JP2015217397A - 肉盛加工における粉体供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】粉体肉盛ノズルへ供給する粉体の供給量ばらつきを低減して、肉盛加工により形成される肉盛層の偏りを抑制でき、その肉盛層の品質、延いては肉盛加工を施した製品の品質を安定させることのできる肉盛加工における粉体供給方法を提供する。【解決手段】フィーダ１０と同軸ノズル７を繋ぐ供給配管８の同軸ノズル７側の出口圧を所定の範囲内に設定してフィーダ１０から同軸ノズル７へ粉体を供給する。【選択図】図３

Description

本発明は、肉盛加工における粉体供給方法に関し、たとえば被加工部材の加工部位にレーザ光を照射するとともに、該加工部位のレーザ光照射部に粉末金属等の粉体を吐出して該加工部位に肉盛層（クラッド層）を形成する肉盛加工における粉体供給方法に関するものである。

従来から、たとえばエンジン用シリンダヘッドのバルブシートの耐久性を向上させるとともにその設計自由度を高めるために、バルブシートに対し、例えば粉体（粉末）状の肉盛り材料を供給しながらレーザ光を照射し、バルブシートとレーザ光を相対回転させることによって肉盛層（クラッド層）を形成するレーザ加工が知られている。このレーザ加工は、エンジンの燃焼室に必要な機械加工、例えばバルブ孔形成加工等がおこなわれたシリンダヘッドに対し、そのバルブシートとなるべき領域に銅合金等からなる耐摩耗性を有する粉体状の肉盛り材料を供給しつつレーザ照射を実行し、最終的にバルブシートとなるべきリング状の肉盛層、すなわち肉盛ビード部を形成するという技術であり、一般にレーザクラッド加工や肉盛加工と称されている。

ところで、肉盛加工を施した製品の品質は、肉盛加工時のノズルに対する肉盛り材料の供給量に依存するため、当該分野においては、肉盛り材料（粉体）の供給量、特に、ノズルの円周状に複数設けられた吐出口のそれぞれに対応する充填領域へ供給する粉体の供給量を均一に維持することが要望されている。

このような要請に対し、特許文献１には、上記したような粉体肉盛ノズルを用いて肉盛加工を実施するための従来技術が開示されている。

特許文献１に開示されている従来技術は、キャリアガスによって粉体（粉末金属）供給源（以下、フィーダという）から送出された粉末金属が、送給経路の途中に設けられたチーズなどの分岐手段で順次等分に分岐されながら、分割部により４分割された粉体肉盛ノズルの各充填領域へ４箇所の供給路を通って充填される粉体供給装置において、フィーダの送出口から粉体肉盛ノズルの各供給路までの送給距離を等しくしたものである。

特許文献１に開示されている従来技術によれば、粉体肉盛ノズルの各充填領域へ粉体を供給する供給通路の送給距離を各充填領域について等しくすることにより、各充填領域から加工部位へ粉体を同時に吐出して肉盛加工を実施することができる。

特開２００５−２１９０６０号公報

しかしながら、特許文献１に開示される従来技術のように、粉体肉盛ノズルの各充填領域へ粉体を供給する供給通路の送給距離を各充填領域について等しくし、各充填領域から加工部位へ粉体を同時に吐出するだけでは、粉体肉盛ノズルの各充填領域へ供給する粉体の供給量を均一に維持することができず、肉盛加工により形成された肉盛層に偏りが発生し、その肉盛層の品質、延いては肉盛加工を施した製品の品質を安定させることができないといった問題がある。

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、粉体肉盛ノズルへ供給する粉体の供給量ばらつきを低減して、肉盛加工により形成される肉盛層の偏りを抑制でき、その肉盛層の品質、延いては肉盛加工を施した製品の品質を安定させることのできる肉盛加工における粉体供給方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明者等は、鋭意研究の結果、肉盛加工により形成された肉盛層の品質が、肉盛加工時の粉体肉盛ノズルへの供給通路の出口圧（粉体肉盛ノズルへの供給通路の出口側の圧力であって、粉体肉盛ノズルへの粉体の吐出圧に相当する圧力）に大きく依存することを見出した。

