(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物の加工部位に照射されるレーザ光に向かって吐出されると共に前記被加工物の加工部位に供給された金属粉末が前記レーザ光により前記被加工物の加工部位で溶融されることで前記被加工物の加工部位にクラッド層を形成するレーザクラッド加工における品質管理方法であって、
前記被加工物の加工部位にレーザクラッド加工を行う前に、前記レーザ光に向かって前記金属粉末を吐出し、吐出された前記金属粉末が該レーザ光により空中で溶融された際に該金属粉末から発生する赤外光の強度に基づいてクラッド層の品質を管理するレーザクラッド加工における品質管理方法。
【請求項２】
前記レーザ光の周囲から該レーザ光に向かって前記金属粉末を吐出する、請求項１に記載のレーザクラッド加工における品質管理方法。
【請求項３】
前記レーザ光の照射軸線方向に発生する赤外光の強度に基づいてクラッド層の品質を管理する、請求項１または２に記載のレーザクラッド加工における品質管理方法。
【請求項４】
被加工物の加工部位に照射されるレーザ光に向かって吐出されると共に前記被加工物の加工部位に供給された金属粉末が前記レーザ光により前記被加工物の加工部位で溶融されることで前記被加工物の加工部位にクラッド層を形成するレーザクラッド加工装置であって、
前記被加工物の加工部位にレーザクラッド加工を行う前に、前記レーザ光に向かって吐出された前記金属粉末が該レーザ光により空中で溶融された際に該金属粉末から発生する赤外光の強度を測定する測定部と、
前記測定部により測定された赤外光の強度を処理してクラッド層の品質を管理する処理部と、を備えているレーザクラッド加工装置。
【請求項５】
前記金属粉末が、前記レーザ光の周囲から該レーザ光に向かって吐出されるようになっている、請求項４に記載のレーザクラッド加工装置。
【請求項６】
前記測定部は、前記レーザ光の照射軸線方向に発生する赤外光の強度を測定するようになっている、請求項４または５に記載のレーザクラッド加工装置。
【請求項７】
前記レーザ光の照射軸線上に、前記レーザ光を透過すると共に前記赤外光を反射する分光部が配置されている、請求項６に記載のレーザクラッド装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザクラッド加工における品質保証方法及びレーザクラッド加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、エンジン用シリンダヘッドのバルブシートの耐久性を向上させるとともにその設計自由度を高めるために、そのバルブシートに対し、例えば粉体（粉末）状の肉盛り材料を供給しながらレーザ光を照射し、バルブシートとレーザ光を相対回転させることによって肉盛層（クラッド層）を形成するレーザ加工が知られている。このレーザ加工は、エンジンの燃焼室に必要な機械加工、例えばバルブ孔形成加工等がおこなわれたシリンダヘッドに対し、そのバルブシートとなるべき領域に銅合金等からなる耐摩耗性を有する粉体状の肉盛り材料を供給しつつレーザ光照射を実行し、最終的にバルブシートとなるべきリング状の肉盛層、すなわち肉盛ビード部を形成するという技術であり、一般にレーザクラッド加工と称されている。
【０００３】
このようなレーザクラッド加工で形成される肉盛層（クラッド層）の品質を管理する方法として、たとえば、輝度計測による方法や放射温度計測による方法、画像処理を用いた形状計測による方法などが知られており、この種の従来技術が特許文献１、２に開示されている。
【０００４】
特許文献１に開示されているクラッド層の品質判定方法は、輝度計の受光部をクラッド層の溶融池に向け、溶融池の所定位置に設定した所定径の計測スポットで計測した輝度に基づいて得られる計測信号の変化からクラッド層の品質の良否を判定する方法である。
【０００５】
また、特許文献２に開示されている肉盛り品の品質保証方法は、局所的加熱源の照射中に部材表面および肉盛り材料が溶融して照射点に形成される溶融池から発生する光を溶融池の大きさ以下に絞る集光光学系を備えた複数の光センサにより光強度を観察することによって、肉盛り加工品における異常の有無を判定する方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−４８７１８号公報
