JP3173705B2

JP3173705B2 - 肉盛方法

Info

Publication number: JP3173705B2
Application number: JP31677794A
Authority: JP
Inventors: 彰生佐藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-12-20
Filing date: 1994-12-20
Publication date: 2001-06-04
Anticipated expiration: 2016-06-04
Also published as: JPH08174245A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高エネルギー熱源を用
いる肉盛方法に関する。本発明の肉盛方法は、例えば自
動車エンジン用のバルブシートの表面を耐摩耗合金処理
する際に好適に利用することができる。

【０００２】

【従来の技術】従来、母材の表面加工処理として、耐摩
耗性、耐熱性、耐食性等を向上させる目的で、これらの
特性に優れた材料をアルミニウム系等の母材表面に肉盛
する技術が利用されている。例えば、特開平２−２４６
３７号公報には、アルミニウム系母材へ耐熱性、耐摩耗
性、耐食性等に優れた銅系肉盛合金材料をレーザービー
ムを照射することにより肉盛する技術が開示されてい
る。この肉盛方法は、アルミニウム系母材の肉盛位置に
銅系肉盛合金粉末を供給し、母材を加工進行方向に移動
させながら、母材に供給された銅系肉盛合金粉末にレー
ザービームを加工進行方向と垂直な方向にオシレート
（往復動）しつつ照射するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、高エネルギ
ー熱源が照射された肉盛材は溶融して母材上に溶着する
わけだが、母材面が水平でない場合、溶融した肉盛材は
重力により低い方へ垂れ下がる。ここで、従来方法のよ
うに加工される肉盛層の長手方向に対して垂直な方向
（肉盛層の幅方向）に高エネルギー熱源をオシレートさ
せた場合、肉盛層の幅方向において肉盛材はほぼ同時期
に照射されて溶融し、凝固する。このため、上記従来方
法で水平でない母材面に肉盛した場合、溶融した肉盛材
は母材上を低い方に多く偏在してしまい、必要形状の肉
盛層を得ることが困難であった。

【０００４】この場合、肉盛層を形成する母材面が水平
となるように母材を傾けた状態で、該母材面に肉盛材料
を供給して高エネルギー熱源を照射させる方法も考えら
れるが、母材が自動車エンジン用のシリンダヘッドのよ
うに大型部品の場合は、母材面が水平となるように母材
を正確に傾けること、及び母材を傾けながら加工進行方
向に移動させることは極めて困難である。

【０００５】本発明は上記実情に鑑みてなされたもので
あり、肉盛層の幅方向の厚さを調整可能として、肉盛層
の幅方向において母材表面が水平でない場合でも必要形
状の肉盛層を得ることのできる肉盛方法を提供すること
を解決すべき技術課題とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の肉盛方法は、母材面に肉盛材を供給するとともに該
母材面に対して加工進行方向に相対移動する高エネルギ
ー熱源を該肉盛材に照射して、該加工進行方向を長手方
向として延びる肉盛層を該母材面上に形成する肉盛方法
において、上記母材面が、上記長手方向に垂直な幅方向
において高低差のある傾斜面であり、上記高エネルギー
熱源として、該幅方向のうち該母材面の高い側が低い側
よりも先に照射されるように上記長手方向に対して斜め
の方向にオシレートするオシレートビームを用いること
により、該幅方向のうち該母材面の高い側に低い側より
も先に上記肉盛層を形成することを特徴とするものであ
る。好適な態様において、前記オシレートビームは、前
記肉盛層の前記長手方向に垂直な幅方向に対するオシレ
ート角度が５〜６０度である。好適な態様において、前
記母材はシリンダヘッドのバルブシート部又はバルブフ
ェース部である。

