JP2010207830A - レーザクラッドバルブシート形成方法及びレーザクラッドバルブシート形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザビームを走査することなく肉盛り可能なエネルギー密度としたリング形状ビームにて肉盛りを実現して肉盛り加工部の品質を高める。
【解決手段】シリンダーヘッドのバルブシート形成部位に形成されたリング形状凹溝に、リング状の金属材料である金属粉末リング体１５を配置した後、この金属粉末リング体にレーザビームｈｖを照射して溶融固化させることによりバルブシートを形成する。レーザビームｈｖを、バルブシートの直径と近似した径且つバルブシートのリング幅よりも小さい幅のリング形状ビームとして、このリング形状ビームを前記金属粉末リング体全域に亘り偏芯照射させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザクラッドバルブシート形成方法及びレーザクラッドバルブシート形成装置に関する。

例えば、自動車エンジンでは、バルブシートとして従来のシートリングを打ち込む方式に変えてバルブシート合金をシリンダーヘッドへ直接肉盛りする方式（レーザクラッド加工）が採用され初めている。このように、バルブシート合金をシリンダーヘッドに直接肉盛りすれば、シートリングの打ち込み方式に比べて熱伝導性を大幅に向上させることができ、冷却性能を高めることができる。

レーザクラッド加工は、シリンダーヘッドのバルブシート形成部位に金属粉末（肉盛り材料）を供給しながら、若しくは、予めバルブシート形状に押し固めたリング形状の金属粉末をバルブシート形成部位に配置してその金属粉末に対してレーザビームを照射して溶融固化させて肉盛る技術である（例えば、特許文献１など参照）。その中でも、内燃機関用シリンダヘッドのバルブシート部に対してレーザクラッド加工を行い、リング形状のバルブシートを形成する手法をレーザクラッドバルブシート加工という。

金属粉末を供給しながらレーザビームを照射して肉盛るためには、シリンダーヘッドとレーザビームを円周方向に相対的に回転させる必要があることから、加工開始部と加工終端部をオーバーラップさせる必要があり、オーバーラップ部の品質の安定化が難しい。

この一方、予めバルブシート形状に押し固めた金属粉末にレーザビームを照射して肉盛を行う場合、レーザを走査させずにリング形状としたレーザビームのビーム幅をバルブシート幅と同等にして照射した場合、エネルギー密度が小さくなり、肉盛り加工が困難になる。

そこで、レーザエネルギー密度を肉盛り加工可能な値にしながらリングビーム幅を肉盛り幅と同等にする方法として、レーザ発振器の出力を増加させることが考えられる。しかし、現在市販されているレーザ発振器の出力値には上限があるため、リングビーム幅を肉盛り幅へ到達させることができない。

リングビーム幅を肉盛り幅に増加させる別の手段として、リング形状を分割した円弧形状を複数のレーザ発振器により形成し、それらを合わせてリング形状とする手法がある（例えば、特許文献２など参照）。

特開２００５−２１９０８号公報 特開２００２−０６６７７９号公報 特開２００３−２５１４８０号公報

しかし、リング形状を分割した円弧形状を複数のレーザ発振器により形成する方法では、複数のレーザ発振器が必要となり、設備費が高くなる。

そこで、本発明は、レーザビームを走査することなく肉盛り可能なエネルギー密度としたリング形状ビームにて肉盛りを実現して肉盛り加工部の品質を高めることができ且つ設備費も抑えることのできるレーザクラッドバルブシート形成方法及びレーザクラッドバルブシート形成装置を提供する。

本発明のレーザクラッドバルブシート形成方法では、レーザビームを、バルブシートの直径と近似した径且つバルブシートのリング幅よりも小さい幅のリング形状ビームとして、このリング形状ビームをリング状の金属材料全域に亘り偏芯照射させる。

本発明のレーザクラッドバルブシート形成装置は、レーザ発振器から照射される円形状のレーザビームを、バルブシートの直径と近似した径且つバルブシートのリング幅よりも小さい幅のリング形状ビームとするビーム形状変更ミラーと、レーザビームをリング状の金属材料全域に亘り偏芯照射させる偏芯回転機構を持つビーム照射ミラーと、を備えている。

