CN104789959A - 激光熔敷加工中的质量管理方法以及激光熔敷加工装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供激光熔敷加工中的质量管理方法以及激光熔敷加工装置，能够抑制制造成本，形成为简单的结构，并且能够可靠地进行要在被加工物的加工部位形成的熔敷层的质量管理。基于当向激光(R)排出的金属粉末(P)借助该激光(R)在空中熔融时产生的红外光(S)的强度对熔敷层的质量进行管理。

Description

激光熔敷加工中的质量管理方法以及激光熔敷加工装置
技术领域
本发明涉及激光熔敷加工中的质量管理方法以及激光熔敷加工装置。
背景技术
以往，例如为了提高发动机用气缸盖的气门座的耐久性并提高其设计自由度，已知有如下的激光加工：相对于气门座，一边供给例如粉体(粉末)状的熔敷材料一边照射激光，并使气门座与激光相对旋转，由此来形成熔敷层(cladding layer，堆焊层)。该激光加工是一般被称为激光熔敷加工的如下的技术：相对于已进行了发动机的燃烧室所需要的机械加工、例如气门孔形成加工等的气缸盖，向其应当成为气门座的区域供给由铜合金等构成的具有耐磨性的粉体状的熔敷材料并执行激光照射，最终形成应当成为气门座的环状的熔敷层、即熔敷焊道部。
作为对通过这样的激光熔敷加工形成的熔敷层(堆焊层)的质量进行管理的方法，例如已知有基于亮度计测的方法、基于放射温度计测的方法、基于使用了图像处理的形状计测的方法等，在专利文献1、2中公开了这种现有技术。
专利文献1所公开的熔敷层的质量判定方法是如下的方法：使亮度计的受光部朝向熔敷层的熔池，根据基于在设定于熔池的规定位置的规定直径的计测点计测到的亮度得到的计测信号的变化来判定熔敷层的质量的好坏。
此外，专利文献2所公开的熔敷件的质量保证方法是如下的方法：通过利用具备聚光光学系统的多个光传感器观察光强度来判定熔敷加工件有无异常，其中，上述聚光光学系统将从在局部加热源的照射中部件表面以及熔敷材料熔融而在照射点形成的熔池产生的光会聚至熔池的大小以下。
专利文献1：日本特开2002－48718号公报
专利文献2：日本特开平9－192861号公报
根据专利文献1所公开的熔敷层的质量判定方法，基本上不会计测没有熔融的部分或落下供给到母材上的熔敷材料的亮度，基于所计测到的亮度而获得的计测信号的偏差小，即便当在激光熔敷加工点的熔池产生的变化不显著的情况下也能够判定熔敷层的质量的好坏。
此外，根据专利文献2所公开的熔敷件的质量保证方法，通过利用具备聚光光学系统的多个光传感器观察光强度，能够在线(online)判定熔敷加工件有无异常，其中，上述聚光光学系统将从在局部加热源的照射中部件表面以及熔敷材料熔融而在照射点形成的熔池产生的光会聚至熔池的大小以下。
但是，对于专利文献1或专利文献2所公开的方法，一边在被加工物的加工部位形成熔敷层一边在线判定熔敷层的质量的好坏或检测熔敷加工时的异常的产生，因此，存在当制作出质量不良的产品时该产品变得无用，该产品的制造成本高昂的问题。此外，从熔池产生的光的亮度或光强度根据被加工物的组成等变动，因此，存在无法精密地检测要在被加工物的加工部位形成的熔敷层的质量的好坏或熔敷加工时的异常的产生的可能性。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够抑制制造成本，形成为简单的结构，并且能够可靠地进行要在被加工物的加工部位形成的熔敷层的质量管理的激光熔敷加工中的质量管理方法以及激光熔敷加工装置。
为了达成上述目的，本发明人等进行了深入研究，结果发现：通过测定向激光排出的金属粉末借助该激光在空中熔融时产生的红外光的强度(红外线量)，即便实际上不在被加工物的加工部位形成熔敷层，也能够对熔敷层的质量进行管理。
即，对于本发明的激光熔敷加工中的质量管理方法，在上述激光熔敷加工中，向照射至被加工物的加工部位的激光排出并被供给至上述被加工物的加工部位的金属粉末借助上述激光在上述被加工物的加工部位熔融，由此在上述被加工物的加工部位形成熔敷层，其中，基于当向上述激光排出的上述金属粉末借助上述激光在空中熔融时从上述金属粉末产生的红外光的强度对熔敷层的质量进行管理。
