(57)【要約】【課題】焼入対象物において形状や表面性状等の個体バラツキが存在する場合や、焼入対象物が初めて焼入れを行うものである場合等であっても、レーザ光等のエネルギビームの照射による焼入温度を安定させることができ、安定した焼入深さや硬さを有する良好な硬化層を均一的に得ることができるエネルギビームによる焼入方法を提供する。【解決手段】ワークに対するレーザ光の走査照射として、焼入れと同じ態様、かつ、レーザ光の照射部位の温度が所定の変態温度に達しないような一定の予備照射を行いながら照射部位の温度を測定することで、ワーク位置と予備照射温度との相関関係（グラフＧ１）を求め、予備照射温度に基づき、前記相関関係を反映してワーク位置に対応して変化する予想温度（グラフＧ２）を算出し、照射部位の温度が目標焼入温度Ｔ０となるような焼入ビーム条件（グラフＧ３）をあらかじめ求め、焼入ビーム条件に基づいてレーザ条件を制御する。【選択図】図２
2010047789.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼入対象物に対してエネルギビームを走査照射することで、焼入対象物の表面近傍に硬化層を形成する焼入れを施すエネルギビームによる焼入方法であって、
焼入対象物に対する前記エネルギビームの走査照射として、前記焼入れに際しての前記エネルギビームの走査照射と同じ態様での走査照射であり、かつ、焼入対象物における前記エネルギビームの照射部位の温度が前記焼入れにともなう変態が生じる温度に達しないような一定のエネルギレベルでの走査照射である予備照射を行いながら、前記照射部位の温度を測定することで、前記照射部位の焼入対象物における位置と前記予備照射による前記照射部位の温度である予備照射温度との相関関係を求め、
前記予備照射温度に基づき、前記焼入れに際しての前記照射部位の温度を、前記相関関係を反映して前記焼入対象物における位置に対応して変化する温度である予想温度として算出し、
前記焼入対象物における位置に対応する前記予想温度の、焼入対象物を構成する材料に応じてあらかじめ設定される所定の目標焼入温度に対する温度差に基づいて、前記照射部位の温度が前記目標焼入温度となるような焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件である焼入ビーム条件をあらかじめ求め、
前記焼入れに際しての前記エネルギビームの走査照射にともない、前記焼入ビーム条件に基づいて、焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件を制御することを特徴とするエネルギビームによる焼入方法。
【請求項２】
前記焼入れに際しての前記エネルギビームの走査照射にともない、前記照射部位の温度測定を行い、
前記目標焼入温度に基づく目標温度と、前記温度測定による測定温度との比較による差に基づいて、焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件を制御するフィードバック制御により、前記焼入ビーム条件に基づく焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件の制御を補正することを特徴とする請求項１に記載のエネルギビームによる焼入方法。
【請求項３】
焼入対象物に対してエネルギビームを走査照射することで、焼入対象物の表面近傍に硬化層を形成する焼入れを施すエネルギビームによる焼入方法であって、
焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件として、焼入対象物における前記エネルギビームの照射面についての、面粗度、前記エネルギビームの吸収率、および前記エネルギビームの反射率のうちのいずれかである表面性状と、前記エネルギビームの照射を受けた場合の温度との関係を規定する条件であるビーム条件を、あらかじめ複数種類設定し、
前記焼入れに際しての前記エネルギビームの走査照射に先立ちあるいは該走査照射にともない、前記照射面についての前記表面性状の測定を行い、
複数の前記ビーム条件から、前記表面性状の測定値に対応する、前記エネルギビームの照射を受けた場合の温度が、焼入対象物を構成する材料に応じてあらかじめ設定される所定の目標焼入温度に最も近くなる前記ビーム条件である最適ビーム条件を選択し、
前記最適ビーム条件に基づいて、焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件を制御することを特徴とするエネルギビームによる焼入方法。
【請求項４】
焼入対象物に対してエネルギビームを走査照射することで、焼入対象物の表面近傍に硬化層を形成する焼入れを施すエネルギビームによる焼入システムであって、
前記エネルギビームを発振する発振器と、焼入対象物における前記エネルギビームの照射部位の温度を測定する温度測定手段と、焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記発振器により、焼入対象物に対する前記エネルギビームの走査照射として、前記焼入れに際しての前記エネルギビームの走査照射と同じ態様での走査照射であり、かつ、焼入対象物における前記エネルギビームの照射部位の温度が前記焼入れにともなう変態が生じる温度に達しないような一定のエネルギレベルでの走査照射である予備照射が行われながら、前記温度測定手段により、前記照射部位の温度が測定されることで、前記照射部位の焼入対象物における位置と前記予備照射による前記照射部位の温度である予備照射温度との相関関係を記憶する第一の記憶部と、
前記予備照射温度に基づき、前記焼入れに際しての前記照射部位の温度を、前記第一の記憶部により記憶された前記相関関係を反映して前記焼入対象物における位置に対応して変化する温度である予想温度として算出する予想温度算出部と、
前記予想温度算出部により算出された前記焼入対象物における位置に対応する前記予想温度の、焼入対象物を構成する材料に応じてあらかじめ設定される所定の目標焼入温度に対する温度差に基づいて、前記照射部位の温度が前記目標焼入温度となるような焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件である焼入ビーム条件をあらかじめ記憶する第二の記憶部と、を有し、
前記焼入れに際しての前記エネルギビームの走査照射にともない、前記第二の記憶部に記憶された前記焼入ビーム条件に基づいて、焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件を制御する、
ことを特徴とするエネルギビームによる焼入システム。
【請求項５】
前記温度測定手段は、
前記焼入れに際しての前記エネルギビームの走査照射にともない、前記照射部位の温度測定を行い、
前記制御手段は、
前記目標焼入温度に基づく目標温度と、前記温度測定による測定温度との比較による差に基づいて、焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件を制御するフィードバック制御により、前記第二の記憶部に記憶された前記焼入ビーム条件に基づく焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件の制御を補正する補正部をさらに有する、
ことを特徴とする請求項４に記載のエネルギビームによる焼入システム。
【請求項６】
焼入対象物に対してエネルギビームを走査照射することで、焼入対象物の表面近傍に硬化層を形成する焼入れを施すエネルギビームによる焼入システムであって、
前記エネルギビームを発振する発振器と、焼入対象物における前記エネルギビームの照射面についての、面粗度、前記エネルギビームの吸収率、および前記エネルギビームの反射率のうちのいずれかである表面性状を測定する表面性状測定手段と、焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件として、前記表面性状と、前記エネルギビームの照射を受けた場合の温度との関係を規定する条件であるビーム条件を、あらかじめ複数種類記憶するビーム条件記憶部と、
前記ビーム条件記憶部に記憶された複数の前記ビーム条件から、前記表面性状測定手段による前記表面性状の測定値に対応する、前記エネルギビームの照射を受けた場合の温度が、焼入対象物を構成する材料に応じてあらかじめ設定される所定の目標焼入温度に最も近くなる前記ビーム条件である最適ビーム条件を選択するビーム条件選択部と、を有し、
前記ビーム条件選択部により選択された前記最適ビーム条件に基づいて、焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件を制御する、
ことを特徴とするエネルギビームによる焼入システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばレーザ光等のエネルギビームを鋼材等からなる部品に対して照射することにより焼入れを行うエネルギビームによる焼入方法および焼入システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鋼材等からなる部品（ワーク）に対する焼入加工として、レーザ光や電子ビーム等の高エネルギビームが用いられるエネルギビームによる焼入れが行われている。例えば、レーザ光が用いられて行われるレーザ焼入れの場合、レーザ光がレンズによって集光される等してワークの表面に対して走査されながら照射される。レーザ光が照射された部分は、急速に高温に加熱された後、ワーク内部への熱伝導（熱拡散）による自己冷却によって急激に冷却される。かかる作用により、ワークの表面近傍に硬化層（焼入層）が形成される。
【０００３】
このようなレーザ焼入れにおいては、安定した焼入深さや硬さを有する良好な硬化層をワークの表面にて均一的に得る観点から、ワークにおいてレーザ光の照射による加熱温度（焼入温度）が部位によらずに一定となることが望ましい。すなわち、焼入温度が所望の温度（ワークを構成する材料等による焼入れに適した温度）よりも低い場合、例えば硬化層の形成が不十分となることがあり、焼入温度が所望の温度よりも高い場合、例えばレーザ光が照射される部分が溶けることがある。この点、レーザ光が照射される部分について、形状が不均一であったり表面性状にバラツキがあったりすると、レーザ光の条件（出力や走査速度等）が共通であっても、焼入温度が部位によって一定とならない場合がある。具体的には、レーザ光が照射される部分の形状が不均一であると、ワークの部位によって熱容量が異なることから、熱伝導にバラツキが生じ、焼入温度が一定とならない場合がある。また、レーザ光が照射される部分の表面性状にバラツキがあると、レーザ光の吸収率（反射率）にバラツキが生じ、焼入温度が一定とならない場合がある。
【０００４】
焼入加工の安定性の向上を図るための技術として、例えば特許文献１に開示されている技術がある。特許文献１には、レーザ焼入れにおいて、ワークにおけるレーザ光の照射位置の温度が非接触で測定され、その温度測定結果に基づいて、レーザ光の条件が制御される。具体的には、測定されたレーザ光の照射位置の温度が、ワークに焼きの入る温度よりも高く、ワークを構成する材料の融点よりも低くなるように、レーザ光の条件が制御される。ここで、レーザ光の条件の制御は、レーザ発振器の出力の調整と、レーザ光を遮断するシャッタの開閉により行われる。確かに、特許文献１の技術によれば、焼入れの際に、雰囲気の違いや材料の個体差等があっても、再現性良く均一に焼入加工を施すことができると考えられる。しかし、特許文献１の技術においては、次のような問題がある。
【０００５】
