JP2002086284A - レーザビームによる肉盛り方法 - Google Patents
レーザビームによる肉盛り方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 肉盛層の始端部における品質の安定化を図り
得るレーザビームによる肉盛り方法を提供する。 【解決手段】 レーザ発振器からのレーザビームを、ア
ルミニウム系母材表面に銅合金粉末を投入しつつ照射
し、銅合金粉末を溶融させて肉盛層を形成するレーザビ
ームによる肉盛り方法であって、まず、アルミニウム系
母材表面における被肉盛部に、レーザビームの照射を開
始する。その後、レーザ発振器の実レーザ出力値Ｌがレ
ーザ出力制御値Ｌｃに達するまでの応答遅れｄに相当す
る時間以上である所定の遅延時間ｔｄ（例えば、０．２
秒）が経過した後に、銅合金粉末を投入して、肉盛層の
形成を開始する。
得るレーザビームによる肉盛り方法を提供する。 【解決手段】 レーザ発振器からのレーザビームを、ア
ルミニウム系母材表面に銅合金粉末を投入しつつ照射
し、銅合金粉末を溶融させて肉盛層を形成するレーザビ
ームによる肉盛り方法であって、まず、アルミニウム系
母材表面における被肉盛部に、レーザビームの照射を開
始する。その後、レーザ発振器の実レーザ出力値Ｌがレ
ーザ出力制御値Ｌｃに達するまでの応答遅れｄに相当す
る時間以上である所定の遅延時間ｔｄ（例えば、０．２
秒）が経過した後に、銅合金粉末を投入して、肉盛層の
形成を開始する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム系母
材表面に、肉盛用金属材料を投入しつつレーザビームを
照射し、前記肉盛用金属材料を溶融し固化して肉盛り層
を形成するレーザビームによる肉盛り方法に関する。
材表面に、肉盛用金属材料を投入しつつレーザビームを
照射し、前記肉盛用金属材料を溶融し固化して肉盛り層
を形成するレーザビームによる肉盛り方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】アルミニウム系材料は、鉄に比べて軽量
化を図れることから、自動車部品、例えば、エンジンの
シリンダヘッドの材料として用いられている。そして、
アルミニウム系母材表面上における所望の部位の耐熱性
や耐摩耗性を高める技術として、レーザビームにより肉
盛層を形成するレーザ肉盛加工が知られている。
化を図れることから、自動車部品、例えば、エンジンの
シリンダヘッドの材料として用いられている。そして、
アルミニウム系母材表面上における所望の部位の耐熱性
や耐摩耗性を高める技術として、レーザビームにより肉
盛層を形成するレーザ肉盛加工が知られている。
【０００３】アルミニウム系母材表面上にレーザ肉盛加
工を施す場合には、機械加工が施された母材表面上に、
シールドガスを吹き付け、肉盛用金属材料の粉末を投入
しつつレーザビームを照射する。レーザビームの照射に
より前記粉末が溶融して固化することにより、肉盛層が
形成される。
工を施す場合には、機械加工が施された母材表面上に、
シールドガスを吹き付け、肉盛用金属材料の粉末を投入
しつつレーザビームを照射する。レーザビームの照射に
より前記粉末が溶融して固化することにより、肉盛層が
形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来のレーザ肉盛加工
では、レーザビームの照射開始と、粉末の供給開始とが
制御上同時に行われている。しかしながら、レーザ発振
器には、レーザ出力値が、指示された出力制御値に達す
るまでに、必ず、応答遅れが生じる。このため、肉盛加
工の開始時においては、投入された粉末が相対的に入熱
不足の状態となる。この結果、粉末の溶融が不十分とな
り、肉盛層の始端部における溶着不良や剥離などの欠陥
が発生し、検査工程でＮＧ品として廃棄せざるを得ない
虞がある。
では、レーザビームの照射開始と、粉末の供給開始とが
制御上同時に行われている。しかしながら、レーザ発振
器には、レーザ出力値が、指示された出力制御値に達す
るまでに、必ず、応答遅れが生じる。このため、肉盛加
工の開始時においては、投入された粉末が相対的に入熱
不足の状態となる。この結果、粉末の溶融が不十分とな
り、肉盛層の始端部における溶着不良や剥離などの欠陥
が発生し、検査工程でＮＧ品として廃棄せざるを得ない
虞がある。
【０００５】本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決
するためになされたものであり、肉盛層の始端部におけ
る品質の安定化を図り得るレーザビームによる肉盛り方
法を提供することを目的とする。
するためになされたものであり、肉盛層の始端部におけ
る品質の安定化を図り得るレーザビームによる肉盛り方
法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の請求項１に記載の発明は、レーザ出力手段からのレー
ザビームを、アルミニウム系母材表面に肉盛用金属材料
を投入しつつ照射し、前記肉盛用金属材料を溶融させて
肉盛層を形成するレーザビームによる肉盛り方法におい
