JP2019136710A

JP2019136710A - レーザクラッド加工方法

Info

Publication number: JP2019136710A
Application number: JP2018018986A
Authority: JP
Inventors: 小百合江間; Sayuri Ema
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2019-08-22

Abstract

【課題】母材の耐衝撃性の低下を抑制することが可能なレーザクラッド加工方法を提供することを課題とする。【解決手段】母材にレーザ光を照射することで、前記母材を前記母材の融点以下の温度まで加熱する工程と、前記母材を加熱する工程の後に、前記母材に肉盛り材料を供給しながら前記レーザ光を照射することでクラッド層を形成する工程と、を有し、前記母材を加熱する工程により生じる熱影響層の前記母材の表面からの深さは、前記クラッド層を形成する工程により生じる熱影響層の深さ以下であるレーザクラッド加工方法。【選択図】図２

Description

本発明はレーザクラッド加工方法に関する。

例えば内燃機関（エンジン）のシリンダヘッドなど、金属の母材にレーザクラッド加工を行うことがある。母材に例えば粉末状の肉盛り材料を供給しながらレーザ光を照射し、クラッド層（肉盛り層）を形成する（特許文献１）。こうしたレーザクラッド加工は例えばシリンダヘッドのバルブシート部の形成などに用いられる。

特開２００５−１５２９２５号公報

しかし母材とクラッド層との界面付近にピンホールのような欠陥が存在すると、耐衝撃性が低下してしまう。そこで、母材の耐衝撃性の低下を抑制することが可能なレーザクラッド加工方法を提供することを目的とする。

上記目的は、母材にレーザ光を照射することで、前記母材を前記母材の融点以下の温度まで加熱する工程と、前記母材を加熱する工程の後に、前記母材に肉盛り材料を供給しながら前記レーザ光を照射することでクラッド層を形成する工程と、を有し、前記母材を加熱する工程により生じる熱影響層の前記母材の表面からの深さは、前記クラッド層を形成する工程により生じる熱影響層の深さ以下であるレーザクラッド加工方法によって達成できる。

母材の耐衝撃性の低下を抑制することが可能なレーザクラッド加工方法を提供できる。

図１は実施形態におけるレーザクラッド加工方法を例示するフローチャートである。図２（ａ）および図２（ｂ）は熱処理を例示する断面図である。図３（ａ）は熱処理を例示する断面図である。図３（ｂ）は酸化膜除去の工程を例示する断面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）はクラッド加工を例示する断面図である。

（実施形態）
以下、図面を参照して本実施形態のレーザクラッド加工方法について説明する。図１は実施形態におけるレーザクラッド加工方法を例示するフローチャートである。加工される母材は例えばエンジンのシリンダヘッドなどであり、レーザクラッド加工によりバルブシート部の肉盛り加工が行われる。図１に示すように、まず母材（シリンダヘッド）に熱処理を行う（ステップＳ１０）。その後、母材から酸化膜を除去する工程を行う（ステップＳ１２）。酸化膜除去の後、母材にレーザクラッド加工（肉盛り加工）を行う（ステップＳ１４）。

図２（ａ）から図３（ａ）は熱処理を例示する断面図であり、図３（ｂ）は酸化膜除去の工程を例示する断面図である。図２（ａ）に示す母材１０は例えばアルミニウム合金で形成されたシリンダヘッドなどである。母材１０は内部に欠陥１２（空洞）を含む。クラッド加工において母材１０が加熱されると、多くの欠陥１２が母材１０の表面近くに集まり、母材１０の耐衝撃性が低下してしまう。特に、クラッド加工で形成されるクラッド層と母材１０との界面付近に欠陥１２が残存すると、バルブシート部の脱落などが発生する。

目視による検査では、母材１０内部の欠陥１２を発見することは難しい。そこで本実施形態では、クラッド加工の前に欠陥１２を除去するために、熱処理を行う。

図２（ｂ）にブロック矢印で示すように、レーザ照射装置２０は、母材１０に向けてレーザ光Ｌを照射する。レーザ光Ｌにより、母材１０は例えば融点以下の温度まで加熱され、母材１０の表面付近は固相と液相とが共存する状態となる。欠陥１２は液相部分に集合し、図２（ｂ）中に矢印で示すように母材１０から大気へと抜ける。また、レーザ光Ｌによる加熱により、母材１０には熱影響層１４が形成される。

