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JPH0377252B2 - - Google Patents
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JPH0377252B2 - - Google Patents

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JPH0377252B2
JPH0377252B2 JP62095091A JP9509187A JPH0377252B2 JP H0377252 B2 JPH0377252 B2 JP H0377252B2 JP 62095091 A JP62095091 A JP 62095091A JP 9509187 A JP9509187 A JP 9509187A JP H0377252 B2 JPH0377252 B2 JP H0377252B2
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workpiece
mirror
laser beam
cone
conical mirror
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JP62095091A
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Japanese (ja)
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JPS63262414A (en
Inventor
Katsuhiro Minamida
Junya Suehiro
Hiroshi Sato
Manabu Ogura
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、内面もしくは外面が鏡面である円
錐型ミラーを介してレーザビームを加工物に照射
して熱処理加工する熱処理方法および装置に関す
るものである。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a heat treatment method and apparatus for heat treating a workpiece by irradiating a laser beam to the workpiece through a conical mirror whose inner or outer surface is a mirror surface. be.

[従来の技術] レーザビームを用いた熱処理は、加工物の表層
のみの加工が可能であり、また、処理時間が短い
などの優れた特徴を有している。そして、加工エ
ネルギー源としてのレーザビームを用いる際は、
レーザビームが強い指向性と集中性を有するた
め、熱処理などの表面処理加工では、比較的広い
面積に均一なエネルギー分布を形成できるように
レーザビームの集光光学系を設計する必要があ
る。例えば、加工物が平板のような二次元的拡が
りを有する化合物に対しては、第10図a〜fに
示したような各種集光光学系が考えられている。
第10図aはデフオーカスビーム方式を、同図b
は分割ミラー線状ビーム方式を、同図cはビーム
スキヤナ方式を、同図dはインテグレーシヨンミ
ラー方式を、同図eはカライドスコープ方式を、
同図fはポリゴンミラー方式をそれぞれ示した図
である。第10図のような集光光学系を用いる方
法は、いずれの場合でも、溶接、切断に比べエネ
ルギー密度が低く、第11図に示すように鋼材の
材質によつて異なるが、レーザビームの鋼材表面
での反射率が高く、吸収物質を塗布する必要があ
る。
[Prior Art] Heat treatment using a laser beam has excellent features such as being able to process only the surface layer of a workpiece and shortening the processing time. When using a laser beam as a processing energy source,
Since laser beams have strong directivity and concentration, in surface treatment processes such as heat treatment, it is necessary to design a laser beam focusing optical system so that a uniform energy distribution can be formed over a relatively wide area. For example, for compounds in which the workpiece has a two-dimensional spread such as a flat plate, various condensing optical systems as shown in FIGS. 10a to 10f have been considered.
Figure 10a shows the defocus beam method, and Figure 10b shows the
Figure c shows the split mirror linear beam method, figure c shows the beam scanner method, figure d shows the integrated mirror method, figure e shows the kaleidoscope method,
FIG. 3f is a diagram showing the polygon mirror method. In any case, the method using a condensing optical system as shown in Fig. 10 has a lower energy density than welding or cutting, and as shown in Fig. 11, it depends on the material of the steel material. The surface has a high reflectance and requires the application of an absorbing material.

第11図は鋼材表面のレーザビームの反射率を
示した図で横軸に鋼材への入射角を、縦軸に反射
率をとつたものである。第11図から明らかなよ
うに、入射角が小さいと反射率はさらに高くな
る。
FIG. 11 is a diagram showing the reflectance of a laser beam on the surface of a steel material, with the horizontal axis representing the angle of incidence on the steel material and the vertical axis representing the reflectance. As is clear from FIG. 11, the smaller the angle of incidence, the higher the reflectance.

