JP4344654B2 - レーザ肉盛方法 - Google Patents

Description

本発明は、シールドガスを供給しながらレーザを照射することによって金属粉末を溶融及び固化させ、これにより肉盛部を設けるレーザ肉盛方法に関する。

金属母材に溝部を形成した後、この溝部に金属粉末を供給しながら該金属粉末をレーザで溶融し、自然冷却によって固化させて肉盛部を設ける手法は、レーザ肉盛方法として広汎に知られている。近年では、この手法によって、シリンダヘッドにバルブシートを設けることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

レーザを照射する工程では、シールドガスが供給される。このシールドガスとしては、特許文献１、２に記載されているように、多くの場合でアルゴンが使用されるが、効率が重要視される場合には、例えば、特許文献３、４に記載されているように、アルゴンに代替してヘリウムが使用されることもある。

特公平２−５８４４４号公報 特許第３１７３７０５号公報 特開平７−５１８７１号公報 特開２００２−３６１４５３号公報

ところで、レーザ肉盛方法によって形成された肉盛部には、一般的な肉盛溶接法等に比して、クラックが生じたり、該肉盛部が金属母材から剥離したりすることが多い傾向がある。このような事態が生じる原因は、肉盛部に残存した気泡形状の空洞部、すなわち、いわゆるブローホールが起点となるためであると推察されている。

ブローホールが形成される理由は、金属粉末や、金属粉末が溶融して生じた溶融池にガスが保持され、このガスが溶融池の外部まで拡散するより前に該溶融池が凝固してしまうからである。特に、レーザ肉盛方法では、金属粉末の溶融速度や溶融池の凝固速度が比較的大きいため、一般的な肉盛溶接法等に比してブローホールが発生する確率が高くなる傾向がある。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、ブローホールが生じ難く、このため、肉盛部にクラックが生じたり、肉盛部が金属母材から剥離することを回避することが可能なレーザ肉盛方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、金属母材に設けられた溝部に金属粉末を供給する一方、シールドガスを供給しながらレーザを照射することによって前記金属粉末を溶融及び固化させ、肉盛部を設けるレーザ肉盛方法において、
前記レーザとして半導体レーザを照射し、
前記シールドガスとして、アルゴンと、アルゴンの０．１〜１０体積％のヘリウムとの混合ガスを供給することで、前記金属粉末が溶融した溶融池をプラズマ雲で覆うことを特徴とする。

このような混合ガスをシールドガスに用いた場合、アルゴンをシールドガスに使用した場合に比してプラズマ雲の広がる範囲が大きくなるので、金属粉末が溶融した溶融池が、広範囲にわたってプラズマ雲に覆われる。このため、溶融池の温度上昇が促進されるので、該溶融池中のガスの拡散速度が向上する。換言すれば、ガスを溶融池の外部まで容易に拡散させることができる。

しかも、溶融池が広範囲にわたってプラズマ雲に覆われるため、溶融池の凝固速度が比較的小さくなる。このため、ガスの前記拡散時間を十分に長くすることができるので、溶融池中のガスの大部分を外部に排出することができる。

以上のような理由から、ブローホールが極めて少ない肉盛部を設けることができる。このような肉盛部には、クラックが発生し難い。また、金属母材からの肉盛部の剥離も起こり難くなる。

ここで、シールドガスの流速が過度に小さいとプラズマ雲の生成速度が遅くなるので溶融池が十分に覆われず、一方、過度に大きいとシールドガスによって溶融池が冷却されるので該溶融池の冷却速度が大きくなり、ガスの前記拡散時間が短くなる。従って、溶融池をプラズマで十分に覆い、且つガスの拡散時間を確保するべく、シールドガスの流量を１０〜６０リットル／分に設定することが好ましい。

なお、金属母材の好適な例としてはＡｌ合金が挙げられ、金属粉末の好適な例としては銅粉末又は銅合金粉末が挙げられる。この場合、肉盛部と金属母材とが冶金的に接合することに伴って接合強度が大きくなるので、金属母材からの肉盛部の剥離が一層生じ難くなる。

