JPH09314361A - Surface hardening method by laser beam - Google Patents
Surface hardening method by laser beamInfo
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- JPH09314361A JPH09314361A JP8130035A JP13003596A JPH09314361A JP H09314361 A JPH09314361 A JP H09314361A JP 8130035 A JP8130035 A JP 8130035A JP 13003596 A JP13003596 A JP 13003596A JP H09314361 A JPH09314361 A JP H09314361A
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Abstract
Description
【０００１】[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、特にレーザーの直線偏光成分のうちのＰ偏
光成分を利用して表面焼入れを施すようにしたレーザー
による表面焼入れ方法。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surface hardening method using a laser, and more particularly to a surface hardening method using a laser in which the P-polarized light component of the linearly polarized light component of the laser is utilized.
【０００２】[0002]
【従来の技術】一般に、レーザーによる材料加工は、発
熱を伴わない非熱加工と、発熱を伴う熱加工とに大別さ
れ、更に後者の熱加工には、それぞれ加工材料であるワ
ークの表面温度が融点より低い場合の変態加工（例え
ば、表面焼入れ）、融点より高く沸点より低い場合の接
合加工（例えば、溶接）、沸点より高い場合の除去加工
（例えば、切断）がある。2. Description of the Related Art Generally, material processing by laser is roughly classified into non-thermal processing that does not generate heat and thermal processing that generates heat. Further, in the latter thermal processing, the surface temperature of a workpiece, which is a processing material, is used. If the temperature is lower than the melting point, there is transformation processing (for example, surface quenching), if it is higher than the melting point and lower than the boiling point, joining processing (for example, welding), and if it is higher than the boiling point, there is removal processing (for example, cutting).
【０００３】本発明は、このうち、上記変態加工の一例
である表面焼入れを対象とする。Of these, the present invention is directed to surface hardening, which is an example of the above-mentioned transformation processing.
【０００４】本発明の対象である表面焼入れは、既述し
たように、接合加工の一例である溶接や、除去加工の一
例である切断に比べて、ワークの表面が低い温度で加熱
されるので、照射されるレーザービームのワーク表面に
おけるエネルギー強度も低く設定しなければならない。As described above, the surface quenching which is the object of the present invention heats the surface of the work at a lower temperature than the welding which is an example of the joining process and the cutting which is an example of the removing process. , The energy intensity of the irradiated laser beam on the work surface must also be set low.
【０００５】このため、発振器から出力されたレーザー
ビームを一旦レンズで集光し、焦点はずしによりエネル
ギー強度を低くしてワーク表面に照射し、ワーク表面を
上記低い温度で加熱するようにしている。For this reason, the laser beam output from the oscillator is once focused by a lens, and the energy intensity is lowered by defocusing to irradiate the work surface to heat the work surface at the low temperature.
【０００６】しかし、このように低いエネルギー強度の
レーザービームにより、表面焼入れを効率良く行うため
には、ワークの焼入れを施すべき表面にレーザービーム
が容易に吸収されなければならず、そのためには、レー
ザービームの吸収率を増大させる必要がある。However, in order to efficiently perform the surface hardening by the laser beam having such a low energy intensity, the surface of the workpiece to be hardened must be easily absorbed by the laser beam. It is necessary to increase the absorption rate of the laser beam.
【０００７】この点については、従来、焼入れ表面に、
例えば黒い吸収剤を塗ることにより黒化処理を行い、レ
ーザービームの吸収率を増大させている。Regarding this point, conventionally, the hardened surface is
For example, blackening treatment is performed by applying a black absorber to increase the absorption rate of the laser beam.
【０００８】一方、レーザービームの径や、その径の大
きさに比例するエネルギー強度の分布であるモードは、
設計上決められた発振器固有のものである。On the other hand, the mode that is the diameter of the laser beam and the energy intensity distribution proportional to the size of the diameter is
It is unique to the oscillator determined by design.
【０００９】従って、発振器から出力されたままのレー
ザービームを、焼入れ表面に直接照射した場合は、次の
ような不都合が生じる。Therefore, if the laser beam as it is output from the oscillator is directly applied to the hardened surface, the following problems occur.
【００１０】即ち、エネルギー強度分布の幅が狭い低次
モードの場合には、一般には、エネルギー強度分布の中
心が高い。That is, in the case of the low-order mode in which the width of the energy intensity distribution is narrow, the center of the energy intensity distribution is generally high.
【００１１】このため、低次モードのレーザービームを
焼入れ表面に照射しても、その焼入れ表面が平坦ではな
く、屋根状に三角形を呈する場合には、三角形の陵には
適正な焼入れが施されたとしても、頂点では過度な入熱
となり、溶融してしまう。For this reason, even if the hardened surface is irradiated with a laser beam of a lower order mode, and the hardened surface is not flat and has a roof-like triangular shape, the triangular roof is appropriately hardened. Even if it does, it will have excessive heat input at the top and will melt.
【００１２】このことは、レーザービームのエネルギー
強度分布の幅に広がりがある高次モードの場合でも同様
である。This also applies to the higher-order mode in which the energy intensity distribution of the laser beam is wide.
【００１３】従って、上述したように発振器固有のエネ
ルギー強度分布を、焼入れ表面の形状に合わせて変化さ
せなけれは、その焼入れ表面に均一なレーザー入熱分布
を与えることはできず、従って、均一な表面焼入れを行
うことはできない。Therefore, unless the energy intensity distribution peculiar to the oscillator is changed according to the shape of the hardened surface as described above, it is not possible to give a uniform laser heat input distribution to the hardened surface, and therefore a uniform Surface hardening cannot be performed.