第9図は鋼線、丸棒等の円柱形状の加工物に対
して、従来のレーザビームによる熱処理加工の例
を示した図で、第9図aは加工物の上部からレー
ザビームを照射し、同図b(特開昭61−170521に
開示されている)は加工物の長手方向からレーザ
ビームを照射した図である。第9図aから明らか
なように、上部からレーザビームを照射すると、
加工物の円周方向に対してレーザビームの吸収状
態が不均一であり、エネルギー効率が低い。従つ
て、エネルギー効率を高めるために、加工物表面
にレーザビーム吸収物質を塗布しなければならな
いが、この吸収物質の塗布が大変困難である。ま
た、同図bの場合は加工物表面へのレーザビーム
の入射角が減少しているので、この場合は第11
図から明らかな如くレーザビームの反射率が増大
し、エネルギー利用効率も著しく低下する。
Figure 9 shows an example of conventional heat treatment using a laser beam on a cylindrical workpiece such as a steel wire or a round bar. , Figure b (disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No. 61-170521) shows a workpiece irradiated with a laser beam from the longitudinal direction. As is clear from Figure 9a, when the laser beam is irradiated from above,
The absorption state of the laser beam is non-uniform in the circumferential direction of the workpiece, resulting in low energy efficiency. Therefore, in order to improve energy efficiency, it is necessary to apply a laser beam absorbing material to the surface of the workpiece, but it is very difficult to apply this absorbing material. In addition, in the case of b in the same figure, the incident angle of the laser beam on the surface of the workpiece is decreasing, so in this case, the 11th
As is clear from the figure, the reflectance of the laser beam increases and the energy utilization efficiency also decreases significantly.

[発明が解決しようとする問題点] 上記のように従来のレーザビーム照射による加
工物の熱処理方法は、レーザビームに対して、加
工物の吸収状態が不均一であつたり、また反射率
が高いために、レーザビームの利用効率が著しく
低いという問題があつた。
[Problems to be Solved by the Invention] As mentioned above, in the conventional method of heat treatment of a workpiece by laser beam irradiation, the absorption state of the workpiece is nonuniform with respect to the laser beam, and the reflectance is high. Therefore, there was a problem that the utilization efficiency of the laser beam was extremely low.

この発明はかか問題点を解決するためになされ
たもので、レーザのエネルギー利用効率の高い加
工物の熱処理方法および装置を提供することを目
的とする。
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a method and apparatus for heat treating a workpiece with high laser energy utilization efficiency.

[問題点を解決するための手段] 上記の目的を達成するためにこの発明は、内面
もしくは外面が鏡面であるコーン型ミラーの中心
軸上に、熱処理用の加工物を、その加工物の中心
軸が一致するように配置し、前記加工物の表面も
しくは内面に対して、その加工物と平行もしくは
ほぼ平行なレーザビームを、前記コーン型ミラー
を介して照射し、このレーザビームを前記加工物
と前記コーン型ミラーの内面もしくは外面との間
を多重反射させると同時に、前記加工物もしくは
コーン型ミラーを移動させて前記加工物の表面層
もしくは内面層を連続的に熱処理するための方法
および装置を得ることである。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention places a workpiece for heat treatment on the central axis of a cone mirror whose inner or outer surface is a mirror surface. A laser beam that is parallel or substantially parallel to the workpiece is irradiated onto the surface or inner surface of the workpiece through the cone mirror, and the laser beam is directed toward the workpiece. and an inner or outer surface of the cone-shaped mirror, and simultaneously move the workpiece or the cone-shaped mirror to continuously heat-treat the surface layer or inner layer of the workpiece. It is to obtain.

[作用] 上記の方法および装置によつて、レーザの利用
効率を高めることができ、加工物の表面層を数十
μmの厚さに亘つて熱処理することが可能とな
る。
[Function] With the above method and apparatus, the efficiency of laser use can be increased, and the surface layer of the workpiece can be heat-treated to a thickness of several tens of micrometers.

