JP2017150079A - ワークピース表面に対するレーザ硬化のための方法及びシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】レーザスポット5が表面エリアの複数の異なる部分に投影可能となるためにワークピースの表面とレーザ源との間で相対移動を生じさせる段階と、2次元の等価な有効レーザスポット5を表面エリアに生成するために、相対移動の間にレーザビーム5を繰り返しスキャンする段階とを備え、有効レーザスポット5のエネルギー分布は、高感熱性サブエリアの過熱を防止するために、潤滑油孔1003と隣接するエリアのような高感熱性サブエリアにおいて、低感熱性サブエリアと異なるように適合されるレーザ硬化の方法。
【選択図】図12A
Description
F. Vollertsen, et al., 「State of the art of Laser Hardening and Cladding", Proceedings of the Third International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing 2005 Munich, June 2005;
M. Seifert, et al., 「High Power Diode Laser Beam Scanning in Multi-Kilowatt Range", Proceedings of the 23rd International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics 2004;
S. Safdar, et al., 「An Analysis of the Effect of Laser Beam Geometry on Laser Transformation Hardening", Journal of Manufacturing Science and Engineering, Aug. 2006, Vol. 128, pp. 659-667;
H. Hagino, et al., "Design of a computer-generated hologram for obtaining a uniform hardened profile by laser transformation hardening with a high-power diode laser", Precision Engineering 34 (2010), pp. 446-452;
US-4313771-A;
DE-4123577-A1;
EP-1308525-A2;
EP-2309126-A1;
JP-2008-202438-A;
JP-S61-58950-A;
US-4797532-A.
表面エリアに有効レーザスポットを生成するために、レーザ源からのレーザビームを表面エリアに投影する段階であって、有効レーザスポットは、第1の方向において、硬化されるべき表面エリアの主要部分にわたって(例えば50%より多く、75%より多く、85%より多く、または90%もしくは95%より多く、例えば99%より多く、または100%もにわたって、及び、特に、例えば、表面エリアが、例えば少なくとも800μm以上の有効硬化深さが望ましい場合には、100%を超えないとしても、硬化されるべき表面エリアの主要部分にわたって)延在する段階と、
その後または徐々に、周方向において、表面エリアの複数の異なる部分に有効レーザスポットを投影するために、周方向において、クランクシャフトの表面とレーザ源との間の相対移動を生じさせる段階とを備え、
有効レーザスポットは、2次元エネルギー分布(レーザビームのエネルギーまたはパワーが有効レーザスポット内で分布する状態に関する)を有する。
レーザ源からのレーザビームを表面エリアに投影する段階と、
硬化されるべき表面エリアの周方向セグメントを硬化させるべく、その後、レーザビームを表面エリアの周方向において複数の異なる部分に投影するために、周方向において、クランクシャフトの表面とレーザ源との間の相対移動を生じさせる段階と、
硬化されるべき表面エリアの硬化が完了するまで、周方向セグメントの第1の方向における拡張を増大させるために、レーザビームを第1の方向に変位させる段階とを備える。
レーザスポットを表面エリアに生成するために、レーザ源からのレーザビームを当該エリアに投影する段階と、
ワークピースの表面とレーザ源との間で相対移動を生じさせ、それにより、レーザスポットが、その後、表面エリアの複数の異なる部分に投影されることを可能にする段階と、
2次元の等価なまたは仮想の有効レーザスポットを表面エリアに生成するために、相対移動の間、表面エリアの各部分にわたって、2次元でレーザビームを繰り返しスキャンする段階であって、有効レーザスポットは、エネルギー分布を有する段階とを備え、
高感熱性サブエリアの過熱を防止するために、エネルギー分布は、高感熱性サブエリアにおいて、低感熱性サブエリアと異なるように適合される。
A.レーザビームのパワーは、変調され(例えば、レーザスポットが高感熱性サブエリアにある場合に、レーザスポットが低感熱性サブエリアにある場合よりパワーが低くなるように。パワーを変調する段階は、パワーを一時的にゼロまたはゼロ付近に減少させる段階をも含む。)、及び/または
B.レーザビームのスキャン速度は、変調され(例えば、レーザスポットが高感熱性サブエリアにある場合に、レーザスポットが低感熱性サブエリアにある場合より、レーザスポットが、ワークピースの表面を高速で移動するように。スキャン速度を変調する段階は、レーザビームの移動を一時的に停止させる段階をも含む。)、及び/または
C.レーザスポットが高感熱性サブエリアに対応する場合に、低感熱性サブエリアに対応する場合とは異なるスキャンパターンに従うように、レーザビームのスキャンパターンは変調され(つまり、高感熱性サブエリアに対して、例えば、クランクシャフトの複数の潤滑油孔または複数のアンダーカットフィレットの、例えば複数の境界における過熱リスクを減少させるスキャンパターンが選択可能である)、及び/または
D.レーザスポットサイズが高感熱性サブエリアに対応する場合に、低感熱性サブエリアに対応する場合とは異なる(例えば、より大きい)ように、レーザビームのレーザスポットサイズは変調される(つまり、高感熱性サブエリアに対して、例えば、クランクシャフトの複数の潤滑油孔または複数のアンダーカットフィレットの複数の境界における加熱を減少させるスポットサイズが、使用可能である。例えば、レーザビームの焦点を外すことによってスポットサイズを増大させることで、レーザスポットの表面エリアの単位当たりパワー量が減少する)。
複数のデータセットを確立するために、レーザビームパワー及び/またはスキャン速度及び/またはセグメントの長さ及び/またはセグメントの方向のような複数のパラメータ値に関するエネルギー分布を(有効レーザスポットを確立するためにレーザビームスポットが従うべきスキャンパターンの複数のセグメントのような)複数のセグメントに割り当てる段階であって、各データセットは、硬化されるべき表面エリアに投影され、かつ、表面エリアに沿って変位される有効レーザスポットの特定の2次元エネルギー分布に対応する段階と、
複数のデータセットを格納する段階と、
表面エリアの低感熱性サブエリアを加熱するための複数のデータセットのうちの少なくとも1つに従ってエネルギー分布を適応させることによって、かつ、表面エリアの高感熱性サブエリアを加熱するためのデータセットの少なくとも他の1つに従ってエネルギー分布を適応させることによって、有効レーザスポットの表面エリアに沿った移動と同期して、有効レーザスポットのエネルギー分布を適応させるために、装置をプログラミングする段階とを備える、方法に関する。上述されたように、セグメント化アプローチにより、当業者は、適した複数の2次元エネルギー分布を容易に確立、試験及び選択することができ、硬化されるべきエリアの複数の異なるサブエリアにこれらを割り当て、例えば、複数の具体的なデータセットを潤滑油孔周りのエリアに割り当て、他の複数の具体的なデータセットをクランクシャフトの以前に硬化された部分と重複するエリアに割り当てる。
速度、ビームパワー及び/またはレーザスポットサイズは、複数の潤滑油孔近傍または複数のアンダーカットフィレット近傍の表面に適用される加熱エネルギー量を制限するために、選択(及び硬化加工中に、動的に適合)可能である。適切な硬化深さ及び質を得るために、スキャンは、繰り返し、かつ、好ましくは、例えば、10Hzより大きい、またはより好ましくは、50、100、150、200もしくは250Hzより大きい高周波数で実行されることにより、加熱されたエリア内における温度の大きな変動を回避することができる。図4A及び4Bは、クランクシャフト、すなわち、硬化加工における2つの異なる段階の間のクランクシャフトの主軸頸1001の部分の上面図である。クランクシャフトは、ワークピースキャリッジ(図示せず)内で、矢印によって示された方向に回転させられる。図4Aでは、参照番号2Aは、スキャンパターンを示す。レーザスポットは、実質的に矩形の経路2Aに従うように生成される。代替的な実施形態では、レーザスポットは、矩形を埋めるために、すなわち、矩形の表面全体に影響を与えるために、実質的に矩形のエリア2A内で、例えば、矩形エリア2A内で蛇行パターンまたは他のパターンに従って、スキャンされる。両方の場合において、スキャンは、ワークピース1001の表面に対するレーザビームの投影が、加熱の投影から、レーザビームが中空の矩形2Aまたは内部を埋められた矩形2Aの形態でそれぞれ投影されていたとしたら実現されていた加熱と、実質的に等価となる結果となるように、高速で実行される。図4Aでは、ワークピースが当該エリアにおいて中実であることから、レーザビームによって走査されたエリアは、低感熱性サブエリアである。ここで、図4Bでは、潤滑油孔1003は、レーザビームによって走査され得るセクションまたは部分に達している。潤滑油孔の複数の境界が過熱によって損傷を受け得ることから、かつ、孔に金属が存在しないことにより、そのエリアにおいてワークピースのヒートシンク性能が減少することから、潤滑油孔1003に直近のエリアは、高感熱性エリアである。つまり、レーザビームが、図4Aのような低感熱性領域に投影される場合と同様に、潤滑油孔1003に直近のエリアに投影される場合、潤滑油孔1003の複数の境界に損傷を与える過熱が生じ得る。従って、本発明のこの実施形態では、異なるスキャンパターン2Bは、ワークピースが図4B示される状況にある場合に用いられる。この場合に、レーザビームは、それぞれ、より大きい矩形2Bの形状である経路に従う、または、より大きい矩形2Bの輪郭を描かれたエリアを埋めるために、蛇行したパターンもしくは複数の複数の平行な線に従う。これは、レーザビームからのパワーがより大きいエリアにわたって広がる、つまり、過熱リスクを減少させることを示唆する。換言すると、スキャンパターンに関するレーザビームの変調は、過熱リスクを減少させるために、図4Bに示される状況では、図4Aに示される状況と異なる。明らかに、矩形パターンまたは矩形を埋める蛇行パターンを用いる必要はない。当業者は、当人が最も便利と考えるパターンを自由に用いることができる。例えば、ファイバレーザまたはレーザビームの高速オン/オフ切り替えを可能とする他のレーザが用いられる場合、複数の複数の平行な線を備えるパターンが使用可能であり、低感熱性エリアまたはサブエリアがスキャンされる場合、複数の線の間の距離は、高感熱性エリアまたはサブエリアがスキャンされる場合より小さくなり得る。あるいは、より好ましくは、複数の線の間の距離は、実質的に一定に保持され得るが、ビームパワー及び/または複数の線に沿うスキャン速度は、スキャン速度がより高くなるように、及び/またはビームパワーが高感熱性エリアにおいて低感熱性エリアより低くなるように、適合可能である。また、これらの複数のアプローチの組み合わせが、使用可能である。.複数の複数の平行な線に沿ってスキャンする場合、本発明の多くの実施形態では、複数の多角形のミラーが、使用可能である。.レーザスポットが従うパターンまたは経路を変更することに加えて、あるいは代案として、当業者は、クランクシャフトの複数の潤滑油孔1003の複数の境界のような複数の感熱性エリアの劣化が許容可能なレベルであるような適切な硬化を実現するために、レーザビームのパワー及び/またはレーザビームのスキャン速度、及び/またはレーザスポットのサイズ、及び/またはレーザスポット内のパワー分布を変更することを選択することができる。この種類の手段は、複数のアンダーカットフィレットまたは硬化の軌跡の端部におけるエリア、すなわち、基本的に、ワークピースが一度ほぼ360度回転したエリアのような、他の複数の感熱性エリアに対してもとることができ、レーザビームは、許容できない硬度低下につながる過剰な焼き戻し効果を回避するために、それによって以前加熱され、実質的に再加熱されてはならないエリアに近づく。図5A及び5Bは、本発明の代替的な実施形態に係る硬化加工の2つの異なる段階の間における、クランクシャフト、すなわち、クランクシャフトの主軸頸1001の部分の上面図である。図4A及び4Bに対して示されたものが、準用される。図5A及び5Bでは、スキャンパターンは、軸頸のほぼ全幅にわたって、実質的に複数のフィレット1004の1つから他の1つにまで拡張する。図4A及び4Bに示されるように、スキャンパターンは、潤滑油孔1003周りの高感熱性サブエリアにおいて、低感熱性サブエリアまたは潤滑油孔からさらに離れた領域(図5A参照)より低いパワー密度(図5B参照)であることを示唆するように設計される。この場合に、潤滑油孔1003周りのエリアがスキャンされている場合に、台形のスキャンパターンがより大きい高さであることによって、これが実現される。しかしながら、この場合、複数のフィレット1004と隣接するエリアも、例えば、複数のアンダーカットフィレットを用いることに起因して、感熱性エリアであると考えられる。つまり、スキャンパターンは、当該エリアにおいても低パワー密度 を与えるように構成される。これは、台形のスキャンパターンを用いることによって実現され、これにより、実質的に一定のスキャン速度で、矩形のスキャンパターンが用いられる場合より小さいエネルギーが複数のフィレット近傍で受けられる。図4A及び4Bの実施形態の場合と同様に、レーザビームは、図5Aまたは5Bに示された台形2Cおよび2Dの輪郭に従うことができ、または、これは、例えば、複数の台形内の蛇行した経路または複数の台形内の複数の線に従って、複数の台形をカバーしまたは埋める。これらの複数のパターンが複数の例に過ぎないことは当業者にとっては明白であり、その当業者は、方法及びシステムを特定のワークピース設計に適応させる場合に、無数の適用可能な複数のパターンの中から選択することが可能である。図6Aは、矩形断面を有し、かつ、高パワー密度の先端部分2E及び低パワー密度の末端部分2Fを有する仮想レーザスポット5の上面図である。仮想レーザスポットは、矩形エリアをカバーする蛇行したパターンに従う、より小さい現実のレーザスポットを繰り返しスキャンすることによって得られる。この場合に、高パワー密度は、矩形エリアの第1の部分において密な蛇行パターンを用いることによって得られ、矩形エリアの第2の部分において疎な蛇行パターンを用いることによって得られる。矢印は、ワークピース表面が仮想レーザスポットに対して移動する方向を示す。このように、加熱されるべきワークピースの部分は、最初に仮想レーザスポットの先端境界によって影響され、つまり、表面エリアの比較的大量の単位当たりパワーを受ける。これは、高速加熱には有利であり、レーザ硬化の場合に、ワークピースの部分がオーステナイト化温度範囲に高速で達することを意味する。これは、所与のレーザビームパワー及び加熱されるべき表面の所与の移動速度に対して、ワークピースの加熱されたエリアが、オーステナイト化温度範囲に、またはそれより上の温度で、パワーが仮想レーザスポットにわたって均等に分布する場合より長い時間保持され得ることを意味する。パワーが均等に分布したとすれば、表面がオーステナイト化温度域に達するためにより長い時間がかかったこととなる。図6Bは、蛇行したパターンを用いる代わりに、レーザスポットが複数の複数の平行な線に従うことにより、(仮想のまたは等価な)有効レーザスポット5を形成する代替的な実施形態を示す。高パワー密度の先端部分2Eにおける複数の線に沿って、レーザビームのパワーがより低い及び/またはスキャン速度がより高い、低パワー密度の末端部分2Fと比べて、レーザビームのパワーはより高く、及び/またはスキャン速度はより低い。このように、有効レーザスポット5全体で、所望のエネルギー分布が得られる。複数の線の代わりに、あらゆる他の種類のスキャンパターンが、所望の2次元エネルギー分布を与えるために使用可能である。例えば、複数の高感熱性領域またはクランクシャフトの複数の潤滑油孔付近のような複数のエリアにおいてより小さいエネルギーを適用するために、レーザビームの高速オン/オフ切り替え及び/またはパワーの急速な変化を可能とするレーザを用いて、硬化されるべき表面の複数の特徴に従って適合可能な、非常に正確なエネルギー分布を可能とする非常に複雑な複数のパターンが、使用可能である。例えば、ファイバレーザは、例えば、「ピクセル」アプローチを用いることによって、この種類のエネルギー分布を実装するために役立つ可能性があり、これにより、非常に特定の複数のサブエリアは、所望の2次元エネルギー分布に従って加熱される。複数の平行な線に沿って高速スキャンを行う場合、当技術分野において公知であるように、複数の多角形のミラーが使用可能である。図6Cは、3つの異なる部分を備える有効レーザスポット5を示し、当該部分が、すなわち、スキャンパターンの複数の線を備える第1の部分2H、このような複数の線を全く有さない第2の部分2I、及びスキャンパターンの複数の線を備える第3の部分2Jを備える。第1の部分2Hは、任意に、より高いエネルギー密度の先端サブ部分2E、及びより低いエネルギー密度の末端サブ部分2Fを備えることができる。一方で、第1の部分2Iにおけるエネルギー密度は、順番に第2の部分2Iのエネルギー密度よりも高くすることができる第3の部分2Jのエネルギー密度よりも高くすることができ、エネルギー密度がゼロまたはゼロ付近である。有効レーザスポット5、および/またはラインの異なるセグメントにおけるレーザビームのオン/オフ切り替えに繰り返し、スキャンパターンのラインの全てに沿ってレーザビームを走査する走査速度及び/又はビームパワーを適合させることにより得ることができます所望の電力やエネルギー分布パターンに応じてエネルギーを分散するようになっている。加熱が行われない第2の部分に起因して、スキャンパターンの第1の部分2Hは(主要なサブ部分2Eでできるだけ速やかに1400℃オーダのような高温に被加工物の表面温度をもたらすように選択することができる)、適切に有効なレーザスポットとの間の相対運動の方向に第1の部分2Hの長さを選択することによって、(所望の硬化深さを達成するのに十分な時間の間それを維持するために高パワー密度の速度を考慮した加工物の表面は、)相対移動は、第二の部分2Iは、自己焼き入れとして、加熱された部分を冷却することによって焼入れを可能にすることができ、第3の部分2Jは、硬化されたエリアを焼き戻しするように、400−500°Cオーダのような温度にワークピースを加熱するための適切なスキャンパターン、ビームの速度及びパワーを特徴とすることができる。このように、焼入れ焼戻しは、硬化及び焼戻しするずれや表面上の有効レーザスポット5の掃引の1つだけの段階の間に続いて行うことができる。これは、焼入れおよび焼戻しの完全な配列をスピードアップするのに役立つことができる。(表面が加熱される温度は、使用される鋼の種類とその組成に、例えば、被加工物の材料に依存する。1400°Cの値は、一例としてのみ記載
