JP2005021908A

JP2005021908A - レーザクラッド加工装置およびレーザクラッド加工方法

Info

Publication number: JP2005021908A
Application number: JP2003187222A
Authority: JP
Inventors: Akio Sato; 彰生佐藤; Yoshimune Ishikawa; 善統石川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-27
Anticipated expiration: 2023-06-30
Also published as: JP4038724B2; EP1640110B1; EP1640110A1; DE602004024400D1; WO2005000517A1; US8097825B2; EP1640110A4; US20060169679A1

Abstract

【課題】簡単な構成で、クラッド層を適切かつ容易に低コストで形成することができるレーザクラッド加工装置と、レーザクラッド加工方法とを提供する。
【解決手段】バルブシートの中心軸線が鉛直方向となるようにシリンダヘッドを傾動保持するシリンダヘッド保持手段１と、バルブシートの加工部位にレーザビームを照射するとともに、この加工部位に粉末材料を吐出するレーザ加工ヘッド２と、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バルブシートをその中心軸線周りに回転する回転手段３と、レーザ加工ヘッドに粉末材料を供給する粉末材料供給手段４とを備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリンダヘッドのバルブシート部にレーザビームによってクラッド層を形成するためのレーザクラッド加工装置およびレーザクラッド加工方法に関し、さらに詳しくは、シリンダヘッドを固定して、シリンダヘッドのバルブシート部に対してレーザビームを出射し粉末材料を吐出するレーザ加工ヘッドをバルブシートの軸心線周りに回転しながらクラッド層を形成するレーザクラッド加工装置、およびレーザクラッド加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザクラッド加工に関する従来の技術としては、特許文献１に開示されたレーザクラッド装置が知られている。当該文献に開示されたレーザクラッド装置は、図２６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を各バルブシートの中心軸線Ｊまわ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、を備えたものである。
【０００３】
このような従来技術では、図２４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周りにシリンダヘッドを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ものである。すなわち、レーザビームは固定されており、シリンダヘッドが回転してレーザクラッド加工を行う技術である。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１５５５８３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来技術においては、図２４に示す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所定の角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。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２５に示したような、巨大な設備が必要となり多大な設備投資及び設備設置スペースを要することとなる。
【０００６】
また、溶融しないでバルブシート部に残った粉末材料は、シリンダヘッドが回転するために周囲に飛散してしまい事実上その回収は極めてが困難である。このため粉末材料の歩留が低下するとともに、飛散した粉末材料が加工装置の可動部でのトラブルの原因になるという問題もあった。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、クラッド層を適切かつ容易に低コストで形成することができるレーザクラッド加工装置と、レーザクラッド加工方法とを提供することを目的とする。
【０００８】
【発明を解決するための手段】
請求項１のレーザクラッド加工装置に係わる発明は、上記目的を達成するために、シリンダヘッドのバルブシート部にレーザクラッド加工を行うレーザクラッド加工装置であって、バルブシートの中心軸線が鉛直方向となるようにシリンダヘッドを傾動して保持するシリンダヘッド保持手段と、バルブシートの加工部位にレーザビームを照射するとともに、この加工部位に粉末材料を吐出するレーザ加工ヘッドと、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バルブシートの中心軸線周りに回転する回転手段と、レーザ加工ヘッドに粉末材料を供給する粉末材料供給手段とを有することを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２のレーザクラッド加工装置に係わる発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明において、前記シリンダヘッド保持手段は、該シリンダヘッドを吸気バルブシートの中心軸線が鉛直線に平行となる第１の位置と、排気バルブシートの中心軸線が鉛直線に平行となる第２の位置との２つの位置に傾動させる傾動手段と、該シリンダヘッドを水平面上でＸ軸方向と該Ｘ軸に直交するＹ軸方向とに移動させる水平移動手段とを備えることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項３のレーザクラッド加工装置に係わる発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明において、前記レーザ加工ヘッドは、前記レーザビームを発生するレーザビーム発生手段と、該レーザビームを通過するとともに前記粉末材料を吐出する同軸ノズルとを有することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項４のレーザクラッド加工装置に係わる発明は、上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明において、前記レーザビーム発生手段は、複数のレーザダイオードアレイを配置し前記バルブシート部の幅方向に応じて該レーザダイオードアレイを制御して前記レーザビームを整形することを特徴とするものである。
