JPS6253566B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、加熱ビームと被加工物とを相対移動
させながら加熱する加熱方法および装置に関す
る。

レーザビーム、電子ビームとか一般の赤外線ビ
ームなどの加熱ビームにより被加工物を加熱する
場合に、被加工物表面に生じるエネルギー分布と
加熱ビームとの関係をレーザビームを例に略述す
ると、第１図イないしチに示すようになる。すな
わちイ図はビーム１の焦点を絞つた場合で、深い
とけこみの溶接や切断に用いられるもので、ビー
ムスポツトは極めて小さく、パワー密度が高い。
被加工物２の表面のエネルギー分布は、ロ図に示
すように、断面は中心部の高い正規分布に近い形
状となる。ハ図は上述の場合よりビーム１のスポ
ツト径が大きい場合で、エネルギー分布はニ図に
示すように、上述の場合に類似しているが、幅が
広くなる。ホ図はビーム１を一方向に振動させた
場合で、ヘ図に示すように、振動方向に直角な断
面ではほぼ正規分布に近い形状で、これが振動方
向に延在した形状となる。ト図に示すものはビー
ム１を直角な２方向に振動させ、低密度で高速熱
処理を行なうもので、矩形の照射パターンが得ら
れる。エネルギー分布はチ図に示すように全面が
ほぼ一様なエネルギー分布となる。

上述した様に、光束断面が円形のレーザビーム
１を線状に移動させて加熱した場合は、中心部は
両側部に対して著しく高温となり、均一な温度分
布が得られない不都合がある。また２方向にビー
ム１を振動させて面状に加熱する場合は、全加熱
面積に対しビーム１のスポツト径は少さいので、
上述の正規分布による影響が小さく、ほぼ均一な
温度分布が得られる。しかるに加熱処理能率の向
上や加熱面積の増大を計る場合には、被加工物２
を移動させて、加熱することが行なわれる。この
場合は上述の場合と異なり、均一な温度分布は得
られないのである。これについて詳述すると、第
２図は、鋼からなる被加工物２表面に、レーザビ
ーム６を照射してほぼ全面に均一なパワー密度を
もつた矩形の照射パターン７を形成させ、レーザ
ビーム６を矢印８方向に移動させながら加熱した
場合の、ある時点における温度分布を示すもので
ある。照射パターン７の移動により、これに被加
工物２が入つて来る側の照射パターン７の端部を
接近側端部９とし、被加工物２が照射パターン７
から出て行く側の端部を離間側端部１０とする。
また両端部９，１０の中央を通る中心線を縦中心
線Ｙ、これと直角方向の中心線を横中心線Ｘとす
る。温度分布は横中心線Ｘに関してはほぼ対称
で、接近側端部９から離間側端部１０に向つて
800℃，1000℃，1200℃と順次温度が高くなつて
行く。そして離間側端部１０の中央部近傍Ａが
1400℃以上で、最も高温になつていて、離間側端
部１０から遠ざかるに従つて1200℃，1000℃，
800℃と順次温度が下つて行くのである。

上述したようにＡ部は最高温度となるので、例
えばＡ部から離れている部分が焼入れに適した温
度に達したときは、Ａ部は溶融する温度に達して
いるという大きな不都合がある。このためにレー
ザビームのような高速加熱焼入れに最適な加熱ビ
ーム６があつても、移動しながら行なう広い面積
の熱処理にこれを適用するには限界があつた。

本発明は、上述の事情にかんがみてなされたも
ので、加熱ビームと被加工物とを相対移動させな
がら加熱するとともに、加熱ビームの照射を制限
または欠除することにより作られた制御された照
射パターンで加熱することにより、被加工物の一
定領域内の温度分布を所望の分布にした加熱方法
およびこれを実施する装置である。

