(57)【要約】【課題】レーザ焼入れシステム及びレーザ焼入れ方法において、焼入れが行われる部位の板厚が薄くて自己冷却が不十分であってもレーザ焼入れを可能とすることである。【解決手段】焼入れが行われる部位の板厚が５ｍｍ以下の鋼材ワークに対し表面焼入れを行うためのレーザ焼入れ方法は、最初に、レーザ焼入れシステムの条件設定を行う（Ｓ１０）。次に、冷却領域に対して冷媒供給（Ｓ１２）が行われ、搬出ガス供給（Ｓ１４）が行われ、冷却領域に冷却水が流れる状態となる。そしてレーザ照射が照射領域に対して行われ（Ｓ１６）、所定の走査速度でワークが移動される（Ｓ１８）。レーザ照射が行われた照射領域は、走査方向の下流側の緩衝領域に移動する。ワークが緩衝領域を超えて冷却領域に達すると、冷却水によって自己冷却アシストが行われ急速冷却となってレーザ焼入れが完了する（Ｓ２０）。【選択図】図６
2020111834.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼入れが行われる部位の板厚が５ｍｍ以下の鋼材ワークに対し表面焼入れを行うためのレーザ焼入れシステムであって、
ワークを保持し走査方向に移動させるワーク移動機構と、
走査方向に移動するワークに対しレーザビームを照射するレーザ照射装置と、
走査方向において既にレーザ照射が行われた側を下流側とし、まだレーザ照射が行われていない側を上流側として、鋼材ワークにおけるレーザビームの照射領域よりも走査方向に沿って鋼材ワークの板厚に応じた所定の緩衝領域を隔てた下流側の冷却領域に冷媒を供給する冷却装置と、
を備えることを特徴とするレーザ焼入れシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ焼入れシステムにおいて、
所定の緩衝領域の走査方向に沿った長さは、
照射領域にレーザビームの照射によって入熱された鋼材ワークが表面から所定の深さまでオーステナイト化することについて冷却領域における冷却によって妨げられない長さ以上であり、
緩衝領域において、鋼材ワークの材質で定まる自己冷却特性が鋼材ワークの板厚に応じて低下する自己冷却低下特性によって鋼材ワークの温度が時間と共に低下するときの（温度と時間）の関係について、パーライト変態限界の（温度と時間）の特性曲線に交差する走査時間に相当する長さ以下となる範囲に設定されることを特徴とするレーザ焼入れシステム。
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーザ焼入れシステムにおいて、
冷却領域に供給される冷媒及び気化した冷媒を冷却領域よりも走査方向の下流側に流すための搬出ガス流を供給する搬出ガス供給装置を備えることを特徴とするレーザ焼入れシステム。
【請求項４】
請求項３に記載のレーザ焼入れシステムにおいて、
冷媒は、冷却水であり、冷媒蒸気は水蒸気であり、
搬出ガス流は、空気流であることを特徴とするレーザ焼入れシステム。
【請求項５】
焼入れが行われる部位の板厚が５ｍｍ以下の鋼材ワークに対し相対的にレーザビームを走査して表面焼入れを行うためのレーザ焼入れ方法であって、
走査方向において既にレーザ照射が行われた側を下流側とし、まだレーザ照射が行われていない側を上流側として、走査方向に沿って、鋼材ワークにおけるレーザビームの照射領域と、照射領域よりも下流側に設けられる冷却領域との間に、鋼材ワークの板厚に応じた所定の緩衝領域を設定する設定工程と、
鋼材ワークの冷却領域に冷媒を供給する冷却工程と、
冷却領域に供給される冷媒及び気化した冷媒を冷却領域よりも走査方向の下流側に流すための搬出ガス流を供給する搬出ガス供給工程と、
鋼材ワークを保持し走査方向に移動させるワーク移動工程と、
走査方向に移動する鋼材ワークの照射領域にレーザビームを照射する照射工程と、
を含むことを特徴とするレーザ焼入れ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ焼入れシステム及びレーザ焼入れ方法に係り、特に、焼入れが行われる部位の板厚が薄く自己冷却が不十分となる鋼材ワークに対するレーザ焼入れシステム及びレーザ焼入れ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被加工物について表層部のみを焼入れして硬化させて耐摩耗性、耐久性を付与する手段として、高周波焼入れや、電子ビーム焼入れ、レーザ焼入れ等の高エネルギービーム照射による表面焼入れが公知である。これらの方法は、焼入れ硬化性のある材料からなる被加工物に高エネルギー密度のビームを照射し、表面近傍を急激に加熱し、その熱が被加工物内部に熱伝導によって分散され急激に冷却する、いわゆる自己冷却によって焼入れが行われる。
【０００３】
例えば、鋼材の表層部に対するレーザ焼入れは、被加工物にレーザビームを照射して局部的に表層部を加熱し、鋼材の組織をオーステナイト化する。加えられた熱は、Ｗ／（ｍ・Ｋ）という単位で示される鋼材の熱伝導率に従って温度が高いところから低いところへ分散する。これは鋼材の自己冷却能あるいは単に自己冷却と呼ばれる。鋼材の自己冷却によって、加熱によって昇温された領域の温度が時間経過と共に急速に低下する。具体的には、加熱されて昇温した領域の温度を、鋼材のオーステナイト領域からパーライトノーズと呼ばれる変態境界にかかることなくマルテンサイト変態領域まで冷却することで、冷媒なしでも焼入れが行われる。
【０００４】
特許文献１は、鋼材に対する電子ビーム焼入れに関するものであるが、従来の電子ビーム焼入れでは、加熱開始から鋼の常温組織であるフェライト・パーライト組織が完全にオーステナイトへ変態し終わるまで待ってから焼入れすると述べている。この方法では、被加工物が例えば薄板部品のときに課題が生じると述べている。すなわち、薄板部品の場合は、オーステナイトへの変態時間の間に熱伝導により被加工物の広範囲にわたって温度が上昇し、自己冷却が不十分となって焼入れ不良が発生すると指摘している。そこで、従来技術では、鋼部材の表層部の加熱はその部分のオーステナイト化が達成できる温度にとどめられていて溶融させないが、特許文献１では、表層部を溶融状態に達するまで加熱し、これをそのまま自己冷却させる。これにより、自己冷却の開始と同時に、溶融状態から瞬時にオーステナイト組織を経てマルテンサイト組織に変態させることができると述べている。なお、自己冷却に加えて、水冷等の強制冷却を適用してもよい、と述べている。
【０００５】
特許文献２では、一般にレーザ焼入れは、レーザビームのスポットに比べてはるかに大きい被加工物に対して行っており、レーザビームの照射によって昇温した部分の熱がその周囲の大質量の部分によって急速に冷却される自己冷却によって硬化されると述べている。そして、レーザビームのスポット径と同程度の幅しか有しない小物部品に対してレーザビームの照射を行う場合は、レーザビーム照射によって昇温した部分がその周囲の部分に分散し、その周囲の部分の質量が小さいため、周囲の部分を昇温させると指摘する。その結果、残熱が多くなり、レーザビームが照射された部分の自己冷却が不足し、十分な焼入れが不可能となると述べている。そして、小物部品である被加工物を強制冷却する方法として、被加工物を冷却液内に漬けて冷却する方法や、水スプレー又はミスト冷却を使用する方法を述べている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−００３５２８号公報
