レーザ熱処理システム
【課題】ワークの熱処理領域の形状が複雑であっても、その形状に的確に対応した熱処理が可能なレーザ熱処理システムを提供することである。
【解決手段】レーザ焼入れシステム１０は、レーザ光を出力するレーザ装置２０と、ワーク１００の焼入れ領域１０１にレーザ光を照射するための加工ヘッド３０と、ワーク１００と加工ヘッド３０との位置関係を相対的に変化させるロボット装置４０と、ワーク１００の材質に応じた焼入れ温度を設定し、当該焼入れ温度に基づいて、標準焼入れ条件を演算する焼入れ演算手段６０を有するメインコントローラ５０とを備える。メインコントローラ５０は、焼入れ領域１０１の曲率半径および焼入れ領域１０１の表面凹凸のうち少なくとも一方に基づいて、標準焼入れ条件を変更する補正手段を有する。
【解決手段】レーザ焼入れシステム１０は、レーザ光を出力するレーザ装置２０と、ワーク１００の焼入れ領域１０１にレーザ光を照射するための加工ヘッド３０と、ワーク１００と加工ヘッド３０との位置関係を相対的に変化させるロボット装置４０と、ワーク１００の材質に応じた焼入れ温度を設定し、当該焼入れ温度に基づいて、標準焼入れ条件を演算する焼入れ演算手段６０を有するメインコントローラ５０とを備える。メインコントローラ５０は、焼入れ領域１０１の曲率半径および焼入れ領域１０１の表面凹凸のうち少なくとも一方に基づいて、標準焼入れ条件を変更する補正手段を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ熱処理システムに関し、より詳しくは、ワークの材質に応じた熱処理温度を設定し、当該熱処理温度に基づいて、標準熱処理条件を演算する手段を有する制御装置を備えたレーザ熱処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ光を用いて鋼材の熱処理を行う方法、特にレーザ焼入れ法が注目されている（例えば、特許文献１参照）。レーザ焼入れ法では、局所的に熱を集中できるので、ワークに対する熱影響が極めて小さく、超低歪み焼入れが可能となる。このため、高い加工精度が要求される用途にも好適である。また、冷却速度が速く、焼きが入りやすいという利点もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２５５１１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
レーザ焼入れ法等のレーザ熱処理法は、多くの優れた特徴を有する。しかし、熱処理に先立ち設定すべき条件は多岐にわたり、目的とする品質を得るための条件設定は必ずしも容易ではない。かかる条件設定はオペレータの経験や勘に基づいてなされることが多く、このため、加工品の品質はオペレータの熟練度によって大きく異なる。また、ワークの熱処理領域の形状が複雑である場合、例えば、曲率半径の小さな曲部や大きな表面凹凸が存在する場合には、その形状に的確に対応した条件設定が要求される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係るレーザ熱処理システムは、レーザ光を出力するレーザ装置と、ワークの熱処理領域に前記レーザ光を照射するための加工ヘッドと、前記ワークと前記加工ヘッドとの位置関係を相対的に変化させるレーザ光走査装置と、前記ワークの材質に応じた熱処理温度を設定し、当該熱処理温度に基づいて、標準熱処理条件を演算する手段を有する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記熱処理領域の曲率半径および前記熱処理領域の表面凹凸のうち少なくとも一方に基づいて、前記標準熱処理条件を変更する補正手段を有することを特徴とする。
なお、レーザ光走査装置としては、前記熱処理領域に沿って前記加工ヘッドを３次元的に移動させることができるロボット装置を用いることが好適である。
前記熱処理としては、焼入れ、窒化、浸炭、焼なまし、焼戻し、又は焼ならしが例示できる。
【０００６】
本発明に係るレーザ熱処理システムにおいて、前記補正手段は、前記熱処理領域の曲率半径が小さくなるに従って、前記レーザ光の走査速度を遅くする第１補正手段を含むことが好適である。
また、前記標準熱処理条件には、前記レーザ光の標準走査速度が含まれ、前記曲率半径が所定の閾値よりも小さな場合に、前記走査速度を前記標準走査速度よりも遅くすることが好ましい。
さらに、前記第１補正手段は、前記走査速度を遅くするほど、前記レーザ光の出力を下げることが特に好ましい。
【０００７】
本発明に係るレーザ熱処理システムにおいて、前記標準熱処理条件には、前記レーザ光の標準焦点位置が含まれ、前記補正手段は、前記熱処理領域の表面凹凸が大きくなるに従って、前記レーザ光の焦点位置を前記標準焦点位置から大きくシフトさせる第２補正手段を含むことが好適である。なお、前記標準焦点位置とは、適正なワーキングディスタンスとなる位置を意味し、ジャストフォーカスとなる位置に限定されない。前記焦点位置は、前記表面凹凸が存在する場合であっても前記適正なワーキングディスタンスを維持できるように、前記補正手段により補正された位置であって、これもジャストフォーカスとなる位置に限定されない。
また、前記表面凹凸の大きさが所定の閾値よりも大きな場合に、前記焦点位置を前記標準焦点位置からシフトさせることが好ましい。
【０００８】
本発明に係るレーザ熱処理システムは、加工精度および加工速度に基づいて予め設定された制御モードの選択を可能とし、前記制御装置は、選択された前記制御モードに応じて前記標準熱処理条件を演算することが好適である。
【０００９】
本発明に係るレーザ熱処理システムは、前記熱処理領域の温度を計測する温度センサを備え、前記制御装置は、前記レーザ光の出力を前記熱処理領域に酸化膜が形成されないレベルに変更してトライアルを行い、当該トライアルにおける前記熱処理領域の温度を計測する手段を有し、前記補正手段は、前記トライアルにおいて計測された前記温度に応じて前記標準熱処理条件又は補正された前記標準熱処理条件を変更する第３補正手段を含むことができる。
或いは、前記熱処理領域の温度を計測する放射温度計を備え、前記制御装置は、前記レーザ光の出力を下げて前記熱処理領域に酸化膜を形成しながらトライアルを行い、前記酸化膜における前記レーザ光の吸収率を取得する手段を有し、前記補正手段は、前記トライアルにおいて取得された前記吸収率に応じて前記標準熱処理条件又は補正された前記標準熱処理条件を変更する第３補正手段を含むことができる。
【００１０】
本発明に係るレーザ熱処理システムは、熱処理中に操作が可能な前記熱処理温度の設定を変更するための操作部を備え、前記補正手段は、前記操作部の操作に基づいて、前記標準熱処理条件又は補正された前記標準熱処理条件を変更するオンライン補正手段を含むことが好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るレーザ熱処理システムによれば、ワークの熱処理領域の形状が複雑であっても、その形状に的確に対応した熱処理が可能となる。このため、加工品の品質を向上させることができると共に、オペレータの熟練度によって品質に差がでることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態であるレーザ熱処理システムの概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態であるレーザ熱処理システムにおいて、加工精度および加工時間と制御モードとの関係を示す図である。
【図３】本発明の実施形態であるレーザ熱処理システムにおいて、ワークの熱処理領域の形状と熱処理条件との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施形態であるレーザ熱処理システムによる制御手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態であるレーザ熱処理システムによる制御手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の適用の一例であって、本発明の適用はこれに限定されるものではない。
【００１４】
実施形態では、熱処理として焼入れを例示し、レーザ焼入れシステム１０について詳説する。但し、本発明は、上記のように、焼入れに限定されない。本発明が適用可能な熱処理は、焼入れの他に、窒化、浸炭、焼なまし、焼戻し、焼ならし等が例示できる。
【００１５】
また、レーザ焼入れシステム１０により焼入れ加工（以下、単に焼入れ又は加工という場合がある）されるワーク１００としては、特に限定されず、用途分類によれば、工具鋼や軸受鋼、刃物鋼、機械構造用鋼、ばね鋼など、成分分類によれば、炭素鋼（普通鋼）や合金鋼（特殊鋼）、クロム鋼、ニッケルクロム鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、マンガン鋼など、種々の鋼材が例示できる。また、焼入れ領域１０１の形状も特に限定されない。
