(57)【要約】【課題】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方法を提供する。【解決手段】シリンダヘッド粗形材１０において、ポートの燃焼室側開口端に、円環状のザグリ溝１５を形成する工程と、ザグリ溝１５の中心軸Ａ２を鉛直方向に一致させ、ザグリ溝に金属粉を供給しつつ、レーザビームを照射し、バルブシート用の肉盛層を順次形成する工程と、を備えたレーザ肉盛方法であって、ザグリ溝を形成する工程において、ザグリ溝の底面とポートの内周面とのなす角が90°よりも大きくなるように、底面を傾斜させて形成する。【選択図】図２
2017024016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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工程と、
前記ザグリ溝の中心軸を鉛直方向に一致させ、前記ザグリ溝に金属粉を供給しつつ、レーザビームを照射し、バルブシート用の肉盛層を順次形成する工程と、を備えたレーザ肉盛方法であって、
前記ザグリ溝を形成する工程において、前記ザグリ溝の底面と前記ポートの内周面とのなす角が90°よりも大きくなるように、前記底面を傾斜させて形成する、
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方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温環境下においてバルブが繰り返し当接するシリンダヘッドのバルブシートには、耐熱性や耐摩耗性が要求される。そのため、バルブシートは、シリンダヘッド粗形材の吸気／排気ポートの開口端周縁に、機械加工により円環状のザグリ溝を形成し、このザグリ溝に銅系合金等からなる肉盛層を形成することにより得られる。
【０００３】
このようなバルブシート用の肉盛方法としては、ザグリ溝に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方法（いわゆるレーザクラッド法）が知られている。このレーザ肉盛方法では、肉盛層の始端部と終端部が重なり合ってできるオーバーラップ部に、ブローホール（空孔）が生じ易いことが知られている。
【０００４】
このようなブローホールを解消するために、特許文献１には、レーザの出力を所定量まで増加させて、肉盛層の終端部を形成し、始端部に重ねるレーザ肉盛方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２０１４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
発明者らは、ザグリ溝の底面に堆積した余剰な金属粉（余剰粉）が、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（玉状の金属凝集体）になった後、溶融プールに吸収されると、ブローホールが発生することを見出した。特許文献１に開示された方法のように、レーザの出力を増加させても、ブローホール発生の原因となる余剰粉を低減することができないため、ブローホールが発生してしまう。
【０００７】
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、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方法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】
【０００８】
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工程と、
前記ザグリ溝の中心軸を鉛直方向に一致させ、前記ザグリ溝に金属粉を供給しつつ、レーザビームを照射し、バルブシート用の肉盛層を順次形成する工程と、を備えたレーザ肉盛方法であって、
前記ザグリ溝を形成する工程において、前記ザグリ溝の底面と前記ポートの内周面とのなす角が90°よりも大きくなるように、前記底面を傾斜させて形成する。
このような構成とすることにより、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】
【０００９】
