JP7052472B2 - 溝加工方法、溝加工装置及び鋼板 - Google Patents

Description

本発明は、溝加工方法、溝加工装置及び鋼板に関する。

近年、鋼板の高機能化のため表面に機能膜を設けた鋼板が開発されている。特許文献１には、機能膜の鋼板表面への密着性向上を図るために、レーザ光によって鋼板表面に溝を加工することが開示されている。また、溝を加工する手法として、特許文献２には、レーザ光の照射部位にアシストガスを吹き付けつつ、鋼板に対して所定角度でレーザ光を照射し、アシストガスのガス圧より溶融物等を鋼板表面から除去しながら鋼板表面に溝を加工することが開示されている。

国際公開第２０１４／１５６９８９号 国際公開第２０１６／１７１１３０号

特許文献１及び特許文献２には、レーザ出力として、１０００Ｗ以下についても開示されているものの、実際には鋼板表面に２０μｍ以上の深い溝を確実に形成するためには、ピーク出力の高い短いパルスレーザ光源、又は、連続波レーザでレーザ出力を１０００Ｗ超としたレーザ光源を用い、溶融部分の蒸発現象を主体として溝を加工する必要があった。そのため、深い溝を加工する場合には、高価な高出力レーザ光源を用いる必要があり、その分、設備コストやランニングコスト等がかかり、高コスト化するという問題があった。

また、特許文献１では、レーザ光を用いて鋼板表面に不規則な凹凸を形成して溝を加工することができるものの、所望する凹状の溝を安定的に形成できる条件は明確に開示されておらず、特許文献１の開示内容から所望形状の溝を安定的に加工することは困難である。

特許文献２では、アシストガスを用いて溶融物を吹き飛ばして溝を加工しているため、アシストガスの流量やガス圧を大きくする必要がある。そのため、特許文献２では、アシストガスによって溶融部の形状が変形してしまう恐れもあり、所望形状の溝を安定的に加工することは困難である。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、所望形状の溝を加工することができるとともに、コスト低減を図ることができる、溝加工方法、溝加工装置及び鋼板を提供することを目的とする。

本発明の溝加工方法は、レーザ光により鋼板表面に溝を加工する溝加工方法において、レーザ光源から照射される前記レーザ光を、前記鋼板表面の法線と前記レーザ光とを含む平面内で、前記法線から所定角度傾けて前記鋼板表面に照射する照射工程と、前記レーザ光源に対して前記鋼板を１．５ｍ／ｓ以上１００ｍ／ｓ以下で相対的に移動させる移動工程と、前記レーザ光源のレーザ出力を１００Ｗ以上１０００Ｗ以下とするレーザ出力制御工程と、を備え、
前記レーザ光により前記鋼板を溶融して加工し、前記溝の深さを１０．５μｍ以上５０μｍ以下とし、溝延在方向と直交する溝幅方向断面で前記溝を見た場合に、溝開口端幅の中心を溝開口中心線と定義し、前記鋼板の内部で前記溝の周辺に形成された溶融凝固部を、前記溝開口中心線を境に第１溶融凝固部と第２溶融凝固部とに分けたとき、前記溝延在方向に沿って、前記溝開口中心線を境に、前記レーザ光の入射側にある前記第１溶融凝固部と、前記レーザ光の非入射側にある前記第２溶融凝固部とが非対称形状であり、前記第１溶融凝固部が前記第２溶融凝固部よりも大きく形成する、ものである。

また、本発明の溝加工装置は、レーザ光により鋼板表面に溝を加工する溝加工装置において、前記鋼板表面の法線と前記レーザ光とを含む平面内で、前記レーザ光を前記法線から所定角度傾けて前記鋼板表面に照射するレーザ光源と、前記レーザ光源に対して鋼板を１．５ｍ／ｓ以上１００ｍ／ｓ以下で相対的に移動させる移動機構と、前記レーザ光源のレーザ出力を１００Ｗ以上１０００Ｗ以下とするレーザ出力制御部と、を備え、
前記レーザ光により前記鋼板を溶融して加工し、前記溝の深さを１０．５μｍ以上５０μｍ以下とし、溝延在方向と直交する溝幅方向断面で前記溝を見た場合に、溝開口端幅の中心を溝開口中心線と定義し、前記鋼板の内部で前記溝の周辺に形成された溶融凝固部を、前記溝開口中心線を境に第１溶融凝固部と第２溶融凝固部とに分けたとき、前記溝延在方向に沿って、前記溝開口中心線を境に、前記レーザ光の入射側にある前記第１溶融凝固部と、前記レーザ光の非入射側にある前記第２溶融凝固部とが非対称形状であり、前記第１溶融凝固部を前記第２溶融凝固部よりも大きく形成する、ものである。

また、本発明の鋼板は、鋼板表面に溝が加工された鋼板において、前記溝の深さが１０．５μｍ以上５０μｍ以下であり、溝延在方向と直交する溝幅方向断面で前記溝を見た場合に、溝開口端幅の中心を溝開口中心線と定義し、前記鋼板の内部で前記溝の周辺に形成された溶融凝固部を、前記溝開口中心線を境に第１溶融凝固部と第２溶融凝固部とに分けたとき、前記溝延在方向に沿って、前記溝開口中心線を境に前記第１溶融凝固部と前記第２溶融凝固部とが非対称形状であり、前記第１溶融凝固部が前記第２溶融凝固部よりも大きく形成されている、ものである。

本発明によれば、低出力のレーザ出力としつつ、溶融部の湯流れを制御して鋼板表面に所望形状の溝を加工でき、溶融物を吹き飛ばすアシストガスや高出力のレーザ光源を用いずに所望形状の溝を加工できる。また、溶融物を吹き飛ばすアシストガスや高出力のレーザ光源が不要となる分、コスト低減を図ることができる。

