(57)【要約】【課題】レーザ光を用いた簡単な構成で、かつ、レーザ吸収効率のよいレーザ照射熱処理装置を提供する。【解決手段】ワークＷに対してレーザ照射を行なうレーザ照射ヘッド６００と、レーザ照射ヘッド６００からワークＷに照射されたレーザ光ＬＢをワーク外周面１１１との間で複数回反射してワークＷに再照射する反射部（６６０、６７０）と、を有するレーザ照射熱処理装置とする。【選択図】図１
2010013711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークに対してレーザ照射を行なうレーザ照射ヘッドと、
前記レーザ照射ヘッドから前記ワークに照射されたレーザ光を複数回反射して前記ワークに再照射する反射部と、
を有するレーザ照射熱処理装置。
【請求項２】
前記反射部は、前記ワークの回転中心から所定の半径方向に配置され、円周方向に亘って前記ワークの外周面を覆う請求項１に記載のレーザ照射熱処理装置。
【請求項３】
前記反射部は、前記円周方向の全周に亘っている請求項２に記載のレーザ照射熱処理装置。
【請求項４】
前記反射部は、前記ワークの回転軸方向にも所定の凹形状に形成されている請求項２に記載のレーザ照射熱処理装置。
【請求項５】
前記反射部は、前記レーザ照射ヘッドによる前記ワークの照射部位から所定の半径方向に配置され、前記照射部位を中心として前記ワークの外周面を覆う請求項１に記載のレーザ照射熱処理装置。
【請求項６】
前記反射部は、前記レーザ照射ヘッドに装着されている請求項１に記載のレーザ照射熱処理装置。
【請求項７】
前記ワークは回転されると共に、前記レーザ照射ヘッドは前記ワークの回転軸線に沿って移動される請求項１に記載のレーザ照射熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ照射熱処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属部品の耐摩耗性向上や強度向上を目的として焼入れ処理が行われており、その中でレーザ照射加熱による焼入れ方法に関して各種の提案がなされている。従来のレーザ焼入れは、既に高出力化が実現されている炭酸ガスレーザが用いられる。しかし鉄鋼へのレーザ光吸収性が悪いと言う問題があるため、一般的にはワーク表面に吸収剤を塗布しレーザ照射加熱を行っている。また、上記のような吸収剤を塗布しないものとして、レーザ光の偏光を利用して加熱効率を高めたレーザ焼入れ方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
このレーザ焼入れ方法は、直線偏光のレーザ光をＰ偏光の向きに入射角度６０度以上でワークに照射し、ワークの表面を吸収材で被覆することなく焼入れを行うレーザ焼入れ方法において、ワークのレーザ光照射位置より反射されたレーザ光を凹面鏡で反射させて、焼入れ進行方向の前方に照射しながら焼入れを行うものである。このレーザ焼入れ方法によれば、レーザ光による加熱の効率を高めることができると共に、様々な形状の被加工物に対応し得るとされている。
【０００４】
しかし、特許文献１に示されたレーザ焼入れ方法は、凹面鏡によるレーザ光の反射を複数回行なうことができず、レーザ光のワークへの吸収効率を向上させるには限界があった。
【特許文献１】特開平５−５１６２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、本発明の目的は、レーザ光を用いた簡単な構成で、かつ、レーザ吸収効率のよいレーザ照射熱処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
［１］本発明は、上記目的を達成するために、ワークに対してレーザ照射を行なうレーザ照射ヘッドと、前記レーザ照射ヘッドから前記ワークに照射されたレーザ光を複数回反射して前記ワークに再照射する反射部と、を有するレーザ照射熱処理装置を提供する。
［２］前記反射部は、前記ワークの回転中心から所定の半径方向に配置され、円周方向に亘って前記ワークの外周面を覆う上記［１］に記載のレーザ照射熱処理装置であってもよい。
［３］また、前記反射部は、前記円周方向の全周に亘っている上記［２］に記載のレーザ照射熱処理装置であってもよい。
［４］また、前記反射部は、前記ワークの回転軸方向にも所定の凹形状に形成されている上記［２］に記載のレーザ照射熱処理装置であってもよい。
