JPH04365810A - レーザ焼入れ用加工ヘッド - Google Patents

レーザ焼入れ用加工ヘッド

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Publication number
JPH04365810A
JPH04365810A JP14204291A JP14204291A JPH04365810A JP H04365810 A JPH04365810 A JP H04365810A JP 14204291 A JP14204291 A JP 14204291A JP 14204291 A JP14204291 A JP 14204291A JP H04365810 A JPH04365810 A JP H04365810A
Authority
JP
Japan
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laser
laser beam
plane
incident
hardening
Prior art date
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Pending
Application number
JP14204291A
Other languages
English (en)
Inventor
Hidenobu Matsuyama
松 山 秀 信
Kimihiro Shibata
柴 田 公 博
Hironori Sakamoto
坂 元 宏 規
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
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Priority to US07/892,886 priority patent/US5313042A/en
Priority to DE4218903A priority patent/DE4218903C2/de
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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】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、レーザ焼入れ用加工
ヘッドに関し、更に詳しくはレーザ光の偏光を活用して
レーザ照射熱処理を行う場合において利用するのに適し
たレーザ焼入れ用の加工ヘッドに関するものである。
【0002】
【従来の技術】レーザ光の偏光を活用したレーザ焼入れ
方法としては、例えば、図5に示すようなものがあった
【0003】図5において、21はレーザ発振器、22
はレーザ発振器21より出射されたレーザ光、23は前
記レーザ光22を屈折させる反射鏡、24はレーザ光2
2を集光するための集光レンズ、25a,25bはレー
ザ光22の各位置における偏光方向、26は被加工物、
27は被加工物26における硬化層幅W0 の焼入れ硬
化部である。
【0004】そして、図5に示すレーザ焼入れ方法では
、所望の焼入れ硬化層幅W0 を得るために、レーザ光
22をディフォーカスしてレーザ焼入れを行うようにし
ている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のレーザ焼入れ方法にあっては、所望の焼入れ
幅を得るためにレーザ光22をディフォーカスしてレー
ザ照射するものとなっていたため、被加工物26の各位
置において入射角がθ1 ,θ2 ,θ3 というよう
に異なっていた。
【0006】このとき、被加工物26が鋼材である場合
におけるレーザ吸収率は、図6に示すように、入射角に
大きく依存することから、入射角の違いが大きい場合に
は、軸対称のエネルギ密度を有するレーザ光22を用い
たとしても、被加工物26のところでは入射面に垂直で
かつ入射光軸を含む面に関してエネルギ密度分布が不均
一となり、硬化層深さに偏りができたり、部分的な溶融
が起きたりするという問題点があるので、このような問
題点を解決することが課題となっていた。
【0007】
【発明の目的】この発明は、このような従来の課題にか
んがみてなされたもので、被加工物表面でのレーザ照射
部において少なくともレーザ照射角がほぼ一定となるよ
うにすることにより、入射面に垂直でかつ入射光軸を含
む面に関してエネルギ密度分布を面対称なものとして、
硬化層深さの偏りや部分的な溶融が起きないレーザ焼入
れ用加工ヘッドを提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】この発明は、直線偏光の
レーザ光の偏光方向を被加工物の入射面に対し平行に照
射して焼入れするレーザ焼入れ方法において使用される
加工ヘッドであって、少なくとも2枚の凹面鏡の組み合
わせからなる集光光学系を有し、前記集光光学系は入射
面に平行な方向のビーム形状と入射面に垂直な方向のビ
ーム形状を独立に成形する凹面鏡の組み合わせを有する
と共に、入射面に平行な方向のビーム形状を成形する凹
面鏡は入射面に垂直な方向のビーム形状を成形する凹面
鏡よりもレーザ発振側に近い位置に配置され、前記入射
面に平行な方向のビーム形状を成形する凹面鏡は、レー
ザ光のビーム径をD,発散角をθ,入射面に平行な方向
で集光する集光光学系の集差係数をK,集光光学系の焦
点距離をf,レーザ光の入射角をδ,得ようとする硬化
層幅をW0 とした場合に、   W0 ・sinδ≦2{2fθ+K(D3 /f2
 )}f/Dを満足する関係に設定した構成としたこと
を特徴としており、このようなレーザ焼入れ用加工ヘッ
ドに係わる発明の構成をもって前述した従来の課題を解
決するための手段としている。
【0009】
【発明の作用】レーザ光は指向性の非常に強い光である
が、光である以上回折によるビームの広がりが存在する
。そこで、図3に示すように、レーザ発振器1から出た
直後のレーザ光2は平面波で完全に平行なビームであっ
ても、レーザ発振器1からある程度離れたフラウンホー
ファ領域では、一定の広がり角θを持つ球面波となる。
【0010】一般に、レーザ焼入れに用いられるCO2
 レーザは数mmradの発散角を持つ。そして、図4
に示すように、このような発散角θを有するビーム径D
のレーザ光2を、焦点距離fの集光手段(集光レンズ1
0)にて集光した場合のスポット径d0 は、集光光学
系の集差係数をKとした場合、回折理論により近似的に
は以下の(1)式のようになる。
【0011】   d0 =2fθ+K(D3 /f2 )     
