JP3397904B2

JP3397904B2 - レーザ加工における金属材料被加工物の前処理方法

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Publication number: JP3397904B2
Application number: JP22287594A
Authority: JP
Inventors: 典秀西田; 仁士川崎; 実日野; 実平松
Original assignee: Okayama Prefectural Government
Current assignee: Okayama Prefectural Government
Priority date: 1994-09-19
Filing date: 1994-09-19
Publication date: 2003-04-21
Anticipated expiration: 2018-04-21
Also published as: JPH0885819A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザを利用して金属
被加工材の溶融加工、熱処理、表面改質等の加工を行な
う際に酸化物などレーザ波長を吸収する透明物質の被覆
を形成して、レーザ光のエネルギーを有効に利用するこ
とを可能にする金属材料被加工物の前処理方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、金属材料、例えばアルミニウ
ム、アルミニウム合金、鉄鋼材料、銅等はレーザ光に対
する吸収率が低く、炭酸ガスレーザにおいては、数％か
ら十数％程度であり、加工のためのエネルギー効率は非
常に小さい。また、ＹＡＧレーザは炭酸ガスレーザに比
べ吸収率は大きいものの、やはり照射したエネルギーの
大部分は反射される。このため、レーザを熱源として利
用する各種の熱加工において、レーザ光の吸収能を高め
ることは、加工効率やエネルギー効率の向上につなが
り、技術的に大きな意味を持つ。

【０００３】レーザ光の吸収率を高める方法として、従
来一般的に黒鉛やりん酸塩などを主体とした吸収剤をコ
ーティングする方法が用いられていた。しかし、これら
の吸収剤は黒色であり作業環境を悪化するとともに、加
工終了後の除去作業に困難性を有している。また、レー
ザ照射部からりんが材料中に侵入し、割れの原因になる
ことも指摘されている。

【０００４】黒鉛やりん酸塩に代わるものとして、黒鉛
と無機酸化物の混合物を有機バインダで金属材料被加工
物表面に固着させる方法(例えば特公昭62-54166号)、固
体潤滑剤である窒化ほう素、炭化珪素粉末を塗布する方
法(例えば特開平1-191738号)、あるいは窒化ホウ素をス
プレイコーティングする方法(特開平2-19420号)などが
開発されている。しかし、これらの皮膜は有色であった
り有色でなくても粉体の被覆であるため、程度の差はあ
れ加工後の除去が必要であったり、散乱等によるレーザ
吸収率の向上に限界があって加工能力に問題があった。
また、水ガラスの被覆によるレーザ吸収率の向上が提案
されているが(特公昭63-9004号)、この場合被覆剤がア
ルカリであるため被加工材の金属の材質によっては問題
になる。

【０００５】更に、従来吸収率の向上を意図したレーザ
光は、いずれも炭酸ガスレーザであり、ＹＡＧレーザの
吸収率の向上を目的とした処理剤は見当らない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような従
来のレーザ加工における前処理剤が有色であり、レーザ
加工後は除去作業が必要であったり、粉体を含むのでレ
ーザ吸収率に限界があって加工が充分に行なえないと
か、被加工金属材によっては前処理ができない等の問題
点に検討を加え、更に炭酸ガスレーザのみならず、ＹＡ
Ｇレーザの吸収率の向上を目的としたレーザ加工におけ
る被加工物の前処理方法を提供しようとするものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明では、レーザ加工
を施す前に、予め金属材料被加工材(アルミニウム、ア
ルミニウム合金、鉄鋼、銅等の金属材料)の表面に、レ
ーザ波長域で吸収を示すが、可視光の透過率が大きい、
すなわち透明な、粉体を含まない皮膜を形成させること
で前述の問題点を一挙に解決させた。

【０００８】すなわち、金属材からなる被加工物のレー
ザ加工(溶融加工、溶接、熱処理、表面改質)に際し、レ
ーザ波長近傍で吸収を示しかつ可視光の透過能の大きい
透明皮膜を形成する、無機ポリマーで予め被加工物の表
面を被覆することを特徴とするレーザ加工における金属
材料被加工物の前処理方法である。なお、ここにいう透
明皮膜とは、無色であるだけでなく、粉体(粒体)を含ま
ない全体が均質な被覆層をいう。

