複合材料のレーザ加工法
【課題】繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）及び繊維強化金属（ＦＲＭ）の切断、穴あけ、溶接、曲げ加工、表面処理などのレーザ加工方法の提供。
【解決手段】材料の加熱・溶融・蒸発が可能かつ、材料内部への熱伝達はほとんどなく、熱歪みも生じにくい。１０ピコ秒から１００ナノ秒のパルス幅を持った超短パルスで、１ｍＪから５００Ｊのパルスエネルギーを持った固体レーザを用いて二重レーザ加工、カスケード加工を行うことで、さらに良好な加工面が得られる。
【解決手段】材料の加熱・溶融・蒸発が可能かつ、材料内部への熱伝達はほとんどなく、熱歪みも生じにくい。１０ピコ秒から１００ナノ秒のパルス幅を持った超短パルスで、１ｍＪから５００Ｊのパルスエネルギーを持った固体レーザを用いて二重レーザ加工、カスケード加工を行うことで、さらに良好な加工面が得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明者は繊維強化複合材料のレーザ加工法および加工部材に関する。
本技術はこれらの難加工材であるＣＦＲＰやＣＦＲＭの複合材料を最新レーザ加工法で解決する手法を提案した。
【背景技術】
【０００２】
自動車、航空機、船舶、鉄道車両などの産業が抱えている現在のエネルギー問題、環境問題、資源問題を解決するために、軽量化、高性能化、高効率化、省資源・リサイクル化を実現しうる新材料とその加工技術の開発が叫ばれている。
近年、軽量な輸送機器の開発が急務で、各種複合材料が採用されつつある。
ＣＦＲＰはすでに航空機産業では 機体の多くの部分に適用されるようになった。その穴あけや切断にはダイヤモンドカッターやウオータジェット切断などが利用されているが、
CFRPやＦＲＭなどの複合材料はマトリックスと強化繊維が異なる材質であるために、その切断、穴あけ、溝加工などの除去加工が困難であるばかりでなく、溶接・接合加工も非常に難しい。たとえば、ダイヤモンド切削時や研削時には炭素繊維が空中に飛散したりすると作業者が吸引し、人体に大きな問題となる。また、加工速度が遅く、加工費が高価ある。航空機以外の自動車、高速列車などの量産品への適用はレジャー品のゴルフクラブや釣り竿以外には十分適用されていないという課題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、複合材料はマトリックスに強化炭素繊維や強化ガラスなどの材料がプラスチックや金属のマトリッックスに複合化されており、その切断、穴あけ、溝加工および溶接、接合加工は非常に困難であり、ダイヤモンドカッターやウオータジェット切断などの機械加工では、小さい半径をもつ曲線切断やコーナー加工などは非常に困難である。特にミクロンオーダーの加工物になれば不可能である。また、切断面の繊維のほぐれの問題や加工コストが高いことがあり、その応用分野を限定している。とくにＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）材の切断時には、細かい炭素繊維が空中に飛散し、人体に問題があったり、材料費のみならず、加工費が高価あるという課題を解決する方法の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の２重レーザ切断法およびカスケードレーザ切断法は、上述の問題をこのような難加工材料をピコ秒パルスおよびナノ秒パルスレーザで１億分の１秒程度の超高速で材料を加熱除去できることにより、高品質に、高速で、熱影響なく、低コストで切断、穴あけ、溝加工を可能にする新レーザ加工法で解決するという手段をここでは提供する。
１００ピコ秒から５０ナノ秒のパルスでレーザを物体に照射すると、レーザ光が物体の原子構造中の電子と瞬時に作用し、物体の表面を数万度に加熱する。物質の熱拡散時間よりもパルスの時間幅が短いので、熱の蓄積が表面に生じて、材料（物質）の照射面近傍でのみ熱が発生し、その熱により材料は加熱、溶融、蒸発が起こり、イオン化・分解も起こる。この結果、材料内部への熱伝達はほとんどなく、熱歪みも生じないので、この特性をＣＦＲＰなどの複合材料に適用すると炭素繊維がまるでダイコンを包丁で輪切りしたように見事に切断できる。このように従来法ではできなかった加工法がピコ秒パルスレーザやナノ秒パルスレーザで可能となる。
【０００５】
請求項１の発明で示す加工法は１０ピコ秒から１００ナノ秒の範囲のパルス幅を持つ超短パルスレーザで、そのパルスエネルギーが１ｍＪ〜５００Ｊの範囲のＱースイッチ固体レーザを用いて、炭素繊維強化プラスチック（以下ＣＦＲＰと呼ぶ）を含む繊維強化プラスティック（以下ＦＲＰと呼ぶ）材料および複合材料合板（金属や無機材と複合材料の合板）を、数１０Ｈｚ〜数１００ｋＨｚの高繰り返す数でアシストガスを用いてまたは用いないで実施することを特徴とするレーザ切断、穴あけ加工、マーキング加工、溝加工、彫刻加工を含むレーザ除去加工法を提案している。
【０００６】
本発明請求項２のレーザ加工法は出力１０Ｗ以上で２０ｋＷまでの範囲の高出力連続発振固体レーザを用いて、ＦＲＰ材料及びＦＲＭ（繊維強化金属）材料を含む複合材料および複合材料合板を切断、穴あけ、溝加工および彫刻加工において粗加工した後に（直後の場合も含む）、その除去加工面の両面または片面をさらに上記請求項１に示す加工法で重ね（２重）加工することを特徴とするレーザ加工法、並びに高出力連続発振固体レーザの直後約１ｍｍ〜１００ｍｍ後方に、１ピコ秒から１００ナノ秒の範囲のパルス幅で連続発振固体レーザのビームスポット径より大きなビームスポット径を持つ超短パルスレーザビームを配置し、切断、穴あけ、溝加工面両面を同時に２重に加工する方法（図１参照）、および高出力連続発振固体レーザの直後約１ｍｍ〜１００ｍｍ後方に、１ピコ秒から１００ナノ秒の範囲のパルス幅で連続発振固体レーザのビームスポット径より小さいビームスポット径を持つ超短パルスレーザビームを配置し、切断、穴あけ、溝加工面片面を同時に２重に加工することを特徴とするレーザ加工法を提案した。（図２参照）。
【０００７】
請求項３で示す２重レーザ切断法で用いる超短パルスレーザは、Ｑ―スイッチＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ピコ秒固体レーザを含む固体レーザであり、その基本波長は約８００ｎｍ〜１０８０ｎｍの範囲にあり、その２倍波（ＹＡＧレーザの場合、波長が５３２ｎｍ）、３倍波（ＹＡＧレーザの場合、波長が３５５ｎｍ）をも含むレーザで、これらを用いることを特徴とする加工法を提案した。
【０００８】
請求項４に示す加工法は 前記請求項１、２および３において、複合材料とは 軽量で、高強度の複合材料である炭素繊維やガラス繊維で強化されたプラスチック（ＦＲＰ）または これらで強化された金属（ＦＲＭ）であり、マトリックスの材料（プラスチックまたは金属）と繊維材料（炭素繊維、ガラス繊維、ウイスカーなど）では著しく材料特性が異なるものを意味し、これらはレーザ吸収特性も異なり、融点も大きく異なるために、数億分の１秒というナノ秒で切断することにより、除去加工中の熱伝導を著しく抑制でき、レーザ切断、レーザ穴あけ、レーザマーキング、レーザ溝加工およびレーザ微細除去加工の除去（切断）面の品質を数段向上できるという特徴を有する。
また、この除去加工法はレーザの波長が８００ｎｍから１０８０ｎｍの範囲にあるピコ秒またはナノ秒パルス固体レーザで、１００ピコ秒から５０ナノ秒の範囲の超短パルス幅で、０．１〜２０ＧＷ/ｃｍ２の高出力密度を持ち、繰り返す数の大きい固体レーザを用いて空気中または水中で行うことを特徴としている。
