JP7097206B2 - レーザ加工装置，レーザ光による熱調質方法，及び熱調質材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置，レーザ光による熱調質方法，及び熱調質材の製造方法に関する。

金属部材の局部的な熱調質を、レーザ光の照射によって行う技術が検討されている。
特許文献１には、熱調質のうちの焼き入れに関し、鋼板のワーク（スプライスプレート）に部分焼き入れを行う方法及び装置が記載されている。
また、特許文献１には、レーザ光の照射で鋼材を変態点以上に加熱した後の冷却速度は、一般に、焼き入れに十分な高速になることが記載されている（特許文献１：段落０００９）。

特許第４６１６５２３号公報

ところで、熱調質のうちの焼きなましは、加熱後の冷却速度を遅くして徐冷することが必要である。
しかしながら、レーザ光の照射で加熱すると、局部的な加熱になることから冷却が高速となり、徐冷の温度制御が困難である。
そのため、レーザ光による焼きなましは、具体的な手法が確立していないのが現状である。
金属部材の局部的な焼きなましが安定的に可能になると、硬い金属材料を用いた部材の量産的曲げ加工が容易になるなど、メリットが多く、具体的手法の確立が期待されている。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、レーザ光の照射による焼きなましを行うことができるレーザ加工装置，レーザ光による熱調質方法，及び熱調質材の製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は次の構成を有する。
１） ワークの一部領域である第１の領域を加熱して第１の温度に昇温維持する加熱部と、
前記ワークに対しレーザ光を照射するヘッドと、
前記ヘッドの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記レーザ光を、昇温維持された前記第１の領域内の第２の領域に所定時間照射して前記第２の領域を前記第１の温度よりも高い第２の温度に昇温し、前記所定時間経過後の前記第２の領域の冷却を、前記第１の領域を前記加熱部によって昇温維持した状態で行って、前記第２の領域を前記ワークの曲げ線として曲げ加工可能な線状にレーザ光によって熱調質するよう制御するレーザ加工装置である。
２） 前記制御部は、前記レーザ光の照射を、前記ヘッドを移動させながら行うことを特徴とする１）に記載のレーザ加工装置である。
３） 曲げ加工するワークの一部の領域である第１の領域に対し第１のレーザ光を照射する第１のヘッドと、
前記第１の領域に含まれる第２の領域に対し第２のレーザ光を照射する第２のヘッドと、
前記第１のヘッド及び前記第２のヘッドの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記第１の領域に対し前記第１のレーザ光を照射して前記第１の領域を第１の温度に昇温維持した状態で、前記第２の領域に前記第２のレーザ光を所定時間照射して前記第２の領域を前記第１の温度よりも高い第２の温度に昇温し、前記所定時間経過後の前記第２の領域の冷却を前記第１のレーザ光の照射下で行って前記第２の領域の熱調質をするよう制御するレーザ加工装置である。
４） 前記制御部は、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の照射を前記第１のヘッド及び第２のヘッドを移動させながら行って、前記第２の領域を、前記ワークを前記第２の領域を曲げ線として曲げ加工可能な直状に熱調質することを特徴とする３）に記載のレーザ加工装置である。
５） ワークの一部領域である第１の領域を加熱部によって加熱して第１の温度に昇温維持する第１昇温ステップと、
昇温維持した状態の前記第１の領域内に、レーザ光を所定時間照射して前記第１の温度よりも高い第２の温度に昇温した第２の領域を形成する第２昇温ステップと、
前記所定時間経過後の前記第２の領域の冷却を、前記第１の領域を前記加熱部によって昇温維持した状態で行う冷却ステップと、を含むレーザ光による熱調質方法である。
６） 前記第２昇温ステップにおける前記レーザ光の照射を、照射位置を移動させながら行うことを特徴とする５）に記載のレーザ光による熱調質方法である。
７） 曲げ加工するワークの曲げ線を含む第１の領域に対し第１のレーザ光を照射して前記第１の領域を第１の温度に昇温維持する第１昇温ステップと、
昇温維持した状態の前記第１の領域における前記曲げ線の部分である第２の領域に対し第２のレーザ光を所定時間照射して、前記第２の領域を前記第１の温度よりも高い第２の温度に昇温する第２昇温ステップと、
前記所定時間経過後の前記第２の領域の冷却を、前記第１のレーザ光の照射下で行う冷却ステップと、を含むレーザ光による熱調質方法である。
８） 前記第２昇温ステップにおける前記第２のレーザ光の照射を、照射位置を移動させながら行うことを特徴とする７）に記載のレーザ光による熱調質方法である。
９） 鋼材を曲げ加工する際の曲げ線を含む第１の領域を加熱部によって加熱してＡ３変態点未満の第１の温度に昇温維持する第１昇温ステップと、
昇温維持した状態の前記第１の領域内に、レーザ光を所定時間照射してＡ３変態点を超える第２の温度に昇温した第２の領域を形成する第２昇温ステップと、
前記所定時間経過後の前記第２の領域の冷却を、前記第１の領域を前記加熱部によって昇温維持した状態で行う冷却ステップと、
を含み、前記第２の領域を前記曲げ線として線状にレーザ光による熱調質を行い製造する熱調質材の製造方法である。
１０） 前記第２昇温ステップにおける前記レーザ光の照射を、照射位置を移動させながら行うことを特徴とする９）に記載の熱調質材の製造方法である。
１１） 曲げ加工する鋼材の曲げ線を含む第１の領域に対し第１のレーザ光を照射して前記第１の領域をＡ３変態点未満の第１の温度に昇温維持する第１昇温ステップと、
昇温維持した状態の前記第１の領域における前記曲げ線の部分である第２の領域に対し第２のレーザ光を所定時間照射してＡ３変態点を越える第２の温度に昇温する第２昇温ステップと、
前記所定時間経過後、前記第２の領域を、前記第１のレーザ光の照射下で冷却する焼きなましステップと、
を含む熱調質材の製造方法である。
１２） 前記第２昇温ステップにおける前記第２のレーザ光の照射を、照射位置を移動させながら行うことを特徴とする１１）に記載の熱調質材の製造方法である。