【００１６】
図１に、レーザ焼入れシステム１０の概略構成を示す。
レーザ焼入れシステム１０は、レーザ装置２０と、加工ヘッド３０と、ロボット装置４０と、メインコントローラ５０とを備える。ロボット装置４０は、ワーク１００と加工ヘッド３０との位置関係を相対的に変化させるレーザ光走査装置である。メインコントローラ５０は、レーザ焼入れシステム１０の各構成要素の動作を制御する制御装置であって、且つ入力装置および表示装置としても機能する。
【００１７】
レーザ焼入れシステム１０は、さらに、ワーク１００を載せる加工テーブル１１、ワーク１００の温度を計測する温度センサ１２等を備える。加工テーブル１１は、ワーク１００の形状に合わせて適宜変更可能であり、特に限定されない。本実施形態では、ロボット装置４０により加工ヘッド３０を動かすものとして説明するが、加工テーブル１１を動かすことでワーク１００に対してレーザ光を走査してもよい。
【００１８】
温度センサ１２は、焼入れ加工中において、ワーク１００の焼入れ領域１０１の温度をリアルタイムで計測できるものであれば特に限定されないが、計測精度等の観点から放射温度計を用いることが好適である。温度センサ１２に放射温度計を用いた場合、温度センサ１２は、センサ用ファイバ１３、およびセンサ用アンプ１４を含み、加工ヘッド３０に搭載されることが好ましい。
【００１９】
温度センサ１２に好適な放射温度計としては、計測可能温度が１００℃〜２５００℃程度のものが例示できる。放射温度計は、例えば、低温域に対応する第１の温度計および高温域に対応する第２の温度計のように、複数設けられてもよい。また、放射温度計の光軸は、ワーク１００に照射されるレーザ光と同軸上に設定されることが好適である。
【００２０】
レーザ装置２０は、ワーク１００を焼入れ加工できるレーザ光を出力可能な装置であれば特に限定されず、公知のレーザ装置を適用することができる。好適なレーザ装置２０としては、高出力半導体レーザ装置（ＨＤＤＬ）やＹＡＧレーザ装置、ＣＯ2レーザ装置等が例示できる。レーザ装置２０には、レーザ用ファイバ２１が接続されており、レーザ装置２０から出力されたレーザ光は、レーザ用ファイバ２１を通って加工ヘッド３０に伝送される。
【００２１】
加工ヘッド３０は、ワーク１００の焼入れ領域１０１に対してレーザ光を照射するための構成要素であって、ワーク１００に対してレーザ光を照射可能な位置に配置される。例えば、加工テーブル１１の直上に配置される。加工ヘッド３０には、例えば、その上部にレーザ用ファイバ２１が接続されており、加工ヘッド３０の上部から導入されたレーザ光は、後述の光学系を通過して下部からワーク１００に向けて照射される。なお、加工ヘッド３０は、ロボット装置４０の後述するアーム部４２に取り付けられている。
【００２２】
加工ヘッド３０には、ＸＹスキャナ、Ｆ−θレンズ等の光学系（いずれも図示せず）が搭載されている。なお、これら光学系には、公知の形態を適用することができる。
【００２３】
ロボット装置４０は、ワーク１００上で加工ヘッド３０を動かして、レーザ装置２０から出力されるレーザ光をワーク１００の焼入れ領域１０１に沿って走査する。ロボット装置４０は、土台として機能する本体部４１と、本体部４１から延びるアーム部４２とを有する。本体部４１には、例えば、メインコントローラ５０からの制御指令を受けてアーム部４２を動作させるコントローラが内蔵されている。アーム部４２には、複数の関節部が設けられることが好ましい。アーム部４２は、例えば、手首部、下腕部、上腕部を有し、それぞれを独立に動かすことができる。また、本体部４１とアーム部４２との連結部は、旋回可能であることが好ましい。これにより、加工ヘッド３０を水平方向（ＸＹ方向）、上下方向（Ｚ方向）に動かすことができる。
【００２４】
メインコントローラ５０は、上記のように、入力装置、表示装置、および制御装置として機能する。この機能を実現するために、メインコントローラ５０は、操作部５１、表示部５２、および制御部５３を有する。操作部５１としては、オペレータによる加工パラメータの入力が可能なものであれば特に限定されず、例えば、キーボードやテンキー、スイッチ、つまみ、タッチパネルなどが例示できる。表示部５２も特に限定されず、一般的なディスプレイを用いることができる。
【００２５】
操作部５１により入力される加工パラメータとしては、ワーク１００の材質が挙げられる。メインコントローラ５０は、例えば、ワーク１００の材質に対応するレーザ光の吸収率を記憶しており、入力された材質情報から当該吸収率を自動的に導出する。その他の加工パラメータとしては、焼入れ領域１０１を含むワーク１００の形状に関する情報が必要である。かかる情報としては、焼入れ領域１０１を含むワーク１００の形状を示すＣＡＤデータを用いることが好適である。また、本システムでは、オペレータにより、制御モードが選択される。さらに、オペレータは、必要により、焼入れ加工中に焼入れ温度の設定を変更する。これらの操作は、操作部５１の操作により行うことができる。
【００２６】
図２に、加工精度および加工時間と制御モードとの関係を示す。
上記制御モードは、加工精度および加工速度に基づいて予め設定されたものである。制御モードＭ１は、高い加工精度が要求される場合に好適である。但し、制御モードＭ１では、高い加工精度を追求するため加工速度が遅くなる。一方、焼入れ領域１０１の形状が単純である場合には、制御モードＭ３が好適であり、これにより高速加工が可能となる。制御モードＭ２は、Ｍ１とＭ３との中間的なモードである。後述の焼入れ条件演算手段６０は、選択された制御モードに基づいて、適切な焼入れ条件を演算する。
【００２７】
上記制御モードは、Ｍ１〜Ｍ３に限定されず、より多くの制御モードを設定することもできる。また、制御モードの選択は、例えば、焼入れ領域１０１の曲部や表面凹凸の程度（曲率半径、表面凹凸の大きさ）、曲部や表面凹凸の存在頻度等に基づいて、制御部５３が自動的に選択するものとしてもよい。
【００２８】
制御部５３は、焼入れ条件演算手段６０、および焼入れ制御手段６１を有する。これにより、オペレータが入力した加工パラメータに基づいて焼入れ条件を設定し、かかる焼入れ条件に従って目的とする焼入れ領域１０１を焼入れ加工することができる。制御部５３は、例えば、ＣＰＵ、入力した加工パラメータや焼入れ演算手段６０等の各手段の機能を実行するための制御プログラムなどを記憶する記録部、および入出力ポートなどを備える装置であって、コンピュータによって構成することができる。
【００２９】
焼入れ演算手段６０は、ワーク１００の材質に応じた焼入れ温度Ｔを設定し（以下、焼入れ温度Ｔの設定値を設定温度Ｔｓという）、設定温度Ｔｓと、焼入れ領域１０１を含むワーク１００の形状を示すＣＡＤデータと、選択された制御モードとに基づいて、標準焼入れ条件を演算する。標準焼入れ条件には、例えば、レーザ光の標準出力、レーザ光の標準焦点位置、およびレーザ光の標準走査速度が含まれる。焼入れ演算手段６０は、焼入れ領域１０１の全域において、例えば、レーザ光の各照射スポットでの温度が一定となるように、標準出力、標準焦点位置、および標準走査速度を演算する。また、ロボット装置４０だけでなく、ＸＹスキャナやフォーカスレンズ等の動作も演算する。
【００３０】
焼入れ演算手段６０により演算される標準焼入れ条件は、例えば、焼入れ始点から終点に亘って一定である。標準焦点位置は、焼入れ領域１０１のいずれかの位置（例えば、焼入れ始点）を基準として、その位置と加工ヘッド３０との距離が適正なワーキングディスタンスとなるように演算される。標準出力および標準走査速度は、例えば、設定温度Ｔｓと、選択された制御モードとにより演算される。つまり、焼入れ演算手段６０は、焼入れ領域１０１の曲率半径や表面凹凸を考慮しない。
【００３１】
標準焼入れ条件には、標準出力、標準焦点位置、および標準走査速度の他にも、例えば、焼入れ領域１０１に対するレーザ光の照射角度が含まれる。平坦な面の焼入れでは、通常、照射角度はワーク１００の表面に対して略垂直又はＸＹスキャナで変更可能な角度範囲内であるが、ワーク１００の厚み方向に対して交差する面を焼入れする場合等には、例えば、アーム部４２の手首部を動かして照射角度を変更することが好ましい。
【００３２】
焼入れ制御手段６１は、焼入れ演算手段６０により演算された標準焼入れ条件又は後述の補正焼入れ条件に従い、レーザ装置２０や加工ヘッド３０、ロボット装置４０等の各構成要素の動作を制御して焼入れ加工を実行する。焼入れ制御手段６１は、温度センサ１２から焼入れ領域１０１の温度を取得して、その温度が設定温度Ｔｓから所定温度以上ずれたときに、レーザ光の出力を調整する温度フィードバック制御を実行することが好ましい。
【００３３】
制御部５３は、さらに、焼入れ領域１０１の形状等に合わせて焼入れ条件をより的確に設定するための補正手段を複数有する。即ち、制御部５３は、必要により、標準焼入れ条件を補正する。さらに、必要により、補正した焼入れ条件（以下、補正焼入れ条件という）を追加補正する。