されたものである。) 図6Dは、概略的に、各ラインが5つのセグメントまたはピクセル51A、51Bを備える6つのライン51を有するスキャンパターンを示す。各セグメントに対して、レーザビームが硬化加工中に動的に変化可能な所望のエネルギー分布に従ってオン(セグメントまたはピクセル51A)またはオフ(セグメントまたは画素51B)になる。つまり、図6Dのレイアウトは、このように6x5のピクセル化を示し、市販のレーザ及びスキャンシステムによって容易に入手可能である。オン/オフの高速切り替えを可能にするレーザ、例えばファイバレーザの使用は、所定のスキャン周波数のスキャンパターンの画素数を増加させることができる。50Hz又は100Hz以上などの特定のスキャン周波数で達成可能な複数の線の数は、使用されるスキャン手段によって異なる。代わりに、または単にレーザビームをオン及びオフすることに加えて、他のレーザビームのパワー状態、つまり、使用可能な最大パワー、ゼロ(またはゼロに近い)パワーとの間で異なる電力レベルが使用可能である。異なるセグメントに対応したパワー状態は、メモリに格納することができ、例えば、セグメントの一つまたは複数に割り当てられた電力レベルを低減することにより油潤滑孔に隣接する領域におけるエネルギー密度を低下させるように動的に硬化プロセスの間に必要に応じて変更することができる。このセグメント化またはピクセル化のアプローチは非常に実用的であり、ユーザがパワー状態の異なる組み合わせを試みることによって、望ましい結果を提供する組み合わせを見つけるまで、効果的なレーザスポット全体で適切なエネルギー分布、つまり、ビームが異なるセグメントで持つべきである電力を検索することができる。レーザは、異なるパワー状態またはレベル間の迅速な切り替えを可能にしている場合、多数のセグメントが毎秒完了可能であり、実質的な温度変動を回避するためにスキャンパターンの繰り返し、十分に高い速度を可能にする一方で、同時に、セグメントの合理的な量に対応する。例えば、レーザがパワー状態の変更を毎秒1000回可能とする場合は、100Hzのスキャンパターンの繰り返し周波数は、10セグメントを有するスキャンパターンと組み合わせることができる。
図7Aは、図3に示すシステムの変形例において主軸頸1001を通る断面図である。ここで、レーザ光源は、わずかにX軸に沿って主軸頸1001の対称の垂直面に関してオフセットされている。これは、βの角度を走査する際のレーザビームは、この場合には約90度である角度γ1、この場合、実質的に90度より小さい角度γ2との間に、異なる角度で被加工物の表面に到達することを意味する。スキャン速度及びパターンがスキャン全体にわたって一定である場合、ビームのパワーは、同様に一定に保たれる。これは、表面エリアの単位あたりのパワー密度が、(つまり、回転体より、末端境界でのより低いスキャン中にレーザビームによって走査されるエリアに入る)より小さな角度γ2に、より大きな角度γ1に起因して、先端境界で高くなることを意味する。図6Aに関連して説明したように、この構成は、表面温度が急速にオーステナイト化温度域に到達することを助長することができる。図7Bは、図3の角度αに応じて、つまり、レーザ光が安定に維持されるか、X軸に垂直な平面に平行にのみスキャンされる別の構成を示す。この場合、対称面に関してレーザビームのオフセット位置は、レーザビームが90度よりも実質的に小さい角度γの下表面に当たることを意味する。これは、2つの効果を有し得る。第1に、スポットの面積は、それが大きな面積にわたってレーザ光のパワーが広がるように有利であることができる、大きさになる。また、(Y軸方向における)レーザビームの厚さは、それが無視できるほど小さくない場合には、スポット、及びスポットの末端境界における対応する角度のレーザビームと先端の加工物の表面との間の入射角の差が存在することになる。これにより、先端境界でより高いパワー密度を、スポットに入る表面の急速加熱の上述の効果が達成できることを意味する。この実施形態は、例えば、有利には、固定された光学略矩形レーザスポットを提供して使用することができる。さらにまたは代替的に、この概念は、レーザスポットの直径又は幅に対応する幅を有する仮想矩形の確立、X軸に平行な一次元走査と組み合わせて使用され、長さがX軸に平行なレーザビームの走査に対応することができる。レーザスポットのサイズを大きくするために、同様のアプローチが硬化される表面領域は平坦又は非円形である場合に行うことができ、それがフラット領域と垂直にならないようにレーザビームが平坦な領域に投影することができる。時々、それは非常に小さな角度を除いて、レーザで到達することが困難である表面を硬化することが望ましい。例えば、クランクシャフトの場合には、主軸頸の面とロッド軸頸から略垂直に延びる壁面1005は、多くの場合、図2のような構成のレーザ光源1から出射されたレーザ光を平行にする。光が表面に対して小さな角度で受光したレーザは、大きい角度、例えば90度で、すなわち、表面に対して垂直に受光されたレーザ光よりもよく吸収される傾向がある。これは、それらの表面での電力の吸収率を低下させる、およびそれらの硬化がより困難かつ/またはエネルギーを消費する傾向があることができる。しかしながら、吸収も偏光に依存する。つまり、レーザビームは、電力の逆の偏光吸収を、(その表面に関して90度である)の表面に対して垂直に向けられているときに電力をより良く吸収され、一方の偏光(S又はP)のために、、レーザビームは、ほとんど表面と整列ビームの方向と、そのようなゼロに近い角度、即ち、小さい角度で表面に向けられる。このような壁は時々かなり大きく、かなり短い軸頸で分離されているクランクシャフトなどのワークピースの場合、少なくとも軸頸に近い壁の一部に対して、図2のような構成は、比較的小さな角度で壁1005にレーザ光を投射する必要がある。図8は、レーザ光源1の一部として使用することができる偏光システム4を示す。これは、このようなs偏光2'およびp型に入射レーザビームを分割する偏光キューブとしてビーム分割偏光子41を含み、その1つは、次に、例えば、表面を硬化させるために使用することができ、偏光ビーム2''は、メインジャーナル1001とロッドジャーナル1002との他方は、壁1005の表面を硬化させるために使用することができる。ミラー42,43及び44は、s偏光2 'およびp偏光2'が実質的に平行になるようにこれらを再調整するために使用可能である。図9は、概略的に、コンピュータの入力を有する、キーボードおよび/またはマウス、およびコンピュータ画面102のような手段101、例えば、パーソナルコンピュータまたは他のプログラマブルデバイス又は手段としてコンピュータ手段またはシステム100を示す。スキャンパターン2Gは、画面上に示されている。この場合に、スキャンパターンは、セグメントA、B、C、D、E、F、GおよびHの複数を含む多角形である。図示の実施形態では、セグメントは、多角形、すなわち、八角形を形成する。しかしながら、より大きな又はより小さな数のセグメントを使用することができ、セグメントの一部またはすべての代わりに真っ直ぐで湾曲することができ、セグメントは、多かれ少なかれ平行な複数のラインのような他の方法で分布可能である。コンピュータシステムは、オペレータが画面上のカーソルを移動させることにより、例えば、マウスまたは他の入力手段を使用することにより、例えば、パターンのレイアウトを変更することができるように配置することができる。代案として、タッチセンシティブスクリーンを使用することができる。ユーザがセグメントをタッチすることにより、それらの位置、方向および/または長さを変更することで、パターンの形状を操作することができる。パターンの形状は、二次元のエネルギー分布を持つ仮想のまたは等価な有効レーザスポットを生成するために、例えば、硬化されるべき表面をスキャンする際に、レーザスポットが描く経路を表す。画面上において、複数のラインA-Hの各々は、それぞれ、セグメントA-Hの一つに対応する。ラインA-Hの各々は、セグメントA-Hの対応する1つに関連したレーザスポットの特性、例えばスキャン速度の範囲を示す。図示の実施形態では、各ラインの隣の矢印、すなわち、スキャンパターンに従って、レーザスポットは、対応するセグメントに沿って移動する速度をセグメントに対して選択された特定のスキャン速度を示す。この場合、最高スキャン速度はセグメントAおよびEに割り当てられて、幾分低い高スキャン速度がセグメントC及びGに割り当てられており、より低い走査速度は、セグメントB、D、H及びFに割り当てられる。本発明の他の実施形態では、別のセグメントに異なるスキャン速度を割り当てること加えて、またはその代替として、異なるレーザビームパワーは、「オン」にレーザビームを選択することによって、または「オフ」として、異なるセグメントに割り当てることができ、または別の利用可能な電力状態で(例えば、10%、25%、50%、75%、または最大電力の90%)、所望のエネルギー分布に応じて、異なるセグメントに対する。セグメントは、スキャンスポットの中心に続く経路を示すことができ、スキャンスポットは、例えば、セグメントA及びCの半分の長さに対応する直径を有することができる。その場合、スポットがセグメントa-hによって経路を決定するたびに、セグメント内のエリア全体を直接レーザによって加熱された場合、同様に領域の一部として外部の距離までのセグメントは、レーザスポットの直径の半分に相当する。八角形2Gは、例えば、代わりに長方形の2A/ 2Bまたは図4および図5の実施形態における台形2C/ 2Dを使用することができる。この場合、例えば、セグメントCおよびGにおけるより高いスキャン速度は、アンダーカットフィレット1004のエリアに対する過熱を防止するの助長可能な潤滑油孔1003のエリアで加熱し、セグメントAおよびEで増加速度を低減することができる。また、コンピュータシステムは、プログラムすることができ(たとえば、1つのリモート油潤滑孔からエリアが走査されているパターン2Gの種類、パターンの他の種類を使用するように、異なるおよび/または異なる配向セグメントを有するパターンおよび/または隣接する領域は、あるいは潤滑油孔は、一部またはすべてのセグメントに割り当てられた異なる速度又はビームパワーを含む)でスキャンされる。例えば、潤滑油孔の周囲のエリアが異なる速度(および/またはビーム出力)でスキャンされているか否かに応じて、セグメントC及びgにおいて、セグメントの同一の輪郭を使用することができる。このシステムは、例えば、スキャンパターン(形状、スキャン速度、レーザビーム強度、レーザスポットサイズ等)のトライアルアンドエラーが可能であり、ワークのレーザ焼入れを行うと変更することにより、結果に応じて、1つ以上のセグメントに対して、走査パターン2Gの試行錯誤の適応を可能にするために温度計と一緒に使用することができる。また、あるいは代案として、コンピュータシステム100は、異なるセグメントa-hに割り当てられる走査速度から(および/またはそのようなレーザ光のパワー、レーザのスポットサイズ、等のような他のパラメータ)、短い時間でユーザが有用であることが示されるパターン構成を見つけることができるように、選択されたパターン2Gからもたらされる加熱をシミュレートするシミュレーションソフトウェアを提供することができる。シミュレーションの結果は、例えば、スクリーン102上に表示することができる。次に、ユーザは、パターン2Gと異なるセグメントに割り当てられたパラメータを動的に変更し、得られた加熱を観察することができる。このツールは、異なるセグメントに割り当てられた適切なパラメータ値を使用して、適切なスキャニングパターンを見つけるべく、所与のワークピースの設計に対して、容易に事前設計するために役立つことがある。例えば、この種類のシステムは、有利には、動的に適応するパターンのパラメータ(その形状及び寸法、例えば、拡大またはセグメントを短くすることによって)、例えば、および/またはパワー密度(例えば、レーザ光のパワーの内容を変更することによって)、パワー(走査速度を変更することにより)、例えば、レーザスポットの速度、などの各セグメントに関連するパラメータ、レーザビームと表面との間の入射角を変化させることによってデフォーカス集束レンズを変位させることなどによってレーザスポットのサイズを変化させることによって、および/または、例えば、所定のクランクシャフトに適したスキャンパターンまたはスキャンパターンを見つけるために使用することができる。本発明のいくつかの実施形態では、レーザビーム内のパワー分布を適合させることもできる。本発明のいくつかの実施形態では、図6(d)のいずれかに沿った特定のスキャンパターンのようなものを選択することができ、エネルギー分布の適合は、各セグメント51A、51Bに割り当てられる光パワーおよび/または走査速度を選択することによって確立することができる。セグメントの数を増加および/またはセグメントの長さを減少させることによって、一方では、パターン輪郭の生成を可能にする、走査パターンのセグメントベースの定義のこの種を使用して、および/またはその配向および/または位置を修正し、選択し、別の電源または、スキャン速度、ビームパワーおよび/または各セグメントのスポットサイズの値としてエネルギー関連パラメータの値を割り当て、容易に加熱されるべき表面の異なる部分に対する十分な加熱を得ることができるという知見が得られた。このようなクランクシャフトの潤滑油孔1003に隣接する領域として高感熱性サブエリアは、例えば、適切に処理されることができる。他のパラメータを、高感熱性エリアのために、より低感熱性サブエリアの両方(スポットに従う経路の点で)に、同じスキャンパターンを使用するものの、適応させることによって、例えば、より多くの熱敏感な部分の過熱を回避するために、(より低い光パワーなど、および/または)より高いスキャン速度を有する選択されたセグメントを選択することによって、セグメントCおよびGで速度を増加させる図9の場合には、中央にレーザビームをパターン2Gに従ってスキャンされる軸頸に渡って配置された潤滑油孔1003に対する過熱を低減するのに役立つ。図6Dの場合、中央セグメントのいくつかに低い(例えば、ゼロとして
、またはゼロに近い)ビームパワーを割り当てる際に、パターン、図6Dの矢印によって示唆さ方向に、ライン51の51Bの中心部を通って潤滑油孔を通過する時に過熱を防止するのを助けることができる。スキャンパターンと異なるサブエリアに関連付けられたパラメータ値の異なるセットを使用することにより、図5Aによって示唆されるように、例えば、クランクシャフトの回転中に、軸頸が、図9のレイアウトを有するスキャンパターンと、スキャンすることができる。レーザ光は、このように潤滑油孔に隣接する領域に対する過熱リスクを低減するために、より高速に、これらのセグメントをスキャンするようにするとき、潤滑油孔1003に達するか、スキャンされている表面の部分に接近すると、セグメントC及びGに関連する速度値は、変更することができる。セグメントの長さと方向を変更することによって、例えば、パターンの形状を変更することにより、さらにセグメントを除外することによって、処理されることができる。例えば、スキャンパターン2Gのセグメントgは、ワークピースの全回転中に、省略され得るか、潤滑油孔を含むワークピースに隣接する領域をスキャンするとき、または、その場合には、レーザスポットは、セグメントA、B、C、D、Eの上セグメントFまで、そしてその後のセグメントF、E、D、B及びCを介して、即ち、反対方向に戻り、セグメントHの端に到達するまで区間hからの経路をたどることができる。つまり、したがって、コンピュータシステムは、セグメント化されたスキャンパターンに基づいて、レーザ光の制御を提供し、ここでの異なる値、例えば、スキャン速度(すなわち、その経路に沿うレーザスポットの移動速度)、レーザビームパワー、及び/またはレーザスポットサイズが、異なるセグメントに割り当てられ、感熱性部分への損傷を低減するべく、損傷や危険を伴う表面の十分な硬化のために、スキャンパターンを適応させることにより表面の最適化されたエネルギー分布と最適化された加熱を提供する上で有用であり得る。上述された説明は、主に、スキャン速度について説明したが、レンズを移動させることにより、明らかに、加熱はまた、例えば、デフォーカスなどにより、レーザビーム、またはパワー密度の電力を変更することによって変更することができる。しかしながら、現存のレーザスキャン手段の多くに対して、速度を変更することは好ましい選択肢であってもよい。レーザを使用した場合のパワーを変更する、オン/オフ切り替えやビームのパワーの急激な変化に(例えば、現在および「オン」と「オフ」との間で変化させるため、約100マイクロ秒を必要とする多くのファイバレーザなど)を高速で可能にするレーザビームは、例えば、オンとオフを切り替えることによって、スイッチング時間が短縮される傾向から、ますます興味深い選択肢となる。仮想レーザスポットを提供するために(このような急速に図9、または図6dの一つとして、このようなセグメント化の有効レーザスポットのパターン2G以下の領域をスキャンすることで、「八角」レーザスポットなど)、高周波、高速でスキャンがで実行されなければならない。例えば、実際の実施形態において、レーザビームは、例えば、8ミリ秒の期間内のセグメントa-hに沿ってスキャンサイクルを完了することができる。多くの場合、このような低速オン/オフ切り替えのダイオードレーザまたは他のレーザを使用するときのように、それぞれ、すべてのセグメントで適切なレベルでそれを配置することが急速に十分な光のパワーを変更することは困難またはコストがかかる可能性がある。それは多くの場合、市販のスキャンシステムの容量の範囲内であるスキャン速度を変更することにより、より実用的になる。しかしながら、パワーレベルの切り替えのためのレーザ性能に応じて、ビームパワーの調節が好ましい。図9のスキャンパターンは、相互接続されたセグメントのセットを備える。しかしながら、使用されるレーザ及び/又はスキャン手段の種類に応じて、非相互接続されたセグメントを使用することができる。例えば、スキャンパターンは、線または点または複数の画素を含むことができる。ファイバレーザのようなレーザがオン/オフ切り替えを高速にするために可能に使用される場合、この種のスキャンパターンのがしばしば好ましい。それにより、非常に複雑で洗練されたパターンが、スキャンされている領域におけるエネルギー分布の非常に正確な選択を可能にするために、使用することができる。つまり、システムは、クランク軸における正確さ、例えば感熱性エリアのような存在を考慮して必要とされるエネルギー分布、油潤滑孔を提供するように調整することができる。図10は、スキャンパターン2GのセグメントA-Hの各々に割り当てられた第1及び第2のコンピュータメモリ110,120を概略的に示し、複数の列を有するメモリマトリクスを構成する各記憶エリアは、各列が一つのメモリ位置を含むコンピュータシステム100に関連する。列は、以下のデータを含むことができる。走査パターンのセグメント列111および121内のデータ、すなわち、パターンの形状を定義することができる(例えば、各セグメントの開始点と終了点など)セグメントの配置。走査速度列112および122内のデータは、レーザスポットが走査パターン又は経路の対応するセグメントに沿って移動する速度で、すなわち、各セグメントについて、そのセグメントに関連付けられた走査速度を定義することができる。ビームパワー列123および133内のデータはつまり、レーザ光のパワーは、それが対応するセグメントに沿って移動するように、各セグメントは、ビームパワーのために、定義することができる。スポットサイズ列114および124内のデータは、対応するセグメントに沿って移動するように、セグメントごとにレーザスポットのサイズ定義することができる。電動フォーカスレンズを移動させることによって、または、システムのZ軸、従ってスポットの大きさと、単位面積あたりの電力密度と並行してレーザ光源を移動させることにより、例えば、/集束レーザビームをデフォーカスすることによって、変更することができます。これは、オフ設定で示唆され、例えば、図7Aおよび図7Bを数字としてのレーザ光を、例えば、表面にレーザ光の入射角を変更することによって達成することができます。本発明のいくつかの実施形態では、唯一のこれらのコンピュータのメモリ領域、つまり、速度、ビームパワー、スポットサイズは、プロセス全体を通して一定にすることができる。他の実施形態では、例えば、潤滑油孔1003として、動的にワーク1000の表面とレーザ光源2との間の相対移動中に走査を変更するために使用できる2つまたはこれらのメモリ領域をより多く、ポインタ130がある。これは、走査される表面の部分、第1の走査パターンに近づく(パラメータ値の、その関連するセットと、例えば、走査速度、レーザビームのパワー、レーザスポットサイズおよび/または入射角のための)第一のメモリによって定義されますで過熱を防止するために領域110には、第2の記憶領域120によって定義される(走査速度、レーザビームのパワーおよび/またはレーザスポットサイズ等のパラメータ値の、その関連するセットを有する)は、潤滑油孔の縁において、第2の走査パターンで置換することができる。例えば、第二の走査パターンは、高い走査速度および/またはより低いレーザ光パワーを有し、および/または第1の走査パターンと比較して、スキャン中の潤滑油孔が横断するセグメントに関連する大きなレーザスポットサイズができる。