                   ・・・(1)
また、21/2 ・d0 となる2点間の距離Sを焦点
深度とすると、Sは近似的には次の(2)式で示される
【0012】   S=2d0 f/D              
                        ・
・・(2)したがって、レーザ光2の入射角をδ,得よ
うとする硬化層幅をW0 とした場合に、   W0 ・sinδ≦S             
                       ・・
・(3)すなわち、   W0 ・sinδ≦2{2fθ+K(D3 /f2
 )}f/D・・・(4)を満足する関係に設定するこ
とによって、レーザ照射部においてほぼ平行光に近いレ
ーザ光が得られるようになるので、被加工物の所望の硬
化層幅においてレーザ照射角がほぼ一定としたものにな
る。
【0013】それゆえ、入射面に垂直でかつ入射光軸を
含む面に関してエネルギ密度分布が面対称のものとなり
、硬化層深さに偏りが生じたり部分的な溶融が起きたり
しないレーザ焼入れが行えるようになる。
【0014】
【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づいて説
明する。
【0015】図1は、この発明の一実施例によるレーザ
焼入れ用加工ヘッドを用いてレーザ焼入れを行う場合の
基本構成を示すものである。
【0016】図1において、1はレーザ発振器、2はレ
ーザ発振器1より出射されたレーザ光、3は前記レーザ
光2を屈折させる反射鏡、4はレーザ焼入れ用加工ヘッ
ドである。
【0017】このレーザ焼入れ用加工ヘッド4は、ヘッ
ドケース5の中に、入射面に平行な方向のビーム形状を
成形するために入射面に平行な面内に曲率を持つ凹面鏡
6と、入射面に垂直な方向のビーム形状を成形するため
に入射面に垂直な面内に曲率を持つ凹面鏡7よりなる集
光光学系をそなえており、このヘッドケース5の内部は
凹面鏡6,7の鏡面の保護と内部雰囲気の安定のために
ドライエアでパージされている。
【0018】さらに、8a,8bはレーザ光2の各位置
における偏光方向、9はレーザ焼入れされる被加工物で
ある。
【0019】そして、前記入射面に平行な方向のビーム
形状を成形する凹面鏡6は、レーザ光2のビーム径をD
,発散角をθ,入射面に平行な方向で集光する集光光学
系の集差係数をK,集光光学系の焦点距離をf,レーザ
光2の入射角をδ,所望の硬化層幅をW0 とした場合
、   W0 ・sinδ≦2{2fθ+K(D3 /f2
 )}f/D・・・(5)を満足する関係に設定したも
のとなっている。
【0020】このような構成をもつレーザ焼入れ用加工
ヘッド4を用いるレーザ焼入れ方法において、レーザ発
振器1から出射された軸対称なエネルギ密度分布を有す
る直線偏光のレーザ光2は反射鏡3でいったん折曲げら
れて加工ヘッド4へ入る。
【0021】つぎに、凹面鏡6により入射面に平行な方
向のビーム形状が成形される。次いで、凹面鏡7により
入射面に垂直な方向のビーム形状が成形されたのち、被
加工物9に照射される。このとき、上記凹面鏡6は、前
記(5)式を満たす関係に設定されているため、図2に
示すように、被加工物9の表面においてほぼ平行光に近
いレーザ光2が得られるため、レーザ光2の照射角δが
ほぼ一定したものになる。
【0022】したがって、被加工物9の入射面に垂直で
かつ入射光軸を含む面に関してエネルギ密度分布が面対
称なものとなり、硬化層深さに偏りが生じたり部分的な
溶融が起きたりしないレーザ焼入れが行える。
【0023】また、入射面に平行な方向のビーム形状を
成形する凹面鏡6を入射面に垂直な方向のビーム形状を
成形する凹面鏡7よりもレーザ発振器1に近い位置に配
置することとしたのは、前記(2)式よりf値の大きい
方が焦点深度を大きくとることができることから、この
ような配置とする方が被加工物9の加工面においてほぼ
平行光に近いレーザ光2を得るのに優れているからであ
る。さらに、加工ヘッド4をコンパクトなものにし、し
たがって経済的に製造する点においても優れていること
は明らかである。
【0024】ところで、被加工物9の表面でのビーム幅
が所望の硬化層幅W0 と比べて必要以上に大きい場合
には、パワー密度が不足するため、(5)式を満たす組
み合わせの中でも特にビーム幅が必要最小限となる組み
合わせが望ましいことは明らかである。
【0025】
【発明の効果】以上説明してきたように、この発明によ
るレーザ焼入れ用加工ヘッドでは、少なくとも2枚の凹
面鏡の組み合わせからなる集光光学系を有し、前記集光
光学系は入射面に平行な方向のビーム形状と入射面に垂
直な方向のビーム形状を独立に成形する凹面鏡の組み合
わせを有すると共に、入射面に平行な方向のビーム形状
を成形する凹面鏡は入射面に垂直行な方向のビーム形状
を成型する凹面鏡よりもレーザ発振側に近い位置に配置
されていて、前記入射面に平行な方向のビーム形状を成
形する凹面鏡はレーザ光のビーム径をD,発散角をθ,
入射面に平行な方向で集光する集光光学系の集差係数を
K,集光光学系の焦点距離をf,レーザ光の入射角をδ
,得ようとする硬化層幅をWoとした場合に、  W0
 ・sinδ≦2{2fθ+K(D3 /f2 )}f
/Dを満足する関係に設定した構成としたため、被加工
物のレーザ照射部においてほぼ平行光に近いレーザ光が
得られ、レーザ照射角がほぼ一定したものになる。した
がって、入射面に垂直でかつ入射光軸を含む面に関して
エネルギ密度分布が面対称なものとなり、硬化層深さに
偏りを生じたり部分的な溶融が起きたりしないレーザ焼
入れが行えるようになるという著しく優れた効果がもた
らされる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係わるレーザ焼入れ用加工ヘッドを
用いてレーザ焼入れする一実施例を示す説明図である。
【図2】この発明に係わるレーザ焼入れ用加工ヘッドを
用いてレーザ焼入れする場合の被加工物の表面でのレー
ザ入射状態を示す説明図である。
【図3】レーザ発振器から出射されたレーザ光の広がり
を示す説明図である。
【図4】レーザ光を集光レンズによって集光した場合の
焦点深度の関係を示す説明図である。
【図5】レーザ光の偏光を活用したレーザ焼入れ方法を
示す説明図である。
【図6】鋼材に対するレーザ光の入射角と吸収率との関
係を示すグラフである。
【符号の説明】
1  レーザ発振器 2  レーザ光 4  レーザ焼入れ用加工ヘッド 6  入射面に平行な方向のビーム形状を成形する凹面
鏡(集光光学系) 7  入射面に垂直な方向のビーム形状を成形する凹面
鏡(集光光学系) 9  被加工物