特許文献１においてレーザ光の条件の制御に使用される制御方法は、実際に焼入加工が行われながらのフィードバック制御であり、レーザ光の照射位置の温度に基づく所定の焼入状態（焼入温度が所望の温度となる状態）からの逸脱が生じた時点（または逸脱が生じそうになった時点）から、レーザ光の条件の調整（補正）が行われる。このため、ワークが初めて焼入れが行われるものである場合や、ワークの個体バラツキが大きい場合や、ワークの熱容量が小さい場合等、所定の焼入状態からの逸脱が大きくなるときがあると考えられる。
【０００６】
また、特許文献１の技術では、レーザ光の条件の制御に使用される制御方法において適切な制御パラメータを決定するためには、制御対象の入力に対する応答をあらかじめ調べる必要がある。例えば使用される制御方法がＰＩＤ制御である場合、決定される制御パラメータは、比例ゲインや積分ゲインや微分ゲイン等である。制御対象の入力に対する応答をあらかじめ調べるためには、入力値が階段状に変動した時に出力値が応答しはじめるまでに要する時間（無駄時間）や、出力値が応答しはじめてからの変化の速度（時定数）や、入力値の変化量と出力値の変化量との比（プロセスゲイン）等が測定され、その測定結果から算出された値でパラメータを決定する必要がある。また、前述の値はあくまで理論値であるため、その後実際に試行錯誤しながら最適値を求める必要がある。これらの理由から、特許文献１の制御方法では、ワークの材質が初めて焼入れが行われる材質である場合や、条件出し用のワーク（テストピース）がない場合等、レーザ光の条件について十分に制御できない可能性が高いと考えられる。
【０００７】
また、特許文献１に記載されているような制御方法は、レーザ焼入れのような、応答がはじまると急激に変化する制御対象には不向きである。特に、ワークが比較的小さな部品である場合、レーザ光の照射位置の温度変化が比較的激しくなるため、その温度変化に十分に対応したレーザ光の条件の制御が困難となる。
【特許文献１】特開平９−３０２４１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、焼入対象物において形状や大きさや表面性状等の個体バラツキが存在する場合や、焼入対象物が初めて焼入れを行うものである場合等であっても、レーザ光等のエネルギビームの照射による焼入温度を安定させることができ、安定した焼入深さや硬さを有する良好な硬化層を均一的に得ることができるエネルギビームによる焼入方法および焼入システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１０】
すなわち、請求項１においては、焼入対象物に対してエネルギビームを走査照射することで、焼入対象物の表面近傍に硬化層を形成する焼入れを施すエネルギビームによる焼入方法であって、焼入対象物に対する前記エネルギビームの走査照射として、前記焼入れに際しての前記エネルギビームの走査照射と同じ態様での走査照射であり、かつ、焼入対象物における前記エネルギビームの照射部位の温度が前記焼入れにともなう変態が生じる温度に達しないような一定のエネルギレベルでの走査照射である予備照射を行いながら、前記照射部位の温度を測定することで、前記照射部位の焼入対象物における位置と前記予備照射による前記照射部位の温度である予備照射温度との相関関係を求め、前記予備照射温度に基づき、前記焼入れに際しての前記照射部位の温度を、前記相関関係を反映して前記焼入対象物における位置に対応して変化する温度である予想温度として算出し、前記焼入対象物における位置に対応する前記予想温度の、焼入対象物を構成する材料に応じてあらかじめ設定される所定の目標焼入温度に対する温度差に基づいて、前記照射部位の温度が前記目標焼入温度となるような焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件である焼入ビーム条件をあらかじめ求め、前記焼入れに際しての前記エネルギビームの走査照射にともない、前記焼入ビーム条件に基づいて、焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件を制御するものである。
【００１１】
請求項２においては、前記焼入れに際しての前記エネルギビームの走査照射にともない、前記照射部位の温度測定を行い、前記目標焼入温度に基づく目標温度と、前記温度測定による測定温度との比較による差に基づいて、焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件を制御するフィードバック制御により、前記焼入ビーム条件に基づく焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件の制御を補正するものである。
【００１２】
請求項３においては、焼入対象物に対してエネルギビームを走査照射することで、焼入対象物の表面近傍に硬化層を形成する焼入れを施すエネルギビームによる焼入方法であって、焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件として、焼入対象物における前記エネルギビームの照射面についての、面粗度、前記エネルギビームの吸収率、および前記エネルギビームの反射率のうちのいずれかである表面性状と、前記エネルギビームの照射を受けた場合の温度との関係を規定する条件であるビーム条件を、あらかじめ複数種類設定し、前記焼入れに際しての前記エネルギビームの走査照射に先立ちあるいは該走査照射にともない、前記照射面についての前記表面性状の測定を行い、複数の前記ビーム条件から、前記表面性状の測定値に対応する、前記エネルギビームの照射を受けた場合の温度が、焼入対象物を構成する材料に応じてあらかじめ設定される所定の目標焼入温度に最も近くなる前記ビーム条件である最適ビーム条件を選択し、前記最適ビーム条件に基づいて、焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件を制御するものである。
【００１３】
請求項４においては、焼入対象物に対してエネルギビームを走査照射することで、焼入対象物の表面近傍に硬化層を形成する焼入れを施すエネルギビームによる焼入システムであって、前記エネルギビームを発振する発振器と、焼入対象物における前記エネルギビームの照射部位の温度を測定する温度測定手段と、焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記発振器により、焼入対象物に対する前記エネルギビームの走査照射として、前記焼入れに際しての前記エネルギビームの走査照射と同じ態様での走査照射であり、かつ、焼入対象物における前記エネルギビームの照射部位の温度が前記焼入れにともなう変態が生じる温度に達しないような一定のエネルギレベルでの走査照射である予備照射が行われながら、前記温度測定手段により、前記照射部位の温度が測定されることで、前記照射部位の焼入対象物における位置と前記予備照射による前記照射部位の温度である予備照射温度との相関関係を記憶する第一の記憶部と、前記予備照射温度に基づき、前記焼入れに際しての前記照射部位の温度を、前記第一の記憶部により記憶された前記相関関係を反映して前記焼入対象物における位置に対応して変化する温度である予想温度として算出する予想温度算出部と、前記予想温度算出部により算出された前記焼入対象物における位置に対応する前記予想温度の、焼入対象物を構成する材料に応じてあらかじめ設定される所定の目標焼入温度に対する温度差に基づいて、前記照射部位の温度が前記目標焼入温度となるような焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件である焼入ビーム条件をあらかじめ記憶する第二の記憶部と、を有し、前記焼入れに際しての前記エネルギビームの走査照射にともない、前記第二の記憶部に記憶された前記焼入ビーム条件に基づいて、焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件を制御する、ものである。
【００１４】
請求項５においては、前記温度測定手段は、前記焼入れに際しての前記エネルギビームの走査照射にともない、前記照射部位の温度測定を行い、前記制御手段は、前記目標焼入温度に基づく目標温度と、前記温度測定による測定温度との比較による差に基づいて、焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件を制御するフィードバック制御により、前記第二の記憶部に記憶された前記焼入ビーム条件に基づく焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件の制御を補正する補正部をさらに有する、ものである。
【００１５】
請求項６においては、焼入対象物に対してエネルギビームを走査照射することで、焼入対象物の表面近傍に硬化層を形成する焼入れを施すエネルギビームによる焼入システムであって、前記エネルギビームを発振する発振器と、焼入対象物における前記エネルギビームの照射面についての、面粗度、前記エネルギビームの吸収率、および前記エネルギビームの反射率のうちのいずれかである表面性状を測定する表面性状測定手段と、焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件として、前記表面性状と、前記エネルギビームの照射を受けた場合の温度との関係を規定する条件であるビーム条件を、あらかじめ複数種類記憶するビーム条件記憶部と、前記ビーム条件記憶部に記憶された複数の前記ビーム条件から、前記表面性状測定手段による前記表面性状の測定値に対応する、前記エネルギビームの照射を受けた場合の温度が、焼入対象物を構成する材料に応じてあらかじめ設定される所定の目標焼入温度に最も近くなる前記ビーム条件である最適ビーム条件を選択するビーム条件選択部と、を有し、前記ビーム条件選択部により選択された前記最適ビーム条件に基づいて、焼入対象物に対する前記エネルギビームの条件を制御する、ものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
すなわち、本発明によれば、焼入対象物において形状や大きさや表面性状等の個体バラツキが存在する場合や、焼入対象物が初めて焼入れを行うものである場合等であっても、レーザ光等のエネルギビームの照射による焼入温度を安定させることができ、安定した焼入深さや硬さを有する良好な硬化層を均一的に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、鋼材等からなる部品である焼入対象物（以下「ワーク」という。）に対してエネルギビームを走査照射することで、ワークの表面近傍に硬化層を形成する焼入れを施すエネルギビームによる焼入れにおいて、あらかじめ記憶等されたワークに対するエネルギビームの条件に基づいて、焼入れに際してワークに対して走査照射されるエネルギビームの条件を制御しようとするものである。本発明に係るエネルギビームによる焼入れは、例えばプレス成形に用いられるプレス型がワークとされ、プレス型の抜刃部分等、高硬度が必要な部位に対して有効に用いられる。ただし、本発明に係るエネルギビームによる焼入れにおいては、ワークとして歯車や軸部材等、種々の金属部品が適用可能である。
【００１８】
以下に、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下に説明する実施の形態では、ワークに対して走査照射されるエネルギビームをレーザ光とする。つまり、以下に説明する実施の形態では、本発明に係るエネルギビームによる焼入方法および焼入システムが、レーザ焼入方法およびレーザ焼入システムとして適用される場合について説明する。ただし、本発明に係る焼入れに用いられるエネルギビームは、レーザ光のほか、電子ビーム等、鋼材等からなる部品に対して部品の表面近傍に硬化層を形成する焼入れを施すことができるエネルギビームであれば、特に限定されない。