すなわち、本発明による肉盛加工における粉体供給方法は、レーザ光を通過させるとともに該レーザ光の周囲から該レーザ光へ向かって粉体を吐出する粉体肉盛ノズルへ粉体供給源から前記粉体を圧送して供給することにより被加工部材に肉盛層を形成する肉盛加工における粉体供給方法であって、前記粉体供給源と前記粉体肉盛ノズルを繋ぐ供給配管の前記粉体肉盛ノズル側の出口圧を所定の範囲内に設定して前記粉体供給源から前記粉体肉盛ノズルへ前記粉体を供給する方法である。

上記する粉体供給方法によれば、粉体供給源と粉体肉盛ノズルを繋ぐ供給配管の粉体肉盛ノズル側の出口圧を所定の範囲内に設定して粉体供給源から粉体肉盛ノズルへ粉体を供給することにより、粉体肉盛ノズルへ供給する粉体の供給量ばらつきを低減して、肉盛加工により形成される肉盛層の偏りを抑制でき、その肉盛層の品質を安定させることができる。

なお、「供給配管の前記粉体肉盛ノズル側の出口圧を所定の範囲内に設定して前記粉体供給源から前記粉体肉盛ノズルへ前記粉体を供給する」ことには、たとえば、供給配管の粉体肉盛ノズル側の出口圧が所定の範囲内となるように調整しながら粉体供給源から粉体肉盛ノズルへ粉体を供給することにより被加工部材に肉盛層を形成することや、粉体肉盛ノズルと供給配管とを接続する前に供給配管の粉体肉盛ノズル側の出口圧が所定の範囲内となるように予め調整した後、粉体肉盛ノズルと供給配管とを接続して粉体供給源から粉体肉盛ノズルへ粉体を供給することにより被加工部材に肉盛層を形成することが含まれる。

また、本発明者等は、鋭意研究の結果、前記供給配管が前記粉体供給源と接続される接続配管から少なくとも一回分岐して前記粉体肉盛ノズルに設けられた複数の供給路と接続されている場合、肉盛層の品質に寄与する粉体肉盛ノズルへの供給通路の出口圧が、粉体肉盛ノズルと接続される接続配管の長さに大きく依存することを見出した。

すなわち、本発明による肉盛加工における粉体供給方法の更に好ましい形態は、前記出口圧が前記所定の範囲内になるように、前記供給配管のうち前記粉体供給ノズルの供給路と接続される接続配管の長さを調整する方法である。

上記する粉体供給方法によれば、供給配管の粉体肉盛ノズル側の出口圧が所定の範囲内になるように、供給配管のうち粉体供給ノズルの供給路と接続される接続配管の長さを調整することにより、簡便な方法で、粉体肉盛ノズルへ供給する粉体の供給量ばらつきを低減して、肉盛加工により形成される肉盛層の偏りを抑制でき、その肉盛層の品質を安定させることができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の肉盛加工における粉体供給方法によれば、被加工部材の加工部位にレーザ光を照射するとともに、該加工部位のレーザ光照射部に粉体を吐出して該加工部位に肉盛層を形成する肉盛加工において、粉体供給源から粉体肉盛ノズルへ粉体を供給する供給配管の粉体肉盛ノズル側の出口圧を所定の範囲内に設定して前記粉体供給源から前記粉体肉盛ノズルへ前記粉体を供給することにより、粉体肉盛ノズルへ供給する粉体の供給量ばらつきを低減して、肉盛加工により形成される肉盛層の偏りを抑制でき、その肉盛層の品質、延いては肉盛加工を施した製品の品質を安定させることができる。

本発明の肉盛加工における粉体供給方法が適用されるレーザクラッド加工装置の主要構成を概略的に示した斜視図である。 図１で示す粉体供給装置の主要構成を概略的に示した概略図である。 同軸ノズル側の接続配管の出口圧と肉盛層の厚さの関係を説明した図である。 同軸ノズル側の接続配管の出口圧と肉盛層の厚さの関係を評価した実験結果を示した図である。 図４で示す良品領域の肉盛層の断面観察結果を示した図である。 図４で示す不良品領域の肉盛層の断面観察結果を示した図である。 図２で示す粉体供給装置の他例を概略的に示した概略図である。 同軸ノズル側の接続配管の長さと出口圧の関係を評価した実験結果を示した図である。

