JP6732335B2 - Laser hardening system and laser hardening method - Google Patents

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本発明は、レーザ焼入れシステム及びレーザ焼入れ方法に係り、特に、焼入れが行われる部位の板厚が薄く自己冷却が不十分となる鋼材ワークに対するレーザ焼入れシステム及びレーザ焼入れ方法に関する。 The present invention relates to a laser quenching system and a laser quenching method, and more particularly to a laser quenching system and a laser quenching method for a steel work in which a portion to be quenched has a thin plate thickness and self-cooling is insufficient.

被加工物について表層部のみを焼入れして硬化させて耐摩耗性、耐久性を付与する手段として、高周波焼入れや、電子ビーム焼入れ、レーザ焼入れ等の高エネルギービーム照射による表面焼入れが公知である。これらの方法は、焼入れ硬化性のある材料からなる被加工物に高エネルギー密度のビームを照射し、表面近傍を急激に加熱し、その熱が被加工物内部に熱伝導によって分散され急激に冷却する、いわゆる自己冷却によって焼入れが行われる。 As a means for imparting wear resistance and durability by quenching and hardening only the surface layer portion of a workpiece, surface quenching by high-energy beam irradiation such as induction hardening, electron beam quenching, and laser quenching is known. These methods irradiate a work piece made of a quench-hardenable material with a high energy density beam to rapidly heat the vicinity of the surface, and the heat is dispersed by heat conduction inside the work piece and rapidly cooled. Quenching is performed by so-called self-cooling.

例えば、鋼材の表層部に対するレーザ焼入れは、被加工物にレーザビームを照射して局部的に表層部を加熱し、鋼材の組織をオーステナイト化する。加えられた熱は、Ｗ／（ｍ・Ｋ）という単位で示される鋼材の熱伝導率に従って温度が高いところから低いところへ分散する。これは鋼材の自己冷却能あるいは単に自己冷却と呼ばれる。鋼材の自己冷却によって、加熱によって昇温された領域の温度が時間経過と共に急速に低下する。具体的には、加熱されて昇温した領域の温度を、鋼材のオーステナイト領域からパーライトノーズと呼ばれる変態境界にかかることなくマルテンサイト変態領域まで冷却することで、冷媒なしでも焼入れが行われる。 For example, in the laser quenching of the surface layer portion of the steel material, the workpiece is irradiated with a laser beam to locally heat the surface layer portion to austenite the structure of the steel material. The applied heat disperses from a high temperature region to a low temperature region according to the thermal conductivity of the steel material expressed in units of W/(m·K). This is called the self-cooling ability of steel or simply self-cooling. Due to the self-cooling of the steel material, the temperature of the region heated by the heating rapidly decreases with time. Specifically, quenching is performed without a refrigerant by cooling the temperature of the heated and raised region from the austenite region of the steel material to the martensite transformation region without reaching the transformation boundary called pearlite nose.

特許文献１は、鋼材に対する電子ビーム焼入れに関するものであるが、従来の電子ビーム焼入れでは、加熱開始から鋼の常温組織であるフェライト・パーライト組織が完全にオーステナイトへ変態し終わるまで待ってから焼入れすると述べている。この方法では、被加工物が例えば薄板部品のときに課題が生じると述べている。すなわち、薄板部品の場合は、オーステナイトへの変態時間の間に熱伝導により被加工物の広範囲にわたって温度が上昇し、自己冷却が不十分となって焼入れ不良が発生すると指摘している。そこで、従来技術では、鋼部材の表層部の加熱はその部分のオーステナイト化が達成できる温度にとどめられていて溶融させないが、特許文献１では、表層部を溶融状態に達するまで加熱し、これをそのまま自己冷却させる。これにより、自己冷却の開始と同時に、溶融状態から瞬時にオーステナイト組織を経てマルテンサイト組織に変態させることができると述べている。なお、自己冷却に加えて、水冷等の強制冷却を適用してもよい、と述べている。 Patent Document 1 relates to electron beam quenching of steel materials. In conventional electron beam quenching, quenching is performed after starting heating until the ferrite/pearlite structure, which is the room temperature structure of steel, is completely transformed into austenite. Says. It is stated that this method causes a problem when the workpiece is, for example, a thin plate component. That is, it is pointed out that in the case of a thin plate component, the temperature rises over a wide range of the workpiece due to heat conduction during the transformation time to austenite, resulting in insufficient self-cooling and quenching failure. Therefore, in the prior art, heating of the surface layer portion of the steel member is kept at a temperature at which austenitization of the portion is achieved and is not melted, but in Patent Document 1, the surface layer portion is heated until it reaches a molten state, and this is Let it self-cool. It is stated that, by this, at the same time as the start of self-cooling, the molten state can be instantly transformed into the martensite structure via the austenite structure. Note that, in addition to self-cooling, forced cooling such as water cooling may be applied.

特許文献２では、一般にレーザ焼入れは、レーザビームのスポットに比べてはるかに大きい被加工物に対して行っており、レーザビームの照射によって昇温した部分の熱がその周囲の大質量の部分によって急速に冷却される自己冷却によって硬化されると述べている。そして、レーザビームのスポット径と同程度の幅しか有しない小物部品に対してレーザビームの照射を行う場合は、レーザビーム照射によって昇温した部分がその周囲の部分に分散し、その周囲の部分の質量が小さいため、周囲の部分を昇温させると指摘する。その結果、残熱が多くなり、レーザビームが照射された部分の自己冷却が不足し、十分な焼入れが不可能となると述べている。そして、小物部品である被加工物を強制冷却する方法として、被加工物を冷却液内に漬けて冷却する方法や、水スプレー又はミスト冷却を使用する方法を述べている。 In Patent Document 2, laser quenching is generally performed on a workpiece much larger than the spot of the laser beam, and the heat of the portion heated by the irradiation of the laser beam is changed by the large mass portion around the workpiece. It is said to be hardened by self-cooling which is rapidly cooled. Then, when irradiating a laser beam to a small component having a width that is approximately the same as the spot diameter of the laser beam, the portion heated by the laser beam is dispersed in the surrounding portion, and the surrounding portion Since the mass of is small, it is pointed out that the surrounding area is heated. As a result, the residual heat increases, the self-cooling of the portion irradiated with the laser beam is insufficient, and sufficient quenching is impossible. Then, as a method of forcibly cooling a work piece which is a small component, a method of dipping the work piece in a cooling liquid to cool it, or a method of using water spray or mist cooling is described.

特開平９−００３５２８号公報JP, 9-003528, A 特開平６−３３０１５６号公報JP-A-6-330156

レーザ焼入れにおいて、自己冷却が不十分となると十分な焼入れができなくなる。焼入れが行われる部位の板厚が薄くなると、自己冷却が不十分となり、残熱で被加工物の温度が上昇し、さらに自己冷却が不十分となる。特に、円環形状の周方向に沿ってぐるっとレーザ照射を行って最初の照射開始位置の近傍に戻ってくる場合には、残熱の分散により既に焼入れされた領域の温度が上昇し、焼戻し状態となって硬度が上がらないことが生じ得る。実験によれば、被加工物が鋼材の場合、焼入れが行われる部位の板厚が約５ｍｍ以下のとき、自己冷却が不十分となり、例えば、焼入れ深さが上記板厚の（１／１０）以上必要な場合には、所望の焼入れが不可能となり得ることが分かった。なお、焼入れ処理が行われる部位の板厚の下限であるが、今までの焼入れ経験から、約０．５ｍｍ以上とする。本発明の目的は、焼入れが行われる部位の板厚が薄くて自己冷却が不十分であっても、所望のレーザ焼入れを可能とするレーザ焼入れシステム及びレーザ焼入れ方法を提供することである。 In laser quenching, if self-cooling is insufficient, sufficient quenching cannot be performed. When the plate thickness of the portion where quenching is performed becomes thin, self-cooling becomes insufficient, and the temperature of the work piece rises due to residual heat, and further self-cooling becomes insufficient. In particular, when laser irradiation is performed along the circumferential direction of the annular shape and it returns to the vicinity of the first irradiation start position, the temperature of the already quenched region rises due to residual heat dispersion, and the tempering state Therefore, the hardness may not increase. According to the experiment, when the workpiece is a steel material, when the thickness of the portion to be quenched is less than about 5 mm, self-cooling becomes insufficient. For example, the quenching depth is (1/10) of the above thickness. It has been found that the desired quenching may be impossible if necessary. It should be noted that, although it is the lower limit of the plate thickness of the portion where the quenching treatment is performed, it is about 0.5 mm or more based on the quenching experience so far. An object of the present invention is to provide a laser hardening system and a laser hardening method that enable desired laser hardening even if self-cooling is insufficient due to a thin plate thickness of a portion to be hardened.

本発明に係るレーザ焼入れシステムは、焼入れが行われる部位の板厚が５ｍｍ以下の鋼材ワークに対し表面焼入れを行うためのレーザ焼入れシステムであって、鋼材ワークを保持し走査方向に移動させるワーク移動機構と、走査方向に移動する鋼材ワークに対しレーザビームを照射するレーザ照射装置と、走査方向において既にレーザ照射が行われた側を下流側とし、まだレーザ照射が行われていない側を上流側として、鋼材ワークにおけるレーザビームの照射領域よりも走査方向に沿って鋼材ワークの板厚に応じた所定の緩衝領域を隔てた下流側の冷却領域に冷媒を供給する冷却装置と、を備え、鋼材ワークが円環形状であって、ワーク移動機構は、鋼材ワークの円環形状の周方向に沿った方向を走査方向として鋼材ワークをその中心軸周りに回転させる回転機構であり、レーザ照射装置は、走査方向における照射開始位置から円環形状の周方向に沿ってぐるっと回って再び照射開始位置の近傍に戻る照射を鋼材ワークに対して行うことを特徴とする。 A laser quenching system according to the present invention is a laser quenching system for performing surface quenching on a steel material work having a plate thickness of 5 mm or less at a site where quenching is performed. Mechanism, laser irradiation device for irradiating a laser beam to a steel workpiece moving in the scanning direction, the side where laser irradiation has already been performed in the scanning direction is the downstream side, and the side where laser irradiation has not yet been performed is the upstream side As a steel material, a cooling device that supplies a coolant to a cooling area on the downstream side that separates a predetermined buffer area according to the plate thickness of the steel work from the laser beam irradiation area in the steel work is provided . The workpiece has an annular shape, and the workpiece moving mechanism is a rotating mechanism that rotates the steel material workpiece around its central axis with the direction along the circumferential direction of the annular shape of the steel material workpiece as the scanning direction. The steel work is characterized in that the steel workpiece is irradiated with light that rotates around the irradiation start position in the scanning direction along the circumferential direction of the annular shape and returns to the vicinity of the irradiation start position again .

上記構成によれば、円環形状の鋼材ワークにおけるレーザビームの照射領域よりも走査方向に沿った下流側の冷却領域に冷媒を供給するので、板厚が薄くて自己冷却が不十分となる場合でも、レーザ焼入れが可能になる。
また、上記構成によれば、円環形状の鋼材ワークにおいて焼入れが行われる部位の板厚が薄くて自己冷却が不十分となる場合でも、冷却装置を用いることでレーザ焼入れが可能になる。また、自己冷却が不十分なために生じる残熱も抑制されるので、照射開始位置の近傍に戻ってきたときに既に焼入れされた領域を焼戻しすることが抑制される。 According to the above configuration, since the cooling medium is supplied to the cooling region on the downstream side along the scanning direction with respect to the irradiation region of the laser beam in the annular steel work, when the plate thickness is thin and self-cooling becomes insufficient. However, laser hardening is possible.
Further, according to the above configuration, even when the portion of the annular steel work to be quenched is thin and the self-cooling is insufficient, laser quenching can be performed by using the cooling device. In addition, since residual heat generated due to insufficient self-cooling is also suppressed, it is possible to suppress tempering of an already quenched region when returning to the vicinity of the irradiation start position.

本発明に係るレーザ焼入れシステムにおいて、所定の緩衝領域の走査方向に沿った長さは、照射領域にレーザビームの照射によって入熱された鋼材ワークが表面から所定の深さまでオーステナイト化することについて冷却領域における冷却によって妨げられない長さ以上であり、緩衝領域において、鋼材ワークの材質で定まる自己冷却特性が鋼材ワークの板厚に応じて低下する自己冷却低下特性によって鋼材ワークの温度が時間と共に低下するときの（温度と時間）の関係について、パーライト変態限界の（温度と時間）の特性曲線に交差する走査時間に相当する長さ以下となる範囲に設定されることが好ましい。 In the laser hardening system according to the present invention, the length along the scanning direction of the predetermined buffer region is cooled for the austenitizing of the steel work heated by the irradiation of the laser beam to the irradiation region to the predetermined depth from the surface. In the buffer area, the self-cooling characteristics that are determined by the material of the steel work decrease according to the plate thickness of the steel work, and the temperature of the steel work decreases with time due to the self-cooling decrease characteristics. Regarding the relationship between (temperature and time) at this time, it is preferable to set the range to be equal to or less than the length corresponding to the scanning time that intersects the (temperature and time) characteristic curve of the pearlite transformation limit.

