(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱形状部材を回転させながら、該円柱形状部材の外周面に沿って設けられた溝に金属粉末を投入し、該金属粉末投入部分にレーザビームを照射して該金属粉末を溶融し、該溝部分に金属の肉盛り層を形成するレーザ肉盛り方法において、
前記金属粉末の投入位置を、前記円柱形状部材の直径方向の鉛直線上の前記溝の頂部から前記円柱形状部材を回転させる方向にオフセットした位置に設定し、前記レーザビームの照射位置を前記金属粉末の投入位置よりも下に位置するように設定することを特徴とするレーザ肉盛り方法。
【請求項２】
前記オフセット量が、前記円柱形状部材の半径の２〜２０％であることを特徴とする請求項１記載のレーザ肉盛り方法。
【請求項３】
前記円柱形状部材が内燃機関用ピストンであり、形成する肉盛り層がピストンリング溝を形成するための肉盛り層であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のレーザ肉盛り方法。
【請求項４】
内部が円筒形の部材を回転させながら、該部材の内周面に沿って設けられた溝に金属粉末を投入し、該金属粉末投入部分にレーザビームを照射して該金属粉末を溶融し、該溝部分に金属の肉盛り層を形成するレーザ肉盛り方法において、
前記金属粉末の投入位置を前記内部が円筒形の部材の内周面の直径方向の鉛直線上の前記溝の最底部から前記内部が円筒形の部材を回転させる方向にオフセットした位置に設定し、前記レーザビームの照射位置を前記金属粉末の投入位置よりも下に位置するように設定することを特徴とするレーザ肉盛り方法。
【請求項５】
前記オフセット量が、前記内部が円筒形の部材の内周の半径の２〜２０％であることを特徴とする請求項４記載のレーザ肉盛り方法。
【請求項６】
前記肉盛り層がバルブシートであることを特徴とする請求項４または請求項５記載のレーザ肉盛り方法。
【請求項７】
外周面に沿って溝が設けられた円柱形状部材を保持し、該円筒形状部材を回転させる円筒形状部材保持手段と、
前記溝に金属粉末を投入する金属粉末投入手段と、
前記溝に投入された金属粉末にレーザビームを照射するためのレーザ発振手段と、を有するレーザ肉盛り装置において、
前記金属粉末投入手段の金属粉末投入位置が、前記部材保持手段が前記円柱形状部材を保持した状態での前記溝の頂部から回転方向にオフセットした位置に金属粉末が投入されるように配設され、前記レーザビームの照射位置が前記金属粉末の投入位置よりも下に位置するように配設されていることを特徴とするレーザ肉盛り装置。
【請求項８】
前記オフセット量が、前記内部が円筒形の部材の内周面の半径の２〜２０％であることを特徴とする請求項７記載のレーザ肉盛り装置。
【請求項９】
前記円柱形状部材が内燃機関用ピストンであり、形成する肉盛り層がピストンリング溝を形成するための肉盛り層であることを特徴とする請求項７または請求項８記載のレーザ肉盛り装置。
【請求項１０】
内周面に沿って溝が設けられた内部が円筒形の部材を保持し、該部材を回転させる部材保持手段と、
前記溝に金属粉末を投入する金属粉末投入手段と、
前記溝に投入された金属粉末にレーザビームを照射するためのレーザ発振手段と、を有するレーザ肉盛り装置において、
前記金属粉末投入手段の金属粉末投入位置が、前記部材保持手段が前記内部が円筒形の部材を保持した状態での前記溝の最底部から回転方向にオフセットした位置に金属粉末が投入されるように配設され、前記レーザビームの照射位置が前記金属粉末の投入位置よりも下に位置するように配設されていることを特徴とするレーザ肉盛り装置。
【請求項１１】
前記オフセット量が、前記部材の内周の半径の２〜２０％であることを特徴とする請求項１０記載のレーザ肉盛り装置。
【請求項１２】
前記肉盛り層がバルブシートであることを特徴とする請求項１０または請求項１１記載のレーザ肉盛り装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ肉盛り方法およびその装置に関し、特に円柱形状部材の外周面や円筒形の内周面に沿って金属の肉盛り層を形成するためのレーザ肉盛り方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関用ピストンの製造工程の中に、アルミ合金により形成されたピストン母材の頂頭部（ピストンヘッド、ピストンクラウンなどと称する部分）にピストンリング溝を形成する工程がある。
