(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工部に粉末のクラッド用金属を供給しながらレーザビームを照射してクラッド用金属を溶接肉盛りするレーザクラッド加工において、ビードの品質を判定するに際し、レーザビームの出力に対応するクラッド用金属の供給量のしきい値、およびクラッド用金属の供給量に対応するレーザビームの出力のしきい値を予め設定し、加工中におけるレーザビームの出力およびクラッド用金属の供給量を検出し、これらの検出結果としきい値に基づいてビードの品質を判定することを特徴とするレーザクラッド加工の品質判定方法。
【請求項２】
レーザビームの出力として加工開始部分における単位時間あたりの総エネルギ量を用いると共に、クラッド用金属の供給量として加工開始部分における単位時間あたりの総供給量を用いることを特徴とする請求項１に記載のレーザクラッド加工の品質判定方法。
【請求項３】
被加工部に粉末のクラッド用金属を供給しながらレーザビームを照射してクラッド用金属を溶接肉盛りするレーザクラッド加工において、ビードの品質を判定する装置であって、レーザビームの出力を検出する出力検出手段と、クラッド用金属の供給量を検出する供給量検出手段と、ビードの品質を判定する品質判定手段を備えると共に、品質判定手段は、レーザビームの出力に対応するクラッド用金属の供給量のしきい値、およびクラッド用金属の供給量に対応するレーザビームの出力のしきい値が予め設定してあり、出力検出手段および金属供給量検出手段からの各検出結果としきい値に基づいてビードの品質を判定する手段であることを特徴とするレーザクラッド加工の品質判定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザクラッド加工において、ビードの品質を判定するのに用いられるレーザクラッド加工の品質判定方法および品質判定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザクラッド加工は、周知のように、被加工部に対して粉末のクラッド用金属を供給しながらレーザビームを集中的に照射し、被加工部にクラッド用金属を溶接肉盛りするものである。このレーザクラッド加工では、レーザビームの出力とクラッド用金属の供給量とのバランスを常に適正に保つことが重要であり、双方のバランスが不適正であると、ビードにクラックや剥離といった溶着不良が発生することがある。これに対して、レーザクラッド加工では、後工程でもビードの品質検査を行うが、加工中におけるレーザビームの出力とクラッド用金属の供給量を監視すれば、その品質判定をより迅速に行うことが可能である。
【０００３】
そこで、従来では、加工中におけるレーザビームの出力とクラッド用金属の供給量を測定し、図５（ａ）に示すように、レーザビームの出力の測定結果Ｌｓとしきい値ＬＨ，ＬＬとを比較してビードの品質判定を行い、また、図５（ｂ）に示すように、クラッド用金属の供給量の測定結果Ｑｓとしきい値ＱＨ，ＱＬとを比較してビードの品質判定を行っていた。この他、レーザクラッド加工の異常を判定する方法としては、例えば特開平６−１２６４７５号公報に記載されているように、被加工部を撮像して画像処理することにより、高輝度となるプラズマおよび溶融池の面積を検出し、その面積に基づいて異常を判定するものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような従来のレーザクラッド加工の品質判定方法にあっては、レーザビームの出力を測定してしきい値と比較する品質判定と、クラッド用金属の供給量を測定してしきい値と比較する品質判定とを個別に行っていたため、双方の測定結果の組み合わせによっては、レーザビームの出力とクラッド用金属の供給量とのバランスが適正範囲であってビードの品質が良品であるにもかかわらず、不良品と判定してしまう恐れがあり、このような不具合を解決することが課題であった。