JP5412887B2 - Laser cladding valve sheet forming method and laser cladding valve sheet forming apparatus - Google Patents

Laser cladding valve sheet forming method and laser cladding valve sheet forming apparatus Download PDF

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Description

本発明は、レーザクラッドバルブシート形成方法及びレーザクラッドバルブシート形成装置に関する。   The present invention relates to a laser cladding valve sheet forming method and a laser cladding valve sheet forming apparatus.

例えば、自動車エンジンでは、バルブシートとして従来のシートリングを打ち込む方式に変えてバルブシート合金をシリンダーヘッドへ直接肉盛りする方式(レーザクラッド加工)が採用され初めている。このように、バルブシート合金をシリンダーヘッドに直接肉盛りすれば、シートリングの打ち込み方式に比べて熱伝導性を大幅に向上させることができ、冷却性能を高めることができる。   For example, in an automobile engine, instead of a conventional method of driving a seat ring as a valve seat, a method of directly depositing a valve seat alloy on a cylinder head (laser cladding processing) has begun to be adopted. As described above, if the valve seat alloy is directly built on the cylinder head, the thermal conductivity can be greatly improved as compared with the seat ring driving method, and the cooling performance can be improved.

レーザクラッド加工は、シリンダーヘッドのバルブシート形成部位に金属粉末(肉盛り材料)を供給しながら、若しくは、予めバルブシート形状に押し固めたリング形状の金属粉末をバルブシート形成部位に配置してその金属粉末に対してレーザビームを照射して溶融固化させて肉盛る技術である(例えば、特許文献1など参照)。その中でも、内燃機関用シリンダヘッドのバルブシート部に対してレーザクラッド加工を行い、リング形状のバルブシートを形成する手法をレーザクラッドバルブシート加工という。   Laser cladding is performed by supplying metal powder (building material) to the valve seat forming part of the cylinder head, or by placing ring-shaped metal powder that has been pressed and shaped in advance into the valve seat forming part. This is a technique in which a metal beam is irradiated with a laser beam to be melted and solidified to build up (for example, see Patent Document 1). Among them, a method of forming a ring-shaped valve seat by performing laser cladding on a valve seat portion of a cylinder head for an internal combustion engine is called laser cladding valve seat processing.

金属粉末を供給しながらレーザビームを照射して肉盛るためには、シリンダーヘッドとレーザビームを円周方向に相対的に回転させる必要があることから、加工開始部と加工終端部をオーバーラップさせる必要があり、オーバーラップ部の品質の安定化が難しい。   In order to build up by irradiating with a laser beam while supplying metal powder, it is necessary to rotate the cylinder head and the laser beam relatively in the circumferential direction, so that the processing start portion and the processing end portion overlap each other. It is necessary to stabilize the quality of the overlap part.

この一方、予めバルブシート形状に押し固めた金属粉末にレーザビームを照射して肉盛を行う場合、レーザを走査させずにリング形状としたレーザビームのビーム幅をバルブシート幅と同等にして照射した場合、エネルギー密度が小さくなり、肉盛り加工が困難になる。   On the other hand, when overlaying is performed by irradiating a laser beam onto metal powder that has been preliminarily pressed into a valve seat shape, the beam width of the ring-shaped laser beam is equal to the valve seat width without laser scanning. In such a case, the energy density becomes small, and the build-up processing becomes difficult.

そこで、レーザエネルギー密度を肉盛り加工可能な値にしながらリングビーム幅を肉盛り幅と同等にする方法として、レーザ発振器の出力を増加させることが考えられる。しかし、現在市販されているレーザ発振器の出力値には上限があるため、リングビーム幅を肉盛り幅へ到達させることができない。   Therefore, it is conceivable to increase the output of the laser oscillator as a method of making the ring beam width equal to the build-up width while making the laser energy density a value that can be built-up. However, since there is an upper limit to the output value of a laser oscillator currently on the market, the ring beam width cannot reach the buildup width.

リングビーム幅を肉盛り幅に増加させる別の手段として、リング形状を分割した円弧形状を複数のレーザ発振器により形成し、それらを合わせてリング形状とする手法がある(例えば、特許文献2など参照)。   As another means for increasing the ring beam width to the build-up width, there is a method in which an arc shape obtained by dividing the ring shape is formed by a plurality of laser oscillators, and these are combined into a ring shape (see, for example, Patent Document 2) ).

特開2005−21908号公報JP 2005-21908 A 特開2002−066779号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2002-066779 特開2003−251480号公報JP 2003-251480 A

しかし、リング形状を分割した円弧形状を複数のレーザ発振器により形成する方法では、複数のレーザ発振器が必要となり、設備費が高くなる。   However, in the method of forming a circular arc shape obtained by dividing the ring shape with a plurality of laser oscillators, a plurality of laser oscillators are required, resulting in an increase in equipment costs.

