(57)【要約】【課題】  肉盛り用粉末を供給する粉末供給部の損傷が少なく、良好な肉盛層を低コストに形成することのできるレーザ肉盛り方法を提供する。【解決手段】  母材の表面の環状部位１０に、粉末供給部２０から肉盛り用粉末２１を供給し、肉盛り用粉末２１にレーザ光３０を照射して、環状部位１０に肉盛層４０を形成する。粉末供給部２０は、環状部位１０において肉盛り用粉末２１が供給される粉末供給位置２２とレーザ光３０が照射されるレーザ光照射位置３１とが環状部位１０の軸心に対して９０°以上２７０°以下の角度をなすよう配置され、粉末供給部２０およびレーザ光３０と、母材とを、環状部位１０の周方向に相対的に回転させながら、粉末供給部２０から肉盛り用粉末２１を供給し、供給された肉盛り用粉末２１にレーザ光３０を連続的に照射する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材の表面の環状部位に、粉末供給部から肉盛り用粉末を供給し、該肉盛り用粉末にレーザ光を照射して、該環状部位に肉盛層を形成するレーザ肉盛り方法であって、
該粉末供給部を、該環状部位において該肉盛り用粉末が供給される粉末供給位置と該レーザ光が照射されるレーザ光照射位置とが該環状部位の軸心に対して９０°以上２７０°以下の角度をなすよう配置し、
該粉末供給部および該レーザ光と、該母材とを、該環状部位の周方向に相対的に回転させながら、該粉末供給部から該肉盛り用粉末を供給し、供給された肉盛り用粉末に該レーザ光を連続的に照射することを特徴とするレーザ肉盛り方法。
【請求項２】
前記母材を固定し、前記粉末供給部および前記レーザ光を前記環状部位に沿って回転させる請求項１に記載のレーザ肉盛り方法。
【請求項３】
前記粉末供給部を、前記粉末供給位置と前記レーザ光照射位置とが前記環状部位の軸心に対して１８０°の角度をなすよう配置する請求項１に記載のレーザ肉盛り方法。
【請求項４】
前記粉末供給部は、前記肉盛り用粉末を前記環状部位に沿って連続的に供給する請求項１に記載のレーザ肉盛り方法。
【請求項５】
前記粉末供給部は、前記肉盛り用粉末を前記環状部位の所定長さの領域ごとに間欠的に供給する請求項１に記載のレーザ肉盛り方法。
【請求項６】
前記所定長さは、前記環状部位の半周の長さであり、
前記粉末供給部は、前記肉盛り用粉末を２回に分けて供給する請求項５に記載のレーザ肉盛り方法。
【請求項７】
前記母材はエンジンのシリンダヘッドであり、
前記環状部位は、バルブシートである請求項１に記載のレーザ肉盛り方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光の照射により肉盛り用粉末を溶融、凝固させて肉盛層を形成するレーザ肉盛り方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム系材料は軽量であるため、自動車等の種々の分野で使用されている。アルミニウム系材料から成形された部材では、所定の部位の機械的特性等を高めるため、当該部位に肉盛層を形成する肉盛り加工が施される。例えば、自動車エンジンのシリンダヘッドのバルブシートには、高温下で吸気バルブ又は排気バルブが繰り返し当接する。このため、バルブシートには高い耐熱性、耐摩耗性が要求される。よって、バルブシートには、熱伝導性が高く、耐熱性、耐摩耗性に優れた銅合金からなる肉盛層が形成される。肉盛層は、肉盛り用粉末を供給しながら、それに熱源となるレーザ光を照射して、肉盛り用粉末を溶融、凝固させて形成される（例えば、特許文献１、２参照。）。
【特許文献１】特開平５−５０２７３号公報
【特許文献２】特開平８−２２４６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記特許文献１、２に記載されているように、従来の肉盛り方法では、肉盛り用粉末を供給する粉末供給部は、レーザ光が照射されるレーザ光照射位置の近傍に配置される。レーザ光照射位置は、レーザ光の反射や、肉盛り用粉末の溶融により生じるプラズマ熱、溶融プールの輻射熱等により、非常に高温となっている。このため、粉末供給部は、肉盛り中、常に高温に晒される。これにより、粉末供給部が溶融して損傷を受けたり、粉末供給部の供給口がスパッタ等により塞がれ、肉盛り用粉末を正常に供給することができないという問題が生じていた。
