炭素鋼におけるレーザ焼入条件の探索（第2報）－出力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（Ⅱ）- Effect of power on surface state and hardened layer –Takafumi Kikutake

第1報では，「ディスクレーザ」を用いて，炭素鋼（S50C）における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。第2報では走査速度が10mm/secにおいて，出力を0.25kW刻みで変化させて出力の影響を調査した。
その結果，出力と硬化深さには線形の良い相関があり，出力が1kWでは硬化深さが約0.5mm，1.25kWでは約0.8mm得られた。ただし，出力が1.25kWでは表面の一部が溶融した。

1 はじめに第1報では「ディスクレーザ」を用いて，炭素鋼近年急速に「ものづくりのデジタル化」が求められ（S50C）における走査速度が表面状態および硬化層へている。ものづくり基盤となる金属加工（溶接，肉盛，与え る影 響を 調査 した 。本 報で は， 出力 値を0.75～熱処理，切断等）に数kW級の高出力のレーザ光を用い2.0KM(0.25kW毎)の範囲で，硬化層に与える影響を調る技術がすでに実用化され，急速に普及しつつある。

査した。

また，このレーザ加工技術と産業用ロボットとの親和性が非常に高く，産業用ロボットの先端にレーザ加工

2 実験方法機を取り付け，デジタル制御を行うことで，生産性向

2-1 レーザ加工機およびレーザ焼入方法

上，品質の安定化，技能伝承，人手不足解消といった，本試験で用いたレーザ加工機の発振器はトルンプ㈱製のディスクレーザ（TruDisk 5000）であり，最大出昨今中小企業が直面している様々な課題解決に繋がる力は5kW，ロボットは安川電機㈱製のMOTOMAN-MC2000ことが期待されている。

Ⅱを用いた（レーザ焼入時の様子は第1報を参照）。

レー ザを 熱処 理に 適用 する 場合 ，最 も多 い用 途が発振機より出力されたレーザ光は，光ファイバーを「焼入」である。「レーザ焼入」は，局所加熱と自己通して伝送され，ロボットアームの先端に取付けた熱冷却によって，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，処理用加工ヘッドから試料表面に照射される。レーザ
光を照射された試料表面は急速に加熱され，その後材デジタル化の効果に加えて，加熱用のコイルや冷却剤料自身の自己冷却によって急冷されることで焼入（硬が不要という経済的，環境負荷低減の利点もある。

化）される（レーザ焼入の模式図は第1報を参照）。ま

レーザ焼入に関する研究例は少なくないが，レーザた，照射されるレーザ光は，トップハット型と呼ばれの種類が異なると，レーザ光の波長やビーム品質等がる幅方向に均一なエネルギー密度分布が得られる。

異なるため，加工条件等を直接適用することは難しい。
これま での報告は， いずれ も「CO 2 レーザ」や「YAG

2-2 加工条件および供試材料1)レーザ」を用いた報告が多い 。近年では，低出力の照射領域は，縦1mm，横8mmのライン形状とし，長さ「ファイバーレーザ」 2) やビーム品質がやや低い「半は40mmとした。走査速度は10mm/secのみとし，出力は3)導体レーザ」 を用いた研究報告は複数あるものの，0.75～2.0kWの範囲において0.25kW刻みとした。焦点

最新の高出力かつ高ビーム品質である「ディスクレー

距離は300mmとし，戻り光対策として進行方向とは逆

4)に25度傾斜させた(温度測定器があるため)。照射ガラザ」や「ファイバーレーザ」を用いた報告は少ない 。

*1 機械電子研究所- 48 -

スが汚れる事によって出力が低下する可能性があるた

全に溶融し，深さ方向に0.3mm程度の凹凸が観察されめ，試験開始と終了時にパワーメータを使って，1kWた（点線は溶融前の表面の位置を示している）。変化の出力時の実測値が0.95kW以上(出力の低下が5%以内)した組織 の最大 幅と最大 深さは，出 力が大きくな るである事を確認した。

につれてどちらも大きくなった。

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，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微鏡を用いた。マクロ組織観察後，母材から変化した
図1

