JP5532629B2

JP5532629B2 - 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

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Publication number: JP5532629B2
Application number: JP2009046302A
Authority: JP
Inventors: 明清水; 良次熨斗; 剛山内
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: JP2010201430A

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。

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（焼結金属リング）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（例えば、特許文献１等に記載）。

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、燃焼室バルブ周りの冷却性能を高めることができる。

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）を供給しながらその金属粉末に対してレーザを照射して溶融固化させて肉盛る技術である。その中でも、内燃機関用シリンダヘッドのバルブシート形成部位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。

特開２００２−２３９７１１号公報

ところで、粉末供給装置に粉末供給指令が出されると、金属粉末は連結パイプ、ノズルを経由してバルブシート形成部位に供給される。また、金属粉末は、粉末供給指令を受けて粉末供給装置が振動することで供給される。また、金属粉末は、使用される粉末の流動度差（金属粉末を流した時の流れる時間の差）による流れ易さの影響を受ける。

これらの要因によって粉末供給指令が出されてから実際に金属粉末がバルブシート形成部位に供給されるまでには時間が掛かるため、レーザの照射開始時に粉末供給指令が出されると粉末供給が遅れる。その結果、金属粉末に対してのレーザ入熱過多により母材であるアルミニウム合金等からなるシリンダーヘッドが溶融大となり、生成されるバルブシートの金属間化合物から亀裂が発生することがある。

そこで、本発明は、金属粉末供給とレーザ照射のタイミングを適切に行い亀裂等の生じないレーザクラッドバルブシートを形成す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。

本発明のレーザクラッドバルブシート形成方法では、レーザを照射する前に、金属粉末を供給する予備供給を行って一定時間定量的に金属粉末を供給し、その後、レーザの照射開始と同時に金属粉末の供給量を増加するようにする。予備供給の供給時間は、粉末供給指令が出されてから実際に金属粉末が供給され始めるまでの反応遅れ時間よりも多めに設定する。

本発明のレーザクラッドバルブシート形成装置は、レーザを照射する前に、金属粉末を供給する予備供給を行って一定時間定量的に金属粉末を供給し、その後、レーザの照射開始と同時に金属粉末の供給量を増加する制御手段を備えている。予備供給の供給時間は、粉末供給指令が出されてから実際に金属粉末が供給され始めるまでの反応遅れ時間よりも多めに設定する。

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、レーザを照射する前に金属粉末を供給する予備供給を行うので、レーザ照射時には既に金属粉末がバルブシート形成部位に供給された状態となるため、金属粉末の供給が遅れて母材へのレーザ入熱過多により、形成されるバルブシートの金属間化合物からの亀裂発生を抑制することができる。特に、予備供給の供給時間を、粉末供給指令が出されてから実際に金属粉末が供給されるまでの反応遅れ時間よりも多めに設定してあるので、レーザの照射開始時に粉末供給が遅れることを解消できる。また、本発明方法によれば、レーザの照射開始と同時に金属粉末の供給量を増加するため、レーザ出力増加に合わせた金属粉末量の供給が可能になる。

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、レーザを照射する前に金属粉末を供給する予備供給を行い、その後、レーザの照射開始と同時に金属粉末の供給量を増加する制御手段を備えているので、この制御手段によってレーザ照射前に金属粉末が供給された状態にすることができ、粉末供給開始指令から実際に粉末が供給されるまでの粉末供給バラツキによる影響を回避することができる。特に、予備供給の供給時間を、粉末供給指令が出されてから実際に金属粉末が供給されるまでの反応遅れ時間よりも多めに設定してあるので、レーザの照射開始時に粉末供給が遅れることを解消できる。また、本発明装置によれば、制御手段によってレーザの照射開始と同時に金属粉末の供給量を増加できるため、レーザ出力増加に合わせた金属粉末量の供給が可能になる。

