JP2017070972A - レーザ肉盛方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バルブシート用の肉盛層の割れの発生を抑制することができるレーザ肉盛方法を提供すること。【解決手段】本発明のレーザ肉盛方法は、シリンダヘッド粗形材１０において、ポートの燃焼室側の開口端に円環状のザグリ溝１５を形成するステップと、ザグリ溝１５の中心軸を鉛直方向に一致させた状態で、ザグリ溝１５に金属粉を供給しつつ、レーザビームを照射して、バルブシート用の肉盛層を形成するステップと、を備える。そして、ザグリ溝１５を形成するステップにおいて、底面部１５ａと、側壁部１５ｃと、底面部１５ａと側壁部１５ｃとの間に設けられた斜面部１５ｂと、を有するようにザグリ溝１５を形成し、ザグリ溝１５の側壁部１５ｃに凹部１５ｄを形成する。【選択図】図６

Description

本発明は、レーザ肉盛方法に関し、特に、バルブシート用のレーザ肉盛方法に関する。

エンジンのシリンダヘッドには、燃焼室や燃焼室に通じる吸気ポート／排気ポートが設けられている。そして、吸気ポート／排気ポートの燃焼室側の開口端周縁には、バルブの背面が当接するバルブシートが設けられている。バルブシートとバルブとが当接することにより、燃焼室の気密性が保持される。

バルブシートは、高温環境下においてバルブが繰り返し当接するため、耐熱性や耐摩耗性が要求される。そのため、バルブシートは、シリンダヘッド粗形材の吸気ポート／排気ポートの開口端周縁に、機械加工により円環状のザグリ溝を形成し、このザグリ溝に銅系合金などからなる肉盛層を形成することにより得られる。

このようなバルブシート用の肉盛方法としては、ザグリ溝に肉盛層の材料となる金属粉を供給しつつ、レーザビームを照射して肉盛層を形成するレーザ肉盛方法（いわゆるレーザクラッド法）が知られている。このようなレーザ肉盛方法は、例えば、特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示されたレーザ肉盛方法においては、特許文献１の図８に示されるように、バルブシートの中心軸が鉛直方向と一致するようにシリンダヘッドを保持しつつ、レーザ加工ヘッドをバルブシートの中心軸線周りに回転させながら、ザグリ溝に金属粉を供給し、レーザビームを照射して肉盛層を形成する。

特開２００５−０２１９０８号公報

しかし、特許文献１に開示されたレーザ肉盛方法においては、肉盛層の形成を開始した始端部（形成開始部）では、金属粉の供給量が少ない。これにより、ザグリ溝の側壁では、レーザビームが直接照射される領域が大きくなるため、レーザビームによって溶融するシリンダヘッド粗形材の構成金属の溶融量が多くなってしまう。その結果、肉盛層は、ザグリ溝の側壁から溶融した溶融金属により希釈されることで、合金化が進んで脆くなり、割れが発生してしまうという問題があった。

本発明は、上述のような問題を解決するためになされたものであり、バルブシート用の肉盛層の割れの発生を抑制することができるレーザ肉盛方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、レーザ肉盛方法は、
シリンダヘッド粗形材において、ポートの燃焼室側の開口端に円環状のザグリ溝を形成するステップと、
前記ザグリ溝の中心軸を鉛直方向に一致させた状態で、前記ザグリ溝に金属粉を供給しつつ、レーザビームを照射して、バルブシート用の肉盛層を形成するステップと、を備え、
前記ザグリ溝を形成するステップにおいて、
底面部と、側壁部と、前記底面部と前記側壁部との間に設けられた斜面部と、を有するように前記ザグリ溝を形成し、前記ザグリ溝の前記側壁部に凹部を形成する。

上述した態様によれば、バルブシート用の肉盛層の割れの発生を抑制することができるという効果が得られる。

実施の形態にかかるレーザ肉盛方法の概要を模式的に例示する斜視図である。 実施の形態にかかるレーザ肉盛方法の概要を模式的に例示する断面図である。 実施の形態にかかるレーザ肉盛方法により形成された肉盛層であって燃焼室側から見た肉盛層を例示する図である。 比較例にかかるザグリ溝であって金属粉が供給された後のザグリ溝を例示する拡大断面図である。 比較例にかかるザグリ溝であってレーザビームが照射された後のザグリ溝を例示する拡大断面図である。 実施の形態にかかるザグリ溝を例示する拡大断面図である。 実施の形態にかかるザグリ溝であって金属粉が供給された後のザグリ溝を例示する拡大断面図である。 実施の形態にかかるザグリ溝であってレーザビームが照射された後のザグリ溝を例示する拡大断面図である。 実施の形態の変形例にかかるザグリ溝を例示する拡大断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

