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(1)論 CO2レ 山. ー ザ 加 工 に お け る照 射 部 温 度 と吸 収 率*. 田. 啓. 司**小. 谷. 祐. 司***上. 田. 隆. 司**. Temperature and Absorptivity of Workpiece in CO2 Laser Processing Keiji YAMADA, Yuji ODANI and Takashi UEDA. The temperature of workpiece irradiated with CO2 laser is measured using a new type of infrared radiation pyrometer. optical fiber. In the pyrometer,. a chalcogenide. are used. The power intensity. of the laser beam during the exposure. distribution. of the laser beam are measured experimentally.. using FEM for unsteady. experimental. results with the calculated. Key words:. chalcogenide. CO2 laser processing,. time and the two dimensional. distribution. state. The change of physical ones, the absorptivity. temperature. picture of the intensity. The measuring system for the intensity distribution. consists of MCT cell and an optical fiber. The temperature numerically. with an. optical fiber and a two-color detector which consists of InSb and InAs detector. on the workpiece. properties. of laser beam. irradiated with laser is calculated. of materials. is considered.. Comparing. the. of the work material for CO2 laser is obtained.. measurement,. absorptivity,. finite element method, two-color. detector,. optical fiber. 1.緒. み 合 わ せ た装 置 を製 作 し,レ ー ザ ビー ム断 面 の2次 元 エ ネ ルギ ー分. 言. 布,お よ びそ の 時 間的 変動 を測 定 す る と と もに,測 定 した エ ネル ギー. 材 料 の 溶 融 や蒸 発 を伴 う穴 あ け,切 断,溶 接 とい っ た従 来 の レーザ. 分 布 を用 い てFEMに. 加 工 に比 べ,割 断加 工や フ ォー ミング加 工 な ど熱応 力 を利 用 した新 し い レーザ 加 工 では,熱 応 力 の 大 き さに加 工 精度 が大 き く影 響 され るた. よる非 定常 熱 伝 導解 析 をお こ ない,レ ーザ照 射. 部 の 温 度分 布 を求 め た.さ ら に,計 算 結 果 と実験 結 果 を比 較す るこ と に よ り,温 度 に よ って変 化 す る加 工 材 料 の レーザ 吸 収 率 を求 め てみ. め,微 細 で 高精 度 な 加工 を行 お う とす る と き正確 に加 工 中の 温 度 を制. た.. 御 す る こ とが 求 め られ る1)2).し か し,レ ー ザ照 射 部 は微 小 な領 域 で. 2.レ. あ り,し か も短 時 間に 急 激 な温 度 変 化 を伴 うた め に その 測定 は 難 し く,温 度 を制 御 す る こ とは 簡単 で は な い。. 2.12色. 筆 者 らは,前 報 にお い て光 カプ ラ と2種 類 の 光 電変 換 素子 と を組み. ーザ 照射 部 の 温度 測 定. 温度計. 2.1.1基 本 構 造. 合 わ せ た2色 温度 計 を用 い て レーザ 照 射部 の温 度 測定 を行 い,そ の フ. 