(57)【要約】【課題】軽金属を含む金属製品の品質低下を抑制しながら当該金属製品の表面を改質させることができる表面改質処理方法を提供すること。【解決手段】本発明に係る表面改質処理方法は、軽金属を含む金属製品２の表面３にレーザ光Ｌを照射して表面３を部分的に加熱することによって、表面３を改質させる表面改質処理方法であって、表面３にレーザ光Ｌを照射するステップＳ２０と、レーザ光Ｌが照射されている表面３の温度Ｔａを取得するステップＳ３０と、取得された表面３の温度Ｔａが目標温度Ｔｏ未満で、かつ表面３の温度Ｔａの上昇率ΔＴが上限値ΔＴｍａｘ以上の場合には、レーザ光Ｌの出力を低減させるステップＳ４３と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽金属を含む金属製品の表面にレーザ光を照射して前記表面を部分的に加熱することによって、前記表面を改質させる表面改質処理方法であって、
前記表面に前記レーザ光を照射するステップと、
前記レーザ光が照射されている前記表面の温度を取得するステップと、
取得された前記表面の温度が目標温度未満で、かつ前記表面の温度の上昇率が上限値以上の場合には、前記レーザ光の出力を低減させるステップと、を備える、
表面改質処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面改質処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車等に用いられる金属部品は、軽量化を目的として、アルミニウム合金やマグネシウム合金などの軽合金を用いて製作されることがある。軽合金を用いて金属部品が製作された場合において、当該金属部品の強度を十分に確保したいという要望がある。特許文献１には、軽合金を材料とする鋳造品に対して、部分的に加熱して再溶融させた後に急冷する方法が開示されている。この方法によれば、加熱された領域において、金属組織が微細化・均質化されるため、部分的に強度が向上するとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−７３７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
軽金属を含む金属製品に対して部分的に加熱操作を行う際、当該金属製品に対し過剰に熱が加わってしまうことがあった。そのような場合には、加熱領域の周りの金属が溶融して予期せぬブローホールが発生するなど、金属製品の品質が低下してしまうおそれがあった。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、軽金属を含む金属製品の品質低下を抑制しながら当該金属製品の表面を改質させることができる表面改質処理方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る表面改質処理方法は、軽金属を含む金属製品の表面にレーザ光を照射して前記表面を部分的に加熱することによって、前記表面を改質させる表面改質処理方法であって、前記表面に前記レーザ光を照射するステップと、前記レーザ光が照射されている前記表面の温度を取得するステップと、取得された前記表面の温度が目標温度未満で、かつ前記表面の温度の上昇率が上限値以上の場合には、前記レーザ光の出力を低減させるステップと、を備えることを特徴としたものである。
【０００７】
上記の構成によれば、軽金属を含む金属製品の表面を部分的に加熱する際に、当該加熱されている表面の温度を取得する。そして、その表面の温度の上昇率が、予め定められた上限値以上であると判断された場合は、加熱条件を緩やかにする。このようにすることで、金属製品の表面が過剰に加熱されることを抑制できる。したがって、金属製品の品質低下を抑制しながら当該金属製品の表面を改質させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、軽金属を含む金属製品の品質低下を抑制しながら当該金属製品の表面を改質させることができる表面改質処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る表面改質処理方法を実行する表面改質処理装置の構成を表すブロック図である。
