(57)【要約】【課題】レーザクラッド加工始端部における品質不良の発生を防止することが可能なレーザクラッド加工方法を提供する。【解決手段】実施形態に係るレーザクラッド加工方法は、シリンダヘッド１のバルブシートを形成する加工部位２に金属粉末Ｐを供給し、レーザービームＬを照射してレーザクラッド加工を行うレーザクラッド加工方法であって、レーザビームＬの加工部位２に対する相対速度を０から一定速度まで増加させる加速期間を経て、該一定速度を維持する定速期間となるように、レーザビームＬを加工部位２に沿って相対的に移動させ、加速期間中に金属粉末Ｐの供給を開始し、定速期間に入る近傍で金属粉末Ｐの供給量が所定値となるように、金属粉末Ｐの供給を制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドのバルブシートを形成する加工部位に金属粉末を供給し、レーザビームを照射してレーザクラッド加工を行うレーザクラッド加工方法であって、
前記レーザビームの前記加工部位に対する相対速度を０から一定速度まで増加させる加速期間を経て、該一定速度を維持する定速期間となるように、前記レーザビームを加工部位に沿って相対的に移動させ、
前記加速期間中に前記金属粉末の供給を開始し、前記定速期間に入る近傍で前記金属粉末の供給量が所定値となるように、前記金属粉末の供給を制御する、
レーザクラッド加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザクラッド加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、シリンダヘッドのバルブシートの加工部位に耐摩耗性に優れた金属材料を肉盛りするレーザクラッド加工が知られている。レーザクラッド加工は、加工部位に金属粉末を供給しながら、レーザビームを照射して溶融固化させる技術である。金属粉末を供給しながらレーザビームを照射して肉盛りを行うためには、加工部位に沿ってレーザビームを相対的に移動させる必要がある。
【０００３】
特許文献１には、バルブシートの中心軸線が鉛直方向となるようにシリンダヘッドを傾動して保持し、該シリンダヘッドが鉛直方向に対して傾斜した状態でバルブシートの中心軸線周りに回転しながらバルブシートに沿って金属粉末を供給するとともに、レーザビームを照射してレーザクラッド加工する方法が開示されている。
【０００４】
また、レーザクラッド加工を行う前工程として鋳造によって製造した金属母材に対し、バルブシートを形成する部位に切削工具にて凹形状の溝加工を行い、該溝部にレーザを照射して母材を溶かすことで溶融層を形成後、当該溶融層上に金属粉末を供給しながらレーザを照射してバルブシートを形成することが行われている（例えば、特許文献２）。
【０００５】
特許文献２では、溶融層形成工程時におけるレーザの移動速度を、レーザクラッド加工工程時におけるレーザの移動速度より遅くすることで、溶融層形成工程時におけるレーザの照射エネルギーを、レーザクラッド加工工程時におけるレーザの照射エネルギーより大とし、空孔や割れのないクラッド層を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２１９０８号公報
【特許文献２】特開２００９−４５６３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、金属粉末を供給する粉末供給装置と、加工部位に供給された金属粉末を吐出する加工ヘッドとは、長尺のホースで接続されている。このため、加工始端部では、粉末形状、粒度分布等の金属粉末の状態により、加工点に金属粉末が到達するタイミングにバラツキが生じ、供給される金属粉末の量を制御することが難しい。加工始端部において通常よりも早く金属粉末が出始めると、レーザの入熱量に対し金属粉末の量が過剰となり、金属粉末の溶融が不足し、未溶着となる品質不良が発生する。
【０００８】
