JP2018188678A5 - - Google Patents
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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AFよりも高温のTL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MF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MS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。
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