JP2017217658A - レーザ加工装置、レーザ加工方法、光学系、及び肉盛り加工品 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で加工点における光強度分布を柔軟に変えることができ、被加工物に対する入熱を容易に制御することが可能なレーザ加工装置、レーザ加工方法、光学系、及び肉盛り加工品を提供すること。【解決手段】レーザ光源１２と、レーザ光源１２から発生した光束Ｌを被加工物Ｗに向けて集光する集光部１４と、集光部１４で集光された光束Ｌに対して不均一な透過率を有すると共に、集光点Ｐにおける光強度分布を不均一にする光学素子１６を含む光束変換部と、を備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置、レーザ加工方法、光学系、及び肉盛り加工品に関する。

被加工物を加工する装置として、レーザ加工装置がある。レーザ加工装置を用いることにより、金属等の被加工物に対して、穴あけ、切断、溶接、焼入れ、クラッディング（肉盛り）等の様々な加工を施すことが可能である。また、施す加工内容等に応じて、レーザ加工装置に用いるレーザ光源の、加工点近傍におけるレーザビームのプロファイル（光強度分布、エネルギー密度）、及びその形成方法についても、さまざま検討されてきている。

つまり、レーザ加工においては、加工内容、被加工物、被加工物に対する入熱（加工に際し、外部から加工点近傍に付与される熱量）プロファイル等に応じて、レーザ加工に用いるレーザ光源の望ましいビームプロファイルが異なるため、レーザ光源の加工点近傍におけるビームプロファイル、すなわち光強度分布は、柔軟に変えられることが求められる。

レーザビームのプロファイルを変える一手法として、空間変調器（液晶、光学結晶、マイクロマシンなど）を用いる方法がある。つまり、レーザビームを空間変調器に入射させ、空間変調器を透過させたり、反射させたりすることにより、レーザビームに対する透過率やレーザビームの位相を制御して、集光点での強度分布を調整する方法である。

また、レーザビームのプロファイルに関する従来技術として、特許文献１に開示されたレーザ加工装置が知られている。特許文献１に開示されたレーザ加工装置は、レーザを出力する固体レーザ発振器と、固体レーザ発振器から出力されたレーザを集光し、被加工物に照射させる光学系と、を有している。そして、固体レーザ発振器は、レーザの進行方向の中心を通る断面におけるビームプロファイルが、中心の外側に中心よりも出力が高い複数のピークが形成される形状のレーザを出力し、光学系は、焦点位置が被加工物の加工位置に対してずれたレーザを被加工物に照射する。特許文献１に開示されたレーザ加工装置では、このような構成を有することにより、被加工物に照射されるレーザを、レーザが照射される領域の端部側の出力がより強い分布とすることができるので、被加工物の加工領域の端部により強いレーザを照射することができ、高い精度で加工を行うことができるとしている。

一方、レーザ加工の特質を生かした加工方法として、肉盛り加工がある。肉盛り加工とは、母材の所定部分に、母材とは異なった材料を溶融・凝固させ、母材の所定部分における表面の強度や耐摩耗性を向上させる加工である。レーザ加工では、この肉盛り加工の際の熱源として、レーザ光源が用いられている。

肉盛り加工のためのレーザ加工装置を開示した文献として、特許文献２に開示されたレーザ加工装置が知られている。特許文献２に開示されたレーザ加工装置では、シリンダヘッドのバルブシートに回転送りを与えながら、銅系合金粉末を所定量ずつ連続供給するとともに、凹面円柱鏡と、細い平面鏡をセグメントにもつ積分鏡とで線状に形成したレーザビームを銅系合金粉末の上から照射して、バルブシートに銅系合金の肉盛り層を形成する。特許文献２に開示されたレーザ加工装置では、このような構成を有することにより、線状のレーザビームのエネルギー密度特性が肉盛り幅方向でほぼ均一なものとなることから、肉盛り幅方向での入熱量の部分的なばらつきが生じにくく、特に肉盛り幅方向での部分的な母材希釈のない良好な肉盛り層を形成することができるとしている。

特許第５５９５５７３号公報 特許第３２３２９４０号公報

しかしながら、空間変調器は、一般に、レーザ加工装置の光出力のような高出力（数ｋＷ）のレーザビームを照射できるように構成されていないので、レーザ加工装置の光出力の一部を空間変調器のミラー（一般に金属で形成されている）に当てると、溶融してしまう可能性がある。

