(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉を供給する供給部と、
レーザビームを出力するレーザ発振器と、を備え、
前記供給部から前記金属粉を供給しつつ、前記レーザビームを照射することにより肉盛層を形成するレーザ肉盛装置であって、
溶融池の進行方向前方を撮像する撮像部と、
前記撮像部から受信した画像データをもとに、前記レーザビームの出力を制御する画像処理部と、
をさらに有し、
前記撮像部の位置が調整可能であり、
前記撮像部は、前記溶融池の進行方向前方に形成された玉状の金属粉凝集体を撮像し、
前記画像処理部は、前記金属粉凝集体の撮像結果に応じて前記レーザビームの出力を制御する、
レーザ肉盛装置。
【請求項２】
シリンダヘッド粗形材において、ポートの燃焼室側開口端に、円環状のザグリ溝を形成するステップと、
前記ザグリ溝に金属粉を供給しつつ、レーザビームを走査させ、前記ザグリ溝に肉盛層を形成するステップと、を備えたレーザ肉盛方法であって、
前記肉盛層を形成するステップにおいて、
溶融池の進行方向前方に形成された玉状の金属粉凝集体を撮像し、前記金属粉凝集体の撮像結果に応じて前記レーザビームの出力を制御する、
レーザ肉盛方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ肉盛装置及びレーザ肉盛方法に関するものであり、例えば、バルブシート用のレーザ肉盛装置及びレーザ肉盛方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属粉を供給しながらレーザビームを照射して肉盛層を形成するレーザ肉盛加工（いわゆるレーザクラッド法）は、例えばシリンダヘッドのバルブシートを形成するために用いられている。
【０００３】
ところで、特許文献１には、レーザ肉盛加工において、溶融池から発生する光の強度を複数の光センサにより観察し、肉盛層における異常の有無を判定する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０９−１９２８６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明者は、溶融池の進行方向前方に堆積した余剰な金属粉（余剰粉）が凝集し、レーザビームが近づくことにより半ば溶融してある程度の大きさの玉（玉状の金属粉凝集体）状になった後、溶融池に吸収されると、空孔（ブローホール）が発生することを見出した。
【０００６】
特許文献１に開示された装置では、溶融池から発生する光の強度しか観察しておらず、このような空孔を発生させる上述の玉状の金属粉凝集体を検出する機能は備えていない。
【０００７】
そこで、例えば、照射するレーザビームの反射光を利用すると、溶融池に玉状の金属粉凝集体が吸収される様子を撮像することができる。しかしながら、溶融池の進行方向前方で形成される玉状の金属粉凝集体の状況が、肉盛条件に応じてどのように変化するのかが分からなかった。そのため、肉盛条件を最適化して玉状の金属粉凝集体を効果的に減らすことができなかった。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、金属粉凝集体によるブローホールの発生を抑制することができるレーザ肉盛装置及びレーザ肉盛方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様に係るレーザ肉盛装置は、金属粉を供給する供給部と、レーザビームを出力するレーザ発振器と、を備え、前記供給部から前記金属粉を供給しつつ、前記レーザビームを照射することにより肉盛層を形成するレーザ肉盛装置であって、溶融池の進行方向前方を撮像する撮像部を有し、前記撮像部の位置が調整可能である。このような構成によって、金属粉凝集体を効果的に減らすことができる。
【００１０】
また、本発明の一態様に係るレーザ肉盛方法は、シリンダヘッド粗形材において、ポートの燃焼室側開口端に、円環状のザグリ溝を形成するステップと、前記ザグリ溝に金属粉を供給しつつ、レーザビームを走査させ、前記ザグリ溝に肉盛層を形成するステップと、を備えたレーザ肉盛方法であって、前記肉盛層を形成するステップにおいて、溶融池の進行方法前方に形成された玉状の金属粉凝集体を撮像し、前記金属粉凝集体の撮像結果に応じて前記レーザビームの出力を制御する。このような構成によって、金属粉凝集体によるブローホールの発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、金属粉凝集体によるブローホールの発生を抑制することができるレーザ肉盛装置及びレーザ肉盛方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係るレーザ肉盛装置を例示した構成図である。
