富士高周波工業株式会社

技術レポート 2021.7.25

レーザ焼入れ条件出しのコツ
富士高周波工業株式会社 代表取締役後藤光宏
大阪府堺市堺区遠里小野町 2-3-15 TEL072-229-0230 FAX072-233-7583
Mail laser@fuji-koushuha.co.jp

1. はじめに
富士高周波工業株式会社は、高周波焼入れの受託加工メーカーとして、1956 年 11 月に大阪府堺市で創業し、以来、高周波焼入れ専門の受託加工を行ってきました。60 年以上の高周波焼入れのノウハウを活かし、2008 年 12 月にレーザ焼入れ装置を導入し、レーザ焼入れの技術開発にまい進してきました。
今回は、条件出しのコツについて解説を行います。
レーザ焼入れの代表的なパラメーターには、レーザの出力、移動速度、スポット径、照射角度（Table1）などがあります。それぞれのパラメーターを可変させたときに、熱処理品質にどのような影響を及ぼすのか、解説を行います。また同時に、熱処理品質を決めるパラメーターとして、設備側（レーザ側）だけではなく、ワークの表面状態や板厚なども関係します。それらの基礎的な事を知ることで、レーザ焼入れの条件出しに対するコツが見えてきます。

力に関しては、1780W～2360W まで可変させましたが、2360W では、ワークの表面が溶融しました。
また、硬化層深さの測定は移動方向の中央部を切断し、マイクロビッカース硬度計にて表面から 0.1mm
ピッチにて 300gf 荷重にて測定（Fig.3）。測定結果を Fig.4 に示します。最も出力の低い 1780W に関しては、硬化層深さは 0.25mm。表面溶融手前の2330W においては、硬化層深さ 0.7ｍｍ。硬化層深さは、出力の上昇に比例して硬化層が深くなることがわかります。しかし、板厚や材質などの影響で同一の結果がすべて出るとは限りませんが、一つの指標としては十分使用できます。

Table1 レーザ焼入れパラメーター
パラメータ単位

備考

出力WCW 発振

移動速度mm/sec-

スポット径（矩形）〇mm×△mm

トップハットビーム

照射角度°（度）-Fig.1 走査方法略図

Fig.2 処理後外観

Fig.3 マイクロビッカース測定方法
２． レーザパラメーターと熱処理品質の関係
2-1 出力と硬化層深さの関係
レーザ焼入れのパラメーターの一つとして、レーザ出力があります。単位は、W や KW。まず、実験方法として、50mm×50mm×10mm 試験片（材質：S50C）に対して、スポット径 15mm×5mm、レーザの移動速度を 13.3mm/sec として、任意の出力で Fig.1 のように走査、レーザ焼入れ処理後の外観を Fig.2 に示します。約 15 ㎜の幅で表面に酸化膜が形成されていることが観察できます。この酸化膜が形成されている部分が、レーザ焼入れによる硬化部になります。出

Fig.4 出力と硬化層深さの関係~1~

２－２ 移動速度と硬化層深さの関係
移動速度と硬化層深さの関係に関しても前項と同じ要領で実験を行いました。出力に関しては２３７０Wを固定し、移動速度を 13.3～20mm/sec の範囲にて可変。切断検査に関しても Fig.3 のように実施。その結果を Fig.5 に示します。移動速度１３．３ｍ/sec
では、表面が溶融。表面溶融手前の 14.2mm/secの時は、硬化層深さが 0.68mm。移動速度が速くなるにつれて、硬化層深さが浅くなるという結果を得られました。20mm/sec の時は、硬化層深さが0.1mm となっています。従って、移動速度が可変する場合は、速度が上がるに従って、硬化層深さが浅くなる結果になります。これに関しても前項と同じように板厚や材質などの影響で同一の結果がすべて出るとは限りませんが、一つの指標としては十分使用できます。

Fig.6 スポットサイズと硬化幅の関係

Fig.5 移動速度と硬化層深さの関係
2-3 スポットサイズと硬化幅の関係
金属の部分焼入れでは、硬化範囲が図面に指示されています。硬化範囲が指示される理由として、必要部位のみ硬化させるという目的もありますが、逆に、不必要な部分の硬化を避ける目的もあります。なぜなら、部分焼入れ後の後加工で、切削できないなどのトラブルが生じる可能性がでてくるためです。そのため、硬化範囲に関しては、指示通り処理する必要があります。そこで、レーザ焼入れにおいてよく勘違いされてしまうことを下記にまとめます。
「スポットの幅＝硬化幅」ではありません。
実際は、特殊な条件下を除いてスポットの幅と硬化幅は同じではありません。Fig.6 にあるように縦軸に硬化幅、横軸にスポット幅（ビーム幅）としてグラフをみると、ビーム幅が 10mm の時、硬化幅は６mm、ビーム幅が 26mm の時は、硬化幅は、22mm となっています。今回の実験では、「硬化幅＝スポット 幅-４mm」という結果が得られました。これは、一例ですが、一般的には、スポット幅以上の硬化幅はできず、硬化幅が数 mm 短くなります。