そこで、本発明は、レーザビームを走査することなく肉盛り可能なエネルギー密度としたリング形状ビームにて肉盛りを実現して肉盛り加工部の品質を高めることができ且つ設備費も抑えることのできるレーザクラッドバルブシート形成方法及びレーザクラッドバルブシート形成装置を提供する。   Therefore, the present invention realizes the build-up with a ring-shaped beam having an energy density that can be built up without scanning with a laser beam, and can improve the quality of the built-up processing portion and suppress the equipment cost. A laser cladding valve sheet forming method and a laser cladding valve sheet forming apparatus are provided.

本発明のレーザクラッドバルブシート形成方法では、レーザビームを、バルブシートの直径と近似した径且つバルブシートのリング幅よりも小さい幅のリング形状ビームとして、このリング形状ビームをリング状の金属材料全域に亘り偏芯照射させる。   In the method for forming a laser clad valve seat according to the present invention, the laser beam is formed into a ring-shaped beam having a diameter approximate to the diameter of the valve seat and smaller than the ring width of the valve seat, and the ring-shaped beam is formed in the entire ring-shaped metal material. Eccentric irradiation is performed.

本発明のレーザクラッドバルブシート形成装置は、レーザ発振器から照射される円形状のレーザビームを、バルブシートの直径と近似した径且つバルブシートのリング幅よりも小さい幅のリング形状ビームとするビーム形状変更ミラーと、レーザビームをリング状の金属材料全域に亘り偏芯照射させる偏芯回転機構を持つビーム照射ミラーと、を備えている。   The laser clad valve seat forming apparatus according to the present invention has a beam shape in which a circular laser beam irradiated from a laser oscillator is a ring-shaped beam having a diameter approximate to the diameter of the valve seat and smaller than the ring width of the valve seat. A change mirror, and a beam irradiation mirror having an eccentric rotation mechanism for irradiating the entire region of the ring-shaped metal material with an eccentricity.

本発明のレーザクラッドバルブシート形成方法によれば、リング形状ビーム幅をバルブシート幅と同等にする必要がないため、レーザ出力を高出力としてエネルギー密度を高める必要がなく、肉盛り可能なエネルギー密度で充分に肉盛り加工することができる。また、レーザビームを円周上に走査する必要もないため、加工開始部と加工終了部をオーバーラップさせたオーバーラップ部の空孔や割れの心配もない。したがって、本発明方法によれば、肉盛り加工部の品質の高いレーザクラッドバルブシートを形成することができる。   According to the method for forming a laser clad valve seat of the present invention, it is not necessary to make the ring-shaped beam width equal to the valve seat width. Can be fully processed. Further, since there is no need to scan the laser beam on the circumference, there is no fear of vacancies and cracks in the overlap portion where the processing start portion and the processing end portion overlap. Therefore, according to the method of the present invention, it is possible to form a high-quality laser clad bulb sheet of the build-up processed portion.

本発明のレーザクラッドバルブシート形成装置によれば、ビーム形状変更ミラーでバルブシートの直径と近似した径且つバルブシートのリング幅よりも小さい幅のリング形状ビームとしたレーザビームを、偏芯回転機構を持つビーム照射ミラーでリング状の金属材料全域に亘り偏芯照射させるので、レーザビームを円周上に走査するためのシリンダヘッド回転機構を無くすことができ、装置構成を大幅に簡素化且つ低コスト化することができる。   According to the laser clad valve seat forming apparatus of the present invention, a laser beam which is formed into a ring-shaped beam having a diameter approximate to the diameter of the valve seat and smaller than the ring width of the valve seat by the beam shape changing mirror Since the beam irradiation mirror having the eccentricity irradiates the entire area of the ring-shaped metal material, the cylinder head rotating mechanism for scanning the laser beam on the circumference can be eliminated, and the apparatus configuration is greatly simplified and reduced. Cost can be increased.

図1はレーザクラッドバルブシート形成装置を示す斜視図である。FIG. 1 is a perspective view showing a laser cladding valve sheet forming apparatus. 図2は図1に示すレーザクラッドバルブシート形成装置の光学系機構部の概略構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an optical system mechanism portion of the laser cladding valve sheet forming apparatus shown in FIG. 図3は図1に示したシリンダーヘッドのバルブシート形成部位に形成されたリング形状凹溝に金属粉末リング体を配置する前の状態を示す要部拡大斜視図である。FIG. 3 is an enlarged perspective view of a main part showing a state before the metal powder ring body is arranged in the ring-shaped concave groove formed in the valve seat forming portion of the cylinder head shown in FIG. 図4は金属粉末リング体に照射するレーザビームをリング形状ビームとしたときのビーム径及びビーム幅の前記金属粉末リング体に対する相対的な寸法関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the relative dimensional relationship of the beam diameter and beam width with respect to the metal powder ring body when the laser beam irradiated to the metal powder ring body is a ring-shaped beam. 図5はレーザビームを金属粉末リング体全域に亘り偏芯回転照射した時の図である。FIG. 5 is a view when the laser beam is irradiated with eccentric rotation over the entire metal powder ring body. 図6は偏芯回転機構により回転されるビーム照射ミラーの斜視図である。FIG. 6 is a perspective view of a beam irradiation mirror rotated by an eccentric rotation mechanism. ビーム照射ミラーの照射方向を変更して、先にレーザクラッド加工した隣のバルブシート形成部位に配置される金属粉末リング体をレーザクラッド加工する時の図である。It is a figure at the time of changing the irradiation direction of a beam irradiation mirror, and carrying out laser clad processing of the metal powder ring body arranged in the adjacent valve seat formation part which carried out laser clad processing previously.