【０００９】この方法に用いられる透明皮膜を形成する
物質は、レーザ波長近傍で吸収を示し、かつ可視光の透
過能の大きい有機金属化合物又は無機ポリマーを主体と
する。なお、レーザ波長近傍で吸収を示すとは、透明
皮膜を形成する物質からなる被覆層自身がレーザ波長域
の吸収を有する場合のみならず、同被覆層が加熱され
て生じた酸化物、窒化物等がレーザ波長域の吸収を有す
場合も含む。

【００１０】各種の有機金属化合物や無機ポリマーから
得られる透明皮膜は赤外・紫外領域で化学構造に由来す
る特定波長領域の吸収を示す。このことから、対象とす
るレーザ光に適した皮膜の選定は、赤外・紫外の分光分
析の結果からも判断することが可能である。

【００１１】例えば炭酸ガスレーザの波長(10.6μm)近
傍で大きな吸収を示す材料として、有機金属化合物では
Ｓi(ＯＣＨ₃)₄,Ｓi(ＯＣ₂Ｈ₅)₄,Ｓi(ＯＣ₃Ｈ₇)₄,Ｓi(Ｏ
Ｃ₄Ｈ₉)₄等のテトラアルコキシシラン,フエニルトリエ
トキシシランなどであり、無機ポリマーではポリシラザ
ン(ＳiＨaＮb)n等のセラミック前駆躯体ポリマー(焼成
によりセラミックに転化する無機ポリマー),ヘキサメチ
ルジシラザン(ＮＨ(Ｓi(ＣＨ₃)₃)₂),ビニルトリエトキ
シシラン(ＣＨ₂＝ＣＨＳi(ＯＣ₂Ｈ₅)₃)等を挙げること
ができる。

【００１２】ＹＡＧレーザ波長域(1.06μm)での、分光
分析結果の既存データは非常に少ないが、本発明では鋭
意検討の結果、ＺrＯ₂,Ｚr(ＯＣＨ₃）₄,Ｚr(ＯＣ₂Ｈ₅）
₄,Ｚr(ＯＣ₃Ｈ₇）₄,Ｚr(ＯＣ₄Ｈ₉）₄等のテトラアルコ
キシジルコニウム,ＳiＯ₂,ＴiＯ₂が効果的であることが
判明した。このような化合物や焼成により得られる酸化
物となる有機金属化合物や無機ポリマーで金属表面を被
覆するのである。

【００１３】透明皮膜を形成するためのこれらの材料の
被覆方法としては、低コストで大面積の被覆が可能なゾ
ル−ゲル法によるコーティングがある。またイオンプレ
ーティング、スパッタリング、ＣＶＤ(化学蒸着法)等の
気相成膜法の適用もできる。もちろん、被覆剤の材質に
よっては、塗布、スプレーコーティングも実施可能であ
る。皮膜の膜厚は皮膜のレーザ光に対する吸収率によっ
て変わる。すなわち、吸収率の小さい被覆剤では厚膜が
必要となるが、吸収率の大きい材料では、必要とする膜
厚は小さい。通常１nm〜100μm、好ましくは５nm〜10μ
mである。

【００１４】

【作用】本発明によって前処理が行なわれると、処理剤
が粉体を含まないので、使用するレーザ光の波長近傍で
レーザ光を効率良く吸収して、反射率の大な金属表面の
レーザ光による溶融加工、切断、溶接、熱処理、表面改
質などのレーザ加工効率が上がる。また、皮膜は可視光
の透過率が大きいので透明性が大で被加工物の外観を損
なうことがなく、また表面の保護層としても作用する。

【００１５】処理方法も一般的なコーティング方式が利
用できるので、特に大がかりな装置を必要としないし、
作業もさして困難でもない。皮膜も１μm以下で極めて
薄くても有効である。

【００１６】

【実施例】実施例１レーザ反射率の大きい被加工金属材料としてアルミニウ
ム板(A1100P、２mm厚)をとりあげ、ゾル−ゲル法により
表面にＳiＯ₂コーティングを行なった。表１に示す組成
の溶液中からアルミニウム板を30mm/分の速度で引き上
げ、大気中200℃で２時間焼成した。一回の浸漬・引き
上げ・焼成の操作で約66nmの透明皮膜が形成された。厚
膜の形成は一連の操作を繰り返すことで行なった。形成
した皮膜の赤外分光分析の結果、有機物の残存は認めら
れるもののＳiＯ₂の形成が確認された。

