JPS60159112A - レ−ザによる鋼の熱処理法 - Google Patents
レ−ザによる鋼の熱処理法Info
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- JPS60159112A JPS60159112A JP1496784A JP1496784A JPS60159112A JP S60159112 A JPS60159112 A JP S60159112A JP 1496784 A JP1496784 A JP 1496784A JP 1496784 A JP1496784 A JP 1496784A JP S60159112 A JPS60159112 A JP S60159112A
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/06—Surface hardening
- C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
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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。
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〕
本発明は鋼の熱処理法に関するものである。
（従来技術〕
周知のように、レーザビームのエネルギー密度は極めて
高く、アーク溶接などに比べて１万倍以上にすることも
容易である。例えば、酸素アセチレン炎のエネルギー密
度Ｗ／ｃｍ”は１０３程度、アルゴンアーク（２００Ａ
）のエネルギー密度はｉ、ｓ ｘ ｉｏ’程度であるの
に対し、連続レーザビームの場合は１０ｇ、パルスレー
ザのエネルギー密度は１０１３にもなる。
高く、アーク溶接などに比べて１万倍以上にすることも
容易である。例えば、酸素アセチレン炎のエネルギー密
度Ｗ／ｃｍ”は１０３程度、アルゴンアーク（２００Ａ
）のエネルギー密度はｉ、ｓ ｘ ｉｏ’程度であるの
に対し、連続レーザビームの場合は１０ｇ、パルスレー
ザのエネルギー密度は１０１３にもなる。
従ってこのような高エネルギー密度のレーザビームを用
いると、鋼材の表面の焼入れ、溶接穿孔、切断などの加
工が容易であるので、従来から各方面で実施されている
。このようにレーザビームは非常に有用であるが、必ず
しも問題がない訳ではなり）。
いると、鋼材の表面の焼入れ、溶接穿孔、切断などの加
工が容易であるので、従来から各方面で実施されている
。このようにレーザビームは非常に有用であるが、必ず
しも問題がない訳ではなり）。
すなわち、レーザビームによる鋼材の溶融効率は、
■レーザパワーの自乗に比例し、
■ビーム径の４乗に比例し、−
■エネルギー吸収率の自乗に比例する。
このうち■および■は、レーザ発振器によって定まるが
、■は照射技術によって大きく左右される。
、■は照射技術によって大きく左右される。
そこで鋼材表面でのエネルギー吸収率を高めることが必
要であるが、そのためには、 ■）表面粗度による多重反射効果の利用、２）酸化膜に
よる波長吸収性の向上、 ３）レーザプラズマ等による二次的効果を利用して間接
的にエネルギー効率を上げる、 等の手段が必要であり、一般的には、例えばＪＯＭ 。
要であるが、そのためには、 ■）表面粗度による多重反射効果の利用、２）酸化膜に
よる波長吸収性の向上、 ３）レーザプラズマ等による二次的効果を利用して間接
的にエネルギー効率を上げる、 等の手段が必要であり、一般的には、例えばＪＯＭ 。
１９７６年４月号の第５〜１１頁に示さ九ているように
、鋼材表面・におけるレーザビームの反射を少なくする
ために熱処理部にレーザビームの吸収率の高いペイン１
〜等をあらかじめ塗布する方法がとられている。
、鋼材表面・におけるレーザビームの反射を少なくする
ために熱処理部にレーザビームの吸収率の高いペイン１
〜等をあらかじめ塗布する方法がとられている。
この従来法は、ペイント等を塗布する工程があり、プロ
