JP5608314B2

JP5608314B2 - レーザクラッド加工装置及びレーザクラッド加工方法

Info

Publication number: JP5608314B2
Application number: JP2007212727A
Authority: JP
Inventors: 眞司西野; 貴人内海; 良次熨斗
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2007-08-17
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2027-08-17
Also published as: JP2009045638A

Description

本発明は、レーザクラッド加工装置及びレーザクラッド加工方法に関し、加工開始部の肉盛り品質の向上技術に関する。

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が採用され初めている。特に、内燃機関用シリンダーヘッドのバルブシート部に対し、このバルブシート部とレーザを相対的に回転させながら肉盛りを行い、リング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という。

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。

かかる肉盛り方式は、粉末供給装置のノズルから金属粉末を加工部に供給しながらレーザ発振器からレーザを照射することによって行われる（例えば、特許文献１など参照）。
特開２００２−８９３５８号公報

バルブシートを形成する場合、肉盛りを開始する加工開始部（スタート部）と肉盛りを終了する加工終了部（エンド部）をオーバーラップさせる必要がある。加工開始部の肉盛りが、レーザの入熱不足若しくは金属粉末過多により母材に対して溶着されていない未溶着状態、または、レーザの入熱過多若しくは金属粉末不足により母材が肉盛りに溶け込んでいる希釈状態である場合、加工開始部に加工終了部をオーバーラップさせると空孔や割れなどの不良が発生する。

そのため、加工開始部の肉盛りの品質を確認する必要があるが、未溶着状態を目視により評価し、希釈状態をスプレー式のカラーチェックで行うと、評価する人のバラツキにより不良品を出してしまう可能性がある。

また、加工開始部は、オーバーラップして見えなくなるため、加工終了後に加工開始部の品質を確認することは不可能である。そのため、オーバーラップ前に肉盛り加工を止めて品質を確認するためのワークが必要となるが、そうすると、その分ワークが無駄になる。

さらに、加工開始部の肉盛りが適正でない場合、加工技術者の経験的感覚で条件を変更し、何度も品質確認を行う必要が生じるため、時間の無駄になる。

そこで、本発明は、加工開始部の肉盛り状態を目視ではなく客観的に評価することのできるレーザクラッド加工装置を提供すると共に、加工開始部の肉盛り状態を計測してその計測結果に基づいてレーザ出力または金属粉末供給量を調整可能とするレーザクラッド加工方法を提供する。

本発明のレーザクラッド加工装置は、ノズルの先端から金属粉末を加工部に供給する粉末供給手段と、前記加工部にレーザを照射して前記金属粉末を溶融させて肉盛りを行うレーザ照射手段と、肉盛りをした加工開始部の肉盛り形状を計測する形状計測手段と、前記形状計測手段の計測結果を基に情報をフィードバックするフィードバック手段と、前記フィードバック手段からフィードバックされた情報を基に前記粉末供給手段から供給する金属粉末の量及び又は前記レーザ照射手段の出力値を調整する調整手段と、を備え、前記形状計測手段は、母材に対して溶着されていない未溶着境界線で表される未溶着形状と、母体が肉盛りに溶け込んでいる希釈境界線で表される希釈形状と、前記未溶着境界線と希釈境界線の間に挟まれた良品形状と、を計測し、前記フィードバック調整手段は、前記良品形状と、前記未溶着形状又は前記希釈形状とのズレ量である前記情報をフィードバックすることを特徴とする。

また、本発明は、ノズルの先端から金属粉末を加工部に供給しながらレーザを照射して肉盛りを行うレーザクラッド加工方法において、肉盛り加工中に、加工開始部の肉盛り形状を形状計測手段で計測し、母材に対して溶着されていない未溶着境界線で表される未溶着形状と、母体が肉盛りに溶け込んでいる希釈境界線で表される希釈形状と、前記未溶着境界線と希釈境界線の間に挟まれた良品形状と、を判断する形状計測評価を行い、前記良品形状と、前記未溶着形状又は前記希釈形状とのズレ量である情報をフィードバックし、前記形状計測評価において母材に対して溶着されていない未溶着形状と判断したときに、フィードバックされた情報を基にレーザ出力を増加するか又は金属粉末量を低下し、形状計測評価において形状が母材が肉盛りに溶け込んでいる希釈形状と判断したときに、フィードバックされた情報を基にレーザ出力を低下するか又は金属粉末量を増加することを特徴とする。

