KR100730534B1 - Laser heat treatment apparatus and method - Google Patents

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KR100730534B1
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한국생산기술연구원
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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

레이저 열처리 장치 및 방법{Laser heat treatment apparatus and method}Laser heat treatment apparatus and method

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 valve spool 100 used in the hydraulic system of the excavator is heat treated intermittently (lattice-shaped) or continuously (strap-shaped) rather than heat-treating the entire surface as shown in FIG. That is, as shown in FIG. 1, the valve spool 100 may be divided into a heat treated portion 101 and an unheated portion 102 in FIG. 1. In the heat treatment of the valve spool 100 by the laser beam, as can be seen from FIG. 1, the part opening and closing the valve port is heat-treated in the entire circumference, but the other parts are heat-treated in the form of a lattice. The heat treatment depth of the valve spool 100 by the laser beam has a depth of approximately 0.6 to 0.7 mm, and the size of the grating has a size of 2 × 2 mm and 3 × 3 mm.

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 bed 1 and the bed 1 to support a workpiece having a circular rod shape, that is, one side of the valve spool 100. Is installed on the other side of the bed (1), the rotary spindle (3) for supporting the other side of the valve spool 100, the bed (between the support (2) and the rotary spindle (3) And a laser oscillation part 4 moving along the longitudinal direction of 1). The bed 1, the support 2, the rotating headstock 3 and the laser oscillation portion 4 as described above are configured in a modular manner, the structure of which can be independently changed as necessary.

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 bed 1 is made in the form of a table, as shown in the drawing, in which a control device and a measuring device for controlling the laser heat treatment device according to the present invention are accommodated. The support 2, the rotating spindle 3 and the laser oscillation part 4 are controlled by the control apparatus accommodated in the bed 1.

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 support 2 has a protruding bearing 9 for supporting the end face of the valve spool 100 at the inner end face center portion and extends in the longitudinal direction of the bed 1 from one side of the bed 1. In the rail support part 5 installed, it is slidably installed in the longitudinal direction of the bed 1. That is, the support 2 is slidably coupled with the rail 6 installed on the rail support 5, and one end surface of the support 2 is a piston of the cylinder 7 fixed on the rail support 5. Connected to (8). The protruding bearing 9 is elastically pressed by a compression spring (not shown) built in the support 2 to elastically press and support one end of the valve spool 100.

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 valve spool 100 in the center portion thereof ( 10 is provided and rotatably installed on the mount 12 to be rotated by the motor 11. Therefore, when the valve spool 100 is installed between the rotation headstock 3 and the support 2, the rotational force of the rotation headstock 3 rotated by the motor 11 is transmitted to the valve spool 100. The valve spool 100 is rotated at a predetermined rotational speed. When the valve spool 100 is rotated by the drive of the rotary headstock 2, since the protruding bearing 9 is provided in the support 2 which supports one end of the valve spool 100, the valve spool ( 100 may be prevented from rotating resistance by the support (2).

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 laser oscillation part 4 provided between the support stand 2 and the rotating spindle 3 is installed in the carriage 14 provided in the lead screw 13 provided along the longitudinal direction of the bed 1. The lead screw 13 is rotated by the motor 15, and the carriage 14 moves in the longitudinal direction of the bed 1 by the rotation of the lead screw 13.

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 valve spool 100 is loaded on the rotary headstock 3 and the support 2, the valve spool 100 is placed on the V block 16 located in the bed 1 between the rotary headstock 3 and the support 2. Is located. When the valve spool 100 is located in the V block 16, the V block 16 is raised or moved forward or backward so that the valve spool 100 can be loaded by the support 2 and the rotary spindle 3. In movement, the center of the valve spool 100 is positioned to coincide with the center of the protruding pin 10 of the rotary spindle 3 and the protruding bearing 9 of the support 2. This V block 16 may be appropriately selected depending on the diameter of the valve spool 100 to be heat treated.

