JP3103009B2 - 銅合金のレーザ加工方法 - Google Patents
銅合金のレーザ加工方法Info
- Publication number
- JP3103009B2 JP3103009B2 JP07145701A JP14570195A JP3103009B2 JP 3103009 B2 JP3103009 B2 JP 3103009B2 JP 07145701 A JP07145701 A JP 07145701A JP 14570195 A JP14570195 A JP 14570195A JP 3103009 B2 JP3103009 B2 JP 3103009B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- copper alloy
- laser
- laser pulse
- time
- plasma
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
- Lasers (AREA)
Description
法に関し、特に、銅合金に対して比較的低入力による高
効率な孔あけ、切断加工を行い得る銅合金のレーザ加工
方法に関する。
な粒径の鋼球を被加工材にたたきつけるショットブラス
ト法、機械切削法、並びにエッチング法などが知られて
いるが、前者は孔加工の制御性が悪く、後の2つは時間
がかかるという欠点がある。近年、制御性が良く、しか
も高速処理が可能な銅合金の孔加工方法として、レーザ
加工を適用する試みがなされている。しかしながら、銅
合金は、材料の基本的特性として、レーザの反射ミラー
に用いられるほどレーザ光の反射率が高い(99%)材
料であり、また、熱伝導率が大きいためにレーザエネル
ギの十分な投入が困難であるため、良好な結果が得られ
ていなかった。
工を可能とするために従来は、損失を覚悟で大エネルギ
を投入することが行われていた。ところが、上述の基本
特性に加えて、レーザ光の効率的な投入を阻害する要因
が銅合金には存在する。これは、銅合金をレーザ加工す
るためには、ある程度強力なレーザパルスを必要とする
のに対し、強力なレーザパルスと銅合金表面との相互作
用によって発生するプラズマがレーザ光を吸収し、銅合
金表面に到達するレーザエネルギを激減させる現象であ
る。すなわち、レーザパルスの銅合金表面への到達に伴
い、銅合金の表面に於いてレーザ光の吸収が起き、加熱
による銅合金の蒸発が起きる。この蒸発物がさらにレー
ザ光を吸収して電離する。そしてこの過程がなだれ的に
生じて雰囲気をも電離させる。このようにして、銅合金
の表面近傍は瞬時にプラズマ状態となる。このプラズマ
内の電子は非常にレーザ光を吸収し易く、後続のレーザ
光を減衰させる。
間波形とプラズマによる吸収との関係を示すグラフであ
り、(a)は通常のレーザパルスの時間波形を示し、
(b)は対応するプラズマを示し、(c)はプラズマを
通過して銅合金表面に到達したレーザパルスの時間波形
を示している。そして時間軸上の0はレーザパルスが銅
合金表面に到達した時間であり、1はプラズマが発生し
た時間である。時間0と時間1との間には、照射レーザ
光の強度にもよるが、数nsから数10nsの時間遅延
がある。また時間2は、プラズマの吸収が最大値に達す
る時間である。これもレーザパルスの強度によるが、時
間1より数nsから数10nsの短時間で最大値に達す
る。つまり、プラズマ吸収の時間波形の立上りは極めて
急峻であり、最大値に達した後は比較的緩やかに減衰す
る。図7(b)のようなプラズマ吸収が発生する結果、
銅合金表面に到達するレーザパルスの後半は、図7
(c)のように減衰され、銅合金表面に到達する実効的
なレーザパルスの持続時間が短くなる。
の銅合金の蒸発に要する時間を示すグラフである。但
し、図8では簡略化のために周囲への熱伝導による入熱
の損失は無視している。本来、伝熱損失は無視できない
が、定性的な理解を得るための第一次近似として意味が
ある。図8に於いて、曲線より上側の部分が蒸発が生じ
て加工が可能となる領域を示している。これにより、レ
ーザパルスの持続時間が短くなると蒸発に要する時間を
超えられなくなり、加工不能となる傾向にあることが分
かる。
合を解決するために、レーザ光の強度を高くして入熱を
大きくしていた。すなわち、より多くのエネルギを持た
せたピークパワーの高いレーザパルスを短時間に用いる
ことで蒸発に要する時間の短縮化が行われていた。しか
しながら、これではますますプラズマによるレーザ光の
吸収を増大させることになり、加工効率を悪化させるこ
ととなっていた。このように、銅合金の加工をレーザに
よって行うには大出力のレーザが必要であり、きわめて
不経済的となる点が産業上に応用するうえでの障害とな
っていた。
解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、
高効率に行い得る銅合金のレーザ加工方法を提供するこ
とにある。
波形が、ピークパワーが相対的に高い初期スパイク成分
とピークパワーが相対的に低いテール成分とからなるレ
ーザパルスにて銅合金の加工を行うものとすることによ
って達成される。その際のレーザパルスの発生方法は、
機械的回転チョッパによるQスイッチ発振レーザとする
と良い。
な投入方法に関し、発明者等が行った詳細な研究の結果
発見された以下の事実に基づいている。
とプラズマ吸収およびプラズマを透過して銅合金表面に
到達するレーザパルスの時間波形の関係を示すグラフで