本発明のいくつかの実施形態では、列111−114の1つまたはいくつかが存在するであろう、またはプロセスのさらなる態様に関連するデータを特定する複数の列があってもよい。本発明のいくつかの実施形態では、走査速度、レーザスポットサイズおよびレーザ光パワーの1つまたは二つは、異なるセグメントとパターン間で変化する。いくつかの実施形態では、プロセス全体を通して一定のままで、一つのメモリ領域110のレーザスポット、ならびにそれに関連するパラメータ値に従う経路とが存在してもよい。図11は、複数の本発明の代替的な実施形態に係る各コンピュータの記憶領域140、150がメモリ位置141ピクセルまたは領域のセグメントに対応してスキャンする、2つのコンピュータのメモリ領域を概略的に示す。各メモリ位置は、レーザ、または特定の電力レベルを示す値のオンまたはオフ状態を示す値として、レーザパワーを示す電力状態値を含むことができる。つまり、(例えば、上のエリア前記レーザビームが伸びる平行な複数のラインに追従させることによって)走査される領域の上にレーザビームを走査すると、レーザ光をオン・オフに対応するメモリ位置の値に応じてすることができる。本発明のいくつかの実施形態では、各メモリ位置は、走査パターンの「行」に対応することができ、そして本発明の他の実施形態では、各メモリ位置は、ラインの部分またはセグメントに対応することができるピクセル化エネルギー分布ができるように達成される(例えば、セグメント化またはピクセル化エネルギー分布を有する走査パターンの例を図6Dに示される)。本発明のいくつかの実施形態では、各メモリロケーションは、割り当てられた(例えば、オン/オフおよび/または中間の電力レベルのような)異なるレーザパワーレベルを有するサブセグメントにスキャンされるピクセル化または領域の分割の詳細レベルに対応することができ、それらは、走査速度及びレーザのオン/オフの切り替えのための能力のような特徴に依存することができる。ただ、図10に示す実施形態の場合のように、ポインタ130は、従って、例えば、スキャンされた領域の特性に応じてエネルギー分布を適合させる、1つの走査パターンの種類と他の間で切り替えるために使用することができるように、潤滑油孔の存在が考慮される。図11によって示唆された20×20のピクセル化は、単に一例であり、行と行あたりのピクセルの他の任意の適切な数を使用することができる。例えば、行数は、与えられた走査周波数のために、走査手段の速度と、走査周波数(すなわち、走査パターンが繰り返される頻度で)、そして行当たりのピクセルまたはピクセルの数によって制限され、行数は、レーザのオン/オフ切り替え上の容量によって制限され得る。例えば、オン及びオフを切り替えるために100μSを必要とするレーザの場合、すなわち、1サイクル、かつ効果的に完了するために、100ヘルツの走査周波数と5線の走査パターンを用い、200μレーザスポット、1ラインあたりの画素数は約10であることがでる。図12A−12Cは、有効レーザスポットのエネルギー分布を潤滑油孔に適応するように適合させることができる方法を示す。潤滑油孔1003は、クランクシャフトのジャーナルの表面に配置され、表面は、クランクシャフトの回転軸と平行な第1の方向、そして第2の周方向Wにに延びる。図12Aでは、より高い電力密度及びより低い電力密度の末尾部分2Fと先端部2Eを有する略矩形状の等価な有効なレーザスポット5が使用される。しかしながら、油潤滑穴1003は、例えば、クランクシャフトの表面により起因するレーザ光源との間の相対運動に効果的なレーザスポットに接近すると、図12Bに示すように、その長手方向軸の周りにクランクシャフトの回転エネルギー分布実質的に油潤滑穴1003に隣接する領域の過熱を避けるように、先端部2eの中心に向かって力またはエネルギー密度を低減することによって適合される。ここでは、有効レーザスポットは、実質的にU字形である。続いて、油潤滑穴1003が主要部2Eを通過した後に、主要部の元のエネルギー分布は、油潤滑穴1003に適応するように適合されているトレーリング部分2Fにおけるエネルギー分布に対し、末尾部分の中心に向かって、エネルギーまたは電力密度を低減することによって、復元される。ここでは、有効レーザスポット5は、実質的に、本発明のいくつかの実施形態では、異なるセグメントに割り当てられた電力状態を図6Dのいずれかを使用して行に分割またはピクセル化を使用して得られ、適応することができる(逆U字型を採用していますようにする)効果的なレーザスポットの対応する形状を提供することを目的とする。すなわち、潤滑油孔が有効レーザスポットを通過しながら油潤滑孔に隣接する複数の感熱エリアに少ないエネルギーを印加するように、エネルギー分布が適合されている、どのような表面に適用されるよりも、潤滑油孔から離れて硬化される。潤滑油孔の周囲には潤滑油孔に隣接してより多くの感熱性サブエリアを損なうことなく硬化させることができる。U字型の有効レーザスポットの横の部分は、潤滑油孔の両側エリアを硬化するのに役立つ。図12A−12Cに示されるエネルギー分布の変化は、例えば、および/またはビーム出力は、例えば、方法を適合させることにより(走査パターンに沿って分配される方法を適合させることにより、走査パターンを適合させることにより得ることができる。ここで、レーザビームは、及び/又は走査パターン、等の異なるセグメントに対応して走査速度を適応させることによって)走査パターンの異なるセグメントの間にスイッチオン及びオフされる。図13は、エネルギー分布が油潤滑穴1003の上に配置されていない油潤滑孔の側面1003Aに複数のエネルギー5Aを適用することにより、考慮に油潤滑孔1003の傾きを取るように適合され、少なくされる様子、油潤滑孔がクランクシャフトの本体に向かって延びている側に、すなわち、油潤滑孔の上に配置される油潤滑孔の側面1003Bへのエネルギーを概略的に示す。これは、例えば、正確に走査パターンの異なるセグメントに割り当てられた電力状態を選択することによって得られる。エネルギーの適用の違いを考慮したことに伴う図13の右側に向かって下方に延びる油潤滑孔の存在に、導電性材料の不在は、油潤滑孔1003の右側に適用される熱の容量を減少させることを要し、加熱された領域から離れて行われる。それは左側1003Aよりも、図13の油潤滑孔の右側1003Bに厚い硬化層のために提供するであろうと基本的に、エネルギーの無駄にあたる両側に同量のエネルギーを適用する。それは、硬化層の最小厚さの要件を遵守する必要性に達するが、しかし、硬化層の最も薄い部分は、要件を満たす。つまり、油潤滑孔1003の右側の硬化層を余分な厚く作ることは、設計により設定された要件を満たすことに関して、単にエネルギーの無駄を何ら意味するものではない。また、両側に同量のエネルギーを適用する辺の一方は、過熱リスクを意味する可能性がある。このリスクは、油潤滑孔の内壁と硬化するトラックの表面との間の角度、即ち、角度がシャープである油潤滑孔が延びた側にシャープであるという事実に起因して増加されるエッジは、右の鋭利であることを意味し、左よりも図13の油潤滑孔の右は、過熱した場合の被害のリスクを増加させる。上に示したように、温度の大幅な変動を避けるために、高速スキャンが好ましい。レーザビームを繰り返し複数の平行な線に沿って等価なまたは仮想有効なレーザスポットを形成する場合、2次元走査パターンに沿って走査したときの部分が前記走査パターン内のまま、ワークの部分を繰り返し加熱される。仮想レーザスポット全体で繰り返しスキャンしたときに、実際のレーザスポットは、表面の異なるスポットを繰り返し加熱し、これらのスポットは、このように最高温度に繰り返し加熱され、それらが加熱された各時間の後、走査の次のサイクル中に、ある走査パターンに沿ってレーザビームの次の走査の間これらは再び加熱されるまで冷却する傾向がある。これは、局所的な温度の最大値とできるだけ小さい極小間のこれらの変動を維持することが望ましい。この目的のために、高い走査速度と周波数が好ましい。図14Aおよび14Bは、概略的に固定された走査パターンと電源を使用してクランクシャフトに実施した試験の結果を示す。図14Aの場合には、50ヘルツの走査周波数が使用された(すなわち、レーザビームは、毎秒50回の完全な走査パターンに従った)。これは、最高温度に達した後、極大値と極小値の間の変動は200℃に近く、実際には、100℃以上の振幅を用いて行ったことが分かる。それは不十分な硬化または硬化深さおよび/またはリスクを過熱するリスクを意味する可能性があり、問題となる可能性がある。図14Bは、概略的に図14Aのものと同じ条件で、250ヘルツの走査周波数で行う試験の結果を示す。ここでは、グラフの厚さに対応する極大値と極小値との間の温度振動は、100°Cよりも実質的に小さい振幅を持っていることがみられる。図15A及び15Bは、有効レーザスポット5が30−180度の部分を加熱するように、油潤滑穴1003とアンダーカットフィレット1004と、環状セグメント1001Aのクランクシャフトのジャーナル1001に適用することができる方法を概略的に示す。有効レーザスポット5がジャーナルWの周方向に多くて180度以下で拡張するように、ジャーナルは、回転Xのその軸周りに回転させることができ、全体の環状の部分を加熱する、および/またはレーザ光源クランクシャフトに対して変位させる。環状セグメント1001Aを加熱するように、全周を加熱するように、加熱は、例えば、ジャーナルを回転させることができ、図15Aにアンダーカットフィレット1004の近くに示されるようにジャーナル1001の一側端部で開始し、十分な温度に十分な時間の間行われ、必要な硬化深さを保証する。軸頸の全表面を硬化させるために、効果的なレーザスポット5は、徐々に、例えば、X軸と平行にすることによって、又はレーザ光源を変位させることにより、回転軸Xと平行な方向に、ジャーナルに沿って移動されます走査ミラーを用いて、X軸に平行なビームを変位させる。つまり、加熱された環状セグメント1001Aは、当該方向に拡張され、前に加熱された部分が急冷が達成されるように冷やすために始めることができる。有効レーザスポットは、ジャーナルの大部分にわたって変位しているか、図15Bにおいては、上に移動するときに急冷することができ、それを加熱し、観察される。有効レーザスポットは、図15Bの右端のフィレットに達するまで変位する。二次元のエネルギー分布は、これらの部品の過熱を防止するために、フィレット1004の近傍に適応し、また、油潤滑孔1003に対応する。硬化を行うこの方法の利点は、すなわち、硬化領域の成長が他のジャーナルの一方の端部からの方向で起こるように、既に硬化部分のない再加熱は、ジャーナルの回転軸Xと平行な第1の方向ではなく周方向Wで存在しないことである。すなわち、硬化は、周方向ではなく、左から右に生じる。つまり、基本的に、望ましくない再加熱、すでに硬化した表面領域の過度の加熱にのリスクがない。周方向のジャーナルの表面を硬化させる場合には、一般的に、つまり、周方向にトラックに沿って移動を完了するに近い効果的なレーザスポットは、以前に硬化された部分に到達する領域の重複領域に特別な注意を払わなければならない。あらかじめ硬化された部分の高温での再加熱は、このような硬化のために使用される温度として、一般的に避けるべきである。図19A−19Cは、図12A-12Cのものと同様の構成が、代わりの油潤滑孔、レーザスポットがジャーナルの前に硬化部分1001Bに相当に接近している感熱性部分領域を示す。本実施形態では、概略的に図19Aに示されるように、有効レーザスポットが(図6Dのものと同様の)セグメントのアレイで構成されており、有効レーザスポットの先端が先に加熱部分1001Bに到達すると、第一段目のセグメントは、例えば、前記セグメントに対応し、「オフ」状態にレーザを設定することによって、(図19B参照)が解除される。図19Cでは、有効レーザスポットを周方向に縮小していることにより、セグメントの更なる行が、キャンセルされている。すなわち、トレーリングエッジまたは部分が追いつく一方の部分をリードする場合、以前に硬化された部分1
001Bを満たす場合に有効レーザスポットが消滅するまで、効果的なレーザスポットは次第に、その前縁または部分で解除される。本発明の他の実施形態において、有効レーザスポットは解除されず、全体的な電力/エネルギーそれらが低減される。つまり、有効レーザスポットは、焼戻しに適した温度に表面を加熱するため、ジャーナル1回以上移動することができる。本発明の他の実施形態では、レーザ光源を複数同時に環状セグメント1001Aの全360度に加熱するように、同時に、例えば、環状セグメントのいくつかのセクションを加熱するために使用することができる。これは、上述したように、負に、硬化の品質に影響を与える可能性が温度の急速変動を回避するために、クランクシャフトを回転させる必要性を低減する。クランク軸の回転が非常に高速だと、実装にコストがかかる可能性があり、迅速に移動するオイル潤滑穴に隣接する領域の過熱を避けるために、それはより困難に有効なレーザスポット又はスポットのエネルギー分布を適合させるために行うことができる。従って、本発明は、レーザ表面硬化に非常に柔軟なアプローチを提供し、したがって、このような硬化層の深さ、例えば、局面で非常に有用な、例えば、熱伝達感度の点で実質的に異なる特性を有する表面部分を有する被加工物のレーザ焼入れ、及び/又は実質的に異なる要件とすることができる。システムは、例えば、高温計からのフィードバックと、PID制御で動作可能である。一方で、本発明は、本明細書に記載された特定の実施形態に限定されるものではなく、あらゆる当業者によって考慮され得る(例えば、材料、寸法、成分、構成等の選択に関する)あらゆるバリエーションを特許請求の範囲において定義された本発明の全般的な範囲に属するものとしてカバーすることは明らかである。
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米国特許公報第4313771A号
ドイツ特許出願公開公報第4123577A1号
欧州特許出願公開公報第1308525A2号
欧州特許出願公開公報第2309126A1号
特開2008−202438 特開昭61−58950
米国特許公報第4797532A号
表面エリアに有効レーザスポットを生成するために、レーザ源からのレーザビームを表面エリアに投射する段階であって、有効レーザスポットは、第1の方向において、硬化されるべき表面エリアの大部分にわたって(例えば50%より多く、75%より多く、85%より多く、または90%もしくは95%より多く、例えば99%より多く、または100%にもわたって、及び、特に、例えば、表面エリアが、例えば少なくとも800μm以上の有効硬化深さが望ましい場合には、100%を超えないとしても、硬化されるべき表面エリアの大部分にわたって)延在する段階と、
その後または徐々に、周方向において、表面エリアの複数の異なる部分に有効レーザスポットを投射するために、周方向において、クランクシャフトの表面とレーザ源との間の相対移動を生じさせる段階とを備え、
有効レーザスポットは、2次元エネルギー分布(レーザビームのエネルギーまたはパワーが有効レーザスポット内で分布する状態に関する)を有する。
レーザ源からのレーザビームを表面エリアに投射する段階と、
硬化されるべき表面エリアの周方向セグメントを硬化させるべく、その後、レーザビームを表面エリアの周方向において複数の異なる部分に投射するために、周方向において、クランクシャフトの表面とレーザ源との間の相対移動を生じさせる段階と、
硬化されるべき表面エリアの硬化が完了するまで、周方向セグメントの第1の方向における拡張を増大させるために、レーザビームを第1の方向に変位させる段階とを備える。
レーザスポットを表面エリアに生成するために、レーザ源からのレーザビームを当該エリアに投射する段階と、
ワークピースの表面とレーザ源との間で相対移動を生じさせ、それにより、レーザスポットが、その後、表面エリアの複数の異なる部分に投射されることを可能にする段階と、
2次元の等価なまたは仮想の有効レーザスポットを表面エリアに生成するために、相対移動の間、表面エリアの各部分にわたって、2次元でレーザビームを繰り返しスキャンする段階であって、有効レーザスポットは、エネルギー分布を有する段階とを備え、
高感熱性サブエリアの過熱を防止するために、エネルギー分布は、高感熱性サブエリアにおいて、低感熱性サブエリアと異なるように適合される。
レーザスポットを当該エリアに生成するために、レーザ源からのレーザビームを表面エリアに投射する段階と、
ワークピースの表面とレーザ源との間の相対移動を(例えば、ワークピースをX軸周りに回転させ、及び/またはワークピース及び/またはレーザ源を、X軸に直交するY及び/またはZ軸に沿って変位させることによって)生じさせ、それにより、レーザスポットが、その後、表面エリアの複数の異なる部分に投射されることを可能にする段階(すなわち、レーザ源がスキャン手段との組み合わせで、レーザスポットを表面エリアの特定の部分またはセクションに向けることができる各時点における、例えば、X、Y及びZ軸に従ったワークピースとレーザ源との間の相対位置に応じて、かつ、例えば、スキャン手段が、レーザスポットの直径、長さまたは幅に対応する厚さを有する一連の当該エリアに、または例えば、エリアの実質的に矩形のセクションに、1次元または2次元移動を与えるか否かに応じて)と、
相対移動の間、当該エリアの各部分にわたって、レーザビームをスキャンする段階とを備える。スキャンは、1次元のみで、例えば、ワークピースの回転軸と平行に、及び/またはレーザ源の位置と関連するワークピースの表面の移動方向と垂直に、または、2次元で実行可能であり、つまり、矩形パターン、楕円形パターン、三角形パターン、台形パターン、六角形パターン、八角形パターン等のような経路またはパターンに従い、または、例えば、当該部分に沿って及び/またはこれにわたって、蛇行したまたは三角形のスキャンを前後に実行することによって、または、実質的に平行な複数の線のような複数の線に沿ってレーザビームをスキャンすることによって、このようなパターンによって輪郭を描かれたエリアを埋める。用語「レーザビームをスキャンする」は、1つまたは複数のスキャンミラーのような、なんらかの種類の光学式スキャン手段などを用いて、レーザビーム自体が変位することを意味するものと解釈されなければならない。
(i)スキャン速度、及び/または
(ii)レーザビームパワー、及び/または
(iii)レーザスポットサイズ のうちの少なくとも1つが、スキャンパターンの1つの部分において、スキャンパターンの他の部分と異なることによって、高感熱性サブエリアにおいてワークピースの過熱を回避する(またはそのリスクを減少させる)。
(i)スキャン速度、及び/または
(ii)レーザビームパワー、及び/または
(iii)レーザスポットサイズが割り当てられ、