【０００７】

【作用】母材上に供給された肉盛材に高エネルギー熱源
を照射する際、従来の肉盛方法のように、加工される肉
盛層の長手方向（加工進行方向）に対して垂直な方向に
高エネルギー熱源をオシレートさせた場合は、加工され
る肉盛層の幅方向（加工進行方向に対して垂直な方向）
において照射時期がほぼ同一となる。これに対し、本発
明の肉盛方法は、加工進行方向に対して斜めの方向にオ
シレート（往復振動）するオシレートビームを高エネル
ギー熱源として用いて加工進行方向に対して斜めに高エ
ネルギー熱源をオシレートさせるので、加工される肉盛
層の幅方向において照射時期に時間差が生まれる。例え
ば、加工進行方向を前後方向とし、この加工進行方向と
垂直な左右方向に対して時計回りに角度θだけ傾いた方
向に高エネルギー熱源をオシレートさせた場合、肉盛層
の幅方向のうち左側の部分は右側の部分より先に照射さ
れることとなる。

【０００８】ここで、加工進行方向に対して斜めの方向
にオシレートするオシレートビームを用いて、水平でな
い母材面に肉盛する場合を考える。例えば上記肉盛層の
幅方向のうち左側の部分が高く右側の部分が低くなるよ
うに傾いた母材面に肉盛する場合、上記例のように加工
進行方向と垂直な左右方向に対して時計回りに角度θだ
け傾いた方向に高エネルギー熱源をオシレートさせる
と、肉盛層の幅方向のうち左側の部分は右側の部分より
先に照射される。このとき、加工進行方向に対して先行
する左側のオシレート端は常に初期温度の母材に照射さ
れるが、右側のオシレート端は先行のオシレート入熱の
後を追いかけるため、加工進行方向に対し垂直な断面で
母材の入熱分布をみた場合、右側の方が入熱が大きくな
る。したがって、母材面が高い左側は、右側に比べて温
度上昇が少なくなり、右側より速く凝固を開始する。ま
た、溶融プールはオシレート入熱に沿って形成されるた
め、加工進行方向に対し垂直な断面で凝固の様子を観察
すると、まず左側が凝固し遅れて右側が凝固する。この
ため、母材面が高い左側は、溶融プールができてすぐに
凝固することになり、重力方向にひっぱられる影響が小
さくなる。このように、母材面が高い左側での溶着が改
善され、母材面が傾いている場合でも、必要形状の肉盛
層を得ることが可能となる。

【０００９】

【実施例】以下、実施例により具体的に説明する。（実施例１）図１に模式的に示すように本実施例は、ア
ルミニウム合金（ＪＩＳ規格のＡＣ２Ｂ、ＡＣ４Ｃなど
のアルミ合金鋳物）よりなる自動車エンジン用シリンダ
ヘッド１のポート１ａの周囲のバルブシート部２に高エ
ネルギー熱源を用いて肉盛するものである。なお、肉盛
材Ｍとしては、アルミニウム系母材との溶着性に優れる
Ｃｕ基自溶性合金（組成：Ｃｕ−１６Ｎｉ−８Ｃｏ−７
Ｍｏ−６Ｆｅ−１．５Ｃｒ−３Ｓｉ）を用いる。

【００１０】本実施例に係る装置は、図示しないレーザ
発生装置から照射されるレーザービームＬを収束させる
凸レンズ３と、凸レンズ３を通ったレーザービームＬを
処理面に向かって反射させるオシレートミラー４と、オ
シレートミラー４により反射されるレーザービームＬが
所定の方向に一定幅でオシレート（往復振動）するよう
にオシレートミラー４を操作するガルバノモータ５と、
処理面に肉盛材Ｍを供給する肉盛材供給装置６と、処理
面にシールドガス（アルゴンガス）を供給するシールド
ガス供給装置７とを備えている。なお、シリンダヘッド
１は、図示しない回転テーブルにより、バルブシート部
２を水平に維持しつつ回転駆動可能とされている。

【００１１】シリンダヘッド１のポート１ａ付近の部分
拡大断面図を図２に示す。シリンダヘッド１のポート１
ａ付近には、内周側凸壁部１１及び外周側凸壁部１２が
設けられ、両凸壁部１１及び１２間に溝部１３が形成さ
れている。溝部１３の内壁面は、内周側から順に、粉末
受け面１３ａ、肉盛層形状制御面１３ｂ、肉盛層形成面
１３ｃ、ビーム逃がし面１３ｄとされている。なお、粉
末受け面１３ａ及びビーム逃がし面１３ｄはそれぞれ水
平面から７５度の角度で仰傾しており、肉盛層形状制御
面１３ｂ及び肉盛層形成面１３ｃはそれぞれ水平面から
４５度の角度で仰傾している。また、粉末受け面１３ａ
及びビーム逃がし面１３ｄの幅はそれぞれ２．９ｍｍで
あり、肉盛層形状制御面１３ｂ及び肉盛層形成面１３ｃ
の幅はそれぞれ２．６ｍｍである。