【特許文献２】特開平９−１９２８６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示されているクラッド層の品質判定方法によれば、溶融していない部分や母材上に落下供給される肉盛り材料での輝度を計測してしまうようなことがほとんどなくなり、計測した輝度に基づいて得られる計測信号のばらつきが少なくなり、レーザクラッド加工点における溶融池に生じる変化が顕著でない場合であってもクラッド層の品質の良否を判定し得る。
【０００８】
また、特許文献２に開示されている肉盛り品の品質保証方法によれば、局所的加熱源の照射中に部材表面および肉盛り材料が溶融して照射点に形成される溶融池から発生する光を溶融池の大きさ以下に絞る集光光学系を備えた複数の光センサにより光強度を観察することによって、肉盛り加工の際の異常の有無をオンラインで判定することができる。
【０００９】
しかしながら、特許文献１や特許文献２に開示されている方法は、被加工物の加工部位にクラッド層を形成しながらオンラインでクラッド層の品質の良否を判定したり、肉盛り加工の際の異常の発生を検出するため、品質不良の製品が作製された際に当該製品が無駄になり、当該製品の製造コストが高騰するといった問題が生じ得る。また、溶融池から発生される光の輝度や光強度は被加工物の組成等に応じて変動するため、被加工物の加工部位に形成されるクラッド層の品質の良否や肉盛り加工の際の異常の発生を精緻に検出できない可能性がある。
【００１０】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、製造コストを抑制しながら、簡単な構成でもって且つ確実に、被加工物の加工部位に形成されるクラッド層の品質管理を行うことのできるレーザクラッド加工における品質管理方法及びレーザクラッド加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成すべく、本発明者等は、鋭意研究の結果、レーザ光に向かって吐出された金属粉末が該レーザ光により空中で溶融された際に発生する赤外光の強度（赤外線量）を測定することにより、実際に被加工物の加工部位にクラッド層を形成しなくても、クラッド層の品質を管理し得ることを見出した。
【００１２】
すなわち、本発明によるレーザクラッド加工における品質管理方法は、被加工物の加工部位に照射されるレーザ光に向かって吐出されると共に前記被加工物の加工部位に供給された金属粉末が前記レーザ光により前記被加工物の加工部位で溶融されることで前記被加工物の加工部位にクラッド層を形成するレーザクラッド加工における品質管理方法であって、前記レーザ光に向かって吐出された前記金属粉末が該レーザ光により空中で溶融された際に該金属粉末から発生する赤外光の強度に基づいてクラッド層の品質を管理する。
【００１３】
上記する品質管理方法によれば、レーザ光に向かって吐出された金属粉末が該レーザ光により空中で溶融された際に発生する赤外光の強度に基づいてクラッド層の品質を管理することにより、実際に被加工物の加工部位にクラッド層を形成することなく、被加工物の加工部位に形成されるクラッド層の品質管理を行うことができる。そのため、被加工物の製造コストを抑制できると共に、被加工物の加工部位に形成されるクラッド層の品質の良否を精緻に且つ確実に判定することができる。
【００１４】
また、上記するレーザクラッド加工における品質管理方法は、前記レーザ光の周囲から該レーザ光に向かって前記金属粉末を吐出することが好ましい。
【００１５】
上記する品質管理方法によれば、レーザ光の周囲から該レーザ光に向かって金属粉末を吐出することにより、レーザ光の周囲から吐出された金属粉末がレーザ光の照射軸線上で衝突し、レーザ光により溶融された金属粉末がレーザ光の照射軸線上で存在し得るため、クラッド層の品質管理に用いられる赤外光の強度を高めることができ、被加工物の加工部位に形成されるクラッド層の品質の良否をより精緻に且つ確実に判定することができる。
【００１６】
また、上記するレーザクラッド加工における品質管理方法は、前記レーザ光の照射軸線方向に発生する赤外光の強度に基づいてクラッド層の品質を管理することが好ましい。
【００１７】
