KR100730534B1 - Laser heat treatment apparatus and method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 밸브 스풀과 같은 환봉을 격자 형태로 레이저 열처리할 때, 레이저 빔에 의한 표면의 용융없이 빠른 시간 내에 충분한 열처리 깊이를 얻을 수 있는 레이저 열처리 장치 및 방법에 관한 것이다, 본 발명에 따른 레이저 열처리 장치는, 제어 장치 및 측정 장치가 수용되는 베드; 상기 베드의 한 쪽 측부에 설치되어 원형 막대 형상의 피가공재의 한 쪽을 지지하는 지지대; 상기 지지대와 마주하도록 상기 베드의 다른 쪽 측부에 설치되어, 피가공재의 다른 쪽을 지지하며, 회전 구동되는 회전 주축대; 및 상기 지지대와 상기 회전 주축대 사이에서 상기 베드의 길이 방향을 따라서 이동하며, 상기 지지대 및 회전 주축대에 지지되어 회전되는 피가공재를 격자 형상으로 열처리하기 위한 레이저가 설치되는 레이저 발진부를 포함하며; 상기 레이저 발진부는 피가공재가 회전하는 동안 하나의 열처리 지점에 대해 용융 온도 이하의 온도로 소정 시간 동안 레이저 빔의 조사 및 조사 정지를 소정의 횟수만큼 반복적으로 수행하는 것에 의하여 피가공재가 열처리된다.The present invention relates to a laser heat treatment apparatus and method which can obtain a sufficient heat treatment depth in a short time without melting the surface by a laser beam when laser-heating a round bar such as a valve spool, the laser heat treatment according to the present invention. The apparatus comprises a bed in which a control device and a measuring device are housed; A support installed on one side of the bed to support one side of a workpiece having a circular rod shape; A rotating spindle installed on the other side of the bed so as to face the support, supporting the other side of the workpiece, and being driven to rotate; And a laser oscillation unit which moves along the longitudinal direction of the bed between the support and the rotating spindle, and is provided with a laser for thermally processing a workpiece to be rotated by being supported by the support and the rotating spindle. The laser oscillation part is heat treated by repeatedly performing a predetermined number of times of irradiating and stopping the laser beam for a predetermined time at a temperature below the melting temperature for one heat treatment point while the workpiece is rotated.
레이저 열처리, 밸브 스풀, 회전 주축대, Laser heat treatment, valve spool, rotary headstock,
Description
도 1은 굴삭기와 같은 중장비의 유압 시스템에서 사용되도록 열처리된 밸브 스풀의 개략 사시도.1 is a schematic perspective view of a valve spool heat treated for use in a hydraulic system of heavy equipment such as an excavator.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 열처리 장치의 개략 사시도.2 is a schematic perspective view of a laser heat treatment apparatus according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 레이저 열처리 방법에 따른 레이저 빔의 조사 및 시간과의 관계를 나타낸 그래프. Figure 3 is a graph showing the relationship between the irradiation time and the laser beam of the laser heat treatment method according to the present invention.
도 4는 도 3에서와 같이 레이저 빔의 조사에 따른 피열처리 재료의 열처리 온도와 시간의 관계를 나타낸 그래프.4 is a graph showing the relationship between the heat treatment temperature and the time of the heat-treated material according to the irradiation of the laser beam as in FIG.
