JP2018188678A5

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Info

Publication number: JP2018188678A5
Application number: JP2017089262A
Authority: JP
Filing date: 2017-04-28
Publication date: 2019-05-23
Anticipated expiration: 2037-04-28

Description

図１において、ワーク回転機２２の回転軸をＯ−Ｏ’で示し、回転方向を矢印で示す。ワーク回転機２２の回転軸Ｏ−Ｏ’は、回転取付台２４とワーク保持治具２６を介して、ワーク６０の環状形状の中心軸に軸合わせされる。これにより、回転軸Ｏ−Ｏ’周りの回転方向は、レーザビーム３８に対するワーク６０の回転方向となり、ワーク６０に対するレーザビーム３８の走査方向となる。走査方向の上流側は、ワーク６０の回転方向の下流側に対応し、走査方向の下流側は、ワーク６０の回転方向の上流側に対応し、ワーク６０は、走査方向に沿って移動することになる。上流側回転軸Ｏ−Ｏ’は、ワーク回転機２２が設置される床面１２に平行に延びる。

レーザ照射装置３０は、走査方向に沿って移動するワーク６０に対しレーザビーム３８を照射する装置である。レーザ照射装置３０は、ビーム照射部３２と、ロボットアーム３４と、レーザ照射制御部３６を含む。ビーム照射部３２は、レーザ発振器と、レーザ発振器が発するレーザ光を所定のビーム形状のレーザビーム３８に整形する光学系とを含む。レーザ発振器としては、レーザ焼入れに適したレーザ光を発する半導体レーザ発振器等を用いることができる。レーザビーム３８の所定の形状としては矩形形状を用いる。これに代えて、円形、あるいは楕円形状であってもよい。ロボットアーム３４は、レーザビーム３８の照射先をワーク６０の所定の照射領域６４（図２、図３参照）に位置合せする多軸ロボット機構である。レーザ照射制御部３６は、レーザビーム３８の照射エネルギの大きさ、照射のオンオフ等の制御を行う。

図２、図３に、ワーク６０の中心軸（軸方向）、上下方向、及び走査方向を示す。図３において、ＯＯ’と示すワーク６０の中心軸は、図２においてＡ−Ａ線とＢ−Ｂ線とに対し直交する方向に延びる軸であり、中心軸ＯＯ’の延びる方向が軸方向である。上下方向は、Ａ−Ａ線に平行な方向である。走査方向は、中心軸ＯＯ’周りの周方向に沿った方向で、図２、図３の紙面上では、ワーク６０の回転方向を中心軸ＯＯ’周りに時計方向として、走査方向について、中心軸ＯＯ’周りに時計方向が上流側、反時計方向が下流側と示す。

図１で述べたように、ワーク６０の軸方向は水平方向に平行な方向であり、レーザビーム３８は、ワーク６０の内周面６２の上下方向の最も下方側に照射される。図２、図３において、最も下方側の内周面６２とフランジ部６３とに跨って示す照射領域６４は、レーザビーム３８が照射される領域である。レーザビーム３８の照射方向は固定され、ワーク６０が走査方向に回転するので、図２のワーク６０の正面図においては、照射領域６４は時間の経過に関わらず固定位置である。したがって、ワーク６０が走査方向に沿って移動すると、レーザビーム３８によって局部的に加熱された領域は、走査方向の下流側に移動する。図２において、Ｐ０と示す位置が照射開始位置である。ワーク６０の走査方向に沿った位置を、中心軸ＯＯ’周りの角度である走査角度θで示し、ワーク６０の内周面６２における照射開始位置Ｐ０の走査角度θ＝０°とする。図２、図３の照射領域６４は、照射開始位置Ｐ０から、走査角度θ＝＋９０°の位置である。換言すれば、図２の状態は、照射開始の時点から、ワーク６０が、走査方向に沿って走査角度にしてΔθ＝＋９０°移動した状態を示している。

これにより、冷却水４６は、冷却ノズル４４の開口の真下よりも走査方向に沿って下流側のワーク６０を冷却することになる。冷却水４６によって冷却される内周面６２及びフランジ部６３の領域が冷却領域６６である。ここで、走査方向において、既にレーザ照射が行われた側が下流側で、まだレーザ照射が行われていない側が上流側であるので、冷却領域６６は、ワーク６０におけるレーザビーム３８の照射領域６４よりも走査方向に沿って下流側に配置される。走査方向に沿って照射領域６４と冷却領域６６との間の領域は、レーザビーム３８の照射が行われたが冷却水４６の供給が行われていない緩衝領域６５である。

次に、照射領域６４の下流側縁部ではレーザビーム３８の照射がなくなるので、ワーク６０の自己冷却によって表層部の温度が急激に低下する。

図４（ｃ）は、特性線７０について、走査角度θと表層部の組織との関係を示す図である。（ｂ）で述べたように、照射領域６４よりも上流側ではレーザビーム３８の照射を受けず、表層部の温度は室温のままであるので、表層部の組織は、フェライトとパーライトとを含む。照射領域６４においては、表層部の温度はＡ_Ｆよりも高温のＴ_Ｌであるので、表層部の組織はオーステナイトである。冷却領域６６から照射開始位置の走査角度θ＝０°の間の領域では、表層部の温度がＭ_Ｆ以下の室温に急冷されているので、表層部の組織はマルテンサイトとなる。照射開始位置の走査角度θ＝０°よりも走査方向の下流側では、まだレーザ照射を受けていず、表層部の温度は室温であるので、表層部の組織は、フェライトとパーライトとを含む。照射領域６４と冷却領域６６との間の緩衝領域６５では、表層部の温度がＭ_Ｓ以上であるので表層部の組織はマルテンサイト化していない。この領域では、冷却の時間経過や冷却速度によって、パーライト変態やベイナイト変態が生じることがあるので、表層部の組織は、オーステナイトとパーライト等を含む過渡組織となる。