上記する品質管理方法によれば、レーザ光の照射軸線方向に発生する赤外光の強度を測定してクラッド層の品質を管理することにより、被加工物の形状、特に被加工物の加工部位周囲の形状に関わらず、レーザ光により空中で溶融された金属粉末から発生される赤外光の強度を確実に測定できるため、被加工物の加工部位に形成されるクラッド層の品質の良否を更に精緻に且つ確実に判定することができる。また、クラッド層の品質管理に用いられる赤外光の経路とレーザ光の経路とを共有できるため、レーザクラッド加工に用いるレーザクラッド加工装置の構成を簡素化することもできる。
【００１８】
また、本発明によるレーザクラッド加工装置は、被加工物の加工部位に照射されるレーザ光に向かって吐出されると共に前記被加工物の加工部位に供給された金属粉末が前記レーザ光により前記被加工物の加工部位で溶融されることで前記被加工物の加工部位にクラッド層を形成するレーザクラッド加工装置であって、前記レーザ光に向かって吐出された前記金属粉末が該レーザ光により空中で溶融された際に該金属粉末から発生する赤外光の強度を測定する測定部と、前記測定部により測定された赤外光の強度を処理してクラッド層の品質を管理する処理部と、を備えているものである。
【００１９】
上記するレーザクラッド加工装置は、レーザ光に向かって吐出された金属粉末が該レーザ光により空中で溶融された際に発生する赤外光の強度を測定する測定部と、その測定部により測定された赤外光の強度に基づいてクラッド層の品質を管理する処理部と、を備えていることにより、実際に被加工物の加工部位にクラッド層を形成することなく、被加工物の加工部位に形成されるクラッド層の品質管理を行うことができる。そのため、被加工物の製造コストを抑制できると共に、被加工物の加工部位に形成されるクラッド層の品質の良否を精緻に且つ確実に判定することができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上の説明から理解できるように、本発明によれば、レーザ光に向かって吐出された金属粉末が該レーザ光により空中で溶融された際に発生する赤外光の強度に基づいてクラッド層の品質を管理するという簡単な構成でもって、実際に被加工物の加工部位にクラッド層を形成しなくても、被加工物の加工部位に形成されるクラッド層の品質管理を確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明のレーザクラッド加工装置の全体構成を示した斜視図である。
【図２】図１に示すレーザクラッド加工装置による品質管理方法を模式的に説明した説明図である。
【図３】図２で示す管理装置で表示される赤外光の強度の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して本発明のレーザクラッド加工における品質管理方法及びレーザクラッド加工装置の実施の形態を説明する。
【００２３】
［レーザクラッド加工装置］
図１は、本発明のレーザクラッド加工装置の全体構成を示した斜視図である。
【００２４】
図示するレーザクラッド加工装置９は、たとえばシリンダヘッド（被加工物）Ｈのバルブシート部（加工部位）にレーザクラッド加工を行う装置であって、主に、シリンダヘッドＨを傾動して保持するシリンダヘッド保持装置１と、加工部位にレーザ光を照射しながら粉末金属（例えば銅やニッケルを主成分とする材料）を吐出するレーザ加工ヘッド２と、レーザ加工ヘッド２を鉛直方向に傾斜して保持して鉛直軸線周りに回転させる回転装置３と、レーザ加工ヘッド２に粉末金属を供給する粉末金属供給装置（フィーダ）４とを備えている。
【００２５】
シリンダヘッド保持装置１は、バルブシート部の中心軸線が鉛直方向となるようにシリンダヘッドＨを傾動したり、バルブシート部の中心軸線とレーザ加工ヘッド２の回転軸線とが一致するようにシリンダヘッドＨを水平方向へ二次元的に移動させるものである。
【００２６】
レーザ加工ヘッド２は、レーザ光を発生するレーザ発生部５と、レーザ光を集光する集光レンズ等が内蔵された光学系部６と、レーザ光を通過させるとともにそのレーザ光の周囲から粉末金属を吐出する二重管構造の同軸ノズル７とを有し、この同軸ノズル７が、供給管８を介してフィーダ４に接続されている。このレーザクラッド加工装置９は、加工部位に形成されるクラッド層（肉盛層）に応じた量の粉末金属がフィーダ４から同軸ノズル７へ供給され、レーザ発生部５によってその粉末金属に応じた出力のレーザ光が生成され、同軸ノズル７を介して加工部位にレーザ光を照射しながら粉末金属を吐出することにより、シリンダヘッドＨのバルブシート部に所望のクラッド層を形成することができる。
