JP3724354B2 - レーザビームによる肉盛り方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム系母材表面に、肉盛用金属材料を投入しつつレーザビームを照射し、前記肉盛用金属材料を溶融し固化して肉盛り層を形成するレーザビームによる肉盛り方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム系材料は、鉄に比べて軽量化を図れることから、自動車部品、例えば、エンジンのシリンダヘッドの材料として用いられている。そして、アルミニウム系母材表面上における所望の部位の耐熱性や耐摩耗性を高める技術として、レーザビームにより肉盛層を形成するレーザ肉盛加工が知られている。
【０００３】
アルミニウム系母材表面上にレーザ肉盛加工を施す場合には、機械加工が施された母材表面上に、シールドガスを吹き付け、肉盛用金属材料の粉末を投入しつつレーザビームを照射する。レーザビームの照射により前記粉末が溶融して固化することにより、肉盛層が形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレーザ肉盛加工では、レーザビームの照射開始と、粉末の供給開始とが制御上同時に行われている。しかしながら、レーザ発振器には、レーザ出力値が、指示された出力制御値に達するまでに、必ず、応答遅れが生じる。このため、肉盛加工の開始時においては、投入された粉末が相対的に入熱不足の状態となる。この結果、粉末の溶融が不十分となり、肉盛層の始端部における溶着不良や剥離などの欠陥が発生し、検査工程でＮＧ品として廃棄せざるを得ない虞がある。
【０００５】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、肉盛層の始端部における品質の安定化を図り得るレーザビームによる肉盛り方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、レーザ出力手段からのレーザビームを、アルミニウム系母材表面に肉盛用金属材料を投入しつつ照射し、前記肉盛用金属材料を溶融させて肉盛層を形成するレーザビームによる肉盛り方法において、
アルミニウム系母材表面における前記肉盛用金属材料が投入される被肉盛部の位置へのレーザビームの照射を開始してから、所定の遅延時間が経過するまではアルミニウム系母材表面においてレーザビームを反射し、前記所定の遅延時間が経過した後に、前記肉盛用金属材料を投入して、肉盛層の形成を開始してなり、
前記遅延時間は、前記レーザ出力手段のレーザ出力値が指示された出力制御値に達するまでの応答遅れに相当する時間以上であることを特徴とするレーザビームによる肉盛り方法である。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、アルミニウム系母材における少なくとも前記被肉盛部の表面に、鏡面加工を施したことを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、前記遅延時間は、０．２秒以上であることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、前記被肉盛部の表面を、中心線平均粗さＲａ０．３μｍ以下の面粗度に鏡面加工したことを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、前記アルミニウム系母材はエンジンのシリンダヘッドにおけるバルブシート部を構成し、前記肉盛用金属材料は銅合金であることを特徴とする。
【００１２】
【発明の効果】
上記のように構成した本発明は以下の効果を奏する。
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、遅延時間経過後には、肉盛用金属材料を溶融させるのに十分かつ安定した出力のレーザビームを、当該肉盛用金属材料に照射することができる。このため、投入された肉盛用金属材料が入熱不足の状態にならず、肉盛層の始端部における溶着不良や剥離などの欠陥の発生が抑制される。このとき、アルミニウム系母材表面は反射率が高いことから、遅延時間程度の微小時間であれば、アルミニウム系母材に熱エネルギーが大きく作用せず、そのため、母材への入熱が過大となって溶融させることはない。したがって、アルミニウム系母材に影響することなく肉盛用金属材料に適切な熱エネルギーを与えて、肉盛用金属材料とアルミニウム系母材とを相互に溶着させて良好な肉盛層、特に、始端部における品質の安定化を図った肉盛層を形成できる。
【００１４】