温 度 計 の 基本 構 造 を図1(a)に 示 す.レ ー ザ照 射 部 か ら輻 射 され る. ラ ッシュ温 度 を測 定 した3).と ころが,石 英 光 ファ イバ を用 いて カ プ ラ を製作 してい る ことか らお よ そ2μm以 上 の長 波 長 の赤 外 線 を計 測. 赤 外 線 をNSGカ ル コゲ ナ イ ドフ ァ イバ に よ り受光 して い る.NSGカ ル コゲ ナ イ ドフ ァイ バの 諸 特性 を表1に,フ ァイバ の伝 送損 失特 性. す る こ とが で きな い.ま た,温 度 計 の感 温 面積 に比 ベ レーザ 照 射 部が. を,図2(a)に. 示 す.こ の フ ァイバ は1.0〜6.0μmと. 広 い波 長域 で優. 小 さい た め受 光 エ ネ ルギ ー が少 ない,こ の た め この 温度 計 で は,1000 ℃ 以 上 の 高 温 しか 測定 す る こ とがで きず,1000℃ 以 下 の温 度 に は 適 用 す る こ とが で きなか った.と こ ろが,熱 応 力 を利 用 す る 加工 で は,加 工材 料 の 融 点 に達 す る よ う な高温 は必 要 な く,1000℃ 以. 下 の 温 度 に加熱 す る場合 が 多 い.こ の た め,低 い 温 度 も測 定 で き る よ う に温度 計 に改 良 を加 え る必 要 が あ る.. 光 フ ァ イバ 型2色 温 度 計 は,測 定 対 象 物 が 均 一 な温 度 分 布 を. 持 っ てい る とき正 確 に その 温度 を計 測 で きる,一 方,温 度 分布 を 有 す る場 合,そ の分 布 形 状 を知 る こ とに よ り測 定精 度 を上 げ る こ. とが で き るが,有 限 要 素法 な どに よる シ ミュ レー シ ョ ンを平 行 し. て行 う こ とが必 要 で あ る.こ の た め には照 射 した レー ザ光 の エ ネ ル ギ ー分 布 やそ の 時 間的 変動 の様 子 を正確 に知 るこ とが不 可 欠 で あ る.. (a) Schematic illustration of experimental setup. そ こで 本 研究 で は,新 た に カル コゲナ イ ド光 フ ァ イバ と積 層型. 2色 素子 を組 み合 わせ た 新 しい タイ プの 光 フ ァ イバ 型2色温 度 計 を 製作 し,こ の 温度 計 の特 性 を調べ る と と もに,レ ー ザ照 射 部 の温. 度計 測 に適 用 してみ た.ま た,光 フ ァイバ と赤外 線 検 出素 子 を組 Table1. Characteristics. *原 稿 受 付. 平 成10年4月23日. **正 会 員. 金 沢 大 学 工 学 部(金. **(株)フ ク ダ電 子(東. 126. of chalcogenide. fibers. (b) Calibration curve of two-color pyrometer. 沢 市 小 立 野2‑40‑20). 京 都 文 京 区 本 郷3‑39‑4). 精 密 工 学 会 誌Vol.65,No,1,1999. Fig.1. Two-color. pyrometer. with optical. fiber and laminated. infrared. detector.

(2) 山田 ・小 谷 ・上田:CO2レ. ーザ加工における照射 部温度 と吸収率. 光 カ プ ラ を作 る こ とが で きない カ ル コゲ ナ イ ドファ イバ を用 いて2色 温 度 計 を製作 す る こ とが可 能 とな る. 温 度計 の 出力校 正 は,一定 温度 に保 た れ た熱 源 の温度 を測定 す る こ とで行 った.温 度計 の校 正 曲線 を 図1(b)に. 示 す.図 中 の実線 は理. 論 的 に求 め た温 度 計 の感 度 曲線 で あ り,輻射 エ ネ ル ギー,光 フ ァイバ の伝 送損 失,InAsお. よびInSb素 子 の分 光 感度 な どか ら得 られ る4).約. 200℃ 以 上 に お いて,実 験値 は理 論 値 と よい一 致 が見 られ てお り,温 度 校 正 に は この 曲線 を用 い るこ とにす る. 2.1.2受 光 エ ネル ギ ー 2色 温度 計 は,測 定 対 象面 内 に温 度 分布 が あ る場 合,測 定 結果 はそ の分 布 状態 に影 響 され る.そ こ で,レ ーザ 照 射 部 を2色 温 度計 で測 定 (a) Transmission loss of chalcogenide fiber. した場 合 の測 定 温 度 につ い て検 討 す る. 