JP2022150616A

JP2022150616A - 再溶融処理装置及び再溶融処理方法

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Publication number: JP2022150616A
Application number: JP2021053297A
Authority: JP
Inventors: 春彦 ▲高▼▲崎▼; Haruhiko Takasaki
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2022-10-07

Abstract

【課題】溶融した金属の流動による変形を防ぐことができる再溶融処理装置及び再溶融処理方法を提供する。【解決手段】再溶融処理装置１０は、ワーク１２の表面を局所的に再溶融及び凝固させることで、ワーク１２の表面の材料改質を行う際に、２軸ポジショナー１４でワーク１２の傾斜方向を調整することにより、加熱部分３６の位置するワーク１２の表面を水平に維持しつつワーク１２を移動させる。【選択図】図１

Description

本発明は、金属表面を加熱溶融して表面の改質を行う再溶融処理装置及び再溶融処理方法に関する。

金属表面に熱量を供給して表面を溶融させて改質する再溶融処理装置が種々提案されている。

例えば、特許文献１には、鋳鉄表面の少なくとも一部に高密度エネルギー（電子ビーム）を照射してその表面層を再溶融及び再凝固させて、組織の微細化並びに均質化を図ることで耐摩耗性を向上させる技術が記載されている。

特開昭６３－３３５１７号公報

従来の再溶融処理装置及び再溶融処理方法は、通常、加工対象となるワークを固定しておき、エネルギー照射装置側を移動させている。ところが、ワークの表面の形状によっては、溶融した金属が流れることによる変形が生じる。

そこで、本発明の一観点は、溶融した金属の流動による変形を防ぐことができる再溶融処理装置及び再溶融処理方法を提供することを目的とする。

以下の開示の一観点は、ワークの表面を再溶融及び凝固させることで、前記ワークの表面の材料改質を行う再溶融処理装置であって、前記ワークを保持する保持機構と、前記ワークの表面の局所的な加熱部分に熱エネルギーを供給する熱エネルギー供給機構と、前記保持機構を駆動させて前記加熱部分を前記ワークの表面の加工領域に沿って移動させる駆動装置と、を備え、前記駆動装置は、前記加熱部分の位置する前記ワークの表面を水平に維持しつつ前記ワークを移動させる、再溶融処理装置にある。

別の一観点は、ワークを保持する保持機構と、前記ワークの表面の局所的な加熱部分に熱エネルギーを供給する熱エネルギー供給機構と、前記保持機構を駆動させて前記加熱部分を前記ワークの表面の加工領域に沿って移動させる駆動装置と、を備え、前記ワークの表面を再溶融及び凝固させることで、前記ワークの表面の材料改質を行う再溶融処理装置を用いた再溶融処理方法であって、前記駆動装置は、前記加熱部分の位置する前記ワークの表面を水平に維持しつつ前記ワークを移動させる、再溶融処理方法にある。

上記観点の再溶融処理装置及び再溶融処理方法によれば、溶融した金属の流動による変形を防ぐことができる。

第１実施形態に係る再溶融処理装置の概略図である。図２Ａは、第１実施形態に係る再溶融処理方法の説明図であり、図２Ｂは、図２Ａのワークの正面側から見た動作説明図である。図３Ａは、比較例１に係る再溶融処理方法の説明図であり、図３Ｂは比較例２に係る再溶融処理方法の説明図である。第２実施形態に係るワークの説明図である。比較例３に係るワークの再溶融処理方法の問題点の説明図である。第２実施形態に係るワークの再溶融処理方法を示す説明図である。比較例４に係るワークと改質層の深さの分布を示す断面図である。図８Ａは、実験例におけるレーザ照射スポットの形状を示す図であり、図８Ｂは第３実施形態の実験例に係る改質層の深さの調査方法を示す説明図である。実験例における、改質層深さと、送り速度と表面温度との関係を示すグラフである。第３実施形態に係る再溶融処理装置の概略図である。図１０の再溶融処理装置によって形成される改質層の深さ分部を示す断面図である。

以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

（第１実施形態）
本実施形態に係る再溶融処理装置１０は、図１に示すように、ワーク１２を保持する２軸ポジショナー１４と、ワーク１２の表面を加熱するレーザ光源１６と２軸ポジショナー１４を駆動させる駆動装置１８と、各部を制御する制御装置２０とを有している。本実施形態のワーク１２は、例えば、トランスミッションケースのベアリングハウジングである。ワーク１２は、アルミニウム合金や、鋳鉄等の金属よりなり、鋳造又は３次元造形法等によって略円筒状に形成されている。ワーク１２の内周面１２ａには、例えば、ボールベアリングやテーパーベアリング等の軸受け（外輪部分）が圧入される。本実施形態では、内周面１２ａに対して、再溶融処理を行うことにより強度向上を図りつつ耐摩耗性を変化させる。

