JP2014125660A

JP2014125660A - レーザ焼入れ方法及びレーザ焼入れ装置

Info

Publication number: JP2014125660A
Application number: JP2012284114A
Authority: JP
Inventors: Kohei Yanaka; 耕平谷中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-07-07

Abstract

【課題】被加工物の環状の焼入れ面に焼入れを行う場合に、特別な形状のレーザ光を形成することなく、レーザ照射の始端と終端との重複により発生する焼き戻しを防止する。
【解決手段】本発明に係るレーザ焼入れ方法は、被加工物の環状の焼入れ面に対し、周回するごとに中心から遠ざかる又は中心に近づくように渦巻き状にレーザを照射して前記レーザが照射された領域の温度をＡ３変態点以上に加熱し、第１周回部の温度がマルテンサイト変態開始温度以下になる前に、前記第１周回部に続く第２周回部の一部が前記第１周回部に重なるように前記レーザを照射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ焼入れ方法及びレーザ焼入れ装置に関する。

特許文献１には、ワークに円形状又は環状の焼き入れ領域を形成する焼入れ方法が開示されている。特許文献１では、レーザビームのビームスポットが、焼入れ領域の外周側よりも内周側の幅が小さい台形状になっている。レーザ照射装置からのレーザビームをワークに向けて照射しながら、レーザ照射装置とワークとを相対的に回転させることにより、環状の焼入れ領域が形成される。

特許文献２には、被加工物に形成された環状の溝の底面全周に焼入れを行う、円周面への熱処理方法が記載されている。環状のレーザ光を照射することにより、被加工物の円周面に焼入れが行われる。

特許文献３には、管状又は円柱形状のワークの側周面をレーザ焼入れする方法が開示されている。特許文献３では、レーザビームのワークの回転方向における径が長手方向の径より大きくなっている。ワークを回転させ、レーザビームをワークに照射しながら、レーザビームを長手方向に送ることで、ワークに螺旋状に焼入れを行っている。

特許文献４には、軸物又は長尺状のワークを回転させ、レーザ加工ヘッドを軸方向に所定の速度で送りながらレーザ光を照射することにより、熱加工を行う技術が開示されている。特許文献３、４に記載の技術は、円柱形状のワークの側面を焼入れするものである。

特開２００５−２１３５５３号公報特開平０５−２８７３６２号公報特開平０７−２５２５２１号公報特開２０１０−１７７３５号公報

特許文献１に記載の焼入れ方法では、レーザ照射の始端と終端が重なるため、焼き戻しによる組織の軟化が発生するという問題がある。

特許文献２では、ワークのサイズが異なる場合、各ワークサイズに合わせた異なるサイズの環状のレーザ光を形成する必要がある。このため、異なるサイズの環状のレーザ光を形成するための光学系を設けなければならない。

また、レーザ光を一度に照射する面積が大きい場合、ワークの温度を十分にあげるために大きなレーザ出力を必要とする。小さな出力のレーザを用いて徐々に温度を上げようとすると、入熱がワーク内部に拡散して内部温度が上昇し、焼き入れに必要な自己冷却による急冷ができないという問題がある。

本発明は、このような事情を背景としてなされたものであり、ワークの環状の焼入れ面に焼入れを行う場合に、特別な形状のレーザ光を形成することなく、レーザ照射の始端と終端との重複により発生する焼き戻しを防止することが可能な焼入れ方法及び焼入れ装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係るレーザ焼入れ方法は、被加工物の環状の焼入れ面に対し、周回するごとに中心から遠ざかる又は中心に近づくように渦巻き状にレーザを照射して前記レーザが照射された領域の温度をＡ３変態点以上に加熱し、第１周回部の温度がマルテンサイト変態開始温度以下になる前に、前記第１周回部に続く第２周回部の一部が前記第１周回部に重なるように前記レーザを照射する。

