(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工部位に対してレーザビームを照射すると共に、該加工部位のレーザビーム照射部に粉末状材料を吐出するレーザ加工ヘッドを備え、加工部位の姿勢に応じて前記レーザ加工ヘッドを鉛直方向に対して傾斜させて前記加工部位にクラッド層を形成するレーザクラッディング加工装置であって、
前記レーザ加工ヘッドに、粉末状材料を供給する複数の材料供給手段と、レーザビーム照射部にその周囲から粉末状材料を所定の配分で吐出させるように各材料供給手段による粉末状材料の供給量を調整制御する制御手段と、を備えており、
前記制御手段が、レーザ加工ヘッドの傾斜角度に基づいて各材料供給手段による粉末状材料の供給量を調整制御するものであることを特徴とするレーザクラッディング加工装置。
【請求項２】
前記制御手段が、各材料供給手段の位置または向きに応じて粉末状材料の供給量を異ならせるように調整制御するものであることを特徴とする請求項１に記載のレーザクラッディング加工装置。
【請求項３】
複数の材料供給手段が、キャリアガスとともに粉末状材料をレーザ加工ヘッドの軸線周りに旋回させる旋回部の接線方向に延びるようにそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のレーザクラッディング加工装置。
【請求項４】
前記レーザ加工ヘッドを鉛直方向軸線周りに回転可能としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザクラッディング加工装置。
【請求項５】
加工部位の傾斜に応じて鉛直方向に対して傾斜させたレーザ加工ヘッドから、加工部位に対してレーザビームを照射すると共に、前記加工部位のレーザビーム照射部に粉末状材料を吐出して、前記加工部位にクラッド層を形成するレーザクラッディング加工方法であって、
レーザビーム照射部に対してその周囲から粉末状材料を所定の配分で吐出させるように、レーザ加工ヘッドに粉末材料を複数箇所から供給し、
前記レーザ加工ヘッドの傾斜角度に基づいて、各箇所からの粉末状材料の供給量を調整制御することを特徴とするレーザクラッディング加工方法。
【請求項６】
前記各箇所の位置または向きに応じて粉末状材料の供給量を異ならせるように調整制御することを特徴とする請求項５に記載のレーザクラッディング加工方法。
【請求項７】
前記粉末状材料をキャリアガスとともにレーザ加工ヘッドの軸線周りに旋回させる旋回部の接線方向に供給することを特徴とする請求項５または６のいずれかに記載のレーザクラッディング加工方法。
【請求項８】
レーザ加工ヘッドを鉛直方向軸線周りに回転させることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載のレーザクラッディング加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工部位に供給された粉末状材料をレーザビームによって加熱溶融して肉盛りしたクラッディング層を形成するためのレーザクラッディング加工装置およびレーザクラッディング加工方法に関し、さらに詳しくは、加工部位に対してレーザビームを照射すると共に、該加工部位のレーザビーム照射部に粉末状材料を吐出するレーザ加工ヘッドを備え、前記加工部位にクラッド層を形成するレーザクラッディング加工装置、および、レーザ加工ヘッドから、加工部位に対してレーザビームを照射すると共に、前記加工部位のレーザビーム照射部に粉末状材料を吐出して、前記加工部位にクラッド層を形成するレーザクラッディング加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザクラッディング加工に関する従来の技術としては、特開平１１−７７５号公報に開示されたレーザクラッディング装置が知られている。当該公報に開示されたレーザクラッディング装置は、レーザ照射部に金属あるいは高分子材料あるいはセラミックスなどの粉末を供給し、該粉末がレーザビームによって加熱溶融されることにより、クラッド層を形成するレーザクラッディング装置において、前記レーザ照射部に供給する粉末の粉末供給手段を複数設け、該複数の粉末供給手段からの各粉末供給量を同量としたことを特徴としている。当該公報に開示されたレーザクラッディング装置は、さらに、前記粉末供給手段に、旋回、収束させてから前記レーザ照射部に供給する旋回収束手段を設けたことを特徴としている。
【０００３】
そして、この特開平１１−７７５号公報には、「レーザ照射部には各粉末供給手段から同量の粉末が安定して供給されることとなり、レーザ照射部の位置（レーザ加工ヘッドの進行方向）がどのように変化しても同一の粉末にレーザビームを照射し、均一形状、あるいは所望形状のクラッドを高精度に形成することができる。」などと記載されている（段落番号００２３）。
【０００４】
ところで、レーザクラッディング加工を使用する例として、例えば、内燃機関のシリンダヘッドのバルブシートの耐熱性、耐摩耗性等の向上を目的としてシート面に銅系合金等の肉盛層（クラッド層）を形成することが行われるようになってきている。