２軸ポジショナー１４は、ワーク１２を保持するチャック２１と、ワーク１２を回動軸２２回りに回転運動させる回転部２４と、傾斜軸２６に沿って回転部２４を傾斜させる傾斜部２８とを備える。チャック２１は、回動軸２２を中心とする円板状に形成されており、回動軸２２に垂直な主面２１ａを有している。主面２１ａには、ワーク１２を把持する固定機構（不図示）が設けられている。

チャック２１は、軸部３０を介して回転部２４に接続されている。回転部２４は、モータ等で構成される。回転部２４は、軸部３０を介してチャック２１を回動軸２２回りに回動させる。回転部２４は、傾斜部２８によって支持される。

傾斜部２８は、図１の紙面に垂直な方向に延びる軸部材３２を有しており、軸部材３２が回転部２４に接続されている。軸部材３２は、傾斜部２８の傾斜動作により紙面に垂直方向に延びる傾斜軸２６回りに回動し、回転部２４を傾斜させる。傾斜部２８は、所定の傾斜角度範囲で回転部２４を傾斜させる。回転部２４及び傾斜部２８は、駆動装置１８の駆動出力に基づいて動作する。駆動装置１８は、制御装置２０の制御の下で回転部２４及び傾斜部２８への駆動出力を行う。

レーザ光源１６は、本実施形態の熱エネルギー供給機構を構成する。レーザ光源１６は、２軸ポジショナー１４のチャック２１に対向配置されており、ワーク１２の表面を溶融させるべく、レーザ光３４をワーク１２の加熱部分３６に照射する。本実施形態のレーザ光源１６は、不図示のロボットアーム等によって支持されており、ワーク１２の変位や表面形状に応じて加熱部分３６の位置を調整することができる。

なお、本実施形態は、レーザ光源１６に限定されるものではなく、レーザ光源１６に代えて、電子ビーム照射装置や、プラズマ発生装置、可燃性ガスの燃焼炎を発生させるガスバーナー等で構成してもよい。

制御装置２０は、駆動装置１８及びレーザ光源１６を制御することで、ワーク１２及びレーザ光源１６を駆動させる。制御装置２０は、図２に示すように、ワーク１２においてレーザ光３４が照射される加熱部分３６が位置する部分のワーク１２の表面を上向きの水平状態を維持しつつ、加熱部分３６が加工領域内の全域を通過するようにワーク１２を移動させる。

本実施形態の再溶融処理装置１０は、以上のように構成される。以下、再溶融処理装置１０を用いた再溶融処理方法について説明する。

図１に示すように、再溶融処理装置１０は、制御装置２０がワーク１２の表面形状を取得し、ワーク１２の表面形状に応じて２軸ポジショナー１４及びレーザ光源１６を駆動する。円筒の内周面１２ａを加工対象とする場合には、２軸ポジショナー１４が、ワーク１２の中心軸及び回動軸２２を水平方向に揃える。そして、図２Ａに示すように、レーザ光源１６は、内周面１２ａの中で、法線が重力方向の上向きとなり略水平となる下端部分にレーザ光３４を照射して加熱部分３６とする。加工領域において、最も低い部分を加熱部分３６とすることにより、仮に溶融部分３８の金属が流動可能な状態になったとしても、重力による流動を防ぐことができる。

その後、図１に示す制御装置２０は、回転部２４を回動軸２２回りに所定のスキャン速度で回動させる。これにより、図２Ｂに示すように、ワーク１２は中心軸回りに回動し、内周面１２ａに沿って加熱部分３６が移動する。加熱部分３６においては、ワーク１２を構成する金属の表面が加熱され、金属が溶融した溶融部分３８が所定の深さにまで形成される。図２Ａに示すように、加熱部分３６は、内周面１２ａにおいて最も低い部分となり、且つ、常に略水平に保たれる。その結果、溶融した金属は加熱部分３６から流出することなく、その場に留まる。

図２Ｂに示すように、ワーク１２の表面の溶融部分３８は、加熱部分３６の移動に伴ってワーク１２側への熱拡散によって急速に冷却され再凝固する。そして、ワーク１２の内周面１２ａに沿って、組織の微細化並びに均質化がなされた改質層３９が形成されてゆく。これにより、内周面１２ａの表面の強度が向上し、耐摩耗性が所望の値に変化する。制御装置２０は、ワーク１２において、加工領域である内周面１２ａの全域を加熱部分３６が通過すると、レーザ光源１６及び２軸ポジショナー１４の駆動を停止させる。以上により、本実施形態の再溶処理融方法が完了する。

