JPH09314362A - レーザーによる表面焼入れ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザーによる焼入れの場合の熱量と、焼入
れ時の歪み変形量を想定した熱量とを、互いに反対側の
面に加えることにより、焼入れと共に歪み矯正を行うレ
ーザーによる表面焼入れ方法を提供することにある。 【解決手段】 ワークの焼入れを施すべき表面に、レー
ザービームを照射して熱を加え焼入れを行うと共に、上
記ワーク焼入れ表面とは反対側の面にレーザービームを
照射することにより、焼入れにより発生する歪み変形量
に比例した熱量を加えて歪みを矯正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザーによる表面
焼入れ方法、特にレーザーにより表面焼入れを行うと共
に、焼入れされた面とは反対側の面に、焼入れ時と同等
の熱量をレーザにより加えるようにしたレーザーによる
表面焼入れ方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、レーザーによる熱加工は、ワー
クと接触しないで加工できること、加熱・溶融・蒸発し
た領域以外は昇温せず熱影響が殆どないこと等の長所を
有することは、よく知られている。

【０００３】このうち、熱影響が殆どないことの例とし
ては、レーザーによる表面焼入れの場合に、熱による歪
みが少ないことが挙げられる。即ち、レーザーによる表
面焼入れは、ワークの焼入れを施すべき表面のみをレー
ザー照射により短時間で加熱し、自然冷却によって変態
硬化させる方法である。

【０００４】従って、ワーク焼入れ表面における入熱エ
ネルギーが小さいので、他の表面は昇温せず、熱による
歪みは少ない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】

【０００６】しかし、いかに入熱エネルギーが小さいと
はいえ、熱の発生を伴う。

【０００７】従って、その製品の要求精度が極めて厳し
い場合には、熱による歪みがたとえ小さくても、許容範
囲を超えることがあるので、歪み矯正を行う必要があ
る。

【０００８】例えば、焼入れ後の製品精度がコンマ台等
を追求する場合には、例外なく歪み矯正を行う必要があ
る。

【０００９】本発明の目的は、レーザーによる焼入れの
場合の熱量と、焼入れ時の歪み変形量を想定した熱量と
を、互いに反対側の面に加えることにより、焼入れと共
に、歪み矯正を行うレーザーによる表面焼入れ方法を提
供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、上述したよ
うに製品精度が厳しい場合には歪み矯正を行う必要があ
るという課題に鑑み、レーザーによる表面焼入れの場合
の熱量と、歪み変形量を想定した熱量とを、互いに反対
側に加えることにより、上記課題を解決せんとするもの
である。

【００１１】従って、この発明の構成は、例えば、図
１、図２に示すように、ワーク４を移動させながら、ワ
ーク４の焼入れを施すべき表面４Ａに、焼入れ用レーザ
ービームを照射して熱量を加え焼入れを行うと共に、上
記ワーク焼入れ表面４Ａとは反対側の面４Ｂに歪み矯正
用レーザービームを照射することにより、図４に示すよ
うに、焼入れにより発生する歪み変形量δに比例した熱
量Ｑ１等を加えて歪みを矯正することにより、焼入れと
共に、歪み矯正を行うように作用する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、実施の形態によ
り添付図面を参照して、説明する。図１は本発明の第１
実施形態を示す図である。

【００１３】図１において、参照符号１はレーザー発振
器、２は全反射ミラー、３はビームスプリッター、４は
ワークである。

【００１４】上記レーザー発振器１は、例えば、ＣＯ₂
レーザーであり、所定のパワーＰ（例えば、２ｋＷ）を
有するレーザービームｂ１を出力する。

【００１５】上記全反射ミラー２は、図１においては４
個設けられ、入射したレーザービームを全て反射する。

【００１６】上記ビームスプリッター３は、例えば、半
透過ミラーにより形成され、入射したレーザービームｂ
１の半分を透過し半分を反射することにより、レーザー
ビームｂ３とｂ２に分割する。

【００１７】上記ワーク４は、例えば、金属材料で形成
され、図示するように、焼入れ表面４Ａと歪み矯正面４
Ｂを具備し、Ｘ軸方向とＹ軸方向に移動可能である（図
３（Ｂ）、図３（Ｃ）、図３（Ｄ））。

【００１８】上記焼入れ表面４Ａは、焼入れを施すべき
表面であり、所定のパワーを有するレーザービームを照
射することにより、焼入れが行われる。

【００１９】上記歪み矯正面４Ｂは、焼入れ表面４Ａと
反対側に設けられ、後述するように、レーザービームを
照射することにより、焼入れにより発生する歪み変形量
に比例した熱量を加える面であり、これにより、対向す
る焼入れ表面４Ａの歪みを矯正することができる。