【００１２】
請求項５のレーザクラッド加工装置に係わる発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明において、前記粉末供材料給手段は、前記粉末材料を定量的に所定の流出口へ流動させながらキャリアガスの圧力により該流出口から流出させて前記レーザ加工ヘッドへ圧送供給することを特徴とするものである。
【００１３】
請求項６のレーザクラッド加工方法は、上記目的を達成するために、シリンダヘッドのバルブシート部にレーザクラッド加工を行うレーザクラッド加工方法であって、前記バルブシートの中心軸線が鉛直方向となるようにシリンダヘッドを傾動して保持し、鉛直方向対して傾斜した状態で該バルブシートの中心軸線周りに回転しながら前記バルブシート部に沿って粉末材料を供給するとともに、レーザビームを照射してレーザクラッド加工を行うことを特徴とするものである。
【００１４】
請求項７のレーザクラッド加工方法に係わる発明は、上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明において、前記レーザビームの形状が矩形状であることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項８のレーザクラッド加工方法に係わる発明は、上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明において、前記レーザ加工ヘッドを前記バルブシート部に沿って正転及び反転させることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項９のレーザクラッド加工方法に係わる発明は、上記目的を達成するために、請求項６〜８のいずれかに記載の発明において、前記矩形状のレーザビームの長辺を直径とする円内に集中して堆積するように前記粉末材料を吐出することを特徴とするものである。
【００１７】
請求項１０のレーザクラッド加工方法に係わる発明は、上記目的を達成するために、請求項６〜９のいずれかに記載の発明において、レーザ加工の進行方向に対して前記粉末材料の堆積中心よりも所定量手前に前記レーザビームを照射して該粉末材料を溶融することを特徴とするものである。
【００１８】
請求項１１のレーザクラッド加工方法に係わる発明は、上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明において、前記粉末材料の圧送供給を停止させるとき、前記粉末材料の流動を停止させ、該流動停止時又は該流動停止直前から前記キャリアガスによる圧力を所定時間かけて所定値へ向けて低下させることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項１２のレーザクラッド加工方法に係わる発明は、上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明において、前記粉末材料を圧送供給する前に前記キャリアガスの流量を増加させ前記粉末材料の流動開始直前に減少させて定常流量とし該流動停止直前に該キャリアガスを大気開放するように制御することを特徴とするものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、同一符号は同一部分又は相当部分を示すものとする。
（レーザクラッド加工装置）
本発明のレーザクラッド加工装置の全体構成を図１の斜視図に示す。
【００２１】
本発明のレーザクラッド加工装置は、シリンダヘッドＨのバルブシート部にレーザクラッド加工を行うレーザクラッド加工装置であって、シリンダヘッドＨを傾動して保持するシリンダヘッド保持手段１と、加工部位にレーザビームを照射するとともに粉末材料を吐出するレーザ加工ヘッド２と、レーザ加工ヘッド２を鉛直方向に傾斜して保持し鉛直線周りに回転する回転手段３と、レーザ加工ヘッド２に粉末材料を供給する粉末材料供給手段４とから構成されている。
【００２２】
図２は本実施の形態におけるシリンダヘッド保持手段１の側面模式図である。シリンダヘッド保持手段１は、バルブシートの中心軸線が鉛直方向となるようにシリンダヘッドＨを傾動する傾動手段１１と、シリンダヘッドＨを水平面上でＸ軸方向およびＹ軸方向に２次元移動可能な水平移動手段１２とを備えている。傾動手段１１は、吸気バルブシート１３中心軸線Ｊ１がレーザ加工ヘッドの回転軸Ｖと平行となる第１の位置（実線で示す）と、排気バルブシート１４の中心軸線Ｊ２がレーザ加工ヘッドの回転軸Ｖと平行となる第２の位置（破線で示す）の間で図示しないエアシリンダなどで傾動可能な機構となっている。また、水平移動手段１２は、Ｘ軸サーボモータ１５，及びＹ軸サーボモータ１６などで、傾動手段１１とともにシリンダヘッドＨを水平方向に移動してバルブシートの中心軸線とレーザ加工ヘッドの回転軸とを一致させることができる。さらに、この水平移動手段は、サーボモータなどにより位置決めするインデックス送りも可能な機構を備えることができる。
【００２３】
レーザ加工ヘッドの概略構成を図３に正面概要図に示した。レーザ加工ヘッド２は、レーザビームを発生するレーザ発生手段２１と、レーザビームを通過するとともに、粉末材料を吐出する同軸ノズル２２とから構成されている。レーザ発生手段２１と同軸ノズル２２とはレーザビームを集光する光学系部２３を介して一体的に接続されている。同軸ノズル２２にはこのノズル部に粉末材料Ｐを供給する供給ホース２４が接続されている。
【００２４】
本実施の形態では、レーザ発生手段２１は半導体レーザ発振器を備え、光学系部２３にはレーザビームの形状を整えるコリメーションレンズ及び集光レンズとが設けられている。
【００２５】
同軸ノズル２２は、レーザビームの照射軸と加工部位へ粉末材料を吐出する吐出軸とが同一軸で形成されたノズルであり本実施の形態においては図４および図５に示すものである。図４は同軸ノズルの縦断面を、また、図５には図４のＡ−Ａ断面を示している。
【００２６】
同軸ノズル２２は、加工部位Ｗに対してレーザビームＬを照射するとともに加工部位Ｗのレーザビーム照射部ＷＬに粉末材料を吐出するノズル部２１０と、このノズル部に粉末材料を供給する複数の材料導入部２Ａ〜２Ｄと、レーザビーム照射部ＷＬにその周囲から粉末材料Ｐをキャリアガスと共に所定の配分で吐出させるように、各材料供導入部２Ａ〜２Ｄによる粉末材料Ｐの供給量を調整制御する制御手段（図示は略）と、を備えており、同軸ノズル２２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、同軸ノズル２２の傾斜角度に基づいて各材料導入部２Ａ〜２Ｄによる粉末材料Ｐの供給量を調整するものである。