図3に 示 す よう に,測 定 距 離tに 設置 され た フ ァ イバ が 受光 す る輻 射 エ ネル ギ ー は,微 小 要 素dFが 受 光 す るエ ネ ル ギー を フ ァイバ の コ ア面 全 体 に わ た って 積分 す るこ とに よ って,求 め る こ とが で きる.こ こで は,レ ー ザ照 射 部 の温 度T(r)はOtを. 中心 に軸 対称 に分布 してお. り,光 フ ァイバ の 中心 軸 がOtを 通 り,照 射 面 に対 して θだけ傾 いて 設 置 され て い る とす る. コ ア上 の微 小 面 積dFは,O. 2を 中心 と し最 大 受光 角 ξmで 囲 まれ る 楕 円領 域 か らの 輻射 エ ネル ギ ー を受 光す る.こ の領域 内 の微 小 要 素df か ら輻 射 され るエ ネル ギー の 内,dFに (b) Spectral detectivity of two-color detector Fig.2. Spectral characteristics of components of pyrometer. れた伝 送 特性 を持 つ た め,石 英 フ ァ イバ よ り長 波長 の赤 外 線 を伝 送 す. eλ=J(T)COSγCOSθdfdΩ(1) た だ し,こ こでJ(T)は. 法 線 方向 へ の 単色 輻 射 強度 で あ る.ま た,. dΩ はdfか らdFを 見 た ときの 立体 角 で,d. る こ とが で き,低 温 にお け る温 度 計 の 感 度 向 上 に期 待 が もて る.ま た,CO,レ ー ザ光 の 波長10.6pmに. 受 光 さ れ るエ ネ ルギ ーeλは. Ω=dFcosγ/R2. お い て 透 光 率 が 低 い こ とか らフ ィ. ル タ と して働 き,レー ザ照 射 部 か ら反 射 され た 光が 光 電 変換 素子 へ 伝 送 され るの を阻止 す る役 目を同 時 に果 た して い る.. とこ ろが 図3の よ うに,dfの. 光 フ ァイバ に よ って受 光 した熱 輻 射線 は2色 素子(浜 松 ホ トニ ク ス (株))へ 伝 送 され電 気信 号 に変 換 され る.図2(b)に を構 成す るInAs素 子,InSb素. 積層 型2色 素 子. 子 そ れ ぞれ の分 光 感 度 を示す,InSbの. df=R'2cosθ/R2df'(3). 上 にInAsを 積 層 した構 造 とな って お り,表 層 のInAsを 透過 した赤 外 線 が 下層 のInSbに 受 光 され る.InAsは3μm以 て電気 信 号 に 変換 し,下 層 のInSbはInAsを. 下 の赤 外 線 を吸 収 し 透 過 した赤 外 線 の うち,. 従 っ て,式(1)に. 式(2),(3)を. 3〜5.5μmの 赤外 線 を電気 信 号 に変 換 す る.各 々の 素 子 か らの 出力 は 増 幅後,サ ンプ リング周 波 数1MHzで デ ィ ジ タル メモ リに記録 され, コ ン ピュー タ に よ り処 理 され る.積 層 型2色 素 子 の使 用 に よ り,1本 の 光 フ ァ イバ を用 いて2色 温度 計 を構成 す る こ とがで き,これ に よ り. フ ァイバ 端 面 に平 行 な面 へ の投 影df. を考 える と,. 代 入 す る と,. eλ=J(T)cos2γ/R'2dFdf'げ(1') 式(1')をdf,dFに. つ い て積 分 す れ ば,光 フ ァイバ の コ アが受 光 す る. 単色 エ ネ ル ギ ー尾 が 得 られ,尾 を全 波 長 につ いて 積分 す れ ば全 色 エ ネ ル ギーEが 求 め られ る.. E=∫λEdλ=∫λ∫f'∫J (T)cos2γ/R'2dFdf'dλ(4) そ こで,具 体 的 な例 に式(4)を 適吊 してみ る.レ ーザ 光 を ジル コ こ ア に照 射 した ときの温度 分 布 を有 限要 素法 を用 い て計算 した結 果 を 図15(後. 述)に 示 してい るが,図 の よ うな 中心 部 が最 高 温度 とな る. Fig.4 Influence of measuring distance on temperature measured with twoFig.3 Illustration. of energy. accepted. at incidence. face of optical fiber. color pyrometer. 精 密 工 学 会Vol.65,No.1,1999127.