一方、特許文献１に開示されたレーザ加工装置では、レーザビームの焦点をデフォーカスすることによって光強度分布を変えているが、このような方法では、光強度分布を変化させる光軸方向の移動範囲に限界があり、光強度分布の可変幅が小さいという問題がある。従って、入熱プロファイルの柔軟な変更という点からも改善の余地がある。

さらに、特許文献２に開示されたレーザ加工装置は、肉盛り加工に特化し、凹面円柱鏡と積分鏡との組合せという特殊な光学系を用いて、光強度分布を均一にすることを意図したものであり、光強度分布の柔軟な変更に対応したものではない。また、特許文献２に開示されたレーザ加工装置は反射型であるので、装置が大型化し、その分コストも高くなるという欠点がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で加工点における光強度分布を柔軟に変えることができ、被加工物に対する入熱を容易に制御することが可能なレーザ加工装置、レーザ加工方法、光学系、及び肉盛り加工品を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載のレーザ加工装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源から発生した光束を被加工物に向けて集光する集光部と、前記集光部で集光された前記光束に対して不均一な透過率を有すると共に、集光点における光強度分布を不均一にする光学素子を含む光束変換部と、を備えたものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記光学素子は、円柱形状の石英により形成されているものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記光強度分布の形状は、外形が略円形状であり前記円形状の直径方向に光強度の低い領域を有することにより、前記光強度分布が不均一にされたものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記光束変換部は、複数の前記光学素子を含むものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記レーザ光源と前記集光部との間に、前記レーザ光源から発生した光を平行光とするコリメート部をさらに備えたものである。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の発明において、肉盛り加工を行うための肉盛り部材を供給する肉盛り部材供給部を備えた肉盛り加工部をさらに備え、前記肉盛り加工部は、前記肉盛り部材供給部及び前記光束と、前記被加工物と、を相対的に移動させつつ前記肉盛り部材供給部から前記被加工物上に前記肉盛り部材を供給し、供給された前記肉盛り部材に前記光束を照射して肉盛り加工を行うものである。

また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記肉盛り加工部は、前記肉盛り加工を行って、内燃機関用のシリンダヘッドのバルブシートを形成するものである。

上記目的を達成するために、請求項８に記載の光学系は、光源から発生した光束を集光する集光部と、前記集光部で集光された前記光束に対して不均一な透過率を有すると共に、集光点における光強度分布を不均一にする光学素子と、を含むものである。

上記目的を達成するために、請求項９に記載のレーザ加工方法は、集光部により、レーザ光源から発生した光束を被加工物に向けて集光し、前記集光部で集光された前記光束に対して不均一な透過率を有する光学素子を含む光束変換部により、集光点における光強度分布を不均一にするものである。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の発明において、肉盛り加工を行うための肉盛り部材を供給する肉盛り部材供給部を備えた肉盛り加工部により、前記肉盛り部材供給部及び前記光束と、前記被加工物と、を相対的に移動させつつ前記肉盛り部材供給部から前記被加工物上に前記肉盛り部材を供給し、供給された前記肉盛り部材に前記光束を照射して肉盛り加工を行うものである。

上記目的を達成するために、請求項１１に記載の肉盛り加工品は、第１の金属からなる母材と、前記母材上に第２の金属により形成された肉盛り部と、前記母材と前記肉盛り部との間に配置された前記母材と前記肉盛り部とを溶融接合する合金部と、を含み、前記母材と前記合金部との接合面の形状が椀形状である肉盛り加工品であって、前記肉盛り部及び前記合金部は、前記母材上に肉盛り部材が供給されているときに、集光部により、レーザ光源から発生した光束が被加工物に向けて集光され、前記集光部で集光された前記光束に対して不均一な透過率を有する光学素子を含む光束変換部により、集光点における光強度分布が不均一にされることにより、供給された前記肉盛り部材に前記光束が照射され、肉盛り加工が行われることにより形成されたものである。

本発明によれば、簡易な構成で加工点における光強度分布を柔軟に変えることができ、被加工物に対する入熱を容易に制御することが可能なレーザ加工装置、レーザ加工方法、光学系、及び肉盛り加工品を提供することができるという効果を奏する。