【０００３】
このピストンリング溝の形成において、ピストンリング溝部分の耐磨耗性、耐久性の向上を目的として、図６ａに示すように、ピストン母材５０のピストンリングが装着される部分に溝５６を形成し、その溝５６内に、図６ｂに示すような銅合金による肉盛り層５５を形成し、この肉盛り層５５を溝加工することでピストンリング溝６０を形成する方法がある（例えば、特開平２−１２５９５２号公報）。なお、図６ｂは肉盛り層５５形成後の状態（ピストンリング溝６０形成前）を示す拡大図である。
【０００４】
この様な金属の肉盛りを行う方法の一つに、例えば特開平４−１７９８８号公報や特開平５−５０２７３号公報などに開示されているレーザ肉盛り方法がある。これを上記ピストンリング溝形成のための肉盛りに適用すれば、図５に示すように、肉盛りを行う部材であるピストン母材５０を図示しない治具により保持し、かつ回転させながら、粉末投入ノズル７から銅合金粉末をピストン母材５０の外周に沿って形成された溝内に投入し、この銅粉末が投入された部分をレーザビーム１０によって局所的に加熱することで銅粉末を溶融させ、もってピストンリング溝が形成される部分に銅合金による肉盛り層５５を形成できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の方法による肉盛り層５５の形成では、図示したように、回転させているピストン母材５０の鉛直線Ｂ上の溝頂部Ｃにノズル７から銅合金粉末を投入しているため、投入された銅粉末の半分近くがピストン母材の回転方向とは反対側にそのままこぼれ落ちてしまい、銅粉末の歩留まり（利用効率）が悪く経済的でないといった問題があった。また、ノズル７と母材との位置関係の微妙なずれによって、加工点（レーザビームが照射されている部分）での銅分粉末の投入量が変化して、肉盛り層５５、肉盛りの厚みにバラツキが生じ製品歩留まりを低下させるといった問題もあった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、ピストンのような円柱形または円筒形の材料の外周もしくは内周に、肉盛り層を形成する際、銅粉末の利用効率よくして歩留まりを高め、かつ加工点との微妙な位置変動に影響されないように肉盛り層を形成することができるレーザ肉盛り方法およびその装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための請求項１記載の本発明は、円柱形状部材を回転させながら、該円柱形状部材の外周面に沿って設けられた溝に金属粉末を投入し、該金属粉末投入部分にレーザビームを照射して該金属粉末を溶融し、該溝部分に金属の肉盛り層を形成するレーザ肉盛り方法において、前記金属粉末の投入位置を、前記円柱形状部材の直径方向の鉛直線上の前記溝の頂部から前記円柱形状部材を回転させる方向にオフセットした位置に設定し、前記レーザビームの照射位置を前記金属粉末の投入位置よりも下に位置するように設定することを特徴とするレーザ肉盛り方法である。
【０００８】
また、請求項２記載の本発明は、請求項１記載のレーザ肉盛り方法において、前記オフセット量が、前記円柱形状部材の半径の２〜２０％であることを特徴とするレーザ肉盛り方法である。
【０００９】
また、請求項３記載の本発明は、請求項１または請求項２記載のレーザ肉盛り方法において、前記円柱形状部材が内燃機関用ピストンであり、形成する肉盛り層がピストンリング溝を形成するための肉盛り層であることを特徴とするレーザ肉盛り方法である。
【００１０】
また、上記目的を達成するための請求項４記載の本発明は、内部が円筒形の部材を回転させながら、該部材の内周面に沿って設けられた溝に金属粉末を投入し、該金属粉末投入部分にレーザビームを照射して該金属粉末を溶融し、該溝部分に金属の肉盛り層を形成するレーザ肉盛り方法において、前記金属粉末の投入位置を前記内部が円筒形の部材の内周面の直径方向の鉛直線上の前記溝の最底部から前記内部が円筒形の部材を回転させる方向にオフセットした位置に設定し、前記レーザビームの照射位置を前記金属粉末の投入位置よりも下に位置するように設定することを特徴とするレーザ肉盛り方法である。
