JP6670033B2 - レーザ金属肉盛装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属粉体を用いてワークの表面上に肉盛りを行うレーザ金属肉盛（ＬＭＤ：Laser Metal Deposition）装置に関する。

従来から、損傷した部品を補修したりニアネットシェイプを実現したりするために、レーザ金属肉盛装置が使用されている（例えば、特許文献１参照）。レーザ金属肉盛装置のうちで金属粉体を用いてワークの表面上に肉盛りを行うものは、ノズルからワークに向かってレーザ光を照射するとともに金属粉体を噴射する。

特開２０１２−１２５７７２号公報

ところで、ワークが例えばチタン合金などの酸化しやすい金属からなる場合は、肉盛りを不活性ガス環境下で行うことが望ましい。このような不活性ガス環境を構築するには、例えば、レーザ金属肉盛装置全体を作業室内に配置し、この作業室内を不活性ガスで充填することが考えられる。しかしながら、このような構成では、多量の不活性ガスを必要とする。

そこで、本発明は、レーザ金属肉盛装置全体を作業室内に配置するよりも少量の不活性ガスで不活性ガス環境を構築することができるレーザ金属肉盛装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のレーザ金属肉盛装置は、ワークに向かってレーザ光を照射するとともに金属粉体を噴射するノズルと、前記ノズルに貫通されるカバーであって、少なくとも前記ノズルの回りで、閉空間を形成するように前記ワークを覆うカバーと、を備える、ことを特徴とする。

通常、金属粉体は、不活性ガスと共にノズルから噴射される。従って、上記の構成のように少なくともノズルの回りでカバーによって閉空間が形成されれば、当該閉空間を不活性ガスで充填することができる。しかも、カバーは、ノズルに貫通されるほどにワークに接近しているため、閉空間の体積は小さい。従って、レーザ金属肉盛装置全体を作業室内に配置するよりも少量の不活性ガスで不活性ガス環境を構築することができる。

上記のレーザ金属肉盛装置は、前記カバーを貫通し、前記閉空間内に不活性ガスを供給するガス供給管をさらに備えてもよい。ガス供給管が設けられない場合には、閉空間内を不活性ガスで充填するために、例えば、肉盛り開始時は金属粉体の噴射を停止してノズルから不活性ガスだけを噴射する必要がある。これに対し、ガス供給管が設けられていれば、そのような特別な対応をする必要がなく、肉盛り開始時から閉空間内を不活性ガスで充填することができる。

前記カバーは、前記ノズルの回りで前記ワークを覆うドーム状であってもよい。この構成によれば、不活性ガスの使用量を最小限にすることができる。

前記カバーは、前記ワークを収容する箱状であってもよい。この構成によれば、ワークの一部または全体が常に不活性ガス環境下に保持される。従って、例えばノズルの移動速度が速くて、肉盛りにより形成されるビード中の溶融域が大きくても、その溶融域が大気中に曝されることがない。

前記カバーは、前記ワークを取り囲む、スリットが形成されたカバー本体と、前記スリットを塞ぐ、当該スリットに沿って摺動可能な摺動蓋であって、前記ノズルに挿通される挿通穴を有する摺動蓋と、を含んでもよい。この構成によれば、カバー本体のスリットを摺動蓋で塞ぎながら、摺動蓋をノズルと共にカバー本体に対して相対的に移動させることができる。

前記レーザ金属肉盛装置は、前記ワークに環状の突起を形成するためのものであり、前記ワークを回転させる回転台をさらに備え、前記スリットおよび前記摺動蓋は、前記ワークの回転中心を中心とする環状であってもよい。この構成によれば、高さの高い環状の突起を容易に形成することができる。

前記ワークは、テーパー状の周壁を有し、この周壁の内周面に前記環状の突起が形成されてもよい。この構成によれば、鋳造では形成が困難な内向きフランジを形成することができる。

例えば、前記ワークは、チタン合金からなってもよい。

本発明によれば、レーザ金属肉盛装置全体を作業室内に配置するよりも少量の不活性ガスで不活性ガス環境を構築することができる。

（ａ）は、本発明の第１実施形態に係るレーザ金属肉盛装置の要部のビード形成方向での断面図、（ｂ）は（ａ）のI−I線に沿った断面図である。 レーザ金属肉盛装置のノズルの拡大断面図である。 本発明の第２実施形態に係るレーザ金属肉盛装置の要部のビード形成方向での断面図である。 本発明の第３実施形態に係るレーザ金属肉盛装置の要部の平面図である。 図４のV−V線に沿った断面図である。 図４のVI−VI線に沿った断面図である。 （ａ）は、本発明の第４実施形態に係るレーザ金属肉盛装置の要部の側面断面図、（ｂ）は同要部の正面図である。 図７（ａ）の一部の拡大図である。

