JP4299157B2 - 粉末金属肉盛ノズル - Google Patents

Description

本発明は、吐出した粉末金属にレーザビームを照射して加工部位に粉末金属を肉盛りする粉末金属肉盛ノズルに関する。

粉末金属肉盛ノズルとしては図１９に示すレーザによる粉末金属クラッディングノズルが知られている（特許文献１）。

図１９に示す粉末金属クラッディングノズル１００は、フロントユニット１０１にリアユニット１０２を螺着して構成されており、リアユニット１０２はフロントユニット１０１から後方（図では上方）に延びるビーム通路１０３を有し、フロントユニット１０１は、先端にビーム通路１０３に正合する開口１０４を有している。また、フロントユニット１０１に内嵌しているリアユニット１０２の外側面１０５と、フロントユニット１０１の内側面１０６とで円錐状の通路１０７が形成されており、円錐状の通路１０７の上部には粉末金属の供給路１０８が開口している。

以上のように構成された粉末金属クラッディングノズルにおいては、粉末金属が供給路１０８から通路１０７へ供給され、供給された粉末金属は通路１０７に沿って移動して開口１０４から加工部位Ｗへ放出される。また、レーザ発生装置１０９から発生したビームはレンズなどの光学系１１０で集光されビーム通路１０３を通って開口１０４から加工部位Ｗへ照射される。レーザビームは放出された粉末金属を溶融する。このように図 の粉末金属クラッディングノズルを用いることにより加工部位にクラッド層を形成することができる。
特表平１０−５０１４６３号公報

しかし、上記の粉末金属クラッディングノズルでは、ノズルの軸線を鉛直方向に保持してクラッディングする場合には良好なクラッド層を得ることができるが、ノズルの軸線を鉛直方向に対して傾斜した姿勢で使用する場合には、ノズル１００の通路１０７内で重力により粉末金属が偏ってしまい、開口１０４から粉末金属を均一に放出することができない。その結果、良好なクラッド層を得ることができないと云う問題があった。

本発明は、この様な事情に鑑みてなされたもので、加工部位に対してレーザビームを照射するとともに、該加工部位のレーザビーム照射部に粉末材料を吐出するレーザ加工ヘッドに装着する同軸状の粉末金属肉盛ノズルであって、鉛直方向に対して軸線を傾斜しても粉末金属をノズル先端の吐出口の周縁に沿って均等に吐出できる粉末金属肉盛ノズルを提供することを目的とする。

請求項１に記載の粉末金属肉盛ノズルに係わる発明は、上記の目的を達成するために、加工部位に対してレーザビームを照射するとともに、該加工部位のレーザビーム照射部に粉末材料を吐出するレーザ加工ヘッドに装着する同軸状の粉末金属肉盛ノズルであって、内部に前記粉末金属を充填する円環状の粉末金属充填空間と該粉末金属充填空間に前記粉末金属を供給する複数の供給路とを有する本体部と、該本体部に接続され前記粉末金属充填空間から前記粉末金属を吐出口へ誘導する複数の吐出通路を有するノズル部とからなり、前記粉末金属充填空間は、前記供給路に対応する複数の充填領域に分割されており、各充填領域には複数の前記吐出通路が連通していることを特徴とする。

上記の構成によれば、粉末金属充填空間を粉末金属を供給する各供給路に対応する充填領域に分割するとともに、ノズル部先端の吐出口に開口する粉末金属の吐出通路とを有するので、各充填領域に充填された粉末金属を、分割された各充填領域の範囲で吐出口まで誘導することがでる。これ故、鉛直方向に対してノズルの軸線を傾斜しても、粉末金属が粉末金属充填空間の下方に偏ることがない。そして、各充填領域には複数の吐出通路が連通しているから、各供給路で供給された粉末金属は少なくともその２倍以上の吐出通路に分散して吐出される。従って、吐出口の周縁部に沿って粉末金属を均一に吐出することがでる。

請求項２に記載の粉末金属肉盛ノズルに係わる発明は、上記の目的を達成するために、請求項１に記載の粉末金属肉盛ノズルにおいて、前記粉末金属充填空間は前記本体部の外側部材に内側部材を内嵌して形成されており該内側部材に前記粉末材料充填空間を分割する分割部を有することを要旨とする。