さらに、遅延時間を、レーザ出力手段のレーザ出力値が指示された出力制御値に達するまでの応答遅れに相当する時間以上に設定したので、上記発明の効果が確実なものとなる。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、アルミニウム系母材表面は反射率が高い、すなわちレーザ吸収率が比較的低いが、母材表面の被肉盛部に鏡面加工を施すことにより、レーザ吸収率がより一層低くなり、肉盛用金属材料を投入しないで被肉盛部にレーザビームを照射しても、そのほとんどが反射される。このようにアルミニウム系母材に熱エネルギーを与えないようにしたので、母材への入熱がより小さくなり、肉盛用金属材料の投入を開始しても、母材希釈によるクラック欠陥が肉盛層に発生することをより確実に防止できる。
【００１６】
請求項３に記載のように、遅延時間を０．２秒以上にすれば、請求項１に係る発明の効果が顕著に現れる。
【００１７】
請求項４に記載のように、被肉盛部の表面を、中心線平均粗さＲａ０．３μｍ以下の面粗度に鏡面加工すれば、請求項２に係る発明の効果が顕著に現れる。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、溶着不良や剥離などの欠陥、母材希釈によるクラック欠陥の発生を抑制して、アルミニウム系母材合金により軽量化したシリンダヘッドのバルブシート部に、耐熱性および耐摩耗性の高い銅合金からなる高品質な肉盛層を形成できる。このため、エンジン稼働時において、シート面を構成する肉盛層の熱がシリンダヘッド本体側に伝達しやすくなり、バルブシート部やバルブの熱負荷が軽減されて耐久性の向上および、エンジンの出力性能の向上が期待できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るレーザビームによる肉盛り方法を実施するレーザ肉盛加工装置の概略構成図である。
【００２１】
レーザ肉盛加工装置１０は、アルミニウム合金からなる母材１１を支持する支持台１２と、レーザビーム１４を発振するレーザ発振器１３（レーザ出力手段に相当する）と、レーザ発振器１３からのレーザビーム１４を母材表面１１ａに向けて反射集光する光学系１５と、母材表面１１ａ上の被肉盛部１１ｂに向けて肉盛用金属材料の粉末１６を投入する供給ノズル１７と、供給ノズル１７を囲繞する中空形状を有すると共にシールドガス１８を吹き付けるシールドガス供給管１９と、を備える。
【００２２】
供給ノズル１７は図示しない粉末供給手段に接続され、シールドガス供給管１９は図示しないシールドガス供給手段に接続されている。レーザ発振器１３、粉末供給手段およびシールドガス供給手段の作動は、図示しないコントローラにより制御される。
【００２３】
アルミニウム系母材１１は、所定の機械加工が予め施されている。レーザは、例えば、ＣＯ２レーザを採用する。レーザビーム１４は、線状の連続波であり、オシレート（振動）されない。肉盛用金属材料の粉末１６には、熱伝導性、耐摩耗性および耐食性に優れた銅系肉盛層２０を形成する、例えば、銅合金粉末が用いられる。
【００２４】
レーザ肉盛加工時には、アルミニウム系母材表面１１ａに、銅合金粉末１６を供給ノズル１７から投入しつつ、レーザ発振器１３から発振して光学系１５で反射集光されたレーザビーム１４を照射する。レーザビーム１４の照射により、被肉盛部１１ｂおよび銅合金粉末１６がともに溶融して相互に溶着し、肉盛層２０が形成される。
【００２５】
図２は、レーザの応答遅れの説明に供する図である。図２において、レーザ出力制御値Ｌｃは二点鎖線で示され、実際の出力である実レーザ出力値Ｌは実線で示される。
【００２６】
レーザ発振器１３の立ち上がり初期においては、レーザの出力には、指示された出力制御値に対して追従遅れが生じる。つまり、レーザ発振器１３は、レーザ出力制御値Ｌｃに対してタイムラグが生じることなく出力することは物理的に不可能である。したがって、図２に示すように、レーザビーム１４の照射開始時においては、実レーザ出力値Ｌがレーザ出力制御値Ｌｃに達するまでに、必ず、応答遅れｄが生じる。この応答遅れｄに相当する時間（秒）は、レーザ発振器１３の特性値の一つである。
【００２７】
本実施形態では、応答遅れｄに起因した肉盛層２０の始端部における品質低下を改善すべく、レーザビーム１４の照射と銅合金粉末１６の供給とのタイミングを次のように制御している。
【００２８】
図３は、レーザビーム１４の照射と銅合金粉末１６の供給とのタイミングの説明に供する図である。図３においても、レーザ出力制御値Ｌｃは二点鎖線で示され、実レーザ出力値Ｌは実線で示される。また、実際の粉末供給量である実粉末供給量Ｐは破線で示される。
【００２９】
図示するように、時間ｔ０において、まず、アルミニウム系母材１１の被肉盛部１１ｂへのレーザビーム１４の照射を開始する。次いで、レーザ発振器１３の応答遅れｄに相当する時間である遅延時間ｔｄ（秒）が経過した時間ｔ１において、供給ノズル１７から銅合金粉末１６の供給を所定流量で開始する。
【００３０】
