JPH0499217A - レーザ焼入装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、レーザ焼入装置に関する。

（従来の技術） 従来から、機械の回転部分に使われる軸や軸継手には、
動力伝達強度を上げるために、軸部の表面には焼入れに
よる硬化処理が施されている。

ところで、この焼入れによる表面硬化方法には、周知の
ように、従来から、２高周波焼入れ、浸炭焼入れ、火炎
焼入れやレーザ焼入れなどがあり、このうち、耐摩耗性
が要求される場合には、浸炭焼入れや高周波焼入れが使
われている。

ところが、軸や軸継手のように、繰り返しねしり応力や
曲げ応力がかかる部品には、静的強度と疲労強度を上げ
るために１表面の硬化層が深いことが要求される。

第７図は、従来のレーザ焼入装置を示す図で。

Ｕ形のワーク継動装置２の左側には、下部に電動機１１
が設けられ、この電動機１１の上方には、左側に把持機
構１２が爪部を右側にして図示しない軸受を介して回転
自在に設けられ、この把持機構１２の回転軸の左端には
プーリ１２ａが挿着され、このプーリ１２ａと電動機１
１の出力軸に挿着された小径のプーリｌｌａとの間には
、ベルト１３が巻装されている。

一方、ワーク駆動機構２の右端の内側には、回転自在の
センタ軸２ａが把持機構１２と対置して円心上に設けら
れ、このセンタ軸２ａと把持機構１２との間には、左端
が把持機構１２の爪１．２ｂに挟持され右端の中心をセ
ンタ軸２ａの先端で押圧された円柱状のワーク１が装着
され、このワーク１の焼入面１ａには、黒鉛系の図示し
ない光吸収剤が塗布されている。

更に、駆動機構２の右側には、レーザ発振器３が設置さ
れ、このレーザ発振器３には図示しないレーザ伝送路５
が接続され、このレーザ伝送路５の先端の図示しないミ
ラー保持機構には反射ミラー５ａが収納され、この反射
ミラー５ａの下方に曲った伝送路の下端に設けられた集
光へッド６の内部には、集光ミラー６ａが収納されてい
る。また、このレーザ伝送５は、レーザ発振器３から反
射ミラー５ａが収納されたミラーボックスまでは、伸縮
自在となっている。

このように構成されたレーザ焼入装置においては、ワー
ク１を焼入れするときには、ワーク駆動機構２の電動機
１１を駆動してベルト１３と把持機構１２などを介して
ワーク１を回転させながら、レーザ発振器３から出射さ
れ集光レンズ６ａで集光されたレーザ光４をワーク１の
焼入面１ａに照射する。

すなわち１発明者らの一実験では、ワーク１の材料が機
械構造用炭素鋼鋼材の５４５Ｃ１焼入れ面１ａの直径８
０１ｍ、レーザ出力５に警、レーザビーム径４０閣、焼
入速度１５００ｍ／ｍ１ｎ−デイフォカス距離９０ｎｎ
（焼入面１ａのレーザビーム径１２国）のときには。

上記工程をレーザ伝送路５をワークの軸方向に幅Ａだけ
ずらして繰り返すことで、第８図の断面図で示すように
硬化層の内部が波形に焼入れされたワークが得られてい
る。

すなわち、同図は、上記条件でワーク１を１回転させ、
自然冷却後に伝送路５をワーク１の軸方向にずらして再
び上記条件で焼入れし、合計３回焼入れした結果、断面
波形の硬化層を得た場合を示し、焼入れ幅Ａは９ｍｎ、
焼入れ深さＨＡは１ｍ。

で、硬度と焼入れ深さの関係は第９図に示すように、硬
さＨＶ７００の範囲が深さ約１ｍｍあることを示す。

なお、上記条件と結果は一例で、ワーク１の焼入れ面１
ａの直径、レーザ８力１回転速度、レーザ光の照射径な
どで焼入特性を変えることができる。

（発明が解決しようとする課題） ところが、このように構成されたレーザ焼入装置におい
ては、上述のように、■ｆ１１１程度の焼入れ深さまで
しか得られないので、上述の機械の回転力伝達部に使わ
れるねじり応力や曲げ応力の大きい軸や軸継手には使え
ない。