粉末金属充填空間は本体部の外側部材に内側部材を内嵌して形成されているので、内側部材に分割部を有することにより粉末金属充填空間を各供給路に対応する充填領域に分割することができる。

請求項３に記載の粉末金属肉盛ノズルに係わる発明は、上記の目的を達成するために、請求項１または２に記載の粉末金属肉盛ノズルにおいて、前記吐出通路は前記ノズル部の外側ノズル部材に外周部に複数の溝部を有する内側ノズル部材を内嵌して形成されることを要旨とする。

粉末金属の吐出通路を内側ノズル部材の外周部に形成した溝部とすることで、吐出通路の形成と保守管理とを容易に行うことができる。

請求項４に記載の粉末金属肉盛ノズルに係わる発明は、上記の目的を達成するために、請求項１〜３のいずれかに記載の粉末金属肉盛ノズルにおいて、前記充填領域は前記粉末金属充填空間を等分に分割してなり、前記吐出通路は、該充填領域の周方向に均等に配置されていることを要旨とする。
充填領域は粉末金属充填空間を等分に分割してなるとともに、吐出通路が充填領域の周方向に均等に配置されていることにより、粉末金属をさらに均一に吐出することができる。
請求項５に記載の粉末金属肉盛ノズルに係わる発明は、上記の目的を達成するために、請求項１に記載の粉末金属肉盛ノズルにおいて、前記供給路は前記粉末金属を前記充填領域の円弧の中心方向に充填するように前記円弧の中央部に設けることを要旨とする。

供給路を充填領域の円弧の中心に向かって、かつ円弧の中央部に設けることにより、粉末金属は充填領域内で左右に分散するように充填される。従って、粉末金属を吐出口の周縁からさらに均一に吐出することができる。

請求項６に記載の粉末金属肉盛ノズルに係わる発明は、上記の目的を達成するために、請求項３に記載の粉末金属肉盛ノズルにおいて、前記内側ノズル部材の先端面を前記外側ノズル部材の先端面に対して軸線方向に所定量後退させて嵌合することを要旨とする。

内側ノズル部材の先端面を外側ノズル部材の先端面に対して軸線方向に所定量後退させて嵌合することにより、加工部位へ吐出される粉末材料の集中範囲が広がることにより粉末材料のパウダ効率を向上することができる。

請求項７に記載の粉末金属肉盛ノズルに係わる発明は、上記の目的を達成するために、請求項２に記載の粉末金属肉盛ノズルにおいて、前記分割部は前記内側部材とは別体の着脱可能な分割部材であることを要旨とする。

分割部を内側部材とは別体の着脱可能な分割部材とすることにより、適宜所望の大きさの充填領域に分割することができるので、レーザ加工ヘッドを傾斜して肉盛り加工する場合に傾斜角度に合わせて肉盛り層の形状を調整することができる。
請求項８に記載の粉末金属肉盛ノズルに係わる発明は、上記の目的を達成するために、請求項１に記載の粉末金属肉盛ノズルにおいて、分割された前記充填領域が互いに異なる大きさであることを要旨とする。
充填領域の大きさを異なったものとすることにより、各充填領域へ供給される粉末金属の流速が同じであっても、吐出口から吐出される粉末金属の流速を吐出口の周縁の部位によって変化させることができるので、加工部位に形成される肉盛り層の形状を所望の形状に制御することができる。
請求項９に記載の粉末金属肉盛ノズルに係わる発明は、上記の目的を達成するために、請求項８に記載の粉末金属肉盛ノズルにおいて、鉛直方向に対して軸線を傾斜した場合に、上方となる前記充填領域が下方となる前記充填領域よりも広いことを要旨とする。
上方の充填領域に比べて下方の充填領域を狭くすることにより、粉末金属の流速が上昇して肉盛り層の垂れ下がりを防止することができる。

本発明の実施の形態を図１〜図６を参照しながら説明する。ここで、図１は粉末金属肉盛ノズルの全体構成を示す断面模式図であり、これらのうち図２は図１のＡ−Ａ断面、図３は図１のＢ−Ｂ断面を示す模式図である。また、図４と図５はノズル本体部の内側部材であって、図４は断面図であり、図５はＣ視正面図である。図６はノズル部の内側ノズル部材の側面図である。