【図２】実施形態に係るレーザ肉盛装置のノズルを例示した断面図である。
【図３】実施形態に係るレーザ肉盛装置のノズル及び撮像部を例示した図である。
【図４】実施形態に係るレーザ肉盛装置による肉盛層の形成方法を模式的に示した斜視図である。
【図５】実施形態に係るレーザ肉盛方法を例示したフローチャート図である。
【図６】実施形態に係るレーザ肉盛方法において、玉の総和とレーザビームの出力補正量との関係を例示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１４】
実施形態に係るレーザ肉盛装置を説明する。まず、レーザ肉盛装置の構成を説明する。図１は、実施形態に係るレーザ肉盛装置を例示した構成図である。図２は実施形態に係るレーザ肉盛装置のノズルを例示した断面図である。図３は、実施形態に係るレーザ肉盛装置のノズル及び撮像部を例示した図である。
【００１５】
図１に示すように、レーザ肉盛装置１００は、供給部１０、ノズル２０、レーザ発振器３０、撮像部４０、照明部４６、表示部４７、回転部５０、台座部６０、ステージ６１を有している。また、レーザ肉盛装置１００は、図３に示すように、レーザ出力調整部３５、画像処理部４１も有している。
【００１６】
図１に示すように、台座部６０は、床面上に設置されている。台座部６０は、直方体形状の部材である。台座部６０の上面上には、ステージ６１が設けられている。ステージ６１は、ワーク、例えば、シリンダヘッド粗形材７０を固定する。ステージ６１は、ワークの位置及び向きを適宜設定した後にワークを固定する。
【００１７】
回転部５０は、棒状の軸部５１と、軸部５１を支持する枠状部５２とを有している。回転部５０は、例えば、ワークの上方に設置されている。軸部５１は、中心軸Ａ２を回転軸として回転する。枠状部５２は回転しない。枠状部５２は、回転する軸部５１を支持している。軸部５１には、取付治具等を介して、ノズル２０、レーザ発振器３０、撮像部４０及び照明部４６が取り付けられている。したがって、中心軸Ａ２を回転軸として、ノズル２０、レーザ発振器３０、撮像部４０及び照明部４６を回転させることができる。
【００１８】
供給部１０は、例えば、枠状部５２に取付けられている。供給部１０は、原料投入口１１から投入された金属粉２６を、キャリアガスに混合させる。そして、供給部１０は、キャリアガスとともに金属粉２６をノズル２０に供給する。金属粉２６は、例えば、銅粉末を含むものである。キャリアガスは、例えば、窒素またはアルゴン等の不活性ガスである。キャリアガスに混合された金属粉２６は、供給部１０から図示しない原料供給管を介してノズル２０に供給される。
【００１９】
ノズル２０は、ワークの上方に配置され、例えば、軸部５１に取付治具等を介して取り付けられている。したがって、ノズル２０を、中心軸Ａ２を中心として回転させることができる。ノズル２０は、ワークに対して金属粉２６を供給する。また、ノズル２０は、レーザ発振器３０から出力されたレーザビーム３１を出射する。
【００２０】
図２に示すように、ノズル２０は、内側ノズル２１、外側ノズル２２、原料供給管２３を備えている。ノズル２０は、内側ノズル２１及び外側ノズル２２の中心軸が一致した同軸二重管構造となっている。レーザ発振器３０から出力されたレーザビーム３１は、ノズル２０の内側ノズル２１から出射される。レーザビーム３１の光軸Ａ１は、内側ノズル２１の中心軸と一致している。内側ノズル２１と外側ノズル２２との間からは、原料供給管２３を介して供給されたキャリアガス２５及び金属粉２６が吐出される。したがって、ノズル２０の同軸二重管構造の中心軸は、レーザビーム３１の光軸Ａ１と一致している。
【００２１】
これにより、キャリアガス２５及び金属粉２６の吐出軸は、レーザビーム３１の光軸Ａ１と同軸となっている。なお、後述する溶融池の酸化防止やレーザビーム３１の出射口ガラスの保護を目的として、内側ノズル２１から溶融池に対して不活性ガス等のシールドガス２４を噴射させてもよい。このように、レーザビーム３１の照射と、シールドガス２４、キャリアガス２５及び金属粉２６の供給とが一体化されることにより、ノズル２０をコンパクトにすることができる。