【００２７】
同軸ノズル２２は、レーザ発生手段２１接続される接続部材２１１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２１２，及び、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材料Ｐをキャリアガスと共に吐出する吐出口２１３を有するノズル部２１０とにより構成されている。ノズル部２１０は、外側ノズル部材２１４と、この外側ノズル部材２１４に内嵌される内側ノズル部材２１５と、によって構成されている。
【００２８】
外側ノズル部材２１４と内側ノズル部材２１５との間には、複数の材料導入部２Ａ〜２Ｄが接続されて粉末材料Ｐがキャリアガスと共に供給されて同軸ノズル２２の軸線Ｈ周りに旋回させる旋回部２１６と、旋回部２１６で所定量旋回した粉末材料Ｐをキャリアガスと共に同軸ノズル２２の軸線Ｈに沿って整流させる整流部２１７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材料Ｐをキャリアガスと共に吐出させる吐出口２１３を有する吐出部２１８と、が連続して形成されている。また、内側ノズル部材２１５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る照射口２１２を有するビーム通路２１９が形成されている。
【００２９】
図５に示すように、外側ノズル部材２１４には、この実施の形態の場合、複数の材料導入部として４つの通路２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄが旋回部２１６の接線方向に伸びるように、等間隔で穿設されている。旋回部２１６は、同軸ノズル２２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２１７は、外側ノズル部材２１４の内周面に突出するように形成された縮径部に旋回部２１６の底面と吐出部２１８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２１８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２１３が開口する間隙により構成されている。従って、図４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。
【００３０】
このように構成された同軸ノズル２２では、キャリアガスによって粉末材料Ｐが通路２Ａ〜２Ｄを介して旋回部２１６にその接線方向に導入されると、その導入された各通路２Ａ〜２Ｄから旋回部２１６を略９０度から１８０度程度旋回してから整流部２１７に流動することとなる。そして粉末材料Ｐは同軸ノズル２２の軸線Ｈと平行に形成された整流部２１７を通過することにより軸線Ｈと平行に流れるように整流される。その後、粉末材料Ｐは、吐出口２１３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均等に供給されることとなる。
【００３１】
本発明では、同軸ノズル２２の軸線Ｈをバルブシートの傾斜に応じて所定の角度傾斜させた状態で、鉛直方向軸線周りに回転するように駆動される。この場合には、各通路２Ａ〜２Ｄの向きによって旋回部２１６に導入される粉末材料Ｐの受ける重力が異なることになる。そのため、吐出口２１３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材料Ｐの量に偏りが生じることとなり、この偏りは、同軸ノズル２２の軸線Ｈの傾きによって異なる。
【００３２】
そこで本実施の形態においては、同軸ノズル２２を鉛直方向に対して傾斜させたときの、旋回部２１６に粉末材料Ｐを供給する通路２Ａ〜２Ｄのそれぞれの向きに応じて、整流部２１７を介して吐出口２１３からレーザビーム照射部ＷＬに向かって吐出される粉末材料Ｐの量が均等となるように、通路２Ａ〜２Ｄからキャリアガスにより導入される粉末材料Ｐの量を変化させ、しかも、その変化の度合いを同軸ノズル２２の軸線Ｈの傾き角に基づいて異ならせるように制御できるように構成されている。
【００３３】
したがって、本同軸ノズルを備えたレーザ加工ヘッドを用いることにより、シリンダヘッドを、従来の技術（図２４を参照）のように、バルブシートのクラッド層Ｓを形成する加工部位Ｗに対する垂直な線が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、シリンダヘッドは、バルブシートの中心軸線Ｊが鉛直方向となるようにテーブルＴに容易に保持することができ、また、レーザ加工ヘッド２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を適切かつ容易に形成することができる。
【００３４】
本実施の形態において、レーザビームの照射形状は矩形状であることが望ましい。レーザビームを矩形状に整形する方法は特に限定はなく、一般的なレーザ光をシリンドリカルレンズなどを用いて所定レベルのレーザビーム強度がある幅で連続するマルチモード化して照射する方法や、複数のレーザダイオードアレイを配置して所望の形状のレーザビームを整形して照射する方法などを例示することができる。
【００３５】
図６に複数のレーザダイオードアレイを有するレーザ発生手段を模式的に示した。このレーザ発生手段２１は、加工部位Ｗの幅方向にレーザビームを照射できるように複数のレーザダイオードアレイ３１を配置して構成されたレーザビーム源３２と、加工部位Ｗの幅方向に応じて整形されたレーザビームＬを照射し得るように各レーザダイオードアレイ３１を制御する制御手段（図示は省略する）とを備えている。
【００３６】
レーザダイオードアレイ３１は、例えば、ガリウム砒素系半導体レーザ素子からなるもので、供給する電流を制御することによりそのビーム強度を調整することができる。そして、各レーザダイオードアレイ３１は、その一面には複数のレーザ出射口３１ａが設けられ、さらに、このレーザ出射口３１ａが位置する一面にはマイクロレンズ３３固着されている。各レーザ出射口３１ａからは、例えば、長さが１００μｍ程度で、幅が１．０μｍ程度のレーザビームが出射され、その前方にマイクロレンズ３３が設けられていることにより、長さが１ｃｍ程度で、幅が１ｍｍ程度の平行なレーザビームを照射することができる。このレーザビームＬは、明確なステップ状のエネルギ分布となるように照射することができ、しかも、安定したレベルに維持することができる。
【００３７】
