JP6538558B2 - ワークピース表面に対するレーザ硬化のための方法及び装置 - Google Patents

ワークピース表面に対するレーザ硬化のための方法及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、鋼のような複数の鉄材料の複数の製品、例えば、複数のクランクシャフトのレーザによる表面硬化の分野に関する。
材料をその融点より低い高温で加熱した後、それを焼き入れ、すなわち、固いマルテンサイトを形成するように急速に冷却することにより、中炭素鋼のような複数の鉄材料を硬化することが、当技術分野において周知である。加熱は、複数の炉で、または誘導加熱によって行われ、冷却は、水または他の複数の成分と混合された水のような冷却流体を適用することによって行われる。
しばしば、硬化される必要があるのは表面のみである。表面硬化は、材料の耐摩耗性を向上させ、場合によっては、残留圧縮応力に起因する疲労強度を増大させるために使用可能である。表面硬化は、使用時に大きな摩耗を受ける複数の表面、例えば、複数のクランクシャフトの複数のジャーナル表面のような複数の軸受表面を硬化するために有用たり得る。
レーザ表面硬化は、高エネルギーのレーザ光が基板表面を硬化させるための熱源として用いられる表面処理方法である。例えば、以下を参照すると、レーザ光を用いて表面硬化を実現させることが公知である。
F. Vollertsen, et al., "State of the art of Laser Hardening and Cladding", Proceedings of the Third International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing 2005 Munich, June 2005;
M. Seifert, et al., "High Power Diode Laser Beam Scanning in Multi-Kilowatt Range", Proceedings of the 23rd International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics 2004;
S. Safdar, et al., "An Analysis of the Effect of Laser Beam Geometry on Laser Transformation Hardening", Journal of Manufacturing Science and Engineering, Aug. 2006, Vol. 128, pp. 659-667;
H. Hagino, et al., "Design of a computer-generated hologram for obtaining a uniform hardened profile by laser transformation hardening with a high-power diode laser", Precision Engineering 34 (2010), pp. 446-452;
米国特許公報第４３１３７７１Ａ号
ドイツ特許出願公開公報第４１２３５７７Ａ１号
欧州特許出願公開公報第１３０８５２５Ａ２号
欧州特許出願公開公報第２３０９１２６Ａ１号
特開２００８−２０２４３８ 特開昭６１−５８９５０
米国特許公報第４７９７５３２Ａ号
表面硬化のためにレーザ光を用いることは、レーザビームは、ワークピースから本質的に独立しており、容易に制御され、真空を必要とせず、燃焼生成物を生成しないといういくつかの利点がある。また、レーザビームは、概して、金属の製品またはワークピースのみを局所的に加熱するため、ワークピースの残りは、ヒートシンクとして作用することができ、自己焼き入れとしても知られる急速冷却を確実にする。すなわち、ワークピースの冷たい内部が、マルテンサイトが表面に形成可能となるような高い率での内部への熱伝導によって、熱い表面を焼き入れするために十分に大きいヒートシンクを構成する。つまり、複数の冷却流体のような外部冷却媒体の必要性を、なくすことができる。
複数の金属硬化加工においてレーザ光を熱源として用いることに関する１つの問題は、硬化ゾーンの幅が、レーザスポットの寸法によって限定されることである。光学系を用いて、スポットの形状を変更すること、例えば、多かれ少なかれ均一な強度分布を有する実質的に矩形のスポットを与えることが公知である。代案として、熱源が軌跡に沿って移動する矩形の源と見なされ得るように、軌跡にわたってスポットを繰り返し移動させるべく、（駆動手段に関連付けられたスキャンミラーのような）スキャン手段が、使用可能である。
その複数の利点にも関わらず、レーザ硬化は、この技術の多数の実際の用途のために十分なほどには生産率が高くないと考えられていること、及び、加熱されるべき全ての部分が所望の程度にまで加熱されることは実現困難であることから、使用されない場合が多い。正しい加熱は、過熱による損傷を生じることなく、必要な深さで、硬化及び焼き戻しが確実に実現されるために必須である。
例えば、クランクシャフト（ピストンの往復直線運動を回転に変換するエンジンの部分）は、複雑な製品であり、レーザ光による硬化が困難と見なされることが多い。クランクシャフトの例が、図１に示される。クランクシャフト１０００は、鍛造または鋳造された鋼製品であり、２つまたはそれより多くの中央に構成された同軸の円筒状ジャーナル１００１（「主ジャーナル」としても知られる）及び１つまたは複数のオフセットされた円筒状クランクピンジャーナル１００２（「ロッドジャーナル」としても知られる）を有し、これらは、複数のジャーナルの複数の表面に対して実質的に垂直に延びる複数の壁１００５を確立する複数のカウンターウェイト及び複数のウェブによって分離される。製品の複雑な形状により、レーザビームでその表面を正しく「スキャン」することは困難となり得る。硬化する複数の軌跡または複数のエリアは、異なる複数の幅を有することができ、及び／または非対称であることができ、及び／または（複数の壁１００５及びジャーナル１００１および１００２の複数の表面の場合）異なる複数の平面に構成されることができる。つまり、今日では、その後にポリマーベースの水焼き入れ加工を行う高周波数誘導加熱が、複数のクランクシャフトの硬化に頻繁に用いられる。しかしながら、この加工は、所望の硬化を達成するために有用であることが明らかであるもの、特定の複数の欠点を含む。例えば、誘導によって加熱を生成するための複数のインダクタは、クランクシャフトの特定の設計に従って設計されなければならないため、柔軟性が減少し、誘導機械を新たな種類のクランクシャフトに適応させるために時間を費やし、コストがかかる可能性がある。さらに、誘導による加熱は、クランクシャフトを所望の程度にまで加熱するために必要なエネルギーに関してコストがかかる。さらに、冷却加工は複雑でコストがかかり、必要な冷却流体の大量使用に起因して、環境の観点から問題がある。その上、冷却流体の温度及び流れのような複数のパラメータは、正しい硬化加工を確実にするために、慎重に制御されなければならない。
つまり、熱源としてレーザ光を用いる硬化は、柔軟性、環境への優しさ、エネルギー消費及びコストに関して、魅力的な代案たり得る。
ドイツ特許公報第１０ ２００５ ００５ １４１Ｂ３号は、クランクシャフトの複数のジャーナルの複数の表面をレーザ硬化するための方法を開示する。この方法によれば、複数のジャーナルの各々をレーザ光で加熱する間に、クランクシャフトを保持した後、主ジャーナル軸周り及び複数のロッドジャーナルの複数の軸周りにこれを回転させる６軸産業用ロボットが用いられる。つまり、産業用ロボットの移動性能を用いて、レーザ源とレーザビームが投射される表面との間の距離が一定に保たれる。
米国特許出願公開公報第２００４／０２４４５２９Ａ１も、クランクシャフトの小さい領域を硬化させるために、レーザを用いることを教示する。この場合に、レーザ光は、複数の離間した部分を硬化させるために用いられ、当該部分の範囲は、硬化されるべき領域にわたって異なる。クランクシャフトの小さい部分のみがこれらの離間した複数の部分で硬化されるため、他の複数の高感熱性部分に対する過熱を懸念する必要がない。
ドイツ特許出願公開公報第３９０５５５１Ａ１号は、クランクシャフト表面を硬化させるためのシステムを教示し、レーザビームは、クランクシャフトに投射され、その後ビームがクランクシャフトの複数の異なる部分に投射されるように、ビーム及びクランクシャフト間で相対移動が生じる。ビームのパワーまたはパワー分布は、クランクシャフトの各部分の形状に応じて、かつ、レーザビームの所望の浸透深さに応じて、適合される。ドイツ特許出願公開公報第３９０５５５１Ａ１号に教示されるように、当該アプローチは、高生産率を考慮していない可能性があるこという問題がある。硬化された層において十分な深さを実現するためには（自動車産業では、典型的には、有効硬化深さに関して少なくとも８００、１０００、１５００、２０００または３０００μｍもの硬化深さが必要とされ、２００μｍ以上の深さまで１００％変換されたマルテンサイトを有することが望まれることが多い）、表面の特定の部分の温度を上げるだけでは不十分であり、表面のみならず、表面下の材料を十分な深さにまで加熱するために、エネルギーは十分に長い時間適用されなければならない。表面の過剰な加熱は望ましくないため、所望の浸透を実現するためには、単にレーザビームのパワー量ではなく、レーザ加熱が関連エリアに適用される時間を増大させることが最良の方法である。ドイツ特許出願公開公報第３９０５５５１Ａ１号に開示されたシステムでは、レーザビームは、固定されたままで、特定のエリアに適用されるが、主ジャーナルまたは複数のロッドジャーナルの大部分にわたる適度な加熱及び浸透を得るためには、大量の時間が必要であると見られる。つまり、ドイツ特許出願公開公報第３９０５５５１Ａ１号が記載する方法は、クランクシャフト表面において複数の非常に特定の部分を硬化させるためには適切であるが、複数のジャーナルの複数の表面全般を硬化させるためには適切とはいえない場合がある。
欧州特許出願公開公報第１９７２６９４Ａ２号には、１つまたは複数のレーザを用いて、クランクシャフトの複数の特定の部分、すなわち、複数のフィレット部分を硬化することが主に記載される。レーザ光は、硬化されるべき部分に向けられ、クランクシャフトは、回転させられる。開示された方法は、予備加熱段階、主加熱段階及び加熱後段階を含むことができる。レーザ照射が一定に維持される間に、クランクシャフトの回転が生じると考えられる。欧州特許出願公開公報第１９７２６９４Ａ２号は、クランクシャフト表面の複数の高感熱性部分に対する過熱のリスクについては言及していない。
米国特許出願公開公報第２００４／０１０８３０６Ａ１号は、自動車製造業者が、誘導加熱加工を用いて、クランクシャフトの複数の軸受、すなわち、主ジャーナル及び複数のロッドジャーナルの複数の表面を硬化させる一方で、機械的ローリング加工が、圧縮応力を改善するべく、複数のフィレットをロール掛けするために用いられることを認識する。しかしながら、米国特許出願公開公報第２００４／０１０８３０６Ａ１号によれば、これらの複数の加工は、資本集約的、時間集約的であり、不均一性をもたらし、焼き戻し加工を必要とする複数の潤滑油孔においてクラックが生じる傾向があるといわれる。米国特許出願公開公報第２００４／０１０８３０６Ａ１号は、機械的ローリング加工の必要性をなくすことを目的とする、レーザによるフィレットの加熱処理を教示する。光学式パイロメータの使用による閉ループ温度制御が、提案されている。レーザ及びフィレット間で固定された加熱距離を維持するための制御可能ｘ，ｙメカニズムの使用が、提案されている。
Ｓ．Ｍ．Ｓｈａｒｉｆｆらの「Ｌａｓｅｒ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｈａｒｄｅｎｉｎｇ ｏｆ ａ Ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ」、ＳＡＥ２００９−２８−００５３（ＳＡＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）は、説明された複数の異なる位置で、硬化された硬化深さが２００μｍを上回り、硬度が５００−６００ＨＶとなることを目的とする、クランクシャフトのレーザ表面硬化を論じている。当該文献は、複数の孔周辺における、境界でのヒートシンク効果の減少及び熱の蓄積に起因する溶融の問題を述べている。当該問題は、適切な開始位置を選択し、複数の加工パラメータを許容範囲で変化させることによって、孔境界における予備加熱効果を減少させることにより、対処可能であることが述べられている。
複数のクランクシャフトのような複数の複雑な製品に関して、レーザ硬化が多用されない１つの理由は、複数の部分の正しい加熱、すなわち、複数の感熱性部分の過熱を回避する一方で、正しい硬化を保証する十分な加熱（概して、硬化された層は、少なくとも１０００、１５００、２０００μｍ以上のような、少なくとも８００μｍ以上の有効硬化深さを有さなければならず、及び／または２００μｍ以上のような深さまで１００％変換されたマルテンサイトを有する）を実現することが困難となり得ると考えられることである。例えば、図１に示されるものようなクランクシャフトの場合、複数の潤滑油孔１００３に対応する複数のジャーナルの加熱を考慮するものに対して、及び任意に、複数のフィレット１００４を考慮するものに対しても、注意を払わなければならない。例えば、ジャーナルの回転中に表面全体を加熱するために、大きいレーザスポットがジャーナル表面に単に投射され、表面の各部分が同量のエネルギーを受けるように、レーザビームの回転速度及びパワーが一定に保たれ、かつ、所望の硬化を生成するべく表面の大部分に対する適度な加熱を実現するために、このエネルギーが十分である場合に、複数の潤滑油孔の複数の境界において、加熱が過剰となり、つまり、当該複数の境界を損傷する可能性がある。同じことが、共通してアンダーカットされた複数のフィレットにおいて生じる可能性がある。つまり、複数の境界が、過熱された場合に損傷を受ける可能性がある。
［本発明の説明］ 本発明の第１の態様は、クランクシャフトのジャーナルの表面をレーザ硬化する方法に関し、ジャーナルは、硬化されるべき表面エリアを備え、表面エリアは、クランクシャフトの回転軸（Ｘ）と平行な第１の方向及びジャーナルの周方向（Ｗ）に対応する第２の方向に延在し、表面エリアは、少なくとも１つの高感熱性サブエリア及び少なくとも１つの低感熱性サブエリアを備え、少なくとも１つの高感熱性サブエリアは、クランクシャフトの潤滑油孔に隣接するエリアを含み、方法は、
表面エリアに有効レーザスポットを生成するために、レーザ源からのレーザビームを表面エリアに投射する段階であって、有効レーザスポットは、第１の方向において、硬化されるべき表面エリアの大部分にわたって（例えば５０％より多く、７５％より多く、８５％より多く、または９０％もしくは９５％より多く、例えば９９％より多く、または１００％にもわたって、及び、特に、例えば、表面エリアが、例えば少なくとも８００μｍ以上の有効硬化深さが望ましい場合には、１００％を超えないとしても、硬化されるべき表面エリアの大部分にわたって）延在する段階と、
その後または徐々に、周方向において、表面エリアの複数の異なる部分に有効レーザスポットを投射するために、周方向において、クランクシャフトの表面とレーザ源との間の相対移動を生じさせる段階とを備え、
有効レーザスポットは、２次元エネルギー分布（レーザビームのエネルギーまたはパワーが有効レーザスポット内で分布する状態に関する）を有する。
方法は、潤滑油孔隣接エリアに対する過熱を回避するために、低感熱性サブエリアを加熱する場合に、潤滑油孔隣接エリアを含む高感熱性サブエリアを加熱する場合とエネルギー分布が異なるように、エネルギー分布を適応させる段階をさらに備える。それにより、当該適応を実行することによって、例えば、複数の潤滑油孔の複数の境界を過熱及び損傷することなく、硬化されるべき表面エリアの効率的かつ適度な加熱を実現することができる。
本発明のいくつかの実施形態では、有効レーザスポットを表面エリアに適用する時間の大部分（例えば、少なくとも５０％、７５％、９０％、９５％またはそれより多く）の間で、有効レーザスポットは、周方向に、少なくとも５ｍｍ、好ましくは少なくとも７ｍｍ、より好ましくは少なくとも１０ｍｍ、さらにより好ましくは少なくとも１５ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍまたはそれより大きく、例えば少なくとも５０ｍｍの幅（またはジャーナル表面の湾曲に沿って線形の拡張）を有する。周方向、すなわち、レーザ源とジャーナル表面との間に生じさせられる相対移動の方向における十分な拡張を用いることにより、合理的に短い時間内で硬化加工を完了させる一方で、硬化されるべき表面エリアの各部分を十分な時間加熱することが可能となる。すなわち、有効レーザスポットの周方向における十分な拡張により、過剰な高温を用いることなく、十分な浸透または硬化深さを達成する一方で、比較的高い速度での相対移動を実行することが可能となる。この理由により、周方向において有効レーザスポットの幅が大きいことが、好ましい可能性がある。勿論、適用可能なパワーは、エリアの十分な加熱を与えるために十分でなければならないため、用いられるレーザのパワーに関する性能と、有効レーザスポットによってカバーされる表面エリアとの間でバランスがとられていなければならない。第１の方向に１または数ｃｍオーダの幅を有する複数のジャーナルを有する複数の自動車のクランクシャフトに対して、数ｋＷ（例えば３−４ｋＷ）の範囲の出力パワーを有する複数のレーザを用いる場合に、有効スポットは、例えば、周方向に１ｃｍオーダの幅を有することができる一方で、レーザとジャーナル表面との間の線形相対速度は、約６０ｃｍ／分オーダとなり得るという知見が得られた。多くの産業上の目的のため、レーザビームは、少なくとも３ｋＷ、より好ましくは、例えば６ｋＷのパワーを有さなければならないと考えられている。
本発明のいくつかの実施形態では、有効レーザスポットは、等価なまたはレーザビームを第１の方向及び第２の方向にスキャンすることによって得られた仮想レーザスポットであり、これらの２つの方向の間の複数の方向、すなわち、第１及び第２の方向に対して傾斜した、例えば、直線のまたは湾曲した経路または複数の線に沿った複数の方向を含み、スキャンサイクル中の２次元エネルギー分布が、スキャン速度、スキャンパターン、レーザスポットのサイズ、レーザビームのパワー及びレーザビーム内のパワー分布によって決定されるように、レーザスポットがスキャン速度で変位するスキャンパターンに繰り返し従う。つまり、これらの複数のパラメータのうち１つまたは複数が、２次元エネルギー分布を動的に適応させるために、使用可能である。これにより、レーザ源とワークピース表面との間で相対変位する間に、すなわち、例えば、クランクシャフトがその長さ方向軸周りに回転する間に、有効レーザスポット内の２次元エネルギー分布だけではなく、有効レーザスポットのサイズ及び形状を、容易に適応させ、及び変更することが可能となり、それにより、複数の潤滑油孔と隣接する複数のエリアのような複数の高感熱性サブエリアに対する過熱を回避するために、２次元エネルギー分布を適応させる。本発明のいくつかの実施形態では、潤滑油孔隣接エリアに対する過熱を回避するために、エネルギー分布が、低感熱性サブエリアを加熱する場合に、潤滑油孔隣接エリアを含む高感熱性サブエリアを加熱する場合と異なるように、エネルギー分布の適応は、スキャン速度、スキャンパターン、レーザスポットのサイズ、レーザビームのパワー及びレーザビーム内のパワー分布のうちの少なくとも１つを適応させることによって実行される。本発明のいくつかの実施形態では、エネルギー分布の適応は、レーザビームのパワーを適応させることによって、例えば、レーザスポットをスキャンパターンに沿ってスキャンする間に、レーザビームをオン及びオフにすることによって実行される。例えば、ファイバレーザのようなレーザを用いる場合に、レーザビームは非常に高速でオン及びオフに切り替え可能であり、これにより、スキャンパターンに従う間に、レーザビームをオン及びオフにすることによって、所望のエネルギー分布を得ることができる。つまり、加熱は、スキャンパターンの特定の複数の線または複数の線の複数の部分をスキャンする間に、レーザビームをオンにすることによって実現可能である。
本発明のいくつかの実施形態では、レーザビームを、毎秒少なくとも３００回、より好ましくは毎秒少なくとも６００回、より好ましくは毎秒少なくとも１，０００回、より好ましくは毎秒少なくとも５，０００回、さらにより好ましくは毎秒少なくとも１０，０００回、複数の適用可能なパワー状態のうちの１つに選択的に設定するために、レーザスポットをスキャンパターンに沿ってスキャンする間に、選択的にレーザビームのパワーを適応させることによって、エネルギー分布は、少なくとも部分的に制御される。用語「パワー状態」は、複数の異なるパワー状態が、例えば、０ｋＷ、１ｋＷ、４ｋＷ、５ｋＷ、６ｋＷ、９ｋＷ及び１０ｋＷのような、レーザビームの複数の異なるパワーレベルに対応するように、レーザビームが所定の平均パワーを有する状態を指す。例えば、本発明のいくつかの実施形態では、２つのパワー状態、すなわち、レーザビームがオンである場合の「オン」状態、及びレーザビームがオフ、すなわち、パワーがゼロである（またはパワーがゼロに近い）場合の「オフ」状態が存在し得る。しかしながら、あらゆる他の適用可能なパワー状態、すなわち、平均パワーがゼロより高く、レーザビームの最大パワーより小さい複数のパワー状態も、使用可能である。例えば、レーザビームの最大パワーが１０ｋＷの場合に、０ｋＷおよび１０ｋＷに対応する２つの適用可能なパワー状態が存在可能であり、及び／または、２ｋＷ、４ｋＷ、５ｋＷ、６ｋＷ及び／または８ｋＷのような複数の中間値に対応する複数の適用可能なパワー状態が存在可能である。表現「適用可能」は、複数のパワー状態は、用いられているレーザ装置により実現可能であるという事実を指す。表現「に設定される」は、現実の状態変化が毎秒何回も生じなければならないことを示唆するものではない（例えば、いくつかの隣接セグメントは、１つのセグメントから次のものに通過する場合に、レーザのパワーを変化させる必要がないように、これらに割り当てられた同じパワー状態を有してもよい）が、適切な場合に、例えば、制御システムによって与えられた複数の命令に従う場合はいつでも、レーザがパワー状態を何回も変化させることが可能なように構成されることを示す。それにより、エネルギー分布のセグメント化または「ピクセル化」は、毎秒３００、６００、１０００、５０００または１００００セグメントまたはピクセルで実現可能であり、レーザビームは、各セグメントもしくはピクセルの部分の中で、または少なくとも当該セグメントまたはピクセルの中で、当該セグメントまたはピクセルに割り当てられたパワー状態によって決定されるように、平均パワーを有する。例えば、スキャンパターンに周波数５０Ｈｚで繰り返し従う場合に、スキャンパターンに沿ったエネルギー分布は、例えば、スキャンパターンに沿って分布する、毎秒３００、６００、１０００、５０００および１００００セグメントまたはピクセルにそれぞれ対応する６、１２、２０、１００または２００セグメントまたはピクセルに割り当てられた複数のパワー状態によって決定可能である。毎秒あたりピクセルの率が同じで、スキャン速度１００Ｈｚの場合に、エネルギー分布は、スキャンパターンの３、６、１０、５０及び１００セグメントまたはピクセルによって、それぞれ決定される。概して、少なくとも６セグメントまたはピクセルを用いることが好ましく、すなわち、例えば、スキャンパターンは、各々が３セグメントを有する２行を備えることができ、各セグメントは、それに割り当てられたパワー状態を有する。明らかに、複数の異なるパワー状態の間で変化が生じた場合に、レーザビームのパワーが前のパワー状態及び新たなパワー状態によって決定されたパワーと異なる複数の過渡期が存在することがあり、例えば、ビームパワーは、パワー曲線に傾きがある一方で、レーザビームスキャンパターンに沿ってスキャンする間に１つのセグメントから次への推移が生じるように、増減可能である。
このアプローチ、すなわち、スキャンパターンの複数の異なるセグメントまたはピクセルにおけるビームのパワーの変化が、例えば、複数の潤滑油孔の複数の境界に対する過熱を回避するために、エネルギー分布に高柔軟性を与え、エネルギー分布の確立及び動的な変更を容易にする。セグメント化またはピクセル化のアプローチにより、適切な加熱パターンが実現されるまで、複数のトライアルアンドエラーテストを用い、複数の異なるセグメントに割り当てられた複数のパワー状態を適応させることによって、適切な複数のエネルギー分布パターンを容易に見出すこともできる。市販のファイバレーザのような適切な複数のレーザが用いられる場合には、複数の異なるパワー状態の間で、高速での切り替えが生じ得る。ファイバレーザは、他の適用可能な複数のレーザよりコストがかかる場合があるが、例えば「オン」及び「オフ」状態の間で、すなわち、他の複数のパワー状態／複数のパワーレベルの間で制御された切り替えを行うために必要な時間が短いことに起因して、有利となり得る。このような複数のレーザのオン／オフまたはオフ／オンの切り替え時間は、１ｍｓより小さく、例えば０．１ｍｓまたはそれより短くなり得る。
本発明の複数の実施形態のうちのいくつかでは、スキャンパターンは、複数のセグメントを備えることができ、複数のセグメントの各々は、所与の時点で、それに割り当てられた複数の適用可能なパワー状態のうちの１つを有する。低感熱性サブエリアの加熱中における、複数のセグメントのうちの少なくとも１つに割り当てられたパワー状態は、潤滑油孔隣接エリアを含む高感熱性サブエリアの加熱中と異なる可能性があり、すなわち、例えば、有効レーザスポットが潤滑油孔に近づく場合に、特定の複数のセグメント又は全てのセグメントに割り当てられたパワー状態を変更することによって、エネルギー分布は動的に適応され得る。
代替的または追加的に、エネルギー分布の適応は、レーザスポットをスキャンパターンに沿ってスキャンする間に、スキャン速度を適応させることによって、（さらに）実行可能である。固定レーザビームパワーの場合に、より速いスピードは、より少ないエネルギーが適用され、逆もまた同様であることを示唆する。
本発明のいくつかの実施形態では、有効レーザスポット内の複数のポイントにおける温度変動が、温度の極大とそれに続く極小との間で、２００℃より小さく、好ましくは１５０℃より小さく、より好ましくは１００℃より小さく、さらにより好ましくは５０℃より小さい振幅を有するように、スキャンが十分に高いスキャン速度で実行される。この文脈では、変動の振幅は、初期の有効レーザスポットの先端境界における、最高温度までの大幅な加熱、及びその後の有効レーザスポットの末端境界における低温までの冷却を除き、温度曲線の極大及び極小間で繰り返される複数の変化の振幅を指す。適切な硬化のためには、金属が急速に十分な高温に達し、大きな変動は硬化の質に負の影響を与える可能性があるため、金属がその後、当該温度においてそのような変動がなく、当該十分な高温に、十分な時間長にわたって留まることが望ましい。１０、２５、５０、７５、１００、１５０、２００または３００Ｈｚを超えるスキャン速度（すなわち、毎秒のスキャンパターンの複数の繰り返し）は、加熱されたスポットが次のスキャンサイクルの間にレーザビームによって再加熱される前に、スポットの温度が急落することを防止するために、適切たり得る。適切な硬化は、複数の特定の最小温度を必要とし、所望の硬化深さに急速に到達された場合に、複数の高温が好ましい。しかしながら、過剰な温度は、例えば、粒度の増大に起因する負の影響を、質に与え得る。つまり、折衷的な温度が見出されなければならず、この温度からの偏差ができる限り小さくなければならない。つまり、毎秒のサイクルに関する高スキャン速度が、温度の揺らぎまたは変動の振幅を減少させるために、好ましい可能性がある。
本発明のいくつかの実施形態では、有効レーザスポットにおけるエネルギー分布は、第１の方向において有効レーザスポットの複数の端部に向かって、第１の方向において有効レーザスポットの中央に向かうより大きいエネルギーが適用されるようになる。熱エネルギーが吸収され、クランクシャフトにおいて分布する態様に起因して、有効レーザスポットの複数の側方端部に向かってより大きいエネルギーを適用することが、硬化された層の実質的に均一な厚さ、すなわち、硬化された層が複数の側方端部に向かって非常に薄くなり、その中央に向かって曲線に従ってゆっくりと増大する断面ではなく、実質的に矩形の断面を得るために役立つという知見が得られた。しかしながら、ジャーナルの複数の端部において、複数のアンダーカットまたは複数のフィレットの過熱を回避するためには、注意を払わなければならない。