第１の実施形態による溝加工装置の全体構成を示す概略図である。 鋼板及びレーザ光について詳細に説明するための概略図である。 図３Ａは、図２のＡ－Ａ´でのレーザ光照射当初の溝幅方向断面の構成を示した概略図であり、図３Ｂは、レーザ光照射中の溝幅方向断面の構成を示した概略図である。 図２のＢ－Ｂ´での溝幅方向断面であり、鋼板に加工される溝の詳細な構成を示した概略図である。 レーザ出力１７５Ｗ、レーザ光の照射角度４５度として、走査速度を変えて加工したときの溝を光学顕微鏡で観察したときの写真であり、図５Ａは、走査速度１．０ｍ／ｓのときの写真、図５Ｂは、走査速度１．５ｍ／ｓのときの写真、図５Ｃは、走査速度２．０ｍ／ｓのときの写真である。 レーザ出力１７５Ｗ、レーザ光の照射角度４５度として、走査速度を変えて加工したときの溝の溝幅方向断面をＳＥＭにより観察したときの写真であり、図６Ａは、走査速度１．０ｍ／ｓのときの写真、図６Ｂは、走査速度１．５ｍ／ｓのときの写真、図６Ｃは、走査速度２．０ｍ／ｓのときの写真である。 レーザ出力２００Ｗ、レーザ光の照射角度４５度として、走査速度を変えて加工したときの溝を光学顕微鏡で観察したときの写真であり、図７Ａは、走査速度１．０ｍ／ｓのときの写真、図７Ｂは、走査速度１．５ｍ／ｓのときの写真、図７Ｃは、走査速度２．０ｍ／ｓのときの写真である。 レーザ出力２００Ｗ、レーザ光の照射角度４５度として、走査速度を変えて加工したときの溝の溝幅方向断面をＳＥＭにより観察したときの写真であり、図８Ａは、走査速度１．０ｍ／ｓのときの写真、図８Ｂは、走査速度１．５ｍ／ｓのときの写真、図８Ｃは、走査速度２．０ｍ／ｓのときの写真である。 第２の実施形態による溝加工装置の全体構成を示す概略図である。 図１０Ａは、図９に示した溝加工装置において、傾斜させた鋼板に対してレーザ光を照射する様子を示した概略図であり、図１０Ｂは、図１０Ａから所定時間経過後の様子を示す概略図である。 図１１Ａは、図１０Ａに示した、レーザ光照射当初の溝幅方向断面Ｓ_１を示した概略図であり、図１１Ｂは、レーザ光照射中の溝幅方向断面Ｓ_１を示した概略図である。 図１０Ｂに示した溝幅方向断面Ｓ_１を示した概略図である。 レーザ出力２００Ｗ、レーザ光の照射角度４０度、走査速度２．０ｍ／ｓとし、シールドガスを用いずに溝を加工したときの鋼板表面をＳＥＭにより撮影したときの写真である。 レーザ出力２００Ｗ、レーザ光の照射角度４０度、走査速度２．０ｍ／ｓとして、シールドガスのガス圧を変えて加工したときの溝の溝幅方向断面をＳＥＭにより観察したときの写真であり、図１４Ａは、シールドガスを用いなかったときの写真、図１４Ｂは、シールドガスのガス圧が０．１ＭＰａのときの写真、図１４Ｃは、シールドガスのガス圧が１．０ＭＰａのときの写真である。 レーザ出力２００Ｗ、レーザ光の照射角度４０度として、走査速度を変えて加工したときの溝の溝幅方向断面をＳＥＭにより観察したときの写真であり、図１５Ａは、走査速度１．０ｍ／ｓのときの写真、図１５Ｂは、走査速度１．５ｍ／ｓのときの写真、図１５Ｃは、走査速度２．０ｍ／ｓのときの写真である。 レーザ出力１５０Ｗ、レーザ光の照射角度４５度として、走査速度を変えて加工したときの溝の溝幅方向断面をＳＥＭにより観察したときの写真であり、図１６Ａは、走査速度１．０ｍ／ｓのときの写真、図１６Ｂは、走査速度１．５ｍ／ｓのときの写真、図１６Ｃは、走査速度２．０ｍ／ｓのときの写真である。

以下図面について、本発明の一実施形態を詳述する。以下の説明において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（１）第１の実施形態
＜第１の実施形態による溝加工装置の構成＞
図１は、鋼板５に溝を加工する本発明の溝加工装置１の全体構成を示した概略図である。溝加工装置１では、鋼板５をＸ方向に向けて移動させながら、鋼板表面５ａに対して所定角度からレーザ光Ｌ_１を照射する。これにより、溝加工装置１は、鋼板表面５ａのレーザ光Ｌ_１が照射された照射位置（図中、ａ_ｘ２に沿った位置）に溝を加工できる。なお、図１において、Ｘ方向は、溝が形成される溝延在方向となり、Ｚは、鋼板表面５ａの法線ａ_ｘ１と平行な法線方向を示し、Ｙは、溝延在方向Ｘ及び法線方向Ｚと直交する溝幅方向を示す。

この場合、溝加工装置１は、レーザ光Ｌ_１を発するレーザ光源２と、レーザ出力制御部６と、移動機構７とを有する。レーザ光源２から出射したレーザ光Ｌ_１はレンズ３により集光された後、鋼板表面５ａに照射される。鋼板５はレーザ光Ｌ_１の照射位置が溶融され凝固することで、鋼板表面５ａに凹状の溝が加工される。この際、鋼板表面５ａ上でのレーザ光Ｌ_１のパワー密度は、レーザ光Ｌ_１の照射中にレーザ光Ｌ_１により溶融部にキーホール（後述する図３Ｂに示すＫＨであり、レーザ光Ｌ_１の熱と、これにより生じた金属蒸気ガスの圧力とによって一時的に生じる、レーザ光Ｌ_１の光軸方向に延在する溶融金属（溶融部）内の円柱状の穴）が形成される必要があることから、１ＭＷ／ｃｍ^２以上であることが望ましい。

レーザ光源２は、鋼板表面５ａの法線ａ_ｘ１とレーザ光Ｌ_１の光軸とを含む平面内で、レーザ光Ｌ_１が法線ａ_ｘ１から所定角度θ_１傾けられており、鋼板表面５ａに対して斜め方向からレーザ光Ｌ_１を照射する。より具体的には、本実施形態の場合、鋼板表面５ａの法線ａ_ｘ１とレーザ光Ｌ_１の光軸とを含む平面内で、法線ａ_ｘ１とレーザ光Ｌ_１の光軸とのなす角度（以下、照射角度とも称する）θ_１が、２０度以上８０度以下に設定されていることが望ましい。

レーザ光Ｌ_１の照射角度θ_１は、２０度未満にすると、鋼板５内部の溝の周辺で形成される溶融部を偏在させた所望形状の溝を加工し難い。一方、照射角度θ_１を８０度超にすると、レーザ光Ｌ_１が鋼板表面５ａで反射してしまい、所望する深さの溝を加工し難い。よって、レーザ光Ｌ_１の照射角度θ_１は２０度以上８０度以下が望ましい。

ここで、本発明に係る溝加工の原理は下記のように考察される。レーザ光Ｌ_１により溝を加工する際、レーザ光Ｌ_１の照射部位には、キーホール（後述する図３Ｂに示す）と呼ばれる金属蒸気による円柱状空洞が、レーザ光Ｌ_１の光軸上に沿って斜めに形成される。これにより、キーホールの奥側先端部（図３Ｂ中、１０ｂで示し、溶融物の量が少なく皮が薄い部分）にて溶融物が破裂して金属蒸気ガスが、レーザ光Ｌ_１の非入射側から外部へと抜ける。この際、周囲が固相であるために反力で溶融物が押される。このため、後述する溶融凝固凸部等が形成されたり、或いは、溶融凝固部がレーザ光Ｌ_１の入射側と非入射側とで偏在すると考えられる。

照射角度θ_１が４５度以下では金属蒸気ガスが押しのける溶融物の量が多いため、溶融物の流動が不安定になり溝形状が必ずしも安定しない恐れがある。一方、照射角度θ_１が７５度以上ではレーザ光Ｌ_１が射影されるためキーホールが形成し難い場合がある。よって、レーザ光Ｌ_１の照射角度θ_１は、より好ましくは、４５度超７５度未満にすることが望ましい。

なお、本実施形態においては、図１に示すように、溝幅方向Ｙと法線方向Ｚとがなす平面内で法線ａ_ｘ１に対してレーザ光Ｌ_１の照射角度θ_１が規定されているが、本発明はこれに限らない。本発明では、鋼板表面５ａの法線ａ_ｘ１とレーザ光Ｌ_１の光軸とを含む平面内で法線ａ_ｘ１に対してレーザ光Ｌ_１の照射角度θ_１が規定されていればよく、例えば、溝幅方向Ｙと法線方向Ｚとがなす平面外で、当該平面内の法線ａ_ｘ１に対してレーザ光Ｌ_１を照射角度θ_１傾けるようにしてもよい。