【００１９】
本発明の第一実施形態について説明する。本実施形態のレーザ焼入れにおいては、レーザ光によるワークに対する焼入れの前に、ワークに対して与えられるエネルギがワークに焼入れが施されない程度に低いレーザ光の走査照射が予備的に行われる。この焼入れには強度が不十分な弱いレーザ光のワークに対する走査照射にともない、ワークにおけるレーザ光の照射部位の温度が測定される。このように焼入れに先立ってワークに対して走査照射される弱いレーザ光の照射部位についての測定温度に基づいて、実際に焼入れが行われる際のワークにおけるレーザ光の照射部位の温度が予想される。このように、ワークに対して予備的に走査照射される弱いレーザ光の照射部位の測定温度に基づいて、実際の焼入れの際に走査照射されるレーザ光の照射部位の温度が予想されることは、レーザ光の照射部位のワークにおける位置による温度変化の態様が、弱いレーザ光の場合と、実際の焼入れに用いられるレーザ光の場合とで強い相関を有することに基づく。
【００２０】
そして、焼入れの際のレーザ光の照射部位の温度として予想された温度と、ワークの焼入れにおける所定の目標温度との相対的な関係に基づいて、焼入れに際してワークに対して走査照射されるレーザ光の条件があらかじめ設定される。ここで、あらかじめ設定されるレーザ光の条件は、レーザ光の走査照射にともなうワークにおけるレーザ光が照射される位置に対応して、予想された温度が所定の目標温度となるような条件となる。したがって、ワークにおけるレーザ光が照射される位置について、予想された温度が所定の目標温度よりも高い位置では、レーザ光によってワークに対して与えられるエネルギが相対的に低くなるように、レーザ光の条件が設定される。逆に、予想された温度が所定の目標温度よりも低い位置では、レーザ光によってワークに対して与えられるエネルギが相対的に高くなるように、レーザ光の条件が設定される。
【００２１】
すなわち、予想された温度の、所定の目標温度に対する関係（高低、高低差の大きさ）に基づき、焼入れに際してワークに走査照射されるレーザ光の強度が、照射部位の温度が所定の目標温度となるように調整される。かかるレーザ光の強度の調整に際して、レーザ光の条件についての制御プログラムがあらかじめ作成される。つまり、焼入れに際してワークに走査照射されるレーザ光が、予想された温度等に基づいてあらかじめ設定されたレーザ光の条件に基づいて制御される。
【００２２】
図１に示すように、本実施形態のレーザ焼入れは、ワーク１に対してレーザ光２を走査照射することで、ワーク１の表面近傍に硬化層を形成する焼入れを施すものである。本実施形態のレーザ焼入システムは、レーザ発振器３と、温度測定装置４と、制御盤５とを備える。
【００２３】
レーザ発振器３は、レーザ光２を発振する発振器である。本実施形態において、ワーク１のレーザ焼入れに用いられるレーザ光２、つまりレーザ発振器３によって発振されるレーザ光２の種類は、特に限定されない。レーザ光２としては、例えば、ＹＡＧレーザや、ＣＯ２レーザ等の従来のレーザ焼入れにおいて採用されているものが用いられる。レーザ発振器３は、制御盤５に接続される。
【００２４】
レーザ発振器３において発振され射出されたレーザ光２は、ハーフミラー７を介して集光レンズ６により集光され、ワーク１に照射される。本実施形態では、レーザ発振器３からのレーザ光２の射出方向（図１における下方向）が、レーザ光２のワーク１に対する照射方向となっている。つまり、本実施形態のレーザ焼入システムにおいては、図１に示すように、ワーク１の上方に位置するレーザ発振器３から下方に向けて射出されたレーザ光２が、ベントミラー等によって屈折させられることなく、ワーク１に対して照射される。
【００２５】
レーザ光２についての光学系を構成する集光レンズ６およびハーフミラー７は、レーザ光２（レーザ発振器３）およびワーク１との関係（ハーフミラー７については温度測定装置４との関係を含む）において、所定の位置および姿勢（角度）で支持される。なお、レーザ光２についての光学系の構成は、本実施形態に限定されない。レーザ光２についての光学系としては、例えば、レーザ発振器３から射出されたレーザ光２が、ベントミラー等によって一回あるいは複数回屈折させられ、レーザ発振器３からの射出方向とは異なる方向でワーク１に対して照射される構成であってもよい。
【００２６】
温度測定装置４は、ワーク１におけるレーザ光２の照射部位（以下単に「照射部位」という。）１ａの温度を測定する温度測定手段として機能する。本実施形態では、温度測定装置４は、照射部位１ａの温度を非接触で測定する放射温度計としての機能を有する。すなわち、温度測定装置４は、照射部位１ａから放射される反射光のうち、集光レンズ６を介してハーフミラー７によって導かれる光を受けて、赤外線あるいは可視光線の強度を測定することにより、照射部位１ａの温度を測定する。つまり、温度測定装置４は、ハーフミラー７によって導かれる照射部位１ａからの反射光の一部として赤外線等の電磁波を検出し、その検出信号を温度に変換することで、照射部位１ａの温度を測定する。
【００２７】
したがって、レーザ発振器３と集光レンズ６との間に設けられるハーフミラー７は、一側（レーザ発振器３側）から受ける光（レーザ光２）については、ほぼ透過させるとともに、他側（ワーク１側）から受ける光（照射部位１ａからの反射光）については、少なくとも温度測定装置４によって検出される所定の波長域の光（例えば赤外光）を反射する。なお、温度測定装置４としては、照射部位１ａからの反射光に含まれる光を受けて照射部位１ａの温度を測定することができる機能を有するものであれば、特に限定されない。温度測定装置４は、制御盤５に接続され、温度測定装置４によって測定された温度についての信号は、制御盤５に入力される。
【００２８】
本実施形態のレーザ焼入システムでは、レーザ光２は、ワーク１に対して走査されながら照射される。つまり、レーザ光２の照射を受けるワーク１において、レーザ光２が照射される部分（照射部位１ａ）は、焼入れが施される部分（以下「焼入部分」という。）に沿って移動する。
【００２９】
本実施形態では、ワーク１は、鋳鉄からなる部材（粗材）であり、レーザ光２が照射される面として、レーザ光２の照射方向に対して略垂直方向な平面部１ｂを有する。そして、ワーク１の平面部１ｂは、ワーク１が有する他の面（側面）とともに略直線状のエッジ部１ｃを形成し、このエッジ部１ｃが、ワーク１における焼入部分となる。
【００３０】
すなわち、レーザ光２は、ワーク１に対する走査照射として、エッジ部１ｃに沿う方向に移動しながら（走査されながら）、エッジ部１ｃに対して照射される。つまり、照射部位１ａは、ワーク１における焼入部分となるエッジ部１ｃに沿って移動する。したがって、レーザ発振器３は、図示せぬ保持機構によって保持された状態のワーク１に対して、所定の姿勢（レーザ光２の照射方向が平面部１ｂに対して略垂直方向となる姿勢）を保った状態で、図示せぬ移動機構によってエッジ部１ｃに沿う方向に移動可能に設けられる。
【００３１】
また、ワーク１は、エッジ部１ｃに沿う方向について、厚さ（レーザ光２の照射方向に平行な方向の長さ）が異なる部分として、主に、相対的に厚い部分である厚部１ｄと、相対的に薄い部分である薄部１ｅとを有する。
【００３２】
そして、本実施形態では、ワーク１の焼入れに際し、レーザ光２は、レーザ発振器３の移動により、照射部位１ａがエッジ部１ｃに沿って厚部１ｄ側から薄部１ｅ側にかけて移動する方向に所定の速度で走査される（矢印Ａ１参照）。ここで、レーザ光２のワーク１に対する走査のためのレーザ発振器３の移動にともない、レーザ光２についての光学系を構成する集光レンズ６およびハーフミラー７、ならびに温度測定装置４は、レーザ発振器３との関係において互いの相対的な位置関係を保ちつつ移動する。
【００３３】
このような構成において、ワーク１に対してレーザ光２が走査照射されることにより、ワーク１においてレーザ光２が照射された部分は、急速に高温に加熱された後、ワーク１内部への熱伝導（熱拡散）による自己冷却によって急激に冷却される。かかる作用により、ワーク１のエッジ部１ｃにおける表面近傍に硬化層（焼入層）が形成される（図１、薄墨部分参照）。
【００３４】
なお、ワーク１に対するレーザ光２の走査照射のための構成は、本実施形態に限定されない。すなわち、本実施形態では、ワーク１に対するレーザ光２の走査照射のための構成として、固定された状態のワーク１に対してレーザ発振器３やレーザ光２についての光学系等を含むレーザ光２側が移動する構成が採用されている。この点、ワーク１に対するレーザ光２の走査照射のための構成は、レーザ光２側が移動する構成のほか、固定状態のレーザ光２に対してワーク１側が移動する構成や、ワーク１側およびレーザ光２側の両者が移動する構成のように、レーザ光２がワーク１に対して相対的に走査方向に移動する構成であればよい。
【００３５】
制御盤５は、ワーク１に対するレーザ光２の条件（以下「レーザ条件」という。）を制御する制御手段として機能する。制御盤５は、プログラム等を格納する格納部、プログラム等を展開する展開部、プログラム等に従って所定の演算を行う演算部、演算部による演算結果等を保管する保管部等を有する。制御盤５は、具体的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ等がバスで接続される構成や、ワンチップのＬＳＩ等からなる構成を備える。制御盤５としては、専用品のほか、市販のパーソナルコンピュータやワークステーション等に上記プログラム等が格納されたものが用いられる。
【００３６】
制御盤５によって制御されるレーザ条件には、レーザ光２の出力（以下「レーザ出力」という。）と、レーザ光２のワーク１に対する走査速度（以下単に「走査速度」という。）と、レーザ光２のワーク１に対する照射面積（照射部位１ａの面積、以下単に「照射面積」という。）とが含まれる。このようなレーザ条件の制御のため、図１に示すように、制御盤５は、発振器制御部１１を有する。
【００３７】
発振器制御部１１は、レーザ発振器３によるレーザ出力を調整する機能を有する。つまり、発振器制御部１１により、レーザ出力が制御される。また、発振器制御部１１は、前記のとおり移動機構によって移動可能に設けられるレーザ発振器３の、ワーク１に対するレーザ光２の走査照射に際しての移動速度を調整する機能を有する。つまり、発振器制御部１１により、レーザ発振器３の移動速度が制御されることによって走査速度が制御される。ここで、ワーク１に対するレーザ光２の走査照射のための構成が、ワーク１側が移動する構成である場合は、制御盤５がワーク１の移動速度を調整する機能を有する。
【００３８】
また、発振器制御部１１は、レーザ発振器３において、レーザ光２のコリメート用光学レンズ部等に設けられる絞りの開口面積を調整する機能を有する。つまり、発振器制御部１１により、絞りの開口面積が制御されることによって照射面積が制御される。
【００３９】
また、照射面積の制御は、ワーク１に照射されるレーザ光２についてのデフォーカス値（ワーク１の表面からレーザ光２の焦点位置までの距離）の調整によっても行うことができる。デフォーカス値は、集光レンズ６とワーク１との間の、ワーク１に照射されるレーザ光２の光軸に沿う方向（以下「光軸方向」という。）の距離によって調整される。したがって、デフォーカス値の調整に際しては、集光レンズ６およびワーク１が、光軸方向に相対的に近接離間するように移動可能に設けられる。つまりこの場合、制御盤５が、前記のとおり所定の位置および姿勢（角度）で支持される集光レンズ６、およびワーク１の少なくともいずれかの光軸方向における位置を調整する機能を有する。