て、アルミニウム系母材表面における被肉盛部へのレー
ザビームの照射を開始してから、所定の遅延時間が経過
した後に、前記肉盛用金属材料を投入して、肉盛層の形
成を開始することを特徴とするレーザビームによる肉盛
り方法である。
の請求項１に記載の発明は、レーザ出力手段からのレー
ザビームを、アルミニウム系母材表面に肉盛用金属材料
を投入しつつ照射し、前記肉盛用金属材料を溶融させて
肉盛層を形成するレーザビームによる肉盛り方法におい
て、アルミニウム系母材表面における被肉盛部へのレー
ザビームの照射を開始してから、所定の遅延時間が経過
した後に、前記肉盛用金属材料を投入して、肉盛層の形
成を開始することを特徴とするレーザビームによる肉盛
り方法である。
【０００７】請求項２に記載の発明は、前記遅延時間
は、前記レーザ出力手段のレーザ出力値が指示された出
力制御値に達するまでの応答遅れに相当する時間以上で
あることを特徴とする。
は、前記レーザ出力手段のレーザ出力値が指示された出
力制御値に達するまでの応答遅れに相当する時間以上で
あることを特徴とする。
【０００８】請求項３に記載の発明は、アルミニウム系
母材における少なくとも前記被肉盛部の表面に、鏡面加
工を施したことを特徴とする。
母材における少なくとも前記被肉盛部の表面に、鏡面加
工を施したことを特徴とする。
【０００９】請求項４に記載の発明は、前記遅延時間
は、０．２秒以上であることを特徴とする。
は、０．２秒以上であることを特徴とする。
【００１０】請求項５に記載の発明は、前記被肉盛部の
表面を、中心線平均粗さＲａ０．３μｍ以下の面粗度に
鏡面加工したことを特徴とする。
表面を、中心線平均粗さＲａ０．３μｍ以下の面粗度に
鏡面加工したことを特徴とする。
【００１１】請求項６に記載の発明は、前記アルミニウ
ム系母材はエンジンのシリンダヘッドにおけるバルブシ
ート部を構成し、前記肉盛用金属材料は銅合金であるこ
とを特徴とする。
ム系母材はエンジンのシリンダヘッドにおけるバルブシ
ート部を構成し、前記肉盛用金属材料は銅合金であるこ
とを特徴とする。
【００１２】
【発明の効果】上記のように構成した本発明は以下の効
果を奏する。
果を奏する。
【００１３】請求項１に記載の発明によれば、遅延時間
経過後には、肉盛用金属材料を溶融させるのに十分かつ
安定した出力のレーザビームを、当該肉盛用金属材料に
照射することができる。このため、投入された肉盛用金
属材料が入熱不足の状態にならず、肉盛層の始端部にお
ける溶着不良や剥離などの欠陥の発生が抑制される。こ
のとき、アルミニウム系母材表面は反射率が高いことか
ら、遅延時間程度の微小時間であれば、アルミニウム系
母材に熱エネルギーが大きく作用せず、そのため、母材
への入熱が過大となって溶融させることはない。したが
って、アルミニウム系母材に影響することなく肉盛用金
属材料に適切な熱エネルギーを与えて、肉盛用金属材料
とアルミニウム系母材とを相互に溶着させて良好な肉盛
層、特に、始端部における品質の安定化を図った肉盛層
を形成できる。
経過後には、肉盛用金属材料を溶融させるのに十分かつ
安定した出力のレーザビームを、当該肉盛用金属材料に
照射することができる。このため、投入された肉盛用金
属材料が入熱不足の状態にならず、肉盛層の始端部にお
ける溶着不良や剥離などの欠陥の発生が抑制される。こ
のとき、アルミニウム系母材表面は反射率が高いことか
ら、遅延時間程度の微小時間であれば、アルミニウム系
母材に熱エネルギーが大きく作用せず、そのため、母材
への入熱が過大となって溶融させることはない。したが
って、アルミニウム系母材に影響することなく肉盛用金
属材料に適切な熱エネルギーを与えて、肉盛用金属材料
とアルミニウム系母材とを相互に溶着させて良好な肉盛
層、特に、始端部における品質の安定化を図った肉盛層
を形成できる。
【００１４】請求項２に記載の発明によれば、遅延時間
を、レーザ出力手段のレーザ出力値が指示された出力制
御値に達するまでの応答遅れに相当する時間以上に設定
したので、請求項１に係る発明の効果が確実なものとな
る。
を、レーザ出力手段のレーザ出力値が指示された出力制
御値に達するまでの応答遅れに相当する時間以上に設定
したので、請求項１に係る発明の効果が確実なものとな
る。
【００１５】請求項３に記載の発明によれば、アルミニ
ウム系母材表面は反射率が高い、すなわちレーザ吸収率
が比較的低いが、母材表面の被肉盛部に鏡面加工を施す
ことにより、レーザ吸収率がより一層低くなり、肉盛用
金属材料を投入しないで被肉盛部にレーザビームを照射
しても、そのほとんどが反射される。このようにアルミ
ニウム系母材に熱エネルギーを与えないようにしたの
で、母材への入熱がより小さくなり、肉盛用金属材料の
投入を開始しても、母材希釈によるクラック欠陥が肉盛
層に発生することをより確実に防止できる。
ウム系母材表面は反射率が高い、すなわちレーザ吸収率
が比較的低いが、母材表面の被肉盛部に鏡面加工を施す
ことにより、レーザ吸収率がより一層低くなり、肉盛用
金属材料を投入しないで被肉盛部にレーザビームを照射
しても、そのほとんどが反射される。このようにアルミ
ニウム系母材に熱エネルギーを与えないようにしたの
