(57)【要約】  本発明は、溶接ビーム（５）を使用して粉末状溶加材（３）で加工物（１）の表面を処理する方法に関し、前記粉末状溶加材は加工物表面上の加工領域（９）の溶接ビーム（５）に導入される。本発明の目的は、粉体消費量に関して上記方法を最適化することである。これを達成するために、粉末状溶加材（３）は、溶接ビーム（５）が当たる前に、フィルム（１１）によって加工領域（９）に固定される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉末状溶加材が加工物表面上の加工領域内の溶接ビームに導入される、溶接ビームによる粉末状溶加材での加工物の表面処理の方法であって、
前記粉末状溶加材（３）は、それに前記溶接ビーム（５）が当たる前に、シート（１１）によって、前記加工領域（９）に固定されることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記粉末状溶加材（３）が前記溶接ビーム（５）によって溶解されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
使用される前記溶接ビーム（５）がレーザビーム（１３）であることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の方法。
【請求項４】
使用される前記溶接ビーム（５）が電子ビーム（１５）であることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の方法。
【請求項５】
使用される前記シート（１１）が金属箔（１７）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記金属箔（１７）は、前記溶接ビーム（５）が前記加工物表面（７）に作用している間に溶解することを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
使用される前記シート（１１）がプラスチックフィルム（１９）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記プラスチックフィルム（１９）は、前記溶接ビーム（５）が前記加工物表面（７）に作用している間に蒸発することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
使用される前記シート（１１）がプラスチック又はシートメタルからできている薄壁状部品（２１）であり、その形状が前記加工物表面（７）上の前記加工領域（９）の形状に適合されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記シート（１１）が前記加工物（１）上に配置されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記シート（１１）が前記加工物（１）に接着接合されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記シート（１１）が、前記加工物（１）内に設けられた凹所（２５）内に配置されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記シート（１１）がカバーシート（２７）を備え、前記粉末状溶加材（３）が前記シート（１１）と前記カバーシート（２７）との間に封入されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記粉末状溶加材（３）がバインダー（２９）によって前記シート（１１）に固定されることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接ビームによって粉末状溶加材で加工物を表面処理する方法に関し、粉末状溶加材は加工物表面上の加工領域の溶接ビームに導入される。
【背景技術】
【０００２】
動作時、加工物表面は次第に高くなる応力に曝されるので、これらの表面における材料特性を改良することがますます重要となる。特に、熱コーティングは、表面品質を高める興味深い方法である。レーザビーム粉体溶着は熱コーティングの比較的新しい変形である。
【０００３】
