CN111519181A - 激光熔覆层形成方法和激光熔覆装置 - Google Patents

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Abstract

提供了激光熔覆层形成方法和激光熔覆装置。激光熔覆层形成方法包括：分割处理，其将工件的周表面上的用于激光熔覆层的预定形成部分分割成多个区域；相位确定处理，其将工件保持成使得工件的轴向方向是水平的，并且将工件的相位确定成使得工件的周表面在一个区域中的法线的方向在相对于竖直向上方向的预定角度范围内；以及形成处理，其在确定了工件的相位的状态下在向所述一个区域供应粉末时用激光束照射所述粉末并且使所述粉末熔融以形成熔珠。通过在区域上重复相位确定处理和形成处理以在整个预定形成部分中形成熔珠，来形成激光熔覆层。

Description

激光熔覆层形成方法和激光熔覆装置
1.技术领域
本发明涉及激光熔覆层形成方法和激光熔覆装置。
2.背景技术
已经存在下述方法：通过粉末等离子喷涂在轴承金属工件的内周部分上形成锡基合金的白色金属涂层以提高支承磨床等的轴使该轴可旋转的轴承金属的抗咬粘性(例如，参见日本专利申请公开第2001-335914号(JP2001-335914A)和日本专利申请公开第2008-190656号(JP2008-190656A))。
在相关技术中，由于喷涂密度低，需要比最终厚度大几倍的喷涂厚度，并且需要大量的工时来堆叠几十层，并且材料产量也较低。由于在粉末等离子喷涂中材料对工件的附着强度低，因此需要对工件进行诸如熔剂涂覆或喷丸处理之类的预处理。
作为形成金属涂层的其他方法，已经存在激光熔覆法(例如，参见日本专利申请公开第9-66379号(JP 9-66379A)等)。根据激光熔覆方法，具有可以有效地形成具有高密度的金属涂层(激光熔覆层)的优点。
发明内容
但是，在围绕工件的中心轴的工件的周表面上形成诸如白色金属的具有低熔点的金属(例如，熔点为500℃或低于500℃的金属或合金)的激光熔覆层的情况下，由于所述金属的低熔点，需要大量时间来使其凝固，并且当通过激光束照射而加热的工件变得倾斜时，会发生熔珠的下垂。这可能容易导致质量的劣化。
本发明提供一种激光熔覆层形成方法及一种激光熔覆装置，其能够在避免熔珠下垂的同时有效地形成熔点为500℃或低于500℃的金属的激光熔覆层。
本发明的第一方面涉及一种激光熔覆层形成方法，该方法在将熔点为500℃或低于500℃的金属的粉末供应至围绕工件的中心轴的工件的周表面时利用来自激光照射单元的激光束照射所述粉末，并且使用熔融的粉末在工件的周表面上形成金属的激光熔覆层。
根据上述方面的激光熔覆层形成方法包括：分割处理，其将工件的周表面上的用于激光熔覆层的预定形成部分分割成多个区域，所述多个区域中的每个区域在周向方向上具有等于或小于90度的角度；相位确定处理，其将工件保持成使得工件的轴向方向是水平的并且将工件的相位确定成使得工件的周表面在多个区域中的一个区域中的法线的方向在相对于竖直向上方向的预定角度范围内；以及形成处理，其在确定了所述工件的相位的状态下，在向所述一个区域供应粉末时利用激光束照射所述粉末，并且使所述粉末熔融以形成熔珠。通过在区域上重复相位确定处理和形成处理以在整个预定形成部分中形成熔珠，来形成激光熔覆层。
根据该方法，通过重复用于将工件的周表面上的一个区域放置成几乎水平状态的相位确定以及通过在所述一个区域中利用激光束对熔点为500℃或低于500℃的金属的粉末进行照射的熔珠形成，能够在避免熔珠下垂的同时有效地形成激光熔覆层。
本发明的第二方面涉及一种激光熔覆装置，该激光熔覆装置包括：激光照射单元，其被配置成在将熔点为500℃或低于500℃的金属的粉末供应至工件时利用激光束照射所述粉末；旋转机构，其被配置成在将工件保持成使得该工件的轴向方向是水平的时使该工件围绕该工件的中心轴线旋转；移动机构，其被配置成使激光照射单元和工件在轴向方向上相对于彼此移动；以及控制单元，其被配置成执行控制以重复执行以下操作：i)将工件的相位确定成使得工件的周表面在多个区域中的一个区域中的法线的方向在相对于竖直向上方向的预定角度范围内，工件的周表面上的用于激光熔覆层的预定形成部分被分割成多个区域，并且所述多个区域中的每个区域在周向方向上具有等于或小于90度的角度；以及ii)使用激光照射单元和移动机构，在从激光照射单元向所述一个区域供应粉末时利用激光束照射所述粉末并使所述粉末熔融以形成熔珠。
利用该结构，通过重复用于将工件的周表面上的一个区域放置成几乎水平状态的相位确定以及通过在所述一个区域中利用激光束对熔点为500℃或低于500℃的金属的粉末进行照射的熔珠形成，能够在避免熔珠下垂的同时有效地形成激光熔覆层。
本发明的第三方面涉及一种激光熔覆层形成方法，该方法在将熔点为500℃或低于500℃的金属的粉末供应至围绕工件的中心轴的该工件的周表面时利用来自激光照射单元的激光束照射所述粉末，并且使用熔融的粉末在该工件的周表面上形成金属的激光熔覆层。
根据本发明的第三方面的激光熔覆层形成方法包括：形成处理，其在将粉末供应至工件的周表面上的用于激光熔覆层的预定形成部分时利用激光束照射所述粉末并使粉末熔融以形成熔珠；以及控制处理，其控制在形成处理期间由于利用激光束照射而形成的熔池的大小。
根据该方法，通过在控制由于利用激光束照射而形成的金属的熔池的大小的同时形成熔珠，可以在避免由于熔池的扩大而导致熔珠的下垂的同时有效地形成激光熔覆层。
本发明的第四方面涉及一种激光熔覆装置，该激光熔覆装置包括：激光炬，其被配置成在将熔点为500℃或低于500℃的金属的粉末供应至工件时利用激光束照射所述粉末；移动机构，其被配置成使激光炬和工件相对于彼此移动；以及控制单元，其被配置成在经由移动机构使激光炬和工件相对于彼此移动并从激光炬供应粉末时，经由激光炬利用述激光束照射围绕工件的中心轴的工件的周表面上的用于激光熔覆层的预定形成部分以便使粉末熔融以形成熔珠，并且控制在熔珠的形成期间由于利用激光束照射而形成的熔池的大小。
利用该配置，通过在经由移动机构使激光照射单元和工件相对于彼此移动并从激光照射单元供应粉末时利用激光束照射所述粉末，并且使粉末熔融以形成熔珠，并且使控制单元控制在熔珠的形成期间由于利用激光束照射而形成的熔池的大小，能够在避免由于熔池扩大而导致熔珠的下垂的同时有效地形成激光熔覆层。
附图说明
下面将参照附图描述本发明的示例性实施方式的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中：
图1是示出根据第一实施方式的激光熔覆装置的配置以及与工件的位置关系的整体配置图；
图2是根据第一实施方式的激光熔覆装置的激光炬的远端的放大侧视图；
图3是示出根据第一实施方式的激光熔覆层形成方法的整体流程的流程图；
图4是示意地示出根据第一实施方式的在工件的内周表面上形成熔珠的示例的透视图；
图5是示意地示出根据第一实施方式的修改示例的在工件的内周表面形成有熔珠的示例的透视图；
图6是示出根据第二实施方式的激光熔覆装置的配置以及与工件的位置关系的整体配置图；