本実施形態の再溶融処理装置１０及び再溶融処理方法は、以下の効果を奏する。

図３Ａの比較例１に示すように、ワーク１２の内周面１２ａにおいて、法線方向が下向きの部分が加熱部分３６となった場合には、重力の作用により、溶融部分３８から、金属が下方に流出し、内周面１２ａの形状の変形が増大するとともに、流出した金属が固着した部分において型崩れが生じてしまう。同様に、図３Ｂの比較例２のように、ワーク１２の内周面１２ａを重力方向に揃えた場合も、加熱部分３６からの溶融金属の流出が発生し、ワーク１２の形状変化が生じてしまう。

これに対し、本実施形態は、ワーク１２の表面を再溶融及び凝固させることで、ワーク１２の表面の材料改質を行う再溶融処理装置１０であって、ワーク１２を保持する保持機構（例えば、２軸ポジショナー１４）と、ワーク１２の表面（例えば、内周面１２ａ）の局所的な加熱部分３６に熱エネルギーを供給する熱エネルギー供給機構（例えば、レーザ光源１６）と、保持機構を駆動させて加熱部分３６をワーク１２の表面の加工領域（本実施形態では、内周面１２ａ）に沿って移動させる駆動装置１８と、を備え、駆動装置１８は、加熱部分３６の位置するワーク１２の表面を水平に維持しつつワーク１２を移動させる。

この構成によれば、加熱部分３６の位置するワーク１２の表面が水平に維持されるため、溶融した金属は、加熱部分３６の外部へ流出することなくその場に保たれ、流出した金属による変形や肩ダレを防止できる。

上記の再溶融処理装置１０において、ワーク１２は円筒状の加工面（例えば内周面１２ａ）を有しており、保持機構（例えば、２軸ポジショナー１４）は、ワーク１２を加工面（内周面１２ａ）の中心軸が水平方向に向くように保持し、熱エネルギー供給機構（レーザ光源１６）は加工面（内周面１２ａ）の重力方向の下端部に熱エネルギーを供給し、駆動装置１８はワーク１２を中心軸（回動軸２２）回りに回動させてもよい。

この構成によれば、円筒状の加工面を有するワーク１２において、溶融した金属の流出を防ぎつつ再溶融処理を行うことができる。

上記の再溶融処理装置１０であって、保持機構は２軸ポジショナー１４であってもよい。この構成によれば、ワーク１２の表面が複雑に傾斜している場合であっても、加熱部分３６が位置する表面を水平に保つことができる。

本実施形態の再溶融処理方法は、ワーク１２を保持する保持機構と、ワーク１２の表面の局所的な加熱部分３６に熱エネルギーを供給する熱エネルギー供給機構と、保持機構を駆動させて加熱部分３６をワーク１２の表面の加工領域に沿って移動させる駆動装置１８と、を備え、ワーク１２の表面を局所的に再溶融及び凝固させることで、ワーク１２の表面の材料改質を行う再溶融処理装置１０を用いた再溶融処理方法であって、駆動装置１８は、加熱部分３６の位置するワーク１２の表面（例えば、内周面１２ａ）の法線方向が重力方向の上方を向くように維持しつつワーク１２を移動させる。

上記の再溶融処理方法によれば、ワーク１２の表面の加熱部分３６からの溶融金属の流出を防ぎつつ、再溶融処理を行うことができる。

（第２実施形態）
図４に示すように、本実施形態のワーク１２Ａはシリンダーヘッド４０である。シリンダーヘッド４０には、燃焼室４２を構成する凹部４４が形成されている。シリンダーヘッド４０の燃焼室４２は、エンジン内での燃料の燃焼に伴う高温排熱の影響を受けて高温になるため、熱疲労強度の向上が求められている。そこで、本実施形態では、図１に示す再溶融処理装置１０を用いて、シリンダーヘッド４０の燃焼室４２への再溶融処理が行われる。

燃焼室４２を構成する凹部４４は、図４の紙面奥側に向けて凹んだペントルーフ形状となっており、中央の稜線部４６を挟んで左右に異なる角度で傾斜した第１傾斜面４８ａ及び第２傾斜面４８ｂとが形成されている。第１傾斜面４８ａには、２つの吸気ポート５０が稜線部４６の延在方向に並んで設けられている。また、第２傾斜面４８ｂには、２つの排気ポート５２が稜線部４６の延在方向に並んで設けられている。

