JP2615740B2 - レーザ焼入装置 - Google Patents
レーザ焼入装置Info
- Publication number
- JP2615740B2 JP2615740B2 JP63011630A JP1163088A JP2615740B2 JP 2615740 B2 JP2615740 B2 JP 2615740B2 JP 63011630 A JP63011630 A JP 63011630A JP 1163088 A JP1163088 A JP 1163088A JP 2615740 B2 JP2615740 B2 JP 2615740B2
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- Japan
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- quenching
- laser
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- Control Of Heat Treatment Processes (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、被加工物をレーザビームを用いて焼入れ加
工するに際し、加工条件のパラメータを自動設定できる
ようにしたレーザ焼入装置に関するものである。
工するに際し、加工条件のパラメータを自動設定できる
ようにしたレーザ焼入装置に関するものである。
［従来技術及び問題点］ 従来、被加工物のレーザ焼入れの加工条件設定におい
ては、その材質ごとに予備実験を行なって決定するのが
一般的であった。この条件設定に当っては、各種条件で
焼入れしたテストピースを切断し、鏡面研磨を行ない、
エッチング腐食させたのち焼入深さを測定し、さらに硬
度計において材料の硬度を測定して希望焼入深さに見合
う加工条件を設定するものであるが、これらの工程にお
いては最低４〜５時間を要し、しかも多少専門的知識及
び熟練が必要である等、他の熱処理方法に比べ非能率的
であった。
ては、その材質ごとに予備実験を行なって決定するのが
一般的であった。この条件設定に当っては、各種条件で
焼入れしたテストピースを切断し、鏡面研磨を行ない、
エッチング腐食させたのち焼入深さを測定し、さらに硬
度計において材料の硬度を測定して希望焼入深さに見合
う加工条件を設定するものであるが、これらの工程にお
いては最低４〜５時間を要し、しかも多少専門的知識及
び熟練が必要である等、他の熱処理方法に比べ非能率的
であった。
一方、レーザ加工機のマシニングセンター化等にとも
なってその加工条件を自動設定することは必須となって
きており、特に切断、溶接、焼入の各種加工工程の中で
焼入れ技術のソフト化は難しく、まだ現行装置ではなか
った。
なってその加工条件を自動設定することは必須となって
きており、特に切断、溶接、焼入の各種加工工程の中で
焼入れ技術のソフト化は難しく、まだ現行装置ではなか
った。
［発明の目的］ 本発明は上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、被加工物の材質、仕上げ硬度、及び焼入れ幅
を入力することにより従来予備実験的に求めていた加工
条件設定パラメータであるレーザビームのパワーエネル
ギー、ビーム発振器の加工ヘッドと被加工物との距離
（Ｚ軸距離）、及び加工スピードを自動的に出力させ、
レーザ焼入れ操作の簡素化を達成することを目的として
いる。
のであり、被加工物の材質、仕上げ硬度、及び焼入れ幅
を入力することにより従来予備実験的に求めていた加工
条件設定パラメータであるレーザビームのパワーエネル
ギー、ビーム発振器の加工ヘッドと被加工物との距離
（Ｚ軸距離）、及び加工スピードを自動的に出力させ、
レーザ焼入れ操作の簡素化を達成することを目的として
いる。
［問題点を解決するための手段］ この目的を達成するために本発明のレーザ焼入装置
は、（１）被加工物の材質、仕上げ硬度、及び焼入れ幅
を入力するデータ入力装置と、（２）その入力された被
加工物の材質と仕上げ硬度のデータに基づいて被加工物
の焼入深さを決定する第１の算出手段、該第１の算出手
段により決定された焼入深さと前記入力された被加工物
の仕上げ焼入れ幅のデータから該被加工物のビーム幅を
決定する第２の算出手段、及び該第２の算出手段により