組織の最大幅と最大深さを測定した。さらに電解放出

レーザ焼入後の外観型 走 査 電 子 顕 微 鏡 （ FE-SEM ， ㈱ 日 本 電 子 製 JSM7001F）およびエネルギー分散型X線分光法（EDX）をa)b)

2 mmc)

2 mmd)

2 mm

2 mm

用いて詳細に組織観察および成分分析を行った。
機械的性質の評価は，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「鋼の炎焼入及び高周波焼入硬化層深さ測定方法」に準拠し，450HV以上を硬化深さとした。

図23 実験結果

レーザ焼入した試料表面の実体顕微鏡観察結果（走査速度10 mm/sec，出力 a）1.5，b)1.25，3-1 外観および表面観察結果

c)1，d)0.75 kW）

図1にレーザ焼入後の試料外観を示す。出力が0.75～2.0kWでレーザ焼入した試料を2列で並べた。走査方a)

向は左から右である。出力が1.0～2.0kWにおいて焼入幅は走査方向に対して概ね一定であった。0.75kWは照1 mm

射直後に表面酸化は見られなかったが，走査方向に対b)して徐々に酸化したことが観察された。
実体顕微鏡を用いてレーザ焼入した試料表面を観察

1 mmc)した。走査速度が10mm/sec，出力が0.75～1.5kWの観察結果を図2に示す。1.5kW以上では完全に溶融状態，

1 mm

1.25kWでは一部溶融状態，1.0kWでは均一な焼入色，d)0.75kWではテンパーカラーが観察された。
1 mm

図3に断面のマクロ組織観察結果を示す。走査速度

図3が 10mm/sec， 出 力が 1.0～ 1.5kWに お いて ， レ ン ズ形

レーザ焼入した試料断面のマクロ組織観察結果状の 組 織が 観察され た。0.75kWに おい ては，組 織 の（ 走 査 速 度 10mm/sec ， 出 力 a ） 1.5 ， b)1.25 ，変化が観察されなかった。また，1.5kWでは表面が完c)1.0，d)0.75kW）- 49 -第1報では，レーザ照射によって変化した組織はマルテンサイト相（硬化層）であり，マクロ組織観察結果と硬さ試験から測定した硬化深さが，良く一致することを報告した。そこで本報も同様に，マクロ組織観察結果から硬化層の最大幅（硬化幅）と最大深さ（硬化深さ）を測定した。図4に走査速度10mm/secにおける硬化幅と硬化深さの測定結果を示す（1.5kWでは表面に大きな凹凸があるため，図3中の点線で示す様に，焼入されていない表面を基準に硬化深さを測定した）。
横軸に出力，縦軸に硬化幅および硬化深さを示す。図中のプロット形状は図4で評価した表面状態を示す。
線形近似を取るとR 2 値（相関係数の二乗）はそれぞれ0.974，0.937となり，表面状態に関わらず出力と硬化

図5

幅および硬化深さは，どちらも良い線形の相関関係がビッカース硬さ試験結果（出力1.0kW，走査速度 1，5，10mm/sec）得られた（硬化深さは出力0. 75kWの硬化層が無い場合も良い相関が得られた）。

図6に出力1.0kW，走査速度10mm/secにおけるミクロ組織観察結果を示す。表面から深さ方向にかけてマルテンサイト相から母材のフェライト相およびパーライト相に変化していることがわかった。

図420 μm20 μm20 μm20 μm

走査速度10mm/sec時のレーザ焼入における出力と硬化幅および硬化深さの関係(×▲●■は表面状態を示す)

図6
図5に走査速度が10mm/sec，出力が1.0～1.5kWにお出力1.0kW，走査速度10mm/secにおけるミクロ組織観察結果（a）表層近傍，b）深さ0.25mm近傍，

