JPH04285115A - レーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば、レーザ光を
用いて焼入れを行なうのに利用されるレーザ加工方向に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】直線偏光のレーザ光を被加工物表面に対
して入射レーザ光の電界ベクルトが入射面に平行である
Ｐ偏光の向きに入射角６０度以上で被加工物に照射して
レーザ焼入れを行なう方法としては、例えば、図４に示
すようなレーザ焼入れ方法がある。

【０００３】図４において、１１はレーザ光、１２は被
加工物、ＤＬはレーザ光のパワー密度分布、ＤＷは被加
工物表面におけるレーザ照射部位のパワー密度分布、θ
は被加工物表面に対するレーザ光１１の入射角度である
。

【０００４】レーザ光１１は図示しない集光光学系にて
集光された後、所定の入射角度θで被加工物１２に照射
され、被加工物１２は急熱後に急冷されることによって
硬化層が得られる。

【０００５】このときの硬化層のパターンは、被加工物
表面におけるレーザ光１１のパワー密度分布ＤＷおよび
レーザ光移動速度に依存し、パワー密度が高い場合はレ
ーザ光１１の移動速度を速くしないと表面が溶融してし
まい、パワー密度が低い場合にはレーザ光１１の移動速
度を遅くしないと十分加熱されないので有効な硬化層が
得られない。

【０００６】しかしながら、このようなレーザ焼入れ方
法にあっては、レーザ光１１のパワー密度分布が偏光面
に平行な面における中心線に対して線対称のパワー密度
分布ＤＬを持つレーザ光１１を使用していたため、図４
の（ａ）に示すような集光光学系（図示しない）に対し
て焦点位置より遠い位置で焼入れを行なう場合、レーザ
光１１の中心線より低角側の長さＬ２の高角側の長Ｌ１
よりも長くなり、逆に図４の（ｂ）に示すような集光光
学系（図示しない）に対して焦点位置より近い位置で焼
入れを行なう場合、レーザ光１１の中心線より高角側の
長さＬ１が低角側の長さＬ２より長くなってしまってい
た。

【０００７】この結果、被加工物表面におけるパワー密
度分布ＤＷがレーザ光入射角度θに対して高角側と低角
側とで異なったものとなってしまい、レーザ光１１の移
動速度を設定する際に高角側と低角側とで最適値が異な
ってしまうこととなるため、パワー密度の高い部分で溶
融しないと同時にパワー密度の低い部分で十分な硬化層
を得るための条件設定が困難であって、安定して均一な
硬化層が得られにくいという欠点があった。

【０００８】例えば、レーザ出力１．８５ｋｗ，ビーム
移動速度２．０ｍ／ｍｉｎ，入射角度７５度で、焦点位
置より集光光学系に近い位置で焼入れを行なったときの
レーザ光のパワー密度分布（ＤＬ）と被加工物表面での
パワー密度分布（ＤＷ）を図５の（ａ）に示すと共に同
条件で焼入れを行なったときの硬化層を含む被加工物１
２の断面金属組織写真（１２倍）を図５の（ｂ）に示す
。なお、図５の（ｂ）において、符号１２ａは被加工物
１２の硬化部分である。

【０００９】図５の（ａ）（ｂ）に示しているように、
従来のレーザ焼入れ方法にあっては、もともとビーム中
心線に対して対称なパワー密度分布ＤＬをもつレーザ光
１１を照射しているため、被加工物１２の表面において
は図５の（ａ）に示すようなパワー密度分布ＤＷとなっ
てパワー密度が偏ってしまい、その結果として硬化層１
２ａの形状が不均一なものになるという問題点があり、
このような問題点を解決することが課題となっていた。

【００１０】

【発明の目的】この発明は、このような従来の課題にか
んがみてなされたもので、被加工物の表面において均一
なパワー密度分布を得ることが可能であり、したがって
被加工物に対して均一でかつ安定した焼入れ等のレーザ
加工を行なうことが可能であるレーザ加工方法を提供す
ることを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係わるレーザ
加工方法は、被加工物に対するレーザ光の入射角度が６
０度以上で、直線偏光のレーザ光を集光光学系にて集光
し、被加工物の表面に対して入射レーザ光の電界ベクト
ルが入射面に平行であるＰ偏光の向きに照射することに
より被加工物をレーザ焼入れ等のレーザ加工するに際し
、集光光学系に対して被加工物の加工点が偏光面に平行
な面における焦点位置より遠い位置にて加工する場合に
は、レーザ光プロファイルの入射角の低角側に強い強度
を持つプロファイルのレーザ光を使用し、前記焦点位置
より近い位置にて加工する場合には、レーザ光プロファ
イルの入射角の高角側に強い強度を持つプロファイルの
レーザ光を使用して加工する構成としたことを特徴とし
ており、このようなレーザ加工方法の発明に係わる構成
を前述した従来の課題を解決するための手段としている
。

