DE102020102401A1

DE102020102401A1 - Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren und Laserauftragsschweißvorrichtung

Info

Publication number: DE102020102401A1
Application number: DE102020102401.0A
Authority: DE
Inventors: Fumiki OGAWA; Takuya Kito; Junichi Suzuki
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2019-02-04
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2020-08-06
Also published as: CN111519181A; US20200248315A1

Abstract

Ein Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren umfasst einen Aufteilungsprozess aus einem Aufteilen eines für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitts für eine Laserauftragsschweißschicht auf einer Umfangsfläche eines Werkstücks in Teilflächen; einen Phasenbestimmungsprozess aus einem Halten des Werkstücks, so dass seine Axialrichtung horizontal ist, und einem Bestimmen einer Phase des Werkstücks, so dass eine Richtung einer Normalen zu der Umfangsfläche des Werkstücks in einer Teilfläche in einem vorbestimmten Winkelbereich bezüglich einer vertikalen Aufwärtsrichtung ist; sowie einen Ausbildungsprozess aus einem Bestrahlen eines Pulvers mit einem Laserstrahl, während das Pulver der einen Teilfläche in einem Zustand zugeführt wird, in dem die Phase des Werkstücks bestimmt ist, und einem Schmelzen des Pulvers, um eine Wulst auszubilden. Die Laserauftragsschweißschicht wird ausgebildet, indem der Phasenbestimmungsprozess und der Ausbildungsprozess auf den Teilflächen wiederholt werden, um die Wülste in dem gesamten für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitt auszubilden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren und eine Laserauftragsschwei ßvorrichtung.
Beschreibung des Stands der Technik
Es ist ein Verfahren aus einem Ausbilden einer Beschichtung aus einem Weißmetall, das eine zinnbasierte Legierung ist, auf einem Innenumfangsabschnitt eines Lagermetallwerkstücks durch Pulverplasmaspritzen zum Zwecke eines Verbesserns einer Fressbeständigkeit des Lagermetalls, das eine Welle einer Schleifmaschine oder dergleichen stützt, bekannt, so dass die Welle drehbar ist (siehe beispielsweise die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2001-335914 ( JP 2001-335914 A ) und die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2008-190656 ( JP 2008-190656 A )).
Im Stand der Technik ist eine Spritzdicke erforderlich, die mehrere Male größer ist als eine Deckenschichtdicke, und eine große Anzahl von Mannstunden ist erforderlich, um mehrere zig Schichten zu stapeln, und eine Materialausbeute ist ebenfalls gering, weil eine Spritzdichte gering ist. Weil eine Festigkeit einer Anhaftung von einem Material an einem Werkstück beim Pulverplasmaspritzen gering ist, ist es notwendig, eine Vorbehandlung, wie etwa ein Flussmittelbeschichten oder ein Abstrahlen, an einem Werkstück durchzuführen.
Es gibt ein Laserauftragsschweißverfahren als ein anderes Verfahren aus einem Ausbilden einer Beschichtung aus einem Metall (siehe beispielsweise die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 9-66379 ( JP 9-66379 A ) oder dergleichen). Gemäß diesem Laserauftragsschweißverfahren gibt es einen Vorteil, dass es möglich ist, eine Beschichtung aus einem Metall mit einer hohen Dichte auszubilden (eine Laserauftragsschweißschicht).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Jedoch ist in einem Fall, in dem eine Laserauftragsschweißschicht aus einem Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt (beispielsweise ein Metall oder eine Legierung mit einem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger), wie etwa einem Weißmetall, an einer Umfangsfläche eines Werkstücks um seine Mittelachse ausgebildet wird, viel Zeit für ihr Erstarren aufgrund seines geringen Schmelzpunkts erforderlich, und ein Senken von Wülsten tritt auf, wenn ein durch ein Bestrahlen mit einem Laserstrahl erwärmtes Werkstück geneigt wird. Dies kann einfach ein Verschlechtern einer Qualität verursachen.
Die Erfindung stellt ein Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren und eine Laserauftragsschweißvorrichtung bereit, die eine Laserauftragsschweißschicht aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger einfach durchführen können, während sie ein Auftreten eines Senkens einer Wulst verhindern.
Ein erster Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren aus einem Bestrahlen eines Pulvers aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger mit einem Laserstrahl aus einer Laserbestrahlungseinheit, während das Pulver zu einer Umfangsfläche eines Werkstücks um eine Mittelachse des Werkstücks zugeführt wird, und einem Ausbilden einer Laserauftragsschweißschicht des Metalls auf der Umfangsfläche des Werkstücks unter Verwendung des Pulvers, das geschmolzen ist.
Das Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt umfasst einen Aufteilungsprozess aus einem Aufteilen eines für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitts für die Laserauftragsschweißschicht auf der Umfangsfläche des Werkstücks in eine Vielzahl von Teilflächen, von denen jede einen Winkel gleich wie oder kleiner als 90 Grad in einer Umfangsrichtung hat; einen Phasenbestimmungsprozess aus einem Halten des Werkstücks so, dass seine Axialrichtung horizontal ist, und einem Bestimmen einer Phase des Werkstücks, so dass eine Richtung einer Normalen zu der Umfangsfläche des Werkstücks in einer Teilfläche der Vielzahl von Teilflächen in einem vorbestimmten Winkelbereich bezüglich einer vertikalen Aufwärtsrichtung ist; sowie einen Ausbildungsprozess aus einem Bestrahlen des Pulvers mit dem Laserstrahl, während das Pulver zu der einen Teilfläche in einem Zustand zugeführt wird, in dem die Phase des Werkstücks bestimmt wird, und einem Schmelzen des Pulvers, um eine Wulst auszubilden. Die Laserauftragsschweißschicht wird ausgebildet, indem der Phasenbestimmungsprozess und der Ausbildungsprozess auf den Teilflächen wiederholt werden, um die Wülste in dem gesamten für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitt auszubilden.
Gemäß diesem Verfahren ist es möglich, die Laserauftragsschweißschicht effizient auszubilden, während ein Senken der Wülste verhindert wird, indem ein Bestimmen einer Phase für ein Anordnen einer Teilfläche auf der Umfangsfläche des Werkstücks in einem annährend horizontalen Zustand und ein Ausbilden der Wülste durch Bestrahlen des Pulvers aus dem Metall mit dem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger mit dem Laserstrahl in der einen Teilfläche wiederholt werden.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Laserauftragsschweißvorrichtung, die eine Bestrahlungseinheit, die eingerichtet ist, ein Pulver aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger mit einem Laserstrahl zu bestrahlen, während das Pulver zu einem Werkstück zugeführt wird; einen Drehmechanismus, der eingerichtet ist, das Werkstück um eine Mittelachse des Werkstücks zu drehen, während er das Werkstück so hält, dass seine Axialrichtung horizontal ist; einen Bewegungsmechanismus, der eingerichtet ist, die Laserbestrahlungseinheit und das Werkstück relativ zueinander in der Axialrichtung zu bewegen; sowie eine Steuerungseinheit umfasst, die eingerichtet ist, eine Steuerung zum wiederholten Durchführen i) eines Betriebs aus einem Bestimmen einer Phase des Werkstücks, so dass eine Richtung einer Normalen zu einer Umfangsfläche des Werkstücks in einer Teilfläche oder einer Vielzahl von Teilflächen in einem vorbestimmten Winkelbereich bezüglich einer vertikalen Aufwärtsrichtung ist, wobei ein für ein Ausbilden vorgesehener Abschnitt für eine Laserauftragsschweißschicht auf der Umfangsfläche des Werkstücks in eine Vielzahl von Teilflächen aufgeteilt wird, und jede der Vielzahl von Teilflächen einen Winkel gleich wie oder weniger als 90 Grad in einer Umfangsrichtung hat; und ii) eines Betriebs aus einem Bestrahlen des Pulvers mit dem Laserstrahl, während das Pulver zu der einen Teilfläche von der Laserbestrahlungseinheit zugeführt wird, und einem Schmelzen des Pulvers, um eine Wulst in einem Zustand auszubilden, in dem die Phase des Werkstücks bestimmt wird, unter Verwendung der Laserbestrahlungseinheit und des Bewegungsmechanismus.
Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Laserauftragsschweißschicht effizient auszubilden, während ein Senken der Wülste verhindert wird, indem ein Bestimmen einer Phase zum Anordnen einer Teilfläche auf der Umfangsfläche des Werkstücks in einem beinahe horizontalen Zustand und ein Ausbilden der Wülste durch ein Bestrahlen des Pulvers aus dem Metall mit dem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger mit dem Laserstrahl in der einen Teilfläche wiederholt werden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren aus einem Bestrahlen eines Pulvers aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger mit einem Laserstrahl aus einer Laserbestrahlungseinheit, während das Pulver zu einer Umfangsfläche eines Werkstücks um eine Mittelachse des Werkstücks zugeführt wird, und einem Ausbilden einer Laserauftragsschicht des Metalls auf der Umfangsfläche des Werkstücks unter Verwendung des Pulvers, das geschmolzen ist.
Das Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung umfasst einen Ausbildungsprozess aus einem Bestrahlen des Pulvers mit dem Laserstrahl, während das Pulver zu einem für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitt für die Laserauftragsschweißschicht auf der Umfangsfläche des Werkstücks zugeführt wird, und einem Schmelzen des Pulvers, um eine Wulst auszubilden; sowie einen Steuerungsprozess aus einem Steuern einer Größe eines Schmelzsumpfs, der aufgrund der Bestrahlung mit dem Laserstrahl ausgebildet ist, während des Ausbildungsprozesses.
Gemäß diesem Verfahren ist es möglich, die Laserauftragsschweißschicht effizient auszubilden, während ein Senken der Wülste aufgrund einer Vergrößerung des Schmelzsumpfs verhindert wird, indem die Wülste ausgebildet werden, während die Größe des Schmelzsumpfs des Metalls, der aufgrund der Bestrahlung mit dem Laserstrahl ausgebildet wird, gesteuert wird.
Ein vierter Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Laserauftragsschweißvorrichtung, die einen Laserbrenner, der eingerichtet ist, ein Pulver aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger mit einem Laserstrahl zu bestrahlen, während das Pulver zu einem Werkstück zugeführt wird, einen Bewegungsmechanismus, der eingerichtet ist, den Laserbrenner und das Werkstück relativ zueinander zu bewegen, sowie eine Steuerungseinheit umfasst, die eingerichtet ist, einen für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitt für die Laserauftragsschweißschicht auf der Umfangsfläche des Werkstücks um eine Mittelachse des Werkstücks mit dem Laserstrahl mittels des Laserbrenners zu bestrahlen, um das Metallpulver zu schmelzen, um eine Wulst auszubilden, während sie den Laserbrenner und das Werkstück relativ zueinander mittels des Bewegungsmechanismus bewegt und das Pulver von dem Laserbrenner zuführt, und eine Größe eines Schmelzsumpfs, der aufgrund eines Bestrahlens mit dem Laserstrahl ausgebildet wird, während eines Ausbildens der Wulst zu steuern.
Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Laserauftragsschweißschicht effizient auszubilden, während ein Senken der Wulst aufgrund eines Vergrößerns des Schmelzsumpfs verhindert wird, indem das Pulver mit dem Laserstrahl bestrahlt wird, während die Laserbestrahlungseinheit und das Werkstück relativ zueinander mittels des Bewegungsmechanismus bewegt werden, und das Pulver aus der Laserbestrahlungseinheit zugeführt wird, das Pulver geschmolzen wird, um die Wulst auszubilden, und bewirkt wird, dass die Steuerungseinheit die Größe des Schmelzsumpfs, der aufgrund der Bestrahlung mit dem Laserstrahl ausgebildet wird, während des Ausbildens der Wulst steuert.
Figurenliste
Merkmale, Vorteile und eine technische und gewerbliche Bedeutung der beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und wobei:

1 ein Gesamtkonfigurationsdiagramm ist, das eine Konfiguration einer Laserauftragsschweißvorrichtung und eine Positionsbeziehung mit einem Werkstück gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;
2 eine vergrößerte Seitenansicht eines distalen Endes eines Laserbrenners der Laserauftragsschweißvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform ist;
3 ein Ablaufdiagramm ist, das den gesamten Ablauf eines Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
4 eine perspektivische Ansicht ist, die ein Beispiel gemäß der ersten Ausführungsform schematisch zeigt, in dem Wülste auf einer Innenumfangsfläche eines Werkstücks ausgebildet werden;
5 eine perspektivische Ansicht ist, die ein Beispiel gemäß einem abgewandelten Beispiel der ersten Ausführungsform schematisch zeigt, in dem Wülste auf einer Innenumfangsfläche eines Werkstücks ausgebildet werden;
6 ein Gesamtkonfigurationsdiagramm ist, das eine Konfiguration einer Laserauftragsschweißvorrichtung und eine Positionsbeziehung mit einem Werkstück gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
7 eine perspektivische Ansicht ist, die ein Beispiel gemäß der zweiten Ausführungsform schematisch zeigt, in dem Wülste an einer Außenumfangsfläche eines Werkstücks ausgebildet werden;
8 ein Gesamtkonfigurationsdiagramm ist, das eine Konfiguration einer Laserauftragsschweißvorrichtung und einer Positionsbeziehung mit einem Werkstück gemäß einem anderen abgewandelten Beispiel zeigt;
9 ein Gesamtkonfigurationsdiagramm ist, das eine Konfiguration einer Laserauftragsschweißvorrichtung und einer Positionsbeziehung mit einem Werkstück gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt;
10 eine vergrößerte Seitenansicht eines distalen Endes eines Laserbrenners der Laserauftragsschweißvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform ist;
11 ein Ablaufdiagramm ist, das den gesamten Ablauf eines Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahrens gemäß der dritten Ausführungsform zeigt;
12 eine perspektivische Ansicht ist, die ein Beispiel gemäß der dritten Ausführungsform schematisch zeigt, in dem eine Wulst auf einer Innenumfangsfläche eines Werkstücks ausgebildet wird;
13 eine perspektivische Ansicht ist, die einen Wulstausbildungspfad auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks gemäß der dritten Ausführungsform zeigt;
14 ein Gesamtkonfigurationsdiagramm ist, das eine Konfiguration einer Laserauftragsschweißvorrichtung und einer Positionsbeziehung mit einem Werkstück gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt;
15 eine perspektivische Ansicht ist, die ein Beispiel gemäß der vierten Ausführungsform schematisch zeigt, in dem eine Wulst an einer Außenumfangsfläche eines Werkstücks ausgebildet ist;
16 eine perspektivische Ansicht ist, die einen Wulstausbildungspfad auf der Außenumfangsfläche des Werkstücks gemäß der vierten Ausführungsform zeigt;
17 ein Gesamtkonfigurationsdiagramm ist, das eine Konfiguration einer Laserauftragsschweißvorrichtung und einer Positionsbeziehung mit einem Werkstück gemäß einer fünften Ausführungsform zeigt;
18 ein Ablaufdiagramm ist, das den gesamten Ablauf eines Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahrens gemäß der fünften Ausführungsform zeigt; und
19 eine perspektivische Ansicht ist, die einen Wulstausbildungspfad auf einer Innenumfangsfläche eines Werkstücks gemäß einem abgewandelten Beispiel zeigt.