上記構成によれば、照射領域において鋼材ワークを表面から所定の深さまでオーステナイト化することができ、冷却領域においてパーライト変態限界の特性曲線に交差しないように冷却されるので、所定の深さまで焼入れ硬化させることができる。 According to the above configuration, the steel work can be austenitized to a predetermined depth from the surface in the irradiation region, and is cooled so as not to intersect the characteristic curve of the pearlite transformation limit in the cooling region, so quench hardening is performed to a predetermined depth. Can be made.

本発明に係るレーザ焼入れシステムにおいて、冷却領域に供給される冷媒及び気化した冷媒を冷却領域よりも走査方向の下流側に流すための搬出ガス流を供給する搬出ガス供給装置を備えることが好ましい。 In the laser hardening system according to the present invention, it is preferable to include a carry-out gas supply device that supplies a carry-out gas flow for flowing the refrigerant supplied to the cooling area and the vaporized refrigerant downstream of the cooling area in the scanning direction.

冷却領域の温度が高くて冷媒が気化してガスとなると、そのガスがレーザ照射を妨げる。上記構成によれば、冷却領域における冷媒及び気化した冷媒を搬出ガス流によって冷却領域よりも下流側に流すので、レーザ照射に支障が生じない。 When the temperature of the cooling region is high and the refrigerant vaporizes into gas, the gas impedes laser irradiation. According to the above configuration, the refrigerant in the cooling area and the vaporized refrigerant are caused to flow to the downstream side of the cooling area by the carry-out gas flow, so that laser irradiation is not hindered.

本発明に係るレーザ焼入れシステムにおいて、冷媒は、冷却水であり、気化した冷媒は水蒸気であり、搬出ガス流は、空気流であることが好ましい。 In the laser hardening system according to the present invention, it is preferable that the refrigerant is cooling water, the vaporized refrigerant is water vapor, and the carry-out gas flow is an air flow.

上記構成によれば、冷却領域における冷却水及び水蒸気を空気流によって冷却領域よりも下流側に流すので、レーザ照射に支障が生じない。 According to the above configuration, the cooling water and the steam in the cooling region are caused to flow downstream of the cooling region by the air flow, so that laser irradiation is not hindered.

本発明に係るレーザ焼入れシステムにおいて、レーザ照射装置は、鋼材ワークの円環形状の内周面にレーザビームを照射し、冷却装置は、鋼材ワークの円環形状の内径穴側から内周面に向かって冷媒を供給することが好ましい。 In the laser quenching system according to the present invention, the laser irradiation device irradiates a laser beam on the annular inner peripheral surface of the steel work, the cooling device, from the annular inner diameter hole side of the steel work to the inner peripheral surface. It is preferable to supply the refrigerant in the opposite direction.

上記構成によれば、円環形状の内径穴を利用できる冷却装置の構成となるので、例えば、大径の鋼材ワークに対するレーザ焼入れシステムをコンパクトにまとめることができる。 According to the above configuration, the cooling device is configured to use the annular inner diameter hole. Therefore, for example, the laser hardening system for a large diameter steel work can be compactly assembled.

本発明に係るレーザ焼入れ方法は、円環形状を有し焼入れが行われる部位の板厚が５ｍｍ以下の鋼材ワークに対し、鋼材ワークの円環形状の周方向に沿った方向を走査方向として、鋼材ワークの円環形状の内周面の周方向に沿った照射開始位置からレーザ焼入れを始めて周方向に沿ってぐるっと回って再び照射開始位置の近傍に戻るレーザビームの走査によって表面焼入れを行うためのレーザ焼入れ方法であって、走査方向において既にレーザ照射が行われた側を下流側とし、まだレーザ照射が行われていない側を上流側として、走査方向に沿って、鋼材ワークにおけるレーザビームの照射領域と、照射領域よりも下流側に設けられる冷却領域との間に、鋼材ワークの板厚に応じた所定の緩衝領域を設定する設定工程と、鋼材ワークの冷却領域に冷媒を供給する冷却工程と、冷却領域に供給される冷媒及び気化した冷媒を冷却領域よりも走査方向の下流側に流すための搬出ガス流を供給する搬出ガス供給工程と、鋼材ワークを保持し円環形状の中心軸周りに回転させて移動させるワーク移動工程と、走査方向に移動する鋼材ワークの照射領域にレーザビームを照射する照射工程と、を含むことを特徴とする。 The laser quenching method according to the present invention, for a steel work having a circular ring shape and having a plate thickness of 5 mm or less at a portion to be quenched , a direction along the circumferential direction of the circular ring shape of the steel work is defined as a scanning direction, the surface hardening by the scanning of the laser beam returning to the vicinity of the all round around by irradiation starting position again along the circumferential direction started laser hardening from circular irradiation start position along the circumferential direction of the inner circumferential surface of the ring shape of the steel workpiece A laser hardening method for performing the laser irradiation in the scanning direction on the downstream side, the laser irradiation is not performed on the upstream side, the laser on the steel workpiece along the scanning direction. A setting step of setting a predetermined buffer area according to the plate thickness of the steel work between the beam irradiation area and the cooling area provided on the downstream side of the irradiation area, and supplying the coolant to the cooling area of the steel work. Cooling step, an unloading gas supply step of supplying an effluent gas flow for flowing the refrigerant supplied to the cooling area and the vaporized refrigerant downstream of the cooling area in the scanning direction, and an annular shape for holding the steel work. It is characterized by including a workpiece moving step of rotating and moving the workpiece around a central axis of the above , and an irradiating step of irradiating a laser beam to an irradiation region of a steel material workpiece moving in the scanning direction.

本発明に係るレーザ焼入れシステム及びレーザ焼入れ方法によれば、鋼材ワークにおいて焼入れが行われる部位の板厚が薄くて自己冷却が不十分であっても、所望のレーザ焼入れが可能となる。 According to the laser hardening system and the laser hardening method of the present invention, desired laser hardening can be performed even if the portion of the steel work to be hardened is thin and the self-cooling is insufficient.

本発明に係る実施の形態におけるレーザ焼入れシステムの構成図である。It is a lineblock diagram of a laser hardening system in an embodiment concerning the present invention. 図１のＯ方向から見た鋼材ワークにおいて、レーザビームの照射領域、冷却装置の冷却ノズル、搬出ガス供給装置のガス噴出ノズルの位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of the irradiation area|region of a laser beam, the cooling nozzle of a cooling device, and the gas ejection nozzle of a carrying-out gas supply device in the steel work seen from the O direction of FIG. 図２のＢ−Ｂ方向から見た斜視図である。It is the perspective view seen from the BB direction of FIG. 図３における円環状の鋼材ワークの内周面を平面的に展開した展開図を用いて、その特性を模式的に示す図である。図４（ａ）は、円環状の内周面の展開図で、走査方向に沿った位置を図１に示す走査角度θで表す図である。（ｂ）は、内周面の表層部の温度と走査角度θとの関係を示す図であり、（ｃ）は、内周面の表層部の組織と走査角度θとの関係を示す図である。It is a figure which shows the characteristic typically using the development view which developed the inner peripheral surface of the annular steel work in Drawing 3 in plane. FIG. 4A is a developed view of the annular inner peripheral surface, and shows the position along the scanning direction by the scanning angle θ shown in FIG. 1. (B) is a figure which shows the relationship between the temperature of the surface layer part of an inner peripheral surface, and scanning angle (theta), (c) is a figure which shows the structure of the surface layer part of an inner peripheral surface, and a scanning angle (theta). is there. レーザ焼入れ処理後の鋼材ワークの断面図の例である。It is an example of a cross-sectional view of a steel material work after laser hardening treatment. 本発明に係る実施の形態におけるレーザ焼入れ方法の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the laser hardening method in embodiment which concerns on this invention. 鉄−炭素系状態図の例である。It is an example of an iron-carbon system phase diagram. 鋼材の恒温変態曲線と、実際の冷却特性との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the isothermal transformation curve of a steel material, and an actual cooling characteristic. 鋼材ワークについて、緩衝領域の走査方向に沿った長さを変化させたときの特性評価結果をまとめた図である。図９（ａ）は、緩衝領域の走査方向に沿った長さの変化と表面硬さの変化の関係を示す図であり、（ｂ）は、表面硬さから推定される組織を示す図である。It is a figure which put together the characteristic evaluation result when changing the length along the scanning direction of a buffer region about a steel material work. FIG. 9A is a diagram showing a relationship between a change in the length of the buffer region along the scanning direction and a change in the surface hardness, and FIG. 9B is a diagram showing a structure estimated from the surface hardness. is there. 鋼材ワークについて、緩衝領域の走査方向に沿った長さと、ビッカース硬度がＨｖ＝３５０となる表面からの深さとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the length along the scanning direction of a buffer region, and the depth from the surface where a Vickers hardness is Hv=350 about a steel work. 環状形状を有するワークに生じる残熱による温度上昇を示す図である。It is a figure which shows the temperature rise by the residual heat produced in the workpiece|work which has an annular shape. 参考実施の形態として平板状のワークに生じる残熱による温度上昇を示す図である。It is a figure which shows the temperature rise by the residual heat which arises in a flat plate-shaped work as reference embodiment .

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、レーザ焼入れが行われる被加工物を円環形状の鋼材ワークとし、その円環形状の内周面の周方向に沿った照射開始位置からレーザ焼入れを始めて周方向に沿ってぐるっと回って再び照射開始位置の近傍に戻る表面焼入れを述べるが、これは例示である。鋼材ワークにおいて焼入れが行われる部位の板厚が５ｍｍ以下であれば、鋼材ワークの形状や焼入れ部位を問わず、本発明に係るレーザ焼入れシステム及びレーザ焼入れ方法が適用できる。例えば、円環形状の内周面の一部にのみ表面焼入れを行う場合であってもよく、内周面でなく円環形状の任意の部位に表面焼入れを行う場合であってもよい。また、円環形状以外の鋼材ワークとして、薄板に表面焼入れを行う場合も述べるが、円環形状、薄板以外の形状の鋼材ワークに対して表面焼入れを行う場合でもよい。 Embodiments according to the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. In the following, the workpiece to be laser-quenched is a circular steel work, and the laser-quenching is started from the irradiation start position along the circumferential direction of the inner circumferential surface of the circular ring, and is rotated around the circumferential direction. Surface quenching that returns to the vicinity of the irradiation start position again will be described, but this is an example. If the plate thickness of the portion where quenching is performed on the steel work is 5 mm or less, the laser quenching system and the laser quenching method according to the present invention can be applied regardless of the shape of the steel work and the quenching site. For example, the surface quenching may be performed only on a part of the inner circumferential surface of the annular shape, or the surface quenching may be performed on an arbitrary portion of the annular shape instead of the inner circumferential surface. Further, a case where surface hardening is performed on a thin plate as a steel work other than the annular shape will be described, but the surface hardening may be performed on a steel work having a shape other than the annular shape and the thin plate.

以下で述べる寸法、形状、材質、冷媒や搬出ガスの種類等は例示であって、レーザ焼入れシステムの仕様に応じて適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 The dimensions, shapes, materials, types of refrigerant and discharged gas, etc. described below are examples, and can be appropriately changed according to the specifications of the laser hardening system. In the following, similar elements are denoted by the same reference symbols in all the drawings, and overlapping description will be omitted.

図１は、レーザ焼入れシステム１０の構成図である。レーザ焼入れシステム１０は、焼入れが行われる部位の板厚が５ｍｍ以下の鋼材ワーク６０に、レーザビームを照射して表面焼入れを行うシステムである。以下では、特に断らない限り、レーザ焼入れシステム１０を、システム１０と呼び、鋼材ワーク６０をワーク６０と呼ぶ。また、ワークにおいて焼入れが行われる部位の板厚のことを、特に断らない限り、ワークの板厚あるいは単に板厚と呼ぶ。すなわち、以下において「ワークの板厚」とは、ワーク全体の板厚を指すのでなく、ワークの部位のうち、特に、焼入れ処理が行われる部位の板厚を指す。 FIG. 1 is a configuration diagram of a laser hardening system 10. The laser hardening system 10 is a system that irradiates a laser beam on a steel work 60 having a plate thickness of 5 mm or less at a portion to be hardened to perform surface hardening. Hereinafter, the laser hardening system 10 will be referred to as the system 10 and the steel work 60 will be referred to as the work 60 unless otherwise specified. Further, the plate thickness of a portion where quenching is performed on the work is referred to as the plate thickness of the work or simply the plate thickness unless otherwise specified. That is, in the following, the “work thickness” does not refer to the thickness of the entire work, but refers to the thickness of the part of the work where the quenching process is performed, in particular.