【００３４】
補正手段としては、第１補正手段６２、第２補正手段６３、第３補正手段６５、およびオンライン補正手段６６が挙げられる。第１補正手段６２、第２補正手段６３、および第３補正手段６５は、焼入れ加工が開始される前に焼入れ条件を補正し、オンライン補正手段６６は、加工中に焼入れ条件を補正する。また、第３補正手段６５は、トライアル実行手段６４により後述のトライアルが実行された場合に補正を実行する。
【００３５】
第１補正手段６２は、焼入れ領域１０１の曲率半径Ｒが小さくなるに従って、レーザ光の走査速度を遅くする。つまり、一定である標準走査速度を、焼入れ領域１０１の曲率半径Ｒに合わせて補正する。また、第１補正手段６２は、走査速度を遅くするほど、レーザ光の出力を下げることが好ましい。焼入れ領域１０１に曲部が存在し、この曲率半径が小さい場合には、レーザ光が焼入れ領域１０１よりも内側を通る又はオーバーランすることが想定されるが、第１補正手段６２により、このような問題の発生を防止できる。また、走査速度に合わせて出力を変更することで、走査速度を遅くした曲部において過加熱状態となることを防止できる。
【００３６】
第１補正手段６２は、焼入れ領域１０１の曲率半径Ｒが所定の閾値Ｒｚ以下であるときに、曲率半径Ｒに応じて走査速度を遅くすることが好適である。閾値Ｒｚは、例えば、実験やシミュレーションにより決定することができ、制御モードＭ１〜Ｍ３に応じて変更することもできる。例えば、制御モードＭ１，Ｍ２，Ｍ３の順に、Ｒｚ＝０．５ｍｍ，０．４ｍｍ，０．３ｍｍのように設定できる。また、曲率半径Ｒが閾値Ｒｚ以下であっても、走査速度を一定にする範囲を定めて段階的に走査速度を変更してもよい。例えば、０．３ｍｍ＜Ｒ≦０．５ｍｍでは、標準走査速度の７５％とし、０．１ｍｍ＜Ｒ≦０．３ｍｍでは、標準走査速度の５０％とするように補正できる。
【００３７】
第２補正手段６３は、焼入れ領域１０１の表面凹凸が大きくなるに従って、レーザ光の焦点位置を標準焦点位置から大きくシフトさせる。つまり、第２補正手段６３は、一定である標準焦点位置を、焼入れ領域１０１の表面凹凸に合わせて補正する。これにより、表面凹凸が大きい部分であっても適正なワーキングディスタンスで加工することができる。
【００３８】
第２補正手段６３は、焼入れ領域１０１の表面凹凸の大きさＨが所定の閾値Ｈｚ以上であるときに、表面凹凸の大きさＨに応じて焦点位置をシフトさせることが好適である。閾値Ｈｚは、閾値Ｒｚと同様に、実験やシミュレーションにより決定することができ、制御モードＭ１〜Ｍ３に応じて変更することもできる。
【００３９】
図３に、焼入れ領域１０１の形状と焼入れ条件との関係を示す。
同図では、焼入れ領域１０１の平面図（紙面左側）、および焼入れ領域１０１のＡ線に沿ってワーク１００を切断した断面図（紙面右側）を示す。断面図では、紙面の左右方向がワーク１００の厚み方向である。また、断面図の紙面右側に、焦点位置をＰ０，Ｐ１，Ｐ２のそれぞれに設定する範囲を示す。
【００４０】
図３に例示する焼入れ領域１０１には、凹部１０２、凸部１０３、および２つの曲部１０４ａ，１０４ｂが存在する。曲部１０４ａ，１０４ｂに挟まれた直線部１０５には表面凹凸が存在せず、ここでの焼入れ条件が、標準焼入れ条件、即ち標準焦点位置Ｐ０、標準走査速度Ｖ０、標準出力Ｋ０となる。
【００４１】
一方、凹部１０２では、第２補正手段６３の機能により、焦点位置のみが標準焦点位置Ｐ０よりも下方にシフトした焦点位置Ｐ１に変更される。また、凸部１０３では、標準焦点位置Ｐ０よりも上方にシフトした焦点位置Ｐ２に変更される。標準焦点位置Ｐ０（直線部１０５）に対する表面凹凸の大きさ（直線部１０５との差）は、凹部１０２よりも凸部１０３の方が大きいため、焦点位置の変化量は、凹部１０２よりも凸部１０３において大きくなる。即ち、｜Ｐ２−Ｐ０｜＞｜Ｐ１−Ｐ０｜である。
【００４２】
さらに、曲部１０４ａ，１０４ｂでは、第１補正手段６２の機能により、走査速度が標準走査速度Ｖ０よりも遅くされる。そして、曲部１０４ｂの曲率半径Ｒｂは、曲部１０４ａの曲率半径Ｒａよりも小さいため、曲部１０４ｂでの走査速度Ｖｂは、曲部１０４ａでの走査速度Ｖａよりも遅くされる（Ｖｂ＜Ｖａ）。また、走査速度の減少に合わせて、出力を標準出力Ｋ０よりも小さくする。曲部１０４ｂにおける出力Ｋｂは、曲部１０４ａにおける出力Ｋａよりも小さくされる。
【００４３】
トライアル実行手段６４は、標準出力又は補正された出力を焼入れ領域１０１に酸化膜が形成されないレベルに変更してトライアルを行い、当該トライアルにおける焼入れ領域１０１の温度を計測する。トライアルとは、標準焼入れ条件又は補正焼入れ条件が適当であることを確認するためのプロセスであって、レーザ光の出力以外の条件は、実際に焼入れ加工を行うときと同じに設定される。
【００４４】
トライアル実行手段６４は、トライアルにおける焼入れ領域１０１の温度が、２００℃以下、好ましくは１００℃〜１５０℃となるように、レーザ光の出力を下げる（例えば、標準出力の１／１０）ことが好適である。このため、焼入れ領域１０１に酸化膜が形成されず、トライアルにより焼入れ領域１０１の表面状態が変化することを防止できる。
【００４５】
トライアルは、例えば、オペレータが実施の有無を選択可能な設定とすることができる。例えば、焼入れ領域１０１の形状が単純である場合には、標準焼入れ条件で十分に対応できるため、オペレータはトライアルを省略できる。或いは、補正手段による補正量に基づいて自動的にトライアルの有無を決定する設定としてもよく、例えば、補正量が多い場合に限定してトライアルを実施してもよい。
【００４６】
第３補正手段６５は、上記トライアルにおいて計測された焼入れ領域１０１の温度に応じて標準焼入れ条件又は補正焼入れ条件を変更する。第３補正手段６５は、例えば、トライアルで計測された焼入れ領域１０１の温度（以下、計測温度という）が、予測される温度から所定温度以上ずれる場合、又は計測温度の振れ幅ΔＴが所定範囲（例えば、計測温度±３０℃）を超える場合に焼入れ条件を変更する。後者の場合は、焼入れ領域１０１において、計測温度±３０℃を超える部分の焼入れ条件を、計測温度±３０℃を満たすように変更することが好適である。
【００４７】
第３補正手段６５による補正は、レーザ光の出力、焦点位置、走査速度のいずれを変更して行ってもよいが、補正が軽微である場合には、出力のみを変更して行うことが好適である。補正が軽微であるか否かの判定は、例えば、補正量と予め設定した閾値とを比較して行うことができ、補正量が閾値を超える場合には、焼入れ領域１０１の形状に応じて焦点位置や走査速度を変更してもよい。
【００４８】
オンライン補正手段６６は、焼入れ加工中において、オペレータが設定温度Ｔｓを変更した場合に、標準焼入れ条件又は補正焼入れ条件を変更する。本実施形態では、焼入れ加工中に設定温度Ｔｓを変更できる機能が操作部５１に含まれる。そして、オンライン補正手段６６は、操作部５１の操作に基づいて、焼入れ条件を変更する。例えば、設定温度Ｔｓが大きく変更されたときには、焼入れ条件を大きく変更する。この補正機能は、例えば、オペレータが焼入れ領域１０１から煙が発生する等して温度センサ１２により取得される温度が実際の温度よりも低いと判断した場合などに使用される。オペレータは、例えば、レーザ光が照射されている焼入れ領域１０１の色に基づいて、必要により、設定温度Ｔｓを変更することができる。
【００４９】
オンライン補正手段６６による補正は、第３補正手段６５と同様に、レーザ光の出力、焦点位置、走査速度のいずれを変更して行ってもよいが、操作部５１の操作に基づく補正であるため、出力のみを変更して行うことが好適である。
【００５０】
なお、トライアル実行手段６４は、レーザ光の出力を下げて焼入れ領域１０１に酸化膜を形成しながらトライアルを行い、当該酸化膜におけるレーザ光の吸収率を取得する構成とすることも好適である。実際の焼入れ加工では、ワーク１００が非常に高温になるため、加工点（レーザ光の照射スポット）の周囲もある程度高温になり、ワーク１００の表面に酸化膜が形成される場合がある。つまり、レーザ光を走査して焼入れするときに、次の加工点には既に酸化膜が形成されている場合がある。酸化膜を形成するトライアルは、このような場合に好適である。
【００５１】
この場合、トライアルにおける焼入れ領域１０１の温度が、好ましくは２００℃〜３００℃となるように、レーザ光の出力を下げることが好適である。なお、吸収率と放射率とは等しいから、トライアルにおける酸化膜の吸収率は、放射温度計を用いて取得することができる。このとき、放射温度計の光軸は、例えば、レーザ光の照射スポットの走査方向後方に設定することが好ましい。又は、吸収率測定用の放射温度計を別途設けてもよい。
【００５２】
この場合、第３補正手段６５は、トライアルにおいて取得された酸化膜の吸収率に応じて標準焼入れ条件又は補正焼入れ条件を変更する。第３補正手段６５は、例えば、酸化膜の吸収率に基づいて、レーザ光の出力を変更することができる。
