JP2020180316A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な形状及び寸法の丸棒状のワークに対する多種多様なニーズの熱処理が可能なレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供する。【解決手段】本発明のレーザ加工装置１は、丸棒状のワーク５に熱処理をするためのレーザ加工装置１であって、レーザ光４を走査して集光するためのガルバノスキャナ２と、ガルバノスキャナ２から出射されたレーザ光４を反射してワーク５に照射する筒状の反射鏡３と、を備え、反射鏡３は、軸方向の２つの端部３０，３１の径方向の中心を通る中心軸に対して回転対称の形状であって、２つの端部３０，３１の一方から他方に向けて傾斜した傾斜面３２を有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置及びレーザ加工方法に関し、特に、丸棒状のワークに焼入れをはじめとする熱処理をするためのレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

産業界、特に様々な形状及び寸法の丸棒状のワークが利用されている自動車業界において、丸棒状のワークに高品質の焼入れを低コスト、且つ短納期で実施できる方法が求められている。

高周波焼入れは、焼入れ炉による熱処理に比べて高品質の焼入れを実現できるが、各々のワーク形状に応じたコイルを作製する必要があるため、コストやリードタイムの面で課題がある。一方、近年のレーザ技術の進歩に伴い、熱源としてレーザ光を使用して焼入れを行う方法が検討されている。比較的高レーザパワーのレーザ発振器も実用化されており、また、ワークの形状に応じてコイル等を作製する必要もないので、レーザ光による焼入れはコストと納期の面で有利である。特許文献１には、レーザ光を均一なリング状に整形してから照射することで、軸方向に直交する断面が真円の丸棒状のワークの外周面に均一な焼入れを行う方法が開示されている。

特開２００３−１４７４号公報

しかし、特許文献１に開示されたリング状のレーザ光は周方向に均一であるため、丸棒状のワークへの周方向に不均一な焼入れや、軸方向に直交する断面が真円ではない様々な断面形状を有する丸棒状のワークへの周方向に均一な焼入れといった多種多様なニーズに対応することができない。

そこで、本発明では、様々な形状及び寸法の丸棒状のワークに対する多種多様なニーズの熱処理が可能なレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明のレーザ加工装置は、丸棒状のワークに熱処理をするためのレーザ加工装置であって、レーザ光を走査して集光するためのガルバノスキャナと、ガルバノスキャナから出射されたレーザ光を反射してワークに照射する筒状の反射鏡と、を備え、反射鏡は、軸方向の２つの端部の径方向の中心を通る中心軸に対して回転対称の形状であって、２つの端部の一方から他方に向けて傾斜した傾斜面を有することを特徴とする。

上記構成を備えたレーザ加工装置によれば、様々な形状及び寸法の丸棒状のワークに多種多様なニーズの熱処理をすることができる。

本発明のレーザ加工装置において、反射鏡は、２つの端部に、ワークとレーザ光とを挿通するための開口を有してもよい。

本発明のレーザ加工装置は、ワークを反射鏡に対して相対的に移動させる移動装置をさらに有してもよい。これによれば、ワークと反射鏡の相対位置を変えることで、ガルバノスキャナからのレーザ光の出射位置が同じであっても、ワークへのレーザ光の照射位置を変えることができる。

本発明のレーザ加工装置において、傾斜面は、中心軸から見て突出している凸部、又は凹んでいる凹部を有してもよい。これによれば、ワークに対してレーザ光を照射する方向を傾斜面の角度により選択できるので、傾斜面の傾きが一定でレーザ光を照射する方向が一定の場合に比べて、レーザ光が照射できない死角部分を少なくすることができる。このような構成は、例えば、外周面に段差を有するワークの隅角部に熱処理をするのに好適である。

本発明のレーザ加工方法は、丸棒状のワークに熱処理をするためのレーザ加工方法であって、レーザ光を走査して集光しつつ出射する出射ステップと、出射ステップ後に、レーザ光を筒状の反射鏡で反射してワークに照射する照射ステップと、を含み、反射鏡は、軸方向の２つの端部の径方向の中心を通る中心軸に対して回転対称の形状であって、２つの端部の一方から他方に向けて傾斜した傾斜面を有することを特徴とする。