ある。(a)はピークパワーが高い初期スパイク成分と
ピークパワーが低いテール成分とからなるレーザパルス
の時間波形を示し、(b)は(a)のレーザパルスが照
射された際に発生するプラズマによる吸収の時間変化を
示す。(a)に示す波形のレーザパルスを銅合金に照射
すると、通常のレーザパルスを照射したときと同様に、
初期スパイク成分の部分で銅合金表面での吸収とそれに
続いてプラズマが形成される。この際、プラズマが形成
される程度に強いレーザパルスでないと、銅合金表面で
の実効的吸収率が増加せず、加工が進行しないので、初
期スパイク部分では、最低限のプラズマ発生による吸収
を生じさせることが必要である。このために必要なレー
ザ強度を求めるために、高ピークパワーパルスを発生し
得るQスイッチレーザパルスの一般的な時間幅である数
ns〜数μsに対応させて銅合金の蒸発に要する入熱を
計算すると、100MW/cm2〜2.5GW/cm2が必要
である。
るが、(b)および(c)に示すように、テール成分で
のプラズマによる吸収は弱いことと、既に銅合金が加熱
・溶融されて銅合金表面の実効的吸収率が増大している
ことから、ピークパワーが比較的低いテール成分の部分
で十分な加工性が得られる。
さについて、以下のような実験を行った。図5は、初期
スパイク成分の時間幅を一定(200ns)とし、テー
ル成分の時間幅を変化させてレーザパルスを照射したと
きの銅合金の孔の深さ変化を示したグラフである。これ
より、テール成分が30μsのところで孔深さが飽和
し、テール成分の部分を30μs以上長くしても孔深さ
が増大しないことが分かる。これは、レーザパルスの時
間幅が長くなるとエネルギが伝熱損失により拡散するた
めである。
の時間波形を、ピークパワーが相対的に高い初期スパイ
ク成分とピークパワーが相対的に低いテール成分とから
なるものとすることにより、初期スパイク部分に於いて
加工に必要なレーザ強度を確保しつつ、プラズマの過大
な成長による吸収の増大を避けて被加工銅合金にレーザ
光を効率よく到達させることができ、高効率なレーザ加
工が可能となることが見いだされた。
施例について詳しく説明する。
置の模式的な構成図である。本実施例に於いては、レー
ザ発振器1として、共振器内部に共焦点テレスコープレ
ンズ2と回転チョッパ3とからなるQスイッチ装置4を
配置したQスイッチ炭酸ガスレーザを用いた。ベースと
なる炭酸ガスレーザは、RF放電励起の平均出力2kW
の装置である。
SUSからなる円板5の外周部に径方向に沿う多数のス
リット6を設けたものである。本実施例では、直径15
3mm、厚み0.4mmの円板5に、幅1mmのスリット6を
等間隔で50個配している。この円盤を、12,000
rpmで回転する高速スピンドルモータに取り付けてあ
る。したがって、この場合のQスイッチの繰返し周波数
は10kHzであり、チョッパ開放時間は11.5μs
となる。
ルス形成とのタイミングを示す。チョッパ3の開放開始
から2〜3μs遅れて(Dの部分)Qスイッチレーザパ
ルス特有の初期スパイク成分が立ち上がる。これは時間
幅100ns〜1μs、ピークパワー5kW〜300k
Wのものである。この初期スパイク成分に続いて、チョ
ッパが閉じるまでの間、定常発振レベルの発振が続く
が、これが時間幅0.9μs〜29μs、ピークパワー
1kW〜2kWのテール成分となる。
に集光レンズ7で集光し、銅合金8に照射した。このと
き、初期スパイク成分のピークパワー密度は30MW/
cm2〜2GW/cm2であり、テール成分のピークパワー密
度は10MW/cm2〜40MW/cm2である。その結果、
直径80〜200μm、深さ10〜50μmの孔加工を
実現できた。また、同一箇所に上記レーザパルスを複数
回照射することを行った。25回照射によって孔深さが
200〜1,000μmへと増大した。本実施例に於け
るレーザパルスの繰返し周波数は10kHzであるか
ら、この孔加工は2.5msで完了し、高速の深孔加工
が可能となっている。また、被加工材を移動させながら
レーザ照射を行うことにより、1mm厚の銅合金板の切断
加工も可能であった。
て炭酸ガスレーザを用いたが、YAGなどの固体レーザ
をベースとしても良い。
の通常のレーザパルスと本発明のレーザパルスとの比較
実験の結果を図6に示す。(a)はテール成分のない場
合であり、(b)は本発明のレーザパルスの場合であ
る。いずれもパルスあたりのエネルギは80mJとして
いる。(a)のレーザパルスの時間幅は200nsであ
り、収束径は140μmである。この場合、パワー密度
は2.6GW/cm2となり、図8を参照すると加工可能
な領域に入ってはいるが、プラズマによる吸収でレーザ
パルスの後半部分が減衰し、実効的なパルス持続時間が
短くなり、加工性が悪化し、ほとんど有効な孔加工がで
きていない。
初期スパイク成分の部分が200ns、テール成分の部
分が7.5μsである。エネルギ的には初期スパイク成
分が20mJ、テール成分が60mJである。よって、
パワー密度は初期スパイク成分が650MW/cm2、テ
ール成分が50MW/cm2である。この場合、図8を参
照すると、初期スパイク部分は加工可能域に入っている
が、テール部分は加工域に到達していない。
面蒸発とプラズマ吸収が起きるが、その際、銅合金表面
の溶融も生じる。プラズマ吸収により初期スパイク部分
の後半は減衰するが、その後プラズマ吸収が弱まった後
も7.5μsに渡ってテール成分による加熱が続くた
め、十分な加工が可能となっている。具体的には、穴径