GENAUE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend werden Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren und Laserauftragsschweißvorrichtungen gemäß Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Eine Konfiguration einer Laserauftragsschweißvorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. 1 ist ein Gesamtkonfigurationsdiagramm, das eine Konfiguration der Laserauftragsschweißvorrichtung 1 und einer Positionsbeziehung mit einem Werkstück W gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. 2 ist eine vergrößerte Seitenansicht eines distalen Endes eines Laserbrenners 30 der Laserauftragsschweißvorrichtung 1.
Die Laserauftragsschweißvorrichtung 1 ist eine Vorrichtung, die eine Laserauftragsschweißschicht aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger an einer Umfangsfläche eines Werkstücks (anders gesagt, einem Basismaterial) W ausbildet. In dieser Ausführungsform wird angenommen, dass eine Laserauftragsschweißschicht aus einem zinnbasierten Metall als dem Metall mit einem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger gebildet ist. Beispiele des zinnbasierten Metalls umfassen Zinn (Sn) und Zinnlegierungen, die Zinn als eine Hauptkomponente enthalten. Beispiele der Zinnlegierung umfassen Legierungen, die Metalle, wie etwa Kupfer (Cu), Blei (Pb), Zink (Zn), Silber (Ag) und Bismut zusammen mit Zinn als Komponenten enthalten. In dieser Ausführungsform wird angenommen, dass ein Weißmetall als ein Beispiel des zinnbasierten Metalls verwendet wird. Das Weißmetall ist eine zinnbasierte Legierung, die in JIS5401 beschrieben ist, und ist eine Legierung, die Antimon, Kupfer oder dergleichen mit Zinn als einer Hauptkomponente enthält. Das Werkstück W ist ein zylindrisches Element und umfasst einen radialen Innenabschnitt W1. In dieser Ausführungsform ist ein Beispiel des Werkstücks W ein Lagermetall, das aus einem eisenbasierten Metallwerkstoff, wie etwa einem Chrom-Molybdän-Stahl gefertigt ist, und das eine Welle einer Schleifmaschine oder dergleichen stützt, so dass die Welle drehbar ist. Hier ist das Werkstück W nicht auf ein Lagermetall beschränkt.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst die Laserauftragsschweißvorrichtung 1 einen Laserstrahlbestrahlungsmechanismus 10, einen Drehmechanismus 50 und eine Steuerungseinheit 60. Der Laserstrahlbestrahlungsmechanismus 10 umfasst einen Laseroszillator 20, einen Laserbrenner 30 und einen Bewegungsmechanismus 40.
Der Laseroszillator 20 ist an einer Außenumfangsfläche einer Basisseite des Laserbrenners 30 befestigt und emittiert einen Laserstrahl L nach innen in einer Radialrichtung des Laserbrenners 30. In dieser Ausführungsform ist eine Ausgangsleistung des Laserstrahls festgelegt, um konstant zu sein, jedoch kann die Ausgangsleistung des Laserstrahls festgelegt werden, um veränderbar zu sein, indem der Laseroszillator 20 gesteuert wird. Der Laserbrenner 30 stellt eine Laserbestrahlungseinheit der Erfindung dar und umfasst einen zylindrischen Körper 31, ein optisches System 32, das in dem Körper 31 angeordnet ist, und eine Pulverzuführeinheit 33. Eine Ausgangsöffnung 31a ist auf einer unteren Seitenfläche in der Nähe eines distalen Endes des Körpers 31 ausgebildet.
Das optische System 32 umfasst einen ersten Reflexionsabschnitt 32a, einen ersten Fokussierabschnitt 32b, einen zweiten Fokussierabschnitt 32c und einen zweiten Reflexionsabschnitt 32d. Der erste Reflexionsabschnitt 32a ist in der Basisseite des Laserbrenners 30 angeordnet und reflektiert einen Laserstrahl L, der von dem Laseroszillator 20 emittiert wird, in einer Radialrichtung in Richtung des distalen Endes in der Axialrichtung. Der erste Fokussierabschnitt 32b und der zweite Fokussierabschnitt 32c sind konvexe Linsen zum Fokussieren eines Laserstrahls, sind nacheinander entlang einer optischen Achse des Laserstrahls L, der durch den ersten Reflexionsabschnitt 32a reflektiert wird, in dem Körper 31 angeordnet und dienen dazu, einen Laserstrahl L zu fokussieren und den Laserstrahl L zu dem zweiten Reflexionsabschnitt 32d zu leiten.
Der zweite Reflexionsabschnitt 32d ist in der Nähe des distalen Endes des Körpers 31 angeordnet, das der Ausgangsöffnung 31a gegenüberliegt, und reflektiert den Laserstrahl L, der durch den ersten Fokussierabschnitt 32b und den zweiten Fokussierabschnitt 32c fokussiert wird, schräg nach unten. Wie beispielsweise in 2 gezeigt, wird der Laserstrahl L, der auf den zweiten Reflexionsabschnitt 32d einfällt, nach unten mit einem Winkel θL bezüglich der Axialrichtung des Körpers 31 reflektiert und wird auf ein Werkstück W über die Ausgangsöffnung 31a aufgebracht. Der Winkel θL kann beispielsweise auf 120° festgelegt werden.
Die Pulverzuführeinheit 33 ist in der Nähe des Basisseite der Ausgangsöffnung 31a angeordnet und führt ein Pulver aus einem weißen Metall zu einer Laserstrahlbestrahlungsfläche des Werkstücks W mit einem Blasen eines inerten Schutzgases zu. Die Partikelgröße des Pulvers des weißen Metalls, das hier verwendet wird, reicht beispielsweise von etwa 50 µm zu 100 µm. Wie beispielsweise in 2 gezeigt ist, führt die Pulverzuführeinheit 33 das Pulver aus einem Weißmetall in einer Richtung nach unten bei einem Winkel θP bezüglich der Axialrichtung des Körpers 31 zu. Der Winkel θP kann beispielsweise auf 150° festgelegt werden.
Der Bewegungsmechanismus 40 ist ein Mechanismus, der den Laserbrenner 30 und das Werkstück W relativ zueinander in der Axialrichtung bewegt. Der Bewegungsmechanismus 40 kann ein bekannter Mechanismus sein, der den Laserbrenner 30 in der Axialrichtung halten und horizontal bewegen kann, beispielsweise ein Roboterarm.
Der Drehmechanismus 50 ist ein Mechanismus, der das Werkstück W so hält, dass seine Axialrichtung horizontal ist, und das Werkstück W um die Achse C dreht. Der Drehmechanismus 50 umfasst beispielsweise ein Futter, das ein axiales Ende des Werkstücks W hält, sowie einen Servomotor, der das Futter um die Mittelachse C dreht.
Die Steuerungseinheit 60 ist ein Computer, der eine CPU, einen ROM und einen RAM umfasst, die nicht gezeigt sind, und Prozesse des Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahrens durchführt, indem sie die Betriebe der Einheiten des Laserstrahlbestrahlungsmechanismus 10 und des Drehmechanismus 50 steuert.
Ein Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren, das die Laserauftragsschweißvorrichtung 1 verwendet, wird nachstehend unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben. 3 ist ein Ablaufdiagramm, das den Ablauf des Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahrens zeigt. 4 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel schematisch zeigt, in dem das Verfahren eines Ausbildens einer Laserauftragsschweißschicht auf einer Innenumfangsfläche eines Werkstücks W angewandt wird, und einen Teil des Werkstücks W zeigt. Das Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren gemäß dieser Ausbildungsform ist ein Verfahren aus einem Bestrahlen einer Innenumfangsfläche des Werkstücks W um die Mittelachse C mit einem Laserstrahl, während ein Pulver aus einem Weißmetall, das ein Metall mit einem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger ist, zugeführt wird, mittels des Laserbrenners 30, und einem Ausbilden einer Laserauftragsschweißschicht des Weißmetalls auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W unter Verwendung des geschmolzenen Pulvers. Das Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren wird durch die Steuerungseinheit 60 durchgeführt.
Zunächst wird, wie in dem Ablaufdiagramm der 3 gezeigt ist, ein Aufteilungsprozess in Schritt 1 (Schritt 1 wird nachstehend als S1 abgekürzt. Dasselbe gilt für die nachfolgenden Schritte) durchgeführt. Der Aufteilungsprozess S1 ist ein Prozess aus einem Aufteilen eines für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitts für eine Laserauftragsschweißschicht (d.h., eines Abschnitts, auf dem eine Laserauftragsschweißschicht ausgebildet werden soll) auf der Umfangsfläche des Werkstücks W in eine Vielzahl von Teilflächen, von denen jede einen Winkel hat, der gleich wie oder kleiner als 90 Grad in der Umfangsrichtung ist. In dieser Ausführungsform wird die gesamte Innenumfangsfläche des Werkstücks W als der für ein Ausbilden vorgesehene Abschnitt verwendet, und wird in N Teilflächen (wobei N eine positive ganze Zahl ist) in der Umfangsrichtung aufgeteilt. Jede der N Teilflächen entspricht einer Wulstbreite des Weißmetalls, das durch die Laserauftragsschweißvorrichtung 1 ausgebildet wird. Die Wulstbreite ist etwa mehrere mm (beispielsweise 5 mm). Der Prozess aus einem Definieren der Teilflächen wird als ein innerer Prozess durchgeführt, der in der Steuerungseinheit 60 durchgeführt wird, jedoch sind Grenzen zwischen den benachbarten Teilflächen durch gestrichelte Linien in 4 zum Zwecke eines einfachen Verständnisses gezeigt. Nach dem Aufteilungsprozess S1 wird eine Variable n auf 1 in S2 festgelegt.
Dann wird in S3 ein Phasenbestimmungsprozess durchgeführt. Der Phasenbestimmungsprozess S3 ist ein Prozess aus einem Halten des Werkstücks W so, dass seine Axialrichtung horizontal ist, und einem Bestimmen der Phase des Werkstücks W, so dass eine Richtung einer Normalen zu der Umfangsfläche des Werkstücks in einer Teilfläche der Vielzahl von Teilflächen, die in dem Aufteilungsprozess S1 definiert werden, in einem vorbestimmten Winkelbereich bezüglich der vertikalen Aufwärtsrichtung ist. In dieser Ausführungsform wird das Werkstück W durch den Drehmechanismus 50 so gehalten, dass seine Axialrichtung horizontal ist, und die Phase wird bestimmt, indem das Werkstück W so gedreht wird, dass die Richtung der Normalen zu der Innenumfangsfläche des Werkstücks W in der Mitte in der Umfangsrichtung der n-ten Teilfläche (wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 1 bis N ist), in der eine Wulst (d.h., eine Schweißwulst) unter den N Teilflächen nicht ausgebildet ist, die vertikale Aufwärtsrichtung ist. In 4 ist die Mitte in der Umfangsrichtung der n-ten Teilfläche durch eine Strichpunktlinie gezeigt.
In dem in 4 gezeigten Zustand ist die Mitte der n-ten Teilfläche in der Umfangsrichtung auf der untersten Seite in der vertikalen Richtung auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W angeordnet. Das heißt, in jedem Phasenbestimmungsprozess S3 wird das Werkstück W um einen Winkel gedreht, der der Länge von jeder Teilfläche in der Umfangsrichtung entspricht, und die Phase wird so bestimmt, dass die n-te Teilfläche, in der eine Wulst ausgebildet werden soll, auf der untersten Seite in der vertikalen Richtung angeordnet ist.
