JPH03219024A - レーザ焼入れ方法 - Google Patents

レーザ焼入れ方法

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JPH03219024A
JPH03219024A JP2013328A JP1332890A JPH03219024A JP H03219024 A JPH03219024 A JP H03219024A JP 2013328 A JP2013328 A JP 2013328A JP 1332890 A JP1332890 A JP 1332890A JP H03219024 A JPH03219024 A JP H03219024A
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JP
Japan
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laser beam
steel material
laser
processed
hardened
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JP2013328A
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English (en)
Inventor
Susumu Ito
進 伊藤
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Brother Industries Ltd
Original Assignee
Brother Industries Ltd
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Publication date
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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] 本発明は、円筒形をなす被加工鋼材の内周面のレーザ焼
入れ方法に関し、更に詳細には、被加工鋼材の内周面に
効率良く焼入れを行なうレーザ焼入れ方法に関するもの
である。
[従来技術] 従来、例えば工作機械のスピンドルのように円筒状の鋼
材で、耐摩耗性が要求される内周面の部分焼入れには、
高周波焼入れが行なわれてきた。
しかし、高周波焼入れでは被焼入れ物への入熱量か大き
いため、焼入れ歪みが大きくなり、焼入れ後の加工が必
要なため、生産性が悪いといった欠点があった。
これに対し、レーザビームを用いた焼入れ方法は、第8
図に示すように、レーザ発振器11から出力されたレー
ザビーム12は、反射鏡13によって方向転換された後
、加工ノズル14内に収納された焦点距離F1の集光レ
ンズ15により、被焼入れ材16の表面に集光される。
この方法は、高周波焼入れなど他の焼入れ方法と比べて
入熱量か少ないため、焼入れ歪みが少なく、また、母材
への熱拡散による自冷作用を用いるため、水冷なとの作
業を伴わないといった利点かあり、近年、注目されてい
る。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、レーザビームを被焼入れ材の表面に照射
する場合、第9図に示すように、被焼入れ材に対するレ
ーザビームの入射角度θが30度以下では、入射角度θ
の減少に伴い、焼入れ硬化層の深さDpはほぼ直線的に
減少する。このため、被焼入れ材に対するレーザビーム
の入射角度θは、30度以上であることが望まれるが、
例えば、第10図に示されるような、内周面の内径A1
焼入れ箇所の中心から開口端までの距離がLであるよう
な円筒形の被加工鋼材17の内周面に焼入れを行なう場
合、AとLの値によって入射角度θの最大値θ、が決ま
る。ビーム径を無視した近似において、 θ、=t an−’(A/L) によって与えられるから、A/Lの値が、tan30°
″;0,577以下の場合は、入射角度θは30度以下
にならざるを得ない。この時、焼入れ硬化層の深さDp
は入射角度θの値に依存するため、効率の良い硬化層深
さDpを得るためには、入射角度θを可能な限り大きく
する必要があり、集光レンズを適当に選択していると、
効率の良い硬化層深さDpを得ることができないという
問題点かあった。
本発明は、」二連した問題点を解決するためになされた
ものであり、効率の良い焼入れ硬化層が得られるレーザ
焼入れ方法を提供することを目的としている。
[課題を解決するための手段] この目的を達成するために、本発明のレーザ焼入れ方法
は、円筒形をなす被加工鋼材の開口端がら焼入れを施し