本発明によれば、レーザ光の照射による焼きなましを行うことができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の実施例１であるレーザ加工装置５１を示す模式的斜視図である。 図２は、レーザ加工装置５１が備えるヒータ１６による加熱領域ＡＲａを説明するための平面図である。 図３は、レーザ加工装置５１で熱調質したワークＷにおける評価点Ｐ１の温度推移を示すグラフである。 図４は、鋼材のワークＷに対しレーザ加工装置５１で行った焼きなましの温度推移を示すグラフである。 図５は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置の実施例２であるレーザ加工装置５２を示す模式的側面図である。 図６は、レーザ加工装置５２の制御部２５を説明するためのブロック図である。 図７は、レーザ加工装置５２がワークＷに照射されたレーザ光のスポットＬｓ１ａ，Ｌｓ２ａを説明するためのワークＷの上面図である。 図８は、レーザ加工装置５２で熱調質したワークＷにおける評価点Ｐ２の温度推移を示すグラフである。 図９は、鋼のワークＷに対しレーザ加工装置５２で行った焼きなましの温度推移を示すグラフである。 図１０は、アルミニウム合金のワークに対しレーザ加工装置５１で行った焼きなましの温度推移を示すグラフである。

本発明の実施の形態に係るレーザ加工装置を、実施例１のレーザ加工装置５１及び実施例２のレーザ加工装置５２により説明する。レーザ加工装置５１，５２は、ファイバレーザを用いたレーザ加工装置である。

（実施例１）
まず、レーザ加工装置５１の全体構成について、図１を参照して説明する。説明の便宜上、水平軸（Ｘ軸，Ｙ軸）及び垂直軸（Ｚ軸）を図１の矢印方向に規定する。

レーザ加工装置５１は、切断などのレーザ加工と、焼き入れや焼きなましなどの熱調質との両方を行うことができる。
レーザ加工装置５１は、レーザ発振器１１と、ヘッド１２と、ヘッド１２を移動するヘッド移動部１３と、ワークＷが載置されるテーブル１４と、制御部としての制御部１５と、を有する。
レーザ加工装置５１は、さらに、加熱装置としてのヒータ１６と、ヒータ駆動部１７と、温度センサ１８，１９と、を有する。

レーザ発振器１１は、ファイバレーザ発振器であり、生成したレーザ光をヘッド１２に向け供給する。
ヘッド１２は、本体部１２ａと、本体部１２ａの先端に着脱可能に装着されたノズル１２ｂと、本体部１２ａに内蔵された光学系１２ｃと、を有する。
ヘッド１２は、レーザ発振器１１から供給されたレーザ光を、光学系１２ｃにより所望の光束形状や焦点位置のレーザ光Ｌｓにしてノズル１２ｂからテーブル１４に向け出射する。
ヘッド移動部１３は、ヘッド１２をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向に３次元的に移動する。また、ヘッド１２から出射したレーザ光Ｌｓの光軸が、Ｚ軸に対して傾くようにヘッド１２を任意の角度に傾斜させることもできる。
テーブル１４は、上部にワークＷが載置される。
レーザ発振器１１，ヘッド１２，及びヘッド移動部１３の動作は、制御部１５によって制御される。

加熱部であるヒータ１６は、テーブル１４に載置されたワークＷの上方又は下方（この例では上方）に近接配置され、ワークＷの一部領域を局部的に加熱する。
ヒータ１６は、例えば棒状のハロゲンヒータであり、テーブル１４に載置されたワークＷに対し、Ｘ軸方向に延びる帯状に熱を付与する。
ワークＷにおいて、ヒータ１６によって加熱され、ある温度以上に維持される領域は、図２における加熱領域ＡＲａのようにＸ軸方向に延びる細長の領域となる。
ヒータ１６のＯＮ／ＯＦＦ動作及び出力値は、ヒータ駆動部１７を介して制御部１５により制御される。

温度センサ１８は、テーブル１４に載置されたワークＷにおける加熱領域ＡＲａの温度を測定し、測定結果を制御部１５に向け送出する。
温度センサ１９は、例えばヘッド１２の本体部１２ａに取り付けられ、テーブル１４に載置されたワークＷ上の、レーザ光Ｌｓに照射されている部分の温度を測定し、測定結果を温度情報として制御部１５に向け送出する。

制御部１５は、中央処理装置であるＣＰＵ１５ａ，記憶部１５ｂ，入出力部１５ｃを有する。制御部１５は、温度センサ１８,１９からの温度情報や、記憶部１５ｂに予め記憶された、或いは入出力部１５ｃを介して入力された加工プログラム及び動作指示などに基づいて、レーザ加工装置５１の全体動作を制御する。

レーザ加工装置５１は、制御部１５の制御の下、次の手順により、鋼材のワークＷに対し、局部的な焼きなまし処理を行えるようになっている。この処理について、図２及び図３を参照して説明する。
図２は、テーブル１４に載置したワークＷの上面図である。図３は、図２に示されたワークＷにおける評価点Ｐ１での、焼きなましにおける温度の時間推移を示したグラフである。評価点Ｐ１は、Ｘ軸方向が任意位置、Ｙ軸方向が加熱領域ＡＲａの中点に位置する点である。
説明する焼きなましは、例えば、ワークＷのＹ軸方向中央部に、Ｘ方向に延びる軟化領域を形成するものである。

まず、ワークＷを、軟化させたい領域がヒータ１６の直下となるようテーブル１４に載置する。ヘッド１２は、ワークＷの上方から外れた位置に移動しておく。

制御部１５の制御の下、ヒータ１６を動作させ、テーブル１４に載置したワークＷを加熱する。そして、加熱領域ＡＲａの温度を、温度センサ１８で監視しながら温度Ｔ１２で飽和した安定状態にする（図３：時刻ｔ１１～ｔ１２）。

