JP5410129B2 - レーザクラッドバルブシートの内部検査方法 - Google Patents
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Description
このレーザクラッド製法では、クラッド層内部に空孔が発生し、クラッド層の機械的強度に影響し、バルブシートのような、無負荷と高負荷が断続的に繰り返し付与される環境下では、その影響が大きい。
従来では、一般的な肉盛り部の内部欠陥の検査方法として、平面状のバルブ傘表面に超音波を入射させて反射波の状態により肉盛り部の良否を判定するものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
本発明では、肉盛り部の表層部を、バルブシート形状の仕上げ加工の予定部から少なくとも超音波探傷器の不感帯に対応する領域を残して、予定部におけるバルブシート面の幅よりも広い範囲に亘って鏡面加工し、鏡面に垂直に超音波探傷器を走査しているため、少なくとも鏡面加工の下側領域の良否を正しく判定できる。
鏡面からの表面反射波が、空孔からの表面反射波に比して、例えば120%くらい高くなるようにゲイン調整したとすれば、鏡面加工の領域外の黒皮部分からの表面反射波は、面粗度に応じて80%程度と低くなるため、検査に当たっては、80%程度と低い黒皮部分のデータは、除外して検査できる。
このバルブは、レーザクラッドバルブシートであるため、溝の両溝壁の近傍にクラッド層のひけ変形部ができる。このひけ変形部、すなわち肉盛り部の黒皮部分を、鏡面の両端に残存させた場合には、超音波探傷器による検査時に、黒皮部分から鏡面、或いは鏡面から黒皮部分に走査する際に、その境界部を正確に検出でき、超音波探傷器の検出データの処理が容易になる。
本構成では、超音波探傷器の不感帯に対応する領域を均等の幅で残すことができ、鏡面加工ラインをバルブシート面に近づけることができ、従って、超音波探傷器が溝底面に近づき、超音波探傷器による検出が容易になる。
本構成では、切削機械の加工公差により、加工ラインが、加工下限から加工上限までのいずれのラインにずれたとしても、加工で得られる鏡面の幅が、前記バルブシート面の幅より広く設定される。
従って、加工公差により、加工ラインが基準ラインからずれて、加工で得られる鏡面が上下にずれても、バルブシート面の幅よりも広い、最低保証幅を持つ鏡面を確実に得ることができる。
また、超音波探傷器の不感帯に対応する領域を均等の幅で残すことができ、鏡面加工ラインをバルブシート面に近づけることができるため、超音波探傷器が溝底面に近づき、超音波探傷器による検出が容易になる。
このバルブは、レーザクラッドバルブシートであるため、両溝壁の近傍にクラッド層のひけ変形部ができる。このひけ変形部、すなわち肉盛り部の黒皮部分を、鏡面の両端に残存させた場合には、超音波探傷器による検査時に、黒皮部分から鏡面、或いは鏡面から黒皮部分に走査する際、その境界部を正確に検出できるため、超音波探傷器の検出データの処理が容易になる。
また、本発明では、加工公差により、加工ラインが基準ラインからずれて、加工により得られる鏡面が上下にずれたとしても、バルブシート面の幅よりも広い最低保証幅を持つ鏡面が確実に得られる。
図1は、本実施形態に係るシリンダヘッド1の製造工程を示す図であり、図1(A)はレーザクラッドバルブシートの形成前、図1(B)は肉盛り部形成後、図1(C)はレーザクラッドバルブシートの形成後をそれぞれ示している。
シリンダヘッド1は、燃焼室3に連通する吸気ポート5A及び排気ポート5Bを備え、これら吸気ポート5A及び排気ポート5Bの開口が、それぞれ吸気バルブ及び排気バルブ(図示せず)で開閉される。なお、以下の説明では、これら吸気ポート5A及び排気ポート5Bを区別する必要が無いときは単にポート5と称する。
図1(C)に示すように、ポート5の開口縁には、吸気/排気バルブに密着して燃焼室3を気密に維持するためのバルブシート7が形成されている。
本製造工程においては、レーザクラッドに用いる金属粉末15は、シリンダヘッド1の素材の金属とは異なる銅及びニッケルをベースとする合金のアトマイズ粉末が用いられ、高硬度の異種金属層が肉盛り部19として形成される。
レーザクラッドに用いるレーザ光17の波長は、金属粉末15のエネルギー吸収が大きい波長範囲に設定されており、金属粉末15の溶融効率が高められている。具体的には、金属粉末15が銅−ニッケル合金の場合、800〜950[nm]の波長範囲の所定値が用いられる。この波長範囲のレーザ光17の光源には、例えばモジュール式でGaaAlbAs型(a,bは固相比)のレーザ発振部を有し、半導体のPN接合部からレーザ光17を発する半導体レーザが好適に用いられ、半導体の成分を調整することで上記所定値の波長のレーザ光17が得られる。
