JP2823362B2 - レーザ肉盛装置 - Google Patents

レーザ肉盛装置

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JP2823362B2
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啓三 本多
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】〔発明の目的〕
【0002】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ加工ヘッドから
被加工物に照射されるレーザ光によって、被加工物に肉
盛部を形成するようにしたレーザ肉盛装置に関する。
【0003】
【従来の技術】一般に基材表面を改質するために、上記
基材表面に他の金属材料を肉盛加工することが広く実施
されている。近年では、肉盛加工の熱源としてレーザ光
を利用するレーザ肉盛装置が多用されている。
【0004】このレーザ肉盛装置の一般例を説明する
と、図4に示されているように、レーザ発振器1から発
振せしめられたレーザ光2は、ミラー3にて所定の方向
に反射・偏向された後、集光レンズ4で集束され被加工
物としての基材5に照射される。一方、この基材5のレ
ーザ照射部に対して、肉盛供給機6から供給ノズル6a
を通して粉状の肉盛材料7が供給される。供給された肉
盛材料7は、上記照射レーザ光によって溶融され、溶融
プール8がレーザ照射部に形成されつつ肉盛層9が得ら
れるようになっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来のレーザ肉盛装置
においては、以下のような問題がある。
【0006】まず基材5に照射されたレーザ光は、基材
5の表面で全て吸収されることはなく一定光量は周囲に
反射していき、その散乱光によって周囲に熱損傷を与え
ることがある。従来のレーザ肉盛装置では、レーザ照射
部の回りに耐熱性材料からなる囲いを設置し、作業者へ
の安全を確保するとともに、火災の危険を回避すべく周
辺機器に耐火材を装備している。
【0007】さらに上記基材5からの反射光が、粉材料
供給ノズル6aの先端部分を加熱して昇温させることが
あり、そのため粉材料供給ノズル6aに目詰りを生じさ
せるおそれがある。すなわち肉盛材料7の溶融の観点か
らすれば、粉材料供給ノズル6aの先端部を、図4に示
されているように、肉盛進行方向(図4右方向)の前方
側に配置することが好ましい。このように粉材料供給ノ
ズル6aの先端部を肉盛進行方向の前方側に配置する場
合には、少なくとも溶融プール8の前方領域に肉盛材料
7が落下堆積させることができ、その後のレーザ光の進
行によって肉盛層になすことができる。
【0008】ところが図5に示されているように、レー
ザ光の反射も、肉盛進行方向前方側に向かって多く行な
われることが判明した。これは、溶融プール8の表面が
肉盛進行方向の前方側に傾いていると考えられる。
【0009】レーザ反射光による目詰りを回避すべく、
粉材料供給ノズル6aを肉盛進行方向以外の位置に配置
して施工試験を実施してみたが、溶融プール8以外の領
域に肉盛材料7が多く供給されてしまい、それらが肉盛
層の形成に寄与しなくなって歩留まりの低下を生じた。
【0010】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、レーザ肉盛施工時に発生する目詰りを防止
し、長時間施工時においても安定した粉末供給を行なう
ことができるとともに、反射レーザ光による周辺機器や
作業者への熱的影響あるいは熱損傷を防止することがで
きるようにした安全性および信頼性の高いレーザ肉盛装
置を提供することを目的とする。 〔発明の構成〕
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明に係るレーザ肉盛
装置は、上述した課題を解決するために、レーザ発振器
から発振されるレーザ光を集束してレーザ加工ヘッドか
ら被加工物に照射するとともに、肉盛材料を上記被加工
物のレーザ照射部に供給して肉盛部を形成するようにし
たレーザ肉盛装置において、前記レーザ加工ヘッドは、
被加工物に照射されるレーザ光の光軸方向に肉盛材料を
供給する材料供給口と、上記被加工物から反射光を受け
