JP2003340583A - レーザクラッディング加工装置およびレーザクラッディング加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成で、加工部位の姿勢に関わらず、
クラッド層を適切且つ容易に低コストで形成加工するこ
とができるレーザクラッディング加工装置およびレーザ
クラッディング加工方法を提供する。 【解決手段】 本発明のレーザクラッディング加工装置
は、加工部位Ｗに対してレーザビームＬを照射すると共
に加工部位Ｗのレーザビーム照射部ＷＬに粉末状材料を
吐出するレーザ加工ヘッドと、このレーザ加工ヘッドに
粉末状材料を供給する複数の材料供給手段２Ａ〜２Ｄ
と、レーザビーム照射部ＷＬにその周囲から粉末状材料
をキャリヤガスと共に所定の配分で吐出させるように、
各材料供給手段２Ａ〜２Ｄによる粉末状材料の供給量を
調整制御する制御手段とを備え、レーザ加工ヘッドの軸
線Ｈを、加工部位Ｗの傾斜に応じて、鉛直方向軸線Ｖに
対して傾斜した状態でクラッド層を形成することができ
るようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加工部位に供給さ
れた粉末状材料をレーザビームによって加熱溶融して肉
盛りしたクラッディング層を形成するためのレーザクラ
ッディング加工装置およびレーザクラッディング加工方
法に関し、さらに詳しくは、加工部位に対してレーザビ
ームを照射すると共に、該加工部位のレーザビーム照射
部に粉末状材料を吐出するレーザ加工ヘッドを備え、前
記加工部位にクラッド層を形成するレーザクラッディン
グ加工装置、および、レーザ加工ヘッドから、加工部位
に対してレーザビームを照射すると共に、前記加工部位
のレーザビーム照射部に粉末状材料を吐出して、前記加
工部位にクラッド層を形成するレーザクラッディング加
工方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザクラッディング加工に関する従来
の技術としては、特開平１１−７７５号公報に開示され
たレーザクラッディング装置が知られている。当該公報
に開示されたレーザクラッディング装置は、レーザ照射
部に金属あるいは高分子材料あるいはセラミックスなど
の粉末を供給し、該粉末がレーザビームによって加熱溶
融されることにより、クラッド層を形成するレーザクラ
ッディング装置において、前記レーザ照射部に供給する
粉末の粉末供給手段を複数設け、該複数の粉末供給手段
からの各粉末供給量を同量としたことを特徴としてい
る。当該公報に開示されたレーザクラッディング装置
は、さらに、前記粉末供給手段に、旋回、収束させてか
ら前記レーザ照射部に供給する旋回収束手段を設けたこ
とを特徴としている。

【０００３】そして、この特開平１１−７７５号公報に
は、「レーザ照射部には各粉末供給手段から同量の粉末
が安定して供給されることとなり、レーザ照射部の位置
（レーザ加工ヘッドの進行方向）がどのように変化して
も同一の粉末にレーザビームを照射し、均一形状、ある
いは所望形状のクラッドを高精度に形成することができ
る。」などと記載されている（段落番号００２３）。

【０００４】ところで、レーザクラッディング加工を使
用する例として、例えば、内燃機関のシリンダヘッドの
バルブシートの耐熱性、耐摩耗性等の向上を目的として
シート面に銅系合金等の肉盛層（クラッド層）を形成す
ることが行われるようになってきている。シリンダヘッ
ドのバルブシートは、一般に図３や図７に示すように、
バルブ穴の開口部が拡径されてなるもので、内周面と底
面との間のバルブシート面を形成する部分（加工部位）
Ｗが所定の曲率を有する断面円弧状や所定の角度を有す
る傾斜面など、バルブシートの中心軸線Ｊに対して傾斜
している。このようなバルブシートの加工部位Ｗにレー
ザクラッディング加工を行ってバルブシート面となるク
ラッド層Ｓを形成するに際しては、図７に示すように、
バルブシート面を構成するべく供給された粉末状材料Ｐ
あるいはレーザビームＬによって溶融された粉末状材料
Ｐがバルブシートからバルブ穴にたれ落ちたり偏るのを
防ぐために、加工部位Ｗが上向きとなるように、すなわ
ち、加工部位Ｗに対する垂直な線Ｋが絶対的な鉛直方向
を指向するように、バルブシートの中心軸線Ｊを鉛直方
向に対して傾斜させた状態でテーブルＴ’に保持し、そ
の中心軸線Ｊ周りに回転させながらレーザビームＬを加
工部位Ｗに対する垂直な線Ｋに沿って鉛直方向に照射す
ることが従来から行われていた。そして、シリンダヘッ
ドには吸気バルブと排気バルブとが、内燃機関の気筒数
に応じてそれぞれ設けられるため、バルブシート面を形
成するための従来のレーザクラッディング装置として
は、図８に示すように、加工部位Ｗに対してレーザビー
ムＬを照射するレーザビーム照射手段５０と、シリンダ
ヘッドを保持するテーブルＴ’と、このテーブルＴ’に
保持されたシリンダヘッドの各バルブシートの中心軸線
Ｊ周りに回転させるための回転駆動手段５１と、加工す
るバルブシートの中心軸線Ｊと前記所定の回転軸とを一
致させるようにテーブルＴ’の位置をＸ，Ｙ方向の２次
元平面内で移動調整するテーブル位置調整機構５２と、
を備えたものが用いられていた。