【特許文献２】特開平６−３３０１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
レーザ焼入れにおいて、自己冷却が不十分となると十分な焼入れができなくなる。焼入れが行われる部位の板厚が薄くなると、自己冷却が不十分となり、残熱で被加工物の温度が上昇し、さらに自己冷却が不十分となる。特に、円環形状の周方向に沿ってぐるっとレーザ照射を行って最初の照射開始位置の近傍に戻ってくる場合には、残熱の分散により既に焼入れされた領域の温度が上昇し、焼戻し状態となって硬度が上がらないことが生じ得る。実験によれば、被加工物が鋼材の場合、焼入れが行われる部位の板厚が約５ｍｍ以下のとき、自己冷却が不十分となり、例えば、焼入れ深さが上記板厚の（１／１０）以上必要な場合には、所望の焼入れが不可能となり得ることが分かった。なお、焼入れ処理が行われる部位の板厚の下限であるが、今までの焼入れ経験から、約０．５ｍｍ以上とする。本発明の目的は、焼入れが行われる部位の板厚が薄くて自己冷却が不十分であっても、所望のレーザ焼入れを可能とするレーザ焼入れシステム及びレーザ焼入れ方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るレーザ焼入れシステムは、焼入れが行われる部位の板厚が５ｍｍ以下の鋼材ワークに対し表面焼入れを行うためのレーザ焼入れシステムであって、鋼材ワークを保持し走査方向に移動させるワーク移動機構と、走査方向に移動する鋼材ワークに対しレーザビームを照射するレーザ照射装置と、走査方向において既にレーザ照射が行われた側を下流側とし、まだレーザ照射が行われていない側を上流側として、鋼材ワークにおけるレーザビームの照射領域よりも走査方向に沿って鋼材ワークの板厚に応じた所定の緩衝領域を隔てた下流側の冷却領域に冷媒を供給する冷却装置と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
上記構成によれば、鋼材ワークにおけるレーザビームの照射領域よりも走査方向に沿った下流側の冷却領域に冷媒を供給するので、板厚が薄くて自己冷却が不十分となる場合でも、レーザ焼入れが可能になる。
【００１０】
本発明に係るレーザ焼入れシステムにおいて、所定の緩衝領域の走査方向に沿った長さは、照射領域にレーザビームの照射によって入熱された鋼材ワークが表面から所定の深さまでオーステナイト化することについて冷却領域における冷却によって妨げられない長さ以上であり、緩衝領域において、鋼材ワークの材質で定まる自己冷却特性が鋼材ワークの板厚に応じて低下する自己冷却低下特性によって鋼材ワークの温度が時間と共に低下するときの（温度と時間）の関係について、パーライト変態限界の（温度と時間）の特性曲線に交差する走査時間に相当する長さ以下となる範囲に設定されることが好ましい。
【００１１】
上記構成によれば、照射領域において鋼材ワークを表面から所定の深さまでオーステナイト化することができ、冷却領域においてパーライト変態限界の特性曲線に交差しないように冷却されるので、所定の深さまで焼入れ硬化させることができる。
【００１２】
本発明に係るレーザ焼入れシステムにおいて、冷却領域に供給される冷媒及び気化した冷媒を冷却領域よりも走査方向の下流側に流すための搬出ガス流を供給する搬出ガス供給装置を備えることが好ましい。
【００１３】
冷却領域の温度が高くて冷媒が気化してガスとなると、そのガスがレーザ照射を妨げる。上記構成によれば、冷却領域における冷媒及び気化した冷媒を搬出ガス流によって冷却領域よりも下流側に流すので、レーザ照射に支障が生じない。
【００１４】
本発明に係るレーザ焼入れシステムにおいて、冷媒は、冷却水であり、気化した冷媒は水蒸気であり、搬出ガス流は、空気流であることが好ましい。
【００１５】
上記構成によれば、冷却領域における冷却水及び水蒸気を空気流によって冷却領域よりも下流側に流すので、レーザ照射に支障が生じない。
【００１６】
本発明に係るレーザ焼入れ方法は、焼入れが行われる部位の板厚が５ｍｍ以下の鋼材ワークに対し相対的にレーザビームを走査して表面焼入れを行うためのレーザ焼入れ方法であって、走査方向において既にレーザ照射が行われた側を下流側とし、まだレーザ照射が行われていない側を上流側として、走査方向に沿って、鋼材ワークにおけるレーザビームの照射領域と、照射領域よりも下流側に設けられる冷却領域との間に、鋼材ワークの板厚に応じた所定の緩衝領域を設定する設定工程と、鋼材ワークの冷却領域に冷媒を供給する冷却工程と、冷却領域に供給される冷媒及び気化した冷媒を冷却領域よりも走査方向の下流側に流すための搬出ガス流を供給する搬出ガス供給工程と、鋼材ワークを保持し走査方向に移動させるワーク移動工程と、走査方向に移動する鋼材ワークの照射領域にレーザビームを照射する照射工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るレーザ焼入れシステム及びレーザ焼入れ方法によれば、鋼材ワークにおいて焼入れが行われる部位の板厚が薄くて自己冷却が不十分であっても、所望のレーザ焼入れが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】参考実施の形態におけるレーザ焼入れシステムの構成図である。
【図２】図１のＯ方向から見た鋼材ワークにおいて、レーザビームの照射領域、冷却装置の冷却ノズル、搬出ガス供給装置のガス噴出ノズルの位置関係を示す図である。
【図３】図２のＢ−Ｂ方向から見た斜視図である。
【図４】図３における円環状の鋼材ワークの内周面を平面的に展開した展開図を用いて、その特性を模式的に示す図である。図４（ａ）は、円環状の内周面の展開図で、走査方向に沿った位置を図１に示す走査角度θで表す図である。（ｂ）は、内周面の表層部の温度と走査角度θとの関係を示す図であり、（ｃ）は、内周面の表層部の組織と走査角度θとの関係を示す図である。
【図５】参考実施の形態においてレーザ焼入れ処理後の鋼材ワークの断面図の例である。
【図６】本発明に係る実施の形態におけるレーザ焼入れ方法の手順を示すフローチャートである。
【図７】鉄−炭素系状態図の例である。
【図８】鋼材の恒温変態曲線と、実際の冷却特性との関係を示す図である。
【図９】参考実施の形態の鋼材ワークについて、緩衝領域の走査方向に沿った長さを変化させたときの特性評価結果をまとめた図である。図９（ａ）は、緩衝領域の走査方向に沿った長さの変化と表面硬さの変化の関係を示す図であり、（ｂ）は、表面硬さから推定される組織を示す図である。
【図１０】参考実施の形態の鋼材ワークについて、緩衝領域の走査方向に沿った長さと、ビッカース硬度がＨｖ＝３５０となる表面からの深さとの関係を示す図である。
【図１１】参考実施の形態として環状形状を有するワークに生じる残熱による温度上昇を示す図である。
