JPH11511807A - レーザビームを用いた加工品の固相表面硬化に際して吸収係数を高める方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 レーザビームを用いた、加工品とりわけ幾何学的形状の複雑な加工品の固相表面硬化に際して、加工品の加工工程中に加工領域内にレーザビームの吸収を高める措置を施し、吸収係数を高める方法であって、同じくそれに対応する装置は公知である。在来の吸収を増進する被膜を塗布することなく、最終加工状態で複雑な構造部品の幾何学的形状の表面硬化を可能となし、在来の方法に比べて高い処理速度に達し得るとともに、匹敵し得る処理パラメータを用いて硬化深さを深化することができる方法と装置とを創出するため、プロセスガスが、吸収を増進する措置として少なくとも１種類の不活性ガスと酸素とのガス混合物の形で加工領域に供給され、加工品の加工領域内のレーザビームの吸収係数は、ガス混合物のプロセスガス混合比と、プロセスガス体積流量と、加工域の温度とのいずれかまたはそのいずれかの組み合せまたはその全部に依存せしめられて、加工中に所望の設定値に応じて調節される。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザビームを用いた加工品の固相表面硬化に際して 吸収係数を高める方法と装置 本発明はレーザビームを用いた、加工品とりわけ幾何学的形状の複雑な加工品 の固相表面硬化に際して、加工品の加工工程中に加工領域内にレーザビームの吸 収を高める措置を施し、吸収係数を高める方法に関する。 さらに、本発明は、レーザビームを用いた、加工品とりわけ幾何学的形状の複 雑な加工品の固相表面硬化に際して、プロセスガス供給装置を併用して吸収係数 を高める装置に関する。 たとえば構造部品の表面処理のような部品加工には、広範にレーザ加工が定着 しており、広範囲に導入されている。レーザシステムの導入に際して、加工結果 は加工品中に取り込まれるレーザ光出力に強く依存する。取り込まれた光出力は さらに加工表面の吸収度に依存しさらにさまざまな影響力の大きさに依存する。 加工品の表面処理の方法の一部として、レーザビームを用いる固相硬化がある 。この種の硬化は、加工品中でも高荷重が印加される箇所とか、強く摩耗を蒙る 箇所とか、さもなければ高温に晒されるような部位にとりわけ施工される。 鉄材加工品の固相硬化のために炭酸ガスレーザやＮｄ−ＹＡＧレーザのビーム を用いるこれまで適用された方法では、付随的な措置が無い場合、波長λ＝１０ ．６μｍで１０％、λ＝１．０６μｍで３０％の吸収係数が得られている。吸収 係数をさらに高めるとともに、ＰAbsを吸収されるレーザ光出力、Ｐwを加工品に 入射するレーザ光出力として、処理効率ηp＝ＰAbs／Ｐwをも高めるには、準備 工程を付随させないと達せられない。そのためには例えばグラファイトや染料の ような吸収増進被膜を表面に塗布する方法が挙げられる。この種の表面処理は、 極めて限定された範囲にしか実施できないし、しかも工業上の要請に対応してこ のような吸収増進被膜は、一方ではその部位に関し、他方では均一な膜厚と均質 性とに関して加工品表面に極めて限定して塗布する必要がある。そのため、例え ば噴霧法やローラ塗布法が採用されているが、複雑な幾何学的形状の加工品の場 合は極めて困難でほとんど適用できない。したがって、とりわけ膜厚とその均質 性とに関して言えば、被膜塗布の再現性はほとんど得られず、おまけに処理結果 は不完全なものとなってしまうのである。しかもこのような再現性こそ、構造部 品の量産の場合にまさに要請しなければならない重要な点なのである。その上、 吸収増進被膜をレーザビーム処理の前に塗布する付随的な工程があり、処理後に この種の被膜の残存部分を表面から除去しなければならないことから仕上げの費 用が高くついてしまう。酸化を防止するために、先行技術では窒素（Ｎ₂）を保 安ガスとして導入している。 前述の先行技術から出発して、本発明は、複雑な幾何学的形状の構造部品の表 面硬化を最終処理状態でも在来のような吸収増進被膜の塗布をすることなく可能 ならしめ、在来の方法と比較して高い処理速度を得ることができ、その場合でも 比較可能な処理パラメータと併せ硬化深さを深化することができる、当初に述べ た態様の方法と装置とを提供せんとする課題に基づく。 