本発明のいくつかの実施形態では、有効レーザスポットによって走査されるエリアが、最初により高い平均パワーでレーザ照射を受け、その後、より低い平均パワーでレーザ照射を受けるように、エネルギー分布は、有効レーザスポットの先端部分または境界において、有効レーザスポットの末端部分または境界より高いエネルギー密度を有する。このことにより、必要な硬化深さを実現するべく、有効レーザスポットが特定のエリアに適用されなければならない時間を減少させるために、硬化のために適切な温度が急速に到達される効率が増大する。つまり、例えば、ジャーナルの表面に対する硬化を完了するための時間が少なくなる。
本発明のいくつかの実施形態では、方法は、潤滑油孔の両方の側面で、第１の方向において、有効レーザスポットを表面エリアに適用する段階を備え、潤滑油孔が複数の側面のうちの第１の側面下を延在せず、複数の側面のうちの第２の側面下を延在するように、潤滑油孔は、傾斜した態様で内側に向かって延在し、有効レーザスポットは、複数の側面のうちの第１の側面に、複数の側面のうちの第２の側面より大きいエネルギーを適用するように適合される。複数の側面のうちの第２の側面下における潤滑油孔の存在に起因して、ヒートシンク効果は、当該側面においてより低い。従って、他の側面より小さいエネルギーが、好ましくは、このような潤滑油孔が存在しないことにより、より良い熱の消失が可能な当該側面に適用されなければならない。このように、加熱エネルギーの使用が最適化され、過熱リスクが最小化される。すなわち、これらの本発明の複数の実施形態によれば、複数の潤滑油孔に対応するワークピースにおいて、硬化されるべき表面にだけではなく、表面下の構造にも注意が払われる。
本発明のいくつかの実施形態では、有効レーザスポットは、低感熱性サブエリアにおいて第１の形状を有し、潤滑油孔に到達した際に実質的にＵ形状を有し、潤滑油孔を離れる際に実質的に逆Ｕ形状を有し、逆もまた同様となるように適合され、第１の形状は、任意に、実質的に矩形または三角形状である.複数の用語「Ｕ」及び「逆Ｕ」は、潤滑油孔が「上から」近づく場合の状況を指す。基本的に、ジャーナル表面にわたって相当に均質な加熱を与えるために適切な、実質的に矩形、台形または三角形の有効レーザスポットは、潤滑油孔周りを加熱するためには適切ではない可能性がある。従って、有効レーザスポットは、潤滑油孔またはその複数の境界を実質的に直接加熱することなくこれを受けるために実質的に「Ｕ」形状（「Ｖ」形状などを含む）を与えられることができ、次に、潤滑油孔またはその複数の境界が有効レーザスポットによって直接加熱されることなく、潤滑油孔が離れることを可能とするために、反転されることができる。有効レーザスポットの形状の変化は、スキャンパターンの形状を変更することにより、及び／またはスキャンパターンの１つまたは複数の部分または複数のセグメントに割り当てられたパワー状態を変化させることによって、実現可能である。例えば、各々が複数のセグメントで形成された複数の線を備えるスキャンパターンを用いる場合に、「Ｕ」形状の有効レーザスポットは、１つまたは複数の線の中央部分において、複数のセグメントのうち１つまたは複数に割り当てられたパワー状態を変化させることによって、例えば、オフ状態を当該複数のセグメントに割り当てることによって、または当該複数のセグメントにレーザビームの低レベルのパワーに対応するパワー状態を割り当てることによって、実現可能である。
本発明のさらなる態様は、クランクシャフトのジャーナルの表面をレーザ硬化する方法に関し、ジャーナルは、硬化されるべき表面エリアを備え、表面エリアは、クランクシャフトの回転軸と平行な第１の方向及びジャーナルの周方向に対応する第２の方向に延在し、表面エリアは、少なくとも１つの高感熱性サブエリア及び少なくとも１つの低感熱性サブエリアを備え、少なくとも１つの高感熱性サブエリアは、潤滑油孔隣接エリアを含み、方法は、
レーザ源からのレーザビームを表面エリアに投射する段階と、
硬化されるべき表面エリアの周方向セグメントを硬化させるべく、その後、レーザビームを表面エリアの周方向において複数の異なる部分に投射するために、周方向において、クランクシャフトの表面とレーザ源との間の相対移動を生じさせる段階と、
硬化されるべき表面エリアの硬化が完了するまで、周方向セグメントの第１の方向における拡張を増大させるために、レーザビームを第１の方向に変位させる段階とを備える。
方法は、潤滑油孔隣接エリアを含む高感熱性サブエリアに対応する場合に、当該エリアに対する過熱を回避するべく、潤滑油孔と隣接する低感熱性サブエリアより小さいエネルギーを適用するために、レーザビームをレーザ源とクランクシャフトの表面との間の相対移動と同期させることによって、エネルギーがクランクシャフトに適用される態様を適応させる段階を備える。
本発明のこの態様によれば、硬化は、最初に、表面エリアの１つの端部で、第１の方向において生じ、その後、表面エリア全体が硬化されるまで、硬化されるべき表面エリアの他の端部に向かって延在するように、表面エリアの硬化は実行される。この方法の利点は、硬化の端部では、既に硬化されたエリアとの重複が生じないことである。これによれば、既に硬化されたエリアの再加熱及び過剰な焼き戻しに関連する複数の問題のリスクが減少する。
本発明のいくつかの実施形態では、周方向において、クランクシャフトの表面とレーザ源との間で相対移動を生じさせる段階は、クランクシャフトを高速で、例えば３０００ｒｐｍまたは６０００ｒｐｍを超える速度で回転させる段階を含む。これにより、現在加熱を受けているエリア内における温度の大きな変動を回避する助けとなる。
本発明のいくつかの実施形態では、方法は、ジャーナルの周方向セグメントにおいて、複数の有効レーザスポットの各々で、複数のセクションまたは複数のセクタを、周方向において同時に加熱するために、１つより多くのレーザビームを表面エリアに対して同時に適用する段階を備える。例えば、２つのレーザビームは、ジャーナルの対向する側面から同時に照射することができ、つまり、２つのセクションまたはセクタを、ジャーナルの周方向または環状セグメントの各々１８０度まで加熱する。それにより、１つだけのレーザビームが、このようなセクションまたはセクタを１つだけ加熱するために用いられる場合と比べて、加熱された領域内における実質的な温度変動を防止するために、クランクシャフトの回転速度をより低くする必要がある。
本発明のいくつかの実施形態では、方法は、潤滑油孔の両方の側面で、第１の方向において表面エリアを加熱するためにエネルギーを適用する段階を備え、潤滑油孔が複数の側面のうちの第１の側面下を延在せず、複数の側面のうちの第２の側面下を延在するように、潤滑油孔は、傾斜した態様で内側に向かって延在し、方法は、複数の側面のうちの第２の側面より大きいエネルギーを複数の側面のうちの第１の側面に適用する段階を備える。それにより、上述されたように、エネルギー利用は最適化され、過熱リスクは最小化される。
本発明のいくつかの実施形態では、方法は、ジャーナルの周方向部分を繰り返し加熱するために、（レーザビーム及び／またはクランクシャフトを移動させる、例えば、クランクシャフトその長さ方向軸周りに回転させることによって）第１の速度で、ジャーナルの周方向における有効レーザスポットの移動を与える段階と、第１の方向において、第１の速度より低い第２の速度で、有効レーザスポットを移動させ、それにより、複数の新たな周方向部分を加熱する一方で、ジャーナルの硬化された周方向セグメントのサイズを徐々に増大させるべく、自己焼き入れを与えるために、複数の以前に加熱された周方向部分の冷却を可能とする段階とを備える。すなわち、周方向における、有効レーザスポットとジャーナルの表面との間の高速の相対移動によって、ジャーナルの環状セグメントは、所望の硬化温度に加熱され、硬化を与えるために、温度の過剰な変動なく、当該温度で十分に長い時間保持されることができ、かつ、実質的にジャーナルの表面全体に対する硬化が完了するまで第１の方向における移動に起因して、硬化されたセグメントが第１の方向に膨張する。
本発明のいくつかの実施形態では、有効レーザスポットは、中心から外された態様で、ジャーナルに投射される。これは、レーザスポットを大きくする助けとなり、場合によっては、熱のより良い分布に役立つ。また、レーザスポットの先端境界及び末端境界では、レーザビームが異なる角度で表面に入射することに起因して、レーザスポットの先端境界は、末端境界より高いパワー密度を有する可能性があるため、このアプローチが役立つ可能性がある。本明細書で説明されるように、これにより、表面が所望の温度に達するために必要な加熱時間を短縮することができる。このアプローチは、例えば、実質的に正方形または矩形のレーザスポットを与える固定光学系との組み合わせで使用可能である。レーザビームを中央から外すことは、後方反射に起因する損傷または障害のリスクを減少させるという利点も伴う。
本発明のさらなる態様は、ワークピース表面に対するレーザ硬化の方法に関し、ワークピースは、少なくとも１つの硬化されるべき表面エリアを備え、表面エリアは、少なくとも１つの高感熱性サブエリア及び少なくとも１つの低感熱性サブエリアを備え、方法は、
レーザスポットを表面エリアに生成するために、レーザ源からのレーザビームを当該エリアに投射する段階と、
ワークピースの表面とレーザ源との間で相対移動を生じさせ、それにより、レーザスポットが、その後、表面エリアの複数の異なる部分に投射されることを可能にする段階と、
２次元の等価なまたは仮想の有効レーザスポットを表面エリアに生成するために、相対移動の間、表面エリアの各部分にわたって、２次元でレーザビームを繰り返しスキャンする段階であって、有効レーザスポットは、エネルギー分布を有する段階とを備え、
高感熱性サブエリアの過熱を防止するために、エネルギー分布は、高感熱性サブエリアにおいて、低感熱性サブエリアと異なるように適合される。
本発明のいくつかの実施形態では、方法は、有効レーザスポット内で、レーザビームをスキャンパターンに沿ってスキャンする段階と、エネルギー分布を得るために、任意に、スキャンパターンに沿ってレーザビームをオン及びオフにすることによって、スキャンパターンに沿ってレーザビームのパワーを変更する段階とを備える。
本発明のいくつかの実施形態では、毎秒少なくとも３００回、より好ましくは毎秒少なくとも６００回、より好ましくは毎秒少なくとも１，０００回、より好ましくは毎秒少なくとも５，０００回、さらにより好ましくは毎秒少なくとも１０，０００回、レーザビームを複数の適用可能なパワー状態のうちの１つに選択的に設定するために、レーザスポットをスキャンパターンに沿ってスキャンする間に、レーザビームのパワーを選択的に適応させることによって、エネルギー分布は制御される。例えば、スキャンパターンは、複数のセグメントを備えることができ、複数のセグメントの各々は、それに割り当てられた複数の適用可能なパワー状態のうちの１つを有し、複数のセグメントのうちの少なくとも１つに割り当てられたパワー状態は、低感熱性サブエリアにおいて、高感熱性サブエリアと異なるように選択可能である。すなわち、複数のセグメントのうちの１つ、いくつかまたはそれより多くに割り当てられた複数のパワー状態は、例えば、複数の潤滑油孔の複数の境界に対する過熱またはジャーナルの複数の既に硬化された部分に対する過剰な再加熱等を回避するために、加工中に動的に変更可能である。
上述されたように、用語「パワー状態」は、レーザビームが、「オン」もしくは「オフ」または最大値及びゼロ（またはゼロにより近い）間のパワーレベルのような所定の平均パワーを有する状態を指す。表現「適用可能」は、複数のパワー状態は、用いられているレーザ装置で実現可能であるという事実を指す。表現「に設定される」は、現実の状態変化が毎秒何回も生じなければならないことを示唆するものではなく、適切な場合に、例えば、制御システムによって与えられた複数の命令に従う場合はいつでも、レーザはパワー状態を変化させることが可能なように構成されることを示す。それにより、エネルギー分布のセグメント化または「ピクセル化」は、毎秒３００、６００、１０００、５０００または１００００セグメントまたはピクセルで実現可能である。例えば、毎秒３００セグメントは、６つのセグメントをスキャン周波数５０Ｈｚで有するスキャンパターンに対応可能である。上述されたように、複数の異なるパワー状態の間において変化が生じる場合に、レーザビームのパワーが前のパワー状態及び新たなパワー状態によって決定されたパワーと異なる複数の過渡期が存在し得る、例えば、レーザビームスキャンパターンに沿ってスキャンする間に、パワー曲線の傾きが存在する一方で、１つのセグメントから次への推移が生じるように、ビームパワーが増減し得る。
レーザが複数の異なるパワー状態の間で切り替える性能がより高いほど、所与のスキャン周波数に対して、より多数のセグメントまたはピクセルが、スキャンパターンを生成するために使用可能である。例えば、複数のパワーレベル間での切り替えを毎秒１０００回の速度で可能とするレーザ源の場合に、スキャン周波数１００Ｈｚが、各々が所望のパワー状態を割り当て可能な１０のセグメントを備えるスキャンパターンで使用可能であり、動作中に、複数のクランクシャフトの複数の潤滑油孔の複数の境界のような、複数の感熱性部分に対する過熱を防止するように適合され得る。
本発明のいくつかの実施形態では、方法は、有効レーザスポット内で、レーザビームに対して、高感熱性サブエリアにおいて、低感熱性サブエリアと比べて異なるスキャンパターンを用いる段階を備える。
本発明のいくつかの実施形態では、方法は、有効レーザスポットの少なくとも一部が、高感熱性サブエリアにおいて、低感熱性サブエリアと比べて異なるようにスキャン速度を適応させることによって、エネルギー分布を適応させる段階を備える。
本発明のいくつかの実施形態では、有効レーザスポットは、ワークピースの表面部分を硬化温度に加熱するために選択されたエネルギー分布及び密度を有する先端部分、加熱された表面部分の冷却を、焼き入れのために可能にするために選択されたエネルギー分布及び密度（例えば、極めて低エネルギー密度、例えばパワーがゼロ、またはパワーがゼロに近い）を有する中間部分、及びその焼き戻しを生成するべく、焼き入れされた部分を加熱するために選択されたエネルギー分布及び密度を有する末端部分を備える。概して、複数のクランクシャフトのような多くのワークピースは、その硬化に加えて、硬度を減少させ、延性を高め、脆弱性を減少させるために、焼き戻しを必要とする。焼き戻しのために、ワークピースは、概して、硬化のために用いられる温度より低い温度に加熱される。ワークピースが、レーザ処理を用いて硬化された場合に、焼き戻しは、炉または竈内で行うことができるが、硬化に用いられたものと同様のレーザ処理を、異なるエネルギー密度及び／または分布で適用して、その焼き戻しが行われることもできる。例えば、クランクシャフトの場合、焼き戻しは、硬化サイクルの後で焼き戻しサイクルを適用することによって行われる。例えば、ジャーナルの３６０度を硬化した後、有効レーザスポットは、今回はその焼き戻しのために、ジャーナル周りに、またはこれに沿って再び移動可能である。しかしながら、有効レーザスポットを用いることによって、同じサイクルまたは加工段階で硬化及び焼き戻しを与えることもでき、有効レーザスポットは、所望の硬化深さを得るために、ワークピースの表面を所望の硬化温度に加熱し、表面を当該温度で十分な時間維持するための先端部分、その焼き入れまたは自己焼き入れを生成するべく、加熱された部分の冷却を可能とするために、エネルギーまたはパワー密度が実質的に０Ｗ／ｃｍ２のような低エネルギー密度を有する中間部分、及び必要に応じて焼き戻しに必要な程度まで焼き入れされた部分を再加熱するためのエネルギー分布及び密度を有する末端部分を含む。このように、焼き入れ及び焼き戻しの両方を生成するために、例えば、クランクシャフトのジャーナルの表面の場合に、クランクシャフトをその回転軸周りに一度回転させることによって、有効レーザスポットに処理されるべき表面を一度走査させることで十分たり得る。
本発明のいくつかの実施形態では、有効レーザスポットは、直線または湾曲した複数の線のような複数の線を備えるパターンに従って、レーザビームをワークピースにわたって繰り返しスキャンすることによって確立され、複数の線は、好ましくは実質的に平行であり、スキャンは、スキャン周波数で繰り返され、複数の線の各々は、複数のセグメントまたはピクセルを備え、方法は、レーザビームの出力パワーを、複数のセグメントのうちのいくつかの中で、複数のセグメントのうちの他のものと比べて異なるレベルに選択的に設定するために、所定のレーザビームパワー値を複数のセグメントの各々に割り当てる段階を備える。レーザビームパワーを複数のセグメントに割り当てる段階は、レーザビームが、複数のセグメントのうち選択された複数に対して「オン」でなければならず、複数のセグメントのうち他の複数に対して「オフ」でなければならないことを規定する段階を含むことができ、これは、スキャンの間にレーザのオン及びオフを切り替えることによって実現可能である。つまり、ピクセル化されたエネルギー分布が、容易に実現される。このアプローチは、容易に変動可能な所望のエネルギー分布を与えるために役立つ可能性がある一方で、有効レーザスポットは、例えば、ワークピースを軸周りに回転させることによって、加熱されるべき表面に沿って走査される。本発明のいくつかの実施形態では、このスキャン周波数は、少なくとも５０Ｈｚ（レーザビームは、仮想レーザスポットを毎秒少なくとも５０回完了させるためにスキャンされるように）、好ましくは少なくとも１００Ｈｚであり、複数の線は、少なくとも２つの線、好ましくは少なくとも３つの線、より好ましくは少なくとも４つの線、例えば５−１０の線を備え、各線は、少なくとも３つのセグメント、好ましくは少なくとも５つのセグメント、より好ましくは少なくとも１０のセグメント、例えば１０−２０のセグメントを備える。この種類の構成は、スキャンサイクルの間に、スキャンパターン内のスポットにおける実質的な温度変動を回避するために十分な詳細及び十分な周波数により、所望のエネルギー分布を確立するために適切たり得る。高速のオンオフ切り替えを可能とするファイバレーザのような複数のレーザの利用により、５０Ｈｚを上回るスキャン周波数のような複数の比較的高いスキャン周波数でも、多数のセグメントまたはピクセルを実現することが可能となる。各セグメントは、それに割り当てられたビームパワー状態を有することができ、ビームパワー状態は、セグメントまたはその部分の間、レーザビームの意図されたパワーを示し、複数のセグメントに割り当てられた複数のパワー状態は、硬化加工の間、例えば、複数の高感熱性サブエリアに対する過熱を回避するために、動的に変更可能である。すなわち、複数のセグメントに割り当てられた複数のパワー状態を適応させることによって、有効レーザスポットのエネルギー分布は適合可能である。
上述された本発明の複数の異なる態様では、ワークピースの部分に沿って及び／またはわたってのレーザビームまたはレーザスポットのスキャンを含み、このスキャンは、レーザスポットが、複数のセグメントを備えるスキャンパターンに繰り返し従うように実行可能であり、２次元エネルギー分布に影響する少なくとも１つのパラメータ値は、複数のセグメントの各々と関連付けられ、例えば、レーザスポットがセグメントに沿って移動させられる度に、各セグメントに対応する動作を適応させるために用いられるために、制御システムのメモリに格納される。少なくとも１つのパラメータ値は、動作中に、少なくとも１つのパラメータ値が、複数のセグメントのうちの少なくとも１つに対して、有効レーザスポットが高感熱性サブエリアを加熱する場合に、低感熱性サブエリアを加熱する場合と異なるように、動的に適応され得る。例えば、所与のセグメントに対して、異なる複数のパラメータ値（または複数のパラメータ値の組み合わせ）は、複数の異なるメモリ位置に格納可能であり、加熱されているサブエリアに応じて、パラメータ値は、１つのメモリ位置または他のメモリ位置から取下げられることができる。しかしながら、これは例に過ぎず、他の複数の実装も、本発明の範囲である。セグメント化されたスキャンパターンの利用が見出されたことにより、クランクシャフトの特定の設計に適合されるエネルギー分布を容易に見出し、実装することが可能となった。例えば、クランクシャフトの潤滑油孔の複数の境界周りのエリアのような、ワークピースの複数の高感熱性部分に対応して、より小さいパワー／エネルギーを適用するために、２次元エネルギー分布に影響する１つまたは複数のパラメータを適応させることによって、エネルギー分布を容易に変更することができる。つまり、オペレータは、各セグメントに対応して、複数の異なる値を特定の複数のパラメータに割り当てることによって、複数の異なるエネルギー分布を定義することができ、クランクシャフトのジャーナルの表面のようなワークピースの部分に対する硬化の間に、複数の異なるエネルギー分布の間で切り替えることによって、適切な硬化が実現可能である一方で、複数の感熱性部分に対する局部的な過熱を回避する。セグメント化されたスキャンパターンの利用及び複数のパラメータ値をセグメント単位で割り当てることにより、適切な複数の値を容易に、例えば、少数のトライアルアンドエラーテストで、見出すことが可能となる。例えば、潤滑油孔に対応するために、特定の複数のセグメントに割り当てられた複数の値は、有効レーザスポットがワークピースの対応する複数のサブエリアに到達した場合に、複数の潤滑油孔に隣接して適用されるエネルギーを減少させるために選択可能である。
複数のパラメータ値は、スキャン速度、レーザスポットのサイズ、レーザビームのパワー、レーザビーム内のパワー分布、対応するセグメントの長さ及び対応するセグメントの方向のうちの少なくとも１つを示すことができる。本発明の多くの実施形態では、レーザビームのパワー及び／またはスキャン速度は、好ましい複数のパラメータである可能性がある。パラメータの選択は、レーザビームが、オン／オフのような複数の異なるパワーレベル間で、または複数の異なる中間パワーレベル間で、切り替え可能な速度のような因子に、及び、スキャンシステムが、セグメント単位によるセグメントに対するスキャン速度の急速な制御された変化を可能とする程度に、依存し得る。出力パワーの急速な制御された変化を可能とする複数のレーザが用いられる場合に、レーザビームのパワーは、エネルギー分布を決定する複数のパラメータのうちの少なくとも１つとして、有利に利用可能である。
方法は、各セグメントに対して、対応する少なくとも１つのパラメータ値をメモリに格納する段階を備えることができ、少なくとも１つのセグメントに対して、少なくとも２つの異なる値がメモリに格納され、第１の値は、低感熱性サブエリアを加熱する場合に用いられ、第２の値は、高感熱性サブエリアを加熱する場合に適用される。つまり、複数の異なる２次元エネルギー分布に対応する複数のパラメータ値は、複数の異なるメモリ位置に格納可能であり、高感熱性または低感熱性サブエリアが加熱されているか否かに応じて、制御システムは、１つのメモリ位置などの複数のパラメータ値を用いる。つまり、システム及び方法を新たな種類のクランクシャフトに適応させる場合に、オペレータは、スキャンパターン及び複数のパラメータ値を設計する、例えば、クランクシャフトのジャーナルに対する加熱の大部分の間に用いられる第１のエネルギー分布、有効レーザスポットが潤滑油孔を有するサブエリアに近づく場合に用いられる第２のエネルギー分布、有効レーザスポットが潤滑油孔を有するサブエリアを離れる場合に 用いられる第３のエネルギー分布を設計することによって、複数の異なるエネルギー分布のセットを設計することができる。複数の２次元エネルギー分布パターンは、例えば、ジャーナルの幅及び潤滑油孔のサイズ及び／または位置を考慮するように容易に適合可能である。
スキャンは、例えば、毎秒少なくとも３００セグメント、好ましくは毎秒少なくとも６００セグメント、より好ましくは毎秒少なくとも１，０００セグメント、より好ましくは毎秒少なくとも５，０００セグメント、さらにより好ましくは毎秒少なくとも１０，０００セグメントの平均速度で、実行可能である。高スキャン速度が、十分に多数のセグメントが２次元エネルギー分布に柔軟性を与えることを可能とする一方で、一方で、加熱されているエリアにおいて、各スキャンサイクル間の実質的な温度変動を回避するべく、スキャンパターンを高周波数で繰り返すために好ましい可能性がある。例えば、毎秒３００セグメントのスキャン速度では、６つのセグメントまたはピクセルを有するスキャンパターンは、周波数５０Ｈｚで繰り返されることができる。多数のセグメントまたはピクセルは、エネルギー分布をできる限り硬化されている表面の複数の特性に適応させる可能性を増大させるために役立つ可能性があり、一方で、スキャンパターンの繰り返しの高周波数は、各スキャンサイクル間での、加熱されているエリア内における望ましくない温度の揺らぎのリスクを減少させる。
上述された本発明の複数の態様のいくつかの実施形態では、方法は、有効レーザスポットが、周方向において、有効レーザスポットをジャーナル周りに変位させることによって硬化された、クランクシャフトのジャーナルの以前に硬化された部分のような、表面エリアの以前に硬化された部分に到達した場合に、有効レーザスポットの先端部分において、エネルギー密度を減少させる段階を備える。それにより、ジャーナルの既に加熱及び硬化された部分に対する過度の加熱が防止され得る。本発明のいくつかの実施形態では、有効レーザスポットの先端境界において、パワー／エネルギー密度は、単に減少するが、硬化された部分を、その焼き戻し目的で特定の程度に再加熱するために、有効レーザスポットは、例えば、周方向において、ジャーナル周りに移動し続ける。本発明の複数の他の実施形態では、方法は、有効レーザスポットが表面エリアの以前に硬化された部分、例えば、周方向において、有効レーザスポットをジャーナル周りに変位させることによって硬化された、クランクシャフトのジャーナルの以前に硬化された部分に到達した場合に、有効レーザスポットの先端部分において、有効レーザスポットの移動を阻害する段階を備え、一方で、有効レーザスポットの末端部分は、周方向に移動し続け、それにより、有効レーザスポットが消滅するまで、有効レーザスポットの周方向におけるサイズを徐々に減少させる。すなわち、有効レーザスポットは、以前に硬化された部分に到達した場合に、実質的に停止し、すなわち、例えば、先端境界は停止し、末端境界は先端境界に追いついて、硬化サイクルを完了させる。
両方の場合において、方法の実装は、有効レーザスポットが、スキャンパターンの複数のセグメントのような複数のセグメントから構成される場合に、実質的に容易となり得る。その先端境界で開始する有効レーザスポットの削減または取り消しは、例えば、ビームのパワーを減少させ、及び／またはスキャン速度を向上させることによって、及び／または単に複数のセグメントを取り消しまたは再構成することによって、エネルギー密度を複数のセグメントにおいて適応させることによって実現可能である。つまり、有効レーザスポットを生成するために、レーザビームの２次元スキャンの利用との組み合わせで、セグメント化のアプローチは、柔軟性を与え、当業者が、例えば、複数のクランクシャフトの複数のジャーナルに対する周方向におけるレーザ硬化の場合に、有効レーザスポットが、軌跡の中で以前に硬化された部分に到達することの取り扱いを容易にする。
本発明のさらなる態様は、中炭素鋼のワークピース、例えば、クランクシャフトのようなワークピース表面に対するレーザ硬化の方法に関する。「表面」という記載は、表面全体 が硬化されるべきであることを意味するものではない。例えば、クランクシャフトの場合、表面の複数の部分、例えば、１つまたは複数のジャーナル及び／または複数のジャーナルと隣接する複数の壁の複数の表面が硬化されることで十分となり得る。
ワークピースは、少なくとも１つの硬化されるべき表面エリア（例えば、クランクシャフトの１つまたは複数の主ジャーナル及び／または１つまたは複数のロッドジャーナル、及び／またはクランクシャフトの複数の壁面の表面）を備え、表面エリアは、少なくとも１つの高感熱性サブエリア（例えば、クランクシャフトの場合、潤滑油孔の直ぐ周りのエリア及び／またはアンダーカットフィレットの境界に近いエリア。ここでは、材料が存在しないことが、ヒートシンク性能を減少させ、過熱リスクの増大を示唆する。また、複数の尖った端部は、ジャーナルの残りの滑らかで規則的な表面より、過熱によって損傷を受ける可能性が高い）と、少なくとも１つの低感熱性サブエリア（例えば、クランクシャフトの場合、潤滑油孔及び／またはアンダーカットフィレットからより離れたジャーナル表面の部分であり、ここで、複数の境界及び複数の隙間が存在しないことは、過熱リスクの減少を示唆する）とを備える。
