(57)【要約】【課題】空孔や割れの無いクラッド層を形成することのできるレーザクラッド加工方法を提供する。【解決手段】バルブシート部２を有したシリンダーヘッド１を形成する鋳造工程と、バルブシート部２に凹形状の溝を形成する溝加工工程と、前記溝部にレーザｈｖを照射し母材を溶かして溶融層２１を形成する溶融層形成工程と、溶融層２１上に金属粉末を供給しながら母材及びレーザを相対的に移動させつつレーザを照射し肉盛りしてクラッド層２０を形成するレーザクラッド加工工程と、を備える。そして、溶融層形成工程時におけるレーザの照射エネルギーを、レーザクラッド加工工程時におけるレーザの照射エネルギーより大とする。これより、空孔及び割れの無いクラッド層２０を形成することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
肉盛りを行う部位である被加工部を有した母材を形成する鋳造工程と、
前記被加工部に凹形状の溝を形成する溝加工工程と、
前記溝部にレーザを照射し母材を溶かして溶融層を形成する溶融層形成工程と、
前記溶融層上に金属粉末を供給しながら母材及びレーザを相対的に移動させつつレーザを照射し肉盛りしてクラッド層を形成するレーザクラッド加工工程と、を備え、
前記溶融層形成工程時におけるレーザの照射エネルギーを、前記レーザクラッド加工工程時におけるレーザの照射エネルギーより大とする
ことを特徴とするレーザクラッド加工方法。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザクラッド加工方法であって、
前記溶融層形成工程時におけるレーザの移動速度を、前記レーザクラッド加工工程時におけるレーザの移動速度より遅くする
ことを特徴とするレーザクラッド加工方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のレーザクラッド加工方法であって、
前記溶融層形成工程時におけるレーザの移動方向でのスポット長さを、前記レーザクラッド加工工程時におけるレーザの移動方向でのスポット長さより大とする
ことを特徴とするレーザクラッド加工方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか一つに記載のレーザクラッド加工方法であって、
前記溶融層形成工程時に、前記溶融層の厚みを０．２ｍｍ以上となるように加工する
ことを特徴とするレーザクラッド加工方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れか一つに記載のレーザクラッド加工方法であって、
前記母材がシリンダーヘッドであり、前記被加工部がバルブシート部である
ことを特徴とするレーザクラッド加工方法。
【請求項６】
被加工部にレーザを照射するレーザ照射装置と、被加工部に金属粉末を供給する粉末供給装置とを有し、鋳造された母材の被加工部に形成された凹形状の溝部にレーザを照射し母材を溶かして溶融層を形成した後、前記溶融層上に金属粉末を供給しながら母材及びレーザを相対的に移動させつつレーザを照射し肉盛りしてクラッド層を形成するレーザクラッド装置であって、
前記溶融層形成時におけるレーザの照射エネルギーを、クラッド層形成時のレーザの照射エネルギーより大とする制御手段を備えた
ことを特徴とするレーザクラッド装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザクラッド加工方法及びレーザクラッド装置に関し、空孔及び割れのないクラッド層の形成技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、自動車エンジンでは、バルブシートとして従来のシートリングを打ち込む方式に変えてバルブシート合金をシリンダーヘッドへ直接肉盛りする方式が採用され初めている。
【０００３】
このように、バルブシート合金をシリンダーヘッドに直接肉盛りすれば、シートリングの打ち込み方式に比べて熱伝導性を大幅に向上させることができ、冷却性能を高めることができる。
【０００４】
かかる肉盛り方式は、粉末供給装置のノズルから金属粉末をバルブシートを形成する部位（バルブシート部）に供給しながらレーザ発振器よりレーザを照射し、バルブシート部とレーザを相対的に回転させることで、リング状の肉盛り層（バルブシート）を形成するものである。
【０００５】
この肉盛り方式では、レーザクラッド加工を行う前工程として鋳造によって製造した金属母材に対し、バルブシートを形成する部位に切削工具にて凹形状の溝加工を行い、該溝部にレーザを照射して母材を溶かすことで溶融層を形成後、当該溶融層上に金属粉末を供給しながらレーザを照射してバルブシートを形成することが行われている（例えば、特許文献１など参照）。