最初に、図１及び図２を参照して、本実施の形態にかかるレーザ肉盛方法の概要を説明する。図１及び図２は、本実施の形態にかかるレーザ肉盛方法の概要を模式的に例示する図であり、図１は斜視図、図２は断面図である。なお、図２では、後述の吸気ポート１２を示しているが、後述の排気ポート１３でもよい。

まず、シリンダヘッド粗形材１０の構成について説明する。シリンダヘッド粗形材１０は、例えば、アルミニウム合金などからなる鋳物である。図１に示されるように、シリンダヘッド粗形材１０は、複数（図１の例では、４つ）の燃焼室１１を備えている。各燃焼室１１は、吸気ポート１２及び排気ポート１３を備えている。

図１に示されるシリンダヘッド粗形材１０は、４気筒１６バルブのエンジン用であって、４つの燃焼室１１のそれぞれに吸気ポート１２及び排気ポート１３を２つずつ備えている。当然のことながら、燃焼室１１、吸気ポート１２、及び排気ポート１３の個数は、図１の例に限定されるものではなく、適宜決定されるものである。

このようなシリンダヘッド粗形材１０において、吸気ポート１２及び排気ポート１３の燃焼室１１側の開口１４の端には、開口１４を囲むように円環状のザグリ溝１５を形成する。ザグリ溝１５は機械加工によって形成する。図２に示されるように、ザグリ溝１５は、底面部１５ａと、側壁部１５ｃと、底面部１５ａと側壁部１５ｃとの間に設けられた斜面部１５ｂと、を有するように形成する。底面部１５ａ、斜面部１５ｂ及び側壁部１５ｃも円環状である。また、側壁部１５ｃには凹部１５ｄを形成する。なお、凹部１５ｄの詳細な説明は後述する。

図１及び図２に示されるように、レーザ加工ヘッド２０からザグリ溝１５に銅系合金などからなる金属粉２１を供給しつつ、レーザビーム２２（光軸Ａ１）を照射する。ザグリ溝１５の内部においては、金属粉２１がレーザビーム２２によって溶融し、溶融した金属粉２１から得られる溶融プール（図示せず）が凝固することで、バルブシート用の肉盛層１６が形成される。このとき、レーザ加工ヘッド２０を、円環状のザグリ溝１５の中心軸Ａ２を軸として回転させる。これにより、レーザ加工ヘッド２０からは、ザグリ溝１５に沿って、金属粉２１及びレーザビーム２２が円環状に順次供給される。このようにして、ザグリ溝１５の全周に肉盛層１６を形成する。なお、溶融プールの酸化防止等を目的として、レーザ加工ヘッド２０を中心軸Ａ２を軸として回転させながら、レーザ加工ヘッド２０からシールガスを溶融プールに吹き付けて肉盛層１６を形成しても良い。

ここで、ザグリ溝１５の中心軸Ａ２は以下の通りとする。円環状のザグリ溝１５が形づける円環の中心を中心Ｏとする。円環において直交する２つの直径に垂直で、中心Ｏを通る軸を、中心軸Ａ２とする。中心Ｏは、開口１４の中心と略同一である。肉盛層１６を形成する際には、開口１４が上方を向くように燃焼室１１側を上方にして、中心軸Ａ２が鉛直方向に一致するようにシリンダヘッド粗形材１０を保持する。肉盛層１６の表面は、製品形状とするために研削される。

続いて、図３を参照して、本実施の形態にかかるレーザ肉盛方法により形成された肉盛層１６を説明する。図３は、本実施の形態にかかるレーザ肉盛方法により形成された肉盛層１６であって燃焼室側から見た肉盛層１６を例示する図である。なお、図３では、吸気ポート１２の肉盛層１６を示しているが、排気ポート１３の肉盛層１６でもよい。

燃焼室１１側から見た肉盛層１６は、吸気ポート１２の開口１４の周縁に開口１４を取り囲むように円環状に形成されている。肉盛層１６はザグリ溝１５の内部に形成されている。ザグリ溝１５の中心軸は、紙面に垂直である。肉盛層１６は、高温環境下において、バルブが繰り返し当接するシリンダヘッドのバルブシートとして使用される。