【０００５】また、別の従来のバルブシートの加工方法
として、特開平８−２２４６８２号公報に開示されたも
のが知られている。当該公報には、図７にも示したよう
に、バルブシート面を形成する部分が上向きとなるよう
にシリンダヘッド全体を４５度傾けた上でその加工部位
となるバルブシートの中心軸線Ｊを回転中心として重量
物であるシリンダヘッド全体を回転運動させる必要があ
るため、かかる重量物であるシリンダヘッドを堅固に位
置決め保持した上でこれを円滑に回転させるためには、
図８にも示したように、巨大な設備が必要となることに
より設備投資および設備設置スペースを要する旨が記載
されている（段落番号０００５および０００６を参
照）。

【０００６】そこで、特開平８−２２４６８２号公報に
開示されたバルブシートの加工方法では、シリンダヘッ
ドのバルブシート面となるべき部分に、溝底面に対して
垂直な線がバルブシートの軸心と平行となるように周溝
を予め形成し、前記バルブシートの軸心が鉛直方向を指
向するようにシリンダヘッドを保持した上で、前記周溝
に肉盛り材料の粉末を供給しながらこの粉末の上からレ
ーザビームを照射して、該レーザビームを周溝の円周方
向に移動させることにより周溝に沿って肉盛り層を形成
し、前記肉盛り加工後に肉盛り層の一部を切削除去して
シート面を最終加工形状に仕上げることを特徴としてい
る。さらに、当該公報に開示されたバルブシートの加工
方法では、前記周溝の内外周縁部に駄肉部が予め一体に
突出形成されており、これに加えて、前記シート面を最
終加工形状に仕上げる際に、駄肉部を切削除去すること
なども特徴としている。

【０００７】そして、特開平８−２２４６８２号公報に
は、その発明の効果として、「周溝がレーザビーム照射
方向を指向するようにするためにはシリンダヘッドを弁
挟み角の二分の一の角度だけ傾ければよく、また従来の
技術のようにシリンダヘッド全体を回転させる必要もな
くなる。その結果、シリンダヘッドを保持するための設
備が小型で、しかも簡易な構造のもので済むようにな
り、設備投資および設置スペースの面で、著しく有利と
なる。」などと記載されている（段落番号００３３）。
また、当該公報には、「周溝の内外周縁部に突出形成し
た駄肉部が、その周溝における粉末保有量を増大させる
はたらきをするとともに、母材の熱容量を増加させるこ
とになるため、肉盛り層の幅方向両端での欠肉の発生や
レーザビーム照射時の母材側の溶融はもちろんのこと、
それを原因とする肉盛り層の母材による希釈やクラック
等の欠陥などの欠陥の発生を未然に防止でき、肉盛り加
工品質の向上が図れる。」などと記載されている（段落
番号００３５）。さらに、当該公報には、「肉盛加工後
にバルブシートのシート面を最終加工形状に仕上げるの
と併せて駄肉部も切削除去することにより、駄肉部を設
けたことによってバルブシート本来の機能を損なうこと
がなくなる。」などと記載されている（段落番号００３
６）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の技術の
うち、特開平１１−７７５号公報に開示されたレーザク
ラッディング装置にあっては、各粉末供給手段から同量
の粉末材料を供給するものであるため、水平なレーザ照
射部に対してレーザ加工ヘッドを鉛直線に沿った姿勢に
した状態においては、各粉末供給手段から同量の粉末材
料が安定して供給されることとなる。しかしながら、上
述した内燃機関のシリンダヘッドのバルブシートの場合
のように、傾斜した状態の加工部位に対してクラッド層
Ｓを形成するときには、加工部位Ｗに対して垂直な線Ｋ
に沿ってレーザビームＬを照射すると共にそのレーザビ
ーム照射部に周囲から粉末状材料Ｐを同軸状に吐出すべ
く、レーザ加工ヘッドも絶対的な鉛直方向に対して傾斜
させる必要がある。特開平１１−７７５号公報に開示さ
れたレーザクラッディング装置にあっては、レーザ加工
ヘッドを鉛直方向に対して傾斜させた状態とすると、各
粉末供給手段から同量の粉末材料を供給しても、粉末供
給手段の位置あるいは向きによって受ける重力が異なる
ため、レーザ照射部の周囲に均等に粉末材料が供給され
ないという問題が発生することとなる。

【０００９】また、上述した従来の技術のうち、図７に
示したように、加工部位Ｗが上向きとなるようにシリン
ダヘッド全体を傾けた上でバルブシートの中心軸線Ｊを
回転中心としてシリンダヘッド全体を回転運動させる場
合にあっては、所定のバルブシートの中心軸線Ｊを中心
として回転可能にシリンダヘッドを保持するため、図８
に示したような巨大な設備が必要となるという問題があ
った。

【００１０】そして、上述した従来の技術のうち、特開
平８−２２４６８２号公報に開示されたバルブシートの
加工方法にあっては、バルブシートの軸心が鉛直方向を
指向するようにシリンダヘッドを保持することができる
ようにするために、バルブシート面となるべき部分に周
溝を予め形成する必要があり、しかも、この周溝の溝底
面に対して垂直な線がバルブシートの軸心と平行となる
ように形成する必要があった。さらに、当該公報に開示
されたものにあっては、周溝の内外周縁部に予め駄肉部
を一体に突出形成し、シート面を最終加工形状に仕上げ
る際に、駄肉部を切削除去する必要があるため、工程数
が増すだけでなく、シリンダヘッドの材料に多大な無駄
が生じるという問題があった。そして、当該公報に開示
されたものにあっては、加工対象となるバルブシートの
軸心が鉛直方向を指向するようにシリンダヘッドを所定
角度だけ傾斜させて固定する必要があり（段落番号００
２２）、シリンダヘッドを水平に保持することはできな
かった。また、当該公報に開示されたものにあっては、
周溝の底面に対し垂直な線とレーザビームの照射方向
（光軸）とを一致させた上で（すなわち、レーザビーム
の照射方向が絶対的な鉛直方向に指向するようにした上
で）、レーザビームに周溝の円周方向に沿って加工送り
を与える（段落番号００２４）必要があるため、複雑な
構成を有するという問題があった。