方法は、
レーザスポットを当該エリアに生成するために、レーザ源からのレーザビームを表面エリアに投射する段階と、
ワークピースの表面とレーザ源との間の相対移動を（例えば、ワークピースをＸ軸周りに回転させ、及び／またはワークピース及び／またはレーザ源を、Ｘ軸に直交するＹ及び／またはＺ軸に沿って変位させることによって）生じさせ、それにより、レーザスポットが、その後、表面エリアの複数の異なる部分に投射されることを可能にする段階（すなわち、レーザ源がスキャン手段との組み合わせで、レーザスポットを表面エリアの特定の部分またはセクションに向けることができる各時点における、例えば、Ｘ、Ｙ及びＺ軸に従ったワークピースとレーザ源との間の相対位置に応じて、かつ、例えば、スキャン手段が、レーザスポットの直径、長さまたは幅に対応する厚さを有する一連の当該エリアに、または例えば、エリアの実質的に矩形のセクションに、１次元または２次元移動を与えるか否かに応じて）と、
相対移動の間、当該エリアの各部分にわたって、レーザビームをスキャンする段階とを備える。スキャンは、１次元のみで、例えば、ワークピースの回転軸と平行に、及び／またはレーザ源の位置と関連するワークピースの表面の移動方向と垂直に、または、２次元で実行可能であり、つまり、矩形パターン、楕円形パターン、三角形パターン、台形パターン、六角形パターン、八角形パターン等のような経路またはパターンに従い、または、例えば、当該部分に沿って及び／またはこれにわたって、蛇行したまたは三角形のスキャンを前後に実行することによって、または、実質的に平行な複数の線のような複数の線に沿ってレーザビームをスキャンすることによって、このようなパターンによって輪郭を描かれたエリアを埋める。用語「レーザビームをスキャンする」は、１つまたは複数のスキャンミラーのような、なんらかの種類の光学式スキャン手段などを用いて、レーザビーム自体が変位することを意味するものと解釈されなければならない。
スキャンは、レーザスポットが表面エリアのスキャンパターンまたは経路に従うように実行される。
本発明のこの態様によれば、
（ｉ）スキャン速度、及び／または
（ｉｉ）レーザビームパワー、及び／または
（ｉｉｉ）レーザスポットサイズ のうちの少なくとも１つが、スキャンパターンの１つの部分において、スキャンパターンの他の部分と異なることによって、高感熱性サブエリアにおいてワークピースの過熱を回避する（またはそのリスクを減少させる）。
つまり、高感熱性エリアにおいて、低感熱性エリアと比べて、ワークピースに伝導される単位表面積当たりエネルギー量を減少させるために、高感熱性サブエリアでは、低感熱性サブエリアより、スキャン速度がより高い可能性があり、及び／または、レーザビームパワーが削減される可能性があり、及び／または、レーザスポットエリアがより大きい可能性があり、これは、例えば、フォーカスレンズを移動させることによって実現可能なことである。
本発明のいくつかの実施形態では、スキャンパターンは、複数のセグメントを備え、複数のセグメントの各々に対して、
（ｉ）スキャン速度、及び／または
（ｉｉ）レーザビームパワー、及び／または
（ｉｉｉ）レーザスポットサイズが割り当てられ、
スキャン速度、レーザビームパワー及びレーザスポットサイズのうちの少なくとも１つは、複数のセグメントのうちの少なくとも１つに対して、複数のセグメントのうち少なくとも他のものと比べて、異なるように選択される。
複数のセグメントは、直線または湾曲であってもよく、多角形またはあらゆる他の幾何学図形を形成可能である。これらは、スキャン中にレーザスポットが繰り返し従う閉曲線、またはレーザスポットが両方の方向に繰り返し従うことができる開曲線を形成することができる。複数のセグメントは、短くてもよく、レーザビームが特定の時間長にわたって静止するために選択可能な複数のポイントを含むことさえできる。つまり、スキャン中に表面へのエネルギー伝導の影響を有するパラメータの少なくとも１つの値を各セグメントに割り当てることによって、適切な熱伝導の分布及び加熱が、実現可能となる。例えば、コンピュータによって制御されるスキャンシステムでは、このアプローチにより、オペレータは、スキャンパターンに沿って、複数の異なるエネルギー伝導プロファイルを容易に試し、トライアルアンドエラーによって、具体的なクランクシャフトのような具体的な製品に対し、適切な１つに到達することができる。また、このアプローチは、ワークピースに対する適度な加熱を与えるものに到達するまで、１つまたは複数のセグメントに対するスキャン速度、レーザビームパワー及び／またはレーザスポットサイズを変更し、スキャンパターンの幾何学的レイアウトを変更してさえも、複数の異なるエネルギー伝導プロファイルで実験可能なように、コンピュータ化されたシミュレーションシステムで容易に実装可能である。スキャンパターン（例えば、複数のセグメントの長さを調整することによって）、及び／またはスキャン速度、及び／またはレーザビームパワー及び／またはレーザスポットサイズのバリエーションを可能とするコンピュータ入力手段が、与えられてもよい。勿論、追加的な複数のパラメータも、組み込み可能である。
例えば、スキャン速度は、高感熱性サブエリアにより近いセグメントにおいて、感熱性サブエリアからさらに離れた２つの隣接セグメントより高くなるように選択可能である。例えば、クランクシャフトの場合、スキャン速度は、加工のなんらかの段階で潤滑油孔を実際に横切る１つまたは２つのセグメントに対して、複数の隣接セグメントより高くなるように選択可能である。複数の異なるセグメントに対して、レーザスポットが従う経路に沿って異なるスキャン速度を用いることは、市販のスキャン手段で容易に実装されるという利点を有する。
本発明のいくつかの実施形態では、レーザビームパワーは、高感熱性サブエリアにより近いセグメントにおいて、感熱性サブエリアからさらに離れた２つの隣接セグメントより低くなるように選択される。例えば、クランクシャフトの場合、加工のなんらかの段階で、複数の潤滑油孔を実際に横切る、すなわち、複数の潤滑油孔によって横切られる１つまたは２つのセグメントにおいて、複数の隣接セグメントより、スキャン速度は、より高くなるように選択可能であり、及び／または、レーザビームパワーは、より低くなるように選択可能である。
本発明のいくつかの実施形態では、レーザスポットは、高感熱性サブエリアにより近いセグメントにおいて、感熱性サブエリアからさらに離れた２つの隣接セグメントよりより大きいエリアを有するように選択される。つまり、レーザビーム経路の特定の部分の間、「デフォーカスする」ことによって、単位表面積当たりパワーの集中は減少し、複数のクランクシャフトの複数の潤滑油孔に対応するもののような複数の小さい感熱性エリアに対する過熱を回避するために役立つ可能性がある。
本発明のこの態様のいくつかの実施形態では、複数のセグメントのうち１つまたは複数に割り当てられた （ｉ）スキャン速度、及び／または
（ｉｉ）レーザビームパワー、及び／または
（ｉｉｉ）レーザスポットサイズ が少なくとも一度変更される間に、ワークピースの表面は、例えば、パターンまたはセグメントが高感熱性サブエリアに到達する、またはこれを離れる度に、レーザ源に対して移動させられる。つまり、例えば、パターンの１つまたは複数のセグメントに対応するスキャン速度、及び／またはレーザビームパワー、及び／またはレーザスポットサイズは、例えば、複数のセグメントのうち１つまたは複数が、高感熱性サブエリア、例えばクランクシャフトの複数の潤滑油孔またはその近くに到達した場合に、かつ、当該セグメントまたは複数のセグメントが高感熱性サブエリアを離れる場合にも、加工中に変更可能である。このように、加熱処理は、ワークピースの全てのエリアに対して、これらの感熱性に従って容易にかつ合理的に最適化可能である。
本発明のこの態様は、複数のセグメントの各々に対して、
（ｉ）少なくとも１つのスキャン速度、及び／または
（ｉｉ）少なくとも１つのレーザビームパワー、及び／または
（ｉｉｉ）少なくとも１つのレーザスポットサイズ割り当てることによって、レーザビームを制御するために、パーソナルコンピュータ、ＰＬＣなどのような電子制御手段をプログラミングする段階をさらに備えることができる。
本発明のいくつかの実施形態では、スキャンパターンは、（例えば、複数のセグメントによって画定された）幾何学的形状を有し、スキャンパターンの幾何学的形状が少なくとも一度変更される間に、ワークピースの表面は、レーザ源に対して移動させられる。例えば、ワークピースの１回転中のような加工の１つの段階では、例えば、潤滑油孔が表面エリアのスキャンされた部分に近づく場合に、１つまたは複数のセグメントは、高感熱性サブエリアに対する過熱を回避するために、単に省略可能であり、または、スキャンパターンは、１つまたは複数のエリアにおけるパワー密度を減少させるために、変更可能である。
本発明のさらなる態様は、ワークピース表面に対するレーザ硬化の方法に関し（中炭素鋼のワークピース、例えば、クランクシャフトのようなものであり、「表面」という記載は、表面全体が硬化されるべきであることを意味するものではない。例えば、クランクシャフトの場合、表面の複数の部分、例えば、１つまたは複数のジャーナル及び／または複数のジャーナルと隣接する複数の壁の複数の表面が硬化されれば十分たり得る）、ワークピースは、少なくとも１つの硬化されるべき表面エリア（例えば、クランクシャフトの１つまたは複数の主ジャーナル及び／または１つまたは複数のロッドジャーナル表面、及び／またはクランクシャフトの複数の壁面）を備える。表面エリアは、少なくとも１つの高感熱性サブエリア（例えば、クランクシャフトの場合、潤滑油孔の直ぐ周りのエリア、及び／またはアンダーカットフィレットの境界に近いエリア。ここでは、材料が存在しないことが、ヒートシンク性能を減少させ、過熱リスクの増大を示唆する。また、複数の尖った端部は、ジャーナルの残りの滑らかで規則的な表面より、過熱によって損傷を受ける可能性が高い）と、少なくとも１つの低感熱性サブエリア（例えば、クランクシャフトの場合、潤滑油孔及び／またはアンダーカットフィレットからより離れたジャーナル表面の部分であり、ここで、複数の境界及び複数の隙間が存在しないことは、過熱リスクの減少を示唆する）とを備える。方法は、
レーザスポットを表面エリアに生成するために、レーザ源からのレーザビームを表面エリアに投射する段階と、
ワークピースの表面とレーザ源との間の相対移動を（例えば、ワークピースをＸ軸周りに回転させること、及び／またはワークピース及び／またはレーザ源を、Ｘ軸に直交するＹ及び／またはＺ軸に沿って変位させることによって）生じさせ、それにより、レーザスポットが、その後、表面エリアの複数の異なる部分に投射されることを可能にする段階（すなわち、レーザ源がスキャン手段との組み合わせで、レーザスポットを当該エリアの特定の部分またはセクションに向けることができる各時点における、例えば、Ｘ、Ｙ及びＺ軸に従ったワークピースとレーザ源との間の相対位置に応じて、かつ、例えば、スキャン手段が、レーザスポットの直径、長さに対応する厚さまたは幅を有する一連の当該エリアに、または例えば、エリアの実質的に矩形のセクションに、１次元または２次元移動を与えるか否かに応じて）とを備える。
相対移動の間、レーザビームを表面エリアの各部分にわたってスキャンする段階（スキャンは、１次元のみで、例えば、ワークピースの回転軸と平行に、及び／またはレーザ源の位置と関連するワークピースの表面の移動方向と垂直に、または、２次元で実行可能であり、つまり、矩形パターン、楕円形パターン、三角形パターン、台形パターン、六角形パターン、八角形パターン等のようなパターンに従い、または、例えば、当該エリアに沿って及び／またはこれにわたって、蛇行したまたは三角形のスキャンを前後に実行することによって、または、複数の平行な線のような複数の線を追跡することによって、このようなパターンによって輪郭を描かれたエリアを埋める。用語「レーザビームをスキャンする」は、１つまたは複数のスキャンミラーのような、なんらかの種類の光学式スキャン手段を用いて、レーザビーム自体が変位することを意味するものと解釈されなければならない）とを備え、
スキャンは、レーザスポットが当該エリアにおいてスキャンパターンまたは経路に従うように実行され、スキャンパターンは、幾何学的構成を有する。
本発明のこの態様によれば、スキャンパターンの幾何学的構成は、相対移動中に表面エリアとレーザ源との間で少なくとも一度変更される。例えば、スキャンパターンは、複数のセグメントを備えることができ、１つまたは複数のセグメントは、高感熱性サブエリアに対する過熱を回避するために、単に省略可能であり、または、パターンは、１つまたは複数のエリアにおけるパワー密度を減少させるために、変更可能である。つまり、例えば、クランクシャフトの場合、レーザ源とワークピースの表面との間の相対移動の間、１つまたは複数の潤滑油孔がスキャンされたエリアに近づく場合に、スキャンパターンは、例えば、経路のエネルギー密度を減少させることによって、すなわち、複数のセグメントを分離することによって、及び／または１つまたは複数のセグメントを省略することによって、適合可能である。例えば、１つのセグメントは、省略可能である。元の閉曲線スキャンパターンを開曲線スキャンパターンに変化させることにより、レーザスポットは、開曲線を前後に追跡可能である。省略されたセグメントが潤滑油孔の位置に対応する場合、これは、潤滑油孔の複数の境界に対する加熱に寄与しない。
本発明のさらなる態様は、ワークピース（例えば、中炭素鋼のような鉄材料のワークピース、例えば、クランクシャフト）の表面に対するレーザ硬化の方法に関し、ワークピースは、少なくとも１つの硬化されるべき表面エリア（例えば、クランクシャフトの場合、クランクシャフトの１つまたは複数の主ジャーナル及び／または１つまたは複数のロッドジャーナルの表面、及び／またはクランクシャフトの複数の壁面）を備え、表面エリアは、少なくとも１つの高感熱性サブエリア（例えば、クランクシャフトの場合、潤滑油孔の直ぐ周りのエリア、及び／またはアンダーカットフィレットの境界に近いエリア。ここでは、材料が存在しないことが、ヒートシンク性能を減少させ、過熱リスクの増大を示唆する。また、複数の尖った端部は、ジャーナルの残りの滑らかで規則的な表面より、過熱によって損傷を受ける可能性が高い）と、少なくとも１つの低感熱性サブエリア（例えば、潤滑油孔及び／またはアンダーカットフィレットからより離れたジャーナル表面の部分であり、ここで、複数の境界及び複数の隙間が存在しないことは、過熱リスクの減少を示唆する）とを備える。
方法は、
レーザ源からのレーザビームを表面エリアに投射し、これによって、レーザスポットを表面エリアに生成する段階と、
ワークピースの表面とレーザ源との間の相対移動を（例えば、ワークピースＸ軸周りに回転させること、及び／または、ワークピース及び／またはレーザ源を、Ｘ軸に直交するＹ及び／またはＺ軸に沿って変位させることによって）生じさせ、それにより、レーザスポットが、その後、表面エリアの複数の異なる部分に投射されることを可能にする段階（すなわち、レーザ源がスキャン手段との組み合わせで、レーザスポットを当該エリアの特定の部分またはセクションに向けることができる各時点における、例えば、Ｘ、Ｙ及びＺ軸に従ったワークピースとレーザ源との間の相対位置に応じて、かつ、例えば、スキャン手段が、レーザスポットの直径、長さに対応する厚さまたは幅を有する一連の当該エリアに、または例えば、エリアの実質的に矩形のセクションに、１次元または２次元移動を与えるか否かに応じて）と、
相対移動の間、当該エリアの各部分にわたってレーザビームをスキャンする段階（スキャンは、１次元のみで、例えば、ワークピースの回転軸と平行に、または、２次元で実行可能であり、これにより、矩形パターン、楕円形パターン、三角形パターン、台形パターン等のようなパターンに従い、または、例えば、当該エリアに沿って及び／またはこれにわたって、蛇行したまたは三角形のスキャンを前後に実行することによって、または、レーザビームを複数の平行な線のような複数の線を備えるパターンに従わせることによって、このようなパターンによって輪郭を描かれたエリアを埋める。用語「レーザビームをスキャンする」は、１つまたは複数のスキャンミラーのような、なんらかの種類の光学式スキャン手段を用いて、レーザビーム自体が変位することを意味するものと解釈されなければならない。ＸＹＺスキャナの場合、スポットがＸ及びＹ方向に移動可能であることに加えて、なんらかの種類の駆動手段によってＺ方向に変位可能なフォーカスレンズが与えられ、それにより、レーザスポットのサイズの動的適応が可能となる。それにより、スポットの位置及びそのサイズの両方が、硬化加工を最適化するために、制御及び適合可能となる。）と、
レーザビームを変調する段階とを備える。
本発明のこの態様によれば、レーザビームは、ワークピースの各部分に対する過熱を防止するために、レーザスポットが高感熱性サブエリアにある場合に、それが低感熱性サブエリアにある場合と異なるように変調される。より詳細には、
Ａ．レーザビームのパワーは、変調され（例えば、当該パワーが、レーザスポットが高感熱性サブエリアにある場合に、レーザスポットが低感熱性サブエリアにある場合より低くなるように。パワーを変調する段階は、パワーを一時的にゼロまたはゼロ付近に減少させる段階をも含む。）、
及び／または
Ｂ．レーザビームのスキャン速度は、変調され（例えば、レーザスポットが高感熱性サブエリアにある場合に、レーザスポットが低感熱性サブエリアにある場合より、レーザスポットが、ワークピースの表面を高速で移動するように。スキャン速度を変調する段階は、レーザビームの移動を一時的に停止させる段階をも含む。）、
及び／または
Ｃ．レーザスポットが高感熱性サブエリアに対応する場合に、低感熱性サブエリアに対応する場合とは異なるスキャンパターンに従うように、レーザビームのスキャンパターンは変調され（つまり、高感熱性サブエリアに対して、例えば、クランクシャフトの複数の潤滑油孔または複数のアンダーカットフィレットの、例えば複数の境界における過熱リスクを減少させるスキャンパターンが選択可能である）、
及び／または
Ｄ．レーザスポットサイズが高感熱性サブエリアに対応する場合に、低感熱性サブエリアに対応する場合とは異なる（例えば、より大きい）ように、レーザビームのレーザスポットサイズは変調される（つまり、高感熱性サブエリアに対して、例えば、クランクシャフトの複数の潤滑油孔または複数のアンダーカットフィレットの複数の境界における加熱を減少させるスポットサイズが、使用可能である。例えば、レーザビームをデフォーカスすることによってスポットサイズを増大させることで、レーザスポットの単位表面積当たりパワー量が減少する）。
つまり、例えば、本発明のこれらの態様の全てにおいて、かつ、軸受複数のクランクシャフト表面、すなわち、主ジャーナル及び複数のロッドジャーナルの複数の表面に対する硬化の場合に、レーザビームは、複数のジャーナルのうちの１つにフォーカス可能であり、ビームは、次に、ジャーナルにわたって、及び／またはジャーナルの部分にわたって、スキャンされ得る。一方で、レーザ光源とクランクシャフトの表面との間の相対移動によって、クランクシャフトの周全体が、スキャンされ得る。ここで、例えば、ジャーナル幅のオーダの幅を有するレーザスポットのような大きいサイズの正方形または矩形のレーザスポットを生成するために光学式手段を用いる代わりに、次にジャーナルにわたってスキャンされるより小さいスポットが、使用可能である。このように、スキャン速度、パワー、スキャンパターン及び／またはレーザスポットサイズに関するビームの変調により、加熱処理は、表面の複数の異なる部分の複数の特殊性、例えば、クランクシャフトの場合、複数の潤滑油孔及び複数のフィレットのような複数の領域の感熱性に適合可能である。つまり、単に大きいレーザスポットを表面に適用し、表面をレーザ源に対して移動させる、例えば、ワークピースを回転させる（ドイツ特許公報第１０ ２００５ ００５ １４１Ｂ３号によって示唆されていると見られる）ことによって、表面の全ての部分を単に同様に扱う代わりに、全ての部分に対する十分な加熱を得る一方で、特定の複数の部分に対する過熱を回避するべく、表面の複数の異なる部分が異なる量のエネルギーを受けるように、より小さいスポットが使用可能であり、スキャン及び変調が実行可能である。ビームを変調することによって、表面の複数の異なる部分は、異なるように処理され得る。例えば、スキャンパターンは、複数の潤滑油孔の複数の境界に対する過熱を防止するために、複数の潤滑油孔に近いエリアにおいて変更可能である。また、あるいは代案として、過熱の発生を防止するために、デフォーカスするまたはレーザビームの表面に対する入射角度を適応させることによって、ビーム強度は削減可能であり、及び／または速度は増大可能であり、及び／またはレーザスポットのサイズは増大可能である。つまり、硬化されるべき表面エリア全体を均質に 加熱する代わりに、複数の潤滑油孔周りの複数のエリア及び／または複数のアンダーカットフィレット付近の複数のエリアのような複数のエリアにおいて、過熱リスクを減少させることに注意を払うことができる。これらの複数のエリアでは、材料が存在しないことにより、加熱された表面から離れて、熱の変動が減少し、これは過熱リスクが実質的に増大したことを示唆する。また、ジャーナルにおいて、これらの複数のエリアの複数の尖った端部では、他の複数の部分の滑らかな面より過熱によって損傷を受ける可能性が高い。
つまり、これらの複数のパラメータのうち１つまたは複数を変更することによって、過熱リスクは削減可能である。
上述された本発明の複数の態様のいずれかを用いる場合、かつ、特に、レーザビームを１または２次元でスキャンすることによって、等価なまたは仮想の有効レーザスポットを生成する場合に、当業者 は、具体的なクランクシャフトの各設計に適切な複数の変調技術を決定するために、複数のコンピュータシミュレーション及び／または実際の複数のトライアルアンドエラーテストを用いることができる。システムを新たな種類のクランクシャフトに適応させることは、つまり、例えば、新たな複数のスキャン速度プロファイル、複数のレーザ光強度プロファイル、複数のスキャンパターン及び／または複数のスポットサイズを導入すること、例えば、これらの複数のパラメータの複数の異なる値をスキャンパターンの複数の異なるセグメントに割り当てることによって、ソフトウェアを変更することのみを必要とする。これによって、適切なパフォーマンスを実現するために、複数のトライアルアンドエラーシミュレーション中に、かつ、実生活での動作中にも（例えば、パイロメータならびに関連ソフトウェア及び適切なフィードバックに基づく制御を用いて）、複数のトライアルアンドエラーシミュレーションを容易に実行し、スキャンパターン及び関連する複数のパラメータを動的に変更することができる。実際、１つの種類のクランクシャフトに対して選択されたビーム変調技術またはエネルギー分布アプローチは、例えば、複数の潤滑油孔の寸法における複数の変化及び位置における複数の変化が考慮されることによって、他の種類のクランクシャフトに容易に適合可能である場合が多い。つまり、この技術は、誘導による加熱に基づくものよりはるかに柔軟である。本発明の複数の実施形態を用いることによって、適応は、基本的に、ハードウェアではなく、ソフトウェアの適応に属し得る。
例えば、変調の複数の代案Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤのいずれも、単独で使用可能であり、または、Ａは、ＢまたはＣと共に使用可能であり、またはＢは、Ｃと共に使用可能であり、または、Ａ及びＢ及びＣは、共に使用可能であり、かつ、Ｄは、任意に、上述の複数の組み合わせのいずれかと共に使用可能である。つまり、上述された本発明の複数の異なる態様は、ワークピースに対するレーザ加熱を複数の異なるワークピースの設計に適応させるために、極めて柔軟なプラットフォームを与え、ハードウェアを適応させる必要を実質的に減少させ。これは、複数のクランクシャフトのような複数のワークピースの誘導加熱に対して、さらに重要な利点を示唆する。例えば、選択肢Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤに対する選択は、実用的な複数の考慮、例えば、異なる複数の種類のレーザ及びスキャンシステムに関するコスト、スキャン速度及び／またはレーザビームパワー強度を変化させる性能、複数のスキャンパターンを変化させる性能、例えば、単軸または双軸のいずれのスキャンシステムが用いられるかに応じて、等に基づいてなされることができる。
この変調アプローチは、複数の潤滑油孔及び複数のフィレットならびに複数のアンダーカットにおける過熱を防止するために有用であるのみならず、複数のワークピースの場合、複数のクランクシャフトのジャーナルの周のような周全体のいずれが硬化されるべきかに関して役立つ。周のほぼ３６０度全体が一度加熱処理を受けると、レーザビームは、既に硬化された、及び実質的に再び加熱されてはならないエリアに再び近づく。レーザビームを適切に変調することによって（速度、スキャンパターン、パワー及び／またはスポットサイズに関して、及び／または仮想のまたは等価なレーザスポットのような有効レーザスポット内におけるエネルギー分布を適応させることによって）、適度な加熱は、周の最初に加熱された部分と最後に加熱された部分との間のこの境界領域においても実現可能である。
本発明のさらなる態様は、ワークピース（例えば、中炭素鋼のような鉄材料のワークピース、例えば、クランクシャフト）表面に対するレーザ硬化の方法に関し、ワークピースは、少なくとも１つの硬化されるべき表面エリア（例えば、クランクシャフトの１つまたは複数の主ジャーナル及び／または１つまたは複数のロッドジャーナルの表面）を備える。
方法は、
レーザ源からのレーザビームを表面エリアに投射し、これによって、レーザスポットを表面エリアに生成する段階と、
ワークピースの表面とレーザ源との間の相対移動を（例えば、ワークピースＸ軸周りに回転させること、及び／または、ワークピース及び／またはレーザ源を、Ｘ軸に直交するＹ及び／またはＺ軸に沿って変位させることによって）生じさせ、それにより、レーザスポットが、その後、表面エリアの複数の異なる部分に投射されることを可能にする段階（すなわち、レーザ源がスキャン手段との組み合わせで、レーザスポットを当該エリアの部分またはセクションに向けることができる各時点における、例えば、Ｘ、Ｙ及びＺ軸に従ったワークピースとレーザ源との間の相対位置に応じて、かつ、例えば、スキャン手段が、レーザスポットの直径、長さまたは幅に対応する厚さを有する一連の当該エリアに、または例えば、エリアの実質的に矩形のセクションに、１次元または２次元移動を与えるか否かに応じて）と、
相対移動の間、当該エリアの各部分にわたってレーザビームをスキャンする段階（スキャンは、１次元のみで、例えば、ワークピースの回転軸と平行に、または、２次元で実行可能であり、これにより、矩形パターン、楕円形パターン、三角形パターン、台形パターン等のようなパターンに従い、または、このようなパターンの複数の境界内において、例えば、蛇行した態様でレーザビームを移動させることによって、このようなパターンを埋める。用語「レーザビームをスキャンする」は、１つまたは複数のスキャンミラーのような、なんらかの種類の光学式スキャン手段などを用いて、レーザビーム自体が変位することを意味するものと解釈されなければならない。）とを備え、
レーザビームによって走査されるエリアに入るワークピースの表面の部分が、最初により高い平均パワーでレーザ照射を受け、その後、より低い平均パワーでレーザ照射を受けるように加熱が実行される。これは、レーザスポットが、単位面積当たり、末端部分より先端部分により多くの時間留まるように、より高いスキャン密度を有する先端部分と、より低いスキャン密度を有する末端部分とを有するスキャンパターンを与えることによって実現可能であり、これにより、処理されるべき表面部分が最初に先端部分に入り、その後末端部分に入る。平均パワーという用語は、スキャンサイクル全体の間における表面積当たりパワーの平均量として理解されるべきである。この目標を達成する他の方法は、レーザビームが９０度より小さい角度で表面に作用するように、少なくとも部分的に中心から外された態様で、レーザビームを投射することによる。レーザビームを中央から外すことは、後方反射に起因する損傷または障害のリスクを減少させるという利点をさらに伴う。
本発明のさらなる態様は、（クランクシャフトの主ジャーナルまたはロッドジャーナルの表面のような）実質的に円形の断面を有するワークピース（例えば、中炭素鋼のような鉄材料のワークピース、例えば、クランクシャフト）の部分の表面をレーザ硬化する方法に関する。
方法は、
レーザ源からのレーザビームを表面に投射し、これにより、レーザスポットを表面に生成する段階と、