【０００４】
また、粉末供給部とレーザ光を照射するレーザ光照射部とを一体化した一体ノズル方式も検討されている。しかし、一体ノズル方式では、肉盛り時に肉盛り用粉末の飛散量が多い。このため、肉盛り用粉末の歩留りが悪く、コスト高になる。
【０００５】
一方、肉盛りする部位の全体に、予め肉盛り用粉末を配置しておき、その後にレーザ光を順次照射して肉盛層を形成するという、いわゆるプリセット方法が考えられる。しかし、プリセット方法では、レーザ光の照射時に肉盛り用粉末が飛散する等、肉盛り用粉末の制御が難しい。また、バルク状の粉末が溶融し固体となると、体積が小さくなる。よって、例えば、バルブシートのような環状部位を肉盛りする場合には、肉盛りの終端部で肉盛り用粉末が不足し、肉盛層を形成できずに隙間が生じてしまう。
【０００６】
本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであり、肉盛り用粉末を供給する粉末供給部の損傷が少なく、良好な肉盛層を低コストに形成することのできるレーザ肉盛り方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明のレーザ肉盛り方法は、母材の表面の環状部位に、粉末供給部から肉盛り用粉末を供給し、該肉盛り用粉末にレーザ光を照射して、該環状部位に肉盛層を形成するレーザ肉盛り方法であって、該粉末供給部を、該環状部位において該肉盛り用粉末が供給される粉末供給位置と該レーザ光が照射されるレーザ光照射位置とが該環状部位の軸心に対して９０°以上２７０°以下の角度をなすよう配置し、該粉末供給部および該レーザ光と、該母材とを、該環状部位の周方向に相対的に回転させながら、該粉末供給部から該肉盛り用粉末を供給し、供給された肉盛り用粉末に該レーザ光を連続的に照射することを特徴とする（請求項１に対応）。
【０００８】
本発明のレーザ肉盛り方法では、粉末供給部の配置が、肉盛りする環状部位における粉末供給位置とレーザ光照射位置とにより規定される。つまり、粉末供給位置とレーザ光照射位置とが環状部位の軸心に対して９０°以上２７０°以下の角度をなすことが必要となる。ここで、粉末供給位置およびレーザ光照射位置の各位置の特定には、それぞれの環状部位周方向における中心点を用いる。
【０００９】
図１に、環状部位における粉末供給位置およびレーザ光照射位置のモデル図を示す。図１に示すように、環状部位１００には、肉盛り用粉末が粉末供給位置１１０に供給され、レーザ光がレーザ光照射位置１２０に照射される。ここで、粉末供給位置１１０は、環状部位１００の周方向における中心点の一つである点Ｂにより特定される。同様に、レーザ光照射位置１２０は、環状部位１００の周方向における中心点の一つである点Ａにより特定される。環状部位１００の軸心Ｏに対する粉末供給位置１１０とレーザ光照射位置１２０とのなす角は、中心点Ｂと軸心Ｏとを結んだ線ＢＯと、中心点Ａと軸心Ｏとを結んだ線ＡＯと、のなす角（∠ＡＯＢ）として求められる。本モデルでは、∠ＡＯＢ＝１８０°となる。本発明のレーザ肉盛り方法では、粉末供給位置１１０とレーザ光照射位置１２０とが環状部位１００の軸心Ｏに対して９０°以上２７０°以下の角度をなすことが必要である。すなわち、レーザ光照射位置１２０を固定した場合、粉末供給位置１１０の点Ｂは、∠ＡＯＢ＝９０°〜２７０°の範囲内になければならない（図１中、９０°、２７０°の各位置を破線で示す）。
【００１０】