スキャン速度、レーザビームパワー及びレーザスポットサイズのうちの少なくとも1つは、複数のセグメントのうちの少なくとも1つに対して、複数のセグメントのうち少なくとも他のものと比べて、異なるように選択される。
(ii)レーザビームパワー、及び/または
(iii)レーザスポットサイズ が少なくとも一度変更される間に、ワークピースの表面は、例えば、パターンまたはセグメントが高感熱性サブエリアに到達する、またはこれを離れる度に、レーザ源に対して移動させられる。つまり、例えば、パターンの1つまたは複数のセグメントに対応するスキャン速度、及び/またはレーザビームパワー、及び/またはレーザスポットサイズは、例えば、複数のセグメントのうち1つまたは複数が、高感熱性サブエリア、例えばクランクシャフトの複数の潤滑油孔またはその近くに到達した場合に、かつ、当該セグメントまたは複数のセグメントが高感熱性サブエリアを離れる場合にも、加工中に変更可能である。このように、加熱処理は、ワークピースの全てのエリアに対して、これらの感熱性に従って容易にかつ合理的に最適化可能である。
(i)少なくとも1つのスキャン速度、及び/または
(ii)少なくとも1つのレーザビームパワー、及び/または
(iii)少なくとも1つのレーザスポットサイズ割り当てることによって、レーザビームを制御するために、パーソナルコンピュータ、PLCなどのような電子制御手段をプログラミングする段階をさらに備えることができる。
レーザスポットを表面エリアに生成するために、レーザ源からのレーザビームを表面エリアに投射する段階と、
ワークピースの表面とレーザ源との間の相対移動を(例えば、ワークピースをX軸周りに回転させること、及び/またはワークピース及び/またはレーザ源を、X軸に直交するY及び/またはZ軸に沿って変位させることによって)生じさせ、それにより、レーザスポットが、その後、表面エリアの複数の異なる部分に投射されることを可能にする段階(すなわち、レーザ源がスキャン手段との組み合わせで、レーザスポットを当該エリアの特定の部分またはセクションに向けることができる各時点における、例えば、X、Y及びZ軸に従ったワークピースとレーザ源との間の相対位置に応じて、かつ、例えば、スキャン手段が、レーザスポットの直径、長さに対応する厚さまたは幅を有する一連の当該エリアに、または例えば、エリアの実質的に矩形のセクションに、1次元または2次元移動を与えるか否かに応じて)とを備える。
スキャンは、レーザスポットが当該エリアにおいてスキャンパターンまたは経路に従うように実行され、スキャンパターンは、幾何学的構成を有する。
レーザ源からのレーザビームを表面エリアに投射し、これによって、レーザスポットを表面エリアに生成する段階と、
ワークピースの表面とレーザ源との間の相対移動を(例えば、ワークピースX軸周りに回転させること、及び/または、ワークピース及び/またはレーザ源を、X軸に直交するY及び/またはZ軸に沿って変位させることによって)生じさせ、それにより、レーザスポットが、その後、表面エリアの複数の異なる部分に投射されることを可能にする段階(すなわち、レーザ源がスキャン手段との組み合わせで、レーザスポットを当該エリアの特定の部分またはセクションに向けることができる各時点における、例えば、X、Y及びZ軸に従ったワークピースとレーザ源との間の相対位置に応じて、かつ、例えば、スキャン手段が、レーザスポットの直径、長さに対応する厚さまたは幅を有する一連の当該エリアに、または例えば、エリアの実質的に矩形のセクションに、1次元または2次元移動を与えるか否かに応じて)と、
相対移動の間、当該エリアの各部分にわたってレーザビームをスキャンする段階(スキャンは、1次元のみで、例えば、ワークピースの回転軸と平行に、または、2次元で実行可能であり、これにより、矩形パターン、楕円形パターン、三角形パターン、台形パターン等のようなパターンに従い、または、例えば、当該エリアに沿って及び/またはこれにわたって、蛇行したまたは三角形のスキャンを前後に実行することによって、または、レーザビームを複数の平行な線のような複数の線を備えるパターンに従わせることによって、このようなパターンによって輪郭を描かれたエリアを埋める。用語「レーザビームをスキャンする」は、1つまたは複数のスキャンミラーのような、なんらかの種類の光学式スキャン手段を用いて、レーザビーム自体が変位することを意味するものと解釈されなければならない。XYZスキャナの場合、スポットがX及びY方向に移動可能であることに加えて、なんらかの種類の駆動手段によってZ方向に変位可能なフォーカスレンズが与えられ、それにより、レーザスポットのサイズの動的適応が可能となる。それにより、スポットの位置及びそのサイズの両方が、硬化加工を最適化するために、制御及び適合可能となる。)と、
レーザビームを変調する段階とを備える。
A.レーザビームのパワーは、変調され(例えば、当該パワーが、レーザスポットが高感熱性サブエリアにある場合に、レーザスポットが低感熱性サブエリアにある場合より低くなるように。パワーを変調する段階は、パワーを一時的にゼロまたはゼロ付近に減少させる段階をも含む。)、
及び/または
B.レーザビームのスキャン速度は、変調され(例えば、レーザスポットが高感熱性サブエリアにある場合に、レーザスポットが低感熱性サブエリアにある場合より、レーザスポットが、ワークピースの表面を高速で移動するように。スキャン速度を変調する段階は、レーザビームの移動を一時的に停止させる段階をも含む。)、
及び/または
C.レーザスポットが高感熱性サブエリアに対応する場合に、低感熱性サブエリアに対応する場合とは異なるスキャンパターンに従うように、レーザビームのスキャンパターンは変調され(つまり、高感熱性サブエリアに対して、例えば、クランクシャフトの複数の潤滑油孔または複数のアンダーカットフィレットの、例えば複数の境界における過熱リスクを減少させるスキャンパターンが選択可能である)、
及び/または
D.レーザスポットサイズが高感熱性サブエリアに対応する場合に、低感熱性サブエリアに対応する場合とは異なる(例えば、より大きい)ように、レーザビームのレーザスポットサイズは変調される(つまり、高感熱性サブエリアに対して、例えば、クランクシャフトの複数の潤滑油孔または複数のアンダーカットフィレットの複数の境界における加熱を減少させるスポットサイズが、使用可能である。例えば、レーザビームをデフォーカスすることによってスポットサイズを増大させることで、レーザスポットの単位表面積当たりパワー量が減少する)。
レーザ源からのレーザビームを表面エリアに投射し、これによって、レーザスポットを表面エリアに生成する段階と、
ワークピースの表面とレーザ源との間の相対移動を(例えば、ワークピースX軸周りに回転させること、及び/または、ワークピース及び/またはレーザ源を、X軸に直交するY及び/またはZ軸に沿って変位させることによって)生じさせ、それにより、レーザスポットが、その後、表面エリアの複数の異なる部分に投射されることを可能にする段階(すなわち、レーザ源がスキャン手段との組み合わせで、レーザスポットを当該エリアの部分またはセクションに向けることができる各時点における、例えば、X、Y及びZ軸に従ったワークピースとレーザ源との間の相対位置に応じて、かつ、例えば、スキャン手段が、レーザスポットの直径、長さまたは幅に対応する厚さを有する一連の当該エリアに、または例えば、エリアの実質的に矩形のセクションに、1次元または2次元移動を与えるか否かに応じて)と、
相対移動の間、当該エリアの各部分にわたってレーザビームをスキャンする段階(スキャンは、1次元のみで、例えば、ワークピースの回転軸と平行に、または、2次元で実行可能であり、これにより、矩形パターン、楕円形パターン、三角形パターン、台形パターン等のようなパターンに従い、または、このようなパターンの複数の境界内において、例えば、蛇行した態様でレーザビームを移動させることによって、このようなパターンを埋める。用語「レーザビームをスキャンする」は、1つまたは複数のスキャンミラーのような、なんらかの種類の光学式スキャン手段などを用いて、レーザビーム自体が変位することを意味するものと解釈されなければならない。)とを備え、
レーザビームによって走査されるエリアに入るワークピースの表面の部分が、最初により高い平均パワーでレーザ照射を受け、その後、より低い平均パワーでレーザ照射を受けるように加熱が実行される。これは、レーザスポットが、単位面積当たり、末端部分より先端部分により多くの時間留まるように、より高いスキャン密度を有する先端部分と、より低いスキャン密度を有する末端部分とを有するスキャンパターンを与えることによって実現可能であり、これにより、処理されるべき表面部分が最初に先端部分に入り、その後末端部分に入る。平均パワーという用語は、スキャンサイクル全体の間における表面積当たりパワーの平均量として理解されるべきである。この目標を達成する他の方法は、レーザビームが90度より小さい角度で表面に作用するように、少なくとも部分的に中心から外された態様で、レーザビームを投射することによる。レーザビームを中央から外すことは、後方反射に起因する損傷または障害のリスクを減少させるという利点をさらに伴う。
レーザ源からのレーザビームを表面に投射し、これにより、レーザスポットを表面に生成する段階と、
ワークピースの表面とレーザ源との間で相対移動を生じさせ(例えば、ワークピースX軸周りに回転させること、及び/または、ワークピース及び/またはレーザ源を、X軸に直交するY及び/またはZ軸に沿って変位させることによって)、それにより、その後、レーザスポットが、表面の周に沿って、表面の複数の異なる部分に投射されることを可能にする段階とを備える。
レーザ源からのレーザビームを表面に投射し、これにより、レーザスポットを表面に生成する段階と、
ワークピースの表面とレーザ源との間で相対移動を生じさせ、それにより、その後、前記レーザスポットが表面の複数の異なる部分に投射されることを可能にする段階とを備える。レーザビームは、表面と直交しない方向で、好ましくは表面に対して70°より小さい、例えば60°より小さい、または45°よりさらに小さい角度を形成して、表面に投射される。これは、レーザスポットのサイズを増大させること、つまり、表面積当たりパワー量を減少させ、かつ、表面とレーザ源との間の所与の相対速度に対して、レーザスポットと表面上の所与の点との間の相互作用の時間を増大させる助けとなる。これは、硬化された層の深さの増大に寄与することができる。
レーザ源からのレーザビームを、硬化されるべきジャーナルの表面に投射することにより、レーザスポットを表面に生成する段階と、(例えば、主ジャーナルの中心軸に対応し得る軸周りに)クランクシャフトを回転させることにより、表面をレーザ源に対して移動させる段階とを備える。
クランクシャフトを支持し、任意に、クランクシャフトをクランクシャフトの長さ方向軸周りに回転させるように構成されるクランクシャフト支持部と、
レーザスポットをジャーナルに生成するために、レーザビームをクランクシャフトのジャーナルに投射するように構成される少なくとも1つのレーザ源とを備え、
2次元のスキャンパターンをジャーナルの表面に確立するために、レーザ源は、レーザビームを2次元でスキャンするための双方向スキャン手段を含む。2次元スキャンパターンを用いることにより、硬化されるべき表面にわたってレーザスポットを繰り返しスキャンすることによって、有効レーザスポットを確立することが可能となり、複数のクランクシャフトに関して適切な時間当たり生産率を得るために、所望の硬化深さを実現するために十分な時間、加熱が生じることを可能とする一方で、同時に、クランクシャフトを十分な速度で回転可能とするべく、クランクシャフトがその長さ方向軸周りに1回だけ回転する、または有効レーザスポットを1回だけジャーナル周り及びクランクシャフトの周方向に対応する他の方向において360度走査する間に、クランクシャフトのジャーナル全体の加熱を可能とするために、有効レーザスポットは、クランクシャフトの長さ方向軸と平行な方向に十分な拡張を有する。装置の動作中に、複数の潤滑油孔と隣接する複数のエリアのような複数の感熱性サブエリアに対する過熱を回避するべく、動的に適応可能なエネルギー分布を得るために、2つの方向におけるこのスキャンは、例えば、スキャンパターンを、複数の異なるパワーレベルが割り当てられる複数のセグメントに分割することとの組み合わせが可能である。
表面エリアにおいて、潤滑油孔のような孔と隣接するエリア、
及び/または
アンダーカットフィレットのようなフィレット、
及び/または
有効レーザスポットがクランクシャフトの円筒状ジャーナルのような対象の周に沿って、360°軌道の端部において到達する部分のような、表面エリアの以前に硬化された部分を含む。
比較的大きいサイズ、例えば1cm2またはそれより大きい有効レーザスポットが可能であり、それにより、一方で、有効レーザスポットの移動方向と直交する方向において、比較的大きい幅のレーザスポットが可能となる。例えば、有効レーザスポットが周方向に移動する場合における複数のクランクシャフトのジャーナルに対する硬化の場合、ジャーナルの表面エリア全体が、有効レーザスポットをジャーナル周りに一度通過させることによって加熱されるよう、有効レーザスポットがジャーナルの幅の大半または全てにわたって拡張可能なように、有効レーザスポットは、複数のジャーナルと交差する方向に(すなわち、クランクシャフトの長さ方向に)、比較的大きい幅を有することができる。一方で、同時に、硬化されるべき表面エリアに沿った有効レーザスポットの移動方向における、有効レーザスポットのサイズは、上述されたように、十分な加熱継続時間との組み合わせで、比較的高い速度で移動することを可能とするように、十分大きくすることもできる。
複数のデータセットを確立するために、レーザビームパワー及び/またはスキャン速度及び/またはセグメントの長さ及び/またはセグメントの方向のような複数のパラメータ値に関するエネルギー分布を(有効レーザスポットを確立するためにレーザビームスポットが従うべきスキャンパターンの複数のセグメントのような)複数のセグメントに割り当てる段階であって、各データセットは、硬化されるべき表面エリアに投射され、かつ、表面エリアに沿って変位される有効レーザスポットの特定の2次元エネルギー分布に対応する段階と、
複数のデータセットを格納する段階と、
表面エリアの低感熱性サブエリアを加熱するための複数のデータセットのうちの少なくとも1つに従ってエネルギー分布を適応させることによって、かつ、表面エリアの高感熱性サブエリアを加熱するためのデータセットの少なくとも他の1つに従ってエネルギー分布を適応させることによって、有効レーザスポットの表面エリアに沿った移動と同期して、有効レーザスポットのエネルギー分布を適応させるために、装置をプログラミングする段階とを備える、方法に関する。上述されたように、セグメント化アプローチにより、当業者は、適した複数の2次元エネルギー分布を容易に確立、試験及び選択することができ、硬化されるべきエリアの複数の異なるサブエリアにこれらを割り当て、例えば、複数の具体的なデータセットを潤滑油孔周りのエリアに割り当て、他の複数の具体的なデータセットをクランクシャフトの以前に硬化された部分と重複するエリアに割り当てる。
スキャン速度(すなわち、その経路に沿ったレーザスポットの移動速度)、
レーザビームパワー、及び/または
レーザスポットサイズという複数の異なる値が、複数の異なるセグメントに割り当てられてもよく、複数の感熱性部分に対する損傷または損傷のリスクを減少させつつ、表面を適切に硬化させることを目的として、表面の最適化されるエネルギー分布及び最適化される加熱を与えるために、スキャンパターンを適応させることに有用である可能性がある。上述された説明は、主にスキャン速度について言及しているが、例えば、レンズを移動させて、例えば、デフォーカスすることによって、レーザビームのパワーまたはパワー密度を変更することにより、明らかに、加熱も変更可能である。しかしながら、現在既存の多数のレーザ及びスキャン手段に対して、速度を変更することは、好ましい選択肢となり得る。高速オン/オフ切り替えまたはビームパワーの急速な変化を可能とする(「オン」及び「オフ」間の変化に現在約100μsを必要とする多数のファイバレーザのような)複数のレーザが用いられる場合、レーザビームのパワーを変更することは、例えば、これをオン及びオフ切り替えすることによって、大いに興味深い選択肢となる。切り替え時間が短縮化する傾向を考慮すると、選択肢はさらにより興味深いものとなる。
d1=16、d2=2.8、d3=3.1、d4=3.9、d5=7、d6=1.4、d7=0.4、d8=13、d9=5.1、d10=6、d11=2.8、d12=0.2
v1−v10は、スキャンパターンの複数の異なる部分に割り当てられた複数のスキャン速度を示す。この例による複数の値は、mm/s単位であり、以下のとおりである。
v1=3600、v2=8000、v3=4600、v4=3500、v5=6000、v6=5500、v7=3600、v8=8000、v9=5430、v10=8000、v11=5500
2:レーザビーム
2':s偏光レーザビーム
2'':p偏光レーザビーム
2A:レーザビームによってスキャンされた経路またはレーザビームによってスキャンされたエリア
2B:レーザビームによってスキャンされた経路またはレーザビームによってスキャンされたエリア
2C:レーザビームによってスキャンされた経路またはレーザビームによってスキャンされたエリア
2D:レーザビームによってスキャンされた経路またはレーザビームによってスキャンされたエリア 2E:高パワー密度を有する仮想的な矩形レーザスポットの部分
2F:低パワー密度を有する仮想的な矩形レーザスポットの部分
2G:レーザビームによってスキャンされた経路であるスキャンパターン
2H:硬化に適合されたパワー密度を有する有効レーザスポットの部分
2I:焼き入れに適合されたパワー密度を有する有効レーザスポットの部分
2J:焼き戻しに適合されたパワー密度を有する有効レーザスポットの部分
3:スキャンシステム
4:偏光系
5:有効レーザスポット
5A、5B:傾斜した潤滑油孔周りのエネルギー分布
11:レーザキャリッジ
12:レーザ源の垂直移動のための第1のレーザキャリッジ駆動手段
13:レーザ源の水平移動のための第2のレーザキャリッジ駆動手段
14:レーザ源の移動のための水平軌道
20:ワークピースキャリッジ
21:ワークピースキャリッジ駆動手段
41:偏光器
42:ミラー
43:ミラー
44:ミラー
51:スキャンパターンの複数の線
51A:「オン」である複数のセグメントまたはピクセル
51B:「オフ」である複数のセグメントまたはピクセル
100:コンピュータシステム
101:コンピュータ入力手段
102:コンピュータスクリーン
110:第1のコンピュータメモリエリア
111:スキャンパターンセグメント列
112:スキャン速度列
113:ビームパワー列
114:スポットサイズ列
120:第2のコンピュータメモリエリア
121:スキャンパターンセグメント列
122:スキャン速度列
123:ビームパワー列
124:スポットサイズ列
130:ポインタ
140:第1のコンピュータメモリエリア
141:ピクセル値(オン/オフ)を格納するためのメモリ位置
150:第2のコンピュータメモリエリア
151:ピクセル値(オン/オフ)を格納するためのメモリ位置
1000:クランクシャフト
1001:主ジャーナル
1001A:加熱/硬化された主ジャーナル表面の環状セグメント
1001B:ジャーナルの以前に硬化された部分
1002:ロッドジャーナル
1003:複数の潤滑油孔
1003A、1003B:潤滑油孔の開口の複数の側部におけるジャーナルの複数の部分
1004:複数のフィレット
1005:複数のジャーナルと直交する表面
1006:レーザビームによってスキャンされ得るエリアまたはセクション
a、b、c、d、e、f、g、h:スキャンパターンの複数のセグメント
A、B、C、D、E、F、G、H:複数の速度インジケータ
α、β、γ、γ1、γ2:説明中で示された複数の角度
X、Y、Z:空間における複数の方向
W:周方向