【００２２】
図３に示すように、ノズル２０は、ワーク、例えば、シリンダヘッド粗形材７０上の加工点３２に対して金属粉２６を供給する。レーザ発振器３０は、レーザビーム３１を出力する。出力されたレーザビーム３１は、ノズル２０を介してワーク上の加工点３２を照射する。加工点３２の金属粉２６は溶融して溶融池３３となる。このように、レーザビーム３１の照射により金属粉２６が溶融したものを溶融池３３という。金属粉２６の供給及びレーザビーム３１の照射を継続しながら、ノズル２０を加工方向２７に移動させることにより、溶融池３３を加工方向に進行させる。
【００２３】
溶融池３３の進行方向は、加工方向と同じ方向となる。溶融池３３の進行方向の後方には、溶融池３３が凝固し、肉盛層７６が形成される。このようにして、レーザ肉盛装置１００は、供給部１０から金属粉２６を供給しつつ、レーザビーム３１を照射することにより肉盛層７６を形成する。レーザビーム３１の出力は、レーザ出力調整部３５からの信号により制御されている。
【００２４】
図１及び図３に示すように、撮像部４０は、ワークの上方に配置され、例えば、軸部５１に取付治具等を介して取り付けられている。したがって、撮像部４０を、中心軸Ａ２を回転軸として回転させることができる。撮像部４０は、例えば、高速度カメラである。撮像部４０には、マイクロメータ送りねじ４８付きの位置決めステージ４５が設けられている。撮像部４０の位置は、例えば、位置決めステージ４５により調整可能となっている。位置決めステージ４５は、ＸＹＺ軸調整式カウンタ付きのハンドルを有している。よって、簡便かつ高精度で再現性が高い位置調整をすることができる。
【００２５】
撮像部４０は、溶融池３３の進行方向前方を撮像する。また、撮像部４０は、溶融池３３及びその近傍を撮像してもよい。撮像部４０は任意の位置を撮像することができる。撮像部４０は、撮像した画像データを画像処理部４１に送信する。
【００２６】
画像処理部４１は、撮像部４０が撮像した画像データを撮像部４０から受信する。画像処理部４１は、撮像部４０から受信した画像データをもとに、レーザ出力の制御演算を行う。制御演算には、レーザ出力補正量の算出及びレーザビーム３１の出力タイミングの算出等が含まれる。画像処理部４１は、レーザ出力調整部３５に対して算出した結果を送信する。
【００２７】
図１に示すように、照明部４６は、ワークの上方に配置され、例えば、軸部５１に取付治具等を介して取り付けられている。照明部４６は、例えば、照明光を生成する光源である。照明部４６は、溶融池３３の進行方向前方を照明する。また、照明部４６は、溶融池３３及び溶融池３３の近傍を照明してもよい。照明部４６は、例えば、ワークの上面において照明光が反射した反射光が撮像部４０に到達するような位置に配置されている。撮像部４０及び照明部４６は、ノズル２０の回転移動に同期して回転移動する。撮像部４０及び照明部４６の位置が調整可能となっている。これにより、撮像部４０が撮像する対象及び照明部４６が照明する対象は、溶融池３３の進行方向前方等、任意に設定することができる。
【００２８】
表示部４７は、撮像部４０が撮像した画像を表示する。また、表示部４７は、画像処理部４１が算出した制御演算の結果を表示する。
【００２９】
照明部４６に電力を供給する配線等を含む照明用ケーブル４２は、照明部４６に接続されている。撮像部４０に電力を供給する配線、撮像部４０の動作を制御する信号線等を含むカメラ用ケーブル４３は、撮像部４０に接続されている。撮像部４０が撮像した画像を送信する信号線は、撮像部４０と画像処理部４１とを接続している。撮像部４０が撮像した画像を表示部４７に送信する信号線等を含むカメラ用ケーブル４４は、表示部４７に接続されている。
【００３０】
次に、レーザ肉盛方法を説明する。例えば、シリンダヘッド粗形材７０に肉盛層７６を形成する場合を例にして、レーザ肉盛方法を説明する。図４は、実施形態に係るレーザ肉盛方法を模式的に示した斜視図である。図４に示すように、シリンダヘッド粗形材７０は、例えば、鋳鉄やアルミニウム合金などからなる鋳物である。シリンダヘッド粗形材７０は、複数の燃焼室７１を備えている。各燃焼室７１は、吸気ポート７２及び排気ポート７３を備えている。
【００３１】
図４に示すように、まず、シリンダヘッド粗形材７０において、吸気ポート７２及び排気ポート７３の燃焼室７１側の開口７４の端に、開口７４を囲むように円環状のザグリ溝７５を形成する。ザグリ溝７５は機械加工により形成される。
【００３２】