以下、図面を参照して本発明の肉盛加工における粉体供給方法の実施の形態を説明する。

まず、図１および図２を参照して、本発明の肉盛加工における粉体供給方法が適用されるレーザクラッド加工装置およびその粉体供給装置の一例を概説する。図１は、本発明の肉盛加工における粉体供給方法が適用されるレーザクラッド加工装置の主要構成を概略的に示した斜視図であり、図２は、図１で示す粉体供給装置の主要構成を概略的に示した概略図である。

図１で示すレーザクラッド加工装置９は、たとえばシリンダヘッドＨのバルブシート部にレーザクラッド加工（肉盛加工）を行う装置であって、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装置１と、加工部位にレーザ光を照射しながら粉末金属（粉体）（例えば銅を主成分とする材料）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て鉛直軸線周りに回転させる回転装置３と、レーザ加工ヘッド２に粉末金属を供給する粉体供給装置４とを備えている。

シリンダヘッド保持装置１は、バルブシート部の中心軸線が鉛直方向となるようにシリンダヘッドＨを傾動したり、バルブシート部の中心軸線とレーザ加工ヘッド２の回転軸線とが一致するようにシリンダヘッドＨを水平方向へ二次元的に移動させるものである。

レーザ加工ヘッド２は、主に、レーザ光を発生するレーザ発生部５と、レーザ光を集光する集光レンズ等が内蔵された光学系部６と、レーザ光を通過させるとともにそのレーザ光の周囲から粉末金属を吐出する二重管構造の同軸ノズル（粉体肉盛ノズル）７と、を有している。

また、粉体供給装置４は、主に、レーザ加工ヘッド２に供給する粉末金属を貯留する粉末金属（粉体）供給源（フィーダ）１０と、フィーダ１０とレーザ加工ヘッド２の同軸ノズル７とを繋ぐ供給配管１１と、を有している。

レーザ加工ヘッド２の同軸ノズル７は、供給配管１１を介して粉体供給装置４のフィーダ１０に接続されており、このレーザクラッド加工装置９では、加工部位に形成される肉盛層（クラッド層）に応じた量の粉末金属が供給配管１１を介してフィーダ１０から同軸ノズル７へ供給され、レーザ発生部５によってその粉末金属に応じた出力のレーザ光が生成され、同軸ノズル７を介して加工部位にレーザ光を照射しながら該レーザ光の周囲から該レーザ光へ向かって粉末金属を吐出することにより、シリンダヘッドＨのバルブシート部に所望の肉盛層を形成することができる。

より詳細には、図２で示すように、同軸ノズル７は、主に、レーザ光が通過するためのレーザ通路を有する略円管状のインナノズル部材７ａと、インナノズル部材７ａに外嵌されるアウタノズル部材７ｂとを備えている。アウタノズル部材７ｂの内周面は、インナノズル部材７ａの外周面と相補的な形状を有し、インナノズル部材７ａとアウタノズル部材７ｂとは同軸上に配置され、インナノズル部材７ａとアウタノズル部材７ｂとの間に粉末金属が通過する略円環状の吐出空間８が画成されている。なお、インナノズル部材７ａやアウタノズル部材７ｂは、その先端側へ向かって縮径している。

円環状の吐出空間８は、周方向で等間隔に複数（図示例では、９０度間隔で４個）設けられた分割壁８ａによって複数（図示例では、４個）の小空間に分割されており、各小空間の周方向での略中央部に、各小空間へ粉末金属を供給するための供給路８ｃが外側へ向かって連設されている。なお、吐出空間８の各小空間の先端側の部分により、同軸ノズル７の外部へ粉末金属を吐出する吐出口が形成される。

一方、粉体供給装置４の供給配管１１は、たとえば樹脂材料や金属材料などから形成され、主に、フィーダ１０に接続される接続配管１１ａと、接続配管１１ａから複数の方向（図示例では、２方向）へ分岐するように前記接続配管１１ａに接続された接続配管１１ｂと、各接続配管１１ｂから複数の方向（図示例では、２方向）へ分岐するように前記接続配管１１ｂに接続された接続配管（図示例では、合計４つ）１１ｃと、から構成され、各接続配管１１ｃの端部が、同軸ノズル７の各小空間に連通する各供給路８ｃに接続されている。同軸ノズル７の吐出口の円周上で粉末金属を同時に吐出して均一性を確保するために、フィーダ１０から同軸ノズル７の各供給路８ｃまでの配管長さ（送給距離ともいう）は等しくされており、各接続配管１１ｂの長さは同一に設定され、各接続配管１１ｃの長さも同一に設定されている。また、供給配管１１の各分岐部分で粉末金属を順次等分に分岐させて各供給路８ｃまで供給するために、各接続配管１１ｂ同士および各接続配管１１ｃ同士の内径も同一に設定されている。