たい照射部までの距離と、前記照射部の幅と、前記円筒
鋼材の内径とにより決定される焦点距離を有する集光レ
ンズを使用して焼入れを行なうものである。
又、前記円筒形をなす被加工鋼材の内周面に対する前記
レーザビームの入射角度が、30度以下であると効果的
である。
[実施例] 以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説
明する。
最初に第1図を参照してレーザ焼入れ方法の概略を説明
する。
CO2レーザ発振器1から発振された波長10゜6μm
(マイクロ・メートル)のレーザ光2は、反射鏡3によ
って反射され、レーザ加工ノズル4に到達する。レーザ
光2は、レーザ加工ノズル4内にある、焦点距離Fの集
光レンズ5に、入射スポット径Sで入射した後、集光さ
れ、集光レンズ5の下方へFの距離の位置において、焦
点6を形成する。さらに、焦点6から下方へ焦点はずし
距離dすれた位置に、円筒形をなす被加工鋼材たる被焼
入れ材7を配置し、焼入れを行なうものである。
次に、本発明のレーザ焼入れ方法に用いる集光レンズの
焦点距離の選定方法について、第2図から第4図までを
参照して詳細に説明する。
第2図において、レーザ光2は、集光レンズ5によって
集光される。実際には、球面収差や回折の影響から、破
線で示した実際のレーザ光8のようになるが、実線で示
したレーザ光2のように単純化したモデルを用いる。ま
た、第3図と第4図においては、被焼入れ祠7のモデル
として、内周面の内径がA1焼入れ箇所9の中心から開
口端10までの距離がLであるような場合を示しており
、レーザ光2の焼入れ箇所9に対する入射角度をθとし
ている。ここでは前述したとおり、θを可能な限り大き
くすることが望まれる。θを最大にするためには、第4
図に示したように焦点6の形成位置を、焼入れ材7の開
口端10に設定すればよい。
上記の条件を満たすためには、焼入れ部での照射スポッ
ト径(楕円の長径側)をXとした場合、入射スポット径
S、集光レンズ5の焦点距離F、焼入れ箇所9の中心か
ら開L1端10までの距離りの間には、 F=x−8(l、’+A2) /A の関係が成立ち、この時のレーザ光入射角度0は、θ=
j an−’ (A/L) となる。このように求めたFの焦点距離をもつ集光レン
ズを用い、さらに、焦点形成位置と被焼入れ材の開口端
を一致させることにより、レーザ光入射角度0を最大に
することができる。
実際には、前述したとおり、球面収差や回折の影響から
レーザ光は広がり角をもつため、モデルから求めた計算
式は近似式であるが、F値の選定にあたっては大きな問
題はない。また、選定する集光レンズは、計算式で求め
たF値と全く同じ焦点距離である必要はなく、求めた■
?値に対して110%の範囲において選定すればよい。
上述してきた本発明のレーザ焼入れ方法を、以下の実験
例をもとにさらに詳細に説明を行なう。
(実験例) 第5図に、被焼入れ材の形状を示す。円筒状の中空部に
はテーパ部を有し、内周面の内径はA=18mm(ミリ
・メートル)、焼入れ箇所9はテーパのコーナ一部とそ
の内部で、開口端10までの距離は、L = 45 m
mである。また、焼入れ部における内部方向へのレーザ
光照射スポット径は、X10mmとする。これらの値を
、前述した旧算式にて111算したところ、最適な集光
レンズの焦点距がは、F= 392 mmとなった 加工には、炭酸ガスレーザ加工機を用いた。レーザ出力
は1kW(キロ・ワット)で、ビームのモードはマルチ
モードであり、集光レンズへ入射するレーザ光の入射ス
ポット径は、S=30mmとなっている。被焼入れ材は
回転テーブルに固定し、レーザ光を照射しつつ、周速V
=0.26m/m1n(メートル毎分)にて1回転させ
ることで加工を行なった。なお、被焼入れ月の表面には
、レーザ光の吸収率を高めるためのグラファイト系吸収
祠の塗布を行なっている。
はじめに、焦点距離F=135mmの集光レンスを用い
た場合のレーザ光照射条件を、第6図(a)に示す。レ
ーザ光入射角度θか最大となり、かつ、O1i述した焼
入れ条件を満たすθの値は、18.2度である。本実験
では、0を18.0度として照射した。
次に、本発明によって選定したF値に近い、焦点距離F
=400mmの集光レンズを用いた場合のレーザ光照射
条件を、第7図(a)に示す。これにより、レーザ光入
射角度θは、21.5度まで可能となる。本実験では、
0を20.5度として照射した。
F=135n+mの集光レンズを用いたときの焼入れ硬
化層の様子を、第6図(b)に、また、F=400mm
の場合の様子を、第7図(b)に示す。
この結果から、レーザ出力や、加工条件が等しく、さら
に、焼入れ部へのレーザ光照射スポット径が等しいにも
かかわらず、円筒内部については、F=400mmの方