本発明のレーザクラッドバルブシート形成方法によれば、リング形状ビーム幅をバルブシート幅と同等にする必要がないため、レーザ出力を高出力としてエネルギー密度を高める必要がなく、肉盛り可能なエネルギー密度で充分に肉盛り加工することができる。また、レーザビームを円周上に走査する必要もないため、加工開始部と加工終了部をオーバーラップさせたオーバーラップ部の空孔や割れの心配もない。したがって、本発明方法によれば、肉盛り加工部の品質の高いレーザクラッドバルブシートを形成することができる。

本発明のレーザクラッドバルブシート形成装置によれば、ビーム形状変更ミラーでバルブシートの直径と近似した径且つバルブシートのリング幅よりも小さい幅のリング形状ビームとしたレーザビームを、偏芯回転機構を持つビーム照射ミラーでリング状の金属材料全域に亘り偏芯照射させるので、レーザビームを円周上に走査するためのシリンダヘッド回転機構を無くすことができ、装置構成を大幅に簡素化且つ低コスト化することができる。

図１はレーザクラッドバルブシート形成装置を示す斜視図である。 図２は図１に示すレーザクラッドバルブシート形成装置の光学系機構部の概略構成図である。 図３は図１に示したシリンダーヘッドのバルブシート形成部位に形成されたリング形状凹溝に金属粉末リング体を配置する前の状態を示す要部拡大斜視図である。 図４は金属粉末リング体に照射するレーザビームをリング形状ビームとしたときのビーム径及びビーム幅の前記金属粉末リング体に対する相対的な寸法関係を示す図である。 図５はレーザビームを金属粉末リング体全域に亘り偏芯回転照射した時の図である。 図６は偏芯回転機構により回転されるビーム照射ミラーの斜視図である。 ビーム照射ミラーの照射方向を変更して、先にレーザクラッド加工した隣のバルブシート形成部位に配置される金属粉末リング体をレーザクラッド加工する時の図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

「レーザクラッドバルブシート形成装置の構成説明」
先ず、レーザクラッドバルブシート形成装置の構成について説明する。図１はレーザクラッドバルブシート形成装置を示す斜視図、図２は図１に示すレーザクラッドバルブシート形成装置の光学系機構部の概略構成図、図３は図１に示したシリンダーヘッドのバルブシート形成部位に形成されたリング形状凹溝に金属粉末リング体を配置する前の状態を示す要部拡大斜視図、図４は金属粉末リング体に照射するレーザビームをリング形状ビームとしたときのビーム径及びビーム幅の前記金属粉末リング体に対する相対的な寸法関係を示す図、図５はレーザビームを金属粉末リング体全域に亘り偏芯回転照射した時の図、図６は偏芯回転機構により回転されるビーム照射ミラーの斜視図である。

レーザクラッドバルブシート形成装置は、図１に示すように、例えば自動車用内燃機関エンジンなどのシリンダーヘッド１のバルブシート形成部位２にレーザビームｈｖを照射するレーザ照射装置３を備えている。

レーザ照射装置３は、レーザ発振器４と、このレーザ発振器４により出力されるレーザの強さなどを制御するレーザ発振器制御部５と、ＮＣ制御装置６と、レーザを集光してバルブシート形成部位２に照射させる光学系機構部７と、からなる。

レーザ発振器４で出力されたレーザビームｈｖは、レーザ発振器制御部５で制御されて光学系機構部７に供給され、この光学系機構部７でリング形状ビームとされてバルブシート形成部位２に照射される。このレーザクラッドバルブシート形成装置では、レーザ発振器４とレーザ発振器制御部５とＮＣ制御装置６とがそれぞれコンピュータ８によって制御されている。

光学系機構部７は、図２に示すように、レーザ発振器４から出力されるレーザビームｈｖをリング形状ビームとするビーム形状変更ミラー９と、そのリング形状ビームとしたレーザビームｈｖを肉盛り加工可能なエネルギー密度に増加させる集光レンズ１０と、エネルギー密度を増加させたレーザビームｈｖを偏芯照射させる偏芯回転機構１１を持つビーム照射ミラー１２と、このビーム照射ミラー１２へ集光レンズ１０でエネルギー密度を増加させたレーザビームｈｖを送る全反射ミラー１３と、を備えている。