【特許文献１】特開２００２−２３９７１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、溶融層を形成する溶融層形成工程では、溶融（時間）不足により溶融層内に鋳造ガスが残留し、クラッド加工工程時に前記鋳造ガスがクラッド層内へ移動し、仕上げ加工後にクラッド層（バルブシート表面）に空孔が発生することがある。
【０００７】
また、溶融層形成工程で溶融層の幅及び深さのバラツキにより、前記溝部内の鋳造ガスが未除去となる部位が生じ、その未除去部位をクラッドした際に、鋳造ガスがクラッド層内に残留する。
【０００８】
また、溶融層の厚みが０．２ｍｍ未満の場合には、前記溝部内の鋳造ガスが未除去となる部位が生じる。
【０００９】
さらには、溶融層形成工程で溶融不足により溶融仕切れなかった溝（以下、未溶融溝）が生じ、クラッド加工時に未溶融溝のエッジ部が肉盛材と溶け込み易くなり、希釈による割れが発生することがある。
【００１０】
そこで、本発明は、空孔や割れの無いクラッド層を形成することのできるレーザクラッド加工方法及びレーザクラッド装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のレーザクラッド加工方法は、肉盛りを行う部位である被加工部を有した母材を形成する鋳造工程と、前記被加工部に凹形状の溝を形成する溝加工工程と、前記溝部にレーザを照射し母材を溶かして溶融層を形成する溶融層形成工程と、前記溶融層上に金属粉末を供給しながら母材及びレーザを相対的に移動させつつレーザを照射し肉盛りしてクラッド層を形成するレーザクラッド加工工程と、を備える。そして本発明方法では、前記溶融層形成工程時におけるレーザの照射エネルギーを、前記レーザクラッド加工工程時におけるレーザの照射エネルギーより大とする。
【００１２】
本発明のレーザクラッド装置は、被加工部にレーザを照射するレーザ照射装置と、被加工部に金属粉末を供給する粉末供給装置とを有し、鋳造された母材の被加工部に形成された凹形状の溝部にレーザを照射し母材を溶かして溶融層を形成した後、前記溶融層上に金属粉末を供給しながら母材及びレーザを相対的に移動させつつレーザを照射し肉盛りしてクラッド層を形成する装置である。そして本発明装置では、溶融層形成時におけるレーザの照射エネルギーを、クラッド層形成時のレーザの照射エネルギーより大とする制御手段を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のレーザクラッド加工方法によれば、溶融層内に鋳造ガスが残留することがなく、クラッド層表面の空孔及び割れを無くすことができる。
【００１４】
本発明のレーザクラッド装置によれば、クラッド層表面の空孔及び割れの無いクラッド層を形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
「レーザクラッド装置の構成」
先ず、レーザクラッド装置の構成について説明する。図１はレーザクラッド装置を示す斜視図、図２は粉末供給装置のノズル先端から金属粉末を被加工部に供給している状態を示す図である。
【００１７】
レーザクラッド装置は、図１に示すように、例えば自動車用エンジンなどのシリンダーヘッド１の被加工部であるバルブシート部２にレーザｈｖを照射するレーザ照射装置３と、バルブシート部２に金属粉末４を供給する粉末供給装置５とを備えている。
【００１８】
レーザ照射装置３は、レーザ発振器６と、このレーザ発振器６により発振されるレーザの強さなどを制御する制御手段であるレーザ発振器制御部７と、ＮＣ制御装置８と、レーザを集光してバルブシート部２に照射させる集光ヘッド９とからなる。レーザ発振器６で発振されたレーザｈｖは、レーザ発振器制御部７で制御されて集光ヘッド９に供給され、この集光ヘッド９で絞られてバルブシート部２に照射される。
【００１９】
粉末供給装置５は、バルブシート部２に金属粉末４を供給するノズル１０（図１では図示を省略し図２に示す）と、金属粉末４を収容して置くホッパー１１と、金属粉末４の量を計測する荷重計１２と、ホッパー１１からノズル１０へと金属粉末４を送り込むフィーダ１３と、これらを制御する粉末制御部１４とからなる。ノズル１０の先端からは、ホッパー１１に収容された金属粉末４がフィーダ１３により送られることで、前記バルブシート部２へと吹き付けられる。なお、金属粉末４としては、例えば銅合金などが使用される。
【００２０】
