JPH03207809A - レーザビーム式表面処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザビーム式表面処理装置に関し、特に材料
の移動に同期させて材料に照射されるレーザビームの集
光度合（パワー密度）を変化させ材料の表面に微細なピ
ットと焼入れ硬化した箇所とを交互に連続的に形成する
レーザビーム式表面処理装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、機械部品の摺動面の耐摩耗性を高めるため当該摺
動面に対し熱処理、侵炭、窒化などの処理が施される。

しかし、これらの処理では作業環境の劣化や処理剤の管
理が問題となり、更に摺動特性を向上させるためには摺
動部分へ潤滑油を供給することが不可欠となる。

かかる従来の処理方法の問題点を解決するために最近“
プラズマガウジング法”という新しい表面処理方法が提
案されている。第５図に基づいてプラズマガウジング法
を説明する。第５図において、５１は被処理材であり、
５２はプラズマトーチである。プラズマトーチ５２はプ
ラズマアーク５３を被処理材５１の表面に吹き付けつつ
矢印５５の方向に進行する。その進行の際進行方向に対
し直角の方向に高速に揺動させる。上記のプラズマアー
ク５３は高密度熱源であり、これによれば被処理材５１
の表面を急熱急冷して焼入れ硬化すると同時にその表面
を局部的に溶融し排除することにより、深さ１０〜１０
０ｌＩＩＩｌの微細なピットを容易に多数形成すること
ができる。プラズマガウジング法で処理した摩耗部品は
、その摺動面に多数の微細なピットが形威されているた
め、これらの多数のピットで潤滑油を保持することがで
き、これが原因で摩耗面の潤滑性能が良《なり、摩耗面
の油切れ事故の回数を少なくすることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記のプラズマガウジング法はすぐれた表面処理方法で
あるが、反面次のような問題を有している。

プラズマトーチによって発生させたプラズマアークでは
径の大きさ等について微細な制御が困難であり、ピット
の大きさが不揃いとなる。また、油溜めとしてのピット
は１つ１つが独立して形成されることが望ましいにも拘
らず、プラズマアー夕方式ではピットが連続した溝とな
る傾向にあり、これでは熱くさび効果が低減する。

プラズマアークはどちらかと言えば大型部品のの処理に
適しており、油圧機器等の小型精密部品への適用は困難
である。

プラズマトーチは寸法的に大型のものであり、例えば材
料の穴の奥の方或いはフランジと軸の付け根部分など細
かい部分の処理には向かない。

本発明の目的は、上述した現在のプラズマガウジング法
が抱える問題点に鑑みてなされたものであり、正確な径
を有した微細なピットを独立状態で多数形成することが
できると共に、小型の精密部品においてピット形成と焼
入れ部分を交互に連続的に形成することのできるレーザ
ビーム式表面処理装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係るレーザビーム式表面処理装置は、被処理材
の表面を処理するために被処理材に対してレーザビーム
を照射するレーザ発振器と、レーザビームの進行を許可
又は遮断する開閉動作を行うビームシャッタと、被処理
材の表面にレーザビームを集光させる集光レンズと、こ
の集光レンズの位置を変更し、被処理材の表面における
レーザビームのパワー密度を変更させる駆動手段と、被
処理材の移動に同期させてビームシャッタの開閉動作と
駆動手段のパワー密度変更動作を制御し、被処理材の前
記表面にピットと焼入れ硬化部を交互に連続的に形成さ
せる制御手段とから構成される。

〔作用〕

本発明によるレーザビーム式表面処理装置では、レーザ
ビームを熱源として使用し、被処理材の表面におけるー
ザビームのパワー密度を制御してピット形成と焼入れ硬
化とを連続的に行うため、制御手段による制御の下で、
集光レンズの位置を被処理材の位置の変化に同期させて
駆動手段で変更する。また形成されたピットと焼入れ硬
化部との間の不要な材料溶融を避けるために所定時期に
ビームシャッタでレーザービームによる被処理材の照射
を中断させる。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する
。

第１図は本発明による表面処理装置の全体構成を示す。

第１図において、１はレーザ発振器であり、レーザ発振
器１は所要のエネルギレベルのパルス波状又は連続波状
のレーザビーム２を出力する。３はレーザ発振器１のレ
ーザビーム出力部に近接した位置でレーザビームの進路
上に配置されたビームシャッタであり、このビームシャ
ツタ３におけるレーザビームの進行を許可又は遮断する
開閉動作はコントローラ１０からの制御指令信号で制御
される。４はレーザビーム２の進路を反射作用により変
更させるペンディングミラー、５は集光レンズである。