ビーム形状変更ミラー９は、レーザ発振器４から出力された、若しくは、その後コリメーションレンズ（図示は省略）を通過した円形状のレーザビームｈｖを、リング形状ビームに変更する。本実施形態では、図３に示すように、バルブシート形成部位２に形成されたリング形状凹溝１４に、予めバルブシート形状に押し固めた銅合金からなるリング状の金属材料である金属粉末リング体１５を配置した後、レーザビームｈｖをバルブシート形成部位２の円周上に沿って走査することなくリング形状ビームとしたレーザビームｈｖを照射する。

この時、レーザビームｈｖは、図４に示すように、バルブシート（ここでは金属粉末リング体１５に相当）の径に近似した径且つバルブシートのリング幅Ｗ１よりも小さい幅Ｗ２のリング形状ビームとする。例えば、金属粉末リング体１５の内径をφ１とし、外径をφ２として、リング形状ビームの中心径（ビーム幅Ｗ２の中心位置の直径）をφ３とした時に、φ１＜φ３＜φ２なる関係とする。具体的には、リング形状ビームとしたレーザビームｈｖの中心径φ３を、金属粉末リング体（バルブシート）１５の中心径（リング幅Ｗ１の中心位置の直径）とほぼ同じ径とする。また、金属粉末リング体１５のリング幅Ｗ１を４ｍｍとした時には、リング形状ビームとするレーザビームｈｖのビーム幅Ｗ２を０．５ｍｍとする。これらの数値は一例であり、前記数値に限定されるものではない。

集光レンズ１０は、ビーム形状変更ミラー９の前方に設けられ、リング形状ビームとされたレーザビームｈｖのエネルギー密度を肉盛り可能なエネルギー密度に増加させる。金属粉末リング体１５に照射するレーザビームｈｖのビーム幅Ｗ２は、金属粉末リング体１５のリング幅Ｗ１と同一ではないため、同一とする場合に出力されるエネルギー密度よりも低いエネルギー密度で済む。この時のエネルギー密度としては、金属粉末リング体１５を溶融することのできる、つまり肉盛り加工可能なエネルギー密度とする。

全反射ミラー１３は、集光レンズ１０の前方に設けられている。この全反射ミラー１３は、集光レンズ１０でエネルギー密度を増加させたレーザビームｈｖをビーム照射ミラー１２へと送る機能をする。

ビーム照射ミラー１２は、エネルギー密度を増加させたリング形状ビームとしたレーザビームｈｖを、リング形状凹溝１４内に配置した金属粉末リング体１５に照射させる。このビーム照射ミラー１２は、偏芯回転機構１１によって前記金属粉末リング体１５に対し偏芯回転してレーザビームｈｖを照射する。

このビーム照射ミラー１２には、図６に示すように、一端１６Ａを同一点に集結させ、他端１６Ｂをビーム照射ミラー１２の円周部位を約３等分とする周縁近傍部位にそれぞれ固定させた３本の支持部材１６が取り付けられている。これら３本の支持部材１６は、全体形状が円錐形とされている。そして、３本の支持部材１６の一端１６Ａが集結する部位からビーム照射ミラー１２に対して垂線Ｈを引いた時の該ビーム照射ミラー１２との交点１７を、該ビーム照射ミラー１２の中心点１８に対して偏芯させている。前記垂線Ｈを、前記ビーム照射ミラー１２の旋回中心線とする。

偏芯回転機構１１は、ビーム照射ミラー１２の背面若しくは側面に設置した３個以上のシリンダ等からなるミラー駆動手段を有している。ビーム照射ミラー１２は、背面若しくは側面に設置された複数個のシリンダを駆動することにより、そのミラーの向きを変えることができるようになっている。本実施形態では、図４で示したリング形状ビームによるレーザビームｈｖを、図５に示す如く、そのビーム中心を金属粉末リング体１５の中心Ｏに対して一致させるのではなく中心位置をずらして偏芯させて前記金属粉末リング体１５全域に亘り照射する。