200μm、穴深さ18μmの穴加工が実現されてい
る。
の銅合金のレーザ加工方法によれば、レーザ光の反射率
が高く大入力を要する銅合金に対しても効率よく高速に
孔加工を行うことができる。
る模式的構成図。
グチャート。
図。
図。
図。
までに要する時間。
Claims (2)
- 【請求項1】 Qスイッチ炭酸ガスパルスレーザによる
銅合金の加工方法であって、 時間波形が、時間幅100ns〜1μs、ピークパワー
密度30MW/cm2〜2GW/cm2の初期スパイク成
分と、時間幅0.9μs〜29μs、ピークパワー密度
10MW/cm2〜40MW/cm2のテール成分とから
なるレーザパルスを用いることを特徴とする銅合金の加
工方法。 - 【請求項2】 前記レーザパルスを、回転チョッパによ
るQスイッチ発振レーザにより発生させることを特徴と
する請求項1に記載の銅合金のレーザ加工方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP07145701A JP3103009B2 (ja) | 1995-05-19 | 1995-05-19 | 銅合金のレーザ加工方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP07145701A JP3103009B2 (ja) | 1995-05-19 | 1995-05-19 | 銅合金のレーザ加工方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH08309571A JPH08309571A (ja) | 1996-11-26 |
JP3103009B2 true JP3103009B2 (ja) | 2000-10-23 |
Family
ID=15391119
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP07145701A Expired - Fee Related JP3103009B2 (ja) | 1995-05-19 | 1995-05-19 | 銅合金のレーザ加工方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3103009B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111504227A (zh) * | 2020-06-17 | 2020-08-07 | 北京理工大学 | 一种基于深度学习的飞秒激光加工参数共焦轴向监测方法 |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
ES2291995T5 (es) | 2000-05-12 | 2013-06-11 | Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation | Un tambor de enfriamiento para colada continua de plancha delgada y un método de colada continua con el mismo |
JP4493967B2 (ja) * | 2003-10-01 | 2010-06-30 | 日立ビアメカニクス株式会社 | Co2レーザ加工方法およびレーザ加工装置 |
US8237080B2 (en) | 2008-03-27 | 2012-08-07 | Electro Scientific Industries, Inc | Method and apparatus for laser drilling holes with Gaussian pulses |
CN111790982A (zh) * | 2020-07-15 | 2020-10-20 | 中国航空制造技术研究院 | 一种激光制孔装置及方法 |
-
1995
- 1995-05-19 JP JP07145701A patent/JP3103009B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111504227A (zh) * | 2020-06-17 | 2020-08-07 | 北京理工大学 | 一种基于深度学习的飞秒激光加工参数共焦轴向监测方法 |
CN111504227B (zh) * | 2020-06-17 | 2021-06-01 | 北京理工大学 | 一种基于深度学习的飞秒激光加工参数共焦轴向监测方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH08309571A (ja) | 1996-11-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4642962B2 (ja) | レーザ衝撃ピーニング方法 | |
US6229113B1 (en) | Method and apparatus for producing a laser drilled hole in a structure | |
US6359254B1 (en) | Method for producing shaped hole in a structure | |
Perry et al. | Ultrashort-pulse laser machining of dielectric materials | |