Dann wird in S4 der Ausbildungsprozess durchgeführt. Der Ausbildungsprozess ist ein Prozess aus einem Bestrahlen einer Teilfläche mit einem Laserstrahl, während ein Pulver aus einem Weißmetall zu der einen Teilfläche in einem Zustand zugeführt wird, in dem die Phase des Werkstücks W bestimmt ist, sowie einem Schmelzen des Pulvers, um eine Wulst auszubilden. In dieser Ausführungsform wird in einem Zustand, in dem die Phase des Werkstücks W durch den Drehmechanismus 50 bestimmt ist, der Laserbrenner 30 durch den Bewegungsmechanismus 40 zu einer Position bewegt, an der ein erstes Ende des Werkstücks W in der Axialrichtung mit dem Laserstrahl bestrahlt werden kann. Danach wird die n-te Teilfläche, die unmittelbar unter dem Laserbrenner 30 angeordnet ist, mit einem Laserstrahl bestrahlt, während ein Pulver aus einem Weißmetall zu der n-ten Teilfläche aus der Pulverzuführeinheit 33 zugeführt wird, und wobei das Pulver geschmolzen wird, um die Wulst auszubilden. Genauer gesagt, wird ein Pulver geschmolzen, um die Wulst auszubilden, indem ein Schmelzsumpf in dem Werkstück W, das mit dem Laserstrahl bestrahlt wird, ausgebildet wird, und das Pulver zu dem Schmelzsumpf zugeführt wird, oder indem das Pulver mit dem Laserstrahl bestrahlt wird. Gleichzeitig wird der Laserbrenner 30 durch den Bewegungsmechanismus 40 zu einem zweiten Ende des Werkstücks W in der Axialrichtung relativ bewegt.
In 4 ist ein Beispiel gezeigt, in dem der Laserbrenner 30 von einem distalen Ende zu einer Basis in der Axialrichtung bewegt wird, um eine Wulst in der n-ten Teilfläche auszubilden. In 4 ist ein Teil, in dem Wülste auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W ausgebildet sind, gepunktet dargestellt. Somit wird die Wulst aus einem Weißmetall, die sich in einer axial geraden Gestalt erstreckt, in der n-ten Teilfläche der Innenumfangsfläche des Werkstücks W ausgebildet. Weil die Wulst in einem Zustand ausgebildet wird, in dem eine Drehung des Werkstücks W gestoppt ist, und die n-te Teilfläche in einem annähernd horizontalen Zustand gehalten ist, ist es möglich, ein Auftreten eines Senkens zu hemmen.
In einem Verfahren, das im Stand der Technik ein Plasmaspritzen verwendet, ist ein Stapeln von etwa 80 Lagen erforderlich, um eine Aufbaudicke von 1,5 mm bis 2 mm zu realisieren, weil die Dicke eines Weißmetalls, das für ein einmaliges Spritzen ausgebildet wird, klein ist. Jedoch kann in dieser Ausführungsform die notwendige Aufbaudicke durch eine Schicht realisiert werden, weil die Dicke der Wulst, die durch ein einmaliges Bewegen des Laserbrenners 30 ausgebildet ist, von 1,5 mm bis 2 mm reicht. Im Vergleich mit einem Aufbauen unter Verwendung eines Plasmaspritzens ist in der Ausführungsform, die eine Laserauftragsschweißschicht verwendet, eine Festigkeit eines Anhaftens der Laserauftragsschweißschicht an dem Werkstück hoch und ein Vorbehandeln wie etwa ein Flussmittelbeschichten oder Abstrahlen ist nicht erforderlich.
Dann wird in S5 bestimmt, ob n ein Vielfaches von M ist. Hier ist M eine ganze Zahl, die gleich wie oder größer als 1 ist und gleich wie oder kleiner als N ist, und ist beispielsweise auf einen Wert festgelegt, der einer Drehphase von 30° bis 50° des Werkstücks W entspricht. Wenn n kein Vielfaches von M ist (S5: NEIN), schreitet der Ablauf zu S7 fort. Andererseits, wenn n ein Vielfaches von M ist (S5: JA), wird in S6 ein Kühlprozess durchgeführt. In dem Kühlprozess S6 werden ein Drehen des Werkstücks W durch den Drehmechanismus 50 und ein Ausbilden der Wulst durch den Laserstrahlbestrahlungsmechanismus 10 gestoppt und der Ablauf wartet für eine vorbestimmte Zeit bei der normalen Temperatur. Das heißt, nachdem der Phasenbestimmungsprozess S3 und dem Ausbildungsprozess S4 M Male wiederholt wurden, wird der Kühlprozess für eine vorbestimmte Zeit durchgeführt, und dann werden der Phasenbestimmungsprozess S3 und der Ausbildungsprozess S4 M Male wiederholt. Beispielsweise kann M auf einen Wert festgelegt werden, der einer Drehphase von 40° des Werkstücks W entspricht, und der Kühlprozess während 5 Minuten kann 9 Mal durchgeführt werden, während die Wülste auf der gesamten Innenumfangsfläche (360°) des Werkstücks W ausgebildet werden. Der Grund, warum der Kühlprozess S6 auf diese Weise durchgeführt wird, ist, dass es wahrscheinlich ist, dass ein Senken von Wülsten auftritt, wenn das Werkstück W durch ein durchgehendes Ausbilden von Wülsten allmählich erwärmt wird. Indem die Temperatur des Werkstücks W durch den Kühlprozess S6 einmal gesenkt wird und das Ausbilden der Wulst wieder gestartet wird, ist es möglich, ein Auftreten eines Senkens wirksamer zu verhindern.
Dann wird in S7 die Variable n um 1 erhöht. Danach wird in S8 bestimmt, ob n ≤ N erfüllt ist. Der Ablauf kehrt zu S3 zurück, wenn n ≤ N erfüllt ist (S8: JA), und der Ablauf endet, wenn n > N erfüllt ist (S8: NEIN). Das heißt, die Laserauftragsschweißschicht wird ausgebildet, indem der Phasenbestimmungsprozess S3 und der Ausbildungsprozess S4 auf den ersten bis N-ten Teilflächen durchgeführt wird, um Wülste in dem gesamten für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitt auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W auszubilden.
Wie vorstehend beschrieben wurde, ist es mit der Laserauftragsschweißvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform möglich, ein Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren zuverlässig durchzuführen, das es ermöglicht, eine Laserauftragsschweißschicht effizient auszubilden, während ein Senken von Wülsten verhindert wird, indem der Phasenbestimmungsprozess S3 aus einem Bestimmen der Phase des Werkstücks W, so dass eine Teilfläche auf seiner Umfangsfläche in einem annähernd horizontalen Zustand ist, sowie der Ausbildungsprozess S4 aus einem Bestrahlen eines Pulvers aus einem Metall mit einem Laserstrahl in der einen Teilfläche wiederholt durchgeführt werden, um die Wulst auszubilden.
Indem eine Phase eines nächsten Teilbereichs bestimmt wird und die Wulst in dem nächsten Teilbereich ausgebildet wird, nach einem Kühlen und Erstarren der Wülste in dem Kühlprozess S6, ist es möglich, ein Senken von Wülsten zuverlässiger zu verhindern. Genauer gesagt, können Wülste durch ein wiederholtes Durchführen des Phasenbestimmungsprozesses S3 und des Ausbildungsprozesses S4 mehrere Male effizient ausgebildet werden, und ein Senken von Wülsten, das wahrscheinlich auftreten kann, indem das erwärmte Werkstück W geneigt wird, kann zuverlässiger verhindert werden, indem die Wülste in dem Kühlprozess S6 gekühlt und erstarrt werden.
Genauer gesagt, ist es in dieser Ausführungsform möglich, eine Laserauftragsschweißschicht auf der gesamten Innenumfangsfläche des Werkstücks W effizient auszubilden, während ein Senken von Wülsten verhindert wird, indem ein Laserbrenner 30 in einen Raum eingesetzt und angeordnet wird, der durch den Innenumfang eines Werkstücks W begrenzt wird, und ein Bestimmen einer Phase mit einem Drehen des Werkstücks W und ein Bewegen in der Axialrichtung des Laserbrenners 30 wiederholt durchgeführt werden.
In dieser Ausführungsform umfasst der Aufteilungsprozess S1 ein Aufteilen eines für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitts für eine Laserauftragsschweißschicht in eine Vielzahl von Teilflächen, von denen jede einer Breite einer Wulst entspricht, umfasst der Phasenbestimmungsprozess S3 ein Bestimmen der Phase des Werkstücks W, indem das Werkstück W um einen Phasenwinkel gedreht wird, der der Breite einer Wulst entspricht, und umfasst der Ausbildungsprozess S4 ein Ausbilden einer Wulst in einer axial geraden Gestalt auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W, indem das Werkstück W und der Laserbrenner 30 relativ zueinander in der Axialrichtung bewegt werden. Entsprechend ist es möglich, eine Laserauftragsschweißschicht auf der gesamten Innenumfangsfläche des Werkstücks W auszubilden, indem ein Drehen des Werkstücks W und ein Bewegen des Laserbrenners 30 in der Axialrichtung wiederholt werden.
Ein abgewandeltes Beispiel der ersten Ausführungsform wird nachstehend unter Bezugnahme auf 5 beschrieben. 5 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel gemäß dem abgewandelten Beispiel zeigt, in dem Wülste auf einer Innenumfangsfläche eines Werkstücks W ausgebildet werden. In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird eine Innenumfangsfläche eines Werkstücks W in eine Vielzahl von Teilflächen in der Umfangsrichtung so aufgeteilt, dass jede der Vielzahl von Teilflächen der Wulstbreite entspricht, und eine Wulst in einer axial geraden Gestalt in jeder Teilfläche ausgebildet wird. Jedoch wird in dem abgewandelten Beispiel eine Innenumfangsfläche eines Werkstücks W in eine Vielzahl von Teilflächen mit einem vorbestimmten Winkel in der Umfangsrichtung aufgeteilt, und eine Wulst wird in einer rechteckigen Wellengestalt ausgebildet, indem ein Drehen des Laserbrenners 30 in der Umfangsrichtung und sein Bewegen in der Axialrichtung in jeder Teilfläche wiederholt werden. Eine Anordnung des Laserbrenners 30 bezüglich dem Werkstück W ist dieselbe wie in 1 gezeigt ist, sowie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform.
In dem Aufteilungsprozess S1 wird, wie in 5 gezeigt ist, ein für ein Ausbilden vorgesehener Abschnitt für eine Laserauftragsschweißschicht auf einer Innenumfangsfläche des Werkstücks W in N Teilflächen (wobei N eine positive ganze Zahl ist) von einer ersten zu einer N-ten Teilfläche so aufgeteilt, dass jede von N Teilflächen einen vorbestimmten Winkel in der Umfangsrichtung hat, der gleich wie oder kleiner als 90 Grad ist. Wenn beispielsweise die gesamte Innenumfangsfläche (360 Grad) des Werkstücks W in der Umfangsrichtung in Teilflächen mit Intervallen von 20 Grad in der Umfangsrichtung aufgeteilt wird, wird die Innenumfangsfläche des Werkstücks W in 18 Teilflächen von der ersten bis zur achtzehnten Teilfläche aufgeteilt.
Bei dem Phasenbestimmungsprozess S3 wird das Werkstück W durch den Drehmechanismus 50 so gehalten, dass seine Axialrichtung horizontal ist, und die Phase wird bestimmt, indem das Werkstück W so gedreht wird, dass die Richtung der Normalen zu der Innenumfangsfläche des Werkstücks W in der Mitte in der Umfangsrichtung der n-ten Teilfläche (wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 1 bis N ist), in der eine Wulst nicht ausgebildet ist, unter den N Teilflächen, die vertikale Aufwärtsrichtung ist. In diesem Zustand ist die Mitte der n-ten Teilfläche in der Umfangsrichtung auf der untersten Seite in der vertikalen Richtung auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W angeordnet. Das heißt, bei jedem Phasenbestimmungsprozess S3 wird das Werkstück W um einen Winkel gedreht, der der Länge von jeder Teilfläche in der Umfangsrichtung entspricht, und wobei die Phase so bestimmt wird, dass die n-te Teilfläche, in der eine Wulst ausgebildet werden soll, auf der untersten Seite in der vertikalen Richtung angeordnet ist.
Bei dem Ausbildungsprozess S4 wird in einem Zustand, in dem die Phase des Werkstücks W durch den Drehmechanismus 50 bestimmt wird, der Laserbrenner 30 durch den Bewegungsmechanismus 40 zu einer Position bewegt, an der ein erstes Ende der Innenumfangsfläche des Werkstücks W in der Axialrichtung mit einem Laserstrahl bestrahlt werden kann. Danach wird die n-te Teilfläche, die unmittelbar unter dem Laserbrenner 30 angeordnet ist, mit einem Laserstrahl bestrahlt, während ein Pulver aus einem Weißmetall zu der n-ten Teilfläche aus der Pulverzuführeinheit 33 zugeführt wird, und wobei das Pulver geschmolzen wird, um eine Wulst auszubilden. Gleichzeitig wird der Laserbrenner 30 durch den Bewegungsmechanismus im Uhrzeigersinn in der Umfangsrichtung des Werkstücks W gedreht. Danach wird der Laserbrenner 30 durch den Bewegungsmechanismus zu der Basisseite des Werkstücks W in der Axialrichtung um die Wulstbreite relativ bewegt, und dann wird der Laserbrenner 30 entgegen dem Uhrzeigersinn in der Umfangsrichtung des Werkstücks W gedreht. Indem diese Betriebe wiederholt werden, wird die Wulst in einer rechteckigen Wellengestalt ohne irgendeinen Spalt in der n-ten Teilfläche auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W ausgebildet. Indem der Bewegungsmechanismus 40 als ein Roboterarm ausgebildet ist, ist es möglich, sowohl die Betriebe, die ein Bewegen des Laserbrenners 30 in der Axialrichtung als auch eine Drehung des Laserbrenners 30 um seine Mittelachse umfassen, zu unterstützen.
