JP6694160B2 - レーザクラッド加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダヘッドのバルブシート部のレーザクラッド加工方法に関する。

従来、レーザクラッド加工を行うことで、シリンダヘッドのバルブシート部の耐食性、耐摩耗性、および耐衝撃性を高めることが知られている。レーザクラッド加工は、高出力のレーザ光を加工対象に照射することで溶融池を形成し、当該溶融池にシールドガスの流れによって運ばれた金属粉末を供給することにより、加工対象の表面局部に異種金属の被膜を形成するものである。

特許文献１には、シリンダヘッドのバルブシート部をレーザクラッド加工する際、バルブシート部に直結する吸気ポートおよび排気ポートから空気を吸引し、加工時に発生するヒュームおよび余剰金属粉末を回収することが開示されている。加工時に発生するヒュームおよび余剰金属粉末を回収することにより、クラッドノズルを含む設備のメンテナンス頻度を低下させることが可能であり、生産性を高めることができる。

しかしながら、ヒュームおよび余剰金属粉末の回収効率を高めるべく、ポートからの空気の吸引風速を一定以上に高めると、金属粉末が過剰に吸引されてバルブシート部の肉盛量（被膜厚）が減少し、クラッド品質が低下する。したがって、肉盛量を確保するためにポートからの空気の吸引風速を一定以上に高めることができず、生産性を高める阻害要因になっている。

特開２００８−１８８６４８号公報

本発明は、生産性を高めることが可能なレーザクラッド加工方法を提供することを課題とする。

本発明は、シリンダヘッドのバルブシート部に金属粉末を供給しながらレーザ光を照射してクラッド加工する際、バルブシート部に直結する吸気ポートおよび排気ポートから空気を吸引してヒュームおよび余剰金属粉末を回収するレーザクラッド加工方法であって、排気ポートおよび吸気ポートのうち、加工中の一方のバルブシート部に直結する側のポートを吸引する風速を１．５〜３．０（ｍ／ｓ）の範囲で設定し、他方のポートを吸引する風速を４．０〜８．０（ｍ／ｓ）の範囲で設定することを特徴とする。

本発明によれば、加工中のバルブシート部に直結する側のポートの吸引風速を、バルブシート部の肉盛量を確保することが可能な風速に抑えつつ、他方のポートの吸引風速を、ヒュームおよび飛散した金属粉末を効果的に吸引することが可能な風速に設定することで、クラッド品質を確保することができ、かつ、メンテナンス頻度が低下して生産性を高めることができる。

本実施形態の概念図である。 本実施形態のレーザクラッド加工方法の説明図である。 レーザクラッド加工におけるポートの吸引風速とクラッド被膜の肉盛量との相関図である。 本実施形態を適用しないでレーザクラッド加工したときの同軸クラッドノズルの先端に付着したスパッタの状態を示す図である。 本実施形態を適用してレーザクラッド加工したときの同軸クラッドノズルの先端に付着したスパッタの状態を示す図である。

添付した図を参照して本発明の一実施形態を説明する。便宜的に、図１における上下方向を上下方向と称する。
図１を参照して加工対象であるシリンダヘッド１を説明する。ここで例示されるシリンダヘッド１は、アルミニウム合金による鋳造部品であり、直列４気筒（図１に１気筒のみを示す）エンジンに組み付けられる。また、シリンダヘッド１は、１気筒当り２つの排気ポート２および吸気ポート３を有する（図に１つの排気ポート２および吸気ポート３のみを示す）、いわゆる、４バルブエンジンのシリンダヘッドである。

排気ポート２の燃焼室側の一端（上端）には、円形に開口する排気側バルブシート部４が形成される。排気ポート２の他端は、シリンダヘッド１の側面６（エキゾーストマニホールドの接続面）に開口する。換言すると、排気側バルブシート部４は、排気ポート２を介して側面６の開口８に連通される。吸気ポート３の燃焼室側の一端（上端）には、円形に開口する吸気側バルブシート部５が形成される。吸気ポート３の他端は、シリンダヘッド１の側面７（インテークマニホールドの接続面）に開口する。換言すると、吸気側バルブシート部５は、吸気ポート３を介して側面７の開口９に連通される。

主に図１を参照して、本実施形態で使用されるレーザクラッド加工装置１１を説明する。レーザクラッド加工装置１１は、加工対象であるシリンダヘッド１を保持するワーク保持部１２と、レーザビームの照射口の周りにシールドガスおよび金属粉末Ｐ（図２参照）の吐出口が同心に設けられた同軸クラッドノズル１３を有するレーザクラッド加工ヘッドとを備える。ワーク保持部１２を図１に示すＸ方向、Ｙ方向、および上下方向（チルト）へ駆動する駆動機構、レーザクラッド加工ヘッドの細部、集塵機１８、およびレーザ発振器等は、既存のレーザクラッド加工装置と同一であるため、個別の詳細な説明および図示を省略する。

