JP6358121B2 - シリンダーヘッドのバルブシート部へのレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属粉を供給しレーザを照射することで肉盛加工を行うレーザ加工装置及びその製造方法に関するものである。

例えば、シリンダーヘッドのバルブシート部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金属粉末を溶融して肉盛りするレーザ加工装置が知られている（特許文献１参照）。

特許第５５３２６２９号公報

上記レーザ加工装置においては、シリンダーヘッドを回転させることで、供給された金属粉を安定位置に流動させる。しかし、例えば、その金属粉の流動性が安定せず金属粉の供給過多が発生するとバルブシート部に溶融不足が生じる虞がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、シリンダーヘッドのバルブシート部に対する金属粉の供給が過多となって基材であるバルブシート部と溶融金属との未溶着状態となることを低減することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、シリンダーヘッドを加工位置に固定する固定手段と、前記固定手段により加工位置に固定された前記シリンダーヘッドの円環状のバルブシート部に対して、金属粉を供給する供給手段と、前記バルブシート部に供給された金属粉に対して、レーザ光を照射し、該金属粉を溶融させることで肉盛加工を行う照射手段と、を備えるレーザ加工装置であって、前記供給手段による金属粉の供給中心及び前記照射手段によるレーザ光の焦点を前記バルブシート部の円環形状に沿って移動させる移動手段を備え、前記バルブシート部に対して供給される金属粉の供給中心が、前記レーザ光の焦点に対して、前記移動手段による移動方向の横側又は後方側に、前記レーザ光の溶融可能範囲内でオフセットしている、ことを特徴とするレーザ加工装置である。
この一態様において、前記移動手段は、前記照射手段のレーザ光の焦点を、前記バルブシート部の円形状の始点から１周し、該始点を過ぎた終点まで移動させ、前記バルブシート部に対して供給される金属粉の供給中心が、前記レーザ光の焦点に対して、前記移動手段による移動方向の横側に、前記レーザ光の溶融可能範囲内でオフセットしていてもよい。
この一態様において、前記金属粉は、ノズル内の金属粉供給路を通り、先端から前記バルブシート部に対して供給され、前記レーザ光は、前記ノズル内のレーザ光路を通り前記バルブシート部に照射されており、前記ノズル内において、前記金属粉供給路と前記レーザ光路は一体的に構成されていてもよい。
この一態様において、前記ノズル内の金属粉供給路は、前記レーザ光路に対して、傾斜していてもよい。
この一態様において、前記ノズル内の金属粉供給路と、前記レーザ光路と、が一致しており、前記レーザ光路上には、前記レーザ光のレーザ光路を変更する少なくとも１つの反射ミラーが設けらていてもよい。
上記目的を達成するための本発明の一態様は、シリンダーヘッドを加工位置に固定する固定手段と、前記固定手段により加工位置に固定された前記シリンダーヘッドの円環状のバルブシート部に対して、金属粉を供給する供給手段と、前記バルブシート部に供給された金属粉に対して、レーザ光を照射し、該金属粉を溶融させることで肉盛加工を行う照射手段と、前記供給手段による金属粉の供給中心及び前記照射手段によるレーザ光の焦点を前記バルブシート部の円環形状に沿って移動させる移動手段と、を備えるレーザ加工装置の製造方法であって、前記バルブシート部に対して供給される金属粉の供給中心が、前記レーザ光の焦点に対して、前記移動手段による移動方向の横側又は後方側に、前記レーザ光の溶融可能範囲内でオフセットしている、ことを特徴とするレーザ加工装置の製造方法であってもよい。