图7是示意地示出根据第二实施方式的在工件的外周表面上形成熔珠的示例的透视图；
图8是示出根据其他修改示例的激光熔覆装置的配置以及与工件的位置关系的整体配置图；
图9是示出根据第三实施方式的激光熔覆装置的配置以及与工件的位置关系的整体配置图；
图10是根据第三实施方式的激光熔覆装置的激光炬的远端的放大侧视图；
图11是示出根据第三实施方式的激光熔覆层形成方法的整体流程的流程图；
图12是示意地示出根据第三实施方式的在工件的内周表面上形成熔珠的示例的透视图；
图13是示出根据第三实施方式的在工件的内周表面上的熔珠形成路径的透视图；
图14是示出根据第四实施方式的激光熔覆装置的配置以及与工件的位置关系的整体配置图；
图15是示意地示出根据第四实施方式的在工件的外周表面上形成熔珠的示例的透视图；
图16是示出根据第四实施方式的在工件的外周表面上的熔珠形成路径的透视图；
图17是示出根据第五实施方式的激光熔覆装置的配置以及与工件的位置关系的整体配置图；
图18是示出根据第五实施方式的激光熔覆层形成方法的整体流程的流程图；以及
图19是示出根据修改示例的在工件的内周表面上的熔珠形成路径的透视图。
具体实施方式
下文中，将参照附图描述根据本发明的实施方式的激光熔覆层形成方法及激光熔覆装置。下面将参照图1描述根据第一实施方式的激光熔覆装置1的配置。图1是示出根据第一实施方式的激光熔覆装置1的配置以及与工件W的位置关系的整体配置图。图2是激光熔覆装置1的激光炬30的远端的放大侧视图。
激光熔覆装置1是在工件(换言之，母材)W的周表面上形成熔点为500℃或低于500℃的金属的激光熔覆层的装置。在本实施方式中，假设激光熔覆层由作为熔点为500℃或低于500℃的金属的锡基金属构成。锡基金属的示例包括锡(Sn)和含有锡作为主要成分的锡合金。锡合金的示例包括含有金属例如铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、银(Ag)和铋以及锡作为成分的合金。在本实施方式中，假设使用白色金属作为锡基金属的示例。白色金属是JIS5401中描述的锡基合金，并且是以锡为主成分的含有锑、铜等的合金。工件W是筒状构件，并且包括内径部分W1。在该实施方式中，工件W的示例是轴承金属，其由诸如铬钼钢的铁基金属材料制成，并且支承磨床等的轴，使得该轴可旋转。这里，工件W不限于轴承金属。
如图1所示，激光熔覆装置1包括激光束照射机构10、旋转机构50、控制单元60。激光束照射机构10包括激光振荡器20、激光炬30和移动机构40。
激光振荡器20附接至激光炬30的基侧的外周表面并且沿激光炬30的径向方向向内发射激光束L。在本实施方式中，激光束的输出功率被设置为恒定的，但是通过控制激光振荡器20，激光束的输出功率也可以被设置为可变的。激光炬30构成本发明的激光照射单元，并且包括筒状体31、布置在该体31内的光学系统32以及粉末供应单元33。在体31的远端附近的较下侧表面上形成有出口31a。
光学系统32包括第一反射部32a、第一聚焦部32b、第二聚焦部32c和第二反射部32d。第一反射部32a布置在激光炬30的基侧的内部，将从激光振荡器20沿径向方向发射的激光束L朝轴向方向的远端反射。第一聚焦部32b和第二聚焦部32c是用于聚焦激光束的凸透镜，在体31内沿着由第一反射部32a反射的激光束L的光轴顺序地布置，并用于聚焦激光束L以及将激光束L引导至第二反射部32d。
第二反射部32d面向出口31a地布置在体31的远端附近的内部，并且将由第一聚焦部32b和第二聚焦部32c聚焦的激光束L倾斜向下反射。例如，如图2所示，入射在第二反射部32d上的激光束L以相对于体31的轴向方向的角度θL被向下反射，并经由出口31a被施加至工件W上。角度θL可以设置为例如120°。
粉末供应单元33布置在出口31a的基侧附近，并且通过吹入惰性保护气体将白色金属的粉末供应至工件W的激光束照射表面。在此使用的白色金属的粉末的粒径例如在约50μm至100μm的范围内。例如，如图2所示，粉末供应单元33以相对于体31的轴向方向的角度θP向下供应白色金属的粉末。角度θP可以设置为例如150°。
移动机构40是使激光炬30和工件W在轴向方向上相对于彼此移动的机构。移动机构40可以是能够保持并沿轴向方向水平移动激光炬30的已知机构，例如机械臂。
旋转机构50是将工件W保持成使得工件W的轴向方向是水平的并且使工件W围绕轴C旋转的机构。旋转机构50包括例如保持工件W的轴向端部的卡盘和使卡盘绕中心轴C旋转的伺服电动机。
控制单元60是包括未示出的CPU、ROM和RAM的计算机，并且通过控制激光束照射机构10和旋转机构50的单元的操作来执行激光熔覆层形成方法的处理。
下面将参照图3和图4描述使用激光熔覆装置1的激光熔覆层形成方法。图3是示出激光熔覆层形成方法的流程的流程图。图4是示意性地示出在工件W的内周表面上应用形成激光熔覆层的方法的示例并且示出工件W的一部分的透视图。根据本实施方式的激光熔覆层形成方法是下述的方法：在经由激光炬30供应作为熔点为500℃或低于500℃的金属的白色金属的粉末时利用激光束照射围绕中心轴C的工件W的内周表面，并使用熔融粉末在工件W的内周表面上形成白色金属的激光熔覆层。由控制单元60执行激光熔覆层形成方法。
首先，如图3的流程图所示，在步骤1(步骤1在下文中简称为S1，这同样适用于随后的步骤)中执行分割处理。分割处理S1是下述处理：将工件W的周表面上的用于激光熔覆层的预定形成部分(即，要在其上形成激光熔覆层的部分)分割成多个区域，其中每个区域在周向方向上具有等于或小于90度的角度。在该实施方式中，工件W的整个内周表面用作预定形成部分，并在周向方向上被分割成N个区域(其中，N是正整数)。N个区域的每一个对应于由激光熔覆装置1形成的白色金属的熔珠宽度。熔珠宽度为大约几毫米(例如，5毫米)。限定区域的处理作为在控制单元60中执行的内部处理来执行，但是为了容易理解，在图4中通过虚线示出了相邻区域之间的边界。在分割处理S1之后，在S2中将变量n设置为1。
然后，在S3中，执行相确定处理。相确定处理S3是下述处理：将工件W保持成使得工件W的轴向方向是水平的并且将工件W的相位确定成使得工件W的周表面在分割处理S1中限定的多个区域中的一个区域中的法线的方向在相对于竖直向上方向的预定角度范围内。在本实施方式中，工件W被旋转机构50保持成使得工件W的轴向方向是水平的，并且通过旋转工件W将相位确定成使得工件W的内周表面在周向方向上的N个区域中的未形成熔珠(即熔覆熔珠)的第n区域(其中n为1至N范围内的整数)的中心处的法线的方向是竖直向上方向。在图4中，由可选的长短虚线示出在周向方向上的第n区域的中心。
在图4所示的状态下，在周向方向上的第n区域的中心位于工件W的内周表面的竖直方向的最下侧。也就是说，在每个相位确定处理S3中，工件W被旋转与在周向方向上的每个区域的长度对应的角度，并且相位被确定成使得要形成熔珠的第n区域位于竖直方向上的最下侧。