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.

「レーザクラッドバルブシート形成装置の構成説明」
先ず、レーザクラッドバルブシート形成装置の構成について説明する。図1はレーザクラッドバルブシート形成装置を示す斜視図、図2は図1に示すレーザクラッドバルブシート形成装置の光学系機構部の概略構成図、図3は図1に示したシリンダーヘッドのバルブシート形成部位に形成されたリング形状凹溝に金属粉末リング体を配置する前の状態を示す要部拡大斜視図、図4は金属粉末リング体に照射するレーザビームをリング形状ビームとしたときのビーム径及びビーム幅の前記金属粉末リング体に対する相対的な寸法関係を示す図、図5はレーザビームを金属粉末リング体全域に亘り偏芯回転照射した時の図、図6は偏芯回転機構により回転されるビーム照射ミラーの斜視図である。
“Description of Laser Cladding Valve Seat Forming System”
First, the configuration of the laser cladding valve sheet forming apparatus will be described. 1 is a perspective view showing a laser cladding valve sheet forming apparatus, FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an optical system mechanism part of the laser cladding valve sheet forming apparatus shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a valve seat of the cylinder head shown in FIG. FIG. 4 is a main part enlarged perspective view showing a state before the metal powder ring body is arranged in the ring-shaped concave groove formed in the formation site, and FIG. 4 shows a beam when the laser beam irradiated to the metal powder ring body is a ring-shaped beam. FIG. 5 is a diagram showing the relative dimensional relationship of the diameter and beam width with respect to the metal powder ring body, FIG. 5 is a diagram when the laser beam is irradiated with eccentric rotation over the entire area of the metal powder ring body, and FIG. It is a perspective view of the beam irradiation mirror rotated.

レーザクラッドバルブシート形成装置は、図1に示すように、例えば自動車用内燃機関エンジンなどのシリンダーヘッド1のバルブシート形成部位2にレーザビームhvを照射するレーザ照射装置3を備えている。   As shown in FIG. 1, the laser clad valve seat forming apparatus includes a laser irradiation device 3 that irradiates a valve sheet forming portion 2 of a cylinder head 1 of an internal combustion engine for an automobile, for example, with a laser beam hv.

レーザ照射装置3は、レーザ発振器4と、このレーザ発振器4により出力されるレーザの強さなどを制御するレーザ発振器制御部5と、NC制御装置6と、レーザを集光してバルブシート形成部位2に照射させる光学系機構部7と、からなる。   The laser irradiation device 3 includes a laser oscillator 4, a laser oscillator control unit 5 that controls the intensity of the laser output from the laser oscillator 4, an NC control device 6, and a valve seat forming part by condensing the laser. 2, and an optical system mechanism unit 7 that irradiates 2.

レーザ発振器4で出力されたレーザビームhvは、レーザ発振器制御部5で制御されて光学系機構部7に供給され、この光学系機構部7でリング形状ビームとされてバルブシート形成部位2に照射される。このレーザクラッドバルブシート形成装置では、レーザ発振器4とレーザ発振器制御部5とNC制御装置6とがそれぞれコンピュータ8によって制御されている。   The laser beam hv output from the laser oscillator 4 is controlled by the laser oscillator control unit 5 and supplied to the optical system mechanism unit 7. The optical system mechanism unit 7 converts the laser beam hv into a ring-shaped beam and irradiates the valve seat formation part 2. Is done. In this laser clad valve seat forming apparatus, a laser oscillator 4, a laser oscillator control unit 5, and an NC control apparatus 6 are controlled by a computer 8, respectively.

光学系機構部7は、図2に示すように、レーザ発振器4から出力されるレーザビームhvをリング形状ビームとするビーム形状変更ミラー9と、そのリング形状ビームとしたレーザビームhvを肉盛り加工可能なエネルギー密度に増加させる集光レンズ10と、エネルギー密度を増加させたレーザビームhvを偏芯照射させる偏芯回転機構11を持つビーム照射ミラー12と、このビーム照射ミラー12へ集光レンズ10でエネルギー密度を増加させたレーザビームhvを送る全反射ミラー13と、を備えている。   As shown in FIG. 2, the optical system mechanism unit 7 includes a beam shape changing mirror 9 that uses the laser beam hv output from the laser oscillator 4 as a ring-shaped beam, and builds up the laser beam hv that uses the ring-shaped beam. A condensing lens 10 that increases the energy density to a possible energy level, a beam irradiation mirror 12 having an eccentric rotation mechanism 11 that eccentrically irradiates a laser beam hv with an increased energy density, and a condensing lens 10 to the beam irradiation mirror 12. And a total reflection mirror 13 for sending a laser beam hv having an increased energy density.