本発明により、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方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１に係るレーザ肉盛方法の概要を模式的に示す斜視図である。
【図２】実施の形態１に係るレーザ肉盛方法の概要を模式的に示す断面図である。
【図３】実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドを例示する断面図である。
【図４】実施の形態１に係る肉盛方法により形成された肉盛層を燃焼室側から見た円環状の断面を例示する写真である。
【図５】比較例に係るレーザ肉盛方法の概要を模式的に示す断面図である。
【図６】比較例に係るレーザ肉盛方法により形成された肉盛層を燃焼室側から見た円環状の断面を例示する写真である。
【図７】実施形態に係るレーザ肉盛方法における底面の傾斜角度効果を例示するグラフであり、横軸は底面の傾斜角度を示し、縦軸は溶着率を示す。
【図８】実施形態に係るレーザ肉盛方法における底面の傾斜角度と材料歩留りとの関係を例示するグラフであり、横軸は底面の傾斜角度を示し、縦軸は材料歩留りを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
（実施の形態）
実施の形態１に係るレーザ肉盛方法を説明する。
図１は、実施の形態１に係るレーザ肉盛方法の概要を模式的に示す斜視図である。
図２は、実施の形態１に係るレーザ肉盛方法の概要を模式的に示す断面図である。
【００１３】
図１及び図２を参照して、実施の形態１に係るレーザ肉盛方法の概要を説明する。まず、シリンダヘッド粗形材１０の構成について説明する。シリンダヘッド粗形材１０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１０は、複数の燃焼室１１を備えている。各燃焼室１１は、吸気ポート１２及び排気ポート１３を備えている。
【００１４】
このようなシリンダヘッド粗形材１０において、吸気ポート１２及び排気ポート１３の燃焼室１１側の開口１４の端に、開口１４を囲むように円環状のザグリ溝１５を形成する。ザグリ溝１５は機械加工により形成される。ザグリ溝１５は、例えば、底面１５ａ、斜面１５ｂ及び側面１５ｃを有するように形成される。底面１５ａ、斜面１５ｂ及び側面１５ｃも円環状である。底面１５ａと側壁１５ｃとの間に斜面１５ｂが設けられている。したがって、底面１５ａは、一方で、吸気ポート１２の内周面１２ａと隣り合い、他方で、斜面１５ｂと隣り合っている。側面１５ｃは、一方で、燃焼室１１の内面１１ａと隣り合い、他方で、斜面１５ｂと隣り合っている。斜面１５ｂは、一方で、底面１５ａと隣り合い、他方で、側面１５ｃと隣り合っている。
【００１５】
図１に示されたシリンダヘッド粗形材１０は、４気筒１６バルブ用であって、４つの燃焼室１１のそれぞれに吸気ポート１２及び排気ポート１３を２つずつ備えている。当然のことながら、燃焼室１１や吸気ポート１２及び排気ポート１３の個数は図１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。
【００１６】
図１及び図２に示すように、レーザ加工ヘッド２０からザグリ溝１５に金属粉２６を供給しつつ、レーザビーム３０（光軸Ａ１）を照射する。ザグリ溝１５の内部において金属粉２６を溶融・凝固し、バルブシート用の肉盛層１６を順次形成する。レーザ加工ヘッド２０を、円環状のザグリ溝１５の中心軸Ａ２を軸として回転させる。これにより、レーザ加工ヘッド２０から吐出された金属粉２６及びレーザビーム３０は、ザグリ溝１５に沿って円環状に供給される。このようにして、ザグリ溝１５の全周に肉盛層１６を形成する。
【００１７】
ここで、中心軸Ａ２を以下のとおりとする。ザグリ溝１５の円環形状が形づける円環の中心を中心Ｏとする。円環において直交する２つの直径に垂直で、中心Ｏを通る軸を、中心軸Ａ２とする。中心Ｏは、開口１４の中心と略同一である。肉盛層１６を形成する際には、開口１４が上方を向くように、燃焼室１１側を上方にして、中心軸Ａ２を鉛直方向に一致させる。なお、図では、吸気ポート１２を示しているが、排気ポート１３でもよい。肉盛層１６の表面は、製品形状とするために研削される。
【００１８】
図３は、実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドを例示する断面図である。