本発明によれば、シリンダーヘッドのバルブシート部に対して金属粉を適切に溶着できる。

本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の概略的なシステム構成を示す斜視図である。 金属粉の供給中心がレーザ光の焦点に対してノズルの移動方向の後方側にレーザ光の溶融可能範囲内でオフセットした状態の一例を示す図である。 金属粉の供給中心がレーザ光の焦点に対してノズルの移動方向の横側にレーザ光の溶融可能範囲内でオフセットした状態の一例を示す図である。 金属粉が供給過多となったときの、金属粉の供給範囲がレーザ光の溶融可能範囲からノズルの移動方向の後方側にずれた状態の一例を示す図である。 金属粉が供給過多となったときの、金属粉の供給範囲がレーザ光の溶融可能範囲からノズルの移動方向の横側にずれた状態の一例を示す図である。 レーザ光照射が重複するラップ部の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るノズルの構成を示す断面図である。 レーザ光路上に２つの反射ミラーを配置しレーザ光路を金属粉供給路に対して平行にずらした状態の一例を示す図である。 レーザ光路上に１つの反射ミラーを配置しレーザ光路を金属粉供給路に対して傾斜させた状態の一例を示す図である。 （ａ）従来のレーザ加工装置の加工方法を説明するための図である。（ｂ）従来のレーザ加工装置の加工方法を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置は、例えば、自動車用エンジンなどのシリンダーヘッドのバルブシート部に金属粉（クラッド粉）を供給しつつ、その金属粉に対してレーザ光を照射して溶融固化させて肉盛る所謂レーザクラッド加工を行うものである。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ることで、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。

図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ加工装置の概略的なシステム構成を示す斜視図である。本実施形態に係るレーザ加工装置１は、シリンダーヘッドＺを固定する固定部２と、シリンダーヘッドＺのバルブシート部Ｚ１に対してノズル３を介して金属粉を供給する金属粉供給部４と、シリンダ−ヘッドＺのバルブシート部Ｚ１に対してノズル３を介してレーザ光を照射するレーザ照射部５と、ノズル３を移動させる移動機構６と、を備えている。

固定部２は、固定手段の一具体例である。固定部２は、シリンダーヘッドＺに対して上記レーザクラッド加工を行うために、シリンダーヘッドＺを加工位置に固定機構を用いて固定する。

金属粉供給部４は、供給手段の一具体例である。金属粉供給部４は、固定部２により加工位置に固定されたシリンダーヘッドＺの円環状のバルブシート部Ｚ１に対して、ノズル３を介して金属粉を供給する。金属粉供給部４は、例えば、粉フィーダーを用いて銅合金などの金属粉をガスにより加圧し、ノズル３内の金属粉供給路を通して、その先端からバルブシート部Ｚ１に対して、吹き付ける。

レーザ照射部５は、本発明の照射手段の一具体例であり、バルブシート部Ｚ１に供給された金属粉にノズル３を介してレーザ光を照射し該金属粉を溶融させることで、基材であるバルブシート部Ｚ１に肉盛加工を行う。レーザ照射部５は、例えば、半導体レーザ装置である。レーザ照射部５には一体的にノズル３が接続されているが、これに限定されない。レーザ照射部５とノズル３は別体として構成されていてもよい。レーザ照射部５のレーザ光は、ノズル３内のレーザ光路を通りバルブシート部Ｚ１に照射されている。ノズル３内において、金属粉供給路とレーザ光路は一体的に構成されている。

レーザ照射部５は、例えば、レーザ発振器から発振されたレーザ光を、ノズル３内のレーザ光路を通し、集光レンズにより集光してバルブシート部Ｚ１に照射する。図２に示すように照射されたレーザ光は、レーザ光の焦点Ｐ２から所定半径以内の溶融可能範囲Ｓ１内の金属粉を溶融させ、基材に溶着させる。なお、溶融可能範囲Ｓ１外の領域は金属粉が十分に溶融できず未溶融もしくは不十分な溶融状態となり、金属粉が存在したとしても基材へは未溶着の部分となる。

移動機構６は、ノズル３をバルブシート部Ｚ１の円環形状に沿って移動させる。すなわち、移動機構６は、金属粉供給部４による金属粉の供給中心Ｐ１及びレーザ照射部５によるレーザ光の焦点Ｐ２を、バルブシート部Ｚ１の円環形状に沿って同期して移動させる。これにより、円環状のバルブシート部Ｚ１に肉盛りが施される。移動機構６は、本発明における移動手段の一具体例である。