【０００９】
請求項５のレーザ切断法は 高出力連続発振固体レーザを用い、超短パルスレーザとしてナノ秒パルス固体レーザを用いて、重ね除去加工する場合、まず、高出力連続発振固体レーザを用いて複合材料をレーザ除去加工したところを数１０μｍ〜数１００μｍ進行方向に垂直にずらして、再度同じ切断線に沿って切断、穴あけ、溝加工のレーザ除去加工を超短パルス固体レーザでビームスポット径をより大きく（図１の場合）またはより小さくして（図２の場合）、両面または片面をそれぞれ仕上げ加工することにより、前の粗加工の切断面に露出した繊維およびマトリックスの樹脂を後加工で蒸発除去（アブレーション）することを特徴とする両面または片面２重レーザ切断（除去）加工法を提案した。
【００１０】
請求項６に示す切断法は、板厚の厚い複合材料または複合材料合板を超短パルス固体レーザのみを用いて切断する場合、図３に示すようにカスケード状に表面より板底部に向かい順にレーザを照射し、多パス多層で蒸発・除去させ、深くまで切断することを特徴とするレーザ切断法を提案した。
【００１１】
請求項７に示す溶接継手は、複合材料または複合材料合板の溶接継手を加工する方法として、請求項１、２、３、４，および５に示す方法を用いて、図４に示すように、開先の形状をジグザグとしたり、モザイク状に精密に開先加工することにより製作された複合材料または複合材料合板のモザイク（ファスナー状）継手を複合材料に適切な溶接継手として提案した。
【００１２】
請求項８に示す溶接法は波長が５３２ｎｍから１０８０ｎｍの固体レーザを用いて、ＦＲＰ部材及びＦＲＭ（繊維強化金属）などの複合材料および複合材料合板同志または複合材料と金属の異種材料継手の突合せ継手、重ね継手、へり継手、すみ肉継手の接合部に熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂の混合物に強化繊維、強化ガラス、ウイスカーを含む強化材を数％〜８０％重量％添加した溶加材（ワイヤ、棒、粉体、ペースト状のもの）を充填しつつ、複合材料および複合材料合板とをレーザ溶接することを特徴とする接合方法を提案している。図５は溶加材の充填方法の一例を示す。溶加材の充填方法として ワイヤまたは棒状のものを機械的に接合部に充填する方法、溶接継手の接合面または接合部上部に塗布または配置して置く方法、または 樹脂と強化繊維または樹脂と強化ガラスの混合物の粉体をアルゴンガスやシールドガスを送給ガスとして接合部に充填する方法を用いて行うなどの方法がある。
【００１３】
請求項８における熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂の混合物とは、熱可塑性樹脂に重量％で１０％〜９９％の範囲の熱硬化性樹脂を混合した樹脂で、高温での樹脂の特性を考慮して配合した混合物である。これにさらに炭素繊維やガラス繊維などの繊維強化材を添加することにより、複合材料溶接部の強度が向上する特徴を有する。
【００１４】
請求項７に示しモザイク継手または複合材料を単層のプリプレグとし、これをさらに接着またはレーザ溶着することにより、多層に積層した板厚大きい高強度複合材料部材を図６のように製造することも可能である。
請求項１０に示す加工法および部材は複合材料の単層部材または金属母材およびＣＦＲＰ母材を上板および/または下板に用い、コルゲート板、チャンネル材または/及びコラム材をこれら上下平板の間に挟むコア材として用い、これらの部材を圧接または接合面に熱可塑性または熱硬化性の樹脂を塗布して、それぞれの可塑化温度または硬化温度以上に レーザまたはオーブンで加熱して圧接することを特徴とする軽量サンドイッチ部材の製造方法およびこの方法で製造したサンドイッチ部材を提案している。
【００１５】
軽量部材のサンドウイッチパネルを複合材料および金属材料で構成して製作することにおいて、請求項７、８，９及び１０に示す技術で製作したモザイク継手を持つ多層積層の複合材料部材として、図７のように上面板、中板（コンゲート板）または下面板として用いて、これらの面接合に接着剤を塗布して接着するか、または熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂の混合物を塗布してそれぞれの可塑化温度または硬化温度以上にレーザまたはオーブンで加熱して圧接する方法でパネルを製作する方法および作成された高強度、高じん性および高疲労強度の軽量パネルを提案した。
【００１６】
軽量部材のサンドウイッチパネルを複合材料および金属材料で構成して製作することにおいて、請求項７、８，９及び１０に示す技術で製作したモザイク継手を持つ多層積層の複合材料部材を従来の複合材料と併用して、上面板、中板（コンゲート板）または下面板として用い、この上面板および下面板に所定の切り込みを請求項４，５及び６に示す切断法で入れ、その会合面を請求項８および９に示す接合方法で接合し、中板とこれら上面板および下面板の面接合は接着またはレーザ溶着法で溶接してパネルを作成する方法および作成される軽量パネル（図８）およびＨ型コラム（図９）を提案した。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＣＦＲＰを含む複合材料が革新的なレーザ加工法により、精度良く、高品質で切断、穴あけ、溝加工、彫刻加工などの除去加工が可能となる。この精密な除去加工により、ＣＦＲＰを含む複合材料の微細レーザ加工が可能になり、炭素粉体の飛散も防止でき、人体への影響も低減できる。さらに複合材料に適正な形状の溶接継手を製作でき、従来より困難であった複合材料の突合せ溶接がモザイク継手を利用することで可能となる。この接合法を用いて、さらに軽量なパネルやＨ型コラムを製作できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態を説明する説明図である。両面２重レーザ切断法を示す。
【図２】第１実施形態を説明する説明図である。片面２重レーザ切断法を示す。
【図３】第２実施形態を説明する説明図である。超短パルスレーザによるカスケード切断法を示す。
【図４】第３実施形態を説明する説明図である。モザイク継手の例を示す。
【図５】第４実施形態を説明する説明図である。溶加材を用いたレーザ溶接法を示す。
【図６】第３実施形態を説明する説明図である。モザイク継手の積層材の例を示す。
【図７】第５実施形態を説明する説明図である。複合材料を用いたサンドウイッチパネルの例を示す
【図８】第５実施形態を説明する説明図である。 差し込み継手のあるサンドウイッチパネルの例を示す。
【図９】第５実施形態を説明する説明図である。差し込み継手のあるＨ型コラムの製作例を示す。
【図１０】第１実施形態を説明する説明図である。高出力連続発振固体レーザによるＣＦＲＰの切断面を示す。
【図１１】第１実施形態を説明する説明図である。超短パルス固体レーザによるＣＦＲＰの切断面を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００２０】
実施例１では超短パルス固体レーザのみの切断法、両面２重レーザ切断法および片面２重レーザ切断法について説明する。通常、高出力連続発振固体レーザ１（例えばファイバーレーザ）でＣＦＲＰのような複合材料６をレーザ切断すると図１０のように炭素繊維が剥き出て、かつその先端は溶融炭化して丸くなる。これを１００ピコ秒から５０ナノ秒超短パルスレーザ（例えば１０ナノ秒のナノ秒パルスレーザ）３で切断すると、レーザ光が物体の原子構造中の電子と瞬時に作用し、物体の表面を数万度に加熱する。物質の熱拡散時間よりもパルスの時間幅が短いので、熱の蓄積が表面に生じて、材料（物質）の照射面近傍でのみ熱が発生し、その熱により材料は加熱、溶融、蒸発が起こり、イオン化・分解も起こる。この結果、材料内部への熱伝達はほとんどなく、熱歪みも生じないので、この特性をＣＦＲＰなどの複合材料に適用すると炭素繊維がまるでダイコンを包丁で輪切りしたように図１１に示すように見事に切断できる。
