JPS639004B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、金属等の材料にレーザを照射して加
熱を行なう加熱方法に関するものである。

従来より、レーザ照射による加熱方法として
は、被加工材料表面がレーザ光を反射してしまい
被加工材料の加熱所望部分が十分に加熱されない
ので、予め加熱すべき被加工材料の表面にレーザ
吸収物質の層を形成してレーザ照射加熱処理を行
なう方法が取られている。その被覆物質として、
現在、粉末黒鉛、金属酸化物、リン酸塩等が実用
に供されている。その中でも、リン酸塩は、特に
炭酸ガスレーザ吸収率が高く、化成処理により金
属（特に鉄）表面に比較的均一なリン酸塩被膜を
生成させることが可能であるため、広く実用に供
されている。

ところが、上記リン酸塩にあつても、レーザ吸
収率は未だ満足できるものではなく、また、化成
処理に依るために工程が複雑で管理が難しい等技
術的に問題が多く、更に鉄等の金属表面を腐食す
る等の欠点を有する。

そこで、発明者らは、レーザ吸収率が極めてよ
く、しかも工程が簡単で被加工材の加熱所望部分
表面を腐食しない被覆物質を被加工材料表面に形
成し、効率のよいレーザ加熱処理を行なうことを
目的として研究を重ね、本発明を成すに至つたの
である。

即ち、本発明のレーザ加熱方法は、加熱すべき
被加工材の表面に、予め珪酸ソーダの被覆層を形
成して、然る後に、被加工材の加熱所望部分にレ
ーザを、照射することを特徴とするものである。

本発明に依れば、珪酸ソーダが非常に高いレー
ザ吸収能を有するので、所望する局部的加熱を効
率よく行うことができる。

本発明に於いて、被加工材は、金属の他プラス
チツク、セラミツクス等がある。被覆層がレーザ
を吸収することに依つて、被加工材の表面の熱効
率の向上が見られる材料であれば総て適用しう
る。

また、本発明は、焼入れ、焼戻しのほか、金
属、プラスチツク、セラミツクス等を加熱する
種々の加熱処理方法に利用できる。

また、本発明に於いて用いる被覆物質たるケイ
酸ソーダは、酸化ナトリウム（Na₂O）と酸化珪
素（SiO₂）とから成るものであり、通常水ガラ
スと言われている。水ガラスには、JIS規格に依
つて「SiO₂／Na₂Oのモル比ｎにより、１号（ｎ
＝2.1）、２号（ｎ＝2.5）、３号（ｎ＝3.1）」等の
種類があるが、いずれのものであつても本発明の
効果を発揮する。

また、本発明に於ける被覆層の厚さは、少なく
とも1μｍ以上あればよい。レーザの照射条件、
被加工材の材質、被覆材料等により異なるが、被
覆層の厚さが余り薄過ぎると被加工材料表面に於
けるレーザの反射の割合が多く成り十分にレーザ
を吸収することができない。また、逆に被覆層の
厚さが500μｍ以上に成ると被覆層に於いてレー
ザを吸収する過程で、被覆層に多くの熱量を奪わ
れ被加工材表面に於ける熱効率が低下する恐れが
ある。

また、本発明に於いて、被覆層を形成するに際
しては、珪酸ソーダの水溶液中に被加工材料を浸
漬すること、被加工材料表面にスプレー、はけ塗
り等により塗布することにより行ない、被加工材
加熱部分表面に均一に塗布する。これは、被覆層
表面が均一でない場合には、該表面にレーザを照
射した際に表面の不均一な部分に於いてその割合
に応じて乱反射する場合が多く成り、レーザ吸収
率が悪いからである。

また、被加工材へのレーザ照射は、上記の如く
塗布した水溶液が乾燥してから行なうのが好まし
く、乾燥前にレーザ照射を行うと水分の蒸発が多
くなり熱効率が悪くなる。

以上の構成に依り、本発明のレーザ加熱方法
は、被覆物質として用いる珪酸ソーダが非常に高
いレーザ吸収能を有するので、その所望する被加
工材加熱部分の熱効率が大変良い。

また、被覆物質たる珪酸ソーダはアルカリ性の
液体であるので、被加工材の被覆表面が浸食され
ることなく、浸漬、スプレー或いははけ塗り等に
依り被覆した後に乾燥させレーザ照射を行なえば
よいので、工程を単純にすることができ、簡便に
加熱処理を行なうことができる。

また、形状の複雑な被加工材にも簡単に被覆層
を形成することができる。

尚、本発明に於いては、上記水ガラスにマイ
カ、珪酸、カーボンブラツク等の粉末を混合して
被覆層を形成することもできる。この場合には、
熱処理後に於けるこの被覆層の除去が容易であ
る。