決定されたビーム幅から前記レーザビームのパワーエネ
ルギー密度、ビーム発振器の加工ヘッドと被加工物との
距離、及び該加工ヘッドの被加工物に対する相対移動ス
ピードを決定する第３の算出手段とを有する演算装置
と、（３）該演算装置により算出されたレーザビームの
パワーエネルギー量に応じて前記ブーム発振器のエネル
ギー出力を制御するレーザーパワー制御装置と、（４）
同じく該演算装置により算出された前記加工ヘッドと被
加工物との距離と、前記加工ヘッドの相対移動スピード
に応じてモータ出力を制御するモータ制御装置とを備え
ることを要旨とするものである。
は、（１）被加工物の材質、仕上げ硬度、及び焼入れ幅
を入力するデータ入力装置と、（２）その入力された被
加工物の材質と仕上げ硬度のデータに基づいて被加工物
の焼入深さを決定する第１の算出手段、該第１の算出手
段により決定された焼入深さと前記入力された被加工物
の仕上げ焼入れ幅のデータから該被加工物のビーム幅を
決定する第２の算出手段、及び該第２の算出手段により
決定されたビーム幅から前記レーザビームのパワーエネ
ルギー密度、ビーム発振器の加工ヘッドと被加工物との
距離、及び該加工ヘッドの被加工物に対する相対移動ス
ピードを決定する第３の算出手段とを有する演算装置
と、（３）該演算装置により算出されたレーザビームの
パワーエネルギー量に応じて前記ブーム発振器のエネル
ギー出力を制御するレーザーパワー制御装置と、（４）
同じく該演算装置により算出された前記加工ヘッドと被
加工物との距離と、前記加工ヘッドの相対移動スピード
に応じてモータ出力を制御するモータ制御装置とを備え
ることを要旨とするものである。
［作用］ 上記の構成を有する本発明の動作フローを第２図に示
して説明すると、まず最初にS1（ステップ１）におい
て、被加工物の仕上げ硬度を入力する。この場合一般に
設計上必要な硬度はHRC（ロックウェル硬度）表示が多
いためこれを採用する。レーザ焼入深さは一般に浅いた
め高荷重のロックウェル硬度を使用すれば、焼入深さに
応じた硬度が得られるためでもある。次にS2において被
加工物の材質を入力する。演算装置内のROMに記憶され
た材質ごとのロックウェル硬度、焼入深さ相関曲線（近
似式）よりS4において焼入深さが決定される。S3におい
て必要焼入れ幅を入力する。実焼入れ幅は、レーザビー
ム形状の1/2〜1/3程度であり、それぞれの形状に応じて
数値を決め前記ROM内に記憶させておく。これよりS5に
おいてビーム幅が決定される。次にS6においてビーム面
積が決定される。ビームが円であれば前記焼入れ幅ｄと
して ビームが正方形であればd2と決定される。S7において焼
入れ適性ビームパワー密度は2000W/cm2であるためP0＝P
1/S（P0＝ビームパワー密度、P1＝レーザパワー、Ｓ＝
ビーム面積）すなわちP1＝P0Sの式よりP1が求められ
る。S8において前記ROM内に記憶されるレーザビーム幅
の相関曲線（近似式）から前記ビーム幅に応じたレーザ
加工ヘッドと被加工物との距離（Ｚ距離）が決定され
る。最後にS9において、前記決定された焼入深さをもと
に、照射エネルギー密度の定義式E0＝P1/VD（E0＝照射
エネルギー密度、P1＝レーザパワー、Ｖ＝加工スピー
ド、Ｄ＝ビーム幅）すなわち の式よりＶが求められる。この場合初めに材質ごとに求
められた焼入深さ、照射エネルギー密度相関曲線（近似
式）より焼入深さに応じたE0が求められ、前記関係式に
P1、Ｄを代入してＶが求められる。S10においてS7（レ
ーザパワー）、S8（Ｚ距離）、S9（加工スピード）で求
められたレーザ加工条件が各コントロール装置に電気信
号で入力され、動作として加工スタートボタンをオンす
るとS11として実際加工が行なわれる。
して説明すると、まず最初にS1（ステップ１）におい
て、被加工物の仕上げ硬度を入力する。この場合一般に
設計上必要な硬度はHRC（ロックウェル硬度）表示が多
いためこれを採用する。レーザ焼入深さは一般に浅いた
め高荷重のロックウェル硬度を使用すれば、焼入深さに
応じた硬度が得られるためでもある。次にS2において被
加工物の材質を入力する。演算装置内のROMに記憶され
た材質ごとのロックウェル硬度、焼入深さ相関曲線（近
似式）よりS4において焼入深さが決定される。S3におい
て必要焼入れ幅を入力する。実焼入れ幅は、レーザビー
ム形状の1/2〜1/3程度であり、それぞれの形状に応じて
数値を決め前記ROM内に記憶させておく。これよりS5に