【００２１】
超短パルスのパルスエネルギーが６．５ｍＪのＱースウイッチＹＡＧレーザ装置を用いて、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）の板材（板厚：０．７ｍｍ）の除去加工（レーザ切断）を２０Ｈｚでアシストガスを用いないで大気中で実施したところで、従来のＣＯ２レーザやファイバーレーザで切断した場合に切断部に見られる図１１に示すような炭素繊維のむき出しが見られない。非常に良好な切断品質の切断面が得られた。このような切断面は従来のレーザでは得られなかった。レーザパルス幅がピコ秒やナノ秒になるとこのような切断が可能となる。
【００２２】
他方、出力１０Ｗ以上で２０ｋＷまでの範囲の高出力連続発振固体レーザを用いて、ＦＲＰ材料及びＦＲＭ（繊維強化金属）材料を含む複合材料および複合材料合板を切断し、粗加工した後に、図１に示すように、その切断面５の両面を超短パルスレーザ３で、小出力で、高繰り返し数のレーザで切断する。集光レンズ（１）２で集光された先行のレーザ１と集光レンズ（２）４で集光された後行のレーザ３の間隔は約１ｍｍ〜１００ｍｍとし、１００ピコ秒から５０ナノ秒の範囲のパルス幅で高出力連続発振固体レーザ１のビームスポット径より大きなビームスポット径を持つ超短パルスレーザビームを配置し、切断面両面を同時に２重切断すると厚いＣＦＲＰ材も高品質で切断できる。これを「両面２重レーザ切断法」とここでは呼ぶ。他方、図２に示すように高出力連続発振固体レーザのビームスポット径よりも小さいビームスポット径の超短パルスレーザビームを配置し、切断面５の片面を２重レーザ切断する方法を「片面２重レーザ切断法」と呼ぶ。その結果、図１１に示すような切断面７が得られる。
【実施例２】
【００２３】
実施例２は超短パルスレーザを用いたカスケード切断法について説明する。図３はレーザパスを全切断線の内、その数分の１に分けて、表面からカスケード切断第１パス８，カスケード切断第２パス９，カスケード切断第ｎパス１０を切断し、次の部分をまたカスケード切断第（ｎ＋１）パス１１，カスケード切断第（ｎ＋２）パス１２、カスケー切断第（ｎ＋３）パス１３と順次切断をして行く方法で厚い板厚の複合材料を切断する方法である。これを超短パルスレーザカスケード切断法とここでは呼ぶ。なぜなら、超短パルスレーザの１パスで除去される材料の量は数立方ｍｍと少ないからである。しかし、それが故、切断面の品質は非常によく、図１１に示すような切断面となる。このために、超短パルスレーザのパルス繰り返し数は数ｋＨｚから数１００ｋＨｚの範囲のものが適切である。よって、多パス多層でＣＦＲＰなどを切断することになる。高出力連続発振固体レーザやＣＯ２レーザを用いたレーザ切断にはアシストガスが通常用いられるが、超短パルスレーザによる切断では必ずしもアシストガスが必要でない。
【実施例３】
【００２４】
図４はモザイク継手を示す。１４は複合材料Ａ、１５は複合材料Ｂまたは金属材料、１６は溶接開先面である。複合材料または複合材料合板の溶接継手の開先として、推奨されるもので、実施例１および２の技術により開先の形状をジグザグとしたり、モザイク状に精密に開先加工することができ、複合材料または複合材料合板の溶接継手として、適切な継手となる。
【００２５】
図６はこのような継手を溶接してできたモザイク溶接継手の単層材および多層材を示す。
２０はモザイク継手単層材、２１はモザイク継手多層材、２２はモザイク継手多層材（第１層）、２３はモザイク継手多層材（第２層）、２４はモザイク継手多層材（第３層）、２５はモザイク継手多層材（第４層）、２６はモザイク継手多層材（第５層）を示す。単層材をさらに接着材を塗布してオーブン加熱して面接合したり、レーザで加熱して溶着することにより、多層に積層した板厚の大きい高強度複合材料部材を製造することが可能となる。
【実施例４】
【００２６】
図５は複合材料のための溶加材を用いたレーザ溶接法を示す。１は高出力連続発振固体レーザ、２は集光レンズ１、６は繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）または金属（ＦＲＭ）、１７は溶加材（ワイヤ）、１８はシールドガスノズル、１９はワイヤ送給装置（ローラー）である。
波長が５３２ｎｍから１０８０ｎｍの高出力連続発振固体レーザ１を用いて、ＦＲＰ部材及びＦＲＭ（繊維強化金属）などの複合材料および複合材料合板６同志または複合材料と金属の異種材料継手の突合せ継手、重ね継手、へり継手、すみ肉継手の接合部に熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、および熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂の混合したものに、強化繊維、強化ガラス、ウイスカーを含む強化材を数％〜８０％重量％添加した溶加材１７（ワイヤ、棒、粉体、ペースト状のもの）を充填しつつ、複合材料および複合材料合板６とをレーザ溶接する方法である。
【００２７】
図５は溶加材の充填方法の一例であるワイヤ形態の実施例を示す。溶加材の充填方法として ワイヤまたは棒状のものを機械的に接合部に充填する方法、溶接継手の接合面または接合部上部に塗布または配置して置く方法、または 樹脂と強化繊維または樹脂と強化ガラスの混合物の粉体をアルゴンガスやシールドガスを送給ガスとして接合部に充填する方法などがあるが、どのような溶接姿勢でも供給が容易なワイヤ方式を示している。
【００２８】
この実施例４における熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂の混合物である溶加材は、熱可塑性樹脂に重量％で１０％〜９９％の範囲の熱硬化性樹脂を混合した樹脂をベース組成として、これにさらに炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維、各種ウイスカーなどの繊維強化材を数％〜８０％添加したものを用いる。それにより複合材料溶接部の強度やじん性が向上する。
【実施例５】
【００２９】
比強度の硬いＣＦＲＰなどの複合材料をさらにサンドウイッチパネルやＨ型コラムにして構造物や部品に適用するとさらに軽くて、強度の高い部材を提供できる。図７は複合材料を用いたサンドウイッチパネルの例を示す。１４は複合材料Ａ、１５は複合材料Ｂ（または金属材料）、１６は溶接開先面、２７はパネル接合面である。
複合材料１４および複合材料または金属材料１５を上板および/または下板に用い、コルゲート板、チャンネル材または/及びコラム材をこれら上下平板の間に挟むコア材として用い、これらの部材を圧接または接合面に熱可塑性または熱硬化性の樹脂を塗布して、それぞれの可塑化温度または硬化温度以上に レーザまたはオーブンで加熱して圧接することで軽量サンドイッチ部材を製造できる。
【００３０】
図８は差し込み継手をもつ軽量サンドイッチ部材である。２８は差し込み継手を示す。