【００１７】

【表１】

【００１８】ＳiＯ₂透明被覆処理を施した試料及び未処
理のアルミニウム板に炭酸ガスレーザ(出力780Ｗ(cw)，
アシストガスＯ₂，送り速度600mm/分)を照射した結果を
図１に示す。未処理及び浸漬回数２回までの試料では、
レーザ照射部にはなんの変化もみられず、痕跡も認めら
れない。しかし、浸漬回数が４回の試料ではレーザ照射
部に皮膜が変化したと思われる形跡がみられ、浸漬回数
８回の試料では明瞭なアルミニウム板の溶融がみられ
る。このようにアルミニウム板に約530nmのＳiＯ₂の皮
膜を被覆することにより炭酸ガスレーザの吸収率を明瞭
に向上させ得ることが確認された。

【００１９】透明なＳiＯ₂皮膜の形成には、必ずしも上
記条件のみでなく、異なった液組成や他のアルコキシド
をもとにした溶液でもよく、引き上げ速度、焼成温度等
を選ぶことにより、一回の浸漬操作で得られる皮膜厚、
皮膜構造などをも変化させ得る。また、浸漬後の焼成に
代わり、レーザ照射で直接酸化物に変化させ得ることも
可能である。

【００２０】実施例２実施例１と同様にアルミニウム板(A1100P、２mm厚)にゾ
ル−ゲル法でＺrＯ₂を被覆した。表２に示す組成の溶液
中からアルミニウム板を30mm/分の速度で引き上げ、大
気中200℃で２時間焼成した。一回の浸漬・引き上げ・
焼成の操作で約８nmの透明な皮膜が形成された。厚膜の
形成は一連の操作を繰り返すことで行なった。形成した
透明皮膜の赤外分光分析の結果、有機物の残存は認めら
れるもののＺrＯ₂の形成が確認された。

【００２１】

【表２】

【００２２】ＺrＯ₂透明被覆処理を施した試料及び未処
理のアルミニウム板にＹＡＧレーザ(出力500Ｗ(cw)，ア
シストガスＮ₂，送り速度600mm/分)を照射した結果を図
２に示す。ＹＡＧレーザの吸収率は炭酸ガスレーザに比
べ大きいため、未処理の試料でも溶融が生じているが、
被覆のための浸漬回数の増加によって溶融域の明瞭な増
加がみられる。

【００２３】このように、アルミニウム板に約８nm以上
のＺrＯ₂透明皮膜をすることによりＹＡＧレーザの吸収
率を明瞭に向上させ得ることが確認された。

【００２４】透明なＺrＯ₂皮膜の形成には必ずしも上記
条件のみでなく、異なった液組成、他のアルコキシドを
もとにした溶液でもよく、引き上げ速度、焼成温度等を
選ぶことにより、一回の浸漬操作で得られる皮膜厚、皮
膜構造などを変化させ得る。また、浸漬後の焼成に代わ
り、レーザ照射で直接酸化物に変化させ得ることも可能
である。

【００２５】実施例３アルミニウム合金板(１mm厚)に、参考として高周波イオ
ンプレーティングにて厚さ2.5及び1.0μmの透明なＳiＯ
₂膜を被覆し、炭酸ガスレーザ(出力300Ｗ(cw)，アシス
トガスAir)を照射し切断を行なった。結果を表３に示
す。

【００２６】未処理の試料では安定した切断が可能な送
り速度の最大は1000mm/分であったが、ＳiＯ₂透明膜を
被覆した試料では1200〜1500mm/分の送り速度でも安定
した切断が可能であった。このように、ＳiＯ₂透明膜の
被覆により未処理試料に比較し約1.5倍の切断効率の向
上が図れた。ダイナミック硬さの測定結果(測定方法：
島津製作所製,ダイナミック微小硬度計使用,測定荷重１
gf,頂角115°三角圧子)においても、未処理材が97であ
るのに対して、ＳiＯ₂を被覆した試料では、347と202と
いった表面硬度の増加がみられた。細かいデータは省略
するが、これらは５点測定の平均値である。