かかる制御によれば、遅延時間ｔｄが経過した時間ｔ１においては、銅合金粉末１６を溶融させるのに十分かつ安定した出力のレーザビーム１４を、当該銅合金粉末１６に照射することができる。このため、投入された銅合金粉末１６が入熱不足の状態にならず、肉盛層２０の始端部における溶着不良や剥離などの欠陥の発生が抑制される。このとき、アルミニウム系母材表面１１ａは反射率が高いことから、遅延時間ｔｄ程度の微小時間であれば、アルミニウム系母材１１に熱エネルギーが大きく作用せず、そのため、母材１１への入熱が過大となって溶融させることはない。したがって、アルミニウム系母材１１に影響することなく銅合金粉末１６に適切な熱エネルギーを与えて、銅合金粉末１６とアルミニウム系母材１１とを相互に溶着させて良好な肉盛層２０、特に、始端部における品質の安定化を図った肉盛層２０を形成できる。
【００３１】
アルミニウム系母材表面１１ａは、遅延時間ｔｄの間は、銅合金粉末１６が存在しない状態でレーザビーム１４の照射を直接受けることになる。
【００３２】
鉄系母材にあっては、その表面の粗度が粗く、反射率が低い、すなわちレーザ吸収率が高いことから、先にレーザビームの照射を開始し、これに遅れて肉盛用金属粉末を投入すると、肉盛開始時には鉄系母材への入熱が過大なる。これにより、母材の溶融量が増大し過ぎて肉盛用金属が希釈され、当該肉盛用金属が硬くて脆い材質に変化してしまい、形成された肉盛層にクラックなどの欠陥（「母材希釈によるクラック欠陥」という）が発生する原因となる。
【００３３】
一方、アルミニウム系母材表面１１ａは、レーザビーム１４を９０％程度反射し、反射率が高い、すなわちレーザ吸収率が比較的低いことから、母材１１への入熱が過大とならず、母材希釈によるクラック欠陥が肉盛層２０に発生することを抑制できる。このように、銅合金粉末１６の投入を遅延させても、アルミニウム系母材１１への熱影響はなく、母材表面１１ａの改質は生じない。
【００３４】
レーザ発振器１３の応答遅れ時間ｔｄは、レーザ発振器１３の性能により多少増減するが、計測したところ、約０．２秒であった。
【００３５】
図４は、レーザビーム１４の照射開始から銅合金粉末１６の投入開始までの遅延時間ｔｄと欠陥発生率との関係を説明するための図である。欠陥発生率は、（不良品であるワークの個数／全ワークの個数）×１００（％）で定義され、１個のワークには複数個の肉盛層２０が形成され、いずれかの肉盛層２０の始端部において溶着不良や剥離などの欠陥が生じた場合には、そのワークを不良品であるとした。
【００３６】
ＣＯ２レーザのレーザ出力３．５〜３．９ｋｗ、銅合金粉末１６の供給量０．６５〜０．８０ｇ／秒、加工速度０．８ｍ／分、被肉盛部１１ｂの面粗度が中心線平均粗さＲａ０．３以下の条件にて、レーザビーム１４の照射開始から銅合金粉末１６の投入開始までの遅延時間ｔｄを種々変化させて、レーザ肉盛加工を実施した。なお、レーザ出力は、プラスマイナス５％程度のふれがある。
【００３７】
図示するように、レーザビーム１４の照射と銅合金粉末１６の投入とを同時に開始すると（ｔｄ＝０）、欠陥発生率が９０％にも達した。銅合金粉末１６の投入開始をレーザビーム１４の照射開始から遅延させることにより、欠陥発生率が徐々に低くなった。そして、遅延時間ｔｄを０．２秒より大きくすると、肉盛層２０の始端部において溶着不良欠陥が発生しないことを実験的に確認した。
【００３８】
遅延時間ｔｄがある所定の値よりも大きくなると、アルミニウム系母材１１であっても入熱が過大な状態となり、母材希釈によるクラック欠陥が肉盛層２０に発生し得る。このため、遅延時間ｔｄを必要以上に大きくすることは妥当ではなく、母材希釈によるクラック欠陥を発生させないという限度において、最大の遅延時間ｔｄが定まる。
【００３９】
肉盛層２０の始端部における溶着不良や剥離などの欠陥を防止するために必要な遅延時間ｔｄ近傍で、母材希釈によるクラック欠陥が発生する場合には、レーザ出力や粉末供給量の制御パラメータであるスロープ角度を変更することによって、母材希釈が発生しないようにチューニングできる。
【００４０】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、第１の実施の形態に加えてさらに、アルミニウム系母材１１に与え得る熱影響を確実に抑制する手段を講じたものである。
【００４１】
つまり、第２の実施の形態では、アルミニウム系母材１１における少なくとも被肉盛部１１ｂに鏡面加工を施してある。鏡面加工のための具体的な加工法は、特に限定されず、鏡面研削、ラッピング、ポリッシングなど適宜の加工法を採用できる。
【００４２】
上述したようにアルミニウム系母材表面１１ａは反射率が高い、すなわちレーザ吸収率が比較的低いが、被肉盛部１１ｂに鏡面加工を施すことにより、レーザ吸収率がより一層低くなり、銅合金粉末１６を投入しないで被肉盛部１１ｂにレーザビーム１４を照射しても、そのほとんどが反射される。このようにアルミニウム系母材１１に熱エネルギーを与えないようにしたので、母材１１への入熱がより小さくなり、銅合金粉末１６の投入を開始しても、母材希釈によるクラック欠陥が肉盛層２０に発生することをより確実に防止できる。
