JPH07179933A - レーザ焼入方法 - Google Patents
レーザ焼入方法Info
- Publication number
- JPH07179933A JPH07179933A JP5327255A JP32725593A JPH07179933A JP H07179933 A JPH07179933 A JP H07179933A JP 5327255 A JP5327255 A JP 5327255A JP 32725593 A JP32725593 A JP 32725593A JP H07179933 A JPH07179933 A JP H07179933A
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- Japan
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- laser beam
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- treated
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 レーザ光の送り速度を遅くして生産性を損な
うことなく、均一な焼入組織を得ることができるレーザ
焼入方法を提供する。 【構成】 レーザ光Ｂをスキャン方向の長さ寸法ｌがス
キャン方向と直角をなす方向の幅寸法ｗの望ましくは
１．５〜２．５倍の長方形のビームスポット８に集光さ
せる。
うことなく、均一な焼入組織を得ることができるレーザ
焼入方法を提供する。 【構成】 レーザ光Ｂをスキャン方向の長さ寸法ｌがス
キャン方向と直角をなす方向の幅寸法ｗの望ましくは
１．５〜２．５倍の長方形のビームスポット８に集光さ
せる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、レーザ光を照射する
ことによって被処理物の表面を加熱し、その後の自己冷
却によって、被処理物の表面に焼入硬化層を形成させる
のに利用されるレーザ焼入方法に関するものである。
ことによって被処理物の表面を加熱し、その後の自己冷
却によって、被処理物の表面に焼入硬化層を形成させる
のに利用されるレーザ焼入方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】レーザ焼入は、例えばＹＡＧレーザ，Ｃ
Ｏ2 レーザなどのレーザ光をレンズあるいは凹面鏡など
からなる光学系を用いて、適当な大きさの円形あるいは
矩形（正方形）のビームスポットに集光させて被処理物
表面に照射すると共にスキャンさせ、当該被処理物を鋼
のＡ3 変態点以上に加熱するとともに、ビームスポット
通過後の被処理物内部への熱拡散に基づく自己冷却によ
って前記被処理物表面を焼入硬化させる技術であり、円
筒状部材の内面や、複雑な形状を有する部材の一部だけ
に焼入を施すことができるので、例えば、自動車のギヤ
ハウジングの内面焼入、エンジンのピストンのリング溝
の焼入、カムシャフトのカム曲面の焼入、あるいはバル
ブガイドの内面焼入などに利用されている。
Ｏ2 レーザなどのレーザ光をレンズあるいは凹面鏡など
からなる光学系を用いて、適当な大きさの円形あるいは
矩形（正方形）のビームスポットに集光させて被処理物
表面に照射すると共にスキャンさせ、当該被処理物を鋼
のＡ3 変態点以上に加熱するとともに、ビームスポット
通過後の被処理物内部への熱拡散に基づく自己冷却によ
って前記被処理物表面を焼入硬化させる技術であり、円
筒状部材の内面や、複雑な形状を有する部材の一部だけ
に焼入を施すことができるので、例えば、自動車のギヤ
ハウジングの内面焼入、エンジンのピストンのリング溝
の焼入、カムシャフトのカム曲面の焼入、あるいはバル
ブガイドの内面焼入などに利用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようなレーザ焼入において、被処理物が粗大なフェライ
ト粒を備えたミクロ組織を有している場合には、レーザ
光の照射によって前記フェライトを完全にオーステナイ
ト化することができないために、冷却組織にフェライト
粒が残存して所望の焼入組織とはならず、柔らかいフェ
ライト粒によって所期の焼入硬度を得ることができない
という問題点があった。 もちろん、レーザ光の送り速
度（スキャン速度）を遅くすることによって、オーステ
ナイト化温度以上に保持する時間を長くすれば上記問題
点は解消されるが、その反面、処理速度が低くなって、