(3) 山田 ・小谷 ・上田:CO2レ. ーザ加工 における照射部温度 と吸収率. Fig.5. Measurement. of laser power. distribution at laser spot. 温 度 分布 を もつ 試料 に,本 温 度 計 を適用 した場 合 の測 定温 度 を式(4). 形 状 は測 定 した エ ネ ルギ ー分 布 図6(b)と. を用 い て計 算 して み た.測 定 距 離 の 影響 を調べ た結 果 を図4に 示 す.. ギー 分布 が 精 度 よ く測 定 され てい るこ とが確 か め られ る.図6(d)は. よ く一致 してお り,エ ネル. 測 定 温度 は,測 定 距 離tが 大 き くな る に した が い徐 々に低 下す るが,. 図6(b)に. t=3mm前 後 で 一 定値 に収 束す る傾 向 を示 してい る.こ れ らの値 はい ず. 布 で 近似 した結 果 であ る.. お け るA断 面 の エ ネ ルギ ー 分布 を式(5)に. 示 す ガ ウ ス分. れの 場 合 も試料 の 最高 温 度 の約7596の 値 とな っ てい る.し た が っ て, こ の2色 温度 計 を実験 に用 い る場 合,測 定 距 離tが3mm以. 〓 (5). 上となる. 位 置 に フ ァ イバ を設置 す れば測 定 距離 に関係 な く温度 計 測 が可 能 であ. こ こで,rは. り,そ の値 は最 高 温 度 の約7596で あ る こ とが わ か る.ま た,こ の割 合. はr=0に お け る レー ザ強 度,Qは. を用 い れ ば,得 られ た温 度 か ら精 度 よ く最 高 温度 を推 定す る こ とが で. aは 強 度 がqaの1/e倍(37%)と. きる り. 2.2レ. 図6(d)で ー ザ エ ネル ギ ー分 布 測 定. エ ネ ルギ ー分 布 測 定装 置の 概 略 図 を図5(a)に ザ ス ポ ッ トに 直径10μmの. 示 す.集 光 した レー. ピン ホー ル を設 置 し,ス ポ ッ ト内 のエ ネ. ピ ンホー ル を通 過 して きた レー ザ光 をフ ァイバ に よ って受 光 し赤外 線 検 出素 子HgCdTeへ. ス ポ ッ ト全 域 に わ た るエ ネル ギ ー, な る半 径 を表 す.. はQ=20W,8=400μmと. して い るが,若 干 の偏 りが. 認 め られ る もの の 両者 は よ く一 致 して お り,エ ネ ルギ ー 分布 を式(5). ルギ ーの 一 部 を取 り出 す.ピ ンホ ール の 直下 に光 フ ァイバ を固定 し,. 30Nmお. レー ザ ス ポ ッ ト中心 か らの距 離,α は レーザ 吸 収率,q0. と導 き,電 気 信 号 に変 換 す る.ピ. ンホールを. きに 二次 元 走査 し,各 部 での エ ネ ル ギー 強 度 を測 定 す る こ. で近 似 で きる こ とが わか る.な お,ス ポ ッ トの半 径 を示 す8の 値 は, レーザ エ ネル ギーQが 変 化 して も,変 動 しない と考 え られ るの で,Q の値 にか か わ らず8=400μmと 2.3温. す る こ とにす る.. 度測 定 実 験. レーザ 照 射部 の 温 度瀧. は,図1(a)に. 示 す よ う に測定 距 離t=5mm. の位 置 に光 フ ァイバ を設 置 して,照 射 時 間5msの パ ル ス レーザ を加工. とで,ス ポ ッ ト全 面 に お け るエ ネ ルギ ー 分布 を得 るこ とが で きる.光. 物 に照 射 す る条 件 で行 った.フ ァイバ は レーザ 光 を遮 らな い よ うに光. フ ァイ バ は,図2(a)に. 軸 に対 して150傾. 示 す分 光 透 過 特性 を有 す るNTEGカ. ル コゲ ナ. け て設 置 して い るが,2色. 温 度 計 で は2種 類 の赤. イ ドフ ァイバ を用 い てお り,CO2レ ー ザ光 の 波 長10.6μmに お い て 十. 外 線検 出 素子 の 出 力比 か ら温 度 を求め て い るの で,測 定 結 果 の精度 に. 分 な透 光 性 を持 っ てい る.ま た,最 小 曲 げ 半 径 は 約50mmで. は 影響 しない.な お,光 フ ァ イバ は その 光 軸が レー ザ ス ポ ッ トの 中心. あ り,. フ ァイバ の使 用 に よ り加 工装 置 上 の入 り組 ん だ箇所 か ら も容 易 に レー ザ エ ネ ル ギー を取 り出す こ とが で きる.HgCdTe素. 