富士高周波工業株式会社

技術レポートレーザクラッディングでは出来ない事とトラブル事例
富⼠⾼周波⼯業株式会社 代表取締役 後藤光宏
⼤阪府堺市堺区遠⾥⼩野町 2-3-15 TEL072-229-0230 FAX072-233-7583
Mail

laser@fuji-koushuha.co.jp

1. はじめに
富⼠⾼周波⼯業株式会社は、⾼周波焼⼊れの受託加⼯メーカーとして、1956 年 11 ⽉に⼤阪府堺市で創業以来、⾼周波焼⼊れ専⾨の受託加⼯を⾏ってきました。60 年以上の⾼周波焼⼊れのノウハウを活かし、2008 年 12 ⽉にレーザ焼⼊れ装置を導⼊し、レーザ焼⼊れ事業を開始し、2011 年にレーザクラッディング事業（Fig.1）を開始しました。レーザクラッ
ディングでも出来ない事はたくさんあります。この技術はどのような制約の時に使えないのか？では、設計時どのような設計をしたら良いのか？という疑問を解説しています。レーザクラッディングのネガティブな部分を知ることで、より正しい設計が可能になります。
以 下 、 レ ー ザ ク ラ ッ デ ィ ン グ を “ LC （ LaserCladding）”と表記します。の底⾯に LC したい場合、COAX8 では、Fig.3 のように側⾯にノズルが⼲渉してしまい底⾯に対して1/3 程度の⾯積しか⾁盛りできません。対して Fig.4のように PN6625 を使⽤すれば、底⾯の 80%程度を⾁盛り施⼯することができます。よって、LC 施⼯を考える際には、ワークとノズルの⼲渉を⼗分に検討する必要性があります。

Fig.2 LC ノズル外観図

Fig.1 シャフト外周のレーザクラッディング
2. LC では出来ない事

Fig.3 COAX8 での LC 施⼯

2-1 ノズルの先端が⼊らない所への⾁盛り
LC 施⼯の際にまず、考えなければならない事は、ノズルの先端が⼊らない所への⾁盛りは不可能という事です。弊社が保有している LC ノズルは数種類ありますが、今回は、ＣＯＡＸ8 とＰＮ6625 ノズルについて紹介します。まず、Ｆｉｇ.2 にＣＯＡＸ8とＰＮ6625 ノズルの⼨法とＷＤ(ワーキングディスタンス)を⽰します。ＬＣ施⼯は、ノズルの先端とワークまでの距離が決まっています。よって、ノズルが⼲渉しない様に施⼯しなければなりません。例えば、Fig.3 のようなワークがあったとします。コの字~1~

Fig.4 PN6625 での LC 施⼯

2-2 ⾓部はシャープに出来ない
出来ない事の２つ⽬としてご紹介するのは、Fig.5のように⾁盛りだけでブロックを作る際、3D プリン
ターのように⾓部がシャープに出ないという事です。
例えば、40×40×10 ㎜のブロック形状のものを LCで製作しようとした場合、Fig.5 のように⾓部が液だれのような状態になり、丸くなってしまいます。そのため、40×40×10 ㎜のブロックを取るために各辺+5 ㎜程度の余分な⾁盛りをしなければなりません（Fig.6）。余分な⾁盛りをするという事は、せっかく⾁盛りをしたとしても捨ててしまう部分が多くなり、加⼯時間や材料コストの増⼤につながってしまいます。余分な⾁盛りをできるだけしないようにするには、Fig.7 のように余分な⾁盛りの原因となっている⾓部のみを追加で⾁盛すれば、最⼩限の⾁盛り造形で最⼤限のテストブロックが取れるようになります。単純計算でもこのように⾓部を追加で⾁盛りするだけで、約 30％の粉末使⽤量の低減、加⼯時間に関しては、25％の短縮になります。以上のように5×5 ㎜のサイズのビームで⼀回に多くの量を⾁盛りしようとした時、LC においては、スピーディーに⾁盛りをすることはできますが、3D プリンターのようにシャープな⾓部は出にくいです。レーザクラッデ
ィングで、シャープな⾓部を出そうと思えば、ビーム形状を⼩さくして、時間をかけて⾁盛りすれば、3D プリンターとまではいかないにしてもそこそこシャープな⾓部は出すことができます。

