JP3760560B2 - レーザ肉盛り用粉末材料投入ノズル及び肉盛り構造並びに肉盛り方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属母材表面に、この金属母材に対して相対移動するレーザビームにより、粉末状の他金属材料を溶融させて肉盛り層を形成する際に、前記粉末材料を投入するためのレーザ肉盛り用粉末材料投入ノズル及び肉盛り構造並びに肉盛り方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザビームを照射して他金属材料による肉盛り層を金属母材上に形成する技術は、例えば自動車用エンジンのピストンにおけるピストンリング溝に適用されている。肉盛り層によるピストンリング溝の形成作業は、図６に示すようにピストン１のピストンリングが装着される部分に溝３を形成し、その溝３内に他金属材料である銅合金を肉盛りし、この銅合金による肉盛り層５を溝加工することでピストンリング溝７を形成する（例えば特開平２−１２５９５２号公報参照）。これにより、上記ピストン１を、軽量化などの観点からアルミニウム合金とした場合での、ピストンリング溝７の耐摩耗性及び耐久性の向上が図られる。
【０００３】
図７は、肉盛り作業を行っている状態を示している。ピストン１は、その中心軸線Ｔが水平となるよう横置き状態で、治具９により保持されつつ中心軸線Ｔを中心として回転する。この状態で、粉末供給装置１１により供給された銅合金粉末１３を、吐出口が円形となっている粉末材料投入ノズル１５からピストン１に形成された溝３内に投入する。投入された銅合金粉末に対し、レーザ発振器１７から発振して光学系１９で反射集光されたレーザビーム２１を照射し溶融させ、これにより肉盛り層５が形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ピストンリング溝のように、肉盛り層を環状部分の全周にわたって形成する際には、図８に示すように、肉盛り層５の作業開始部となる始端部Ｓに、作業終了部となる終端部Ｅを重ね合わせてオーバラップ部Ｌを形成する必要がある。図９は、ピストン１の溝３に形成した肉盛り層５の始端部Ｓの平面視形状を示すもので、ここでの肉盛り作業におけるピストン１の回転方向は、紙面の右側から見て反時計方向であり、始端部Ｓは先細形状となっている。
【０００５】
図１０は、溝３に対し全周にわたり肉盛り作業を行った場合であり、始端部Ｓに終端部Ｅが重ね合わされてオーバラップ部Ｌが形成されている。このとき、始端部Ｓの先細形状により、溝３の延長方向に直交する方向に対する始端部Ｓの側面Ｓａがなす角度θが大きく、斜線で示すＡ部の領域が大きいと、図１０の拡大されたＢ−Ｂ断面図である図１１に示すように、Ａ部にて終端部Ｅが始端部Ｓに溶着しきれず、未溶着部となって残り、クラック（亀裂）発生の原因となる。
【０００６】
そこで、この発明は、肉盛り層における始端部の先細形状を改善し、高品質な肉盛り層を得ることを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、第１に、金属母材表面に形成した溝に、前記金属母材に対し前記溝の延長方向に沿って相対移動するレーザビームにより、粉末状の他金属材料を溶融させて肉盛り層を形成する際に、前記粉末材料を投入するためのレーザ肉盛り用粉末材料投入ノズルにおいて、前記粉末材料が吐出される吐出口形状は、前記溝の幅寸法Ｈと、この幅寸法Ｈに対応する方向の吐出口寸法ａとが、１／３≦ａ／Ｈ≦２／３の関係にあり、かつ前記吐出口寸法ａとこの寸法ａ方向に対し直交する方向の吐出口寸法ｂとが、２／５≦ｂ／ａ≦４／５の関係にある構成としてある。
