(57)【要約】【課題】肉盛り終端部において肉盛り不足が発生することなく且つ希釈による割れの発生を抑制する。【解決手段】シリンダーヘッド１のバルブシート形成部位に形成されたリング形状凹溝１６に、金属粉末リング体２を配置した後、この金属粉末リング体２にレーザビームｈｖを照射して溶融固化させることによりバルブシートを形成する。レーザｈｖを金属粉末リング体２に対して照射する照射開始点から円周方向に順次照射して照射終了点に到達した時に、この照射終了点の肉盛り終了部２Ａに金属粉末４を供給しながら該金属粉末４をレーザｈｖにより溶かして更に肉盛りを行う。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダーヘッドのバルブシート形成部位に形成されたリング形状凹溝に、リング状の金属材料を配置した後、この金属材料にレーザを照射し溶融させて肉盛りすることでバルブシートを形成するレーザクラッドバルブシート形成方法において、
前記レーザを前記金属材料に対して照射する照射開始点から円周方向に順次照射して照射終了点に到達した時に、この照射終了点の肉盛り終了部に金属粉末を供給しながら該金属粉末をレーザにより溶かして更に肉盛りを行う
ことを特徴とするレーザクラッドバルブシート形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザクラッドバルブシート形成方法であって、
前記照射終了点の肉盛り終了部に生じる溶融部に、前記金属粉末を供給する
ことを特徴とするレーザクラッドバルブシート形成方法。
【請求項３】
請求項２に記載のレーザクラッドバルブシート形成方法であって、
前記照射終了点から更に前記照射開始点に重なるオーバーラップ部位にも金属粉末を供給する
ことを特徴とするレーザクラッドバルブシート形成方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか１項に記載のレーザクラッドバルブシート形成方法であって、
前記肉盛り終了部では、前記レーザの移動位置及び出力に応じて前記金属粉末の供給量を変化させる
ことを特徴とするレーザクラッドバルブシート形成方法。
【請求項５】
シリンダーヘッドのバルブシート形成部位に形成されたリング形状凹溝に、リング状の金属材料を配置した後、この金属材料にレーザを照射して溶融固化させることによりバルブシートを形成するレーザクラッドバルブシート形成装置において、
レーザ発振器から出力された前記レーザを前記金属材料に対して円周方向に沿って照射する光学系手段と、
前記レーザを前記金属材料に対して照射する照射開始点から円周方向に順次照射して照射終了点に到達した時に、この照射終了点の肉盛り終了部に金属粉末を供給する粉末供給手段とを備えた
ことを特徴とするレーザクラッドバルブシート形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザクラッドバルブシート形成方法及びレーザクラッドバルブシート形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車エンジンでは、バルブシートとして従来のシートリングを打ち込む方式に変えてバルブシート合金をシリンダーヘッドへ直接肉盛りする方式（レーザクラッド加工）が採用され初めている。このように、バルブシート合金をシリンダーヘッドに直接肉盛りすれば、シートリングの打ち込み方式に比べて熱伝導性を大幅に向上させることができ、冷却性能を高めることができる。
【０００３】
レーザクラッド加工は、シリンダーヘッドのバルブシート形成部位に金属粉末（肉盛り材料）を供給しながらその金属粉末に対してレーザを照射して溶融固化させて肉盛る技術である（例えば、特許文献１、２など参照）。その中でも、内燃機関用シリンダヘッドのバルブシート形成部位に対してレーザクラッド加工を行い、リング形状のバルブシートを形成する手法をレーザクラッドバルブシート加工という。
【０００４】
金属粉末を供給しながらレーザを照射して肉盛るためには、落下する金属粉末がバルブシート形成部位の溝に対して垂直に着座するように、バルブの角度に合わせてシリンダーヘッドを傾け、バルブ軸を中心にシリンダーヘッドを回転させながらレーザを照射して加工を行う。