【００５３】
ここで、図４および図５を参照しながら、上記構成を備えたレーザ焼入れシステム１０によりワーク１００を焼入れ加工するときの制御手順の一例について詳説する。
図４および図５は、かかる制御手順を示すフローチャートである。同図では、オペレータによる手順を鎖線で囲み、制御部５３による手順を実線で囲んでいる。
【００５４】
まず初めに、オペレータによって加工に必要なパラメータが入力される（Ｓ１０）。入力されるパラメータとしては、ワーク１００の材質、焼入れ領域１０１を含むワーク１００の形状を示すＣＡＤデータ、および制御モード（Ｍ１〜Ｍ３のいずれか）が挙げられる。オペレータは、操作部５１の操作により、これらのパラメータを入力することができる。
【００５５】
続いて、入力されたワーク１００の材質から焼入れに使用するレーザ光の吸収率を導き、焼入れ温度を設定する（Ｓ１１）。なお、Ｓ１１〜Ｓ１３の手順は、焼入れ条件演算手段６０の機能により実行される。ワーク１００の上記吸収率に対応する焼入れ温度は、例えば、制御部５３の記憶部に予め記憶されている。そして、焼入れ条件演算手段６０は、上記吸収率に対応する焼入れ温度を設定する（設定温度Ｔｓの決定）。ここで、上記吸収率は、ワーク１００の材質だけでなく、表面粗さ等を考慮して導出してもよい。また、複数の制御モードのうち、選択された制御モードを焼入れ条件演算の前提条件として設定する（Ｓ１２）。
【００５６】
そして、設定温度Ｔｓと、ワーク１００の形状を示すＣＡＤデータと、選択された制御モードとに基づいて、標準焼入れ条件を演算する（Ｓ１３）。焼入れ演算手段６０は、焼入れ領域１０１の全域において、例えば、レーザ光の各照射スポットでの温度が一定となるように、標準出力、標準焦点位置、および標準走査速度を演算する。
【００５７】
次に、Ｓ１４〜Ｓ２２において、焼入れ条件を補正する。なお、Ｓ２４，Ｓ２５は、焼入れ加工中に焼入れ条件を補正するステップである。
【００５８】
まず、Ｓ１４では、ワーク１００のＣＡＤデータに基づいて、焼入れ領域１０１の曲部の曲率半径Ｒが閾値Ｒｚ以下であるか否かを判定する。Ｓ１４において、曲率半径Ｒが閾値Ｒｚ以下であると判定されたときには、曲率半径Ｒが小さくなるに従って、レーザ光の走査速度を遅くする（Ｓ１５）。即ち、アーム部４２の動きを遅くする。一方、焼入れ領域１０１に曲部が存在しない場合や曲部の曲率半径Ｒが閾値Ｒｚよりも大きく曲率が緩やかである場合には、標準走査速度を維持して、次の補正ステップに進む。
【００５９】
Ｓ１６では、Ｓ１４と同様に、ＣＡＤデータに基づいて、焼入れ領域１０１の表面凹凸の大きさＨが閾値Ｈｚ以上であるか否かを判定する。Ｓ１６において、閾値Ｈｚ以上の表面凹凸があると判定されたときには、表面凹凸の大きさＨが大きくなるに従って、レーザ光の焦点位置を標準焦点位置から大きくシフトさせる（Ｓ１７）。即ち、フォーカスレンズやアーム部４２を制御して、凹部においては、その深さに応じて焦点位置を下方にシフトさせ、凸部においては、その高さに応じて焦点位置を上方にシフトさせる。一方、焼入れ領域１０１に表面凹凸が存在しない場合や表面凹凸の大きさＨが閾値Ｈｚよりも小さな場合には、標準焦点位置を維持して、次の補正ステップに進む。
【００６０】
Ｓ１８では、上記トライアルの実施の有無を判定する。トライアルの実施の有無は、オペレータにより選択可能とすることが好適であり、実施が選択されたときには、レーザ光の出力を下げてトライアルを実施する（Ｓ１９，Ｓ２０）。トライアルでは、ワーク１００に酸化膜が形成されない程度まで出力を下げ、その他のパラメータは実際の焼入れ加工時と同じに設定する。そして、温度センサ１２により焼入れ領域１０１の温度を計測する。
【００６１】
続いて、トライアルにおける計測温度の振れ幅ΔＴが所定範囲ΔＴｚよりも大きいか否かを判定する（Ｓ２１）。Ｓ２１において、振れ幅ΔＴが所定範囲ΔＴｚよりも大きいと判定されたときには、焼入れ条件を補正する（Ｓ２２）。焼入れ条件の補正は、例えば、レーザ光の出力を変更することにより行う。一方、振れ幅ΔＴが所定範囲ΔＴｚよりも小さい場合には、標準焼入れ条件又は補正焼入れ条件が適当であることを意味し、補正を行わずに次のステップに進む。
【００６２】
そして、標準焼入れ条件又は補正焼入れ条件に従って焼入れ加工を開始する（Ｓ２３）。この手順は、焼入れ制御手段６１の機能により実行される。ロボット装置４０は焼入れ領域１０１に沿って加工ヘッド３０を動かし、自動的に加工が行われるが、通常、オペレータは加工状態を観察する。そして、焼入れ領域１０１の色等から、焼入れ温度が適切ではないと判断したときには、操作部５１の操作により設定温度Ｔｓを変更することができ（Ｓ２４）、この操作に基づき加工中に焼入れ条件を補正する（Ｓ２５）。このとき、焼入れ条件の補正は、レーザ光の出力を変更することにより行うことが好適である。
【００６３】
なお、焼入れ領域１０１の全域において、焼入れが完了したときには（Ｓ２６）、焼入れ加工の全工程を終了する。
【符号の説明】
【００６４】
１０ レーザ焼入れシステム、１１ 加工テーブル、１２ 温度センサ、１３ センサ用ファイバ、１４ センサ用アンプ、２０ レーザ装置、２１ レーザ用ファイバ、３０ 加工ヘッド、４０ ロボット装置、４１ 本体部、４２ アーム部、５０ メインコントローラ、５１ 操作部、５２ 表示部、５３ 制御部、６０ 焼入れ条件演算手段、６１ 焼入れ制御手段、６２ 第１補正手段、６３ 第２補正手段、６４ トライアル実行手段、６５ 第３補正手段、６６ オンライン補正手段、１００ ワーク、１０１ 焼入れ領域、１０２ 凹部、１０３ 凸部、１０４ａ，１０４ｂ 曲部、１０５ 直線部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ熱処理システムに関し、より詳しくは、ワークの材質に応じた熱処理温度を設定し、当該熱処理温度に基づいて、標準熱処理条件を演算する手段を有する制御装置を備えたレーザ熱処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザ光を用いて鋼材の熱処理を行う方法、特にレーザ焼入れ法が注目されている（例えば、特許文献１参照）。レーザ焼入れ法では、局所的に熱を集中できるので、ワークに対する熱影響が極めて小さく、超低歪み焼入れが可能となる。このため、高い加工精度が要求される用途にも好適である。また、冷却速度が速く、焼きが入りやすいという利点もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２５５１１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
レーザ焼入れ法等のレーザ熱処理法は、多くの優れた特徴を有する。しかし、熱処理に先立ち設定すべき条件は多岐にわたり、目的とする品質を得るための条件設定は必ずしも容易ではない。かかる条件設定はオペレータの経験や勘に基づいてなされることが多く、このため、加工品の品質はオペレータの熟練度によって大きく異なる。また、ワークの熱処理領域の形状が複雑である場合、例えば、曲率半径の小さな曲部や大きな表面凹凸が存在する場合には、その形状に的確に対応した条件設定が要求される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係るレーザ熱処理システムは、レーザ光を出力するレーザ装置と、ワークの熱処理領域に前記レーザ光を照射するための加工ヘッドと、前記ワークと前記加工ヘッドとの位置関係を相対的に変化させるレーザ光走査装置と、前記ワークの材質に応じた熱処理温度を設定し、当該熱処理温度に基づいて、標準熱処理条件を演算する手段を有する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記熱処理領域の曲率半径および前記熱処理領域の表面凹凸のうち少なくとも一方に基づいて、前記標準熱処理条件を変更する補正手段を有することを特徴とする。
なお、レーザ光走査装置としては、前記熱処理領域に沿って前記加工ヘッドを３次元的に移動させることができるロボット装置を用いることが好適である。
前記熱処理としては、焼入れ、窒化、浸炭、焼なまし、焼戻し、又は焼ならしが例示できる。
【０００６】
本発明に係るレーザ熱処理システムにおいて、前記補正手段は、前記熱処理領域の曲率半径が小さくなるに従って、前記レーザ光の走査速度を遅くする第１補正手段を含むことが好適である。
また、前記標準熱処理条件には、前記レーザ光の標準走査速度が含まれ、前記曲率半径が所定の閾値よりも小さな場合に、前記走査速度を前記標準走査速度よりも遅くすることが好ましい。
さらに、前記第１補正手段は、前記走査速度を遅くするほど、前記レーザ光の出力を下げることが特に好ましい。
【０００７】