ペンディングミラー４によってレーザビーム２を被処理
材の方ヘガイドする。

集光レンズ５は、駆動装置６によってレーザビームの光
軸に沿って図中上下方向に移動するように駆動される。

集光レンズ５を上下方向に移動可能とずることにより、
被処理材の表面に照射されるレーザビームのスポット径
を変化させることが可能となる。７はＸテーブル、８は
ｙテーブルであり、それぞれＸ軸方向、ｙ軸方向へ移動
することができる。Ｘテーブル７の上面には被処理材９
が載置される。Ｘテーブル７、Ｙテーブル８の移動機構
により被処理材９の表面におけるレーザビームスポット
の位置をｘ−ｙ平面内で自由に変更することができる。

以上の駆動装置６、ｘテーブル７、ｙテーブル８の動作
は、前記コントローラ１０によって制御される。

次に上記構戚を有するレーザビームを利用した表面処理
装置による表面処理方法を説明する。

第２図はレーザビームによって行える各種の加工、処理
をグラフ形式で表したものであり、横軸はパルス幅、縦
軸はパワー密度をそれぞれ示している。第２図で示した
グラフによれば、被処理材９に与えられるレーザビーム
２のパワー密度に応じて被処理材９に対し穴あけＡ１溶
接（溶融）Ｂ１焼入れＣができることを示している。例
えば、レ一ザビーム２のパルス幅（レーザビーム照射時
間）を１　０−’＠ｅｃ程度に設定し、レーザビーム２
のパワー密度を１　０　’　Ｗ／　ｃｍ２、１　０　３
Ｗ／ｃｍ’・・と上げていくと、パワー密度の小さいう
ちは被処理材の表面を乾燥させるだけであったものが、
焼入れ、溶接、穴あけの順序で各種の処理を行うことが
可能となる。実際には、パワー密度だけではなく、表に
示される如くパルス幅との組み合わせによって最適な材
料処理条件が存在するが、第一義的にはパワー密度によ
って処理の形態は決定される。上記の説明はパルスレー
ザを使用する場合の説明であるが、連続レーザを使用す
る場合にはその照射時間をビームシャッタ３で制御する
ことにより同様な効果を発生させることができる。

以上のようにレーザビームのパワー密度を変えることに
より材料表面の加工作業を変えることができる。本実施
例では、第ｌ図において集光レンズ５の上下方向の位置
を変更することによってパワー密度を任意に設定するこ
とを可能とし、もって被処理材９に対し行われる加工・
処理を変更できるようにしている。この状態を第３図に
基づいて説明する。

第３図では（Ａ），（Ｂ）．（Ｃ）の３種類の加工作業
の状態を示している。各図において、２はレーザビーム
、５は集光レンズ、９は被処理材である。第３図（Ａ）
は集光レンズ５の位置を下方位置に設定し、レーザビー
ム２の焦点位置をほぼ被処理材９の表面に一致させてい
る。この場合には、被処理材９の表面におけるレーザビ
ーム２のパワー密度は最大となり、被処理材９の表面で
はレーザビーム集光箇所で瞬時に加熱蒸発状態が発生し
、これによりピットを形成することができる。第３図（
Ｂ）では、集光レンズ５の位置が少し上昇し、レーザビ
ーム２の焦点位置が被処理材９の表面よりも上方位置に
移り、表面上のレーザビームによるスポット径が大きく
なる。この場合には被処理材９の表面におけるパワー密
度は少し小さくなり、溶融するだけで蒸発に至らず、レ
ーザビーム２による照射が停止されると再凝固する。

このような現象は溶接に利用される。第３図（Ｃ）では
集光レンズ５は更に上昇し、被処理材９の表面における
レーザビーム２のスポット径は更に大きくなり、反面パ
ワー密度はより小さくなる。従って、第３図（Ｃ）に示
される状態では、被処理材９の表面のレーザビーム２が
照射された箇所は瞬時に加熱されるのみであり、溶融に
は至らず、その後レーザビーム２を停止したときには急
令され、焼入れが行われる。

本発明では、上記第３図（Ａ），（Ｃ）の２つの状態を
利用し、この２つの状態に交互に設定するように、Ｘテ
ーブル７とｙテーブル８による被処理材９の送り運動に
同期させて集光レンズ５を駆動装置６によって周期的に
上下に移動させる。