本発明のレーザクラッド加工装置によれば、肉盛りをした加工開始部の肉盛り形状を計測する形状計測手段を有しているので、目視により加工開始部の肉盛り形状を評価するのとは異なり、客観的な評価ができ、不良品の生産を無くすことができる。

本発明のレーザクラッド加工方法によれば、肉盛り加工中に加工開始部の肉盛り形状を形状計測手段で計測することができるため、肉盛り加工を途中で止める必要が無くなり、生産性を高めることができる。また、加工開始部の品質確認用のワーク（試料）を不要なものとすることができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

「レーザクラッド加工装置の構成」
図１はレーザクラッド装置を示す斜視図、図２は粉末供給装置のノズル先端から金属粉末を加工部に供給している状態を示す図、図３（Ａ）は形状計測器で加工開始部の肉盛り形状を計測する状態を示す斜視図、図３（Ｂ）は加工開始部の肉盛り形状を示す拡大断面図、図４は肉盛り加工中に加工開始部の肉盛り形状を形状計測器で計測する状態を示す斜視図、図５は形状計測器で計測した結果に基づいてレーザ出力と金属粉末供給量を調整してレーザクラッド加工するフローチャート、図６は形状計測器で計測された結果を示す図、図７（Ａ）は図６の線Ａにおける肉盛り形状を示す断面図、図７（Ｂ）は図６の線Ｂにおける肉盛り形状を示す断面図、図７（Ｃ）は図６の線Ｃにおける肉盛り形状を示す断面図、図８（Ａ）は未溶着状態の加工開始部の断面図、図８（Ｂ）はオーバーラップされた加工開始部に空孔が形成された状態を示す断面図、図９（Ａ）は希釈状態の加工開始部の断面図、図９（Ｂ）はオーバーラップされた加工開始部に割れが生じた状態を示す断面図である。

レーザクラッド装置は、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の加工部であるバルブシート部２にレーザｈｖを照射するレーザ照射装置（レーザ照射手段）３と、バルブシート部２に金属粉末４を供給する粉末供給装置（粉末供給手段）５と、肉盛りをした加工開始部の肉盛り形状を計測する形状計測器（形状計測手段）６と、を備えている。

レーザ照射装置３は、レーザ発振器７と、このレーザ発振器７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８と、ＮＣ制御装置９と、レーザｈｖを集光してバルブシート部２に照射させる集光ヘッド１０とからなる。レーザ発振器７で発振されたレーザｈｖは、レーザ発振器制御部８で制御されて集光ヘッド１０に供給され、この集光ヘッド１０で絞られてバルブシート部２に照射される。

なお、レーザｈｖは、一例として例えば、波長０．８〜９μｍ、出力２ｋＷ、照射速度１．２ｍ／分で照射される。

粉末供給装置５は、バルブシート部２に金属粉末４を供給するノズル１１（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１２と、金属粉末４の量を計測する荷重計１３と、ホッパー１２からノズル１１へと金属粉末４を送り込むフィーダ１４と、これらを制御する粉末制御部１５とからなる。ノズル１１の先端からは、ホッパー１２に収容された金属粉末４がフィーダ１４により送られることで、前記バルブシート部２へと吹き付けられる。

なお、金属粉末４は、一例として例えば、銅合金が使用され、０．８ｇ／秒で供給される。

このレーザクラッド装置では、前記レーザ発振器７とレーザ発振器制御部８とＮＣ制御装置９と粉末供給制御部１５とがそれぞれコンピュータ１６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装置によりバルブシート部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バルブシートを形成するが、その際に、図２に示すように、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。

形状計測器６は、本発明の要旨にかかるもので、肉盛りをした加工開始部の肉盛り形状を計測する計測器である。この形状計測器６は、光を加工開始部に照射してその光の反射時間の相違により加工開始部の肉盛り形状を計測する、いわゆる光計測による非接触式の測定器である。