第１の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成の一例を示す図、光学素子の一例を示す図、及びビームプロファイルの一例を示す図である。 第１の実施の形態に係るレーザ光源の、加工点における光強度分布の一例を示すグラフ、及び写真である。 第１の実施の形態に係るレーザ加工装置による焼入れ加工の状態の一例を示す断面図、及び従来技術に係るレーザ加工装置による焼入れ加工の状態を示す断面図である。 第２の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成の一例を示す図、及びビームプロファイルを示す図である。 第３の実施の形態に係る光学素子の構成の一例を示す図、及びビームプロファイルを示す図である。 第４の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成の一例を示す図である。 第４の実施の形態に係るレーザ加工装置による肉盛り加工を用いたバルブシートの作製について説明する図である。 第４の実施の形態に係るレーザ加工装置による肉盛り加工部を説明する図である。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１〜図３を参照して本実施の形態に係るレーザ加工装置１０について説明する。図１（ａ）、（ｃ）に示すように、レーザ加工装置１０は、レーザ光源１２、集光素子１４、及び光学素子１６（光束変換部）を含んで構成されている。

レーザ光源１２は、加工に際しての熱を供給する熱源であり、本実施の形態では、半導体レーザを用いて構成されている。レーザ光源１２は、図示しないコリメートレンズを内蔵し、半導体レーザから出射された平行光を光束Ｌとして出力する。また、レーザ光源１２を構成する半導体レーザは、単体の半導体レーザであってもよいし、発光点が複数配列された半導体レーザアレイであってもよい。また、本実施の形態では、光束Ｌを平行光としているが、これに限られず、例えば被加工物Ｗの加工点Ｐに向けて一定程度集光された光束Ｌでもよい。

なお、本実施の形態では、レーザ光源１２として半導体レーザを用いた形態を例示して説明するが、これ限られず、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオジウム：イットリウム・アルミニウム・ガーネット）固体レーザ、ファイバレーザ、ファイバ伝送式レーザ（固体レーザの出力や、半導体レーザの出力を光ファイバで伝送する方式の光源）等、他の形態のレーザ光源を用いてもよい。

集光素子１４は、光束Ｌを被加工物Ｗの加工点Ｐに向けて集光する素子であり、例えばレンズを用いることができる。集光素子１４を構成するレンズは、単体であっても複数枚のレンズ群であってもよい。

本実施の形態に係る光学素子１６はレンズ作用を有し、光束Ｌの一部の光軸を変換することにより、レーザ光源１２のビームプロファイルを変更する素子である。光学素子１６は、例えばレーザ加工装置１０の加工トーチ内に配置される。集光素子１４と光学素子１６とを含んで、本実施の形態に係る光学系２０が構成されている。本実施の形態に係る光学素子１６は、図１（ｅ）に示すように、一例として円柱状の外形を有し、レーザ光源１２の波長に対して透明な素材、例えば石英等で形成されている。つまり、本実施の形態に係る光学素子１６は、石英棒（石英ロッド）である。なお、加工トーチとは、レーザ光を出射するヘッド部分であり、一般に円筒と円錐とが接続された形状をなしている。

ここで、高出力（例えば、数ｋＷ）レーザを有するレーザ加工装置によってレーザ加工を行う場合、加工点での光強度分布を検討しながら加工特性（穴開け、溶接、焼入れなどの加工状態）を向上させたい場合がある。一般に、集光点（加工点）の光強度分布を変えるには、特殊レンズなどにより構成されるさまざまな光学系を試作し、加工の状態を観察しながら光学系の適否を判断する必要があった。その結果、従来技術に係るレーザ加工装置では、光学系決定までの試行錯誤のための多大な時間と費用を要した。

そのため、本実施の形態では、簡便にビームプロファイルを変更することが可能な光学系２０を採用した。すなわち、光束Ｌの光路の途中に、石英棒のようなレンズ効果のある光学部品を配置する。この場合、石英棒のレンズ効果により、石英棒を透過するレーザ光は石英棒を挿入する以前の集光点以外で集光点を作り、本来の集光点では発散される。このようにして、石英棒を通過するレーザ光に部分的な損失を生じさせることにより、本来の集光点での光強度分布を調整している。