第2図は円錐型ミラー(以下コーン型ミラーと
いう)1を用いたレーザ熱処理用集光光学系の概
略を示した図である。第2図中、2は加工物、3
はレーザビームで矢印はその出力の方向を示す。
コーン型ミラー1は銅等を加工して、中空の円錐
または四角錐からなる構造物で、その内面を鏡面
にしたものである。尚、被照射部である加工物2
の反射率が高い場合は、コーン型ミラー1の鏡面
をさらに金等の反射物でコーテイングを施す。こ
のコーン型ミラー1の円錐の頂角θは2°〜15°の
範囲とする。また、円錐頂点側出口の径D2は加
工物2の外径D1よりわずかに大きくする。また、
コーン型ミラー1の軸の中心に加工物2を挿入
し、軸方向に沿つて速度Vで移動させる。尚、速
度Vは鋼材等の加工物2の外径D1、レーザビー
ム3の出力およびコーン型ミラー1の円錐の頂角
θ等によつて定まる値である。そして、円錐の底
面にあたるコーン型ミラー1の開口部よりレーザ
ビーム3をコーン型ミラー1の軸の中心に対して
入射角αで入射する。通常、レーザビームの入射
角αは数mradであり、レーザビーム3は平行ビ
ーム(α≒0)と考えてよいので、以下平行ビー
ムとして説明する。レーザビーム3を形成する各
光束4はコーン型ミラー1の内面と加工物2の表
面上の間で多重反射を繰返しながら自動的に収斂
する。この多重反射の様子を示したのが第4図、
第5図である。前述の如く、レーザビームの入射
角αは一般に数mradであるので、α=0のコー
ン型ミラーに対する平行ビームの多重反射につい
て第4図、第5図を用いて説明する。
FIG. 2 is a diagram schematically showing a condensing optical system for laser heat treatment using a conical mirror (hereinafter referred to as a cone mirror) 1. As shown in FIG. In Figure 2, 2 is the workpiece, 3
is the laser beam and the arrow indicates the direction of its output.
The cone mirror 1 is a hollow cone or square pyramid structure made of copper or the like, and its inner surface is mirror-finished. Note that the workpiece 2, which is the irradiated part,
If the reflectance of the cone mirror 1 is high, the mirror surface of the cone mirror 1 is further coated with a reflective material such as gold. The apex angle θ of the cone of this cone-shaped mirror 1 is in the range of 2° to 15°. Further, the diameter D 2 of the outlet on the apex side of the cone is made slightly larger than the outer diameter D 1 of the workpiece 2 . Also,
A workpiece 2 is inserted into the center of the axis of the cone mirror 1 and moved at a speed V along the axial direction. Note that the speed V is a value determined by the outer diameter D 1 of the workpiece 2 such as steel, the output of the laser beam 3, the apex angle θ of the cone of the cone mirror 1, and the like. Then, the laser beam 3 is made incident at an incident angle α with respect to the center of the axis of the cone mirror 1 through the opening of the cone mirror 1, which is the bottom surface of the cone. Normally, the incident angle α of the laser beam is several mrad, and the laser beam 3 can be considered to be a parallel beam (α≈0), so it will be described below as a parallel beam. Each light beam 4 forming the laser beam 3 is automatically converged while repeating multiple reflections between the inner surface of the cone mirror 1 and the surface of the workpiece 2. Figure 4 shows this multiple reflection.
FIG. As mentioned above, since the incident angle α of a laser beam is generally several mrad, multiple reflections of a parallel beam on a cone mirror with α=0 will be explained using FIGS. 4 and 5.

円錐の頂角がθの場合、レーザビームの外径d
のコーン型ミラーの壁に入る角αoと円錐の頂点か
らの距離loはそれぞれ式(1)式、(2)式で表わされ
る。
When the apex angle of the cone is θ, the outer diameter of the laser beam d
The angle α o that enters the wall of the cone-shaped mirror and the distance l o from the apex of the cone are expressed by equations (1) and (2), respectively.