【００１１】本発明は、上述した問題に鑑みてなされた
もので、簡単な構成で、加工部位の姿勢に関わらず、ク
ラッド層を適切且つ容易に低コストで形成加工すること
ができるレーザクラッディング加工装置およびレーザク
ラッディング加工方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１のレーザクラッ
ディング加工装置に係る発明は、上記目的を達成するた
め、加工部位に対してレーザビームを照射すると共に、
該加工部位のレーザビーム照射部に粉末状材料を吐出す
るレーザ加工ヘッドを備え、前記加工部位にクラッド層
を形成するレーザクラッディング加工装置であって、前
記レーザ加工ヘッドを、鉛直方向に対して傾斜した状態
でクラッド層を形成することができるようにしたことを
特徴とするものである。請求項２のレーザクラッディン
グ加工装置に係る発明は、上記目的を達成するため、請
求項１に記載の発明において、前記レーザ加工ヘッドに
粉末状材料を供給する複数の材料供給手段と、レーザビ
ーム照射部にその周囲から粉末状材料を所定の配分で吐
出させるように、各材料供給手段による粉末状材料の供
給量を調整制御する制御手段と、を備えたことを特徴と
するものである。請求項３のレーザクラッディング加工
装置に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項２
に記載の発明において、前記制御手段が、レーザ加工ヘ
ッドの傾斜角度に基づいて各材料供給手段による粉末状
材料の供給量を調整制御するものであることを特徴とす
るものである。請求項４のレーザクラッディング加工装
置に係る発明は、上記目的を達成するため、請求項１〜
３のいずれかに記載の発明において、前記レーザ加工ヘ
ッドを鉛直方向軸線周りに回転可能としたことを特徴と
するものである。

【００１３】また、請求項５のレーザクラッディング加
工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、レーザ
加工ヘッドから、加工部位に対してレーザビームを照射
すると共に、前記加工部位のレーザビーム照射部に粉末
状材料を吐出して、前記加工部位にクラッド層を形成す
るレーザクラッディング加工方法であって、レーザ加工
ヘッドを鉛直方向に対して傾斜させてクラッド層を形成
することを特徴とするものである。請求項６のレーザク
ラッディング加工方法に係る発明は、上記目的を達成す
るため、請求項５に記載の発明において、レーザビーム
照射部に対してその周囲から粉末状材料を所定の配分で
吐出させるように、レーザ加工ヘッドに複数箇所から粉
末材料を調整制御して供給することを特徴とするもので
ある。請求項７のレーザクラッディング加工方法に係る
発明は、上記目的を達成するため、請求項６に記載の発
明において、レーザ加工ヘッドの傾斜角度に基づいて、
各箇所からの粉末状材料の供給量を調整制御することを
特徴とするものである。請求項８のレーザクラッディン
グ加工方法に係る発明は、上記目的を達成するため、請
求項５〜７のいずれかに記載の発明において、レーザ加
工ヘッドを鉛直方向軸線周りに回転させることを特徴と
するものである。

【００１４】請求項１の発明では、加工部位の傾斜など
姿勢に応じて相対的に垂直方向に向くように、レーザ加
工ヘッドを絶対的な鉛直方向に対して傾斜させた状態
で、加工部位にレーザビームを照射すると共に、レーザ
ビーム照射部にその周囲から粉末状材料を適切な配分で
レーザビームの照射軸と同軸で吐出させる。加工部位に
は、粉末状材料がレーザビームにより溶融されて、その
姿勢に関わらずクラッド層が適切に形成される。請求項
２の発明では、請求項１に記載の発明において、レーザ
加工ヘッドには複数の材料供給手段により粉末状材料を
供給する。このとき、加工部位の姿勢に応じて、すなわ
ち、レーザ加工ヘッドの傾斜に応じて、加工部位のレー
ザビーム照射部にその周囲から粉末状材料を所定の配分
で適切に吐出させることができるように、制御手段が各
材料供給手段による粉末状材料の供給量を調整制御す
る。加工部位には、その姿勢に応じて適切な配分で吐出
された粉末状材料がレーザビームにより溶融されて、ク
ラッド層が適切に形成される。請求項３の発明では、請
求項２に記載の発明において、制御手段がレーザ加工ヘ
ッドの傾斜角度に基づいて各材料供給手段による粉末状
材料の供給量を適切な配分となるように調整制御する。
加工部位には、その姿勢に応じて適切な配分で吐出され
た粉末状材料がレーザビームにより溶融されて、クラッ
ド層が適切に形成される。請求項４の発明では、請求項
１〜３のいずれかに記載の発明において、レーザ加工ヘ
ッドを鉛直方向軸線周りに回転させることにより、円環
状の加工部位には、粉末状材料がレーザビームにより溶
融されて、その姿勢に関わらず連続したクラッド層が適
切に形成される。