肉盛層１６は、オーバーラップ部１７及び非オーバーラップ部１８を有している。肉盛層１６を形成する際の始点となる箇所を0°とする。ここで、中心Ｏを中心として時計の針の回転方向をクラッド方向と定義する。

まず、オーバーラップ部１７を説明する。円環状の肉盛層１６において、クラッド方向に0°からx°までの部分が、オーバーラップ部１７である。例えば、xは、0＜x≦45の範囲とすることができる。オーバーラップ部１７は、始端部１７ａ及び終端部１７ｂを備えている。オーバーラップ部１７は、始端部１７ａと終端部１７ｂとが重なっている。図３における斜線１７ｃは、始端部１７ａ及び終端部１７ｂが重なっていることを表すために図示したものであり、実際に斜線１７ｃが形成されている訳ではない。

始端部１７ａは、肉盛層１６の形成において、始めに形成される部分である。そのため、始端部１７ａは、レーザ加工ヘッド２０から供給される金属粉２１の供給量が少なくなる。始端部１７ａは、円環状の肉盛層１６において、クラッド方向に0°〜x°までの部分である。終端部１７ｂは、肉盛層１６の形成において、最後に形成される部分である。終端部１７ｂは、始端部１７ａにおける金属粉２１の少ない供給量を補うために、始端部１７ａにオーバーラップするように、始端部１７ａの上から重ね合わせて形成される。

一方、非オーバーラップ部１８は、肉盛層１６におけるオーバーラップ部１７以外の部分である。非オーバーラップ部１８は、円環状の肉盛層１６において、クラッド方向にx°から360°までの部分である。

続いて、ザグリ溝１５の側壁部１５ｃに形成する凹部１５ｄを説明する。以下では、本実施の形態にかかる、側壁部１５ｃに凹部１５ｄを形成したザグリ溝１５について、側壁部１５ｃに凹部１５ｄを形成しないザグリ溝１５（比較例。以下、便宜のために「ザグリ溝１５’」と称す）と対比して、説明する。

まず、図４及び図５を参照して、比較例にかかる、側壁部１５ｃに凹部１５ｄを形成しないザグリ溝１５’を説明する。図４及び図５は、比較例にかかるザグリ溝１５’の構成を例示する拡大断面図である。なお、図４は、ザグリ溝１５’に金属粉２１を供給した後の状態を示し、図５は、ザグリ溝１５’にレーザビーム２２を照射した後の状態を示している。また、図４において、レーザ照射範囲Ｒは、レーザ加工ヘッド２０からのレーザビーム２２が照射される範囲を示している（以下の図７において同じ）。レーザ照射範囲Ｒは、斜面部１５ｂを中心として、斜面部１５ｂの全領域、底面部１５ａの斜面部１５ｂ側の一部の領域、及び側壁部１５ｃの斜面部１５ｂ側の一部の領域にわたっている。

肉盛層１６を形成する際には、円環状のザグリ溝１５’の中心軸Ａ２を鉛直方向に一致させるため、ザグリ溝１５’の態勢は図４に示されるような状態になる。すなわち、側壁部１５ｃは、鉛直方向と略同一方向に沿って立った状態になり、斜面部１５ｂは、円環状のザグリ溝１５’の中心軸Ａ２に向かって斜め下方に傾斜した状態になる。そのため、レーザ加工ヘッド２０からザグリ溝１５’に金属粉２１を供給すると、側壁部１５ｃ及び斜面部１５ｂに供給された金属粉２１は、重力によって下に落ちてしまう。また、肉盛層１６を形成する際には、底面部１５ａは、水平方向と略同一方向となり、金属粉２１が堆積しやすい状態になる。そのため、側壁部１５ｃ及び斜面部１５ｂから下に落ちた金属粉２１は底面部１５ａに堆積していく。

もし、レーザ加工ヘッド２０から供給される金属粉２１の供給量が多い場合は、図４の状態から、底面部１５ａに金属粉２１が徐々に堆積していく。したがって、最終的には、堆積した金属粉２１が、側壁部１５ｃにおけるレーザ照射範囲Ｒに相当する領域まで達し、堆積した金属粉２１によってレーザ照射範囲Ｒを覆うことができると考えられる。