以下本発明の方法および装置の詳細を、図示の
実施例により説明する。

最初に本発明の装置につき説明し、その後その
作動とともに方法の一実施態様を説明する。

第１の実施例を第３図ないし第６図を参照して
説明する。本実施例は、加熱ビーム送出装置とし
ての連続レーザ発振装置１１と、光学系１２と、
制御部位形成体１３と、移送機構１４と受光体１
５などから構成されている。各部につき述べる
と、レーザ発振装置１１はレーザビーム１８を送
出する。これを受ける光学系１２は、セグメント
ミラーなどを内蔵して、これによりレーザビーム
１８をビーム断面が矩形である矩形レーザビーム
１９として送出する矩形パターン形成装置２０
と、この矩形レーザビーム１９の光路１９ａを直
角に曲げる反射鏡２１と、この直角に曲げられた
レーザビーム２２を集束する集束レンズ２３とか
ら構成されている。そしてこの光学系１２はレー
ザビーム１８を矩形断面の矩形レーザビーム１９
に変換し、被加工物２の上に矩形の照射パターン
７ａを形成する。制御部位形成体１３は、上記の
反射鏡２１に第４図に示す切欠き２４を設けて構
成されていて、この反射鏡２１に入射したレーザ
ビーム１９の一部は切欠き２４を通り光路１９ａ
外に出る。移送機構１４は、被加工物２を載置す
る移送テーブル２５と、これに送りを与える駆動
機構（図示しない）例えばパルスモータ、送りね
じ、ナツトなどからなる機構とから構成されてい
る。これは加熱に際し適宜な速度で被加工物２を
移送する。受光体１５は切欠き２４を通つて入射
した一部のレーザビーム１９を用いて発振状態を
検出するモニターとなつている。

次に本実施例の作動および本発明方法の実施態
様を説明する。

移送テーブル２５が矢印２６の方向に移動する
ことにより被加工物２が所定の位置に達すると、
レーザ発振装置１１が作動し、レーザビーム１８
が送出される。これは矩形パターン形成装置２０
により、ビーム断面が矩形の矩形レーザビーム１
９に変えられて反射鏡２１に入る。ここで切欠き
２４により、その一部は反射しないで通過し、受
光体１５に入る。一部欠除された矩形レーザビー
ム１９は方向を直角に曲げられ、集束レンズ２３
により被加工物２の加熱されるべき領域に第５
図、第６図に示す矩形の照射パターン７ａを形成
する。これは上述の切欠き２４により照射ビーム
の一部が欠除され、照射パターン７ａの離間側端
部１０に矩形の非照射部、すなわち制御部位２８
が形成されている。これは被加工物２の被照射時
間を局部的に制御するもので、制御部位２８を設
けることにより制御された照射パターン７ａが形
成されるのである。このような照射パターン７ａ
の下を被加工物２は移動し、加熱される。上述の
制御された照射パターン７ａによる加熱状態を第
６図により説明する。これは第２図で説明したも
のと同様な被加工物２を自冷焼入れする場合のも
のである。第２図と同一部分には同一符号を付し
て詳細な説明は省略する。制御された照射パター
ン７ａに対し、被加工物２は矢印２６の方向に移
送されている。照射パターン７ａの離間側端部１
０の中央部に、矩形状に切欠かれた部分は制御部
位２８で、上述の切欠き２４により照射が欠除さ
れて形成された部分である。照射パターン７ａ内
の温度分布は、第２図に示した場合に比べ、全体
として離間側端部１０の方に寄つていて、最高温
度は溶融点以下で低く抑えられている。すなわち
被加工物２は順次接近側端部９から照射パターン
７ａ内に入つて行き、次第に高温になるが、従来
は溶融点以上に達していた部分Ａは、溶融温度に
達する前に、制御部位２８に入り、照射されなく
なるため、昇温が抑えられて溶け込み状態になら
ない中に照射パターン７ａから離間して行くため
である。従つて被加工物２内に、溶融温度にある
部分のような大きな熱エネルギーをもつた部分が
ないため、離間後の冷却速度も従来のものに比べ
速くなり、温度分布も均一となる。