で、母材への入熱がより小さくなり、肉盛用金属材料の
投入を開始しても、母材希釈によるクラック欠陥が肉盛
層に発生することをより確実に防止できる。
【００１６】請求項４に記載のように、遅延時間を０．
２秒以上にすれば、請求項１に係る発明の効果が顕著に
現れる。
２秒以上にすれば、請求項１に係る発明の効果が顕著に
現れる。
【００１７】請求項５に記載のように、被肉盛部の表面
を、中心線平均粗さＲａ０．３μｍ以下の面粗度に鏡面
加工すれば、請求項３に係る発明の効果が顕著に現れ
る。
を、中心線平均粗さＲａ０．３μｍ以下の面粗度に鏡面
加工すれば、請求項３に係る発明の効果が顕著に現れ
る。
【００１８】請求項６に記載の発明によれば、溶着不良
や剥離などの欠陥、母材希釈によるクラック欠陥の発生
を抑制して、アルミニウム系母材合金により軽量化した
シリンダヘッドのバルブシート部に、耐熱性および耐摩
耗性の高い銅合金からなる高品質な肉盛層を形成でき
る。このため、エンジン稼働時において、シート面を構
成する肉盛層の熱がシリンダヘッド本体側に伝達しやす
くなり、バルブシート部やバルブの熱負荷が軽減されて
耐久性の向上および、エンジンの出力性能の向上が期待
できる。
や剥離などの欠陥、母材希釈によるクラック欠陥の発生
を抑制して、アルミニウム系母材合金により軽量化した
シリンダヘッドのバルブシート部に、耐熱性および耐摩
耗性の高い銅合金からなる高品質な肉盛層を形成でき
る。このため、エンジン稼働時において、シート面を構
成する肉盛層の熱がシリンダヘッド本体側に伝達しやす
くなり、バルブシート部やバルブの熱負荷が軽減されて
耐久性の向上および、エンジンの出力性能の向上が期待
できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。
を参照しつつ説明する。
【００２０】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１の実施の形態に係るレーザビームによる肉盛り方法を
実施するレーザ肉盛加工装置の概略構成図である。
１の実施の形態に係るレーザビームによる肉盛り方法を
実施するレーザ肉盛加工装置の概略構成図である。
【００２１】レーザ肉盛加工装置１０は、アルミニウム
合金からなる母材１１を支持する支持台１２と、レーザ
ビーム１４を発振するレーザ発振器１３（レーザ出力手
段に相当する）と、レーザ発振器１３からのレーザビー
ム１４を母材表面１１ａに向けて反射集光する光学系１
５と、母材表面１１ａ上の被肉盛部１１ｂに向けて肉盛
用金属材料の粉末１６を投入する供給ノズル１７と、供
給ノズル１７を囲繞する中空形状を有すると共にシール
ドガス１８を吹き付けるシールドガス供給管１９と、を
備える。
合金からなる母材１１を支持する支持台１２と、レーザ
ビーム１４を発振するレーザ発振器１３（レーザ出力手
段に相当する）と、レーザ発振器１３からのレーザビー
ム１４を母材表面１１ａに向けて反射集光する光学系１
５と、母材表面１１ａ上の被肉盛部１１ｂに向けて肉盛
用金属材料の粉末１６を投入する供給ノズル１７と、供
給ノズル１７を囲繞する中空形状を有すると共にシール
ドガス１８を吹き付けるシールドガス供給管１９と、を
備える。
【００２２】供給ノズル１７は図示しない粉末供給手段
に接続され、シールドガス供給管１９は図示しないシー
ルドガス供給手段に接続されている。レーザ発振器１
３、粉末供給手段およびシールドガス供給手段の作動
は、図示しないコントローラにより制御される。
に接続され、シールドガス供給管１９は図示しないシー
ルドガス供給手段に接続されている。レーザ発振器１
３、粉末供給手段およびシールドガス供給手段の作動
は、図示しないコントローラにより制御される。
【００２３】アルミニウム系母材１１は、所定の機械加
工が予め施されている。レーザは、例えば、ＣＯ２レー
ザを採用する。レーザビーム１４は、線状の連続波であ
り、オシレート（振動）されない。肉盛用金属材料の粉
末１６には、熱伝導性、耐摩耗性および耐食性に優れた
銅系肉盛層２０を形成する、例えば、銅合金粉末が用い
られる。
工が予め施されている。レーザは、例えば、ＣＯ２レー
ザを採用する。レーザビーム１４は、線状の連続波であ
り、オシレート（振動）されない。肉盛用金属材料の粉
末１６には、熱伝導性、耐摩耗性および耐食性に優れた
銅系肉盛層２０を形成する、例えば、銅合金粉末が用い
られる。
【００２４】レーザ肉盛加工時には、アルミニウム系母
材表面１１ａに、銅合金粉末１６を供給ノズル１７から
投入しつつ、レーザ発振器１３から発振して光学系１５
で反射集光されたレーザビーム１４を照射する。レーザ
ビーム１４の照射により、被肉盛部１１ｂおよび銅合金
粉末１６がともに溶融して相互に溶着し、肉盛層２０が
形成される。
材表面１１ａに、銅合金粉末１６を供給ノズル１７から
投入しつつ、レーザ発振器１３から発振して光学系１５
で反射集光されたレーザビーム１４を照射する。レーザ
ビーム１４の照射により、被肉盛部１１ｂおよび銅合金
粉末１６がともに溶融して相互に溶着し、肉盛層２０が
形成される。
【００２５】図２は、レーザの応答遅れの説明に供する
