JP2007277636A - レーザ焼入れ方法 - Google Patents

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Naotomi Miyagawa
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    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment

Abstract

【課題】レーザ焼入れにおいて、隣接する焼入れ済みの層に焼なましが発生することを防止する焼入れ方法を提供する。
【解決手段】本発明のレーザ焼入れ方法にあっては、焼入れノズル１９０が重ね焼入れするピッチＰ１の中間の溝にＣ１，Ｃ２，Ｃ３を予め加工しておくものである。中心線Ｌ３に沿って、ノズル１９０を走行させて焼入れ層Ｈ２３を加工した後に、ノズル１９０を１ピッチＰ１だけ平行移動して、焼入れ層Ｈ２４を加工する状態を示す。レーザビームＬＢの熱エネルギーＥ１は、焼入れ層Ｈ２３側にも放射されるが、溝Ｃ３により遮断され、焼入れ層Ｈ２３を焼なますことは防止される。
【選択図】図４

Description

本発明は半導体レーザを利用した焼入れ方法に関する。
例えば、特許文献１は、本出願人が提案したレーザ焼入れ装置を開示している。また、特許文献２は、工作機械の主軸に着脱自在に装備されるレーザ焼入工具を開示している。
これらのレーザ焼入工具にあっては、レーザ発光源である半導体レーザバーや半導体レーザスタックからのレーザ光は、光ファイバーや導波路により工具先端のトーチまで伝送される。
特開２００３−１３８３１４号公報 特開２００５−２３８２５３号公報
図１は、本発明のレーザ焼入れ方法に使用されるレーザ焼入工具の斜視図、図２はレーザ焼入工具の全体構成を示す断面側面図、図３は図２の上面図である。
全体を符号１００で示すレーザ焼入工具は、ベース１１０上に載置される半導体レーザスタック１２０を備える。半導体レーザスタック１２０は電源接続端子１２２を有し、図示しない電源に接続される。
半導体レーザスタック１２０の出力は光通路１３２を有するホルダー１３０内に投入される。ホルダー１３０の光通路１３２内には集光光学系（レンズ）１３４が装備され、半導体レーザスタック１２０の出力光の束を集光する。
集光されたレーザビームはホルダー１４０内の発散光学系レンズ１４２へ入力され、ビームの軸線が平行になるように発散される。発散したレーザ光は角形光導波路１５０の一端部にとりつけた第１の折返しミラー１６０へ送られる。折り返しミラー１６０で角形光導波路１５０の軸線方向に折返されたレーザ光は角形光導波路１５０の内面の反射面１５２に反射されつつ進行し、ホルダー１７２内の再集光光学系レンズ１７０に入射される。
この角形光導波路１５０を通過する間に、従来の断面丸形の光導波路に比べて反射回数は低減され、減衰も少なくて済む。
再集光光学系レンズ１７０で再集光されたレーザビームは第２の折返しミラー１８０で軸線を９０度変更され、光導波路ノズル１９０から出射され、図示しないワークの表面に焼入処理を施す。
図６は、上述したレーザ焼入工具１００を利用したレーザ焼入れプロセスを示す説明図である。
ワークＷ上をレーザ焼入工具１００のノズル１９０は、レーザビームＬＢを照射しつつ矢印Ｆ１方向に進行し、ワークＷの表面上に中心線Ｌ１に沿った焼入れ部Ｙ１が形成される。現在ノズル１９０からのレーザビームＬＢの照射を受けている部分にはレーザ加熱部Ｈ０が形成される。
レーザ加熱部Ｈ０の直後のエリアＲ１は、レーザによる熱がワークＷの母材内に拡散され、急速に冷却される。
図７は、レーザ焼入れの原理を示す説明図である。
図の（ａ）は、ノズル１９０からのレーザビームＬＢの照射を受けている状態を示し、高温のレーザ加熱部Ｈ０が形成される。
図の（ｂ）は、ノズルが通過した後の冷却部の加熱部Ｈ１の状態を示す。レーザで受けた熱Ｅ１はワークＷの母材内に拡散され、急冷される。この作用によって、図の（ｃ）に示す焼入れ部Ｈ２が形成される。
図８は中心線Ｌ１に沿ってノズル１９０を通過させた状態を示し、幅寸法Ｄ１だけレーザ加熱部Ｈ０と焼入れ部が形成された状態を示す。
１回のパスによってレーザ焼入れされる幅寸法Ｄ１は比較的狭いので、幅寸法の大きな焼入れ部を形成するためには、後数回のパスを行ってレーザ焼入れを行う必要がある。
図９は幅寸法Ｄ１０の大きな領域にレーザ焼入れを行う状態を示す。
中心線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に対応する位置にノズル１９０をピッチＰ１だけ移動させて焼入れ層Ｈ１１，Ｈ１２，Ｈ１３，Ｈ１４を形成する。
