高速重畳スキャンにより空間強度分布を最適成形したレーザによる隅角部焼入れ法の開発

レーザ焼入れは、必要箇所のみを硬化させることが可能で、強度向上はもちろん、ひずみレス、クリーンな作業環境も実現できるため、産業界で急速に利用が進んでいる注目技術である。本研究課題では、隅角部（凹凸部）を有する鉄鋼材部品を対象とし、超高速重畳スキャンにより空間強度分布を最適成形したレーザを用いた焼入れ法を開発し、多種多様な隅角部に確実に硬化領域を形成する技術を確立することを最終目的にしている。令和4年度も、引き続き、熱シミュレーションによる硬化領域予測技術の確立とその検証実験に取り組んだ。令和元年度は、トップハット分布矩形レーザを想定また実際に用いて、平面階段形状工作物の隅角部の焼入れについて検討し効果を見出し、令和2年度は高速スキャンレーザでの検討を開始したが、研究を進めるなかで、焼入れ試験においても強度分布測定においても、スキャンレーザ特有の課題が顕在化し、その課題克服に注力することになった。令和3年度は、まずはラインビームを成形して段付き部を模したモデルに対して、熱シミュレーションによる適正条件の検討とその効果の検証試験を中心に研究を進めた。工作物隅角部に応じて、レーザ出力を制御する手法を考案し、熱シミュレーションを用いて適正化を図った。令和3年度は、これを深耕し、工作物寸法に応じて適正な出力制御を行うことで角部と隅部両方に硬化領域を形成することに成功した。(1)角部、中間部、隅部の熱容量の大きさに応じて段階的にレーザ出力を調節する照射方法は隅角部へのレーザ焼入れの均一化に有効である。(2)熱シミュレーションを用いて工作物内の温度履歴を分析することにより、2つ目の温度ピークが冷却速度の定義範囲内で生じると冷却速度が臨界冷却速度まで上がらず、焼入れできない場合がある。

レーザ焼入れは、必要箇所のみを硬化させることが可能で、強度向上はもちろん、ひずみレス、クリーンな作業環境も実現できるため、産業界で急速に利用が進んでいる注目技術である。本研究課題では、隅角部（凹凸部）を有する鉄鋼材部品を対象とし、超高速重畳スキャンにより空間強度分布を最適成形したレーザを用いた焼入れ法を開発し、多種多様な隅角部に確実に硬化領域を形成する技術を確立することを最終目的にしている。令和4年度も、引き続き、熱シミュレーションによる硬化領域予測技術の確立とその検証実験に取り組んだ。令和元年度は、トップハット分布矩形レーザを想定また実際に用いて、平面階段形状工作物の隅角部の焼入れについて検討し効果を見出し、令和2年度は高速スキャンレーザでの検討を開始したが、研究を進めるなかで、焼入れ試験においても強度分布測定においても、スキャンレーザ特有の課題が顕在化し、その課題克服に注力することになった。令和3年度は、まずはラインビームを成形して段付き部を模したモデルに対して、熱シミュレーションによる適正条件の検討とその効果の検証試験を中心に研究を進めた。工作物隅角部に応じて、レーザ出力を制御する手法を考案し、熱シミュレーションを用いて適正化を図った。令和3年度は、これを深耕し、工作物寸法に応じて適正な出力制御を行うことで角部と隅部両方に硬化領域を形成することに成功した。(1)角部、中間部、隅部の熱容量の大きさに応じて段階的にレーザ出力を調節する照射方法は隅角部へのレーザ焼入れの均一化に有効である。(2)熱シミュレーションを用いて工作物内の温度履歴を分析することにより、2つ目の温度ピークが冷却速度の定義範囲内で生じると冷却速度が臨界冷却速度まで上がらず、焼入れできない場合がある。