JP4635839B2 - Drilling method and drilling device - Google Patents
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Description
本発明は、ワークにレーザー光を照射して孔あけ加工をおこなう孔あけ加工方法および孔あけ加工装置に係り、特に、精度のよい孔あけ加工を簡易かつ短時間でおこなうことのできる孔あけ加工方法および孔あけ加工装置に関するものである。 The present invention relates to a drilling method and a drilling apparatus for performing drilling by irradiating a workpiece with a laser beam, and in particular, drilling capable of performing accurate drilling easily and in a short time. The present invention relates to a method and a drilling apparatus.
例えばＹＡＧレーザーやＹＡＧ−ＳＨＧレーザーなどのレーザー光をワーク表面に照射し、熱溶融させることによって孔あけ加工をおこなう方法は一般に知られるところである。 For example, a method of performing a drilling process by irradiating a workpiece surface with a laser beam such as a YAG laser or a YAG-SHG laser and thermally melting the workpiece is generally known.
上記のレーザー光による孔あけ加工方法としては、特許文献１に示すようにレーザー光を回転させながらワークに照射させることにより、所望径の孔をワーク表面から順次ワークの厚さ方向に形成する方法や、特許文献２に示すように、まず貫通孔を形成した上で、レーザー光の焦点を上下させながら所望径の貫通孔を形成する方法など多岐にわたる。
As the above-described drilling method using laser light, a method of forming holes of a desired diameter sequentially from the work surface in the thickness direction of the work by irradiating the work while rotating the laser light as shown in
なお、レーザー光の照射に際して、ワークの孔あけ加工を促進させる等の目的で、適宜のアシストガスをレーザー光の照射と併せてワークに吹付ける技術も従来知られるところである（例えば、特許文献３，４）。 In addition, for the purpose of accelerating the drilling process of a workpiece when irradiating the laser beam, a technique of blowing an appropriate assist gas to the workpiece together with the irradiation of the laser beam is also known (for example, Patent Document 3). 4).
特許文献１，３，４に開示のレーザー加工方法によれば、所望径の孔をワーク表面から順次形成しながら孔あけ加工がワークの厚さ方向に進行するため、溶融物であるドロスをワーク表面外に蒸気圧で排出しながら孔あけ加工がおこなわれることから、貫通孔が形成されるまでの加工時間が長くなるという問題がある。また、特許文献２に開示のレーザー加工方法によれば、貫通孔を形成した後にレーザー光の焦点を上下動させることによって所望径の貫通孔を形成するものであるが、焦点の調整が困難であり、加工時間の効果的な短縮を望むことは難しい。
According to the laser processing methods disclosed in
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、レーザー光による高精度の孔あけ加工を簡易かつ短時間でおこなうことのできる孔あけ加工方法および孔あけ加工装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a drilling method and a drilling apparatus capable of performing high-precision drilling with a laser beam in a simple and short time. And
前記目的を達成すべく、本発明による孔あけ加工方法は、ワークにレーザー光を照射して孔あけ加工をおこなう方法であって、レーザー光をワークの一方面に照射して貫通孔を形成する第一の工程と、レーザー光を螺旋状に回転させながらトレパニング径を大きくしていくことにより、所定径の貫通孔を形成する第二の工程と、からなることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the drilling method according to the present invention is a method of performing drilling by irradiating a workpiece with laser light, and forming a through hole by irradiating one surface of the workpiece with laser light. It comprises a first step and a second step of forming a through hole having a predetermined diameter by enlarging the trepanning diameter while rotating the laser beam in a spiral shape.
レーザー光は、公知のＹＡＧレーザーやＹＡＧ−ＳＨＧレーザーなどからなり、このレーザー光を、任意のワーク表面に照射する。本発明では、レーザー光が最初に照射されるワークの一方面にレーザーの焦点（レーザースポット）がくるようにレーザー光を照射し、その状態を維持しながら、ワークの他方面まで孔を貫通させる。ここで、ワークの一方面の孔径が可及的に小さな状態で貫通孔を形成させるのが好ましく、そのためには、螺旋回転しないレーザー光をワークに照射するのが望ましいが、螺旋回転されたレーザー光をワークに照射する方法であってもよい。また、レーザー光の焦点を穿孔に応じてワークの厚さ方向に移動調整することもおこなわず、レーザー光の焦点位置は、ワークの一方面に固定しておけばよい。例えば５０μｍ程度の微小径の貫通孔を形成する場合に、ビーム自体の径はおよそ５ｍｍ程度にも及び、それを絞ることによって焦点位置におけるスポット径を１０μｍ程度にすることができるが、ワークがレーザーによって溶融することにより孔径は自然に拡大していき、例えば２０〜３０μｍ程度にまで広がり得る。この際、焦点位置をワークの厚さ方向に移動させることによって貫通孔が形成される前に孔径が拡大してしまい、後述する問題が生じてしまう。本発明の孔あけ加工方法は、例えば５０μｍ程度の微小径の貫通孔を高精度かつ効率的に形成することを一つの目的としており、そのために、最初の貫通孔が形成されるまでは、焦点位置をワークの一方面に固定しておくのがよく、また、焦点位置を移動させる必要がないために、焦点位置を微調整するための設備や時間を必要としない。 The laser beam is composed of a known YAG laser, YAG-SHG laser, or the like, and irradiates this workpiece with the laser beam. In the present invention, the laser beam is irradiated so that the laser focal point (laser spot) is focused on one surface of the workpiece to which the laser beam is first irradiated, and the hole is penetrated to the other surface of the workpiece while maintaining the state. . Here, it is preferable to form the through hole with the hole diameter on one side of the workpiece as small as possible. For this purpose, it is desirable to irradiate the workpiece with laser light that does not rotate spirally. A method of irradiating a work with light may be used. Further, the focal point of the laser beam may be fixed to one surface of the workpiece without moving and adjusting the focal point of the laser beam in the thickness direction of the workpiece according to the drilling. For example, when forming a through-hole having a minute diameter of about 50 μm, the diameter of the beam itself is about 5 mm, and by narrowing it, the spot diameter at the focal position can be made about 10 μm. The pore diameter naturally expands by melting by, for example, it can be expanded to about 20 to 30 μm. At this time, by moving the focal position in the thickness direction of the workpiece, the diameter of the hole is enlarged before the through hole is formed, resulting in problems described later. The hole drilling method of the present invention has an object to form a through hole having a minute diameter of about 50 μm with high accuracy and efficiency, and for this reason, until the first through hole is formed, the focus is increased. It is preferable to fix the position on one surface of the workpiece, and since it is not necessary to move the focal position, equipment and time for fine adjustment of the focal position are not required.
