JP6210093B2 - レーザ肉盛方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ肉盛方法に関するものであり、例えば、バルブシート用のレーザ肉盛方法に関する。

高温環境下においてバルブが繰り返し当接するシリンダヘッドのバルブシートには、耐熱性や耐摩耗性が要求される。そのため、バルブシートは、シリンダヘッド粗形材の吸気／排気ポートの開口端周縁に、機械加工により円環状のザグリ溝を形成し、このザグリ溝に銅系合金等からなる肉盛層を形成することにより得られる。

このようなバルブシート用の肉盛方法としては、ザグリ溝に金属粉を供給しながらレーザビームを照射して肉盛層を形成するレーザ肉盛方法（いわゆるレーザクラッド法）が知られている。このレーザ肉盛方法では、肉盛層の始端部と終端部が重なり合ってできるオーバーラップ部に、ブローホールが生じ易いことが知られている。

このようなブローホールを解消するために、特許文献１には、レーザの出力を所定量まで増加させて、肉盛層の終端部を形成し、始端部に重ねるレーザ肉盛方法が開示されている。

特開２０１０−２０１４８０号公報

発明者らは、肉盛層の始端部に堆積した余剰な金属粉（余剰粉）が、レーザビームが近づくことにより半ば溶解して玉状になった後、溶解プールに吸収されると、オーバーラップ部にブローホールが発生することを見出した。特許文献１に開示された方法のように、オーバーラップ部においてレーザの出力を増加させても、ブローホール発生の原因となる余剰粉を低減することができないため、オーバーラップ部にブローホールが発生してしまう。

そこで、発明者らは、溶解プールに吹き付けるシールガスの流量を大きくし、始端部上に堆積した余剰粉を除去することにより、ブローホールの発生を抑制することができることを見出した。

しかしながら、単純にシールガスの流量を大きくするのみでは、金属粉の歩留まりが低下してしまう。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、オーバーラップ部におけるブローホールの発生を抑制しつつ、金属粉の歩留まりを向上させることができるレーザ肉盛方法を提供することを目的とする。

本発明の一形態に係るレーザ肉盛方法は、
シリンダヘッド粗形材において、ポートの燃焼室側開口端に、円環状のザグリ溝を形成する工程と、
前記ザグリ溝に金属粉を供給しつつ、レーザビームを照射し、バルブシート用の肉盛層を順次形成する工程と、を備え、
溶融プールにシールガスを吹き付けながら前記肉盛層を形成するレーザ肉盛方法であって、
前記肉盛層は、始端部、始端直後部、中間部、終端直前部及び終端部を有し、前記肉盛層をこの順に円環状に順次形成し、
前記始端部に前記終端部を重ねるオーバーラップ部を形成する際の前記シールガスの流量を、前記中間部を形成する際の前記シールガスの流量よりも大きくする。
このような構成により、始端部上に堆積した余剰粉を除去し、オーバーラップ部におけるブローホールの発生を抑制することができる。他方、中間部を形成する際のシールガスの流量は抑えられているため、金属粉の歩留まりを向上させることができる。すなわち、オーバーラップ部におけるブローホールの発生を抑制しつつ、金属粉の歩留まりを向上させることができる。

前記終端直前部を形成する際の前記シールガスの流量を、前記中間部を形成する際の前記シールガスの流量よりも大きくすることが好ましい。オーバーラップ部におけるブローホールの発生をさらに抑制することができる。
また、前記始端部を形成する際の前記シールガスの流量を、前記中間部を形成する際の前記シールガスの流量よりも大きくすることが好ましい。オーバーラップ部におけるブローホールの発生をより一層抑制することができる。
さらに、前記始端直後部を形成する際の前記シールガスの流量を、前記中間部を形成する際の前記シールガスの流量よりも大きくすることが好ましい。オーバーラップ部におけるブローホールの発生をさらにより一層抑制することができる。

また、前記ザグリ溝を形成する工程において、前記ザグリ溝の底面と前記ポートの内周面とのなす角が90°よりも大きくなるように、前記底面を傾斜させて形成し、前記順次形成する工程において、前記ザグリ溝の中心軸を鉛直方向に一致させて前記肉盛層を形成することが好ましい。このような構成により、底面に余剰粉が堆積しにくい上、余剰粉が玉になった後、ポート内に落下しやすいので、ブローホールの発生を抑制することができる。