このレーザクラッド装置では、前記レーザ発振器６とレーザ発振器制御部７とＮＣ制御装置８と粉末供給制御部１４とがそれぞれコンピュータ１５によって制御されている。そして、このように構成されたレーザクラッド装置によりバルブシート部２に金属粉末４を供給しながらレーザを照射して肉盛りを行うことでクラッド層（バルブシート）１６を形成するが、その際に、図２に示すように、シリンダーヘッド１を矢印Ａで示すように回転させながらレーザクラッド加工を行う。
【００２１】
「レーザクラッド加工方法」
次に、バルブシートを形成するレーザクラッド加工方法について説明する。図３から図９は、レーザクラッド加工工程を示す図である。
【００２２】
先ず、図３（Ａ）で示すシリンダーヘッド（母材）１を鋳造によって形成する（鋳造工程）。シリンダーヘッド１を形成するには、鋳造用金型を用意し、その鋳造用金型に溶融したアルミニウム合金を流し込む。鋳造されたシリンダーヘッド１には、図３（Ｂ）に示すように、後工程で肉盛りを行う部位であるバルブシート部（被加工部）２が形成される。
【００２３】
次に、バルブシート部２に凹形状の溝を形成する（溝加工工程）。溝加工工程では、図３（Ｃ）に示すように、切削工具１７を回転させながらバルブシート部２に押し当て、このバルブシート部２を切削してその表面に凹形状の溝を形成する。
【００２４】
次に、図４（Ａ）に示すように、前記溝加工工程で形成した溝部１８にレーザｈｖを照射し母材を溶かして溶融層を形成する（溶融層形成工程）。
【００２５】
次いで、図４（Ｂ）に示すように、前記溶融層上に金属粉末４を供給しながらシリンダーヘッド１及びレーザｈｖを相対的に回転させつつレーザｈｖを照射し肉盛りしてクラッド層を形成する（レーザクラッド加工工程）。
【００２６】
そして最後に、図４（Ｃ）に示すように、仕上げ用切削工具１９を回転させながらクラッド層２０に押し当てて、当該クラッド層２０の表面を研磨する（研磨加工工程）。
【００２７】
前記溶融層形成工程において、溶融（時間）不足が生じると、図５に示すように、溶融層２１内に鋳造ガス２２が発生する。そして、次の工程であるレーザクラッド加工工程で肉盛りをした時に、図６に示すように、鋳造ガス２２がクラッド層２０内へ移動し、その後の研磨加工工程でクラッド層（バルブシート）２０の表面に空孔が発生する。
【００２８】
また、溶融層形成工程において、溶融層２１の溶融幅及び溶融深さがばらつくと、或いは例えば溶融層２１の厚みＴが０．２ｍｍ未満であると、溝部１８内の鋳造ガス２２が未除去となる部位が生じ、レーザクラッド加工した時に鋳造ガス２２がクラッド層２０内に残る。なお、前記溶融層２１の厚み０．２ｍｍ（しきい値）は、一定値ではなく材料の種類や鋳造条件などにより変化する。
【００２９】
また、溶融層形成工程において溶融不足により、図７（Ａ）に示すように溶融仕切れなかった溝（未溶融溝）２３が生じ、レーザクラッド加工時に未溶融溝２３のエッジ部２４が、図７（Ｂ）に示すように、肉盛り材（クラッド層２０）と溶け込み易くなり、希釈によるヒビ（割れ）２５が発生する。
【００３０】
このような不具合を回避するために、本実施の形態では、溶融層形成工程時におけるレーザｈｖの照射エネルギーを、レーザクラッド加工工程時におけるレーザｈｖの照射エネルギーより大とする。レーザｈｖの照射エネルギーを変えるには、前記したレーザ発振器制御部７でレーザｈｖの強さを制御するようにする。
【００３１】
例えば、レーザクラッド加工工程時のレーザ出力を１．７ｋＷとした場合、溶融層形成工程時のレーザ出力はそれよりも高い２．２ｋＷとする。但し、レーザｈｖの波長は、共に０．８〜０．９μｍとする。
【００３２】
このように、溶融層形成工程時におけるレーザｈｖの照射エネルギーを、レーザクラッド加工工程時におけるレーザｈｖの照射エネルギーより大とすることで、溶融不足が解消されると共に溶融層の溶融幅及び溶融深さのバラツキが低減し、鋳造ガス２２の溶融層２１内における残留及びクラッド層２０への移動、未溶融溝２３の発生が無くなる。
【００３３】
したがって、図８に示すように、冷却されてバルブシートとなるクラッド層２０に空孔が存在しなくなり、また、希釈による割れが発生しないクラッド層（バルブシート）２０を形成することができる。
【００３４】
さらに、レーザ出力の向上により、高価な高出力レーザ発振器を使用することがなく、充分な溶融時間を得ることができる。
【００３５】
この他、溶融層形成工程時におけるレーザｈｖの移動速度を、レーザクラッド加工工程時におけるレーザｈｖの移動速度より遅くするようにしても同様の効果を得ることができる。
【００３６】