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、レーザクラッド加工においてレーザビームの出力とクラッド用金属の供給量に基づいてビードの品質を判定するにあたり、双方のバランスを考慮してより適切なしきい値を設定し、ビードの品質をより正確に判定することができるレーザクラッド加工の品質判定方法および品質判定装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わるレーザクラッド加工の品質判定方法は、請求項１として、被加工部に粉末のクラッド用金属を供給しながらレーザビームを照射してクラッド用金属を溶接肉盛りするレーザクラッド加工において、ビードの品質を判定するに際し、レーザビームの出力に対応するクラッド用金属の供給量のしきい値、およびクラッド用金属の供給量に対応するレーザビームの出力のしきい値を予め設定し、加工中におけるレーザビームの出力およびクラッド用金属の供給量を検出し、これらの検出結果としきい値に基づいてビードの品質を判定する構成とし、請求項２として、レーザビームの出力として加工開始部分における単位時間あたりの総エネルギ量を用いると共に、クラッド用金属の供給量として加工開始部分における単位時間あたりの総供給量を用いる構成としており、上記の構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【０００７】
また、本発明に係わるレーザクラッド加工の品質判定装置は、請求項３として、被加工部に粉末のクラッド用金属を供給しながらレーザビームを照射してクラッド用金属を溶接肉盛りするレーザクラッド加工において、ビードの品質を判定する装置であって、レーザビームの出力を検出する出力検出手段と、クラッド用金属の供給量を検出する供給量検出手段と、ビードの品質を判定する品質判定手段を備えると共に、品質判定手段は、レーザビームの出力に対応するクラッド用金属の供給量のしきい値、およびクラッド用金属の供給量に対応するレーザビームの出力のしきい値が予め設定してあり、出力検出手段および金属供給量検出手段からの各検出結果としきい値に基づいてビードの品質を判定する手段である構成としており、上記の構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【０００８】
【発明の作用】
本発明の請求項１に係わるレーザクラッド加工の品質判定方法では、レーザクラッド加工を行う際に、レーザビームの出力に対応するクラッド用金属の供給量のしきい値、およびクラッド用金属の供給量に対応するレーザビームの出力のしきい値を予め設定する。しきい値は、上限値および下限値を有する一定の範囲をもつものであり、単にレーザビームの出力やクラッド用金属の供給量の上限値と下限値を決定したものではなく、レーザビームの出力の変化に応じてクラッド用金属の供給量の上限値と下限値を決定し、クラッド用金属の供給量の変化に応じてレーザビームの出力の上限値と下限値を決定したものである。
【０００９】
そして、当該品質判定方法では、加工中におけるレーザビームの出力およびクラッド用金属の供給量を検出し、これらの検出結果としきい値に基づいてビードの品質を判定する。例えば、レーザビームの出力に対応するクラッド用金属の供給量のしきい値に関しては、レーザビームの出力の検出結果に基づいて、その出力に対応したクラッド用金属の供給量のしきい値を選択し、選択したしきい値とクラッド用金属の供給量の検出結果とを比較する。このとき、検出結果がしきい値の範囲内である場合にはビードの品質を良品と判定し、検出結果がしきい値の範囲外である場合にはビードの品質を不良品と判定する。つまり、実際のレーザビームの出力に対応したクラッド用金属の供給量のしきい値を選択することで、双方のバランスを考慮したより適切なしきい値が設定されることになり、そのしきい値と実際のクラッド用金属の供給量とを比較することで、ビードの品質判定が正確に行われる。
【００１０】
本発明の請求項２に係わるレーザクラッド加工の品質判定方法では、レーザビームの出力として加工開始部分における単位時間あたりの総エネルギ量を用いると共に、クラッド用金属の供給量として加工開始部分における単位時間あたりの総供給量を用いる。例えば、レーザビームの出力に対応するクラッド用金属の供給量のしきい値に関しては、加工開始部分におけるレーザビームの単位時間あたりの総エネルギ量に対応して加工開始部分におけるクラッド用金属の単位時間あたりの総供給量のしきい値を設定する。そして、加工中において、加工開始部分におけるレーザビームの単位時間あたりの総エネルギ量、および加工開始部分におけるクラッド用金属の単位時間あたりの総供給量を検出し、検出した総エネルギ量に対応した総供給量のしきい値を選択し、選択したしきい値と検出した総供給量とを比較してビードの品質を判定する。これにより、とくに品質が不安定になりやすい加工開始部分のビードの品質がより正確に判定される。
