JP6855910B2 - レーザクラッド加工装置 - Google Patents

Description

本発明はレーザクラッド加工装置に関する。

粉体状の金属を供給しながらレーザ光を照射し、加工部材に対して溶融した金属の肉盛層を形成する加工技術が知られている。この肉盛層は、クラッド層とも呼ばれる。又、このような加工方法は、レーザクラッド加工、レーザクラッディング等と呼ばれている。

このようなレーザクラッド加工を行う装置として、特許文献１に記載の発明では、加工部材に対してレーザ光を照射すると共に、加工部材のレーザ光照射部に粉体を吐出するレーザクラッド加工装置が提案されている。かかるレーザクラッド加工装置は、粉体を供給するためのフィーダを備える。

フィーダから送出された粉体は、配管を経由してノズルへ供給される。そして、粉体をノズルから周状に吐出するために、配管は複数の分岐コネクタを有している。これにより、粉体は、フィーダから配管に送出された後、複数の分岐コネクタにより分岐される。また、それぞれ分岐された粉体は、それぞれの配管を経由した後、ノズルから吐出される。ノズルから吐出される粉体は、レーザ光の周囲に所定の分布状態で吐出される。ノズルから吐出される粉体は、ノズルの姿勢等を変更することにより、レーザ光の周囲における分布状態を制御することができる。例えば、ノズルを加工面に対して鉛直になるように設置して粉体を吐出する場合、レーザ光の周囲に均等に分布させることがある。また、ノズルを加工面に対して所定の角度になるように設置して、粉体の分布を意図的に偏らせることがある。レーザクラッド加工においては、このような粉体の分布が、ばらつきの少ない状態において使用者の意図通りに制御できることが好ましい。

特開２００５−２１９０６０号公報

しかしながら、フィーダから送出された粉体は、分岐コネクタにおいて分岐する際の振動や、静電気の影響により、不均等な状態になって送出される場合がある。その場合、ノズルから吐出される粉体は使用者の意図した分布にならない。その結果、肉盛厚さがばらつき、粉量が多い部分では未溶着部が生じたり、粉量が少ない部分では熱過剰による割れが生じたりする虞があり好ましくない。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、粉体が不均等に流れることを抑制するレーザクラッド加工装置を提供するものである。

本発明にかかるレーザクラッド加工装置は、粉体を案内するための第１の配管と、前記第１の配管に接続され、案内された前記粉体を分岐する分岐コネクタと、前記分岐コネクタに接続され、分岐された前記粉体をそれぞれ案内する複数の第２の配管と、前記複数の第２の配管に接続され、加工部位に対してレーザ光を照射すると共に、案内された前記粉体を前記レーザ光の周囲から吐出するノズルと、を備えるレーザクラッド加工装置であって、前記第１の配管及び前記分岐コネクタは、帯電防止部材により構成され、電気的に接地した状態において互いの相対姿勢が変化しないように固定されているものである。

このような構成により、配管に送出された粉体及び配管の帯電を抑制し、粉体の流れを円滑にすることができる。また、第１の配管と分岐コネクタの相対姿勢が変化しないように固定することにより、粉体の流れを安定的に制御することが可能となる。

本発明にかかる別の形態であるレーザクラッド加工装置は、粉体を案内するための第１の配管と、前記第１の配管に接続され、案内された前記粉体を分岐する分岐コネクタと、前記分岐コネクタに接続され、分岐された前記粉体をそれぞれ案内する複数の第２の配管と、前記複数の第２の配管に接続され、加工部位に対してレーザ光を照射すると共に、案内された前記粉体を前記レーザ光の周囲から吐出するノズルと、を備えるレーザクラッド加工装置であって、前記第１の配管及び前記分岐コネクタは、前記分岐コネクタの分岐部から前記粉体の供給側に向かって延設される直管部を有し、前記直管部の長さＬと内径ｄとは、
Ｌ／ｄ＞１１ （式１）
を満たし、前記内径ｄは２ｍｍ以上である。

このような構成にすることによって、供給源から圧送された粉体は、分岐コネクタによって分岐される直前において、直管部によって、管の内部に不均等に分散することが抑制される。そして、分岐コネクタにおいて粉体が不均等に分岐することを抑制することができる。

