KR20160132938A

KR20160132938A - 워크피스 표면을 레이저 경화하는 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20160132938A
Application number: KR1020167028140A
Authority: KR
Inventors: 예수스 도밍게즈; 파울라 산초; 올라츠 빌바오
Original assignee: 에체-따르 에세.아.
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2015-02-11
Publication date: 2016-11-21
Also published as: RU2016136401A; KR102396213B1; CA2941898A1; JP2017514990A; JP6687280B2; RU2682189C2; ES2849573T3; RU2016136401A3; CN106133152B; BR112016020870B1; EP3117014A1; MX2016011840A; WO2015135715A1; CN106133152A; SI3117014T1; US10648056B2; CA2941898C; US20170022584A1; EP3117014B1

Abstract

크랭크샤프트 저널의 표면과 같이 워크피스의 표면을 레이저 경화하는 방법으로, 이 방법은, 레이저 스폿이 순차적으로 상기 표면 영역의 다른 부분들 위로 투사되도록 하기 위해, 워크피스의 표면과 레이저 소스를 상대 이동시키는 단계; 상기 표면 영역 위에, 에너지 분포를 구비하는 2차원의 유효 레이저 스폿(5)을 형성시키기 위해, 상기 상대 이동하는 중에, 레이저 빔(2)을 상기 표면 영역의 각 부분을 가로지르며 2차원으로 스캐닝 패턴에 따라 반복 스캐닝하는 단계를 포함한다. 스캐닝 패턴은 레이저 스폿이 특정 순서를 따르는 3개 이상의 실질적으로 평행한 라인들을 포함한다. 워크피스가 폭이 다른 복수의 저널들을 포함하는 경우, 폭이 더 넓은 저널의 표면 영역을 경화하는 데에 2개의 레이저 소스(1, 1A)가 사용될 수 있다.

Description

워크피스 표면을 레이저 경화하는 시스템 및 방법 {METHOD AND SYSTEM FOR LASER HARDENING OF A SURFACE OF A WORKPIECE}

본 발명은 예를 들어 크랭크샤프트와 같이 강과 같은 철계 소재 제품을 레이저를 사용하여 표면 경화하는 분야에 관련된 것이다.

중탄소강 같은 철계 소재를 용융 온도 미만의 고온으로 가열하고, 이어서 이를 담금질 즉 경질 마르텐사이트가 형성되기에 충분하게 급속 냉각시켜 철계 소재를 경화시키는 기술은 당 업계에 이미 주지되어 있다. 노 혹은 유도 가열에 의해 소재를 가열할 수 있으며, 물 또는 물에 다른 성분들이 혼합된 것과 같은 냉각 유체를 가하여 냉각이 일어날 수 있다.

표면만을 경화시킬 필요가 있는 경우도 종종 있다. 표면을 경화시키면 소재의 내마모성이 증가하며, 잔류 압축 응력에 의해 야기되는 피로 강도를 증가시키는 데에도 가끔은 사용될 수 있다. 예를 들어 크랭크샤프트의 저널 표면과 같은 베어링 면과 같이 실제 사용할 때에 실질적으로 마모를 겪게 되는 표면을 경화시키는 데에 표면 경화법이 유용할 수 있다.

레이저 표면 경화는, 기판 표면을 경화시키는 데에 열원으로서 고 에너지의 레이저 광이 채용되는 표면 처리 방법이다. 표면 경화를 이루기 위해 레이저 광을 사용하는 것은 이미 잘 알려져 있다. 예를 들면,

- 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;

- US-4313771-A;

- US-4123577-A1;

- EP-1308525-A2;

- EP-2309126-A1;

- JP-2008-202438-A;

- JP-S61-58950-A;

- US-4797532-A.

표면 경화를 위해 레이저 광을 사용하는 경우, 근본적으로 워크피스와 독립적으로 레이저 빔이 쉽게 조절되며, 진공이 필요하지 않고 그리고 연소 생성물을 발생시키지 않는다는 여러 이점이 있다. 또한, 레이저 빔이 일반적으로 금속 제품 또는 워크피스를 국부적으로만 가열하기 때문에, 가열되지 않는 워크피스의 나머지 부분이 열 싱크로 작용할 수 있으며, 이에 의해 급속 냉각이 이루어질 수 있다. 이는 셀프-담금질로도 알려져 있다. 워크피스의 차가운 내부는, 표면에서 마르텐사이트가 생성되기에 충분하게 빠른 속도로 내부를 향해 열전도가 이루어져서 고온의 표면을 담금질하는 충분히 큰 열 싱크를 구성하게 된다. 이에 따라, 냉각 유체와 같은 외부 냉각 매체를 사용할 필요가 없을 수 있다.

금속 경화 공정에서 열원으로 레이저 광을 사용할 때 내포하고 있는 하나의 문제점은, 경화 존의 폭이 레이저 스폿의 크기에 의해 제한된다는 것이다. 스폿의 형상을 변형시키기 위해 예를 들어, 강도 분포가 어느 정도 균일한 거의 직사각형의 스폿을 제공하기 위해 광학 장치를 사용하는 것은 이미 알려져 있다. 또는, 트랙에 걸쳐 스폿을 반복적으로 이동시키는 데에 스캐닝 수단(예컨대 구동 수단과 연계되어 있는 스캐닝 미러)이 사용되어서, 열원이 트랙을 따라 이동하는 직사각형 열원으로 간주될 수 있다.

이러한 이점에도 불구하고, 많은 실제의 적용 분야에서 생산 속도가 충분히 높지 않은 것으로 여겨지고, 가열되는 모든 부분들이 소망하는 정도까지 가열되기 어렵기 때문에, 레이저 경화가 자주 사용되지 않고 있다. 과열에 의한 손상을 일으키지 않으면서도 필요한 깊이까지 경화 및 템퍼링하기 위해서는 올바른 가열이 필수다.

예를 들면, 크랭크샤프트(왕복 선형 피스톤 운동을 회전 운동을 전환시키는 엔진의 부품)는 레이저 광으로 경화시키기에 어려운 제품으로 여겨지는 복잡한 제품 중 하나이다. 도 1에 크랭크샤프트의 일 예가 도시되어 있다. 크랭크샤프트(1000)는 강을 단조하거나 강을 주조하여 제작된다. 크랭크샤프트는 둘 또는 그 이상의 중심부에 위치하는 동축의 원통형 저널들(1001)("메인 저널"로 알려져 있음)과, 하나 또는 그 이상의 오프셋 원통형 크랭크핀 저널들(1002)("로드 저널"로 알려져 있음)을 구비하며, 이들은 상기 저널 표면들과 실질적으로 직교하는 방향으로 연장하는 벽(1005)을 확립하는 웹들과 균형추에 의해 분리되어 있다. 제품 형상이 복잡해지면, 레이저 빔으로 표면을 올바르게 "스캔" 하기가 어렵고, 경화 대상 영역들 또는 트랙들의 폭이 다르고 및/또는 비대칭일 수 있고 및/또는 다른 평면에 배치되어 있을 수 있다(이 경우, 벽(1005)과 저널들(1001, 10012)의 표면이 다른 평면에 배치되어 있음). 이에 따라, 오늘날에는 크랭크샤프트를 경화하는 데에, 고주파 유도 가열한 후, 폴리머-계열 수냉 담금질하는 공정이 자주 사용된다. 그러나, 이 공정은 소망하는 경화를 얻기에 유용한 것으로 판명되어 있기는 하지만, 어떤 단점도 안고 있다. 예를 들면, 크랭크샤프트의 특정 디자인에 따라 유도에 의해 가열시키기 위한 인덕터가 디자인되어야 하며, 이는 유연성(flexibility)을 떨어뜨린다. 유도 기계를 새로운 종류의 크랭크샤프트에 맞추어 개작하는 것은 시간이 많이 소요되고 비용도 많이 소요된다. 또한, 유도에 의해 가열하는 것은 크랭크샤프트를 소망하는 정도로 가열하는 데에 필요한 에너지 측면에서 고가이다. 또한, 대량의 냉각 유체를 사용하여야 하기 때문에, 냉각 공정이 복잡하고, 비용이 많이 소요되며 환경 측면에서 불리하다. 게다가, 제대로 된 경화 공정을 보증하기 위해서는, 냉각 유체 온도와 유량 같은 파라미터들이 세심하게 조절되어야 한다.

이에 따라, 열원으로서 레이저 광을 사용하는 경화 공정은 유연성, 환경-친화성, 에너지 소모 및 비용 측면에서 덜 매력적이다.

DE-10 2005 005 141-B3호는 크랭크샤프트 저널의 표면을 레이저 경화하는 방법을 기재하고 있다. 이 방법에 따르면, 레이저 광으로 각 저널들을 가열하는 동안, 크랭크샤프트를 파지하는 데에 6-축 산업용 로봇이 사용되며, 이어서 크랭크샤프트를 메인 저널의 주위와 로드 저널의 축 주위로 회전시킨다. 이에 따라, 산업용 로봇의 이동 성능을 활용함으로써, 레이저 소스와 레이저 빔이 투사되는 표면 간의 거리가 일정하게 유지될 수 있다.

또한, US-2004/0244529-A1호는 크랭크샤프트의 작은 영역을 경화시키는 데에 레이저의 사용을 교시하고 있다. 이 경우, 복수의 이격된 부분들을 경화시키는 데에 레이저 광이 사용되며, 이들 부분들의 크기는 경화 대상 영역에 따라 변한다. 이렇게 이격되어 있는 부분들을 구비하는 크랭크샤프트의 작은(minor) 부분들을 경화하기 때문에, 열에 더 민감한 부분들의 과열에 대해서는 관심을 둘 필요가 없다.

DE-3905551-A1호는 크랭크샤프트 표면의 경화를 위한 시스템을 교시하고 있는데, 이 시스템에서 레이저 빔이 크랭크샤프트 위로 투사되고, 빔이 순차적으로(subsequently) 크랭크샤프트의 다른 부분들 위로 투사되도록 레이저 빔과 크랭크샤프트 사이에 상대 이동이 있다. 빔의 파워 또는 파워 분포는 크랭크샤프트의 각 부분의 형상에 따라, 그리고 레이저 빔의 바람직한 침투 깊이에 따라 그에 맞게 되어 있다. DE-3905551-A1호에 의해 교시되는 접근방안이 안고 있는 하나의 문제점은 생산 속도가 낮다는 것이다. 경화 층의 충분한 깊이(자동차 산업에서 경화 깊이는 유효 경화 심도 측면에서 일반적으로 적어도 800, 1000, 1500, 2000 또는 심지어는 3000㎛가 필요하고, 가끔은 200㎛ 혹은 그 이상의 깊이에서 마르텐사이트로 100% 변태될 것이 요망됨)를 달성하기 위해, 표면의 특정 부분의 온도를 올리는 것으로는 충분하지 않고, 표면뿐만 아니라 표면 아래의 소재의 충분한 깊이까지 가열하기에 충분히 긴 시간 동안 에너지가 가해져야 한다. 표면이 지나치게 가열되는 것은 바람직하지 않기 때문에, 소망하는 침투를 달성하기 위한 최적의 해법은 단순히 레이저 빔 파워의 양을 증가시키는 것이 아니라 관련 영역에 레이저 가열이 가해지는 시간을 증가시키는 것이다. DE-3905551-A1호에 기재되어 있는 시스템에서, 레이저 빔이 정지되어 있는 상태에서 특정 영역에 가해져서 적당하게 가열하고 있으며, 메인 저널 또는 로드 저널의 주된(major) 부분에서의 침투에는 실질적으로 시간이 필요한 것으로 여겨진다. 이에 따라, DE-3905551-A1호는 크랭크샤프트 표면의 매우 특정한 부분들을 경화시키기에 적당한 방법을 개시하고 있을 뿐, 저널들의 전반적인 표면을 경화시키기에는 적당하지 않다.

또한, EP-1972694-A2호는 하나 또는 그 이상의 레이저를 사용하여, 크랭크샤프트의 특정 부분 즉 필렛 부분을 경화시키는 것에 초점을 맞추고 있다. 레이저 광이 경화 대상 부분 위로 지향되고, 크랭크샤프트는 회전한다. 개시되어 있는 방법은 예열 단계, 메인 가열 단계 및 후-가열 단계를 포함할 수 있다. 크랭크샤프트가 회전하는 동안에, 레이저 방사가 일정하게 유지되는 것으로 보인다. EP-1972694-A2호는 크랭크샤프트 표면에서 열 민감도가 큰 부분들이 과열될 위험에 대해서는 침묵하고 있다.

US-2004/0108306-A1호는, 압축 응력을 개선하기 위해 필렛을 압연하는 데에 기계적 압연 공정이 사용되고, 크랭크샤프트의 베어링 즉, 메인 저널들과 로드 저널들의 표면들을 경화하기 위해 자동차 메이커들이 유도 가열 공정을 사용하는 것을 인정하고 있다. 그러나 US-2004/0108306-A1호에 의하면, 이들 공정들은 자본-집중, 시간-집중인 것이어서 불균일성을 나타내며, 템퍼링 공정이 필요한 오일 윤활 홀에 크랙이 발생하는 경향이 있다. US-2004/0108306-A1호는, 기계적 압연 공정을 사용하지 않아도 되게 하는 것을 목표로 하는, 레이저에 의한 필렛 열처리를 교시하고 있다. 광학 파이로미터를 사용하는 폐-루프 온도 제어가 제안되어 있다. 레이저와 필렛 사이의 가열 거리를 일정하게 유지하기 위해 제어 가능한 x, y 기구의 사용이 제안되어 있다.

S.M. Shariff, et al., "Laser Surface Hardening of a Crankshaft", SAE 2009-28-0053 (SAE International)은 언급된 다른 지점들에서 경도가 500-600 HV인 유효 경화 심도가 200㎛를 상회하는 것을 지향하는, 크랭크샤프트의 레이저 표면 경화를 논의하고 있다. 이 문헌은, 열-싱크 효과의 감소와 에지에서의 열 축적으로 인해, 홀 주변에서 용융이 일어나는 문제를 언급하고 있다. 이러한 문제는 홀-에지에서 적당한 시작 지점을 선택하고 허용 가능한 영역 내에서 공정 파라미터를 변화시킴으로써 예비-가열 효과를 줄임으로써 해결될 수 있다고 기재되어 있다.

레이저 경화가 크랭크샤프트와 같이 복잡한 제품을 경화하는 데에 더 자주 사용되지 않게 되는 한 가지 이유는, 부품들을 올바르게 가열하기가 어려울 수 있는 것으로 믿어지고 있기 때문이다. 즉, 열에 민감한 부분들이 과열되지 않도록 하면서, 올바르게 경화(일반적으로 경화 층의 유효 경화 심도는 적어도 1000, 1500, 2000 또는 그 이상과 같이 적어도 800㎛ 이상이고 및/또는 200㎛ 혹은 그 이상의 깊이에서 마르텐사이트로 100% 변태될 것이 요망됨)시키기 위한 충분한 가열이 어려운 것으로 여겨지기 때문이다. 예를 들면, 도 1에 도시되어 있는 것과 같은 크랭크샤프트의 경우, 오일 윤활 홀들(1003)에 대응되는 저널 부분과 필요에 따라서는 필렛(1004)에 대응되는 부분의 가열은 매우 세심하게 이루어져야 한다. 예를 들면, 저널이 회전하는 동안에 표면 전체를 가열하기 위해 저널 표면 위로 단순히 큰 레이저 스폿을 투사하는 경우, 그리고 회전 속도와 레이저 빔의 파워가 일정하게 유지되어 표면들의 각 부분이 동일한 양의 에너지를 받아들이는 경우, 그리고 이 에너지가 소망하는 경화를 이루기 위해 표면의 주된 부분을 적당하게 가열할 수 있기에 충분한 경우라면, 이러한 가열은 오일 윤활 홀들의 에지에서는 과잉 가열이 될 수 있으며, 이에 의해 이들 에지가 손상을 입게 된다. 이와 동일한 상황이 통상 언더컷인 펠렛에서도 발생하며, 이에 의해 에지들이 과열되어 손상될 수 있다.