図である。図２において、レーザ出力制御値Ｌｃは二点
鎖線で示され、実際の出力である実レーザ出力値Ｌは実
線で示される。
図である。図２において、レーザ出力制御値Ｌｃは二点
鎖線で示され、実際の出力である実レーザ出力値Ｌは実
線で示される。
【００２６】レーザ発振器１３の立ち上がり初期におい
ては、レーザの出力には、指示された出力制御値に対し
て追従遅れが生じる。つまり、レーザ発振器１３は、レ
ーザ出力制御値Ｌｃに対してタイムラグが生じることな
く出力することは物理的に不可能である。したがって、
図２に示すように、レーザビーム１４の照射開始時にお
いては、実レーザ出力値Ｌがレーザ出力制御値Ｌｃに達
するまでに、必ず、応答遅れｄが生じる。この応答遅れ
ｄに相当する時間（秒）は、レーザ発振器１３の特性値
の一つである。
ては、レーザの出力には、指示された出力制御値に対し
て追従遅れが生じる。つまり、レーザ発振器１３は、レ
ーザ出力制御値Ｌｃに対してタイムラグが生じることな
く出力することは物理的に不可能である。したがって、
図２に示すように、レーザビーム１４の照射開始時にお
いては、実レーザ出力値Ｌがレーザ出力制御値Ｌｃに達
するまでに、必ず、応答遅れｄが生じる。この応答遅れ
ｄに相当する時間（秒）は、レーザ発振器１３の特性値
の一つである。
【００２７】本実施形態では、応答遅れｄに起因した肉
盛層２０の始端部における品質低下を改善すべく、レー
ザビーム１４の照射と銅合金粉末１６の供給とのタイミ
ングを次のように制御している。
盛層２０の始端部における品質低下を改善すべく、レー
ザビーム１４の照射と銅合金粉末１６の供給とのタイミ
ングを次のように制御している。
【００２８】図３は、レーザビーム１４の照射と銅合金
粉末１６の供給とのタイミングの説明に供する図であ
る。図３においても、レーザ出力制御値Ｌｃは二点鎖線
で示され、実レーザ出力値Ｌは実線で示される。また、
実際の粉末供給量である実粉末供給量Ｐは破線で示され
る。
粉末１６の供給とのタイミングの説明に供する図であ
る。図３においても、レーザ出力制御値Ｌｃは二点鎖線
で示され、実レーザ出力値Ｌは実線で示される。また、
実際の粉末供給量である実粉末供給量Ｐは破線で示され
る。
【００２９】図示するように、時間ｔ０において、ま
ず、アルミニウム系母材１１の被肉盛部１１ｂへのレー
ザビーム１４の照射を開始する。次いで、レーザ発振器
１３の応答遅れｄに相当する時間である遅延時間ｔｄ
（秒）が経過した時間ｔ１において、供給ノズル１７か
ら銅合金粉末１６の供給を所定流量で開始する。
ず、アルミニウム系母材１１の被肉盛部１１ｂへのレー
ザビーム１４の照射を開始する。次いで、レーザ発振器
１３の応答遅れｄに相当する時間である遅延時間ｔｄ
（秒）が経過した時間ｔ１において、供給ノズル１７か
ら銅合金粉末１６の供給を所定流量で開始する。
【００３０】かかる制御によれば、遅延時間ｔｄが経過
した時間ｔ１においては、銅合金粉末１６を溶融させる
のに十分かつ安定した出力のレーザビーム１４を、当該
銅合金粉末１６に照射することができる。このため、投
入された銅合金粉末１６が入熱不足の状態にならず、肉
盛層２０の始端部における溶着不良や剥離などの欠陥の
発生が抑制される。このとき、アルミニウム系母材表面
１１ａは反射率が高いことから、遅延時間ｔｄ程度の微
小時間であれば、アルミニウム系母材１１に熱エネルギ
ーが大きく作用せず、そのため、母材１１への入熱が過
大となって溶融させることはない。したがって、アルミ
ニウム系母材１１に影響することなく銅合金粉末１６に
適切な熱エネルギーを与えて、銅合金粉末１６とアルミ
ニウム系母材１１とを相互に溶着させて良好な肉盛層２
０、特に、始端部における品質の安定化を図った肉盛層
２０を形成できる。
した時間ｔ１においては、銅合金粉末１６を溶融させる
のに十分かつ安定した出力のレーザビーム１４を、当該
銅合金粉末１６に照射することができる。このため、投
入された銅合金粉末１６が入熱不足の状態にならず、肉
盛層２０の始端部における溶着不良や剥離などの欠陥の
発生が抑制される。このとき、アルミニウム系母材表面
１１ａは反射率が高いことから、遅延時間ｔｄ程度の微
小時間であれば、アルミニウム系母材１１に熱エネルギ
ーが大きく作用せず、そのため、母材１１への入熱が過
大となって溶融させることはない。したがって、アルミ
ニウム系母材１１に影響することなく銅合金粉末１６に
適切な熱エネルギーを与えて、銅合金粉末１６とアルミ
ニウム系母材１１とを相互に溶着させて良好な肉盛層２
０、特に、始端部における品質の安定化を図った肉盛層
２０を形成できる。
【００３１】アルミニウム系母材表面１１ａは、遅延時
間ｔｄの間は、銅合金粉末１６が存在しない状態でレー
ザビーム１４の照射を直接受けることになる。
間ｔｄの間は、銅合金粉末１６が存在しない状態でレー
ザビーム１４の照射を直接受けることになる。
【００３２】鉄系母材にあっては、その表面の粗度が粗
く、反射率が低い、すなわちレーザ吸収率が高いことか
ら、先にレーザビームの照射を開始し、これに遅れて肉
盛用金属粉末を投入すると、肉盛開始時には鉄系母材へ