シリンダヘッドのバルブシートは、一般に図３や図７に示すように、バルブ穴の開口部が拡径されてなるもので、内周面と底面との間のバルブシート面を形成する部分（加工部位）Ｗが所定の曲率を有する断面円弧状や所定の角度を有する傾斜面など、バルブシートの中心軸線Ｊに対して傾斜している。このようなバルブシートの加工部位Ｗにレーザクラッディング加工を行ってバルブシート面となるクラッド層Ｓを形成するに際しては、図７に示すように、バルブシート面を構成するべく供給された粉末状材料ＰあるいはレーザビームＬによって溶融された粉末状材料Ｐがバルブシートからバルブ穴にたれ落ちたり偏るのを防ぐために、加工部位Ｗが上向きとなるように、すなわち、加工部位Ｗに対する垂直な線Ｋが絶対的な鉛直方向を指向するように、バルブシートの中心軸線Ｊを鉛直方向に対して傾斜させた状態でテーブルＴ’に保持し、その中心軸線Ｊ周りに回転させながらレーザビームＬを加工部位Ｗに対する垂直な線Ｋに沿って鉛直方向に照射することが従来から行われていた。
そして、シリンダヘッドには吸気バルブと排気バルブとが、内燃機関の気筒数に応じてそれぞれ設けられるため、バルブシート面を形成するための従来のレーザクラッディング装置としては、図８に示すように、加工部位Ｗに対してレーザビームＬを照射するレーザビーム照射手段５０と、シリンダヘッドを保持するテーブルＴ’と、このテーブルＴ’に保持されたシリンダヘッドの各バルブシートの中心軸線Ｊ周りに回転させるための回転駆動手段５１と、加工するバルブシートの中心軸線Ｊと前記所定の回転軸とを一致させるようにテーブルＴ’の位置をＸ，Ｙ方向の２次元平面内で移動調整するテーブル位置調整機構５２と、を備えたものが用いられていた。
【０００５】
また、別の従来のバルブシートの加工方法として、特開平８−２２４６８２号公報に開示されたものが知られている。当該公報には、図７にも示したように、バルブシート面を形成する部分が上向きとなるようにシリンダヘッド全体を４５度傾けた上でその加工部位となるバルブシートの中心軸線Ｊを回転中心として重量物であるシリンダヘッド全体を回転運動させる必要があるため、かかる重量物であるシリンダヘッドを堅固に位置決め保持した上でこれを円滑に回転させるためには、図８にも示したように、巨大な設備が必要となることにより設備投資および設備設置スペースを要する旨が記載されている（段落番号０００５および０００６を参照）。
【０００６】
そこで、特開平８−２２４６８２号公報に開示されたバルブシートの加工方法では、シリンダヘッドのバルブシート面となるべき部分に、溝底面に対して垂直な線がバルブシートの軸心と平行となるように周溝を予め形成し、前記バルブシートの軸心が鉛直方向を指向するようにシリンダヘッドを保持した上で、前記周溝に肉盛り材料の粉末を供給しながらこの粉末の上からレーザビームを照射して、該レーザビームを周溝の円周方向に移動させることにより周溝に沿って肉盛り層を形成し、前記肉盛り加工後に肉盛り層の一部を切削除去してシート面を最終加工形状に仕上げることを特徴としている。
さらに、当該公報に開示されたバルブシートの加工方法では、前記周溝の内外周縁部に駄肉部が予め一体に突出形成されており、これに加えて、前記シート面を最終加工形状に仕上げる際に、駄肉部を切削除去することなども特徴としている。
【０００７】
そして、特開平８−２２４６８２号公報には、その発明の効果として、「周溝がレーザビーム照射方向を指向するようにするためにはシリンダヘッドを弁挟み角の二分の一の角度だけ傾ければよく、また従来の技術のようにシリンダヘッド全体を回転させる必要もなくなる。その結果、シリンダヘッドを保持するための設備が小型で、しかも簡易な構造のもので済むようになり、設備投資および設置スペースの面で、著しく有利となる。」などと記載されている（段落番号００３３）。
また、当該公報には、「周溝の内外周縁部に突出形成した駄肉部が、その周溝における粉末保有量を増大させるはたらきをするとともに、母材の熱容量を増加させることになるため、肉盛り層の幅方向両端での欠肉の発生やレーザビーム照射時の母材側の溶融はもちろんのこと、それを原因とする肉盛り層の母材による希釈やクラック等の欠陥などの欠陥の発生を未然に防止でき、肉盛り加工品質の向上が図れる。」などと記載されている（段落番号００３５）。
さらに、当該公報には、「肉盛加工後にバルブシートのシート面を最終加工形状に仕上げるのと併せて駄肉部も切削除去することにより、駄肉部を設けたことによってバルブシート本来の機能を損なうことがなくなる。」などと記載されている（段落番号００３６）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の技術のうち、特開平１１−７７５号公報に開示されたレーザクラッディング装置にあっては、各粉末供給手段から同量の粉末材料を供給するものであるため、水平なレーザ照射部に対してレーザ加工ヘッドを鉛直線に沿った姿勢にした状態においては、各粉末供給手段から同量の粉末材料が安定して供給されることとなる。