【００２７】
また、図示するレーザクラッド加工装置９には、たとえばシリンダヘッドＨのバルブシート部に形成されるクラッド層の品質を管理するための管理装置１０が配設されている。
【００２８】
この管理装置１０は、主に、レーザ光に向かって吐出された金属粉末が該レーザ光により空中で溶融された際に発生する赤外光の強度（赤外線量）を測定する放射温度計（測定部）１１と、放射温度計１１により測定された赤外光の強度を処理してクラッド層の品質を管理する信号処理装置（処理部）１２と、を有している。
【００２９】
［レーザクラッド加工における品質管理方法］
図２を参照しながら、図１に示すレーザクラッド加工装置９の管理装置１０による品質管理方法を詳述する。なお、この管理装置１０は、主に、被加工物の加工部位にレーザクラッド加工を行う前に、その被加工物の加工部位に形成されるクラッド層の品質の良否を判定するために使用される。
【００３０】
まず、レーザクラッド加工装置９の装置構成をより具体的に説明すると、同軸ノズル７は、図２で示すように、主に、レーザ光Ｒが通過するためのレーザ通路２１を有する略円管状のインナノズル２０と、インナノズル２０に外嵌されるアウタノズル２２とを備えている。インナノズル２０とアウタノズル２２とは同軸上に配置され、インナノズル２０とアウタノズル２２との間に、フィーダ４から同軸ノズル７へ供給された金属粉末Ｐが通過する略円環状の吐出空間１９が画成されている。この吐出空間１９は、同軸ノズル７の先端側へ向かって縮径しており、吐出空間１９を通って吐出口１８から吐出された金属粉末Ｐは、キャリアガス（たとえば窒素ガス）と共に、レーザ光Ｒの周囲から当該レーザ光Ｒの照射軸線Ｌ上の照射点Ｆもしくはその近傍に向かって略均一に吐出されるようになっている。
【００３１】
また、光学系部６の内部には、例えば誘電体多層膜ミラー等からなるビームスプリッタ（分光部）１３と集光レンズ１４とがレーザ光Ｒの照射軸線Ｌ上に並んで配置されている。レーザ発生部５によって生成されたレーザ光Ｒは、光学系部６に内蔵されたビームスプリッタ１３を透過し、集光レンズ１４で集光されて同軸ノズル７のインナノズル２０のレーザ通路２１を通り、その照射口１７を介して同軸ノズル７の外部に設定された照射点Ｆに照射される。これにより、照射口１７を通ったレーザ光Ｒは、その照射点Ｆもしくはその近傍で吐出口１８から吐出された金属粉末Ｐに照射されるようになっている。
【００３２】
次に、レーザクラッド加工装置９の管理装置１０による品質管理方法を説明する。上記したレーザクラッド加工装置９を、レーザ光Ｒの照射点Ｆ近傍に被加工物が存在しない状態で作動させ、フィーダ４から同軸ノズル７へ金属粉末Ｐを供給し、レーザ発生部５によってレーザ光Ｒを生成し、同軸ノズル７を介してレーザ光Ｒを照射しながら粉末金属Ｐを吐出口１８から吐出すると、レーザ光Ｒの照射軸線Ｌ上の照射点Ｆ近傍の空中で金属粉末Ｐがレーザ光Ｒにより溶融され、溶融された金属粉末Ｐから赤外光Ｓが発生する。照射点Ｆ近傍の空中で溶融された金属粉末Ｐから発生された赤外光Ｓは、インナノズル２０のレーザ通路２１を（レーザ光Ｒの照射方向とは逆方向へ）通り、光学系部６の集光レンズ１４を通ってビームスプリッタ（分光部）１３へ到達し、そのビームスプリッタ１３によって、赤外光Ｓのうちの測定波長成分が所定の方向（図中、レーザ光Ｒの照射方向に対して垂直方向）に反射されてレーザ光Ｒと分離される。ビームスプリッタ１３で分離された赤外光Ｓ（特に、そのうちの測定波長成分）は放射温度計１１に導入され、放射温度計１１によってその強度（赤外線量）が測定される。放射温度計１１によって測定された強度（赤外線量）は信号処理装置１２へ送信され、その信号処理装置１２で所定の信号処理が施された後、その処理結果が当該信号処理装置１２の表示画面１５に表示される。
【００３３】
使用者等は、信号処理装置１２の表示画面１５を介してその処理結果を確認し、その処理結果に基づいて、吐出口１８から照射点Ｆ近傍に吐出される金属粉末Ｐの吐出量の良否や照射口１４から照射点Ｆへ照射されたレーザ光Ｒの強度の良否を判定することにより、たとえば被加工物の加工部位にレーザクラッド加工を行う前に、その被加工物の加工部位に形成されるクラッド層の品質の良否を判定することができる。なお、金属粉末Ｐの吐出量の良否やレーザ光Ｒの強度の良否は、たとえば実際に測定された赤外光Ｓの強度と予め測定された良品における赤外光Ｓの強度（マスタ波形）とを比較することによって判定することができる。