本発明に係るレーザ熱処理システムにおいて、前記標準熱処理条件には、前記レーザ光の標準焦点位置が含まれ、前記補正手段は、前記熱処理領域の表面凹凸が大きくなるに従って、前記レーザ光の焦点位置を前記標準焦点位置から大きくシフトさせる第２補正手段を含むことが好適である。なお、前記標準焦点位置とは、適正なワーキングディスタンスとなる位置を意味し、ジャストフォーカスとなる位置に限定されない。前記焦点位置は、前記表面凹凸が存在する場合であっても前記適正なワーキングディスタンスを維持できるように、前記補正手段により補正された位置であって、これもジャストフォーカスとなる位置に限定されない。
また、前記表面凹凸の大きさが所定の閾値よりも大きな場合に、前記焦点位置を前記標準焦点位置からシフトさせることが好ましい。
【０００８】
本発明に係るレーザ熱処理システムは、加工精度および加工速度に基づいて予め設定された制御モードの選択を可能とし、前記制御装置は、選択された前記制御モードに応じて前記標準熱処理条件を演算することが好適である。
【０００９】
本発明に係るレーザ熱処理システムは、前記熱処理領域の温度を計測する温度センサを備え、前記制御装置は、前記レーザ光の出力を前記熱処理領域に酸化膜が形成されないレベルに変更してトライアルを行い、当該トライアルにおける前記熱処理領域の温度を計測する手段を有し、前記補正手段は、前記トライアルにおいて計測された前記温度に応じて前記標準熱処理条件又は補正された前記標準熱処理条件を変更する第３補正手段を含むことができる。
或いは、前記熱処理領域の温度を計測する放射温度計を備え、前記制御装置は、前記レーザ光の出力を下げて前記熱処理領域に酸化膜を形成しながらトライアルを行い、前記酸化膜における前記レーザ光の吸収率を取得する手段を有し、前記補正手段は、前記トライアルにおいて取得された前記吸収率に応じて前記標準熱処理条件又は補正された前記標準熱処理条件を変更する第３補正手段を含むことができる。
【００１０】
本発明に係るレーザ熱処理システムは、熱処理中に操作が可能な前記熱処理温度の設定を変更するための操作部を備え、前記補正手段は、前記操作部の操作に基づいて、前記標準熱処理条件又は補正された前記標準熱処理条件を変更するオンライン補正手段を含むことが好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るレーザ熱処理システムによれば、ワークの熱処理領域の形状が複雑であっても、その形状に的確に対応した熱処理が可能となる。このため、加工品の品質を向上させることができると共に、オペレータの熟練度によって品質に差がでることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態であるレーザ熱処理システムの概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態であるレーザ熱処理システムにおいて、加工精度および加工時間と制御モードとの関係を示す図である。
【図３】本発明の実施形態であるレーザ熱処理システムにおいて、ワークの熱処理領域の形状と熱処理条件との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施形態であるレーザ熱処理システムによる制御手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態であるレーザ熱処理システムによる制御手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の適用の一例であって、本発明の適用はこれに限定されるものではない。
【００１４】
実施形態では、熱処理として焼入れを例示し、レーザ焼入れシステム１０について詳説する。但し、本発明は、上記のように、焼入れに限定されない。本発明が適用可能な熱処理は、焼入れの他に、窒化、浸炭、焼なまし、焼戻し、焼ならし等が例示できる。
【００１５】
また、レーザ焼入れシステム１０により焼入れ加工（以下、単に焼入れ又は加工という場合がある）されるワーク１００としては、特に限定されず、用途分類によれば、工具鋼や軸受鋼、刃物鋼、機械構造用鋼、ばね鋼など、成分分類によれば、炭素鋼（普通鋼）や合金鋼（特殊鋼）、クロム鋼、ニッケルクロム鋼、ニッケルクロムモリブデン鋼、マンガン鋼など、種々の鋼材が例示できる。また、焼入れ領域１０１の形状も特に限定されない。
【００１６】
図１に、レーザ焼入れシステム１０の概略構成を示す。
レーザ焼入れシステム１０は、レーザ装置２０と、加工ヘッド３０と、ロボット装置４０と、メインコントローラ５０とを備える。ロボット装置４０は、ワーク１００と加工ヘッド３０との位置関係を相対的に変化させるレーザ光走査装置である。メインコントローラ５０は、レーザ焼入れシステム１０の各構成要素の動作を制御する制御装置であって、且つ入力装置および表示装置としても機能する。
【００１７】
レーザ焼入れシステム１０は、さらに、ワーク１００を載せる加工テーブル１１、ワーク１００の温度を計測する温度センサ１２等を備える。加工テーブル１１は、ワーク１００の形状に合わせて適宜変更可能であり、特に限定されない。本実施形態では、ロボット装置４０により加工ヘッド３０を動かすものとして説明するが、加工テーブル１１を動かすことでワーク１００に対してレーザ光を走査してもよい。
【００１８】
温度センサ１２は、焼入れ加工中において、ワーク１００の焼入れ領域１０１の温度をリアルタイムで計測できるものであれば特に限定されないが、計測精度等の観点から放射温度計を用いることが好適である。温度センサ１２に放射温度計を用いた場合、温度センサ１２は、センサ用ファイバ１３、およびセンサ用アンプ１４を含み、加工ヘッド３０に搭載されることが好ましい。
【００１９】
温度センサ１２に好適な放射温度計としては、計測可能温度が１００℃〜２５００℃程度のものが例示できる。放射温度計は、例えば、低温域に対応する第１の温度計および高温域に対応する第２の温度計のように、複数設けられてもよい。また、放射温度計の光軸は、ワーク１００に照射されるレーザ光と同軸上に設定されることが好適である。
【００２０】
レーザ装置２０は、ワーク１００を焼入れ加工できるレーザ光を出力可能な装置であれば特に限定されず、公知のレーザ装置を適用することができる。好適なレーザ装置２０としては、高出力半導体レーザ装置（ＨＤＤＬ）やＹＡＧレーザ装置、ＣＯ2レーザ装置等が例示できる。レーザ装置２０には、レーザ用ファイバ２１が接続されており、レーザ装置２０から出力されたレーザ光は、レーザ用ファイバ２１を通って加工ヘッド３０に伝送される。
【００２１】
加工ヘッド３０は、ワーク１００の焼入れ領域１０１に対してレーザ光を照射するための構成要素であって、ワーク１００に対してレーザ光を照射可能な位置に配置される。例えば、加工テーブル１１の直上に配置される。加工ヘッド３０には、例えば、その上部にレーザ用ファイバ２１が接続されており、加工ヘッド３０の上部から導入されたレーザ光は、後述の光学系を通過して下部からワーク１００に向けて照射される。なお、加工ヘッド３０は、ロボット装置４０の後述するアーム部４２に取り付けられている。
【００２２】
加工ヘッド３０には、ＸＹスキャナ、Ｆ−θレンズ等の光学系（いずれも図示せず）が搭載されている。なお、これら光学系には、公知の形態を適用することができる。
【００２３】
ロボット装置４０は、ワーク１００上で加工ヘッド３０を動かして、レーザ装置２０から出力されるレーザ光をワーク１００の焼入れ領域１０１に沿って走査する。ロボット装置４０は、土台として機能する本体部４１と、本体部４１から延びるアーム部４２とを有する。本体部４１には、例えば、メインコントローラ５０からの制御指令を受けてアーム部４２を動作させるコントローラが内蔵されている。アーム部４２には、複数の関節部が設けられることが好ましい。アーム部４２は、例えば、手首部、下腕部、上腕部を有し、それぞれを独立に動かすことができる。また、本体部４１とアーム部４２との連結部は、旋回可能であることが好ましい。これにより、加工ヘッド３０を水平方向（ＸＹ方向）、上下方向（Ｚ方向）に動かすことができる。
【００２４】
メインコントローラ５０は、上記のように、入力装置、表示装置、および制御装置として機能する。この機能を実現するために、メインコントローラ５０は、操作部５１、表示部５２、および制御部５３を有する。操作部５１としては、オペレータによる加工パラメータの入力が可能なものであれば特に限定されず、例えば、キーボードやテンキー、スイッチ、つまみ、タッチパネルなどが例示できる。表示部５２も特に限定されず、一般的なディスプレイを用いることができる。
【００２５】
操作部５１により入力される加工パラメータとしては、ワーク１００の材質が挙げられる。メインコントローラ５０は、例えば、ワーク１００の材質に対応するレーザ光の吸収率を記憶しており、入力された材質情報から当該吸収率を自動的に導出する。その他の加工パラメータとしては、焼入れ領域１０１を含むワーク１００の形状に関する情報が必要である。かかる情報としては、焼入れ領域１０１を含むワーク１００の形状を示すＣＡＤデータを用いることが好適である。また、本システムでは、オペレータにより、制御モードが選択される。さらに、オペレータは、必要により、焼入れ加工中に焼入れ温度の設定を変更する。これらの操作は、操作部５１の操作により行うことができる。