しかしながら、上述した内燃機関のシリンダヘッドのバルブシートの場合のように、傾斜した状態の加工部位に対してクラッド層Ｓを形成するときには、加工部位Ｗに対して垂直な線Ｋに沿ってレーザビームＬを照射すると共にそのレーザビーム照射部に周囲から粉末状材料Ｐを同軸状に吐出すべく、レーザ加工ヘッドも絶対的な鉛直方向に対して傾斜させる必要がある。特開平１１−７７５号公報に開示されたレーザクラッディング装置にあっては、レーザ加工ヘッドを鉛直方向に対して傾斜させた状態とすると、各粉末供給手段から同量の粉末材料を供給しても、粉末供給手段の位置あるいは向きによって受ける重力が異なるため、レーザ照射部の周囲に均等に粉末材料が供給されないという問題が発生することとなる。
【０００９】
また、上述した従来の技術のうち、図７に示したように、加工部位Ｗが上向きとなるようにシリンダヘッド全体を傾けた上でバルブシートの中心軸線Ｊを回転中心としてシリンダヘッド全体を回転運動させる場合にあっては、所定のバルブシートの中心軸線Ｊを中心として回転可能にシリンダヘッドを保持するため、図８に示したような巨大な設備が必要となるという問題があった。
【００１０】
そして、上述した従来の技術のうち、特開平８−２２４６８２号公報に開示されたバルブシートの加工方法にあっては、バルブシートの軸心が鉛直方向を指向するようにシリンダヘッドを保持することができるようにするために、バルブシート面となるべき部分に周溝を予め形成する必要があり、しかも、この周溝の溝底面に対して垂直な線がバルブシートの軸心と平行となるように形成する必要があった。さらに、当該公報に開示されたものにあっては、周溝の内外周縁部に予め駄肉部を一体に突出形成し、シート面を最終加工形状に仕上げる際に、駄肉部を切削除去する必要があるため、工程数が増すだけでなく、シリンダヘッドの材料に多大な無駄が生じるという問題があった。
そして、当該公報に開示されたものにあっては、加工対象となるバルブシートの軸心が鉛直方向を指向するようにシリンダヘッドを所定角度だけ傾斜させて固定する必要があり（段落番号００２２）、シリンダヘッドを水平に保持することはできなかった。また、当該公報に開示されたものにあっては、周溝の底面に対し垂直な線とレーザビームの照射方向（光軸）とを一致させた上で（すなわち、レーザビームの照射方向が絶対的な鉛直方向に指向するようにした上で）、レーザビームに周溝の円周方向に沿って加工送りを与える（段落番号００２４）必要があるため、複雑な構成を有するという問題があった。
【００１１】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、加工部位の姿勢に関わらず、クラッド層を適切且つ容易に低コストで形成加工することができるレーザクラッディング加工装置およびレーザクラッディング加工方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１のレーザクラッディング加工装置に係る発明は、上記目的を達成するため、加工部位に対してレーザビームを照射すると共に、該加工部位のレーザビーム照射部に粉末状材料を吐出するレーザ加工ヘッドを備え、加工部位の姿勢に応じて前記レーザ加工ヘッドを鉛直方向に対して傾斜させて前記加工部位にクラッド層を形成するレーザクラッディング加工装置であって、前記レーザ加工ヘッドに、粉末状材料を供給する複数の材料供給手段と、レーザビーム照射部にその周囲から粉末状材料を所定の配分で吐出させるように各材料供給手段による粉末状材料の供給量を調整制御する制御手段と、を備えており、前記制御手段が、レーザ加工ヘッドの傾斜角度に基づいて各材料供給手段による粉末状材料の供給量を調整制御するものであることを特徴とするものである。
請求項２のレーザクラッディング加工装置に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明において、前記制御手段が、各材料供給手段の位置または向きに応じて粉末状材料の供給量を異ならせるように調整制御するものであることを特徴とするものである。
請求項３のレーザクラッディング加工装置に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項１または２のいずれかに記載の発明において、複数の材料供給手段が、キャリアガスとともに粉末状材料をレーザ加工ヘッドの軸線周りに旋回させる旋回部の接線方向に延びるようにそれぞれ設けられていることを特徴とするものである。
請求項４のレーザクラッディング加工装置に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記レーザ加工ヘッドを鉛直方向軸線周りに回転可能としたことを特徴とするものである。
【００１３】
また、請求項５のレーザクラッディング加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、加工部位の傾斜に応じて鉛直方向に対して傾斜させたレーザ加工ヘッドから、加工部位に対してレーザビームを照射すると共に、前記加工部位のレーザビーム照射部に粉末状材料を吐出して、前記加工部位にクラッド層を形成するレーザクラッディング加工方法であって、レーザビーム照射部に対してその周囲から粉末状材料を所定の配分で吐出させるように、レーザ加工ヘッドに粉末材料を複数箇所から供給し、前記レーザ加工ヘッドの傾斜角度に基づいて、各箇所からの粉末状材料の供給量を調整制御することを特徴とするものである。
