レーザ加工方法
【課題】中空状の立体構造物（複層構造物）の表層部のみを液体噴流に導かれたレーザ光でレーザ加工して、下層部がレーザ光で損傷することを防止するレーザ加工方法を提供すること。
【解決手段】レーザ加工方法は、被加工部１３を有する表層部１１と、表層部１１に空間１４を介在して配置された下層部１２を有する中空状の立体構造物１を、レーザ加工装置２のジェットノズル２１から噴射された液体噴流Ｂ２内に導かれたレーザ光Ａで加工する方法である。このレーザ加工方法は、空間１４内に液体３を流通させ、空間１４内に入ったレーザ光Ａを伴った液体噴流Ｂ２を液体３によって乱すことによりレーザ光Ａを散乱させる方法である。
【解決手段】レーザ加工方法は、被加工部１３を有する表層部１１と、表層部１１に空間１４を介在して配置された下層部１２を有する中空状の立体構造物１を、レーザ加工装置２のジェットノズル２１から噴射された液体噴流Ｂ２内に導かれたレーザ光Ａで加工する方法である。このレーザ加工方法は、空間１４内に液体３を流通させ、空間１４内に入ったレーザ光Ａを伴った液体噴流Ｂ２を液体３によって乱すことによりレーザ光Ａを散乱させる方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置のジェットノズルから噴射された液体噴流に導かれたレーザ光によって、中空状の立体構造物（複層構造物）を加工するレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ加工方法には、図９に示すような大気中でレーザ光を伝送させて被加工部を照射して加工する所謂ドライレーザ加工方法と、図１０（ａ）、（ｂ）に示すような液体噴流内にレーザ光を導入させて加工するウォータジェットレーザ加工方法と、がある。
【０００３】
図９は、表層部と下層部とからなる中空状の立体構造物をドライレーザ加工する場合の例を示す概略断面図である。図１０は、ウォータジェットレーザ加工の従来例を示す図であり、（ａ）は断面視して平らな表層部と下層部との間に液体を充填した立体構造物をレーザ加工する場合の第１従来例を示す概略断面図、（ｂ）は断面視して曲面状の表層部と下層部とからなる立体構造物をレーザ加工する場合の第２従来例を示す概略断面図である。
【０００４】
図９に示すようなドライレーザ加工方法では、表層部１１０と下層部１２０とからなる中空状の立体構造物１００の表層部１１０に、レーザ光２００を照射して穿孔加工、溝加工、切断加工を行っている。ドライレーザ加工方法は、加工時に熱が発生するので、部材は熱によって変形する等の影響を受け易い。
【０００５】
そこで、レーザ加工する際に発生する飛散物や熱の影響を抑制するため、表層部１１０と下層部１２０との間に水を充填させて加工する方法が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。この場合、表層部１１０の被加工部を貫通したレーザ光２００は、水に吸収されたり、散乱して減衰されるため、下層部１２０に影響を与えることは無い。
しかしながら、ドライレーザ加工方法では、レーザ光２００が集光レンズ（図示省略）によって集光された焦点に近い部分２１０でしか加工することができない。
【０００６】
一方、図１０（ａ）に示すウォータジェットレーザ加工方法は、レーザ光３２０の照射方向へ広範囲にわたってほぼ同一のレーザエネルギー密度を持っており、つまり、ドライレーザ加工方法では焦点に近い３ｍｍ程度の部分でしか加工できないのに対し、ウォータジェットレーザ加工方法では、約３０ｍｍの加工可能領域を持つ（ただし、焦点径を同程度とした場合）。そのため、被加工物表面へのフォーカス調整や、加工が深く進行した時のフォーカスの追い込みが不要である、という利点がある。
また、レーザ光３２０を導く液体噴流３１０で立体構造物１００を冷却しながら加工するので、水を使用しないドライレーザ加工方法と比べ、レーザ光３２０で被加工物を加工する際に発生する熱を水によって急激に冷却することで熱の拡散を抑えることができ、被加工物に対する熱の影響が少ない加工方法である（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
この場合、不図示のジェットノズルから噴射された水柱状の液体噴流３１０と、レーザ光３２０とからなる所謂ウォータビーム３００は、液体４００が充填された立体構造物１００内で、液体噴流３１０が空気５００を巻き込みながら液体４００を押し退けて、レーザ光３２０が減衰せずに下層部１２０に到達して下層部１２０をレーザ加工する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５２−８５８００号公報（第１図〜第３図参照）
【特許文献２】特開昭６２−２６７０９５号公報（特許請求の範囲参照）
【特許文献３】特開２０１０−５１２号公報（図１、図３、段落００２７〜００３０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図１０（ａ）に示すようなウォータジェットレーザ加工方法は、特に、小さな立体形状をした中空状の立体構造物１００の表層部１１０のみを穿孔加工して、下層部１２０にレーザ光３２０の影響を与えたくない場合は使用することができない。
ウォータジェットレーザ加工方法で表層部１１０のみをレーザ加工できるようにするためには、ウォータビーム３００を遮断する遮蔽物を表層部１１０と下層部１２０との間に挿入する必要がある。しかしながら、立体構造物１００が配管等の長尺な物の場合は、液体噴流３１０を遮断できる位置に表層部１１０と下層部１２０の間の遮蔽物を移動させることは難しい。
【００１０】
また、ウォータジェットレーザ加工方法は、図１０（ｂ）に示すような断面視して曲面状の表層部６１０と下層部６２０とからなる中空状の立体構造物６００を、液体噴流８１０に導かれたレーザ光８２０（ウォータビーム８００）で加工する場合、遮蔽物７００を表層部６１０と下層部６２０との間に挿入することができず、表層部６１０のみを加工することができない。
【００１１】
そこで、本発明は、このような問題点を解決するために創案されたものであり、中空状の立体構造物（複層構造物）の表層部のみを液体噴流に導かれたレーザ光で加工して、下層部がレーザ光で損傷することを防止するレーザ加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するために、本発明に係るレーザ加工方法は、被加工部を有する表層部と、前記表層部に空間を介在して配置された下層部を有する中空状の立体構造物を、レーザ加工装置のジェットノズルから噴射された液体噴流内に導かれたレーザ光で加工するレーザ加工方法であって、前記空間内に液体を流通させ、前記空間内に入った前記レーザ光を伴った前記液体噴流を前記液体によって乱すことにより、前記レーザ光を散乱させることを特徴とする。
【００１３】
かかる構成によれば、レーザ加工装置から発せられたレーザ光は、立体構造物の表層部の被加工部を照射して溶融させる。溶融した溶融物は、ジェットノズルから噴射された液体噴流によって吹き飛ばされると共に冷却される。このようにして被加工部は、レーザ光によって穴あけされて、そのレーザ光及び液体噴流が、貫通孔の状態に形成された被加工部内を通って、空間内を流通する液体に入り込む。空間内に入ったレーザ光を伴った液体噴流は、その液体によって乱される。このため、液体噴流を光導体としたレーザ光は、液体噴流の乱れと共に、散乱されて弱くなるので、下層部を加工する強さがなく、下層部を損傷させることがない。
したがって、このレーザ加工方法は、例えば、下層部に熱に弱い電子部品等の品物が配置された場合や、下層部が熱に弱い部材からなる場合等に特に有効である。
【００１４】
また、前記空間内は、前記液体が充満されて空気層がない状態で流通されることが好ましい。
【００１５】
かかる構成によれば、被加工物である立体構造物内の空間内に液体が充満されていることによって、レーザ光を導光する液体噴流が乱されて、レーザ光が下層部に向かって通過することを抑制できるので、下層部を強く照射して加工するのを防止できる。空間に空気層がある状態では、空気がレーザ光の光導体の役目をして、被加工部を通過したレーザ光を下層部へ案内してしまう。空間に空気層がない状態では、空間を流通する液体が、被加工部を通過したレーザ光を散乱させるので、下層部へ届くレーザ光を衰弱させて下層部に損傷を与えないようにすることができる。