ワークピースの表面とレーザ源との間で相対移動を生じさせ（例えば、ワークピースＸ軸周りに回転させること、及び／または、ワークピース及び／またはレーザ源を、Ｘ軸に直交するＹ及び／またはＺ軸に沿って変位させることによって）、それにより、その後、レーザスポットが、表面の周に沿って、表面の複数の異なる部分に投射されることを可能にする段階とを備える。
本発明のこの態様によれば、レーザビームは、中心から外された態様で、表面に投射される。すなわち、レーザビームの中央は、円形断面の中央を通る線と整合されていない。これは、レーザスポットを大きくする助けとなり、熱の分布をより良くすることに役立つ場合がある。また、このアプローチは、レーザスポットの先端境界及び末端境界において、レーザビームが表面に対して複数の異なる角度で入射することに起因して、レーザスポットの先端境界が末端スポットより高いパワー密度を有する可能性があることから、役立つ可能性がある。上述されたように、これは、表面が所望の温度に達するために必要な加熱時間を短縮可能である。このアプローチは、例えば、実質的に正方形または矩形のレーザスポットを与える固定光学系との組み合わせで使用可能である。また、レーザビームを中央から外すことは、後方反射に起因する損傷または障害のリスクを減少させるという利点をさらに伴う。
本発明のさらなる態様は、ワークピースの部分の表面をレーザ硬化する方法に関し、方法は、
レーザ源からのレーザビームを表面に投射し、これにより、レーザスポットを表面に生成する段階と、
ワークピースの表面とレーザ源との間で相対移動を生じさせ、それにより、その後、前記レーザスポットが表面の複数の異なる部分に投射されることを可能にする段階とを備える。レーザビームは、表面と直交しない方向で、好ましくは表面に対して７０°より小さい、例えば６０°より小さい、または４５°よりさらに小さい角度を形成して、表面に投射される。これは、レーザスポットのサイズを増大させること、つまり、表面積当たりパワー量を減少させ、かつ、表面とレーザ源との間の所与の相対速度に対して、レーザスポットと表面上の所与の点との間の相互作用の時間を増大させる助けとなる。これは、硬化された層の深さの増大に寄与することができる。
本発明のさらなる態様は、ワークピース（中炭素鋼のワークピース、例えば、クランクシャフトのような）表面に対するレーザ硬化の方法に関する。
方法は、レーザ源からのレーザ光を加熱されるべき複数の表面エリアに投射する段階を備える。本発明のこの態様によれば、レーザ光は、第１の表面エリア及び第１の表面エリアと実質的に垂直に延在する第２の表面エリアに（同時にまたはその後または連続的に）投射される。方法は、レーザビームをＳ波偏光成分を有する第１のレーザビーム成分及びＰ波偏光成分を有する第２のレーザビーム成分に分割する段階と、第１のレーザビーム成分を、第１の表面エリアの加熱のために用いる段階と、第２のレーザビーム成分を、第２の表面エリアの加熱のために用いる段階とを備える。このように、パワー吸収と入射角度との間の関係 と、この関係が偏光に依存する態様とが、加熱効率を高めるために使用可能である。
上述された本発明の全ての態様において、ワークピースとレーザ源との間の相対移動を生じさせる段階は、レーザ光スポットが硬化されるべき表面エリアの周全体にアクセス可能となるように、ワークピースを（システムのいわゆるＸ軸と平行たり得る）回転軸周りに回転させる段階を含むことができる。例えば、クランクシャフトは、主ジャーナルの中央を通る長さ方向軸周りに回転可能である。
さらに、ワークピースとレーザ源との間の相対移動を生じさせる段階は、回転軸と直交する（例えば、Ｙ軸と平行な）第１の方向及び回転軸と直交する（例えば、Ｚ軸と平行な）第２の方向に、相対移動を生じさせる段階を含むことができる。このように、主ジャーナルの中央軸周りに回転するクランクシャフトの複数のロッドジャーナルのような、偏心して配置された複数のものの場合にも、レーザ光源と処理されるべき表面との間の距離は、一定に保持可能である。この主軸がシステムのＸ軸に対応する場合、Ｙ及びＺ軸のような２つの他の方向におけるレーザ光源の間の相対移動を生じさせることは、レーザ光源と処理されるべき表面との間の距離が、確実に一定に保たれることの助けとなる。例えば、第１の方向における移動は、ワークピースを（例えば、水平方向に）変位させることによって生じさせることができ、第２の方向における移動は、レーザ源を（例えば、垂直方向に）変位させることによって生じさせることができる。また、任意に、レーザ源は、回転軸と平行に移動可能とされ得る。つまり、レーザ光源は、例えば、その後、クランクシャフトの複数の異なるジャーナルに作用するために用いられてもよい。
本発明の多くの実施形態では、ワークピースは、複数の潤滑油孔を有するクランクシャフトであってもよい。
本発明のさらなる態様は、クランクシャフト表面をレーザ硬化する方法に関し、クランクシャフトは、主ジャーナル、複数のロッドジャーナル及び複数の潤滑油孔を備える。
方法は、
レーザ源からのレーザビームを、硬化されるべきジャーナルの表面に投射することにより、レーザスポットを表面に生成する段階と、（例えば、主ジャーナルの中心軸に対応し得る軸周りに）クランクシャフトを回転させることにより、表面をレーザ源に対して移動させる段階とを備える。
本発明のこの態様によれば、クランクシャフトが回転する間、レーザビームは、ジャーナルの表面の少なくとも一部にわたって、所定のスキャンパターンに従ってスキャンされることにより、表面を加熱する。表面において、複数の高感熱性サブエリアに、複数の低感熱性サブエリアより小さいエネルギーを適用するために、スキャンは実行される。予め決定されたという用語は、予め決定された態様で、及び／またはなんらかの種類の温度センサまたは温度カメラからのフィードバックに基づく制御システムに従って動作する間の、スキャンパターンの動的適応の可能性を除外するものではない。
表面において、複数の高感熱性サブエリアに、複数の低感熱性サブエリアより小さいエネルギーを適用するために、例えば、スキャンは、レーザビームのパワーを実質的に一定に維持し、かつ、スキャン速度及び／またはスキャンパターン、すなわち、レーザビームが表面において従うパターンまたは経路を適応させるように、実行可能である。本発明の他の複数の態様では、表面において、複数の高感熱性サブエリアに、複数の低感熱性サブエリアより小さいエネルギーを適用するために、例えば、スキャンパターンの複数のセグメントに対応して、レーザビームのオンオフ状態を動的に適応させることにより、スキャンパターンを実質的に一定に維持し、スキャン速度及び／またはビームパワーを適応させるように、スキャンは実行される。本発明のいくつかの実施形態では、複数の高感熱性エリアは、クランクシャフトの複数のジャーナルの複数の軸方向端部において、複数の潤滑油孔と隣接する複数のエリア及び／または複数のフィレットと隣接する複数のエリアを含む。
本発明のいくつかの実施形態では、スキャンパターンは、複数のセグメントを備え、パワー状態に対応するパワーレベルに対して、各セグメントに対応してレーザビームのパワーを設定するために、ビームパワー状態は、複数のセグメントの各々に割り当てられる。レーザは、複数のパワー状態の決定に応じて、複数のセグメントのうちのいくつかにおいて、ビームパワーが他の複数のセグメントと比べて異なるように、複数のビームパワー状態の要求に応じて、レーザビームのパワーを変化させるように構成される。レーザスポットをスキャンパターンに沿ってスキャンすることは、 好ましくは毎秒少なくとも３００セグメント、好ましくは毎秒少なくとも６００セグメント、より好ましくは毎秒少なくとも１，０００セグメント、より好ましくは毎秒少なくとも５，０００セグメント、さらにより好ましくは毎秒少なくとも１０，０００セグメントの率で生じ、スキャンパターンは、少なくとも１０Ｈｚ、より好ましくは少なくとも５０Ｈｚ、さらにより好ましくは少なくとも１００Ｈｚの周波数で繰り返される。つまり、スキャンパターンのセグメント化またはピクセル化は、加熱されているエリアのパワーまたはエネルギー分布が、例えば、スキャンされているエリアの感熱性に従って適合されることを可能とする一方で、同時にスキャンパターンを高周波数で繰り返し、それにより、現在加熱されているエリア内における温度の揺らぎを減少させるように実現可能である。
本発明の多くの実施形態では、レーザ源は、「オン」状態から「オフ」状態への切り替えのために約１００μｓ以下を必要とし、逆もまた同様であるファイバレーザのような、ファイバレーザを備える。複数のファイバレーザは、典型的には、硬化目的のために十分なパワーを有する複数のビームを生成するダイオードレーザのような他の複数の種類のレーザよりコストがかかる。つまり、当業者は、複数のクランクシャフトのような複数のワークピースを硬化させるためにファイバレーザを用いることに消極的な可能性がある。しかしながら、ファイバレーザは、オン及びオフの高速切り替えが可能であり、つまり、等価なレーザスポットの複数の線に沿って及び／または複数のサブエリアまたはピクセル内でエネルギーを分布させるために、レーザのオン及びオフを切り替える間に、ビームが有効レーザスポットにわたって所定のスキャンパターンに従うことによって、特に、適切なエネルギー分布を得るために有用たり得る。また、複数のファイバレーザは、フォーカスされたレーザスポットとビーム出口との間の焦点距離を大きくすることができるように、高品質で比較的小さい直径の複数のビームを生成する。これは、スキャンの場合に、スキャンミラーなどの移動がより小さくなり得ることから、かつ、複数のクランクシャフトのような複数の複雑な対象の表面にわたってレーザビームをスキャンする場合にも、複数のカウンターウェイト及び複数の壁が焦点距離の短い複数のレーザビームに対する障害を意味し得ることから、利点となり得る。
本発明のさらなる態様は、ワークピース表面の少なくとも一部を硬化するためのシステムに関し、システムは、レーザ源と、ワークピースの表面とレーザ源との間で相対移動を生じさせるための手段とを備える。本発明のいくつかの実施形態では、レーザ源は、ワークピースの表面の部分にわたって、レーザビームを１または２次元でスキャンするためのスキャン手段を与えられ、またはこれと関連付けられる。システムは、システムの動作を制御するために、コンピュータ、コンピュータシステム、ＰＬＣ等のような電子制御手段をさらに備える。
本発明のこの態様によれば、電子制御手段は、上述された複数の態様のいずれかに記載された方法を実行するために、システムを動作させるように構成される。
スキャンパターン、すなわち、パターンの経路の幾何学的構成のような複数のパラメータ、及び／またはスキャン速度、及び／またはレーザビームパワー、及び／またはレーザスポットサイズ、及び／または硬化されるべき表面におけるレーザビームの波長または入射角度のような複数のパラメータをさえ変更することによって、システムは、硬化されるべき表面に沿って、及びこれにわたって行われる加熱を最適化するための柔軟性を与える。トライアルアンドエラーの複数の実験は、複数のトライアルワークピースに対して、または複数のコンピュータシミュレーションを用いることによって実行可能であり、オペレータは、複数の高感熱性エリアまたは複数のものを過剰に劣化させることがない、複数の許容可能な硬化の特性を与えるのではなく、複数のパラメータの組み合わせに到達するまで、複数のセグメントの長さ及び位置／方向、各セグメントに対するスキャン速度、各セグメントにおけるレーザビームのパワー等のような複数のパラメータの複数の値を動的に変更することができる。
本発明の他の態様は、上述されたようにシステムにおいて実行された場合に、上述された本発明の複数の態様のいずれかの方法を実行するための複数のプログラム命令を備えるコンピュータプログラムと、（任意の適した種類のメモリデバイスまたは電気信号のような）コンピュータプログラムを格納する情報キャリアとに関する。
本発明の他の態様は、クランクシャフトの複数のジャーナルの複数の表面に対してレーザ硬化を行うための装置に関し、複数のジャーナルは、少なくとも２つの中央に構成された主ジャーナルと、少なくとも１つのオフセットされたロッドジャーナルとを含み、装置は、
クランクシャフトを支持し、任意に、クランクシャフトをクランクシャフトの長さ方向軸周りに回転させるように構成されるクランクシャフト支持部と、
レーザスポットをジャーナルに生成するために、レーザビームをクランクシャフトのジャーナルに投射するように構成される少なくとも１つのレーザ源とを備え、
２次元のスキャンパターンをジャーナルの表面に確立するために、レーザ源は、レーザビームを２次元でスキャンするための双方向スキャン手段を含む。２次元スキャンパターンを用いることにより、硬化されるべき表面にわたってレーザスポットを繰り返しスキャンすることによって、有効レーザスポットを確立することが可能となり、複数のクランクシャフトに関して適切な時間当たり生産率を得るために、所望の硬化深さを実現するために十分な時間、加熱が生じることを可能とする一方で、同時に、クランクシャフトを十分な速度で回転可能とするべく、クランクシャフトがその長さ方向軸周りに１回だけ回転する、または有効レーザスポットを１回だけジャーナル周り及びクランクシャフトの周方向に対応する他の方向において３６０度走査する間に、クランクシャフトのジャーナル全体の加熱を可能とするために、有効レーザスポットは、クランクシャフトの長さ方向軸と平行な方向に十分な拡張を有する。装置の動作中に、複数の潤滑油孔と隣接する複数のエリアのような複数の感熱性サブエリアに対する過熱を回避するべく、動的に適応可能なエネルギー分布を得るために、２つの方向におけるこのスキャンは、例えば、スキャンパターンを、複数の異なるパワーレベルが割り当てられる複数のセグメントに分割することとの組み合わせが可能である。
本発明のいくつかの実施形態では、クランクシャフト支持部及びレーザ源は、長さ方向軸に直交する少なくとも２つの異なる方向において、クランクシャフトが長さ方向軸周りに回転する間、ロッドジャーナルとレーザ源との間が一定距離となることを可能とするように、互いに対して変位可能であり、ロッドジャーナルは、長さ方向軸に対してオフセットされる。
例えば、レーザ源は、第１の方向、好ましくは垂直方向に変位可能であり、クランクシャフト支持部は、第２の方向、好ましくは水平方向に変位可能であり、第１及び第２の方向の両方は、長さ方向軸に直交する。本発明のいくつかの実施形態では、レーザ源は、その後でクランクシャフトの複数のジャーナルに作用するために、クランクシャフトの長さ方向軸と平行にさらに変位可能である。レーザ源は、高速オン／オフ切り替え、及び／または、例えば、レーザスポットが、複数の異なるパワー状態、すなわち、所望の複数のパワーレベルが割り当てられた複数のセグメントを有するスキャンパターンに従う場合に、複数のパワーレベル間での高速切り替えに対応するために、異なる複数のビームパワーレベル間での高速切り替えに適したファイバレーザまたは他のレーザのようなレーザを備えることができる。
装置は、スキャンパターンと関連付けられた複数のパラメータ値を格納するメモリを含む制御ユニットを備えることができ、スキャンパターンは、複数のパラメータ値の複数のセットを含み、複数のパラメータ値の第１のセットは、第１の２次元エネルギー分布をクランクシャフトのジャーナルにおいて決定し、複数のパラメータ値の第２のセットは、第２の２次元エネルギー分布をジャーナルにおいて決定する。制御システムは、クランクシャフトのジャーナルの大部分を硬化する間に、複数のパラメータ値の第１のセットを適用し、潤滑油孔隣接エリアが加熱されている場合に、複数のパラメータ値の第２のセットを適用するように構成可能である。明らかに、複数のパラメータ値の複数のセットがさらに存在可能である。つまり、例えば、クランクシャフトの長さ方向軸周りにクランクシャフトが回転する間、２次元エネルギー分布は、複数の高感熱性サブエリアに対する過熱を回避するために、動的に適合可能である。複数のパラメータ値は、ビームパワー及びスキャン速度を含む上述された複数のパラメータ値のいずれかを含むことができる。
制御ユニットは、クランクシャフトがその長さ方向軸周りに回転する間に、複数のパラメータ値の第１のセット及び複数のパラメータ値の第２のセットを選択的に適用し、任意に、例えば、２次元のスキャンパターンによってカバーされるエリア内またはこれと隣接するエリアにおいて、２次元のスキャンパターンに対応する高感熱性サブエリアの出現と同期して、メモリに格納された複数のパラメータ値のさらなるセットを適用することによって、硬化加工を制御するように構成可能である。すなわち、制御ユニットは、潤滑油孔隣接エリアが加熱されるべき場合、すなわち、例えば、クランクシャフトが回転する間に、潤滑油孔が現在レーザビームによってスキャンされているエリアに到達した場合に、例えば、２次元エネルギー分布を変化させることができる。
本発明のいくつかの実施形態では、スキャンパターンは、その各々に複数のパラメータ値のうちの少なくとも１つが割り当てられた、セグメント化された複数のセグメントを備えるスキャンパターンであってもよい。少なくとも１つのパラメータ値は、スキャン速度、レーザスポットのサイズ、レーザビームのパワー、レーザビーム内のパワー分布、対応するセグメントの長さ及び対応するセグメントの方向のうちの少なくとも１つを示すことができる。例えば、スキャン速度、すなわち、セグメントに沿ったレーザスポットの速度及び／またはレーザビームのパワーの適切な選択は、スキャンパターンによってカバーされたエリアのエネルギー分布を決定するために使用可能である。可変なエネルギー分布を動的に実装し、それをクランクシャフトに適応させるためのセグメント化アプローチによる複数の利点のいくつかが、上述された。
本発明のいくつかの実施形態では、装置は、毎秒少なくとも３００セグメント、好ましくは毎秒少なくとも６００セグメント、より好ましくは毎秒少なくとも１，０００セグメント、より好ましくは毎秒少なくとも５，０００セグメント、さらにより好ましくは毎秒少なくとも１０，０００セグメントの平均速度で、スキャンを実行するように構成され得る。上述されたように、毎秒当たりのセグメントが多数であることは、スキャンパターンを、合理的な量、例えば、６またはそれより多くのセグメントと、短いサイクルタイム、すなわち、例えば、５０Ｈｚ以上のような高い繰り返し率のスキャンで、組み合わせるために有用たり得る。
本発明のさらなる態様は、ワークピースの表面エリアを硬化するための機械または装置に関する。用語「表面エリア」は、広く解釈されるべきである。これは、ワークピースの表面の部分、またはワークピースの表面全体を指してもよい。これは、例えば、は、クランクシャフトのジャーナルの表面、または当該表面の部分を指してもよい。明らかに、機械は、ワークピース１つより多くの表面エリアを硬化するために有用たり得る。例えば、クランクシャフトの場合、機械は、主ジャーナル及び／または複数のロッドジャーナルのいくつかまたは全ての複数の表面または複数の表面のうちの大半を硬化させるように構成可能である。表面エリア（または複数の表面エリアのうちの少なくとも１つ）は、少なくとも１つの低感熱性サブエリアと、少なくとも１つの高感熱性サブエリアとを備える。
装置は、（例えば、所望の断面を有するように構成されるビームを表面エリアに単に向けることによって、または、表面エリア上でスキャンパターンに沿って「現実の」レーザスポットをスキャンすることにより、仮想のまたは等価な有効レーザスポットを生成することによって）有効レーザスポットを表面エリアに投射するように構成されるレーザ源と、表面エリアの複数の異なる部分または複数の部分を硬化に適した温度にその後徐々に加熱するために、有効レーザスポットが表面エリアに沿って移動させられるように、表面エリアと有効レーザスポットとの間で相対移動を生じさせるための手段とを備える（本発明のいくつかの実施形態では、これらの手段は、クランクシャフトのジャーナル周りのようなワークピースの部分の周りで、有効レーザスポットを走査するために、ワークピースを軸周りに回転させるための手段を含む、またはこれからなる）。すなわち、有効レーザスポットが、表面エリアに沿って、例えば、クランクシャフトのジャーナルの周方向に、またはこのようなジャーナルに沿って、クランクシャフトの長さ方向においてその１つの端部からその他の端部に向かって進む場合、有効レーザスポットは、新たな複数の部分を徐々に加熱する一方で、複数の以前加熱された部分の冷却が可能であり、それにより、焼き入れの発生が可能となる。有効レーザスポットは、２次元エネルギー分布を有するように構成される。例えば、エネルギーは、有効レーザスポットにわたってまたはこれに沿って多かれ少なかれ均等に分布可能であり、有効レーザスポットの他の複数のエリアより大きいエネルギー／パワーが、有効レーザスポットのいくつかのエリアにおいて、表面に適用可能である。
装置は、装置の動作を制御するために１つまたは複数のプログラマブルデバイスを含む電子制御システムのような制御システムをさらに備え、制御システムは、高感熱性サブエリアにおいて、低感熱性サブエリアと異なるように、２次元エネルギー分布を変更するように構成される。それにより、硬化されるべき表面エリアの全てまたは大半の全体にわたって所望の硬化深さ及び質を実現するために、表面エリアの加熱が最適化可能であり、複数の高感熱性サブエリアに対する過熱を防止する一方で、複数の低感熱性サブエリアに対する十分な加熱を可能とする。用語「高感熱性」及び「低感熱性」は、広く解釈されるべきであり、概して、これらの複数の特性に起因して、有効レーザスポットによって、より小さいエネルギーまたはより大きいエネルギーを受けなければならない異なる複数の表面エリアを指す。例えば、低感熱性サブエリアは、例えば、損傷を回避するために、または単に、例えばワークピースの構造に起因して、所望の硬化に達するために必要な加熱が少なくてすむために、より小さいエネルギーを受けなければならない高感熱性エリアより、所望の硬化に達するために大きいエネルギーを必要とするエリアであってもよい。
レーザ源という記載は、少なくとも１つのレーザ源の存在を示唆するが、連携して有効レーザスポットを形成し、及び／または複数の異なる有効レーザスポットを生成するために使用可能な、さらなる複数のレーザ源の存在を除外するものではない。
本発明のいくつかの実施形態では、少なくとも１つの高感熱性サブエリアは、
表面エリアにおいて、潤滑油孔のような孔と隣接するエリア、
及び／または
アンダーカットフィレットのようなフィレット、
及び／または
有効レーザスポットがクランクシャフトの円筒状ジャーナルのような対象の周に沿って、３６０°軌道の端部において到達する部分のような、表面エリアの以前に硬化された部分を含む。
低感熱性サブエリアは、例えば、複数の潤滑油孔から離れた、及び／または複数のフィレットから離れた、及び／または以前に硬化された部分から離れた、クランクシャフトのジャーナルの表面に対応可能である。
本発明のいくつかの実施形態では、装置は、有効レーザスポットの表面エリアに沿った移動の少なくとも一部、好ましくは少なくとも５０％の間、より好ましくは少なくとも９０％の間、さらにより好ましくは有効レーザスポットが表面エリアに沿って移動する１００％の間、有効レーザスポットによって加熱される表面エリア内の複数の部分が、少なくとも０．５秒、好ましくは少なくとも１秒の間加熱されるように、有効レーザスポットがサイズを有し、かつ、表面エリアに沿って速度で移動するように動作するべく、構成またはプログラムされる。これは、多くの用途に対して、硬化された層の十分な深さを実現する助けとなるという知見が得られた。熱が材料に十分浸透することを可能とするためには、十分に長い加熱時間が望ましい可能性がある。少なくとも０．５または１秒、任意に、５秒より小さいまたは３秒よりさらに小さい時間が、例えば、複数のクランクシャフトの複数のジャーナルに対する硬化のために適切となる可能性があり、例えば、自動車産業において共通して必要とされる複数の硬化深さに達するために十分な熱の浸透を可能とする一方で、硬化の質に対して負の影響を与え得るほど高い温度、例えば、ワークピース材料の融点付近の、またはそれより上の温度を必要としない。本発明のこれらの実施形態のうちのいくつかでは、有効レーザスポットが表面エリアに沿って移動する方向における（例えば、クランクシャフトがその長さ方向軸周りに回転することによって有効レーザスポットがジャーナル周りを周方向に変位する場合に、例えば、クランクシャフトのジャーナルの周方向における）有効レーザスポットのサイズは、少なくとも５ｍｍ、好ましくは少なくとも７ｍｍより好ましくは少なくとも１０ｍｍ、さらにより好ましくは少なくとも１５ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍまたはそれより大きく、例えば少なくとも５０ｍｍである。硬化されるべき各部分を十分な時間、例えば少なくとも０．５秒または少なくとも１秒、加熱された状態で保持する必要により、有効レーザスポットが硬化されるべき表面エリアに沿って移動可能な速度が制限される。有効レーザスポットがレーザスポットの典型的なサイズであるわずか数ｍｍオーダの直径または幅を有する場合、必要な加熱継続時間は、レーザスポットが、比較的低い速度で硬化されるべき表面エリアに沿って移動しなければならず、例えば、複数のワークピースに関して時間当たり生産性に負の影響を与えないことを示唆する。つまり、有効レーザスポットが硬化されるべき表面エリアに沿って移動する方向において、より大きい長さまたは幅を有する有効レーザスポットを用いることにより、有効レーザスポットがより高い速度で移動可能である一方で、依然として十分な加熱時間を可能とすることから、生産性が高められる。
本発明のいくつかの実施形態では、装置は、有効レーザスポットの複数のセグメントを生成することによって、有効レーザスポットを生成するように構成され、複数のセグメントは、少なくとも６つのセグメントを備え、制御システムは、複数のセグメントに割り当てられた複数のパラメータ値に従って、複数のセグメントにおけるエネルギー密度及び／または分布（すなわち、スキャンパターンの複数のセグメントの場合、スキャンサイクルのような特定の時間間隔の間、各セグメントに対応するエネルギー）を選択的に変更することによって、２次元エネルギー分布を変更するように構成され、複数のパラメータ値は、制御システムのメモリに格納される。上述されたように、セグメント化アプローチは、例えば、表面エリアに対する加熱を表面エリアの複数の特性に適応させるために、複数の異なるエネルギー分布パターンを生成可能とする柔軟性及び簡潔さに起因する、複数の重要な利点を示唆する。例えば、各々が３つのセグメントを備える２行で構成された６つのセグメントを有する単純なパターンを用いる場合、有効レーザスポットが、硬化されているクランクシャフトのジャーナルの中央に配置された潤滑油孔に近づく場合に、複数の中央のセグメントのうち１つまたは両方のパワーを減少させることにより、潤滑油孔と隣接して適用されるエネルギーを、ジャーナル表面の複数の周辺部分に適用されるエネルギーと比べて減少させ、それにより、潤滑油孔と隣接するエリアに対する過熱リスクを減少させる一方で、潤滑油孔からもさらに離れて、例えば、潤滑油孔の複数の境界から離れた潤滑油孔の複数の側面において、表面の適切な硬化を維持することができる。多数のセグメントは、硬化されている表面の複数の感熱性特性に対する２次元エネルギー分布の非常に正確な調整を可能とする。複数のセグメントは、例えば、複数のセグメントの複数の行及び複数の列を有する配列において、構成可能である。
本発明のいくつかの実施形態では、レーザ源は、レーザ源のレーザビームを２次元でスキャンするように構成されるスキャン手段を備え、制御システムは、スキャンパターンに従う有効レーザスポット（セグメント化された有効レーザスポットの場合、スキャンパターンは、本発明の多くの実施形態では、複数のセグメントを備えることができる）を生成するために、レーザビームを２次元でスキャンするように構成され、スキャンパターンは、少なくとも１０Ｈｚ、好ましくは少なくとも５０Ｈｚ、より好ましくは少なくとも１００Ｈｚ、さらにより好ましくは少なくとも２００Ｈｚの反復率で繰り返される。より大きい有効レーザスポットを生成するべく、小さいレーザスポットを表面エリアに沿って、及びこれにわたって移動させるために、レーザビームをスキャンすることは、大きな柔軟性を与えることから、有効レーザスポットにわたるエネルギー分布を考慮する上で有利である。一方で、スキャンパターンの高い繰り返し率により、
