JPS63262414A

JPS63262414A - 加工物の熱処理方法および装置

Info

Publication number: JPS63262414A
Application number: JP62095091A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Minamida; 勝宏南田; Junya Suehiro; 純也末廣; Hiroshi Sato; 洋佐藤; Manabu Ogura; 学小椋
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1987-04-20
Filing date: 1987-04-20
Publication date: 1988-10-28
Also published as: JPH0377252B2

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】［産業上の利用分野］この発明は、内面もしくは外面が鏡面である円錐型ミラ
ーを介してレーザビームを加工物に照射して熱処理加工
する熱処理方法および装置に関するものである。

［従来の技術］レーザビームを用いた熱処理は、加工物の表層のみの加
工が可能であり、また、処理時間が短いなどの優れた特
徴を有している。そして、加工工ネルギー源としてのレ
ーザビームを用いる際は、レーザビームが強い指向性と
集中性を有するため、熱処理などの表面処理加工では、
比較的広い面積に均一なエネルギー分布を形成できるよ
うにレーザビームの集光光学系を設計する必要がある０
例えば、加工物が平板のような二次元的拡がりを有する
加工物に対しては、第１Ｏ図（ａ３〜（ｆ）に示したよ
うな各種集光光学系が考えられている。　第１θ図（ａ
）はデフォーカスビーム方式を、同図（ｂ）は分列ミラ
ー線状ビーム方式を、同図（ｃ）はビームスキャナ方式
を、同図（ｄ）はインテグレーションミラ一方式を、同
図（ｅ）はカライドスコープ方式を、同図（ｆ）はポリ
ゴンミラ一方式をそれぞれ示した図である。

第１Ｏ図のような集光光学系を用いる方法は、いずれの
場合でも・、溶接、切断に比ベエネルギー密度が低く、
第１１図に示すように鋼材の材質によって異なるが、レ
ーザビームの鋼材表面ての反射率が高く、吸収物質を塗
布する必要がある。　　３第１１図は鋼材表面のレーザ
ビームの反射率を示した図で横軸に鋼材への入射角を、
縦軸に反射率をとったものである。第１１図からＩＪＩ
らかなように、入射角が小さいと反射率はさらに高くな
る。

第９図は鋼線、丸棒等の円柱形状の加工物に対して、従
来のレーザビームによる熱処理加工の例を示した図で、
第９図（ａ）は加工物の上部からレーザビームを照射し
、同図（ｂ）（特開Ｉｆ（６１−１７０５２１に開示さ
れている）は加工物の長子方向からレーザビームを照射
した図である。第９図（ａ）から明らかなように、上部
からレーザビームを照射すると、加工物の内周方向に対
してレーザビームの吸収状態が不均一であり、エネルギ
ー効率が低い。従って、エネルギー効率を高めるために
、加工物表面にレーザビーム吸収物質を塗布しなければ
ならないが、この吸収物質の塗布が大変困難である。ま
た、同図（ｂ）の場合は加工物表面へのレーザビームの
入射角が減少しているので、この場合は第１１図から明
らかな如くレーザビームの反射率が増大し、エネルギー
利用効率も著しく低下する。

［発明が解決しようとする問題点］上記のように従来のレーザビーム照射による加工物の熱
処理方法は、レーザビームに対して、加工物の吸収状態
が不均一であったり、また反射率か高いために、レーザ
ビームの利用効率が著しく低いという問題があった。

この発明はかかる問題点を解決するためになされたもの
で、レーザのエネルギー利用効率の高い加工物の熱処理
方法および装置を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］上記の目的を達成するためにこの発明は、内面もしくは
外面が鏡面であるコーン型ミラーの中心軸上に、熱処理
用の加工物を、その加工物の中心軸が一致するように配
置し、前記加工物の表面もしくは内面に対して、その加
工物と平行もしくはほぼ平行なレーザビームを、前記コ
ーン型ミラーを介して照射して、このレーザビームを前
記加工物と前記コーン甲ミラーの内面もしくは外面との
間を多重反射させると同時に、前記加工物もしくはコー
ン型ミラーを移動させて前記加工物の表面層もしくは内
面層を連続的に熱処理するための方法および装置を得る
ことである。