生産性が低下するという問題があり、これら問題点の解
決がこのようなレーザ焼入の品質面、あるいは能率面で
の課題となっていた。
ようなレーザ焼入において、被処理物が粗大なフェライ
ト粒を備えたミクロ組織を有している場合には、レーザ
光の照射によって前記フェライトを完全にオーステナイ
ト化することができないために、冷却組織にフェライト
粒が残存して所望の焼入組織とはならず、柔らかいフェ
ライト粒によって所期の焼入硬度を得ることができない
という問題点があった。 もちろん、レーザ光の送り速
度（スキャン速度）を遅くすることによって、オーステ
ナイト化温度以上に保持する時間を長くすれば上記問題
点は解消されるが、その反面、処理速度が低くなって、
生産性が低下するという問題があり、これら問題点の解
決がこのようなレーザ焼入の品質面、あるいは能率面で
の課題となっていた。
【０００４】
【発明の目的】この発明は、従来のレーザ焼入方法にお
ける上記課題に着目してなされたものであって、レーザ
光の送り速度を遅くすることなく、すなわち生産性を犠
牲にすることなく、均一な焼入組織を得ることができる
レーザ焼入方法を提供することを目的としている。
ける上記課題に着目してなされたものであって、レーザ
光の送り速度を遅くすることなく、すなわち生産性を犠
牲にすることなく、均一な焼入組織を得ることができる
レーザ焼入方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この発明に係わるレーザ
焼入方法は、レーザ発振器から出射されるレーザ光を光
学系を介して被処理物表面に集光させると共にスキャン
させることによって当該被被処理物に焼入処理を施すレ
ーザ焼入方法において、前記レーザ光をスキャン方向の
長さ寸法がスキャン方向と直角をなす方向の幅寸法より
も大きい長方形のビームスポットに集光させる構成とし
ており、この発明に係わるレーザ焼入方法の望ましい実
施態様としては、ビームスポットの長さ寸法が幅寸法の
１．５〜２．５倍である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方法の構成を前述した従来の
課題を解決するための手段としている。
焼入方法は、レーザ発振器から出射されるレーザ光を光
学系を介して被処理物表面に集光させると共にスキャン
させることによって当該被被処理物に焼入処理を施すレ
ーザ焼入方法において、前記レーザ光をスキャン方向の
長さ寸法がスキャン方向と直角をなす方向の幅寸法より
も大きい長方形のビームスポットに集光させる構成とし
ており、この発明に係わるレーザ焼入方法の望ましい実
施態様としては、ビームスポットの長さ寸法が幅寸法の
１．５〜２．５倍である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方法の構成を前述した従来の
課題を解決するための手段としている。
【０００６】
【発明の作用】この発明に係わるレーザ焼入方法におい
ては、レーザ光を被処理物表面に集光させるに際して、
レーザ光のスキャン方向の長さ寸法がスキャン方向に直
角をなす方向の幅寸法の望ましくは１．５〜２．５倍の
長方形のビームスポットとなるようにビーム成形するよ
うにしている。 したがって、スキャン速度を低下させ
なくても、従来の円形や正方形のビームスポットの場合
に較べて、被処理物表面がレーザ光に照射されている時
間が増大することから、オーステナイト化温度以上に保
持される時間が長くなり、フェライト粒が完全に消滅し
て、被処理物表面が完全にオーステナイト単相となって
から冷却過程に移行するようになるので、冷却組織にフ
ェライト粒の残留がなくなり、良好な焼入組織が得られ
ることになる。
ては、レーザ光を被処理物表面に集光させるに際して、
レーザ光のスキャン方向の長さ寸法がスキャン方向に直
角をなす方向の幅寸法の望ましくは１．５〜２．５倍の
長方形のビームスポットとなるようにビーム成形するよ
うにしている。 したがって、スキャン速度を低下させ
なくても、従来の円形や正方形のビームスポットの場合
に較べて、被処理物表面がレーザ光に照射されている時
間が増大することから、オーステナイト化温度以上に保
持される時間が長くなり、フェライト粒が完全に消滅し
て、被処理物表面が完全にオーステナイト単相となって
から冷却過程に移行するようになるので、冷却組織にフ
ェライト粒の残留がなくなり、良好な焼入組織が得られ
ることになる。
【０００７】ここで、スキャン方向の長さ寸法をスキャ
ン方向に直角をなす方向の幅寸法に対して１．５〜２．
５倍が望ましい理由としては、１．５倍未満であると加