セスが複雑化する。又、ペイント等がレーザビームによ
る加熱溶融によって飛散物質が発生する。この飛散物質
がレーザビームを吸収してレーザビームの強度を低下す
るとともに、連続照射処理における照射むら発生の原因
となる。また人体に悪影響がある為に、この飛散物質の
処理が必須である等々種々の問題点がある。
セスが複雑化する。又、ペイント等がレーザビームによ
る加熱溶融によって飛散物質が発生する。この飛散物質
がレーザビームを吸収してレーザビームの強度を低下す
るとともに、連続照射処理における照射むら発生の原因
となる。また人体に悪影響がある為に、この飛散物質の
処理が必須である等々種々の問題点がある。
本発明は、このような問題点の解決を図ったもので、鋼
材表面におけるレーザビームの反射が多い場合にも、鋼
材表面に吸収物質を塗布するような面倒な作業や、それ
に伴う弊害を生じることなく、鋼材表面におけるレーザ
ビームの実効吸収率を高め、安定かつ効率よく鋼材の熱
処理を行なえる方法を提供することを目的とする。
材表面におけるレーザビームの反射が多い場合にも、鋼
材表面に吸収物質を塗布するような面倒な作業や、それ
に伴う弊害を生じることなく、鋼材表面におけるレーザ
ビームの実効吸収率を高め、安定かつ効率よく鋼材の熱
処理を行なえる方法を提供することを目的とする。
本発明は、レーザビームの光軸上に、レーザビ・−ム導
入六をもつ半球状キャビティにより熱処理部を遮蔽する
とともに、該導入穴から熱処理部にレーザビームを照射
し、熱処理部からの反射および放射エネルギーをキャビ
ティ内面の多重反射により熱処理部に収束させることを
特徴とするレーザによる鋼の熱処理法を要旨とするもの
であり、熱処理部表面におけるレーザビームの実効吸収
率を高め、効率的な熱処理を行なうものである。
入六をもつ半球状キャビティにより熱処理部を遮蔽する
とともに、該導入穴から熱処理部にレーザビームを照射
し、熱処理部からの反射および放射エネルギーをキャビ
ティ内面の多重反射により熱処理部に収束させることを
特徴とするレーザによる鋼の熱処理法を要旨とするもの
であり、熱処理部表面におけるレーザビームの実効吸収
率を高め、効率的な熱処理を行なうものである。
以下図面により本発明について説明する。第１図は本発
明を実施する装置の実例を示すもので、■は熱処理され
るべき鋼材、Ｉ＋ はその処理される表面である。
明を実施する装置の実例を示すもので、■は熱処理され
るべき鋼材、Ｉ＋ はその処理される表面である。
２はレーザビーム、３は集光レンズである。４はキャビ
ティで、その内面４１は例えば鏡面仕上げの上に金メッ
キが施され極めて反射率が高い状態にしである。
ティで、その内面４１は例えば鏡面仕上げの上に金メッ
キが施され極めて反射率が高い状態にしである。
５はキャビティ４の上部に設けたレーザビーム導入穴、
６は雰囲気ガス入口、７はキャビティ冷却水入口、８は
冷却水出口、９は集光レンズ３およびキャビティ４を保
持する熱処理ヘッドである。
６は雰囲気ガス入口、７はキャビティ冷却水入口、８は
冷却水出口、９は集光レンズ３およびキャビティ４を保
持する熱処理ヘッドである。
本発明により鋼材の熱処理を行なうには、レーザビーム
２を鋼材１の表面２に照射するのであるが、レーザビー
ム導入穴５の大きさを極力小さくするようにし、しかも
レーザビームの焦点位置が出来るだけキャビティ４の極
点位置、すなわちレーザビーム導入穴５内にあるように
し、かつビーム幅ＢＷを考慮して集光レンズ３を含む光
学系を設定する。
２を鋼材１の表面２に照射するのであるが、レーザビー
ム導入穴５の大きさを極力小さくするようにし、しかも
レーザビームの焦点位置が出来るだけキャビティ４の極
点位置、すなわちレーザビーム導入穴５内にあるように
し、かつビーム幅ＢＷを考慮して集光レンズ３を含む光
学系を設定する。
またレーザビームのパワーは、熱処理部の幅Ｗ、深さｄ
、処理速度Ｖから決まる熱処理部の加熱・溶融エネルギ
ーＰＭに若干の効率ηを考慮して設定する。
、処理速度Ｖから決まる熱処理部の加熱・溶融エネルギ