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 valve spool 100 by the laser oscillation unit 4 is made when the valve spool 100 is rotated at a predetermined speed in a state supported by the rotating spindle 3 and the support 2. . The intensity of the laser beam is such that the valve spool 100 is not melted by the laser beam. For example, as shown in FIG. 1, when the portion to be heat-treated in the L1 section of the valve spool 100 is five lattice portions, the laser oscillation part 4 is rotated without being fed by the rotation of the lead screw 13. Heat treatment is performed in the L1 section of the valve spool 100.

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 laser oscillation section 4 is performed by the operation of the laser oscillation section 4, as shown in FIG. 3, when the heat treatment section 101 is heat treated, and the laser oscillation section 4 is stopped. In the state where the heat treatment is not performed, the laser oscillation part 4 is operated again, so that the next part is heat treated.

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 laser oscillator 4 repeats operation and stop of the predetermined time in order to heat-treat the valve spool 100 in a lattice shape. That is, the laser oscillation part 4 is, for example, to prevent the surface melting of the valve spool 100 due to heat treatment as shown in FIG. It is driven in the manner of irradiation stop (cooling) of irradiation time and 10-15 ms time between each irradiation time. The surface temperature of the valve spool 4 by the laser beam irradiation in the first section t1 of FIG. 3 is heated to a temperature near the melting point of the valve spool 100. However, the temperature of a predetermined depth from the surface of the valve spool 4 does not reach the heat treatment temperature and is heated to a temperature below the heat treatment temperature.

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 laser oscillator 4 is momentarily stopped from operating, and the valve spool 100 is rotated so that when the section t2 reaches the position of the laser oscillator 4, the laser oscillator 4 is predetermined. Operating for a time, the laser beam is irradiated so that the laser beam performs heat treatment on the section t2 in the same manner as the section t1. Therefore, the section t2 also has a temperature of a predetermined depth from the surface of the valve spool 4, but does not reach the heat treatment temperature, and is heated to a temperature lower than the heat treatment temperature, so that the laser beam irradiation from the laser oscillator 4 And the irradiation stop is repeated. By the laser heat treatment apparatus and method according to the present invention as described above, although there is a difference depending on the material of the valve spool 100, it takes about 1 minute 30 seconds to heat-treat one valve spool 100.
That is, the laser oscillation unit 4 summarizes the process of heat-treating each section of the valve spool 100 as follows.
In FIG. 1, the laser oscillator 4 (see FIG. 2) is first positioned in the L1 section. At this time, the laser oscillation unit 4 is irradiated and stopped irradiating the laser beam for a predetermined time as shown in Fig. 3, the valve spool 100 is circumferentially by the rotating spindle (3, see Fig. 2) In the direction of rotation, the L1 section is the heat treatment place 101 and the non-heat treatment place 102 will appear repeatedly. Next, the laser oscillation part 4 moves to the L2 section of the valve spool 100 by the rotation of the lead screw 13 (refer FIG. 2). Similarly to the above, in the L2 section, the valve spool 100 rotates in the circumferential direction, and the laser oscillation unit 4 irradiates the laser beam at a predetermined time interval as shown in FIG. do.

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 valve spool 100 by the operation of the laser oscillator 4, the surface of the valve spool 100 is irradiated with the laser beam. While heated to a heat treatment temperature without melting by means, the first depth portion of a certain depth, for example, 0.25 mm deep and the second depth portion 0.6 mm, is heated to a constant temperature without reaching the heat treatment temperature. It can be seen that. The first depth portion below the surface of the valve spool 100 is heated to a temperature higher than the second depth portion below it.

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 valve spool 100, the laser oscillator 4 is operated to perform heat treatment for the next section t2 to irradiate the laser beam to the next section t2. Accordingly, in the section t2, like the section t1, the surface of the valve spool 100 is heated to a heat treatment temperature without melting by irradiation of a laser beam, while the first and second depth portions from the surface It is heated to a constant temperature without reaching the heat treatment temperature.