【００１１】
また、請求項５記載の本発明は、請求項４記載のレーザ肉盛り方法において、前記オフセット量が、前記内部が円筒形の部材の内周の半径の２〜２０％であることを特徴とするレーザ肉盛り方法である。
【００１２】
また、請求項６記載の本発明は、請求項４または請求項５記載のレーザ肉盛り方法において、前記肉盛り層がバルブシートであることを特徴とするレーザ肉盛り方法である。
【００１３】
また、上記目的を達成するための請求項７記載の本発明は、外周面に沿って溝が設けられた円柱形状部材を保持し、該円筒形状部材を回転させる円筒形状部材保持手段と、前記溝に金属粉末を投入する金属粉末投入手段と、前記溝に投入された金属粉末にレーザビームを照射するためのレーザ発振手段と、を有するレーザ肉盛り装置において、前記金属粉末投入手段の金属粉末投入位置が、前記部材保持手段が前記円柱形状部材を保持した状態での前記溝の頂部から回転方向にオフセットした位置に金属粉末が投入されるように配設され、前記レーザビームの照射位置が前記金属粉末の投入位置よりも下に位置するように配設されていることを特徴とするレーザ肉盛り装置である。
【００１４】
また、請求項８記載の本発明は、請求項７記載のレーザ肉盛り装置において、前記オフセット量が、前記内部が円筒形の部材の内周面の半径の２〜２０％であることを特徴とするレーザ肉盛り装置である。
【００１５】
また、請求項９記載の本発明は、請求項７または請求項８記載のレーザ肉盛り装置において、前記円柱形状部材が内燃機関用ピストンであり、形成する肉盛り層がピストンリング溝を形成するための肉盛り層であることを特徴とするレーザ肉盛り装置である。
【００１６】
また、上記目的を達成するための請求項１０記載の本発明は、内周面に沿って溝が設けられた内部が円筒形の部材を保持し、該部材を回転させる部材保持手段と、前記溝に金属粉末を投入する金属粉末投入手段と、前記溝に投入された金属粉末にレーザビームを照射するためのレーザ発振手段と、を有するレーザ肉盛り装置において、前記金属粉末投入手段の金属粉末投入位置が、前記部材保持手段が前記内部が円筒形の部材を保持した状態での前記溝の最底部から回転方向にオフセットした位置に金属粉末が投入されるように配設され、前記レーザビームの照射位置が前記金属粉末の投入位置よりも下に位置するように配設されていることを特徴とするレーザ肉盛り装置である。
【００１７】
また、請求項１１記載の本発明は、請求項１０記載のレーザ肉盛り装置において、前記オフセット量が、前記部材の内周の半径の２〜２０％であることを特徴とするレーザ肉盛り装置。
【００１８】
また、請求項１２記載の本発明は、請求項１０または請求項１１記載のレーザ肉盛り装置において、前記肉盛り層がバルブシートであることを特徴とするレーザ肉盛り装置である。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は請求項ごとに以下のような効果を奏する。
【００２０】
請求項１記載の本発明によれば、金属粉末の投入位置を溝頂部から回転方向にオフセットさせたことで、金属粉末のこぼれ落ちる量を少なくして粉末歩留まりを向上させることができ、また、これにより金属粉末の投入位置が多少ずれたとしても、均一な肉盛り層を形成することができる。
【００２１】
請求項２記載の本発明によれば、前記請求項１記載の構成において、オフセット量を円柱形状部材の半径の２〜２０％とすることでより効果的に金属粉末の歩留まりを向上させることができる。
【００２２】
請求項３記載の本発明によれば、前記請求項１または請求項２記載の構成において、円柱形状部材が内燃機関用ピストンである場合に、そのピストンヘッド部に形成されるピストンリング溝を形成するための肉盛り層の形成に際して、効果的に金属粉末の歩留まりを向上させ得る。
【００２３】
請求項４記載の本発明によれば、金属粉末の投入位置を溝底部から回転方向にオフセットさせたことで、金属粉末のこぼれ落ちる量を少なくして粉末歩留まりを向上させることができ、また、これにより金属粉末の投入位置が多少ずれたとしても、均一な肉盛り層を形成することができる。
【００２４】
請求項５記載の本発明によれば、前記請求項４記載の構成において、オフセット量を部材の内周の半径の２〜２０％とすることでより効果的に金属粉末の歩留まりを向上させることができる。