第３図の（Ａ）と（Ｃ）の間における（Ｂ）の状態では
被処理材９の表面が溶融するのを避けるべくビームシャ
ッタ３を閉状態にしてレーザビーム２が表面に照射され
るのを防止するようにしている。

上記の表面処理方法を適用することによって形成された
被処理材９の処理面を第４図に示す。被処理材９は矢印
の方向に移動するように設定されている。また実線２０
と破線２１は被処理材９の移動と同期されて照射される
レーザビーム２のスポット形状を示し■，■，■・・・
の順序で照射されるものとする。また、■は１回目のビ
ーム走査ライン、■は２回目のビーム走査ラインを示す
。

上記のおいて第４図中の，■，・・・の照射は第３図（
Ｃ）で示した焼入れモード（焼入れ硬化）の照射であり
、■，■・・・の照射は第３図（Ａ）で示した穴あけモ
ード（ピット形成）の照射である。このように、被処理
材９の移動に適宜に同期させて集光レンズ５を上下に繰
り返し移動させることにより焼入れ硬化２１とピット形
成２０とを交互に連続的に被処理材９の表面に形成する
。焼入れと穴あけとの間、すなわち集光レンズ５の上下
動作の中間では第３図（Ｂ）に示された溶融モードがあ
り、このままの状態では被処理材９の表面が溶融再凝固
して表面品質が低下する。そこで、当該中間過程ではビ
ームシャッタ３を閉状態にして表面へのビーム照射を中
断する。以上の処理が繰り返し行われて走査ラインＩに
ついて終了すると、次に走査ラインを■に移し、同様に
上記の処理作業を行う。このようにして、被処理材９に
は焼入れ硬化された表面に多数の微細なピットが形成さ
れることになる。

第４図に示された実施例では、レーザビーム２の断面の
形状が円形であるが、例えば第１図で示した構成におい
てペンディングミラー４と集光レンズ５との間に角穴を
有したマスク部材を配設することにより被処理材９に照
射されるレーザビーム２の形状を角穴形状にすることも
できる。

〔発明の効果〕

以上の説明で明らかなように、本発明によれば次の効果
を得ることができる。

レーザビームを熱源とし、レーザビームを被処理材に照
射しつつ集光レンズを上下動させ且つビームシャッタを
開閉させ、被処理材の表面におけるパワー密度を制御し
てピット形成、焼入れ硬化を行うようにしたため、ピッ
トの直径や深さなどを微細のものに調整することができ
、摺動条件に応じた任意のピット密度、ピット径を実現
することができる。ピットを１つ１つ独立して形戊する
ことができるので、プラズマガウジング法に比較して潤
滑特性の再現性が良い。またレーザビームを使用してい
るため、微細の処理を行うことができ、精密且つ小型の
物品の処理に好適であると共に、狭隘な部位に照射する
こともでき、そのため複雑な形状を有する物品にも容易
に適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る表面処理装置の全体構成図、第２
図はレーザビームのパワー密度と処理作業の関係を示す
説明図、第３図は被処理材の表面におけるレーザビーム
のスポットの大きさと処理作業との関係を説明するため
の説明図、第４図は本発明に係る表面処理装置による表
面処理の状態を示す被処理材の表面図、第５図は従来の
プラズマガウジング法を説明するための斜視図である。 〔符号の説明〕 １・・・・・・レーザ発振器 ２・・●・・・レーザビーム ３・・●・・・ビームシャッタ ４・・・・・・ペンディングミラー ５・・・・・・集光レンズ ６・・・・・・駆動装置 ７●◆●・●●Ｘテーブル ８・・・・・・ｙテーブル ９・・・・・・被処理材 １０・・・・・コントローラ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）被処理材の表面を処理するために前記被処理材に
   対してレーザビームを照射するレーザ発振器と、前記レ
   ーザビームの進行を許可又は遮断する開閉動作を行うビ
   ームシャッタと、前記被処理材の前記表面に前記レーザ
   ビームを集光させる集光レンズと、この集光レンズの位
   置を変更し、前記被処理材の前記表面における前記レー
   ザビームのパワー密度を変更させる駆動手段と、前記被
   処理材の移動に同期させて前記ビームシャッタの開閉動
   作と前記駆動手段のパワー密度変更動作を制御し、前記
   被処理材の前記表面にピットと焼入れ硬化部を交互に連
   続的に形成させる制御手段とからなることを特徴とする
   レーザビーム式表面処理装置。