また、フィーダ１０には、窒素ガスなどの不活性ガスからなるキャリアガスが通過するキャリアガス配管（不図示）が設けられ、当該キャリアガスを用いて該キャリアガスとともに粉末金属を当該フィーダ１０から供給配管１１を通して同軸ノズル７へ圧送して供給するようになっている。

なお、図示は省略するが、アウタノズル部材７ｂには、窒素ガスなどの不活性ガスが通過するガス供給路が設けられ、そのガス供給路を介して供給された不活性ガスが、インナノズル部材７ａとアウタノズル部材７ｂとの間に画成されたガス充填空間と、該ガス充填空間に連通するようにインナノズル部材７ａに形成された複数のガス吐出路を介してインナノズル部材７ａのレーザ通路に供給される。

フィーダ１０から同軸ノズル７へ粉末金属を供給する際には、キャリアガス配管に設けられた切替えバルブが開弁され、フィーダ１０に貯留された粉末金属（加工部位に形成される肉盛層に応じた量の粉末金属）が、キャリアガス配管から供給されるキャリアガスの圧力によって該キャリアガスと共に接続配管１１ａへ送出され、各分岐部分で順次等分に分岐されながら接続配管１１ｂおよび接続配管１１ｃを通って同軸ノズル７の各供給路８ｃへ供給される。各供給路８ｃへ供給された粉末金属は、各供給路８ｃに対応する吐出空間８の各小空間へ導入され、各小空間で周方向へ拡散もしくは分散しながら均一化されて、各小空間の先端側の吐出口から外部へ吐出される。

吐出口を介して吐出された粉末金属は、レーザ加工ヘッド２のレーザ発生部５から出射されてインナノズル部材７ａのレーザ通路を通過したレーザ光により溶融され、溶融された粉末金属が被加工部材の加工部位に溶着され、溶着された粉末金属が冷却固化されて、被加工部材の加工部位に所定の厚さ及び外形を有する肉盛層（クラッド層）が形成される。なお、インナノズル部材７ａのレーザ通路は、上記したように、ガス供給路等を介して供給された不活性ガスの通路も兼ねており、レーザクラッド加工に際して不活性ガスがレーザ通路を通って被加工部材の加工部位へ噴射されるようになっている。

なお、フィーダ１０から供給配管１１へ送出される粉末金属の量や、フィーダ１０から供給配管１１へ送出されるキャリアガスの流量や圧力（フィーダ内圧）は、当該フィーダ１０により管理されている。

次に、図３を参照して、本発明の肉盛加工における粉体供給方法、およびそれに伴う粉体供給装置の設計方法を説明する。

上記した構成のレーザクラッド加工装置９では、粉体供給装置４のフィーダ１０からレーザ加工ヘッド２の同軸ノズル７へ粉末金属を圧送して供給する際、たとえばフィーダ１０から供給配管１１へ送出されるキャリアガスの流量や圧力を精緻に管理しても、供給配管１１の内部の圧力損失などによって、供給配管１１の出口圧（供給配管１１の同軸ノズル７の各供給路８ｃ側の出口の圧力）、すなわち、供給配管１１を構成する各接続配管１１ｃの出口圧が変動すると共に、その接続配管１１ｃの出口圧の変動により、被加工部材の加工部位に形成される肉盛層の品質、特にその肉盛層の厚さや形状が変化することが、本発明者等による実験により確認されている。