レーザ出力制御部６は、レーザ光源２と接続されており、レーザ光源２のレーザ出力を１００Ｗ以上１０００Ｗ以下、より好ましくは１５０Ｗ以上９００Ｗ以下に制御する。レーザ出力を１００Ｗ未満にすると、レーザ出力が弱すぎ、所望形状の溝を加工し難くなる。一方、レーザ出力を１０００Ｗ超にすると、レーザ出力が高出力となり、設備コストやランニングコスト等がかかり、高コスト化する。よって、レーザ出力は１００Ｗ以上１０００Ｗ以下であることが望ましい。

また、レーザ出力を、より好ましい１５０Ｗ以上９００Ｗ以下にしたときには、レーザ光源２として、比較的安価なシングルモードファイバレーザを用いることができる。

移動機構７は、鋼板５をＸ方向に所定の走査速度で移動させることにより、鋼板表面５ａに対してレーザ光Ｌ_１を走査させる。この場合、鋼板５は、１．５ｍ／ｓ以上１００ｍ／ｓ以下、より好ましくは２ｍ／ｓ以上９０ｍ／ｓ以下の走査速度で移動させることが望ましい。走査速度を１．５ｍ／ｓ未満にすると、キーホール上に乗る溶融物の量が多くなり排除しきれなくなるため、有意な溝深さを得ることができなくなる。一方、走査速度を１００ｍ／ｓ超とすると、全体の溶融量が少なくなるため有意な溝深さを得られなくなる。

また、走査速度を、より好ましい２ｍ／ｓ以上９０ｍ／ｓ以下にしたときには、レーザ光Ｌ_１の照射箇所における溶融量と排除圧力（金属蒸気ガスが溶融物を排除する圧力）とのバランスが良いため、安定して有意な溝深さを得ることができる。

＜本発明の溝加工装置により加工される溝について＞
次に、本発明の溝加工装置１により加工される溝について詳細に説明する。図２に示すように、法線方向Ｚ及び溝幅方向Ｙと直交するＸ方向に鋼板５を移動させ、移動する鋼板表面５ａに対して、鋼板表面５ａの法線ａ_ｘ１とレーザ光Ｌ_１の光軸とを含む平面内で鋼板表面５ａの法線ａ_ｘ１から所定角度θ_１傾けてレーザ光Ｌ_１を照射する。これにより、本実施形態では、鋼板５が移動するＸ方向に沿って直線状の溝８が鋼板表面５ａに加工されてゆく。なお、鋼板表面５ａには、例えば、複数の溝８が、溝幅方向Ｙに向かって所定間隔で並び、溝延在方向Ｘに並走するように形成されてもよい。

ここで、図３は、図２において、溝延在方向Ｘ及び法線方向Ｚと直交する溝幅方向Ｙに延びるＡ－Ａ´での溝幅方向断面を示す。図３Ａに示すように、鋼板表面５ａに対して、法線ａ_ｘ１から照射角度θ_１だけ傾けてレーザ光Ｌ_１が照射され始めると、レーザ光Ｌ_１の照射当初、レーザ光Ｌ_１が照射される溝加工位置１０には、鋼板５が溶融した溶融部１０ａが形成される。

更に、鋼板５が移動しながら、この溶融部１０ａにレーザ光Ｌ_１が照射されると、図３Ｂに示すように、レーザ光Ｌ_１の照射中、溶融部１０ａ内に、レーザ光Ｌ_１の光軸方向に沿って斜めに傾いた、円柱状空洞のキーホールＫＨが一時的に形成される。このようなキーホールＫＨは、レーザ光Ｌ_１の熱と、金属蒸気ガスの圧力とにより形成されるものである。そして、例えば、キーホールＫＨの奥側先端部１０ｂで、溶融物の量が少なく溶融物厚が薄い、レーザ光Ｌ_１の非入射側部分が、金属蒸気ガスの圧力等により破裂し、キーホールＫＨ内の金属蒸気ガスが、レーザ光Ｌ_１の非入射側から外部へ抜ける。これにより、溶融部１０ａには、レーザ光Ｌ１の非入射側に溝８が形成され易くなると考えられる。

その後、鋼板５が移動して、レーザ光Ｌ_１が照射し終えると、鋼板表面５ａには溝８が加工される。ここで、図４は、図２におけるＢ－Ｂ´での溝幅方向断面を示す。図４は、レーザ光Ｌ_１が照射し終えて、溝８が加工された後の溝幅方向断面であり、溝８の周辺を拡大したものである。この場合、鋼板表面５ａには断面凹状の溝８が形成されるとともに、鋼板５の内部には溝８の周辺に溶融部１０ａが凝固した溶融凝固部１１が形成される。ここで、溝８の加工途中でキーホールＫＨが形成されていたことにより、図４に示すように、溶融凝固部１１は、溝８を基準としたときにレーザ光Ｌ_１の入射側と非入射側とで偏在し、レーザ光Ｌ_１の入射側には、鋼板表面５ａから膨出した溶融凝固凸部１１ａが形成される。

溝８を規定するにあたり、溝幅方向断面で溝８を見た場合に、鋼板表面５ａに沿って延びる直線を、表面基準線ＢＬ_１と定義する。この表面基準線ＢＬ_１は、例えば、鋼板表面５ａの表面粗さ曲線を求め、表面粗さ曲線を平均化することで求めることができる。

鋼板表面５ａに加工された溝８の深さｄは、図４に示すように、溝延在方向Ｘ及び法線方向Ｚに直交する溝幅方向断面で溝８を見た際に、表面基準線ＢＬ_１から溝８の最深部８ｃまでの距離であり、１０．５μｍ以上５０μｍ以下であることが望ましい。

また、溝幅方向断面で溝８を見た場合に、溝８の向かい合う溝開口端部９ａ，９ｂ間の距離を、溝開口端幅Ｗ_１と定義する。さらに、溝幅方向断面で溝８を見た場合に、溝開口端幅Ｗ_１の中心Ｏを通り、かつ法線方向Ｚと平行な直線を溝開口中心線ＢＬ_２と定義する。

鋼板５内に形成された溝８の溝内面は、溝延在方向Ｘに沿って、溝開口中心線ＢＬ_２を境に、レーザ光Ｌ_１の入射側（図４でいえば右側）にある第１溝面８ａと、レーザ光Ｌ_１の非入射側にある第２溝面８ｂと、に分けることができる。なお、図４に示す溝８では、レーザ光Ｌ_１の非入射側（図４でいえば左側）にある第２溝面８ｂに最深部８ｃが形成されており、レーザ光Ｌ_１の入射側にある第１溝面８ａが壁状に形成されている。

また、溶融凝固部１１は、これら表面基準線ＢＬ_１及び溝開口中心線ＢＬ_２を境に、溝延在方向Ｘに沿って、溶融凝固凸部１１ａと、第１溶融凝固部１１ｂと、第２溶融凝固部１１ｃとに分けることができる。

溝開口中心線ＢＬ_２は、鋼板５の内部にある溶融凝固部１１を、第１溶融凝固部１１ｂと、第２溶融凝固部１１ｃとに分け、表面基準線ＢＬ_１は、鋼板５の内部にある第１溶融凝固部１１ｂと、鋼板表面５ａから膨出した溶融凝固凸部１１ａとを分ける。