この粉末金属肉盛ノズル１は、円柱状の本体部２と、本体部２に同軸状に結合されたノズル部３とからなる。

本体部２は外側部材４と外側部材４の中央空間に嵌めこまれた内側部材５とを備えており、外側部材４と内側部材５との間には不活性ガスを充填する円環状のガス充填空間６と、キャリアガスとともに粉末金属を充填する粉末金属充填空間７とが形成されている。

ガス充填空間６には、外側部材４に穿設されたガス供給路８と、内側部材の内壁に穿孔して形成した複数のガス吐出路９とが開口しており、ガス供給路８とガス吐出路９とはガス充填空間６を介して連通している。

粉末金属充填空間７には複数の供給路１０が開口しており、粉末金属充填空間７は分割部１１によって各々の供給路１０に対応する充填領域１２に分割されている。

また、粉末金属充填空間７の底部には粉末金属をノズル部へ誘導する多数の誘導孔１３が底部の円周に沿って軸線Ｈと平行に外側部材４の下面に開口するように形成されている。

ノズル部３は前記の本体部２に結合した外側ノズル部材１４と、外側ノズル部材１４に内嵌された内側ノズル部材１５とで構成されている。ノズル部３は結合部材１７で本体部２に螺合されている。外側ノズル部材１４と内側ノズル部材１５との間には本体部２に形成された誘導孔１３に連通する複数の粉末金属の吐出通路１８がノズル部３の吐出口１９に開口するように設けられている。吐出通路１８は、外側ノズル部材１４の内周面、または、内側ノズル部材１５の外周面、あるいはこれらの両面に形成した溝部とすることができる。図６に外周面に溝部２０を形成した内側ノズル部材１５の一例を示す。溝部２０は、内側ノズル部材１５の先端部に平滑部Ｓを残して形成してもよい。また、内側ノズル部１５の内部には本体部２の内側部材５の中央空間に連通したレーザＬが通過するレーザ通路２１が形成されており、レーザ通路２１は内側ノズル部材１５の先端で開口して照射口２２を形成している。また、レーザ通路２１はガス吐出路９から吐出された窒素ガスなどの不活性ガスの通路も兼ねており、不活性ガスは照射口２２から加工部位Ｗへ噴射される。なお、図１の■はＯリングなどのシール材であり、本体部２の外側部材４と内側部材５とで形成されるガス充填空間６や粉末金属充填空間７などの気密性を保持するようになっている。また、シール材は本体部２とノズル部３との当接面の適宜の位置にも設けられている。

以上のように構成された粉末金属肉盛ノズル１は、レーザ加工ヘッドのレーザビーム発生手段と結合され、さらに、本体部２の粉末金属の供給路１０を図示しない粉末金属供給管を介して粉末金属供給源（以下、フィーダという）に接続されることによって以下のように作用する。

粉末金属肉盛ノズル１の本体部２の上方に接続されたレーザビーム発生手段から出射されたレーザビームＬは、レーザ通路２１を通過して照射口２２から加工部位Ｗへ照射される。

一方、フィーダからキャリアガスとともに粉末金属供給管を介して粉末金属の供給路１０に供給された粉末金属Ｐは、粉末金属充填空間７の分割部１１で区画されたそれぞれの充填領域１２へ等分に充填される。充填された粉末金属Ｐは、誘導孔１３と吐出通路１８を通って吐出口１９から加工部位Ｗの周辺へ吐出される。吐出された粉末金属Ｐは、レーザビームＬによって溶融し加工部位Ｗに肉盛り層を形成することができる。

本発明の粉末金属肉盛ノズル１は、本体部２に形成された粉末金属充填空間７が分割部１１で供給路１０に対応するように区画されているので、粉末金属Ｐを円周状の吐出口１９のそれぞれの充填領域に対応する範囲から均等に吐出することができる。

上記のように粉末金属Ｐはキャリアガスとともに各供給路１０から対応するそれぞれの領域に充填されるので、粉末金属Ｐの吐出口１９からの吐出状態は、充填領域１２への粉末金属の充填方向、つまり充填領域１２に対する供給路１０の配設態様によって異なる。ここでは、４箇所の供給路１０から分割部１１によって４分割された各充填領域１２へ粉末金属Ｐを供給する態様について説明する。

