(57)【要約】【課題】レーザトーチを小型化でき、肉盛進行方向も制約されず、粉末材料の肉盛溶接時におけるシールドガスの使用が可能なレーザ肉盛装置を提供する。【解決手段】金属母材上に供給した粉末材料を、レーザビームにより溶融して肉盛りするレーザ肉盛装置において、レーザ発振器より発振されたレーザビームを分割光として導入する光ファイバ束３の射出端側を、光ファイバの小束３２に分け、この光ファイバの各小束３２の先端部を、その各射出軸線３３が給粉ノズル１２より所定距離下方の交差位置において給粉ノズルの軸線１５と交差するように軸線１５に対して傾斜させ、かつ給粉ノズル１２を包囲する分散配置状態で、レーザトーチ５に取付けるとともに、レーザトーチ５の光ファイバの小束３２群取付位置の外周側に、シールドガス供給用の環状のガス流出口１９を設けた。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザトーチに設けた給粉ノズルにより金属母材上に供給した粉末材料を、レーザビームにより溶融して肉盛りするレーザ肉盛装置において、レーザ発振器より発振されたレーザビームを分割光として導入する光ファイバ束の射出端側を、光ファイバの小束に分け、この光ファイバの各小束の先端部を、その各射出軸線が前記給粉ノズルより所定距離下方の交差位置において該給粉ノズルの軸線と交差するように該軸線に対して傾斜させ、かつ前記給粉ノズルを包囲する分散配置状態で、前記レーザトーチに取付けるとともに、前記レーザトーチの前記光ファイバの小束群取付位置の外周側に、シールドガス供給用の環状のガス流出口を設けたことを特徴とするレーザ肉盛装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属母材上に供給した金属粉末やセラミック粉末などの粉末材料をレーザビームにより溶融して肉盛りをおこなうレーザ肉盛装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビームを加熱源としてワイヤ状あるいは粉末状の肉盛用材料を溶融させ母材の表面部に肉盛りする肉盛装置としては、従来はレーザトーチ内に、レーザビーム通過経路に沿ってレンズを配置した光学的集光系を設けて、レーザビームをトーチ直下部で小径に絞って肉盛用材料の溶融をおこなうのが一般的であった（たとえば特許文献１および２参照。）。
【特許文献１】
特開平７−４００６９号公報（第３頁、図１）
【特許文献２】
特開平８−１１８０４９号公報（第２−３頁、図１，図２２）
【０００３】
ところが上記の装置においては、上記光学的集光系を設けるためレーザトーチが大型となり、たとえば内径４０ｍｍ程度の小径管内などの狭い空間内での肉盛りは不可能であった。また肉盛用材料が粉末材料から成る場合は、上記特許文献２の図２２に示されているように、レーザビームの直前位置に粉末材料を供給する必要があり、レーザビームと粉末材料供給用の給粉ノズルとの位置関係により肉盛進行方向が一方向に制約され、さらに肉盛時における酸化防止のために不活性ガスなどのシールドガスを母材上に供給しようとすると、未溶融の粉末材料の飛散を招くため、シールドガスの使用は困難であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は上記従来の問題点を解決しようとするものであり、レーザトーチを小型化できるとともに、肉盛進行方向も制約されず、粉末材料の肉盛溶接時におけるシールドガスの使用が可能なレーザ肉盛装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためにこの発明のレーザ肉盛装置は、レーザトーチに設けた給粉ノズルにより金属母材上に供給した粉末材料を、レーザビームにより溶融して肉盛りするレーザ肉盛装置において、レーザ発振器より発振されたレーザビームを分割光として導入する光ファイバ束の射出端側を、光ファイバの小束に分け、この光ファイバの各小束を、その各射出軸線が前記給粉ノズルより所定距離下方の交差位置において該給粉ノズルの軸線と交差するように該軸線に対して傾斜させ、かつ前記給粉ノズルを包囲する分散配置状態で、前記レーザトーチに取付けるとともに、前記レーザトーチの前記光ファイバの小束群取付位置の外周側に、シールドガス供給用の環状のガス流出口を設けたことを特徴とする。
【０００６】
この発明のレーザ肉盛装置においては、レーザ発振器により発振されたレーザビームを多数本の光ファイバの束により分割光として伝送し、レーザトーチ部においては光ファイバの各小束から射出する小束ビームを、給粉ノズルの軸線と交差する交差位置である一点（以下、集光点という）に集光させることにより、高密度エネルギの熱源として、給粉ノズルからこの集光点に向って供給される粉末材料の溶融をおこなう。このためレーザトーチ部にはレンズ等の光学的集光系が不要であり、レーザトーチは小型のもので済む。また粉末材料は、上記小束ビーム群で包囲された空間内を、上記集光点と同心の給粉ノズルから集光点に向って供給されるので、肉盛溶接進行方向は自由に選定でき、また粉末材料は集光点付近で高エネルギ密度となった小束ビーム群により迅速・確実に溶融され、粉末のまま滞留することはないので、環状のガス流出口からのシールドガスにより、粉末の飛散をひきおこすことなく、肉盛溶接部を無酸化雰囲気に維持しつつ肉盛溶接をおこなうことができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下図１〜図４に示す第１例により、この発明の実施の形態を説明する。図１は、レーザ肉盛装置１の構成を示し、２はレーザ発振器、３はこのレーザ発振器により発振されたレーザビーム４を分割光として伝送する光ファイバ束、５はこの光ファイバ束３により伝送される分割光を後述の機構により集光して粉末材料６を溶融し金属母材７上に肉盛層８を形成するレーザトーチである。