본 발명은, 경화 대상이 되는 표면 영역을 하나 이상 포함하는 워크피스 표면을 레이저 경화하는 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면은, 경화 대상이 되는 표면 영역을 하나 이상 포함하는 워크피스 표면을 레이저 경화하는 방법으로, 이 방법은,

상기 표면 영역 위에 레이저 스폿(즉 이는 실제 레이저 스폿으로 지칭될 수 있음)을 형성하기 위해, 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔을 상기 표면 영역 위로 투사하는 단계;

레이저 스폿이 순차적으로 상기 표면 영역의 다른 부분들 위로 투사되도록 하기 위해, 워크피스의 표면과 레이저 소스를 상대 이동시키는 단계;

상기 표면 영역 위에, 에너지 분포를 구비하는 2차원의 유효 레이저 스폿을 형성시키기 위해, 상기 상대 이동하는 중에, 레이저 빔을 상기 표면 영역의 각 부분을 가로지르며 2차원으로 스캐닝 패턴에 따라 반복 스캐닝 하는 단계;를 포함하는 방법에 관한 것이다. 이 에너지 분포는 실제 레이저 스폿의 파워, 스캐닝 패턴 및 레이저 스폿이 스캐닝 패턴의 다른 부분들 또는 세그먼트들을 따라 스캔할 때의 속도와 같은 파라미터에 따라 달라지게 된다.

상대 이동으로 인해, 예를 들면 크랭크샤프트 저널을 경화하는 경우, 상기 유효 레이저 스폿이 크랭크샤프트 저널의 원주 방향인 제1 방향으로 상기 표면 영역을 따라 이동하게 된다.

이러한 종류의 장치가 국제 특허 출원 PCT/EP2013/067949호에 개시되어 있다. PCT/EP2013/067949호는 본 출원의 출원인과 동일한 출원인에 의해 출원된 것으로, 그 내용은 참고로 본 명세서에 통합된다. 이 장치는, 무엇보다도 예를 들어 스캐닝 패턴의 레이아웃(스캐닝 패턴의 세그먼트들의 수, 방향 및/또는 길이와 같은)같은 위에서 지적한 하나 또는 그 이상의 파라미터들 및/또는 스캐닝 패턴의 세그먼트들의 다른 부분들을 따르는 것과 같이 스캐닝 패턴을 따라 변위되는 레이저 스폿의 속도를 변화시킴으로써, 경화 대상인 표면 영역을 따라 유효 레이저 스폿이 이동하는 중에 유효 레이저 스폿을 따라 그리고 유효 레이저 스폿을 가로지르는 에너지 분포가 동적으로 개작(수정, adaptation)될 수 있다는 점에서 유리하다. 예를 들면, 경화 대상인 표면 영역을 따라 유효 레이저 스폿이 상대 이동하면서, 다른 세그먼트들에 대해서는 다른 속도가 할당될 수 있고, 스캐닝 패턴의 레이아웃 및/또는 하나 또는 그 이상의 세그먼트들에 할당된 속도가 수정될 수 있다. 이에 의해서, 열 민감도가 높은 서브 영역을 고려하여 에너지 분포가 수정될 수 있다. 열 민감도가 높은 서브 영역의 대표적인 예가 크랭크샤프트 저널의 오일 윤활 홀에 인접하는 영역이다.

본 발명의 이 측면에 따르면, 스캐닝 패턴이 적어도 3개의 세그먼트들을 포함하고, 상기 레이저 빔이 추종하는 상기 세그먼트들 중 적어도 하나의 세그먼트를 추종하는 빈도수가 상기 세그먼트들 중 적어도 다른 세그먼트들을 추종하는 빈도수보다 더 크게 되도록, 레이저 빔의 상기 스캐닝이 수행된다. 이러한 구성은, 유연성을 향상시키며, 필요할 때마다 적당하고, 대칭이거나 혹은 거의 대칭인 에너지 분포를 제공하는 데에 스캐닝 패턴이 사용될 수 있다는 점에서 유리하다. 예를 들면, 레이저 스폿이 상기 세그먼트들 중 두 개의 세그먼트들 사이에서 이동할 때, 상기 세그먼트들 중 다른 하나의 세그먼트가 레이저 스폿이 추종하는 경로 또는 가교(bridge)로서 사용될 수 있다. 이에 의해, (중간 세그먼트와 같은) 세그먼트들을 사용하여 (시작 및 말기와 같이) 스캐닝 패턴의 다른 부분들 사이에서 레이저 스폿이 트랜스퍼될 수 있다. 이에 따라, 레이저 빔을 끄지 않고서 그리고 에너지 분포의 대칭이 요구되는 경우, 2차원의 레이저 분포의 대칭을 왜곡하지 않으면서 트랜스퍼가 이루어질 수 있게 된다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 스캐닝 패턴은 제1 방향으로 교대로 분포되어 있는 실질적으로 평행한 3개 이상의 라인들을 포함하고, 상기 라인들은 제2 방향으로 연장하고 있고, 상기 3개 이상의 라인들은 상기 제1 방향으로 교대로 배치되어 있는 첫 번째 라인, 하나 이상의 중간 라인 및 마지막 라인을 포함하며, 상기 레이저 빔이 상기 첫 번째 라인 및/또는 마지막 라인보다 상기 중간 라인을 더 자주 추종하도록 상기 레이저 빔 또는 실제 레이저 스폿의 상기 스캐닝이 수행된다. 즉, 예를 들어, 레이저 빔이 상기 중간 라인을 지나는 평균 빈도수가 레이저 빔이 상기 첫 번째 라인 및 마지막 라인을 지나는 빈도수의 2개가 된다. 예를 들어, 레이저 빔이 첫 번째 라인에서부터 마지막 라인을 향해 이동할 때마다 레이저 빔이 중간 라인을 따라 이동할 수 있다. 그 반대도 마찬가지이다. 즉, 중간 라인 또는 중간 라인들이, 레이저 스폿이 첫 번째 라인과 마지막 라인 사이에서 이동할 때, 실제 레이저 스폿이 지나가는 일종의 다리 역할을 할 수 있다.

이 구성은 실용적이고 실시가 용이한 것으로 밝혀졌으며, 레이저 빔의 파워를 거의 조절하지 않으면서도 스캐닝 속도를 조절함으로써 적당한 에너지 분포를 얻을 수 있음이 밝혀졌다. 또한, 에너지 분포를 맞춤재단(tailoring)할 수 있도록 스캐닝하는 동안에 레이저 빔의 파워를 수정할 수 있지만, 파워의 급속한 절환은 가능하지도 않고 바람직하지도 않다. 레이저 빔의 파워를 낮추거나 스캐닝 사이클을 실질적으로 수행하는 도중에 레이저 빔을 끄는 것은 레이저 성능을 이용하는 차선책이 된다는 것을 암시한다. 이에 따라, 가용 파워의 이점을 최대로 사용하면서, 레이저 빔을 완전히 온 상태에서 작동시키는 것이 바람직하다.

유효 레이저 스폿이 충분한 속도로 이동함으로써 높은 생산성을 이룰 수 있게 하면서도, 유효 레이저 스폿이 충분히 높은 온도로 충분히 넓은 표면 부분을 가열하기에 적당하게 하고, 충분한 시간 동안 소망하는 온도 레벨 혹은 레벨들을 유지할 수 있도록, 라인들을 따르는 방향뿐만 아니라 다른 방향으로 유효 레이저 스폿의 실질적인 연장부(extension)를 얻기 위해, 이러한 방식, 즉, 라인들이 연장하는 방향과 다른 방향 예컨대 라인들이 연장하는 방향과 직교하는 방향으로 나란하게 배치되어 있는 3개 혹은 그 이상의 라인들을 사용하는 것이 바람직한 경우가 종종 있다. 이에 따라, 유효 레이저 스폿의 2차원 상의 실질적인 연장부가 이점이 된다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 스캐닝 패턴은 제1 방향으로 교대로 분포되어 있는 실질적으로 평행한 3개 이상의 라인들을 포함하고, 상기 라인들은 제2 방향으로 연장하고 있고, 상기 3개 이상의 라인들은 상기 제1 방향으로 교대로 배치되어 있는 첫 번째 라인, 하나 이상의 중간 라인 및 마지막 라인을 포함하며, 레이저 스폿이 상기 첫 번째 라인을 추종한 후에, 상기 중간 라인, 상기 마지막 라인, 상기 중간 라인, 및 상기 첫 번째 라인을 추종하는 순서에 따라 상기 라인들을 따라 스캔하도록, 레이저 빔의 스캐닝이 수행된다.

위의 정의는 스캐닝이 첫 번째 라인에서부터 시작해야 한다는 것을 의미하지는 않는다. 다만, 레이저 스폿이 스캐닝 패턴의 전술한 라인들을 추적 혹은 추종하는 순서를 지적하고 있을 뿐이다. 또한, 위의 규정은 위에서 지적하고 있는 모든 라인들 혹은 일부 라인들을 따르는 사이(예컨대 전후)에, 유효 레이저 스폿이 예컨대 첫 번째, 마지막 그리고 중간 라인들 및/또는 추가의 중간 라인들을 연결하는 라인들과 같은 다른 라인들을 추종할 수 있음을 배제하지 않는다.

즉, 이들 실시형태들에서, 레이저 스폿이 제1 라인을 따라 이동한 후, 레이저 스폿이 다시 제1 라인을 따라 이동하기 전에 상기 중간 라인을 두 번 추종하게 된다. 반면, 좀 더 간단한 접근 방안에서는, 레이저 스폿이 마지막 라인을 스캔한 후에 상기 첫 번째 라인으로 다시 직접 복귀하도록 스캐닝이 수행될 수도 있다. 본 발명의 이들 실시형태들에 따라 추종되는 순서는 상기 제1 방향으로 연장하는 대칭축 주위로 에너지 분포를 대칭적으로 형성시키는 데에 적당하다는 것이 판명되었다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 스캐닝 패턴이 복수의 상기 중간 라인들을 포함한다. 라인들의 수는, 오퍼레이터 혹은 공정 설계자 혹은 장치 설계자가 예컨대 실제 레이저 스폿 및 유효 레이저 스폿의 소망하는 연장부 예컨대 제1 방향에서의 유효 레이저 스폿의 소망하는 연장부에 따라 선택할 수 있다. 첫 번째 라인, 마지막 라인 및 중간 라인을 카운팅할 때, 예를 들면, 라인들의 최소 수량은 3개일 수 있지만, 많은 실용적인 실시 상황에서는 4개, 5개, 6개, 10개 혹은 그 이상의 라인들과 같이 많은 수량이 사용될 수 있다. 본 발명의 일부 실시형태에서, 유효 레이저 스폿이 경화 대상 표면 영역을 따라 이동하는 동안에, 에너지 분포를 수정하기 위해 라인들의 수량이 수정된다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 레이저 스폿이 상기 첫 번째 라인과 상기 마지막 라인을 따라 변위될 때보다 상기 하나 이상의 중간 라인을 따라 변위될 때 더 고속으로 변위된다. 가끔은 상기 제1 방향으로 적당한 에너지 분포를 얻기 위해, 적어도 경화 공정의 일부분 혹은 실질적인 부분 중에 이러한 구성이 바람직한 경우가 있다. 레이저 스폿이 중간 라인들을 따라 이동할 때 혹은 적어도 이들 중간 라인들 중 하나 또는 일부의 중간 라인들을 따라 이동할 때, 고속의 레이저 스폿이, 상기 첫 번째 라인들 및 마지막 라인들을 따라 이동할 때의 속도보다 중간 라인들을 따라 이동할 때 2배의 속도로 이동한다는 사실을 보충한다. 예를 들면, 중간 라인들 따르는 레이저 스폿의 속도는, 본 발명의 일부 실시형태에서, 첫 번째 및/또는 마지막 라인들을 따르는 레이저 스폿 속도의 약 2배일 수 있다. 다른 중간 라인들에서의 속도는 서로 다를 수 있다. 각 라인에서의 속도는, 제1 방향으로 소망하는 에너지 분포에 따라 선택될 수 있다. 유효 레이저 스폿이 경화 대상인 표면 영역을 따라 이동하는 동안에, 예를 들면 열 민감도가 높은 서브 영역이 과열되는 것을 방지할 수 있도록 에너지 분포를 수정하기 위해, 스캐닝 패턴의 다른 라인들 또는 세그먼트들을 따라 변위되는 유효 레이저 스폿의 속도가 동적으로 수정될 수 있다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 스캐닝 패턴이 상기 첫 번째, 마지막 그리고 중간 라인들 사이에서 상기 제1 방향으로 연장하는 라인들을 추가로 포함하고, 상기 레이저 스폿이 상기 첫 번째 라인, 중간 라인 및 상기 마지막 라인 사이에서 이동할 때 상기 레이저 스폿이 상기 제1 방향으로 연장하는 상기 라인들을 추종한다. 본 발명의 일부 실시형태에서, 레이저 스폿이 상기 첫 번째 라인과 상기 마지막 라인을 따라 변위될 때보다 상기 제1 방향으로 연장하는 상기 라인들을 따라 변위될 때 더 고속으로 변위된다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 레이저 스폿이 레이저 빔의 파워를 실질적으로 일정하게 유지하면서 및/또는 레이저 빔이 온오프 하지 않으면서, 상기 스캐닝 패턴을 따라 레이저 스폿이 변위된다. 이렇게 함으로써, 레이저의 다른 파워 레벨들 사이 예컨대 온 및 오프 사이에서 절환하는 레이저 성능을 고려하지 않으면서, 고속으로 스캐닝할 수 있게 된다. 또한, 레이저의 파워 레벨을 급속하게 조절하지 않으면서 레이저 장치를 사용할 수 있게 된다. 또한, 가용 출력 파워를 효율적으로 사용할 수 있게 된다. 즉, 레이저 장치의 파워 측면에서 레이저 장치의 성능을 효율적으로 사용할 수 있게 된다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 워크피스는 크랭크샤프트이다.

본 발명의 다른 측면은, 크랭크샤프트 저널들의 표면을 레이저 경화하는 방법으로, 상기 크랭크샤프트는 제1 폭을 구비하는 하나 이상의 제1 저널과, 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 구비하는 하나 이상의 제2 저널을 구비하고, 상기 저널들 각각은 경화 대상의 표면 영역을 포함하되, 상기 표면 영역은 저널의 원주 방향에 대응하는 제1 방향과 상기 크랭크샤프트의 회전 축 방향과 평행한 제2 방향으로 연장하며, 이 방법은,

A) 이 방법의 하나 이상의 단계 중에, 상기 제2 저널의 상기 표면 영역 위로 제1 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔과 제2 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔을 동시에 투사하는 단계; 및

B) 이 방법의 하나 이상의 다른 단계 중에, 상기 제1 저널의 상기 표면 영역 위로 상기 제1 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔을 투사하고, 크랭크샤프트의 다른 부위(예컨대 다른 저널, 다른 제1 저널) 위로 제2 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔을 동시에 투사하는 단계를 포함한다.