ーＰＭに若干の効率ηを考慮して設定する。
そこでレーザビーム２を照射すると、鋼材１の表面１′
にはビーム幅ＢＷのレーザビームが照射されることに
なるが、鋼材ｌの表面１１で反射されたレーザビームが
、キャビティ４の内面４１でさらに反射され、鋼材ｌの
表面に至り、以後多重反射し、鋼材１の表面に収束され
る。その結果、照射部の実効吸収率ｄｅは、 ｃ（ｅ＝ｃｌ＋（１−ｃ（）・ｃｌ＋（１−ｏＯ” ・
ｃｆニー＋−’、１・・・・・（１） に示すようにほぼ１に近い値になる。なおここで改はレ
ーザビームの鋼材面における吸収率である。
にはビーム幅ＢＷのレーザビームが照射されることに
なるが、鋼材ｌの表面１１で反射されたレーザビームが
、キャビティ４の内面４１でさらに反射され、鋼材ｌの
表面に至り、以後多重反射し、鋼材１の表面に収束され
る。その結果、照射部の実効吸収率ｄｅは、 ｃ（ｅ＝ｃｌ＋（１−ｃ（）・ｃｌ＋（１−ｏＯ” ・
ｃｆニー＋−’、１・・・・・（１） に示すようにほぼ１に近い値になる。なおここで改はレ
ーザビームの鋼材面における吸収率である。
第２ａ図〜第２ｃ図および第３ａ図〜第３ｃ図は、従来
法と本発明方法との差異を示す説明図である。すなわち
、第２ａ図は、鋼材表面にレーザビームを直接照射した
場合を示すもので、鋼材への入射エネルギー量をＥｌ、
反射エネルギー量をＥ２、吸収エネルギー量をＥ３とす
ると。
法と本発明方法との差異を示す説明図である。すなわち
、第２ａ図は、鋼材表面にレーザビームを直接照射した
場合を示すもので、鋼材への入射エネルギー量をＥｌ、
反射エネルギー量をＥ２、吸収エネルギー量をＥ３とす
ると。
Ｅｌ ＝Ｅ２十Ｅ。
であり、吸収率改ａは。
ｄａ＝：Ｅ３／Ｅｔ
であり１通常の鋼材表面でＣ０２レーザでは０．１〜０
．１５、’／ＡＧレーザで０．３〜０．４と非常に低く
、エネルギー効率の点から実用的ではない。
．１５、’／ＡＧレーザで０．３〜０．４と非常に低く
、エネルギー効率の点から実用的ではない。
第２ｂ図は従来使用されている方法で、鋼材表面にレー
ザビームの吸収率を高めるために塗料１２を塗布した場
合を示すものである。この場合、吸収率ｃ（ｂは０．８
以上になる。
ザビームの吸収率を高めるために塗料１２を塗布した場
合を示すものである。この場合、吸収率ｃ（ｂは０．８
以上になる。
第２ｃ［ｉは本発明方法を示すものであり、鋼材表面の
吸収率は第２ａ図のｃｆａと同じであるが、キャビティ
の多重反射効果によって実効吸収率ｄｃは１．０に近く
なる。
吸収率は第２ａ図のｃｆａと同じであるが、キャビティ
の多重反射効果によって実効吸収率ｄｃは１．０に近く
なる。
また第３ａ図、第３ｂ図および第３ｃ図は、それぞれ第
２ａ図、第２ｂ図および第２ｃ図に対応した熱処理部の
断面形状を示すもので、レーザ出力。
２ａ図、第２ｂ図および第２ｃ図に対応した熱処理部の
断面形状を示すもので、レーザ出力。
処理速度は一定である。なお、１３は熱処理部、ｄａ、
ｄｂ、、ｄｃはその深さ、Ｗａ、ｗｂ、Ｗｅはその幅で
ある。熱処理域の効率を比較すると、前記のように処理
速度が一定であるので、断面積の比率でよく、その結果
はｄ ａ−Ｗａ （ｂ−Ｗｂ （ｄ ｃ−Ｗｃの２よう
になる。
ｄｂ、、ｄｃはその深さ、Ｗａ、ｗｂ、Ｗｅはその幅で
ある。熱処理域の効率を比較すると、前記のように処理
速度が一定であるので、断面積の比率でよく、その結果
はｄ ａ−Ｗａ （ｂ−Ｗｂ （ｄ ｃ−Ｗｃの２よう
になる。
このように本発明方法は実効吸収率が高く、従ってエネ
ルギー効率がよいことがわかる。
ルギー効率がよいことがわかる。
なお、本発明方法においては、第１図に示すようにキャ
ビティ内に雰囲気ガスを導入できるようにしであるが、
このガスは熱処理部の酸化防止用ならびに鋼材表面に付
着した油等が蒸発しキャビティ内面への付゛着するのを
防止するためのものである。次に本発明の実施例を示す
。
ビティ内に雰囲気ガスを導入できるようにしであるが、
このガスは熱処理部の酸化防止用ならびに鋼材表面に付
着した油等が蒸発しキャビティ内面への付゛着するのを
防止するためのものである。次に本発明の実施例を示す
。