け る 断 面 の 硬 さ 試 験 結 果 を 示 す 。 硬 化 深 さ は 1kW がc）深さ0.45mm近傍，d）深さ0.55mm近傍）

0.52mm ，1.25kWが0.76mm，1.5kWが0.90mmであった。
図4のマクロ組織観察による硬化深さの測定結果と良レーザ照射した複数の試料において，硬化層およびく一致した。最高硬さは，いずれも約800HVであり，その近傍で割れが観察された。FE-SEMを用いて詳細に表面から深くなるにつれて硬さが低下した。ただし，観察したところ，割れ近傍には数ミクロンサイズの細1.25kWと1.5kWの場合，硬化深さが0.4～0.6mm辺りで長い粒子が観察された。図7にその粒子のEDX分析結果わずかに硬さの上昇が見られた。この要因については，を示す(右上の写真は分析点を示す)。分析の結果，Fe今後組織および機械的性質を詳しく調査する。

以外にMn，S等の強い強度が得られた。

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いが，急速な加熱・冷却現象であるため，割れが生じた可能性が考えられる。

↓分析点

＋

図7

割れ近傍の粒子におけるEDX分析結果（右上の写真は分析点を示す）

4 考察
第1報では，走査速度と出力毎の表面状態を評価し，

図8

レーザ焼入後の表面状態における走査速度と出力の関係（第1報で報告した図に追加）両因子には累乗の相関が得られた。その関係図に，今回の結果を追加したものを図8に示す（点線で囲んだ部 分 が 今 回 追 加 し た デ ー タ で あ る ）。 走 査 速 度 を5 まとめ10mm/secとし，出力を0.25kW刻みで実施したところ，「ディスクレーザ」を用いて，走査速度が10mm/sec1.25kWにおいて一部溶融した。よって図中の一点鎖線における出力が表面状態および硬化層へ与える影響をで示す様に一部溶融する境界はより低出力側に存在す調査し，以下の知見が得られた。

ると考えられる。また，出力が0.75kWの表面はテンパ(1) 硬化幅と硬化深さのどちらも出力と線形の良い相関がある。

ーカラーであり硬化していなかった。よって，走査速度が10mm/secにおいて，表面が溶融せず焼入が可能な(2) 出 力 が 1kW で は 約 0.5mm ， 出 力 が 1.25kW で は 約

最適条件は，0.75～1.25kWの範囲に存在すると考えら

0.8mm の 硬 化 深 さ が 得 ら れ た 。 た だ し ， 出 力 がれる。今回表面が溶融しない最適条件は，出力が1.25kWでは表面の一部が溶融した。
(3) 出力が1kWにおいて，試料表面から深さ方向へか1.0kWのみであり，その硬化深さは約0.5mmであった。
一般的に高周波焼入の硬化深さは1mm以上であるため，けて，徐々にマルテンサイト相からフェライト相高周波焼入の硬化深さと比べると浅かった。

およびパーライト相の混合組織に変化し，硬さが低下した。

硬化深さにおいて，第1報では走査速度，本報では(4) 硬化層やその近傍において，非金属介在物が起点出力との関係を示した。一部溶融する条件において，となり割れが生じた。

走 査 速 度 と の 関 係 で は 約 1mm， 出 力 と の 関 係 で は 約0.8mm以上の硬化深さが得られることがわかった。ただし，走査速度は対数スケール，出力は実スケールで5 参考文献あるため，出力よりも走査速度の方が制御できる範囲

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)

が広いと考えられる。また，出力および走査速度以外にも，レーザの照射領域，板厚，強制空冷方法等焼入

2) 安 田 武 司 等 ： 鉄 と 鋼 ， 108 巻 (7) ， pp. 405-

深さに影響を与える因子が存在すると考えられる。今416(2022)

回明らかにできなかった最適条件範囲やその他の影響

3)萩野秀樹, 宮田良雄：大阪府立産業技術総合研究所

因子については，今後調査する必要がある。

報告，No.22，pp. 33-38(2008)

硬化層やその近傍で発生した割れは，図7の分析結

4)津本宏樹等：あいち産業科学技術総合センター研究

果からMnS等の非金属介在物が起点になったと考えら

報告，pp. 22-25(2015)

える。レーザ焼入は他の焼入方法よりも入熱量は少な- 51 -