(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋳造材からなる金属母材の所定部位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層を形成するレーザクラッド装置の前工程装置として、前記肉盛層を形成する金属母材の所定部位を密閉空間に露出させ、この密閉空間に対して空気の吸引を行う空気吸引装置を設け、前記金属母材はアルミニウム合金製のシリンダヘッドであり、このシリンダヘッドのバルブシート部にレーザクラッド装置により肉盛層を形成するもので、前記空気吸引装置は、前記シリンダヘッドのシリンダブロックが装着される面を覆って密閉空間を形成するシールプレートと、前記バルブシート部より内側における吸・排気ポートの開口部を密閉可能なシール材とを備えていることを特徴とするレーザビームによる肉盛装置。
【請求項２】
空気吸引装置は、シールプレートの外部から密閉空間内に挿入されて吸・排気ポートの開口部に対して接近離反する方向に移動可能な移動体を備え、この移動体の先端に前記シール材を設けた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装置。
【請求項３】
移動体は、シリンダのピストンロッドであることを特徴とする請求項２記載のレーザビームによる肉盛装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、鋳造材からなる金属母材の所定部位に、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層を形成するレーザビームによる肉盛装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビームにより肉盛層を形成する際には、金属母材の所定部位に銅系合金などの粉末材料を供給しつつレーザビームを照射するが、このようなレーザビームによる肉盛方法は、例えば自動車用エンジンのシリンダヘッドにおけるバルブシート部に適用されている（例えば特開平５−５０２７３号公報参照）。
【０００３】
図６は、シリンダヘッド１０１におけるバルブシート部１０３周辺の断面図で、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。
【０００４】
上記バルブシート部は、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、シリンダヘッドを、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による肉盛（クラッド）層を形成することで、上記した問題が解消される。
【０００５】
肉盛層を形成する技術は、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とバルブシート材となる肉盛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。
【０００６】
上記したレーザビームによる肉盛方法としては、図７に示すように、肉盛加工を行うレーザクラッド工程の前処理工程として、バルブシート部に対する機械加工を行った後、機械加工により使用した切削油剤を除去するために洗浄剤を用いて洗浄を行う。洗浄剤としては、例えば第一石油類、脂肪属系炭化水素を成分とするものを使用する。レーザクラッド工程後は、機械加工によってバルブシート面を形成する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図８に示すように、鋳造材からなる金属母材Ｗには、多数の空孔Ｈが存在しており、肉盛層Ｍを形成する機械加工面Ｓにも、空孔Ｈｓが露出することになる。この表面に露出した空孔Ｈｓには、前記図７に示した前処理工程における洗浄時での洗浄液や、洗浄によって除去しきれなかった切削油剤などが入り込み残留物となる。これらの残留物は、表面を単に拭き拭き取ったり、エアの吹き付けにより乾燥あるいは吹き飛ばそうとしても、完全には除去できないのが現状である。
【０００８】
上記した残留物が空孔Ｈｓ内に存在した状態で、次のレーザクラッド作業を行うと、空孔Ｈｓ内の残留物が気化して溶融状態の肉盛層Ｍ内に混入し、肉盛層Ｍの凝固後に混入物Ｄとなる。混入物Ｄが肉盛層Ｍ内に存在することで、肉盛層Ｍの強度低下を招き、クラックＣが発生するなどの欠陥が発生したり、後加工によってこの混入物Ｄが表面に露出して欠陥となるという不具合がある。
【０００９】
そこで、この発明は、鋳造材からなる金属母材の表面における空孔内の残留物の肉盛層への混入を防止することを目的としている。