軽量部材のサンドウイッチパネルを複合材料１４および複合材料または金属材料１５で構成して製作することにおいて、モザイク継手を持つ多層積層の複合材料１４を従来の複合材料と併用して、上面板、中板（コンゲート板）または下面板として用い、この上面板および下面板に所定の切り込み２８をレーザ切断法で入れ、その会合面をレーザ溶接で接合し、中板とこれら上面板および下面板の面接合は接着またはレーザ溶着法で溶接してパネルを作成すると 強度的にも高い、軽量の構造用パネルや図８で示すようなＨ型コラムを製造できる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は複合材料を航空機部材のみならず、自動車、高速列車、船舶、建築、産業機械、航空宇宙機器、駐車施設、圧力容器などの部材として利用すれば、それらを軽量化できる。非常に広い適用分野がある。
【符号の説明】
【００３２】
１：高出力連続発振固体レーザ
２：集光レンズ１
３：超短パルスレーザ
４：集光レンズ２
５：切断溝(高出力連続発振レーザ切断後）
６：繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）または金属（ＦＲＭ）
７：切断溝（超短パルスレーザ切断後）
８：カスケード切断第１パス
９：カスケード切断第２パス
１０：カスケード切断第ｎパス
１１：カスケード切断第（ｎ＋１）パス
１２：カスケード切断第（ｎ＋２）パス
１３：カスケード切断第（ｎ＋３）パス
１４：複合材料Ａ
１５：複合材料Ｂ（または金属材料）
１６：溶接開先面
１７：溶加材（ワイヤ）
１８：シールドガスノズル
１９：ワイヤ送給装置（ローラー）
２０：モザイク継手単層材
２１：モザイク継手多層材
２２：モザイク継手多層材（第１層）
２３：モザイク継手多層材（第２層）
２４：モザイク継手多層材（第３層）
２５：モザイク継手多層材（第４層）
２６：モザイク継手多層材（第５層）
２７：パネル接合面
２８：差し込み継手
【技術分野】
【０００１】
本発明者は繊維強化複合材料のレーザ加工法および加工部材に関する。
本技術はこれらの難加工材であるＣＦＲＰやＣＦＲＭの複合材料を最新レーザ加工法で解決する手法を提案した。
【背景技術】
【０００２】
自動車、航空機、船舶、鉄道車両などの産業が抱えている現在のエネルギー問題、環境問題、資源問題を解決するために、軽量化、高性能化、高効率化、省資源・リサイクル化を実現しうる新材料とその加工技術の開発が叫ばれている。
近年、軽量な輸送機器の開発が急務で、各種複合材料が採用されつつある。
ＣＦＲＰはすでに航空機産業では 機体の多くの部分に適用されるようになった。その穴あけや切断にはダイヤモンドカッターやウオータジェット切断などが利用されているが、
CFRPやＦＲＭなどの複合材料はマトリックスと強化繊維が異なる材質であるために、その切断、穴あけ、溝加工などの除去加工が困難であるばかりでなく、溶接・接合加工も非常に難しい。たとえば、ダイヤモンド切削時や研削時には炭素繊維が空中に飛散したりすると作業者が吸引し、人体に大きな問題となる。また、加工速度が遅く、加工費が高価ある。航空機以外の自動車、高速列車などの量産品への適用はレジャー品のゴルフクラブや釣り竿以外には十分適用されていないという課題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、複合材料はマトリックスに強化炭素繊維や強化ガラスなどの材料がプラスチックや金属のマトリッックスに複合化されており、その切断、穴あけ、溝加工および溶接、接合加工は非常に困難であり、ダイヤモンドカッターやウオータジェット切断などの機械加工では、小さい半径をもつ曲線切断やコーナー加工などは非常に困難である。特にミクロンオーダーの加工物になれば不可能である。また、切断面の繊維のほぐれの問題や加工コストが高いことがあり、その応用分野を限定している。とくにＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）材の切断時には、細かい炭素繊維が空中に飛散し、人体に問題があったり、材料費のみならず、加工費が高価あるという課題を解決する方法の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の２重レーザ切断法およびカスケードレーザ切断法は、上述の問題をこのような難加工材料をピコ秒パルスおよびナノ秒パルスレーザで１億分の１秒程度の超高速で材料を加熱除去できることにより、高品質に、高速で、熱影響なく、低コストで切断、穴あけ、溝加工を可能にする新レーザ加工法で解決するという手段をここでは提供する。
１００ピコ秒から５０ナノ秒のパルスでレーザを物体に照射すると、レーザ光が物体の原子構造中の電子と瞬時に作用し、物体の表面を数万度に加熱する。物質の熱拡散時間よりもパルスの時間幅が短いので、熱の蓄積が表面に生じて、材料（物質）の照射面近傍でのみ熱が発生し、その熱により材料は加熱、溶融、蒸発が起こり、イオン化・分解も起こる。この結果、材料内部への熱伝達はほとんどなく、熱歪みも生じないので、この特性をＣＦＲＰなどの複合材料に適用すると炭素繊維がまるでダイコンを包丁で輪切りしたように見事に切断できる。このように従来法ではできなかった加工法がピコ秒パルスレーザやナノ秒パルスレーザで可能となる。
【０００５】
請求項１の発明で示す加工法は１０ピコ秒から１００ナノ秒の範囲のパルス幅を持つ超短パルスレーザで、そのパルスエネルギーが１ｍＪ〜５００Ｊの範囲のＱースイッチ固体レーザを用いて、炭素繊維強化プラスチック（以下ＣＦＲＰと呼ぶ）を含む繊維強化プラスティック（以下ＦＲＰと呼ぶ）材料および複合材料合板（金属や無機材と複合材料の合板）を、数１０Ｈｚ〜数１００ｋＨｚの高繰り返す数でアシストガスを用いてまたは用いないで実施することを特徴とするレーザ切断、穴あけ加工、マーキング加工、溝加工、彫刻加工を含むレーザ除去加工法を提案している。
【０００６】
本発明請求項２のレーザ加工法は出力１０Ｗ以上で２０ｋＷまでの範囲の高出力連続発振固体レーザを用いて、ＦＲＰ材料及びＦＲＭ（繊維強化金属）材料を含む複合材料および複合材料合板を切断、穴あけ、溝加工および彫刻加工において粗加工した後に（直後の場合も含む）、その除去加工面の両面または片面をさらに上記請求項１に示す加工法で重ね（２重）加工することを特徴とするレーザ加工法、並びに高出力連続発振固体レーザの直後約１ｍｍ〜１００ｍｍ後方に、１ピコ秒から１００ナノ秒の範囲のパルス幅で連続発振固体レーザのビームスポット径より大きなビームスポット径を持つ超短パルスレーザビームを配置し、切断、穴あけ、溝加工面両面を同時に２重に加工する方法（図１参照）、および高出力連続発振固体レーザの直後約１ｍｍ〜１００ｍｍ後方に、１ピコ秒から１００ナノ秒の範囲のパルス幅で連続発振固体レーザのビームスポット径より小さいビームスポット径を持つ超短パルスレーザビームを配置し、切断、穴あけ、溝加工面片面を同時に２重に加工することを特徴とするレーザ加工法を提案した。（図２参照）。
【０００７】
請求項３で示す２重レーザ切断法で用いる超短パルスレーザは、Ｑ―スイッチＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ピコ秒固体レーザを含む固体レーザであり、その基本波長は約８００ｎｍ〜１０８０ｎｍの範囲にあり、その２倍波（ＹＡＧレーザの場合、波長が５３２ｎｍ）、３倍波（ＹＡＧレーザの場合、波長が３５５ｎｍ）をも含むレーザで、これらを用いることを特徴とする加工法を提案した。
【０００８】
請求項４に示す加工法は 前記請求項１、２および３において、複合材料とは 軽量で、高強度の複合材料である炭素繊維やガラス繊維で強化されたプラスチック（ＦＲＰ）または これらで強化された金属（ＦＲＭ）であり、マトリックスの材料（プラスチックまたは金属）と繊維材料（炭素繊維、ガラス繊維、ウイスカーなど）では著しく材料特性が異なるものを意味し、これらはレーザ吸収特性も異なり、融点も大きく異なるために、数億分の１秒というナノ秒で切断することにより、除去加工中の熱伝導を著しく抑制でき、レーザ切断、レーザ穴あけ、レーザマーキング、レーザ溝加工およびレーザ微細除去加工の除去（切断）面の品質を数段向上できるという特徴を有する。