第１の態様は、粉末金属Ｐを円弧状の充填領域１２の接線方向となるように充填する態様であり、図７に概念図で示す。各供給路１０は対応する充填領域１２の端部に配置されており、円弧の接線方向に開口している。この第１の態様のノズルについて、加工部位Ｗから見た粉末金属Ｐの吐出状態を図８に概念図で示す。粉末金属Ｐは、吐出口１９の円周上で分割部１１に対応するそれぞれのｐ１〜ｐ４の部位から集中して均一に吐出される。

第２の態様は、各充填領域１２の円弧を二等分する位置から円弧の中心Ｏに向かって粉末金属Ｐを充填する態様であり、図９に概念図で示す。粉末金属Ｐを円弧の中心Ｏ方向にキャリアガスとともに充填することにより、粉末金属Ｐは充填領域１２の内部部材５の壁面に沿って左右に分散される。従って、粉末金属Ｐは各充填領域１２内で第１の態様よりも分散した状態で充填されるので吐出口１９の周囲からさらに均等に吐出されることとなる。この第２の態様のノズルについて、加工部位Ｗから見た粉末金属Ｐの吐出状態を図１０に概念図で示す。粉末金属Ｐは、吐出口１９の円周上で楕円ｐのように第１の態様よりもさらに均一に吐出される。

なお、粉末金属Ｐを吐出口１９の円周上で同時に吐出するために、粉末金属Ｐを供給する粉末金属供給源（以下、フィーダという）から各供給路１０までの距離は、図１１に示すように等距離であることが望ましい。図１１は、粉末金属Ｐの供給経路を示す概念図である。キャリアガスＧによってフィーダＦから送出された粉末金属Ｐは、送給経路Ｒの途中に設けられたチーズなどの分岐手段ｒ１、ｒ２で順次等分に分岐されながら供給路１０を通って各充填領域１２へ充填される。この時、フィーダＦの送出口Ｊから各供給路１０までの送給距離が等しくなるようにする。各充填領域１２へ粉末金属を供給する供給距離を等しくすることにより、粉末金属Ｐは各充填領域１２から加工部位Ｗへ同時に吐出されるので、安定した肉盛加工を実施することができる。

第３の態様は、各充填領域の大きさを異なったものとし、粉末金属を円弧の中心Ｏに向かって充填する態様である。第１および第２の態様では、いずれも粉末金属充填空間７を分割部１１で均等に分割して充填領域１２を同一の大きさとした。しかし、各充填領域１２の大きさをノズル１の傾斜時の位置によって異なる大きさとしてもよい。図１２にその一例を概念図で示す。

図１２は、供給路１０ａと１０ｃとを水平方向とし、供給路１０ｂを上方に、供給路１０ｄを下方となるように粉末金属肉盛ノズル１を傾斜して肉盛り加工を行う場合である。この時、上方の供給部１０ｂに対応する充填領域１２ｂを広く、また、下方の供給路１０ｄに対応する充填領域１２ｄを狭くなるように本体２の内側部材５の分割部１１を形成したものである。

このように、充填領域の大きさを異なったものとすることにより、各充填領域へ供給される粉末金属の流速が同じであっても、吐出口から吐出される粉末金属の流速を吐出口の周縁の部位によって変化させることができるので、加工部位に形成される肉盛り層の形状を所望の形状に制御することができる。

なお、この態様においては、各充填領域１２の大きさを所望によって容易に変更できるように、内側部材５の分割部１１を内側部材と別体の着脱自在の分割部材３０とすることも好ましい。別体とした分割部材３０の一例を図１３に斜視図で示す。分割部材３０は、底部に設けたピン３１を粉末金属充填空間７の底部に開口している多数の誘導孔１３の所望の位置に挿着することで、粉末金属充填空間７を任意の大きさの充填領域１２に分割することができる。
（試験例）
以下、試験例によって本発明をさらに詳しく説明する。
（１）試験例１
試験例１では、ノズル部の外側ノズル部材と寸法の異なる内側ノズル部材とを組み合わせて準備した３種類の粉末金属肉盛ノズルについて、加工部位における粉末金属の集中度と、肉盛り層を形成した時の粉末金属の歩留まり（以後、パウダ効率という）とを求めた。なお、本体部の粉末材料充填空間は図７に示す第１の態様のように等分に４分割したものを用い、内側ノズル部材は、図６に示す外側部材と嵌合して吐出通路１８を形成する溝部２０を有するものを使用した。