【００３４】
実際には、上記したように、被加工物の加工部位に形成されるクラッド層に応じた量の粉末金属がフィーダ４から同軸ノズル７へ供給され、レーザ発生部５によってその粉末金属に応じた出力のレーザ光が生成されるように、レーザクラッド加工装置９における各パラメータが予め設定されている。そのため、金属粉末Ｐの吐出量やレーザ光Ｒの強度に不良が発生した場合（たとえば、同軸ノズル７内での金属粉末Ｐの詰まりや光学系部６でのレンズ汚れ等が発生した場合）には、図３で示すように、空中で溶融された粉末金属Ｐから発生される赤外光Ｓの強度（赤外線量）が相対的に低下することとなる。使用者等は、図３で示すように、実際に測定された赤外光Ｓの強度が所定の判定基準よりも低下した際に、金属粉末Ｐの吐出量やレーザ光Ｒの強度が低下してクラッド層の品質が低下すると判断することができるため、比較的容易に加工部位に形成されるクラッド層の品質の良否を判定することができる。
【００３５】
なお、上記した管理装置１０は、被加工物の加工部位にレーザクラッド加工を行いながら使用することもできる。具体的には、同軸ノズル７を介して加工部位にレーザ光を照射しながら粉末金属を吐出した際に加工部位で形成される溶融池から発生される赤外光の強度を前記放射温度計１１により測定し、放射温度計１１によって測定された赤外光の強度に対して信号処理装置１２で所定の信号処理を施し、その処理結果から加工部位に形成されるクラッド層の品質の良否を判定することもできる。なお、被加工物の加工部位にレーザクラッド加工を行いながらクラッド層の品質の良否を判定する際に使用される判定基準は、一般に、上記したレーザクラッド加工を行う前にクラッド層の品質の良否を判定する際に使用される判定基準とは異なるものである。
【００３６】
このように、本実施の形態によれば、レーザ光Ｒに向かって吐出された金属粉末Ｐが該レーザ光Ｒにより空中で溶融された際に発生する赤外光Ｓの強度に基づいてクラッド層の品質を管理することにより、実際に被加工物の加工部位にクラッド層を形成することなく、被加工物の加工部位に形成されるクラッド層の品質管理を行うことができる。そのため、被加工物の製造コストを抑制できると共に、被加工物の加工部位に形成されるクラッド層の品質の良否を精緻に且つ確実に判定することができる。
【００３７】
なお、上記した実施の形態では、クラッド層の品質管理に用いられる赤外光Ｓの強度（赤外線量）を高めて、被加工物の加工部位に形成されるクラッド層の品質の良否をより精緻に且つ確実に判定するために、同軸ノズル７を介してレーザ光Ｒの周囲から該レーザ光Ｒに向かって略均一に金属粉末Ｐを吐出したが、放射温度計１１によって赤外光Ｓの強度（赤外線量）を測定できれば、必ずしもレーザ光Ｒの周囲から該レーザ光Ｒに向かって略均一に金属粉末Ｐを吐出する必要はない。
【００３８】
また、上記した実施の形態では、レーザ光Ｒにより空中で溶融された金属粉末Ｐから発生される赤外光Ｓの強度を確実に測定しつつ、レーザクラッド加工装置９の構成を簡素化するために、レーザ光Ｒの照射軸線Ｌ方向に発生する赤外光Ｓの強度を測定してクラッド層の品質を管理したが、レーザ光Ｒにより空中で溶融された金属粉末Ｐから発生される赤外光Ｓの強度は、如何なる方向から測定してもよいことは勿論である。
【００３９】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４０】
１…シリンダヘッド保持装置、２…レーザ加工ヘッド、３…回転装置、４…粉末金属供給装置（フィーダ）、５…レーザ発生部、６…光学系部、７…同軸ノズル、８…供給管、９…レーザクラッド加工装置、１０…管理装置、１１…放射温度計（測定部）、１２…信号処理装置（処理部）、１３…ビームスプリッタ（分光部）、１４…集光レンズ、１５…表示画面、１７…照射口、１８…吐出口、１９…吐出空間、２０…インナノズル、２１…レーザ通路、２２…アウタノズル、Ｆ…レーザ光の照射点、Ｌ…レーザ光の照射軸線、Ｐ…金属粉末、Ｒ…レーザ光
【図１】
0005929935.tif 000002
【図２】
0005929935.tif 000003
【図３】
0005929935.tif 000004