【００２５】
請求項６記載の本発明によれば、前記請求項４または請求項５記載の構成において、肉盛り層がリングシートである場合に、効果的に金属粉末の歩留まりを向上させ得る。
【００２６】
請求項７記載の本発明によれば、金属粉末投入手段から投入される金属粉末の投入位置を溝頂部から回転方向にオフセットさせたことで、金属粉末のこぼれ落ちる量を少なくして粉末歩留まりを向上させ、また、これにより金属粉末の投入位置が多少ずれたとしても、均一な肉盛り層を形成することができる。
【００２７】
請求項８記載の本発明によれば、前記請求項７記載の構成において、オフセット量を円柱形状部材の半径の２〜２０％とすることでより効果的に金属粉末の歩留まりを向上させることができる。
【００２８】
請求項９記載の本発明によれば、前記請求項７または請求項８記載の構成において、円柱形状部材が内燃機関用ピストンである場合に、そのピストンヘッド部に形成されるピストンリング溝を形成するための肉盛り層の形成に際して、効果的に金属粉末の歩留まりを向上させ得る。
【００２９】
請求項１０記載の本発明によれば、金属粉末投入手段から投入される金属粉末の投入位置を溝底部から回転方向にオフセットさせたことで、金属粉末のこぼれ落ちる量を少なくして粉末歩留まりを向上させ、また、これにより金属粉末の投入位置が多少ずれたとしても、均一な肉盛り層を形成することができる。
【００３０】
請求項１１記載の本発明によれば、前記請求項１０記載の構成において、オフセット量を円筒形状部材の半径の２〜２０％とすることでより効果的に金属粉末の歩留まりを向上させることができる。
【００３１】
請求項１２記載の本発明によれば、前記請求項１０または請求項１１記載の構成において、肉盛り層がリングシートである場合に、効果的に金属粉末の歩留まりを向上させ得る。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。
【００３３】
図１は、本発明を適用したレーザ肉盛り装置の全体構成を示す図面である。  このレーザ肉盛り装置は、保持手段である治具３０によってヘッド部が円柱形のピストン母材５０を保持しつつこれを回転させ、金属粉末投入手段である粉末投入装置６の粉末投入ノズル７から後述するようにピストン母材５０に形成されている溝に金属粉末を投入する。そして、レーザ発振手段であるレーザ発振器８からミラー９により加工点までレーザビームを導き、図示しないレンズによって加工に適切なスポット径となるようにレーザビームを絞り込んで照射することによりレーザビーム１０により投入された金属粉末を溶融させて肉盛り層５５を形成するものである。
【００３４】
そして、このレーザ肉盛り装置では、図２に示すように、ピストン母材５０が治具３０に保持された状態でその直径方向の鉛直線Ｂ上の溝頂部Ｃからピストン母材５０の回転方向（図中矢印Ａ）にオフセットした位置に金属粉末が投入されるようにノズル７の位置を調整したものである。また、これに伴い加工点、すなわちレーザビーム照射位置も、図から明らかなように、レーザビームの照射位置が金属粉末の投入位置よりも下に位置するように、金属粉末投入位置に合わせて調整してある。
【００３５】
このように、金属粉末の投入位置を溝頂部Ｃから回転方向Ａにオフセットさせることにより、投入される粉末は、加工点部分で既に形成された肉盛り層５５により止まり、回転方向にこぼれ落ちる粉末の量は非常に少なく、また、金属粉末がピストン母材５０の回転方向と反対側に落ちる量も極少量になる。さらに、投入される金属粉末は流体と同様な性質を示すことから、このオフセットにより、ピストン母材５０の回転にともなって粉末が回転方向に引き込まれるため、加工点に集中することとなり、金属粉末の歩留まり（利用効率）が向上するものである。また、このように、金属粉末のこぼれ落ちる量が少なく加工点に粉末が集中するため、投入位置がずれた場合でもほぼ均一な厚さの肉盛り層を形成することが可能となる。
【００３６】
オフセット量は、ピストン母材の大きさ（ピストンヘッドの直径）や回転させる速度にもよるが、概ね後述する実施例の結果からピストンヘッドの半径に対して２〜２０％が好ましく、より好ましくは２〜１１．５％である。これは、２％未満の場合には、粉末歩留まりとして顕著な効果が得られず、一方、２０％を越えると回転方向にこぼれ落ちる金属粉末の量が増加するので好ましくないものである。