具体的には、ビーム照射ミラー１２を、前記旋回中心線（前記した垂線Ｈ）を中心としてミラーの傾きを前後左右にその傾き角度に変化を付けて（ミラー傾き角度を任意の角度に変える）ミラー駆動手段にて動かすようにする。このようにビーム照射ミラー１２を、金属粉末リング体１５の中心Ｏ位置に対してそのミラー中心点１８を一致させずに偏芯させた位置で旋回（ミラーの傾きを変えることでリング形状ビームを旋回）させる。この時、金属粉末リング体１５のほぼ全体がリング形状ビームによるレーザビームｈｖで照射されるように、それぞれ照射したレーザビームｈｖの一部が重なるようにして前記ビーム照射ミラー１２を旋回させる。また、偏芯回転機構１１は、金属粉末リング体１５の幅Ｗ１の範囲内（金属粉末リング体１５の内径と外径の間の範囲内）にリング形状ビームの照射範囲が収まるようにビーム照射ミラー１２を偏芯回転させる。

「レーザクラッドバルブシート形成方法の説明」
次に、レーザクラッドバルブシート形成方法について説明する。先ず、図３に示すように、鋳造されたシリンダーヘッド１のバルブシート形成部位２に形成されたリング形状凹溝１４に、予めバルブシート形状に押し固めた金属粉末リング体１５を配置する。図３では、１気筒当たり吸気用と排気用のバルブを２本としたエンジン構造としているため、１気筒当たり４つのレーザクラッドバルブシートを形成する。

次に、レーザ発振器４を駆動してレーザビームｈｖを光学系機構部７に出力する。レーザビームｈｖの出力は、レーザ発振器制御部５によりその強さが制御される。出力されたレーザビームｈｖは、ビーム形状変更ミラー９によって円形状からリング形状ビームに変更される。また、リング形状ビームとされたレーザビームｈｖは、図４に示すように、バルブシート（金属粉末リング体１５）の径に近似した径且つバルブシート（金属粉末リング体１５）のリング幅Ｗ１よりも小さい幅Ｗ２のリング形状ビームとする。

そして、ビーム形状変更ミラー９によりリング形状ビームとされたレーザビームｈｖは、このビーム形状変更ミラー９の前方に配置された集光レンズ１０により肉盛り可能なエネルギー密度に増加される。

次に、集光レンズ１０でエネルギー密度が増加されたレーザビームｈｖは、この集光レンズ１０の前方に配置された全反射ミラー１３によってビーム照射ミラー１２へと送られる。そして、このビーム照射ミラー１２は、エネルギー密度を増加させたリング形状ビームとしたレーザビームｈｖを、前記したように偏芯回転機構１１によって前記金属粉末リング体１５に対して偏芯回転させて照射する。この時、金属粉末リング体１５に照射されたレーザビームｈｖの跡（照射跡）が、図５に示すように、互いに交差するよう重ねて照射されるようにする。金属粉末リング体１５の全体がレーザビームｈｖにより照射し終えたら、レーザ発振器４の駆動を停止し、レーザビームｈｖの照射を終了する。このレーザビームｈｖの照射により金属粉末リング体１５は、溶融されることになる。その後、自然冷却することで溶融した金属粉末リング体１５は、固化されてクラッド層、つまりレーザクラッドバルブシートとなる。

一つ目のレーザクラッドバルブシートが形成されたら、今度は、図７の実線位置から点線で示す位置にビーム照射ミラー１２の照射方向を変更して、先にレーザクラッド加工した隣のバルブシート形成部位２に配置される金属粉末リング体１５をレーザクラッド加工する。この工程を繰り返すことで、シリンダーヘッド１に形成される全てのバルブシート形成部位２に配置された金属粉末リング体１５にレーザビームｈｖを照射してレーザクラッドバルブシートを形成する。

「実施形態の効果」
本実施形態のレーザクラッドバルブシート形成方法では、矩形状ビームとしたレーザビームをバルブシート形成部位に対して円周方向に走査するのではなく、リング形状ビームとしたレーザビームｈｖを金属粉末リング体１５全域に亘り、該金属粉末リング体１５の中心に対してビーム中心を偏芯させて旋回させる如く照射するため、加工開始部と加工終了部をオーバーラップさせることによりオーバーラップ部に発生する空孔や割れを無くすことができる。その結果、本発明方法によれば、品質の高いレーザクラッドバルブシートを得ることができ、歩留まりの向上も図れる。

また、本実施形態のレーザクラッドバルブシート形成方法では、リング形状ビーム幅をバルブシート幅と同等にする必要がないため、レーザ出力を高出力としてエネルギー密度を高める必要がなく、肉盛り可能なエネルギー密度で充分に肉盛り加工することができる。その結果、単一のレーザ発振器４でレーザクラッドバルブシート加工を行うことができ、複数のレーザ発振器４を用いる手法と比較して設備費用を大幅に安くすることができる。