子 は,赤 外 線 の 入. に一致 す る位 置 に設 置 した. 加 工材 料 には部 分 安 定 化 ジ ル コニ ア(PSZ)を. 用 い,表 面 は#400ダ. 射 に よっ てそ の 電 気抵 抗 値 が減 少 す る 光 導電 素 子 で あ り,図5(b)に. イヤ モ ン ド砥 石 に よ る研 削仕 上 げ を施 した.表2に 常 温 に お け る加 工. 示 す よ うに,8〜14μmの. 材 料PSZの. 赤 外 線 に 対 して感 度 を有 し,応 答 速度 は1. μsと 速 く,照 射 時 間が 数msの パ ル ス レー ザ の照 射 エ ネ ル ギー の 測 定 に十 分適 用 す るこ とが で きる.. 物 性値 を示 す.. 図7に,レ. ーザ 出 力Q=40Wを. す.(a)はInSb素. 照 射 した 場 合 の温 度 測 定波 形 例 を示. 子 出力,(b)はInAs素. 子 出 力 を それ ぞ れ示 してお り,. パ ル ス レーザ の照 射 のエ ネ ルギ ーの 時 間的 変動 を測 定 した波形 を図. 横 軸 は 時 間,縦 軸 は出 力 電圧 を示 して い る,レ ーザ 光 の 照射 開始 と同. 6(8)に 示す.パ ル ス幅 は5msで あ る.出 力 は 照射 直後 に立 ち上 が り,. 時 に両 素子 の 出 力 は上 昇 して い るが,温 度 が 高 くな る につ れ,短 波 長. その 後周 期 的 な 変動 が 見 られ るが,そ の大 き さは問題 と な るほ どで は. にお い て検 出 感度 の高 いInAs素 子 の 出力 が急 速 に大 き くな っ てい る. な い.そ こで こ こで は 矩形 波 状 の パ ル ス入 力 とみ な し,照 射 時 間内 は. こ とが わ か る.こ れ ら両 素 子の 出力 比 を と り,図3(c)の. 均 一エ ネル ギ ー と して扱 う こ とにす る.測 定 したエ ネ ルギ ー の2次 元. 用 いて 温度 に換 算 した結 果 が 図7(c)で あ る.縦 軸 は測 定 温度 を示 し. 分 布 を図6(b)に. て い る.レ ーザ 照 射 直 後 は温 度 が 低 く輻射 エ ネル ギ ー が少 な いた め. 示 す.図 か ら,若 干 の凹 凸 や偏 りはあ る が,ほ ぼ 照. 校 正 曲線 を. 射 中心 部 に ピー ク を持 つ分 布 形 状 を してい る こ とが わ か る.図6(c). に,測 定 波 形 の 立 ち上 が りは照 射 開 始 時 よ り約2ms遅 れ るが,照 射 部. は レー ザ 光 を ア ク リル に照射 した場 合の バ ー ンパ ター ンであ る.その. の温 度 上昇 と と もに正確 な温度 測 定 が可 能 とな る.レ ーザ ス ポ ッ トの. Fig.6 Laser power. 128. 精 密 工 学 会 議Vol.65,No.1,1999. density at laser spot.

(4) 山田 ・小谷 ・上 田:CO2レ. Table 2. Physical properties. ーザ加 工における照射部温度 と吸収 率. 式(6)を 計 算 した 結 果 が図9で あ る.こ の と き,レ ー ザ吸 収. of PSZ. 率 αを40,60,80%と. し,材 料 の物 性 値 に は表2の 常 温(20℃). にお け る値 を用 い て計算 した.図9(a)は. 時 間変 化 を見 て い る. が,照 射 初 期 は急 激 に上 昇 す るが 時 間経 過 と と もに上 昇 の程 度 は 鈍 くな る傾 向 に あ り,図7の ま た,図9(b)は. 測 定 波形 と少 し異 な っ てい る.. 最 高 温度 であ るが,図8の. 実 験 結 果 と比 較 す. る と,レ ーザ 出 力 の上 昇 につ れ て,い ず れ も直 線 的 に上 昇 して い るが,実 験値 の図8の 方 が そ の傾 きが 大 きい.こ れ らの違 い に はい ず れ も温度 上昇 に伴 う材 料 の物 性 値 の変 化 や吸収 率 の変 化 を考 慮 してい ない こ とが 大 き く影 響 して い る と考 え られ る. そ こで,FEMに. よ り物 性 値 の 温度 依 存 性 を考 慮 した非 定 常熱. 伝 導 解析 を行 い,計算 結 果 と実 験 結果 を比較 す るこ とに よ って, 加 工 物PSZの. レー ザ吸 収 率 を 求 め る こ とに した.