【００２６】
【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、鋳造材からなる金属母材の所定部位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層を形成するレーザクラッド装置の前工程装置として、前記肉盛層を形成する金属母材の所定部位を密閉空間に露出させ、この密閉空間に対して空気の吸引を行う空気吸引装置を設け、前記金属母材はアルミニウム合金製のシリンダヘッドであり、このシリンダヘッドのバルブシート部にレーザクラッド装置により肉盛層を形成するもので、前記空気吸引装置は、前記シリンダヘッドのシリンダブロックが装着される面を覆って密閉空間を形成するシールプレートと、前記バルブシート部より内側における吸・排気ポートの開口部を密閉可能なシール材とを備えている。
上記構成よれば、シールプレートによりシリンダヘッドのシリンダブロックが装着される面を覆うとともに、シール材をシリンダヘッドの吸・排気ポートの開口部に密着させ、この状態で、バルブシート部が露出している密閉空間内の空気を吸引する。
請求項２の発明は、請求項１の発明の構成において、前記空気吸引装置は、シールプレートの外部から密閉空間内に挿入されて吸・排気ポートの開口部に対して接近離反する方向に移動可能な移動体を備え、この移動体の先端に前記シール材を設けている。
【００２７】
上記構成よれば、シールプレートとシリンダヘッドとの間に密閉空間が形成された状態で、移動体を移動させてシール材をシリンダヘッドの吸・排気ポートの開口部に密着させ、この状態で、バルブシート部が露出している密閉空間内の空気を吸引する。
【００２８】
請求項３の発明は、請求項２の発明の構成において、移動体は、シリンダのピストンロッドである。
【００２９】
上記構成によれば、シリンダの作動に基づくピストンロッドの進退移動により、シール材が吸・排気ポートの開口部に対し接近離反移動する。
【００３８】
請求項１の発明によれば、鋳造材からなる金属母材の所定部位に肉盛層を形成する前工程装置として、前記所定部位を密閉空間に露出させ、この密閉空間に対し空気の吸引を行う空気吸引装置を設けたので、前記密閉空間に露出している金属母材の所定部位表面上の空孔内の切削油剤や洗浄剤などの残留物が吸引により除去され、肉盛作業を行う際に残留物の肉盛層への混入を回避することができ、高品質な肉盛層を得ることができる。
また、シールプレートとシリンダヘッドのシリンダブロック側の面とを密着させ、かつシール材をシリンダヘッドの吸・排気ポートの開口部に密着させることで、バルブシート部が露出している密閉空間が形成され、この状態で密閉空間内の空気を確実に吸引でき、これに伴い空孔内の残留物も確実に吸引除去することができる。
請求項２の発明によれば、シールプレートとシリンダヘッドのシリンダブロック側の面とを密着させ、かつ移動体を移動させてシール材をシリンダヘッドの吸・排気ポートの開口部に密着させることで、バルブシート部が露出している密閉空間が形成され、この状態で密閉空間内の空気を確実に吸引でき、これに伴い空孔内の残留物も確実に吸引除去することができる。
【００３９】
請求項３の発明によれば、移動体は、シリンダのピストンロッドとしたので、シリンダの作動によりシール材を吸・排気ポートの開口部に対して確実に密着させることができる。
【００４０】
【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。
【００４１】
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方法の加工工程図である。この加工工程は、鋳造材からなる金属母材の肉盛層を形成する所定部位を切削加工する機械加工工程１と、機械加工時に使用した切削油剤を洗浄により除去する洗浄工程３と、前記所定部位表面上に発生している空孔内に残留する切削油剤や洗浄剤などの残留物を加熱により除去する加熱工程５と、同残留物を空気の吸引により吸引して除去する空気吸引工程７と、前記所定部位に、銅合金などの粉末材料を投入しつつレーザビームを照射して肉盛層を形成するレーザクラッド工程９とからなる。加熱工程５および空気吸引工程７が、レーザクラッド工程９の前工程１１となる。
【００４２】
金属母材としては、例えば前記図６に示した自動車用エンジンのアルミニウム合金製シリンダヘッドであり、肉盛層を形成する所定部位は、シリンダヘッドのバルブシート部である。
【００４３】