ビーム形状変更ミラー9は、レーザ発振器4から出力された、若しくは、その後コリメーションレンズ(図示は省略)を通過した円形状のレーザビームhvを、リング形状ビームに変更する。本実施形態では、図3に示すように、バルブシート形成部位2に形成されたリング形状凹溝14に、予めバルブシート形状に押し固めた銅合金からなるリング状の金属材料である金属粉末リング体15を配置した後、レーザビームhvをバルブシート形成部位2の円周上に沿って走査することなくリング形状ビームとしたレーザビームhvを照射する。   The beam shape changing mirror 9 changes the circular laser beam hv output from the laser oscillator 4 or passed through a collimation lens (not shown) to a ring shape beam. In this embodiment, as shown in FIG. 3, a metal powder ring that is a ring-shaped metal material made of a copper alloy previously pressed into a valve seat shape in a ring-shaped concave groove 14 formed in the valve seat forming portion 2. After the body 15 is arranged, the laser beam hv is irradiated with the laser beam hv which is a ring-shaped beam without scanning the laser beam hv along the circumference of the valve seat forming portion 2.

この時、レーザビームhvは、図4に示すように、バルブシート(ここでは金属粉末リング体15に相当)の径に近似した径且つバルブシートのリング幅W1よりも小さい幅W2のリング形状ビームとする。例えば、金属粉末リング体15の内径をφ1とし、外径をφ2として、リング形状ビームの中心径(ビーム幅W2の中心位置の直径)をφ3とした時に、φ1<φ3<φ2なる関係とする。具体的には、リング形状ビームとしたレーザビームhvの中心径φ3を、金属粉末リング体(バルブシート)15の中心径(リング幅W1の中心位置の直径)とほぼ同じ径とする。また、金属粉末リング体15のリング幅W1を4mmとした時には、リング形状ビームとするレーザビームhvのビーム幅W2を0.5mmとする。これらの数値は一例であり、前記数値に限定されるものではない。   At this time, as shown in FIG. 4, the laser beam hv is a ring-shaped beam having a diameter approximate to the diameter of the valve seat (here, corresponding to the metal powder ring body 15) and a width W2 smaller than the ring width W1 of the valve seat. And For example, when the inner diameter of the metal powder ring body 15 is φ1, the outer diameter is φ2, and the center diameter of the ring-shaped beam (the diameter of the center position of the beam width W2) is φ3, the relationship is φ1 <φ3 <φ2. . Specifically, the center diameter φ3 of the laser beam hv that is a ring-shaped beam is set to be approximately the same as the center diameter of the metal powder ring body (valve seat) 15 (the diameter at the center position of the ring width W1). Further, when the ring width W1 of the metal powder ring body 15 is 4 mm, the beam width W2 of the laser beam hv used as a ring-shaped beam is set to 0.5 mm. These numerical values are examples, and are not limited to the above numerical values.

集光レンズ10は、ビーム形状変更ミラー9の前方に設けられ、リング形状ビームとされたレーザビームhvのエネルギー密度を肉盛り可能なエネルギー密度に増加させる。金属粉末リング体15に照射するレーザビームhvのビーム幅W2は、金属粉末リング体15のリング幅W1と同一ではないため、同一とする場合に出力されるエネルギー密度よりも低いエネルギー密度で済む。この時のエネルギー密度としては、金属粉末リング体15を溶融することのできる、つまり肉盛り加工可能なエネルギー密度とする。   The condensing lens 10 is provided in front of the beam shape changing mirror 9, and increases the energy density of the laser beam hv, which is a ring-shaped beam, to an energy density that can be built up. Since the beam width W2 of the laser beam hv applied to the metal powder ring body 15 is not the same as the ring width W1 of the metal powder ring body 15, an energy density lower than the output energy density is sufficient. The energy density at this time is an energy density at which the metal powder ring body 15 can be melted, that is, can be built up.

全反射ミラー13は、集光レンズ10の前方に設けられている。この全反射ミラー13は、集光レンズ10でエネルギー密度を増加させたレーザビームhvをビーム照射ミラー12へと送る機能をする。   The total reflection mirror 13 is provided in front of the condenser lens 10. The total reflection mirror 13 functions to send the laser beam hv whose energy density has been increased by the condenser lens 10 to the beam irradiation mirror 12.