αo=θ/2(2n+1) ……(1) lo=α/2tanθ/2oi=1 taniθ−tanθ/2/taniθ+tanθ/2 ……(2) 第5図はレーザビームの径が8mmで円錐の頂角
がそれぞれ3°と5°の場合の反射点の位置を示した
図である。
α o = θ/2(2n+1) ……(1) l o = α/2tanθ/2 oi=1 taniθ−tanθ/2/taniθ+tanθ/2……(2) Figure 5 shows that the diameter of the laser beam is It is a figure showing the position of the reflection point when the apex angle of the cone is 3° and 5°, respectively, at 8 mm.

第5図からは、円錐の頂角θが小さい場合は、
大きい場合に比べて反射する点はかなり前方にあ
り、最終の収束点も手前にある。加工物表面上に
おいては、レーザビームの各光束のエネルギー密
度はレーザビームの入射角に依存してレーザエネ
ルギーの吸収、反射が行われる。ここで、レーザ
ビームのエネルギー分布がレーザビームの出力方
向に対して回転対称である場合、最終的に加工物
表面上に第6図に示すような回転対称な軸方向エ
ネルギー分布が得られる。第6図はレーザ出力
1000W、ビーム径10mmφ、円錐の頂角がθが力
1000W、ビーム径10mmφ、円錐の頂角がθが5°、
15°の場合について示した図で、θ=15°の場合は
コーン先端からの距離Zは0.08mmで、エネルギー
密度がピークの値8.77W/mm2を示しており、ま
た、θ=5°のときはZ=0.63mm、エネルギー密度
が2.86W/mm2である。このように、θが15°を越
えるとエネルギー密度のピーク値を示すコーン先
端からの距離Zがほとんど0になることと、鋼材
である加工物が加熱される巾が狭くなつて充分な
熱処理ができなくなる。また、θが2°未満になる
とエネルギー密度のピーク値が小さくなり、これ
も充分な熱処理ができなくなる。
From Figure 5, if the apex angle θ of the cone is small,
Compared to the larger case, the reflecting point is much further forward, and the final convergence point is also closer to you. On the surface of the workpiece, the energy density of each beam of the laser beam depends on the incident angle of the laser beam, and the laser energy is absorbed or reflected. Here, if the energy distribution of the laser beam is rotationally symmetrical with respect to the output direction of the laser beam, a rotationally symmetrical axial energy distribution as shown in FIG. 6 is finally obtained on the surface of the workpiece. Figure 6 shows laser output
1000W, beam diameter 10mmφ, the apex angle of the cone is θ
1000W, beam diameter 10mmφ, cone apex angle θ is 5°,
This figure shows the case of 15°. When θ = 15°, the distance Z from the cone tip is 0.08 mm, and the energy density shows a peak value of 8.77 W/mm 2 , and θ = 5°. When , Z = 0.63 mm and the energy density is 2.86 W/mm 2 . In this way, when θ exceeds 15°, the distance Z from the tip of the cone, which indicates the peak value of energy density, becomes almost 0, and the width over which the steel workpiece is heated becomes narrower, making it difficult for sufficient heat treatment to occur. become unable. Furthermore, when θ is less than 2°, the peak value of energy density becomes small, which also makes it impossible to perform sufficient heat treatment.

以上、中空円錐の内面に反射コーテイングを施
したコーン型ミラーについて述べたが、次に円錐
体または四角錐の外表面に反射コーテイングを施
した場合について、第3図を用いて説明する。
A cone mirror in which a reflective coating is applied to the inner surface of a hollow cone has been described above. Next, a case in which a reflective coating is applied to the outer surface of a cone or a square pyramid will be described using FIG. 3.

