JP6538558B2 - 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装置 - Google Patents
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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;
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)
Claims (59)
- ワークピースの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、
前記表面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射する段階と、
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射されることを可能にする段階と、
2次元の有効レーザスポットを前記表面エリアに生成すべく、前記相対移動中に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、
高感熱性サブエリアの過熱を防止すべく、前記高感熱性サブエリアにおける前記エネルギー分布が低感熱性サブエリアにおける前記エネルギー分布と異なるように、前記相対移動中に前記エネルギー分布を動的に調整する、方法。 - 前記有効レーザスポット内で前記レーザビームを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べく、前記スキャンパターンに沿って前記レーザビームをスキャンする間に前記レーザビームのパワーを変動させる段階とを備える、請求項1に記載の方法。
- 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、前記レーザビームを、毎秒少なくとも300回、毎秒少なくとも600回、毎秒少なくとも1,000回、毎秒少なくとも5,000回、または、毎秒少なくとも10,000回選択的に、複数の適用可能なパワー状態のうちの1つに設定することで、前記レーザビームのパワーを選択的に調整することによって前記エネルギー分布を制御する、請求項1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3に記載の方法。
- 前記有効レーザスポット内において、前記高感熱性サブエリアでは、前記低感熱性サブエリアでのスキャンパターン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1から4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において、前記高感熱性サブエリアでは、前記低感熱性サブエリアと比べて前記エネルギー分布が異なるようにスキャン速度を調整することによって、前記エネルギー分布を調整する段階を備える、請求項1から5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1から6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って、前記ワークピース上で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、
前記繰り返しスキャンする段階は、スキャン周波数でスキャンを繰り返す段階を含み、
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予め定められたパワーを前記複数のセグメントの各々に割り当てて、前記レーザビームの前記パワーを、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段階を備える、請求項1から7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であり、前記複数の線は、少なくとも2つの線を備え、各線は、少なくとも3つのセグメントを備える、請求項8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の前記少なくとも1つのパラメータ値が、前記低感熱性サブエリアを加熱する場合の前記少なくとも1つのパラメータ値と異なるように、動作中に、前記少なくとも1つのパラメータ値を動的に調整する、請求項1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長手方向の向きのうちの少なくとも1つを示す、請求項10に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのパラメータ値は、対応する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10に記載の方法。
- 前記複数のセグメントの各々に対して、対応する前記少なくとも1つのパラメータ値をメモリに格納する段階を備え、
前記格納する段階は、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、少なくとも2つの異なるパラメータ値を前記メモリに格納する段階を有し、
前記少なくとも2つの異なるパラメータ値は、第1のパラメータ値および第2のパラメータ値を含み、
前記第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、前記第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10から12のいずれか1項に記載の方法。 - 前記繰り返しスキャンする段階は、毎秒少なくとも300セグメントの平均速度でスキャンを実行する段階を含む、請求項10から13のいずれか1項に記載の方法。
- 前記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に到達した場合に、前記有効レーザスポットの移動方向における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10から14のいずれか1項に記載の方法。
- 前記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に到達した場合に、前記有効レーザスポットの移動方向における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を消滅させる段階を備える一方、前記移動方向における前記有効レーザスポットの終端部分は、前記移動方向に移動し続け、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移動方向におけるサイズを徐々に減少させる、請求項10から15のいずれか1項に記載の方法。
- 前記繰り返しスキャンする段階は、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スキャンを実行する段階を含み、
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、請求項1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17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、前記高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18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、前記高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18または19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、前記高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18から20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18から21のいずれか1項に記載の方法。 - 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17から22のいずれか1項に記載の方法。
- 前記繰り返しスキャンする段階は、前記レーザスポットが前記表面エリア上でスキャンパターンに従うようにスキャンを実行する段階を含み、前記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は、前記表面エリアと前記レーザ源との間の前記相対移動中に少なくとも一度変更される、請求項1に記載の方法。 - 前記レーザビームを変調する段階を備え、
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、請求項1に記載の方法。 - 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べく、前記エネルギー分布が選択される、請求項1に記載の方法。
- 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の周りに回転させる段階を含む、請求項1から26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じさせられ、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じさせられる、請求項27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1から28のいずれか1項に記載の方法。
- 少なくとも1つの前記硬化されるべき表面エリアは、前記クランクシャフトのジャーナルの表面全般である、請求項29に記載の方法。
- 前記有効レーザスポットは、前記クランクシャフトのジャーナルの50%より多くにわたって、前記クランクシャフトの長さ方向と平行な方向に延在する、請求項29に記載の方法。