ビーム照射ミラー12は、エネルギー密度を増加させたリング形状ビームとしたレーザビームhvを、リング形状凹溝14内に配置した金属粉末リング体15に照射させる。このビーム照射ミラー12は、偏芯回転機構11によって前記金属粉末リング体15に対し偏芯回転してレーザビームhvを照射する。   The beam irradiation mirror 12 irradiates the metal powder ring body 15 disposed in the ring-shaped concave groove 14 with a laser beam hv having a ring-shaped beam with an increased energy density. The beam irradiation mirror 12 is eccentrically rotated with respect to the metal powder ring body 15 by the eccentric rotation mechanism 11 to irradiate the laser beam hv.

このビーム照射ミラー12には、図6に示すように、一端16Aを同一点に集結させ、他端16Bをビーム照射ミラー12の円周部位を約3等分とする周縁近傍部位にそれぞれ固定させた3本の支持部材16が取り付けられている。これら3本の支持部材16は、全体形状が円錐形とされている。そして、3本の支持部材16の一端16Aが集結する部位からビーム照射ミラー12に対して垂線Hを引いた時の該ビーム照射ミラー12との交点17を、該ビーム照射ミラー12の中心点18に対して偏芯させている。前記垂線Hを、前記ビーム照射ミラー12の旋回中心線とする。   As shown in FIG. 6, the beam irradiation mirror 12 has one end 16A gathered at the same point, and the other end 16B fixed to a peripheral portion of the beam irradiation mirror 12 whose circumferential portion is approximately divided into three parts. Three support members 16 are attached. The three support members 16 have a conical shape as a whole. Then, the intersection 17 with the beam irradiation mirror 12 when the perpendicular H is drawn to the beam irradiation mirror 12 from the part where the one ends 16A of the three support members 16 are gathered, is the center point 18 of the beam irradiation mirror 12. Is eccentric. The perpendicular H is set as the turning center line of the beam irradiation mirror 12.

偏芯回転機構11は、ビーム照射ミラー12の背面若しくは側面に設置した3個以上のシリンダ等からなるミラー駆動手段を有している。ビーム照射ミラー12は、背面若しくは側面に設置された複数個のシリンダを駆動することにより、そのミラーの向きを変えることができるようになっている。本実施形態では、図4で示したリング形状ビームによるレーザビームhvを、図5に示す如く、そのビーム中心を金属粉末リング体15の中心Oに対して一致させるのではなく中心位置をずらして偏芯させて前記金属粉末リング体15全域に亘り照射する。   The eccentric rotation mechanism 11 has a mirror driving means including three or more cylinders installed on the back surface or side surface of the beam irradiation mirror 12. The beam irradiation mirror 12 can change the direction of the mirror by driving a plurality of cylinders installed on the back surface or side surface. In this embodiment, the center of the laser beam hv by the ring-shaped beam shown in FIG. 4 is not shifted from the center O of the metal powder ring body 15 as shown in FIG. The metal powder ring body 15 is irradiated with the beam eccentrically.

具体的には、ビーム照射ミラー12を、前記旋回中心線(前記した垂線H)を中心としてミラーの傾きを前後左右にその傾き角度に変化を付けて(ミラー傾き角度を任意の角度に変える)ミラー駆動手段にて動かすようにする。このようにビーム照射ミラー12を、金属粉末リング体15の中心O位置に対してそのミラー中心点18を一致させずに偏芯させた位置で旋回(ミラーの傾きを変えることでリング形状ビームを旋回)させる。この時、金属粉末リング体15のほぼ全体がリング形状ビームによるレーザビームhvで照射されるように、それぞれ照射したレーザビームhvの一部が重なるようにして前記ビーム照射ミラー12を旋回させる。また、偏芯回転機構11は、金属粉末リング体15の幅W1の範囲内(金属粉末リング体15の内径と外径の間の範囲内)にリング形状ビームの照射範囲が収まるようにビーム照射ミラー12を偏芯回転させる。   More specifically, the beam irradiation mirror 12 is changed with respect to the turning center line (the above-mentioned perpendicular H) to change the inclination angle of the mirror back and forth and left and right (change the mirror inclination angle to an arbitrary angle). It is moved by the mirror driving means. In this way, the beam irradiation mirror 12 is swung at a position where the mirror center point 18 is not aligned with the center O position of the metal powder ring body 15 (the ring-shaped beam is changed by changing the mirror inclination). Swirl). At this time, the beam irradiation mirror 12 is rotated so that a part of the irradiated laser beam hv overlaps so that almost the entire metal powder ring body 15 is irradiated with the laser beam hv by the ring-shaped beam. Further, the eccentric rotating mechanism 11 performs the beam irradiation so that the irradiation range of the ring-shaped beam is within the range of the width W1 of the metal powder ring body 15 (the range between the inner diameter and the outer diameter of the metal powder ring body 15). The mirror 12 is rotated eccentrically.