【００１４】この点については、従来より、発振器から
出力さたレーザービームを特殊な光学系を利用して成形
するレーザービーム成形法が使用され、例えば、発振器
から出力されたレーザービームをセグメントミラーに当
てて細分化し、細分化した各ビームを重ね合わせてから
焼入れ表面に照射することにより、均一なレーザー入熱
分布を与えている。With respect to this point, a laser beam forming method for forming a laser beam output from an oscillator by using a special optical system has been conventionally used. For example, a laser beam output from an oscillator is used as a segment mirror. A uniform laser heat input distribution is given by irradiating the hardened surface after irradiating and subdividing them by superimposing the respective subdivided beams.
【００１５】[0015]
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
は、レーザービームの吸収率を増大させるために、吸収
塗剤が使用されている。As described above, conventionally, an absorbing coating agent is used to increase the absorption rate of the laser beam.
【００１６】しかし、焼入れ表面には、使用された吸収
剤の跡が残るので、美観を損ねると共に製品の価値が低
下する。However, since the traces of the used absorbent remain on the hardened surface, the appearance is impaired and the value of the product is reduced.
【００１７】従って、レーザー処理後に、この吸収剤を
除去せねばならず、手間と時間がかかる。Therefore, after the laser treatment, this absorbent must be removed, which takes time and labor.
【００１８】その結果、従来の吸収剤を用いたレーザー
による表面焼入れ方法は、量産には不向きである等の弊
害がある。As a result, the conventional surface hardening method using a laser using an absorbent is not suitable for mass production.
【００１９】また、焼入れ表面に均一なレーザー入熱分
布を与える方法としての上述したセグメントミラー法
は、一般には、平坦な焼入れ表面にレーザービームのエ
ネルギーを集中させるという特徴がある。Further, the above-mentioned segment mirror method as a method for giving a uniform laser heat input distribution to the hardened surface is generally characterized in that the energy of the laser beam is concentrated on a flat hardened surface.
【００２０】従って、焼入れ表面が平坦ではなく特殊な
形状の場合（例えば、溝が形成されている場合）には、
その形状に合った均一なレーザー入熱分布を与えるよう
な特殊光学系や、セグメントミラーをその都度準備しな
ければならない。Therefore, when the quenching surface is not flat and has a special shape (for example, a groove is formed),
Special optical systems and segment mirrors that give a uniform laser heat input distribution that matches the shape must be prepared each time.
【００２１】このことは、極めて面倒で手間がかかるの
で、実際には困難であり、かつ実現できたとしても高価
にならざるを得ない。Since this is extremely troublesome and time-consuming, it is actually difficult, and even if it can be realized, it must be expensive.
【００２２】本発明の目的は、直線偏光からＰ偏光のみ
を取り出し、Ｐ偏光のレーザービームを焼入れ表面に照
射することにより、吸収剤を用いずに表面焼入れを行う
と共に、焼入れ表面の形状に合わせた均一な焼入れを容
易に実現できるレーザーによる表面焼入れ方法を提供す
ることにある。An object of the present invention is to take out only P-polarized light from linearly polarized light and irradiate the hardened surface with a P-polarized laser beam to perform surface hardening without using an absorbent and to match the shape of the hardened surface. Another object of the present invention is to provide a surface quenching method using a laser that can easily realize uniform quenching.
【００２３】[0023]
【課題を解決するための手段】この発明は、上記従来技
術に基づく、吸収剤を使用することの煩わしさと、焼入
れ表面の形状に合ったレーザーの入熱分布が容易に得ら
れないという課題に鑑み、レーザー発振器から出力され
る直線偏光からＰ偏光だけを取り出し、Ｐ偏光レーザー
ビームを利用して表面焼入れを行うことにより、上記課
題を解決せんとするものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is based on the above-mentioned prior art and has a problem in that it is difficult to use an absorber and that a heat input distribution of a laser that matches the shape of a hardened surface cannot be easily obtained. In view of this, the above problem is solved by extracting only P-polarized light from the linearly polarized light output from the laser oscillator and performing surface hardening using a P-polarized laser beam.
【００２４】従って、この発明の構成は、レーザー発振
器１から出力された直線偏光レーザービームｂ１を薄膜
偏光板２に入射させることにより（図１、図２）、直線
偏光を構成するＰ偏光とＳ偏光のうち、焼入れ対象であ
るワーク４に対する吸収率Ａが大きい（図３）Ｐ偏光の
みを取り出してＰ偏光レーザービームを照射し（図１、
図２）、また取り出したＰ偏光のレーザービームｂ２を
複数本に分割して成形することにより（図４〜図５）、
エネルギー強度分布Ｅ２のパターンを焼入れ表面の形状
に合わせて変化させ（図６）、変化後のエネルギー強度
分布パターンを有するＰ偏光レーザービームｂ２１、ｂ
２２を焼入れ表面に照射し、吸収剤を用いずに表面焼入
れ行うと共に、焼入れ表面の形状に合わせた均一な焼入
れが容易に実現できるように作用する。Therefore, in the structure of the present invention, the linearly polarized laser beam b1 outputted from the laser oscillator 1 is made incident on the thin film polarizing plate 2 (FIGS. 1 and 2), so that the P polarized light and the S polarized light constituting the linearly polarized light are formed. Of the polarized light, only the P-polarized light having a large absorptance A for the work 4 to be quenched (FIG. 3) is extracted and irradiated with the P-polarized laser beam (FIG. 1,
2), and by dividing the extracted P-polarized laser beam b2 into a plurality of pieces (FIGS. 4 to 5),
The pattern of the energy intensity distribution E2 is changed according to the shape of the quenched surface (FIG. 6), and the P-polarized laser beams b21, b having the changed energy intensity distribution pattern are obtained.