도 5는 본 발명에 따른 레이저 열처리 장치 및 방법의 실험예에 따른 도 4와 유사한 그래프.5 is a graph similar to FIG. 4 according to an experimental example of a laser heat treatment apparatus and method according to the present invention;
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)(Explanation of symbols for the main parts of the drawing)
1 : 베드 2 : 지지대1: bed 2: support
3 : 회전 주축대 4 : 레이저 발진부3: rotating headstock 4: laser oscillator
5 : 레일 지지부 6 : 레일5: rail support part 6: rail
7 : 실린더 8 : 피스톤7: cylinder 8: piston
9 : 돌출 베어링 10 : 돌출핀9: protruding bearing 10: protruding pin
11, 15 : 모터 12 : 장착대11, 15: motor 12: mounting base
13 : 리드 스크루 14 : 왕복대13: lead screw 14: carriage
16 : V 블록 100 : 밸브 스풀16: V block 100: valve spool
본 발명은 레이저 열처리 장치 및 방법에 관한 것이고, 보다 상세하게는 환봉과 같은 봉재의 표면을 열처리하기 위한 레이저 열처리 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a laser heat treatment apparatus and method, and more particularly, to a laser heat treatment apparatus and method for heat-treating the surface of the bar, such as round bar.
일반적으로, 굴삭기와 같은 중장비에서 사용되는 유압 시스템은 큰 출력을 제공하여야 하기 때문에, 굴삭기의 유압 시스템에 사용되는 밸브 스풀과 같은 부품은 표면으로부터 일정 깊이 이상 열처리된다. 이러한 굴삭기의 유압 시스템에 사용되는 밸브 스풀의 열처리는 레이저 빔에 의해 열처리된다. In general, hydraulic systems used in heavy equipment, such as excavators, must provide greater power, so parts such as valve spools used in hydraulic systems of excavators are heat-treated to some depth from the surface. The heat treatment of the valve spool used in the hydraulic system of such an excavator is heat treated by a laser beam.
레이저 열처리는 가열과 냉각을 통한 강의 기계적 성질을 변화시킨다는 점에서, 다른 열처리 방법과 원리적으로 동일하다. 다만, 레이저 빔이라는 열원이 표면 효과(skin effect)에 의해, 표면에서만 재료를 급속하게 가열하여 오오스테나이트 생성 온도까지 가열되었다가, 레이저를 끄거나 또는 재료의 이동으로 더 이상 레이저 에너지원이 없는 경우, 다른 효과보다도 재료 내부로의 전도로 인해 급속하게 자체 냉각된다는 점에서 큰 차이가 있다. Laser heat treatment is in principle identical to other heat treatment methods in that it changes the mechanical properties of the steel through heating and cooling. However, due to the skin effect, a heat source called a laser beam is heated to the austenite formation temperature by rapidly heating the material only on the surface, and turning off the laser or moving the material no longer causes the laser energy source. In this case, there is a large difference in that the self-cooling is rapidly caused by the conduction into the material rather than the other effects.
이러한 방식의 레이저 열처리에 의하여 굴삭기의 유압 시스템에서 사용되는 밸브 스풀(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 표면 전체가 열처리되는 것이 아니고 단속적으로(격자 형상) 또는 연속적으로(띠 형상) 열처리된다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 밸브 스풀(100)은 도 1에서 열처리 부분(101)과 미열처리 부분(102)으로 구분될 수 있다. 레이저 빔에 의한 밸브 스풀(100)의 열처리는 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이 밸브 포트를 개폐하는 부분은 원주 전체에 열처리되지만, 그 외의 부분은 격자 형태로 열처리된다. 레이저 빔에 의한 밸브 스풀(100)의 열처리 깊이는 대략 0.6 내지 0.7㎜의 깊이를 가지며, 격자의 크기는 2×2㎜, 3×3㎜의 크기를 가진다. By the laser heat treatment in this manner, the
종래에, 밸브 스풀의 격자 형태의 레이저 열처리는 밸브 스풀의 표면을 밸브 스풀의 표면으로부터 충분한 깊이의 열처리 깊이를 얻도록 열처리할 때, 밸브 스풀의 표면이 레이저 빔에 의해 용융되는 문제점이 있었으며, 레이저 빔에 의한 표면 용융의 문제점을 해결하도록 재료의 용융 온도 이하의 온도로 재료의 표면을 열처리하는 경우에, 많은 시간의 소요와 함께 열처리가 충분한 깊이까지 되지 못한다는 문제점이 있었다. Conventionally, the lattice-shaped laser heat treatment of the valve spool has a problem that the surface of the valve spool is melted by the laser beam when heat-treating the surface of the valve spool to obtain a sufficient heat treatment depth from the surface of the valve spool. In the case of heat-treating the surface of the material at a temperature below the melting temperature of the material to solve the problem of surface melting by the beam, there is a problem that the heat treatment does not reach a sufficient depth with much time.