上述したレーザ光17の波長設定により金属粉末15の溶融効率が高められているため、半導体レーザとしては1.2〜2.0[kW]程度の低出力の装置を使用して、例えば、5[mm]の肉厚の肉盛り部19を形成することができる。
レーザ光17は、照射範囲内(光軸に対して垂直な面内)でのエネルギー分布が略一様な強度分布特性を有することで、レーザ光17の照射位置で偏り無く入熱される。
さらに詳述すると、バルブシート形成予定部9には、断面台形状の台形凹溝11がポート5の開口縁に沿って環状に形成されている。
台形凹溝11は、いわゆる逆台形状とされており、肉盛り部形成時には、台形凹溝11に収まる程度の金属粉末15が供給されつつ、レーザ光17が広い幅に亘って、台形凹溝11の溝底面31に対して略垂直に照射されることで、当該照射範囲に対して均一な入熱が行われて肉盛り部19が形成される。
台形凹溝11とした場合、溝底が湾曲形状の溝に比べ、溝底面31が平坦であるため、開口端側でも十分な量の金属粉末15が確保される。従って、金属粉末15の量に対して入熱量が過多になることがなく、開口端側での肉盛り部19のクラックが抑制される。台形凹溝11の中央部では、溝底がV溝等に比べて溝底面31の深さが浅くなるため、金属粉末15の量が抑えられる。従って、金属粉末15の量に対して入熱量が足りなくなることが少なく、台形凹溝11の中央部で肉盛り部19に空孔の発生が抑制される。さらに、バルブシート7の幅よりも広い幅に亘って肉盛り部19を形成するため、肉盛り部19の両側に所定幅のマージンが得られる。
これとは逆に、台形凹溝11の開き角を小さくするほど、台形凹溝11が深くなるため、レーザ光17による入熱が最深部である中央部で不足して空孔が生じ易くなる。これに加え、レーザクラッドにおいては、通常、肉盛り部19の両側に溶湯の表面張力によって凹む、いわゆる、ひけ変形部19Aが生じる。ひけ変形部19Aの凹み量は、台形凹溝11の開き角が小さくなるほど大きくなるため、このように台形凹溝11の開き角を小さくし過ぎると、バルブシート7として使用可能な厚みが減少してしまい、所定のシート幅を確保し難くなる虞もある。
上記構成では、台形凹溝11の開き角を、90度<θ≦120度の範囲で設定している。これにより肉盛り部19に十分な厚みを確保しつつ、台形凹溝11の中央部での空孔を抑制し、所定シート幅を確保している。
この肉盛り部19を形成するに際しては、上述したように、金属粉末15の量に対して入熱量が不足すると、空孔が発生し易くなる。
この原理からすると、両溝壁32,33に近い部分と、台形凹溝11の中央部分とを比較した場合、等しい入熱量に対して、金属粉末15の量が多い中央部分において、空孔が発生し易くなる。これを言い換えると、金属粉末15の量が少ない両溝壁32,33に近い部分では、空孔が発生し難い。
従って、本構成では、肉盛り部19のうち空孔が発生し難い、両溝壁32,33に近い部分19Aを検査の対象外とする。
図2(A)中で、実線L1は、レーザクラッドバルブシート7の仕上げ加工予定部を示すラインであり、図1(C)に示すバルブシート7の仕上げ加工では、ラインL1より図中上側の余剰肉部がすべて切除される。また、図1(C)に示すバルブシート7の仕上げ加工では、幅Sのバルブシート面7Aが形成される。
本検査では、まず、肉盛り部19の表層部を、基準ラインL2に沿って鏡面加工して、この鏡面に垂直に、超音波探傷器(プローブ)51を、矢印Xの方向(バルブシート7の幅方向)に往復走査する。ラインL2に沿った加工で得られる鏡面は、図1から明らかなように、略円錐面で構成され、バルブシート7のシート面7Aと略平行に延在する。
プローブ51を活用する場合、超音波特有の不感帯の存在により、表層〜0.4mmの範囲に存在する空孔を判定できない。
そこで、基準ラインL2は、レーザクラッドバルブシート7の仕上げ加工予定部を示すラインL1から、少なくともプローブ51の不感帯に対応する領域54(肉盛り部19の一部)を、ラインL2の下に残して決定する。
切削機械の加工位置は、加工公差の関係から、ラインL3,L4の間でばらつくことが前提であり、いずれのラインL3〜L4の間で加工が行われても、肉盛り部19を横切る幅(鏡面の幅)は、バルブシート面7Aの幅Sよりも広く設定される。