【００１５】また、請求項５の発明では、加工部位の傾
斜など姿勢に応じて相対的に垂直方向に向くように、レ
ーザ加工ヘッドを絶対的な鉛直方向に対して傾斜させ
て、加工部位にレーザビームを照射すると共に、レーザ
ビーム照射部にその周囲から粉末状材料を適切な配分で
レーザビームの照射軸と同軸で吐出させる。レーザ照射
部では、その周囲から適切な配分で吐出された粉末状材
料がレーザビームにより溶融されて、加工部位の姿勢に
関わらずクラッド層が適切に形成される。請求項６の発
明では、請求項５に記載の発明において、複数箇所から
粉末状材料をレーザ加工ヘッドに供給する。このとき、
加工部位の姿勢に応じて、すなわち、レーザ加工ヘッド
の傾斜に応じて、加工部位のレーザビーム照射部にその
周囲から粉末状材料が所定の配分で適切に吐出されるよ
うに、各箇所からの粉末状材料の供給量を調整制御す
る。レーザ照射部では、その周囲から適切な配分で吐出
された粉末状材料がレーザビームにより溶融されて、加
工部位の姿勢に関わらずクラッド層が適切に形成され
る。請求項７の発明では、請求項６に記載の発明におい
て、レーザ加工ヘッドの傾斜角度に基づいて、加工部位
のレーザビーム照射部にその周囲から粉末状材料が所定
の配分で適切に吐出されるように、複数の箇所から粉末
状材料を調整制御して供給する。レーザ照射部では、そ
の周囲から適切な配分で吐出された粉末状材料がレーザ
ビームにより溶融されて、加工部位の姿勢に関わらずク
ラッド層が適切に形成される。請求項８の発明では、請
求項５〜７のいずれかに記載の発明において、レーザ加
工ヘッドを鉛直軸周りに回転させることにより、レーザ
照射部が円環状のに移動してその周囲から適切な配分で
吐出された粉末状材料がレーザビームにより溶融され
て、加工部位の姿勢に関わらず連続した円環状のクラッ
ド層が適切に形成される。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態を、内燃機
関のシリンダヘッドのバルブシート（円環状の加工部
位）Ｗにシート面となるクラッド層Ｓを形成する場合に
より、図１〜図６に基づいて詳細に説明する。なお、同
一符号は同一部分または相当部分を示すものとする。

【００１７】本発明のレーザクラッディング加工装置
は、概略、加工部位Ｗに対してレーザビームＬを照射す
ると共に加工部位Ｗのレーザビーム照射部ＷＬに粉末状
材料を吐出するレーザ加工ヘッド１と、このレーザ加工
ヘッドに粉末状材料を供給する複数の材料供給手段２Ａ
〜２Ｄと、レーザビーム照射部ＷＬにその周囲から粉末
状材料Ｐをキャリヤガスと共に所定の配分で吐出させる
ように、各材料供給手段２Ａ〜２Ｄによる粉末状材料Ｐ
の供給量を調整制御する制御手段（図示は省略するが、
その制御内容については後に詳述する）と、を備えてお
り、レーザ加工ヘッド１を、加工部位Ｗの傾斜に応じ
て、鉛直方向に対して傾斜した状態でクラッド層を形成
することができるようにしたものである。制御手段は、
レーザ加工ヘッド１の傾斜角度に基づいて各材料供給手
段２Ａ〜２Ｄによる粉末状材料Ｐの供給量を調整するも
のである。そして、この実施の形態においては、レーザ
加工ヘッド１が鉛直方向軸線Ｖ周りに回転可能とされて
いる。

【００１８】図１および図２に示すように、レーザ加工
ヘッド１は、汎用のロボットアーム（図示は省略する）
に接続される接続部材１０と、加工部位Ｗに対してレー
ザビームＬを照射する照射口１２、および、加工部位Ｗ
のレーザビーム照射部ＷＬにその周囲から粉末状材料Ｐ
をキャリヤガスと共に吐出する吐出口１３を有するノズ
ル部材１１とにより構成されている。ノズル部材１１
は、接続部材１０にビス１５などによって締結される外
側ノズル部材１６と、この外側ノズル１６に内嵌されて
ビス１７などによって締結される内側ノズル部材１８
と、によって構成されている。図示は省略するが、レー
ザ加工ヘッド１には、レーザビームＬを母材となる内燃
機関のシリンダヘッドのバルブシートＷに対して所定の
出力で照射するために、この実施の形態の場合、ＣＯ₂
レーザやＹＡＧレーザ、あるいは半導体レーザなどのレ
ーザ発振機に接続された光ファイバと、この光ファイバ
の先端面に対向するように配置されたコリメーションレ
ンズおよび集光レンズとが設けられている。この実施の
形態におけるレーザビームＬは、たとえば、出力が４ｋ
ｗ程度で集光形状が真円でトップハットの、全出力の約
８６パーセントとなる１／ｅ²の径が６．５ｍｍで加工
部位に照射されるよう設定されている。そして、レーザ
加工ヘッド１を支持する図示しないロボットアームは、
円環状のバルブシートの加工部位Ｗに対してレーザ加工
ヘッド１を絶対的な鉛直軸Ｖ周りに回転させる速度が、
ノズルの周速で１ｍ／ｍｉｎに設定され、また、その回
転角度がオーバラップを考慮して両方向に２７０度程度
に設定されている。さらに、ロボットアームは、レーザ
加工ヘッド１を絶対的な鉛直方向に対して０（絶対的鉛
直方向）〜６０度程度に傾斜させることができるよう設
定されている。

【００１９】接続部材１０は、略筒状の本体の一端にビ
ス１５が挿通されることにより外側ノズル部材１６と締
結されるフランジが形成されてなるもので、本体の外周
面には汎用のロボットアームとキー結合されるキー溝１
０ａが形成されている。