【０００８】
溝の幅方向に対応する吐出口寸法ａが、溝における幅寸法Ｈの１／３未満であると、粉末材料の密度分布が溝内でその幅方向に充分広がらず、始端部の側面と溝の側面との間の領域が大きくなり、肉盛り層を、その肉盛り作業開始部となる始端部に肉盛り作業終了部となる終端部を重ね合わせたオーバラップ部を有するものとした場合に、そのオーバラップ部にて未溶着部が発生する。一方、上記吐出口寸法ａが幅寸法Ｈの２／３を越えると、粉末材料の密度分布が溝幅方向に広がりすぎて溝内に全粉末が入らず、その分溝内に投入される粉末材料が少なくなることから、レーザビームによる金属母材への入熱が過大となって金属母材の溶融量が増大し、溶融状態の肉盛り層への金属母材の混入量が増大して凝固後に肉盛り層にクラックが発生しやすいものとなる。
【０００９】
図３は、吐出口寸法ａと溝の幅寸法Ｈとの比：ａ／Ｈに対する肉盛り層における欠陥発生頻度を示したもので、上記比が１／３より小さい場合には、未溶着による欠陥が発生し、２／３より大きい場合には、クラックによる欠陥が発生している状態を示している。したがって、上記比を１／３以上２／３以下とすることで、未溶着及びクラックの発生しない高品質な肉盛り層が得られる。
【００１０】
また、吐出口寸法の比：ｂ／ａが２／５より小さいと、吐出口が、溝の幅寸法方向に長い扁平形状となり、粉末の密度分布が幅方向に広がりすぎて溝内に全粉末が入らず、金属母材への入熱が過大となってクラック発生を引き起こし、逆に、上記比ｂ／ａが４／５より大きいと、粉末の密度分布が溝幅方向に充分広がらず、始端部側面と溝の側面との間の領域が大きくなり、始端部に終端部を重ね合わせたときに未溶着部が発生する。
【００１１】
図４は、上記比ｂ／ａに対する肉盛り層における欠陥発生頻度を示したもので、ｂ／ａが２／５より小さい場合には、クラックによる欠陥が発生し、同比が４／５より大きい場合には、未溶着による欠陥が発生している状態を示している。したがって、上記比を２／５以上４／５以下とすることで、未溶着及びクラックの発生しない高品質な肉盛り層が得られる。
【００１２】
第２に、吐出口形状は、長円形である。
【００１３】
上記構成の粉末材料投入ノズルによれば、投入される粉末材料は、溝内で適度な密度分布に広がり、肉盛り層における始端部の側面と溝の側面との間の領域も小さく、始端部に終端部を重ね合わせる際での未溶着部の発生が回避される。
【００１４】
第３に、吐出口形状は、楕円形である。
【００１５】
上記構成の粉末材料投入ノズルによれば、溝内での粉末材料の密度分布の広がりが最適となり、始端部に終端部を重ね合わせる際での未溶着部の発生が確実に回避される。
【００１６】
第４に、他金属材料を肉盛りする金属母材表面の溝の延長方向は、レーザビームに対する金属母材の移動方向前方側が下部で同後方側が上部となるよう相対移動方向に沿って傾斜している。
【００１７】
肉盛り作業開始時に溶融状態の粉末材料が、傾斜している溝に沿って流れ落ち、始端部の形状が変化しやすい。このような状況下で、溝幅寸法Ｈと吐出口寸法ａとの関係を、１／３≦ａ／Ｈ≦２／３とし、かつ吐出口寸法ａと吐出口寸法ｂとの関係を、２／５≦ｂ／ａ≦４／５とすることで、未溶着部及びクラックの発生を防止するのに、極めて有効なものとなる。
【００１８】
第５に、他金属材料を肉盛りする金属母材表面の凹部は、エンジンにおけるピストンのピストンリング溝を形成するものであって、前記ピストンをその中心軸線が水平となるよう横置状態で回転させつつ、上方から粉末材料の投入及びレーザビームの照射がなされるものである。
【００１９】