【図１２】平板状のワークに生じる残熱による温度上昇を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、参考実施の形態として、レーザ焼入れが行われる被加工物を円環形状の鋼材ワークとし、その円環形状の内周面の周方向に沿った照射開始位置からレーザ焼入れを始めて周方向に沿ってぐるっと回って再び照射開始位置の近傍に戻る表面焼入れを述べるが、これは例示である。鋼材ワークにおいて焼入れが行われる部位の板厚が５ｍｍ以下であれば、鋼材ワークの形状や焼入れ部位を問わず、本発明に係るレーザ焼入れシステム及びレーザ焼入れ方法が適用できる。例えば、円環形状の内周面の一部にのみ表面焼入れを行う場合であってもよく、内周面でなく円環形状の任意の部位に表面焼入れを行う場合であってもよい。また、円環形状以外の鋼材ワークとして、薄板に表面焼入れを行う場合も述べるが、円環形状、薄板以外の形状の鋼材ワークに対して表面焼入れを行う場合でもよい。
【００２０】
以下で述べる寸法、形状、材質、冷媒や搬出ガスの種類等は例示であって、レーザ焼入れシステムの仕様に応じて適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２１】
図１は、参考実施の形態におけるレーザ焼入れシステム１０の構成図である。レーザ焼入れシステム１０は、焼入れが行われる部位の板厚が５ｍｍ以下の鋼材ワーク６０に、レーザビームを照射して表面焼入れを行うシステムである。以下では、特に断らない限り、レーザ焼入れシステム１０を、システム１０と呼び、鋼材ワーク６０をワーク６０と呼ぶ。また、ワークにおいて焼入れが行われる部位の板厚のことを、特に断らない限り、ワークの板厚あるいは単に板厚と呼ぶ。すなわち、以下において「ワークの板厚」とは、ワーク全体の板厚を指すのでなく、ワークの部位のうち、特に、焼入れ処理が行われる部位の板厚を指す。
【００２２】
システム１０は、円環形状のワーク６０について、その円環形状の内周面の周方向に沿った照射開始位置からレーザ焼入れを始めて周方向に沿ってぐるっと回って再び照射開始位置の近傍に戻る表面焼入れを行う専用システムである。システム１０は、ワーク移動機構２０、レーザ照射装置３０、冷却装置４０、及び、搬出ガス供給装置５０を備える。なお、ワーク６０の環状形状、表面焼入れを行う内周面６２の所定の箇所等については、図２、図３を用いて後述する。
【００２３】
ワーク移動機構２０は、ワーク６０を保持し走査方向に移動させる機構である。ワーク移動機構２０は、ワーク回転機２２と、回転取付台２４と、ワーク保持治具２６を含む。ワーク回転機２２は、回転速度等を制御する制御部を有するモータである。回転取付台２４は、ワーク回転機２２の回転軸に固定され、ワーク保持治具２６を取り付ける取付部を有する汎用的取付台である。汎用的とは、ワーク６０の形状等によって異なるワーク保持治具２６に対応できるような汎用取付部を有することを意味する。ワーク保持治具２６は、ワーク６０を保持する治具で、回転取付台２４に固定されて、ワーク回転機２２が回転すると、一体となってワーク６０を回転させる。ワーク６０の保持方法としては、ワーク６０が磁性体である鋼材で構成されている場合は、マグネット吸着法が用いられる。非磁性の鋼材等でマグネット吸着法を用いることができない場合は、機械的保持方法を用いることができる。
【００２４】
図１において、ワーク回転機２２の回転軸をＯ−Ｏ’で示し、回転方向を矢印で示す。ワーク回転機２２の回転軸Ｏ−Ｏ’は、回転取付台２４とワーク保持治具２６を介して、ワーク６０の環状形状の中心軸に軸合わせされる。これにより、回転軸Ｏ−Ｏ’周りの回転方向は、レーザビーム３８に対するワーク６０の回転方向となり、走査方向となる。回転軸Ｏ−Ｏ’は、ワーク回転機２２が設置される床面１２に平行に延びる。
【００２５】
床面１２を水平面として、図１に水平方向と上下方向とを示す。上下方向は、水平方向に垂直な方向で、下方側が重力方向で、床面１２に向かう方向である。上方側は、重力方向と反対側の方向で、床面１２から上方を向く方向である。環状形状を有するワーク６０の軸方向は、水平方向に平行な方向である。図１のワーク６０の断面図における径方向は、上下方向に平行な方向となる。
【００２６】
レーザ照射装置３０は、走査方向に移動するワーク６０に対しレーザビーム３８を照射する装置である。レーザ照射装置３０は、ビーム照射部３２と、ロボットアーム３４と、レーザ照射制御部３６を含む。ビーム照射部３２は、レーザ発振器と、レーザ発振器が発するレーザ光を所定のビーム形状のレーザビーム３８に整形する光学系とを含む。レーザ発振器としては、レーザ焼入れに適したレーザ光を発する半導体レーザ発振器等を用いることができる。レーザビーム３８の所定の形状としては矩形形状を用いる。これに代えて、円形、あるいは楕円形状であってもよい。ロボットアーム３４は、レーザビーム３８の照射先をワーク６０の所定の照射領域６４（図２、図３参照）に位置合せする多軸ロボット機構である。レーザ照射制御部３６は、レーザビーム３８の照射エネルギの大きさ、照射のオンオフ等の制御を行う。
【００２７】
冷却装置４０は、ワーク６０において焼入れが行われる部位の板厚が薄く、鋼材の自己冷却のみでは、レーザビーム３８が照射された照射領域６４において焼入れに適した急冷が不十分となるときに、自己冷却をアシストするために用いられる装置である。冷却装置４０は、適当な吐出圧を有する冷媒源と吐出流量を調節する調整弁とを含む。冷却装置４０からは冷媒供給管４２が引き出され、冷媒供給管４２の先端には、冷却領域６６（図２、図３参照）に冷媒を供給する冷却ノズル４４が設けられる。冷却ノズル４４の配置位置と、冷却領域６６及び照射領域６４との関係については後述する。
【００２８】
冷媒としては、水が用いられる。例えば、水道管を引き込み、蛇口栓を流量調整弁とした蛇口を冷却装置４０とできる。なお、水道水は飲用水であるので、焼入れ冷却用の冷媒としては、水道水に限らず、水溶性溶剤を含む溶液を使用してよい。これらに代えて、適当な吐出圧となる水槽と、流量調整バルブとを組み合わせて冷却装置４０としてもよい。あるいは、流量調整弁付液化二酸化炭素ガス（ＣＯ２）ボンベを冷却装置４０として、低温の二酸化炭素ガス（ＣＯ２）を冷媒に用いてもよい。場合によっては、適当な冷却油タンクと、オイル吐出ポンプとを組み合わせて冷却装置４０としてもよい。以下では、冷媒として水道水を用い、冷却ノズル４４から冷却水４６として適当な流量に調整された水道水が流れ出すものとする（図３参照）。
【００２９】
搬出ガス供給装置５０は、冷却領域６６に供給される冷媒及び気化した冷媒がレーザビーム３８の照射の妨げにならないように、これらを冷却領域６６よりも走査方向の下流側に流すための搬出ガス流５６（図３参照）を供給する装置である。搬出ガス供給装置５０は、適当な吐出圧を有する搬出ガス源と吐出流量を調節する調整弁とを含む。搬出ガス供給装置５０からは搬出ガス供給管５２が引き出され、搬出ガス供給管５２の先端には、ガス噴出ノズル５４が設けられる。搬出ガスとしては、空気を用いることができる。この場合、搬出ガス供給装置５０は、空気圧縮装置（コンプレッサ）と、圧縮空気圧を調整する調整バルブ等が用いられる。空気に代えて、適当な不活性ガス等を搬出ガスとして用いてよい。例えば、流量調整弁付高圧窒素ボンベを搬出ガス供給装置５０とできる。以下では、搬出ガスとして、適当な吐出圧を有する空気を用い、ガス噴出ノズル５４からは搬出ガス流５６として、適当な吐出圧を有する空気流が噴出するものとする。ガス噴出ノズル５４と照射領域６４、冷却領域６６との関係については後述する。
【００３０】