Wenn ein Ausbilden der Wulst in der n-ten Teilfläche abgeschlossen ist, wird die Variable n um 1 in S7 erhöht, und S3 bis S7 werden wiederholt durchgeführt, bis n N erreicht, wobei eine Laserauftragsschweißschicht aus einem Weißmetall auf der gesamten Innenumfangsfläche des Werkstücks W ausgebildet wird. Gemäß diesem abgewandelten Beispiel ist es, ähnlich der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, möglich, eine Laserauftragsschweißschicht auf der gesamten Innenumfangsfläche des Werkstücks W effizient auszubilden, während ein Senken von Wülsten verhindert wird.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf 6 und 7 beschrieben. 6 ist ein Gesamtkonfigurationsdiagramm, das eine Konfiguration einer Laserauftragsschweißvorrichtung 1 und einer Positionsbeziehung mit einem Werkstück W gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. 7 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel gemäß der zweiten Ausführungsform schematisch zeigt, bei dem Wülste auf einer Außenumfangsfläche eines Werkstücks W ausgebildet werden.
In der ersten Ausführungsform wird die Laserauftragsschweißschicht auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W ausgebildet, jedoch unterscheidet sich die zweite Ausführungsform von der ersten Ausführungsform dahingehend, dass die Laserauftragsschweißschicht auf einer Außenumfangsfläche eines Werkstücks W ausgebildet wird. Das heißt, die Konfiguration der Laserauftragsschweißvorrichtung 1 ist dieselbe wie diejenige in der ersten Ausführungsform und die Positionsbeziehung zwischen dem Laserbrenner 30 und dem Werkstück W unterscheidet sich von derjenigen in der ersten Ausführungsform. Genauer gesagt, in der ersten Ausführungsform ist der Laserbrenner 30 in einen Raum eingesetzt und in diesem angeordnet, der durch den Innenumfang des Werkstücks W begrenzt ist, so dass die Ausgangsöffnung 31a der Innenumfangsfläche gegenüberliegt. Jedoch ist in der zweiten Ausführungsform der Laserbrenner 30 vertikal über dem Werkstück W angeordnet und die Ausgangsöffnung 31a liegt der Außenumfangsfläche des Werkstücks W gegenüber, wie in 6 gezeigt ist. Der Ablauf von Prozessen bei dem Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren ist derselbe wie derjenige in der ersten Ausführungsform. Dieselben Einzelheiten wie in der ersten Ausführungsform werden nicht beschrieben, und dieselben Elemente werden durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet, und wobei ihre genaue Beschreibung nicht wiederholt wird.
In dem Aufteilungsprozess S1 wird ein für ein Ausbilden vorgesehener Abschnitt für eine Laserauftragsschweißschicht auf der Außenumfangsfläche des Werkstücks W in N Teilflächen (wobei N eine positive ganze Zahl ist) in der Umfangsrichtung so aufgeteilt, dass jede von N Teilflächen einer Wulstbreite eines Weißmetalls entspricht. In 6 sind Grenzen zwischen benachbarten Teilflächen durch Strichlinien gezeigt.
Bei dem Phasenbestimmungsprozess S3 wird das Werkstück W durch den Drehmechanismus 50 so gehalten, dass seine Axialrichtung horizontal ist, und die Phase wird bestimmt, indem das Werkstück W so gedreht wird, dass die Richtung der Normalen zu der Außenumfangsfläche des Werkstücks W in der Mitte in der Umfangsrichtung der n-ten Teilfläche (wobei n eine ganze Zahl in einem Bereich von 1 bis N ist), in der eine Wulst nicht ausgebildet ist, unter den N Teilflächen, die vertikale Aufwärtsrichtung ist. In diesem Zustand, in dem die Phase der n-ten Teilfläche bestimmt ist, ist die Mitte der n-ten Teilfläche in der Umfangsrichtung auf der obersten Seite in der vertikalen Richtung auf der Außenumfangsfläche des Werkstücks W angeordnet. Das heißt, in jedem Phasenbestimmungsprozess S3 wird das Werkstück W um einen Winkel gedreht, der der Länge von jeder Teilfläche in der Umfangsrichtung entspricht, und die Phase wird so bestimmt, dass die n-te Teilfläche, in der die Wulst ausgebildet werden soll, auf der obersten Seite in der vertikalen Richtung angeordnet ist.
Bei dem Ausbildungsprozess S4 wird in einem Zustand, in dem die Phase des Werkstücks W durch den Drehmechanismus 50 bestimmt wird, der Laserbrenner 30 durch den Bewegungsmechanismus 40 zu einer Position bewegt, bei der ein erstes Ende des Werkstücks W in der Axialrichtung mit einem Laserstrahl bestrahlt werden kann. Danach wird die n-te Teilfläche, die unmittelbar unter dem Laserbrenner 30 angeordnet ist, mit einem Laserstrahl bestrahlt, während ein Pulver aus einem Weißmetall zu der n-ten Teilfläche von der Pulverzuführeinheit 33 zugeführt wird, und wobei das Pulver geschmolzen wird, um die Wulst auszubilden. Gleichzeitig wird der Laserbrenner 30 durch den Bewegungsmechanismus 40 zu einem zweiten Ende des Werkstücks W in der Axialrichtung relativ bewegt. Entsprechend wird die Wulst aus einem Weißmetall, die sich in einer axial geraden Gestalt erstreckt, in der n-ten Teilfläche auf der Außenumfangsfläche des Werkstücks W ausgebildet.
In dieser Ausführungsform können dieselben Vorteile wie in der ersten Ausführungsform erreicht werden. Das heißt, indem der Phasenbestimmungsprozess S3 aus einem Anordnen des Laserbrenners 30 über der Außenumfangsfläche des Werkstücks W in der vertikalen Richtung und einem Bestimmen der Phase so, dass eine Teilfläche auf der Außenumfangsfläche des Werkstücks W auf der obersten Seite in der vertikalen Richtung angeordnet ist und in einem im Wesentlichen horizontalen Zustand ist, sowie der Ausbildungsprozess S4 aus einem Bestrahlen eines Pulvers eines Weißmetalls in der einen Teilfläche mit einem Laserstrahl, um die Wulst auszubilden, wiederholt werden, ist es möglich, eine Laserauftragsschweißschicht auf der gesamten Außenumfangsfläche des Werkstücks W effizient auszubilden, während ein Sinken von Wülsten verhindert wird.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann in verschiedenen Formen abgewandelt werden, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist das Werkstück W ein Lagermetall, das eine Welle einer Schleifmaschine oder dergleichen so stützt, dass die Welle drehbar ist, jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Die Erfindung kann auch bei einem Lagermetall von einem Stützteil eines Radiallagers (d.h., Gleitlagers) in einer Kraftmaschine eines Schiffs oder eines Fahrzeugs, einer Turbine, eines Stromgenerators oder dergleichen angewandt werden. Kurz gesagt, das Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren gemäß der Erfindung kann auf ein Bearbeiten irgendeines Werkstücks angewandt werden, das eine Umfangsfläche um seine Mittelachse hat. Ein Beispiel, bei dem eine Laserauftragsschweißschicht, die aus einem Weißmetall als einem Metall mit einem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger gefertigt ist, ist vorstehend beschrieben, jedoch kann eine zinnbasierte Legierung verwendet werden, die von einem Weißmetall verschieden ist, oder kann ein Metall mit einem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger verwendet werden, das von einer zinnbasierten Legierung verschieden ist.
Eine Laserauftragsschweißschicht wird auf einer Innenumfangsfläche eines zylindrischen Werkstücks W in der ersten Ausführungsform und auf einer Außenumfangsfläche eines säulenförmigen Werkstücks W in der zweiten Ausführungsform ausgebildet, jedoch ist die Gestalt des Werkstücks W oder der Umfangsfläche, auf der die Laserauftragsschweißschicht ausgebildet wird, nicht darauf beschränkt. Eine Laserauftragsschweißschicht kann auf einer polygonalen Innenumfangsfläche eines rohrförmigen Werkstücks ausgebildet werden, oder eine Laserauftragsschweißschicht kann auf einer Außenumfangsfläche eines polygonalen säulenförmigen Werkstücks ausgebildet werden. Kurz gesagt, eine Laserauftragsschweißschicht kann auf einer Umfangsfläche eines Werkstücks um seine Mittelachse ausgebildet werden.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird ein Werkstück W, in dem Wülste aus einem Weißmetall auf einer Umfangsfläche ausgebildet sind, bei der normalen Temperatur gekühlt, jedoch kann ein Wiedererwärmungsprozess aus einem Wiedererwärmen des Werkstücks W bei einer vorbestimmten Temperatur (beispielsweise etwa 170 °C) unter Verwendung einer Heizvorrichtung, wie etwa eines Heizbeckens oder eines Heizgeräts, vorgesehen sein, nachdem der Ausbildungsprozess S4 durchgeführt wurde. Beispielsweise kann, wie in 8 gezeigt ist, ein gesamtes Werkstück W in einem temperaturgesteuerten Gehäuse 70 festgelegt sein, das einen Gegenstand wärmen und kühlen kann, und die Steuerungseinheit 60 kann einen Wiedererwärmungsprozess durchführen, indem sie das temperaturgesteuerte Gehäuse 70 steuert, nachdem der Ausbildungsprozess S4 durchgeführt wurde. Gemäß diesem abgewandelten Beispiel ist es möglich, eine Laserauftragsschweißschicht mit einer einheitlicheren und höheren Qualität auszubilden, weil Wülste über die Zeit in dem Wiedererwärmungsprozess langsam gekühlt werden, um ihre Gewebe auszubilden.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird der Kühlprozess S6 durchgeführt, nachdem der Phasenbestimmungsprozess S3 und der Ausbildungsprozess S4 mehrere Male wiederholt wurden, jedoch kann der Kühlprozess S6 weggelassen werden, solange wie Wülste so erstarrt werden, dass ein Senken der Wülste auch dann nicht auftritt, wenn das Werkstück W geneigt ist.
Der Ausbildungsprozess S4 wird bei der normalen Temperatur durchgeführt, jedoch kann der Ausbildungsprozess S4 in einem Zustand durchgeführt werden, in dem das Werkstück W durch eine Kühlvorrichtung, wie etwa ein Kühlbecken oder ein Kühlluftgebläse, durchgehend bei einer Temperatur gekühlt wird, die niedriger ist als die normale Temperatur. Wie beispielsweise in 8 gezeigt ist, kann das gesamte Werkstück W in ein temperaturgesteuertes Gehäuse 70 eingebracht werden, das einen Gegenstand erwärmen und kühlen kann, und kann unter der Steuerung der Steuerungseinheit 60 durchgehend gekühlt werden. Gemäß diesem abgewandelten Beispiel ist es möglich, ein Senken von Wülsten wirksamer zu verhindern, weil das geschmolzene Weißmetall aufgrund des Kühlens des Werkstücks W schnell erstarrt. In diesem abgewandelten Beispiel kann der Kühlprozess S6 weggelassen werden, solange wie die Wülste bis zu einem solchen Grad erstarren, dass ein Senken der Wülste nicht auftritt.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen kann die Ausgangsleistung eines Laserstrahls in dem Ausbildungsprozess S4 variabel sein, anstatt die Ausgangsleistung eines Laserstrahls konstant zu machen. Beispielsweise ist es durch ein Einfangen eines Bilds eines Schmelzsumpfs aus einem Metall, der durch ein Bestrahlen mit einem Laserstrahl ausgebildet ist, unter Verwendung einer Kamera, und ein Durchführen einer Steuerung für ein Verringern der Ausgangsleistung des Laserstrahls aus dem Laseroszillator 20 unter Verwendung der Steuerungseinheit 60, wenn basierend auf dem eingefangenen Bild erfasst wird, dass die Größe des Schmelzsumpfs gleich wie oder größer als ein vorbestimmter Wert ist, möglich, ein Senken von Wülsten wirksamer zu verhindern.
Nachstehend werden Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren und Laserauftragsschweißvorrichtungen gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Eine Konfiguration einer Laserauftragsschweißvorrichtung 1 gemäß einer dritten Ausführungsform wird nachstehend unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. 9 ist ein Gesamtkonfigurationsdiagramm, das eine Konfiguration einer Laserauftragsschweißvorrichtung 1 und einer Positionsbeziehung mit einem Werkstück W gemäß der dritten Ausführungsform zeigt. 10 ist eine vergrößerte Seitenansicht eines distalen Endes eines Laserbrenners 30 der Laserauftragsschweißvorrichtung 1.
Die Laserauftragsschweißvorrichtung 1 ist eine Vorrichtung, die eine Laserauftragsschweißschicht aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger auf einer Umfangsfläche eines Werkstücks W ausbildet. In dieser Ausführungsform wird angenommen, dass eine Laserauftragsschweißschicht aus einem zinnbasierten Metall als dem Metall mit einem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger gefertigt ist. Beispiele des zinnbasierten Metalls umfassen Zinn (Sn) und Zinnlegierungen, die Zinn als eine Hauptkomponente enthalten. Beispiele der Zinnlegierung umfassen Legierungen, die Metalle, wie etwa Kuper (Cu), Blei (Pb), Zink (Zn), Silber (Ag) und Bismut zusammen mit Zinn als Komponenten enthalten. In dieser Ausführungsform wird angenommen, dass ein Weißmetall als ein Beispiel des zinnbasierten Metalls verwendet wird. Das Weißmetall ist eine zinnbasierte Legierung, die in JIS5401 beschrieben ist, und eine Legierung, die Antimon, Kupfer und dergleichen mit Zinn als einer Hauptkomponente enthält. Das Werkstück W ist ein zylindrisches Element, das eine Innenumfangsfläche und eine Außenumfangsfläche umfasst. In dieser Ausführungsform ist ein Beispiel des Werkstücks W ein Lagermetall, das aus einem eisenbasierten Metallwerkstoff, wie etwa einem Chrom-Molybdän-Stahl (SCM-Stahl) gefertigt ist und eine Welle einer Schleifmaschine oder dergleichen so stützt, dass die Welle drehbar ist. Hier ist das Werkstück W nicht auf ein Lagermetall beschränkt.