このようにそれぞれが構成されたレーザダイオードアレイ３１は、図６に示すように、本実施の形態では粉末材料Ｐの上方に幅方向に配置されてレーザビーム源３２を構成する。各レーザビームアレイ３１には、制御装置（図示せず）がそれぞれ接続されて、所定の出力でレーザビームを照射することができるように制御された電流が供給される。レーザビーム源３２は、供給電流を１００％に制御したときに、例えば、総計で４ｋｗ程度の出力のレーザビームＬを照射することができるように設定されている。レーザビーム源３２と材料粉末Ｐとの間には、集光レンズ３４が介装・配置される。レーザビーム源３２、集光レンズ３４、及び材料粉末Ｐの間隔、すなわち焦点距離は、必要に応じて相対的に調整することが可能となっている。堆積された粉末材料Ｐの幅方向に配置されるレーザダイオードアレイ３１の数は、粉末材料Ｐに照射されるレーザビームＬの幅が少なくとも堆積された粉末材料Ｐの幅Ｗ以上となるように設定されている。
【００３８】
以上のように構成されたレーザビーム発生手段により、安定したエネルギ分布を有する矩形状のレーザビームを得ることができる。
【００３９】
なお、本発明のレーザ加工ヘッドは、レーザの照射軸に沿って上下に移動可能に設置されており、所望によってシリンダヘッドとの相対距離を調整することができる。
【００４０】
次に、本実施の形態の粉末材料供給手段について説明する。
【００４１】
本発明のレーザクラッド加工装置における粉末材料供給手段は、粉末材料を定量的に所定の流出口へ流動させながらキャリアガスの圧力により流出口から流出させてレーザ加工ヘッドへ圧送供給する手段である。
【００４２】
図７に、本実施の形態における粉末材料供給手段４の概略構成を示す。粉末材料供給手段４は、レーザ加工ヘッド２の同軸ノズル２２へ粉末材料Ｐをキャリアガスにより圧送供給するものであり、粉体供給機４１と、粉体供給機４１にキャリアガスによる圧力を供給するための圧力供給装置４２と、粉体供給機４１及び圧力供給装置４２を制御するための制御装置４３とを備える。
【００４３】
粉体供給機４１は、耐圧型の密閉容器４１１と、密閉容器４１１に外付けされた供給用ホッパ４１２と、密閉容器４１１に密閉収容された超音波振動送出機（以下、超音波フィーダという。）４１３とを備える。
【００４４】
密閉容器４１１は、粉体を外部へ流出させるための流出口（図において管継手として示される。）４１４が設けられる。流出口４１４は、粉末材料Ｐをレーザ加工ヘッドの同軸ノズル２２へ導くためのホース４１５が接続される。また、密閉容器４１１にはキャリアガスによる圧力を導入するための導入口（図において管継手として示される。）４１６と、密閉容器４１１の中の圧力（内圧）を検出するためのセンサ４１７が設けられる。
【００４５】
補給用ホッパ４１２は、補給用の粉末材料Ｐを収容するためのものであり、密閉容器４１１の上側に固定され、その底部に設けられた絞り孔を通じて密閉容器４１１に連通する。このホッパ４１２の上側は蓋板により密閉される。
【００４６】
密閉容器４１１の内部には、補給用ホッパ４１２の絞り孔から落下する粉末材料Ｐを下方へ案内するための案内管４１８が設けられ、補給用バルブ４１９によって粉末材料Ｐの落下が許容・規制される。
【００４７】
密閉容器４１１と補給用ホッパ４１２との間には、バイパス管４２０が設けられ、密閉容器４１１と補給用ホッパ４１２との内圧差を低減することができる。
【００４８】
バルブ機構４１９の下側には、ブラケットを介して超音波フィーダ４１３が取り付けられる。超音波フィーダ４１３は、補給用ホッパ４１２から補給して計量ホッパ４２１に収容された粉末材料Ｐを、密閉容器４１１の流出口４１４へ定量的に流動させるためのものである。この超音波フィーダ４１３は、超音波振動により粉末材料Ｐを定量的かつ連続的に流出口４１４へ送り出すようになっている。
【００４９】
超音波フィーダ４１３は、超音波モータ４２２，ロードセル４２３，モータ駆動回路４２４，計量ホッパ４２１及び終段ホッパ４２５を備える。
【００５０】
図７において、圧力供給装置４２は、キャリアガスを密閉容器４１１の中に供給することにより、同容器４１１の流出口４１４にキャリアガスによる圧力を供給するためのものである。圧力供給装置４２は、キャリアガスの供給源であるボンベ４２６と、ガスレギュレータ４２７とマスフローコントローラ４２８とを備え、それらが配管４２９により直列に接続される。マスフローコントローラ４２８の出力側は、密閉容器４１１の導入口４１６に接続される。キャリアガスは、ガスレギュレータ４２７で圧力調整された後、マスコントローラ４２８で所定流量に調整され、導入口４１６を通じて密閉容器４１１の中に導入される。
【００５１】
制御装置４３は、粉末材料Ｐをキャリアガスによる圧力により密閉容器４１１の流出口４１４から流出させてレーザ加工ヘッド２の同軸ノズル２２へ圧送供給するために超音波フィーダ４１３及び圧力供給装置４２を制御するためのものである。この制御装置４３には、圧力センサ４１７，補給用バルブ４１９，モータ駆動回路４２４及びマスフローコントローラ４２８が電気的に接続される。制御装置４３の前面には、各種スイッチを含む操作パネル４３１や表示器４３２が設けられている。
【００５２】
以上の構成からなる粉末供給手段を用いることにより、粉末材料を定量的に所定の流出口へ流動させながらキャリアガスの圧力により流出口から流出させてレーザ加工ヘッドへ圧送供給することができる。
（レーザクラッド加工方法）
次に、本発明のレーザクラッド加工方法について図面を参照しながら説明する。
【００５３】
本発明のレーザクラッド加工方法は、シリンダヘッドのバルブシート部にクラッド層を形成するレーザクラッド加工方法であって、バルブシートの中心軸線が鉛直方向となるようにシリンダヘッドを傾動して保持し、この鉛直方向に対して傾斜した状態でバルブシートの中心軸線周りに回転しながら、バルブシートの加工部位に粉末材料を供給するとともにレーザビームを照射してクラッド層を形成することを特徴とする加工方法である。
【００５４】
図８はシリンダヘッドのバルブシート部の断面模式図である。まず、シリンダヘッドはバルブシートの中心軸線Ｊが鉛直方向ＶとなるようにテーブルＴによって保持される。レーザ加工ヘッドの軸心線Ｈを加工部位ＷＬに対して垂直方向（Ｋ軸）に一致させ、バルブシートの中心軸線Ｊ周りに回転しながら粉末材料Ｐを加工部位ＷＬへ吐出し、レーザビームＬを照射してクラッド層Ｓを形成する。
【００５５】
本発明のレーザクラッド加工方法において、加工部位に照射されるレーザビームは、矩形状であることが望ましい。レーザ発振器から出射されるレーザビームは、レーザ加工ヘッドの同軸ノズルによってバルブシートの加工部位へ吐出された粉末材料の集中点付近で矩形状になるように集光されることが好ましい。このとき、レンズなどの光学系はレーザビームの矩形の一辺（加工進行方向に直交する側の辺で、以降、辺Ａと称する。なお、辺Ａに隣接する辺を辺Ｂと称する。）がバルブシートの幅方向に合わせた長さとなるように設計されている。
【００５６】