【０００５】
しかし、シリンダーヘッドを回転させると、そのための治具構造は複雑化し高価になると共に１バルブ毎しか肉盛り加工することができない。そのため、シリンダーヘッドを回転させずに固定し、バルブシート形成部位に予め押し固めた円環状の金属粉末リング体を置いてレーザを照射し肉盛りする加工方法が考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１５５５８３号公報
【特許文献２】特開２００３−２７５８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、この加工方法では、レーザを照射すると、加工終端部で溶融金属が引っ張られて肉盛り不足が発生したり、希釈による割れが発生することがある。バルブシートに欠肉若しくは割れが発生すると、混合気の圧縮行程でシリンダー内の気密保持が出来なくなることも想定される。
【０００８】
そこで、本発明は、肉盛り終端部において肉盛り不足が発生することなく且つ希釈による割れの発生を抑制することができるレーザクラッドバルブシート形成方法及びレーザクラッドバルブシート形成装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のレーザクラッドバルブシート形成方法では、レーザをリング状の金属材料に対して照射する照射開始点から円周方向に順次照射して照射終了点に到達した時に、この照射終了点の肉盛り終了部に金属粉末を供給しながら該金属粉末をレーザにより溶かして更に肉盛りを行うようにする。
【００１０】
本発明のレーザクラッドバルブシート形成装置は、レーザ発振器から出力されたレーザをリング状の金属材料に対して円周方向に沿って照射する光学系手段と、レーザを金属材料に対して照射する照射開始点から円周方向に順次照射して照射終了点に到達した時に、この照射終了点の肉盛り終了部に金属粉末を供給する金属粉末供給手段とを備えている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のレーザクラッドバルブシート形成方法によれば、リング状の金属材料に対して照射開始点から円周方向にレーザを順次照射して照射終了点に到達すると、この照射終了点では溶融金属が引っ張られて肉盛り不足が発生したり希釈が発生し易くなるが、照射終了点の肉盛り終了部に金属粉末を供給しながら金属粉末をレーザにより溶かして更に肉盛りを行うことで、肉盛り不足を解消できると共に希釈の発生を抑制することができる。したがって、本発明方法によれば、割れの発生の無いレーザクラッドバルブシートを製造することができる。
【００１２】
本発明のレーザクラッドバルブシート形成装置によれば、レーザ発振器から出力されたレーザをリング状の金属材料に対して円周方向に沿って照射する光学系手段を備えているので、シリンダーヘッドを回転させる必要がないことから装置構造を簡略化することができると共に装置コストを抑えることができる。また、本発明装置によれば、レーザの照射終了点の肉盛り終了部に金属粉末を供給する金属粉末供給手段を備えているので、肉盛り終了点の肉盛り不足を解消させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１はレーザクラッドバルブシート形成装置を示す斜視図である。
【図２】図２は図１に示したシリンダーヘッドのバルブシート形成部位に形成されたリング形状凹溝に金属粉末リング体を配置する前の状態を示す要部拡大斜視図である。
【図３】図３は金属粉末リング体にレーザを円周方向に順次照射する状態を示す図である。
【図４】図４は肉盛り加工後のバルブシート部位を示す要部拡大斜視図である。
【図５】図５は肉盛り終了部を更に肉盛りする工程図である。
【図６】図６は肉盛り終了部を更に肉盛りしなかった場合の加工工程を示す工程図である。
【図７】図７は実施形態２の加工方法を示す工程図である。
【図８】図８は実施形態３の加工方法を示す工程図である。
【図９】図９は実施形態４の加工方法を示す工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
「実施形態１」
