(57)【要約】【課題】ワークの焼入部分の幅方向における入熱を制御することにより均一焼入れを可能にし、もって、オシレート方式やインテグレーテッド方式に代わる新たなレーザ焼入方法を提供する。【解決手段】長円形の２つの照射パターンＰ１とＰ２とを相互に一端部が重合するようにＶ字形に組合せ、このＶ字形パターンＰ３の先鋭部を板状ワーク１の被焼入部２の幅方向中心線上で先行させながら２つのレーザビームを走査方向Ａへ走査させる。時間的に遅れて照射される側に先に照射される側から熱が伝わることで、被焼入部２の幅方向両端部に予熱効果が生じて、該両端部の焼入れ深さが増大し、一方、被焼入部２の幅方向中心付近は、２つの照射パターンＰ１とＰ２の重合により焼入れ深さが増大し、結果としてほぼ一様な焼入深さを有する硬化層３が形成される。【選択図】　　図４
2004052074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長円形または長方形の照射パターンを形成する２つのレーザビームを、それぞれの照射パターンがＶ字形に合わさるようにワーク表面に照射し、このＶ字形に照射されるパターンの先鋭部を走査方向へ先行または後行させて２つのレーザビームを走査することを特徴とするレーザ焼入方法。
【請求項２】
２つのレーザビームの照射パターンをＶ字形パターンの先鋭部で重合させ、該Ｖ字形パターンの先鋭部を走査方向へ先行させることを特徴とする請求項１に記載のレーザ焼入方法。
【請求項３】
レーザ発振源から送られたレーザビームを、長円形または長方形の照射パターンが得られるように整形する光学系を内蔵する２つのレーザトーチを設けた集光装置を備え、該集光装置は、前記２つのレーザトーチをそれぞれの光軸を中心に相対回転させ、かつ該２つのレーザトーチの相対的な傾きを変更する機構を備えていることを特徴とするレーザ焼入装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸状ワークや板状ワークの表面に焼入れを行うためのレーザ焼入方法とこの方法の実施に用いるレーザ焼入装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、板状ワークの表面にレーザ焼入れを行うには、図８に示すように、ワーク１の被焼入部２の幅に合せてレーザビームの照射パターンＰを長円形に設定し、この長円形の照射パターンＰを、その長軸がレーザビームの走査方向Ａ（ワーク１の送り方向は、これと反対方向Ｂとなる）と直交するように配置して、走査方向Ａへ平行移動させるようにしている。
【０００３】
ところで、レーザ発振源から発振されるレーザビームは、一般に図８の中段に示すように、中央部を最大として周辺部へ向けて急減する指数関数的な断面強度分布（シングルモード）となっており、これに伴って、ワーク１の表層部に形成される硬化層３は、被焼入部２の幅方向中心付近で深く、両端部で浅い焼入パターンとなり、不均一焼入れを避けることはできない。なお、レーザビームの照射パターンＰを長円形にする理由は、一度に焼入れできる幅を広げて生産性を上げることにあるが、円形の照射パターンを用いても、前記と同様の問題が生じる。
【０００４】
そこで従来、上記不均一焼入れを解消するため、レーザビームの断面強度分布をシングルモードからマルチモードに変更して平均化することが種々行われており、例えば、反射ミラーを揺動させるオシレート方式、あるいはセグメントミラーや異形ミラーで反射させた２つのレーザビームをワーク面上で重合照射させるインテグレーテッド方式などが、既に実施されている（例えば、「機械技術」第３６巻第６号第３５〜３６行、特公昭６０−５４８３８号公報等）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記オシレート方式やインテグレーテッド方式により実際にレーザ焼入れを行ってみると、レーザビームの断面強度分布が平均化されているにもかかわらず、焼入パターンは、前記図８に示した硬化層３に近似したパターンとなり、不均一焼入を解消することは困難である、という問題があった。また、これらオシレート方式やインテグレーテッド方式では、反射ミラーを揺動させる複雑な機構や特殊ミラーが必要になり、装置が大掛かりになるばかりか高価になる、という問題もあった。
本発明者等は、上記したレーザビームの断面強度分布が平均化されているにもかかわらず不均一焼入れとなる原因について鋭意検討した結果、長円形の照射パターンＰ（図８）の両端部に相当する被加熱部分では周辺へ熱が逃げ易いのに対し、照射パターンＰの中央部に相当する被加熱部分では熱がたまり易いという現象が起き、この現象が焼入深さに影響している、との結論に至った。