システム１０は、円環形状のワーク６０について、その円環形状の内周面の周方向に沿った照射開始位置からレーザ焼入れを始めて周方向に沿ってぐるっと回って再び照射開始位置の近傍に戻る表面焼入れを行う専用システムである。システム１０は、ワーク移動機構２０、レーザ照射装置３０、冷却装置４０、及び、搬出ガス供給装置５０を備える。なお、ワーク６０の環状形状、表面焼入れを行う内周面６２の所定の箇所等については、図２、図３を用いて後述する。 The system 10 starts laser hardening from the irradiation start position along the circumferential direction of the annular inner peripheral surface of the annular work 60, turns around the circumferential direction and returns to the vicinity of the irradiation start position again. This is a dedicated system for surface hardening. The system 10 includes a work moving mechanism 20, a laser irradiation device 30, a cooling device 40, and a carry-out gas supply device 50. Note that the annular shape of the work 60, a predetermined portion of the inner peripheral surface 62 where the surface is hardened, and the like will be described later with reference to FIGS. 2 and 3.

ワーク移動機構２０は、ワーク６０を保持し走査方向に移動させる機構である。ワーク移動機構２０は、ワーク回転機２２と、回転取付台２４と、ワーク保持治具２６を含む。ワーク回転機２２は、回転速度等を制御する制御部を有するモータである。回転取付台２４は、ワーク回転機２２の回転軸に固定され、ワーク保持治具２６を取り付ける取付部を有する汎用的取付台である。汎用的とは、ワーク６０の形状等によって異なるワーク保持治具２６に対応できるような汎用取付部を有することを意味する。ワーク保持治具２６は、ワーク６０を保持する治具で、回転取付台２４に固定されて、ワーク回転機２２が回転すると、一体となってワーク６０を回転させる。ワーク６０の保持方法としては、ワーク６０が磁性体である鋼材で構成されている場合は、マグネット吸着法が用いられる。非磁性の鋼材等でマグネット吸着法を用いることができない場合は、機械的保持方法を用いることができる。 The work moving mechanism 20 is a mechanism that holds the work 60 and moves it in the scanning direction. The work moving mechanism 20 includes a work rotating machine 22, a rotary mount 24, and a work holding jig 26. The work rotating machine 22 is a motor having a control unit that controls the rotation speed and the like. The rotary mount 24 is a general-purpose mount that is fixed to the rotary shaft of the work rotating machine 22 and has a mounting portion for mounting the work holding jig 26. General-purpose means having a general-purpose mounting portion that can accommodate different work holding jigs 26 depending on the shape of the work 60 and the like. The work holding jig 26 is a jig for holding the work 60, and is fixed to the rotary mount 24 and rotates the work 60 as a unit when the work rotating machine 22 rotates. As a method for holding the work 60, when the work 60 is made of a steel material that is a magnetic material, a magnet attraction method is used. When the magnetic attraction method cannot be used for non-magnetic steel materials and the like, a mechanical holding method can be used.

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。 In FIG. 1, the rotary shaft of the work rotating machine 22 is indicated by OO′, and the rotation direction is indicated by an arrow. The rotation axis OO′ of the work rotating machine 22 is aligned with the central axis of the work 60 through the rotary mount 24 and the work holding jig 26. As a result, the rotation direction around the rotation axis OO′ becomes the rotation direction of the work 60 with respect to the laser beam 38 and the scanning direction of the laser beam 38 with respect to the work 60 . The upstream side in the scanning direction corresponds to the downstream side in the rotation direction of the workpiece 60, the downstream side in the scanning direction corresponds to the upstream side in the rotation direction of the workpiece 60, and the workpiece 60 must move along the scanning direction. become. The upstream rotation axis OO′ extends parallel to the floor surface 12 on which the work rotating machine 22 is installed.

床面１２を水平面として、図１に水平方向と上下方向とを示す。上下方向は、水平方向に垂直な方向で、下方側が重力方向で、床面１２に向かう方向である。上方側は、重力方向と反対側の方向で、床面１２から上方を向く方向である。環状形状を有するワーク６０の軸方向は、水平方向に平行な方向である。図１のワーク６０の断面図における径方向は、上下方向に平行な方向となる。 The floor 12 is a horizontal plane, and FIG. 1 shows the horizontal direction and the vertical direction. The up-down direction is a direction perpendicular to the horizontal direction, the lower side is the direction of gravity, and is the direction toward the floor surface 12. The upper side is a direction opposite to the gravity direction, and is a direction facing upward from the floor surface 12. The axial direction of the work 60 having an annular shape is a direction parallel to the horizontal direction. The radial direction in the cross-sectional view of the work 60 in FIG. 1 is parallel to the vertical direction.

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。 The laser irradiation device 30 is a device that irradiates the laser beam 38 to the work 60 that moves in the scanning direction. The laser irradiation device 30 includes a beam irradiation unit 32, a robot arm 34, and a laser irradiation control unit 36. The beam irradiation unit 32 includes a laser oscillator and an optical system that shapes laser light emitted from the laser oscillator into a laser beam 38 having a predetermined beam shape. As the laser oscillator, a semiconductor laser oscillator that emits a laser beam suitable for laser hardening can be used. A rectangular shape is used as the predetermined shape of the laser beam 38. Alternatively, it may be circular or elliptical. The robot arm 34 is a multi-axis robot mechanism that aligns the irradiation destination of the laser beam 38 with a predetermined irradiation region 64 (see FIGS. 2 and 3) of the work 60. The laser irradiation control unit 36 controls the amount of irradiation energy of the laser beam 38, on/off of irradiation, and the like.

冷却装置４０は、ワーク６０において焼入れが行われる部位の板厚が薄く、鋼材の自己冷却のみでは、レーザビーム３８が照射された照射領域６４において焼入れに適した急冷が不十分となるときに、自己冷却をアシストするために用いられる装置である。冷却装置４０は、適当な吐出圧を有する冷媒源と吐出流量を調節する調整弁とを含む。冷却装置４０からは冷媒供給管４２が引き出され、冷媒供給管４２の先端には、冷却領域６６（図２、図３参照）に冷媒を供給する冷却ノズル４４が設けられる。冷却ノズル４４の配置位置と、冷却領域６６及び照射領域６４との関係については後述する。 The cooling device 40 has a thin plate thickness at a portion of the workpiece 60 where quenching is performed, and when the steel material is only self-cooled, when quenching suitable for quenching is insufficient in the irradiation region 64 irradiated with the laser beam 38, It is a device used to assist self-cooling. The cooling device 40 includes a refrigerant source having an appropriate discharge pressure and a regulating valve for adjusting the discharge flow rate. A cooling medium supply pipe 42 is drawn out from the cooling device 40, and a cooling nozzle 44 for supplying a cooling medium to a cooling region 66 (see FIGS. 2 and 3) is provided at the tip of the cooling medium supply pipe 42. The relationship between the arrangement position of the cooling nozzle 44 and the cooling area 66 and the irradiation area 64 will be described later.

冷媒としては、水が用いられる。例えば、水道管を引き込み、蛇口栓を流量調整弁とした蛇口を冷却装置４０とできる。なお、水道水は飲用水であるので、焼入れ冷却用の冷媒としては、水道水に限らず、水溶性溶剤を含む溶液を使用してよい。これらに代えて、適当な吐出圧となる水槽と、流量調整バルブとを組み合わせて冷却装置４０としてもよい。あるいは、流量調整弁付液化二酸化炭素ガス（ＣＯ2）ボンベを冷却装置４０として、低温の二酸化炭素ガス（ＣＯ2）を冷媒に用いてもよい。場合によっては、適当な冷却油タンクと、オイル吐出ポンプとを組み合わせて冷却装置４０としてもよい。以下では、冷媒として水道水を用い、冷却ノズル４４から冷却水４６として適当な流量に調整された水道水が流れ出すものとする（図３参照）。 Water is used as the refrigerant. For example, the cooling device 40 can be a faucet that draws in a water pipe and uses the faucet plug as a flow rate adjusting valve. Since tap water is potable water, the coolant for quenching and cooling is not limited to tap water, and a solution containing a water-soluble solvent may be used. Instead of these, the cooling device 40 may be formed by combining a water tank having an appropriate discharge pressure and a flow rate adjusting valve. Alternatively, a liquefied carbon dioxide gas (CO 2 ) cylinder with a flow rate adjusting valve may be used as the cooling device 40, and low-temperature carbon dioxide gas (CO 2 ) may be used as a refrigerant. In some cases, a cooling device 40 may be formed by combining an appropriate cooling oil tank and an oil discharge pump. In the following, it is assumed that tap water is used as the refrigerant and tap water adjusted to an appropriate flow rate flows out as the cooling water 46 from the cooling nozzle 44 (see FIG. 3).

搬出ガス供給装置５０は、冷却領域６６に供給される冷媒及び気化した冷媒がレーザビーム３８の照射の妨げにならないように、これらを冷却領域６６よりも走査方向の下流側に流すための搬出ガス流５６（図３参照）を供給する装置である。搬出ガス供給装置５０は、適当な吐出圧を有する搬出ガス源と吐出流量を調節する調整弁とを含む。搬出ガス供給装置５０からは搬出ガス供給管５２が引き出され、搬出ガス供給管５２の先端には、ガス噴出ノズル５４が設けられる。搬出ガスとしては、空気を用いることができる。この場合、搬出ガス供給装置５０は、空気圧縮装置（コンプレッサ）と、圧縮空気圧を調整する調整バルブ等が用いられる。空気に代えて、適当な不活性ガス等を搬出ガスとして用いてよい。例えば、流量調整弁付高圧窒素ボンベを搬出ガス供給装置５０とできる。以下では、搬出ガスとして、適当な吐出圧を有する空気を用い、ガス噴出ノズル５４からは搬出ガス流５６として、適当な吐出圧を有する空気流が噴出するものとする。ガス噴出ノズル５４と照射領域６４、冷却領域６６との関係については後述する。 The carry-out gas supply device 50 carries out the carry-out gas for flowing the refrigerant supplied to the cooling area 66 and the vaporized refrigerant downstream of the cooling area 66 in the scanning direction so as not to hinder the irradiation of the laser beam 38. A device for supplying the stream 56 (see FIG. 3). The carry-out gas supply device 50 includes a carry-out gas source having an appropriate discharge pressure and a regulating valve for adjusting the discharge flow rate. A carry-out gas supply pipe 52 is drawn out from the carry-out gas supply device 50, and a gas ejection nozzle 54 is provided at the tip of the carry-out gas supply pipe 52. Air can be used as the carry-out gas. In this case, the carry-out gas supply device 50 uses an air compression device (compressor), an adjustment valve for adjusting the compressed air pressure, and the like. Instead of air, a suitable inert gas or the like may be used as the carry-out gas. For example, a high-pressure nitrogen cylinder with a flow rate adjusting valve can be used as the carry-out gas supply device 50. Hereinafter, it is assumed that air having an appropriate discharge pressure is used as the carry-out gas, and an air flow having an appropriate discharge pressure is jetted from the gas jet nozzle 54 as the carry-out gas flow 56. The relationship between the gas ejection nozzle 54, the irradiation area 64, and the cooling area 66 will be described later.

図１において、ワーク６０は、回転軸Ｏ−Ｏ’を含む垂直断面で示した。図２は、図１の回転軸Ｏ−Ｏ’のＯ側から見たワーク６０の正面図である。図１のワーク６０は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図に相当する。図３は、図２のＢ−Ｂ方向から見た斜視図である。 In FIG. 1, the work 60 is shown in a vertical section including the rotation axis O-O′. FIG. 2 is a front view of the work 60 viewed from the O side of the rotation axis O-O′ in FIG. The work 60 in FIG. 1 corresponds to a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. FIG. 3 is a perspective view seen from the BB direction in FIG.