본 발명의 제2 측면에 따라, 2개의 레이저 소스들/빔들을 사용하면, 경화 공정 중에, 가용 레이저 파워의 사용 측면에서 효율성을 높일 수 있다는 점에서 유리하다. 하나의 레이저만을 사용하는 경우, 크랭크샤프트 표면을 경화하기에 적당한 에너지 분포 및 제2 폭을 -즉 경화 대상인 가장 넓은 저널- 구비하며, 저널들의 주된 부분을 가로지르며 연장하는 크기, 다른 한편으로는 원주 방향으로 유효 레이저 스폿의 충분히 높은 이동 속도를 허용하기 위해 원주 방향으로 충분히 연장하고 있는 -전술한 상대 이동에 의한-, 동시에 바람직하지 않은 에너지 변동이 지나치게 발생하지 않으면서 저널의 관련 부분들이 충분히 장시간 동안 가열될 수 있는 유효 레이저 스폿을 제공하기에 적당한 파워를 구비하는 레이저를 사용해야만 한다. 즉, 예를 들면, 도 1의 도시되어 있는 크랭크샤프트의 저널의 경우, 레이저는 로드 저널들의 표면들(메인 저널들 폭의 약 2배)을 효율적인 방식으로 그리고 높은 생산성을 나타낼 수 있는 속도로 경화시키기에 적당하다. 이 레이저는 레인 저널을 경화시킬 때에는 차선으로 사용될 수 있을 것이다.

이에 따라, 2개의 레이저 소스의 사용은 이들 각각이 단위 시간 당 가공되는 저널들의 측면에서 소망하는 속도를 가지고 제1 폭(폭이 작은)을 구비하는 저널들을 효율적으로 경화시키기에 적당하게 사용될 수 있기에 이들의 성능/파워가 충분할 수 있고, 제2 폭(폭이 넓은)을 구비하는 저널들을 경화시킬 때에는 소망하는 속도로 2개의 레이저 소스가 함께 사용될 수 있어서, 가용 레이저 파워를 매우 효율적으로 사용할 수 있게 된다. 각 유효 레이저 스폿의 2차원적 에너지 분포가 스캐닝 패턴을 따라 레이저 스폿을 스캐닝함으로써 결정될 때, 이와 동일한 사항이 스캐닝 장치에도 적용될 수 있다. 단지 하나의 레이저와 관련 스캐닝 수단이 사용되는 경우, 대형 혹은 더 복잡한 스캐닝 패턴을 필요로 하는 방식으로, 2개의 작거나 단순한 스캐닝 패턴이 조합되어서 소망하는 에너지 분포를 형성할 수 있다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 이 방법은,

A) 이 방법의 하나 이상의 단계 중에, 상기 표면 영역 위에 경화 대상 표면의 제1 부분을 가로지르며 상기 제2 방향으로 연장하는 유효 레이저 스폿이 형성되도록, 상기 제2 저널의 상기 표면 영역 위로 제1 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔을 투사하고,

상기 표면 영역 위에 경화 대상 표면의 제2 부분을 가로지르며 상기 제2 방향으로 연장하는 유효 레이저 스폿이 형성되도록, 상기 제2 저널의 표면 영역 위로 제2 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔을 투사하며,

상기 제1 부분과 상기 제2 부분이 함께 경화 대상인 상기 표면 영역의 주된 부분을 가로지르며 연장하고,

B) 이 방법의 하나 이상의 다른 단계 중에,

상기 표면 영역 위에 경화 대상 표면 영역의 주된 부분을 가로지르며 상기 제1 방향으로 연장하는 유효 레이저 스폿이 형성되도록, 상기 제1 저널의 상기 표면 영역 위로 제1 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔을 투사하며,

이 방법의 상기 단계들의 모든 단계 중에,

원주 방향으로 상기 표면 영역의 다른 부분들 위로 유효 레이저 스폿이 순차적으로 투사되도록, 크랭크샤프트의 표면과 레이저 소스 사이에 상기 원주 방향으로 상대 이동을 발생시키며;

상기 유효 레이저 스폿은 2-차원의 에너지 분포를 나타낸다.

이 2차원적 에너지 분포가 고정될 수 있다. 또는 이 2차원적 에너지 분포가 예를 들어 열에 다소 민감한 서브 영역들에 맞출 수 있게 동적으로 수정될 수 있다. 예를 들면, 실제 레이저 스폿이, 상기 표면 영역 위에 2차원의 등가 또는 유효 레이저 스폿을 생성시키기 위해, 2차원적으로 스캐닝 패턴을 추종하여 상기 표면 영역의 각 부분을 가로지르며 스캐닝함으로써 유효 레이저 스폿이 확립될 수 있다. 상기 유효 레이저 스폿은 2차원적 에너지 분포를 구비한다. 에너지 분포는 스캐닝 속도 (스캐닝 패턴의 다른 부분들 또는 세그먼트들을 따라 레이저 스폿이 이동하는 속도), 레이저 스폿의 파워 및 스캐닝 패턴을 따른 파워의 변동, 스캐닝 패턴의 레이아웃, 레이저 스폿 크기 등과 같은 파라미터들에 따라 달라진다. 예를 들어 유효 레이저 스폿이 오일 윤활 홀에 인접하는 영역과 같이 열에 민감한 영역에 접근할 때, 에너지 분포를 수정할 수 있도록, 유효 레이저 스폿이 각 저널의 원주부 주위를 이동하는 동안에, 하나 또는 다수의 이들 파라미터들이 동적으로 수정될 수 있다. 이러한 개념 및 이와 관련된 개념(concept)이 본 출원의 출원인과 동일한 출원인에 의해 출원된 국제 특허 출원 PCT/EP2013/067949호에 기재되어 있으며, DLL 출원 내용은 참고로 본 출원에 모두 통합된다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 상기 제1 부분과 제2 부분이 실질적으로 중첩되지 않으면서, 상기 제1 부분이 상기 제2 부분에 실질적으로 인접하여 위치한다. 예를 들면, 5, 10, 20 혹은 30% 미만으로 중첩될 수 있으며, 일부 실시형태에서의 중첩되는 부분은 제로 혹은 거의 제로일 수 있다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 상기 제1 부분과 제2 부분이 실질적으로 중첩되어 있다. 예를 들면, 중첩 부위가 70, 80 또는 90%를 상회할 수 있으며, 100%일 수도 있다.

즉, 제1 부분과 제2 부분이 전혀 중첩되지 않고 서로 떨어져 있을 수도 있고, 서로 중첩되어 있을 수도 있다. 본 발명의 일부 실시형태에서, 제1 부분과 제2 부분은 공간상에서 실질적으로 총체적으로 중첩되어 있다. 중요한 것은, 2개의 레이저 빔들의 조합된 효과가, 제1 및 제2 방향으로 충분한 연장부를 구비하는 전체적으로 2차원의 에너지 분포를 형성한다는 것이다. 또한, 단위 면적 당 가해지는 파워의 측면에서, 효율적으로 저널을 경화시킬 수 있는 충분한 에너지 분포를 구비하고, 질(예를 들어 유효 레이저 스폿 내에서 지나치게 바람직하지 않은 에너지 변동을 일으키지 않고)을 구비하며, 단위 시간된 생산되는 제품의 측면에서 높은 생산성을 달성할 수 있도록 유효 레이저 스폿이 원주 방향으로 충분한 속도로 이동할 수 있다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 이 방법의 하나 이상의 단계 중에, 제1 레이저 소스로부터 나오는 레이저 빔이 하나의 크랭크샤프트의 저널 위로 투사되고, 제2 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔이 다른 크랭크샤프트의 저널 위로 투사된다. 많은 경우에서, 가용 에너지 파워를 효율적으로 사용한다는 측면에서, 복수의 저널들을 구비하는 크랭크샤프트는 차선책이 된다. 예를 들면, 넓은 저널들을 경화시키기 위해 2개의 레이저 소스들이 함께 사용되고, 그리고 덜 넓은 저널들을 경화시키기 위해 각각의 레이저 소스들이 사용될 때, 덜 넓은 저널들의 수가 짝수가 아닌 경우, 저널들을 경화시키는 순서 또는 단계를 수행하는 중에, 하나의 레이저 소스는 휴지 상태(idle)로 남아 있게 될 것이다.

예를 들면, 도 1에 따른 크랭크샤프트의 경우, 폭이 넓은 4개의 로드 저널이 있고, 폭이 좁은 5개의 메인 저널이 있다. 로드 저널들 각각을 경화시키기 위해 2개의 레이저 소스가 동시에 사용될 수 있고, 다른 메인 저널을 경화시키기 위해 레이저 소스가 개별적으로 사용될 수 있어서, 2개의 메인 저널이 동시에 경화될 수 있다. 그러나 4개의 메인 저널을 경화한 후에, 5번째 메인 저널이 남게 될 것이고, 그것을 경화시키는 데에는 하나의 레이저 소스만으로 충분하다. 효율성을 높이기 위해, 다른 하나의 레이저 소스를 휴지 상태로 두는 대신에, 두 번째 크랭크샤프트의 메인 저널을 경화하는 데에 사용할 수 있다. 이에 의해 장치 사용의 효율성을 추가로 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 이 방법의 하나 이상의 단계 중에, 제1 폭을 구비하는 2개의 저널들이 하나의 단계에서 경화되고, 제2 폭을 구비하는 하나의 저널이 제2 단계에서 경화되며, 상기 단계들이 차례대로 추종하고, 상기 두 단계들 사이에는 제2 방향으로 레이저 소스와 크랭크샤프트 사이에 어떠한 상대 이동도 없다. 이는, 두 단계들 사이의 시간을 줄일 수 있기 때문에, 공정을 스피드 업 할 수 있게 된다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 상기 표면 영역은 하나 이상의 열에 더 민감한 서브 영역과, 하나 이상의 열에 덜 민감한 서브 영역을 포함하며, 예컨대 크랭크샤프트의 오일 윤활 홀에 인접한 영역과 같이 열에 더 민감한 서브 영역에서는 열에 덜 민감한 서브 영역의 에너지 분포와 다르게 되도록 상기 에너지 분포가 수정된다. 이에 의해, 상기 열에 더 민감한 서브 영역이 과열되는 것이 방지된다.

본 발명의 추가의 측면은, 2개 이상의 크랭크샤프트의 표면 영역들을 레이저 경화하는 방법으로, 이 방법은,

이 방법의 하나 이상의 단계 중에, 상기 크랭크샤프트들 중 첫 번째 크랭크샤프트를 경화시키기 위해, 제1 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔과 제2 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔을 동시에 사용하는 단계; 및

이 방법의 하나 이상의 다른 단계 중에, 상기 크랭크샤프트들 중 첫 번째 크랭크샤프트를 경화시키기 위해, 제1 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔을 사용하고, 동시에 상기 크랭크샤프트들 중 두 번째 크랭크샤프트를 경화시키기 위해, 제2 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔을 사용하는, 2개 이상의 크랭크샤프트 표면 영역의 레이저 경화 방법에 관한 것이다.

이는, 레이저 장치의 휴지 시간을 없애거나 줄임으로써, 유연성과 효율성을 증가시킬 수 있다는 점에서 유리하다는 것이 입증되었다. 하나 또는 그 이상의 레이저 소스들이 복수의 크랭크샤프트 사이에서 공유될 수 있게 된다. 이는, 때로는 폭이 다른 복수의 저널들을 내포하는 복잡한 형상의 크랭크샤프트와 같은 구성을 구비하는 제품의 경우에, 특히 유리하다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 이 방법은, 이 방법의 하나 이상의 단계 중에, 상기 크랭크샤프트들 중 첫 번째 크랭크샤프트를 경화시키기 위해, 제1 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔과 제2 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔을 동시에 사용하는 한편, 상기 크랭크샤프트들의 두 번째 크랭크샤프트를 경화시키기 위해 제3 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔을 사용하는 단계를 포함한다.

