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KR102299377B1 - 공작물 표면 레이저 경화 방법 및 시스템 - Google Patents

공작물 표면 레이저 경화 방법 및 시스템 Download PDF

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KR102299377B1
KR102299377B1 KR1020217002451A KR20217002451A KR102299377B1 KR 102299377 B1 KR102299377 B1 KR 102299377B1 KR 1020217002451 A KR1020217002451 A KR 1020217002451A KR 20217002451 A KR20217002451 A KR 20217002451A KR 102299377 B1 KR102299377 B1 KR 102299377B1
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지저스 도밍게즈
칼로스 소리아노
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에체-따르 에세.아.
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Abstract

크랭크 샤프트 저널 표면과 같은 공작물 표면 구역 레이저 경화 방법은, 표면 구역의 다른 부분 위에 레이저 스폿이 투사되는 것을 허용하기 위해 공작물 표면과 레이저원의 상대 이동을 발생, 및 상대 이동 중에, 표면 구역에 2차원 등가 유효 레이저 스폿(5)을 만들기 위해 레이저 빔(2)을 반복적으로 스캐닝하는 것을 포함한다. 열 감도가 큰 하위 구역의 과열 방지를 위해, 유효 레이저 스폿의 에너지 분포는 조정되어 오일 윤활 개구부에 인접한 구역과 같이, 열 감도가 큰 하위 구역과 열 감도가 작은 하위 구역간에 에너지 분포가 각기 다르다.

Description

공작물 표면 레이저 경화 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR LASER HARDENING OF A SURFACE OF A WORKPIECE}
본 발명은 레이저를 사용하여 강과 같은 철계 소재 제품, 예를 들어, 크랭크 샤프트와 같은 제품의 표면 경화 분야에 관한 것이다.
중탄소강(medium carbon steel)과 같이 철계 소재를 용융 온도 이하의 높은 온도로 가열한 후 퀀칭을 하는데, 즉, 경질 마르텐사이트(martensite)가 생성될 정도로 충분히 급속 냉각시켜 경화시키는 기술이 잘 알려져 있다. 가열은 용광로에서 또는 유도 가열에 의해 발생할 수 있고, 냉각은 물 또는 다른 요소와 혼합된 물과 같은 냉각용 유체를 가함으로써 발생할 수 있다.
흔히, 표면만의 경화가 요구된다. 표면 경화는 재료의 내마모성(wear resistance)을 증가시키고 종종 압축 잔류 응력(residual compressive stress)에 의해 발생하는 피로 강도(fatigue strength)를 증가시키는 데에 사용될 수 있다. 표면 경화는 예를 들어, 베어링 표면, 크랭크 샤프트의 저널 표면과 같이 사용 시에, 상당히 마모되는 표면을 경화하는데 유용할 수 있다.
레이저 표면 경화는 표면 처리 방법인데, 높은 에너지 레이저 광원이 기질 표면을 경화하기 위해 열원으로 쓰인다. 레이저 광원이 표면 경화를 달성하는데 사용되는 것으로 알려져 있는데, 예를 참조하면:
- F. Vollertsen, 등, “레이저 경화 및 합판법(cladding) 기술의 상태, 레이저의 세 번째 국제 WLT- 컨퍼런스 제조 2005 뮌헨, 2005년 6월;
- M. Seifert, 등, “멀티 킬로와트 범위에서 높은 출력 레이저 빔 스캐닝”, 제 23회 레이저 및 전기 광학장치에 대한 국제 회의 2004;
- S. Safdar, 등, “레이저 변환 경화에서 레이저 빔 형상의 효과 분석”, 제조 공학 및 과학 저널, 2006년 8월, Vol. 128, 659-667 페이지;
- H. Hagino, 등, “높은 출력 다이오드 레이저로 레이저 변환 경화에 의한 균일한 경화 프로파일을 획득하기 위한 컴퓨터 생성 홀로그램의 설계”, 정밀 공학 34(2010), 446-452 페이지;
- US-4313771-A;
- DE-4123577-A1;
- EP-1308525-A2;
- EP-2309126-A1;
- JP-2008-202438-A;
- JP-S61-58950-A;
- US-4797532-A.
표면을 경화하기 위해 레이저 광원을 사용하는 것은 일부 장점들을 포함한다: 레이저 빔이 본질적으로 공작물에서 독립적이고, 쉽게 제어되고, 진공을 요구하지 않고, 연소 생성물을 발생시키지 않는다. 또한, 레이저 빔이 일반적으로 금속물 또는 공작물을 국지적으로 가열하기 때문에, 공작물의 나머지는 열 흡수원(heat sink)으로 작용할 수 있고, 빠른 냉각을 보장하는데, 이는 또한 셀프-퀀칭(self-quenching)으로 알려져 있다: 공작물 내부의 냉각은 실질적으로 큰 열 흡수원이 내부에서 열전도에 의해 빠른 속도로 마르텐사이트가 표면에서 형성되는 것을 충분히 허용하여 뜨거운 표면을 퀀칭하도록 구성한다. 게다가, 냉각용 유체와 같이 외부 냉각 매체에 대한 요구는 제거될 수 있다.
금속 경화 과정에서 열원으로 레이저 광원의 사용과 관련된 하나의 문제점은 경화 지역의 폭이 레이저 스폿의 지름에 의해 제한된다는 것이다. 스폿의 형상을 수정하기 위해, 예를 들어, 실질적으로 크거나 작은 균일 강도 분포(uniform intensity distribution)를 가진 사각형 스폿을 제공하기 위해 광학 장치가 사용되는 것으로 알려져 있다. 대안으로, 스캐닝 장치(구동 수단과 관련된 스캐닝 미러와 같은)가 트랙 전반에 스폿을 반복적으로 이동시키는데 사용될 수 있어서, 열원이 트랙을 따라 이동하는 직사각형 소스(rectangular source)로 고려될 수 있다.
이러한 장점이 있음에도 불구하고, 레이저 경화는 흔히 사용되지 않는데, 제조 속도가 상기 기술의 많은 응용을 할 만큼 빠르지 않다고 믿고, 가열된 모든 부품들이 바람직한 정도로 가열되는 것을 달성하기 어렵기 때문이다. 정확한 가열은 경화 및 템퍼링이 필요한 깊이로, 과열에 의한 손상을 초래함이 없이 달성되는 것을 확실히 하기 위해 필요하다.
예를 들어, 크랭크 샤프트(직선 피스톤 운동을 회전으로 변형시키는 엔진의 부품)는 레이저 광원에 의해 경화시키기가 어려운 것으로 흔히 상정되는 복잡한 제품이다. 크랭크 샤프트의 일 예는 도 1에서 도시된다. 크랭크 샤프트(1000)는 두 개 혹은 그 이상의 중심으로 동축에 위치된 원통형 저널(1001)(또한 “메인 저널”로 알려진)과, 하나 또는 그 이상의 균형추(counterweights)에 의해 분리된 오프셋 원통형 크랭크핀 저널(1002)(또한 “로드 저널”로 알려진)과, 저널의 표면과 실질적으로 수직으로 이어진 벽(1005)을 세우는 웹(web)을 가진 단조강 혹은 주강 제품이다. 제품의 복잡한 형상은 레이저 빔을 가지고 표면을 정확하게 “스캔”하는데 어렵다; 경화를 위한 트랙 또는 구역은 다른 폭을 가질 수 있고 및/또는 비대칭이고 및/또는 다른 평면에 배치된다(벽(1005)과 저널(1001, 1002)의 표면을 가지는 경우). 게다가, 오늘날, 고분자 기반 물 퀀칭 과정에 뒤이은 고주파 가열(high-frequency induction heating)이 크랭크 샤프트의 경화를 위해 자주 사용된다. 그러나, 상기 과정이 바람직한 경화를 달성하기 위해 유용하다는 것이 입증됨에도 불구하고, 확실한 결점을 수반한다. 예를 들어, 유도에 의해 열을 만드는 인덕터는 크랭크 샤프트의 구체적인 설계에 따라 설계되어야 해서, 유연성이 감소한다: 유도 기기를 새로운 종류의 크랭크 샤프트로 조정하는 것은 시간이 걸리고 많은 돈이 든다. 추가적으로, 유도에 의한 가열은 크랭크 샤프트가 바람직한 정도로 가열하는데 요구되는 에너지 면에서 비용이 많이 든다. 추가적으로, 냉각 과정은 복잡하고, 비용이 많이 들고, 요구되는 냉각용 유체를 많이 사용하기 때문에 환경의 관점에서 도전적이다. 게다가, 냉각용 유체 온도 및 흐름에 관련된 파라미터는 정확한 경화 과정을 보장하기 위해 주의 깊게 제어되어야 한다.
이와 같이, 열원으로서 레이저 광원을 사용하는 경화는 유동성, 환경 친화, 에너지 소비 및 비용 면에서 대안으로 매력적일 수 있다.
DE-10 2005 005 141-B3은 크랭크 샤프트 저널의 표면의 레이저 경화 방법을 개시한다. 상기 방법에 따르면, 레이저 광원으로 각 저널을 가열하는 동안, 6축 산업용 로봇이 크랭크 샤프트를 고정시키고, 그 이후 메인 저널의 축 주변과 로드 저널의 축 주변을 회전하는데 사용된다. 이처럼, 산업용 로봇의 이동 능력을 사용함으로써, 레이저원과 레이저 빔이 투사되는 표면 사이 거리가 변함없이 유지될 수 있다.
또한 US-2004/0244529-A1은 크랭크 샤프트의 좁은 지역을 경화시키기 위한 레이저의 사용을 알려준다. 이 경우에, 레이저 광원은 다수의 간격 부분을 경화시키는데 사용되고, 그 부분의 크기가 경화된 지역 전체에서 다양하다. 오직 크랭크 샤프트의 사소한 부분이 간격 부분으로 경화됨에 따라, 다른 부분, 열 감도가 큰 부분의 과열을 염려하는 것이 요구되지 않는다.
DE-3905551-A1은 크랭크 샤프트의 표면 경화를 위한 시스템을 알려주고, 레이저 빔이 크랭크 샤프트에 투사되는데, 빔과 크랭크 샤프트의 상대 이동이 있어서 빔이 크랭크 샤프트의 다른 부분에 실질적으로 투사된다. 빔에서 출력 또는 출력 분포는 크랭크 샤프트 각 부분의 기하학적 구조에 따라, 레이저 빔이 관통하는 바람직한 깊이에 따라 조정된다. DE-3905551-A1에 의한 접근법의 문제는 빠른 제조 속도를 허용하지 않는다는 것이다. 경화된 층의 충분한 경화 깊이를 달성하기 위해서(자동차 산업에서, 적어도 800, 1000, 1500, 2000 또는 심지어 3000 μm의 경화 깊이가 유효 경화 심도(case depth) 관점에서 보통 요구되고, 200 μm 또는 그 이상의 깊이까지 100% 변형된 마르텐사이트를 가지는 것이 요구된다), 표면 일부분의 온도를 올리는 것으로 충분하지 않고, 에너지를 표면뿐만 아니라 충분한 깊이의 표면 하부 물질에 충분히 긴 시간 동안 가해야 한다. 표면의 과도한 가열은 바람직한 침투를 달성하는데 바람직하지 않기 때문에, 가장 좋은 방법은 레이저 빔 출력의 양을 단순히 증가시키는 것이 아니라, 레이저 열이 관련 구역에 가해지는 시간을 증가시키는 것이다. DE-3905551-A1에 개시된 시스템에서, 레이저 빔이 움직이지 않게 유지되고, 특정 구역에 가해지고, 메인 저널 또는 로드 저널의 주요부분 전반에서 충분한 열과 침투(penetration)를 얻는 것은 상당한 시간이 요구된다. 이처럼, DE-390551-A1은 저널의 일반적인 표면을 경화하기 위한 것이 아니라 크랭크 샤프트 표면의 매우 특정 부분을 경화하는데 적절한 방법을 설명할 수 있다.
또한 EP-1972694-A2는 하나 또는 그 이상의 레이저를 사용하여 크랭크 샤프트 특정 부분, 즉, 필릿(fillet) 부분의 경화에 초점을 두고 있다. 레이저 광원이 경화될 부분을 향하고 크랭크 샤프트는 회전된다. 개시된 방법은 예열(pre-heating) 단계, 메인 가열 단계 및 후열(post-heating) 단계를 포함할 수 있다. 크랭크 샤프트의 회전이 진행되는 동안 레이저 방사(irradiation)가 변함없이 유지되는 것처럼 보인다. EP-1972694-A2은 크랭크 샤프트 표면의 열 감도가 큰 부분 과열의 리스크에 대한 언급이 없다.
US-2004/0108306-A1은 자동차 회사가 기계적 압연 과정(mechanical rolling process)으로 필릿을 압연시켜 압축력을 개선 시키기 위해 활용되는 동안, 크랭크 샤프트의 베어링, 즉, 메인 저널과 로드 저널의 표면을 경화시키기 위해 유도 가열 과정을 사용한다. 그러나, US-2004/0108306-A1에 따르면, 상기 과정들은 자본 집약형(capital-intensive), 시간 집약형(time-intensive)으로 불리고, 비균일(nonuniform)을 초래하고, 템퍼링 과정을 요구하는 오일 윤활 홀(oil lubrication hole)에서 균열 성향을 가진다. US-2004/0108306-A1은 기계적 압연 과정에 대한 요구를 제거하는 것을 지향하는 레이저에 의한 필릿 열처리를 알려준다. 광 온도계를 사용함으로써 폐 루프(closed-loop) 온도 제어가 제시된다. 레이저와 필릿 사이 고정된 가열 거리를 유지하기 위한 제어 가능한 x,y 기계장치의 사용이 제시된다.
S.M. 샤리프, 등, “크랭크 샤프트의 레이저 표면 경화”, SAE 2009-28-0053(SAE International)는 언급된 다른 위치에서 500-600 HV의 경도를 가지고 경화된 경화 심도가 200μm 이상일 것을 지향하는 크랭크 샤프트의 레이저 표면 경화를 논의한다. 상기 문서는 감소된 열 흡수원 효과와 에지부에서 열의 축적 때문에 홀 주변에서 용융의 문제점을 언급한다. 적절한 개시(start-up) 위치를 선택함으로써 홀-에지부에서 예열 효과를 감소시키고, 허용 범위 내에서 공정 변수(process parameters)의 변화에 의해 문제점이 해결될 수 있다는 것을 언급한다.
크랭크 샤프트와 같이 복잡한 제품에서 레이저 경화가 자주 사용되지 않는 하나의 이유는 감도 구역의 과열을 방지하는 동안, 부품의 정확한 가열, 즉, 정확한 가열을 보장하기 위한 충분한 가열(일반적으로 경화된 층은 적어도 800 μm 또는 그 이상, 및/또는 적어도 1000, 1500, 2000 μm 또는 그 이상의 유효 경화 심도를 가지고, 및/또는 200 μm 또는 그 이상과 같은 깊이까지 100% 변환된 마르텐사이트 특성을 가진다) 달성하는데 어렵다고 믿기 때문이다. 예를 들어, 도 1 중에서 하나와 같은 크랭크 샤프트의 경우에, 오일 윤활 홀(1003)이 존재하는 저널, 선택적으로 필릿(1004)을 가열할 때에는 주의가 요구된다. 예를 들어, 전체 표면을 가열하기 위한 저널의 회전 중에, 큰 레이저 스폿이 저널의 표면에 투사되고, 바람직한 경화를 만들기 위해 에너지가 표면의 주요부에 충분한 가열을 하는데 충분한 경우, 오일 윤활 홀의 에지부에 가열이 과도하게 될 수 있어서, 상기 에지부가 손상된다. 상기 과정은 흔히 언더컷(undercut)인 필릿에서 일어날 수 있다; 이와 같이 과열되는 경우 에지가 손상될 수 있다.
본 발명의 제1 관점은 크랭크 샤프트 저널 표면을 레이저 경화하는 방법에 관한 것으로, 상기 저널은 경화된 표면 구역을 포함하되, 크랭크 샤프트 회전축(X)과 평행한 제1 방향과 저널의 원주 방향(W)에 해당하는 제2 방향으로 연장하고, 상기 표면 구역은 적어도 하나의 열 감도가 큰 하위 구역과 적어도 하나의 열 감도가 작은 하위 구역을 포함하며, 상기 적어도 하나의 열 감도가 큰 하위 구역은 크랭크 샤프트의 오일 윤활 홀에 인접한 구역을 포함하며:
제1 방향으로, 경화될 표면 구역의 주요부를 가로질러 표면 구역에 연장하는 유효 레이저 스폿을 발생시키기 위해, 레이저원으로부터 레이저 빔을 표면 구역 위로 투사하는 단계(특히 주요 부분 전체에서 예를 들어, 50%이상, 75%이상, 85%이상 또는 90%이상 또는 95%이상, 99%이상, 100%에 걸쳐서, 예를 들어, 경화된 표면 구역 중에서 100%이상이 아닌 경우, 상기 표면 구역 유효 경화 심도가 적어도 800 μm이거나 그 이상이 바람직하다);
실질적으로 또는 계속해서 원주 방향으로 유효 레이저 스폿을 표면 구역의 다른 부분에 투사하기 위해, 상기 원주 방향으로 크랭크 샤프트의 표면과 레이저원 사이를 상대 이동시키는 단계;
상기 유효 레이저 스폿이 2차원 에너지 분포(레이저 빔의 에너지 또는 출력이 유효 레이저 스폿 내에 어떻게 분포되는가의 면에서)를 특징으로 하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 상기 에너지 분포를 조정하는 단계를 추가로 포함해서 오일 윤활 홀에 인접한 상기 구역의 과열 방지를 위해, 오일 윤활 홀에 인접한 구역을 포함하는 열 감도가 큰 하위 구역을 가열할 때와 열 감도가 작은 하위 구역을 가열할 때 에너지 분포가 각각 다르다. 그렇게 함으로써, 상기 조정을 수행해서, 예를 들어 오일 윤활 홀의 측면과 같은 과열이나 손상 없이 효율적이고 충분한 경화된 표면 구역의 가열을 달성하는 것이 가능하다.
본 발명의 일부 실시예에서, 표면 구역 위에서 유효 레이저 스폿을 가하는 시간의 실질적인 일부(적어도 50%, 75%, 90%, 95% 또는 그 이상으로서) 시간 중에, 유효 레이저 스폿의 원주 방향 폭이 적어도 5 mm, 바람직하게 적어도 7 mm, 더 바람직하게 적어도 10 mm 및 좀 더 바람직하게 적어도 15 mm, 20 mm, 30 mm 또는 적어도 50 mm와 같은 그 이상의 폭을 가진다(또는 저널 표면의 굴곡을 따라 선형 면적). 원주 방향으로, 즉, 레이저원과 저널의 표면 사이에서 만들어진 상대 이동의 방향으로 충분한 면적을 사용하는 것은 알맞게 짧은 시간 내에 경화 과정을 완성시키는 중에, 충분한 시간 동안 경화된 표면 구역의 각 부분을 가열하는 것이 가능하다. 즉, 원주 방향으로 유효 레이저 스폿의 충분한 연장은 과도하게 높은 온도를 사용하지 않고 충분한 침투 또는 경화 깊이를 달성시키는 동안 상대적으로 빠른 속도로 상대 이동을 수행하는 것이 가능하다. 이러한 이유로, 원주 방향으로 유효 레이저 스폿의 실질적인 폭이 선호될 수 있다. 물론, 이용 가능한 출력이 구역의 충분한 가열을 제공하기 위해 충분해서, 균형이 사용된 레이저 출력의 면에서의 용량과 유효 레이저 스폿으로 덮여진 표면 구역 사이에서 맞춰질 수 있다. 제1 방향으로 대략 1 또는 몇 cm 인 폭을 가진 저널을 구비한 자동차 크랭크 샤프트가 작동할 때, 3-4kW와 같은 kW 범위로 출력을 가지는 레이저를 사용할 때, 레이저와 저널 표면 사이 선형 상대 속도가 대략 60 cm/분이 될 수 있는 동안 예를 들어 유효 스폿이 원주 방향으로 대략 1 cm의 폭을 가진다는 것을 알게 된다. 많은 산업 목적을 위해, 레이저 빔이 적어도 3 kW, 더 바람직하게 6 kW의 출력을 가져야 한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 유효 레이저 스폿은 제1 방향 및 제2 방향과 상기 두 방향 사이를 포함하는 방향으로, 즉, 직선 또는 곡선 경로나 라인들을 따라 제1 및 제2 방향과 기울어진 방향으로 레이저 빔을 스캐닝함으로써, 레이저 스폿이 스캐닝 속도로 이동됨에 따른 스캐닝 패턴(scanning pattern)을 반복적으로 따라감으로써 얻어진 등가 또는 가상 레이저 스폿이어서 스캐닝 사이클 동안 2차원 에너지 분포가 상기 스캐닝 속도, 상기 스캐닝 패턴, 레이저 스폿의 크기, 레이저 빔의 출력과 레이저 빔 내에서의 출력 분포에 따라 결정된다. 이와 같이, 하나 이상의 변수들은 2차원 에너지 분포를 역동적으로 조정하기 위해 사용될 수 있다. 레이저원과 공작물 표면 사이 상대 변위 동안, 즉, 예를 들어, 종방향 축 주변 크랭크 샤프트의 회전 동안, 유효 레이저 스폿 내에서 2차원 에너지 분포뿐만 아니라 크기와 유효 레이저 스폿의 형상을 쉽게 조정하고 수정하는 것이 가능하고 그렇게 함으로써 오일 윤활 홀과 인접한 구역과 같은 열 감도가 큰 하위 구역의 과열 방지를 위해, 2차원 에너지 분포를 조정한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 에너지 분포의 조정은 상기 스캐닝 속도, 스캐닝 패턴, 레이저 스폿의 크기, 레이저 빔의 출력 및 레이저 빔 내부에서의 출력 분포 중 적어도 하나를 조정함으로써 수행되어서, 오일 윤활 홀에 인접한 상기 구역의 과열 방지를 위해, 에너지 분포는 오일 윤활 홀에 인접한 구역을 포함하는 열 감도가 큰 하위 구역을 가열할 때와 열 감도가 작은 하위 구역을 가열할 때 에너지 분포가 다르다. 본 발명의 일부 실시예에서, 에너지 분포의 조정은 레이저 빔의 출력을 조정함으로써, 예를 들어, 스캐닝 패턴을 따라 레이저 스폿의 스캐닝 동안에 레이저 빔을 온/오프 함으로써 수행될 수 있다. 예를 들어, 광섬유 레이저(fiber laser)와 같은 레이저를 사용할 때, 레이저 빔이 온/오프로 매우 빨리 전환될 수 있고, 스캐닝 패턴을 따라가는 동안 레이저 빔을 온/오프 함으로써 바람직한 에너지 분포를 얻는 것이 가능하다. 이와 같이, 가열은 스캐닝 패턴 라인들의 특정 라인 또는 부분 동안에 레이저 빔을 켬으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 다수의 이용 가능한 출력 상태 적어도 초당 300회, 더 바람직하게 적어도 초당 600회, 더 바람직하게 적어도 초당 1,000회, 더 바람직하게 초당 5,000회, 좀 더 바람직하게 초당 10,000회 중 하나에서 레이저 빔을 선택적으로 설정하여, 적어도 부분적으로, 스캐닝 패턴을 따라 레이저 스폿으로 스캐닝하는 동안 레이저 빔의 출력을 선택적으로 조정함으로써 에너지 분포가 제어된다. 용어 “출력 상태”는 레이저 빔이 예정된 평균 출력 상태를 참조해서, 다른 출력 상태는 예를 들어, 0 kW, 1 kW, 4 kW, 5 kW, 6kW, 9kW 및 10 kW와 같은 레이저 빔의 다른 출력 수준과 일치한다. 예를 들어, 본 발명의 일부 실시예에서, 두 개의 출력 상태, 즉, 레이저 빔이 켜졌을 때 “온”상태와 제로 출력(혹은 제로 출력과 가까운)을 가져 레이저 빔이 꺼졌을 때 “오프”상태가 있을 수 있다. 그러나, 다른 이용 가능한 출력 상태, 즉, 평균 출력이 0보다 크지만 레이저 빔의 최대 출력보다 작은 출력 상태가 사용될 수 있다. 예를 들어, 레이저 빔의 최대 출력이 10 kW이면, 0 kW와 10kW에 해당하는 두 개의 이용 가능한 상태가 있을 수 있고, 및/또는 2 kW, 4 kW, 5 kW, 6 kW 및/또는 8 kW와 같은 중간 값에 해당하는 이용 가능한 출력 상태가 있을 수 있다. 표현 “이용 가능한”은 출력 상태가 사용된 레이저 장치로 달성될 수 있다는 점을 참조한다. 표현 “내부에 구성한다”는 초당 여러 번 상태의 진정한 변화가 된다는 것을 나타내지 않으나(예를 들어, 인접 세그먼트가 동일한 출력상태를 가질 수 있어서, 하나의 세그먼트에서 다음 세그먼트로 통과할 때 레이저 출력의 변화가 요구되지 않는다), 레이저는 출력 상태가 언제든지 장치로 예를 들어, 제시 시스템에 의해 제공된 명령에 따라 여러 번 변화될 수 있게 배치되는 것을 나타낸다. 그렇게 함으로써, 에너지 분포의 분할 또는“모자이크”는 초당 300, 600, 1000, 5000 또는 10000 세그먼트 또는 픽셀로, 또는 각 세그먼트 또는 픽셀 동안에 또는 적어도 상기 세그먼트 또는 픽셀의 부분 동안에 레이저 빔으로, 또는 상기 세그먼트 또는 픽셀에 할당된 출력 상태에 의해 결정된 평균 출력으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 50 Hz의 주파수를 가진 스캐닝 패턴을 반복적으로 따라갈 때, 스캐닝 패턴에 다른 에너지 분포는 예를 들어, 6, 12, 20, 100 또는 200 세그먼트 또는 픽셀에 할당된 출력 상태가 초당 300, 600, 1000, 5000 및 10000 세그먼트 또는 픽셀과 상응하는 스캐닝 패턴에 따라 각각 분포됨으로써 결정될 수 있다. 동일한 픽셀 초당 속도 및 100 Hz의 스캐닝 속도로, 에너지 분포가 3, 6, 10, 50 및 100 세그먼트 또는 스캐닝 패턴 픽셀에 의해 각각 결정된다. 일반적으로, 적어도 6 세그먼트 또는 픽셀을 사용하는 것이 선호되는데, 즉, 예를 들어, 스캐닝 패턴은 세 개의 세그먼트를 각각 가지는 두 개의 열을 포함할 수 있고, 각 세그먼트는 할당된 출력을 가진다. 명백하게, 다른 출력 상태 사이에 변화가 일어날 때, 레이저 빔의 출력이 이전 출력 상태와 새로운 출력 상태에 의해 결정된 출력이 다른 동안에 과도 기간(transient periods)이 있을 수 있는데, 예를 들어, 스캐닝 패턴을 따라 레이저 빔의 스캐닝 동안에 빔 출력이 증가 또는 감소될 수 있어서 하나의 세그먼트에서 다음 세그먼트까지의 과도가 발생하는 동안에 출력 곡선에 경사가 발생한다.
이 접근법은, 즉, 스캐닝 패턴의 다른 세그먼트 또는 픽셀에서 빔 출력의 변화는 에너지 분포에서 높은 유연성을 위해 제공하고 예를 들어 오일 윤활 홀 측면의 과열 방지를 위해, 에너지 분포를 역동적으로 수정하고 설립하는 것이 쉽다. 분할 또는 픽셀화(pixelized) 접근법은 또한 적절한 가열 패턴이 달성될 때까지 다른 세그먼트에 할당된 출력 상태를 조정하는 시행 착오 시험을 사용함으로써 적절한 에너지 분포 패턴을 알기 쉽다. 상업적으로 이용 가능한 광섬유 레이저(fiber laser)와 같이 적절한 레이저가 사용될 때 다른 출력 상태 사이의 전환은 빠른 속도에서 일어날 수 있다. 광섬유 레이저는 다른 이용 가능한 레이저보다 비용이 많이 들 수도 있으나, 예를 들어 “온”,”오프”상태 사이 또는 다른 출력 상태/출력 수준 사이 전환이 제어되는데 요구되는 시간이 짧기 때문에 유리할 수 있다. 이러한 레이저의 온/오프 또는 오프/온 전환 시간은 1 ms, 0.1 ms 또는 그 미만보다 더 짧아질 수 있다.
본 발명의 실시예들 중 일부에서, 스캐닝 패턴은 다수의 세그먼트를 포함할 수 있는데, 각 세그먼트는 특정 순간에 할당된 상기 출력 상태 중 하나를 가진다. 세그먼트 중 적어도 하나에 할당된 출력 상태는 오일 윤활 홀에 인접한 구역을 포함하는 열 감도가 큰 하위 구역의 가열 중인 경우와 열 감도가 작은 하위 구역의 가열 중인 경우 다르게 될 수 있는데, 즉, 특정 세그먼트 또는 세그먼트 모두에 할당된 출력 상태를 수정함으로써, 예를 들어, 유효 레이저 스폿이 오일 윤활 홀에 접근할 때, 에너지 분포가 역동적으로 조정될 수 있다.
대안으로 또는 추가적으로, 에너지 분포의 조정은 스캐닝 패턴을 따라 레이저 스폿의 스캐닝 하는 중에 스캐닝 속도를 조정함으로써 (추가적으로) 수행될 수 있다. 고정된 레이저 빔 출력에 대해, 빠른 속도는 적은 에너지가 가해지는 것을 나타내고, 그 역 또한 같다.