本発明により、粉体が不均等に流れることを抑制するレーザクラッド加工装置を提供するものである。

実施の形態にかかるレーザクラッド加工装置１の全体構成を説明するための斜視図である。 実施の形態にかかるレーザクラッド加工装置１の粉体供給部４とノズル７の詳細を説明するための模式図である。 実施の形態にかかるレーザクラッド加工装置１の配管１１の固定状態を説明するための斜視図である。 実施の形態にかかるレーザクラッド加工装置１の配管１１ｂ及び分岐コネクタ１２ｂの形態を説明するための図である。 配管の真直度を説明するための図である。 レーザクラッド加工装置１が吐出した粉体左右差を測定した実験結果を示すグラフである。 配管１１ｂの内径を変更した場合における吐出量の左右差を測定した実験結果を示すグラフである。 実施の形態にかかるレーザクラッド加工装置１の配管１１ｂの姿勢を説明するための図である。

実施の形態
以下に図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態にかかるレーザクラッド加工装置１の全体構成を説明するための斜視図である。レーザクラッド加工装置１は、シリンダヘッドＨのバルブシート部に、レーザクラッド加工を行う装置である。レーザクラッド加工装置１は、シリンダヘッドＨを傾動して保持するシリンダヘッド保持部２０と、レーザ加工ヘッド３０と、レーザ加工ヘッド３０を鉛直方向に傾斜して保持して鉛直軸線周りに回転させる回転装置３と、レーザ加工ヘッド３０に粉体を供給する粉体供給部４とを備えている。

粉体供給部４は、粉体供給源であるフィーダ１０と、配管１１とを有している。粉体供給部４から送出された粉体は、配管１１を介してノズル７へ到達する。フィーダ１０は、粉体を配管１１へ圧送する。配管１１は、複数の分岐コネクタを有しており、配管１１ａ、配管１１ｂ、配管１１ｃへと分岐している。尚、フィーダから圧送される粉体は、例えば銅を主成分とする粒径数マイクロメートルの金属粉末である。

レーザ加工ヘッド３０は、加工部位にレーザ光を照射しながら粉体を吐出する。レーザ加工ヘッド３０は、レーザ発振部５と、光学系部６と、ノズル７とを有している。

次に、レーザクラッド加工装置１の動作について説明する。まず、シリンダヘッド保持部２０は、バルブシート部の中心軸線が鉛直方向となるようにシリンダヘッドＨを傾動させ、又は、バルブシート部の中心軸線とレーザ加工ヘッド３０の回転軸線とが一致するようにシリンダヘッドＨを水平方向へ二次元的に移動させる。次に、レーザ加工ヘッド３０は、レーザ光を発信してノズル７の中心軸に沿ってレーザ光を照射する。レーザ加工ヘッド３０がレーザ光を照射すると共に、ノズル７は、粉体供給部４から圧送された粉体を吐出する。ノズル７から吐出された粉体は、レーザ光により溶融し、バルブシート部に所望のクラッド層を形成する。

続いて、図２を参照しながら粉体供給部４とノズル７の詳細について説明する。図２は、実施の形態にかかるレーザクラッド加工装置１の粉体供給部４とノズル７の詳細を説明するための模式図である。

粉体供給部４は、フィーダ１０と、配管１１とを有している。配管１１は、配管１１a、配管１１ｂ、配管１１ｃ、分岐コネクタ１２a、分岐コネクタ１２ｂを有している。配管１１は、ノズル７に接続しており、フィーダ１０から圧送された粉体を案内し、ノズル７に送出する。ノズル７は、インナノズル部材７ａ、アウタノズル部材７ｂ、分割壁８ａ、及び、供給路８ｃを有している。

フィーダ１０には、窒素ガスなどの不活性ガスからなるキャリアガスが通過する。フィーダ１０には、図示しないキャリアガス配管が設けられ、キャリアガスを用いてキャリアガスと共に粉末金属をフィーダ１０から配管１１を通してノズル７へ圧送して供給する。また、フィーダ１０は、配管１１へ送出する粉体の量や、フィーダ１０から配管１１へ送出するキャリアガスの流量や圧力を管理している。

フィーダ１０から圧送された粉体は、まず、配管１１aを通過する。配管１１aは、分岐コネクタ１２aに接続されている。分岐コネクタ１２aは、２本の配管１１ｂに接続している。粉体は、分岐コネクタ１２aにおいて分岐され、２本の配管１１ｂにそれぞれ圧送される。配管１１ｂは、それぞれ分岐コネクタ１２bに接続されている。そして、分岐コネクタ１２ｂは、２本の配管１１ｃにそれぞれ接続している。すなわち、一本の配管１１aに圧送された、粉体は、分岐コネクタ１２aにより２本の配管１１ｂに分岐される。さらに、粉体は、２個の分岐コネクタ１２ｂにより４本の配管１１ｃに分岐される。そして、４本の配管１１ｃに分岐されて圧送された粉体は、ノズル７へ到達する。