本発明の第２の態様に係るレーザ焼入れ方法は、上記の方法において、周回方向に対して垂直な方向の前記レーザの強度分布は、トップハット形状であることを特徴とする。

本発明の第３の態様にかかるレーザ焼入れ方法は、上記の方法において、前記焼入れ面におけるレーザスポットの周回方向に平行な方向の長さが、周回方向に垂直は方向の幅よりも長いことを特徴とする。

本発明の第４の態様に係るレーザ焼入れ装置は、レーザを出射するレーザ発振器と、前記レーザを、被加工物の環状の焼入れ面に対し、周回するごとに中心から遠ざかる又は中心に近づくように渦巻き状にレーザを照射して前記レーザが照射された領域の温度をＡ３変態点以上に加熱し、第１周回部の温度がマルテンサイト変態開始温度以下になる前に、前記第１周回部に続く第２周回部の一部が前記第１周回部に重なるように前記レーザを照射する、レーザ処理装置とを備える。

本発明の第５の態様に係るレーザ焼入れ装置は、上記の装置において、周回方向に対して垂直な方向の前記レーザの強度分布を、トップハット形状に変換する整形光学系をさらに備える。

本発明の第６の態様に係るレーザ焼入れ装置は、上記の装置において、前記整形光学系は、フライアイレンズを含むことを特徴とする。

本発明の第７の態様に係るレーザ焼入れ装置は、上記の装置において、前記整形光学系は、前記焼入れ面におけるレーザスポットの周回方向に平行な方向の長さが、周回方向に垂直は方向の幅よりも長くなるように、前記レーザを整形することを特徴とする。

本発明によれば、ワークの環状の焼入れ面に焼入れを行う場合に、特別な形状のレーザ光を形成することなく、レーザ照射の始端と終端との重複により発生する焼き戻しを防止することが可能なレーザ焼入れ方法及びレーザ焼入れ装置を提供することができる。

実施の形態に係るレーザ焼入れ方法を説明する図である。実施の形態に係るレーザ焼入れ方法で焼入れを行った後の図１に示すワークの一部を拡大した図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。図３に示す焼入れ領域（１）の温度変化を示すグラフである。実施の形態に係るレーザ焼入れ方法に用いられるレーザの強度分布の一例を示すグラフである。レーザの強度分布の比較例を示すグラフである。レーザの強度分布の違いによる効果を説明する図である。レーザの強度分布の違いによる効果を説明する図である。レーザの強度分布の違いによる効果を説明する図である。レーザの強度分布の違いによる効果を説明する図である。レーザスポットの形状による効果を説明する図である。レーザスポットの形状による効果を説明する図である。実施の形態に係るレーザ焼入れ方法を実現するレーザ焼入れ装置の構成例を示す図である。ワークの一例を示す図である。ガウシアン形状の強度分布を有するレーザを用いて焼入れを行った場合の焼入れ領域の断面図である。ガウシアン形状の強度分布を有するレーザを用いて焼入れを行った場合の焼入れ領域の断面図である。トップハット形状の強度分布を有するレーザを用いて焼入れを行った場合の焼入れ領域の断面図である。トップハット形状の強度分布を有するレーザを用いて焼入れを行った場合の焼入れ領域の断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。以下の説明は、本発明の実施の形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。

図１は、実施の形態に係るレーザ焼入れ方法を説明する図である。ここでは、図１に示すように、円筒状のワーク２０にレーザ照射による焼入れ処理を施す例を挙げて説明する。ワーク２０は、環状の焼入れ面２１を有する。この環状の焼入れ面２１に対して、フォーカスレンズ１１で集光されたレーザ光Ｌ１が照射される。レーザ光Ｌ１は、焼入れ面２１にレーザスポット１０を形成する。