【００１６】
また、前記液体は、レイノルズ数が、４，５２０以上３９３，０００以下であることが好ましい。
【００１７】
かかる構成によれば、立体構造物内の液体は、レイノルズ数が４，５２０以上３９３，０００以下であれば、液体噴流と共にこの液体内を通過するレーザ光を分散させて、下層部に損傷を与えないようにすることが可能である。
【００１８】
また、前記液体は、マイクロバブル水であることが好ましい。
【００１９】
かかる構成によれば、立体構造物内の液体は、マイクロバブル水であれば、液体噴流と共にこの液体内を通過するレーザ光を分散させて、下層部に損傷を与えないようにすることが可能である。
【００２０】
また、前記レーザ光は、グリーンレーザ（波長５３２ｎｍ）であることが好ましい。
【００２１】
かかる構成によれば、液体噴流と共にこの液体噴流内を通過するレーザ光は水等の液体に吸収されずに表層部まで導光されて被加工部を良好に加工できる。そして、被加工部を通過したレーザ光は、空間を流通する液体による液体噴流の乱れと共に散乱され、下層部に損傷を与えないようにすることが可能である。
【００２２】
また、前記下層部は、前記表層部の前記被加工部から前記液体噴流の同軸方向へ０．５〜３０ｍｍ以下離間された位置に配置されていることが好ましい。
【００２３】
かかる構成によれば、立体構造物内の下層部が、表層部の被加工部から液体噴流の同軸方向へ０．５〜３０ｍｍしか離れていない表層部と近い位置であっても、下層部に影響を与えることなく加工することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係るレーザ加工方法によれば、中空状の立体構造物の表層部のみを加工して、表層部を貫通したレーザ光が下層部に損傷を与えることなくレーザ加工をすることができる。このため、立体構造物が小さなものであっても、容易に短時間で加工することができ、作業効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態及び実施例１に係るレーザ加工方法の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るレーザ加工方法の第１変形例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るレーザ加工方法の第２変形例を示す要部概略断面図である。
【図４】本発明に係るレーザ加工方法の効果を示すための比較例を示す図であり、立体構造物内に水を充填したのみの状態でレーザ加工するときの状態を示す要部概略断面図である。
【図５】図４のＸ部の状態を示す部分拡大図である。
【図６】本発明に係るレーザ加工方法の実施例２の実験結果を示す表である。
【図７】本発明に係るレーザ加工方法の実施例２における立体構造物の内径とレイノルズ数との関係を示すグラフである。
【図８】本発明に係るレーザ加工方法の実施例２で使用したレーザ加工装置及び立体構造物を示す要部概略断面図である。
【図９】表層部と下層部とからなる中空状の立体構造物を一般的なドライレーザ加工する場合の例を示す概略断面図である。
【図１０】ウォータジェットレーザ加工の従来例を示す図であり、（ａ）は表層部と下層部との間に液体を介在した立体構造物をレーザ加工する場合の第１従来例を示す概略断面図、（ｂ）は断面視して曲面状の表層部と下層部とからなる立体構造物をレーザ加工する場合の第２従来例を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係るレーザ加工方法を説明する。まず、レーザ加工方法を説明する前に、被加工物である立体構造物１について説明する。
【００２７】
≪立体構造物の構成≫
図１に示すように、立体構造物１は、後記するレーザ加工装置２によって加工される被加工物である。この立体構造物１は、被加工部１３を有する表層部１１と、この表層部１１に対向して配置された下層部１２と、表層部１１と下層部１２との間に形成されて液体３が流動する空間１４と、を有する中空状の複層構造体からなる。立体構造物１は、液体３が流通する空間１４があるものであればよく、例えば、円筒状あるいは角筒状の筒体、配管、パイプ、箱体等の中空部材からなる。また、立体構造物１の材質は、レーザ光Ａによって加工可能なものであればよく、例えば、金属や合成樹脂やセラミック等からなる。さらに立体構造物１は、液体３を流動させることができるように、空間１４に連通する少なくとも１つの貫通孔を有する。以下、立体構造物１としてステンレス鋼からなる長尺の配管を例に挙げて説明する。
【００２８】
表層部１１は、立体構造物１のレーザ加工装置２のジェットノズル２１側の表面であって、レーザ光Ａによって加工される被加工部１３がある側の部位である。
【００２９】
下層部１２は、表層部１１の被加工部１３から空間１４内の液体３を介在して対向位置に配置された部位である。下層部１２は、表層部１１の被加工部１３から液体噴流Ｂ２の同軸方向へ距離Ｄ１（Ｄ１＝０．５〜３０ｍｍ以下）離れたところに位置している。
【００３０】
被加工部１３は、ジェットノズル２１から噴射された液体噴流Ｂ２内のレーザ光Ａによって溶融されて、その溶融された溶融物を液体噴流Ｂ２で吹き飛ばされながら加工される部位であって、例えば、所望形状に穿孔あるいは切断される。
【００３１】
空間１４は、液体３が上流側から下流側に向かって流動するように、表層部１１と下層部１２とによって形成された中空部位である。空間１４は、例えば、図１に示すような真っ直ぐな形状に形成されて、その空間１４内に液体３が充満されて空気層がない状態で流通されるようになっている。
【００３２】
≪液体供給部の構成≫
不図示の液体供給部は、空間１４へ液体３を供給するため、不図示のポンプからホースを介して立体構造物１に装着した液体導入ノズル２３へ、液体３を供給する。
【００３３】
≪液体の構成≫
液体３は、例えば、レーザ光Ａが通過可能な透光性のものからなり、例えば、清水等の水、レイノルズ数Ｒｅが４，５２０以上３９３，０００以下の液体３、あるいは、所謂マイクロバブル水等である。なお、レイノルズ数Ｒｅは液体３の流速や流量、空間１４の大きさによって変化するので、少なくともレイノルズ数Ｒｅは４，５２０以上であればよく、さらには、液体３が層流から乱流へ遷移する値以上であれば液体噴流Ｂ２を乱してレーザ光Ａを散乱させることができ、レーザ光Ａが下層部１２を損傷させることを防止できる。また、液体３には、０．５ｋｇｆ/ｃｍ２以上の圧力Ｐがかかっているとよい。
マイクロバブル水とは、微細な気泡が含まれている水である。
【００３４】
≪レーザ加工装置の構成≫
レーザ加工装置２は、ジェットノズル２１から噴射された液体噴流Ｂ２内に導かれたレーザ光Ａで表層部１１の被加工部１３をレーザ加工する装置である。レーザ加工装置２は、不図示のポンプから送られた高圧液Ｂ１（例えば、高圧水）と、不図示のレーザ発振装置から発せられたレーザ光Ａと、が供給されるレーザ加工ヘッド部２ａを備えている。
このレーザ加工ヘッド部２ａは、前記高圧水を液体噴流Ｂ２として噴射するジェットノズル２１と、レーザ発振装置（図示省略）から伝送されたレーザ光Ａを集光する集光レンズ部２２と、を備えている。
【００３５】
ジェットノズル２１は、レーザ加工ヘッド部２ａに送られた高圧水を水柱状の液体噴流Ｂ２に変えて被加工部１３に向けて噴射するノズルである。
集光レンズ部２２は、不図示のレーザ発振装置から光ファイバ等と介して伝送されて来たレーザ光Ａを集光してジェットノズル２１の液体噴流Ｂ２内を介して被加工部１３に向けて照射するように構成されている。
レーザ光Ａは、例えば、ＹＡＧレーザの二倍波である、波長が５３２ｎｍの所謂グリーンレーザからなる。なお、レーザ光Ａは、グリーンレーザに限定されるものではなく、他の波長のレーザ光を使用しても構わない。
【００３６】
［作用］
次に、図１を参照しながら本実施形態に係るレーザ加工方法の作用を説明する。