レーザクラッド加工装置１１は、シリンダヘッド１の側面６にシール部材（図示省略）を密着させることで各開口８に接続される排気側ダクト１４と、シリンダヘッド１の側面７にシール部材（図示省略）を密着させることで各開口９に接続される吸気側ダクト１５とを備える。排気側ダクト１４は、チューブ１６を介して集塵機１８側のダクト１９に接続される。吸気側ダクト１５は、チューブ１７を介して集塵機１８側のダクト１９に接続される。本実施形態で使用されるチューブ１６、１７は、例えば、フレキシブルチューブである。

集塵機１８は、内部に減圧ファン（図示省略）を備えており、ダクト１９内の空気を吸引することで、チューブ１６およびチューブ１７、ならびに、排気側ダクト１４および吸気側ダクト１５を介して、排気ポート２および吸気ポート３内の空気を吸引する。ダクト１９は、排気側ダクト１４の容積と吸気側ダクト１５の容積との和に対して十分な容積（断面積）を有している。

レーザクラッド加工装置１１は、チューブ１６のダクト１９側の端部に設けられる排気側可変バルブ２０と、チューブ１７のダクト１９側の端部に設けられる吸気側可変バルブ２１とを有している。また、レーザクラッド加工装置１１は、排気側可変バルブ２０の開度と吸気側可変バルブ２１の開度とを個別に制御する制御装置１０を備える。換言すると、制御装置１０は、排気側バルブシート部４に直結する排気ポート２を吸引する風速（以下「吸引風速」と称する）と、吸気側バルブシート部５に直結する吸気ポート３の吸引風速とを個別に制御する。制御装置１０は、レーザ出力、シールドガスおよび金属粉末Ｐ（図２参照）の供給、レーザクラッド加工ヘッドの位置、およびワーク保持部１２の位置を、対応するインターフェースを介して制御することができる。

次に、本実施形態のレーザクラッド加工方法を説明する。
図１に示されるように、ワーク保持部１２により支持されたシリンダヘッド１の側面６に排気側ダクト１４を密着させるとともに、当該シリンダヘッド１の側面７に吸気側ダクト１５を密着させる。これにより、排気側ダクト１４を排気側バルブシート部４に直結する排気ポート２に接続させるとともに、吸気側ダクト１５を吸気側バルブシート部５に直結する吸気ポート３に接続させる。

この状態で、レーザクラッド加工ヘッドの同軸クラッドノズル１３（以下「同軸クラッドノズル１３」と称する）をシリンダヘッド１の加工対象となる排気側バルブシート部４に対して位置決めさせる。次に、図２に示されるように、同軸クラッドノズル１３を当該バルブシート部４の中心線を軸に旋回させ、当該バルブシート部４の加工対象部位に沿ってレーザ光を照射する。レーザ光が照射された部分には溶融池が形成され、当該溶融池にはシールドガスの流れによって運ばれた金属粉末Ｐが供給される。これにより、バルブシート部４の全周にわたって異種金属の被膜が形成される。

レーザクラッド加工中、集塵機１８は常に作動している。これにより、レーザクラッド加工中に発生するヒュームＦおよび余剰な金属粉末Ｐは、排気ポート２および吸気ポート３内に吸引され、集塵機１８で回収される。なお、回収されたヒュームＦおよび金属粉末Ｐは、集塵機１８内でフィルタ等により分別される。

本実施形態では、レーザクラッド加工中、排気側可変バルブ２０の開度を吸気側可変バルブ２１の開度よりも絞ることで、排気ポート２（加工中の一方のバルブシート部に直結する側のポート）内の吸引風速が、吸気ポート３（反対側のポート、換言すると、加工していない他方のバルブシート部に直結する側のポート）内の吸引風速よりも小さく設定されている。

図３は、レーザクラッド加工における加工中のポートの吸引風速（ｍ／ｓ）と形成されるクラッド被膜の肉盛量（ｍｍ）との相関図である。図３から、クラッド被膜の肉盛量（以下「肉盛量」と称する）を良好な肉盛量である０．７５〜０．８５（ｍｍ）の範囲とするには、吸引風速（加工中のバルブシート部に直結する側のポートにおける吸引風速）を１．５〜３．０（ｍ／ｓ）に設定すればよいことがわかる。吸引風速が１．５（ｍ／ｓ）から低くなるのに伴い、同軸クラッドノズル１３に付着するスパッタＳ（図４参照）の成長が促進され、その結果、メンテナンス頻度が高くなり生産性が低下する。

また、図３に示されるように、肉盛量は、吸引風速が３．０（ｍ／ｓ）を超えて４．０（ｍ／ｓ）までの間で漸減する。そして、吸引風速が４．０〜８．０（ｍ／ｓ）までの間、肉盛量はおおよそ０．６５（ｍｍ）である。このように、吸引風速が４．０〜８．０（ｍ／ｓ）までの間、大きい吸引力によりヒュームＦおよび余剰金属粉末Ｐを吸引することができるが、溶融池に供給されなければならない金属粉末Ｐも過剰に吸引してしまい、その結果、０．７５〜０．８５（ｍｍ）の範囲の良好な肉盛量を得ることができない。