［５］また、前記反射部は、前記レーザ照射ヘッドによる前記ワークの照射部位から所定の半径方向に配置され、前記照射部位を中心として前記ワークの外周面を覆う上記［１］に記載のレーザ照射熱処理装置であってもよい。
［６］また、前記反射部は、前記レーザ照射ヘッドに装着されている上記［１］に記載のレーザ照射熱処理装置であってもよい。
［７］また、前記ワークは回転されると共に、前記レーザ照射ヘッドは前記ワークの回転軸線に沿って移動される上記［１］に記載のレーザ照射熱処理装置であってもよい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、レーザ光を用いた簡単な構成で、かつ、レーザ吸収効率のよいレーザ照射熱処理装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（本発明の第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るレーザ照射熱処理装置の装置概略を示す斜視図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。図３は、図１におけるＢ−Ｂ断面図である。図４は、ワークに焼入れ処理を行なう場合の時間と温度の関係を示す図である。
【０００９】
図１において、ワークＷは、チャック部１０６により主軸１０５に保持され、所定の回転数で回転駆動される。この回転するワークＷにレーザ光ＬＢを照射するためのレーザ光源が設けられている。レーザ光源は、レーザ発振器６０１とレーザ照射ヘッド６００から大略構成され、レーザ発振器６０１とレーザ照射ヘッド６００を光ファイバカップラ６５０を介して伝送ファイバ６５１で光学的に接続した構成とされている。
【００１０】
レーザ照射ヘッド６００は、図示しないＺ軸方向移動のためのステージに装着されており、ワークＷの外周上を所定のＺ方向送り速度でレーザ照射でき、あるいは、所定の周波数でＺ方向にレーザ光をスキャン照射できる。これにより、所望の加熱範囲に亘ってレーザ照射により加熱することができる。尚、レーザ照射ヘッド６００は上記したようにＺ方向の移動制御がされると共に、Ｙ方向の移動制御がされてレーザ照射ビームの大きさを調整することができる。
【００１１】
レーザ照射ヘッド６００には、レーザ照射ヘッドからワークＷに照射されたレーザ光ＬＢを複数回反射してワークＷに再照射する反射部としての反射リングミラー６６０が装着されている。反射リングミラー６６０は、ワークＷの回転軸と略同心状となるよう配置され、レーザ照射ヘッド６００と一体的に移動する。尚、反射リングミラー６６０をレーザ照射ヘッド６００に必ずしも装着する必要はなく、上記の配置が維持されるように移動制御が行なわれる構成とされていてもよい。
【００１２】
反射リングミラー６６０は、リング状のリング枠６６１と内周面に形成された反射面６６２から概略構成され、リング枠６６１に設けられた取付け穴部６６１ａに嵌合してレーザ照射ヘッド６００へ装着されている。内周面に形成された反射面６６２は、レーザ光を反射するよう、メッキ、金属蒸着、金属研磨、金属スパッタ、塗装、有機膜コート等の反射面により形成されている。
【００１３】
図２で、図１におけるＡ−Ａ断面を示すように、ワークＷを中心にしてワーク外周面を取り囲むようにリング枠６６１が配置されている。従って、ワーク外周面１１１と反射面６６２とは一定の曲率半径で対向し、レーザ照射ヘッド６００から回転するワークＷへ照射されたレーザ光ＬＢは複数回反射されて円周方向に略均等にワークＷを照射する。
【００１４】
図３で、図１におけるＢ−Ｂ断面を示すように、反射面６６２はワークＷの回転軸方向にも所定の凹形状に形成されている。所定の凹形状は、例えば、弧状、放物形状等であるが特にこれらに限定されるものではなく、ワークＷから反射してきたレーザ光ＬＢを反射面６６２で再びワークＷ方向へ反射する形状であればよい。
【００１５】
ここで、レーザ発振器６０１は、レーザスタックモジュール６０２、６０３、及び６０４、ダイクロイックミラー６０５，６０６を有して構成されている。レーザスタックモジュール６０２〜６０４は、半導体レーザ発光素子を多数積層（スタック）して高出力化したものである。各レーザスタックモジュール６０２〜６０４は、特定の波長の光を反射しその他の波長の光を透過させるダイクロイックミラー６０５，６０６により１本のレーザ光に合成される。