粉末金属の集中度は、粉末金属を吐出するノズルの先端から加工部位までの垂直距離（以下、吐出距離という）によって変化する。一般的には、吐出距離が小さいほど粉末金属の集中度は高い。しかし、吐出距離が小さいと、肉盛り層形成による加工部位からの輻射熱やスパッタなどの影響を受けやすい。このため、ある程度の吐出距離をとることが必要となる。ここでは、先端から加工部位までの吐出距離が１５ｍｍの外部ノズル部材に、吐出距離がそれぞれ１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍと異なる３個の内部ノズル部材を組み合わせて、３種類の粉末金属肉盛ノズルＡ、Ｂ、Ｃを準備した。なお、粉末金属肉盛ノズルＡの内側ノズル部材は、その先端５ｍｍに溝部を形成していない平滑部Ｓを有するものであった。
（１−１）粉末金属の集中度
粉末材料の集中度は、粉末金属肉盛ノズルを鉛直下向きに配置し、粉末金属の焦点位置に直径５ｍｍのアパーチャを設置して、粉末金属の供給量Ｘ１に対するアパーチャを通過した通過量Ｘ２の重量百分率（Ｘ２／Ｘ１×１００）とした。なお、ノズル先端からアパーチャまでの距離（吐出距離）は１５ｍｍとした。

この様に設置した粉末金属肉盛ノズルに、キャリアガス（窒素ガス）の流量：１４Ｌ ／ｍｉｎ、粉末金属の供給速度：０．９ｇ／ｍｉｎで、粉末金属：ＣｕＬＳ５０を供給して、吐出された粉末金属の集中度を測定した。結果を表１に示す。なお、表１では粉末金属の集中度を粉末金属肉盛ノズルＡで得られた測定値を１とした相対値で表示した。

すなわち、粉末金属の集中度示は、粉末金属肉盛ノズルＡ（内側ノズル部材の吐出距離：１５ｍｍ）では１、粉末金属肉盛ノズルＢ（同：２０ｍｍ）では０．９８、粉末金属肉盛ノズルＣ（同：２５ｍｍ）では０．９３となり、外側ノズル部材と内側ノズル部材との吐出距離の差が小さいほど集中度の高いことが分かった。

（１−２）パウダ効率
まず、この試験で使用したレーザ肉盛加工装置についてその概要を説明する。

図１７はレーザ肉盛加工装置の全体構成を示す斜視図である。レーザ肉盛加工装置７０は、シリンダヘッドＨのバルブシート部にレーザ肉盛加工を行うレーザ肉盛加工装置であって、シリンダヘッドＨを傾動して保持するシリンダヘッド保持手段７２と、加工部位にレーザビームを照射するとともに粉末金属を吐出するレーザ加工ヘッド７４と、レーザ加工ヘッド７４を鉛直方向に傾斜して保持し鉛直線周りに回転する回転手段７６と、レーザ加工ヘッド７６に粉末金属を供給する粉末金属供給手段７８とから構成されている。

次に、上記のレーザ肉盛加工装置７０のレーザ加工ヘッド７４の概略構成を図１８に示す。図１８はレーザ加工ヘッド７４の正面概要図であり、レーザ加工ヘッド７４は、レーザビームを発生するレーザビーム発生手段８２と、発生したレーザビームを通過するとともに粉末金属を吐出する粉末金属肉盛ノズル８４とを備えている。レーザビーム発生手段８２と粉末金属肉盛ノズル８４とはレーザビームを集光する光学系部８６を介して一体的に接続されている。粉末金属肉盛ノズル８４には粉末金属Ｐを供給する供給ホース８８が接続されて、供給ホース８８は粉末金属供給手段７８に接続されている。

以上のように構成されるレーザ加工ヘッド７４の粉末金属肉盛ノズル８４として、上記の粉末金属肉盛ノズルＡ、Ｂ、Ｃを装着してバルブシート試験片に肉盛り層を形成し、各粉末金属肉盛ノズルのパウダ効率を確認した。

ここで、パウダ効率は、粉末金属の供給重量Ｗに対するクラッド前のバルブシート試験片の重量Ｗ１とクラッド後のバルブシート試験片の重量Ｗ２との差の百分率（（Ｗ２−Ｗ１）／Ｗ×１００）として求めた。