また、この除去加工法はレーザの波長が８００ｎｍから１０８０ｎｍの範囲にあるピコ秒またはナノ秒パルス固体レーザで、１００ピコ秒から５０ナノ秒の範囲の超短パルス幅で、０．１〜２０ＧＷ/ｃｍ２の高出力密度を持ち、繰り返す数の大きい固体レーザを用いて空気中または水中で行うことを特徴としている。
【０００９】
請求項５のレーザ切断法は 高出力連続発振固体レーザを用い、超短パルスレーザとしてナノ秒パルス固体レーザを用いて、重ね除去加工する場合、まず、高出力連続発振固体レーザを用いて複合材料をレーザ除去加工したところを数１０μｍ〜数１００μｍ進行方向に垂直にずらして、再度同じ切断線に沿って切断、穴あけ、溝加工のレーザ除去加工を超短パルス固体レーザでビームスポット径をより大きく（図１の場合）またはより小さくして（図２の場合）、両面または片面をそれぞれ仕上げ加工することにより、前の粗加工の切断面に露出した繊維およびマトリックスの樹脂を後加工で蒸発除去（アブレーション）することを特徴とする両面または片面２重レーザ切断（除去）加工法を提案した。
【００１０】
請求項６に示す切断法は、板厚の厚い複合材料または複合材料合板を超短パルス固体レーザのみを用いて切断する場合、図３に示すようにカスケード状に表面より板底部に向かい順にレーザを照射し、多パス多層で蒸発・除去させ、深くまで切断することを特徴とするレーザ切断法を提案した。
【００１１】
請求項７に示す溶接継手は、複合材料または複合材料合板の溶接継手を加工する方法として、請求項１、２、３、４，および５に示す方法を用いて、図４に示すように、開先の形状をジグザグとしたり、モザイク状に精密に開先加工することにより製作された複合材料または複合材料合板のモザイク（ファスナー状）継手を複合材料に適切な溶接継手として提案した。
【００１２】
請求項８に示す溶接法は波長が５３２ｎｍから１０８０ｎｍの固体レーザを用いて、ＦＲＰ部材及びＦＲＭ（繊維強化金属）などの複合材料および複合材料合板同志または複合材料と金属の異種材料継手の突合せ継手、重ね継手、へり継手、すみ肉継手の接合部に熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂の混合物に強化繊維、強化ガラス、ウイスカーを含む強化材を数％〜８０％重量％添加した溶加材（ワイヤ、棒、粉体、ペースト状のもの）を充填しつつ、複合材料および複合材料合板とをレーザ溶接することを特徴とする接合方法を提案している。図５は溶加材の充填方法の一例を示す。溶加材の充填方法として ワイヤまたは棒状のものを機械的に接合部に充填する方法、溶接継手の接合面または接合部上部に塗布または配置して置く方法、または 樹脂と強化繊維または樹脂と強化ガラスの混合物の粉体をアルゴンガスやシールドガスを送給ガスとして接合部に充填する方法を用いて行うなどの方法がある。
【００１３】
請求項８における熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂の混合物とは、熱可塑性樹脂に重量％で１０％〜９９％の範囲の熱硬化性樹脂を混合した樹脂で、高温での樹脂の特性を考慮して配合した混合物である。これにさらに炭素繊維やガラス繊維などの繊維強化材を添加することにより、複合材料溶接部の強度が向上する特徴を有する。
【００１４】
請求項７に示しモザイク継手または複合材料を単層のプリプレグとし、これをさらに接着またはレーザ溶着することにより、多層に積層した板厚大きい高強度複合材料部材を図６のように製造することも可能である。
請求項１０に示す加工法および部材は複合材料の単層部材または金属母材およびＣＦＲＰ母材を上板および/または下板に用い、コルゲート板、チャンネル材または/及びコラム材をこれら上下平板の間に挟むコア材として用い、これらの部材を圧接または接合面に熱可塑性または熱硬化性の樹脂を塗布して、それぞれの可塑化温度または硬化温度以上に レーザまたはオーブンで加熱して圧接することを特徴とする軽量サンドイッチ部材の製造方法およびこの方法で製造したサンドイッチ部材を提案している。
【００１５】
軽量部材のサンドウイッチパネルを複合材料および金属材料で構成して製作することにおいて、請求項７、８，９及び１０に示す技術で製作したモザイク継手を持つ多層積層の複合材料部材として、図７のように上面板、中板（コンゲート板）または下面板として用いて、これらの面接合に接着剤を塗布して接着するか、または熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂の混合物を塗布してそれぞれの可塑化温度または硬化温度以上にレーザまたはオーブンで加熱して圧接する方法でパネルを製作する方法および作成された高強度、高じん性および高疲労強度の軽量パネルを提案した。
【００１６】
軽量部材のサンドウイッチパネルを複合材料および金属材料で構成して製作することにおいて、請求項７、８，９及び１０に示す技術で製作したモザイク継手を持つ多層積層の複合材料部材を従来の複合材料と併用して、上面板、中板（コンゲート板）または下面板として用い、この上面板および下面板に所定の切り込みを請求項４，５及び６に示す切断法で入れ、その会合面を請求項８および９に示す接合方法で接合し、中板とこれら上面板および下面板の面接合は接着またはレーザ溶着法で溶接してパネルを作成する方法および作成される軽量パネル（図８）およびＨ型コラム（図９）を提案した。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ＣＦＲＰを含む複合材料が革新的なレーザ加工法により、精度良く、高品質で切断、穴あけ、溝加工、彫刻加工などの除去加工が可能となる。この精密な除去加工により、ＣＦＲＰを含む複合材料の微細レーザ加工が可能になり、炭素粉体の飛散も防止でき、人体への影響も低減できる。さらに複合材料に適正な形状の溶接継手を製作でき、従来より困難であった複合材料の突合せ溶接がモザイク継手を利用することで可能となる。この接合法を用いて、さらに軽量なパネルやＨ型コラムを製作できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態を説明する説明図である。両面２重レーザ切断法を示す。
【図２】第１実施形態を説明する説明図である。片面２重レーザ切断法を示す。
【図３】第２実施形態を説明する説明図である。超短パルスレーザによるカスケード切断法を示す。
【図４】第３実施形態を説明する説明図である。モザイク継手の例を示す。
【図５】第４実施形態を説明する説明図である。溶加材を用いたレーザ溶接法を示す。
【図６】第３実施形態を説明する説明図である。モザイク継手の積層材の例を示す。
【図７】第５実施形態を説明する説明図である。複合材料を用いたサンドウイッチパネルの例を示す
【図８】第５実施形態を説明する説明図である。 差し込み継手のあるサンドウイッチパネルの例を示す。
【図９】第５実施形態を説明する説明図である。差し込み継手のあるＨ型コラムの製作例を示す。
【図１０】第１実施形態を説明する説明図である。高出力連続発振固体レーザによるＣＦＲＰの切断面を示す。
【図１１】第１実施形態を説明する説明図である。超短パルス固体レーザによるＣＦＲＰの切断面を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【実施例１】
【００２０】