본 발명의 일부 실시예에서, 스캐닝은 일정한 스캐닝 속도로 충분히 빠르게 수행되어서, 상기 유효 레이저 스폿 내에 지점에서 온도 변화(temperature oscillations)는 200 ℃보다 작은, 바람직하게는 150 ℃보다 작은, 더 바람직하게는 100 ℃보다 작은, 좀 더 바람직하게는 50 ℃보다 작은 진폭을 온도의 지역 최대치와 그 다음 지역 최소치 사이에서 가진다. 이 맥락에서, 유효 레이저 스폿의 선행 에지부(leading edge)에서 최대치 온도로 초기 실질적인 가열과 그 다음 유효 레이저 스폿의 후행 에지부(trailing edge)에서 낮은 온도로 냉각하는 것을 제외하고, 변화의 진폭은 온도 곡선의 지역 최대치와 최소치 사이에서 반복적인 변화의 진폭을 참조한다. 적절한 경화를 위해, 금속이 충분히 높은 온도로 빠르게 도달하고, 금속이 상기 충분히 높은 온도로 합리적인 시간 동안, 변동이 경화의 품질에 부정적으로 영향을 미치므로 온도의 변동 없이 실질적으로 유지되는 것이 바람직하다. 10, 25, 50, 75, 100, 150, 200 또는 300 Hz의 스캐닝 속도(즉, 초당 스캐닝 패턴의 반복)는 다음 사이클 동안 스폿이 레이저 빔에 의해 재가열되기 전에 경화된 스폿의 온도가 너무 낮게 떨어지는 것을 방지하기 위해 적절할 수 있다. 충분한 경화는 특정한 최소치 온도를 요구하고 바람직한 경화 깊이가 빠르게 도달된 경우, 높은 온도가 선호된다. 그러나, 과도한 온도는 예를 들어, 결정립 성장(grain size growth)에 의해 품질에 부정적으로 영향을 미칠 수 있다. 이와 같이, 최적의 온도가 찾아져야 하고 상기 온도로부터의 일탈이 가능하면 작아져야 한다. 이와 같이, 초당 사이클 면에서 빠른 스캐닝 속도는 온도 변동 또는 진동의 진폭을 줄이는데 바람직할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 더 많은 에너지가 유효 레이저 스폿의 중심부 쪽 제1 방향보다 유효 레이저 스폿의 단부 쪽 제1 방향으로 가해지는 유효 레이저 스폿에서의 에너지 분포이다. 열 에너지가 크랭크 샤프트에서 흡수되고 분포되며, 유효 레이저 스폿의 단부 측면에 많은 에너지를 가하는 것은 경화된 층의 실질적으로 균일한 두께를 얻는데 도움이 된다는 것을 알게 되는데, 즉, 경화된 층의 횡단면보다 실질적으로 직사각형 횡단면이 상기 측면 단부 쪽으로 매우 얇고, 중심 쪽으로 곡선을 따라 느리게 증가한다. 그러나, 저널의 단부에 언터컷 또는 필릿의 과열 방지를 위한 주의가 요구된다.
본 발명의 일부 실시예에서, 유효 레이저 스폿으로 지나간 구역은 처음으로 높은 평균 출력을 가진 레이저 조사를 받고 그 후에 낮은 평균 출력을 가진 레이저 조사를 받아서, 상기 에너지 분포는 유효 레이저 스폿의 후행 부분 또는 에지부에서 보다 유효 레이저 스폿의 선행 부분 또는 에지부에서 높은 에너지 밀도를 특징으로 한다. 이는 요구된 경화 깊이를 달성하기 위해 유효 레이저 스폿이 특정 구역에 가해지는 동안의 시간을 줄이기 위해 경화를 위한 적절한 온도가 빠르게 도달한다는 점에서 효율성을 증가시킨다. 이와 같이, 예를 들어, 저널의 표면의 경화를 완성시키는데 짧은 시간이 소요된다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 방법은 유효 레이저 스폿을 제1 방향으로 오일 윤활 홀의 양 측면 표면 구역에 가하는 단계를 포함하는데, 상기 오일 윤활 홀이 상기 제1 측면 하부가 아니라 상기 제2 측면 하부에서 내측으로 경사지게 연장되어, 상기 유효 레이저 스폿은 상기 제2 측면에서보다 상기 제1 측면에 더 많은 에너지를 가하기 위해 조정된다. 상기 제2 측면 하부에 오일 윤활 홀의 존재 때문에, 열 흡수원 효과가 상기 제2 측면에서 낮다. 따라서, 적은 에너지는 제2 측면보다 제1 측면에 바람직하게 가해져야 하고, 이러한 오일 윤활 홀의 부재는 열의 더 나은 소실을 허용한다. 이 방법으로, 가열 에너지의 사용은 최적화되고 과열에 대한 리스크는 최소화된다. 즉, 본 발명의 실시예에 따라, 경화된 표면뿐만 아니라, 오일 윤활 홀에 해당하는 공작물 표면 아래까지 주의 깊게 보아야 한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 유효 레이저 스폿은 열 감도가 작은 하위 구역역에서 제1 형상을 가지고, 오일 윤활 홀에 도달할 때 실질적으로 U 형상을 가지도록, 오일 윤활 홀을 떠날 때 실질적으로 전도된 U 형상을 가지도록 또는 오일 윤활 홀에 도달할 때 실질적으로 전도된 U 형상을 가지도록, 오일 윤활 홀을 떠날 때 실질적으로 U 형상을 가지도록 조정되며, 선택적으로 상기 제1 형상은 실질적으로 직사각형 또는 삼각형 형상이다. 용어 “U”와 “반대의 U”는 오일 윤활 홀이 “위에서부터”접근하는 상황일 때를 참조한다. 기본적으로, 저널의 표면을 따라 균일한 가열을 제공하는데 적절한 실질적으로 직사각형, 사다리꼴 또는 삼각형 유효 레이저 스폿은 오일 윤활 홀 주변을 가열하는데 적절하지 않을 수 있다. 따라서, 유효 레이저 스폿은 오일 윤활 홀 또는 오일 윤활 홀의 측면에 직접적으로 가열함이 없이 오일 윤활 홀을 받아들이기 위해 실질적인 “U”형상(“V”형상 또는 유사한 형상을 포함하여)으로 주어질 수 있고, 오일 윤활 홀 또는 유효 레이저 스폿에 의해 직접적으로 가열된 측면 없이 오일 윤활 홀을 나가는 것을 허용하기 위해 도치될 수 있다. 유효 레이저 스폿 형상의 변화는 스캐닝 패턴의 형상을 수정함으로써 및/또는 하나 또는 그 이상의 부분 또는 스캐팅 패턴 세그먼트에 할당된 출력 상태를 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 예를 들어, 다수의 세그먼트로 각각 구성된 다수의 라인들을 포함하는 스캐닝 패턴을 사용할 때, “U”형상 유효 레이저 스폿은 하나 또는 그 이상의 라인들의 중심부에서 하나 또는 그 이상의 세그먼트에 할당된 출력 상태를 변화시킴으로써, 예를 들어, 상기 세그먼트에 오프 상태를 할당함으로써 또는 상기 세크먼트에 레이저 빔의 낮은 출력 수준에 상응하는 출력상태를 할당함으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 추가적인 관점은 크랭크 샤프트 저널 표면 레이저 경화 방법에 관한 것으로, 상기 저널은 경화된 표면 구역을 포함하고, 상기 표면 구역은 크랭크 샤프트 회전축과 평행한 제1 방향과 저널의 원주 방향과 상응하는 제2 방향으로 이어지며, 상기 표면은 적어도 하나의 열 감도가 큰 하위 구역과 적어도 하나의 열 감도가 작은 하위 구역을 포함하고, 상기 적어도 하나의 열 감도가 큰 하위 구역은 오일 윤활 홀에 인접한 구역을 포함하며:
레이저원으로부터 레이저 빔을 표면 구역 위로 투사하는 단계;
원주 방향으로 상기 표면 구역의 다른 부분에 레이저 빔을 이후에 투사하기 위해, 경화되는 표면 구역의 원주 세그먼트를 경화시키기 위해, 원주 방향으로 크랭크 샤프트 표면과 레이저원을 상대 이동시키는 단계;
경화되는 표면 구역의 경화가 완료될 때까지, 제1 방향으로 상기 원주 세그먼트의 면적을 증가시키기 위해, 제1 방향에 레이저 빔을 이동하는 단계를 포함한다.
상기 방법은 오일 윤활 홀에 인접한 구역의 과열 방지를 위해 열 감도가 작은 하위 구역보다 오일 윤활 홀에 인접한 구역을 포함하는 열 감도가 큰 하위 구역에 적은 에너지를 가하도록, 레이저 원과 크랭크 샤프트의 표면 사이 상대 이동에 동기화하여 레이저 빔에 의해 크랭크 샤프트에 위에 에너지가 가해지는 방식을 조정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 상기 관점에 따르면, 처음에 경화가 제1 방향 표면 구역의 일 단부에서 일어나고, 그 이후 전체 표면 구역이 경화될 때까지 경화되는 표면 구역의 다른 단부로 연장되도록 표면 구역의 경화가 수행된다. 상기 방법의 장점은 경화된 단부에서 이미 경화된 구역과 겹쳐지지 않는다는 것이다. 이는 재가열과 이미 경화된 구역의 과도한 템퍼링과 연관된 문제에 대한 리스크를 감소시킨다.
본 발명의 일부 실시예에서, 원주 방향으로 크랭크 샤프트의 표면과 레이저원 사이 상대 이동시키는 단계는 3000 rpm 또는 6000 rpm 이상의 속도와 같이 빠른 속도에서 크랭크 샤프트를 회전시키는 것을 포함한다. 이는 현재 가열되기로 한 구역 내에서 실질적인 온도의 변동을 피하는데 도움이 될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 방법은 동시에 가열하기 위해, 각각의 유효 레이저 스폿, 다수의 섹션 또는 섹터(sector)에, 저널의 원주 세그먼트의 원주 방향으로, 하나 이상의 레이저 빔을 상기 표면 구역에 동시에 가하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 저널의 반대 측면에서 두 개의 레이저 빔이 동시에 비출 수 있고 저널의 원주 또는 환형 세그먼트(annular segment)의 최대 각도가 180도인 두 개의 섹션 또는 섹터를 가열할 수 있다. 그렇게 함으로써, 오직 하나의 레이저 빔이 오직 하나의 섹션 또는 섹터를 가열하기 위해 사용되는 경우와 비교할 때, 크랭크 샤프트의 느린 회전 속도가 가열된 지역 내에서 실질적인 온도 변동을 막기 위해 요구된다.
본 발명의 일부 실시예에서, 방법은 제1 방향으로 오일 윤활 홀 양 측면에 상기 표면 구역을 가열하기 위한 에너지를 가하는 단계를 포함하고, 상기 오일 윤활 홀은 내측으로 경사지게 연장되되, 상기 제1 측면 하부가 아니라 상기 제2 측면 하부에서 연장되며, 상기 방법은 제2 측면보다 제1 측면에 더 많은 에너지를 가하는 것을 포함한다. 그렇게 함으로써, 전술한 바와 같이 에너지의 사용은 최적화되고 과열은 리스크는 최소화된다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 방법은 상기 저널의 원주 부분을 반복적으로 가열하기 위해, 저널의 원주 방향, 제1 속도로 유효 레이저 스폿의 이동을 제공하는 단계(레이저 빔 및/또는 크랭크 샤프트를 이동시킴으로써, 예를 들어, 종방향 축 주변에서 크랭크 샤프트를 회전시킴으로써)와 제1 방향을 따라 제1 속도 보다 느린 제2 속도로 유효 레이저 스폿을 이동시키는 단계와 그렇게 함으로써 셀프-퀀칭을 제공하기 위해, 저널의 경화된 원주 세그먼트의 크기를 계속해서 증가시키기 위해, 이전 가열된 원주 부분이 식혀지는 동안 새로운 원주 부분을 가열하는 단계를 포함한다. 즉, 원주 방향으로 유효 레이저 스폿과 저널의 표면 사이 빠른 상대 이동에 의해, 경화를 제공하기 위해 저널의 환형 세그먼트가 바람직한 경화 온도로 가열되고 온도에서 과도한 진동 없이 충분히 오랜 시간 동안 상기 온도로 유지될 수 있고, 제1 방향으로 이동 때문에, 저널의 실질적으로 전체 표면 경화가 완료될 때까지 경화된 세그먼트가 제1 방향으로 확장된다.
본 발명의 일부 실시예에서, 유효 레이저 스폿은 불균형하게 저널에 투사된다. 이는 레이저 스폿을 크게 만드는데 도움을 줄 수 있는데, 큰 레이저 스폿은 때때로 열을 고르게 분포하는데 유용하다. 또한, 이 접근은 레이저 스폿의 선행 에지부와 후행 에지부에서 표면에 대한 레이저 빔의 다른 입사각 때문에, 레이저 스폿의 후행 에지부보다 선행 에지부가 높은 출력 밀도를 가질 수 있음으로써 유용하게 될 수 있다. 여기서 설명한 바와 같이, 이는 표면이 바람직한 온도에 도달하는데 요구되는 가열시간이 줄어들 수 있다. 이 접근은 예를 들어, 실질적으로 정사각형 또는 직사각형 레이저 스폿을 구비하는 고정된 광학 장치와 결합하여 사용될 수 있다. 불균형한 레이저 빔은 또한 손상에 대한 리스크를 감소시키는 장점 또는 저면 반사(back reflections)에 의한 결점을 수반한다.
본 발명의 추가적인 관점은 공작물 표면 레이저 경화 방법에 관한 것으로, 공작물은 적어도 하나의 경화되는 표면 구역을 포함하고, 상기 표면 구역은 적어도 하나의 열 감도가 큰 하위 구역과 적어도 하나의 열 감도가 작은 하위 구역을 포함하며:
구역에 레이저 스폿을 발생시키기 위해, 레이저원으로부터 레이저 빔을 표면 구역 위로 투사하는 단계;
표면 구역의 다른 부분 위에 레이저 스폿이 투사되게 하는 것을 허용하여 공작물의 표면과 레이저원 사이를 상대 이동시키는 단계;
상대 이동 도중에, 표면 구역에서 2차원 등가 또는 가상 유효 레이저 스폿을 발생시키기 위해 2차원에서 표면 구역 각각의 부분을 따라 레이저 빔을 반복적으로 스캐닝하는 단계, 레이저 스폿이 에너지 분포를 구비하는 단계를 포함한다.
열 감도가 큰 하위 구역의 과열 방지를 위해, 상기 에너지 분포는 조정되어 열 감도가 큰 하위 구역과 열 감도가 작은 하위 구역에서 에너지 분포가 다르다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 방법은 유효 레이저 스폿 내에서 스캐닝 패턴을 따라 레이저 빔을 스캔하는 단계와 선택적으로 스캐닝 패턴을 따라 레이저 빔을 온/오프함으로써 에너지 분포를 얻기 위해 스캐닝 패턴을 따라 레이저 빔의 출력을 수정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 다수의 이용 가능한 출력 상태 초당 적어도 300회, 더 바람직하게 초당 적어도 600회, 더 바람직하게 초당 적어도 1,000회, 더 바람직하게 초당 적어도 5,000회, 좀 더 바람직하게 초당 적어도 10,000회 중 하나로 레이저 빔을 선택적으로 설정하여, 스캐닝 패턴을 따라 레이저 스폿으로 스캐닝하는 동안 레이저 빔의 출력을 선택적으로 조정함으로써 에너지 분포가 제어된다. 예를 들어, 스캐닝 패턴은 다수의 세그먼트, 할당된 이용 가능한 출력 상태 중 하나를 구비한 각 세그먼트를 포함할 수 있고, 세그먼트 중 적어도 하나에 할당된 출력 상태는 열 감도가 큰 하위 구역과 열 감도가 작은 하위 구역에서 다르게 선택될 수 있다. 즉, 하나, 몇 개 또는 다수의 세그먼트에 할당된 출력 상태는 처리 과정 중에 예를 들어, 오일 윤활 홀 측면의 과열 또는 저널의 이미 경화된 부분의 과도한 재가열 등을 피하기 위해 역동적으로 수정될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, "출력 상태"라는 용어는 레이저 빔이“온” 또는 “오프” 또는 최대치와 제로(또는 제로에 가까운) 사이 출력 수준과 같이 사전에 미리 정의된 평균을 가지는 출력 상태를 나타낸다.“이용 가능한”이란 표현은 출력 상태가 사용된 레이저 장치로 달성될 수 있다는 점을 의미한다. 표현 “내부에 구성한다”는 초당 여러 번 상태의 진정한 변화가 된다는 것을 나타내지 않으나, 레이저는 언제든지 적절한 출력 상태가 예를 들어, 제시 시스템에 의해 제공된 명령에 따라 여러 번 변화될 수 있게 배치되는 것을 나타낸다. 그렇게 함으로써, 에너지 분포의 분할 또는 “모자이크”는 초당 300, 600, 1000, 5000 또는 10000 세그먼트 또는 픽셀로 달성될 수 있다. 예를 들어, 초당 300 세그먼트는 50 Hz의 스캐닝 주파수에서 6 세그먼트를 구비한 스캐닝 패턴을 수용할 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 다른 출력 상태 사이에 변화가 일어날 때, 레이저 빔의 출력이 이전 출력 상태와 새로운 출력 상태에 의해 결정된 출력이 달라지는 동안에 과도 기간이 있을 수 있는데, 예를 들어, 스캐닝 패턴을 따라 레이저 빔의 스캐닝 동안에 빔 출력이 증가 또는 감소될 수 있어서 하나의 세그먼트에서 다음 세그먼트까지의 과도가 발생하는 동안에 출력 곡선에 경사가 발생한다.
다른 출력 상태 사이 전환의 레이저 용량이 클수록, 주어진 스캐닝 주파수로 스캐닝 패턴을 만드는데 사용될 수 있는 세그먼트 또는 픽셀의 수가 더 커진다. 예를 들어, 초당 1000회의 속도, 100 Hz의 스캐닝 주파수에서 출력 수준 사이의 전환을 허용하는 레이저원의 경우에, 100 Hz의 스캐닝 주파수는 크랭크 샤프트 오일 윤활 홀의 측면과 같이 열 감도 부분의 과열 방지를 위해 작동하는 동안, 바람직한 출력 상태가 할당되고 조정될 수 있는 10 세그먼트를 포함하는 스캐닝 패턴으로 사용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 방법은 열 감도가 작은 하위 구역과 비교하여 열 감도가 큰 하위 구역에서 유효 레이저 스폿 내 레이저 빔에 대한 다른 스캐닝 패턴을 사용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 방법은 열 감도가 작은 하위 구역과 비교하여 열 감도가 큰 하위 구역에서 유효 레이저 스폿의 적어도 일부에 에너지 분포가 다르도록 스캐닝 속도를 조정함으로써 에너지 분포를 조정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 유효 레이저 스폿은 경화 온도로 공작물의 표면 부분을 가열하기 위해 선택된 에너지 분포 및 밀도를 가진 선행 부분과, 퀀칭을 위해 가열된 표면 구역의 냉각을 허용하기 위해 선택된 에너지 분포 및 밀도(매우 낮은 에너지 밀도, 제로 출력 또는 제로 출력에 가까운)를 가진 중간 부분과, 템퍼링을 제조하기 위해 퀀칭된 부분을 가열하기 위해 선택된 에너지 분포 및 밀도를 구비한 후행 부분을 포함한다. 일반적으로, 크랭크 샤프트와 같은 많은 공작물은 경도를 줄이고, 연성을 높이고 취성(brittleness)을 줄이기 위해 경화와 템퍼링이 요구된다. 템퍼링을 위해, 공작물은 경화를 위해 사용된 온도보다 일반적으로 더 낮은 온도로 가열된다. 공작물이 레이저 처리를 사용하여 경화될 때, 템퍼링이 용광로 또는 오븐에서 일어날 수 있으나, 경화를 위해 사용된 것과 유사한 레이저 처리를 적용해서 다른 에너지 밀도 및/또는 분포를 가지고 템퍼링이 또한 가능하다. 예를 들어, 크랭크 샤프트의 경우에, 템퍼링은 경화 사이클 이후에 템퍼링 사이클을 적용함으로써 일어날 수 있다. 예를 들어, 저널을 360도로 경화시킨 이후에, 유효 레이저 스폿은 다시 저널 주변 또는 저널을 따라 템퍼링 시간 중에 이동될 수 있다. 그러나, 동일 사이클 또는 동일 과정 단계에서 바람직한 경화 깊이를 얻기 위해, 바람직한 경화 온도로 공작물의 표면을 가열시키고, 충분한 시간 동안 상기 온도로 표면을 유지하기 위한 선행 부분; 가열된 부분이 식혀지는 것을 허용하고, 퀀칭 또는 셀프-퀀칭을 제조하기 위해, 실질적으로 0 W/㎠의 에너지 또는 출력 밀도와 같은 낮은 에너지 밀도를 가지는 중간 부분; 원하는 만큼의 템퍼링을 위해 필요한 범위로 퀀칭된 부분을 재가열하기 위해 에너지 분포 및 밀도를 구비한 후행 부분을 포함하는 유효 레이저 스폿을 사용함으로써 경화 및 템퍼링을 제공하는 것 또한 가능하다. 이 방법으로 퀀칭과 템퍼링을 만드는 것은 예를 들어, 크랭크 샤프트 저널 표면의 경우에, 회전축 주변에서 한 번 크랭크 샤프트를 회전시킴으로써 유효 레이저 스폿이 한 번 경화되는 표면을 지나가는데 충분할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 유효 레이저 스폿은 직선 또는 곡선과 같은 다수의 라인을 포함하는 패턴을 따라 공작물 전반에서 레이저 빔을 반복적으로 스캐닝 함으로써 만들어질 수 있고, 상기 라인은 바람직하게 실질적으로 평행이고, 상기 스캐닝은 스캐닝 주파수로 반복되고, 상기 각 라인은 다수의 세그먼트 또는 픽셀을 포함하고, 상기 방법은 다른 세그먼트와 비교하여 어느 세그먼트 내부에 다른 수준으로 레이저 빔의 출력을 선택적으로 설정하기 위해, 예정된 레이저 빔 출력 값을 각 세그먼트에 할당하는 것을 포함한다. 세그먼트에 레이저 빔 출력을 할당하는 것은 레이저 빔이 세그먼트 중 선택된 것에 대해 “온”, 세그먼트 중 다른 것에 대해 “오프”로 되도록 명시하는 것을 포함할 수 있고, 이는 스캐닝 동안 레이저를 온/오프로 전환시킴으로써 달성될 수 있다. 이와 같이, 픽셀화 에너지 분포는 쉽게 달성된다. 픽셀화 접근법은 유효 레이저 스폿이 경화되는 표면을 따라 지나가는 동안, 예를 들어, 축 주변에서 공작물을 회전시킴으로써 쉽게 달라질 수 있는 바람직한 에너지 분포를 제공하는데 유용할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 스캐닝 주파수는 적어도 50 Hz(따라서 레이저 빔이 초당 적어도 50회로 가상 레이저 스폿을 완성하기 위해 스캔된다), 바람직하게 적어도 100 Hz이고, 다수의 라인은 적어도 2개의 라인, 바람직하게 적어도 3개의 라인, 5-10개의 라인과 같이 더 바람직하게 적어도 4개의 라인을 포함하고, 각 라인은 적어도 3개 세그먼트, 바람직하게 적어도 5개 세그먼트, 10-20개 세그먼트, 더 바람직하게 적어도 10개 세그먼트를 포함한다. 이 종류의 배치는 스캐닝 사이클 동안 스캐닝 패턴 내부에서 스폿의 실질적인 온도 변동을 피하기 위해 충분한 세부사항과 충분한 주파수로 바람직한 에너지 분포를 만드는데 적절할 수 있다. 빠른 온-오프 전환을 허용하는 광섬유 레이저와 같은 레이저의 사용은 50 Hz 이상의 스캐닝 주파수와 같이 상대적으로 높은 스캐닝 주파수로 많은 양의 세그먼트 또는 픽셀을 달성하는 것을 가능하게 한다. 각 세그먼트는 세그먼트 또는 세그먼트의 부분 동안에 레이저 빔의 의도된 출력을 나타내는 할당된 빔 출력 상태를 가질 수 있고, 세그먼트에 할당된 출력 상태는 예를 들어, 열 감도가 큰 하위 구역의 과열 방지를 위해 경화 과정 동안에 역동적으로 수정될 수 있다. 즉, 세그먼트에 할당된 출력 상태를 조정함으로써, 유효 레이저 스폿의 에너지 분포는 조정될 수 있다.
공작물의 부분을 따라 및/또는 넘어서 레이저 빔 또는 레이저 스폿의 스캐닝을 포함하여 위에서 설명된 본 발명의 다른 관점에서, 이 스캐닝은 수행될 수 있어서 레이저 스폿이 다수의 세그먼트를 포함하는 스캐닝 패턴을 따라가고, 2차원 에너지 분포에 영향을 미치는 상기 적어도 하나의 파라미터 값은 각 세그먼트, 각 시간에 대응하여 작동을 조정하는데 사용되기 위하여 예를 들어, 제어 시스템의 메모리에 저장된 각 세그먼트와 관련되어 있고, 레이저 스폿은 상기 세그먼트를 따라 이동된다. 적어도 하나의 파라미터 값은 작동하는 동안 역동적으로 조정될 수 있어서, 열 감도가 작은 하위 구역을 가열할 때와 유효 레이저 스폿이 열 감도가 큰 하위 구역을 가열할 때 적어도 하나의 파라미터 값은 적어도 세그먼트 중 하나와 다르다. 예를 들어, 주어진 세그먼트에 대한 다른 파라미터 값(또는 파라미터 값의 결합)은 다른 메모리 위치에 저장될 수 있고, 가열된 지역에 따라, 파라미터 값은 하나의 메모리 위치에서 또는 또 다른 메모리 위치에서 빼낼 수 있다. 그러나, 이는 단순히 일 예이고, 또한 다른 이행은 본 발명의 범위 내에 있다. 분할된 스캐닝 패턴의 사용은 크랭크 샤프트의 구체적인 설계에서 조정된 에너지 분포를 쉽게 알고 시행하도록 한다. 2차원 에너지 분포에 영향을 미치는 하나 또는 그 이상의 파라미터를 조정함으로써, 예를 들어, 크랭크 샤프트 오일 윤활 홀의 측면 주변 구역과 같은 공작물의 열 감도가 큰 부분과 대응하여 작은 출력/에너지를 가하기 위해 에너지 분포를 수정하는 것이 쉽다. 이와 같이, 각 세그먼와 대응하여 특정 파라미터에 다른 값을 할당함으로써, 조작자는 다른 에너지 분포를 밝힐 수 있고, 크랭크 샤프트 저널 표면과 같은 공작물 부분을 경화시키는 동안에 다른 에너지 분포 사이에서 전환시킴으로써, 열 감도 부분의 국부 과열을 방지하는 동안 충분한 경화가 달성될 수 있다. 분할된 스캐닝 패턴의 사용과 세그먼트 당 기본 파라미터 값의 배치는 예를 들어, 시행 착오 시험으로 적절한 값을 찾는데 쉽게 된다. 예를 들어, 오일 윤활 홀을 수용하기 위해, 유효 레이저 스폿이 공작물의 해당 하위 구역에 도달할 때, 특정 세그먼트에 할당된 값은 오일 윤활 홀에 인접하여 가해진 에너지를 줄이기 위해 선택될 수 있다.
파라미터 값은 스캐닝 속도, 레이저 스폿의 크기, 레이저 빔의 출력, 레이저 빔 내부 출력 분포, 해당 세그먼트의 길이, 해당 세그먼트의 방향 중 적어도 하나를 나타낼 수 있다. 본 발명의 많은 실시예에서, 레이저 빔의 출력 및/또는 스캐닝 속도는 우선적 파라미터가 될 수 있다. 상기 파라미터의 선택은 온/오프 또는 다른 중간 출력 수준과 같은 다른 출력 수준 사이에서 레이저 빔이 전환될 수 있는 속도, 및 기본 세그먼트에 의한 세그먼트에서 스캐닝 속도로 빠르고 제어된 변화를 허용하는 스캐닝 시스템의 범위와 같은 요인에 의존할 수 있다. 레이저는 출력의 빠르고 제어된 변화를 허용하는 것이 사용될 때, 레이저 빔의 출력은 에너지 분포를 결정하는 파라미터 중 적어도 하나로써 유리하게 사용될 수 있다.
상기 방법은 메모리에서 각 세그먼트에 대해 해당하는 적어도 하나의 파라미터 값을 저장하는 단계를 포함하고, 상기 적어도 하나의 세그먼트에 대해 적어도 두 개의 다른 값이 메모리에 저장되는데, 열 감도가 작은 하위 구역을 가열할 때 제1 값이, 열 감도가 큰 하위 구역을 가열할 때 적용되는 제2 값이 저장된다. 이와 같이, 다른 2차원 에너지 분포에 해당하는 파라미터 값은 다른 메모리 위치에 저장될 수 있고, 열 감도가 큰 하위 구역인지 열 감도가 작은 하위 구역인지에 따라 가열되고, 제어 시스템은 하나의 메모리 위치 또는 다른 위치의 파라미터 값을 사용한다. 이와 같이, 새로운 종류의 크랭크 샤프트에 시스템과 방법을 조정할 때, 조작자는 스캐닝 패턴과 파라미터 값을 설계함으로써, 예를 들어 크랭크 샤프트 저널의 주요 부분 가열하는 동안 사용되는 제1 에너지 분포, 유효 레이저 스폿이 오일 윤활 홀을 가진 지역에 접근할 때 사용되는 제2 에너지 분포, 유효 레이저 스폿이 오일 윤활 홀을 가진 지역을 떠날 때 사용되는 제3 에너지 분포를 설계함으로써 다른 에너지 분포의 구성을 설계할 수 있다. 2차원 에너지 분포 패턴은 이와 같이 예를 들어, 저널의 폭과 크기 및/또는 오일 윤활 홀의 위치를 고려하기 위해 쉽게 조정될 수 있다.