まず、貫通孔を形成し、その後に貫通孔の径を所定径まで拡大させていくことにより、母材の排出効率を高めることができ、加工時間を大幅に短縮することが可能となる。なお、本発明の孔あけ加工方法が適用されるワークは特に限定されるものではないが、多数の貫通孔を備えたワークに適用されるのが好ましく、例えば多数の孔を有するインジェクタなどに好適である。 First, by forming a through hole and then increasing the diameter of the through hole to a predetermined diameter, the discharge efficiency of the base material can be increased, and the processing time can be greatly shortened. The workpiece to which the drilling method of the present invention is applied is not particularly limited, but is preferably applied to a workpiece having a large number of through holes, for example, an injector having a large number of holes. It is.
また、本発明による孔あけ加工方法の好ましい実施形態は、第一の工程から第二の工程にかけてレーザー光の照射方向と同軸方向にアシストガスを照射し、アシストガスの圧力が低圧力から高圧力に変化するように調整されることを特徴とする。 Further, in a preferred embodiment of the drilling method according to the present invention, the assist gas is irradiated in the same direction as the laser beam irradiation direction from the first step to the second step, and the pressure of the assist gas is changed from a low pressure to a high pressure. It is adjusted so that it may change to.
レーザー光の照射とともに、例えば任意の不活性ガスからなるアシストガスをレーザー光の照射方向と同軸方向に照射することにより、孔あけ加工を促進させるとともに、孔の酸化を防いで加工部の品質を向上させることができる。ここで、アシストガスの供給態様も任意であり、貫通孔が形成されるまで、すなわち第一の工程ではアシストガスを提供せず、貫通孔が形成された後の第二の工程においてアシストガスを提供する態様や、レーザー光の照射とともに最初からアシストガスをワークに提供する態様などがある。貫通孔が形成されるまでアシストガスを提供しない場合には、レーザー光によって金属（ワーク）が溶融して生じる金属蒸気圧により、溶融金属をドロスとして孔外へ排出することができる。なお、アシストガスの圧力は、穿孔効率を高めることができるように調整されるのが望ましい。また、アシストガスは、その圧力に加えてその流量も加工段階に応じた適宜の流量に調整することができる。 Along with laser light irradiation, for example, by irradiating an assist gas made of any inert gas in the same direction as the laser light irradiation direction, the drilling process is promoted and the oxidation of the hole is prevented to improve the quality of the processed part. Can be improved. Here, the supply mode of the assist gas is also arbitrary. The assist gas is not provided in the second step after the through-hole is formed until the through-hole is formed, that is, the assist gas is not provided in the first step. There are a mode of providing, a mode of providing assist gas to a workpiece from the beginning together with laser light irradiation. When the assist gas is not provided until the through hole is formed, the molten metal can be discharged out of the hole as a dross by the metal vapor pressure generated by melting the metal (workpiece) by the laser beam. Note that the pressure of the assist gas is desirably adjusted so as to increase the drilling efficiency. In addition to the pressure of the assist gas, the flow rate thereof can be adjusted to an appropriate flow rate according to the processing stage.
レーザー光が最初に照射されるワークの一方面における孔径を可及的に小径としながら貫通孔を形成することにより、所定径の孔を形成しながら最後に孔全体を貫通させる従来の加工方法に比して、加工時間を格段に短縮することができる。所定径の孔を形成しながら最後に孔を貫通させる加工方法では、形成途中の孔底で反射されたアシストガスと孔に照射されるアシストガスが干渉し、アシストガスによる孔加工促進効果を十分に得ることができなくなる。本発明のように、まず、第一の工程としてワークの一方面における孔径を可及的に小径としながら貫通孔を形成した後で、第二の工程としてレーザー光を螺旋状に回転させながら貫通孔を所望径の孔に拡大していく方法を適用することで、提供されたアシストガスはワークの他方面から排出されるため、孔底で反射されたアシストガスと提供されたアシストガスが干渉するといった問題は生じ得ず、したがってアシストガスによる効率的な所望径の貫通孔の形成が実現できる。 By forming a through hole while making the hole diameter on one side of the workpiece irradiated with laser light as small as possible, the conventional processing method that finally penetrates the entire hole while forming a hole of a predetermined diameter In comparison, the processing time can be significantly reduced. In the processing method that penetrates the hole at the end while forming a hole with a predetermined diameter, the assist gas reflected at the bottom of the hole in the middle of formation and the assist gas irradiated to the hole interfere with each other, and the effect of promoting hole processing by the assist gas is sufficient. You will not be able to get to. As in the present invention, the first step is to form a through hole while making the hole diameter on one side of the work as small as possible, and then the second step is to penetrate the laser beam while rotating it spirally. By applying the method of enlarging the hole to a hole with a desired diameter, the provided assist gas is discharged from the other side of the work, so the assist gas reflected at the bottom of the hole interferes with the provided assist gas. Therefore, the efficient formation of a through hole having a desired diameter with the assist gas can be realized.