粉末供給部は、粉末供給位置とレーザ光照射位置とがこのような位置関係になるよう配置される。つまり、粉末供給部はレーザ光から離間して配置される。そして、一つの環状部位を肉盛りする間は、粉末供給部とレーザ光との位置関係は変わらない。粉末供給部とレーザ光とは、共に固定されて動かない、あるいは、環状部位に沿って同じ速度で回転する、のいずれかである。
【００１１】
また、粉末供給位置はレーザ光照射位置と異なる。このため、肉盛り用粉末の供給開始時には、レーザ光照射位置に肉盛り用粉末は供給されておらず、レーザ光は照射されない。したがって、肉盛り用粉末の供給開始時には、レーザ光照射位置を、レーザ光が照射されると想定される位置として特定する。レーザ光の照射は、母材あるいはレーザ光自身の回転により、供給された肉盛り用粉末に対してレーザ光の照射が可能となった時点から開始される。このように、肉盛り用粉末の供給開始と、レーザ光の照射開始との間には時間差がある。
【００１２】
本発明のレーザ肉盛り方法では、粉末供給部がレーザ光から離間して配置されるため、粉末供給部は、レーザ光の反射や、肉盛り用粉末の溶融熱による損傷を受け難い。また、スパッタ等による供給口の閉塞が抑制されるため、肉盛り用粉末の正常な供給を確保することができる。さらに、肉盛り用粉末の飛散量も少なくなり、後の実施例に示すように、一体ノズル方式よりも歩留りが向上する。
【００１３】
また、本発明のレーザ肉盛り方法は、従来のプリセット方法とは異なり、環状部位の全てに予め肉盛り用粉末を配置しておくのではない。したがって、肉盛り用粉末の飛散等、粉末制御の問題を回避することができるとともに、肉盛り用粉末が溶融→凝固する際の体積収縮による欠陥が生じるおそれもない。その結果、良好な肉盛層を形成することができる。
【００１４】
（２）好ましくは、前記母材を固定し、前記粉末供給部および前記レーザ光を前記環状部位に沿って回転させる構成とするとよい（請求項２に対応）。本構成によれば、母材を動かすことなく、容易に肉盛りすることができる。例えば、シリンダヘッドのバルブシートを肉盛りする場合、母材となるシリンダヘッドを固定して、粉末供給部とレーザ光とを、バルブシートの軸心を中心としてバルブシートに沿って回転させればよい。
【００１５】
（３）好ましくは、前記粉末供給部を、前記粉末供給位置と前記レーザ光照射位置とが前記環状部位の軸心に対して１８０°の角度をなすよう配置する構成とするとよい（請求項３に対応）。本構成によれば、粉末供給部をレーザ光から最も離れた位置に配置することができる。したがって、レーザ光の反射や肉盛り用粉末の溶融熱等による粉末供給部の損傷、およびスパッタ等による供給口の閉塞を、より抑制することができる。
【００１６】
（４）好ましくは、前記粉末供給部は、前記肉盛り用粉末を前記環状部位に沿って連続的に供給する構成とするとよい（請求項４に対応）。本構成では、母材あるいは粉末供給部の回転に伴い、環状部位に肉盛り用粉末が連続的に供給される。また、レーザ光は、母材あるいはレーザ光の回転により、肉盛り用粉末が供給された地点に到達した後、連続的に照射される。本構成は、肉盛り用粉末を連続的に供給するという点では、従来と同様である。よって、既存の肉盛り装置を利用して容易に実施することができる。
【００１７】
（５）好ましくは、前記粉末供給部は、前記肉盛り用粉末を前記環状部位の所定長さの領域ごとに間欠的に供給する構成とするとよい（請求項５に対応）。本構成では、肉盛り用粉末を連続的に供給するのではなく、予め設定した環状部位の所定長さの領域ごとにまとめて供給する。例えば、所定長さを１／４周の長さとした場合、環状部位の１／４周の領域に、肉盛り用粉末が一度に供給される。この場合、肉盛り用粉末は４回に分けて供給される。また、所定長さを１／２周（半周）の長さとした場合、環状部位の１／２周の領域に、肉盛り用粉末が一度に供給される。この場合、肉盛り用粉末は２回に分けて供給される。このように、所定長さの設定条件により、肉盛り用粉末の供給回数は変化する。本構成によれば、肉盛り用粉末の供給管理がし易くなり、効率よく肉盛りすることができる。
【００１８】