然后，在S4中，执行形成处理。形成处理S4是下述处理：在确定了工件W的相位的状态下向一个区域供应白色金属的粉末时，利用激光束照射该一个区域，并且使粉末熔融而形成熔珠。在本实施方式中，在通过旋转机构50确定了工件W的相的状态下，通过移动机构40使激光炬30移动至工件W在轴向方向上的第一端能够被激光束照射到的位置。随后，从粉末供应单元33向第n区域供应白色金属的粉末时，利用激光束照射位于激光炬30的正下方的第n区域，使粉末熔融以形成熔珠。具体地，通过在用激光束照射的工件W中形成熔池并将粉末供应至熔池或者通过用激光束照射粉末来使粉末熔融以形成熔珠。同时，通过移动机构40使激光炬30相对移动至工件W在轴向方向上的第二端。
在图4中，示出了其中激光炬30沿轴向方向从远端移动到基部以在第n区域中形成熔珠的示例。在图4中，用网格示出了在工件W的内周表面上形成有熔珠的部分。因此，在工件W的内周表面上的第n区域中形成沿轴向直线形状延伸的白色金属的熔珠。由于熔珠是在工件W的旋转停止并且第n区域被保持成几乎水平状态的状态下形成的，因此能够抑制下垂的发生。
在相关技术中的使用等离子体喷涂的方法中，由于通过一次喷涂形成的白色金属的厚度小，所以需要堆叠约80层以实现1.5mm至2mm的堆积厚度。然而，在该实施方式中，由于通过一次移动激光炬30形成的熔珠的厚度在1.5mm至2mm的范围内，因此可以通过一层来实现必要的堆积厚度。与使用等离子体喷涂的堆积相比，在使用激光熔覆层的实施方式中，激光熔覆层与工件的粘合强度高，并且不需要诸如熔剂涂覆或喷丸处理的预处理。
然后，在S5中，确定n是否是M的倍数。在此，M是等于或大于1且等于或小于N的整数，并且被设置为例如对应于工件W的30°到50°的旋转相位的值。在n不是M的倍数的情况下(S5：否)，流程进行到S7。另一方面，在n是M的倍数的情况下(S5：是)，在S6中执行冷却处理。在冷却处理S6中，停止通过旋转机构50对工件W的旋转和通过激光束照射机构10的熔珠的形成，流程在常温下等待预定时间。也就是说，在将相位确定处理S3和形成处理S4重复M次之后，执行冷却处理达预定时间，然后将相位确定处理S3和形成处理S4重复M次。例如，M可以设置为与工件W的40°的旋转相位对应的值，并且可以在工件W的整个内周表面(360°)上形成熔珠时执行9次5分钟期间的冷却处理。以这种方式执行冷却处理S6的原因是，当通过连续形成熔珠而使工件W逐渐加热时，熔珠可能下垂。通过经由冷却处理S6降低工件W的温度一次，然后重新开始形成熔珠，可以更有效地防止下垂的发生。
然后，在S7中，变量N增加1。随后，在S8中，确定是否满足n≤N。在满足n≤N的情况下(S8：是)，流程返回至S3，在满足n>N的情况下(S8：否)，流程结束。也就是说，通过在第一区域至第N区域上重复执行相位确定处理S3和形成处理S4以在工件W的内周表面上的整个预定形成部分中形成熔珠，来形成激光熔覆层。
如上所描述的，利用根据该实施方式的激光熔覆装置1，通过重复执行将工件W的相位确定成使得工件的周表面上的一个区域处于几乎水平状态的相位确定处理S3以及在该一个区域中利用激光束照射金属的粉末以形成熔珠的形成处理S4，可以可靠地执行使得能够在避免熔珠的下垂的同时有效地形成激光熔覆层的激光熔覆层形成方法。
通过在冷却处理S6中冷却并固化熔珠之后确定下一区域的相位并在下一区域中形成熔珠，可以更可靠地避免熔珠的下垂。特别地，通过重复执行相位确定处理S3和成形处理S4多次，能够有效地形成熔珠，并且通过在冷却处理S6中冷却并固化熔珠，能够更可靠地避免由于使加热的工件W倾斜而可能发生的熔珠的下垂。
特别地，在本实施方式中，通过将激光炬30插入并布置在由工件W的内周限定的空间内，并且利用工件W的旋转和激光炬30的轴向方向的移动来重复执行相位的确定，能够在避免熔珠的下垂的同时在工件W的整个内周表面上有效地形成激光熔覆层。
在该实施方式中，分割处理S1包括将用于激光熔覆层的预定形成部分分割成多个区域，所述多个区域中的每个区域对应于熔珠的宽度，相位确定处理S3包括通过将工件W旋转与熔珠宽度对应的相位角来确定工件W的相位，并且形成处理S4包括通过使工件W和激光炬30在轴向方向上相对于彼此移动来在工件W的内周表面上形成轴向直线形状的熔珠。因此，通过重复进行工件W的旋转和使激光炬30沿轴向方向移动，可以在工件W的整个内周表面上形成激光熔覆层。
下面将参照图5描述第一实施方式的修改示例。图5是示意性地示出根据修改示例的在工件W的内周表面上形成熔珠的示例的透视图。在上述实施方式中，工件W的内周表面在周向方向上被分割成多个区域，使得所述多个区域中的每一个对应于熔珠宽度，并且在每个区域中形成轴向直线形状的熔珠。但是，在本修改示例中，将工件W的内周表面在周向方向上以规定角度分割为多个区域，并且通过在每个区域中重复激光炬30沿周向方向的旋转和沿轴向方向的移动，从而形成矩形波形状的熔珠。激光炬30相对于工件W的布置与图1所示的相同，也与上述实施方式相同。
在分割处理S1中，如图5所示，将工件W的内周表面上的用于激光熔覆层的预定形成部分分割成从第一区域至第N区域的N个区域(其中，N为正整数)，使得N个区域中的每一个在周向方向上具有等于或小于90度的预定角度。例如，在工件W在周向方向上的整个内周表面(360度)在周向方向上以20度的间隔被分割成多个区域的情况下，工件W的内周表面被分割成从第一区域至第18区域的18个区域。
在相位确定处理S3中，通过旋转机构50将工件W保持成使得工件W的轴向方向是水平的，并且通过旋转工件W将相位确定成使得工件W的内周表面在周向方向上的N个区域中的未形成熔珠的第n区域(其中n是1至N范围内的整数)的中心处的法线的方向是竖直向上方向。在该状态下，在周向方向上的第n区域的中心位于工件W的内周表面上的在竖直方向上的最下侧。也就是说，在每个相位确定处理S3中，工件W被旋转与在周向方向上的每个区域的长度对应的角度，并且相位被确定成使得要形成熔珠的第n区域位于竖直方向上的最下侧。
在形成处理S4中，在通过旋转机构50确定了工件W的相位的状态下，通过移动机构40使激光炬30移动至工件W的内周表面在轴向方向上的第一端能够被激光束照射到的位置。随后，从粉末供应单元33向第n区域供应白色金属的粉末时，利用激光束照射位于激光炬30的正下方的第n区域，使粉末熔融而形成熔珠。同时，通过移动机构40使激光炬30沿工件W的周向方向顺时针旋转。随后，通过移动机构40使激光炬30向工件W在轴向方向上的基侧相对移动熔珠宽度，然后使激光炬30沿工件W的周向方向逆时针旋转。通过重复这些操作，在工件W的内周表面的第n区域中形成无任何间隙的矩形波形状的熔珠。通过将移动机构40形成为机械臂，可以支持包括激光炬30沿轴向方向的移动和激光炬30绕其中心轴的旋转的两种操作。
在完成在第n区域中形成熔珠的情况下，在S7中变量n增加1，并且重复执行S3至S7直到n达到N，由此在工件W的整个内周表面上形成白色金属的激光熔覆层。根据本修改示例，与上述实施方式类似地，可以在避免熔珠的下垂的同时在工件W的整个内周表面上有效地形成激光熔覆层。
下面将参照图6和图7描述本发明的第二实施方式。图6是示出根据第二实施方式的激光熔覆装置1的配置和与工件W的位置关系的整体配置图。图7是示意性地示出根据第二实施方式的在工件W的外周表面上形成熔珠的示例的透视图。