て遮光を行なう受光面と、前記材料供給口と前記受光面
との間に設けられた冷却手段とを備えたものである。
【0012】
【作用】このレーザ肉盛装置は、レーザ加工ヘッドに
は、被加工物に照射されるレーザ光の光軸方向に肉盛材
料を供給する材料供給口と、上記被加工物からの反射光
を受けて遮光を行なう受光面と、前記材料供給口と前記
受光面との間に設けられた冷却手段とが備えられてお
り、肉盛材料が溶融プールに対して直接的に供給される
とともに、溶融プールからの反射光がレーザ加工ヘッド
の受光面に当てられて周囲へのレーザ光の散乱が阻止さ
れるようになっている。
【0013】
【実施例】以下、本発明に係るレーザ肉盛装置の一実施
例について添付図面を参照して詳細に説明する。
【0014】図1に示されているように、レーザ発振器
10から発振せしめられたレーザ光11は、ミラー12
にて所定の方向に反射・偏向され、レーザ加工ヘッド1
3内で集束されて被加工物としての基材Mに照射され
る。レーザ加工ヘッド13には、多数の口出し部が設け
られており、両側面に設けられた一対の口出し部14,
14には肉盛粉末供給装置15,15がそれぞれ接続さ
れるとともに、レーザ加工ヘッド13の上部側に設けら
れた口出し部16にはレンズ保護ガス供給装置17が接
続され、また一側下部面に設けられた口出し部18には
シールドガス供給装置19が接続され、さらに他側下部
面に設けられた一対の口出し部20,20には冷却水循
環装置21が接続されている。
【0015】図2にはレーザ加工ヘッド13の内部構造
を示している。まずこのレーザ加工ヘッド13を構成す
るハウジング23の上部には、レーザ光を導入するため
の開口24が設けられており、この開口24の近傍に集
光レンズ25が取り付けられている。集光レンズ25の
直下の空間部分は、集光束の外側線に沿ったコーン形状
の空洞26に形成されており、このコーン状空洞26
が、通路27および上記口出し部16を介してレンズ保
護ガス供給装置17に連通されている。また上記コーン
状空洞26の下端部分に集光束の焦点Sが形成され、か
つその焦点Sの直下に出射口28が基材Mに向かって開
口される。
【0016】またコーン状空洞26の外側には、肉盛粉
末供給装置が接続された口出し部14,14から延びて
上記出射口に開口される材料供給口を備えた粉状の肉盛
材料供給通路29が設けられている。肉盛材料は粒状で
あってもよい。
【0017】さらに、肉盛材料供給通路29の外側に
は、冷却手段を備えた横断面三角形状の水室30が環状
に形成されており、この水室30に対して、上記口出し
部20,20を介して冷却水循環装置21が循環系を構
成するように接続されている。さらに上記水室30の外
側には、横断面四角形状のガス室31が環状に形成され
ており、このガス室31に対して、上記口出し部18を
介してシールドガス供給装置19が接続されている。ガ
ス室31からは、光軸下方に向かってガス通路32が延
びており、レーザ加工ヘッド13を構成するハウジング
23の底面23aに開口している。
【0018】さらにまた、上記ハウジング23の底面2
3aは、基材Mからの反射光を受ける受光面として形成
されており、基材Mからの反射光すなわち溶融プール3
3にて反射されたレーザ反射光35の光束を全て遮光す
る面積を備えるように形成されている。レーザ反射光3
5を遮光する受光面23aと肉盛材料供給通路29との
間に図2に示すように冷却手段としての水室30が配設
されている。
【0019】このような実施例装置によってレーザ肉盛
層を形成するには、まず事前準備として、冷却水循環装
置21を作動させてレーザ加工ヘッド13内を十分に冷
却し、冷却水の循環を継続させておく。つぎに、シール
ドガス供給装置19から、大気によるコンタミネーショ
ンを防止するためのシールドガス(例えばアルゴンガ
ス)を送給する。本実施例装置では、上記ガス供給量を
10ないし40リットル/分に設定している。さらにレ
ンズ保護ガス供給装置17から、例えばアルゴンガス等
の不活性ガスを、ガス供給量5ないし40リットル/分
の割合で送給する。
【0020】このような事前準備の後、レーザ発振器1
0から例えば4ないし10KWのレーザ光11を発振・
放出させ、集光レンズ25を通して集束されたレーザ光
を、ビーム径4ないし20mmとなるように被加工物とし
ての基材Mに照射する。またこれと同時に肉盛粉末供給
装置15,15から、例えば10ないし100g/分の