【００１２】上記装置を用いて、以下の条件で、シリン
ダヘッド１を回転させながら肉盛層形成面１３ｃの長手
方向（周方向）に順にＣｕ基自溶性合金よりなる肉盛材
Ｍを肉盛して肉盛層８を形成した。なお、オシレート角
度θとは、バルブシート部２の斜視図を図３に模式的に
示すように、形成する肉盛層の長手方向（加工進行方
向）と垂直な肉盛層の幅方向に対するオシレート方向の
角度を示す。本実施例では、肉盛層の長手方向（加工進
行方向）と垂直な肉盛層の幅方向に対して反時計回りに
角度θ傾けた方向がオシレート方向である。また、ビー
ム照射位置Ａとは、図２に示すように、ビーム逃がし面
１３ｄの最上端部をオシレートビーム基準位置とした場
合、この基準位置から実際のオシレートビーム位置まで
の移動量を示す。また、加工部の回転直径とは、オシレ
ートビーム位置の中心とポート１ａの中心との距離の２
倍の値を示す。

【００１３】オシレート振幅：４．５ｍｍオシレート角度θ ：４５度ビーム照射位置Ａ：０．５ｍｍ加工部の回転直径：３０．５ｍｍエネルギー熱源：ＣＯ₂レーザ低時マルチモード出力：３．５ｋＷ（加工点での実出
力）加工部での回転速度：１３００ｍｍ／ｍｉｎシールドガス供給量：２０Ｌ／ｍｉｎ（比較例１）オシレート角度θを０度、すなわち形成さ
れる肉盛層の長手方向（加工進行方向）に対して垂直な
方向（半径方向）にオシレートすること、及び出力が
３．０ｋＷであること以外は、上記実施例１と同様にし
て肉盛した。

【００１４】（評価）上記実施例１及び比較例１で得ら
れた肉盛層８の形状を評価した結果を表１に示す。な
お、肉盛層８の傾斜角度Ｂとは、図２に示すように、肉
盛層８の両側の窪んだ部分の底を結んだ線と水平面との
なす角度を示す。また、寸法Ｃは、図２に点線で示すバ
ルブシート部２の仕上げ形状面と肉盛層８表面とが最も
接近する部分の距離を示す。

【００１５】

【表１】また、実施例１及び比較例１で得られた肉盛層８の切断
面の実体写真を図４（ａ）及び図４（ｂ）にそれぞれ示
す。なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）中、黒い線はバル
ブシート部２の仕上げ形状面を示す。

【００１６】これらの結果から明らかなように、オシレ
ート角度θを４５度とした本実施例１に係る肉盛層は、
オシレート角度θを０度とした比較例１に係る肉盛層と
比べて、水平面に対してより傾斜した形状となり、傾斜
角度Ｂ及び寸法Ｃともに大きかった。このような効果が
得られた理由は、以下のように考えられる。図５（ａ）
に示すように、オシレート角度θを０度とした比較例１
では、母材としてのシリンダヘッド１に与えられる入熱
分布は左右対称で、そのときの溶融プール及び凝固開始
面も加工進行方向にに対し対称形をなす。したがって、
加工進行方向と垂直な断面で凝固の様子をみると、ほぼ
全体が同時に凝固し始めるため、母材面の高い外側の端
では重力の影響で下向きに溶融プールが崩れ、結果とし
て外端に溶着できなくなる。これに対し、図５（ｂ）に
示すように、オシレート角度θを４５度とした実施例１
では、入熱分布が非対称となり、母材面の低い内側への
入熱が増加する。すなわち、加工進行方向に対し先行す
る外側のオシレート端は常に初期温度の母材に照射され
るが、母材面の低い内側のオシレート端は先行のオシレ
ート入熱の後を追いかけるため、加工進行方向に対し垂
直な断面で母材の入熱分布をみた場合、内側の方が入熱
が大きくなる。したがって、母材面が高い外側は、右側
に比べて温度上昇が少なくなり、右側より速く凝固を開
始する。また、溶融プールはオシレート入熱に沿って形
成されるため、加工進行方向に対し垂直な断面で凝固の
様子を観察すると、まず母材面の高い外側が先に凝固し
遅れて内側が凝固する。このため、母材面が高い外側は
溶融プールができてすぐに凝固することになり、重力方
向にひっぱられる影響が小さくなる。したがって、外端
での溶着位置は溶融プールの外端とほぼ同じ位置とな
る。このように、母材面が高い外側での溶着が改善さ
れ、母材面が傾いている場合でも、必要形状の肉盛層を
得ることが可能となる。