図２は、上記図１に示した洗浄工程３および前工程１１における実際の生産ラインの概要を示す平面図である。ここでの金属母材すなわちシリンダヘッドＷは、ローラコンベア１３によって図中で左から右方向に順次搬送される。ローラコンベア１３は、左右のフレーム１３ａに対し複数のローラ１３ｂが回転可能に設けられ、この回転中のローラ１３ｂのローディング位置Ｌ上に金属母材が投入され、アンローディング部Ｕから後工程へ取り出される。ローラ１３ｂは、図示しないモータなどの駆動機構に対し所定のフリクションをもって連結された状態で回転する。
【００４４】
洗浄工程３には、シリンダヘッドＷ全体を水中にて洗浄する水中洗浄装置３ａと、水中洗浄したシリンダヘッドＷ全体を乾燥させるエアブロー乾燥装置３ｂと、バルブシート部に対する機械加工時に使用した切削油剤を洗浄剤による洗浄する脱脂洗浄装置３ｃと、脱脂洗浄したバルブシート部を乾燥させるエアブロー乾燥装置３ｄとが設けられている。
【００４５】
加熱工程５では、シリンダヘッドＷに対するバルブシートやバルブガイドの圧入工程で一般的に用いられる低周波誘導加熱炉５ａ内にてシリンダヘッドＷ全体を加熱する。ここでは、低周波誘導加熱炉５ａ内に２個のシリンダヘッドＷが収容可能であり、搬送コンベア１３にて搬送しながら加熱し、必要な加熱時間は５分である。
【００４６】
空気吸引工程７には、二つの空気吸引装置７ａ，７ｂが相互に隣接して配置されており、それぞれの必要な吸引時間は５分である。すなわち、低周波誘導加熱炉５ａ内に常時２個収容されているシリンダヘッドＷは、この加熱炉５ａから２．５分間隔で順次放出されて空気吸引工程７に送り込まれるが、空気吸引装置７ａ，７ｂではそれぞれ５分の作業時間が必要であることから、二つの空気吸引装置７ａ，７ｂを交互に利用する構成となっている。これにより、サイクルタイム短縮が図られる。
【００４７】
図３は、空気吸引工程７における図２中でのＡ矢視図に相当する拡大された正面図で、シリンダヘッドＷは、ローラコンベア１３の上方にてクランパ１５によって支持され、架台１７に固定されている空気吸引装置７ａにセットされた状態となっている。ここでは、空気吸引装置７ａについて説明するが、空気吸引装置７ｂも同様な構成である。
【００４８】
クランパ１５は、上部のベース部材２１に対し、四隅から下方に向けて延長される４本のクランプ脚２３が設けられ、クランプ脚２３の下端には、図３の右側面図である図４に示すように、内側に向けて屈曲してシリンダヘッドＷを支持するクランプ爪２５が設けられている。
【００４９】
クランプ爪２５は、ローラコンベア１３上に載置されているシリンダヘッドＷを、ローラコンベア１３より下方に位置する２点鎖線で示す状態から上方に移動させることで、シリンダヘッドＷを支持して上昇させる。このため、ローラコンベア１３の２本のフレーム１３ａの所定位置には、クランプ爪２５が上下方向に通過可能となる切欠２６が設けられている。上記クランパ１５の昇降動作は、ベース部材２１の上面に設けた複数のエアシリンダ２７によってなされる。
【００５０】
また、ローラコンベア１３上のシリンダヘッドＷを空気吸引装置７ａの直下で停止させるために、ローラコンベア１３の支柱１３ｃにはストッパ用エアシリンダ２９が取付ブラケット３１を介して固定されている。取付ブラケット３１は、図４に示すように、左右の支柱１３ｃに両端が固定されており、この取付ブラケット３１にエアシリンダ２９が一対取付けられている。
【００５１】
エアシリンダ２９のピストンロッド３３の先端にはストッパ３５が設けられ、エアシリンダ２９の作動により、ストッパ３５は、ローラコンベア１３における隣接するローラ１３ｂ相互の隙間から上方に突出した図３および図４の状態と、引き込まれた状態とに変位する。ローラコンベア１３によって搬送されてくるシリンダヘッドＷは、この突出したストッパ３５に当接することで、シリンダヘッドＷが載置されているローラ１３ｂの回転が停止し、搬送が停止される。
【００５２】
空気吸引装置７ａが固定される架台１７は、クランパ１５のクランプ脚２３に干渉しないようなフレーム体で構成され、図示しない支持ロッドによって天井側に固定支持されている。
【００５３】
空気吸引装置７ａは、シリンダヘッドＷのシリンダブロックが装着される側の図３中で上面に密着するシールプレート３７と、図３の拡大されたＢ−Ｂ断面図である図５に示すように、シールプレート３７とシリンダヘッドＷとの間の密閉空間３９に対し配管４１を介して連通して空気の吸引を行う真空ポンプ４３と、シリンダヘッドＷの吸・排気ポート４５，４７をそれぞれ密閉するためのポートシール用エアシリンダ４９，５１とを備えている。
【００５４】