特許文献１では、母材の溶融層形成工程時におけるレーザの移動速度を、レーザクラッド加工工程時におけるレーザの移動速度より遅くしているが、これは、レーザクラッド加工始端部を考慮したものではない。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、レーザクラッド加工始端部における品質不良の発生を防止することが可能なレーザクラッド加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様に係るレーザクラッド加工方法は、シリンダヘッドのバルブシートを形成する加工部位に金属粉末を供給し、レーザビームを照射してレーザクラッド加工を行うレーザクラッド加工方法であって、前記レーザビームの前記加工部位に対する相対速度を０から一定速度まで増加させる加速期間を経て、該一定速度を維持する定速期間となるように、前記レーザビームを加工部位に沿って相対的に移動させ、前記加速期間中に前記金属粉末の供給を開始し、前記定速期間に入る近傍で前記金属粉末の供給量が所定値となるように、前記金属粉末の供給を制御する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、レーザクラッド加工始端部における品質不良の発生を防止することが可能なレーザクラッド加工方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に係るレーザクラッド装置の全体構成を示す斜視図である。
【図２】実施の形態に係るレーザクラッド加工方法を説明するための、加工動作タイミングを示す図である。
【図３】実施の形態と比較例の加工始端部を比較する図である。
【図４Ａ】実施の形態に係るレーザクラッド加工方法を実施しているときの加工始端部の状態を示す図である。
【図４Ｂ】実施の形態に係るレーザクラッド加工方法を実施しているときの加工始端部の状態を示す図である。
【図４Ｃ】実施の形態に係るレーザクラッド加工方法を実施しているときの加工始端部の状態を示す図である。
【図５】レーザクラッド加工始端部の良否判定結果を示す図である。
【図６Ａ】比較例のレーザクラッド加工方法を実施しているときの加工始端部の状態を示す図である。
【図６Ｂ】比較例のレーザクラッド加工方法を実施しているときの加工始端部の状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。各図における同等の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
実施の形態は、レーザクラッド加工方法に関し、例えば、シリンダヘッドのバルブシートを形成する加工部位に金属粉末を供給し、レーザビームを照射してクラッド層を形成するレーザクラッド加工方法に関する。実施の形態に係るレーザクラッド加工方法は、レーザビームの加工部位に対する相対速度を０から一定速度まで増加させる加速期間を経て、該一定速度を維持する定速期間となるように、レーザビームを加工部位に沿って相対的に移動させ、加速期間中に金属粉末の供給を開始し、定速期間に入る近傍で金属粉末の供給量が所定値となるように、金属粉末の供給を制御する。これにより、レーザクラッド加工始端部における金属粉末の溶融不足を解消し、品質不良の発生を防止することができる。
【００１５】
図１は、実施の形態に係るレーザクラッド装置１０の全体構成を示す斜視図である。図１に示すように、レーザクラッド装置１０は、レーザ照射装置１１、粉末供給装置１２、制御装置１３を備えている。レーザ照射装置１１は、レーザ加工ヘッド１４を有している。
【００１６】
ここでは、シリンダヘッド１を固定して、レーザ加工ヘッド１４を円形の加工部位２の中心軸線周りに回転しながらクラッド層を形成する。なお、加工部位に沿ってレーザビームを相対的に移動させることができればよく、例えば、加工部位２の中心軸線を回転中心としてシリンダヘッド全体を回転させてもよい。
【００１７】
シリンダヘッド１は、例えば、加工部位２の中心軸線が鉛直方向となるように傾斜した状態で保持される。また、図示しないモータ等により、加工部位２の中心軸線とレーザ加工ヘッド１４の回転軸とを一致させることができる。