次いで、制御部１５の制御の下、レーザ発振器１１を動作させて、レーザ光Ｌｓをノズル１２ｂから下方に照射させる。
ヘッド移動部１３を動作させて、ヘッド１２の姿勢を、レーザ光Ｌｓの光束がヒータ１６と干渉せず、かつ照射位置がヒータ１６の直下となるように傾斜させる。
すなわち、Ｙ軸方向の照射位置を、ワークＷの加熱領域ＡＲａにおけるＹ軸方向の中央位置とする。以下、この中央位置を通りＸ軸に平行な仮想線を、本加熱線ＬＮａと称する。また、レーザ光ＬｓがワークＷに照射された際の照射範囲をスポットＬｓａと称する（図２参照）。

次に、制御部１５は、ヘッド移動部１３を動作させて、レーザ光Ｌｓが本加熱線ＬＮａ上を移動するようにヘッド１２を速度Ｖ１で移動させる（矢印ＤＲ１）。
レーザ光ＬｓがワークＷに掛かると、ワークＷの表面にスポットＬｓａが生じる。このスポットＬｓａは、本加熱線ＬＮａ上を図２の右方に速度Ｖ１で移動する。
このスポットＬｓａの移動に伴い、評価点Ｐ１では、ワークＷのスポットＬｓａが掛かり始めると（時刻ｔ１２）、加熱されて温度は上昇する。そして、スポットＬｓａ掛かり終わりに最高の温度Ｔ１３に達し（時刻ｔ１３）、スポットＬｓａの通過後、温度は下降する。

ヒータ１６による加熱領域ＡＲａへの熱供給は継続的に行われていることから、評価点Ｐ１におけるスポットＬｓａの通過後の温度低下勾配は緩やかとなる。すなわち、評価点Ｐ１の温度はゆっくりと低下してレーザ光Ｌｓを照射する前の温度Ｔ１２に戻る（時刻ｔ１４）。

ここで、レーザ光Ｌｓを、時刻ｔ１２～時刻ｔ１３の所定時間照射した後の時刻ｔ１３～時刻ｔ１４の温度推移線において、評価点Ｐ１の温度Ｔが、温度Ｔ１２と温度Ｔ１３との間の所定の温度Ｔ１５，Ｔ１４に低下した時刻を、それぞれ時刻ｔ１３３，ｔ１３４とする。そして、時刻ｔ１３３から時刻ｔ１３４までの時間を、便宜的に冷却時間ｔｍ１とする。
また、温度Ｔ１５は、ワークＷが鋼材の場合、その材料のＡ３変態点となる温度とする。

このように、実施例１のレーザ加工装置５１によって行う熱調質方法によれば、ワークＷにおける熱調質する部位を含む第１の領域を、レーザ光Ｌｓの照射前にヒータ１６によって予加熱した加熱領域ＡＲａとして常温よりも高い所定の温度Ｔ１２（第１の温度）に維持しておく。
これにより、昇温維持した加熱領域ＡＲａのうちの、さらにレーザ光Ｌｓの照射で温度Ｔ１３（第２の温度）へ急激に昇温させた第２の領域である本加熱領域ＡＲｂは、昇温後の冷却速度が、予加熱しない場合と比べて小さく温度低下勾配が緩やかとなる。図２には、本加熱領域ＡＲｂとなる部分（スポットＬｓａが通過する部分）が括弧付き符号で示されている。
そのため、レーザ加工装置５１は、ワークＷの材質などに応じて、レーザ光Ｌｓによる本加熱後の冷却速度を小さく(遅く)制御して焼きなましが可能である。

冷却速度を小さくするための制御で設定すべき直接的条件となる項目は、温度Ｔ１２，～Ｔ１５、及び、時間ｔｍ１である。
これらの項目は、光学系１２ｃやレーザ発振器１１からの出力などで設定されるレーザ光Ｌｓに基づくパワー密度Ｅ，ヘッド１２の移動の速度Ｖ１，ヒータ１６の出力，ヒータ１６とワークＷとの距離、などにより調整できる。
また、これらの項目の設定値は一定でなくてよく、時間経過に伴い変化させてもよい。

これらの項目を調整し、レーザ加工装置５１によって自動車用加工性冷間圧延高張力鋼板のＳＰＦＣ９８０Ｙ材をワークＷとする熱調質試験を行った。
その結果、熱調質を行う前に困難だった曲げ加工が、熱調質により、本加熱線ＬＮａを曲げ線として可能になった。これにより、焼きなましがなされたことを確認した。比較例は、ヒータ１６を用いないで同様のレーザ光照射を行った場合であり、熱調質後も曲げ加工は困難であった。以下、図４を参照して詳述する。

試験条件は、
供試材（ワークＷ）：ＳＰＦＣ９８０Ｙ ｔ１．０
レーザ発振器１１：ファイバレーザ （最大出力４ｋＷ）
ヒータ１６：出力２ｋＷ
温度Ｔ１２：４００℃
温度Ｔ１３：９２０℃
温度Ｔ１４：５００℃
温度Ｔ１１：２０℃（常温）
時間ｔｍ１：８．５秒
とした。温度Ｔ１３は、Ａ３変態点の約９１０℃を越える値として設定し、温度Ｔ１２は、Ａ３変態点未満の値として設定してある。

図４において、評価点Ｐ１の温度の時間推移は、ヒータ１６を使用した実施例１における熱調質を行った場合が実線で示されている。この温度は、ワークＷの裏面に取り付けた熱電対により測定した。
また、横軸の時間は、評価点Ｐ１をスポットＬｓａが通り抜けた図３における時刻ｔ１３を、０（ゼロ）としてある。また、温度Ｔ１３がＡ３変態点に近いため、時間ｔｍ１は、時刻０（ゼロ）から時刻ｔ１３４までの時間としてある。