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である。図２はシリンダーヘッドのバルブシートを形成する部位に金属粉末を供給する状態を示す装置の側面図である。図３はシリンダーヘッドのバルブシートを形成する部位に金属粉末を供給すると共にレーザを照射する状態を示す装置の正面図である。図４は実施形態１の方法を示し、レーザ照射前に金属粉末を供給する予備供給を行うことを示す図である。図５は実施形態２の方法を示し、金属粉末の供給量増加開始前に先行してレーザを照射することを示す図である。図６は実施形態３の方法を示し、粉末供給指令が出されてから粉末が供給されるまでの粉末供給バラツキ時間を計測し、その計測した粉末供給バラツキ時間の最大時間経過後にレーザ照射することを示す図である。

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。

「実施形態１」
先ず、レーザクラッドバルブシート形成装置について説明する。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はシリンダーヘッドのバルブシートを形成する部位に金属粉末を供給する状態を示す装置の側面図、図３はシリンダーヘッドのバルブシートを形成する部位に金属粉末を供給すると共にレーザを照射する状態を示す装置の正面図、図４は実施形態１の方法を示し、レーザ照射前に金属粉末を供給する予備供給を行うことを示す図である。

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、例えば自動車用エンジンなどのシリンダーヘッド１のバルブシートを形成する部位であるバルブシート形成部位２にレーザｈｖを照射するレーザ照射装置３と、バルブシート形成部位２に金属粉末４を供給する粉末供給装置５とを備えている。

レーザ照射装置３は、レーザｈｖを発振するレーザ発振器６と、このレーザ発振器６により発振されるレーザｈｖの強さなどを制御するレーザ発振器制御部７と、ＮＣ制御装置８と、レーザｈｖを集光してバルブシート形成部位２に照射させる集光ヘッド９とからなる。

レーザ発振器６で発振されたレーザｈｖは、レーザ発振器制御部７で制御されて集光ヘッド９に供給され、この集光ヘッド９で所定のスポット径に絞られてバルブシート形成部位２に照射される。

粉末供給装置５は、バルブシート形成部位２に金属粉末４を供給するノズル１０（図１では図示を省略し図２に示す）と、金属粉末４を収容して置くホッパー１１と、金属粉末４の量を計測する荷重計１２と、ホッパー１１からノズル１０へと金属粉末４を送り込むフィーダ１３と、これらを制御する制御手段である粉末供給制御部１４とからなる。

ノズル１０の先端からは、ホッパー１１に収容された金属粉末４がフィーダ１３により送られることで、前記バルブシート形成部位２へと吹き付けられる。金属粉末４としては、例えば熱伝導性に優れる銅合金などが使用される。金属粉末４は、粉末供給制御部１４によって制御され、その供給タイミング及びその供給量が調整される。

このレーザクラッド装置では、前記レーザ発振器６とレーザ発振器制御部７とＮＣ制御装置８と粉末供給制御部１４とがそれぞれコンピュータ１５によって制御されている。そして、このように構成されたレーザクラッドバルブシート形成装置によりバルブシート形成部位２に金属粉末４を供給しながらレーザｈｖを照射して肉盛りを行うことでクラッド層（バルブシート）を形成するが、その際に、図２及び図３に示すように、シリンダーヘッド１を回転装置１６の上に固定し、該シリンダーヘッド１を矢印Ａで示すように回転させながらレーザクラッド加工を行う。

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、鋳造用金型に溶融したアルミニウム合金を流し込むことにより、シリンダーヘッド１を作成する。次に、鋳造したシリンダーヘッド１のバルブシート形成部位２に、切削加工により円環凹溝を形成する。

次に、バルブシート形成部位２の円環凹溝に金属粉末３を供給すると共にレーザｈｖを照射して肉盛ることでクラッド層を形成するレーザクラッド加工を行う。先ず、シリンダーヘッド１を回転装置１６の上に固定する。そして、レーザｈｖを照射する前に、金属粉末４をバルブシート形成部位２に供給する予備供給を行う。また、この予備供給と同時に、シリンダーヘッド１をバルブ軸を中心として回転させる。