図２、図３に示されるように、ワーク６０は、薄肉の鋼材を同心状に凹凸させた環状形状を有し、内周面６２で囲まれた内径穴６１に図示しない軸部材が挿入され、内周面６２は図示しない軸部材が摺動する摺動面となる軸摺動支持部材である。摺動に対する耐摩耗性、耐久性を確保するために、内周面６２とその外径側に張り出すフランジ部６３には、表面焼入れが行われる。図３に、内周面６２の肉厚ｔ、内周面６２の軸方向の長さＬ６２、フランジ部６３の径方向の長さＬ６３を示す。フランジ部６３の肉厚は、内周面６２の肉厚ｔと同じである。すなわち、肉厚ｔは、ワーク６０において焼入れが行われる部位の板厚であり、ワーク６０の薄肉の部分の板厚に相当する。このワーク６０における寸法の例を挙げると、ｔは約２ｍｍ、Ｌ６２は約６ｍｍ、Ｌ６３は約５ｍｍである。この値は、説明のための例示であって、ワーク６０の仕様に応じて適宜変更される。 As shown in FIGS. 2 and 3, the work 60 has an annular shape in which thin steel material is concentrically concavo-convex, and a shaft member (not shown) is inserted into an inner diameter hole 61 surrounded by an inner peripheral surface 62. The inner peripheral surface 62 is a shaft sliding support member that serves as a sliding surface on which a shaft member (not shown) slides. In order to secure abrasion resistance and durability against sliding, surface quenching is performed on the inner peripheral surface 62 and the flange portion 63 protruding to the outer diameter side thereof. FIG. 3 shows the thickness t of the inner peripheral surface 62, the axial length L62 of the inner peripheral surface 62, and the radial length L63 of the flange portion 63. The wall thickness of the flange portion 63 is the same as the wall thickness t of the inner peripheral surface 62. That is, the wall thickness t is the plate thickness of the portion of the work 60 where quenching is performed, and corresponds to the plate thickness of the thin portion of the work 60. To give an example of the dimensions of the work 60, t is about 2 mm, L62 is about 6 mm, and L63 is about 5 mm. This value is an example for the purpose of description, and is appropriately changed according to the specifications of the work 60.

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。 2 and 3 show the central axis (axial direction) of the workpiece 60, the vertical direction, and the scanning direction. In FIG. 3, the central axis of the workpiece 60 indicated as OO′ is an axis extending in a direction orthogonal to the line AA and the line BB in FIG. 2, and the extending direction of the central axis OO′ is the axial direction. is there. The up-down direction is a direction parallel to the line AA. The scanning direction is a direction along the circumferential direction around the central axis OO′ , and on the paper surfaces of FIGS. 2 and 3, the rotation direction of the workpiece 60 is the clockwise direction around the central axis OO′, and the scanning direction is the central axis. The clockwise direction around OO' is shown as the upstream side, and the counterclockwise direction is shown as the downstream side .

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。 As described with reference to FIG. 1, the axial direction of the work 60 is parallel to the horizontal direction, and the laser beam 38 is applied to the innermost surface 62 of the work 60 on the lowermost side in the vertical direction. In FIG. 2 and FIG. 3, an irradiation region 64 shown across the innermost surface 62 on the lowermost side and the flange portion 63 is a region irradiated with the laser beam 38. Since the irradiation direction of the laser beam 38 is fixed and the work 60 rotates in the scanning direction, in the front view of the work 60 in FIG. 2, the irradiation region 64 is a fixed position regardless of the passage of time. Therefore, when the work 60 moves in the scanning direction, the region locally heated by the laser beam 38 moves to the downstream side in the scanning direction. In FIG. 2, the position indicated by P0 is the irradiation start position. The position of the workpiece 60 along the scanning direction is indicated by a scanning angle θ which is an angle around the central axis OO′, and the scanning angle θ=0° of the irradiation start position P0 on the inner peripheral surface 62 of the workpiece 60. The irradiation region 64 in FIGS. 2 and 3 is a position at a scanning angle θ=+90° from the irradiation start position P0. In other words, the state of FIG. 2 shows a state in which the workpiece 60 has moved by Δθ=+90° as the scanning angle along the scanning direction from the time when the irradiation is started.

ここで、照射領域６４、冷却ノズル４４、冷却領域６６、ガス噴出ノズル５４、搬出ガス流５６の関係について述べる。図２、図３に示すように、冷媒供給管４２と搬出ガス供給管５２とは、ワーク６０の内径穴６１のほぼ中心を通って、ワーク６０の軸方向に沿って立ち上がり、そこからレーザビーム３８の光路を妨げないように、ワーク６０の外径側に曲がるように配置される。 Here, the relationship among the irradiation region 64, the cooling nozzle 44, the cooling region 66, the gas ejection nozzle 54, and the carry-out gas flow 56 will be described. As shown in FIG. 2 and FIG. 3, the refrigerant supply pipe 42 and the carry-out gas supply pipe 52 pass through substantially the center of the inner diameter hole 61 of the work 60, rise along the axial direction of the work 60, and from there, the laser beam. It is arranged so as to bend toward the outer diameter side of the work 60 so as not to obstruct the optical path of 38.

冷媒供給管４２の先端の冷却ノズル４４は、照射領域６４よりも走査方向の下流側における内周面６２及びフランジ部６３に向けて冷却水４６を吐出する。搬出ガス供給管５２の先端のガス噴出ノズル５４は、冷却水４６が供給される内周面６２及びフランジ部６３に向けて開口し、冷却水４６が供給される内周面６２及びフランジ部６３に搬出ガス流５６を吐出する。既にレーザビーム３８が照射されて局部的に高温となった照射領域６４が走査方向の下流側に移動して冷却ノズル４４の開口の真下に来ると、冷却水４６によって冷却される。そのとき、冷却水４６は、走査方向の下流側に移動してきた既にレーザ照射を受けている照射領域６４が高温のため、瞬時的に気化して水蒸気となる。そのままでは、水蒸気が立ち込めてレーザビーム３８の光路に入り込むことが生じる。レーザビーム３８の光路に水蒸気が入り込むと、レーザ照射を妨げて、現在の照射領域６４への入熱が不十分となる。ガス噴出ノズル５４からの搬出ガス流５６は、冷却ノズル４４から供給された冷却水４６と、冷却水４６が気化した水蒸気とを、冷却ノズル４４の開口よりも走査方向の下流側に流し、レーザビーム３８によるレーザ照射を妨げないようにする。 The cooling nozzle 44 at the tip of the coolant supply pipe 42 discharges the cooling water 46 toward the inner peripheral surface 62 and the flange portion 63 on the downstream side of the irradiation region 64 in the scanning direction. The gas ejection nozzle 54 at the tip of the carry-out gas supply pipe 52 opens toward the inner peripheral surface 62 and the flange portion 63 to which the cooling water 46 is supplied, and the inner peripheral surface 62 and the flange portion 63 to which the cooling water 46 is supplied. The carry-out gas stream 56 is discharged. When the irradiation region 64, which has already been irradiated with the laser beam 38 and has become locally high in temperature, moves to the downstream side in the scanning direction and comes directly below the opening of the cooling nozzle 44, it is cooled by the cooling water 46. At this time, the cooling water 46 is instantly vaporized into water vapor because the irradiation region 64 that has moved to the downstream side in the scanning direction and has already been irradiated with laser light has a high temperature. As it is, water vapor may enter and enter the optical path of the laser beam 38. When water vapor enters the optical path of the laser beam 38, it hinders the laser irradiation, and the heat input to the current irradiation region 64 becomes insufficient. The carry-out gas flow 56 from the gas ejection nozzle 54 causes the cooling water 46 supplied from the cooling nozzle 44 and the steam vaporized by the cooling water 46 to flow downstream of the opening of the cooling nozzle 44 in the scanning direction, and the laser The laser irradiation by the beam 38 is not disturbed.

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。 As a result, the cooling water 46 cools the work 60 on the downstream side in the scanning direction from directly below the opening of the cooling nozzle 44. An area of the inner peripheral surface 62 and the flange portion 63 that is cooled by the cooling water 46 is a cooling area 66. Here, in the scanning direction, the side on which laser irradiation has already been performed is the downstream side, and the side on which laser irradiation has not yet been performed is the upstream side, so the cooling region 66 is greater than the irradiation region 64 of the laser beam 38 in the workpiece 60. Is also arranged downstream in the scanning direction. A region between the irradiation region 64 and the cooling region 66 along the scanning direction is a buffer region 65 to which the laser beam 38 is irradiated but the cooling water 46 is not supplied.

ワーク６０の板厚が十分厚いときには、照射領域６４において局部的に加熱された鋼材がオーステナイトに変態し、ワーク６０の自己冷却のみによってマルテンサイトに変態して焼入れが行われる。ワーク６０の板厚が薄いと、ワーク６０の自己冷却が不十分となり、焼入れが不十分になると共に、ワーク６０の温度が室温まで下がりきらずに残熱が生じ、この残熱がまだレーザビーム３８の照射を受けていない領域の温度を上げてしまう。冷却領域６６は、ワーク６０の自己冷却の不足を補ってマルテンサイトへの変態をアシストし、残熱の発生を抑制するために設けられる。 When the work 60 has a sufficiently large plate thickness, the locally heated steel material is transformed into austenite in the irradiation region 64, and is transformed into martensite only by the self-cooling of the work 60 for quenching. When the work 60 has a small plate thickness, the self-cooling of the work 60 becomes insufficient, the quenching becomes insufficient, and the temperature of the work 60 does not fall to room temperature and residual heat is generated. This residual heat is still generated by the laser beam 38. Will increase the temperature of the area that has not been exposed to. The cooling region 66 is provided to compensate for the lack of self-cooling of the workpiece 60, assist transformation to martensite, and suppress generation of residual heat.

上記では、冷媒供給管４２と搬出ガス供給管５２は、ワーク６０の内径穴６１を通って、内径穴６１側から内周面６２及びフランジ部６３の方に向かって延びる。これにより、レーザ焼入れシステム１０において、冷却装置４０と搬出ガス供給装置５０に関する配置構成がコンパクトになる。反面、専用装置となるので、ワーク６０の形状の種類が異なるたびに、冷媒供給管４２と搬出ガス供給管５２の配置を変更することになる。そこで、例えば、多種少量のワークについてレーザ焼入れ処理を行う場合等では、冷媒供給管４２と搬出ガス供給管５２を、内径穴６１側からでなく、ワーク６０の外径の外側から内周面６２及びフランジ部６３の方に向かって延びるように配置してもよい。 In the above description, the refrigerant supply pipe 42 and the discharge gas supply pipe 52 pass through the inner diameter hole 61 of the work 60 and extend from the inner diameter hole 61 side toward the inner peripheral surface 62 and the flange portion 63. As a result, in the laser hardening system 10, the arrangement of the cooling device 40 and the carry-out gas supply device 50 becomes compact. On the other hand, since it is a dedicated device, the arrangement of the refrigerant supply pipe 42 and the carry-out gas supply pipe 52 is changed every time the shape of the work 60 is different. Therefore, for example, in the case of performing laser hardening treatment on a small amount of various kinds of works, the refrigerant supply pipe 42 and the carry-out gas supply pipe 52 are arranged not from the inner diameter hole 61 side but from the outer diameter of the work 60 to the inner peripheral surface 62. Alternatively, they may be arranged so as to extend toward the flange portion 63.

図４は、冷却装置４０、搬出ガス供給装置５０の作用効果を示す模式図である。図４は、図２、図３に示すワーク６０について、環状形状の内周面６２を直線的に展開し、内周面６２の周方向に沿った各位置における表層部の温度と表層部の組織の変化を示す図である。図４（ａ）は、内周面６２の展開図であり、（ｂ）は表層部の温度であり、（ｃ）は表層部の組織である。ここで表層部とは、ワーク６０について内周面６２の表面から所定深さまで焼入れ処理を行う仕様として、所定深さの部分を示す。所定深さの例は、約０．３ｍｍから約０．６ｍｍである。各図の横軸は、ワーク６０の走査方向に沿った位置で、中心軸ＯＯ’周りの角度である走査角度θで示す。 FIG. 4 is a schematic diagram showing the operational effects of the cooling device 40 and the carry-out gas supply device 50. FIG. 4 shows the workpiece 60 shown in FIGS. 2 and 3 in which the inner peripheral surface 62 having an annular shape is linearly developed, and the temperature of the surface layer portion at each position along the circumferential direction of the inner peripheral surface 62 and the surface layer portion It is a figure which shows the change of an organization. FIG. 4A is a developed view of the inner peripheral surface 62, FIG. 4B is the temperature of the surface layer portion, and FIG. 4C is the texture of the surface layer portion. Here, the surface layer portion means a portion having a predetermined depth as a specification for quenching the work 60 from the surface of the inner peripheral surface 62 to a predetermined depth. An example of the predetermined depth is about 0.3 mm to about 0.6 mm. The horizontal axis of each figure is a position along the scanning direction of the workpiece 60, and is indicated by a scanning angle θ which is an angle around the central axis OO′.

図４（ａ）に示す展開図では、図２で述べたように、ワーク６０の内周面６２における照射開始位置Ｐ０の位置を走査角度θ＝０°として、走査方向に沿って上流側に向って走査角度θがプラス側に増加する。図２で述べたように、現在の照射領域６４の中心位置は、走査角度θ＝＋９０°の位置にある。冷却領域６６は、現在の照射領域６４よりも下流側に配置される。照射領域６４と冷却領域６６との間が緩衝領域６５である。緩衝領域６５の走査方向に沿った長さをＳで示す。 In the development view shown in FIG. 4A, as described with reference to FIG. 2, the irradiation start position P0 on the inner peripheral surface 62 of the workpiece 60 is set to the scanning angle θ=0°, and the upstream side along the scanning direction. The scanning angle θ increases toward the plus side. As described with reference to FIG. 2, the current center position of the irradiation area 64 is at the scanning angle θ=+90°. The cooling region 66 is arranged on the downstream side of the current irradiation region 64. A buffer region 65 is between the irradiation region 64 and the cooling region 66. The length of the buffer area 65 along the scanning direction is indicated by S.