【００１２】

【発明の作用】この発明に係わるレーザ加工方法は、被
加工物に対するレーザ光の入射角度を６０度以上にし、
直線偏光のレーザ光を集光光学系にて集光し、被加工物
の表面に対してＰ偏光の向きに照射することにより被加
工物をレーザ加工するに際し、集光光学系に対して焦点
位置より遠い位置で加工する場合はレーザ光入射角度の
低角側のパワー密度が高角側のパワー密度よりも高いレ
ーザ光を使用し、焦点位置より近い位置で加工する場合
はレーザ光入射角度の高角側のパワー密度が低角側のパ
ワー密度よりも高いレーザ光を使用してレーザ加工を行
なう構成としているので、被加工物表面において均一な
パワー密度分布が形成されるようになることから、均一
でかつ安定したレーザ焼入れ等のレーザ加工が行なわれ
るようになる。

【００１３】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づいて説
明する。

【００１４】図１は本発明に係わるレーザ加工方法に従
ってレーザ光１を用いて被加工物２の表面にレーザ焼入
れを実施している例を示すもので、図１の（ａ）は集光
光学系に対して焦点位置Ｆよりも遠くで焼入れを行なう
場合を示し、図１の（ｂ）は焦点位置よりも近くで焼入
れを行なう場合について示している。

【００１５】そして、図１において、３は紙面に平行な
偏光面をもつレーザ光１を発生するレーザ光発振器、４
ａ，４ｂはベンドミラー、５はセグメントミラーである
。

【００１６】また、図２の（ａ）（ｂ）は、各々図１の
（ａ）（ｂ）におけるレーザ光照射部分の拡大図である
。

【００１７】このような本発明に係わるレーザ加工方法
において、図１の（ａ）に示すように、被加工物２の加
工位置が集光光学系に対して焦点位置Ｆよりも遠くにあ
る場合には、レーザ光１の中心線より高角側の長さＬ１
と低角側の長さＬ２との関係が図２の（ａ）に示すよう
にＬ２＞Ｌ１となる。

【００１８】そこで、レーザ光発振器３を出たレーザ光
１は中心線に対して対称なパワー密度分布を持つが、こ
のレーザ光１を偏りを持ったセグメントミラー５で集光
することにより偏ったパワー密度分布ＤＬを持ったレー
ザ光１をつくることができるので、図２の（ａ）に示す
ように、レーザ光プロファイルの入射角の低角側に強い
強度をもつとともに高角側にこれより弱い強度をもつプ
ロファイルのパワー密度分布ＤＬを有するレーザ光１を
使用すれば、その結果として、被加工物２の表面におい
てはレーザ光中心線に対して対称である均一なパワー密
度分布ＤＷを得ることができる。

【００１９】逆に、図１の（ｂ）に示すように、被加工
材２の加工位置が集光光学系に対して焦点位置（Ｆ）よ
りも近くにある場合には、レーザ光１の中心線より高角
側の長さＬ１と低角側の長さＬ２との関係が図２の（ｂ
）に示すようにＬ２＜Ｌ１となる。

【００２０】そこで、この場合はセグメントミラー５の
向きを１８０度回転させることにより、図２の（ｂ）に
示すように、レーザ光プロファイルの入射角の高角側に
強い強度をもつとともに低角側にこれより弱い強度をも
つプロファイルのパワー密度分布ＤＬを有するレーザ光
１を使用すれば、その結果として、被加工物２の表面に
おいてはレーザ光中心線に対して対称である均一なパワ
ー密度分布ＤＷを得ることができる。