その一方、レーザ加工ヘッド２０から供給される金属粉２１の供給量が少ない場合は、図４の状態のままで、それ以上に金属粉２１が供給されないことも考えられる。図４の状態では、金属粉２１の供給量が少ないため、側壁部１５ｃにおけるレーザ照射範囲Ｒに相当する領域は、金属粉２１によって覆われておらず、しかも、その領域は非常に大きい。

図４の状態にあるザグリ溝１５’に、レーザ加工ヘッド２０からレーザビーム２２を照射すると、図５に示されるように、側壁部１５ｃにおけるレーザ照射範囲Ｒに相当する領域は、レーザビーム２２が直接照射されることから、その領域からシリンダヘッド粗形材１０の構成金属（アルミニウムとする。以下同じ）が溶融する。しかも、側壁部１５ｃにおけるレーザ照射範囲Ｒに相当する領域は、非常に大きいことから、溶融アルミニウムの溶融量は非常に多くなる。これにより、金属粉２１が溶融して得られた溶融プール２３は、大量の溶融アルミニウムが流れ込むことによって希釈されて合金化が進んでしまう。その結果、溶融プール２３が凝固して得られる肉盛層１６は脆くなり、割れが発生してしまう。この現象は、円環状の肉盛層１６の中でも、レーザ加工ヘッド２０から供給される金属粉２１の供給量が少ない始端部１７ａで特に顕著に発生する。

なお、図４の状態では、斜面部１５ｂにおけるレーザ照射範囲Ｒに相当する領域の一部も、金属粉２１で覆われておらずレーザビーム２２が直接照射されることから、その領域からも、シリンダヘッド粗形材１０の構成金属であるアルミニウムが溶解する。

しかし、斜面部１５ｂにおけるレーザビーム２２が直接照射される領域は、側壁部１５ｃにおけるレーザビーム２２が直接照射される領域と比較すると、非常に小さいため、斜面部１５ｂからの溶融アルミニウムの溶融量は、側壁部１５ｃからの溶融アルミニウムの溶融量と比較すると、非常に少ない。そのため、斜面部１５ｂからの溶融アルミニウムのみが、溶融プール２３に流れ込んだとしても、肉盛層１６に割れが発生してしまう可能性は非常に小さい。

そこで、本実施の形態においては、側壁部１５ｃからの溶融アルミニウムの溶融量を減少させるために、以下で詳細に説明するように、側壁部１５ｃに凹部１５ｄを形成する構成としている。

続いて、図６〜図８を参照して、本実施の形態にかかる、側壁部１５ｃに凹部１５ｄを形成したザグリ溝１５を説明する。図６〜図８は、本実施の形態にかかるザグリ溝１５の構成を例示する拡大断面図である。なお、図７は、ザグリ溝１５に金属粉２１を供給した後の状態を示し、図８は、ザグリ溝１５にレーザビーム２２を照射した後の状態を示している。

図６に示されるように、本実施の形態においては、ザグリ溝１５の側壁部１５ｃに、レーザ加工ヘッド２０から供給される金属粉２１の保持用に凹部１５ｄを形成している。凹部１５ｄも、底面部１５ａ、斜面部１５ｂ及び側壁部１５ｃと同様に、円環状である。また、凹部１５ｄは、ザグリ溝１５の中心軸から見て、側壁部１５ｃにおけるレーザ照射範囲Ｒに相当する領域に重なるように形成するのが良い。また、図６に示される凹部１５ｄは、直方体形状になっている。

肉盛層１６を形成する際には、円環状のザグリ溝１５の中心軸Ａ２を鉛直方向に一致させるため、ザグリ溝１５の態勢は図６に示されるような状態になる。ただし、本実施の形態は、上記の比較例とは異なり、ザグリ溝１５の側壁部１５ｃに凹部１５ｄが形成されている。そのため、図６の状態にあるザグリ溝１５に、レーザ加工ヘッド２０から金属粉２１を供給しても、図７に示されるように、側壁部１５ｃに供給された金属粉２１は、下には落ちず、側壁部１５ｃに形成された凹部１５ｄの内部で保持される。これにより、金属粉２１の供給量が少なかったとしても、側壁部１５ｃにおけるレーザ照射範囲Ｒに相当する領域は、凹部１５ｄの内部に保持された金属粉２１によって覆うことができる。したがって、側壁部１５ｃにおけるレーザ照射範囲Ｒに相当する領域のうち金属粉２１によって覆われていない領域は、無くなるか、又は、非常に小さくなる。