【００２０】以下、上記構成を有する図１のレーザー焼
入れ装置の動作を説明する。

【００２１】先ず、レーザー発振器１からレーザービー
ムｂ１が出力され、該レーザービームｂ１は、全反射ミ
ラー２により反射して、ビームスプリッター３に入射す
る。

【００２２】ビームスプリッター３に入射したレーザー
ビームｂ１は、レーザービームｂ２とｂ３に分割され
る。

【００２３】このうちレーザービームｂ３は、ワーク４
の焼入れ表面４Ａに照射される。

【００２４】これにより、焼入れ表面４Ａは加熱され、
自然冷却して変態硬化することにより、焼入れが行われ
る。

【００２５】このとき、焼入れ表面４Ａには、熱により
歪みが発生するが、最大歪み変形量δは、次式で表され
る。

【００２６】 δ＝ε×Ｑ（Ｐ）・・・・・・・・（１）

【００２７】ただし、上記（１）式において、Ｐはレー
ザービームｂ３のパワーであり、Ｑ（Ｐ）はこのパワー
Ｐの熱換算量、εは定数である。

【００２８】従って、この（１）式から明らかなよう
に、殆どの場合（ワーク４の長さが１ｍ未満の場合）、
最大歪み変形量δと熱量Ｑ（Ｐ）は比例関係にある。

【００２９】従って、ワーク４の焼入れ表面４Ａで測定
した歪み変形量も、この（１）式に従って熱量に比例す
ると考えてよく、図４に具体例が示されている。

【００３０】図４では、縦軸にワーク４（図３（Ａ））
の焼入れ表面４Ａで測定した歪み変形量δを、横軸にそ
の歪み変形量δの測定位置Ｌ（ワーク４の長さを１０と
して）をとってある。

【００３１】歪み変形量δが、図４のδ＝０を中心とし
て±０．０５ｍｍを限界とする基準範囲Ｒから外れた場
合には、その歪みを矯正する必要がある。

【００３２】図４において、曲線ｑ１は、ワーク４の焼
入れ表面４Ａにレーザービームｂ３を一回照射した場合
の歪み変形量を表し、その場合の熱量はＱ１である。

【００３３】同様に、曲線ｑ２はレーザービームｂ３を
２回、曲線ｑ３はレーザービームｂ３を３回それぞれ照
射した場合の歪み変形量を表し、その場合の熱量が、そ
れぞれＱ２、Ｑ３である。

【００３４】ただし、Ｑ１＜Ｑ２＜Ｑ３である。

【００３５】即ち、レーザービームｂ３を１回照射した
場合の歪み変形量が一番小さく、その場合の熱量はＱ１
であり、レーザービームｂ１を３回照射した場合の歪み
変形量が一番大きく、その場合の熱量はＱ３である。

【００３６】一方、ビームスプリッター３で分割された
レーザービームｂ２は、ワーク４の焼入れ表面４Ａに照
射されたレーザービームｂ３と同じパワーＰ、同じ熱量
Ｑ（Ｐ）を有している。

【００３７】そこで、分割後のレーザービームｂ２を、
図１に示すように、３個の全反射ミラー２で反射させて
ワーク４の歪み矯正面４Ｂに入射させれば、上記図４に
示す歪み（曲線ｑ１、ｑ２、ｑ３）を矯正することがで
きる。

【００３８】（１）焼入れ用レーザービームｂ３を１回
照射する場合の歪み矯正動作。ワーク４を、図３（Ｂ）
に示すように、Ｙ軸方向（の方向）へ移動させれば、
ワーク４の焼入れ表面４Ａには、レーザービームｂ３が
１回照射される（図３（Ａ）のｙ１）。

【００３９】このときの１回照射された焼入れ用レーザ
ービームｂ３の熱量はＱ１であり、焼入れ表面４Ａに
は、熱量Ｑ１が加えられた（図４）。

【００４０】従って、ワーク４が上記の方向に移動す
ることにより、同じ熱量Ｑ１の歪み矯正用レーザービー
ムｂ２も、同時に、反対側に１回照射され、歪み矯正面
４Ｂには熱量Ｑ１が加えられる。

【００４１】この結果、焼入れ用レーザービームｂ３を
１回照射して発生した歪みは（図４の曲線ｑ１）、上記
歪み矯正用レーザービームｂ２を反対側に１回照射する
ことにより矯正され、基準範囲Ｒ内に収まる（図４の曲
線ｒ１）。