先ず、レーザクラッドバルブシート形成装置の構成について図１乃至図３を参照して説明する。
【００１６】
レーザクラッドバルブシート形成装置は、図１に示すように、例えば自動車用エンジンなどのシリンダーヘッド１のバルブシート形成部位に形成されたリング形状凹溝に配置した金属粉末リング体（リング状の金属材料）２にレーザｈｖを照射するレーザ照射装置３と、金属粉末リング体２の肉盛り終了部に金属粉末４を供給する粉末供給手段である粉末供給装置５とを備えている。
【００１７】
レーザ照射装置３は、レーザｈｖを発振するレーザ発振器６と、このレーザ発振器６により発振されるレーザｈｖの強さなどを制御するレーザ発振器制御部７と、ＮＣ制御装置８と、レーザｈｖを集光して金属粉末リング体２に照射させる光学系手段である集光ヘッド９と、からなる。
【００１８】
レーザ発振器６で発振されたレーザｈｖは、レーザ発振器制御部７で制御されて集光ヘッド９に供給され、この集光ヘッド９で所定のスポット径に絞られて金属粉末リング体２に照射される。集光ヘッド９には、図２のバルブシート形成部位に形成されたリング形状凹溝１６に配置された金属粉末リング体２に対して、レーザｈｖを図３に示す如く円周方向（図３矢印Ａ方向）に順次照射するためのレーザ照射ミラー１７が設けられている。このレーザ照射ミラー１７は、レーザ発振器６から発振されたレーザｈｖを円周方向に順次照射するように旋回可能に駆動されている。
【００１９】
粉末供給装置５は、金属粉末リング体２の肉盛り終了部に金属粉末４を供給するノズル１０（図１では図示を省略し図５に示す）と、金属粉末４を収容して置くホッパー１１と、金属粉末４の量を計測する荷重計１２と、ホッパー１１からノズル１０へと金属粉末４を送り込むフィーダ１３と、これらを制御する粉末制御部１４とからなる。
【００２０】
ノズル１０の先端からは、ホッパー１１に収容された金属粉末４がフィーダ１３により送られることで、前記金属粉末リング体２の肉盛り終了部へと吹き付けられる。金属粉末４としては、例えば熱伝導性に優れる銅合金などが使用される。前記ノズル１０は、固定されており、そのノズル先端が肉盛り終了部へと向けられている。
【００２１】
このレーザクラッドバルブシート形成装置では、前記レーザ発振器６とレーザ発振器制御部７とＮＣ制御装置８と粉末供給制御部１４とがそれぞれコンピュータ１５によって制御されている。また、このレーザクラッドバルブシート形成装置では、金属粉末４の供給量が多くなるとそれに応じてレーザ出力が高くなり、金属粉末４の供給量が少なくなるとそれに応じてレーザ出力が低くなるように、粉末供給量とレーザ出力が連動するようになっている。
【００２２】
次に、レーザクラッドバルブシート形成方法について説明する。先ず、図２に示すように、例えばアルミニウム合金からなるシリンダーヘッド１のバルブシート形成部位に形成されたリング形状凹溝１６に、予めバルブシート形状に押し固めたリング状の金属材料である金属粉末リング体２を配置する。図２では、１気筒当たり吸気用と排気用のバルブを２本としたエンジン構造としているため、１気筒当たり４つのレーザクラッドバルブシートを形成する。シリンダーヘッド１は、それ自体回転させないため治具に固定される。
【００２３】
次に、レーザ発振器６を駆動してレーザｈｖを集光ヘッド９に出力する。レーザｈｖの出力は、レーザ発振器制御部７によりその強さが制御される。出力されたレーザｈｖは、所定ビームスポット径に絞られて集光された後、レーザ照射ミラー１７により前記金属粉末リング体２に照射される。このレーザ照射ミラー１７は、レーザｈｖを金属粉末リング体２に対して照射する照射開始点から円周方向に順次照射するように旋回駆動される。金属粉末リング体２にレーザｈｖが照射されると、その部位が加熱されて金属粉末が溶融する。
【００２４】
前記レーザｈｖの照射を照射開始点から円周方向に順次照射して照射終了点に到達したらレーザｈｖの供給を停止する。この照射終了点の肉盛り終了部２Ａでは、図５（Ａ）に示すように溶融金属が引っ張られて肉盛り不足が発生し欠肉が生じる。そこで、図５（Ｂ）に示すように、肉盛り終了部２Ａにノズル１０から金属粉末４を供給し、その金属粉末４を再び照射したレーザｈｖにより溶かして更に肉盛りを行う。ここで定義する照射開始点と照射終了点は、同じ位置かほぼ同じ位置とする。肉盛り終了部２Ａに金属粉末４を供給しながら肉盛りを行うと、図５（Ｃ）に示すように凹みとされた肉盛り終了部２Ａの上に追加肉盛り層１８が盛り上がるように形成される。
【００２５】
図５に示すように肉盛り終了部２Ａに金属粉末４を供給することなくそのまま加工を終了した場合は、図６（Ａ）の矢印Ｂで示すように溶融金属が引っ張られて肉盛り不足が発生し、同図（Ｂ）に示すように凹みとなる欠肉部２０が生じる。肉盛りが不足すると、シリンダーヘッド１の母材１９への入熱が大きくなり過ぎて金属粉末リング体２を溶融させた肉盛り層２１に母材１９の一部が溶け込む希釈２２が発生し、冷却後に肉盛り終了部２Ａにヒビ割れ２２が発生する。しかし、本実施形態では、肉盛り終了部２Ａに金属粉末４を供給しながら該金属粉末４をレーザｈｖにより溶かして更に肉盛りを行っているので、欠肉もヒビ割れも生じることを抑制することができる。
【００２６】
前記金属粉末４を供給しながらの肉盛り加工が終了したらレーザｈｖ及び金属粉末４の供給を停止し、肉盛り層２１を自然冷却する。自然冷却することで溶融した肉盛り層２１は、固化されてクラッド層、つまりレーザクラッドバルブシートとなる。
【００２７】
以上の工程を繰り返すことで、シリンダーヘッド１に形成される全てのバルブシート形成部位に配置された金属粉末リング体２にレーザｈｖを照射してレーザクラッドバルブシートを形成する。
【００２８】
本実施形態のレーザクラッドバルブシート形成方法によれば、バルブシート形状に押し固めた金属粉末リング体２に対して照射開始点から円周方向にレーザｈｖを順次照射して照射終了点に到達すると、この照射終了点では溶融金属が引っ張られて肉盛り不足が発生したり希釈が発生し易くなるが、照射終了点の肉盛り終了部２Ａに金属粉末４を供給しながら該金属粉末４をレーザｈｖにより溶かして更に肉盛りを行うことで、肉盛り不足を解消できると共に、母材１９への入熱が少なくなることにより希釈の発生を抑制することができる。したがって、本発明方法によれば、割れの発生の無いレーザクラッドバルブシートを製造することができる。
【００２９】
「実施形態２」
図７は実施形態２の加工方法を示す工程図である。実施形態２では、レーザｈｖの照射終了点の肉盛り終了部２Ａに生じる溶融部２３に、金属粉末４を供給しレーザｈｖにより該金属粉末４を溶かして更に肉盛りを行う。
【００３０】
この実施形態２では、実施形態１のように照射終了点でレーザｈｖの照射を停止した後に金属粉末２を供給して肉盛りを行うのではなく、図７（Ａ）に示すようにレーザ照射中に発生する溶融部（溶融プール）２３に金属粉末４を供給し、その金属粉末４をレーザｈｖで溶かして肉盛りを行う。前記溶融部２３は、金属粉末リング体２にレーザｈｖを照射し加熱することで金属粉末が融けた部位である。
【００３１】
こうすることで、元々の肉盛り層２１の再溶融部を減らすことができる。つまり、実施形態１では、照射終了点でレーザｈｖの供給を一旦停止した後、再びレーザｈｖを供給するため、冷却して固まった肉盛り終了部２Ａが再び溶融されることになる。しかしながら、実施形態２では、照射終了点にレーザｈｖが到達してもそのままレーザｈｖを供給し続け、そのレーザｈｖの照射で加熱された溶融部２３に金属粉末４を供給することにより肉盛りを行うため、再溶融部が無くなる。図５（Ｃ）では、肉盛りした部位と肉盛りする前の部位との間に破線で示すような境界２４が形成されるが、図７（Ｂ）ではそのような境界２４は形成されない。
【００３２】
このように実施形態２のレーザクラッドバルブシート形成方法によれば、元々の肉盛り層２１の再溶融部を減らすことができ、再溶融部とそうでない部位との境界２４が抑制されることからヒビ割れの発生をより一層無くすことができる。
【００３３】
「実施形態３」
図８は実施形態３の加工方法を示す工程図である。実施形態３では、実施形態２の加工工程に加えて照射終了点から更に照射開始点に重なるオーバーラップ部位にも金属粉末４を供給し、この金属粉末４をレーザｈｖで溶かして肉盛りを行う。
【００３４】
実施形態２では、境界２４の無い肉盛りが可能であるが、照射開始点に重なるオーバーラップ部位に僅かに凹み２５（図７（Ｂ）参照）が発生する場合がある。この凹み２５は、放置しておくと応力集中により割れが発生する原因となる。そこで、実施形態３では、図８（Ａ）で溶融部２３に金属粉末４を供給しながらレーザｈｖで該金属粉末４を溶かして肉盛りを行うに際して、図８（Ｂ）に示すようにオーバーラップ部位にも金属粉末４を供給しレーザｈｖの照射により肉盛りを行う。すると、オーバーラップ部位に僅かにへこんだ凹み２５が、追加肉盛り層２Ｂにより埋められることになる。
【００３５】
前記オーバーラップ部位の凹み２５に供給する金属粉末４は、この部位のみに金属粉末４を供給する専用のノズル２６から供給するようにしてもよい。つまり、粉末供給装置５としては、肉盛り終了部２Ａに金属粉末４を供給する専用のノズル１０と、オーバーラップ部位に凹む凹み２５に金属粉末４を供給する専用のノズル２６と、をそれぞれ持つ構成とする。これら２つのノズル１０、２６は、何れも固定された状態にある。
【００３６】
実施形態３のレーザクラッドバルブシート形成方法によれば、実施形態２の加工に続けてオーバーラップ部位にも金属粉末４を供給して肉盛りを行うため、僅かな凹み２５を無くすことができ、ヒビ割れの発生をより一層抑制することができる。
【００３７】
「実施形態４」
図９は実施形態４の加工方法を示す工程図である。実施形態４では、肉盛り終了部２Ａにおいてレーザｈｖの移動位置及び出力に応じて金属粉末４の供給量を変化させて供給する。
【００３８】
実施形態１から３では何れもノズル１０を固定式としたが、実施形態４では、ノズル１０をレーザｈｖと同期させて移動させると共にレーザｈｖの出力に応じて金属粉末４の供給量を変化させるようにする。具体的には、図９（Ａ）に示すように、レーザｈｖを金属粉末リング体２に対して円周方向に動かして行った時に欠肉が最も不足する肉盛り終了部２Ａにレーザｈｖが到達した時に、ノズル１０から金属粉末４を供給する。その際に、金属粉末４の供給量をレーザｈｖの移動位置及び出力に応じて変化させる。レーザｈｖの強さは、レーザ発振器制御部７で制御する。金属粉末４の供給量は、粉末制御部１４で制御する。
【００３９】
肉盛り終了部２Ａは、凹形状の凹みとなる。このため、最初は金属粉末４の供給量を小とし、肉盛り終了部２Ａが最も大きな凹みとなる中央位置にレーザｈｖが移動するまで徐々に金属粉末４の供給量を増やして行く。レーザｈｖの出力も同じく徐々に高めて行き、金属粉末４の供給量が最も増える肉盛り終了部２Ａの中央位置で最大出力とする。この肉盛り終了部２Ａの中央位置では、欠肉が発生しないように金属粉末４をほぼ一定量となるように供給し続ける。その後は、肉盛り終了部２Ａの中央位置からは凹みが徐々に少なくなるため、金属粉末４の供給量を少なくして行く。これに伴いレーザｈｖの出力を、肉盛り終了部２Ａの中央位置から徐々に小さくして行く。
【００４０】
このように実施形態３のレーザクラッドバルブシート形成方法によれば、肉盛り終了部２Ａにおいてレーザｈｖの移動位置及び出力に応じて金属粉末４の供給量を変化させて供給するので、この肉盛り終了部２Ａの凹み形状に応じた金属粉末量、レーザ移動量及びレーザ出力量にて肉盛りすることが可能となり、図９（Ｂ）に示す如き凹みの無い滑らかな肉盛りを実現することができる。その結果、希釈、未溶着、および凹みの存在による応力集中を起因とする割れの発生を抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、バルブシート合金をシリンダーヘッドへ直接肉盛りする技術に利用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１…シリンダーヘッド
２…金属粉末リング体（リング状の金属材料）
３…レーザ照射装置
４…金属粉末
５…粉末供給装置
９…集光ヘッド（光学系手段）
１０，２６…ノズル
１６…リング形状凹溝
１７…レーザ照射ミラー（光学系手段）
１８…追加肉盛り層
１９…母材
２０…欠肉部
２１…肉盛り層
２２…ヒビ割れ
２３…溶融部
２４…境界
２５…凹み
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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