そのため、火炎焼入れを行う方法も考えられるが、する
と加熱・冷却で歪んで、後の研摩工程に時間がかかる。

そこで本発明の目的は、焼入れによる歪が少なく、焼入
れ深さを増やすことのできるレーザ焼入装置を得ること
である。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段および作用）駆動装置で回
転される鋼材のワークにレーザ光を照射してワークを加
熱し冷却してワークの表面を硬化させるレーザ焼入装置
において、レーザ光で加熱されたワークの表面温度を検
出してその結果をレーザ発振器に出力する温度検出器と
５この温度検出器の出力信号に従いレーザ光の照射が停
止されたワークの表面に冷却水を放圧する冷却装置と、
ワークに照射されるレーザ光の照射位置をワークの軸方
向に移動させる駆動部を設けることで、変態点に加熱さ
れたワークを急冷して硬化させ、焼入れによる歪が少な
く、深い硬化層を得ることのできるレーザ焼入装置であ
る。

（実施例） 以下、本発明のレーザ焼入装置の一実施例を図面を参照
して説明する。但し、第７図、第８図及び第９図と重複
する部分は同符号を付して説明を省く。

第１図は、本発明のレーザ焼入装置を示す図で。

第７図に対応する図である。

同図において、ワーク駆動部Ｗ２の左側上方には、内部
に冷却水が注入された冷却水タンク１０が設置され、こ
の冷却水タンク１０の下部右側面には電磁弁９が接続さ
れ、この電磁弁９の右側には。

下端の放出口がワーク１の焼入面１ａの左上部に配置さ
れた冷却水放出管８の上端が接続されている。

一方、電磁弁９の図示しないコイルは、レーザ発振器３
に接続されている。

更に、集光ヘッド６の右側には、検出針の先端が第３図
に示すように、レーザ光の照射部の直後に延びた赤外線
温度計７が斜めに設けられ、この赤外線温度計７の出力
信号線は、比較器１４の入力側に接続され、比較器１４
の出力側はレーザ発振器１３に接続されている。

さて、このように構成されたレーザ焼入装置において、
駆動機構２で回転されているワーク１の焼入面１ａにレ
ーザ光４を照射して、ワーク１を焼入れするときには、
焼入面１ａのレーザ光照射部直後の温度が赤外線温度計
７で検出され、その値が比較器１４にあらかじめ入力さ
れ設定されていたワーク毎の設定値を超えると、その結
果がレーザ発振器３に出力されて、レーザ光４の出射が
停止される。すると同時に、レーザ発振器３からの信号
で電磁弁９が動作して、図示しないバルブが開いて冷却
水タンク１０の冷却水は、冷却水放出管８の下端から回
転中のワーク１の焼入面１ａに放出される。

発明者らは、このように構成されたレーザ焼入装置にお
いて、以下の条件でワーク１の焼入れを行った。

ワークの材質ニクロムモリブデン鋼ＳＣＭ４４０焼入れ
面の直径：８０Ｉ レーザ出カニ５ｋＷ（炭酸ガスレーザ）レーザ光のビー
ム径：　４０ｍｍ 集光レンズの直径２２．５インチ 集光レンズの焦点距離＝１０インチ デイフォカス距１［：５０ａｎ ワークの回転速度：　３００ｒ、ｐ、ｍ　（５回転／秒
）レーザ光の照射時間＝２０秒（１００回転）この結果
、ワーク１の焼入面１ａは、このワーク１の変態点の８
８０℃を超える約１２００℃となり、ワーク１の端面か
ら見た温度分布は第２図に示すようになった。同図にお
いては、ａ３の曲線が８８０℃の影響範囲である。