ピストンを横置き状態で回転させて肉盛り層を形成すると、肉盛り作業開始時に溶融状態の粉末材料がピストンの回転方向前方側に流れ落ちて始端部の形状が変化しやすい。このような状況下で、溝幅寸法Ｈと吐出口寸法ａとの関係を、１／３≦ａ／Ｈ≦２／３とし、かつ吐出口寸法ａと吐出口寸法ｂとの関係を、２／５≦ｂ／ａ≦４／５とすることで、未溶着部及びクラックの発生を防止するのに、極めて有効なものとなる。
【００２０】
第６に、金属母材表面に形成した溝に、他金属材料を投入しつつレーザビームを前記金属母材に対して前記溝の延長方向に相対移動させて照射し、前記他金属材料を溶融させて肉盛り層を形成するレーザビームによる肉盛り構造において、前記肉盛り層は、その肉盛り作業開始部となる始端部に、肉盛り作業終了部となる終端部が重ね合わされるもので、前記始端部は、平面視形状が先細となっており、前記溝の延長方向に直交する方向に対する前記始端部側面のなす角度θが、θ≦３０°となっている。
【００２１】
上記したような肉盛り構造によれば、肉盛り層における始端部の側面と溝の側面との間の領域が小さくなり、肉盛り作業において、始端部に終端部を重ね合わせた際の未溶着部が解消される。
【００２２】
図５は、角度θに対する肉盛り層における欠陥発生頻度を示したもので、角度θが３０°を越えた場合に、未溶着部による欠陥が発生する状態を示している。したがって、角度θを３０°以下とすることで、未溶着部の発生しない高品質な肉盛り層が得られる。
【００２３】
第７に、金属母材表面に形成した溝に、他金属材料を投入しつつレーザビームを前記金属母材に対して前記溝の延長方向に相対移動させて照射し、前記他金属材料を溶融させ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おいて、前記肉盛り層は、その肉盛り作業開始部となる始端部に、肉盛り作業終了部となる終端部が重ね合わされるもので、前記始端部は、平面視形状が先細となっており、前記溝の延長方向に直交する方向に対する前記始端部側面のなす角度が、３０°以下となるように肉盛り作業を行う肉盛り方法としてある。
【００２４】
上記したような肉盛り方法によれば、肉盛り層における始端部の側面と溝の側面との間の領域が小さい肉盛り構造となり、肉盛り作業において、始端部に終端部を重ね合わせる際の未溶着部が解消される。
【００２５】
【発明の効果】
第１の発明によれば、投入された粉末材料の溝内での幅方向への広がりが適切となって、肉盛り層における始端部の側面と溝の側面との間の領域が小さくなり、肉盛り層を、その肉盛り作業開始部となる始端部に肉盛り作業終了部となる終端部を重ね合わせたオーバラップ部を有するものとした場合に、オーバラップ部での未溶着部の発生及びクラックの発生を防止することができる。
【００２６】
第２の発明によれば、投入される粉末材料は、溝内でより適切な密度分布に広がり、始端部の側面と溝の側面との間の領域もより小さく、始端部に終端部を重ね合わせる際での未溶着部の発生及びクラックの発生をより確実に回避することができる。
【００２７】
第３の発明によれば、溝内での粉末材料の密度分布の広がりがさらに適切となり、未溶着部の発生及びクラックの発生をさらに確実に回避することができる。
【００２８】
第４の発明によれば、肉盛り作業開始時に溶融状態の粉末材料が、傾斜している溝に沿って流れ落ちるので、始端部の形状が変化しやすく、このような状況下で、溝幅寸法Ｈと吐出口寸法ａとの関係を、１／３≦ａ／Ｈ≦２／３とし、かつ吐出口寸法ａと吐出口寸法ｂとの関係を、２／５≦ｂ／ａ≦４／５とすることで、未溶着部及びクラックの発生を防止するのに、極めて有効なものとなる。
【００２９】