（第１実施形態）
図１（ａ）および（ｂ）に、本発明の第１実施形態に係るレーザ金属肉盛（以下、「ＬＭＤ」という。）装置１Ａの要部を示す。このＬＭＤ装置１Ａは、金属粉体を用いてワーク２の表面上に肉盛りを行うものである。

具体的に、ＬＭＤ装置１Ａは、図２に示すように、ワーク２に向かってレーザ光３１を照射するとともに金属粉体３２を噴射するノズル３を含む。金属粉体３２は、不活性ガスと共にノズル３から噴射される。不活性ガスは、例えば、ヘリウム、アルゴン、窒素、二酸化炭素などである。

また、図示は省略するが、ＬＭＤ装置１Ａは、ノズル３を移動させる移動装置（例えば、ロボットや送り機構）と、ノズル３の光軸上に配置された、レーザ光３１を発生させるレーザ本体と、ノズル３へ金属粉体３２および不活性ガスを供給する供給装置を含む。なお、レーザ本体は、必ずしもノズル３の光軸上に配置されている必要はなく、例えば、レーザ本体からのレーザ光が光ファイバーを通じてノズル３に導かれてもよい。

ワーク２にレーザ光３１が照射されるとワーク２の表面が溶融し、この溶融プールに、噴射された金属粉体３２が融合することにより肉盛りが行われる。この肉盛りによってワーク２の表面にビード２１が形成される。すなわち、ビード２１中のノズル３に近い部分は溶融域２２である。本実施形態では、ノズル３の移動方向がビード形成方向である。ビード形成方向は、直線であっても曲線であってもよい。なお、ノズル３を移動させる代わりに、ワーク２がビード形成方向と反対方向に移動されてもよい。

ワーク２を構成する材料は特に限定されるものではないが、例えば、ワーク２はチタン合金からなる。金属粉体３２は、ワーク２と同一の組成を有していてもよいし、異なる組成を有していてもよい。例えば、ワーク２がチタン合金からなる場合は、金属粉体３２はワーク２と異なるチタン合金であってもよいし、チタン合金以外の合金であってもよい。

さらに、ＬＭＤ装置１Ａは、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、少なくともノズル３の回りでワーク２を覆うカバー４を含む。本実施形態では、カバー４として、ノズル３の回りでワーク２を覆うドーム状のカバー４Ａが採用されている。

カバー４Ａは、ワーク２との間に閉空間５を形成する。すなわち、閉空間５は、ワーク２に面し、かつ、カバー４Ａで囲繞される空間である。また、カバー４Ａにおけるワーク２と平行な頂き部は、ノズル３に貫通されている。カバー４Ａは、ノズル３に固定されており、ノズル３と共にビード形成方向に移動する。なお、カバー４Ａの頂き部は、必ずしもワーク２と平行である必要はなく、例えば、斜めに傾いていてもよいし、半球状であってもよい。また、ノズル３は、カバー４Ａの頂き部以外の部分を貫通していてもよい。

カバー４Ａは、ワーク２から僅かに離間するように配置される。すなわち、閉空間５は、完全な閉空間ではなく、周囲の空間と僅かに連通している。このため、ノズル３から金属粉体３２と共に噴射された不活性ガスは、カバー４Ａとワーク２との間の隙間を通じて、閉空間５内から外部に排出される。ただし、カバー４Ａがワーク２に接するように配置され、カバー４Ａに複数の貫通穴が設けられてもよい。

カバー４Ａの形状は、ノズル３からビード形成方向と反対方向に長い形状であることが望ましい。ビード２１における溶融域２２を含む部分を広く覆うためである。このようなカバー４Ａの形状は、実験や解析などにより、酸素と反応する領域を把握することで決定することができる。

以上説明したように、本実施形態のＬＭＤ装置１Ａでは、ノズル３の回りでカバー４Ａによって閉空間５が形成されるので、例えば、肉盛り開始時は金属粉体３２の噴射を停止してノズル３から不活性ガスだけを噴射すれば、閉空間５内を不活性ガスで充填することができる。しかも、カバー４Ａは、ノズル３に貫通されるほどワーク２に接近しているため、閉空間５の体積は小さい。すなわち、カバー４Ａを貫通するのは、ノズル３の基端側に連結された、当該ノズル３を移動させるための移動装置ではない。従って、レーザ金属肉盛装置全体を作業室内に配置するよりも少量の不活性ガスで不活性ガス環境を構築することができる。