上記構成を備えるにより、本実施の形態に係るレーザ加工装置１０では、光学系決定までの時間と費用を大幅に削減することが可能となった。また、ビームプロファイルを容易に変更可能とすることによって、本実施の形態に係るレーザ加工装置１０では、被加工物に対する入熱分布も容易に調整可能となっている。以下、本実施の形態に係る光学素子１６の作用について、より詳細に説明する。

図１（ｂ）及び（ｄ）に、光学系２０によって加工点Ｐに形成されるスポットＳ（ビームプロファイル、あるいは照射パターン）を示す。図１（ｂ）及び（ｄ）に示すように、本実施の形態に係るスポットＳは、全体が略円形状をなすと共に、直径方向に延伸するスリット部Ｂを有している。スリット部Ｂは、スリット部Ｂの周辺の領域よりも光強度が低い領域である。つまり、本実施の形態に係るレーザ加工装置１０では、スポットＳを、中心部分における光強度が線状に低下された不均一な光強度分布を有する形状とすることにより、中心部分にレーザ光のパワーが集中しないようにすることが可能となっている。

より具体的には、光束Ｌは、集光素子１４によって集光された結果、加工点Ｐあるいは加工点Ｐの近傍において集光点（結像点）を形成しようとする。しかしながら、集光点を形成しようする光束Ｌは、図１（ｃ）に示すように、光学素子１６のレンズ作用によって光学素子１６の直径方向に沿って外側に屈折され、散免される。そのため、集光しようとする光束Ｌの一部が集光点に到達しないので、スポットＳは均一な光強度分布とはならず、直径方向に光強度が低下されたスリット部Ｂを有する形状となる。換言すれば、光学素子１６は、略均一な光強度分布を有する光束Ｌの光路を変換すると共に、光強度分布を２次元的に変換する（光強度分布に偏りをもたせる）素子である。

なお、本実施の形態では、スポットＳが略円形状である形態を例示して説明するが、これに限られず、例えば楕円形状、矩形形状等、加工目的等に応じて適切な形状の形態としてよい。また、本実施の形態では、スリット部ＢがスポットＳの外形端まで到達する形態を例示して説明するが、これ限られず、スリット部ＢがスポットＳの外形に含まれるような形態としてもよい。さらに、本実施の形態では、スリット部ＢがスポットＳの中央部（直径に相当する部分）に配置された形態を例示して説明するが、これに限られず、スリット部ＢがスポットＳの周辺部の偏った位置に配置された形態としてもよい。

図２を参照して、レーザ加工装置１０におけるレーザビームのスポットＳの、実際の観測結果について説明する。図２では、光学素子１６と加工点Ｐとの距離ｄ（図１（ａ）参照）をパラメータとしている。

本観察では、図１（ａ）に示すレーザ加工装置１０において、集光素子１４の焦点距離ｆをｆ＝３８０ｍｍとし、光学素子１６の直径を１ｍｍとした。図２（ａ）は、ｄ＝１９ｍｍとした場合の、図１（ｂ）に示すＡ−Ａ’方向の光強度分布を、図２（ｂ）は、スポットＳの写真を示している。また、図２（ｃ）は、ｄ＝６４ｍｍとした場合の、図１（ｂ）に示すＡ−Ａ’方向の光強度分布を、図２（ｄ）は、スポットＳの写真を示している。

図２（ａ）、（ｃ）に示すように、スポットＳの光強度分布は、スリット部Ｂに対応して、中央付近に凹部Ｃを有する形状となる。図２（ａ）と図２（ｃ）とを、また図２（ｂ）と図２（ｄ）とを比較して明らかなように、距離ｄが１９ｍｍの場合のスリット部Ｂは、距離ｄが６４ｍｍの場合のスリット部Ｂよりもスリット部Ｂの部分の光強度がより低下し、スリット部Ｂ以外の領域との境界もより明瞭となっている。換言すれば、距離ｄを大きくすることにより、スリット部Ｂでの光強度の低下を抑制すると共に、光強度分布をよりブロードにできることがわかる。つまり、本実施の形態では、一例として、光学素子１６と加工点Ｐとの距離ｄを調整して、加工点ＰにおけるスポットＳの光強度分布を調整することができる。