一方、図４には、ヒータ１６を使用しない比較例としての焼きなましを行った場合を破線で示してある。比較例の温度推移においても同様に、時間ｔｍ１ａ（時間ｔｍ１に相当）は、時刻０（ゼロ）から時刻ｔ１３４に相当する時刻ｔ１３４ａまでの時間とした。
レーザ発振器１１におけるレーザ光Ｌｓ１の出力は、ヒータ１６を使用した実施例１において約５００Ｗであり、比較例においては、温度Ｔ１３を同じ温度とするために約８００Ｗとした。

図４に示されるように、ヒータ１６を用いた実施例１における焼きなましでは、時間ｔｍ１が約７秒であったのに対し、比較例では、時間ｔｍ１ａが約１．５秒であった。
すなわち、ヒータ１６を用いて熱調質する部分を予め昇温させておく実施例の方が、冷却速度は遅くなっていた。

ワークＷに対し、実施例１によってヒータ１６を使用し予加熱して熱調質した熱調質材Ｗｔ１と、比較例としてヒータ１６を使用せずに予加熱なしに熱調質した熱調質材Ｗｔ１ａと、を製造し、ワークＷの素材の曲げ加工が困難な抜き荷重のプレス機を用いて、本加熱線ＬＮａを曲げ線として９０°の曲げ加工を行った。
その結果、実施例１による熱調質材Ｗｔ１は、曲げ線以外の部分よりも曲げ線部分が確実に軟らかくなっていて曲げ加工が可能であったのに対し、比較例の熱調質材Ｗｔ１ａは、曲げ線以外の部分と同等又はそれ以上に硬く、素材同様に曲げ加工が困難であった。
従って、実施例１による熱調質を行うことで、ワークＷに対し局部的な焼きなましを施した熱調質材Ｗｔ１が得られることを確認できた。

（実施例２）
次に、実施例２のレーザ加工装置５２の全体構成について、図５を参照して説明する。説明の便宜上、水平軸（Ｘ軸）及び垂直軸（Ｚ軸）を図５の矢印方向に規定する。水平軸のＹ軸は、紙面表裏方向となる。

実施例２のレーザ加工装置５２は、切断などのレーザ加工と、焼き入れや焼きなましなどの熱調質との両方を行うことができる。
レーザ加工装置５２は、第１レーザ出射系２１Ｇ及び第２レーザ出射系２２Ｇと、ヘッド移動部２３と、制御部２５と、上面に載置されたワークＷを水平に二次元移動させるテーブル２６と、を有する。
レーザ加工装置５２は、さらに温度センサ２７，２８を有する。

第１レーザ出射系２１Ｇは、レーザ発振器２１ｄ及びヘッド２１を有する。
第２レーザ出射系２２Ｇは、レーザ発振器２２ｄ及びヘッド２２を有する。
レーザ発振器２１ｄ，２２ｄは、ファイバレーザ発振器であり、生成したレーザ光をそれぞれヘッド２１，２２に向け供給する。

ヘッド２１は本体部２１ａと、本体部２１ａの先端に着脱可能に装着されたノズル２１ｂと、本体部２１ａに内蔵された光学系２１ｃと、を有する。
ヘッド２２は、本体部２２ａと、本体部２２ａの先端に着脱可能に装着されたノズル２２ｂと、本体部２２ａに内蔵された光学系２２ｃと、を有する。
ヘッド２１は、レーザ発振器２１ｄから供給されたレーザ光を、光学系２１ｃにより所望の光学特性（光束形状及び焦点位置など）のレーザ光Ｌｓ１にしてノズル２１ｂからテーブル２６に向け出射する。
ヘッド２２は、レーザ発振器２２ｄから供給されたレーザ光を、光学系２２ｃにより所望の光学特性（光束形状及び焦点位置など）のレーザ光Ｌｓ２にしてノズル２２ｂからテーブル２６に向け出射する。

レーザ光Ｌｓ１は、光束の横断面形状が、例えば円形とされて出射される。
レーザ光Ｌｓ２は、光束の横断面形状が、例えばＸ軸方向を長手とする細長円形とされて出射される。
ヘッド２１及びヘッド２２は、ヘッドホルダ２９によって光軸が上下方向となる姿勢で並設連結されている。
ヘッド移動部２３は、並設連結されたヘッド２１及びヘッド２２を一体としてＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向に移動する。
レーザ光Ｌｓ１及びレーザ光Ｌｓ２は、図５に示されるように、テーブル２６の上面に載置されたワークＷに到達する前に、レーザ光Ｌｓ１の光束がレーザ光Ｌｓ２の光束内に含まれるようにそれぞれの光束形状を設定可能とされている。

レーザ発振器２１ｄ，２２ｄとヘッド２１，２２とヘッド移動部２３の動作は、制御部２５により制御される。

制御部２５は、図６にも示されるように、中央処理装置であるＣＰＵ２５ａと、記憶部２５ｂ及び入出力部２５ｃと、を有する。
図６に示されるように、ＣＰＵ２５ａは、レーザ出射系選択部２５ａ１及び調整項目設定部２５ａ２を含んで構成されている。
制御部２５は、温度センサ２７，２８からの温度情報や、記憶部２５ｂに予め記憶された、或いは入出力部２５ｃを介して入力された加工プログラム及び動作指示などに基づいて、レーザ加工装置５２の全体動作を制御する。

図７は、テーブル２６に載置されたワークＷ上の、レーザ光Ｌｓ１及びレーザ光Ｌｓ２の照射領域を説明するための上面図である。
すなわち、ワークＷ上の照射領域形状は、レーザ光Ｌｓ１については円形のスポットＬｓ１ａとされ、レーザ光Ｌｓ２については、スポットＬｓ１ａを含むＸ軸方向を長手とする長丸状のスポットＬｓ２ａとされる。
スポットＬｓ２ａにけるスポットＬｓ１ａの位置はＸ軸方向については例えば（－）側に偏り、Ｙ軸方向については中央とされる。
以下、スポットＬｓ１ａとスポットＬｓ２ａとをまとめて、スポット群ＬｓａＧと称する。