図３（ａ）に示すように、熱処理後の母材１０からは欠陥１２が除去され、表面付近に熱影響層１４が形成される。母材１０の表面を基準とする熱影響層１４の深さはＤ１である。なお、熱影響層１４は熱により母材１０の組織に変化が生じることで形成される部分であり、母材１０の断面を観察することで確認することができる。また、母材１０の表面には酸化膜１５が成長する。酸化膜１５はクラッド加工を阻害するため、図３（ｂ）に示すように酸化膜１５を除去する。なお、酸化膜１５を完全に除去してもよいし、薄い酸化膜１５が残存してもよい。

図４（ａ）および図４（ｂ）はクラッド加工を例示する断面図である。図４（ａ）に示すように、例えば銅（Ｃｕ）の合金である粉末材料２３（肉盛り材料）を、ノズル２２から母材１０に供給する。レーザ照射装置２０はレーザ光Ｌを母材１０に照射する。レーザ光Ｌにより粉末材料２３が溶融し、図４（ｂ）に示すように、母材１０の表面にクラッド層３２が形成される。クラッド層３２は主に粉末材料２３のＣｕ合金で形成される層である。

図４（ｂ）に示すように、クラッド加工におけるレーザ光の照射により、母材１０には熱影響層１６が形成される。熱影響層１６の深さＤ２は、熱処理で形成される熱影響層１４の深さＤ１以上である。

以上、本実施形態によれば、母材１０にレーザ光を照射することで、母材１０を融点以下の温度まで加熱する。この熱処理により欠陥１２が母材１０から大気へと抜ける。熱処理後にクラッド加工を行うことでクラッド層３２を形成する。熱処理により母材１０の表面付近から欠陥１２が除去されるため、母材１０の耐衝撃性の低下が抑制される。したがってクラッド層３２の母材１０からの脱落などが抑制される。

熱処理において母材１０のより深い部分まで加熱すると、母材１０の溶損が発生する可能性がある。また、母材１０のより内部に存在する欠陥が表面付近に集まり、母材１０の強度を低下させる恐れがある。したがって、熱影響層１４の深さＤ１は、熱影響層１６の深さＤ２以下とする。すなわち、熱処理では母材１０の浅い部分を加熱する。これにより母材１０の溶損を抑制することができる。また、表面付近の欠陥１２を除去し、かつ母材１０のより深い部分の欠陥は表面付近まで移動しにくくなる。この結果、母材１０とクラッド層３２との界面に残存する欠陥１２が少なくなり、耐衝撃性の低下が抑制される。

なお、熱影響層１４および１６の深さは、例えばレーザ光Ｌの出力により調節することができる。クラッド加工におけるレーザ光Ｌの出力に比較して、熱処理におけるレーザ光Ｌの出力をクラッド加工における出力よりも低くすることで、熱影響層１４の深さＤ１を熱影響層１６の深さＤ２以下とすることができる。熱処理とクラッド加工とでは別のレーザ照射装置２０を用いてもよいし、同一のレーザ照射装置２０を用いてもよい。レーザ照射装置２０を熱処理とクラッド加工とで共通して使用することで、設備を低コスト化し、かつ工程を簡略化することができる。熱処理およびクラッド加工において、レーザ光Ｌに対して母材１０を相対的に回転させてもよい。

熱処理においては母材１０を融点以下まで加熱し、融点を超える温度までは加熱しないことが好ましい。融点よりも高温まで加熱すると母材１０が冷えて固まった際のひずみが多く発生する。融点以下の加熱により、母材１０の表面付近に固相と液相との共存した状態が生じ、冷却し固まった際のひずみを低減することができる。

本実施形態では熱処理後に酸化膜１５を除去する工程を行ったが、例えば熱処理を窒素（Ｎ_２）などの不活性ガス雰囲気中で実施してもよい。これにより酸化膜１５の成長を抑制し、酸化膜１５を除去する工程を省略することができる。

本実施形態ではシリンダヘッドのバルブシート部のレーザクラッド加工を例としたが、他の製品のレーザクラッド加工に適用することもできる。また材料としてＡｌ合金およびＣｕ合金以外の金属を用いてもよい。材料に応じて、レーザ光Ｌによる加熱の温度は変更してもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０母材
１２欠陥
１４、１６熱影響層
１５酸化膜
２０レーザ照射装置
２２ノズル
２３粉末材料
３２クラッド層

Claims

母材にレーザ光を照射することで、前記母材を前記母材の融点以下の温度まで加熱する工程と、
前記母材を加熱する工程の後に、前記母材に肉盛り材料を供給しながら前記レーザ光を照射することでクラッド層を形成する工程と、を有し、
前記母材を加熱する工程により生じる熱影響層の前記母材の表面からの深さは、前記クラッド層を形成する工程により生じる熱影響層の深さ以下であるレーザクラッド加工方法。