【００１１】
本発明の請求項３に係わるレーザクラッド加工の品質判定装置では、レーザクラッド加工を行う際に、品質判定手段において、レーザビームの出力に対応するクラッド用金属の供給量のしきい値、およびクラッド用金属の供給量に対応するレーザビームの出力のしきい値を予め設定する。しきい値は、上限値および下限値を有する一定の範囲をもつものであり、単にレーザビームの出力やクラッド用金属の供給量の上限値と下限値を決定したものではなく、レーザビームの出力の変化に応じてクラッド用金属の供給量の上限値と下限値を決定し、クラッド用金属の供給量の変化に応じてレーザビームの出力の上限値と下限値を決定したものである。
【００１２】
そして、当該品質判定装置では、出力検出手段で加工中におけるレーザビームの出力を検出すると共に、供給量検出手段で加工中におけるクラッド用金属の供給量を検出し、これらの検出結果としきい値に基づいてビードの品質を判定する。例えば、品質判定手段において、レーザビームの出力に対応するクラッド用金属の供給量のしきい値に関しては、出力検出手段からのレーザビームの出力の検出結果に基づいて、その出力に対応したクラッド用金属の供給量のしきい値を選択し、選択したしきい値と供給量検出手段からのクラッド用金属の供給量の検出結果とを比較する。このとき、検出結果がしきい値の範囲内である場合にはビードの品質を良品と判定し、検出結果がしきい値の範囲外である場合にはビードの品質を不良品と判定する。つまり、品質判定手段において、実際のレーザビームの出力に対応したクラッド用金属の供給量のしきい値を選択することで、双方のバランスを考慮したより適切なしきい値が設定されることになり、そのしきい値と実際のクラッド用金属の供給量とを比較することで、ビードの品質判定が正確に行われる。
【００１３】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わるレーザクラッド加工の品質判定方法によれば、レーザクラッド加工においてレーザビームの出力とクラッド用金属の供給量に基づいてビードの品質を判定するにあたり、レーザビームの出力に対応するクラッド用金属の供給量のしきい値、およびクラッド用金属の供給量に対応するレーザビームの出力のしきい値を予め設定することから、実際に検出したレーザビームの出力やクラッド用金属の供給量に基づいて、双方のバランスを考慮したより適切なしきい値が設定されることになり、そのしきい値と実際に検出したレーザビームの出力やクラッド用金属の供給量とを比較して品質判定を行うことから、ビードの品質をより正確に判定することができ、単にレーザビームの出力やクラッド用金属の供給量の個別のしきい値を用いる従来の品質判定方法に比べて、良品の判定範囲が精度良く拡大され、製品歩留りの向上を実現することができる。
【００１４】
本発明の請求項２に係わるレーザクラッド加工の品質判定方法によれば、請求項１と同様の効果を得ることができるうえに、レーザビームの出力として加工開始部分における単位時間あたりの総エネルギ量を用いると共に、クラッド用金属の供給量として加工開始部分における単位時間あたりの総供給量を用いることから、とくに品質が不安定になりやすい加工開始部分のビードの品質をより正確に判定することができ、これによりビード全体の品質判定のさらなる高精度化をも実現することができる。
【００１５】
本発明の請求項３に係わるレーザクラッド加工の品質判定装置によれば、レーザクラッド加工においてレーザビームの出力とクラッド用金属の供給量に基づいてビードの品質を判定するにあたり、品質判定手段において、レーザビームの出力に対応するクラッド用金属の供給量のしきい値、およびクラッド用金属の供給量に対応するレーザビームの出力のしきい値を予め設定することから、出力検出手段により実際に検出したレーザビームの出力や、供給量検出手段により実際に検出したクラッド用金属の供給量に基づいて、双方のバランスを考慮したより適切なしきい値が設定されることになり、同じく品質判定手段において、しきい値と実際に検出したレーザビームの出力やクラッド用金属の供給量とを比較して品質判定を行うことから、ビードの品質をより正確に判定することができ、単にレーザビームの出力やクラッド用金属の供給量の個別のしきい値を用いる従来の品質判定に比べて、良品の判定範囲が精度良く拡大され、製品歩留りの向上を実現することができる。