The hardened surface is irradiated with No. 22 to quench the surface without using an absorbent, and at the same time, it functions to easily realize uniform quenching according to the shape of the hardened surface.
【００２５】[0025]
【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。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the accompanying drawings according to embodiments.
【００２６】Ａ．請求項１記載の発明 請求項１記載の発明は、直線偏光からＰ偏光のみを取り
出してＰ偏光レーザービームをワーク焼入れ表面に照射
する方法である。以下、図１〜図３を参照しながら、本
発明を手順に従って説明する。A. Invention of Claim 1 The invention of Claim 1 is a method of extracting only P-polarized light from linearly polarized light and irradiating a workpiece hardening surface with a P-polarized laser beam. Hereinafter, the present invention will be described step by step with reference to FIGS.
【００２７】（１）先ず、直線偏光のレーザービームを
出力する。即ち、図１に示すように、レーザー発振器１
（例えば、ＣＯ2 レーザー）から直線偏光のレーザービ
ームｂ１を出力する。図示するレーザー発振器１は、全
反射鏡（図示省略）と出力鏡（図示省略）とで構成され
る基本的なものである。(1) First, a linearly polarized laser beam is output. That is, as shown in FIG.
A linearly polarized laser beam b1 is output from (for example, a CO 2 laser). The illustrated laser oscillator 1 is a basic one including a total reflection mirror (not shown) and an output mirror (not shown).
【００２８】従って、このような基本的な構成を有する
レーザー発振器１は、光学的に直列であることから、出
力されるレーザービームは、一般には、直線偏光であ
る。Therefore, since the laser oscillator 1 having such a basic structure is optically in series, the output laser beam is generally linearly polarized light.
【００２９】（２）次に、出力した直線偏光レーザービ
ームを構成するＰ偏光とＳ偏光のレーザービームのう
ち、Ｐ偏光のレーザービームのみを分離する。(2) Next, of the P-polarized and S-polarized laser beams forming the output linearly polarized laser beam, only the P-polarized laser beam is separated.
【００３０】上記レーザー発振器１から出力された直線
偏光レーザービームｂ１の成分は、よく知られているよ
うに、電界の振動方向が入射面Ｎに平行なＰ偏光と、入
射面Ｎに垂直なＳ偏光に分けることができる。As is well known, the components of the linearly polarized laser beam b1 output from the laser oscillator 1 are P-polarized light whose vibration direction of the electric field is parallel to the incident surface N and S-polarized light perpendicular to the incident surface N. It can be divided into polarized light.
【００３１】本発明では、このうち、Ｐ偏光のみを取り
出すことにより、直線偏光レーザービームｂ１からＰ偏
光レーザービームｂ２だけを分離する。In the present invention, only P-polarized laser beam b2 is separated from linearly-polarized laser beam b1 by extracting only P-polarized light among them.
【００３２】この場合の分離手段としては、例えば、図
１に示すように、薄膜偏光板２があり、レーザー発振器
１の内と外に設置することができる。As a separating means in this case, for example, as shown in FIG. 1, there is a thin film polarizing plate 2, which can be installed inside and outside the laser oscillator 1.
【００３３】上記薄膜偏光板２は、例えば、ＡＲコート
やフッ化ナトリウムとセレン亜鉛の多層コートで構成さ
れたものである。The thin film polarizing plate 2 is composed of, for example, an AR coat or a multilayer coat of sodium fluoride and selenium zinc.
【００３４】このような、薄膜偏光板２に、直線偏光レ
ーザービームｂ１をブリュースター角θ１（ほぼ６７．
５°）で入射させると、図示するように、Ｐ偏光レーザ
ービームｂ２は透過し、Ｓ偏光レーザービームｂ３は反
射する。A linearly polarized laser beam b1 is applied to such a thin film polarizing plate 2 by Brewster angle θ1 (approximately 67.
When incident at 5 °, the P-polarized laser beam b2 is transmitted and the S-polarized laser beam b3 is reflected, as shown in the figure.
【００３５】反射したＳ偏光レーザービームｂ３を、ビ
ームアブソーバー５に入射させれば、熱変換されて消滅
するので、Ｐ偏光レーザービームｂ２だけを分離するこ
とができる。When the reflected S-polarized laser beam b3 is incident on the beam absorber 5, it is thermally converted and disappears, so that only the P-polarized laser beam b2 can be separated.
【００３６】このようにして、直線偏光のうちのＰ偏光
のみを取り出すためには、透過モード（透過光を得るた
めのモード）を表すＴP ／ＴS （消光比、ＴP はＰ偏光
の透過成分、ＴS はＳ偏光の透過成分である）を４０以
上に維持することが望ましい。In this way, in order to extract only the P-polarized light of the linearly polarized light, T P / T S (extinction ratio, T P is the P-polarized light) representing the transmission mode (mode for obtaining the transmitted light). The transmission component, T S is the transmission component of S-polarized light) is preferably maintained at 40 or more.
【００３７】従って、上記ＴP ／ＴS を４０以上に維持
するために、図示する薄膜偏光板２に角度の微調整を行
うあおり機構を取付け、薄膜偏光板２を適正な角度に支
持すると共に、その製作誤差や、組み立て誤差等を除く
ことにより、Ｐ偏光の透過効率を最大限に高めることが
好ましい。Therefore, in order to maintain the above T P / T S at 40 or more, a tilting mechanism for finely adjusting the angle is attached to the illustrated thin film polarizing plate 2 to support the thin film polarizing plate 2 at an appropriate angle. It is preferable to maximize the transmission efficiency of P-polarized light by eliminating the manufacturing error and the assembly error.