次に、図３を参照して、本実施の形態に係るレーザ加工装置１０によって実際に焼入れ加工を行った場合の試行結果について説明する。図３（ａ）は、本実施の形態に係るレーザ加工装置１０で金属母材１０４に焼入れ加工を行った場合の、焼入れ部１００を示す断面図、図３（ｂ）は、従来技術に係るレーザ加工装置で金属母材１０４に金属焼入れ加工を行った場合の、焼入れ部１０２を示す断面図である。なお、従来技術に係るレーザ加工装置は、図１（ａ）、（ｃ）において光学素子１６を除いた構成を有するレーザ加工装置であり、そのビームプロファイルは、例えば図２（ａ）において中央付近の凹部Ｃがない形状となっている。

図３（ａ）と（ｂ）とを比較して明らかなように、従来技術に係るレーザ加工装置では中央部に過大な焼入れ加工部（入熱）が発生するのに対し、本実施の形態に係るレーザ加工装置１０によれば、浅く広い領域に焼入れが可能となることがわかる。すなわち、本実施の形態に係るレーザ加工装置１０によれば、加工目的等に応じて最適な入熱プロファイルを設定することが可能である。

以上、詳述したように、本実施の形態に係るレーザ加工装置、光学系、及びレーザ加工方法によれば、簡易な構成で加工点における光強度分布を柔軟に変えることができ、被加工物に対する入熱を容易に制御することができるという効果を奏する

［第２の実施の形態］
図４を参照して、本実施の形態に係るレーザ加工装置１０ａについて説明する。本実施の形態に係るレーザ加工装置１０ａは、上記のレーザ加工装置１０において、光学素子１６及び光学系２０を、光学素子１６ａ及び光学系２０ａに変更したものである。従って、光学素子１６ａ及び光学系２０ａ以外の構成はレーザ加工装置１０と同様なので、同様の構成には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

図４（ａ）、（ｃ）に示すように、レーザ加工装置１０ａの光学素子１６ａは、金属で板状に形成されたマスクとされている。金属の材料は、レーザ加工装置１０ａのレーザ光の波長に対して、反射特性（一部吸収特性）を示すような材料が選択される。レーザ加工装置１０ａでも、図４（ｂ）、（ｄ）に示すように、スリット部Ｂを有するスポットＳを形成することができる。ただし、本実施の形態では、金属が一般に、ｋＷ級のレーザ光の一部を吸収することで溶融することから、レーザ光源１２の波長と、光学素子１６ａの反射（吸収）特性との関係等について十分に検討することが好ましい。

［第３の実施の形態］
図５を参照して、本実施の形態に係るレーザ加工装置１０ｂについて説明する。図５（ａ）は、本実施の形態に係る光学素子１６ｂの平面図、及び側面図であり、図５（ｂ）は、光学素子１６ｂによって形成されるスポットＳを示す図である。レーザ加工装置１０ｂは、上記実施の形態に係るレーザ加工装置１０において、光学素子１６、光学系２０を、各々光学素子１６ｂ、光学系２０ｂに変更したものである。従って、レーザ加工装置１０ｂのその他の構成はレーザ加工装置１０と同様なので、図示を省略する。
また、光学系２０ｂが、集光素子１４と光学素子１６ｂを含んで構成されることもレーザ加工装置１０と同様なので、図示を省略する。

図５（ａ）に示すように、本実施の形態に係る光学素子１６ｂは、複数の石英棒、すなわち石英棒２２ａ、石英棒２２ａに交差させて配置した石英棒２２ｂと石英棒２２ｃ、及び石英棒２２ａ、２２ｂ、２２ｃの各々を固定する保持機構１８を含んで構成されている。

図５（ｂ）に示すように、光学素子１６ｂによるスポットＳは、石英棒２２ａによって形成されるスリット部Ｂを有するのみならず、石英棒２２ｂ及び２２ｃによって周縁部が削除された形状となる。このように、本実施の形態に係るレーザ加工装置１０ｂ、光学系２０ｂによれば、例えばレーザ加工装置１０ｂの加工トーチ中に、光学素子１６ｂを実装固定することにより、周辺部分も含めてスポットＳ（照射パターン）の形状をより微細に設定することができる。

［第４の実施の形態］
図６〜図８を参照して、本実施の形態に係るレーザ加工装置７０について説明する。レーザ加工装置７０は、本実施の形態に係るレーザ加工装置を肉盛り加工に適用した形態である。図６（ａ）に示すように、レーザ加工装置７０は、上記のレーザ加工装置１０に、肉盛り加工を行うための金属粉末供給機構３０を追加したものとなっている。従って、レーザ光源１２、集光素子１４、及び光学素子１６を含んで構成されるレーザ加工装置１０は、上記の実施の形態に係るレーザ加工装置１０と同じものなので、詳細な説明は省略する。