Wie in 9 gezeigt ist, umfasst die Laserauftragsschweißvorrichtung 1 einen Laserstrahlbestrahlungsmechanismus 10, einen Drehmechanismus 50 und eine Steuerungseinheit 60. Der Laserstrahlbestrahlungsmechanismus 10 umfasst einen Laseroszillator 20, einen Laserbrenner 30 und einen Bewegungsmechanismus 40.
Der Laseroszillator 20 ist an einer Außenumfangsfläche einer Basisseite des Laserbrenners 30 befestigt und emittiert einen Laserstrahl L nach innen in einer Radialrichtung des Laserbrenners 30. Der Laseroszillator 20 kann eine Ausgangsleistung des Laserstrahls ändern. Genauer gesagt, wie nachstehend im Einzelnen beschrieben wird, ändert die Steuerungseinheit 60 die Ausgangsleistung eines Laserstrahls, indem sie den Laseroszillator 20 basierend auf Bilddaten über einen Schmelzsumpf steuert, die von einer Bildgebungseinheit 35 gesendet werden. Der Laserbrenner 30 umfasst einen zylindrischen Körper 31, ein optisches System 32, das in dem Körper 31 angeordnet ist, eine Pulverzuführeinheit 33 und eine Bildgebungseinheit 35. Eine Ausgangsöffnung 31a ist auf einer unteren Seitenfläche in der Nähe eines distalen Endes des Körpers 31 ausgebildet. Der Laseroszillator 20 und der Laserbrenner 30 stellen eine Laserbestrahlungseinheit in den Ansprüchen dar.
Das optische System 32 umfasst einen ersten Reflexionsabschnitt 32a, eine Kollimationslinse 132b, eine Fokussierlinse 132c, einen zweiten Reflexionsabschnitt 32d und einen Halbspiegel 32e. Der erste Reflexionsabschnitt 32a ist innerhalb der Basisseite des Laserbrenners 30 angeordnet und reflektiert einen Laserstrahl L, der von dem Laseroszillator 20 in einer Radialrichtung emittiert wird, in Richtung des distalen Endes in der Axialrichtung. Die Kollimationslinse 132b ist eine konvexe Linse und dient dazu, einen Laserstrahl L, der durch den ersten Reflexionsabschnitt 32a reflektiert wird und gestreut wird und auf die Kollimationslinse 132b auftrifft, in einen parallelen Strahl umzuwandeln, und den parallelen Strahl zu der Fokussierlinse 132c zu leiten. Die Fokussierlinse 132c ist eine konvexe Linse und dient dazu, den Laserstrahl L, der durch die Kollimationslinse 132b in den parallelen Strahl umgewandelt wird, zu fokussieren, den Laserstrahl L in einen konvergenten Strahl umzuwandeln, und den konvergenten Strahl zu dem zweiten Reflexionsabschnitt 32d zu leiten. Eine Vielzahl von Kollimationslinsen 132b und eine Vielzahl von Fokussierlinsen 132c können vorgesehen sein.
Der zweite Reflexionsabschnitt 32d ist in der Nähe des distalen Endes des Körpers 31 angeordnet, der der Ausgangsöffnung 31a gegenüberliegt, und reflektiert den Laserstrahl L, der durch die Kollimationslinse 132b und die Fokussierlinse 132c fokussiert wird, schräg nach unten. Beispielsweise, wie in 10 gezeigt ist, wird der Laserstrahl L, der auf den zweiten Reflexionsabschnitt 32d auftrifft, nach unten bei einem Winkel θL bezüglich der Axialrichtung des Körpers 31 reflektiert und wird auf ein Werkstück W mittels der Ausgangsöffnung 31a aufgebracht. Der Winkel θL kann auf beispielsweise 120° festgelegt werden. Der zweite Reflexionsabschnitt 32d sendet ein reflektiertes Bild einer Teilfläche, die mit dem Laserstrahl L mittels der Ausgangsöffnung 31a auf der Umfangsfläche des Werkstücks W bestrahlt wird, in einer koaxialen Richtung, die der Fortbewegungsrichtung des Laserstrahls L entgegengesetzt ist. Der Halbspiegel 32e ist auf einer optischen Achse des Laserstrahls L zwischen der Kollimationslinse 132b und der Fokussierlinse 132c angeordnet und dient dazu, einen Laserstrahl L, der sich von dem ersten Reflexionsabschnitt 32a zu dem zweiten Reflexionsabschnitt 32d fortbewegt, zu übertragen, und das reflektierte Bild der Teilfläche, die mit dem Laserstrahl L auf der Umfangsfläche des Werkstücks W bestrahlt wird, in Richtung der Bildgebungseinheit 35 zu reflektieren, nachdem das reflektierte Bild durch den zweiten Reflexionsabschnitt 32d über die Fokussierlinse 132c geschickt wird.
Die Pulverzuführeinheit 33 ist in der Nähe einer Basisseite der Ausgangsöffnung 31a angeordnet und führt ein Pulver aus einem Weißmetall zu einer Laserstrahlbestrahlungsfläche des Werkstücks W mit einem Blasen eines inerten Schutzgases zu. Beispielsweise, wie in 10 gezeigt ist, führt die Pulverzuführeinheit 33 ein Pulver aus einem Weißmetall nach unten bei einem Winkel θP bezüglich der Axialrichtung des Körpers 31 zu. Der Winkel θP kann auf beispielsweise 150° festgelegt werden.
Die Bildgebungseinheit 35 umfasst eine Kamera, die eine Bildgebungsvorrichtung wie etwa einen bekannten ladungsgekoppelten Vorrichtungs-(CCD)-Sensor oder einen Komplementär-Metalloxid-Halbleiter-(CMOS)-Bildsensor umfasst. Die Bildgebungseinheit 35 ist auf einer Seitenfläche des Körpers 31, die nahe dem Basisende ist, angeordnet, und liegt dem Halbspiegel 32e gegenüber. Die Bildgebungseinheit 35 dient dazu, ein reflektiertes Bild einzufangen, das durch den Halbspiegel 32e reflektiert wird. Das reflektierte Bild ist ein Bild einer Teilfläche, die mit einem Laserstrahl L auf der Umfangsfläche des Werkstücks W bestrahlt wird. Die Bildgebungseinheit 35 sendet die Bilddaten an die Steuerungseinheit 60. Entsprechend, wenn ein Schmelzsumpf eines Metalls (eines Weißmetalls) aufgrund eines Bestrahlens mit dem Laserstrahl L ausgebildet wird, wird das reflektierte Bild des Schmelzsumpfs, das mittels des zweiten Reflexionsabschnitts 32d, der Fokussierlinse 132c und des Halbspiegels 32e geschickt wird, durch die Bildgebungseinheit 35 eingefangen, und wobei Bilddaten über den Schmelzsumpf an die Steuerungseinheit 60 gesandt werden.
Der Bewegungsmechanismus 40 ist ein Mechanismus, der den Laserbrenner 30 und das Werkstück W relativ zueinander in der Axialrichtung bewegt. Der Bewegungsmechanismus 40 kann ein bekannter Mechanismus sein, der den Laserbrenner 30 in der Axialrichtung halten und horizontal bewegen kann, beispielsweise ein Roboterarm.
Der Drehmechanismus 50 ist ein Mechanismus, der das Werkstück W so hält, dass seine Axialrichtung horizontal ist, und das Werkstück W um die Mittelachse C dreht. Der Drehmechanismus 50 umfasst beispielsweise ein Futter, das ein axiales Ende des Werkstücks W hält, und einen Servomotor, der das Futter um die Mittelachse C dreht.
Die Steuerungseinheit 60 ist ein Computer, der eine CPU, einen ROM und einen RAM umfasst, die nicht gezeigt sind, und Abläufe eines Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahrens durchführt, indem er Betriebe der Einheiten des Laserstrahlbestrahlungsmechanismus 10 und des Drehmechanismus 50 steuert. Die Steuerungseinheit 60 erkennt die Größe des Schmelzsumpfs, der aufgrund eines Bestrahlens des Werkstücks W mit einem Laserstrahl ausgebildet wird, indem sie einen bekannten Bilderkennungsprozess bei den Bilddaten durchführt, die von der Bildgebungseinheit 35 gesandt werden.
Das Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren, das die Laserauftragsschweißvorrichtung 1 verwendet, wird nachstehend unter Bezugnahme auf 11 bis 13 beschrieben. 11 ist ein Ablaufdiagramm, das den Ablauf des Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahrens zeigt. 12 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel schematisch zeigt, in dem das Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W durchgeführt wird, und einen Teil des Werkstücks W zeigt. 13 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Wulstausbildungspfad auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W zeigt.
Das Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren gemäß dieser Ausführungsform ist ein Verfahren aus einem Bestrahlen der Innenumfangsfläche des Werkstücks W um die Mittelachse C mit einem Laserstrahl, während ein Pulver aus einem Weißmetall, das ein Metall mit einem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger ist, mittels des Laserbrenners 30, und einem Ausbilden einer Laserauftragsschweißschicht des Weißmetalls auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W, indem das Pulver geschmolzen wird. Das Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren wird durch die Steuerungseinheit 60 durchgeführt. Der Laserbrenner 30 wird in einen Raum von der Basisseite aus eingesetzt, der durch einen Innenumfang des Werkstücks W begrenzt ist, und wird durch den Bewegungsmechanismus 40 horizontal so gehalten, dass die Ausgangsöffnung 31a unmittelbar nach unten zeigt.
Zunächst wird, wie in dem Ablaufdiagramm der 11 gezeigt ist, der Laserbrenner 30 zu einer Startposition in Schritt 1 bewegt (Schritt 1 wird nachstehend als S1 abgekürzt. Dasselbe gilt für die anderen Schritte). Wenn beispielsweise Wülste von einem ersten Ende (einem distalen Ende) zu einem zweiten Ende (einer Basis) eines Werkstücks W ausgebildet werden, wird die Startposition auf eine Position festgelegt, bei der die Ausgangsöffnung 31a des Laserbrenners 30 in der Nähe des ersten Endes (des distalen Endes) der Innenumfangsfläche des Werkstücks W gegenüberliegt.
Dann wird in S2 die Laserausgangsleistung des Laseroszillators 20 anfangs auf einen vorbestimmten Bezugswert festgelegt. Danach wird in S3 ein Ausbildungsprozess durchgeführt. Genauer gesagt, wird eine Teilfläche, die unmittelbar unter dem Laserbrenner 30 auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W angeordnet ist, mit einem Laserstrahl bestrahlt, während ein Pulver aus einem Weißmetall zu der Teilfläche aus der Pulverzuführeinheit 33 zugeführt wird, und wobei das Pulver geschmolzen wird, um eine Wulst auszubilden. Genauer gesagt, wird ein Pulver geschmolzen, um die Wulst auszubilden, indem ein Schmelzsumpf in dem Werkstück W, das mit dem Laserstrahl bestrahlt wird, ausgebildet wird, und das Pulver zu dem Schmelzsumpf zugeführt wird, oder indem das Pulver mit dem Laserstrahl bestrahlt wird. Gleichzeitig wird das Werkstück W bei einer konstanten Geschwindigkeit gegen den Uhrzeigersinn gedreht, indem das Werkstück W unter Verwendung des Drehmechanismus 50 so gehalten wird, dass seine Axialrichtung horizontal ist, während der Laserbrenner 30 durch den Bewegungsmechanismus 40 in Richtung des zweiten Endes in der Axialrichtung des Werkstücks W bei einer konstanten Geschwindigkeit relativ nach vorne bewegt wird. Das Werkstück W wird durch den Drehmechanismus 50 so gehalten, dass seine Axialrichtung horizontal ist, und wobei ein Schmelzsumpf aus einem Metall durch den Laserstrahl L ausgebildet wird, der mittels der Ausgangsöffnung 31a an einer untersten Position aufgebracht wird, bei der die Richtung der Normalen zu der Innenumfangsfläche des Werkstücks W in der vertikalen Aufwärtsrichtung ist. Dementsprechend wird die Wulst in einer spiralförmigen Gestalt auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W entlang des Pfads ausgebildet, der durch eine gestrichelte Linie und Pfeile in 13 angezeigt ist. Der Ausbildungsprozess S3 wird wiederholt durchgeführt, bis ein Ausbilden der Wulst in einer vorgesehenen Teilfläche abgeschlossen ist.
Dann wird in S4 bestimmt, ob ein Ausbilden der Wulst in einer für ein Ausbilden vorgesehenen Teilfläche einer Laserauftragsschweißschicht auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W abgeschlossen wurde. Beispielsweise kann basierend auf einem Gesamtumfang einer Bewegung des Laserbrenners 30 in der Axialrichtung, die durch den Bewegungsmechanismus 40 bewirkt wird, von der Ausbildungsstartposition aus oder einem Gesamtumfang einer Drehung des Werkstücks W, die durch den Drehmechanismus 50 bewirkt wird, bestimmt werden, ob ein Ausbilden der Wulst in dem für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitt abgeschlossen wurde.
Wenn ein Ausbilden der Wulst in der vorgesehenen Teilfläche nicht beendet wurde (S4: NEIN), wird in S5 bestimmt, ob die Größe des Schmelzsumpfs in einem vorbestimmten Bereich ist, basierend auf einem Bild, das durch die Bildgebungseinheit 35 eingefangen wurde. Hier ist „vorbestimmter Bereich“ die Größe des Schmelzsumpfs in einem Bereich, in dem ein Senken der Wulst nicht auftritt, und kann insbesondere ein Flächeninhalt des Schmelzsumpfs sein, oder kann anstatt eines Flächeninhalts ein Durchmesser sein. Wenn die Größe des Schmelzsumpfs in dem vorbestimmten Bereich ist (S5: JA), kehrt der Ablauf zu S3 zurück und der Ausbildungsprozess S3 wird durchgehend durchgeführt.