比較的大きいサイズ、例えば１ｃｍ２またはそれより大きい有効レーザスポットが可能であり、それにより、一方で、有効レーザスポットの移動方向と直交する方向において、比較的大きい幅のレーザスポットが可能となる。例えば、有効レーザスポットが周方向に移動する場合における複数のクランクシャフトのジャーナルに対する硬化の場合、ジャーナルの表面エリア全体が、有効レーザスポットをジャーナル周りに一度通過させることによって加熱されるよう、有効レーザスポットがジャーナルの幅の大半または全てにわたって拡張可能なように、有効レーザスポットは、複数のジャーナルと交差する方向に（すなわち、クランクシャフトの長さ方向に）、比較的大きい幅を有することができる。一方で、同時に、硬化されるべき表面エリアに沿った有効レーザスポットの移動方向における、有効レーザスポットのサイズは、上述されたように、十分な加熱継続時間との組み合わせで、比較的高い速度で移動することを可能とするように、十分大きくすることもできる。
同時に、現在加熱されているエリア内で大きい温度変動を回避することは、上述された複数の理由に対して有利であり、高い繰り返し率により、以前加熱された温度があまりに大きく下降することが可能となる前に、加熱された部分が確実に再加熱可能となる。
スキャンパターンは、ループを形成する複数の隣接セグメントの形態、または複数の平行な線のような複数の線の形態であってもよく、または、これは、あらゆる他の適した構成を有することができる。２次元エネルギー分布を適応させることは、複数のセグメントのいくつかまたは全部の長さ及び／または位置を適応させることを含むことができる。
本発明のいくつかの実施形態では、複数のパラメータ値は、スキャンパターンの対応するセグメントに対応するビームのビームパワーレベル及び／またはスキャン速度を示す。つまり、加熱によって硬化されるべき表面エリアに沿った有効レーザスポットの移動の各特定の時点において適用されるべき２次元エネルギー分布は、各セグメントに割り当てられたビームパワー値及び／またはスキャン速度によって決定可能である。１つの選択肢、他の選択肢または両方の間における選択は、上述されたように、例えば、レーザ源及びスキャンシステムの複数の特性に依存することができる。本発明の複数の他の実施形態では、複数のパラメータ値は、対応するセグメントの位置または長さを示すことができる。また、他の複数の選択肢が、上述されたように可能であり、これらの複数の選択肢のうち１つまたは複数が、組み合わせて使用可能である。
本発明のいくつかの実施形態では、装置は、クランクシャフトの少なくとも１つのジャーナルを硬化するためにプログラムされ、装置は、クランクシャフトの長さ方向において、クランクシャフトのジャーナルの５０％より多く、好ましくは７５％より多く、８５％より多く、または９０％もしくは９５％より多く、例えば９９％より多く、または１００％もにわたって延在し、及び、特に、例えば、表面エリアが、例えば少なくとも８００μｍ以上の有効硬化深さが望ましい場合には、１００％を超えないとしても、硬化されるべき表面エリアの大部分にわたって有効レーザスポットを生成するためにプログラムされる。小さいレーザスポットを用いてクランクシャフト表面の複数の非常に特定の部分を硬化させることが、当技術分野において周知である。しかしながら、本発明は、（クランクシャフトの複数のジャーナルの複数の表面全般のような）複数の主要な表面に対する硬化を、１回だけの走査またはわずか数回の走査で可能とする一方で、同時に、例えば、複数の潤滑油孔及び／または他の複数の高感熱性サブエリアの存在を考慮に入れて、加熱されている表面エリアの複数の部分の複数の特性に従って、加熱を適応させる。
本発明のいくつかの実施形態では、制御システムは、複数のデータセットを格納するように構成されるメモリを備え、複数のデータセットの各々は、有効レーザスポットの２次元エネルギー分布を示すことにより、装置が有効レーザスポットの２次元エネルギー分布を適応させる間に、有効レーザスポットが低感熱性サブエリアに投射される場合に、レーザ源を動作させるために複数のデータセットのうちの１つを用いることによって、かつ、有効レーザスポットが高感熱性サブエリアに投射される場合に、レーザ源を動作させるために複数のデータセットのうちの少なくとも他の１つを用いることによって、有効レーザスポットが表面エリアに沿って移動させられるように構成される。つまり、装置を具体的なクランクシャフトのような具体的な製品に適応させる場合、オペレータは、クランクシャフトの複数の異なる部分に対して、複数の適切なエネルギー分布、例えば、潤滑油孔から離れたジャーナルの部分に対する第１の２次元エネルギー分布、及び潤滑油孔と隣接する複数のエリアに対する１つまたは複数の異なる２次元エネルギー分布を設計し、複数のパラメータの対応する複数のセットを制御システムのメモリに格納し、有効レーザスポットのエネルギー分布を動的に変更するために制御システムをプログラムすることができる間に、有効レーザスポットは、複数の潤滑油孔及び加熱が実行される態様の調整を必要とする他の複数のエリアの出現に同期して、ジャーナル周りをまたはこれに沿って移動する。
本発明のさらなる態様は、クランクシャフトのようなワークピースの少なくとも１つの表面エリアをレーザ硬化する方法であって、上述された装置を用いて、ワークピースの表面エリアを硬化温度に加熱する段階と、焼き入れを生成するために、表面エリアの複数の加熱された部分を冷却可能とする段階とを備える方法に関する。
本発明の他の態様は、複数のジャーナルを備え、複数のジャーナルのうちの少なくとも１つは、上述された本発明の複数の態様の１つに係る方法によって硬化された表面を有する、クランクシャフトに関する。
本発明の他の態様は、クランクシャフトの複数のジャーナルをレーザ硬化するために、上述された装置をプログラミングする方法であって、
複数のデータセットを確立するために、レーザビームパワー及び／またはスキャン速度及び／またはセグメントの長さ及び／またはセグメントの方向のような複数のパラメータ値に関するエネルギー分布を（有効レーザスポットを確立するためにレーザビームスポットが従うべきスキャンパターンの複数のセグメントのような）複数のセグメントに割り当てる段階であって、各データセットは、硬化されるべき表面エリアに投射され、かつ、表面エリアに沿って変位される有効レーザスポットの特定の２次元エネルギー分布に対応する段階と、
複数のデータセットを格納する段階と、
表面エリアの低感熱性サブエリアを加熱するための複数のデータセットのうちの少なくとも１つに従ってエネルギー分布を適応させることによって、かつ、表面エリアの高感熱性サブエリアを加熱するためのデータセットの少なくとも他の１つに従ってエネルギー分布を適応させることによって、有効レーザスポットの表面エリアに沿った移動と同期して、有効レーザスポットのエネルギー分布を適応させるために、装置をプログラミングする段階とを備える、方法に関する。上述されたように、セグメント化アプローチにより、当業者は、適した複数の２次元エネルギー分布を容易に確立、試験及び選択することができ、硬化されるべきエリアの複数の異なるサブエリアにこれらを割り当て、例えば、複数の具体的なデータセットを潤滑油孔周りのエリアに割り当て、他の複数の具体的なデータセットをクランクシャフトの以前に硬化された部分と重複するエリアに割り当てる。
本発明のいくつかの実施形態では、この方法は、データセットを確立する段階の後、対応する２次元エネルギー分布をスクリーン上で算出及び可視化する段階を備える。多くの場合、可視化は、当業者が、スキャンパターンの複数のセグメントのような複数のセグメントに対する複数のパラメータ値の特定の割り当てに対応する、選択された２次元のデータセットが、クランクシャフトの対応する部分に対して適度な加熱を与える可能性が高いか否かを決定する助けとなる。純粋な複数の数学的方法及び複数のコンピュータが、複数のセグメントに対する複数のパラメータ値の最適な割り当てを算出するために使用可能である一方で、可視化は、当業者にとって利用可能な役立つツールとなり得る。
使用に適した複数のレーザが、２ｋＷ−１０ｋＷの範囲（上限及び下限は範囲に含まれる）のパワーを有するビームのような高いビームパワーを与えるものとなり得るという知見が得られた。このような複数のレーザは、例えば、特に、複数のクランクシャフトの表面硬化に適切たり得る。
典型的には、この種類のレーザで、かつ、例えば、クランクシャフト表面の表面硬化の目的で、硬化されるべき表面に投射されたレーザスポットは、好ましくは２ｍｍから５ｍｍ、例えば約３ｍｍの範囲の直径を有することができる。この種類のスポットは、２ｋＷ−１０ｋＷのレーザビームを用いたクランクシャフト表面の硬化に適切と考えられる。
硬化は、好ましくは、硬化されたエリアにおいて、任意に、複数の高感熱性サブエリア近傍及び／または硬化されたエリアの複数の境界または複数の端部セクションを除き、少なくとも８００μｍ以上（例えば少なくとも１２００μｍまたは少なくとも１５００μｍまたはさらに２０００μｍ以上）の硬化された層の有効硬化深さを実現するために実行される場合が多い。これらの複数の硬化深さは、例えば、複数のクランクシャフトに適切である。２ｋＷ−１０ｋＷの範囲のパワーを有するレーザを用いて、これらの複数の硬化深さは、レーザビームをクランクシャフトに約２−６分適用して（正確な時間は、ビームパワー、硬化されるべき表面エリア及び層の深さのような複数の特徴に依存する）実現可能であると考えられる。いくつかのクランクシャフトを平行に処理することによって、サイクルタイム は、実質的に削減可能である。例えば、２つまたは３つのクランクシャフトを平行に処理することによって、典型的には、１分オーダのサイクルタイムが実現可能となる．必要な深さは、典型的には、８００μｍから２０００μｍまでの範囲、またはそれより大きくてもよい。
スキャンパターン及びビームパワー、レーザスポットのサイズ、スキャン速度、及び／またはレーザビームの入射角度のような他の複数のパラメータの適応により、レーザビームと特定のエリアとの間の相互作用の時間を増大させることが可能となり、これは、硬化された層の深さを増大させる助けとなり得る。例えば、所与のパターンが、レーザ源と硬化されるべき表面との間の相対移動の方向に膨張する場合、及び／または（例えば、円形断面を有する部分の表面に対してビームを中央から外す、または平坦な表面に対してビームを傾けることによって）レーザビームと表面との間の入射角度が減少する場合、ビームと表面上の所与の点との間の相互作用の継続時間は増大可能であり、これは、硬化された層の深さの増大に寄与し得る。
スキャン速度（すなわち、硬化されるべき表面にわたって、レーザスポットがスキャンシステムによってスキャンされる速度）は、上述されたように、スキャンパターンまたは経路に沿って変化可能であるが、平均スキャン速度は、典型的には、２０００ｍｍ／ｓから８０００ｍｍ／ｓまでの範囲であってもよい。このようなスキャン速度は、２ｋＷから１０ｋＷの範囲のパワーを有するレーザビームを用いる場合、複数のクランクシャフトの表面硬化に適切たり得る。
明らかに、上述された複数の異なる態様は、互いに互換可能である場合はいつでも、互いに組み合わせ可能である。
説明を完全にし、本発明に対するより良い理解を与えるために、複数の図面のセットが与えられる。複数の図面は、説明の不可欠な部分を形成し、本発明を実行する複数の異なる態様を示すが、これらは、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきものではなく、本発明を実施する態様の複数の例に過ぎない。複数の図面は、以下の複数の図を備える。
当技術分野において公知のクランクシャフトの斜視概略図である。 本発明の一実施可能形態に係るシステムの斜視概略図である。 本発明の一実施可能形態に係るレーザ源１の部分及びワークピースの部分の概略正面図である。 図３の実施形態の硬化加工の一時点におけるワークピースのセクションの概略上面図である。 図３の実施形態の硬化加工の異なる時点におけるワークピースのセクションの概略上面図である。 本発明の実施形態の変形例に係る硬化加工の一時点におけるワークピースのセクションの概略上面図である。 本発明の実施形態の変形例に係る硬化加工の異なる時点におけるワークピースのセクションの概略上面図である。 高パワー密度を有する先端部分と、低パワー密度を有する少なくとも１つの末端部分とを有する仮想レーザスポットの概略上面図である。 高パワー密度を有する先端部分と、低パワー密度を有する少なくとも１つの末端部分とを有する仮想レーザスポットの概略上面図である。 高パワー密度を有する先端部分と、低パワー密度を有する少なくとも１つの末端部分とを有する仮想レーザスポットの概略上面図である。 高パワー密度を有する先端部分と、低パワー密度を有する少なくとも１つの末端部分とを有する仮想レーザスポットの概略上面図である。 図３に示されるレイアウトの変形例のＹ−Ｚ平面における概略側断面図である。 図３に示されるレイアウトの変形例のＹ−Ｚ平面における概略側断面図である。 本発明のいくつかの実施形態において、レーザ源の部分として使用可能な偏光器を概略的に示す。 コンピュータシステム及びコンピュータシステムに格納される、及び／またはこれによって生成されるスキャンパターンを概略的に示す。 コンピュータシステム内の複数のメモリ位置を概略的に示す。 本発明の代替的な実施形態に係るコンピュータシステム内の複数のメモリ位置を概略的に示す。 潤滑油孔周りのエリアを硬化する場合に、有効レーザスポットのエネルギー分布が適合される態様を概略的に示す。 潤滑油孔周りのエリアを硬化する場合に、有効レーザスポットのエネルギー分布が適合される態様を概略的に示す。 潤滑油孔周りのエリアを硬化する場合に、有効レーザスポットのエネルギー分布が適合される態様を概略的に示す。 本発明のいくつかの実施形態に係る潤滑油孔の拡張が考慮される態様を概略的に示す。 レーザビームが有効レーザスポットをスキャンする周波数に応じた、加熱されているエリアの表面温度の変動の振幅を概略的に示す。 レーザビームが有効レーザスポットをスキャンする周波数に応じた、加熱されているエリアの表面温度の変動の振幅を概略的に示す。 有効レーザスポットが、クランクシャフトのジャーナルの硬化をその環状セグメントの硬化によって生成するために適用され得る態様を概略的に示す。 有効レーザスポットが、クランクシャフトのジャーナルの硬化をその環状セグメントの硬化によって生成するために適用され得る態様を概略的に示す。 図１６Ｂ及び１６Ｃのようなスキャンパターンに対して算出された、有効レーザスポットにわたるエネルギーまたはパワー分布を示す。 異なる複数のスキャンパターンのうちの１つの複数のセグメントの構成を概略的に示す。 パターンの複数の異なるセグメントに割り当てられた異なる複数のスキャン速度のうちの１つを概略的に示す。 図１７Ｂ及び１７Ｃのようなスキャンパターンに対して算出された、有効レーザスポットにわたるエネルギーまたはパワー分布を示す。 異なる複数のスキャンパターンのうちの１つの複数のセグメントの構成を概略的に示す。 パターンの複数の異なるセグメントに割り当てられた異なる複数のスキャン速度のうちの１つを概略的に示す。 図１８Ｂ及び１８Ｃのようなスキャンパターンに対して算出された、有効レーザスポットにわたるエネルギーまたはパワー分布を示す。 異なる複数のスキャンパターンのうちの１つの複数のセグメントの構成を概略的に示す。 パターンの複数の異なるセグメントに割り当てられた異なる複数のスキャン速度のうちの１つを概略的に示す。 軌跡の以前に硬化された部分への有効レーザスポットの到達を概略的に示す。 軌跡の以前に硬化された部分への有効レーザスポットの到達を概略的に示す。 軌跡の以前に硬化された部分への有効レーザスポットの到達を概略的に示す。
図２は、本発明の一実施可能形態に係るシステムを示す。システムは、レーザキャリッジ１１に搭載されたレーザ源１を収容するフレーム構造を備え、レーザキャリッジ１１は、第１のレーザキャリッジ駆動手段１２、例えば、サーボモータまたはあらゆる他の適した駆動手段によって、垂直方向、システムの垂直なＺ軸と平行に変位可能である。一方で、レーザ源１は、他のサーボモータまたは他の適した駆動手段のような第２のレーザキャリッジ駆動手段１３によって駆動され、水平方向、システムの水平なＸ軸と平行に、水平軌道１４に沿って、さらに駆動され得る。
一方で、システムは、２つのワークピースキャリッジ２０を備え、各ワークピースキャリッジは、２つのワークピース１０００（この実施形態では、複数のワークピースは、複数のクランクシャフトである）を平行に収容可能であり、各ワークピースを中心軸（この実施形態では、中心軸は、クランクシャフトの主ジャーナルの複数の中央を通る長さ方向軸に対応する）に沿って回転させるための駆動手段（図示せず）を含み、軸は、システムのＸ軸と平行である。一方で、各ワークピースキャリッジ２０は、ワークピースキャリッジを水平方向、Ｘ軸と直交するシステムのＹ軸と平行に変位させるように構成される（サーボモータまたはあらゆる他の適した駆動手段のような）ワークピースキャリッジ駆動手段２１と関連付けられる。
水平及び垂直方向という記載は、説明を単純化するためにのみ用いられ、あらゆる他の複数の軸方向は、明らかに適用可能であり、本発明の範囲に属する。
この場合、レーザ源１は、最初に、複数のワークピースキャリッジ２０のうちの第１のワークピースキャリッジにおいて、複数のワークピース１０００の１つの表面の複数の関連部分を硬化させるために用いられ、次に、これは、複数のワークピースキャリッジ２０のうちの第１のワークピースキャリッジにおいて、他のワークピース１０００表面の複数の関連部分を硬化させるために用いられ、次に、これは、その中に構成された複数のワークピース１０００の複数の表面を硬化させるべく、複数のワークピースキャリッジ２０のうちの第２のワークピースキャリッジと面するために、軌道１４に沿って移動させられる。一方で、レーザ源１は、複数のワークピースキャリッジのうちの第２のワークピースキャリッジにおいて、複数のワークピースに対して動作し、複数のワークピースキャリッジのうちの第１のワークピースキャリッジにおいて、複数のワークピースは、取り外され、かつ、レーザ源によって処理されるべき新たな複数のワークピースと置換可能であり、逆もまた同様である。
明らかに、多数の代案が適用可能である。例えば、ワークピースキャリッジ当たり１つだけのワークピースが存在してもよく、または、ワークピースキャリッジ当たり２つより多くのワークピースが存在してもよい。ワークピースキャリッジ当たり１つのレーザ源が存在してもよい（すなわち、対応するレーザ源を有する第２のレーザ源キャリッジが、軌道１４に追加可能である）。また、図２に示されたいくつかの構成、またはその複数の変形例は、平行して配置されてもよい。また、ワークピースキャリッジにおいて、いくつかの複数のワークピースがレーザ硬化処理を同時に受けられるように、各レーザキャリッジ１１は、１つより多くのレーザ源１を設けられてもよい。レーザ源の数、ワークピースキャリッジの数、及びワークピースの数の間の関係は、例えば、システムの動作を停止させることなく複数のワークピースの取り付け及び取り外しを可能とすることによって、システムにおいてよりコストがかかる複数の部分の使用を最適化し、かつ、生産性を最適化するために、選択可能である。本発明のいくつかの実施形態では、複数のレーザビームを同時に同じクランクシャフトに向けるために、例えば、クランクシャフトの複数の異なるジャーナルに対して、またはクランクシャフトの同じジャーナルに対して同時に作用するために、複数のレーザ源が使用可能である。
本発明のいくつかの実施形態では、ワークピースが複数の主ジャーナル１００１及び複数のロッドジャーナル１００２を有するクランクシャフト１０００である場合、主ジャーナル表面が円形で、クランクシャフトの回転軸周りに対称であるため、クランクシャフトの複数の主ジャーナル１００１に対する加熱処理の間に、レーザ源は、Ｚ軸方向に移動せず、ワークピースキャリッジは、Ｙ軸方向に移動しない。本発明のいくつかの実施形態では、レーザ源及び／または複数のワークピースは、Ｘ軸方向における主ジャーナルの全延長に沿ってレーザ加熱処理を適用する必要がある場合には、Ｘ軸に沿って移動してもよい。これは、レーザビームをＸ軸方向に変位させるレーザ源のパワー性能及びスキャン手段（図示せず）の性能に依存する。レーザビームが、主ジャーナル１００１の経路にわたって、Ｘ軸方向におけるその全延長に沿ってスキャンされ得る場合には、１つのジャーナルに対する処理から他の１つに対する処理に切り替える場合のみ、例えば、クランクシャフトの複数の主ジャーナル１００１の１つに対する加熱処理の間、レーザ源１をＸ軸方向に変位させる必要はない可能性がある。同じことが、例えば、クランクシャフトの複数のロッドジャーナル１００２に対する加熱処理に適用される。
しかしながら、ロッドジャーナル１００２に対する加熱処理の間、その中心軸は、主ジャーナルの中心軸から径方向に変位させられ、各クランクシャフトワークピース１０００が回転する間、（レーザ源のスキャン手段の出力、またはレンズ表面のような）レーザ源とレーザビームが投射される表面との間を一定距離に保つために、ワークピースキャリッジ２０において、レーザ光源１は、垂直方向、Ｚ軸と平行に移動させられ、ワークピースキャリッジ２は、水平方向、Ｙ軸と平行に移動させられる。本発明の複数の他の実施形態では、複数のクランクシャフトは、Ｚ及びＹ軸と平行に移動可能である。また、あるいはその代わりに、レーザ源は、Ｚ及びＹ軸と平行に移動可能とするように構成可能である。
第１及び第２のレーザキャリッジ駆動手段１２、１３の動作、及びワークピースキャリッジ駆動手段２１ならびに複数のワークピース１０００を複数のワークピースキャリッジ２０において回転させるための駆動手段の動作は、コンピュータ、コンピュータシステムまたはＰＬＣ（図２では図示せず）のような電子制御手段によって、制御可能である。
本発明のいくつかの実施形態では、レーザ源１は、レーザビームの方向を変更するように構成されるスキャンシステムを含む。このような複数のスキャンシステムは、当技術分野において周知であり、多くの場合、１つまたは複数のスキャンミラーを含み、その複数の角度は、複数の正弦関数、複数の三角関数等のような複数のスキャン関数に従って、コンピュータの制御下で、変更可能である。１軸スキャンシステム（例えば、１つの軸の周りに回転可能なスキャンミラーを有するスキャンシステムなど）が使用されることにより、ワークピース１０００の回転に起因して、レーザビームをＸ軸と平行に、すなわち、レーザ源１に対するワークピース１０００表面の移動方向と垂直にスキャンすることができる。表面の関連部分にわたる高速スキャンは、つまり、スキャンなしのスポットの拡張よりはるかに大きいＸ方向への拡張を有する仮想スポットを生成することができる。つまり、より大きいエリアにわたってビームパワーが分布することから、元のスポットは、より広いが、より小さいパワー密度を有する（Ｘ方向により大きい拡張を有する）仮想スポットとなる。
二軸スキャンシステムによって（例えば、双軸ミラーまたは２つの単軸ミラーを有するスキャンシステムによって）、レーザビームは、例えば、一方でＸ軸と平行に、かつ一方でＹ軸と平行に、及びこれらの組み合わせにより、２方向に移動可能である。つまり、レーザ源に対する表面の移動方向と垂直に表面をスキャンすることは別として、すなわち、Ｘ軸方向において複数のジャーナルの表面に「沿って」表面をスキャンすることは別として、レーザビームは、その移動方向、すなわち、Ｙ軸と平行に、表面をスキャンすることもできる。それにより、クランクシャフトのジャーナルの表面が、ジャーナルの周方向にもスキャンされ得る。また、レーザビームは、Ｘ方向及びＹ方向への移動を組み合わせた複数の経路（すなわち、例えば、図１２Ａ−１２Ｂに示されるように、周方向のＷ方向において、円形のクランクシャフトのジャーナルに投射された場合に）を描くことができる。それにより、ビームは、矩形、楕円形、台形等のような複数の複雑な形状を有する複数の経路に従うことができる。レーザスポットは、表面にわたってスキャンされることによって、（例えば、矩形の境界内で蛇行パターンに従うことによって、または当該境界内で複数の離間した線に従うことによって）Ｙ（またはＷ）方向に実質的高さを有する、内部を埋められた仮想の矩形を形成し、または、矩形または任意の他の幾何学的形状を有する複数の境界の輪郭を繰り返し描くことができる。つまり、スキャンシステムの性能を用いて、所望の拡張及び形状を有する仮想のまたは等価な有効レーザスポットが、Ｘ方向及びＹまたはＷ方向の両方において生成可能である。いわゆるＸＹＺスキャナの場合、Ｘ及びＹ方向に移動可能であることに加えて、なんらかの種類の駆動手段によって、Ｚ方向に変位可能なフォーカスレンズが与えられ、それにより、レーザスポットのサイズの動的適応が可能となる。それにより、スポットの位置及び当該サイズの両方は、硬化加工を最適化するように制御及び適合可能である。また、フォーカスレンズなどの変位の代案として、またはこれに加えて、レーザスポットのサイズは、第１のレーザキャリッジ駆動手段を用いてレーザ源をＺ軸と平行に移動させることによって、制御及び適合可能である。また、例えば、上述されたドイツ特許出願公開公報第３９０５５５１Ａ１号から公知であるように、システムは、レーザスポット内におけるパワー分布を変化させるための手段を含むことができる。
図３は、概略的に示された二軸スキャンシステム３を含むレーザ源１を概略的に示し、二軸スキャンシステム３は、双軸ミラーまたは２つの単軸ミラーに基づき、入射レーザビーム２をＸ軸と平行な垂直平面及びＹ軸と平行な垂直平面において偏向させるように構成される。角度αは、Ｘ軸と平行な垂直平面における最大走査を示し、角度βは、Ｙ軸と平行な平面における最大走査を示す。図３は、ワークピースより上に、より詳細には、クランクシャフトの主ジャーナル１００１より上に配置されたレーザ源１を概略的に示し、主ジャーナル１００１は、潤滑油孔１００３を含み、ワークピースキャリッジ（図示せず）内で、矢印によって示唆される方向に回転させられる。レーザビームのスキャンに起因するレーザスポットによって走査可能な部分またはセクション１００６が、図３に概略的に示される。つまり、この種類のレーザ源を用いてワークピースの上面に投射された小さいレーザスポットは、角度α及びβに従って、スキャンシステムに可能とされた最大走査によって決定されるセクション１００６内において、任意の所望の形状を有するパターンを高速で繰り返しスキャンすることによって得られる、より大きい仮想のまたは等価なスポットと置換可能である。つまり、１つだけの小さいスポットをレーザビームで加熱する代わりに、より大きいエリアが、（ただし、より小さい単位面積当たりパワーで）当該エリアをレーザビームでスキャンすることによって、時間間隔の間に加熱可能である。あるいは、換言すると、例えば、適切な固定光学系を用いることによって、（大きい矩形のスポットのような）大きいスポットを与える代わりに、対応するパワー分布は、より大きいエリアにわたって、より小さい、かつよりパワー集約的なスポットをスキャンすることによって実現可能である。これは、１つの重要な利点を伴う。これは、表面の複数の異なる部分の異なる複数の特性に従って、例えば、感熱性及び過熱による損傷リスクに応じて、スキャンパターン、スキャン移動速度、ビームパワー及び／またはスポットサイズを適応させることによって、異なる量のエネルギーを、表面の複数の異なる部分に動的に適用する可能性を与える。例えば、スキャンパターン、スキャン速度、ビームパワー及び／またはレーザスポットサイズは、複数の潤滑油孔近傍または複数のアンダーカットフィレット近傍の表面に適用される加熱エネルギー量を制限するために、選択（及び硬化加工中に、動的に適合）可能である。適切な硬化深さ及び質を得るために、スキャンは、繰り返し、かつ、好ましくは、例えば、１０Ｈｚより大きい、またはより好ましくは、５０、１００、１５０、２００もしくは２５０Ｈｚより大きい高周波数で実行されることにより、加熱されたエリア内における温度の大きな変動を回避することができる。
図４Ａ及び４Ｂは、クランクシャフト、すなわち、硬化加工における２つの異なる段階の間のクランクシャフトの主ジャーナル１００１の部分の上面図である。クランクシャフトは、ワークピースキャリッジ（図示せず）内で、矢印によって示された方向に回転させられる。
図４Ａでは、参照番号２Ａは、スキャンパターンを示す。レーザスポットは、実質的に矩形の経路２Ａに従うように生成される。代替的な実施形態では、レーザスポットは、矩形を埋めるために、すなわち、矩形の表面全体に影響を与えるために、実質的に矩形のエリア２Ａ内で、例えば、矩形エリア２Ａ内で蛇行パターンまたは他のパターンに従って、スキャンされる。両方の場合において、ワークピース１００１の表面に対するレーザビームの投射が、加熱の観点から、中空の矩形２Ａまたは内部を埋められた矩形２Ａの形態でそれぞれレーザビームが投射されていたとしたら実現されていた加熱と、実質的に等価となる結果となるように、スキャンは高速で実行される。図４Ａでは、ワークピースが当該エリアにおいて中実であることから、レーザビームによって走査されたエリアは、低感熱性サブエリアである。