上記構成を備えたレーザ加工方法によれば、様々な形状及び寸法の丸棒状のワークに多種多様なニーズの熱処理をすることができる。

本発明のレーザ加工方法の出射ステップにおいて、レーザ光が走査する走査軌跡は、円形状を含み、円形状の中心は、反射鏡の中心軸上に位置してもよい。これによれば、ワークの外周面において照射スポット径が一定となるので、ワークに対して外周面に均一な熱処理をすることができる。

本発明のレーザ加工方法において、レーザ光のレーザパワーを調整する調整ステップをさらに含んでもよい。これによれば、ワークに対して周方向に不均一な熱処理をすることができる。

本発明のレーザ加工方法の照射ステップにおいて、ワークを反射鏡に対して相対的に移動させてもよい。これによれば、ガルバノスキャナから出射されるレーザ光の位置が同じであっても、ワークへの照射位置を変えることができるので、より高い自由度で熱処理をすることができる。

本発明のレーザ加工装置及びレーザ加工方法によれば、様々な形状及び寸法の丸棒状のワークに多種多様なニーズの熱処理をすることができる。

実施形態の一例における丸棒状のワークに熱処理をするためのレーザ加工装置の斜視図である。 （ａ）〜（ｈ）は、丸棒状のワークを例示する図である。 （ａ）〜（ｂ）は、レーザ加工装置の他の一例を示す図１に対応する図である。 実施形態の一例において、レーザ光を用いて丸棒状のワークに熱処理をする際の処理を示すフローチャートである。 （ａ）〜（ｂ）は、実施形態の一例において、丸棒状のワークの軸方向に直交する断面における焼入れの状態を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るレーザ加工装置の実施形態の一例について詳説する。図１は、レーザ加工装置１の一例の斜視図である。レーザ加工装置１は、丸棒状のワーク５に熱処理をするための装置であって、ガルバノスキャナ２と、筒状の反射鏡３とを備える。図１（図３も同様）に、直交するＸＹＺ軸の方向を示す。レーザ光４は、ガルバノスキャナ２からＺ軸のマイナス方向へ出射され、反射鏡３で反射された後に、反射鏡３に挿通されたワーク５に照射される。なお、以下において、ワーク５への熱処理の例として、ワーク５に焼入れをする場合について説明するが、熱処理は焼入れに限定されない。

ガルバノスキャナ２を用いて、レーザ光４をＸＹ平面で円を描くように走査させることで、反射鏡３の内側表面に円形状の走査軌跡６が形成される。レーザ光４が同一の走査軌跡６に沿って複数回走査されることで、ワーク５の外周面は、熱が蓄積されて高温になる。したがって、レーザ光４を高速で走査させることによって、ワーク５の外周面に焼入れをすることができる。ガルバノスキャナ２は、レーザ光４に使用できるものであれば、特に限定されない。

また、レーザ光４で描く走査軌跡６の円形状の径の大きさを変えることで、ワーク５に焼入れをするＺ軸方向の位置を変化させることができる。これによれば、ワーク５のＺ軸方向の任意の位置で周方向に均一な焼入れをすることができる。また、走査軌跡６の円形状の径の大きさは、連続的、又は断続的に変化させてもよい。走査軌跡６の円形状の径の大きさを変えながら、レーザ光４のレーザパワーを変化させたり、レーザ光４の円形状走査の繰り返し回数や走査速度を変化させたりすることで、意図的にワーク５のＺ軸方向に不均一な分布をもった焼入れをすることができる。また、走査軌跡６は、円形状に限られず、任意に選択することができる。例えば、走査軌跡６は、楕円形状でもよい。

ガルバノスキャナ２は、複数のレーザ光４を出射してもよい。これによれば、同時に複数の位置に対してレーザ光４を照射できるので、より効率よく焼入れをすることができる。また、ワーク５が薄い部分を有する場合には、当該薄い部分は、複数回レーザ光４を照射されると軟化してしまうため、複数のレーザ光４で異なる方向から同時に照射することが特に好ましい。なお、複数のガルバノスキャナ２から出射された複数のレーザ光４がワーク５に照射されてもよい。

次に、筒状の反射鏡３について説明する。反射鏡３は、ガルバノスキャナ２から出射されたレーザ光４を反射してワーク５に照射する機能を有する。反射鏡３は、軸方向の２つの端部３０，３１の径方向の中心を通る中心軸に対して回転対称の形状であって、２つの端部３０，３１の一方から他方に向けて傾斜した傾斜面３２を有する。図１において、反射鏡３の中心軸は、Ｚ軸に平行であり、ガルバノスキャナ２からのレーザ光４の出射方向とも平行である。反射鏡３は円錐台の形状を有しており、ガルバノスキャナ２と対向する端部３０の方が反対側の端部３１よりも大きい。また、反射鏡３は、端部３０及び端部３１に、ワーク５及びレーザ光４を挿通するための開口を有し、ワーク５の中心軸と反射鏡３の中心軸は略一致する。