実施例１では超短パルス固体レーザのみの切断法、両面２重レーザ切断法および片面２重レーザ切断法について説明する。通常、高出力連続発振固体レーザ１（例えばファイバーレーザ）でＣＦＲＰのような複合材料６をレーザ切断すると図１０のように炭素繊維が剥き出て、かつその先端は溶融炭化して丸くなる。これを１００ピコ秒から５０ナノ秒超短パルスレーザ（例えば１０ナノ秒のナノ秒パルスレーザ）３で切断すると、レーザ光が物体の原子構造中の電子と瞬時に作用し、物体の表面を数万度に加熱する。物質の熱拡散時間よりもパルスの時間幅が短いので、熱の蓄積が表面に生じて、材料（物質）の照射面近傍でのみ熱が発生し、その熱により材料は加熱、溶融、蒸発が起こり、イオン化・分解も起こる。この結果、材料内部への熱伝達はほとんどなく、熱歪みも生じないので、この特性をＣＦＲＰなどの複合材料に適用すると炭素繊維がまるでダイコンを包丁で輪切りしたように図１１に示すように見事に切断できる。
【００２１】
超短パルスのパルスエネルギーが６．５ｍＪのＱースウイッチＹＡＧレーザ装置を用いて、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）の板材（板厚：０．７ｍｍ）の除去加工（レーザ切断）を２０Ｈｚでアシストガスを用いないで大気中で実施したところで、従来のＣＯ２レーザやファイバーレーザで切断した場合に切断部に見られる図１１に示すような炭素繊維のむき出しが見られない。非常に良好な切断品質の切断面が得られた。このような切断面は従来のレーザでは得られなかった。レーザパルス幅がピコ秒やナノ秒になるとこのような切断が可能となる。
【００２２】
他方、出力１０Ｗ以上で２０ｋＷまでの範囲の高出力連続発振固体レーザを用いて、ＦＲＰ材料及びＦＲＭ（繊維強化金属）材料を含む複合材料および複合材料合板を切断し、粗加工した後に、図１に示すように、その切断面５の両面を超短パルスレーザ３で、小出力で、高繰り返し数のレーザで切断する。集光レンズ（１）２で集光された先行のレーザ１と集光レンズ（２）４で集光された後行のレーザ３の間隔は約１ｍｍ〜１００ｍｍとし、１００ピコ秒から５０ナノ秒の範囲のパルス幅で高出力連続発振固体レーザ１のビームスポット径より大きなビームスポット径を持つ超短パルスレーザビームを配置し、切断面両面を同時に２重切断すると厚いＣＦＲＰ材も高品質で切断できる。これを「両面２重レーザ切断法」とここでは呼ぶ。他方、図２に示すように高出力連続発振固体レーザのビームスポット径よりも小さいビームスポット径の超短パルスレーザビームを配置し、切断面５の片面を２重レーザ切断する方法を「片面２重レーザ切断法」と呼ぶ。その結果、図１１に示すような切断面７が得られる。
【実施例２】
【００２３】
実施例２は超短パルスレーザを用いたカスケード切断法について説明する。図３はレーザパスを全切断線の内、その数分の１に分けて、表面からカスケード切断第１パス８，カスケード切断第２パス９，カスケード切断第ｎパス１０を切断し、次の部分をまたカスケード切断第（ｎ＋１）パス１１，カスケード切断第（ｎ＋２）パス１２、カスケー切断第（ｎ＋３）パス１３と順次切断をして行く方法で厚い板厚の複合材料を切断する方法である。これを超短パルスレーザカスケード切断法とここでは呼ぶ。なぜなら、超短パルスレーザの１パスで除去される材料の量は数立方ｍｍと少ないからである。しかし、それが故、切断面の品質は非常によく、図１１に示すような切断面となる。このために、超短パルスレーザのパルス繰り返し数は数ｋＨｚから数１００ｋＨｚの範囲のものが適切である。よって、多パス多層でＣＦＲＰなどを切断することになる。高出力連続発振固体レーザやＣＯ２レーザを用いたレーザ切断にはアシストガスが通常用いられるが、超短パルスレーザによる切断では必ずしもアシストガスが必要でない。
【実施例３】
【００２４】
図４はモザイク継手を示す。１４は複合材料Ａ、１５は複合材料Ｂまたは金属材料、１６は溶接開先面である。複合材料または複合材料合板の溶接継手の開先として、推奨されるもので、実施例１および２の技術により開先の形状をジグザグとしたり、モザイク状に精密に開先加工することができ、複合材料または複合材料合板の溶接継手として、適切な継手となる。
【００２５】
図６はこのような継手を溶接してできたモザイク溶接継手の単層材および多層材を示す。
２０はモザイク継手単層材、２１はモザイク継手多層材、２２はモザイク継手多層材（第１層）、２３はモザイク継手多層材（第２層）、２４はモザイク継手多層材（第３層）、２５はモザイク継手多層材（第４層）、２６はモザイク継手多層材（第５層）を示す。単層材をさらに接着材を塗布してオーブン加熱して面接合したり、レーザで加熱して溶着することにより、多層に積層した板厚の大きい高強度複合材料部材を製造することが可能となる。
【実施例４】
【００２６】
図５は複合材料のための溶加材を用いたレーザ溶接法を示す。１は高出力連続発振固体レーザ、２は集光レンズ１、６は繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）または金属（ＦＲＭ）、１７は溶加材（ワイヤ）、１８はシールドガスノズル、１９はワイヤ送給装置（ローラー）である。
波長が５３２ｎｍから１０８０ｎｍの高出力連続発振固体レーザ１を用いて、ＦＲＰ部材及びＦＲＭ（繊維強化金属）などの複合材料および複合材料合板６同志または複合材料と金属の異種材料継手の突合せ継手、重ね継手、へり継手、すみ肉継手の接合部に熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、および熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂の混合したものに、強化繊維、強化ガラス、ウイスカーを含む強化材を数％〜８０％重量％添加した溶加材１７（ワイヤ、棒、粉体、ペースト状のもの）を充填しつつ、複合材料および複合材料合板６とをレーザ溶接する方法である。
【００２７】
図５は溶加材の充填方法の一例であるワイヤ形態の実施例を示す。溶加材の充填方法として ワイヤまたは棒状のものを機械的に接合部に充填する方法、溶接継手の接合面または接合部上部に塗布または配置して置く方法、または 樹脂と強化繊維または樹脂と強化ガラスの混合物の粉体をアルゴンガスやシールドガスを送給ガスとして接合部に充填する方法などがあるが、どのような溶接姿勢でも供給が容易なワイヤ方式を示している。
【００２８】
この実施例４における熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂の混合物である溶加材は、熱可塑性樹脂に重量％で１０％〜９９％の範囲の熱硬化性樹脂を混合した樹脂をベース組成として、これにさらに炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維、各種ウイスカーなどの繊維強化材を数％〜８０％添加したものを用いる。それにより複合材料溶接部の強度やじん性が向上する。
【実施例５】
【００２９】
比強度の硬いＣＦＲＰなどの複合材料をさらにサンドウイッチパネルやＨ型コラムにして構造物や部品に適用するとさらに軽くて、強度の高い部材を提供できる。図７は複合材料を用いたサンドウイッチパネルの例を示す。１４は複合材料Ａ、１５は複合材料Ｂ（または金属材料）、１６は溶接開先面、２７はパネル接合面である。
複合材料１４および複合材料または金属材料１５を上板および/または下板に用い、コルゲート板、チャンネル材または/及びコラム材をこれら上下平板の間に挟むコア材として用い、これらの部材を圧接または接合面に熱可塑性または熱硬化性の樹脂を塗布して、それぞれの可塑化温度または硬化温度以上に レーザまたはオーブンで加熱して圧接することで軽量サンドイッチ部材を製造できる。