本発明により、オーバーラップ部におけるブローホールの発生を抑制しつつ、金属粉の歩留まりを向上させることができるレーザ肉盛方法を提供することができる。

実施の形態１に係るレーザ肉盛方法の概要を模式的に示す斜視図である。 実施の形態１に係るレーザ肉盛方法の概要を模式的に示す断面図である。 実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドを例示する断面図である。 実施の形態１に係るレーザ肉盛方法により形成された肉盛層であって燃焼室側から見た肉盛層を例示する図である。 実施の形態１に係るレーザ肉盛方法において、始端部の形成を例示した図である。 実施の形態１に係るレーザ肉盛方法において、ガス流量の変化を例示するグラフであり、横軸は肉盛層の形成箇所を示した角度であり、縦軸はガス流量を示す。 実施の形態１に係るレーザ肉盛方法において、終端直前部の形成を例示した図である。 比較例に係るレーザ肉盛方法における加工条件を例示するグラフであり、横軸は、角度を示し、縦軸は、レーザ出力及び粉体供給量を示す。 実施の形態１の変形例に係るレーザ肉盛方法において、ガス流量の変化を例示するグラフであり、横軸は肉盛層の形成箇所を示した角度であり、縦軸はガス流量を示す。 実施の形態１の変形例に係るレーザ肉盛方法において、中間部の形成を例示した図である。 実施の形態１の変形例に係るレーザ肉盛方法において、中間部の形成を例示した図である。 実施の形態１の変形例に係るレーザ肉盛方法において、シールガス流量の増加による効果を例示したグラフであり、横軸は、シールガス流量を示し、縦軸は中間部におけるブローホールの個数を示す。 実施の形態３に係るレーザ肉盛方法の概要を模式的に示す断面図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施の形態１）
実施の形態１に係るレーザ肉盛方法を説明する。
図１は、実施の形態１に係るレーザ肉盛方法の概要を模式的に示す斜視図である。
図２は、実施の形態１に係るレーザ肉盛方法の概要を模式的に示す断面図である。

図１及び図２を参照して、実施の形態１に係るレーザ肉盛方法の概要を説明する。まず、シリンダヘッド粗形材１０の構成について説明する。シリンダヘッド粗形材１０は、例えば鋳鉄やアルミニウム合金などからなる鋳物である。シリンダヘッド粗形材１０は、複数の燃焼室１１を備えている。各燃焼室１１は、吸気ポート１２及び排気ポート１３を備えている。

このようなシリンダヘッド粗形材１０において、吸気ポート１２及び排気ポート１３の燃焼室１１側の開口１４の端に、開口１４を囲むように円環状のザグリ溝１５を形成する。ザグリ溝１５は機械加工により形成される。ザグリ溝１５は、例えば、底面１５ａ、斜面１５ｂ及び側面１５ｃを有するように形成される。底面１５ａ、斜面１５ｂ及び側面１５ｃも円環状である。底面１５ａと側面１５ｃとの間に斜面１５ｂが設けられている。したがって、底面１５ａは、一方で、吸気ポート１２の内周面１２ａと隣り合い、他方で、斜面１５ｂと隣り合っている。側面１５ｃは、一方で、燃焼室１１の内面１１ａと隣り合い、他方で、斜面１５ｂと隣り合っている。斜面１５ｂは、一方で、底面１５ａと隣り合い、他方で、側面１５ｃと隣り合っている。

図１に示されたシリンダヘッド粗形材１０は、４気筒１６バルブ用であって、４つの燃焼室１１のそれぞれに吸気ポート１２及び排気ポート１３を２つずつ備えている。当然のことながら、燃焼室１１や吸気ポート１２及び排気ポート１３の個数は図１の例に限定されるものではなく、適宜決定されるものである。

図１及び図２に示すように、レーザ加工ヘッド２０からザグリ溝１５に金属粉２６を供給しつつ、レーザビーム３０（光軸Ａ１）を照射する。ザグリ溝１５の内部において金属粉２６を溶融・凝固し、バルブシート用の肉盛層１６を順次形成する。レーザ加工ヘッド２０を、円環状のザグリ溝１５の中心軸Ａ２を軸として回転させる。これにより、レーザ加工ヘッド２０から吐出された金属粉２６及びレーザビーム３０は、ザグリ溝１５に沿って円環状に供給される。このようにして、ザグリ溝１５の全周に肉盛層１６を形成する。

