炭素鋼におけるレーザ焼入条件の探索（第1報）－走査速度が表面状態および硬化層へ与える影響－
菊竹

孝文 *1

Exploring Laser Hardening Conditions for Carbon Steel（Ⅰ）- Effect of scanning speed on surface state and hardened layer Takafumi Kikutake

近年レーザ光を使った焼入方法が注目されている。本研究では，「ディスクレーザ」を用いて，炭素鋼におけるレーザ焼入時の走査速度が表面状態および硬化層へ与える影響を調査した。その結果，表面状態によって各条件を分類すると，走査速度と出力には累乗の良い相関が得られた。また，硬化深さにおいて，硬化幅と硬化深さのどちらも走査速度と対数の良い相関があった。出力が1kW，走査速度が5mm/secでは，約1mmの硬化深さが得られたが，表面の一部が溶融した。

1 はじめにや「ファイバーレーザ」を用いた報告は少ない 4) 。そ近年急速に「ものづくりのデジタル化」が求められこで今回「ディスクレーザ」を用いて，炭素鋼のレーている。ものづくり基盤となる金属加工（溶接，肉盛，ザ焼入における走査速度が表面状態および硬化層へ与熱処理，切断等）に数kW級の高出力のレーザ光を用いえる影響を調査した。

る技術がすでに実用化され，急速に普及しつつある。
2 実験方法

また，このレーザ加工技術と産業用ロボットとの親

2-1 レーザ加工機およびレーザ焼入方法

和性が非常に高く，産業用ロボットの先端にレーザ加本試験で用いたレーザ加工機の発振器はトルンプ㈱工機を取り付け，デジタル制御を行うことで，生産性製のディスクレーザ（TruDisk 5000）であり，最大出向上，品質の安定化，技能伝承，人手不足解消といっ力は5kW，ロボットは安川電機㈱製のMOTOMAN-MC2000

た，昨今中小企業が直面している様々な課題解決に繋Ⅱを用いた。レーザ焼入時の様子を図１に示す。

がることが期待されている。
レー ザを 熱処 理に 適用 する 場合 ，最 も多 い用 途が「焼入」である。「レーザ焼入」は，局所加熱と自己冷却によって，主に鉄鋼材料の表面を硬化する技術である。同様に局所加熱が可能な「高周波焼入」に比べ，デジタル制御の効果に加えて，加熱用のコイルや冷却剤が不要という経済的，環境負荷低減の利点もある。
レーザ焼入に関する研究例は少なくないが，レーザの種類が異なると，レーザ光の波長やビーム品質等が異なるため，加工条件等をそのまま適用することは難

図1

レーザ焼入時の様子しい。これまでの報告は，いずれも「CO 2 レーザ」や「YAG レーザ」を用いた報告が多い 1) 。近年では，低発振機より出力されたレーザ光は，光ファイバーを出力の「ファイバーレーザ」 2) やビーム品質がやや低通して伝送され，ロボットアームの先端に取付けた熱い「半導体レーザ」 3) を用いた研究報告は複数あるも処理用加工ヘッドから試料表面に照射される。レーザのの，最新の高出力かつ高品質な「ディスクレーザ」

光を照射された試料表面は急速に加熱され，その後試料自身の自己冷却によって急冷されることで焼入（硬*1 機械電子研究所化）される。また，照射されるレーザ光は，トップハ- 44 -ット型と呼ばれる幅方向に均一なエネルギー密度分布

3 実験結果が得られる。レーザ焼入の模式図を図2に示す。

3-1 外観および表面観察結果
図3に示す様に，レーザ焼入後の試料を出力（縦），発振機走査速度（横）毎に並べた。走査方向は，左から右でロボット

光ファイバーある。5～20mm/secの範囲では，長さ方向の焼入幅は概ね一定であった。1mm/secではレーザ照射開始から終了に向けて徐々に焼入幅が広がった。50mm/secではレーザ照射開始直後のみ焼入幅が広がった。