本発明によれば、アルゴンとヘリウムの混合ガスをシールドガスとして用いてレーザ肉盛方法を行うようにしている。これによりプラズマ雲を広範囲にわたって形成させることができるので、溶融池を確実にプラズマ雲で覆うことができる。このため、溶融池の温度上昇が促進され、その結果、該溶融池中のガスの拡散速度が向上するとともにガスの拡散時間が確保されるので、ガスの大部分を溶融池の外部に排出することができる。

このようにして設けられた肉盛部には、ブローホール（内部欠陥）が極めて少ない。このため、該肉盛部は、クラックが発生し難く且つ金属母材から剥離し難いものとなる。

以下、本発明に係るレーザ肉盛方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

図１は、レーザクラッド装置１０の概略構成説明図である。このレーザクラッド装置１０は、ワークであるシリンダヘッド１２を載置するための回転テーブル１４と、銅及びニッケルを基材とするアトマイズ粉末である銅合金粉末１６を前記シリンダヘッド１２に対して供給するフィード機構１８と、レーザ発振機構部２０とを有し、この中、フィード機構１８を構成する収納部２２には、前記銅合金粉末１６が収容されている。

図２に要部を拡大して示すように、この場合、シリンダヘッド１２は４気筒型内燃機関用であり、図２に示される４個の給排気用バルブ孔２４は、各気筒毎に設けられている。これら給排気用バルブ孔２４の各開口には、該給排気用バルブ孔２４がテーパ状に拡径されることによってシート面２６が設けられている。後述するように、このシート面２６には、前記銅合金粉末１６が供給される。すなわち、シート面２６は、テーパ面を有する円環状溝である。なお、図２は、レーザ発振機構部２０がシート面２６の全周にわたって相対的に操作された状態を表す。

回転テーブル１４（図１参照）は、テーブルコントローラ２８の作用下に変位可能であり、この変位によって、前記給排気用バルブ孔２４の中心が回転中心位置に配置される。

フィード機構１８は、前記収納部２２の他、供給管３０と、フィードコントローラ３２とを有する。供給管３０は、シート面２６に銅合金粉末１６を供給するための管であり、勿論、該シート面２６の近傍まで延在している（図２参照）。また、フィードコントローラ３２は、シート面２６への銅合金粉末１６の供給量を調整する。

レーザ発振機構部２０を構成するＧａ_aＡｌ_bＡｓ型（ａ，ｂは固相比）の図示しない半導体レーザ発振部からは、シート面２６に対してレーザ光３４が照射される。このレーザ光３４の出力は、レーザコントローラ３６によって制御される。また、レーザ発振機構部２０には、シート面２６に対してシールドガスを吐出する図示しないガス吐出機構が組み込まれている。

このように構成されたレーザ発振機構部２０は、立設されたガイドレール３８に変位自在に係合された支持部材４０を介して支持されている。このため、レーザ発振機構部２０は、支持部材４０をガイドレール３８に沿って変位させることにより、回転テーブル１４に対する高さ調整を行うことが可能である。

レーザクラッド装置１０は、さらに、テーブルコントローラ２８、フィードコントローラ３２及びレーザコントローラ３６を統合的に制御するメインコントローラ４２を有する。

本実施の形態に係るレーザ肉盛方法は、上記のように構成されたレーザクラッド装置１０を使用し、以下のようにして実施される。

先ず、回転テーブル１４上にシリンダヘッド１２を載置して固定した後、テーブルコントローラ２８の作用下に回転テーブル１４を水平方向に変位させ、最終的に、所定の給排気用バルブ孔２４の中心を回転中心位置に配置する。

