JP7172829B2 - レーザ肉盛溶接方法及びレーザ肉盛溶接装置 - Google Patents

レーザ肉盛溶接方法及びレーザ肉盛溶接装置 Download PDF

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Description

本発明は、レーザ肉盛溶接方法及びレーザ肉盛溶接装置に関する。
シリンダヘッドのバルブシートの加工部位に耐摩耗性に優れた金属材料を肉盛りするレーザクラッド加工が知られている。レーザクラッド加工は、加工部位に金属粉末を供給しながら、レーザビームを照射して溶融固化させる技術である。金属粉末を供給しながらレーザビームを照射して肉盛りを行うためには、加工部位に沿ってレーザビームを相対的に移動させる必要がある。特許文献１には、肉盛りの開始時に銅合金粉末の供給量を徐々に増加させると共に、半導体レーザの出力を供給量に応じて増加させながら半導体レーザ及び銅合金粉末の供給用ノズルを環状に移動させる技術が記載されている。
特開２００５－２９９５９８号公報
特許文献１に記載の技術は、金属粉末の供給量が不安定な、肉盛りの開始時における処置を対象としたものである。しかしながら、本発明者らは、肉盛りの開始時における処置を適切に行っても、肉盛層やその周辺に欠陥が生じる場合があることを見いだした。
本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、肉盛層やその周辺に欠陥が生じるのを抑制することができるレーザ肉盛溶接方法及びレーザ肉盛溶接装置を提供することを目的とする。
本実施の形態の一態様に係るレーザ肉盛溶接方法は、半球状の燃焼室が形成され前記燃焼室にポート穴が放射状に複数形成されたシリンダヘッドの粗形材において、前記ポート穴の外周に沿うように円環状のザグリ溝を形成する第１の工程と、前記ザグリ溝の中心軸を鉛直方向に一致させ、前記ザグリ溝に金属粉末を供給しつつ、レーザビームを照射して、バルブシート用の肉盛層を形成する第２の工程と、を備え、前記第２の工程において、前記ザグリ溝における前記燃焼室の中心側の部分では、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離が、隣接する前記ザグリ溝の間にある仕切壁が溶け落ちない第１の距離範囲になり、かつ、前記ザグリ溝における前記燃焼室の外周側の部分では、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離が、前記肉盛層における溶接後の界面が目標とする界面に対し所定の取代が確保される第２の距離範囲になるように、前記レーザビームを照射するためのレーザトーチを移動させる。
このようにすることで、肉盛層における、溶接後の界面を理想とする界面にすることができる。これにより、肉盛層において、燃焼室壁側と仕切壁側のいずれにおいても、肉盛層の目標とする界面からの取代を、必要最低限な取代にすることができる。また、仕切壁の縁がレーザビームからの過剰な熱で溶け落ちてしまうといった、肉盛溶接に起因する品質不良を抑制することができる。
また、前記ザグリ溝における前記燃焼室の中心側の部分における前記レーザビームの照射軌跡と、前記ザグリ溝における前記燃焼室の外周側の部分における前記レーザビームの照射軌跡と、の間の前記レーザビームの照射軌跡が直線状になるように前記レーザトーチを移動させるようにしてもよい。このようにすることで、仕切壁側の部分におけるレーザビームの照射軌跡と、燃焼室壁側の部分におけるレーザビームの照射軌跡と、をスムーズにつなげることができる。
本実施の形態の別の一態様に係るレーザ肉盛溶接方法は、半球状の燃焼室が形成されかつ前記燃焼室にポート穴が放射状に複数形成されたシリンダヘッドの粗形材において、前記ポート穴の外周に沿うように円環状のザグリ溝を形成する第１の工程と、前記ザグリ溝の中心軸を鉛直方向に一致させ、前記ザグリ溝に金属粉末を供給しつつ、レーザビームを照射して、バルブシート用の肉盛層を形成する第２の工程と、を備え、前記第２の工程において、前記ザグリ溝における前記燃焼室の中心側の部分では、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離が、隣接する前記ザグリ溝の間にある仕切壁が溶け落ちない第１の距離範囲になり、かつ、前記ザグリ溝における前記燃焼室の外周側の部分では、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離が、前記肉盛層における溶接後の界面が目標とする界面に対し所定の取代が確保される第２の距離範囲になるように、前記粗形材を移動させる。