パウダ効率はレーザ加工ヘッドの回転方向によって異なるので、回転方向を加工部位に対して時計回りと反時計回りとの２方向として各々のパウダ効率を求めた。なお、クラッド条件は、レーザ出力：２．６ｋｗ、加工速度：０．９ｍ／ｍｉｎ、キャリアガス（窒素ガス）流量：１４Ｌ／ｍｉｎ、センタガス流量：６Ｌ／ｍｉｎ、粉末金属供給速度：０．９ｇ／ｓｅｃ、粉末金属の種類：ＣｕＬＳ７０（＃５２）とした。この時、レーザ加工ヘッドの傾斜角度は鉛直方向下向きに対して３５゜であった。結果を表１に併記する。なお、表１では最も高い値の得られた粉末金属肉盛ノズルＢの反時計回りのパウダ効率を１とした相対値で表示した。

粉末金属肉盛ノズルＡ（内側ノズル部材の吐出距離：１５ｍｍ）では、回転方向による差は小さいもののパウダ効率は低い。粉末金属肉盛ノズルＢ（同：２０ｍｍ）では、回転方向によって０．０４の違いが認められるが、いずれの回転方向でも０．９６以上の高いパウダ効率が得られた。粉末金属肉盛ノズルＣ（同：２５ｍｍ）では、回転方向によるパウダ効率の差が０．０８と大きなものであり、かつ粉末金属肉盛ノズルＢに比べて低いパウダ効率しか得られなかった。

前記の集中度測定では、粉末金属肉盛ノズルＡの方が粉末金属肉盛ノズルＢよりも高い集中度を得ることができた。しかし、パウダ効率では、粉末金属肉盛ノズルＢのほうが粉末金属肉盛ノズルＡよりも高いパウダ効率が得られた。一般的に、粉末金属の集中度とパウダ効率とは比例関係にあると考えられるが、前記のような相違はノそれぞれのズル部の先端構造の違いによるものと推察される。

図１４に粉末金属肉盛ノズルＡと粉末金属肉盛ノズルＢとの先端形状を拡大して示す。図１４で、Ｘは加工部位の肉盛加工面を示し、肉盛加工面Ｘを挟んで上がノズル先端の概念図であり、下には加工部位Ｗへ吐出された粉末材料Ｐの集中状態を推測して示した正面図である。点線で示した円Ｗは加工部位の範囲であり、この試験では直径５ｍｍの円である。また、実線で囲ったｐは各充填領域に対応して吐出される粉末金属の集中範囲を示している。

粉末金属肉盛ノズルＡ（図１４の左図）の先端は、外側ノズル部材１４と内側ノズル部材１５との吐出距離Ｄがそれぞれ１５ｍｍと同一距離となっている。しかし、内側ノズル部材１５の先端部５ｍｍは溝部２０が形成されていない平滑部Ｓとなっている。一方、粉末金属肉盛ノズルＢ（図１４の右図）の内側ノズル部材１５は吐出距離が２０ｍｍであるが、吐出先端まで溝部２０が形成されている。従って、溝部２０の先端Ｑから加工部位Ｗまでの距離ｄは、粉末金属肉盛ノズルＡ、Ｂともに２０ｍｍで等しい。

粉末金属肉盛ノズルＡでは、Ｑ点まで誘導された粉末金属Ｐは溝部２０が形成されていない平滑部Ｓによってさらに誘導されて吐出口１９から加工部位Ｗへ吐出される。その結果、粉末金属Ｐは、加工部位Ｗのそれぞれに独立した範囲ｐ１〜ｐ４へ集中して吐出されるものと考えられる。

一方、粉末金属肉盛ノズルＢでは、内側ノズル部材１５の先端は外側ノズル部材１４の先端より軸方向に５ｍｍ後退しているので、溝部２０のＱ点から吐出された粉末金属Ｐは、加工部位Ｗではお互いに重なり合う範囲ｐ５〜ｐ８に分散して吐出される。このため、粉末金属Ｐは肉盛加工時の溶湯プールに取り込まれ易くなり高いパウダ効率が得られたものと推測される。