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 laser oscillator 4 is stopped, the valve spool 100 is continuously rotated while being supported by the rotation spindle 3 and the support 2, whereby the laser beam is spooled 100. Are repeatedly irradiated to the intervals t1, t2 ..). While the laser beam is repeatedly irradiated to the sections t1, t2 ..., the surface of the valve spool 100 is irradiated with the laser beam repeatedly while the surface of the valve spool 100 is maintained at the heat treatment temperature without melting by the initial laser beam. The first and second depth portions of the valve spool 100 may be heated to the heat treatment temperature, thereby heat treatment to the required heat treatment depth.

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 valve spool 100, the transfer of the laser oscillation portion (4) It is also determined according to the material of the valve spool 100 and laser heat treatment conditions. Therefore, the laser oscillation part 4 continuously moves in the longitudinal direction of the bed 1 by the drive of the lead screw 13 while irradiating the laser beam to the valve spool 100 which is rotating the laser beam.

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 valve spool 100 of the maximum temperature, that is, the workpiece as soon as possible with the maximum output power of the laser heat treatment apparatus according to the present invention, the valve spool 100 When the surface temperature of the? Reaches near the melting point, the operation of the laser oscillator 4 is stopped, and after thermal energy of the surface of the valve spool 100 diffuses into the valve spool 100, the laser oscillator 4 is again turned on. A method of irradiating a laser beam to the valve spool 100 by driving was applied. At this time, the intensity of the laser beam was 60 W / mm 2.

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 valve spool 100 having a carbon content of 0.40 to 0.43% is about 1470 ° C and the thermal effect accumulated due to laser heat treatment is in the range of about 50 ° C to 100 ° C. In consideration, 1300 ° C. was assumed as the upper limit temperature in order to prevent surface melting of the valve spool 100. Under these conditions, the first laser beam irradiation time for one point (3 x 3 mm) of the valve spool 100 was 50 ms, and the irradiation of the laser beam was stopped (cooled) for 5 ms after the first irradiation. Afterwards, the laser beam was irradiated for 15 ms again, and the laser beam was irradiated several times in this manner, and as a result, temperature changes occurred at the surface and the first and second depths as shown in Tables 1 and 5. .

[표 1]TABLE 1

시간 순서Time order FEM 결과로부터From FEM results 보간 계산 결과로부터From the interpolation calculation result 표면surface 제1깊이First depth 제2깊이2nd depth 0.3㎜0.3 mm 0.35㎜0.35 mm 0.4㎜0.4 mm 1차조사 최고온도(50㎳)Maximum temperature of the first irradiation (50㎳) 1273.31273.3 791.1791.1 467.6467.6 742.5742.5 694.0694.0 645.4645.4 2차조사 최고온도(5+15=70㎳)Maximum temperature of secondary irradiation (5 + 15 = 70㎳) 1374.81374.8 885.2885.2 536.6536.6 832.9832.9 780.6780.6 728.3728.3 3차조사 최고온도(5+15=90㎳)3rd irradiation maximum temperature (5 + 15 = 90㎳) 1470.51470.5 974.2974.2 596.3596.3 917.5917.5 860.8860.8 804.1804.1 2차조사 최고온도(5+15=110㎳)Maximum temperature of secondary irradiation (5 + 15 = 110㎳) 1554.41554.4 1058.41058.4 651.3651.3 997.3997.3 936.3936.3 875.2875.2 2차조사 최고온도(5+15=130㎳)Maximum temperature of secondary irradiation (5 + 15 = 130㎳) 1627.81627.8 1137.01137.0 705.5705.5 1072.31072.3 1007.51007.5 942.8942.8

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 valve spool 100 receives sufficient energy, the temperature increase of the second depth is very fast, and as a result, at a depth of 0.3 mm, the temperature has already reached a temperature sufficient for heat treatment only by the secondary laser beam irradiation, and 0.35 mm. In, it can be seen that the heat treatment temperature is reached during the third laser beam irradiation. In the 4th laser beam irradiation, it reached a temperature sufficient for heat treatment to a depth of 0.45 mm, but since the surface has already reached the melting temperature, it is not meaningful, but it can be seen that the heat treatment temperature reaches a sufficient depth in a short time.