【００２７】

【表３】

【００２８】実施例４実施例３と同じアルミニウム合金板に、参考として高周
波イオンプレーティングにより厚さ0.7μmのＺrＯ₂透明
膜を被覆し、ＹＡＧレーザ(パルスレーザ,平均出力80
ｗ，アシストガスAir)を照射し切断を行なった。結果を
表４に示す。

【００２９】未処理の試料では、安定した切断が可能な
送り速度の最大は200mm/分であったが、ＺrＯ₂膜を被覆
した試料では400〜500mm/分の送り速度でも安定した切
断が可能であった。このように、ＺrＯ₂膜の被覆により
未処理試料に比較し2.5倍の切断効率の向上が図れた。

【００３０】

【表４】

【００３１】実施例５炭素鋼(S55C：焼きならし処理済、６mm厚)に、参考とし
て高周波イオンプレーティングにより厚さ1.2μmのＳi
Ｏ₂膜を被覆し、炭酸ガスレーザ(出力890Ｗ(cw)、送り
速度１ｍ/分、アシストガスＯ₂)を照射した。照射位置
は焦点位置より30mm上方に設定し照射ビーム径を大きく
し、表面焼き入れを試みた。照射後の試料断面の光学顕
微鏡による組織写真を図３に示す。

【００３２】未処理材ではレーザ照射によっても表面外
観上なんの変化も認められず、断面組織も焼きならし組
織のままを呈している。しかし、被覆材はレーザ照射に
よる変化が生じ、断面組織に明瞭な焼き入れ組織が観察
された。このように、ＳiＯ₂被覆によって表面焼き入れ
時のレーザ吸収能の顕著な向上が図れることが確認され
た。

【００３３】実施例６アルミニウム板(A1100P、２mm厚)に、ポリシラザン(Ｓi
ＨaＮb)nをキシレンで希釈した被覆剤(ポリシラザン濃
度20.3％)をディッピング法で被覆し、溶剤を飛散させ
る目的で150℃、30分加熱し被覆材とした。引き上げ速
度の異なるポリシラザン被覆アルミニウム板に、炭酸ガ
スレーザを照射(出力780Ｗ(cw)、送り速度300mm/分、ア
シストガスＯ₂)した。結果のマクロ写真を図４に示す。

【００３４】未処理材では、レーザ照射によって溶融等
の変化はなんら認められない。しかし、ポリシラザン被
覆により溶融が認められるようになる。引き上げ速度30
mm/分の試料では部分的な痕跡が認められ、60mm/分の試
料では照射位置に連続的な照射痕がみられる。さらに、
150mm/分、600mm/分の試料では溶融したアルミニウムの
飛散と溶融溝が明瞭に観察される。以上のように、引き
上げ速度の増加(すなわち被覆厚さの増加)に伴い明らか
なレーザ光吸収能の向上が認められた。

【００３５】ポリシラザンの希釈に用いる溶剤の種類、
濃度は本例の濃度、種類に限定される必要はなく、必要
に応じてセラミック粉末等の添加も可能である。被覆方
法もディッピング法に限らず、スピンコート、塗布、ス
プレーコート等いずれの手段も採用可能である。また、
被覆後の熱処理は必ずしも必要としない。

【００３６】本剤が炭酸ガスレーザの波長域で吸収を示
す原因はポリシラザン中のＳi−Ｎ結合に起因するもの
であり、ポリシラザンの代わりにＰＶＤ法や、ＣＶＤ法
等で窒化珪素(例えばＳi₃Ｎ₄)を被覆しても同様の効果
が得られる。

【００３７】実施例７炭素鋼(S55C：焼きならし処理済、６mm厚)に、実施例６
と同様組成のポリシラザン溶液を引き上げ速度300mm/
分、加熱処理150℃、30分で被覆し、炭酸ガスレーザを
照射(出力890Ｗ(cw)、送り速度１ｍ/分、照射位置は焦
点位置より30mm上方、アシストガスＯ₂)した。結果を図
５に示す。