図１において、ワーク６０は、回転軸Ｏ−Ｏ’を含む垂直断面で示した。図２は、図１の回転軸Ｏ−Ｏ’のＯ側から見たワーク６０の正面図である。図１のワーク６０は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図に相当する。図３は、図２のＢ−Ｂ方向から見た斜視図である。
【００３１】
図２、図３に示されるように、ワーク６０は、薄肉の鋼材を同心状に凹凸させた環状形状を有し、内周面６２で囲まれた内径穴６１に図示しない軸部材が挿入され、内周面６２は図示しない軸部材が摺動する摺動面となる軸摺動支持部材である。摺動に対する耐摩耗性、耐久性を確保するために、内周面６２とその外径側に張り出すフランジ部６３には、表面焼入れが行われる。図３に、内周面６２の肉厚ｔ、内周面６２の軸方向の長さＬ６２、フランジ部６３の径方向の長さＬ６３を示す。フランジ部６３の肉厚は、内周面６２の肉厚ｔと同じである。すなわち、肉厚ｔは、ワーク６０において焼入れが行われる部位の板厚であり、ワーク６０の薄肉の部分の板厚に相当する。このワーク６０における寸法の例を挙げると、ｔは約２ｍｍ、Ｌ６２は約６ｍｍ、Ｌ６３は約５ｍｍである。この値は、説明のための例示であって、ワーク６０の仕様に応じて適宜変更される。
【００３２】
図２、図３に、ワーク６０の中心軸（軸方向）、上下方向、及び走査方向を示す。図３において、ＯＯ’と示すワーク６０の中心軸は、図２においてＡ−Ａ線とＢ−Ｂ線とに対し直交する方向に延びる軸であり、中心軸ＯＯ’の延びる方向が軸方向である。上下方向は、Ａ−Ａ線に平行な方向である。走査方向は、中心軸周りの周方向に沿った方向で、図２、図３の紙面上では、中心軸ＯＯ’周りに時計方向の矢印として示される。
【００３３】
図１で述べたように、ワーク６０の軸方向は水平方向に平行な方向であり、レーザビーム３８は、ワーク６０の内周面６２の上下方向の最も下方側に照射される。図２、図３において、最も下方側の内周面６２とフランジ部６３とに跨って示す照射領域６４は、レーザビーム３８が照射される領域である。レーザビーム３８の照射方向は固定され、ワーク６０が走査方向に回転するので、図２のワーク６０の正面図においては、照射領域６４は時間の経過に関わらず固定位置である。したがって、ワーク６０が走査方向に沿って移動すると、レーザビーム３８によって局部的に加熱された領域は、走査方向の下流側に移動する。図２において、Ｐ０と示す位置が照射開始位置である。ワーク６０の走査方向に沿った位置を、中心軸ＯＯ’周りの角度である走査角度θで示し、ワーク６０の内周面６２における照射開始位置Ｐ０の走査角度θ＝０°とする。図２、図３の照射領域６４は、照射開始位置Ｐ０から、走査角度θ＝＋９０°の位置である。換言すれば、図２の状態は、照射開始の時点から、ワーク６０が走査角度にしてΔθ＝＋９０°移動した状態を示している。
【００３４】
ここで、照射領域６４、冷却ノズル４４、冷却領域６６、ガス噴出ノズル５４、搬出ガス流５６の関係について述べる。図２、図３に示すように、冷媒供給管４２と搬出ガス供給管５２とは、ワーク６０の内径穴６１のほぼ中心を通って、ワーク６０の軸方向に沿って立ち上がり、そこからレーザビーム３８の光路を妨げないように、ワーク６０の外径側に曲がるように配置される。
【００３５】
冷媒供給管４２の先端の冷却ノズル４４は、照射領域６４よりも走査方向の下流側における内周面６２及びフランジ部６３に向けて冷却水４６を吐出する。搬出ガス供給管５２の先端のガス噴出ノズル５４は、冷却水４６が供給される内周面６２及びフランジ部６３に向けて開口し、冷却水４６が供給される内周面６２及びフランジ部６３に搬出ガス流５６を吐出する。既にレーザビーム３８が照射されて局部的に高温となった照射領域６４が走査方向の下流側に移動して冷却ノズル４４の開口の真下に来ると、冷却水４６によって冷却される。そのとき、冷却水４６は、走査方向の下流側に移動してきた既にレーザ照射を受けている照射領域６４が高温のため、瞬時的に気化して水蒸気となる。そのままでは、水蒸気が立ち込めてレーザビーム３８の光路に入り込むことが生じる。レーザビーム３８の光路に水蒸気が入り込むと、レーザ照射を妨げて、現在の照射領域６４への入熱が不十分となる。ガス噴出ノズル５４からの搬出ガス流５６は、冷却ノズル４４から供給された冷却水４６と、冷却水４６が気化した水蒸気とを、冷却ノズル４４の開口よりも走査方向の下流側に流し、レーザビーム３８によるレーザ照射を妨げないようにする。
【００３６】
これにより、冷却水４６は、冷却ノズル４４の開口の真下よりも走査方向に沿って下流側のワーク６０を冷却することになる。冷却水４６によって冷却される内周面６２及びフランジ部６３の領域が冷却領域６６である。ここで、走査方向において、既にレーザ照射が行われた側が下流側で、まだレーザ照射が行われていない側が上流側であるので、冷却領域６６は、ワーク６０におけるレーザビーム３８の照射領域６４よりも走査方向に沿って下流側に配置される。走査方向に沿って照射領域６４と冷却領域６６との間の領域は、レーザビーム３８の照射が行われず冷却水４６の供給も行われない緩衝領域６５である。
【００３７】
ワーク６０の板厚が十分厚いときには、照射領域６４において局部的に加熱された鋼材がオーステナイトに変態し、ワーク６０の自己冷却のみによってマルテンサイトに変態して焼入れが行われる。ワーク６０の板厚が薄いと、ワーク６０の自己冷却が不十分となり、焼入れが不十分になると共に、ワーク６０の温度が室温まで下がりきらずに残熱が生じ、この残熱がまだレーザビーム３８の照射を受けていない領域の温度を上げてしまう。冷却領域６６は、ワーク６０の自己冷却の不足を補ってマルテンサイトへの変態をアシストし、残熱の発生を抑制するために設けられる。
【００３８】
上記では、冷媒供給管４２と搬出ガス供給管５２は、ワーク６０の内径穴６１を通って、内径穴６１側から内周面６２及びフランジ部６３の方に向かって延びる。これにより、レーザ焼入れシステム１０において、冷却装置４０と搬出ガス供給装置５０に関する配置構成がコンパクトになる。反面、専用装置となるので、ワーク６０の形状の種類が異なるたびに、冷媒供給管４２と搬出ガス供給管５２の配置を変更することになる。そこで、例えば、多種少量のワークについてレーザ焼入れ処理を行う場合等では、冷媒供給管４２と搬出ガス供給管５２を、内径穴６１側からでなく、ワーク６０の外径の外側から内周面６２及びフランジ部６３の方に向かって延びるように配置してもよい。
【００３９】
図４は、冷却装置４０、搬出ガス供給装置５０の作用効果を示す模式図である。図４は、図２、図３に示すワーク６０について、環状形状の内周面６２を直線的に展開し、内周面６２の周方向に沿った各位置における表層部の温度と表層部の組織の変化を示す図である。図４（ａ）は、内周面６２の展開図であり、（ｂ）は表層部の温度であり、（ｃ）は表層部の組織である。ここで表層部とは、ワーク６０について内周面６２の表面から所定深さまで焼入れ処理を行う仕様として、所定深さの部分を示す。所定深さの例は、約０．３ｍｍから約０．６ｍｍである。各図の横軸は、ワーク６０の走査方向に沿った位置で、中心軸ＯＯ’周りの角度である走査角度θで示す。
【００４０】
図４（ａ）に示す展開図では、図２で述べたように、ワーク６０の内周面６２における照射開始位置Ｐ０の位置を走査角度θ＝０°として、走査方向に沿って上流側に向って走査角度θがプラス側に増加する。図２で述べたように、現在の照射領域６４の中心位置は、走査角度θ＝＋９０°の位置にある。冷却領域６６は、現在の照射領域６４よりも下流側に配置される。照射領域６４と冷却領域６６との間が緩衝領域６５である。緩衝領域６５の走査方向に沿った長さをＳで示す。