ここで、図４Ｂでは、潤滑油孔１００３は、レーザビームによって走査され得るセクションまたは部分に達している。潤滑油孔の複数の境界が過熱によって損傷を受け得ることから、かつ、孔に金属が存在しないことにより、そのエリアにおいてワークピースのヒートシンク性能が減少することから、潤滑油孔１００３に直近のエリアは、高感熱性エリアである。つまり、レーザビームが、図４Ａのような低感熱性領域に投射される場合と同様に、潤滑油孔１００３に直近のエリアに投射される場合、潤滑油孔１００３の複数の境界に損傷を与える過熱が生じ得る。
従って、本発明のこの実施形態では、異なるスキャンパターン２Ｂは、ワークピースが図４Ｂ示される状況にある場合に用いられる。この場合に、レーザビームは、それぞれ、より大きい矩形２Ｂの形状である経路に従う、または、より大きい矩形２Ｂの輪郭を描かれたエリアを埋めるために、蛇行したパターンもしくは複数の平行な線に従う。これは、レーザビームからのパワーがより大きいエリアにわたって広がる、つまり、過熱リスクを減少させることを示唆する。換言すると、スキャンパターンに関するレーザビームの変調は、過熱リスクを減少させるために、図４Ｂに示される状況では、図４Ａに示される状況と異なる。
明らかに、矩形パターンまたは矩形を埋める蛇行パターンを用いる必要はない。当業者は、当人が最も便利と考えるパターンを自由に用いることができる。例えば、ファイバレーザまたはレーザビームの高速オン／オフ切り替えを可能とする他のレーザが用いられる場合、複数の平行な線を備えるパターンが使用可能であり、低感熱性エリアまたはサブエリアがスキャンされる場合、複数の線の間の距離は、高感熱性エリアまたはサブエリアがスキャンされる場合より小さくなり得る。あるいは、より好ましくは、複数の線の間の距離は、実質的に一定に保持され得るが、ビームパワー及び／または複数の線に沿うスキャン速度は、スキャン速度がより高くなるように、及び／またはビームパワーが高感熱性エリアにおいて低感熱性エリアより低くなるように、適合可能である。また、これらの複数のアプローチの組み合わせが、使用可能である。複数の平行な線に沿ってスキャンする場合、本発明の多くの実施形態では、複数の多角形のミラーが、使用可能である。レーザスポットが従うパターンまたは経路を変更することに加えて、あるいは代案として、当業者は、クランクシャフトの複数の潤滑油孔１００３の複数の境界のような複数の感熱性エリアの劣化が許容可能なレベルであるような適切な硬化を実現するために、レーザビームのパワー及び／またはレーザビームのスキャン速度、及び／またはレーザスポットのサイズ、及び／またはレーザスポット内のパワー分布を変更することを選択することができる。この種類の手段は、複数のアンダーカットフィレットまたは硬化の軌跡の端部におけるエリア、すなわち、基本的に、ワークピースが一度ほぼ３６０度回転したエリアのような、他の複数の感熱性エリアに対してもとることができ、レーザビームは、許容できない硬度低下につながる過剰な焼き戻し効果を回避するために、それによって以前加熱され、実質的に再加熱されてはならないエリアに近づく。
図５Ａ及び５Ｂは、本発明の代替的な実施形態に係る硬化加工の２つの異なる段階の間における、クランクシャフト、すなわち、クランクシャフトの主ジャーナル１００１の部分の上面図である。図４Ａ及び４Ｂに対して示されたものが、準用される。図５Ａ及び５Ｂでは、スキャンパターンは、ジャーナルのほぼ全幅にわたって、実質的に複数のフィレット１００４の１つから他の１つにまで拡張する。図４Ａ及び４Ｂに示されるように、スキャンパターンは、潤滑油孔１００３周りの高感熱性サブエリアにおいて、低感熱性サブエリアまたは潤滑油孔からさらに離れた領域（図５Ａ参照）より低いパワー密度（図５Ｂ参照）であることを示唆するように設計される。この場合、潤滑油孔１００３周りのエリアがスキャンされている場合に、台形のスキャンパターンがより大きい高さであることによって、これが実現される。
しかしながら、この場合、複数のフィレット１００４と隣接するエリアも、例えば、複数のアンダーカットフィレットを用いることに起因して、感熱性エリアであると考えられる。つまり、スキャンパターンは、当該エリアにおいても低パワー密度 を与えるように構成される。これは、台形のスキャンパターンを用いることによって実現され、これにより、実質的に一定のスキャン速度で、矩形のスキャンパターンが用いられる場合より小さいエネルギーが複数のフィレット近傍で受けられる。
図４Ａ及び４Ｂの実施形態の場合と同様に、レーザビームは、図５Ａまたは5Bに示された台形２Ｃおよび２Ｄの輪郭に従うことができ、または、これは、例えば、複数の台形内の蛇行した経路または複数の台形内の複数の線に従って、複数の台形をカバーしまたは埋める。
これらの複数のパターンが複数の例に過ぎないことは当業者にとっては明白であり、その当業者は、方法及びシステムを特定のワークピース設計に適応させる場合に、無数の適用可能な複数のパターンの中から選択することが可能である。
図６Ａは、矩形断面を有し、かつ、高パワー密度の先端部分２Ｅ及び低パワー密度の末端部分２Ｆを有する仮想レーザスポット５の上面図である。仮想レーザスポットは、矩形エリアをカバーする蛇行したパターンに従う、より小さい現実のレーザスポットを繰り返しスキャンすることによって得られる。この場合に、高パワー密度は、矩形エリアの第１の部分において密な蛇行パターンを用いることによって得られ、矩形エリアの第２の部分において疎な蛇行パターンを用いることによって得られる。矢印は、ワークピース表面が仮想レーザスポットに対して移動する方向を示す。このように、加熱されるべきワークピースの部分は、最初に仮想レーザスポットの先端境界によって影響され、つまり、比較的大量の単位表面積当たりパワーを受ける。これは、高速加熱には有利であり、レーザ硬化の場合に、ワークピースの部分がオーステナイト化温度範囲に高速で達することを意味する。これは、所与のレーザビームパワー及び加熱されるべき表面の所与の移動速度に対して、ワークピースの加熱されたエリアが、オーステナイト化温度範囲で、またはそれより上の温度で、パワーが仮想レーザスポットにわたって均等に分布する場合より長い時間保持され得ることを意味する。パワーが均等に分布したとすれば、表面がオーステナイト化温度域に達するためにより長い時間がかかったこととなる。
図６Ｂは、蛇行したパターンを用いる代わりに、レーザスポットが複数の平行な線に従うことにより、（仮想のまたは等価な）有効レーザスポット５を形成する代替的な実施形態を示す。高パワー密度の先端部分２Ｅにおける複数の線に沿って、レーザビームのパワーがより低い及び／またはスキャン速度がより高い、低パワー密度の末端部分２Ｆと比べて、レーザビームのパワーはより高く、及び／またはスキャン速度はより低い。このように、有効レーザスポット５全体で、所望のエネルギー分布が得られる。複数の線の代わりに、あらゆる他の種類のスキャンパターンが、所望の２次元エネルギー分布を与えるために使用可能である。例えば、複数の高感熱性領域またはクランクシャフトの複数の潤滑油孔付近のような複数のエリアにおいてより小さいエネルギーを適用するために、レーザビームの高速オン／オフ切り替え及び／またはパワーの急速な変化を可能とするレーザを用いて、硬化されるべき表面の複数の特性に従って適合可能な、非常に正確なエネルギー分布を可能とする非常に複雑な複数のパターンが、使用可能である。例えば、ファイバレーザは、例えば、「ピクセル」アプローチを用いることによって、この種類のエネルギー分布を実装するために役立つ可能性があり、これにより、非常に特定の複数のサブエリアは、所望の２次元エネルギー分布に従って加熱される。複数の平行な線に沿って高速スキャンを行う場合、当技術分野において公知であるように、複数の多角形のミラーが使用可能である。
図６Ｃは、３つの異なる部分を備える有効レーザスポット５を示し、当該部分は、すなわち、スキャンパターンの複数の線を備える第１の部分２Ｈ、このような複数の線を全く有さない第２の部分２Ｉ、及びスキャンパターンの複数の線を備える第３の部分２Ｊである。第１の部分２Ｈは、任意に、より高いエネルギー密度の先端サブ部分２Ｅ、及びより低いエネルギー密度の末端サブ部分２Ｆを備えることができる。一方で、第１の部分２Ｈにおけるエネルギー密度は、第３の部分２Ｊにおけるエネルギー密度より高くなり得る。第３の部分２Ｊにおけるエネルギー密度は、順に、第２の部分２Ｉにおけるエネルギー密度より高くなり得る。第２の部分２Ｉにおけるエネルギー密度は、ゼロまたはゼロ付近となり得る。有効レーザスポット５は、スキャンパターンの全ての線に沿ってレーザビームを繰り返しスキャンし、所望のパワーまたはエネルギー分布パターンに従ってエネルギーを分布させるために、線の複数の異なるセグメントにおけるレーザビームのスキャン速度及び／またはビームパワー及び／またはオン／オフ切り替えを適応させることによって得られる。加熱が行われない第２の部分に起因して、スキャンパターンの第１の部分２Ｈは、ワークピースの表面温度を（先端サブ部分２Ｅにおける高パワー密度に起因して）できる限り急速に約１４００℃オーダのような高温にし、所望の硬化深さを実現するために（有効レーザスポットとワークピースの表面との間の相対移動方向における第１の部分２Ｈの長さを、相対移動速度を考慮して適切に選択することによって）これを当該温度で十分な時間保つように選択可能であり、第２の部分２Ｉは、加熱された部分に対する冷却によって、自己焼き入れのような焼き入れを可能とすることができ、第３の部分２Ｊは、硬化されたエリアを焼き戻しするべく、ワークピースを４００−５００℃オーダのような温度に加熱するために適切なスキャンパターン、速度及びビームパワーを有することができる。このように、その後、硬化及び焼き戻しされるべき表面にわたる、有効レーザスポット５の変位または走査の１つだけの段階の間に、硬化及び焼き戻しは、行われることができる。これは、一連の硬化及び焼き戻しを完了させる速度を上げるために寄与することができる。（表面が加熱される温度は、ワークピース材料、例えば、使用される鋼の種類及びその組成に依存する。of 1400 °Cという値は、単に、例として説明されるものである。）
図６Ｄは、６本の線５１を有するスキャンパターンを概略的に示し、各線は、５つのセグメントまたはピクセル５１Ａ、５１Ｂを備える。各セグメントに対して、レーザビームは、硬化加工の間に動的に変化する所望のエネルギー分布に従って、オン（複数のセグメントまたはピクセル５１Ａ）またはオフ（複数のセグメントまたはピクセル５１Ｂ）である。つまり、図６Ｄのレイアウトは、つまり、６ｘ５のピクセル化を示し、市販のレーザ及び複数のスキャンシステムで容易に得られる。高速オン／オフ切り替えが可能なレーザ、例えば、ファイバレーザを用いることによって、所定のスキャン周波数に対して、スキャンパターンのピクセルの数を増大させることができる。５０Ｈｚまたは１００Ｈｚ以上のような特定のスキャン周波数に対して実現可能な線の数は、とりわけ、使用されるスキャン手段に依存する。
レーザビームを単にオン及びオフにすることに代えて、またはそれに加えて、複数の他のレーザビームパワー状態、すなわち、最大パワーとゼロ（またはゼロ付近）パワーとの間の複数の異なるパワーレベルも、使用可能である。複数の異なるセグメントに対応する複数のパワー状態は、メモリに格納可能であり、例えば、必要な場合にはいつでも複数のセグメントのうち１つまたは複数に割り当てられたパワーレベルを減少させることによって、潤滑油孔隣接エリアにおけるエネルギー密度を減少させるために、硬化加工の間に動的に変更可能である。このセグメント化またはピクセル化アプローチは、非常に実用的であり、ユーザが、複数のパワー状態の複数の異なる組み合わせ、すなわち、ビームが複数の異なるセグメントにおいて有さなければならないパワーを、所望の結果を与える組み合わせを見出すまで試すことによって、有効レーザスポットにわたる適切な複数のエネルギー分布を見出すことを可能とする。レーザが、複数の異なるパワー状態またはレベル間における高速切り替えを可能とする場合、多数のセグメントは、毎秒、実質的な温度変動を回避するためにスキャンパターンの十分に高い繰り返し率を可能とする一方で、同時に、合理的な量の複数のセグメントに対応し、完了可能である。例えば、レーザが毎秒１０００回のパワー状態における変化を可能とする場合、１００Ｈｚのスキャンパターンの繰り返し周波数は、１０のセグメントを有するスキャンパターンとの組み合わせが可能となる。
図７Ａは、図３に示されるシステムの変形例における主ジャーナル１００１の断面図である。ここで、レーザ源は、Ｘ軸に沿って主ジャーナル１００１の対称の垂直平面に対してわずかにオフセットされる。これは、レーザビームが、β角度を走査する場合、この場合には約９０度である角度γ１と、この場合には実質的に９０度より小さい角度γ２との間の複数の異なる角度で、ワークピースの表面に達することを意味する。スキャン速度及びパターンがスキャン全体で一定であり、かつ、ビームパワーが同様に一定に保たれる場合、これは、単位表面積当たりパワー密度が、より大きい角度γ１に起因して、先端境界（すなわち、回転体表面が、スキャン中にレーザビームによって走査されたエリアに入る位置）においてより高く、より小さい角度γ２に起因して、末端境界においてより低いことを意味する。図６Ａに関連して説明されたように、この構成は、表面温度がオーステナイト化温度域に急速に達する助けとなり得る。
図７Ｂは、レーザビームが安定して保たれ、または、Ｘ軸と平行な垂直平面においてのみ、すなわち、図３の角度αに従ってスキャンされる、代替的な構成を示す。この場合に、対称平面に対するレーザビームのオフセット位置は、レーザビームが、９０度より実質的に小さい角度γ下で表面に当たることを示唆する。これは、２つの効果を有する可能性がある。まず、スポットエリアがより大きくなり、これがレーザビームのパワーをより大きいエリアにわたって広げることから、利点となり得る。また、レーザビームの（Ｙ軸方向における）厚さが無視可能なほど小さくはない場合、スポットの先端境界におけるレーザビームとワークピースの表面との間の入射角度と、スポットの末端境界における対応する角度との間に差が生じる。これは、スポットに入る場合に、表面に対する高速加熱の上述された効果が、先端境界における高パワー密度に起因して、実現可能となることを意味する。この実施形態は、例えば、実質的に矩形のレーザスポットを与える固定光学系により、有利に使用可能である。また、あるいはその代わりに、この概念は、Ｘ軸と平行の１次元スキャンとの組み合わせで使用可能であり、レーザスポットの直径または幅に対応する幅と、Ｘ軸と平行なレーザビームの走査に対応する長さとを有する仮想矩形を確立する。
レーザスポットのサイズを増大させるために、硬化されるべき表面エリアが平坦または非円形の場合、同様の複数のアプローチがなされることができる。レーザビームは、それが平坦なエリアと直交しないように、当該平坦なエリアに投射され得る。
複数の非常に小さい角度を除き、レーザでは達することが困難な複数の表面を硬化させることが望ましい場合がある。例えば、複数のクランクシャフトの場合に、主ジャーナル及び複数のロッドジャーナルの複数の表面から実質的に垂直に延在する複数の壁面１００５は、図２のような構成のレーザ源１から発射された複数のレーザビームとほぼ平行となることが多い。これは、これらの複数の表面において、パワー吸収率を減少させ、これらの硬化をより困難に、及び／またはエネルギー消費を増やしがちにし得る。表面に対して小さい角度で受光されたレーザ光は、９０度のような大きい角度、すなわち、表面に対して垂直に受光されたレーザ光より吸収されにくい傾向がある。
しかしながら、吸収は、偏光にも依存する。つまり、レーザビームが表面と垂直に（すなわち、表面に対して９０度で）向けられる場合に１つの偏光（ｓまたはｐ）に対して、パワーがより良く吸収されると、レーザビームが、ゼロ付近の角度のような小さい角度で表面に向けられる、すなわち、ビームの方向がほぼ表面に整合される場合、反対の偏光により、パワーの吸収は、より高くなる。複数の壁がかなり大きく、かつ、かなり短いジャーナルによって離間している場合がある複数のクランクシャフトのような複数のワークピースの場合に、図２のような構成は、少なくとも複数のジャーナル付近の複数の壁の部分に対して、比較的小さい角度でレーザビームを複数の壁１００５に投射しなければならない。図８は、レーザ源１の部分として使用可能な偏光系４を示す。これは、入射レーザビームをＳ波偏光ビーム２'及びＰ波偏光ビーム２''に分割する偏光キューブのようなビーム分割偏光器４１を含み、これらのうちの１つは、次に、例えば、複数の主ジャーナル１００１及び複数のロッドジャーナル１００２の表面に対する硬化のために使用可能であり、これらのうちの他の１つは、複数の壁１００５の表面に対する硬化のために使用可能である。ミラー４２、４３および４４は、Ｓ波偏光ビーム２'及びＰ波偏光ビーム２''と実質的に平行となるように再整合させるために使用可能である。
図９は、パーソナルコンピュータもしくは他のプログラマブルデバイスのようなコンピュータ手段またはシステム１００、またはキーボード及び／またはマウスのようなコンピュータ入力手段１０１と、コンピュータスクリーン１０２とを有する手段を概略的に示す。スキャンパターン２Ｇは、スクリーンに示される。この場合に、スキャンパターンは、複数のセグメントａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ及びｈを備える多角形である。図示された実施形態では、複数のセグメントは、多角形、すなわち、八角形を形成する。しかしながら、より多数またはより少数のセグメントが、使用可能であり、複数のセグメントのいくつかまたは全部は、直線の代わりに湾曲していてもよく、複数のセグメントは、より多数またはより少数の複数の平行な線のような他の態様で分布してもよい。コンピュータシステムは、例えば、マウスまたは他の入力手段を用いること、例えば、カーソルをスクリーン上で移動させることによって、オペレータがパターンのレイアウトを変化させることができるように構成されてもよい。代案として、ユーザが複数のセグメントに触れることによってパターン形状を操作し、それにより、これらの位置、方向及び／または長さを変化させることを可能とするタッチセンサスクリーンが、使用可能である。パターン形状は、硬化されるべき表面に対してスキャンする場合に、例えば、２次元エネルギー分布を有する仮想のまたは等価な有効レーザスポットを生成するために、レーザスポットが描く経路を示す。スクリーンには、複数の線Ａ−Ｈも示され、これらの各々は、複数のセグメントａ−ｈのうちの１つにそれぞれ対応する。複数の線Ａ−Ｈの各々は、セグメントａ−ｈのうちの対応する１つに関するレーザスポットの１つの特性、例えば、スキャン速度範囲を示す。図示された実施形態では、各線に隣接する矢印は、当該セグメントに対して選択された特定のスキャン速度、すなわち、レーザスポットが対応するセグメントに沿って移動する一方で、スキャンパターンに追従する速度を示す。この場合、最高スキャン速度は、セグメントｃ及びｇに割り当てられ、いくらかより低いスキャン速度は、セグメントａ及びｅに割り当てられ、さらにより低いスキャン速度は、セグメントｂ、ｄ、ｈ及びｆに割り当てられている。本発明の複数の他の実施形態では、異なるスキャン速度を複数の異なるセグメントに割り当てることに加えて、あるいは代案として、異なるレーザビームパワーは、例えば、所望のエネルギー分布に従って、複数の異なるセグメントに対して、レーザビームを「オン」もしくは「オフ」、または（最大パワーの１０％、２５％、５０％、７５％または９０％のような）他の適用可能なパワー状態となるように選択することによって、複数の異なるセグメントに割り当てられてもよい。複数のセグメントは、スキャンスポットの中央が従う経路を示してもよく、スキャンスポットは、例えば、セグメントａ及びｃの長さの半分に対応する直径を有してもよい。その場合、スポットが複数のセグメントａ−ｈによって決定された経路を完了するたびに、レーザスポット直径の半分に対応する距離まで、当該複数のセグメント外のエリアの部分だけではなく、当該複数のセグメント内のエリア全体が、レーザによって直接加熱される。
八角形２Ｇは、例えば、図４および５の複数の実施形態における矩形２Ａ／２Ｂまたは台形２Ｃ／２Ｄの代わりに、使用可能である。この場合に、例えば、セグメントｃ及びｇにおけるより高いスキャン速度は、複数の潤滑油孔１００３のエリアにおける加熱を減少させることができ、セグメントａ及びｅにおいて増大された速度は、複数のアンダーカットフィレット１００４のエリアに対して、過熱を防止する助けとなり得る。また、コンピュータシステムは、複数の潤滑油孔から離れたエリアがスキャンされている場合に、１つの種類のパターン２Ｇを、かつ、複数の潤滑油孔と隣接する、又は含むエリアがスキャンされている場合に、他の種類のパターン（例えば、異なる及び／または異なるように方向づけられた複数のセグメントを有する、及び／または複数のセグメントのいくつかまたは全部に割り当てられた複数の異なる速度または複数のビームパワーを有するパターン）用いるために、プログラムされてもよい。例えば、セグメントｃ及びｇにおいて、複数の潤滑油孔周りのエリアがスキャンされているか否かに応じて、複数のセグメントの同じ輪郭は、異なる速度（及び／またはビームパワー）で用いられてもよい。
このシステムが、スキャンパターン２Ｇのトライアルアンドエラー適応を可能とするために、例えば、複数のトライアルワークピースに対するレーザ硬化を実行し、複数の結果に応じて、１つまたは複数のセグメントに対してスキャンパターン（形状、スキャン速度、レーザビーム強度、レーザスポットサイズ等）を変更することによって、パイロメータと共に使用可能である。また、あるいは代案として、ユーザが、役立つと思われるパターン構成を短時間内で見出すことができるように、コンピュータシステム１００は、選択されたパターン２Ｇ及び複数の異なるセグメントａ−ｈに割り当てられたスキャン速度（及び／またはレーザビームパワー、レーザスポットサイズ等のような他の複数のパラメータ）の結果である加熱をシミュレートするために、シミュレーションソフトウェアを与えられてもよい。シミュレーションの結果は、例えば、スクリーン１０２に表示されてもよい。ユーザは、次に、パターン２Ｇ及び複数の異なるセグメントに割り当てられた複数のパラメータを動的に変更し、結果の加熱を観察することができる。このツールは、所与のワークピース設計に対して、複数の異なるセグメントに割り当てられた適切な複数のパラメータ値で、適したスキャンパターンを容易に見出し、または設計するために役立つ可能性がある。
例えば、この種類のシステムは、例えば、パターンの複数のパラメータ（その形状及び複数の寸法、例えば、複数のセグメントを拡大または縮小することによって、）及び／または、例えば、レーザスポット速度（スキャン速度を変更することによって）、パワー（例えば、レーザビームのパワー含有量を変更することによって）及び／またはパワー密度（例えば、レーザスポットのサイズを変化させることによって、例えば、デフォーカスすることによって、例えば、フォーカスレンズを変位させることによって、またはレーザビームと表面との間の入射角度を変化させることによって）のような各セグメントに関する複数のパラメータを動的に適応させることによって、適したスキャンパターンまたは所与のクランクシャフトに対する複数のスキャンパターンを見出すために、有利に使用可能である。本発明のいくつかの実施形態では、レーザビーム内のパワー分布も、適合可能である。本発明のいくつかの実施形態では、図６Ｄに示されたものと一致するもののような特定のスキャンパターンが選択可能であり、エネルギー分布の適応は、各セグメント５１Ａ、５１Ｂに割り当てられたビームパワー及び／またはスキャン速度を選択することによって確立されてもよい。
スキャンパターンのこの種類のセグメントに基づく定義を用いることは、セグメントの数及び／または複数のセグメントの長さを増大及び／または減少させ、及び／またはこれらの方向及び／または位置を変更し、スキャン速度、ビームパワー及び／またはスポットサイズの値のような異なるパワーまたはエネルギーに関する複数のパラメータ値を選択して各セグメントに割り当てることによって、パターン輪郭の形成を可能とする一方で、加熱されるべき表面の異なる複数の部分に対する適度な加熱を容易に得ることを可能とするという知見が得られた。クランクシャフトの複数の潤滑油孔１００３と隣接するエリアのような複数の高感熱性サブエリアは、例えば、以下によって、適切に対処されてもよい。
複数の高感熱性エリアに対する過熱を回避するために、複数の高感熱性エリア及び複数の低感熱性エリアの両方に対して、（スポットが従う経路に関して）同じスキャンパターンを用いるが、例えば、選択されたセグメントがより高いスキャン速度（及び／またはより低いビームパワー等）を有するように選択することによって、他の複数のパラメータを適応させる。図９の場合、セグメントｃ及びｇにおける速度を増大させることが、パターン２Ｇに従ってレーザビームがスキャンされるジャーナル中央に配置された複数の潤滑油孔１００３において、過熱を減少させる助けとなる。図６Ｄの場合、（ゼロまたはゼロ付近のような）低いビームパワーを、複数の線５１の複数の中央のセグメント５１Ｂのうちのいくつかに割り当てることも、図６Ｄで矢印によって示唆される方向にパターンの中央部分を通る潤滑油孔において、過熱を防止する助けとなり得る。
複数の異なるサブエリアに対して、複数のスキャンパターン及び関連づけられた複数のパラメータ値の複数の異なるセットを用いる。例えば、クランクシャフトが回転する間、ジャーナルは、図５Ａによって示唆されるように、ただし、図９のレイアウトを有するスキャンパターンで、スキャンされ得る。潤滑油孔１００３がスキャンされている表面の部分に達するまたは近づく場合、セグメントｃ及びｇに関連付けられた速度値は、レーザビームがこれらの複数のセグメントを、より速いスピードでスキャンし、つまり、潤滑油孔隣接エリアに対する過熱リスクを減少させるように、変更されてもよい。
例えば、複数のセグメントの長さ及び方向を変更することによって、かつ、さらに、複数のセグメントを除外することによって、パターン形状を変化させる。例えば、スキャンパターン２Ｇのセグメントｇは、ワークピースの回転全体の間、または潤滑油孔と隣接するまたはこれを含むワークピースのエリアをスキャンする場合に、除外されてもよい。その場合、レーザスポットは、複数のセグメントａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅにわたって、及びセグメントｆまで、セグメントｈからの経路に従い、次に、反対方向、すなわち、複数のセグメントｆ、ｅ、ｄ、ｃ、ｂ及びａにわたって、セグメントｈの端部に到達するまで、戻ってもよい。
つまり、セグメント化されたスキャンパターンに基づいて、レーザビームの制御を与えるコンピュータシステムは、例えば、
スキャン速度（すなわち、その経路に沿ったレーザスポットの移動速度）、
レーザビームパワー、及び／または
レーザスポットサイズという複数の異なる値が、複数の異なるセグメントに割り当てられてもよく、複数の感熱性部分に対する損傷または損傷のリスクを減少させつつ、表面を適切に硬化させることを目的として、表面の最適化されるエネルギー分布及び最適化される加熱を与えるために、スキャンパターンを適応させることに有用である可能性がある。上述された説明は、主にスキャン速度について言及しているが、例えば、レンズを移動させて、例えば、デフォーカスすることによって、レーザビームのパワーまたはパワー密度を変更することにより、明らかに、加熱も変更可能である。しかしながら、現在既存の多数のレーザ及びスキャン手段に対して、速度を変更することは、好ましい選択肢となり得る。高速オン／オフ切り替えまたはビームパワーの急速な変化を可能とする（「オン」及び「オフ」間の変化に現在約１００μｓを必要とする多数のファイバレーザのような）複数のレーザが用いられる場合、レーザビームのパワーを変更することは、例えば、これをオン及びオフ切り替えすることによって、大いに興味深い選択肢となる。切り替え時間が短縮化する傾向を考慮すると、選択肢はさらにより興味深いものとなる。