レーザ光４がガルバノスキャナ２から出射されて傾斜面３２に至るまでの距離Ｌ１と、レーザ光４が傾斜面３２で反射された後にワーク５に至るまでの距離Ｌ２との和であるＬ１＋Ｌ２の長さ（以下、ＷＤ（ワーキングディスタンス）ということがある）によって、ワーク５の外周面上でのレーザ光４のビーム径（以下、照射スポット径ということがある）を変化させることができる。

反射鏡３の傾斜面３２が中心軸に対して傾斜している角度は、特に限定されず、例えば１０°〜８０°としてもよい。ガルバノスキャナ２でレーザ光４をＸＹ平面の任意の位置に走査した際にいずれの位置でもＷＤが変化せず、照射スポット径が一定となることから、傾斜面３２は中心軸に対して４５°傾斜していることが特に好ましい。また、傾斜面３２の材質は、レーザ光４を反射することができれば特に限定されず、例えば、金属の表面に反射膜を設けた構造とすることができる。当該金属としては熱伝導率の高い金属が好ましく、銅を例示することができる。

レーザ光４は、市販のレーザ発振器から発振されたレーザ光４を使用することができる。焼入れするワーク５によって、適宜、レーザ波長、レーザパワー、等を選択することができる。レーザパワーは、レーザ発振器で調整されてもよいし、レーザ発振器から発振された後に光学部品で調整されてもよい。また、ワーク５を加工中にレーザパワーを調整してもよい。

図１において、ワーク５の軸方向に直交する断面は真円であり、その真円の中心は反射鏡３の中心軸上に位置する。ガルバノスキャナ２を用いて、反射鏡３の中心軸を中心とした円形状の走査軌跡６をレーザ光４で走査することで、いずれの照射位置でもＷＤが一定となる。したがって、一定の照射スポット径でレーザ光４をワーク５の外周面に照射できるので、ワーク５の外周面を均一に焼入れすることができる。

また、レーザ加工装置１がワーク５を反射鏡３に対して相対的に移動させる移動装置をさらに有してもよい。これによれば、レーザ光４を照射しながらワーク５を移動させることで、さらに高い自由度で、ワーク５に焼入れをすることができる。移動装置は、例えば、垂直多関節ロボットであってもよい。

なお、ワーク５の中心の位置を反射鏡３の中心軸からずらしたり、反射鏡３の中心軸の方向をガルバノスキャナ２からのレーザ光４の出射方向から傾けたりすることで、ワーク５に意図的に不均一な焼入れをしてもよい。

次に、丸棒状のワーク５の形状について図２を参照しながら説明する。図２（ａ）〜（ｈ）に例示するものは、本明細書中において「ワーク５」に該当する。いずれのワーク５も長さは特に限定されず、図示したものよりも短くても長くてもよい。図２（ａ）に示す真円丸棒５ａは軸方向に直交する断面が真円のワーク５であり、図２（ｂ）に示す楕円丸棒５ｂは軸方向に直交する断面が楕円のワーク５である。真円丸棒５ａ及び楕円丸棒５ｂは、どちらも軸方向に直交する断面がそれぞれ一定である。図２（ｃ）に示す曲がり丸棒５ｃは、曲がり部を有するワーク５である。曲がり丸棒５ｃは、複数の曲がり部を有していてもよい。図２（ｄ）に示すテーパ丸棒５ｄは、軸方向に直交する断面の大きさが変化したワーク５である。換言すれば、テーパ丸棒５ｄは、太さが一定ではないワーク５である。図２（ｄ）に示すテーパ丸棒５ｄの軸方向に直交する断面の大きさは、一方から他方に向けて単調に変化しているが、一方から他方に向けて当該断面の変化の割合が変わっていてもよい。図２（ｅ）に示す段付丸棒５ｅは軸方向に直交する断面の大きさが一部変化したワーク５であり、図２（ｆ）に示す偏心段付丸棒５ｆは段付丸棒５ｅがさらに偏心したワーク５である。図２（ｅ）及び図２（ｆ）では、段付丸棒５ｅ及び偏心段付丸棒５ｆの長さ方向の中央部が太くなっているが、当該中央部が細くなっていてもよい。また、段付丸棒５ｅ及び偏心段付丸棒５ｆは、太い部分を長さ方向の中央部以外に有していてもよいし、太い部分を複数有していてもよい。図２（ｇ）に示すパイプ５ｇは、内側が空洞のワーク５である。図２（ｈ）に示すカム５ｈは、外周面に凹凸を有するワーク５である。