シールプレート３７は、シリンダヘッドＷの図３中で上面の外形形状とほぼ同形に形成され、四隅が支持ロッド５３によって架台１７に固定支持されている。シリンダヘッドＷの吸・排気ポート４５，４７の開口部周縁に形成されるバルブシート部５５，５７は、シリンダヘッドＷのシリンダブロックへの装着面側に形成された凹部５９に形成されている。
【００５５】
一方、シールプレート３７のシリンダヘッドＷに対向する面には、前記凹部５９とで前記密閉空間３９を形成する凹部６１が形成されている。この凹部６１は、複数の気筒（ここでは４気筒）に対応するシリンダヘッドＷの凹部５９を同時に包含するように、気筒列方向（図３中で左右方向）に長く形成されている。このシールプレート３７側の凹部６１の開口部周縁のシリンダヘッドＷに対向する面には、環状のゴム製からなるシール材６３が取付けられている。
【００５６】
真空ポンプ４３は、架台１７の上面に固定され、真空ポンプ４３に一端が連通する配管４１の他端は、上記したシールプレート３７の凹部６１、すなわち密閉空間３９に連通している。
【００５７】
ポートシール用エアシリンダ４９，５１は、吸・排気ポート４５，４７の開口部に対向するように、架台１７の下面に、互いに交差するように傾斜した状態で固定され、その各ピストンロッド６５，６７の先端は、図５中で紙面に直交する方向に延長される連結ロッド６９，７１に固定されている。連結ロッド６９，７１の下部には、各気筒にぞれぞれ２個ずつ設けられた吸気ポート４５および排気ポート４７に対応して設けられる支持軸７３，７５の上端が固定され、支持軸７３，７５の下端にはボス７３ａ，７５ａを介してゴム製のシール材７７，７９が装着されている。上記ピストンロッド６５，５７、連結ロッド６９，７１および支持軸７３，７５により移動体を構成している。
【００５８】
バルブシート部５５の内側における、吸・排気ポート４５，４７の開口部周縁には、上記シール材７７，７９が密着状態で入り込む切欠凹部４５ａ，４７ａがそれぞれ形成されている。ポートシール用エアシリンダ４９，５１の作動により、連結ロッド６９，７１および支持軸７３，７５を介してシール材７７，７９が、前記切欠凹部４５ａ，４７ａ対し、入り込んだ図５の状態と、２点鎖線で示す後退した状態との間を移動する。
【００５９】
次に、作用を説明する。機械加工工程１でバルブシート部５５が機械加工により切削加工がなされたシリンダヘッドＷは、図２の生産ライン上でのローディング位置Ｌに投入され、ローラコンベア１３により洗浄工程３に搬送される。
【００６０】
洗浄工程３では、シリンダヘッドＷ全体を水中洗浄装置３ａで水中洗浄した後、エアブロー乾燥装置３ｂでエアブロー乾燥し、さらに脱脂洗浄装置３ｃでのバルブシート部５５に対する脱脂洗浄に続いてエアブロー乾燥装置３ｄでバルブシート部５５を乾燥させる。この洗浄工程３では、シリンダヘッドＷをローラコンベア１３上から所定の位置に移動させた状態で行う。
【００６１】
脱脂洗浄装置３ｃでのバルブシート部５５の洗浄後、エアブロー乾燥を行っているが、内部に空孔が多数存在する鋳造材からなるシリンダヘッドＷは、バルブシート部５５の表面にも空孔が露出しており、この露出した空孔に、洗浄剤や、洗浄剤によって洗浄しきれなかった切削油剤が入り込んでおり、これらは乾燥されずに残留するものとなる。
【００６２】
洗浄工程３での作業が終了したシリンダヘッドＷは、次の加熱工程５へ搬送され、低周波誘導加熱炉５ａ内にて加熱される。ここでのシリンダヘッドＷは、ローラコンベア１３に載せられた状態のまま低周波誘導加熱炉５ａ内に投入され、移動しながら加熱される。この加熱により、バルブシート部５５の表面に露出している空孔に入り込んでいる洗浄剤や切削油剤が、気化して除去される。
【００６３】
加熱工程５での作業が終了したシリンダヘッドＷは、次の空気吸引工程７へ搬送される。空気吸引工程７では、シリンダヘッドＷが、図２中で左側の空気吸引装置７ａの直下に達する前に、ストッパ用エアシリンダ２９が作動してストッパ３５が、図３に示すように上方に突出する。この突出したストッパ３５にシリンダヘッドＷが当接することで、シリンダヘッドＷが載置されているローラ１３ｂは、駆動機構に対するフリクションによる連結が解除されて回転が停止し、ここでのローラコンベア１３による搬送が停止される。
【００６４】
シリンダヘッドＷが、空気吸引装置７ａの直下に侵入する際には、クランパ１５は下降してクランプ爪２５がローラコンベア１３上のシリンダヘッドＷより下方位置となる図３中での２点鎖線位置にあり、またポートシール用エアシリンダ４９，５１によって上下動するシール材７７，７９も上昇して図５中での２点鎖線位置にあるものとする。
【００６５】