ところで、レーザ加工装置において、例えば、シリンダーヘッドのバルブシート部に対する金属粉の供給開始時にはその供給量が不安定となることが多く、金属粉の供給過多が発生することもある。金属供給過多が発生するとレーザ光による金属粉の溶融可能範囲の少し周辺の部分の金属が金属溶融部に巻き込まれて溶融状態が不十分になる。溶融が不十分であると基材であるバルブシート部には十分溶着せず、その後上に新に金属が共有されてレーザ光で十分に金属を溶融させたとしても、その下に位置する不十分に溶融した金属のためにこの箇所は未溶着部分として残ってしまう虞がある。

これに対し、本実施形態に係るレーザ加工装置１において、バルブシート部Ｚ１に対して供給される金属粉の供給中心Ｐ１が、レーザ光の焦点Ｐ２に対して、ノズル３の移動方向の後方側（図２）に、レーザ光の溶融可能範囲Ｓ１内でオフセットしている。

これにより、例えば、金属粉の供給開示時に供給過多となった場合でも、レーザ光の焦点Ｐ２の移動先への金属粉供給過剰を抑えることができる。このため、レーザ光の焦点Ｐ２の移動先の溶融可能範囲Ｓ１外の過剰な金属粉巻込みによる不十分な溶融およびバルブシート部Ｚ１への溶融金属の未溶着を低減できる。これによりレーザクラッド加工のクラッド品質が安定化し、シリンダーヘッドＺの良品条件がロバストになる。

図２に示す例では、バルブシート部Ｚ１に対する金属粉の供給中心Ｐ１が、レーザ光の焦点Ｐ２に対して、ノズル３の移動方向の後方側に、レーザ光の溶融可能範囲Ｓ１内でオフセットしている。この場合、図４に示す如く、金属粉が供給過多（Ｓ２のハッチング部分）となった場合でも、レーザ光の焦点Ｐ２の移動先にはその供給過剰の金属粉は存在しない。したがって、供給過剰の金属粉巻込みはレーザ光の溶融可能範囲Ｓ１の先側にはないため、巻き込まれた金属粉が不十分に溶融することは抑制できる。なお、レーザ光の溶融可能範囲Ｓ１の横および後方側周辺部分の供給過剰金属粉は巻込まれて不十分に溶融するが、この部分は既に金属の溶着が完了している部分の上に形成されるものであり、たとえ未溶着となっても問題はない。

図３に示す例では、バルブシート部Ｚ１に対する金属粉の供給中心Ｐ１が、レーザ光の焦点Ｐ２に対して、ノズル３の移動方向の横側後方（図５の実線Ｓ１）に、レーザ光の溶融可能範囲Ｓ１内でオフセットしている。
ノズル３は、シートバルブ部Ｚ１の円環形状に沿った円形軌道を描いており、この場合、図５に示す如く、金属粉が供給過多となった場合でも、レーザ光の焦点Ｐ２の移動先に供給過剰の金属粉が存在する状態をかなり避けることができる。したがって、その供給過剰の金属粉の巻粉込みを抑えることができ、その未溶着を抑制できる。

金属粉の安定量供給時でも、バルブシート部Ｚ１に対する金属粉の供給中心Ｐ１が、レーザ光の焦点Ｐ２に対して、ノズル３の移動方向の後方側（図２）又は横側（図３）に、レーザ光の溶融可能範囲Ｓ１内でオフセットしている。この場合でも、金属粉の供給範囲Ｓ２は、レーザ光の溶融可能範囲Ｓ１内にある。このため、金属粉はレーザ光により溶融してバルブシート部Ｚ１に確実に溶着する。

移動機構６がノズル３をバルブシート部Ｚ１の円形状に沿って移動させる場合、レーザ光の焦点Ｐ２の軌跡も円形状となる。例えば、レーザ光の焦点Ｐ２の軌跡Ｌは、始点から円形状を１周し、その始点を過ぎた終点までとなり、レーザ光照射が重複するラップ部Ｌ１が生じることがある（図６）。これにより、始点を過ぎた終点でのレーザ光照射の際に、その始点時に生じた過剰残存の金属粉を巻込んで溶融させることとなり、未溶着となる虞がある。