次に、回転テーブル１４を回転させながら、図２に示すように、シート面２６に対し、フィード機構１８の供給管３０から銅合金粉末１６を供給する一方、レーザ発振機構部２０からレーザ光３４を照射する。上記したように回転テーブル１４が回転しているので、レーザ発振機構部２０は、シート面２６に対して相対的に走査される。すなわち、レーザ光３４がシート面２６に沿って円環状に照射される。

なお、回転テーブル１４、フィード機構１８及びレーザ発振機構部２０は、テーブルコントローラ２８、フィードコントローラ３２及びレーザコントローラ３６により制御され、それぞれメインコントローラ４２の作用下に同期し、同時に動作を開始する。回転テーブル１４の回転速度、銅合金粉末１６の供給量、レーザ光３４の出力は、シート面２６の周長に合わせて調整すればよいが、例えば、それぞれ、６〜１６ｍｍ／分、１５〜３０ｇ／分、１．２〜２．０ｋＷに設定することができる。

レーザ発振機構部２０からは、レーザ光３４が照射されると同時に、シールドガスが吐出される。本実施の形態においては、このシールドガスとして、アルゴンにヘリウムが添加された混合ガスが使用される。

ここで、図３にシールドガスがアルゴンのみである場合のプラズマ雲５０ａの発生状態を示すとともに、図４にシールドガスがアルゴンとヘリウムとの混合ガスである場合のプラズマ雲５０ｂの発生状態を示す。勿論、両者において、シールドガスの流量は同一である。

銅合金粉末１６は、レーザ光３４によって溶融し、液相と固相とが混在する溶融池５２となる。この溶融池５２がプラズマ雲５０ｂによって覆われる面積は、図３と図４を対比して諒解されるように、プラズマ雲５０ａによって覆われる面積に比して大きくなる。具体的には、およそ１．５倍程度となる。このことと、ヘリウムの熱伝導率がアルゴンに比して大きいこととが相俟って、シールドガスとして混合ガスを使用した場合、アルゴンのみを使用した場合に比して、プラズマ温度、ひいては溶融池５２の温度が高くなる。

すなわち、混合ガスを使用した場合、プラズマ温度が高くなるので溶融池５２の温度上昇が促進され、このために溶融池５２中のガスの拡散が促進される。

しかも、溶融池５２の温度が高いため、冷却固化の速度が小さくなる。換言すれば、長時間にわたってガスを拡散させることができる。このため、十分な量のガスを溶融池５２の外部に排出させることができ、従って、最終的に得られる肉盛部５４（図２参照）にブローホールが生じ難くなる。

なお、ヘリウムの添加量は、アルゴンの全量に対して０．１〜１０体積％に設定される。０．１体積％未満では、ブローホールが発生することを回避することが困難である。また、１０体積％を超えると、空気に比して比重が小さいヘリウムがシールドガス中に多く存在するようになるため、プラズマ雲５０ｂが上昇し易くなる傾向が大きくなる。この場合、溶融池５２がプラズマ雲５０ｂで覆われる面積が小さくなるので、溶融池５２の温度を上昇させることが困難となり、ブローホールの発生を回避することも困難となる。

また、シールドガスの流量は、１０〜６０リットル／分の範囲内であることが好ましい。１０リットル／分未満では、シールドガス量が少なくなるので、溶融池５２をプラズマ雲５０ｂで覆うことが容易でなくなる。一方、６０リットル／分よりも大きいと、シールドガスの流速が大きくなるために溶融池５２が冷却されるようになるので、溶融池５２の温度を上昇させることが容易でなくなる。

回転テーブル１４の回転動作に伴ってレーザ光３４が環状に走査され、該レーザ光３４が溶融池５２から離間すると、溶融池５２が冷却固化する。レーザ光３４がシート面２６に沿って円環状に走査されることに伴い、この溶融及び冷却固化がシート面２６の全周にわたって逐次的に繰り返され、その結果、肉盛部５４（図２参照）が形成される。