【００２１】図３は本発明によるレーザ加工方法を用い
て、レーザ出力１．８５ｋＷ，ビーム移動速度２．０ｍ
／ｍｉｎ，入射角度７５度で、焦点位置より集光光学系
に近い位置（図１の（ｂ），図２の（ｂ）に対応）でレ
ーザ焼入れを行なったときの硬化層パターン（図３の（
ｂ）参照；符号２ａは被加工物２の硬化部分を示す。）
およびそのとき用いたレーザ光１のパワー密度分布ＤＬ
と被加工物表面でのパワー密度分布ＤＷ（図３の（ａ）
参照）を示したものである。

【００２２】図３に示すように、レーザ光発振器３より
発生するもともと対称であったパワー密度分布をもつレ
ーザ光に対して、セグメントミラー５を用いて偏りを持
たせ、レーザ光プロファイルの入射角の高角側に強い強
度をもつとともに低角側にこれより弱い強度をもつプロ
ファイルのパワー密度分布ＤＬを有するレーザ光１を使
用することによって、被加工物２の表面上においてはレ
ーザ光中心線に対して対称である均一なパワー密度分布
ＤＷとなるようにした。その結果、図３の（ｂ）に示す
ように、硬化層パターンに偏りの無い均一な硬化層から
なる硬化部分２ａを得ることができた。

【００２３】

【発明の効果】この発明によれば、被加工物の表面に対
してＰ偏光の向きに照射することにより被加工物をレー
ザ加工するに際し、集光光学系に対して焦点位置より近
い位置で加工する場合はレーザ光入射角度に対して高角
側のパワー密度が高いレーザ光を使用し、焦点位置より
遠い位置で加工する場合はレーザ光入射角度に対して低
角側のパワー密度が高いレーザ光を使用してレーザ加工
を行う構成としたから、、被加工物表面において均一な
パワー密度分布を得ることが可能となり、被加工物表面
において均一かつ安定した焼入れなどのレーザ加工を行
なうことが可能になるという著しく優れた効果がもたら
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係わるレーザ加工方法の一実施例を
示し、図１の（ａ）は集光光学系に対して焦点位置より
も遠くでレーザ加工を行なう場合を示し、図１の（ｂ）
は焦点位置よりも近くでレーザ加工を行なう場合を示す
それぞれ説明図である。

【図２】図１のレーザ光照射部分を示す要部拡大説明図
である。

【図３】この発明に係わるレーザ加工方法に従ってレー
ザ焼入れを行なったときの被加工物表面での硬化層パタ
ーンの一例を示す金属組織顕微鏡写真（１２倍）（図３
の（ｂ））およびレーザ光のパワー密度分布ＤＬと被加
工物表面でのパワー密度分布ＤＷを示す説明図（図３の
（ａ））である。

【図４】従来のレーザ加工方法によりレーザ焼入れを行
なった場合のレーザ光照射部分を示し、図４の（ａ）は
集光光学系に対して焦点位置よりも遠くでレーザ加工を
行なう場合の拡大説明図であり、図４の（ｂ）は焦点位
置よりも近くでレーザ加工を行なう場合の拡大説明図で
ある。

【図５】従来方法のレーザ加工に従ってレーザ焼入れを
行なったときの被加工物表面での硬化層パターンの一例
を示す金属組織顕微鏡写真（１２倍）（図５の（ｂ））
およびレーザ光のパワー密度分布ＤＬと被加工物表面で
のパワー密度分布ＤＷを示す説明図（図５の（ａ））で
ある。

【符号の説明】

１　　レーザ光 ２　　被加工物 ２ａ　　被加工物の硬化部分 ３　　レーザ光発振器 ４ａ，４ｂ　　ベンドミラー（集光光学系）５　　セグ
メントミラー（集光光学系）ＤＬ　　レーザ光のパワー
密度分布

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　被加工物に対するレーザ光の入射角度
   が６０度以上で、直線偏光のレーザ光を集光光学系にて
   集光し、被加工物の表面に対してＰ偏光の向きに照射す
   ることにより被加工物をレーザ加工するに際し、集光光
   学系に対して被加工物の加工点が偏光面に平行な面にお
   ける焦点位置より遠い位置にて加工する場合には、レー
   ザ光プロファイルの入射角の低角側に強い強度を持つプ
   ロファイルのレーザ光を使用し、前記焦点位置より近い
   位置にて加工する場合には、レーザ光プロファイルの入
   射角の高角側に強い強度を持つプロファイルのレーザ光
   を使用して加工することを特徴とするレーザ加工方法。