請求項６のレーザクラッディング加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項５に記載の発明において、前記各箇所の位置または向きに応じて粉末状材料の供給量を異ならせるように調整制御することを特徴とするものでる。
請求項７のレーザクラッディング加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項５または６のいずれかに記載の発明において、前記粉末状材料をキャリアガスとともにレーザ加工ヘッドの軸線周りに旋回させる旋回部の接線方向に供給することを特徴とするものである。
請求項８のレーザクラッディング加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項５〜７のいずれかに記載の発明において、レーザ加工ヘッドを鉛直方向軸線周りに回転させることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項１の発明では、加工部位の傾斜など姿勢に応じて相対的に垂直方向に向くように、レーザ加工ヘッドを絶対的な鉛直方向に対して傾斜させた状態で、加工部位にレーザビームを照射すると共に、複数の材料供給手段によりレーザビーム照射部にその周囲から粉末状材料を適切な配分でレーザビームの照射軸と同軸で供給する。このとき、加工部位の姿勢に応じて、すなわち、レーザ加工ヘッドの傾斜に応じて、加工部位のレーザビーム照射部にその周囲から粉末状材料を所定の配分で適切に吐出させることができるように、制御手段が各材料供給手段による粉末状材料の供給量を調整制御する。加工部位には、その姿勢に応じて適切な配分で吐出された粉末状材料がレーザビームにより溶融されて、その姿勢に関わらずクラッド層が適切に形成される。
請求項２の発明では、請求項１に記載の発明において、制御手段が、各材料供給手段の位置または向きに応じて粉末状材料の供給量を異ならせるように調整制御するため、加工部位のレーザビーム照射部にその周囲から粉末状材料が全周にわたって均等に供給される。そのため、加工部位には、その姿勢に応じて適切な配分で吐出された粉末状材料がレーザビームにより溶融されて、クラッド層が適切に形成される。
請求項３の発明では、請求項１または２のいずれかに記載の発明において、複数の材料供給手段が、キャリアガスとともに粉末状材料をレーザ加工ヘッドの軸線周りに旋回させる旋回部の接線方向に延びるようにそれぞれ設けられていることにより、加工部位のレーザビーム照射部にその周囲から粉末状材料が全周にわたって均等に供給される。そのため、加工部位には、その姿勢に応じて適切な配分で吐出された粉末状材料がレーザビームにより溶融されて、クラッド層が適切に形成される。
請求項４の発明では、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、レーザ加工ヘッドを鉛直方向軸線周りに回転させることにより、円環状の加工部位には、粉末状材料がレーザビームにより溶融されて、その姿勢に関わらず連続したクラッド層が適切に形成される。
【００１５】
また、請求項５の発明では、加工部位の傾斜など姿勢に応じて相対的に垂直方向に向くように、レーザ加工ヘッドを絶対的な鉛直方向に対して傾斜させて、加工部位にレーザビームを照射すると共に、レーザビーム照射部にその周囲の複数箇所から粉末状材料をレーザビームの照射軸と同軸で吐出させる。このとき、加工部位の姿勢に応じて、すなわち、レーザ加工ヘッドの傾斜角度に応じて、加工部位のレーザビーム照射部にその周囲から粉末状材料が所定の配分で適切に吐出されるように、各箇所からの粉末状材料の供給量を調整制御する。レーザ照射部では、その周囲から適切な配分で吐出された粉末状材料がレーザビームにより溶融されて、加工部位の姿勢に関わらずクラッド層が適切に形成される。
請求項６の発明では、請求項５に記載の発明において、前記各箇所の位置または向きに応じて粉末状材料の供給量を異ならせるように調整制御することにより、加工部位のレーザビーム照射部にその周囲から粉末状材料が全周にわたって均等に供給されるため、レーザ照射部では、その周囲から適切な配分で吐出された粉末状材料がレーザビームにより溶融されて、加工部位の姿勢に関わらずクラッド層が適切に形成される。
請求項７の発明では、請求項５または６のいずれかに記載の発明において、前記粉末状材料をキャリアガスとともにレーザ加工ヘッドの軸線周りに旋回させる旋回部の接線方向に供給することにより、加工部位のレーザビーム照射部にその周囲から粉末状材料が全周にわたって均等に供給されるため、レーザ照射部では、その周囲から適切な配分で吐出された粉末状材料がレーザビームにより溶融されて、加工部位の姿勢に関わらずクラッド層が適切に形成される。
請求項８の発明では、請求項５〜７のいずれかに記載の発明において、レーザ加工ヘッドを鉛直軸周りに回転させることにより、レーザ照射部が円環状に移動してその周囲から適切な配分で吐出された粉末状材料がレーザビームにより溶融されて、加工部位の姿勢に関わらず連続した円環状のクラッド層が適切に形成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態を、内燃機関のシリンダヘッドのバルブシート（円環状の加工部位）Ｗにシート面となるクラッド層Ｓを形成する場合により、図１〜図６に基づいて詳細に説明する。なお、同一符号は同一部分または相当部分を示すものとする。