在第一实施方式中，激光熔覆层形成在工件W的内周表面上，但是第二实施方式与第一实施方式不同在于，激光熔覆层形成在工件W的外周表面上。也就是说，激光熔覆装置1的配置与第一实施方式中相同，但是激光炬30与工件W的位置关系与第一实施方式中不同。具体地，在第一实施方式中，以使出口31a面向内周表面的方式将激光炬30插入并布置在由工件W的内周表面限定的空间内。但是，在第二实施方式中，激光炬30被布置在工件W的竖直上方，出口31a面向工件W的外周表面，如图6所示。激光熔覆层形成方法中的处理流程与第一实施方式相同。将不再描述与第一实施方式相同的细节，相同的元件将由相同的附图标记表示，并且将不再重复其详细描述。
在分割处理S1中，将工件W的外周表面上的用于激光熔覆层的预定形成部分在周向方向上分割成N个区域(其中，N为正整数)，使得N个区域中的每一个对应于白色金属的熔珠宽度。在图6中，相邻区域之间的边界由虚线示出。
在相位确定处理S3中，通过旋转机构50将工件W保持成使得工件W的轴向方向是水平的，并且通过旋转工件W将相位确定成使得工件W的外周表面在周向方向上的N个区域中的未形成熔珠的第n区域(其中n是1至N范围内的整数)的中心处的法线的方向是竖直向上方向。在确定第n区域的相位的状态下，在周向方向上的第n区域的中心位于工件W的外周表面上的在竖直方向上的最上侧。也就是说，在每个相位确定处理S3中，工件W被旋转与在周向方向上的每个区域的长度对应的角度，并且相位被确定成使得要形成熔珠的第n区域位于竖直方向上的最上侧。
在形成处理S4中，在通过旋转机构50确定了工件W的相位的状态下，通过移动机构40使激光炬30移动至工件W在轴向方向上的第一端能够被激光束照射到的位置。随后，在从粉末供应单元33向第n区域供应白色金属的粉末时，利用激光束照射位于激光炬30的正下方的第n区域，使粉末熔融而形成熔珠。同时，通过移动机构40使激光炬30相对移动至工件W在轴向方向上的第二端。因此，在工件W的外周表面上的第n区域中形成沿轴向直线形状延伸的白色金属的熔珠。
在本实施方式中，可以实现与第一实施方式相同的优点。也就是说，通过重复将激光炬30沿竖直方向布置在工件W的外周表面上方并将相位确定成使得工件W的外周表面上的一个区域位于竖直方向的最上侧并且处于基本水平状态的相位确定处理S3以及利用激光束照射所述一个区域中的白色金属的粉末而形成熔珠的形成处理S4，可以在避免熔珠的下垂的同时在工件W的整个外周表面上有效地形成激光熔覆层。
本发明并不限于上述实施方式，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下以各种形式进行修改。在上述实施方式中，工件W的示例是支承磨床等的轴使得该轴可旋转的轴承金属，但是本发明不限于此。本发明可以应用于涡轮机、发电机、船舶或车辆的发动机等中的平面轴承(即，滑动轴承)的支承部分的轴承金属。简而言之，根据本发明的激光熔覆层形成方法可以应用于具有围绕其中心轴的周表面的任何工件的加工。上面描述了由作为熔点为500℃或低于500℃的金属的白色金属制成激光熔覆层的示例，但是可以使用除白色金属以外的锡基合金，或者可以使用除锡基合金以外的熔点为500℃或低于500℃的金属。
在第一实施方式中，在筒状工件W的内周表面上形成激光熔覆层，在第二实施方式中，在柱状工件W的外周表面上形成激光熔覆层，但是工件W的形状或在其上形成激光熔覆层的周表面不限于此。可以在管状工件的多边形内周表面上形成激光熔覆层，或者可以在多边形柱状工件的外周表面上形成激光熔覆层。简而言之，激光熔覆层可以形成在围绕工件的中心轴的工件的周表面上。
在上述实施方式中，在常温下对在周表面上形成有白色金属的熔珠的工件W进行冷却，但是可以在已经执行形成处理S4后提供使用诸如加热池或加热器的加热装置在预定温度(例如，约170℃)下对工件W进行再加热的再加热处理。例如，如图8所示，整个工件W可以设置在能够加热和冷却物体的温度受控壳体70中，并且控制单元60可以在已经执行形成处理S4之后通过控制温度受控壳体70来执行再加热处理。根据该修改示例，由于在再加热处理中随着时间缓慢冷却熔珠以形成熔珠组织，因此可以形成具有更均匀且更高品质的激光熔覆层。
在上述实施方式中，在已经多次重复相位确定处理S3和形成处理S4之后执行冷却处理S6，但是只要熔珠被固化使得即使在工件W倾斜的情况下也不会出现熔珠的下垂，则可以省略冷却处理S6。
形成处理S4是在常温下执行的，但是可以在工件W通过诸如冷却池或冷风机的冷却装置被不断地冷却到低于常温的温度的状态下执行形成处理S4。例如，如图8所示，整个工件W可以被放置在能够加热和冷却物体的温度受控壳体70中，并且可以在控制单元60的控制下被不断地冷却。根据该修改示例，由于熔融白色金属由于工件W的冷却而被快速固化，所以可以更有效地避免熔珠的下垂。在该修改示例中，只要熔珠被固化到熔珠不发生下垂的程度，则可以省略冷却处理S6。
在上述实施方式中，在形成处理S4中，激光束的输出功率可以是可变的，而不是使激光束的输出功率恒定。例如，通过使用照相机捕获通过激光束的照射而形成的金属的熔池的图像并且在基于捕获的图像检测到熔池的大小等于或大于预定值的情况下使用控制单元60执行控制以减小来自激光振荡器20的激光束的输出功率，可以更有效地避免熔珠的下垂。
下文中，将参照附图描述根据本发明的其他实施方式的激光熔覆层形成方法及激光熔覆装置。下面将参照图9描述根据第三实施方式的激光熔覆装置1的配置。图9是示出根据第三实施方式的激光熔覆装置1的配置和与工件W的位置关系的整体配置图。图10是激光熔覆装置1的激光炬30的远端的放大侧视图。
激光熔覆装置1是在工件W的周表面上形成熔点为500℃或低于500℃的金属的激光熔覆层的装置。在本实施方式中，假设激光熔覆层由作为熔点为500℃或低于500℃的金属的锡基金属构成。锡基金属的示例包括锡(Sn)和含有锡作为主要成分的锡合金。锡合金的示例包括含有金属例如铜(Cu)、铅(Pb)、锌(Zn)、银(Ag)和铋以及锡作为成分的合金。在本实施方式中，假设使用白色金属作为锡基金属的示例。白色金属是JIS5401中描述的锡基合金，并且是以锡为主成分的含有锑、铜等的合金。工件W是包括内周表面和外周表面的筒状构件。在该实施方式中，工件W的示例是轴承金属，其由诸如铬钼钢(SCM钢)的铁基金属材料制成，并且支承磨床等的轴使得该轴可旋转。这里，工件W不限于轴承金属。
如图9所示，激光熔覆装置1包括激光照射机构10、旋转机构50、控制单元60。激光束照射机构10包括激光振荡器20、激光炬30、移动机构40。
激光振荡器20附接至激光炬30的基侧的外周表面并且沿激光炬30的径向方向向内发射激光束L。激光振荡器20能够改变激光束的输出功率。具体地，如后面详细描述的，控制单元60通过基于从成像单元35发送的关于熔池的图像数据控制激光振荡器20来改变激光束的输出功率。激光炬30包括筒状体31、布置在体31内的光学系统32、粉末供应单元33以及成像单元35。在体31的远端附近的较下侧表面上形成有出口31a。激光炬20和激光炬30构成权利要求书中的激光照射单元。