ワーク１２Ａへの再溶融処理は、斜線を付して示す加熱部分３６を燃焼室４２の中心部４２ａ周りに回転移動させながら中心部４２ａから外周側へと移動させてゆくことで行われる。なお、加熱部分３６は、外周側から中心部４２ａへ移動させてもよい。

図５の比較例３のように、従来の再溶融処理では、シリンダーヘッド４０を固定し、レーザ光３４を照射する加熱部分３６を移動させてゆく。この場合には、第１傾斜面４８ａ及び第２傾斜面４８ｂの傾斜によって、溶融した金属が稜線部４６に向けて流れ落ちてしまい、燃焼室４２の形状が変化してしまう。

そこで、図６に示すように、本実施形態では、図４のシリンダーヘッド４０に対して再溶融処理装置１０を用いて燃焼室４２への再溶融処理を行う。図６に示す再溶融処理装置１０の各部の構成は、図１に示す再溶融処理装置１０と基本的に同じである。図６において、図１と同様の構成については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。

ワーク１２Ａ（シリンダーヘッド４０）は、チャック２１の主面２１ａの上に固定される。このとき、ワーク１２Ａは、燃焼室４２の中心部４２ａがチャック２１の回動軸２２と一致するようにチャック２１に固定される。

再溶融処理装置１０は、２軸ポジショナー１４及びレーザ光源１６を駆動させて燃焼室４２への再溶融処理を行う。２軸ポジショナー１４の回転部２４を回動させて、ワーク１２Ａを回動軸２２回りに回動させる。また、レーザ光源１６からレーザ光３４を加熱部分３６に向けて照射する。

駆動装置１８は、制御装置２０の制御の下で、加熱部分３６が位置する部分のワーク１２Ａの表面の法線が重力方向の上方を向くように、すなわち水平となるように、傾斜部２８を駆動させる。例えば、加熱部分３６が第１傾斜面４８ａを通過している間は、駆動装置１８は、第１傾斜面４８ａが水平となるように、傾斜部２８の傾斜角度を調整する。また、加熱部分３６が第２傾斜面４８ｂを通過している間は、駆動装置１８は、第２傾斜面４８ｂが水平となるように、傾斜部２８の傾斜角度を調整する。

したがって、加熱部分３６が位置するワーク１２Ａの表面は、常に水平に維持され、加熱部分３６の溶融部分３８からの溶融金属の流出を防止できる。このように、２軸ポジショナー１４によれば、ワーク１２Ａが異なる向きに傾斜した複数の傾斜面４８ａ、４８ｂを有している場合であっても、加熱部分３６の位置する表面を水平に保つことができる。

上記のように、再溶融処理装置１０は、ワーク１２Ａが異なる方向に傾斜した複数の傾斜面４８ａ、４８ｂを有しており、駆動装置１８は加熱部分３６が位置する傾斜面４８ａ、４８ｂが水平となるように保持機構（例えば、２軸ポジショナー１４）を駆動させる。この構成によれば、ワーク１２Ａの加熱部分３６の位置する表面を水平に保つことができる。

（第３実施形態）
以下、本実施形態では、肉厚が異なるワーク１２Ｂに対して、改質層３９の深さを均一にできる再溶融処理装置１０Ａ及び再溶融処理方法について説明する。実施形態の説明に先立って、比較例４について説明する。

図７に示すように、比較例４に係るワーク１２Ｂは、肉厚が異なる部分が含まれている。ワーク１２Ｂに対して再溶融処理を行うと、ワーク１２Ｂの肉厚部分では改質層３９が浅くなる一方で、ワーク１２Ｂの肉薄部分では改質層３９が深く形成され、場所によって改質層３９の深さが異なってしまう。

そこで、実験例において、図８Ａに示す矩形状の照射スポット形状３４ａを有するレーザ光３４を用い、スキャン速度と、加熱部分３６の表面温度とを変えながら、図８Ｂに示すように平板状のサンプル５４に対して照射して改質層３９を形成して改質層３９の深さの変化を調べた。なお、サンプル５４としては、幅及び長さがそれぞれ１００ｍｍで厚さが２０ｍｍのアルミニウム合金板を用いた。

実験例では、スキャン速度と表面温度とを変化させて改質層３９の深さを調べた。送り速度は、サンプル５４への入熱量に影響し、スキャン速度が遅くなるほど、改質層３９の単位面積あたりの入熱量が増大するため、改質層３９の深さに影響が有るものと考えられる。本実験例では、スキャン速度を０．５ｍｍ／秒～０．９ｍｍ／秒の範囲で変化させた。また、加熱部分３６の表面温度は、放射温度計５６で計測しながら、レーザ光源１６の出力値を表面温度が一定となるように制御した。本実験例では、表面温度は８００℃～９００℃の範囲で変化させた。