調整項目設定部２５ａ２は、第１レーザ発振器２１ｄ，第２レーザ発振器２２ｄ，及び光学系２１ｃ，２２ｃの動作を制御して、レーザ光Ｌｓ１のスポットＬｓ１ａにおけるパワー密度Ｅ１及びレーザ光Ｌｓ２のスポットＬｓ２ａにおけるパワー密度Ｅ２を設定する。例えば、パワー密度Ｅ１をパワー密度Ｅ２よりも大きく設定する。

以上の構成を有するレーザ加工装置５２は、制御部２５の制御の下、次の手順により、鋼材のワークＷに対し局部的に焼きなましを行えるようになっている。次に、この焼きなまし方法について図７及び図８を参照して説明する。
この焼きなましは、例えば、図７に示されるワークＷのＹ軸方向中央部に、評価点Ｐ２を含むＸ軸方向に延びる軟化領域を形成するものとする。

まず、テーブル２６に載置したワークＷに対するＸ軸方向外側に、ヘッド２１，２２を位置させ、レーザ光Ｌｓ１，Ｌｓ２を出射する。図７では、この状態でのスポット群ＬｓａＧの位置Ｇ１を、ワークＷの右側に鎖線で示してある。

制御部２５の制御の下、テーブル２６をＸ軸（＋）方向に所定の速度Ｖ２で移動する。これにより、スポット群ＬｓａＧは、ワークＷ上を図７の左方に相対的に速度Ｖ２で移動し（矢印ＤＲ２）、ワークＷの左側へ抜け位置Ｇ２に達する。
スポット群ＬｓａＧがワークＷをＸ軸方向に横切る動作において、評価点Ｐ２の温度Ｔの時間変化が図８に示される。

図８において、縦軸は温度Ｔ、横軸は時間ｔである。
時刻ｔ２１までは、評価点Ｐ２にスポット群ＬｓａＧが掛かっていない状態であり、常温の温度Ｔ２１が維持される。
時刻ｔ２１で、評価点Ｐ２にスポットＬｓ２ａが掛かり始める。これにより、評価点Ｐ２の温度は上昇し、温度Ｔ２２で飽和維持される。

時刻ｔ２２～時刻ｔ２３で、評価点Ｐ２に、スポットＬｓ２ａ内に含まれるスポットＬｓ１ａが掛かる。
これにより、評価点Ｐ２は、スポットＬｓ１ａに加えスポットＬｓ２ａからも加熱され、温度が急上昇し、時刻ｔ２３で温度Ｔ２３に達する。

時刻ｔ２３でスポットＬｓ１ａが通り抜けた以降、評価点Ｐ２にはスポットＬｓ２ａが掛かり続ける。そのため、評価点Ｐ２の温度は急激には低下せず、緩やかな温度勾配で温度Ｔ２２に低下して維持される。
時刻ｔ２４で、評価点Ｐ２は、スポットＬｓ２ａからも抜けるので、温度は急激に低下し、常温のＴ２４に戻る。

図８の、スポットＬｓ１ａが照射される時刻ｔ１２～時刻ｔ１３の所定時間経過後の時刻ｔ２３～時刻ｔ２４の温度推移において、温度Ｔ２２と温度Ｔ２３との間の所定の温度Ｔ２５，Ｔ２４に低下した時刻をそれぞれ時刻ｔ２３３，ｔ２３４とし、時刻ｔ２３３から時刻ｔ２３４までの時間を、便宜的に冷却時間ｔｍ２とする。ここで温度Ｔ２５は、鋼の場合のＡ３変態点となる温度とする。

このように、実施例２のレーザ加工装置５２による熱調質方法によれば、ワークＷにおける熱調質する部位を含む一部の領域（第１の領域）を、ヘッド２２（第１のヘッド）から出射されるレーザ光Ｌｓ２（第１のレーザ光）の移動方向に長いスポットＬｓ２ａによって、常温よりも高い所定の温度Ｔ２２（第１の温度）に昇温維持する。
これにより、昇温維持した範囲のうちの、さらにヘッド２１（第２のヘッド）から出射されるレーザ光Ｌｓ１（第２のレーザ光）の照射で急激に温度Ｔ２３（第２の温度）に昇温させた本加熱領域ＡＲ１（第２の領域）（図７）は、レーザ光Ｌｓ２の照射下で冷却されるために冷却速度が遅く温度低下が緩やかになる。そのため、ワークＷの材質に応じた条件設定によって焼きなましが可能である。図７には、本加熱領域ＡＲ１に対応した範囲を鎖線で示してある。

設定すべき直接的条件となる項目は、温度Ｔ２２，～Ｔ２５、及び、時間ｔｍ２である。
これらの項目は、光学系２１ｃ，２２ｃやレーザ発振器２１ｄ，２２ｄからの出力などで設定されるレーザ光Ｌｓ１，Ｌｓ２に基づくパワー密度Ｅ１，Ｅ２，ヘッド１２の相対移動の速度Ｖ２などにより調整できる。
また、これらの項目の設定値は一定でなくてよく、時間経過に伴い変化させてもよい。

レーザ加工装置５２の記憶部２５ｂには、図６に示されるように、ワークＷに対してレーザ加工装置５２が行うレーザ加工及び熱調質に関する条件設定などの情報がデータベースＤＢ２として格納されている。
データベースＤＢ２には、切断等の形状を変える加工してのレーザ加工で用いるレーザ加工テーブルと、材料の組成を変える熱調質で用いる熱調質テーブルと、が含まれている。