光学系统32包括第一反射部32a、准直透镜132b、聚焦透镜132c、第二反射部32d和半反射镜32e。第一反射部32a布置在激光炬30的基侧的内部，将从激光振荡器20沿径向方向发射出的激光束L朝轴向方向的远端反射。准直透镜132b是凸透镜，用于将由第一反射部32a反射并漫射并入射到准直透镜132b上的激光束L转换成平行光束，并将该平行光束引导至聚焦透镜132c。聚焦透镜132c是凸透镜，用于聚焦由准直透镜132b转换成平行光束的激光束L，以将激光束L转换成会聚光束，并将会聚光束引导至第二反射部32d。可以提供多个准直透镜132b和多个聚焦透镜132c。
第二反射部32d面向出口31a地布置在体31的相对的远端附近内，并且将由准直透镜132b和聚焦透镜132c聚焦的激光束L倾斜向下反射。例如，如图10所示，入射在第二反射部32d上的激光束L以相对于体31的轴向方向的角度θL被向下反射，并经由出口31a被施加至工件W上。角度θL可以设置为例如120°。第二反射部32d将在工件W的周表面上的经由出口31a被激光束L照射的区域的反射图像沿着与激光束L的行进方向相反的同轴方向发送。半反射镜32e布置在准直透镜132b与聚焦透镜132c之间的激光束L的光轴上，并且用于将从第一反射部32a行进的激光束L传输至第二反射部32d，并且用于在通过第二反射部32d经由聚焦透镜132c发送在工件W的周表面上被激光束L照射的区域的反射图像之后，将该反射图像朝着成像单元35反射。
粉末供应单元33布置在出口31a的基侧附近，并且通过吹入惰性保护气体将白色金属的粉末供应至工件W的激光束照射表面。例如，如图10所示，粉末供应单元33以相对于体31的轴向方向的角度θP向下供应白色金属的粉末，角度θP可以设置为例如150°。
成像单元35包括照相机，该照相机包括成像装置例如已知的电荷耦合器件(CCD)传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。成像单元35布置在体31的靠近基端的侧表面上，并且面向半反射镜32e。成像单元35用于捕获由半反射镜32e反射的反射图像。该反射图像是在工件W的周表面上的被激光束L照射的区域的图像。成像单元35将图像数据发送至控制单元60。因此，在通过激光束L的照射而形成金属(白色金属)的熔池的情况下，通过成像单元35来捕获经由第二反射部32d、聚焦透镜132c、半反射镜32e发送的熔池的反射图像，并且关于熔池的图像数据被发送至控制单元60。
移动机构40是使激光炬30和工件W在轴向方向上相对于彼此移动的机构。移动机构40可以是能够保持并沿轴向方向水平移动激光炬30的已知机构，例如机械臂。
旋转机构50是将工件W保持成使得工件W的轴向方向是水平的并且使工件W围绕中心轴C旋转的机构。旋转机构50包括例如保持工件W的轴向端部的卡盘和使卡盘绕中心轴C旋转的伺服电动机。
控制单元60是包括未示出的CPU、ROM、RAM的计算机，并且通过控制激光束照射机构10和旋转机构50的单元的操作来执行激光熔覆层形成方法的处理。控制单元60通过对从成像单元35发送的图像数据执行已知的图像识别处理，从而识别由于激光束对工件W的照射而形成的熔池的大小。
下面将参照图11至图13描述使用激光熔覆装置1的激光熔覆层形成方法。图11是示出激光熔覆层形成方法的流程的流程图。图12是示意性地示出在工件W的内周表面上执行激光熔覆层形成方法的示例并示出工件W的一部分的透视图。图13是示出工件W的内周表面上的熔珠形成路径的透视图。
根据本实施方式的激光熔覆层形成方法是下述的方法：在经由激光炬30供应作为熔点为500℃或低于500℃的金属的白色金属的粉末时利用激光束照射围绕中心轴C的工件W的内周表面，并通过使所述粉末熔融而在工件W的内周表面上形成白色金属的激光熔覆层。由控制单元60执行激光熔覆层形成方法。通过移动机构40将激光炬30从基侧插入由工件W的内周限定的空间内，并且保持水平，以使得出口31a直接面向下方。
首先，如图11的流程图所示，在步骤1(步骤1在下文中简称为S1，这同样适用于其他步骤)中，将激光炬30移动至开始位置。例如，在从工件W的第一端(远端)到第二端(基部)形成熔珠的情况下，将激光炬30的出口31a面向工件W的内周表面的第一端(远端)附近的位置设置为开始位置。
然后，在S2中，将激光振荡器20的激光输出功率初始设置为预定的基准值。随后，在S3中，执行形成处理。具体地，在从粉末供应单元33向位于工件W的内周表面上的激光炬30的正下方的区域供应白色金属的粉末时，利用激光束照射该区域，以使所述粉末熔融而形成熔珠。具体地，通过在用激光束照射的工件W中形成熔池并将粉末供应至熔池或者通过用激光束照射粉末来使粉末熔融以形成熔珠。同时，在通过移动机构40使激光炬30以恒定速度朝工件W的轴向方向上的第二端相对移动时，使用旋转机构50通过将工件W保持成使得工件W的轴向方向是水平的，使工件W以恒定速度逆时针旋转。通过旋转机构50将工件W保持成使得工件W的轴向方向是水平的，并且在工件W的内周表面的法线的方向是竖直向上方向的最低位置处通过经由出口31a而施加的激光束L来形成金属的熔池。因此，沿着图13中虚线和箭头所示的路径在工件W的内周表面上形成螺旋状的熔珠。重复执行形成处理S3，直到完成在预定区域中的熔珠的形成。
然后，在S4中，确定是否已经完成在工件W的内周表面上的激光熔覆层的预定形成区域中形成熔珠。例如，基于由移动机构40引起的激光炬30从形成开始位置沿轴向方向的总移动量或由旋转机构50引起的工件W的总旋转量，可以确定是否已经完成在整个预定形成部分中形成熔珠。
在预定区域中的熔珠的形成尚未完成的情况下(S4：否)，在S5中基于由成像单元35捕获的图像来确定熔池的大小是否在预定范围内。这里，“预定范围”是在不发生熔珠的下垂的范围内的熔池的大小，并且具体地可以为熔池的面积或者可以是代替面积的直径。在熔池的大小在预定范围内的情况下(S5：是)，流程返回至S3并继续执行形成处理S3。
在熔池的大小不在预定范围内的情况下(S5：否)，在S6中执行激光输出功率改变控制。具体地，在熔池的大小大于预定范围的情况下，激光振荡器20的激光输出功率减小预定值。另一方面，在熔池的大小小于预定范围的情况下，激光振荡器20的激光输出功率增加预定值。在S6中执行激光输出功率改变控制之后，流程返回至S3并继续执行形成处理S3。当在S4中确定已经完成在预定区域中的熔珠的形成的情况下(S4：是)，整个处理结束。步骤S5至步骤S6对应于本发明中的“控制在形成处理期间由于用激光束照射工件W而形成的熔池的大小的控制处理”，并且步骤S5对应于“检测熔池的大小的检测处理”。
如上所述，熔点为500℃或低于500℃的金属的熔池逐渐扩大，可能发生熔珠的下垂。但是，根据本实施方式的激光熔覆装置1，通过在控制由于激光束的照射而形成的熔池的大小的同时形成熔珠，可以可靠地执行可以在避免由于熔池的扩大而导致的熔珠的下垂的同时连续地形成激光熔覆层的激光熔覆层形成方法。