ここで、中心軸Ａ２を以下のとおりとする。ザグリ溝１５の円環形状が形づける円環の中心を中心Ｏとする。円環において直交する２つの直径に垂直で、中心Ｏを通る軸を、中心軸Ａ２とする。中心Ｏは、開口１４の中心と略同一である。肉盛層１６を形成する際には、開口１４が上方を向くように、燃焼室１１側を上方にして、中心軸Ａ２を鉛直方向に一致させる。なお、図では、吸気ポート１２を示しているが、排気ポート１３でもよい。肉盛層１６の表面は、製品形状とするために研削される。

図３は、実施の形態１に係るレーザ加工ヘッドを例示する断面図である。
図３を参照して、レーザ肉盛方法で用いるレーザ加工ヘッド２０を説明する。レーザ加工ヘッド２０は、内側ノズル２１、外側ノズル２２、原料供給管２３を備えている。すなわち、レーザ加工ヘッド２０は、ともにレーザビーム３０の光軸Ａ１を中心軸とする内側ノズル２１及び外側ノズル２２からなる同軸二重管構造を有している。

具体的には、内側ノズル２１からレーザビーム３０が出射される。また、内側ノズル２１からシールガス２４が吐出される。内側ノズル２１と外側ノズル２２との間からは、原料供給管２３を介して供給されたキャリアガス２５及び金属粉２６が吐出される。つまり、シールガス２４、キャリアガス２５及び金属粉２６の吐出軸は、レーザビーム３０の光軸Ａ１と同軸である。

シールガス２４及びキャリアガス２５としては、例えば、アルゴンガスや窒素ガス等の不活性ガスを挙げることができる。このように、レーザビーム３０の照射と、シールガス２４、キャリアガス２５及び金属粉２６の供給とが一体化されることにより、レーザ加工装置をコンパクトにすることができる。なお、図１では、原料供給管２３は省略されている。

図４は、実施の形態１に係るレーザ肉盛方法により形成された肉盛層であって燃焼室側から見た肉盛層を例示する図である。
図４を参照して、レーザ肉盛方法により形成された肉盛層１６を説明する。燃焼室１１側から見た肉盛層１６は、吸気ポート１２の開口１４の周縁に開口１４をとり囲むように円環状に形成されている。肉盛層１６はザグリ溝１５の内部に形成されている。ザグリ溝１５の中心軸（図示せず）は、紙面に垂直である。肉盛層１６は、高温環境下において、バルブが繰り返し当接するシリンダヘッドのバルブシートとして使用される。

肉盛層１６は、オーバーラップ部１７及び非オーバーラップ部１８を有している。まず、オーバーラップ部１７を説明する。肉盛層１６を形成する際の始点となる箇所を、0°とする。ここで、中心Ｏを中心として時計の針の回転方向をクラッド方向と定義する。円環状の肉盛層１６において、クラッド方向に0°から45°までの部分が、オーバーラップ部１７である。オーバーラップ部１７は、始端部１７ａ及び終端部１７ｂを有している。オーバーラップ部１７は、始端部１７ａと終端部１７ｂとが重なっている。図における斜線１７ｃは、始端部１７ａ及び終端部１７ｂが重なっていることを示すためのものである。実際に斜線１７ｃが形成されているものではない。

始端部１７ａは、肉盛層１６の形成において、始めに形成される部分である。始端部１７ａは、例えば、0°〜45°までの部分である。
終端部１７ｂは、肉盛層１６の形成において、最後に形成される部分である。終端部１７ｂは、始端部１７ａにオーバーラップするように、始端部１７ａの上から重ね合わせて形成される。

次に、非オーバーラップ部１８を説明する。非オーバーラップ部１８は、肉盛層１６におけるオーバーラップ部１７以外の部分である。非オーバーラップ部１８は、例えば、円環状の肉盛層１６において、45°から360°までの部分である。非オーバーラップ１８は、始端直後部１８ａ、中間部１８ｂ、終端直前部１８ｃを有している。

始端直後部１８ａは、始端部１７ａの形成直後に形成された部分である。始端直後部１８ａは、始端部１７ａ及び中間部１８ｂの間の部分である。始端直後部１８ａは、例えば、30°の角度を持った部分である。図において、始端部１７ａが0°〜45°の部分である場合には、始端直後部１８ａは、45°〜75°の部分である。