レーザビームのエネルギ分布は、図９に示すような長方形であることが望ましい。図９で縦軸はレーザビームの照射エネルギーの強さを表し、左図はレーザビームの辺Ａ方向のエネルギ分布であり、右図は辺Ｂ方向のエネルギ分布を示す。つまり、レーザビームの照射面の形状は辺Ａと辺Ｂとからなる長方形であり、また、そのエネルギ分布もバルブシートの幅方向に均一であることが望ましい。
【００５７】
図１０に矩形状ビームのエネルギ分布の一例を示す。この例では、バルブシートの肉盛幅に対して中央部がほぼ平坦で左右が傾斜した台形状のエネルギ分布を示している。この傾斜部分が大きい、つまりビームの幅方向中央部の照射エネルギが側縁部に比べて高いエネルギ分布のレーザビームでは、加工部位の中央部で入熱量が多くなるために幅方向中央部でクラッド層へのアルミの希釈濃度が高くなり、クラックの発生や耐摩耗性の低下といった不具合を生じることがある。
【００５８】
クラッド層へのアルミの希釈濃度は傾斜部が大きくなるにつれて増加する。ここで、図１０のΔｗで示す傾斜部の大きさを以下のように定義する。
【００５９】
図１０の左図で平坦部（中央部）のエネルギ強さをｅとするとレーザビームのエネルギ分布は下底（ｆｇ）をｗ、上底（ｈｉ）をｗ１，高さをｅとする台形（ｆｇｈｉ）である。ここでエネルギ強さｅを１００％とした場合に、その９０％のエネルギレベルをｅ１、また、１０％のエネルギレベルをｅ２として、斜辺ｆｉとｅ１およびｅ２との交点のＸ座標をそれぞれｘ１，ｘ２とし、斜辺ｇｈとの交点をｘ３，ｘ４とする。ここで傾斜部の大きさΔｗを、Δｗ１＝ｘ１−ｘ２，Δｗ２＝ｘ４−ｘ３と定義する。
【００６０】
クラッド層のアルミの希釈濃度（Ｃ％）は、図１１に示すようにこの傾斜部の大きさの割合：Δｗ％（Δｗ／ｗ×１００）の増加とともに急激に増加し、Δｗ％が２５％を越えると、アルミの希釈濃度（Ｃ％）はクラッド層に対して５重量％を越えることになる。アルミの希釈濃度（Ｃ％）が５重量％を越えると、クラックの発生や耐摩耗性の低下の危険性が急激に増加する。従って、レーザビームの傾斜部の大きさの割合Δｗ％は２５％未満であることが望ましい。
【００６１】
本発明の同軸ノズルを有するレーザ加工ヘッドにおいては、図１２のように粉末材料Ｐはノズル２２の内部で整流されて先端の吐出口２１３からノズルの軸心上の一点Ｃに集中するように吐出される。このため、粉末材料は、図１２の斜線で示すような軸対称なガウシアン分布Ｇを持って加工部位に堆積される。ここで、矩形状のレーザビームＬの辺Ａの長さＤを直径とする円内（例えばＡ１）への集中度を高めることにより、粉末材料の歩留まりを向上させることができる。これは、粉末材料の集中した部分ではレーザビームを多重反射する度合いが多く従って照射されたレーザビームを多く吸収して加熱されやすいからである。
【００６２】
しかし、粉末材料の集中度が円Ａ２のように高すぎて、レーザビームＬの辺Ａの長さＤよりも小さい場合には、材料粉末Ｐが供給されていない部分Ｂでは、レーザビームＬが照射されることによって母材のアルミニウムの溶融を促進し、クラッド層の品質が低下する。このため、粉末材料Ｐの集中度はＤを直径とする円内に９０〜１００％未満とすることが望ましい。
【００６３】
なお、円Ａ２のように粉末材料Ｐの集中度が高い場合には、レーザビームＬの焦点を粉末材料Ｐの集中点Ｃから上下にずらせて粉末材料Ｐの溶融が最適となるようにレーザ加工ヘッドとシリンダヘッドとの相対距離を調整してもよい。
【００６４】
本発明のレーザ加工ヘッドは、レーザビームを発生する半導体レーザ発生手段と同軸ノズルとが一体的に接続された構成となっている。従って、バルブシートの加工部位に沿って、レーザ加工ヘッドを鉛直線周りに一方向へ無限回転することは不可能である。このため、一箇所のバルブシートをレーザ加工して、次のバルブシートのレーザ加工を行う場合には、レーザ加工ヘッドを予め初期の位置に反転（巻き戻し）しておくことが考えられる。しかし、この巻き戻し操作は、生産性を阻害するばかりでなく設備の耐久性をも低下させるので望ましいことではない。
【００６５】
本発明のレーザクラッド加工装置にあっては、図１３のようにレーザビームＬと堆積された粉末材料Ｐとの位置関係は、加工の進行方向によって変化はなく常にレーザビームの照射の中心は粉末材料の堆積中心Ｃと一致している。
すなわち、本発明のレーザクラッド加工方法によれば、従来技術では不可能であったクラッド加工の加工進行方向を前進後退自在とすることができる。従って、本発明のこの特徴を活用すれば、一箇所のバルブシートをレーザ加工して、次のバルブシートのレーザ加工を行う場合に、レーザ加工ヘッドを反転しながらレーザ加工を施すことができるので、巻き戻し操作のみを行う無駄を排除することができる。
【００６６】
例えば、図１４のバルブシートＢ１をレーザ加工して、引き続いてバルブシートＢ２にレーザ加工を施す場合には、バルブシートＢ１のＳ１点から矢印に沿って時計回りにレーザ加工し、始点終点における肉盛り量の低下を補うためにＳ１点を超えてＥ１点まで加工してバルブシートＢ１の加工を終える。次に、そのままの姿勢で、シリンダヘッドを水平移動してバルブシートＢ２の始点Ｓ２から終点Ｅ２までを反時計回りにレーザ加工を施す。このことにより、バルブシートのレーザ加工毎に要するレーザ加工ヘッドの巻き戻し操作は必要なく、生産性を向上することができる。
【００６７】
ここで、バルブシートへのクラッド加工を始点Ｓ１から開始し、終点Ｅ１で終了したのは以下の理由による。一般的にシリンダヘッドは１気筒４バルブが主流であり、バルブシートの配列は、図１４の上図に示すように線Ｆ−Ｆに対して線対称となっている。また、排気側バルブシートと吸気側バルブシートの中心を通るＥ−Ｅ断面は、図１４の下図に示すようにプラグ側の素材が薄く壁側の素材は厚くなっている。従って、壁側からレーザ加工を開始すると壁側の素材が厚いのでこの部分でのレーザ加工は、通常よりはレーザ出力を高くしないと素材への熱の放散が大きく所望のクラッド層を形成することができない。一方、そのままの高い出力でプラグ側の加工を行うと、プラグ側は素材が薄いために素材への熱の放散が少なく、加工部位は過熱されアルミ母相の希釈が過剰になる等の不具合を生じることがある。このため、形成されたクラッド層の品質が安定しないことになる。しかし、レーザ加工をプラグ側から行えば、プラグ側は素材が薄いので通常のレーザ出力でクラッド加工を行うことができる。そしてこのクラッド加工の熱伝導により壁側の素材も予熱された状態となる。従って、壁側をレーザ加工する時にはレーザ出力を通常のまま維持すれば良好なクラッド層が得られる。つまり、プラグ側からレーザ加工を開始することにより、常に定常出力でクラッド加工することができるわけである。
【００６８】