「レーザクラッドバルブシート形成方法の説明」
次に、レーザクラッドバルブシート形成方法について説明する。先ず、図3に示すように、鋳造されたシリンダーヘッド1のバルブシート形成部位2に形成されたリング形状凹溝14に、予めバルブシート形状に押し固めた金属粉末リング体15を配置する。図3では、1気筒当たり吸気用と排気用のバルブを2本としたエンジン構造としているため、1気筒当たり4つのレーザクラッドバルブシートを形成する。
“Description of Laser Cladding Valve Sheet Forming Method”
Next, a laser clad valve sheet forming method will be described. First, as shown in FIG. 3, a metal powder ring body 15 that has been preliminarily pressed into a valve seat shape is disposed in a ring-shaped concave groove 14 formed in the valve seat forming portion 2 of the cast cylinder head 1. In FIG. 3, since the engine structure has two intake and exhaust valves per cylinder, four laser clad valve seats are formed per cylinder.

次に、レーザ発振器4を駆動してレーザビームhvを光学系機構部7に出力する。レーザビームhvの出力は、レーザ発振器制御部5によりその強さが制御される。出力されたレーザビームhvは、ビーム形状変更ミラー9によって円形状からリング形状ビームに変更される。また、リング形状ビームとされたレーザビームhvは、図4に示すように、バルブシート(金属粉末リング体15)の径に近似した径且つバルブシート(金属粉末リング体15)のリング幅W1よりも小さい幅W2のリング形状ビームとする。   Next, the laser oscillator 4 is driven to output the laser beam hv to the optical system mechanism unit 7. The intensity of the output of the laser beam hv is controlled by the laser oscillator controller 5. The output laser beam hv is changed from a circular shape to a ring shape beam by the beam shape changing mirror 9. Further, as shown in FIG. 4, the laser beam hv formed into a ring-shaped beam has a diameter approximate to the diameter of the valve seat (metal powder ring body 15) and the ring width W1 of the valve seat (metal powder ring body 15). Is a ring-shaped beam having a small width W2.

そして、ビーム形状変更ミラー9によりリング形状ビームとされたレーザビームhvは、このビーム形状変更ミラー9の前方に配置された集光レンズ10により肉盛り可能なエネルギー密度に増加される。   Then, the laser beam hv converted into a ring shape beam by the beam shape changing mirror 9 is increased to an energy density that can be built up by the condenser lens 10 arranged in front of the beam shape changing mirror 9.

次に、集光レンズ10でエネルギー密度が増加されたレーザビームhvは、この集光レンズ10の前方に配置された全反射ミラー13によってビーム照射ミラー12へと送られる。そして、このビーム照射ミラー12は、エネルギー密度を増加させたリング形状ビームとしたレーザビームhvを、前記したように偏芯回転機構11によって前記金属粉末リング体15に対して偏芯回転させて照射する。この時、金属粉末リング体15に照射されたレーザビームhvの跡(照射跡)が、図5に示すように、互いに交差するよう重ねて照射されるようにする。金属粉末リング体15の全体がレーザビームhvにより照射し終えたら、レーザ発振器4の駆動を停止し、レーザビームhvの照射を終了する。このレーザビームhvの照射により金属粉末リング体15は、溶融されることになる。その後、自然冷却することで溶融した金属粉末リング体15は、固化されてクラッド層、つまりレーザクラッドバルブシートとなる。   Next, the laser beam hv whose energy density has been increased by the condenser lens 10 is sent to the beam irradiation mirror 12 by the total reflection mirror 13 arranged in front of the condenser lens 10. Then, the beam irradiation mirror 12 irradiates the laser beam hv, which is a ring-shaped beam having an increased energy density, with the eccentric rotation mechanism 11 eccentrically rotated with respect to the metal powder ring body 15 as described above. To do. At this time, the trace (irradiation trace) of the laser beam hv irradiated to the metal powder ring body 15 is irradiated so as to overlap each other as shown in FIG. When the entire metal powder ring 15 is irradiated with the laser beam hv, the driving of the laser oscillator 4 is stopped and the irradiation of the laser beam hv is ended. The metal powder ring body 15 is melted by the irradiation of the laser beam hv. Thereafter, the metal powder ring body 15 melted by natural cooling is solidified to become a cladding layer, that is, a laser cladding valve sheet.

一つ目のレーザクラッドバルブシートが形成されたら、今度は、図7の実線位置から点線で示す位置にビーム照射ミラー12の照射方向を変更して、先にレーザクラッド加工した隣のバルブシート形成部位2に配置される金属粉末リング体15をレーザクラッド加工する。この工程を繰り返すことで、シリンダーヘッド1に形成される全てのバルブシート形成部位2に配置された金属粉末リング体15にレーザビームhvを照射してレーザクラッドバルブシートを形成する。   When the first laser clad valve seat is formed, this time, the irradiation direction of the beam irradiation mirror 12 is changed from the solid line position of FIG. The metal powder ring body 15 disposed in the part 2 is subjected to laser cladding. By repeating this process, the laser powder hv is irradiated to the metal powder ring bodies 15 arranged in all the valve seat forming portions 2 formed in the cylinder head 1 to form a laser clad valve seat.