따라서, 본 발명의 목적은 밸브 스풀과 같은 환봉을 격자 형태로 레이저 열처리할 때, 레이저 빔에 의한 표면의 용융없이 빠른 시간 내에 충분한 열처리 깊이를 얻을 수 있는 레이저 열처리 장치 및 방법을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a laser heat treatment apparatus and method capable of obtaining a sufficient heat treatment depth in a short time without melting the surface by a laser beam when a round bar such as a valve spool is laser heat treated.
상기된 바와 같은 목적은, 제어 장치 및 측정 장치가 수용되는 베드; 상기 베드의 한 쪽 측부에 설치되어 원형 막대 형상의 피가공재의 한 쪽을 지지하는 지 지대; 상기 지지대와 마주하도록 상기 베드의 다른 쪽 측부에 설치되어, 피가공재의 다른 쪽을 지지하며, 회전 구동되는 회전 주축대; 및 상기 지지대와 상기 회전 주축대 사이에서 상기 베드의 길이 방향을 따라서 이동하며, 상기 지지대 및 회전 주축대에 지지되어 회전되는 피가공재를 격자 형상으로 열처리하기 위한 레이저가 설치되는 레이저 발진부를 포함하며; 상기 레이저 발진부는 피가공재가 회전하는 동안 하나의 열처리 지점에 대해 용융 온도 이하의 온도로 소정 시간 동안 레이저 빔의 조사 및 조사 정지를 소정의 횟수만큼 반복적으로 수행하는 것에 의하여 피가공재가 열처리되는 것을 특징으로 하는 본 발명의 한 양태에 따른 레이저 열처리 장치에 의하여 달성될 수 있다.An object as described above includes a bed in which a control device and a measurement device are accommodated; A support plate installed on one side of the bed to support one side of a workpiece having a circular rod shape; A rotating spindle installed on the other side of the bed so as to face the support, supporting the other side of the workpiece, and being driven to rotate; And a laser oscillation unit which moves along the longitudinal direction of the bed between the support and the rotating spindle, and is provided with a laser for thermally processing a workpiece to be rotated by being supported by the support and the rotating spindle. The laser oscillation part is heat treated by repeatedly performing a predetermined number of times of irradiation and irradiation stop of the laser beam for a predetermined time at a temperature below the melting temperature with respect to one heat treatment point while the workpiece is rotated. It can be achieved by the laser heat treatment apparatus according to an aspect of the present invention.
대안적으로, 본 발명에 따른 레이저 열처리 장치는 상기 지지대와 상기 회전 주축대 사이의 베드 상에서 이동될 수 있도록 설치되는 V 블록을 추가적으로 포함할 수도 있다. Alternatively, the laser heat treatment apparatus according to the present invention may further include a V block installed to be moved on a bed between the support and the rotating headstock.
상기에서, 상기 레이저 발진부는 바람직하게 50㎳의 1 차 레이저 빔 조사 및 10-15㎳의 다수의 레이저 빔 조사 작동, 및 각 레이저 빔 조사 시간들 사이의 10-15㎳ 시간의 레이저 빔 조사 정지 방식으로 구동된다. In the above, the laser oscillator preferably has a 50 s first laser beam irradiation and 10-15 s multiple laser beam irradiation operations, and a laser beam irradiation stop method of 10-15 ms between each laser beam irradiation times. Driven by.
상기 지지대는 중심부에 압축 스프링에 의해 탄성적으로 가압되는 돌출핀이 제공된다. The support is provided with a protruding pin that is elastically pressed by a compression spring in the center.