【００３８】また、薄膜偏光板２を２枚以上の偏光板に
より構成し、一部透過したＳ偏光のバック光（反射光）
を遮断する場合もある。Further, the thin film polarizing plate 2 is composed of two or more polarizing plates, and the S-polarized back light (reflected light) partially transmitted.
May be shut off.
【００３９】尚、上記図１、及び後述する図２、図４〜
図５において、レーザー発振器１や薄膜偏光板２等の各
装置は、仮想平面α上に設けられている。The above-mentioned FIG. 1 and FIGS.
In FIG. 5, each device such as the laser oscillator 1 and the thin film polarizing plate 2 is provided on a virtual plane α.
【００４０】（３）次いで、上記分離したＰ偏光レーザ
ービームを、所定の角度で、ワークの焼入れを施すべき
表面に照射する。(3) Next, the separated P-polarized laser beam is applied to the surface of the work to be quenched at a predetermined angle.
【００４１】図示するように、薄膜偏光板２により分離
したＰ偏光レーザービームｂ２は、矢印Ａ方向に移動す
る表面焼入れ対象であるワーク４に向かって直進する。As shown in the figure, the P-polarized laser beam b2 separated by the thin-film polarizing plate 2 goes straight toward the workpiece 4 which is a surface hardening target and moves in the direction of arrow A.
【００４２】ワーク４に向かったＰ偏光レーザービーム
ｂ２は、所定の角度、例えば、ブリュースター角θ２
で、ワーク４の焼入れを施すべき表面４Ａ、即ち、ワー
ク焼入れ表面４Ａに照射される。The P-polarized laser beam b2 directed to the work 4 has a predetermined angle, for example, Brewster angle θ2.
Then, the surface 4A of the work 4 to be hardened, that is, the work hardened surface 4A is irradiated.
【００４３】一般に、ワーク４が金属材料で形成されて
いる場合は、直線偏光レーザービームの吸収率は、ワー
ク４を照射するときの入射角によって変化する。In general, when the work 4 is made of a metal material, the absorption rate of the linearly polarized laser beam changes depending on the incident angle when the work 4 is irradiated.
【００４４】図３は、ＣＯ2 レーザーから出力された直
線偏光レーザービームの吸収率Ａの入射角特性図であ
り、ワーク４が金属材料（例えば、鋼）で形成されてい
る場合のＰ偏光の吸収率ＡP と、Ｓ偏光の吸収率ＡS が
示されている。FIG. 3 is an incident angle characteristic diagram of the absorptance A of the linearly polarized laser beam output from the CO 2 laser, showing the P polarized light when the work 4 is made of a metal material (for example, steel). The absorptance A P and the absorptance A S of S-polarized light are shown.
【００４５】図３に示すように、Ｐ偏光の吸収率Ａ
P は、入射角θが増大するに従って増大し、入射角θが
９０°近くのブリュースター角θ２になると、最大とな
る。As shown in FIG. 3, the absorption rate A for P-polarized light is
P increases as the incident angle θ increases, and becomes maximum when the incident angle θ becomes a Brewster angle θ2 near 90 °.
【００４６】従って、本発明により、Ｐ偏光レーザービ
ームｂ２を焼入れ表面４Ａに照射する場合でも、図１に
示すように、上記ブリュースター角θ２で照射すること
が好ましい。Therefore, according to the present invention, even when the quenching surface 4A is irradiated with the P-polarized laser beam b2, it is preferable to irradiate it at the Brewster angle θ2 as shown in FIG.
【００４７】このようにＰ偏光レーザービームｂ２を、
所定の角度、例えば、ブリュースター角θ２で焼入れ表
面４Ａに照射することにより、吸収剤を用いずに表面焼
入れを行うことができる。In this way, the P-polarized laser beam b2 is
By irradiating the quenching surface 4A at a predetermined angle, for example, Brewster's angle θ2, the surface quenching can be performed without using an absorbent.
【００４８】尚、図３は、既述したように、ＣＯ2 レー
ザーから出力された直線偏光レーザービーム（波長１
０．６μｍ）の吸収率が呈する入射角特性であるが、Ｙ
ＡＧレーザーから出力された直線偏光レーザービーム
（波長１．０６μｍ）の吸収率も基本的に同様の特性を
示し、そのＰ偏光レーザービームを焼入れ表面に照射し
ても、吸収剤を用いずに表面焼入れを行うことができ
る。ただし、ＹＡＧレーザーは、単独でも吸収率がＣＯ
2 レーザーに比べて高いので、そのまま用いる場合もあ
る。As described above, FIG. 3 shows the linearly polarized laser beam (wavelength 1) output from the CO 2 laser.
0.6 μm) is the incident angle characteristic exhibited by the absorptivity
Absorption rate of linearly polarized laser beam (wavelength 1.06 μm) output from AG laser also shows basically the same characteristic, and even if the P-polarized laser beam is irradiated on the hardened surface, the surface is not used an absorbent. Quenching can be performed. However, the YAG laser alone has a CO absorption of
Since it is higher than the two lasers, it may be used as it is.
【００４９】また、図３において、左側の縦軸は、右側
の吸収率Ａに対応した反射率Ｒを示し、グラフ中の○と
×は、それぞれ実験値を示し、また３００Ｋ等は、レー
ザービームを照射することにより加熱された金属材料の
表面温度（絶対温度）を示している。In FIG. 3, the vertical axis on the left side shows the reflectance R corresponding to the absorption rate A on the right side, ○ and × in the graph represent experimental values, and 300K and the like represent laser beam. The surface temperature (absolute temperature) of the metal material heated by irradiating is shown.