【００３０】
図８は差し込み継手をもつ軽量サンドイッチ部材である。２８は差し込み継手を示す。
軽量部材のサンドウイッチパネルを複合材料１４および複合材料または金属材料１５で構成して製作することにおいて、モザイク継手を持つ多層積層の複合材料１４を従来の複合材料と併用して、上面板、中板（コンゲート板）または下面板として用い、この上面板および下面板に所定の切り込み２８をレーザ切断法で入れ、その会合面をレーザ溶接で接合し、中板とこれら上面板および下面板の面接合は接着またはレーザ溶着法で溶接してパネルを作成すると 強度的にも高い、軽量の構造用パネルや図８で示すようなＨ型コラムを製造できる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は複合材料を航空機部材のみならず、自動車、高速列車、船舶、建築、産業機械、航空宇宙機器、駐車施設、圧力容器などの部材として利用すれば、それらを軽量化できる。非常に広い適用分野がある。
【符号の説明】
【００３２】
１：高出力連続発振固体レーザ
２：集光レンズ１
３：超短パルスレーザ
４：集光レンズ２
５：切断溝(高出力連続発振レーザ切断後）
６：繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）または金属（ＦＲＭ）
７：切断溝（超短パルスレーザ切断後）
８：カスケード切断第１パス
９：カスケード切断第２パス
１０：カスケード切断第ｎパス
１１：カスケード切断第（ｎ＋１）パス
１２：カスケード切断第（ｎ＋２）パス
１３：カスケード切断第（ｎ＋３）パス
１４：複合材料Ａ
１５：複合材料Ｂ（または金属材料）
１６：溶接開先面
１７：溶加材（ワイヤ）
１８：シールドガスノズル
１９：ワイヤ送給装置（ローラー）
２０：モザイク継手単層材
２１：モザイク継手多層材
２２：モザイク継手多層材（第１層）
２３：モザイク継手多層材（第２層）
２４：モザイク継手多層材（第３層）
２５：モザイク継手多層材（第４層）
２６：モザイク継手多層材（第５層）
２７：パネル接合面
２８：差し込み継手
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０ピコ秒から１００ナノ秒の範囲のパルス幅を持つ超短パルスレーザで、そのパルスエネルギーが１ｍＪ〜５００Ｊの範囲のＱースイッチ固体レーザを用いて、炭素繊維強化プラスチック（以下ＣＦＲＰと呼ぶ）を含む繊維強化プラスティック（以下ＦＲＰと呼ぶ）材料および複合材料合板（金属や無機材と複合材料の合板）を、数１０Ｈｚ〜数１００ｋＨｚの高繰り返す数でアシストガスを用いてまたは用いないで実施するレーザ切断、穴あけ加工、マーキング加工、溝加工、彫刻加工を含むレーザ除去加工法
【請求項２】
出力１０Ｗ以上で２０ｋＷまでの範囲の高出力連続発振固体レーザを用いて、ＦＲＰ材料及びＦＲＭ（繊維強化金属）材料を含む複合材料および複合材料合板を切断、穴あけ、溝加工および彫刻加工において粗加工した後に（直後の場合も含む）、その除去加工面の両面または片面をさらに上記請求項１に示す加工法で重ね（２重）加工することを特徴とするレーザ加工法、並びに高出力連続発振固体レーザの直後約１ｍｍ〜１００ｍｍ後方に、１ピコ秒から１００ナノ秒の範囲のパルス幅で連続発振固体レーザのビームスポット径より大きなビームスポット径を持つ超短パルスレーザビームを配置し、切断、穴あけ、溝加工面両面を同時に２重に加工する方法、および高出力連続発振固体レーザの直後約１ｍｍ〜１００ｍｍ後方に、１ピコ秒から１００ナノ秒の範囲のパルス幅で連続発振固体レーザのビームスポット径より小さいビームスポット径を持つ超短パルスレーザビームを配置し、切断、穴あけ、溝加工面片面を同時に２重に加工する方法。
【請求項３】
前記請求項１および２の超短パルスレーザは、Ｑ―スイッチＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ピコ秒固体レーザを含む固体レーザであり、その基本波長は約８００ｎｍ〜１０８０ｎｍの範囲にあり、その２倍波（ＹＡＧレーザの場合、波長が５３２ｎｍ）、３倍波（ＹＡＧレーザの場合、波長が３５５ｎｍ）をも含むレーザを用いることを特徴とする加工法。
【請求項４】
前記請求項１、２および３において、複合材料および複合材料合板のレーザ除去加工における加工条件としては １００ピコ秒から５０ナノ秒の範囲の超短パルス幅で、０．１〜２０ＧＷ/ｃｍ２の範囲の高エネルギー密度のレーザビームを用いて空気中または水中で行う加工法
【請求項５】
前記請求項１、および２における１０Ｗ〜２０ｋＷ高出力連続発振固体レーザとしてファイバーレーザを用い、超短パルスレーザとしてＱースイッチＹＡＧレーザを用いて、重ね加工する場合、ファイバーレーザでＣＦＲＰなどの複合材料をレーザ除去加工したところを数１０μm〜数１００μｍ進行方向に垂直にずらして、再度切断線に沿って切断、穴あけ、溝加工のレーザ除去加工を超短パルス固体レーザのビームスポット径をより大きくまたはより小さくして、両面または片面をそれぞれ仕上げ加工することにより、前の粗加工の切断面に露出した繊維およびマトリックスの樹脂を後加工で除去することを特徴とする両面または片面２重レーザ切断加工法。
【請求項６】
前記請求項１および３において、板厚の厚い複合材料または複合材料合板を超短パルス固体レーザのみを用いて切断する場合、カスケード状に表面より多層で蒸発・除去させ、深くまで多パスで切断するレーザ切断法
【請求項７】
複合材料または複合材料合板の溶接継手を加工する方法として、前記請求項１、２、３、４および５に示す方法を用いて、開先の形状をジグザグとしたり、モザイク状に精密に開先加工することに製作された複合材料または複合材料合板のモザイク（ファスナー状）継手
【請求項８】
波長が５３２ｎｍから１０７０ｎｍの固体レーザを用いて、ＦＲＰ部材及びＦＲＭ（繊維強化金属）などの複合材料および複合材料合板同志または複合材料と金属の異種材料継手の突合せ継手、重ね継手、へり継手、すみ肉継手の接合部に熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、および熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂の混合したものに、強化繊維、強化ガラス、ウイスカーを含む強化材を数％〜８０％重量％添加した溶加材（ワイヤ、棒、粉体、ペースト状のもの）を充填しつつ、複合材料および複合材料合板とをレーザ溶接することを特徴とする接合方法
【請求項９】
前記請求項８における熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂の混合物が、熱可塑性樹脂に重量％で１０％〜９９％の範囲の熱硬化性樹脂を混合した樹脂で、高温での樹脂の特性を考慮して配合した混合樹脂で、これにさらに繊維強化材を数重量％から最大５０重量％添加したことを特徴とする溶加材。
【請求項１０】
前記請求項７に示しモザイク継手または複合材料を単層のプリプレグとし、これをさらに接着またはレーザ溶着することにより、積層して多層板を作製する方法および作製する高強度複合材料部材
【請求項１１】
軽量部材のサンドウイッチパネルを複合材料および金属材料で構成して製作することにおいて、前記請求項７、８，９及び１０に示す技術で製作したモザイク継手を持つ多層積層の複合材料部材として、上面板、中板（コンゲート板）または下面板として用いて、これらの面接合を接着技術またはレーザ透過溶着法で行いパネルを製作する方法および作成された高強度、高じん性および高疲労強度の軽量パネル