【００１８】
レーザ加工ヘッド１４は、シリンダヘッド１のバルブシートを形成する加工部位２に対してレーザビームを出射しつつ金属粉末を吐出する。レーザ加工ヘッド１４は、図示しない、レーザビームを発生するレーザ発振器と、レーザビームを通過すると共に金属粉末を吐出する同軸ノズルと、レーザ出力等を制御するレーザ制御部を備える。レーザ発振器と同軸ノズルとはレーザビームを集光する光学系を介して一体的に接続されている。
【００１９】
同軸ノズルには、金属粉末Ｐを供給する粉末供給装置１２から延びるホース１５が接続されている。制御装置１３は、レーザ加工ヘッド１４が、同軸ノズルの軸線をバルブシートの傾斜に応じて所定の角度傾斜した状態で、鉛直方向の中心軸線周りに回転するように駆動する。
【００２０】
粉末供給装置１２は、収容された金属粉末Ｐを計量し、所定量ずつキャリアガスの圧力によりレーザ加工ヘッド１４の同軸ノズルへ圧送供給する。金属粉末Ｐのレーザ加工ヘッド１４ヘの供給量は、図示しない粉末供給制御部により制御される。加工部位２に金属粉末Ｐを供給しながらレーザビームを照射して肉盛りを行うことでクラッド層を形成する際には、シリンダヘッド１を破線矢印に示すように回転させながらレーザクラッド加工が行われる。
【００２１】
次に、上述したレーザクラッド装置１０を用いた、実施の形態に係るレーザクラッド加工方法について説明する。図２は、実施の形態に係るレーザクラッド加工方法の加工動作タイミングを示す図である。図２では、時間に対する、（１）加工部位２に供給される金属粉末量（ｇ／ｓ）、（２）レーザ出力（ｋｗ）、（３）レーザ加工ヘッド１４が加工部位２の中心軸線周りに回転する移動速度（ｍｍ／ｓｅｃ）（レーザビームＬが加工部位２に沿って相対的に移動する相対速度）の変化を示している。レーザ加工ヘッド１４の移動速度は、それぞれ、破線が比較例１を示し、一点破線が比較例２を示し、実線が実施の形態を示している。
【００２２】
図２（１）に示すように、レーザ加工ヘッド１４から吐出される金属粉末Ｐの供給量は、その供給が開始されてから（供給ＯＮ）、所定の期間経過後に所定値に達する。また、レーザ出力は、レーザビームＬの照射が開始されてから（照射ＯＮ）、所定の期間経過度に所定値に達する。金属粉末Ｐの供給及びレーザビームＬの照射が開始されてから、これらがそれぞれの所定値に達するまでに、レーザクラッド加工される部位を加工始端部とする。また、金属粉末Ｐ及びレーザビームＬがそれぞれの所定値に達した後に、レーザクラッド加工される部位を加工中間部とする。なお、金属粉末量及びレーザ出力は、比較例、実施の形態とも同一である。
【００２３】
まず、図２（３）の破線で示す、比較例１について説明する。比較例１では、レーザ加工ヘッド１４の移動動作が開始されてから、一定速度に達した後に、金属粉末Ｐの供給が開始されるとともに、レーザビームＬの照射が開始される。図６Ａ、６Ｂは、比較例１のレーザクラッド加工方法を実施しているときの加工始端部の状態を示す図である。
【００２４】
図６Ａに示す例では、加工始端部において通常よりも早く金属粉末が出始め、加工点に到達した金属粉末Ｐの量がレーザの入熱量に対し過剰となった場合を示している。この場合、金属粉末Ｐの溶融が不足し、加工始端部に粉玉と呼ばれる品質不良Ｄが発生する。これは、レーザビームＬが移動する速度が大きく、金属粉末Ｐの溶融が完了する前にレーザビームＬが移動してしまい、十分に入熱できないためである。
【００２５】
図６Ｂに示すように、円形の加工部位２を１周に亘ってレーザクラッド加工を施した後の加工終端部において、２層目のクラッド層で品質不良Ｄを覆うと、クラッド層の内部に隙間ができてしまう。バルブシートの仕上げ加工時に、この隙間が表面に露出すると、バルブのシール性不良が発生してしまう。
【００２６】
そこで、図２（３）の一点破線で示す、比較例２のように、レーザビームＬが移動する速度を全体的に小さくすることが考えられる。しかしながら、比較例２ではレーザクラッド加工にかかるサイクルタイムが延び、コストが増加してしまう。