図４（ｂ）は、走査角度θと表層部の温度との関係を示す図である。縦軸において、温度ＡF、温度ＭS、温度ＭFは、ワーク６０を構成する鋼材の組織の変態温度である。温度ＡFは、オーステナイト変態の完了温度であり、温度ＭSは、マルテンサイト変態の開始温度であり、温度ＭFは、マルテンサイト変態の終了温度である。 FIG. 4B is a diagram showing the relationship between the scanning angle θ and the temperature of the surface layer portion. On the vertical axis, the temperature A F , the temperature M S , and the temperature M F are transformation temperatures of the structure of the steel material forming the work 60. The temperature A F is the completion temperature of the austenite transformation, the temperature M S is the start temperature of the martensite transformation, and the temperature M F is the end temperature of the martensite transformation.

実線の特性線７０は、緩衝領域６５の長さＳが適切に設定されたときの表層部の温度を示す。特性線７０において、現在の照射領域６４よりも走査方向に沿って上流側は、レーザ照射をまだ受けていないので、表層部の温度＝室温である。また、冷却領域６６では冷却水４６の流量を適当に調節することで、表層部の温度はほぼ室温となる。 The solid characteristic line 70 indicates the temperature of the surface layer portion when the length S of the buffer region 65 is appropriately set. In the characteristic line 70, the upstream side of the current irradiation region 64 along the scanning direction has not received laser irradiation, and therefore the surface layer temperature is room temperature. Further, in the cooling region 66, the temperature of the surface layer portion becomes almost room temperature by appropriately adjusting the flow rate of the cooling water 46.

照射領域６４ではレーザビーム３８の照射によって表層部の温度が急上昇し、温度ＡFを超える。図４（ｂ）の例では、照射領域６４の上流側縁部で表層部の温度が室温から急上昇し、レーザ照射制御部３６によって設定された温度ＴLまで上昇する。温度ＴLは、温度ＡFよりも高温に設定されるので、照射領域６４において表層部はすべてオーステナイト化する。 In the irradiation region 64, the temperature of the surface layer portion sharply rises due to the irradiation of the laser beam 38 and exceeds the temperature AF . In the example of FIG. 4B, the temperature of the surface layer portion at the upstream side edge portion of the irradiation region 64 sharply rises from room temperature and rises to the temperature T L set by the laser irradiation control unit 36. Since the temperature T L is set higher than the temperature A F, all the surface layer portions in the irradiation region 64 are austenitized.

図４（ｂ）において一点鎖線で示す特性線７２は、冷却装置４０を用いるが、搬出ガス供給装置５０を用いないときの表層部の温度を示す。冷却装置４０を用いて搬出ガス供給装置５０を用いないときは、走査方向の下流側に移動してきた既にレーザ照射を受けている照射領域６４が高温のため、冷却水４６が瞬時的に気化して水蒸気となり、その水蒸気が立ち込めてレーザビーム３８の光路に入り込む。これによって現在の照射領域６４についてのレーザ照射が妨げられ、表層部の温度が設定されたＴLまで上昇せず、あるいは一旦ＴLまで上昇したが、すぐ低下する。図４（ｂ）の特性線７２の例では、照射領域６４内の下流側の部分で表層部の温度がＡF以下となり、照射領域６４におけるオーステナイト化が不十分となる。冷却装置４０と共に搬出ガス供給装置５０を用いる特性線７０は、照射領域６４の全部がオーステナイト化する。これが、搬出ガス供給装置５０の作用効果である。 A characteristic line 72 indicated by a chain line in FIG. 4B indicates the temperature of the surface layer portion when the cooling device 40 is used but the carry-out gas supply device 50 is not used. When the cooling device 40 is used and the carry-out gas supply device 50 is not used, the cooling water 46 is instantaneously vaporized because the irradiation region 64 that has moved to the downstream side in the scanning direction and has already been subjected to laser irradiation has a high temperature. Becomes water vapor, and the water vapor enters and enters the optical path of the laser beam 38. This hinders the laser irradiation of the current irradiation region 64, and the temperature of the surface layer portion does not rise to the set T L or once rises to T L , but immediately drops. In the example of the characteristic line 72 of FIG. 4B, the temperature of the surface layer portion becomes A F or lower in the downstream side portion in the irradiation region 64, and the austenitization in the irradiation region 64 becomes insufficient. In the characteristic line 70 using the discharge gas supply device 50 together with the cooling device 40, the entire irradiation region 64 becomes austenite. This is the effect of the carry-out gas supply device 50.

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。 Next, since the laser beam 38 is not irradiated at the downstream side edge portion of the irradiation region 64, the temperature of the surface layer portion is rapidly lowered by the self-cooling of the work 60.

ここで、ワーク６０の板厚が十分厚いときの自己冷却の時間に対する温度特性を「自己冷却特性」と呼ぶと、内周面６２における板厚ｔが薄いときは、板厚が十分厚いときの「自己冷却特性」よりも冷却性が低下した「自己冷却低下特性」となる。図４（ｂ）において破線で示す特性線７４は、冷却装置４０を用いないときのワーク６０の「自己冷却低下特性」である。 Here, the temperature characteristic with respect to the time of self-cooling when the plate thickness of the workpiece 60 is sufficiently thick is referred to as “self-cooling property”. When the plate thickness t on the inner peripheral surface 62 is thin, when the plate thickness is sufficiently thick, The "self-cooling characteristic" is lower in cooling property than the "self-cooling characteristic". A characteristic line 74 indicated by a broken line in FIG. 4B is a “self-cooling lowering characteristic” of the work 60 when the cooling device 40 is not used.

図４（ｂ）の例では、「自己冷却低下特性」を示す特性線７４は、表層部の温度がＭSより低温であるがＭFより高温となっている。つまり、冷却装置４０を用いないとき、ワーク６０の表層部は、一部がマルテンサイト化するが、一部はマルテンサイト化しない。冷却装置４０を用いる特性線７０は、冷却領域６６に入ると冷却水４６の作用効果によって表層部の温度が急速に低下して室温になるので、ＭFよりも低温になる。これにより、表層部は、全部がマルテンサイト化する。これが冷却装置４０の作用効果である。 In the example of FIG. 4B, the characteristic line 74 indicating the “self-cooling lowering characteristic” has a surface layer temperature lower than M S but higher than M F. In other words, when the cooling device 40 is not used, the surface layer portion of the work 60 is partially martensitic, but not partially martensitic. Characteristic line 70 using a cooling apparatus 40, the temperature of the surface layer portion to fall into the cooling region 66 by the effect of the cooling water 46 to room temperature rapidly lowered, the temperature becomes lower than M F. As a result, the entire surface layer portion becomes martensite. This is the effect of the cooling device 40.

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。 FIG. 4C is a diagram showing the relationship between the scanning angle θ and the texture of the surface layer of the characteristic line 70. As described in (b), the laser beam 38 is not irradiated on the upstream side of the irradiation region 64 and the temperature of the surface layer portion remains at room temperature. Therefore, the structure of the surface layer portion includes ferrite and pearlite. .. In the irradiation region 64, the temperature of the surface layer portion is TL higher than A F , so the structure of the surface layer portion is austenite. In the region between the scanning angle theta = 0 ° of the irradiation start position from the cooling region 66, the temperature of the surface layer portion is rapidly cooled to below room temperature M F, the surface of the tissue becomes martensite. In scanning angle theta = 0 Downstream side of the scanning direction than ° of the irradiation start position, Izu yet received the laser irradiation, the temperature of the surface layer portion is at room temperature, the surface of the tissue includes a ferrite and pearlite .. In the buffer region 65 between the irradiation region 64 and the cooling region 66, since the temperature of the surface layer portion is M S or higher, the structure of the surface layer portion is not martensitic. In this region, pearlite transformation and bainite transformation may occur depending on the cooling time and cooling rate, so the surface layer structure becomes a transitional structure containing austenite, pearlite, and the like.

上記のように、冷却領域６６が照射領域６４に近いと、照射領域６４の温度が低下し、オーステナイトへの変態が不十分となり得る。冷却領域６６が照射領域６４から遠いと、自己冷却に対するアシスト冷却が不足し、オーステナイト組織の急冷が不十分となってマルテンサイトへの変態が不十分となる。この兼ね合いで、照射領域６４と冷却領域６６との間の緩衝領域６５の走査方向に沿った長さＳ、あるいはＳに対応する走査角度θの大きさの設定が行われる。緩衝領域６５の長さＳの設定の内容については、後述する。 As described above, when the cooling region 66 is close to the irradiation region 64, the temperature of the irradiation region 64 decreases and the transformation into austenite may be insufficient. If the cooling region 66 is far from the irradiation region 64, the assist cooling for self-cooling is insufficient, the rapid cooling of the austenite structure is insufficient, and the transformation to martensite is insufficient. With this balance, the length S of the buffer region 65 between the irradiation region 64 and the cooling region 66 along the scanning direction, or the size of the scanning angle θ corresponding to S is set. The content of setting the length S of the buffer area 65 will be described later.

図５は、照射領域６４、冷却領域６６の配置が適切に行われた条件の下でレーザ焼入れを行ったワーク６０の内周面６２とフランジ部６３の断面図において、組織の分布を示す図である。図５に示すように、内周面６２とフランジ部６３とに跨ったワーク６０の表層部は、全部がマルテンサイト化した完全焼入れ層６８と、一部がマルテンサイト化した部分焼入れ層６９となっている。図５は一例であるので、ワーク６０についての表層部の深さと硬さの仕様に応じて、緩衝領域６５の長さＳの設定等を適切に行うことで、表面焼入れに関する仕様を満たすことができる。 FIG. 5 is a cross-sectional view of the inner peripheral surface 62 and the flange portion 63 of the work 60, which has been laser-quenched under the condition that the irradiation region 64 and the cooling region 66 are properly arranged, showing the distribution of the structure. Is. As shown in FIG. 5, the surface layer portion of the work 60 that straddles the inner peripheral surface 62 and the flange portion 63 has a completely quenched layer 68 that is entirely martensitic, and a partially quenched layer 69 that is partially martensitic. Has become. Since FIG. 5 is an example, by appropriately setting the length S of the buffer region 65 according to the specifications of the depth and hardness of the surface layer of the workpiece 60, the specifications regarding surface hardening can be satisfied. it can.

図６は、図１のレーザ焼入れシステム１０を用いたレーザ焼入れ方法の手順を示すフローチャートである。最初に、レーザ焼入れシステム１０の条件設定を行う（Ｓ１０）。条件設定には、ワーク移動機構２０におけるワーク６０の回転速度の設定、レーザ照射装置３０におけるレーザビーム３８の形状設定やレーザ照射のワーク６０に対する入熱量の設定を含む。また、冷却装置４０における冷却水４６の吐出圧と流量の設定、搬出ガス供給装置５０における搬出ガス流５６の吐出圧と流量の設定を含む。 FIG. 6 is a flowchart showing the procedure of a laser hardening method using the laser hardening system 10 of FIG. First, the conditions of the laser hardening system 10 are set (S10). The condition setting includes setting of the rotation speed of the work 60 in the work moving mechanism 20, setting of the shape of the laser beam 38 in the laser irradiation device 30, and setting of the amount of heat input to the work 60 during laser irradiation. It also includes setting of the discharge pressure and flow rate of the cooling water 46 in the cooling device 40, and setting of the discharge pressure and flow rate of the carry-out gas flow 56 in the carry-out gas supply device 50.

さらに、照射領域６４と冷却領域６６との間の緩衝領域６５の走査方向に沿った長さＳまたは長さＳに対応する走査角度の設定を含む。緩衝領域６５の走査方向に沿った長さＳは、以下に述べるＳｍｉｎ以上、Ｓｍａｘ以下の範囲に設定される。 Further, it includes setting the length S of the buffer region 65 between the irradiation region 64 and the cooling region 66 in the scanning direction, or setting the scanning angle corresponding to the length S. The length S of the buffer region 65 along the scanning direction is set in the range from Smin to Smax described below.