の入熱が過大なる。これにより、母材の溶融量が増大し
過ぎて肉盛用金属が希釈され、当該肉盛用金属が硬くて
脆い材質に変化してしまい、形成された肉盛層にクラッ
クなどの欠陥（「母材希釈によるクラック欠陥」とい
う）が発生する原因となる。
く、反射率が低い、すなわちレーザ吸収率が高いことか
ら、先にレーザビームの照射を開始し、これに遅れて肉
盛用金属粉末を投入すると、肉盛開始時には鉄系母材へ
の入熱が過大なる。これにより、母材の溶融量が増大し
過ぎて肉盛用金属が希釈され、当該肉盛用金属が硬くて
脆い材質に変化してしまい、形成された肉盛層にクラッ
クなどの欠陥（「母材希釈によるクラック欠陥」とい
う）が発生する原因となる。
【００３３】一方、アルミニウム系母材表面１１ａは、
レーザビーム１４を９０％程度反射し、反射率が高い、
すなわちレーザ吸収率が比較的低いことから、母材１１
への入熱が過大とならず、母材希釈によるクラック欠陥
が肉盛層２０に発生することを抑制できる。このよう
に、銅合金粉末１６の投入を遅延させても、アルミニウ
ム系母材１１への熱影響はなく、母材表面１１ａの改質
は生じない。
レーザビーム１４を９０％程度反射し、反射率が高い、
すなわちレーザ吸収率が比較的低いことから、母材１１
への入熱が過大とならず、母材希釈によるクラック欠陥
が肉盛層２０に発生することを抑制できる。このよう
に、銅合金粉末１６の投入を遅延させても、アルミニウ
ム系母材１１への熱影響はなく、母材表面１１ａの改質
は生じない。
【００３４】レーザ発振器１３の応答遅れ時間ｔｄは、
レーザ発振器１３の性能により多少増減するが、計測し
たところ、約０．２秒であった。
レーザ発振器１３の性能により多少増減するが、計測し
たところ、約０．２秒であった。
【００３５】図４は、レーザビーム１４の照射開始から
銅合金粉末１６の投入開始までの遅延時間ｔｄと欠陥発
生率との関係を説明するための図である。欠陥発生率
は、（不良品であるワークの個数／全ワークの個数）×
１００（％）で定義され、１個のワークには複数個の肉
盛層２０が形成され、いずれかの肉盛層２０の始端部に
おいて溶着不良や剥離などの欠陥が生じた場合には、そ
のワークを不良品であるとした。
銅合金粉末１６の投入開始までの遅延時間ｔｄと欠陥発
生率との関係を説明するための図である。欠陥発生率
は、（不良品であるワークの個数／全ワークの個数）×
１００（％）で定義され、１個のワークには複数個の肉
盛層２０が形成され、いずれかの肉盛層２０の始端部に
おいて溶着不良や剥離などの欠陥が生じた場合には、そ
のワークを不良品であるとした。
【００３６】ＣＯ２レーザのレーザ出力３．５〜３．９
ｋｗ、銅合金粉末１６の供給量０．６５〜０．８０ｇ／
秒、加工速度０．８ｍ／分、被肉盛部１１ｂの面粗度が
中心線平均粗さＲａ０．３以下の条件にて、レーザビー
ム１４の照射開始から銅合金粉末１６の投入開始までの
遅延時間ｔｄを種々変化させて、レーザ肉盛加工を実施
した。なお、レーザ出力は、プラスマイナス５％程度の
ふれがある。
ｋｗ、銅合金粉末１６の供給量０．６５〜０．８０ｇ／
秒、加工速度０．８ｍ／分、被肉盛部１１ｂの面粗度が
中心線平均粗さＲａ０．３以下の条件にて、レーザビー
ム１４の照射開始から銅合金粉末１６の投入開始までの
遅延時間ｔｄを種々変化させて、レーザ肉盛加工を実施
した。なお、レーザ出力は、プラスマイナス５％程度の
ふれがある。
【００３７】図示するように、レーザビーム１４の照射
と銅合金粉末１６の投入とを同時に開始すると（ｔｄ＝
０）、欠陥発生率が９０％にも達した。銅合金粉末１６
の投入開始をレーザビーム１４の照射開始から遅延させ
ることにより、欠陥発生率が徐々に低くなった。そし
て、遅延時間ｔｄを０．２秒より大きくすると、肉盛層
２０の始端部において溶着不良欠陥が発生しないことを
実験的に確認した。
と銅合金粉末１６の投入とを同時に開始すると（ｔｄ＝
０）、欠陥発生率が９０％にも達した。銅合金粉末１６
の投入開始をレーザビーム１４の照射開始から遅延させ
ることにより、欠陥発生率が徐々に低くなった。そし
て、遅延時間ｔｄを０．２秒より大きくすると、肉盛層
２０の始端部において溶着不良欠陥が発生しないことを
実験的に確認した。
【００３８】遅延時間ｔｄがある所定の値よりも大きく
なると、アルミニウム系母材１１であっても入熱が過大
な状態となり、母材希釈によるクラック欠陥が肉盛層２
０に発生し得る。このため、遅延時間ｔｄを必要以上に
大きくすることは妥当ではなく、母材希釈によるクラッ
ク欠陥を発生させないという限度において、最大の遅延
時間ｔｄが定まる。
なると、アルミニウム系母材１１であっても入熱が過大
な状態となり、母材希釈によるクラック欠陥が肉盛層２
０に発生し得る。このため、遅延時間ｔｄを必要以上に
大きくすることは妥当ではなく、母材希釈によるクラッ
ク欠陥を発生させないという限度において、最大の遅延
時間ｔｄが定まる。
【００３９】肉盛層２０の始端部における溶着不良や剥
離などの欠陥を防止するために必要な遅延時間ｔｄ近傍
で、母材希釈によるクラック欠陥が発生する場合には、
レーザ出力や粉末供給量の制御パラメータであるスロー
プ角度を変更することによって、母材希釈が発生しない
