空冷高出力半導体レーザの開発と表面熱処理への応用
舟田義則*

廣崎憲一*

中島明哉*

根田崇史*

加工用高出力半導体レーザ装置の普及には，レーザ光照射時に生ずる熱で故障することを防ぐため，抜熱の高効率化と高信頼性化が不可欠である。そこで本研究では，ペルチェ素子やヒートレーン放熱器など を 組 み 込 ん だ 空 冷 式 小 型 半 導 体 レ ー ザ 装 置 を 試 作 し ， 最 大 出 力 100W の レ ー ザ 光 を 30 秒 間 安 定 し て 連
続 照 射 で き る こ と を 確 認 し た 。 さ ら に ， こ れ を 斜 め に 2 台 配 置 し た 装 置 を 用 い て ， 直 径 1.5mm の SKH51
小径鋼材ピンの表面熱処理への応用を試みた。その結果，短時間かつ高出力でレーザ加熱する程，鋼材ピン の 表 面 硬 さ を 上 昇 さ せ る こ と が で き た 。 そ し て ， 最 大 で HV900 ま で 表 面 を 硬 化 可 能 で あ る こ と を 示 し ，試作した空冷式小型半導体レーザ装置が小径鋼材ピンの表面硬化に適用可能であることを明らかにした。
キーワード: 空冷化，高出力半導体レーザ，レーザ熱処理

Development of an Air-Cooled High-Power Diode Laser Unit, and Its Application to Surface Heat Treatment
Yoshinori FUNADA, Kenichi HIROSAKI, Akichika NAKASHIMA and Takashi KONDA

In order to market a diode laser unit for material processing, it is necessary to improve the performance and reliability of heatdissipation so as to prevent heat damage during irradiation. In this study, a prototype of an air-cooled diode laser unit was made consistingof Peltier devices and heat sinks using heat lanes. It was confirmed that this laser unit was able to emit a continuous laser beam for 30
seconds at a maximum output power of 100 W. Subsequently, the surface heat treatment for pins made of SKH51 with a diameter of 1.5mm was tested using an apparatus with twin prototype diode laser units. Results demonstrated that heating with shorter irradiation athigher output power can raise surface hardness up to HV900. It was found that this air-cooled diode laser unit could be applied to thesurface hardening of fine steel pins used as punching tools.
Keywords : air-cooled, high-power diode laser, laser heat treatment

１．緒言

しかしながら，様々な加工分野での利用が可能であ

レーザ加工は，光エネルギーを高密度に集中して加るにも関わらず，溶接や表面熱処理などへの適用があ工物表面に照射することで材料の局部的な加熱・溶融まり進んでいないのが現状である。中小企業への普及・蒸発を生じさせ，これを利用して表面熱処理や溶接，が進まない理由として，装置の価格やランニングコス穴加工や切断を可能とする。ガス溶断やアーク溶接，トが高いこと，煩雑な定期保守が必要であることがあ

高周波加熱など従来の熱加工方法に比べ，熱影響や歪げられる。これらを解決するため，工業試験場では，みが少ないことや生産性が高いことを特徴としている。

安価で電力変換効率が高い高出力半導体レーザに着目

また，機械加工に比べて，より微細な穴加工や切断がし，これまでに精密溶接等への応用が可能であること可能であるなど従来の加工方法に比べて優れた点が多を 示 し て き た 2),3) 。 し か し ， 現 状 の 高 出 力 半 導 体 レ ーい 1) 。 例 え ば ， 表 面 熱 処 理 に レ ー ザ 加 熱 を 用 い る と，ザ で は ， 10000 時 間 を 超 え る 長 寿 命 な 半 導 体 レ ー ザ 素従来の高周波加熱では困難な局所かつ極表面の加熱が子を使用しているにも関わらず，寿命に至る前に故障可能となり，高精度な表面熱処理が期待できる。したすることが頻発している。その原因の多くは，装置のがって，これからのものづくり技術には欠くことので温度上昇を防ぐために使用されている冷却水の詰まりきない重要な加工方法 として 認識さ れてい る。に伴うオーバーヒートであり，その根本的な解決が望まれている 4) 。

*

そこで本研究では，水冷装置を使用しない空冷式の機械金 属部-1-

半導体レーザ装置開発を目的に，電子冷却機器と強制動電源を制御することによって，レーザ光照射時も常空冷式放熱器を組み込 んだ最 大出力 100W の 半 導体レに素子温度が一定であるよう設計・製作した。

ーザ装置を試作した。さらに，その実用性を検証するため，小径鋼材ピンに対するレーザ加熱表面熱処理実２．２

験を行った。以下にそ の内容 を示す 。

図 3(a)は，試作した空冷式小型半導体レーザにおけレーザ装置の性能評価

る 出 力 特 性 を コ ヒ ー レ ン ト 社 製 パ ワ ー メ ー タ 「 Field

２．空冷式小型半導体レーザ装置の試作
２．１Mate」 と パ ワ ー セ ン サ 「 PM150C」 を 用 い て 測 定 し た

レーザ装置の本体構造結果である。入力電流 10A 以上でレーザ光が出力され試作したレーザ装置 の概観 を図 1 に 示す 。同装 置は，る。そして，電流量が増加するに従い，照射されるレレーザ光発振部と集光光学部，冷却部から構成されてーザ光の出力は直線的に増加する。出力の繰り返し性