【００２６】
図２に、加工精度および加工時間と制御モードとの関係を示す。
上記制御モードは、加工精度および加工速度に基づいて予め設定されたものである。制御モードＭ１は、高い加工精度が要求される場合に好適である。但し、制御モードＭ１では、高い加工精度を追求するため加工速度が遅くなる。一方、焼入れ領域１０１の形状が単純である場合には、制御モードＭ３が好適であり、これにより高速加工が可能となる。制御モードＭ２は、Ｍ１とＭ３との中間的なモードである。後述の焼入れ条件演算手段６０は、選択された制御モードに基づいて、適切な焼入れ条件を演算する。
【００２７】
上記制御モードは、Ｍ１〜Ｍ３に限定されず、より多くの制御モードを設定することもできる。また、制御モードの選択は、例えば、焼入れ領域１０１の曲部や表面凹凸の程度（曲率半径、表面凹凸の大きさ）、曲部や表面凹凸の存在頻度等に基づいて、制御部５３が自動的に選択するものとしてもよい。
【００２８】
制御部５３は、焼入れ条件演算手段６０、および焼入れ制御手段６１を有する。これにより、オペレータが入力した加工パラメータに基づいて焼入れ条件を設定し、かかる焼入れ条件に従って目的とする焼入れ領域１０１を焼入れ加工することができる。制御部５３は、例えば、ＣＰＵ、入力した加工パラメータや焼入れ演算手段６０等の各手段の機能を実行するための制御プログラムなどを記憶する記録部、および入出力ポートなどを備える装置であって、コンピュータによって構成することができる。
【００２９】
焼入れ演算手段６０は、ワーク１００の材質に応じた焼入れ温度Ｔを設定し（以下、焼入れ温度Ｔの設定値を設定温度Ｔｓという）、設定温度Ｔｓと、焼入れ領域１０１を含むワーク１００の形状を示すＣＡＤデータと、選択された制御モードとに基づいて、標準焼入れ条件を演算する。標準焼入れ条件には、例えば、レーザ光の標準出力、レーザ光の標準焦点位置、およびレーザ光の標準走査速度が含まれる。焼入れ演算手段６０は、焼入れ領域１０１の全域において、例えば、レーザ光の各照射スポットでの温度が一定となるように、標準出力、標準焦点位置、および標準走査速度を演算する。また、ロボット装置４０だけでなく、ＸＹスキャナやフォーカスレンズ等の動作も演算する。
【００３０】
焼入れ演算手段６０により演算される標準焼入れ条件は、例えば、焼入れ始点から終点に亘って一定である。標準焦点位置は、焼入れ領域１０１のいずれかの位置（例えば、焼入れ始点）を基準として、その位置と加工ヘッド３０との距離が適正なワーキングディスタンスとなるように演算される。標準出力および標準走査速度は、例えば、設定温度Ｔｓと、選択された制御モードとにより演算される。つまり、焼入れ演算手段６０は、焼入れ領域１０１の曲率半径や表面凹凸を考慮しない。
【００３１】
標準焼入れ条件には、標準出力、標準焦点位置、および標準走査速度の他にも、例えば、焼入れ領域１０１に対するレーザ光の照射角度が含まれる。平坦な面の焼入れでは、通常、照射角度はワーク１００の表面に対して略垂直又はＸＹスキャナで変更可能な角度範囲内であるが、ワーク１００の厚み方向に対して交差する面を焼入れする場合等には、例えば、アーム部４２の手首部を動かして照射角度を変更することが好ましい。
【００３２】
焼入れ制御手段６１は、焼入れ演算手段６０により演算された標準焼入れ条件又は後述の補正焼入れ条件に従い、レーザ装置２０や加工ヘッド３０、ロボット装置４０等の各構成要素の動作を制御して焼入れ加工を実行する。焼入れ制御手段６１は、温度センサ１２から焼入れ領域１０１の温度を取得して、その温度が設定温度Ｔｓから所定温度以上ずれたときに、レーザ光の出力を調整する温度フィードバック制御を実行することが好ましい。
【００３３】
制御部５３は、さらに、焼入れ領域１０１の形状等に合わせて焼入れ条件をより的確に設定するための補正手段を複数有する。即ち、制御部５３は、必要により、標準焼入れ条件を補正する。さらに、必要により、補正した焼入れ条件（以下、補正焼入れ条件という）を追加補正する。
【００３４】
補正手段としては、第１補正手段６２、第２補正手段６３、第３補正手段６５、およびオンライン補正手段６６が挙げられる。第１補正手段６２、第２補正手段６３、および第３補正手段６５は、焼入れ加工が開始される前に焼入れ条件を補正し、オンライン補正手段６６は、加工中に焼入れ条件を補正する。また、第３補正手段６５は、トライアル実行手段６４により後述のトライアルが実行された場合に補正を実行する。
【００３５】
第１補正手段６２は、焼入れ領域１０１の曲率半径Ｒが小さくなるに従って、レーザ光の走査速度を遅くする。つまり、一定である標準走査速度を、焼入れ領域１０１の曲率半径Ｒに合わせて補正する。また、第１補正手段６２は、走査速度を遅くするほど、レーザ光の出力を下げることが好ましい。焼入れ領域１０１に曲部が存在し、この曲率半径が小さい場合には、レーザ光が焼入れ領域１０１よりも内側を通る又はオーバーランすることが想定されるが、第１補正手段６２により、このような問題の発生を防止できる。また、走査速度に合わせて出力を変更することで、走査速度を遅くした曲部において過加熱状態となることを防止できる。
【００３６】
第１補正手段６２は、焼入れ領域１０１の曲率半径Ｒが所定の閾値Ｒｚ以下であるときに、曲率半径Ｒに応じて走査速度を遅くすることが好適である。閾値Ｒｚは、例えば、実験やシミュレーションにより決定することができ、制御モードＭ１〜Ｍ３に応じて変更することもできる。例えば、制御モードＭ１，Ｍ２，Ｍ３の順に、Ｒｚ＝０．５ｍｍ，０．４ｍｍ，０．３ｍｍのように設定できる。また、曲率半径Ｒが閾値Ｒｚ以下であっても、走査速度を一定にする範囲を定めて段階的に走査速度を変更してもよい。例えば、０．３ｍｍ＜Ｒ≦０．５ｍｍでは、標準走査速度の７５％とし、０．１ｍｍ＜Ｒ≦０．３ｍｍでは、標準走査速度の５０％とするように補正できる。
【００３７】
第２補正手段６３は、焼入れ領域１０１の表面凹凸が大きくなるに従って、レーザ光の焦点位置を標準焦点位置から大きくシフトさせる。つまり、第２補正手段６３は、一定である標準焦点位置を、焼入れ領域１０１の表面凹凸に合わせて補正する。これにより、表面凹凸が大きい部分であっても適正なワーキングディスタンスで加工することができる。
【００３８】
第２補正手段６３は、焼入れ領域１０１の表面凹凸の大きさＨが所定の閾値Ｈｚ以上であるときに、表面凹凸の大きさＨに応じて焦点位置をシフトさせることが好適である。閾値Ｈｚは、閾値Ｒｚと同様に、実験やシミュレーションにより決定することができ、制御モードＭ１〜Ｍ３に応じて変更することもできる。
【００３９】
図３に、焼入れ領域１０１の形状と焼入れ条件との関係を示す。
同図では、焼入れ領域１０１の平面図（紙面左側）、および焼入れ領域１０１のＡ線に沿ってワーク１００を切断した断面図（紙面右側）を示す。断面図では、紙面の左右方向がワーク１００の厚み方向である。また、断面図の紙面右側に、焦点位置をＰ０，Ｐ１，Ｐ２のそれぞれに設定する範囲を示す。
【００４０】
図３に例示する焼入れ領域１０１には、凹部１０２、凸部１０３、および２つの曲部１０４ａ，１０４ｂが存在する。曲部１０４ａ，１０４ｂに挟まれた直線部１０５には表面凹凸が存在せず、ここでの焼入れ条件が、標準焼入れ条件、即ち標準焦点位置Ｐ０、標準走査速度Ｖ０、標準出力Ｋ０となる。
【００４１】
一方、凹部１０２では、第２補正手段６３の機能により、焦点位置のみが標準焦点位置Ｐ０よりも下方にシフトした焦点位置Ｐ１に変更される。また、凸部１０３では、標準焦点位置Ｐ０よりも上方にシフトした焦点位置Ｐ２に変更される。標準焦点位置Ｐ０（直線部１０５）に対する表面凹凸の大きさ（直線部１０５との差）は、凹部１０２よりも凸部１０３の方が大きいため、焦点位置の変化量は、凹部１０２よりも凸部１０３において大きくなる。即ち、｜Ｐ２−Ｐ０｜＞｜Ｐ１−Ｐ０｜である。
【００４２】
さらに、曲部１０４ａ，１０４ｂでは、第１補正手段６２の機能により、走査速度が標準走査速度Ｖ０よりも遅くされる。そして、曲部１０４ｂの曲率半径Ｒｂは、曲部１０４ａの曲率半径Ｒａよりも小さいため、曲部１０４ｂでの走査速度Ｖｂは、曲部１０４ａでの走査速度Ｖａよりも遅くされる（Ｖｂ＜Ｖａ）。また、走査速度の減少に合わせて、出力を標準出力Ｋ０よりも小さくする。曲部１０４ｂにおける出力Ｋｂは、曲部１０４ａにおける出力Ｋａよりも小さくされる。
【００４３】
トライアル実行手段６４は、標準出力又は補正された出力を焼入れ領域１０１に酸化膜が形成されないレベルに変更してトライアルを行い、当該トライアルにおける焼入れ領域１０１の温度を計測する。トライアルとは、標準焼入れ条件又は補正焼入れ条件が適当であることを確認するためのプロセスであって、レーザ光の出力以外の条件は、実際に焼入れ加工を行うときと同じに設定される。
【００４４】