【００４０】
したがって、集光レンズ６がワーク１に対して光軸方向に移動可能に設けられる場合は、集光レンズ６の移動のための機構が制御盤５によって制御されることにより、集光レンズ６とワーク１との間の光軸方向の距離が調整される。また、ワーク１が集光レンズ６に対して光軸方向に移動可能に設けられる場合は、ワーク１の移動のための機構が制御盤５によって制御されることにより、集光レンズ６とワーク１との間の光軸方向の距離が調整される。集光レンズ６とワーク１との間の光軸方向の距離が調整されることで、デフォーカス値が調整され、照射面積が調整される。このように、制御盤５によって、デフォーカス値が調整されることで、照射面積が制御される。ただし、集光レンズ６またはワーク１が手動操作によって移動可能に設けられる場合は、デフォーカス値の調整、つまり集光レンズ６とワーク１との間の光軸方向の距離の調整は、手動操作によって行われてもよい。
【００４１】
以上のような構成を備える本実施形態に係るレーザ焼入システムにおいて行われるレーザ焼入方法について、以下に説明する。本実施形態に係るレーザ焼入方法においては、レーザ光２によるワーク１に対する焼入れの前に、ワーク１に対するレーザ光２の走査照射として、予備照射が行われる。そして、このレーザ光２のワーク１に対する予備照射にともない、照射部位１ａの温度が測定される。
【００４２】
予備照射とは、ワーク１の焼入れに際してのレーザ光２の走査照射（以下「焼入走査照射」という。）と同じ態様での走査照射であり、かつ、ワーク１におけるレーザ光２の照射部位１ａの温度が焼入れにともなう変態が生じる温度に達しないような一定のエネルギレベルでの走査照射である。
【００４３】
ここで、予備照射について、焼入走査照射と同じ態様での走査照射とは、ワーク１においてレーザ発振器３により発振されるレーザ光２が照射される部分が焼入走査照射と同じであることを意味する。言い換えると、焼入走査照射と同じ態様での走査照射とは、前記のとおり移動機構によってワーク１のエッジ部１ｃに沿う方向に移動可能に設けられるレーザ発振器３から射出されるレーザ光２の、ワーク１において焼入れが施される部分に対する走査照射である。したがって、予備照射は、焼入走査照射と同様、レーザ発振器３の移動により、ワーク１における焼入部分となるエッジ部１ｃに対して行われる。
【００４４】
また、予備照射について、ワーク１におけるレーザ光２の照射部位１ａの温度が焼入れにともなう変態が生じる温度に達しないような一定のエネルギレベルでの走査照射とは、次のようなレーザ光２の走査照射を意味する。すなわち、レーザ光２によるワーク１の焼入れは、前述したように、ワーク１においてレーザ光２の照射により加熱された部分における自己冷却作用等によって硬化層が形成されることにより行われる。そして、ワーク１において硬化層が形成されるためには、レーザ光２が照射された部分が、所定の温度変化による結晶構造の変化現象である変態が生じる温度（変態点）以上の高温に加熱される必要がある。このように、焼入れのために必要とされるワーク１の加熱温度としての変態点が、焼入れにともなう変態が生じる温度に対応する。
【００４５】
したがって、予備照射は、ワーク１においてレーザ光２が照射されることにより上昇する母材温度（照射部位１ａの温度）が変態点に達しないようなレーザ光２の走査照射となる。例えば、鋼材であるワーク１について、変態点以上の高温は約９００℃である。
【００４６】
また、一定のエネルギレベルでの走査照射とは、レーザ光２の照射によってワーク１に対して与えられるエネルギが一定であることを意味する。具体的には、ここでのレーザ光２のエネルギレベルは、レーザ出力と走査速度から導かれる入熱量（＝レーザ出力／走査速度）と、レーザ出力と照射面積から導かれるエネルギ密度（＝レーザ出力／照射面積）とが指標とされる。つまり、一定のエネルギレベルでの走査照射とは、レーザ光２についての入熱量およびエネルギ密度が、ワーク１に対するレーザ光２の走査範囲において一定である走査照射である。
【００４７】
したがって、予備照射におけるレーザ光２による入熱量およびエネルギ密度は、ワーク１の焼入れの際におけるレーザ光２による入熱量およびエネルギ密度に対して相対的に低い値となる。以上のように、予備照射は、照射部位１ａの温度が変態点に達することのない一定の入熱量およびエネルギ密度であるレーザ光２による走査照射である。
【００４８】
本実施形態において、予備照射に際してのレーザ光２のエネルギレベルとしては、例えば、入熱量：６０Ｗ・ｓ／ｍｍ、エネルギ密度：１６．７Ｗ／ｍｍ２とされる。これらの各値を導くレーザ条件は、例えば、レーザ出力：５００Ｗ、走査速度：５００ｍｍ／ｍｉｎ、照射面積：３０ｍｍ２である。なお、予備照射に際し、入熱量は、例えば、２０〜１００Ｗ・ｓ／ｍｍの範囲で設定され、エネルギ密度は、例えば、５〜３０Ｗ／ｍｍ２の範囲で設定される。これに対し、ワーク１の焼入れに際しては、入熱量は、例えば、２５０〜３００Ｗ・ｓ／ｍｍの範囲で設定され、エネルギ密度は、例えば、１０〜３０Ｗ／ｍｍ２の範囲で設定される。
【００４９】
このようなレーザ光２によるワーク１に対する予備照射が行われながら、照射部位１ａの温度が測定される。予備照射が行われながらの照射部位１ａの温度の測定は、前記のとおり放射温度計としての機能を有する温度測定装置４によって行われる。すなわち、温度測定装置４は、ワーク１に対して予備照射が行われることで照射部位１ａから放射される反射光の一部を受けて、照射部位１ａの温度を測定する。
【００５０】
このように、ワーク１に対する予備照射が行われながら照射部位１ａの温度が測定されることにより、照射部位１ａのワーク１における位置（以下「ワーク位置」という。）と予備照射による照射部位１ａの温度である予備照射温度との相関関係が求められる。つまり、予備照射によって、ワーク１における焼入部分となるエッジ部１ｃに沿って走査照射されるレーザ光２の照射位置（ワーク位置）による、予備照射温度の温度変化が求められる。したがって、ワーク位置は、焼入部分となるエッジ部１ｃにおける照射部位１ａの位置に対応する。
【００５１】
ワーク位置と予備照射温度との相関関係は、例えば、図２（ａ）において実線で示すように、予備照射温度グラフＧ１のように表される。図２（ａ）のグラフにおいて、横軸は照射部位１ａのワーク位置を示し、縦軸は温度（予備照射温度グラフＧ１については予備照射温度）を示す。本例に係る予備照射温度グラフＧ１においては、ワーク位置についてレーザ光２の走査方向（図２における左右方向に対応）における両端部に、温度が相対的に高い山形状の部分が存在し、中間部は、温度が相対的に低い谷形状の部分となっている。
【００５２】
予備照射温度グラフＧ１によって示されるように、前記のとおり一定のエネルギレベルでの走査照射の下に測定される予備照射温度がワーク位置によって異なることは、ワーク１の形状がレーザ光２の走査方向に不均一であることや、ワーク１の表面性状にバラツキがあること等に起因する。
【００５３】
このようなワーク位置と予備照射温度との相関関係は、制御盤５において記憶される。このため、本実施形態のレーザ焼入システムにおいては、図１に示すように、制御盤５において第一の記憶部１２が備えられる。すなわち、第一の記憶部１２は、レーザ発振器３により、予備照射が行われながら、温度測定装置４により、照射部位１ａの温度が測定されることで、ワーク位置と予備照射温度との相関関係を記憶する。
【００５４】
次に、予備照射温度に基づき、ワーク１の焼入れに際しての照射部位１ａの温度が、ワーク位置と予備照射温度との相関関係を反映してワーク位置に対応して変化する温度である予想温度として算出される。つまり、予想温度は、予備照射温度に基づいて予備照射温度よりも高い温度として算出される予測温度であり、そのワーク位置による変化の態様が、予備照射温度のワーク位置による変化の態様を反映したものとなる。
【００５５】
したがって、ワーク位置と予想温度との相関関係は、予備照射温度グラフＧ１との関係において、例えば、図２（ａ）において破線で示すように、予想温度グラフＧ２のように表される。すなわち、本例に係る予想温度グラフＧ２は、予備照射温度グラフＧ１よりも高温側において、予備照射温度グラフＧ１と同様に、ワーク位置についてレーザ光２の走査方向（図２における左右方向に対応）における両端部に温度が相対的に高い山形状の部分を有するとともに、中間部は温度が相対的に低い谷形状の部分となっている。ただし、予想温度は、予備照射温度との関係において、ワーク位置による変化の態様としての、温度のグラフで凹凸として表れる温度の変化方向（上昇または下降）の態様はほぼ共通するが、温度のグラフで勾配として表れる温度の変化度合い（上昇度合いまたは下降度合い）の態様等は異なる場合がある。
【００５６】
このように、予想温度は、予備照射温度との関係において、ワーク位置による変化の態様を反映するものとして予測される温度となる。このことは、予備照射のように走査照射されるレーザ光２のエネルギレベルがワーク位置によらずに一定である場合の照射部位１ａの温度変化が、ワーク１の形状や表面性状がレーザ光２の走査方向について一定でないこと等に起因することに基づく。言い換えると、エネルギレベルが一定である条件下での予備照射によるワーク１における温度分布は、エネルギレベルが一定である条件下での焼入走査照射によるワーク１における温度分布と強い相関があることに基づく。つまり、予想温度は、予備照射温度のワーク位置による変化に基づき、ワーク１の焼入れに用いられるレーザ光２としてある一定のエネルギレベルと仮定されたレーザ光２が走査照射された場合の照射部位１ａについて予測される温度となる。
【００５７】
したがって、予想温度は、予備照射温度から、レーザ条件および母材条件に基づいて予測される。ここで、レーザ条件には、予備照射の際のレーザ光２のレーザ条件と、焼入れの際のレーザ光２のレーザ条件として仮定されるレーザ条件との相対的な関係が含まれる。また、母材条件には、ワーク１を構成する材料の種類（材質）が含まれる。具体的には、予備照射温度に基づく予想温度の予測に際しては、レーザ条件および母材条件に基づいて決まる所定の温度予測式が用いられる。かかる温度予測式によれば、予備照射温度から予想温度が一義的に算出される。つまり、温度予測式によって算出される予想温度は、算出に用いられた予備照射温度とワーク位置を共通とする予想温度となる。
【００５８】
本実施形態において、予想温度の算出に際して用いられる温度予測式としては、例えば、次式（１）により表される。
予想温度（℃）＝予備照射温度（℃）×０．４＋６７０（℃）  ・・・（１）
上記式（１）において、予備照射温度の係数（０．４）や、予備照射温度の項に加算される温度の値（６７０（℃））は、前記のとおりレーザ条件および母材条件に基づいて決定される。ただし、予想温度の算出に際して用いられる温度予測式は、本例の様式に限定されるものではない。
【００５９】
上記式（１）のような温度予測式は、前述したようなレーザ条件の相対的な関係、および母材条件が共通であれば、複数種類のワーク１間において共用される。つまり、所定のレーザ条件および母材条件の下に定められた温度予測式は、レーザ条件および母材条件が共通である限り、形状や表面性状の異なる複数種類のワーク１において共用することができる。
【００６０】