【００４１】
図４（ｂ）は、走査角度θと表層部の温度との関係を示す図である。縦軸において、温度ＡＦ、温度ＭＳ、温度ＭＦは、ワーク６０を構成する鋼材の組織の変態温度である。温度ＡＦは、オーステナイト変態の完了温度であり、温度ＭＳは、マルテンサイト変態の開始温度であり、温度ＭＦは、マルテンサイト変態の終了温度である。
【００４２】
実線の特性線７０は、緩衝領域６５の長さＳが適切に設定されたときの表層部の温度を示す。特性線７０において、現在の照射領域６４よりも走査方向に沿って上流側は、レーザ照射をまだ受けていないので、表層部の温度＝室温である。また、冷却領域６６では冷却水４６の流量を適当に調節することで、表層部の温度はほぼ室温となる。
【００４３】
照射領域６４ではレーザビーム３８の照射によって表層部の温度が急上昇し、温度ＡＦを超える。図４（ｂ）の例では、照射領域６４の上流側縁部で表層部の温度が室温から急上昇し、レーザ照射制御部３６によって設定された温度ＴＬまで上昇する。温度ＴＬは、温度ＡＦよりも高温に設定されるので、照射領域６４において表層部はすべてオーステナイト化する。
【００４４】
図４（ｂ）において一点鎖線で示す特性線７２は、冷却装置４０を用いるが、搬出ガス供給装置５０を用いないときの表層部の温度を示す。冷却装置４０を用いて搬出ガス供給装置５０を用いないときは、走査方向の下流側に移動してきた既にレーザ照射を受けている照射領域６４が高温のため、冷却水４６が瞬時的に気化して水蒸気となり、その水蒸気が立ち込めてレーザビーム３８の光路に入り込む。これによって現在の照射領域６４についてのレーザ照射が妨げられ、表層部の温度が設定されたＴＬまで上昇せず、あるいは一旦ＴＬまで上昇したが、すぐ低下する。図４（ｂ）の特性線７２の例では、照射領域６４内の下流側の部分で表層部の温度がＡＦ以下となり、照射領域６４におけるオーステナイト化が不十分となる。冷却装置４０と共に搬出ガス供給装置５０を用いる特性線７０は、照射領域６４の全部がオーステナイト化する。これが、搬出ガス供給装置５０の作用効果である。
【００４５】
次に、照射領域６４の上流側縁部ではレーザビーム３８の照射がなくなるので、ワーク６０の自己冷却によって表層部の温度が急激に低下する。
【００４６】
ここで、ワーク６０の板厚が十分厚いときの自己冷却の時間に対する温度特性を「自己冷却特性」と呼ぶと、内周面６２における板厚ｔが薄いときは、板厚が十分厚いときの「自己冷却特性」よりも冷却性が低下した「自己冷却低下特性」となる。図４（ｂ）において破線で示す特性線７４は、冷却装置４０を用いないときのワーク６０の「自己冷却低下特性」である。
【００４７】
図４（ｂ）の例では、「自己冷却低下特性」を示す特性線７４は、表層部の温度がＭＳより低温であるがＭＦより高温となっている。つまり、冷却装置４０を用いないとき、ワーク６０の表層部は、一部がマルテンサイト化するが、一部はマルテンサイト化しない。冷却装置４０を用いる特性線７０は、冷却領域６６に入ると冷却水４６の作用効果によって表層部の温度が急速に低下して室温になるので、ＭＦよりも低温になる。これにより、表層部は、全部がマルテンサイト化する。これが冷却装置４０の作用効果である。
【００４８】
図４（ｃ）は、特性線７０について、走査角度θと表層部の組織との関係を示す図である。（ｂ）で述べたように、照射領域６４よりも上流側ではレーザビーム３８の照射を受けず、表層部の温度は室温のままであるので、表層部の組織は、フェライトとパーライトとを含む。照射領域６４においては、表層部の温度はＡＦよりも高温のＴＬであるので、表層部の組織はオーステナイトである。冷却領域６６から照射開始位置の走査角度θ＝０°の間の領域では、表層部の温度がＭＦ以下の室温に急冷されているので、表層部の組織はマルテンサイトとなる。照射開始位置の走査角度θ＝０°よりも走査方向の上流側では、まだレーザ照射を受けていず、表層部の温度は室温であるので、表層部の組織は、フェライトとパーライトとを含む。照射領域６４と冷却領域６６との間の緩衝領域６５では、表層部の温度がＭＳ以上であるので表層部の組織はマルテンサイト化していない。この領域では、冷却の時間経過や冷却速度によって、パーライト変態やベイナイト変態が生じることがあるので、表層部の組織は、オーステナイトとパーライト等を含む過渡組織となる。
【００４９】
上記のように、冷却領域６６が照射領域６４に近いと、照射領域６４の温度が低下し、オーステナイトへの変態が不十分となり得る。冷却領域６６が照射領域６４から遠いと、自己冷却に対するアシスト冷却が不足し、オーステナイト組織の急冷が不十分となってマルテンサイトへの変態が不十分となる。この兼ね合いで、照射領域６４と冷却領域６６との間の緩衝領域６５の走査方向に沿った長さＳ、あるいはＳに対応する走査角度θの大きさの設定が行われる。緩衝領域６５の長さＳの設定の内容については、後述する。
【００５０】
図５は、照射領域６４、冷却領域６６の配置が適切に行われた条件の下でレーザ焼入れを行ったワーク６０の内周面６２とフランジ部６３の断面図において、組織の分布を示す図である。図５に示すように、内周面６２とフランジ部６３とに跨ったワーク６０の表層部は、全部がマルテンサイト化した完全焼入れ層６８と、一部がマルテンサイト化した部分焼入れ層６９となっている。図５は一例であるので、ワーク６０についての表層部の深さと硬さの仕様に応じて、緩衝領域６５の長さＳの設定等を適切に行うことで、表面焼入れに関する仕様を満たすことができる。
【００５１】
図６は、図１のレーザ焼入れシステム１０を用いたレーザ焼入れ方法の手順を示すフローチャートである。最初に、レーザ焼入れシステム１０の条件設定を行う（Ｓ１０）。条件設定には、ワーク移動機構２０におけるワーク６０の回転速度の設定、レーザ照射装置３０におけるレーザビーム３８の形状設定やレーザ照射のワーク６０に対する入熱量の設定を含む。また、冷却装置４０における冷却水４６の吐出圧と流量の設定、搬出ガス供給装置５０における搬出ガス流５６の吐出圧と流量の設定を含む。
【００５２】
さらに、照射領域６４と冷却領域６６との間の緩衝領域６５の走査方向に沿った長さＳまたは長さＳに対応する走査角度の設定を含む。緩衝領域６５の走査方向に沿った長さＳは、以下に述べるＳｍｉｎ以上、Ｓｍａｘ以下の範囲に設定される。
【００５３】
Ｓｍｉｎは、照射領域６４にレーザビーム３８の照射によって入熱されたワーク６０が、表面から所定の表層部深さまでオーステナイト化することについて冷却領域６６における冷却によって妨げられない長さである。ＳがＳｍｉｎ以上でないときは、図４の特性線７２となって、照射領域６４におけるオーステナイト化が不十分となる。
【００５４】
Ｓｍａｘは、ワーク６０の材質で定まる自己冷却特性がワーク６０の板厚ｔに応じて低下する自己冷却低下特性に関する。自己冷却低下特性は、図４の特性線７４で示される特性である。Ｓｍａｘは、自己冷却低下特性によってワーク６０の温度が時間と共に低下するときの（温度と時間）の関係について、パーライト変態限界の（温度と時間）の特性曲線に交差する走査時間に相当する走査長さである。
【００５５】
Ｓｍｉｎの内容については図４で述べたので、Ｓｍａｘについて、鉄−炭素系状態図である図７と、鋼材の恒温変態曲線と実際の冷却特性との関係を示す図８を用いて説明する。