一方、本発明者等は、図３に示すようにワーク１に対する照射パターンＰ１を、走査方向Ａに対して傾斜させてレーザビームを走査すると、▲１▼→▲２▼→▲３▼のように時間的に早く照射される側から遅く照射される側へ熱（入熱）が伝わるため、遅く照射される側ほど予熱効果により加熱され易い状態となり、焼入深さは、前記▲１▼→▲２▼→▲３▼の順番に深くなることを見出した。
本発明は、上記した結論並びに知見に基づいてなされたもので、その課題とするところは、ワークの被焼入部の幅方向における入熱を制御することにより均一焼入れを可能にし、もって、オシレート方式やインテグレーテッド方式に代わる新たなレーザ焼入方法を提供し、併せてこの方法の実施に用いて好適なレーザ焼入装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係るレーザ焼入方法は、長円形または長方形の照射パターンを形成する２つのレーザビームを、それぞれの照射パターンがＶ字形に合わさるようにワーク表面に照射し、このＶ字形に照射されるパターンの先鋭部を走査方向へ先行または後行させて２つのレーザビームを走査することを特徴とする。
このように行うレーザ焼入れにおいては、Ｖ字形に照射されるパターンの先鋭部を走査方向へ先行させてレーザビームを走査すると、該Ｖ字形パターンの先鋭部で照射される部分が時間的に早く照射される側、該Ｖ字形パターンの開き方向の両端部で照射される部分が時間的に遅く照射される側となるが、２つのレーザビームの照射パターンをＶ字形パターンの先鋭部で適当に重合させることにより、早く照射される部分の焼入深さを増大させることができ、遅く照射され予熱効果で深く焼きが入る部分との間で焼入深さのアンバランスを解消することができる。
本発明に係るレーザ焼入装置は、レーザ発振源から送られたレーザビームを、長円形または長方形の照射パターンが得られるように整形する光学系を内蔵する２つのレーザトーチを設けた集光装置を備え、該集光装置は、前記２つのレーザトーチをそれぞれの光軸を中心に相対回転させかつ該２つのレーザトーチの相対的な傾きを変更する機構を備えていることを特徴とする。
このように構成したレーザ焼入装置においては、２つのレーザトーチを相対回転させあるいは相互の傾きを変更することで、ワークに照射されるＶ字形パターンの向き、開き角度等を任意にかつ簡単に調整することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【０００８】
図３および４は、本発明に係るレーザ焼入方法の原理を示したものである。いま、板状ワーク１に対する長円形の照射パターンＰ１を走査方向Ａへ右肩上りに傾斜させた状態でレーザビームを走査すると、図３に示すように、照射パターンＰ１の、走査方向Ａの前側に位置する一端部に対応する右側部位▲１▼が最も早く照射を受けて加熱される。すると、その熱（入熱）は前記部位▲１▼の周辺へ伝わり、その一部は、被焼入部２の幅方向の中央部位▲２▼および左側部位▲３▼へも伝わり、これにより、時間的に遅く照射される部位▲２▼、▲３▼が予熱された状態となる。この予熱効果は、時間的に遅く照射される側ほど高まり、右側部位▲１▼よりも中央部位▲２▼が、中央部位▲２▼よりも左側部位▲３▼がそれぞれ加熱され易い状態となり、この結果、図４の上部左側に示すように、ワーク１に形成される硬化層３ａは前記▲１▼→▲２▼→▲３▼の順番に深さを増す焼入パターンとなる。なお、図４の上部右側に示すように、走査方向Ａに対して左肩上りに傾斜する照射パターンＰ２で焼入れを行った場合は、前記硬化層３ａと対称的なパターンの硬化層３ｂとなる。
【０００９】
したがって、いま図４の下側に示すように、上記走査方向Ａに対する傾斜向きの異なる２つの照射パターンＰ１と照射パターンＰ２とを相互に一端部が重合するようにＶ字形に組合せ、このＶ字形パターンＰ３の先鋭部を被焼入部２の幅方向中心上で先行させながら２つのレーザビームを走査すると、Ｖ字形パターンＰ３の先鋭部の移動部位である、被焼入部２の幅方向中心付近が時間的に早く照射される側、被焼入部２の幅方向両端部が時間的に遅く照射される側となる。この場合、Ｖ字形パターンＰ３の先鋭部で各照射パターンＰ１、Ｐ２の一端部が重合していることから、被焼入部２の幅方向中心付近では時間的に早く照射されるにもかかわらず、速やかに加熱され、この結果、被焼入部２の幅方向中心付近と予熱効果により加熱され易い状態となっている被焼入部２の両端部との間で焼入深さにそれほど差がなくなり、幅方向で焼入深さがほぼ均一となる硬化層３が形成される。