【請求項１２】
軽量部材のサンドウイッチパネルを複合材料および金属材料で構成して製作することにおいて、前記請求項７、８，９及び１０に示す技術で製作したモザイク継手を持つ多層積層の複合材料部材を従来の複合材料と併用して、上面板、中板（コンゲート板）または下面板として用い、この上面板および下面板に所定の切り込みを前記請求項４，５及び６に示す切断法で入れ、その会合面を前記請求項８および９に示す接合方法で接合し、中板とこれら上面板および下面板の面接合は接着技術またはレーザ透過溶着法で溶接してパネルを作成する方法および作成される軽量パネルおよびＨ型コラム
【請求項１】
１０ピコ秒から１００ナノ秒の範囲のパルス幅を持つ超短パルスレーザで、そのパルスエネルギーが１ｍＪ〜５００Ｊの範囲のＱースイッチ固体レーザを用いて、炭素繊維強化プラスチック（以下ＣＦＲＰと呼ぶ）を含む繊維強化プラスティック（以下ＦＲＰと呼ぶ）材料および複合材料合板（金属や無機材と複合材料の合板）を、数１０Ｈｚ〜数１００ｋＨｚの高繰り返す数でアシストガスを用いてまたは用いないで実施するレーザ切断、穴あけ加工、マーキング加工、溝加工、彫刻加工を含むレーザ除去加工法
【請求項２】
出力１０Ｗ以上で２０ｋＷまでの範囲の高出力連続発振固体レーザを用いて、ＦＲＰ材料及びＦＲＭ（繊維強化金属）材料を含む複合材料および複合材料合板を切断、穴あけ、溝加工および彫刻加工において粗加工した後に（直後の場合も含む）、その除去加工面の両面または片面をさらに上記請求項１に示す加工法で重ね（２重）加工することを特徴とするレーザ加工法、並びに高出力連続発振固体レーザの直後約１ｍｍ〜１００ｍｍ後方に、１ピコ秒から１００ナノ秒の範囲のパルス幅で連続発振固体レーザのビームスポット径より大きなビームスポット径を持つ超短パルスレーザビームを配置し、切断、穴あけ、溝加工面両面を同時に２重に加工する方法、および高出力連続発振固体レーザの直後約１ｍｍ〜１００ｍｍ後方に、１ピコ秒から１００ナノ秒の範囲のパルス幅で連続発振固体レーザのビームスポット径より小さいビームスポット径を持つ超短パルスレーザビームを配置し、切断、穴あけ、溝加工面片面を同時に２重に加工する方法。
【請求項３】
前記請求項１および２の超短パルスレーザは、Ｑ―スイッチＹＡＧレーザ、ＹＶＯ４レーザ、ピコ秒固体レーザを含む固体レーザであり、その基本波長は約８００ｎｍ〜１０８０ｎｍの範囲にあり、その２倍波（ＹＡＧレーザの場合、波長が５３２ｎｍ）、３倍波（ＹＡＧレーザの場合、波長が３５５ｎｍ）をも含むレーザを用いることを特徴とする加工法。
【請求項４】
前記請求項１、２および３において、複合材料および複合材料合板のレーザ除去加工における加工条件としては １００ピコ秒から５０ナノ秒の範囲の超短パルス幅で、０．１〜２０ＧＷ/ｃｍ２の範囲の高エネルギー密度のレーザビームを用いて空気中または水中で行う加工法
【請求項５】
前記請求項１、および２における１０Ｗ〜２０ｋＷ高出力連続発振固体レーザとしてファイバーレーザを用い、超短パルスレーザとしてＱースイッチＹＡＧレーザを用いて、重ね加工する場合、ファイバーレーザでＣＦＲＰなどの複合材料をレーザ除去加工したところを数１０μm〜数１００μｍ進行方向に垂直にずらして、再度切断線に沿って切断、穴あけ、溝加工のレーザ除去加工を超短パルス固体レーザのビームスポット径をより大きくまたはより小さくして、両面または片面をそれぞれ仕上げ加工することにより、前の粗加工の切断面に露出した繊維およびマトリックスの樹脂を後加工で除去することを特徴とする両面または片面２重レーザ切断加工法。
【請求項６】
前記請求項１および３において、板厚の厚い複合材料または複合材料合板を超短パルス固体レーザのみを用いて切断する場合、カスケード状に表面より多層で蒸発・除去させ、深くまで多パスで切断するレーザ切断法
【請求項７】
複合材料または複合材料合板の溶接継手を加工する方法として、前記請求項１、２、３、４および５に示す方法を用いて、開先の形状をジグザグとしたり、モザイク状に精密に開先加工することに製作された複合材料または複合材料合板のモザイク（ファスナー状）継手
【請求項８】
波長が５３２ｎｍから１０７０ｎｍの固体レーザを用いて、ＦＲＰ部材及びＦＲＭ（繊維強化金属）などの複合材料および複合材料合板同志または複合材料と金属の異種材料継手の突合せ継手、重ね継手、へり継手、すみ肉継手の接合部に熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、および熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂の混合したものに、強化繊維、強化ガラス、ウイスカーを含む強化材を数％〜８０％重量％添加した溶加材（ワイヤ、棒、粉体、ペースト状のもの）を充填しつつ、複合材料および複合材料合板とをレーザ溶接することを特徴とする接合方法
【請求項９】
前記請求項８における熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂の混合物が、熱可塑性樹脂に重量％で１０％〜９９％の範囲の熱硬化性樹脂を混合した樹脂で、高温での樹脂の特性を考慮して配合した混合樹脂で、これにさらに繊維強化材を数重量％から最大５０重量％添加したことを特徴とする溶加材。
【請求項１０】
前記請求項７に示しモザイク継手または複合材料を単層のプリプレグとし、これをさらに接着またはレーザ溶着することにより、積層して多層板を作製する方法および作製する高強度複合材料部材
【請求項１１】
軽量部材のサンドウイッチパネルを複合材料および金属材料で構成して製作することにおいて、前記請求項７、８，９及び１０に示す技術で製作したモザイク継手を持つ多層積層の複合材料部材として、上面板、中板（コンゲート板）または下面板として用いて、これらの面接合を接着技術またはレーザ透過溶着法で行いパネルを製作する方法および作成された高強度、高じん性および高疲労強度の軽量パネル
【請求項１２】
軽量部材のサンドウイッチパネルを複合材料および金属材料で構成して製作することにおいて、前記請求項７、８，９及び１０に示す技術で製作したモザイク継手を持つ多層積層の複合材料部材を従来の複合材料と併用して、上面板、中板（コンゲート板）または下面板として用い、この上面板および下面板に所定の切り込みを前記請求項４，５及び６に示す切断法で入れ、その会合面を前記請求項８および９に示す接合方法で接合し、中板とこれら上面板および下面板の面接合は接着技術またはレーザ透過溶着法で溶接してパネルを作成する方法および作成される軽量パネルおよびＨ型コラム
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
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【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２４７２０６（Ｐ２０１０−２４７２０６Ａ）
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０１２１１（Ｐ２００９−１０１２１１）
【出願日】平成２１年４月１７日（２００９．４．１７）
【出願人】（５０１４１７５４９）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１７日（２００９．４．１７）
【出願人】（５０１４１７５４９）
【Ｆターム（参考）】
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