【００４３】
図５は、アルミニウム系母材１１の面粗度と欠陥発生率との関係を説明するための図である。欠陥発生率は、（不良品であるワークの個数／全ワークの個数）×１００（％）で定義され、１個のワークには複数個の肉盛層２０が形成され、いずれかの肉盛層２０の始端部において母材希釈によるクラック欠陥が生じた場合には、そのワークを不良品であるとした。
【００４４】
ＣＯ２レーザのレーザ出力３．５〜３．９ｋｗ、銅合金粉末１６の供給量０．６５〜０．８０ｇ／秒、加工速度０．８ｍ／分、レーザビーム１４の照射開始から銅合金粉末１６の投入開始までの遅延時間ｔｄを０．２秒〜０．６秒の条件にて、アルミニウム系母材表面１１ａの面粗度を種々変化させて、レーザ肉盛加工を実施した。
【００４５】
図示するように、アルミニウム系母材表面１１ａの中心線平均粗さＲａを１．０μｍから小さくするにつれて、欠陥発生率が徐々に低くなる。そして、中心線平均粗さＲａを０．３μｍ以下にすると、肉盛層２０の始端部において母材希釈によるクラック欠陥が発生しないことを実験的に確認した。中心線平均粗さＲａが０．３μｍ以下を満たしている場合、十点平均粗さＲｚは、７．３μｍ以下であることを実験により確認した。
【００４６】
図６は、本発明を適用して肉盛層２０を形成した自動車用エンジンのシリンダヘッド３０におけるバルブシート部３１を示す断面図である。
【００４７】
図示するように、シリンダヘッド３０における例えば吸気ポート３２の燃焼室側に開口する開口端３３は、吸気バルブ３４によって開閉される。吸気バルブ３４の傘部３４ａは、バルブシート部３１におけるシート面３１ａに密接可能である。
【００４８】
バルブシート部３１は、エンジン稼働中に、バルブ３４が繰り返し当接したり、高温にさらされたりするなど、苛酷な条件下にある。このため、シリンダヘッド３０を軽量化などの観点からアルミニウム合金とした場合には、摩耗や溶損が発生する虞がある。そこで、耐熱性および耐摩耗性の高い銅合金粉末１６による肉盛層２０を形成することにより、上記した問題が解消される。シート面３１ａは、本発明を適用してバルブシート部３１に肉盛層２０を形成し、その後、機械加工を施すことにより形成されている。
【００４９】
耐熱性や耐摩耗性に優れた金属材料を肉盛りする技術は、バルブシート部に形成した凹部に鋳鉄や鉄系焼結材からなるバルブシート材を圧入する従来の技術に比べて、アルミニウム系母材１１からなるシリンダヘッド３０と、シート面３１ａとなる肉盛層２０との間の密着度が高く、両者間の熱伝導性がきわめて良好になる。このため、バルブシート部３１やバルブ３４の熱負荷が低減され、これらの耐久性が向上し、さらには、エンジンの出力性能の向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態に係るレーザビームによる肉盛り方法を実施するレーザ肉盛加工装置の概略構成図である。
【図２】 レーザの応答遅れの説明に供する図である。
【図３】 レーザビームの照射と銅合金粉末の供給とのタイミングの説明に供する図である。
【図４】 レーザビームの照射開始から銅合金粉末の投入開始までの遅延時間と欠陥発生率との関係を説明するための図である。
【図５】 アルミニウム系母材の面粗度と欠陥発生率との関係を説明するための図である。
【図６】 本発明を適用して肉盛層を形成した自動車用エンジンのシリンダヘッドにおけるバルブシート部を示す断面図である。
【符号の説明】
１０…レーザ肉盛加工装置
１１…アルミニウム系母材
１１ａ…母材表面
１１ｂ…被肉盛部
１３…レーザ発振器（レーザ出力手段）
１４…レーザビーム
１６…銅合金（肉盛用金属材料）の粉末
２０…肉盛層
３０…エンジンのシリンダヘッド
３１…バルブシート部
３１ａ…シート面
ｄ…応答遅れ
ｔｄ…遅延時間
Ｌ…実レーザ出力値（レーザ出力値）
Ｌｃ…レーザ出力制御値（指示された出力制御値）
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム系母材表面に、肉盛用金属材料を投入しつつレーザビームを照射し、前記肉盛用金属材料を溶融し固化して肉盛り層を形成するレーザビームによる肉盛り方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム系材料は、鉄に比べて軽量化を図れることから、自動車部品、例えば、エンジンのシリンダヘッドの材料として用いられている。そして、アルミニウム系母材表面上における所望の部位の耐熱性や耐摩耗性を高める技術として、レーザビームにより肉盛層を形成するレーザ肉盛加工が知られている。
【０００３】
