JP2017140644A - レーザ肉盛方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オーバーラップ部に発生するブローホールを効果的に抑制することができるレーザ肉盛方法を提供する。【解決手段】実施形態に係るレーザ肉盛方法は、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に金属粉２６を供給しつつ、レーザビーム３０を走査させ、ザグリ溝１５に肉盛層１６を形成するステップと、を備えたレーザ肉盛方法であって、肉盛層１６を形成するステップにおいて、肉盛層１６の始端部１７ａに終端部１７ｂを重ねるオーバーラップ部１７を形成した後、金属粉２６の供給を停止し、レーザビーム３０を逆方向に走査させて、オーバーラップ部１７を再溶融させる。【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ肉盛方法に関するものであり、例えば、バルブシート用のレーザ肉盛方法に関する。

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には、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／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等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、ザグリ溝に金属粉を供給しながらレーザビームを走査させ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。このレーザ肉盛方法では、肉盛層の始端部と終端部が重なり合ってできるオーバーラップ部に、ブローホールが生じ易いことが知られている。

このようなブローホールを解消するために、特許文献１には、レーザの出力を所定量まで増加させて、肉盛層の終端部を形成し、始端部に重ねるレーザ肉盛方法が開示されている。

特開２０１０−２０１４８０号公報

特許文献１に開示された方法のように、オーバーラップ部においてレーザの出力を増加させても、金属粉を供給しながらレーザを照射しているため、十分にブローホールの発生を抑制することができなかった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、オーバーラップ部に発生するブローホールを効果的に抑制することができるレーザ肉盛方法を提供する。

本発明の一態様に係るレーザ肉盛方法は、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、前記ザグリ溝に金属粉を供給しつつ、レーザビームを走査させ、前記ザグリ溝に肉盛層を形成するステップと、を備えたレーザ肉盛方法であって、前記肉盛層を形成するステップにおいて、前記肉盛層の始端部に終端部を重ねるオーバーラップ部を形成した後、前記金属粉の供給を停止し、前記レーザビームを逆方向に走査させて、前記オーバーラップ部を再溶融させる。このような構成とすることにより、オーバーラップ部に発生するブローホールを効果的に抑制することができる。

本発明により、オーバーラップ部に発生するブローホールを効果的に抑制することができるレーザ肉盛方法を提供する。

実施形態に係るレーザ肉盛方法の概要を模式的に示した斜視図である。 実施形態に係るレーザ加工ヘッドを例示した断面図である。 実施形態に係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した模式図である。 （ａ）は、比較例に係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した模式図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ線から見た断面斜視図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、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。

実施形態に係るレーザ肉盛方法を説明する。例えば、シリンダヘッド粗形材に肉盛層を形成する場合を例にして、レーザ肉盛方法を説明する。図１は、実施形態に係るレーザ肉盛方法の概要を模式的に示した斜視図である。図１に示すように、シリンダヘッド粗形材１０は、例えば、鋳鉄やアルミニウム合金などからなる鋳物である。シリンダヘッド粗形材１０は、複数の燃焼室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。

まず、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、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は機械加工により形成される。

図１に示されたシリンダヘッド粗形材１０は、４気筒１６バルブ用であって、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や吸気ポート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。

図１に示すように、レーザ加工ヘッド２０は、ザグリ溝１５に金属粉２６を供給する。また、レーザ加工ヘッド２０は、ザグリ溝１５に供給された金属粉２６に対して、レーザビーム３０を照射する。金属粉２６に対してレーザビーム３０を照射することにより、ザグリ溝１５の内部において金属粉２６は溶融する。金属粉２６における溶融した部分は、溶融プールとなる。

図２は、実施形態に係るレーザ加工ヘッドを例示した断面図である。図２に示すように、レーザ加工ヘッド２０は、内側ノズル２１、外側ノズル２２、原料供給管２３を備えている。内側ノズル２１からレーザビーム３０が出射される。内側ノズル２１と外側ノズル２２との間からは、原料供給管２３を介して供給されたキャリアガス２５及び金属粉２６が吐出される。したがって、レーザ加工ヘッド２０は、レーザビーム３０の光軸Ａ１を中心軸とする内側ノズル２１及び外側ノズル２２からなる同軸二重管構造を有している。

これにより、キャリアガス２５及び金属粉２６の吐出軸は、レーザビーム３０の光軸Ａ１と同軸となっている。なお、溶融プールの酸化防止やレーザビーム３０の出射口ガラスの保護を目的として内側ノズル２１から溶融プールに対して不活性ガス等のシールガス２４を噴射させてもよい。

シールガス２４及びキャリアガス２５としては、例えば、アルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガスを挙げることができる。このように、レーザビーム３０の照射と、シールガス２４、キャリアガス２５及び金属粉２６の供給とが一体化されることにより、レーザ加工ヘッド２０をコンパクトにすることができる。なお、図１では、原料供給管２３は省略されている。

