JP2015175006A - 熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外径が非常に小さな細長い金属製のワークを加熱して熱処理を行う場合であっても、ワークの局所の加熱温度の制御を容易に行うことが可能な熱処理装置を提供する。【解決手段】細長い棒状または管状に形成される金属製のワーク２をレーザ光ＬＢによって加熱して熱処理する熱処理装置は、レーザ光ＬＢを射出するレーザ発振器と、レーザ発振器から射出されたレーザ光ＬＢを集光する集光レンズ４と、ワーク２を把持するワーク把持機構とを備えている。この熱処理装置では、集光レンズ４で集光されるレーザ光ＬＢの、焦点ＦＰからずれた部分が、ワーク２に照射される。【選択図】図２

Description

本発明は、細長い棒状または管状に形成される金属製のワークをレーザ光によって加熱して熱処理する熱処理装置に関する。

従来、金属製のワークを加熱する高周波誘導加熱装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の高周波誘導加熱装置は、コイルヘッドを備えている。このコイルヘッドは、ワーク挿入空間を挟んで上下に配置される上側コイル部と下側コイル部とを備えている。コイルヘッドには、高周波電源が接続されている。この高周波誘導加熱装置では、ワーク挿入空間にワークが挿入された状態で高周波電源が作動すると、コイルヘッドに電流が流れて磁束が発生する。コイルヘッドに磁束が発生すると、ワークに渦電流が生じて、ワークが加熱される。

特開２０１２−２２１８５７号公報

本出願人は、外径が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の細長い棒状または管状に形成される金属製のワークの鍛造加工をより適切に行うことができるように、鍛造加工前のワークを加熱して熱処理することを検討しており、高周波誘導加熱装置によってワークの熱処理を行うことを検討した。しかしながら、高周波誘導加熱装置によってワークの熱処理を行う場合、外径が非常に小さな細長いワークの局所の加熱温度を制御することが困難であることが本出願人の検討によって明らかになった。

そこで、本発明の課題は、外径が非常に小さな細長い金属製のワークを加熱して熱処理を行う場合であっても、ワークの局所の加熱温度の制御を容易に行うことが可能な熱処理装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、本発明の熱処理装置は、細長い棒状または管状に形成される金属製のワークをレーザ光によって加熱して熱処理する熱処理装置であって、レーザ光を射出するレーザ発振器と、レーザ発振器から射出されたレーザ光を集光する集光レンズと、ワークを把持するワーク把持機構とを備え、ワークには、集光レンズで集光されるレーザ光の、焦点からずれた部分が照射されることを特徴とする。

本発明の熱処理装置では、ワークを加熱して熱処理するために、集光レンズで集光されるレーザ光が金属製のワークに照射されている。したがって、本発明では、レーザ光の、ワークに照射される部分のビーム径を調整することで、外径が非常に小さな細長いワークを加熱して熱処理を行う場合であっても、ワークの局所の加熱温度の制御を容易に行うことが可能になる。また、本発明では、集光レンズで集光されるレーザ光の、焦点からずれた部分がワークに照射されているため、レーザ光が照射されるワークの溶融を防止してワークの熱処理を適切に行うことが可能になる。

本発明において、熱処理装置は、ワークの、レーザ光が照射される部分の温度を測定するための非接触式の温度計と、熱処理装置を制御する制御部とを備え、制御部は、温度計での計測結果に基づいて、レーザ発振器から射出されるレーザ光の強度および射出時間の少なくともいずれか一方を制御することが好ましい。このように構成すると、温度計での計測結果に基づいて、レーザ発振器から射出されるレーザ光の強度や射出時間を制御することができるため、ワークの局所の加熱温度の制御を精度良く行うことが可能になる。なお、この場合には、制御部は、ワークにレーザ光を照射して実際にワークを熱処理しているときのリアルタイムの温度計での計測結果に基づいて所定の演算を行いながら、レーザ発振器から射出されるレーザ光の強度や射出時間を制御しても良いし、事前にワークにレーザ光を照射することで事前に得られた温度計での計測結果から算出される温度プロファイルに基づいて、レーザ発振器から射出されるレーザ光の強度や射出時間を制御しても良い。

本発明において、熱処理装置は、ワークの、レーザ光が照射される部分が収容されるケース体と、ケース体の内部に不活性ガスを注入するガス注入機構とを備えることが好ましい。このように構成すると、大気中でワークの熱処理を行う場合であっても、ワークの酸化を防止することが可能になる。

本発明において、熱処理装置は、たとえば、鍛造加工前のワークを熱処理する。

以上のように、本発明の熱処理装置では、外径が非常に小さな細長い金属製のワークを加熱して熱処理を行う場合であっても、ワークの局所の加熱温度の制御を容易に行うことが可能になる。

本発明の実施の形態にかかる熱処理装置の要部の正面図である。 図１のＥ−Ｅ断面の断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。

（熱処理装置の構成）
図１は、本発明の実施の形態にかかる熱処理装置１の要部の正面図である。図２は、図１のＥ−Ｅ断面の断面図である。以下の説明では、図１、図２に示すように、水平方向において互いに直交する２方向のそれぞれをＸ方向およびＹ方向とする。また、Ｘ方向を左右方向、Ｙ方向を前後方向とするとともに、Ｘ１方向側を「右」側、Ｘ２方向側を「左」側とする。