具体的には、図３で示すように、接続配管１１ｃの出口圧が低くなると（図中、Ａの不良品領域）、肉盛層の厚さが予め設定された設定下限値よりも小さくなることが確認されている。その理由としては、たとえば、同軸ノズル７の吐出空間８内で粉末金属が詰まったり残留することや、同軸ノズル７の吐出空間８の吐出口から吐出された粉末金属の噴出力が低下して粉末金属の所望量が被加工部材の加工部位に到達しないことなどが考えられる。また、接続配管１１ｃの出口圧が高い場合（図中、Ｃの不良品領域）にも、肉盛層の厚さが予め設定された設定下限値よりも小さくなることが確認されている。その理由としては、たとえば、接続配管１１ｃの出口圧（吐出圧）により被加工部材の加工部位で溶融した粉末金属が変形して肉盛層が所望の形状から変形することや、同軸ノズル７の吐出空間８の吐出口から吐出された粉末金属の挙動が不安定となって粉末金属の所望量が被加工部材の加工部位に到達しないことなどが考えられる。そして、このように肉盛層の厚さが設定下限値よりも小さくなると、肉盛層を製品形状に仕上げ加工する際の取り代を確保できず、その仕上げ加工後に黒皮が残存して当該製品の品質の低下に繋がる。

そのため、供給配管１１の接続配管１１ｃの出口圧を所定の範囲（図中、Ｂの良品領域）内に設定することにより、肉盛層の厚さ、すなわち、肉盛層を製品形状に仕上げ加工する際の取り代を確保し、被加工部材の加工部位に形成された肉盛層の品質を確保して、肉盛加工が施された製品の品質を確保できると考えられる。

そこで、本実施の形態では、供給配管１１の接続配管１１ｃの出口圧を所定の範囲（図中、Ｂの良品領域）内に設定してフィーダ１０から同軸ノズル７へ粉末金属を供給する。なお、接続配管１１ｃの出口圧の設定方法としては、たとえば、接続配管１１ｃを同軸ノズル７の供給路８ｃに接続する前に、所定の圧力計測装置を接続配管１１ｃの出口側に取付け、その状態でフィーダ１０のキャリアガス配管に設けられた切替えバルブを開弁し、その圧力計測装置により計測される圧力が所定の範囲（図中、Ｂの良品領域）内となるように、レーザクラッド加工装置９（特に、粉体供給装置４）の各構成を調整してもよい。また、接続配管１１ｃを同軸ノズル７の供給路８ｃに接続した状態で、所定の圧力計測装置を接続配管１１ｃの出口近傍に取付け、フィーダ１０のキャリアガス配管に設けられた切替えバルブを開弁してフィーダ１０から同軸ノズル７へ粉末金属を供給しながらその圧力計測装置により接続配管１１ｃの出口圧を計測し、その圧力計測装置により計測される出口圧が所定の範囲（図中、Ｂの良品領域）内となるように、レーザクラッド加工装置９（特に、粉体供給装置４）の各構成を調整してもよい。

このように、レーザクラッド加工（肉盛加工）において、フィーダ１０から同軸ノズル７へ粉末金属を供給する供給配管１１の接続配管１１ｃの出口圧を所定の範囲内に設定してフィーダ１０から同軸ノズル７へ粉末金属を供給することにより、同軸ノズル７へ供給する粉末金属の供給量ばらつきを低減して、肉盛加工により形成される肉盛層の偏りを抑制でき、その肉盛層の品質を安定させることができると考えられる。

また、フィーダ１０と同軸ノズル７を繋ぐ供給配管１１の全体の長さは、たとえば当該レーザクラッド加工装置９が配設される周囲の環境などに応じて設計されるが、肉盛層の品質に寄与する接続配管１１ｃの出口圧は、同軸ノズル７と直接的に接続される接続配管１１ｃの長さのみに大きく依存することが、本発明者等による実験により確認されている。なお、供給配管１１の全体の長さが一定である場合にも、接続配管１１ｃの長さが短くなると、接続配管１１ｃの出口圧が低くなり、接続配管１１ｃの長さが長くなると、接続配管１１ｃの出口圧が高くなることが確認されている。

そのため、接続配管１１ｃの出口圧が上記した所定の範囲内になるようにその接続配管１１ｃの長さを調整することにより、簡便な方法で、同軸ノズル７へ供給する粉末金属の供給量ばらつきを低減して、肉盛加工により形成される肉盛層の偏りを抑制でき、その肉盛層の品質を安定させることができると共に、所望の品質（厚さや形状）を有する肉盛層を形成し得る粉体供給装置４を簡便に設計・製造することができると考えられる。

なお、上記した実施の形態では、主に、レーザクラッド加工に粉末金属を用いる形態について説明したが、当該レーザクラッド加工に用いる粉体は、被加工部材の加工部位に所望の肉盛層を形成できれば、如何なる材料を適用してもよい。