図１に示すように、レーザ加工装置２のジェットノズル２１から噴射された液体噴流Ｂ２は、水柱状に噴射されて、表層部１１の表面の被加工部１３を噴き付ける。レーザ加工装置２から発せられたレーザ光Ａは、ジェットノズル２１から噴射された液体噴流Ｂ２を光導体として、その液体噴流Ｂ２内を通って表層部１１の被加工部１３を照射して溶融させる。溶融された溶融物は、ジェットノズル２１から噴射された液体噴流Ｂ２によって吹き飛ばされる。
【００３７】
このようにして被加工部１３は、レーザ光Ａと液体噴流Ｂ２とによって穴あけ加工されて、そのレーザ光Ａ及び液体噴流Ｂ２が、貫通孔の形状に形成された被加工部１３を通過して、空間１４内を流通する液体３に入り込む。空間１４内に入ったレーザ光Ａを伴った水柱状の液体噴流Ｂ２は、液体３によって乱される。このため、液体噴流Ｂ２を光導体としたレーザ光Ａは、液体噴流Ｂ２の乱れと共に散乱されるので、下層部１２を加工する強さがなく、下層部１２を損傷させることがない。つまり、下層部１２は、レーザ光Ａによってレーザ加工されないように、液体３によって保護することができる。その結果、立体構造物１は、表層部１１の被加工部１３のみがレーザ加工されて穿孔される。
【００３８】
［変形例］
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の改造及び変更が可能であり、本発明はこれら改造及び変更された発明にも及ぶことは勿論である。なお、既に説明した構成は同じ符号を付してその説明を省略する。
【００３９】
≪第１変形例≫
図２は、本発明の実施形態に係るレーザ加工方法の第１変形例を示す要部概略断面図である。
【００４０】
図２に示す立体構造物１Ａは、前記立体構造物１（図１参照）を湾曲形状に形成したものであって、被加工部１３を有する湾曲状の表層部１１Ａと、液体３が流通する湾曲状の空間１４Ａと、表層部１１Ａから空間１４Ａを介在して配置された湾曲状の下層部１２Ａと、からなる。
このような湾曲形状の立体構造物１Ａであっても、前記実施形態と同様に、下層部１２Ａが加工されないように保護することができる。
【００４１】
つまり、立体構造物１Ａは、空間１４Ａ内に流通する液体３が存在していれば、液体３内に放射されたレーザ光Ａ及び液体噴流Ｂ２が散乱するため、レーザ光Ａが表層部１１Ａのみを加工して、下層部１２Ａを保護することができる。
【００４２】
液体３は、特定な形状を有するものでは無いので、表層部１１Ａと下層部１２Ａとが複雑な形状の立体構造物１Ａであったとしても、前記実施形態と同様に、空間１４Ａ内に入ったレーザ光Ａを散乱させて下層部１２Ａの損傷を防ぎ、表層部１１Ａのみを加工することができる。
【００４３】
その結果、レーザ光Ａを遮断する遮蔽物７００（図１０（ｂ）参照）を配置できなかった立体構造物１や、遮蔽物７００の設置が難しかった被加工部位であっても加工することができる。
【００４４】
≪第２変形例≫
図３は、本発明の実施形態に係るレーザ加工方法の第２変形例を示す要部概略断面図である。
前記した立体構造物１（図１参照）は、図３に示す立体構造物１Ｂのように、表層部１１Ｂと下層部１２Ｂとの間の空間１４Ｂに連通する１つの開口部１Ｂａと、開口部１Ｂａと対向する空間１４Ｂの一方側が閉塞された略ボックス状となっている。
この場合、開口部１Ｂａに、液体３を空間１４Ｂ内に送る供給口２３Ｂａと、空間１４Ｂ内の液体３を排出する排出口２３Ｂｂと、を有する液体導入ノズル２３Ｂを設ける。
このように、立体構造物１Ｂの開口部１Ｂａに、供給口２３Ｂａと排出口２３Ｂｂとを有する液体導入ノズル２３Ｂを設けたことによって、空間１４Ｂ内に空気層が形成されることなく、液体３を容易に空間１４Ｂ内に供給することができると共に、液体３が停留することなく流通させることができる。
【比較例】
【００４５】
図４は、本発明に係るレーザ加工方法の効果を示すための比較例を示す図であり、立体構造物内に水を充填し、水が停留した状態でレーザ加工するときの状態を示す要部概略断面図であり、図５は、そのときの下層部（図４のＸ部）の状態を示す部分拡大図である。
【００４６】
図４に示すように、前記実施形態で説明した立体構造物１（図１参照）と同じ筒状の形状をしたステンレス鋼からなる立体構造物１Ｃの表層部１１Ｃと下層部１２Ｃとの間の空間１４Ｃに、水３１（清水）を充填して実際に実験を行った。この実験では、立体構造物１Ｃを、表層部１１Ｃと下層部１２Ｃとの間隔Ｄ２（内径）φ５ｍｍのステンレス鋼管を使用し、表層部１１Ｃの被加工部１３Ｃを貫通したレーザ光Ａ及び液体噴流Ｂ２が下層部１２Ｃにどのような影響与えるか確認した。
【００４７】
空間１４Ｃ内に水３１を充填したのみでは、レーザ光Ａ及び液体噴流Ｂ２が下層部１２Ｃまで届いてしまい、図５に示すように、下層部１２Ｃに焼け１２Ｃａが形成されて加工されることが判った。
【実施例１】
【００４８】
次に、図１、図６、図７を参照しながら実施例１を説明する。
図６は、本発明に係るレーザ加工方法の実施例１の実験結果を示す表であり、前記実施形態のような貫通孔がある立体構造物であるパイプ材の実験結果を示す。図７は、本発明に係るレーザ加工方法の実施例１における立体構造物の内径とレイノルズ数との関係を示すグラフであり、図６の番号１−１〜番号５−４までの実験結果を示す。
【００４９】
図６及び図７において、立体構造物に液体を流通させるために使用した不図示のポンプの能力は、動力Ｌが１００Ｗ、圧力Ｐが０．３ＭＰａ程度で十分であるので、ホンプ能力から次の式を使って本レーザ加工方法に使用する最大流量を２０リットル（２０，０００ｍｌ）／ｍｉｎとした。Ｌを動力［ｋＷ］、Ｐを圧力［ＭＰａ］、Ｑを流量［Ｌ／ｍｉｎ］とすると、動力Ｌは、
Ｌ＝ＰＱ／６０
である。
【００５０】
レイノルズ数Ｒｅは、図１に示すレーザ加工装置２によって、円筒管からなる立体構造物１をレーザ加工した際のデータであって、液体３としての水３１の代表速度をＵ、代表長さをＤ１、動粘性係数をＶとすると、空間１４内を流れる水３１のレイノルズ数Ｒｅは、
Ｒｅ＝ＵＤ１／Ｖ
であり、この計算式を利用して図６及び図７のレイノルズ数Ｒｅを算出した。
【００５１】
実験では、図６に示すように、ジェットノズル２１の径を６０ｕｍ、レーザの出力を２３Ｗ、周波数を１０ｋＨｚ、液体噴流Ｂ２の水圧を１３ＭＰａ、液体３として、水温が１７．５℃、動粘性が０．０００００１０８の水３１を使用した。実験結果として、下層部１２に焼けが無いときは○、下層部１２に図５に示すような焼け１２Ｃａがあるときは×として図６の表に記載した。
【００５２】
まず、図６に示すように、表層部１１と下層部１２との間隔Ｄ1（内径）が２．５ｍｍの場合の番号１−１〜番号１−６の実験を行った。
番号１−１〜１−２の実験結果より、レイノルズ数Ｒｅが３．０７×１０３以下であるとき、下層部１２に焼けが発生した。
【００５３】
番号１−３〜番号１−６の実験結果より、レイノルズ数Ｒｅが４．７２×１０３以上であるとき、下層部１２には焼けが発生しておらず、レーザ加工による下層部１２の損傷を防止できた。
【００５４】
次に、表層部１１と下層部１２との間隔Ｄ1（内径）が３．５ｍｍの場合の番号２−１〜番号２−６の実験を行った。
番号２−１〜２−２の実験結果より、レイノルズ数Ｒｅが２．９５×１０３以下であるとき、下層部１２に焼けが発生した。
【００５５】
番号２−３〜番号２−６の実験結果より、レイノルズ数Ｒｅが５．０６×１０３以上であるとき、下層部１２の焼けを防止できた。
【００５６】
次に、表層部１１と下層部１２との間隔Ｄ1（内径）が４．５ｍｍの場合の番号３−１〜番号３−６の実験を行った。
番号３−１〜３−３の実験結果より、レイノルズ数Ｒｅが４．１９×１０３以下であるとき、下層部１２に焼けが発生した。
【００５７】
番号３−４〜番号３−６の実験結果より、レイノルズ数Ｒｅが５．９０×１０３以上であるとき、下層部１２の焼けを防止できた。
【００５８】
次に、表層部１１と下層部１２との間隔Ｄ1（内径）が１ｍｍの場合の番号４−１〜番号４−４の実験を行った。
番号４−１の実験結果より、レイノルズ数Ｒｅが３．５４×１０３であるとき、下層部１２に焼けが発生した。
【００５９】
番号４−２〜番号４−４の実験結果より、レイノルズ数Ｒｅが５．９０×１０３以上であるとき、下層部１２の焼けを防止できた。
【００６０】
次に、表層部１１と下層部１２との間隔Ｄ1（内径）が０．５ｍｍの場合の番号５−１〜番号５−４の実験を行った。