すなわち、内側ノズル部材の先端面を外側ノズル部材に対して軸方向に所定量後退させることによりパウダ効率を高めることができるわけである。
（２）試験例２
傾斜して保持した粉末金属肉盛ノズルについて、本体部の粉末金属充填空間の分割方法を図１２のように上方の充填領域を広く、下方の充填領域を狭く設定した粉末金属肉盛ノズルＤを用いて、バルブシート試験片に肉盛り層を形成した。また、比較のために粉末金属充填空間を４等分した粉末金属肉盛ノズルＥを用いて同様に肉盛り層を形成して、得られた各肉盛り層の断面形状を比較した。
なお、バルブシート試験への肉盛加工には、試験例１と同様の図１７、１８に示すレーザ肉盛加工装置を使用した。

粉末金属肉盛ノズルＤは、図１２に示すように、粉末金属充填空間を上方の充填領域１２ｂを広く（分割部１１、１１と軸心Ｏとのなす角度：θｂ＝１５０゜）、下方の充填領域１２ｄを狭く（同：θｄ＝３０゜）、水平方向の充填領域１２ａ、１２ｃは均等（同：θａ＝９０゜、θｃ＝９０゜）に分割し、ノズル部は、試験例１の粉末金属肉盛ノズルＢと同様のノズル組合せで構成したものである。また、比較のための粉末金属肉盛ノズルＥは、粉末金属充填空間を４等分し（同：θ＝９０）、ノズル部は、試験例１の粉末金属肉盛ノズルＢと同様のノズル組合せで構成したものである。

以上の構成からなる粉末金属肉盛ノズルＤとＥとを図１８に示すレーザ加工ヘッド７４に装着してシリンダヘッドのバルブシート用の溝部（外径：３３ｍｍ、内径：２１ｍｍ）にレーザ肉盛加工を施した。

なお、レーザ肉盛加工装置の主な仕様は、レーザ：３ｋｗ半導体レーザ、レーザ加工ヘッド傾斜角度：鉛直に対して３５度、レーザ加工ヘッドの回転：正転逆転４２０度（オーバラップ６０度）、レーザ加工時間：７秒、であった。また、主な肉盛加工条件は、加工速度：０．９ｍ／ｍｉｎ、レーザ出力：２．６ｋｗ、粉末金属供給速度：０．９ｇ／ｓｅｃ、粉末金属の種類：ＣｕＬＳ５０（銅系粉末）、キャリアガス（窒素ガス）流量：１０Ｌ／ｍｉｎ、センタガス流量：６Ｌ／ｍｉｎであった。

各肉盛り層の断面観察結果を図１５および図１６に示す。図１５は、粉末金属肉盛ノズルＤを用いた試験例２であり、図１６は粉末金属肉盛ノズルＥを使用した比較例である。

ｃは、形成された肉盛り層であり、点線で示すｆは加工部位Ｗの肉盛加工前の試験片の表面である。また、鎖線で示すｓは形成された肉盛り層を製品形状に仕上げ加工する加工面である。

図１６に示すように粉末金属肉盛ノズルＥで形成された肉盛り層は、肉盛り層ｃの下部ａが垂れ下がった形状となった。このため肉盛り層ｃの上部ｂでは加工面ｓに対して加工代を確保することができず、加工後に黒皮が残ることがあり、バルブシートの品質が低下することが分かる。また、この場合には、上部ｂ付近で母材アルミの溶融量が増大し、肉盛り層のアルミ希釈濃度は１重量％以上と大きなものとなった。

一方、図１５に示す試験例２では、肉盛り層ｃは加工面ｓに対してほぼ平行に形成されている。このため黒皮は仕上げ加工によってすべて除去されるので良好なバルブシートの得られることがわかる。なお、試験例２で形成された肉盛り層のアルミ希釈濃度は、０．５重量％以下であった。

粉末金属肉盛ノズルを傾斜して肉盛り加工する場合には、試験例２のように、粉末金属肉盛ノズルの本体部２において、上方の充填領域に比べて下方の充填領域を狭くすることにより、粉末金属の流速が上昇して肉盛り層の垂れ下がりを防止する効果のあることが分かった。

本発明の粉末金属肉盛ノズルは、レーザ肉盛加工装置のレーザ加工ヘッドに装着して、シリンダヘッドのバルブシートの形成や、ボアのコーティングなどに好適に用いることができる。