尚、ノズル７の吐出口から粉末金属を同時にかつ均等に吐出するために、フィーダ１０からノズル７の各供給路８ｃまでの配管長さは等しくなるように設定されている。より詳細には、２本の配管１１ｂの長さはそれぞれ同一に設定されており、また、４本の配管１１ｃの長さも同一に設定されている。また、配管１１における各配管及び分岐コネクタの内径はそれぞれ同一に設定されている。

ノズル７は、主に、レーザ光を通過させるためのレーザ通路を有する略円環状のインナノズル部材７ａと、インナノズル部材７ａに外嵌されるアウタノズル部材７ｂとを有している。アウタノズル部材７ｂの内周面は、インナノズル部材７ａの外周面と相補的な形状を有し、インナノズル部材７ａとアウタノズル部材７ｂとは同軸上に配置され、インナノズル部材７ａとアウタノズル部材７ｂとの間に粉末金属が通過する略円環状の吐出空間８が画成されている。尚、インナノズル部材７ａやアウタノズル部材７ｂは、その先端側へ向かって縮径している。

吐出空間８は、周方向において等間隔に複数設けられた分割壁８ａによって複数の小空間に分割されている。図２の例では、吐出空間８は９０度間隔で４個設けられている。各小空間の周方向での略中央部に、各小空間へ粉末金属を供給するための供給路８ｃが連設されている。吐出空間８の各小空間の先端側の部分により、ノズル７の外部へ粉末金属を吐出する吐出口が形成される。

レーザ光は、インナノズル部材７ａの内側から照射される。そして、粉体は、レーザ光の周囲に設けられた吐出空間８を介してレーザ光に向けて吐出される。吐出された粉体は、レーザ加工ヘッド３０のレーザ発振部５から出射されたレーザ光により溶融される。溶融された粉体は、被加工部材の加工部位に溶着され、溶着された粉体が冷却固化されて、被加工部材の加工部位に所定の厚さ及び外形を有するクラッド層が形成される。

レーザクラッド加工装置１においては、粉体供給部４及びノズル７をこのような構成にすることにより、被加工部材の加工部位に供給する粉体が所定の分布状態において吐出されるように設定されている。しかしながら、粉体が分岐コネクタにおいて分岐する際の振動や、静電気の影響を受けると、所定の分布状態がばらついたり、意図通りの分布にならない場合がある。

次に、図３を参照しながら配管１１の固定状態について説明する。図３は、実施の形態にかかるレーザクラッド加工装置１の配管１１の固定状態を説明するための斜視図である。図３では、レーザクラッド加工装置１における配管１１ｂからノズル７までの構成を示している。すなわち、粉体は配管１１ｂを通過して分岐コネクタ１２ｂにおいて分岐される。そして分岐された粉体は２本の配管１１ｃにそれぞれ圧送された後、それぞれがノズル７に到達し、吐出口９から吐出される。

配管１１ｂは、固定部材１３によって、配管の一部が固定されている。固定部材１３は例えば金属製のステーであって、レーザ加工ヘッド３０に固定されている。同様に、分岐コネクタ１２ｂは、固定部材１４によって固定されている。固定部材１４は、固定部材１３と同様に、レーザ加工ヘッド３０に固定されている。これにより、配管１１ｂ及び分岐コネクタ１２ｂは、共にレーザ加工ヘッド３０に対して固定されている。すなわち、配管１１ｂと、分岐コネクタ１２ｂとは、互いの相対姿勢が変化しないように固定されている。また、レーザ加工ヘッド３０に固定されている固定部材１３及び固定部材１４は、レーザ加工ヘッド３０を通じて電気的に接地された状態となっている。