d1−d12:スキャンパターンの異なる複数の寸法の複数のインジケータ(mm単位)
v1−v11:スキャンパターンの複数の異なるセグメントに対応するスキャン速度の複数のインジケータ(mm/s単位)
[項目1]
クランクシャフトの軸頸の表面に対するレーザ硬化の方法であって、前記軸頸は、硬化されるべき表面エリアを備え、前記表面エリアは、前記クランクシャフトの回転軸と平行な第1の方向及び前記軸頸の周方向に対応する第2の方向に延在し、前記表面エリアは、少なくとも1つの高感熱性サブエリア及び少なくとも1つの低感熱性サブエリアを備え、前記少なくとも1つの高感熱性サブエリアは、前記クランクシャフトの潤滑油孔隣接エリアを含み、
前記表面エリアに有効レーザスポットを生成するために、レーザ源からのレーザビームを前記表面エリアに投影する段階であって、前記有効レーザスポットは、前記第1の方向において、前記硬化されるべき表面エリアの主要部分にわたって延在する、段階と、
その後、前記周方向において、前記有効レーザスポットを前記表面エリアの複数の異なる部分に投影するために、前記周方向において、前記クランクシャフトの前記表面と前記レーザ源との間の相対移動を生じさせる段階とを備え、
前記有効レーザスポットは、2次元エネルギー分布を有し、
前記潤滑油孔隣接エリアに対する過熱を回避するために、前記エネルギー分布が、前記低感熱性サブエリアを加熱する場合に、前記潤滑油孔隣接エリアを含む高感熱性サブエリアを加熱する場合と異なるように、前記方法は、前記エネルギー分布を適応させる段階を備える、方法。
[項目2]
前記有効レーザスポットを前記表面エリアに適用する時間の少なくとも50%の間、前記有効レーザスポットは、周方向において、少なくとも5mm、好ましくは少なくとも7mmより好ましくは少なくとも10mm、さらにより好ましくは少なくとも15mm、20mm、30mmまたはそれより大きく、例えば少なくとも50mmの幅を有する、請求項1に記載の方法。
[項目3]
前記有効レーザスポットは、スキャンサイクル中の前記2次元エネルギー分布が、スキャン速度、スキャンパターン、レーザスポットのサイズ、前記レーザビームのパワー及び前記レーザビーム内のパワー分布によって決定されるように、前記レーザビームを前記第1の方向及び前記第2の方向にスキャンし、前記レーザスポットがスキャン速度で移動するスキャンパターンに繰り返し従うことによって得られた等価なレーザスポットである、請求項1または2に記載の方法。
[項目4]
前記潤滑油孔隣接エリアに対する過熱を回避するために、前記エネルギー分布が、前記低感熱性サブエリアを加熱する場合に、前記潤滑油孔隣接エリアを含む高感熱性サブエリアを加熱する場合と異なるように、前記エネルギー分布の適応は、前記スキャン速度、前記スキャンパターン、前記レーザスポットのサイズ、前記レーザビームのパワー及び前記レーザビーム内の前記パワー分布のうちの少なくとも1つを適応させることによって実行される、請求項3に記載の方法。
[項目5]
前記エネルギー分布の適応は、前記レーザスポットを前記スキャンパターンに沿ってスキャンする間に、前記レーザビームの前記パワーを適応させる、例えば、前記レーザビームをオン及びオフにすることによって、実行される、請求項4に記載の方法。
[項目6]
前記レーザビームを、毎秒少なくとも300回、好ましくは毎秒少なくとも600回、より好ましくは毎秒少なくとも1,000回、より好ましくは毎秒少なくとも5,000回、さらにより好ましくは毎秒少なくとも10,000回、複数の適用可能なパワー状態のうちの1つに選択的に設定するために、前記エネルギー分布は、前記レーザスポットを前記スキャンパターンに沿ってスキャンする間に、前記レーザビームの前記パワーを選択的に適応させることによって制御される、請求項3に記載の方法。
[項目7]
前記スキャンパターンは、複数のセグメントを備え、前記複数のセグメントの各々は、それに割り当てられた前記複数の適用可能なパワー状態のうちの1つを有し、前記複数のセグメントのうちの少なくとも1つに割り当てられた前記パワー状態は、前記低感熱性サブエリアを加熱する間、前記潤滑油孔隣接エリアを含む高感熱性サブエリアを加熱する間と異なる、請求項6に記載の方法。
[項目8]
前記エネルギー分布の適応は、前記レーザスポットを前記スキャンパターンに沿ってスキャンする間に、前記スキャン速度を適応させることによって実行される、請求項4から7のいずれか1項に記載の方法。
[項目9]
前記有効レーザスポット内の複数の点における温度変動が、極大、及びそれに続く極小温度の間で、200℃より小さく、好ましくは150℃より小さく、より好ましくは100℃より小さく、さらにより好ましくは50℃より小さい振幅を有するように、前記スキャンは、十分に高いスキャン速度で実行される、請求項3から8のいずれか1項に記載の方法。
[項目10]
前記有効レーザスポットの前記エネルギー分布は、前記有効レーザスポットの前記第1の方向における中央よりも、前記有効レーザスポットの前記第1の方向における複数の端部に向けてより大きいエネルギーが適用される、請求項1から9のいずれか1項に記載の方法。
[項目11]
前記有効レーザスポットによって走査されたエリアが、最初により高い平均パワーでレーザ照射を受け、その後、より低い平均パワーでレーザ照射を受けるように、前記エネルギー分布は、前記有効レーザスポットの先端部分において、前記有効レーザスポットの末端部分より高いエネルギー密度を有する、請求項1から10のいずれか1項に記載の方法。
[項目12]
前記有効レーザスポットを、前記第1の方向において、潤滑油孔の両方の側面の前記表面エリアに適用する段階を備え、前記潤滑油孔が前記側面のうちの第1の側面下ではなく、前記側面のうちの第2の側面下で延在するように、前記潤滑油孔は、傾斜した態様で内側に向かって延在し、前記有効レーザスポットは、前記側面のうちの前記第1の側面に、前記側面のうちの前記第2の側面より大きいエネルギーを適用するように適合される、請求項1から11のいずれか1項に記載の方法。
[項目13]
前記有効レーザスポットは、前記低感熱性サブエリアにおいて第1の形状を有し、潤滑油孔に到達した際に実質的にU形状を有し、かつ、前記潤滑油孔を離れる際に実質的に逆U形状を有し、逆もまた同様であり、前記第1の形状は、任意に、実質的に矩形または三角形状である、請求項1から12のいずれか1項に記載の方法。
[項目14]
クランクシャフトの軸頸の表面に対するレーザ硬化の方法であって、前記軸頸は、硬化されるべき表面エリアを備え、前記表面エリアは、前記クランクシャフトの回転軸と平行な第1の方向及び前記軸頸の周方向に対応する第2の方向に延在し、前記表面エリアは、少なくとも1つの高感熱性サブエリア及び少なくとも1つの低感熱性サブエリアを備え、前記少なくとも1つの高感熱性サブエリアは、潤滑油孔隣接エリアを含み、前記方法は、
レーザ源からのレーザビームを前記表面エリアに投影する段階と、
前記硬化されるべき表面エリアの周方向セグメントを硬化させるべく、その後、周方向において、前記レーザビームを前記表面エリアの複数の異なる部分に投影するために、前記周方向において、前記クランクシャフトの前記表面と前記レーザ源との間の相対移動を生じさせる段階と、
前記硬化されるべき表面エリアの硬化が完了するまで、前記周方向セグメントの前記第1の方向における拡張を増大させるために、前記レーザビームを前記第1の方向に変位させる段階とを備え、
前記潤滑油孔隣接エリアに対する過熱を回避するべく、潤滑油孔隣接エリアを含む前記高感熱性サブエリアに対応して、前記低感熱性サブエリアより小さいエネルギーを適用するために、エネルギーが、前記レーザ源と前記クランクシャフトの前記表面との間の前記相対移動と同期して、前記レーザビームによって前記クランクシャフトに適用される態様を適応させる段階を備える、方法。
[項目15]
前記周方向において、前記クランクシャフトの前記表面と前記レーザ源との間の相対移動を生じさせる段階は、前記クランクシャフトを、例えば3000rpmを超える速度、6000rpmを超える速度のような高速で回転させる段階を含む、請求項14に記載の方法。
[項目16]
前記軸頸の周方向セグメントの複数のセクションを、複数の有効レーザスポットの各々で同時に加熱するために、前記表面エリアに対して、1つより多くのレーザビームを同時に適用する段階を備える、請求項14または15に記載の方法。
[項目17]
前記表面エリアを、潤滑油孔の両方の側面で前記第1の方向において加熱するために、エネルギーを適用する段階を備え、前記潤滑油孔が前記側面のうちの第1の側面下ではなく、前記側面のうちの第2の側面下で延在するように、前記潤滑油孔は、傾斜した態様で内側に向かって延在し、前記方法は、前記側面のうちの前記第1の側面に、前記側面のうちの前記第2の側面より大きいエネルギーを適用する段階を備える、請求項14から16のいずれか1項に記載の方法。
[項目18]
前記軸頸の硬化された周方向セグメントのサイズを徐々に増大させるべく、前記軸頸の周方向部分を繰り返し加熱するために、前記軸頸の周方向において第1の速度で、有効レーザスポットの移動を与える段階と、前記有効レーザスポットを、前記第1の速度より低い第2の速度で前記第1の方向に移動させ、それにより、複数の新たな周方向部分を加熱する一方で、自己焼き入れを与えるために、複数の以前に加熱された周方向部分の冷却を可能とする段階とを備える、請求項14から17のいずれか1項に記載の方法。
[項目19]
有効レーザスポットが、中心から外された態様で、前記軸頸に投影される、請求項14から18のいずれか1項に記載の方法。
[項目20]
ワークピース表面に対するレーザ硬化の方法であって、前記ワークピースは、少なくとも1つの硬化されるべき表面エリアを備え、前記表面エリアは、少なくとも1つの高感熱性サブエリア及び少なくとも1つの低感熱性サブエリアを備え、
前記エリアにレーザスポットを生成するために、レーザ源からのレーザビームを前記表面エリアに投影する段階と、
前記ワークピースの前記表面と前記レーザ源との間の相対移動を生じさせ、それにより、その後、前記レーザスポットが、前記表面エリアの複数の異なる部分に投影されることを可能にする段階と、
2次元の等価な有効レーザスポットを前記表面エリアに生成するために、前記相対移動の間、前記レーザビームを、前記表面エリアの各部分にわたって2次元で繰り返しスキャンする段階であって、前記有効レーザスポットは、エネルギー分布を有する、段階とを備え、
前記高感熱性サブエリアの過熱を防止するために、前記エネルギー分布は、高感熱性サブエリアにおいて、低感熱性サブエリアと異なるように適合される、方法。
[項目21]
前記レーザビームを、前記有効レーザスポット内でスキャンパターンに沿ってスキャンする段階と、前記エネルギー分布を得るために、任意に、スキャンパターンに沿って前記レーザビームをオン及びオフにすることによって、前記レーザビームのパワーを、前記スキャンパターンに沿って変更する段階とを備える、請求項20に記載の方法。
[項目22]
毎秒少なくとも300回、より好ましくは毎秒少なくとも600回、より好ましくは毎秒少なくとも1,000回、より好ましくは毎秒少なくとも5,000回、さらにより好ましくは毎秒少なくとも10,000回、前記レーザビームを複数の適用可能なパワー状態のうちの1つに選択的に設定するために、前記エネルギー分布は、前記レーザスポットをスキャンパターンに沿ってスキャンする間に、前記レーザビームの前記パワーを選択的に適応させることによって制御される、請求項20に記載の方法。
[項目23]
前記スキャンパターンは、複数のセグメントを備え、前記複数のセグメントの各々は、それに割り当てられた前記複数の適用可能なパワー状態のうちの1つを有し、前記複数のセグメントのうちの少なくとも1つに割り当てられた前記パワー状態は、前記低感熱性サブエリアにおいて、前記高感熱性サブエリアと異なる、請求項22に記載の方法。
[項目24]
前記有効レーザスポット内で、前記レーザビームに対して、前記高感熱性サブエリアにおいて、前記低感熱性サブエリアと比べて異なるスキャンパターンを用いる段階を備える、請求項20から23のいずれか1項に記載の方法。
[項目25]
前記有効レーザスポットの少なくとも一部で、前記エネルギー分布が、前記高感熱性サブエリアにおいて前記低感熱性サブエリアと比べて異なるようにスキャン速度を適応させることによって、前記エネルギー分布を適応させる段階を備える、請求項20から24のいずれか1項に記載の方法。
[項目26]
前記有効レーザスポットは、前記ワークピースの表面部分を硬化温度に加熱するために選択されたエネルギー分布及び密度を有する先端部分と、加熱された表面部分の冷却を、焼き入れのために可能にするべく選択されたエネルギー分布及び密度を有する中間部分と、その焼き戻しを生成するべく、前記焼き入れされた部分を加熱するために選択されたエネルギー分布及び密度を有する末端部分とを備える、請求項20から25のいずれか1項に記載の方法。
[項目27]
前記有効レーザスポットは、複数の線を備えるパターンに従う前記ワークピースにわたって、前記レーザビームを繰り返しスキャンすることによって確立され、前記複数の線は、好ましくは実質的に平行であり、前記スキャンは、スキャン周波数で繰り返され、前記複数の線の各々は、複数のセグメントを備え、前記レーザビームの出力パワーを、前記複数のセグメントのうちのいくつかにおいて、前記複数のセグメントのうちの他のものと異なるレベルに選択的に設定するために、前記方法は、所定のレーザビームパワー値を前記複数のセグメントの各々に割り当てる段階を備える、請求項20から26のいずれか1項に記載の方法。
[項目28]
前記スキャン周波数は、少なくとも50Hz、好ましくは少なくとも100Hzであり、前記複数の線は、少なくとも2つの線、好ましくは少なくとも3つの線、より好ましくは少なくとも4つの線、例えば5−10の線を備え、各線は、少なくとも3つのセグメント、好ましくは少なくとも5つのセグメント及びより好ましくは少なくとも10のセグメント、例えば10−20のセグメントを備える、請求項27に記載の方法。
[項目29]
前記レーザビームのスキャンは、前記レーザスポットが複数のセグメントを備えるスキャンパターンに繰り返し従うように実行され、前記エネルギー分布に影響する少なくとも1つのパラメータ値は、前記複数のセグメントの各々と関連付けられ、前記少なくとも1つのパラメータ値が、前記複数のセグメントのうちの少なくとも1つに対して、前記有効レーザスポットが前記高感熱性サブエリアを加熱する場合に、前記低感熱性サブエリアを加熱する場合と異なるように、動作中に、前記少なくとも1つのパラメータ値が動的に適合される、請求項3または20に記載の方法。
[項目30]
前記少なくとも1つのパラメータ値は、スキャン速度、前記レーザスポットのサイズ、前記レーザビームのパワー、前記レーザビーム内のパワー分布、対応するセグメントの長さ及び対応するセグメントの方向のうちの少なくとも1つを示す、請求項29に記載の方法。
[項目31]
前記少なくとも1つのパラメータ値は、前記セグメントに対応する前記レーザビームのパワーを示す、請求項29に記載の方法。
[項目32]
各セグメントに対して、対応する少なくとも1つのパラメータ値をメモリに格納する段階を備え、少なくとも1つのセグメントに対して、少なくとも2つの異なる複数のパラメータ値が前記メモリに格納され、第1のパラメータ値は、前記低感熱性サブエリアを加熱する場合に用いられ、第2のパラメータ値は、前記高感熱性サブエリアを加熱する場合に適用される、請求項29から31のいずれか1項に記載の方法。
[項目33]
前記スキャンは、毎秒少なくとも300セグメント、好ましくは毎秒少なくとも600セグメント、より好ましくは毎秒少なくとも1,000セグメント、より好ましくは毎秒少なくとも5,000セグメント、さらにより好ましくは毎秒少なくとも10,000セグメントの平均速度で実行される、請求項29から32のいずれか1項に記載の方法。
[項目34]
有効レーザスポットが、前記表面エリアの以前に硬化された部分、例えば、前記有効レーザスポットをクランクシャフトの軸頸周りで周方向に変位させることによって硬化された前記軸頸の、以前に硬化された部分に到達した場合に、前記有効レーザスポットの先端部分でエネルギー密度を減少させる段階を備える、請求項29から33のいずれか1項に記載の方法。
[項目35]
有効レーザスポットが、前記表面エリアの以前に硬化された部分、例えば、前記有効レーザスポットをクランクシャフトの軸頸周りで周方向に変位させることによって硬化された前記軸頸の以前に硬化された部分に到達した場合に、前記有効レーザスポットの先端部分において、前記有効レーザスポットの移動を阻害する段階を備え、前記有効レーザスポットの末端部分は、前記周方向に移動し続け、それにより、前記有効レーザスポットが消滅するまで前記有効レーザスポットの前記周方向におけるサイズを徐々に減少させる、請求項29から34のいずれか1項に記載の方法。
[項目36]
ワークピース表面に対するレーザ硬化の方法であって、前記ワークピースは、少なくとも1つの硬化されるべき表面エリアを備え、前記表面エリアは、少なくとも1つの高感熱性サブエリア及び少なくとも1つの低感熱性サブエリアを備え、
前記エリアにレーザスポットを生成するために、レーザ源からのレーザビームを前記表面エリアに投影する段階と、
前記ワークピースの前記表面と前記レーザ源との間の相対移動を生じさせ、それにより、その後、前記レーザスポットが、前記表面エリアの複数の異なる部分に投影されることを可能にする段階と、
前記相対移動の間、前記エリアの各部分にわたって、前記レーザビームをスキャンする段階とを備え、
前記スキャンは、前記レーザスポットが前記表面エリアにおいてスキャンパターンに従うように実行され、
前記高感熱性サブエリアにおいて前記ワークピースの過熱を回避するために、
(i)スキャン速度、
(ii)レーザビームパワー及び
(iii)レーザスポットサイズのうちの少なくとも1つは、前記スキャンパターンの1つの部分において、他の前記スキャンパターンの部分と異なる、方法。
[項目37]
前記スキャンパターンは、複数のセグメントを備え、前記複数のセグメントの各々に対し、
(i)スキャン速度、
(ii)レーザビームパワー及び
(iii)レーザスポットサイズのうちの少なくとも1つが割り当てられ、
これにより、前記スキャン速度、前記レーザビームパワー及び前記レーザスポットサイズのうちの少なくとも1つは、前記複数のセグメントのうちの少なくとも1つに対して、前記複数のセグメントのうちの少なくとも他のものと比べて異なるように選択される、請求項36に記載の方法。
[項目38]
前記スキャン速度は、高感熱性サブエリアにより近いセグメントにおいて、前記感熱性サブエリアからさらに離れた2つの隣接セグメントより高くなるように選択される、請求項37に記載の方法。
[項目39]
前記レーザビームパワーは、高感熱性サブエリアにより近いセグメントにおいて、前記感熱性サブエリアからさらに離れた2つの隣接セグメントより低くなるように選択される、請求項37または38に記載の方法。
[項目40]
前記レーザスポットは、高感熱性サブエリアにより近いセグメントにおいて、前記感熱性サブエリアからさらに離れた2つの隣接セグメントよりより大きいエリアを有するように選択される、請求項37から39のいずれか1項に記載の方法。
[項目41]
複数のセグメントのうち1つまたは複数に割り当てられた
(i)スキャン速度、
(ii)レーザビームパワー及び
(iii)レーザスポットサイズのうちの少なくとも1つが少なくとも一度変更される間に、ワークピースの表面は、前記レーザ源に対して移動する、請求項28から40のいずれか1項に記載の方法。
[項目42]
(i) 少なくとも1つのスキャン速度、
(ii)少なくとも1つのレーザビームパワー及び
(iii)少なくとも1つのレーザスポットサイズのうちの少なくとも1つを前記複数のセグメントの各々に割り当てることによって、前記レーザビームを制御するための電子制御手段をプログラミングする段階を備える、請求項37または38に記載の方法。