ここで、低圧力から高圧力に変化させるとは、第一の工程の当初からレーザー光とともに比較的低圧の一定圧力でアシストガスが提供され、第二の工程においては、徐々にアシストガスの圧力が大きくなるように調整される態様のことである。第一の工程では、未だ貫通孔が形成されていない状態であることから、提供されるアシストガスの圧力が比較的低圧であることは、孔底で反射するアシストガスとの干渉を極力少なくするという側面から好ましく、貫通孔形成後にその径を所望径に拡大していく段階でアシストガスの圧力を高めていくことにより、所望径の貫通孔の形成時間をより短縮できるということが発明者等の経験則から分かっている。 Here, changing from low pressure to high pressure means that the assist gas is provided at a relatively low pressure and a constant pressure together with the laser light from the beginning of the first step, and the pressure of the assist gas is gradually increased in the second step. This is a mode in which adjustment is made so as to increase. In the first step, since the through hole is not yet formed, the relatively low pressure of the assist gas provided reduces interference with the assist gas reflected at the hole bottom as much as possible. From the aspect described above, the inventors have found that the formation time of a through hole having a desired diameter can be further shortened by increasing the pressure of the assist gas at the stage of expanding the diameter to a desired diameter after forming the through hole. I know from the rule of thumb.
また、本発明による孔あけ加工方法の好ましい実施形態において、第一の工程で使用されるアシストガスは、アルゴンガスや窒素ガス、ヘリウムガスを含むとともに酸素を含まない第一の不活性ガスであり、第二の工程で使用されるアシストガスは、該第一の不活性ガスに酸素を混合してなる第二の不活性ガスであることを特徴とする。 Further, in a preferred embodiment of the drilling method according to the present invention, the assist gas used in the first step is a first inert gas containing argon gas, nitrogen gas, helium gas and not containing oxygen. The assist gas used in the second step is a second inert gas obtained by mixing oxygen with the first inert gas.
本発明では、貫通孔が形成されるまでは、可及的に孔径を小径に調整することが好ましいことから、金属ワークの溶融が促進されないことが望ましい。一方、貫通孔が形成された後は、ワークの溶融が速やかに促進されることにより、所望径の貫通孔を短時間で形成することができる。 In the present invention, until the through hole is formed, it is preferable to adjust the hole diameter as small as possible. Therefore, it is desirable that the melting of the metal workpiece is not promoted. On the other hand, after the through-holes are formed, the through-holes with a desired diameter can be formed in a short time by promptly promoting the melting of the workpiece.
そこで、第一の工程においては、酸素を含まないアルゴンガスや窒素ガス、ヘリウムガスといった不活性ガスをワークに提供することにより、金属溶融の促進を抑え、第二の工程に移行した段階で、酸素が混合されたアルゴンガスや窒素ガス、ヘリウムガスなどをワークに提供することにより、金属溶融を促進させて貫通孔の拡径時間の短縮を図るものである。なお、不活性ガスに占める酸素の割合は、目標とする所望径の貫通孔形成時間に応じて任意に調整すればよい。 Therefore, in the first process, by providing an inert gas such as argon gas, nitrogen gas, or helium gas that does not contain oxygen to the workpiece, the promotion of metal melting is suppressed, and at the stage of moving to the second process, By providing the workpiece with argon gas, nitrogen gas, helium gas or the like in which oxygen is mixed, the metal melting is promoted to shorten the diameter expansion time of the through hole. In addition, what is necessary is just to adjust arbitrarily the ratio of the oxygen to an inert gas according to the through-hole formation time of the desired desired diameter.
また、本発明による孔あけ加工装置は、レーザー発振器と、少なくともレーザーの照射方向に直列的に配設されたコリメートレンズと揺動軸方向の異なる複数のガルバノミラーと集光レンズとからなる集光光学系と、集光レンズを通過したレーザー光にアシストガスを提供するガス提供手段と、貫通孔の形成を検知する検知手段と、それぞれのガルバノミラーを揺動させることによってレーザー光のトレパニング径をゼロから所定径まで螺旋状に大きくするトレパニング径制御手段と、からなることを特徴とする。 In addition, a drilling apparatus according to the present invention includes a laser oscillator, a collimating lens arranged in series in at least the laser irradiation direction, a plurality of galvanometer mirrors having different oscillation axis directions, and a condenser lens. An optical system, a gas providing means for providing an assist gas to the laser light that has passed through the condenser lens, a detection means for detecting the formation of a through hole, and a trepanning diameter of the laser light by swinging each galvanometer mirror And trepanning diameter control means that spirally increases from zero to a predetermined diameter.
レーザー発振器により、ＹＡＧレーザーやＹＡＧ−ＳＨＧレーザーを発振させる。例えば水位方向に発振したレーザー光は、反射レンズによって鉛直下方方向に反射されて集光光学系に送られる。 A YAG laser or a YAG-SHG laser is oscillated by a laser oscillator. For example, laser light oscillated in the water level direction is reflected vertically downward by the reflection lens and sent to the condensing optical system.