この場合、第１溶融凝固部１１ｂは、レーザ光Ｌ_１の入射側にある第１溝面８ａ周辺に形成された、鋼板５内の溶融凝固部１１であり、表面基準線ＢＬ_１及び溝開口中心線ＢＬ_２に囲まれた溶融凝固部１１を示す。一方、第２溶融凝固部１１ｃは、レーザ光Ｌ_１の非入射側にある第２溝面８ｂ周辺に形成された、鋼板５内の溶融凝固部１１であり、溝開口中心線ＢＬ_２に囲まれた溶融凝固部１１を示す。また、溶融凝固凸部１１ａは、表面基準線ＢＬ_１を境に、鋼板表面５ａから上方に膨出した溶融凝固部１１を示す。

溝延在方向Ｘに沿って溝幅方向断面で溝８を見た場合に、第１溶融凝固部１１ｂは、第２溶融凝固部１１ｃよりも大きく形成されている。これにより、溝８の加工後であっても、溝幅方向断面を観察することで、製造時におけるレーザ光Ｌ１の入射側と非入射側とを推測することができる。

ここで、溝幅方向断面で溝８を見る場合には、例えば、溝８が加工された鋼板５を、例えば機械研磨によって溝幅方向Ｙに沿って断面研磨した後、ナイタール又はピクリン酸にて腐食処理することで、溝幅方向断面を得る。そして、得られた溝幅方向断面を、ＳＥＭを用いて観察し、画像処理により、鋼板５における、溶融凝固部１１と、レーザ光Ｌ_１が未照射の未溶融部とを区別する。

ここで、溶融凝固部１１と鋼板５の未溶融部とは、金属組織の連続性より区別できる。

次に、ＳＥＭにより得られた溝幅方向断面の画像について画像解析を行い、画像内の溝８の断面形状や、鋼板表面５ａの断面形状から、表面基準線ＢＬ_１及び溝開口中心線ＢＬ_２を求める。そして、画像解析によって、表面基準線ＢＬ_１及び溝開口中心線ＢＬ_２を境に、画像内の溶融凝固部１１を、溶融凝固凸部１１ａと第１溶融凝固部１１ｂと第２溶融凝固部１１ｃとに区分けする。

これにより、表面基準線ＢＬ_１及び溝開口中心線ＢＬ_２で囲まれた鋼板５内の第１溶融凝固部１１ｂと、溝開口中心線ＢＬ_２で囲まれた鋼板５内の第２溶融凝固部１１ｃとの面積を測定することができる。このようにして、鋼板５の内部において、第１溶融凝固部１１ｂが第２溶融凝固部１１ｃよりも大きく形成されていることが確認できる。

なお、鋼板表面５ａから膨出した溶融凝固凸部１１ａは、鋼板表面５ａを研磨等して平坦化する平坦化処理によって除去するようにしてもよい（平坦化工程）。これにより、平坦化させた鋼板表面５ａに溝８のみを加工した鋼板５を得ることができる。

＜検証試験＞
次に、溝加工装置１を用いた検証試験について説明する。ここでの検証試験では、溝を加工する試料として、一般構造用圧延鋼材（ＳＳ４００）からなり、厚さ４ｍｍ、長さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍの長方形でなる鋼板５を用意した。この検証試験では、始めに、レーザ出力（Ｐｏｗｅｒ）を１７５Ｗとし、レーザ光Ｌ_１の照射角度θ_１を４５度として、走査速度（Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｓｐｅｅｄ）を１．０ｍ／ｓ、１．５ｍ／ｓ、２．０ｍ／ｓに変えて、各鋼板表面５ａにそれぞれ溝を加工した。

そして、鋼板表面５ａの溝８の形成状態を、光学顕微鏡で観察したところ、図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃに示すような結果が得られた。図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃでは、紙面右側がレーザ光Ｌ_１の入射側となり、紙面左側がレーザ光Ｌ_１の非入射側となる。これら図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃに示すように、レーザ光Ｌ_１の非入射側には凹領域Ｌが直線状に形成されており、鋼板表面５ａに溝８が形成されていることが確認できた。しかしながら、走査速度を１．０ｍ／ｓとした図５Ａでは、画像内の色の濃淡具合から、走査速度を１．５ｍ／ｓ以上とした図５Ｂ及び図５Ｃよりも溝８が浅くなることが確認できた。

また、図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃに示すように、レーザ光Ｌ_１の入射側には凹領域Ｌに沿って直線状の凸領域Ｈが形成されており、溶融凝固凸部１１ａが形成されていることが確認できた。しかしながら、走査速度を１．０ｍ／ｓとした図５Ａでは、走査速度を１．５ｍ／ｓ以上とした図５Ｂ及び図５Ｃよりも凸領域Ｈが低くなることも確認できた。

次に、図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃに示す各鋼板５について、回転研磨機により、溝幅方向Ｙに沿って断面研磨し、ピクリン酸にて腐食処理することで、溝幅方向断面を得た。そして、各溝幅方向断面をＳＥＭにより撮影したところ、図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃに示すような画像が得られた。図６Ａは、走査速度（Ｖｅｌｏｃｉｔｙと表記）１．０ｍ／ｓのときの溝幅方向断面であり、図６Ｂは、走査速度（Ｖｅｌｏｃｉｔｙと表記）１．５ｍ／ｓのときの溝幅方向断面であり、図６Ｃは、走査速度（Ｖｅｌｏｃｉｔｙと表記）２．０ｍ／ｓのときの溝幅方向断面である。

図６Ａでは、レーザ光Ｌ_１の入射側に、溝８と隣接して僅かに凸状に膨れた溶融凝固凸部１１ａが確認できたが、溝８の深さｄが１０．４μｍと浅く、有意な溝深さを得ることができないことが確認できた。また、図６Ｂでは、溝８の深さｄが１３．０μｍであり、１０．５μｍ以上の有意な溝深さが得られ、さらに、レーザ光Ｌ_１の入射側に鋼板表面５ａよりも高い溶融凝固凸部１１ａが確認できた。図６Ｃでも、溝８の深さｄが２０．２μｍであり、１０．５μｍ以上の有意な溝深さが得られ、さらに、レーザ光Ｌ_１の入射側に鋼板表面５ａよりも高い溶融凝固凸部１１ａが確認できた。

図６Ｂ及び図６Ｃでは、金属組織の違いを目安に、溶融凝固部１１と未溶融部とを目視により区別することができた。また、図６Ｂ及び図６Ｃの各画像について、表面基準線ＢＬ_１及び溝開口中心線ＢＬ_２をそれぞれ求め、第１溶融凝固部１１ｂと第２溶融凝固部１１ｃとの各面積を比較したところ、第２溶融凝固部１１ｃよりも第１溶融凝固部１１ｂが大きいことが確認できた。

次に、レーザ出力を２００Ｗに変えて、鋼板表面５ａに溝を加工した。レーザ出力以外の条件は、上記の検証試験と同じ条件（レーザ光Ｌ１の照射角度θ_１を４５度とし、走査速度（Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｓｐｅｅｄ）を１．０ｍ／ｓ、１．５ｍ／ｓ、２．０ｍ／ｓに変えて、各鋼板表面５ａにそれぞれ溝を加工した。