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  直線偏光のレーザ光の偏光方向を被加
    工物の入射面に対し平行に照射して焼入れするレーザ焼
    入れ方法において使用される加工ヘッドであって、少な
    くとも2枚の凹面鏡の組み合わせからなる集光光学系を
    有し、前記集光光学系は入射面に平行な方向のビーム形
    状と入射面に垂直な方向のビーム形状を独立に成形する
    凹面鏡の組み合わせを有すると共に、入射面に平行な方
    向のビーム形状を成形する凹面鏡は入射面に垂直な方向
    のビーム形状を成形する凹面鏡よりもレーザ発振側に近
    い位置に配置され、前記入射面に平行な方向のビーム形
    状を成形する凹面鏡は、レーザ光のビーム径をD,発散
    角をθ,入射面に平行な方向で集光する集光光学系の集
    差係数をK,集光光学系の焦点距離をf,レーザ光の入
    射角をδ,得ようとする硬化層幅をW0 とした場合に
    、  W0 ・sinδ≦2{2fθ+K(D3 /f
    2 )}f/Dを満足する関係に設定したことを特徴と
    するレーザ焼入れ用加工ヘッド。
JP14204291A 1991-06-07 1991-06-13 レーザ焼入れ用加工ヘッド Pending JPH04365810A (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP14204291A JPH04365810A (ja) 1991-06-13 1991-06-13 レーザ焼入れ用加工ヘッド
US07/892,886 US5313042A (en) 1991-06-07 1992-06-03 Laser hardening device
DE4218903A DE4218903C2 (de) 1991-06-07 1992-06-09 Laser-Härtungsvorrichtung

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP14204291A JPH04365810A (ja) 1991-06-13 1991-06-13 レーザ焼入れ用加工ヘッド

Publications (1)

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JPH04365810A true JPH04365810A (ja) 1992-12-17

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ID=15306038

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JP14204291A Pending JPH04365810A (ja) 1991-06-07 1991-06-13 レーザ焼入れ用加工ヘッド

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JP (1) JPH04365810A (ja)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5747250A (en) * 1980-09-01 1982-03-18 Mitsubishi Electric Corp Alarm device for approach of train
JPS5763625A (en) * 1980-09-30 1982-04-17 Mitsubishi Electric Corp Heat treatment device for surface using laser
JPS583478A (ja) * 1981-06-30 1983-01-10 Fujitsu Ltd 撮像信号処理方式
JPS6054838A (ja) * 1983-09-06 1985-03-29 Toshiba Mach Co Ltd 縦延伸機のロ−ル周速無段変速装置
JPH02122016A (ja) * 1988-10-31 1990-05-09 Brother Ind Ltd レーザ光による溝部焼入装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5747250A (en) * 1980-09-01 1982-03-18 Mitsubishi Electric Corp Alarm device for approach of train
JPS5763625A (en) * 1980-09-30 1982-04-17 Mitsubishi Electric Corp Heat treatment device for surface using laser
JPS583478A (ja) * 1981-06-30 1983-01-10 Fujitsu Ltd 撮像信号処理方式
JPS6054838A (ja) * 1983-09-06 1985-03-29 Toshiba Mach Co Ltd 縦延伸機のロ−ル周速無段変速装置
JPH02122016A (ja) * 1988-10-31 1990-05-09 Brother Ind Ltd レーザ光による溝部焼入装置

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