レーザクラッド加工時のレーザｈｖの移動速度を例えば１．２ｍ／分とした場合、溶融層形成工程時のレーザｈｖの移動速度はそれよりも遅い０．６ｍ／分とする。本実施の形態では、溶融層形成工程時のレーザｈｖの移動速度を、レーザクラッド加工時のレーザｈｖの移動速度の半分の速度とする。
【００３７】
このように、溶融層形成工程時におけるレーザｈｖの移動速度を、レーザクラッド加工工程時におけるレーザｈｖの移動速度より遅くすることで、移動速度が遅くなる分、溶融不足が解消されると共に溶融層の溶融幅及び溶融深さのバラツキが低減され、鋳造ガス２２の溶融層２１内における残留及びクラッド層２０への移動、未溶融溝２３の発生が無くなる。したがって、クラッド層２０に空孔が存在しなくなり、希釈による割れが発生しないクラッド層２０を形成することが可能となる。
【００３８】
またこの他、溶融層形成工程時におけるレーザｈｖの移動方向でのスポット長さを、レーザクラッド加工工程時におけるレーザｈｖの移動方向でのスポット長さより大とするようにしても同様の効果を得ることができる。
【００３９】
図９に示すように、溶融層形成工程時におけるレーザｈｖの移動方向でのスポット長さＬ１を、レーザクラッド加工工程時におけるレーザｈｖのスポット長さＬ２よりも長くする。図９では、これら各工程時のレーザｈｖのスポット長さＬ１、Ｌ２を比較するために、レーザクラッド加工工程時のレーザｈｖを溶融層形成工程時のレーザｈｖに重ねて表示してある。
【００４０】
このように、溶融層形成工程時におけるレーザｈｖの移動方向でのスポット長Ｌ１さを、レーザクラッド加工工程時におけるレーザｈｖの移動方向でのスポット長さＬ２より大とすることで、レーザｈｖの照射時間が多くなり、溶融不足が解消されると共に溶融層の溶融幅及び溶融深さのバラツキが低減され、鋳造ガス２２の溶融層２１内における残留及びクラッド層２０への移動、未溶融溝２３の発生が無くなる。
【００４１】
またこの他、溶融層形成工程時に、溶融層２１の厚みを０．２ｍｍ以上とするようにしても同様の効果を得ることができる。溶融層２１の厚みを０．２ｍｍ以上とするには、レーザｈｖの出力を上げる、又は、レーザｈｖの移動速度（ワーク回転速度）を下げるようにする。
【００４２】
溶融層２１の厚みＴが０．２ｍｍ未満であると鋳造ガスが未除去となるが、溶融層２１の厚みＴが０．２ｍｍ以上であれば、鋳造ガス２２がクラッド層２０に残留することがなく、研磨加工工程後にクラッド層２０の表面に空孔や割れが生じない。したがって、信頼性の高いバルブシートを製造することができる。
【００４３】
前記したその他の実施の形態は、それらのうちの何れかを最初の実施の形態に組み合わせてもよく、或いは、全ての実施の形態を組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１はレーザクラッド装置を示す斜視図である。
【図２】図２は粉末供給装置のノズル先端から金属粉末を被加工部に供給している状態を示す図である。
【図３】図３はレーザクラッド加工工程のうち鋳造工程と溝加工工程を示す工程図である。
【図４】図４はレーザクラッド加工工程のうち溶融層形成工程、レーザクラッド加工工程及び研磨加工工程を示す工程図である。
【図５】図５は溶融層形成工程時に鋳造ガスが溶融層に残留することを示す図である。
【図６】図６はレーザクラッド加工工程時にクラッド層内に鋳造ガスが移動することを示す図である。
【図７】図７は溶融層形成工程時に溶融不足により未溶融溝が生じ、レーザクラッド加工工程時にクラッド層に割れが生じたことを示す図である。
【図８】図８はクラッド層に空孔及び割れが生じていないことを示す図である。
【図９】図９は溶融層形成工程時におけるレーザの移動方向でのスポット長さを、レーザクラッド加工工程時におけるレーザの移動方向でのスポット長さより大としたことを示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１…シリンダーヘッド
２…バルブシート部（被加工部）
３…レーザ照射装置
４…金属粉末
５…粉末供給装置
６…レーザ発振器
９…集光ヘッド
１０…ノズル
１６…噴出口
１８…溝部
２０…クラッド層
２１…溶融層
２２…鋳造ガス
【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】
2009045639.tif 000008
【図７】
2009045639.tif 000009
【図８】
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【図９】
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