【００４２】（２）焼入れ用レーザービームｂ３を２回
照射する場合の歪み矯正動作。ワーク４を、図３（Ｃ）
に示すように、Ｙ軸方向（の方向）へ移動させた後、
Ｘ軸方向（の方向）へ移動させて横方向に若干変位さ
せ、更にＹ軸方向（の方向）へ移動させれば、ワーク
４の焼入れ表面４Ａには、レーザービームｂ３が２回照
射される（図３（Ａ）のｙ１、ｙ２）。

【００４３】このとき、焼入れ用レーザービームｂ３が
２回照射されることにより、焼入れ表面４Ａには、熱量
Ｑ２が加えられた（図４）。

【００４４】従って、ワーク４が上記ととの方向
に移動することにより、同じ熱量の歪み矯正用レーザー
ビームｂ２も、同時に、反対側に２回照射され、歪み矯
正面４Ｂには熱量Ｑ２が加えられた。

【００４５】この結果、焼入れ用レーザービームｂ３を
２回照射して発生した歪みは（図４の曲線ｑ２）、上記
歪み矯正用レーザービームｂ２を反対側に２回照射する
ことにより矯正され、基準範囲Ｒ内に収まる（図４の曲
線ｒ１）。

【００４６】（３）焼入れ用レーザービームｂ３を３回
照射する場合の歪み矯正動作。ワーク４を、図３（Ｄ）
に示すように、Ｙ軸方向（の方向）へ移動させた後、
Ｘ軸方向（の方向）へ移動させて横方向に若干変位さ
せ、次いでＹ軸方向（の方向）へ移動させ、更にＸ軸
方向（の方向）へ移動させて横方向に若干変位させ、
最後にＹ軸方向（の方向）へ移動させれば、ワーク４
の焼入れ表面４Ａには、レーザービームｂ３が３回照射
される（図３（Ａ）のｙ１、ｙ２、ｙ３）。

【００４７】このとき、焼入れ用レーザービームｂ３が
３回照射されることにより、焼入れ表面４Ａには、熱量
Ｑ３が加えられた（図４）。

【００４８】従って、ワーク４が上記とととと
の方向に移動することにより、同じ熱量の歪み矯正用
レーザービームｂ２も、同時に、反対側に３回照射さ
れ、歪み矯正面４Ｂには熱量Ｑ３が加えられた。

【００４９】この結果、焼入れ用レーザービームｂ３を
３回照射して発生した歪みは（図４の曲線ｑ３）、上記
歪み矯正用レーザービームｂ２を反対側に３回照射する
ことにより矯正され、基準範囲Ｒ内に収まる（図４の曲
線ｒ１）。

【００５０】図２は、本発明の第２実施形態を示す図で
ある。

【００５１】図１において、参照符号１と５はレーザー
発振器、２は全反射ミラー、４はワークである。

【００５２】図１の第１実施形態と異なるのは、レーザ
ー発振器１、５が複数個、例えば２個設けられ、それぞ
れのレーザー発振器１、５から出力されたレーザービー
ムｂ１、ｂ５を、一方はワーク４の焼入れ表面４Ａに、
他方は反対側の歪み矯正面４Ｂに照射する点である。

【００５３】また、図２に示すワーク４は、図１と異な
り、Ｙ軸方向とＺ軸方向に移動可能である。

【００５４】即ち、図１のワーク４がＸ−Ｙ平面上で移
動可能であるのに対して、図２のワーク４はＹ−Ｚ平面
上で移動可能である。

【００５５】以下、上記構成を有する図２のレーザー焼
入れ装置の動作を説明する。

【００５６】先ず、レーザー発振器１からレーザービー
ムｂ１が、レーザー発振器５からレーザービームｂ５
が、それぞれ出力され、各レーザービームｂ１、ｂ５
は、全反射ミラー２により反射して、焼入れ用レーザー
ビームｂ１はワーク４の焼入れ表面４Ａに、歪み矯正用
レーザービームｂ５はワーク４の歪み矯正面４Ｂに照射
される。

【００５７】従って、図１の実施形態と同様に、レーザ
ービームｂ１とｂ５を、焼入れ表面４Ａと歪み矯正面４
Ｂに、同時に照射することにより、熱量を加えることも
できる。

【００５８】しかし、２つのレーザー発振器１と５から
レーザービームｂ１とｂ５が出力される時点を変えるこ
とにより、先ず、焼入れを行い、その後に歪み矯正を行
うこともできる。