「実施形態の効果」
本実施形態のレーザクラッドバルブシート形成方法では、矩形状ビームとしたレーザビームをバルブシート形成部位に対して円周方向に走査するのではなく、リング形状ビームとしたレーザビームhvを金属粉末リング体15全域に亘り、該金属粉末リング体15の中心に対してビーム中心を偏芯させて旋回させる如く照射するため、加工開始部と加工終了部をオーバーラップさせることによりオーバーラップ部に発生する空孔や割れを無くすことができる。その結果、本発明方法によれば、品質の高いレーザクラッドバルブシートを得ることができ、歩留まりの向上も図れる。
"Effect of the embodiment"
In the laser clad valve sheet forming method of the present embodiment, the laser beam formed as a rectangular beam is not scanned in the circumferential direction with respect to the valve sheet forming portion, but the laser beam hv formed as a ring-shaped beam is used as a metal powder ring body. Since the irradiation is performed so that the beam center is decentered with respect to the center of the metal powder ring body 15 and swirled over the entire area, the processing start portion and the processing end portion are overlapped to generate an empty space generated in the overlap portion. Holes and cracks can be eliminated. As a result, according to the method of the present invention, a high-quality laser clad valve seat can be obtained, and the yield can be improved.

また、本実施形態のレーザクラッドバルブシート形成方法では、リング形状ビーム幅をバルブシート幅と同等にする必要がないため、レーザ出力を高出力としてエネルギー密度を高める必要がなく、肉盛り可能なエネルギー密度で充分に肉盛り加工することができる。その結果、単一のレーザ発振器4でレーザクラッドバルブシート加工を行うことができ、複数のレーザ発振器4を用いる手法と比較して設備費用を大幅に安くすることができる。   Further, in the laser clad valve sheet forming method of the present embodiment, it is not necessary to make the ring-shaped beam width equal to the valve seat width, so there is no need to increase the energy density by making the laser output high and energy that can be built up. It is possible to fully build up with density. As a result, laser cladding valve seat processing can be performed with a single laser oscillator 4, and equipment costs can be greatly reduced as compared with a technique using a plurality of laser oscillators 4.

一方、本実施形態のレーザクラッドバルブシート形成装置では、ビーム形状変更ミラー12でバルブシートの直径と近似した径且つバルブシートのリング幅W1よりも小さい幅W2のリング形状ビームとしたレーザビームhvを、偏芯回転機構11を持つビーム照射ミラー12で金属粉末リング体15全域に亘り偏芯照射させるので、シリンダーヘッド1を回転させることなくレーザクラッド加工することができ、これにより複雑なシリンダーヘッド回転機構を無くすことができ、設備の簡素化並びに設備費用の削減を図ることができる。   On the other hand, in the laser clad valve seat forming apparatus of the present embodiment, the laser beam hv is converted into a ring-shaped beam having a diameter approximate to the diameter of the valve seat by the beam shape changing mirror 12 and a width W2 smaller than the ring width W1 of the valve seat. Since the beam irradiation mirror 12 having the eccentric rotation mechanism 11 irradiates the entire region of the metal powder ring body 15, the laser cladding can be performed without rotating the cylinder head 1. The mechanism can be eliminated, and the equipment can be simplified and the equipment cost can be reduced.

また、本実施形態の装置によれば、シリンダーヘッド1自体を回転させる必要がないため、光学系機構部7を複数設けることで多バルブの同時加工が可能になり、シリンダーヘッドの1台当たりの加工時間を大幅に短縮することができる。   Further, according to the apparatus of the present embodiment, since it is not necessary to rotate the cylinder head 1 itself, by providing a plurality of optical system mechanism portions 7, multiple valves can be processed simultaneously, and one cylinder head can be processed. Processing time can be greatly shortened.

また、本実施形態のレーザクラッドバルブシート形成装置では、偏芯回転機構11を持つビーム照射ミラー12を、同一径のバルブシート形成部位2が集まる部位の上部に配置し、そのビーム照射ミラー12の傾きを変更して各バルブシート形成部位を順次加工するため、装置全体をバルブシート形成部位毎に移動させるような面倒な機構が不要となる。   Further, in the laser clad valve sheet forming apparatus of the present embodiment, the beam irradiation mirror 12 having the eccentric rotation mechanism 11 is disposed on the upper part of the part where the valve sheet forming parts 2 having the same diameter are gathered. Since each valve seat forming part is sequentially processed by changing the inclination, a troublesome mechanism for moving the entire apparatus for each valve seat forming part becomes unnecessary.

また、本実施形態のレーザクラッドバルブシート形成装置では、金属粉末リング体15の幅W1の範囲内にリング形状ビームの照射範囲が収まるようにビーム照射ミラー12を偏芯回転させるので、無駄なレーザビームhvの照射を省くことができ、バルブシート加工時間を短縮することが可能となる。   Further, in the laser clad valve sheet forming apparatus of the present embodiment, the beam irradiation mirror 12 is eccentrically rotated so that the irradiation range of the ring-shaped beam is within the range of the width W1 of the metal powder ring body 15, and therefore a wasteful laser is used. Irradiation of the beam hv can be omitted, and the valve seat processing time can be shortened.