예를 들어 스캐닝은 초당 적어도 300 세그먼트, 바람직하게 초당 적어도 600 세그먼트, 더 바람직하게 초당 적어도 1,000 세그먼트, 더 바람직하게 초당 적어도 5,000 세그먼트, 좀 더 바람직하게 초당 적어도 10,000 세그먼트의 평균 속도로 수행될 수 있다. 2차원 에너지 분포에서 유연성을 제공하기 위해 충분히 많은 세그먼트를 허용하는 중에, 한편으로 가열된 구역에서 각 스캐닝 사이클 사이 실질적인 온도 진동을 피하기 위해 빠른 스캐닝 속도는 높은 주파수에서 스캐닝 패턴을 반복하는데 선호될 수 있다. 예를 들어, 초당 300 세그먼트의 스캐닝 속도를 가지는 경우, 6개 세그먼트 또는 픽셀을 구비한 스캐닝 패턴은 50 Hz의 주파수로 반복될 수 있다. 많은 양의 세그먼트 또는 픽셀은 경화되는 표면의 가능한 특성만큼 에너지 분포 조정 가능성을 증가시키는데 유용할 수 있는 반면에, 스캐닝 패턴의 높은 반복 주파수는 각 사이클 사이에 경화되는 구역 내부에서 바람직하지 않은 온도 변동에 대한 리스크를 감소시킨다.
전술한 본 발명 관점의 일부 실시예에서, 상기 방법은 원주 방향으로 저널 주변에 유효 레이저 스폿을 이동시킴으로써 경화된 크랭크 샤프트 저널의 이전에 경화된 부분에서와 같이, 이전에 경화된 표면 구역의 부분에 유효 레이저 스폿이 도착할 때 유효 레이저 스폿의 선행 부분에 에너지 밀도를 감소시키는 단계를 포함한다. 그렇게 함으로써, 이미 가열되고 경화된 저널 부분의 과도한 가열이 방지될 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 유효 레이저 스폿의 선행 에지부에서 출력/에너지 밀도는 감소되나 템퍼링을 위해, 특정 범위로 경화된 부분을 재가열하기 위해, 예를 들어, 원주 방향으로 저널 주변에 유효 레이저 스폿이 계속 이동한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 방법은 원주 방향으로 저널 주변에 유효 레이저 스폿을 이동시킴으로써 이전에 경화된 크랭크 샤프트 저널의 부분에서와 같이, 이전에 경화된 표면 구역의 부분에 유효 레이저 스폿이 도착할 때, 유효 레이저 스폿의 선행 부분에서 유효 레이저의 이동을 방해하는 반면에, 유효 레이저 스폿의 후행 부분은 원주 방향으로 계속 이동하고, 그렇게 함으로써 유효 레이저 스폿이 사라질 때까지 원주 방향으로 유효 레이저 스폿의 크기를 계속적으로 감소시키는 단계를 포함한다. 즉, 이전에 경화된 부분에 도착할 때, 즉, 예를 들어, 선행 에지부에서 정지하고 후행 에지부가 선행 에지부를 따라갈 때, 또는 경화 사이클이 완료한 때, 유효 레이저 스폿이 실질적으로 정지한다.
두 경우에, 유효 레이저 스폿이 스캐닝 패턴의 세그먼트와 같이, 세그먼트로 구성되는 경우, 상기 방법의 실행은 용이하게 될 수 있다. 빔의 출력 감소 및/또는 스캐닝 속도를 증가시킴으로써, 및/또는 간단하게 취소 또는 세그먼트를 재배치하는 것과 같이, 세그먼트에서 에너지 밀도를 조정함으로써 선행 에지부에서 시작하는 유효 레이저 스폿의 감소 또는 취소는 달성될 수 있다. 이와 같이, 유효 레이저 스폿을 구성하기 위한 레이저 빔의 2차원 스캐닝의 사용과 결합한 분할 접근법은 유연성을 위해 제공하고, 예를 들어 원주 방향으로 크랭크 샤프트 저널의 레이저 경화의 경우에, 통상의 기술자가 이전에 경화된 트랙 부분에서 유효 레이저 스폿의 도달을 쉽게 다루도록 해준다.
본 발명의 추가적인 관점은 예를 들어, 크랭크 샤프트와 같은 중탄소강의 공작물과 같이, 공작물 표면 레이저 경화 방법에 관한 것이다; “표면”에 대한 언급은 전체 표면이 경화되었다는 것을 의미하지 않는다; 예를 들어, 크랭크 샤프트의 경우에, 표면의 부분, 예를 들어, 하나 또는 그 이상의 저널의 표면, 및/또는 경화되는 저널에 인접한 벽의 표면으로 충분히 언급될 수 있다.
공작물은 경화될 적어도 하나의 표면 구역(예를 들어, 하나 또는 그 이상의 메인 저널 및/또는 크랭크 샤프트의 하나 또는 그 이상의 로드 저널의 표면, 및/또는 크랭크 샤프트의 벽 표면)을 포함하고, 표면 구역은 적어도 하나의 열 감도가 큰 하위 구역(예를 들어, 크랭크 샤프트의 경우에, 오일 윤활 홀 바로 옆 주변 구역, 및/또는 언더컷 필릿의 측면 근처 구역; 여기서, 재료의 부재는 열 흡수원 용량을 줄이고 과열에 대한 증가된 리스크를 나타낸다; 또한, 날카로운 측면이 매끄럽고 규칙적인 저널의 나머지 표면 보다 과열에 의해 손상되는 경향이 있다)과 열 감도가 작은 하위 구역(예를 들어, 크랭크 샤프트의 경우에, 오일 윤활 홀 및/또는 언더컷 필릿에서 멀리 떨어진 저널 표면 부분에서 측면과 보이드(voids)의 부재는 과열의 감소된 리스크를 나타낸다)을 포함한다.
상기 방법은:
구역에 레이저 스폿을 발생시키기 위해, 레이저원으로부터 레이저 빔을 표면 구역 위로 투사하는 단계;
표면 구역의 다른 부분에 레이저 스폿이 투사되도록 허용하기 위해(즉, 스캐닝 수단과 결합하여, 각 순간의 레이지원에서, 예를 들어, X, Y, Z축에 따른 공작물과 레이저원 사이 상대적 위치에 따라, 예를 들어, 지름, 레이저 스폿의 길이 또는 폭에 해당하는 두께를 가진 구역의 라인에서 또는 구역의 실질적으로 직사각형인 섹션 위에서, 1차원 이동 또는 2차원 이동을 제공하는 스캐닝 수단인지에 따라, 표면 구역의 특정 부분 또는 섹션으로 레이저 스폿이 향할 수 있다), 공작물 표면과 레이저원을 상대 이동시키는 단계(예를 들어, X축 주위에서 공작물을 회전시킴으로써 및/또는 공작물 및/또는 레이저원을 X축과 직교하는 Y 및/또는 Z축을 따라 이동시킴으로써);
상대 이동 중에, 구역의 각 부분을 가로질러 레이저 빔을 스캐닝하는 단계를 포함한다. 스캐닝은 예를 들어, 공작물의 회전축과 평행하여 및/또는 레이저원 위치와 관련하여 공작물 표면 이동 방향과 직교하여 오직 1차원으로 수행될 수 있고, 또는 직사각형 패턴, 타원형 패턴, 8각형 패턴 등을 따라서 또는 예를 들어, 부분을 따라 및/또는 부분을 가로질러 전후방을 미앤더 또는 삼각형 스캐닝을 수행함으로써 또는 실질적으로 평행한 라인과 같은 다수의 라인을 따라 레이저빔을 스캐닝 함으로써, 이러한 패턴으로 윤곽을 나타낸 구역을 채워 2차원으로 수행될 수 있다. “레이저 빔을 스캐닝”이란 용어는 하나 또는 그 이상의 스캐닝 미러와 같이 광학 스캐닝 장치 또는 유사한 것을 사용하여 레이저 빔 자체가 이동되는 의미로 해석되어야 한다.
스캐닝이 수행되어 레이저 스폿은 표면 구역에서 스캐닝 패턴 또는 경로를 따라간다.
열 감도가 큰 하위 구역에서 공작물의 과열 방지를 위해(또는 리스크를 줄이기 위해), 본 발명의 상기 관점에 따른,
(i) 스캐닝 속도; 및/또는
(ii) 레이저 빔 출력; 및/또는
(iii) 레이저 스폿 크기;
중 적어도 하나는 스캐닝 패턴의 일 부분과 스캐닝 패턴의 또 다른 부분에서 차이가 있다.
이와 같이, 열 감도가 작은 구역과 비교하여 열 감도가 큰 구역에서 공작물에 이동되는 단위 표면 구역당 에너지의 양을 줄이기 위해, 열 감도가 작은 하위 구역보다 열 감도가 큰 하위 구역에서 스캐닝 속도는 빨라 질 수 있고 및/또는 레이저 빔 출력은 감소될 수 있고, 및/또는 레이저 스폿 구역은 예를 들어, 렌즈 초점을 이동시켜 더 커질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 스캐닝 패턴은 다수의 세그먼트를 포함하고, 각 세그먼트는 할당된
(i) 스캐닝 속도; 및/또는
(ii) 레이저 빔 출력; 및/또는
(iii) 레이저 스폿 크기가 있다.
스캐닝 속도, 레이저 빔 출력, 및 스폿 크기 중 적어도 하나는 세그먼트 중 적어도 또 다른 하나와 비교하여 세그먼트의 적어도 하나에 다르게 선택된다.
세그먼트는 직선 또는 곡선이 될 수 있고 다각형 또는 다른 기하학적 도형을 형성할 수 있다. 세그먼트는 스캐닝 중에 레이저 스폿이 반복적으로 따라가는 닫힌 곡선을 형성할 수 있거나, 레이저 스폿이 양 방향으로 반복적으로 진행될 수 있는 열린 곡선을 형성할 수 있다. 세그먼트는 짧아질 수 있고 레이저 빔이 특정 시간 동안 정지하는데 선택될 수 있는 지점을 포함한다. 이와 같이, 스캐닝 동안 표면에 에너지 전달에 영향을 끼치는 파라미터의 적어도 하나의 값을 각 세그먼트에 할당함에 따라, 열 전달 및 가열의 충분한 분포가 달성될 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터에 의해 제어된 스캐닝 시스템에서, 상기 접근은 조작자가 스캐닝 패턴을 따라 다른 에너지 전달 프로파일을 시도하는데 용이하고, 시행착오로 구체적인 크랭크 샤프트와 같이 구체적인 제품 중 적절한 하나에 도달한다. 또한, 이 접근은 컴퓨터화된 시뮬레이션 시스템으로 쉽게 시행될 수 있어서, 공작물의 충분한 가열을 제공해 목표에 도달할 때까지, 스캐닝 속도, 레이저 빔 출력 및/또는 하나 또는 그 이상의 세그먼트에 대한 레이저 스폿 크기를 수정하고 스캐닝 패턴의 기하학적 배치를 수정함으로써 다른 에너지 전달 프로파일을 실험할 수 있다. 컴퓨터 입력 수단에는 스캐닝 패턴(예를 들어, 세그먼트의 길이를 조정함으로써) 및/또는 레이저 빔 출력 및/또는 레이저 스폿 크기의 변화를 허용하는 것이 구비될 수 있다. 물론, 추가적인 파라미터가 추가될 수 있다.
예를 들어, 열 감도 하위 구역과 멀리 떨어진 두 개의 인접한 세그먼트 보다 열 감도가 큰 하위 구역에 가까운 세그먼트에서 속도가 빠른 것으로 선택될 수 있다. 예를 들어, 크랭크 샤프트의 경우에, 인접한 세그먼트 보다 공정 단계에서 실제로 오일 윤활 홀을 가로지르는 하나 또는 두 개의 세그먼트를 위해 스캐닝 속도가 빠른 것으로 선택될 수 있다. 레이저 스폿에 의한 경로를 따라 다른 세그먼트에 다른 스캐닝 속도를 사용하는 것은 상업적으로 사용 가능한 스캐닝 수단으로 쉽게 시행하는 이점이 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 열 감도 하위 구역에서 멀리 떨어진 두 개의 인접 세그먼트에서 보다 열 감도가 큰 하위 구역과 가까운 세그먼트에서 레이저 빔 출력은 낮은 것으로 선택될 수 있다. 예를 들어, 크랭크 샤프트의 경우에, 인접한 세그먼트보다, 실제로 오일 윤활 홀을 가로지르는 또는 오일 윤활 홀에 의해 횡단되는 하나 또는 두 개의 세그먼트에서 스캐닝 속도는 높은 것으로 선택될 수 있고 및/또는 레이저 빔 출력은 낮은 것으로 선택될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 열 감도 하위 구역에서 멀리 떨어진 두 개의 인접 세그먼트에서 보다, 열 감도가 큰 하위 구역에 가까운 세그먼트에서 레이저 스폿은 큰 구역을 가지도록 선택될 수 있다. 이와 같이, 레이저 빔에 의한 경로의 특정 부분에 “초점 이탈”의 경우, 단위 표면 구역당 출력 집중은 낮아질 것이고, 크랭크 샤프트의 오일 윤활 홀에 대응하는 열 감도 구역과 같이, 작은 열 감도 구역의 과열을 방지하는데 유용할 수 있다.
본 발명의 상기 관점에 따른 일부 실시예에서, 예를 들어, 패턴 또는 세그먼트가 열 감도가 큰 하위 구역에 도달하거나 떠날 때 각 시간과 같이 레이저원과 관련하여 공작물의 표면이 이동하는 동안, 하나 또는 그 이상의 세그먼트에 할당된
(i) 스캐닝 속도; 및/또는
(ii) 레이저 빔 출력; 및/또는
(iii) 레이저 스폿 크기;
는 적어도 한 번 수정된다. 이와 같이, 예를 들어, 예를 들어, 크랭크 샤프트의 오일 윤활 홀 또는 오일 윤활 홀에 가까운 구역과 같이, 열 감도가 큰 하위 구역에 하나 또는 그 이상의 세그먼트가 도달할 때, 세그먼트 또는 세그먼트들이 열 감도가 큰 하위 구역을 떠날 때와 같이 공정 과정 중에 패턴의 하나 또는 그 이상의 세그먼트에 해당하는 스캐닝 속도 및/또는 레이저 빔 출력 및/또는 레이저 스폿 크기는 수정될 수 있다. 이 방법으로, 열처리가 구역의 열 감도에 따라 공작물의 모든 구역에 합리적이고 쉽게 활용될 수 있다.
본 발명의 상기 관점은 각 세그먼트에
(i) 적어도 하나의 스캐닝 속도; 및/또는
(ii) 적어도 하나의 레이저 빔 출력; 및/또는
(iii) 적어도 하나의 레이저 스폿 크기
를 할당함에 따라 레이저 빔을 제어 하기 위해 개인용 컴퓨터, PLC 또는 이와 비슷한 전기적 제어 수단을 프로그래밍 하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 스캐닝 패턴은 기하학적 형상(예를 들어, 세그먼트에 의해 정의된)을 가지고, 레이저원과 관련하여 공작물의 표면이 이동하는 동안 스캐닝 패턴의 상기 기하학적 형상은 적어도 한 번 수정된다. 예를 들어, 공작물의 한 번 회전 동안과 같이 공정 과정의 한 단계에서, 오일 윤활 홀이 표면 구역의 스캔된 부분에 접근할 때, 하나 또는 그 이상의 세그먼트는 열 감도가 큰 하위 구역의 과열 방지를 위해 간단하게 생략될 수 있거나, 스캐닝 패턴은 하나 또는 그 이상의 구역에서 출력 밀도를 줄이기 위해 수정될 수 있다.
본 발명의 추가적인 관점은 공작물 표면 레이저 경화 방법(중탄소강의 공작물과 같은, 예를 들어, 크랭크 샤프트; “표면”에 대한 언급은 전체 표면이 경화되어야 하는 것을 의미하지 않는다; 예를 들어, 크랭크 샤프트의 경우에, 표면의 부분, 예를 들어, 하나 또는 그 이상의 저널 표면, 및/또는 저널에 인접한 벽이 경화되는 것으로 충분할 수 있다)에 관한 것으로, 공작물은 경화될 적어도 하나의 표면 구역(예를 들어, 하나 또는 그 이상의 메인 저널의 표면 및/또는 크랭프 샤프트의 하나 또는 그 이상의 로드 저널, 및/또는 크랭크 샤프트의 벽 표면)을 포함한다. 상기 표면 구역은 적어도 하나의 열 감도가 큰 하위 구역(예를 들어, 크랭크 샤프트의 경우에, 오일 윤활 홀 바로 옆 주변 구역, 및/또는 언더컷 필릿의 측면에 가까운 구역; 여기서, 재료의 부재는 열 흡수원 용량을 줄이고 과열에 대한 증가된 리스크를 나타낸다; 또한, 날카로운 측면이 매끄럽고 규칙적인 저널의 나머지 표면 보다 과열에 의해 손상되는 경향이 있다)과 적어도 하나의 열 감도가 작은 하위 구역(예를 들어, 크랭크 샤프트의 경우에, 오일 윤활 홀 및/또는 언더컷 필릿에서 멀리 떨어진 저널 표면 부분에서 측면과 보이드(voids)의 부재는 과열의 감소된 리스크를 나타낸다)을 포함한다. 이 방법은:
구역에 레이저 스폿을 발생시키기 위해, 레이저원으로부터 레이저 빔을 표면 구역 위로 투사하는 단계;
표면 구역의 다른 부분에 레이저 스폿이 투사되는 것을 허용하기 위해(즉, 스캐닝 수단과 결합하여, 각 순간의 레이지원에서, 예를 들어, X, Y, Z축에 따른 공작물과 레이저원 사이 상대적 위치에 따라, 예를 들어, 지름, 레이저 스폿의 길이 또는 폭에 해당하는 두께를 가진 구역의 라인에서 또는 구역의 실질적으로 직사각형인 섹션 위에서, 1차원 이동 또는 2차원 이동을 제공하는 스캐닝 수단인지에 따라, 표면 구역의 특정 부분 또는 섹션으로 레이저 스폿이 향할 수 있다), 공작물 표면과 레이저원 사이를 상대 이동시키는 단계(예를 들어, X축 주위에서 공작물을 회전시킴으로써 및/또는 공작물 및/또는 레이저원을 X축과 직교하는 Y 및/또는 Z축을 따라 이동시킴으로써);
상대 이동 중에, 구역의 각 부분을 가로질러 레이저 빔을 스캐닝하는 단계(스캐닝은 예를 들어, 공작물의 회전축과 평행하여 및/또는 레이저원 위치와 관련하여 공작물 표면 이동 방향과 직교하여 오직 1차원으로 수행될 수 있고, 또는 직사각형 패턴, 타원형 패턴, 삼각형 패턴, 사다리꼴형 패턴, 6각형 패턴, 8각형 패턴 등과 같은 패턴을 따라서 또는 예를 들어, 구역을 따라 및/또는 구역을 가로질러 또는 다수의 평행한 라인과 같은 다수의 라인들을 이동시켜 전후방을 미앤더 또는 삼각형 스캐닝을 수행함에 따른 이러한 패턴으로 윤곽을 나타낸 구역을 채워 2차원으로 수행될 수 있다. 용어 “레이저 빔을 스캐닝”은 하나 또는 그 이상의 스캐닝 미러와 같이 광학 스캐닝 수단 또는 유사한 것을 사용하여 레이저 빔이 스스로 이동되는 의미로 해석되어야 한다)를 포함한다.
상기 스캐닝은 수행되어 레이저 스폿은 구역에서 기하학적 구성을 가진 스캐닝 패턴 또는 경로를 따라간다.
본 발명의 상기 관점에 따라, 스캐닝 패턴의 기하학적 구성은 표면 구역과 레이저원 사이 상대 이동 동안에 적어도 한 번 수정된다. 예를 들어, 스캐닝 패턴은 다수의 세그먼트를 포함하고, 하나 또는 그 이상의 세그먼트가 열 감도가 큰 하위 구역의 과열 방지를 위해 간단하게 생략될 수 있거나, 하나 또는 그 이상의 구역에 출력 밀도를 줄이기 위해 패턴이 수정될 수 있다. 이와 같이, 예를 들어, 크랭크 샤프트의 경우에, 레이저 원과 공작물의 표면 사이 상대 이동 중에, 하나 또는 그 이상의 오일 윤활 홀이 스캔되는 구역에 접근할 때, 예를 들어, 경로의 에너지 밀도를 감소시킴으로써, 즉, 세그먼트를 분리 및/또는 하나 또는 그 이상의 세그먼트를 생략시킴으로써 스캐닝 패턴은 조정될 수 있다. 예를 들어, 하나의 세그먼트는 본래 닫힌 곡선 스캐닝 패턴을 레이저 스폿이 열린 곡선을 전후방 추적할 수 있는 열린 곡선 스캐닝 패턴으로 변화시켜 생략될 수 있다; 생략된 세그먼트가 오일 윤활 홀의 지점에 해당하는 경우, 오일 윤활 홀 측면에 가열이 제공되지 않는다.
본 발명의 추가적인 관점은 공작물 표면 레이저 경화 방법(중탄소강과 같은 철계 소재 공작물, 예를 들어, 크랭크 샤프트)에 관한 것으로, 공작물은 경화될 적어도 하나의 표면 구역(예를 들어, 크랭크 샤프트의 경우에, 크랭크 샤프트의 하나 또는 그 이상의 메인 저널 표면, 및/또는 하나 또는 그 이상의 로드 저널 표면, 및/또는 크랭크 샤프트의 벽 표면)을 포함하고, 상기 표면 구역은 적어도 하나의 열 감도가 큰 하위 구역(예를 들어, 크랭크 샤프트의 경우에, 오일 윤활 홀 바로 옆 주변 구역, 및/또는 언더컷 필릿의 측면에 가까운 구역; 여기서, 재료의 부재는 열 흡수원 용량을 줄이고 과열에 대한 증가된 리스크를 나타낸다; 또한, 날카로운 측면이 매끄럽고 규칙적인 저널의 나머지 표면 보다 과열에 의해 손상되는 경향이 있다)과 적어도 하나의 열 감도가 작은 하위 구역(예를 들어, 오일 윤활 홀 및/또는 언더컷 필릿에서 멀리 떨어진 저널 표면 부분에서, 측면과 보이드(voids)의 부재는 과열의 감소된 리스크를 나타낸다)을 포함한다.
이 방법은:
표면 구역에 레이저 스폿을 발생시키기 위해, 레이저원으로부터 레이저 빔을 표면 구역 위로 투사하는 단계;
표면 구역의 다른 부분에 레이저 스폿이 투사되는 것을 허용하기 위해(즉, 스캐닝 수단과 결합하여, 각 순간의 레이지원에서, 예를 들어, X, Y, Z축에 따른 공작물과 레이저원 사이 상대적 위치에 따라, 예를 들어, 지름, 레이저 스폿의 길이 또는 폭에 해당하는 두께를 가진 구역의 라인에서 또는 구역의 실질적으로 직사각형인 섹션 위에서, 1차원 이동 또는 2차원 이동을 제공하는 스캐닝 수단인지에 따라, 표면 구역의 특정 부분 또는 섹션 위로 레이저 스폿이 향할 수 있다), 공작물 표면과 레이저원 사이를 상대 이동시키는 단계(예를 들어, X축 주위에서 공작물을 회전시킴으로써 및/또는 공작물 및/또는 레이저원을 X축과 직교하는 Y 및/또는 Z축을 따라 이동시킴으로써);
상대 이동 중에, 구역의 각 부분을 가로질러 레이저 빔을 스캐닝하는 단계(스캐닝은 예를 들어, 공작물의 회전축과 평행하여 오직 1차원으로 수행될 수 있거나, 또는 직사각형 패턴, 타원형 패턴, 삼각형 패턴, 사다리꼴형 패턴 등과 같은 패턴을 따라서 또는 예를 들어, 구역을 따라 및/또는 구역을 가로질러 전후방을 미앤더 또는 삼각형 스캐닝을 수행함에 따라 또는 다수의 평행 라인과 같은 다수의 라인들을 포함하는 패턴에 따라 레이저 빔을 내보냄으로써 이러한 패턴으로 윤곽을 나타낸 구역을 채워 2차원으로 수행될 수 있다; 용어 “레이저 빔을 스캐닝”은 하나 또는 그 이상의 스캐닝 미러와 같이 광학 스캐닝 수단 또는 유사한 것을 사용하여 레이저 빔이 스스로 이동되는 의미로 해석되어야 한다; XYZ-스캐너의 경우에, X 및 Y 방향으로 스폿의 이동 가능성에 더하여, 초점 렌즈에는 구동 수단에 의해 Z방향으로 이동될 수 있는 것이 제공되고, 그렇게 함으로써 레이저 스폿 크기의 역동적인 조정이 허용된다; 그렇게 함으로써, 스폿의 지점 및 크기가 경화 과정을 최적화 하기 위해 제어되고 조정될 수 있다);
레이저 빔을 조절하는 단계를 포함한다.
본 발명의 상기 관점에 따라, 공작물 각 부분의 과열 방지를 위해, 레이저 스폿이 열 감도가 큰 하위 구역에 있을 때와 열 감도가 작은 하위 구역에 있을 때 다르게 레이저 빔이 조절된다. 더 구체적으로:
A- 레이저 빔은 출력으로 조절되고(예를 들어, 레이저 스폿이 열 감도가 작은 하위 구역에 있을 때보다 열 감도가 큰 하위 구역에 있을 때 레이저 빔 출력이 더 낮다; 출력 조절은 일시적으로 제로 또는 제로에 가까운 출력으로 줄이는 것을 포함할 수 있다);
및/또는
B- 레이저 빔은 스캐닝 속도로 조절되고(예를 들어, 레이저 스폿이 열 감도가 작은 하위 구역에 있을 때보다 열 감도가 큰 하위 구역에 있을 때 공작물 표면 위에서 레이저 스폿이 더욱 빠르게 이동한다; 스캐닝 속도 조절은 레이저 빔의 이동을 일시적으로 정지하는 것을 포함할 수 있다);
및/또는
C- 레이저 빔은 스캐닝 패턴으로 조절되어 레이저 스폿이 열 감도가 큰 하위 구역에 해당하는 스캐닝 패턴과 열 감도가 큰 하위 구역에 해당하는 스캐닝 패턴으로 달리 따라가고(이와 같이, 열 감도가 큰 하위 구역에 대해, 스캐닝 패턴은 예를 들어, 크랭크 샤프트의 오일 윤활 홀 또는 언더컷 필릿의 측면에서 과열에 대한 리스크를 줄이도록 선택될 수 있다);
및/또는
D- 레이저 빔은 레이저 스폿 크기로 조절되어 레이저 스폿 크기는 열 감도가 큰 하위 구역에 해당하는 것과 열 감도가 큰 하위 구역에 해당하는 것이 다르다(예를 들어, 더 크다)(이와 같이, 열 감도가 큰 하위 구역에 대해, 스폿 크기는 예를 들어, 크랭크 샤프트의 오일 윤활 홀 또는 언더컷 필릿의 측면에서 가열을 줄이도록 사용될 수 있다. 예를 들어 레이저 빔의 초점 이탈에 의해 스폿 크기를 증가시키는 것은 레이저 스폿의 단위 표면 구역당 출력의 양을 줄인다).
이와 같이, 예를 들어, 본 발명의 상기 모든 관점들 및 크랭크 샤프트의 베어링 표면 경화의 경우에, 즉, 메인 저널 및 로드 저널 표면 경화의 경우, 레이저 빔은 상기 저널 중 하나 위에 초점이 맞춰질 수 있고, 이후에 레이저 빔은 저널 및/또는 저널의 부분을 가로질러 스캔될 수 있다. 다른 한편으로, 레이저 광원과 크랭크 샤프트의 표면 사이 상대 이동에 의해, 크랭크 샤프트의 전체 원주가 스캔될 수 있다. 현재 예를 들어, 대략 저널의 폭을 가지는 레이저 스폿과 같이 정사각형 또는 직사각형 레이저 스폿의 실질적인 크기를 만들기 위한 광학적 장치를 사용하는 것 대신에, 더 작은 스폿이 사용될 수 있고, 이후에 저널을 가로질러 스캔된다. 이 방법으로, 스캐닝 속도, 출력, 스캐닝 패턴 및/또는 레이저 스폿 크기의 면에서 빔의 조절은 예를 들어, 크랭크 샤프트의 경우, 오일 윤활 홀과 필릿과 같이, 지역의 열 감도가 다르므로 표면의 다른 부분 특성에 따라 열처리가 조정되는 것을 허용한다. 이와 같이, 예를 들어, 공작물을 회전시킴으로써(DE-10 2005 005 141-B3에서 제시되어 있는 것처럼 나타낸 것이다), 단순히 표면에 큰 레이저 스폿을 가하고 레이저원과 관련하여 표면을 이동시킴으로써 동일한 방법으로 표면의 모든 부분을 단순히 처리하는 것 대신에, 특정 부분의 과열을 방지하는 동안 모든 부분에 충분한 가열을 하도록, 더 작은 스폿이 사용될 수 있고 스캐닝과 조절이 수행될 수 있어서 표면의 다른 부분은 다른 에너지를 받는다. 레이저 빔을 조절함으로써, 표면의 다른 부분이 다르게 처리될 수 있다. 예를 들어, 오일 윤활 홀 측면에 과열에 의한 피해를 막기 위해 스캐닝 패턴은 오일 윤활 홀에 가까운 구역에서 수정될 수 있다. 또한 혹은 대안으로, 과열이 발생하지 않게 방지하기 위해, 빔의 강도(intensity)는 감소될 수 있고 및/또는 속도는 증가될 수 있고, 및/또는 레이저 스폿의 크기는 초점이탈 또는 표면 위에서 레이저 빔의 입사각을 조정함으로써 증가될 수 있다. 이와 같이, 균일하게 경화될 전체 표면 구역의 가열 대신에, 오일 윤활 홀 주변 구역 및/또는 언더컷 필릿에 가까운 구역과 같은 구역에 과열에 대한 리스크를 줄이기 위한 주의가 취해질 수 있다. 상기 구역에서, 재료의 부재는 가열된 표면을 떠나 열의 플럭스(flux)를 줄이고, 과열의 실질적으로 증가된 리스크를 나타낸다; 또한, 날카로운 측면이 저널의 다른 부분 매끈한 표면보다 과열에 의해 손상되는 경향이 있다.