[項目43]
スキャンパターンは、幾何学的形状を有し、前記スキャンパターンの前記幾何学的形状が少なくとも一度変更される間に、前記ワークピースの前記表面は、前記レーザ源に対して移動する、請求項36から42のいずれか1項に記載の方法。
[項目44]
ワークピース表面に対するレーザ硬化の方法であって、前記ワークピースは、少なくとも1つの硬化されるべき表面エリアを備え、前記表面エリアは、少なくとも1つの高感熱性サブエリア及び少なくとも1つの低感熱性サブエリアを備え、
レーザスポットを前記表面エリアに生成するために、レーザ源からのレーザビームを前記表面エリアに投影する段階と、
前記ワークピースの前記表面と前記レーザ源との間の相対移動を生じさせ、それにより、その後、前記レーザスポットが、前記表面エリアの複数の異なる部分に投影されることを可能にする段階と、
前記相対移動の間、前記レーザビームを前記表面エリアの各部分にわたってスキャンする段階とを備え、
前記スキャンは、前記レーザスポットが前記エリアにおいてスキャンパターンに従うように実行され、前記スキャンパターンは、幾何学的構成を有し、
前記スキャンパターンの前記幾何学的構成は、前記相対移動中に前記表面エリアと前記レーザ源との間で少なくとも一度変更される、方法。
[項目45]
ワークピース表面に対するレーザ硬化の方法であって、前記ワークピースは、少なくとも1つの硬化されるべき表面エリアを備え、前記表面エリアは、少なくとも1つの高感熱性サブエリア及び少なくとも1つの低感熱性サブエリアを備え、
レーザ源からのレーザビームを前記表面エリアに投影し、つまり、レーザスポットを前記表面エリアに生成する段階と、
前記ワークピースの前記表面と前記レーザ源との間の相対移動を生じさせ、それにより、その後、前記レーザスポットが、前記表面エリアの複数の異なる部分に投影されることを可能にする段階と、
前記相対移動の間、前記レーザビームを前記エリアの各部分にわたってスキャンする段階と、
前記レーザビームを変調する段階とを備え、
前記ワークピースの各部分の過熱を防止するために、前記レーザビームは、前記レーザスポットが前記高感熱性サブエリアにある場合に、これが前記低感熱性サブエリアにある場合と異なるように変調され、
A.前記レーザビームのパワーは、変調され、
B.前記レーザビームのスキャン速度は、変調され、
C.レーザスポットが前記高感熱性サブエリアに対応する場合に、前記低感熱性サブエリアに対応する場合とは異なるスキャンパターンに従うように、前記レーザビームのスキャンパターンは変調され、及び
D.レーザスポットサイズが前記高感熱性サブエリアに対応する場合に、前記低感熱性サブエリアに対応する場合とは異なるように、前記レーザビームのレーザスポットサイズは変調される
うちの少なくとも1つが実行される、方法。
[項目46]
ワークピース表面に対するレーザ硬化の方法であって、前記ワークピースは、少なくとも1つの硬化されるべき表面エリアを備え、
レーザ源からのレーザビームを前記表面エリアに投影し、これによって、レーザスポットを前記表面エリアに生成する段階と、
前記ワークピースの前記表面と前記レーザ源との間で相対移動を生じさせ、それにより、その後、前記レーザスポットが、前記表面エリアの複数の異なる部分に投影されることを可能にする段階と、
前記相対移動の間、前記レーザビームを前記エリアの各部分にわたってスキャンする段階とを備え、
前記レーザビームによって走査されるエリアに入る前記ワークピースの前記表面の部分が、最初により高い平均パワーでレーザ照射を受け、その後、より低い平均パワーでレーザ照射を受けるように加熱が実行される、方法。
[項目47]
実質的に円形の断面を有するワークピースの部分の表面をレーザ硬化する方法であって、
レーザ源からのレーザビームを前記表面に投影し、これにより、レーザスポットを前記表面に生成する段階と、
前記ワークピースの前記表面と前記レーザ源との間で相対移動を生じさせ、それにより、その後、前記レーザスポットが、前記表面の周に沿って、前記表面の複数の異なる部分に投影されることを可能にする段階とを備え、
前記レーザビームは、中心から外された態様で、前記表面に投影される、方法。
[項目48]
ワークピースの部分の表面をレーザ硬化する方法であって、
レーザ源からのレーザビームを前記表面に投影し、これにより、レーザスポットを前記表面に生成する段階と、
前記ワークピースの前記表面と前記レーザ源との間で相対移動を生じさせ、それにより、その後、前記レーザスポットが前記表面の複数の異なる部分に投影されることを可能にする段階とを備え、
前記レーザビームは、前記表面と直交しない方向で、好ましくは前記レーザビームと前記表面との間の入射点において、前記表面に対して70°より小さい角度を形成して、前記表面に投影される、方法。
[項目49]
ワークピース表面に対するレーザ硬化の方法であって、
レーザ源からのレーザ光を加熱されるべき複数の表面エリアに投影する段階を備え、
前記レーザ光は、第1の表面エリア及び前記第1の表面エリアと実質的に垂直に延在する第2の表面エリアに投影され、
前記方法は、レーザビームをS波偏光成分を有する第1のレーザビーム成分及びP波偏光成分を有する第2のレーザビーム成分に分割する段階と、前記第1のレーザビーム成分を、前記第1の表面エリアの加熱のために用いる段階と、前記第2のレーザビーム成分を、前記第2の表面エリアの加熱のために用いる段階とを備える、方法。
[項目50]
ワークピースと前記レーザ源との間で相対移動を生じさせる段階は、レーザ光スポットが前記硬化されるべき表面エリアの周全体にアクセスできるように、前記ワークピースを回転軸周りに回転させる段階を含む、請求項20から49のいずれか1項に記載の方法。
[項目51]
前記ワークピースと前記レーザ源との間で相対移動を生じさせる段階は、前記回転軸と直交する第1の方向及び前記回転軸と直交する第2の方向に相対移動を生じさせる段階を含み、前記第1の方向における移動は、前記ワークピースを変位させることによって生成され、前記第2の方向における移動は、前記レーザ源を変位させることによって生成され、任意に、前記レーザ源は、前記回転軸と平行に移動可能である、請求項50に記載の方法。
[項目52]
ワークピースは、複数の潤滑油孔を有するクランクシャフトである、請求項20から51のいずれか1項に記載の方法。
[項目53]
クランクシャフト表面をレーザ硬化する方法であって、前記クランクシャフトは、主軸頸、複数のロッド軸頸及び複数の潤滑油孔を備え、
レーザ源からのレーザビームを、硬化されるべき軸頸の表面に投影することにより、レーザスポットを前記表面に生成する段階と、前記クランクシャフトを回転させることにより、前記表面を前記レーザ源に対して移動させる段階とを備え、
前記表面を加熱するために、前記クランクシャフトが回転する間、前記レーザビームは、前記軸頸の前記表面の少なくとも一部にわたって、所定のスキャンパターンに従ってスキャンされ、
前記表面において、複数の高感熱性サブエリアに、複数の低感熱性サブエリアより小さいエネルギーを適用するために、前記スキャンは実行される、方法。
[項目54]
前記表面において、複数の高感熱性サブエリアに、複数の低感熱性サブエリアより小さいエネルギーを適用するために、前記レーザビームのパワーを実質的に一定に維持し、スキャン速度及びスキャンパターンのうちの少なくとも1つを適応させるように、前記スキャンは実行される、請求項53に記載の方法。
[項目55]
前記表面において、複数の高感熱性サブエリアに、複数の低感熱性サブエリアより小さいエネルギーを適用するために、例えば、前記スキャンパターンの複数のセグメントに対応して、前記レーザビームのオンオフ状態を動的に適応させることにより、前記スキャンパターンを実質的に一定に維持し、スキャン速度及びビームパワーのうちの少なくとも1つを適応させるように、前記スキャンは実行される、請求項53に記載の方法。
[項目56]
前記スキャンパターンは、複数のセグメントを備え、パワー状態に対応するパワーレベルに対して、各セグメントに対応して前記レーザビームの前記パワーを設定するために、ビームパワー状態は、前記複数のセグメントの各々に割り当てられ、前記レーザは、複数の前記ビームパワー状態の要求に応じて、前記レーザビームの前記パワーを変化させ、前記スキャンは、毎秒少なくとも300セグメント、好ましくは毎秒少なくとも600セグメント、より好ましくは毎秒少なくとも1,000セグメント、より好ましくは毎秒少なくとも5,000セグメント、さらにより好ましくは毎秒少なくとも10,000セグメントの率で生じ、前記スキャンパターンは、少なくとも10Hz、好ましくは少なくとも50Hz、より好ましくは少なくとも100Hzの周波数で繰り返され、前記複数のセグメントのうちの少なくとも1つに割り当てられた前記パワー状態は、高感熱性サブエリアに対応する場合に、低感熱性サブエリアに対応するものと異なる、請求項53に記載の方法。
[項目57]
前記複数の高感熱性サブエリアは、前記クランクシャフトの複数の軸頸の複数の軸方向端部において、前記複数の潤滑油孔と隣接する複数のエリア及び複数のフィレットと隣接する複数のエリアのうちの少なくとも1つを含む、請求項53から56のいずれか1項に記載の方法。
[項目58]
前記レーザ源は、ファイバレーザを備える、請求項1から57のいずれか1項に記載の方法。
[項目59]
ワークピースの表面の少なくとも一部を硬化するためのシステムであって、レーザ源と、前記ワークピースの表面と前記レーザ源との間で相対移動を生じさせるための手段とを備え、前記システムは、前記システムの動作を制御するための電子制御手段をさらに備え、
前記電子制御手段は、請求項1から58のいずれか1項に記載の方法を実行するために前記システムを動作させる、システム。
[項目60]
請求項59に記載のシステムにおいて実行された場合に、請求項1から58のいずれか1項に記載の方法を実行するための複数のプログラム命令を備えるコンピュータプログラム。
[項目61]
請求項60に記載のコンピュータプログラムを格納する情報キャリア。
[項目62]
少なくとも2つの中央に構成された主軸頸と、少なくとも1つのオフセットされたロッド軸頸とを備える、クランクシャフトの複数の軸頸の複数の表面をレーザ硬化するための装置であって、
前記クランクシャフトを支持し、任意に、前記クランクシャフトを前記クランクシャフトの長軸周りに回転させるクランクシャフト支持部と、
レーザスポットを前記軸頸に生成するために、レーザビームを前記クランクシャフトの軸頸に投影する少なくとも1つのレーザ源とを備え、
2次元のスキャンパターンを前記軸頸の前記表面に確立するために、前記レーザ源は、前記レーザビームを2次元でスキャンするための双方向スキャン手段を含む、装置。
[項目63]
前記クランクシャフト支持部及び前記レーザ源は、長軸に直交する少なくとも2つの異なる方向において、前記クランクシャフトが前記長軸周りに回転する間、ロッド軸頸と前記レーザ源との間が一定距離となるように、互いに対して変位可能であり、前記ロッド軸頸は、前記長軸に対してオフセットされる、請求項62に記載の装置。
[項目64]
前記レーザ源は、第1の方向、好ましくは垂直方向に変位可能であり、前記クランクシャフト支持部は、第2の方向、好ましくは水平方向に変位可能であり、前記第1及び第2の方向の両方は、前記長軸に直交する、請求項63に記載の装置。
[項目65]
前記レーザ源は、前記クランクシャフトの前記長軸と平行にさらに変位可能である、請求項64に記載の装置。
[項目66]
前記スキャンパターンと関連付けられた複数のパラメータ値を格納するメモリを含む制御ユニットを備え、前記スキャンパターンは、前記複数のパラメータ値の複数のセットを含み、前記複数のパラメータ値の第1のセットは、第1の2次元エネルギー分布を前記クランクシャフトの軸頸において決定し、前記複数のパラメータ値の第2のセットは、第2の2次元エネルギー分布を前記軸頸において決定する、請求項62から65のいずれか1項に記載の装置。
[項目67]
前記制御ユニットは、前記クランクシャフトがその長軸周りに回転する間、前記複数のパラメータ値の第1のセット及び前記複数のパラメータ値の第2のセットを選択的に適用し、任意に、前記2次元のスキャンパターンに対応する高感熱性サブエリアの出現と同期して、前記メモリに格納された複数のパラメータ値のさらなるセットを適用することによって、硬化加工を制御する、請求項66に記載の装置。
[項目68]
前記スキャンパターンは、複数のセグメントを備えるセグメント化されたスキャンパターンであり、前記複数のパラメータ値のうちの少なくとも1つは、各セグメントに割り当てられ、前記少なくとも1つのパラメータ値は、スキャン速度、前記レーザスポットのサイズ、前記レーザビームのパワー、前記レーザビーム内のパワー分布、対応するセグメントの長さ及び対応するセグメントの方向のうちの少なくとも1つを示す、請求項66または67に記載の装置。
[項目69]
毎秒少なくとも300セグメント、好ましくは毎秒少なくとも600セグメント、より好ましくは毎秒少なくとも1,000セグメント、より好ましくは毎秒少なくとも5,000セグメント、さらにより好ましくは毎秒少なくとも10,000セグメントの平均速度で、前記スキャンを実行する、請求項68に記載の装置。
[項目70]
ワークピースの表面エリアを硬化するための装置であって、前記表面エリアは、少なくとも1つの低感熱性サブエリア及び少なくとも1つの高感熱性サブエリアを備え、有効レーザスポットを前記表面エリアに投影するレーザ源と、前記表面エリアの複数の異なる部分を硬化に適した温度にその後徐々に加熱することによって前記有効レーザスポットが2次元エネルギー分布を有するために、前記有効レーザスポットが前記表面エリアに沿って移動させられるように、前記表面エリアと前記有効レーザスポットとの間で相対移動を生じさせるための手段とを備え、前記装置は、前記装置の動作を制御するための制御システムをさらに備え、前記制御システムは、前記高感熱性サブエリアにおいて、前記低感熱性サブエリアと異なるように、前記2次元エネルギー分布を変更する、装置。
[項目71]
前記少なくとも1つの高感熱性サブエリアは、
−前記表面エリアにおいて、潤滑油孔のような孔と隣接するエリア、
−アンダーカットフィレットのようなフィレット及び
−前記有効レーザスポットがクランクシャフトの円筒状軸頸のような対象の周に沿って、360°軌道の端部において到達する部分のような、前記表面エリアの以前に硬化された部分
のうちの少なくとも1つを含む、請求項70に記載の装置。
[項目72]
前記有効レーザスポットの前記表面エリアに沿った移動の少なくとも一部、好ましくは少なくとも50%の間、より好ましくは少なくとも90%の間、さらにより好ましくは前記有効レーザスポットが前記表面エリアに沿って移動する100%の間、前記有効レーザスポットによって加熱される前記表面エリア内の複数の部分は、少なくとも0.5秒、好ましくは少なくとも1秒の間加熱されるように、前記有効レーザスポットがサイズを有し、かつ、前記表面エリアに沿って速度で移動するように動作し、前記表面エリアに沿って前記有効レーザスポットが移動する方向において、前記有効レーザスポットの前記サイズは、少なくとも5mm、好ましくは少なくとも7mm、より好ましくは少なくとも10mm、さらにより好ましくは少なくとも15mm、20mm、30mmまたはそれより大きく、例えば少なくとも50mmである、請求項70または71に記載の装置。
[項目73]
前記有効レーザスポットの複数のセグメントを生成することによって、前記有効レーザスポットを生成し、前記複数のセグメントは、少なくとも6つのセグメントを備え、前記制御システムは、前記複数のセグメントに割り当てられた複数のパラメータ値に従って、前記複数のセグメントにおけるエネルギー密度及び分布のうちの少なくとも1つを選択的に変更することによって、前記2次元エネルギー分布を変更し、前記複数のパラメータ値は、前記制御システムのメモリに格納される、請求項70から72のいずれか1項に記載の装置。
[項目74]
前記レーザ源は、前記レーザ源のレーザビームを2次元でスキャンするためのスキャン手段を備え、前記制御システムは、前記有効レーザスポットを生成するために、前記複数のセグメントを備えるスキャンパターンに従って、前記レーザビームを2次元でスキャンし、前記スキャンパターンは、少なくとも10Hz、好ましくは少なくとも50Hz、より好ましくは少なくとも100Hz、さらにより好ましくは少なくとも200Hzの反復率で繰り返される、請求項73に記載の装置。
[項目75]
前記複数のパラメータ値は、前記スキャンパターンに対応するセグメントに対応して、前記ビームのビームパワーレベル及びスキャン速度のうちの少なくとも1つを示す、請求項74に記載の装置。
[項目76]
前記レーザ源は、前記レーザ源のレーザビームを2次元でスキャンするためのスキャン手段を備え、前記制御システムは、スキャンパターンに従う前記有効レーザスポットを生成するために、前記レーザビームを2次元でスキャンし、前記スキャンパターンは、少なくとも10Hz、好ましくは少なくとも50Hz、より好ましくは少なくとも100Hz、さらにより好ましくは少なくとも200Hzの反復率で繰り返される、請求項70から72のいずれか1項に記載の装置。
[項目77]
クランクシャフトの少なくとも1つの軸頸を硬化するためにプログラムされ、前記装置は、前記有効レーザスポットが前記クランクシャフトの前記軸頸の50%より多く、好ましくは前記クランクシャフトの前記軸頸の75%より多くにわたって延在するように、前記有効レーザスポットを生成するためにプログラムされる、請求項70から76のいずれか1項に記載の装置。
[項目78]
前記制御システムは、複数のデータセットを格納するメモリを備え、前記複数のデータセットの各々は、前記有効レーザスポットの2次元エネルギー分布を示すことにより、前記装置が前記有効レーザスポットの前記2次元エネルギー分布を適応させる間に、前記有効レーザスポットが前記低感熱性サブエリアに投影される場合に、前記レーザ源を動作させるために前記複数のデータセットのうちの1つを用いることによって、かつ、前記有効レーザスポットが前記高感熱性サブエリアに投影される場合に、前記レーザ源を動作させるために前記複数のデータセットのうちの少なくとも他の1つを用いることによって、前記有効レーザスポットが前記表面エリアに沿って移動させられる、請求項70から77のいずれか1項に記載の装置。
[項目79]
クランクシャフトのようなワークピースの少なくとも1つの表面エリアをレーザ硬化する方法であって、請求項68から76のいずれか1項に記載の装置を用いて、前記ワークピースの前記表面エリアを硬化温度に加熱する段階と、焼き入れを生成するために、前記表面エリアの複数の加熱された部分を冷却可能とする段階とを備える方法。
[項目80]
複数の軸頸を備えるクランクシャフトであって、前記複数の軸頸のうちの少なくとも1つは、請求項1から58及び79のいずれか1項に記載の方法によって硬化された表面を有する、クランクシャフト。
[項目81]
クランクシャフトの複数の軸頸をレーザ硬化するために、請求項62から78のいずれか1項に記載の装置をプログラミングする方法であって、
複数のデータセットを確立するために、レーザビームパワー、スキャン速度、セグメントの長さ及びセグメントの方向のうちの少なくとも1つのような複数のパラメータ値に関するエネルギー分布を複数のセグメントに割り当てる段階であって、各データセットは、硬化されるべき表面エリアに投影され、かつ、前記表面エリアに沿って変位される有効レーザスポットの特定の2次元エネルギー分布に対応する段階と、
前記複数のデータセットを格納する段階と、
前記表面エリアの低感熱性サブエリアを加熱するための前記複数のデータセットのうちの少なくとも1つに従って前記エネルギー分布を適応させることによって、かつ、前記表面エリアの高感熱性サブエリアを加熱するための前記データセットの少なくとも他の1つに従って前記エネルギー分布を適応させることによって、前記有効レーザスポットの前記表面エリアに沿った移動と同期して、前記有効レーザスポットの前記エネルギー分布を適応させるために、前記装置をプログラミングする段階とを備える、方法。
