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

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K04116
• Research Institution: Ryukoku University
• Principal Investigator: 小川 圭二 龍谷大学, 理工学部, 准教授 (80405232)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田邉 裕貴 滋賀県立大学, 工学部, 教授 (00275174)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: レーザ / 空間強度分布 / 焼入れ / 硬度分布 / 高精度

Outline of Annual Research Achievements

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。令和元年度は、熱シミュレーションによる硬化領域予測技術の確立と超高速重畳スキャンによるレーザ空間強度分布成形技術の確立に取り組んだ。トップハット分布矩形レーザを想定して、平面階段形状工作物の隅角部の焼入れについて、隅部半径を有する階段形状工作物での検討を行った結果、トップハット分布矩形レーザの回転角度を0（隅角部稜線と矩形ビームの辺が平行）として当該稜線に沿って直線走査照射した場合は角部付近の焼入れは容易であるが隅部は困難であった。しかし、トップハット分布矩形レーザの回転角度を45°（隅角部稜線と矩形ビームの対角線が平行）とすると回転角度0の場合では焼入れ困難な隅部にも焼入れができ、階段部全域にほぼ均一な焼入れ硬化領域を形成することができることが熱シミュレーションで示唆され、レーザ焼入れ実験で検証された。また、超高速重畳スキャンにより、四角、三角といった形状だけでなく、寸法が異なるレーザビームを成形できることが確認できた。さらに、スキャン回数やスキャンピッチといったスキャンパラメータを調整することでレーザ空間強度分布を制御できることが示唆された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

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おり、令和元年度は、ほぼ研究計画通り、おおむね順調に進展した。すなわち、(1)熱シミュレーションによる硬化領域予測技術の確立、(2)超高速重畳スキャンによるレーザ空間強度分布成形技術の確立 に取り組み、(1)については、理論と実験の両面から、レーザ照射条件と工作物条件が創成される硬度分布に及ぼす影響を明らかにした。また、(2)については、スポットレーザを超高速重畳スキャンすることで種々のレーザ空間強度分布に成形できることを確認した。

Strategy for Future Research Activity

引き続き、令和２年度も計画通りに研究を遂行する。具体的には、熱シミュレーションによる硬化領域予測技術および超高速重畳スキャンによるレーザ空間強度分布成形技術の深耕に加えて、焼入れ品質を保証するためのレーザ照射部温度計測技術に取り組む。

Causes of Carryover

58,565円の次年度使用額が生じた。これは、3月に予定していた学会出張が取りやめになった（新型コロナウィルス感染拡大の影響で学会が開催中止になった）ことが主因である。次年度の物品費（実験資材購入）に使用する計画をしている。