次に、配管１１ｂ及び分岐コネクタ１２ｂの材料及び電気的特性について説明する。配管１１ｂ及び分岐コネクタ１２ｂは、帯電防止部材により構成されている。帯電防止部材の具体例としては、導電性ポリウレタン又は導電性ナイロンであって、表面抵抗が１０^４〜１０^９Ωという特性を有するものである。また、図３を参照しながら説明したように、配管１１ｂ及び分岐コネクタ１２ｂは、固定部材１３及び固定部材１４により固定されており、固定部材１３及び固定部材１４は、電気的に接地されている。このように、配管１１ｂ及び分岐コネクタ１２ｂは、帯電防止部材により構成され、電気的に接地された状態において固定されている。

配管１１ｂ及び分岐コネクタ１２ｂが帯電防止部材により構成され、電気的に接地されていることにより、粉体供給部において、静電気の影響により粉体の流量がばらつくのを抑制することができる。

レーザクラッド加工装置１は、以上に説明したような構成により、配管１１に送出された粉体及び配管の帯電を抑制し、粉体の流れを円滑にすることができる。また、配管１１ｂと分岐コネクタ１２ｂとを相対的に固定することにより、粉体の流れを安定的に制御することが可能となる。

次に、配管１１ｂ及び分岐コネクタ１２ｂの形態ついて説明する。図４は、実施の形態にかかるレーザクラッド加工装置１の配管１１ｂ及び分岐コネクタ１２ｂの形態を説明するための図である。図４は、後述の理解を容易にするために、紙面に対して平行な方向で配管１１ｂの最大径部を切り出した状態を示している。以下、粉体が圧送される方向に合わせて、すなわち、粉体供給側からノズル側へ、配管１１ｂ、分岐コネクタ１２ｂ及び配管１１ｃの各構成について説明する。尚、粉体が圧送される方向は、図の破線矢印によって示されている。

配管１１ｂは、一端から他端に亘り内径ｄの略円形の空洞を有する管である。配管１１ｂは、例えばポリウレタン製のチューブであり、可撓性を有している。配管１１ｂの有する内径ｄは、実質的には１０％程度の変化を含んでいる。また、配管１１ｂの有する略円形の空洞は、実質的な円形であって、１０％程度のゆがみを含んでいる。配管１１ｂは、図面右上の粉体供給側より左へ向かって延び、さらに図面下方へ折れ曲がり、分岐コネクタ１２ｂに接続している。分岐コネクタ１２ｂは、接続口１２１において配管１１ｂと接続している。

分岐コネクタ１２ｂは、配管１１ｂから圧送される粉体の流れを２つに分岐し、分岐した粉体を２つの配管１１ｃにそれぞれ案内する。分岐コネクタ１２ｂは、接続口１２１、１２５、１２６を備える。接続口１２１は、配管１１ｂに接続している。接続口１２５は、配管１１ｃＬに接続している。接続口１２６は、配管１１ｃＲに接続している。接続口１２１は、配管１１ｂの外径と略同じ径を有する円筒空洞状の孔である。配管１１ｂは、分岐コネクタ１２ｂの突き当て部１２３まで挿入されており、分岐コネクタ１２ｂの内壁１２２において分岐コネクタ１２ｂと接触している。分岐コネクタ１２ｂの内壁１２２の直径は、配管１１ｂよりも若干（例えば５％）小さい。そのため、配管１１ｂは、分岐コネクタ１２ｂの接続口１２１に圧入された状態で接続している。また、分岐コネクタ１２ｂの内壁１２２の直径は、配管１１ｂの外形よりも若干（例えば５％）大きくてもよい。その場合、内壁１２２と配管１１ｂとの隙間に接着剤を介在させてもよい。また、内壁１２２の直径はもっと大きく、内壁１２２と、配管１１ｂとの間に、図示しない固定用の部材が存在しても良い。

分岐コネクタ１２ｂは、内壁１２２が配管１１ｂの外径と略同じ直径の円筒形状を保ちながら直線状に図面下方へ伸び、突き当て部１２３において配管１１ｂの端部が当接する段形状を呈している。突き当て部１２３は、段形状の内側において、配管１１ｂの内径と略同じ直径すなわち内径ｄの孔を形成し、図面下方に延びている。

分岐コネクタ１２ｂは、突き当て部１２３から図面下方に向けて、内径ｄの孔が延びている。そして、分岐コネクタ１２ｂは、内径ｄの孔の終端である分岐部１２４から図面下方に向けて孔が拡大し、左右に分岐している。左右に分岐した孔は、分岐部１２４から同じ距離だけそれぞれ左右方向に延びた後、図面下方に向かって直角に折れ曲がっている。