第７図ないし第９図は、本発明の装置の第２の
実施例を示す。本実施例は、詳細は後述するが反
射鏡３１，３２の振動により矩形の照射パターン
７ａを得て、レンズを使用せずに固定曲面反射鏡
２１ａにより被加工物２にレーザビーム１８ａを
集束している点と、制御部位形成体１３とが第１
の実施例と相違していて他は同様である。すなわ
ち、光束断面が円形なレーザビーム１８ａは、互
に直角な方向に振動する第１反射鏡３１および第
２反射鏡３２に順次入射し、反射して、第１反射
鏡３１に入射した方向と平行な方向にレーザビー
ム１９ｂとなつて出て行く。この光路上には凹面
をもつた固定曲面反射鏡２１ａが設けられてい
て、光路はこれにより直角に曲げられ、被加工物
２上に集束し、２方向の振動により矩形の照射パ
ターン７ａ（第８図参照）を形成する。以上が光
学系１２の説明である。上記の固定曲面反射鏡２
１ａには、第１の実施例の反射鏡２１の切欠２４
に相当する部位に、制御部位形成体１３として第
９図に示すように、他の部分より反射率の低い低
反射部２４ａが設けられていて、これにより矩形
の照射パターン７ａに照射の一部制限により矩形
状の制御部位２８ａが形成される。

次に第３の実施例につき第１０図および第１１
図を参照して説明する。本実施例の装置は、光束
断面形状が円形のレーザビームを使用した場合の
例で、線状に移動して加熱し、被加工物上の熱エ
ネルギー分布が、第１図ヘのようになる場合に中
心部の温度を制御するのに有効である。第１０図
において、レーザビーム１８ｂは、固定反射鏡２
１ｂにより直角に光路が曲げられ、集束レンズ２
３により被加工物２上に集束され、第１１図に示
す円形の照射パターン７ｂを形成する。反射鏡２
１ｂには、制御部位形成体１３として第１の実施
例と同様な切欠き２４ｂが設けられていて、照射
パターン７ｂに制御部位２８ｂが形成されてい
る。これにより中心部の温度が低く保たれる。

第１２図および第１３図は第４の実施例の装置
の一部を示すもので、装置としては第３の実施例
の制御部位形成体１３が相違するのみで他は同様
である。すなわち第１２図に示すように反射鏡２
１ｂの中心に透孔２４ｃが貫通していて、第１３
図に示すように、円形照射パターンの中心に制御
部位２８ｃが設けられた照射パターン７ｃが形成
される。

以上詳述したように、本発明の加熱方法は、加
熱ビームと被加工物とを相対移動させながら加熱
するとともに、照射の一部を制限または欠除する
ことにより制御された照射パターンを形成し、こ
れにより加熱するように構成したので、被加工物
の最高温度、温度分布が適宜制御されるので、加
熱面積の増大、移送の高速化ができる結果、加熱
能率を著しく向上させることができる。また最高
温度の制御により被加工物の熱的悪影響も防止さ
れる。さらにまた、直接被加工物に接触して温度
制御するのと異り、無接触で制御するので、高温
における温度制御においても何ら不都合を生じな
いなどのすぐれた効果を奏するものである。

なお、第１および第２の実施例におけるよう
に、照射パターンを矩形に形成して加熱する場合
は、被加工物の照射に対する条件をほぼ一様にで
きるので、本発明方法の制御の効果は最もよく発
揮され、特に制御部位２８を離間側端部１０に設
けた場合は、この部位は温度が高くなる箇所に当
るので作用がもつとも顕著である。

次に本発明の装置の効果について述べると、制
御部位の形成を、加熱ビームの送出装置とは別個
に設けた制御部位形成体により行なうので、これ
を交換することにより制御部位の形状、位置を変
えることが容易であり、実用上すぐれた効果を奏
するものである。また各実施例におけるように反
射鏡に制御部位形成体を設けたものは、特に交換
が容易である。さらにまた第１および第３の実施
例におけるように、反射鏡に設けた切欠きで制御
部位形成体を構成したものは、製作が容易で、し
かも熱的損傷を受けることが少なく、これを通る
加熱ビームをモニターなど別途有効に利用でき
る。さらにまた第２の実施例におけるように、反
射鏡の反射率を一部低下させて制御部位形成体を
構成したものはわずかな制御を行なう場合に有効
である。