第3図は外面反射型のコーン型ミラーを用いた
熱処理加工の概略を示した図で、1′が外面反射
型のコーン型ミラー、2′はパイプ状の加工物で
あり、第2図と同一符号は同一または相当部分を
示す。第3図において、コーン型ミラー1′をパ
イプ状の加工物2′の内部に挿入し、加工物2′ま
たはコーン型ミラー1′のいずれか一方を速度V
で移動させる。コーン型ミラー1′の円錐の頂角
θは第2図の例と同じく2°〜15°の範囲とする。
レーザビーム3を入射すると、第2図の例で説明
したのと同じ原理でレーザビーム3が多重反射
し、加工物2′の内表面上において、第6図で示
したレーザビームの出力方向に対して回転対称な
軸方向エネルギー分布が得られる。
Figure 3 is a diagram showing an outline of heat treatment using an external reflection type cone mirror, where 1' is an external reflection type cone mirror, 2' is a pipe-shaped workpiece, and Figure 2 The same reference numerals indicate the same or equivalent parts. In FIG. 3, a cone mirror 1' is inserted into a pipe-shaped workpiece 2', and either the workpiece 2' or the cone mirror 1' is moved at a speed V
to move it. The apex angle θ of the cone of the cone mirror 1' is in the range of 2° to 15° as in the example of FIG.
When the laser beam 3 is incident, the laser beam 3 undergoes multiple reflections based on the same principle as explained in the example of FIG. A rotationally symmetrical axial energy distribution is obtained.

以上の結果、第2図、第3図のどちらにおいて
もコーン型ミラー1もしくは1′の形状(θ、D0
等)およびレーザビーム3の出力、エネルギー分
布、形状等を変化させることにより、第6図に示
したエネルギー分布を制御することができる。
As a result of the above, the shape of the cone mirror 1 or 1' (θ, D 0
etc.) and by changing the output, energy distribution, shape, etc. of the laser beam 3, the energy distribution shown in FIG. 6 can be controlled.

第2図、第3図に示した、いずれのコーン型ミ
ラーを用いても、同様の効果、作用が得られるの
で以下では第2図の場合についてのみ述べる。
Similar effects and actions can be obtained by using either of the cone mirrors shown in FIGS. 2 and 3, so only the case shown in FIG. 2 will be described below.

コーン型ミラーと鋼線の間を多重反射してレー
ザビームはコーン型ミラーの頂点の方向に進み、
その過程でミラーの反射率は常に高いが、鋼線の
反射率はレーザビームの入射角の増加とともに第
11図に示すように減少し、レーザビームの収束
部で収束ビーム形状に応じて鋼線に吸収される。
After multiple reflections between the cone-shaped mirror and the steel wire, the laser beam travels toward the apex of the cone-shaped mirror,
In this process, the reflectance of the mirror is always high, but the reflectance of the steel wire decreases as the incident angle of the laser beam increases, as shown in Figure 11. absorbed into.

第6図に示したエネルギー分布で加工物上を走
査した場合、吸収されたエネルギー分布は熱エネ
ルギーに変換され、その結果、加工物の温度上昇
に至る。
When the workpiece is scanned with the energy distribution shown in FIG. 6, the absorbed energy distribution is converted into thermal energy, resulting in an increase in the temperature of the workpiece.

第7図はコーン型ミラー内で加工物を移動させ
た場合の加工物の表面上における温度時間変化を
示した図である。第6図のエネルギー分布状態に
おいて、加工物の相対移動速度Vおよび表面吸収
率等を変化させることにより、第7図に示した温
度履歴曲線を変化させることができ、最高温度
Tnax、温度変化率dT/dt等の様々な組合わせに
より焼入れ、焼戻し等の各種熱処理あるいは他の
装置との併用により、表面層のアモルフアス化、
合金化等の処理にも応用できる。例えば、線材の
焼戻しの場合、Tnaxを400〜600℃、dT/dtを50°
〜100℃/secとしている。
FIG. 7 is a diagram showing the temperature change over time on the surface of the workpiece when the workpiece is moved within the cone mirror. In the energy distribution state shown in Fig. 6, the temperature history curve shown in Fig. 7 can be changed by changing the relative moving speed V and surface absorption rate of the workpiece, and the maximum temperature
By various combinations of T nax , temperature change rate dT/dt, etc., various heat treatments such as quenching and tempering or in combination with other equipment can be used to make the surface layer amorphous.
It can also be applied to treatments such as alloying. For example, in the case of wire tempering, T nax is 400 to 600°C, dT/dt is 50°
~100℃/sec.