본 발명의 추가의 측면은, 워크피스의 표면 영역을 경화시키는 장치로, 이 장치는, 상기 표면 영역 위로 유효 레이저 스폿을 투사하도록 배치되어 있는 하나 이상의 레이저 소스와, 상기 유효 레이저 스폿이 상기 표면 영역의 다른 부분들이 경화되기에 적당한 온도에 순차적으로 그리고 계속적으로 도달할 수 있도록, 상기 표면 영역과 상기 유효 레이저 스폿 사이에 상대 운동을 발생시키기 위한 수단을 포함하고, 이 장치는 선행 청구항들 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하도록 배치되어 있는 워크피스 표면 영역 경화 장치에 관한 것이다. 이 장치는 -예를 들어 적당하게 프로그래밍되어 있는 제어 시스템에 의해- 전술한 하나 또는 그 이상의 방법들을 실시하게 작동하도록 배치되어 있다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 이 장치는, 2개의 레이저 소스들을 포함하고, 하나의 저널과 2개의 저널들을 구비하는 크랭크샤프트 저널의 표면을 경화시키는 공정의 일 단계에서, 상기 레이저 소스들 양방에서 나오는 레이저 빔들을 상기 저널로 가하고, 상기 공정의 다른 단계에서, 상기 레이저 소스들 중 첫 번째 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔을 상기 저널들 중 하나의 저널에 가하고, 상기 레이저 소스들 중 다른 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔을 상기 저널들 중 다른 저널에 가한다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 기계, 장치 또는 시스템은 경화 공정에서 하나 이상의 단계를 수행하는 중에 2개 이상의 크랭크샤프트 상에서 작동하도록 배치되어 있는 둘 또는 그 이상의 레이저 소스들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 이 기계는, 경화 공정에서 하나 이상의 단계를 수행하는 중에, 이들 3개의 레이저 소스들 중 2개의 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔을 크랭크샤프트들 중 첫 번째 크랭크샤프트를 경화시키는 데에 사용되고, 상기 레이저 소스들 중 하나의 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔은 상기 크랭크샤프트들 중 두 번째 크랭크샤프트를 경화하도록 배치되어 있는 2개 이상의 레이저 소스들을 포함한다. 한편, 경화 공정 중 적어도 다른 단계를 수행하는 중에, 이들 3개의 레이저 소스들 중 하나의 레이저 소스에서 나오는 레이저 짐은 크랭크샤프트들 중 첫 번째 크랭크샤프트를 경화하는 데에 사용되고, 상기 레이저 소스들 중 두 개의 레이저 소스들에서 나오는 레이저 빔들은 상기 크랭크샤프트들 중 두 번째 크랭크샤프트를 경화하는 데에 사용된다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 상기 표면 영역 위로 유효 레이저 스폿을 가하는 시간의 실질적인 부분(예컨대 유효 레이저 스폿을 가하는 시간의 50%, 70%, 90%, 95% 또는 그 이상) 중에, 유효 레이저 스폿의 원주 방향으로의 폭(또는 저널의 표면 곡선부를 따르는 선형 연장부)은 적어도 5㎜, 바람직하기로는 적어도 7㎜, 더욱 바람직하기로는 적어도 10㎜, 더 더욱 바람직하기로는 적어도 15㎜, 20㎜, 30㎜ 또는 적어도 50㎜ 같이 그 이상이다. 원주 방향 즉 레이저 소스와 저널 표면 사이에 발생하는 상대 이동 방향으로 충분한 연장부를 사용함에 따라, 합리적으로 짧은 시간 내에 경화 공정을 완료하면서도, 경화 대상의 표면 영역의 각 부분을 충분히 긴 시간동안 가열할 수 있게 된다. 즉, 원주 방향으로 유효 레이저 스폿의 연장부를 충분히 길게 함으로써, 지나치게 고온을 사용하지 않고서 충분한 침투 깊이 또는 경화 깊이를 달성하면서도, 상대적으로 고속으로 상대 이동시킬 수 있다. 이러한 이유로, 원주 방향으로의 유효 레이저 스폿의 실질적인 폭이 바람직할 수 있다. 물론, 표면 영역을 충분히 가열하기에 충분한 가용 파워가 제공될 수 있기 때문에, 사용되는 레이저의 파워 측면에서의 성능과 유효 레이저 스폿에 의해 커버되는 표면 영역 간에 균형이 이루어질 수 있게 된다. 제1 방향으로의 폭이 1㎝ 혹은 수 ㎝ 단위인 저널들을 구비하는 자동차 크랭크샤프트를 작업할 때, 그리고 3-4kW와 같은 수 kW 영역의 출력 파워를 구비하는 레이저를 사용하는 경우, 유효 레이저 스폿의 원주 방향으로의 폭은 예를 들어 1㎝ 단위이고, 레이저와 저널 표면 사이의 선형 상대 속도는 60㎝/분 정도일 수 있다. 많은 산업용 목적을 달성하기 위해, 레이저 빔의 파워는 적어도 3kW, 바람직하기로는 6kW 같이 그 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 상기 유효 레이저 스폿은 제1 방향과 제2 방향, 그리고 제1 방향과 제2 방향 사이의 방향 즉 제1 및 제2 방향에 대해 경사진 방향을 포함하는 방향으로, 예를 들어 직선 혹은 곡선 경로 또는 라인들을 따라 레이저 빔을 스캐닝하여 얻어지는 등가(equivalent) 또는 실질적인(virtual) 레이저 스폿이다. 레이저 빔은 스캐닝 속도로 레이저 스폿이 변위되는 것을 따르는 스캐닝 패턴을 반복적으로 추종하여, 스캐닝 사이클 중에, 상기 스캐닝 속도, 상기 스캐닝 패턴, 레이저 스폿의 크기, 레이저 빔의 파워 및 레이저 빔 내의 파워 분포에 의해 2차원의 에너지 분포가 결정된다. 이에 따라, 2차원의 에너지 분포를 동적으로 수정하는 데에 이들 파라미터들 중 하나 또는 그 이상의 파라미터들이 사용될 수 있다. 이렇게 함으로써, 레이저 소스와 워크피스 표면 사이에 상대 이동이 이루어지는 동안에 즉 예를 들어 크랭크샤프트가 종 방향 축선 주위로 회전하는 동안에, 유효 레이저 스폿의 형상과 크기를 쉽게 수정 및 변형할 수 있게 된다. 이에 따라, 오일 윤활 홀에 인접한 영역들과 같이 열-민감도가 높은 서브 영역들이 과열되는 것을 방지하기 위해 2차원 에너지 분포가 수정된다. 본 발명의 일부 실시형태에서, 상기 스캐닝 속도, 스캐닝 패턴, 레이저 스폿의 크기, 레이저 빔의 파워 및 레이저 빔 내의 파워 분포들 중 하나 이상을 수정함으로써 에너지 분포의 수정이 이루어진다. 이에 따라, 상기 열 민감도가 덜한 서브 영역을 가열할 때의 에너지 분포와 오일 윤활 홀에 인접한 영역을 포함하는 열 민감도가 큰 서브 영역을 가열할 때의 상기 에너지 분포가 다르게 된다. 이에 따라서, 오일 윤활 홀에 인접한 상기 영역이 과열되는 것이 방지된다. 본 발명의 일부 실시형태에서, 레이저 빔의 파워를 조절함으로써 예를 들어 레이저 스폿이 스캐닝 패턴을 따라 스캐닝 하는 동안에 레이저 빔을 켜고 끄고 함으로써 에너지 분포의 수정이 이루어진다. 예를 들면, 광섬유 레이저 같은 레이저를 사용할 때, 레이저 빔이 신속하게 온 오프될 수 있다. 이렇게 레이저 빔이 스캐닝 패턴을 추종하는 중에 레이저 빔을 온 오프 함으로써 소망하는 에너지 분포를 얻을 수 있다. 이에 따라, 스캐닝 패턴의 라인들의 일부분 또는 특정 라인들을 추종하는 중에 레이저 빔을 온 함으로써 가열이 이루어질 수 있다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 레이저 스폿이 스캐닝 패턴을 따라 스캐닝하는 중에, 스캐닝 속도를 수정함으로써 에너지 분포의 수정이 (추가로) 이루어질 수 있다. 레이저 빔 파워가 고정되어 있는 경우, 스캐닝 속도를 올리는 것은 적은 양의 에너지가 인가된다는 것을 암시한다. 반대로 스캐닝 속도를 낮추면 많은 양의 에너지가 인가된다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 유효 레이저 스폿의 온도 변동이 로컬 최대 온도와 로컬 최소 온도 사이의 그 진폭이 200℃ 미만, 바람직하기로는 150℃ 미만, 더 바람직하기로는 100℃ 미만, 더 더욱 바람직하기로는 50℃ 미만이 되도록 스캐닝 속도가 충분히 높은 상태에서 스캐닝이 이루어진다. 이러한 맥락에서, 온도 변동의 진폭은, 유효 레이저 스폿의 선행 에지에서 초기에 최대 온도로 실질적으로 가열하는 것과 이어서 유효 레이저 스폿의 후행 에지에서 낮은 온도로의 냉각을 배제한, 로컬 최대 온도 커브와 로컬 최소 온도 커브 사이의 반복적인 변동들의 진폭을 지칭한다. 적절하게 경화하기 위해서는, 금속이 급속하게 충분한 고온에 도달하고, 계속해서 금속이 상기 충분한 고온에서 실질적으로 변동하지 않으면서 합당한 시간 동안 머무는 것이 바람직하다. 온도의 변동(fluctuation)은 경화 품질에 좋지 않은 영향을 주게 된다. 가열된 지점이 후속 스캐닝 사이클이 진행되는 중에 레이저 빔에 의해 재가열되기 전에 가열된 지점의 온도가 많이 떨어지는 것을 방지하기 위해서는, 스캐닝 속도가 10, 25, 50, 75, 100, 150, 200 또는 300Hz(즉, 초 당 스캐닝 패턴의 반복)를 상회하는 것이 적당하다. 적당한 경화는 어느 정도의 최소 온도를 필요로 하고, 소망하는 경화 깊이에 급속하게 도달되어야 한다면, 고온이 바람직하다. 그러나 지나치게 높은 온도는 예를 들어 결정립 성장에 의해 품질에 좋지 않은 영향을 주게 된다. 이에 따라, 적정 온도(compromise temperature)를 찾아내야 하며, 이 온도로부터의 편차는 가능하면 작아야 한다. 온도 변동 혹은 변화의 진폭을 줄이기 위해서는, 초 당 사이클과 관련된 스캐닝 속도가 큰 것이 바람직할 수 있다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 유효 에너지 스폿에 의해 스윕된 영역이 먼저 평균 파워가 높은 레이저 방사선을 받고 이어서 평균 파워가 낮은 레이저 방사선을 받도록, 상기 에너지 분포는 상기 유효 에너지 스폿의 선행 부분 또는 선행 에지에서의 에너지 밀도가, 유효 에너지 스폿의 후행 부분 또는 후행 에지에서의 에너지 밀도보다 높은 것을 특징으로 한다. 이는, 경화를 위한 적당한 온도에 신속하게 도달된다는 점에서 효율성을 증가시킨다. 이에 의해, 요구되는 경화 깊이를 얻기 위해, 유효 에너지 스폿이 특정 영역에 인가되어야 하는 시간이 감소된다. 이에 따라, 예컨대 저널 표면의 경화를 완료하는 데에 소요되는 시간이 줄어든다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 이 방법은, 상기 열 민감도가 덜한 서브 영역에 비해 상기 열 민감도가 높은 서브 영역에서, 상기 유효 에너지 스폿 내에서 레이저 빔에 대해 다른 스캐닝 패턴을 사용하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 이 방법은 상기 열 민감도가 덜한 서브 영역에 비해 상기 열 민감도가 높은 서브 영역에서, 상기 유효 에너지 스폿의 적어도 일부가 다르게 되도록 스캐닝 속도를 수정함으로써 상기 에너지 분포를 수정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 상기 유효 에너지 스폿은 워크피스의 표면 부분을 경화 온도로 가열하기 위해 선택된 에너지 분포와 밀도를 구비하는 선행 부분, 담금질하기 위해 가열된 표면 부분을 냉각시키기 위해 선택된 에너지 분포와 밀도(예컨대 매우 낮은 에너지 밀도, 제로 파워 혹은 제로 파워에 근접하는 파워)를 구비하는 중간 부분, 및 담금질된 부분을 템퍼링하기 위해 담금질된 부분을 가열하도록 선택된 에너지 분포와 밀도를 구비하는 후행 부분을 포함한다. 일반적으로, 크랭크샤프트 같은 많은 워크피스들은 그 워크피스들의 경화 외에도, 경도를 낮춰서 연성을 향상시키고 취성을 줄이기 위한 템퍼링을 필요로 한다. 템퍼링을 위해, 워크피스가 일반적으로 경화에 사용되는 온도보다는 낮은 온도까지 가열되어야 한다. 레이저 처리에 의해 워크피스가 경화되면, 노 또는 오븐 내에서 템퍼링이 이루어지지만, 경화를 사용된 레이저 처리와 유사한 레이저 처리를 사용하여 템퍼링할 수도 있다. 이때 사용되는 에너지 분포 및/또는 밀도는 경화에 사용되는 에너지 분포 및/또는 밀도와 다른다. 예를 들면, 크랭크샤프트의 경우, 경화 사이클을 거친 후에 템퍼링 사이클을 적용함으로써 템퍼링이 이루어질 수 있다. 예를 들면, 저널의 360도를 경화한 후 유효 에너지 스폿이 저널을 따라 혹은 저널 주위를 다시 한번 이동할 수 있는데, 이것이 템퍼링을 위한 것이다. 그러나 워크피스 표면을 소망하는 경화 온도로 가열하고, 그 표면이 소망하는 경화 깊이를 얻을 수 있도록 충분한 시간 동안 그 온도에서 유지하기 한 선행 부분; 가열된 부분이 담금질 혹은 자기-담금질되도록 그 가열된 부분을 냉각될 수 있도록 에너지 혹은 파워 밀도가 거의 0 W/㎠와 같이 에너지 밀도가 낮은 중간 부분; 담금질된 부분이 소망하는 바대로 필요한 만큼 템퍼링될 수 있도록 담금질된 부분을 재-가열하기 위한 에너지 분포와 밀도를 구비하는 후행 부분;을 포함하는 유효 에너지 스폿을 사용함으로써, 경화와 템퍼링이 동일한 사이클 혹은 공정 내에서 제공될 수도 있다. 이러한 방식으로, 담금질 및 템퍼링된 제품을 생산하기 위해, 유효 에너지 스폿이 처리 대상 표면을 스윕하도록 하는 것만으로 충분할 수 있다. 예를 들어, 크랭크샤프트를 그 회전축 주위로 회전시킴으로써 크랭크샤프트 저널 표면을 담금질 및 템퍼링할 수 있다.

워크피스의 부분을 따르는 및/또는 가로지르는 레이저 빔 또는 레이저 스폿의 스캐닝을 포함하는 전술한 본 발명의 다른 측면에서, 레이저 스폿이 복수의 세그먼트들을 포함하는 스캐닝 패턴을 반복적으로 추종하도록 스캐닝이 수행될 수 있다. 여기서, 상기 2차원적 에너지 분포에 영향을 미치는 하나 이상의 파라미터 값은, 레이저 스폿이 예를 들어 제어 시스템의 메모리에 저장되어 있는 상기 세그먼트들의 각각을 따라 이동할 때마다 각 세그먼트에 대응하여 작동하게 수정하는 데에 사용될 수 있도록, 이들 세그먼트들 각각에 연계되어 있다. 상기 하나 이상의 파라미터 값은, 작업하는 중에, 유효 에너지 스폿이 열 민감도가 높은 서브 영역을 가열 할 때와 열 민감도가 낮은 서브 영역을 가열할 때에 상기 세그먼트들 중 하나 싱의 세그먼트에서 상기 하나 이상의 파라미터 값이 다르게 되도록 동적으로 수정될 수 있다. 예를 들면, 지정된 세그먼트에서, 다른 파라미터 값들(또는 파라미터 값들의 조합)이 다른 메모리 지점에 저장될 수 있고, 가열되고 있는 서브 영역에 따라, 파라미터 값들이 하나의 메모리 지점에서 혹은 다른 메모리 지점에서 철회될 수 있다. 그러나 이것은 일례에 불과하고, 본 발명의 범위 내에서 다른 구현도 가능하다. 세그먼트로 된 스캐닝 패턴을 사용함으로써 크랭크샤프트의 특정 설정에 맞는 에너지 분포를 찾아내고 구현하는 것이 용이해진다는 것을 알 수 있었다. 2차원적 에너지 분포에 영향을 미치는 하나 이상의 파라미터들을 수정함으로써, 예를 들어 크랭크샤프트의 오일 윤활 홀의 에지 주변 영역과 같이 워크피스에서 열 민감도가 큰 부분들에 맞추어 적은 양의 파워/에너지를 가하기 위해, 에너지 분포의 변조를 용이하게 할 수 있다. 이에 따라, 각 세그먼트에 맞추어 특정 파라미터들에 다른 값들을 할당함으로써, 오퍼레이터가 다른 에너지 분포를 규정할 수 있으며, 크랭크샤프트 저널의 표면과 같이 워크피스의 부분을 경화하는 중에 서로 다른 에너지 분포들 사이를 절환함으로써, 열에 민감한 부분들이 국소적으로 과열되지 않도록 하면서 적당한 경화를 할 수 있게 된다. 세그먼트로 된 스캐닝 패턴을 사용하고, 각 세그먼트 베이스에 파라미터 값들을 할당함으로써, 예를 들어 적은 시행착오를 통해 적당한 값들을 쉽게 찾아낼 수 있다. 예를 들면, 오일 윤활 홀을 경화하기 위해, 유효 에너지 스폿이 워크피스의 서브 영역들에 도달할 때, 오일 윤활 홀에 인접한 부분에 인가되는 에너지 양을 줄일 수 있도록, 특정 세그먼트들에 할당된 값들이 선택될 수 있다.

이 파라미터 값들은 스캐닝 속도, 레이저 스폿의 크기, 레이저 빔의 파워, 레이저 빔 내의 파워 분포, 대응 세그먼트의 길이 및 대응 세그먼트의 방향들 중 하나 이상을 나타낼 수 있다. 본 발명의 많은 실시형태에서, 레이저 빔의 파워 및/또는 스캐닝 속도가 바람직한 파라미터일 수 있다.