ザグリ溝７５の円環形状の中心軸を、レーザ肉盛装置１００の軸部５１の中心軸Ａ２に一致するように、シリンダヘッド粗形材７０の位置及び向きを設定した後、シリンダヘッド粗形材７０をステージ６１に固定する。これにより、シリンダヘッド粗形材７０を固定したまま、中心軸Ａ２を回転軸としてノズル２０を回転させることにより、ザグリ溝７５に肉盛層７６を形成することができる。
【００３３】
図４に示したシリンダヘッド粗形材７０は、４気筒１６バルブ用であって、４つの燃焼室７１のそれぞれに吸気ポート７２及び排気ポート７３を２つずつ備えている。当然のことながら、燃焼室７１や吸気ポート７２及び排気ポート７３の個数は図４の例に限定されるものではなく、適宜決定されるものである。
【００３４】
図３及び図４に示すように、ノズル２０は、ザグリ溝７５に金属粉２６を供給する。例えば、金属粉２６の供給量は、0.75[g/s]である。キャリアガス２５の流量及びシールドガス２４の流量は、例えば、10[L/min]及び20[L/min]である。また、ノズル２０は、ザグリ溝７５に供給された金属粉２６に対して、レーザビーム３１を照射する。例えば、レーザビーム３１の出力は、2.8[kW]である。このように、金属粉２６を供給しつつ、レーザビーム３１を走査させ、ザグリ溝７５に肉盛層７６を形成する。肉盛層７６のノズル２０との対向面には溶融池３３が形成される。ノズル２０は、溶融池３３を持続させながら、レーザビーム３１をザグリ溝７５に沿って走査し、溶融池３３をザグリ溝７５に沿って移動させる。具体的には、シリンダヘッド粗形材７０を固定したまま、中心軸Ａ２を回転軸としてノズル２０を回転させる。溶融池３３が移動した跡には溶融池３３が凝固した肉盛層７６が順次形成される。加工速度は、例えば900[mm/min]である。
【００３５】
図５は、実施形態に係るレーザ肉盛方法を例示したフローチャート図である。図５のステップＳ１に示すように、撮像部４０は、溶融池３３の進行方向前方の撮像を行う。撮像部４０の撮像位置を調整及び微調整することにより、所定の位置を撮像する。また、撮像位置を所定の位置に固定する。撮像部４０は、撮像した溶融池３３の進行方向前方の画像データを、画像処理部４１に送信する。画像処理部４１は、ステップＳ２に示すように、受信した画像から、溶融池３３の進行方向前方に存在する玉状の金属粉凝集体のサイズ及び個数を測定する。ここで、玉状の金属粉凝集体を玉３４という。そして、玉３４の総和を、玉３４の大きさ別に重み係数を掛けた玉３４の個数を加算したものと定義する。例えば、玉３４の総和は、以下の（１）式により、求めることができる。
【００３６】
X(総和)＝C1×N1＋C2×N2＋C3×N3＋・・・(1)
【００３７】
ここで、Ciは、玉３４の大きさ別の重み係数であり、玉３４が大きいほど係数が大きいものである。Niは、玉３４の個数である。
【００３８】
図６は、実施形態に係るレーザ肉盛方法において、玉３４の総和とレーザビームの出力補正量との関係を例示したグラフである。図６に示すように、あらかじめ、テスト加工により、溶融池３３の進行方向前方に存在する玉３４の総和と、レーザビーム３１の出力補正量との関係を求めておく。レーザビーム３１の出力補正量とは、玉３４の存在により肉盛層７６の内部に発生する空孔（ブローホール）を低減させることができるレーザビーム３１の出力と、レーザビーム３１の設定出力との間の差である。したがって、溶融池３３の進行方向前方に任意の玉３４の総和が存在する場合に、図６より算出した出力補正量をレーザビーム３１の設定出力に付加する。これにより、レーザビームの出力を、空孔（ブローホール）を低減させることが可能な出力に変更することができる。
【００３９】
次に、ステップＳ３に示すように、画像処理部４１は、制御演算を実施する。画像処理部４１は、例えば、撮像部４０から受信した画像における玉３４の総和から、形成されつつある肉盛層７６の品質を判定する。例えば、判定は、玉３４の総和の閾値等を設定して決定する。そして、判定結果から、品質を向上させる必要があるときは、図６をもとにして、レーザビーム３１の出力補正量を算出する。また、画像処理部４１は、溶融池３３の進行方向前方における撮像位置と、レーザビーム３１の照射位置との間の距離及び加工速度に基づいて、レーザ出力を変更するタイミングを算出する。そして、画像処理部４１は、算出した出力補正量及びタイミングをレーザ出力調整部３５に送信する。
【００４０】