第５の発明によれば、ピストンを横置き状態で回転させて肉盛り層を形成すると、溶融状態の粉末材料がピストンの回転方向前方側に流れ落ちて始端部の形状が変化しやすく、このような状況下で、溝幅寸法Ｈと吐出口寸法ａとの関係を、１／３≦ａ／Ｈ≦２／３とし、かつ吐出口寸法ａと吐出口寸法ｂとの関係を、２／５≦ｂ／ａ≦４／５とすることで、未溶着部及びクラックの発生を防止するのに、極めて有効なものとなる。
【００３０】
第６の発明または第７の発明によれば、肉盛り層における始端部の側面と溝の側面との間の領域が小さくなり、肉盛り作業において、始端部に終端部を重ね合わせる際の未溶着部を解消することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００３２】
図１は、アルミニウム合金からなるピストン１に形成したピストンリング溝となる溝３に、銅合金粉末を投入する粉末材料投入ノズル２３の吐出口形状を示したもので、投入された銅合金粉末に図示しないレーザビームが照射される。このレーザビームによる肉盛り装置の全体の構成及び肉盛り方法は、前記図７に示したものと同様である。
【００３３】
ここでは、粉末材料投入ノズル２３の吐出口２５の形状が楕円となっている点及び、溝３の幅寸法Ｈに対し、この幅寸法方向に対応する吐出口寸法、すなわち吐出口２５における楕円の長径寸法ａを特定している点が、図７のものと異なる。ここでは、ピストン１は矢印Ｐ方向に回転移動するもので、溝幅寸法Ｈと、吐出口２５の長径寸法ａとが、ａ／Ｈ＝１／２の関係にあり、かつ長径寸法ａとこの長径寸法ａ方向に対し直交する方向の吐出口寸法に相当する楕円の短径寸法ｂとは、ｂ／ａ＝３／５の関係にある。
【００３４】
図２は、上記 ｂ／ａ比を、上記実施の形態の３／５とした場合（実線図示）及び、従来における１／１、つまり吐出口形状を円形とした場合（一点鎖線図示）での、前記図１０におけるＢ−Ｂ断面に相当する肉盛り層始端部の断面形状図である。これによれば、従来による後者の場合は、肉盛り層が溝３の幅方向（図２中で左右方向）に充分広がらず、全体として肉盛り層の幅が狭く、一方本発明による前者の場合は、同幅方向に適度に広がるものとなる。
【００３５】
上記した粉末材料投入ノズル２３を用い、前記図７と同様な肉盛り装置により、ピストンリング溝を形成するための肉盛り作業を行うと、銅合金粉末は、溝３からはみだすことなく、溝３内での幅方向への広がりが適切となって前記図９に示した角度θが３０°以下となる。これに伴い、肉盛り層における始端部Ｓの側面Ｓａと溝３の側面との間の領域Ａが小さくなり、始端部Ｓ上に終端部Ｅを重ね合わせた際の未溶着部の発生が防止され、クラック発生も回避され、高品質な肉盛り層が得られる。
【００３６】
なお、吐出口２５の形状は、楕円が最適であるが、長円形あるいは長方形もよく、要するに溝３の幅方向に長い形状であればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の一形態に係わる粉末材料投入ノズルの吐出口形状を示した説明図である。
【図２】図１に示した吐出口形状及び従来の吐出口形状による肉盛り層始端部の断面形状を比較して示した説明図である。
【図３】粉末材料投入ノズルにおける吐出口の長径寸法ａと溝幅寸法Ｈとの比：ａ／Ｈに対する肉盛り層の欠陥発生頻度を示した説明図である。
【図４】粉末材料投入ノズルにおける吐出口の長径寸法ａと短径寸法ａとの比：ｂ／ａに対する肉盛り層の欠陥発生頻度を示した説明図である。
【図５】溝の延長方向に直交する方向に対して始端部側面がなす角度に対する肉盛り層の欠陥発生頻度を示した説明図である。