根据上述的质量管理方法，通过基于当向激光排出的金属粉末借助该激光在空中熔融时产生的红外光的强度对熔敷层的质量进行管理，能够实际上在被加工物的加工部位不形成熔敷层，进行要在被加工物的加工部位形成的熔敷层的质量管理。因此，能够抑制被加工物的制造成本，并且能够精密且可靠地判定要在被加工物的加工部位形成的熔敷层的质量的好坏。
此外，上述的激光熔敷加工中的质量管理方法优选为，从上述激光的周围向上述激光排出上述金属粉末。
根据上述的质量管理方法，通过从激光的周围向该激光排出金属粉末，从激光的周围排出的金属粉末在激光的照射轴线上碰撞，借助激光而熔融的金属粉末存在于激光的照射轴线上，因此，能够提高在熔敷层的质量管理中使用的红外光的强度，能够更精密且可靠地判定要在被加工物的加工部位形成的熔敷层的质量的好坏。
此外，上述的激光熔敷加工中的质量管理方法优选为，基于在上述激光的照射轴线方向产生的红外光的强度对熔敷层的质量进行管理。
根据上述的质量管理方法，通过测定在激光的照射轴线方向产生的红外光的强度来对熔敷层的质量进行管理，无论被加工物的形状、尤其是被加工物的加工部位周围的形状如何，都能够可靠地测定从借助激光在空中熔融的金属粉末产生的红外光的强度，因此，能够更精密且可靠地判定要在被加工物的加工部位形成的熔敷层的质量的好坏。此外，能够共享在熔敷层的质量管理中使用的红外光的路径和激光的路径，因此，也能够简化在激光熔敷加工中使用的激光熔敷加工装置的结构。
此外，对于本发明的激光熔敷加工装置，向照射至被加工物的加工部位的激光排出并被供给至上述被加工物的加工部位的金属粉末借助上述激光在上述被加工物的加工部位熔融，由此在上述被加工物的加工部位形成熔敷层，其中，上述激光熔敷加工装置具备：测定部，该测定部测定当向上述激光排出的上述金属粉末借助上述激光在空中熔融时从上述金属粉末产生的红外光的强度；以及处理部，该处理部对由上述测定部测定到的红外光的强度进行处理，从而对熔敷层的质量进行管理。
上述的激光熔敷加工装置具备：测定部，该测定部测定当向激光排出的金属粉末借助激光在空中熔融时产生的红外光的强度；以及处理部，该处理部对由该测定部测定到的红外光的强度进行处理，从而对熔敷层的质量进行管理，由此，能够实际上不在被加工物的加工部位形成熔敷层，进行要在被加工物的加工部位形成的熔敷层的质量管理。因此，能够抑制被加工物的制造成本，并且能够精密且可靠地判定要在被加工物的加工部位形成的熔敷层的质量的好坏。
从以上的说明可以理解，根据本发明，形成为基于当向激光排出的金属粉末借助该激光在空中熔融时产生的红外光的强度对熔敷层的质量进行管理的简单的结构，即便实际上不在被加工物的加工部位形成熔敷层，也能够可靠地进行要在被加工物的加工部位形成的熔敷层的质量管理。
附图说明
图1是示出本发明的激光熔敷加工装置的整体结构的立体图。
图2是示意性地说明基于图1所示的激光熔敷加工装置的质量管理方法的说明图。
图3是示出在图2所示的管理装置显示的红外光的强度的一例的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的激光熔敷加工中的质量管理方法以及激光熔敷加工装置的实施方式进行说明。
[激光熔敷加工装置]
图1是示出本发明的激光熔敷加工装置的整体结构的立体图。
图示的激光熔敷加工装置9例如是在气缸盖(被加工物)H的气门座部(加工部位)进行激光熔敷加工的装置，主要具备：使气缸盖H偏转并进行保持的气缸盖保持装置1；一边对加工部位照射激光一边排出粉末金属(例如以铜或镍为主成分的材料)的激光加工头2；使激光加工头2相对于铅垂方向倾斜并进行保持，且使该激光加工头2绕铅垂轴线旋转的旋转装置3；以及朝激光加工头2供给粉末金属的粉体供给装置(送料器)4。
气缸盖保持装置1以使得气门座部的中心轴线沿着铅垂方向的方式使气缸盖H偏转，或者以使得气门座部的中心轴线与激光加工头2的旋转轴线一致的方式使气缸盖H朝水平方向二维地移动。
激光加工头2具有：产生激光的激光产生部5；内置有对激光进行聚光的聚光透镜等的光学系统部6；以及使激光通过并且从该激光的周围排出粉末金属的双重管构造的同轴喷嘴7，该同轴喷嘴7经由供给管8与送料器4连接。该激光熔敷加工装置9从送料器4朝同轴喷嘴7供给与要在加工部位形成的熔敷层(堆焊层)相应的量的粉末金属，利用激光产生部5生成与该粉末金属相应的输出的激光，经由同轴喷嘴7朝加工部位一边照射激光一边排出粉末金属，由此能够在气缸盖H的气门座部形成所希望的熔敷层。