【図２】本実施形態に係る表面改質処理方法のフローチャートである。
【図３】曲げ加工を施された金属製品の例である。
【図４】ＳＰＲ接合加工を施された金属製品の例である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載および図面は、適宜、簡略化されている。
【００１１】
まず、図１を参照して、本実施形態に係る表面改質処理方法を実行する表面改質処理装置１の構成について説明する。図１は、表面改質処理装置１の構成を表すブロック図である。図１に示すように、表面改質処理装置１は、制御装置１０と、レーザ発振器２０と、加工トーチ３０と、アンプ４０と、演算処理装置５０と、表示機６０と、を備える。
【００１２】
本実施形態に係る表面改質処理装置１は、軽金属を含む金属製品２の表面３にレーザ光Ｌを照射して表面３を部分的に加熱することによって、金属製品２の表面３を改質させる装置である。
金属製品２は、例えばＳｉ（シリコン）を含むアルミニウム合金やマグネシウム合金等で形成された製品である。金属製品２の表面３が部分的に加熱されると、加熱部分において共晶Ｓｉが微細化し、引張強さ等の機械的性質が向上する。
【００１３】
制御装置１０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）であり、レーザ発振器２０及び演算処理装置５０に接続されている。制御装置１０は、レーザ発振器２０の動作を直接的または間接的に制御する。制御装置１０による制御は、例えば、ユーザの指示や、表面３の温度Ｔａに基づいて行われる。
【００１４】
レーザ発振器２０は、制御装置１０の制御に基づいてレーザ光Ｌを出射する。レーザ発振器２０には、例えば半導体レーザ、ＹＡＧレーザ、炭酸ガスレーザ等の公知のレーザの発振器を用いることができるが、特に波長が０．８〜２μｍの範囲内である近赤外線のレーザを用いることが好ましい。レーザ光Ｌは、連続波であってもよいし、パルス波であってもよい。レーザ発振器２０が出射したレーザ光Ｌは、光路２１を経由して加工トーチ３０内に入射される。光路２１は、例えば光ファイバである。
【００１５】
加工トーチ３０は、レーザ光Ｌを金属製品２の表面３に照射するとともに、金属製品２の表面３の熱放射によって生じる熱放射光Ｈを受光する。
図１に示すように、加工トーチ３０は、筐体３１と、窓部３２と、ハーフミラー３３と、受光素子３４と、を備える。窓部３２は、少なくともレーザ光Ｌ及び熱放射光Ｈを透過できる材質で形成されており、筐体３１の面においてレーザ光Ｌの光路上に設けられている。ハーフミラー３３は、レーザ光Ｌを透過させるとともに熱放射光Ｈを反射させるように形成されており、筐体３１の内部においてレーザ光Ｌの光路上に設けられている。図１の例では、レーザ光Ｌのハーフミラー３３に対する入射角は４５°である。このとき、表面３から発せられた熱放射光Ｈは、窓部３２を通りハーフミラー３３で直角に反射される。受光素子３４は、受光した赤外線を電気信号に変換する素子であり、ハーフミラー３３で反射された熱放射光Ｈの光路上に設けられている。受光素子３４は、熱放射光Ｈを受光すると、電気信号をアンプ４０に出力する。
【００１６】
アンプ４０は、加工トーチ３０及び演算処理装置５０に接続されている。アンプ４０は、加工トーチ３０の受光素子３４から取得した電気信号を増幅させて、演算処理装置５０に増幅信号を出力する。
【００１７】
演算処理装置５０は、制御装置１０、アンプ４０、及び表示機６０に接続されている。演算処理装置５０は、アンプ４０から取得した増幅信号に基づいて、受光素子３４が受光した熱放射光Ｈの情報を演算処理し、表面３の温度Ｔａを取得する。また、演算処理装置５０は、求められた表面３の温度Ｔａを制御装置１０に出力する。後述するように、制御装置１０は、当該温度Ｔａの値に基づいて、レーザ発振器２０の動作を制御する。
【００１８】
表示機６０は、例えばディスプレイモニタ等の表示画面を有する装置である。表示機６０は、演算処理装置５０の演算結果等に基づいて、表面３の温度Ｔａや加工時間、レーザ光Ｌの出力等を表示することができる。また、制御装置１０が表面改質処理装置１の異常を検知した際には、表示機６０は、制御装置１０から警告信号を受信し、警告画面を表示する。