このような温度予測式による予備照射温度に基づく予想温度の算出は、制御盤５において行われる。このため、本実施形態のレーザ焼入システムにおいては、図１に示すように、制御盤５において予想温度算出部１３が備えられる。すなわち、予想温度算出部１３は、予備照射温度に基づき、ワーク１の焼入れに際しての照射部位１ａの温度を、第一の記憶部１２により記憶されたワーク位置と予備照射温度との相関関係を反映してワーク位置に対応して変化する温度である予想温度として算出する。
【００６１】
続いて、ワーク１の焼入れに用いられるレーザ条件である焼入ビーム条件が求められる。ここで求められる焼入ビーム条件は、ワーク位置に対応する予想温度の、所定の目標焼入温度に対する温度差に基づいて、照射部位１ａの温度が目標焼入温度となるようなワーク１に対するレーザ条件である。ここで、目標焼入温度は、ワーク１を構成する材料に応じてあらかじめ設定される。本実施形態のレーザ焼入システムにおいて、目標焼入温度は、制御盤５においてあらかじめ設定され記憶される。目標焼入温度は、前記のとおり焼入れのために必要とされるワーク１の加熱温度としての変態点以上の高温であり、鋼材であるワーク１に対して例えば約９００℃として設定される。
【００６２】
したがって、焼入ビーム条件としては、図２（ａ）に示すように、ワーク位置に対して予想温度グラフＧ２で表される予想温度と、目標焼入温度Ｔ０（一点鎖線直線Ｌ１参照）との比較において、予想温度が目標焼入温度Ｔ０を上回る部分（符号Ｐ１、Ｐ２参照）に対応するワーク位置では、レーザ光２のエネルギレベルが、前記のとおり予想温度の予測に際して一定と仮定されたエネルギレベルよりも低くなるようなレーザ条件が採用される。逆に、予想温度が目標焼入温度Ｔ０を下回る部分（符号Ｐ３参照）に対応するワーク位置では、レーザ光２のエネルギレベルが、前記のとおり予想温度の予測に際して一定と仮定されたエネルギレベルよりも高くなるようなレーザ条件が採用される。
【００６３】
そして、このようなワーク位置による目標焼入温度Ｔ０に対する予想温度の高低に基づく、レーザ条件によるレーザ光２のエネルギレベルの調整は、予想温度が目標焼入温度Ｔ０となるように（目標焼入温度Ｔ０に一致するように）行われる。つまり、焼入ビーム条件の設定において、レーザ光２のエネルギレベルの調整量は、予想温度の目標焼入温度Ｔ０に対する温度差の大きさに応じた量となる。
【００６４】
焼入ビーム条件は、例えば、図２（ｂ）に示すレーザ出力グラフＧ３のように表される。図２（ｂ）のグラフにおいて、横軸は照射部位１ａのワーク位置を示し、縦軸はレーザ出力を示す。すなわち、本例では、焼入ビーム条件の設定に際して調整されるレーザ条件として、レーザ出力が採用されている。そして、レーザ出力グラフＧ３からわかるように、焼入ビーム条件としてのレーザ出力は、予想温度が目標焼入温度Ｔ０を上回る部分（図２（ａ）符号Ｐ１、Ｐ２参照）に対応するワーク位置では相対的に弱くなるように設定され、予想温度が目標焼入温度Ｔ０を下回る部分（図２（ａ）符号Ｐ３参照）に対応するワーク位置では相対的に強くなるように設定される。
【００６５】
そして、このようなワーク位置による目標焼入温度Ｔ０に対する予想温度の高低に基づくレーザ出力の調整は、前記のとおり予想温度が目標焼入温度Ｔ０となるように（目標焼入温度Ｔ０に一致するように）行われる。したがって、レーザ出力グラフＧ３の形状は、予想温度グラフＧ２との関係において、凹凸が逆となるような形状となる。言い換えると、ワーク位置との関係において、予想温度グラフＧ２における山形状の部分はレーザ出力グラフＧ３において谷形状の部分となり、予想温度グラフＧ２における谷形状の部分はレーザ出力グラフＧ３において山形状の部分となる。つまり、焼入ビーム条件としてのレーザ出力は、予想温度の目標焼入温度Ｔ０に対する温度差が相殺されるようなエネルギレベルとなるように設定される。
【００６６】
なお、焼入ビーム条件の設定に際して調整されるレーザ条件は、制御盤５によって制御されるレーザ条件であればよく、レーザ出力のほか、走査速度および照射面積が含まれる。すなわち、焼入ビーム条件の設定に際して調整されるレーザ条件としては、例えば、レーザ出力、走査速度、および照射面積のうちのいずれか一つ、あるいは二つ以上の組合せが採用される。
【００６７】
このように、本実施形態のレーザ焼入方法においては、ワーク１の焼入れに際して、ワーク位置に対応する予想温度の目標焼入温度Ｔ０に対する温度差に基づいて、焼入ビーム条件があらかじめ求められる。
【００６８】
このような焼入ビーム条件は、制御盤５において記憶される。このため、本実施形態のレーザ焼入システムにおいては、図１に示すように、制御盤５において第二の記憶部１４が備えられる。すなわち、第二の記憶部１４は、予想温度算出部１３により算出されたワーク位置に対応する予想温度の、目標焼入温度Ｔ０に対する温度差に基づいて、照射部位１ａの温度が目標焼入温度Ｔ０となるようなワーク１に対するレーザ条件である焼入ビーム条件をあらかじめ記憶する。
【００６９】
そして、ワーク１の焼入れにおいてレーザ条件が焼入ビーム条件に基づいて制御される。すなわち、焼入走査照射にともない、焼入ビーム条件に基づいて、ワーク１に対するレーザ条件が制御される。ここで制御されるレーザ条件としては、前記のとおり焼入ビーム条件として採用され得るレーザ出力、走査速度、および照射面積が含まれる。
【００７０】
したがって、焼入ビーム条件にレーザ出力が含まれる場合は、焼入ビーム条件に基づいて、発振器制御部１１によってレーザ出力が制御される。また、焼入ビーム条件に走査速度が含まれる場合は、焼入ビーム条件に基づいて、発振器制御部１１等によって走査速度が制御される。また、焼入ビーム条件に照射面積が含まれる場合は、焼入ビーム条件に基づいて、発振器制御部１１によって、あるいはデフォーカス値の調整によって照射面積が制御される。
【００７１】
このようなワーク１の焼入れにおける焼入ビーム条件に基づくレーザ条件の制御は、本実施形態のレーザ焼入システムに備えられる制御盤５によって行われる。すなわち、制御盤５は、焼入走査照射にともない、第二の記憶部１４に記憶された焼入ビーム条件に基づいて、ワーク１に対するレーザ条件を制御する。
【００７２】
以上説明した本実施形態のレーザ焼入方法について、図３に示すフロー図を用いて説明する。本実施形態のレーザ焼入方法では、まず、予備照射による温度測定工程が行われる（Ｓ１１０）。すなわち、ワーク１に対するレーザ光２の走査照射としての予備照射にともなう照射部位１ａの温度の測定（予備照射温度の測定）が行われる。これにより、ワーク位置と予備照射温度との相関関係が求められる（図２（ａ）、予備照射温度グラフＧ１参照）。
【００７３】
次に、予備照射温度に基づく予想温度の算出工程が行われる（Ｓ１２０）。すなわち、予備照射温度が用いられることで、予想温度が、ワーク位置と予備照射温度との相関関係を反映してワーク位置に対応して変化する温度（図２（ａ）、予想温度グラフＧ２参照）として、所定の温度予測式（上記式（１）参照）により算出される。
【００７４】
続いて、焼入ビーム条件の設定工程が行われる（Ｓ１３０）。すなわち、予想温度（図２（ａ）、予想温度グラフＧ２参照）と、所定の目標焼入温度（同図（ａ）、目標焼入温度Ｔ０参照）との関係に基づいて、ワーク１に対するレーザ条件である焼入ビーム条件（図２（ｂ）、レーザ出力グラフＧ３参照）が求められ設定される。
【００７５】
そして、焼入ビーム条件に基づくレーザ焼入工程が行われる（Ｓ１４０）。すなわち、あらかじめ求められた焼入ビーム条件に基づいてレーザ条件（レーザ出力、走査速度、照射面積等）が制御されながら、ワーク１に対するレーザ光２によるレーザ焼入れが行われる。
【００７６】
なお、上記のような一連の工程の流れにおいて、予備照射による温度測定工程（Ｓ１００）にて予備照射が行われてから、レーザ焼入工程（Ｓ１４０）にてワーク１に対してレーザ光２が走査照射されるまでの間において、必要に応じてワーク１の放熱工程が行われる。すなわち、かかる放熱工程では、予備照射を受けることによって温度が上昇したワーク１が、予備照射を受ける前の温度（常温）と同程度の温度となるまでワーク１の放熱が行われる。したがって、ここで行われる放熱工程は、予備照射を受けたワーク１が常温となるまでの時間が確保される工程となる。なお、予備照射を受けたワーク１を常温とさせるためには、所定の方法によってワーク１を冷却させる工程が行われてもよい。
【００７７】
このように、ワーク１の放熱工程が行われることで、ワーク１の焼入れ時における照射部位１ａの温度が必要以上に高くなることを防止することができる。これにより、予想温度に基づいて求められる焼入ビーム条件によるレーザ光２の制御の正確性が向上する。
【００７８】
以上の本実施形態のレーザ焼入れによれば、ワーク１において形状や大きさや表面性状等の個体バラツキが存在する場合や、ワーク１が初めて焼入れを行うものである場合等であっても、レーザ光２の照射による焼入温度を安定させることができ、安定した焼入深さや硬さを有する良好な硬化層を均一的に得ることができる。
【００７９】
すなわち、本実施形態のレーザ焼入れに際して行われる予備照射にともなって測定される予備照射温度は、ワーク１の形状や大きさや表面性状等の個体バラツキに応じてワーク位置によって変化する。そして、焼入ビーム条件は、予備照射温度の変化を反映する温度として予測される予想温度が所定の目標焼入温度となるように調整されるレーザ条件である。このため、かかるレーザ条件に基づいて制御されるレーザ光２によってワーク１の焼入れが行われることで、ワーク１において存在する形状等の個体バラツキ等にかかわらず、焼入温度の均一化を図ることができる。結果として、ワーク１の焼入部分として均一的な硬化層を形成することが可能となる。
【００８０】
なお、ワーク１についての焼入ビーム条件は、ワーク１の形状や表面性状等によって変化する予備照射温度から予測される予想温度に基づいて設定される。また、予備照射温度に基づく予想温度の予測は、前述したように、レーザ条件および母材条件が共通である限り形状や表面性状の異なる複数種類のワーク１において共用することができる温度予測式（上記（１）参照）が用いられて行われる。これらのことから、ワーク１についての焼入ビーム条件は、ワーク１を構成する材料の種類（母材条件）、形状、表面性状がある程度同じであれば、複数のワーク１間において共用することができる。
【００８１】
本実施形態のレーザ焼入方法の一実施例について、温度測定結果等を用いて説明する。図４に示すように、本実施例に係るレーザ焼入方法では、ワーク１における焼入部分は、所定の基準位置（ワーク位置＝０ｍｍ）に対してワーク位置が約５ｍｍの位置から約２４ｍｍの位置までの範囲の直線状の部分である。かかる焼入部分に対して予備照射が行われることで、図４に示すような予備照射温度グラフＧ１１が得られた。
【００８２】
本実施例では、予備照射温度グラフＧ１１からわかるように、予備照射温度が、約５ｍｍの位置から約２０ｍｍの位置までは、５００℃から６００℃の間の中間の温度で略一定であるとともに、２２ｍｍの位置付近で約６５０℃程度のピーク（符号Ｐ１１参照）を有する。このような予備照射温度グラフＧ１１として表される予備照射温度から、上記式（１）のような所定の温度予測式によって算出された予想温度は、予想温度グラフＧ１２で表される。
【００８３】
予想温度は、予備照射温度のワーク位置による変化を反映して変化する温度として予測される。このため、本実施例では、予想温度グラフＧ１２からわかるように、予想温度は、予備照射温度と同様、約５ｍｍの位置から約２０ｍｍの位置までは、９００℃から１０００℃の間の中間の温度で略一定であるとともに、２２ｍｍの位置付近で約１０００℃程度のピーク（符号Ｐ１２参照）を有する。