（図９のパターン２Ｇに従うエリア、または図６Ｄのようなセグメント化された有効レーザスポットを高速でスキャンすることによる「八角形」レーザスポットのような）仮想レーザスポットを与えるために、スキャンは、高周波数、すなわち、高速で実行されなければならない。例えば、実際の実施形態では、レーザビームは、複数のセグメントａ−ｈに沿って、例えば、８ｍｓの期間に、スキャンサイクルを完了してもよい。複数のダイオードレーザまたはオン／オフ切り替えが遅い他の複数のレーザを用いるような場合、各セグメントにおいてこれを正しいレベルに配置できるほど急速にビームパワーを変更することは、困難またはコストがかかることが多い。市販の複数のスキャンシステム性能内のものにスキャン速度を変更することが、より実用的であることが多い。しかしながら、レーザのパワーレベル切り替え性能に応じて、ビームパワーを変調することが、好ましい可能性がある。
図９のスキャンパターンは、複数の相互接続されたセグメントのセットを有する。しかしながら、使用されるレーザ及び／またはスキャン手段の種類に応じて、複数の相互接続されていないセグメントも、使用可能である。例えば、スキャンパターンは、複数の線もしくは複数のドットまたは複数のピクセルを備えることができる。この種類のスキャンパターンは、ファイバレーザのような高速オン／オフ切り替えを可能とするレーザが用いられる場合に好ましいことが多い。それにより、スキャンされているエリアにおけるエネルギー分布の非常に正確な選択を可能とする非常に複雑で精緻な複数のパターンが、使用可能である。つまり、システムは、例えば、クランクシャフトにおける複数の潤滑油孔のような複数の感熱性領域の存在を考慮して必要とされるエネルギー分布を正確に与えるために、調整されてもよい。
図１０は、コンピュータシステム１００に関連付けられた第１及び第２のコンピュータメモリエリア１１０、１２０を概略的に示し、各メモリエリアは、複数の列を有するメモリマトリックスを備え、各列は、スキャンパターン２Ｇの複数のセグメントａ−ｈの各々に割り当てられた１つのメモリ位置を含む。複数の列は、以下のデータを含んでもよい。
スキャンパターンセグメント列１１１および１２１におけるデータは、パターン形状、すなわち、（各セグメントの開始及び終了ポイントのような）複数のセグメント構成を定義してもよい。
スキャン速度列１１２および１２２におけるデータは、各セグメントに対して、当該セグメントに関連付けられたスキャン速度、すなわち、レーザスポットがスキャンパターンまたは経路の対応するセグメントに沿って移動する速度を定義してもよい。
ビームパワー列１１３および１２３におけるデータは、各セグメントに対して、ビームパワー、すなわち、対応するセグメントに沿って移動する際のレーザビームのパワーを定義してもよい。
スポットサイズ列１１４および１２４におけるデータは、各セグメントに対して、対応するセグメントに沿って移動する際のレーザスポットのサイズを定義してもよい。レーザビームをフォーカス／デフォーカスすること、例えば、電動フォーカスレンズを移動させることによって、または、レーザ源をシステムのＺ軸と平行に移動させることによって、スポットサイズ及び、つまり、単位表面積当たりパワー密度は、変化可能である。レーザビームの表面に対する入射角度を変更すること、例えば、図７Ａおよび７Ｂにおいて示唆されるように、例えば、レーザビームをオフセットすることによって、これも実現可能である。
本発明のいくつかの実施形態では、これらの複数のコンピュータメモリエリアのうちの１つだけが存在し、すなわち、速度、ビームパワー及びスポットサイズは、加工全体で一定であってもよい。複数の他の実施形態では、これらの複数のメモリエリアのうち２つまたはそれより多くが存在し、ポインタ１３０は、ワークピース１０００の表面とレーザ源２との間の相対移動の間に、スキャンを動的に変更するために使用可能である。例えば、潤滑油孔１００３は、スキャンされている表面の部分に近づくことから、第１のメモリエリア１１０によって定義される第１のスキャンパターン（例えば、スキャン速度、レーザビームパワー、レーザスポットサイズ及び／または入射角度に対する複数のパラメータ値のその関連付けられたセットを有する）は、潤滑油孔の複数の境界における過熱防止のために、第２のメモリエリア１２０によって定義される第２のスキャンパターン（スキャン速度、レーザビームパワー及び／またはレーザスポットサイズ等に対する複数のパラメータ値のその関連付けられたセットを有する）と置換可能である。例えば、第２のスキャンパターンは、第１のスキャンパターンと比べて、スキャン中に潤滑油孔によって横切られる複数のセグメントと関連付けられたより高いスキャン速度、及び／またはより低いレーザビームパワー、及び／またはより大きいレーザスポットサイズを有してもよい。
本発明のいくつかの実施形態では、列１１１−１１４の１つだけまたはいくつかが存在し、または、加工の複数のさらなる態様に関するデータを規定するより多くの列が存在してもよい。本発明のいくつかの実施形態では、スキャン速度、レーザスポットサイズ及びレーザビームパワーのうちの１つだけまたは２つは、複数の異なるセグメント及び複数のパターンの間で異なる。いくつかの実施形態では、レーザスポットが従う経路は、その関連付けられた複数のパラメータ値と共に、加工全体で一定のままであることから、１つだけのメモリエリア１１０が存在してもよい。
図１１は、本発明の代替的な実施形態に係る２つのコンピュータメモリエリアを概略的に示し、各コンピュータメモリエリア１４０、１５０は、各々がスキャンされるべきエリアのピクセルまたはセグメントに対応する複数のメモリ位置１４１、１５１を備える。各メモリ位置は、レーザのオン又はオフ状態を示す値、または特定のパワーレベルを示す値のような、レーザパワーを示すパワー状態値を備えることができる。つまり、スキャンされるべきエリアにわたって（例えば、レーザビームを当該エリアにわたって延在する複数の平行な線に従わせることによって）レーザビームをスキャンする場合、レーザビームは、対応するメモリ位置の値に従ってオン及びオフにされてもよい。本発明のいくつかの実施形態では、各メモリ位置は、スキャンパターンの「線」に対応してもよく、本発明の複数の他の実施形態では、ピクセル化されたエネルギー分布が実現可能であるように（このようなセグメント化またはピクセル化されたエネルギー分布を有するスキャンパターンの例が図６Ｄにおいて与えられる）各メモリ位置は、線の部分またはセグメントに対応してもよい。スキャンされるべきエリアを、これらに割り当てられた（オン／オフ及び／または複数の中間パワーレベルのような）異なる複数のレーザパワーレベルを有する複数のサブセグメントにピクセル化または再分割することの詳細のレベルは、レーザのスキャン速度及びオン／オフ切り替え性能のような複数の機能に依存してもよい。図１０に示された実施形態の場合とまったく同じように、ポインタ１３０が、１つの種類のスキャンパターンと他の種類との間で切り替えを行うために使用可能であり、これにより、例えば、潤滑油孔の存在を考慮に入れるために、スキャンされているエリアの複数の特性に応じて、エネルギー分布を適応させる。図１１によって示唆された２０ｘ２０のピクセル化は、単なる例として示されたものであり、あらゆる他の適した数の行及び１行当たりピクセルが、使用可能である。例えば、線の数は、スキャン手段の速度及びスキャン周波数（すなわち、スキャンパターンが繰り返される周波数）によって限定されてもよく、ピクセルまたは線１本当たりピクセルの数は、所与のスキャン周波数及び線の数に対して、レーザのオン／オフ切り替え性能によって限定されてもよい。例えば、オンに切り替えるために１００μｓ、オフに切り替えるために１００μｓを必要とする、すなわち、１つのオン／オフサイクルに対して２００μｓであり、有効な仮想レーザスポットを完了させるために、スキャン周波数１００Ｈｚ及び５つの線のスキャンパターンを用いるレーザの場合、線１本当たりピクセルの数は、約１０であってもよい。
図１２Ａ−１２Ｃは、有効レーザスポットのエネルギー分布が、潤滑油孔に対応するために適合可能である態様を示す。潤滑油孔１００３は、クランクシャフトのジャーナルの表面に配置され、当該表面は、クランクシャフトの回転軸と平行な第１の方向、及び第２の周方向Ｗに延在する。図１２Ａでは、高パワー密度の先端部分２Ｅと低パワー密度の末端部分２Ｆとを有する、実質的に矩形の等価な有効レーザスポット５が用いられる。しかしながら、図１２Ｂに示されるように、例えば、クランクシャフトがその長さ方向軸周りに回転することに起因する、クランクシャフトの表面とレーザ源との間の相対移動に起因して、潤滑油孔１００３が有効レーザスポットに近づく場合、潤滑油孔１００３隣接エリアに対する過熱を回避するために、パワーまたはエネルギー密度を先端部分２Ｅの中央に向かって減少させることによって、エネルギー分布は、実質的に適応される。ここで、有効レーザスポットは、実質的にＵ形状である。その後、潤滑油孔１００３が先端部分２Ｅを一度通ると、末端部分の中央に向かってエネルギーまたはパワー密度を減少させることによって、先端部分における元のエネルギー分布が回復される一方で、末端部分２Ｆにおけるエネルギー分布は、潤滑油孔１００３に対応するように適合される。ここで、有効レーザスポット５は、（本発明のいくつかの実施形態において、図６Ｄのものと一致するセグメント化またはピクセル化を用いて、かつ、有効レーザスポットの対応する複数の形状を与えるために、複数の異なるセグメントに割り当てられた複数のパワー状態を適応させることで得られる）逆Ｕ形状を実質的に採用する。すなわち、一方で、潤滑油孔は、有効レーザスポットを通過し、エネルギー分布は、潤滑油孔と隣接する高感熱性エリアに、潤滑油孔から離れた硬化されるべき表面に適用されるものより小さいエネルギーを適用するために、適合される。潤滑油孔周りのエリアは、潤滑油孔と隣接する高感熱性サブエリアに損傷を与えることなく硬化されてもよい。Ｕ形状の有効レーザスポットの複数の側方部分は、潤滑油孔の複数の側面における複数のエリアを硬化させるために機能する。図１２Ａ−１２Ｃに示されたエネルギー分布の変化は、例えば、スキャンパターンを適応させることによって、及び／または（例えば、スキャンパターンの複数の異なるセグメントの間で、レーザビームがオン及びオフ切り替えされる態様を適応させることによって）ビームパワーがスキャンパターンに沿って分布する態様を適応させることによって、及び／またはスキャンパターンの複数の異なるセグメントに対応するスキャン速度を適応させること等によって得られる。
図１３は、より大きいエネルギー５Ａを潤滑油孔１００３より上に配置されていない潤滑油孔の側部１００３Ａに、より小さいエネルギーを潤滑油孔より上に配置される潤滑油孔の側部１００３Ｂ、すなわち、潤滑油孔がクランクシャフト本体に向かって延在する方向の側部に適用することによって、エネルギー分布が、潤滑油孔１００３の傾きを考慮するように適合される態様を概略的に示す。これは、例えば、スキャンパターンの複数の異なるセグメントに割り当てられた複数のパワー状態を正しく選択することによって得られる。エネルギー適用におけるこの差は、図１３の右に向かって下方に延在する潤滑油孔の存在に起因して導電性材料が存在しないことにより、加熱されたエリアから離れて実行されるべき潤滑油孔１００３の右に適用される熱容量が減少するという事実を考慮に入れる。同じ量のエネルギーを両側に適用することは、図１３の潤滑油孔の右側１００３Ｂに、左側１００３Ａより厚い硬化された層を与えることから、これは、基本的にエネルギーの無駄になる。しかしながら、硬化された層の最小厚さの要件に準じた必要に関して、硬化された層の最も薄い部分は、要件を満たさなければならない。つまり、潤滑油孔１００３の右で、硬化された層を余計に厚くすることは、顧客によって設定された複数の要件を満たすと見られる点で無意味であり、単にエネルギーの無駄を示す。また、同じ量のエネルギーを両側に適用することは、１つの側における過熱リスクの増大を示唆する可能性がある。このリスクは、潤滑油孔の内壁と硬化されるべき軌跡の表面との間の角度は、潤滑油孔が延在する側でより鋭い、すなわち、図１３の潤滑油孔の右における角度が左より鋭いという、境界が右においてより鋭く、過熱の場合に損傷リスクを増大させることを意味する事実に起因して増大する。
上述されたように、スキャンは、好ましくは、温度の大きな変動を回避するために、高速で行われる。レーザビームが、等価なまたは仮想の有効レーザスポットを形成するために、２次元のスキャンパターンに沿って、例えば、複数の平行な線に沿って繰り返しスキャンされる場合、ワークピースの複数の部分が繰り返し加熱される一方で、複数の部分は、スキャンパターン内に残留する。実際のレーザスポットは、仮想レーザスポット全体で繰り返しスキャンされる場合に、表面の異なる複数のスポットを繰り返し加熱し、これらの複数のスポットは、これにより、最高温度に繰り返し加熱され、その後、これらが加熱される度に、レーザビームスキャンパターンに沿う次の走査の間、すなわち、次のスキャンサイクルの間に、これらは再び加熱されるまで冷却する傾向がある。極大温度及び極小温度の間のこれらの変動をできる限り小さく保つことが望ましい。この目的のために、高スキャン速度及び周波数が好ましい。図１４Ａ及び１４Ｂは、固定スキャンパターン及びパワーを用いてクランクシャフト上で実行された複数のテスト結果を概略的に示す。図１４Ａの場合、スキャン周波数５０Ｈｚ（すなわち、レーザビームがスキャンパターンを毎秒５０回完了した）が用いられた。最高温度到達後、極大及び極小間で、１００°Ｃを超え、実際には２００℃近い振幅での変動が生じたことが確認された。これは、過熱リスク及び／または不適切な硬化または硬化深さのリスクを示唆する可能性があるため、問題となり得る。
図１４Ｂは、図１４Ａのものと同じ複数の条件で、ただし、スキャン周波数２５０Ｈｚで実行されたテスト結果を概略的に示す。ここで、グラフの厚さに対応する極大及び極小間での温度変動が、実質的に１００℃より小さい振幅を有する態様が観察された。
図１５Ａ及び１５Ｂは、有効レーザスポット５が、その環状セグメント１００１Ａの３０−１８０度のようなセクションを加熱するために、潤滑油孔１００３及び複数のアンダーカットフィレット１００４を有するクランクシャフトのジャーナル１００１に適用され得る態様を概略的に示す。有効レーザスポット５は、ジャーナルの周方向Ｗにおいて１８０度を超えて延在しないことから、環状セグメント全体を加熱するために、ジャーナルは、その回転軸Ｘ周りに回転させられてもよく、及び／またはレーザ源は、クランクシャフトに対して変位させられてもよい。加熱は、図１５Ａに示されるように、アンダーカットフィレット１００４に近接するジャーナル１００１の１つの側方端部において開始してもよく、例えば、ジャーナルは、環状セグメント１００１Ａを十分な温度に、かつ必要な硬化深さを保証するために十分な時間加熱するべく、周全体を加熱するために、回転させられてもよい。ジャーナルの表面全体を硬化させるために、有効レーザスポット５は、例えば、レーザ源をＸ軸と平行に変位させることによって、または、スキャンミラーを用いてビームをＸ軸と平行に変位させることによって、ジャーナルに沿って、回転軸Ｘと平行な方向に、徐々に変位させられる。つまり、加熱された環状セグメント１００１Ａは、当該方向に延在させられ、以前加熱された部分は、冷却を開始してもよく、これにより焼き入れが実現される。図１５Ｂでは、有効レーザスポットがジャーナルの大部分にわたって変位させられ、これを加熱し、かつ、移動を続ける場合に焼き入れを可能とした態様が観察可能である。有効レーザスポットは、それが図１５Ｂの右側端部におけるフィレットに達するまで変位する。２次元エネルギー分布は、複数のフィレット１００４近傍で、かつ、潤滑油孔１００３にも対応して、これらの複数の部分に対する過熱を防止するように適合される。硬化を実行するこの態様の利点は、硬化されたエリアの成長が、ジャーナルの１つの端部から他の端部への方向において、すなわち、ジャーナルの回転軸Ｘと平行な第１の方向において生じ、周方向Ｗには生じないことから、既に硬化された部分に対する再加熱が行われないことである。すなわち、硬化は、左から右に生じ、周方向には生じない。つまり、既に硬化された表面エリアに対する望ましくない再加熱及び過剰な焼き戻しのリスクは、基本的に存在しない。
ジャーナル表面を周方向に硬化する場合、概して、重複エリア、すなわち、有効レーザスポットが、周方向における軌跡に沿った自身の移動の完了近くに、以前に硬化された部分に到達するエリアに対して、特別な注意が払わなければならない。以前に硬化された部分を硬化のために用いられた温度のような高温に再加熱することは、概して、回避されなければならない。図１９Ａ−１９Ｃは、図１２Ａ−１２Ｃのものと同様の構成を示すが、複数の潤滑油孔の代わりに、レーザスポットが近づく高感熱性サブエリアは、ジャーナルの以前に硬化された部分１００１Ｂに対応する。この実施形態では、図１９Ａにおいて概略的に示されるように、有効レーザスポットは、複数のセグメントの配列（図６Ｄのものと同様の）から構成され、有効レーザスポットの先端境界が以前加熱された部分１００１Ｂに到達した場合に、例えば、当該複数のセグメントに対応して、レーザを「オフ」状態に設定することによって、第１の行における複数のセグメントは、取り消される（図１９Ｂ参照）,図１９Ｃでは、複数のセグメントのさらに複数の行が取り消され、これによって、有効レーザスポットは、周方向において縮小されている。すなわち、有効レーザスポットは、以前に硬化された部分１００１Ｂに遭遇した場合に、その先端境界または部分において徐々に取り消される一方で、末端境界または部分は、有効レーザスポットが消滅するまで、当該先端部分に追いつく。
本発明の複数の他の実施形態では、有効レーザスポットは取り消されないが、そのパワー／エネルギーが全体的に減少させられる。つまり、有効レーザスポットは、ジャーナル周りにもう１回移動し、焼き戻しに適した温度に表面を加熱することができる。本発明の複数の他の実施形態では、複数のレーザ源が、環状セグメントのいくつかの複数のセクションを同時に加熱するために、例えば、環状セグメント１００１Ａの３６０度全体を同時に加熱するために、使用可能である。これは上述されたように、硬化の質に負の影響を与え得る温度変動を回避するために、クランクシャフトを高速で回転させる必要を減少させる。クランクシャフトを非常に高速で回転させることは、実装にコストがかかる可能性があり、高速移動する潤滑油孔と隣接するエリアに対する過熱を回避するために、有効レーザスポットまたは複数のスポットのエネルギー分布を適応させることを、より困難にする可能性がある。
本発明は、つまり、レーザ表面硬化に対する極めて柔軟なアプローチを与え、従って、例えば、熱伝導感度に関して実質的に異なる複数の特性、及び／または、例えば、硬化された層の深さのような複数の態様の点で実質的に異なる複数の要件を有する複数の表面部分を有する複数のワークピースに対するレーザ硬化にとって、非常に有用となり得る。
システムは、パイロメータからのフィードバック、及び、例えばＰＩＤ制御により動作可能である。
以下は、本発明がその１つの実用的な実施形態に従って実装され得る態様の例である。
図１６Ａ、１７Ａ及び１８Ａは、それぞれ、図１６Ｂ及び１６Ｃ、１７Ｂ及び１７Ｃ、１８Ｂ及び１８Ｃのようなスキャンパターンに対して算出された有効レーザスポットにわたるパワーまたはエネルギー分布を示す。スキャンパターンは、上述された図９に示されたタイプ、すなわち、８つのセグメントを備えるスキャンパターンである。ユーザは、これらの位置、方向及び長さの点で再構成してもよく、ユーザは、これらに対して、１つまたは複数のパワー／エネルギー関連の複数のパラメータ値、例えば、レーザビームパワー及び／またはスキャンパターンに沿って投射されたレーザスポットの速度を選択及び適応させてもよい。この例では、一定のパワーが用いられ、速度は、セグメント単位によってセグメントに適合された。上述されたように、コンピュータシステム１００は、ユーザが、役立つとみられるパターン構成を短時間で見出すことができるように、選択されたパターン２Ｇ及び複数の異なるセグメントａ−ｈに割り当てられたスキャン速度（及び／またはレーザビームパワー、レーザスポットサイズ等のような他の複数のパラメータ）の結果である加熱またはエネルギー分布を計算／シミュレートするための計算／シミュレーションソフトウェアを与えられてもよい。図１６Ａ、１７Ａ及び１８Ａに示されたもののような、算出された複数のエネルギー分布は、複数のエネルギー分布が適切である可能性が高いか否かをユーザが判断する助けとなるように、スクリーン１０２上で可視化されてもよい。
図１６Ａ、１７Ａ及び１８Ａは、有効レーザスポットにわたる、算出されたエネルギー／パワー分布を示し、これらは、以下の複数の値に対して、図１６Ｂ、１７Ｂ、１８Ｂ、１６Ｃ、１７Ｃ及び１８Ｃの特定の複数のパターン及び複数の速度に基づいて算出される。ｄ１−ｄ１２は、図示された例に従うパターンの複数の寸法を示す。この例による複数の値は、ｍｍ単位であり、以下のとおりである。
ｄ１＝１６、ｄ２＝２．８、ｄ３＝３．１、ｄ４＝３．９、ｄ５＝７、ｄ６＝１．４、ｄ７＝０．４、ｄ８＝１３、ｄ９＝５．１、ｄ１０＝６、ｄ１１＝２．８、ｄ１２＝０．２
ｖ１−ｖ１０は、スキャンパターンの複数の異なる部分に割り当てられた複数のスキャン速度を示す。この例による複数の値は、ｍｍ／ｓ単位であり、以下のとおりである。
ｖ１＝３６００、ｖ２＝８０００、ｖ３＝４６００、ｖ４＝３５００、ｖ５＝６０００、ｖ６＝５５００、ｖ７＝３６００、ｖ８＝８０００、ｖ９＝５４３０、ｖ１０＝８０００、ｖ１１＝５５００
図１６Ａ、１７Ａおよび１８Ａでは、対応するパワーまたは複数のエネルギー分布パターンが、示される。図１６Ａ−１６Ｃは、クランクシャフトのジャーナルの表面を、クランクシャフトの長さ方向軸と平行な方向においてジャーナルにわたって、潤滑油孔から離れた低感熱性サブエリアにおいて、加熱するために適切たり得るパターンに関する。つまり、図１６Ａ−１６Ｃのパターン及び複数の速度は、図１２Ａに示されるもののような状況において使用可能である。図１７Ａ−１７Ｃは、有効レーザスポットが図１２Ｂに示されたような位置にある場合のような、有効レーザスポットが潤滑油孔に近づく場合に、「Ｕ形状」などを採用する有効レーザスポットにわたるパターン及び対応するエネルギー分布を示す。ここで、図９に示されたスキャンパターンを考慮すると、複数の中央のセグメントのうちの１つ、図９によれば「ｃ」のようなセグメントは、潤滑油孔と隣接する感熱性サブエリアに対する過熱を回避するために、除外されている。対応する態様では、図１８Ａ−１８Ｃは、有効レーザスポットが潤滑油孔隣接エリアを離れようとする、すなわち、図１２Ｃに示されたもののような位置にある場合のエネルギー分布及びスキャンパターンを示す。
この構成と、低炭素（０．４０％）鋼（１５３８ＭＶ型）の複数のジャーナルに直径３．４ｍｍのレーザスポットを与えるレーザビームを適用することとにより、１ｍｍの純マルテンサイト層を有する有効硬化深さ（硬度＞ＨＲＣ４５）２．５ｍｍが実現された。レーザビームのパワーは２７００Ｗであり、ジャーナルは、幅２１ｍｍの主ジャーナルであった。レーザビームのパワーが２４００Ｗに設定されたこと、及びスキャンパターンの幅が１４ｍｍに低減されたことを除き、実質的に同じ設定及び複数の値を用いて、幅１９ｍｍのロッドジャーナルの表面を硬化した場合にも、非常に類似した複数の結果が得られた。両方の場合において、有効レーザスポットは、周方向において速度１６８ｍｍ／分で、表面に沿って移動した。
スキャンパターンは、図７Ａにおける示唆に従ってその中央が、硬化されているジャーナル中央に対してオフセットされるように適用された。（レーザ源及びジャーナルの長さ方向中央軸を含む平面と直交する方向における）オフセットは、半径３４．４５ｍｍの主ジャーナルに対して３１ｍｍ、半径２８．４５ｍｍのロッドジャーナルに対して２５．２ｍｍであった。オフセットに起因して、ジャーナルに投射された有効レーザスポットの合計エリアは、オフセットなしで投射された場合のものより大きかった。
１：レーザ源
２：レーザビーム
２'：ｓ偏光レーザビーム
２''：ｐ偏光レーザビーム
２Ａ：レーザビームによってスキャンされた経路またはレーザビームによってスキャンされたエリア
２Ｂ：レーザビームによってスキャンされた経路またはレーザビームによってスキャンされたエリア
２Ｃ：レーザビームによってスキャンされた経路またはレーザビームによってスキャンされたエリア
２Ｄ：レーザビームによってスキャンされた経路またはレーザビームによってスキャンされたエリア ２Ｅ：高パワー密度を有する仮想的な矩形レーザスポットの部分
２Ｆ：低パワー密度を有する仮想的な矩形レーザスポットの部分
２Ｇ：レーザビームによってスキャンされた経路であるスキャンパターン
２Ｈ：硬化に適合されたパワー密度を有する有効レーザスポットの部分
２Ｉ：焼き入れに適合されたパワー密度を有する有効レーザスポットの部分
２Ｊ：焼き戻しに適合されたパワー密度を有する有効レーザスポットの部分
３：スキャンシステム
４：偏光系
５：有効レーザスポット
５Ａ、５Ｂ：傾斜した潤滑油孔周りのエネルギー分布
１１：レーザキャリッジ
１２：レーザ源の垂直移動のための第１のレーザキャリッジ駆動手段
１３：レーザ源の水平移動のための第２のレーザキャリッジ駆動手段
１４：レーザ源の移動のための水平軌道
２０：ワークピースキャリッジ
２１：ワークピースキャリッジ駆動手段
４１：偏光器
４２：ミラー
４３：ミラー
４４：ミラー
５１：スキャンパターンの複数の線
５１Ａ：「オン」である複数のセグメントまたはピクセル
５１Ｂ：「オフ」である複数のセグメントまたはピクセル
１００：コンピュータシステム
１０１：コンピュータ入力手段
１０２：コンピュータスクリーン
１１０：第１のコンピュータメモリエリア
１１１：スキャンパターンセグメント列
１１２：スキャン速度列
１１３：ビームパワー列
１１４：スポットサイズ列
１２０：第２のコンピュータメモリエリア
１２１：スキャンパターンセグメント列
１２２：スキャン速度列
１２３：ビームパワー列
１２４：スポットサイズ列
１３０：ポインタ
１４０：第１のコンピュータメモリエリア
１４１：ピクセル値（オン／オフ）を格納するためのメモリ位置
１５０：第２のコンピュータメモリエリア
１５１：ピクセル値（オン／オフ）を格納するためのメモリ位置
１０００：クランクシャフト
１００１：主ジャーナル
１００１Ａ：加熱／硬化された主ジャーナル表面の環状セグメント
１００１Ｂ：ジャーナルの以前に硬化された部分
１００２：ロッドジャーナル
１００３：複数の潤滑油孔
１００３Ａ、１００３Ｂ：潤滑油孔の開口の複数の側部におけるジャーナルの複数の部分
１００４：複数のフィレット
１００５：複数のジャーナルと直交する表面
１００６：レーザビームによってスキャンされ得るエリアまたはセクション
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ：スキャンパターンの複数のセグメント
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ：複数の速度インジケータ
α、β、γ、γ１、γ２：説明中で示された複数の角度
Ｘ、Ｙ、Ｚ：空間における複数の方向
Ｗ：周方向
ｄ１−ｄ１２：スキャンパターンの異なる複数の寸法の複数のインジケータ（ｍｍ単位）
ｖ１−ｖ１１：スキャンパターンの複数の異なるセグメントに対応するスキャン速度の複数のインジケータ（ｍｍ／ｓ単位）
本明細書において、用語「有効レーザスポット」は、エリアを照射及び加熱するために、レーザビームが有効に投射されるエリアを指す。有効レーザスポットは、レーザスポットの形状を作り、かつ、有効レーザスポットにわたって所望の態様でパワーを分布させるために、光学系を用いて元のレーザビームを変換することによって得られるレーザスポット、または、レーザビームの加熱効果が、１つのスキャンサイクルの間における、仮想のまたは等価なレーザスポットにわたるパワー分布に対応するパワー分布を有する固定レーザビームが用いられた場合と実質的に同じとなるように、レーザビームを同じエリアまたは実質的に同じエリアに繰り返し適用するべく、スキャンパターンに従ってレーザビームを高速で繰り返しスキャンすることによって得られる仮想のまたは等価なレーザスポットであってもよい。ここで、用語「高速」は、硬化されるべき表面エリアの複数の部分がレーザスポットによって繰り返し加熱されるように、スキャン速度が、例えば、周方向において、レーザ源とクランクシャフトの表面との間の相対移動速度よりはるかに大きいことを意味する。例えば、典型的には、スキャン速度は、例えば、毎秒少なくとも１０、５０または１００スキャンサイクルが実現されるように、選択可能である。好ましくは、有効レーザスポットが、実際のまたは現実のレーザスポットを硬化されるべき表面エリアにわたって繰り返しスキャンすることによって得られる仮想のまたは等価なレーザスポットである場合、このスキャンは、好ましくは２次元で生じ、前述の複数の次元のいずれかにおいて、仮想レーザスポットのサイズは、例えば、クランクシャフトの軸または回転と平行な方向に、及びクランクシャフトのジャーナルの周方向に、前述の次元における実際のまたは現実のレーザスポットのサイズの、好ましくは少なくとも２、３、４、５、１０、２０倍以上である。スキャンという用語は、好ましくは、レーザビームの移動を示唆することを意図され、スキャンパターンは、好ましくは、すなわち、レーザ源とワークピースの表面との間の相対移動を考慮に入れずに、ビームが固定表面上で従うパターンを指すことを意図される。