分岐部１２４は、配管１１ｂが接続された接続口１２１から図面下方に延びる孔と、左右に分岐した孔の境界部である。すなわち、分岐部１２４より図面上方は、内径ｄを実質的に保った状態において延設されている。また、分岐部１２４より図面下方は、左右に分岐するための孔が図面左右方向に設けられている。図４においては、分岐部１２４において、直管部１１０の一端と、分岐するための孔とが直交している。

左右に分岐した孔は、図面下方に向かってそれぞれ延びている。左右に分岐した孔の内、左側の孔は、接続口１２５において配管１１ｃＬと接続している。左右に分岐した孔の内、右側の孔は、接続口１２６において配管１１ｃＲと接続している。尚、接続口１２５と配管１１ｃＬとの接続手段は、上述した接続口１２１と配管１１ｂとの接続において採用した構造の内いずれかを選択すればよい。また、接続口１２６と配管１１ｃＲとの接続においても、同様に、上述した接続口１２１と配管１１ｂとの接続において採用した構造の内いずれかを選択すればよい。接続口１２１、１２５、１２６において選択された接続手段はそれぞれ同じであっても良いし、異なっていても良い。分岐コネクタ１２ｂは、一体成型された樹脂により構成されても良いし、複数の部品を組み合わせることにより構成されていても良い。

配管１１ｃＬは、分岐コネクタ１２ｂに接続している２つの配管１１ｃのうちの１つであって、図面左側の配管である。配管１１ｃＲは、分岐コネクタ１２ｂに接続している２つの配管１１ｃのうちの１つであって、図面右側の配管である。配管１１ｃＬ及び配管１１ｃＲは、それぞれ内径ｄを有する管である。配管１１ｃＬ及び配管１１ｃＲは、それぞれノズル７に接続している。配管１１ｃＬ及び配管１１ｃＲは、ノズル７から吐出させる粉体の量を制御するために、互いに略等しい内径を有することが好ましい。略等しい内径とは、例えば互いの内径の差が５％程度である。尚、図４において、配管１１ｃＬ及び配管１１ｃＲの内径は、配管１１ｂの内径ｄと同じである。しかし、配管１１ｂと配管１１ｃの内径は同じでなくともよい。すなわち、配管１１ｃＬ及び配管１１ｃＲの内径は、内径ｄでなくともよい。

次に、配管１１ｂ及び分岐コネクタ１２ｂの有する形態について説明する。配管１１ｂ及び分岐コネクタ１２ｂは、直管部１１０を有している。直管部１１０は、分岐コネクタ１２ｂの分岐部１２４から粉体供給側に、実質的に直線状に延設される部分である。より具体的には、直管部１１０は、分岐コネクタ１２ｂの分岐部１２４を一端として、内径ｄを保ちながら図面上方すなわち粉体供給側に向かって実質的に直線状に延びている管の部分である。つまり、直管部１１０は、分岐コネクタ１２ｂの直管部１１０に相当する部分と、配管１１ｂの直管部１１０に相当する部分を合わせた部分ということもできる。

実質的に直線状とは、内径ｄを保ちながら延びている管の真直度が予め定められた値以内である状態をいう。例えば、図４において、直管部の真直度はｓ´である。具体的には、配管１１ｂは、突き当て部１２３から図面上方に延び、徐々に右方向に折れ曲がっている。直管部１１０の他端は、配管１１ｂの外形が右に距離ｓ´シフトした位置に示す端部１１１である。すなわち、図４において、直管部１１０は、分岐部１２４から端部１１１までの、予め設定された真直度の範囲において延設される部分をいう。また、直管部１１０の長さは、長さＬである。

次に、上述した直管部１１０の有する真直度について、より詳細を説明する。図５は、配管の真直度を説明するための図である。図５（ａ）は、配管１１ｂの中心線を基準にして、管の内径ｄに対して真直度を観察した場合の図である。この場合、真直度は、内径ｄの中心軸が基準線ＣＬから距離ｓ外れていることを観察する必要がある。レーザクラッド加工装置１において、粉体が圧送されるのは配管１１ｂの内部である。よって、本来ならば真直度は、図５（ａ）に示すように、内径ｄに対して考慮されるべきものである。しかしながら、可撓性を有する配管１１ｂについて、内径ｄに対する真直度を測定することは困難である。