集光光学系は、レーザー光を平行光にする（コリメートする）ためのコリメートレンズと、例えば２つの揺動自在なガルバノミラーと、さらにレーザー光をフォーカスするための集光レンズとがワークの穿孔方向に直列的に配設されて構成される。ここで、例えば２つのガルバノミラーは、その揺動軸が直交するように配設されており、２つのガルバノミラーを制御装置にて同期揺動させることにより、レーザー光を任意に螺旋運動できるようになっている。３つ以上のガルバノミラーが直列的に配設された形態であってもよいことは勿論のことであり、３つのガルバノミラーからなる場合には、それぞれを直列的に配設するとともに、各揺動軸をそれぞれ１２０度ずらした位置に配設することができる。 The condensing optical system includes a collimating lens for collimating laser light, collimating, for example, two swingable galvanometer mirrors, and a condensing lens for focusing the laser light. Arranged in series in the direction. Here, for example, the two galvanometer mirrors are arranged so that their oscillation axes are orthogonal to each other, and the two galvanometer mirrors can be arbitrarily spirally moved by synchronously oscillating the two galvanometer mirrors with a control device. It has become. Of course, three or more galvanometer mirrors may be arranged in series, and in the case of three galvanometer mirrors, each galvanometer mirror is arranged in series and The moving axes can be arranged at positions shifted by 120 degrees.
集光レンズの下方には、アシストガス供給用の噴射ノズルが配設されており、アシストガスがレーザー光の照射方向と同方向となるように構成されている。例えば、両端が開口した筒体の側面に噴射ノズルが取付けられ、この筒体内を集光レンズを通ったレーザー光が貫通するように構成することで、筒体内に供給されたアシストガスを筒体の内壁面で反射させてレーザー光と同一の方向に流れるように調整することができる。本発明の孔あけ加工装置は、第一の工程においてまず可及的に小径の貫通孔を形成するが、この貫通孔が形成されたことを、例えば、ワークの他方面側（レーザー照射と反対側）に受光素子からなるセンサを配置し、貫通孔を介してワークを通り抜けたレーザー光を検知する。貫通孔形成後は、複数のガルバノミラーを同期揺動させながらレーザー光を螺旋回転させるものである。ここで、複数のガルバノミラーの同期揺動は、トレパニング径制御手段にておこなわれる。第一の工程における制御とは、必要に応じて複数のガルバノミラーを同期揺動させてワークの一方面に小径の孔を形成したり、最適な低圧力のアシストガスを供給する等の制御のことである。本発明の孔あけ加工装置によれば、所望径の貫通孔を短時間で形成することが可能となる。 An assist nozzle for supplying an assist gas is disposed below the condenser lens, and the assist gas is configured to be in the same direction as the laser light irradiation direction. For example, an injection nozzle is attached to the side surface of a cylindrical body that is open at both ends, and the laser beam that has passed through the condenser lens penetrates the cylindrical body so that the assist gas supplied into the cylindrical body is supplied to the cylindrical body. It can be adjusted so that it is reflected by the inner wall surface and flows in the same direction as the laser beam. In the first step, the drilling apparatus of the present invention first forms a through-hole having a diameter as small as possible. The formation of this through-hole is, for example, the other side of the workpiece (opposite to laser irradiation). A sensor composed of a light receiving element is arranged on the side) to detect laser light that has passed through the workpiece through the through hole. After the through hole is formed, the laser light is spirally rotated while the plurality of galvanometer mirrors are synchronously swung. Here, the synchronous oscillation of the plurality of galvanometer mirrors is performed by the trepanning diameter control means. The control in the first step is a control such that a plurality of galvanometer mirrors are synchronously swung as necessary to form a small-diameter hole on one surface of the workpiece, or an optimum low-pressure assist gas is supplied. That is. According to the drilling apparatus of the present invention, it is possible to form a through hole having a desired diameter in a short time.
さらに、本発明による孔あけ加工装置の他の実施形態において、アシストガスの圧力を調整する圧力調整手段をさらに備えたことを特徴とする。 Furthermore, in another embodiment of the drilling apparatus according to the present invention, it is characterized by further comprising a pressure adjusting means for adjusting the pressure of the assist gas.
アシストガスは、上記する第一の工程と、第二の工程、さらにはそれぞれの工程内においてもその圧力を圧力調整手段にて任意に調整できるようになっている。例えばアシストガス収容ボンベから供給されるアシストガスを圧力調整手段にて適宜に開閉角度が調整される調整弁を介して前記する筒体に供給するような形態を適用できる。 The assist gas can be arbitrarily adjusted by the pressure adjusting means in the first step and the second step described above, and also in each step. For example, it is possible to apply a mode in which the assist gas supplied from the assist gas storage cylinder is supplied to the cylinder body through an adjustment valve whose opening / closing angle is appropriately adjusted by the pressure adjusting means.
本発明の孔あけ加工装置によれば、必要に応じてアシストガスの圧力を微調整することで、前記する加工時間の短縮に加えて、加工精度の向上を図ることができる。 According to the drilling device of the present invention, by finely adjusting the pressure of the assist gas as necessary, the processing accuracy can be improved in addition to the reduction of the processing time.
さらに、本発明による孔あけ加工装置の好ましい実施形態において、前記ガス提供手段は、アルゴンガスや窒素ガス、ヘリウムガスを含むとともに酸素を含まない第一の不活性ガスと、第一の不活性ガスに酸素を混合してなる第二の不活性ガスとから、適宜のガスを選択するガス選択手段をさらに備えたことを特徴とする。 Furthermore, in a preferred embodiment of the drilling apparatus according to the present invention, the gas providing means includes a first inert gas containing argon gas, nitrogen gas, helium gas and not containing oxygen, and a first inert gas. And a gas selection means for selecting an appropriate gas from a second inert gas obtained by mixing oxygen with the gas.