此外，在图示的激光熔敷加工装置9配设有用于对要在例如气缸盖H的气门座部形成的熔敷层的质量进行管理的管理装置10。
该管理装置10主要具有：测定向激光排出的金属粉末借助该激光在空中熔融时产生的红外光的强度(红外线量)的放射温度计(测定部)11；以及对由放射温度计11测定到的红外光的强度进行处理，从而对熔敷层的质量进行管理的信号处理装置(处理部)12。
[激光熔敷加工中的质量管理方法]
参照图2对图1所示的激光熔敷加工装置9的管理装置10所进行的质量管理方法进行详细叙述。另外，该管理装置10主要用于在对被加工物的加工部位进行激光熔敷之前，判定要在该被加工物的加工部位形成的熔敷层的质量的好坏。
首先，对激光熔敷加工装置9的装置结构进行更具体的说明，如图2所示，同轴喷嘴7主要具备：具有用于供激光R通过的激光通路21的大致圆管状的内喷嘴20；以及外嵌于内喷嘴20的外喷嘴22。内喷嘴20与外喷嘴22配置在同轴上，在内喷嘴20与外喷嘴22之间划分形成有供从送料器4朝同轴喷嘴7供给的金属粉末R通过的大致圆环状的排出空间19。该排出空间19随着趋向同轴喷嘴7的前端侧而缩径，通过排出空间19从排出口18排出的金属粉末P与运载气体(例如氮气)一起从激光R的周围朝该激光R的照射轴线L上的照射点F或其附近大致均匀地排出。
此外，在光学系统部6的内部，例如由电介质多层膜反射镜等构成的光束分离器(分光部)13与聚光透镜14在激光R的照射轴线L上排列配置。由激光产生部5生成的激光R透射内置于光学系统部6的光束分离器13，由聚光透镜14聚光后通过同轴喷嘴7的内喷嘴20的激光通路21，并经由其照射口17照射至设定于同轴喷嘴7的外部的照射点F。由此，通过照射口17后的激光R在该照射点F或其附近照射至从排出口18排出的金属粉末R。
接着，对激光熔敷加工装置9的管理装置10所进行的质量管理方法进行说明。使上述的激光熔敷加工装置9以在激光R的照射点F附近不存在被加工物的状态工作，从送料器4朝同轴喷嘴7供给金属粉末P，利用激光产生部5生成激光R，经由同轴喷嘴7一边照射激光R一边从排出口18排出金属粉末R，此时，在激光R的照射轴线L上的照射点F附近的空中，金属粉末P借助激光R熔融，从熔融后的金属粉末P产生红外光S。从在照射点F附近的空中熔融的金属粉末P产生的红外光S通过内喷嘴20的激光通路21(朝与激光R的照射方向相反的方向)，进而通过光学系统部6的聚光透镜14到达光束分离器(分光部)13，利用该光束分离器13将红外光S中的测定波长成分朝规定的方向(图中相对于激光R的照射方向垂直的方向)反射而使其与激光R分离。由光束分离器13分离后的红外光S(尤其是其中的测定波长成分)被导入放射温度计11，利用该放射温度计11测定其强度(红外线量)。将由放射温度计11测定到的强度(红外线量)朝信号处理装置12发送，在利用该信号处理装置12实施规定的信号处理之后，将该处理结果显示于该信号处理装置12的显示画面15。
使用者等经由信号处理装置12的显示画面15确认该处理结果，基于该处理结果，判定从排出口18朝照射点F附近排出的金属粉末P的排出量的好坏、或从照射口14朝照射点F照射的激光R的强度的好坏，由此能够在对例如被加工物的加工部位进行激光熔敷之前，判定要在该被加工物的加工部位形成的熔敷层的质量的好坏。另外，例如能够通过对实际测定到的红外光S的强度与预先测定的合格品的红外光S的强度(标准波形)进行比较来判定金属粉末P的排出量的好坏或激光R的强度的好坏。
实际上，如上所述，预先设定激光熔敷加工装置9的各参数，以使得从送料器4朝同轴喷嘴7供给与要在被加工物的加工部位形成的熔敷层相应的量的粉末金属，并利用激光产生部5生成与该粉末金属相应的输出的激光。因此，当在金属粉末P的排出量或激光R的强度产生不良的情况(例如产生同轴喷嘴7内的金属粉末P的堵塞或光学系统部6的透镜脏污等的情况)下，如图3所示，从在空中熔融的粉末金属P产生的红外光S的强度(红外线量)相对降低。使用者等在如图3所示实际测定到的红外光S的强度降得低于规定的判定基准时，能够判断为金属粉末P的排出量或激光R的强度降低从而导致熔敷层的质量降低，因此能够比较容易地判定要在加工部位形成的熔敷层的质量的好坏。