焼入れ面２１に対しレーザスポット１０を相対的に移動させることにより、焼入れ処理を行う。レーザを照射することにより、レーザが照射された領域の温度をＡ３変態点以上に加熱する。実施の形態では、図１に示すように、環状の焼入れ面２１に沿ってレーザスポット１０を周回するように移動させる。また、レーザスポット１０が周回するごとに中心に近づくように渦巻き状にレーザを照射する。これにより、レーザ照射の始端と終端とが重複せず、環状の焼入れ面２１の全面に焼入れ領域を形成することができる。なお、周回するごとに中心から遠ざかるように渦巻き状にレーザを照射してもよい。

ワーク２０とレーザスポット１０との相対位置は、ワーク２０を図示しない移動機構により回転させながら移動させることにより変化させてもよく、レーザスポット１０を図示しない移動機構により移動させることにより変化させてもよい。また、ワーク２０とレーザスポット１０の両方を移動させるようにしてもよい。

図２は、図１に破線で示す、実施の形態に係るレーザ焼入れ方法で焼入れを行った後のワーク２０の一部を拡大した図である。図２において、焼入れ領域（１）が第１周回部、焼入れ領域（２）は第１周回部に続く第２周回部、焼入れ領域（３）が第２周回部に続く第３周回部である。焼入れ領域（１）〜（３）内に示される矢印が周回方向を示している。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。図３における矢印は、１周するごとにレーザスポット１０が焼入れ領域（１）上から焼入れ領域（３）上まで移動したことを示す。

図２に示すように、実施の形態では、第１周回部である焼入れ領域（１）の温度がマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ温度）以下になる前に、第２周回部である焼入れ領域（２）の一部が焼入れ領域（１）に重なるようにレーザスポット１０を高速に移動させて、レーザを照射する。

そして、第２周回部である焼入れ領域（２）の温度がマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ温度）以下になる前に、第３周回部である焼入れ領域（３）の一部が焼入れ領域（２）に重なるようにレーザスポット１０を高速に移動させて、レーザを照射する。

図４のグラフは、図３に示す焼入れ領域（１）の温度変化を示す。図４において、横軸は時間であり、縦軸は温度である。時間Ｔ１は焼入れ領域（１）にレーザが照射されている時間であり、時間Ｔ２は焼入れ領域（２）にレーザが照射されている時間であり、時間Ｔ３は焼入れ領域（３）にレーザが照射されている時間である。

図４に示すように、時間Ｔ１において、焼入れ領域（１）は、Ａ３変態点以上に加熱される。その後、時間Ｔ２において、焼入れ領域（１）の温度がＭｓ温度以下になる前に、焼入れ領域（２）にレーザが照射される。そして、時間Ｔ３において、焼入れ領域（１）の温度がＭｓ温度以下に下がる前に、焼入れ領域（３）にレーザが照射される。その後、自己冷却により焼入れ領域（１）の温度は、Ｍｓ温度以下に冷却される。

このように、焼入れ領域（１）がマルテンサイトに変態する前に、隣接する焼入れ領域（２）にレーザを照射することによって、焼入れ領域（１）においてすでに焼入れされた組織の焼き戻しを防ぐことができ、組織の軟化を防止することが可能となる。

また、実施の形態では、レーザスポット１０を複数回周回させることにより、環状の焼入れ面２１の全面に対して焼入れ処理を施している。これにより、特許文献２のようにワークサイズに合わせた環状のレーザ光を形成することなく、レーザスポット１０を用いて環状の焼入れ面２１に対して均一に焼入れ処理を行うことができる。

ここで、焼入れ面２１上に集光されるレーザの強度分布についてみる。図５は、実施の形態に係るレーザ焼入れ方法に用いられるレーザの強度分布の一例を示すグラフである。図６は、レーザの強度分布の比較例を示すグラフである。図５、６において、横軸は、周回方向に対して垂直な方向のレーザの幅（ｍｍ）を示しており、縦軸はレーザの相対的な強度を示している。