レーザ加工テーブルは、切断などの加工を施すワークＷの材質、板厚、加工種類、加工経路等と、それらに応じて選択可能なレーザ出射系、出射強度、光束形状、焦点位置、パワー密度、などの条件と、が紐付けされテーブル化されている。
熱調質テーブルは、熱加工するワークＷの材質、板厚保、調質種類（焼き入れ、焼きなましなど）と、それらに応じて選択可能なレーザ出射系、出射強度、光束形状、焦点位置、パワー密度、予加熱温度、本加熱温度、移動の速度、などの条件と、が紐付けされテーブル化されている。

レーザ出射系選択部２５ａ１は、記憶部２５ｂに格納されたデータベースＤＢ２を参照して、次に実行する処理に紐付された各条件を取得する。
そして、次に実行する処理が例えば切断加工であれば、二つあるレーザ出射系のうちの一方（例えば、第１レーザ出射系２１Ｇ）を、動作させるレーザ出射系として選択する。
また、次に実行する処理が熱調質であれば、第１レーザ出射系２１Ｇと第２レーザ出射系２２Ｇとの両方を、使用するレーザ出射系として選択する。

調整項目設定部２５ａ２は、レーザ出射系選択部２５ａ１が選択したレーザ出射系のレーザ出射強度などの調整項目を、取得した条件に基づき設定する。
調整項目は、ワークＷ上の照射部位におけるパワー密度が適正となるように設定され、レーザ発振器２１ｄ，２２ｄの出力値、光学系２１ｃ，２２ｃによる光束形状やデフォーカスのための焦点位置調整、ヘッド移動部２３の動作、テーブル２６におけるワーク移動速度などを含む。
また、熱調質の実行中には、温度センサ２７，２８から得られる温度情報に基づいて各調整項目を閉ループ制御する。

調整項目設定部２５ａ２は、調整項目をデータベースＤＢ２に基づき設定することに限定されず、入出力部５２ｃを介して作業者や外部機器から入力された情報に基づいて設定してもよい。

これらの調整項目を設定し、レーザ加工装置５２によって自動車用加工性冷間圧延高張力鋼板のＳＰＦＣ９８０Ｙ材をワークＷとして熱調質試験を行った。比較例は、レーザ光Ｌｓ２を照射せずにレーザ光Ｌｓ１の照射のみを行った場合とした。
その結果、熱調質を行う前に困難だった曲げ加工が、熱調質により、レーザ光Ｌｓ１のスポットＬｓ１ａが照射された直状部分を曲げ線として可能になった。これにより、焼きなましがなされたことを確認した。比較例は、レーザ光Ｌｓ２を照射しないでレーザ光Ｌｓ１のみを照射した場合であり、熱調質後も曲げ加工は困難であった。以下、図９を参照して詳述する。

試験条件は、
供試材（ワークＷ）：ＳＰＦＣ９８０Ｙ ｔ１．０
レーザ発振器２１ｄ：ファイバレーザ （最大出力４ｋＷ）
レーザ発振器２２ｄ：ファイバレーザ （最大出力４ｋＷ）
温度Ｔ２２：４００℃
温度Ｔ２３：９２０℃
温度Ｔ２４：５００℃
温度Ｔ２１：２０℃（常温）
時間ｔｍ２：８．５秒
とした。温度Ｔ２３は、Ａ３変態点の約９１０℃を超える値として設定し、温度Ｔ２２は、Ａ３変態点未満の値として設定してある。

図９において、評価点Ｐ２の温度の時間推移は、ワークＷに対しレーザ光Ｌｓ１とレーザ光Ｌｓ２とを共に照射して実施例２による熱調質を行った場合が実線で示されている。
また、横軸の時間は、評価点Ｐ１をスポットＬｓ１ａが通り抜けた図８における時刻ｔ２３を、０（ゼロ）としてある。また、温度Ｔ２３がＡ３変態点に近いため、時間ｔｍ２は、時刻０（ゼロ）から時刻ｔ１３４までの時間としてある。
一方、図９には、ワークＷに対しレーザ光Ｌｓ２を照射せずレーザ光Ｌｓ１のみを照射した比較例としての熱調質を行った場合を破線で示してある。比較例の温度推移においても同様に、時間ｔｍ２ａ（時間ｔｍ２に相当）は、時刻０(ゼロ)から時刻ｔ２３４ａ（時刻ｔ２３４に相当）までの時間とした。

図９に示されるように、レーザ光Ｌｓ１とレーザ光Ｌｓ２とを照射した実施例２による熱調質では、時間ｔｍ２が約７秒であったのに対し、比較例では、時間ｔｍ２ａは約１．５秒であった。
すなわち、レーザ光Ｌｓ２を照射して熱調質する部分を予め昇温させておく実施例２による熱調質の方が、冷却速度は遅くなっていた。

実施例２により熱調質した熱調質材Ｗｔ２と、比較例として熱調質した熱調質材Ｗｔ２ａと、に対し、ワークＷの素材の曲げ加工が困難な、小さい抜き荷重のプレス機を用い、スポットＬｓ１ａが通過した本加熱領域ＡＲ１に含まれる曲げ線で９０°曲げの曲げ加工を行った。
その結果、実施例２により熱調質した熱調質材Ｗｔ２は、曲げ線以外の部分よりも曲げ線部分が確実に軟らかくなっていて曲げ加工が可能であったのに対し、比較例の熱調質材Ｗｔ２ａは、曲げ線以外の部分と同等又はそれ以上に硬く、素材同様に曲げ加工が困難であった。
従って、実施例２による熱調質を行うことで、ワークＷに対し局部的な焼きなましを施した熱調質材Ｗｔ２が得られることを確認できた。

本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形してもよい。

ワークＷの材質がアルミニウム合金の場合も、レーザ加工装置５１，５２のレーザ光Ｌｓ，Ｌｓ１による集中加熱後の冷却速度を、それぞれヒータ１６、レーザ光Ｌｓ２によって適切な緩やかさにすることで焼きなましの熱調質処理が可能である。
図１０は、例として実施例１のレーザ加工装置５１によりアルミニウム合金のワークＷに焼きなましを行った場合の、評価点Ｐ１の温度推移グラフである。