ようにチューニングできる。
離などの欠陥を防止するために必要な遅延時間ｔｄ近傍
で、母材希釈によるクラック欠陥が発生する場合には、
レーザ出力や粉末供給量の制御パラメータであるスロー
プ角度を変更することによって、母材希釈が発生しない
ようにチューニングできる。
【００４０】（第２の実施の形態）第２の実施の形態
は、第１の実施の形態に加えてさらに、アルミニウム系
母材１１に与え得る熱影響を確実に抑制する手段を講じ
たものである。
は、第１の実施の形態に加えてさらに、アルミニウム系
母材１１に与え得る熱影響を確実に抑制する手段を講じ
たものである。
【００４１】つまり、第２の実施の形態では、アルミニ
ウム系母材１１における少なくとも被肉盛部１１ｂに鏡
面加工を施してある。鏡面加工のための具体的な加工法
は、特に限定されず、鏡面研削、ラッピング、ポリッシ
ングなど適宜の加工法を採用できる。
ウム系母材１１における少なくとも被肉盛部１１ｂに鏡
面加工を施してある。鏡面加工のための具体的な加工法
は、特に限定されず、鏡面研削、ラッピング、ポリッシ
ングなど適宜の加工法を採用できる。
【００４２】上述したようにアルミニウム系母材表面１
１ａは反射率が高い、すなわちレーザ吸収率が比較的低
いが、被肉盛部１１ｂに鏡面加工を施すことにより、レ
ーザ吸収率がより一層低くなり、銅合金粉末１６を投入
しないで被肉盛部１１ｂにレーザビーム１４を照射して
も、そのほとんどが反射される。このようにアルミニウ
ム系母材１１に熱エネルギーを与えないようにしたの
で、母材１１への入熱がより小さくなり、銅合金粉末１
６の投入を開始しても、母材希釈によるクラック欠陥が
肉盛層２０に発生することをより確実に防止できる。
１ａは反射率が高い、すなわちレーザ吸収率が比較的低
いが、被肉盛部１１ｂに鏡面加工を施すことにより、レ
ーザ吸収率がより一層低くなり、銅合金粉末１６を投入
しないで被肉盛部１１ｂにレーザビーム１４を照射して
も、そのほとんどが反射される。このようにアルミニウ
ム系母材１１に熱エネルギーを与えないようにしたの
で、母材１１への入熱がより小さくなり、銅合金粉末１
６の投入を開始しても、母材希釈によるクラック欠陥が
肉盛層２０に発生することをより確実に防止できる。
【００４３】図５は、アルミニウム系母材１１の面粗度
と欠陥発生率との関係を説明するための図である。欠陥
発生率は、（不良品であるワークの個数／全ワークの個
数）×１００（％）で定義され、１個のワークには複数
個の肉盛層２０が形成され、いずれかの肉盛層２０の始
端部において母材希釈によるクラック欠陥が生じた場合
には、そのワークを不良品であるとした。
と欠陥発生率との関係を説明するための図である。欠陥
発生率は、（不良品であるワークの個数／全ワークの個
数）×１００（％）で定義され、１個のワークには複数
個の肉盛層２０が形成され、いずれかの肉盛層２０の始
端部において母材希釈によるクラック欠陥が生じた場合
には、そのワークを不良品であるとした。
【００４４】ＣＯ２レーザのレーザ出力３．５〜３．９
ｋｗ、銅合金粉末１６の供給量０．６５〜０．８０ｇ／
秒、加工速度０．８ｍ／分、レーザビーム１４の照射開
始から銅合金粉末１６の投入開始までの遅延時間ｔｄを
０．２秒〜０．６秒の条件にて、アルミニウム系母材表
面１１ａの面粗度を種々変化させて、レーザ肉盛加工を
実施した。
ｋｗ、銅合金粉末１６の供給量０．６５〜０．８０ｇ／
秒、加工速度０．８ｍ／分、レーザビーム１４の照射開
始から銅合金粉末１６の投入開始までの遅延時間ｔｄを
０．２秒〜０．６秒の条件にて、アルミニウム系母材表
面１１ａの面粗度を種々変化させて、レーザ肉盛加工を
実施した。
【００４５】図示するように、アルミニウム系母材表面
１１ａの中心線平均粗さＲａを１．０μｍから小さくす
るにつれて、欠陥発生率が徐々に低くなる。そして、中
心線平均粗さＲａを０．３μｍ以下にすると、肉盛層２
０の始端部において母材希釈によるクラック欠陥が発生
しないことを実験的に確認した。中心線平均粗さＲａが
０．３μｍ以下を満たしている場合、十点平均粗さＲｚ
は、７．３μｍ以下であることを実験により確認した。
１１ａの中心線平均粗さＲａを１．０μｍから小さくす
るにつれて、欠陥発生率が徐々に低くなる。そして、中
心線平均粗さＲａを０．３μｍ以下にすると、肉盛層２
０の始端部において母材希釈によるクラック欠陥が発生
しないことを実験的に確認した。中心線平均粗さＲａが
０．３μｍ以下を満たしている場合、十点平均粗さＲｚ
は、７．３μｍ以下であることを実験により確認した。
【００４６】図６は、本発明を適用して肉盛層２０を形
成した自動車用エンジンのシリンダヘッド３０における
バルブシート部３１を示す断面図である。
成した自動車用エンジンのシリンダヘッド３０における
バルブシート部３１を示す断面図である。
【００４７】図示するように、シリンダヘッド３０にお
ける例えば吸気ポート３２の燃焼室側に開口する開口端
３３は、吸気バルブ３４によって開閉される。吸気バル
ブ３４の傘部３４ａは、バルブシート部３１におけるシ
ート面３１ａに密接可能である。
ける例えば吸気ポート３２の燃焼室側に開口する開口端