割合で粉状の肉盛材料36を供給しつつ、レーザ肉盛装
置の全体を、例えば10ないし1500mm/分の速度で
図示右側に移動させる。基材Mおよび粉状肉盛材料36
は、レーザ光の照射を受けて昇温され、粉状肉盛材料3
6が溶融して基材Mの上に所定の肉盛槽が形成されてい
く。
【0021】このとき粉状肉盛材料36は、溶融プール
33に対して直接的に供給されるため、材料の無駄はほ
とんど生じることがない。また溶融プール33からの反
射光は、レーザ加工ヘッド13の遮光面(受光面)23
aに当てられる。上記遮光面23aは冷却手段で十分に
冷却されているため、周囲環境への熱的影響および熱損
傷が回避されるとともに、レーザの光軸方向に供給され
る粉状肉盛材料36は、レーザ反射光35の影響を受け
ることがなく、しかも溶融プール33へ落下する直前か
らレーザ光による加熱を受けて余熱されるので、溶融プ
ール33に対して良好ななじみ性を有することとなり、
肉盛層の形成が良好に行なわれる。
【0022】この実施例におけるように、粉状肉盛材料
の供給位置を進行方向の前後に設定する必要はなく、例
えば左右の位置から供給を行なうようにしても良い。ま
た、肉盛粉末供給装置15は、単体あるいは3体以上に
わたって設置することも可能であり、多く設けるほど粉
状肉盛材料の供給は安定的かつ大量に供給することがで
きる。
【0023】また、図3に示されているように、基材M
が例えばドラム状をなし、被加工面が曲面をなす場合で
あっても、レーザ加工ヘッド13の遮光面23a等の寸
法を適正化することによって上記実施例と同様に反射光
の散乱を防止することができる。この場合、肉盛材料を
レーザ光軸方向に供給するので、被加工面の曲率が極小
さい場合であっても肉盛を良好に形成することができ
る。
【0024】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、簡易
な構成で、長時間施工時においても、肉盛材料を目詰り
なく安定的に供給することができ、かつ反射レーザ光は
レーザ加工ヘッドの受光面で遮光され、しかも受光面は
冷却手段で充分に冷却されているので、周囲環境への熱
的影響あるいは熱損傷を良好に回避することができ、さ
らに、レーザ光軸方向に供給される肉盛材料はレーザ反
射光の影響を受けることが少なく、しかも溶融プールへ
落下する直前からレーザ光による加熱作用を受けて余熱
されるので、溶融プールに対して良好ななじみ性をし、
肉盛層の形成が良好となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るレーザ肉盛装置の一実施例を表わ
した原理的な説明図。
【図2】図1に表わされたレーザ肉盛装置に用いられる
レーザ加工ヘッドの詳細を表わした縦断面説明図。
【図3】他の被加工物に肉盛を施すようにした場合の原
理的な外観斜視図。
【図4】従来におけるレーザ肉盛装置を表わした原理的
な断面図。
【図5】従来のレーザ肉盛装置におけるレーザ照射部を
拡大して表わした原理的な断面図。
【符号の説明】
10 レーザ発振装置 11 レーザ光 12 ミラ 13 レーザ加工ヘッド 15 肉盛粉末供給装置 17 レンズ保護ガス供給装置 19 シールドガス供給装置 21 冷却水循環装置 23a 遮光面(受光面) 29 肉盛材料供給口 35 レーザ反射光 36 肉盛材料 M 基材
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) B23K 26/00 - 26/06

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザ発振器から発振されるレーザ光を
    集束してレーザ加工ヘッドから被加工物に照射するとと
    もに、肉盛材料を上記被加工物のレーザ照射部に供給し
    て肉盛部を形成するようにしたレーザ肉盛装置におい
    て、前記レーザ加工ヘッドは、被加工物に照射されるレ
    ーザ光の光軸方向に肉盛材料を供給する材料供給口と、
    上記被加工物からの反射光を受けて遮光を行なう受光面
    と、前記材料供給口と前記受光面との間に設けられた冷
    却手段とを備えていることを特徴とするレーザ肉盛装
    置。
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