この処理は、次の条件で実施した。
供試材（ワークＷ）：Ａ２０１７－Ｔ３（ジュラルミン） ｔ１．０
レーザ発振器１１：ファイバレーザ （最大出力４ｋＷ）
ヒータ１６：出力２ｋＷ
温度Ｔ３２：５１０℃
温度Ｔ３３：４２５℃
温度Ｔ３４：３５９℃
温度Ｔ３５：２９３℃
温度Ｔ３６：２２７℃
温度Ｔ３１：２０℃（常温）
時間ｔｍ３：４３分
スポットＬｓａの移動の速度Ｖ３：２０００ｍｍ／ｍｉｎ

まず、常温Ｔ３１のワークＷの所定範囲を、ヒータ１６により温度Ｔ３３まで昇温し飽和維持させた（時刻ｔ３１）。
次にレーザ光ＬｓのスポットＬｓａを、本加熱線ＬＮａ上に速度Ｖ３で移動させた。これにより評価点Ｐ１では時刻ｔ３２～時刻ｔ３３の間、スポットＬｓａが当てられた。
このようにして本加熱線ＬＮａを含む細長の本加熱範囲を、スポットＬｓａの照射により温度Ｔ３２の温度５１９℃まで昇温させた。ヒータ１６はそのまま時刻ｔ３４まで継続加熱した。

次いで、ヒータ１６の出力を段階的に低くし、時刻ｔ３４～時刻ｔ３５で温度Ｔ３４、時刻ｔ３５～時刻ｔ３６で温度Ｔ３５、時刻ｔ３６～時刻ｔ３７で温度Ｔ３６、と、本加熱範囲の温度を段階的に低下させた。
時刻ｔ３７以降はヒータ１６をオフにし、自然冷却とした。
このような温度制御により、レーザ光Ｌｓによる本加熱後の冷却を、自然冷却よりもゆっくりと（冷却速度が遅くなるよう）、かつ段階的に低下させ、局部的に熱調質した熱調質材Ｗｔ３を得た。
比較例として、同じ材質のワークＷを、ヒータ１６を用いることなく、レーザ光Ｌｓによって温度Ｔ３２まで昇温させ、その後、冷却速度が速い自然冷却させた熱調質材Ｗｔ３ａを作成した。
そして、熱調質材Ｗｔ３及び熱調質材Ｗｔ３ａに対し９０°曲げの曲げ加工を行って熱調質による材質軟化の効果を評価した。

その結果、自然冷却した熱調質材Ｗｔ３ａは、素材と同様に９０°曲げ加工が困難であったのに対し、冷却速度を遅くした熱調質材Ｗｔ３は、９０°曲げ加工が可能になっていた。
また、熱調質条件のうち、温度Ｔ３２のみを変え、９０°曲げ加工が可能になる温度Ｔ３２の範囲を調べたところ、温度Ｔ３２が４９５℃～５１９℃において、９０°曲げ加工が可能になることを確認した。

また、実施例２のレーザ加工装置５２を用い、レーザ光Ｌｓ２のパワー密度を段階的に減少させて、本加熱領域ＡＲ１の温度を実施例１による場合と同様の温度及び時間で段階的に低下させても、同様の曲げ加工結果を得た。
従って、アルミニウム合金のワークＷに対しても、実施例１及び実施例２による熱調質を行うことで、焼きなましがなされた熱調質材Ｗｔ３が得られることが確認できた。

実施例１のレーザ加工装置５１において、加熱装置としてハロゲンヒータであるヒータ１６を説明したが、加熱装置はヒータに限定されるものではなく、例えば加熱ガスを吹き付けるガス噴出装置であってもよい。
実施例２のレーザ加工装置５２において、ヘッド２１とヘッド２２とは、それぞれ独立したヘッド移動部により移動させてもよい。
また、ワークＷは固定し、ヘッド２１，２２を移動させる構造としてもよい。また、レーザ光の照射方法は、上述のフラットベッドタイプに限定されず、いわゆるガルバノタイプとしてレーザ光を走査させるタイプとしてもよい。
また、レーザ加工装置５２は、レーザ光を出射するヘッド２１，２２を多自由度のアーム先端に備えたものとし、ワークＷをテーブル２６上ではなくクランパにより自由姿勢で保持可能としてレーザ加工及び熱調質を行うように構成してもよい。

更に、レーザ加工装置５２は、レーザ光を出射するヘッド２１，２２を1つのヘッドにまとめることもできる。例えば、ヘッド内にガルバノスキャナミラーを設け、そのガルバノスキャナミラーの動作により、１つのヘッドで1つのレーザ光を、ヘッド２１の機能を担う時間とヘッド２２の機能を担う時間とに分割して並列処理しワークＷに照射してもよい。

１１ レーザ発振器
１２ ヘッド
１２ａ 本体部、 １２ｂ ノズル、 １２ｃ 光学系
１３ ヘッド移動部
１４ テーブル
１５ 制御部
１５ａ ＣＰＵ（中央処理装置）、 １５ｂ 記憶部、 １５ｃ 入出力部
１６ ヒータ（加熱装置）
１７ ヒータ駆動部
１８，１９ 温度センサ
２１Ｇ 第１レーザ出射系、 ２１ ヘッド
２１ａ 本体部、 ２１ｂ ノズル、 ２１ｃ 光学系
２１ｄ 第１レーザ発振器
２２Ｇ 第２レーザ出射系、 ２２ ヘッド
２２ａ 本体部、 ２２ｂ ノズル、 ２２ｃ 光学系
２２ｄ 第２レーザ発振器
２３ ヘッド移動部
２５ 制御部
２５ａ ＣＰＵ（中央処理装置）、 ２５ａ１ レーザ出射系選択部
２５ａ２ 調整項目設定部、 ２５ｂ 記憶部、 ２５ｃ 入出力部
２６ テーブル
２７，２８ 温度センサ
２９ ヘッドホルダ
５１，５２ レーザ加工装置
ＡＲａ 加熱領域、 ＡＲｂ，ＡＲ１ 本加熱領域
ＤＢ２ データベース
Ｅ，Ｅ１，Ｅ２ パワー密度
Ｇ１，Ｇ２ 位置
ＬＮａ 本加熱線
Ｌｓ，Ｌｓ１，Ｌｓ２ レーザ光
Ｌｓａ，Ｌｓ１ａ，Ｌｓ２ａ スポット、 ＬｓａＧ スポット群
Ｐ１，Ｐ２ 評価点
Ｔ１１～Ｔ１５，Ｔ２１～Ｔ２５ 温度
ｔ１１～ｔ１４，ｔ１３３，ｔ１３４，ｔ２１～ｔ２４，ｔ２３３，ｔ２３４ 時刻
ｔｍ１，ｔｍ２ 時間
Ｖ１，Ｖ２ 速度
Ｗ ワーク、 Ｗｔ１，Ｗｔ２ 熱調質材