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.

Claims (8)

제어 장치 및 측정 장치가 수용되는 베드;A bed in which the control device and the measurement device are accommodated; 상기 베드의 한 쪽 측부에 설치되어 원형 막대 형상의 피가공재의 한 쪽을 지지하는 지지대;A support installed on one side of the bed to support one side of a workpiece having a circular rod shape; 상기 지지대와 마주하도록 상기 베드의 다른 쪽 측부에 설치되어, 피가공재의 다른 쪽을 지지하며, 회전 구동되는 회전 주축대; 및 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 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;A laser oscillation unit moving along the longitudinal direction of the bed between the support and the rotating spindle, and provided with a laser to heat-treat the workpiece rotated by being supported by the support and the rotating spindle; 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 레이저 열처리 장치.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. Laser heat treatment device. 제 1 항에 있어서, 상기 지지대와 상기 회전 주축대 사이의 베드 상에서 이동될 수 있도록 설치되는 V 블록을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 장치.The laser heat treatment apparatus according to claim 1, further comprising a V block installed to be moved on a bed between the support and the rotating spindle. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 발진부는 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 구동되는 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 장치.2. The laser oscillation unit according to claim 1, wherein the laser oscillation unit stops 50 ms of primary laser beam irradiation and 10-15 ms of multiple laser beam irradiation operations, and 10-15 ms of laser beam irradiation between respective laser beam irradiation times. Laser heat treatment apparatus characterized in that driven in a manner. 제 1 항에 있어서, 상기 지지대는 중심부에 압축 스프링에 의해 탄성적으로 가압되는 돌출핀이 제공되는 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 장치.The apparatus of claim 1, wherein the support is provided at a central portion thereof with a protrusion pin elastically pressed by a compression spring. 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;Firstly irradiating a laser beam for a predetermined time at a temperature below a melting temperature with respect to the first heat treatment point of the first section in the circumferential direction of the circular rod-shaped workpiece; 레이저 빔의 1 차 레이저 빔 조사 후, 상기 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;After the laser beam irradiation of the laser beam is stopped, the irradiation of the laser beam is stopped for a time shorter than the first laser beam irradiation time, and then, in the same manner as the first laser beam irradiation step, the laser beam is moved to the next heat treatment point. Investigating; 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 레이저 열처리 방법.And after the irradiation of the laser beam is stopped for the time as much as the stop time, the laser heat treatment method is repeated a predetermined number of times for the first and the next heat treatment points at the same temperature during the first laser beam irradiation. 제 5 항에 있어서, 상기 1 차 레이저 빔 조사 이외의 레이저 빔의 조사 시간을 상기 1 차 레이저 빔의 조사 시간보다 짧은 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 방법.The laser heat treatment method according to claim 5, wherein an irradiation time of a laser beam other than the primary laser beam irradiation is shorter than an irradiation time of the primary laser beam. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 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㎳인 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 방법. The method of claim 5 or 6, wherein the first laser beam irradiation time is 50 ms, the subsequent laser beam irradiation time is 10-15 ms, the laser beam irradiation stop time between each laser beam irradiation times is 10 Laser heat treatment method characterized in that -15㎳. 제 5 항에 있어서, 레이저 빔은 회전하는 피가공재에 조사되고, 원주 방향의 첫 번째 구간의 열처리 후에 피가공재의 길이 방향으로 이동하여, 상기 단계들이 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 레이저 열처리 방법.6. The laser heat treatment method according to claim 5, wherein the laser beam is irradiated to the rotating workpiece and moved in the longitudinal direction of the workpiece after the heat treatment of the first section in the circumferential direction, wherein the steps are repeated.
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