図５（ｂ）は、配管１１ｂの外形を基準にして、実質的な真直度を観察した場合の図である。この場合、真直度は、外形に設けた基準線ＣＬ´から距離ｓ´外れていることを観察する。本実施の形態においては、上述した実質的な方法によって真直度を測定することにより、本実施の形態にかかる構成の効果を得ることができる。

例えば、レーザクラッド加工装置１において、実質的な直線状に延設される直管部１１０の真直度に相当する距離ｓ´は、内径ｄの２５％である。より具体的には、例えば、配管１１ｂの内径ｄが４ｍｍの場合、距離ｓ´は４ｍｍの２５％に当たる１ｍｍである。換言すると、内径ｄが４ｍｍの配管１１ｂを採用する場合、直管部の真直度は１ｍｍである。すなわち、この場合の直管部１１０は、分岐コネクタ１２ｂの分岐部１２４を起点として、真直度１ｍｍ以内を維持している範囲までということができる。

次に、直管部１１０の長さＬと配管１１ｂの内径ｄとの関係について詳細を説明する。発明者らは、直管部１１０の長さＬと配管１１ｂの内径ｄの相対的な寸法比を変化させ、配管１１ｃＬ及び配管１１ｃＲから吐出される粉体の左右差を観察する実験を行った。図６は、レーザクラッド加工装置１が吐出した粉体の左右差を測定した実験結果を示すグラフである。グラフの横軸は、直管部１１０の長さＬを内径ｄで除した値Ｌ／ｄである。グラフの縦軸は、配管１１ｃＬと配管１１ｃＲとからそれぞれ同じ時間に吐出された粉体の重量差である。ひし形の点Ｐ０は、実験により測定された結果を示す点である。また、正方形の点Ｐ１は、値Ｌ／ｄごとに実験結果を平均した値を示す点である。尚、図６及び後述する図７の実験においては、直管部１１０の延設方向が重力方向と平行になるように、すなわち鉛直方向に直管部１１０を設置し、粉体を上方から下方に沿って圧送した。

図６にかかる実験は、代表的には以下の項目に示す条件に基づいて行われた。材料の流動度は１６．３秒／５０ｇ、キャリアガスはＮ_２（窒素）、キャリアガス量は５リットル／分、粉量は０．４ｇ／秒、配管内径は４ｍｍである。また、粉体の成分は、銅が６４％、ニッケルが１８％、鉄が９％、モリブデンが６％そしてシリコンが３％である。

図６に示すように、値Ｌ／ｄが１１より小さくなるほど、粉体の吐出量の左右差は大きくなる。つまり、内径ｄに対して直管部１１０の長さＬが相対的に短くなると、粉体の吐出量の左右差が大きくなる。一方、値Ｌ／ｄが１１を超えると、粉体の吐出量の左右差は、著しく低下し、且つ安定する。つまり、内径ｄに対して直管部１１０の長さＬが相対的に十分長くなると、粉体の吐出量の左右差は小さく、且つ、安定する。また、値Ｌ／ｄを、例えばグラフの右端に示したように例えば３７と極端に大きく設定しても、粉体の吐出量の左右差は値Ｌ／ｄが１２のときと差がない。つまり、値Ｌ／ｄが１１より大きいほど粉体の吐出量の左右差が改善されるという訳ではない。換言すると、値Ｌ／ｄが１１より大きく、且つ、長さＬを長くし過ぎないことは、設備の無駄を抑えることになる。

次に、配管１１ｂの内径ｄを変化させた場合について説明する。図７は、配管１１ｂの内径を変更した場合における吐出量の左右差を測定した実験結果を示すグラフである。グラフの横軸は、直管部１１０の長さＬを内径ｄで除した値Ｌ／ｄである。グラフの縦軸は、配管１１ｃＬと配管１１ｃＲとからそれぞれ同じ時間に吐出された粉体の重量差を標準偏差σによって示したものである。図７に示すように、配管１１ｂの内径ｄを変化させた場合において、いずれの場合においても、値Ｌ／ｄが１１を超えると、粉体の吐出量の左右差は、著しく低下し、且つ安定する。また、値Ｌ／ｄを、大きく設定しても、粉体の吐出量の左右差は値Ｌ／ｄが１２のときと大差がない。