【００５６】
図７の鉄−炭素系状態図において、横軸は、質量％で示す鋼材の炭素量であり、縦軸は温度である。図７において、αはフェライトであり、γはオーステナイトであり、Ｐはパーライトである。Ｌは、溶融状態を示す。炭素鋼としてよく知られているＳ４５Ｃは、炭素量が０．４５質量％であり、温度変化と共に、図７に示す破線上で組織が変わる。例えば、温度が約７５０℃に上昇すると、（フェライト＋パーライト）の組織が（フェライト＋オーステナイト）になり、温度が約７８０℃まで上昇すると、全部がオーステナイト組織になる。この例では、オーステナイト化が開始する温度ＡＳは約７５０℃で、オーステナイト化が完了する温度ＡＦは約７８０℃である。
【００５７】
図７では、オーステナイトを急冷して得られるマルテンサイトが表されていない。オーステナイトからマルテンサイトへ変態するのは、冷却時間や冷却速度が関係する。図８は、鋼材の恒温変態曲線の例を示す図である。恒温変態曲線は、鋼材をＡＳ以下の温度に保持すると、時間が経過すると鋼材の組織が変態することを示す特性曲線である。図８の横軸は、対数目盛で示す保持時間で、１ｓから８ｈまでを示す。縦軸は温度である。図８において、ＰＳは、オーステナイトからパーライトまたはベイナイトへの変態が開始する変態曲線であり、ＰＦは、オーステナイトからパーライトまたはベイナイトへの変態が完了する変態曲線である。ＭＳはオーステナイトからマルテンサイトへの変態が開始する変態曲線であり、ＭＦオーステナイトからマルテンサイトへの変態が完了する変態曲線である。
【００５８】
図８に示されるように、オーステナイトからマルテンサイトに変態させるには、パーライト変態限界を示す変態曲線ＰＳにかからないように、ワーク６０の温度を低下させることが必要である。変態曲線ＰＳで、時間が最も短くなる（温度と時間）を示すＰＮは、パーライトノーズと呼ばれる。ＰＮは、（温度＝約５３０℃、時間＝約１．５ｓ）である。換言すれば、冷却前のオーステナイト状態の温度から、約５３０℃まで、約１．５ｓ未満の時間で冷却しないと、パーライトに変態し、完全なマルテンサイト化とならない。
【００５９】
鉄の熱伝導率は、８３．５Ｗ／ｍ・Ｋであり、乾燥空気の熱伝導率は、０．０２４Ｗ／ｍ・Ｋであり、鉄の熱伝導率に比べると、乾燥空気は熱絶縁体的に働く。鋼材ワーク６０の板厚ｔが十分厚い場合の「自己冷却特性」は、図８の冷却特性線８２となり、ＭＦの温度＝約１２０℃まで、２ｓ未満で到達する。鋼材ワーク６０の板厚ｔが薄いと、鋼材と空気の境界で熱が反射されて残熱となり、鋼材ワーク６０の温度が上昇する。図８では、自己冷却によって約４００℃まで１ｓ未満で温度が低下したが、それ以降は、残熱によって時間経過とともに温度が上昇する残熱特性８４となり、そのまま進むと、変態曲線ＰＳにかかり、パーライトまたはベイナイトに変態する。冷却領域６６を設けて冷却水４６で冷却すると、アシスト冷却特性８０となり、パーライト変態限界を示す変態曲線ＰＳにかからず、ＭＳまで２ｓ未満で達する。
【００６０】
残熱特性８４は、緩衝領域６５で生じ、板厚ｔが薄いほど、高温側となり、ＰＮやＰＳにかかる恐れが生じる。残熱特性８４を抑制するには、緩衝領域６５の走査方向に沿った長さＳを短くすればよいが、Ｓｍｉｎ以下にはできない。緩衝領域６５の走査方向に沿った長さＳの許される最大値は、残熱特性８４で左右され、板厚ｔが薄いほど小さな値でないと許容されず、板厚ｔが厚いほど大きな値まで許容される。このように、Ｓｍａｘは、ワーク６０の板厚ｔに依存して定められる。具体的には、実験評価等によって、Ｓｍａｘが設定される。
【００６１】
再び図６に戻り、Ｓ１０において、レーザビーム３８の形状が設定されると、ワーク６０の内周面６２及びフランジ部６３に対する照射領域６４の位置が、ワーク６０の走査方向に沿った走査角度θの位置を用いて定まる。照射領域６４の位置が定まると、緩衝領域６５の走査方向に沿った長さＳがＳｍｉｎとＳｍａｘの間の範囲で設定され、これにより、冷却領域６６の位置が、ワーク６０の走査方向に沿った走査角度θの位置を用いて定まる。そこで、冷却領域６６に対して冷媒供給（Ｓ１２）が行われ、搬出ガス供給（Ｓ１４）が行われる。Ｓ１２とＳ１４の順番はいずれが先でもよい。Ｓ１２とＳ１４の処理手順が行われると、冷却領域６６に、冷却水４６が流れる状態となる。
【００６２】
次に、レーザ照射が照射領域６４に対して行われる（Ｓ１６）。そして、所定の走査速度で、ワーク６０が移動される（Ｓ１８）。Ｓ１６でレーザ照射が行われた照射領域６４は、走査方向の下流側の緩衝領域６５に移動する。そのときに自己冷却が生じるが、板厚ｔが薄いと、図８で述べたように、残熱特性８４が生じるので、自己冷却のみではパーライト変態限界を示す変態曲線ＰＳにかかる恐れがある。ワーク６０が緩衝領域６５を超えて冷却領域６６に達すると、冷却水４６によって自己冷却アシストが行われ、急速冷却となって、温度ＭＦに達し、レーザ焼入れが完了する（Ｓ２０）。このとき、搬出ガス供給装置５０の作用効果により、冷却水４６が気化して発生する水蒸気は、冷却領域６６よりも下流側に搬出されるので、現在の照射領域６４におけるレーザ照射を妨げない。なお、ワーク６０を流れ落ちた使用済みの冷却水４６は、図１に示すワーク保持治具２６に設けられた排水路２８を通って、ワーク６０に溜まることなく外部に排出される。
【００６３】
このように、緩衝領域６５の走査方向に沿った長さＳを適切に設定することで、ワーク６０の板厚ｔが薄くてもレーザ焼入れを適切に行うことができる。
【００６４】
図９、図１０に、ワーク６０について、緩衝領域６５の走査方向に沿った長さＳを変化させたときの特性評価結果を示す。ワーク６０の材質は、ＳＰＦＨ５９０と呼ばれるＭｎとＳｉを含む高張力鋼である。測定箇所は、図５でＭと示す位置で、評価項目は、Ｍの位置における表面硬度と、ビッカース硬度がＨｖ＝３５０となる表面からの深さである。緩衝領域６５の走査方向に沿った長さＳは、０ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍとした。
【００６５】
図９は、長さＳを変化させたときの表面硬度の変化をまとめた図である。図９（ａ）は、横軸に長さＳを取り、縦軸に表面硬度を取った図で、（ｂ）は、（ａ）の硬度から推定されるワーク６０の表面組織である。図９に示されるように、長さＳが０ｍｍと１０ｍｍのときの表面硬度は同じで、ビッカース硬度Ｈｖで約４２０であり、長さＳが２０ｍｍ、３０ｍｍと大きくなるにつれ、表面硬度が低下する。この結果から推定される表面組織は、長さＳが１０ｍｍ以下では、マルテンサイトのみで、長さＳが１０ｍｍを超すと、パーライトが出現し、長さＳが大きくなるにつれ、パーライトの割合が増加すると考えられる。
【００６６】
図１０は、横軸に長さＳを取り、縦軸に、ビッカース硬度がＨｖ＝３５０となる表面からの深さを取った図である。ここでは、長さＳが１０ｍｍのときに、ビッカース硬度がＨｖ＝３５０となる深さが約０．５２ｍｍと最大値となり、長さＳが０ｍｍではこれよりも浅い深さとなる。これは、長さＳが短すぎて、照射領域６４が冷却水４６の影響を受けているものと考えられる。また、長さＳが１０ｍｍより大きくなるにつれ、Ｈｖ＝３５０となる深さが浅くなり、焼入れが不十分となることが示される。この結果は、図８で説明した内容と一致する。