2-4 レーザ照射角度と熱処理品質の関係
最後に、レーザ発振器側のパラメーターとして照射角度について解説を行います。実際のレーザ焼入れされるワークは、様々な形状が存在します。すべてのワークに対してレーザ光を垂直に当てる事が出来るのであれば、照射角度に関して気にする必要はありません
が、実際には、垂直に当てることが出来ないワークも存在します。
今回の実験として、照射角度を Fig.7 のように 0°、30°、60°と傾けた場合の硬化層深さと硬化幅について調査を実施しました。ビーム形状、移動速度、出力に関しては、Fig.7 のように一定。その結果を Fig.8 に示します。角度がつくに従い、焼入れ幅は広くなり、その逆に、硬化層深さは、浅くなります。
これは、Fig.9 のように角度がつく事によって、スポットサイズが相対的に変化していることが原因と考えられます。垂直照射の時は、スポットサイズが6.8mm × 4.1mm に 対 し て 、 30 ° に 傾 け た 時 は 、8.4mm×4.5mm とスポットサイズが大きくなっています。スポットサイズが大きくなることで、パワー密度が下がり、単位面積当たりのレーザ出力が下がったため、硬化層深さが浅くなったと推測できます。従って、条件出し の際に、垂直照射の条件のままで 30°や45°の角度でワークを照射してしまうと、期待の硬化層深さや硬化幅にはなりません。

~2~

Fig.7 照射角度実験の照射方法

富士高周波工業株式会社

技術レポート 2021.7.25

３－１ 表面状態による違い
先ほどの説明にもありましたが、ワークには、様々な形状があります。そして、表面状態に関しても面粗度が粗かったり、鏡面状態であったりなど、様々な状況が考えられます。今回の実験では、表面状態を研削面（Ra=0.16~0.18mm）のワークと、ショットブラスト面（Ra=0.54~0.77mm）のワークを用いて、レーザ焼入れにおける硬化層深さの違いについて実験を行いました。
移動速度に関しては、5、10、15mm/sec の３種類で実験を行い、その結果を Fig.10 に示します。３水準とも研削面よりもブラスト面の方が、硬化層深さが深くなったという結果を得られました。これにより、面粗さの粗い方がレーザ光の吸収率が上がり、研削面より、入熱量が増加したものと考えられ、そのため、硬化層深さが深くなっているものと推測されます。

Fig.8 照射角度の違いによる硬化幅と硬化層深さ

Fig.9 照射角度によるスポットサイズの違い
Fig.10 表面状態による硬化層深さの違い
３． ワークの状態による違い
レーザ発振器のパラメーターによるレーザ焼入れ品
質の違いについて説明してきましたが、熱処理品質を決めるパラメーターとして、ワーク側の状態による違いも考えられます。ワーク側のパラメーターについて
は、Table2 に示しますが、ワーク側のパラメーターによる焼入れ品質の違いも設備側パラメーターと同様に、実際には数多くあります。高周波焼入れや他の熱処理では、考慮する必要がなかった事でも、レーザ焼入れにおいては、焼入れの際に検討する必要性が有ります。
ここでは、表面状態の違いと、板厚の影響について、解説を行います。
Table2 ワーク側のパラメーター
パラメーター
表面状態
板厚
材質
油分
サビ

吸収率のバラツキ
冷却速度低下による硬化不足
材質固有の吸収率が存在
油煙による光の遮断
吸収率と熱伝導性のバラツキ

3-2 ワークの板厚と自己冷却の関係
焼入れは、加熱プロセスと冷却プロセスが成立して初めて焼入れ硬化します。本項では、冷却プロセスと板厚の関係について解説を行います。
レーザ焼入れにおいて、一般的に水も油も必要なく、自己冷却によって焼入れ硬化すると言われています。
しかし、板厚や材質の影響により、自己冷却では焼入れ硬化するための十分な冷却速度を得られず、硬化しない場合もあります。今回の実験では、板厚 3mm、5mm、10mm のワークに対してレーザ光を走査した場合、加熱された任意の点での温度履歴を、サーモグラフィーを用いて調査しました。Fig.11 に実際のサーモグラフィー画像があります。板厚 10mm の場合では、比較的早く冷却されているが、板厚 3mm の場合、残熱が大きく、自己冷却が遅くなります。
また、Fig.12 に任意の点における温度履歴を示します。横軸は時間を表していて、最高温度に関しては、多少の差はあれども、同じような状態になっています
が、冷却速度では時間の経過とともに温度差が出ます。
Fig.12 からもわかるように一般的には、板厚が薄ければ薄いほど、自己冷却速度は遅くなります。従って、~3~レーザ焼入れといえども、自己冷却が不足している場合は、水や油を使用する強制冷却の必要が出てきます。

いくのかは、長年の経験と勘が必要になります。今回
は、レーザ焼入れの条件出しのコツについて解説を行いましたが、レーザ発振器側のパラメーターとワーク側のパラメーターの両方を検討した上で、条件出しをしていく必要性があります。まだまだ、解説できていないパラメーターはありますが、今回、説明したパラメーターが主たるパラメーターになるので、参考になれば幸いです。
●この技術レポートに関する問い合わせは、
富士高周波工業株式会社
代表取締役 後藤光宏
TEL072-282-7101
Mail m.goto@fuji-koushua.co.jp

Fig.11 各板厚におけるサーモ画像

Fig.12 板厚の違いにおける任意点の温度履歴※縦軸_温度（℃）、横軸_時間（ｓ）※最高温度の位置を 0 秒と設定

４． まとめレーザ焼入れ以外の技術、切削加工、研磨加工、その他熱処理にも数えきれないくらいのパラメーターが存在しており、どのパラメーターを使って条件出しをして~4~