このような場合でも、上述の如く、バルブシート部Ｚ１に対する金属粉の供給中心Ｐ１を、レーザ光の焦点Ｐ２に対して、ノズル３の移動方向の横側にオフセットさせる。
この場合、図５（点線のＳ１）に示す如く、金属粉が供給過多となった場合でも、レーザ光の焦点Ｐ２の移動先に供給過剰の金属粉が存在する状態をかなり避けることができ、さらに、レーザ光の焦点Ｐ２の後方側にも供給過剰の金属粉が存在する状態をかなり避けることができる。したがって、その供給過剰の金属粉の巻粉込みを抑えることができ、その未溶着を抑制できる。

ここで、シリンダーヘッドＺを固定した場合、通常、バルブシート部Ｚ１は斜め状態で固定され、この斜め状態のバルブシート部Ｚ１に対して金属粉が吹き付けられる（図１０（ａ））。このため、金属粉が低い方に偏り安定しない。これに対し、従来のレーザ加工装置では、回転機構を用いてシリンダーヘッドを回転させ、金属粉を安定位置に流動させていた（図１０（ｂ））。なお、シリンダーヘッドは、比較的大きなエンジン部品であるため、大型の回転機構が必要となる。

一方で、本実施形態に係るレーザ加工装置１は、シリンダーヘッドＺを加工位置に固定し、この固定した斜め状態のまま、バルブシート部Ｚ１に金属粉を吹き付け、レーザ光を照射する。したがって、上記シリンダーヘッドＺを回転させる回転機構が必要ないため、レーザ加工装置１の小型化を図ることができる。すなわち、シリンダーヘッドＺのバルブシート部Ｚ１に対して金属粉を適切に溶着できつつ、レーザ加工装置１の小型化が実現できる。また、上記のように金属粉を流動させないため、バルブシート部Ｚ１の表面性状によってクラッド品質が左右されず、その品質が安定する。

なお、本実施形態に係るレーザ加工装置１は、斜め状態のバルブシート部Ｚ１に対して金属粉が吹付けることを想定して、吹き付ける金属粉の供給量を調整し、バルブシート部Ｚ１に金属粉を吹き付けた直後に、連続的にレーザ光を照射している。このため、金属粉は、バルブシート部Ｚ１に吹き付けられると略同時に溶融する。従がって、金属粉が不安定な粉状態で、バルブシート部Ｚ１の穴側に移動し落ちるという問題は生じ得ない。また、金属粉がバルブシート部Ｚ１上で溶融した状態でも、その粘度及び表面張力によりその流動が抑制され、流動する前に凝固し安定する。

図７は、本実施形態に係るノズルの構成を示す断面図である。図７に示す如く、ノズル３内の金属粉供給路（金属粉供給軸）Ｊ１は、レーザ光路（レーザ光軸）Ｊ２に対して、傾斜している。なお、ノズル３内の金属粉供給路Ｊ１が、レーザ光路Ｊ２に対して、平行にずれていてもよい。

これにより、バルブシート部Ｚ１に対して供給される金属粉の供給中心Ｐ１が、レーザ光の焦点Ｐ２に対して、ノズル３の移動方向の横側又は後方側に、レーザ光の溶融可能範囲Ｓ１内でオフセットさせることができる。

次に、本実施形態に係るレーザ加工装置の製造方法について詳細に説明する。
まず、固定部２にシリンダーヘッドＺを固定機構を用いて固定する。金属粉供給部４は、シリンダーヘッドＺのバルブシート部Ｚ１に対してノズル３を介して金属粉末を吹き付ける。同時またはその直後に連続的に、レーザ照射部５は、バルブシート部に吹き付けられた金属粉末に対してレーザ光を照射する。金属粉末は照射されたレーザによって溶融する。移動機構６がノズル３をバルブシート部Ｚ１の円環形状に沿って移動させつつ、金属粉供給部４は上記金属粉の供給を行いつつ、レーザ照射部５は上記レーザ光の照射を行う。これにより、円環状のバルブシート部に肉盛りされたクラッド層が形成される。

以上、本実施形態に係るレーザ加工装置１において、シリンダーヘッドＺのバルブシート部Ｚ１に対して供給される金属粉の供給中心Ｐ１が、レーザ光の焦点Ｐ２に対して、ノズルの移動方向の横側又は後方側に、レーザ光の溶融可能範囲Ｓ１内でオフセットしている。