另外，也能够一边在被加工物的加工部位进行激光熔敷加工一边使用上述的管理装置10。具体而言，也能够利用上述放射温度计11测定当经由同轴喷嘴7一边朝加工部位照射激光一边排出粉末金属时从在加工部位形成的熔池产生的红外光的强度，利用信号处理装置12对由放射温度计11测定到的红外光的强度实施规定的信号处理，根据该处理结果判定要在加工部位形成的熔敷层的质量的好坏。另外，一边在被加工物的加工部位进行激光熔敷加工一边判定熔敷层的质量的好坏时使用的判定基准一般与在进行上述的激光熔敷加工之前判定熔敷层的质量的好坏时使用的判定基准不同。
这样，根据本实施方式，通过基于当向激光R排出的金属粉末R借助该激光R在空中熔融时产生的红外光S的强度对熔敷层的质量进行管理，能够实际上不在被加工物的加工部位形成熔敷层，进行要在被加工物的加工部位形成的熔敷层的质量管理。因此，能够抑制被加工物的制造成本，并且能够精密且可靠地判定要在被加工物的加工部位形成的熔敷层的质量的好坏。
另外，在上述的实施方式中，为了提高在熔敷层的质量管理中使用的红外光S的强度(红外线量)，更精密且可靠地判定要在被加工物的加工部位形成的熔敷层的质量的好坏，经由同轴喷嘴7从激光R的周围朝该激光R大致均匀地排出金属粉末R，但只要能够利用放射温度计11计测红外光S的强度(红外线量)即可，并不是一定要从激光R的周围朝该激光R大致均匀地排出金属粉末R。
此外，在上述的实施方式中，为了可靠地测定从借助激光R在空中熔融的金属粉末P产生的红外光S的强度，并且简化激光熔敷加工装置9的结构，对在激光R的照射轴线L方向产生的红外光S的强度进行测定而对熔敷层的质量进行管理，但当然也可以从任意方向测定从借助激光R在空中熔融的金属粉末S产生的红外光S的强度。
以上，使用附图对本发明的实施方式进行了详细叙述，但具体的结构并不限定于该实施方式，不脱离本发明的主旨的范围的设计变更等也包含于本发明。
标号说明
1：气缸盖保持装置；2：激光加工头；3：旋转装置；4：粉末金属供给装置(送料器)；5：激光产生部；6：光学系统部；7：同轴喷嘴；8：供给管；9：激光熔敷加工装置；10：管理装置；11：放射温度计(测定部)；12：信号处理装置(处理部)；13：光束分离器(分光部)；14：聚光透镜；15：显示画面；17：照射口；18：排出口；19：排出空间；20：内喷嘴；21：激光通路；22：外喷嘴；F：激光的照射点；L：激光的照射轴线；P：金属粉末；R：激光。

Claims (7)

1.一种激光熔敷加工中的质量管理方法，在所述激光熔敷加工中，向照射至被加工物的加工部位的激光排出并被供给至所述被加工物的加工部位的金属粉末借助所述激光在所述被加工物的加工部位熔融，由此在所述被加工物的加工部位形成熔敷层，
其中，
基于当向所述激光排出的所述金属粉末借助所述激光在空中熔融时从所述金属粉末产生的红外光的强度对熔敷层的质量进行管理。
2.根据权利要求1所述的激光熔敷加工中的质量管理方法，其中，
从所述激光的周围向所述激光排出所述金属粉末。
3.根据权利要求1或2所述的激光熔敷加工中的质量管理方法，其中，
基于在所述激光的照射轴线方向产生的红外光的强度对熔敷层的质量进行管理。
4.一种激光熔敷加工装置，向照射至被加工物的加工部位的激光排出并被供给至所述被加工物的加工部位的金属粉末借助所述激光在所述被加工物的加工部位熔融，由此在所述被加工物的加工部位形成熔敷层，
其中，
所述激光熔敷加工装置具备：
测定部，该测定部测定当向所述激光排出的所述金属粉末借助所述激光在空中熔融时从所述金属粉末产生的红外光的强度；以及
处理部，该处理部对由所述测定部测定到的红外光的强度进行处理，从而对熔敷层的质量进行管理。
5.根据权利要求4所述的激光熔敷加工装置，其中，
所述金属粉末从所述激光的周围向所述激光排出。
6.根据权利要求4或5所述的激光熔敷加工装置，其中，
所述测定部测定在所述激光的照射轴线方向产生的红外光的强度。
7.根据权利要求6所述的激光熔敷加工装置，其中，
在所述激光的照射轴线上，配置有使所述激光透射并反射所述红外光的分光部。
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