一方、本実施形態のレーザクラッドバルブシート形成装置では、ビーム形状変更ミラー１２でバルブシートの直径と近似した径且つバルブシートのリング幅Ｗ１よりも小さい幅Ｗ２のリング形状ビームとしたレーザビームｈｖを、偏芯回転機構１１を持つビーム照射ミラー１２で金属粉末リング体１５全域に亘り偏芯照射させるので、シリンダーヘッド１を回転させることなくレーザクラッド加工することができ、これにより複雑なシリンダーヘッド回転機構を無くすことができ、設備の簡素化並びに設備費用の削減を図ることができる。

また、本実施形態の装置によれば、シリンダーヘッド１自体を回転させる必要がないため、光学系機構部７を複数設けることで多バルブの同時加工が可能になり、シリンダーヘッドの１台当たりの加工時間を大幅に短縮することができる。

また、本実施形態のレーザクラッドバルブシート形成装置では、偏芯回転機構１１を持つビーム照射ミラー１２を、同一径のバルブシート形成部位２が集まる部位の上部に配置し、そのビーム照射ミラー１２の傾きを変更して各バルブシート形成部位を順次加工するため、装置全体をバルブシート形成部位毎に移動させるような面倒な機構が不要となる。

また、本実施形態のレーザクラッドバルブシート形成装置では、金属粉末リング体１５の幅Ｗ１の範囲内にリング形状ビームの照射範囲が収まるようにビーム照射ミラー１２を偏芯回転させるので、無駄なレーザビームｈｖの照射を省くことができ、バルブシート加工時間を短縮することが可能となる。

本発明は、バルブシート合金をシリンダーヘッドへ直接肉盛りする技術に利用することができる。

１…シリンダーヘッド
２…バルブシート部位
３…レーザ照射装置
４…レーザ発振器
５…レーザ発振器制御部
７…光学系機構部
９…ビーム形状変更ミラー
１０…集光レンズ
１１…偏芯回転機構
１２…ビーム照射ミラー
１３…全反射ミラー
１４…リング形状凹溝
１５…金属粉末リング体（リング状の金属材料）

Claims (4)

1. シリンダーヘッドのバルブシート形成部位に形成されたリング形状凹溝に、リング状の金属材料を配置した後、この金属材料にレーザビームを照射して溶融固化させることによりバルブシートを形成するレーザクラッドバルブシート形成方法において、
   前記レーザビームを、前記バルブシートの直径と近似した径且つ前記バルブシートのリング幅よりも小さい幅のリング形状ビームとして、このリング形状ビームを前記金属材料全域に亘り偏芯照射させる
   ことを特徴とするレーザクラッドバルブシート形成方法。
2. シリンダーヘッドのバルブシート形成部位に形成されたリング形状凹溝に、リング状の金属材料を配置した後、この金属材料にレーザビームを照射して溶融固化させることによりバルブシートを形成するレーザクラッドバルブシート形成装置において、
   レーザ発振器から出力される円形状のレーザビームを、前記バルブシートの直径と近似した径且つ前記バルブシートのリング幅よりも小さい幅のリング形状ビームとするビーム形状変更ミラーと、
   前記レーザビームを前記金属材料全域に亘り偏芯照射させる偏芯回転機構を持つビーム照射ミラーと、
   からなることを特徴とするレーザクラッドバルブシート形成装置。
3. 請求項２に記載のレーザクラッドバルブシート形成装置であって、
   前記偏芯回転機構を持つビーム照射ミラーを、同一径のバルブシート形成部位が集まる部位の上部に配置し、該ビーム照射ミラーの傾きを変更して各バルブシー形成部位を順次加工する
   ことを特徴とするレーザクラッドバルブシート形成装置。
4. 請求項２又は請求項３に記載のレーザクラッドバルブシート形成装置であって、
   前記偏芯回転機構は、前記リング状の金属材料の幅の範囲内に前記リング形状ビームの照射範囲が収まるように前記ビーム照射ミラーを偏芯回転させる
   ことを特徴とするレーザクラッドバルブシート形成装置。

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