대안적으로, 상기된 바와 같은 목적은, 원형 막대 형상의 피가공재의 원주 방향의 첫 구간의 첫 번째 열처리 지점에 대해 용융 온도 이하의 온도로 소정 시간 동안 레이저 빔을 1차 조사하는 단계와; 레이저 빔의 1 차 레이저 빔 조사 후, 상 기 1 차 레이저 빔 조사 시간보다 짧은 시간 동안 레이저 빔의 조사를 정지한 후에, 상기 1 차 레이저 빔 조사 단계와 동일하게 레이저 빔을 1 차 다음의 열처리 지점에 대해 조사하는 단계와; 레이저 빔의 조사를 상기 정지 시간만큼의 시간동안 정지한 후에, 상기 1 차 레이저 빔 조사와 동안 동일한 온도로 상기 첫 번째 및 다음의 열처리 지점에 대해 소정 횟수만큼 반복하는 것을 특징으로 하는 본 발명의 다른 양태에 따른 레이저 열처리 방법에 의해 달성될 수 있다.Alternatively, the object as described above comprises the steps of: first irradiating the laser beam for a predetermined time at a temperature below the melting temperature with respect to the first heat treatment point of the first section in the circumferential direction of the workpiece of the circular rod shape; After irradiating the laser beam with the laser beam, the irradiation of the laser beam is stopped for a time shorter than the first laser beam irradiation time, and then the heat treatment point following the primary beam is irradiated in the same manner as the first laser beam irradiation step. Investigating for; After the irradiation of the laser beam is stopped for the time as much as the stop time, another period of the invention is repeated for the first and the next heat treatment points at the same temperature during the first laser beam irradiation. It can be achieved by the laser heat treatment method according to the aspect.
상기에서, 상기 1 차 레이저 빔 조사 이외의 레이저 빔의 조사 시간을 상기 1 차 레이저 빔의 조사 시간보다 짧다. In the above, the irradiation time of the laser beam other than the primary laser beam irradiation is shorter than the irradiation time of the primary laser beam.
상기에서, 상기 1 차 레이저 빔 조사 시간은 50㎳이고, 이후의 레이저 빔 조사 시간은 10-15㎳이며, 각 레이저 빔 조사 시간들 사이의 레이저 빔 조사 정지 시간은 10-15㎳이다. In the above, the primary laser beam irradiation time is 50 ms, the subsequent laser beam irradiation time is 10-15 ms, and the laser beam irradiation stop time between each laser beam irradiation times is 10-15 ms.