番号５−１の実験結果より、レイノルズ数Ｒｅが３．５４×１０３であるとき、下層部１２に焼けが発生した。
【００６１】
番号５−２〜番号５−４の実験結果より、レイノルズ数Ｒｅが５．１１×１０３以上であるとき、下層部１２の焼けを防止できた。
【００６２】
以上の実験結果から、液体３としての水３１のレイノルズ数Ｒｅが４．７２×１０３以上（図６、番号１−３参照）であれば、水３１は液体噴流Ｂ２を乱してレーザ光Ａを散乱させるので、レーザ光Ａが下層部１２を損傷することを防止できる。
【００６３】
図７は、図６の番号１−１〜番号５−４までの実験結果をグラフにしたものである。図６で下層部１２の損傷が○で焼けが発生しないもの（ＯＫなもの）を白星、白菱形、白四角、白三角、白丸で表し、下層部１２の損傷が×で焼けが発生したもの（ＮＧなもの）を黒星、黒菱形、黒四角、黒三角、黒丸で表した。
グラフ中の一点鎖線ａは、下層部１２に焼けが発生しないおおよそのレイノルズ数Ｒｅの最小値を示し、実線ｂは前記実験の最大流量２０，０００ｍｌ（２０リットル）／ｍｉｎ（図６の番号１−６，２−６，３−６，４−４，５−４）におけるレイノルズ数を示している。
【００６４】
図７に示すグラフより、レイノルズ数Ｒｅが一点鎖線ａを最小値とし、実線ｂを上限値とする範囲であれば、下層部１２に焼けを発生させることなく表層部１１を良好に加工できることがわかる。
【００６５】
次に、図８を参照しながら実施例２を説明する。
図８は、本発明に係るレーザ加工方法の実施例１で使用したレーザ加工装置及び立体構造物を示す要部概略断面図であり、前記立体構造物１Ｄはボックス状の形をしている。
実施例２は、実施例１と同様、レーザ加工装置２のジェットノズル２１の径は６０μｍ、レーザの出力２３Ｗ、周波数１０ｋＨｚ、液体噴流Ｂ２の水圧は１３ＭＰａである。また、立体構造物１Ｄの空間１４Ｄに水３１を供給する液体導入ノズル２３Ｄのノズル孔中心からの距離ｒ、内径２ｒ０＝φ１．２ｍｍ、液体導入ノズル２３Ｄの先端から表層部１１Ｄの内壁までの距離Ｄ４＝４ｍｍとして、空間１４Ｄに遮蔽物として樹脂やセラミックを設置した場合、エアや水３１、マイクロバブル水を供給した場合、遮蔽物や液体３などの供給もしない場合の実験を行った。
【００６６】
なお、実施例２におけるレイノルズ数Ｒｅは、液体３としての水３１の代表速度をＵｍ、代表長さをＤ４、動粘性係数をＶとすると、空間１４Ｄ内を流れる水３１のレイノルズ数Ｒｅは、以下の式で求められる。
Ｒｅ＝Ｕｍ・Ｄ４／Ｖ ・・・ 〔２〕
また、前記代表速度Ｕｍは、以下の式で表すことができる（参照：社河内敏彦 著「噴流工学」Ｐ４９）。
Ｕｍ＝２．１×ｒ０／ｒ×Ｕ０ ・・・ 〔３〕
ｒ０は液体導入ノズル２３Ｄのノズル孔の半径、ｒは液体導入ノズル２３Ｄのノズル孔中心からの距離、Ｕ０は図中Ｕ０における流速を示しており、ｒ＝ｒ０で最大値となる。さらに流速Ｕ０は流量をＱとすると以下のように表すことができる。
Ｕ０＝Ｑ／πｒ０Ｄ４ [ｍ／ｓ] ・・・ 〔４〕
【００６７】
実施例２による実験の結果、空間１４Ｄに遮蔽物や液体３などもない状態でレーザ加工を行うと、下層部１２Ｄに焼けが発生した。
空間１４Ｄに遮蔽物として樹脂やセラミックを配置してレーザ加工を行うと、下層部１２Ｄには焼けが発生せず、被加工部１３Ｄの形状も良好であったが、樹脂やセラミックにレーザ光Ａによって溶けた跡や加工された跡が残った。
【００６８】
次に、排出口２３Ｄｂを閉塞した状態で空間１４Ｄ内にエアを供給してレーザ加工を行った。空間１４Ｄ内の圧力Ｐが１．５ｋｇｆ／ｃｍ２以上であるとき、下層部１２Ｄに焼けは発生しなかったが、圧力Ｐが高くなるほど被加工部１３Ｄの加工形状が悪くなった。これは、圧力Ｐが高くなるとレーザ光Ａによって貫通した被加工部１３Ｄからエアが噴出し、液体噴流Ｂ２を乱してしまうからである。
また、圧力Ｐが０．５ｋｇｆ／ｃｍ２のとき、加工形状は良好であったが、下層部１２Ｄに焼けが発生した。
【００６９】
次に、排出口２３Ｄｂを閉塞した状態で空間１４Ｄ内に水３１を供給してレーザ加工を行った。水３１の圧力Ｐが１．０ｋｇｆ／ｃｍ２のとき、下層部１２Ｄに焼けは発生しなかったが、加工形状が悪くなった。
水３１の圧力Ｐが０．５ｋｇｆ／ｃｍ２以下のとき、加工形状は良好であったが、下層部１２Ｄに焼けが発生した。
【００７０】
次に、排出口２３Ｄｂを開放した状態で空間１４Ｄ内にマイクロバブル水を供給してレーザ加工を行った。マイクロバブル水の圧力Ｐが０．０ｋｇｆ／ｃｍ２、流量Ｑが０ｍｌ／ｍｉｎ、流速Ｕが０ｍ／ｓｅｃ、レイノルズ数Ｒｅが０のとき、加工形状は良好であったが、下層部１２Ｄに焼けが発生した。
マイクロバブル水の圧力Ｐが１．０ｋｇｆ／ｃｍ２、流量Ｑが５２５ｍｌ／ｍｉｎ、流速Ｕ０が０．５８ｍ／ｓｅｃ、レイノルズ数Ｒｅが４．５２×１０３のとき、下層部１２Ｄに焼けは発生せず、加工形状も良好であった。
マイクロバブル水の圧力Ｐが３．０ｋｇｆ／ｃｍ２、流量Ｑが１，３２０ｍｌ／ｍｉｎ、流速Ｕ０が１．４６ｍ／ｓｅｃ、レイノルズ数Ｒｅが１．１４×１０４のとき、下層部１２Ｄに焼けは発生しなかったが、加工形状が悪くなった。
【００７１】
次に、排出口２３Ｄｂを開放した状態で空間１４Ｄ内に水３１を供給してレーザ加工を行った。水３１の圧力Ｐが１．０ｋｇｆ／ｃｍ２、流量Ｑが５２５ｍｌ／ｍｉｎ、流速Ｕ０が０．５８ｍ／ｓｅｃ、レイノルズ数Ｒｅが４．５２×１０３のとき、下層部１２Ｄに焼けは発生せず、加工形状も良好であった。
水３１の圧力が０．０ｋｇｆ／ｃｍ２、レイノルズ数Ｒｅが０のとき、加工形状は良好であったが、下層部１２Ｄに焼けが発生した。
【００７２】
以上、実施例２の実験結果から、樹脂、セラミック、木材等の遮蔽物を空間１４Ｄ内に挿入すれば、下層部１２Ｄの損傷を防止することができるが、遮蔽物がレーザ光Ａによって徐々に加工されるため、やがて下層部１２Ｄ焼けが発生してしまうこと、遮蔽物の交換が必要になることがわかる。
【００７３】
また、表層部１１Ｄと下層部１２Ｄとの間の空間１４Ｄが閉塞された空間である場合、液体噴流Ｂ２が散乱されにくいため、下層部１２Ｄに焼けが発生しやすいことがわかる。
【００７４】
さらに、レイノルズ数Ｒｅが４．５２×１０３以上であれば下層部１２Ｄの損傷を防止できることがわかる。つまり、本発明のレーザ加工方法では、立体構造物１Ｄの空間１４Ｄ内に水３１を充填状態（静止状態）にさせず、流動させながらレーザ加工することによって、被加工部１３Ｄを良好に加工することが可能であることが確認できた。
【符号の説明】
【００７５】
１，１Ａ〜１Ｄ 立体構造物
２，２Ａ〜２Ｄ レーザ加工装置
３ 液体
１１，１１Ａ〜１１Ｄ 表層部
１２，１２Ａ〜１２Ｄ 下層部
１３，１３Ａ〜１３Ｄ 被加工部
１４，１４Ａ〜１４Ｄ 空間
２１ ジェットノズル
３１ 水
Ａ レーザ光
Ｂ２ 液体噴流
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置のジェットノズルから噴射された液体噴流に導かれたレーザ光によって、中空状の立体構造物（複層構造物）を加工するレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ加工方法には、図９に示すような大気中でレーザ光を伝送させて被加工部を照射して加工する所謂ドライレーザ加工方法と、図１０（ａ）、（ｂ）に示すような液体噴流内にレーザ光を導入させて加工するウォータジェットレーザ加工方法と、がある。
【０００３】
図９は、表層部と下層部とからなる中空状の立体構造物をドライレーザ加工する場合の例を示す概略断面図である。図１０は、ウォータジェットレーザ加工の従来例を示す図であり、（ａ）は断面視して平らな表層部と下層部との間に液体を充填した立体構造物をレーザ加工する場合の第１従来例を示す概略断面図、（ｂ）は断面視して曲面状の表層部と下層部とからなる立体構造物をレーザ加工する場合の第２従来例を示す概略断面図である。
【０００４】
図９に示すようなドライレーザ加工方法では、表層部１１０と下層部１２０とからなる中空状の立体構造物１００の表層部１１０に、レーザ光２００を照射して穿孔加工、溝加工、切断加工を行っている。ドライレーザ加工方法は、加工時に熱が発生するので、部材は熱によって変形する等の影響を受け易い。