第1図はこの発明の一実施例であるコーン型ミ
ラーを用いて鋼線をレーザビームにより熱処理す
る装置の概略を示した図である。レーザ発振器5
から照射されたレーザビーム3は変換器6によつ
て、その発散角、ビーム径を調整した後、コーン
型ミラー1に対する投入角を制御するミラーであ
るベンデイングミラー7,12によつて制御され
て、θ=7°のコーン型ミラー1の内部に導かれ
る。このコーン型ミラー1の回転対称軸上で加工
物2を駆動装置9によつて移動させる。コーン型
ミラー1の前後には補助装置8が設置され、必要
に応じて予熱、後熱、急冷等の前後処理を行うこ
とができる。
FIG. 1 is a diagram schematically showing an apparatus for heat-treating a steel wire with a laser beam using a cone mirror according to an embodiment of the present invention. Laser oscillator 5
After adjusting the divergence angle and beam diameter of the laser beam 3 irradiated from the converter 6, the laser beam 3 is controlled by bending mirrors 7 and 12, which are mirrors that control the angle of incidence with respect to the cone mirror 1. Then, it is guided inside the cone mirror 1 at θ=7°. The workpiece 2 is moved on the axis of rotational symmetry of the cone mirror 1 by a drive device 9. An auxiliary device 8 is installed before and after the cone mirror 1, and can perform pre- and post-processing such as preheating, post-heating, and rapid cooling as necessary.

コーン型ミラー1の内部冷却と清浄、さらに加
合物2の酸化を防止するために、ガス吹込口13
から不活性ガスを入れている。
In order to cool and clean the inside of the cone mirror 1 and to prevent the additive 2 from oxidizing, a gas inlet 13 is provided.
Inert gas is introduced from

この熱処理による具体例は次のとおりである。
出力1000Wのレーザビーム(ビーム直径、約10mm
φ)を高炭素の鋼線(0.3mmφ)と同軸方向に入
射し、鋼線を200mpmの速度で移動させた場合、
鋼材の表面温度は600℃に上昇し、その結果、鋼
線断面の極表層、約10μmに円周方向に均一な焼
鈍層が形成された。第8図はこの具体例により熱
処理した鋼線と、従来の方法で製造した鋼線の曲
げ疲労試験と捻回試験の結果を示した図である。
A specific example of this heat treatment is as follows.
Laser beam with output of 1000W (beam diameter, approx. 10mm)
φ) is incident coaxially with a high carbon steel wire (0.3mmφ) and the steel wire is moved at a speed of 200mpm,
The surface temperature of the steel material rose to 600°C, and as a result, a uniform annealed layer was formed in the circumferential direction on the extreme surface layer of the cross section of the steel wire, approximately 10 μm thick. FIG. 8 is a diagram showing the results of a bending fatigue test and a twisting test of a steel wire heat-treated according to this specific example and a steel wire manufactured by a conventional method.

第8図から明らかなように、この発明の実施例
と従来例とを比較して、捻回試験による捻回値に
差はなかつたが、曲げ疲労寿命において、この実
施例によるレーザ処理を施したものは大幅に向上
していることがわかる。
As is clear from FIG. 8, there was no difference in the torsion value in the torsion test when comparing the embodiment of the present invention and the conventional example, but the laser treatment according to this embodiment showed no difference in the bending fatigue life. It can be seen that the results have improved significantly.