おいてビーム幅が決定される。次にS6においてビーム面
積が決定される。ビームが円であれば前記焼入れ幅ｄと
して ビームが正方形であればd2と決定される。S7において焼
入れ適性ビームパワー密度は2000W/cm2であるためP0＝P
1/S（P0＝ビームパワー密度、P1＝レーザパワー、Ｓ＝
ビーム面積）すなわちP1＝P0Sの式よりP1が求められ
る。S8において前記ROM内に記憶されるレーザビーム幅
の相関曲線（近似式）から前記ビーム幅に応じたレーザ
加工ヘッドと被加工物との距離（Ｚ距離）が決定され
る。最後にS9において、前記決定された焼入深さをもと
に、照射エネルギー密度の定義式E0＝P1/VD（E0＝照射
エネルギー密度、P1＝レーザパワー、Ｖ＝加工スピー
ド、Ｄ＝ビーム幅）すなわち の式よりＶが求められる。この場合初めに材質ごとに求
められた焼入深さ、照射エネルギー密度相関曲線（近似
式）より焼入深さに応じたE0が求められ、前記関係式に
P1、Ｄを代入してＶが求められる。S10においてS7（レ
ーザパワー）、S8（Ｚ距離）、S9（加工スピード）で求
められたレーザ加工条件が各コントロール装置に電気信
号で入力され、動作として加工スタートボタンをオンす
るとS11として実際加工が行なわれる。
［実施例］ 以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して
説明する。最初に第１図に、本発明のレーザ加工装置を
示す。この装置では主としてレーザ焼入初期設定条件、
硬度、材質、焼入れ幅を入力するデータ入力装置１とロ
ックウェル硬度、焼入深さ相関曲線、Ｚ距離とレーザビ
ーム幅の相関曲線、焼入深さと照射エネルギー密度の相
関曲線を関数化した実験式を記憶し、各データを数値化
する演算装置２と、その数値化されたデータを実行する
ためのモータ制御装置３、レーザパワー制御装置４から
構成されている。Ｚ距離は、モータ制御装置３よりモー
タ７を制御することによりレンズ９が上下移動する。加
工スピードは、モータ制御装置３よりモータ６をコント
ロールすることにより加工テーブル10の移動スピードを
変えることで行なわれる。レーザパワーコントロールに
おいては、レーザパワー制御装置４よりレーザビーム発
振器５の放電電流をコントロールすることにより行なわ
れ、ビーム発振器５より出力されたレーザビーム11はヘ
ッドミラー７によって加工テーブル10へ導びかれる。次
に前記演算装置２の中で設定されるレーザ加工条件の１
例を第３図に示すアルゴリズムを使って説明する。この
図において、入力条件、硬度HRC55、材質SK−５、焼入
れ幅5mmとする。SK−５における硬度（ＨRＣ硬度）と焼
入深さの相関、第４図に示す。このグラフの曲線をＸ＝
硬度、Ｙ＝焼入深さとして２次回帰した近似式で表わす
と、Ｙ＝3.80×10-4x−1.66×10-2x＋3.86×10-1とな
る。Ｘ＝55を代入するとＹ＝0.62であるため、焼入深さ
が0.62mmと決定される。次に円形ビーム時の有効焼入幅
がビーム径の４割であるとの過去のデータより、この実
験での焼入れ幅5mmにしようとすると、5/0.4＝12.5mmの
ビーム径となる。またこれよりビーム面積は122.66mm2
となる。一方レーザ焼入時の最適パワー密度は2000W/cm
2であるため よりパワーは1630.5Wとなる。前記ビーム幅12.5mmより
第５図のビーム径とＺ距離の相関から求めた近似式Ｘ＝
ビーム径、Ｙ＝Ｚ距離としてＹ＝−2.45×101x2＋1.37
×10x＋1.72×102よりＹ＝305.3mmとなる。最後に加工
スピードを求めるが、前記焼入深さ0.62mmより第６図の
焼入深さとエネルギー密度の相関より求めた近似式Ｘ＝
焼入深さ、Ｙ＝エネルギー密度としてＹ＝2.97×103x2
−1.77×103x＋4.15×102よりＹ＝459.4J/cm2となる。
ビーム幅1.25cm、パワー1630.5W、エネルギー密度459.4
J/cm2より加工スピードは でＶ＝2.84cm/S（170cm/min）となる。以上よりアルゴ
リズムの下段加工条件として加工スピード170cm/min、
Ｚ距離305.3mm、パワー1630.5Wとなる。よってこの条件
で加工すればSK5の材質において、硬度HRC55、焼入れ幅
5mmが得られる。
説明する。最初に第１図に、本発明のレーザ加工装置を
示す。この装置では主としてレーザ焼入初期設定条件、
硬度、材質、焼入れ幅を入力するデータ入力装置１とロ