- 前記繰り返しスキャンする段階は、前記レーザビームのパワーを一定に維持して、前記表面の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べくスキャン速度及びスキャンパターンを調整して、スキャンを実行する段階を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記繰り返しスキャンする段階は、前記レーザビームのパワーを一定に維持して、前記表面の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べくスキャン速度を調整して、スキャンを実行する段階を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記繰り返しスキャンする段階は、前記レーザビームのパワーを一定に維持して、前記表面の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べくスキャンパターンを調整して、スキャンを実行する段階を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記繰り返しスキャンする段階は、
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して、
前記スキャンパターンを一定に維持して、
前記表面の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べくスキャン速度及びビームパワーのうちの少なくとも1つを調整することによってスキャンを実行する段階を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記繰り返しスキャンする段階は、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ことによって、スキャンを実行する段階を含み、
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応して、ビームパワー状態に対応するパワーレベルに前記レーザビームのパワーを設定すべく、前記ビームパワー状態を各セグメントに割り当て、
前記レーザビームの前記パワーは、複数の前記ビームパワー状態が必要とするのに応じて変化させられ、
前記スキャンは、毎秒少なくとも300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ビームパワー状態は、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ものと異なる、請求項1に記載の方法。 - 前記少なくとも1つの高感熱性サブエリアは、潤滑油孔と隣接するエリアを含む、請求項32から36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37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38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。 - ワークピースの表面の少なくとも一部を硬化するように、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のそれぞれの動作を制御するための電子制御手段に、請求項1から38のいずれか1項に記載の方法を実行させるためのコンピュータプログラム。
- 請求項40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。
- 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射するレーザ源と、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の過熱を防止すべく、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し、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のスキャン周波数で繰り返される、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ける孔と隣接するエリア、
フィレット及び
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42に記載の装置。 - 前記有効レーザスポットが、あるサイズを有し、かつ、前記表面エリアに沿って移動するように動作し、これによって、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の少なくとも一部の最中に、少なくとも0.5秒の間、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が加熱され、
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である、請求項42または43に記載の装置。 - 前記有効レーザスポットが、あるサイズを有し、かつ、前記表面エリアに沿って移動するように動作し、これによって、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の少なくとも一部の最中に、少なくとも1秒の間、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が加熱され、
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15mmである、請求項42または43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42から45のいずれか1項に記載の装置。
- 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、前記レーザ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46に記載の装置。
- 前記スキャンパターンは、少なくとも50Hzの前記スキャン周波数で繰り返される、請求項42から45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つのジャーナルを硬化するようプログラムされ、
前記有効レーザスポットを、前記クランクシャフトの前記ジャーナルの50%より多くにわたって延在するように生成するようプログラムされる、請求項42から48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し、これにより、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射される場合には前記レーザ源を動作させるための前記複数のデータセットのうちの1つを用い、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射される場合には前記レーザ源を動作させるための前記複数のデータセットのうちの少なくとも他の1つを用いることで、前記有効レーザスポットを前記表面エリアに沿って移動させる間に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調整する、請求項42から49のいずれか1項に記載の装置。 - 少なくとも2つの中央に構成された主ジャーナルと、少なくとも1つのオフセットされたロッドジャーナルとを備える、クランクシャフトのジャーナル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するクランクシャフト支持部と、
レーザスポットを前記ジャーナルに生成すべく、レーザビームを前記クランクシャフトのジャーナルに投射する少なくとも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ジャーナルの前記表面に確立すべく、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二方向スキャン手段を含む、請求項42に記載の装置。 - 前記クランクシャフト支持部及び前記レーザ源は、長さ方向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さ方向軸周りに回転する間、ロッドジャーナルと前記レーザ源との間が一定距離となることを可能とするように、互いに対して変位可能であり、前記ロッドジャーナルは、前記長さ方向軸に対してオフセットされる、請求項51に記載の装置。
- 前記レーザ源は、第1の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の方向に変位可能であり、前記第1の方向及び前記第2の方向の両方は、前記長さ方向軸に直交する、請求項52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さ方向軸と平行にさらに変位可能である、請求項53に記載の装置。
- 前記スキャンパターンと関連付けられ、スキャン中に、第1の2次元エネルギー分布を有する有効レーザスポットと、前記第1の2次元エネルギー分布と異なる第2の2次元エネルギー分布を有する有効レーザスポットとを前記クランクシャフトの前記ジャーナルに生成すべく、前記第1の2次元エネルギー分布および前記第2の2次元エネルギー分布を決定するための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、
前記メモリは、前記複数のパラメータ値の複数のセットを格納し、
前記複数のパラメータ値の前記複数のセットは、前記第1の2次元エネルギー分布を決定するための第1のセット、及び、前記第2の2次元エネルギー分布を決定するための第2のセットを含む、請求項51から54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さ方向軸周りに回転する間、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、前記複数のパラメータ値の前記第1のセット及び前記複数のパラメータ値の前記第2のセットを選択的に適用することによって、硬化加工を制御する、請求項55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、前記有効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長手方向の向きのうちの少なくとも1つを示す、請求項55または56に記載の装置。
- 毎秒少なくとも300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57に記載の装置。
- 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42から58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、焼き入れ用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。
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