【００１６】
【実施例】
以下、図面に基づいて、本発明に係わるレーザクラッド加工の品質判定方法および品質判定装置の一実施例を説明する。
【００１７】
図３に示すレーザクラッド加工装置は、レーザ発振器１と、レーザ発振器１の駆動指令やレーザビームの出力調整等を行うレーザ制御盤２と、被加工部に対応して集光ヘッド３を駆動するＮＣ制御盤４を備え、レーザ発振器１から発振したレーザビームを光学経路を介して集光ヘッド３に導き、集光ヘッド３から下方の被加工部にレーザビームＬを照射する。
【００１８】
また、レーザクラッド加工装置は、集光ヘッド３に隣接して、粉末のクラッド用金属Ｑを供給する金属供給手段５を備えている。金属供給手段５は、フレーム６内において、ロードセル７を介してブラケット８を支持すると共に、ブラケット８に、上端側を漏斗状とし且つ下端部に供給用ノズル９を設けた供給管１０と、供給用ノズル９を開閉するバルブ機構１１が取付けてある。ロードセル７は、ブラケット８、クラッド用金属Ｑを充填した供給管１０およびバルブ機構１１の重量を検出しており、クラッド用金属Ｑが供給される加工中には、重量の減少に伴ってクラッド用金属Ｑの供給量を連続的に検出し得る。バルブ機構１１は、供給コントローラ１２により制御される。
【００１９】
なお、この実施例では、図４にも示すように、被加工部として自動車用エンジンのシリンダヘッドＨにおけるバルブシート部Ｂを例示しており、例えば、アルミニウム合金製のシリンダヘッドＨに対して、銅合金製の粉末のクラッド用金属Ｑを供給しながらレーザビームＬを集中的に照射し、クラッド用金属Ｑを溶接肉盛りしてシリンダヘッドＨにバルブシートを一体的に形成する。
【００２０】
より具体的な例として、シリンダヘッドＨには、ＪＩＳ：ＡＣ２Ａのアルミニウム合金を用い、クラッド用金属には、Ｎｉを１５．５質量％、Ｃｏを１４．１質量％、Ａｌを０．９１質量％、Ｖを１．５８質量％、Ｎｂを１．８４質量％、Ｓｉを２．７８質量％含む銅合金粉末を用いる。また、レーザクラッド加工装置においては、ビームモードをリングモードとし、レーザビームＬの出力を４ｋＷとし、レーザビームの照射方向をバルブシート部Ｂの法線方向とし、加工速度を１．０ｍ／ｍｉｎとし、クラッド用金属Ｑの平均供給量を４０ｇ／ｍｉｎとし、供給ノズル９の角度を７０度とし、供給ノズル９のスタンドオフ量を１０ｍｍとし、供給ノズル９の内径を３ｍｍとした。
【００２１】
上記のレーザクラッド加工装置に対して、本発明に係わる品質判定装置は、レーザビームＬの出力を検出する出力検出手段と、クラッド用金属Ｑの供給量を検出する供給量検出手段と、ビードの品質を判定する品質判定手段を備えている。この実施例における出力検出手段は先のレーザ制御盤２であり、供給量検出手段はロードセル７である。品質判定手段は、図３に示すコンピュータ１３であって、このコンピュータ１３には、レーザ発振器１、レーザ制御盤２およびＮＣ制御盤４からの信号が入力され、また、ロードセル７からの信号が供給コントローラ１２を介して入力される。
【００２２】
さらに、品質判定手段であるコンピュータ１３には、レーザビームＬの出力に対応するクラッド用金属Ｑの供給量のしきい値、およびクラッド用金属Ｑの供給量に対応するレーザビームＬの出力のしきい値が予め設定してあり、例えば図１に示すように、レーザビームＬの出力に対応するクラッド用金属Ｑの供給量のしきい値（ＱＨ１，ＱＨ２，ＱＬ１，ＱＬ２）が設定してある。
【００２３】
ここで、しきい値は、上限値ＱＨ１，ＱＨ２および下限値ＱＬ１，ＱＬ２を有する一定の範囲をもつものであり、図５に示す従来例のように単にレーザビームの出力やクラッド用金属の供給量の上限値と下限値を決定したものではなく、レーザビームＬの出力の変化に応じてクラッド用金属Ｑの供給量の上限値ＱＨ１，ＱＨ２と下限値ＱＬ１，ＱＬ２を決定したものである。
【００２４】
また、ビードの品質はとくに加工開始部分で不安定になりやすいことから、上記のしきい値を設定するにあたり、図２（ａ）に示すように、レーザビームＬの出力として加工開始部分における単位時間ＴＬあたりの総エネルギ量ＳＬを用いると共に、図２（ｂ）に示すように、クラッド用金属Ｑの供給量として加工開始部分における単位時間ＴＱあたりの総供給量ＳＱを用いている。この総エネルギ量ＳＬおよび総供給量ＳＱは、後記するレーザビームＬの出力の検出、およびクラッド用金属Ｑの供給量の検出の際にも用いられる。