予備供給は、レーザｈｖ（図４中Ａ線をレーザとする）の照射開始点よりも先に金属粉末４（図４中Ｂ線を金属粉末とする）を供給する。図４において、矢印Ｃで示す範囲を予備供給として表す。具体的には、粉末供給制御部１４は、レーザｈｖのバルブシート形成部位２への照射に先行して金属粉末４を供給する粉末供給指令を出す。この粉末供給指令に基づいて、金属粉末４は、ノズル１０の先端からバルブシート形成部位２に向けて供給される。この時の金属粉末４は、図４のＣ線で表されるように供給量を少量とし、且つ一定時間定量的に供給し続ける。供給時間としては、粉末供給指令が出されてから実際に金属粉末４がノズル１０から供給され始めるまでの反応遅れ時間よりも多めに設定する。こうすることで、粉末供給反応遅れによる影響を無くすことができる。

次に、金属粉末をバルブシート形成部位２に少量且つ定量的に一定時間供給する予備供給を行った後、安定供給された金属粉末４に対してレーザ出力指令をレーザ発振器６に出し、レーザ発振器制御部７でレーザｈｖの出力強さを制御してレーザｈｖを照射する。レーザｈｖの出力は、図４Ａ線で示すように一気に高め、ある時点で定出力とする。このレーザｈｖの出力を増加させるのと同期させて金属粉末４の供給量を同様に一気に増加させる。そして、レーザｈｖの出力を定出力とした時点と同じ時点で、金属粉末４を供給する粉末供給量を定量とする。

レーザｈｖが照射される時には、バルブシート形成部位２の円環凹溝には既に予備供給によって金属粉末４が供給された状態にあるが、シリンダーヘッド１が回転されることによりレーザ照射部位には予備供給された金属粉末４が先送りされている。そのため、レーザｈｖが照射されても粉末供給過多（別の見方をすると、レーザ照射不足）による粉末溶融不足が防止される。また、レーザｈｖの照射開始と同時に、金属粉末４の供給量がレーザ出力増加に同期して増加される。そのため、レーザｈｖの出力に応じた金属粉末４の供給がなされることになり、粉末供給不足（或いは粉末供給過多）やレーザ出力不足（或いはレーザ出力過多）が生じない。

バルブシート形成部位２にレーザｈｖが照射されると、レーザｈｖが照射された部位は加熱され溶融して母材が溶けた溶融層が形成される。この溶融層の上に供給された金属粉末４は、照射されたレーザｈｖによって溶け、円環凹溝に肉盛りされてクラッド層（バルブシート）を形成する。レーザクラッドバルブ加工を行って冷却した後は、仕上げ用切削工具を回転させながらクラッド層に押し当てて、当該クラッド層の表面を研磨して加工を終了する。

以上のように実施形態１のレーザクラッドバルブシート形成方法によれば、レーザｈｖを照射する前に金属粉末４を供給する予備供給を行うので、レーザ照射時には既に金属粉末４がバルブシート形成部位２に供給された状態となるため、金属粉末４の供給が遅れて母材へのレーザ入熱過多により、形成されるバルブシートの金属間化合物からの亀裂発生を抑制することができる。また、本発明方法によれば、レーザｈｖの照射開始と同時に金属粉末４の供給量を増加させるため、レーザ出力増加に同期させた（合わせた）金属粉末量の供給が可能になる。これにより、粉末供給不足（或いは粉末供給過多）になることもレーザ出力不足（或いはレーザ出力過多）になることも無くなり、最適なレーザ出力と粉末供給量にてレーザクラッドバルブシート加工を行うことができる。すなわち、実施形態１の方法によれば、金属粉末供給とレーザ照射のタイミングを適切に行い亀裂等の生じないレーザクラッドバルブシートを得ることができる。

また、実施形態１のレーザクラッドバルブシート形成方法によれば、予備供給と同時にシリンダーヘッド１を回転させるので、予備供給でバルブシート形成部位２に供給された金属粉末４をレーザｈｖ照射位置から先送りすることができ、その予備供給された金属粉末４をレーザｈｖで溶融することを回避できる。予備供給時にシリンダーヘッド１を回転させなかった場合は、金属粉末４の予備供給分がレーザ照射位置に山積みされて粉末供給過多（或いはレーザ照射不足）による粉末溶融不足が生じる。