尚、図６及び図７に示した実験結果を導き出すために、レーザクラッド加工装置１において採用した粉体は、粒径が２５０μｍ以下のものである。すなわち粉体の粒径（粒の最大寸法）の最大値は、２５０μｍである。このような粉体をレーザクラッド加工装置１に採用した場合に、配管１１ｂの内径ｄが２ｍｍ未満だと、圧送中に詰りが生じやすくなる。圧送中の詰りとは、粉体が配管に詰り、粉体の圧送が停止することに限らない。圧送中の詰りとは、例えば、配管中に一時的に粉体が詰まり、その後短時間のうちに詰りが解消されるような状態も含む。圧送中にこのような粉体の詰りが生じると、粉体の供給に斑が生じ、結果として吐出量にばらつきが生じることになる。したがって、上述したように、配管１１ｂの内径ｄは２ｍｍ以上が好ましい。

また、配管１１ｂの内径ｄを８ｍｍよりも大きくした場合、粉体の吐出量の左右差は大きくならない。しかし、加工対象の大きさに対して配管１１ｂの内径ｄを過度に大きくした場合、ノズル７のサイズは、過度に大きくなるため、設備の大きさに無駄が生じる。したがって、本実施の形態にかかるレーザクラッド加工装置１においては、シリンダヘッドのバルブシートの大きさに合わせ、配管１１ｂの内径ｄは８ｍｍ以下が好ましい。ただし、別の用途にレーザクラッド加工装置１を用いる場合、例えば、鋳造用金型の補修をするために肉盛りを行う場合などにおいては、内径ｄが８ｍｍ以下であることが好ましいという訳ではない。尚、加工対象の大きさに対してノズル７のサイズが過度に大きい場合、レーザクラッド加工装置１は、吐出口９の形状を小さく絞り込むことにより粉体の過度な分散を抑制することができる。したがって、粉体の吐出範囲が加工対象であるシリンダヘッドのバルブシートの大きさよりも広くなり、吐出した粉体が肉盛りに使用されず、再び回収されることになり効率が低下することはない。

以上に説明したように、本実施の形態にかかるレーザクラッド加工装置１において、ノズル７から吐出する粉体が不均等に流れることを抑制するためには、配管１１ｃＬと配管１１ｃＲとの流量の差を抑えることが必要となる。発明者らは、上述した実験から、レーザクラッド加工装置１において、長さＬと内径ｄとの間に、以下の関係を保つことにより、配管１１ｃＬと配管１１ｃＲとの流量の差を抑えることを見出した。

ここで、ｄは２ｍｍ以上であることが好ましい。

このような構成にすることによって、供給源から圧送された粉体は、分岐コネクタ１２ｂによって分岐される直前において、直管部１１０によって、管の内部に不均等に分散することが抑制される。そして、分岐コネクタ１２ｂにおいて粉体が不均等に分岐することを抑制することができる。よって、粉体が不均等に流れることを抑制するレーザクラッド加工装置を提供することができる。また、式１の関係により、粉体が不均等に流れることを抑制しつつ、設備の無駄を抑えることができる。

次に、図８を参照しながら、配管１１ｂの姿勢について説明する。図８は、実施の形態にかかるレーザクラッド加工装置１の配管１１ｂの姿勢を説明するための図である。図８においては、配管１１ｂ、分岐コネクタ１２ｂ、及び、配管１１ｃが示されている。配管１１ｂの範囲Ｆは、図３において示した固定部材１３によって、固定されている。また、分岐コネクタ１２ｂは、図３において示した固定部材１４によって固定されている。配管１１ｂ及び分岐コネクタ１２ｂは、直管部１１０を有している。一点鎖線Ｋは、直管部１１０の延設方向に対して平行な線である。また、一点鎖線Ｊは、重力方向又は鉛直方向に対して平行な線である。線Ｋと線Ｊは角度Ｄを呈している。つまり、配管１１ｂの直管部１１０は、重力方向に対して角度Ｄの姿勢において固定されている。

発明者らの行った実験によれば、角度Ｄと、分岐コネクタ１２ｂにより分岐された後の配管１１ｃにおける配管１１ｃＬ及び配管１１ｃＲそれぞれの粉体の吐出量の差とは、高い相関を有していることが確認されている。したがって、角度Ｄを制御することにより、ノズル７より吐出される粉体の分配量を制御することができる。より具体的には、図８において、角度Ｄを大きくするほど、配管１１ｃＬから吐出される粉体は、配管１１ｃＲから吐出される粉体よりも多くなる。すなわち、角度Ｄを大きくするほど、吐出される粉体の左右差が大きくなる。また、相対的に下側に位置する配管１１ｃＬから吐出される粉体が、相対的に上側に位置する配管１１ｃＲから吐出される粉体よりも多くなる。