【００１９】
次に、本実施形態に係る表面改質処理方法について、図２を用いて説明する。図２は、本実施形態に係る表面改質処理方法のフローチャートである。
【００２０】
まず、ステップＳ１０において、制御装置１０は、金属製品２の表面３の加熱条件を取得する。例えば制御装置１０は、ユーザの入力等に基づいて、加熱により達成したい表面３の目標温度Ｔｏと、加熱開始から目標温度Ｔｏまでに到達するまでの目標時間と、を取得する。本実施形態において、当該目標時間の範囲は、下限時間Ｔｍｉｎよりも長く、上限時間Ｔｍａｘよりも短い時間であるとする。
【００２１】
次に、ステップＳ２０において、制御装置１０は、レーザ発振器２０にレーザ光Ｌを出力するよう指示する。これにより、加工トーチ３０は、レーザ発振器２０から入射されたレーザ光Ｌを金属製品２の表面３に照射する。レーザ光Ｌの出力の初期値は任意に設定することができ、例えば１０００Ｗとすることができる。
【００２２】
次に、ステップＳ３０において、演算処理装置５０は、受光素子３４及びアンプ４０を介して熱放射光Ｈの情報を取得し、レーザ光Ｌが照射されている表面３の温度Ｔａを取得する。
【００２３】
次に、ステップＳ４０において、制御装置１０は、取得された表面３の温度Ｔａが目標温度Ｔｏ未満であるか否かを判定する。温度Ｔａが目標温度Ｔｏ未満である場合（ステップＳ４０のＹＥＳ）はステップＳ４１に進み、温度Ｔａが目標温度Ｔｏ以上である場合（ステップＳ４０のＮＯ）はステップＳ５０に進む。
【００２４】
ステップＳ４１に進んだ場合、制御装置１０は、表面３の温度Ｔａの上昇率ΔＴを取得する。例えば、制御装置１０は、表面３の温度Ｔａの１秒あたりの時間変化を上昇率ΔＴとする。
【００２５】
次に、ステップＳ４２において、制御装置１０は、上昇率ΔＴが上限値ΔＴｍａｘより小さいか否かを判定する。上昇率ΔＴが上限値ΔＴｍａｘ以上の場合（ステップＳ４２のＮＯ）はステップＳ４３に進み、上昇率ΔＴが上限値ΔＴｍａｘ未満の場合（ステップＳ４２のＹＥＳ）はステップＳ４４に進む。
【００２６】
取得された表面３の温度Ｔａが目標温度Ｔｏ未満で、かつ表面３の温度Ｔａの上昇率ΔＴが上限値ΔＴｍａｘ以上の場合（ステップＳ４３に進んだ場合）、表面３が急速に加熱されているおそれがある。したがって制御装置１０は、ステップＳ４３において、レーザ光Ｌの出力を低減させてステップＳ２０に戻る。これにより、金属製品２の表面３が過剰に加熱することを抑制することができる。
【００２７】
なお、ステップＳ４３において、制御装置１０は、上昇率ΔＴと上限値ΔＴｍａｘとの差が大きいほど、レーザ光Ｌの出力を大きく下げるようにしてもよい。すなわち、上昇率ΔＴが大きいほどレーザ光Ｌの出力を大きく下げるようにしてもよい。このような構成によって、表面３が過剰に加熱されている状態を早く解消することができる。
【００２８】
一方、取得された表面３の温度Ｔａが目標温度Ｔｏ未満で、かつ表面３の温度Ｔａの上昇率ΔＴが上限値ΔＴｍａｘ未満の場合（ステップＳ４４に進んだ場合）、表面３の加熱速度が足りていないおそれがある。したがって制御装置１０は、ステップＳ４４において、レーザ光Ｌの出力を増大させてステップＳ２０に戻る。これにより、金属製品２の表面３を速やかに加熱することができる。
【００２９】
なお、ステップＳ４４において、制御装置１０は、上昇率ΔＴと上限値ΔＴｍａｘとの差が大きいほど、レーザ光Ｌの出力を大きく上げるようにしてもよい。すなわち、上昇率ΔＴが小さいほどレーザ光Ｌの出力を大きく上げるようにしてもよい。このような構成によって、表面３をより速やかに加熱することができる。
【００３０】
また、ステップＳ４０で温度Ｔａが目標温度Ｔｏ以上と判断された場合（ステップＳ５０に進んだ場合）は、制御装置１０は、レーザ光Ｌの照射を停止する。これにより、金属製品２の表面３を必要以上に加熱しないようにすることができる。その後、ステップＳ６０に進む。
【００３１】