図３を参照して、レーザ肉盛方法で用いるレーザ加工ヘッド２０を説明する。レーザ加工ヘッド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。すなわち、レーザ加工ヘッド２０は、ともにレーザビーム３０の光軸Ａ１を中心軸とする内側ノズル２１及び外側ノズル２２からなる同軸二重管構造を有している。
【００１９】
具体的には、内側ノズル２１からレーザビーム３０が出射される。また、内側ノズル２１からシールガス２４が吐出される。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。つまり、シールガス２４、キャリアガス２５及び金属粉２６の吐出軸は、レーザビーム３０の光軸Ａ１と同軸である。
【００２０】
シールガス２４及びキャリアガス２５としては、例えば、アルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガスを挙げることができる。このように、レーザビーム３０の照射と、シールガス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、レーザ加工装置をコンパクトにすることができる。なお、図１では、原料供給管２３は省略されている。
【００２１】
次に、本実施形態に係る肉盛方法を詳細に説明する。
図２に示すように、本実施形態において、ザグリ溝１５を形成する際に、開口１４が上方を向くようにザグリ溝１５の中心軸Ａ２を鉛直方向とする。この場合に、ザグリ溝１５の底面１５ａにおける中心軸Ａ２側が下方に傾斜するように、底面１５ａを形成する。吸気ポート１２の内周面１２ａは、中心軸Ａ２を軸とした円管形状となるように形成されている。したがって、隣り合うザグリ溝１５の底面１５ａと吸気ポート１２の内周面１２ａとのなす角度ωが90°よりも大きくなるように、底面１５ａを傾斜させてザグリ溝１５を形成する。底面１５ａは、中心軸Ａ２を鉛直方向とした場合に、中心軸Ａ２に直交する水平な面を有しないように形成されている。
【００２２】
次に、ザグリ溝１５内に、肉盛層１６を形成する。肉盛層１６を形成する際には、金属粉２６の吐出とレーザビーム３０の照射とのタイミングを調整する。ザグリ溝１５の内部において金属粉２６が溶融・凝固し、バルブシート用の肉盛層１６が形成される。肉盛層１６におけるレーザ加工ヘッド２０との対向面には、溶融プール３１が形成される。溶融プール３１は、金属粉２６がレーザビーム３０の照射により溶融したものである。溶融プール３１に向かって金属粉２６が吐出される。また、溶融プール３１に対してレーザビーム３０が照射される。溶融プール３１を持続させながら、溶融プール３１をザグリ溝１５に沿って移動させる。溶融プール３１が移動した跡には溶融プール３１の冷却により肉盛層１６が形成される。このようにして、肉盛層１６を円環状に成長させる。
【００２３】
ノズルから吐出された金属粉２６のうち、ザグリ溝１５の底面１５ａに堆積した余剰な金属粉（余剰粉）は、レーザビーム３０が近づくことにより半ば溶融する。半ば溶解した余剰粉は、玉状（玉２７ａ）になる。玉２７ａが溶融プール３１に吸収されることで、ブローホールが発生する。しかしながら、本実施形態では、底面１５ａが傾斜しているため、ザグリ溝１５の底面１５ａに余剰粉が堆積しない。また、余剰粉が堆積し、玉２７ａになったとしても、吸気ポート１２または排気ポート１３に落下する。これにより、玉２７ａが溶融プール３１に吸収されることを抑制する。
【００２４】
図４は、実施の形態１に係る肉盛方法により形成された肉盛層を燃焼室側から見た円環状の断面を例示する写真である。
底面１５ａを水平から30°傾斜させた場合、すなわち、底面１５ａと内周面１２ａとの角度を120°とした場合には、肉盛層１６は、開口を囲むように円環状に形成される。肉盛層１６において溶着不良の発生が抑制されている。
【００２５】
次に、本実施形態の効果を説明する前に、比較例について説明する。本実施形態の効果は、比較例の説明の後に、比較例と対比させて説明する。
図５は、比較例に係るレーザ肉盛方法の概要を模式的に示す断面図である。
図５に示すように、比較例においては、ザグリ溝１５を形成する際に、開口１４が上方を向くように中心軸Ａ２を鉛直方向とした場合に、底面１５ａを水平になるように形成する。したがって、ザグリ溝１５の底面１５ａと吸気ポート１２の内周面１２ａとのなす角度ωは90°である。
【００２６】