【００１７】（オシレート角度θと肉盛層の傾斜角度Ｂ
との関係）また、上記実施例１において、オシレート角
度θを０〜５０度の範囲で種々変更して、形成される肉
盛層８の傾斜角度Ｂを調べた。その結果を図６に示す。
図６から明らかなように、オシレート角度θを大きくす
るほど傾斜角度Ｂも大きくなり、オシレート角度θ＝０
度に対して、θ＞５度では肉盛層８の傾斜角度Ｂが３０
％以上向上した。なお、オシレート角度θが６０度を越
えると、その効果が飽和し、オシレート角の効果はなく
なる。これより、オシレート角度θは５〜６０度とする
ことが好ましく、５〜４５度とすることがより好まし
い。

【００１８】（実施例２）図７に示すように、上記溝部
１３の肉盛層形状制御面１３ｂを水平としてこの肉盛層
形状制御面１３ｂの幅を１．９ｍｍ、粉末受け面１３ａ
の幅を４．８ｍｍとし、かつ、ビーム照射位置Ａを０．
２８ｍｍとすること以外は上記実施例１と同様に肉盛し
た。

【００１９】（評価）上記実施例２で得られた肉盛層８
の形状を評価した結果、バルブシート部２の仕上げ形状
面と肉盛層８表面とが最も接近する部分の距離である寸
法Ｃは０．３ｍｍであった。また、得られた肉盛層８の
切断面の実体写真を図８に示す。なお、図８中、黒い線
はバルブシート部２の仕上げ形状面を示す。

【００２０】これらの結果から、肉盛層形状制御面１３
ｂの水平面からの角度（仰角）Ｄ（図２参照）を４５度
とした上記実施例１と比較すれば若干肉盛層８の形状が
劣るが、オシレート角度θを０度とした比較例１に係る
肉盛層と比べて、水平面に対してより傾斜した形状とな
り、寸法Ｃも大きかった。（ビーム照射位置Ａと肉盛層の寸法Ｃとの関係）また、
上記実施例１及び実施例２において、ビーム照射位置Ａ
を０〜１．０ｍｍの範囲で種々変更して、形成される肉
盛層８について寸法Ｃを測定した。その結果を図９に示
す。なお、図９中、実線が実施例１の測定結果を示し、
点線が実施例２の測定結果を示す。

【００２１】図９から明らかなように、肉盛層形状制御
面１３ｂの水平面からの角度Ｄを０度とした実施例２に
おいては、肉盛形状が内外ともに不安定な溶着状態とな
るため、ビーム照射位置Ａが０．２８〜０．３８ｍｍの
範囲であれば寸法Ｃを０．２ｍｍ以上とすることがで
き、ビーム照射位置Ａのズレ裕度範囲は±０．０５ｍｍ
であった。これに対し、肉盛層形状制御面１３ｂの水平
面からの角度Ｄを４５度とした実施例１においては、寸
法Ｃが０．２ｍｍ以上を確保できるビーム照射位置Ａの
範囲が０．２８〜０．８３ｍｍと広く、ビーム照射位置
Ａのズレ裕度範囲は約±０．３ｍｍであった。これは、
肉盛層形状制御面１３ｂが水平面に対して仰傾している
ことにより、肉盛層８の形状制御効果が発揮されたため
である。なお、実際の加工では、ビーム照射位置Ａのズ
レが±０．２５ｍｍ程度が要求されるため、肉盛層形状
制御面１３ｂを水平面に対して仰傾させることは有効で
あることがわかる。