この構成では、ラインL3〜L4のうち、加工上限ラインL4の横切る幅(保証幅N)が最も短くなっており、切削機械の加工位置が、仮にL3〜L4の間でばらついて、鏡面が上下にずれたとしても、バルブシート面7Aの幅Sよりも広い、最低保証幅Nを持つ鏡面を確実に得ることができる。
プローブ51は、幅Pの超音波を発振すると共に、探傷距離WL、探傷焦点距離A、自由焦点距離Fに設定され、矢印Xの方向に往復走査される。
プローブ51の往復走査の範囲Rは、最低保証幅Nの両側に、相対位置のバラツキをみて決定した所定のマージンQをとり、各マージンQの中央間の距離に設定され、走査始点Tから走査終点Uまでの範囲である。
本構成では、鏡面加工の領域(最低保証幅N)よりも、広い幅(往復走査の範囲R)に亘ってプローブ51を走査する。プローブ51の走査方向は、バルブシート7の幅方向である。そして、プローブ51が発振した超音波を、ラインL2を含む、肉盛り部19の表面で反射し、この反射波を受けて超音波探傷ユニット52に入力し、ディスプレイユニット53に表示する。
鏡面からの表面反射波が、空孔(不図示)からの表面反射波に比し、例えば120%くらい高くなるようにゲイン調整すれば、肉盛り部19の空孔が可視化されて、ディスプレイユニット53に表示され、空孔の存在確認により、肉盛り部19の良否を判定できる。プローブ51は、鏡面加工の領域外の黒皮部分も走査するが、黒皮部分からの表面反射波は、面粗度に応じて80%程度と低くなるため、検査に当たり、80%程度と低い黒皮部分のデータを除外して検査できる。従って、超音波探傷ユニット52において、プローブ51の検出データの処理が容易になる。
(図3のステップ5)
肉盛り部19の検査結果がNOであれば、不良品処理工程に移行する。
レーザクラッドバルブシート7であるため、両溝壁32,33の近傍にクラッド層のひけ変形部19Aができる。このひけ変形部19A、すなわち肉盛り部19の黒皮部分を、鏡面の両端に残存させるため、プローブ51の検査時に、上述したように、黒皮部分から鏡面、或いは鏡面から黒皮部分に走査する際、その境界部を正確に検出でき、プローブ51の検出データの処理が容易になる。
バルブシート面7Aと略平行に、鏡面加工するため、プローブ51の不感帯に対応する領域54を基準ラインL2の下に均等の幅で残すことができ、基準ラインL2をバルブシート面7Aに近づけることができる。従って、プローブ51が溝底面31に近づき、プローブ51による検出が容易になる。
図2に示す肉盛り部19の内部検査が行われ、良品(YES)と判定された後、バルブシート形成予定部9に対して仕上げ加工を施して、図1(C)に示すレーザクラッドバルブシート7を形成する。仕上げ加工では、図2(A)に示すように、所定幅Sのバルブシート7が得られるように、実線で示す輪郭線L1に沿って肉盛り部19の表層部を削り落とすとともに、バルブのかさ部分のファンネル形状に合せて台形凹溝11の両側面31A、31Bを削り落とす切削加工が施される。
バルブシート7の所定幅Sは、少なくともバルブのかさ部分との間で所定の気密性が得られる幅とされている。
7 バルブシート
15 金属粉末
19 肉盛り部
11 台形凹溝
L1 ライン
L2 ライン
51 超音波探傷器(プローブ)
52 超音波探傷ユニット
53 ディスプレイユニット
Claims (3)
- レーザ光を照射しながら金属粉末を溝部に供給して、当該溝部に肉盛り部を形成した後に、当該肉盛り部を所定のバルブシート形状に仕上げ加工して形成するレーザクラッドバルブシートの内部検査方法において、
前記肉盛り部の表層部を、バルブシート形状の仕上げ加工の予定部から少なくとも超音波探傷器の不感帯に対応する領域を残して、前記予定部におけるバルブシート面の幅よりも広い範囲に亘って鏡面加工し、
前記鏡面加工は、両端に肉盛り部の黒皮部分を残存させて行い、
前記鏡面加工の領域よりも広く、前記黒皮部分を含む幅に亘って、前記鏡面に垂直に超音波探傷器を走査し、
前記超音波探傷器の検査結果に基づいて肉盛り部の良否を判定することを特徴とするレーザクラッドバルブシートの内部検査方法。 - 前記鏡面加工は、前記バルブシートのシート面と略平行に行われることを特徴とする請求項1に記載のレーザクラッドバルブシートの内部検査方法。
- 前記鏡面加工の基準ラインを、超音波探傷器の不感帯を考慮して決定した加工下限ラインと、切削機械の加工公差を考慮して決定した加工上限ラインとの間の中間位置に設定することを特徴とする請求項1又は2に記載のレーザクラッドバルブシートの内部検査方法。
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