【００５０】図２は、本発明の第２実施形態を示す図で
ある。図１の実施形態と異なるのは、レーザー発振器１
から出力された直線偏光レーザービームｂ１を、薄膜偏
光板２とビームアブソーバー５（図１）を組み込んだ薄
膜偏光板ユニット２５にブリュースター角θ１で入射角
させることによりＰ偏光レーザービームｂ２のみを分離
し、分離したＰ偏光レーザービームｂ２を、図示するよ
うに、偏向ミラー３と微小往復回転ミラー７を介してワ
ーク焼入れ表面４Ａに照射する点である。FIG. 2 is a diagram showing a second embodiment of the present invention. The difference from the embodiment of FIG. 1 is that a laser oscillator 1
The P-polarized laser beam b2 is separated by making the linearly polarized laser beam b1 output from the laser beam incident on the thin-film polarizing plate unit 25 incorporating the thin-film polarizing plate 2 and the beam absorber 5 (FIG. 1) at Brewster's angle θ1. Then, the separated P-polarized laser beam b2 is applied to the workpiece hardening surface 4A via the deflection mirror 3 and the minute reciprocating rotary mirror 7 as shown in the figure.
【００５１】上記微小往復回転ミラー７は、Ｐ偏光レー
ザービームｂ２の反射点を含む光軸７Ａに関して微小角
度だけ往復回転する（矢印Ｂ）ガルバノミラーである。The minute reciprocating rotary mirror 7 is a galvanometer mirror that reciprocally rotates by a minute angle (arrow B) with respect to the optical axis 7A including the reflection point of the P-polarized laser beam b2.
【００５２】従って、この微小往復回転ミラー７で反射
したＰ偏光レーザービームｂ２は、図示するように、ワ
ーク焼入れ表面４Ａの横方向に対して振動し、ワーク焼
入れ表面４Ａの幅を拡大させる効果を有する。Therefore, as shown in the drawing, the P-polarized laser beam b2 reflected by the minute reciprocating rotary mirror 7 vibrates in the lateral direction of the workpiece hardening surface 4A, and has the effect of expanding the width of the workpiece hardening surface 4A. Have.
【００５３】Ｂ．請求項３記載の発明B. The invention according to claim 3
【００５４】請求項３記載の発明は、直線偏光からＰ偏
光のみを取り出すと共に、Ｐ偏光レーザービームを成形
し、エネルギー強度分布パターンをワーク焼入れ表面の
形状に合わせて変化させ、照射する方法である。以下、
図４〜図６を参照しながら、本発明を手順に従って説明
する。According to a third aspect of the present invention, only P-polarized light is extracted from the linearly polarized light, a P-polarized laser beam is shaped, and the energy intensity distribution pattern is changed according to the shape of the workpiece quenching surface, and irradiation is performed. . Less than,
The present invention will be described step by step with reference to FIGS.
【００５５】（１）先ず、直線偏光のレーザービームを
出力する。即ち、請求項１記載の発明と同様に（図１、
図２）、図４（Ａ）に示す光学的に直列に構成されたレ
ーザー発振器１から、直線偏光のレーザービームｂ１を
出力する。(1) First, a linearly polarized laser beam is output. That is, the same as the invention according to claim 1 (FIG. 1,
A laser beam b1 of linearly polarized light is output from the laser oscillators 1 shown in FIG. 2) and optically configured in series as shown in FIG.
【００５６】（２）次に、出力した直線偏光レーザービ
ームを構成するＰ偏光とＳ偏光のレーザービームのう
ち、Ｐ偏光のレーザービームのみを分離する。(2) Next, of the P-polarized and S-polarized laser beams forming the output linearly polarized laser beam, only the P-polarized laser beam is separated.
【００５７】この場合も、請求項１記載の発明（図１、
図２）と同様に、直線偏光レーザービームｂ１を薄膜偏
光板ユニット２５にブリュースター角θ１で入射させる
ことにより、Ｐ偏光レーザービームｂ２のみを分離す
る。In this case also, the invention according to claim 1 (see FIG. 1,
Similarly to FIG. 2), the linearly polarized laser beam b1 is incident on the thin film polarizing plate unit 25 at the Brewster angle θ1 to separate only the P polarized laser beam b2.
【００５８】（３）次いで、分離したＰ偏光レーザービ
ームを、複数本に分割する。(3) Next, the separated P-polarized laser beam is divided into a plurality of beams.
【００５９】即ち、図４（Ａ）において、薄膜偏光板ユ
ニット２５により分離されたＰ偏光レーザービームｂ２
は、図示するように広がりを持っている。That is, in FIG. 4A, the P-polarized laser beam b2 separated by the thin-film polarizing plate unit 25 is used.
Has a spread as shown.
【００６０】この場合の、Ｐ偏光レーザービームｂ２が
有するエネルギー強度の分布Ｅ２は、図４（Ａ）に示す
ように、例えば正規分布を呈している。In this case, the energy intensity distribution E2 of the P-polarized laser beam b2 has, for example, a normal distribution as shown in FIG. 4 (A).
【００６１】このようなエネルギー強度分布のＰ偏光レ
ーザービームｂ２は、分割ミラー６に向かって直進し、
該分割ミラー６で２つのビームｂ２１とｂ２２に分割さ
れる。The P-polarized laser beam b2 having such an energy intensity distribution goes straight toward the split mirror 6,
The split mirror 6 splits the beam into two beams b21 and b22.