【図６】肉盛り層上にピストンリング溝を形成した構造を示すピストンの一部を断面とした側面図である。
【図７】レーザビームによる一般的な肉盛り作業を示す簡略化した動作説明図である。
【図８】肉盛り層における始端部と終端部とのオーバラップ部周辺の断面図である。
【図９】ピストンのピストンリング溝となる溝に形成した肉盛り層における始端部の平面視形状図である。
【図１０】図９の始端部に終端部を重ね合わせたオーバラップ部の平面視形状図である。
【図１１】図１０の拡大されたＢ−Ｂ断面図である。
【符号の説明】
１ ピストン（金属母材）
３ 溝
５ 肉盛り層
７ ピストンリング溝
１５，２３ 粉末材料投入ノズル
２１ レーザビーム
２５ 吐出口
Ｓ 始端部
Ｅ 終端部
Ｈ 溝の幅寸法
ａ 長径寸法（吐出口寸法）
ｂ 短径寸法（吐出口寸法）
Ｔ 中心軸線
θ 角度

Claims (7)

1. 金属母材表面に形成した溝に、前記金属母材に対し前記溝の延長方向に沿って相対移動するレーザビームにより、粉末状の他金属材料を溶融させて肉盛り層を形成する際に、前記粉末材料を投入するためのレーザ肉盛り用粉末材料投入ノズルにおいて、前記粉末材料が吐出される吐出口形状は、前記溝の幅寸法Ｈと、この幅寸法Ｈに対応する方向の吐出口寸法ａとが、１／３≦ａ／Ｈ≦２／３の関係にあり、かつ前記吐出口寸法ａとこの寸法ａ方向に対し直交する方向の吐出口寸法ｂとが、２／５≦ｂ／ａ≦４／５の関係にあることを特徴とするレーザ肉盛り用粉末材料投入ノズル。
2. 吐出口形状は、長円形であることを特徴とする請求項１記載のレーザ肉盛り用粉末材料投入ノズル。
3. 吐出口形状は、楕円形であることを特徴とする請求項２記載のレーザ肉盛り用粉末材料投入ノズル。
4. 他金属材料を肉盛りする金属母材表面の溝の延長方向は、レーザビームに対する金属母材の移動方向前方側が下部で同後方側が上部となるよう相対移動方向に沿って傾斜していることを特徴とする請求項１記載のレーザ肉盛り用粉末材料投入ノズル。
5. 他金属材料を肉盛りする金属母材表面の溝は、エンジンにおけるピストンのピストンリング溝を形成するものであって、前記ピストンをその中心軸線が水平となるよう横置状態で回転させつつ、上方から粉末材料の投入及びレーザビームの照射がなされるものであることを特徴とする請求項４記載のレーザ肉盛り用粉末材料投入ノズル。
6. 金属母材表面に形成した溝に、他金属材料を投入しつつレーザビームを前記金属母材に対して前記溝の延長方向に相対移動させて照射し、前記他金属材料を溶融させて肉盛り層を形成するレーザビームによる肉盛り構造において、前記肉盛り層は、その肉盛り作業開始部となる始端部に、肉盛り作業終了部となる終端部が重ね合わされるもので、前記始端部は、平面視形状が先細となっており、前記溝の延長方向に直交する方向に対する前記始端部側面のなす角度θが、θ≦３０°となっていることを特徴とする肉盛り構造。
7. 金属母材表面に形成した溝に、他金属材料を投入しつつレーザビームを前記金属母材に対して前記溝の延長方向に相対移動させて照射し、前記他金属材料を溶融させ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おいて、前記肉盛り層は、その肉盛り作業開始部となる始端部に、肉盛り作業終了部となる終端部が重ね合わされるもので、前記始端部は、平面視形状が先細となっており、前記溝の延長方向に直交する方向に対する前記始端部側面のなす角度が、３０°以下となるように肉盛り作業を行うことを特徴とする肉盛り方法。

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