このようにして設けられた肉盛部５４には、ブローホールが残存し難い。上記したように、シールドガスとしてアルゴンとヘリウムとの混合ガスが使用され、これによって溶融池５２の温度上昇が促進されているので、溶融池５２に含まれたガスのほとんどを該溶融池５２の外部に拡散除去させることができるからである。従って、この肉盛部５４には、クラックが発生し難い。また、該肉盛部５４のシート面２６からの剥離も起こり難い。

このように、シールドガスとしてアルゴンとヘリウムとの混合ガスを使用することにより、クラックが発生し難く且つシート面２６から剥離し難い肉盛部５４を形成することができる。

さらに、肉盛部５４が形成される際、該肉盛部５４の下端部は、シート面２６と冶金的に接合する。すなわち、該接合部に、肉盛部５４とシート面２６の各構成元素を含む合金層が生成する。すなわち、アルミニウム合金であるシリンダヘッド１２に対して銅合金である肉盛部５４を設ける場合、シート面２６と肉盛部５４との接合強度が高くなるので、肉盛部５４がシート面２６から一層剥離し難くなる。

上記の作業が他のシート面２６のすべてに対しても同様に行われ、全シート面２６に肉盛部５４が設けられる。これらの肉盛部５４は、バルブシートとして機能する。すなわち、本実施の形態によれば、耐久性に優れ、且つシート面２６から脱落し難いバルブシートを構成することができる。

なお、上記した実施の形態においては、銅合金粉末１６を供給するようにしているが、銅粉末及びニッケル粉末を主成分とし、且つ溶融した後に冷却固化すると銅合金となる組成の混合金属粉であってもよい。又は、銅合金粉末１６に代替して銅粉末を供給するようにしてもよい。

また、シリンダヘッド１２にバルブシートを設ける場合を例示して本発明を説明したが、本発明はこの場合に特に限定されるものではなく、レーザ肉盛方法によって肉盛部５４を設ける場合に適用することができることはいうまでもない。

さらに、金属母材は、Ａｌ合金に限定されるものではなく、他の金属からなるものであってもよい。同様に、金属粉末も銅合金粉末１６に限定されるものではなく、他の金属の粉末であってもよい。

本実施の形態に係るレーザ肉盛方法を実施するためのレーザクラッド装置の概略構成説明図である。 シリンダヘッドのシート面に肉盛部を形成する状態を模式的に示す要部拡大斜視図である。 シールドガスとしてアルゴンを使用した場合のプラズマ雲の広がりを模式的に示す要部拡大断面図である。 シールドガスとしてアルゴンとヘリウムの混合ガスを使用した場合のプラズマ雲の広がりを模式的に示す要部拡大断面図である。

符号の説明

１０…レーザクラッド装置 １２…シリンダヘッド
１４…回転テーブル １６…銅合金粉末
１８…フィード機構 ２０…レーザ発振機構部
２４…給排気用バルブ孔 ２６…シート面
３０…供給管 ３４…レーザ光
５０ａ、５０ｂ…プラズマ雲 ５２…溶融池
５４…肉盛部

Claims (3)

1. 金属母材に設けられた溝部に金属粉末を供給する一方、シールドガスを供給しながらレーザを照射することによって前記金属粉末を溶融及び固化させ、肉盛部を設けるレーザ肉盛方法において、
   前記レーザとして半導体レーザを照射し、
   前記シールドガスとして、アルゴンと、アルゴンの０．１〜１０体積％のヘリウムとの混合ガスを供給することで、前記金属粉末が溶融した溶融池をプラズマ雲で覆うことを特徴とするレーザ肉盛方法。
2. 請求項１記載のレーザ肉盛方法において、前記シールドガスの流量を１０〜６０リットル／分とすることを特徴とするレーザ肉盛方法。
3. 請求項１又は２記載のレーザ肉盛方法において、前記金属母材としてＡｌ合金を用い、且つ前記金属粉末として銅粉末又は銅合金粉末を使用することを特徴とするレーザ肉盛方法。

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