【０００５】
そこで、レーザ加工する際に発生する飛散物や熱の影響を抑制するため、表層部１１０と下層部１２０との間に水を充填させて加工する方法が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。この場合、表層部１１０の被加工部を貫通したレーザ光２００は、水に吸収されたり、散乱して減衰されるため、下層部１２０に影響を与えることは無い。
しかしながら、ドライレーザ加工方法では、レーザ光２００が集光レンズ（図示省略）によって集光された焦点に近い部分２１０でしか加工することができない。
【０００６】
一方、図１０（ａ）に示すウォータジェットレーザ加工方法は、レーザ光３２０の照射方向へ広範囲にわたってほぼ同一のレーザエネルギー密度を持っており、つまり、ドライレーザ加工方法では焦点に近い３ｍｍ程度の部分でしか加工できないのに対し、ウォータジェットレーザ加工方法では、約３０ｍｍの加工可能領域を持つ（ただし、焦点径を同程度とした場合）。そのため、被加工物表面へのフォーカス調整や、加工が深く進行した時のフォーカスの追い込みが不要である、という利点がある。
また、レーザ光３２０を導く液体噴流３１０で立体構造物１００を冷却しながら加工するので、水を使用しないドライレーザ加工方法と比べ、レーザ光３２０で被加工物を加工する際に発生する熱を水によって急激に冷却することで熱の拡散を抑えることができ、被加工物に対する熱の影響が少ない加工方法である（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
この場合、不図示のジェットノズルから噴射された水柱状の液体噴流３１０と、レーザ光３２０とからなる所謂ウォータビーム３００は、液体４００が充填された立体構造物１００内で、液体噴流３１０が空気５００を巻き込みながら液体４００を押し退けて、レーザ光３２０が減衰せずに下層部１２０に到達して下層部１２０をレーザ加工する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５２−８５８００号公報（第１図〜第３図参照）
【特許文献２】特開昭６２−２６７０９５号公報（特許請求の範囲参照）
【特許文献３】特開２０１０−５１２号公報（図１、図３、段落００２７〜００３０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図１０（ａ）に示すようなウォータジェットレーザ加工方法は、特に、小さな立体形状をした中空状の立体構造物１００の表層部１１０のみを穿孔加工して、下層部１２０にレーザ光３２０の影響を与えたくない場合は使用することができない。
ウォータジェットレーザ加工方法で表層部１１０のみをレーザ加工できるようにするためには、ウォータビーム３００を遮断する遮蔽物を表層部１１０と下層部１２０との間に挿入する必要がある。しかしながら、立体構造物１００が配管等の長尺な物の場合は、液体噴流３１０を遮断できる位置に表層部１１０と下層部１２０の間の遮蔽物を移動させることは難しい。
【００１０】
また、ウォータジェットレーザ加工方法は、図１０（ｂ）に示すような断面視して曲面状の表層部６１０と下層部６２０とからなる中空状の立体構造物６００を、液体噴流８１０に導かれたレーザ光８２０（ウォータビーム８００）で加工する場合、遮蔽物７００を表層部６１０と下層部６２０との間に挿入することができず、表層部６１０のみを加工することができない。
【００１１】
そこで、本発明は、このような問題点を解決するために創案されたものであり、中空状の立体構造物（複層構造物）の表層部のみを液体噴流に導かれたレーザ光で加工して、下層部がレーザ光で損傷することを防止するレーザ加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するために、本発明に係るレーザ加工方法は、被加工部を有する表層部と、前記表層部に空間を介在して配置された下層部を有する中空状の立体構造物を、レーザ加工装置のジェットノズルから噴射された液体噴流内に導かれたレーザ光で加工するレーザ加工方法であって、前記空間内に液体を流通させ、前記空間内に入った前記レーザ光を伴った前記液体噴流を前記液体によって乱すことにより、前記レーザ光を散乱させることを特徴とする。
【００１３】
かかる構成によれば、レーザ加工装置から発せられたレーザ光は、立体構造物の表層部の被加工部を照射して溶融させる。溶融した溶融物は、ジェットノズルから噴射された液体噴流によって吹き飛ばされると共に冷却される。このようにして被加工部は、レーザ光によって穴あけされて、そのレーザ光及び液体噴流が、貫通孔の状態に形成された被加工部内を通って、空間内を流通する液体に入り込む。空間内に入ったレーザ光を伴った液体噴流は、その液体によって乱される。このため、液体噴流を光導体としたレーザ光は、液体噴流の乱れと共に、散乱されて弱くなるので、下層部を加工する強さがなく、下層部を損傷させることがない。
したがって、このレーザ加工方法は、例えば、下層部に熱に弱い電子部品等の品物が配置された場合や、下層部が熱に弱い部材からなる場合等に特に有効である。
【００１４】
また、前記空間内は、前記液体が充満されて空気層がない状態で流通されることが好ましい。
【００１５】
かかる構成によれば、被加工物である立体構造物内の空間内に液体が充満されていることによって、レーザ光を導光する液体噴流が乱されて、レーザ光が下層部に向かって通過することを抑制できるので、下層部を強く照射して加工するのを防止できる。空間に空気層がある状態では、空気がレーザ光の光導体の役目をして、被加工部を通過したレーザ光を下層部へ案内してしまう。空間に空気層がない状態では、空間を流通する液体が、被加工部を通過したレーザ光を散乱させるので、下層部へ届くレーザ光を衰弱させて下層部に損傷を与えないようにすることができる。
【００１６】
また、前記液体は、レイノルズ数が、４，５２０以上３９３，０００以下であることが好ましい。
【００１７】
かかる構成によれば、立体構造物内の液体は、レイノルズ数が４，５２０以上３９３，０００以下であれば、液体噴流と共にこの液体内を通過するレーザ光を分散させて、下層部に損傷を与えないようにすることが可能である。
【００１８】
また、前記液体は、マイクロバブル水であることが好ましい。
【００１９】
かかる構成によれば、立体構造物内の液体は、マイクロバブル水であれば、液体噴流と共にこの液体内を通過するレーザ光を分散させて、下層部に損傷を与えないようにすることが可能である。
【００２０】
また、前記レーザ光は、グリーンレーザ（波長５３２ｎｍ）であることが好ましい。
【００２１】
かかる構成によれば、液体噴流と共にこの液体噴流内を通過するレーザ光は水等の液体に吸収されずに表層部まで導光されて被加工部を良好に加工できる。そして、被加工部を通過したレーザ光は、空間を流通する液体による液体噴流の乱れと共に散乱され、下層部に損傷を与えないようにすることが可能である。
【００２２】
また、前記下層部は、前記表層部の前記被加工部から前記液体噴流の同軸方向へ０．５〜３０ｍｍ以下離間された位置に配置されていることが好ましい。
【００２３】
かかる構成によれば、立体構造物内の下層部が、表層部の被加工部から液体噴流の同軸方向へ０．５〜３０ｍｍしか離れていない表層部と近い位置であっても、下層部に影響を与えることなく加工することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係るレーザ加工方法によれば、中空状の立体構造物の表層部のみを加工して、表層部を貫通したレーザ光が下層部に損傷を与えることなくレーザ加工をすることができる。このため、立体構造物が小さなものであっても、容易に短時間で加工することができ、作業効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態及び実施例１に係るレーザ加工方法の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るレーザ加工方法の第１変形例を示す概略断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るレーザ加工方法の第２変形例を示す要部概略断面図である。