図３は、実施形態に係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した模式図である。図３に示すように、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をと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Ａ２は、ザグリ溝１５の円環形状の中心Ｏを通り紙面に垂直である。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。

図１及び図３に示すように、レーザ加工ヘッド２０は、ザグリ溝１５に金属粉２６を供給しつつ、レーザビーム３０を走査させ、ザグリ溝１５に肉盛層１６を形成する。溶融プールを持続させながら、レーザ加工ヘッド２０をザグリ溝１５に沿って走査し、溶融プールをザグリ溝１５に沿って移動させる。溶融プールが移動した跡には溶融プールが凝固した肉盛層１６が順次形成される。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、バルブシート用の肉盛層１６をザグリ溝１５の全周に形成する。

図３に示すように、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位置を、0°とする。ここで、ザグリ溝１５の円環形状の中心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。円環状の肉盛層１６において、クラッド方向に0°から、例えば、30°までの部分が、オーバーラップ部１７である。オーバーラップ部１７は、始端部１７ａ及び終端部１７ｂを有している。オーバーラップ部１７は、始端部１７ａと終端部１７ｂとが中心軸Ａ２方向に重なっている。

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。始端部１７ａは、オーバーラップ部１７が0°〜30°までの部分であれば、同じく0°〜30°までの部分となる。

肉盛層１６の形成では、まず、ザグリ溝１５内において始点となる箇所から始端部１７ａを形成する。始端部１７ａを形成する際には、金属粉２６の吐出とレーザビーム３０の照射とのタイミングを調整する。金属粉２６の供給が遅いと、金属粉２６とシリンダヘッド粗形材１０との合金化が進む。一方、金属粉２６の供給が早いと金属粉が玉状になったものや粉残りが発生する。タイミングを調整して、始端部１７ａを形成する。レーザ加工ヘッド２０を、クラッド方向に走査する。

始端部１７ａの形成に引き続き、非オーバーラップ部１８を形成する。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、例えば、円環形状の肉盛層１６の30°から360°までの部分である。レーザ加工ヘッド２０をザグリ溝１５に沿ってクラッド方向に移動させて非オーバーラップ部１８を形成する。

非オーバーラップ部１８の形成に引き続き、終端部１７ｂを形成する。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を形成する際には、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する。終端部１７ｂは、例えば、360°から390°の部分である。すなわち、0°から30°の部分の始端部１７ａ上に重なっている。終端部１７ｂの形成にともなって、オーバーラップ部１７も形成される。肉盛層１６の360°の部分をオーバーラップ部１７の始点とする。

終端部１７ｂの形成後、金属粉２６の供給を停止する。そして、レーザビーム３０の照射を続けたまま、レーザ加工ヘッド２０を、クラッド方向とは逆方向に走査させる。金属粉２６の供給を停止することにより、終端部１７ｂ、すなわち、肉盛層１６の成長が停止する。これにより、肉盛層１６の終点が形成される。肉盛層１６の終点は、例えば、390°でる。肉盛層１６の390°の部分は、オーバーラップ部１７の終点でもある。

レーザビーム３０の照射を続けたまま、終点からクラッド方向とは逆方向にレーザ加工ヘッド２０を走査させることにより、オーバーラップ部１７を再溶融させる。レーザビーム３０を、オーバーラップ部１７の始点まで逆方向に走査する。その後、オーバーラップ部１７に対するレーザビーム３０の照射を停止する。このようにして、オーバーラップ部１７の再溶融を終了する。

図３に示すように、レーザ加工ヘッド２０の走査軌跡２０ａは、始点からクラッド方向に進み、始端部１７ａの形成及び非オーバーラップ１８の形成によってザグリ溝１５を一周する。その後、走査軌跡２０ａは、終端部１７ｂすなわちオーバーラップ部１７の形成のために、オーバーラップ部１７の始点から終点までクラッド方向に進む。走査軌跡２０ａは、終点において、金属粉２６の供給を停止した後、クラッド方向とは逆方向にオーバーラップ部１７の始点まで戻る。

したがって、レーザ加工ヘッド２０は、オーバーラップ部１７に相当する部分を３回通過する。そのうち２回は、金属粉２６の供給及びレーザビームの照射を伴い、クラッド方向に走査されるものである。１回は、金属粉２６の供給はされず、クラッド方向とは逆方向に走査されるものである。

なお、図３における走査軌跡２０ａは、レーザ加工ヘッド２０の走査方向を例示したものであり、レーザ加工ヘッド２０の先端等が実際に辿る軌跡を示すものではない。

本実施形態では、始端部１７ａ、非オーバーラップ部、終端部１７ｂをこの順で円環状に途切れることなく順次形成する。終端部１７ｂを始端部１７ａに重ね合わせることによって肉盛層１６を円環状に形成する。