［作用］上記の方法および装置によって、レーザの利用効率を高
めることができ、加工物の表面層を数十終鵬の厚さに■
って熱処理することが可能となる。

第２図は円錐型ミラー（以下コーン型ミラーという）ｌ
を用いたレーザ熟処理用集光光学系の概略を示した図で
ある。第２図中、２は加工物、３はレーザビームで矢印
はその出力の方向を示す。

コーン型ミラーｌは銅等を加工して、中空の円錐または
四角錐からなる構造物で、その内面を鏡面にしたもので
ある。尚、被照射部である加工物２の反射率が高い場合
は、コーン型ミラーｌの鏡面をさらに金等の反射物でコ
ーティングを施す。このコーン型ミラーｌの円錐の頂角
０は２’ヘ−１５”の範囲とする。また、円錐頂点側出
口の）ＩＤｔは加工物２の外Ｐｊ−Ｄ　＋よりわずかに
大きくする。また、コーン型ミラーｌの軸の中心に加工
￥＠２を挿入し、軸方向に沿って速度Ｖで移動させる。

尚。

速度Ｖは鋼材等の加工物２の外径Ｄ１１レーザビーム３
の出力およびコーン型ミラーｌの円錐の頂角θ等によっ
て定まるイ１である。そして、円錐の底面にあたるコー
ン型ミラーｌの開口部よりレーザビーム３をコーン型ミ
ラーｌの軸の中心に対して入射角αで入射する。通常、
レーザビームの入射角αは数■ｒａｄであり、レーザビ
ームｊは平行ビーム（α＝０）と考えてよいので、以下
平行ビームとして説明する。レーザビーム３を形成する
各光束４はコーン型ミラーｌの内面と加工物２の表面上
の間で多重反射を繰返しながら自動的に収斂する。この
多重反射の様子を示したのが第４図、第５図である。前
述の如く、レーザビームの入射角αは一般にｆｉ會ｒａ
ｄであるので、α＝０のコーン型ミラーに対する平行ビ
ームの多重反射について第４図、第５図を用いて説明す
る。

円錐の頂角がθの場合、し°−ザビームの外径ｄのコー
ン型ミラーの壁に入る角α。と円錐の頂点からの距離文
。はそれぞれ式（１）式、（２）式で表わされる。

・・・・（２）第５図はレーザビームの径が８■烏で円錐の頂角がそれ
ぞれ３°と５＠の場合の反射点の位置を示した図である
。

第５図からは、円錐の頂角０が小さい場合は。

大きい場合に比べて反射する点はかなり前方にあり、最
終の収束点も手前にある。加工物表面上においては、レ
ーザビームの各光束のエネルギー密度はレーザビームの
入射角に依存してレーザエネルギーの吸収９反射が行わ
れる。ここで、レーザビームのエネルギー分布がレーザ
ビームの出力方向に対して回転対称である場合、ｉ終的
に加工物表面上に第６図に示すような回転対称な軸方向
エネルギー分布が得られる。ｉ６図はレーザ出力ｔｏｏ
ｏｗ　、ビーム径ｌ０ｎｓφ、円錐の頂角が０が力１０
００Ｗ　、ビーム径１０ｍ−φ９円錐の頂角がθが５°
、　Ｉｓ”の場合について示した図で、０＝ｉｓ”の場
合はコーン先端からの距離２は０．０８ｍ−で、エネル
ギー密度がピークの値８．７７Ｗ／麿■２を示しており
、また、θ＝５°のときはｚ＝ｏ、ａ：を鵬ｌ、エネＪ
レギー密度が２．８６１１／ａｍ”である、このように
％０が１５°を越えるとエネルギー密度のピーク値を示
すコーン先端からの距＠２がほとんど０になることと、
鋼材である加工物が加熱される巾が狭くなって充分な熱
処理ができなくなる。また、θが２＠未満になるとエネ
ルギー密度のピーク値が小さくなり、これも充分な熱処
理ができなくなる。

以上、中空円錐め内面に反射コーティングを施したコー
ン型ミラーについて述べたが１次に円錐体または四角錐
の外表面に反射；−ティングを施した場合について、第
３図を用いて説明する。