一般的な従来技術を示す特許文献１には、レーザビームを用いて加工物表面を粉末でコーティングする方法が開示されている。粉末状溶加材は、光軸と同軸のノズル内のレーザビームに送られる。加工物の表面及び粉末材料は、加工物表面とノズルとの間の距離を変更することによって様々な程度に溶融される。このようにして多様な種類の表面処理を実現することが可能となる。この方法の１つの欠点は、粉末粒子が表面で跳ね返るか又はレーザビーム集束付近に衝突する結果として起こる、スプレーしぶき（ｏｖｅｒｓｐｒａｙ）、すなわち、未溶融粉末である。このスプレーしぶきは、一般的な種類の方法では避けられない。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，１１１，０２１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、粉末状溶加材での熱加工による構成要素のコーティングがスプレーしぶきを低減することによって改良される方法を提案するという目的に基づくものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、この目的は、粉末状溶加材が、シートによって、溶接ビームに当たる前に、加工物表面上の加工領域に固定される、方法を提案する主請求項の特徴によって達成される。粉末がガス流で供給されるのではなく、シートに導入されるということで、それを加工物上の加工領域に直接配置できる。このようにして、供給される粉末状溶加材の量が、所望レベルにまで低減される。
【０００７】
同時に、本発明による方法では、設置、溶接光学素子及び構成要素の汚染があまりない。粉末送り装置及び粉末抽出装置を無しに済ますことができ、それによって加工コストを削減できる。
【０００８】
ノズルが微粉材料を供給する必要がないので、さらに、構成要素の近接性が改良される。
【０００９】
粉末状溶加材が加工中に溶接ビームによって溶解されると有利である。したがって、粉末状溶加材は、加工物表面の材料との溶融金属化合物を形成でき、処理された表面の優れた特性をもたらす（請求項２）。
【００１０】
他の有利な実施形態において、使用された溶接ビームはレーザビームである。このことは、高エネルギー密度及び高精度の利点を有する（請求項３）。
【００１１】
あるいは、使用された溶接ビームは、加工物表面の安価なコーティングを可能にする電子ビームであっても良い（請求項４）。
【００１２】
使用されたシートが金属箔であると好都合である。このことは、溶接ビームが加工物表面に照射されている間に溶解でき、それは金属箔の材料を粉末材料と表面材料との化合物に合金化できる利点を有する。このようにして、処理された表面の異なる冶金特性を達成できる（請求項５及び６）。
【００１３】
代替実施形態において、使用されたシートはプラスチックフィルムである。このプラスチックフィルムは、溶接ビームが加工物表面に照射されている間に蒸発できる。したがって、シート自体の材料は、何の役割も果たさず、その化合物はもっぱら粉末状溶加材と表面材料とから形成される（請求項７及び８）。
【００１４】
他の有利な実施形態において、使用されたシートは、プラスチック又はシートメタルでできている薄壁状部品であり、その形状は加工物表面上の加工領域の形状に合わせられる。この方法の変形は、加熱で発熱反応するシート材料が選択される場合、粉末を溶解する単位長さ当りの入熱は一定の状況下で低減できるという利点を有する（請求項９）。
【００１５】
本方法において、シートが、粉末状溶加材で満たされる前に加工物上に配置されると好都合である。このことは最も簡単な方法の変形である。この場合、粉末材料は、重力によってシート内の所定の位置に保持される（請求項１０）。
【００１６】
さらに、シートは加工物に接着接合できる。このことは、加工物が水平ではなく、傾斜して配置される場合に有利である。このようにして、シートは簡単且つ安価な手法で加工物に確実に固定される（請求項１１）。
【００１７】
第３の有利な実施形態において、シートは、加工物に設けられた凹所内に配置される。このようにして、シートは、被覆される加工物に最適に合わせられる（請求項１２）。
【００１８】
さらに、シートがカバーシートを備えていると有利であり、粉末状溶加材がシートとカバーシートの間に密封されるので、結果として、被覆される表面が複雑な形状をしている場合、又は移動加工物の場合でも粉末状溶加材が加工物に確実に保持される（請求項１３）。
【００１９】
あるいは、粉末状溶加材は、バインダーによってシートに固定される。このようにして、粉末状溶加材を簡単に固定することに加えて、被覆表面の化学的組成に影響を与えることも可能となる（請求項１４）。
【００２０】
本発明の他の構成や利点は以下の説明から明らかになろう。
【００２１】