전술한 본 발명의 측면들의 일부 실시형태에서, 이 방법은, 유효 에너지 스폿이 크랭크샤프트의 원주 방향으로 저널 주위를 유효 에너지 스폿이 변위함으로써 경화된 크랭크샤프트 저널 중 이전에 경화된 부분과 같이, 상기 표면 영역에서 이전에 경화된 부분에 유효 에너지 스폿이 도달할 때 유효 에너지 스폿의 선행 부분의 에너지 밀도를 감소시키는 단계를 포함한다. 이에 의해, 저널에서 이미 가열되어 경화된 부분이 과도하게 가열되는 방지될 수 있다. 본 발명의 일부 실시형태에서, 유효 에너지 스폿의 선행 에지에서의 파워/에너지 밀도가 단순히 감소되지만, 유효 에너지 스폿은 예를 들어 원주 방향으로 저널 주위를 연속적으로 이동하여, 템퍼링을 할 목적으로 경화된 부분을 어느 정도로 재가열 한다. 본 발명의 다른 실시형태에서, 이 방법은, 유효 에너지 스폿이 원주 방향으로 크랭크샤프트 저널 주위를 변위함으로써 이전에 경화된 크랭크샤프트 저널의 경화 부분과 같이, 상기 표면 영역 중 이전에 이미 경화된 부분에 유효 에너지 스폿이 도달할 때, 상기 유효 에너지 스폿의 선행 부분에서의 상기 유효 에너지 스폿의 이동을 정지시키고, 반면 상기 유효 에너지 스폿의 후행 부분은 상기 원주 방향으로 계속해서 이동시킴으로써, 상기 유효 에너지 스폿이 소멸될 때까지 상기 원주 방향으로의 유효 에너지 스폿의 크기를 계속적으로 감소시키는 단계를 포함한다. 즉, 유효 에너지 스폿이 이전에 경화된 부분에 도달할 때, 유효 에너지 스폿은 실질적으로 정지되어 있다. 즉, 예를 들면 선행 에지가 정지되어 있고, 후행 에지가 그 선행 에지를 따라 잡아, 경화 사이클이 종료된다.

양 경우에 있어서, 유효 에너지 스폿이 스캐닝 패턴의 세그먼트들과 같은 세그먼트들로 구성되어 있는 경우, 이 방법의 실시가 실질적으로 용이해질 수 있다.

상기 세그먼트들에서 빔의 파워를 감소시키거나 및/또는 스캐닝 속도를 증가시키거나 및/또는 단순히 세그먼트들을 취소하거나 재배열하는 것과 같이 상기 세그먼트들에서 에너지 밀도를 수정함으로써, 선행 에지에서 시작하는 유효 에너지 스폿을 감소시키거나 취소시킬 수 있다. 이에 따라, 레이저 빔의 2차원적 스캐닝의사용과 세그먼트로 된 구성을 조합함으로써, 유연성(flexibility) 있는 유효 에너지 스폿을 생성시킬 수 있고, 예를 들어 크랭크샤프트의 저널을 원주 방향으로 경화시키는 경우, 통상의 기술자가 트랙 중에서 이미 경화된 부분에 유효 에너지 스폿의 도달을 용이하게 취급할 수 있게 한다.

전술한 측면들과 다른 측면들이 서로 양립될 수 있을 때에는, 이들 측면들이 서로 조합될 수 있다.

본 발명에 대한 설명을 완벽하게 하고, 본 발명에 대한 더 나은 이해를 제공하기 위해, 한 세트의 도면들이 제공되어 있다. 이들 도면들은 본 명세서의 통합되어 있는 일부를 구성하고, 본 발명을 실시하는 다양한 방식들을 설명하지만, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 다만, 본 발명이 실시되는 방식을 보여주는 실시예들로 해석되어야 한다.
도 1은 당 업계에 공지되어 있는 크랭크샤프트의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 상정 가능한 일 실시형태에 따른 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 발명의 상정 가능한 일 실시형태에 따른 워크피스의 일 부분과 레이저 소스(1)의 일부분을 나타내는 개략적인 입면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 크랭크샤프트의 오일 윤활 홀 주위의 영역을 경화할 때, 유효 레이저 스폿의 에너지 분포가 어떻게 개량되는지를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 다각형 스캐닝 패턴을 사용하여 형성되는 유효 레이저 스폿을 사용하여 경화하는 공정의 두 개의 다른 순간에서 워크피스의 개략적인 평면 단면도이다.
도 6은 복수의 평행 라인들을 포함하는 스캐닝 패턴에 의해 형성되는 유효 레이저 스폿을 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 복수의 평행 라인들을 포함하는 상정 가능한 일 패턴을 설명하는 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 유효 레이저 스폿을 형성하기 위한 스캐닝 패턴을 설명하는 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 유효 레이저 스폿을 형성하기 위한 스캐닝 패턴을 설명하는 도면이다.
도 10a 내지 도 10c는 크랭크샤프트의 저널을 경화하는 데에 두 개의 레이저 소스가 어떻게 사용되는지를 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 11a 및 도 11b는 두 개의 레이저 소스로부터 나온 레이저 빔들이 크랭크샤프트 저널의 표면 위에 어떻게 유효 레이저 스폿을 형성할 수 있는지를 개략적으로 설명하는 도면이다.
도 12a 및 도 12b는, 본 발명의 상정 가능한 일 실시형태에서, 장치 또는 시스템이, 2개 또는 그 이상의 크랭크샤프트들 사이에서 공유될 수 있는 2개 또는 그 이상의 레이저들을 어떻게 포함할 수 있는지를 개략적으로 설명하는 도면이다.

도 2는 본 발명의 상정 가능한 일 실시형태에 따른 시스템을 설명하고 있다. 이 시스템은 레이저 캐리지(11) 위에 장착되어 있는 레이저 소스(1)를 수용하는 프레임 구조물을 포함한다. 레이저 캐리지(11)는 예를 들어 서보모터나 다른 임의의 적당한 구동 수단과 같은 제1 레이저 캐리지 구동 수단(12)에 의해 시스템의 수직 Z축과 평행한 수직 방향으로 움직일 수 있다. 다른 한편으로, 레이저 소스(1)는, 위와 다른 서보모터 혹은 다른 적당한 구동 수단과 같은 제2 레이저 캐리지 구동 수단(13)에 의해, 수평 트랙(14)을 따라 시스템의 수평 방향 X축과 평행하게 수평 방향으로 구동될 수 있다.

다른 한편으로, 이 시스템은 2개의 워크피스 캐리지(20)를 포함한다. 워크피스 캐리지(20) 각각은 2개의 워크피스(1000)를 나란하게 수용할 수 있으며(이 실시형태에서는 워크피스가 크랭크샤프트임), 이 시스템의 X축과 평행한 중심 축선(이 실시형태에서, 이 중심 축선은 크랭크샤프트의 메인 저널의 중심을 관통하는 종 방향 축선에 대응함)을 따라 각 워크피스를 회전시키기 위한 구동 수단(도시하지 않음)을 포함한다. 다른 한편으로, 워크피스 캐리지(20) 각각은 이들 워크피스 캐리지들을 X축과 직교하는 이 시스템의 Y축과 평행하게 수평 방향으로 변위시키도록 배치되어 있는 워크피스 캐리지 구동 수단(21)(서보모터 혹은 다른 임의의 적당한 구동 수단)과 연관되어 있다.

수평 방향과 수직 방향은 설명을 단순화하기 위해서만 사용되고 있으며, 이들 축선들의 다른 방향을 사용할 수 있음은 자명하고, 이는 본 발명의 범위에 속한다.

본 케이스에서, 우선 워크피스 캐리지(20) 중 제1 워크피스 캐리지 내의 워크피스(1000)들 중 하나의 워크피스의 표면 중 관련 부분을 경화하는 데에 레이저 소스(1)가 사용되고, 그런 다음, 레이저 소스(1)가 상기 워크피스 캐리지(20) 중 제1 워크피스 캐리지 내의 다른 워크피스(1000) 표면의 관련 부분을 경화하는 데에 사용되며, 그런 다음, 레이저 소스(1)는, 워크피스 캐리지(20) 중 제2 워크피스 캐리지 내에 배치되어 있는 워크피스(1000)들의 표면을 경화시키기 위해, 트랙(14)을 따라 이동하여 워크피스 캐리지(20) 중 제2 워크피스 캐리지와 마주하게 된다. 레이저 소스(1)가 워크피스 캐리지(20) 중 제2 워크피스 캐리지 내의 워크피스들 위에서 작동하는 동안에, 워크피스 캐리지(20) 중 제1 워크피스 캐리지 내의 워크피스들이 언로드되고 레이저 소스에 의해 처리될 새로운 워크피스들로 교체된다. 또한, 그 반대일 수도 있다.

많은 다른 방안이 사용될 수 있음은 자명하다. 예를 들어, 워크피스 캐리지 당 하나의 워크피스만이 있을 수도 있고, 또는 워크피스 캐리지에 두 개 이상의 워크피스들이 있을 수도 있다. 워크피스 캐리지 당 하나의 레이저 소스가 있을 수 있다(즉, 대응 레이저 소스를 구비하는 제2의 레이저 소스 캐리지가 트랙(14)에 부가될 수 있다). 또한, 도 2의 장치와 동일한 여러 개의 장치들 또는 이들 장치를 변형한 장치들이 병렬적으로 배치될 수 있다. 또한, 각 레이저 캐리지(11)에 하나 이상의 레이저 소스(1)가 제공되어서, 하나의 워크피스 캐리지 내에서 여러 개의 워크피스들이 동시에 레이저 경화 처리될 수도 있다. 레이저 소스들의 수량, 워크피스 캐리지들의 수량 및 워크피스들의 수량들 간의 관계는, 시스템 중에서 보다 고가인 부분의 사용을 최적화 하도록, 그리고 예를 들어 시스템의 작동을 정지시키지 않으면서 워크피스들을 로딩 및 언로딩할 수 있도록 함으로써 생산성을 최적화할 수 있도록 선택될 수 있다.

본 발명의 일부 실시형태에서, 워크피스가 메인 저널(1001)과 로드 저널(1002)을 구비하는 크랭크샤프트(1000)인 경우, 메인 저널의 표면이 원형이고 크랭크샤프트의 회전축 주위로 대칭이기 때문에, 크랭크샤프트의 메인 저널(1001)을 열처리하는 동안, 레이저 소스는 Z축 방향으로는 이동하지 않으며, 워크피스 캐리지는 Y축 방향으로 이동하지 않는다. 본 발명의 일부 실시형태에서, X축 방향으로 메인 저널의 연장부 전체를 따라 레이저 열처리할 필요가 있다면, 레이저 소스 및/또는 워크피스들이 X축을 따라 이동할 수 있다. 이는, 레이저 빔을 X축 방향으로 이동시키기 위해 스캐닝 수단(도시하지 않음)의 성능과 레이저 소스의 파워 성능에 따라 달라질 수 있다. 레이저 빔이 X축 방향으로 메인 저널(1001)의 연장부 전체를 따라 메인 저널(1001)의 경로를 가로지르며 스캔될 수 있다면, 예를 들어 크랭크샤프트의 메인 저널(1001)들 하나의 메인 저널을 열처리하는 동안에 레이저 소스(1)를 X축 방향으로 변위시킬 필요가 없으며, 하나의 저널의 열처리에서 다른 저널의 열처리로 전환할 때에도 레이저 소스(1)를 X축 방향으로 변위시킬 필요가 없다. 이는 예를 들어 크랭크샤프트의 로드 저널(1002)을 열처리 하는 데에도 적용된다.

그러나, 로드 저널(1002)을 열처리하는 중에, 로드 저널의 중심축은 메인 저널의 중심축으로부터 반경방향으로 변위되고, 워크피스 캐리지(20) 내에서 크랭크샤프트 워크피스(1000) 각각이 회전하는 동안, 레이저 광 소스(1)가 Z축과 평행하게 수평 방향으로 움직이고 워크피스 캐리지(20)가 Y축과 평행하게 수평 방향으로 움직여서, (레이저 소스의 스캐닝 수단의 출력부 또는 렌즈 면과 같은) 레이저 소스와 위로 레이저 빔이 투사되는 면 사이의 거리가 일정하게 유지되게 된다. 본 발명의 다른 실시형태에서, 크랭크샤프트들이 Z축 및 Y축과 평행하게 움직일 수 있다. 또는 혹은 이와는 다르게, 레이저 소스가 Z축 및 Y축과 평행하게 움직일 수 있게 배치될 수 있다.

워크피스 캐리지 구동 수단(21)과 워크피스 캐리지(20) 내의 워크피스(1000)를 회전시키기 위한 구동 수단의 작동뿐만 아니라, 제1 레이저 캐리지 구동 수단(12) 과 제2 레이저 캐리지 구동 수단(13)의 작동은 컴퓨터, 컴퓨터 시스템 또는 PLC(도 2에는 도시되어 있지 않음) 같은 전자 제어 수단에 의해 제어될 수 있다.

레이저 소스(1)는 레이저 빔의 방향을 수정하기 위해 배치되어 있는 스캐닝 시스템을 포함한다. 이러한 스캐닝 시스템은 당 업계에 이미 주지되어 있으며, 통상적으로 하나 또는 다수의 스캐닝 미러들을 포함하고, 컴퓨터의 제어를 통해 사이 함수, 삼각 함수 등과 같은 스캐닝 함수에 따라 스캐닝 미러들의 각도가 수정될 수 있다. X축과 평행하게 즉 워크피스(1000)의 회전에 의해 레이저 소스(1)에 대한 워크피스(1000) 표면의 이동 방향과 직교하는 방향으로 레이저 빔을 스캔하는 데에, 일-축 스캐닝 시스템(예를 들어 하나의 축 주위를 선회할 수 있는 스캐닝 미러를 구비하는 스캐닝 시스템 또는 이와 유사한 스캐닝 시스템)이 사용될 수 있다. 표면의 관련 부분을 가로지르는 급속 스캐닝이 스캐닝을 하지 않는 스폿의 연장부보다 X축 방향으로 더 많은 연장부를 구비하는 실질적인 스폿을 발생시킨다. 이에 따라, 빔의 파워가 더 넓은 영역에 걸쳐 분산되기 때문에, 오리지널 스폿이 (X축 방향으로 연장부가 더 큰) 광폭이지만 파워 밀도는 더 작은 실질적인 스폿(virtual spot)으로 변한다.