この課題は、当初に挙げた態様の方法の場合に、吸収を増進する措置としてプ ロセスガスを少なくとも１種類の不活性ガスと酸素とからなるガス混合物の形で 加工域に供給して、加工品のレーザビーム加工域での吸収係数を、ガス混合物の プロセスガス混合比と、プロセスガスの体積流量と、加工領域の温度とのいずれ かまたはそのいずれかの組み合せまたはその全部に依存せしめ、所望の設定値に 応じて加工中に調節することによって解決する。 それに対応する装置に関して、本課題は、プロセスガス供給装置で、少なくと も１種類の不活性ガスと酸素とのガス混合物を、混合比と体積流量との双方また はいずれか一方をガス混合装置と制御装置とを介して調節自在に供給することに よって解決される。 不活性ガスと酸素とのガス混合物からなるプロセスガスを加工品の限定領域に オンライン工法で供給することによって、加工領域の表面には限定された均一で 再現可能な酸化物膜が生成され、それと共にレーザビームに対する吸収係数も増 進する。酸化物膜を生成するため、固相硬化の場合、要求プランと加工品の幾何 学的形状とについてそれぞれ好ましくは窒素と酸素とのプロセスガスの混合を調 整して、ガス混合物の混合比と、プロセスガスの体積流量と、加工領域内での温 度とのうちいずれかまたはいずれかとの組合せかまたはその全部の組合せに応じ て、加工中にレーザビームの吸収に対する設定値に到達させる。ノズルを用いる ことによってこの種のプロセスガス混合物は、硬化させようとする加工表面の領 域に極めて限定して噴射することができる。酸化物膜の生成を、同時に温度の調 節も行いながら、このプロセスガスの混合と、例えば加工品とレーザビームとの 相対運動のような処理パラメータとによって実施することによって、酸化物膜の 調節を介して吸収を要求プランに適応させることができる。ここに提供した方法 を用いることによって、１μｍ以下の酸化物膜厚が得られ、同時にレーザビーム の吸収係数が８０％にまで増進させられると共に、在来の方法で適用している時 間を要する被膜の塗布と除去とが不要となるのである。前述の方法を酸化物膜を 生成しない処理と比較すれば、硬化深さが深化して、たとえば導入したレーザ光 出力と送り速度のようなそのこと以外では同じ処理パラメータで、補正係数を３ から４まで到達させることができる。（酸化物膜の有無に拘らず）同じ硬化深さ では、補正係数を３から４まで高くする処理速度が得られる。さらに、本発明に よる方法を用いれば、実際にそれ以外では、構造部品の最終加工状態で吸収を増 進する被膜をレーザ光の入射前に堆積させることが不可能な、複雑な幾何学的形 状の構造部品を処理することが可能である。このように複雑な構造部品に関して 言えば、例えば被膜の残存部分を後になって除去するといった再調整は不要であ って、さもなければ実際問題として複雑な構造部品では一般の場合、無駄な費用 でしかない切り落としのような工法しか可能でないのである。 所望の設定値を加工領域に沿って、例えば所定の加工寸法がばらつく場合のよ うな多様な条件でも適応させるために、所望の設定値を加工領域に沿って制御す るかまたは調整するのが有益である。このようにして例えば、所望の設定値を再 調整してオンライン工法で逐次変化する加工品の条件に適応することができる。 この場合には望ましくは温度である実効値が検出され、この実効値を設定値と比 較する。食い違いがあれば差異は再調整される。温度検出はとりわけ高温計と組 み合わせれば、レーザビームの入射する加工表面の領域の実効状態を無接触で検 出することができる。このような温度検出は、比較的加工品から離れていても行 えるので、加工工程を妨げることはない。それ以外の調整量としては、ガス混合 物の混合比、つまり不活性ガスと酸素との成分比も検出することができ、この実 効値を設定値と比較して設定値と食い違いがあれば差異は再調整される。この種 の方法は、加工の幾何学的形状が多様な場合に、とりわけ必ず適用すべきものと 思われる。 前述の実効値を検出する個々の可能性に基づけば、加工品の幾何学的形状に方 法を個々に適応させることもできる。この実効値と設定値の比較を用いて、とり わけ食い違いのある場合には、差異がレーザ光出力と処理速度とビームの幾何学 的形状とのいずれかまたはいずれかの組合せまたはそれら全部の変更を通じて所 望の設定値に達するまで平準化される。 さらに、ガス混合物を多様な角度の下に加工品の加工領域に誘導することは有 益である。こうすることによって、例えばプロセスガスを流出させる噴射ノズル の幾何学的形状を変更せずに、加工品表面の広さの多様な面積の領域に吹き付け ることができる。 