中間部１８ｂは、始端直後部１８ａの形成直後に形成された部分である。中間部１８ｂは、始端直後部１８ａと終端直前部１８ｃの間の部分である。中間部１８ｂは、例えば、240°の角度を持った部分である。図において、始端部１７ａが0°〜45°の部分であり、始端直後部１８ａが45°〜75°の部分である場合には、中間部１８ｂは、75°〜315°の部分である。

終端直前部１８ｃは、中間部１８ｂの形成直後に形成された部分である。また、終端直前部１８ｃは、終端部１７ｂの直前に形成される部分である。終端直前部１８ｃは、中間部１８ｂと終端部１７ｂの間の部分である。終端直前部１８ｃは、例えば、45°の角度を持った部分である。図において、終端直前部１８ｃは、315°〜360°の部分である。

図５は、実施の形態１に係るレーザ肉盛方法において、始端部の形成を例示した図である。
図５を参照して、肉盛層１６の形成方法を詳細に説明する。まず、ザグリ溝１５内において始点となる箇所から始端部１７ａを形成する。始端部１７ａを形成する際には、金属粉２６の吐出とレーザビーム３０の照射とのタイミングを調整する。金属粉２６の供給が遅いと、金属粉２６とシリンダヘッド粗形材１０との合金化が進む。一方、金属粉２６の供給が早いと金属粉が玉状になったものや粉残りが発生する。タイミングを調整して、始端部１７ａを形成する。

始端部１７ａが形成されるにつれ、肉盛層１６の厚みが緩やかに増加する。肉盛層１６におけるレーザ加工ヘッド２０との対向面には、溶融プール３１が形成される。溶融プール３１は、金属粉２６がレーザビーム３０の照射により溶融したものである。溶融プール３１に向かって金属粉２６が吐出される。また、溶融プール３１に対してレーザビーム３０が照射される。さらに、溶融プール３１にシールガス２４を吹き付けながら、肉盛層１６を形成する。溶融プール３１を持続させながら、溶融プール３１をクラッド方向に移動させる。溶融プール３１が移動した跡には溶融プール３１が固化した肉盛層１６が形成される。

このようにして、溶融プール３１をクラッド方向へ移動させることにより、肉盛層１６をクラッド方向に成長させる。溶融プール３１から見てクラッド方向の反対側には、金属粉２６の余剰粉２７が発生する。始端部１７ａを形成する際には、シールガス２４の流量を、中間部１８ｂを形成する際のシールガス２４の流量よりも大きくする。シールガス２４は、本来は、溶融プール３１の酸化防止やレーザビーム３０の出射口ガラスの保護を目的とするものである。本実施の形態では、シールガス２４を、余剰粉２７を吹き飛ばすことにも利用する。

図６は、実施の形態１に係るレーザ肉盛方法において、ガス流量の変化を例示するグラフであり、横軸は肉盛層の形成箇所を示した角度であり、縦軸はガス流量を示す。ガス流量は、シールガス２４の流量（実線）及びキャリアガス２５の流量（点線）を示す。シールガス２４の流量を示す実線は、キャリアガス２５を示す点線と一部重なっている。

図６に示すように、始端部１７ａを形成する際のシールガス２４の流量を、中間部１８ｂを形成する際のシールガス２４の流量よりも大きくする。例えば、角度0°から45°までの始端部１７ａを形成する際には、シールガス２４の流量を40L/minとする。レーザビーム３０の出力は2.8kWである。加工速度は、700mm/minである。金属粉供給量は、0.75g/sである。キャリアガス２５の流量は、10L/minである。これにより、余剰粉２７を吹き飛ばし、オーバーラップ部１７におけるブローホールの発生を抑制することができる。

図６に示すように、始端部１７ａの形成後、始端直後部１８ａを形成する。始端直後部１８ａは、例えば、45°から75°の部分である。始端直後部１８ａの形成に際しても、シールガス２４の流量を40L/minに維持してもよい。つまり、始端直後部１８ａを形成する際のシールガスの流量を、始端部１７ａを形成する際のシールガスの流量と同じ流量とする。すなわち、始端直後部１８ａを形成する際のシールガスの流量を、中間部１８ｂを形成する際の流量よりも大きくしてもよい。これにより、オーバーラップ部１７及び非オーバーラップ１８の表面に付着した余剰粉２７を吹き飛ばし、オーバーラップ部１７及び非オーバーラップ１８におけるブローホールの発生を抑制することができる。

始端部１７ａ及び始端直後部１８ａを形成する期間を第１の除去タイミング１９ａとする。このように、第１の除去タイミング１９ａにおいては、生成される余剰粉２７を、シールガス２４の流量を増加させることにより除去する。