アルミニウム系母材表面上にレーザ肉盛加工を施す場合には、機械加工が施された母材表面上に、シールドガスを吹き付け、肉盛用金属材料の粉末を投入しつつレーザビームを照射する。レーザビームの照射により前記粉末が溶融して固化することにより、肉盛層が形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレーザ肉盛加工では、レーザビームの照射開始と、粉末の供給開始とが制御上同時に行われている。しかしながら、レーザ発振器には、レーザ出力値が、指示された出力制御値に達するまでに、必ず、応答遅れが生じる。このため、肉盛加工の開始時においては、投入された粉末が相対的に入熱不足の状態となる。この結果、粉末の溶融が不十分となり、肉盛層の始端部における溶着不良や剥離などの欠陥が発生し、検査工程でＮＧ品として廃棄せざるを得ない虞がある。
【０００５】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、肉盛層の始端部における品質の安定化を図り得るレーザビームによる肉盛り方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、レーザ出力手段からのレーザビームを、アルミニウム系母材表面に肉盛用金属材料を投入しつつ照射し、前記肉盛用金属材料を溶融させて肉盛層を形成するレーザビームによる肉盛り方法において、
アルミニウム系母材表面における前記肉盛用金属材料が投入される被肉盛部の位置へのレーザビームの照射を開始してから、所定の遅延時間が経過するまではアルミニウム系母材表面においてレーザビームを反射し、前記所定の遅延時間が経過した後に、前記肉盛用金属材料を投入して、肉盛層の形成を開始してなり、
前記遅延時間は、前記レーザ出力手段のレーザ出力値が指示された出力制御値に達するまでの応答遅れに相当する時間以上であることを特徴とするレーザビームによる肉盛り方法である。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、アルミニウム系母材における少なくとも前記被肉盛部の表面に、鏡面加工を施したことを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、前記遅延時間は、０．２秒以上であることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、前記被肉盛部の表面を、中心線平均粗さＲａ０．３μｍ以下の面粗度に鏡面加工したことを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、前記アルミニウム系母材はエンジンのシリンダヘッドにおけるバルブシート部を構成し、前記肉盛用金属材料は銅合金であることを特徴とする。
【００１２】
【発明の効果】
上記のように構成した本発明は以下の効果を奏する。
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、遅延時間経過後には、肉盛用金属材料を溶融させるのに十分かつ安定した出力のレーザビームを、当該肉盛用金属材料に照射することができる。このため、投入された肉盛用金属材料が入熱不足の状態にならず、肉盛層の始端部における溶着不良や剥離などの欠陥の発生が抑制される。このとき、アルミニウム系母材表面は反射率が高いことから、遅延時間程度の微小時間であれば、アルミニウム系母材に熱エネルギーが大きく作用せず、そのため、母材への入熱が過大となって溶融させることはない。したがって、アルミニウム系母材に影響することなく肉盛用金属材料に適切な熱エネルギーを与えて、肉盛用金属材料とアルミニウム系母材とを相互に溶着させて良好な肉盛層、特に、始端部における品質の安定化を図った肉盛層を形成できる。
【００１４】
さらに、遅延時間を、レーザ出力手段のレーザ出力値が指示された出力制御値に達するまでの応答遅れに相当する時間以上に設定したので、上記発明の効果が確実なものとなる。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、アルミニウム系母材表面は反射率が高い、すなわちレーザ吸収率が比較的低いが、母材表面の被肉盛部に鏡面加工を施すことにより、レーザ吸収率がより一層低くなり、肉盛用金属材料を投入しないで被肉盛部にレーザビームを照射しても、そのほとんどが反射される。このようにアルミニウム系母材に熱エネルギーを与えないようにしたので、母材への入熱がより小さくなり、肉盛用金属材料の投入を開始しても、母材希釈によるクラック欠陥が肉盛層に発生することをより確実に防止できる。
【００１６】
請求項３に記載のように、遅延時間を０．２秒以上にすれば、請求項１に係る発明の効果が顕著に現れる。
【００１７】