【００８４】
予想温度グラフＧ１２からわかるように、本実施例における予想温度は、ピーク部分（符号Ｐ１２）が存在する側（図４のグラフにおいて右側）のワーク位置で相対的に高くなっている。このため、本実施例では、焼入ビーム条件は、予想温度が相対的に高くなるワーク位置で、レーザ光２のエネルギレベルが相対的に低くなるようなレーザ条件として設定される。
【００８５】
本実施例の焼入ビーム条件は、図５に示すレーザ出力グラフＧ１３のように表される。すなわち、本実施例では、焼入ビーム条件の設定に際して調整されるレーザ条件として、レーザ出力が採用されている。そして、レーザ出力グラフＧ１３からわかるように、焼入ビーム条件としてのレーザ出力は、予想温度が相対的に低く略一定となる部分に対応するワーク位置の範囲（図４矢印範囲Ｄ１参照）では５００Ｗとして設定され、予想温度が相対的に高くなる部分に対応するワーク位置の範囲（矢印範囲Ｄ２）では４４０Ｗとして設定される。つまり、本実施例では、レーザ条件として、予想温度が相対的に高くなる部分に対応するワーク位置でレーザ出力が５００Ｗから４４０Ｗに下げられることで、レーザ光２のエネルギレベルが相対的に低くされている。
【００８６】
レーザ出力グラフＧ１３で表されるような焼入ビーム条件が用いられてワーク１に対するレーザ条件が制御されながらワーク１の焼入れが行われることにより、焼入れに際してのワーク位置による照射部位１ａの測定温度（焼入温度）を示すグラフとして、図４に示す焼入温度グラフＧ１４が得られた。焼入温度グラフＧ１４からわかるように、焼入ビーム条件に基づいてレーザ条件の制御が行われた部分（矢印範囲Ｄ１およびＤ２）については、焼入温度が全体的に安定している。つまり、予想温度グラフＧ１２と焼入温度グラフＧ１４との比較において、焼入温度については、予想温度が有するピーク（符号Ｐ１２参照）の部分に対応するワーク位置における温度上昇がなく、温度の均一化が図られている。
【００８７】
図６は、本実施例に対する比較例のグラフを示す図である。本比較例では、ワーク１に対する予備照射が行われた後、上記実施例のような焼入ビーム条件に基づくレーザ条件の制御が行われることなく、ワーク１の焼入れが行われている。つまり、本比較例は、予備照射温度の測定、および予想温度の算出が行われる一方、焼入走査照射が一定のエネルギレベルで行われた場合についての温度測定結果等を示す。
【００８８】
本比較例では、予備照射温度として、図６において予備照射温度グラフＧ２１で表されるような温度が測定された。そして、かかる予備照射温度から算出される予想温度として、図６において予想温度グラフＧ２２で表されるような温度が予測された。予想温度は、上記実施例と同様、予備照射温度のワーク位置による変化を反映して変化する温度として予測される。
【００８９】
このように予想温度グラフＧ２２で表される予想温度に対し、前記のとおりワーク１の焼入れに際してレーザ条件の制御が行われない（レーザ光２のエネルギレベルが一定の）本比較例では、図６において焼入温度グラフＧ２４で表されるような焼入温度が測定された。すなわち、本比較例では、予想温度グラフＧ２２と焼入温度グラフＧ２４との比較からわかるように、焼入温度は、予想温度に略一致する。かかる現象は、上記実施例のような焼入レーザ条件に基づくレーザ条件の制御が行われない場合、焼入温度は予備照射温度と同様にワーク１の形状や表面性状等に応じて変動すること、および、予備照射温度に基づいて算出される予想温度が、レーザ光２のエネルギレベルが一定である場合の焼入温度に対応していることを示す。
【００９０】
なお、上記実施例では、焼入ビーム条件として調整されるレーザ出力は、５００Ｗと４４０Ｗの二段階に変化するように設定されているが、ワーク位置による予想温度の変化に応じて、三段階以上の多段階的にあるいは連続的に変化するように設定される。また、上記実施例では、焼入ビーム条件の設定に際して調整されるレーザ条件として、レーザ出力が採用されているが、かかるレーザ条件としては、走査速度および照射面積が適宜用いられる。
【００９１】
また、本実施形態のレーザ焼入れにおいて行われる予備照射は、焼入温度を安定させ、ワーク１における焼入部分の焼入深さや硬さを安定させるという効果をもたらす。かかる効果は、次のような現象に基づく。
【００９２】
ワーク１においては、例えば焼入れの前の加工工程で用いられた切削油等の加工油やゴミ等の付着物（汚れ）が表面に存在する場合がある。このような付着物が焼入部分の表面に存在している状態でレーザ焼入れが行われると、焼入温度が不安定となり、焼入部分の焼入深さや硬さが不安定となる場合がある。すなわち、ワーク１において焼入部分の表面に存在する付着物は、ワーク１の表面におけるレーザ光２の吸収率を変化させる原因となる。このため、焼入部分の表面に付着物が存在することにより、レーザ光２の吸収率にバラツキが生じ、焼入温度が不安定となる。
【００９３】
そこで、ワーク１の焼入部分に対して予備照射が行われることにより、照射部位１ａの温度が数百度程度に上昇することで、前記のように焼入部分の表面に存在する付着物が除去されるという作用が得られる。これにより、付着物の存在が原因で生じる焼入温度の不安定化が解消され、焼入部分の焼入深さや硬さが安定する。つまり、ワーク１に対して予備照射が行われることにより、焼入部分の表面についてクリーニング作用が得られ、焼入温度が安定し、焼入部分の焼入深さや硬さの安定化が図られる。
【００９４】
このような予備照射によって得られる付随的な効果について、測定結果例を用いて説明する。本例は、予備照射が行われた場合の焼入温度の測定値と、予備照射が行われなかった場合の焼入温度の測定値との比較である。図７において、グラフＧ３１は、予備照射有りの場合の焼入温度グラフであり、グラフＧ３２は、予備照射無しの場合の焼入温度グラフである。図７の各グラフに示されるように、本例では、予備照射有りの場合の焼入部分は、ワーク位置が所定の基準位置（ワーク位置＝０ｍｍ）から約８０ｍｍの位置までの範囲の部分であり、予備照射無しの場合の焼入部分は、ワーク位置が所定の基準位置から約１００ｍｍの位置までの範囲の部分である。ただし、ワーク１における焼入部分の形状（断面形状）は、両方の場合で略同じである。
【００９５】
本例において、焼入温度の測定条件（レーザ条件）は次のとおりである。すなわち、予備照射有りの場合（グラフＧ３１）における予備照射についてのレーザ条件は、レーザ出力：５００Ｗ、速度５００ｍｍ／ｍｉｎ、照射面積３０ｍｍ２（入熱量：６０Ｗ・ｓ／ｍｍ、エネルギ密度：１６．７Ｗ／ｍｍ２）である。また、焼入れについてのレーザ条件は、予備照射有りの場合（グラフＧ３１）と予備照射無しの場合（グラフＧ３２）の場合とで共通であり、レーザ出力：７５０Ｗ、速度３８０ｍｍ／ｍｉｎ、照射面積３０ｍｍ２（入熱量：１１８Ｗ・ｓ／ｍｍ、エネルギ密度：２５Ｗ／ｍｍ２）である。
【００９６】
このようなレーザ条件の下での焼入温度の測定結果として、図７に示すような各グラフＧ３１、Ｇ３２が得られた。予備照射有りの場合のグラフＧ３１と予備照射無しの場合のグラフＧ３２との比較からわかるように、予備照射が行われた場合は、焼入温度の変動の幅つまり焼入温度のバラツキが比較的小さい。具体的には、焼入温度の測定データのバラツキを表す標準偏差の値として、予備照射無しの場合は６２．７という数値が得られたのに対し、予備照射有りの場合は３４．１という数値が得られた。つまり、本測定結果例では、予備照射が行われることで、焼入温度のバラツキが、標準偏差の値で６２．７から３４．１に低減されている。
【００９７】
このように、ワーク１に対する焼入れが施される前に、予備照射が行われることで、焼入部分の焼入深さや硬さに影響する焼入温度のバラツキを低減することができる。したがって、例えば工場の生産ライン等において複数のワーク１に対してレーザ焼入れが施される場合、全てのワーク１に対して予備照射が行われることが好ましい。
【００９８】
すなわち、ワーク１の焼入れに用いられる焼入ビーム条件は、前述したようにワーク１を構成する材料の種類、形状、表面性状がある程度同じであれば、複数のワーク１間において共用することができる。したがって、例えば工場の生産ライン等で材料の種類や形状等が略同じの複数のワーク１についてレーザ焼入れが行われる場合において、複数のワーク１で焼入ビーム条件が共用されるときには、ワーク１に対する予備照射は、焼入ビーム条件の設定のためには、その焼入ビーム条件の設定に用いられるワーク１に対してのみ行われればよい。この点、例えば工場の生産ライン等で複数のワーク１に対してレーザ焼入れが施される場合、焼入ビーム条件の設定に用いられるワーク１以外のワーク１を含む全てのワーク１に対して（焼入ビーム条件の設定の有無にかかわらず）予備照射が行われることで、前述したような予備照射による付随的な効果が得られることができる。
【００９９】
また、本実施形態のレーザ焼入れにおいては、前述したように焼入ビーム条件に基づくレーザ条件の制御について、焼入温度の測定値に基づくフィードバック制御による補正（以下「レーザ条件補正」という。）が行われることが好ましい。すなわち、本実施形態におけるレーザ条件補正は、ワーク１の焼入れにおいて、焼入ビーム条件に基づいてレーザ条件が制御されている状態において、照射部位１ａについての測定温度（焼入温度）の値が、所定の目標温度の値（狙い値）と比較され、その比較結果に基づいて、焼入ビーム条件に基づくレーザ条件の制御量が補正される。
【０１００】
したがって、レーザ条件補正が行われる場合、焼入走査照射にともない、照射部位１ａの温度測定（以下「焼入温度測定」という。）が行われる。焼入温度測定は、予備照射温度が測定される場合と同様に、温度測定装置４によって行われる。すなわち、レーザ条件補正が行われる場合、温度測定装置４は、ワーク１に対して焼入走査照射が行われることで照射部位１ａから放射される反射光の一部を受けて、照射部位１ａの温度を測定する。
【０１０１】
そして、焼入温度に対する所定の目標温度となる目標焼入温度（図２（ａ）、目標焼入温度Ｔ０参照）に基づく目標温度（以下単に「目標温度」という。）と、焼入温度測定による測定温度（以下「測定焼入温度」という。）との比較による差に基づいて、ワーク１に対するレーザ条件を制御するフィードバック制御により、焼入ビーム条件に基づくワーク１に対するレーザ条件の制御が補正される。
【０１０２】
すなわち、測定焼入温度が、目標温度よりも高い場合、レーザ光２のエネルギレベルが低くなるように、焼入ビーム条件に基づいて制御されているレーザ条件が補正される。また、測定焼入温度が、目標温度よりも低い場合、レーザ光２のエネルギレベルが高くなるように、焼入ビーム条件に基づいて制御されているレーザ条件が補正される。このように、焼入ビーム条件に基づくレーザ条件の制御量が、測定焼入温度が目標温度に追従するように（一致するように）、焼入温度についてのフィードバック制御による補正が行われる。
【０１０３】
具体的には、焼入走査照射にともない、焼入温度測定が行われる。ここで測定された測定焼入温度に基づき、フィードバック信号が生成される。そして、この測定焼入温度に基づいて生成されたフィードバック信号が、あらかじめ設定されている目標温度に基づく入力信号と比較される。かかる比較によって、入力信号とフィードバック信号との差（偏差）が求められる。この入力信号とフィードバック信号との差に基づいて、レーザ条件に対する制御信号が生成され、この制御信号に基づいてレーザ条件の制御の補正が行われる。ここで、レーザ条件に対する制御信号は、焼入ビーム条件に基づいて制御されるレーザ条件、つまりレーザ出力、走査速度、および照射面積のうちのいずれか一つ、あるいは二つ以上の組合せとして採用されるレーザ条件に対するものである。