【００６２】この場合の各ビームｂ２１とｂ２２が有す
るエネルギー強度分布は、図４（Ａ）に示すように、Ｅ
２１とＥ２２であり、元のビームｂ２のエネルギー強度
分布Ｅ２を左右に分割したものに相当する。The energy intensity distribution of each of the beams b21 and b22 in this case is E as shown in FIG.
21 and E22, which correspond to the energy intensity distribution E2 of the original beam b2 divided into left and right.
【００６３】上記分割ミラー６は、プリズム状であっ
て、頂角φは、なるべく小さい方が好ましく、該分割ミ
ラー６で分割された各ビームｂ２１、ｂ２２が後段の離
接ミラー５に入射できるようになっている。The split mirror 6 is in the shape of a prism, and the apex angle φ is preferably as small as possible so that the beams b21 and b22 split by the split mirror 6 can be incident on the separation mirror 5 in the subsequent stage. It has become.
【００６４】（４）更に、分割した各Ｐ偏光レーザービ
ームのエネルギー強度分布の重ね合わせ方を変えること
により、エネルギー強度分布のパターンを、ワークの焼
入れを施すべき表面の形状に合わせて、変化させる。(4) Further, by changing the superposition of the energy intensity distributions of the divided P-polarized laser beams, the energy intensity distribution pattern is changed according to the shape of the surface to be quenched. .
【００６５】上記分割されたビームｂ２１とｂ２２は、
離接ミラー５に向かって直進し、該離接ミラー５の凹面
又は、平面から成る反射面において反射する。The divided beams b21 and b22 are
It travels straight toward the separation / contact mirror 5 and is reflected by the concave surface of the separation / contact mirror 5 or a reflecting surface formed of a flat surface.
【００６６】上記離接ミラー５は、分割ミラー６から離
れたり、逆に接近することができる偏向ミラーであっ
て、レーザービームｂ２１、ｂ２２の入射方向の延長上
において移動する（矢印Ｃ）。The separation / contact mirror 5 is a deflection mirror which can be separated from the split mirror 6 or approached in the opposite direction, and moves along an extension of the incident direction of the laser beams b21 and b22 (arrow C).
【００６７】従って、この離接ミラー５を操作すること
により、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）、図４（Ｄ）に示すよ
うに、離接ミラー５で反射した後の各ビームｂ２１とｂ
２２が有するエネルギー強度分布Ｅ２１とＥ２２を自由
に重ね合わすことができ、幾通りものパターンを形成す
ることができる。Therefore, by operating the separating / connecting mirror 5, as shown in FIGS. 4 (B), 4 (C) and 4 (D), each beam b21 after being reflected by the separating / connecting mirror 5. And b
The energy intensity distributions E21 and E22 possessed by 22 can be freely overlapped, and various patterns can be formed.
【００６８】そして、このエネルギー強度分布Ｅ２１と
Ｅ２２の重ね合わせ方を変えることにより、ワーク焼入
れ表面４Ａの形状に合わせてＰ偏光レーザービームｂ２
のエネルギー強度分布Ｅ２のパターンも変化させること
ができる（図４（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ））。Then, by changing the superposition of the energy intensity distributions E21 and E22, the P-polarized laser beam b2 is matched with the shape of the workpiece quenching surface 4A.
The pattern of the energy intensity distribution E2 of can also be changed (FIGS. 4B, 4C, and 4D).
【００６９】（５）最後に、変化後のエネルギー強度分
布パターンを有するＰ偏光レーザービームを、所定の角
度で、上記ワーク焼入れ表面に照射する。(5) Finally, the work-hardened surface is irradiated with a P-polarized laser beam having the changed energy intensity distribution pattern at a predetermined angle.
【００７０】これにより、ワーク焼入れ表面４Ａの形状
に合わせたエネルギー強度分布Ｅ２のＰ偏光レーザービ
ームｂ２１、ｂ２２を、該ワーク焼入れ表面４Ａに照射
することができるので、均一なレーザー入熱分布を与え
ることができ、均一な焼入れを容易に実現できる。As a result, since the P-polarized laser beams b21 and b22 having the energy intensity distribution E2 matching the shape of the work-quenched surface 4A can be irradiated to the work-quenched surface 4A, a uniform laser heat input distribution is given. Therefore, uniform quenching can be easily realized.
【００７１】具体的な作用は、図６に示すとおりであ
る。The specific operation is as shown in FIG.
【００７２】例えば、図６（Ａ−３）に示すように、ワ
ーク４の焼入れ表面４Ａの形状が三角形の場合には、上
記離接ミラー５を操作することにより、各エネルギー強
度分布Ｅ２１とＥ２２の重ね合わせ方を変えることによ
り、エネルギー強度分布Ｅ２のパターンを図６（Ａ−
１）のように変化させる。For example, as shown in FIG. 6 (A-3), when the shape of the quenching surface 4A of the work 4 is a triangle, by operating the separating mirror 5, the energy intensity distributions E21 and E22 are obtained. The pattern of the energy intensity distribution E2 is changed as shown in FIG.
Change as in 1).
【００７３】従って、ワーク焼入れ表面４Ａに与えるレ
ーザー入熱分布も、図６（Ａ−２）に示すように、三角
形の形状に合ったものとなり、均一な焼入れ層Ｈが形成
される（図７（Ａ−３））。Therefore, the laser heat input distribution given to the workpiece quenching surface 4A also matches the triangular shape as shown in FIG. 6 (A-2), and a uniform quenching layer H is formed (FIG. 7). (A-3)).