本形態の熱処理装置１は、細長い棒状または管状に形成される金属製のワーク２をレーザ光ＬＢによって加熱して熱処理するための装置である。具体的には、熱処理装置１は、鍛造加工前のワーク２を熱処理するための装置である。この熱処理装置１は、レーザ光ＬＢを射出するレーザ発振器３と、レーザ発振器３から射出されたレーザ光ＬＢを集光する集光レンズ４と、ワーク２を把持するワーク把持機構５と、ワーク２の、レーザ光ＬＢが照射される部分の温度を測定するための非接触式の温度計６とを備えている。レーザ発振器３、ワーク把持機構５および温度計６は、熱処理装置１を制御する制御部７に接続されている。また、熱処理装置１は、ワーク２の、レーザ光ＬＢが照射される部分が収容されるケース体８と、ケース体８の内部に不活性ガスを注入するガス注入機構９とを備えている。

ワーク２は、ステンレス鋼で形成されている。また、ワーク２は、円柱状または円筒状に形成されている。本形態のワーク２の外径は非常に小さくなっており、たとえば、ワーク２の外径は、０．１ｍｍ〜０．５ｍｍとなっている。また、ワーク２の長さは、たとえば、２０ｍｍとなっている。ワーク２は、その長手方向（軸方向）と左右方向とが一致するようにワーク把持機構５に把持されている。

レーザ発振器３は、平行光であるレーザ光ＬＢを射出する。このレーザ発振器３は、レーザ光ＬＢを左側に向かって射出するように、熱処理装置１のフレーム１１に固定されている。レーザ光ＬＢの光路上では、レーザ発振器３と集光レンズ４との間に反射ミラー１２が配置されている。反射ミラー１２は、レーザ発振器３から左側に向かって射出されたレーザ光ＬＢを下側へ反射する。フレーム１１には、反射ミラー１２で反射されたレーザ光ＬＢが通過する筒状部材１３が固定されている。筒状部材１３は、細長い略円筒状に形成されており、上下方向を軸方向としてフレーム１１に固定されている。レーザ光ＬＢは、筒状部材１３の内周側を通過する。集光レンズ４は、筒状部材１３の下端側の内周面に固定されており、反射ミラー１２で反射されたレーザ光ＬＢを集光する。

ケース体８は、上下方向に細長い略直方体の箱状に形成されている。このケース体８は、所定の固定部材等を介してフレーム１１に取り付けられている。ケース体８の内部には、筒状部材１３の下端側部分が収容されており、集光レンズ４もケース体８の内部に配置されている。ケース体８の右側面には、ワーク２の左端側部分が挿通される挿通孔が左右方向へ貫通するように形成されている。

ケース体８の上端側には、継ぎ手１６が配置されている。継ぎ手１６の内周側は、ケース体８の内部に連通している。継ぎ手１６には、配管１７の一端が接続されており、配管１７の他端には、ガス注入機構９が接続されている。すなわち、ガス注入機構９は、継ぎ手１６および配管１７を介してケース体８に接続されている。本形態のガス注入機構９は、ワーク２の熱処理時にアルゴンガスをケース体８の内部に注入する。なお、ガス注入機構９は、たとえば、窒素ガスやヘリウムガス等のアルゴンガス以外の不活性ガスをケース体８の内部に注入しても良い。

ワーク把持機構５は、ワーク２の右端側部分を把持する把持部と、左右方向を回転の軸方向として（すなわち、ワーク２の長手方向を回転の軸方向として）把持部を回転させる回転機構と、把持部および回転機構を左右方向へ直線状に移動させる移動機構とを備えている。ワーク把持機構５に把持されたワーク２の左端側部分は、ケース体８の右側面に形成される貫通孔を通過してケース体８の内部に配置されている。すなわち、ワーク２は、ケース体８の右側からケース体８の内部に挿入されている。

また、ワーク２の左端側部分は、筒状部材１３の下端よりも下側に配置されている。すなわち、ワーク２の左端側部分は、集光レンズ４よりも下側に配置されている。本形態では、集光レンズ４で集光されるレーザ光ＬＢの、焦点ＦＰからずれた部分がワーク２に照射される。具体的には、集光レンズ４で集光されるレーザ光ＬＢの、焦点ＦＰよりも下側の部分がワーク２に照射される。すなわち、焦点ＦＰに集光した後のレーザ光ＬＢがワーク２に照射される。

温度計６は、たとえば、放射温度計である。この温度計６は、前後方向の一方側から、ワーク２の、レーザ光ＬＢが照射される部分の温度が計測可能となるように、所定の固定部材等を介してフレーム１１に取り付けられている。また、温度計６は、前後方向の一方側からケース体８に接触するように配置されている。