레이저 빔은 회전하는 피가공재에 조사되고, 원주 방향의 첫 번째 구간의 열처 후에 피가공재의 길이 방향으로 이동하여, 상기 단계들이 반복 수행된다. The laser beam is irradiated to the rotating workpiece, moves in the longitudinal direction of the workpiece after heat treatment of the first section in the circumferential direction, and the above steps are repeated.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 열처리 장치의 개략 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 열처리 장치는 베드(1), 베드(1)의 한 쪽 측부에 설치되어 원형 막대 형상의 피가공재, 즉 밸브 스풀(100)의 한 쪽을 지지하는 지지대(2), 베드(1)의 다른 쪽 측부에 설치되어 밸브 스풀(100)의 다른 쪽을 지지하는 회전 주축대(3), 지지대(2)와 회전 주축대(3) 사이에서 베드(1)의 길이 방향 을 따라서 이동하는 레이저 발진부(4)를 포함한다. 상기된 바와 같은 베드(1), 지지대(2), 회전 주축대(3) 및 레이저 발진부(4)는 모듈 방식으로 구성되어, 그 구조가 필요에 따라서 독립적으로 변경될 수 있다. 2 is a schematic perspective view of a laser heat treatment apparatus according to the present invention. As shown in FIG. 2, the laser heat treatment apparatus according to the present invention is installed on one side of the
베드(1)는 도면에 도시된 바와 같이 테이블 형태로 만들어지며, 그 내부에는 본 발명에 따른 레이저 열처리 장치를 제어하기 위한 제어 장치 및 측정 장치 등이 수용된다. 지지대(2), 회전 주축대(3) 및 레이저 발진부(4)는 베드(1) 내에 수용된 제어 장치에 의해 그 구동이 제어된다. The
지지대(2)는 내측 단부면 중심 부분에 밸브 스풀(100)의 단부면을 지지하기 위한 돌출 베어링(9)을 가지며, 베드(1)의 한 쪽 측부에서 베드(1)의 길이 방향으로 연장하도록 설치된 레일 지지부(5)에서 베드(1)의 길이 방향으로 슬라이딩 가능하게 설치된다. 즉, 지지대(2)는 레일 지지부(5) 상에 설치되는 레일(6)과 슬라이딩 결합되며, 지지대(2)의 한 쪽 단부면이 레일 지지부(5) 상에 고정된 실린더(7)의 피스톤(8)에 연결된다. 돌출 베어링(9)은 지지대(2)에 내장된 압축 스프링(도시되지 않음)에 의해 탄성적으로 가압되어, 밸브 스풀(100)의 한 쪽 단부를 탄성적으로 가압하여 지지한다. The
지지대(2)와 마주하여 베드(1)에 설치되는 회전 주축대(3)는 그 중심 부분에 밸브 스풀(100)의 다른 쪽 단부면을 지지하기 위하여 약 10㎜의 길이로 돌출되는 돌출핀(10)이 제공되며, 모터(11)에 의해 회전될 수 있도록 장착대(12)에 회전 가능하게 설치된다. 따라서, 밸브 스풀(100)이 회전 주축대(3)와 지지대(2) 사이에 설치되었을 때, 모터(11)에 의해 회전되는 회전 주축대(3)의 회전력이 밸브 스풀 (100)에 전달됨으로써 밸브 스풀(100)이 소정의 회전 속도로 회전된다. 밸브 스풀(100)이 회전 주축대(2)의 구동에 의하여 회전될 때, 밸브 스풀(100)의 한 쪽 단부를 지지하는 지지대(2)에는 돌출 베어링(9)이 제공되기 때문에, 밸브 스풀(100)은 지지대(2)에 의한 회전 저항이 방지될 수 있다.Rotating headstock (3) installed on the bed (1) facing the support (2) is a protruding pin protruding to a length of about 10 mm to support the other end surface of the