【００１０】
図１は、本発明に係るレーザ焼入方法の第１の実施の形態を示したものである。本第１の実施の形態においては、上記した原理をそのまま利用して、上記長円形の２つの照射パターンＰ１とＰ２とを相互に一端部が重合するようにＶ字形に組合せ、このＶ字形パターンＰ３の先鋭部を板状ワーク１の被焼入部２の幅方向中心線上で先行させながら２つのレーザビームを走査方向Ａへ走査させるようにしている。したがって、本第１の実施の形態においては、上記した原理説明の内容と同様の作用で焼入れが進行し、ワーク１の被焼入部２には、その幅方向で焼入れの深さがほぼ一様となる硬化層３が形成される。なお、前記照射パターンＰ１とＰ２は、長円形に代えて長方形としてもよいことはもちろんである。
【００１１】
ここで、上記レーザ焼入方法を実施するためのレーザ焼入装置は、一例として図２に示すように構成されている。同図において、１１、１２はレーザ発振器（レーザ発振源）、１３、１４は、対応するレーザ発振器１１、１２から光ファイバ１５、１６を経て送られたレーザビームを集光しワーク１へ向けて照射する２つのレーザトーチ、１７は前記２つのレーザトーチ１３、１４を含む集光装置である。各レーザトーチ１３、１４は、レーザ発振器１１、１２から送られたレーザビームを、前記長円形の照射パターンＰ１、Ｐ２（図１、図４）が得られるように整形する光学系を内蔵している。一方、集光装置１７は、各レーザトーチ１３、１４を、それぞれの光軸Ｏ１、Ｏ２を中心に相対回転させる回転機構と、各レーザトーチ１３、１４の相対的な傾き（交差度）を調整する傾動機構とを内蔵している。
【００１２】
上記集光装置１７は、例えば昇降台１８に支持され、レーザ焼入に際しては、搬送装置１９上に搭載されたワーク１に対して所定の高さレベルに位置決めされる。このとき、集光装置１７内の２つのレーザトーチ１３、１４は、それぞれの照射パターンＰ１、Ｐ２により上記第１の実施の形態におけるＶ字形パターンＰ３（図１）がワーク１の表面に形成されるように、相互に回転方向に位置決めされかつ傾斜角度が調整されている。この状態のもと、レーザ発振器１１、１２から対応するレーザトーチ１３、１４へレーザビームを送り、かつ搬送装置１９によりワーク１を走査方向Ａと逆方向Ｂ（図１）へ送ると、前記Ｖ字形パターンＰ３の先鋭部が照射方向Ａの前側に位置する状態すなわち先行する状態でＶ字形パターンＰ３が走査方向Ａへ進み、これにより上記第１の実施の形態におけるレーザ焼入方法が実施されることとなり、ワーク１の表層部には均一な硬化層３が形成される。
なお、上記集光装置１７においては、２つのレーザトーチ１３、１４に対し、対応するレーザ発振器１１、１２から各独立にレーザビームを送るようにしたが、これに代えて、１つのレーザ発振源を共用して該レーザ発振源からのレーザビームを２系統に分割してレーザトーチ１３、１４へ送るようにしてもよい。また、この集光装置１７は、産業用ロボットに支持させるようにしてもよく、この場合は、ワーク１の位置を固定して集光装置１７（レーザトーチ１３、１４）を照射方向Ａへ移動させることができる。
【００１３】
上記第１の実施の形態において、ワーク１の表面に形成するＶ字パターンＰ３の形態は任意であり、例えば、図５（Ａ）に示すように、２つのレーザビームにより形成される長円形の照射パターンＰ１とＰ２とをクロスさせたＶ字パターンＰ３´とし、あるいは同図（Ｂ）に示すように２つのレーザビームにより形成される長円形の照射パターンＰ１とＰ２との合せ部をわずか離したＶ字形パターンＰ３″としてもよい。クロスさせたＶ字パターンＰ３´としてその先鋭部を先行させた場合は、第１の実施の形態で得られる硬化層３に対して、被焼入部２の幅方向中心付近でわずか焼入深さが深くなる焼入パターンが得られ、一方、わずか離したＶ字形パターンＰ３″としてその先鋭部を先行させた場合は、第１の実施の形態で得られる硬化層３に対して、被焼入部２の幅方向中心付近でわずか焼入深さが浅くなる焼入パターンが得られるようになる。
【００１４】
図６は、本発明に係るレーザ焼入方法の第２の実施の形態を示したものである。本第２の実施の形態の特徴とするところは、上記第１の実施の形態におけるＶ字形パターンＰ３を、レーザビームの走査方向Ａに対して逆向きに設定して、その先鋭部を後行させる状態で２つのレーザビームを走査方向Ａへ走査させるようにした点にある。