い る 。 レ ー ザ 光 発 振 部 に は 発 振 波 長 が 808nm で 最 大が高いことから，装置への投入電流を精密に制御すれ

出力 50W の半導体レ ーザ素 子が 2 個組 み込ま れ，合ば，レーザ光の出力を精密に設定できることがわかる。

計で 100W のレーザ光 を照射 可能と した。

な お，本 装置で は，投 入電流 52A にて最 大出 力 96W

採 用 し た レ ー ザ 素 子 の 電 力 -光 変 換 効 率 は 約 50%でが得られ，この場合の電力-光変換効率は 51.3%に達しあるため，最大出力時 にはこ れと同 等の 100W の熱量た。図 3(b)は，試作した装置におけるレーザ光の焦点が発生する。これによる装置内の温度上昇を防ぐため，位置でのスポットパターンを観察した結果であり，細図 2 に示す空冷式冷 却構造 を作製 した。 これは ，素子長い楕円であることがわかる。プリメス社製ビームプで発生する熱をペルチェ素子によって強制的に銅材プロファイラ「Focus Monitor」により，スポットパターレートに移動させ，自励振動式ヒートパイプ「ヒートンの寸法を測定した結果，装置端から 50mm の焦点位レーン」から成る放熱器によって大気中に強制排出す

置 に お い て 長 径 が 2mm ， 短 径 が 0.2mm( 最 大 強 度 のる仕組みになっている。さらに，レーザ素子近傍に温1/e 2 で定義 )であった。
試 作 し た 装 置 に お け る 放 熱 性 能 を 評 価 す る た め ， 30度センサを取り付け，温調器を介してペルチェ素子駆秒間レーザ光を連続照射した時のレーザ素子の温度変化を測定した。図 4 にその結果を示す。なお， 測定時の室温は 24℃であった。投入電流 40A では，レーザ光 は 67W で 安 定 に 出 力 さ れ ， レ ー ザ 素 子 の 温 度 は ，20℃ ±1℃ の 範 囲 で 制 御 で き て い る こ と が わ か る 。 一方，投入電流 50A では 87W のレーザ光が出力され，
図1 空冷高出力半導体レーザ装置

そ の 間 ， レ ー ザ 素 子 の 温 度 は 0.13℃ /秒 で 上 昇 し ， 24℃に達した。試作した冷却ユニットによる放熱性能が限界に近い状態にあると考えられる。しかし，出力変動は±1%以内であり，実用上問題ない。
以上のことから，本研究開発で試作した装置は，最投入電流：40A

図2 空冷式冷却構造

投入電流：50A(a) 出力特性(b) スポットパターン

図3 空冷式半導体レーザ性能評価

図4 レーザ素子温度特性-2-

大出力が 96W であり ，また ，出力 87Ｗで 30 秒間連続ある。レーザ光照射部が局所的に赤熱し，加熱されて照射しても安定して動 作可能 である ことが わかった。

いることがわかる。

３．鋼材の高精度レーザ表面熱処理
３．１

３．２

レーザ加熱後の表面硬さ

小径鋼材ピンのレーザ加熱

回 転 速 度 2rps の 定 速 条 件 の 下 ， 出 力 や 照 射 時 間 を

図 5(a)に示すよう に，試 作した 空冷式 小型半 導体レ変えてレーザ加熱した鋼材ピンの表面硬さをアカシ製

ーザを 2 台斜めに配 置した レーザ 加熱実 験機を 用い，マ イ ク ロ ビ ッ カ ー ス 硬 さ 試 験 機 「 MVK-H2」 を 用 い て小径鋼材ピンについて表面加熱実験を行った。実験に測定した。その結果を図 6 に示す。照射時間 1 秒の場使用した試料は，全長が 40mm で直 径が 1.5mm，材質合 ， 出 力 80Ｗ 以 上 で 表 面 硬 さ が 大 き く 増 加 し ， 出 力が SKH51 の 小 径 鋼 材 ピ ン で あ る 。 こ れ を 回 転 さ せ な

100W で HV850 に達した。そして，出力 120W で表面が ら 流 量 0.17L/s の ア ルゴ ン ガ スを 吹き 付 け 続け た 状に 僅 か な 溶 融 が 見 ら れ る も の の 最 高 硬 さ HV900 を 得態で先端から 10mm の位置 にレー ザ光を 照射し た。

た。それ以上出力を高くすると徐々に表面硬さが減少

図 5(b)は，回転速度 2rps，合 計出力 100W の 条件でし，出力 180W で HV800 になった。これは， 必要以二方向から同時にレーザ光を照射している時の様子で上に出力を上げるとレーザ光照射部周辺の温度が全体的に上昇し，表面硬化に必要な適度な冷却速度が得られなくなるためと考えられる。一方，照射時間 4 秒の場合，より低い出力で表面硬さが増加するが，その値は HV700 に留まった。
その他の条件でレーザ加熱した鋼材ピンの表面硬さの測定結果を図 7 に示す。照射時間が短く，出力が高(a) 装置外観

