JPH02101112A - 加工物の熱処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、加工物の熱処理に関し、特に、内面が鏡面
である多角錐型あるいは、円錐型のミラを介してレーザ
ビームを熱処理対象の加工物に照射して熱処理加工する
熱処理方法および装置に関する。

〔従来の技術〕

レーザビームを用いた熱処理は、加工物の表層のみの加
工が可能であることや、処理時間が短いことなどの優れ
た特徴を有している。

しかし、熱処理などの表面処理加工における加工エネル
ギー源としてレーザビームを用いる際には、レーザビー
ムが強い指向性と集中性を有するために、比較的広い面
積に均一なエネルギー分布が形成できるように設計した
レーザビームの集光光学系を用いなければならない。こ
の種の集光光学系として、第８ａ図に示したデフォーカ
スビーム方式による集光光学系、第８ｂ図に示した分割
ミラー線状ビーム方式による集光光学系、第８Ｃ図に示
したビームスキャナ方式による集光光学系。

第８ｄ図に示したインテグレーションミラ一方式による
集光光学系、第８ｅ図に示したカライドスコープ方式に
よる集光光学系、および、第８ｆ図に示したポリゴンミ
ラ一方式による集光光学系等がある。

これらはいずれも比較的広い面積に略均−なエネルギー
分布が形成できるので、平板のような二次元的拡がりを
有する加工物のレーザビームを用いた熱処理等に利用さ
れる。しかしながら、加工物に照射されるエネルギー密
度が８接や切断等に用いられる場合に比べて低いため、
第９図に示すように加工物（鋼材）の材質によって異な
るが、レーザビームの加工物表面での反射率が高く、そ
の表面に吸収物質を塗布する必要がある。また、この反
射率は、加工物に対するレーザビームの入射角が小さい
ときには高くなることが知られている。それらの関係を
、第９図に、横軸をレーザビ１１の入射角、縦軸をその
反射率としてグラフにより示したので参照されたい。

一方、従来においては、レーザビームを用いて鋼線や丸
棒等の円柱形状の加工物を熱処理加工する場合には、第
７ａ図に示したように加工物の軸にＩ１８垂直な方向か
らレーザビームを照射し、あるいは、第７ｂ図に示した
ように加工物の軸方向からレーザビームを照射している
（特開昭６１−１７０５２１号公報による）。しかしな
がら、前者においては、図から明らかなように加工物の
円周方向に対してレーザビームの吸収状態が不均一とな
ってエネルギー効率が低下する。このため、加工物表面
にレーザビーム吸収物質を塗布して低下しする部位のエ
ネルギー効率を高める必要が生じるが、この吸収物質の
塗布は大変困難である。

また、後者においては加工物表面へのレーザビームの入
射角が減少しているので、第９図から明らかな如くレー
ザビームの反射率が増大し、エネルギー利用効率が著し
く低下する。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述のように、従来のレーザビーム照射による加工物の
熱処理方法は、レーザビームに対して、加工物の吸収状
態が不均一であったり、また反射率が高いために、レー
ザビームの利用効率が著しく低いという問題があった。

本発明は、レーザのエネルギー利用効率の高い加工物の
熱処理方法および装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために本発明においては、内面が
鏡面であり、頂角が２度〜１５度である多角錐型あるい
は円錐型のミラー（以下コーン型ミラーという）を用い
て、該ミラー内で、その中心軸に沿って熱処理対象とな
る加工物を移動させ、該ミラーの底面側から該ミラーの
中心軸に平行もしくは略平行なレーザービームを入力し
、該レーザービームを該ミラーの内面と該加工物の表面
との間で多重反射させることにより、該加工物の表面層
を連続的に熱処理するものとする。

〔作用〕

これによれば、以下にその根拠を説明するように、レー
ザの利用効率を高めて加工物の表面層を数μｍの厚さに
亘って熱処理することが可能になる。

第２図に、コーン型ミラーを用いたレーザ熱処理用集光
光学系の原理概略を示す。この図において、■はコーン
型ミラーを、２は円柱状の加工物を示し、３および４は
レーザビームおよびその各光束を出力方向を示す矢印と
して表わしたものである。

コーン型ミラー１は銅板等の加工による中空の円錐また
は多角錐であり、その頂角０（多角錐の場合には内接す
る円錐の頂角の意味）は２°〜１５°の範囲を有し、頂
部は加工物２を貫通させるために加工物２の外径Ｄ１よ
りわずかに大きい内径Ｄ２を得る部位で切除されている
。また、その内面は鏡面に仕」二げられているが、被照
射体、すなわち加工物２の反射率が高い場合には、さら
に金等の反射物のコーティングが施される。