이와 같이, 하나 또는 그 이상의 파라미터 수정에 의해, 과열에 대한 리스크는 감소될 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 임의의 관점을 사용할 때 및 특히 1차원 또는 2차원으로 레이저 빔을 스캔함에 따라 등가 또는 가상 유효 레이저 스폿을 만들 때, 각각 구체적인 크랭크 샤프트 설계에 적절한 조절 기법(modulation technique)을 결정하기 위해 통상의 기술자는 컴퓨터 시뮬레이션 및/또는 시행착오 테스트를 사용할 수 있다. 예를 들어, 스캐닝 패턴의 다른 세그먼트에 파라미터의 다른 값을 할당하여, 예를 들어, 새로운 스캐닝 속도 프로파일, 레이저 빛 강도 프로파일, 스캐닝 패턴 및/또는 스폿 크기를 도입함으로써, 이와 같이 새로운 종류의 크랭크 샤프로 시스템을 조정하는 것은 오직 소프트웨어로의 변화만을 필요로 한다. 이는 시행착오 시뮬레이션을 수행하는데 쉽고, 시행착오 시뮬레이션, 실제 작동(예를 들어, 고온계 및 관련 소프트웨어와 적절한 피드백 기반 제어를 사용) 중에, 충분한 성과를 달성하기 위해 스캐닝 패턴 및 관련된 파라미터를 역동적으로 수정하는데 쉽다. 실제로, 빔 조절 기법 또는 한 종류의 크랭크 샤프트로 선택된 에너지 분포 접근법은 지름의 변화와 예를 들어, 오일 윤활 홀의 지점의 변화를 고려함으로써 또 다른 종류의 크랭크 샤프트로 쉽게 조정될 수 있다. 이와 같이, 이 기법은 유도에 의한 가열에 기초한 것보다 유연성 면에서 멀다. 본 발명의 실시예를 사용함으로써, 기본적으로 하드웨어보다 소프트웨어 조정이 있을 수 있다.
예를 들어, 조절 대안 A, B, C, D 중 어느 하나가 스스로 사용될 수 있거나 A는 B 또는 C와 함께 사용될 수 있거나 또는 B는 C와 사용될 수 있거나, 또는 A와 B와 C는 함께 사용될 수 있고, D는 위 결합 중 어느 하나와 선택적으로 사용될 수 있다. 이와 같이, 위에서 설명된 본 발명의 다른 관점은 다른 공작물 설계로 공작물의 레이저 경화를 조정하기 위한, 하드웨어 조정에 대한 요구를 실질적으로 줄이기 위한 극도로 유연한 플랫폼(platform)을 제공한다; 이는 크랭크 샤프트와 같은 공작물의 유도 가열을 통해 더욱 중요한 장점들을 나타낸다. 예를 들어, A, B, C 및 D 사이 옵션의 선택은 다른 종류의 레이저 및 스캐닝 시스템과 연관된 비용, 변하는 스캐닝 속도의 허용량 및/또는 레이저 빔 출력 강도, 단축 또는 2축 스캐닝 시스템을 사용하는지에 따라 변화하는 스캐닝 패턴의 허용량 등과 같이 실제적 고려 사항을 토대로 만들어질 수 있다.
상기 조절 접근법은 오일 윤활 홀과 필릿 및 언터컷에서 과열을 방지하는데 유용할 뿐만 아니라, 크랭크 샤프트 저널 원주와 같이 경화될 전체 원주에 관한 공작물의 경우에도 역시 유용할 수 있다: 원주의 거의 전체 360도가 한 번 열처리 되고, 레이저 빔은 이미 경화되고, 실질적으로 다시 경화되지 않아야 하는 구역을 다시 한 번 접근한다; 레이저 빔을 적절하게 조절함으로써(속도, 스캐닝 패턴, 출력 및/또는 스폿 크기의 관점에서 및/또는 가상 또는 등가 레이저 스폿과 같은 유효 레이저 스폿 내부 에너지 분포를 조정함으로써), 처음으로 가열된 원주 부분과 최후에 가열된 부분 사이 경계 지역에 충분한 가열이 달성될 수 있다.
본 발명의 추가적인 관점은 공작물 표면 레이저 경화 방법(중탄소강과 같은 철계 소재 공작물, 예를 들어, 크랭크 샤프트)에 관한 것으로, 공작물은 경화될 적어도 하나의 표면 구역을 포함한다(예를 들어, 크랭크 샤프트의 하나 또는 그 이상의 메인 저널 표면 및/또는 하나 또는 그 이상의 로드 저널 표면). 이 방법은:
표면 구역에 레이저 스폿을 발생시키기 위해, 레이저원으로부터 레이저 빔을 표면 구역 위로 투사하는 단계;
표면 구역의 다른 부분에 레이저 스폿이 투사되는 것을 허용하기 위해(즉, 스캐닝 수단과 결합하여, 각 순간의 레이지원에서, 예를 들어, X, Y, Z축에 따른 공작물과 레이저원 사이 상대적 위치에 따라, 예를 들어, 레이저 스폿의 두께를 가진 구역의 라인에서 또는 구역의 실질적으로 직사각형인 섹션 위에서, 1차원 이동 또는 2차원 이동을 제공하는 스캐닝 수단인지에 따라, 구역의 특정 부분 또는 섹션 위로 레이저 스폿이 향할 수 있다), 공작물 표면과 레이저원 사이를 상대 이동시키는 단계(예를 들어, X축 주위에서 공작물을 회전시킴으로써 및/또는 공작물 및/또는 레이저원울 X축과 직교하는 Y 및/또는 Z축을 따라 이동시킴으로써);
상대 이동 중에, 구역의 각 부분을 가로질러 레이저 빔을 스캐닝하는 단계(스캐닝은 예를 들어, 공작물의 회전축과 평행하여 오직 1차원으로 수행될 수 있거나, 또는 직사각형 패턴, 타원형 패턴, 삼각형 패턴, 사다리꼴형 패턴 등과 같은 패턴을 따라서 또는 예를 들어, 미앤더 방식과 같은 패턴의 경계 내부에 레이저 빔을 이동시킴으로써 이러한 패턴을 채워 2차원으로 수행될 수 있다; 용어 “광원 빔을 스캐닝”은 하나 또는 그 이상의 스캐닝 미러와 같이 광학 스캐닝 수단 또는 유사한 것을 사용하여 레이저 빔이 스스로 이동되는 의미로 해석되어야 한다)를 포함한다.
상기 가열이 수행되어 레이저 빔이 지나간 구역을 들어간 공작물 표면 부분은 처음으로 높은 평균 출력의 레이저 조사를 받고 이후에 낮은 평균 출력의 레이저 조사를 받는다. 이는 높은 스캐닝 밀도를 구비한 선행 부분과 낮은 스캐닝 밀도를 구비한 후행 부분에 스캐닝 패턴을 제공함으로써 달성할 수 있어서, 처리될 표면 부분이 처음으로 선행 부분을 들어가고 이후에 후행 부분을 들어가면서, 후행 부분 보다 선행 부분에서 레이저 스폿이 단위 구역당 더 많은 시간을 유지한다. 용어 평균 출력은 전체 스캐닝 사이클 중에 표면 구역당 출력의 평균 양으로 이해된다. 상기 목표 달성을 위한 또 다른 방법은 적어도 부분적으로 중심을 벗어난 방식으로 레이저 빔을 투사하여, 레이저 빔이 표면에 90도 미만의 각도로 부딪히는 것이다. 중심을 벗어난 레이저 빔은 손상에 대한 리스크 또는 후방 반사에 기인하는 결점을 줄이는 장점을 또한 포함한다.
본 발명의 추가적인 관점은 실질적으로 원형 횡단면(예를 들어, 크랭크 샤프트의 메인 저널 또는 로드 저널의 표면)을 구비한 공작물 부분 표면의 레이저 경화 방법(중탄소강과 같은 철계 소재 공작물, 예를 들어, 크랭크 샤프트)에 관한 것이다. 이 방법은:
표면에 레이저 스폿을 발생시키기 위해, 레이저원으로부터 레이저 빔을 표면 위로 투사하는 단계;
표면의 원주를 따라 표면의 다른 부분 위에 레이저 스폿이 투사되는 것을 허용하기 위해, 공작물 표면과 레이저원 사이를 상대 이동시키는 단계(예를 들어, X축 주위에서 공작물을 회전시킴으로써 및/또는 공작물 및/또는 레이저원을 X축과 직교하는 Y 및/또는 Z축을 따라 이동시킴으로써)를 포함한다.
본 발명의 상기 관점에 따라, 레이저 빔은 중심을 벗어난 방식으로 표면 위에 투사되는데, 즉, 레이저 빔의 중심은 원형 횡단면의 중심을 통과하는 라인으로 조정되지 않는다. 이는 레이저 스폿을 크게 하는데 도움이 될 수 있고, 때때로 열을 잘 분포하는데 유용하다. 또한, 레이저 스폿의 선행 에지부와 후행 에지부에서 표면 위 레이저 빔의 입사각이 다르기 때문에, 레이저 스폿의 선행 에지부가 후행 스폿보다 높은 출력 밀도를 가질 수 있어서 상기 접근법은 유용할 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이, 이 관점은 바람직한 온도로 표면이 도달하는데 요구되는 가열시간이 줄어들 수 있다. 상기 접근에는 예를 들어 실질적으로 정사각형 또는 직사각형 레이저 스폿을 제공하는 고정된 광학 장치의 결합이 사용될 수 있다. 또한, 중심을 벗어난 레이저 빔은 또한 손상에 대한 리스크 또는 후방 반사에 기인한 결점을 줄이는 장점을 포함하고 있다.
본 발명의 추가적인 관점은 공작물 부분의 표면 레이저 경화 방법에 관한 것으로, 이 방법은:
표면에 레이저 스폿을 발생시키기 위해, 레이저원으로부터 레이저 빔을 표면 위로 투사하는 단계;
표면의 다른 부분 위에 레이저 스폿이 투사되는 것을 허용하기 위해, 공작물 표면과 레이저원 사이를 상대 이동시키는 단계를 포함한다. 레이저 빔은 표면에 직교하지 않은 방향으로 예를 들어, 60도 미만 또는 45도 보다 훨씬 작은 각과 같이, 바람직하게 표면과 70도 미만의 각을 형성하여 표면 위에 투사된다. 이는 레이저 스폿의 크기를 증가시키고, 표면과 레이저원 사이에서 특정한 상대 속도에 대해 표면 구역당 출력의 양을 줄이며, 레이저 스폿과 표면에 특정한 지점 사이 작용 시간을 증가시키는데 도움이 될 수 있다. 이는 경화된 층의 증가된 깊이에 기여할 수 있다.
본 발명의 추가적인 관점은 공작물 표면 레이저 경화 방법(중탄소강과 같은 철계 소재 공작물, 예를 들어, 크랭크 샤프트)에 관한 것이다. 이 방법은:
레이저원으로부터 레이저 빔을 경화될 표면 구역 위로 투사하는 단계를 포함한다.
본 발명의 상기 관점에 따라, 레이저 광원은 처음으로 제1 표면 구역과 제1 표면 구역과 실질적으로 직교하여 연장되는 제2 표면 구역 위에 투사된다(동시에 또는 이후에 또는 연속적으로). 이 방법은 제1 표면 구역을 가열하기 위한 제1 레이저 빔 요소 및 제2 표면 구역을 가열하기 위한 제2 레이저 빔 요소를 사용하기 위해, 레이저 빔을 s-편광을 구비한 제1 레이저 빔과 p-편광을 구비한 제2 레이저 빔으로 쪼개는 단계를 포함한다. 이 방법으로, 출력 흡수와 입사각 사이 관계, 및 상기 관계가 편광에 의존하는 방법이 가열 효율을 향상시키는데 사용될 수 있다.
위에서 모두 설명된 본 발명의 관점에서, 공작물과 레이저원 사이를 상대 이동시키는 단계는 회전축(소위 시스템의 X축으로 불리는 축과 평행하게 될 수 있는)을 중심으로 공작물을 회전시키는 것을 포함할 수 있어서, 레이저 광원 스폿은 경화될 표면 구역의 전체 원주에 접근할 수 있다. 예를 들어, 크랭크 샤프트는 메인 저널 중심을 통과하는 종방향 축을 중심으로 회전될 수 있다.
추가적으로, 공작물과 레이저원 사이를 상대 이동시키는 단계는 회전축과 직교하는 제1 방향(예를 들어, Y축과 평행인) 및 회전축과 직교하는 제2 방향(예를 들어, Z축과 평행인)으로 상대 이동시키는 것을 포함할 수 있다. 이 방법으로, 메인 저널의 중심축을 중심으로 회전하는 크랭크 샤프트의 로드 저널과 같이, 중심을 달리해서 놓인 부품의 경우에, 레이저 광원과 경화될 표면 사이 거리가 변함 없이 유지될 수 있다: 주요 축이 시스템의 X축과 일치하는 경우, Y축 및 Z축과 같이, 두 개의 다른 방향에서 레이저 광원 사이를 상대 이동시키는 것은 레이저 광원과 경화될 표면 사이 거리가 변함없이 유지하는데 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 제1 방향으로 이동은 공작물을 이동시킴으로써(예를 들어, 횡방향으로) 발생할 수 있고, 제2 방향으로 이동은 레이저원을 이동시킴으로써(예를 들어, 종방향으로) 발생할 수 있다. 또한 선택적으로, 레이저원은 회전축과 평행하게 이동될 수 있다. 이와 같이, 레이저 광원은 예를 들어, 이후에 크랭크 샤프트의 다른 저널에 작용하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 많은 실시예에서, 공작물은 다수의 오일 윤활 홀을 가진 크랭크 샤프트일 수 있다.
본 발명의 추가적인 관점은 크랭크 샤프트 표면 레이저 경화 방법에 관한 것으로, 크랭크 샤프트는 메인 저널, 로드 저널 및 오일 윤활홀을 포함한다. 이 방법은:
표면에 레이저 스폿을 발생시키고, 크랭크 샤프트를 회전시킴으로써(예를 들어, 메인 저널의 중심축과 일치할 수 있는 축을 중심으로) 레이저원에 관한 표면을 이동시켜, 레이저원으로부터 레이저 빔을 경화될 표면 위로 투사하는 단계를 포함한다.
본 발명의 상기 관점에 따라, 크랭크 샤프트 회전 동안, 표면을 가열하기 위해, 예정된 스캐닝 패턴에 따라 레이저 빔은 저널 표면의 적어도 일 부분을 가로질러 스캔된다. 표면의 열 감도가 작은 하위 구역보다 열 감도가 큰 하위 구역에 적은 에너지를 가하기 위해 스캐닝이 수행된다. 용어 예정된은 예정된 방식으로 및/또는 온도 센서 또는 온도 카메라 종류에서 피드백을 기반으로 한 제어 시스템에 따라 작동 중에 스캐닝 패턴의 역동적인 조정 가능성을 제외하지 않는다.
예를 들어, 표면의 열 감도가 작은 하위 구역보다 열 감도가 큰 하위 구역에 적은 에너지를 가하기 위해, 레이저 빔의 출력을 실질적으로 변함없이 유지하도록, 스캐닝 속도 및/또는 스캐닝 패턴(즉, 레이저 빔이 표면을 따라가는 패턴 또는 경로)을 조정하도록 스캐닝이 수행될 수 있다. 본 발명의 다른 관점에서, 예를 들어, 스캐닝 패턴의 세그먼트에 해당하는 레이저 빔의 온-오프 상태를 역동적으로 조정함으로써,표면의 열 감도가 작은 하위 구역보다 열 감도가 큰 하위 구역에 적은 에너지를 가하기 위해, 스캐닝 패턴을 실질적으로 변함없이 유지하도록, 스캐닝 속도 및/또는 빔 출력을 조정하도록 스캐닝이 수행될 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 열 감도가 큰 구역은 크랭크 샤프트 저널의 축 단부에서 오일 윤활 홀에 인접한 구역 및/또는 필릿에 인접한 구역을 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 스캐닝 패턴은 다수의 세그먼트를 포함하고, 각 세그먼트에 해당하는, 출력 상태에 맞는 출력 수준으로 레이저 빔의 출력을 설정하기 위해 빔 출력 상태는 각 세그먼트에 할당된다. 레이저는 빔 출력 상태에 의해 요구되는 것과 같이 레이저 빔의 출력을 변화시키기 위해 배치되어서, 출력 상태에 의해 결정된 것과 같이 다른 세그먼트와 비교해서 세그먼트 중 일부는 빔 출력이 다를 것이다. 스캐닝 패턴을 따라 레이저 스폿의 스캐닝은 초당 적어도 300세그먼트, 바람직하게 초당 적어도 600세그먼트, 더 바람직하게 초당 적어도 1,000세그먼트, 더 바람직하게 초당 적어도 5,000세그먼트, 좀 더 바람직하게 초당 적어도 10,000세그먼트의 속도로 바람직하게 발생하고, 스캐닝 패턴은 적어도 10 Hz, 더 바람직하게 적어도 50 Hz, 좀 더 바람직하게 적어도 100 Hz의 주파수로 반복된다. 이와 같이, 예를 들어, 스캔되는 구역의 열 감도에 따라 조정되어 가열되는 구역 전체에 출력 또는 에너지 분포를 허용하고, 높은 주파수로 스캐닝 패턴을 반복하고, 그렇게 함으로써 현재 가열되는 구역 내부 온도 변동을 줄임으로써 스캐닝 패턴의 분할 또는 모자이크가 달성될 수 있다.
본 발명의 많은 실시예에서, 레이저원은 “온”상태에서 “오프”상태 또는 그 반대로 전환하는데 대략 100 μs 또는 100 μs 미만을 요구하는 광섬유 레이저와 같은 광섬유 레이저를 포함한다. 광섬유 레이저는 일반적으로 다이오드 레이저(diode laser)와 같이 경화 목적을 위해 충분한 출력으로 빔을 발생시키는 다른 종류의 레이저보다 더 비싸고, 통상의 기술자는 크랭크 샤프트와 같은 공작물 경화를 위해 광섬유 레이저를 사용하는 것을 주저할 수 있다. 그러나, 광섬유 레이저는 빠른 온/오프 전환을 허용하고, 라인들을 따라 및/또는 등가 레이저 스폿의 하위 구역 또는 픽셀 내부에 에너지를 분포시키기 위해, 유효 레이저 스폿 전체로 빔이 예정된 스캐닝 패턴을 따라가는 동안 레이저 온/오프 전환에 의해 충분한 에너지 분포를 얻는데 특히 유용할 수 있다. 또한, 광섬유 레이저는 높은 품질과 비교적 작은 지름을 가진 빔을 발생시켜, 집중된 레이저 스폿과 빔의 출구 사이 초점 거리가 커질 수 있고, 스캐닝 미러 또는 유사한 것의 이동이 작아질 수 있는 스캐닝의 경우에, 및 크랭크 샤프트와 같이 복잡한 물체의 표면 전체에 레이저 빔을 스캐닝하는 경우에, 장점이 될 수 있고, 평행추/균형추(counterweight)와 벽은 짧은 초점 거리를 구비한 레이저 빔에 대한 장애물을 나타낼 수 있다.
본 발명의 추가적인 관점은 공작물 표면의 적어도 일부 경화를 위한 시스템에 관한 것으로, 시스템은 공작물 표면과 레이저원 사이를 상대 이동시키기 위한 레이저원 및 수단을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 레이저원은 1 또는 2차원으로 공작물 표면 부분을 가로질러 레이저 빔의 스캐닝을 위한 스캐닝 수단이 제공되거나 관련되어 있다. 시스템은 시스템 작동을 제어하기 위해 컴퓨터, 컴퓨터 시스템, PLC 등과 같은 전기적 제어 수단을 추가적으로 포함한다.
본 발명의 상기 관점에 따라, 위에서 설명된 관점 중 어느 하나에 따른 방법을 수행하기 위해, 전기적 제어 수단이 시스템 작동을 위해 배치된다.
스캐닝 패턴, 즉, 패턴의 경로, 및/또는 스캐닝 속도, 및/또는 레이저 빔 출력, 및/또는 레이저 스폿 크기, 및/또는 경화될 표면에서 레이저 빔의 파장 또는 입사각의 기하학적 구성과 같은 파라미터를 수정함으로써, 시스템은 경화될 표면을 따라, 경화될 표면을 가로질러 가열을 최적화하는데 유연성을 제공한다. 시행착오 실험은 시험 공작물로 또는 컴퓨터 시뮬레이션을 사용함으로써 수행될 수 있고, 열 감도가 큰 구역의 과도한 저하 또는 물품 없이 받아들일 수 있는 경화 특성을 제공하는 것보다 파마미터의 조합에 도달할 때까지, 길이 및 세그먼트의 위치/방향, 각 세그먼트에 대한 스캐닝 속도, 각 세그먼트에서 레이저빔의 출력 등과 같은 파라미터의 값을 조작자가 역동적으로 수정할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점은 위에서 설명한 바와 같이 시스템으로 실행될 때 위에서 설명된 본 발명의 관점 중 어느 하나의 방법을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 프로그램 및 컴퓨터 프로그램을 저장하는 정보 캐리어(적합한 메모리 장치 또는 전기 신호)에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 관점은 크랭크 샤프트 저널 표면 레이저 경화 장치에 관한 것으로, 저널은 중앙에 위치한 적어도 두 개의 메인 저널과 적어도 하나의 오프셋 로드 저널을 포함하고, 장치는:
크랭크 샤프트를 지지하고 선택적으로 크랭크 샤프트 종방향 축을 중심으로 크랭크 샤프트를 회전시키기 위해 배치된 크랭크 샤프트 지지부;
저널에 레이저 스폿을 발생시키기 위해, 크랭크 샤프트 저널 위에 레이저 빔을 투사하도록 배치된 적어도 하나의 레이저원을 포함한다.
저널 표면에 2차원 스캐닝 패턴을 만들기 위해, 상기 레이저원은 2차원으로 레이저 빔을 스캐닝하기 위한 두 방향으로 작용하는 스캐닝 수단을 포함한다. 2차원 스캐닝 패턴의 사용은 경화될 표면 전반에 레이저 스폿을 반복적으로 스캐닝함으로써 유효 레이저 스폿을 만드는 것을 가능하게 하고, 종방향 축을 중심으로 크랭크 샤프트의 단일 회전 또는 저널 주변에서 유효 레이저 스폿의 단일 360도로 지나가는 중에 크랭크 샤프트 전체 저널 가열을 허용하기 위해 크랭크 샤프트의 종방향 축과 평행한 방향으로, 및 크랭크 샤프트 관점에서 시간당 충분한 제조 속도를 얻기 위한 충분한 속도로 크랭크 샤프트를 회전시킴과 동시에 바람직한 경화 깊이가 달성되는 충분한 시간 동안 가열이 발생하는 것을 허용하기 위해, 크랭크 샤프트의 원주 방향에 해당하는 또 다른 방향으로 유효 레이저 스폿은 충분한 면적을 구비한다. 오일 윤활 홀에 인접한 구역과 같이 열 감도 하위 구역의 과열 방지를 위한 장치의 작동 중에, 역동적으로 조정될 수 있는 에너지 분포를 얻기 위해, 두 방향으로 스캐닝은 예를 들어, 다른 출력 수준이 할당된 다수의 세그먼트 내에서 스캐닝 패턴의 계열과 결합될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 종방향 축을 중심으로 크랭크 샤프트의 회전 중에 종방향 축에 관해 오프셋 되는 로드 저널과 레이저원 사이 변함없는 거리를 유지하기 위해, 크랭크 샤프트 지지부와 레이저원은 종방향 축과 직교하는 적어도 두 개의 다른 방향으로 서로에 관해 이동 가능하다.
예를 들어, 상기 레이저원은 제1 방향으로, 바람직하게 수직으로 이동될 수 있고, 크랭크 샤프트 지지부는 제 2방향으로, 바람직하게 수평으로 이동될 수 있고, 제1 및 제2 방향 모두 종방향 축과 직교한다. 본 발명의 일부 실시예에서, 다수의 크랭크 샤프트 저널에 작용하기 위해, 레이저원은 크랭크 샤프트의 종방향 축과 평행하여 더욱 이동될 수 있다. 예를 들어, 레이저 스폿이 다른 출력 상태인, 즉, 바람직한 출력 수준이 할당된 세그먼트를 가지는 스캐닝 패턴을 따라갈 때, 출력 수준 사이 빠른 전환을 수용하기 위해, 레이저원은 빠른 온/오프 전환, 및/또는 다른 빔 출력 수준 사이 빠른 전환에 적합한 광섬유 레이저 또는 다른 레이저와 같은 레이저를 포함할 수 있다.
상기 장치는 다수의 파라미터 값 세트를 포함하는 스캐닝 패턴 중에서 스캐닝 패턴과 관련된 파라미터 값을 저장하는 메모리를 구비한 제어 장치를 포함할 수 있고, 파라미터 값의 제1 세트는 크랭크 샤프트 저널에서 제1 2차원 에너지 분포로 결정하고 파라미터 값의 제2 세트는 저널에서 제2 2차원 에너지 분포로 결정한다. 크랭크 샤프트 저널의 실질적인 부분의 경화 중에 파라미터 값의 제1 세트를 적용하기 위해, 오일 윤활 홀에 인접한 구역이 가열될 때 파라미터 값의 제2 세트를 적용하기 위해 제어 시스템이 배치될 수 있다. 명백하게, 파라미터 값의 추가적인 세트가 존재할 수 있다. 이와 같이, 예를 들어, 크랭크 샤프트 종방향 축을 중심으로 크랭크 샤프트의 회전 중에, 열 감도가 큰 하위 구역의 과열 방지를 위해 2차원 에너지 분포는 역동적으로 조정될 수 있다. 파라미터 값은 빔 출력과 스캐닝 속도를 포함하여 위에서 설명된 파라미터 값 중 어느 하나가 포함될 수 있다.
2차원 스캐닝 패턴에 의해 덮인 구역에 인접한 또는 내부와 같이, 2차원 스캐닝 패턴에 해당하는 열 감도가 큰 하위 구역의 모습과 동기화(synchronism) 하여, 파라미터 값의 제1 세트와 파라미터 값의 제2 세트, 및 선택적으로, 메모리에 저장된 파라미터 값의 추가적인 세트가 종방향 축을 중심으로 크랭크 샤프트의 회전 중에 선택적으로 적용됨에 따라 경화 과정의 제어를 위해 제어 장치가 배치될 수 있다. 즉, 오일 윤활 홀에 인접한 구역이 가열될 때, 즉, 예를 들어, 크랭크 샤프트 회전 중에, 크랭크 샤프트의 오일 윤활 홀이 레이저 빔에 의해 현재 스캔되는 구역에 도달했을 때, 제어 장치는 예를 들어, 2차원 에너지를 변화시킬 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 스캐닝 패턴은 파라미터 값 중 적어도 하나가 할당된 다수의 세그먼트를 포함하는 분할된 스캐닝 패턴일 수 있다. 적어도 하나의 파라미터 값은 스캐닝 속도, 레이저 스폿 크기, 레이저 빔의 출력, 레이저 빔 내부 출력 분포, 일치하는 세그먼트의 길이 및 일치하는 세그먼트의 방향 중 적어도 하나를 나타낼 수 있다. 예를 들어, 스캐닝 속도의 적절한 선택, 즉, 세그먼트를 따라 레이저 스폿의 속도, 및/또는 레이저 빔의 출력은 스캐닝 패턴으로 덮인 구역 전반에 에너지 분포를 결정하는데 사용될 수 있다. 동적으로 가변적인 에너지 분포를 시행하고 크랭크 샤프트에 에너지 분포를 조정하기 위한 분할된 접근의 일부 장점은 위에서 설명된다.
본 발명의 일부 실시예에서, 초당 적어도 300세그먼트, 바람직하게 초당 적어도 600세그먼트, 더 바람직하게 초당 적어도 1,000세그먼트, 더 바람직하게 초당 적어도 5,000세그먼트, 좀 더 바람직하게 초당 적어도 10,000세그먼트의 평균 속도로 스캐닝을 수행하기 위해 장치가 배치된다. 위에서 설명한 바와 같이, 초당 많은 양의 세그먼트는 예를 들어, 짧은 사이클 시간 즉, 50 Hz 또는 그 이상의 반복률로 6 또는 그 이상의 양과 같이, 합리적인 양의 세그먼트로 스캐닝 패턴을 결합하는데 유용할 수 있다.
본 발명의 추가적인 관점은 공작물 표면 구역 경화를 위한 기계 또는 장치에 관한 것이다. 용어 “표면 구역”은 폭넓게 해석된다: 상기 용어는 공작물 표면 일부 또는 공작물 전체 표면을 나타낼 수 있다; 예를 들어, 크랭크 샤프트 저널 표면 또는 표면 일부를 나타낼 수 있다. 명백하게, 기계는 하나 이상의 공작물 표면 구역을 경화하는데 유용할 수 있는데, 예를 들어, 크랭크 샤프트의 경우, 기계는 표면 또는 일부 표면 대부분 또는 메인 저널 및/또는 로드 저널 모두를 경화하기 위해 배치될 수 있다. 표면 구역(또는 표면 구역 중 적어도 하나)은 적어도 하나의 열 감도가 작은 하위 구역과 적어도 하나의 열 감도가 큰 하위 구역을 포함한다.
상기 장치는 표면 구역 위에 유효 레이저 스폿을 투사하기 위해 배치된 레이저원과(예를 들어, 바람직한 횡단면을 가지는 것으로 구성된 빔을 표면 구역 위에 향하게 함으로써, 또는 가상 또는 등가 유효 레이저 스폿을 창출함으로써, 표면 구역에 스캐닝 패턴을 따라 “실제”레이저 스폿을 스캐닝함으로써) 표면 구역과 유효 레이저 스폿 사이를 상대 이동시키기 위한 수단(본 발명의 일부 실시예에서, 상기 수단은 크랭크 샤프트 저널 주변과 같이, 공작물 부분 주변에 유효 레이저 스폿을 지나가게 하기 위해 축을 중심으로 공작물을 회전시키는 수단을 포함하거나 구성된다)을 포함해서, 경화를 위한 적합한 온도로 표면 구역의 다른 부분 또는 일부를 이후에 계속적으로 가열하기 위해, 유효 레이저 스폿은 표면 구역을 따라 이동된다. 즉, 유효 레이저 예를 들어, 스폿이 크랭크 샤프트 저널의 원주 방향으로 표면 구역을 따라 또는 크랭크 샤프트 종 방향으로 저널의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝을 따라 전진할 때, 퀀칭이 일어날 것을 감안하여, 이전에 가열된 부분이 냉각되는 것이 허용되는 동안 유효 레이저 스폿은 계속적으로 새로운 부분을 가열한다. 유효 레이저 스폿은 2차원 에너지 분포를 특징으로 하기 위해 배치되는데, 예를 들어, 유효 레이저 스폿을 가로질러, 및 유효 레이저 스폿을 따라 에너지가 균일하게 많이 혹은 적게 분포될 수 있거나, 또는 많은 에너지/출력은 유효 레이저 스폿의 다른 구역보다 유효 레이저 스폿의 일부 구역에 가해질 수 있다.