Ｓｍｉｎは、照射領域６４にレーザビーム３８の照射によって入熱されたワーク６０が、表面から所定の表層部深さまでオーステナイト化することについて冷却領域６６における冷却によって妨げられない長さである。ＳがＳｍｉｎ以上でないときは、図４の特性線７２となって、照射領域６４におけるオーステナイト化が不十分となる。 Smin is a length that is not hindered by cooling in the cooling region 66 with respect to austenitization of the work 60, which has been heated by the irradiation of the laser beam 38 in the irradiation region 64, from the surface to a predetermined surface layer depth. When S is not equal to or more than Smin, the characteristic line 72 in FIG. 4 is obtained, and the austenitization in the irradiation region 64 becomes insufficient.

Ｓｍａｘは、ワーク６０の材質で定まる自己冷却特性がワーク６０の板厚ｔに応じて低下する自己冷却低下特性に関する。自己冷却低下特性は、図４の特性線７４で示される特性である。Ｓｍａｘは、自己冷却低下特性によってワーク６０の温度が時間と共に低下するときの（温度と時間）の関係について、パーライト変態限界の（温度と時間）の特性曲線に交差する走査時間に相当する走査長さである。 Smax relates to a self-cooling reduction characteristic in which the self-cooling characteristic determined by the material of the work 60 is reduced according to the plate thickness t of the work 60. The self-cooling deterioration characteristic is the characteristic indicated by the characteristic line 74 in FIG. Smax is a scan length corresponding to a scan time that intersects the (temperature and time) characteristic curve of the pearlite transformation limit regarding the relationship (temperature and time) when the temperature of the work piece 60 decreases with time due to the self-cooling lowering characteristic. That's it.

Ｓｍｉｎの内容については図４で述べたので、Ｓｍａｘについて、鉄−炭素系状態図である図７と、鋼材の恒温変態曲線と実際の冷却特性との関係を示す図８を用いて説明する。 Since the content of Smin has been described with reference to FIG. 4, Smax will be described with reference to FIG. 7, which is an iron-carbon system phase diagram, and FIG. 8, which shows the relationship between the isothermal transformation curve of steel and the actual cooling characteristics.

図７の鉄−炭素系状態図において、横軸は、質量％で示す鋼材の炭素量であり、縦軸は温度である。図７において、αはフェライトであり、γはオーステナイトであり、Ｐはパーライトである。Ｌは、溶融状態を示す。炭素鋼としてよく知られているＳ４５Ｃは、炭素量が０．４５質量％であり、温度変化と共に、図７に示す破線上で組織が変わる。例えば、温度が約７５０℃に上昇すると、（フェライト＋パーライト）の組織が（フェライト＋オーステナイト）になり、温度が約７８０℃まで上昇すると、全部がオーステナイト組織になる。この例では、オーステナイト化が開始する温度ＡSは約７５０℃で、オーステナイト化が完了する温度ＡFは約７８０℃である。 In the iron-carbon phase diagram of FIG. 7, the horizontal axis represents the carbon content of the steel material in mass% and the vertical axis represents the temperature. In FIG. 7, α is ferrite, γ is austenite, and P is pearlite. L indicates a molten state. S45C, which is well known as carbon steel, has a carbon content of 0.45 mass %, and its structure changes on the broken line shown in FIG. 7 with temperature change. For example, when the temperature rises to about 750° C., the (ferrite+pearlite) structure becomes (ferrite+austenite), and when the temperature rises to about 780° C., all becomes an austenite structure. In this example, the temperature A S at which austenitization starts is about 750°C, and the temperature A F at which austenitization is completed is about 780°C.

図７では、オーステナイトを急冷して得られるマルテンサイトが表されていない。オーステナイトからマルテンサイトへ変態するのは、冷却時間や冷却速度が関係する。図８は、鋼材の恒温変態曲線の例を示す図である。恒温変態曲線は、鋼材をＡS以下の温度に保持すると、時間が経過すると鋼材の組織が変態することを示す特性曲線である。図８の横軸は、対数目盛で示す保持時間で、１ｓから８ｈまでを示す。縦軸は温度である。図８において、ＰSは、オーステナイトからパーライトまたはベイナイトへの変態が開始する変態曲線であり、ＰFは、オーステナイトからパーライトまたはベイナイトへの変態が完了する変態曲線である。ＭSはオーステナイトからマルテンサイトへの変態が開始する変態曲線であり、ＭFオーステナイトからマルテンサイトへの変態が完了する変態曲線である。 In FIG. 7, martensite obtained by quenching austenite is not shown. The transformation of austenite to martensite is related to the cooling time and cooling rate. FIG. 8 is a diagram showing an example of a constant temperature transformation curve of a steel material. The isothermal transformation curve is a characteristic curve showing that the structure of the steel material transforms as time passes when the steel material is kept at a temperature of A S or lower. The horizontal axis of FIG. 8 represents the retention time shown on a logarithmic scale from 1 s to 8 h. The vertical axis represents temperature. In FIG. 8, P S is a transformation curve at which transformation from austenite to pearlite or bainite starts, and P F is a transformation curve at which transformation from austenite to pearlite or bainite is completed. M S is a transformation curve at which transformation from austenite to martensite starts, and a transformation curve at which transformation from M F austenite to martensite is completed.

図８に示されるように、オーステナイトからマルテンサイトに変態させるには、パーライト変態限界を示す変態曲線ＰSにかからないように、ワーク６０の温度を低下させることが必要である。変態曲線ＰSで、時間が最も短くなる（温度と時間）を示すＰNは、パーライトノーズと呼ばれる。ＰNは、（温度＝約５３０℃、時間＝約１．５ｓ）である。換言すれば、冷却前のオーステナイト状態の温度から、約５３０℃まで、約１．５ｓ未満の時間で冷却しないと、パーライトに変態し、完全なマルテンサイト化とならない。 As shown in FIG. 8, in order to transform austenite to martensite, it is necessary to lower the temperature of the work 60 so as not to reach the transformation curve P S indicating the pearlite transformation limit. P N showing the shortest time (temperature and time) on the transformation curve P S is called pearlite nose. P N is (temperature=about 530° C., time=about 1.5 s). In other words, from the temperature of the austenite state before cooling to about 530° C., if it is not cooled in a time of less than about 1.5 s, it will transform into pearlite and complete martensite conversion will not be achieved.

鉄の熱伝導率は、８３．５Ｗ／ｍ・Ｋであり、乾燥空気の熱伝導率は、０．０２４Ｗ／ｍ・Ｋであり、鉄の熱伝導率に比べると、乾燥空気は熱絶縁体的に働く。鋼材ワーク６０の板厚ｔが十分厚い場合の「自己冷却特性」は、図８の冷却特性線８２となり、ＭFの温度＝約１２０℃まで、２ｓ未満で到達する。鋼材ワーク６０の板厚ｔが薄いと、鋼材と空気の境界で熱が反射されて残熱となり、鋼材ワーク６０の温度が上昇する。図８では、自己冷却によって約４００℃まで１ｓ未満で温度が低下したが、それ以降は、残熱によって時間経過とともに温度が上昇する残熱特性８４となり、そのまま進むと、変態曲線ＰSにかかり、パーライトまたはベイナイトに変態する。冷却領域６６を設けて冷却水４６で冷却すると、アシスト冷却特性８０となり、パーライト変態限界を示す変態曲線ＰSにかからず、ＭSまで２ｓ未満で達する。 The thermal conductivity of iron is 83.5 W/m·K, and the thermal conductivity of dry air is 0.024 W/m·K. Compared with the thermal conductivity of iron, dry air is a thermal insulator. Work properly. The “self-cooling characteristic” when the plate thickness t of the steel work 60 is sufficiently thick is the cooling characteristic line 82 of FIG. 8 and reaches the temperature of M F =about 120° C. in less than 2 seconds. When the plate thickness t of the steel work 60 is thin, the heat is reflected at the boundary between the steel and air to become residual heat, and the temperature of the steel work 60 rises. In FIG. 8, the temperature decreased to about 400° C. in less than 1 s due to self-cooling, but after that, the residual heat characteristic 84 in which the temperature rises with the passage of time due to residual heat, and if it proceeds as it is, the transformation curve P S is applied. , Perlite or bainite. When the cooling region 66 is provided and cooling is performed with the cooling water 46, the assist cooling characteristic 80 is obtained, and the transformation curve P S indicating the pearlite transformation limit is not reached and M S is reached in less than 2 s.

残熱特性８４は、緩衝領域６５で生じ、板厚ｔが薄いほど、高温側となり、ＰNやＰSにかかる恐れが生じる。残熱特性８４を抑制するには、緩衝領域６５の走査方向に沿った長さＳを短くすればよいが、Ｓｍｉｎ以下にはできない。緩衝領域６５の走査方向に沿った長さＳの許される最大値は、残熱特性８４で左右され、板厚ｔが薄いほど小さな値でないと許容されず、板厚ｔが厚いほど大きな値まで許容される。このように、Ｓｍａｘは、ワーク６０の板厚ｔに依存して定められる。具体的には、実験評価等によって、Ｓｍａｘが設定される。 The residual heat characteristic 84 is generated in the buffer region 65, and the thinner the plate thickness t, the higher the temperature becomes, and there is a possibility that P N and P S will be applied. In order to suppress the residual heat characteristic 84, the length S of the buffer region 65 along the scanning direction may be shortened, but it cannot be set to Smin or less. The allowable maximum value of the length S of the buffer region 65 along the scanning direction depends on the residual heat characteristic 84. The smaller the plate thickness t, the smaller the allowable value, and the larger the plate thickness t, the larger the maximum value. Permissible. Thus, Smax is determined depending on the plate thickness t of the work 60. Specifically, Smax is set by experimental evaluation or the like.

再び図６に戻り、Ｓ１０において、レーザビーム３８の形状が設定されると、ワーク６０の内周面６２及びフランジ部６３に対する照射領域６４の位置が、ワーク６０の走査方向に沿った走査角度θの位置を用いて定まる。照射領域６４の位置が定まると、緩衝領域６５の走査方向に沿った長さＳがＳｍｉｎとＳｍａｘの間の範囲で設定され、これにより、冷却領域６６の位置が、ワーク６０の走査方向に沿った走査角度θの位置を用いて定まる。そこで、冷却領域６６に対して冷媒供給（Ｓ１２）が行われ、搬出ガス供給（Ｓ１４）が行われる。Ｓ１２とＳ１４の順番はいずれが先でもよい。Ｓ１２とＳ１４の処理手順が行われると、冷却領域６６に、冷却水４６が流れる状態となる。 Returning to FIG. 6 again, when the shape of the laser beam 38 is set in S10, the position of the irradiation area 64 with respect to the inner peripheral surface 62 and the flange portion 63 of the work 60 is changed by the scanning angle θ along the scanning direction of the work 60. It is determined using the position of. When the position of the irradiation region 64 is determined, the length S of the buffer region 65 along the scanning direction is set in the range between Smin and Smax, whereby the position of the cooling region 66 is set along the scanning direction of the workpiece 60. It is determined using the position of the scanning angle θ. Therefore, the coolant is supplied (S12) to the cooling region 66 and the carry-out gas is supplied (S14). The order of S12 and S14 may be first. When the processing procedures of S12 and S14 are performed, the cooling water 46 flows into the cooling region 66.

次に、レーザ照射が照射領域６４に対して行われる（Ｓ１６）。そして、所定の走査速度で、ワーク６０が移動される（Ｓ１８）。Ｓ１６でレーザ照射が行われた照射領域６４は、走査方向の下流側の緩衝領域６５に移動する。そのときに自己冷却が生じるが、板厚ｔが薄いと、図８で述べたように、残熱特性８４が生じるので、自己冷却のみではパーライト変態限界を示す変態曲線ＰSにかかる恐れがある。ワーク６０が緩衝領域６５を超えて冷却領域６６に達すると、冷却水４６によって自己冷却アシストが行われ、急速冷却となって、温度ＭFに達し、レーザ焼入れが完了する（Ｓ２０）。このとき、搬出ガス供給装置５０の作用効果により、冷却水４６が気化して発生する水蒸気は、冷却領域６６よりも下流側に搬出されるので、現在の照射領域６４におけるレーザ照射を妨げない。なお、ワーク６０を流れ落ちた使用済みの冷却水４６は、図１に示すワーク保持治具２６に設けられた排水路２８を通って、ワーク６０に溜まることなく外部に排出される。 Next, laser irradiation is performed on the irradiation area 64 (S16). Then, the work 60 is moved at a predetermined scanning speed (S18). The irradiation area 64 irradiated with the laser in S16 moves to the buffer area 65 on the downstream side in the scanning direction. At that time, self-cooling occurs, but when the plate thickness t is thin, the residual heat characteristic 84 occurs as described in FIG. 8. Therefore, the self-cooling alone may affect the transformation curve P S indicating the pearlite transformation limit. .. When the workpiece 60 is in the cooling region 66 reaches beyond the buffer area 65, a self-cooled assist is performed by the coolant 46, it becomes rapid cooling, reaching a temperature M F, laser hardening is completed (S20). At this time, due to the action and effect of the carry-out gas supply device 50, the steam generated by the vaporization of the cooling water 46 is carried out to the downstream side of the cooling region 66, so that the laser irradiation in the current irradiation region 64 is not hindered. The used cooling water 46 that has flowed down the work 60 passes through the drainage passage 28 provided in the work holding jig 26 shown in FIG. 1 and is discharged to the outside without being accumulated in the work 60.