以下、本発明の実施例を示す。

実施例 １ 板厚５mmのSK5鋼を被加工材とし、これを珪酸
ソーダ20％と水80％から成る水ガラスの中に浸漬
した後、これを取り出し、大気中で乾燥すること
により、珪酸ソーダの被覆層を生成させた。該被
覆層の厚さは5μｍであつた。然る後、該被覆部
に、炭酸ガスレーザを出力900W、ビーム径3φ、
試料送り速度50mm／Secで照射した。これによ
り、被加工材には、幅2.1mm、深さ0.3mmの焼入れ
硬化部が得られた。該硬化部の硬さは、約Hv＝
900であり、十分焼入れが成されていた。被加工
材の焼入れ硬化部分の表面から深さ方向への硬さ
分布を第１図に、曲線１で示す。また、被加工材
硬化部の焼入れ断面部分の金属組織の顕微鏡写真
（倍率50倍）を第２図に示す。第２図に於いて、
円孤状断面を呈する部分が焼入れされた部分であ
る。

また、比較例として、日本パーカライジング製
パーコリユーブライト（LU−1AM）を用い、こ
の液中に、上記と同様の被加工材を95℃にて10な
し15分間浸漬し、リン酸塩の被覆層を生成させ
た。次いで、この被加工材に上記と同様の条件で
炭酸ガスレーザを照射した。これにより、被加工
材には、幅1.9mm、深さ0.1mmの焼入れ硬化部が得
られた。該硬化部の硬さは約Hv＝880であつた。
該被加工材硬化部の表面からの深さ方向への硬さ
分布を第１図に、曲線２で示す。また、この硬化
部の焼入れ断面部分の金属組織の顕微鏡写真（倍
率50倍）を第３図に示す。第３図に於いて、円孤
状断面を呈する部分が焼入れされた部分である。

また、上記リン酸塩被覆層を形成した場合、上
記水ガラスにより得られた硬化部の深さ0.3mmと
同じ深さを得るには、試料の送り速度を31mm／
Sec（他は同一条件）という遅い速度にしなけれ
ばならなかつた。ここに、試料送り速度が約半分
であつたことは、レーザによる入熱を約２倍要す
るということを意味する。即ち、上記水ガラスの
場合には、試料送り速度が50mm／Secであつたか
ら、リン酸塩の場合よりも約1.6倍程レーザ吸収
率が高いことが分る。

以上より明らかの如く、珪酸ソーダ被覆層を形
成せしめレーザを照射するレーザ加熱方法は、リ
ン酸塩の被覆層を形成せしめた場合より、工程が
少なくかつ簡便である上に、レーザ吸収率も非常
によく、本発明の効果が顕著であることが分る。

実施例 ２ 被覆量の異なる被覆層を形成し、レーザ照射を
行ない、焼入断面積の関係について測定した。

即ち、板厚５mmの共析炭素鋼（SK5）を被加工
材とし、これを水ガラス中に浸漬した後、大気中
で乾燥することにより珪酸ソーダの被覆層を生成
させた。この際、種々の濃度の水ガラスを準備し
ておき、珪酸ソーダの被覆層の量が異なる各種試
片を調製した。レーザ照射は、該被覆層に炭酸ガ
スレーザを出力900W、ビーム径6φ、試料送り速
度50mm／Secで行なつた。被覆層の厚さによるレ
ーザ吸収率を評価する為に、焼入部の断面積の大
小を評価した。これは、被覆層のレーザ吸収率が
高い程焼入部の体積が大きく成るからであり、そ
の焼入体積に比例関係にある焼入断面積を測定す
れば、レーザ吸収能の大きさを評価できるからで
ある。被覆層の重量と焼入断面積との関係を第４
図に、曲線３で示す。

尚、比較例として、被覆物質としてリン酸マン
ガン、マイカ（雲母）、酸化珪素（SiO₂）、カー
ボンブラツクを用い、上記と同様の被加工材上に
その被覆量を種々に変えて被覆し、それぞれにつ
いて上記と同様のレーザ照射加熱処理を行なつ
た。ここに、マイカ、酸化珪素、カーボンブラツ
クは、粉末であるのでバインダとしてポリビニー
ルアルコール（P.V.A.）水溶液を用いて、両者
の混合液をスプレーで噴霧し被加工材に被覆し
た。また、リン酸塩被覆層は、リン酸マンガンを
化成処理によつて生成させた。被覆量と焼入断面
積との関係を第４図に、リン酸マンガンの場合は
曲線４、マイカの場合は曲線５、酸化珪素の場合
は曲線６、カーボンブラツクの場合は曲線７の各
曲線で示した。

第４図から明らかの如く、被覆層が水ガラスの
場合には、特に被覆量が３ｇ／m²から30ｇ／m²
（厚み2μｍから23μｍ）に於いて他の被覆物質の
場合よりも非常に高いレーザ吸収率を示している
ことが分る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、珪酸ソーダおよびリン酸塩被覆層に
レーザ照射を行なつた被加工材焼入部分の表面か
ら深さ方向への硬さ分布を示す図。第２図および
第３図は、その焼入れ断面部分の金属組織の顕微
鏡写真（倍率50倍）。第４図は、珪酸ソーダ、リ
ン酸マンガン、マイカ、酸化珪素、カーボンブラ
ツクを被覆層とした場合のレーザ照射による被覆
量と焼入れ断面積との関係を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 加熱すべき被加工材の表面に、珪酸ソーダの
   被覆層を形成し、然る後被加工材の加熱所望部分
   にレーザを照射することを特徴とするレーザ加熱
   方法。