特に、ワーク２がチタン合金からなる場合は、溶融域２２内のチタンの酸化によって空孔（porosity）が発生し易い。従って、カバー４Ａによる閉空間５の形成は、特にワーク２がチタン合金からなる場合に有用である。

また、本実施形態では、ドーム状のカバー４Ａが用いられているので、不活性ガスの使用量を最小限にすることができる。

（第２実施形態）
次に、図３を参照して、本発明の第２実施形態に係るＬＭＤ装置１Ｂを説明する。なお、本実施形態ならびに後述する第３および第４実施形態において、第１実施形態と同一構成要素には同一符号を付し、重複した説明は省略する。

本実施形態では、ドーム状のカバー４Ａがガス供給管６に貫通されている。ガス供給管６は、閉空間５内に不活性ガスを供給する。ガス供給管６には、図略の送給装置から不活性ガスが送給される。不活性ガスは、例えば、ヘリウム、アルゴン、窒素、二酸化炭素などである。ガス供給管６から供給される不活性ガスは、ノズル３から金属粉体３２（図２参照）と共に噴射される不活性ガスと同じであってもよいし異なっていてもよい。

ガス供給管６がカバー４Ａを貫通する位置は、ガス供給管６からの不活性ガスの流れがノズル３からの金属粉体３２の噴射に影響を及ぼす可能性が小さい場合は、特に限定されない。ただし、ガス供給管６からの不活性ガスの流れがノズル３からの金属粉体３２の噴射に影響を及ぼす可能性が高い場合は、ガス供給管６がカバー４Ａを貫通する位置は、ノズル３に対してビード形成方向の反対側であることが望ましい。あるいは、ガス供給管６からの不活性ガスの流れがノズル３からの金属粉体３２の噴射に干渉しないように、ガス供給管６の向きが設定されてもよい。例えば、ガス供給管６の開口方向が、ビード形成方向と反対を向いていてもよい。

第１実施形態では、閉空間５内を不活性ガスで充填するために、肉盛り開始時にノズル３から不活性ガスだけを噴射するなどの特別な対応が必要である。これに対し、本実施形態のようにガス供給管６が設けられていれば、そのような特別な対応をする必要がなく、肉盛り開始時から閉空間５内を不活性ガスで充填することができる。

（第３実施形態）
次に、図４〜図６を参照して、本発明の第３実施形態に係るＬＭＤ装置１Ｃを説明する。なお、図４では、後述するカバー４Ｂの説明のために、ノズル３の作図を省略している。

本実施形態では、少なくともノズル３の回りでワーク２を覆うカバー４として、ワーク２の全体を収容する箱状のカバー４Ｂが採用されている。すなわち、カバー４Ｂは、ワーク２の周囲に閉空間５を形成する。本実施形態では、カバー４Ｂが、直線であるビード形成方向に沿って延びる直方体である。ただし、ビード形成方向は曲線であってもよい。

具体的に、カバー４Ｂは、ワーク２の全体を取り囲むカバー本体４１と、カバー本体４１に取り付けられた摺動蓋４５を含む。カバー本体４１は、底壁、天井壁および４つの側壁を有している。そして、カバー本体４１の底壁にワーク２が固定される。

カバー本体４１の１つの側壁は、ガス供給管６によって貫通されている。ガス供給管６は、第１実施形態で説明したように、閉空間５内に不活性ガスを供給する。

カバー本体４１の天井壁には、ビード形成方向に沿って延びる、比較的に大きな長方形状のスリット４２（図４では、スリット４２の対角線を二点鎖線で示す）が形成されている。また、スリット４２の四隅からは、案内溝４３がビード形成方向に沿って延びている。

摺動蓋４５は、スリット４２を塞ぐものであり、スリット４２に沿って摺動可能に構成されている。具体的に、摺動蓋４５は、カバー本体４１の天井壁の上方および下方に配置された一対の塞ぎ板４７と、案内溝４３を通じて塞ぎ板４７同士を連結する一対の縦板４８を含む。塞ぎ板４７は、摺動蓋４５がどの位置にあってもスリット４２を塞ぐことが可能な大きさの、スリット４２と同方向に延びる帯状の板である。縦板４８は、案内溝４３でガイドされる部分でもあり、塞ぎ板４７とほぼ同じ長さを有している。また、縦板４８の長さ方向および高さ方向の中央同士は、横板４９によって連結されており、各塞ぎ板４７の中央には横板４９とほぼ同じ大きさの開口が設けられている。さらに、横板４９には、ノズル３に挿通される挿通穴４６が設けられている。なお、横板４９は、塞ぎ板４７のどちらか一方と同レベルに配置されていてもよい。