上記のように構成したコーン型ミラー１の中心軸に加工
物２の中心軸を合わせてそれを貫通させ、速度■で移動
させながら、コーン型ミラー１の底面側の開口よりレー
ザビーム３を中心軸に対する入射角をαとして入射する
。これにおいて、加工物を移動する速度Ｖは鋼材等の加
工物２の外径ＤＩ＋　レーザビーム３の出力およびコー
ン型ミラＩの円錐の頂角θ等によって定まり、また、通
常であればレーザビー１ｚ　３の入射角αは数ｍ　ｒａ
ｄとなる。

レーザビーム３を形成する各光束４はコーン型ミラー１
の内面と加工物２の表面上の間で多重反射を繰返しなが
ら自動的に収斂する。この多重反射の様子を第３図およ
び第４図に示す。前述のようにレーザビーム３の入射角
αは一般に数ｍ　ｒａｄであり、平行ビーム（α＝０）
と考えられるので、これらの図を参照して平行ビームの
コーン型ミラｌ内での多重反射について説明する。

コーン型ミラー１の頂角がθであるので、垂直断面の径
がｄのレーザビーム３が、コーン型ミラ１の入射すると
きのミラー面となす角鉋と、頂点からの距＠ｎ、は、そ
れぞれ次の第（１）式および第（２）式で表わされる。

これによれば、径ｄが８ｍで頂角θがそれぞれ３°と５
°の場合の反射点の頂点からの距離α。

は、第４図に示したグラフのように変化する。このグラ
フより、頂角Ｏが小さい場合は、大きい場合に比べて反
射する点が前方になり、収束点も手前になることがわか
る。

一方、前述したように、加工物２の表面においては、レ
ーザビーム３の各光束のエネルギー密度と入射角に依存
してレーザエネルギーの吸収９反射が行われる。ここで
、レーザビーム３のエネル＝７＝ ギー分布がその出力方向に対して回転対称である場合、
最終的に加工物表面上に第５図に示すような軸方向のエ
ネルギー分布が回転対称に得られる。

この第５図はレーザ出力１０００Ｗ、ビーム径１０ｍｎ
φ。

円錐の頂角がθが５°、１５°の場合についてエネルギ
ー密度を示したグラフであり、０＝１５゜の場合は頂点
（コーン先端）からの距離Ｚが０．０８＋ｍ＋でエネル
ギー密度がピークの値８．７７１１／＋ｎｍ２　を示し
ており、また、０−５°のときはＺが０．６３ｍ＋ｎで
エネルギー密度がピークの値２．８６１１１０ｎ”　を
示している。このように、Ｏが】５°を越えるとエネル
ギ密度のピーク値を示す頂点からの距離Ｚがほとんど０
になり、鋼材等の加工物２が加熱される幅が狭くなって
充分な熱処理ができなくなる。また、θが２°未満にな
るとエネルギー密度のピーク値が小さくなり、これも充
分な熱処理ができなくなる。つまり、頂角０を２°〜１
５°の範囲で設定することには上記のような根拠がある
。

レーザビーム３は、コーン型ミラー１と加工物（鋼線）
２の間を多重反射してコーン型ミラーＩの頂点の方向に
進む。この過程においてコーン型ミラ−１内面の反射率
は常に高いが、鋼線の反射率はレーザビーム３の入射角
の増加とともに第９図に示すように減少し、その収束部
では収束ビム形状に貢して鋼線に吸収される。

第５図に示したエネルギー分布でレーザビーム３で加工
物２上を走査した場合、加工物２に吸収されたエネルギ
ー分布は熱エネルギーに変換され、その結果、加工物２
の温度上昇に至る。

第６図はコーン型ミラー内で加工物２を移動させた場合
の加工物２の表面上における温度時間変化を示したグラ
フである。第５図のエネルギー分布状態においては、加
工物の相対移動速度Ｖおよび表面吸収率等を変化させる
ことにより、第６図に示した温度履歴曲線を変化させる
ことができる。

また、最高温度Ｔ　ｍａｘ　、温度変化率ｄＴ／ｄｔ等
の様々な組合わせにより焼入れ、焼戻し等の各種熱処理
への応用、あるいは他の装置との併用により表面層のア
モルファス化２合金化等の処理にも応用できる。例えば
、線材の焼戻しの場合には、Ｔ　ｍａｘを４００〜６０
０℃、　ｄＴ／ｄｔを５０°−１００℃／ｓｅｅとすれ
ば良い。

［実施例〕 第１図に、本発明を一例で実施する、コーン型ミラーｌ
を用いた。レーザビームにより鋼線を熱処理する装置の
概略を示す。

これにおいて、レーザ発振器５から照射されたレーザビ
ーム３は、ベンディングミラー７．１２によりコーン型
ミラー１に対する照射角が制御させ、頂角θ＝１０°の
コーン型ミラーｌの内部に導かれる。加工物である鋼線
２はコーン型ミラー１の底面と頂点の開口１４．１５に
貫通しており、中心軸（回転対称軸）に沿って駆動装置
９により移動されている。また、コーン型ミラー１の内
部には、その冷却と清浄、さらに加工物２の酸化を防止
するために、ガス吹込口１３から不活性ガスが送り込ま
れている。