本発明は、バルブシート合金をシリンダーヘッドへ直接肉盛りする技術に利用することができる。   The present invention can be used in a technique for directly depositing a valve seat alloy on a cylinder head.

1…シリンダーヘッド
2…バルブシート部位
3…レーザ照射装置
4…レーザ発振器
5…レーザ発振器制御部
7…光学系機構部
9…ビーム形状変更ミラー
10…集光レンズ
11…偏芯回転機構
12…ビーム照射ミラー
13…全反射ミラー
14…リング形状凹溝
15…金属粉末リング体(リング状の金属材料)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cylinder head 2 ... Valve seat part 3 ... Laser irradiation apparatus 4 ... Laser oscillator 5 ... Laser oscillator control part 7 ... Optical system mechanism part 9 ... Beam shape change mirror 10 ... Condensing lens 11 ... Eccentric rotation mechanism 12 ... Beam Irradiation mirror 13 ... Total reflection mirror 14 ... Ring-shaped concave groove 15 ... Metal powder ring body (ring-shaped metal material)

Claims (4)

シリンダーヘッドのバルブシート形成部位に形成されたリング形状凹溝に、リング状の金属材料を配置した後、この金属材料にレーザビームを照射して溶融固化させることによりバルブシートを形成するレーザクラッドバルブシート形成方法において、
前記レーザビームを、前記バルブシートの直径と近似した径且つ前記バルブシートのリング幅よりも小さい幅のリング形状ビームとして、このリング形状ビームを前記金属材料全域に亘り偏芯照射させる
ことを特徴とするレーザクラッドバルブシート形成方法。
A laser clad valve that forms a valve seat by placing a ring-shaped metal material in a ring-shaped concave groove formed in the valve seat formation part of the cylinder head, and then irradiating the metal material with a laser beam to melt and solidify it. In the sheet forming method,
The laser beam is formed as a ring-shaped beam having a diameter approximate to the diameter of the valve seat and smaller than the ring width of the valve seat, and the ring-shaped beam is irradiated eccentrically over the entire metal material. Laser clad valve sheet forming method.
シリンダーヘッドのバルブシート形成部位に形成されたリング形状凹溝に、リング状の金属材料を配置した後、この金属材料にレーザビームを照射して溶融固化させることによりバルブシートを形成するレーザクラッドバルブシート形成装置において、
レーザ発振器から出力される円形状のレーザビームを、前記バルブシートの直径と近似した径且つ前記バルブシートのリング幅よりも小さい幅のリング形状ビームとするビーム形状変更ミラーと、
前記レーザビームを前記金属材料全域に亘り偏芯照射させる偏芯回転機構を持つビーム照射ミラーと、
からなることを特徴とするレーザクラッドバルブシート形成装置。
A laser clad valve that forms a valve seat by placing a ring-shaped metal material in a ring-shaped concave groove formed in the valve seat formation part of the cylinder head, and then irradiating the metal material with a laser beam to melt and solidify it. In the sheet forming apparatus,
A beam shape changing mirror that converts a circular laser beam output from a laser oscillator into a ring-shaped beam having a diameter approximate to the diameter of the valve seat and smaller than the ring width of the valve seat;
A beam irradiation mirror having an eccentric rotation mechanism for irradiating the laser beam eccentrically over the entire metal material;
A laser cladding valve sheet forming apparatus comprising:
請求項2に記載のレーザクラッドバルブシート形成装置であって、
前記偏芯回転機構を持つビーム照射ミラーを、同一径のバルブシート形成部位が集まる部位の上部に配置し、該ビーム照射ミラーの傾きを変更して各バルブシート形成部位を順次加工する
ことを特徴とするレーザクラッドバルブシート形成装置。
The laser clad valve sheet forming apparatus according to claim 2,
The beam irradiation mirror having the eccentric rotation mechanism is disposed above a portion where valve seat forming portions having the same diameter are gathered, and each valve seat forming portion is sequentially processed by changing the inclination of the beam irradiation mirror. Laser clad valve seat forming apparatus.
請求項2又は請求項3に記載のレーザクラッドバルブシート形成装置であって、
前記偏芯回転機構は、前記リング状の金属材料の幅の範囲内に前記リング形状ビームの照射範囲が収まるように前記ビーム照射ミラーを偏芯回転させる
ことを特徴とするレーザクラッドバルブシート形成装置。
The laser clad valve seat forming apparatus according to claim 2 or 3,
The eccentric rotation mechanism rotates the beam irradiation mirror eccentrically so that the irradiation range of the ring-shaped beam is within the range of the width of the ring-shaped metal material. .
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