かかる形状計測器６は、図３（Ａ）に示すように、バルブシート部２の加工開始部に向けられ、その先端部６ａから光Ｈを肉盛りされた加工開始部に照射する。形状計測器６で計測される加工開始部の肉盛り形状は、図３（Ｂ）で示すように、未溶着境界線Ｓ１で表される母材１７に対して溶着されていない未溶着形状と、希釈境界線Ｓ２で表される母材１７が肉盛りに溶け込んでいる希釈形状と、それら境界線Ｓ１、Ｓ２の間に挟まれた良品形状として計測される。これらの形状は、図示を省略するモニタに映し出される。

「レーザクラッド加工方法」
次に、上述のように構成されたレーザクラッド加工装置を使用してバルブシートを形成するレーザクラッド加工方法について説明する。

先ず、図２に示すように、ノズル１１の噴出口をバルブシート部２に向けた後、粉末供給装置５からノズル１１に金属粉末４を供給する。そして、レーザ照射装置３によりレーザｈｖをバルブシート部２に照射させ、シリンダーヘッド１を回転させながらレーザクラッド加工を行う。

熱源には、ＤＤＬレーザ（ダイレクト・ダイオード・レーザ）を使用し、粉末量を０．７ｇ／ｓｅｃ、加工速度を１．２ｍ／ｍｉｎとして、加工開始時のレーザ立ち上がり時間を１５０ｍｓｅｃ〜３５０ｍｓｅｃと変化させて肉盛りを行った。

レーザクラッド加工は、加工開始部から連続して行い、この加工開始部に加工終了部をオーバーラップさせて肉盛りを行う。この肉盛り加工中に、図４に示すように、形状計測器６から光りＨを加工開始部に照射してその加工開始部における肉盛り形状を計測する。すなわち、図５のフローチャートで示すように、ステップＳ１の処理で肉盛り加工を行いながらステップＳ２の処理で形状計測評価を行う。この形状計測評価は、先ず、ステップＳ３の処理で形状計測器６で得られた結果から未溶着形状であるか否かの判断をする。未溶着形状であると判断した場合（ＹＥＳ）、ステップＳ４の処理でレーザ出力を増加させるか若しくは金属粉末量を低下（減少）させる。

この一方、未溶着形状でないと判断した場合（ＮＯ）、ステップＳ５の処理に進み、希釈形状であるか否かを判断する。希釈形状であると判断した場合（ＹＥＳ）、ステップＳ６の処理でレーザ出力を低下させるか若しくは金属粉末量を増加させる。

未溶着形状でなく且つ希釈形状でない場合は、ステップＳ７の処理で肉盛り形状は良品であると判断して出荷することになる。

前記形状計測器６で加工開始部の肉盛り形状を計測することで、図６に示すような良好状態（線Ｃ）から未溶着状態（線Ａ）又は希釈状態（線Ｂ）に対するズレ量を算出することができるため、このズレ量をフィードバックしてレーザ出力と金属粉末量を調整することで適正な良好状態とすることができる。図７（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、各線Ａ，線Ｂ，線Ｃの加工開始部における肉盛り形状を示す。

図８（Ａ）で示す未溶着状態では、母材１７と肉盛り層１８との間に未溶着部１９が発生し、加工開始部に加工終了部をオーバーラップさせると、図８（Ｂ）に示すように、未溶着部１９であった部位に空孔２０が生じてしまう。また、図９（Ａ）で示す希釈状態では、母材１７が肉盛り層１８に溶け込んだ部位２１が発生し、加工開始部に加工終了部をオーバーラップさせると、図９（Ｂ）に示すように、前記母材１７が肉盛り層１８に溶け込んだ部位２１に割れ２２が生じてしまう。

これに対して、本実施の形態によれば、肉盛り加工中に、加工開始部の肉盛り形状を形状計測器６で計測し、その計測した形状が母材１７に対して溶着されていない未溶着形状と判断したときに、レーザ出力を増加するか又は金属粉末量を低下（減少）し、また、計測した形状が母材１７が肉盛りに溶け込んでいる希釈形状である場合に、レーザ出力を低下するか又は金属粉末量を増加するので、空孔２０や割れ２２などの発生を防止することができる。

また、本実施の形態によれば、形状計測器６で計測しているため、人による評価のバラツキが無くなり良品率が向上すると共に、従来からのカラーチェックスプレーによる評価時間を削減することができる。