第３図は外面反射型のコーン型ミラーを用いた熱処理加
工の概略を示した図で、１′が外面反射型のコーン型ミ
ラー、２′はバイブ状の加工物であり、第２図と同一符
号は同一または相当部分を示す、第３図において、コー
ン型ミラー１′をパイプ状の加工物２″の内部に挿入し
、加工物２′またはコーン型ミラー１′のいずれか−・
方を速度Ｖで移動させる。コーン型ミラー１′の円錐の
頂角０は第２図の例と同じく２″〜１５”の範囲とする
。レーザビーム３を入射すると、ｉ２図の例で説明した
のと同じ原理でレーザビーム３が多重反射し、加工物２
′の内表面上において、第６図で示したレーザビームの
出力方向に対して回転対称な軸方向エネルギー分布が得
られる。

以上の結果、第２図、第３図のどちらにおいてもコーン
型ミラーｌもしくは１′の形状（０゜Ｄ、等）およびレ
ーザビーム３の出力、エネルギー分布、形状等を変化さ
せることにより、第６図に示したエネルギー分布を制御
することがてきる。

第２図、第３図に示した、いずれのコーン型ミラーを用
いても、同様の効果１作用が得られるので以下では第２
図の場合についてのみ述べる。

コーン５ミラーと鋼線の間を多重反射してレーザビーム
はコーン型ミラーの頂点の方向に進み。

その過程でミラーの反射率は常に高いが、鋼線の反射率
はレーザビームの入射角の増加とともに第１１１３に示
すように減少し、レーザビームの収束部で収束ビーム形
状に応じて鋼線に吸収される。

第６図に示したエネルギー分布で加工物上を走査した場
合、吸収されたエネルギー分布は熱エネルギーに変換さ
れ、その結果、加工物の温度上昇に至る。

第７図はコーン型ミラー内で加工物を移動させた場合の
加工物の表面上における温度時間変化を示した図である
。第６図のエネルギー分布状態において、加工物の相対
移動速度Ｖおよび表面吸収率等を変化させることにより
、第７図に示した温度履歴曲線を変化させることができ
、最高温度Ｔ　ａｌｌｌｌ　＃温度変化率ｄＴへ２等の
様々な組合わせにより焼入れ、焼戻し等の各種熱処理あ
るいは他の装置との併用により１表面層のアモルファス
化。

合金死重の処理にも応用できる６例えば、線材の焼戻し
の場合、Ｔ　ｍａ、ｌを４００〜６００℃　ｄ？７□を
５０°〜１００℃八、Ｃとしている。

第１図はこの発明の一実施例であるコーン型ミラーを用
いて鋼線をレーザビームにより熱処理する装置の概略を
示した図である。レーザ発振器５から照射されたレーザ
ビーム３は変換器６によって、その発散角、ビーム径を
Ｊ１！！！シた後、コーン型ミラーｌに対する投入角を
制御するミラーであるベンディングミラー７．１２によ
って制御されて、０＝７１のコーン型ミラーｌの内部に
導かれる。このコーン型ミラーｌの回転対称軸上で加工
１＠２を駆動装ｒ１９によって移動させる。コーン型ミ
ラーｌの前後には補助装２ｔ８が設置され、必要に応じ
て予熱、後熱、急冷等の前後処理を行うことができる。

コーン型ミラーｌの内部冷却と清浄、さらに加工物２の
酸化を防止するために、ガス吹込口１３から不活性ガス
を入れている。

この熱処理による具体例は次のとおりである。

出力ｔｏｏｏｗのレーザビーム（ビーム直径、約ＩＤ５
ｗφ）を高炭素の鋼線（Ｏｊｍｓ＋φ）と同軸方向に入
射し、鋼線を２００ｓｐ−の速度で移動させた場合、鋼
材の表面温度は６００℃に上昇し、その結果、鋼線断面
の極表層、約ｌＯ終■に円周方向に均一な焼鈍層が形成
された。第８図はこの具体例により熱処理した鋼線と、
従来の方法で製造した鋼線の曲げ疲労試験と捻回試験の
結果を示した図である。

第８図から明らかなように、この発明の実施例と従来例
とを比較して、捻回試験による捻回値に差はなかったが
、曲げ疲労寿命において、この実施例によるレーザ処理
を施したものは大幅に向上していることがわかる。