レーザ加工装置１を用いて、適宜条件を調整しながらレーザ光４を照射することで、上述した様々な形状の丸棒状のワーク５に焼入れをすることができる。例えば、曲がり丸棒５ｃの曲がり部に焼入れをする場合には、移動装置を用いてワーク５の角度を調整しながらワーク５に焼入れしてもよい。移動装置によって緻密な調整が可能なので、曲がり部にも焼入れをすることができる。また、カム５ｈに焼入れをする場合には、外周面の凹部と凸部で、レーザ光４のレーザパワーを変化させたり、レーザ光４の走査の繰り返し回数や走査速度を調整したりすることで、均一な焼入れをすることができる。

また、反射鏡３の軸方向の小さい方の端部をパイプ５ｇに差し込んだ状態で、ガルバノスキャナ２から出射されたレーザ光４を、反射鏡３の傾斜面３２の外側表面で反射させてパイプ５ｇの内周面に照射することで、パイプ５ｇの内周面に焼入れをすることができる。

次に、図３を参照しながら、段付丸棒５に焼入れをする場合について説明する。筒状の反射鏡３の傾斜面３２は、中心軸から見て突出している凸部（領域３３に対応）、又は凹んでいる凹部（領域３４に対応）を有する。図３に示す反射鏡３は、中心軸から見て突出している凸部（領域３３）と凹んでいる凹部（領域３４）の両方を有するが、中心軸から見て突出している凸部（領域３３）と凹んでいる凹部（領域３４）の少なくともどちらか一方を有していればよい。

中心軸から見て突出している凸部（領域３３）、及び凹んでいる凹部（領域３４）においては、各々、レーザ光４が反射鏡３で反射する位置を変化させることで、反射する角度を変化させることができる。図３（ａ）に示すように、領域３３の一部にレーザ光４を照射することによって、Ｚ軸のマイナス方向に角度をつけてレーザ光４を照射することができる。また、図３（ａ）に示すよりもレーザ光４の出射位置を中心軸から遠くすることによって、Ｚ軸のプラス方向に角度をつけてレーザ光４を照射することもできる。一方、図３（ｂ）に示すように、領域３４の一部にレーザ光４を照射することによって、Ｚ軸のプラス方向に角度をつけてレーザ光４を照射することができる。また、図３（ｂ）に示すよりもレーザ光の出射位置を中心軸から遠くすることによって、Ｚ軸のマイナス方向に角度をつけてレーザ光４を照射することもできる。このような形状の傾斜面３２を有する反射鏡３によれば、レーザ光４の死角がなくなるので、段付丸棒５の隅角部にも焼入れをすることができる。

次に、焼入れ方法について、図４を参照しながら詳説する。図４は、レーザ光４を用いて丸棒状のワーク５に焼入れをする際の処理を示すフローチャートである。

まず、レーザ加工装置１は、出射ステップにおいて、レーザ光４を走査して集光しつつ出射する。レーザ光４は、出射される位置を電子計算機等により制御される。また、レーザ光４は、レンズを通過するので、集光されつつ出射される。

次に、レーザ加工装置１は、出射ステップ後の照射ステップにおいて、レーザ光４を筒状の反射鏡３で反射してワーク５に照射する。ワーク５のレーザ光４が照射された部分は、加熱され、焼入れされる。

出射ステップにおいてレーザ光４が走査する走査軌跡６は、円形状を含み、当該円形状の中心は、反射鏡３の中心軸上に位置してもよい。これによれば、一定の照射スポット径でレーザ光４をワーク５の外周面に照射できるので、ワーク５の外周面に均一な焼入れをすることができる。

また、レーザ光４のレーザパワーを調整する調整ステップをさらに含んでもよい。これによれば、レーザパワーの大小によって加熱量も変化させることができるので、ワーク５の形状によらずに均一な焼入れをすることができる。また、レーザ光４のレーザパワーを調整することで、ワーク５に不均一な焼入れをすることもできる。調整ステップは、出射ステップの前（Ａ）、又は出射ステップと照射ステップの間（Ｂ）のどちらで実施されてもよく、出射ステップの前（Ａ）が好ましい。