図10に. 示 すz. 軸 を中 心 と した軸 対称 モ デル を用 い てお り,要 素数228,節 数140で あ る.式(5)に. 点. 示 した ガ ウス 分布 エ ネ ルギ ーq(r)を. レーザ 照射 開始 か ら5msに わ た り熱 流 と して与 え,ス ポ ット全 域 に わ たる照 射 エ ネル ギ ーQは,温 て30〜50Wと. 度 測 定 実験 の 条 件 に合 わせ. した.な お,外 部 へ の熱 輻射,熱 伝 達 は な い もの. と した. 部 分 安定 化 ジ ル コニ ア(PSZ)の. 比 熱 と熱 伝 導 率 を図11に 示. す5).な お,密 度 ρは大 き く変 化 しな い ため,温 度 にか か わ ら ず 一定 値 ρ=5.9×103kg/m3と. した.. 図12に こ の解 析 の流 れ を示 す.PSZの Fig.8 Temperature at center of laser spot (Experimental results). Fig.7 Outputof two-colorpyrometer. レーザ 光 に対 す る吸収. 率 は,そ の 温度 依 存 性 を考 慮 し,各 要素 の 温 度 に よ って 変化 さ せ てい る.解 析 は レー ザ 出力Qの 低 い 条件 か ら始 め,段 階 的 に 高 温 度 とな る条 件 での 解析 を行 い,PSZの 吸 収 率 を求 め てい る. た とえ ばQ=30W,照. 射 時 間5msの 条件 下 で は,温 度 測定 実 験 か. らス ポ ッ ト中心 の 温度 は約730℃ に達 して い るの で,こ の 条件 下 の解析 解 と実 験 結果 との比 較 に よ り,常 温 〜730℃ に お け る 吸 収 率 を46%と 求 め た.次 いでQ=35Wの 実 験 結 果 の比 較 か ら,730‑1100℃. 条 件 下 で の解析 解 と. ま での吸 収 率59%を. 求めて. い る.こ の 過程 を繰 り返 し,2100℃ までの 吸 収 率 を 求め た 結果. (a) Temperature history at center(b) of laser spot Fig.9. Temperature at center of laser spot. Temperature at center of laser spot by analysis (Theoretical results). 大 きさ8及 び光 フ ァイバ の 設定 距 離t(測 定 距離)に. よ って測 定 可 能. な 下 限の 温 度が 異 な っ て くるが,今 回 のa=400μm,t=5mmで. は,. 約600℃ 以 上の 温度 で精 度 よ く測 定が 可能 とな る こ とが 図 よ りわか る. レー ザ照 射 中,温 度 は徐 々 に上 昇 し,照 射 終了 時(5ms)で. は1013℃. に 達 して い る.ま た,図4の 結 果 を適用 す る こ とに よ り照射 部 の 最 高 温 度 を推 定 で き,こ の場 合 レー ザ ス ポ ッ ト中 心 にお け る最 高 温 度 は 1350℃ と な る. レーザ 出 力 を種 々 に変 化 させ,そ の ときの温 度 を測定 した結 果 を図 8に 示 す.図 で は レーザ ス ポ ッ ト中心 部 の最 高 温 度 を求 め た結 果 を示. Fig.10. Mesh. model. of PSZ. for FFM. simulation. して い る.レ ー ザ 出力 が大 き くなる に した が い,照 射 部 最 高温 度 は直 線 的 に高 くな り,Q=50Wで 3.レ. は2000℃ を超 え て い る. ー ザ照 射 部温 度 の理 論 的 解 析. 加 工物 の レーザ吸 収 率,熱 伝 導 率な どの物 性 値 が 温度 に依 存 せず 一 定 の 場 合 に は,レ ー ザ照 射 部 の 最 高温 度 は解 析 的 に求 め る こ とが で き,次 式 で 表 され る3).. 〓こ こで,エ ネ ルギ ーqは 式(5)で 与 え られ,kは 加 工材 料 の 熱伝 導 率, K(=k/ρC)は. 熱 拡散 率 を示 してお り,τ は レー ザ照 射 時 間 であ る.. Fig.11 Specificheat and thermalconductivityof PSZ5). 精 密 工 学 会 誌Vol.65,No.1,1999129.