Wenn die Größe des Schmelzsumpfs nicht in dem vorbestimmten Bereich ist (S5: NEIN), wird in S6 eine Laserausgangsleistungsänderungssteuerung durchgeführt. Genauer gesagt, wenn die Größe des Schmelzsumpfs größer ist als der vorbestimmte Bereich, wird die Laserausgangsleistung des Laseroszillators 20 um einen vorbestimmten Wert verringert. Andererseits, wenn die Größe des Schmelzsumpfs kleiner ist als der vorbestimmte Bereich, wird die Laserausgangsleistung des Laseroszillators 20 um einen vorbestimmten Wert erhöht. Nachdem die Laserausgangsleistungsänderungssteuerung in S6 durchgeführt wurde, kehrt der Ablauf zu S3 zurück und der Ausbildungsprozess S3 wird durchgehend durchgeführt. Wenn in S4 bestimmt wird, dass das Ausbilden der Wulst in der vorgesehenen Teilfläche abgeschlossen wurde (S4: JA), enden die gesamten Prozesse. Die Prozesse S5 bis S6 entsprechen einem „Steuerungsprozess aus einem Steuern der Größe des Schmelzsumpfs, der aufgrund eines Bestrahlens des Werkstücks W mit einem Laserstrahl während des Ausbildungsprozesses ausgebildet wird“ bei der Erfindung, und der Prozess S5 entspricht einem „Erfassungsprozess aus einem Erfassen der Größe des Schmelzsumpfs“ .
Wie vorstehend beschrieben wurde, wird der Schmelzsumpf aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger allmählich vergrößert und ein Senken der Wulst kann wahrscheinlich auftreten. Jedoch ist es mit der Laserauftragsschweißvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform möglich, das Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren zuverlässig durchzuführen, das es ermöglicht, eine Laserauftragsschweißschicht durchgehend auszubilden, während ein Senken der Wulst verhindert wird, aufgrund des Vergrößerns des Schmelzsumpfs, indem die Wulst ausgebildet wird, während die Größe des Schmelzsumpfs, der aufgrund der Bestrahlung mit einem Laserstrahl ausgebildet wird, gesteuert wird.
In dieser Ausführungsform umfasst der Steuerungsprozess von S5 und S6 ein Einstellen von Steuerungsparametern in dem Ausbildungsprozess S3, so dass die Größe des Schmelzsumpfs in dem vorbestimmten Bereich ist. Entsprechend, weil die Größe des Schmelzsumpfs in dem vorbestimmten Bereich aufrechterhalten wird, in dem ein Senken der Wulst nicht auftritt, ist es möglich, ein Senken der Wulst zuverlässig zu verhindern. Genauer gesagt, bei dem Steuerungsprozess von S5 und S6, ist es möglich, die Größe des Schmelzsumpfs zuverlässig zu steuern, indem die Ausgangsleistung eines Laserstrahls in dem Laseroszillator 20 während des Ausbildungsprozesses S3 geändert wird. Genauer gesagt, der Prozess von S5 wird als der Erfassungsprozess aus einem Erfassen der Größe des Schmelzsumpfs basierend auf Bilddaten aus der Bildgebungseinheit 35 durchgeführt, und wobei die Größe des Schmelzsumpfs gesteuert wird, indem die Laserausgangsleistung in S6 basierend auf dem Ergebnis der Erfassung geändert wird. Daher ist es möglich, ein Senken der Wulst wirksam zu verhindern, indem eine Steuerung in Übereinstimmung mit einem aktuellen Zustand des Schmelzsumpfs durchgeführt wird.
Genauer gesagt, ist es in dieser Ausführungsform möglich, eine Laserauftragsschweißschicht auf der gesamten Innenumfangsfläche des Werkstücks W effizient auszubilden, während ein Senken der Wulst verhindert wird, indem der Laserbrenner 30 in einen Raum eingesetzt und in diesem angeordnet wird, der durch den Innenumfang des Werkstücks W begrenzt wird, und ein Bestimmen einer Phase basierend auf einer Drehung des Werkstücks W und ein Bewegen des Laserbrenners 30 in der Axialrichtung wiederholt werden.
Das Werkstück W ist ein zylindrisches Element, wobei ein für ein Ausbilden vorgesehener Abschnitt einer Laserauftragsschweißschicht auf seiner Innenumfangsfläche festgelegt ist. In dem Ausbildungsprozess S3 wird das Werkstück W so gehalten, dass seine Axialrichtung horizontal ist, und das Werkstück W wird so gedreht, dass eine für ein Ausbilden vorgesehene Position für die Wulst (d.h., eine Position, an der die Wulst ausgebildet werden soll) auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W an einer untersten Position ist, an der die Richtung der Normalen zu der für ein Ausbilden vorgesehenen Position für die Wulst die vertikale Aufwärtsrichtung ist. Gleichzeitig wird ein Pulver aus einem Weißmetall mit einem Laserstrahl bestrahlt, während das Werkstück W und der Laserbrenner 30 relativ zueinander in der Axialrichtung bewegt werden und das Pulver zu dem Werkstück zugeführt wird. Somit wird das Pulver geschmolzen, um die Wulst in einer Spiralgestalt auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W auszubilden. Entsprechend ist es möglich, die Wulst auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W durchgehend auszubilden, während ein Senken der Wulst verhindert wird, indem die Größe des Schmelzsumpfs gesteuert wird. Somit ist es möglich, eine Laserauftragsschweißschicht effektiv auszubilden.
Eine vierte Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf 14 bis 16 beschrieben. 14 ist ein Gesamtkonfigurationsdiagramm, das eine Konfiguration einer Laserauftragsschweißvorrichtung 1 und eine Positionsbeziehung mit einem Werkstück W gemäß der vierten Ausführungsform zeigt. 15 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel gemäß der vierten Ausführungsform schematisch zeigt, in dem eine Wulst auf einer Außenumfangsfläche eines Werkstücks W ausgebildet wird. 16 ist eine perspektivische Ansicht gemäß der vierten Ausführungsform, die einen Wulstausbildungspfad auf der Außenumfangsfläche des Werkstücks W zeigt.
In der dritten Ausführungsform ist die Laserauftragsschweißschicht auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W ausgebildet. Jedoch unterscheidet sich die vierte Ausführungsform von der dritten Ausführungsform dahingehend, dass die Laserauftragsschweißschicht auf einer Außenumfangsfläche des Werkstücks W ausgebildet wird. Das heißt, die Konfiguration der Laserauftragsschweißvorrichtung 1 ist dieselbe, wie diejenige in der dritten Ausführungsform, und die Positionsbeziehung zwischen dem Laserbrenner 30 und dem Werkstück W unterscheidet sich von derjenigen in der dritten Ausführungsform. Genauer gesagt, ist in der dritten Ausführungsform der Laserbrenner 30 in einen Raum eingesetzt und in diesem angeordnet, der durch den Innenumfang des Werkstücks W begrenzt ist, so dass die Ausgangsöffnung 31a der Innenumfangsfläche gegenüberliegt. Jedoch ist in der vierten Ausführungsform der Laserbrenner 30 vertikal über dem Werkstück W angeordnet und die Ausgangsöffnung 31a liegt der Außenumfangsfläche des Werkstücks W gegenüber, wie in 14 gezeigt ist. Der Ablauf von Prozessen bei dem Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren ist derselbe wie derjenige in der dritten Ausführungsform. Dieselben Einzelheiten wie die in der dritten Ausführungsform werden nicht beschrieben, dieselben Elemente werden durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet und ihre genaue Beschreibung wird nicht wiederholt.
Wie in dem Ablaufdiagramm der 11 gezeigt ist, wird der Laserbrenner 30 zu einer Startposition in S1 bewegt. Wenn beispielsweise in dieser Ausführungsform die Wulst von einem ersten Ende (einem distalen Ende) zu einem zweiten Ende (einer Basis) eines Werkstücks W ausgebildet wird, wird die Startposition auf eine Position festgelegt, bei der die Ausgangsöffnung 31a des Laserbrenners 30 in der Nähe des ersten Endes (des distalen Endes) der Außenumfangsfläche des Werkstücks W gegenüberliegt.
Dann wird in S2 die Laserausgangsleistung des Laseroszillators 20 anfänglich auf einen vorbestimmten Bezugswert festgelegt. Anschließend wird in S3 ein Ausbildungsprozess durchgeführt. Genauer gesagt, eine Teilfläche, die unmittelbar unter dem Laserbrenner 30 auf der Außenumfangsfläche des Werkstücks W angeordnet ist, wird mit einem Laserstrahl bestrahlt, während ein Pulver aus einem Weißmetall zu der Teilfläche von der Pulverzuführeinheit 33 zugeführt wird, und wobei das Pulver geschmolzen wird, um die Wulst auszubilden. Gleichzeitig wird das Werkstück W bei einer konstanten Geschwindigkeit gegen den Uhrzeigersinn gedreht, indem das Werkstück W unter Verwendung des Drehmechanismus 50 so gehalten wird, dass seine Axialrichtung horizontal ist, während der Laserbrenner 30 durch den Bewegungsmechanismus 40 in Richtung des zweiten Endes des Werkstücks W in der Axialrichtung bei einer konstanten Geschwindigkeit relativ bewegt wird. Das Werkstück W wird durch den Drehmechanismus 50 so gehalten, dass seine Axialrichtung horizontal ist, und wobei ein Schmelzsumpf aus einem Metall durch den Laserstrahl L durchgehend ausgebildet wird, der mittels der Ausgangsöffnung 31a an einer obersten Position aufgebracht wird, bei der die Richtung der Normalen zu der Außenumfangsfläche des Werkstücks W die vertikale Aufwärtsrichtung ist. Entsprechend wird die Wulst auf der Außenumfangsfläche des Werkstücks W entlang des Pfads ausgebildet, der durch eine gestrichelte Linie und Pfeile in 16 angezeigt ist.
Dann wird in S4 bestimmt, ob ein Ausbilden der Wulst in dem für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitt für eine Laserauftragsschweißschicht (d.h., einem Abschnitt, auf dem eine Laserauftragsschweißschicht ausgebildet werden soll) auf der Außenumfangsfläche des Werkstücks W abgeschlossen wurde. Beispielsweise kann basierend auf einem Gesamtumfang einer Bewegung des Laserbrenners 30 in der Axialrichtung, die durch den Bewegungsmechanismus 40 bewirkt wird, von der Ausbildungsstartposition aus oder einem Gesamtumfang einer Drehung des Werkstücks W, die durch den Drehmechanismus 50 bewirkt wird, bestimmt werden, ob ein Ausbilden der Wulst in dem gesamten für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitt abgeschlossen wurde.
Wenn ein Ausbilden der Wulst in der vorbestimmten Teilfläche nicht abgeschlossen wurde (S4: NEIN), wird in S5 bestimmt, ob die Größe des Schmelzsumpfs in einem vorbestimmten Bereich ist, basierend auf einem Bild, das durch die Bildgebungseinheit 35 eingefangen wurde. Wenn die Größe des Schmelzsumpfs in dem vorbestimmten Bereich ist (S5: JA), kehrt der Ablauf zu S3 zurück und der Ausbildungsprozess S3 wird durchgehend durchgeführt.
Wenn die Größe des Schmelzsumpfs nicht in dem vorbestimmten Bereich ist (S5: NEIN), wird eine Laserausgangsleistungsänderungssteuerung in S6 durchgeführt. Genauer gesagt, wenn die Größe des Schmelzsumpfs größer ist als der vorbestimmte Bereich, wird die Laserausgangsleistung des Laseroszillators 20 um einen vorbestimmten Wert verringert. Andererseits, wenn die Größe des Schmelzsumpfs kleiner ist als der vorbestimmte Bereich, wird die Laserausgangsleistung des Laseroszillators 20 um einen vorbestimmten Wert erhöht. Nachdem die Laserausgangsleistungsänderungssteuerung in S6 durchgeführt wurde, kehrt der Ablauf zu S3 zurück und der Ausbildungsprozess S3 wird durchgehend durchgeführt. Wenn in S4 bestimmt wird, dass ein Ausbilden der Wulst in der vorgesehenen Teilfläche abgeschlossen wurde (S4: JA), enden die gesamten Prozesse.
In dieser Ausführungsform ist das Werkstück W ein zylindrisches oder säulenförmiges Element, ist ein für ein Ausbilden vorgesehener Abschnitt für eine Laserauftragsschweißschicht auf seiner Außenumfangsfläche festgelegt und wird der Ausbildungsprozess S3 in einem Zustand durchgeführt, in dem das Werkstück W so gehalten ist, dass seine Axialrichtung horizontal ist, und wird die Phase des Werkstücks W so bestimmt, dass die für ein Ausbilden vorgesehene Position der Wulst auf der obersten Seite in der vertikalen Richtung auf der Außenumfangsfläche angeordnet ist. Dieselben Vorteile wie in der dritten Ausführungsform werden in dieser Ausführungsform erreicht. Das heißt, durch ein Anordnen des Laserbrenners 30 über der Außenumfangsfläche des Werkstücks W in der vertikalen Richtung und ein Ausbilden der Wulst, während die Größe eines Schmelzsumpfs, der aufgrund einer Bestrahlung mit einem Laserstrahl ausgebildet wird, gesteuert wird, ist es möglich, eine Laserauftragsscheißschicht durchgehend auszubilden, während ein Senken der Wulst verhindert wird.