【００７４】また、図６（Ｂ−３）に示すように、ワー
ク４の焼入れ表面４Ａの形状がＶ字型の場合には、上記
離接ミラー５を操作することにより、各エネルギー強度
分布Ｅ２１とＥ２２の重ね合わせ方を変えることによ
り、エネルギー強度分布Ｅ２のパターンを図６（Ｂ−
１）のように正規分布の形に変化させる。Further, as shown in FIG. 6 (B-3), when the quenching surface 4A of the work 4 has a V-shape, the separation / contact mirror 5 is operated to operate the energy intensity distribution E21. The pattern of the energy intensity distribution E2 is changed as shown in FIG. 6 (B-
Change to the form of normal distribution as in 1).
【００７５】従って、ワーク焼入れ表面４Ａに与えるレ
ーザー入熱分布も、図６（Ｂ−２）に示すように、Ｖ字
型の形状に合ったものとなり、均一な焼入れ層Ｈが形成
される（図６（Ｂ−３））。Therefore, the laser heat input distribution given to the workpiece quenching surface 4A also matches the V-shape as shown in FIG. 6 (B-2), and a uniform quenching layer H is formed ( FIG. 6 (B-3)).
【００７６】尚、上述した請求項３記載の発明の場合
も、ワーク焼入れ表面４Ａにレーザービームを照射する
ときの入射角θ２は、所定の角度、例えば、ブリュース
ター角θ２（図３）であることが好ましく、これによ
り、焼入れ表面４Ａに対するＰ偏光レーザービームの吸
収率ＡP を増大させ（図３）、吸収剤を用いずに表面焼
入れを行うことができる。Also in the case of the invention described in claim 3 described above, the incident angle θ2 when the work hardening surface 4A is irradiated with the laser beam is a predetermined angle, for example, the Brewster angle θ2 (FIG. 3). Preferably, this increases the absorptance A P of the P-polarized laser beam with respect to the hardened surface 4A (FIG. 3), and surface hardening can be performed without using an absorbent.
【００７７】図５は、本発明の第４実施形態を示す図で
あり、薄膜偏光板ユニット２５とワーク４との間に、分
割可変ミラー６５を設置したものである。FIG. 5 is a diagram showing a fourth embodiment of the present invention, in which a split variable mirror 65 is installed between the thin film polarizing plate unit 25 and the work 4.
【００７８】上記分割可変ミラー６５は、２枚の反射鏡
を軸６５Ａに関して回動可能にしたものであり（図５の
矢印Ｄ）、図４の分割ミラー６と離接ミラー５の作用を
兼ね備えたものであって、Ｐ偏光レーザービームｂ２を
分割すると共に、分割した各ビームｂ２１とｂ２２が有
するエネルギー強度分布Ｅ２１とＥ２２を自由に重ね合
わすことができる。The variable split mirror 65 has two reflecting mirrors rotatable about an axis 65A (arrow D in FIG. 5) and has the functions of the split mirror 6 and the separation / contact mirror 5 in FIG. In addition to dividing the P-polarized laser beam b2, the energy intensity distributions E21 and E22 of the divided beams b21 and b22 can be freely overlapped.
【００７９】従って、この分割可変ミラー６５によって
も、図６に示す作用効果が得られる。更に、図４の第３
実施形態では、ワーク４が薄膜偏光板ユニット２５から
出射された直後のＰ偏光レーザービームｂ２の出射方向
の延長線上に位置しているのに対し、この図５の第４実
施形態では、ワーク４がＰ偏光レーザービームｂ２の出
射方向とある角度を持って手前（発振器側に）位置して
いる。Therefore, the function and effect shown in FIG. 6 can be obtained also by the split variable mirror 65. Furthermore, the third of FIG.
In the embodiment, the work 4 is located on the extension line of the emission direction of the P-polarized laser beam b2 immediately after being emitted from the thin film polarizing plate unit 25, whereas in the fourth embodiment of FIG. Is positioned in front (on the oscillator side) with a certain angle with respect to the emission direction of the P-polarized laser beam b2.
【００８０】[0080]
【発明の効果】上記のとおり、本発明によれば、直線偏
光からＰ偏光だけを取り出し、焼入れ対象である金属材
料に対する吸収率が大きいＰ偏光レーザービームを焼入
れ表面４Ａに照射するように構成すると共に、更に上記
Ｐ偏光レーザービームのエネルギー強度分布のパターン
を変化させ焼入れ表面の形状に合わせて照射するように
構成したことにより、吸収剤を用いずに表面焼入れを行
うと共に、焼入れ表面の形状に合わせた均一な焼入れを
容易に実現できるという技術的効果を奏することとなっ
た。As described above, according to the present invention, only P-polarized light is extracted from linearly polarized light, and the hardened surface 4A is irradiated with a P-polarized laser beam having a large absorptivity for the metal material to be hardened. At the same time, by further changing the energy intensity distribution pattern of the P-polarized laser beam and irradiating according to the shape of the hardened surface, surface quenching is performed without using an absorbent, and the shape of the hardened surface is changed. It has the technical effect of easily achieving uniform quenching.
【００８１】[0081]
【図１】本発明の第１実施形態を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.
【図２】本発明の第２実施形態を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.
【図３】本発明に使用されるＰ偏光の吸収率の角度特性
を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing angular characteristics of absorptance of P-polarized light used in the present invention.
【図４】本発明の第３実施形態を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a third embodiment of the present invention.
【図５】本発明の第４実施形態を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a fourth embodiment of the present invention.
【図６】本発明の作用説明図である。FIG. 6 is an explanatory view of the operation of the present invention.