例えば、第一の不活性ガスを収容したボンベと、酸素を混合してなる第二の不活性ガスを収容したボンベを用意し、切替え弁にて適宜のタイミングでいずれか一方のガスを選択できるように制御することにより、より効率的な所望径の貫通孔の形成を実現することができる。例えば、加工時間やトレパニング径に応じてガスの種類の切替え指令を切替え弁に送信するガス選択手段により、切替え弁の切替えをおこなうことができる。既述するように、第一の工程では酸素を含まない不活性ガスを収容したガスボンベからアシストガスの提供を受け、第二の工程に移行した段階で、切替え弁にて酸素を混合した不活性ガスを収容したガスボンベに切替えてアシストガスの提供を受けることができる。 For example, a cylinder containing a first inert gas and a cylinder containing a second inert gas obtained by mixing oxygen can be prepared, and either gas can be selected at an appropriate timing with a switching valve. By controlling in this way, it is possible to realize a more efficient formation of a through hole having a desired diameter. For example, the switching valve can be switched by a gas selection means that transmits a gas type switching command to the switching valve in accordance with the processing time and trepanning diameter. As described above, in the first step, the assist gas is provided from the gas cylinder containing the inert gas not containing oxygen, and the inert gas mixed with oxygen at the switching valve is transferred to the second step. It is possible to receive assistance gas by switching to a gas cylinder containing gas.
以上の説明から理解できるように、本発明の孔あけ加工方法および孔あけ加工装置によれば、ワークに貫通孔を形成した後にトレパニング径を拡大していきながら所望の貫通孔を形成することにより、母材の排出効率を高めることができ、孔あけ加工に要する加工時間を格段に短縮することができる。また、貫通孔の拡径に際してレーザー光を螺旋回転させるとともに、アシストガスの種類や圧力を適宜に変化させることにより、加工時間の短縮に加えて、高精度の孔あけ加工を実現することができる。 As can be understood from the above description, according to the drilling method and drilling apparatus of the present invention, by forming a desired through hole while increasing the trepanning diameter after forming the through hole in the workpiece. The base material discharge efficiency can be increased, and the processing time required for drilling can be remarkably shortened. Moreover, in addition to shortening the processing time, high-precision drilling can be realized by spirally rotating the laser beam when expanding the diameter of the through hole and appropriately changing the type and pressure of the assist gas. .
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の孔あけ加工装置の一実施形態を使用してなる孔あけ加工方法の第一の工程を説明した図を、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ矢視図を、図３は、本発明の孔あけ加工装置の一実施形態を使用してなる孔あけ加工方法の第二の工程を説明した図を、図４は、図３のＩＶ−ＩＶ矢視図を、図５は、図３に続いて第二の工程を説明した図を、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ矢視図をそれぞれ示している。図７，８は、本発明の孔あけ加工装置の他の実施形態を使用してなる孔あけ加工方法の第一の工程を説明した図を、図９は、本発明の孔あけ加工方法の実施例と従来の孔あけ加工方法との加工時間を比較した実験結果を示したグラフをそれぞれ示している。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating a first step of a drilling method using one embodiment of a drilling device of the present invention, and FIG. 2 is a view taken along arrow II-II in FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating a second step of a drilling method using one embodiment of the drilling device of the present invention, and FIG. 4 is a view taken along arrows IV-IV in FIG. FIG. 5 is a view for explaining the second step subsequent to FIG. 3, and FIG. 6 is a view taken along arrows VI-VI in FIG. 7 and 8 are diagrams illustrating a first step of a drilling method using another embodiment of the drilling device of the present invention, and FIG. 9 is a diagram of the drilling method of the present invention. The graph which showed the experimental result which compared the working time with an Example and the conventional drilling method is shown, respectively.
図１は、孔あけ加工装置の一実施形態を使用してワークＷの一方面Ｗ１の孔径を可及的に小径とした状態でワークＷの他方面Ｗ２まで貫通孔Ｗａを形成している状況を説明した図である。この工程は、本発明の孔あけ加工方法における第一の工程である。 FIG. 1 shows a state in which a through hole Wa is formed up to the other surface W2 of the workpiece W in a state where the hole diameter of the one surface W1 of the workpiece W is made as small as possible by using an embodiment of a drilling apparatus. FIG. This step is the first step in the drilling method of the present invention.
孔あけ加工装置１０は、ＹＡＧ−ＳＨＧレーザーを発振させるレーザー発振器１と、このレーザー発振器１から水平方向に照射されたレーザー光Ｌを鉛直下方に反射させる反射レンズ２と、この反射レンズ２とワークＷの間において、コリメートレンズ３１と２つのガルバノミラー３２ａ，３２ｂと集光レンズ３３が直列的に配設されてなる集光光学系３と、集光レンズ３３とワークＷの間に配設された筒体４、さらにはアシストガスを収容するガスボンベ５とアシストガスの圧力状態を制御する圧力制御装置６とから大略構成されている。また、ワークの他方面側（レーザー照射と反対側）に図示しない受光素子からなるセンサを配置し、貫通孔を介してワークを通り抜けたレーザー光を検知する。なお、図示するワークＷはワーク全体の一部のみを示したものであり、ワークの他の部分が把持治具等によって固定され、または台座上に固定されている。台座上にワークの他の部分を載置する場合には、該台座に設けられた孔に受光素子からなるセンサが収容された構成とすることができる。
The