実施の形態では、図５に示すように、周回方向に垂直な方向のレーザの強度分布がトップハット形状であるものを用いることが好ましい。すなわち、レーザの強度分布は、周回方向に垂直な方向に対して略均一になっている。これに対して、図６に示す比較例では、レーザの強度分布はガウシアン形状である。つまり、レーザの中心の強度が最も高く、中心から裾野にかけてなだらかに強度が下がっている。

これら２つの形状の強度分布を有するレーザを用いた場合の効果について図７Ａ、７Ｂ、８Ａ、８を参照して説明する。図７Ａ、７Ｂは、ガウシアン形状のレーザを用いた場合の焼入れ領域の温度について説明した図である。図８Ａ、８Ｂは、トップハット形状のレーザを用いた場合の焼入れ領域の温度について説明した図である。図７Ａ、８Ａは１つの焼入れ領域における温度分布を示しており、図７Ｂ、８Ｂは、上述のように、焼入れ領域（１）から（３）に移動した時の温度分布を示している。

図７Ａに示すように、ガウシアン形状の強度分布を有するレーザを用いた場合、一点鎖線で示す焼入れ領域の中心の温度が高く、裾野にかけて温度が低くなる。このようなレーザを用いて、周回するごとに中心から遠ざかる又は近づくようにレーザ焼入れ処理を行った場合、次の周回部に重なる裾野部分の温度がＭｓ温度以下に低下し、図７Ｂの破線で示す部分において焼き戻しが発生する可能性が高くなる。

一方、図８Ａに示すように、トップハット形状の強度分布を有するレーザを用いた場合、周回方向に垂直な方向のレーザの強度分布が略均一であるため、ガウシアン形状の場合と比較すると裾野部分の温度が高くなる。このようなレーザを用いて、周回するごとに中心から遠ざかる又は近づくようにレーザ焼入れ処理を行った場合、次の周回部に重なる裾野部分の温度がＭｓ温度以下に低下することを抑制することができ、図８Ｂの破線で示す部分における焼き戻しの発生を防止することが可能となる。このように、レーザの強度分布がトップハット形状である場合、レーザ照射部の周囲の意図しない部分への加熱がされないようにすることができる。

焼入れ面２１に集光されるレーザスポット１０の形状について、図９Ａ、９Ｂを参照して説明する。図９Ａ、９Ｂはレーザスポット１０の形状による効果を説明する図である。図９Ａ、９Ｂにおいて、矢印はレーザスポット１０の進行方向（周回方向）を示している。図９Ａに示すように、レーザスポット１０の進行方向の長さが、進行方向に垂直な幅よりも短い場合、入熱量が少なくなる。このため、図９Ｂに示すように、レーザスポット１０の進行方向の長さが進行方向に垂直な幅よりも長いことが好ましい。これにより、レーザの照射時間を長くして入熱量を増大させることが可能となる。

ここで、図１０を参照して、実施の形態に係るレーザ焼入れ方法を実現するレーザ焼入れ装置の具体的な構成例について説明する。図１０に示すように、レーザ焼入れ装置１は、フォーカスレンズ１１、フライアイレンズ１２、コリメートレンズ１３、レーザ発振器１４を有している。レーザ発振器１４としては、例えば、ＹＡＧレーザ、ファイバレーザ、半導体レーザ等を用いることができる。ここでは、波長：９４０／９８０ｎｍ、出力：２０００〜４０００Ｗで制御した半導体レーザを用いた。レーザ発振器１４により発振されたレーザ光Ｌ１は、コリメートレンズ１３に入射し、平行光に変換される。コリメートレンズの一例として、焦点距離がＦ８０ｍｍのものを用いた。

図１０に示すように、コリメートレンズ１３を通過したレーザ光Ｌ２のビームスポットの形状は円形状である。レーザ光Ｌ２は、整形光学系に含まれるフライアイレンズ１２入射する。図１０に示す例では、フライアイレンズ１２は、レーザ光Ｌ２が入射する面に複数の微小な凸面レンズが二次元配置された構成を有している。