かF=135mmの場合の約2倍の硬化層領域を得てい
ることかわかる。これは、レーザ光の照射部でレーザ光
の入射角度が最小になるのか、円筒内部におけるレーザ
光の端部であり、F=135mmの場合、15度である
のに対して、F−400mmの場合、19度である。入
射角度か30度以下の場合、前述したとおり、焼入れ特
性が入射角度に依存して急激に変化することから、円筒
内部の硬化層領域に上記の優劣が生じたちのである。
よって、本発明のレーザ焼入れ方法によって選定された
集光レンズを用いることにより、加工茶(/lか同じに
もかかわらず、広い焼入れ硬化層か得られることが確認
された。
[発明の効果] 以−1−詳述したことから明らかなように本発明によれ
ば、被焼入れ物体の寸法に応じて算出した焦点距離をも
つ集光レンズを用いて、レーザ焼入れを行なうため、焦
点距離についての適正値を求めないで焼入れを行なう場
合に比べ、レーザ出力や加二[速度などが同一の条件で
も、より広く、深い焼入れ硬化層が得られることから、
効率の良いレーザ焼入れが可能となる円筒鋼材内周面の
レーザ焼入れ方法を提供できるという産業」二著しい効
果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図から第7図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、第1図はレーザ加工機の一例を示す構成図、
第2図はレーザ光経路の単純化モデルを示す図、第3図
は被焼入れ材の断面図、第4図はレーザ光入射角度を最
大にする設定方法を示す図、第5図は、実験に用いた被
焼入れ材の断面図、第6図(a)は、F値を考慮しない
場合の照射条件を示す図、第6図(b)はその時の焼入
れ硬化層の様子を示す断面写真、第7図(a)はF値を
選定した場合の照射条件を示す図、第7図(b)はその
時の焼入れ硬化層の様子を示す断面写真、第8図は、従
来のレーザ加工機によるレーサ焼入れ方法を示す構成図
、第9図は、焼入れ特性のレーザ光入射角度依存性を示
すグラフ、第10図は円筒形をなす被加工鋼材の内部へ
焼入れを行なう際のレーザ光入射角度の制約を示した断
面図である。 図中、1はCO2レーザ発振器、2はレーザ光、3は反
射鏡、4はレーザ加二Iニノズル、 5は集光レンズ、
6は焦点、7は被焼入れ材、8は実際のレーザ光、9は
焼入れ箇所、10は被焼入れ材の開目端である。 第6=r<a) 第9jツr 第6!251 し−°ツ“゛児X射hハ(e (deg) 第10’−イ1 7 8(方式) %式% 2、発明の名称 レーサ焼入れh゛法 ’3. hD+1−をする者 j:件との関係: 特許出願人 ミズホクホリタドオリ 住所(〒467)名占屋市 瑞穂区 堀田通  9丁目
35番地コウギョウ 5、補正の対象 明細書の図面の簡単な説明の欄 6、補正の内容 (1)出願当初の明細書第11頁第5行〜第6行に[第
6図(b) ・・・断面写真」とあるのを「第6図(b
)はその時の焼入れ硬化層の断面における金属組織の様
子を示す顕微鏡写真」と補正する。 (2)同明細書第11頁第7行〜第9行に[第7図(b
)・・・断面写真」とあるのを「第7図(b)はその時
の焼入れ硬化層の断面における金属組織の様子を示す顕
微鏡写真」と補正する。 以上 捕111命令の日付

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、円筒形をなす被加工鋼材の内周面に、その開口端か
    らレーザビームを照射して前記内周面に焼入れを施すレ
    ーザ焼入れ方法において、前記被加工鋼材の開口端から
    焼入れを施したい照射部までの距離と、前記照射部の幅
    と、前記被加工鋼材の内径とにより決定される焦点距離
    を有する集光レンズを使用して焼入れを行なうことを特
    徴とするレーザ焼入れ方法。 2、前記円筒形をなす被加工鋼材の内周面に対する前記
    レーザビームの入射角度が、30度以下であることを特
    徴とする請求項1に記載のレーザ焼入れ方法。
JP2013328A 1990-01-22 1990-01-22 レーザ焼入れ方法 Pending JPH03219024A (ja)

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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0640049A (ja) * 1992-03-02 1994-02-15 Seikosha Co Ltd 印字ワイヤのロウ付け構造およびそのロウ付け方法
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