本実施例においては、出力１５００Ｗのレーザビーム（
ビーム直径約１０膿φ）３を、高炭素の鋼線（０，３Ｉ
ＩＩＩｌφ）２と同軸方向に入射し、鋼線２を４０ｍ／
ｍｉｎ〜１００ｍ／ｍｉｎの速度で移動させた。その結
果、鋼線断面の約１μｍの極表層に、円周方向に均一な
焼鈍層が形成された。次に掲げた第１表は、本実施例に
より熱処理した鋼線と、従来法で製造した鋼線の引張試
験とハンター疲労寿命試験の結果を示したものである。

第　　　１　　　表 上記の第１表をｍ察すると、本実施例による鋼線と従来
法による鋼線とを比較した場合、引張試験の引張強さに
は差が現われていないが、前者のハンター疲労寿命が大
幅に向上していることがわかる。

また、炭素鋼の鋼線（３，０φｍ）に、レーザ出力を２
ｋｗ、鋼線の移動速度を５０ｍ／ｍｉｎとした結果、約
１０μｍの表層を円周方向に均一に硬化させることがで
きた。このときのビッカース硬度値は３００Ｈｖ　〜４
００Ｈｖに上昇した。

なお、コーン型ミラーを多角錐型に構成する場合には、
多角錐の外接円で構成される見かけ上の円錐の頂角を多
角錐の頂角として定義する。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したとおり、この発明は、内面が鏡面の
コーン型ミラーを用いて、そのミラー内を、中心軸に沿
って熱処理対象となる加工物を移動させ、コーン型ミラ
ーの底面側から該ミラーの中心軸に平行もしくは略平行
なレーザビームを入射し、このレーザビームを前記コー
ン型ミラーの内面と前記加工物との間で多重反射させる
ことにより加工物の表面層を連続的に熱処理しているの
で、レーザビームを用いてあらゆる種類の移動する長尺
加工物の表面層を数μｍの厚さに熱処理することができ
る。また、これにより、鋼材等のハンター疲労寿命の向
上も期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を一例で実施するコーン型ミラーを用い
た鋼線をレーザビーム熱処理する装置の構成概略を示す
ブロック図である。 第２図はコーン型ミラーを用いたレーザ熱処理用集光光
学系の概略を示した説明図である。 第３図はコーン型・ミラー内面でのレーザビームの多重
反射を示す説明図である。 第４図はレーザビームの垂直断面径が８１１Ｉ１１で円
錐の頂角がそれぞれ３°と５°の場合の反射点の位置を
示したグラフである。 第５図はレーザ出力１０００Ｗ　、ビーム径１０誼φ。 コーン頂角０＝５６，１５６の場合のエネルギ密度を示
したグラフ図である。 第６図はコーン型ミラー内で加工物を移動させた場合の
加工物の表面上における温度時間変化を示したグラフで
ある。 第７ａ図および第７ｂ図は鋼線、丸棒等の円柱形状の加
工物に対するレーザビームによる熱処理加工の従来例を
示した説明図である。 第８ａ図、第８ｂ図、第８ｃ図、第８ｄ図、第８ｅ図お
よび第８ｆ図は従来の集光光学系を示す模式図である。 第９図は鋼材表面のレーザビームの反射率を示したグラ
フである。 １：コーン型ミラー（ミラー） ３：レーザビーム ５：レーザ発振器 ７．１２：ペンディングミラー（し ９：ｕ動装置（加工物移動手段） ２：加工物 ４：光束 １４．１５　：開口 ザビーム照射手段） １３：ガス吹込「］

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）内面が鏡面であり、頂角が２度〜１５度である多
   角錐型あるいは円錐型のミラー内で、該ミラーの中心軸
   に沿って熱処理対象となる加工物を移動させ、該ミラー
   の底面側から該ミラーの中心軸に平行もしくは略平行な
   レーザービームを入力し、該レーザービームを該ミラー
   の内面と該加工物の表面との間で多重反射させることに
   より、該加工物の表面層を連続的に熱処理することを特
   徴とする加工物の熱処理方法。
2. （２）前記加工物は、金属ワイヤであることを特徴とす
   る前記特許請求の範囲第（１）項記載の加工物の熱処理
   方法。
3. （３）内面が鏡面であり頂角が２度〜１５度である多角
   錐型あるいは円錐型のミラー； レーザビームを出力するレーザ発振器； 前記レーザ発振器が出力したレーザビームを、前記ミラ
   ーの底面側から該ミラーの内面に照射させるレーザビー
   ム照射手段；および、 熱処理対象となる加工物を、前記ミラー内で、該ミラー
   の中心軸に沿って移動させる加工物移動手段； を備える加工物の熱処理装置。