2-축 스캐닝 시스템(예를 들어 쌍-축(bi-axial) 미러 또는 두 개의 단-축(uni-axial) 미러를 구비하는)을 사용하는 경우, 레이저 빔이 두 방향 예를 들어 한편으로는 X축과 평행한 방향으로, 다른 한편으로는, Y축과 평행한 방향으로, 그리고 이들이 조합된 방향으로 이동할 수 있다. 이에 따라, 레이저 소스에 대한 표면의 이동 방향과 직교하는 표면을 스캐닝 하는 외에도 즉 X축 방향으로 저널 표면을 "따라(along)" 표면을 스캐닝하는 외에도, 레이저 빔은 그 레이저 빔의 이동 방향 즉 Y축과 평행하게 표면을 스캐닝할 수도 있다. 이에 따라, 크랭크샤프트의 저널 표면이 저널의 원주 방향으로도 스캔될 수 있다. 또한, 레이저 빔은 X 방향과 Y 방향으로의 움직임을 조합한 경로를 만들 수도 있다. 이에 의해, 빔이 직사각형, 타원형, 사다리꼴 등과 같은 복잡한 형상을 구비하는 경로들을 추종할 수 있다. Y(또는 W) 방향으로 실질적으로 높이를 구비하는 거의 채워진 직사각형을 형성하기 위해(예를 들면, 직사각형 경계 내에 구부러진 패턴을 추종함으로써 혹은 상기 경계 내의 분리되어 있는 복수의 라인들을 추종함으로써) 혹은 직사각형의 각 에지의 아우트라인을 형성하기 위해, 또는 다른 임의의 기하학적 형상을 형성하기 위해 레이저 스폿은 표면 위를 스캔할 수 있다. 스캐닝 시스템의 성능을 사용하여, X 방향과 Y 또는 W 방향 양쪽으로 소망하는 연장부와 형상을 구비하는 유효 레이저 스폿과 거의 동일한 스폿 또는 등가의 스폿이 형성될 수 있다. X 및 Y 방향으로 이동할 수 있는 것 외에, 소위 XYZ-스캐너의 경우, 동일한 종류의 구동 수단에 의해 Z 방향으로 변위될 수 있는 초점 렌즈가 제공되어, 레이서 스폿의 크기를 동적으로 변화(dynamic adaptation)시킬 수 있다. 이에 의해, 스폿의 위와 크기 모두가 제어될 수 있으며, 경화 공정을 최적화 하도록 개작될 수 있다. 또한, 초점 렌즈 또는 이와 유사한 장치를 변위시키는 것에 추가하여 혹은 그 대안으로, 제1 레이저 캐리지 구동 수단을 사용하여, Z-축과 평행하게 레이저 소스를 이동시켜 레이어 스폿의 크기가 조절 및 개작될 수도 있다. 또한, 이 시스템은 레이저 스폿 내에서 파워의 분포를 변화시키는 수단을 포함할 수도 있다. 이는 예를 들어 전술한 DE-3905551 A1호에 의해 공지되어 있다.

도 3은 개략적으로 도시되어 있는 2-축 스캐닝 시스템(3)을 포함하는 레이저 소스(1)를 개략적으로 설명하고 있다. 2-축 스캐닝 시스템(3)은 양-축 미러 또는 두 개의 단-축 미러에 기초하며, 입사하는 레이저 빔(2)을 X 축과 평행한 수직 평면 내 그리고 Y 축과 평행한 수직 평면 내에서 방향을 전환시키도록 배치되어 있다. 각도 α는 X 축과 평행한 수직 평면에서의 최대 스윕을 나타내고, 각도 β는 Y 축과 평행한 평면 내에서의 최대 스윕을 나타낸다. 도 3은 워크피스 위에 위치하는 레이저 소스(1)를 개략적으로 설명하고 있다. 좀 더 상세하게는, 레이저 소스(1)는 크랭크샤프트의 메인 저널(1001) 위에 위치한다. 크랭크샤프트의 메인 저널(1001)은 오일 윤활 홀(1003)을 포함하며, 워크피스 내에서 화살표로 제시되어 있는 방향으로 회전한다. 도 3에는 레이저 빔의 스캐닝에 의한 레이저 스폿에 의해 스윕될 수 있는 섹션(1006) 또는 부분이 개략적으로 도시되어 있다. 이에 따라, 이러한 종류의 레이저 소스를 사용하여, 워크피스의 상부 위로 투사되는 작은 레이저 스폿이, 고속에서, 임의의 소망하는 형상의 패턴 각도 α 및 β에 따라 스캐닝 시스템에 의해 허용되는 최대 스윕에 의해 결정되는 섹션(1006) 내에서, 반복적인 스캐닝으로 얻어지는 실질적으로 혹은 등가의 큰 스폿으로 대체될 수 있다. 이에 따라, 하나의 싱글 소형 스폿을 레이저 빔으로 가열하는 대신, 상기 영역을 레이저 빔으로 스캐닝하는 시간 인터벌 중에 대면적이 가열될 수 있다(그렇지만 단위 면적 당 파워는 더 작아짐). 또는, 다시 말하면, 예를 들어 적당하게 고정된 광학장치를 사용하여 (대형 사각형 스폿 같은) 대형 스폿을 제공하는 대신에, 더 작고 좀 더 파워 집약적인 스폿을 대면적에 스캐닝함으로써 이에 대응하는 파워 분포를 얻을 수 있다. 이는, 하나의 중요한 이점을 포함한다: 이것은, 표면의 서로 다른 부분의 서로 다른 특성에 따라 예를 들어 열 민감도와 과열에 의한 손상의 위험성에 따라, 스캐닝 패턴, 스캐닝 이동 속도, 빔 파워 및/또는 스폿의 크기를 개작함으로써, 표면의 서로 다른 부분에 에너지 양이 서로 다른 레이저 스폿을 동적으로 적용시킬 수 있는 가능성을 제공한다. 오일 윤활 홀의 근방 또는 언더컷 필렛의 근방의 표면에 적용되는 가열 에너지의 양을 제한하도록, 예를 들면, 스캐닝 패턴, 스캐닝 속도, 빔 파워 및/또는 레이저 스폿 크기가 선택될 수 있다(그리고 경화 공정 중에 동적으로 개작될 수 있다.). 적당한 경화 깊이와 품질을 얻기 위해, 바람직하기로는 10㎐ 혹은 더 바람직하기로는 50, 100, 150, 200 또는 250㎐를 상회하는 높은 주파수로 스캐닝이 반복적으로 수행되어, 가열되는 영역 내에서 온도의 실질적인 변동이 방지된다.

도 4a 내지 도 4c는 오일 윤활 홀에 맞추기 위해 유효 레이저 스폿의 에너지 분포가 어떻게 수정되는지를 보여주고 있다. 오일 윤활 홀(1003)은 크랭크샤프트 저널의 표면에 위치하며, 상기 표면은 제1 방향 W 즉 원주 방향과, 크랭크샤프트의 축과 평행한 제2 방향으로 연장하고 있다. 도 4a에서, 실질적으로 사각형의 등가 유효 레이저 스폿(5)이 사용된다. 레이저 스폿(5)은 파워 밀도가 높은 선행 부분(5A)과 파워 밀도가 낮은 후행 부분(5B)을 구비한다. 그러나 도 4b에 도시되어 있는 바와 같이, 예를 들어 크랭크샤프트가 그 종 축 주위의 회전에 의한 크랭크샤프트의 표면과 레이저 소스 간의 상대 이동에 의해 오일 윤활 홀(1003)이 유효 레이저 스폿에 접근할 때, 선행 부분(5A)의 중심부를 향해 파워 또는 에너지 밀도가 감소되도록 에너지 분포가 실질적으로 개작되어, 오일 윤활 홀(1003) 인근 영역의 과열이 방지된다. 후속해서, 오일 윤활 홀(1003)이 선행 부분(5A)을 통과하면, 후행 부분(5B)에서의 에너지 분포가 후행 부분의 중심부를 향해 에너지 또는 파워 밀도가 감소함으로써 오일 윤활 홀(1003)에 알맞도록 개작되는 반면, 선행 부분은 오리지널 에너지 분포로 복원된다. 여기서, 유효 레이저 스폿(5)은, 도 4c에 도시되어 있듯이, 거의 도립-U-형을 채택한다. 이는, 오일 윤활 홀이 유효 레이저 스폿을 통과하는 동안에, 상기 오일 윤활 홀에서 멀리 떨어져 있는 경화 대상 표면에 가해지는 에어지의 양 보다도 더 적은 양의 에너지가 오일 윤활 홀에 인접하는 열 민감도가 큰 영역에 가해질 수 있도록 에너지 분포가 개작된다. 오일 윤활 홀에 인접하는 열 민감도가 큰 서브영역에 손상을 주지 않으면서 오일 윤활 홀 주위의 영역이 경화될 수 있다. U-형 유효 레이저 스폿의 측면 부분들은 오일 윤활 홀의 측면 영역을 경화시킨다. 도 4a 내지 도 4c에 도시되어 있는 에너지 분포의 변화는, 예를 들면, 스캐닝 패턴을 개작하거나 및/또는 스캐닝 패턴을 따라 빔 파워가 분포되는 방식을 개작하거나 (예를 들면, 스캐닝 패턴의 서로 다른 세그먼들 중에서 레이저 빔이 온과 오프로 절환되는 방식을 개작) 및/또는 스캐닝 패턴의 서로 다른 세그먼트에 맞추어 스캐닝 속도를 개작함으로써, 얻을 수 있다.

간단한 스캐닝 패턴은 도 5a 및 도 5b에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이 간단한 패턴 또는 다각형을 포함한다. 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있는 것은 크랭크샤프트의 일부분 즉 크랭크샤프트의 메인 저널(1001)의 평면도이고, 경화 공정의 두 개의 다른 단계를 도시하고 있다. 도 5a 및 도 5b에서, 스캐닝 패턴은 저널의 거의 폭 전체에 걸쳐 실질적으로 한쪽 필렛(1004)에서부터 다른쪽 필렛(1004)까지 연장하고 있다. 스캐닝 패턴은, 오일 윤활 홀에서 멀리 떨어져 있는 열 민감도가 작은 서브 영역(도 5a 참조)보다, 오일 윤활 홀(1003) 주위의 열 민감도가 큰 서브 영역(도 5b 참조)에 더 작은 에너지 밀도가 부여되도록 설계되어 있다. 이 경우, 이는, 오일 윤활 홀(1003) 주위 영역이 스캐닝될 때, 사다리꼴 스캐닝 패턴의 높이를 더 크게 함으로써 얻어진다. 또한, 예를 들어 언더컷 필렛의 사용에 의해, 필렛(1004)에 인접하는 영역이 열 밀감도가 있는 영역으로 간주될 수 있다. 이에 따라, 그 영역에 파워 밀도가 작게 되도록 스캐닝 패턴이 마련된다. 이는, 직사각형 스캐닝 패턴이 사용되는 경우보다 필렛 근방에 작은 에너지가 수용되도록 실질적으로 스캐닝 속도가 일정한 사다리꼴 스캐닝 패턴을 사용하여 얻을 수 있다. 사다리꼴 패턴을 사용하는 대신, 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있는 사다리꼴의 상부 및 하부 라인들과 같이 두 개의 평행한 라인만이 사용될 수도 있다.

이제, 단지 두 개의 평행한 라인들이 사용되는지 여부 혹은 이들 두 개의 라인들이 서로 연결되어 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있는 것과 같은 다각형을 형성하는 지와는 관계없이, 이러한 접근법은 실제 레이저 스폿의 크기가 다각형의 높이 즉 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있는 것과 같은 경우에 있어서, 원주 방향으로의 다각형의 높이 또는 원주 방향으로의 두 개의 평행한 라인들 사이의 거리를 제한한다는 문제가 있다. 경화 공정의 품질에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있는 변동(fluctuation)을 피하기 위해서는, 실질적인 부분이 가열되는 중에 유효 레이저 스폿 내에서 소재가 가열되는 온도가 실질적으로 일정하게 유지되는 것이 중요하다. 이에 따라, 다각형의 높이는 실제 레이서 스폿의 직경에 의해 제한되는 실질적인 연장부이다. 그러나, 가끔은 유효 레이저 스폿이 이동하는 방향 즉 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있는 경우에서는 원주 방향으로 실질적인 연장부(extent)를 구비하는 것이 요망된다. 이는, 충분한 경화 깊이를 보장하기 위해서는, 경화되는 표면의 각 지점이 유효 레이저 스폿에 의해 가열되는 영역 내에서 충분히 긴 시간 동안 유지되어야 하기 때문이다. 다른 한편으로, 단위 시간 당의 측면에서 생산성을 높이기 위해서는, 유효 레이저 스폿이 가능하면 최대한 빠르게 이동하여야 한다. 이에 따라, 이동 방향으로 유효 레이저 스폿의 실질적인 연장부가 요망된다.

실제 레이저 스폿의 크기가 지정된 경우, 이동 방향으로의 유효 레이저 스폿의 실질적인 연장부는, 도 6에 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이, 이동 방향으로 차례로 배치되어 있는, 두 개의 라인들보다 많은 라인들을 포함하는 스캐닝 패턴을 제공함으로써 얻어질 수 있다. 여기서, 유효 레이저 스폿(5)은 제1 방향 W에 직교하는 제2 방향 즉 경화되는 표면과 유효 레이저 스폿 간의 상대 이동 방향으로 연장하는, 다수의 평행 라인들에 의해 생성된다.

이러한 스캐닝 패턴은 유효 레이저 스폿이 이동하는 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 실제 레이저 스폿을 반복적으로 스캐닝하고, 복수의 평행 라인들을 추적하도록 레이저 빔을 각 스캐닝 단계 사이에서 제1 방향으로 짧은 거리만큼씩 변위시켜 생성될 수 있다. 실제의 레이저 스폿이 스캐닝 패턴을 완료하면, 레이저 스폿은 원래의 위치로 돌아가서 다시 스캐닝 패턴을 수행하게 된다. 유효 레이저 스폿(5) 내에서 바람직하지 않은 온도 변동을 방지할 수 있도록, 이러한 빈도는 자주 일어나는 것이 바람직하다.

레이저 빔이 따라갈 새로운 라인을 향해 변위하는 중에 및/또는 스캐닝 패턴의 최종 라인을 스캐닝 한 후와 스캐닝 패턴의 첫 번째 라인으로 복귀하는 사이에, 레이저 빔이 꺼질 수 있다. 그러나 레이저 빔을 켜고 끄는 데에는 시간이 소요되고, 스캐닝 빈도수(frequency)를 떨어뜨릴 수 있다. 또한, 레이저 빔이 꺼져 있는 시간은 가열을 위한 레이저의 효율적인 사용의 측면에서 손실되는 시간이 된다.

도 7a 및 도 7b는 스캐닝 패턴의 3개의 메인 라인 a-c(실선으로 도시되어 있음)를 포함하는 상정 가능한 하나의 스캐닝 패턴을 도시하고 있다. 해치 선들은 상기 라인들 사이에서 레이저 스폿이 따르는 경로를 나타낸다. 도 7b에서, 화살표는 실제 레이저 스폿이 스캐닝 패턴을 추종하는 동안에 경화시킬 표면 위를 지나는 경로를 도시하고 있다.

이 스캐닝 패턴은 열 분포가 대칭을 이루지 못한다는 문제를 안고 있다. 패턴이 종료될 때, 최종 라인 c가 종료되면(즉 도 7b에서 라인 c의 화살표의 헤드로부터), 레이저 빔이 수직 방향으로 라인 a로 복귀하는 것은 동일하다.

도 8a와 도 8b 중 어느 한 스캐닝 패턴에 의해, W 축에 대해 좀 더 대칭인 에너지 분포가 얻어질 수 있다. 이들 스캐닝 패턴은 3개의 평행한 라인들 a-c를 포함하고 있으며, 이들 라인들은 실제 레이저 스폿이 이들 라인들 사이를 이동할 때 실제 레이저 스폿이 추종하는 라인들 d에 의해 서로 연결되어 있다. 도 7b에 도시되어 있는 바와 같이, 레이저 빔은 첫 번째 라인 a부터 시작하여 a-d1-b-d2-c-d3-b-d4 순서대로 이동한다.

즉, 실제 레이저 스폿은 레이저 스폿이 첫 번째 라인과 마지막 라인을 걸쳐 이동할 때 중간 라인 b를 두 번 지나게 된다. 레이저 스폿이 첫 번째 라인 a와 마지막 라인 c를 따라 이동할 때마다 중간 라인 b를 따라 두 번 이동한다. 이에 의해, W 축과 관련하여 즉 원주 방향으로 완전히 대칭인 스캐닝 패턴이 얻어질 수 있게 된다.