本第２の実施の形態においては、Ｖ字形パターンＰ３の先鋭部の移動部位である、被焼入部２の幅方向中心付近が時間的に遅く照射される側、被焼入部２の幅方向両端部が時間的に早く照射される側となり、予熱効果により被焼入部２の幅方向中心付近でより深く焼きが入る。この場合、Ｖ字形パターンＰ３の先鋭部で各照射パターンＰ１、Ｐ２の一端部が重合していることから、被焼入部２の幅方向中心付近はより加熱され易い状態となり、この結果、図６の下側に示すように、ワーク１に形成される硬化層３´は、被焼入部２の幅方向中心付近で深さが極大となる山形の焼入パターンとなる。
【００１５】
図７は、本発明に係るレーザ焼入方法の第３の実施の形態を示したものである。本第３の実施の形態の特徴とするところは、軸状ワーク２０を対象にその周面に上記第１の実施の形態におけるＶ字形パターンＰ３が形成されるように２つのレーザビームを照射し、ワーク２０の回転に応じてその円周方向へＶ字形パターンＰ３を移動させるようにした点にある。この場合、ワーク２０を左回転または右回転させることで、Ｖ字形パターンＰ３の先鋭部が走査方向へ先行または後行する状態で焼入れが進行し、これにより、ワーク２０の表層部には、上記第１の実施の形態で得られるような均一な焼入パターンを有する硬化層３、あるいは上記第２の実施の形態で得られるような山形の焼入パターンを有する硬化層３´が形成される。
【００１６】
【実施例】
上記第３の実施の形態で用いた軸状ワーク２０（図７）を対象に、該ワーク２０として、ＪＩＳ　Ｓ４５Ｃ製で直径３３ｍｍ、長さ６３．３ｍｍの大きさのものを選択し、前記図２に示したレーザ焼入装置により、そのレーザ発振器１１、１２としてＬＤ励起ＹＡＧ発振器を用いて、ワーク２０の表面に前記Ｖ字形パターンＰ３を形成し、このＶ字形パターンＰ３の先鋭部が照射方向へ先行するようにワーク２０を回転させた。この際、Ｖ字形パターンＰ３を構成する各照射パターンＰ１、Ｐ２は、長軸が１８ｍｍ、短軸が４ｍｍとなるようにその大きさを設定すると共に、Ｖ字形パターンＰ３の全幅（広がり）を２０ｍｍに設定し、レーザ出力９５０Ｗ、ワーク２０の回転速度６ｒｐｍの条件でワーク２０を１０秒で一回転させ、その全周にレーザ焼入れを行った。そして、この焼入後、ワークＷを切断して試験片を採取し、その被検面を研磨した後、エッチングを行って硬化層を観察した。この結果、ワーク２０の表層部には、Ｖ字形パターンＰ３の全幅にほぼ等しい２０ｍｍ幅にわたって、ほぼ一様な深さ０．３ｍｍとなる硬化層が観察され、本発明の方法が均一焼入れにきわめて有用であることを確認できた。
【００１７】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係るレーザ焼入方法および装置によれば、２つのレーザビームの照射パターンをＶ字形に組合せて、走査方向を選択するだけで、均一焼入れが可能になるので、従来のオシレート方式やインテグレーテッド方式に代わるレーザ焼入方法として、きわめて有用となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態としてのレーザ焼入方法の実施状況と実施後の硬化層の状態とを示す模式図である。
【図２】本第１の実施の形態で用いるレーザ焼入装置を示す模式図である。
【図３】本発明に係るレーザ焼入方法の原理を示す模式図である。
【図４】本発明に係るレーザ焼入方法の原理を示す模式図である。
【図５】第１の実施の形態の変形例を示す模式図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態としてのレーザ焼入方法の実施状況と実施後の硬化層の状態とを示す模式図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態としてのレーザ焼入方法の実施状況を模式的に示す斜視図である。
【図８】従来のレーザ焼入方法の実施状況と実施後の硬化層の状態とを示す模式図である。
【符号の説明】
１　　板状ワーク
２　　被焼入部
３　　硬化層
１１、１２　レーザ発振器（レーザ発振源）
１３、１４　レーザトーチ
１７　集光装置
２０　軸状ワーク
Ｐ１、Ｐ２　各レーザビームの照射パターン
Ｐ３　Ｖ字形パターン
【図１】
2004052074.tif 000003
【図２】
2004052074.tif 000004
【図３】
2004052074.tif 000005
【図４】
2004052074.tif 000006
【図５】
2004052074.tif 000007
【図６】
2004052074.tif 000008
【図７】
2004052074.tif 000009
【図８】
2004052074.tif 000010