以上のように構成された熱処理装置１では、ステンレス鋼で形成されるワーク２の固溶化処理を行うために、ワーク２にレーザ光ＬＢを照射してワーク２を１０００℃〜１１００℃に加熱する。ワーク２を加熱する際には、制御部７は、ワーク把持機構５を制御して、左右方向を回転の軸方向としてワーク２を回転させながら、ワーク２を左右方向へ移動させる。また、ワーク２を加熱する際には、ガス注入機構９からケース体８の内部にアルゴンガスが継続的に注入されている。

また、ワーク２を加熱する際には、制御部７は、温度計６での計測結果に基づいて、レーザ発振器３から射出されるレーザ光ＬＢの強度および射出時間の少なくともいずれか一方を制御する。具体的には、制御部７は、ＰＷＭ制御によってレーザ発振器３を制御しており、制御部７からレーザ発振器３へ出力されるＰＷＭ駆動信号のデューティ比を変えることで、レーザ発振器３から射出されるレーザ光ＬＢの強度を制御する。

なお、ワーク２を加熱する際、制御部７は、ワーク２にレーザ光ＬＢを照射して実際にワーク２を熱処理しているときのリアルタイムの温度計６での計測結果に基づいて所定の演算を行いながら、レーザ発振器３から射出されるレーザ光ＬＢの強度を制御する。あるいは、制御部７は、事前にワーク２にレーザ光ＬＢを照射することで事前に得られた温度計６での計測結果から算出される温度プロファイルに基づいて、レーザ発振器３から射出されるレーザ光の強度を制御する。予め算出された温度プロファイルに基づいてレーザ発振器３から射出されるレーザ光ＬＢの強度を制御部７が制御する場合には、たとえば、制御部７は、レーザ発振器３からのレーザ光ＬＢの射出開始からの経過時間に応じて、ＰＷＭ駆動信号のデューティ比を変えることで、レーザ発振器３から射出されるレーザ光の強度を制御する。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態では、ワーク２を加熱して熱処理するために、集光レンズ４で集光されるレーザ光ＬＢがワーク２に照射されている。したがって、本形態では、レーザ光ＬＢの、ワーク２に照射される部分のビーム径を調整することで、外径が非常に小さな細長いワーク２を加熱して熱処理を行う場合であっても、ワーク２の局所の加熱温度の制御を容易に行うことが可能になる。また、本形態では、温度計６での計測結果に基づいて、レーザ発振器３から射出されるレーザ光ＬＢの強度および射出時間の少なくともいずれか一方を制御部７が制御しているため、温度計６での計測結果に基づいて、ワーク２の局所の加熱温度の制御を精度良く行うことが可能になる。

本形態では、集光レンズ４で集光されるレーザ光ＬＢの、焦点ＦＰからずれた部分がワーク２に照射されている。そのため、本形態では、レーザ光ＬＢが照射されるワーク２の溶融を防止してワーク２の熱処理を適切に行うことが可能になる。また、本形態では、ワーク２を加熱する際に、ケース体８の内部にアルゴンガスが継続的に注入されているため、大気中でワーク２の熱処理を行う場合であっても、ワーク２の酸化を防止することが可能になる。

（他の実施の形態）
上述した形態では、集光レンズ４で集光されるレーザ光ＬＢの、焦点ＦＰよりも下側の部分がワーク２に照射されているが、集光レンズ４で集光されるレーザ光ＬＢの、焦点ＦＰよりも上側の部分がワーク２に照射されても良い。すなわち、焦点ＦＰに集光する前のレーザ光ＬＢがワーク２に照射されても良い。また、上述した形態では、ワーク２は、ステンレス鋼で形成されているが、ワーク２は、ステンレス鋼以外の鉄系金属で形成されても良いし、鉄系金属以外の金属で形成されても良い。また、上述した形態では、熱処理装置１は、鍛造加工前のワーク２を熱処理するための装置であるが、熱処理装置１は、鍛造加工以外の所定の加工が行われる前のワーク２を熱処理するための装置であっても良い。

１ 熱処理装置
２ ワーク
３ レーザ発振器
４ 集光レンズ
５ ワーク把持機構
６ 温度計
７ 制御部
８ ケース体
９ ガス注入機構
ＦＰ 焦点
ＬＢ レーザ光

Claims (4)

1. 細長い棒状または管状に形成される金属製のワークをレーザ光によって加熱して熱処理する熱処理装置であって、
   レーザ光を射出するレーザ発振器と、前記レーザ発振器から射出されたレーザ光を集光する集光レンズと、前記ワークを把持するワーク把持機構とを備え、
   前記ワークには、前記集光レンズで集光されるレーザ光の、焦点からずれた部分が照射されることを特徴とする熱処理装置。
2. 前記ワークの、レーザ光が照射される部分の温度を測定するための非接触式の温度計と、前記熱処理装置を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記温度計での計測結果に基づいて、前記レーザ発振器から射出されるレーザ光の強度および射出時間の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする請求項１記載の熱処理装置。
3. 前記ワークの、レーザ光が照射される部分が収容されるケース体と、前記ケース体の内部に不活性ガスを注入するガス注入機構とを備えることを特徴とする請求項１または２記載の熱処理装置。
4. 鍛造加工前の前記ワークを熱処理することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱処理装置。

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