【００２０】この実施の形態におけるノズル部材１１で
は、内側ノズル部材１８の基端部側（図１における上
方）に、外側ノズル部材１６の内周面と気密を保持する
ためのＯリングなどのシール部材２０が設けられてい
る。そして、外側ノズル部材１６と内側ノズル部材１８
との間には、後述する複数の材料供給手段２Ａ〜２Ｄが
接続されて粉末状材料Ｐがキャリヤガスと共に供給され
てレーザ加工ヘッド１の軸線Ｈ周りに旋回させる旋回部
２１と、旋回部２１で所定量旋回した粉末状材料Ｐをキ
ャリヤガスと共にレーザ加工ヘッド１の軸線Ｈに沿って
整流させる整流部２２と、加工部位Ｗのレーザビーム照
射部ＷＬにその周囲から全周にわたって粉末状材料Ｐを
キャリヤガスと共に吐出させる吐出口１３を有する吐出
部２３と、が連続して形成されている。また、内側ノズ
ル部材１８の中心には、照射されるレーザビームＬを加
工部位Ｗに向かって通過させて照射させる照射口１２を
有するビーム通路２４が形成されている。

【００２１】図２に示すように、外側ノズル部材１６に
は、この実施の形態の場合、複数の材料供給手段として
４つの通路２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄが旋回部２１の接線
方向に延びるように、等間隔で穿設されている。各通路
２Ａ〜２Ｄの外側開口部にはめねじ部２５が形成されて
おり、このめねじ部２５には、キャリヤガスと共に粉末
状材料Ｐを旋回部２１に導入するためのパイプ２６の接
続部材２７のおねじ部２８が締結されている。旋回部２
１は、レーザ加工ヘッド１の軸線Ｈ周りに形成された環
状の空間により構成されてなるもので、基端部（上方）
から先端部（下方）に向かって漸次縮径するテーパ状に
形成されている。この実施の形態における整流部２２
は、外側ノズル部材１６の内周面に突出するように形成
された縮径部に旋回部２１の底面と吐出部２３との間に
延びるように形成された複数の穴状の通路により構成さ
れている。吐出部２３は、加工部位Ｗのレーザビーム照
射部ＷＬに向かって吐出口１３が開口する間隙により構
成されている。したがって、図１に示すように、加工部
位Ｗに照射されるレーザビームＬの光軸と、その周囲か
ら吐出される粉末状材料Ｐの吐出中心とが一致するよう
に同軸状に設定されている。

【００２２】このように構成されたレーザ加工ヘッド１
では、その軸線Ｈを絶対的な鉛直方向軸線Ｖに沿って配
置した場合には、キャリヤガスによって粉末状材料Ｐが
それぞれのパイプ２６の接続部材２７から通路２Ａ〜２
Ｄを介して旋回部２１にその接線方向に導入されると、
キャリヤガスの圧力や粉末状材料の比重などによって異
なるが、その導入された各通路２Ａ〜２Ｄから旋回部２
１を略９０度〜１８０度程度旋回してから整流部２２に
流動することとなる。そして、粉末状材料Ｐは、キャリ
ヤガスの流動にしたがってレーザ加工ヘッド１の軸線Ｈ
と平行に形成された整流部２２を通過することにより、
旋回部２１で旋回するように作用していた流れからレー
ザ加工ヘッド１の軸線Ｈと平行に流れるように整流され
る。その後、粉末状材料Ｐは、吐出口１３からバルブシ
ートのレーザビーム照射部ＷＬに向かって周囲から全周
にわたって均等に供給されることとなる。

【００２３】また、本発明にしたがって、バルブシート
の傾斜した円環状の加工部位Ｗにクラッド層Ｓを形成す
る場合には、図示しない汎用のロボットアームに接続さ
れたレーザ加工ヘッド１は、内燃機関の所定の気筒の所
定のバルブシートと対応する位置に移動され、図３に示
すように、その軸線Ｈを加工部位Ｗの傾斜に応じて所定
の角度に傾斜させた状態で、絶対的な鉛直方向軸線Ｖ周
りに回転するように駆動される。この実施の形態では、
通路２Ｃと２Ｄが水平方向に延び、通路２Ａが上向きに
延び、通路２Ｂが下向きに延びるようにレーザ加工ヘッ
ドが傾斜されることとする。このとき、レーザ加工ヘッ
ド１がその軸線Ｈを所定の角度に傾斜されることによ
り、各通路２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの向きによって、旋
回部２１に導入される粉末状材料Ｐの受ける重力が異な
ることとなる。そのため、旋回部２１を旋回する粉末状
材料Ｐの旋回量が異なることから、整流部２２を介して
吐出口１３からレーザビーム照射部ＷＬに向かって周囲
から吐出される粉末状材料Ｐの量に偏りが生じることと
なる。そして、この偏りは、レーザ加工ヘッド１の軸線
Ｈの傾き角に応じて異なる。

【００２４】そこで、本発明のレーザクラッディング加
工装置では、レーザ加工ヘッド１を絶対的な鉛直方向に
対して傾斜させたときの、旋回部２１に粉末状材料Ｐを
供給する通路２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄのそれぞれの向き
に応じて、整流部２２を介して吐出口１３からレーザビ
ーム照射部ＷＬに向かって周囲から吐出される粉末状材
料Ｐの量が均等となるように、その通路２Ａ〜２Ｄから
キャリヤガスにより導入される粉末状材料Ｐの量を変化
させ、しかも、その変化の度合をレーザ加工ヘッド１の
軸線Ｈの傾き角に基づいて異ならせるよう制御すること
ができるよう構成した。