【０００８】
光ファイバ束３は、多数本（この例では９６本）の光ファイバ３１から成り、全光ファイバ３１を密集状態に束ねたその導入端３ａは、レーザ発振器２のレーザビーム４が照射される位置に固定保持されている。なおレーザビーム４の径等によっては、導入端３ａの前段側に集光用のレンズを設けてもよい。
【０００９】
レーザトーチ５は、図２に示すように屈曲筒体状のケーシング１１内に、屈曲管状の給粉ノズル１２と光ファイバ束３の射出端側を収容するとともに、その先端部１１ａにシールドガス供給部１３を設けて成り、その基端部１１ｂは、図示しないホルダにより保持されている。
【００１０】
ケーシング１１の導入口１４からケーシング１１内に導入された光ファイバ束３は、複数本（この例では４本）の光ファイバ３１から成る複数本（この例では２４本）の小束３２に分けられている。そしてこの各小束３２の先端部は、図２〜図４に示すように、その射出軸線（この例では４本の光ファイバ群の中心軸線）３３が、給粉ノズル１２の給粉口１２ａより所定距離Ｈだけ下方の交差位置（以下、集光点Ｆという）において、給粉ノズル１２の軸線１５と交差するように、軸線１５に対して傾斜した状態で、かつ軸線１５を中心として給粉ノズル１２を包囲する円周上に分散配置された状態で、ケーシング１１の端板１６に穿設した穴１７に嵌込まれて該端板１６により固定保持されている。
【００１１】
またシールドガス供給部１３は、ケーシング１１の先端部１１ａの外周に環状部材１８を固着して下向きの環状のガス流出口１９を形成するとともに、ケーシング１１内と環状部材１８内を連通する多数個の通気穴２０をケーシング壁面に穿設して成り、ケーシング１１の基端部１１ｂ側に設けた図示しない給気口からケーシング１１内に送給されたシールドガス２１は、ケーシング１１内を流通後、通気穴２０を経てガス流出口１９から金属母材７上に供給される。
【００１２】
上記構成のレーザ肉盛装置１により肉盛りをおこなうには、レーザ発振器２のレーザビーム４を光ファイバ束３の導入端３ａに照射するとともに、金属粉末やセラミック粉末から成る粉末材料６をアルゴンガスなどのキャリヤガスと共に給粉ノズル１２内に圧送して給粉口１２ａから下方へ送出し、アルゴンガスなどの不活性ガスから成るシールドガス２１をケーシング１１内に送給しガス流出口１９から金属母材７に向って流出させる。
【００１３】
レーザビーム４は光ファイバ束３内を伝送され、ケーシング１１内において分けられた複数本の光ファイバの各小束３２の射出端から射出された小束ビームは、給粉ノズル１２の軸線１５上の集光点Ｆに集光され、高密度エネルギのレーザビーム集光部が形成される。そして金属母材７の上面に対するレーザトーチ５の上下位置の調整により集光点Ｆを上下させて、光学的集光系を用いる場合と同様に、金属母材７の上面（あるいはこの上に供給される粉末材料６層）に対して所望のディフォーカス量Ｓに設定することにより、粉末材料６の粒度や融点などに応じた所望のエネルギ密度でレーザビームの照射をおこなうことができる。
【００１４】
給粉ノズル１２の給粉口１２ａから送出された粉末材料６は、上記の各小束３２から射出される小束ビーム群により包囲された円錐体状の空間内を集光点Ｆに向って降下し、集光点Ｆ付近で高エネルギ密度となった小束ビーム群により迅速・確実に溶融され、粉末のまま金属母材７あるいは肉盛層８上に滞留することはないので、シールドガス２１による飛散などを生じることなく、環状のガス流出口１９から流出するシールドガス２１により包囲された無酸化雰囲気内で、肉盛りがおこなわれる。また上記のように粉末材料６は、集光点Ｆと同心の給粉口１２ａから上記小束ビーム群の中心部へ供給されるので、肉盛進行方向は自由に選定できるのである。
【００１５】
この発明は上記の例に限定されるものではなく、たとえば光ファイバ束３や小束３２のファイバ構成、レーザトーチ５の具体的構造などは、上記以外のものとしてもよく、またシールドガス２１は環状部材１８内に直接送給してもよい。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、レーザビームの集光に光学的集光系を用いないので、レーザトーチを小型化でき狭い空間内での肉盛りが可能となる。また粉末材料は光ファイバの各小束の発する小束ビーム群で包囲された空間の中心部を集光点に向って供給されるので、肉盛進行方向は自由に選定できるとともに、環状のガス流出口からのシールドガスの供給によって、粉末材料の飛散を生じることなく無酸化雰囲気内での肉盛りをおこなうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態の一例を示すレーザ肉盛装置の構成図である。
【図２】図１のレーザトーチの縦断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図３における小束貫通部の１個所の拡大図である。
【符号の説明】
１…レーザ肉盛装置、２…レーザ発振器、３…光ファイバ束、３ａ…導入端、４…レーザビーム、５…レーザトーチ、６…粉末材料、７…金属母材、１１…ケーシング、１２…給粉ノズル、１３…シールドガス供給部、１５…軸線、１９…ガス流出口、２１…シールドガス、３１…光ファイバ、３２…小束、３３…射出軸線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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