なお、第１の除去タイミング１９ａを、始端部１７ａを形成する期間のみとしてもよい。すなわち、始端直後部１８ａにおけるシールガス２４の流量を中間部１８ｂにおけるシールガス２４の流量まで減少させてもよい。その場合には、金属粉２６の歩留まりを向上させることができる。しかしながら、ブローホールの発生を抑制する観点からは、始端直後部１８ａを形成する期間にもシールガス２４の流量を増加させたままとする方がより好ましい。

第１の除去タイミング１９ａ後、すなわち、始端部１７ａ及び始端直後部１８ａの形成後、中間部１８ｂを形成する。中間部１８ｂは、75°から315°の部分である。中間部１８ｂにおいて、シールガス２４の流量を減少させる。中間部１８ｂを形成する際のシールガス２４の流量を、金属粉２６を供給するためのキャリアガス２５の流量と同じ流量とする。例えば、10L/minまで減少させる。これにより、金属粉２６の歩留まりを向上させることができる。シールガス２４の流量以外の条件、すなわち、レーザビーム３０の出力、加工速度、金属粉２６の供給量及びキャリアガス２５の流量は、同じ条件とする。

余剰粉２７が生成される２つめのタイミングは、終端直前部１８ｃ及び終端部１７ｂを形成するときである。終端直前部１８ｃ及び終端部１７ｂを形成する期間を第２の除去タイミング１９ｂとする。
なお、第２の除去タイミング１９ｂを、終端部１７ｂを形成する期間のみとしてもよい。すなわち、終端直前部１８ｃにおけるシールガス２４の流量を中間部１８ｂにおけるシールガス２４の流量のままとしてもよい。その場合には、金属粉２６の歩留まりを向上させることができる。しかしながら、ブローホールの発生を抑制する観点からは、終端直前部１８ｃを形成する期間にもシールガス２４の流量を増加させる方がより好ましい。

図７は、実施の形態１に係るレーザ肉盛方法において、終端直前部の形成を例示した図である。
図６及び図７に示すように、終端直前部１８ｃを形成する。終端直前部１８ｃは、例えば、315°から360°の部分である。終端直前部１８ｃを形成する際に、レーザ加工ヘッド２０は、始端部１７ａに近づくことになる。始端部１７ａには、スパッタされた飛翔粉を含む余剰粉２７が堆積している。

終端直前部１８ｃを形成する際に、シールガス２４の流量を再び増加させる。例えば、40L/minまで増加させる。すなわち、終端直前部１８ｃを形成する際のシールガス２４の流量を、中間部１８ｂを形成する際のシールガス２４の流量よりも大きくする。これにより、始端部１７ａに堆積した余剰粉２７を吹き飛ばし、オーバーラップ部１７におけるブローホールの発生を抑制することができる。溶融プール３１を持続させながら、終端直前部１８ｃをクラッド方向に成長させる。

図６に示すように、終端直前部１８ｃの形成後、終端部１７ｂを形成する。終端部１７ｂは、例えば、360°から405°の部分である。すなわち、0°から45°の部分の始端部１７ａ上に重なっている。終端部１７ｂの形成に際しても、シールガス２４の流量を40L/minに維持する。つまり、終端部１７ｂを形成する際のシールガスの流量を、終端直前部１８ｃを形成する際の流量と同じ流量にする。すなわち、終端部１７ｂを形成する際のシールガス２４の流量を、中間部１８ｂを形成する際のシールガス２４の流量よりも大きくする。このような構成により、始端部１７ａ上に堆積した余剰粉２７を除去し、オーバーラップ部１７におけるブローホールの発生を抑制することができる。他方、中間部１８ｂを形成する際のシールガス２４の流量は抑えられているため、金属粉２６の歩留まりを向上させることができる。すなわち、オーバーラップ部１７におけるブローホールの発生を抑制しつつ、金属粉２６の歩留まりを向上させることができる。

一方、その他の条件、すなわち、レーザビームの出力、加工速度、金属粉供給量及びキャリアガス２５の流量は、同じ条件とする。シールガス２４以外のこれらの条件は、肉盛層１６を形成する過程において一定としている。これにより、肉盛層１６の品質を向上することができる。オーバーラップ部１７が形成されれば、肉盛層１６の形成が終了する。