そして、鋼板表面５ａの溝８の形成状態を、光学顕微鏡で観察したところ、図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃに示すような結果が得られた。図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃでは、紙面右側がレーザ光Ｌ_１の入射側となり、紙面左側がレーザ光Ｌ_１の非入射側となる。これら図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃに示すように、レーザ光Ｌ_１の非入射側には、溝８に相当する凹領域Ｌが直線状に形成されており、レーザ光Ｌ_１の入射側には、溶融凝固凸部１１ａに相当する凸領域Ｈが凹領域Ｌに沿って直線状の形成されることが確認できた。しかしながら、走査速度を１．０ｍ／ｓとした図７Ａでは、画像内の色の濃淡具合から、走査速度を１．５ｍ／ｓ以上とした図７Ｂ及び図７Ｃよりも、溝に相当する凹領域Ｌが浅くなり、凸領域Ｈが低くなることが確認できた。

次に、図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃに示す各鋼板５について、回転研磨機により、溝幅方向Ｙに沿って断面研磨し、ピクリン酸にて腐食処理することで、溝幅方向断面を得た。そして、各溝幅方向断面をＳＥＭにより撮影したところ、図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃに示すような画像が得られた。図８Ａは、走査速度（Ｖｅｌｏｃｉｔｙと表記）１．０ｍ／ｓのときの溝幅方向断面であり、図８Ｂは、走査速度（Ｖｅｌｏｃｉｔｙと表記）１．５ｍ／ｓのときの溝幅方向断面であり、図８Ｃは、走査速度（Ｖｅｌｏｃｉｔｙと表記）２．０ｍ／ｓのときの溝幅方向断面である。

図８Ａでは、レーザ光Ｌ_１の入射側の溝８と隣接した領域に僅かに凸状に膨れた溶融凝固凸部１１ａが確認できたが、溝８の深さｄが７．８μｍと浅く、有意な溝深さを得ることができないことが確認できた。また、図８Ｂでは、溝８の深さｄが２２．２μｍであり、１０．５μｍ以上の有意な溝深さが得られ、さらに、レーザ光Ｌ_１の入射側に鋼板表面５ａよりも高い溶融凝固凸部１１ａが確認できた。図８Ｃでは、溝８の深さｄが２６．１μｍであり、１０．５μｍ以上の有意な溝深さが得られ、さらに、レーザ光Ｌ_１の入射側に鋼板表面５ａよりも高い溶融凝固凸部１１ａが確認できた。

図８Ｂ及び図８Ｃでも、上記の検証試験と同様に、金属組織の違いを目安に、溶融凝固部１１と未溶融部とを目視により区別することができた。また、図８Ｂ及び図８Ｃの各画像について、表面基準線ＢＬ_１及び溝開口中心線ＢＬ_２をそれぞれ求め、第１溶融凝固部１１ｂと第２溶融凝固部１１ｃとの各面積を比較したところ、上記の検証試験と同様に、第２溶融凝固部１１ｃよりも第１溶融凝固部１１ｂが大きいことが確認できた。

以上、レーザ出力を低出力である１７５Ｗ及び２００Ｗとした場合、走査速度を大きくすると、溶融凝固凸部１１ａが大きくなり、鋼板表面５ａから突出する高さが高くなることが分かった。また、溶融凝固凸部１１ａが大きくなるにつれて、溝８が深くなることが確認できた。このような検証試験の結果から、深い溝８を加工する場合には、走査速度を１．５ｍ／ｓ以上とすることが望ましいことが確認できた。

＜作用及び効果＞
以上の構成において、溝加工装置１では、レーザ光源２に対して鋼板５を１．５ｍ／ｓ以上１００ｍ／ｓ以下で相対的に移動させつつ（移動工程）、鋼板表面５ａの法線ａ_ｘ１とレーザ光Ｌ_１とを含む平面内で、レーザ光Ｌ_１を法線ａ_ｘ１から所定角度θ_１傾け、鋼板５に照射するようにした（照射工程）。

この際、溝加工装置１では、鋼板５の溝加工位置に対するレーザ光源２のレーザ出力を１００Ｗ以上１０００Ｗ以下にするようにした（レーザ出力制御工程）。

これにより、溝加工装置１は、深さｄが１０．５μｍ以上５０μｍ以下の溝８を鋼板表面５ａに加工できる。また、このようにして加工された溝８は、溝幅方向断面で溝８を見た場合に、溝延在方向Ｘに沿って、溝開口中心線ＢＬ_２を境に、レーザ光Ｌ_１の入射側にある第１溶融凝固部１１ｂと、レーザ光Ｌ_１の非入射側にある第２溶融凝固部１１ｃとが非対称形状となり、第１溶融凝固部１１ｂが第２溶融凝固部１１ｃよりも大きく形成できる。

以上、溝加工装置１では、低出力のレーザ出力としつつ、溶融部１０ａの湯流れを制御して鋼板表面５ａに所望形状の溝８を加工でき、溶融物を吹き飛ばすアシストガスや高出力のレーザ光源を用いずに所望形状の溝８を加工できる。また、溶融物を吹き飛ばすアシストガスや高出力のレーザ光源が不要となる分、コスト低減を図ることができる。

（２）第２の実施形態
＜第２の実施形態による溝加工装置の構成＞
次に、第２の実施形態の溝加工装置について以下説明する。図９に示すように、この溝加工装置２１は、鋼板５を傾斜させ、傾いた鋼板表面５ａに対して鉛直方向からレーザ光Ｌ_１を照射している点で上述した第１の実施形態と相違している。

これにより、溝加工装置２１では、第１の実施形態と同様に、鋼板表面５ａの法線ａ_ｘ１とレーザ光Ｌ_１とを含む平面内で、レーザ光Ｌ_１を法線ａ_ｘ１から所定角度θ_１傾けるようにしている。この場合、溝加工装置２１は、鋼板５をＸ方向に向けて移動させながら、傾いた鋼板表面５ａに対して鉛直方向からレーザ光Ｌ_１を照射することによって鋼板表面５ａに溝を加工する。

なお、本実施形態の場合でも、鋼板表面５ａの法線ａ_ｘ１とレーザ光Ｌ_１とを含む平面内で、法線ａ_ｘ１とレーザ光Ｌ_１とのなす角度（照射角度）θ_１が、２０度以上８０度以下に設定されていることが望ましく、より好ましくは、４５度超７５度未満であることが望ましい。

本実施形態でも、図９に示すように、溝幅方向Ｙと法線方向Ｚとがなす平面内で、法線ａ_ｘ１に対してレーザ光Ｌ_１を照射角度θ_１傾けるようにしているが、本発明はこれに限らない。本発明では、鋼板表面５ａの法線ａ_ｘ１とレーザ光Ｌ_１とがなす平面内で法線ａ_ｘ１に対してレーザ光Ｌ_１の照射角度θ_１が規定されていればよく、例えば、溝幅方向Ｙと法線方向Ｚとがなす平面外で、当該平面内の法線ａ_ｘ１に対してレーザ光Ｌ_１を照射角度θ_１傾けるようにしてもよい。

この場合、溝加工装置２１は、レーザ光Ｌ_１が鉛直方向に沿って照射されるようにレーザ光源２が所定位置に固定されている。溝加工装置２１は、移動機構２２を備えており、移動機構２２によって、鋼板５を傾斜させるとともに、傾斜させた鋼板５をＸ方向に沿って移動させる。