そのため、図７の状態にあるザグリ溝１５に、レーザ加工ヘッド２０からレーザビーム２２を照射しても、図８に示されるように、側壁部１５ｃにおけるレーザ照射範囲Ｒに相当する領域は、凹部１５ｄの内部に保持された金属粉２１によって、レーザビーム２２が直接照射されることが防止される。したがって、側壁部１５ｃにおけるレーザ照射範囲Ｒに相当する領域のうちレーザビーム２２が直接照射される領域は、無くなるか、又は、非常に小さくなる。また、銅系合金などで構成される金属粉２１は、シリンダヘッド粗形材１０の構成金属であるアルミニウムと比較して、レーザビーム２２の吸収率が高い。そのため、側壁部１５ｃに照射されたレーザビーム２２のレーザエネルギーを、金属粉２１の温度上昇のために消費することができる。これにより、ザグリ溝１５の側壁部１５ｃからの、シリンダヘッド粗形材１０の構成金属であるアルミニウムの溶融量を減少させることができる。その結果、金属粉２１が溶融して得られた溶融プール２３に流れ込む溶融アルミニウムの量を減少させることができるため、溶融プール２３が凝固して得られる肉盛層１６に割れが発生することを抑制することができる。

なお、ザグリ溝１５の凹部１５ｄの内部に保持される金属粉２１は、レーザ加工ヘッド２０からのレーザビーム２２が側壁部１５ｃに直接照射されることを防止する役割を担うものである。そのため、凹部１５ｄの内部に保持される金属粉２１は、レーザビーム２２によって全てが溶融して溶融プール２３となる必要はなく、粉のまま残留する金属粉２１があってもよい。粉のまま残留した金属粉２１が発生した場合は、任意のタイミングで、任意の回収手段によって回収すればよい。

上述したように本実施の形態によれば、ザグリ溝１５を、底面部１５ａと、側壁部１５ｃと、底面部１５ａと側壁部１５ｃとの間に設けられた斜面部１５ｂと、を有するように形成し、ザグリ溝１５の側壁部１５ｃに凹部１５ｄを形成する。

そのため、肉盛層１６を形成する際に、ザグリ溝１５の側壁部１５ｃに供給された金属粉２１を、凹部１５ｄの内部で保持することができる。したがって、金属粉２１の供給量が少なかったとしても、凹部１５ｄの内部に保持された金属粉２１によって、レーザビーム２２が側壁部１５ｃに直接照射されることを防止することができ、側壁部１５ｃから溶融するシリンダヘッド粗形材１０の構成金属の溶融量を減少させることができる。その結果、溶融プール２３に流れ込む溶融金属の量を減少させることができるため、肉盛層１６に割れが発生することを抑制することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、ザグリ溝１５の側壁部１５ｃに形成する凹部１５ｄの形状を、直方体形状としたが、これには限定されない。凹部１５ｄの形状は、例えば、図７に示されるように、半球形状でもよい。すなわち、凹部１５ｄの形状は、凹部１５ｄの内部に金属粉２１を保持することが可能な形状であれば任意の形状で良く、半楕円体形状、円柱形状、円錐形状、立方体形状などでもよい。

１０ シリンダヘッド粗形材
１１ 燃焼室
１２ 吸気ポート
１３ 排気ポート
１４ 開口
１５ ザグリ溝
１５ａ 底面部
１５ｂ 斜面部
１５ｃ 側壁部
１５ｄ 凹部
１６ 肉盛層
１７ オーバーラップ部
１７ａ 始端部
１７ｂ 終端部
１７ｃ 斜線
１８ 非オーバーラップ部
２０ レーザ加工ヘッド
２１ 金属粉
２２ レーザビーム
２３ 溶融プール
Ａ１ レーザビームの光軸
Ａ２ ザグリ溝の中心軸
Ｒ レーザ照射範囲

Claims (1)

1. シリンダヘッド粗形材において、ポートの燃焼室側の開口端に円環状のザグリ溝を形成するステップと、
   前記ザグリ溝の中心軸を鉛直方向に一致させた状態で、前記ザグリ溝に金属粉を供給しつつ、レーザビームを照射して、バルブシート用の肉盛層を形成するステップと、を備え、
   前記ザグリ溝を形成するステップにおいて、
   底面部と、側壁部と、前記底面部と前記側壁部との間に設けられた斜面部と、を有するように前記ザグリ溝を形成し、前記ザグリ溝の前記側壁部に凹部を形成する、
   レーザ肉盛方法。

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