そこで、本実施形態は、排気側バルブシート部４（加工中の一方のバルブシート部に直結する側のポート）のレーザクラッド加工中、吸気ポート３（反対側のポート、すなわち、加工していない他方のバルブシート部に直結する側のポート）の吸引風速を６．０（ｍ／ｓ）に設定し、排気ポート２（加工中のバルブシート部に直結する側のポート）の吸引風速を、吸気ポート３の吸引風速よりも小さい１．５（ｍ／ｓ）に設定した。

このように、本実施形態は、レーザクラッド加工中の排気側バルブシート部４に直結する排気ポート２の吸引風速を１．５（ｍ／ｓ）に設定したことで、当該排気側バルブシート部４に適量の金属粉末Ｐを供給することができる。その結果、当該排気側バルブシート部４に肉盛量０．８０（ｍｍ）のクラッド被膜を形成することが可能であり、クラッド品質を確保することができる。

一方、本実施形態は、反対側のレーザクラッド加工中でない他方の吸気側バルブシート部５に直結する吸気ポート３の吸引風速を６．０（ｍ／ｓ）に設定したことで、レーザクラッド加工中の一方の排気側バルブシート部４で発生したヒュームＦおよび飛散した金属粉末Ｐを吸気ポート３から吸引して集塵機１８で回収することができる。その結果、同軸クラッドノズル１３に付着するスパッタＳの成長を抑制することが可能であり、メンテナンス頻度が低下することで生産性を高めることができる。

ここで、スパッタＳは、ヒュームＦ（蒸発した金属が大気中で冷却されることで発生する微細な粉塵）が同軸クラッドノズル１３の先端に付着することで成長する。図４は、ヒュームＦを吸引することなく４０台のシリンダヘッド１のレーザクラッド加工が終了した時点での同軸クラッドノズル１３の先端に付着したスパッタＳの状態を示す。図５は、本実施形態を適用して８０台のシリンダヘッド１のレーザクラッド加工が終了した時点での同軸クラッドノズル１３の先端に付着したスパッタＳの状態を示す。図４と図５とを比較すると、加工中のバルブシート部から発生したヒュームが、加工中でないバルブシート部に直結する側のポートから効果的に吸引されていることがわかる。

以上、排気側バルブシート部４をレーザクラッド加工するときの作用効果を説明したが、吸気側バルブシート部５をレーザクラッド加工する際は、吸気側バルブシート部５のレーザクラッド加工中、排気ポート２（反対側のポート、すなわち、加工していない他方のバルブシート部に直結する側のポート）の吸引風速を６．０（ｍ／ｓ）に設定し、吸気ポート３（加工中の一方のバルブシート部に直結する側のポート）の吸引風速を、排気ポート２の吸引風速よりも小さい１．５（ｍ／ｓ）に設定する。これにより、吸気側バルブシート部５をレーザクラッド加工する際にも、前述した排気側バルブシート部４をレーザクラッド加工する場合と同じ作用効果を得ることができる。

本実施形態によれば、加工中の一方のバルブシート部に直結する側のポートを吸引する風速を、反対側のポート、換言すると、加工していない他方のバルブシート部に直結する側のポートを吸引する風速よりも小さく設定したので、加工中の一方のバルブシート部に直結する側のポートの吸引風速を、クラッド被膜の肉盛量を基軸に設定することが可能であり、クラッド品質を確保することができる。
また、加工していない他方のバルブシート部に直結する側のポートの吸引風速を、吸引力を基軸に設定することが可能であり、同軸クラッドノズルの先端に付着するスパッタの成長を抑制することができる。これにより、メンテナンス頻度を低下させることが可能であり、生産性を高めることができる。

なお、実施形態は上記に限定されるものではなく、例えば、次のように構成することができる。
本実施形態は、排気ポートおよび吸気ポートのうち加工中の一方のバルブシート部に直結する側のポートを吸引する風速を１．５（ｍ／ｓ）に設定し、反対側のポート、換言すると、加工していない他方のバルブシート部に直結する側のポートを吸引する風速を６．０（ｍ／ｓ）に設定したが、加工中の一方のバルブシート部に直結する側のポートを吸引する風速は、１．５〜３．０（ｍ／ｓ）の範囲で適宜設定することができ、加工していない他方のバルブシート部に直結する側のポートを吸引する風速は、４．０〜８．０（ｍ／ｓ）の範囲で適宜設定することができる。

１ シリンダヘッド、２ 排気ポート、３ 吸気ポート、４ 排気側バルブシート部、５ 吸気側バルブシート部

Claims (1)

1. シリンダヘッドのバルブシート部に金属粉末を供給しながらレーザ光を照射してクラッド加工する際、バルブシート部に直結する吸気ポートおよび排気ポートから空気を吸引してヒュームおよび余剰金属粉末を回収するレーザクラッド加工方法であって、
   排気ポートおよび吸気ポートのうち、加工中の一方のバルブシート部に直結する側のポートを吸引する風速を１．５〜３．０（ｍ／ｓ）の範囲で設定し、他方のポートを吸引する風速を４．０〜８．０（ｍ／ｓ）の範囲で設定することを特徴とするレーザクラッド加工方法。