在该实施方式中，S5和S6的控制处理包括调整在形成处理S3中的控制参数以使得熔池的大小在预定范围内。因此，由于熔池的大小保持在不发生熔珠的下垂的预定范围内，所以可以可靠地避免熔珠的下垂。具体地，在S5和S6的控制处理中，可以通过在形成处理S3期间改变激光振荡器20中的激光束的输出功率来可靠地控制熔池的大小。特别地，S5的处理被执行为基于来自成像单元35的图像数据来检测熔池的大小的检测处理，并且通过在S6中基于检测结果改变激光输出功率来控制熔池的大小。因此，通过根据熔池的当前状态来执行控制，可以有效地避免熔珠的下垂。
特别地，在本实施方式中，通过将激光炬30插入并布置在由工件W的内周表面限定的空间内，并重复基于工件W的旋转和激光炬30的轴向方向上的移动的相位确定，可以在避免熔珠的下垂的同时在工件W的整个内周表面上有效地形成激光熔覆层。
工件W是筒状构件，激光熔覆层的预定形成部分设置在工件W的内周表面上。在形成处理S3中，工件W被保持成使得工件W的轴向方向是水平的，并且工件W被旋转成使得工件W的内周表面上的用于熔珠的预定形成位置(即，要形成熔珠的位置)处于最低位置，在该最低位置处，用于熔珠的预定形成位置的法线的方向是竖直向上方向。同时，在使工件W和激光炬30在轴向方向上相对于彼此移动并向工件供应白色金属的粉末时，利用激光束照射所述粉末。因此，粉末被熔融以在工件W的内周表面上形成螺旋状的熔珠。因此，可以在通过控制熔池的大小来避免熔珠的下垂的同时在工件W的内周表面上连续地形成熔珠。因此，可以有效地形成激光熔覆层。
下面将参照图14至图16描述本发明的第四实施方式。图14是示出根据第四实施方式的激光熔覆装置1的配置和与工件W的位置关系的整体配置图。图15是示意性地示出根据第四实施方式的在工件W的外周表面上形成熔珠的示例的透视图。图16是示出根据第四实施方式的工件W的外周表面上的熔珠形成路径的透视图。
在第三实施方式中，激光熔覆层形成在工件W的内周表面上。然而，第四实施方式与第三实施方式不同在于，激光熔覆层形成在工件W的外周表面上。也就是说，激光熔覆装置1的配置与第三实施方式中相同，但是激光炬30与工件W之间的位置关系与第三实施方式中不同。具体地，在第三实施方式中，以使出口31a面向内周表面的方式将激光炬30插入并布置在由工件W的内周限定的空间内。但是，在第四实施方式中，激光炬30被布置在工件W的竖直上方，出口31a面向工件W的外周表面，如图14所示。激光熔覆层形成方法中的处理流程与第三实施方式相同。将不再描述与第三实施方式中相同的细节，相同的元件将由相同的附图标记表示，并且将不重复其详细描述。
如图11的流程图所示，在S1中，将激光炬30移动至开始位置。例如，在本实施方式中，在从工件W的第一端(远端)到第二端(基部)形成熔珠时，将激光炬30的出口31a面向工件W的外周表面的第一端(远端)附近的位置设置为开始位置。
然后，在S2中，将激光振荡器20的激光输出功率初始设置为预定的基准值。随后，在S3中，执行形成处理。具体地，在从粉末供应单元33向位于工件W的外周表面上的激光炬30的正下方的区域供应白色金属的粉末时，利用激光束照射该区域，以使所述粉末熔融而形成熔珠。同时，在通过移动机构40使激光炬30以恒定速度朝工件W的轴向方向上的第二端相对移动时，使用旋转机构50通过将工件W保持成使得工件W的轴向方向是水平的，使工件W以恒定速度逆时针旋转。通过旋转机构50将工件W保持成使得工件W的轴向方向是水平的，并且在工件W的外周表面的法线的方向是竖直向上方向的最高位置处通过经由出口31a而施加的激光束L来不断形成金属的熔池。因此，沿着图16中的虚线和箭头所示的路径在工件W的外周表面上形成熔珠。
然后，在S4中，确定是否已经完成在工件W的外周表面上的用于激光熔覆层的预定形成部分(即，要在其上形成激光熔覆层的部分)中形成熔珠。例如，基于由移动机构40引起的激光炬30从形成开始位置沿轴向方向的总移动量或由旋转机构50引起的工件W的总旋转量，可以确定是否已经完成在整个预定形成部分中形成熔珠。
在预定区域中的熔珠的形成尚未完成的情况下(S4：否)，在S5中基于由成像单元35捕获的图像来确定熔池的大小是否在预定范围内。在熔池的大小在预定范围内的情况下(S5：是)，流程返回至S3并继续执行形成处理S3。
在熔池的大小不在预定范围内的情况下(S5：否)，在S6中执行激光输出功率改变控制。具体地，在熔池的大小大于预定范围的情况下，激光振荡器20的激光输出功率减小预定值。另一方面，在熔池的大小小于预定范围的情况下，激光振荡器20的激光输出功率增加预定值。在S6中执行激光输出功率改变控制之后，流程返回至S3并继续执行形成处理S3。当在S4中确定已经完成在预定区域中的熔珠的形成的情况下(S4：是)，整个过程结束。
在本实施方式中，工件W是筒状构件或柱状构件，在工件W的外周表面上设置用于激光熔覆层的预定形成部分，并且在将工件W保持成使得工件W的轴向方向是水平的并且将工件W的相位确定成使得熔珠的预定形成位置位于外周表面上的在竖直方向上的最上侧的状态下，执行形成处理S3。在本实施方式中实现了与第三实施方式相同的优点。也就是说，通过将激光炬30沿竖直方向布置在工件W的外周表面的上方，并在控制由于激光束照射而形成的熔池的大小的情况下形成熔珠，能够在避免熔珠的下垂的同时连续形成激光熔覆层。
下面将参照图17和图18描述本发明的第五实施方式。图17是示出根据第五实施方式的激光炬30的远端的放大视图。在上述实施方式中，改变作为在形成熔珠时的控制参数的激光输出功率以控制白色金属的熔池的大小。然而，在本实施方式中，作为另一控制参数的用于工件W的冷却功率被设置为可变的。
在本实施方式中，如图17所示，除了第三实施方式的元件以外，还提供能够对物体进行加热和冷却的温度受控壳体70，并将整个工件W放入温度受控壳体70内。温度受控壳体70能够改变针对工件W的冷却功率。
首先，如图18的流程图所示，在S11中，将激光炬30移动至开始位置。然后，在S12中，执行温度受控壳体70的初始设置，即，将冷却功率初始设置为预定参考值。随后，在S13中，执行形成处理。然后，在S14中，确定是否已经完成在工件W的内周表面上的用于激光熔覆层的预定形成区域中形成熔珠。在预定区域中的熔珠的形成尚未完成的情况下(S14：否)，在S15中基于由成像单元35捕获的图像确定熔池的大小是否在预定范围内。在熔池的大小在预定范围内的情况下(S15：是)，流程返回至S13并继续执行形成处理S13。
在熔池的大小不在预定范围内的情况下(S15：否)，在S16中执行对温度受控壳体70的冷却功率改变控制。具体地，在熔池的大小大于预定范围的情况下，温度受控壳体70的冷却功率增加预定值。因此，工件W的温度降低，并且熔池的大小逐渐减小。另一方面，在熔池的大小小于预定范围的情况下，温度受控壳体70的冷却功率减小预定值。因此，工件W的温度增加，并且熔池的大小逐渐增加。在S16中执行了冷却功率改变控制之后，流程返回至S13并继续执行形成处理S13。在S14中确定在预定区域中的熔珠的形成已经完成的情况下(S14：是)，整个处理结束。S15至S16的处理对应于本发明中的控制处理，而S15的处理对应于检测处理。