【００１６】
このように構成されたレーザ発振器６０１は、光出力１．８ｋＷ、発振波長は８００ｎｍ〜１０００ｎｍの近赤外光である。尚、半導体レーザ以外に、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ等を使用することも可能である。
【００１７】
レーザ発振器６０１から出射されるレーザ光は、コリメートされて光ファイバカップラ６５０を介して伝送ファイバ６５１に光学的に接続され、レーザ照射ヘッド６００に導光される。レーザ照射ヘッド６００内の集光レンズによりワークＷへレーザ光ＬＢが集光して照射される。
【００１８】
ここで、図２に示すように、反射リングミラー６６０とワークＷとは略同心状となるよう配置されているので、ワークＷの外径寸法に対応して上記示した集光レンズをＹ方向へ移動させることにより、上記同心状態を維持したままレーザ光ＬＢの集光スポット径を調節することができる。
【００１９】
（実施例）
本発明の第１の実施の形態に係るレーザ照射熱処理装置による鋼材の焼入処理を行なう場合について説明する。
【００２０】
（加熱工程）
熱処理される鋼材（例えば、Ｓ４５Ｃ）であるワークＷを、チャック部１０６により主軸１０５に保持して、所定の回転速度で回転させる。ワークＷの焼入れ必要部位に対して、レーザヘッド６００をＺ方向にスキャンしながらレーザ光ＬＢを照射する。このとき、レーザ照射ヘッド６００から回転するワークＷへ照射されたレーザ光ＬＢは、ワーク外周面１１１と反射部６６２との間で複数回反射されて円周方向に略均等にワークＷを照射する。レーザ光のスキャン照射において、入力されたワークの形状データに基づいて、ワーク内部の熱伝導性を考慮しながら加熱制御することができる。また、ワーク熱処理範囲に対して温度測定を行ないながら、レーザパワー、ワーク回転数、スキャン速度（スキャン周波数）及びスキャン回数を制御することにより上記の加熱制御を行なうことも可能である。
【００２１】
図４に示すｔ１から加熱工程が始まり、ｔ２には、加熱範囲の温度がＡ３変態温度（約７３０℃）以上となる約９００℃まで上昇する。上記示したような加熱制御により、加熱範囲全体が均一にＡ３変態温度以上となったｔ２で加熱工程が終了する。
【００２２】
（冷却工程）
冷却工程では、加熱されたワークＷを冷却液に漬け込む。あるいは、レーザヘッド６００の移動から所定の時間後に、図示しない冷却液ノズルから冷却液をワークＷの表面に供給する。上記の所定時間は、焼入れ処理の場合には温度低下が所定内であるように、ＣＣＴ（Continuous Cooling Transformation）線図に基づき設定される。これらの冷却工程により、図４に示すように、所定時間経過後のｔ３からｔ４の間でワークＷは急冷される。この急冷により、オーステナイトからマルテンサイト組織となり、所定の深さまで焼入れ処理が施される。
【００２３】
上記において、本発明の第１実施の形態に係るレーザ照射熱処理装置に基づいて、熱処理として焼入れ処理を説明したが、加熱工程においてワークＷを焼戻し温度（約２００℃）まで均一に加熱し、その後、徐冷することで焼戻し処理を行なうこともできる。その他、加熱工程及び冷却工程の組合せにより、焼きならし等の種々の熱処理を行なうこともできる。
【００２４】
（本発明の第１の実施の形態の効果）
本発明の第１の実施の形態に係るレーザ照射熱処理装置によれば、次のような効果を有する。
（１）レーザ照射ヘッド６００から回転するワークＷへ照射されたレーザ光ＬＢは、ワーク外周面１１１と反射部６６２との間で複数回反射されて円周方向に略均等にワークＷを照射するので、ワークＷの外周を均一加熱でき、高精度な熱処理が可能となる。
（２）ワーク外周面１１１と反射部６６２との間で複数回反射されてレーザ照射されるので、レーザ吸収効率が向上する。これにより、小出力レーザ光源が使用できるので、ランニングコスト及びイニシャルコストの低減が可能となる。
（３）大気中での焼入れ処理後の焼戻し処理も同装置で可能となることから、熱処理工程の集約が可能となる。
【００２５】
（本発明の第２の実施の形態）