Fig.7 ⾓部追加⾁盛り
2-3 丸形ビームでの低希釈⾁盛り出来ない事として、最後にご紹介するのは、丸型のビームで低希釈⾁盛りをしようとするとなかなか難しいという点について説明します。Fig.8 の左の図が丸形ビームでの⾁盛りになり、⻩⾊い線のように中央部の希釈がどうしても⼤きくなってしまいます。逆に右側の矩形ビームによる⾁盛りの図は、希釈の形が丸形ビームと様⼦が違うことが分かるかと思います。矩形ビームで⾁盛りをしたものは、⽐較的まっすぐな希釈形状をしています。丸形ビームだと、どうしても中央部分のビーム強度が⾼くなってしまい、ビームの中央部分の希釈が⼤きくなってしまいます。だからと⾔って、ビーム強度を弱くして中央部分の希釈を下げようとすると、Fig.9 のように中央部は低希釈だが、両端は融合不良になりやすくなります。しかし、矩形ビームだと端から端まで均⼀なビーム強度をしているので、⽐較的平滑な希釈になりやすいです。よって、希釈を出来る限り少なくしたいという時は、矩形のビームを使った⽅が優位性が⾼いという事が⾔えます。

Fig.5 LC 施⼯の造形物（50×50×15 ㎜）

Fig.8 ビーム形状による希釈形状の違い

Fig.6 造形物の A-Aʻ断⾯図~2~

富士高周波工業株式会社

技術レポートFig.10 LC 施⼯によるクラック（カラーチェック）

Fig.9

丸ビームの低希釈による融合不良
3. LC トラブル事例

3-1 クラック
最初のトラブル事例としてクラックについて説明します。LC をする上でどうしても付きまとうトラブルになります。クラックの要因には、⼤きく分けて、応⼒割れと⾼温割れの２種類がありますが、本項では、応⼒割れについて説明します。ステライトやコルモノイに代表される Co 基や Ni 基の硬化⾁盛り材
は、Fig.10 のような⾁盛りの移動⽅向に対して垂直に発⽣するクラックが発⽣します。このようなクラックを⼀般的に応⼒割れと⾔います。Fig.11 のように基材に⾁盛りをした場合、⾁盛りされた材料は、⾚⽮印のように上⽅向に応⼒が発⽣します。しかし、基材が⾁厚で上に引っ張る応⼒よりも⼤きい⼒で下側に引っ張った時に⾁盛りされた材料は耐え切れずクラックを発⽣させてしまいます。硬化⾁盛り材は、軟らかい⾁盛り材と⽐較して、延性が無いので、クラックが⼊りやすくなるというメカニズムになります。また、Fig.12 のように硬化⾁盛り材を盛ってもクラックが発⽣しないケースもあります。やはり、同じ材料を同じ量だけ⾁盛りすれば、⾚⽮印のように上⽅向に引っ張る応⼒は発⽣します。しかし、基材側の⾁厚が薄⾁であれば、下⽅向に引っ張る⻘⽮
印⽅向の応⼒が上⽅向と⽐較しても⼩さくなります。
そのような状況下であれば、⾁盛りした部分にクラックは発⽣せず、ワークが⼤きく曲がるという状態になります。常温で⾁盛りをすれば、表⾯部と内部の温度差が⼤きく発⽣することで、これらの引っ張り合いの応⼒は⼤きくなり、クラックか歪のどちらかの形で問題は⽣じてきます。これらの問題を解決するには、「LC の応⽤」で解説したように予熱や⾁盛り条件の調整で、⾁盛り部と基材の温度差を⼩さくすることで、応⼒の発⽣を緩和することが⼀番の近道となります。
~3~

Fig.11 応⼒割れのメカニズム（基材が厚い場合）

Fig.12 応⼒割れのメカニズム（基材が薄い場合）
3-2 ブローホール
次にご紹介するのは、ブローホールについてです。
例えば、シャフトのような部品で⼀部のみ摩耗してしまい、その部分を⾁盛りして、修復させたいというケースがあります。LC 前の⾁盛り⾯に対する前加⼯として、摩耗したままの⾯では表⾯が荒れているため、切削加⼯を⾏い、⾁盛り⾯をきれいに整える必要性があります。しかし、⾁盛り前の切削加⼯として Fig.13 のように溝の形をコの字形状で仕上げてしまうと、⾚い点のように垂直の壁部分にブローホールが出来やすくなります。ブローホールが出来る原因として、LC は、基材側にもレーザ光を当てて溶融させながら、⾁盛りします。しかし、垂直の壁部分はレーザ光が当たりにくい為、基材を⼗分に溶融させることが出来ません。そのため、加熱不⾜状態となり、ブローホールが発⽣しやすくなります。
これらの問題を解決するためには、LC の条件を⾊々⾒直してもなかなか解決しません。それよりも、⾁盛り前の形状を変える事で、これらの問題は解決します。Fig.14 のように溝の開⼝部を 5 ㎜から 10 ㎜に広げる事で、壁の部分にもレーザの光が当たりやすくなります。そうすることで、壁の部分にレーザ光が当たり、基材が溶融しブローホールが発⽣しにくくなります。あとは、レーザクラッディングの条件を少し⾒直せば、⾁盛り不良は改善できます。このように、コの字形状の⾁盛りの場合、いくらレーザクラッディングの条件を⾒直しても根本解決にはならず、⾁盛り前のワーク形状を少し⾒直すだけで、解決するという事があります。