なお、肉盛り用粉末の１回当たりの供給量は、設定された領域を肉盛りするのに充分な量とする。この場合、肉盛り用粉末の溶融→凝固による収縮を考慮して、肉盛り用粉末の量を調整するとよい。また、肉盛層の始端と終端とが重なるラップ部を形成できるよう、肉盛り用粉末の量を調整するとよい。
【００１９】
（６）上記（５）の構成において、前記所定長さは、前記環状部位の半周の長さであり、前記粉末供給部は、前記肉盛り用粉末を２回に分けて供給することが望ましい（請求項６に対応）。環状部位の半周分の肉盛り用粉末を一度に供給することで、より効率的に肉盛りすることができる。また、本構成と上記（３）の構成とを組合せた場合には、粉末供給部を、レーザ光から最も離間することができる。これより、レーザ光の反射や肉盛り用粉末の溶融熱等による粉末供給部の損傷、およびスパッタ等による供給口の閉塞を、より抑制することができる。
【００２０】
（７）好ましくは、前記母材はエンジンのシリンダヘッドであり、前記環状部位は、バルブシートである構成とするとよい（請求項７に対応）。本構成によれば、エンジンのシリンダヘッドのバルブシートに、良好な肉盛層を低コストに形成することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明のレーザ肉盛り方法では、粉末供給部がレーザ光から離間して配置される。このため、粉末供給部が、レーザ光の反射や、肉盛り用粉末の溶融熱による損傷を受け難い。また、スパッタ等による供給口の閉塞も抑制される。さらに、肉盛り用粉末の飛散量が少なく、歩留りが良い。また、プリセット方法とは異なり、肉盛層に欠陥が生じ難い。よって、本発明のレーザ肉盛り方法によれば、良好な肉盛層を低コストに形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明のレーザ肉盛り方法の実施形態について詳しく説明する。ここでは、本発明のレーザ肉盛り方法を、エンジンのシリンダヘッドのバルブシートに適用した実施形態を説明する。
【００２３】
（１）第一実施形態
図２〜図５に、バルブシートの肉盛り過程の概要図を示す。以下、各図を順に説明する。図２は、肉盛り用粉末の供給開始時を示す。図２に示すように、バルブシート１０は、アルミニウム合金製のシリンダヘッド（母材）の表面に環状溝として形成される。粉末供給部２０は、バルブシート１０上の粉末供給位置２２に、銅合金からなる肉盛り用粉末２１を供給する。粉末供給位置２２は、その周方向中心点（図中一点鎖線上）により特定される。一方、肉盛り用粉末２１の供給開始時には、レーザ光は照射されない。仮にレーザ光が照射された場合の想定位置３２を、図中破線で示す。想定位置３２は、その周方向中心点（図中一点鎖線上）により特定される。想定位置３２はレーザ光照射位置に相当する。
【００２４】
粉末供給部２０は、粉末供給位置２２と想定位置３２とが、バルブシート１０の軸心Ｏに対して１８０°の角度をなすよう配置される。つまり、粉末供給部２０は、軸心Ｏを挟んでレーザ光の反対側に配置される。粉末供給部２０は、レーザ光とともに、軸心Ｏを中心としてバルブシート１０に沿って回転する。粉末供給部２０は、回転しながら肉盛り用粉末２１を連続的に供給する。
【００２５】
図３は、レーザ光の照射開始時を示す。図３に示すように、粉末供給部２０が１８０°回転し、バルブシート１０の約半周に肉盛り用粉末２１が供給されると、レーザ光照射位置３１（図２の想定位置３２）は、肉盛り用粉末２１が最初に供給された場所に到達する。ここで、レーザ光３０の照射が開始される。レーザ光３０は、粉末供給部２０と同じ速度で、軸心Ｏを中心としてバルブシート１０に沿って回転する。レーザ光３０は、バルブシート１０を径方向に往復しながら回転し、肉盛り用粉末２１に連続的に照射される。
【００２６】
図４は、肉盛層の形成過程を示す。図４に示すように、粉末供給部２０およびレーザ光３０が、さらに１８０°回転すると、バルブシート１０の全周に肉盛り用粉末２１が供給されるとともに、レーザ光３０が照射された約半周部分には、肉盛り用粉末２１が溶融、凝固して肉盛層４０が形成される。この時点で、粉末供給部２０は肉盛り用粉末２１の供給を終了する。