なお本実施例においては、加熱ビームとしてレ
ーザビームにつき記載したが、電子ビーム、一般
の赤外線など加熱に利用されるビームならよく、
また鋼の加熱につき記載したが、被加工物を移動
しながら加熱乾燥する場合でもよく、制御部位形
成体は反射鏡以外の光学系中に設けてもよい。

さらにまた照射パターンの矩形とは、正方形、
矩形の角部を切欠したものなど矩形と実用上同様
の作用効果を奏する形状を含むものである。さら
にまた制御部位形成体はフイルター、遮光体など
により構成してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図イないしチはレーザビームによつて被加
工物表面に生じるエネルギー分布を説明する斜視
図、第２図は被加工物と加熱ビームとを相対移動
しながら加熱した場合の温度分布説明図、第３図
は本発明装置の第１の実施例の構成図、第４図は
同じく第１の実施例の要部正面図、第５図は同じ
く第１の実施例における照射パターン説明斜視
図、第６図は同じく第１の実施例による加熱の温
度分布説明図、第７図は同じく第２の実施例の装
置の要部構成図、第８図は同じく第２の実施例の
照射パターン説明図、第９図は同じく第２の実施
例の要部正面図、第１０図は同じく第３の実施例
の装置の要部構成図、第１１図は同じく第３の実
施例の照射パターン説明図、第１２図は同じく第
４の実施例の照射パターン説明図、第１３図は同
じく第４の実施例の要部正面図である。 ２……被加工物、７ａ，７ｂ，７ｃ……照射パ
ターン、１１……加熱ビーム送出装置、１２……
光学系、１３……制御部位形成体、１４……移動
機構、１８，１８ａ，１８ｃ……加熱ビーム、２
１，２１ａ，２１ｂ……反射鏡、２４，２４ｂ…
…切欠き。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被加工物を加熱ビームに対し相対移動させて
   上記被加工物の一定領域を上記加熱ビームにより
   加熱する加熱方法において、上記加熱ビームが上
   記被加工物上に形成する照射パターンは上記加熱
   ビームの照射の１部を制限または欠除することに
   より制御された照射パターンを作りこの制御され
   た照射パターンにより上記被加工物の上記一定領
   域の温度を制御することを特徴とする加熱方法。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の加熱方法にお
   いて、照射パターンは矩形であることを特徴とす
   る加熱方法。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載の加熱方法にお
   いて、加熱ビームはレーザビームであることを特
   徴とする加熱方法。 ４ 特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれ
   かに記載の加熱方法において、照射を制限または
   欠除された制御部位は相対移動の方向と直角な方
   向に対し照射パターンの中央部に設けられている
   ことを特徴とする加熱方法。 ５ 特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれ
   かに記載の加熱方法において、照射を制限または
   欠除された制御部位は照射パターンと被加工物と
   が相対移動により離間する側の上記照射パターン
   端部近傍に設けられていることを特徴とする加熱
   方法。 ６ 加熱ビーム送出装置と、上記加熱ビーム送出
   装置から送出される加熱ビームを被加工物上に導
   き上記被加工物を加熱する照射パターンを形成す
   る光学系と、上記加熱ビームの光路中に設けられ
   上記加熱ビームの一部を制限または欠除する制御
   部位形成体と、上記被加工物および上記照射パタ
   ーンの少なくともいずれか一方を移動させる移動
   機構とを具備したことを特徴とする加熱装置。 ７ 特許請求の範囲第６項に記載の加熱装置にお
   いて、加熱ビーム送出装置はレーザ発振装置であ
   ることを特徴とする加熱装置。 ８ 特許請求の範囲第７項に記載の加熱装置にお
   いて、制御部位形成体は光学系の反射鏡にレーザ
   ビームを通す切欠きを設けて構成されていること
   を特徴とする加熱装置。