Fig.13 溝部への LC 施⼯

スパッタの多い粉末によって誘発されるトラブルの⼀つ⽬として、ノズルの詰まりというトラブルがあります。今回、事例として取り上げた粉末供給ノズルは COAX8 というノズルになります。COAX8 の特徴として、Fig.16 の⽮印部分の幅約 1 ㎜のスリットから粉末が供給され、中央の 10 ㎜の⽳からレーザ光及びシールドガスが供給されます。Fig.16 で⾒てもわかるように粉末が出るスリットの幅は、⾮常に狭くなっています。このノズルをスパッタの多い粉末で使⽤した場合、⾶び散った粉末がこのスリットの間に挟まってしまうことがあります。粉末がこのスリットの間に挟まってしまうと、その部分から粉末が出てこなくなります。本来であれば、360°全周から出るべき粉末の⼀部が出ないとなると⾁盛り形状が半円のような形にならず、Fig.17 のように半円の⼀部が⽋けたような⾁盛り形状になります。それと同時に、希釈にも影響が出るため、品質として良くない⾁盛り層が出来てしまいます。よって、これらのトラブルを回避するためには、ノズルの詰まりをこまめに確認することが重要になってきます。
そして、このノズルの詰まりが基点となって、ノズルの溶融（Fig.16）につながってしまうという事もあります。ノズルの詰まりだけであれば、掃除をすれば、再利⽤は可能ですが、ノズルが溶融してしまっては、再利⽤ができず、新品に変更しなければなりません。

Fig.14 開⼝部を広げた LC 施⼯
3-3 スパッタの多い粉末
最後に紹介するのが、Fig.15 のようなスパッタが多い粉末を LC 施⼯した時に起こりやすいトラブルです。LC 施⼯において、スパッタが少ない事に越したことはありません。スパッタが多いと様々なトラブルを誘発してしまいます。今回、紹介するのはスパッタが多い粉末によって誘発される、ノズルの詰まり、保護レンズの汚れについて解説していきます。

Fig.15 スパッタの多い粉末の LC 施⼯
3-3-1 ノズルの詰まり~4~

Fig.16 COAX8 ノズルの先端部

富士高周波工業株式会社

技術レポートFig.17 ノズルが詰まったことによるトラブル

3-3-2 保護レンズの汚れ
２つめの誘発されるトラブルとして、保護レンズの汚れというものがあります。Fig18 に COAX8 の保護レンズの位置を⽰しています。このレンズ構成では、加⼯点から約 200 ㎜離れた位置に保護レンズがあります。加⼯点で発⽣したスパッタがこの保護レンズの位置まで逆流のような形で⾶んできて、Fig.19 のように保護レンズに⿊い点のように不純物がついてしまいます。では、この⿊い点が保護レンズに付着することで何が起こるかというと、レーザ発振器から照射されたレーザ光はこの保護レンズもFig.17 ノズルが詰まったことによるトラブル通過します。保護レンズがきれいな状態であれば、光は 99.9％以上通過しますが、保護レンズに不純物3. まとめが付着していると、この⿊い点の部分だけ光を吸収
今回は、LC の出来ない事とトラブル事例についてしてしまい、レンズの温度が上がってしまいます。
まとめました。出来ない事やトラブル事例を事前に最悪の場合は、その急速な温度上昇により、レンズ知っておくことで、より、精度の⾼い LC 施⼯が可が割れてしまいます。そのような状況になると、保能となります。
護レンズによって、保護されていた焦点レンズなどの⾼額なレンズも破損させてしまう恐れがあります。
●この技術レポートに関する問い合わせは、
富⼠⾼周波⼯業株式会社
代表取締役 後藤光宏
TEL072-282-7101
Mail m.goto@fuji-koushua.co.jp

Fig.18 COAX8 の保護レンズ~5~