【００２５】したがって、本発明のレーザクラッディン
グ加工装置では、内燃機関のシリンダヘッドを、従来の
技術（図７を参照）のようにバルブシートのクラッディ
ング層を形成する加工部位Ｗに対する垂直方向を絶対的
な鉛直方向軸線Ｖに指向させるように、バルブシートの
中心軸線Ｊを傾斜させた状態でテーブルＴ’に保持する
ことなく、しかも、その中心軸線Ｊ周りに回転させる必
要がない。そのため、従来の技術のように大型のレーザ
クラッディング加工装置（図８を参照）を必要すること
がなく、この実施の形態では、内燃機関のシリンダヘッ
ドは、バルブシートの加工部位Ｗが絶対的鉛直方向に対
して略４５度（弁挟み角などによっても異なる）の傾斜
を有するように、水平の状態でテーブルＴに保持するこ
とができ、また、レーザ加工ヘッド１を汎用のロボット
アームに絶対的鉛直方向に対して傾斜させて鉛直方向軸
線Ｖ周りに回転駆動するだけで、任意のバルブシートの
傾斜した円環状の加工部位Ｗにクラッド層Ｓを適切に連
続して容易に形成することができる。そのため、簡単な
構成でコンパクトな設備となるために設備コストを低減
させることができる。

【００２６】なお、本発明のレーザクラッディング加工
装置は、上述した実施の形態に限定されることなく、絶
対的な鉛直方向に対して傾斜した加工部位Ｗにクラッド
層Ｓを形成するものであれば、バルブシート以外の加工
部位に対して円環状にまたは直線状にクラッド層を形成
する場合にも適用することができる。直線状の加工部位
にクラッド層を形成する場合にはレーザ加工ヘッド１を
鉛直方向軸線Ｖ周りに回転可能とする必要はない。ま
た、レーザ加工ヘッド１は、旋回部２１や整流部２２を
有するものである必要はない。さらに、レーザ加工ヘッ
ドの内部に粉末状材料Ｐを供給するための複数の通路２
Ａ〜２Ｄは、水平方向（２Ｃ、２Ｄ）および上下方向
（２Ａ，２Ｂ）に延びるように配置する必要はなく、ま
た、複数であれば４つに限定されることもない。さら
に、レーザビーム照射部ＷＬにその周囲から吐出される
粉末状材料Ｐの配分は、必ずしも均等にする場合だけで
なく、レーザ加工ヘッド１の軸線Ｈの傾斜角などによっ
ては、たとえば、加工部位Ｗの上方に吐出される粉末状
材料Ｐが下方より多くなるように各通路２Ａ〜２Ｄから
キャリヤガスと共に導入される粉末状材料Ｐの供給量を
調整制御してもよい。

【００２７】次に、本発明のレーザクラッディング加工
方法の実施の一形態を、上述したように構成されたレー
ザクラッディング加工装置を用いて、内燃機関のシリン
ダヘッドのバルブシート（加工部位）Ｗにシート面とな
るクラッド層Ｓを形成する場合により、主に図３〜図６
に基づいて詳細に説明する。本発明のレーザクラッディ
ング加工方法は、概略、レーザ加工ヘッド１から、加工
部位Ｗに対してレーザビームＬを照射すると共に加工部
位Ｗのレーザビーム照射部ＷＬに粉末状材料Ｐを吐出し
て、前記加工部位Ｗにクラッド層Ｓを形成するものであ
って、レーザビーム照射部ＷＬに対してその周囲から粉
末状材料Ｐを所定の配分で吐出させるように、レーザ加
工ヘッド１に複数箇所に設けられた通路２Ａ〜２Ｄから
粉末状材料Ｐを調整制御して供給し、加工部位Ｗの傾斜
に応じてレーザ加工ヘッド１の軸線Ｈを鉛直方向に対し
て傾斜させてクラッド層Ｓを形成するものである。各箇
所の通路２Ａ〜２Ｄからの粉末状材料Ｐの供給量は、レ
ーザ加工ヘッド１の軸線Ｈの傾斜角度に基づいて調整制
御するものである。そして、この実施の形態において
は、レーザ加工ヘッド１を鉛直方向軸線Ｖ周りに回転さ
せるものである。

【００２８】上述したように、レーザクラッディング加
工装置は、図４および図５に示すように、絶対的な鉛直
方向に対してレーザ加工ヘッド１を傾斜させたときの、
旋回部２１に粉末状材料Ｐを供給する通路２Ａ、２Ｂ、
２Ｃ、２Ｄのそれぞれの向きによって、その粉末状材料
Ｐを流動させるためのキャリヤガスの流量を変化させる
よう制御することができ、しかも、その変化の度合をレ
ーザ加工ヘッド１の軸線Ｈの傾き角に応じて異ならせる
よう制御することができる構成とされている。

【００２９】加工部位Ｗにクラッド層Ｓを形成するに際
しては、内燃機関のシリンダヘッドは、従来の技術（図
７を参照）のようにバルブシートのクラッディング層Ｓ
を形成する加工部位Ｗに対する垂直方向を絶対的な鉛直
方向軸線Ｖに指向させるように、バルブシートの中心軸
線Ｊを傾斜させた状態でテーブルＴ’に保持することな
く、水平なテーブルＴ上に位置決め固定される。そし
て、図示しないロボットアームの駆動により、所定の気
筒のバルブシートに対応するようにレーザ加工ヘッド１
を配置させ、そのバルブシートの傾斜した加工部位Ｗの
面に対して相対的に垂直方向を向くように、レーザ加工
ヘッド１を絶対的な鉛直方向に対して傾斜させる。