出力２ｋｗのＣ０２レーザを用い、かつ半径２０ｍｍの
内面に金メッキを施した銅製、水冷キャビティを用いて
、炭素工具鋼の焼入れを行なったところ、硬化層の深さ
０ 、６＋＋＋ｍ、幅７＋＋＋ｍ 、処理速度４０＋＋
＋ｍの熱処理を行なうことができた。このときの吸収エ
ネルギー量（ｄＸＷＸＶ／Ｐ）は８４ｍ＋ｕ／ Ｋ ｊ
であった。
内面に金メッキを施した銅製、水冷キャビティを用いて
、炭素工具鋼の焼入れを行なったところ、硬化層の深さ
０ 、６＋＋＋ｍ、幅７＋＋＋ｍ 、処理速度４０＋＋
＋ｍの熱処理を行なうことができた。このときの吸収エ
ネルギー量（ｄＸＷＸＶ／Ｐ）は８４ｍ＋ｕ／ Ｋ ｊ
であった。
これに対しリン酸マンガン被覆を施した鋼材表面に出力
ＩＫｗ、ビーム径４ 、７ｍｍφのｃｏ２レーザを用い
て熱処理を行なったところ、硬化層の深さ０．５１１１
ｍ、幅３ 、５ｍｍ、処理速度２１ｍｎ＋／秒であった
。因みにこのときの吸収エネルギー量は３６．８ｍｍ’
／Ｋｊであった。従って本発明方法の効率は従来法の
約２倍である。
ＩＫｗ、ビーム径４ 、７ｍｍφのｃｏ２レーザを用い
て熱処理を行なったところ、硬化層の深さ０．５１１１
ｍ、幅３ 、５ｍｍ、処理速度２１ｍｎ＋／秒であった
。因みにこのときの吸収エネルギー量は３６．８ｍｍ’
／Ｋｊであった。従って本発明方法の効率は従来法の
約２倍である。
以」二説明したように本発明方法は、キャビティを使用
して鋼材表面において反射するレーザビームを多重反射
させて熱処理部に収束させるので、従来法のように吸収
用塗料を塗布することなく鋼材表面における実効吸収率
を高めることが可能であり、効率的な熱処理を行なうこ
とができる。しかもレーザビームの焦点を鋼材面から外
した状態での照射ができる。しかもレーザビームの焦点
詮鋼材面から外した状態での照射ができるので、照射幅
を広くとることができる。また、本発明方法は、レーザ
溶接の場合のような高エネルギー密度を必要としないの
で、プラズマの発生もなく熱伝導型に近い比較的静かな
加熱・溶融現象にすることができる。また本発明方法は
回転または移動中の鋼材の熱処理も容易に行なうことが
できる等、その効果は多大である。
して鋼材表面において反射するレーザビームを多重反射
させて熱処理部に収束させるので、従来法のように吸収
用塗料を塗布することなく鋼材表面における実効吸収率
を高めることが可能であり、効率的な熱処理を行なうこ
とができる。しかもレーザビームの焦点を鋼材面から外
した状態での照射ができる。しかもレーザビームの焦点
詮鋼材面から外した状態での照射ができるので、照射幅
を広くとることができる。また、本発明方法は、レーザ
溶接の場合のような高エネルギー密度を必要としないの
で、プラズマの発生もなく熱伝導型に近い比較的静かな
加熱・溶融現象にすることができる。また本発明方法は
回転または移動中の鋼材の熱処理も容易に行なうことが
できる等、その効果は多大である。
第１図は本発明を一態様で実施する装置構成を′示す断
面図、第２ａ図、第２ｂ図および第２ｃ図は本発明方法
と従来法における吸収率の差異を示す説明図、第３ａ図
、第３ｂ図および第３ｃ図は本発明方法と従来法におけ
る熱処理部の断面を示す説明図である。 １ｓｔｌｆｌ材 １′：鋼材表面 ２：レーザビーム ３：集光レンズ ４：キャビティ ４′ ：キャビテイ内面５：レーザビ
ーム導入六 ６：雰囲気ガス人ロア：キャビティ冷却水
入口 ８；キャビティ冷却水出口 ９：熱処理ヘッド１２：塗
料 １３：熱処理部 特許出願人 新日本製鐵株式會社 代理人弁理士杉 信 倒・４２
面図、第２ａ図、第２ｂ図および第２ｃ図は本発明方法
と従来法における吸収率の差異を示す説明図、第３ａ図
、第３ｂ図および第３ｃ図は本発明方法と従来法におけ
る熱処理部の断面を示す説明図である。 １ｓｔｌｆｌ材 １′：鋼材表面 ２：レーザビーム ３：集光レンズ ４：キャビティ ４′ ：キャビテイ内面５：レーザビ
ーム導入六 ６：雰囲気ガス人ロア：キャビティ冷却水
入口 ８；キャビティ冷却水出口 ９：熱処理ヘッド１２：塗
料 １３：熱処理部 特許出願人 新日本製鐵株式會社 代理人弁理士杉 信 倒・４２