次に、ステップＳ４に示すように、レーザ出力調整部３５は、画像処理部４１が算出した出力補正量及びタイミングを受信する。レーザ出力調整部３５は、受信したタイミングで、レーザビーム３１の出力を、受信した出力補正量で変更するように、レーザ発振器３０を制御する。これにより、レーザ発振器３０は、画像処理部４１が算出したタイミングで、レーザビーム３１の出力を変更する。このような撮像結果のフィードバックを用いることにより、ザグリ溝７５の全周に渡って肉盛層７６を形成する。
【００４１】
本実施形態によれば、溶融池３３の進行方向前方を撮像する撮像部４０を有し、撮像部４０の位置が調整可能である。そのため、溶融池３３の進行方向前方で形成される玉３４（玉状の金属粉凝集体）の状況が、肉盛条件に応じてどのように変化するのかを知ることができる。その結果、肉盛条件を最適化して玉３４（玉状の金属粉凝集体）を効果的に低減させることができる。
【００４２】
また、撮像部４０には、位置決めステージ４５等の位置調整用治具が設けられており、溶融池３３の進行方向前方の他、溶融池３３及びその近傍の任意の位置に対して高精度な撮像を、簡便に行うことができる。よって、その場の観察により、形成されつつある肉盛層７６の良否判定を行うことができる。そして、その撮像した結果及び品質判定を肉盛条件にフィードバックし、肉盛条件を迅速に最適化することができる。よって、肉盛層７５の品質を向上させ、肉盛層７６の不良率を低減させることができる。
【００４３】
さらに、撮像位置の調整が短時間に高精度で行うことができるので、肉盛条件を最適化する時間及びコストを大幅に低減させることができる。例えば、従来例のような撮像部４０を最適位置に固定する治具の作成を不要とすることができる。また、例えば、従来例のような多関節のマグネットスタンドで撮像部４０を固定する必要がない。この従来例の方法では、現在位置が定量的にわからず、位置調整をする場合でも、多関節のマグネットスタンドの各軸で、所望の方向に所望の寸法で合わせることが困難である。また、このようなスタンドでは、撮像位置を決定しても、一旦分解した場合には、その撮像位置を再現することが困難である。
【００４４】
これに対して、本実施形態においては、撮像部４０の位置調整用に位置決めステージ４５を用いている。位置決めステージ４５は、ＸＹＺ軸調整式カウンタ付きのハンドルを有しているので、簡便かつ高精度で再現性が高い位置調整をすることができる。
【００４５】
また、本実施形態によれば、肉盛層７６を形成する際に、溶融池３３の進行方向前方に形成された玉状の金属粉凝集体を撮像し、金属粉凝集体の撮像結果に応じてレーザビーム３１の出力を制御する。このような構成により、金属粉凝集体によるブローホールの発生を抑制することができる。
【００４６】
以上、本発明に係るレーザ肉盛装置及びレーザ肉盛方法の実施形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。
【００４７】
例えば、金属粉２６の供給量、シールドガスの流量、キャリアガスの流量、レーザビームの出力及び加工速度は、上述したものに限らず、最適化した肉盛条件の場合のものを用いてもよい。また、ワークは、シリンダヘッド粗形材７０に限らず、肉盛層７５が形成される他の部材としてもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１０  供給部
２０  ノズル
２４  シールドガス
２５  キャリアガス
２６  金属粉
２７  加工方向
３０  レーザ発振器
３１  レーザビーム
３２  加工点
３３  溶融池
３４  玉
３５  レーザ出力調整部
４０  撮像部
４１  画像処理部
４２  照明用ケーブル
４３  カメラ用ケーブル
４４  カメラ用ケーブル
４５  位置決めステージ
４６  照明部
４７  表示部
４８  マイクロメータ送りねじ
５０  回転部
５１  軸部
５２  枠状部
６０  台座部
６１  ステージ
７０  シリンダヘッド粗形材
７１  燃焼室
７２  吸気ポート
７３  排気ポート
７４  開口
７５  ザグリ溝
７６  肉盛層
１００  レーザ肉盛装置
【図１】
0006547652.tif 000002
【図２】
0006547652.tif 000003
【図３】
0006547652.tif 000004
【図４】
0006547652.tif 000005
【図５】
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【図６】
0006547652.tif 000007