また、同軸ノズル７内の粉体分布の均一性を確保できれば、同軸ノズル７の内部構造や、同軸ノズル７の供給路８ｃの数や当該供給路８ｃに繋がる接続配管１１ｃの数、供給配管１１の分岐構造などは適宜に変更できる。

たとえば、上記した実施の形態では、同軸ノズル７を構成するインナノズル部材７ａとアウタノズル部材７ｂとで画成される吐出空間８に、当該吐出空間８を周方向で複数の小空間に分割する分割壁８ａを設ける形態について説明したが、同軸ノズル７内の粉体分布の均一性を確保できれば、前記分割壁８ａを省略してもよいし、前記分割壁８ａの数を削減（すなわち、供給路８ｃの数とは異なる数で設計）してもよい。また、上記した実施の形態では、吐出空間８の各小空間に供給路８ｃが外側へ向かって連設され、同軸ノズル７の中心に向かって粉体が各小空間へ導入される形態について説明したが、各小空間への粉体の供給方向などは適宜に変更し得る。また、上記した実施の形態では、分割壁８ａにより分割される吐出空間８の各小空間が同一の大きさを有する形態について説明したが、たとえば同軸ノズル７が鉛直方向に対して傾斜した姿勢で使用される態様などを考慮して、各小空間の大きさは異なっていてもよく、分割壁８ａは等間隔に設けられていなくてもよい。ただし、フィーダ１０と同軸ノズル７を繋ぐ供給配管１１は、同軸ノズル７内の粉体分布の均一性を確保するために、フィーダ１０と接続される接続配管１１ａから少なくとも一回分岐して同軸ノズル７に設けられた複数の供給路（たとえば、ノズルの軸心に対して対称となる位置に設けられた複数の供給路）と接続され、フィーダ１０から供給される粉体が、同軸ノズル７の複数箇所からその吐出空間８へ導入されることが望ましい。

［試験体による同軸ノズル側の接続配管の出口圧と肉盛層の厚さの関係を評価した実験とその結果］
本発明者等は、上記した図１および図２で示す形態の粉体供給装置を用いたレーザクラッド加工装置を使用して被加工部材の加工部位（アルミを母材とするエンジン用シリンダヘッドのバルブシート部）に銅合金からなる肉盛層（クラッド層）を形成し、その際の同軸ノズル側の接続配管の出口圧と肉盛層の厚さ（肉盛厚さ）との関係を評価した。

ここで、フィーダ１０と同軸ノズル７を繋ぐ供給配管１１は樹脂製チューブからなり、フィーダ１０に接続される供給配管１１の接続配管１１ａの長さは150mm、その内径はφ6mmであった。また、接続配管１１ａから２方向へ分岐するように当該接続配管１１ａに接続された２つの接続配管１１ｂのそれぞれの長さは2000mm、その内径はφ6mmであった。また、各接続配管１１ｂから２方向へ分岐するように当該接続配管１１ｂに接続された合計４つの接続配管１１ｃのそれぞれの長さは200mm、その内径はφ6mmであった。また、キャリアガス（窒素ガス）流量は10L/minであり、フィーダ内圧（フィーダ１０から供給配管１１へ送出されるキャリアガスの圧力）は2.0kPaであった。

以下の表１および図４はそれぞれ、同軸ノズル７側の接続配管１１ｃの出口圧と加工部位に形成された肉盛層の厚さの関係を評価した実験結果を示したものである。また、図５および図６はそれぞれ、図４で示す良品領域（Ｂの良品領域）および不良品領域（Ｃの不良品領域）の肉盛層の断面観察結果を示したものである。なお、肉盛層の厚さ測定は、加工部位であるバルブシート部の断面略中心部で実施した。

表１および図４で示すように、接続配管１１ｃの出口圧は加工部位に形成される肉盛層の厚さに寄与しており、接続配管１１ｃの出口圧が約0.5kPa以上になると肉盛層の厚さが増加し、約1.0kPa近傍で設定下限値以上となり、約2.0kPa近傍で肉盛層の厚さが減少し始めることが確認された。すなわち、接続配管１１ｃの出口圧が1.0kPa〜2.0kPaの範囲内となるようにレーザクラッド加工装置の各構成（たとえば供給配管１１の分岐構造や各接続配管１１ａ〜１１ｃの長さ）を調整することにより、加工部位に形成された肉盛層の厚さ、すなわち、その肉盛層を製品形状に仕上げ加工する際の取り代を確保し得ることが確認された。