Claims (12)

1. ワークの一部領域である第１の領域を加熱して第１の温度に昇温維持する加熱部と、
   前記ワークに対しレーザ光を照射するヘッドと、
   前記ヘッドの動作を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記レーザ光を、昇温維持された前記第１の領域内の第２の領域に所定時間照射して前記第２の領域を前記第１の温度よりも高い第２の温度に昇温し、前記所定時間経過後の前記第２の領域の冷却を、前記第１の領域を前記加熱部によって昇温維持した状態で行って、前記第２の領域を前記ワークの曲げ線として曲げ加工可能な線状にレーザ光によって熱調質するよう制御するレーザ加工装置。
2. 前記制御部は、前記レーザ光の照射を、前記ヘッドを移動させながら行うことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 曲げ加工するワークの一部の領域である第１の領域に対し第１のレーザ光を照射する第１のヘッドと、
   前記第１の領域に含まれる第２の領域に対し第２のレーザ光を照射する第２のヘッドと、
   前記第１のヘッド及び前記第２のヘッドの動作を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記第１の領域に対し前記第１のレーザ光を照射して前記第１の領域を第１の温度に昇温維持した状態で、前記第２の領域に前記第２のレーザ光を所定時間照射して前記第２の領域を前記第１の温度よりも高い第２の温度に昇温し、前記所定時間経過後の前記第２の領域の冷却を前記第１のレーザ光の照射下で行って前記第２の領域の熱調質をするよう制御するレーザ加工装置。
4. 前記制御部は、前記第１のレーザ光及び前記第２のレーザ光の照射を前記第１のヘッド及び第２のヘッドを移動させながら行って、前記第２の領域を、前記ワークを前記第２の領域を曲げ線として曲げ加工可能な直状に熱調質することを特徴とする請求項３記載のレーザ加工装置。
5. ワークの一部領域である第１の領域を加熱部によって加熱して第１の温度に昇温維持する第１昇温ステップと、
   昇温維持した状態の前記第１の領域内に、レーザ光を所定時間照射して前記第１の温度よりも高い第２の温度に昇温した第２の領域を形成する第２昇温ステップと、
   前記所定時間経過後の前記第２の領域の冷却を、前記第１の領域を前記加熱部によって昇温維持した状態で行う冷却ステップと、を含むレーザ光による熱調質方法。
6. 前記第２昇温ステップにおける前記レーザ光の照射を、照射位置を移動させながら行うことを特徴とする請求項５記載のレーザ光による熱調質方法。
7. 曲げ加工するワークの曲げ線を含む第１の領域に対し第１のレーザ光を照射して前記第１の領域を第１の温度に昇温維持する第１昇温ステップと、
   昇温維持した状態の前記第１の領域における前記曲げ線の部分である第２の領域に対し第２のレーザ光を所定時間照射して、前記第２の領域を前記第１の温度よりも高い第２の温度に昇温する第２昇温ステップと、
   前記所定時間経過後の前記第２の領域の冷却を、前記第１のレーザ光の照射下で行う冷却ステップと、を含むレーザ光による熱調質方法。
8. 前記第２昇温ステップにおける前記第２のレーザ光の照射を、照射位置を移動させながら行うことを特徴とする請求項７記載のレーザ光による熱調質方法。
9. 鋼材を曲げ加工する際の曲げ線を含む前記鋼材の一部領域である第１の領域を加熱部によって加熱してＡ３変態点未満の第１の温度に昇温維持する第１昇温ステップと、
   昇温維持した状態の前記第１の領域内に、レーザ光を所定時間照射してＡ３変態点を超える第２の温度に昇温した第２の領域を形成する第２昇温ステップと、
   前記所定時間経過後の前記第２の領域の冷却を、前記第１の領域を前記加熱部によって昇温維持した状態で行う冷却ステップと、
   を含み、前記第２の領域を前記曲げ線として線状にレーザ光による熱調質を行い製造する熱調質材の製造方法。
10. 前記第２昇温ステップにおける前記レーザ光の照射を、照射位置を移動させながら行うことを特徴とする請求項９記載の熱調質材の製造方法。
11. 曲げ加工する鋼材の曲げ線を含む第１の領域に対し第１のレーザ光を照射して前記第１の領域をＡ３変態点未満の第１の温度に昇温維持する第１昇温ステップと、
    昇温維持した状態の前記第１の領域における前記曲げ線の部分である第２の領域に対し第２のレーザ光を所定時間照射してＡ３変態点を越える第２の温度に昇温する第２昇温ステップと、
    前記所定時間経過後、前記第２の領域を、前記第１のレーザ光の照射下で冷却する焼きなましステップと、
    を含む熱調質材の製造方法。
12. 前記第２昇温ステップにおける前記第２のレーザ光の照射を、照射位置を移動させながら行うことを特徴とする請求項１１記載の熱調質材の製造方法。

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