ックウェル硬度、焼入深さ相関曲線、Ｚ距離とレーザビ
ーム幅の相関曲線、焼入深さと照射エネルギー密度の相
関曲線を関数化した実験式を記憶し、各データを数値化
する演算装置２と、その数値化されたデータを実行する
ためのモータ制御装置３、レーザパワー制御装置４から
構成されている。Ｚ距離は、モータ制御装置３よりモー
タ７を制御することによりレンズ９が上下移動する。加
工スピードは、モータ制御装置３よりモータ６をコント
ロールすることにより加工テーブル10の移動スピードを
変えることで行なわれる。レーザパワーコントロールに
おいては、レーザパワー制御装置４よりレーザビーム発
振器５の放電電流をコントロールすることにより行なわ
れ、ビーム発振器５より出力されたレーザビーム11はヘ
ッドミラー７によって加工テーブル10へ導びかれる。次
に前記演算装置２の中で設定されるレーザ加工条件の１
例を第３図に示すアルゴリズムを使って説明する。この
図において、入力条件、硬度HRC55、材質SK−５、焼入
れ幅5mmとする。SK−５における硬度（ＨRＣ硬度）と焼
入深さの相関、第４図に示す。このグラフの曲線をＸ＝
硬度、Ｙ＝焼入深さとして２次回帰した近似式で表わす
と、Ｙ＝3.80×10-4x−1.66×10-2x＋3.86×10-1とな
る。Ｘ＝55を代入するとＹ＝0.62であるため、焼入深さ
が0.62mmと決定される。次に円形ビーム時の有効焼入幅
がビーム径の４割であるとの過去のデータより、この実
験での焼入れ幅5mmにしようとすると、5/0.4＝12.5mmの
ビーム径となる。またこれよりビーム面積は122.66mm2
となる。一方レーザ焼入時の最適パワー密度は2000W/cm
2であるため よりパワーは1630.5Wとなる。前記ビーム幅12.5mmより
第５図のビーム径とＺ距離の相関から求めた近似式Ｘ＝
ビーム径、Ｙ＝Ｚ距離としてＹ＝−2.45×101x2＋1.37
×10x＋1.72×102よりＹ＝305.3mmとなる。最後に加工
スピードを求めるが、前記焼入深さ0.62mmより第６図の
焼入深さとエネルギー密度の相関より求めた近似式Ｘ＝
焼入深さ、Ｙ＝エネルギー密度としてＹ＝2.97×103x2
−1.77×103x＋4.15×102よりＹ＝459.4J/cm2となる。
ビーム幅1.25cm、パワー1630.5W、エネルギー密度459.4
J/cm2より加工スピードは でＶ＝2.84cm/S（170cm/min）となる。以上よりアルゴ
リズムの下段加工条件として加工スピード170cm/min、
Ｚ距離305.3mm、パワー1630.5Wとなる。よってこの条件
で加工すればSK5の材質において、硬度HRC55、焼入れ幅
5mmが得られる。
［発明の効果］ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれ
ば、レーザ焼入れ条件を硬度，材質，焼入れ幅の３つの
データを入力することにより、演算装置を介してモータ
制御装置とレーザパワー制御装置が駆動し、焼入れの自
動加工を可能にする。そのため加工に際してオペレータ
は予備的知識や熟練を必要とせず、操作が単純化され
る。また、従来の予備実験等により加工条件を設定して
いたときよりも焼入れ加工の迅速化が達成される。
ば、レーザ焼入れ条件を硬度，材質，焼入れ幅の３つの
データを入力することにより、演算装置を介してモータ
制御装置とレーザパワー制御装置が駆動し、焼入れの自
動加工を可能にする。そのため加工に際してオペレータ
は予備的知識や熟練を必要とせず、操作が単純化され
る。また、従来の予備実験等により加工条件を設定して
いたときよりも焼入れ加工の迅速化が達成される。
第１図から第６図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、第１図はレーザ焼入装置の概略構成図、第２
図は焼入装置の動作のフロー説明図、第３図は焼入装置
のアルゴリズムを示す図、第４図はSK5における硬度（H
RC）と焼入深さの関係の説明図、第５図はビーム径とＺ
距離（加工ヘッドと被加工物の距離）の関係の説明図、
第６図は焼入深さと照射エネルギー密度の関係の説明図
である。 図中、１はデータ入力装置、２は演算装置、３はモータ
制御装置、４はレーザーパワー制御装置、５はレーザ発
振器、6,7はモータ、10は加工テーブル、11はレーザビ
ームである。
すもので、第１図はレーザ焼入装置の概略構成図、第２
図は焼入装置の動作のフロー説明図、第３図は焼入装置