図１０は、焼入れ層Ｈ１３の処理が完了し、隣接する層Ｈ１４の焼入れを行っている状態を示す。層Ｈ１４を焼入れする際に、レーザビームＬＢにより加熱される層Ｈ１４のエネルギーＥ１は、焼入れにより硬化された層Ｈ１３側へ伝導される。この熱により、硬化された焼入れ層Ｈ１３は、再加熱される。
この再加熱により既に焼入れにより硬化した焼入れ層Ｈ１３の層Ｈ１４に隣接する部分が焼なまし状態となり軟化層Ｓ１３が形成されてしまう。
すなわち、焼入れ幅Ｄ１０を得るために、複数のパスを通す、いわゆる重ね焼きを行うと、焼入れ層の間に軟化層が形成されてしまう。
この現象により、焼入れ層の表面は硬度の高い表面ＨＳと硬度が低い表面ＳＳが帯状に隣接する構造になってしまう。
このように焼入れ面の硬度ムラが発生した場合、後工程の研磨や切削加工において加工中の切り込み量が硬度差により微妙にことなり、加工精度にムラが出る問題が発生する。
本発明の目的は、上述した不具合を解消するレーザ焼入れ方法を提供するものである。
上記目的を達成するために、本発明のレーザ焼入れ方法は、焼入れノズルが通過するワーク表面の複数のパスの間に予め溝を形成する工程を備えるものである。
本発明によれば、レーザビームのスポットをワーク表面の狭い範囲を照射しつつ複数のパスを通過させて幅寸法の大きな部分を焼入れする際に、既に硬化された部分に焼なましを発生させることが防止される。
したがって、均一な硬度をもつ焼入れ層を形成することができる。
図４は、本発明のレーザ焼入れ方法の概要を示す説明図である。
本発明のレーザ焼入れ方法にあっては、焼入れノズル１９０が重ね焼入れするピッチＰ１の中間に溝Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を予め加工しておくものである。
ここで、ピッチＰ１は、レーザ出力・レーザ出力モード、ノズル形状、レーザ発振器ユニット内のレンズ形状等の要因により決定される対象物へのレーザ照射の熱エネルギー分布の範囲に基いて設定される。また、溝Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の幅寸法Ｂ１もレーザ出力・レーザ出力モード、ノズル形状、レーザ発振器ユニット内のレンズ形状等の要因により決定される対象物へのレーザ照射の熱エネルギー分布の範囲に基いて設定されるものである。
図４は、中心線Ｌ３に沿って、ノズル１９０を走行させて焼入れ層Ｈ２３を加工した後に、ノズル１９０を１ピッチＰ１だけ平行移動して、焼入れ層Ｈ２４を加工する状態を示す。
レーザビームＬＢの熱エネルギーＥ１は、焼入れ層Ｈ２３側にも放射されるが、溝Ｃ３により遮断され、焼入れ層Ｈ２３を焼なますことは防止される。
図５は、本発明のレーザ焼入れ方法により焼入れ処理したワークＷの断面構造を示す。
各焼入れ層Ｈ２１，Ｈ２２，Ｈ２３，Ｈ２４の間は、溝Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３で仕切られているので、焼入れ処理された表面は、均一な硬化層ＨＳで覆われる。
そこで、後工程の研削や切削加工が均一な硬度で行われるので、加工精度の向上を図ることができる。
本発明のレーザ焼入れ方法に使用されるレーザ焼入工具の斜視図。 レーザ焼入工具の断面側面図。 図２の上面図。 本発明のレーザ焼入れ方法の概要を示す説明図。 本発明のレーザ焼入れ方法により焼入れ処理したワークの断面構造を示す説明図。 レーザ焼入工具を使用したレーザ焼入れプロセスを示す説明図。 レーザ焼入工具を使用したレーザ焼入れプロセスを示す説明図。 中心線に沿ってノズルを通過させた状態を示す説明図。 幅寸法の大きな領域にレーザ焼入れを行う状態を示す説明図。 焼なましが発生する状態を示す説明図。
符号の説明
１００ レーザ焼入工具
１１０ ベース
１２０ 半導体レーザスタック
１３０ 集光光学系レンズホルダー
１３４ 集光光学系レンズ
１４０ 発散光学系レンズホルダー
１４２ 発散光学系レンズ
１５０ 角形光導波路
１６０ 第１の折返しミラー
１７０ 再集光光学系レンズ
１８０ 第２の折返しミラー
１９０ 光導波路ノズル

Claims (2)

  1. 半導体レーザスタックから出射されるレーザビームを集光してスポットを形成し、焼入れノズルから出射してワーク表面に焼入れを行う方法であって、
    焼入れノズルが通過するワーク表面の複数のパスの間に予め溝を形成する工程を備えるレーザ焼入れ方法。
  2. 溝は隣接するパスの中央部に形成される請求項１記載のレーザ焼入れ方法。
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