【図４】本発明に係るレーザ加工方法の効果を示すための比較例を示す図であり、立体構造物内に水を充填したのみの状態でレーザ加工するときの状態を示す要部概略断面図である。
【図５】図４のＸ部の状態を示す部分拡大図である。
【図６】本発明に係るレーザ加工方法の実施例２の実験結果を示す表である。
【図７】本発明に係るレーザ加工方法の実施例２における立体構造物の内径とレイノルズ数との関係を示すグラフである。
【図８】本発明に係るレーザ加工方法の実施例２で使用したレーザ加工装置及び立体構造物を示す要部概略断面図である。
【図９】表層部と下層部とからなる中空状の立体構造物を一般的なドライレーザ加工する場合の例を示す概略断面図である。
【図１０】ウォータジェットレーザ加工の従来例を示す図であり、（ａ）は表層部と下層部との間に液体を介在した立体構造物をレーザ加工する場合の第１従来例を示す概略断面図、（ｂ）は断面視して曲面状の表層部と下層部とからなる立体構造物をレーザ加工する場合の第２従来例を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係るレーザ加工方法を説明する。まず、レーザ加工方法を説明する前に、被加工物である立体構造物１について説明する。
【００２７】
≪立体構造物の構成≫
図１に示すように、立体構造物１は、後記するレーザ加工装置２によって加工される被加工物である。この立体構造物１は、被加工部１３を有する表層部１１と、この表層部１１に対向して配置された下層部１２と、表層部１１と下層部１２との間に形成されて液体３が流動する空間１４と、を有する中空状の複層構造体からなる。立体構造物１は、液体３が流通する空間１４があるものであればよく、例えば、円筒状あるいは角筒状の筒体、配管、パイプ、箱体等の中空部材からなる。また、立体構造物１の材質は、レーザ光Ａによって加工可能なものであればよく、例えば、金属や合成樹脂やセラミック等からなる。さらに立体構造物１は、液体３を流動させることができるように、空間１４に連通する少なくとも１つの貫通孔を有する。以下、立体構造物１としてステンレス鋼からなる長尺の配管を例に挙げて説明する。
【００２８】
表層部１１は、立体構造物１のレーザ加工装置２のジェットノズル２１側の表面であって、レーザ光Ａによって加工される被加工部１３がある側の部位である。
【００２９】
下層部１２は、表層部１１の被加工部１３から空間１４内の液体３を介在して対向位置に配置された部位である。下層部１２は、表層部１１の被加工部１３から液体噴流Ｂ２の同軸方向へ距離Ｄ１（Ｄ１＝０．５〜３０ｍｍ以下）離れたところに位置している。
【００３０】
被加工部１３は、ジェットノズル２１から噴射された液体噴流Ｂ２内のレーザ光Ａによって溶融されて、その溶融された溶融物を液体噴流Ｂ２で吹き飛ばされながら加工される部位であって、例えば、所望形状に穿孔あるいは切断される。
【００３１】
空間１４は、液体３が上流側から下流側に向かって流動するように、表層部１１と下層部１２とによって形成された中空部位である。空間１４は、例えば、図１に示すような真っ直ぐな形状に形成されて、その空間１４内に液体３が充満されて空気層がない状態で流通されるようになっている。
【００３２】
≪液体供給部の構成≫
不図示の液体供給部は、空間１４へ液体３を供給するため、不図示のポンプからホースを介して立体構造物１に装着した液体導入ノズル２３へ、液体３を供給する。
【００３３】
≪液体の構成≫
液体３は、例えば、レーザ光Ａが通過可能な透光性のものからなり、例えば、清水等の水、レイノルズ数Ｒｅが４，５２０以上３９３，０００以下の液体３、あるいは、所謂マイクロバブル水等である。なお、レイノルズ数Ｒｅは液体３の流速や流量、空間１４の大きさによって変化するので、少なくともレイノルズ数Ｒｅは４，５２０以上であればよく、さらには、液体３が層流から乱流へ遷移する値以上であれば液体噴流Ｂ２を乱してレーザ光Ａを散乱させることができ、レーザ光Ａが下層部１２を損傷させることを防止できる。また、液体３には、０．５ｋｇｆ/ｃｍ２以上の圧力Ｐがかかっているとよい。
マイクロバブル水とは、微細な気泡が含まれている水である。
【００３４】
≪レーザ加工装置の構成≫
レーザ加工装置２は、ジェットノズル２１から噴射された液体噴流Ｂ２内に導かれたレーザ光Ａで表層部１１の被加工部１３をレーザ加工する装置である。レーザ加工装置２は、不図示のポンプから送られた高圧液Ｂ１（例えば、高圧水）と、不図示のレーザ発振装置から発せられたレーザ光Ａと、が供給されるレーザ加工ヘッド部２ａを備えている。
このレーザ加工ヘッド部２ａは、前記高圧水を液体噴流Ｂ２として噴射するジェットノズル２１と、レーザ発振装置（図示省略）から伝送されたレーザ光Ａを集光する集光レンズ部２２と、を備えている。
【００３５】
ジェットノズル２１は、レーザ加工ヘッド部２ａに送られた高圧水を水柱状の液体噴流Ｂ２に変えて被加工部１３に向けて噴射するノズルである。
集光レンズ部２２は、不図示のレーザ発振装置から光ファイバ等と介して伝送されて来たレーザ光Ａを集光してジェットノズル２１の液体噴流Ｂ２内を介して被加工部１３に向けて照射するように構成されている。
レーザ光Ａは、例えば、ＹＡＧレーザの二倍波である、波長が５３２ｎｍの所謂グリーンレーザからなる。なお、レーザ光Ａは、グリーンレーザに限定されるものではなく、他の波長のレーザ光を使用しても構わない。
【００３６】
［作用］
次に、図１を参照しながら本実施形態に係るレーザ加工方法の作用を説明する。
図１に示すように、レーザ加工装置２のジェットノズル２１から噴射された液体噴流Ｂ２は、水柱状に噴射されて、表層部１１の表面の被加工部１３を噴き付ける。レーザ加工装置２から発せられたレーザ光Ａは、ジェットノズル２１から噴射された液体噴流Ｂ２を光導体として、その液体噴流Ｂ２内を通って表層部１１の被加工部１３を照射して溶融させる。溶融された溶融物は、ジェットノズル２１から噴射された液体噴流Ｂ２によって吹き飛ばされる。
【００３７】
このようにして被加工部１３は、レーザ光Ａと液体噴流Ｂ２とによって穴あけ加工されて、そのレーザ光Ａ及び液体噴流Ｂ２が、貫通孔の形状に形成された被加工部１３を通過して、空間１４内を流通する液体３に入り込む。空間１４内に入ったレーザ光Ａを伴った水柱状の液体噴流Ｂ２は、液体３によって乱される。このため、液体噴流Ｂ２を光導体としたレーザ光Ａは、液体噴流Ｂ２の乱れと共に散乱されるので、下層部１２を加工する強さがなく、下層部１２を損傷させることがない。つまり、下層部１２は、レーザ光Ａによってレーザ加工されないように、液体３によって保護することができる。その結果、立体構造物１は、表層部１１の被加工部１３のみがレーザ加工されて穿孔される。
【００３８】
［変形例］
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の改造及び変更が可能であり、本発明はこれら改造及び変更された発明にも及ぶことは勿論である。なお、既に説明した構成は同じ符号を付してその説明を省略する。
【００３９】
≪第１変形例≫
図２は、本発明の実施形態に係るレーザ加工方法の第１変形例を示す要部概略断面図である。
【００４０】
図２に示す立体構造物１Ａは、前記立体構造物１（図１参照）を湾曲形状に形成したものであって、被加工部１３を有する湾曲状の表層部１１Ａと、液体３が流通する湾曲状の空間１４Ａと、表層部１１Ａから空間１４Ａを介在して配置された湾曲状の下層部１２Ａと、からなる。
このような湾曲形状の立体構造物１Ａであっても、前記実施形態と同様に、下層部１２Ａが加工されないように保護することができる。
【００４１】
つまり、立体構造物１Ａは、空間１４Ａ内に流通する液体３が存在していれば、液体３内に放射されたレーザ光Ａ及び液体噴流Ｂ２が散乱するため、レーザ光Ａが表層部１１Ａのみを加工して、下層部１２Ａを保護することができる。
【００４２】
液体３は、特定な形状を有するものでは無いので、表層部１１Ａと下層部１２Ａとが複雑な形状の立体構造物１Ａであったとしても、前記実施形態と同様に、空間１４Ａ内に入ったレーザ光Ａを散乱させて下層部１２Ａの損傷を防ぎ、表層部１１Ａのみを加工することができる。
【００４３】
