第4章 マクロレーザープロセシング

11. レーザーフォーミング

著者:吉岡 俊朗、三須 直志

1. はじめに

 レーザーによる変形加工は、レーザー照射の局部加熱で生じる熱応力により塑性域を生じさせ、これを任意の部分に生成することにより、素材に変形を与える方法である。したがって、素材には外力を与えず、騒音のないクリーンな環境で板金加工が可能である。また、スプリングバックの影響がないので、精密な曲げ角を得ることができる。さらに、溶融を生じさせることなく行なえるので、酸化対策をとれば素材表面状態はほぼ初期のまま維持される。もちろん、形状作成という観点からは、製品形状の要求に支障がなければ、溶融を伴っても良いはずであり、その例も報告されている。
 難波ら1)は1986年にレーザー照射を加工物表面上で直線的に走査する線状加熱2)によって板材をV字状に曲げる加工(V字曲げ加工)を報告した。この時点では板曲げの二次元形状であったが、最終的には三次元加工をも対象とすべく、これをレーザーフォーミング(Laser Forming)と名付けた。その後の研究では、板曲げが主の場合レーザー曲げ(Laser Bending)という名称も使用されている。ここでは両者を含めてレーザーフォーミングと呼ぶ。
 本稿では、レーザーフォーミングの加工原理を概説しこの方法での二次元、三次元形形状作成例を紹介する。

2. レーザーフォーミングの加工原理

 F.Vollertsenはレーザーフォーミングの原理として以下に示すような3種のメカニズムを提案している3)
i) TGM(Temperature Gradient Mechanism)
ii) BM(Buckling Mechanism)
iii) UM(Upsetting Mechanism)
 しかし、上記の分類i)とiii)は材料の温度分布が異なるのみで生ずる現象でメカニズムの差とは云いがたい。それゆえ、和文としてはその変形形態を示すのに、それぞれに温度勾配モード、座屈モード、アプセットモードと呼ぶ。しかし、記号としては、TGM、BM、UMを用いる。
以下、各モードについて概説するが、いずれもレーザ一照射を線状に加熱している一部分を考えている。
i)温度勾配モード(TGM)
 試料厚さ方向に大きな温度勾配を持つケースである。これはビーム直径(D)が板厚(t)に対して小さく(D<t)、厚さ方向に大きな温度勾配を生じる場合である。図1(i-a)のレーザー照射部近傍は急激に温度上昇する。そのため、この部分は体積膨張するが、周囲から拘束されているので(圧縮応力が発生)体積膨張分は表面から盛り上る(膨出部)結果となる(図1(i-b))。さらなる体積膨張が起きれば、弾性域を越えて塑性域となる部分が生じる。この膨出部分は、レーザー照射終了後、温度低下とともに収縮し、初期状態へ戻ろうとするものの、その塑性変形した膨出部のー部は残留する(図1(i-c))、したがって、残留膨出部の体積に相当するX方向長さが表層部で短くなるため、表層部には引張応力が生じ、これによる曲げモーメントで、板はレーザー照射側に凹状の変形をする(図1(i-d))。
ii)前屈モード(BM)
 ビーム直径が板厚より十分に大きいという条件(>>t)で加熱し、広い領域が高温となり、その部分の圧縮応力により座屈が生じ、これが原因で曲げを生ずるタイプである。図1(ii-b)の部分は熱膨張するが、やはり周辺部は拘束されているので、座屈を起こす図1(ii-c)。この時、この部分へ塑性変形が生じれば、冷却後曲げが生ずる図1(ii-d)。
板厚方向での温度差がほとんどない状態なので、曲る方向はレーザー照射方向に対し正負半々、すなわち、凹状、凸状の面が50%の確率で発生することになる。
iii)アプセットモード(UM)
 ビーム直径が板厚の2から3倍程度というような条件
(D≒(2〜3)t)で加熱され、その領域が高温、かつ板厚方向での温度差がほとんどない状態が瞬時に形成されると、その部分の熱応力によりアプセット(その部分が圧縮される現象)が生じ、加熱部は板の上下面へ膨出する(図1iii-b)、この時、この部分へ塑性変形が生じれば、冷却後の長手方向(レーザー照射線に垂直方向)で収縮を引き起こすことになる(図1iii-c、d)。
 なお、実際の加工においては、これらを明瞭に分類できない場合も多く、これらのモードが混合して発生しているものと考えられる。

3. レーザー変形加工の実際

3.1 二次元変形加工

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