ガルバノミラー３２ａ，３２ｂは、ガルバノメータ３２ｃ、３２ｃから回転可能に突出するとともに、互いに水平面内で直交する揺動軸まわりを揺動可能に取付けられており、各ガルバノメータ３２ｃ、３２ｃはトレパニング径制御手段である制御装置にて同期揺動するように制御される。２つのガルバノミラーが互いに直交する軸まわりを揺動することにより、下方のガルバノミラーを通ったレーザー光を螺旋状に回転させることが可能となる。
The galvanometer mirrors 32a and 32b protrude from the
第一の工程において、ガルバノミラーを揺動させない場合には、コリメートレンズ３１にてコリメートされたレーザー光Ｌは、そのまま不動のガルバノミラーを通り、集光レンズ３３を通ってワークＷの一方面Ｗ１が焦点となるように調整されて照射される。下方のガルバノミラー３２ｂとワークＷの間には、下方に縮径され、上端と下端が開口した筒体４がその中空軸を集光光学系３とワークＷを結ぶ直線状にくるように配設されている。この筒体４の側面には、アシストガス供給管８が接続されており、該供給管８の他端にはアシストガスを収容するガスボンベ５が設けられている。アシストガスとしては、アルゴンガスや窒素ガス、ヘリウムガスといった不活性ガスが使用できる。
In the first step, when the galvanometer mirror is not swung, the laser light L collimated by the
供給管８の途中にはアシストガスの圧力を調整するための圧力調整弁６１が介装されており、この調整弁の開閉調整は、該調整弁に接続された圧力調整装置６（圧力調整手段）にておこなわれる。圧力調整装置６のＣＰＵから、アシストガスの圧力が比例して増大するように調整弁を開閉するデジタル信号が送信され、Ｄ／Ａ変換されたアナログ信号（電流）にて任意のタイミングで調整弁６１の開閉がおこなわれる。なお、図示しないＣＣＤカメラや各種センサなどの貫通孔検知手段にて貫通孔が形成されたことを検知し、その検知信号が圧力調整装置６に送られた段階で調整弁６１が開き始めるような実施形態であってもよい。
A
レーザー光の焦点をワークＷの一方面で固定し、必要に応じて低圧のアシストガスも提供しながらレーザー光を照射し続けることにより、レーザー熱によって金属ワークＷが溶融し、ワークＷの他方面Ｗ２まで穿孔されて貫通孔Ｗａが形成される。なお、図２は、ワークＷを上方から見た平面図であり、ワークＷの一方面Ｗ１には可及的に小径の孔が形成されている。 The focus of the laser beam is fixed on one surface of the workpiece W, and the laser beam is melted by continuing to irradiate the laser beam while providing a low-pressure assist gas as necessary. A through hole Wa is formed by drilling up to W2. FIG. 2 is a plan view of the workpiece W as viewed from above, and a hole having a diameter as small as possible is formed on one surface W1 of the workpiece W.
貫通孔が形成された後の第二の工程においては、２つのガルバノミラー３２ａ，３２ｂを同期揺動させながら（図３のＸ１方向とＸ２方向の同期揺動）、ワークＷの一方面Ｗ１に照射されるレーザー光の焦点位置を螺旋状に回転させることにより（図３のＸ３方向）、孔径（トレパニング径）が広げられていく（図４のＷｂ）。既に貫通孔が形成されているため、ワークＷに提供されたアシストガスは貫通孔を介してワークの他方面Ｗ２から孔外へ放出されるため、提供されるアシストガスと干渉することもない。
In the second step after the through hole is formed, the two
ここで、ガスボンベ５から任意の不活性ガスが調整弁６１にてその圧力を調整されながら筒体４に提供され（図３のＹ１方向）、筒体４の内壁で下方に流れの方向が転換されてアシストガスとしてワークＷに照射される（Ｙ２方向）。
Here, an arbitrary inert gas is supplied from the
ガルバノミラー３２ａ，３２ｂの揺動角度をより大きくしていくことにより（図５のＸ４，Ｘ５方向）、ワークＷの一方面Ｗ１に形成されるトレパニング径も大きくなり（図５，６のＸ６方向）、所定のトレパニング径となるまでガルバノミラーの揺動とレーザー光の照射を続けることにより、最終的に所望径の貫通孔Ｗｃが形成される。なお、溶融熱の伝導によってトレパニング径よりも最終的に形成される貫通孔径は大きくなることから、かかる熱伝導を勘案して適宜のタイミングでガルバノミラーの揺動を停止させる必要がある。 By increasing the swing angle of the galvanometer mirrors 32a and 32b (X4 and X5 directions in FIG. 5), the trepanning diameter formed on one surface W1 of the workpiece W is also increased (X6 direction in FIGS. 5 and 6). ) By continuing the oscillation of the galvanometer mirror and the irradiation of the laser beam until a predetermined trepanning diameter is reached, a through hole Wc having a desired diameter is finally formed. Since the through hole diameter finally formed becomes larger than the trepanning diameter due to the conduction of the melting heat, it is necessary to stop the oscillation of the galvanometer mirror at an appropriate timing in consideration of the heat conduction.
図７は、孔あけ加工装置の他の実施形態を模式的に示したものである。この孔あけ加工装置１０ａでは、アシストガスの圧力が調整される代わりに、アシストガスの種類を適宜に選択することができる。図示する実施形態では２つのガスボンベ５１，５２を用意し、ガスボンベ５１には、酸素を含まないアルゴンガスや窒素ガス、ヘリウムガスといった不活性ガスが収容されており、他方のガスボンベ５２には、酸素が混合されたアルゴンガスや窒素ガス、ヘリウムガスなどの不活性ガスが収容されている。双方のガスボンベはガス供給管８の途中に設けられた切替え弁７１に連通しており、この弁の切替えでいずれか一方のガスを選択して筒体４にアシストガスとして提供できるようになっている。例えば、ガスボンベ５１から筒体４に提供されていた窒素ガス（Ｙ２方向〜Ｙ４方向）を、任意のタイミングで酸素を混合してなる窒素ガス（Ｙ３方向〜Ｙ４方向）に切替えるものである。
FIG. 7 schematically shows another embodiment of the drilling apparatus. In this
切替え弁７１の切替えは、該切替え弁に接続されたガス切替制御装置７（ガス選択手段）からの切替え指令信号にて適宜におこなわれる。例えば、穿孔される孔の拡径を極力抑えたい第一の工程では、酸素を含まない不活性ガスをアシストガスとして使用することが望ましく、貫通孔形成後にその孔径を拡大していく段階では酸素を含有した不活性ガスをアシストガスとして使用することにより孔加工を促進させることができる。そこで、第一の工程の終了が、上記するような図示しない適宜のセンサなどにて検知された段階で、切替え弁７１により、ガスボンベ５１からガスボンベ５２への切替えがおこなわれる。
Switching of the switching
図８は、孔あけ加工装置のさらに他の実施形態を模式的に示したものであり、この孔あけ加工装置１０ｂは、図１に示す孔あけ加工装置１０と図７に示す孔あけ加工装置１０ａを組み合わせた構成となっている。すなわち、アシストガスの供給系統において、ガスの圧力調整と複数のガスからの任意ガスの選択の双方をおこなうことのできる装置である。孔あけ加工装置１０ｂによれば、その加工時間の短縮を図ることができることは勿論のこと、アシストガスの圧力や流量、種類の微調整により、形成される貫通孔の加工精度を一層高めることが可能となる。
FIG. 8 schematically shows still another embodiment of the drilling apparatus, and this
以下に、図９に基づいて、発明者等による本発明の孔あけ加工方法と従来の孔あけ加工方法の加工時間を比較した実験の概要とその結果について述べる。 Below, based on FIG. 9, the outline | summary of the experiment which compared the processing time of the drilling method of this invention by the inventors etc. and the conventional drilling method, and its result are described.