【００６７】
一例として、ワーク６０の表面焼入れの仕様が、表面からの深さ＝０．５ｍｍの表層部において、ビッカース硬度がＨｖ＝３５０以上とされる場合は、図１０の結果から、緩衝領域６５のＳｍｉｎは１０ｍｍよりやや短く、Ｓｍａｘは１０ｍｍよりやや長くなる。したがって、緩衝領域６５の長さＳは、約１０ｍｍ前後の狭い範囲内に設定すればよいことが分かる。
【００６８】
図１１は、冷却装置４０を用いないか、あるいは、緩衝領域６５の長さＳが適切な値よりも大きすぎたときに、ワーク６０に生じる残熱を示す図である。図１１において、横軸は、ワーク６０の内周面６２における走査方向に沿った位置を走査角度θで取り、縦軸は、ワーク６０の温度である。走査角度θ＝０°は、照射開始位置Ｐ０に相当し、この位置で初めてレーザビーム３８が照射されるので、残熱はまだ生じず、ワーク６０の温度は室温である。Ｐ０から走査方向に沿って上流側の照射領域６４でレーザビーム３８が照射されると、照射領域６４が急激に加熱されるが、ワーク６０の自己冷却によってその入熱はワーク６０の内部に分散する。しかし、ワーク６０の板厚ｔが薄いと、自己冷却が不十分となる。走査方向に沿って上流側に照射領域６４が移動するにつれ、残熱が累積され、ワーク６０の温度が特性線９０のように次第に上昇する。
【００６９】
ワーク６０の温度がＭｓ以下で留まっているうちは、焼入れが可能である。ワーク６０の温度がＭｓを越えると、もはや自己冷却のみでは焼入れが不可能になる。図１１において、焼入れが可能な領域に斜線を付した。この例では、照射開始位置Ｐ０から走査方向に沿ってぐるっとレーザ照射が行われるが、ある走査角度まで焼入れされ、それより先は焼入れされない。そのまま走査方向に沿ってレーザ照射を続けると、焼入れはされないが、残熱は順次蓄積されて、ワーク６０の温度が上昇を続ける。図１１は、環状形状を平面的に展開した展開図であるので、走査角度=＋２７０°から先は、走査角度＝−９０°の位置から照射開始位置Ｐ０に向かって進むことになる。
【００７０】
レーザ照射が終了する照射終了位置Ｐ１は、照射開始位置Ｐ０の手前の位置である。Ｐ１をＰ０と重ねないのは、既に焼入れされた領域にレーザビーム３８を照射すると、その入熱によって既に焼入れされた領域が焼戻しされるので、これを避けるためである。Ｐ１とＰ０の間の領域は、ソフトゾーンと呼ばれ、レーザ照射が行われない領域で、ワーク６０の素材領域であり、硬さは、ワーク６０の素材の硬さのままである。残熱が蓄積されていると、照射終了位置Ｐ１におけるワーク６０の温度はかなり高く、その熱がソフトゾーンを越え、図１１で斜線を付した既に焼入れされている領域に分散する。この残熱の分散によって、通常のソフトゾーンを設けていても、既に焼入れされた領域が焼き戻しされ、硬度が低下する。したがって、冷却装置４０を用いない場合には、部分的に焼入れされた領域も焼き戻しによって焼入れ効果が減少することになる。
【００７１】
上記では、環状形状を有するワーク６０について述べたが、板厚ｔが薄い平板のワークについても、不十分な自己冷却を冷却装置４０によってアシストし、レーザ焼入れを十分に行うことができる。平板状のワークの場合は、ワーク移動機構２０をリニアモータ等の直進移動機構とする。冷却装置４０と搬出ガス供給装置５０は、図１で述べた内容をそのまま利用できる。
【００７２】
平板状のワークの場合は、走査方向が直線的な一方向であり、ワークの全長Ｌ０の一方端が照射開始位置Ｐ０であり、他方端が照射終了位置Ｐ１であるので、照射終了位置Ｐ１が照射開始位置Ｐ０の近傍に戻ることがない。図１２は、図１１に対応する図で、冷却装置４０を用いない場合に、不十分な自己冷却によって残熱が発生し、ワークの温度は、特性線９２に示すように、照射開始位置Ｐ０における室温から次第に上昇する。ワークの温度がＭｓを越えると、それから先は図１１と同様に焼入れが不可能になる。走査方向に沿ってそのままレーザ照射を続けると、蓄積された残熱によって照射終了位置Ｐ１におけるワークの温度はかなり高くなるが、その残熱の分散は、照射終了位置Ｐ１の周辺に留まり、図１２で斜線を付した既に焼入れされた領域に及ばない。
【００７３】
図１１、図１２はいずれも冷却装置４０を用いない場合である。環状形状を有するワーク６０において焼入れが行われる部位の板厚が薄く、あるいは平板状のワークにおいて板厚が薄くて、自己冷却が不十分な場合には、冷却装置４０を用いないときに、残熱が蓄積し、ワークの温度が上昇する。これによって、所望の焼入れが不可能になる領域が生じる。特に、環状形状を有するワーク６０においては、照射終了位置Ｐ１が照射開始位置Ｐ０の近傍に戻ってきたときに、通常のソフトゾーンを設けても、照射終了位置Ｐ１の熱がソフトゾーンを越えて分散する。これによって、照射開始位置Ｐ０の上流側の既に焼入れされた領域が焼き戻しされ、硬度が低下する。
【００７４】
冷却装置４０を用い、緩衝領域６５の走査方向に沿った長さＳを適切に設定することで、環状形状を有するワーク６０においても、平板状のワークにおいても、残熱の発生が抑制されるので、所望の焼入れが不可能になる領域をなくすことができる。また、環状形状のワーク６０においては、レーザ照射を受けた後、必ず冷却水４６によって冷却されるので、照射終了位置Ｐ１を照射開始位置Ｐ０を越えた上流側とすることができる。この場合、照射終了位置Ｐ１から照射開始位置Ｐ０までの部分は、既に焼入れされた上にレーザ照射を受けるので、硬度が低下したゾーンとなるが、冷却水４６による冷却を受けるので、このゾーンを越えて熱が分散することはない。したがって、環状形状のワーク６０において、照射終了位置Ｐ１を照射開始位置Ｐ０の手前で止める必要がないので、表面焼入れにおける作業効率が向上する。このように、平板状のワークに比べ、環状形状を有するワーク６０においては、冷却装置４０が非常に有効に働く。
【００７５】
上記構成のレーザ焼入れシステム１０及びレーザ焼入れシステム１０を用いるレーザ焼入れ方法によれば、鋼材ワーク６０において焼入れが行われる部位の板厚ｔが薄くて自己冷却が不十分であっても、所望のレーザ焼入れが可能となる。
【符号の説明】
【００７６】
１０  （レーザ焼入れ）システム、１２  床面、２０  ワーク移動機構、２２  ワーク回転機、２４  回転取付台、２６  ワーク保持治具、２８  排水路、３０  レーザ照射装置、３２  ビーム照射部、３４  ロボットアーム、３６  レーザ照射制御部、３８  レーザビーム、４０  冷却装置、４２  冷媒供給管、４４  冷却ノズル、４６  冷却水、５０  搬出ガス供給装置、５２  搬出ガス供給管、５４  ガス噴出ノズル、５６  搬出ガス流、６０  （鋼材）ワーク、６１  内径穴、６２  内周面、６３  フランジ部、６４  照射領域、６５  緩衝領域、６６  冷却領域、６８  完全焼入れ層、６９  部分焼入れ層。
【図１】
2020111834.tif 000003
【図２】
2020111834.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2020111834.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月24日(2020.4.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼入れが行われる部位の板厚が５ｍｍ以下の鋼材ワークに対し表面焼入れを行うためのレーザ焼入れシステムであって、