熱時間が短か過ぎて均一なオーステナイト組織が得られ
ず、一方２．５倍を超えるとレーザのパワー密度が低く
なり過ぎて焼入が不可能になるからである。
ン方向に直角をなす方向の幅寸法に対して１．５〜２．
５倍が望ましい理由としては、１．５倍未満であると加
熱時間が短か過ぎて均一なオーステナイト組織が得られ
ず、一方２．５倍を超えるとレーザのパワー密度が低く
なり過ぎて焼入が不可能になるからである。
【０００８】
【実施例】以下、この発明を実施例に基づいて具体的に
説明する。
説明する。
【０００９】実施例 図１（ａ）は、この実施例に用いたレーザ焼入装置の構
造を示す概略図であり、図に示すレーザ焼入装置１は、
ＣＯ2 レーザ発振器２と、平面鏡３，第１凹面鏡４およ
び第２凹面鏡５からなり、前記ＣＯ2 レーザ発振器２か
ら出射されたレーザ光Ｂを回転ホルダ６上に保持された
フランジ付円筒部材（被処理物）７の内周面に集光させ
る光学系から構成されており、集光させたレーザビーム
Ｂを回転する被処理物７に照射することにより、当該被
処理物７の円筒内周面に帯状の焼入硬化層７ａを形成さ
せることができる。 なお、前記光学系の第１および第
２凹面鏡の反射面はそれぞれ円筒形曲面に形成され、レ
ーザ光Ｂの縦方向と横方向とをそれぞれ独立的に集光し
てビーム成形するようになっている。
造を示す概略図であり、図に示すレーザ焼入装置１は、
ＣＯ2 レーザ発振器２と、平面鏡３，第１凹面鏡４およ
び第２凹面鏡５からなり、前記ＣＯ2 レーザ発振器２か
ら出射されたレーザ光Ｂを回転ホルダ６上に保持された
フランジ付円筒部材（被処理物）７の内周面に集光させ
る光学系から構成されており、集光させたレーザビーム
Ｂを回転する被処理物７に照射することにより、当該被
処理物７の円筒内周面に帯状の焼入硬化層７ａを形成さ
せることができる。 なお、前記光学系の第１および第
２凹面鏡の反射面はそれぞれ円筒形曲面に形成され、レ
ーザ光Ｂの縦方向と横方向とをそれぞれ独立的に集光し
てビーム成形するようになっている。
【００１０】このような構造のレーザ焼入装置１を用い
ると共に、第１凹面鏡４として焦点距離９００ｍｍの円
筒形凹面鏡と、第２凹面鏡５として焦点距離３６５ｍｍ
の円筒形凹面鏡を使用して、レーザ光Ｂの縦方向と横方
向とをそれぞれ独立的にビーム成形することにより、ビ
ームスポット８の形状が、図１（ｂ）に示すように、図
中に矢印Ｓで示すスキャン方向の長さ寸法ｌが１２ｍｍ
であって、スキャン方向と直角方向の幅寸法ｗが６ｍｍ
である長方形となるようにして、レーザ出力：４．８ｋ
Ｗ、スキャン速度：１．２ｍ／ｍｉｎの処理条件で、図
２に示すようなミクロ組織を有するフランジ付円筒形の
被処理物７にレーザ焼入を施し、焼入硬化層７ａを得
た。 なお、このとき、加熱部の酸化を防止するため、
毎分４０リットルの窒素ガスをシールドガスとして使用
した。
ると共に、第１凹面鏡４として焦点距離９００ｍｍの円
筒形凹面鏡と、第２凹面鏡５として焦点距離３６５ｍｍ
の円筒形凹面鏡を使用して、レーザ光Ｂの縦方向と横方
向とをそれぞれ独立的にビーム成形することにより、ビ
ームスポット８の形状が、図１（ｂ）に示すように、図
中に矢印Ｓで示すスキャン方向の長さ寸法ｌが１２ｍｍ
であって、スキャン方向と直角方向の幅寸法ｗが６ｍｍ
である長方形となるようにして、レーザ出力：４．８ｋ
Ｗ、スキャン速度：１．２ｍ／ｍｉｎの処理条件で、図
２に示すようなミクロ組織を有するフランジ付円筒形の
被処理物７にレーザ焼入を施し、焼入硬化層７ａを得
た。 なお、このとき、加熱部の酸化を防止するため、
毎分４０リットルの窒素ガスをシールドガスとして使用
した。
【００１１】この焼入硬化層７ａのミクロ組織は、図３
に示すとおりであって、図２に示した処理前のミクロ組
織には粗大なフェライト粒が認められるにもかかわら
ず、焼入後においてはフェライト粒が消滅して均一な焼
入組織がえられ、所期の硬度を備えた良好な焼入硬化層
７ａが得られることが確認された。
に示すとおりであって、図２に示した処理前のミクロ組
織には粗大なフェライト粒が認められるにもかかわら
ず、焼入後においてはフェライト粒が消滅して均一な焼
入組織がえられ、所期の硬度を備えた良好な焼入硬化層
７ａが得られることが確認された。
【００１２】比較例 図１（ａ）に示した前記レーザ焼入装置１を使用すると
共に、前記第１凹面鏡４を焦点距離９００ｍｍのものか
ら６３０ｍｍのものに取換え、ビームスポット８の形状
が、図１（ｂ）に示すスキャン方向の長さ寸法ｌが５ｍ
ｍであって、幅寸法ｗが６ｍｍである矩形となるように