【００３８】未処理材では、レーザ照射によっても表面
外観上なんの変化も認められず、断面組織も焼きならし
組織のままを呈している。しかし、被覆材はレーザ照射
による変化が生じ、断面組織に明瞭な焼き入れ組織が観
察された。このように、ポリシラザン被覆によって表面
焼き入れ時のレーザ吸収能の顕著な向上が図れることが
確認された。なお、溶剤、被覆方法、熱処理に関する条
件が本実施例に限定されないことや、セラミックの窒化
珪素被覆でも同様の効果が得られることは実施例６と同
じである。

【００３９】実施例８鏡面仕上したSUS304板(２mm厚)に、参考として高周波イ
オンプレーティングによるＳiＯ₂皮膜(1.2μm厚)、実施
例７と同条件のポリシラザン皮膜、及び市販の炭化珪素
系のレーザ加工用塗布剤をそれぞれ被覆処理し、炭酸ガ
スレーザを照射(パルスレーザ、平均出力10ｗ、アシス
トガスＮ₂)した。結果を図６に示す。

【００４０】ＳiＯ₂、ポリシラザン、市販塗布剤いずれ
の被覆材とも、未処理材に比べレーザ照射による溶融痕
が大きくなっており、被覆により吸収能が増大している
ことが確認される。しかし、本発明による被覆処理材の
ポリシラザンのレーザ痕は比較的形状がそろっているの
に対し、比較に用いた市販塗布剤による処理材のレーザ
痕の形状は不均一である。これは、ポリシラザンのレー
ザ吸収効果の位置的な均一性が優れていることを示して
いる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によって金属材料の溶融加工、切
断、溶接、熱処理、表面改質などのレーザ加工効率が上
がることとなった。また、皮膜が透明であるため被加工
物の外観を損なうことがなく、レーザ加工後も皮膜の除
去を必要としない。更には、酸化物、窒化物等の無機材
料や有機物を被覆する場合は、被加工材の保護皮膜(防
食、耐摩耗など)としての機能も付与できる。このた
め、レーザ加工されることを意図したレーザ加工用金属
素材等への表面前処理として有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】被加工物表面状態を示す表面図である。

【図２】被加工物表面状態を示す表面図である。

【図３】照射後の試料断面の光学顕微鏡による組織断面
図である。

【図４】引き上げ速度の異なるポリシラザン被覆アルミ
ニウム板に炭酸ガスレーザを照射した結果のマクロ表面
図である。

【図５】炭素鋼にポリシラザン処理し炭酸ガスレーザを
照射した結果の表面図である。

【図６】SUS304板にＳiＯ₂、ポリシラザン皮膜、及び市
販の非黒色系のレーザ加工用塗布剤をそれぞれ被覆処理
し、炭酸ガスレーザを照射した結果の表面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者平松実岡山県岡山市伊福町４丁目３番18号岡山県工業技術センター内 (56)参考文献特開昭58−93811（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−224796（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C21D 1/02 - 1/84 B23K 26/00 - 26/18 C23C 16/00 - 16/56 C23C 26/00 - 26/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】金属材からなる被加工物の溶融加工、溶
接、熱処理、表面改質加工を行なう炭酸ガスレーザ加工
に際し、レーザ波長近傍で吸収を示しかつ可視光の透過
能の大きい透明皮膜を形成するセラミック前駆体ポリマ
ーで予め被加工物の表面を前処理してセラミック被覆す
ることを特徴とするレーザ加工における金属材料被加工
物の前処理方法。
【請求項２】金属材からなる被加工物の溶融加工、溶
接、熱処理、表面改質加工を行なう炭酸ガスレーザ加工
に際し、レーザ波長近傍で吸収を示しかつ可視光の透過
能の大きい透明皮膜を形成するテトラアルコキシシラン
溶液のコーティングで予め被加工物の表面を前処理して
ＳｉＯ _２被覆することを特徴とするレーザ加工における
金属材料被加工物の前処理方法。
【請求項３】金属材からなる被加工物の溶融加工、溶
接、熱処理、表面改質加工を行なうＹＡＧレーザ加工に
際し、レーザ波長近傍で吸収を示しかつ可視光の透過能
の大きい透明皮膜を形成するテトラアルコキシジルコニ
ウム溶液のコーティングで予め被加工物の表面を前処理
してＺｒＯ _２被覆することを特徴とするレーザ加工にお
ける金属材料被加工物の前処理方法。」