【００２７】
図５は、肉盛層の形成完了時を示す。図５に示すように、粉末供給部２０およびレーザ光３０が、さらに１８０°回転することにより（この時、肉盛り用粉末は供給されない）、バルブシート１０に供給されたすべての肉盛り用粉末２１へのレーザ光３０の照射が完了し、バルブシート１０の全周に肉盛層４０が形成される。
【００２８】
本実施形態によれば、以下に示す効果が得られる。すなわち、本実施形態では、粉末供給部２０が、バルブシート１０の軸心Ｏを挟んでレーザ光３０の反対側に離間して配置される。このため、粉末供給部２０は、レーザ光３０の反射や、肉盛り用粉末２１の溶融熱による損傷を受け難い。また、肉盛り用粉末２１の供給口がスパッタ等により閉塞するおそれが少ないため、肉盛り用粉末２１の正常な供給を確保することができる。また、本実施形態では、肉盛り用粉末２１の飛散量が少なく、歩留りが良い。さらに、粉末供給部２０とレーザ光３０とを回転させるため、バルブシート１０、すなわち母材のシリンダヘッドを動かす必要がない。このように、本実施形態によれば、バルブシート１０に、良好な肉盛層４０を低コストに形成することができる。
【００２９】
（２）第二実施形態
本実施形態と第一実施形態とでは、肉盛り用粉末の供給形態のみが相違する。したがって、ここでは相違点を中心に説明する。
【００３０】
図６〜図９に、バルブシートの肉盛り過程の概要図を示す。図６〜図９は、第一実施形態の図２〜図５と対応する。よって、それぞれ対応する部位については同じ符号で示す。以下、図６〜図９を順に説明する。図６は、肉盛り用粉末の供給開始時を示す。
【００３１】
図６に示すように、粉末供給部２３は、バルブシート１０の半周分に相当する半ドーナツ形状を呈す。粉末供給部２３は、バルブシート１０上の粉末供給位置２５に、銅合金からなる肉盛り用粉末２４を一度に供給する。粉末供給位置２５は、バルブシート１０の半周（１／２周）の領域である。粉末供給位置２５は、その周方向中心点（図中一点鎖線上）により特定される。粉末供給部２３は、肉盛り用粉末２４を２回に分けて供給する。  一方、肉盛り用粉末２４の供給開始時には、レーザ光は照射されない。上記第一実施形態と同様、仮にレーザ光が照射された場合の想定位置３２を、図中破線で示す。粉末供給部２３は、粉末供給位置２５と想定位置３２とが、バルブシート１０の軸心Ｏに対して１８０°の角度をなすよう配置される。つまり、粉末供給部２３は、レーザ光と最も離間して配置される。粉末供給部２３は、レーザ光とともに、軸心Ｏを中心としてバルブシート１０に沿って回転する。
【００３２】
図７は、レーザ光の照射開始時を示す。図７に示すように、粉末供給部２３が９０°回転すると、レーザ光照射位置３１（図６の想定位置３２）は、肉盛り用粉末２４が供給された場所に到達する。ここで、レーザ光３０の照射が開始される。レーザ光３０は、粉末供給部２３と同じ速度で、軸心Ｏを中心としてバルブシート１０に沿って回転する。レーザ光３０は、バルブシート１０を径方向に往復しながら回転し、肉盛り用粉末２４に連続的に照射される。
【００３３】
図８は、肉盛層の形成過程を示す。図８に示すように、粉末供給部２３およびレーザ光３０が、さらに９０°回転した時、粉末供給部２３は、残りの半周分の肉盛り用粉末２４を一度に供給する。これで、肉盛り用粉末２４の供給は終了となる。また、レーザ光３０が照射された約１／４周部分には、肉盛り用粉末２４が溶融、凝固して肉盛層４０が形成される。
【００３４】
図９は、肉盛層の形成完了時を示す。図９に示すように、粉末供給部２３およびレーザ光３０が、さらに２７０°回転することにより（この時、肉盛り用粉末は供給されない）、バルブシート１０に供給されたすべての肉盛り用粉末２４へのレーザ光３０の照射が完了し、バルブシート１０の全周に肉盛層４０が形成される。