また、本実施の形態によれば、加工開始部の品質確認用のワークが不要となるので、無駄な試料用ワークを無くすことができる。

また、本実施の形態によれば、測定した加工開始部の形状から自動的に適正条件を算出してレーザ出力又は金属粉末量を調整してフィードバックするため、加工条件変更の時間を削減することができ、生産率の向上を図ることができる。

以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、上述の実施の形態は、本発明の一例であり、これに限定されることはない。

レーザクラッド装置を示す斜視図である。粉末供給装置のノズル先端から金属粉末を加工部に供給している状態を示す図である。図３（Ａ）は形状計測器で加工開始部の肉盛り形状を計測する状態を示す斜視図、（Ｂ）は加工開始部の肉盛り形状を示す拡大断面図である。図４は肉盛り加工中に加工開始部の肉盛り形状を形状計測器で計測する状態を示す斜視図である。図５は形状計測器で計測した結果に基づいてレーザ出力と金属粉末供給量を調整してレーザクラッド加工するフローチャートである。図６は形状計測器で計測された結果を示す図である。図７（Ａ）は図６の線Ａにおける肉盛り形状を示す断面図、図７（Ｂ）は図６の線Ｂにおける肉盛り形状を示す断面図、図７（Ｃ）は図６の線Ｃにおける肉盛り形状を示す断面図である。図８（Ａ）は未溶着状態の加工開始部の断面図、図８（Ｂ）はオーバーラップされた加工開始部に空孔が形成された状態を示す断面図である。図９（Ａ）は希釈状態の加工開始部の断面図、図９（Ｂ）はオーバーラップされた加工開始部に割れが生じた状態を示す断面図である。

符号の説明

１…シリンダーヘッド
２…バルブシート部
３…レーザ照射装置（レーザ照射手段）
４…金属粉末
５…粉末供給装置（粉末供給手段）
６…形状計測器（形状計測手段）
７…レーザ発振器
１０…集光ヘッド
１１…ノズル
１３…荷重計
１５…粉末制御部
１７…母材
１８…肉盛り層
１９…未溶着部
２０…空孔
２２…割れ

Claims

ノズルの先端から金属粉末を加工部に供給する粉末供給手段と、
前記加工部にレーザを照射して前記金属粉末を溶融させて肉盛りを行うレーザ照射手段と、
肉盛りをした加工開始部の肉盛り形状を計測する形状計測手段と、
前記形状計測手段の計測結果を基に情報をフィードバックするフィードバック手段と、
前記フィードバック手段からフィードバックされた情報を基に前記粉末供給手段から供給する金属粉末の量及び又は前記レーザ照射手段の出力値を調整する調整手段と、を備え、
前記形状計測手段は、母材に対して溶着されていない未溶着境界線で表される未溶着形状と、母体が肉盛りに溶け込んでいる希釈境界線で表される希釈形状と、前記未溶着境界線と希釈境界線の間に挟まれた良品形状と、を計測し、
前記フィードバック調整手段は、前記良品形状と、前記未溶着形状又は前記希釈形状とのズレ量である前記情報をフィードバックする
ことを特徴とするレーザクラッド加工装置。
ノズルの先端から金属粉末を加工部に供給しながらレーザを照射して肉盛りを行うレーザクラッド加工方法において、
肉盛り加工中に、加工開始部の肉盛り形状を形状計測手段で計測し、母材に対して溶着されていない未溶着境界線で表される未溶着形状と、母体が肉盛りに溶け込んでいる希釈境界線で表される希釈形状と、前記未溶着境界線と希釈境界線の間に挟まれた良品形状と、を判断する形状計測評価を行い、
前記良品形状と、前記未溶着形状又は前記希釈形状とのズレ量である情報をフィードバックし、
前記形状計測評価において母材に対して溶着されていない未溶着形状と判断したときに、フィードバックされた情報を基にレーザ出力を増加するか又は金属粉末量を低下し、
形状計測評価において形状が母材が肉盛りに溶け込んでいる希釈形状と判断したときに、フィードバックされた情報を基にレーザ出力を低下するか又は金属粉末量を増加する
ことを特徴とするレーザクラッド加工方法。
請求項２に記載のレーザクラッド加工方法であって、
前記加工部は、シリンダーヘッドのバルブシート部であり、加工開始部に加工終了部をオーバーラップさせて肉盛りを行う
ことを特徴とするレーザクラッド加工方法。