請求項４に記載のように、被肉盛部の表面を、中心線平均粗さＲａ０．３μｍ以下の面粗度に鏡面加工すれば、請求項２に係る発明の効果が顕著に現れる。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、溶着不良や剥離などの欠陥、母材希釈によるクラック欠陥の発生を抑制して、アルミニウム系母材合金により軽量化したシリンダヘッドのバルブシート部に、耐熱性および耐摩耗性の高い銅合金からなる高品質な肉盛層を形成できる。このため、エンジン稼働時において、シート面を構成する肉盛層の熱がシリンダヘッド本体側に伝達しやすくなり、バルブシート部やバルブの熱負荷が軽減されて耐久性の向上および、エンジンの出力性能の向上が期待できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２０】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るレーザビームによる肉盛り方法を実施するレーザ肉盛加工装置の概略構成図である。
【００２１】
レーザ肉盛加工装置１０は、アルミニウム合金からなる母材１１を支持する支持台１２と、レーザビーム１４を発振するレーザ発振器１３（レーザ出力手段に相当する）と、レーザ発振器１３からのレーザビーム１４を母材表面１１ａに向けて反射集光する光学系１５と、母材表面１１ａ上の被肉盛部１１ｂに向けて肉盛用金属材料の粉末１６を投入する供給ノズル１７と、供給ノズル１７を囲繞する中空形状を有すると共にシールドガス１８を吹き付けるシールドガス供給管１９と、を備える。
【００２２】
供給ノズル１７は図示しない粉末供給手段に接続され、シールドガス供給管１９は図示しないシールドガス供給手段に接続されている。レーザ発振器１３、粉末供給手段およびシールドガス供給手段の作動は、図示しないコントローラにより制御される。
【００２３】
アルミニウム系母材１１は、所定の機械加工が予め施されている。レーザは、例えば、ＣＯ２レーザを採用する。レーザビーム１４は、線状の連続波であり、オシレート（振動）されない。肉盛用金属材料の粉末１６には、熱伝導性、耐摩耗性および耐食性に優れた銅系肉盛層２０を形成する、例えば、銅合金粉末が用いられる。
【００２４】
レーザ肉盛加工時には、アルミニウム系母材表面１１ａに、銅合金粉末１６を供給ノズル１７から投入しつつ、レーザ発振器１３から発振して光学系１５で反射集光されたレーザビーム１４を照射する。レーザビーム１４の照射により、被肉盛部１１ｂおよび銅合金粉末１６がともに溶融して相互に溶着し、肉盛層２０が形成される。
【００２５】
図２は、レーザの応答遅れの説明に供する図である。図２において、レーザ出力制御値Ｌｃは二点鎖線で示され、実際の出力である実レーザ出力値Ｌは実線で示される。
【００２６】
レーザ発振器１３の立ち上がり初期においては、レーザの出力には、指示された出力制御値に対して追従遅れが生じる。つまり、レーザ発振器１３は、レーザ出力制御値Ｌｃに対してタイムラグが生じることなく出力することは物理的に不可能である。したがって、図２に示すように、レーザビーム１４の照射開始時においては、実レーザ出力値Ｌがレーザ出力制御値Ｌｃに達するまでに、必ず、応答遅れｄが生じる。この応答遅れｄに相当する時間（秒）は、レーザ発振器１３の特性値の一つである。
【００２７】
本実施形態では、応答遅れｄに起因した肉盛層２０の始端部における品質低下を改善すべく、レーザビーム１４の照射と銅合金粉末１６の供給とのタイミングを次のように制御している。
【００２８】
図３は、レーザビーム１４の照射と銅合金粉末１６の供給とのタイミングの説明に供する図である。図３においても、レーザ出力制御値Ｌｃは二点鎖線で示され、実レーザ出力値Ｌは実線で示される。また、実際の粉末供給量である実粉末供給量Ｐは破線で示される。
【００２９】
図示するように、時間ｔ０において、まず、アルミニウム系母材１１の被肉盛部１１ｂへのレーザビーム１４の照射を開始する。次いで、レーザ発振器１３の応答遅れｄに相当する時間である遅延時間ｔｄ（秒）が経過した時間ｔ１において、供給ノズル１７から銅合金粉末１６の供給を所定流量で開始する。
【００３０】
かかる制御によれば、遅延時間ｔｄが経過した時間ｔ１においては、銅合金粉末１６を溶融させるのに十分かつ安定した出力のレーザビーム１４を、当該銅合金粉末１６に照射することができる。このため、投入された銅合金粉末１６が入熱不足の状態にならず、肉盛層２０の始端部における溶着不良や剥離などの欠陥の発生が抑制される。このとき、アルミニウム系母材表面１１ａは反射率が高いことから、遅延時間ｔｄ程度の微小時間であれば、アルミニウム系母材１１に熱エネルギーが大きく作用せず、そのため、母材１１への入熱が過大となって溶融させることはない。したがって、アルミニウム系母材１１に影響することなく銅合金粉末１６に適切な熱エネルギーを与えて、銅合金粉末１６とアルミニウム系母材１１とを相互に溶着させて良好な肉盛層２０、特に、始端部における品質の安定化を図った肉盛層２０を形成できる。
【００３１】