根据该实施方式，在S15和S16的控制处理中，通过在形成处理S13期间使用温度受控壳体70改变针对工件W的冷却功率来控制熔池的大小。因此，在本实施方式中，与第一实施方式类似，通过在控制由于激光束照射而形成的熔池的大小的情况下形成熔珠，能够在避免熔珠的下垂的同时连续地形成激光熔覆层。
本发明并不限于上述实施方式，并且可以在不脱离本发明的范围的情况下以各种形式进行修改。在第三实施方式至第五实施方式中，工件W的示例是轴承金属，其支承磨床等的轴，使得该轴可旋转，但是本发明不限于此。本发明可以应用于船舶、车辆的发动机、涡轮机、发电机等中的平面轴承(即，滑动轴承)的支承部分的轴承金属。简而言之，根据本发明的激光熔覆层形成方法可以适用于具有围绕其中心轴的周表面的任何工件的加工。上面描述了由作为熔点为500℃或低于500℃的金属的白色金属制成激光熔覆层的示例。但是，可以使用除白色金属以外的锡基合金，或者可以使用除锡基合金以外的熔点为500℃或低于500℃的金属。
在第三实施方式中，在筒状工件W的内周表面上形成激光熔覆层，在第四实施方式中，在柱状工件W的外周表面上形成激光熔覆层。然而，工件W的形状或其上形成激光熔覆层的周表面不限于此。可以在管状工件的多边形内周表面上形成激光熔覆层，或者可以在多边形柱状工件的外周表面上形成激光熔覆层。简而言之，激光熔覆层可以形成在围绕工件的中心轴的工件的周表面上。
在第五实施方式中，可以在执行了形成处理S13之后提供使用温度受控壳体70对工件W进行再加热的再加热处理。根据该修改示例，由于熔珠在再加热处理中随时间缓慢冷却，因此能够形成具有更均匀且更高品质的激光熔覆层。
在第三实施方式中，在工件W的内周表面上形成螺旋状的熔珠，但是本发明不限于此。例如，在形成处理S3中，可以重复执行以下处理：将工件W保持成使得工件W的轴向方向是水平的，在旋转工件W以使得工件W的内周表面上的用于熔珠的预定形成位置的法线的方向为竖直向上方向并且供应白色金属的粉末时利用激光束照射所述粉末并且熔融所述粉末以在工件W的内周表面上形成环状的熔珠；以及使工件W和激光炬30在轴向方向上相对于彼此移动熔珠宽度。根据该修改示例，由于在工件W的内周表面上顺序地形成在轴向方向上彼此相邻的环状的熔珠，因此能够在工件W的整个内周表面上形成激光熔覆层。类似地，在第四实施方式中，通过执行与修改示例相同的处理，在工件W的外周表面上顺序地形成在轴向方向上彼此相邻的环状的熔珠，从而能够在工件W的整个外周表面上形成激光熔覆层。
可替选地，代替根据实施方式或修改示例的熔珠形成方法，如图19所示，可以通过以下处理来形成激光熔覆层：将工件W的周表面上的预定形成部分分割成多个区域，其中每个区域在周向方向上具有等于或小于90度的角度(分割处理)，将工件W保持成使得工件W的轴向方向是水平的并且将工件W的相位确定成使得工件W的周表面的多个区域中的一个区域的法线的方向在相对于竖直向上方向的预定角度范围内(相位确定处理)，在轴向方向上在工件W的远端与基部之间移动激光炬30并且在工件W的周表面上形成熔珠(形成处理)，并且在各个区域上重复地执行相位确定处理和形成处理以在工件W的周表面上的整个预定形成部分中形成熔珠。
在该修改示例中，限定区域的处理被执行为在控制单元60中执行的内部处理，但是为了容易理解，在图19中通过虚线示出了相邻区域之间的边界。根据该修改示例，由于在熔珠形成期间工件W不旋转，因此能够抑制由于利用激光束照射而被加热的工件W的倾斜而发生的熔珠下垂。与第四实施方式类似，该修改示例可以应用于在工件W的外周表面上形成激光熔覆层。
在上述实施方式中，由成像单元35捕获用激光束L照射的区域的图像，并且基于图像数据检测熔池的大小，但是本发明不限于此。例如，可以使用温度传感器测量工件W的温度，并且可以根据所测量的工件W的温度估计和检测熔池的大小。可替选地，在通过将条件(包括工件W的形状和大小、工件W周围的环境温度等)设置为相同条件来执行激光熔覆方法的情况下，可以通过预先基于实验或模拟设置激光输出功率或冷却功率的最佳变化模式来省略S5或S15的检测处理。根据该修改示例，通过以根据在工件W的周表面上形成熔珠的进展而设置的预定模式来改变激光输出功率或冷却功率，可以控制熔池的大小并避免熔珠的下垂。
在第五实施方式中，工件W被放置在温度受控壳体70中，并且通过冷却整个工件W来控制熔池的大小，但是可以仅冷却工件W的熔池的周边以控制熔池的大小。例如，可以通过向熔池的周边吹送冷空气来冷却该周边。

Claims (25)

1.一种激光熔覆层形成方法，其在将熔点为500℃或低于500℃的金属的粉末供应至围绕工件的中心轴的所述工件的周表面时利用来自激光照射单元的激光束照射所述粉末，并且使用熔融的粉末在所述工件的周表面上形成所述金属的激光熔覆层，所述激光熔覆层形成方法的特征在于包括：
分割处理，其将所述工件的周表面上的用于所述激光熔覆层的预定形成部分分割成多个区域，所述多个区域中的每个区域在周向方向上具有等于或小于90度的角度；
相位确定处理，其将所述工件保持成使得所述工件的轴向方向是水平的，并且将所述工件的相位确定成使得所述工件的周表面在所述多个区域中的一个区域中的法线的方向在相对于竖直向上方向的预定角度范围内；以及
形成处理，其在确定了所述工件的相位的状态下在向所述一个区域供应所述粉末时利用所述激光束照射所述粉末，并且使所述粉末熔融以形成熔珠，
其中，通过在所述区域上重复所述相位确定处理和所述形成处理以在整个预定形成部分中形成所述熔珠，来形成所述激光熔覆层。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆层形成方法，其特征在于：所述形成处理被执行多次并且在所述形成处理被执行至少一次之后执行对所述熔珠进行冷却的冷却处理。
3.根据权利要求2所述的激光熔覆层形成方法，其特征在于：在所述相位确定处理和所述形成处理被执行多次之后执行所述冷却处理。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光熔覆层形成方法，其特征在于：
所述分割处理包括：将所述预定形成部分分割成下述的区域，所述区域中的每个区域对应于熔珠宽度；
所述相位确定处理包括：通过将所述工件旋转与所述熔珠宽度对应的相位角来确定所述相位；以及
所述形成处理包括：通过使所述工件和所述激光照射单元在所述轴向方向上相对于彼此移动来在所述工件的周表面上形成轴向直线形状的熔珠。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的激光熔覆层形成方法，其特征在于：
所述工件是管状构件，并且所述预定形成部分被设置在所述工件的内周表面上；以及
所述相位确定处理包括：将所述工件的相位确定成使得限定在所述内周表面上的一个区域位于竖直方向上的最下侧。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的激光熔覆层形成方法，其特征在于：
所述工件是管状构件或柱状构件，并且所述预定形成部分被设置在所述工件的外周表面上；以及