[項目82]
データセットを確立する段階の後、対応する2次元エネルギー分布をスクリーン上で算出及び可視化する段階を備える、請求項81に記載の方法。
Claims (82)
- クランクシャフトの軸頸の表面に対するレーザ硬化の方法であって、前記軸頸は、硬化されるべき表面エリアを備え、前記表面エリアは、前記クランクシャフトの回転軸と平行な第1の方向及び前記軸頸の周方向に対応する第2の方向に延在し、前記表面エリアは、少なくとも1つの高感熱性サブエリア及び少なくとも1つの低感熱性サブエリアを備え、前記少なくとも1つの高感熱性サブエリアは、前記クランクシャフトの潤滑油孔隣接エリアを含み、
前記表面エリアに有効レーザスポットを生成するために、レーザ源からのレーザビームを前記表面エリアに投影する段階であって、前記有効レーザスポットは、前記第1の方向において、前記硬化されるべき表面エリアの主要部分にわたって延在する、段階と、
その後、前記周方向において、前記有効レーザスポットを前記表面エリアの複数の異なる部分に投影するために、前記周方向において、前記クランクシャフトの前記表面と前記レーザ源との間の相対移動を生じさせる段階とを備え、
前記有効レーザスポットは、2次元エネルギー分布を有し、
前記潤滑油孔隣接エリアに対する過熱を回避するために、前記エネルギー分布が、前記低感熱性サブエリアを加熱する場合に、前記潤滑油孔隣接エリアを含む高感熱性サブエリアを加熱する場合と異なるように、前記方法は、前記エネルギー分布を適応させる段階を備える、方法。 - 前記有効レーザスポットを前記表面エリアに適用する時間の少なくとも50%の間、前記有効レーザスポットは、周方向において、少なくとも5mm、好ましくは少なくとも7mmより好ましくは少なくとも10mm、さらにより好ましくは少なくとも15mm、20mm、30mmまたはそれより大きく、例えば少なくとも50mmの幅を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記有効レーザスポットは、スキャンサイクル中の前記2次元エネルギー分布が、スキャン速度、スキャンパターン、レーザスポットのサイズ、前記レーザビームのパワー及び前記レーザビーム内のパワー分布によって決定されるように、前記レーザビームを前記第1の方向及び前記第2の方向にスキャンし、前記レーザスポットがスキャン速度で移動するスキャンパターンに繰り返し従うことによって得られた等価なレーザスポットである、請求項1または2に記載の方法。
- 前記潤滑油孔隣接エリアに対する過熱を回避するために、前記エネルギー分布が、前記低感熱性サブエリアを加熱する場合に、前記潤滑油孔隣接エリアを含む高感熱性サブエリアを加熱する場合と異なるように、前記エネルギー分布の適応は、前記スキャン速度、前記スキャンパターン、前記レーザスポットのサイズ、前記レーザビームのパワー及び前記レーザビーム内の前記パワー分布のうちの少なくとも1つを適応させることによって実行される、請求項3に記載の方法。
- 前記エネルギー分布の適応は、前記レーザスポットを前記スキャンパターンに沿ってスキャンする間に、前記レーザビームの前記パワーを適応させる、例えば、前記レーザビームをオン及びオフにすることによって、実行される、請求項4に記載の方法。
- 前記レーザビームを、毎秒少なくとも300回、好ましくは毎秒少なくとも600回、より好ましくは毎秒少なくとも1,000回、より好ましくは毎秒少なくとも5,000回、さらにより好ましくは毎秒少なくとも10,000回、複数の適用可能なパワー状態のうちの1つに選択的に設定するために、前記エネルギー分布は、前記レーザスポットを前記スキャンパターンに沿ってスキャンする間に、前記レーザビームの前記パワーを選択的に適応させることによって制御される、請求項3に記載の方法。
- 前記スキャンパターンは、複数のセグメントを備え、前記複数のセグメントの各々は、それに割り当てられた前記複数の適用可能なパワー状態のうちの1つを有し、前記複数のセグメントのうちの少なくとも1つに割り当てられた前記パワー状態は、前記低感熱性サブエリアを加熱する間、前記潤滑油孔隣接エリアを含む高感熱性サブエリアを加熱する間と異なる、請求項6に記載の方法。
- 前記エネルギー分布の適応は、前記レーザスポットを前記スキャンパターンに沿ってスキャンする間に、前記スキャン速度を適応させることによって実行される、請求項4から7のいずれか1項に記載の方法。
- 前記有効レーザスポット内の複数の点における温度変動が、極大、及びそれに続く極小温度の間で、200℃より小さく、好ましくは150℃より小さく、より好ましくは100℃より小さく、さらにより好ましくは50℃より小さい振幅を有するように、前記スキャンは、十分に高いスキャン速度で実行される、請求項3から8のいずれか1項に記載の方法。
- 前記有効レーザスポットの前記エネルギー分布は、前記有効レーザスポットの前記第1の方向における中央よりも、前記有効レーザスポットの前記第1の方向における複数の端部に向けてより大きいエネルギーが適用される、請求項1から9のいずれか1項に記載の方法。
- 前記有効レーザスポットによって走査されたエリアが、最初により高い平均パワーでレーザ照射を受け、その後、より低い平均パワーでレーザ照射を受けるように、前記エネルギー分布は、前記有効レーザスポットの先端部分において、前記有効レーザスポットの末端部分より高いエネルギー密度を有する、請求項1から10のいずれか1項に記載の方法。
- 前記有効レーザスポットを、前記第1の方向において、潤滑油孔の両方の側面の前記表面エリアに適用する段階を備え、前記潤滑油孔が前記側面のうちの第1の側面下ではなく、前記側面のうちの第2の側面下で延在するように、前記潤滑油孔は、傾斜した態様で内側に向かって延在し、前記有効レーザスポットは、前記側面のうちの前記第1の側面に、前記側面のうちの前記第2の側面より大きいエネルギーを適用するように適合される、請求項1から11のいずれか1項に記載の方法。
- 前記有効レーザスポットは、前記低感熱性サブエリアにおいて第1の形状を有し、潤滑油孔に到達した際に実質的にU形状を有し、かつ、前記潤滑油孔を離れる際に実質的に逆U形状を有し、逆もまた同様であり、前記第1の形状は、任意に、実質的に矩形または三角形状である、請求項1から12のいずれか1項に記載の方法。
- クランクシャフトの軸頸の表面に対するレーザ硬化の方法であって、前記軸頸は、硬化されるべき表面エリアを備え、前記表面エリアは、前記クランクシャフトの回転軸と平行な第1の方向及び前記軸頸の周方向に対応する第2の方向に延在し、前記表面エリアは、少なくとも1つの高感熱性サブエリア及び少なくとも1つの低感熱性サブエリアを備え、前記少なくとも1つの高感熱性サブエリアは、潤滑油孔隣接エリアを含み、前記方法は、
レーザ源からのレーザビームを前記表面エリアに投影する段階と、
前記硬化されるべき表面エリアの周方向セグメントを硬化させるべく、その後、周方向において、前記レーザビームを前記表面エリアの複数の異なる部分に投影するために、前記周方向において、前記クランクシャフトの前記表面と前記レーザ源との間の相対移動を生じさせる段階と、
前記硬化されるべき表面エリアの硬化が完了するまで、前記周方向セグメントの前記第1の方向における拡張を増大させるために、前記レーザビームを前記第1の方向に変位させる段階とを備え、
前記潤滑油孔隣接エリアに対する過熱を回避するべく、潤滑油孔隣接エリアを含む前記高感熱性サブエリアに対応して、前記低感熱性サブエリアより小さいエネルギーを適用するために、エネルギーが、前記レーザ源と前記クランクシャフトの前記表面との間の前記相対移動と同期して、前記レーザビームによって前記クランクシャフトに適用される態様を適応させる段階を備える、方法。 - 前記周方向において、前記クランクシャフトの前記表面と前記レーザ源との間の相対移動を生じさせる段階は、前記クランクシャフトを、例えば3000rpmを超える速度、6000rpmを超える速度のような高速で回転させる段階を含む、請求項14に記載の方法。
- 前記軸頸の周方向セグメントの複数のセクションを、複数の有効レーザスポットの各々で同時に加熱するために、前記表面エリアに対して、1つより多くのレーザビームを同時に適用する段階を備える、請求項14または15に記載の方法。
- 前記表面エリアを、潤滑油孔の両方の側面で前記第1の方向において加熱するために、エネルギーを適用する段階を備え、前記潤滑油孔が前記側面のうちの第1の側面下ではなく、前記側面のうちの第2の側面下で延在するように、前記潤滑油孔は、傾斜した態様で内側に向かって延在し、前記方法は、前記側面のうちの前記第1の側面に、前記側面のうちの前記第2の側面より大きいエネルギーを適用する段階を備える、請求項14から16のいずれか1項に記載の方法。
- 前記軸頸の硬化された周方向セグメントのサイズを徐々に増大させるべく、前記軸頸の周方向部分を繰り返し加熱するために、前記軸頸の周方向において第1の速度で、有効レーザスポットの移動を与える段階と、前記有効レーザスポットを、前記第1の速度より低い第2の速度で前記第1の方向に移動させ、それにより、複数の新たな周方向部分を加熱する一方で、自己焼き入れを与えるために、複数の以前に加熱された周方向部分の冷却を可能とする段階とを備える、請求項14から17のいずれか1項に記載の方法。
- 有効レーザスポットが、中心から外された態様で、前記軸頸に投影される、請求項14から18のいずれか1項に記載の方法。
- ワークピース表面に対するレーザ硬化の方法であって、前記ワークピースは、少なくとも1つの硬化されるべき表面エリアを備え、前記表面エリアは、少なくとも1つの高感熱性サブエリア及び少なくとも1つの低感熱性サブエリアを備え、
前記エリアにレーザスポットを生成するために、レーザ源からのレーザビームを前記表面エリアに投影する段階と、
前記ワークピースの前記表面と前記レーザ源との間の相対移動を生じさせ、それにより、その後、前記レーザスポットが、前記表面エリアの複数の異なる部分に投影されることを可能にする段階と、
2次元の等価な有効レーザスポットを前記表面エリアに生成するために、前記相対移動の間、前記レーザビームを、前記表面エリアの各部分にわたって2次元で繰り返しスキャンする段階であって、前記有効レーザスポットは、エネルギー分布を有する、段階とを備え、
前記高感熱性サブエリアの過熱を防止するために、前記エネルギー分布は、高感熱性サブエリアにおいて、低感熱性サブエリアと異なるように適合される、方法。 - 前記レーザビームを、前記有効レーザスポット内でスキャンパターンに沿ってスキャンする段階と、前記エネルギー分布を得るために、任意に、スキャンパターンに沿って前記レーザビームをオン及びオフにすることによって、前記レーザビームのパワーを、前記スキャンパターンに沿って変更する段階とを備える、請求項20に記載の方法。
- 毎秒少なくとも300回、より好ましくは毎秒少なくとも600回、より好ましくは毎秒少なくとも1,000回、より好ましくは毎秒少なくとも5,000回、さらにより好ましくは毎秒少なくとも10,000回、前記レーザビームを複数の適用可能なパワー状態のうちの1つに選択的に設定するために、前記エネルギー分布は、前記レーザスポットをスキャンパターンに沿ってスキャンする間に、前記レーザビームの前記パワーを選択的に適応させることによって制御される、請求項20に記載の方法。
- 前記スキャンパターンは、複数のセグメントを備え、前記複数のセグメントの各々は、それに割り当てられた前記複数の適用可能なパワー状態のうちの1つを有し、前記複数のセグメントのうちの少なくとも1つに割り当てられた前記パワー状態は、前記低感熱性サブエリアにおいて、前記高感熱性サブエリアと異なる、請求項22に記載の方法。
- 前記有効レーザスポット内で、前記レーザビームに対して、前記高感熱性サブエリアにおいて、前記低感熱性サブエリアと比べて異なるスキャンパターンを用いる段階を備える、請求項20から23のいずれか1項に記載の方法。
- 前記有効レーザスポットの少なくとも一部で、前記エネルギー分布が、前記高感熱性サブエリアにおいて前記低感熱性サブエリアと比べて異なるようにスキャン速度を適応させることによって、前記エネルギー分布を適応させる段階を備える、請求項20から24のいずれか1項に記載の方法。
- 前記有効レーザスポットは、前記ワークピースの表面部分を硬化温度に加熱するために選択されたエネルギー分布及び密度を有する先端部分と、加熱された表面部分の冷却を、焼き入れのために可能にするべく選択されたエネルギー分布及び密度を有する中間部分と、その焼き戻しを生成するべく、前記焼き入れされた部分を加熱するために選択されたエネルギー分布及び密度を有する末端部分とを備える、請求項20から25のいずれか1項に記載の方法。
- 前記有効レーザスポットは、複数の線を備えるパターンに従う前記ワークピースにわたって、前記レーザビームを繰り返しスキャンすることによって確立され、前記複数の線は、好ましくは実質的に平行であり、前記スキャンは、スキャン周波数で繰り返され、前記複数の線の各々は、複数のセグメントを備え、前記レーザビームの出力パワーを、前記複数のセグメントのうちのいくつかにおいて、前記複数のセグメントのうちの他のものと異なるレベルに選択的に設定するために、前記方法は、所定のレーザビームパワー値を前記複数のセグメントの各々に割り当てる段階を備える、請求項20から26のいずれか1項に記載の方法。
- 前記スキャン周波数は、少なくとも50Hz、好ましくは少なくとも100Hzであり、前記複数の線は、少なくとも2つの線、好ましくは少なくとも3つの線、より好ましくは少なくとも4つの線、例えば5−10の線を備え、各線は、少なくとも3つのセグメント、好ましくは少なくとも5つのセグメント及びより好ましくは少なくとも10のセグメント、例えば10−20のセグメントを備える、請求項27に記載の方法。
- 前記レーザビームのスキャンは、前記レーザスポットが複数のセグメントを備えるスキャンパターンに繰り返し従うように実行され、前記エネルギー分布に影響する少なくとも1つのパラメータ値は、前記複数のセグメントの各々と関連付けられ、前記少なくとも1つのパラメータ値が、前記複数のセグメントのうちの少なくとも1つに対して、前記有効レーザスポットが前記高感熱性サブエリアを加熱する場合に、前記低感熱性サブエリアを加熱する場合と異なるように、動作中に、前記少なくとも1つのパラメータ値が動的に適合される、請求項3または20に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのパラメータ値は、スキャン速度、前記レーザスポットのサイズ、前記レーザビームのパワー、前記レーザビーム内のパワー分布、対応するセグメントの長さ及び対応するセグメントの方向のうちの少なくとも1つを示す、請求項29に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのパラメータ値は、前記セグメントに対応する前記レーザビームのパワーを示す、請求項29に記載の方法。
- 各セグメントに対して、対応する少なくとも1つのパラメータ値をメモリに格納する段階を備え、少なくとも1つのセグメントに対して、少なくとも2つの異なる複数のパラメータ値が前記メモリに格納され、第1のパラメータ値は、前記低感熱性サブエリアを加熱する場合に用いられ、第2のパラメータ値は、前記高感熱性サブエリアを加熱する場合に適用される、請求項29から31のいずれか1項に記載の方法。
- 前記スキャンは、毎秒少なくとも300セグメント、好ましくは毎秒少なくとも600セグメント、より好ましくは毎秒少なくとも1,000セグメント、より好ましくは毎秒少なくとも5,000セグメント、さらにより好ましくは毎秒少なくとも10,000セグメントの平均速度で実行される、請求項29から32のいずれか1項に記載の方法。
- 有効レーザスポットが、前記表面エリアの以前に硬化された部分、例えば、前記有効レーザスポットをクランクシャフトの軸頸周りで周方向に変位させることによって硬化された前記軸頸の、以前に硬化された部分に到達した場合に、前記有効レーザスポットの先端部分でエネルギー密度を減少させる段階を備える、請求項29から33のいずれか1項に記載の方法。
- 有効レーザスポットが、前記表面エリアの以前に硬化された部分、例えば、前記有効レーザスポットをクランクシャフトの軸頸周りで周方向に変位させることによって硬化された前記軸頸の以前に硬化された部分に到達した場合に、前記有効レーザスポットの先端部分において、前記有効レーザスポットの移動を阻害する段階を備え、前記有効レーザスポットの末端部分は、前記周方向に移動し続け、それにより、前記有効レーザスポットが消滅するまで前記有効レーザスポットの前記周方向におけるサイズを徐々に減少させる、請求項29から34のいずれか1項に記載の方法。
- ワークピース表面に対するレーザ硬化の方法であって、前記ワークピースは、少なくとも1つの硬化されるべき表面エリアを備え、前記表面エリアは、少なくとも1つの高感熱性サブエリア及び少なくとも1つの低感熱性サブエリアを備え、
前記エリアにレーザスポットを生成するために、レーザ源からのレーザビームを前記表面エリアに投影する段階と、
前記ワークピースの前記表面と前記レーザ源との間の相対移動を生じさせ、それにより、その後、前記レーザスポットが、前記表面エリアの複数の異なる部分に投影されることを可能にする段階と、
前記相対移動の間、前記エリアの各部分にわたって、前記レーザビームをスキャンする段階とを備え、
前記スキャンは、前記レーザスポットが前記表面エリアにおいてスキャンパターンに従うように実行され、
前記高感熱性サブエリアにおいて前記ワークピースの過熱を回避するために、
(i)スキャン速度、
(ii)レーザビームパワー及び
(iii)レーザスポットサイズのうちの少なくとも1つは、前記スキャンパターンの1つの部分において、他の前記スキャンパターンの部分と異なる、方法。 - 前記スキャンパターンは、複数のセグメントを備え、前記複数のセグメントの各々に対し、
(i)スキャン速度、
(ii)レーザビームパワー及び
(iii)レーザスポットサイズのうちの少なくとも1つが割り当てられ、
これにより、前記スキャン速度、前記レーザビームパワー及び前記レーザスポットサイズのうちの少なくとも1つは、前記複数のセグメントのうちの少なくとも1つに対して、前記複数のセグメントのうちの少なくとも他のものと比べて異なるように選択される、請求項36に記載の方法。 - 前記スキャン速度は、高感熱性サブエリアにより近いセグメントにおいて、前記感熱性サブエリアからさらに離れた2つの隣接セグメントより高くなるように選択される、請求項37に記載の方法。
- 前記レーザビームパワーは、高感熱性サブエリアにより近いセグメントにおいて、前記感熱性サブエリアからさらに離れた2つの隣接セグメントより低くなるように選択される、請求項37または38に記載の方法。
- 前記レーザスポットは、高感熱性サブエリアにより近いセグメントにおいて、前記感熱性サブエリアからさらに離れた2つの隣接セグメントよりより大きいエリアを有するように選択される、請求項37から39のいずれか1項に記載の方法。
- 複数のセグメントのうち1つまたは複数に割り当てられた
(i)スキャン速度、
(ii)レーザビームパワー及び
(iii)レーザスポットサイズのうちの少なくとも1つが少なくとも一度変更される間に、ワークピースの表面は、前記レーザ源に対して移動する、請求項28から40のいずれか1項に記載の方法。 - (i) 少なくとも1つのスキャン速度、
(ii)少なくとも1つのレーザビームパワー及び
(iii)少なくとも1つのレーザスポットサイズのうちの少なくとも1つを前記複数のセグメントの各々に割り当てることによって、前記レーザビームを制御するための電子制御手段をプログラミングする段階を備える、請求項37または38に記載の方法。 - スキャンパターンは、幾何学的形状を有し、前記スキャンパターンの前記幾何学的形状が少なくとも一度変更される間に、前記ワークピースの前記表面は、前記レーザ源に対して移動する、請求項36から42のいずれか1項に記載の方法。