実効値を検出することの可能な前述の方法に対応して、この実効値を所望の設 定値と比較するため、装置に合せて温度検出装置、流量計測装置、ガス混合装置 を設け、それに対応する処理パラメータの調整を行わせることができる。 このガス混合装置は、１個以上のノズル群を有し、このノズル群は多様な角度 で加工品を指向するようにしてある。この種の多様なノズル群は、加工品の幾何 学的形状に対応して駆動され、あるいはガスの供給から引き離して、さまざまな 領域にプロセスガスが吹き付けられるようにもすることができる。ノズル群は、 装置をさらにさまざまに構成するためノズルの設置を変更自在に設けて、新規な 一連の加工品にも個々に適合させたり、オンライン工法で加工される加工品にそ のつど適応できる装置を創出することもできる。オンライン工法に適応するため には、制御装置を介して制御される調節装置が有益である。さらにそれ以外にも 、さまざまなノズルの幾何学的形状や、相対的に加工品にそれぞれ位置決めされ るノズル群の配列ないしノズル群のアレイによって適応させることができる。 本発明の細部と特徴とは、さらに、図面を参照した以下の実施の形態の説明か ら提供される。図面において、 図１は、装置の模式的構造を示し、 図２は、本発明による方法を用いて生成した酸化物膜の結果の切断面の研磨状 態を示している。 図１に示される装置を用いて、レーザ装置２からの連続ないしパルス状のレー ザビーム１が合焦光学系３を介して加工品５の表面４に誘導される。合焦光学系 ３を用いて、ビーム幅を加工表面４上の所望の軌跡幅に適合させることができる 。加工品５は、図１では平坦な板として図示してあるけれども、本発明による装 置も方法も構造部品の複雑な幾何学的形状にとりわけ適していることを想起すべ きである。そのためさらにそれに対応してレーザビームを誘導するための光学装 置が、レーザビーム１の光路中に導入される。レーザビームが入射した加工領域 ６には、酸素（Ｏ₂）と窒素（Ｎ₂）とのガス混合物がガス混合装置７を介してノ ズル８から供給される。ノズルから噴出される、窒素と酸素とからなるガス混合 物の円錐形状の噴流９は、対応する装置により調節可能となっている。さらに、 ガス混合物、つまり窒素と酸素との混合比、ガス圧およびガス流量は、ガス混合 装置７を介して調節される。加工品の表面には均一な酸化物膜が生成され、レー ザビームの吸収を増進させる。レーザビームが入射した加工品表面に指向された 高温計１０を介して温度が検出され、これにより吸収したレーザビームの性能が 表わされる。この温度は、制御装置１１の実効値として導線１２を介して入力さ れ、温度Ｔの関数としての「調節量」、ガス体積流量ｄＶ／ｄｔおよびガス混合 比ＰＯ₂／ＰＮ₂（分圧）間の関係を、モデルに従って考察することができる。こ こでモデルに従うとは、予め一定の材料データに対する経験値が制御装置１１に 固定値として格納されており、表面硬化の工法を実施することになる所望の設定 値に応じてその固定値を検索し、レーザ光出力とガス体積流量とガス混合比との 大きさを算定するためにその固定値を考慮することによって、要求される吸収に 適応できることをいうのである。吸収に適応することによって、硬化深さの変更 が可能になる。ガス体積流量とガス混合比ならびに加工品表面４へのレーザビー ムのビーム断面積とを変更することによって、例えば加工品の内側及び外側の縁 部領域といった複雑な幾何学的形状でも表面硬化を充分変化させることができる のである。 本方法を用いれば、１μｍ以下の酸化物膜厚を得ることができ、同時に吸収係 数を８０％までも増進できる。レーザビーム処理した加工品の表面粗度は、レー ザ処理以前と同等であるから、何等後処理を要しない。 前述の工法で生成した酸化物膜の結果は、画像１（材料はＣ６０）に表わして ある。この画像は、走査型電子顕微鏡で撮影された試験片の表面であって、レー ザビームでの処理後破断したものである。破断の縁部に明らかに１μｍ程度の酸 化物膜の厚さを確認することができる。 第２図に対応する酸化物膜を生成した代表的な場合の処理パラメータは以下の 通りである： 加工部位における平均レーザ光出力 Ｐw ＝３５０Ｗ 加工品でのビーム直径 ｄw,_U＝４ｍｍ 送り速度 Ｖv ＝１５０ｍｍ／ｍiｎ ノズル内径 ｄ_D ＝１３ｍｍ 窒素のガス流量（体積流量） ＶN₂ ＝１５リットル／ｍｉｎ 酸素のガス流量（体積流量） ＶO₂ ＝０．１２リットル／ｍｉｎ 酸化物膜厚 ｄOx ＝１μｍ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キュッパー、フランク アメリカ合衆国、ミシガン州、ベルビル、 デントン・ロード 48961、アパートメン ト 203 (72)発明者 ヴィトロ、ジルベルト ドイツ連邦共和国、52066 アーヘン、ベ ネディクティネールストラーセ 12