概して、処理されたエリアまたはセグメントの成長は、有効レーザスポット及び表面を互いに対して移動させること、例えば、クランクシャフトの場合、クランクシャフトを回転させることによって、有効レーザスポットと硬化されるべき表面との間の相対移動によって実現される。十分な硬化深さを実現するために、例えば、硬化深さが１０００μｍまたはそれより大きい場合、表面温度が十分に高くなるだけではなく、ワークピースが必要な深さにまで加熱されるように、実質的に硬化されるべき表面エリアの各部分が、有効レーザスポットのエリア内に、典型的には、例えば、クランクシャフトの複数のジャーナルの場合、０．５−５秒、例えば１−３秒のような十分な時間長にわたって留まることが好ましい。レーザビームのパワー密度を増大させることは、表面エリアに対する過熱がワークピースに損傷を与え得るため、これが起きてはならないことから、十分な加熱時間の代わりとはならない。つまり、表面温度は、十分な時間、適切な範囲内になければならない。従って、所望のまたは必要な硬化深さを実現するために、硬化されるべき複数の部分が十分な時間有効レーザスポット内に留まることを可能とする一方で、１次元において、十分な幅の硬化の軌跡を与えるために（例えば、実質的にクランクシャフトのジャーナルの全幅をカバーするために）、かつ、他の次元において、有効レーザスポットと処理されるべき表面との間における高い相対速度を可能とするために（つまり、高生産率を与える）、大きいサイズの有効レーザスポットが望ましい。
本明細書において、用語「クランクシャフト」は、好ましくは、ピストンの往復直線運動を回転に変換するエンジンの部分、例えば、複数のトラック、自動車及びオートバイのような多くの型のモーター付き車両において使用されるもののような内燃エンジンに用いられる種類のクランクシャフトを指す。
本明細書において、硬化深さは、好ましくは、有効硬化深さを指し、これは、好ましくは、硬化された場合の表面から特定のレベルの硬度が維持される最も遠い点までの垂直距離を指す。当該レベルは、例えば、４０−５５ＨＲＣの範囲、好ましくは４５ＨＲＣであってもよい。複数のクランクシャフトの分野では、複数の所望の硬度レベルは、概して、鋼の炭素含有量を考慮に入れて決定されるが、典型的なレベルは、４５ＨＲＣである。本明細書に関して、かつ、複数のクランクシャフトのジャーナルに対する硬化の点で、少なくとも１０００、２０００または３０００μｍの硬化深さが好ましい。
目的の他の態様は、１００％変換されたマルテンサイトが観察可能となるまでのレベルまたは深さであってもよい。本明細書に関して、かつ、複数のクランクシャフトのジャーナルに対する硬化の点で、この深さは、好ましくは、少なくとも２００、３００、５００、８００、１０００μｍまたはそれより大きくてもよい。
セグメント化されたスキャンパターンが用いられる場合、毎秒少なくとも３００セグメントのスキャン速度が、好ましい可能性がある一方で、例えば、毎秒少なくとも６００、１０００、５０００および１００００セグメントの速度が、好ましくは少なくとも１０Ｈｚ、より好ましくは少なくとも５０Ｈｚ、さらにより好ましくは少なくとも１００Ｈｚまたは２００Ｈｚであるスキャンパターンの繰り返し周波数との組み合わせで、より好ましい可能性がある。
本発明は、複数のクランクシャフトの表面硬化についていくつか言及することにより記載されている一方で、本発明の範囲は、複数のクランクシャフトに対する表面処理に決して限定されるものではない。
この文章において、用語「備える」及びその複数の派生語（「備え」等のような）は、排除的な意味で理解されるべきではない。すなわち、これらの複数の用語は、記載及び定義されるものが、さらなる複数の要素、段階等を含み得る可能性を排除するものとして解釈されるべきではない。
一方で、本発明は、本明細書に記載された特定の実施形態に限定されるものではなく、あらゆる当業者によって考慮され得る（例えば、材料、寸法、成分、構成等の選択に関する）あらゆるバリエーションを特許請求の範囲において定義された本発明の全般的な範囲に属するものとしてカバーすることは明らかである。

Claims (59)

  1. ワークピースの表面に対するレーザ硬化の方法であって、前記ワークピースは、少なくとも１つの硬化されるべき表面エリアを備え、前記表面エリアは、少なくとも１つの高感熱性サブエリア及び少なくとも１つの低感熱性サブエリアを備え、
    前記表面エリアにレーザスポットを生成するために、レーザ源からのレーザビームを前記表面エリアに投射する段階と、
    前記ワークピースの前記表面と前記レーザ源との間の相対移動を生じさせ、それにより、その後、前記レーザスポットが、前記表面エリアの複数の異なる部分に投射されることを可能にする段階と、
    ２次元の有効レーザスポットを前記表面エリアに生成すべく、前記相対移動中に前記レーザビームを前記表面エリアの各部分にわたって２次元で繰り返しスキャンする段階であって、前記有効レーザスポットはエネルギー分布を有する、段階と
    を備え、
    高感熱性サブエリアの過熱を防止すべく、前記高感熱性サブエリアにおける前記エネルギー分布が低感熱性サブエリアにおける前記エネルギー分布と異なるように、前記相対移動中に前記エネルギー分布を動的に調整する、方法。
  2. 前記有効レーザスポット内で前記レーザビームをスキャンパターンに沿ってスキャンする段階と、前記エネルギー分布を得るべく、前記スキャンパターンに沿って前記レーザビームをスキャンする間に前記レーザビームのパワーを変動させる段階とを備える、請求項１に記載の方法。
  3. 前記レーザスポットをスキャンパターンに沿ってスキャンする間に、前記レーザビームを、毎秒少なくとも３００回、毎秒少なくとも６００回、毎秒少なくとも１，０００回、毎秒少なくとも５，０００回、または、毎秒少なくとも１０，０００回選択的に、複数の適用可能なパワー状態のうちの１つに設定することで、前記レーザビームのパワーを選択的に調整することによって前記エネルギー分布を制御する、請求項１に記載の方法。
  4. 前記スキャンパターンは、複数のセグメントを備え、前記複数のセグメントの各々は、それに割り当てられた前記複数の適用可能なパワー状態のうちの１つを有し、前記複数のセグメントのうちの少なくとも１つに割り当てられた前記パワー状態は、前記低感熱性サブエリアにおいて、前記高感熱性サブエリアと異なる、請求項３に記載の方法。
  5. 前記有効レーザスポット内において、前記高感熱性サブエリアでは、前記低感熱性サブエリアでのスキャンパターンと比べて異なるスキャンパターンを用いる段階を備える、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 前記有効レーザスポットの少なくとも一部において、前記高感熱性サブエリアでは、前記低感熱性サブエリアと比べて前記エネルギー分布が異なるようにスキャン速度を調整することによって、前記エネルギー分布を調整する段階を備える、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 前記有効レーザスポットは、前記ワークピースの表面部分を硬化温度に加熱するために選択されたエネルギー分布及び密度を有する先端部分と、加熱された表面部分の冷却を、焼き入れのために可能にするべく選択されたエネルギー分布及び密度を有する中間部分と、その焼き戻しを生成するべく、前記焼き入れされた部分を加熱するために選択されたエネルギー分布及び密度を有する末端部分とを備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
  8. 前記有効レーザスポットは、複数の線を備えるパターンに従って、前記ワークピース上で前記レーザビームを繰り返しスキャンすることによって確立され、
    前記繰り返しスキャンする段階は、スキャン周波数でスキャンを繰り返す段階を含み、
    前記複数の線の各々は、複数のセグメントを備え、
    前記レーザビームの予め定められたパワーを前記複数のセグメントの各々に割り当てて、前記レーザビームの前記パワーを、前記複数のセグメントのうちのいくつかにおいて、前記複数のセグメントのうちの他のものと異なるレベルに選択的に設定する段階を備える、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
  9. 前記スキャン周波数は、少なくとも５０Ｈｚであり、前記複数の線は、少なくとも２つの線を備え、各線は、少なくとも３つのセグメントを備える、請求項８に記載の方法。
  10. 前記レーザビームのスキャンは、前記レーザスポットが複数のセグメントを備えるスキャンパターンに繰り返し従うように実行され、前記エネルギー分布に影響する少なくとも１つのパラメータ値は、前記複数のセグメントの各々と関連付けられ、前記複数のセグメントのうちの少なくとも１つに対して、前記有効レーザスポットが前記高感熱性サブエリアを加熱する場合の前記少なくとも１つのパラメータ値が、前記低感熱性サブエリアを加熱する場合の前記少なくとも１つのパラメータ値と異なるように、動作中に、前記少なくとも１つのパラメータ値を動的に調整する、請求項１に記載の方法。
  11. 前記少なくとも１つのパラメータ値は、スキャン速度、前記レーザスポットのサイズ、前記レーザビームのパワー、前記レーザビーム内のパワー分布、対応するセグメントの長さ及び対応するセグメントの長手方向の向きのうちの少なくとも１つを示す、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記少なくとも１つのパラメータ値は、対応するセグメントに対応する前記レーザビームのパワーを示す、請求項１０に記載の方法。
  13. 前記複数のセグメントの各々に対して、対応する前記少なくとも１つのパラメータ値をメモリに格納する段階を備え、
    前記格納する段階は、前記複数のセグメントのうちの少なくとも１つに対して、少なくとも２つの異なるパラメータ値を前記メモリに格納する段階を有し、
    前記少なくとも２つの異なるパラメータ値は、第１のパラメータ値および第２のパラメータ値を含み、
    前記第１のパラメータ値は、前記低感熱性サブエリアを加熱する場合に用いられ、前記第２のパラメータ値は、前記高感熱性サブエリアを加熱する場合に適用される、請求項１０から１２のいずれか１項に記載の方法。
  14. 前記繰り返しスキャンする段階は、毎秒少なくとも３００セグメントの平均速度でスキャンを実行する段階を含む、請求項１０から１３のいずれか１項に記載の方法。
  15. 前記有効レーザスポットが、前記表面エリアの以前に硬化された部分に到達した場合に、前記有効レーザスポットの移動方向における前記有効レーザスポットの先端部分でエネルギー密度を減少させる段階を備える、請求項１０から１４のいずれか１項に記載の方法。
  16. 前記有効レーザスポットが、前記表面エリアの以前に硬化された部分に到達した場合に、前記有効レーザスポットの移動方向における前記有効レーザスポットの先端部分において、前記有効レーザスポットを消滅させる段階を備える一方、前記移動方向における前記有効レーザスポットの終端部分は、前記移動方向に移動し続け、それにより、前記有効レーザスポットが消滅するまで前記有効レーザスポットの前記移動方向におけるサイズを徐々に減少させる、請求項１０から１５のいずれか１項に記載の方法。
  17. 前記繰り返しスキャンする段階は、前記レーザスポットが前記表面エリアにおいてスキャンパターンに従うようにスキャンを実行する段階を含み、
    前記高感熱性サブエリアにおいて前記ワークピースの過熱を回避するために、
    （ｉ）スキャン速度、
    （ｉｉ）レーザビームパワー及び
    （ｉｉｉ）レーザスポットサイズのうちの少なくとも１つは、前記スキャンパターンの１つの部分において、他の前記スキャンパターンの部分と異なる、請求項１に記載の方法。
  18. 前記スキャンパターンは、複数のセグメントを備え、前記複数のセグメントの各々に対し、
    （ｉ）スキャン速度、
    （ｉｉ）レーザビームパワー及び
    （ｉｉｉ）レーザスポットサイズのうちの少なくとも１つが割り当てられ、
    これにより、前記スキャン速度、前記レーザビームパワー及び前記レーザスポットサイズのうちの少なくとも１つは、前記複数のセグメントのうちの少なくとも１つに対して、前記複数のセグメントのうちの少なくとも他のものと比べて異なるように選択される、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記スキャン速度は、高感熱性サブエリアにより近いセグメントにおいて、前記高感熱性サブエリアからさらに離れた２つの隣接セグメントより高くなるように選択される、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記レーザビームパワーは、高感熱性サブエリアにより近いセグメントにおいて、前記高感熱性サブエリアからさらに離れた２つの隣接セグメントより低くなるように選択される、請求項１８または１９に記載の方法。
  21. 前記レーザスポットは、高感熱性サブエリアにより近いセグメントにおいて、前記高感熱性サブエリアからさらに離れた２つの隣接セグメントよりより大きいエリアを有するように選択される、請求項１８から２０のいずれか１項に記載の方法。
  22. 複数のセグメントのうち１つまたは複数に割り当てられた
    （ｉ）スキャン速度、
    （ｉｉ）レーザビームパワー及び
    （ｉｉｉ）レーザスポットサイズのうちの少なくとも１つが少なくとも一度変更される間に、ワークピースの表面は、前記レーザ源に対して移動する、請求項１８から２１のいずれか１項に記載の方法。
  23. スキャンパターンは、幾何学的形状を有し、前記スキャンパターンの前記幾何学的形状が少なくとも一度変更される間に、前記ワークピースの前記表面は、前記レーザ源に対して移動する、請求項１７から２２のいずれか１項に記載の方法。
  24. 前記繰り返しスキャンする段階は、前記レーザスポットが前記表面エリア上でスキャンパターンに従うようにスキャンを実行する段階を含み、前記スキャンパターンは、幾何学的形状を有し、
    前記スキャンパターンの前記幾何学的形状は、前記表面エリアと前記レーザ源との間の前記相対移動中に少なくとも一度変更される、請求項１に記載の方法。
  25. 前記レーザビームを変調する段階を備え、
    前記ワークピースの各部分の過熱を防止するために、前記レーザビームは、前記レーザスポットが前記高感熱性サブエリアにある場合に、これが前記低感熱性サブエリアにある場合と異なるように変調され、
    Ａ．前記レーザビームのパワーは、変調され、
    Ｂ．前記レーザビームのスキャン速度は、変調され、
    Ｃ．レーザスポットが前記高感熱性サブエリアに対応する場合に、前記低感熱性サブエリアに対応する場合とは異なるスキャンパターンに従うように、前記レーザビームのスキャンパターンは変調され、及び
    Ｄ．レーザスポットサイズが前記高感熱性サブエリアに対応する場合に、前記低感熱性サブエリアに対応する場合とは異なるように、前記レーザビームのレーザスポットサイズは変調される
    うちの少なくとも１つが実行される、請求項１に記載の方法。
  26. 前記レーザビームによって走査されるエリアに入る前記ワークピースの前記表面の部分が、最初により高い平均パワーでレーザ照射を受け、その後、より低い平均パワーでレーザ照射を受けるように加熱が実行されるべく、前記エネルギー分布が選択される、請求項１に記載の方法。
  27. ワークピースと前記レーザ源との間で相対移動を生じさせる段階は、レーザ光スポットが前記硬化されるべき表面エリアの周全体にアクセスできるように、前記ワークピースを回転軸の周りに回転させる段階を含む、請求項１から２６のいずれか１項に記載の方法。
  28. 前記ワークピースと前記レーザ源との間で相対移動を生じさせる段階は、前記回転軸と直交する第１の方向及び前記回転軸と直交する第２の方向に相対移動を生じさせる段階を含み、前記第１の方向における移動は、前記ワークピースを変位させることによって生じさせられ、前記第２の方向における移動は、前記レーザ源を変位させることによって生じさせられる、請求項２７に記載の方法。
  29. ワークピースは、複数の潤滑油孔を有するクランクシャフトである、請求項１から２８のいずれか１項に記載の方法。
  30. 少なくとも１つの前記硬化されるべき表面エリアは、前記クランクシャフトのジャーナルの表面全般である、請求項２９に記載の方法。
  31. 前記有効レーザスポットは、前記クランクシャフトのジャーナルの５０％より多くにわたって、前記クランクシャフトの長さ方向と平行な方向に延在する、請求項２９に記載の方法。
  32. 前記繰り返しスキャンする段階は、前記レーザビームのパワーを一定に維持して、前記表面の複数の高感熱性サブエリアに複数の低感熱性サブエリアより小さいエネルギーを適用すべくスキャン速度及びスキャンパターンを調整して、スキャンを実行する段階を含む、請求項１に記載の方法。
  33. 前記繰り返しスキャンする段階は、前記レーザビームのパワーを一定に維持して、前記表面の複数の高感熱性サブエリアに複数の低感熱性サブエリアより小さいエネルギーを適用すべくスキャン速度を調整して、スキャンを実行する段階を含む、請求項１に記載の方法。
  34. 前記繰り返しスキャンする段階は、前記レーザビームのパワーを一定に維持して、前記表面の複数の高感熱性サブエリアに複数の低感熱性サブエリアより小さいエネルギーを適用すべくスキャンパターンを調整して、スキャンを実行する段階を含む、請求項１に記載の方法。
  35. 前記繰り返しスキャンする段階は、
    前記レーザビームを前記有効レーザスポット内でスキャンパターンに沿ってスキャンして、
    前記スキャンパターンを一定に維持して、
    前記表面の複数の高感熱性サブエリアに複数の低感熱性サブエリアより小さいエネルギーを適用すべくスキャン速度及びビームパワーのうちの少なくとも１つを調整することによってスキャンを実行する段階を含む、請求項１に記載の方法。
  36. 前記繰り返しスキャンする段階は、前記レーザビームを前記有効レーザスポット内でスキャンパターンに沿ってスキャンすることによって、スキャンを実行する段階を含み、
    前記スキャンパターンは、複数のセグメントを備え、
    前記複数のセグメントの各々に対応して、ビームパワー状態に対応するパワーレベルに前記レーザビームのパワーを設定すべく、前記ビームパワー状態を各セグメントに割り当て、
    前記レーザビームの前記パワーは、複数の前記ビームパワー状態が必要とするのに応じて変化させられ、
    前記スキャンは、毎秒少なくとも３００セグメントの率で生じ、
    前記スキャンパターンは、少なくとも１０Ｈｚの周波数で繰り返され、
    前記複数のセグメントのうちの少なくとも１つに割り当てられた前記ビームパワー状態は、前記高感熱性サブエリアに対応する場合に、前記低感熱性サブエリアに対応するものと異なる、請求項１に記載の方法。
  37. 前記少なくとも１つの高感熱性サブエリアは、潤滑油孔と隣接するエリアを含む、請求項３２から３６のいずれか１項に記載の方法。
  38. 前記レーザ源は、ファイバレーザを備える、請求項１から３７のいずれか１項に記載の方法。
  39. ワークピースの表面の少なくとも一部を硬化するためのシステムであって、レーザ源と、前記ワークピースの表面と前記レーザ源との間で相対移動を生じさせるための手段とを備え、前記システムは、前記システムの動作を制御するための電子制御手段をさらに備え、
    前記電子制御手段は、請求項１から３８のいずれか１項に記載の方法を実行するために前記システムを動作させる、システム。
  40. ワークピースの表面の少なくとも一部を硬化するように、レーザ源と、前記ワークピースの表面と前記レーザ源との間で相対移動を生じさせるための手段とのそれぞれの動作を制御するための電子制御手段に、請求項１から３８のいずれか１項に記載の方法を実行させるためのコンピュータプログラム。
  41. 請求項４０に記載のコンピュータプログラムを格納する情報キャリア。
  42. ワークピースの表面エリアを硬化するための装置であって、前記表面エリアは、少なくとも１つの低感熱性サブエリア及び少なくとも１つの高感熱性サブエリアを備え、有効レーザスポットを前記表面エリアに投射するレーザ源と、前記表面エリアの複数の異なる部分を硬化に適した温度にその後徐々に加熱することによって前記有効レーザスポットが２次元エネルギー分布を有するために、前記有効レーザスポットが前記表面エリアに沿って移動させられるように、前記表面エリアと前記有効レーザスポットとの間で相対移動を生じさせるための手段とを備え、前記装置は、前記装置の動作を制御するための制御システムをさらに備え、前記制御システムは、前記高感熱性サブエリアの過熱を防止すべく、前記高感熱性サブエリアにおいて、前記低感熱性サブエリアと異なるように、前記２次元エネルギー分布を変更し、前記レーザ源は、前記レーザ源のレーザビームを２次元でスキャンするためのスキャン手段を備え、前記制御システムは、スキャンパターンに従う前記有効レーザスポットを生成するために、前記レーザビームを２次元でスキャンし、前記スキャンパターンは、少なくとも１０Ｈｚのスキャン周波数で繰り返される、装置。
  43. 前記少なくとも１つの高感熱性サブエリアは、
    前記表面エリアにおける孔と隣接するエリア、
    フィレット及び
    前記表面エリアの以前に硬化された部分
    のうちの少なくとも１つを含む、請求項４２に記載の装置。
  44. 前記有効レーザスポットが、あるサイズを有し、かつ、前記表面エリアに沿って移動するように動作し、これによって、前記有効レーザスポットの前記表面エリアに沿った移動の少なくとも一部の最中に、少なくとも０．５秒の間、前記有効レーザスポットによって加熱される前記表面エリア内の複数の部分が加熱され、
    前記表面エリアに沿って前記有効レーザスポットが移動する方向において、前記有効レーザスポットの前記サイズは、少なくとも５ｍｍである、請求項４２または４３に記載の装置。
  45. 前記有効レーザスポットが、あるサイズを有し、かつ、前記表面エリアに沿って移動するように動作し、これによって、前記有効レーザスポットの前記表面エリアに沿った移動の少なくとも一部の最中に、少なくとも１秒の間、前記有効レーザスポットによって加熱される前記表面エリア内の複数の部分が加熱され、
    前記表面エリアに沿って前記有効レーザスポットが移動する方向において、前記有効レーザスポットの前記サイズは、少なくとも１５ｍｍである、請求項４２または４３に記載の装置。
  46. 前記有効レーザスポットの複数のセグメントを生成することによって、前記有効レーザスポットを生成し、前記複数のセグメントは、少なくとも６つのセグメントを備え、前記制御システムは、前記複数のセグメントに割り当てられた複数のパラメータ値に従って、前記複数のセグメントにおけるエネルギー密度及び分布のうちの少なくとも１つを選択的に変更することによって、前記２次元エネルギー分布を変更し、前記複数のパラメータ値は、前記制御システムのメモリに格納される、請求項４２から４５のいずれか１項に記載の装置。
  47. 前記複数のパラメータ値は、前記スキャンパターンに対応するセグメントに対応して、前記レーザビームのビームパワーレベル及びスキャン速度のうちの少なくとも１つを示す、請求項４６に記載の装置。
  48. 前記スキャンパターンは、少なくとも５０Ｈｚの前記スキャン周波数で繰り返される、請求項４２から４５のいずれか１項に記載の装置。
  49. クランクシャフトの少なくとも１つのジャーナルを硬化するようプログラムされ、
    前記有効レーザスポットを、前記クランクシャフトの前記ジャーナルの５０％より多くにわたって延在するように生成するようプログラムされる、請求項４２から４８のいずれか１項に記載の装置。
  50. 前記制御システムは、複数のデータセットを格納するメモリを備え、
    前記複数のデータセットの各々は前記有効レーザスポットの２次元エネルギー分布を示し、これにより、前記有効レーザスポットが前記低感熱性サブエリアに投射される場合には前記レーザ源を動作させるための前記複数のデータセットのうちの１つを用い、かつ、前記有効レーザスポットが前記高感熱性サブエリアに投射される場合には前記レーザ源を動作させるための前記複数のデータセットのうちの少なくとも他の１つを用いることで、前記有効レーザスポットを前記表面エリアに沿って移動させる間に前記有効レーザスポットの前記２次元エネルギー分布を調整する、請求項４２から４９のいずれか１項に記載の装置。
  51. 少なくとも２つの中央に構成された主ジャーナルと、少なくとも１つのオフセットされたロッドジャーナルとを備える、クランクシャフトのジャーナルの表面をレーザ硬化するための装置であって、
    前記クランクシャフトを支持するクランクシャフト支持部と、
    レーザスポットを前記ジャーナルに生成すべく、レーザビームを前記クランクシャフトのジャーナルに投射する少なくとも１つのレーザ源と
    を備え、
    ２次元のスキャンパターンを前記ジャーナルの前記表面に確立すべく、前記レーザ源は、前記レーザビームを２次元でスキャンするための二方向スキャン手段を含む、請求項４２に記載の装置。
  52. 前記クランクシャフト支持部及び前記レーザ源は、長さ方向軸に直交する少なくとも２つの異なる方向において、前記クランクシャフトが前記長さ方向軸周りに回転する間、ロッドジャーナルと前記レーザ源との間が一定距離となることを可能とするように、互いに対して変位可能であり、前記ロッドジャーナルは、前記長さ方向軸に対してオフセットされる、請求項５１に記載の装置。
  53. 前記レーザ源は、第１の方向に変位可能であり、前記クランクシャフト支持部は、第２の方向に変位可能であり、前記第１の方向及び前記第２の方向の両方は、前記長さ方向軸に直交する、請求項５２に記載の装置。
  54. 前記レーザ源は、前記クランクシャフトの前記長さ方向軸と平行にさらに変位可能である、請求項５３に記載の装置。
  55. 前記スキャンパターンと関連付けられ、スキャン中に、第１の２次元エネルギー分布を有する有効レーザスポットと、前記第１の２次元エネルギー分布と異なる第２の２次元エネルギー分布を有する有効レーザスポットとを前記クランクシャフトの前記ジャーナルに生成すべく、前記第１の２次元エネルギー分布および前記第２の２次元エネルギー分布を決定するための複数のパラメータ値を格納するメモリを含む制御ユニットを備え、
    前記メモリは、前記複数のパラメータ値の複数のセットを格納し、
    前記複数のパラメータ値の前記複数のセットは、前記第１の２次元エネルギー分布を決定するための第１のセット、及び、前記第２の２次元エネルギー分布を決定するための第２のセットを含む、請求項５１から５４のいずれか１項に記載の装置。
  56. 前記制御ユニットは、前記クランクシャフトがその長さ方向軸周りに回転する間、前記２次元のスキャンパターンに対応する高感熱性サブエリアの出現と同期して、前記複数のパラメータ値の前記第１のセット及び前記複数のパラメータ値の前記第２のセットを選択的に適用することによって、硬化加工を制御する、請求項５５に記載の装置。
  57. 前記スキャンパターンは、複数のセグメントを備えるセグメント化されたスキャンパターンであり、前記複数のパラメータ値のうちの少なくとも１つは、各セグメントに割り当てられ、前記少なくとも１つのパラメータ値は、スキャン速度、前記有効レーザスポットのサイズ、前記レーザビームのパワー、前記レーザビーム内のパワー分布、対応するセグメントの長さ及び対応するセグメントの長手方向の向きのうちの少なくとも１つを示す、請求項５５または５６に記載の装置。
  58. 毎秒少なくとも３００セグメントの平均速度で、前記スキャンを実行する、請求項５７に記載の装置。
  59. ワークピースの少なくとも１つの表面エリアをレーザ硬化する方法であって、請求項４２から５８のいずれか１項に記載の装置を用いて、前記ワークピースの前記表面エリアを硬化温度に加熱する段階と、焼き入れ用に前記表面エリアの複数の加熱された部分を冷却可能とする段階とを備える方法。
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