金属粉末供給機構３０は、ノズル３２、及び図示を省略する金属粉末源及びその搬送部、搬送ガス及びその搬送部、遮蔽ガス及びその搬送部を含んで構成されている。

図６（ａ）に示すように、ノズル３２は、肉盛り部材としての金属粉末を、搬送ガス（例えば窒素ガス）と共に粉末混合ガスＰＧとして供給するための金属粉末・搬送ガス流路３４と、肉盛り加工に際して、加工作業部位を外部から遮断するための遮蔽ガスＳＧ（例えば窒素ガス）を供給する遮蔽ガス流路３６を備えている。図６（ｂ）示すように、ノズル３２は、＋Ｙ方向から見ると、金属粉末・搬送ガス流路３４と遮蔽ガス流路３６とが、同心円状に配置された構成となっている。そして、レーザ加工装置７０では、光束Ｌを加工点に照射しつつノズル３２から金属粉末を噴射させて肉盛り加工を行う。その際、肉盛り加工を行っている作業部位を遮蔽ガスＳＧでシールドし、作業部位の周辺が、搬送ガスの雰囲気に維持されるようにしている。

肉盛り加工では、粉末あるいはワイヤ等の形態で供給された材料（肉盛り部材）を、母材の表面に溶融接合させる。肉盛り加工におけるスポットＳのエネルギー密度は、肉盛り部材を溶融するのに十分であり、かつ入熱される熱量が極力抑制されると共に、熱影響部（入熱に際し、該入熱の影響の及ぶ範囲）が極力狭くされる（母材の入熱による歪が極力少なくされる）程度とされることが望ましい。また、肉盛り加工においては、溶融した母材が肉盛り部材に拡散する、いわゆる希釈という現象が程度の差はあっても必然的に発生する。ところが、この母材の拡散が過度に進み、この希釈部の領域が大きくなると、肉盛り部に割れが発生したり、肉盛り部の特性が劣化し硬くて脆くなるという問題が発生する。

上記点に関し、光学素子１６、光学系２０を使用しない従来技術に係るレーザ加工装置のスポットＳのエネルギー密度は、一般に、スポットＳの中央部分にレーザ光源のエネルギーが集中している。このような従来技術に係るスポットＳのエネルギー密度は、上記のようなエネルギー密度が要求される肉盛り加工に適したエネルギー密度とは必ずしも一致していない。また、スポットＳの光強度分布を均一な分布にする従来技術もあるが、このような光強度分布を採用したとしても、中心部分で加熱し過ぎる傾向にある。

そこで、本実施の形態に係るレーザ加工装置７０では、光学素子１６、光学系２０の作用を用いて、加工点及び加工点近傍のスポットＳのエネルギー密度を、肉盛り加工において最適となるように調整している。より具体的には、スポットＳの中央付近でエネルギー密度を抑制することにより、つまり、線状の中央付近のエネルギーを両側に分散させることにより、加工点及び加工点近傍における入熱分布が均一になるようにしている。その結果、加工点及び加工点近傍における熱の集中が緩和され、肉盛り部材を均一に溶融しつつ、しかも母材を溶融し過ぎることが抑制され、高品質の肉盛り加工品を得ることができる。

次に、図７及び図８を参照して、レーザ加工装置７０による肉盛り加工を、エンジン（内燃機関）のシリンダヘッドのバルブシートの形成に適用した場合を例示して、より詳細に説明する。図７（ａ）は、シリンダヘッドを示す断面図、図７（ｂ）は、肉盛り加工を説明するための斜視図である。また、図８は、当該肉盛り加工によって形成された肉盛り部の断面の状態を、従来技術による肉盛り部の断面の状態と比較して示した図である。

図７（ａ）に示すように、エンジンの一部を構成するシリンダヘッド６０の給排気用バルブ孔６４の周縁部には、肉盛り加工によって形成されたバルブシート６６が設けられている。このバルブシート６６にバルブ６８が当接したり、離間したりして、エンジン動作における吸気及び排気が行われる。従って、このバルブシート６６は、硬度が高くなければならず、また、バルブシート６６には、気密性と共に耐摩耗性が要求される。本実施の形態に係るレーザ加工装置７０を用いた肉盛り加工は、このような特性が要求されるバルブシートの形成に好適に用いることができる。