１ レーザー発振器 ２ 薄膜偏光板 ３ 偏向ミラー ４ ワーク ４Ａ 焼入れ表面 ｂ１ 直線偏光レーザービーム ｂ２ Ｐ偏光レーザービーム ｂ３ Ｓ偏光レーザービーム Ｅ２ エネルギー強度分布 θ１、θ２ ブリュースター角 1 Laser Oscillator 2 Thin Film Polarizing Plate 3 Deflection Mirror 4 Work 4A Hardened Surface b1 Linearly Polarized Laser Beam b2 P-Polarized Laser Beam b3 S-Polarized Laser Beam E2 Energy Intensity Distribution θ1, θ2 Brewster Angle
Claims (5)
し、（２）出力した直線偏光レーザービームを構成する
Ｐ偏光とＳ偏光のレーザービームのうち、Ｐ偏光のレー
ザービームのみを分離し、（３）分離したＰ偏光レーザ
ービームを、所定の角度で、ワークの焼入れを施すべき
表面に照射することを特徴とするレーザーによる表面焼
入れ方法。1. A linearly polarized laser beam is output as (1) and a P-polarized laser beam is separated from a P-polarized laser beam and an S-polarized laser beam that compose the output linearly polarized laser beam. (3) A surface hardening method using a laser, which comprises irradiating the surface of a work to be hardened with a separated P-polarized laser beam at a predetermined angle.
板に入射させることにより、Ｐ偏光レーザービームのみ
を分離し、分離したＰ偏光レーザービームを偏向ミラー
と微小往復回転ミラーを介して上記ワーク焼入れ表面に
照射する請求項１記載のレーザーによる表面焼入れ方
法。2. The linearly polarized laser beam is incident on a thin film polarizing plate to separate only the P polarized laser beam, and the separated P polarized laser beam is passed through a deflecting mirror and a minute reciprocating rotating mirror to quench the work hardening surface. The method for surface quenching with a laser according to claim 1, wherein the surface is hardened.
し、（２）出力した直線偏光レーザービームを構成する
Ｐ偏光とＳ偏光のレーザービームのうち、Ｐ偏光のレー
ザービームのみを分離し、（３）分離したＰ偏光レーザ
ービームを、複数本に分割し、（４）分割した各Ｐ偏光
レーザービームのエネルギー強度分布の重ね合わせ方を
変えることにより、エネルギー強度分布のパターンを、
ワークの焼入れを施すべき表面の形状に合わせて、変化
させ、（５）変化後のエネルギー強度分布パターンを有
するＰ偏光レーザービームを、所定の角度で、上記ワー
ク焼入れ表面に照射することを特徴とするレーザーによ
る表面焼入れ方法。3. A linearly polarized laser beam is output (1), and only a P-polarized laser beam is separated from the P-polarized and S-polarized laser beams constituting the output linearly polarized laser beam, (3) The separated P-polarized laser beam is divided into a plurality of pieces, and (4) the energy intensity distribution pattern is changed by changing the overlapping manner of the energy intensity distributions of the divided P-polarized laser beams.
It is changed according to the shape of the surface to be quenched, and (5) the P-polarized laser beam having the changed energy intensity distribution pattern is irradiated to the workpiece hardened surface at a predetermined angle. Laser surface hardening method.
と離接ミラーで成形することにより、エネルギー強度分
布のパターンを変化させる請求項３記載のレーザーによ
る表面焼入れ方法。4. The method of surface hardening by a laser according to claim 3, wherein the P-polarized laser beam is shaped by a split mirror and a separation mirror to change the pattern of energy intensity distribution.
ラーで成形することにより、エネルギー強度分布のパタ
ーンを変化させる請求項３記載のレーザーによる表面焼
入れ方法。5. The method of surface hardening with a laser according to claim 3, wherein the pattern of the energy intensity distribution is changed by shaping the P-polarized laser beam with a split variable mirror.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8130035A JPH09314361A (en) | 1996-05-24 | 1996-05-24 | Surface hardening method by laser beam |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8130035A JPH09314361A (en) | 1996-05-24 | 1996-05-24 | Surface hardening method by laser beam |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09314361A true JPH09314361A (en) | 1997-12-09 |
Family
ID=15024536
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8130035A Pending JPH09314361A (en) | 1996-05-24 | 1996-05-24 | Surface hardening method by laser beam |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09314361A (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004028734A1 (en) * | 2002-09-26 | 2004-04-08 | Fine Process Company Ltd. | Method and apparatus for laser roll connection of dissimilar metals |
| WO2008015795A1 (en) * | 2006-08-02 | 2008-02-07 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Erosion preventive method and member with erosion preventive section |
| JP2013525113A (en) * | 2010-04-16 | 2013-06-20 | メタル インプルーブメント カンパニー エルエルシー | Flexible beam delivery system for high power laser systems |
| CN105149772A (en) * | 2015-10-12 | 2015-12-16 | 维嘉数控科技（苏州）有限公司 | Laser device, control system and method for stabilizing energy and direction of laser path |
| CN110129524A (en) * | 2019-06-04 | 2019-08-16 | 沈阳中科煜宸科技有限公司 | A kind of workpiece inner wall surface is continuously without overlapping laser transformation hardening device and its process for quenching |
| CN111069792A (en) * | 2019-12-30 | 2020-04-28 | 东莞市盛雄激光先进装备股份有限公司 | Laser power adjusting device, laser cutting device and laser cutting machine tool |
-
1996
- 1996-05-24 JP JP8130035A patent/JPH09314361A/en active Pending
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