３３は、吸気バルブ３４によって開閉される。吸気バル
ブ３４の傘部３４ａは、バルブシート部３１におけるシ
ート面３１ａに密接可能である。
【００４８】バルブシート部３１は、エンジン稼働中
に、バルブ３４が繰り返し当接したり、高温にさらされ
たりするなど、苛酷な条件下にある。このため、シリン
ダヘッド３０を軽量化などの観点からアルミニウム合金
とした場合には、摩耗や溶損が発生する虞がある。そこ
で、耐熱性および耐摩耗性の高い銅合金粉末１６による
肉盛層２０を形成することにより、上記した問題が解消
される。シート面３１ａは、本発明を適用してバルブシ
ート部３１に肉盛層２０を形成し、その後、機械加工を
施すことにより形成されている。
に、バルブ３４が繰り返し当接したり、高温にさらされ
たりするなど、苛酷な条件下にある。このため、シリン
ダヘッド３０を軽量化などの観点からアルミニウム合金
とした場合には、摩耗や溶損が発生する虞がある。そこ
で、耐熱性および耐摩耗性の高い銅合金粉末１６による
肉盛層２０を形成することにより、上記した問題が解消
される。シート面３１ａは、本発明を適用してバルブシ
ート部３１に肉盛層２０を形成し、その後、機械加工を
施すことにより形成されている。
【００４９】耐熱性や耐摩耗性に優れた金属材料を肉盛
りする技術は、バルブシート部に形成した凹部に鋳鉄や
鉄系焼結材からなるバルブシート材を圧入する従来の技
術に比べて、アルミニウム系母材１１からなるシリンダ
ヘッド３０と、シート面３１ａとなる肉盛層２０との間
の密着度が高く、両者間の熱伝導性がきわめて良好にな
る。このため、バルブシート部３１やバルブ３４の熱負
荷が低減され、これらの耐久性が向上し、さらには、エ
ンジンの出力性能の向上が期待できる。
りする技術は、バルブシート部に形成した凹部に鋳鉄や
鉄系焼結材からなるバルブシート材を圧入する従来の技
術に比べて、アルミニウム系母材１１からなるシリンダ
ヘッド３０と、シート面３１ａとなる肉盛層２０との間
の密着度が高く、両者間の熱伝導性がきわめて良好にな
る。このため、バルブシート部３１やバルブ３４の熱負
荷が低減され、これらの耐久性が向上し、さらには、エ
ンジンの出力性能の向上が期待できる。
【図１】 本発明の第１の実施の形態に係るレーザビー
ムによる肉盛り方法を実施するレーザ肉盛加工装置の概
略構成図である。
ムによる肉盛り方法を実施するレーザ肉盛加工装置の概
略構成図である。
【図２】 レーザの応答遅れの説明に供する図である。
【図３】 レーザビームの照射と銅合金粉末の供給との
タイミングの説明に供する図である。
タイミングの説明に供する図である。
【図４】 レーザビームの照射開始から銅合金粉末の投
入開始までの遅延時間と欠陥発生率との関係を説明する
ための図である。
入開始までの遅延時間と欠陥発生率との関係を説明する
ための図である。
【図５】 アルミニウム系母材の面粗度と欠陥発生率と
の関係を説明するための図である。
の関係を説明するための図である。
【図６】 本発明を適用して肉盛層を形成した自動車用
エンジンのシリンダヘッドにおけるバルブシート部を示
す断面図である。
エンジンのシリンダヘッドにおけるバルブシート部を示
す断面図である。
１０…レーザ肉盛加工装置 １１…アルミニウム系母材 １１ａ…母材表面 １１ｂ…被肉盛部 １３…レーザ発振器（レーザ出力手段） １４…レーザビーム １６…銅合金（肉盛用金属材料）の粉末 ２０…肉盛層 ３０…エンジンのシリンダヘッド ３１…バルブシート部 ３１ａ…シート面 ｄ…応答遅れ ｔｄ…遅延時間 Ｌ…実レーザ出力値（レーザ出力値） Ｌｃ…レーザ出力制御値（指示された出力制御値）
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｂ２３Ｋ 103:10 Ｂ２３Ｋ 103:10
Claims (6)
- 【請求項１】 レーザ出力手段からのレーザビームを、
アルミニウム系母材表面に肉盛用金属材料を投入しつつ
照射し、前記肉盛用金属材料を溶融させて肉盛層を形成
するレーザビームによる肉盛り方法において、 アルミニウム系母材表面における被肉盛部へのレーザビ
ームの照射を開始してから、所定の遅延時間が経過した
後に、前記肉盛用金属材料を投入して、肉盛層の形成を
開始することを特徴とするレーザビームによる肉盛り方
法。 - 【請求項２】 前記遅延時間は、前記レーザ出力手段の
レーザ出力値が指示された出力制御値に達するまでの応
答遅れに相当する時間以上であることを特徴とする請求
項１に記載のレーザビームによる肉盛り方法。 - 【請求項３】 アルミニウム系母材における少なくとも
前記被肉盛部の表面に、鏡面加工を施したことを特徴と
する請求項１に記載のレーザビームによる肉盛り方法。 - 【請求項４】 前記遅延時間は、０．２秒以上であるこ
とを特徴とする請求項１に記載のレーザビームによる肉
盛り方法。 - 【請求項５】 前記被肉盛部の表面を、中心線平均粗さ
Ｒａ０．３μｍ以下の面粗度に鏡面加工したことを特徴
とする請求項３に記載のレーザビームによる肉盛り方
法。 - 【請求項６】 前記アルミニウム系母材はエンジンのシ
リンダヘッドにおけるバルブシート部を構成し、前記肉