移動機構２２は、基台２３とスライド台２４と傾斜支持部２５と移動制御部２６とを備えており、スライド台２４が基台２３上に移動可能に設けられている。スライド台２４は、移動制御部２６により制御され、移動制御部２６からの制御信号に基づいて一定速度でＸ方向に沿って移動する。

傾斜支持部２５は、スライド台２４上に設置されており、スライド台２４とともにＸ方向に沿って移動する。傾斜支持部２５は、傾斜面を有しており、傾斜面上に鋼板５が設置されることで、鋼板５を傾斜させる。この場合、傾斜支持部２５は、水平線ａ_ｘ３と傾斜面とのなす角度θ_２が選定されており、角度θ_２を調整することで、鋼板表面５ａに対するレーザ光Ｌ_１の照射角度θ_１を設定する。

なお、本実施形態の場合、θ_２は水平線ａ_ｘ３と傾斜面とのなす角度であるため、傾斜した鋼板表面５ａの法線ａ_ｘ１と、鉛直方向に照射されるレーザ光Ｌ_１とがなす角度θ_１は、傾斜支持部２５の角度θ_２と同じになる。

このように、溝加工装置２１では、第１の実施形態とは異なり、レーザ光Ｌ_１の照射方向を変えずに、傾斜支持部２５によって鋼板５の角度θ_２を変えることで、鋼板表面５ａに対してレーザ光Ｌ_１を所定角度θ_１に傾けて照射することができる。

この際、レーザ光源２のレーザ出力、レーザ光源２に対する鋼板５の走査速度等の各条件については、上述した第１の実施形態と同様であるため、ここではその説明は省略する。

＜本発明の溝加工装置により加工される溝について＞
次に、本発明による第２の実施形態の溝加工装置２１により加工される溝８について詳細に説明する。ここで、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、鋼板５は、傾斜支持部２５により角度θ_２で傾斜された状態で、１．５ｍ／ｓ以上１００ｍ／ｓ以下、より好ましくは２ｍ／ｓ以上９０ｍ／ｓ以下の走査速度でＸ方向に移動されながら、傾斜した鋼板表面５ａに鉛直方向からレーザ光Ｌ_１が照射される。

この際、図１０Ａにおいて、レーザ光Ｌ_１が照射されている溝加工位置の溝幅方向断面Ｓ_１を、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す。図１１Ａに示すように、傾いた鋼板表面５ａに対して、鉛直方向からレーザ光Ｌ_１が照射され始めると、レーザ光Ｌ_１の照射当初、溝加工位置１０には、鋼板５が溶融した溶融部１０ａが形成される。

更に、鋼板５が移動しながら、この溶融部１０ａにレーザ光Ｌ_１が照射されると、図１１Ｂに示すように、レーザ光Ｌ_１の照射中、溶融部１０ａ内に、レーザ光Ｌ_１の光軸方向に沿って斜めに傾いた、円柱状空洞のキーホールＫＨが一時的に形成される。このようなキーホールＫＨは、第１の実施形態と同じものであり、鋼板５を傾けた場合にも形成される。そして、例えば、キーホールＫＨの奥側先端部１０ｂで、溶融物の量が少なく溶融物厚が薄い、レーザ光Ｌ_１の非入射側部分が、金属蒸気ガスの圧力等により破裂し、キーホールＫＨ内の金属蒸気ガスが、レーザ光Ｌ_１の非入射側から外部へ抜ける。よって、第２の実施形態でも、溶融部１０ａには、レーザ光Ｌ１の非入射側に溝８が形成され易くなると考えられる。

その後、鋼板５が移動して、レーザ光Ｌ_１が照射し終えると、鋼板表面５ａには溝８が加工される。

図１２は、図１０Ｂにおいて、レーザ光Ｌ_１が照射し終え、溝８が形成された箇所の溝幅方向断面Ｓ_１を示したものである。この場合、鋼板表面５ａには断面凹状の溝８が形成されるとともに、鋼板５の内部には溝８の周辺に溶融部１０ａが凝固した溶融凝固部１１が形成される。図１２に示すように、溶融凝固部１１は、溝８の加工途中でキーホールＫＨが形成されていたことにより、レーザ光Ｌ_１の入射側と非入射側とで偏在し、レーザ光Ｌ_１の入射側には、鋼板表面５ａから膨出した溶融凝固凸部１１ａが形成される。

第２の実施形態による溝加工装置２１により鋼板表面５ａに加工される溝８については、上述した第１の実施形態と同様に、図４に示すような構成を有する。この場合、溝延在方向Ｘ及び法線方向Ｚに直交する溝幅方向断面で溝８を見た場合に、溝８の深さｄは、１０．５μｍ以上５０μｍ以下であることが望ましい。

また、この第２の実施形態でも、図４に示したように、溝幅方向断面で溝８を見た場合に、鋼板５内に形成された溝８の溝面は、溝延在方向Ｘに沿って、溝開口中心線ＢＬ_２を境に、レーザ光Ｌ_１の入射側にある第１溝面８ａと、レーザ光Ｌ_１の非入射側にある第２溝面８ｂと、に分けることができる。

溶融凝固部１１は、表面基準線ＢＬ_１及び溝開口中心線ＢＬ_２を境に、溝延在方向Ｘに沿って、溶融凝固凸部１１ａと、第１溶融凝固部１１ｂと、第２溶融凝固部１１ｃとに分けることができる。溝開口中心線ＢＬ_２は、鋼板５の内部にある溶融凝固部１１を、第１溶融凝固部１１ｂと、第２溶融凝固部１１ｃとに分け、表面基準線ＢＬ_１は、鋼板５の内部にある第１溶融凝固部１１ｂと、鋼板表面５ａから膨出した溶融凝固凸部１１ａとを分けている。

そして、第２の実施形態においても、溝延在方向Ｘに沿って溝幅方向断面で溝８を見た場合に、溝延在方向Ｘに沿って、溝開口中心線ＢＬ_２を境に、レーザ光Ｌ_１の入射側にある第１溶融凝固部１１ｂと、レーザ光Ｌ_１の非入射側にある第２溶融凝固部１１ｃとが非対称形状となり、第１溶融凝固部１１ｂが第２溶融凝固部１１ｃよりも大きい溝８を加工することができる。

＜検証試験＞
次に、図９に示した溝加工装置２１を用いた検証試験について説明する。溝を加工する試料として、一般構造用圧延鋼材（ＳＳ４００）からなり、厚さ４ｍｍ、長さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍの長方形でなる鋼板５を用意した。最初の検証試験では、レーザ出力（Ｐｏｗｅｒ）を２００Ｗ、試料傾斜によるレーザ光Ｌ_１の照射角度θ_１を４０度、走査速度（Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｓｐｅｅｄ）を２．０ｍ／ｓとし、シールドガスを用いずに、鋼板表面５ａに溝８を加工した。

鋼板表面５ａの溝８の形成状態をＳＥＭで観察したところ、図１３に示すような結果が得られた。図１３に示すように、レーザ光Ｌ_１を走査した方向に沿って直線状の溝８を加工できるとともに、レーザ光Ｌ_１の入射側に溝８と並走するようにして溶融凝固凸部１１ａが形成されることが確認できた。