このように、本実施形態では、始端部１７ａ、始端直後部１８ａ、中間部１８ｂ、終端直前部１８ｃ、終端部１７ｂをこの順で円環状に途切れることなく順次形成する。終端部１７ｂを始端部１７ａに重ね合わせることによって肉盛層１６を円環状に形成する。始端部１７ａに終端部１７ｂを重ねるオーバーラップ部１７を形成する際のシールガス２４の流量を、中間部１８ｂを形成する際のシールガス２４の流量よりも大きくしている。

図７を参照して、本実施形態における余剰粉２７の発生とブローホール抑制のメカニズムを説明する。始端部１７ａ上に堆積した余剰粉２７、及び、始端部１７ａからクラッド方向とは逆方向のザグリ溝１５内（始端部１７ａの手前）に堆積した余剰粉２７は、終端部１７ｂの形成時に玉状になって溶融プール３１に吸収される。これにより、オーバーラップ部１７にブローホールが発生することを明らかにした。このようなオーバーラップ部１７におけるブローホールの原因となる余剰粉２７が生成されるタイミングは、(i)始端部１７ａの形成時の余剰粉２７、及び、(ii)非オーバーラップ部１８の形成時に吹き飛ばされた余剰粉２７が始端部１７ａの手前に堆積したもの、の２点である。本実施形態では、(i)及び(ii)の余剰粉２７を、シールガス２４の流量の増量により除去する。

シールガス２４の流量が10L/minでは余剰粉２７を除去することが困難である。しかし、シールガス２４の流量が2倍の20L/minになると、余剰粉２７を除去する効果が表れる。そして、シールガス２４の流量を増やすほど効果が大きいことを確認した。そこで、余剰粉２７が生成されるタイミング（i）及び（ii）に対応した第１の除去タイミング１９ａ及び第２の除去タイミング１９ｂにおいて、シールガス２４の流量を増加させる。第２の除去タイミング１９ｂでは、始端部１７ａの手前の余剰粉２７を飛ばす必要がある。そこで、始端部１７ａにかかる手前（−45°以上）から増量する。つまり、終端直前部１８ｃを、円環状の肉盛層１６において、45°以上の角度の大きさを有するようにする。

このように、レーザ肉盛方法におけるブローホール等の欠陥及び肉盛層１６の未溶着を抑制するために、原因となりうる余剰粉２７を吹き飛ばす。これを目的として、シールガス２４の流量を増量する。このとき、金属粉２６の歩留まりが低下してしまうため、欠陥・未溶着の出やすい始端部１７ａ及び終端部１７ｂでのシールガス２４を、特に増量させる。

本実施形態に係るレーザ肉盛方法によれば、オーバーラップ部１７を形成する際のシールガス２４の流量を、中間部１８ｂを形成する際のシールガス２４の流量よりも大きくする。これにより、オーバーラップ部１７におけるブローホールの発生を抑制しつつ、金属粉の歩留まりを向上させることができる。

ここで、実施の形態１の他の効果を説明するために、特許文献１のレーザ肉盛方法を比較例として説明する。
図８は、比較例に係るレーザ肉盛方法における加工条件を例示するグラフであり、横軸は、回転角度を示し、縦軸は、レーザ出力及び粉体供給量を示す。

図８に示すように、比較例では、オーバーラップ部の始端部手前の余剰粉が欠陥・未溶着の要因になるため、オーバーラップ始端部手前の終端部形成工程（III）から粉供給量Ｓａを一定にして、レーザ出力を出力Ｗａから出力Ｗｂまで増加させている（特許文献１の図３参照）。このように、比較例では、レーザ出力を増加させて、オーバーラップ部を形成することで、余剰粉まで溶かすのに十分なエネルギーを与え、欠陥・未溶着を抑制している。

比較例では、レーザ出力を上げなければならず、レーザ発振器の大型化・高コスト化に繋がる。また、余剰粉の堆積量は一定ではないので、堆積量が少ない場合、レーザ出力を上げるとエネルギー過多になる。その結果、肉盛層への母材アルミの溶け込みが多くなる。これにより、肉盛層が硬くなり、割れる恐れがある。さらに、ブローホール発生の真の原因は余剰粉があるためである。比較例では、真の原因である余剰粉の対策になっていない。

比較例に対して、本実施の形態１では、終端部１７ｂを形成する際に、レーザビーム３０の出力を増加させる必要がない。したがって、レーザ発振器を大型化する必要がなく、低コスト化することができる。さらに、レーザビーム３０の出力を増加させないので、肉盛層１６へのシリンダヘッド粗形材１０のアルミニウムの溶け込みが多くなることはない。したがって、肉盛層１６が硬くなることにより、割れることがない。そして、ブローホールの真の原因である余剰粉２７を吹き飛ばしているので、ブローホールの発生を抑制することができる。