- ワークピース表面に対するレーザ硬化の方法であって、前記ワークピースは、少なくとも1つの硬化されるべき表面エリアを備え、前記表面エリアは、少なくとも1つの高感熱性サブエリア及び少なくとも1つの低感熱性サブエリアを備え、
レーザスポットを前記表面エリアに生成するために、レーザ源からのレーザビームを前記表面エリアに投影する段階と、
前記ワークピースの前記表面と前記レーザ源との間の相対移動を生じさせ、それにより、その後、前記レーザスポットが、前記表面エリアの複数の異なる部分に投影されることを可能にする段階と、
前記相対移動の間、前記レーザビームを前記表面エリアの各部分にわたってスキャンする段階とを備え、
前記スキャンは、前記レーザスポットが前記エリアにおいてスキャンパターンに従うように実行され、前記スキャンパターンは、幾何学的構成を有し、
前記スキャンパターンの前記幾何学的構成は、前記相対移動中に前記表面エリアと前記レーザ源との間で少なくとも一度変更される、方法。 - ワークピース表面に対するレーザ硬化の方法であって、前記ワークピースは、少なくとも1つの硬化されるべき表面エリアを備え、前記表面エリアは、少なくとも1つの高感熱性サブエリア及び少なくとも1つの低感熱性サブエリアを備え、
レーザ源からのレーザビームを前記表面エリアに投影し、つまり、レーザスポットを前記表面エリアに生成する段階と、
前記ワークピースの前記表面と前記レーザ源との間の相対移動を生じさせ、それにより、その後、前記レーザスポットが、前記表面エリアの複数の異なる部分に投影されることを可能にする段階と、
前記相対移動の間、前記レーザビームを前記エリアの各部分にわたってスキャンする段階と、
前記レーザビームを変調する段階とを備え、
前記ワークピースの各部分の過熱を防止するために、前記レーザビームは、前記レーザスポットが前記高感熱性サブエリアにある場合に、これが前記低感熱性サブエリアにある場合と異なるように変調され、
A.前記レーザビームのパワーは、変調され、
B.前記レーザビームのスキャン速度は、変調され、
C.レーザスポットが前記高感熱性サブエリアに対応する場合に、前記低感熱性サブエリアに対応する場合とは異なるスキャンパターンに従うように、前記レーザビームのスキャンパターンは変調され、及び
D.レーザスポットサイズが前記高感熱性サブエリアに対応する場合に、前記低感熱性サブエリアに対応する場合とは異なるように、前記レーザビームのレーザスポットサイズは変調される
うちの少なくとも1つが実行される、方法。 - ワークピース表面に対するレーザ硬化の方法であって、前記ワークピースは、少なくとも1つの硬化されるべき表面エリアを備え、
レーザ源からのレーザビームを前記表面エリアに投影し、これによって、レーザスポットを前記表面エリアに生成する段階と、
前記ワークピースの前記表面と前記レーザ源との間で相対移動を生じさせ、それにより、その後、前記レーザスポットが、前記表面エリアの複数の異なる部分に投影されることを可能にする段階と、
前記相対移動の間、前記レーザビームを前記エリアの各部分にわたってスキャンする段階とを備え、
前記レーザビームによって走査されるエリアに入る前記ワークピースの前記表面の部分が、最初により高い平均パワーでレーザ照射を受け、その後、より低い平均パワーでレーザ照射を受けるように加熱が実行される、方法。 - 実質的に円形の断面を有するワークピースの部分の表面をレーザ硬化する方法であって、
レーザ源からのレーザビームを前記表面に投影し、これにより、レーザスポットを前記表面に生成する段階と、
前記ワークピースの前記表面と前記レーザ源との間で相対移動を生じさせ、それにより、その後、前記レーザスポットが、前記表面の周に沿って、前記表面の複数の異なる部分に投影されることを可能にする段階とを備え、
前記レーザビームは、中心から外された態様で、前記表面に投影される、方法。 - ワークピースの部分の表面をレーザ硬化する方法であって、
レーザ源からのレーザビームを前記表面に投影し、これにより、レーザスポットを前記表面に生成する段階と、
前記ワークピースの前記表面と前記レーザ源との間で相対移動を生じさせ、それにより、その後、前記レーザスポットが前記表面の複数の異なる部分に投影されることを可能にする段階とを備え、
前記レーザビームは、前記表面と直交しない方向で、好ましくは前記レーザビームと前記表面との間の入射点において、前記表面に対して70°より小さい角度を形成して、前記表面に投影される、方法。 - ワークピース表面に対するレーザ硬化の方法であって、
レーザ源からのレーザ光を加熱されるべき複数の表面エリアに投影する段階を備え、
前記レーザ光は、第1の表面エリア及び前記第1の表面エリアと実質的に垂直に延在する第2の表面エリアに投影され、
前記方法は、レーザビームをS波偏光成分を有する第1のレーザビーム成分及びP波偏光成分を有する第2のレーザビーム成分に分割する段階と、前記第1のレーザビーム成分を、前記第1の表面エリアの加熱のために用いる段階と、前記第2のレーザビーム成分を、前記第2の表面エリアの加熱のために用いる段階とを備える、方法。 - ワークピースと前記レーザ源との間で相対移動を生じさせる段階は、レーザ光スポットが前記硬化されるべき表面エリアの周全体にアクセスできるように、前記ワークピースを回転軸周りに回転させる段階を含む、請求項20から49のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ワークピースと前記レーザ源との間で相対移動を生じさせる段階は、前記回転軸と直交する第1の方向及び前記回転軸と直交する第2の方向に相対移動を生じさせる段階を含み、前記第1の方向における移動は、前記ワークピースを変位させることによって生成され、前記第2の方向における移動は、前記レーザ源を変位させることによって生成され、任意に、前記レーザ源は、前記回転軸と平行に移動可能である、請求項50に記載の方法。
- ワークピースは、複数の潤滑油孔を有するクランクシャフトである、請求項20から51のいずれか1項に記載の方法。
- クランクシャフト表面をレーザ硬化する方法であって、前記クランクシャフトは、主軸頸、複数のロッド軸頸及び複数の潤滑油孔を備え、
レーザ源からのレーザビームを、硬化されるべき軸頸の表面に投影することにより、レーザスポットを前記表面に生成する段階と、前記クランクシャフトを回転させることにより、前記表面を前記レーザ源に対して移動させる段階とを備え、
前記表面を加熱するために、前記クランクシャフトが回転する間、前記レーザビームは、前記軸頸の前記表面の少なくとも一部にわたって、所定のスキャンパターンに従ってスキャンされ、
前記表面において、複数の高感熱性サブエリアに、複数の低感熱性サブエリアより小さいエネルギーを適用するために、前記スキャンは実行される、方法。 - 前記表面において、複数の高感熱性サブエリアに、複数の低感熱性サブエリアより小さいエネルギーを適用するために、前記レーザビームのパワーを実質的に一定に維持し、スキャン速度及びスキャンパターンのうちの少なくとも1つを適応させるように、前記スキャンは実行される、請求項53に記載の方法。
- 前記表面において、複数の高感熱性サブエリアに、複数の低感熱性サブエリアより小さいエネルギーを適用するために、例えば、前記スキャンパターンの複数のセグメントに対応して、前記レーザビームのオンオフ状態を動的に適応させることにより、前記スキャンパターンを実質的に一定に維持し、スキャン速度及びビームパワーのうちの少なくとも1つを適応させるように、前記スキャンは実行される、請求項53に記載の方法。
- 前記スキャンパターンは、複数のセグメントを備え、パワー状態に対応するパワーレベルに対して、各セグメントに対応して前記レーザビームの前記パワーを設定するために、ビームパワー状態は、前記複数のセグメントの各々に割り当てられ、前記レーザは、複数の前記ビームパワー状態の要求に応じて、前記レーザビームの前記パワーを変化させ、前記スキャンは、毎秒少なくとも300セグメント、好ましくは毎秒少なくとも600セグメント、より好ましくは毎秒少なくとも1,000セグメント、より好ましくは毎秒少なくとも5,000セグメント、さらにより好ましくは毎秒少なくとも10,000セグメントの率で生じ、前記スキャンパターンは、少なくとも10Hz、好ましくは少なくとも50Hz、より好ましくは少なくとも100Hzの周波数で繰り返され、前記複数のセグメントのうちの少なくとも1つに割り当てられた前記パワー状態は、高感熱性サブエリアに対応する場合に、低感熱性サブエリアに対応するものと異なる、請求項53に記載の方法。
- 前記複数の高感熱性サブエリアは、前記クランクシャフトの複数の軸頸の複数の軸方向端部において、前記複数の潤滑油孔と隣接する複数のエリア及び複数のフィレットと隣接する複数のエリアのうちの少なくとも1つを含む、請求項53から56のいずれか1項に記載の方法。
- 前記レーザ源は、ファイバレーザを備える、請求項1から57のいずれか1項に記載の方法。
- ワークピースの表面の少なくとも一部を硬化するためのシステムであって、レーザ源と、前記ワークピースの表面と前記レーザ源との間で相対移動を生じさせるための手段とを備え、前記システムは、前記システムの動作を制御するための電子制御手段をさらに備え、
前記電子制御手段は、請求項1から58のいずれか1項に記載の方法を実行するために前記システムを動作させる、システム。 - 請求項59に記載のシステムにおいて実行された場合に、請求項1から58のいずれか1項に記載の方法を実行するための複数のプログラム命令を備えるコンピュータプログラム。
- 請求項60に記載のコンピュータプログラムを格納する情報キャリア。
- 少なくとも2つの中央に構成された主軸頸と、少なくとも1つのオフセットされたロッド軸頸とを備える、クランクシャフトの複数の軸頸の複数の表面をレーザ硬化するための装置であって、
前記クランクシャフトを支持し、任意に、前記クランクシャフトを前記クランクシャフトの長軸周りに回転させるクランクシャフト支持部と、
レーザスポットを前記軸頸に生成するために、レーザビームを前記クランクシャフトの軸頸に投影する少なくとも1つのレーザ源とを備え、
2次元のスキャンパターンを前記軸頸の前記表面に確立するために、前記レーザ源は、前記レーザビームを2次元でスキャンするための双方向スキャン手段を含む、装置。 - 前記クランクシャフト支持部及び前記レーザ源は、長軸に直交する少なくとも2つの異なる方向において、前記クランクシャフトが前記長軸周りに回転する間、ロッド軸頸と前記レーザ源との間が一定距離となるように、互いに対して変位可能であり、前記ロッド軸頸は、前記長軸に対してオフセットされる、請求項62に記載の装置。
- 前記レーザ源は、第1の方向、好ましくは垂直方向に変位可能であり、前記クランクシャフト支持部は、第2の方向、好ましくは水平方向に変位可能であり、前記第1及び第2の方向の両方は、前記長軸に直交する、請求項63に記載の装置。
- 前記レーザ源は、前記クランクシャフトの前記長軸と平行にさらに変位可能である、請求項64に記載の装置。
- 前記スキャンパターンと関連付けられた複数のパラメータ値を格納するメモリを含む制御ユニットを備え、前記スキャンパターンは、前記複数のパラメータ値の複数のセットを含み、前記複数のパラメータ値の第1のセットは、第1の2次元エネルギー分布を前記クランクシャフトの軸頸において決定し、前記複数のパラメータ値の第2のセットは、第2の2次元エネルギー分布を前記軸頸において決定する、請求項62から65のいずれか1項に記載の装置。
- 前記制御ユニットは、前記クランクシャフトがその長軸周りに回転する間、前記複数のパラメータ値の第1のセット及び前記複数のパラメータ値の第2のセットを選択的に適用し、任意に、前記2次元のスキャンパターンに対応する高感熱性サブエリアの出現と同期して、前記メモリに格納された複数のパラメータ値のさらなるセットを適用することによって、硬化加工を制御する、請求項66に記載の装置。
- 前記スキャンパターンは、複数のセグメントを備えるセグメント化されたスキャンパターンであり、前記複数のパラメータ値のうちの少なくとも1つは、各セグメントに割り当てられ、前記少なくとも1つのパラメータ値は、スキャン速度、前記レーザスポットのサイズ、前記レーザビームのパワー、前記レーザビーム内のパワー分布、対応するセグメントの長さ及び対応するセグメントの方向のうちの少なくとも1つを示す、請求項66または67に記載の装置。
- 毎秒少なくとも300セグメント、好ましくは毎秒少なくとも600セグメント、より好ましくは毎秒少なくとも1,000セグメント、より好ましくは毎秒少なくとも5,000セグメント、さらにより好ましくは毎秒少なくとも10,000セグメントの平均速度で、前記スキャンを実行する、請求項68に記載の装置。
- ワークピースの表面エリアを硬化するための装置であって、前記表面エリアは、少なくとも1つの低感熱性サブエリア及び少なくとも1つの高感熱性サブエリアを備え、有効レーザスポットを前記表面エリアに投影するレーザ源と、前記表面エリアの複数の異なる部分を硬化に適した温度にその後徐々に加熱することによって前記有効レーザスポットが2次元エネルギー分布を有するために、前記有効レーザスポットが前記表面エリアに沿って移動させられるように、前記表面エリアと前記有効レーザスポットとの間で相対移動を生じさせるための手段とを備え、前記装置は、前記装置の動作を制御するための制御システムをさらに備え、前記制御システムは、前記高感熱性サブエリアにおいて、前記低感熱性サブエリアと異なるように、前記2次元エネルギー分布を変更する、装置。
- 前記少なくとも1つの高感熱性サブエリアは、
−前記表面エリアにおいて、潤滑油孔のような孔と隣接するエリア、
−アンダーカットフィレットのようなフィレット及び
−前記有効レーザスポットがクランクシャフトの円筒状軸頸のような対象の周に沿って、360°軌道の端部において到達する部分のような、前記表面エリアの以前に硬化された部分
のうちの少なくとも1つを含む、請求項70に記載の装置。 - 前記有効レーザスポットの前記表面エリアに沿った移動の少なくとも一部、好ましくは少なくとも50%の間、より好ましくは少なくとも90%の間、さらにより好ましくは前記有効レーザスポットが前記表面エリアに沿って移動する100%の間、前記有効レーザスポットによって加熱される前記表面エリア内の複数の部分は、少なくとも0.5秒、好ましくは少なくとも1秒の間加熱されるように、前記有効レーザスポットがサイズを有し、かつ、前記表面エリアに沿って速度で移動するように動作し、前記表面エリアに沿って前記有効レーザスポットが移動する方向において、前記有効レーザスポットの前記サイズは、少なくとも5mm、好ましくは少なくとも7mm、より好ましくは少なくとも10mm、さらにより好ましくは少なくとも15mm、20mm、30mmまたはそれより大きく、例えば少なくとも50mmである、請求項70または71に記載の装置。
- 前記有効レーザスポットの複数のセグメントを生成することによって、前記有効レーザスポットを生成し、前記複数のセグメントは、少なくとも6つのセグメントを備え、前記制御システムは、前記複数のセグメントに割り当てられた複数のパラメータ値に従って、前記複数のセグメントにおけるエネルギー密度及び分布のうちの少なくとも1つを選択的に変更することによって、前記2次元エネルギー分布を変更し、前記複数のパラメータ値は、前記制御システムのメモリに格納される、請求項70から72のいずれか1項に記載の装置。
- 前記レーザ源は、前記レーザ源のレーザビームを2次元でスキャンするためのスキャン手段を備え、前記制御システムは、前記有効レーザスポットを生成するために、前記複数のセグメントを備えるスキャンパターンに従って、前記レーザビームを2次元でスキャンし、前記スキャンパターンは、少なくとも10Hz、好ましくは少なくとも50Hz、より好ましくは少なくとも100Hz、さらにより好ましくは少なくとも200Hzの反復率で繰り返される、請求項73に記載の装置。
- 前記複数のパラメータ値は、前記スキャンパターンに対応するセグメントに対応して、前記ビームのビームパワーレベル及びスキャン速度のうちの少なくとも1つを示す、請求項74に記載の装置。
- 前記レーザ源は、前記レーザ源のレーザビームを2次元でスキャンするためのスキャン手段を備え、前記制御システムは、スキャンパターンに従う前記有効レーザスポットを生成するために、前記レーザビームを2次元でスキャンし、前記スキャンパターンは、少なくとも10Hz、好ましくは少なくとも50Hz、より好ましくは少なくとも100Hz、さらにより好ましくは少なくとも200Hzの反復率で繰り返される、請求項70から72のいずれか1項に記載の装置。
- クランクシャフトの少なくとも1つの軸頸を硬化するためにプログラムされ、前記装置は、前記有効レーザスポットが前記クランクシャフトの前記軸頸の50%より多く、好ましくは前記クランクシャフトの前記軸頸の75%より多くにわたって延在するように、前記有効レーザスポットを生成するためにプログラムされる、請求項70から76のいずれか1項に記載の装置。
- 前記制御システムは、複数のデータセットを格納するメモリを備え、前記複数のデータセットの各々は、前記有効レーザスポットの2次元エネルギー分布を示すことにより、前記装置が前記有効レーザスポットの前記2次元エネルギー分布を適応させる間に、前記有効レーザスポットが前記低感熱性サブエリアに投影される場合に、前記レーザ源を動作させるために前記複数のデータセットのうちの1つを用いることによって、かつ、前記有効レーザスポットが前記高感熱性サブエリアに投影される場合に、前記レーザ源を動作させるために前記複数のデータセットのうちの少なくとも他の1つを用いることによって、前記有効レーザスポットが前記表面エリアに沿って移動させられる、請求項70から77のいずれか1項に記載の装置。
- クランクシャフトのようなワークピースの少なくとも1つの表面エリアをレーザ硬化する方法であって、請求項68から76のいずれか1項に記載の装置を用いて、前記ワークピースの前記表面エリアを硬化温度に加熱する段階と、焼き入れを生成するために、前記表面エリアの複数の加熱された部分を冷却可能とする段階とを備える方法。
- 複数の軸頸を備えるクランクシャフトであって、前記複数の軸頸のうちの少なくとも1つは、請求項1から58及び79のいずれか1項に記載の方法によって硬化された表面を有する、クランクシャフト。
- クランクシャフトの複数の軸頸をレーザ硬化するために、請求項62から78のいずれか1項に記載の装置をプログラミングする方法であって、
複数のデータセットを確立するために、レーザビームパワー、スキャン速度、セグメントの長さ及びセグメントの方向のうちの少なくとも1つのような複数のパラメータ値に関するエネルギー分布を複数のセグメントに割り当てる段階であって、各データセットは、硬化されるべき表面エリアに投影され、かつ、前記表面エリアに沿って変位される有効レーザスポットの特定の2次元エネルギー分布に対応する段階と、
前記複数のデータセットを格納する段階と、
前記表面エリアの低感熱性サブエリアを加熱するための前記複数のデータセットのうちの少なくとも1つに従って前記エネルギー分布を適応させることによって、かつ、前記表面エリアの高感熱性サブエリアを加熱するための前記データセットの少なくとも他の1つに従って前記エネルギー分布を適応させることによって、前記有効レーザスポットの前記表面エリアに沿った移動と同期して、前記有効レーザスポットの前記エネルギー分布を適応させるために、前記装置をプログラミングする段階とを備える、方法。 - データセットを確立する段階の後、対応する2次元エネルギー分布をスクリーン上で算出及び可視化する段階を備える、請求項81に記載の方法。
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