従来のレーザクラッド加工方法においては、加工の進行方向に対して粉末材料を加工部位に供給してからレーザ光が照射され粉末材料が溶融される構成となっている。つまり、加工の進行方向に対して粉末材料の堆積中心よりも手前にレーザビームを照射する位置関係となっている。このことにより、加工方向に対して進行方向に供給される粉末材料は、すでにレーザビームで溶融された粉末材料の溶融プールに取り込まれやすいので、粉末材料について高い歩留まりを得ることができる。
【００６９】
この特性は、本発明のレーザクラッド加工方法にも適用することができる。本発明のレーザ加工ヘッドでは、同軸ノズルを用いることにより、粉体材料の堆積中心とレーザ照射位置とを一致させることができる。このため、前記のように加工方向を前後自在に変化させることができるので、加工方向に応じてノズルから出射されるレーザビームの中心と粉末材料の堆積中心とを図１５のように所定量ずらせる（オフセットさせる）ことにより粉末材料の溶融プールへの取り込みを増加させ、粉末材料の歩留まりをさらに一層向上させることができる。例えば、図１５のように加工進行方向（矢印）に対して粉体材料Ｐの体積中心Ｃを通る線Ｇよりもレーザビームの中心線ＩがΔｄだけ手前になるようにレーザビームＬを照射する。ここで、Δｄが所定のオフセット量である。
【００７０】
図１６にオフセット量（Δｄ）と粉末材料の歩留まり（Ｒ）との関係の一例を模式的に示した。粉末材料の歩留まりは、Ｒ＝肉盛り重量／供給粉末量×１００（％）とした。０は粉末材料の堆積中心とレーザビームの照射位置とが一致した場合であり、レーザ照射位置よりも粉末材料の堆積中心が加工の進行方向にある場合を＋、レーザ照射位置よりも粉末材料の堆積中心が加工の進行方向に対して後ろにある場合を−とした。この例では、レーザ照射位置よりも粉末材料の堆積中心が１ｍｍ加工の進行方向にある場合に最も歩留まりが高くなった。このようにオフセットすることでレーザの照射位置と粉末材料の体積中心が一致している場合に比べて粉末材料の歩留まりを約１０ポイント向上させることができた。
【００７１】
以上のように、レーザビームの照射位置と粉末材料の堆積中心とをオフセットするためには、例えば、図１７のようにレーザ加工ヘッドの光学系の中で、レンズ３４をノズル２２に対して水平にスライドさせる機構を備えることでノズルの軸心線（粉末材料の堆積中心を通る）とレーザビームの照射位置とをオフセットすることができる。
【００７２】
次に、本実施の形態の粉末材料の供給方法について説明する。
【００７３】
バルブシートのレーザ加工時間はバルブシート１個につき約５秒と極めて短時間である。この短時間に粉末材料供給手段から一定量の粉末材料を同軸ノズルを介して加工部位へ安定供給しなければならない。このため、本実施の形態においては、前記した図７の粉末材料供給手段としている。この粉末材料供給手段により、一定量の粉末材料を安定して加工部位に供給することができる。
【００７４】
図７の粉末材料供給手段の作用の概要を以下に説明する。なお、この一連の作用は、本供給手段の制御装置のコンピュータによりプログラムに沿って行われる。
【００７５】
まず、供給始動スイッチをＯＮ操作すると、単位時間当たり所定量のキャリアガスが密閉容器４１１の中に導入され始め、密閉容器４１１の内圧が上昇し始める。その後、計量ホッパ４２１に所定量の粉末材料Ｐがないときのみ、補給用バルブ４１９を開いて補給用ホッパ４１２から案内管４１８を通じて粉末材料Ｐを計量ホッパ４２１に投入する。計量ホッパ４２１の粉末材料Ｐが所定量に達したら補給用バルブ４１９を閉じて粉末材料Ｐの投入を停止する。
【００７６】
つぎに、超音波フィーダ４１３をＯＮさせて粉末材料Ｐの供給を開始する。これにより、キャリアガスの圧力で密閉容器４１１の流出口４１４から粉末材料Ｐが流出し始め、キャリアガスと共にホース４１５を通じてレーザ加工ヘッドの同軸ノズルへ圧送供給され、バルブシートの加工部位にレーザクラッド加工が開始される。
【００７７】
所定時間経過後に、停止スイッチをＯＮ操作する。これによりキャリアガスの流量は低下し始める。さらに所定時間経過後、超音波フィーダ４１３をＯＦＦさせて粉末材料Ｐの供給を停止する。そして、引き続きキャリアガスの流量を所定時間かけて徐々に低下させた後、マスフローコントローラ４２８をＯＦＦさせる。これにより、超音波フィーダ４１３からの粉末材料Ｐの送り出しが停止した前後から、密閉容器４１１の内圧が徐々に低下し、やがて零に落ちる。
【００７８】
つまり、この実施の形態の粉体供給装置においては、粉末材料Ｐを定量的に流出口４１４へ流動させながらキャリアガスによる圧力により流出口４１４から流出させてレーザ加工ヘッドへ圧送供給するようにした粉体供給方法が行われる。そして、この方法において、粉末材料Ｐの圧送供給を停止させるときに、まず、粉末材料Ｐの流動を停止させ、その流動停止直前からキャリアガスによる圧力を所定時間かけて所定値（ここでは零）へ向けて徐々に低下させている。
【００７９】
従って、粉末材料Ｐの流動停止に際して、キャリアガスによる圧力が急激に低下することがないので、粉末材料Ｐに与えられる圧力が最後まで安定的に変化することとなり、粉末材料Ｐが流出口４１４から定量的に流出するようになる。このため粉末材料Ｐが、ホース４１５の途中に残ることがなくなる。この結果、次回、粉末材料Ｐの供給を再開させたときに、同軸ノズルに対する最初の粉体供給量が不安定に変動することがなくなる。このことから、再開時の粉体供給量を管理するために、ホース４１５の中に残る粉体を事前に排出させる必要がなく、粉体に無駄が生じることもなくなる。つまり、レーザ加工ヘッドの同軸ノズルへの粉体の供給再開時に、粉末材料Ｐを無駄なく安定的に供給することができるようになる。
【００８０】
以上の作用で密閉容器４１１へのキャリアガスの供給量（ｖ）と、流出口４１４から供給される粉末材料の供給量（ｑ）と、密閉容器内の圧力（ｐ）と、同軸ノズルからの粉末材料の吐出流速（ｓ）との時間的な変化を図１８に模式的に示した。この粉末材料供給方法では同軸ノズルからの粉末材料の吐出流速（ｓ）がバルブシートの加工始点（ア）付近で低く、一方加工終点（イ）付近では高くなっている。これは、キャリアガスの供給と粉末材料の供給とにより、供給ホース内が多少閉塞状態となるために密閉容器内の圧力が徐々に上昇するが、キャリアガスを供給したまま粉末材料の供給を停止すると、この閉塞状態が開放されるときに密閉容器内の高くなった圧力に押されて粉末材料が吐出されるからである。
【００８１】
つまり、加工中のフィーダからの粉末材料の供給量は一定であるが、クラッド加工の開始点（ア）では実際に吐出される粉体材料の量が少ないのでクラッド層の厚さは薄くなり、クラッド加工の終了点（イ）では吐出される粉体材料が増加するのでクラッド層の厚さは厚いものとなる。従って、この間をオーバーラップさせることにより均一な厚さの肉盛り層を得るようになっている。
【００８２】
ここで、密閉容器４１１に取り付けた圧力計４１７で粉末材料供給中の圧力が一定となるように密閉容器４１１へのキャリアガスの供給量を制御することにより同軸ノズルの吐出口での粉末材料Ｐの吐出流速を安定化することができる。