ステップＳ６０において、制御装置１０は、レーザ光Ｌの照射時間Ｔが下限時間Ｔｍｉｎよりも長く、上限時間Ｔｍａｘよりも短いか否かを判定する。レーザ光Ｌの照射時間Ｔが下限時間Ｔｍｉｎよりも長く、上限時間Ｔｍａｘよりも短い場合（ステップＳ６０のＹＥＳ）は、フローを終了する。一方、レーザ光Ｌの照射時間Ｔが下限時間Ｔｍｉｎ以下であるか、上限時間Ｔｍａｘ以上である場合（ステップＳ６０のＮＯ）は、ステップＳ６１に進む。
【００３２】
レーザ光Ｌの照射時間Ｔが下限時間Ｔｍｉｎ以下であるか、上限時間Ｔｍａｘ以上である場合（ステップＳ６１に進んだ場合）、表面改質処理装置１の一連の処理操作において異常が生じているおそれがある。例えば、照射時間Ｔが下限時間Ｔｍｉｎ以下のときは、表面３が急速に加熱されてしまい、制御装置１０等がレーザ光Ｌの照射をうまく制御できていなかったおそれがある。また、照射時間Ｔが上限時間Ｔｍａｘ以上のときは、表面３がうまく加熱されておらず、レーザ発振器２０等がレーザ光Ｌをうまく出力できていなかったおそれがある。したがって制御装置１０は、ステップＳ６１において、警告信号を出力する。また、表示機６０は、当該警告信号を取得して、警告画面を表示する。これによって、表面改質処理装置１のユーザは、装置に異常が生じていることを検知することができる。
【００３３】
以上で説明したように、本実施形態に係る表面改質処理方法においては、金属製品２の表面３が過剰に加熱されることを抑制できる。したがって、金属製品２の品質低下を抑制しながら、金属製品２の表面３を改質させることができる。
【００３４】
例えば、本実施形態に係る表面改質処理方法を用いて、特に金属製品の中で強度の低い部分を重点的に改質させることによって、金属製品全体の強度を効率よく高めることができる。
図３は、曲げ加工を施された金属製品２ａの模式図である。図３において、金属製品２ａの稜線３ａは、金属製品２ａの中でも強度が低く、曲げ加工時に割れが生じやすい。このような場合、曲げ加工を施す前に、稜線３ａに対応する表面を予め本発明の方法で改質処理するとよい。これにより、金属製品２ａの強度を高め、加工時の割れを抑制することができる。
【００３５】
また、図４は、ＳＰＲ（Self-Pierce Riveting）法によって加工された金属製品２ｂの断面図である。図４の例では、金属製品２ｂと金属製品４ｂとがリベット５ｂで締結され、パンチ６ｂと母材７ｂとで加圧された状態を示している。図４において、金属製品２ｂのうち突出した凸部３ｂは、金属製品２ａの中でも強度が低く、ＳＰＲ加工時に割れが生じやすい。このような場合、ＳＰＲ加工を施す前に、凸部３ｂに対応する表面を予め本発明の方法で改質処理するとよい。これにより、金属製品２ｂの強度を高め、加工時の割れを抑制することができる。
【００３６】
なお、本発明は上記の実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【００３７】
例えば、上記の実施形態において、ステップＳ１０〜ステップＳ６１の各工程は、制御装置１０等によって実行されるものとして説明するが、可能であれば、各工程の一部または全部は、作業者によって行われてもよい。
【００３８】
また、上記の実施形態において、受光素子３４は加工トーチ３０の内部に設けられている例について説明したが、受光素子３４の位置はこれに限られない。例えば、受光素子３４は窓部３２の近くに設けられていてもよいし、加工トーチ３０と別個に設けられていてもよい。
【００３９】
また、上記の実施形態において、ステップＳ６０で警告を出力する例として、表示機６０が警告画面を表示する場合について説明したが、警告の出力方法はこれに限られない。例えば、表面改質処理装置１は、警告を知らせる光を点灯させることによって警告を出力してもよいし、アラーム音を発することによって警告を出力してもよい。
【符号の説明】
【００４０】
１    表面改質処理装置
２    金属製品
３    表面
１０  制御装置
２０  レーザ発振器
２１  光路
３０  加工トーチ
３１  筐体
３２  窓部
３３  ハーフミラー
３４  受光素子
４０  アンプ
５０  演算処理装置
６０  表示機
Ｈ    熱放射光
Ｌ    レーザ光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2020045546.tif 000006