상기 장치는 하나 또는 그 이상의 프로그램 작동이 가능한 장치를 포함하는 전기적 제어 시스템과 같이 장치의 작동을 제어하기 위한 제어 시스템을 추가적으로 포함하고, 상기 제어 시스템은 2차원 에너지 분포를 수정하기 위해 배치되어, 열 감도가 큰 하위 구역과 열 감도가 작은 하위 구역간에 에너지 분포가 다르다. 그렇게 함으로써, 열 감도가 작은 하위 구역의 충분한 가열을 하는 동안 열 감도가 큰 하위 구역의 과열을 방지하면서, 바람직한 경화 깊이와 경화될 표면 구역 모두의 또는 대부분의 품질이 달성되도록 표면 구역의 가열이 최적화될 수 있다. 용어 “열 감도가 큰”및 “열 감도가 작은”은 폭넓게 해석되어야 하고, 다른 특성 때문에, 일반적으로 유효 레이저 스폿에 의해 적은 에너지 또는 많은 에너지를 받아야 하는 다른 표면 구역으로 나타낸다. 예를 들어, 열 감도가 작은 하위 구역은 바람직한 경화에 도달하기 위해 열 감도가 큰 하위 구역보다 많은 에너지를 요구하는 구역이 될 수 있고, 열 감도가 큰 하위 구역은 예를 들어, 손상을 피하기 위해 또는 공작물 구조 때문에, 바람직한 경화에 도달하는데 적은 열이 요구되기 때문에 적은 에너지를 받아야 한다.
레이저원에 대한 언급은 적어도 하나의 레이저원의 존재를 나타내지만 추가적인 레이저원의 존재를 배제하는 것은 아니고, 레이저원은 유효 레이저 스폿을 공동으로 형성하는데 및/또는 다수의 다른 유효 레이저 스폿을 만드는데 사용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 적어도 하나의 열 감도가 큰 하위 구역은
- 표면 구역에 오일 윤활 홀과 같은 홀에 인접한 구역;
및/또는
- 언더컷 필릿과 같은 필릿;
및/또는
- 유효 레이저 스폿이 크랭크 샤프트의 원통형 저널과 같은 물체의 원주를 따라 360도 궤도 끝에 도달하는 부분과 같이, 이전에 경화된 표면 구역의 부분을 포함한다.
열 감도가 작은 하위 구역은 예를 들어, 오일 윤활 홀 및/또는 필릿 및/또는 이전에 경화된 부분과 떨어진 크랭크 샤프트 저널 표면과 일치한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 장치는 작동을 위해 구성되고 계획되어, 유효 레이저 스폿은 일정한 크기를 갖고 일정한 속도로 표면 구역을 따라 이동하므로, 표면 구역을 따라 유효 레이저 스폿 이동의 적어도 일부, 바람직하게 적어도 50%, 더 바람직하게 적어도 90%, 좀 더 바람직하게 100%인 중에, 유효 레이저 스폿에 의해 가열될 표면 구역 내부 부분은 적어도 0.5초, 바람직하게 적어도 1초 동안 가열된다. 이를 통해, 많은 응용으로 경화된 층의 충분한 깊이를 달성하는데 도움이 될 수 있는 것을 알게 된다. 재료에 충분한 열이 전해지는 것을 허용하기 위해 충분하게 긴 가열 시간은 바람직할 수 있다. 예를 들어, 높은 온도를 요구하지 않아 예를 들어, 공작물 재료의 용융 온도에 가깝거나 초과하는 온도는 경화 품질에 부정적으로 영향을 끼칠 수 있는 자동차 산업에서 보통 요구되는 경화 깊이에 도달하는데 침투하는 충분한 열을 감안하여, 적어도 0.5 또는 1초, 선택적으로 5초보다 짧은, 3초보다 훨씬 짧은 시간이 예를 들어, 크랭크 샤프트 저널 경화에 적절할 수 있다. 본 발명의 상기 실시예 일부에서, 유효 레이저 스폿이 표면 구역을 따라 이동하는 방향으로(예를 들어, 종방향 축 중심으로 크랭크 샤프트의 회전에 의해 유효 레이저 스폿이 저널을 중심으로 원주 방향으로 이동될 때, 크랭크 샤프트 저널의 원주 방향으로) 유효 레이저 스폿 크기는 적어도 5 mm, 바람직하게 적어도 7 mm, 더 바람직하게 적어도 10 mm, 좀 더 바람직하게 적어도 15 mm, 20 mm, 30 mm 또는 적어도 50 mm 와 같이 그 이상이다. 적어도 0.5초 또는 적어도 1초와 같은 충분한 시간 동안 경화될 각 부분의 가열을 유지하는 필요성은 경화될 표면 구역을 따라 유효 레이저 스폿이 이동될 수 있는 속도로 제한한다. 대략 몇 mm의 지름 또는 폭을 가진 전형적인 크기의 레이저 스폿를 구비한 유효 레이저 스폿일 때, 가열에 요구되는 기간은 예를 들어, 공작물의 관점에서 시간당 생산성에 부정적으로 영향을 끼치는 다소 낮은 속도로 경화될 표면 구역을 따라 레이저 스폿이 이동하는 것으로 나타낸다. 이와 같이, 충분한 가열 시간을 여전히 감안하는 동안 빠른 속도로 유효 레이저 스폿이 이동할 수 있음으로써, 경화될 표면 구역을 따라 유효 레이저 스폿이 이동하는 방향으로 큰 폭 또는 길이를 구비한 유효 레이저 스폿을 사용하는 것은 생산성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 장치는 유효 레이저 스폿의 다수 세그먼트를 발생시킴으로써 유효 레이저 스폿을 만들기 위해 배치되고, 다수 세그먼트는 최소 6 세그먼트를 포함하고, 세그먼트의 에너지 밀도 및/또는 분포를 선택적으로 수정함으로써, 세그먼트에 할당되는 파라미터 값에 따라 2차원 에너지 분포를 수정하기 위해 제어 시스템이 배치되고(즉, 특정 시간 간격 중에 스캐닝 패턴, 스캐닝 사이클의 세그먼트 경우와 같이, 각 세그먼트에 해당하는 에너지), 파라미터 값은 제어 시스템의 메모리에 저장된다. 위에서 설명된 바와 같이, 예를 들어, 표면 구역의 특성으로 표면 구역의 가열을 조정해 다른 에너지 분포 패턴을 만들 수 있는 유연성 및 평이함 때문에, 분할된 접근은 중요한 장점을 나타낸다. 예를 들어, 각각 세 개의 세그먼트를 포함하는 두 개의 열로 배치된 6개의 세그먼트로 된 간단한 패턴을 사용하는 것과, 경화되는 크랭크 샤프트 저널 중간에 놓인 오일 윤활 홀에 레이저 스폿이 접근할 때, 하나 또는 두 개의 중앙 세그먼트 출력을 감소시키는 것은 저널 표면 주변 부분에 가해지는 에너지와 비교하여 오일 윤활 홀에 인접한 곳에 가해지는 에너지를 줄일 수 있다. 그렇게 함으로써, 오일 윤활 홀 가장자리를 피해 오일 윤활 홀 측면에서와 같이, 오일 윤활 홀에서 멀리 떨어진 표면의 충분한 경화를 유지하는 동안, 오일 윤활 홀에 인접한 구역의 과열에 대한 리스크를 줄일 수 있다. 많은 양의 세그먼트는 2차원 에너지 분포를 경화되는 표면의 열 감도 특성으로 매우 정확한 조정이 허용될 수 있다. 세그먼트는 예를 들어, 행과 열의 배열로 배치될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 레이저원의 레이저빔에 의한 2차원 스캐닝을 위해 배치된 레이저원은 스캐닝 수단을 포함하고, 스캐닝 패턴을 따라가는 유효 레이저 스폿을 발생시키기 위해, 2차원으로 레이저 빔을 스캐닝하기 위한 (분할된 유효 레이저 스폿의 경우에, 본 발명의 많은 실시예에서 스캐닝 패턴은 다수의 세그먼트를 포함할 수 있다)제어 시스템이 배치되고, 스캐닝 패턴은 적어도 10 Hz, 바람직하게 적어도 50 Hz, 더 바람직하게 적어도 100 Hz, 좀 더 바람직하게 적어도 200 Hz의 반복률로 반복된다. 표면을 따라, 및 표면을 가로질러 작은 레이저 스폿을 이동시키기 위해, 큰 유효 레이저 스폿을 발생시키기 위해, 레이저 빔을 스캐닝하는 것은 유효 레이저 스폿 전체 에너지 분포에 관하여 큰 유연성을 제공하여 유리하다. 다른 한편으로, 스캐닝 패턴의 높은 반복률은:
- 1 또는 그 이상의 ㎠인 상대적으로 큰 크기의 유효 레이저 스폿을 허용하는데, 그렇게 함으로써 한편으로, 유효 레이저 스폿의 이동 방향과 직교하는 방향으로 상대적으로 큰 폭의 레이저 스폿을 허용한다. 예를 들어, 원주 방향으로 레이저 스폿이 이동하는 크랭크 샤프트 저널 경화의 경우에, 유효 레이저 스폿은 저널을 가로지르는 방향(즉, 크랭크 샤프트의 종방향으로)으로 상대적으로 큰 폭을 가질 수 있어서, 유효 레이저 스폿은 저널의 대부분 또는 전체 폭으로 연장될 수 있고, (저널 주변 유효 레이저 스폿이 한 번 통과함으로써 가열될 저널의 전체 표면 구역). 다른 한편으로, 동시에, 경화될 표면 구역을 따라 유효 레이저 스폿의 이동 방향에서 유효 레이저 스폿의 크기는 위에서 설명한 것과 같이, 충분한 가열 기간과 결합하여 상대적으로 빠른 속도로의 이동을 충분히 허용하기 위해 커질 수 있다.
- 동시에, 현재 가열되고 있는 구역 내부 실질적인 온도 변동을 피할 수 있도록 허용한다: 높은 반복률은 이전에 가열된 구역 온도가 많이 내려가는 것을 허용하기 전에 가열된 부분이 재가열 될 수 있도록 한다.
스캐닝 패턴은 루프 형상인 인접 세그먼트의 형상 또는 평행한 라인과 같은 다수의 라인의 형상 또는 다른 적합한 구성을 가질 수 있는 형상으로 될 수 있다. 2차원 에너지 분포를 조정하는 것은 일부 세그먼트 또는 모든 세그먼트의 길이 및/또는 위치를 조정하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 파라미터 값은 스캐닝 패턴의 해당 세그먼트에 해당하는 빔 출력 수준 및/또는 빔의 스캐닝 속도를 나타낸다. 이와 같이, 가열에 의해 경화될 표면 구역을 따라 유효 레이저 스폿 이동의 각 구체적인 순간에 가해지는 2차원 에너지 분포는 각 세그먼트에 할당된 빔 출력 값 및/또는 스캐닝 속도에 의해 결정될 수 있다. 하나의 옵션과 다른 옵션 사이 선택 또는 양자의 선택은 위에서 설명한 바와 같이 예를 들어, 레이저원의 특성과 스캐닝 시스템의 특성에 의지할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 파라미터 값은 해당 세그먼트의 위치 또는 길이를 나타낼 수 있다. 또한, 위에서 설명한 바와 같이 다른 옵션이 가능하고, 하나 또는 다수의 옵션은 결합으로 사용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 장치는 크랭크 샤프트의 적어도 하나의 저널에 경화를 위해 계획되고, 장치는 크랭크 샤프트의 종 방향으로, 크랭크 샤프트 저널의 50% 이상, 바람직하게 75%, 85% 이상보다 더, 또는 90%, 95% 이상보다 더, 99% 이상 또는 100%와 같이 가로질러 연장하는 유효 레이저 스폿을 발생시키기 위해 계획되고, 특히 주요부 전반에, 100%를 넘지 않는 경우, 경화될 표면 구역, 예를 들어, 유효 표면 경화 심도가 예를 들어, 적어도 800 μm 또는 그 이상인 표면 구역이 바람직하다. 크랭크 샤프트 표면의 매우 구체적인 부분을 경화하는데 작은 레이저 스폿을 사용하는 기술은 잘 알려져 있다. 그러나, 본 발명은 단일 조사 또는 일부의 조사로 주요 표면(예를 들어, 크랭크 샤프트 저널의 일반적인 표면)의 경화를 허용함과 동시에, 가열되는 표면 구역 부분의 특성에 따라 가열을 조정하고, 예를 들어, 오일 윤활 홀 및/또는 다른 열 감도가 큰 하위 구역의 존재를 고려한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 제어 시스템은 다수의 데이터 세트를 저장하기 위해 배치된 메모리를 포함하고, 각각의 데이터 세트는 유효 레이저 스폿의 2차원 에너지 분포를 나타내서, 유효 레이저 스폿이 표면 구역을 따라 이동되는 동안 유효 레이저 스폿이 열 감도가 작은 하위 구역 위에 투사될 때 레이저원을 작동시켜 다수의 데이터 세트 중 하나를 사용함으로써, 유효 레이저 스폿이 열 감도가 큰 하위 구역 위에 투사될 때 레이저원을 작동시켜 다수의 데이터 세트 중 또 다른 하나를 사용함으로써 유효 레이저 스폿의 2차원 에너지 분포 조정을 위해 장치가 배치된다. 이와 같이, 구체적인 크랭크 샤프트와 같은 구체적인 제품에서 장치를 조정할 때, 조작자는 예를 들어, 오일 윤활 홀에서 멀리 떨어진 저널의 일부를 위한 제1 2차원 에너지 분포 또는 오일 윤활 홀에 인접한 구역을 위한 더 다른 2차원 에너지 분포와 같이 크랭크 샤프트 다른 부분에 충분한 에너지 분포를 설계할 수 있고, 제어 시스템의 메모리에 파라미터의 해당 세트를 저장할 수 있고, 유효 레이저 스폿이 저널 주변 또는 저널을 따라 이동하는 동안, 오일 윤활 홀 및 가열이 수행되는 곳에서 조정 방법을 요구하는 다른 구역의 모습과 동기화하여 유효 레이저 스폿의 에너지 분포를 역동적으로 수정하기 위해 제어 시스템을 계획할 수 있다.
본 발명의 추가적인 관점은 크랭크 샤프트와 같은 공작물의 적어도 하나의 표면 구역 레이저 경화 방법에 관한 것으로, 위에서 설명한 것과 같은 장치를 사용하여 경화를 위한 온도로 공작물의 표면 구역을 가열하는 단계와, 퀀칭을 발생시키기 위해 표면 구역의 가열된 부분이 냉각되는 것을 허용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 관점은 다수의 저널을 포함하는 크랭크 샤프트에 관한 것으로, 저널 중 적어도 하나는 위에서 설명된 본 발명의 관점 중 하나에 따른 방법에 의해 경화되는 표면을 구비한다.
본 발명의 또 다른 관점은 크랭크 샤프트 저널의 레이저 경화를 위해 위에서 설명된 것 중 하나와 같은 장치를 프로그래밍하는 방법에 관한 것으로,
표면 구역을 따라 경화되고 이동될 표면 구역 위에서 투사되는 유효 레이저 스폿의 구체적인 2차원 에너지 분포에 해당하는 각 데이터 세트의 다수 데이터 세트를 만들기 위해, 다수의 세그먼트로(유효 레이저 스폿을 만드는 레이저 빔 스폿에 의해 따라가지는 스캐닝 패턴의 세그먼트) 레이저 빔 출력 및/또는 스캐닝 속도 및/또는 세그먼트 길이 및/또는 세그먼트 방향과 같은 파라미터 값과 관련된 에너지 분포를 할당하는 단계,
데이터 세트를 저장하는 단계, 및
표면 구역의 열 감도가 큰 하위 구역 가열을 위한 데이터 세트 중 적어도 또 다른 하나에 따른 에너지 분포를 조정함으로써, 표면 구역을 따라 유효 레이저 스폿의 이동과 동기화하여 유효 레이저 스폿의 에너지 분포를 조정하기 위한 장치를 프로그래밍하는 단계를 포함한다. 위에서 설명한 바와 같이, 분할된 접근법은 통상의 기술자가 적합한 에너지 분포를 제조, 시험, 선택하는데 용이하게 해주고, 적합한 에너지 분포를 경화될 구역의 다른 하위 구역에 할당하는데, 예를 들어, 오일 윤활 홀 주변 구역으로 구체적인 데이터 세트를, 이전에 경화된 크랭크 샤프트 부분에 오버랩된 구역으로 다른 구체적인 데이터 세트를 할당하는데 용이하게 해준다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 방법은 데이터 세트를 만드는 단계 이후에, 스크린에서 해당 2차원 에너지 분포를 계산하고 시각화하는 단계를 포함한다. 다수의 경우에, 시각화는 스캐닝 패턴의 세그먼트와 같이, 세그먼트에 구체적으로 할당된 파라미터 값에 해당하는 선택된 2차원 데이터 세트가 크랭크 샤프트 해당 부분에 충분한 가열을 제공하는지 결정하는데 도움이 될 수 있다. 반면에 순수한 수학적 방법 및 컴퓨터는 세그먼트에 최적의 할당을 위해 파라미터 값을 계산하는데 사용될 수 있고, 시각화는 통상의 기술자가 다루는 도구로 유용할 수 있다.
사용될 적합한 레이저는 2kW-10kW 범위 출력을 구비한 빔(상한과 하한이 범위에 포함되어 있는)과 같은 높은 빔 출력을 제공하는 것일 수 있는 것을 알게된다. 이러한 레이저는 예를 들어, 특히 크랭크 샤프트 표면 경화를 위해 적절할 수 있다.
일반적으로, 이러한 종류의 레이저로, 예를 들어, 크랭크 샤프트의 표면 경화를 위해, 경화될 표면 위에 투사되는 레이저 스폿은 바람직하게 대략 3 mm 와 같이, 2 mm 내지 5 mm 범위인 지름을 가질 수 있다. 이 종류의 스폿은 2kW-10kW 레이저 빔을 사용하여 크랭크 샤프트 경화를 위해 적절한 것이라고 여겨진다.
선택적으로, 열 감도가 큰 하위 구역 인근 및/또는 경화된 구역의 모서리 또는 단부 섹션을 제외하고, 경화된 구역에서 적어도 800 μm 또는 그 이상(예를 들어, 적어도 1200 μm 또는 적어도 1500 μm 또는 2000 μm 또는 그 이상)의 경화된 층의 유효 경화 심도를 달성하기 위해 경화는 바람직하게 수행된다. 상기 경화 깊이는 예를 들어 크랭크 샤프트에 적절하다. 2kW-10kW 범위의 출력을 구비한 레이저를 사용하는 것으로 여겨지고, 경화 깊이는 레이저 빔을 크랭크 샤프트에 대략 2-6분(정확한 시간은 빔 출력, 경화될 표면 구역, 층의 깊이와 같은 특성에 의존한다)을 가하여 달성될 수 있다; 여러 크랭크 샤프트를 평행으로 처리함으로써, 사이클 시간이 실질적으로 감소될 수 있다: 예를 들어, 두 개 혹은 세 개의 크랭크 샤프트를 평행으로 처리함으로써, 일반적으로 대략 1분의 사이클 시간이 달성될 수 있다. 요구되는 깊이는 일반적으로 800 μm에서 2000 μm까지 또는 그 이상의 범위일 수 있다.
스캐닝 패턴 및 빔의 출력, 및 레이저 스폿 크기, 스캐닝 속도와 같은 다른 파라미터, 및/또는 레이저 빔의 입사각의 조정은 레이저 빔과 특정 구역 사이 작용 시간이 증가하는 것을 가능하게 하고, 경화된 층의 깊이가 증가하는데 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 특정 패턴이 레이저원과 경화될 표면 사이 상대 이동의 방향으로 확장되는 경우, 및/또는 레이저 빔과 표면 사이 입사각이 줄어드는 경우(예를 들어, 원형 횡단면을 구비한 표면 부분에 관한 빔을 중심에서 벗어나게 함으로써, 또는 평평한 표면에 관한 빔을 기울게 함으로써), 표면에서 빔과 특정 지점 사이 작용 기간이 증가될 수 있고, 경화된 층의 증가된 깊이에 기여할 수 있다.
스캐닝 속도(즉, 경화될 표면 전체에서 스캐닝 시스템에 의해 스캔될 레이저 스폿의 속도)는 스캐닝 패턴 또는 경로를 따라 바뀔 수 있으나, 위에서 설명한 바와 같이, 평균 스캐닝 속도는 일반적으로 2000 mm/s에서 8000mm/s까지의 범위에 존재할 수 있다; 이러한 스캐닝 속도는 2kW 내지 10kW 범위의 출력을 구비한 레이저 빔을 사용할 때, 크랭크 샤프트 표면 경화를 위해 적절할 수 있다.
명백하게, 서로 양립 가능하면 언제든지, 위에서 설명된 다른 관점이 서로 결합될 수 있다.
설명을 완성하고 본 발명의 이해를 돕기 위해, 도면들이 제공된다. 상기 도면들은 설명의 필수적인 부분으로 구성되고 본 발명을 수행하는 다른 방법들로 도시되나, 본 발명의 범위로 제한 해석 해서는 안되고, 본 발명이 어떻게 수행될 수 있는지에 대한 예로 보아야 한다.
도 1은 당 업계에 공지된 바와 같이 크랭크 샤프트의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 가능한 일 실시예에 따른 시스템의 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 발명의 가능한 일 실시예에 따른 레이저원(1) 일부와 공작물 일부의 정면도이다.
도 4a 및 도 4b는 경화 처리과정의 두 가지 순간에 도 3의 실시예에 있는 공작물 부분의 평면도이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 상기 실시예의 변화에 따른, 경화 처리과정의 두 가지 순간에 공작물 부분의 평면도이다.
도 6a, 도 6b, 도 6c 및 도 6d는 출력 밀도가 높은 전방 부분(leading portion) 및 출력 밀도가 낮은 적어도 하나의 후미 부분(trailing portion)을 가지는 가상 레이저 스폿의 평면도이다.
도 7a 및 7b는 도 3에서 보여지는 배치의 변형에 의한 Y-Z 평면상에서의 두 개 측면도이다.
도 8은 본 발명의 일부 실시예들에서, 레이저원의 일부로 사용될 수 있는 편광자(polarizer)를 도식적으로 보여준다.
도 9는 컴퓨터 시스템 및 상기 컴퓨터 시스템에 의해 저장 및/또는 발생되는 스캐닝 패턴을 도식적으로 보여준다.
도 10은 상기 컴퓨터 시스템 내부의 메모리 위치들을 도식적으로 보여준다.
도 11은 본 발명의 대체 가능한 실시예에 따른 컴퓨터 시스템 내부의 메모리 위치들을 도식적으로 보여준다.
도 12a-12c는 오일 윤활 홀 주변을 경화할 때 어떻게 유효한 레이저 스폿의 에너지 분포를 조정하는지 도식적으로 보여준다.
도 13은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 어떤 것이 오일 윤활 홀의 확장에 고려될 수 있는지 도식적으로 보여준다.
도 14a 및 도 14b는 레이저 빔이 유효한 레이저 스폿을 스캔할 때의 주파수에 따른 가열된 구역 표면 온도 진동의 진폭을 도식적으로 보여준다.
도 15a 및 도 15b는 어떻게 유효한 레이저 스폿이 환형 세그먼트 경화에 의해 크랭크 샤프트 저널 경화를 발생시키는데 적용될 수 있는지 도식적으로 보여준다.
도 16a, 도 17a 및 도 18a는 도 16b 및 도 16c, 도 17b 및 도 17c, 도 18b 및 18c 각각에 따른 스캐닝 패턴으로 계산된 유효한 레이저 스폿 전체 에너지 및 출력 분포를 나타낸다.
도 16b, 도 17b 및 도 18b는 다른 스캐닝 패턴들의 세그먼트 배치를 도식적으로 보여주고, 도 16c, 도 17c 및 도 18c는 패턴의 다른 세그먼트에 할당된 다른 스캐닝 속도들을 도식적으로 보여준다.
도 19a-19c는 이전에 경화된 트랙의 부분에 유효한 레이저 스폿의 도달을 도식적으로 보여준다.
도 2는 본 발명의 가능한 일 실시예에 따른 시스템을 도시한다. 상기 시스템은 시스템에 수직한 Z축에 평행하는 수직방향으로, 제1 레이저 캐리지 구동 수단(12), 예를 들어 서보 모터(servomotor)나 다른 적합한 구동 수단으로 이동 가능한 레이저 캐리지(11)에 장착된 레이저원(1)을 수용하는 프레임 구조물을 포함한다. 이와 달리, 레이저원(1)은 또한 시스템에 수평한 X축에 평행하는 횡방향으로 트랙(14)을 따라 제2 레이저 캐리지 구동 수단(13), 예를 들어 또 다른 서보모터나 다른 적합한 구동수단으로 구동될 수 있다.
반면에, 상기 시스템은 두 개의 공작물 캐리지(20)를 포함하는데, 각 공작물 캐리지는 두 개의 공작물(1000)을 평행으로 수용할 수 있고(실시예에서, 공작물은 크랭크 샤프트이다), 각 공작물이 시스템의 X축과 평행한 중심축(실시예에서, 중심축은 크랭크 샤프트 메인 저널의 중심을 통과하는 종축과 일치한다)을 따라 회전시키기 위한 구동 수단(미 도시)을 포함한다. 이와 달리, 각 공작물 캐리지(20)는 X축과 수직인, 시스템의 Y축과 평행하는 횡 방향으로 공작물 캐리지를 이동시키기 위해 배치된 공작물 캐리지 구동 수단(21)(서보 모터나 다른 적합한 구동 수단)과 관련되어 있다.
횡 방향 및 종 방향에 대한 기준은 오직 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 다른 축 방향도 명백하게 가능하고 본 발명의 범위 내에 있다.
상기 경우에, 레이저원(1)은 제1 공작물 캐리지(20)에서 공작물들(1000) 중 하나와 관련된 부품의 표면을 경화시키는데 처음 사용된 후에 제1 공작물 캐리지(20)에서 다른 공작물과 관련된 부품 표면을 경화시키는데 사용되며, 이후에 제2 공작물 캐리지(20)와 마주하기 위해 트랙(14)을 따라 이동되고, 상기 공작물 캐리지(20)에 배치된 공작물(1000) 표면을 경화시키는데 사용된다. 레이저원(1)이 제2 공작물 캐리지 공작물에서 가동되는 동안에, 제1 공작물 캐리지의 공작물들이 새로운 공작물들이 레이저원에 의해 처리되도록 내려지고 대체될 수 있고, 반대로 레이저원(1)이 제1 공작물 캐리지 공작물에서 가동되는 동안에, 제2 공작물 캐리지의 공작물들이 레이저원에 의해 처리되도록 내려지고 대체될 수 있다.
명백하게, 많은 대안 가능성들이 있다. 예를 들어, 공작물 캐리지마다 하나의 공작물이 있을 수 있고, 공작물 캐리지마다 두 개 이상의 공작물이 있을 수 있다. 공작물 캐리지마다 하나의 레이저원이 있을 수 있다(즉, 레이저원과 일치하는 제2 레이저원 캐리지가 트랙(14)에 추가될 수 있다). 또한, 도 2 또는 변형을 한 배치들은 평행으로 놓일 수 있다. 또한, 각 레이저 캐리지(11)에는 하나 이상의 레이저원(1)이 제공될 수 있어서 공작물 캐리지에 있는 일부 공작물들은 레이저 처리 경화를 동시에 진행할 수 있다. 레이저원의 수, 공작물 캐리지의 수 및 공작물의 수 사이의 관계는 시스템의 고가 부품의 사용에 적합하게 하고 생산성, 예를 들어 시스템 작동에 중지 없이 공작물을 싣고 내리는 것을 감안하여 적합하게 하기 위해 정할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에서, 다수의 레이저원은 동시에 동일 크랭크 샤프트에 레이저 빔을 향하게 사용될 수 있고, 예를 들어, 동시에 크랭크 샤프트의 다른 저널에 혹은 크랭크 샤프트의 동일 저널에 작용할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 공작물이 메인 저널(1001)(main journal) 및 로드 저널(1002)(rod journal)을 가진 크랭프 샤프트(1000)일 때, 메인 저널의 표면이 원형이고 크랭크 샤프트 회전축과 대칭이기 때문에, 크랭크 샤프트 메인 저널(1001)의 열 처리 중에, 레이저원은 Z축 방향으로 이동하지 않고 공작물 캐리지는 Y축 방향으로 이동하지 않는다. 본 발명의 일부 실시예에서, X축 방향으로 메인 저널의 전체 면적 열 처리가 필요한 경우 레이저원 및/또는 공작물들은 X축을 따라 이동될 수 있다. 상기 이동은 X축 방향 레이저 빔을 이동시키기 위한 것으로 레이저원의 출력 용량(power capacity) 및 스캐닝 장치(미 도시)의 능력에 의해 결정된다. 예를 들어 크랭크 샤프트의 메인 저널(1001)들 중 하나의 열 처리 동안, 레이저 빔이 메인 저널(1001)을 가로질러 X축 방향으로 모든 면적으로 스캔될 수 있다면, 하나의 저널에서 다른 저널의 처리로 전환될 때에만 X축 방향으로 레이저원(1)을 이동시킬 필요가 없을 수 있고; 같은 방식이 예를 들어 크랭크 샤프트의 로드 저널(1002)의 열 처리에도 적용된다.