図１０に示すように、入射したレーザ光Ｌ２はフライアイレンズ１２の各々のレンズによって所定の角度で広げられ、レーザ光Ｌ３のビームスポットの形状は矩形状となる。なお、フライアイレンズ１２は、レーザ光Ｌ２が出射する面に複数の凸面レンズを有する構成のものを用いることもできる。また、フライアイレンズ１２として、複数の凹面レンズが二次元配置されたものを用いることも可能である。

そして、レーザ光Ｌ３は、フォーカスレンズ１１に入射し、フォーカスレンズ１１の焦点面に集光される。フォーカスレンズ後例として焦点距離がＦ１５４ｍｍのものを用いた。このように、フライアイレンズ１２により広げられた各光をフォーカスレンズ１１の焦点面で重ね合わせることにより、入射したレーザ光Ｌ２の周回方向に対して垂直な方向の強度分布を平坦化し、トップハット形状に変換することができる。なお、整形光学系としては、上記の例に限定されるものではない。例えば、回折光学素子（Diffractive Optical Element）や位相光学素子等を用いることも可能である。

図１０に示す例では、レーザスポット１０は、長さ１７ｍｍ、幅４ｍｍの矩形状とした。すなわち、レーザスポット１０の周回方向に平行な方向の長さが、周回方向に垂直な方向の幅よりも長い。レーザ焼入れ装置１は、このような長さが幅よりも長いビームスポットを形成するレーザ光を用いて、上述したように周回するごとに中心から遠ざかる又は中心に近づくように渦巻状に焼入れ処理を行うレーザ処理装置（不図示）を備えている。

図１１に、ワーク２０の一例を示す。図１１に示すように、ここでは、ワーク２０としてギヤ部品３０を適用した。ギヤ部品３０は、円柱状又は円筒状である。ギヤ部品３０の上面には、環状の焼入れ面３１が形成されている。焼入れ面の形状として、実施例１：内径φ４０、外径φ６０、実施例２：内径φ４０、外径φ５６、実施例３：内径φ３１、外径φ５０である３つのギヤ部品３０に対して焼入れ処理を行った。なお、ワーク２０の種類、サイズはこれに限定されるものではない。

このようなギヤ部品３０を回転させながら、レーザスポット１０の照射位置を外周から内周にずらして照射した。これにより、ギヤ部品３０の焼入れ面３１に渦巻き状にレーザを照射した。照射位置をずらす量は、レーザの幅（４ｍｍ）よりも小さく、２ｍｍとした。すなわち、前回の周回部に、今回の周回部が半分かぶるようにレーザが照射される。

そして、周回して焼重ねる際に、ギヤ部品３０の回転数を６０ｒｐｍ以上として、前回の周の焼入れ部の温度がＭｓ温度以下となる前に次のレーザ照射を実行した。このように、焼入れ領域の裾野部分の強度分布がガウシアン形状よりも高いトップハット形状のレーザを用い、周回速度を早くすることにより、Ｍｓ温度以下になる前に次のレーザを照射することが可能となる。

図１２Ａ、１２Ｂ、１３Ａ、１３Ｂに上記の条件にてレーザ焼入れを行った時の焼入れ領域の断面構造を示す。図１２Ａ、１２Ｂは、幅５．１ｍｍのガウシアン形状の強度分布を有するレーザを用いて焼入れを行った場合の焼入れ領域の断面図である。図１３Ａ、１３Ｂは、幅４．０ｍｍのトップハット形状の強度分布を有するレーザを用いて焼入れを行った場合の焼入れ領域の断面図である。なお、いずれの場合においても、長さ方向（周回方向）のレーザの強度分布は、略等しいトップハット形状であるものとする。