【００３７】
なお、本発明は、上記のような内燃機関用ピストンのピストンリング溝を形成するための肉盛り層の形成に限定されるものではなく、ピストン同様に円柱形状の部材の外周面に、レーザビームにより、投入された金属粉末を溶融して肉盛り層を形成する場合に好適に用いることができる。
【００３８】
また、円柱形状部材の外周に限らず、例えば内燃機関のシリンダヘッドにリング上に形成されるバルブシートのような、その内周面が円筒形の部材の該内周面に肉盛りを行う場合にも好適に用いられる。これは、部材の内側の内周面に、その真上から直接金属粉末を投入したり、レーザビームを照射したりすることができないため、部材自体を傾けてセットする必要があり、このような場合に、本発明を適用することで、上述したピストン母材への肉盛りと同様に同様に、金属粉末のこぼれ落ちる量を少なくすることができる。この場合のオフセット量は、図３に示すように、部材５１の直径方向の鉛直線Ｂ上の最低部Ｄから回転方向Ａに、部材５１の半径に対し２〜２０％が好ましく、より好ましくは２〜１１．５％である。そして、レーザビームの照射位置を金属粉末の投入位置よりも下に位置するように設定している。これにより金属粉末が部材５１の回転にともなって引き込まれて加工点に集中するので、こぼれ落ちる粉体の量が少なくなり、均一な肉盛り層５５を形成することができる。
【００３９】
【実施例】
以下、本発明を適用した上記レーザ肉盛り装置を用いて、金属粉末投入位置のオフセット量を変化させたことによる金属粉末の歩留まりの変化について説明する。
【００４０】
本実施例は、ピストン母材５０のピストンリング溝を形成する部分に形成されている溝に、アルミブロンズ粉末を、投入ノズル７のオフセット量を変化させて投入し、銅合金の肉盛り層を形成する実験を行ったものである。
【００４１】
ピストン母材は、アルミニウム合金（ＪＩＳＡＣ８Ｃ）製で、そのピストンヘッド部の直径が８６．５ｍｍである。このピストン母材に形成されている溝は、のピストンヘッド外周面に沿って幅６．０ｍｍ、深さ５．７ｍｍ、溝底の曲率Ｒ４．５ｍｍ、面取り０．８ｍｍである。また、アルミブロンズ粉末はＡｌ−１０％、Ｎｉ−５％、Ｆｅ−３％、Ｃｕ−残部の組成によるものである。
【００４２】
肉盛りの際のピストン母材を回転させる速度は０．６ｍ／ｍｉｎ、投入したアルミブロンズ粉末の量は５８ｇ／ｍｉｎ、また照射するレーザビームの出力は５．７〜６．０ｋＷ、ビームスポットは６×２ｍｍ（長円形）である。
【００４３】
この実験の結果を図４に示す。図から分かるように、オフセット量が２〜２０％の間で、オフセット量が０％のときより粉末歩留まりが向上しており、特に、オフセット量が２〜１１．５％のとき（本実施例においては溝頂部分から１〜５ｍｍオフセットさせたとき）に大きな効果が見られる。
【００４４】
そして、オフセット量が２〜２０％のとき、特に２〜１１．５％のときには、こぼれ落ちる粉末の量が少ないので、金属粉末の投入位置が若干ずれても、金属粉末の投入量に大きな変化が起きないため、外周面の全周に亘り均一な肉盛り層が形成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用したレーザ肉盛り装置の構成を説明するための図面である。
【図２】図１に示されたレーザ肉盛り装置の金属粉末投入位置を説明するための図面である。
【図３】金属粉末投入位置の他の形態を説明するための図面である。
【図４】金属粉末投入位置を変化させた実験結果を示す図面である。
【図５】従来のレーザ肉盛り方法を説明するための図面である。
【図６】肉盛りしたピストンを示す図面である。
【符号の説明】
６…粉末投入装置、
７…ノズル、
８…レーザ発振器、
９…ミラー、
１０…レーザビーム、
３０…治具、
５０…ピストン母材、
５５…肉盛り層。
【図１】
0003591128.tif 000002
【図２】
0003591128.tif 000003
【図３】
0003591128.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003591128.tif 000006
【図６】
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