US5211805A (en) | Cutting of organic solids by continuous wave ultraviolet irradiation | |
US4114018A (en) | Method for ablating metal workpieces with laser radiation | |
US6784399B2 (en) | Micromachining with high-energy, intra-cavity Q-switched CO2 laser pulses | |
US4152575A (en) | Method of material processing utilizing an interrupted beam of continuous wave laser radiation | |
Olsen et al. | Pulsed laser materials processing, ND-YAG versus CO2 lasers | |
US11712750B2 (en) | Laser drilling and machining enhancement using gated CW and short pulsed lasers | |
JPS6324798B2 (ja) | ||
JP3103009B2 (ja) | 銅合金のレーザ加工方法 | |
Mao et al. | Dynamics of an air breakdown plasma on a solid surface during picosecond laser ablation | |
Mao et al. | Influence of preformed shock wave on the development of picosecond laser ablation plasma | |
JP3027695B2 (ja) | 冷延ロール表面のダル加工方法 | |
JPH11123577A (ja) | 脆性材のレーザー加工方法 | |
JP2003053579A (ja) | レーザ加工装置及び加工方法 | |
JP4340215B2 (ja) | レーザ加工装置および加工方法 | |
US6706997B1 (en) | Method and apparatus for drilling high tolerance holes with laser pulses | |
JP3223271B2 (ja) | レーザハイブリッド加熱方法 | |
JPH01185987A (ja) | パルスレーザ発振方法及びその装置 | |
Liang et al. | Laser and electron beam machining | |
JPH10272578A (ja) | パルスレーザー先導のアーク溶接方法 | |
Buetje | Excimer laser processing of metals considering the effects of pulse duration and geometrical aspects | |
JPS5819394B2 (ja) | レ−ザヨウセツホウホウオヨビ ソウチ |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20000815 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080825 Year of fee payment: 8 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090825 Year of fee payment: 9 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090825 Year of fee payment: 9 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100825 Year of fee payment: 10 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100825 Year of fee payment: 10 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110825 Year of fee payment: 11 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120825 Year of fee payment: 12 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130825 Year of fee payment: 13 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130825 Year of fee payment: 13 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130825 Year of fee payment: 13 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130825 Year of fee payment: 13 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |