(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属母材表面に他金属材料を投入しつつレーザビームを照射し、前記他金属材料を溶融させて肉盛り層を形成するレーザビームによる肉盛り方法において、前記レーザビームをパルス発振させて肉盛り作業を行い、前記レーザビームの発振パルスは、周波数が１００〜４００Ｈｚで、１サイクルでのパルス発振時間をａ、同非発振時間をｂとすると、ａ／（ａ＋ｂ）が０．５以上であることを特徴とするレーザビームによる肉盛り方法。
【請求項２】
肉盛り層の作業開始部となる始端部での他金属材料の供給量を１０〜３０ｇ/ｍｉｎとして肉盛り作業を行うことを特徴とする請求項１記載のレーザビームによる肉盛り方法。
【請求項３】
肉盛り層は、肉盛り作業開始部となる始端部に、肉盛り作業終了部となる終端部を重ねて形成されるものであることを特徴とする請求項１または２記載のレーザビームによる肉盛り方法。
【請求項４】
金属母材がエンジンのシリンダヘッドにおけるバルブシート部を構成するアルミニウム合金で、他金属材料が銅合金であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載のレーザビームによる肉盛り方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属母材表面に他金属材料を投入しつつレーザビームを照射し、前記他金属材料を溶融させて肉盛り層を形成するレーザビームによる肉盛り方法に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、高品質な肉盛り層が得られるレーザ出力値の制御範囲を拡げ、肉盛り層の形状の制御領域を拡げることを目的としている。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、金属母材表面に他金属材料を投入しつつレーザビームを照射し、前記他金属材料を溶融させて肉盛り層を形成するレーザビームによる肉盛り方法において、前記レーザビームをパルス発振させて肉盛り作業を行い、前記レーザビームの発振パルスは、周波数が１００〜４００Ｈｚで、１サイクルでのパルス発振時間をａ、同非発振時間をｂとすると、ａ／（ａ＋ｂ）が０．５以上であるレーザビームによる肉盛り方法としてある。
【０００４】
上記した肉盛り方法によれば、パルス発振によるレーザビームは、他金属材料と金属母材とを相互に溶着させて良好な肉盛り層を形成する際に、パワー密度（ピーク出力）を所定に確保したままエネルギ密度（平均出力）を下げることが可能となり、全体としてレーザビームの出力値の下限値を低く設定可能となる。
上記したレーザビームの発振パルスの周波数が１００Ｈｚを下回ると、パワー密度が低下し、金属母材と他金属材料との間で未溶着部が発生し、良好な肉盛り層が形成できにくいものとなる。一方、発振パルスの周波数が４００Ｈｚを上回ると、連続波に近いものとなり、エネルギ密度の増大を招くばかりかパルス発振の効果が低くなる。また、ａ／（ａ＋ｂ）が、０．５を下回ると、レーザビームのパルス発振時間ａが同非発振時間ｂに対して短くなりすぎ、金属母材と他金属材料との間で未溶着部が発生し、良好な肉盛り層が形成できにくいものとなる。
このため、発振パルスの周波数を１００〜４００Ｈｚ、パルス発振時間ａと同非発振時間ｂとの関係ａ／（ａ＋ｂ）を０．５以上とすることで、エネルギ密度を低く抑えつつ良好な肉盛り層が得られるものとなる。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１の発明の肉盛り方法において、肉盛り層の作業開始部となる始端部での他金属材料の供給量を１０〜３０ｇ/ｍｉｎとして肉盛り作業を行うものとしてある。
【０００９】
他金属材料の供給量が１０ｇ／ｍｉｎを下回ると、他金属材料の量が少なすぎ、金属母材への入熱が多大となって金属母材の溶融量が増大し、溶融状態の他金属材料に金属母材が多量に混入して凝固時にて肉盛り層にクラックが発生する恐れがある。一方、他金属材料の供給量が３０ｇ／ｍｉｎを超えると、肉盛り層の高さが高くなりすぎ、例えば、肉盛り層として、肉盛り作業開始部となる始端部に肉盛り作業終了部となる終端部を重ね合わせるような場合には、その重なり部における始端部と終端部と金属母材との間に隙間ができて未溶着部が形成されることとなり、クラック発生の原因となる。このため、他金属材料の供給量を１０〜３０ｇ/ｍｉｎとすることで、クラックの発生しない良好な肉盛り層が得られるものとなる。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１または２の発明の肉盛り方法において、肉盛り層は、肉盛り作業開始部となる始端部に、肉盛り作業終了部となる終端部を重ねて形成されるものである。
【００１１】
上記肉盛り方法によれば、特に、肉盛り層の始端部が良好に形成されることで、重なり部での未溶着やクラックの発生が抑えられ、高品質な肉盛り層が確保される。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項の発明の肉盛り方法において、金属母材がエンジンのシリンダヘッドにおけるバルブシート部を構成するアルミニウム合金で、他金属材料が銅合金である。
【００１３】
上記肉盛り方法によれば、アルミニウム合金により軽量化したシリンダヘッドのバルブシート部に、耐熱性および耐摩耗性の高い銅合金で、未溶着部およびクラックが発生しない高品質な肉盛り層が形成される。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、パルス発振によるレーザビームは、他金属材料と金属母材とを相互に溶着させて良好な肉盛り層を形成可能なパワー密度（ピーク出力）を所定に確保したままエネルギ密度（平均出力）を下げることが可能となるので、良好な肉盛り層が得られるレーザビーム出力の下限値を低く設定することができ、この結果良好な肉盛り層の制御領域が拡がるとともに、設備費を低下させることができる。
また、レーザビームの発振パルスの周波数を１００〜４００Ｈｚ、パルス発振時間ａと同非発振時間ｂとの関係ａ／（ａ＋ｂ）を０．５以上としたので、良好な肉盛り層をより確実に得ることができる。
【００１６】
請求項２の発明によれば、他金属材料の供給量を１０〜３０ｇ/ｍｉｎとしたので、クラックの発生しない良好な肉盛り層を得ることができる。
【００１７】
請求項３の発明によれば、特に、肉盛り層の始端部が良好に形成されることで、重なり部での未溶着やクラックの発生が抑えられ、高品質な肉盛り層を確保することができる。
【００１８】
請求項４の発明によれば、アルミニウム合金により軽量化したシリンダヘッドのバルブシート部に、耐熱性および耐摩耗性の高い銅合金で、未溶着部およびクラックが発生しない高品質な肉盛り層を形成できるので、エンジン稼働時において、バルブシート面を構成する肉盛り層の熱がシリンダヘッド本体側に伝達しやすくなり、バルブシート部やバルブの熱負荷が軽減されて耐久性の向上および、エンジンの出力性能向上が期待できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００２０】
図１は、この発明の実施の一形態を示すレーザビームによる肉盛り方法を実施するための装置の概略的な全体構成図であり、アルミニウム合金からなる金属母材１に対し、銅合金の粉末からなる他金属材料３を粉末供給ノズル４から投入しつつ、レーザ発振器５から発振して光学系７で反射集光されたレーザビーム９を照射し、これにより金属母材１の表面および他金属材料３がともに溶融して相互に溶着し、肉盛り層１１が形成される。
【００２１】
レーザ発振器５から発振するレーザビーム９は、図２に示すように、パルス波であり、１サイクルでのパルス発振時間をａ、同非発振時間をｂとすると、デューティ比：ａ／（ａ＋ｂ）が０．５以上であり、発振周波数が１００〜４００Ｈｚである。
【００２２】
図３は、肉盛り層１１が金属母材１に対し未溶着となるレーザ出力（平均出力）の下限値を、粉末（他金属材料３）供給量に応じて、レーザビームが実線で示すパルス波の場合と、破線で示す連続波の場合とで比較して示したものである。なお、ピーク出力は、パルス波と連続波とで同等である。これによれば、例えば粉末供給量が５０ｇ／ｍｉｎの場合には、平均出力の下限値は、連続波では約３０００Ｗであるのに対し、パルス波では２７００Ｗ程度と低くなっているなど、粉末供給量が少ないほどその差が小さくなってはいるものの、全体としてパルス波とした場合の方が、下限値が低下している。
【００２３】
未溶着となるレーザ平均出力の下限値が低下するということは、ピーク出力を所定に確保したまま平均出力がより低い状態で良好な肉盛り層１１の形成が可能なことを意味し、これにより良好な肉盛り層の制御領域が拡がるとともに、設備費についても低下させることができる。
【００２４】
上記した肉盛り層１１を良好なものとするためには、図１の拡大されたＡ−Ａ断面図である図４に示すように、肉盛り層１１の高さｈと幅Ｌとの比：ｈ／Ｌ（以下これをアスペクト比と呼ぶ）で表される断面形状を適切なものとする必要がある。
【００２５】
図５および図６は、上記アスペクト比とレーザ平均出力との関係を粉末供給量に応じて示したもので、図５がパルス波、図６が連続波でのものである。なお、粉末供給量は、図５では３０、５０および６０ｇ／ｍｉｎ、図６では４０、５０および６０ｇ／ｍｉｎとしてそれぞれ示している。
【００２６】
これによれば、図５に示すレーザビームをパルス波とした場合の方が、図６に示す同連続波とした場合に比べ、いずれの粉末供給量においても、平均出力の変化に対するアスペクト比の変化の度合いが大きいものとなっている。これは、同等の平均出力の変化量で、アスペクト比つまり肉盛り層１１の形状をより大きく変化させることができることを意味し、肉盛り層１１の形状を制御する領域が拡がるものとなる。この結果、目的とする良好な形状の肉盛り層の形成が、より容易なものとなる。
【００２７】
表１は、良好な肉盛り層１１を形成するための、粉末供給量と、パルス波の周波数と、デューティ比：ａ／（ａ＋ｂ）との関係の一例を示したものである。ここでは、粉末供給量、周波数、ディーティ比が、それぞれ（１）６０ｇ／ｍｉｎ、２５０Ｈｚ、０．９、（２）５０ｇ／ｍｉｎ、２００Ｈｚ、０．８、（３）３０ｇ／ｍｉｎ、１５０Ｈｚ、０．６の、３通りのみ示しているが、この組合わせ以外にも、良好な肉盛り層１１の形成が可能である。
【００２８】
【表１】
0003663904.tif 000002
【００２９】
図１に示すように、肉盛り作業開始後の肉盛り層１１の、いわゆる定常部１１ａに対し、肉盛り作業開始部の始端部１１ｂについては、粉末供給量は、１０〜３０ｇ／ｍｉｎとするのが好ましい。これにより、粉末供給量の過少による溶融状態の金属母材１の肉盛り層１１への多量の混入が回避されて、肉盛り層１１のクラック発生が防止される。また、粉末供給量の過多による肉盛り層１１の特に始端部１１ｂの高さが所定に抑えられ、後述する図８に示す始端部１１ｂに終端部１１ｃを重ね合わせた場合の未溶着およびクラックの発生が防止される。
【００３０】
上記した金属母材１としては、例えば図７に示すように、自動車用エンジンのシリンダヘッド１０１におけるバルブシート部１０３でよい。ここでのシリンダヘッド１０１における吸気（排気）ポート１０５の燃焼室側に開口する開口端１０５ａは、吸気（排気）バルブ１０７によって開閉され、この吸気（排気）バルブ１０７の傘部１０７ａがバルブシート部１０３におけるシート面１０３ａに密接可能である。
【００３１】
上記バルブシート部１０３は、エンジン稼働中に、バルブが繰り返し当接したり、高温にさらされるなど、苛酷な条件下にあることから、上記シリンダヘッド１０１を、軽量化などの観点からアルミニウム合金とした場合には、摩耗や溶損が発生する恐れがあり、このため耐熱性および耐摩耗性の高い他の金属材料３による肉盛り層１１を形成することで、上記した問題が解消される。なお、肉盛り層形成後は、機械加工によってバルブシート面を形成する。
【００３２】
他の金属材料３を肉盛りする技術は、従来から行われている、バルブシート部に形成した凹部に鋳鉄や鉄系焼結材からなるバルブシート材を圧入する技術に比べ、シリンダヘッド本体（金属母材）とバルブシート材となる肉盛り層との間の密着度が高いことから、両者間の熱伝導性が良好であり、このため、バルブシート部やバルブの熱負荷が低減されて、耐久性の向上および、エンジンの出力性能向上を達成することが可能となる。
【００３３】
バルブシート部１０３は環状に形成されていることから、肉盛り層１１は、図８に示すように、始端部１１ｂに対し終端部１１ｃが重なり合う構造となる。このような構造では、始端部１１ｂを、前述したように粉末供給量を１０〜３０ｇ／ｍｉｎとして良好なものとすることで、終端部１１ｃの始端部１１ｂおよび金属母材１に対する溶着も確実となり、高品質な肉盛り層１１が得られることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の一形態を示すレーザビームによる肉盛り方法を実施するための装置の概略的な全体構成図である。
【図２】図１のレーザ発振器によるレーザ出力波形図である。
【図３】肉盛り層が金属母材に対し未溶着となるレーザ出力（平均出力）の下限値を、パルス波の場合と連続波の場合とで比較して示した説明図である。
【図４】図１の拡大されたＡ−Ａ断面図である。
【図５】肉盛り層の形状を示すアスペクト比とパルス波でのレーザ平均出力との関係を粉末供給量に応じて示した説明図である。
【図６】肉盛り層の形状を示すアスペクト比と連続波でのレーザ平均出力との関係を粉末供給量に応じて示した説明図である。
【図７】肉盛り層を形成するシリンダヘッドにおけるバルブシート部周辺の断面図である。
【図８】環状に形成されるバルブシート部に対する肉盛り層の重なり部周辺の側面断面図である。
【符号の説明】
１  金属母材
３  他金属材料
９  レーザビーム
１１  肉盛り層
１１ｂ  始端部
１１ｃ  終端部
１０１  シリンダヘッド
１０３  バルブシート部
【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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