【００５９】この場合には、焼入れ用レーザービームｂ
１の熱量より１０〜２０％程度少ない熱量を歪み矯正面
４Ｂに加えることにより、歪みを矯正できる。

【００６０】以下、図２のレーザー焼入れ装置を用い、
例えば、焼入れ用レーザービームｂ１を２回照射して先
ず焼入れを行い、その後、歪み矯正用レーザービームｂ
５を反対側に２回照射して歪み矯正を行う場合の動作を
説明する。

【００６１】この場合には、レーザー発振器１と５は、
パワーが違うものを使用し、歪み矯正用レーザービーム
ｂ５の熱量が、上述したように、焼入れ用レーザービー
ムｂ１の熱量より１０〜２０％程度少ないようにしてお
く。

【００６２】このように図２の各装置を構成することに
より、先ず、ワーク４を、図３（Ｃ）に示すように、Ｙ
軸方向（の方向）へ移動させた後、Ｚ軸方向（の方
向）へ移動させて垂直方向（図２）に若干変位させ、更
にＹ軸方向（の方向）へ移動させれば、ワーク４の焼
入れ表面４Ａには、レーザービームｂ１が２回照射され
る（図３（Ａ）のｙ１、ｙ２）。

【００６３】このとき、焼入れ用レーザービームｂ１が
２回照射されることにより、焼入れ表面４Ａには、熱量
Ｑ２が加えられ、焼入れが行われる。

【００６４】次に、ワーク４を最初の位置（図２）に戻
し、上記と同様に、ととの方向に移動すると共
に、レーザー発振器５から歪み矯正用レーザービームｂ
５を出力させることにより、反対側の歪み矯正面４Ｂに
は、Ｑ２×（８０〜９０％）の熱量が加えられる。

【００６５】この結果、焼入れ用レーザービームｂ１を
２回照射して発生した歪みは（図４の曲線ｑ２）、その
焼入れ後、上記歪み矯正用レーザービームｂ５を反対側
に２回照射することにより矯正され、基準範囲Ｒ内に収
まる（図４の曲線ｒ２）。

【００６６】同様に、図２のレーザー焼入れ装置を用
い、焼入れ用レーザービームｂ１を１回、又は３回照射
して先ず焼入れを行い、その後、歪み矯正用レーザービ
ームｂ５を反対側に１回、又は３回照射して歪み矯正を
行うことができる。

【００６７】尚、上述した焼入れ用レーザービームの熱
量と、反対側に加えられる歪み矯正用レーザービームの
熱量とは、図４に示す実験結果を基にして予めコンピュ
ータにより計算しておけば、コンピュータと連動させる
ことにより、図１と図２の装置を自動的に動作させるこ
とができる。

【００６８】更に、本発明は、上記実施形態に限定され
ることはなく、例えば、ワーク４を移動させる代わりに
レーザービームの加工ヘッド（図示省略）を移動させた
り、更に複雑なレーザービーム成形法を使用することに
よっても、実現可能である。

【００６９】

【発明の効果】上記のとおり、本発明によれば、レーザ
ーによる焼入れの場合の熱量と、焼入れ時の歪み変形量
を想定した熱量とを、互いに反対側の面に加えるように
構成したことにより、焼入れと共に歪み矯正を行うとい
う技術的効果を奏することとなった。

【００７０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示す図である。

【図２】本発明の第２実施形態を示す図である。

【図３】本発明に使用されるワークの詳細図である。

【図４】本発明の作用説明図である。

【符号の説明】

１、５ レーザー発振器 ２ 全反射ミラー ３ ビームスプリッター ４ ワーク ４Ａ 焼入れ表面 ４Ｂ 歪み矯正面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ワークの焼入れを施すべき表面にレーザー
   ビームを照射することにより、熱量を加えて焼入れを行
   うと共に、上記ワーク焼入れ表面とは反対側の面にレー
   ザービームを照射することにより、焼入れにより発生す
   る歪み変形量に比例した熱量を加えて歪みを矯正するこ
   とを特徴とするレーザーによる表面焼入れ方法。
2. 【請求項２】 上記焼入れと歪み矯正とを同時に行い、
   焼入れ表面と歪み矯正面に加える熱量が同じである請求
   項１記載のレーザーによる表面焼入れ方法。
3. 【請求項３】 上記焼入れを行った後に、歪み矯正を行
   い、歪み矯正面に加える熱量が焼入れ表面に加える熱量
   より１０〜２０％少ない請求項１記載のレーザーによる
   表面焼入れ方法。