アルミニウム系母材表面１１ａは、遅延時間ｔｄの間は、銅合金粉末１６が存在しない状態でレーザビーム１４の照射を直接受けることになる。
【００３２】
鉄系母材にあっては、その表面の粗度が粗く、反射率が低い、すなわちレーザ吸収率が高いことから、先にレーザビームの照射を開始し、これに遅れて肉盛用金属粉末を投入すると、肉盛開始時には鉄系母材への入熱が過大なる。これにより、母材の溶融量が増大し過ぎて肉盛用金属が希釈され、当該肉盛用金属が硬くて脆い材質に変化してしまい、形成された肉盛層にクラックなどの欠陥（「母材希釈によるクラック欠陥」という）が発生する原因となる。
【００３３】
一方、アルミニウム系母材表面１１ａは、レーザビーム１４を９０％程度反射し、反射率が高い、すなわちレーザ吸収率が比較的低いことから、母材１１への入熱が過大とならず、母材希釈によるクラック欠陥が肉盛層２０に発生することを抑制できる。このように、銅合金粉末１６の投入を遅延させても、アルミニウム系母材１１への熱影響はなく、母材表面１１ａの改質は生じない。
【００３４】
レーザ発振器１３の応答遅れ時間ｔｄは、レーザ発振器１３の性能により多少増減するが、計測したところ、約０．２秒であった。
【００３５】
図４は、レーザビーム１４の照射開始から銅合金粉末１６の投入開始までの遅延時間ｔｄと欠陥発生率との関係を説明するための図である。欠陥発生率は、（不良品であるワークの個数／全ワークの個数）×１００（％）で定義され、１個のワークには複数個の肉盛層２０が形成され、いずれかの肉盛層２０の始端部において溶着不良や剥離などの欠陥が生じた場合には、そのワークを不良品であるとした。
【００３６】
ＣＯ２レーザのレーザ出力３．５〜３．９ｋｗ、銅合金粉末１６の供給量０．６５〜０．８０ｇ／秒、加工速度０．８ｍ／分、被肉盛部１１ｂの面粗度が中心線平均粗さＲａ０．３以下の条件にて、レーザビーム１４の照射開始から銅合金粉末１６の投入開始までの遅延時間ｔｄを種々変化させて、レーザ肉盛加工を実施した。なお、レーザ出力は、プラスマイナス５％程度のふれがある。
【００３７】
図示するように、レーザビーム１４の照射と銅合金粉末１６の投入とを同時に開始すると（ｔｄ＝０）、欠陥発生率が９０％にも達した。銅合金粉末１６の投入開始をレーザビーム１４の照射開始から遅延させることにより、欠陥発生率が徐々に低くなった。そして、遅延時間ｔｄを０．２秒より大きくすると、肉盛層２０の始端部において溶着不良欠陥が発生しないことを実験的に確認した。
【００３８】
遅延時間ｔｄがある所定の値よりも大きくなると、アルミニウム系母材１１であっても入熱が過大な状態となり、母材希釈によるクラック欠陥が肉盛層２０に発生し得る。このため、遅延時間ｔｄを必要以上に大きくすることは妥当ではなく、母材希釈によるクラック欠陥を発生させないという限度において、最大の遅延時間ｔｄが定まる。
【００３９】
肉盛層２０の始端部における溶着不良や剥離などの欠陥を防止するために必要な遅延時間ｔｄ近傍で、母材希釈によるクラック欠陥が発生する場合には、レーザ出力や粉末供給量の制御パラメータであるスロープ角度を変更することによって、母材希釈が発生しないようにチューニングできる。
【００４０】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、第１の実施の形態に加えてさらに、アルミニウム系母材１１に与え得る熱影響を確実に抑制する手段を講じたものである。
【００４１】
つまり、第２の実施の形態では、アルミニウム系母材１１における少なくとも被肉盛部１１ｂに鏡面加工を施してある。鏡面加工のための具体的な加工法は、特に限定されず、鏡面研削、ラッピング、ポリッシングなど適宜の加工法を採用できる。
【００４２】
上述したようにアルミニウム系母材表面１１ａは反射率が高い、すなわちレーザ吸収率が比較的低いが、被肉盛部１１ｂに鏡面加工を施すことにより、レーザ吸収率がより一層低くなり、銅合金粉末１６を投入しないで被肉盛部１１ｂにレーザビーム１４を照射しても、そのほとんどが反射される。このようにアルミニウム系母材１１に熱エネルギーを与えないようにしたので、母材１１への入熱がより小さくなり、銅合金粉末１６の投入を開始しても、母材希釈によるクラック欠陥が肉盛層２０に発生することをより確実に防止できる。
【００４３】
図５は、アルミニウム系母材１１の面粗度と欠陥発生率との関係を説明するための図である。欠陥発生率は、（不良品であるワークの個数／全ワークの個数）×１００（％）で定義され、１個のワークには複数個の肉盛層２０が形成され、いずれかの肉盛層２０の始端部において母材希釈によるクラック欠陥が生じた場合には、そのワークを不良品であるとした。
【００４４】
ＣＯ２レーザのレーザ出力３．５〜３．９ｋｗ、銅合金粉末１６の供給量０．６５〜０．８０ｇ／秒、加工速度０．８ｍ／分、レーザビーム１４の照射開始から銅合金粉末１６の投入開始までの遅延時間ｔｄを０．２秒〜０．６秒の条件にて、アルミニウム系母材表面１１ａの面粗度を種々変化させて、レーザ肉盛加工を実施した。