このように、緩衝領域６５の走査方向に沿った長さＳを適切に設定することで、ワーク６０の板厚ｔが薄くてもレーザ焼入れを適切に行うことができる。 As described above, by appropriately setting the length S of the buffer region 65 along the scanning direction, laser hardening can be appropriately performed even if the work 60 has a small plate thickness t.

図９、図１０に、ワーク６０について、緩衝領域６５の走査方向に沿った長さＳを変化させたときの特性評価結果を示す。ワーク６０の材質は、ＳＰＦＨ５９０と呼ばれるＭｎとＳｉを含む高張力鋼である。測定箇所は、図５でＭと示す位置で、評価項目は、Ｍの位置における表面硬度と、ビッカース硬度がＨｖ＝３５０となる表面からの深さである。緩衝領域６５の走査方向に沿った長さＳは、０ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍとした。 9 and 10 show characteristic evaluation results of the work 60 when the length S of the buffer region 65 along the scanning direction is changed. The material of the workpiece 60 is high-strength steel containing Mn and Si called SPFH590. The measurement point is the position indicated by M in FIG. 5, and the evaluation items are the surface hardness at the M position and the depth from the surface where the Vickers hardness is Hv=350. The length S of the buffer area 65 along the scanning direction was 0 mm, 10 mm, 20 mm, and 30 mm.

図９は、長さＳを変化させたときの表面硬度の変化をまとめた図である。図９（ａ）は、横軸に長さＳを取り、縦軸に表面硬度を取った図で、（ｂ）は、（ａ）の硬度から推定されるワーク６０の表面組織である。図９に示されるように、長さＳが０ｍｍと１０ｍｍのときの表面硬度は同じで、ビッカース硬度Ｈｖで約４２０であり、長さＳが２０ｍｍ、３０ｍｍと大きくなるにつれ、表面硬度が低下する。この結果から推定される表面組織は、長さＳが１０ｍｍ以下では、マルテンサイトのみで、長さＳが１０ｍｍを超すと、パーライトが出現し、長さＳが大きくなるにつれ、パーライトの割合が増加すると考えられる。 FIG. 9 is a diagram summarizing changes in surface hardness when the length S is changed. FIG. 9A is a diagram in which the length S is plotted on the horizontal axis and the surface hardness is plotted on the vertical axis, and FIG. 9B is the surface texture of the workpiece 60 estimated from the hardness in FIG. 9A. As shown in FIG. 9, the surface hardness is the same when the length S is 0 mm and 10 mm, the Vickers hardness Hv is about 420, and the surface hardness decreases as the length S increases to 20 mm and 30 mm. .. The surface texture estimated from this result is only martensite when the length S is 10 mm or less, and when the length S exceeds 10 mm, pearlite appears and the proportion of pearlite increases as the length S increases. It is thought that.

図１０は、横軸に長さＳを取り、縦軸に、ビッカース硬度がＨｖ＝３５０となる表面からの深さを取った図である。ここでは、長さＳが１０ｍｍのときに、ビッカース硬度がＨｖ＝３５０となる深さが約０．５２ｍｍと最大値となり、長さＳが０ｍｍではこれよりも浅い深さとなる。これは、長さＳが短すぎて、照射領域６４が冷却水４６の影響を受けているものと考えられる。また、長さＳが１０ｍｍより大きくなるにつれ、Ｈｖ＝３５０となる深さが浅くなり、焼入れが不十分となることが示される。この結果は、図８で説明した内容と一致する。 FIG. 10 is a diagram in which the horizontal axis represents the length S and the vertical axis represents the depth from the surface where the Vickers hardness is Hv=350. Here, when the length S is 10 mm, the depth at which the Vickers hardness is Hv=350 is about 0.52 mm, which is the maximum value, and when the length S is 0 mm, the depth is shallower than this. It is considered that this is because the length S is too short and the irradiation region 64 is affected by the cooling water 46. Further, it is shown that as the length S becomes larger than 10 mm, the depth at which Hv=350 becomes shallow, and quenching becomes insufficient. This result matches the content described in FIG.

一例として、ワーク６０の表面焼入れの仕様が、表面からの深さ＝０．５ｍｍの表層部において、ビッカース硬度がＨｖ＝３５０以上とされる場合は、図１０の結果から、緩衝領域６５のＳｍｉｎは１０ｍｍよりやや短く、Ｓｍａｘは１０ｍｍよりやや長くなる。したがって、緩衝領域６５の長さＳは、約１０ｍｍ前後の狭い範囲内に設定すればよいことが分かる。 As an example, when the surface quenching of the work 60 has a Vickers hardness of Hv=350 or more at the surface layer portion having a depth of 0.5 mm from the surface, the result of FIG. Is slightly shorter than 10 mm, and Smax is slightly longer than 10 mm. Therefore, it is understood that the length S of the buffer region 65 should be set within a narrow range of about 10 mm.

図１１は、冷却装置４０を用いないか、あるいは、緩衝領域６５の長さＳが適切な値よりも大きすぎたときに、ワーク６０に生じる残熱を示す図である。図１１において、横軸は、ワーク６０の内周面６２における走査方向に沿った位置を走査角度θで取り、縦軸は、ワーク６０の温度である。走査角度θ＝０°は、照射開始位置Ｐ０に相当し、この位置で初めてレーザビーム３８が照射されるので、残熱はまだ生じず、ワーク６０の温度は室温である。Ｐ０から走査方向に沿って上流側の照射領域６４でレーザビーム３８が照射されると、照射領域６４が急激に加熱されるが、ワーク６０の自己冷却によってその入熱はワーク６０の内部に分散する。しかし、ワーク６０の板厚ｔが薄いと、自己冷却が不十分となる。走査方向に沿って上流側に照射領域６４が移動するにつれ、残熱が累積され、ワーク６０の温度が特性線９０のように次第に上昇する。 FIG. 11 is a diagram showing the residual heat generated in the work 60 when the cooling device 40 is not used or when the length S of the buffer region 65 is too large than an appropriate value. In FIG. 11, the horizontal axis represents the position along the scanning direction on the inner peripheral surface 62 of the work 60 at the scanning angle θ, and the vertical axis represents the temperature of the work 60. The scanning angle θ=0° corresponds to the irradiation start position P0, and since the laser beam 38 is irradiated for the first time at this position, no residual heat is generated yet and the temperature of the work 60 is room temperature. When the laser beam 38 is irradiated on the irradiation region 64 on the upstream side from P0 in the scanning direction, the irradiation region 64 is rapidly heated, but the heat input is dispersed inside the work 60 by the self-cooling of the work 60. To do. However, if the plate thickness t of the work 60 is thin, the self-cooling becomes insufficient. As the irradiation region 64 moves to the upstream side along the scanning direction, residual heat is accumulated and the temperature of the work 60 gradually rises as shown by a characteristic line 90.

ワーク６０の温度がＭｓ以下で留まっているうちは、焼入れが可能である。ワーク６０の温度がＭｓを越えると、もはや自己冷却のみでは焼入れが不可能になる。図１１において、焼入れが可能な領域に斜線を付した。この例では、照射開始位置Ｐ０から走査方向に沿ってぐるっとレーザ照射が行われるが、ある走査角度まで焼入れされ、それより先は焼入れされない。そのまま走査方向に沿ってレーザ照射を続けると、焼入れはされないが、残熱は順次蓄積されて、ワーク６０の温度が上昇を続ける。図１１は、環状形状を平面的に展開した展開図であるので、走査角度=＋２７０°から先は、走査角度＝−９０°の位置から照射開始位置Ｐ０に向かって進むことになる。 Quenching is possible while the temperature of the work piece 60 remains at Ms or lower. When the temperature of the work 60 exceeds Ms, quenching is no longer possible only by self-cooling. In FIG. 11, the area where quenching is possible is shaded. In this example, laser irradiation is performed around the irradiation start position P0 along the scanning direction, but quenching is performed up to a certain scanning angle, and no further quenching is performed. If laser irradiation is continued along the scanning direction as it is, quenching is not performed, but residual heat is accumulated in sequence and the temperature of the work piece 60 continues to rise. Since FIG. 11 is a development view in which the annular shape is developed in a plane, the scanning angle=+270° is followed by the scanning angle=−90° toward the irradiation start position P0.

レーザ照射が終了する照射終了位置Ｐ１は、照射開始位置Ｐ０の手前の位置である。Ｐ１をＰ０と重ねないのは、既に焼入れされた領域にレーザビーム３８を照射すると、その入熱によって既に焼入れされた領域が焼戻しされるので、これを避けるためである。Ｐ１とＰ０の間の領域は、ソフトゾーンと呼ばれ、レーザ照射が行われない領域で、ワーク６０の素材領域であり、硬さは、ワーク６０の素材の硬さのままである。残熱が蓄積されていると、照射終了位置Ｐ１におけるワーク６０の温度はかなり高く、その熱がソフトゾーンを越え、図１１で斜線を付した既に焼入れされている領域に分散する。この残熱の分散によって、通常のソフトゾーンを設けていても、既に焼入れされた領域が焼き戻しされ、硬度が低下する。したがって、冷却装置４０を用いない場合には、部分的に焼入れされた領域も焼き戻しによって焼入れ効果が減少することになる。 The irradiation end position P1 where the laser irradiation ends is a position before the irradiation start position P0. The reason why P1 is not overlapped with P0 is to avoid the already hardened region from being irradiated with the laser beam 38 because the heat input heats the already hardened region. A region between P1 and P0 is called a soft zone, which is a region where laser irradiation is not performed, and is a material region of the work 60, and the hardness remains the hardness of the material of the work 60. When the residual heat is accumulated, the temperature of the work 60 at the irradiation end position P1 is considerably high, and the heat exceeds the soft zone and is dispersed in the already hardened region indicated by the diagonal lines in FIG. Due to this residual heat dispersion, even if a normal soft zone is provided, the already hardened region is tempered and the hardness is lowered. Therefore, in the case where the cooling device 40 is not used, the quenching effect is also reduced by tempering the partially quenched region.

上記では、環状形状を有するワーク６０について述べたが、板厚ｔが薄い平板のワークについても、不十分な自己冷却を冷却装置４０によってアシストし、レーザ焼入れを十分に行うことができる。平板状のワークの場合は、ワーク移動機構２０をリニアモータ等の直進移動機構とする。冷却装置４０と搬出ガス供給装置５０は、図１で述べた内容をそのまま利用できる。 Although the workpiece 60 having the annular shape has been described above, insufficient self-cooling can be assisted by the cooling device 40 and sufficient laser hardening can be performed even for a flat plate workpiece having a small plate thickness t. In the case of a flat work, the work moving mechanism 20 is a linear moving mechanism such as a linear motor. For the cooling device 40 and the carry-out gas supply device 50, the contents described in FIG. 1 can be used as they are.

平板状のワークの場合は、走査方向が直線的な一方向であり、ワークの全長Ｌ0の一方端が照射開始位置Ｐ０であり、他方端が照射終了位置Ｐ１であるので、照射終了位置Ｐ１が照射開始位置Ｐ０の近傍に戻ることがない。図１２は、図１１に対応する図で、冷却装置４０を用いない場合に、不十分な自己冷却によって残熱が発生し、ワークの温度は、特性線９２に示すように、照射開始位置Ｐ０における室温から次第に上昇する。ワークの温度がＭｓを越えると、それから先は図１１と同様に焼入れが不可能になる。走査方向に沿ってそのままレーザ照射を続けると、蓄積された残熱によって照射終了位置Ｐ１におけるワークの温度はかなり高くなるが、その残熱の分散は、照射終了位置Ｐ１の周辺に留まり、図１２で斜線を付した既に焼入れされた領域に及ばない。 In the case of a plate-shaped work, the scanning direction is one linear direction, one end of the entire length L 0 of the work is the irradiation start position P0, and the other end is the irradiation end position P1, so the irradiation end position P1. Does not return to the vicinity of the irradiation start position P0. FIG. 12 is a diagram corresponding to FIG. 11, and when the cooling device 40 is not used, residual heat is generated due to insufficient self-cooling, and the temperature of the work is, as shown by the characteristic line 92, the irradiation start position P0. Gradually increases from room temperature at. When the temperature of the work exceeds Ms, quenching becomes impossible thereafter, as in FIG. When laser irradiation is continued as it is along the scanning direction, the temperature of the work at the irradiation end position P1 rises considerably due to the accumulated residual heat, but the dispersion of the residual heat remains around the irradiation end position P1. It does not extend to the already hardened area shaded with.