図１２Ａは、ガウシアン形状の強度分布のレーザを用いて焼入れを１周行った場合の焼入れ領域の断面図を示している。図１２Ａに示すように、レーザの裾野部分では入熱量が小さく、レーザの中央部分と裾野部分では組織が異なるのがわかる。図１２Ｂは、焼入れ領域（１）〜（３）まで３周渦巻き状に焼入れ処理を行った場合の断面図を示している。図１２Ｂに示すように、焼入れ領域（１）と（２）が重なる部分及び焼入れ領域（２）と（３）が重なる部分において焼き戻しが発生しているのがわかる。

図１３Ａは、トップハット形状の強度分布のレーザを用いて焼入れを１周行った場合の焼入れ領域の断面図を示している。図１３Ａに示すように、ガウシアン形状と比較すると、レーザの裾野部分においても均一に焼入れ処理がなされているのがわかる。図１３Ｂは、焼入れ領域（１）〜（３）まで３周渦巻き状に焼入れ処理を行った場合の断面図を示している。図１３Ｂに示すように、焼入れ領域（１）と（２）が重なる部分及び焼入れ領域（２）と（３）が重なる部分においても焼き戻しは発生せず、均一に焼入れ処理がなされている。

以上説明したように、実施の形態では、周回するごとに中心から遠ざかる又は中心に近づくように渦巻き状にレーザを照射することにより、始端と終端との重複により発生する焼き戻しを抑制することができる。また、第１周回部の温度がマルテンサイト変態開始温度以下になる前に、第１周回部に続く第２周回部の一部が第１周回部に重なるようにレーザを照射することで、第１周回部と第２周回部との重なり部分の焼き戻しを防止することができる。また、周回方向に垂直な方向の強度分布がトップハット形状であることにより、焼入れ領域全体に均一に焼入れ処理を行うことができる。

尚、本発明は上記実施の形態に限られるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。本発明は、ワークとして、円形状又は環状の焼入れ領域を有する部材に広く適用することが可能である。

１レーザ焼入れ装置
１０レーザスポット
１１フォーカスレンズ
１２フライアイレンズ
１３コリメートレンズ
１４レーザ発振器
２０ワーク
２１焼入れ面
３０ギヤ部品
３１焼入れ面
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３レーザ光

Claims

被加工物の環状の焼入れ面に対し、周回するごとに中心から遠ざかる又は中心に近づくように渦巻き状にレーザを照射して前記レーザが照射された領域の温度をＡ３変態点以上に加熱し、
第１周回部の温度がマルテンサイト変態開始温度以下になる前に、前記第１周回部に続く第２周回部の一部が前記第１周回部に重なるように前記レーザを照射する、
レーザ焼入れ方法。
周回方向に対して垂直な方向の前記レーザの強度分布は、トップハット形状であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ焼入れ方法。
前記焼入れ面におけるレーザスポットの周回方向に平行な方向の長さが、周回方向に垂直な方向の幅よりも長いことを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ焼入れ方法。
レーザを出射するレーザ発振器と、
前記レーザを、被加工物の環状の焼入れ面に対し、周回するごとに中心から遠ざかる又は中心に近づくように渦巻き状にレーザを照射して前記レーザが照射された領域の温度をＡ３変態点以上に加熱し、第１周回部の温度がマルテンサイト変態開始温度以下になる前に、前記第１周回部に続く第２周回部の一部が前記第１周回部に重なるように前記レーザを照射するレーザ処理装置と、
を備えるレーザ焼入れ装置。
周回方向に対して垂直な方向の前記レーザの強度分布を、トップハット形状に変換する整形光学系をさらに備える請求項４に記載のレーザ焼入れ装置。
前記整形光学系は、フライアイレンズを含むことを特徴とする請求項５に記載のレーザ焼入れ装置。
前記整形光学系は、前記焼入れ面におけるレーザスポットの周回方向に平行な方向の長さが、周回方向に垂直は方向の幅よりも長くなるように、前記レーザを整形することを特徴とする請求項５又は６に記載のレーザ焼入れ方法。