【００３０】この状態で、レーザ加工ヘッド１からレー
ザビームＬを照射すると共にそのレーザビーム照射部Ｗ
Ｌに周囲から粉末状材料Ｐを吐出させつつ、図示しない
ロボットアームの駆動により、レーザ加工ヘッド１を絶
対的な鉛直方向軸線Ｖ周りに回転させて、円環状のバル
ブシートＷに全周にわたってクラッド層Ｓを形成する。
このとき、本発明のレーザクラッディング加工方法で
は、図示しない制御手段により、吐出口１３からキャリ
ヤガスと共に吐出される粉末状材料Ｐが傾斜した加工部
位Ｗのレーザビーム照射部ＷＬに対して均等に供給され
るように、複数の通路２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄからレー
ザ加工ヘッド１内の旋回部２１にキャリヤガスと共に供
給される粉末状材料Ｐの量を制御する。この制御内容を
具体例に基づいて以下に詳細に説明する。

【００３１】この実施の形態では、各通路２Ａ、２Ｂ、
２Ｃ、２Ｄから供給される粉末状材料Ｐの量（以下、粉
量という）の合計を１ｇ／ｓとし、また、キャリヤガス
量（以下、ガス量という）の合計を１４Ｌ／ｍｉｎとし
ている。キャリヤガスの種類は、用途によって異なる
が、この実施の形態では不活性ガスである窒素ガスを用
いた。そして、図示しない制御手段では、水平方向に向
いた通路２Ｃと２Ｄについては粉量が同量となるように
ガス量を同量に調整制御し、絶対絶対的な鉛直方向に対
して傾斜した状態で上向きとなる通路２Ａについては粉
量を増加させるべくガス量を増加させるよう調整制御
し、絶対絶対的な鉛直方向に対して傾斜した状態で下向
きとなる通路２Ｂについては粉量を減少させるべくガス
量を減少させるよう調整制御する。

【００３２】より具体的な実施の形態を示すと、図示し
ない制御手段は、図５に示すように、水平方向に向いた
通路２Ｃと２Ｄについては、レーザ加工ヘッド１の傾き
角にかかわらず、ガス量をそれぞれ３．５Ｌ／ｍｉｎと
なるように制御して、粉量がそれぞれ０．２５ｇ／ｓと
なるように調整する。一方、絶対絶対的な鉛直方向に対
して傾斜した状態で上向きとなる通路２Ａについては、
重力により旋回部２１への粉末状材料Ｐの供給が鈍るこ
とから通路２Ｃと２Ｄよりもガス量を多く、傾き角が１
５度のときには、ガス量を３．７Ｌ／ｍｉｎに制御して
粉量を０．２６ｇ／ｓに調整し、傾き角が３０度のとき
には、ガス量を４．２Ｌ／ｍｉｎに制御して粉量を０．
３０ｇ／ｓに調整し、傾き角が４５度のときには、ガス
量を４．８Ｌ／ｍｉｎに制御して粉量を０．３５ｇ／ｓ
に調整する。また、絶対絶対的な鉛直方向に対して傾斜
した状態で下向きとなる通路２Ｂについては、重力によ
り旋回部２１への粉末状材料Ｐの供給が促進されること
から通路２Ｃと２Ｄよりもガス量を少なく、傾き角が１
５度のときには、ガス量を３．３Ｌ／ｍｉｎに制御して
粉量を０．２４ｇ／ｓに調整し、傾き角が３０度のとき
には、ガス量を２．８Ｌ／ｍｉｎに制御して粉量を０．
２０ｇ／ｓに調整し、傾き角が４５度のときには、ガス
量を２．２Ｌ／ｍｉｎに制御して粉量を０．１５ｇ／ｓ
に調整する。なお、この実施の形態では、ガス量を変化
させることで供給される粉量を変化させることとしてい
るが、粉量を任意に変化させることができれば、ガス量
を変化させる必要はない。

【００３３】図６は、通路２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄの向
きにかかわらず均一の粉量とした制御無しの場合と、図
５に示したように通路２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄのそれぞ
れの向きに応じて粉量を変化させるべくガス量を変化さ
せる制御有りの場合とで、傾斜した加工部位Ｗのレーザ
ビーム照射部ＷＬの下方ａ部と上方ｂ部に対して供給さ
れる粉量の比を、レーザ加工ヘッド１の絶対的な鉛直方
向に対する傾き角ごとに得られた実験結果を比較して示
したグラフである。レーザ加工ヘッド１が傾けられてい
ないとき（傾き角が０度のとき、すなわち、加工部位Ｗ
が水平のとき）には、レーザビーム照射部ＷＬの下方ａ
部と上方ｂ部に対して供給される粉量の比が１となる。
そして、制御無しの場合には、レーザ加工ヘッド１の絶
対的な鉛直方向に対して傾き角が増加するにしたがっ
て、傾斜した加工部位に対するレーザビーム照射部ＷＬ
の下方ａ部と上方ｂ部に対して供給される粉量の比が明
かに低下する。一方、上述したように本発明による制御
有りの場合には、レーザ加工ヘッド１の絶対的な鉛直方
向に対する傾き角にかかわらず、傾斜した加工部位Ｗの
レーザビーム照射部ＷＬの下方ａ部と上方ｂ部に対して
供給される粉量の比が低下することなく略同一となるこ
とが明かである。