W 축을 따른 에너지 분포는 예를 들어 레이저 빔이 라인들을 따라 이동할 때의 속도와 라인들 a-c 사이의 거리를 조절함으로써 설정될 수 있다. 속도 및/또는 스캐닝 패턴을 조절함으로써, 레이저 빔을 켜고 끄고 하지 않으면서도 혹은 실질적으로 레이저 빔의 파워를 변조하지 않으면서도 에너지 분포가 동적으로 개작될 수 있다. 예를 들면, 유효 레이저 스폿 전체에 걸쳐 에너지가 실질적으로 균등하게 분포된다면, 레이저 빔이 첫 번째 라인 a와 마지막 라인 c를 따라 이동할 때의 속도보다 더 고속으로 중간 라인 b를 따라 이동할 수 있다. 예를 들면, 중간 라인 b를 따르는 실제 레이저 스폿의 속도가 첫 번째 라인 a와 마지막 라인 c를 따라 이동할 때의 속도의 2배가 될 수 있다. 본 발명의 일부 실시형태에서, 라인들 d1-d4를 따르는 유효 레이저 스폿의 속도는 라인들 a와 c를 따르는 유효 레이저 스폿의 속도보다 실질적으로 클 수 있다.

이에 따라, 첫 번째, 마지막 그리고 중간 라인들 a-c과 같은 라인들의 분포를 수정하고, 그리고 스캐닝 패턴의 다른 세그먼트들 a-d(d1-d4를 포함함)를 따르는 레이저 스폿의 속도를 수정하여, 에너지 분포의 재단(tailoring)이 달성될 수 있다. 이에 따라, 열 민감도가 높은 서브 영역들이 과열되는 것을 방지하도록 에너지 분포를 개작할 수 있도록, 유효 레이저 스폿이 크랭크샤프트의 저널 주위와 같이 경화 대상 표면 영역을 따라 이동하는 동안에 세그먼트들의 분포와 세그먼트들의 속도가 동적으로 변조될 수 있다. 열 민감도가 높은 서브 영역으로는, 오일 윤활 홀들에 인접하는 서브 영역들, 언더컷 필렛들 또는 크랭크샤프트의 저널 표면과 같이 경화 대상의 표면 영역의 원주 주위의 이동이 끝날 무렵 유효 레이저 스폿이 접근하는 이미 경화된 영역이 있다. 또한, 유효 레이저 스폿이 경화 대상의 표면을 따라 이동하는 중에, 세그먼트들을 부가하거나 삭제함으로써, 스캐닝 패턴이 개작될 수 있다.

이와 동일한 원리가 도 9a 및 도 9b의 스캐닝 패턴과 같은 다른 스캐닝 패턴에 대해서도 적용될 수 있다. 도 9a 및 도 9b의 스캐닝 패턴은 추가의 중간 라인 b를 포함한다. 여기서, 실제 레이저 스폿이 추종하는 경로는, a-d1-b-d2-b-d3-c-d4-b-d5-b-d6이다.

도 10a 내지 도 10c는 두 개의 레이저들 또는 레이저 소스들(1, 1A)이 크랭크샤프트의 저널 또는 표면을 경화시키는 데에 어떻게 사용되는 지를 개략적으로 도시하고 있다. 이는, 예를 들어 크랭크샤프트가 서로 다른 폭을 구비하는 저널들을 구비할 때, 유리할 수 있다. 도 10a 내지 도 10c의 크랭크샤프트(1000)는 제1 폭을 구비하는 메인 저널들(1001)과, 예를 들어 상기 제1 폭의 약 2배인 제2 폭을 구비하는 로드 저널들(1002)을 포함한다. 도 10a에서, 레이저 소스들(1, 1A)에서 나오는 레이저 빔들(2, 2A) 각각이 로드 저널 모두에 가해져서, 이들 레이저 소스들의 파워와 스캐닝 성능의 조합이, 경화 시킬 표면 영역 위에, 로드 저널을 효율적이면서도 신속하게 경화시키기에 적당한 조합된 유효 레이저 스폿을 제공하는 데에 사용될 수 있다. 경화 공정의 다른 단계에서, 2개의 메인 저널들이 동시에 경화된다. 각각의 메인 저널은 도 10b 및 도 10c에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 싱글 레이저 소스에 의해 각각 경화된다. 도 11a 및 도 11b는 제1 레이저 빔(2)과 제2 레이저 빔(2A)에 의해 각각이 가열되는 부분들(P, PA)이 어느 정도(more or less) 중첩될 수 있는 지를 보여주고 있다. 실질적으로 중첩되는 부분들은 두 개의 부분들이 만나는 곳에서 경계 효과에 의한 위험을 방지하고 경화의 균일성을 최적화 하는 것이 바람직하다. 그러나 도 10a에 제시되어 있는 바와 같이, 제2 방향 즉 크랭크샤프트의 축을 따른 방향에서 상기 영역의 연장부와 관련하여, 각 레이저 빔들이 경화시킬 영역에서 단지 하나의 부분만을 경화하도록 내버려 두는 것이 관심이 되는 경우도 있다. 이는, 크랭크샤프트의 균형추와 다른 반경방향으로 돌출되어 있는 부분들이 레이저 빔과 간섭을 일으킬 수 있는 문제를 극복하면서, 종종 상기 제2 방향으로 레이저 소스 혹은 크랭크샤프트를 변위시키지 않으면서 크랭크샤프트의 복수의 저널들을 순차적으로 경화시키는 데에 도움이 될 수 있다. 이는, 도 10a 내지 도 10c를 보면 쉽게 이해된다. 도 10a에서, 첫 번째 레이저 빔(2)이 로드 저널(1002)의 부분(P) 위에 가해지고, 제2 레이저 빔(2A)이 로드 저널(1002)의 부분(PA) 위에 가해진다. 도 11a에 따르면, 부분(P)과 부분(PA)은 거의 나란하게 위치하고 있으며 서로 실질적으로 중첩되어 있지 않다. 도 10b 및 도 10c에서,크랭크샤프트의 회전축과 평행한 크랭크샤프트 혹은 레이저 소스들을 변위시키지 않고, 레이저 빔들이 두 개의 메인 저널들(1001) 위에 충돌하도록 재배향 되어 있다.

본 발명의 일부 실시형태들에서, 둘 또는 그 이상의 크랭크샤프트 사이에 둘 또는 그 이상의 레이저 소스들이 공유되어서, 레이저 소스들과 가용 레이저 파워의 유연성과 효율성을 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 도 12a 및 도 12b는, 기계 혹은 시스템이 둘 또는 그 이상의 크랭크샤프트들을 동시에 경화시키도록 배치되어 있는 상정 가능한 일 배치를 설명하고 있다. 도시되어 있는 배치에서, 기계는 각각의 스캐닝 수단(3)과 연계되어 있는 레이저 소스들(1, 1A, 1B)을 포함한다. 경화 공정 중 하나 이상의 단계(도 12a)를 수행하는 중에, 이들 3개의 레이저 소스들 중 두 개의 레이저 소스(1, 1A)에서 나오는 레이저 빔(2, 2A)이 크랭크샤프트들 중 첫 번째 크랭크샤프트를 경화시키는 데에 사용되고(도 12a는 이들 레이저 소스들(1, 1A)들이 함께 크랭크샤프트의 로드 저널(1002)을 어떻게 경화시키는 지를 도시하고 있음), 레이저 소스(1B)로부터 나오는 레이저 빔(2B)이 상기 크랭크샤프트들 중 다른 하나를 경화시키는 데에 사용된다(도 12a는 레이저 빔(2B)이 메인 저널(1001)을 어떻게 경화시키는 지를 설명하고 있음). 한편, 경화 공정 중 적어도 다른 단계(도 12b)를 수행하는 중에, 이들 3개의 레이저 소스들(1) 중 하나의 레이저 소스에서 나오는 레이저 빔(2)이 크랭크샤프트들 중 첫 번째 크랭크샤프트를 경화시키는 데에 사용되고(즉 도 12b에서 크랭크샤프트의 메인 저널(1001)을 경화), 레이저 소스들(1A, 1B)로부터 나오는 레이저 빔들(2A, 2B)이 상기 크랭크샤프트들 중 다른 하나를 경화시키는 데에 사용된다(도 12b에 도시되어 있는 단계에서, 크랭크샤프트의 로드 저널을 경화). 즉, 복수의 크랭크샤프트들 사이에서 하나 혹은 그 이상의 레이저 소스들을 공유함으로써, 고가의 레이저 장치의 유휴 시간(idle time)을 감소시키고 장치의 사용을 최적화함으로써 효율성과 생산성을 향상시킬 수 있다.

본 명세서에서, "유효 레이저 스폿(effective laser spot)"이란 용어는 레이저 빔이 조명하고 가열할 수 있도록 레이저 빔이 유효하게 투사되는 영역(area)을 지칭한다. 유효 레이저 스폿은 레이저 스폿의 모양을 만들고 유효 레이저 스폿에 걸쳐 파워를 소망하는 방식으로 분포시키기 위해, 광학장치를 사용하여 오리지널 레이저 빔을 변형시켜 얻을 수 있는 레이저 스폿일 수 있다. 또는, 유효 레이저 스폿은 레이저 빔을 동일한 영역이나 실질적으로 동일한 영역에 반복적으로 가하도록 스캐닝 패턴을 따라 레이저 빔을 신속하게 그리고 반복적으로 스캐닝하여 얻을 수 있는 실질적인 혹은 등가의 레이저 스폿일 수 있다. 이에 의해, 레이저 빔의 가열 효과가, 한 번의 스캐닝 사이클을 거치는 동안에 실질적인 혹은 등가의 레이저 스폿을 가로질러 분포되는 파워에 상당하는 파워 분포를 가지는 정지된 레이저 빔이 사용되는 것과 실질적으로 동일하게 된다. 여기서, "신속하게(rapidly)"라는 용어는, 스캐닝 속도가 레이저 소스와 크랭크샤프트 표면 사이의 상대 이동 예를 들어 원주 방향으로의 상대 이동 속도보다 더 커서, 경화 대상이 되는 표면 영역의 부분들이 레이저 스폿에 의해 반복적으로 가열될 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들면, 일반적으로, 스캐닝 속도는 예를 들어 초 당 적어도 10, 50 또는 100 스캐닝 사이클이 달성될 수 있도록 선택될 수 있다. 바람직하기로는, 유효 레이저 스폿이 경화 대상이 되는 표면 영역 위를 실제 혹은 리얼 레이저 스폿을 반복적으로 스캐닝 하여 얻어지는 실질적인 혹은 등가의 레이저 스폿인 경우, 이 스캐닝은 2차원으로 이루어지는 것이 바람직하고, 이러한 임의의 차원(dimension)에서의 실질적인 레이저 스폿의 크기는 상기 차원 예를 들어 크랭크샤프트 회전축과 평행한 방향 그리고 크랭크샤프트 저널의 원주 방향으로의 실제 또는 리얼 레이저 스폿의 크기보다 적어도 2배, 3배, 4배, 5배, 10배, 20배 혹은 그 이상인 것이 바람직하다. 예를 들면, 표면 영역 위에 유효 레이저 스폿이 적용되는 시간의 적어도 50% 동안에, 유효 레이저 스폿의 원주 방향으로의 폭은 적어도 5mm, 바람직하기로는 적어도 7mm, 더 바람직하기로는 적어도 10mm, 더욱 바람직하기로는 적어도 15mm, 20mm, 30mm 또는 적어도 50mm와 같이 그 이상인 것이 바람직할 수 있다. 이러한 실질적인 연장부(extension)는 충분한 경화 깊이와 조합되어 높은 생산성을 제공할 수 있다.

바람직하기로는, 스캐닝(scanning)이란 용어는 레이저 빔의 이동을 암시하기 위한 의도로 사용된다. 스캐닝 패턴이란 용어는 빔이 정지된 표면 위를 추종하는 패턴 즉 레이저 소스와 워크피스 표면 사이의 상대 이동을 고려하지 않은 상태에서 표면 위를 추종하는 패턴을 가리킨다.

일반적으로, 처리된 영역 혹은 세그먼트의 성장(growth)은, 경화 대상 표면과 유효 레이저 스폿 간의 상대 이동에 의해, 유효 레이저 스폿과 경화 대상 표면의 서로에 대한 이동에 의해 예를 들어 크랭크샤프트의 경우 크랭크샤프트의 회전에 의해 달성된다. 충분한 경화 깊이 예를 들어 경화 깊이가 1000㎛ 혹은 그 이상인 경우, 실질적으로 경화 대상 표면 영역의 각 부분이 충분한 시간 동안 유효 레이저 스폿 영역 내에 유지되는 것이 바람직하다. 일반적으로 크랭크샤프트 저널의 경우, 0.5-5초, 1-3초와 같이 충분한 시간 동안, 유효 레이저 스폿 영역 내에 유지되어, 표면 온도가 충분히 높아질 수 있을 뿐만 아니라 요구되는 깊이까지 워크피스가 충분히 가열될 수 있게 된다. 레이저 빔의 파워 밀도를 증가시키는 것은 충분한 가열 시간을 대신하지 못하는데, 이는 표면 영역이 과열되어 워크피스에 손상을 줄 수 있기 때문이다. 이에 따라, 표면 온도는 충분한 시간 동안 적당한 범위 내에 있어야 한다. 따라서, 소망하는 혹은 필요한 경화 깊이를 얻기 위해 유효 레이저 스폿 내에 경화 대상 부분이 충분한 시간 동안 남아 있을 수 있으면서, 유효 레이저 스폿의 한 방향으로의 실질적인 크기는 경화 트랙의 충분한 폭(예를 들면 크랭크샤프트 저널의 폭 전체를 실질적으로 커버하기 위해)을 제공할 수 있는 것이 바람직하며, 다른 방향으로는 유효 레이저 스폿과 처리 대상 표면 간의 상대 속도를 크게 할 수 있는 크기인 것이 바람직하다.

본 명세서에서, "크랭크샤프트"라는 용어는 선형 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환시키는 엔진의 부분을 가리킨다. 예를 들어 이러한 종류의 크랭크샤프트는 트럭, 승용차 및 모터사이클 같은 모터 차량에 사용되는 내연 기관에 사용된다.

본 명세서에서, 경화 깊이는 유효 경화 심도(effective case depth)를 가리키며, 이는 경화된 케이스의 표면으로부터 경화의 특정 레벨이 유지되는 가장 깊은 지점까지의 수직 방향 거리를 가리킨다. 이러한 레벨은 예컨대 40-55HRC, 바람직하기로는 45HRC 범위에 속한다. 크랭크샤프트 분야에서, 소망되는 경화 레벨은 강 중의 탄소 함량을 고려하여 결정하는 것이 일반적이지만, 통상적인 레벨은 45HRC이다. 본 명세서의 맥락에서 그리고 크랭크샤프트 저널의 경화와 관련하여, 경화 깊이는 적어도 1000, 2000 혹은 3000㎛인 것이 바람직하다.

관심이 가는 다른 측면은 100% 변태 마르텐사이트가 관측될 수 있는 레벨 또는 깊이일 수 있다. 본 명세서의 맥락에서 그리고 크랭크샤프트 저널의 경화와 관련하여, 이 깊이는 적어도 200, 300, 500, 800, 1000㎛ 혹은 그 이상인 것이 바람직하다.

세그먼트된 스캐닝 패턴이 사용되는 경우, 스캐닝 속도는 적어도 초 당 300 세그먼트인 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 초 당 적어도 600, 1000, 5000 및 10000 세그먼트인 것이 더 바람직하며, 스캐닝 패턴의 반복 주파수(repetition frequency)가 적어도 10Hz, 더 바람직하기로는 적어도 50Hz, 더욱 바람직하기로는 적어도 100Hz 또는 200Hz와 조합되는 것이 바람직하다.