図９に示すように、予想に反して、送り速度の変化（図の横軸）に対して、改質層３９の深さの変化（図の縦軸）は僅かであった。これに対し、表面温度の変化（図の奥行き方向の軸）によって改質層３９の深さが大きく変化することが明らかとなった。

上記の実験例の結果を踏まえ、図１０に示すように、本実施形態の再溶融処理装置１０Ａでは、図１の再溶融処理装置１０に対して放射温度計５６と出力調整装置５８とが追加されている。なお、再溶融処理装置１０Ａにおいて、再溶融処理装置１０と同様の構成については、同一符号を付してその詳細な説明は省略する。

放射温度計５６は、レーザ光源１６に取り付けられており、加熱部分３６の表面温度の計測を行う。出力調整装置５８は、放射温度計５６及びレーザ光源１６に接続されている。出力調整装置５８は、放射温度計５６の検出結果に応じて、レーザ光源１６の出力の調整を行う。放射温度計５６が検出した加熱部分３６の表面温度が予め設定された温度よりも高い場合には、出力調整装置５８はレーザ光源１６の出力値を低下させる。また、放射温度計５６が検出した加熱部分３６の表面温度が予め設定された温度よりも低い場合には、出力調整装置５８はレーザ光源１６の出力値を増大させる。出力調整装置５８のレーザ光源１６の出力値の調整により、加熱部分３６の温度を一定に保った状態を維持しつつ、再溶融処理を行うことができる。

以上のように、本実施形態の再溶融処理装置１０Ａは、加熱部分３６の温度を計測する温度センサ（例えば、放射温度計５６）と、加熱部分３６の温度を一定に保つように熱エネルギー供給機構（例えば、レーザ光源１６）の熱エネルギーの供給量を制御する出力調整装置５８と、を備える。

図１１に示すように、本実施形態の再溶融処理装置１０Ａによれば、ワーク１２Ｂのように厚さが場所によって異なっていても、改質層３９の深さを均一に保つことができる。

上記において、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。

１０、１０Ａ…再溶融処理装置１２、１２Ａ、１２Ｂ…ワーク
１４…２軸ポジショナー１６…レーザ光源
１８…駆動装置２０…制御装置
３６…加熱部分３８…溶融部分
３９…改質層４８ａ、４８ｂ…傾斜面
５６…放射温度計５８…出力調整装置

Claims

ワークの表面を再溶融及び凝固させることで、前記ワークの表面の材料改質を行う再溶融処理装置であって、
前記ワークを保持する保持機構と、
前記ワークの表面の局所的な加熱部分に熱エネルギーを供給する熱エネルギー供給機構と、
前記保持機構を駆動させて前記加熱部分を前記ワークの表面の加工領域に沿って移動させる駆動装置と、を備え、
前記駆動装置は、前記加熱部分の位置する前記ワークの表面を水平に維持しつつ前記ワークを移動させる、再溶融処理装置。
請求項１記載の再溶融処理装置であって、前記ワークは円筒状の加工面を有しており、前記保持機構は、前記ワークを前記加工面の中心軸が水平方向に向くように保持し、前記熱エネルギー供給機構は前記加工面の重力方向の下端部に熱エネルギーを供給し、前記駆動装置は前記ワークを前記中心軸を中心に回転させる、再溶融処理装置。
請求項１記載の再溶融処理装置であって、前記ワークは異なる方向に傾斜した複数の傾斜面を有しており、前記駆動装置は前記加熱部分が位置する前記傾斜面が水平となるように前記保持機構を駆動させる、再溶融処理装置。
請求項１～３のいずれか１項に記載の再溶融処理装置であって、さらに、
前記加熱部分の温度を計測する温度センサと、
前記加熱部分の温度を一定に保つように前記熱エネルギー供給機構の熱エネルギーの供給量を制御する出力調整装置と、
を備える、再溶融処理装置。
請求項１～４のいずれか１項に記載の再溶融処理装置であって、前記保持機構は２軸ポジショナーである、再溶融処理装置。
ワークを保持する保持機構と、前記ワークの表面の局所的な加熱部分に熱エネルギーを供給する熱エネルギー供給機構と、前記保持機構を駆動させて前記加熱部分を前記ワークの表面の加工領域に沿って移動させる駆動装置と、を備え、前記ワークの表面を再溶融及び凝固させることで、前記ワークの表面の材料改質を行う再溶融処理装置を用いた再溶融処理方法であって、
前記駆動装置は、前記加熱部分の位置する前記ワークの表面を水平に維持しつつ前記ワークを移動させる、再溶融処理方法。