このようにすることで、肉盛層における、溶接後の界面を理想とする界面にすることができる。これにより、肉盛層において、燃焼室壁側と仕切壁側のいずれにおいても、肉盛層の目標とする界面からの取代を、必要最低限な取代にすることができる。また、仕切壁の縁がレーザビームからの過剰な熱で溶け落ちてしまうといった、肉盛溶接に起因する品質不良を抑制することができる。
また、前記ザグリ溝における前記燃焼室の中心側の部分における前記レーザビームの照射軌跡と、前記ザグリ溝における前記燃焼室の外周側の部分における前記レーザビームの照射軌跡と、の間の前記レーザビームの照射軌跡が直線状になるように、前記粗形材を移動させるようにしてもよい。このようにすることで、仕切壁側の部分におけるレーザビームの照射軌跡と、燃焼室壁側の部分におけるレーザビームの照射軌跡と、をスムーズにつなげることができる。
本実施の形態の別の一態様に係るレーザ肉盛溶接装置は、半球状の燃焼室にポート穴が放射状に複数形成され、前記ポート穴の外周に沿うように円環状のザグリ溝が形成されたシリンダヘッドの粗形材の位置決めをする位置決め部と、前記ザグリ溝に対して金属粉末を供給する金属粉末供給部と、レーザビームを照射して該金属粉末を溶融させることで前記ザグリ溝に肉盛層を形成するレーザ照射部と、前記レーザ照射部におけるレーザトーチを回転させる回転動作部と、前記レーザトーチを直線移動させる直線移動動作部と、前記位置決め部、前記金属粉末供給部、前記レーザ照射部、前記回転動作部及び前記直線移動動作部の動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部が、前記ザグリ溝の中心軸を鉛直方向に一致させるよう前記位置決め部の動作を制御し、前記ザグリ溝に金属粉末を供給させつつレーザビームを照射させるよう前記金属粉末供給部及び前記レーザ照射部の動作を制御し、前記レーザビームを照射中に前記ザグリ溝における前記燃焼室の中心側の部分では、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離が、隣接する前記ザグリ溝の間にある仕切壁が溶け落ちない第１の距離範囲になり、かつ、前記ザグリ溝における前記燃焼室の外周側の部分では、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離が、前記肉盛層における溶接後の界面が目標とする界面に対し所定の取代が確保される第２の距離範囲になるように、前記回転動作部及び前記直線移動動作部の動作を制御する。
このようにすることで、肉盛層における、溶接後の界面を理想とする界面にすることができる。これにより、肉盛層において、燃焼室壁側と仕切壁側のいずれにおいても、肉盛層の目標とする界面からの取代を、必要最低限な取代にすることができる。また、仕切壁の縁がレーザビームからの過剰な熱で溶け落ちてしまうといった、肉盛溶接に起因する品質不良を抑制することができる。
本実施の形態の別の一態様に係るレーザ肉盛溶接装置は、半球状の燃焼室にポート穴が放射状に複数形成され、前記ポート穴の外周に沿うように円環状のザグリ溝が形成されたシリンダヘッドの粗形材の位置決めをする位置決め部と、前記ザグリ溝に対して金属粉末を供給する金属粉末供給部と、レーザビームを照射して該金属粉末を溶融させることで前記ザグリ溝に肉盛層を形成するレーザ照射部と、前記レーザ照射部におけるレーザトーチを回転させる回転動作部と、前記レーザトーチの鉛直方向に対する角度を調節する角度調節部と、前記位置決め部、前記金属粉末供給部、前記レーザ照射部、前記回転動作部及び前記直線移動動作部の動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部が、前記ザグリ溝の中心軸を鉛直方向に一致させるよう前記位置決め部の動作を制御し、前記ザグリ溝に金属粉末を供給させつつレーザビームを照射させるよう前記金属粉末供給部及び前記レーザ照射部の動作を制御し、前記レーザビームを照射中に前記ザグリ溝における前記燃焼室の中心側の部分では、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離が、隣接する前記ザグリ溝の間にある仕切壁が溶け落ちない第１の距離範囲になり、かつ、前記ザグリ溝における前記燃焼室の外周側の部分では、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離が、前記肉盛層における溶接後の界面が目標とする界面に対し所定の取代が確保される第２の距離範囲になるように、前記回転動作部及び前記角度調節部の動作を制御する。