그러나, 로드 저널(1002) 열 처리 동안, 로드 저널의 중심축은 메인 저널의 중심축에서 반지름 방향으로 이동되고, 공작물 캐리지(20)에서 각 크랭크 샤프트 공작물(1000)이 회전하는 동안, 레이저 광원(1)은 Z축과 평행하여 종 방향으로 이동되고 공작물 캐리지(2)는 Y축과 평행하여 횡 방향으로 이동되기 때문에 레이저원(레이저원 혹은 렌즈의 표면의 스캐닝 수단의 결과와 같은) 레이저 빔이 비춰진 표면 사이의 거리가 변함없이 유지된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 크랭크 샤프트는 Z 및 Y축과 평행하여 이동될 수 있다. 또한, 혹은 대안으로, 레이저원은 Z 및 Y축과 평행하여 이동 가능하게 배치될 수 있다.
공작물 캐리지 구동 장치(21) 및 공작물 캐리지(20)에서 공작물(1000) 회전을 위한 구동 장치뿐만 아니라 제1 레이저 캐리지 구동 장치(12) 및 제2 레이저 캐리지 구동 장치(13)의 작동은 전기적 제어 수단, 예를 들어 컴퓨터, 컴퓨터 시스템 혹은 PLC(도 2에 미 도시)에 의해 제어될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 레이저원(1)은 레이저 빔 방향을 수정하기 위해 배치된 스캐닝 시스템을 포함한다. 이러한 스캐닝 시스템들은 공지 기술이고, 하나 혹은 그 이상의 스캐닝 미러를 포함하고, 상기 미러 각도는 예를 들어 사인 함수, 삼각함수 등등의 스캐닝 함수들에 따라 수정될 수 있고, 컴퓨터의 제어 하에 작동한다. 1-축 스캐닝 시스템(예를 들어, 1-축에 대해 회전 가능한 스캐닝 미러를 가진 스캐닝 시스템 혹은 이와 유사한 시스템)은 X축과 평행하여 레이저 빔을 스캔하는데 사용될 수 있는데, 즉, 공작물(1000)의 회전 때문에 레이저원(1)과 관련된 공작물(1000) 표면 이동 방향이 종 방향이다. 관련된 표면 부분을 가로지르는 빠른 스캐닝은 이와 같이 스캐닝 없는 스폿의 면적보다 더 큰 X 방향 면적을 가진 가상의 스폿을 만들 수 있고: 따라서, 본래 스폿은 넓은 가상의 스폿으로 변화되나(X 방향으로 큰 면적), 작은 출력 밀도(power density) 때문에, 빔의 출력(power)이 넓은 지역 전체에 분포된다.
2-축 스캐닝 시스템(예를 들어, 2-축의 미러 혹은 두 개의 단축 미러를 가진 스캐닝 시스템) 때문에, 레이저 빔은 예를 들어, 한편으로는 X축과 평행하게, 다른 한편으로는 Y축과 평행하게, 및 그 결합인 두 방향으로 이동될 수 있다. 이와 같이, 레이저원과 관련된 표면의 이동 방향이 종 방향인 표면 스캐닝을 제외하고, 즉, X축 방향에서 저널의 표면을 “따라” 표면 스캐닝하는 것을 제외하고, 레이저 빔은 빔의 이동 방향, 즉 Y축과 평행하게 표면을 스캔할 수 있고; 그렇게 함으로써, 크랭크 샤프트 저널의 표면은 저널의 원주 방향으로 스캔될 수 있다. 또한, 레이저 빔은 X 방향과 Y 방향 이동을 결합한 경로로 설명할 수 있다(즉, 크랭크 샤프트의 원형 저널에 투영될 때, 원주 W 방향에서 예를 들어 도 12a-12b를 비교한다). 그렇게 함으로써, 빔은 복잡한 형상, 예를 들어 사각형, 타원형, 사다리꼴등 같은 형상을 가지는 경로들을 따라갈 수 있다. 레이저 스폿은 Y(혹은 W) 방향(예를 들어, 사각형 경계 내부에서 미앤더(meander) 패턴을 따라가거나 상기 경계 내부에서 다수의 분리된 라인들을 따라가는 것에 의해)에서 상당한 높이를 가진 가상의 채워진 사각형을 형성하기 위해서 또는 반복하여 사각형이나 다른 기하학적인 형상의 측면 윤곽을 그리기 위해서 표면 전반이 스캔될 수 있다. 이와 같이, 스캐닝 시스템의 능력을 사용하여, X 방향 및 Y 또는 W 방향 두 곳에서 바람직한 범위와 형상을 가지는 가상 혹은 등가 유효 레이저 스폿이 만들어질 수 있다. XYZ-스캐너의 경우에, X 및 Y 방향으로 이동 가능성 이외에, 렌즈 초점이 구동 장치에 의해 Z 방향에서 대체될 수 있도록 제공됨으로써 레이저 스폿 크기의 역동적인 응용이 가능하다. 그래서, 상기 스폿의 위치와 크기 모두 경화 처리 과정을 최적화하기 위해 제어되고 응용될 수 있다. 또한, 대안으로 또는 추가적으로 렌즈 초점이나 이와 유사한 것으로 치환함으로써, 레이저 스폿의 크기는 제1 레이저 캐리지 구동 장치를 사용하여 Z축과 평행하게 레이저원을 이동함으로써 제어되고 응용될 수 있다. 또한, 시스템은 레이저 스폿 내에서 출력의 분포 변화를 위해 예를 들어 DE-3905551-A1로 알려진 장치를 포함할 수 있다.
도 3은 X축과 평행한 수직 평면 및 Y축과 평행한 수직 평면에서 입사하는 레이저 빔(2) 방향을 바꾸기 위해 배치되는 2-축 미러 혹은 두 개의 단축 미러를 기초로, 도식적으로 보여주는 2-축 스캐닝 시스템(3)을 포함하는 레이저원(1)을 도식적으로 보여주고; α각은 X축에 평행한 수직 평면에서 최대 범위를 나타내고, β각은 Y축에 평행한 평면에서 최대 범위를 나타낸다. 도 3은 공작물 상부에 놓인, 더 구체적으로, 크랭크 샤프트의 메인 저널(1001) 상부에 인 레이저원(1)을 도식적으로 보여주고, 상기 메인 저널은 오일 윤활 홀(1003)을 포함하고 화살표가 가리키는 방향으로 공작물 캐리지(미 도시)에서 회전된다. 도 3에서 도식적으로 보여지는 것은 레이저 빔의 스캐닝 때문에 레이저 스폿으로 지나갈 수 있는 부분 혹은 섹션(1006)이다. 이와 같이, 이러한 종류의 레이저원을 사용하여, 공작물의 상부에 투영되는 작은 레이저 스폿은 빠른 속도로 반복적인 스캐닝, α 및 β각에 따라 스캐닝 시스템에 의해 허용되는 최대 범위로 결정된 섹션(1006) 내에서 바람직한 형상을 가지는 패턴을 얻음으로써 가상의 혹은 등가 스폿으로 대체될 수 있다. 이와 같이, 레이저 빔으로 하나의 작은 스폿을 가열하는 대신에, 레이저 빔으로 상기 구역을 스캐닝하는 시간 동안 넓은 구역이 가열될 수 있다(그러나 단위 구역당 작은 출력을 가진다). 또는, 다른 표현으로: 예를 들어, 적절히 고정된 광학 장치(optics)를 사용함에 따라 넓은 스폿(큰 직사각형 스폿과 같은)을 제공하는 대신에, 해당 출력 분포는 넓은 구역 전반에서 작고 강력한 집중 스폿(intensive spot)을 스캐닝하는 것에 의해 달성될 수 있다. 이는 하나 중요한 장점을 포함한다: 예를 들어 열에 대한 감도 및 과열에 의한 손상 리스크에 따라, 스캐닝 패턴, 스캐닝 이동의 속도, 빔의 출력, 및/또는 스폿의 크기를 조정함으로써, 표면의 다른 부분의 특성에 따라 표면의 다른 부분에 다른 양의 에너지를 역동적으로 인가하는 가능성을 제공한다. 예를 들어, 스캐닝 패턴, 스캐닝 속도, 빔 출력 및/또는 레이저 스폿 크기는 오일 윤활 홀 또는 언더컷 필릿(undercut fillet) 부근 표면에 인가되는 열 에너지의 양을 제한하기 위해 선택될 수 있다(경화 처리 과정 동안 동적으로 조정될 수도 있다). 적절한 경화층 깊이 및 품질을 얻기 위해, 스캐닝은 예를 들어 10HZ 또는 더 바람직하게는, 50, 100, 150, 200 혹은 250 HZ와 같은 높은 주파수로 열이 가해진 구역 내부에서 온도의 극심한 변동을 피하기 위해 반복적이고 바람직하게 수행된다.
도 4a 및 4b는 경화 처리 과정의 두 가지 상이한 단계 중에 크랭크 샤프트 즉, 크랭크 샤프트의 메인 저널(1001) 부분의 평면도이다. 크랭크 샤프트는 공작물 캐리지(미 도시)에서 화살표로 표시된 방향으로 회전된다.
도 4a에서, 참조 부호(2A)는 스캐닝 패턴을 표시한다: 레이저 스폿은 실질적으로 직사각형 경로(2A)를 따라가기 위해 만들어지고; 다른 실시예에서, 레이저 스폿은 직사각형을 채우기 위해, 즉, 직사각형 전체 표면에 영향을 주기 위해 예를 들어, 직사각형 구역(2A) 내에서 미앤더 패턴 혹은 다른 패턴과 같이 실질적으로 직사각형 구역(2A) 내에서 스캔된다. 두 경우 모두, 스캐닝이 빠른 속도에서 수행되어 열 관점에서 공작물(1001) 표면에서 레이저 빔의 투사는 레이저 빔이 속이 빈 직사각형(2A) 혹은 채워진 직사각형(2A)의 각 형태로 투사됐을 때, 달성된 열과 등가이다. 도 4a에서, 공작물이 상기 구역에서 고체이기 때문에, 레이저 빔이 지나간 구역은 열 감도가 작은 하위 구역이다.
도 4b에서, 오일 윤활 홀(1003)은 레이저 빔이 지나갈 수 있는 섹션 혹은 부분에 있다. 오일 윤활 홀(1003) 바로 옆에 인접한 상기 구역은 오일 윤활 홀 측면이 과열에 의해 손상될 수 있고 홀에서 금속의 부재는 상기 구역에서 공작물의 열 흡수 능력을 낮추기 때문에 열 감도가 큰 구역이다. 이와 같이, 도 4a와 같이 열 감도가 작은 지역에 투사하는 방식과 같이 레이저 빔이 오일 윤활 홀(1003) 주변 구역에 직접적으로 투사되는 경우, 오일 윤활 홀(1003) 측면의 손상과 함께 과열이 발생한다.
따라서, 본 발명의 상기 실시예에서, 다른 스캐닝 패턴(2B)은 공작물이 도 4b에서 보여지는 상황일 때 사용되고, 레이저 빔은 큰 직사각형(2B) 형상의 경로를 따라가거나, 미앤더 패턴 혹은 상기 큰 직사각형(2B) 윤곽 구역을 채운 평행한 라인들을 각각 따라간다. 이와 같이, 과열에 대한 리스크를 줄이기 위해 레이저 빔의 출력이 넓은 구역 전반에 퍼지는 것을 나타낸다. 다른 표현으로: 과열에 대한 리스크를 줄이기 위해, 스캐닝 패턴에 관한 레이저 빔의 조정은 도 4a에서 도시된 상황과 도4b에서 도시된 상황이 서로 다르다.
명백하게 직사각형을 가득 채우기 위해 직사각형 패턴 혹은 미앤더 패턴을 사용할 필요가 없다: 통상의 기술자는 매우 편리하게 상기 패턴을 자유롭게 사용한다. 예를 들어, 레이저 빔의 빠른 on/off 스위칭을 감안하여 광섬유 레이저(fiber laser) 혹은 다른 레이저가 사용될 때, 패턴은 다수의 평행한 라인들을 포함하는데 사용될 수 있고, 열 감도가 큰 구역 또는 지역이 스캔될 때보다 열 감도가 작은 구역 혹은 지역이 스캔될 때 라인 사이의 거리가 줄어들 수 있다. 또는, 더 바람직하게, 빔의 출력 및/또는 라인에 따른 스캐닝 속도가 조정될 수 있는 것을 제외하고 라인들 사이의 거리는 실질적으로 변함없이 유지될 수 있어서 스캐닝 속도는 빠르고 및/또는 빔의 출력은 열 감도가 작은 구역보다 열 감도가 큰 구역에서 더 낮다. 또한, 상기 접근의 조합이 사용될 수 있다. 다수의 평행한 라인들을 따라 스캐닝하기 위한 본 발명의 많은 실시예에서, 다면 미러(polygonal mirror)들이 사용된다. 레이저 스폿에 의해 진행되는 패턴이나 경로 수정하기 위한 추가적 혹은 대안으로, 크랭크 샤프트의 오일 윤활 홀(1003) 에지부와 같이 민감한 지역의 악화에 따라 용인되는 수준에서 적절한 경화를 달성시키기 위해 통상의 기술자는 레이저 빔의 출력, 및/또는 레이저 빔의 스캐닝 속도, 및/또는 레이저 스폿의 크기, 및/또는 레이저 스폿 내에서 출력 분포 수정을 위해 선택할 수 있다. 상기 수단은 또한 언더컷 필릿 혹은 경화 궤도 끝의 구역과 같이 다른 민감한 구역과 관계가 있는데, 즉, 기본적으로, 공작물이 있는 구역은 거의 360도로 회전되고, 허용되지 않는 경도 하락을 초래하는 과도한 템퍼링(tempering) 효과를 피하기 위해, 레이저 빔은 상기 빔에 의해 이전에 가열되고 실질적으로 재가열되지 않는 구역으로 접근한다.
도 5a 및 5b는 경화 처리 과정의 두 가지 상이한 단계 중에 크랭크 샤프트 즉, 크랭크 샤프트 메인 저널(1001)부분의 평면도이다. 도 5a 및 도 5b는 도 4a 및 도 4b 적용과 관련하여 필요한 부분만 약간 수정한다. 도 5a 및 도 5b에서, 스캐닝 패턴은 저널의 전체 폭, 실질적으로 필릿들(1004) 중 하나에서 다른 필릿으로 연장한다. 도 4a 및 도 4b처럼, 스캐닝 패턴은 오일 윤활 홀(1003)(도 5a 참조)에서 거리가 먼 열 감도가 작은 하위 구역 또는 지역보다 오일 윤활 홀(1003)(도 5b 참조) 주변 열 감도가 큰 하위 구역에서 낮은 출력 밀도를 나타내기 위해서 설계된다; 이 경우에, 이는 오일 윤활 홀(1003) 주변 구역이 스캔될 때 사다리꼴 스캐닝 패턴의 큰 높이에 의해 달성된다.
그러나, 이 경우, 또한 필릿(1004)에 인접한 구역은 예를 들어, 언더컷 필릿의 사용 때문에 열 감도 구역이 될 것으로 고려된다. 이와 같이, 스캐닝 패턴은 상기 구역에 낮은 출력 밀도를 제공하기 위해 배치된다; 이는 실질적으로 변함없는 스캐닝 속도를 가진 사다리꼴 스캐닝 패턴에 의해 달성되고, 직사각형 스캐닝 패턴이 사용될 때보다 필릿의 부근에서 적은 에너지가 수신될 것이다.
도 4a 및 도 4b의 실시예의 경우와 비슷하게, 레이저 빔이 도 5a나 도 5b에서 도시된 것처럼 또는 예를 들어, 상기 사다리꼴 내에서 미앤더 경로 혹은 사다리꼴 내 다수의 라인들로 진행하여 사다리꼴을 덮거나 채워서 사다리꼴 2C 및 2D 윤곽으로 진행할 수 있다.
상기 패턴이 대표적인 예라는 것이 통상의 기술자에게 명백하고, 통상의 기술자는 구체적인 공작물 설계에 대한 방법 및 시스템이 조정될 때 무한히 가능한 패턴들 사이에서 선택할 수 있다.
도 6a는 직사각형 횡단면 및 높은 출력 밀도를 가진 선행 부분(2E)과 낮은 출력 밀도를 가진 후행 부분(2F)이 있는 가상 레이저 스폿(5)의 평면도이다. 가상 레이저 스폿은 직사각형 구역을 포함하는 미앤더 패턴으로 진행하는 레이저 스폿을 반복적으로 작게 또는 실제로 스캐닝함으로써 얻을 수 있다. 상기 경우에, 높은 출력 밀도는 직사각형 구역의 제1 부분에서 더욱 조밀한 미앤더 패턴을 사용하고 직사각형 구역의 제2 부분에서 덜 조밀한 미앤더 패턴을 사용함으로써 얻을 수 있다. 화살표는 공작물 표면이 가상의 레이저 스폿에 관하여 이동하는 방향을 나타낸다. 상기 방식으로, 열이 가해지는 공작물의 부분은 가상 레이저 스폿의 선행 에지부에 의해 처음으로 영향을 받게 되고, 단위 표면 구역당 비교적 큰 양의 출력을 받게 될 것이다. 이는 빠른 가열을 뒷받침하는데, 이 경우 레이저 경화는 공작물 부분이 오스테나이트화 온도(austenitizing) 범위로 빠르게 도달하는 것을 의미한다. 가열될 표면의 특정한 레이저 빔 출력과 이동 속도 때문에, 출력이 가상 레이저 스폿 전반에 평등하게 분포된 경우보다 공작물의 가열된 구역이 오랜 시간 동안 오스테나이트화 온도 범위에서 또는 그 이상에서 유지될 수 있다: 출력이 평등하게 분포된 경우, 표면이 오스테나이트화 온도 지역으로 도달하는데 오랜 시간이 걸린다.
도 6b는 미앤더 패턴을 사용하는 대신 대안적인 실시예를 도시하고, 레이저 스폿은 (가상 혹은 등가)유효 레이저 스폿(5)을 형성하기 위해 다수의 평행 라인을 따라간다. 후행 부분의 레이저 빔 출력은 낮고 및/또는 스캐닝 속도는 빠른데, 낮은 출력 밀도를 가진 후행 부분(2F)과 비교할 때, 높은 출력 밀도를 가진 선행 부분(2E)에서 레이저 빔의 출력은 높고 및/또는 스캐닝 속도는 라인을 따라 느리다. 상기 방식에서, 바람직한 에너지 분포는 유효 레이저 스폿(5) 전체에 걸쳐 얻을 수 있다. 라인들 대신에, 다른 종류의 스캐닝 패턴은 바람직한 2차원 에너지 분포를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 레이저 빔의 빠른 on/off 스위칭 및/또는 빠른 출력의 변화를 허용하는 레이저를 사용하기 위해서, 매우 복잡한 패턴들이 사용될 수 있고, 매우 정확한 에너지 분포를 허용하는 레이저 사용을 위해 예를 들어, 크랭크 샤프트의 오일 윤활 홀을 닫는 것과 같이, 열 감도가 큰 지역 혹은 구역에 적은 에너지를 적용하기 위해서 레이저는 경화될 표면의 특성에 따라 조정될 수 있다. 예를 들어, 광섬유 레이저는 에너지 분포를 시행하는데 유용할 수 있고, “픽셀”접근법을 사용함으로써 매우 구체적인 하위 구역이 바람직한 2차원 에너지 분포에 따라 가열된다. 평행 라인들을 따라 빠른 스캐닝을 위해, 당 업계에서 공지된 바와 같이, 다면 미러가 사용될 수 있다.
도 6c는 세 가지 다른 부분들, 즉, 다수의 스캐닝 패턴 라인들을 포함하는 제1 부분(2H), 라인들이 없는 제2 부분(2I), 다수의 스캐닝 패턴 라인들을 구비한 제3 부분(J)을 포함하는 유효 레이저 스폿(5)을 도시한다. 제1 부분(2H)은 높은 에너지 밀도를 가진 선행 하위 부분(2E) 및 낮은 에너지 밀도를 가진 후행 하위 부분(2F)을 선택적으로 포함할 수 있다. 반면에, 제1 부분(2) 내부 에너지 밀도는 제3 부분(2J) 내부 에너지 밀도보다 더 높고, 차례로 제2 부분(2I) 내부 에너지 밀도보다 높을 수 있고, 에너지 밀도는 제로 혹은 제로와 가까워질 수 있다. 유효 레이저 스폿(5)은 스캐닝 패턴의 모든 라인을 따라 레이저 빔을 반복적으로 스캐닝하고, 바람직한 출력 또는 에너지 분포 패턴에 따라 에너지를 배분하기 위해 라인의 상이한 부분에서 스캐닝 속도 및/또는 빔 출력 및/또는 레이저 빔의 on/off 스위칭을 조정함으로써 얻을 수 있다. 가열이 발생하지 않는 제2 부분 때문에, 스캐닝 패턴의 제1 부분(2H)은 공작물의 표면 온도를 가능한 빨리(선행 하위 부분(2E)에서 높은 출력 밀도 때문에) 약 1400 ℃와 같이 높은 온도에 도달하고, 바람직한 경화 깊이(유효 레이저 스폿과 공작물 표면 사이의 상대 이동 방향에서 속도를 고려하여 제1 부분(2H)의 길이를 적절히 선택함으로써)를 달성하기 위해 충분한 시간동안 상기 온도를 유지하기 위해 선택될 수 있고, 제2 부분(2I)은 가열된 부분의 냉각에 의해 셀프 퀀칭(self-quenching)과 같은 퀀칭을 허용할 수 있고, 제3 부분(2J)은 경화된 구역을 조절하기 위해 약 400-500℃와 같은 온도로 공작물 가열하는데 적절한 스캐닝 패턴, 속도 및 빔 출력을 특징으로 할 수 있다. 상기 방식에서, 경화 및 템퍼링(tempering)은 경화 및 템퍼링된 구역 전반에서 하나의 대체 단계 동안 또는 유효 레이저 스폿(5)의 범위에서 실질적으로 발생할 수 있다. 이는 경화 및 템퍼링의 전체 단계 속도를 올리도록 제공할 수 있다(표면이 가열된 온도는 예를 들어, 사용된 스틸 및 합금과 같은 공작물의 재료에 달려있다. 1400℃ 값은 단지 예로써 언급된다).
도 6d는 6개 라인(51)을 가진 스캐닝 패턴을 도식적으로 보여주는데 각 라인은 5개 부분 혹은 픽셀(51A, 51B)을 포함한다. 각 부분에 대해, 경화 처리 과정 중에 역동적으로 변화될 수 있는 바람직한 에너지 분포에 따라 레이저 빔이 켜지거나(세그먼트 또는 픽셀(51A)) 꺼진다(세그먼트 또는 픽셀(51B)). 이와 같이, 도 6d의 배치는 6x5 모자이크를 나타내고, 상업적으로 이용 가능한 레이저 및 스캐닝 시스템에 의해 쉽게 얻을 수 있다. 예를 들어, 광섬유 레이저와 같이 빠른 on/off 스위칭을 허용하는 레이저 사용은 예정된 스캐닝 주파수에 대해 스캐닝 패턴 픽셀의 수를 증가시킬 수 있다. 50 Hz나 100 Hz 또는 그 이상의 주파수와 같이 확실한 스캐닝 주파수에 대해 달성될 수 있는 라인들의 수는 그 중에서 사용된 스캐닝 수단에 달려있다.
대신 또는 추가적으로 간단하게 레이저 빔을 켜고 끄는 것은, 또한 다른 레이저 빔 출력 상태 즉, 최대 출력과 제로(혹은 제로에 가까운) 출력 사이에서 다른 출력 상태가 사용될 수 있다. 예를 들어, 오일 윤활 홀에 인접한 구역의 에너지 밀도를 줄이기 위해 필요할 때마다 하나 또는 그 이상의 세그먼트에 할당된 출력 수준을 감소시킴으로써 다른 세그먼트에 해당하는 출력 상태가 메모리에 저장될 수 있고, 경화 처리 과정 동안 역동적으로 수정될 수 있다. 분할 및 픽셀화 접근법은 매우 실용적이고, 바람직한 결과를 제공하는 조합을 찾을 때까지 유효 레이저 스폿을 통해 출력 상태의 조합을 달리함으로써, 즉, 다른 세그먼트에서 빔이 가진 출력을 조합하여 사용자가 적절한 에너지 분포를 찾을 수 있게 허용한다. 레이저가 상이한 출력 상태 또는 출력 수준 사이에서 빠른 스위칭을 허용하면, 세그먼트의 합리적인 양이 수용되는 것과 동시에 상당한 온도 변동을 피하기 위해 충분히 빠른 스캐닝 패턴의 반복 속도를 허용하여 매 초마다 많은 세그먼트가 완성될 수 있다. 예를 들어, 매 초마다 출력 상태 1000번의 변화를 허용할 때, 10 HZ의 스캐닝 패턴 반복 주파수는 10개의 세크먼트를 구비한 스캐닝 패턴과 결합 될 수 있다.
도 7a는 도 3에서 도시된 시스템 변형에 따른 메인 저널(1001)에 대한 횡단면도이다. 여기, 레이저원은 X축의 메인 저널(1001) 대칭 수평면에 대해 소량 상쇄된다. 이는 β각을 지나갈 때, 레이저 빔은 상기 경우 약 90도인 γ1각과 상기 경우 실질적으로 90도보다 적은 γ2각 사이에서 상이한 각도로 공작물 표면에 도달할 것이다. 스캐닝 속도 및 패턴이 스캐닝 내내 변함없고 빔의 출력이 비슷하게 변함없이 유지되는 경우, 큰 각 γ1과 작은 각 γ2 때문에, 단위 표면 구역당 출력 밀도가 선행 에지부에서(즉, 회전하는 물체 표면이 스캐닝 동안 레이저 빔이 지나간 구역을 들어가는 곳) 높고 후행 에지부에서 낮다는 것을 의미한다. 도 6a에 관하여 설명한 것처럼, 상기 배치는 표면 온도가 오스테나이트화 온도 지역으로 빠르게 도달하는데 도움을 줄 수 있다.
도 7b는 레이저 빔이 꾸준하게 유지되거나 X축과 평행한 수직 평면에서만, 즉, 도 3의 α각에 따라 스캔되는 대안적 배치를 보여준다. 상기 경우에, 대칭 평면에 관한 레이저 빔의 상쇄 지점은 레이저 빔이 90도보다 실질적으로 작은 γ각 하부 표면에 이른다는 것을 나타낸다. 이는 두 가지 효과를 가질 수 있는데: 우선, 스폿 구역은 커질 것이고, 큰 지역 전반에 레이저 빔의 출력이 퍼짐으로써 이점이 될 수 있다. 또한, 레이저 빔의 두께가(Y축 방향에서) 무시될 만큼 작지 않으면, 스폿의 선행 에지부에서 레이저 빔과 공작물 표면 사이 및 스폿의 후행 에지부에 해당하는 각 사이의 입사각 간에 차이가 발생한다. 선행 에지부에서 높은 출력 밀도 때문에 빔이 스폿에 들어갈 때 상기 언급된 표면의 빠른 가열 효과가 달성될 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 상기 실시예에서는 실질적으로 직사각형 레이저 스폿을 제공하는 고정된 광학 장치가 유리하게 사용될 수 있다. 또한 혹은 대안으로, 지름과 일치하는 폭 또는 레이저 스폿의 폭 및 X축과 평행한 레이저 빔의 범위와 일치하는 길이를 가지는 가상의 사각형을 만들어서 상기 개념은 X축과 평행한 1차원 스캐닝 조합에 사용될 수 있다.
레이저 스폿의 크기를 증가시키기 위해서, 경화될 표면 구역이 평평하거나 비원형일 때 유사한 접근이 될 수 있다: 레이저 빔이 평평한 구역 위에 투사될 수 있어서 레이저 빔이 상기 평평한 구역과 수직이 아니다.
때때로, 매우 작은 각으로 레이저가 도달하기 어려운 표면을 경화시키는 것은 바람직하다. 예를 들어, 크랭크 샤프트의 경우에, 도 2중 하나와 같은 배치에서 메인 저널의 표면에서 실질적으로 직교하여 연장하는 벽면(1005)과 로드 저널은 레이저원(1)에서 발생시키는 레이저 빔과 거의 평행일 것이다. 이는 상기 표면에서 출력 흡수 속도를 줄일 수 있고 경화를 더 어렵게 및/또는 에너지 소비를 만들 수 있다: 표면에 대해 작은 각에서 수신된 레이저 광원은 90도와 같이 표면에 대하여 수직인 큰 각에서 수신된 레이저 광원보다 덜 흡수되는 경향이 있다.
그러나, 흡수는 또한 편광(polarization)에 의존한다. 이와 같이, 하나의 편광(s 혹은 p)에 대한 출력은 레이저 빔이 표면에 직교하여(즉, 표면에 대해 90도에서) 향할 때 더 흡수되고, 출력의 다른 쪽 편광 흡수는 레이저 빔이 표면에 제로에 가까운, 즉, 빔의 방향이 표면과 거의 나란할 때의 각과 같이 작은 각으로 향할 때 높다. 벽이 상당히 크고 상당히 짧은 저널에 의해 분리되는 크랭크 샤프트와 같은 공작물의 경우, 도 2중 하나와 같은 배치는 레이저 빔을 상대적으로 작은 각도로, 적어도 저널과 가까운 벽의 부분에 해당하는 벽(1005)에 투사해야 한다.
도 8은 레이저원(1)의 일부로 사용될 수 있는 편광 시스템(4)을 도시한다: 상기 시스템은 입사하는 레이저 빔을 s-편광 빔(2')과 p-편광 빔(2")으로 나누는 편광 큐브와 같은 광 분할 편광자(41)를 포함하고, 이 중 하나는 예를 들어, 메인 저널(1001) 및 로드 저널(100) 및 벽(1005) 표면을 경화하는데 사용될 수 있고, 다른 하나는 표면 벽(1005)을 경화하는데 사용될 수 있다. 미러(42, 43 및 44)은 s-편광 빔(2')과 p-편광 빔(2")이 실질적으로 평행이 되도록 변경하는데 사용될 수 있다.