［発明の効果］以上詳細に説明したとおりこの発明は、内面もしくは外
面が鏡面であるコーン型ミラーの中心軸上に、熱処理用
の加工物を、その加工物の中心軸が一致するように配置
し、前記加工物の表面もしくは内面に対して、その加工
物と平行もしくはほぼ平行なレーザビームを、前記コー
ン型ミラーを介して照射して、このレーザビームを前記
加工物と前記コーン型ミラーの内面もしくは外面との間
を多重反射させると同時に、前記加工物もしくはコーン
型ミラーを移動させて前記加工物の表面層もしくは内面
層を連続的に熱処理することにより、レーザビームを用
いてあらゆる種類の加工物の表面層を数十終園の厚さ、
に熱処理することができ、さらにそれによって、鋼材等
の曲げ疲労寿命の向上にも役立つことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例であるコーン型ミラーを用
いて鋼線をレーザビーム熱処理する装置の概略を示した
図、第２図はコーン型ミラーを用いたレーザ熱処理用集
光光学系の概略を示した図、第３図は外面反射型のコー
ン型ミラーを用いた熱処理加工物の概略を示した図、第
４図はコーン型ミラー内面でのレーザビームの多重反射
の説明図、第５図はレーザビームの径が８ｍｍで円錐の
頂角がそれでれ３°と５６の場合の反射点の位置を示し
た図、第６図はレーザ出力１０口ＯＷ、ビーム径Ｉｎ龍
φ、コーンの頂角が０５°、１５°の場合について示し
た図、第７図はコーン型ミラー内で加工物を移動させた
場合の加工物の表面上における温度時間変化を示した図
、第８図はこの具体例により熱処理した鋼線と、従来の
方法で製造した鋼線の曲げ疲労試験と捻回試験の結果を
示した図、第９図は鋼線、丸棒等の円柱形状の加工物に
対して、従来のレーザビームによる熱処理加工の例を示
した図、第１Ｏ図（ａ）はデフォーカスビーム方式を、
同Ｌｍ（ｂ）は分割ミラー線状ビーム方式を、同図（Ｃ
）はビームスキャナ方式を、同図（ｄ）はインテグレー
シミンミラ一方式を、同図（ｅ）はカライドスコープ方
式を、同図（ｆ）はポリゴンミラ一方式をそれぞれ示し
た図、第１１図は鋼材表面のレーザビームの反射率を示
した図である。図中。ｌ：コーン型ミラー　　２：加工物３：レーザビーム　　　５：レーザ発振器７．１２：ペ
ンディングミラー９：駆動装置代理人　ｊＦ理士　１）北　嵩　晴 −１ｇ← し−で一蝕ミカ　１０００Ｗピーｔａ＜％　　１０ｍｍ９’ 第７図第８図（α）ビーへ（ｂ）第９図 □□−■ 第１０図へ射＊ｐ（鞠）第１１図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）内面もしくは外面が鏡面である円錐型ミラーの中
心軸上に、熱処理用の加工物を、その加工物の中心軸が
一致するように配置し、前記加工物の表面もしくは内面
に対して、その加工物と平行もしくはほぼ平行なレーザ
ビームを、前記円錐型ミラーを介して照射して、このレ
ーザビームを前記加工物と前記円錐型ミラーの内面もし
くは外面との間を多重反射させると同時に、前記加工物
もしくは円錐型ミラーを移動させて前記加工物の表面層
もしくは内面層を連続的に熱処理することを特徴とする
加工物の熱処理方法。
（２）加工物は棒鋼もしくは線材または鋼管であること
を特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の加工物の
熱処理方法。
（３）レーザ発振器と、内面もしくは外面が鏡面である
円錐型ミラーと、前記レーザ発振器からのレーザビーム
を伝送し、かつレーザビームの前記円錐型ミラーに対す
る投入角を制御するミラーとからなるレーザビーム照射
系と、加工物もしくは円錐型ミラーを移動させる駆動装
置とからなることを特徴とする加工物の熱処理装置。
（４）円錐型ミラーは、その円錐の頂角が、２度乃至５
度の範囲の内面が鏡面であるもの、もしくは２度乃至１
５度の範囲の外面が鏡面であるもののいずれかであるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第（３）項記載の加工物
の熱処理装置。