この状態で、クランパ昇降用エアシリンダ２７の作動によりクランパ１５が上昇し、これに伴いシリンダヘッドＷも上昇して図５に示すようにシールプレート３７のシール材６３に密着する。その後、ポートシール用エアシリンダ４９，５１が作動してシール材７７，７９が下降し、吸・排気ポート４５，４７の切欠凹部４５ａ，４７ａに入り込んで密着する。これにより、シリンダヘッドＷとシールプレート３７との間に、密閉空間３９が形成される。ストッパ３５は、シリンダヘッドＷが上昇したら、ローラコンベア１３の上面から引っ込んだ状態となるよう後退させておく。
【００６６】
密閉空間３９が形成されたら、真空ポンプ４３を作動させ、配管４１を介して密閉空間３９内の空気を吸引する。この空気吸引作業は、５分間行うが、低周波誘導加熱炉５ａでの加熱終了後のシリンダヘッドは、この加熱炉５ａから２．５分間隔で送り出されれるので、この送り出されたシリンダヘッドは、空気吸引装置７ａにてクランパ１５に支持されている図３中のシリンダヘッドＷとローラコンベア１３との間を通過して、図２中で右側の空気吸引装置７ｂに投入され、上記と同様にして空気吸引作業なされる。
【００６７】
上記した空気吸引作業により、加熱工程５にて気化しきれなかった空孔内の洗浄剤や切削油剤が、ほぼ確実に吸引されて除去される。空気吸引後のシリンダヘッドＷは、クランパ１５の下降によりローラコンベア１３上に再度載置され、アンロード位置Ｕまで搬送された後、図１に示すレーザクラッド工程９に投入される。そしてこのレーザクラッド工程９において、バルブシート部５５に対して肉盛層を形成する。
【００６８】
このとき、バルブシート部５５の表面に露出している空孔内には、洗浄剤や切削油剤はほぼ完全に除去された状態となっているので、肉盛層へのこれらの残留物の混入は回避され、高品質な肉盛層が得られるものとなる。
【００６９】
なお、上記実施の形態では、洗浄剤や切削油剤などの残留物を除去するにあたり、加熱後に空気の吸引を行っているが、空気の吸引後に加熱してもよく、また空気の吸引のみを行う方法でもかまわない。
【００７０】
また、洗浄工程３の前に、バルブシート部に対し圧延ローラなどにより塑性加工を施すことで、表面に露出した空孔を潰して小さくしたり、その数を減少させておけば、洗浄後の加熱あるいは空気の吸引での残留物の除去がより確実なものとなる。
【００７１】
表１は、アルミニウム合金製シリンダヘッド（ＪＩＳ  ＡＣ２Ａ）のバルブシート部における半径４．５mmの円弧状の溝に対し、肉盛用粉末（銅系合金）の供給量を４０g/min、加工点でのレーザ出力を３．４kw、加工速度を０．６m/minの条件で、肉盛作業を行う場合に、肉盛層にクラックや残留物が存在する欠陥品の発生率を、従来品と、空気吸引（−５００mmHgで６０分間）のみ施したものと、加熱（１００度Ｃで３０分加熱後室温まで冷却）のみ施したものとを、比較して示したものである。なお、検査ワーク（バルブシート部）数は、５７６個である。
【００７２】
【表１】
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これによれば、欠陥発生率は、従来品が１．０４％であるのに対し、空気吸引、加熱いずれの方法においても０．１７％と、従来品の１／１０近くまで低下しており、欠陥発生率が飛躍的に向上していることがわかる。なお、この実験での空気吸引には、真空デシケータを用い、加熱については、小型電気加熱炉を用いている。
【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方法の加工工程図である。
【図２】図１における洗浄工程および、レーザクラッド工程の前工程における実際の生産ラインの概要を示す平面図である。
【図３】図２の生産ラインの空気吸引工程におけるＡ矢視図に相当する拡大された正面図である。
【図４】図３の右側面図である。
【図５】図３の拡大されたＢ−Ｂ断面図である。
【図６】シリンダヘッドにおけるバルブシート部周辺の一般的な断面図である。
【図７】従来例を示すレーザビームによる肉盛方法の加工工程図である。
【図８】従来の肉盛方法による肉盛層の欠陥状態を示す模式図である。
【符号の説明】
Ｗ  シリンダヘッド（金属母材）
７ａ，７ｂ  空気吸引装置
９  レーザクラッド工程
１１  前工程
３７  シールプレート
３９  密閉空間
４５  吸気ポート
４７  排気ポート
５５  バルブシート部（所定部位）
６５，６７  ピストンロッド（移動体）
６９，７１  連結ロッド（移動体）
７３，７５  支持軸（移動体）
７７，７９  シール材
【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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