도 9는 키보드 및/또는 마우스와 같은 컴퓨터 입력 수단(101)과 컴퓨터 스크린(102)을 가지는 개인용 컴퓨터나 다른 프로그램이 작동 가능한 장치나 수단과 같은 컴퓨터 장치 혹은 시스템(100)을 도식적으로 보여준다. 스캐닝 패턴(2G)은 스크린에 도시된다. 이 경우, 스캐닝 패턴은 다수의 세그먼트 a, b, c, d, e ,f, g 및 h를 포함하는 다각형이다. 상기 도시된 실시예에서, 세그먼트는 다각형, 즉, 8각형을 형성한다. 그러나, 많은 혹은 적은 양의 세그먼트들이 사용될 수 있고, 세그먼트의 일부 또는 전부가 직선 대신 곡선이 될 수 있고, 세그먼트들은 다수의 더욱 또는 덜 평행한 라인들과 같이 다른 방식으로 분포될 수 있다. 컴퓨터 시스템은 조작자가 예를 들어, 마우스 또는 다른 입력 수단을 사용하여 스크린 커서를 이동시킴으로써 패턴의 윤곽을 변화시킬 수 있는 방식으로 배치될 수 있다. 대안으로, 터치 감지 스크린이 사용될 수 있고, 사용자가 세그먼트를 터치하여 패턴의 형상을 조종하는 것을 허용하여 방향 및/또는 길이를 변화시킨다. 패턴의 형상은 예를 들어, 2차원 에너지 분포를 가지는 가상 혹은 등가 유효 레이저 스폿을 만들어서 경화될 표면을 스캐닝할 때 레이저 스폿이 형성하는 경로를 나타낸다.
다수의 라인들 A-H 또한 스크린에 존재하고, 상기 라인들 각각은 세크먼트 a-h 중 하나와 각각 일치한다. 각 상기 라인들 A-H는 예를 들어, 스캐닝 속도 범위와 같이 세그먼트 a-h 중 해당하는 하나와 관련된 레이저 스폿 하나의 특성을 나타낸다. 도시된 실시예에서, 각 라인 옆에 있는 화살표는 선택된 상기 세그먼트에 대한 구체적인 스캐닝 속도를 나타내는데, 즉, 스캐닝 패턴을 따라가는 동안 레이저 스폿이 해당 세그먼트를 따라 이동하는 속도를 말한다. 이 경우에, 가장 빠른 스캐닝 속도는 세그먼트 c 및 g에 배치되고, 다소 느린 스캐닝 속도는 세그먼트 a 및 e에 배치되고, 더 낮은 스캐닝 속도는 세그먼트 b, d, h, 및 f에 배치된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 추가적 혹은 대안으로 상이한 세그먼트에 상이한 스캐닝 속도를 배치하기 위해, “온(on)”혹은 “오프(off)”되는 레이저 빔을 선택함으로써 또는 바람직한 에너지 분포에 따른 상이한 세그먼트에 대해 또 다른 이용 가능한 출력 상태(최대 출력의 10%, 25%, 50%, 75% 혹은 90%와 같은)를 선택함으로써 상이한 레이저 빔 출력이 상이한 세그먼트에 배치될 수 있다. 세그먼트는 스캐닝 스폿의 중심으로 진행한 루트를 나타낼 수 있고, 예를 들어, 스캐닝 스폿은 세그먼트 a 및 c의 절반 길이와 일치하는 지름을 가질 수 있다. 매시간 스폿이 세그먼트 a-h에 의해 결정된 루트를 완성시키면, 레이저 스폿의 반지름과 일치하는 거리까지, 상기 세그먼트 외부 구역 부분뿐만 아니라 상기 세그먼트 내부 전체 구역이 직접적으로 레이저에 의해 가열된다.
예를 들어, 8각형(2G)은 도 4 및 도 5의 실시예에서 사각형(2A/2B) 혹은 사다리꼴(2C/2D) 대신해서 사용될 수 있다. 상기 경우에, 예를 들어, 세그먼트 c 및 g에서 빠른 스캐닝 속도는 오일 윤활 홀(1003)의 구역에서 가열을 줄일 수 있고, 세그먼트 a 및 e에서 증가 된 속도는 언더컷 필릿(1004) 구역에서 과열을 방지하는데 도움을 줄 수 있다. 또한, 컴퓨터 시스템은 오일 윤활 홀에서 멀리 떨어진 구역이 스캔될 때 한 종류의 패턴(2G)을 사용하기 위해 설정될 수 있고, 오일 윤활 홀 인근 또는 포함 구역이 스캔될 때 또 다른 종류의 패턴을(예를 들어, 다른 패턴 및/또는 상이하게 진행하는 세그먼트를 가진 패턴, 및/또는 세그먼트의 일부 혹은 전부에 배치된 상이한 속도나 빔 출력을 가진 패턴)사용하기 위해 설정될 수 있다. 예를 들어, 세그먼트의 동일 윤곽은 오일 윤활 홀 주변 구역의 스캔 유무에 따라 세그먼트 c 및 g에서 상이한 속도(및/또는 빔 출력)로 사용될 수 있다.
상기 시스템은 결과에 따라 실험 공작물의 레이저 경화를 수행하고 하나 또는 그 이상의 세그먼트에 대한 스캐닝 패턴(형상, 스캐닝 속도, 레이저 빔 강도, 레이저 스폿 크기 등)을 수정하는 것과 같이 스캐닝 패턴(2G)의 실험 및 에러 조정을 하기 위해 고온계(pyrometer)와 함께 사용될 수 있다. 또한 혹은 대안으로, 컴퓨터 시스템(100)에는 선택된 패턴(2G) 및 상이한 세크먼트 a-h에서 할당된 스캐닝 속도(및/또는 레이저 빔 출력, 레이저 스폿 크기 등과 같은 다른 파라미터들)에 기인한 열을 시뮬레이션하기 위해 시뮬레이션 소프트웨어가 제공될 수 있어서 짧은 시간 내에 사용자가 유용하게 보이는 패턴 배열을 찾을 수 있다. 예를 들어, 시뮬레이션 결과는 스크린(102)에 보여질 수 있다. 그 후 사용자는 역동적으로 패턴(2G)을 수정할 수 있고 파라미터들을 상이한 세그먼트에 배정하고, 가열 결과를 관찰한다. 특정한 공작물 디자인에 대한 상기 툴(tool)은 상이한 세크먼트에 할당된 적절한 파라미터 값을 가지는 스캐닝 패턴에 적합한 pr 디자인을 쉽게 찾는데 도움을 줄 수 있다.
예를 들어, 이러한 종류 시스템은 적합한 스캐닝 패턴 혹은 특정한 크랭크 샤프트에 대한 스캐닝 패턴을 찾는데 예를 들어, 패턴의 파라미터 (예를 들어, 수정 혹은 축소 세그먼트에 의한 형상 및 지름) 및/또는 레이저 스폿 속도, 출력(예를 들어, 레이저 빔의 출력 크기를 수정에 의한) 및/또는 출력 밀도(예를 들어, 레이저 스폿 크기의 변화에 의한, 초점 이탈에 의한, 초점 렌즈 대체 혹은 레이저 빔과 표면 사이 입사각의 변화에 의한)와 같이 각 세그먼트와 관련된 파라미터를 역동적으로 조정함으로써 유리하게 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 또한 레이저 빔 내부 출력 분포는 조정될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 도 6d 중에서 하나의 라인과 같은 구체적인 스캐닝 패턴이 선택될 수 있고, 에너지 분포의 조정은 빔 출력 및/또는 각 세그먼트 51A, 51B에서 할당된 스캐닝 속도를 선택함으로써 설정될 수 있다.
스캐닝 패턴의 상기 종류의 세그먼트 기반 정의를 사용하는 것과, 한편으로 세그먼트 수의 증가 및/또는 감소 및/또는 세그먼트의 길이 및/또는 방향 및/또는 위치 수정에 의한 패턴 윤곽의 창작을 허용하는 것과, 각 세그먼트에서 스캐닝 속도, 빔 출력 및/또는 스폿 크기 값과 같은 파라미터와 관련된 상이한 출력 혹은 에너지를 선택하고 할당하는 것은 가열될 표면의 상이한 부분에 충분한 가열을 하는데 용이하다는 것을 알게 된다. 크랭크 샤프트의 오일 윤활 홀(1003)에 인접한 구역과 같이 열 감도가 큰 하위 구역은 적절하게 처리될 수 있는데, 예를 들어:
- 열 감도가 큰 구역과 열 감도가 작은 구역 모두에 대해 동일한 스캐닝 패턴(스폿 뒤 경로에 관하여)을 사용함으로써, 그러나 빠른 스캐닝 속도를(및/또는 낮은 빔 출력 등) 가지는 선택된 세그먼트를 정하는 것과 같이 열 감도가 큰 구역의 과열 방지를 위해 다른 파라미터들을 조정함으로써 처리될 수 있다; 도 9의 경우에, 패턴 2G에 따라 스캔되는 레이저 빔 방향으로 세그먼트 c 및 g에서 증가 속도는 저널 중심부에 놓인 오일 윤활 홀(1003)에서 과열을 줄이는데 도움이 될 것이다; 도 6d의 경우에, 도 6d에서 화살표로 표시된 방향으로 낮은 빔 출력을 라인(51)의 중심 세그먼트(51B)에 배정하는 것은 또한 패턴의 중심부를 통과하는 오일 윤활 홀에서 과열을 방지하는데 도움을 줄 수 있다.
- 상이한 지역에 대해 스캐닝 패턴과 관련 파마리터 값의 상이한 구성을 사용함으로써 처리될 수 있다; 예를 들어, 크랭크 샤프트의 회전 동안, 저널은 도 5a에 표시된 것처럼 스캔될 수 있지만, 도 9의 배치를 가지는 스캐닝 패턴의 경우; 오일 윤활 홀(1003)이 스캔된 표면의 부분에 도달하거나 접근할 때, 세그먼트 c 및 g에 관련된 속도 값은 수정될 수 있어서 레이저 빔이 상기 세그먼트를 빠른 속도로 스캔하고, 오일 윤활 홀 인근 구역 과열의 리스크를 줄인다.
- 패턴의 형상을 변화시킴으로써, 예를 들어, 길이 및 세그먼트의 방향을 수정함으로써, 세그먼트를 배제시킴으로써 처리될 수 있다. 예를 들어, 공작물의 전체 회전 동안 혹은 오일 윤활 홀과 인접 혹은 포함하는 공작물의 구역을 스캐닝할 때, 스캐닝 패턴(2G)의 세그먼트는 배제될 수 있다; 상기 경우, 레이저 스폿은 세그먼트 h에서부터, 세그먼트 a, b, c, d, e를 넘어서 세그먼트 f까지 경로를 따라갈 수 있고 이후 반대방향으로 되돌아 가는데, 즉, 세그먼트 f, e, d, c, b 및 a를 넘어서 마지막인 세그먼트 h에 도달할 때까지이다.
이와 같이, 감소된 손상 또는 감도 부분 손상에 대한 리스크를 가진 표면의 충분한 경화를 목적으로, 예를 들어,
- 스캐닝 속도(즉, 경로를 따르는 레이저 스폿의 이동 속도)
- 레이저 빔 출력, 및/또는
- 레이저 스폿 크기,
의 다른 값이 다른 세그먼트에 할당될 수 있어서, 분할된 스캐닝 패턴을 기초로 하여 레이저 빔의 제어를 위해 제공하는 컴퓨터 시스템은 최적화된 에너지 분포 및 최적화된 표면의 열을 제공하기 위해 스캐닝 패턴을 조정하는데 유용할 수 있다. 전술한 설명은 대부분 스캐닝 속도와 관련이 있는데, 그러나, 명백하게, 레이저 빔의 출력 혹은 출력 밀도 수정에 의해, 예를 들어 초점 이탈 혹은 렌즈 이동에 의해, 가열이 수정될 수 있다. 그러나, 현재 사용하고 있는 많은 레이저들 및 스캐닝 장치로 속도를 수정하는 것이 바람직한 선택일 수 있다. 빠른 온/오프 스위칭 혹은 빔의 출력 변화가 빠른(현재 “온” 및 “오프”사이 변화에 대해 대략 100 μs를 요구하는 많은 광섬유 레이저들과 같이) 레이저가 사용될 때, 예를 들어, 온/오프 스위칭하는 것과 같이 레이저 빔의 출력을 수정하는 것은 점점 더 관심을 끄는 선택이 된다; 상기 선택은 짧은 스위칭 시간 쪽으로 가는 경향에서 볼 때 더 관심을 끈다.
가상 레이저 스폿(빠르게 도 9의 패턴(2G)을 따라가는 스캐닝 구역에 의한 8각형 레이저 스폿 혹은 도 6d중 하나와 같이 분할된 유효 레이저 스폿과 같이)을 제공하기 위해, 스캐닝은 높은 주파수 즉, 빠른 속도로 수행되어야 한다. 예를 들어, 실질적인 실시예에서, 레이저 빔은 세그먼트 a-h를 따라 예를 들어, 8 ms 시간 안에 스캐닝 사이클을 완성시킬 수 있다; 종종 다이오드 레이저(diode lasers) 혹은 온/오프 스위칭이 느린 다른 레이저가 사용될 때, 각각 및 모든 세그먼트에 적절한 수준으로 빔의 출력을 빠르게 수정하는데 어렵거나 고가일 수 있다; 스캐닝 속도를 수정하는데 더 실용적이고, 상업적으로 이용 가능한 스캐닝 시스템의 능력 안에 있다. 그러나, 출력 수준의 전환에 대한 레이저의 능력에 따라, 빔 출력의 조절은 바람직할 수 있다.
도 9의 스캐닝 패턴은 상호 연결된 세그먼트 구성을 특징으로 한다. 그러나, 레이저 종류 및/또는 사용된 스캐닝 수단에 따라, 또한 상호 연결되지 않은 세그먼트가 사용될 수 있다. 예를 들어, 스캐닝 패턴은 다수의 라인들 혹은 점들 혹은 픽셀들을 포함할 수 있다; 광섬유 레이저와 같이 빠른 온/오프 스위칭을 허용하는 레이저가 사용될 때 상기 종류의 스캐닝 패턴은 바람직할 수 있다. 그렇게 함으로써, 스캔된 구역에서 에너지 분포의 매우 정확한 선택을 허용할 때 매우 복잡하고 정교한 패턴들은 사용될 수 있다. 이와 같이, 시스템은 예를 들어, 크랭크 샤프트에서 오일 윤활 홀과 같은 열 감도 지역의 존재를 고려하여 요구되는 에너지 분포를 정확하게 제공하는데 맞춰질 수 있다.
도 10은 컴퓨터 시스템(100)과 관련된 제1(110) 및 제2(120) 컴퓨터 메모리 위치를 도식적으로 보여주고, 각 메모리 위치는 다수의 컬럼들을 가지는 메모리 매트릭스를 포함하고, 하나의 메모리 위치를 포함하는 각각의 컬럼은 스캐닝 패턴(2G)의 각 세그먼트 a-h에 배정한다. 상기 컬럼들은 하기 데이터를 포함할 수 있는데:
스캐닝 패턴 세크먼트 컬럼들(111 및 121)에서 데이터는 패턴의 형상, 즉, 세그먼트의 배치(각 세그먼트의 시작 및 종료점)로 정의할 수 있다.
스캐닝 속도 컬럼들(112 및 122)에서 데이터는 각 세그먼트에 대해 세그먼트와 관련된 스캐닝 속도, 즉, 레이저 스폿이 스캐닝 패턴 혹은 경로와 일치하는 세그먼트를 따라 이동할 때의 속도로 정의할 수 있다.
빔 출력 컬럼들(123 및 133)에서 데이터는 각 세그먼트에 대한 빔 출력, 즉, 일치하는 세그먼트를 따라 이동할 때 레이저 빔의 출력으로 정의할 수 있다.
스폿 크기 컬럼들(114 및 124)에서 데이터는 각 세그먼트에 대해 일치하는 세그먼트를 따라 이동할 때 레이저 스폿의 크기로 정의할 수 있다. 레이저 빔을 포커싱/디포커싱(defocusing) 함으로써, 예를 들어, 동력이 달린 초점 렌즈를 이동시킴으로써 또는 시스템의 Z축과 평행한 레이저원을 이동시킴으로써 스폿의 크기 및 단위 표면 구역당 출력 밀도가 변할 수 있다. 이는 또한 표면에 레이저 빔의 입사각을 수정함으로써 예를 들어, 도 7a 및 7b에서 표시된 것처럼 레이저 빔을 상쇄시킴으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 속도, 빔 출력 및 스폿 사이즈가 과정 전체에 걸쳐 일정할 수 있는 컴퓨터 메모리 위치 중 한 위치가 있다. 다른 실시예에서, 2 또는 그 이상의 메모리 위치가 있고 포인터(130)는 공작물(1000) 표면과 레이저원(2) 사이 상대 이동 동안에 역동적으로 스캐닝을 수정하는데 사용될 수 있다: 예를 들어, 오일 윤활 홀(1003)이 스캔되는 표면 부분에 접근함에 따라, 제1 메모리 위치(110)에 의해 정의된 제1 스캐닝 패턴(예를 들어, 스캐닝 속도, 레이저 빔 출력, 레이저 스폿 크기 및/또는 입사각과 같은 파라미터 값과 관련된 구성을 가진)은 오일 윤활 홀의 측면에서 과열 방지를 위해 제2 메모리 위치(120)에 의해 정의된 제2 스캐닝 패턴(스캐닝 속도, 레이저 빔 출력 및/또는 레이저 스폿 크기등에 대한 파라미터 값과 관련된 구성을 가진)에 의해 대체될 수 7있다. 예를 들어, 제2 스캐닝 패턴은 제1 스캐닝 패턴과 비교할 때 빠른 스캐닝 속도, 및/또는 낮은 레이저 빔 출력, 및/또는 큰 레이저 스폿 크기를 가질 수 있고, 스캐닝 동안 오일 윤활 홀에 의해 겹쳐지는 세그먼트와 관련 있을 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 오직 하나 또는 컬럼들(111-114) 중 일부, 또는 과정의 또 다른 관점과 관련 있는 데이터를 지정하는 많은 컬럼들이 있을 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 스캐닝 속도, 레이저 스폿 크기 및 레이저 빔 출력 중 오직 하나 또는 두 개는 상이한 세그먼트들와 패턴들 사이에서 변할 것이다. 실시예에서, 관련된 파라미터 값이 과정 전체에 걸쳐 일정하게 남아있을 뿐만 아니라, 레이저 스폿 뒤 경로처럼 오직 하나의 메모리 위치(110)가 있을 수 있다.
도 11은 본 발명의 대안적인 실시예에 따라 두 개의 컴퓨터 메모리 위치들을 도식적으로 보여주고, 각 컴퓨터 메모리 위치(140, 150)는 스캔된 구역의 픽셀 혹은 세그먼트와 일치하는 다수의 메모리 위치(141)를 포함한다. 각 메모리 위치는 레이저의 온/오프 상태를 가리키는 값이나 확실한 출력 수준을 나타내는 값과 같이 레이저 출력을 가리키는 출력 상태 값을 포함할 수 있다. 이와 같이, 스캔된 구역 전반에서 레이저 빔을 스캔할 때(예를 들어, 상기 구역 전체로 퍼진 다수의 평행한 라인들을 따라가는 레이저 빔을 보냄으로써), 레이저 빔은 해당 메모리 위치의 값에 따라 켜지고 꺼질 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 각 메모리 위치는 스캐팅 패턴의 “라인”과 일치할 수 있고, 본 발명의 다른 실시예에서, 각 메모리 위치는 라인의 부분 혹은 세그먼트와 일치할 수 있어서, 픽셀화된(pixelized) 에너지 분포가 달성될 수 있다(분할 또는 픽셀화된 에너지 분포와 같은 스캐닝 패턴의 일 예는 도 6d에서 도시된다). 할당된 상이한 레이저 출력 수준(온/오프 및/또는 중간 출력 수준과 같은)을 가지는 세그먼트 내에서 스캔된 구역의 모자이크 혹은 일부분의 세부 수준은 스캐닝 속도 및 레이저의 온/오프 스위칭에 대한 능력과 같은 특징에 의존할 수 있다. 도 10에서 도시된 실시예의 경우처럼, 예를 들어, 오일 윤활 홀의 존재를 고려하기 위해, 스캔된 구역의 특성에 따른 에너지 분포를 조정하여, 포인터(130)는 한 종류의 패턴에서 다른 패턴 사이에서 전환시키는데 사용될 수 있다.
도 11에 표시된 20x20 모자이크는 단지 일 예이고, 열 마다 다른 적합한 열 및 픽셀의 수가 사용될 수 있다. 예를 들어, 라인의 수는 스캐닝 수단의 속도 및 스캐닝 주파수(즉, 스캐닝 패턴이 반복될 때의 주파수)에 의해 제한될 수 있고, 특정한 스캐닝 주파수나 라인의 수에 대한 픽셀 혹은 라인당 픽셀의 수는 레이저 온/오프 스위칭 능력에 의해 제한될 수 있다. 예를 들어, 스위칭 온에 100 μs, 스위칭 오프에 100 μs를 요하는 레이저의 경우에, 즉, 온/오프 사이클이 200 μs이고 스캐닝 주파수가 100 Hz이고 유효 가상 레이저 스폿을 완성시키기 위해 5개의 라인의 스캐닝 패턴이 사용되는 경우, 라인당 픽셀의 수는 대략 10이 될 수 있다.
도 12a-12c는 어떻게 유효 레이저 스폿의 에너지 분포가 오일 윤활 홀을 수용하기 위해 조정될 수 있는지 보여준다. 오일 윤활 홀(1003)은 크랭크 샤프트 저널의 표면에 위치되고, 상기 표면은 크랭크 샤프트 회전 축과 평행한 제1 방향 및 원주 방향 W인 제2 방향으로 연장된다. 도 12a에서, 높은 출력 밀도를 가진 선행 부분(2E) 및 낮은 출력 밀도를 가진 후행 부분(2F)을 포함하는 실질적으로 직사각형과 동등한 유효 레이저 스폿(5)이 사용된다. 그러나, 도 12b에서 도시된 것처럼, 크랭크 샤프트의 표면과 레이저원 사이 상대 이동 때문에, 예를 들어, 종 방향 축 주변 크랭크 샤프트의 회전 때문에, 오일 윤활 홀(1003)이 유효 레이저 스폿으로 접근할 때, 오일 윤활 홀(1003) 인접 구역의 과열 방지를 위해 에너지 분포는 선행 부분(2E)의 중심 쪽으로 출력 또는 에너지 밀도를 줄임으로써 실질적으로 조정된다. 여기서, 유효 레이저 스폿은 실질적으로 U-형상이다. 실질적으로, 오일 윤활 홀(1003)은 오직 선행 부분(2E)을 통과하고, 선행 부분에서 본래 에너지 분포는 회복되는 반면에, 후행 부분 중심 쪽으로 에너지 혹은 출력 밀도를 줄임으로써 후행 부분(2F)에서의 에너지 분포는 오일 윤활 홀(1003)을 수용하기 위해 조정된다. 여기서, 유효 레이저 스폿(5)은 실질적으로 전도된 U-형상을 쓴다(본 발명의 실시예에서 전도된 U-형상은 도 6d중 하나와 일직선을 이루는 분할 혹은 모자이크를 사용하고 유효 레이저 스폿과 일치하는 형상을 제공하기 위해 상이한 세그먼트에 할당된 출력 상태를 조정해서 얻어질 수 있다). 즉, 오일 윤활 홀이 유효 레이저 스폿을 통과하는 동안, 상기 오일 윤활 홀에서 떠나 경화될 표면에 적용되는 것보다 오일 윤활 홀에 인접한 열 감도가 큰 구역에 적은 에너지를 가하기 위해, 에너지 분포는 조정된다. 오일 윤활 홀 주변 구역은 오일 윤활 홀에 인접한 열 감도가 큰 하위 구역을 해함이 없이 경화될 수 있다; U-형상의 유효 레이저 스폿의 옆 부분들은 오일 윤활 홀의 측면 구역을 경화시키는 역할을 한다. 예를 들어, 도 12a-12c에서 도시된 에너지 분포의 변화는 스캐닝 패턴을 조정, 및/또는 빔 출력이 스캐닝 패턴을 따라 분포되게 하는 방법으로 조정(예를 들어, 스캐닝 패턴의 상이한 세그먼트 동안 레이저 빔이 온/오프로 전환되는 방법으로 조정함으로써), 및/또는 스캐닝 패턴의 상이한 세그먼트에 해당하는 스캐닝 속도를 조정하는 등으로 얻어질 수 있다.
도 13은 오일 윤활 홀(1003) 위에 놓이지 않은 오일 윤활 홀(1003)의 측면(1003A)에 많은 에너지(5A)를 가하고 오일 윤활 홀(1003) 위에 놓인 오일 윤활 홀의 측면(1003B)에 적은 에너지를 가함으로써, 즉, 오일 윤활 홀이 크랭크 샤프트의 본체(body)로 연장되는 쪽으로의 측면에 에너지를 가함으로써 어떻게 에너지 분포가 오일 윤활 홀(1003)의 성향을 고려하여 조정될 수 있는지 도식적으로 보여준다. 예를 들어, 이는 스캐닝 패턴의 상이한 세그먼트에 할당된 출력 상태를 선택함으로써 정확하게 얻어질 수 있다. 에너지 적용에 따른 차이는 도 13에서 우측 아래쪽으로 이어지는 오일 윤활 홀의 존재 때문에 전도 물질의 부재는 가열된 구역에서 떨어져 전도된 오일 윤활 홀(1003)의 우측에 가해진 열의 수용력을 감소시킨다는 점을 고려한다. 좌측(1003A)보다 도 13의 오일 윤활 홀의 우측(1003B)에서 경화된 층이 더 두꺼워야 하기 때문에, 같은 양의 에너지를 양 측면에 가하는 것은 기본적으로 에너지 낭비가 된다; 그러나, 경화된 층의 최소 두께 요건에 대한 준수의 필요성에 관해, 경화된 층의 가장 얇은 부분은 요건을 만족해야 한다. 이와 같이, 오일 윤활 홀(1003)의 우측에서 경화된 층을 여유 두께로 만드는 것은 고객에 의해 정해진 요건을 충족시키는데 맞지 않고, 그저 에너지 낭비를 나타낸다. 또한, 양 측면에 동일한 양의 에너지를 가하는 것은 양 측면 중 한 측면에 과열에 대한 증가된 리스크를 나타낼 수 있다. 오일 윤활 홀의 내벽과 경화된 트랙 표면 사이 각이 오일 윤활 홀이 이어지는 측면에서 각이 더 급격해지는, 즉, 도 13의 오일 윤활 홀 좌측보다 우측에서 각이 더 급격해진다는 점 때문에 리스크가 증가되고, 이는 과열의 경우 손상에 대한 리스크가 증가하는 우측의 측면이 더 급격하다는 것을 의미한다.
전술한 바와 같이, 온도의 상당한 변동을 피하기 위해 바람직한 스캐닝은 빠르게 진행된다. 레이저 빔이 다수의 평행한 라인들과 같은 2차원 스캐닝 패턴을 따라 등가 또는 가상 유효 레이저 스폿을 형성하기 위해 반복적으로 스캔될 때, 공작물의 부분들이 상기 스캐닝 패턴 내부에 남아있는 동안 공작물의 부분들은 반복적으로 가열된다. 레이저 스폿이 가상 레이저 스폿 전체에 반복적으로 스캔될 때, 실제 레이저 스폿은 표면의 상이한 스폿을 반복적으로 가열하고, 스폿들은 이와 같이 최대 온도로 반복적으로 가열되고, 스캐닝 패턴을 따라 레이저 빔의 다음 범위 중에 즉, 스캐닝의 다음 사이클 중에 재차 가열될 때까지 냉각되고 가열된다. 상기 방식은 그 부분 온도 최대치와 최소치 사이의 변동이 가능한 작게 유지하는데 바람직하다. 상기 목적을 위해, 빠른 스캐닝 속도 및 주파수가 바람직하다. 도 14a 및 도 14b는 고정된 스캐닝 패턴 및 출력을 사용하여 크랭크 샤프트에서 수행된 테스트 결과를 도식적으로 보여준다. 도 14a의 경우, 50 Hz의 스캐닝 주파수(즉, 레이저 빔이 완전한 스캐닝 패턴을 초당 50번 따라간다)가 사용된다. 최대 온도에 도달한 이후, 그 부분 최대치와 최소치 사이 변동이 100 ℃이상, 실제로 200 ℃에 가까운 진폭이 발생한다. 과열에 대한 리스크 및/또는 불충분한 경화 또는 경화 깊이에 대한 리스크를 나타내는 것과 같은 문제가 있을 수 있다.
도 14b는 도 14a중 하나와 같이 동일한 조건에서 수행된 테스트의 결과를 도식적으로 보여주나, 250 Hz의 스캐닝 주파수를 사용한다. 여기서, 어떻게 지역 최대치와 최소치 사이에서 그래프의 두께에 해당하는 온도 진동이 실질적으로 100 ℃보다 낮은 진폭을 가지는지 관찰될 수 있다.