【００４５】
図示するように、アルミニウム系母材表面１１ａの中心線平均粗さＲａを１．０μｍから小さくするにつれて、欠陥発生率が徐々に低くなる。そして、中心線平均粗さＲａを０．３μｍ以下にすると、肉盛層２０の始端部において母材希釈によるクラック欠陥が発生しないことを実験的に確認した。中心線平均粗さＲａが０．３μｍ以下を満たしている場合、十点平均粗さＲｚは、７．３μｍ以下であることを実験により確認した。
【００４６】
図６は、本発明を適用して肉盛層２０を形成した自動車用エンジンのシリンダヘッド３０におけるバルブシート部３１を示す断面図である。
【００４７】
図示するように、シリンダヘッド３０における例えば吸気ポート３２の燃焼室側に開口する開口端３３は、吸気バルブ３４によって開閉される。吸気バルブ３４の傘部３４ａは、バルブシート部３１におけるシート面３１ａに密接可能である。
【００４８】
バルブシート部３１は、エンジン稼働中に、バルブ３４が繰り返し当接したり、高温にさらされたりするなど、苛酷な条件下にある。このため、シリンダヘッド３０を軽量化などの観点からアルミニウム合金とした場合には、摩耗や溶損が発生する虞がある。そこで、耐熱性および耐摩耗性の高い銅合金粉末１６による肉盛層２０を形成することにより、上記した問題が解消される。シート面３１ａは、本発明を適用してバルブシート部３１に肉盛層２０を形成し、その後、機械加工を施すことにより形成されている。
【００４９】
耐熱性や耐摩耗性に優れた金属材料を肉盛りする技術は、バルブシート部に形成した凹部に鋳鉄や鉄系焼結材からなるバルブシート材を圧入する従来の技術に比べて、アルミニウム系母材１１からなるシリンダヘッド３０と、シート面３１ａとなる肉盛層２０との間の密着度が高く、両者間の熱伝導性がきわめて良好になる。このため、バルブシート部３１やバルブ３４の熱負荷が低減され、これらの耐久性が向上し、さらには、エンジンの出力性能の向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態に係るレーザビームによる肉盛り方法を実施するレーザ肉盛加工装置の概略構成図である。
【図２】 レーザの応答遅れの説明に供する図である。
【図３】 レーザビームの照射と銅合金粉末の供給とのタイミングの説明に供する図である。
【図４】 レーザビームの照射開始から銅合金粉末の投入開始までの遅延時間と欠陥発生率との関係を説明するための図である。
【図５】 アルミニウム系母材の面粗度と欠陥発生率との関係を説明するための図である。
【図６】 本発明を適用して肉盛層を形成した自動車用エンジンのシリンダヘッドにおけるバルブシート部を示す断面図である。
【符号の説明】
１０…レーザ肉盛加工装置
１１…アルミニウム系母材
１１ａ…母材表面
１１ｂ…被肉盛部
１３…レーザ発振器（レーザ出力手段）
１４…レーザビーム
１６…銅合金（肉盛用金属材料）の粉末
２０…肉盛層
３０…エンジンのシリンダヘッド
３１…バルブシート部
３１ａ…シート面
ｄ…応答遅れ
ｔｄ…遅延時間
Ｌ…実レーザ出力値（レーザ出力値）
Ｌｃ…レーザ出力制御値（指示された出力制御値）
Claims (5)
- レーザ出力手段からのレーザビームを、アルミニウム系母材表面に肉盛用金属材料を投入しつつ照射し、前記肉盛用金属材料を溶融させて肉盛層を形成するレーザビームによる肉盛り方法において、
アルミニウム系母材表面における前記肉盛用金属材料が投入される被肉盛部の位置へのレーザビームの照射を開始してから、所定の遅延時間が経過するまではアルミニウム系母材表面においてレーザビームを反射し、前記所定の遅延時間が経過した後に、前記肉盛用金属材料を投入して、肉盛層の形成を開始してなり、
前記遅延時間は、前記レーザ出力手段のレーザ出力値が指示された出力制御値に達するまでの応答遅れに相当する時間以上であることを特徴とするレーザビームによる肉盛り方法。 - アルミニウム系母材における少なくとも前記被肉盛部の表面に、鏡面加工を施したことを特徴とする請求項１に記載のレーザビームによる肉盛り方法。
- 前記遅延時間は、０．２秒以上であることを特徴とする請求項１に記載のレーザビームによる肉盛り方法。
- 前記被肉盛部の表面を、中心線平均粗さＲａ０．３μｍ以下の面粗度に鏡面加工したことを特徴とする請求項２に記載のレーザビームによる肉盛り方法。
- 前記アルミニウム系母材はエンジンのシリンダヘッドにおけるバルブシート部を構成し、前記肉盛用金属材料は銅合金であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のレーザビームによる肉盛り方法。
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