まず、実験条件として、使用するレーザー光は、ＹＡＧ−ＳＨＧレーザー（波長が５３２ｎｍ、出力が１４Ｗ、パルス幅が３０ｎｓ、周波数が１０ｋＨｚ）である。また、集光レンズはＦ６０（フォーカス６０ｍｍ）のレンズを使用し、ビームスポット径は１０μｍである。さらに、アシストガスとして、窒素ガスに体積％として５％の酸素を混合してなる不活性ガスを使用し、ガスの圧力は０．２ＭＰａ、ガスの流量は１２０Ｌ／ｍｉｎとした。 First, as an experimental condition, a laser beam to be used is a YAG-SHG laser (wavelength: 532 nm, output: 14 W, pulse width: 30 ns, frequency: 10 kHz). The condenser lens uses a lens of F60 (focus 60 mm), and the beam spot diameter is 10 μm. Further, as the assist gas, an inert gas obtained by mixing 5% oxygen as a volume% with nitrogen gas was used, the gas pressure was 0.2 MPa, and the gas flow rate was 120 L / min.
本発明の実施例は、上記実験条件のもとで、トレパニング径がゼロの状態（レーザー光焦点を固定する）でワークの一方面に可及的に小径の孔を形成した状態でまず貫通孔を形成し、その後にレーザー焦点を螺旋状に回転させてトレパニング径を拡大していきながら、最終的に他方面の孔径が７０μｍとなる貫通孔を形成する方法によるものである。この結果は、図９に示すグラフＸであり（○印でプロットされた実験結果に基づいてグラフ化している）、レーザー光の照射を開始後に３秒まではレーザー焦点を固定し、３秒後にトレパニングを３０μｍまで拡大していくものである。ワークの他方面における目標孔径を７０μｍとした場合に、トレパニングを３０μｍまで拡大した後は熱伝導による溶融熱によって孔径が拡径されていき、１秒後には（レーザー光照射開示から４秒後には）加工が完了した。 In the embodiment of the present invention, under the above experimental conditions, a through hole is first formed with a hole having a diameter as small as possible on one surface of a workpiece in a state where the trepanning diameter is zero (fixing the laser beam focus). Then, the laser focal point is rotated spirally to increase the trepanning diameter, and finally the through hole having a hole diameter of 70 μm on the other surface is formed. This result is a graph X shown in FIG. 9 (graphed based on the experimental results plotted with circles), and the laser focus is fixed up to 3 seconds after the start of laser light irradiation, and after 3 seconds. Trepanning is expanded to 30 μm. When the target hole diameter on the other surface of the workpiece is 70 μm, after trepanning is expanded to 30 μm, the hole diameter is expanded by heat of fusion due to heat conduction, and after 1 second (after 4 seconds from the disclosure of laser light irradiation) ) Processing is complete.
一方、図９のグラフＹ（×印でプロットされた実験結果に基づいてグラフ化している）は、従来の孔あけ加工方法によるものであり、レーザー光の照射とともにまずワークの一方面の孔径が３０μｍとなるようにトレパニング径を拡大していき、トレパニング径３０μｍを維持しながら穿孔をワークの厚さ方向に進めていき、ワークの他方面に３０μｍの孔を一気に形成するとともに溶融熱の熱伝導によって所望の７０μｍの貫通孔を形成するものである。 On the other hand, the graph Y in FIG. 9 (graphed based on the experimental results plotted with x marks) is based on a conventional drilling method, and the hole diameter on one side of the workpiece is first increased with laser light irradiation. The trepanning diameter is increased to 30 μm, and the drilling is advanced in the thickness direction of the workpiece while maintaining the trepanning diameter of 30 μm. A 30 μm hole is formed at the same time on the other side of the workpiece and the heat conduction of the heat of fusion. To form a desired through-hole of 70 μm.
この場合、加工時間は１２秒を要し、本発明の実施例の３倍の時間を要することが実証された。この加工時間の相異は、レーザー加工装置が高価であることと、例えばエンジンインジェクタなどがワークの場合には多数のインジェクタ孔を穿孔する必要があることなどから、可及的に少数の孔あけ加工装置にて効率的に多数の孔あけ加工をおこなうことに鑑みれば、極めて大きな時間差となるものである。 In this case, it was proved that the processing time required 12 seconds, which was three times as long as the embodiment of the present invention. This difference in machining time is due to the high cost of laser processing equipment and the need to drill a large number of injector holes when the engine injector is a workpiece. In view of efficiently performing a large number of holes in the processing apparatus, the time difference is extremely large.