前記鋼材ワークは、レーザビームが照射されることで前記レーザビームの照射領域が急激に加熱され、その入熱が前記鋼材ワークの内部に分散して自己冷却される一方で、前記鋼材ワークの板厚方向における鋼材と空気の境界で熱が反射されて残熱が累積され、前記レーザビームの照射の走査に伴って前記鋼材ワークの温度が次第に上昇する特性の板厚を有しており、
前記鋼材ワークを保持し走査方向に移動させるワーク移動機構と、
前記走査方向に移動する前記鋼材ワークに対し前記レーザビームを照射するレーザ照射装置と、
前記走査方向において既にレーザ照射が行われた側を下流側とし、まだ前記レーザ照射が行われていない側を上流側として、前記鋼材ワークにおける前記レーザビームの前記照射領域よりも前記走査方向に沿って前記鋼材ワークの板厚に応じた所定の緩衝領域を隔てた下流側の冷却領域に冷媒を供給する冷却装置と、
を備えることを特徴とするレーザ焼入れシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ焼入れシステムにおいて、
所定の前記緩衝領域の前記走査方向に沿った長さは、
前記照射領域に前記レーザビームの照射によって入熱された前記鋼材ワークが表面から所定の深さまでオーステナイト化することについて前記冷却領域における冷却によって妨げられない長さ以上であり、
前記鋼材ワークの（温度と時間）の関係について、パーライト変態限界の（温度と時間）の特性曲線に交差する走査時間に相当する長さ以下である範囲に設定されることを特徴とするレーザ焼入れシステム。
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーザ焼入れシステムにおいて、
前記冷却領域に供給される前記冷媒及び気化した前記冷媒を前記冷却領域よりも前記走査方向の下流側に流すための搬出ガス流を供給する搬出ガス供給装置を備えることを特徴とするレーザ焼入れシステム。
【請求項４】
請求項３に記載のレーザ焼入れシステムにおいて、
前記冷媒は、冷却水であり、冷媒蒸気は水蒸気であり、
前記搬出ガス流は、空気流であることを特徴とするレーザ焼入れシステム。
【請求項５】
焼入れが行われる部位の板厚が５ｍｍ以下の鋼材ワークに対し相対的にレーザビームを走査して表面焼入れを行うためのレーザ焼入れ方法であって、
前記レーザビームが照射されることで前記レーザビームの照射領域が急激に加熱され、その入熱が前記鋼材ワークの内部に分散して自己冷却される一方で、前記鋼材ワークの板厚方向における鋼材と空気の境界で熱が反射されて残熱が累積され、前記レーザビームの照射の走査に伴って前記鋼材ワークの温度が次第に上昇する特性の板厚を有する前記鋼材ワークに対し、
走査方向において既にレーザ照射が行われた側を下流側とし、まだ前記レーザ照射が行われていない側を上流側として、前記走査方向に沿って、前記鋼材ワークにおける前記レーザビームの前記照射領域と、前記照射領域よりも下流側に設けられる冷却領域との間に、前記鋼材ワークの板厚に応じた所定の緩衝領域として、
前記照射領域に前記レーザビームの照射によって入熱された前記鋼材ワークが表面から所定の深さまでオーステナイト化することについて前記冷却領域における冷却によって妨げられない長さ以上であり、
前記鋼材ワークの（温度と時間）の関係について、パーライト変態限界の（温度と時間）の特性曲線に交差する走査時間に相当する長さ以下となる範囲に前記緩衝領域を設定する設定工程と、
前記鋼材ワークの前記冷却領域に冷媒を供給する冷却工程と、
前記冷却領域に供給される前記冷媒及び気化した前記冷媒を前記冷却領域よりも前記走査方向の前記下流側に流すための搬出ガス流を供給する搬出ガス供給工程と、
前記鋼材ワークを保持し前記走査方向に移動させるワーク移動工程と、
前記走査方向に移動する前記鋼材ワークの前記照射領域に前記レーザビームを照射する照射工程と、
を含むことを特徴とするレーザ焼入れ方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明に係るレーザ焼入れシステムは、焼入れが行われる部位の板厚が５ｍｍ以下の鋼材ワークに対し表面焼入れを行うためのレーザ焼入れシステムであって、鋼材ワークは、レーザビームが照射されることでレーザビームの照射領域が急激に加熱され、その入熱が鋼材ワークの内部に分散して自己冷却される一方で、鋼材ワークの板厚方向における鋼材と空気の境界で熱が反射されて残熱が累積され、レーザビームの照射の走査に伴って鋼材ワークの温度が次第に上昇する特性の板厚を有しており、鋼材ワークを保持し走査方向に移動させるワーク移動機構と、走査方向に移動する鋼材ワークに対しレーザビームを照射するレーザ照射装置と、走査方向において既にレーザ照射が行われた側を下流側とし、レーザ照射が行われていない側を上流側として、鋼材ワークにおけるレーザビームの照射領域よりも走査方向に沿って鋼材ワークの板厚に応じた所定の緩衝領域を隔てた下流側の冷却領域に冷媒を供給する冷却装置と、を備えることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明に係るレーザ焼入れシステムにおいて、所定の緩衝領域の走査方向に沿った長さは、照射領域にレーザビームの照射によって入熱された鋼材ワークが表面から所定の深さまでオーステナイト化することについて冷却領域における冷却によって妨げられない長さ以上であり、鋼材ワークの（温度と時間）の関係について、パーライト変態限界の（温度と時間）の特性曲線に交差する走査時間に相当する長さ以下となる範囲に設定されることが好ましい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
本発明に係るレーザ焼入れ方法は、焼入れが行われる部位の板厚が５ｍｍ以下の鋼材ワークに対し相対的にレーザビームを走査して表面焼入れを行うためのレーザ焼入れ方法であって、レーザビームが照射されることでレーザビームの照射領域が急激に加熱され、その入熱が鋼材ワークの内部に分散して自己冷却される一方で、鋼材ワークの板厚方向における鋼材と空気の境界で熱が反射されて残熱が累積され、レーザビームの照射の走査に伴って鋼材ワークの温度が次第に上昇する特性の板厚を有する鋼材ワークに対し、走査方向において既にレーザ照射が行われた側を下流側とし、まだレーザ照射が行われていない側を上流側として、走査方向に沿って、鋼材ワークにおけるレーザビームの照射領域と、照射領域よりも下流側に設けられる冷却領域との間に、鋼材ワークの板厚に応じた所定の緩衝領域として、照射領域にレーザビームの照射によって入熱された鋼材ワークが表面から所定の深さまでオーステナイト化することについて冷却領域における冷却によって妨げられない長さ以上であり、鋼材ワークの（温度と時間）の関係について、パーライト変態限界の（温度と時間）の特性曲線に交差する走査時間に相当する長さ以下となる範囲に緩衝領域を設定する設定工程と、鋼材ワークの冷却領域に冷媒を供給する冷却工程と、冷却領域に供給される冷媒及び気化した冷媒を冷却領域よりも走査方向の下流側に流すための搬出ガス流を供給する搬出ガス供給工程と、鋼材ワークを保持し走査方向に移動させるワーク移動工程と、走査方向に移動する鋼材ワークの照射領域にレーザビームを照射する照射工程と、を含むことを特徴とする。