【０１０４】
したがって、例えば図８に示すように、レーザ条件補正が行われない場合の測定焼入温度が、ワーク位置との関係においてグラフＧ４４で表されるとする。これに対し、本例では、目標温度が、９００℃に設定される（破線直線Ｌ４１参照）。かかる場合、測定焼入温度と目標温度（９００℃）との比較において、測定焼入温度が９００℃を上回る部分に対応するワーク位置では、焼入ビーム条件に基づいて制御されるレーザ条件が、レーザ光２のエネルギレベルが低くなるように補正される（矢印Ａ４１、Ａ４２参照）。また、測定焼入温度が９００℃を下回る部分に対応するワーク位置では、焼入ビーム条件に基づいて制御されるレーザ条件が、レーザ光２のエネルギレベルが高くなるように補正される（矢印Ａ４３参照）。このように、レーザ条件補正では、測定焼入温度の目標温度との偏差が、フィードバック制御によって補正される。なお、図８において、グラフＧ４１は、本例におけるワーク位置による予備照射温度の変化を表す。
【０１０５】
また、本例では、レーザ条件補正として行われるフィードバック制御において狙い値となる目標温度として、所定の温度である９００℃という値が用いられているが、目標温度としては、幅を有するもの（温度範囲）であってもよい。つまり、フィードバック制御において、測定焼入温度が、目標温度としての所定の温度範囲内に入ることが目標とされてもよい。したがって、目標温度が所定の温度範囲として設定される場合、測定焼入温度が所定の温度範囲の上限値を上回った場合、レーザ光２のエネルギレベルが低くなるようにレーザ条件が補正され、測定焼入温度が所定の温度範囲の下限値を下回った場合、レーザ光２のエネルギレベルが高くなるようにレーザ条件が補正される。
【０１０６】
このようなレーザ条件補正は、制御盤５によって行われる。このため、本実施形態のレーザ焼入システムにおいては、図１に示すように、制御盤５において補正部１５が備えられる。すなわち、補正部１５は、目標温度と、測定焼入温度との比較による差に基づいて、ワーク１に対するレーザ条件を制御するフィードバック制御により、第二の記憶部１４に記憶された焼入ビーム条件に基づくワーク１に対するレーザ条件の制御を補正する。
【０１０７】
つまり、制御盤５に備えられる補正部１５は、温度測定装置４によって測定される測定焼入温度についての温度測定データを記録する機能を有するとともに、その記録した温度測定データと、あらかじめ設定されている目標温度とに基づいて、レーザ条件のフィードバック制御による補正を行う。
【０１０８】
したがって、レーザ条件補正に際しては、温度測定装置４によって測定される測定焼入温度についての温度測定データを記録するための装置（温度測定データ記録装置）が、制御盤５とは別体で設けられてもよい。かかる構成では、レーザ条件補正としてのフィードバック制御は、次のようにして行われる。すなわち、温度測定データ記録装置が、温度測定装置４および制御盤５に接続され、温度測定装置４によって測定された測定焼入温度が、温度測定データ記録装置に測定データとして記録される。温度測定データ記録装置に記録された測定データは、制御盤５の補正部１５に対してフィードバック信号として送られる。そして、補正部１５において、あらかじめ設定されている目標温度に基づく入力信号とフィードバック信号とが比較され、レーザ条件に対する制御信号が生成される。この制御信号に基づいてレーザ条件の制御の補正が行われる。
【０１０９】
以上のように、測定焼入温度に基づくフィードバック制御によるレーザ条件補正が行われることにより、焼入ビーム条件に基づいて制御されるレーザ条件によるワーク１の焼入れにおいて、実際の焼入状況に応じて焼入温度を目標温度に近付けることができるので、焼入温度の安定性の向上を図ることができる。
【０１１０】
本発明の第二実施形態について説明する。なお、前述した本発明の第一実施形態と重複する部分については、同一の符号を用いる等して適宜説明を省略する。本実施形態のレーザ焼入れにおいては、焼入部分について、面粗度やレーザ光の吸収率等の表面性状と、レーザ光の照射を受けた場合の温度との関係を規定する複数のレーザ条件が、あらかじめ設定される。すなわち、所定のレーザ条件の下では、焼入部分の表面性状とレーザ光の照射を受けた場合の温度との関係が一義的に定まることから、かかる関係について複数種類のレーザ条件があらかじめ設定される。このように、所定のレーザ条件の下において焼入部分の表面性状とレーザ光の照射を受けた場合の温度との関係が一義的に定まることは、表面性状がレーザ光の吸収率そのものあるいは吸収率に関係するものであるため、一定のレーザ条件下では、吸収率によって変化する照射部位の温度は、表面性状に対して所定の関係性を有することに基づく。なお、焼入部分についての表面性状は、ワークの表面に対する機械加工の精度や表面処理の方法等に依存する。
【０１１１】
複数のレーザ条件が設定された状態で、ワークの焼入れに際して、前述したような表面性状と温度との関係から、焼入部分の温度を把握するため、焼入部分の表面性状が測定される。そして、測定された表面性状に対応する、レーザ光の照射を受けた場合の温度が所定の目標温度に最も近くなるように、ワーク位置によって最適なレーザ条件が選択され、その選択されたレーザ条件に基づいて、焼入れに際してワークに走査照射されるレーザ光（レーザ条件）が制御される。ここで、ワーク位置によるレーザ条件の選択は、ワークに対して焼入れが行われながら（レーザ光が走査照射されながら）行われてもよく、ワークの焼入れに先立って行われてもよい。
【０１１２】
図９に示すように、本実施形態のレーザ焼入システムは、レーザ発振器３と、制御盤５と、面粗度測定装置８とを備える。なお、本実施形態では、レーザ発振器３において発振され射出されたレーザ光２は、集光レンズ６により集光され、ワーク２０に照射される（照射部位２０ａ参照）。
【０１１３】
本実施形態に係るワーク２０は、鋳鉄からなる略直方体形状を有する部材（粗材）であり、レーザ光２が照射される面として、レーザ光２の照射方向に対して略垂直方向な平面部２０ｂを有する。そして、ワーク２０の平面部２０ｂは、ワーク２０が有する他の面（側面）とともに略直線状のエッジ部２０ｃを形成し、このエッジ部２０ｃが、ワーク２０における焼入部分となる。
【０１１４】
すなわち、レーザ光２は、ワーク２０に対する走査照射として、エッジ部２０ｃに沿う方向に移動しながら（走査されながら）、エッジ部２０ｃに対して照射される。そして、本実施形態では、ワーク２０の焼入れに際し、レーザ光２は、レーザ発振器３の移動により、照射部位２０ａがエッジ部２０ｃに沿って移動する方向に所定の速度で走査される（矢印Ａ２参照）。これにより、ワーク２０のエッジ部２０ｃにおける表面近傍に硬化層（焼入層）が形成される（図９、薄墨部分参照）。
【０１１５】
面粗度測定装置８は、ワーク２０におけるレーザ光２の照射面（焼入部分の表面、以下「レーザ照射面」という。）についての表面性状である面粗度を測定する表面性状測定手段として機能する。面粗度測定装置８は、触針８ａを有する接触式のもの（接触式プローブ）であり、触針８ａをレーザ照射面に接触させることにより、レーザ照射面の面粗度つまり表面粗さを測定する。なお、面粗度測定装置８としては、接触式のものに限られず、レーザ光等の光を照射することでその反射光の性質等によって面粗度を測定する非接触式のもの（レーザ干渉計等）であってもよく、周知の構成のものが用いられる。
【０１１６】
面粗度測定装置８は、レーザ照射面において、レーザ光２の走査方向における照射部位２０ａよりも前方の部位についての面粗度を測定する。このため、面粗度測定装置８は、レーザ発振器３よりもレーザ光２の走査方向における前側（図９における左側）に設けられる。具体的には、面粗度測定装置８は、レーザ光２の走査方向について、面粗度測定装置８が有する触針８ａのレーザ照射面に対する接触部分が、照射部位２０ａよりも前側に位置するように設けられる。
【０１１７】
したがって、面粗度測定装置８は、図示せぬ保持機構によって保持された状態のワーク２０に対して、所定の姿勢（例えば触針８ａの接触方向が平面部２０ｂに対して略垂直方向となる姿勢）を保った状態で、図示せぬ移動機構によってエッジ部２０ｃに沿う方向に移動可能に設けられる。ここで、面粗度測定装置８は、例えばレーザ発振器３との関係において互いの相対的な位置関係を保ちつつ移動するように設けられる。面粗度測定装置８は、制御盤５に接続され、面粗度測定装置８によって測定された面粗度についての信号は、制御盤５に入力される。
【０１１８】
以上のような構成を備える本実施形態に係るレーザ焼入システムにおいて行われるレーザ焼入方法について、以下に説明する。本実施形態に係るレーザ焼入方法においては、レーザ光２によるワーク２０に対する焼入れの前に、ワーク２０に対するレーザ条件として、レーザ照射面についての、面粗度と、レーザ光２の照射を受けた場合の温度（以下「仮定温度」という。）との関係を規定する条件であるビーム条件（以下「被選択ビーム条件」という。）が、あらかじめ複数種類設定される。
【０１１９】
すなわち、レーザ照射面の表面性状としての面粗度は、レーザ照射面におけるレーザ光２の吸収率に関係する。具体的には、面粗度が高い（表面粗さが粗い）ほど、レーザ光２の吸収率は高くなって照射部位２０ａの温度は上昇しやすくなり、面粗度が低い（表面粗さが細かい）ほど、レーザ光２の吸収率は低くなって照射部位２０ａの温度は上昇しにくくなる。このような面粗度と照射部位２０ａの温度との関係は、一定のレーザ条件の下では一義的に定まる。そこで、面粗度と、照射部位２０ａの温度に対応する仮定温度との関係を規定するレーザ条件が、被選択ビーム条件としてあらかじめ複数種類設定される。
【０１２０】
このような被選択ビーム条件は、制御盤５において記憶される。このため、本実施形態のレーザ焼入システムにおいては、図９に示すように、制御盤５においてビーム条件記憶部２１が備えられる。すなわち、ビーム条件記憶部２１は、ワーク２０に対するレーザ条件として、面粗度と、仮定温度との関係を規定する被選択ビーム条件をあらかじめ複数種類記憶する。言い換えると、ビーム条件記憶部２１において、被選択ビーム条件が記憶されることにより、面粗度と仮定温度との関係についてのデータベースが、あらかじめ複数種類の被選択ビーム条件ごとに対応して設定される。
【０１２１】
具体的には、図１０（ａ）に示すように、本実施形態では、ビーム条件記憶部２１において、「第一レーザ条件」、「第二レーザ条件」、・・・「第五レーザ条件」の五種類の被選択ビーム条件２１ａが記憶され設定される。ただし、あらかじめ設定される被選択ビーム条件２１ａの数は限定されない。
【０１２２】
被選択ビーム条件２１ａにより規定される面粗度と仮定温度との関係は、その被選択ビーム条件２１ａ（レーザ条件）の下における、面粗度測定装置８により測定される面粗度の測定値と、その面粗度の測定値に対応する仮定温度との関係である。つまり、仮定温度は、所定のレーザ条件と面粗度の測定値とから予想される温度となる。
【０１２３】
被選択ビーム条件２１ａにより規定される面粗度と仮定温度との関係は、図１０（ａ）に示すように、前記のとおり面粗度が高い（表面粗さが粗い）ほど照射部位２０ａの温度は上昇しやすくなる等の関係が、例えばグラフ２１ｂのような一次関数（直線）として表される。そしてこの場合、五種類の被選択ビーム条件２１ａは、面粗度と仮定温度との関係を表すグラフ２１ｂの傾きや切片等が異なる五種類の値となるように設定される。
【０１２４】