「実施形態２」
図５は実施形態２の方法を示し、金属粉末の供給量増加開始前に先行してレーザを照射することを示す図である。

実施形態１では、レーザｈｖの照射開始時と金属粉末４の供給量増加開始時を一致させたが、実施形態２では、金属粉末４の供給量増加開始時よりもレーザｈｖの照射開始時を先行させる。具体的には、図５のＤ線で示す時間だけ、レーザｈｖの照射開始時を金属粉末４の供給量増加開始時よりも先行させる。その他は、実施形態１と同様に予備供給を行うものとする。

こうすることで、実施形態２のレーザクラッドバルブシート形成方法によれば、金属粉末４の増量度合いとレーザ照射の増加度合いを一致させることができ、レーザ照射量不足による金属粉末４の溶融不足を防止することができる。

「実施形態３」
図６は実施形態３の方法を示し、粉末供給指令が出されてから粉末が供給されるまでの粉末供給バラツキ時間を計測し、その計測した粉末供給バラツキ時間の最大時間経過後にレーザ照射することを示す図である。

実施形態３では、粉末供給指令が出されてから金属粉末４が供給されるまでの粉末供給バラツキ時間を計測し、その計測した粉末供給バラツキ時間の最大時間経過後に、レーザｈｖを照射する。

粉末供給制御部１４から粉末供給指令が出されると、ノズル１０から金属粉末４がバルブシート形成部位２に供給されるが、指令後直ちに金属粉末４が供給されずに反応遅れが生じある時間経過後に金属粉末４が供給されることになる。そのため、粉末供給指令を出してから実際にノズル１０の先端から金属粉末４が供給されるまでの時間を計測して求める。そして、計測した反応遅れ時間の最大時間の経過後に、レーザｈｖの照射を開始するようにする。図６には、反応遅れによる金属粉末４の供給を破線で示してある。

こうすることで、実施形態３のレーザクラッドバルブシート形成方法によれば、粉末供給開始バラツキによる影響を回避することができ、無駄になる粉末量を最小限に抑えることができる。また、実施形態３の方法によれば、金属粉末４の増量度合いとレーザ照射の増加度合いを一致させることができ、レーザ照射量不足による金属粉末４の溶融不足を防止することができる。

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レーザクラッド加工技術に利用することができる。

１…シリンダーヘッド
２…バルブシート形成部位
３…レーザ照射装置
４…金属粉末
５…粉末供給装置
６…レーザ発振器
１０…ノズル
１４…粉末供給制御部（制御手段）

Claims

鋳造されたシリンダーヘッドのバルブシートを形成する部位に金属粉末を供給すると共にレーザを照射し、該シリンダーヘッドを回転させて該レーザにより金属粉末を溶かして肉盛りするレーザクラッドバルブシート形成方法において、
前記レーザを照射する前に、前記金属粉末を供給する予備供給を行って一定時間定量的に金属粉末を供給し、その後、レーザの照射開始と同時に金属粉末の供給量を増加するようにし、
前記予備供給の供給時間は、粉末供給指令が出されてから実際に金属粉末が供給され始めるまでの反応遅れ時間よりも多めに設定する
ことを特徴とするレーザクラッドバルブシート形成方法。
請求項１に記載のレーザクラッドバルブシート形成方法であって、
前記予備供給と同時に前記シリンダーヘッドを回転させる
ことを特徴とするレーザクラッドバルブシート形成方法。
鋳造されたシリンダーヘッドのバルブシートを形成する部位に金属粉末を供給すると共にレーザを照射し、該シリンダーヘッドを回転させて該レーザにより金属粉末を溶かして肉盛りするレーザクラッドバルブシート形成装置において、
前記レーザを照射する前に、前記金属粉末を供給する予備供給を行って一定時間定量的に金属粉末を供給し、その後、レーザの照射開始と同時に金属粉末の供給量を増加する制御手段を備え、
前記予備供給の供給時間は、粉末供給指令が出されてから実際に金属粉末が供給され始めるまでの反応遅れ時間よりも多めに設定される
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。