【００１７】
本発明のレーザクラッディング加工装置は、概略、加工部位Ｗに対してレーザビームＬを照射すると共に加工部位Ｗのレーザビーム照射部ＷＬに粉末状材料を吐出するレーザ加工ヘッド１と、このレーザ加工ヘッドに粉末状材料を供給する複数の材料供給手段２Ａ〜２Ｄと、レーザビーム照射部ＷＬにその周囲から粉末状材料Ｐをキャリヤガスと共に所定の配分で吐出させるように、各材料供給手段２Ａ〜２Ｄによる粉末状材料Ｐの供給量を調整制御する制御手段（図示は省略するが、その制御内容については後に詳述する）と、を備えており、レーザ加工ヘッド１を、加工部位Ｗの傾斜に応じて、鉛直方向に対して傾斜した状態でクラッド層を形成することができるようにしたものである。制御手段は、レーザ加工ヘッド１の傾斜角度に基づいて各材料供給手段２Ａ〜２Ｄによる粉末状材料Ｐの供給量を調整するものである。そして、この実施の形態においては、レーザ加工ヘッド１が鉛直方向軸線Ｖ周りに回転可能とされている。
【００１８】
図１および図２に示すように、レーザ加工ヘッド１は、汎用のロボットアーム（図示は省略する）に接続される接続部材１０と、加工部位Ｗに対してレーザビームＬを照射する照射口１２、および、加工部位Ｗのレーザビーム照射部ＷＬにその周囲から粉末状材料Ｐをキャリヤガスと共に吐出する吐出口１３を有するノズル部材１１とにより構成されている。ノズル部材１１は、接続部材１０にビス１５などによって締結される外側ノズル部材１６と、この外側ノズル１６に内嵌されてビス１７などによって締結される内側ノズル部材１８と、によって構成されている。
図示は省略するが、レーザ加工ヘッド１には、レーザビームＬを母材となる内燃機関のシリンダヘッドのバルブシートＷに対して所定の出力で照射するために、この実施の形態の場合、ＣＯ2レーザやＹＡＧレーザ、あるいは半導体レーザなどのレーザ発振機に接続された光ファイバと、この光ファイバの先端面に対向するように配置されたコリメーションレンズおよび集光レンズとが設けられている。
この実施の形態におけるレーザビームＬは、たとえば、出力が４ｋｗ程度で集光形状が真円でトップハットの、全出力の約８６パーセントとなる１／ｅ2の径が６．５ｍｍで加工部位に照射されるよう設定されている。そして、レーザ加工ヘッド１を支持する図示しないロボットアームは、円環状のバルブシートの加工部位Ｗに対してレーザ加工ヘッド１を絶対的な鉛直軸Ｖ周りに回転させる速度が、ノズルの周速で１ｍ／ｍｉｎに設定され、また、その回転角度がオーバラップを考慮して両方向に２７０度程度に設定されている。さらに、ロボットアームは、レーザ加工ヘッド１を絶対的な鉛直方向に対して０（絶対的鉛直方向）〜６０度程度に傾斜させることができるよう設定されている。
【００１９】
接続部材１０は、略筒状の本体の一端にビス１５が挿通されることにより外側ノズル部材１６と締結されるフランジが形成されてなるもので、本体の外周面には汎用のロボットアームとキー結合されるキー溝１０ａが形成されている。
【００２０】
この実施の形態におけるノズル部材１１では、内側ノズル部材１８の基端部側（図１における上方）に、外側ノズル部材１６の内周面と気密を保持するためのＯリングなどのシール部材２０が設けられている。そして、外側ノズル部材１６と内側ノズル部材１８との間には、後述する複数の材料供給手段２Ａ〜２Ｄが接続されて粉末状材料Ｐがキャリヤガスと共に供給されてレーザ加工ヘッド１の軸線Ｈ周りに旋回させる旋回部２１と、旋回部２１で所定量旋回した粉末状材料Ｐをキャリヤガスと共にレーザ加工ヘッド１の軸線Ｈに沿って整流させる整流部２２と、加工部位Ｗのレーザビーム照射部ＷＬにその周囲から全周にわたって粉末状材料Ｐをキャリヤガスと共に吐出させる吐出口１３を有する吐出部２３と、が連続して形成されている。また、内側ノズル部材１８の中心には、照射されるレーザビームＬを加工部位Ｗに向かって通過させて照射させる照射口１２を有するビーム通路２４が形成されている。
【００２１】
図２に示すように、外側ノズル部材１６には、この実施の形態の場合、複数の材料供給手段として４つの通路２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄが旋回部２１の接線方向に延びるように、等間隔で穿設されている。各通路２Ａ〜２Ｄの外側開口部にはめねじ部２５が形成されており、このめねじ部２５には、キャリヤガスと共に粉末状材料Ｐを旋回部２１に導入するためのパイプ２６の接続部材２７のおねじ部２８が締結されている。旋回部２１は、レーザ加工ヘッド１の軸線Ｈ周りに形成された環状の空間により構成されてなるもので、基端部（上方）から先端部（下方）に向かって漸次縮径するテーパ状に形成されている。この実施の形態における整流部２２は、外側ノズル部材１６の内周面に突出するように形成された縮径部に旋回部２１の底面と吐出部２３との間に延びるように形成された複数の穴状の通路により構成されている。吐出部２３は、加工部位Ｗのレーザビーム照射部ＷＬに向かって吐出口１３が開口する間隙により構成されている。したがって、図１に示すように、加工部位Ｗに照射されるレーザビームＬの光軸と、その周囲から吐出される粉末状材料Ｐの吐出中心とが一致するように同軸状に設定されている。