これにより、金属粉の供給過多となった場合でも、レーザ光の焦点Ｐ２の移動先への金属粉供給過剰を抑えることができる。このため、その移動側の溶融可能範囲Ｓ１外の金属粉巻込みによる未溶着を低減できる。すなわち、シリンダーヘッドＺのバルブシート部Ｚ１に対して金属粉を適切に溶着できる。また、シリンダーヘッドＺを回転させる機構が必要ないため、レーザ加工装置１の小型化を図ることができる。すなわち、シリンダーヘッドのバルブシート部に対して金属粉を適切に溶着できつつ、レーザ加工装置１の小型化が実現できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

上記実施形態において、ノズル３内の金属粉供給路Ｊ１と、レーザ光路Ｊ２と、が略一致している構成であってもよい。この場合、レーザ光路Ｊ２上に反射ミラー７を配置することで、レーザ光を屈折させレーザ光路Ｊ２を金属粉供給路Ｊ１に対して変更する。例えば、図８に示す如く、レーザ光路Ｊ２上に２つの反射ミラー７を配置することで、レーザ光路Ｊ２を金属粉供給路Ｊ１に対して平行にずらしてもよい。あるいは、図９に示す如く、レーザ光路Ｊ２上に１つの反射ミラー７を配置することで、レーザ光路Ｊ２を金属粉供給路Ｊ１に対して傾斜させてもよい。なお、図８及び図９に反射ミラー７の配置及び数は一例であり、これに限定されない。レーザ光路Ｊ２を金属粉供給路Ｊ１に対して適切に変更できれば、任意の構成が適用可能である。

上記実施形態において、反射ミラー７を動かすことで、レーザ光の焦点をバルブシート部Ｚ１上で走査させてもよい。これにより、ノズル３やレーザ照射部５を動かす必要が無くなる。

上記実施形態において、バルブシート部Ｚ１に対する金属粉の供給中心Ｐ１が、レーザ光の焦点Ｐ２に対して、ノズル３の移動方向の横側（真右側）に、レーザ光の溶融可能範囲Ｓ１内でオフセットしているが、これに限定されない。例えば、金属粉の供給中心Ｐ１が、レーザ光の焦点Ｐ２に対して、ノズル３の移動方向の真左側、斜め右側、あるいは、斜め左側に、レーザ光の溶融可能範囲Ｓ１内でオフセットしていてもよい。この場合でも、上記同様の、シリンダーヘッドＺのバルブシート部Ｚ１に対して金属粉を適切に溶着できるという効果を奏することは言うまでもない。

上記実施形態において、金属粉供給部４及びレーザ照射部５は、シリンダ−ヘッドＺのバルブシート部Ｚ１に対して、同一のノズル３を介して、夫々、金属粉を供給し、レーザ光を照射しているが、これに限定されない。例えば、金属粉供給部４及びレーザ照射部５は、シリンダ−ヘッドＺのバルブシート部Ｚ１に対して、別々のノズル３を介して、夫々、金属粉を供給し、レーザ光を照射してもよい。

１ レーザ加工装置、２ 固定部、３ ノズル、４ 金属粉供給部、５ レーザ照射部、６ 移動機構、７ 反射ミラー

Claims (1)

1. シリンダーヘッドを加工位置に固定する固定手段と、
   前記固定手段により加工位置に固定された前記シリンダーヘッドの円環状のバルブシート部に対して、金属粉を供給する供給手段と、
   前記バルブシート部に供給された金属粉に対して、レーザ光を照射し、該金属粉を溶融させることで肉盛加工を行う照射手段と、
   を備えるレーザ加工装置であって、
   前記供給手段による金属粉の供給中心及び前記照射手段によるレーザ光の焦点を前記バルブシート部の円環形状に沿って移動させる移動手段を備え、
   前記バルブシート部に対して供給される金属粉の供給中心が、前記レーザ光の焦点に対して、前記移動手段による移動方向の横側に、前記レーザ光の溶融可能範囲内でオフセットしている、
   ことを特徴とするレーザ加工装置。

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