본 발명을 크랭크샤프트의 표면 경화와 관련하여 기재하였지만, 본 발명의 범위가 크랭크샤프트의 표면 처리만으로 한정되는 것은 아니다.

본 명세서에서, "포함한다(comprise)"라는 용어와 ("포함하는" 등과 같은) 그 파생어는 배타적인 의미로 이해되어서는 안 된다. 즉, 기재 및 규정되어 있는 이들 용어가 다른 요소들, 단계들 등을 포함할 수 있는 가능성을 배제하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

다른 한편으로, 본 발명이 전술한 특정의 실시형태(들)로 한정되지 않음은 자명하다. 그보다는 통상의 기술자라면 본 발명이 청구항들에 규정되어 있는 발명의 전반적인 범위 내에서 이루어질 수 있는 임의의 변형례들을 포괄하는 것으로 이해하여야 한다.

1, 1A, 1B 레이저 소스(laser source)
2, 2A, 2B 레이저 빔(laser beam)
3 스캐닝 시스템
5 유효 레이저 스폿(effective laser spot)
5A 유효 레이저 스폿의 선행 부분
5B 유효 레이저 스폿의 후행 부분
11 레이저 캐리지(laser carriage)
12 레이저 소스를 수직 방향으로 이동시키기 위한 제1 레이저 캐리지 구동 수단
13 레이저 소스를 수평 방향으로 이동시키기 위한 제1 레이저 캐리지 구동 수단
14 레이저 소스의 이동을 위한 수평 방향 트랙
20 워크피스 캐리지
21 워크피스 캐리지 구동 수단
1000 크랭크샤프트
1001 메인 저널
1002 로드 저널
1003 오일 윤활 홀
1004 필렛(fillet)
1005 저널과 직교하는 표면
1006 레이저 빔에 의해 스캔될 수 있는 영역 혹은 섹션
a, b, c, d1, d2, d3, d4, d5, d6 스캐닝 패턴의 세그먼트
X, Y, Z 공간에서의 방향
W 원주 방향(circumferential direction)
P, PA 크랭크샤프트 저널의 부분들

Claims

경화 대상이 되는 표면 영역을 하나 이상 포함하는 워크피스 표면을 레이저 경화하는 방법으로, 이 방법은,
상기 표면 영역 위에 레이저 스폿을 형성하기 위해, 레이저 소스(1)에서 나오는 레이저 빔(2)을 상기 표면 영역 위로 투사하는 단계;
레이저 스폿이 순차적으로 상기 표면 영역의 다른 부분들 위로 투사되도록 하기 위해, 워크피스(1000)의 표면과 레이저 소스(1)를 상대 이동시키는 단계;
상기 표면 영역 위에, 에너지 분포를 구비하는 2차원의 유효 레이저 스폿(5)을 형성시키기 위해, 상기 상대 이동하는 중에, 레이저 빔(2)을 상기 표면 영역의 각 부분을 가로지르며 2차원으로 스캐닝 패턴에 따라 반복 스캐닝하는 단계;를 포함하고,
상대 이동에 의해, 상기 유효 레이저 스폿이 상기 표면 영역을 따라 이동하며;
상기 스캐닝 패턴이 적어도 3개의 세그먼트(a, b, c)를 포함하고, 상기 레이저 빔이 추종하는 상기 세그먼트들 중 적어도 하나의 세그먼트(b)를 추종하는 빈도수가 상기 세그먼트들 중 적어도 다른 세그먼트들(a, c)을 추종하는 빈도수보다 더 크게 되도록 레이저 빔의 상기 스캐닝이 수행되는 것을 특징으로 하는, 워크피스 표면의 레이저 경화 방법.
제1항에 있어서,
상기 스캐닝 패턴은 제1 방향으로 교대로 분포되어 있는 실질적으로 평행한 3개 이상의 라인들(a, b, c)을 포함하고, 상기 라인들은 제2 방향으로 연장하고 있고,
상기 3개 이상의 라인들은 상기 제1 방향으로 교대로 배치되어 있는 첫 번째 라인(a), 하나 이상의 중간 라인(b) 및 마지막 라인(c)을 포함하며,
상기 레이저 빔이 상기 첫 번째 라인(a) 및/또는 마지막 라인(c)보다 상기 중간 라인(b)을 더 자주 추종하도록 상기 레이저 빔 또는 실제 레이저 스폿의 상기 스캐닝이 수행되는 것을 특징으로 하는, 워크피스 표면의 레이저 경화 방법.
제1항에 있어서,
상기 스캐닝 패턴은 제1 방향으로 교대로 분포되어 있는 실질적으로 평행한 3개 이상의 라인들(a, b, c)을 포함하고, 상기 라인들은 제2 방향으로 연장하고 있고,
상기 3개 이상의 라인들은 상기 제1 방향으로 교대로 배치되어 있는 첫 번째 라인(a), 하나 이상의 중간 라인(b) 및 마지막 라인(c)을 포함하며,
레이저 스폿이 상기 첫 번째 라인(a)을 추종한 후에, 상기 중간 라인(b), 상기 마지막 라인(c), 상기 중간 라인(b), 및 상기 첫 번째 라인(a)을 추종하는 순서에 따라 상기 라인들을 따라 스캔하도록, 레이저 빔의 스캐닝이 수행되는 것을 특징으로 하는, 워크피스 표면의 레이저 경화 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 스캐닝 패턴이 복수의 상기 중간 라인들(b)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 워크피스 표면의 레이저 경화 방법.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
레이저 스폿이 상기 첫 번째 라인(a)과 상기 마지막 라인(c)을 따라 변위될 때보다 상기 하나 이상의 중간 라인(b)을 따라 변위될 때 더 고속으로 변위되는 것을 특징으로 하는, 워크피스 표면의 레이저 경화 방법.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
스캐닝 패턴이 상기 첫 번째, 마지막 그리고 중간 라인들 사이에서 상기 제1 방향으로 연장하는 라인들(d1-d6)을 추가로 포함하고, 상기 레이저 스폿이 상기 첫 번째 라인(a), 중간 라인(b) 및 상기 마지막 라인(c) 사이에서 이동할 때 상기 레이저 스폿이 상기 제1 방향으로 연장하는 상기 라인들(d1-d6)을 추종하는 것을 특징으로 하는, 워크피스 표면의 레이저 경화 방법.
제6항에 있어서,
레이저 스폿이 상기 첫 번째 라인(a)과 상기 마지막 라인(c)을 따라 변위될 때보다 상기 제1 방향으로 연장하는 상기 라인들(d1-d6)을 따라 변위될 때 더 고속으로 변위되는 것을 특징으로 하는, 워크피스 표면의 레이저 경화 방법.
선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
레이저 스폿이 레이저 빔의 파워를 실질적으로 일정하게 유지하면서, 상기 스캐닝 패턴을 따라 레이저 스폿이 변위되는 것을 특징으로 하는, 워크피스 표면의 레이저 경화 방법.
선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 워크피스가 크랭크샤프트(1000)인 것을 특징으로 하는, 워크피스 표면의 레이저 경화 방법.
크랭크샤프트(1000)의 저널들(1001, 1002)의 표면을 레이저 경화하는 방법으로, 상기 크랭크샤프트는 제1 폭을 구비하는 하나 이상의 제1 저널(1001)과, 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭을 구비하는 하나 이상의 제2 저널(1002)을 구비하고, 상기 저널들 각각은 경화 대상의 표면 영역을 포함하되, 상기 표면 영역은 저널의 원주 방향(W)에 대응하는 제1 방향과 상기 크랭크샤프트의 회전 축(X) 방향과 평행한 제2 방향으로 연장하며, 이 방법은,
A) 이 방법의 하나 이상의 단계 중에, 상기 제2 저널(1002)의 상기 표면 영역 위로 제1 레이저 소스(1)에서 나오는 레이저 빔(2)과 제2 레이저 소스(1A)에서 나오는 레이저 빔(2A)을 동시에 투사하는 단계; 및
B) 이 방법의 하나 이상의 다른 단계 중에, 상기 제1 저널(1001)의 상기 표면 영역 위로 상기 제1 레이저 소스(1)에서 나오는 레이저 빔(2)을 투사하고, 크랭크샤프트의 다른 부위 위로 제2 레이저 소스(1A)에서 나오는 레이저 빔(2A)을 동시에 투사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 크랭크샤프트의 저널 표면의 레이저 경화 방법.
제10항에 있어서,
A) 이 방법의 하나 이상의 단계 중에,
상기 표면 영역 위에 경화 대상 표면의 제1 부분(P)을 가로지르며 상기 제2 방향으로 연장하는 유효 레이저 스폿(5)이 형성되도록, 상기 제2 저널(1002)의 상기 표면 영역 위로 제1 레이저 소스(1)에서 나오는 레이저 빔(2)을 투사하고,
상기 표면 영역 위에 경화 대상 표면의 제2 부분(PA)을 가로지르며 상기 제2 방향으로 연장하는 유효 레이저 스폿(5)이 형성되도록, 상기 제2 저널(1002)의 표면 영역 위로 제2 레이저 소스(1A)에서 나오는 레이저 빔(2A)을 투사하며,
상기 제1 부분(P)과 상기 제2 부분(PA)이 함께 경화 대상인 상기 표면 영역의 주된 부분을 가로지르며 연장하고,
B) 이 방법의 하나 이상의 다른 단계 중에,
상기 표면 영역 위에 경화 대상 표면 영역의 주된 부분을 가로지르며 상기 제1 방향으로 연장하는 유효 레이저 스폿(5)이 형성되도록, 상기 제1 저널(1001)의 상기 표면 영역 위로 제1 레이저 소스(1)에서 나오는 레이저 빔(2)을 투사하며,
이 방법의 상기 단계들의 모든 단계 중에,
원주 방향으로 상기 표면 영역의 다른 부분들 위로 유효 레이저 스폿(5)이 순차적으로 투사되도록, 크랭크샤프트(1000)의 표면과 레이저 소스(1) 사이에 상기 원주 방향으로 상대 이동을 발생시키며;
상기 유효 레이저 스폿(5)은 2-차원의 에너지 분포를 특징으로 하는, 크랭크샤프트의 저널 표면의 레이저 경화 방법.
제11항에 있어서,
상기 제1 부분(P)과 제2 부분(PA)이 실질적으로 중첩되지 않으면서, 상기 제1 부분(P)이 상기 제2 부분(PA)에 실질적으로 인접하여 위치하는 것을 특징으로 하는, 크랭크샤프트의 저널 표면의 레이저 경화 방법.
제11항에 있어서,
상기 제1 부분(P)과 제2 부분(PA)이 실질적으로 중첩되는 것을 특징으로 하는, 크랭크샤프트의 저널 표면의 레이저 경화 방법.
제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
이 방법의 하나 이상의 단계 중에, 제1 레이저 소스(1)로부터 나오는 레이저 빔(2)이 하나의 크랭크샤프트(1000)의 저널 위로 투사되고, 제2 레이저 소스(1A)에서 나오는 레이저 빔(2A)이 다른 크랭크샤프트의 저널 위로 투사되는 것을 특징으로 하는, 크랭크샤프트의 저널 표면의 레이저 경화 방법.
제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
이 방법의 하나 이상의 단계 중에, 제1 폭을 구비하는 2개의 저널들이 하나의 단계에서 경화되고, 제2 폭을 구비하는 하나의 저널이 제2 단계에서 경화되며, 상기 단계들이 차례대로 추종하고, 상기 두 단계들 사이에는 제2 방향으로 레이저 소스와 크랭크샤프트 사이에 어떠한 상대 이동도 없는 것을 특징으로 하는, 크랭크샤프트의 저널 표면의 레이저 경화 방법.
2개 이상의 크랭크샤프트(1000)의 표면 영역들을 레이저 경화하는 방법으로, 이 방법은,
이 방법의 하나 이상의 단계 중에, 상기 크랭크샤프트들 중 첫 번째 크랭크샤프트를 경화시키기 위해, 제1 레이저 소스(1)에서 나오는 레이저 빔(2)과 제2 레이저 소스(1A)에서 나오는 레이저 빔(2A)을 동시에 사용하는 단계; 및
이 방법의 하나 이상의 다른 단계 중에, 상기 크랭크샤프트들 중 첫 번째 크랭크샤프트를 경화시키기 위해, 제1 레이저 소스(1)에서 나오는 레이저 빔(2)을 사용하고, 동시에 상기 크랭크샤프트들 중 두 번째 크랭크샤프트를 경화시키기 위해, 제2 레이저 소스(2)에서 나오는 레이저 빔(2A)을 사용하는 것을 특징으로 하는, 2개 이상의 크랭크샤프트 표면 영역의 레이저 경화 방법.
제16항에 있어서,
이 방법의 하나 이상의 단계 중에, 상기 크랭크샤프트들 중 첫 번째 크랭크샤프트를 경화시키기 위해, 제1 레이저 소스(1)에서 나오는 레이저 빔(2)과 제2 레이저 소스(1A)에서 나오는 레이저 빔(2A)을 동시에 사용하는 한편, 상기 크랭크샤프트들의 두 번째 크랭크샤프트를 경화시키기 위해 제3 레이저 소스(1B)에서 나오는 레이저 빔(2B)을 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 2개 이상의 크랭크샤프트 표면 영역의 레이저 경화 방법.
제1항 내지 제9항, 제11항 내지 제13항 및 제16항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 표면 영역이 하나 이상의 열 민감도가 큰 서브 영역과 하나 이상의 열 민감도가 작은 서브 영역을 포함하고, 상기 열 민감도가 큰 서브 영역이 과열되는 것을 방지하기 위해, 열 민감도가 큰 서브 영역과 열 민감도가 작은 서브 영역에서의 에너지 분포가 다르게 되도록 하는 것을 특징으로 하는, 표면 영역의 레이저 경화 방법.
워크피스(1000)의 표면 영역을 경화시키는 장치로, 이 장치는, 상기 표면 영역 위로 유효 레이저 스폿을 투사하도록 배치되어 있는 하나 이상의 레이저 소스(1)와, 상기 유효 레이저 스폿이 상기 표면 영역의 다른 부분들이 경화되기에 적당한 온도에 순차적으로 그리고 계속적으로 도달할 수 있도록, 상기 표면 영역과 상기 유효 레이저 스폿 사이에 상대 운동을 발생시키기 위한 수단(12, 13, 21)을 포함하고, 이 장치는 선행 청구항들 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 워크피스 표면 영역 경화 장치.
제19항에 있어서,
2개의 레이저 소스들(1, 1A)을 포함하고, 하나의 저널(1002)과 2개의 저널들(1001)을 구비하는 크랭크샤프트 저널의 표면을 경화시키는 공정의 일 단계에서, 상기 레이저 소스들 양방에서 나오는 레이저 빔들을 상기 저널(1002)로 가하고, 상기 공정의 다른 단계에서, 상기 레이저 소스들 중 첫 번째 레이저 소스(1)에서 나오는 레이저 빔을 상기 저널들(1001) 중 하나의 저널에 가하고, 상기 레이저 소스들 중 다른 레이저 소스(1A)에서 나오는 레이저 빔을 상기 저널들(1001) 중 다른 저널에 가하는 것을 특징으로 하는 워크피스 표면 영역 경화 장치.