【００２２】
このように構成されたレーザ加工ヘッド１では、その軸線Ｈを絶対的な鉛直方向軸線Ｖに沿って配置した場合には、キャリヤガスによって粉末状材料Ｐがそれぞれのパイプ２６の接続部材２７から通路２Ａ〜２Ｄを介して旋回部２１にその接線方向に導入されると、キャリヤガスの圧力や粉末状材料の比重などによって異なるが、その導入された各通路２Ａ〜２Ｄから旋回部２１を略９０度〜１８０度程度旋回してから整流部２２に流動することとなる。そして、粉末状材料Ｐは、キャリヤガスの流動にしたがってレーザ加工ヘッド１の軸線Ｈと平行に形成された整流部２２を通過することにより、旋回部２１で旋回するように作用していた流れからレーザ加工ヘッド１の軸線Ｈと平行に流れるように整流される。その後、粉末状材料Ｐは、吐出口１３からバルブシートのレーザビーム照射部ＷＬに向かって周囲から全周にわたって均等に供給されることとなる。
【００２３】
また、本発明にしたがって、バルブシートの傾斜した円環状の加工部位Ｗにクラッド層Ｓを形成する場合には、図示しない汎用のロボットアームに接続されたレーザ加工ヘッド１は、内燃機関の所定の気筒の所定のバルブシートと対応する位置に移動され、図３に示すように、その軸線Ｈを加工部位Ｗの傾斜に応じて所定の角度に傾斜させた状態で、絶対的な鉛直方向軸線Ｖ周りに回転するように駆動される。この実施の形態では、通路２Ｃと２Ｄが水平方向に延び、通路２Ａが上向きに延び、通路２Ｂが下向きに延びるようにレーザ加工ヘッドが傾斜されることとする。このとき、レーザ加工ヘッド１がその軸線Ｈを所定の角度に傾斜されることにより、各通路２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの向きによって、旋回部２１に導入される粉末状材料Ｐの受ける重力が異なることとなる。そのため、旋回部２１を旋回する粉末状材料Ｐの旋回量が異なることから、整流部２２を介して吐出口１３からレーザビーム照射部ＷＬに向かって周囲から吐出される粉末状材料Ｐの量に偏りが生じることとなる。そして、この偏りは、レーザ加工ヘッド１の軸線Ｈの傾き角に応じて異なる。
【００２４】
そこで、本発明のレーザクラッディング加工装置では、レーザ加工ヘッド１を絶対的な鉛直方向に対して傾斜させたときの、旋回部２１に粉末状材料Ｐを供給する通路２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄのそれぞれの向きに応じて、整流部２２を介して吐出口１３からレーザビーム照射部ＷＬに向かって周囲から吐出される粉末状材料Ｐの量が均等となるように、その通路２Ａ〜２Ｄからキャリヤガスにより導入される粉末状材料Ｐの量を変化させ、しかも、その変化の度合をレーザ加工ヘッド１の軸線Ｈの傾き角に基づいて異ならせるよう制御することができるよう構成した。
【００２５】
したがって、本発明のレーザクラッディング加工装置では、内燃機関のシリンダヘッドを、従来の技術（図７を参照）のようにバルブシートのクラッディング層を形成する加工部位Ｗに対する垂直方向を絶対的な鉛直方向軸線Ｖに指向させるように、バルブシートの中心軸線Ｊを傾斜させた状態でテーブルＴ’に保持することなく、しかも、その中心軸線Ｊ周りに回転させる必要がない。そのため、従来の技術のように大型のレーザクラッディング加工装置（図８を参照）を必要することがなく、この実施の形態では、内燃機関のシリンダヘッドは、バルブシートの加工部位Ｗが絶対的鉛直方向に対して略４５度（弁挟み角などによっても異なる）の傾斜を有するように、水平の状態でテーブルＴに保持することができ、また、レーザ加工ヘッド１を汎用のロボットアームに絶対的鉛直方向に対して傾斜させて鉛直方向軸線Ｖ周りに回転駆動するだけで、任意のバルブシートの傾斜した円環状の加工部位Ｗにクラッド層Ｓを適切に連続して容易に形成することができる。そのため、簡単な構成でコンパクトな設備となるために設備コストを低減させることができる。
【００２６】
なお、本発明のレーザクラッディング加工装置は、上述した実施の形態に限定されることなく、絶対的な鉛直方向に対して傾斜した加工部位Ｗにクラッド層Ｓを形成するものであれば、バルブシート以外の加工部位に対して円環状にまたは直線状にクラッド層を形成する場合にも適用することができる。直線状の加工部位にクラッド層を形成する場合にはレーザ加工ヘッド１を鉛直方向軸線Ｖ周りに回転可能とする必要はない。また、レーザ加工ヘッド１は、旋回部２１や整流部２２を有するものである必要はない。さらに、レーザ加工ヘッドの内部に粉末状材料Ｐを供給するための複数の通路２Ａ〜２Ｄは、水平方向（２Ｃ、２Ｄ）および上下方向（２Ａ，２Ｂ）に延びるように配置する必要はなく、また、複数であれば４つに限定されることもない。さらに、レーザビーム照射部ＷＬにその周囲から吐出される粉末状材料Ｐの配分は、必ずしも均等にする場合だけでなく、レーザ加工ヘッド１の軸線Ｈの傾斜角などによっては、たとえば、加工部位Ｗの上方に吐出される粉末状材料Ｐが下方より多くなるように各通路２Ａ〜２Ｄからキャリヤガスと共に導入される粉末状材料Ｐの供給量を調整制御してもよい。
【００２７】