本発明は、多数の例示的実施形態を参照して図面で詳細に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図は、溶接ビーム５と、その内部に導入された粉末状溶加材３とを用いて加工物１を表面処理する方法を示す。簡素化のため、本方法は、円筒状ボア２のコーティングに基づいて説明される。これは、例えば、自動車の機関のバルブシートであっても良く、コーティングが、通常この位置に圧入されるリング状のバルブシートの代わりに用いられる。しかしながら、本方法は円形形状に限定されない。
【００２３】
図１は、内部に円筒状ボア２が設けられた加工物１を示す。加工物１には、電子ビーム又はレーザビームを使用する粉末溶着によってその特性が基材のものと異なるコーティングが設けられるようになっている。
【００２４】
図はまた加工物１上に置かれるシート１１を示す。使用されるシート１１の種類は、特定の用途により様々であり、プラスチックフィルム１９又は金属箔１７のいずれが使用されても良い。これらの材料の利点又は欠点は、以下で詳細に説明される。使用されるシート材料としては、例えば銅、アルミニウム、亜鉛又は鋼をベースとした薄い金属箔が挙げられる。これらは、溶融物１０及び加工物表面７とで形成された化合物に冶金学的にも影響を及ぼす。シート１１は、その一部が単一材料から成るか又は複数の層から構成されても良い。この例示的な実施形態では、そのシート１１はマスク２２として構成される。このマスク２２の外形は、表面が処理される加工物表面７の領域に対応する加工領域９を越えて突出する突出部３３をその縁側に有するように選択される。このことは、加工物１を飛沫から保護する。この例示的な実施形態では、シート１１又はマスク２２は、加工物１上に単に上から置かれるだけである。しかしながら、追加的に機械的及び／又は接着接合で固定されても良い。
【００２５】
図２は、粉末状溶加材３がシート１１に付着される、次の工程ステップを示す。この場合、このステップは、シートに設けられた環状凹所３４に粉末状溶加材３を導入することによって行われる。この凹所３４は正確に加工領域９上にあると好都合である。加工物１に対するシート１１のこの位置は、重力位置と称される、すなわち、溶接ビーム５の形の熱源が上から来て、粉末状溶加材３が重力だけでシート１１内で保持される。
【００２６】
図３は、溶接ビーム５が加工物表面１１に、より詳しくは、その加工領域９に照射される、次の工程ステップを示す。溶接ビーム５は、レーザビーム１３又は電子ビーム１５であっても良い。この目的のためにＴＩＧ溶接を使用することも考えられる。レーザビーム１３又は電子ビーム１５は、粉末状溶加材３を溶解し、被覆される加工物１の表面７上を移動する。その集束が加工領域９と正確に一致するような方向に向けられる。ここで示された円筒状ボア２の例示的実施形態において、溶接ビーム５は、回転方向６を持った回転運動で加工物１上を移動する。粉末状溶加材３は、溶接ビーム５によって供給されたエネルギーで溶解される。
【００２７】
シート１１用に選択された材料により、シート１１は、金属箔１７の場合には、溶解し、又はプラスチックフィルム１９の場合には、蒸発する。蒸発するプラスチックフィルム１９の場合、溶解物１０は、加工物表面７の材料との化合物を直接形成する。金属箔１７が選択された場合、溶融した粉末状溶加材３は金属箔１７に確実に接合され、その一部が加工領域９の基材に接合される。
【００２８】
したがって、採用した手順や、シート１１用に使用された材料により、シート材料は合金に包含され、粉末３はシート材料に分散され、シート１１はその加工中に蒸発するか又はそのシート１１は中間層を形成する。
【００２９】
表面処理加工の結果は、単位長さ当りの入熱、すなわち、溶接ビーム５の放射エネルギー、使用される粉末状溶加材３及び使用される金属箔１１の材料により異なる。
【００３０】
金属箔１１が、加工物１上の上記図面に示されるような重力位置に配置されない場合、以下で説明される２つの変形のうちの１つを、加工物１に対し粉末状溶加材３を固定するために選択できる。
【００３１】
図４は、シート１１が固定された状態の、傾斜位置にある加工物１を示す。シート１１は、この場合、例えば接着剤２３を使用して加工物表面７に固定されても良い；他の、例えば、機械的固定方法も考えられる。この場合、粉末状溶加材３の粒子がバインダー２９によってシート１１に固定される。
【００３２】
図５は、粉末状溶加材３をシート１１に導入する他の考えられる方法を示す。この場合、シートは、下方部分とカバーシート２７とを有する。粉末状溶加材３は、シート１１とカバーシート２７との間で密封されるので、シート１１から落下しない。