集光させ、表面溶融を生じさせないためにレーザ出力を
３．５ｋＷに変更したこと以外は上記実施例と同一の条
件で、上記実施例と同一素材からなるフランジ付円筒形
の被処理物７にレーザ焼入を施すことによって焼入硬化
層７ａを得た。
共に、前記第１凹面鏡４を焦点距離９００ｍｍのものか
ら６３０ｍｍのものに取換え、ビームスポット８の形状
が、図１（ｂ）に示すスキャン方向の長さ寸法ｌが５ｍ
ｍであって、幅寸法ｗが６ｍｍである矩形となるように
集光させ、表面溶融を生じさせないためにレーザ出力を
３．５ｋＷに変更したこと以外は上記実施例と同一の条
件で、上記実施例と同一素材からなるフランジ付円筒形
の被処理物７にレーザ焼入を施すことによって焼入硬化
層７ａを得た。
【００１３】この焼入硬化層７ａのミクロ組織は、図４
に示すとおりであって、当該ミクロ組織中には焼入組織
中にフェライト粒が散見され、焼入組織の形成が不十分
であって所期の硬度を得ることができなかった。
に示すとおりであって、当該ミクロ組織中には焼入組織
中にフェライト粒が散見され、焼入組織の形成が不十分
であって所期の硬度を得ることができなかった。
【００１４】なお、図５は、このようなレーザ焼入にお
ける被処理物表面の熱履歴におよぼすスキャン速度とビ
ームスポット形状の影響をＦＥＭ（有限要素法）解析に
よって求めた結果を示したものであって、この結果、ビ
ームスポットの形状を５×６ｍｍから１２×６ｍｍとす
ることによって、スキャン速度が０．７５ｍ／ｍｉｎで
しか得られなかった熱履歴を１．５ｍ／ｍｉｎのスキャ
ン速度でほぼ再現できることが確認され、上記実施例お
よび比較例の結果の裏付けを得ることができた。
ける被処理物表面の熱履歴におよぼすスキャン速度とビ
ームスポット形状の影響をＦＥＭ（有限要素法）解析に
よって求めた結果を示したものであって、この結果、ビ
ームスポットの形状を５×６ｍｍから１２×６ｍｍとす
ることによって、スキャン速度が０．７５ｍ／ｍｉｎで
しか得られなかった熱履歴を１．５ｍ／ｍｉｎのスキャ
ン速度でほぼ再現できることが確認され、上記実施例お
よび比較例の結果の裏付けを得ることができた。
【００１５】
【発明の効果】以上説明したように、この発明に係わる
レーザ焼入方法は、上記構成、すなわちレーザ光をスキ
ャン方向の長さ寸法がスキャン方向と直角をなす方向の
幅寸法の望ましくは１．５〜２．５倍の長方形のビーム
スポットに集光させるようにしたものであるから、被処
理物表面がレーザ光に照射されている時間が増大してオ
ーステナイト化温度以上に保持される時間が長くなり、
被処理物表面が完全にオーステナイト単相となったのち
冷却されることになるので、冷却後の組織にフェライト
粒の残留がなくなり、処理速度を低下させることなく、
均一な焼入組織を備えた硬度の高い焼入硬化層を得るこ
とができるという極めて優れた効果をもたらすものであ
る。
レーザ焼入方法は、上記構成、すなわちレーザ光をスキ
ャン方向の長さ寸法がスキャン方向と直角をなす方向の
幅寸法の望ましくは１．５〜２．５倍の長方形のビーム
スポットに集光させるようにしたものであるから、被処
理物表面がレーザ光に照射されている時間が増大してオ
ーステナイト化温度以上に保持される時間が長くなり、
被処理物表面が完全にオーステナイト単相となったのち
冷却されることになるので、冷却後の組織にフェライト
粒の残留がなくなり、処理速度を低下させることなく、
均一な焼入組織を備えた硬度の高い焼入硬化層を得るこ
とができるという極めて優れた効果をもたらすものであ
る。
【図１】（ａ） この発明に係わるレーザ焼入方法を実
施するための装置の一例を示す概略説明図である。 （ｂ） この発明に係わるレーザ焼入方法におけるビー
ムスポットの形状を示す説明図である。
施するための装置の一例を示す概略説明図である。 （ｂ） この発明に係わるレーザ焼入方法におけるビー
ムスポットの形状を示す説明図である。
【図２】この発明に係わるレーザ焼入方法の実施例に用
いた被処理物のミクロ組織を示す図である。
いた被処理物のミクロ組織を示す図である。
【図３】この発明に係わるレーザ焼入方法により得られ
た焼入硬化層のミクロ組織を示す図である。
た焼入硬化層のミクロ組織を示す図である。
【図４】従来のレーザ焼入方法により得られた焼入硬化
層のミクロ組織を示す図である。
層のミクロ組織を示す図である。
【図５】レーザ焼入における被処理物表面の熱履歴にお
よぼすスキャン速度とビームスポット形状の影響を示す
グラフである。
よぼすスキャン速度とビームスポット形状の影響を示す
グラフである。