【００２７】
これに対し、実施の形態では、図２（３）に実線で示すように、レーザ加工ヘッド１４の移動速度を０から一定速度まで増加させる加速期間を経て、該一定速度を維持する定速期間となるように、レーザビームＬを加工部位に沿って相対的に移動させる。図２（３）に示すように、実施の形態における加速期間の長さは、比較例よりも長い。
【００２８】
すなわち、実施の形態の加速期間における移動速度の上昇勾配は、比較例１、２の加速期間における移動速度の上昇勾配よりも緩やかである。従って、実施の形態の加工始端部におけるレーザビームＬの移動速度は、比較例よりも遅くなる。図３は、実施の形態と比較例の加工始端部を比較する図である。図３に示すように、実施の形態の加工始端部の長さは、比較例１よりも長くなる。
【００２９】
そして、実施の形態では、加速期間中に金属粉末の供給を開始し、定速期間に入る近傍で金属粉末の供給量が所定値となるように、金属粉末の供給を制御する。図４Ａ〜図４Ｃは、実施の形態に係るレーザクラッド加工方法を実施しているときの加工始端部の状態を示す図である。
【００３０】
図４Ａでは、図６Ａと同様に、加工始端部において通常よりも早く金属粉末が出始め、加工点に到達した金属粉末Ｐの量が多いものとする。図４Ｂに示すように、実施の形態では図６Ａと比較してレーザビームＬの移動速度が遅いため、レーザビームＬが加工点から離れるまでに十分な時間を確保することができ、レーザ出力の上昇と共に十分な入熱を得ることができる。これにより、金属粉末の未溶融を防止して、適正な溶融池を形成することができる。このため、図４Ｃに示すように、加工始端部に、品質不良Ｄの形成を防ぐことが可能となる。
【００３１】
実施の形態では、加工始端部における金属粉末Ｐの供給量及びレーザパワーの各条件を振って、レーザクラッド加工始端部のロバスト性を確認した。なお、加工始端部における金属粉末Ｐの供給量は、金属粉末Ｐの形状、粒度分布等の製造ロットごとの金属粉末Ｐの状態のバラつきを考慮したものである。また、レーザパワーは、パワー測定機器の測定バラつきを考慮したものである。
【００３２】
図５に、レーザクラッド加工始端部の良否判定結果を示す。図５では、実施の形態に係るレーザクラッド加工始端部の良否判定結果が○、×で示されている。図５において、〇が良品、×が不良品を表す。また、実施の形態において良品と判定される条件の範囲を実線の四角で、比較例１において良品と判定された条件の範囲を破線の四角で示している。
【００３３】
図５に示すように、実施の形態では、比較例１と比較して、金属粉末Ｐが供給されるタイミングにおける加工速度が小さい。このため、金属粉末Ｐの供給タイミングがバラツキ、金属粉末Ｐが過剰に供給された場合に対する許容幅が増加し、良品範囲が拡大した。
【００３４】
以上説明したように、実施の形態では、供給する金属粉末Ｐの量、レーザパワーの勾配の制御が難しいレーザクラッド加工の加工始端部において、レーザビームＬの移動の加速期間中に金属粉末Ｐの供給を開始し、定速期間に入る近傍で金属粉末Ｐの供給量が所定値となるように、金属粉末Ｐの供給を制御する。これにより、加工始点部の金属粉末Ｐに十分な入熱を与えることができ、溶融池の温度を安定化させ、クラッド層の品質を安定化させることが可能となる。
【００３５】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  レーザクラッド装置
１１  レーザ照射装置
１２  粉末供給装置
１３  制御装置
１４  レーザ加工ヘッド
１５  ホース
１  シリンダヘッド
２  加工部位
３  クラッド層
Ｐ  金属粉末
Ｌ  レーザビーム
Ｄ  品質不良
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
2020110835.tif 000010
【図６Ｂ】
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