【００２２】このような効果が得られる理由は以下のよ
うに考えることができる。すなわち、母材としてのアル
ミニウム合金は表面に酸化膜があるため、この膜が破壊
されないと母材と肉盛材との金属接合は起こらない。レ
ーザ肉盛法では、肉盛材料中に自溶性元素であるＢ、Ｓ
ｉを用いことにより上記酸化膜を破壊するとともに、肉
盛材料のベース材料にＣｕを用いることにより母材との
過度の反応を抑えている。しかし、基本的に溶着時のヌ
レは他の肉盛法と比べて良い法ではない。つまり、実施
例２のように肉盛層形状制御面１３ｂの水平面からの角
度Ｄが０度であり、この水平な肉盛層形状制御面１３ｂ
上に溶着させる場合、溶融プールを左右に動かす力はな
く、またアルミ酸化膜の存在により溶融プールが左右に
広がることはなく、したがって溶融プールは玉状になり
易い。これに対し、実施例１のように肉盛層形状制御面
１３ｂの水平面からの角度Ｄが４５度であり、この傾斜
した肉盛層形状制御面１３ｂ上に溶着させる場合、溶融
プールが重力で流れようとするため、凝固時に溶着しな
がら尾を引くイメージで低い方に動き、溶着端部のヌレ
が極端に改善される。なお、このような作用は、後述す
るように、肉盛層形状制御面１３ｂの水平面からの角度
Ｄを１０度以上にしたときに起こった。

【００２３】（肉盛層形状制御面の角度とビーム照射位
置Ａのズレ裕度範囲との関係）さらに上記実施例１にお
いて、肉盛層形状制御面１３ｂが水平面となす角度Ｄを
種々変更して、ビーム照射位置Ａのズレ裕度範囲を調べ
た。その結果を図１０に示す。図１０から明らかなよう
に、肉盛層形状制御面１３ｂが水平面となす角度Ｄを１
０〜７５度の範囲とすれば、ビーム照射位置Ａのズレ裕
度範囲を±０．２５ｍｍ以上とすることができ、好まし
いことがわかる。

【００２４】また、バルブフェース部やバルブシート部
のようにリング状の部位を周方向に肉盛加工する場合、
肉盛始め部と肉盛終わり部とをラップさせなくてはなら
ないが、上記実施例２のように肉盛層形状制御面１３ｂ
を水平面に対して所定の角度仰傾させることにより、以
下の点で有利となる。すなわち、肉盛層形状制御面１３
ｂを水平面に対して所定の角度仰傾させることにより、
肉盛の溶着面が大きくなるため、肉盛層８の品質（肉盛
形状、肉盛量及び母材希釈量等）がラップ部分とそれ以
外の部分とで差がなくなる。また、肉盛層形状制御面１
３ｂを水平面に対して所定の角度仰傾させることによ
り、上記したようにビーム照射位置Ａのズレ裕度範囲が
広がり、このため肉盛層８の断面形状が安定するため、
ラップ部における割れの発生を抑えることができる。

【００２５】なお、溝１３の形状については、上記実施
例１及び実施例２に示したものに限らず、種々変更する
ことが可能である。溝１３の粉末受け面１３ａ、肉盛層
形状制御面１３ｂ、肉盛層形成面１３ｃ及びビーム逃が
し面１３ｄが水平面となす角度をそれぞれ変更可能であ
ることは勿論である。また、図１１に示すように、肉盛
層形状制御面１３ｂを角度一定とせずに円弧面として、
加工コストを節約することもできる。なおこの場合、肉
盛層形状制御面１３ｂが水平面となす角度Ｄは、図１１
に示すように、肉盛層８の溶着端８１における肉盛層形
状制御面１３ｂが水平面となす角度となる。