１ レーザ焼入装置 ２ レーザ発振器 ３，４，５ 光学系 ７ 被処理物 ８ ビームスポット Ｂ レーザ光
【手続補正書】
【提出日】平成５年１２月２７日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２】この発明に係わるレーザ焼入方法の実施例に用
いた被処理物のミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
いた被処理物のミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３】この発明に係わるレーザ焼入方法により得られ
た焼入硬化層のミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
た焼入硬化層のミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正内容】
【図４】従来のレーザ焼入方法により得られた焼入硬化
層のミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
層のミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２】
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正内容】
【図３】
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正内容】
【図４】
Claims (2)
- 【請求項１】 レーザ発振器から出射されるレーザ光を
光学系を介して被処理物表面に集光させると共にスキャ
ンさせることによって被処理物に焼入処理を施すレーザ
焼入方法において、 前記レーザ光をスキャン方向の長さ寸法がスキャン方向
と直角をなす方向の幅寸法よりも大きい長方形のビーム
スポットに集光させることを特徴とするレーザ焼入方
法。 - 【請求項２】 ビームスポットの長さ寸法が幅寸法の
１．５〜２．５倍であることを特徴とする請求項１記載
のレーザ焼入方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5327255A JPH07179933A (ja) | 1993-12-24 | 1993-12-24 | レーザ焼入方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5327255A JPH07179933A (ja) | 1993-12-24 | 1993-12-24 | レーザ焼入方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07179933A true JPH07179933A (ja) | 1995-07-18 |
Family
ID=18197073
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5327255A Pending JPH07179933A (ja) | 1993-12-24 | 1993-12-24 | レーザ焼入方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07179933A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103869473A (zh) * | 2012-12-14 | 2014-06-18 | 中国科学院力学研究所 | 激光束整形方法、激光硬化处理设备和激光连续扫描表面硬化方法 |
| CN104294011A (zh) * | 2014-09-21 | 2015-01-21 | 沈阳工业大学 | 内孔激光淬火头及淬火方法 |
-
1993
- 1993-12-24 JP JP5327255A patent/JPH07179933A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103869473A (zh) * | 2012-12-14 | 2014-06-18 | 中国科学院力学研究所 | 激光束整形方法、激光硬化处理设备和激光连续扫描表面硬化方法 |
| CN104294011A (zh) * | 2014-09-21 | 2015-01-21 | 沈阳工业大学 | 内孔激光淬火头及淬火方法 |
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