本実施形態のＬＭＤ装置１Ｃでは、ワーク２の全体がカバー４Ｂに収容されるので、ワーク２の全体が常に不活性ガス環境下に保持される。従って、例えばノズル３の移動速度が速くて、肉盛りにより形成されるビード２１中の溶融域が大きくても、その溶融域が大気中に曝されることがない。

さらに、カバー４Ｂはカバー本体４１と摺動蓋４５で構成されているので、カバー本体４１のスリット４２を摺動蓋４５で塞ぎながら、摺動蓋４５をノズル３と共にカバー本体４１に対して相対的に移動させることができる。

ところで、不活性ガスは空気よりも重いことが多いため、もしビード形成方向が鉛直方向や斜め方向であり、天井壁４１が水平でない場合には、図４および図５に示すように、外側の塞ぎ板４７には、案内溝４３が常に塞がれるように延長部４４が設けられていることが望ましい。

（第４実施形態）
次に、図７（ａ）および（ｂ）ならびに図８を参照して、本発明の第４実施形態に係るＬＭＤ装置１Ｄを説明する。本実施形態のＬＭＤ装置１Ｄは、ワーク２に環状の突起を形成するためのものである。具体的に、ＬＭＤ装置１Ｄは、ワーク２を回転させる回転台８１を含む。

本実施形態では、ワーク２が、軸対称であり、回転台８１と平行な円盤状の主壁２６と、主壁２６の周縁部から回転台８１と反対側に向かって広がるテーパー状の周壁２５を有している。なお、主壁２６の中心には、貫通穴２７が設けられている。そして、周壁２５の内周面に、ノズル３からのレーザ光３１（図２参照）の照射および金属粉体３２（図２参照）の噴射によって、環状の突起が形成される。

ワーク２の主壁２６は、リング状の第１治具８２を介して回転台８に固定されている。また、ワーク２の主壁２６には、リング状の第２治具８３が第１治具８２と共に主壁２６を挟持するように取り付けられている。

本実施形態では、少なくともノズル３の回りでワーク２を覆うカバー４として、ワーク２の外周側部分（周壁２５および主壁２６の外周縁部）を収容する箱状のカバー４Ｃが採用されている。すなわち、カバー４Ｃは、ワーク２の外周側部分の周囲に閉空間５を形成する。

本実施形態では、カバー４Ｃが、平面視で円形状の皿状であって、中心に貫通穴を有し、かつ、径方向内向きに開口する中空の皿状である。そして、カバー４Ｃの径方向内向きに開口する開口が第１および第２治具８２，８３で閉塞されている。

具体的に、カバー４Ｃは、ワーク２の外周側部分を取り囲むカバー本体７１と、カバー本体７１に取り付けられた摺動蓋７３を含む。カバー本体７１は、第１および第２治具８２，８３に固定されており、ワーク２と共に回転する。一方、摺動蓋７３は、ノズル３に固定されており、ワーク２が回転してもワーク２およびカバー本体７１と共に回転することはない。

カバー本体７１におけるワーク２の周壁２５の内周面と対向する部分には、ワーク２の回転中心を中心とする環状のスリット７２が形成されている。摺動蓋７３は、このスリット７２を塞ぐものであり、ワーク２の回転中心を中心とする環状である。そして、摺動蓋７３は、スリット７２に沿って摺動可能に構成されている。

より詳しくは、摺動蓋７３は、カバー本体７１におけるスリット７２に沿う縁部同士を結ぶ線上に配置された塞ぎ板７６と、塞ぎ板７６の両端部に設けられた、カバー本体７１におけるスリット７２に沿う縁部が嵌まり込む溝を形成する一対のガイド部７７を有する。そして、塞ぎ板７６に、ノズル３に挿通される挿通穴７４が設けられている。なお、塞ぎ板７６は、必ずしもカバー本体７１におけるスリット７２に沿う縁部同士を結ぶ線上に配置されている必要はなく、ガイド部７７の高さの範囲内で任意の位置に配置されていてもよい。

また、塞ぎ板７６は、ノズル３の近傍で、閉空間５内に不活性ガスを供給するガス供給管６に貫通されている。さらに、塞ぎ板７６には、閉空間５内から不活性ガスを外部に排出するための排出口７５が、ノズル３から１８０度離れた位置に設けられている。本実施形態では、回転台８１の回転軸方向が水平方向を向いている。そして、ノズル３に挿通される挿通穴７４は、回転台８１の回転軸の鉛直下方に配置されており、不活性ガス用の排出口７５は、回転台８１の回転軸の鉛直上方に配置されている。