本発明になる粉末金属肉盛ノズルの構成を示す断面模式図である。 図１のＡ−Ａ断面を俯瞰して示す模式図である。 図１のＢ−Ｂ断面を俯瞰して示す模式図である。 本体部２の内側部材５の断面を示す模式図である。 本体部２の内側部材５のＣ視正面を示す模式図である。 内側ノズル部材の一例を示す側面模式図である。 第１の態様を示す概念図である。 第１の態様における吐出口１９からの粉末金属の吐出状態を示す概念図である。 第２の態様を示す概念図である。 第２の態様における吐出口１９からの粉末金属の吐出状態を示す概念図である。 第２の態様における粉末材料供給系路Ｒを示す概念図である。 第３の態様を説明する概念図である。 分割部材の一例を示す斜視図である。 粉末金属肉盛ノズルの先端形状と、粉末金属の集中度およびパウダ効率との関係を説明する説明図である。 粉末金属肉盛ノズルＤを用いて形成した肉盛り層の断面を示すスケッチである。 粉末金属肉盛ノズルＥを用いて形成した肉盛り層の断面を示すスケッチである。 試験例で用いたレーザ肉盛加工装置の全体構成を示す斜視図である。 図１７のレーザ加工ヘッドの構成を示す概要図である。 従来技術になる粉末金属クラッディングノズルの断面模式図である。

符号の説明

１（８４）：粉末金属肉盛ノズル ２：本体部 ３：ノズル部 ４：外側部材 ５：内側部材 ６：ガス充填空間
７：粉末金属充填空間 １０：供給路 １１：分割部 １２：充填領域 １３：誘導孔 １４：外側ノズル部材 １５：内側ノズル部材 １８：吐出通路 １９：吐出口 ２０：溝部 ２１：レーザビーム通路（不活性ガス通路） ２２：照射口 ３０：分割部材 ７２：シリンダヘッド保持手段 ７４：レーザ加工ヘッド ７６：回転手段 ７８：粉末材料供給手段 ８２：レーザビーム発生手段 ８８：粉末金属供給管

Claims (9)

1. 鉛直方向に対して軸線を傾斜して加工部位に対してレーザビームを照射するとともに、該加工部位のレーザビーム照射部に粉末材料を吐出するレーザ加工ヘッドに装着する同軸状の粉末金属肉盛ノズルであって、
   内部に前記粉末金属を充填する円環状の粉末金属充填空間と該粉末金属充填空間に前記粉末金属を供給する複数の供給路とを有する本体部と、
   該本体部に接続され前記粉末金属充填空間から前記粉末金属を吐出口へ誘導する複数の吐出通路を有するノズル部とからなり、
   前記粉末金属充填空間は、前記供給路に対応する複数の充填領域に分割されており、各充填領域には複数の前記吐出通路が連通していることを特徴とする粉末金属肉盛ノズル。
2. 前記粉末金属充填空間は前記本体部の外側部材に内側部材を内嵌して形成されており該内側部材に前記粉末金属充填空間を分割する分割部を有する請求項１に記載の粉末金属肉盛ノズル。
3. 前記吐出通路は前記ノズル部の外側ノズル部材に外周部に複数の溝部を有する内側ノズル部材を内嵌して形成される請求項１または２に記載の粉末金属肉盛ノズル。
4. 前記充填領域は前記粉末金属充填空間を等分に分割してなり、前記吐出通路は、該充填領域の周方向に均等に配置されている請求項１〜３のいずれかに記載の粉末金属肉盛ノズル。
5. 前記供給路は前記粉末金属を前記充填領域の円弧の中心方向に充填するように前記円弧の中央部に設ける請求項１に記載の粉末金属肉盛ノズル。
6. 前記内側ノズル部材の先端面を前記外側ノズル部材の先端面に対して軸線方向に所定量後退させて嵌合する請求項３に記載の粉末金属肉盛ノズル。
7. 前記分割部は前記内側部材とは別体の着脱可能な分割部材である請求項２に記載の粉末金属肉盛ノズル。
8. 分割された前記充填領域が互いに異なる大きさである請求項１に記載の粉末金属肉盛ノズル。
9. 鉛直方向に対して軸線を傾斜した場合に、上方となる前記充填領域が下方となる前記充填領域よりも広い請求項８に記載の粉末金属肉盛ノズル。

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