次に、本発明のレーザクラッディング加工方法の実施の一形態を、上述したように構成されたレーザクラッディング加工装置を用いて、内燃機関のシリンダヘッドのバルブシート（加工部位）Ｗにシート面となるクラッド層Ｓを形成する場合により、主に図３〜図６に基づいて詳細に説明する。
本発明のレーザクラッディング加工方法は、概略、レーザ加工ヘッド１から、加工部位Ｗに対してレーザビームＬを照射すると共に加工部位Ｗのレーザビーム照射部ＷＬに粉末状材料Ｐを吐出して、前記加工部位Ｗにクラッド層Ｓを形成するものであって、レーザビーム照射部ＷＬに対してその周囲から粉末状材料Ｐを所定の配分で吐出させるように、レーザ加工ヘッド１に複数箇所に設けられた通路２Ａ〜２Ｄから粉末状材料Ｐを調整制御して供給し、加工部位Ｗの傾斜に応じてレーザ加工ヘッド１の軸線Ｈを鉛直方向に対して傾斜させてクラッド層Ｓを形成するものである。各箇所の通路２Ａ〜２Ｄからの粉末状材料Ｐの供給量は、レーザ加工ヘッド１の軸線Ｈの傾斜角度に基づいて調整制御するものである。そして、この実施の形態においては、レーザ加工ヘッド１を鉛直方向軸線Ｖ周りに回転させるものである。
【００２８】
上述したように、レーザクラッディング加工装置は、図４および図５に示すように、絶対的な鉛直方向に対してレーザ加工ヘッド１を傾斜させたときの、旋回部２１に粉末状材料Ｐを供給する通路２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄのそれぞれの向きによって、その粉末状材料Ｐを流動させるためのキャリヤガスの流量を変化させるよう制御することができ、しかも、その変化の度合をレーザ加工ヘッド１の軸線Ｈの傾き角に応じて異ならせるよう制御することができる構成とされている。
【００２９】
加工部位Ｗにクラッド層Ｓを形成するに際しては、内燃機関のシリンダヘッドは、従来の技術（図７を参照）のようにバルブシートのクラッディング層Ｓを形成する加工部位Ｗに対する垂直方向を絶対的な鉛直方向軸線Ｖに指向させるように、バルブシートの中心軸線Ｊを傾斜させた状態でテーブルＴ’に保持することなく、水平なテーブルＴ上に位置決め固定される。そして、図示しないロボットアームの駆動により、所定の気筒のバルブシートに対応するようにレーザ加工ヘッド１を配置させ、そのバルブシートの傾斜した加工部位Ｗの面に対して相対的に垂直方向を向くように、レーザ加工ヘッド１を絶対的な鉛直方向に対して傾斜させる。
【００３０】
この状態で、レーザ加工ヘッド１からレーザビームＬを照射すると共にそのレーザビーム照射部ＷＬに周囲から粉末状材料Ｐを吐出させつつ、図示しないロボットアームの駆動により、レーザ加工ヘッド１を絶対的な鉛直方向軸線Ｖ周りに回転させて、円環状のバルブシートＷに全周にわたってクラッド層Ｓを形成する。このとき、本発明のレーザクラッディング加工方法では、図示しない制御手段により、吐出口１３からキャリヤガスと共に吐出される粉末状材料Ｐが傾斜した加工部位Ｗのレーザビーム照射部ＷＬに対して均等に供給されるように、複数の通路２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄからレーザ加工ヘッド１内の旋回部２１にキャリヤガスと共に供給される粉末状材料Ｐの量を制御する。この制御内容を具体例に基づいて以下に詳細に説明する。
【００３１】
この実施の形態では、各通路２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄから供給される粉末状材料Ｐの量（以下、粉量という）の合計を１ｇ／ｓとし、また、キャリヤガス量（以下、ガス量という）の合計を１４Ｌ／ｍｉｎとしている。キャリヤガスの種類は、用途によって異なるが、この実施の形態では不活性ガスである窒素ガスを用いた。そして、図示しない制御手段では、水平方向に向いた通路２Ｃと２Ｄについては粉量が同量となるようにガス量を同量に調整制御し、絶対絶対的な鉛直方向に対して傾斜した状態で上向きとなる通路２Ａについては粉量を増加させるべくガス量を増加させるよう調整制御し、絶対絶対的な鉛直方向に対して傾斜した状態で下向きとなる通路２Ｂについては粉量を減少させるべくガス量を減少させるよう調整制御する。
【００３２】
より具体的な実施の形態を示すと、図示しない制御手段は、図５に示すように、水平方向に向いた通路２Ｃと２Ｄについては、レーザ加工ヘッド１の傾き角にかかわらず、ガス量をそれぞれ３．５Ｌ／ｍｉｎとなるように制御して、粉量がそれぞれ０．２５ｇ／ｓとなるように調整する。
一方、絶対絶対的な鉛直方向に対して傾斜した状態で上向きとなる通路２Ａについては、重力により旋回部２１への粉末状材料Ｐの供給が鈍ることから通路２Ｃと２Ｄよりもガス量を多く、傾き角が１５度のときには、ガス量を３．７Ｌ／ｍｉｎに制御して粉量を０．２６ｇ／ｓに調整し、傾き角が３０度のときには、ガス量を４．２Ｌ／ｍｉｎに制御して粉量を０．３０ｇ／ｓに調整し、傾き角が４５度のときには、ガス量を４．８Ｌ／ｍｉｎに制御して粉量を０．３５ｇ／ｓに調整する。
また、絶対絶対的な鉛直方向に対して傾斜した状態で下向きとなる通路２Ｂについては、重力により旋回部２１への粉末状材料Ｐの供給が促進されることから通路２Ｃと２Ｄよりもガス量を少なく、傾き角が１５度のときには、ガス量を３．３Ｌ／ｍｉｎに制御して粉量を０．２４ｇ／ｓに調整し、傾き角が３０度のときには、ガス量を２．８Ｌ／ｍｉｎに制御して粉量を０．２０ｇ／ｓに調整し、傾き角が４５度のときには、ガス量を２．２Ｌ／ｍｉｎに制御して粉量を０．１５ｇ／ｓに調整する。