発明者等の上記実験結果からも明らかなように、本発明の孔あけ加工装置を使用した孔あけ加工方法によれば、レーザー光による高精度の孔あけ加工を短時間でおこなうことが可能となるため、微小孔を多数穿孔する必要のあるエンジンブロックなどへの穿孔作業に特に好適である。 As is clear from the above experimental results of the inventors, according to the drilling method using the drilling apparatus of the present invention, it is possible to perform highly accurate drilling with a laser beam in a short time. Therefore, it is particularly suitable for drilling work on an engine block or the like that needs to drill many micro holes.
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like without departing from the gist of the present invention. They are also included in the present invention.
１…レーザー発振器、２…反射レンズ、３…集光光学系、３１…コリメートレンズ、３２ａ、３２ｂ…ガルバノミラー、３２ｃ…ガルバノメータ、３２ｄ…制御装置、４…筒体、５，５１，５２…ガスボンベ、６…圧力調整装置、６１…圧力調整弁、７…ガス切替制御装置、７１…ガス切替え弁、１０，１０ａ，１０ｂ…孔あけ加工装置、Ｗ…ワーク、Ｗ１…一方面、Ｗ２…他方面、Ｗａ，Ｗｂ，Ｗｃ…貫通孔，Ｌ…レーザー光
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記方法は、レーザー光をワークの一方面に照射して貫通孔を形成する第一の工程と、レーザー光を螺旋状に回転させながらトレパニング径を大きくしていくことにより、所定径の貫通孔を形成する第二の工程と、からなり、
第一の工程から第二の工程にかけてレーザー光の照射方向と同軸方向にアシストガスが照射されるようになっており、
前記アシストガスとして、アルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガスのいずれかからなるガスであって、酸素を含まない第一の不活性ガスと、アルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガスのいずれかからなるガスに酸素を混合してなる第二の不活性ガスが予め用意されていて、
第一の工程では、アシストガスとして第一の不活性ガスが選択されて使用され、第二の工程では、アシストガスとして第二の不活性ガスが選択されて使用されることを特徴とする孔あけ加工方法。 A method of drilling by irradiating a workpiece with laser light,
The method includes a first step of irradiating one side of a workpiece with a laser beam to form a through hole, and increasing a trepanning diameter while rotating the laser beam in a spiral manner, thereby allowing a through hole with a predetermined diameter to be formed. A second step of forming
From the first step to the second step, the assist gas is irradiated in the same direction as the laser beam irradiation direction,
As the assist gas, argon gas, nitrogen gas, be any one Ranaru gas of the helium gas, a first inert gas containing no oxygen, argon gas, nitrogen gas, either helium gas Ranaru A second inert gas prepared by mixing oxygen with gas is prepared in advance,
In the first step, the first inert gas is selected and used as the assist gas, and in the second step, the second inert gas is selected and used as the assist gas. Drilling method.
前記ガス提供手段は、アルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガスのいずれかからなるガスであって、酸素を含まない第一の不活性ガスと、アルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガスのいずれかからなるガスに酸素を混合してなる第二の不活性ガスのうち、いずれか一方のガスを選択するガス選択手段をさらに備え、
貫通孔が形成されるまでは、ガス選択手段によって第一の不活性ガスが選択され、ガス提供手段によってレーザー光に第一の不活性ガスが提供されながら、集光レンズを通過したレーザー光がワークの一方面に照射されるようになっており、
前記検知手段にて貫通孔の形成が検知されると、ガス選択手段によって第二の不活性ガスが選択され、ガス提供手段によってレーザー光に第二の不活性ガスが提供されながら、トレパニング径制御手段によってレーザー光のトレパニング径が所定径まで螺旋状に大きくされるようになっていることを特徴とする孔あけ加工装置。 A laser oscillator, a condensing optical system comprising at least a collimating lens arranged in series in the laser irradiation direction, a plurality of galvanometer mirrors having different oscillation axis directions, and a condensing lens, and a laser that has passed through the condensing lens Trepanning that increases the trepanning diameter of the laser beam spirally from zero to a predetermined diameter by oscillating each galvanometer mirror, gas providing means that provides assist gas to light, detection means that detects the formation of through-holes Diameter control means,
The gas providing means, argon gas, nitrogen gas, be any one Ranaru gas of the helium gas, a first inert gas containing no oxygen, argon gas, nitrogen gas, either or these helium gas A gas selection means for selecting any one of the second inert gases obtained by mixing oxygen with the gas to be
Until the through-hole is formed, the first inert gas is selected by the gas selection means, and the laser beam that has passed through the condenser lens is supplied to the laser light by the gas providing means. It is designed to irradiate one side of the workpiece,
When the formation of the through hole is detected by the detection means, the second inert gas is selected by the gas selection means, and the trepanning diameter control is performed while the second inert gas is provided to the laser beam by the gas providing means. A drilling apparatus characterized in that the trepanning diameter of the laser beam is spirally increased to a predetermined diameter by means.
前記圧力調整手段によって、貫通孔が形成されるまでは第一の不活性ガスが比較的低圧に調整されるようになっており、検知手段にて貫通孔の形成が検知され、トレパニング径制御手段によってレーザー光のトレパニング径が所定径まで螺旋状に大きくされるにしたがって、第二の不活性ガスの圧力が徐々に大きくなるように調整されるようになっていることを特徴とする請求項３に記載の孔あけ加工装置。 A pressure adjusting means for adjusting the pressure of the assist gas;
Until the through hole is formed by the pressure adjusting means, the first inert gas is adjusted to a relatively low pressure, and the detection means detects the formation of the through hole, and the trepanning diameter control means. 4. The method according to claim 3, wherein the pressure of the second inert gas is gradually increased as the trepanning diameter of the laser beam is spirally increased to a predetermined diameter. The drilling apparatus described in 1.
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