所述相位确定处理包括：将所述工件的相位确定成使得限定在所述外周表面上的一个区域位于竖直方向上的最上侧。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的激光熔覆层形成方法，其特征在于，还包括：
对在所述周表面上形成有所述熔珠的工件进行再加热的再加热处理。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的激光熔覆层形成方法，其特征在于，所述形成处理包括：改变所述激光照射单元的激光束的输出功率。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的激光熔覆层形成方法，其特征在于，所述形成处理包括不断地冷却所述工件。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的激光熔覆层形成方法，其特征在于，所述金属是锡基合金。
11.一种激光熔覆装置，其特征在于包括：
激光照射单元，其被配置成在将熔点为500℃或低于500℃的金属的粉末供应至工件时利用激光束照射所述粉末；
旋转机构(50)，其被配置成在将所述工件保持成使得所述工件的轴向方向是水平的时使所述工件围绕所述工件的中心轴旋转；
移动机构(40)，其被配置成使所述激光照射单元和所述工件在所述轴向方向上相对于彼此移动；以及
控制单元(60)，其被配置成执行控制以重复执行以下操作：i)将所述工件的相位确定成使得所述工件的周表面在多个区域中的一个区域中的法线的方向在相对于竖直向上方向的预定角度范围内，所述工件的周表面上的用于激光熔覆层的预定形成部分被分割成所述多个区域，并且所述多个区域中的每个区域在周向方向上具有等于或小于90度的角度；以及ii)使用所述激光照射单元和所述移动机构(40)，在确定了所述工件的相位的状态下在向所述一个区域供应所述粉末时利用来自所述激光照射单元的所述激光束照射所述粉末并使所述粉末熔融以形成熔珠。
12.一种激光熔覆层形成方法，其在将熔点为500℃或低于500℃的金属的粉末供应至围绕工件的中心轴的所述工件的周表面时利用来自激光照射单元的激光束照射所述粉末，并且使用熔融的粉末在所述工件的周表面上形成所述金属的激光熔覆层，所述激光熔覆层形成方法的特征在于包括：
形成处理，其在将所述粉末供应至所述工件的周表面上的用于所述激光熔覆层的预定形成部分时利用所述激光束照射所述粉末，并且使所述粉末熔融以形成熔珠；以及
控制处理，其控制在所述形成处理期间由于利用所述激光束照射而形成的熔池的大小。
13.根据权利要求12所述的激光熔覆层形成方法，其特征在于所述控制处理包括：调整所述形成处理中的控制参数，使得所述熔池的大小在预定范围内。
14.根据权利要求13所述的激光熔覆层形成方法，其特征在于所述控制处理包括：通过改变在所述形成处理期间所述激光照射单元的激光束的输出功率来控制所述熔池的大小。
15.根据权利要求13所述的激光熔覆层形成方法，其特征在于所述控制处理包括：通过在所述形成处理期间对至少所述熔池的周边进行冷却来控制所述熔池的大小。
16.根据权利要求15所述的激光熔覆层形成方法，其特征在于所述控制处理包括：通过改变冷却功率来控制所述熔池的大小。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的激光熔覆层形成方法，其特征在于，所述控制处理包括检测所述熔池的大小的检测处理，并且包括基于检测的结果来控制所述熔池的大小。
18.根据权利要求12至16中任一项所述的激光熔覆层形成方法，其特征在于，所述形成处理包括：将所述工件保持成使得所述工件的轴向方向是水平的，旋转所述工件以使得所述工件的周表面上的用于所述熔珠的预定形成位置的法线的方向是竖直向上方向，并且同时，在使所述工件和所述激光照射单元在所述轴向方向上相对于彼此移动并且供应所述粉末时利用所述激光束照射所述粉末，并且使所述粉末熔融以在所述工件的周表面上形成螺旋状的熔珠。
19.根据权利要求12至16中任一项所述的激光熔覆层形成方法，其特征在于，所述形成处理包括重复地执行以下处理：将所述工件保持成使得所述工件的轴向方向是水平的，在旋转所述工件以使得所述工件的周表面上的用于所述熔珠的预定形成位置的法线的方向是竖直向上方向并且供应所述粉末时利用所述激光束照射所述粉末，以及使所述粉末熔融以在所述工件的周表面上形成环状的熔珠；以及使所述工件和所述激光照射单元在所述轴向方向上相对于彼此移动所述熔珠的宽度。
20.根据权利要求12至16中任一项所述的激光熔覆层形成方法，其特征在于还包括：
分割处理，其将所述工件的周表面上的预定形成部分分割成多个区域，所述多个区域中的每个区域在周向方向上具有等于或小于90度的角度；以及
相位确定处理，其将所述工件保持成使得所述工件的轴向方向是水平的并且将所述工件的相位确定成使得所述工件的周表面在所述多个区域中的一个区域中的法线的方向在相对于竖直向上方向的预定角度范围内，
其中，所述形成处理包括：在确定了所述工件的相位的状态下在向所述一个区域供应所述粉末时利用所述激光束照射所述粉末并且使所述粉末熔融以形成所述熔珠，以及
其中，通过在各个区域上重复地执行所述相位确定处理和所述形成处理以在整个预定形成部分中形成所述熔珠，来形成所述激光熔覆层。
21.根据权利要求12至16中任一项所述的激光熔覆层形成方法，其特征在于：
所述工件是筒状构件并且用于所述激光熔覆层的预定形成部分被设置在所述工件的内周表面上；以及
在所述工件被保持成使得所述工件的轴向方向是水平的并且所述工件的相位被确定成使得用于所述熔珠的预定形成位置位于所述内周表面上的在竖直方向上的最下侧的状态下执行所述形成处理。
22.根据权利要求12至16中任一项所述的激光熔覆层形成方法，其特征在于：
所述工件是筒状构件或柱状构件，并且用于所述激光熔覆层的预定形成部分被设置在所述工件的外周表面上；以及
在所述工件被保持成使得所述工件的轴向方向是水平的并且所述工件的相位被确定成使得用于所述熔珠的预定形成位置位于所述外周表面上的在竖直方向上的最上侧的状态下执行所述形成处理。
23.根据权利要求12至16中任一项所述的激光熔覆层形成方法，其特征在于还包括：
对在所述工件的周表面上形成有所述熔珠的所述工件进行再加热的再加热处理。
24.根据权利要求12至16中任一项所述的激光熔覆层形成方法，其特征在于，所述金属是锡基合金。
25.一种激光熔覆装置，其特征在于包括：
激光炬，其被配置成在将熔点为500℃或低于500℃的金属的粉末供应至工件时利用激光束照射所述粉末；
移动机构(40)，其被配置成使所述激光炬和所述工件相对于彼此移动；以及
控制单元(60)，其被配置成在经由所述移动机构(40)使所述激光炬和所述工件相对于彼此移动并从所述激光炬供应所述粉末时，经由所述激光炬利用所述激光束照射在围绕所述工件的中心轴的所述工件的周表面上的用于激光熔覆层的预定形成部分以便使所述粉末熔融以形成熔珠，并且控制在所述熔珠的形成期间由于利用所述激光束照射而形成的熔池的大小。
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