【００３５】
本実施形態によれば、上記第一実施形態と同様の効果に加えて、肉盛り用粉末２４の供給管理がし易くなり、効率よく肉盛りすることができる。
【００３６】
（３）他の実施形態
以上、本発明のレーザ肉盛り方法の実施形態について説明した。しかしながら、本発明のレーザ肉盛り方法は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明のレーザ肉盛り方法は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。
【００３７】
例えば、上記実施形態では、本発明のレーザ肉盛り方法をバルブシートに適用した。しかし、本発明のレーザ肉盛り方法は、バルブシート以外の環状部位、例えば、ピストン、ピストンリング、シリンダブロック頂面等にも適用することができる。また、肉盛り用粉末の種類は、肉盛層を形成する母材の材質や、肉盛層に要求される特性に応じて適宜選択すればよい。レーザ光の種類も特に限定されるものではなく、半導体レーザ、ＹＡＧレーザ等から適宜選択すればよい。また、上記実施形態では、母材であるシリンダヘッドを固定し、粉末供給部およびレーザ光を回転させた。しかし、粉末供給部およびレーザ光を固定し、母材を回転させてもよい。
【００３８】
上記実施形態では、粉末供給部を、粉末供給位置とレーザ光照射位置とがバルブシートの軸心に対して１８０°をなすよう配置した。しかし、粉末供給位置とレーザ光照射位置とがなす角度は１８０°に限定されるものではない。例えば、１３５°以上２２５°以下の角度が好適である。
【実施例】
【００３９】
自動車エンジンのシリンダヘッドのバルブシートを、上記第一実施形態のレーザ肉盛り方法により肉盛りし、肉盛り用粉末の歩留りを算出した（実施例）。また、比較のため、同バルブシートを、粉末供給部とレーザ光照射部とを一体化した一体ノズル方式により肉盛りし、肉盛り用粉末の歩留りを算出した（比較例）。
【００４０】
図１０に、実施例および比較例の歩留りを比較したグラフを示す。図１０に示すように、本発明のレーザ肉盛り方法によれば、肉盛り用粉末の歩留りを、１０％程度向上させることができる。これより、肉盛りに必要なコストを大幅に削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】環状部位における粉末供給位置およびレーザ光照射位置のモデル図である。
【図２】第一実施形態における肉盛り用粉末の供給開始時を示す。
【図３】第一実施形態におけるレーザ光の照射開始時を示す。
【図４】第一実施形態における肉盛層の形成過程を示す。
【図５】第一実施形態における肉盛層の形成完了時を示す。
【図６】第二実施形態における肉盛り用粉末の供給開始時を示す。
【図７】第二実施形態におけるレーザ光の照射開始時を示す。
【図８】第二実施形態における肉盛層の形成過程を示す。
【図９】第二実施形態における肉盛層の形成完了時を示す。
【図１０】実施例と比較例とにおける肉盛り用粉末の歩留りを比較したグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１０：バルブシート（環状部位）
２０、２３：粉末供給部  ２１、２４：肉盛り用粉末  ２２、２５：粉末供給位置
３０：レーザ光  ３１：レーザ光照射位置  ３２：想定位置（レーザ光照射位置）
４０：肉盛層
１００：環状部位  １１０：粉末供給位置  １２０：レーザ光照射位置
【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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【図９】
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【図１０】
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