[発明の効果] 以上詳細に説明したとおりこの発明は、内面も
しくは外面が鏡面であるコーン型ミラーの中心軸
上に、熱処理用の加工物を、その加工物の中心軸
が一致するように配置し、前記加工物の表面もし
くは内面に対して、その化合物と平行もしくはほ
ぼ平行なレーザビームを、前記コーン型ミラーを
介して照射して、このレーザビームを前記加工物
と前記コーン型ミラーの内面もしくは外面との間
を多重反射させると同時に、前記加工物もしくは
コーン型ミラーを移動させて前記加工物の表面層
もしくは内面層を連続的に熱処理することによ
り、レーザビームを用いてあらゆる種類の加工物
の表面層を数十μmの厚さに熱処理することがで
き、さらにそれによつて、鋼材等の曲げ疲労寿命
の向上にも役立つことができる。
[Effects of the Invention] As explained in detail above, the present invention provides a method for arranging a workpiece for heat treatment so that the center axis of the workpiece coincides with the center axis of a cone-shaped mirror whose inner or outer surface is a mirror surface. A laser beam parallel or substantially parallel to the compound is irradiated onto the surface or inner surface of the workpiece through the cone mirror, and the laser beam is directed onto the workpiece and the inner surface of the cone mirror. Alternatively, all kinds of processing can be performed using a laser beam by multiple reflections between the outer surface and the surface layer or inner layer of the workpiece by moving the workpiece or a cone-shaped mirror and continuously heat-treating the surface layer or inner layer of the workpiece. The surface layer of an object can be heat treated to a thickness of several tens of micrometers, and this can also be useful in improving the bending fatigue life of steel materials.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はこの発明の一実施例であるコーン型ミ
ラーを用いて鋼線をレーザビーム熱処理する装置
の概略を示した図、第2図はコーン型ミラーを用
いたレーザ熱処理用集光光学系の概略を示した
図、第3図は外面反射型のコーン型ミラーを用い
た熱処理加工物の概略を示した図、第4図はコー
ン型ミラー内面でのレーザビームの多重反射の説
明図、第5図はレーザビームの径が8mmで円錐の
頂角がそれぞれ3°と5°の場合の反射点の位置を示
した図、第6図はレーザ出力1000W、ビーム径10
mmφ、コーンの頂角がθ5°、15°の場合について示
した図、第7図はコーン型ミラー内で加工物を移
動させた場合の加工物の表面上における温度時間
変化を示した図、第8図はこの具体例により熱処
理した鋼線と、従来の方法で製造した鋼線の曲げ
疲労試験と捻回試験の結果を示した図、第9図は
鋼線、丸棒等の円柱形状の加工物に対して、従来
のレーザビームによる熱処理加工の例を示した
図、第10図aはデフオーカスビーム方式を、同
図bは分割ミラー線状ビーム方式を、同図cはビ
ームスキヤナ方式を、同図dはインテグレーシヨ
ンミラー方式を、同図eはカライドスコープ方式
を、同図fはポリゴンミラー方式をそれぞれ示し
た図、第11図は鋼材表面のレーザビームの反射
率を示した図である。 図中、1:コーン型ミラー、2:加工物、3:
レーザビーム、5:レーザ発振器、7,12:ベ
ンデイングミラー、9:駆動装置。
Fig. 1 is a diagram schematically showing an apparatus for laser beam heat treatment of steel wire using a cone-shaped mirror, which is an embodiment of the present invention, and Fig. 2 is a condensing optical system for laser heat treatment using a cone-shaped mirror. FIG. 3 is a schematic diagram of a heat-treated product using an external reflection type cone mirror, and FIG. 4 is an explanatory diagram of multiple reflections of a laser beam on the inner surface of a cone mirror. Figure 5 shows the position of the reflection point when the diameter of the laser beam is 8 mm and the apex angle of the cone is 3° and 5°, respectively. Figure 6 shows the position of the reflection point when the laser beam diameter is 1000 W and the beam diameter is 10.