【００３４】したがって、本発明のレーザクラッディン
グ加工方法では、内燃機関の内燃機関のシリンダヘッド
を、従来の技術（図７を参照）のようにバルブシートの
クラッディング層Ｓを形成する加工部位Ｗに対する垂直
な線が絶対的な鉛直方向を指向するように、バルブシー
トの中心軸線Ｊを傾斜させた状態でテーブルＴ’に保持
することなく、しかも、その中心軸線Ｊ周りに回転させ
る必要がない。そのため、この実施の形態では、内燃機
関のシリンダヘッドは、バルブシートの加工部位Ｗが略
４５度（弁挟み角などによっても異なる）の傾斜を有す
るように、水平の状態でテーブルＴに容易に保持するこ
とができ、また、汎用のロボットアームによりレーザ加
工ヘッド１を傾斜させて回転させることで、バルブシー
トの傾斜した円環状の加工部位Ｗにクラッド層Ｓを適切
に且つ容易に形成することができる。そして、各気筒の
バルブシートに対応してレーザ加工ヘッド１を移動させ
ることにより、クラッド層Ｓを短時間で且つ適切に形成
することができる。その後、クラッド層Ｓは、図３に鎖
線で示すように、所望の形状のバルブシート面とするべ
く、必要に応じて所定の厚さに切削または研削加工が施
される。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、簡単な構成で、加工部
位の姿勢に関わらず、クラッド層を適切且つ容易に低コ
ストで形成加工することができるレーザクラッディング
加工装置およびレーザクラッディング加工方法を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザクラッディング加工装置のレー
ザ加工ヘッドの実施の一形態をを説明するための半断面
図である。

【図２】図１の断面図である。

【図３】本発明によりシリンダヘッドのバルブシートに
クラッド層を形成する状態を説明するための概念図であ
る。

【図４】加工部位の傾斜に応じて傾けた状態のレーザ加
工ヘッドに粉末状材料を供給する通路の向きを説明する
ための斜視図である。

【図５】本発明により傾き角に応じて各通路から調整制
御して供給する粉量とガス量の変化を示す図表である。

【図６】各通路から供給された粉末材料がレーザビーム
照射部に吐出される状態を説明するための概念図と、本
発明によらない制御無しの場合と本発明による制御有り
の場合とで、レーザビーム照射部の下方ａ部と上方ｂ部
に対して吐出される粉末状材料の比をレーザ加工ヘッド
の傾き角ごとに得られた実験結果を比較して示すグラフ
である。

【図７】従来の技術によりシリンダヘッドのバルブシー
トにクラッド層を形成する状態を説明するための概念図
である。

【図８】従来のレーザクラッド加工装置を示す斜視図で
ある。

【符号の説明】

１ レーザ加工ヘッド ２Ａ〜２Ｄ 通路（材料供給手段） １２ 照射口 １３ 吐出口 ２１ 旋回部 ２２ 整流部 ２３ 吐出部 Ｗ バルブシート（加工部位） Ｐ 粉末状材料 Ｓ クラッド層 Ｌ レーザビーム ＷＬ レーザビーム照射部 Ｖ 鉛直方向軸線 Ｈ レーザ加工ヘッドの軸線 Ｊ バルブシートの中心軸線

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加工部位に対してレーザビームを照射す
   ると共に、該加工部位のレーザビーム照射部に粉末状材
   料を吐出するレーザ加工ヘッドを備え、前記加工部位に
   クラッド層を形成するレーザクラッディング加工装置で
   あって、 前記レーザ加工ヘッドを、鉛直方向に対して傾斜した状
   態でクラッド層を形成することができるようにしたこと
   を特徴とするレーザクラッディング加工装置。
2. 【請求項２】 前記レーザ加工ヘッドに粉末状材料を供
   給する複数の材料供給手段と、 レーザビーム照射部にその周囲から粉末状材料を所定の
   配分で吐出させるように、各材料供給手段による粉末状
   材料の供給量を調整制御する制御手段と、を備えたこと
   を特徴とする請求項１に記載のレーザクラッディング加
   工装置。
3. 【請求項３】 前記制御手段が、レーザ加工ヘッドの傾
   斜角度に基づいて各材料供給手段による粉末状材料の供
   給量を調整制御するものであることを特徴とする請求項
   ２に記載のレーザクラッディング加工装置。
4. 【請求項４】 前記レーザ加工ヘッドを鉛直方向軸線周
   りに回転可能としたことを特徴とする請求項１〜３のい
   ずれかに記載のレーザクラッディング加工装置。
5. 【請求項５】 レーザ加工ヘッドから、加工部位に対し
   てレーザビームを照射すると共に、前記加工部位のレー
   ザビーム照射部に粉末状材料を吐出して、前記加工部位
   にクラッド層を形成するレーザクラッディング加工方法
   であって、 レーザ加工ヘッドを鉛直方向に対して傾斜させてクラッ
   ド層を形成することを特徴とするレーザクラッディング
   加工方法。
6. 【請求項６】 レーザビーム照射部に対してその周囲か
   ら粉末状材料を所定の配分で吐出させるように、レーザ
   加工ヘッドに複数箇所から粉末材料を調整制御して供給
   することを特徴とする請求項５に記載のレーザクラッデ
   ィング加工方法。
7. 【請求項７】 レーザ加工ヘッドの傾斜角度に基づい
   て、各箇所からの粉末状材料の供給量を調整制御するこ
   とを特徴とする請求項６に記載のレーザクラッディング
   加工方法。
8. 【請求項８】 レーザ加工ヘッドを鉛直方向軸線周りに
   回転させることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに
   記載のレーザクラッディング加工方法。