【００２６】また、上記実施例１及び実施例２では、オ
シレートビームＬの照射点を固定し、ワークとしてのシ
リンダヘッド１を回転移動させる例について説明した
が、シリンダヘッド１を固定し、オシレートビームＬの
照射点を処理面の加工進行方向に移動させる場合も適用
可能である。

【００２７】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の肉盛方法
は、加工進行方向に対して斜めに高エネルギー熱源をオ
シレートさせることにより、加工される肉盛層の幅方向
において照射時期に時間差を発生させて肉盛層の幅方向
の厚さを調整可能としたものであり、水平でない母材面
に肉盛するに際し、肉盛層の幅方向のうち高い部分が低
い部分より先に高エネルギー熱源が照射されるように、
加工進行方向に対して斜めにオシレートさせることによ
り、水平でない母材面に必要形状の肉盛層を形成するこ
とができる。したがって、シリンダヘッドのように大型
のワークの傾斜面に対して肉盛加工する際に、ワークを
傾けることなく必要形状の肉盛層を容易に得ることがで
き、生産性及び生産コストの向上に貢献する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例で用いた装置の構成を示す概略
説明図である。

【図２】実施例１の溝部の形状を示す断面図である。

【図３】オシレート角度θを説明する図である。

【図４】肉盛層の断面形状及び金属組織を示す実体写真
であり、（ａ）が実施例１で得られた肉盛層を、（ｂ）
が比較例１で得られた肉盛層を示す。

【図５】母材面に溶融プールや肉盛層ができる様子を説
明する模式図であり、（ａ）がオシレート角度θを０度
とした比較例１に係るもの、（ｂ）がオシレート角度θ
を４５度とした実施例１に係るものである。

【図６】オシレート角度θと肉盛層の傾斜角度Ｂとの関
係を示すグラフである。

【図７】実施例２の溝部の形状を示す断面図である。

【図８】実施例２で得られた肉盛層の断面形状及び金属
組織を示す実体写真である。

【図９】ビーム照射位置Ａと寸法Ｃとの関係を示すグラ
フである。

【図１０】肉盛層形状制御面が水平面となす角度Ｄとビ
ーム照射位置Ａのズレ裕度範囲との関係を示すグラフで
ある。

【図１１】溝部のその他の態様を示す断面図である。

【符号の説明】

１はシリンダヘッド、２はバルブシート部、３は凸レン
ズ、４はオシレートミラー、５はガルバノモータ、１３
は溝部、１３ｂは肉盛層形状制御面、１３ｃは肉盛層形
成面、Ｌはレーザービーム、Ｍは肉盛材、Ａはビーム照
射位置、Ｂは肉盛層の傾斜角度、Ｃはバルブシート部２
の仕上げ形状面と肉盛層８表面とが最も接近する部分の
寸法を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭58−3782（ＪＰ，Ａ) 特開平３−285785（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−30446（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−224888（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−276771（ＪＰ，Ａ) 特公昭54−39188（ＪＰ，Ｂ２) 特公平４−22671（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 26/00 B23K 9/00 F01L 3/02 B23K 9/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】母材面に肉盛材を供給するとともに該母
材面に対して加工進行方向に相対移動する高エネルギー
熱源を該肉盛材に照射して、該加工進行方向を長手方向
として延びる肉盛層を該母材面上に形成する肉盛方法に
おいて、上記母材面が、上記長手方向に垂直な幅方向において高
低差のある傾斜面であり、上記高エネルギー熱源とし
て、該幅方向のうち該母材面の高い側が低い側よりも先
に照射されるように上記長手方向に対して斜めの方向に
オシレートするオシレートビームを用いることにより、
該幅方向のうち該母材面の高い側に低い側よりも先に上
記肉盛層を形成することを特徴とする肉盛方法。
【請求項２】前記オシレートビームは、前記肉盛層の
前記長手方向に垂直な幅方向に対するオシレート角度が
５〜６０度であることを特徴とする請求項１記載の肉盛
方法。
【請求項３】前記母材はシリンダヘッドのバルブシー
ト部又はバルブフェース部であることを特徴とする請求
項１又は２記載の肉盛方法。