トライアル実行手段６４は、トライアルにおける焼入れ領域１０１の温度が、２００℃以下、好ましくは１００℃〜１５０℃となるように、レーザ光の出力を下げる（例えば、標準出力の１／１０）ことが好適である。このため、焼入れ領域１０１に酸化膜が形成されず、トライアルにより焼入れ領域１０１の表面状態が変化することを防止できる。
【００４５】
トライアルは、例えば、オペレータが実施の有無を選択可能な設定とすることができる。例えば、焼入れ領域１０１の形状が単純である場合には、標準焼入れ条件で十分に対応できるため、オペレータはトライアルを省略できる。或いは、補正手段による補正量に基づいて自動的にトライアルの有無を決定する設定としてもよく、例えば、補正量が多い場合に限定してトライアルを実施してもよい。
【００４６】
第３補正手段６５は、上記トライアルにおいて計測された焼入れ領域１０１の温度に応じて標準焼入れ条件又は補正焼入れ条件を変更する。第３補正手段６５は、例えば、トライアルで計測された焼入れ領域１０１の温度（以下、計測温度という）が、予測される温度から所定温度以上ずれる場合、又は計測温度の振れ幅ΔＴが所定範囲（例えば、計測温度±３０℃）を超える場合に焼入れ条件を変更する。後者の場合は、焼入れ領域１０１において、計測温度±３０℃を超える部分の焼入れ条件を、計測温度±３０℃を満たすように変更することが好適である。
【００４７】
第３補正手段６５による補正は、レーザ光の出力、焦点位置、走査速度のいずれを変更して行ってもよいが、補正が軽微である場合には、出力のみを変更して行うことが好適である。補正が軽微であるか否かの判定は、例えば、補正量と予め設定した閾値とを比較して行うことができ、補正量が閾値を超える場合には、焼入れ領域１０１の形状に応じて焦点位置や走査速度を変更してもよい。
【００４８】
オンライン補正手段６６は、焼入れ加工中において、オペレータが設定温度Ｔｓを変更した場合に、標準焼入れ条件又は補正焼入れ条件を変更する。本実施形態では、焼入れ加工中に設定温度Ｔｓを変更できる機能が操作部５１に含まれる。そして、オンライン補正手段６６は、操作部５１の操作に基づいて、焼入れ条件を変更する。例えば、設定温度Ｔｓが大きく変更されたときには、焼入れ条件を大きく変更する。この補正機能は、例えば、オペレータが焼入れ領域１０１から煙が発生する等して温度センサ１２により取得される温度が実際の温度よりも低いと判断した場合などに使用される。オペレータは、例えば、レーザ光が照射されている焼入れ領域１０１の色に基づいて、必要により、設定温度Ｔｓを変更することができる。
【００４９】
オンライン補正手段６６による補正は、第３補正手段６５と同様に、レーザ光の出力、焦点位置、走査速度のいずれを変更して行ってもよいが、操作部５１の操作に基づく補正であるため、出力のみを変更して行うことが好適である。
【００５０】
なお、トライアル実行手段６４は、レーザ光の出力を下げて焼入れ領域１０１に酸化膜を形成しながらトライアルを行い、当該酸化膜におけるレーザ光の吸収率を取得する構成とすることも好適である。実際の焼入れ加工では、ワーク１００が非常に高温になるため、加工点（レーザ光の照射スポット）の周囲もある程度高温になり、ワーク１００の表面に酸化膜が形成される場合がある。つまり、レーザ光を走査して焼入れするときに、次の加工点には既に酸化膜が形成されている場合がある。酸化膜を形成するトライアルは、このような場合に好適である。
【００５１】
この場合、トライアルにおける焼入れ領域１０１の温度が、好ましくは２００℃〜３００℃となるように、レーザ光の出力を下げることが好適である。なお、吸収率と放射率とは等しいから、トライアルにおける酸化膜の吸収率は、放射温度計を用いて取得することができる。このとき、放射温度計の光軸は、例えば、レーザ光の照射スポットの走査方向後方に設定することが好ましい。又は、吸収率測定用の放射温度計を別途設けてもよい。
【００５２】
この場合、第３補正手段６５は、トライアルにおいて取得された酸化膜の吸収率に応じて標準焼入れ条件又は補正焼入れ条件を変更する。第３補正手段６５は、例えば、酸化膜の吸収率に基づいて、レーザ光の出力を変更することができる。
【００５３】
ここで、図４および図５を参照しながら、上記構成を備えたレーザ焼入れシステム１０によりワーク１００を焼入れ加工するときの制御手順の一例について詳説する。
図４および図５は、かかる制御手順を示すフローチャートである。同図では、オペレータによる手順を鎖線で囲み、制御部５３による手順を実線で囲んでいる。
【００５４】
まず初めに、オペレータによって加工に必要なパラメータが入力される（Ｓ１０）。入力されるパラメータとしては、ワーク１００の材質、焼入れ領域１０１を含むワーク１００の形状を示すＣＡＤデータ、および制御モード（Ｍ１〜Ｍ３のいずれか）が挙げられる。オペレータは、操作部５１の操作により、これらのパラメータを入力することができる。
【００５５】
続いて、入力されたワーク１００の材質から焼入れに使用するレーザ光の吸収率を導き、焼入れ温度を設定する（Ｓ１１）。なお、Ｓ１１〜Ｓ１３の手順は、焼入れ条件演算手段６０の機能により実行される。ワーク１００の上記吸収率に対応する焼入れ温度は、例えば、制御部５３の記憶部に予め記憶されている。そして、焼入れ条件演算手段６０は、上記吸収率に対応する焼入れ温度を設定する（設定温度Ｔｓの決定）。ここで、上記吸収率は、ワーク１００の材質だけでなく、表面粗さ等を考慮して導出してもよい。また、複数の制御モードのうち、選択された制御モードを焼入れ条件演算の前提条件として設定する（Ｓ１２）。
【００５６】
そして、設定温度Ｔｓと、ワーク１００の形状を示すＣＡＤデータと、選択された制御モードとに基づいて、標準焼入れ条件を演算する（Ｓ１３）。焼入れ演算手段６０は、焼入れ領域１０１の全域において、例えば、レーザ光の各照射スポットでの温度が一定となるように、標準出力、標準焦点位置、および標準走査速度を演算する。
【００５７】
次に、Ｓ１４〜Ｓ２２において、焼入れ条件を補正する。なお、Ｓ２４，Ｓ２５は、焼入れ加工中に焼入れ条件を補正するステップである。
【００５８】
まず、Ｓ１４では、ワーク１００のＣＡＤデータに基づいて、焼入れ領域１０１の曲部の曲率半径Ｒが閾値Ｒｚ以下であるか否かを判定する。Ｓ１４において、曲率半径Ｒが閾値Ｒｚ以下であると判定されたときには、曲率半径Ｒが小さくなるに従って、レーザ光の走査速度を遅くする（Ｓ１５）。即ち、アーム部４２の動きを遅くする。一方、焼入れ領域１０１に曲部が存在しない場合や曲部の曲率半径Ｒが閾値Ｒｚよりも大きく曲率が緩やかである場合には、標準走査速度を維持して、次の補正ステップに進む。
【００５９】
Ｓ１６では、Ｓ１４と同様に、ＣＡＤデータに基づいて、焼入れ領域１０１の表面凹凸の大きさＨが閾値Ｈｚ以上であるか否かを判定する。Ｓ１６において、閾値Ｈｚ以上の表面凹凸があると判定されたときには、表面凹凸の大きさＨが大きくなるに従って、レーザ光の焦点位置を標準焦点位置から大きくシフトさせる（Ｓ１７）。即ち、フォーカスレンズやアーム部４２を制御して、凹部においては、その深さに応じて焦点位置を下方にシフトさせ、凸部においては、その高さに応じて焦点位置を上方にシフトさせる。一方、焼入れ領域１０１に表面凹凸が存在しない場合や表面凹凸の大きさＨが閾値Ｈｚよりも小さな場合には、標準焦点位置を維持して、次の補正ステップに進む。
【００６０】
Ｓ１８では、上記トライアルの実施の有無を判定する。トライアルの実施の有無は、オペレータにより選択可能とすることが好適であり、実施が選択されたときには、レーザ光の出力を下げてトライアルを実施する（Ｓ１９，Ｓ２０）。トライアルでは、ワーク１００に酸化膜が形成されない程度まで出力を下げ、その他のパラメータは実際の焼入れ加工時と同じに設定する。そして、温度センサ１２により焼入れ領域１０１の温度を計測する。
【００６１】
続いて、トライアルにおける計測温度の振れ幅ΔＴが所定範囲ΔＴｚよりも大きいか否かを判定する（Ｓ２１）。Ｓ２１において、振れ幅ΔＴが所定範囲ΔＴｚよりも大きいと判定されたときには、焼入れ条件を補正する（Ｓ２２）。焼入れ条件の補正は、例えば、レーザ光の出力を変更することにより行う。一方、振れ幅ΔＴが所定範囲ΔＴｚよりも小さい場合には、標準焼入れ条件又は補正焼入れ条件が適当であることを意味し、補正を行わずに次のステップに進む。
【００６２】
そして、標準焼入れ条件又は補正焼入れ条件に従って焼入れ加工を開始する（Ｓ２３）。この手順は、焼入れ制御手段６１の機能により実行される。ロボット装置４０は焼入れ領域１０１に沿って加工ヘッド３０を動かし、自動的に加工が行われるが、通常、オペレータは加工状態を観察する。そして、焼入れ領域１０１の色等から、焼入れ温度が適切ではないと判断したときには、操作部５１の操作により設定温度Ｔｓを変更することができ（Ｓ２４）、この操作に基づき加工中に焼入れ条件を補正する（Ｓ２５）。このとき、焼入れ条件の補正は、レーザ光の出力を変更することにより行うことが好適である。
【００６３】