次に、レーザ出力を２００Ｗ、試料傾斜によるレーザ光Ｌ_１の照射角度θ_１を４０度、走査速度を２．０ｍ／ｓとし、シールドガスの条件を変えて、各鋼板表面５ａにそれぞれ溝を加工した。そして、シールドガスを用いない場合と、シールドガスの流量１０Ｌ／ｓ、ガス圧０．１ＭＰａとした場合と、シールドガスの流量２０Ｌ／ｓ、ガス圧１．０ＭＰａとした場合と、について、それぞれ溝の形成状態を確認した。

得られた各鋼板５について、回転研磨機により、溝幅方向Ｙに沿って断面研磨し、ピクリン酸にて腐食処理することで、溝幅方向断面を得た。そして、各溝幅方向断面をＳＥＭにより撮影したところ、図１４Ａ、図１４Ｂ及び図１４Ｃに示すような画像が得られた。なお、図１４Ａ、図１４Ｂ及び図１４Ｃでは、傾斜させた鋼板５の上下方向を「Ｓｌｏｐｅ」で示し、上側を「Ｕ」と示し、下側を「Ｌ」と示す。

シールドガスを用いなかった場合は、図１４Ａに示すように、レーザ光Ｌ_１の入射側に、鋼板表面５ａから膨出した溶融凝固凸部１１ａが形成され、溝開口端幅が広く、かつ深さが２２．６μｍと深い溝８を加工できることが確認できた。

また、シールドガスを流量１０Ｌ／ｓ、ガス圧０．１ＭＰａとした場合は、図１４Ｂに示すように、レーザ光Ｌ_１の入射側に、鋼板表面５ａから膨出した溶融凝固凸部１１ａが形成されることが確認できた。また、図１４Ａに比較すると、深さが２３．９μｍと深い溝８を加工できたが、溝８の溝開口端幅が狭くなってしまうことが確認できた。

一方、シールドガスを流量２０Ｌ／ｓ、ガス圧１．０ＭＰａとした場合には、図１４Ｃに示すように、深さ２６．９μｍの凹領域が形成されるものの、レーザ光Ｌ_１の入射側に形成された溶融凝固凸部１１ａが非入射側に倒れ、溶融凝固凸部１１ａによって溝が塞がってしまい、溝を加工し難いことが確認できた。よって、シールドガスを流量２０Ｌ／ｓ未満、ガス圧１．０ＭＰａ未満にすることが望ましく、さらに好ましくは、流量１０Ｌ／ｓ以下、ガス圧０．１ＭＰａ以下であること、シールドガスを用いないことが望ましいことが確認できた。なお、このようなシールドガスの望ましい条件については、上述した第１の実施形態でも同様である。

また、図１４Ａ及び図１４Ｂでは、金属組織の違いを目安に、溶融凝固部１１と未溶融部とを目視により区別することができた。図１４Ａ及び図１４Ｂについて、表面基準線ＢＬ_１及び溝開口中心線ＢＬ_２をそれぞれ求め、第１溶融凝固部１１ｂと第２溶融凝固部１１ｃとの各面積を比較したところ、第２溶融凝固部１１ｃよりも第１溶融凝固部１１ｂが大きいことが確認できた。

次に、レーザ出力（Ｐｏｗｅｒ）を２００Ｗとし、試料傾斜によるレーザ光Ｌ_１の照射角度θ_１を４５度として、走査速度（Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｓｐｅｅｄ）を１．０ｍ／ｓ、１．５ｍ／ｓ、２．０ｍ／ｓに変えて、各鋼板表面５ａにそれぞれ溝を加工した。

得られた各鋼板５について、回転研磨機により、溝幅方向Ｙに沿って断面研磨し、ピクリン酸にて腐食処理することで、溝幅方向断面を得た。そして、各溝幅方向断面をＳＥＭにより撮影したところ、図１５Ａ、図１５Ｂ及び図１５Ｃに示すような画像が得られた。なお、図１５Ａ、図１５Ｂ及び図１５Ｃでは、傾斜させた鋼板５の上下方向を「Ｓｌｏｐｅ」で示し、上側を「Ｕ」と示し、下側を「Ｌ」と示す。

走査速度を１．０ｍ／ｓとした場合には、図１５Ａに示すように、レーザ光Ｌ_１の入射側に、鋼板表面５ａから僅かに膨出した溶融凝固凸部１１ａが形成されたが、深さが１０．５μｍ未満の浅い溝８しか加工できないことが確認できた。

一方、走査速度を１．５ｍ／ｓ、２．０ｍ／ｓとした場合には、図１５Ｂ及び図１５Ｃに示すように、レーザ光Ｌ_１の入射側に、鋼板表面５ａから膨出した溶融凝固凸部１１ａが形成され、溝開口端幅が広く、かつ深さが２４．１μｍ、２６．２μｍと、１０．５μｍ以上の深い溝８をそれぞれ加工できることが確認できた。以上より、走査速度を１．５ｍ／ｓ超とすることで、溝開口端幅が広く、かつ一段と深い溝８を加工できることが確認できた。

なお、図１５Ｂ及び図１５Ｃでも、金属組織の違いを目安に、溶融凝固部１１と未溶融部とを目視により区別することができた。図１５Ｂ及び図１５Ｃについて、表面基準線ＢＬ_１及び溝開口中心線ＢＬ_２をそれぞれ求め、第１溶融凝固部１１ｂと第２溶融凝固部１１ｃとの各面積を比較したところ、第２溶融凝固部１１ｃよりも第１溶融凝固部１１ｂが大きいことが確認できた。

次に、レーザ出力を１５０Ｗに下げて、鋼板表面５ａに溝を加工した。レーザ出力以外の条件は、上記の検証試験と同じ条件（試料傾斜によるレーザ光Ｌ１の照射角度θ_１を４０度）とし、走査速度（Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｓｐｅｅｄ）を１．０ｍ／ｓ、１．５ｍ／ｓ、２．０ｍ／ｓに変えて、各鋼板表面５ａにそれぞれ溝を加工した。

各鋼板５について、回転研磨機により、溝幅方向Ｙに沿って断面研磨し、ピクリン酸にて腐食処理することで、溝幅方向断面を得た。そして、各溝幅方向断面をＳＥＭにより撮影したところ、図１６Ａ、図１６Ｂ及び図１６Ｃに示すような画像が得られた。図１６Ａ、図１６Ｂ及び図１６Ｃでは、傾斜させた鋼板５の上下方向を「Ｓｌｏｐｅ」で示し、上側を「Ｕ」と示し、下側を「Ｌ」と示す。

走査速度を１．０ｍ／ｓとした場合には、図１６Ａに示すように、レーザ光Ｌ_１の入射側に、鋼板表面５ａから僅かに膨出した溶融凝固凸部１１ａが形成されたが、深さが１０．５μｍ未満の浅い溝８しか加工できないことが確認できた。

一方、走査速度が１．５ｍ／ｓの場合、レーザ出力を１５０Ｗに下げると、レーザ出力を２００Ｗとしたときの溝８の深さ（（図１５Ｂに示す２０μｍ超）よりも浅い溝８となった。しかしながら、溝開口端幅が広く、深さが１０．５μｍ以上である、１０．７μｍの溝８を加工できることが確認できた。