そして、レーザ光４の照射を停めた後に、冷却水を放出
してワーク１を冷却することで、第４図の後述する幅Ａ
で示す硬化層が得られ、ワーク１を軸方向に幅Ａと同寸
法だけずらして上記工程による焼入れを行い、それを合
計４回繰り返すことで、同図に示すように硬化層の内側
端が波形のワーク１を得た。

なお、同図において、幅Ａは１０〜１５ｍ、深さＨＡは
第６図のグラフに示すように５〜６薗である。

このように、材質の熱変態点に応じて、比較器１４の設
定値を変え、焼入面１ａの直径により加工速度を変える
ことで、所望の材料のワークを深い焼入れ深さで短時間
に焼入れすることができるだけでなく、第６図に示すよ
うに、高温部は外表面の約７ｍ深さの部分だけなので、
熱処理によるワークの歪を減らすことのできるレーザ焼
入装置となる。

また、第５図は、レーザ光の集光系にセグメントミラー
を用いて上記方法で焼入れを行った場合を示し、この場
合には焼入幅Ｂは２０〜３０ＩＩＩＴｌと増え、焼入れ
深さは上記と同様の第６図のように５〜６Ｉとなった。

なお、上記実施例においては、ワークに照射するレーザ
光の位置をワークをずらす場合で説明したが、従来のレ
ーザ焼入装置と同様に集光ヘット６を移動させてもよい
。

また、上記実施において、第４図に示す幅Ａの波形の硬
化層の各両端が硬度不足となるときには、波形の交叉部
だけを後で再びレーザ焼入れして硬度を上げるとともに
、波形の高低の差を減らして平滑にしてもよい。

更に、上記実施例では、中実鋼の例で説明したが、中空
のものやフランジ部のあるものでも当然に適用できる。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば、駆動装置で回転される鋼材のワ
ークにレーザ光を照射してワークを加熱して冷却しワー
クの表面を硬化させるレーザ焼入装置において、レーザ
光で加熱されたワークの表面温度を検圧してその結果を
レーザ発振器に出力する温度検出器と、この温度検出器
の信号に従いレーザ光の照射が停止されたワークの表面
に冷却水を放出する冷却装置と、ワークに照射されるレ
ーザ光の照射位置をワークの軸方向に移動させる駆動部
を設けることで、ワークの表面を所定の温度に加熱し冷
却水で急冷させたので、焼入れによる歪が少なく、硬化
層を増やすことのできるレーザ焼入装置を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のレーザ焼入装置の一実施例を示す図、
第２図は本発明のレーザ焼入装置の作用を示す図、第３
図は第１図のＸ−Ｘ断面図、第４図は本発明のレーザ焼
入装置の作用を示す部分縦断面図、第５図は本発明のレ
ーザ焼入装置の他の実施例の作用を示す部分縦断面図、
第６図は本発明のレーザ焼入装置の作用を示すグラフ、
第７図は従来のレーザ焼入装置を示す図、第８図は従来
のレーザ焼入装置の作用を示す部分縦断面図、第９図は
従来のレーザ焼入装置の作用を示すグラフである。 １・・ワーク　　　　　　２・−ワーク開動装置３・・
・レーザ発振器　　　７・・赤外線温度計１０・・冷却
水タンク （８７３３）　　代理人　弁理士　猪　股　祥　晃（ほ
か１名）第１図 第２図 →邊刈に家’＝（ｍｍ） 第６図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 駆動装置で回転される鋼材のワークにレーザ光を照射し
   て前記ワークの表面を硬化させるレーザ焼入装置におい
   て、 前記レーザ光で加熱された前記ワークの表面温度を検出
   してその結果を前記レーザ発振器に出力する温度検出器
   と、この温度検出器の出力信号に従い前記レーザ光の照
   射が停止された前記ワークの表面に冷却水を放出する冷
   却装置と、前記ワークに照射される前記レーザ光の照射
   位置を前記ワークの軸方向に移動させる駆動部を設けた
   ことを特徴とするレーザ焼入装置。