その結果、レーザ光Ａを遮断する遮蔽物７００（図１０（ｂ）参照）を配置できなかった立体構造物１や、遮蔽物７００の設置が難しかった被加工部位であっても加工することができる。
【００４４】
≪第２変形例≫
図３は、本発明の実施形態に係るレーザ加工方法の第２変形例を示す要部概略断面図である。
前記した立体構造物１（図１参照）は、図３に示す立体構造物１Ｂのように、表層部１１Ｂと下層部１２Ｂとの間の空間１４Ｂに連通する１つの開口部１Ｂａと、開口部１Ｂａと対向する空間１４Ｂの一方側が閉塞された略ボックス状となっている。
この場合、開口部１Ｂａに、液体３を空間１４Ｂ内に送る供給口２３Ｂａと、空間１４Ｂ内の液体３を排出する排出口２３Ｂｂと、を有する液体導入ノズル２３Ｂを設ける。
このように、立体構造物１Ｂの開口部１Ｂａに、供給口２３Ｂａと排出口２３Ｂｂとを有する液体導入ノズル２３Ｂを設けたことによって、空間１４Ｂ内に空気層が形成されることなく、液体３を容易に空間１４Ｂ内に供給することができると共に、液体３が停留することなく流通させることができる。
【比較例】
【００４５】
図４は、本発明に係るレーザ加工方法の効果を示すための比較例を示す図であり、立体構造物内に水を充填し、水が停留した状態でレーザ加工するときの状態を示す要部概略断面図であり、図５は、そのときの下層部（図４のＸ部）の状態を示す部分拡大図である。
【００４６】
図４に示すように、前記実施形態で説明した立体構造物１（図１参照）と同じ筒状の形状をしたステンレス鋼からなる立体構造物１Ｃの表層部１１Ｃと下層部１２Ｃとの間の空間１４Ｃに、水３１（清水）を充填して実際に実験を行った。この実験では、立体構造物１Ｃを、表層部１１Ｃと下層部１２Ｃとの間隔Ｄ２（内径）φ５ｍｍのステンレス鋼管を使用し、表層部１１Ｃの被加工部１３Ｃを貫通したレーザ光Ａ及び液体噴流Ｂ２が下層部１２Ｃにどのような影響与えるか確認した。
【００４７】
空間１４Ｃ内に水３１を充填したのみでは、レーザ光Ａ及び液体噴流Ｂ２が下層部１２Ｃまで届いてしまい、図５に示すように、下層部１２Ｃに焼け１２Ｃａが形成されて加工されることが判った。
【実施例１】
【００４８】
次に、図１、図６、図７を参照しながら実施例１を説明する。
図６は、本発明に係るレーザ加工方法の実施例１の実験結果を示す表であり、前記実施形態のような貫通孔がある立体構造物であるパイプ材の実験結果を示す。図７は、本発明に係るレーザ加工方法の実施例１における立体構造物の内径とレイノルズ数との関係を示すグラフであり、図６の番号１−１〜番号５−４までの実験結果を示す。
【００４９】
図６及び図７において、立体構造物に液体を流通させるために使用した不図示のポンプの能力は、動力Ｌが１００Ｗ、圧力Ｐが０．３ＭＰａ程度で十分であるので、ホンプ能力から次の式を使って本レーザ加工方法に使用する最大流量を２０リットル（２０，０００ｍｌ）／ｍｉｎとした。Ｌを動力［ｋＷ］、Ｐを圧力［ＭＰａ］、Ｑを流量［Ｌ／ｍｉｎ］とすると、動力Ｌは、
Ｌ＝ＰＱ／６０
である。
【００５０】
レイノルズ数Ｒｅは、図１に示すレーザ加工装置２によって、円筒管からなる立体構造物１をレーザ加工した際のデータであって、液体３としての水３１の代表速度をＵ、代表長さをＤ１、動粘性係数をＶとすると、空間１４内を流れる水３１のレイノルズ数Ｒｅは、
Ｒｅ＝ＵＤ１／Ｖ
であり、この計算式を利用して図６及び図７のレイノルズ数Ｒｅを算出した。
【００５１】
実験では、図６に示すように、ジェットノズル２１の径を６０ｕｍ、レーザの出力を２３Ｗ、周波数を１０ｋＨｚ、液体噴流Ｂ２の水圧を１３ＭＰａ、液体３として、水温が１７．５℃、動粘性が０．０００００１０８の水３１を使用した。実験結果として、下層部１２に焼けが無いときは○、下層部１２に図５に示すような焼け１２Ｃａがあるときは×として図６の表に記載した。
【００５２】
まず、図６に示すように、表層部１１と下層部１２との間隔Ｄ1（内径）が２．５ｍｍの場合の番号１−１〜番号１−６の実験を行った。
番号１−１〜１−２の実験結果より、レイノルズ数Ｒｅが３．０７×１０３以下であるとき、下層部１２に焼けが発生した。
【００５３】
番号１−３〜番号１−６の実験結果より、レイノルズ数Ｒｅが４．７２×１０３以上であるとき、下層部１２には焼けが発生しておらず、レーザ加工による下層部１２の損傷を防止できた。
【００５４】
次に、表層部１１と下層部１２との間隔Ｄ1（内径）が３．５ｍｍの場合の番号２−１〜番号２−６の実験を行った。
番号２−１〜２−２の実験結果より、レイノルズ数Ｒｅが２．９５×１０３以下であるとき、下層部１２に焼けが発生した。
【００５５】
番号２−３〜番号２−６の実験結果より、レイノルズ数Ｒｅが５．０６×１０３以上であるとき、下層部１２の焼けを防止できた。
【００５６】
次に、表層部１１と下層部１２との間隔Ｄ1（内径）が４．５ｍｍの場合の番号３−１〜番号３−６の実験を行った。
番号３−１〜３−３の実験結果より、レイノルズ数Ｒｅが４．１９×１０３以下であるとき、下層部１２に焼けが発生した。
【００５７】
番号３−４〜番号３−６の実験結果より、レイノルズ数Ｒｅが５．９０×１０３以上であるとき、下層部１２の焼けを防止できた。
【００５８】
次に、表層部１１と下層部１２との間隔Ｄ1（内径）が１ｍｍの場合の番号４−１〜番号４−４の実験を行った。
番号４−１の実験結果より、レイノルズ数Ｒｅが３．５４×１０３であるとき、下層部１２に焼けが発生した。
【００５９】
番号４−２〜番号４−４の実験結果より、レイノルズ数Ｒｅが５．９０×１０３以上であるとき、下層部１２の焼けを防止できた。
【００６０】
次に、表層部１１と下層部１２との間隔Ｄ1（内径）が０．５ｍｍの場合の番号５−１〜番号５−４の実験を行った。
番号５−１の実験結果より、レイノルズ数Ｒｅが３．５４×１０３であるとき、下層部１２に焼けが発生した。
【００６１】
番号５−２〜番号５−４の実験結果より、レイノルズ数Ｒｅが５．１１×１０３以上であるとき、下層部１２の焼けを防止できた。
【００６２】
以上の実験結果から、液体３としての水３１のレイノルズ数Ｒｅが４．７２×１０３以上（図６、番号１−３参照）であれば、水３１は液体噴流Ｂ２を乱してレーザ光Ａを散乱させるので、レーザ光Ａが下層部１２を損傷することを防止できる。
【００６３】
図７は、図６の番号１−１〜番号５−４までの実験結果をグラフにしたものである。図６で下層部１２の損傷が○で焼けが発生しないもの（ＯＫなもの）を白星、白菱形、白四角、白三角、白丸で表し、下層部１２の損傷が×で焼けが発生したもの（ＮＧなもの）を黒星、黒菱形、黒四角、黒三角、黒丸で表した。
グラフ中の一点鎖線ａは、下層部１２に焼けが発生しないおおよそのレイノルズ数Ｒｅの最小値を示し、実線ｂは前記実験の最大流量２０，０００ｍｌ（２０リットル）／ｍｉｎ（図６の番号１−６，２−６，３−６，４−４，５−４）におけるレイノルズ数を示している。
【００６４】
図７に示すグラフより、レイノルズ数Ｒｅが一点鎖線ａを最小値とし、実線ｂを上限値とする範囲であれば、下層部１２に焼けを発生させることなく表層部１１を良好に加工できることがわかる。
【００６５】
次に、図８を参照しながら実施例２を説明する。
図８は、本発明に係るレーザ加工方法の実施例１で使用したレーザ加工装置及び立体構造物を示す要部概略断面図であり、前記立体構造物１Ｄはボックス状の形をしている。
実施例２は、実施例１と同様、レーザ加工装置２のジェットノズル２１の径は６０μｍ、レーザの出力２３Ｗ、周波数１０ｋＨｚ、液体噴流Ｂ２の水圧は１３ＭＰａである。また、立体構造物１Ｄの空間１４Ｄに水３１を供給する液体導入ノズル２３Ｄのノズル孔中心からの距離ｒ、内径２ｒ０＝φ１．２ｍｍ、液体導入ノズル２３Ｄの先端から表層部１１Ｄの内壁までの距離Ｄ４＝４ｍｍとして、空間１４Ｄに遮蔽物として樹脂やセラミックを設置した場合、エアや水３１、マイクロバブル水を供給した場合、遮蔽物や液体３などの供給もしない場合の実験を行った。
【００６６】
なお、実施例２におけるレイノルズ数Ｒｅは、液体３としての水３１の代表速度をＵｍ、代表長さをＤ４、動粘性係数をＶとすると、空間１４Ｄ内を流れる水３１のレイノルズ数Ｒｅは、以下の式で求められる。
Ｒｅ＝Ｕｍ・Ｄ４／Ｖ ・・・ 〔２〕