한편, 지지대(2)와 회전 주축대(3) 사이에 설치되는 레이저 발진부(4)는 베드(1)의 길이 방향을 따라서 설치된 리드 스크루(13)에 설치되는 왕복대(14)에 설치된다. 리드 스크루(13)는 모터(15)에 의해 회전되고, 리드 스크루(13)의 회전에 의해 왕복대(14)는 베드(1)의 길이 방향으로 이동한다. On the other hand, the
한편, 밸브 스풀(100)은 회전 주축대(3)와 지지대(2)에 적재될 때, 회전 주축대(3)와 지지대(2) 사이의 베드(1)에 위치되는 V 블록(16)에 위치된다. 밸브 스풀(100)이 V 블록(16)에 위치되었을 때, V 블록(16)은 밸브 스풀(100)이 지지대(2)와 회전 주축대(3)에 의해 적재될 수 있도록 승강 또는 전후진되도록 이동하여, 밸브 스풀(100)의 중심이 회전 주축대(3)의 돌출핀(10)과 지지대(2)의 돌출 베어링(9)의 중심과 일치되도록 위치된다. 이러한 V 블록(16)은 열처리될 밸브 스풀(100)의 지름에 따라서 적절하게 선택될 수 있다. On the other hand, when the
레이저 발진부(4)에 의한 밸브 스풀(100)에 대한 레이저 빔의 조사는 밸브 스풀(100)이 회전 주축대(3)와 지지대(2)에 의해 지지된 상태에서 소정의 속도로 회전될 때 이루어진다. 레이저 빔의 강도는 밸브 스풀(100)이 레이저 빔에 의해 용융되지 않을 정도의 강도를 가진다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 밸브 스풀(100)의 L1 구간에서 열처리될 부분이 5개의 격자 부분일 때, 레이저 발진부(4) 는 리드 스크루(13)의 회전에 의한 이송없이 회전되는 밸브 스풀(100)의 L1 구간에서의 열처리를 수행한다.Irradiation of the laser beam to the
레이저 발진부(4)에 의한 L1 구간의 열처리는 도 3에 도시된 바와 같이 레이저 발진부(4)가 가동에 의해 열처리 부분(101)이 열처리되고, 레이저 발진부(4)가 정지될 때 부분(102)에 대한 열처리가 이루어지지 않은 상태에서, 레이저 발진부(4)가 다시 작동됨으로써, 그 다음 부분이 열처리된다. The heat treatment of the L1 section by the
상기된 바와 같이, 밸브 스풀(100)을 격자 형상으로 열처리하기 위하여 레이저 발진부(4)가 소정 시간의 작동 및 정지를 반복한다. 즉, 레이저 발진부(4)는 도 3에 도시된 바와 같이 열처리로 인한 밸브 스풀(100)의 표면 용융을 방지하기 위하여 예를 들어 50㎳의 레이저 1 차 조사 및 10-15㎳의 2 내지 5차의 조사 시간 및 각 조사 시간들 사이의 10-15㎳ 시간의 조사 정지(냉각)의 방식으로 구동된다. 도 3의 제 1 구간(t1)에서의 레이저 빔 조사에 의한 밸브 스풀(4)의 표면 온도는 밸브 스풀(100)의 용융점 부근의 온도까지 가열된다. 그러나, 밸브 스풀(4)의 표면으로부터 일정 깊이의 온도는 열처리 온도에 미치지 못하고, 열처리 온도 이하의 온도로 가열된다. As described above, the
이러한 상태에서, 레이저 발진부(4)는 순간적으로 작동이 정지되고, 밸브 스풀(100)이 회전되어, 구간(t2)이 레이저 발진부(4)의 위치에 도달하였을 때, 레이저 발진부(4)가 소정 시간 동안 작동하여, 레이저 빔이 구간(t1)과 동일하게 구간(t2)에 대해 열처리를 수행하도록 레이저 빔을 조사한다. 따라서, 구간(t2) 또한 밸브 스풀(4)의 표면으로부터 일정 깊이의 온도는 열처리 온도에 미치지 못하고, 열처리 온도 이하의 온도로 가열된 상태가 되고, 이와 같은 레이저 발진부(4)로부터의 레이저 빔 조사 및 조사 정지가 반복된다. 상기된 바와 같은 본 발명에 따른 레이저 열처리 장치 및 방법에 의하여, 밸브 스풀(100)의 재질에 따라서 차이가 있으나, 하나의 밸브 스풀(100)을 열처리하는데 대략 1분 30초의 시간이 소요된다.
즉, 상기 레이저 발진부(4)가 밸브 스풀(100)의 각 구간을 열처리하는 과정을 정리하면 다음과 같다.