（実施の形態１の変形例）
次に、中間部１８ｂの流量を大きくした変形例を説明する。
図９は、実施の形態１の変形例に係るレーザ肉盛方法において、ガス流量の変化を例示するグラフであり、横軸は、肉盛層の形成箇所を示した角度であり、縦軸は、ガス流量を示す。

図９に示すように、実施の形態１の変形例においては、中間部１８ｂにおけるシールガス２４の流量（実線）を、実施の形態１における10L/minから、20L/minまで増加させる。これにより、中間部１８ｂを形成する際のシールガス２４の流量を、金属粉２６を供給するためのキャリアガス２５の流量よりも大きくする。それ以外の条件は、実施の形態１と同じ条件とする。

図１０及び図１１は、実施の形態１の変形例に係るレーザ肉盛方法において、中間部の形成を例示した図である。
図１０に示すように、中間部１８ｂの形成においても余剰粉２７が発生する。このため、溶融プール３１のクラッド方向の前方にも余剰粉２７が堆積する。堆積した余剰粉２７が熱せられ、玉２７ａになる。そして、玉２７ａが溶融プール３１に飛び込む。その際に、ガスなどを巻き込むことがブローホール等の欠陥の原因になる。

図１１に示すように、中間部１８ｂにおけるシールガス２４の流量を上げることで溶融プール３１のクラッド方向の前方に堆積した余剰粉２７を除去する。これにより、玉２７ａの形成を抑制することができるので、ブローホール等の欠陥を低減することができる。

図１２は、実施の形態１の変形例に係るレーザ肉盛方法において、シールガス流量の増加による効果を例示したグラフであり、横軸は、シールガス流量を示し、縦軸は中間部１８ｂにおけるブローホールの個数を示す。

図１２に示すように、シールガス２４の流量を増加させるほど、中間部１８ｂにおけるブローホールの個数が減少する。シールガス２４の流量が10L/minから20L/minまで増加すると、ブローホールの個数が顕著に減少する。シールガス２４の流量が35L/minでブローホールの個数が0になる。このように、シールガス２４の流量を上げることで、クラッド方向の前方に堆積した余剰粉２７を除去し、ブローホールの個数を低減することができる。

一方、シールガス２４の流量を増加させると金属粉２６の歩留まりが低下する。このため、肉盛層１６の大部分を占め、金属粉２６の歩留まりに対し影響の大きい中間部１８ｂのシールガス２４の流量を、効果が認められた20L/min程度に抑える。堆積した余剰粉２７が多いオーバーラップ部１７を形成する際のシールガス２４の流量を、それよりも多い30L/min以上とする。このように、本実施形態によれば、オーバーラップ部１７におけるブローホールの発生を抑制しつつ、金属粉２６の歩留まりを向上することができる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２を説明する。本実施の形態は、図６または図９における第２の除去タイミング１９ｂのみシールガス２４の流量を、中間部１８ｂを形成する際のシールガス２４の流量よりも大きくするものである。第１の除去タイミング１９ａにおけるシールガス２４の流量は、中間部１８ｂを形成する際のシールガス２４の流量と同じである。それ以外の構成は、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。本実施形態によれば、第１の除去タイミング１９ａではシールガス２４の流量を、中間部１８ｂを形成する際のシールガス２４の流量と同じ流量としている。これにより、オーバーラップ部１７におけるブローホールの発生を抑制しつつ、金属粉２６の歩留まりを向上させることができる。

（実施の形態３）
次に、実施の形態３を説明する。本実施形態は、ザグリ溝１５の底面１５ａを傾斜させた実施形態である。
図１３は、実施の形態３に係るレーザ肉盛方法の概要を模式的に示す断面図である。
図１３に示すように、開口１４が上方を向くようにザグリ溝１５の円環形状の中心軸Ａ２を鉛直方向とする。この場合に、ザグリ溝１５の底面１５ａにおける中心軸Ａ２側が下方に傾斜するように、底面１５ａを形成する。吸気ポート１２の内周面１２ａは、中心軸Ａ２を軸とした円筒形状となるように形成されている。したがって、隣り合うザグリ溝１５の底面１５ａと吸気ポート１２の内周面１２ａとのなす角度ωが90°よりも大きくなるように、底面１５ａを傾斜させてザグリ溝１５を形成する。底面１５ａは、中心軸Ａ２を鉛直方向とした場合に、中心軸Ａ２に直交する水平な面を有しないように形成されている。