mmφ and the apex angle of the cone is θ5° and 15°. Figure 7 is a diagram showing temperature time changes on the surface of the workpiece when the workpiece is moved within the cone mirror. Figure 8 is a diagram showing the results of bending fatigue tests and twisting tests for steel wires heat-treated by this specific example and steel wires manufactured by conventional methods, and Figure 9 shows cylindrical shapes of steel wires, round bars, etc. Figure 10 shows an example of conventional heat treatment processing using a laser beam for a workpiece. Figure 10a shows the defocus beam method, Figure 10b shows the split mirror linear beam method, and Figure 10c shows the beam scanner method. , Figure d shows the integration mirror method, Figure e shows the kaleidoscope method, Figure f shows the polygon mirror method, and Figure 11 shows the reflectance of the laser beam on the steel surface. It is a diagram. In the figure, 1: cone mirror, 2: workpiece, 3:
Laser beam, 5: laser oscillator, 7, 12: bending mirror, 9: driving device.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 内面もしくは外面が鏡面である円錐型ミラー
の中心軸上に、熱処理用の加工物を、その加工物
の中心軸が一致するように配置し、前記加工物の
表面もしくは内面に対して、その加工物と平行も
しくはほぼ平行なレーザビームを、前記円錐型ミ
ラーを介して照射して、このレーザビームを前記
加工物と前記円錐型ミラーの内面もしくは外面と
の間を多重反射させると同時に、前記加工物もし
くは円錐型ミラーを移動させて前記加工物の表面
層もしくは内面層を連続的に熱処理することを特
徴とする加工物の熱処理方法。 2 加工物は棒鋼もしくは線材または鋼管である
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の加
工物の熱処理方法。 3 レーザ発振器と、内面もしくは外面が鏡面で
ある円錐型ミラーと、前記レーザ発振器からのレ
ーザビームを伝送し、かつレーザビームの前記円
錐型ミラーに対する投入角を制御するミラーとか
らなるレーザビーム照射系と、加工物もしくは円
錐型ミラーを移動させる駆動装置とからなること
を特徴とする加工物の熱処理装置。 4 円錐型ミラーは、その円錐の頂角が、2度乃
至15度の範囲の内面が鏡面であるもの、もしくは
2度乃至15度の範囲の外面が鏡面であるもののい
ずれかであることを特徴とする特許請求の範囲第
3項記載の加工物の熱処理装置。
[Claims] 1. A workpiece for heat treatment is placed on the central axis of a conical mirror whose inner or outer surface is a mirror surface, so that the central axis of the workpiece coincides with the center axis of the conical mirror, and the surface or outer surface of the workpiece is A laser beam parallel or substantially parallel to the workpiece is irradiated onto the inner surface through the conical mirror, and the laser beam is multiplexed between the workpiece and the inner or outer surface of the conical mirror. A method for heat-treating a workpiece, characterized in that the surface layer or inner surface layer of the workpiece is continuously heat-treated by moving the workpiece or a conical mirror at the same time as the reflection. 2. The method for heat treating a workpiece according to claim 1, wherein the workpiece is a steel bar, a wire rod, or a steel pipe. 3. A laser beam irradiation system consisting of a laser oscillator, a conical mirror whose inner or outer surface is a mirror surface, and a mirror that transmits the laser beam from the laser oscillator and controls the incidence angle of the laser beam with respect to the conical mirror. and a drive device for moving the workpiece or a conical mirror. 4. A conical mirror is characterized in that the apex angle of the cone is either one in which the inner surface is a mirror surface within the range of 2 degrees to 15 degrees, or one in which the outer surface is mirror surface within the range of 2 degrees to 15 degrees. A heat treatment apparatus for a workpiece according to claim 3.
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