比較例では、レーザ加工ヘッド２０から吐出された金属粉２６のうち、ザグリ溝１５の底面１５ａに堆積した余剰な金属粉（余剰粉）が、レーザビーム３０が近づくことにより半ば溶融して玉２７ａになる。玉２７ａが溶融プール３１に吸収されることで、ブローホールが発生する。
【００２７】
図６は、比較例に係るレーザ肉盛方法により形成された肉盛層を燃焼室側から見た円環状の断面を例示する写真である。
図６に示すように、底面１５ａを水平にした場合、すなわち、底面１５ａと内周面１２ａとの角度を90°とした場合に、肉盛層１６に溶着不良部２８が発生している。
【００２８】
次に、本実施形態の効果を説明する。本実施形態に係るレーザ肉盛方法によれば、ザグリ溝１５の底面１５ａとポートの内周面１２ａとのなす角度が90°よりも大きくなるように、ザグリ溝１５の底面１５ａを傾斜させて形成させている。すなわち、ザグリ溝１５の底面１５ａにおける中心軸Ａ２側が下方に傾斜するように、底面１５ａを形成する。そのため、底面１５ａに余剰粉が堆積しにくい上、余剰粉が玉２７ａになった後、ポート内に落下しやすい。そのため、ブローホールの発生を低減することができる。
【００２９】
図７は、実施形態に係るレーザ肉盛方法における底面の傾斜角度効果を例示するグラフであり、横軸は底面の傾斜角度を示し、縦軸は溶着率を示す。
図７に示すように、ザグリ溝１５の底面１５ａが水平に対して傾斜する角度が大きくなるほど、溶着率が向上する。ザグリ溝の傾斜角度効果（巻き込み防止効果）として、85％以上の溶着率を確保するためには、傾斜角度を10°以上とすることが望ましい。ここで、溶着率とは、肉盛層１６全体において、溶着された肉盛層１６から溶着不良部２８を引いた割合をいう。つまり、肉盛層１６全体において、良好に形成された割合である。
【００３０】
図８は、実施形態に係るレーザ肉盛方法における底面の傾斜角度と材料歩留りとの関係を例示するグラフであり、横軸は底面の傾斜角度を示し、縦軸は材料歩留りを示す。
図８に示すように、ザグリ溝１５の底面１５ａが水平に対して傾斜する角度が大きくなるほど、金属粉２６の材料歩留まりが低下する。80％以上の歩留まりを確保するためには、傾斜角度を30°以内にすることが望ましい。これを改善する方法としては、レーザ加工ヘッド２０等の改良が必要である。
【００３１】
以上から、溶着率を向上させ、かつ、金属粉２６の歩留まりも向上させるためには、傾斜角度は10°〜30°が望ましい。なお、レーザ照射ノズルの改良や、照射条件、照射角度を改良した時は、この限りではなく、40°以上でもよい。
【００３２】
以上、本発明にかかるレーザ肉盛方法の実施の形態を説明したが、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。
【００３３】
例えば、重力による玉の落下を妨げないという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。本実施形態では、ザグリ溝１５の中心軸を鉛直方向に一致させて肉盛層を形成する前提のもと、ザグリ溝１５の底面１５ａと、ポートの内周面１２ａとのなす角度を90°以上としたが、これに限らない。例えば、ザグリ溝１５の底面１５ａを水平に対して傾斜させ、形成された玉２７ａを落下させるように、ザグリ溝１５の中心軸Ａ２の方向を調整して肉盛層を形成してもよい。また、ポート形状が特殊な形状であって、ポート内周面が円筒の内面形状ではない場合には、ザグリ溝１５の底面１５ａにおける中心軸Ａ２側が下方に傾斜するように、底面１５ａを傾斜させる。その他、重力による玉の落下を妨げないという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。
【符号の説明】
【００３４】
１０  シリンダ粗形材
１１  燃焼室
１２  吸気ポート
１３  排気ポート
１４  開口
１５  ザグリ溝
１６  肉盛層
１７  内周面
２０  レーザ加工ヘッド
２１  内側ノズル
２２  外側ノズル
２３  原料供給管
２４  シールガス
２５  キャリアガス
２６  金属粉
２７ａ  玉
２８  溶着不良部
３０  レーザビール
Ａ１  光軸
Ａ２  中心軸
Ｏ  中心
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図４】
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【図６】
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