このようなザグリ溝１５の内部に肉盛層１６を形成する。開口１４が上方を向くようにザグリ溝１５の円環形状の中心軸Ａ２を鉛直方向とする。そして、ザグリ溝１５に金属粉２６を供給しつつ、レーザビーム３０を照射し、バルブシート用の肉盛層１６を順次形成する。肉盛層１６の形成において、前述したように玉２７ａが発生する。本実施形態では、底面１５ａを傾斜させているので、発生した玉２７ａは、シールガス２４により吹き飛ばされてザグリ溝１５の外へ落下する。これにより、肉盛層１６中への玉２７ａの巻き込みを抑制することができる。

本実施形態に係るレーザ肉盛方法によれば、ザグリ溝１５の底面１５ａとポート１２の内周面１２ａとのなす角度が90°よりも大きくなるように、ザグリ溝１５の底面１５ａを傾斜させて形成している。これにより、底面１５ａに余剰粉２７が堆積しにくい上、余剰粉２７が玉２７ａになった後、ポート内に落下しやすい。このようにして、ブローホールの発生を抑制することができる。

以上、本発明に係るレーザ肉盛方法の実施の形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

例えば、シールガスの流量等の具体的な数値は、種々の条件により変化し得るため、実施形態中で示した数値には限らない。また、肉盛層１６における各部分が占める角度は、種々の条件により変化し得る。

１０ シリンダヘッド粗形材
１１ 燃焼室
１１ａ 内面
１２ 吸気ポート
１２ａ 内周面
１３ 排気ポート
１４ 開口
１５ ザグリ溝
１５ａ 底面
１５ｂ 斜面
１５ｃ 側面
１６ 肉盛層
１７ オーバーラップ部
１７ａ 始端部
１７ｂ 終端部
１７ｃ 斜線
１８ 非オーバーラップ部
１８ａ 始端直後部
１８ｂ 中間部
１８ｃ 終端直前部
１９ａ 第１の除去タイミング
１９ｂ 第２の除去タイミング
２０ レーザ加工ヘッド
２１ 内側ノズル
２２ 外側ノズル
２３ 原料供給管
２４ シールガス
２５ キャリアガス
２６ 金属粉
２７ 余剰粉
２７ａ 玉
３０ レーザビーム
３１ 溶融プール
Ａ１ 光軸
Ａ２ 中心軸
Ｓａ 粉供給量
Ｗａ 出力
Ｗｂ 出力
Ｏ 中心

Claims (5)

1. シリンダヘッド粗形材において、ポートの燃焼室側開口端に円環状のザグリ溝を形成する工程と、
   前記ザグリ溝に金属粉を供給しつつ、レーザビームを照射し、バルブシート用の肉盛層を順次形成する工程と、を備え、
   溶融プールにシールガスを吹き付けながら前記肉盛層を形成するレーザ肉盛方法であって、
   前記肉盛層は、始端部、始端直後部、中間部、終端直前部及び終端部を有し、前記肉盛層をこの順に円環状に形成し、
   前記始端部に前記終端部を重ねるオーバーラップ部を形成する際の前記シールガスの流量を、前記中間部を形成する際の前記シールガスの流量よりも大きくする、
   レーザ肉盛方法。
2. 前記終端直前部を形成する際の前記シールガスの流量を、前記中間部を形成する際の前記シールガスの流量よりも大きくする、
   請求項１に記載のレーザ肉盛方法。
3. 前記始端部を形成する際の前記シールガスの流量を、前記中間部を形成する際の前記シールガスの流量よりも大きくする、
   請求項１または２に記載のレーザ肉盛方法。
4. 前記始端直後部を形成する際の前記シールガスの流量を、前記中間部を形成する際の前記シールガスの流量よりも大きくする、
   請求項３に記載のレーザ肉盛方法。
5. 前記ザグリ溝を形成する工程において、前記ザグリ溝の底面と前記ポートの内周面とのなす角が90°よりも大きくなるように、前記底面を傾斜させて形成し、
   前記順次形成する工程において、前記ザグリ溝の中心軸を鉛直方向に一致させて前記肉盛層を形成する、
   請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ肉盛方法。

Images