Eine fünfte Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf 17 und 18 beschrieben. 17 ist eine vergrößerte Ansicht, die ein distales Ende eines Laserbrenners 30 gemäß der fünften Ausführungsform zeigt. In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird eine Laserausgangsleistung, die ein Steuerungsparameter beim Ausbilden der Wulst ist, geändert, um die Größe des Schmelzsumpfs eines Weißmetalls zu steuern. Jedoch wird in dieser Ausführungsform eine Kühlleistung für ein Werkstück W, die ein anderer Steuerungsparameter ist, festgelegt, um variabel zu sein.
In dieser Ausführungsform wird, wie in 17 gezeigt ist, zusätzlich zu den Elementen in der dritten Ausführungsform, ein temperaturgesteuertes Gehäuse 70, das einen Gegenstand erwärmen und kühlen kann, bereitgestellt, und ein gesamtes Werkstück W wird in das temperaturgesteuerte Gehäuse 70 eingebracht. Das temperaturgesteuerte Gehäuse 70 kann die Kühlleistung für das Werkstück W ändern.
Zunächst wird, wie in dem Ablaufdiagramm der 18 gezeigt ist, der Laserbrenner 30 zu einer Startposition in S11 bewegt. Dann wird in S12 ein anfängliches Festlegen des temperaturgesteuerten Gehäuses 70 durchgeführt, d.h., die Kühlleistung wird anfänglich auf einen vorbestimmten Bezugswert festgelegt. Nachfolgend wird in S13 ein Ausbildungsprozess durchgeführt. Dann wird in S14 bestimmt, ob ein Ausbilden der Wulst in einer für ein Ausbilden vorgesehenen Teilfläche für eine Laserauftragsschweißschicht auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W beendet wurde. Wenn ein Ausbilden der Wulst in der vorgesehenen Teilfläche nicht beendet wurde (S14: NEIN), wird in S15 bestimmt, ob die Größe eines Schmelzsumpfs in einem vorbestimmten Bereich ist, basierend auf einem Bild, das durch die Bildgebungseinheit 35 eingefangen wurde. Wenn die Größe des Schmelzsumpfs in dem vorbestimmten Bereich ist (S15: JA), kehrt der Ablauf zu S13 zurück und der Ausbildungsprozess S13 wird durchgehend durchgeführt.
Wenn die Größe des Schmelzsumpfs nicht in dem vorbestimmten Bereich ist (S15: NEIN), wird eine Kühlleistungsänderungssteuerung für das temperaturgesteuerte Gehäuse 70 in S16 durchgeführt. Genauer gesagt, wenn die Größe des Schmelzsumpfs größer ist als der vorbestimmte Bereich, wird die Kühlleistung des temperaturgesteuerten Gehäuses 70 um einen vorbestimmten Wert erhöht. Entsprechend wird die Temperatur des Werkstücks W verringert und die Größe des Schmelzsumpfs wird allmählich verringert. Andererseits, wenn die Größe des Schmelzsumpfs kleiner ist als der vorbestimmte Bereich, wird die Kühlleistung des temperaturgesteuerten Gehäuses 70 um einen vorbestimmten Wert verringert. Entsprechend wird die Temperatur des Werkstücks W erhöht und die Größe des Schmelzsumpfs wird allmählich vergrößert. Nachdem die Kühlleistungsänderungssteuerung in S16 durchgeführt wurde, kehrt der Ablauf zu S13 zurück und der Ausbildungsprozess S13 wird durchgehend durchgeführt. Wenn in S14 bestimmt wird, dass ein Ausbilden der Wulst in der vorgesehenen Teilfläche abgeschlossen ist (S14: JA), enden die gesamten Prozesse. Die Prozesse von S15 bis S16 entsprechen dem Steuerungsprozess in der Erfindung, und der Prozess S15 entspricht dem Erfassungsprozess.
Gemäß dieser Ausführungsform wird in dem Steuerungsprozess von S15 und S16 die Größe des Schmelzsumpfs gesteuert, indem die Kühlleistung für das Werkstück W unter Verwendung des temperaturgesteuerten Gehäuses 70 während des Ausbildungsprozesses S13 gesteuert wird. Entsprechend ist es in der Ausführungsform, ähnlich der ersten Ausführungsform, möglich, eine Laserauftragsschweißschicht durchgehend auszubilden, während ein Senken der Wulst durch ein Ausbilden der Wulst verhindert wird, während die Größe des Schmelzsumpfs, der aufgrund der Bestrahlung mit einem Laserstrahl ausgebildet wird, gesteuert wird.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und kann in verschiedenen Formen abgewandelt werden, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. In den dritten bis fünften Ausführungsformen ist ein Beispiel des Werkstücks W ein Lagermetall, das eine Welle einer Schleifmaschine oder dergleichen so stützt, dass die Welle drehbar ist, jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Die Erfindung kann auch auf ein Metalllager eines Stützteils eines Radiallagers (d.h., eines Gleitlagers) in einer Kraftmaschine eines Schiffs, eines Fahrzeugs, einer Turbine, eines Stromgenerators oder dergleichen angewandt werden. Kurz gesagt, das Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren gemäß der Erfindung kann auf ein Bearbeiten irgendeines Werkstücks angewandt werden, das eine Umfangsfläche um seine Mittelachse hat. Ein Beispiel, in dem eine Laserauftragsschweißschicht aus einem Weißmetall als einem Metall mit einem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger gefertigt ist, ist vorstehend beschrieben. Jedoch kann eine zinnbasierte Legierung, die von einem Weißmetall verschieden ist, verwendet werden, oder ein Metall mit einem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger kann verwendet werden, das von einer zinnbasierten Legierung verschieden ist.
Eine Laserauftragsschweißschicht wird auf einer Innenumfangsfläche eines zylindrischen Werkstücks W in der dritten Ausführungsform und auf einer Außenumfangsfläche eines säulenförmigen Werkstücks W in der vierten Ausführungsform ausgebildet. Jedoch ist die Gestalt des Werkstücks W oder der Umfangsfläche, auf der die Laserauftragsschweißschicht ausgebildet wird, nicht darauf beschränkt. Eine Laserauftragsschweißschicht kann auf einer polygonalen Innenumfangsfläche eines rohrförmigen Werkstücks ausgebildet werden, oder eine Laserauftragsschweißschicht kann auf einer Außenumfangsfläche eines polygonalen säulenförmigen Werkstücks ausgebildet werden. Kurz gesagt, eine Laserauftragsschweißschicht kann auf einer Umfangsfläche eines Werkstücks um seine Mittelachse ausgebildet werden.
In der fünften Ausführungsform kann ein Wiedererwärmungsprozess aus einem Wiedererwärmen des Werkstücks W unter Verwendung des temperaturgesteuerten Gehäuses 70 vorgesehen werden, nachdem der Ausbildungsprozess S13 durchgeführt wurde. Gemäß diesem abgewandelten Beispiel ist es möglich, eine Laserauftragsschweißschicht mit einer einheitlicheren und höheren Qualität auszubilden, weil die Wulst über die Zeit in dem Wiedererwärmungsprozess langsam gekühlt wird.
In der dritten Ausführungsform wird die Wulst in einer Spiralgestalt auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W ausgebildet, jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise können in dem Ausbildungsprozess S3, ein Prozess aus einem Halten des Werkstücks W so, dass seine Axialrichtung horizontal ist, einem Bestrahlen eines Pulvers aus einem Weißmetall mit einem Laserstrahl, während das Werkstück W so gedreht wird, dass die Richtung der Normalen zu der für ein Ausbilden vorgesehenen Position für die Wulst auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W die vertikale Aufwärtsrichtung ist, und einem Zuführen des Pulvers, sowie einem Schmelzen des Pulvers, um die Wulst in einer ringförmigen Gestalt auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W auszubilden, und ein Prozess aus einem Bewegen des Werkstücks W und des Laserbrenners 30 relativ zueinander in der Axialrichtung um eine Wulstbreite wiederholt durchgeführt werden. Gemäß diesem abgewandelten Beispiel kann eine Laserauftragsschweißschicht auf der gesamten Innenumfangsfläche des Werkstücks W ausgebildet werden, weil ringförmige Wülste nacheinander ausgebildet werden, um zueinander in der Axialrichtung auf der Innenumfangsfläche des Werkstücks W benachbart zu sein. Ähnlicher Weise werden in der vierten Ausführungsform, indem derselbe Prozess wie in dem abgewandelten Beispiel durchgeführt wird, ringförmige Wülste nacheinander ausgebildet, um in der Axialrichtung auf der Außenumfangsseite des Werkstücks W zueinander benachbart zu sein, und somit kann eine Laserauftragsschweißschicht auf der gesamten Außenumfangsfläche des Werkstücks W ausgebildet werden.
Alternativ kann, anstatt der Wulstausbildungsverfahren gemäß den Ausführungsformen oder abgewandelten Beispielen, wie in 19 gezeigt ist, eine Laserauftragsschweißschicht ausgebildet werden, indem ein für ein Ausbilden vorgesehener Abschnitt auf der Umfangsfläche des Werkstücks W in eine Vielzahl von Teilflächen aufgeteilt wird, von denen jede einen Winkel hat, der gleich wie oder kleiner als 90 Grad in der Umfangsrichtung ist (ein Aufteilungsprozess), das Werkstück W so gehalten wird, dass seine Axialrichtung horizontal ist und die Phase des Werkstücks W so bestimmt wird, dass die Richtung der Normalen zu der Umfangsfläche des Werkstücks W in einer Teilfläche unter der Vielzahl von Teilflächen in einem vorbestimmten Bereich bezüglich der vertikalen Aufwärtsrichtung ist (ein Phasenbestimmungsprozess), der Laserbrenner 30 zwischen dem distalen Ende und der Basis des Werkstücks W in der Axialrichtung bewegt wird und eine Wulst auf der Umfangsfläche des Werkstücks W ausgebildet wird (ein Ausbildungsprozess), und der Phasenbestimmungsprozess und der Ausbildungsprozess auf den entsprechenden Teilflächen wiederholt durchgeführt werden, um Wülste in dem gesamten für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitt auf der Umfangsfläche des Werkstücks W auszubilden.
In diesem abgewandelten Beispiel wird der Prozess eines Definierens der Teilflächen als ein Innenprozess, der in der Steuerungseinheit 60 durchgeführt wird, durchgeführt, jedoch sind Grenzen zwischen benachbarten Teilflächen durch gestrichelte Linien in 19 zum Zwecke eines einfachen Verständnisses gezeigt. Gemäß diesem abgewandelten Beispiel ist es möglich, ein Auftreten eines Senkens von Wülsten aufgrund einer Neigung des Werkstücks W zu hemmen, das aufgrund eines Bestrahlens mit einem Laserstrahl erwärmt wird, weil das Werkstück W während eines Ausbildens der Wülste nicht gedreht wird. Dieses abgewandelte Beispiel kann auf ein Ausbilden einer Laserauftragsschweißschicht auf einer Außenumfangsfläche eines Werkstücks W ähnlich der vierten Ausführungsform angewandt werden.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird ein Bild einer Teilfläche, die mit dem Laserstrahl L bestrahlt wird, durch die Bildgebungseinheit 35 eingefangen, und die Größe eines Schmelzsumpfs wird basierend auf Bilddaten erfasst, jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die Temperatur des Werkstücks W unter Verwendung eines Temperatursensors gemessen werden, und die Größe eines Schmelzsumpfs kann aus der gemessenen Temperatur des Werkstücks W geschätzt und erfasst werden. Alternativ, wenn ein Laserauftragsschweißverfahren durchgeführt wird, indem die Bedingungen (einschließlich der Gestalt und Größe des Werkstücks W, einer Umgebungstemperatur um das Werkstück W und dergleichen) auf dieselben Bedingungen festgelegt werden, kann der Erfassungsprozess von S5 oder S15 weggelassen werden, indem ein optimales Änderungsmuster der Laserausgangsleistung oder der Kühlleistung basierend auf einem Experiment oder einer Simulation im Voraus festgelegt wird. Gemäß diesem abgewandelten Beispiel ist es möglich, die Größe eines Schmelzsumpfs zu steuern und ein Senken von Wülsten zu verhindern, indem die Laserausgangsleistung oder die Kühlleistung in einem vorbestimmten Muster geändert wird, das in Übereinstimmung mit dem Fortschritt eines Ausbildens von Wülsten auf der Umfangsfläche des Werkstücks W festgelegt ist.
In der fünften Ausführungsform wird das Werkstück W in das temperaturgesteuerte Gehäuse 70 eingebracht und die Größe eines Schmelzsumpfs wird gesteuert, indem das gesamte Werkstück W gekühlt wird, jedoch kann lediglich der Umfang des Schmelzsumpfs des Werkstücks W gekühlt werden, um die Größe des Schmelzsumpfs zu steuern. Beispielsweise kann der Umfang des Schmelzsumpfs gekühlt werden, indem Kühlluft zu dem Umfang geblasen wird.