なお、焼入れ領域１０１の全域において、焼入れが完了したときには（Ｓ２６）、焼入れ加工の全工程を終了する。
【符号の説明】
【００６４】
１０ レーザ焼入れシステム、１１ 加工テーブル、１２ 温度センサ、１３ センサ用ファイバ、１４ センサ用アンプ、２０ レーザ装置、２１ レーザ用ファイバ、３０ 加工ヘッド、４０ ロボット装置、４１ 本体部、４２ アーム部、５０ メインコントローラ、５１ 操作部、５２ 表示部、５３ 制御部、６０ 焼入れ条件演算手段、６１ 焼入れ制御手段、６２ 第１補正手段、６３ 第２補正手段、６４ トライアル実行手段、６５ 第３補正手段、６６ オンライン補正手段、１００ ワーク、１０１ 焼入れ領域、１０２ 凹部、１０３ 凸部、１０４ａ，１０４ｂ 曲部、１０５ 直線部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力するレーザ装置と、
ワークの熱処理領域に前記レーザ光を照射するための加工ヘッドと、
前記ワークと前記加工ヘッドとの位置関係を相対的に変化させるレーザ光走査装置と、
前記ワークの材質に応じた熱処理温度を設定し、当該熱処理温度に基づいて、標準熱処理条件を演算する手段を有する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記熱処理領域の曲率半径および前記熱処理領域の表面凹凸のうち少なくとも一方に基づいて、前記標準熱処理条件を変更する補正手段を有することを特徴とするレーザ熱処理システム。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ熱処理システムにおいて、
前記補正手段は、前記熱処理領域の曲率半径が小さくなるに従って、前記レーザ光の走査速度を遅くする第１補正手段を含むことを特徴とするレーザ熱処理システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のレーザ熱処理システムにおいて、
前記標準熱処理条件には、前記レーザ光の標準焦点位置が含まれ、
前記補正手段は、前記熱処理領域の表面凹凸が大きくなるに従って、焦点位置を前記標準焦点位置から大きくシフトさせる第２補正手段を含むことを特徴とするレーザ熱処理システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ熱処理システムにおいて、
加工精度および加工速度に基づいて予め設定された制御モードの選択を可能とし、
前記制御装置は、選択された前記制御モードに応じて前記熱処理条件を演算することを特徴とするレーザ熱処理システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ熱処理システムにおいて、
前記熱処理領域の温度を計測する温度センサを備え、
前記制御装置は、前記レーザ光の出力を前記熱処理領域に酸化膜が形成されないレベルに変更してトライアルを行い、当該トライアルにおける前記熱処理領域の温度を計測する手段を有し、
前記補正手段は、前記トライアルにおいて計測された前記温度に応じて前記標準熱処理条件又は補正された前記標準熱処理条件を変更する第３補正手段を含むことを特徴とするレーザ熱処理システム。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ熱処理システムにおいて、
前記熱処理領域の温度を計測する放射温度計を備え、
前記制御装置は、前記レーザ光の出力を下げて前記熱処理領域に酸化膜を形成しながらトライアルを行い、前記酸化膜における前記レーザ光の吸収率を取得する手段を有し、
前記補正手段は、前記トライアルにおいて取得された前記吸収率に応じて前記標準熱処理条件又は補正された前記標準熱処理条件を変更する第３補正手段を含むことを特徴とするレーザ熱処理システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ熱処理システムにおいて、
熱処理中に操作が可能な前記熱処理温度の設定を変更するための操作部を備え、
前記補正手段は、前記操作部の操作に基づいて、前記標準熱処理条件又は補正された前記標準熱処理条件を変更するオンライン補正手段を含むことを特徴とするレーザ熱処理システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザ熱処理システムにおいて、
前記熱処理は、焼入れ、窒化、浸炭、焼なまし、焼戻し、又は焼ならしであることを特徴とするレーザ熱処理システム。
【請求項１】
レーザ光を出力するレーザ装置と、
ワークの熱処理領域に前記レーザ光を照射するための加工ヘッドと、
前記ワークと前記加工ヘッドとの位置関係を相対的に変化させるレーザ光走査装置と、
前記ワークの材質に応じた熱処理温度を設定し、当該熱処理温度に基づいて、標準熱処理条件を演算する手段を有する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記熱処理領域の曲率半径および前記熱処理領域の表面凹凸のうち少なくとも一方に基づいて、前記標準熱処理条件を変更する補正手段を有することを特徴とするレーザ熱処理システム。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ熱処理システムにおいて、
前記補正手段は、前記熱処理領域の曲率半径が小さくなるに従って、前記レーザ光の走査速度を遅くする第１補正手段を含むことを特徴とするレーザ熱処理システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のレーザ熱処理システムにおいて、
前記標準熱処理条件には、前記レーザ光の標準焦点位置が含まれ、
前記補正手段は、前記熱処理領域の表面凹凸が大きくなるに従って、焦点位置を前記標準焦点位置から大きくシフトさせる第２補正手段を含むことを特徴とするレーザ熱処理システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ熱処理システムにおいて、
加工精度および加工速度に基づいて予め設定された制御モードの選択を可能とし、
前記制御装置は、選択された前記制御モードに応じて前記熱処理条件を演算することを特徴とするレーザ熱処理システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ熱処理システムにおいて、
前記熱処理領域の温度を計測する温度センサを備え、
前記制御装置は、前記レーザ光の出力を前記熱処理領域に酸化膜が形成されないレベルに変更してトライアルを行い、当該トライアルにおける前記熱処理領域の温度を計測する手段を有し、
前記補正手段は、前記トライアルにおいて計測された前記温度に応じて前記標準熱処理条件又は補正された前記標準熱処理条件を変更する第３補正手段を含むことを特徴とするレーザ熱処理システム。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ熱処理システムにおいて、
前記熱処理領域の温度を計測する放射温度計を備え、
前記制御装置は、前記レーザ光の出力を下げて前記熱処理領域に酸化膜を形成しながらトライアルを行い、前記酸化膜における前記レーザ光の吸収率を取得する手段を有し、
前記補正手段は、前記トライアルにおいて取得された前記吸収率に応じて前記標準熱処理条件又は補正された前記標準熱処理条件を変更する第３補正手段を含むことを特徴とするレーザ熱処理システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ熱処理システムにおいて、
熱処理中に操作が可能な前記熱処理温度の設定を変更するための操作部を備え、
前記補正手段は、前記操作部の操作に基づいて、前記標準熱処理条件又は補正された前記標準熱処理条件を変更するオンライン補正手段を含むことを特徴とするレーザ熱処理システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザ熱処理システムにおいて、
前記熱処理は、焼入れ、窒化、浸炭、焼なまし、焼戻し、又は焼ならしであることを特徴とするレーザ熱処理システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−１０４１０３（Ｐ２０１３−１０４１０３Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４８７６７（Ｐ２０１１−２４８７６７）
【出願日】平成２３年１１月１４日（２０１１．１１．１４）
【出願人】（５０６１５８１９７）公立大学法人 滋賀県立大学 (29)
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１４日（２０１１．１１．１４）
【出願人】（５０６１５８１９７）公立大学法人 滋賀県立大学 (29)
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