図１１、図１２はいずれも冷却装置４０を用いない場合である。環状形状を有するワーク６０において焼入れが行われる部位の板厚が薄く、あるいは平板状のワークにおいて板厚が薄くて、自己冷却が不十分な場合には、冷却装置４０を用いないときに、残熱が蓄積し、ワークの温度が上昇する。これによって、所望の焼入れが不可能になる領域が生じる。特に、環状形状を有するワーク６０においては、照射終了位置Ｐ１が照射開始位置Ｐ０の近傍に戻ってきたときに、通常のソフトゾーンを設けても、照射終了位置Ｐ１の熱がソフトゾーンを越えて分散する。これによって、照射開始位置Ｐ０の上流側の既に焼入れされた領域が焼き戻しされ、硬度が低下する。 11 and 12 show the case where the cooling device 40 is not used. In the case where the workpiece 60 having an annular shape has a thin plate thickness at a portion where quenching is performed, or a flat plate-shaped workpiece has a small plate thickness and self-cooling is insufficient, when the cooling device 40 is not used, the remaining Heat accumulates and the temperature of the work rises. This creates areas where the desired quenching is not possible. In particular, in the workpiece 60 having an annular shape, when the irradiation end position P1 returns to the vicinity of the irradiation start position P0, even if a normal soft zone is provided, the heat at the irradiation end position P1 exceeds the soft zone. Spread. As a result, the already quenched region on the upstream side of the irradiation start position P0 is tempered and the hardness is lowered.

冷却装置４０を用い、緩衝領域６５の走査方向に沿った長さＳを適切に設定することで、環状形状を有するワーク６０においても、平板状のワークにおいても、残熱の発生が抑制されるので、所望の焼入れが不可能になる領域をなくすことができる。また、環状形状のワーク６０においては、レーザ照射を受けた後、必ず冷却水４６によって冷却されるので、照射終了位置Ｐ１を照射開始位置Ｐ０を越えた上流側とすることができる。この場合、照射終了位置Ｐ１から照射開始位置Ｐ０までの部分は、既に焼入れされた上にレーザ照射を受けるので、硬度が低下したゾーンとなるが、冷却水４６による冷却を受けるので、このゾーンを越えて熱が分散することはない。したがって、環状形状のワーク６０において、照射終了位置Ｐ１を照射開始位置Ｐ０の手前で止める必要がないので、表面焼入れにおける作業効率が向上する。このように、平板状のワークに比べ、環状形状を有するワーク６０においては、冷却装置４０が非常に有効に働く。 By appropriately setting the length S of the buffer region 65 along the scanning direction using the cooling device 40, generation of residual heat is suppressed in both the work 60 having an annular shape and the flat work. Therefore, it is possible to eliminate a region where desired quenching becomes impossible. Further, since the annular work 60 is always cooled by the cooling water 46 after receiving the laser irradiation, the irradiation end position P1 can be made upstream beyond the irradiation start position P0. In this case, the portion from the irradiation end position P1 to the irradiation start position P0 is a zone in which the hardness is lowered because it is already hardened and is irradiated with the laser, so that the hardness is reduced. No heat is dissipated beyond. Therefore, in the annular work 60, it is not necessary to stop the irradiation end position P1 before the irradiation start position P0, and the work efficiency in surface hardening is improved. As described above, the cooling device 40 works very effectively in the work 60 having the annular shape as compared with the flat work.

上記構成のレーザ焼入れシステム１０及びレーザ焼入れシステム１０を用いるレーザ焼入れ方法によれば、鋼材ワーク６０において焼入れが行われる部位の板厚ｔが薄くて自己冷却が不十分であっても、所望のレーザ焼入れが可能となる。 According to the laser hardening system 10 and the laser hardening method using the laser hardening system 10 configured as described above, even if the plate thickness t of the portion of the steel workpiece 60 where hardening is performed is thin and self-cooling is insufficient, the desired laser Quenching is possible.

１０ （レーザ焼入れ）システム、１２ 床面、２０ ワーク移動機構、２２ ワーク回転機、２４ 回転取付台、２６ ワーク保持治具、２８ 排水路、３０ レーザ照射装置、３２ ビーム照射部、３４ ロボットアーム、３６ レーザ照射制御部、３８ レーザビーム、４０ 冷却装置、４２ 冷媒供給管、４４ 冷却ノズル、４６ 冷却水、５０ 搬出ガス供給装置、５２ 搬出ガス供給管、５４ ガス噴出ノズル、５６ 搬出ガス流、６０ （鋼材）ワーク、６１ 内径穴、６２ 内周面、６３ フランジ部、６４ 照射領域、６５ 緩衝領域、６６ 冷却領域、６８ 完全焼入れ層、６９ 部分焼入れ層。 10 (laser hardening) system, 12 floor surface, 20 work moving mechanism, 22 work rotating machine, 24 work mount, 26 work holding jig, 28 drainage channel, 30 laser irradiation device, 32 beam irradiation unit, 34 robot arm, 36 laser irradiation controller, 38 laser beam, 40 cooling device, 42 refrigerant supply pipe, 44 cooling nozzle, 46 cooling water, 50 carry-out gas supply device, 52 carry-out gas supply pipe, 54 gas jet nozzle, 56 carry-out gas flow, 60 (Steel material) Work piece, 61 inner diameter hole, 62 inner peripheral surface, 63 flange portion, 64 irradiation area, 65 buffer area, 66 cooling area, 68 completely hardened layer, 69 partial hardened layer.

Claims (6)

焼入れが行われる部位の板厚が５ｍｍ以下の鋼材ワークに対し表面焼入れを行うためのレーザ焼入れシステムであって、
ワークを保持し走査方向に移動させるワーク移動機構と、
走査方向に移動するワークに対しレーザビームを照射するレーザ照射装置と、
走査方向において既にレーザ照射が行われた側を下流側とし、まだレーザ照射が行われていない側を上流側として、鋼材ワークにおけるレーザビームの照射領域よりも走査方向に沿って鋼材ワークの板厚に応じた所定の緩衝領域を隔てた下流側の冷却領域に冷媒を供給する冷却装置と、
を備え、
鋼材ワークが円環形状であって、
ワーク移動機構は、鋼材ワークの円環形状の周方向に沿った方向を走査方向として鋼材ワークをその中心軸周りに回転させる回転機構であり、
レーザ照射装置は、走査方向における照射開始位置から円環形状の周方向に沿ってぐるっと回って再び照射開始位置の近傍に戻る照射を鋼材ワークに対して行うことを特徴とするレーザ焼入れシステム。 A laser quenching system for quenching a surface of a steel material workpiece having a thickness of 5 mm or less at a quenching site,
A work moving mechanism that holds the work and moves it in the scanning direction,
A laser irradiation device for irradiating a laser beam to a work moving in the scanning direction,
In the scanning direction, the side that has already been laser-irradiated is the downstream side, and the side that has not yet been laser-irradiated is the upstream side, and the plate thickness of the steel workpiece along the scanning direction is greater than the laser beam irradiation area of the steel workpiece. A cooling device that supplies a refrigerant to a cooling region on the downstream side that separates a predetermined buffer region according to
Equipped with
The steel material work has an annular shape,
The work moving mechanism is a rotating mechanism that rotates the steel work around its central axis with the direction along the circumferential direction of the annular shape of the steel work as the scanning direction.
The laser irradiation system is characterized in that the steel workpiece is irradiated with a laser beam that rotates around the irradiation start position in the scanning direction along the annular circumferential direction and returns to the vicinity of the irradiation start position again . 請求項１に記載のレーザ焼入れシステムにおいて、
所定の緩衝領域の走査方向に沿った長さは、
照射領域にレーザビームの照射によって入熱された鋼材ワークが表面から所定の深さまでオーステナイト化することについて冷却領域における冷却によって妨げられない長さ以上であり、
緩衝領域において、鋼材ワークの材質で定まる自己冷却特性が鋼材ワークの板厚に応じて低下する自己冷却低下特性によって鋼材ワークの温度が時間と共に低下するときの（温度と時間）の関係について、パーライト変態限界の（温度と時間）の特性曲線に交差する走査時間に相当する長さ以下となる範囲に設定されることを特徴とするレーザ焼入れシステム。 The laser hardening system according to claim 1, wherein
The length of the predetermined buffer area in the scanning direction is
Steel material work heat input by irradiation of the laser beam in the irradiation region is a length not less than that not hindered by cooling in the cooling region for austenitizing from the surface to a predetermined depth,
In the buffer area, the self-cooling characteristic determined by the material of the steel work decreases according to the plate thickness of the steel work. The relationship between (temperature and time) when the temperature of the steel work decreases with time due to the self-cooling decrease characteristic, perlite A laser hardening system characterized by being set to a range not longer than a length corresponding to a scanning time intersecting a characteristic curve of (transformation limit) (temperature and time). 請求項１または２に記載のレーザ焼入れシステムにおいて、
冷却領域に供給される冷媒及び気化した冷媒を冷却領域よりも走査方向の下流側に流すための搬出ガス流を供給する搬出ガス供給装置を備えることを特徴とするレーザ焼入れシステム。 The laser hardening system according to claim 1 or 2,
A laser quenching system, comprising: a carry-out gas supply device for supplying a carry-out gas flow for causing the refrigerant supplied to the cooling area and the vaporized refrigerant to flow downstream of the cooling area in the scanning direction. 請求項３に記載のレーザ焼入れシステムにおいて、
冷媒は、冷却水であり、冷媒蒸気は水蒸気であり、
搬出ガス流は、空気流であることを特徴とするレーザ焼入れシステム。 The laser hardening system according to claim 3,
The refrigerant is cooling water, the refrigerant vapor is water vapor,
The laser quenching system is characterized in that the carried-out gas flow is an air flow. 請求項１から４のいずれか１に記載のレーザ焼入れシステムにおいて、
レーザ照射装置は、鋼材ワークの円環形状の内周面にレーザビームを照射し、
冷却装置は、鋼材ワークの円環形状の内径穴側から内周面に向かって冷媒を供給することを特徴とするレーザ焼入れシステム。 The laser hardening system according to any one of claims 1 to 4 ,
The laser irradiation device irradiates a laser beam on the inner peripheral surface of the annular shape of the steel work,
The laser quenching system is characterized in that the cooling device supplies the refrigerant from the inner diameter hole side of the annular shape of the steel work toward the inner peripheral surface. 円環形状を有し焼入れが行われる部位の板厚が５ｍｍ以下の鋼材ワークに対し、鋼材ワークの円環形状の周方向に沿った方向を走査方向として、鋼材ワークの円環形状の内周面の周方向に沿った照射開始位置からレーザ焼入れを始めて周方向に沿ってぐるっと回って再び照射開始位置の近傍に戻るレーザビームの走査によって表面焼入れを行うためのレーザ焼入れ方法であって、
走査方向において既にレーザ照射が行われた側を下流側とし、まだレーザ照射が行われていない側を上流側として、走査方向に沿って、鋼材ワークにおけるレーザビームの照射領域と、照射領域よりも下流側に設けられる冷却領域との間に、鋼材ワークの板厚に応じた所定の緩衝領域を設定する設定工程と、
鋼材ワークの冷却領域に冷媒を供給する冷却工程と、
冷却領域に供給される冷媒及び気化した冷媒を冷却領域よりも走査方向の下流側に流すための搬出ガス流を供給する搬出ガス供給工程と、
鋼材ワークを保持し円環形状の中心軸周りに回転させて移動させるワーク移動工程と、
走査方向に移動する鋼材ワークの照射領域にレーザビームを照射する照射工程と、
を含むことを特徴とするレーザ焼入れ方法。 The inner circumference of the annular shape of the steel work is defined as the scanning direction, which is the direction along the circumferential direction of the annular shape of the steel work, for the steel work having the annular shape and the plate thickness of the portion to be quenched is 5 mm or less. a laser hardening method for performing surface hardening by the scanning of the laser beam returning to the vicinity of the all round around by irradiation starting position again from the irradiation start position along the circumferential direction along the circumferential direction started laser hardening of the surface ,
The side where laser irradiation has already been performed in the scanning direction is the downstream side, and the side where laser irradiation has not yet been performed is the upstream side, along the scanning direction, the irradiation area of the laser beam in the steel work and the irradiation area Between the cooling area provided on the downstream side, a setting step of setting a predetermined buffer area according to the plate thickness of the steel work,
A cooling step of supplying a refrigerant to the cooling region of the steel work,
A carry-out gas supply step for supplying a carry-out gas flow for flowing the refrigerant supplied to the cooling area and the vaporized refrigerant downstream of the cooling area in the scanning direction,
A work moving process of holding a steel work and rotating and moving it around the central axis of the annular shape ,
An irradiation step of irradiating a laser beam on the irradiation area of the steel work moving in the scanning direction,
A laser hardening method comprising:
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