【００２５】
図２（ａ）に示す総エネルギ量ＳＬの単位時間ＴＬは、制御設定値において、レーザ発振器１を駆動開始してレーザビームＬの出力がほぼ安定するまでの時間ＴＬ１から、初期の遅延時間ＴＬｄを引いたものである。遅延時間ＴＬｄは、ビードの成形に何ら影響の無いので削除する。また、図２（ｂ）に示す総供給量ＳＱの単位時間ＴＱ１は、制御設定値において、クラッド用金属Ｍの供給開始からその供給量がほぼ安定するまでの時間ＴＱ１に相当するもので、実際には、金属供給手段５のバルブ機構１１を開放してクラッド用金属Ｍが供給用ノズル９から出始めるまでの初期の遅延時間ＴＱｄが経過した後の時間である。この遅延時間ＴＱｄにあっても、ビードの成形に何ら影響が無いので削除する。なお、図２
（ｂ）におけるモニタリング波形の初期の増減は、バルブ機構１１における駆動源の作動開始時の振動である。
【００２６】
そして、本発明に係わるレーザクラッド加工の品質判定方法および品質判定装置では、加工中において、出力検出手段であるレーザ制御盤２によりレーザビームの出力を検出すると共に、供給量検出手段であるロードセル７によりクラッド用金属の供給量を検出する。このとき、先のしきい値の設定にしたがって、レーザビームＬの出力として加工開始部分における単位時間ＴＬあたりの総エネルギ量ＳＬを検出し、クラッド用金属Ｑの供給量として加工開始部分における単位時間ＴＱあたりの総供給量ＳＱを検出する。
【００２７】
上記の総エネルギ量ＳＬおよび総供給量ＳＱは品質判定手段であるコンピュータ１３に入力される。コンピュータ１３は、測定したレーザビームＬの総エネルギ量ＳＬに対応するクラッド用金属Ｍの総供給量ＳＱのしきい値（ＱＨ１，ＱＨ２，ＱＬ１，ＱＬ２）を選択し、選択したしきい値と測定したクラッド用金属の総供給量ＳＱとを比較し、測定した総供給量ＳＱがしきい値の範囲内であればビードの品質が良品であると判定し、測定した総供給量ＳＱがしきい値の範囲外であればビードの品質が不良品であると判定する。
【００２８】
このように、本発明に係わるレーザクラッド加工の品質判定方法および品質判定装置では、品質判定手段であるコンピュータ１３において、実際のレーザビームＬの出力に対応したクラッド用金属Ｍの供給量のしきい値を選択することで、双方のバランスを考慮したより適切なしきい値が設定されることになり、そのしきい値と実際のクラッド用金属Ｍの供給量とを比較することで、ビードの品質判定が正確に行われる。また、とくに、レーザビームＬの出力として加工開始部分における単位時間ＴＬあたりの総エネルギ量ＳＬを用いると共に、クラッド用金属Ｍの供給量として加工開始部分における単位時間ＴＱあたりの総供給量ＳＱを用いることから、品質が不安定になりやすい加工開始部分のビードの品質がより正確に判定される。そして、上記の品質判定方法とすることで、図５に示す従来例のように単にレーザビームの出力やクラッド用金属の供給量のしきい値を用いる場合に比べて、良品の判定範囲が精度良く拡大される。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザビームの出力に対応したクラッド用金属の供給量のしきい値、およびビードの品質を示すグラフである。
【図２】しきい値や検出値に用いるレーザビームの出力を示すグラフ（ａ）、同じくクラッド用金属の供給量を示すグラフ（ｂ）である。
【図３】レーザクラッド加工装置および品質判定装置を説明する斜視図である。
【図４】シリンダヘッドのバルブシート部にレーザクラッド加工を行う様子を示す斜視図である。
【図５】従来におけるレーザビーム出力のしきい値を示すグラフ（ａ）、およびクラッド金属の供給量を示すグラフ（ｂ）である。
【符号の説明】
Ｌ            レーザビーム
Ｑ            クラッド用金属
２            レーザ制御盤（出力検出手段）
７            ロードセル（供給量検出手段）
１３        コンピュータ（品質判定手段）
【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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