図７（ｂ）に示すように、シリンダヘッド６０には、一例として４個の給排気用バルブ孔６４が設けられている。各給排気用バルブ孔６４の周縁部には、シート面６２が形成されている。このシート面６２には、肉盛り部を形成するための溝が設けられる場合もある。本実施の形態では、シリンダヘッド６０をアルミニウムで形成し、バルブシート６６を銅で形成する形態を例示して説明する。なお、シリンダヘッド６０を形成するアルミニウムはアルミニウム合金であってもよいし、バルブシート６６を形成する銅は銅合金であってもよい。むろん、金属の組み合わせもこれらに限られず、他の金属の組合せを適用してもよい。

肉盛り加工を行う場合には、図７（ｂ）に示すように、ノズル３２から粉末混合ガスＰＧを噴出し、粉末混合ガスＰＧに含まれる金属粉末（本実施の形態では銅粉末）に、レーザ光源１２からの光束Ｌを照射する。光束Ｌの照射を受けて熱せられた銅粉末が溶融し、焼結してシート面６２上に銅の肉盛り部が形成される。この肉盛り部を、給排気用バルブ孔６４の周縁部に沿って形成することにより、バルブシート６６が形成される。同様に光束Ｌの照射によって熱せられたシート面６２のアルミニウムも溶融し、肉盛り部の下部には合金層が形成される。なお、図７（ｂ）では、煩雑さを避けるために、図６に示すノズル３２を、金属粉末・搬送ガス流路３４に限定し簡略化して示している。

図８を参照して、本実施の形態に係るレーザ加工装置７０を用いて形成されたバルブシート６６の断面構造について説明する。

図８（ａ）は、レーザ加工装置７０によって、アルミニウムの母材８４上に形成された銅によるバルブシート６６の断面構造を示している。図８（ａ）に示すように、バルブシート６６は肉盛り部８０を有し、肉盛り部８０の下部には、母材８４の内部に食い込む形で、銅とアルミニウムの合金層（希釈層）８２が形成されている。この合金層８２は、レーザ光源１２によって入熱された部位に形成されており、合金層８２の輪郭の形状は、熱影響部と略等しくなっている。

図８（ａ）に示すように、本実施の形態に係るバルブシート６６の合金層８２の形状は、段等のない、単純な凹形状（椀形状）をなしている。これは、バルブシート６６の形成において、加工点及び加工点近傍におけるスポットＳのエネルギー密度を中央部分で抑制することにより、加工点及び加工点近傍における入熱分布を均一化したことの効果によるものである。

これに対し、図８（ｂ）は、従来技術に係るレーザ加工装置によって母材８４上に形成されたバルブシート６６ａを示している。バルブシート６６ａも肉盛り部８０ａを有し、肉盛り部８０ａの下部には合金層８２ａが形成されている。

図８（ｂ）に示すように、バルブシート６６ａの合金層８２ａの形状は、バルブシート６６の合金層８２と異なり、段部Ｄを有している。これは、先述したように、従来技術に係るレーザ加工装置のビームスポットのエネルギー密度が、中央部分で比較的高いので、加工点の中央部分で過度に入熱されることによる。このような、過度に入熱された段部Ｄが存在すると、その部分の合金層８２ａが脆くなってしまう。本実施の形態に係るバルブシート６６の合金層８２は、段部Ｄ等を有さない単純な椀形状のため、このような問題の発生が抑制されている。

なお、上記実施の形態では、光学素子を石英棒、又は金属マスクで形成する形態を例示して説明したが、これに限られず、他の材料、例えば、誘電体多層膜を用いた形態としてもよい。誘電体多層膜とは、例えばガラス等の基板上に、高屈折率と低屈折率の誘電体薄膜を交互に多層重ねた反射膜を有する反射鏡である。誘電体多層膜は、多層膜を構成する材料、及びその膜厚を変えることにより、レーザ加工装置のレーザ光の波長に対する反射率を設計することができる。このような誘電体多層膜を用いて集光途中の光束Ｌを反射することにより、集光点でのビームプロファイル（スポットＳの形状）を調整することができる。