また、前記代表速度Ｕｍは、以下の式で表すことができる（参照：社河内敏彦 著「噴流工学」Ｐ４９）。
Ｕｍ＝２．１×ｒ０／ｒ×Ｕ０ ・・・ 〔３〕
ｒ０は液体導入ノズル２３Ｄのノズル孔の半径、ｒは液体導入ノズル２３Ｄのノズル孔中心からの距離、Ｕ０は図中Ｕ０における流速を示しており、ｒ＝ｒ０で最大値となる。さらに流速Ｕ０は流量をＱとすると以下のように表すことができる。
Ｕ０＝Ｑ／πｒ０Ｄ４ [ｍ／ｓ] ・・・ 〔４〕
【００６７】
実施例２による実験の結果、空間１４Ｄに遮蔽物や液体３などもない状態でレーザ加工を行うと、下層部１２Ｄに焼けが発生した。
空間１４Ｄに遮蔽物として樹脂やセラミックを配置してレーザ加工を行うと、下層部１２Ｄには焼けが発生せず、被加工部１３Ｄの形状も良好であったが、樹脂やセラミックにレーザ光Ａによって溶けた跡や加工された跡が残った。
【００６８】
次に、排出口２３Ｄｂを閉塞した状態で空間１４Ｄ内にエアを供給してレーザ加工を行った。空間１４Ｄ内の圧力Ｐが１．５ｋｇｆ／ｃｍ２以上であるとき、下層部１２Ｄに焼けは発生しなかったが、圧力Ｐが高くなるほど被加工部１３Ｄの加工形状が悪くなった。これは、圧力Ｐが高くなるとレーザ光Ａによって貫通した被加工部１３Ｄからエアが噴出し、液体噴流Ｂ２を乱してしまうからである。
また、圧力Ｐが０．５ｋｇｆ／ｃｍ２のとき、加工形状は良好であったが、下層部１２Ｄに焼けが発生した。
【００６９】
次に、排出口２３Ｄｂを閉塞した状態で空間１４Ｄ内に水３１を供給してレーザ加工を行った。水３１の圧力Ｐが１．０ｋｇｆ／ｃｍ２のとき、下層部１２Ｄに焼けは発生しなかったが、加工形状が悪くなった。
水３１の圧力Ｐが０．５ｋｇｆ／ｃｍ２以下のとき、加工形状は良好であったが、下層部１２Ｄに焼けが発生した。
【００７０】
次に、排出口２３Ｄｂを開放した状態で空間１４Ｄ内にマイクロバブル水を供給してレーザ加工を行った。マイクロバブル水の圧力Ｐが０．０ｋｇｆ／ｃｍ２、流量Ｑが０ｍｌ／ｍｉｎ、流速Ｕが０ｍ／ｓｅｃ、レイノルズ数Ｒｅが０のとき、加工形状は良好であったが、下層部１２Ｄに焼けが発生した。
マイクロバブル水の圧力Ｐが１．０ｋｇｆ／ｃｍ２、流量Ｑが５２５ｍｌ／ｍｉｎ、流速Ｕ０が０．５８ｍ／ｓｅｃ、レイノルズ数Ｒｅが４．５２×１０３のとき、下層部１２Ｄに焼けは発生せず、加工形状も良好であった。
マイクロバブル水の圧力Ｐが３．０ｋｇｆ／ｃｍ２、流量Ｑが１，３２０ｍｌ／ｍｉｎ、流速Ｕ０が１．４６ｍ／ｓｅｃ、レイノルズ数Ｒｅが１．１４×１０４のとき、下層部１２Ｄに焼けは発生しなかったが、加工形状が悪くなった。
【００７１】
次に、排出口２３Ｄｂを開放した状態で空間１４Ｄ内に水３１を供給してレーザ加工を行った。水３１の圧力Ｐが１．０ｋｇｆ／ｃｍ２、流量Ｑが５２５ｍｌ／ｍｉｎ、流速Ｕ０が０．５８ｍ／ｓｅｃ、レイノルズ数Ｒｅが４．５２×１０３のとき、下層部１２Ｄに焼けは発生せず、加工形状も良好であった。
水３１の圧力が０．０ｋｇｆ／ｃｍ２、レイノルズ数Ｒｅが０のとき、加工形状は良好であったが、下層部１２Ｄに焼けが発生した。
【００７２】
以上、実施例２の実験結果から、樹脂、セラミック、木材等の遮蔽物を空間１４Ｄ内に挿入すれば、下層部１２Ｄの損傷を防止することができるが、遮蔽物がレーザ光Ａによって徐々に加工されるため、やがて下層部１２Ｄ焼けが発生してしまうこと、遮蔽物の交換が必要になることがわかる。
【００７３】
また、表層部１１Ｄと下層部１２Ｄとの間の空間１４Ｄが閉塞された空間である場合、液体噴流Ｂ２が散乱されにくいため、下層部１２Ｄに焼けが発生しやすいことがわかる。
【００７４】
さらに、レイノルズ数Ｒｅが４．５２×１０３以上であれば下層部１２Ｄの損傷を防止できることがわかる。つまり、本発明のレーザ加工方法では、立体構造物１Ｄの空間１４Ｄ内に水３１を充填状態（静止状態）にさせず、流動させながらレーザ加工することによって、被加工部１３Ｄを良好に加工することが可能であることが確認できた。
【符号の説明】
【００７５】
１，１Ａ〜１Ｄ 立体構造物
２，２Ａ〜２Ｄ レーザ加工装置
３ 液体
１１，１１Ａ〜１１Ｄ 表層部
１２，１２Ａ〜１２Ｄ 下層部
１３，１３Ａ〜１３Ｄ 被加工部
１４，１４Ａ〜１４Ｄ 空間
２１ ジェットノズル
３１ 水
Ａ レーザ光
Ｂ２ 液体噴流
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工部を有する表層部と、前記表層部に空間を介在して配置された下層部を有する中空状の立体構造物を、レーザ加工装置のジェットノズルから噴射された液体噴流に導かれたレーザ光で加工するレーザ加工方法であって、
前記空間内に液体を流通させ、前記空間内に入った前記レーザ光を伴った前記液体噴流を前記液体によって乱すことにより、前記レーザ光を散乱させることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記空間内は、前記液体が充満されて空気層がない状態で流通されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記液体は、レイノルズ数が、４，５２０以上３９３，０００以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記液体は、マイクロバブル水であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記レーザ光は、グリーンレーザ（波長５３２ｎｍ）であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
前記下層部は、前記表層部の前記被加工部から前記液体噴流の同軸方向へ０．５〜３０ｍｍ以下離間された位置に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項１】
被加工部を有する表層部と、前記表層部に空間を介在して配置された下層部を有する中空状の立体構造物を、レーザ加工装置のジェットノズルから噴射された液体噴流に導かれたレーザ光で加工するレーザ加工方法であって、
前記空間内に液体を流通させ、前記空間内に入った前記レーザ光を伴った前記液体噴流を前記液体によって乱すことにより、前記レーザ光を散乱させることを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
前記空間内は、前記液体が充満されて空気層がない状態で流通されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
前記液体は、レイノルズ数が、４，５２０以上３９３，０００以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザ加工方法。
【請求項４】
前記液体は、マイクロバブル水であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項５】
前記レーザ光は、グリーンレーザ（波長５３２ｎｍ）であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【請求項６】
前記下層部は、前記表層部の前記被加工部から前記液体噴流の同軸方向へ０．５〜３０ｍｍ以下離間された位置に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１９２４３８（Ｐ２０１２−１９２４３８Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５８８６８（Ｐ２０１１−５８８６８）
【出願日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【出願人】（０００１３２１６１）株式会社スギノマシン (144)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１１日（２０１２．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１７日（２０１１．３．１７）
【出願人】（０００１３２１６１）株式会社スギノマシン (144)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]