熱処理用
加工ヘッド
走査速度（mm/sec）
1

走査方向10520500.5

図2

試料

出力

1

レーザ焼入の模式図（kW）

2342-2 加工条件および供試材料

20 mm
➡走査方向

照射領域は，縦1mm，横8mmのライン形状とし，長さ

図3

レーザ焼入後の外観は40mmとした。今回は走査速度の影響を大概的に調査するため，出力は0.5～4kW，走査速度は1～50mm/sec

実体顕微鏡を用いてレーザ照射した試料表面を観察の範囲で変化させた。焦点距離は300mmとし，戻り光した。出力が1kW，走査速度が1～20mm/secの観察結果対策として進行方向とは逆に25度傾斜させた(温度測を図4に示す。走査速度が1mm/secでは完全に溶融状態，定器があるため)。照射ガラスが汚れる事によって出5mm/secでは部分的に溶融状態，10mm/secでは均一な力が低下する可能性があるため，試験開始と終了時に焼入肌，20mm/secではテンパーカラーが観察された。

パ ワ ー メ ー タ を 使 っ て ， 1kW の 出 力 時 の 実 測 値 が出力が1kW，走査速度が50mm/secでは，レーザ照射直0.95kW以上(出力の低下が5%以内)である事を確認した。

後以外は金属光沢のままだった。

供試材料は市販のS50Cを用い，幅150mm，長さ50mm，厚み10mmに切断した。レーザを照射する試料表面は，

a)b)

2 mm

2 mmc)d)WA-46-Iの砥石による研削仕上げ面とした。

2-3 評価方法
実体顕微鏡を用いて表面を観察し溶融の有無を確認した。断面組織は，長さ方向中央の断面を鏡面研磨後，3%ナイタル液でエッチングし観察した。断面のマクロ組織観察には実体顕微鏡，ミクロ組織観察には光学顕2 mm微鏡を用いた。マクロ組織観察後，母材から変化した

図4

2 mm

レーザ焼入した試料表面の実体顕微鏡観察結果（ 出 力 1kW ， 走 査 速 度 a ） 1 ， b)5 ， c)10 ，組織の最大幅と最大深さを評価した。

d)20mm/sec）

機械的性質は，マイクロビッカース硬さ試験機(㈱ミツトヨ製 HM-100)により評価した。測定面は，マク図5に断面のマクロ組織観察結果を示す。出力が1kW，ロおよびミクロ組織観察を行った断面とし，試験荷重は2.94N（300gf）とした。また，JIS G 0559の「鋼の走査速度が1～10mm/secにおいて，レンズ形状の組織炎焼入及び高周波焼入硬化層深さ測定方法」に準拠し，が観察されたが，20mm/secでは，組織の変化が観察さ450HV以上を硬化深さとした。

れなかった。また，走査速度が1mm/secにおいて表面- 45 -が完全に溶融し，深さ方向に0.5mm程度の大きな凹凸深さを測定した）。横軸に走査速度（対数スケール），が観察された（点線は溶融前の表面の位置を示してい縦軸に硬化幅と硬化深さを示し，図中のプロット形状る）。変化した組織の最大幅と最大深さは，速度が低は図4で評価した表面状態を示す。対数近似を取ると下するにつれてどちらも大きくなった。

R2 値（相関係数の二乗）はそれぞれ0.995，0.979となり，表面状態に関わらず走査速度と硬化幅および硬化深さは，良い相関が得られた（硬化深さは20mm/secのa)硬化層が無い場合も良い相関が得られた）。

b)c)d)

図5

レーザ焼入した試料の断面マクロ組織観察結果（ 出 力 1kW ， 走 査 速 度 a ） 1 ， b)5 ， c)10 ，d)20mm/sec）

図7

出力1kW時のレーザ焼入における走査速度と硬化幅および硬化深さの関係(×▲●■は表面状態を

図 5 で観察されたレンズ形状組織のミクロ組織観察示す)を行った。図 6 に出力 1kW，走査速度 10mm/sec における表層近傍のミクロ組織観察結果を示す。観察の結果，表層の組織は，マルテンサイト相（硬化層）であることがわかった。