石英棒による光学素子では、スリット部Ｂにおける光強度の抑制が顕著なのに対し、誘電体多層膜を用いた光学素子によれば、レーザ光源の波長に対する誘電体多層膜の透過率を変えることができるので、集光点での光強度のプロファイルをより微細に調整することができる。そのため、加工特性（入熱特性）をより緻密に制御することができる。

１０、１０ａ、１０ｂ レーザ加工装置
１２ レーザ光源
１４ 集光素子
１６、１６ａ、１６ｂ 光学素子
１８ 保持機構
２０、２０ａ、２０ｂ 光学系
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ 石英棒
３０ 金属粉末供給機構
３２ ノズル
３４ 金属粉末・搬送ガス流路
３６ 遮蔽ガス流路
６０ シリンダヘッド
６２ シート面
６４ 給排気用バルブ孔
６６、６６ａ バルブシート
６８ バルブ
７０ レーザ加工装置
８０、８０ａ 肉盛り部
８２、８２ａ 合金層
８４ 母材
１００、１０２ 焼入れ部
１０４ 金属母材
Ｂ スリット部
Ｃ 凹部
Ｄ 段部
Ｌ 光束
Ｐ 加工点
ＰＧ 粉末混合ガス
ＳＧ 遮蔽ガス
Ｓ スポット
Ｗ 被加工物

Claims (11)

1. レーザ光源と、
   前記レーザ光源から発生した光束を被加工物に向けて集光する集光部と、
   前記集光部で集光された前記光束に対して不均一な透過率を有すると共に、集光点における光強度分布を不均一にする光学素子を含む光束変換部と、
   を備えたレーザ加工装置。
2. 前記光学素子は、円柱形状の石英により形成されている
   請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記光強度分布の形状は、外形が略円形状であり前記円形状の直径方向に光強度の低い領域を有することにより、前記光強度分布が不均一にされた
   請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記光束変換部は、複数の前記光学素子を含む
   請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
5. 前記レーザ光源と前記集光部との間に、前記レーザ光源から発生した光を平行光とするコリメート部をさらに備えた
   請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
6. 肉盛り加工を行うための肉盛り部材を供給する肉盛り部材供給部を備えた肉盛り加工部をさらに備え、
   前記肉盛り加工部は、前記肉盛り部材供給部及び前記光束と、前記被加工物と、を相対的に移動させつつ前記肉盛り部材供給部から前記被加工物上に前記肉盛り部材を供給し、供給された前記肉盛り部材に前記光束を照射して肉盛り加工を行う
   請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
7. 前記肉盛り加工部は、前記肉盛り加工を行って、内燃機関用のシリンダヘッドのバルブシートを形成する
   請求項６に記載のレーザ加工装置。
8. 光源から発生した光束を集光する集光部と、
   前記集光部で集光された前記光束に対して不均一な透過率を有すると共に、集光点における光強度分布を不均一にする光学素子と、
   を含む光学系。
9. 集光部により、レーザ光源から発生した光束を被加工物に向けて集光し、
   前記集光部で集光された前記光束に対して不均一な透過率を有する光学素子を含む光束変換部により、集光点における光強度分布を不均一にする
   レーザ加工方法。
10. 肉盛り加工を行うための肉盛り部材を供給する肉盛り部材供給部を備えた肉盛り加工部により、前記肉盛り部材供給部及び前記光束と、前記被加工物と、を相対的に移動させつつ前記肉盛り部材供給部から前記被加工物上に前記肉盛り部材を供給し、供給された前記肉盛り部材に前記光束を照射して肉盛り加工を行う
    請求項９に記載のレーザ加工方法。
11. 第１の金属からなる母材と、
    前記母材上に第２の金属により形成された肉盛り部と、
    前記母材と前記肉盛り部との間に配置された前記母材と前記肉盛り部とを溶融接合する合金部と、
    を含み、前記母材と前記合金部との接合面の形状が椀形状である肉盛り加工品であって、
    前記肉盛り部及び前記合金部は、前記母材上に肉盛り部材が供給されているときに、集光部により、レーザ光源から発生した光束が被加工物に向けて集光され、前記集光部で集光された前記光束に対して不均一な透過率を有する光学素子を含む光束変換部により、集光点における光強度分布が不均一にされることにより、供給された前記肉盛り部材に前記光束が照射され、肉盛り加工が行われることにより形成された
    肉盛り加工品。