より詳細には、図６で示すように、接続配管１１ｃの出口圧が2.0kPaよりも高い領域（図４のＣの不良品領域）で形成された肉盛層は、下方へ垂れ下がった形状となり、その肉盛層の上部では仕上げ加工面に対して取り代を確保できず、仕上げ加工後に黒皮が残存することが確認された。なお、この場合には、肉盛層の上部付近でアルミの溶融量が増大し、肉盛層のアルミ希釈濃度が1重量％以上であった。

一方、図５で示すように、接続配管１１ｃの出口圧が1.0kPa〜2.0kPaの範囲内の領域（図４のＢの良品領域）で形成された肉盛層は、仕上げ加工面に対して略平行に形成され、仕上げ加工によって黒皮がすべて除去され得ることが確認された。なお、この場合には、肉盛層のアルミ希釈濃度が0.5重量％以下であった。

この実験結果より、接続配管１１ｃの出口圧を1.0kPa〜2.0kPaの範囲内に設定してフィーダ１０から同軸ノズル７へ銅合金からなる粉末金属を供給して肉盛層を形成することにより、肉盛加工により形成される肉盛層の偏りを抑制でき、安定した品質の肉盛層を形成できることが実証された。

［試験体による同軸ノズル側の接続配管の長さと出口圧の関係を評価した実験とその結果］
本発明者等は、図７で示す形態の粉体供給装置を用いたレーザクラッド加工装置を使用して被加工部材の加工部位（アルミを母材とするエンジン用シリンダヘッドのバルブシート部）に銅合金からなる肉盛層（クラッド層）を形成し、その際の同軸ノズル側の接続配管の長さと出口圧との関係を評価した。

まず、図７で示す粉体供給装置の構成を概説する。図７で示す粉体供給装置は、図１および図２で示す粉体供給装置に対して、供給配管の分岐構成が相違しており、その他の構成は図１および図２で示す粉体供給装置と同様である。

具体的には、図７で示すように、樹脂製チューブからなる粉体供給装置４'の供給配管１１'は、フィーダ１０'に接続される接続配管１１ａ'と、接続配管１１ａ'から４方向へ分岐するように前記接続配管１１ａ'に接続された接続配管１１ｃ'と、から構成され、各接続配管１１ｃ'の端部が、同軸ノズル７'の各小空間（インナノズル部材７ａ'とアウタノズル部材７ｂ'とで画成される吐出空間８'を、周方向で９０度間隔で４個設けられた分割壁８ａ'によって分割して形成した４つの小空間）に連通する各供給路８ｃ'に接続されている。各接続配管１１ｃ'の長さは同一に設定され、フィーダ１０'から同軸ノズル７'の各供給路８ｃ'までの配管長さは等しい。また、供給配管１１'の分岐部分で粉末金属を等分に分岐させて各供給路８ｃ'まで供給するために、各接続配管１１ｃ'同士の内径も同一に設定されている。

フィーダ１０'から同軸ノズル７'へ粉末金属を供給する際には、キャリアガス配管に設けられた切替えバルブが開弁され、フィーダ１０'に貯留された粉末金属が、キャリアガス配管から供給されるキャリアガスの圧力によって該キャリアガスとともに接続配管１１ａ'へ送出され、分岐部分で等分に分岐されながら接続配管１１ｃ'を通って同軸ノズル７'の各供給路８ｃ'へ供給される。各供給路８ｃ'へ供給された粉末金属は、各供給路８ｃ'に対応する吐出空間８'の各小空間へ導入され、各小空間で周方向へ拡散もしくは分散しながら均一化されて、各小空間の先端側の吐出口から外部へ吐出される。

なお、図１および図２で示す粉体供給装置について説明したように、同軸ノズル７'内の粉体分布の均一性を確保できれば、前記分割壁８ａ'を省略してもよいし、前記分割壁８ａ'の数を削減（すなわち、供給路８ｃ'の数とは異なる数で設計）してもよい。

ここで、フィーダ１０'に接続される供給配管１１'の接続配管１１ａ'や各接続配管１１ｃ'の内径はφ6mmであった。また、キャリアガス（窒素ガス）流量は10L/minであり、フィーダ内圧は2.0kPaであった。