また、照射ステップにおいて、ワーク５を反射鏡３に対して相対的に移動させてもよい。レーザ光４の走査軌跡６を変化させることでワーク５にレーザ光４を照射する位置を変化させることができるが、さらにワーク５又は反射鏡３の少なくとも一方を移動させることによって、より高い自由度でワーク５にレーザ光４を照射する位置を変化させることができる。反射鏡３又はワーク５のどちらを移動させてもよいが、反射鏡３とガルバノスキャナ２との距離は変化しない方が好ましいので、ワーク５が移動することが好ましい。

次に、図５を参照しながら、丸棒状のワーク５の断面における焼入れの状態について説明する。図５（ａ）は、均一な焼入れをした図２（ａ）に示す真円丸棒５ａの軸方向に直交する断面を示す図であり、図５（ｂ）は、浅い焼入れ部１１ａと、深い焼入れ部１１ｂとを有する真円丸棒５ａの軸方向に直交する断面を示す図である。一定のレーザパワー及び走査速度でレーザ光４を外周面の全周に照射した場合には、図５（ａ）のような均一な焼入れ部１０を有する真円丸棒５ａが得られる。また、深い焼入れ部１１ｂで浅い焼入れ部１１ａよりも高いレーザパワーでレーザ光４を照射したり、深い焼入れ部１１ｂで浅い焼入れ部１１ａよりも照射回数を増やしたり、走査速度を遅くしたりすることで、意図的に図５（ｂ）のような不均一な焼入れ部１０を有する真円丸棒５ａが得られる。

上述したように、本発明のレーザ加工装置１及びレーザ加工方法によれば、様々な形状及び寸法の丸棒状のワーク５に対する多種多様なニーズの熱処理が可能となる。

１ レーザ加工装置、２ ガルバノスキャナ、３ 反射鏡、４ レーザ光、５ ワーク、５ａ 真円丸棒、５ｂ 楕円丸棒、５ｃ 曲がり丸棒、５ｄ テーパ丸棒、５ｅ 段付丸棒、５ｆ 偏心段付丸棒、５ｇ パイプ、５ｈ カム、６ 走査軌跡、１０ 焼入れ部、１１ａ 浅い焼入れ部、１１ｂ 深い焼入れ部、３０，３１ 端部、３２ 傾斜面。

Claims (8)

1. 丸棒状のワークに熱処理をするためのレーザ加工装置であって、
   レーザ光を走査して集光するためのガルバノスキャナと、
   前記ガルバノスキャナから出射された前記レーザ光を反射して前記ワークに照射する筒状の反射鏡と、を備え、
   前記反射鏡は、軸方向の２つの端部の径方向の中心を通る中心軸に対して回転対称の形状であって、前記２つの端部の一方から他方に向けて傾斜した傾斜面を有する、レーザ加工装置。
2. 前記反射鏡は、前記２つの端部に、前記ワークと前記レーザ光とを挿通するための開口を有する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記ワークを前記反射鏡に対して相対的に移動させる移動装置をさらに有する、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記傾斜面は、前記中心軸側から見て突出している凸部、又は凹んでいる凹部を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
5. 丸棒状のワークに熱処理をするためのレーザ加工方法であって、
   レーザ光を走査して集光しつつ出射する出射ステップと、
   前記出射ステップ後に、前記レーザ光を筒状の反射鏡で反射して前記ワークに照射する照射ステップと、を含み、
   前記反射鏡は、軸方向の２つの端部の径方向の中心を通る中心軸に対して回転対称の形状であって、前記２つの端部の一方から他方に向けて傾斜した傾斜面を有する、レーザ加工方法。
6. 前記出射ステップにおいて前記レーザ光が走査する走査軌跡は、円形状を含み、
   前記円形状の中心は、前記反射鏡の前記中心軸上に位置する、請求項５に記載のレーザ加工方法。
7. 前記レーザ光のレーザパワーを調整する調整ステップをさらに含む、請求項５又は６に記載のレーザ加工方法。
8. 前記照射ステップにおいて、前記ワークを前記反射鏡に対して相対的に移動させる、請求項５〜７のいずれか１項に記載のレーザ加工方法。

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