なお、この実施の形態では、ガス量を変化させることで供給される粉量を変化させることとしているが、粉量を任意に変化させることができれば、ガス量を変化させる必要はない。
【００３３】
図６は、通路２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの向きにかかわらず均一の粉量とした制御無しの場合と、図５に示したように通路２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄのそれぞれの向きに応じて粉量を変化させるべくガス量を変化させる制御有りの場合とで、傾斜した加工部位Ｗのレーザビーム照射部ＷＬの下方ａ部と上方ｂ部に対して供給される粉量の比を、レーザ加工ヘッド１の絶対的な鉛直方向に対する傾き角ごとに得られた実験結果を比較して示したグラフである。レーザ加工ヘッド１が傾けられていないとき（傾き角が０度のとき、すなわち、加工部位Ｗが水平のとき）には、レーザビーム照射部ＷＬの下方ａ部と上方ｂ部に対して供給される粉量の比が１となる。
そして、制御無しの場合には、レーザ加工ヘッド１の絶対的な鉛直方向に対して傾き角が増加するにしたがって、傾斜した加工部位に対するレーザビーム照射部ＷＬの下方ａ部と上方ｂ部に対して供給される粉量の比が明かに低下する。
一方、上述したように本発明による制御有りの場合には、レーザ加工ヘッド１の絶対的な鉛直方向に対する傾き角にかかわらず、傾斜した加工部位Ｗのレーザビーム照射部ＷＬの下方ａ部と上方ｂ部に対して供給される粉量の比が低下することなく略同一となることが明かである。
【００３４】
したがって、本発明のレーザクラッディング加工方法では、内燃機関の内燃機関のシリンダヘッドを、従来の技術（図７を参照）のようにバルブシートのクラッディング層Ｓを形成する加工部位Ｗに対する垂直な線が絶対的な鉛直方向を指向するように、バルブシートの中心軸線Ｊを傾斜させた状態でテーブルＴ’に保持することなく、しかも、その中心軸線Ｊ周りに回転させる必要がない。そのため、この実施の形態では、内燃機関のシリンダヘッドは、バルブシートの加工部位Ｗが略４５度（弁挟み角などによっても異なる）の傾斜を有するように、水平の状態でテーブルＴに容易に保持することができ、また、汎用のロボットアームによりレーザ加工ヘッド１を傾斜させて回転させることで、バルブシートの傾斜した円環状の加工部位Ｗにクラッド層Ｓを適切に且つ容易に形成することができる。そして、各気筒のバルブシートに対応してレーザ加工ヘッド１を移動させることにより、クラッド層Ｓを短時間で且つ適切に形成することができる。その後、クラッド層Ｓは、図３に鎖線で示すように、所望の形状のバルブシート面とするべく、必要に応じて所定の厚さに切削または研削加工が施される。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、簡単な構成で、加工部位の姿勢に関わらず、クラッド層を適切且つ容易に低コストで形成加工することができるレーザクラッディング加工装置およびレーザクラッディング加工方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザクラッディング加工装置のレーザ加工ヘッドの実施の一形態をを説明するための半断面図である。
【図２】図１の断面図である。
【図３】本発明によりシリンダヘッドのバルブシートにクラッド層を形成する状態を説明するための概念図である。
【図４】加工部位の傾斜に応じて傾けた状態のレーザ加工ヘッドに粉末状材料を供給する通路の向きを説明するための斜視図である。
【図５】本発明により傾き角に応じて各通路から調整制御して供給する粉量とガス量の変化を示す図表である。
【図６】各通路から供給された粉末材料がレーザビーム照射部に吐出される状態を説明するための概念図と、本発明によらない制御無しの場合と本発明による制御有りの場合とで、レーザビーム照射部の下方ａ部と上方ｂ部に対して吐出される粉末状材料の比をレーザ加工ヘッドの傾き角ごとに得られた実験結果を比較して示すグラフである。
【図７】従来の技術によりシリンダヘッドのバルブシートにクラッド層を形成する状態を説明するための概念図である。
【図８】従来のレーザクラッド加工装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
１    レーザ加工ヘッド
２Ａ〜２Ｄ    通路（材料供給手段）
１２    照射口
１３    吐出口
２１    旋回部
２２    整流部
２３    吐出部
Ｗ    バルブシート（加工部位）
Ｐ    粉末状材料
Ｓ    クラッド層
Ｌ    レーザビーム
ＷＬ  レーザビーム照射部
Ｖ    鉛直方向軸線
Ｈ    レーザ加工ヘッドの軸線
Ｊ    バルブシートの中心軸線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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