(5) 山田 ・小谷 ・上田:CO2レ. Fig.12. ーザ 加工における照射 部温 度と吸収率. Flowchart. for FEM simulation. Fig.13 Absorptivity of PSZ for CO2 laser. Fig.15 Results of temperature analysis by FEM simulation. を図13に 示す,図 よ り,加 工 物 の 温度 が 上 昇 す る につ れ て吸 収 率 は 大 き くな る傾 向 にあ り,常 温 時 で 約50%で る とほぼ90%に. あ っ たが,2100℃. に達す. (2)FEMに. よ る計 算 結 果 と温度 測 定結 果 の 比 較 か ら,700〜2100℃ の. 温 度 にお け るPSZの. レーザ 吸 収 率 を求 め る こ とが で き,吸 収率. は 温度 が 上 昇 す る につ れ て大 き くな り,700℃ で46%で. も達 す る こ とが わ か る.. 図13の 結 果 の妥 当性 を確 か め るた め,実 験 に よる測 定波 形 と,FEM 解 析 に よ って得 られ た温 度 変 化(レ ー ザス ポ ッ ト中心)を 比較 した結. 2100℃ で は90%に. あ っ たが. 達 す る.. (3)材 料 の 物 性 値 お よび レー ザ吸 収 率 の温 度 依存 性 を考慮 したFEM. 果 が 図14で あ る.縦 軸 は照 射 部 の最 高 温度,す な わ ちス ポ ッ トの 中. 解析 に よ り レー ザ照 射 中 の温 度履 歴 を 求め たが,実 験 に よる測 定. 心 の温 度 を示 して い る.解 析温 度 と測定 波 形 は おお む ね よ く一 致 して. 波 形 に近 い 波 形 を再 現 す る こ とが で きた 。. お り,求 め た 吸収 率 が妥 当 と考 えら れ る.. 参 考. これ らの 結 果 を用 い て,エ ネル ギ ーQ=50Wを5ms照 PSZ内 部 の 温度 分 布 の計 算 結 果 を図15(a)に. 示 す.照 射 表面 の 中心. にお い て最 高 温度 は2090℃ に達 して い る。この ときの 表面 温 度分 布 を 図15(b),内. 部 温度 分 布 を図15(c)に. PSZ内 部 の 温度 勾 配 は大 き く,図10に. 示 す,い ず れ の 図 にお い て も 示 した解 析 モ デ ルの サ イズが. 1) 黒 部 利 次,川 割 断,材. 向 徳 康,高. 2) M. Geiger and F. Vollertsen: CIRP,. The Mechanisms. of Laser Forming,. 本 研 究 で は,カ ル コゲ ナ イ ド光 フ ァイバ と積 層 型2色 素子 を組 み合 よる非 定常 熱 伝 導 解析. に よって レーザ 照射 部 の 温 度分 布 を求め,実 験 結 果 と計 算結 果 を比較. 山 孝 宏,杉. 光 カ プ ラ 型2色. 田 忠 彰:レ. ーザ 照射 部 の フラ ッシ ュ温度. 温 度 計 の 適 用,精. 密 工 学 会 誌,. 4) 上 田 隆 司,山. 田 啓 司,杉. 照 射 部 の 温 度 測 定,1994年 集,. 田 忠 彰,伊. 東 雅 人,平. 出. 淳:CO2レ. Metals and Ceramics Information Center.. (1)新 し く開 発 した2色 温 度 計 は,レ ー ザ照 射 部 の温 度 計測 に適 用 す る こ とが で き,レー ザ 照射 開始 か ら終 了 まで の照 射 部 の温 度 変化. ーザ. ENGINEERING PROPERTY DATA ON. 果 を要約 す る と以 下 の よ うに なる.. 精 密 工 学 会Vol.65,No.1,1999. 2. (1994)299.. 5) MCIC Report/July 1981;. SELECTED CERAMICS VOLUME 3, SINGLE OXIDES. 130. 61,. 度 精 密 工学 会 秋 季大 会 学 術講 演 会論 文. す る こ とに よ り,加 工 材料 の レー ザ吸 収 率 を求 めて み た.得 られ た結. を知 る こ とが で きる.. Ann.. (1995)278.. わせ た新 しい タ イ プの光 フ ァ イバ型2色 温度 計 を製作 し,レ ーザ 照射 部 の温 度 計 測 に適 用 して み た.ま た,FEMに. ーザ に よる ガ ラス の精 密. 42(1993)301.. 測 定―. 論. 尾 利 幸;YAGレ. 料,42(1993)1004.. 3) 上 田 隆 司,入. 十 分 で あ る こ とが確 認 で き る. 4.結. 文 献. 射 した ときの. (1981).

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