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．レーザビームを用いた、加工品とりわけ幾何学的形状の複雑な加工品の固相 表面硬化に際して、加工品の加工工程中に加工領域内にレーザビームの吸収を高 める措置を施し、吸収係数を高める方法において、 吸収を増進する措置としてプロセスガスを少なくとも１種類の不活性ガスと酸 素とからなるガス混合物の形で加工領域に供給し、加工品の加工領域でのレーザ ビームの吸収係数を、ガス混合物のプロセスガス混合比と、プロセスガスの体積 流量と、加工領域の温度とのいずれかまたはそのいずれかの組み合せまたはその 全部に依存せしめ、所望の設定値に応じて加工中に調節することを特徴とする吸 収係数を高める方法。 ２．前記所望の設定値が、加工工程中、加工領域に沿って調節されることを特徴 とする請求項１に記載の方法。 ３．前記加工領域の温度が実効値として検出され、この実効値を設定値と比較し て、食い違いがあればその差異を平準化することを特徴とする請求項１または２ に記載の方法。 ４．前記プロセスガスの体積流量が実効値として検出され、この実効値を設定値 と比較して、食い違いがあればその差異を平準化することを特徴とする請求項１ 〜３のいずれか一項に記載の方法。 ５．食い違いがあれば、前記レーザ光出力と処理速度とビームの幾何学的形状と のいずれかまたはそのいずれかの組み合せまたはその全部が調節されることを特 徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。 ６．前記ガス混合物が、多様な角度で加工品の加工領域上に供給されることを特 徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。 ７．前記プロセスガスの流れの形態が、加工品の幾何学的形状に適応しているこ とを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。 ８．レーザビームを用いた、加工品とりわけ幾何学的形状の複雑な加工品の固相 表面硬化に際して、プロセスガス供給装置を併用して吸収係数を増進する装置で あって、 プロセスガス供給装置（７、８）が、少なくとも１種類の不活性ガスと酸素と からなるガス混合物を供給し、ガス混合物の混合比と体積流量との双方またはい ずれか一方がガス混合装置（７）と制御装置（１１）とにより調節されることを 特徴とする吸収係数を増進する装置。 ９．前記制御装置（１１）が実効値の記録装置を介して、ガス混合物の混合比と 、プロセスガスの体積流量と、温度とのいずれかまたはそのいずれかの組み合せ またはその全部に関する計測値を収集入力することを特徴とする請求項８に記載 の装置。 １０．前記実効値の記録装置として、温度計測装置が設けられていることを特徴 とする請求項９に記載の装置。 １１．流量計測装置が設けられていることを特徴とする請求項８〜１０のいずれ か一項に記載の装置。 １２．前記ガス混合装置（７）が、１個以上の噴出ノズル群（８）を有し、これ らノズル群を介して前記プロセスガスが、多様な角度で加工品（５）の加工領域 （６）上に指向されることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一項に記載の 装置。 １３．前記噴出ノズル群（８）が、加工品（５）に対してその角度を調節可能と なっていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。 １４．前記角度調節が制御装置（１１）によって制御される調節装置を介して行 われることを特徴とする請求項１３に記載の装置。 １５．前記ノズル群（８）が、多様な噴射孔形を有することを特徴とする請求項 １２〜１４のいずれか一項に記載の装置。 １６．前記ノズル群の配列ないしノズル群のアレイが、加工品に関して位置決め されていることを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の装置。