肉盛層１６を形成するに際し、始端部１７ａに終端部１７ｂを重ねるオーバーラップ部１７を形成した後、金属粉２６の供給を停止し、レーザビーム３０を逆方向に走査させて、オーバーラップ部１７を再溶融させる。そのため、オーバーラップ部１７に発生するブローホールを効果的に抑制することができる。

実施形態の効果をより明確にするために、以下で、比較例を説明する。そして、比較例と対比することによって、実施形態の効果を説明する。図４（ａ）は、比較例に係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した模式図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ線から見た断面斜視図である。

図４（ａ）に示すように、比較例では、肉盛層１６における始端部１７ａ及び非オーバーラップ部１８を形成するまでは、実施形態と同様の方法で肉盛層１６を形成する。しかしながら、比較例では、終端部１７ｂを形成し、レーザ加工ヘッド２０が、オーバーラップ部１７の終点に到達した時点で、レーザビーム３０をクラッド方向とは逆方向に走査しない。

したがって、レーザ加工ヘッド２０の走査軌跡２０ｂは、始点からクラッド方向に進み、始端部１７ａの形成及び非オーバーラップ１８の形成によってザグリ溝１５を一周する。その後、走査軌跡２０ｂは、終端部１７ｂすなわちオーバーラップ部１７の形成のために、始点から終点までクラッド方向に進む。走査軌跡２０ｂは、終点において、金属粉２６の供給及びレーザビーム３０の照射を停止するまでとなっている。

つまり、走査軌跡２０ｂは、金属粉２６の供給を停止した後、クラッド方向とは逆方向に始点まで進まない。したがって、レーザ加工ヘッド２０は、オーバーラップ部１７に相当する部分を２回だけ通過する。２回とも金属粉２６の供給及びレーザビームの照射を行うものとなっている。

図４（ｂ）に示すように、比較例では、ザグリ溝１５の内部に形成された肉盛層１６のオーバーラップ部１７において、１層目の始端部１７ａと、２層目の終端部１７ｂとの間に空孔（ブローホール）等の欠陥が発生している。始端部１７ａと終端部１７ｂの間には欠陥を含む部分４１が存在している。オーバーラップ部１７の形成では、始端部１７ａの上から終端部１７ｂを重ねている。このため、始端部１７ａと終端部１７ｂとが溶着し難くなっている。よって、始端部１７ａと終端部１７ｂの間にブローホールが発生する場合があり、それが原因となって肉盛層１６に欠陥が発生する。オーバーラップ部１７におけるこのような欠陥は、オーバーラップ部１７の割れの原因となる。そして、非オーバーラップ部１８に対してオーバーラップ部１７の強度が低下する原因となる。

これに対して、実施形態においては、オーバーラップ部１７に対して、金属粉２６の供給はせず、レーザビーム３０のみを再度照射し、オーバーラップ部１７を再溶融している。よって、再溶融前に、始端部１７ａと終端部１７ｂとが溶着していない部分があっても、再溶融により、溶着させることができる。また、始端部１７ａと終端部１７ｂとの間に空孔（ブローホール）等の欠陥が発生していても、それらを再溶融により消滅または低減させることができる。これにより、始端部１７ａと終端部１７ｂとの間に発生するブローホールを抑制することができる。そして、オーバーラップ部１７の強度を非オーバーラップ部１８と同程度まで向上させることができ、オーバーラップ部１７の割れの発生を抑制することができる。

また、再溶融させる際には、レーザビーム３０を逆方向に走査するだけでよい。よって、コストを抑えた簡単な操作でブローホールを抑制することができる。

以上、本発明に係るレーザ肉盛方法の実施の形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

例えば、肉盛層１６の形成においては、オーバーラップ部１７及び非オーバーラップ部１８の形成毎に、金属粉２６を供給するためのキャリアガス２５の流量及びシールガス２４の流量を最適化してもよい。

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
１６ 肉盛層
１７ オーバーラップ部
１７ａ 始端部
１７ｂ 終端部
１８ 非オーバーラップ部
２０ レーザ加工ヘッド
２０ａ 走査軌跡
２０ｂ 走査軌跡
２１ 内側ノズル
２２ 外側ノズル
２３ 原料供給管
２４ シールガス
２５ キャリアガス
２６ 金属粉
３０ レーザビーム
４１ 部分

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、
   前記ザグリ溝に金属粉を供給しつつ、レーザビームを走査させ、前記ザグリ溝に肉盛層を形成するステップと、を備えたレーザ肉盛方法であって、
   前記肉盛層を形成するステップにおいて、
   前記肉盛層の始端部に終端部を重ねるオーバーラップ部を形成した後、前記金属粉の供給を停止し、前記レーザビームを逆方向に走査させて、前記オーバーラップ部を再溶融させる、
   レーザ肉盛方法。

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