20μm
図6

レーザ焼入した試料の断面ミクロ組織観察結果

図8（出力 1kW，走査速度 10mm/sec）

ビッカース硬さ試験結果（出力 1kW，走査速度1，5，10mm/sec）

マクロ組織観察で観察された硬化層の最大幅（硬化図8に出力が1kW，走査速度が1～10mm/secにおける幅）と最大深さ（硬化深さ）を測定した。図7に出力断 面の 硬 さ試 験結 果 を示 す 。硬 化 深さは10mm/secが1kW に お け る 硬 化 幅 と 硬 化 深 さ の 測 定 結 果 を 示 す0.52mm ，5mm/secが1.06mm，1mm/secが1.65mmであ っ（1mm/secでは表面に大きな凹凸があるため，図5中のた。いずれも図7のマクロ組織観察による硬化深さの点線に示す様に，焼入されていない表面を基準に最大- 46 -

測 定結 果 と良 く一 致 し た 。 最高 硬 さは10mm/secが約

実験結果は高周波焼入に比べて，硬化深さが同等以下

780HV，5mm/secが約760HV，1mm/secが約720HVであっといえる。一方，出力0.5kW，走査速度1mm/secでは良た。また，1mm/secにおいて表層から深さ約0.6mmまでい相関が得られなかった。これは，低速のために硬化最高硬さより硬さが低い領域が見られた。この要因は幅が走査方向に対して広がる（図3）ため，幅方向の凝固組織である点が考えられるが，今後組織および機伝熱が影響していると考えられる。

械的性質を詳しく調査する必要がある。

4 考察
図6のミクロ組織と図8の硬さ試験結果から，レーザ焼入によって，炭素鋼（S50C）の表面がマルテンサイト相へ変態し硬化したことがわかった。しかしながら，高出力かつ高ビーム品質である「ディスクレーザ」は，条件によって試料表面が一部あるいは完全に溶融した（図4）。図9にレーザ焼入後の表面状態を走査速度と出力毎に整理した。一部溶融とテンパーカラーについて累乗近似曲線をそれぞれ図中の点線で示す。レーザ照射後の表面状態において，走査速度と出力には累乗の関係があり，それぞれR 2 値が0.999と0.986と良い相
図10関が得られた。この2つの曲線間に表面が溶融しない

一部溶融するレーザ焼入条件と硬化深さの関係最適条件範囲があると考えられる。
5 まとめ
高出力かつ高ビーム品質である「ディスクレーザ」

5出力(kW)4

完全溶融を用いて，レーザ焼入時の走査速度が表面状態および一部溶融硬化層へ与える影響を調査し，以下の知見が得られた。
(1) レーザ照射後の表面状態を走査速度と出力によっ良好3テンパーカラー

R² = 0.999て整理すると，累乗の良い相関があった。
(2) 硬化幅と硬化深さのどちらも走査速度と対数の良2い相関があった。

1(3) 出力が1kW，走査速度が5mm/secでは約1mmの硬 化

R² = 0.986

深さが得られたが，表面の一部が溶融した。

01

図910
走査速度(mm/sec)(4) 組織観察と硬さ試験による硬化深さの測定結果は，100良く一致した。

レーザ焼入後の表面状態における走査速度と出
5 参考文献力の関係

1)大村悦二, 難波義治：日本機械学会論文集(A編)，51巻(469)，pp. 2231-2238(1985)

図9の一部溶融条件における，走査速度と硬化深さ

2) 安 田 武 司 等 ： 鉄 と 鋼 ， 108 巻 (7) ， pp. 405-の関係を図10に示す。走査速度が5～50mm/secの範囲

416(2022)

において，速度を低下させると硬化深さが大きくなっ

3)萩野秀樹, 宮田良雄：大阪府立産業技術総合研究所

2た。同範囲において対数近似を取るとR が0.996と良報告，No.22，pp. 33-38(2008)

い 相 関 が 得 ら れ た 。 ま た ， 出 力 が 1kW ， 走 査 速 度 が4)津本宏樹等：あいち産業科学技術総合センター研究

5mm/secにおいて約1mmの硬化深さが得られた。一般的

報告，pp. 22-25(2015)

な高周波焼入の硬化深さは1mm以上得られるため，本- 47 -