ加工を行いながら加工対象物Ｗの加工面を積極的に気化冷却することにより、ＨＡＺ領域を最小に低減できることを確認した。一方で、図１０（Ｂ）に例示するように、比較例では、レーザ加工を行いながら加工対象物Ｗの加工面を冷却していないため、樹脂層が加熱されるためＨＡＺ領域の拡大が見られることを確認した。
加工対象物Ｗの加工面の冷却を行う場合（実施例）と、加工対象物Ｗの加工面の冷却を行わない場合（比較例）とで、加工対象物Ｗのレーザ加工を行った。
図１０（Ａ）に例示するように、実施例では、レーザ加工を行いながら加工対象物Ｗの加工面を積極的に気化冷却することにより、ＨＡＺ領域を最小に低減できることを確認した。一方で、図１０（Ｂ）に例示するように、比較例では、レーザ加工を行いながら加工対象物Ｗの加工面を冷却していないため、樹脂層が加熱されるためＨＡＺ領域の拡大が見られることを確認した。
【0036】
以上説明したのように、従来のリモート切断では、レーザ出力が低く、かつ、冷却が不十分であるため、加工対象物Ｗの表面に熱伝導吸収され加工底部までレーザエネルギーが到達せず、厚板の加工対象物Ｗの加工が困難であったが、本実施形態のレーザ加工機１によれば、レーザ加工を終えた加工対象物Ｗの表面を積極的に気化冷却させ、レーザ加工後の温度上昇を防止することにより、熱影響を抑えることができる。これにより、良好な加工面を得ることができる。また、熱影響を抑えながら高出力レーザ加工を繰り返し行うことができるため、例えば３ｍｍ以上６ｍｍ以下である厚板の加工対象物Ｗの切断加工も行うことができる。
【符号の説明】
【0037】
１…レーザ加工機
３…パルスレーザ共振器
１００…第１マスターオシレータ
１０２…第２マスターオシレータ
１１０…ビームコンバイナ
１２０…光増幅器
１３０…寄生発振フィルタ
１４０…伝送ミラー
５…加工部
５０…レーザ照射部
５３…冷却液照射部
５６…ガス噴出部
３…パルスレーザ共振器
１００…第１マスターオシレータ
１０２…第２マスターオシレータ
１１０…ビームコンバイナ
１２０…光増幅器
１３０…寄生発振フィルタ
１４０…伝送ミラー
５…加工部
５０…レーザ照射部
５３…冷却液照射部
５６…ガス噴出部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】