Ein Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren umfasst einen Aufteilungsprozess aus einem Aufteilen eines für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitts für eine Laserauftragsschweißschicht auf einer Umfangsfläche eines Werkstücks in Teilflächen; einen Phasenbestimmungsprozess aus einem Halten des Werkstücks, so dass seine Axialrichtung horizontal ist, und einem Bestimmen einer Phase des Werkstücks, so dass eine Richtung einer Normalen zu der Umfangsfläche des Werkstücks in einer Teilfläche in einem vorbestimmten Winkelbereich bezüglich einer vertikalen Aufwärtsrichtung ist; sowie einen Ausbildungsprozess aus einem Bestrahlen eines Pulvers mit einem Laserstrahl, während das Pulver der einen Teilfläche in einem Zustand zugeführt wird, in dem die Phase des Werkstücks bestimmt ist, und einem Schmelzen des Pulvers, um eine Wulst auszubilden. Die Laserauftragsschweißschicht wird ausgebildet, indem der Phasenbestimmungsprozess und der Ausbildungsprozess auf den Teilflächen wiederholt werden, um die Wülste in dem gesamten für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitt auszubilden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2001335914 [0002]
JP 2001335914 A [0002]
JP 2008190656 [0002]
JP 2008190656 A [0002]
JP 966379 [0004]
JP 9066379 A [0004]

Claims

Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren aus einem Bestrahlen eines Pulvers aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger mit einem Laserstrahl aus einer Laserbestrahlungseinheit, während das Pulver einer Umfangsfläche eines Werkstücks um eine Mittelachse des Werkstücks zugeführt wird, und einem Ausbilden einer Laserauftragsschweißschicht des Metalls auf der Umfangsfläche des Werkstücks unter Verwendung des Pulvers, das geschmolzen ist, wobei das Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es Folgendes aufweist: einen Aufteilungsprozess aus einem Aufteilen eines für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitts für die Laserauftragsschweißschicht auf der Umfangsfläche des Werkstücks in eine Vielzahl von Teilflächen, von denen jede einen Winkel hat, der gleich wie oder weniger als 90 Grad in einer Umfangsrichtung ist; einen Phasenbestimmungsprozess aus einem Halten des Werkstücks so, dass seine Axialrichtung horizontal ist, und einem Bestimmen einer Phase des Werkstücks so, dass eine Richtung einer Normalen zu der Umfangsfläche des Werkstücks in einer Teilfläche der Vielzahl von Teilflächen in einem vorbestimmten Winkelbereich bezüglich einer vertikalen Aufwärtsrichtung ist; und einen Ausbildungsprozess aus einem Bestrahlen des Pulvers mit dem Laserstrahl während eines Zuführens des Pulvers zu der einen Teilfläche in einem Zustand, in dem die Phase des Werkstücks bestimmt ist, sowie einem Schmelzen des Pulvers, um eine Wulst auszubilden, wobei die Laserauftragsschweißschicht durch ein Wiederholen des Phasenbestimmungsprozesses und des Ausbildungsprozesses auf den Teilflächen ausgebildet wird, um die Wülste in dem gesamten für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitt auszubilden.
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausbildungsprozess mehrere Male durchgeführt wird und ein Kühlprozess aus einem Kühlen der Wülste durchgeführt wird, nachdem der Ausbildungsprozess mindestens einmal durchgeführt wird.
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlprozess nach dem Phasenbestimmungsprozess durchgeführt wird und der Ausbildungsprozess mehrere Male durchgeführt wird.
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass: der Aufteilungsprozess ein Aufteilen des für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitts in die Teilflächen umfasst, von denen jede einer Wulstbreite entspricht; der Phasenbestimmungsprozess ein Bestimmen der Phase umfasst, indem das Werkstück um einen Phasenwinkel gedreht wird, der der Wulstbreite entspricht; und der Ausbildungsprozess ein Ausbilden der Wulst in einer axial geraden Gestalt auf der Umfangsfläche des Werkstücks umfasst, indem das Werkstück und die Laserbestrahlungseinheit relativ zueinander in der Axialrichtung bewegt werden.
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass: das Werkstück ein rohrförmiges Element ist und der für ein Ausbilden vorgesehene Abschnitt auf dessen Innenumfangsfläche festgelegt ist; und der Phasenbestimmungsprozess ein Bestimmen der Phase des Werkstücks umfasst, so dass die eine Teilfläche, die auf der Innenumfangsfläche definiert ist, auf einer untersten Seite in einer vertikalen Richtung angeordnet ist.
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass: das Werkstück ein rohrförmiges oder säulenförmiges Element ist und der für ein Ausbilden vorgesehene Abschnitt auf dessen Außenumfangsfläche festgelegt ist; und der Phasenbestimmungsprozess ein Bestimmen der Phase des Werkstücks umfasst, so dass die eine Teilfläche, die auf der Außenumfangsfläche definiert ist, auf einer obersten Seite in einer vertikalen Richtung angeordnet ist.
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner Folgendes aufweist: einen Wiedererwärmungsprozess aus einem Wiedererwärmen des Werkstücks, in dem die Wülste auf der Umfangsfläche ausgebildet sind.
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausbildungsprozess ein Ändern einer Ausgangsleistung des Laserstrahls in der Laserbestrahlungseinheit umfasst.
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausbildungsprozess ein ständiges Kühlen des Werkstücks umfasst.
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall eine zinnbasierte Legierung ist.
Laserauftragsschweißvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie Folgendes umfasst: eine Laserbestrahlungseinheit, die eingerichtet ist, ein Pulver aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger mit einem Laserstrahl zu bestrahlen, während das Pulver einem Werkstück zugeführt wird; einen Drehmechanismus (50), der eingerichtet ist, das Werkstück um eine Mittelachse des Werkstücks zu drehen, während er das Werkstück so hält, dass seine Axialrichtung horizontal ist; einen Bewegungsmechanismus (40), der eingerichtet ist, die Laserbestrahlungseinheit und das Werkstück relativ zueinander in der Axialrichtung zu bewegen; und eine Steuerungseinheit (60), die eingerichtet ist zum Durchführen einer Steuerung zum wiederholten Durchführen i) eines Betriebs aus einem Bestimmen einer Phase des Werkstücks, so dass eine Richtung einer Normalen zu einer Umfangsfläche des Werkstücks in einer Teilfläche unter einer Vielzahl von Teilflächen in einem vorbestimmten Winkelbereich bezüglich einer vertikalen Aufwärtsrichtung ist, wobei ein für ein Ausbilden vorgesehener Abschnitt für eine Laserauftragsschweißschicht auf der Umfangsfläche des Werkstücks in die Vielzahl von Teilbereichen aufgeteilt wird, und jede der Vielzahl von Teilflächen einen Winkel hat, der gleich wie oder kleiner als 90 Grad in einer Umfangsrichtung ist, und ii) eines Betriebs aus einem Bestrahlen des Pulvers mit dem Laserstrahl, während das Pulver der einen Teilfläche von der Laserbestrahlungseinheit zugeführt wird, und einem Schmelzen des Pulvers, um eine Wulst in einem Zustand auszubilden, in dem die Phase des Werkstücks bestimmt ist, unter Verwendung der Laserbestrahlungseinheit und des Bewegungsmechanismus (40).
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren aus einem Bestrahlen eines Pulvers aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger mit einem Laserstrahl aus einer Laserbestrahlungseinheit, während das Pulver einer Umfangsfläche eines Werkstücks um eine Mittelachse des Werkstücks zugeführt wird, und einem Ausbilden einer Laserauftragsschweißschicht aus dem Metall auf der Umfangsfläche des Werkstücks unter Verwendung des Pulvers, das geschmolzen ist, wobei das Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es Folgendes aufweist: einen Ausbildungsprozess aus einem Bestrahlen des Pulvers mit dem Laserstrahl, während das Pulver einem für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitt für die Laserauftragsschweißschicht auf der Umfangsfläche des Werkstücks zugeführt wird, und einem Schmelzen des Pulvers, um eine Wulst auszubilden; und einen Steuerungsprozess aus einem Steuern einer Größe eines Schmelzsumpfs, der aufgrund des Bestrahlens mit dem Laserstrahl während des Ausbildungsprozesses ausgebildet ist.
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungsprozess ein Einstellen eines Steuerungsparameters in dem Ausbildungsprozess umfasst, so dass die Größe des Schmelzsumpfs in einem vorbestimmten Bereich ist.
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungsprozess ein Steuern der Größe des Schmelzsumpfs umfasst, indem eine Ausgangsleistung des Laserstrahls in der Laserbestrahlungseinheit während des Ausbildungsprozesses geändert wird.
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungsprozess ein Steuern der Größe des Schmelzsumpfs umfasst, indem mindestens ein Umfang des Schmelzsumpfs während des Ausbildungsprozesses gekühlt wird.
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungsprozess ein Steuern der Größe des Schmelzsumpfs umfasst, indem eine Kühlleistung geändert wird.
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungsprozess einen Erfassungsprozess aus einem Erfassen der Größe des Schmelzsumpfs umfasst und ein Steuern der Größe des Schmelzsumpfs basierend auf einem Ergebnis der Erfassung umfasst.
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausbildungsprozess ein Halten des Werkstücks, so dass seine Axialrichtung horizontal ist, ein Drehen des Werkstücks, so dass eine Richtung einer Normalen zu einer für ein Ausbilden vorgesehenen Position für die Wulst auf der Umfangsfläche des Werkstücks in einer vertikalen Aufwärtsrichtung ist, und, zeitgleich, ein Bestrahlen des Pulvers mit dem Laserstrahl, während das Werkstück und die Laserbestrahlungseinheit relativ zueinander in der Axialrichtung bewegt werden, sowie ein Zuführen des Pulvers und ein Schmelzen des Pulvers umfasst, um die Wulst in einer Spiralgestalt auf der Umfangsfläche des Werkstücks auszubilden.
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausbildungsprozess ein wiederholtes Durchführen eines Prozesses aus einem Halten des Werkstücks, so dass seine Axialrichtung horizontal ist, einem Bestrahlen des Pulvers mit dem Laserstrahl, während das Werkstück so gedreht wird, dass eine Richtung einer Normalen zu einer für ein Ausbilden vorgesehenen Position für die Wulst auf der Umfangsfläche des Werkstücks eine vertikale Aufwärtsrichtung ist, und einem Zuführen des Pulvers, sowie einem Schmelzen des Pulvers, um eine Wulst in einer ringförmigen Gestalt auf der Umfangsfläche des Werkstücks auszubilden, und einen Prozess aus einem Bewegen des Werkstücks und der Laserbestrahlungseinheit relativ zueinander um eine Breite der Wulst in der Axialrichtung umfasst.
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner Folgendes aufweist: einen Aufteilungsprozess aus einem Aufteilen des für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitts auf der Umfangsfläche des Werkstücks in eine Vielzahl von Teilflächen, von denen jede einen Winkel hat, der gleich wie oder kleiner als 90 Grad in einer Umfangsrichtung ist; und einen Phasenbestimmungsprozess aus einem Halten des Werkstücks, so dass seine Axialrichtung horizontal ist, und einem Bestimmen einer Phase des Werkstücks, so dass eine Richtung einer Normalen zu der Umfangsfläche des Werkstücks in einer Teilfläche der Vielzahl von Teilflächen in einem vorbestimmten Winkelbereich bezüglich einer vertikalen Aufwärtsrichtung ist, wobei der Ausbildungsprozess ein Bestrahlen des Pulvers mit dem Laserstrahl umfasst, während das Pulver zu der einen Teilfläche zugeführt wird, sowie ein Schmelzen des Pulvers umfasst, um die Wulst in einem Zustand auszubilden, in dem die Phase des Werkstücks bestimmt ist, und wobei die Laserauftragsschweißschicht ausgebildet wird, indem der Phasenbestimmungsprozess und der Ausbildungsprozess auf den entsprechenden Teilflächen wiederholt durchgeführt werden, um die Wülste in dem gesamten für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitt auszubilden.
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück ein zylindrisches Element ist und ein für ein Ausbilden vorgesehener Abschnitt für die Laserauftragsschweißschicht auf dessen Innenumfangsfläche festgelegt ist; und der Ausbildungsprozess in einem Zustand durchgeführt wird, in dem das Werkstück so gehalten ist, dass seine Axialrichtung horizontal ist, und eine Phase des Werkstücks so bestimmt ist, dass eine für ein Ausbilden vorgesehene Position für die Wulst auf einer untersten Seite in einer vertikalen Richtung auf der Innenumfangsfläche angeordnet ist.
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass: das Werkstück ein zylindrisches oder säulenförmiges Element ist und der für ein Ausbilden vorgesehene Abschnitt für die Laserauftragsschweißschicht auf dessen Außenumfangsfläche festgelegt ist; und der Ausbildungsprozess in einem Zustand durchgeführt wird, in dem das Werkstück so gehalten ist, dass seine Axialrichtung horizontal ist, und eine Phase des Werkstücks so bestimmt ist, dass eine für ein Ausbilden vorgesehene Position für die Wulst auf einer obersten Seite in einer vertikalen Richtung auf der Außenumfangsfläche angeordnet ist.
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner Folgendes aufweist: einen Wiedererwärmungsprozess aus einem Wiedererwärmen des Werkstücks, in dem die Wulst auf seiner Umfangsfläche ausgebildet ist.
Laserauftragsschweißschichtausbildungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall eine zinnbasierte Legierung ist.
Laserauftragsschweißvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie Folgendes aufweist: einen Laserbrenner, der eingerichtet ist, ein Pulver aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt von 500 °C oder weniger mit einem Laserstrahl zu bestrahlen, während das Pulver einem Werkstück zugeführt wird; einen Bewegungsmechanismus (40), der eingerichtet ist, den Laserbrenner und das Werkstück relativ zueinander zu bewegen; und eine Steuerungseinheit (60), die eingerichtet ist, einen für ein Ausbilden vorgesehenen Abschnitt für eine Laserauftragsschweißschicht auf einer Umfangsfläche des Werkstücks um eine Mittelachse des Werkstücks mit dem Laserstrahl mittels des Laserbrenners zu bestrahlen, um das Pulver zu schmelzen, um eine Wulst auszubilden, während sie den Laserbrenner und das Werkstück relativ zueinander mittels des Bewegungsmechanismus (40) bewegt und das Pulver aus dem Laserbrenner zugeführt wird, und eine Größe eines Schmelzsumpfs, der aufgrund des Bestrahlens mit dem Laserstrahl ausgebildet ist, während eines Ausbildens der Wulst zu steuern.