このように、配管１１ｂ及び分岐コネクタ１２ｂが帯電防止部材により構成され、電気的に接地した状態において互いの相対姿勢が変化しないように固定されており、且つ、配管１１ｂ及び分岐コネクタ１２ｂの有する直管部１１０の重力方向に対する角度Ｄを大きくすることにより、配管１１ｃから吐出される粉体の左右差を大きくすることができる。

また、配管１１ｂ及び分岐コネクタ１２ｂの有する直管部１１０が式１の関係を満たしており、内径ｄが２ｍｍ以上であり、且つ、配管１１ｂ及び分岐コネクタ１２ｂの有する直管部１１０の重力方向に対する角度Ｄを大きくすることにより、配管１１ｃから吐出される粉体の左右差を大きくすることができる。

また、配管１１ｂ及び分岐コネクタ１２ｂが帯電防止部材により構成され、電気的に接地した状態において互いの相対姿勢が変化しないように固定されており、且つ、配管１１ｂ及び分岐コネクタ１２ｂの有する直管部１１０が式１の関係を満たしており、内径ｄが２ｍｍ以上であり、且つ、配管１１ｂ及び分岐コネクタ１２ｂの有する直管部１１０の重力方向に対する角度Ｄを大きくすることにより、配管１１ｃから吐出される粉体の左右差を大きくすることができる。

このような構成により、粉体が不均等に流れることを抑制するレーザクラッド加工装置を提供することができる。

尚、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。例えば、レーザクラッド加工装置１は、シリンダヘッドのバルブシートに肉盛りするための装置であることを説明したが、加工対象を鋳造用の金型を補修するために肉盛りするための装置に変更することができる。

１ レーザクラッド加工装置
７ ノズル
１０ フィーダ
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｃＬ、１１ｃＲ 配管
１２ａ、１２ｂ 分岐コネクタ
１３、１４ 固定部材
３０ レーザ加工ヘッド
１１０ 直管部
１１１ 端部
１２１、１２５、１２６ 接続口
１２２ 内壁
１２３ 突き当て部
１２４ 分岐部
Ｌ 長さ
ｄ 内径
ｓ、ｓ´ 距離

Claims (2)

1. 粉体を案内するための第１の配管と、
   前記第１の配管に接続され、案内された前記粉体を分岐する分岐コネクタと、
   前記分岐コネクタに接続され、分岐された前記粉体をそれぞれ案内する複数の第２の配管と、
   前記複数の第２の配管に接続され、加工部位に対してレーザ光を照射すると共に、案内された前記粉体を前記レーザ光の周囲から吐出するノズルと、を含むレーザ加工ヘッドと、
   前記レーザ加工ヘッドを鉛直方向に傾斜して保持して鉛直軸線周りに回転させる回転装置と、
   を備えるレーザクラッド加工装置であって、
   前記第１の配管及び前記分岐コネクタは、
   帯電防止部材により構成され、
   電気的に接地した状態において前記レーザ加工ヘッドを回転させても互いの相対姿勢が変化しないように前記レーザ加工ヘッドに固定されている、
   レーザクラッド加工装置。
2. 粉体を案内するための第１の配管と、
   前記第１の配管に接続され、案内された前記粉体を分岐する分岐コネクタと、
   前記分岐コネクタに接続され、分岐された前記粉体をそれぞれ案内する複数の第２の配管と、
   前記複数の第２の配管に接続され、加工部位に対してレーザ光を照射すると共に、案内された前記粉体を前記レーザ光の周囲から吐出するノズルと、を含むレーザ加工ヘッドと、
   前記レーザ加工ヘッドを鉛直方向に傾斜して保持して鉛直軸線周りに回転させる回転装置と、
   を備えるレーザクラッド加工装置であって、
   前記第１の配管及び前記分岐コネクタは、前記分岐コネクタの分岐部から前記粉体の供給側に向かって延設される直管部を有し、
   前記直管部の長さＬと内径ｄとは、
   Ｌ／ｄ＞１１ （式１）
   を満たし、
   前記内径ｄは２ｍｍ以上であって、
   前記レーザ加工ヘッドは、前記第２の配管に供給する前記粉体の量を制御することを目的として、前記直管部と前記鉛直軸とが成す角度を変更可能に前記回転装置に固定されている、
   レーザクラッド加工装置。

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