のアルゴリズムを示す図、第４図はSK5における硬度（H
RC）と焼入深さの関係の説明図、第５図はビーム径とＺ
距離（加工ヘッドと被加工物の距離）の関係の説明図、
第６図は焼入深さと照射エネルギー密度の関係の説明図
である。 図中、１はデータ入力装置、２は演算装置、３はモータ
制御装置、４はレーザーパワー制御装置、５はレーザ発
振器、6,7はモータ、10は加工テーブル、11はレーザビ
ームである。
Claims (1)
- 【請求項１】被加工物をレーザビームを用いて焼入れ加
工するレーザ焼入装置であって、 被加工物の材質、仕上げ硬度、及び焼入れ幅を入力する
データ入力装置と、 その入力された被加工物の材質と仕上げ硬度のデータに
基づいて被加工物の焼入深さを決定する第１の算出手
段、該第１の算出手段により決定された焼入深さと前記
入力された被加工物の仕上げ焼入れ幅のデータから該被
加工物のビーム幅を決定する第２の算出手段、及び該第
２の算出手段により決定されたビーム幅から前記レーザ
ビームのパワーエネルギー密度、ビーム発振器の加工ヘ
ッドと被加工物との距離、及び該加工ヘッドの被加工物
に対する相対移動スピードを決定する第３の算出手段と
を有する演算装置と、 該演算装置により算出されたレーザビームのパワーエネ
ルギー量に応じて前記ビーム発振器のエネルギー出力を
制御するレーザーパワー制御装置と、 同じく該演算装置により算出された前記加工ヘッドと被
加工物との距離と、前記加工ヘッドの相対移動スピード
に応じてモータ出力を制御するモータ制御装置 とを備えることを特徴とするレーザ焼入装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63011630A JP2615740B2 (ja) | 1988-01-21 | 1988-01-21 | レーザ焼入装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63011630A JP2615740B2 (ja) | 1988-01-21 | 1988-01-21 | レーザ焼入装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01188621A JPH01188621A (ja) | 1989-07-27 |
| JP2615740B2 true JP2615740B2 (ja) | 1997-06-04 |
Family
ID=11783256
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63011630A Expired - Lifetime JP2615740B2 (ja) | 1988-01-21 | 1988-01-21 | レーザ焼入装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2615740B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7897895B2 (en) * | 2006-05-01 | 2011-03-01 | General Electric Company | System and method for controlling the power level of a laser apparatus in a laser shock peening process |
| JP4977234B2 (ja) * | 2010-06-02 | 2012-07-18 | 株式会社東芝 | レーザ衝撃硬化処理方法および装置 |
| JP5920871B2 (ja) * | 2011-11-14 | 2016-05-18 | 公立大学法人 滋賀県立大学 | レーザ熱処理システム |
| CN107012299A (zh) * | 2017-04-25 | 2017-08-04 | 广东工业大学 | 一种激光热力效应协同变刚度减重轻量化方法及系统 |
-
1988
- 1988-01-21 JP JP63011630A patent/JP2615740B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01188621A (ja) | 1989-07-27 |
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