【００８３】
すなわち、図１９に示すように、定常時のガス供給量ｖに比べて超音波フィーダから粉体材料を供給開始する直前までキャリアガスの流量をｖ_ｓに増加させて、事前に粉体材料とキャリアガスとが定常状態で供給されて飽和しているときの容器圧力ｐと同一の圧力にしておく。その後、フィーダから粉末材料の供給開始（０秒）の前後で所定の定常流量ｖまで低減させてクラッド加工を行う。そして、フィーダからの粉末材料供給を停止する（５秒）直前（約０．５秒）に密閉容器近傍に取り付けたリークバルブ４３３を開放して密閉容器内を大気圧とする。このことによりノズル吐出口での粉末材料の流速を一定に保つことができ、クラッド加工中の粉末材料の吐出量を安定化することができる。従って、従来のようなオーバーラップを形成する必要がなくなり、生産性はさらに向上する。また、余計なオーバーラップ部分がなくなるので、バルブシートは全周に亘ってクラッド層が均一となり、安定した品質を得ることができる。
【００８４】
粉末材料の歩留は適切なレーザクラッド加工条件を選択することによりさらに向上することができる。
【００８５】
例えば、レーザ出力が高いほど粉末材料への入熱は高くなるので、ある出力値までは粉末材料の歩留まりは向上する。しかし、粉末材料の歩留まりはあるところで飽和するので、レーザ出力は飽和点に設定するのが望ましい。図２０にレーザ出力と粉末材料の歩留まりとの関係の一例を示す。内径Ｄ（後述する）は１９ｍｍ、ガス流量を１６Ｌ／ｍｉｎとした。図中◆はレーザビームの出力と歩留まりとの関係を示し、△と◯は各条件で形成されたクラッド層の外観を目視判定した結果である。△は溶融が不十分なため所定の幅と高さを有するクラッド層が得られていない、◯は目視的に問題のない外観のクラッド層である。図２０から、レーザ出力が２．６ｋｗまでは歩留まりは上昇するが、それ以上出力を上げても粉末材料の歩留まりは増加していないことが分かる。つまり、この場合のレーザ出力は、２．６ｋｗとすることが好ましい。
【００８６】
また、キャリアガス量が多すぎると粉末材料はレーザビームに晒されても溶融する前に飛散してしまい、粉末材料の歩留まりは低下する。従って、キャリアガス量は歩留が下降する直前の値とすることが望ましい。レーザ出力を一定（２．６ｋｗ）としてキャリアガス量による粉末材料の歩留まり変化の一例を図２１に示す。キャリアガス量が１０Ｌ／ｍｉｎまでは粉末材料の歩留まりは変化しないが、この値を超えると歩留まりは急激に低下し始める。従って、この場合のキャリアガス量は１０Ｌ／ｍｉｎとするのが適当である。
【００８７】
バルブシートに形成されるアルミ面は所定の形状に機械加工されている。この時、内径側余肉が多いほど（図２２の右図で内径Ｄが小さいほど）粉末材料を逃がさすに堆積させることができるので粉末材料の歩留まりは向上する。この内径とクラッド層Ｓを形成する粉末材料の歩留まりとの関係の一例を図２２に示す。歩留まりは、内径Ｄの増加に従って低下しており、この場合の内径Ｄは、９ｍｍとすることが望ましい。
【００８８】
【実施例】
図１に示す構成を有するレーザクラッド加工装置を用いてシリンダヘッドＨの８個の吸気側バルブシートにレーザクラッド加工を施した。
レーザクラッド加工装置の主な仕様は、レーザ：３ｋｗ半導体レーザ、波長：９４０ｎｍ、同軸ノズル：ＦｈＧ製Ｋｏａｘシリーズ、レーザ加工ヘッド傾斜角度：鉛直に対して３０度、レーザ加工ヘッドの回転：正転逆転４２０度（オーバラップ６０度）、レーザ加工時間：７秒／シートであった。
【００８９】
また、８個の吸気側バルブシートをレーザ加工する主な加工条件は、加工速度：１ｍ／ｍｉｎ、レーザ出力：２．６ｋｗ、粉末材料供給速度：１ｇ／ｓ、粉末材料の種類：ＣｕＬＳ５０（銅系粉末）、キャリアガス（窒素ガス）量：１０Ｌ／ｍｉｎ、バルブシートの形状（図２２右図）：φＧ：３０ｍｍ、φＤ：９ｍｍであった。
【００９０】
以上のレーザクラッド加工によって得られたクラッド層の断面を図２３に模式的に示す。シリンダヘッドのアルミ母材ｈの上にクラッド層Ｓが形成されている。点線Ｓ’はバルブシートの機械加工後の最終形状である。未溶着部やピンホール欠陥等が認められず断面形状も滑らかな形状であり、問題ないことが分かった。
【００９１】
なお、確認のためエンジン耐久性試験（１８０時間連続高速運転）を実施した。バルブシートの摩耗量やバルブ摩耗量など全ての評価項目で従来品と変わりなく良好な結果が得られた。
【００９２】
なお、本発明は前期の実施の形態に限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱することのない範囲で変更して実施することができる。
【００９３】
例えば、シリンダヘッドを保持手段へ搬入したり加工後のシリンダヘッドを搬出する機構は簡単なもので対応できる。また、レーザ加工ヘッドを回転手段ごと移動させて並べて置かれた複数個のシリンダヘッドを順次レーザ加工する機構とすることもできる。このような機構とすれば、シリンダヘッドの保持手段は傾動手段のみ有すればよい。
【００９４】
また、本実施の形態では、粉末材料の供給にレーザビームとの同軸ノズルを用いているが、前記のようにビームの辺Ａの長さＤを直径とする円内へ粉末材料を集中して供給できれば同軸ノズルに限定することはない。例えば、図２６に示すようなスリット状のノズルを２個側面又は上下に配置してもよい。
【００９５】
【発明の効果】
本発明は、シリンダヘッドを固定して、レーザ加工ヘッドをバルブシートの中心軸線周りに傾斜して回転することにより、傾斜しているバルブシート面へクラッド層を形成するようにした。
【００９６】
従って、従来技術に比べてレーザクラッド装置の構成要素を大幅に簡素化できるので従来技術に比べて設備費用を半減することができる。また、設備設置面積も大幅に（約１／３に）低減することができる。
【００９７】
本発明のレーザクラッド加工装置は、半導体レーザを使用しているので従来技術のＣＯ_２レーザ方式による装置に比べてレーザの効率が高い。従って、電力コストを大幅に（１／５程度に）削減することができる。また、ＣＯ_２レーザ方式のようにレーザガスの定期交換が不要であり、さらに部品交換なども容易であるため維持コストを大きく低減することができる。
【００９８】
従来のＣＯ_２レーザ方式による装置ではレーザビームはミラーでの空間伝播のためミラー各部の誤差により位置精度が低かった。本発明のレーザ加工装置によれば、ワークの位置決めは完全に機械精度のみで決まるのでレーザビームや粉末材料あるいはシールドガス（キャリアガス）などの位置ずれによる不具合を低減することができ、バルブシートの品質を向上することができる。
【００９９】
