JP5410130B2 - 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、肉盛り部の表層部の全域を、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、バルブシート幅方向の断面視で多角形となる形状に鏡面加工し、各鏡面を垂直に各々超音波探傷器を走査しているため、バルブシート形状の仕上げ加工の予定部より下側における肉盛り部の全部領域の良否を正しく判定できる。
この構成では、超音波探傷器の走査が2回で済み、仕上げ加工の予定部より下側における肉盛り部の全部領域の良否を、簡単、かつ正しく判定できる。
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。
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、2本の交差するラインL2,L3に沿って鏡面加工して、それぞれの鏡面に垂直に、それぞれ超音波探傷器(プローブ)51A,51Bを、それぞれ矢印Xの方向に往復走査する。
このプローブ51A,51Bは、図2(B)に示すように、超音波探傷ユニット52と、ディスプレイユニット53とに接続されている。
そこで、各ラインL2,L3は、バルブシート形状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51A,51Bの不感帯に対応する領域R(肉盛り部19の一部)を、ラインL2,L3の下側に残して決定される。
ただし、各ラインL2,L3を切削する切削機械(不図示)には加工公差が存在するため、各ラインL2,L3の決定にあたっては、まず、プローブ51A,51Bの不感帯を考慮して、直線状の加工下限ラインを決定し、これを基準に当該切削機械(不図示)の加工公差を考慮すると共に、肉盛り部19の表層部の黒皮部分を完全に除去することを条件とした、同じく直線状の加工上限ラインを決定し、これらの線の中間位置を各ラインL2,L3に決定することが望ましい。
鏡面加工で得られる鏡面は、バルブシート幅方向の断面視で、中央Tを頂点に肉盛り部19の端に向けて略左右対称の2鏡面であり、2鏡面は、両溝壁32,33の一部32A,33Aを抉って形成される。
なお、本構成では2鏡面としたが、2鏡面に限定されず、3鏡面、4鏡面等のように、バルブシート幅方向の断面視で多角形状としてもよい。また、3鏡面とする場合には、例えば各鏡面をラインL1に平行とした3鏡面としてもよい。これらの場合、各鏡面に垂直にプローブ51を走査する。
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方向(バルブシート7の幅方向)に往復走査される。
一方のプローブ51Aの走査始点Nは、ラインL2が横切る肉盛り部19の端Mから、所定のマージンをとった位置であり、走査終点Oは、頂点Tを越えて、プローブ51Aの超音波が台形凹溝11の溝底面31の端を指向する位置である。他方のプローブ51Bの走査始点Uは、ラインL3が横切る肉盛り部19の端Vから、所定のマージンをとった位置であり、走査終点Wは、プローブ51Bの超音波が台形凹溝11の溝底面31の端を指向する位置である。
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ることで、肉盛り部19の空孔を可視化でき、ディスプレイユニット53に表示できる。
本構成では、肉盛り部19の表層部の全域を、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プローブ51A,51Bの不感帯に対応する領域を残して、バルブシート幅方向の断面視で三角形となる形状に鏡面加工し、2鏡面を垂直に各々プローブ51A,51Bを走査するため、バルブシート形状の仕上げ加工の予定部より下側における肉盛り部19の全部領域の良否を正しく判定できる。
また、本構成では、一対のプローブ51A,51Bが、溝底面31とラインL2〜L5で囲う五角形の領域をそれぞれ1回ずつ走査し、計2回走査する。五角形領域は、バルブシート面7Aの下方に位置し、2回走査することにより、バルブシート面7Aの下方の空孔を精度よく検査できる。この構成では、プローブ51A,51Bの走査が1回ずつの2回で済み、仕上げ加工の予定部より下側における肉盛り部19の全部領域の良否を、簡単、かつ正しく判定できる。
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。
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、実線で示すライン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(鏡面)
L2 ライン(鏡面)
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 (2)
- 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の全域を、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、バルブシート幅方向の断面視で多角形となる形状に鏡面加工し、
各鏡面に垂直に、各々超音波探傷器を各鏡面の端部を越えて各鏡面の走査範囲が隣り合う鏡面の走査範囲と重複するように走査し、
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、バルブシート幅方向の断面視で中央を頂点に肉盛り部の端に向けて略左右対称の2鏡面を形成す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。
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