図８は、同軸ノズル７'側の接続配管１１ｃ'の長さと出口圧の関係を評価した実験結果を示したものである。なお、図８には、図１および図２で示す形態の粉体供給装置を用いたレーザクラッド加工装置を使用して被加工部材の加工部位に肉盛層を形成した際の、同軸ノズル側の接続配管の長さと出口圧の関係を併せて示している（図８中、三角印）。なお、図４に基づき説明したように、図７で示す粉体供給装置４'を用いたレーザクラッド加工装置を使用して被加工部材の加工部位に肉盛層を形成する際にも、接続配管１１ｃ'の出口圧が1.0kPa〜2.0kPaの範囲内となるように、レーザクラッド加工装置の各構成を調整することが好ましいと考えられる。

図８で示すように、フィーダ１０'と同軸ノズル７'を繋ぐ供給配管１１'の全体の長さが一定である場合にも、同軸ノズル７'に繋がる接続配管（最終配管）１１ｃ'の長さが増加するに従って、接続配管１１ｃ'の出口圧が増加することが確認された。また、供給配管１１'について同様の分岐構成を有する粉体供給装置を使用した場合には、フィーダ１０'と同軸ノズル７'を繋ぐ供給配管１１'の全体の長さが変化しても、同軸ノズル７'に繋がる接続配管１１ｃ'の長さが同一であれば、接続配管１１ｃ'の出口圧が略同一となることが確認された。

すなわち、接続配管１１ｃ'の出口圧は、同軸ノズル７'に繋がる接続配管１１ｃ'の長さのみに大きく依存する、言い換えれば、同軸ノズル７'に繋がる接続配管１１ｃ'の長さが、接続配管１１ｃ'の出口圧に大きく寄与することが確認された。

より具体的には、図７および図８で示す例では、接続配管１１ｃ'の長さが0.5m〜1.0m程度となるように調整することにより、接続配管１１ｃ'の出口圧が上記した1.0kPa〜2.0kPaの範囲内となり、加工部位に形成された肉盛層の厚さ、すなわち、その肉盛層を製品形状に仕上げ加工する際の取り代を確保し得ることが確認された。

この実験結果より、同軸ノズル７'に繋がる接続配管１１ｃ'の出口圧が1.0kPa〜2.0kPaの範囲内となるようにその接続配管１１ｃ'の長さを調整することにより、簡便な方法で、肉盛加工により形成される肉盛層の偏りを抑制でき、安定した品質の肉盛層を形成できると共に、所望の品質（厚さや形状）を有する肉盛層を形成し得る粉体供給装置４'を簡便に設計・製造できることが確認された。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…シリンダヘッド保持装置、２…レーザ加工ヘッド、３…回転装置、４…粉体供給装置、５…レーザ発生部、６…光学系部、７…同軸ノズル（粉体供給ノズル）、７ａ…インナノズル部材、７ｂ…アウタノズル部材、８…吐出空間、８ａ…分割壁、８ｃ…供給路、９…レーザクラッド加工装置、１０…フィーダ（粉体供給源）、１１…供給配管、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ…接続配管

Claims (4)

1. レーザ光を通過させるとともに該レーザ光の周囲から該レーザ光へ向かって粉体を吐出する粉体肉盛ノズルへ粉体供給源から前記粉体を圧送して供給することにより被加工部材に肉盛層を形成する肉盛加工における粉体供給方法であって、
   前記粉体供給源と前記粉体肉盛ノズルを繋ぐ供給配管の前記粉体肉盛ノズル側の出口圧を所定の範囲内に設定して前記粉体供給源から前記粉体肉盛ノズルへ前記粉体を供給する、肉盛加工における粉体供給方法。
2. 前記供給配管は、前記粉体供給源と接続される接続配管から少なくとも一回分岐して前記粉体肉盛ノズルに設けられた複数の供給路と接続されている、請求項１に記載の肉盛加工における粉体供給方法。
3. 前記出口圧が前記所定の範囲内になるように、前記供給配管のうち前記粉体供給ノズルの供給路と接続される接続配管の長さを調整する、請求項２に記載の肉盛加工における粉体供給方法。
4. 前記所定の範囲が、１ｋＰａ〜２ｋＰａである、請求項１から３のいずれか一項に記載の肉盛加工における粉体供給方法。
   
   

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