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 ゛（１）鋼の表面にレーザビームを照射して表面を加熱
または溶融させ１表面性状を改質する鋼の熱処理法にお
いて； レーザビームの光軸上にレーザビーム導入穴をもつ半球
状キャビティにより熱処理部を遮蔽するとともに、該導
入穴から熱処理部にレーザビームを照射し、熱処理部か
らの反射および放射エネルギーをキャビティ内面の多重
反射により熱処理部に収束させることを特徴とする、レ
ーザによる鋼の熱処理法。 （２）半球状キャビティに設けたレーザビーム導入水附
近に焦点を結んだレーザビームを熱処理部に照射するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載のレーザ
による鋼の熱処理法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1496784A JPS60159112A (ja) | 1984-01-30 | 1984-01-30 | レ−ザによる鋼の熱処理法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1496784A JPS60159112A (ja) | 1984-01-30 | 1984-01-30 | レ−ザによる鋼の熱処理法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60159112A true JPS60159112A (ja) | 1985-08-20 |
| JPS626726B2 JPS626726B2 (ja) | 1987-02-13 |
Family
ID=11875743
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1496784A Granted JPS60159112A (ja) | 1984-01-30 | 1984-01-30 | レ−ザによる鋼の熱処理法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60159112A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4924062A (en) * | 1988-02-02 | 1990-05-08 | Graf & Cie Ag | Method for hardening discrete identical elements integral with a common structure and regularly separated from each other and device for embodying this method |
-
1984
- 1984-01-30 JP JP1496784A patent/JPS60159112A/ja active Granted
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4924062A (en) * | 1988-02-02 | 1990-05-08 | Graf & Cie Ag | Method for hardening discrete identical elements integral with a common structure and regularly separated from each other and device for embodying this method |
| CH674954A5 (ja) * | 1988-02-02 | 1990-08-15 | Graf & Co Ag |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS626726B2 (ja) | 1987-02-13 |
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