【００３３】
図６は、加工が実行された後の被覆された加工物１の考えられる最終状態の１つを示す。この場合、選択されたシート１１は金属箔１７であった。シート１１又は金属箔１７は、接合基部を形成し、粉末状溶加材３の粒子は部分的にしか溶解されず、粉末粒子が金属箔１７の材料に包含される、多孔質層３７が形成される。
【００３４】
実加工領域９を越えて突出する縁部における突出部３３を有するマスク２２としての上記で提示されたシート１１の構造に加えて、シート１１に異なる外形を与えることが可能となる。１つの考えられる外形が図７に示されており、シート１１は、粉末状溶加材３が導入される溝の形の圧入凹所３４を備えているリング３１として設計されている。このことは、少量の材料しか必要としないという利点となる。さらに、シート１１は、薄い材料からできている成形体２１として提供される。必要に応じて、一体鋳造ピン又はラグをこの成形体２１に提供でき、それによって成形体２１を自動化工程で加工物上に配置できる。
【００３５】
溶解物１０の完全な混合は、単位長さ当りの入熱、すなわち、溶接ビーム５のパワー及びその送り速度により決まる。単位長さ当りの入熱が高ければ高いほど、より大規模にシート材料が溶解物１０に合金化され、溶解物１０のより強力な混合ともなる。溶解物１０の完全な混合が望まれない場合、単位長さ当りの入熱は、シート１１が表面７の材料及び粉末状溶加材３に接合されるに十分に高いだけ、すなわち、可能な限り表面的にしか溶解されない高さにすべきである。
【００３６】
さらに、粉末状溶加材３が高溶点材料から製造され、シート１１が低溶点材料から製造されることも考えられる。このようにして、例えば、シート１１がペースト状態まで加熱されるだけである場合、硬質材料を組み込むことも可能である。単位長さ当りの入熱が低い状態では、図６で既に示されたように、焼成材料と同様の、多孔質層が考えられる。
【００３７】
さらに、提案された方法を用いて、たった１回の動作で調整可能な組成及び調整可能な層構造を有するコーティングを製造する：最も簡単な場合、シート１１は粉末状の合金で充填される。上述のように、シート１１の厚さ及び単位長さ当りの入熱は混合の際の決定要因である。さらに、シート１１は多様な粉末状材料３の混合物で充填される。さらに、粉末の多様な層がシート１１に導入されることが可能であり、その層は必要に応じて、バインダー２９又は押圧によって互いに混合することが防止される。
【００３８】
本方法は、提示された例示的な実施形態に限定されない。
【００３９】
第１に、本方法は、示された円形形状に限定されない。一般論として、加工物１上の正確に画定された位置に特定の表面特性を造るのに適している。これに関連して、例えば、加工物１上の層３７用の接合基部であるシート１１に、例えば耐腐食又は耐熱性だけでなく、光学的、電気的又は機械的特性を考えても良い。シートは、当然、粉末材料及び加工物１の基材と相溶性でなければならない。シート１１の形状及び加工物１内の凹所２５は、製造される層３７の所望コーティングパス及び外形に適合されることになる。
【００４０】
本方法の考えられる用途は、図の例として記載の、バルブシートに使用されることに加えて、軸受シェルの代替物、軸受シート又は摺動表面用、及びシール用の滑走面用の耐磨耗層の生成に適している。
【００４１】
さらに、提案された方法は、多様な粉末状溶加材３の混合物をシートに導入するために使用できる。さらに、溶解される比較的厚手のシート１１、及び高融点の粉末状溶加材３、例えば、溶解物１０内に沈むが、内部で粒子の形で判別できる、硬質セラミック材料を使用することも考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】加工物表面へのシートの貼り付けを示す。
【図２】シート上への粉末状溶加材の導入を示す。
【図３】加工物表面上の加工領域への溶接ビームの照射を示す。
【図４】シートに粉末状溶加材を固定する１つの実施形態を示す。
【図５】シートに粉末状溶加材を固定する代替実施形態を示す。
【図６】加工が実行された後の加工物の考えられる最終状態を示す。
【図７】シートの他の実施形態を示す。
【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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【国際調査報告】
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