도 1에서 레이저 발진부(4, 도 2참조)는 먼저 L1 구간에 위치한다. 이때, 상기 레이저 발진부(4)는 도 3에서와 같이 레이저 빔이 소정의 시간 동안 조사 및 조사 정지가 반복됨과 동시에, 상기 밸브 스풀(100)은 회전주축대(3, 도 2참조)에 의하여 원주방향으로 회전하므로, L1 구간은 열처리가 된 곳(101)과 열처리가 되지 않은 곳(102)이 반복적으로 나타나게 된다. 다음으로, 레이저 발진부(4)는 리드스크루(13, 도 2참조)의 회전에 의하여 밸브 스풀(100)의 L2 구간으로 이동한다. L2 구간에서도 상기와 마찬가지로 밸브 스풀(100)은 원주방향으로 회전하고, 레이저 발진부(4)에서는 도 3에서와 같이 소정의 시간 간격을 두고 레이저 빔을 조사하게 되므로 L2 구간에서도 격자 형태의 열처리가 나타나게 된다.In this state, the
That is, the
In FIG. 1, the laser oscillator 4 (see FIG. 2) is first positioned in the L1 section. At this time, the
도 4는 도 3에서와 같이 레이저 빔의 조사에 따른 피열처리 재료의 열처리 온도와 시간의 관계를 나타낸 그래프이다. FIG. 4 is a graph showing a relationship between heat treatment temperature and time of a material to be treated according to irradiation of a laser beam as in FIG. 3.
도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 발진부(4)의 작동에 의하여 레이저 빔이 밸브 스풀(100)의 첫째 구간(t1)에 1회 조사되었을 때, 밸브 스풀(100)의 표면은 레이저 빔의 조사에 의해 용융됨이 없이 열처리 온도로 가열되는 반면에, 표면으로부터 일정 깊이, 예를 들어 0.25㎜ 깊이의 제 1 깊이 부분과 0.6㎜ 깊이의 제 2 깊이 부분은 열처리 온도에 도달되지 않고 일정 온도로 가열됨을 알 수 있다. 밸브 스풀(100)의 표면 하부의 제 1 깊이 부분은 그 아래에 있는 제 2 깊이부분보다 높은 온도로 가열된다. As shown in FIG. 4, when the laser beam is irradiated once to the first section t1 of the
이러한 상태에서, 밸브 스풀(100)의 회전에 의해, 다음 구간(t2)에 대해 열처리를 수행하도록 레이저 발진부(4)가 작동하여 다음 구간(t2)에 레이저 빔을 조사한다. 따라서, 구간(t2)에서도 구간(t1)과 같이 밸브 스풀(100)의 표면은 레이저 빔의 조사에 의해 용융됨이 없이 열처리 온도로 가열되는 한편, 표면으로부터 제 1 깊이 부분과 제 2 깊이 부분은 열처리 온도에 도달되지 않고 일정 온도로 가열된다. In this state, by the rotation of the
한편, 레이저 발진부(4)의 작동이 정지된 후에, 밸브 스풀(100)이 회전 주축 대(3)와 지지대(2)에 지지된 상태에서 계속적으로 회전되는 것에 의하여, 레이저 빔이 밸브 스풀(100)의 구간(t1,t2..)들에 반복적으로 조사된다. 구간(t1,t2...)들에 레이저 빔이 반복적으로 조사되는 동안, 밸브 스풀(100)의 표면은 초기의 레이저 빔에 의한 용융없이 열처리 온도로 유지된 상태에서, 반복적인 레이저 빔의 조사에 밸브 스풀(100)의 제 1 및 제 2 깊이 부분들이 열처리 온도까지 가열됨으로써, 필요한 열처리 깊이까지 열처리될 수 있다.On the other hand, after the operation of the
한편, 상기된 바와 같은 레이저 빔의 조사 및 정지 시간은 ㎳ 단위의 시간 동안 이루어지며, 그 조사 횟수는 열처리될 재료, 즉 밸브 스풀(100)의 재질에 따라서 결정되고, 레이저 발진부(4)의 이송 또한 밸브 스풀(100)의 재질 및 레이저 열처리 조건에 따라서 결정된다. 그러므로, 레이저 발진부(4)는 레이저 빔을 회전중인 밸브 스풀(100)에 레이저 빔을 조사시키는 동안 리드 스크루(13)의 구동에 의해 베드(1)의 길이 방향으로 계속적으로 이동한다. On the other hand, the irradiation and stop time of the laser beam as described above is made for a time of ㎳ unit, the number of irradiation is determined according to the material to be heat-treated, that is, the material of the
실험예Experimental Example