盛用金属材料は銅合金であることを特徴とする請求項１
〜５のいずれか一つに記載のレーザビームによる肉盛り
方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000275530A JP3724354B2 (ja) | 2000-09-11 | 2000-09-11 | レーザビームによる肉盛り方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000275530A JP3724354B2 (ja) | 2000-09-11 | 2000-09-11 | レーザビームによる肉盛り方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002086284A true JP2002086284A (ja) | 2002-03-26 |
| JP3724354B2 JP3724354B2 (ja) | 2005-12-07 |
Family
ID=18761139
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000275530A Expired - Fee Related JP3724354B2 (ja) | 2000-09-11 | 2000-09-11 | レーザビームによる肉盛り方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3724354B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008004708A1 (en) * | 2006-07-05 | 2008-01-10 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Method for manufacturing cast iron member, cast iron member, and engine for vehicle |
| JP2010201480A (ja) * | 2009-03-05 | 2010-09-16 | Honda Motor Co Ltd | レーザ肉盛方法 |
| JP2010207849A (ja) * | 2009-03-10 | 2010-09-24 | Honda Motor Co Ltd | レーザ肉盛方法 |
| JPWO2018062527A1 (ja) * | 2016-09-29 | 2019-06-24 | Ｊｘ金属株式会社 | レーザー焼結用表面処理金属粉 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6981442B2 (ja) * | 2019-03-22 | 2021-12-15 | ブラザー工業株式会社 | レーザマーカ |
-
2000
- 2000-09-11 JP JP2000275530A patent/JP3724354B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
| WO2008004708A1 (en) * | 2006-07-05 | 2008-01-10 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Method for manufacturing cast iron member, cast iron member, and engine for vehicle |
| JP2008012564A (ja) * | 2006-07-05 | 2008-01-24 | Toyota Motor Corp | 鋳鉄部材の製造方法、鋳鉄部材、及び車両用エンジン |
| US8302305B2 (en) | 2006-07-05 | 2012-11-06 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Method for manufacturing cast iron member |
| JP2010201480A (ja) * | 2009-03-05 | 2010-09-16 | Honda Motor Co Ltd | レーザ肉盛方法 |
| JP2010207849A (ja) * | 2009-03-10 | 2010-09-24 | Honda Motor Co Ltd | レーザ肉盛方法 |
| JPWO2018062527A1 (ja) * | 2016-09-29 | 2019-06-24 | Ｊｘ金属株式会社 | レーザー焼結用表面処理金属粉 |
| JP2020073727A (ja) * | 2016-09-29 | 2020-05-14 | Ｊｘ金属株式会社 | レーザー焼結用表面処理金属粉 |
| JP7079237B2 (ja) | 2016-09-29 | 2022-06-01 | Ｊｘ金属株式会社 | レーザー焼結用表面処理金属粉 |
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