本実施形態では、ワーク２の外周側部分が常に不活性ガス環境下に保持される。従って、ワーク２の回転速度が速くて、肉盛りにより形成されるビード２１（図２参照）中の溶融域が大きくても、その溶融域が大気中に曝されることがない。

また、カバー４Ｃはカバー本体７１と摺動蓋７３で構成されているので、カバー本体７１のスリット７２を摺動蓋７３で塞ぎながら、摺動蓋７３をノズル３と共にカバー本体７１に対して相対的に移動させることができる。

さらに、本実施形態では、ワーク２が回転台８１によって回転させられるので、肉盛り層を何層も積層することができる。その結果、高さの高い環状の突起を容易に形成することができる。

また、本実施形態では、ワーク２のテーパー状の内周面に環状の突起が形成されるので、鋳造では形成が困難な内向きフランジを形成することができる。

また、本実施形態のように、ガス供給管６がノズル３の近傍に配置されていれば、ガス供給管６からの不活性ガスの流れをビード２１またはワーク２に当てることによって、ビード２１またはワーク２を冷却することができる。すなわち、ガス供給管６からの不活性ガスの流れを合理的に利用して、温度制御を行うことができる。

ところで、不活性ガス用の排出口７５は、カバー本体７１に設けることも可能である。ただし、この場合には、排出口７５の位置によっては、カバー本体７１の回転と共に移動する排出口７５が、ノズル３に挿通される挿通穴７４よりも下方に来ることがある。不活性ガスは、空気よりも重いことが多いため、排出口７５が挿通穴７４よりも下方に来ると、閉空間５から不活性ガスが抜け出すことがある。これに対し、本実施形態のように、排出口７５が摺動蓋７３に、連通穴７４の上方に位置するように設けられていれば、排出口７５と連通穴７４との位置関係を望ましい状態に維持することができる。

なお、本実施形態では、カバー４Ｃがカバー本体７１と摺動蓋７３で構成されていたが、カバー４Ｃは一体物のケースであって、ワーク２が回転しても回転しないように構成されていてもよい。例えば、カバー４Ｃの全体が第１および第２治具８２，８３に対して摺動可能であってもよい。

また、図例では、ノズル３がワーク２の周壁２５の内周面に対して垂直に配置されているが、ノズル３の向きは、形成したい突起の形状に応じて任意に設定可能である。例えば、ノズル３の向きは、フラットな内向きフランジを形成できるように、ワーク２の天井壁２６に平行であってもよい。

さらに、回転台８１の回転軸方向は、必ずしも水平方向を向いている必要はなく、例えばワーク２が上方に開口する姿勢となるように鉛直方向を向いていてもよい。この場合、不活性ガス用の排出口７５は、肉盛り位置よりも上方であればどの位置に設けられていてもよい。

本発明のＬＭＤ装置は、損傷した部品の補修やニアネットシェイプの実現などの種々の目的で使用され得る。

１Ａ〜１Ｄ レーザ金属肉盛装置
２ ワーク
２５ 周壁
３ ノズル
３１ レーザ光
３２ 金属粉体
４，４Ａ〜４Ｂ カバー
４１，７１ カバー本体
４２，７２ スリット
４５，７３ 摺動蓋
４６，７４ 挿通穴
５ 閉空間
６ ガス供給管
８１ 回転台

Claims (5)

1. ワークに環状の突起を形成するためのレーザ金属肉盛装置であって、
   前記ワークに向かってレーザ光を照射するとともに金属粉体を噴射するノズルと、
   前記ノズルに挿通される挿通穴を有し、閉空間を形成するように前記ワークを収容する箱状のカバーと、
   前記ワークを回転させる回転台と、を備え、
   前記カバーは、前記ワークを取り囲む、スリットが形成されたカバー本体と、前記スリットを塞ぐ、当該スリットに沿って摺動可能な摺動蓋であって、前記挿通穴を有する摺動蓋と、を含み、
   前記スリットおよび前記摺動蓋は、前記ワークの回転中心を中心とする環状である、レーザ金属肉盛装置。
2. 前記カバーは、前記ワークの外周側部分の周囲に閉空間を形成する、請求項１に記載のレーザ金属肉盛装置。
3. 前記ワークは、テーパー状の周壁を有し、この周壁の内周面に前記環状の突起が形成される、請求項１または２に記載のレーザ金属肉盛装置。
4. 前記ワークは、チタン合金からなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ金属肉盛装置。
5. 前記ノズルは、太さが一定の直線部と、前記直線部の先端から先細りとなるテーパー部を有し、
   前記ノズルのテーパー部が前記カバーを貫通する、請求項１〜４の何れか一項に記載のレーザ金属肉盛装置。
   

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