図５（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係るレーザ照射熱処理装置のレーザ照射ヘッド６００の周辺を示す斜視図である。第１の実施の形態における反射リングミラー６６０の替わりに、反射部としての反射ミラー６７０が装着されている。図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。
【００２６】
レーザ照射ヘッド６００には、レーザ照射ヘッド６００からワークＷに照射されたレーザ光ＬＢを複数回反射してワークＷに再照射する反射部としての反射ミラー６７０が装着されている。反射ミラー６７０は、傘状のミラー枠６７１と内周面に形成された反射面６７２から概略構成され、ミラー枠６７１に設けられた取付け穴部に嵌合してレーザ照射ヘッド６００へ装着されている。内周面に形成された反射面６７２は、レーザ光を反射するよう、メッキ、金属蒸着、金属研磨、金属スパッタ、塗装、有機膜コート等の反射面により形成されている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。
【００２７】
（本発明の第２の実施の形態の効果）
本発明の第２の実施の形態に係るレーザ照射熱処理装置によれば、第１の実施の形態の効果に加えて次のような効果を有する。すなわち、反射ミラー６７０は傘状であるので、ワークＷの全周を取り囲まずに、反射ミラー６７０とワークＷとの間で複数回反射されてワークＷを照射する。従って、ワークＷに対して配置の自由度が増し、レーザ照射熱処理装置の設計が容易になり、また、ワークＷの取付け取外し等の熱処理作業が容易である。
【００２８】
（本発明の第３の実施の形態）
図６は、本発明の第３の実施の形態に係るレーザ照射熱処理装置のレーザ照射ヘッド６００の周辺を示す斜視図である。反射ミラー６７０の構成は第２の実施の形態と同様で、ワークＷが板材、角材の場合に適用される。
【００２９】
ワークＷは、図示しないＸ移動テーブル及びＺ移動テーブル上に載置される。レーザ照射ヘッド６００からレーザ照射しながら、ワークＷをＸ及びＺ方向に移動させることにより、ワークＷの表面上を２次元的に照射できる。その他の構成は第２の実施の形態と同様である。
【００３０】
（本発明の第３の実施の形態の効果）
本発明の第３の実施の形態に係るレーザ照射熱処理装置によれば、第１の実施の形態の効果に加えて次のような効果を有する。すなわち、反射ミラー６７０は傘状であるので、ワークＷの全周を取り囲まずに、反射ミラー６７０とワークＷとの間で複数回反射されてワークＷを照射する。これにより、ワークＷが丸材以外の板材、角材等の場合にもレーザ照射熱処理が可能なレーザ照射熱処理装置を実現できる。
【００３１】
以上、本発明のレーザ照射熱処理装置を上記の実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係るレーザ照射熱処理装置の装置概略を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】図３は、図１におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図４】図４は、ワークに焼入れ処理を行なう場合の時間と温度の関係を示す図である。
【図５】図５（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係るレーザ照射熱処理装置のレーザ照射ヘッド６００の周辺を示す斜視図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。
【図６】図６は、本発明の第３の実施の形態に係るレーザ照射熱処理装置のレーザ照射ヘッド６００の周辺を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０５…主軸、１０６…チャック部、１１１…ワーク外周面、６００…レーザ照射ヘッド、６０１…レーザ発振器、６０２，６０３，６０４…レーザスタックモジュール、６０５，６０６…ダイクロイックミラー、６５０…光ファイバカップラ、６５１…伝送ファイバ、６６０…反射リングミラー、６６１…リング枠、６６２…反射面、６７０…反射ミラー、６７１…ミラー枠、６７２…反射面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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