본 발명의 발명자는 레이저 열처리의 생산성을 높이기 위하여, 본 발명에 따른 레이저 열처리 장치가 가지는 최대 출력으로 최대한 빨리 최고 온도, 즉 피가공재인 밸브 스풀(100)의 용융점 가까이 가열한 후, 밸브 스풀(100)의 표면 온도가 용융점 가까이 도달하면, 레이저 발진부(4)의 작동을 정지시키고, 밸브 스풀(100)의 표면의 열에너지가 밸브 스풀(100)의 내부로 확산한 후에, 다시 레이저 발진부(4)를 구동하여 밸브 스풀(100)에 레이저 빔을 조사하는 방법을 적용하였다. 이 때, 레이저 빔의 강도는 60W/㎟이었다. The inventor of the present invention, in order to increase the productivity of the laser heat treatment, after heating as close to the melting point of the
레이저 빔의 조사에 의한 최고 온도는, 탄소 함유량이 0.40~0.43%인 밸브 스풀(100)의 용융 온도가 약 1470℃이고 레이저 열처리로 인하여 누적되는 열효과가 약 50℃에서 100℃의 범위인 것을 고려하면, 밸브 스풀(100)의 표면 용융을 방지하기 위하여 1300℃를 상한 온도로 가정하였다. 이와 같은 조건하에서, 밸브 스풀(100)의 한 지점(3 x 3㎜)에 대한 1차 레이저 빔 조사 시간은 50㎳로 하였으며, 1차 조사 후에 5㎳ 동안 레이저 빔의 조사를 정지(냉각)한 후에, 다시 15㎳의 시간동안 레이저 빔을 조사하였으며, 이와 같은 방법으로 수회 레이저 빔을 조사한 결과, 표 1 및 도 5에 나타낸 바와 같은 표면과 제 1 깊이 및 제 2 깊이에서의 온도 변화가 발생하였다. The maximum temperature by the irradiation of the laser beam is that the melting temperature of the
[표 1]TABLE 1
이 실험결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 이 실험에 있어서 레이저 에너지가 과량 조사되므로, 4차 레이저 빔 조사에서 이미 표면이 용융 온도를 초과하는 문제점이 발행하였으며, 이러한 이유로, 1차 레이저 빔 조사 시간이 50㎳를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 한편, 밸브 스풀(100)의 표면이 충분한 에너지를 받음으로써, 제 2 깊이의 온도 증가가 매우 빠르며, 결과적으로 0.3㎜의 깊이에서는 이미 2차 레이저 빔 조사만으로 열처리에 충분한 온도에 도달하였으며, 0.35㎜에서는 3차 레이저 빔 조사때 열처리 온도에 도달함을 알 수 있었다. 4차 레이저 빔 조사 때는 0.45㎜의 깊이까지 열처리에 충분한 온도까지 도달하였으나 표면이 이미 용융 온도에 도달하므로 의미가 없으나, 짧은 시간에 충분한 깊이까지 열처리 온도에 도달함을 알 수 있다. As can be seen from the experimental results, since the laser energy is excessively irradiated in this experiment, a problem has already arisen that the surface exceeds the melting temperature in the fourth laser beam irradiation, and for this reason, the first laser beam irradiation time It is preferable not to exceed 50 Hz. On the other hand, since the surface of the
상기된 바와 같은 본 발명에 따른 레이저 열처리 장치 및 방법에 의하면, 밸브 스풀과 같은 환봉을 격자 형태로 레이저 열처리할 때, 레이저 빔에 의한 표면의 용융없이 빠른 시간 내에 충분한 열처리 깊이를 얻을 수 있다. According to the laser heat treatment apparatus and method according to the present invention as described above, when the heat treatment of the round bar, such as the valve spool in the form of a lattice, it is possible to obtain a sufficient heat treatment depth in a short time without melting the surface by the laser beam.
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