い条件でレーザ加熱する程，鋼材ピンの表面硬度は上(b) 加熱中の様子

図5 ダブルヘッド型レーザ加熱装置

昇した。これは，短時間かつ高出力のレーザ加熱によって，レーザ光照射部周辺の温度を上げることなく照射部のみの表面温度を上昇させることができ，表面硬化に必要な冷却速度が得られるためと考えられる。

３．３

レーザ加熱部の硬化深さ

レーザ加熱によって硬化した鋼材ピンの軸に平行な断面を組織観察した。その結果を図 8 に示す。これは，出力 100W のレーザ光を 1 秒間照射して加熱した断面である。表面から中心に向かって組織変化が見られ，レーザ加熱の際の急加熱急冷により表面焼き入れがおこなわれていると判断できる。その範囲はレーザ光照射位置近傍に限られており，レーザ加熱に伴う硬化範

図6 表面硬さ

図7 表面硬さに及ぼすレーザ加熱条件の影響

図8 レーザ加熱した小径鋼材ピン断面-3-この原因としては，回転させながらレーザ光を照射する際の始点・終点の存在によって周方向に熱応力の不均衡を生じたことが考えられる。こうした熱変形を防ぐには，レーザ光照射の始点・終点によって熱応力の不均衡を周方向に発生させないよう複数のレーザ光照射点を設けるか，または回転速度を大幅に上昇してレーザ加熱する手法が考えられる。

４．結言

本研究では，空冷式小型半導体レーザ装置の試作と，図9 硬さ分布

これを 2 台斜めに配置した装置にて，レーザ加 熱による小径鋼材ピンの表面熱処理への応用を検討した。得られた結果を以下に総括して述べる。
(1)ペルチェ素子およびヒートレーン放熱器を組み込んだ空冷式小型半導体レーザ装置を試作した。最大出力 100W で 30 秒間連続してレーザ光を照射することが可能であった。
(2)試作した半導体レーザ装置を斜めに 2 台配置した装置によって直径 1.5mm の SKH51 鋼材ピンをレーザ

図10 レーザ加熱後の先端ずれ加熱した結果，表面硬化が可能であった。
(3)鋼材ピンの表面硬さは，短時間かつ高出力でレーザ囲が局所的であること がわか る。

加熱する程増加し，回転速度 2rps で最大 HV900 ま

図 9 は，組織変化が見 られる 部分に ついて 半径方向で上昇させることができた。に硬さ分布を測定し， 加熱時 間が 1 秒で 出力が 100W

謝と 120W とを比較した 結果で ある。 出力 120W の場合，

辞硬さが HV800 以上を 示す深 さが 0.14mm で あ り，出力本研究では，空冷式小型半導体レーザ装置の試作開100W の 場 合 よ り も 深 く ま で 硬 化 で き る こ と が わ か る 。

発 に お い て ，「 レ ー ザ プ ロ セ ッ シ ン グ 助 成 事 業 」 に よしかしながら，いずれの場合も中心付近の硬さは，加り研究助成頂いた財団法人天田金属機械加工機械技術

熱前の母材硬さ HV250 に 比 べて， HV500 以 上に 硬化振興財団に深謝します。

している。中心付近の母材硬さに影響を与える事なく表面のみを硬化させるには，より高い出力のレーザ光

参考文献

をより短い時間で照射して極表面のみを加熱すること

1) レーザ学会編. レーザプロセッシング応用便覧. エヌジーティー, 2006, p. 145-269.

が必要と考えられる。

2) 舟田義則, 廣崎憲一, 中島明哉. 半導体レーザによる超薄３．４レーザ加熱による熱変形板溶接技術の開発. 石川県工業試験場研究報告. 2006, no.

鋼 材 ピ ン に つ い てレ ー ザ 加 熱 に よ る 変 形 の 有 無を 調

55, p. 9-14.

べ る た め ， レ ー ザ 加 熱 後 の 鋼 材 ピ ン の 輪 郭 形 状 を (株 )3) 舟 田 義 則, 廣崎憲一, 中島明哉. 超薄板製品の三次元溶

ニ コ ン 製 非 接 触 三 次 元 測 定 機 「 NEXIV-VMH300N」 に接技術の開発. 石川県工業試験場研究報告. 2008, no. 57, p.

より測定した。回転速 度 2rps で 一定の下 ，出 力 100W

1-4.

または出力 120W の レーザ 光で加 熱した 場合の 結果を

4) Georg Treusch, Raman Srinivasan, Dennis Brown, Robert

図 10 に 示 す 。 い ず れ の 場 合 も レ ー ザ 光 照 射 位 置 で 曲Miller, Jim Harrison. Reliability of water cooled high power

げ の 変 形 が 発 生 し ， 出 力 100W の 場 合 で 5μm， 出 力

diode laser modules. Proc. SPIE. 2005, vol. 5711, p. 132-141.

120W の場合で 7μm の 先端 ずれが 生じて いる。

-4-