また、従来はシリンダヘッドが回転するために飛散していた粉末材料をシリンダヘッドを固定することで回収可能とすることができる。つまり、粉末材料の歩留まりを向上するとともに、粉末材料の飛散による装置可動部の不具合（故障の原因）を解消することができる。
【０１００】
本発明のレーザクラッド加工方法によれば、バルブシート毎にレーザ加工ヘッドの回転方向を変えてクラッド層を形成することができるので、加工のサイクルタイムを短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザクラッド加工装置の主要構成を示す斜視図である。
【図２】シリンダヘッド保持手段の側面概要図である。
【図３】レーザ加工ヘッドの正面概要である。
【図４】同軸ノズルの要部を示す一部断面側面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ断面概要図である。
【図６】レーザ発生手段としてのレーザダイオードアレイの説明図である。
【図７】実施の形態における粉末材料供給手段の概要を示す説明図である。
【図８】本発明のレーザ加工方法を説明するバルブシート部の断面模式図である。
【図９】レーザビームの理想的なエネルギ分布を示す図である。
【図１０】レーザビームのエネルギ分布の一例を示す図である。
【図１１】レーザビームの傾斜部割合とクラッド層へのアルミニウムの希釈率との関係の一例を示す図である。
【図１２】粉末材料の堆積集中を説明する説明図である。
【図１３】レーザ加工の双方向性を説明する説明図である。
【図１４】バルブシートの配列と断面形状とを示し、バルブシートの加工順序を説明する説明図である。
【図１５】粉末材料の堆積中心とレーザビームの照射位置とをオフセットした状態を示す説明図である。
【図１６】オフセット量と粉末材料の歩留まりとの関係の一例を示す図である。
【図１７】レーザビームをオフセットする機構の一例を示す図である。
【図１８】キャリアガスの流量を制御しない場合の、粉末材料の吐出流量と、フィーダ容器（密閉容器）内圧力の変化を示す図である。
【図１９】キャリアガスの流量を制御した場合の、粉末材料の吐出流量と、フィーダ容器（密閉容器）内圧力の変化を示す図である。
【図２０】レーザ出力による粉末材料歩留まりの変化の一例を示す図である。
【図２１】キャリアガス量による粉末材料歩留まりの変化の一例を示す図である。
【図２２】余肉部内径（Ｄ）と粉末材料歩留まりとの関係の一例を示す図である。
【図２３】実施例のレーザクラッド加工で形成されたクラッド層の断面を示す模式図である。
【図２４】従来技術のレーザ加工方法を説明するバルブシートの断面模式図である。
【図２５】従来技術のレーザクラッド加工装置の主要構成を示す概要図である。
【図２６】同軸ノズル以外の粉末材料供給ノズルの一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１：シリンダヘッド保持手段２：レーザ加工ヘッド３：回転手段４：粉末材料供給手段１１：傾動手段１２：水平移動手段２１：レーザ発生手段
２２：同軸ノズル２３：光学系２４：粉末材料供給ホース２１２：レーザビーム照射口２１３：粉末材料吐出口２１６：旋回部２１７：整流部３１：レーザダイオードアレイ３１ａ：レーザ出射口３２：レーザビーム源
３３：マイクロレンズ３４：集光レンズ４１：粉体供給機４２：圧力供給装置４３：制御装置４１１：密閉容器４１２：供給用ホッパ４１３：超音波振動送出機（超音波フィーダ）４１７：圧力センサ４２１：計量ホッパ
４２３：ロードセル４２８：マスフローコントローラ５０：レーザビーム照射手段５１：回転駆動手段５２：テーブル位置調整機構
Ｌ：レーザビームＰ：粉末材料Ｓ：クラッド層Ｗ：加工部位

Claims

シリンダヘッドのバルブシート部にレーザクラッド加工を行うレーザクラッド加工装置であって、
前記バルブシートの中心軸線が鉛直方向となるようにシリンダヘッドを傾動して保持するシリンダヘッド保持手段と、
前記バルブシートの加工部位にレーザビームを照射するとともに、該加工部位に粉末材料を吐出するレーザ加工ヘッドと、
前記レーザ加工ヘッドを前記鉛直方向に対して傾斜した状態で前記バルブシートの中心軸線周りに回転する回転手段と、
前記レーザ加工ヘッドに粉末材料を供給する粉末材料供給手段と、
を有することを特徴とするレーザクラッド加工装置。
前記シリンダヘッド保持手段は、該シリンダヘッドを吸気バルブシートの中心軸線が鉛直線に平行となる第１の位置と、排気バルブシートの中心軸線が鉛直線に平行となる第２の位置との２つの位置に傾動させる傾動手段と、該シリンダヘッドを水平面上でＸ軸方向と該Ｘ軸に直交するＹ軸方向とに移動させる水平移動手段と、を備える請求項１に記載のレーザクラッド加工装置。
前記レーザ加工ヘッドは、前記レーザビームを発生するレーザビーム発生手段と、該レーザビームを通過するとともに前記粉末材料を吐出する同軸ノズルと、を有する請求項１に記載のレーザクラッド加工装置。
前記レーザビーム発生手段は、複数のレーザダイオードアレイを配置し前記バルブシート部の幅方向に応じて該レーザダイオードアレイを制御して前記レーザビームを整形する請求項３に記載のレーザクラッド加工装置。
前記粉末供材料給手段は、前記粉末材料を定量的に所定の流出口へ流動させながらキャリアガスの圧力により該流出口から流出させて前記レーザ加工ヘッドへ圧送供給する請求項１に記載のレーザクラッド加工装置。
シリンダヘッドのバルブシート部にレーザクラッド加工を行うレーザクラッド加工方法であって、
前記バルブシートの中心軸線が鉛直方向となるようにシリンダヘッドを傾動して保持し、鉛直方向対して傾斜した状態で該バルブシートの中心軸線周りに回転しながら前記バルブシート部に沿って粉末材料を供給するとともに、レーザビームを照射してレーザクラッド加工を行うことを特徴とするレーザクラッド加工方法。
前記レーザビームの形状が矩形状である請求項６に記載のレーザクラッド加工方法。
前記レーザ加工ヘッドを前記バルブシート部に沿って正転及び反転させる請求項６に記載のレーザクラッド加工方法。
前記矩形状のレーザビームの加工進行方向に直交する辺を直径とする円内に集中して堆積するように前記粉末材料を吐出する請求項６〜８のいずれかに記載のレーザクラッド加工方法。
レーザ加工の進行方向に対して前記粉末材料の堆積中心よりも所定量手前に前記レーザビームを照射して該粉末材料を溶融する請求項６〜９のいずれかに記載のレーザクラッド加工方法。
前記粉末材料の圧送供給を停止させるとき、前記粉末材料の流動を停止させ、該流動停止時又は該流動停止直前から前記キャリアガスによる圧力を所定時間かけて所定値へ向けて低下させる請求項６に記載のレーザクラッド加工方法。
前記粉末材料を圧送供給する前に前記キャリアガスの流量を増加させ前記粉末材料の流動開始直前に減少させて定常流量とし該流動停止直前に該キャリアガスを大気開放するように制御する請求項６に記載のレーザクラッド加工方法。