このように、五つの被選択ビーム条件２１ａが設定された状態で、焼入走査照射にともない、レーザ照射面についての面粗度の測定が行われる。レーザ照射面についての面粗度の測定は、前記のとおり接触式の面粗度測定装置８によって行われる。すなわち、面粗度測定装置８は、触針８ａをレーザ光２の走査方向における照射部位２０ａよりも前方の部位（焼入走査照射においてレーザ光２が照射される前の部分）に接触させることにより、レーザ照射面の面粗度を測定する。
【０１２５】
このような焼入走査照射にともなう面粗度測定装置８によるレーザ照射面の面粗度の測定が行われることで、五つの被選択ビーム条件２１ａから、最適ビーム条件が選択される。ここで、最適ビーム条件としては、面粗度の測定値に対応する、仮定温度が、ワーク２０を構成する材料に応じてあらかじめ設定される所定の目標焼入温度に最も近くなる被選択ビーム条件２１ａが選択される。
【０１２６】
すなわち、五つの被選択ビーム条件２１ａのうち、いずれかの被選択ビーム条件２１ａ（例えば第一レーザ条件）の下で、ワーク２０の焼入れ（焼入走査照射）が開始される。焼入走査照射が開始されるとともに、面粗度測定装置８によるレーザ照射面についての面粗度の測定が行われる。ここで、面粗度測定装置８によって面粗度の測定が行われる部分は、レーザ光２の走査方向における照射部位２０ａよりも前方の部位である。
【０１２７】
そして、面粗度測定装置８による面粗度の測定が行われた時点での被選択ビーム条件（第一レーザ条件）において、面粗度の測定値から、グラフ２１ｂにより、対応する仮定温度が算出される。ここで算出された仮定温度が、例えば目標焼入温度よりも所定量以上高い場合、面粗度の測定値に対応する仮定温度が低くなるように、傾きまたは切片が比較的小さいグラフ２１ｂを規定する被選択ビーム条件２１ａ（例えば第二ビーム条件）が、最適ビーム条件として選択される。
【０１２８】
ここでの被選択ビーム条件２１ａの選択は、面粗度の測定値に対応する仮定温度が、目標焼入温度に最も近くなるように行われる。したがって、面粗度が測定された時点からの被選択ビーム条件２１ａの変更（切換え）は、例えば面粗度の測定値に対応する仮定温度の目標焼入温度に対する温度差を基準に行われる。つまり、面粗度の測定値に対応する仮定温度の目標焼入温度に対する温度差が、例えばあらかじめ設定された所定量以上である場合、その温度差がより小さくなる被選択ビーム条件２１ａが選択され、その選択された被選択ビーム条件２１ａにレーザ条件が変更される。このため、設定される被選択ビーム条件２１ａの数が多いほど、被選択ビーム条件２１ａの変更の基準となる、面粗度の測定値に対応する仮定温度の目標焼入温度に対する温度差の大きさを小さく（細かく）設定することができ、仮定温度を目標焼入温度に精度良く近付けることができる。
【０１２９】
最適ビーム条件の選択の手法の一例について、図１１を用いて説明する。本例では、被選択ビーム条件２１ａとしての第一レーザ条件と第二レーザ条件との比較において、いずれのビーム条件が選択されるかを例として説明する。
【０１３０】
図１１（ａ）に示すように、第一レーザ条件の下においては、面粗度の測定値がＲ１である場合、グラフ２１ｂにより、対応する仮定温度Ｔ１が算出される。仮定温度Ｔ１は、目標焼入温度Ｔ０に対して温度差（絶対値）ΔＴ１を有する。一方、図１１（ｂ）に示すように、第二レーザ条件の下においては、面粗度の測定値Ｒ１から、グラフ２１ｂにより、対応する仮定温度Ｔ２が算出される。仮定温度Ｔ２は、目標焼入温度Ｔ０に対して温度差（絶対値）ΔＴ２を有する。温度差ΔＴ２は、温度差ΔＴ１よりも小さい（ΔＴ１＞ΔＴ２）。
【０１３１】
このような場合、第一レーザ条件と第二レーザ条件との比較において、被選択ビーム条件２１ａとしては第二レーザ条件が選択される。つまり、この場合、第一レーザ条件よりも第二レーザ条件の方が、面粗度の測定値Ｒ１に対応する仮定温度が目標焼入温度Ｔ０に近いことから、第二レーザ条件が選択される。したがって、この場合、面粗度が測定された時点でのレーザ条件が第一レーザ条件のときには、レーザ条件が第二レーザ条件に変更される。かかる手法に基づいて、五つの被選択ビーム条件２１ａから、面粗度の測定値に対応する仮定温度が目標焼入温度に最も近くなる最適ビーム条件が選択される。
【０１３２】
このような最適ビーム条件の選択は、前記のとおりレーザ光２の走査方向における照射部位２０ａよりも前方の部位について測定される面粗度に基づいて行われる。このため、レーザ光２が照射される部分についてのレーザ条件は、あらかじめ最適ビーム条件に基づいて制御される状態となる。
【０１３３】
このような最適ビーム条件の選択は、制御盤５において行われる。このため、本実施形態のレーザ焼入システムにおいては、図９に示すように、制御盤５においてビーム条件選択部２２が備えられる。すなわち、ビーム条件選択部２２は、ビーム条件記憶部２１に記憶された複数の被選択ビーム条件２１ａから、面粗度測定装置８による面粗度の測定値に対応する仮定温度が、所定の目標焼入温度に最も近くなるビーム条件である最適ビーム条件を選択する。
【０１３４】
そして、ワーク２０の焼入れにおいてレーザ条件が最適ビーム条件に基づいて制御される。すなわち、焼入走査照射にともない、最適ビーム条件に基づいて、ワーク２０に対するレーザ条件が制御される。ここで制御されるレーザ条件としては、前記のとおり焼入ビーム条件として採用され得るレーザ出力、走査速度、および照射面積が含まれる。
【０１３５】
このようなワーク２０の焼入れにおける最適ビーム条件に基づくレーザ条件の制御は、本実施形態のレーザ焼入システムに備えられる制御盤５によって行われる。すなわち、制御盤５は、焼入走査照射にともない、ビーム条件選択部２２により選択された最適ビーム条件に基づいて、ワーク２０に対するレーザ条件を制御する。
【０１３６】
なお、本実施形態では、ワーク位置による面粗度に基づくレーザ条件の選択が、ワーク２０に対して焼入れが行われながら（レーザ光２が走査照射されながら）行われているが、かかるレーザ条件の選択は、ワーク２０の焼入れに先立ってあらかじめ行われてもよい。
【０１３７】
この場合、ワーク２０における焼入部分についての面粗度が、面粗度測定装置８によってあらかじめ測定される。そして、面粗度の測定値に基づいて、ビーム条件記憶部２１に記憶されている被選択ビーム条件２１ａから、ワーク位置による最適ビーム条件がビーム条件選択部２２によって選択される。このようにワーク位置について選択された最適ビーム条件が、レーザ条件についての制御プログラムとしてあらかじめ作成される。そして、焼入走査照射にともない、前記制御プログラムにしたがって自動的に選択される最適ビーム条件に基づいて、ワーク２０に対するレーザ条件が制御される。
【０１３８】
また、本実施形態では、レーザ条件の制御に際して用いられる焼入部分の表面性状として、面粗度が用いられているが、ここで用いられる表面性状としては、レーザ光２の吸収率（以下「レーザ吸収率」という。）、またはレーザ光２の反射率（以下「レーザ反射率」という。）であってもよい。つまり、本実施形態のレーザ焼入れにおいて、レーザ条件の制御に際して用いられるレーザ照射面についての表面性状としては、面粗度、レーザ吸収率、およびレーザ反射率のうちいずれかが採用される。
【０１３９】
レーザ条件の制御に際して用いられるレーザ照射面についての表面性状が、レーザ吸収率である場合においては、本実施形態のレーザ焼入システムにおいて備えられる面粗度測定装置８の代わりに、レーザ吸収率を測定するための装置が用いられる。かかる装置としては、周知の構成のものが用いられる。そして、表面性状としてレーザ吸収率が用いられる場合、図１０（ｂ）に示すように、ビーム条件記憶部２１において記憶される被選択ビーム条件２１ａは、レーザ吸収率と仮定温度との関係を規定するものとなる。また、この場合、レーザ吸収率が高いほど照射部位２０ａの温度が上昇しやすくなる関係が、例えばグラフ２１ｂのような一次関数として表される。
【０１４０】
同様にして、レーザ条件の制御に際して用いられるレーザ照射面についての表面性状が、レーザ反射率である場合においては、本実施形態のレーザ焼入システムにおいて備えられる面粗度測定装置８の代わりに、レーザ反射率を測定するための装置が用いられる。かかる装置としては、周知の構成のものが用いられる。そして、表面性状としてレーザ反射率が用いられる場合、図１０（ｃ）に示すように、ビーム条件記憶部２１において記憶される被選択ビーム条件２１ａは、レーザ反射率と仮定温度との関係を規定するものとなる。また、この場合、レーザ反射率が高いほど照射部位２０ａの温度が上昇しにくくなる関係が、例えばグラフ２１ｂのような一次関数として表される。
【０１４１】
以上の本実施形態のレーザ焼入れによれば、ワーク２０において表面性状の個体バラツキが存在する場合や、ワーク２０が初めて焼入れを行うものである場合等であっても、レーザ光２の照射による焼入温度を安定させることができ、安定した焼入深さや硬さを有する良好な硬化層を均一的に得ることができる。
【０１４２】
すなわち、本実施形態のレーザ焼入れに際して測定されるレーザ照射面についての面粗度等の表面性状は、ワーク２０の個体バラツキやワーク位置によって変化する。そして、最適ビーム条件は、面粗度等の表面性状の変化にともなって表面性状の測定値に対応する仮定温度が所定の目標焼入温度となるように選択されるレーザ条件である。このため、かかるレーザ条件に基づいて制御されるレーザ光２によってワーク２０の焼入れが行われることで、ワーク２０において存在する個体バラツキ等にかかわらず、焼入温度の均一化を図ることができる。結果として、ワーク２０の焼入部分として均一的な硬化層を形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１４３】
【図１】本発明の第一実施形態に係るレーザ焼入システムの構成を示す図。
【図２】ワーク位置と温度およびレーザ出力との関係を示す図。（ａ）は予備照射温度グラフおよび予想温度グラフを示す図。（ｂ）はレーザ出力グラフを示す図。
【図３】本発明の第一実施形態に係るレーザ焼入方法を示すフロー図。
【図４】ワーク位置と各種温度との関係の一例を示す図。
【図５】焼入ビーム条件の一例を示す図。
【図６】ワーク位置と各種温度との関係の比較例を示す図。
【図７】予備照射の効果を示すワーク位置と焼入温度との関係の一例を示す図。
【図８】フィードバック制御によるレーザ条件補正が行われる場合の一例を示す図。
【図９】本発明の第二実施形態に係るレーザ焼入システムの構成を示す図。
【図１０】被選択ビーム条件についてのイメージ図。
【図１１】最適ビーム条件の選択の手法の一例についての説明図。
【符号の説明】
【０１４４】
１      ワーク（焼入対象物）
２      レーザ光（エネルギビーム）
３      レーザ発振器（発振器）
４      温度測定装置（温度測定手段）
５      制御盤（制御手段）
８      面粗度測定装置（表面性状測定手段）
１１    発振器制御部
１２    第一の記憶部
１３    予想温度算出部
１４    第二の記憶部
１５    補正部
２０    ワーク（焼入対象物）
２１    ビーム条件記憶部
２１ａ  被選択ビーム条件（ビーム条件）
２２    ビーム条件選択部
【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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【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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