また、走査速度を２．０ｍ／ｓとした場合には、図１６Ｃに示すように、レーザ出力を１５０Ｗに下げても、溝開口端幅が広く、かつ深さが２６．９μｍと深い溝８を加工できることが確認できた。以上より、レーザ出力を１５０Ｗに下げたときでも、走査速度を１．５ｍ／ｓ超とすることで、溝開口端幅が広く、かつ深い溝８を加工できることが確認できた。また、レーザ出力を１５０Ｗに下げたときに一段と深い溝８を加工する場合には、走査速度を２．０ｍ／ｓ以上とすることが望ましいことが確認できた。

なお、図１６Ｂ及び図１６Ｃでも、金属組織の違いを目安に、溶融凝固部１１と未溶融部とを目視により区別することができた。図１６Ｂ及び図１６Ｃについて、表面基準線ＢＬ_１及び溝開口中心線ＢＬ_２をそれぞれ求め、第１溶融凝固部１１ｂと第２溶融凝固部１１ｃとの各面積を比較したところ、第２溶融凝固部１１ｃよりも第１溶融凝固部１１ｂが大きいことが確認できた。

＜作用及び効果＞
以上の構成において、溝加工装置２１では、鋼板５を傾斜させることで、鋼板表面５ａの法線ａ_ｘ１とレーザ光Ｌ_１とを含む平面内で、レーザ光Ｌ_１を法線ａ_ｘ１から所定角度θ_１傾け、鋼板５にレーザ光を照射するようにした。

そして、このような溝加工装置１でも、レーザ光を発するレーザ光源２のレーザ出力を１００Ｗ以上１０００Ｗ以下とすることで、深さｄが１０．５μｍ以上５０μｍ以下の溝８を鋼板表面５ａに加工できる。

また、このようにして加工された溝８は、溝幅方向断面で溝８を見た場合に、溝延在方向Ｘに沿って、溝開口中心線ＢＬ_２を境に、レーザ光Ｌ_１の入射側にある第１溶融凝固部１１ｂと、レーザ光Ｌ_１の非入射側にある第２溶融凝固部１１ｃとが非対称形状となり、第１溶融凝固部１１ｂが第２溶融凝固部１１ｃよりも大きく形成できる。

以上、溝加工装置２１でも、低出力のレーザ出力としつつ、溶融部１０ａの湯流れを制御して鋼板表面５ａに所望形状の溝８を加工でき、溶融物を吹き飛ばすアシストガスや高出力のレーザ光源を用いずに所望形状の溝８を加工できる。また、溶融物を吹き飛ばすアシストガスや高出力のレーザ光源が不要となる分、コスト低減を図ることができる。

（３）他の実施形態
なお、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、溝を加工する鋼板として、放熱鋼板やラミネート鋼板、電磁鋼板等その他種々の鋼板原板を適用してもよい。

また、上述した実施形態においては、レーザ光に対して鋼板を相対的に移動させる移動機構として、固定したレーザ光源２に対して鋼板５を移動させる移動機構７、２２を適用したが、本発明はこれに限らない。例えば、固定した鋼板５に対してレーザ光源２を移動させる移動機構を適用しても良い。

また、上述した実施形態においては、レーザ光Ｌ_１に対して鋼板５を直線的に移動させ、鋼板表面５ａに直線状に延びた溝８を加工する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、レーザ光源２又は鋼板５の移動方向を制御して弓状等の湾曲した溝を加工するようにしてもよい。

１、２１ 溝加工装置
２ レーザ光源
５ 鋼板
５ａ 鋼板表面
６ レーザ出力制御部
７、２２ 移動機構
１１ａ 溶融凝固凸部
１１ｂ 第１溶融凝固部
１１ｃ 第２溶融凝固部

Claims (5)

1. レーザ光により鋼板表面に溝を加工する溝加工方法において、
   レーザ光源から照射される前記レーザ光を、前記鋼板表面の法線と前記レーザ光とを含む平面内で、前記法線から２０度以上８０度以下の角度に傾けて前記鋼板表面に照射する照射工程と、
   前記レーザ光源に対して前記鋼板を１．５ｍ／ｓ以上１００ｍ／ｓ以下で相対的に移動させる移動工程と、
   前記レーザ光源のレーザ出力を１００Ｗ以上１０００Ｗ以下とするレーザ出力制御工程と、
   を備え、
   前記レーザ光により前記鋼板を溶融して加工し、前記溝の深さを１０．５μｍ以上５０μｍ以下とし、
   溝延在方向と直交する溝幅方向断面で前記溝を見た場合に、溝開口端幅の中心を溝開口中心線と定義し、前記鋼板の内部で前記溝の周辺に形成された溶融凝固部を、前記溝開口中心線を境に第１溶融凝固部と第２溶融凝固部とに分けたとき、
   前記溝延在方向に沿って、前記溝開口中心線を境に、前記レーザ光の入射側にある前記第１溶融凝固部と、前記レーザ光の非入射側にある前記第２溶融凝固部とが非対称形状であり、前記第１溶融凝固部が前記第２溶融凝固部よりも大きく形成する、溝加工方法。
2. 前記照射工程では、
   前記レーザ光の照射によって、前記レーザ光の入射側に、前記鋼板表面から膨出した溶融凝固凸部が形成される、請求項１に記載の溝加工方法。
3. 前記溶融凝固凸部を除去して前記鋼板表面を平坦化する平坦化工程を備える、請求項２に記載の溝加工方法。
4. レーザ光により鋼板表面に溝を加工する溝加工装置において、
   前記鋼板表面の法線と前記レーザ光とを含む平面内で、前記レーザ光を前記法線から２０度以上８０度以下の角度に傾けて前記鋼板表面に照射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源に対して鋼板を１．５ｍ／ｓ以上１００ｍ／ｓ以下で相対的に移動させる移動機構と、
   前記レーザ光源のレーザ出力を１００Ｗ以上１０００Ｗ以下とするレーザ出力制御部と、
   を備え、
   前記レーザ光により前記鋼板を溶融して加工し、前記溝の深さを１０．５μｍ以上５０μｍ以下とし、
   溝延在方向と直交する溝幅方向断面で前記溝を見た場合に、溝開口端幅の中心を溝開口中心線と定義し、前記鋼板の内部で前記溝の周辺に形成された溶融凝固部を、前記溝開口中心線を境に第１溶融凝固部と第２溶融凝固部とに分けたとき、
   前記溝延在方向に沿って、前記溝開口中心線を境に、前記レーザ光の入射側にある前記第１溶融凝固部と、前記レーザ光の非入射側にある前記第２溶融凝固部とが非対称形状であり、前記第１溶融凝固部を前記第２溶融凝固部よりも大きく形成する、溝加工装置。
5. 鋼板表面に溝が加工された鋼板において、
   前記溝の深さが１０．５μｍ以上５０μｍ以下であり、
   溝延在方向と直交する溝幅方向断面で前記溝を見た場合に、溝開口端幅の中心を溝開口中心線と定義し、前記鋼板の内部で前記溝の周辺に形成された溶融凝固部を、前記溝開口中心線を境に第１溶融凝固部と第２溶融凝固部とに分けたとき、
   前記溝延在方向に沿って、前記溝開口中心線を境に前記第１溶融凝固部と前記第２溶融凝固部とが非対称形状であり、前記第１溶融凝固部が前記第２溶融凝固部よりも大きく形成されている、鋼板。

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