도 15a 및 도 15b는 30-180도와 같은 환형 세그먼트(1001A)의 구역을 가열하기 위해 어떻게 유효 레이저 스폿(5)이 오일 윤활 홀(1003) 및 언더컷 필릿(1004)을 가진 크랭크 샤프트의 저널(1001)에 적용될 수 있는지 도식적으로 보여준다. 레이저 스폿(5)은 전체 환형 세그먼트를 가열하기 위해 저널의 원주 방향 W에서 180도보다 많지 않은 각으로 이어짐으로써, 저널은 X 회전축 주변에서 회전하게 만들어질 수 있고, 레이저원은 크랭크 샤프트에 관해 대체될 수 있다. 도 15a에서 보여지는 것처럼, 가열은 언더컷 필릿(1004)과 가장 가까운 저널(1001)의 한 쪽 끝에서 시작될 수 있고, 예를 들어, 저널은 전체 둘레를 가열하기 위하여, 환형 세그먼트(1001A)를 충분한 온도로 가열하고 충분한 시간 동안 요구된 경화 깊이를 달성하기 위하여 저널이 회전될 수 있다. 저널의 전체 표면을 경화시키기 위해서, 예를 들어 X축과 평행하게 레이저원을 이동시킴으로써 또는 스캐닝 미러를 사용하여 X축과 평행하게 빔을 이동시키는 것과 같이, 회전축 X와 평행한 방향에서 유효 레이저 스폿(5)은 저널을 따라 계속적으로 이동된다. 이와 같이, 가열된 환형 세그먼트(1001A)는 상기 방향으로 연장되고, 퀀칭(quenching)이 달성되도록 이전에 가열된 부분은 냉각이 시작될 수 있다. 도 15b에서, 가열하고 이동하고, 퀀칭을 허용할 때 어떻게 유효 레이저 스폿이 저널의 주요 부분 전체로 이동되는지 관찰될 수 있다. 유효 레이저 스폿은 도 15b의 우측 끝에서 필릿이 도달할 때까지 대체된다. 2차원 에너지 분포는 필릿(1004)의 부근에서, 또한 오일 윤활 홀(1003)에 해당하는 이 부분들의 과열을 방지하기 위해 조정된다. 경화를 수행하는 상기 방식의 이점은 경화된 구역의 성장이 하나의 저널 끝에서 다른 저널 방향으로, 즉, 원주 방향 W가 아닌 저널의 회전 축 X와 평행한 제1 방향에서 발생함으로써, 이미 경화된 부분의 재가열이 없다는 것이다. 즉, 경화는 원주 방향이 아닌, 좌측에서 우측으로 진행한다. 이와 같이, 기본적으로 바람직하지 않은 재가열 및 이미 경화된 표면 구역의 초과적인 템퍼링에 대한 리스크가 없다.
원주 방향으로 저널의 표면을 경화할 때, 겹쳐진 구역, 즉, 원주 방향으로 트랙을 따라 이동을 완료한 것에 가까운 유효 레이저 스폿이 이전 경화 부분에 도달한 구역에서 특별한 주의가 일반적으로 요구된다. 경화에 사용된 온도와 같이 높은 온도로 이전 경화 부분의 재가열은 일반적으로 피해야 한다. 도 19a-19c는 도 12a-12c 중 하나와 유사한 배치를 도시하나, 오일 윤활 홀 대신에, 레이저 스폿이 접근하는, 이전에 저널의 경화된 부분에 해당하는 열 감도가 큰 하위 구역을 도시한다. 상기 실시예에서, 도 19a에서 도식적으로 보여주는 것처럼, 유효 레이저 스폿은 다수의 세그먼트들(도 6d 중 하나와 유사한)로 구성되고, 유효 레이저 스폿의 선행 에지부가 이전 경화 구역(1001B)에 도달했을 때, 예를 들어, 상기 세그먼트에 해당하는 레이저를 “오프”상태로 설정해 놓음으로써 제1 열에서 세그먼트들은 상쇄된다(도 19b 참조). 도 19c에서, 유효 레이저 스폿이 원주 방향으로 줄어듦으로써 세그먼트의 추가적인 열이 상쇄된다. 즉, 이전에 경화된 부분(1001B)을 충족시킬 때, 유효 레이저 스폿은 선행 에지부 혹은 부분에서 계속적으로 상쇄되는 반면에, 후행 에지부 혹은 부분은 유효 레이저 스폿이 사라질 때까지 선행 부분을 따라간다.
본 발명의 다른 실시예에서, 유효 레이저 스폿은 상쇄되지 않지만 전체적인 출력/에너지는 감소된다. 이와 같이, 유효 레이저 스폿은 템퍼링을 위해 표면을 적절한 온도로 가열하여 저널 주변을 한번 더 이동할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 다수의 레이저원은 환형 세그먼트의 각 구역을 동시에 가열하기 위해, 예를 들어, 환형 세그먼트(1001A)를 전체 360도로 동시에 가열하기 위해 사용된다. 이 방식은 상기 설명한 것처럼, 경화의 품질에 부정적으로 영향을 미치는 온도에서 변동을 피하기 위해 크랭크 샤프트를 빠르게 회전하는 필요성을 감소시킨다. 크랭크 샤프트의 매우 빠른 회전 속도는 고비용으로 시행될 수 있고, 오일 윤활 홀을 빠르게 이동하는 인접 구역의 과열 방지를 위해서 유효 레이저 스폿 혹은 스폿들의 에너지 분포를 조정하는데 더욱 어려울 수 있다.
본 발명은 이와 같이 레이저 표면 경화에 대해 매우 유연한 접근을 위해 제공하고, 예를 들어, 열 전달 감도 면에서 실질적으로 상이한 특성들을 가진 표면 부분을 포함하는 공작물의 표면 경화 및/또는 예를 들어, 경화된 층의 깊이와 같은 관점들에 관한 실질적으로 상이한 요구사항에 대해 매우 유용할 수 있다.
시스템은 고온계, 예를 들어, PID 컨트롤러에서 피드백과 함께 작동될 수 있다.
다음은 어떻게 본 발명이 하나의 실질적인 실시예에 따라 시행될 수 있는지의 예이다:
도 16a, 도 17a 및 도 18a는 유효 레이저 스폿 전반에서 각각 도 16b 및 도 16c, 17b 및 도 17c, 및 도 18b 및 도 18c에 따른 스캐닝 패턴에 적합한 출력 혹은 에너지 분포를 나타낸다. 스캐닝 패턴은, 즉, 사용자가 위치, 방향 및 길이를 재배치할 수 있고, 사용자가 예를 들어, 레이저 빔의 출력 및/또는 스캐닝 패턴을 따라 투사된 레이저 스폿의 속도와 같은 파라미터 값과 관련된 하나 또는 그 이상의 출력/에너지를 선택하고 조정할 수 있는 8개 세그먼트를 포함하는 것으로 상기 논의된 도 9에서 도시된 타입이다. 이 예에서, 변함없는 출력이 사용되고, 속도는 세그먼트 기준 하에 세그먼트에서 조정된다. 상기 설명한 것처럼, 컴퓨터 시스템(100)에는 계산/시뮬레이션 소프트웨어가 선택된 패턴(2G) 및 상이한 세그먼트 a-h에 배정된 스캐닝 속도(및/또는 레이저 빔 출력, 레이저 스폿 크기등과 같은 다른 파라미터들)가 야기한 열 혹은 에너지 분포를 계산/시뮬레이션 하기 위해 제공되어서, 짧은 시간 안에 사용자가 유용하게 보이는 패턴 배치를 알 수 있다. 도 16a, 도 17a 및 도 18a와 같이 계산된 에너지 분포들은 사용자가 에너지 분포가 적절한지 여부를 추정하는데 도움을 주기 위해 스크린(102)에 시각화될 수 있다.
도 16a, 도 17a 및 도 18a는 유효한 레이저 스폿 전반에서 도 16b, 도 17b, 도 18b 및 도 16c, 도 17c 및 도 18c의 구체적인 패턴 및 속도를 기초로 예상하여 계산된 에너지/출력 분포를 보여준다. 그 값은:
d1-d12는 도시된 예에 따른 패턴의 지름을 나타낸다; 이 예에서 mm로 그 값은 아래와 같다:
d1=16; d2=2.8; d3=3.1; d4=3.9; d5=7; d6=1.4; d7=0.4; d8=13; d9=5.1; d10=6; d11=2.8; d12=0.2.
v1-v10은 스캐닝 패턴의 상이한 부분에 배정된 스캐닝 속도를 나타낸다; 이 예에서mm/s로 그 값은 아래와 같다:
v1=3600; v2=8000; v3=4600; v4=3500; v5=6000; v6=5500; v7=3600; v8=8000; v9=5430; v10=8000; v11=5500.
도 16a, 도 17a 및 도 18a에서 해당하는 출력 혹은 에너지 분포가 보여진다. 도 16a-16c는 오일 윤활 홀로부터 멀리 떨어진 열 감도가 작은 하위 구역에서 크랭크 샤프트의 종방향 축과 평행한 방향에서 저널을 가로지르는 크랭크 샤프트 저널의 표면을 가열하는 데에 있어 적절할 수 있는 패턴과 관련되어 있다. 이와 같이, 도 16a-16c의 패턴 및 속도는 도 12a에서 도시된 하나와 같은 상황에서 사용될 수 있다. 도 17a-17c는 유효 레이저 스폿이 도 12b에서 도시된 것과 같은 지점에서 “U-형상” 또는 유사한 형상을 사용할 때와 같이 유효 레이저 스폿이 오일 윤활 홀에 접근할 때 유효 레이저 스폿 전반에서 패턴 및 해당하는 에너지 분포를 도시한다. 여기서, 도 9에서 도시된 스캐닝 패턴을 고려해서, 도 9에 따른 세그먼트 “c”와 같이 중심 세그먼트 중 하나는 오일 윤활 홀과 인접한 열 감도 지역의 과열 방지를 위해 제거된다. 해당 방식에서, 도 18a-18c는 오일 윤활 홀과 인접한 구역 즉, 도 12c에서 도시된 하나와 같은 지점에서, 떠나려고 할 때, 에너지 분포 및 스캐닝 패턴이 도시된다.
상기 배치 및 저탄소(0.4%)강(타입 1538 MV) 저널에서 3.4 mm 지름을 가진 레이저 스폿을 제공하는 레이저 빔을 적용하기 때문에, 순수한 마르텐사이트(martensite) 층 1 mm와 함께 2.5 mm의 유효 경화 심도(case depth)(경도>HRC45)가 달성된다. 레이저 빔의 출력은 2700W이고, 저널은 21 mm 폭을 가진 메인 저널이다. 19 mm 폭을 가진 로드 저널을 표면을, 실질적으로 동일한 구성과 값을 사용하여, 레이저 빔의 출력이 2400 W로 설정되고 스캐닝 패턴의 폭이 14 mm로 감소되는 것을 제외하고 경화할 때, 매우 유사한 결과가 얻어진다. 두 경우 모두에서, 유효 레이저 스폿은 원주 방향으로 표면을 따라 이동하고, 168 mm/분의 속도를 가진다.
스캐닝 패턴은 경화되는 저널의 중심에 관해 도 7a에서 제시된 것과 일렬로 중심 편위에 적용된다: 편위(레이저원을 포함하는 평면과 수직인 방향 및 저널의 종방향 중심축에서)는 34.45 mm 반지름을 가진 메인 저널에 대해 31 mm이고, 28.45 mm 반지름을 가진 로드 저널에 대해 25.2 mm이다. 편위 때문에, 저널에 투사된 유효 레이저 스폿의 전체 구역은 편위 없이 투사된 것보다 더 크다.
본 명세서에서, 용어“유효 레이저 스폿”은 레이저 빔이 구역을 비추고 가열하기 위해 효과적으로 투사되는 구역을 나타낸다. 유효 레이저 스폿은 레이저 스폿 모양을 만들고 바람직한 방식으로 유효 레이저 스폿 전반에 출력을 분포하게 하기 위해 광학 장치를 사용하여 본래 레이저 빔을 변형함으로써 얻어진 레이저 스폿, 혹은 레이저 빔을 동일 구역 혹은 실질적으로 동일한 구역에 반복적으로 가하기 위해 스캐닝 패턴을 따라 레이저 빔을 빠르고 반복적으로 스캐닝함으로써 얻어진 가상 혹은 등가 레이저 스폿이 될 수 있어서, 레이저 빔의 가열 효과는 한 번의 스캐닝 사이클 동안 가상 혹은 등가 레이저 스폿 전체 에너지 분포에 해당하는 에너지 분포를 가진 정지된 레이저 빔이 사용된 것처럼 실질적으로 동일하다. 여기서, 용어”빠르게”는 예를 들어, 원주 방향에서와 같이 레이저원과 크랭크 샤프트 표면 사이 상대 이동의 속도보다 더 빠른 것을 의미해서, 경화된 표면의 부분은 레이저 스폿에 의해 반복적으로 가열된다. 예를 들어, 전형적으로, 스캐닝 속도는 선택될 수 있어서 예를 들어, 적어도 매 초당 10, 50 혹은 100 스캐닝 사이클이 달성된다. 바람직하게는, 유효 레이저 스폿이 경화된 표면 구역 전반에서 실제 혹은 진짜 레이저 스폿을 반복적으로 스캐닝함으로써 얻어진 가상 혹은 등가 레이저 스폿일 때, 스캐닝은 바람직하게 2차원에서 발생하고, 2차원에서 가상 레이저 스폿의 크기는 예를 들어, 축이나 크랭크 샤프트의 회전과 평행한 방향 및 크랭크 샤프트 저널의 원주방향에서 바람직하게는 적어도 실제 혹은 진짜 레이저 스폿의 크기의 2, 3, 4, 5, 10, 20배 이상이다. 용어 스캐닝은 바람직하게 레이저 빔의 이동을 나타내고, 스캐닝 패턴은 바람직하게 레이저 빔이 정지된 표면을 즉, 레이저원과 공작물 표면 사이 상대 이동을 고려하지 않고 따라가는 패턴을 나타낸다.
일반적으로, 처리된 구역 혹은 세그먼트의 성장은 유효 레이저 스폿과 경화된 표면 사이 상대 이동에 의해, 예를 들어, 크랭크 샤프트의 경우에 서로에 대해 유효 레이저 스폿 및 상기 표면 이동에 의해, 크랭크 샤프트의 회전에 의해 달성된다. 예를 들어, 1000 μm 혹은 그 이상의 경화 깊이와 같이 충분한 경화 심도를 달성하기 위해, 실질적으로 경화된 표면 구역의 각 부분이 예를 들어 크랭크 샤프트 저널의 경우에, 전형적으로 0.5-5초, 1-3초와 같이 충분한 시간 동안 유효 레이저 스폿의 구역 내부에 유지되는 것이 바람직해서 표면 온도가 충분히 높아질 뿐만 아니라 공작물이 요구되는 깊이까지 충분하게 가열된다. 레이저 빔의 출력 밀도를 증가시키는 것은 표면 구역이 과열되지 않음으로써, 공작물에 손상을 초래할 수 있어서 충분한 가열 시간으로 대체되지 않는다. 이와 같이, 표면 온도는 충분한 시간 동안 충분한 범위 내에 존재해야 한다. 따라서, 바람직한 혹은 요구되는 경화 깊이를 달성하기 위해 경화된 부분이 충분한 시간 동안 유효 레이저 스폿 내부에 유지되도록 허용하는 동안, 유효 레이저 스폿의 상당한 크기는 일차원에서 경화 트랙의 충분한 폭을 제공하기 위해(예를 들어, 크랭크 샤프트 저널의 전체 폭을 실질적으로 포함하기 위해), 또 다른 차원에서 유효 레이저 스폿과 처리된 표면 사이에 빠른 상대 속도를 허용하기 위해(이와 같이 높은 생산율을 제공) 요구된다.
본 발명의 명세서에서, 용어 “크랭크 샤프트”는 바람직하게 예를 들어, 트럭, 자동차 및 모터사이클과 같은 많은 유형의 차량들에 사용되는 내부 연소 기관에서 사용된 크랭크 샤프트로 왕복하는 직선 피스톤 운동을 회전으로 변형시키는 엔진의 부품을 나타낸다.
본 발명의 명세서에서, 경화 깊이는 바람직하게 유효 경화 심도로 나타내고, 유효 경화 심도는 바람직하게 경화된 표면에서 경도의 명시된 수준이 유지되는 가장 먼 지점까지 수직인 깊이를 나타낸다. 상기 수준은 예를 들어 40-55 HRC, 바람직하게는 45 HRC의 범위가 될 수 있다. 크랭크 샤프트의 분야에서, 경도의 바람직한 수준은 일반적으로 스틸의 탄소 함유량을 고려하여 결정되나, 전형적인 수준은 45 HRC이다. 본 명세서의 맥락 및 크랭크 샤프트 저널의 경화를 중요시한다는 점에서, 적어도 1000, 2000 혹은 3000 μm의 경화 깊이가 바람직하다.
관심의 또 다른 측면은 100%로 변화된 마르텐사이트가 관찰될 수 있을 때까지 수준 혹은 깊이가 될 수 있다. 본 명세서의 맥락 및 크랭크 샤프트 저널의 경화를 중요시한다는 점에서, 깊이는 바람직하게 적어도 200, 300, 500, 800, 1000 μm 혹은 그 이상이 될 수 있다.
분할된 스캐닝 패턴이 사용될 때, 매 초당 적어도 300세그먼트의 스캐닝 속도가 바람직할 수 있는 반면에, 예를 들어, 매 초당 적어도 600, 1000, 5000 및 10000 세그먼트 속도가 바람직하게 적어도 10 Hz, 더 바람직하게 적어도 50 Hz, 이전보다 더욱 바람직하게는 적어도 100 Hz 혹은 200 Hz의 스캐닝 패턴 반복 진동수의 조합으로 더욱 바람직할 수 있다.
본 발명은 크랭크 샤프트의 표면 경화에 대해 일부 인용문을 가지고 설명되는 동안, 본 발명의 범위는 크랭크 샤프트의 표면 처리 수단으로 제한되지 않는다.
명세서에서, 용어 “포함한다”및 그 어원(“포함하는”과 같은)은 배제되는 의미로 이해되지 않아야 하는데, 즉, 상기 용어는 설명 및 정의되는 것이 더 많은 요소, 단계 등을 포함할 수 있는 가능성을 배제하는 것으로써 해석되지 말아야 한다.
반면에, 본 발명은 명백하게 명세서에서 설명된 구체적인 실시예로 제한되지 않고, 청구 범위에서 정의된 본 발명의 일반적인 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 고려될 수 있는 어떠한 변화(예를 들어, 재료, 지름, 부품, 배치 등의 선택과 관련하여) 또한 포함한다.
1 레이저원
2 레이저 빔
2' s-편광 레이저 빔
2" p-편광 레이저 빔
2A 레이저 빔에 의해 스캔된 경로, 혹은 레이저 빔에 의해 스캔된 구역
2B 레이저 빔에 의해 스캔된 경로, 혹은 레이저 빔에 의해 스캔된 구역
2C 레이저 빔에 의해 스캔된 경로, 혹은 레이저 빔에 의해 스캔된 구역
2D 레이저 빔에 의해 스캔된 경로, 혹은 레이저 빔에 의해 스캔된 구역
2E 높은 출력 밀도를 가진 가상의 직사각형 레이저 스폿의 부분
2F 낮은 출력 밀도를 가진 가상의 직사각형 레이저 스폿의 부분
2G 스캐닝 패턴; 레이저 빔에 의해 스캔된 경로
2H 경화에 맞춰진 출력 밀도를 가진 유효 레이저 스폿의 부분
2I 퀀칭에 맞춰진 출력 밀도를 가진 유효 레이저 스폿의 부분
2J 템퍼링에 맞춰진 출력 밀도를 가진 유효 레이저 스폿의 부분
3 스캐닝 시스템
4 편광 시스템
5 유효 레이저 스폿
5A, 5B 경사진 오일 윤활 홀 주변 에너지 분포
11 레이저 캐리지
12 레이저원의 수직 이동에 대한 제1 레이저 캐리지 구동 수단
13 레이저원의 수평 이동에 대한 제2 레이저 캐리지 구동 수단
14 레이저원의 이동에 대한 수평 트랙
20 공작물 캐리지
21 공작물 캐리지 구동 장치
41 편광자
42 미러
43 미러
44 미러
51 스캐닝 패턴의 라인
51A “온” 세그먼트 혹은 픽셀
51B “오프” 세그먼트 혹은 픽셀
100 컴퓨터 시스템
101 컴퓨터 입력 수단
102 컴퓨터 스크린
110 제1 컴퓨터 메모리 위치
111 스캐닝 패턴 세그먼트 컬럼
112 스캐닝 속도 컬럼
113 빔 출력 컬럼
114 스폿 크기 컬럼
120 제2 컴퓨터 메모리 위치
121 스캐닝 패턴 세그먼트 컬럼
122 스캐닝 속도 컬럼
123 빔 출력 컬럼
124 스폿 크기 컬럼
130 포인터
140 제1 컴퓨터 메모리 위치
141 픽셀 값(온/오프) 저장을 위한 메모리 위치
150 제2 컴퓨터 메모리 위치
151 픽셀 값(온/오프) 저장을 위한 메모리 위치
1000 크랭크 샤프트
1001 메인 저널
1001A 메인 저널 표면의 가열/경화된 환형 세그먼트
1001B 이전에 저널의 경화된 부분
1002 로드 저널
1003 오일 윤활 홀
1003A, 1003B 오일 윤활 홀의 개방된 측면에서 저널의 부분
1004 필릿
1005 저널과 수직인 표면
1006 레이저 빔에 의해 스캔될 수 있는 구역 혹은 섹션
a, b, c, d, e, f, g, h 스캐닝 패턴의 세그먼트
A, B, C, D, E, F, G, H 속도계
α, β, γ, γ1, γ2 설명에서 나타난 각
X, Y, Z 공간 방향
W 원주 방향
d1-d12: mm인 상이한 스캐닝 패턴의 지름 표시
v1-v11: mm/s인 상이한 스캐닝 패턴의 세그먼트와 대응하는 스캐닝 속도 표시

Claims (19)

  1. 크랭크 샤프트(1000)의 저널(1001, 1002) 표면을 레이저 경화하는 방법으로,
    상기 저널은 경화될 표면 구역을 포함하되, 크랭크 샤프트의 회전 축(X)과 평행한 제1 방향 및 저널의 원주 방향(W)에 해당하는 제2 방향으로 연장하는 상기 표면 구역은 적어도 하나의 열 감도가 큰 하위 구역과 적어도 하나의 열 감도가 작은 하위 구역을 포함하며, 상기 적어도 하나의 열 감도가 큰 하위 구역은 크랭크 샤프트의 오일 윤활 홀(1003)에 인접한 구역을 포함하며, 상기 방법은,
    저널의 50% 이상을 가로질러 상기 제1 방향으로 연장되는 유효 레이저 스폿(5)을 상기 표면 구역에 발생시키기 위해, 레이저원(1)으로부터 레이저 빔(2)을 상기 표면 구역 위로 투사하는 단계;
    원주 방향으로 상기 표면 구역의 다른 부분에 유효 레이저 스폿(5)을 투사하기 위해, 상기 원주 방향으로 크랭크 샤프트(1000)의 표면과 레이저원(1)을 상대 이동시키는 단계;
    상기 유효 레이저 스폿(5)이 2차원 에너지 분포를 가지는 것을 특징으로 하는 단계를 포함하고;
    상기 방법은, 오일 윤활 홀(1003)에 인접한 구역이 과열되지 않도록, 오일 윤활 홀(1003)에 인접한 구역을 포함하는 상기 열 감도가 큰 하위 구역을 가열할 때와 상기 열 감도가 작은 하위 구역을 가열할 때 에너지 분포가 다르게 되도록 상기 에너지 분포를 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 저널 표면 레이저 경화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 표면 구역에 유효 레이저 스폿(5)을 가하는 시간의 적어도 50%인 시간 중에, 유효 레이저 스폿의 원주 방향(W) 폭이 적어도 5 mm인 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 저널 표면 레이저 경화 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유효 레이저 스폿(5)은 레이저 스폿이 일정 스캐닝 속도로 스캐닝 패턴을 따라 반복적으로 제1 방향 및 제2 방향으로 레이저 빔(2)을 스캐닝함으로써 얻어지는 등가 레이저 스폿이어서, 스캐닝 사이클 동안에 2차원 에너지 분포가 스캐닝 속도, 스캐닝 패턴, 레이저 스폿의 크기, 레이저 빔의 출력 및 레이저 빔 내부 출력 분포에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 저널 표면 레이저 경화 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에너지 분포의 조정은,
    스캐닝 속도,
    스캐닝 패턴,
    레이저 스폿의 크기,
    레이저 빔의 출력 및
    레이저 빔 내부의 출력 분포 중 적어도 하나를 조정함에 따라 수행되어, 오일 윤활 홀(1003)에 인접한 구역의 과열을 방지하기 위해, 오일 윤활 홀(1003)에 인접한 구역을 포함하는 상기 열 감도가 큰 하위 구역을 가열할 때와 상기 열 감도가 작은 하위 구역을 가열할 때 에너지 분포가 다르게 되도록 하는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 저널 표면 레이저 경화 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 에너지 분포의 조정은 스캐닝 패턴을 따라 레이저 스폿으로 스캐닝하는 동안에 레이저 빔(2) 출력을 조정하여 수행되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 저널 표면 레이저 경화 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    다수의 이용 가능한 출력 상태 중 하나로, 초당 적어도 300회로 레이저 빔을 선택적으로 설정하여, 스캐닝 패턴을 따라 레이저 스폿으로 스캐닝하는 동안에 레이저 빔의 출력을 선택적으로 조정함으로써 에너지 분포가 제어되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 저널 표면 레이저 경화 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스캐닝 패턴은 다수의 세그먼트(51A, 51B)를 포함하며, 각 세그먼트는 이용 가능한 출력 상태 중 그 세그먼트에 하나의 출력상태를 가지며, 오일 윤활 홀(1003)에 인접한 구역을 포함하는 상기 열 감도가 큰 하위 구역을 가열 중인 경우와 상기 열 감도가 작은 하위 구역을 가열 중인 경우에 상기 세그먼트 중 적어도 하나에 할당된 출력 상태가 다른 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 저널 표면 레이저 경화 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 스캐닝 패턴을 따라 레이저 스폿으로 스캐닝하는 동안 스캐닝 속도를 조정함으로써 에너지 분포의 조정이 수행되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 저널 표면 레이저 경화 방법.
  9. 제3항에 있어서,
    스캐닝은 충분히 빠른 스캐닝 속도로 수행되어서, 상기 유효 레이저 스폿 내부 지점에서 지역 최대치와 다음 지역 최소치 온도 사이에서 온도 진동이 200 ℃ 미만의 진폭을 가지는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 저널 표면 레이저 경화 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유효 레이저 스폿(5)의 에너지 분포는 상기 제1 방향(X)에서 상기 유효 레이저 스폿의 중앙보다 상기 제1 방향(X)에서 상기 유효 레이저 스폿의 단부에 많은 에너지가 가해지는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 저널 표면 레이저 경화 방법.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    유효 레이저 스폿에 의해 지나간 구역이 처음으로 제1 평균 출력으로 레이저 조사를 받고 그 이후에 제1 평균 출력보다 낮은 제2 평균 출력으로 조사를 받아, 상기 에너지 분포가 상기 유효 레이저 스폿의 후행 부분(2F) 보다 상기 유효 레이저 스폿의 선행 부분(2E)에서 높은 에너지 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 저널 표면 레이저 경화 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 방향으로 오일 윤활 홀(1003) 양 측면 표면 구역에 유효 레이저 스폿을 가하는 단계를 포함하는데, 상기 오일 윤활 홀(1003)은 내측으로 경사지게 연장되되, 오일 윤활 홀이 제1 측면(1003A)이 아니라 제2 측면(1003B) 하부로 연장되고, 유효 레이저 스폿은 제2 측면(1003B) 위보다 제1 측면(1003A) 위에 더 많은 에너지(5A)를 가하기 위해 조정되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 저널 표면 레이저 경화 방법.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    유효 레이저 스폿(5)은 상기 열 감도가 작은 하위 구역에서 제1 형상을 가지고, 오일 윤활 홀(1003)에 도달할 때 U 형상이 되고 오일 윤활 홀을 떠날 때 전도된 U 형상이 되도록, 또는 오일 윤활 홀(1003)에 도달할 때 전도된 U 형상이 되고 오일 윤활 홀을 떠날 때 U 형상이 되도록 조정되고, 상기 제1 형상은 직사각형 또는 삼각형 형상을 선택적으로 취하는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 저널 표면 레이저 경화 방법.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유효 레이저 스폿(5)이 불균형한 방식으로(off-centered manner) 상기 저널 위에 투사되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 저널 표면 레이저 경화 방법.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유효 레이저 스폿(5)은 저널(1001, 1002)의 75% 이상을 가로질러 상기 제1 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 하는 크랭크 샤프트 저널 표면 레이저 경화 방법.
  16. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    원주 방향(W)에서 저널 주변으로 유효 레이저 스폿이 이동함에 따라 상기 표면 구역의 이전에 경화된 부분에 유효 레이저 스폿이 도달할 때, 유효 레이저 스폿(5)의 선행 부분에 에너지 밀도를 낮추는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 저널 표면 레이저 경화 방법.
  17. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    원주 방향(W)에서 저널 주변으로 유효 레이저 스폿이 이동함에 따라 상기 표면 구역의 이전에 경화된 부분에 유효 레이저 스폿이 도달할 때, 상기 유효 레이저 스폿의 후행 부분은 상기 원주 방향으로 계속 이동하는 반면에 상기 유효 레이저 스폿의 선행 부분에서 상기 유효 레이저 스폿의 이동을 방해하는 단계, 및 상기 유효 레이저 스폿이 사라질 때까지, 상기 원주 방향으로 상기 유효 레이저 스폿의 크기를 계속적으로 감소시키는 단계를 특징으로 하는 크랭크 샤프트 저널 표면 레이저 경화 방법.
  18. 크랭크 샤프트(1000)의 저널(1001, 1002) 표면을 경화시키기 위한 시스템으로,
    상기 시스템은 레이저원(1) 및 크랭크 샤프트(1000)의 저널 표면과 레이저원(1)을 상대 이동시키기 위한 장치(12, 13, 21)를 포함하며, 상기 시스템은 시스템 작동을 제어하기 위한 전자 제어 장치(100)를 또한 포함하는, 크랭크 샤프트 저널 표면 경화 시스템에 있어서,
    제1항 또는 제2항에 따른 방법을 수행하도록 시스템 작동을 위한 전자 제어 장치(100)가 배치되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 저널 표면 경화 시스템.
  19. 제4항에 있어서,
    상기 에너지 분포의 조정은 스캐닝 패턴을 조정함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 저널 표면 레이저 경화 방법.
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