このようにすることで、肉盛層における、溶接後の界面を理想とする界面にすることができる。これにより、肉盛層において、燃焼室壁側と仕切壁側のいずれにおいても、肉盛層の目標とする界面からの取代を、必要最低限な取代にすることができる。また、仕切壁の縁がレーザビームからの過剰な熱で溶け落ちてしまうといった、肉盛溶接に起因する品質不良を抑制することができる。
本発明によれば、肉盛層やその周辺に欠陥が生じるのを抑制することができる。
本実施の形態に係るレーザ肉盛溶接装置の全体構成を示す斜視図である。 図１の破線で囲まれた領域Ａを拡大した図である。 シリンダヘッドの粗形材を示す模式図である。 シリンダヘッドの粗形材における加工部位に肉盛層が形成された状態を示す模式図である。 レーザ肉盛溶接方法の流れについて説明するフローチャートである。 レーザ肉盛溶接方法によってザグリ溝に形成すべき、理想的な肉盛層について説明する模式図である。 比較例に係るレーザ肉盛溶接方法の問題点について説明する図である。 比較例に係るレーザ肉盛溶接方法の問題点について説明する図である。 比較例に係るレーザ肉盛溶接方法の問題点について説明する図である。 比較例に係るレーザ肉盛溶接方法の問題点について説明する図である。 本実施の形態に係るレーザ肉盛溶接装置によるレーザ肉盛溶接方法について説明する模式図である。 変形例１に係る移動部を示す模式図である。 変形例２に係る移動部及び位置決め部を示す模式図である。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
まず、図１を参照して本実施の形態に係るレーザ肉盛溶接装置１０の全体構成を説明する。
図１は、本実施の形態に係るレーザ肉盛溶接装置１０の全体構成を示す斜視図である。図１に示すように、レーザ肉盛溶接装置１０は、レーザ照射部１１と、金属粉末供給部１２と、位置決め部１５と、移動部１６と、制御部１９と、を備えている。
位置決め部１５は、シリンダヘッドの粗形材１の位置決めをする。シリンダヘッドの粗形材１は、位置決め部１５により、例えば、加工部位２の中心軸線が鉛直方向となるように傾斜した状態で保持される。また、図示しない、モータ等の駆動機構により、加工部位２の中心軸と後述するレーザトーチ１４の回転軸とを一致させることができる。
レーザ照射部１１はレーザビームを照射する。レーザ照射部１１は、レーザトーチ１４を有している。また、レーザ照射部１１は、図示しない、レーザビームを発生するレーザ発振器と、レーザ出力等を制御するレーザ制御部と、を有している。
金属粉末供給部１２は、加工部位２に対して金属粉末を供給する。金属粉末供給部１２は、レーザトーチ１４の先端部分に設けられレーザビームが通過すると共に金属粉末を吐出する同軸ノズル１２ａと、圧送ポンプ１２ｂと、同軸ノズル１２ａと圧送ポンプ１２ｂを結ぶホース１２ｃと、を有する。レーザ照射部１１のレーザ発振器と同軸ノズル１２ａとはレーザビームを集光する光学系を介して一体的に接続されている。圧送ポンプ１２ｂは、収容された金属粉末を計量し、所定量ずつキャリアガスの圧力によりレーザトーチ１４の同軸ノズル１２ａへ圧送供給する。
移動部１６は、回転動作部１７と、直線移動動作部１８と、を有している。図２は、図１の破線で囲まれた領域Ａを拡大した図である。図２に示すように、回転動作部１７は、レーザ照射部１１におけるレーザトーチ１４を回転させる。また、直線移動動作部１８は、レーザ照射部１１におけるレーザトーチ１４を直線移動させる。
再び図１を参照し、制御部１９は、レーザ照射部１１と、金属粉末供給部１２と、位置決め部１５と、回転動作部１７と、直線移動動作部１８と、の動作を制御する。まず、レーザ肉盛溶接開始前に、位置決め部１５は、制御部１９からの制御信号に基づいて、ザグリ溝３３の中心軸を鉛直方向に一致させる。また、位置決め部１５は、制御部１９からの制御信号に基づいて、ザグリ溝３３の中心軸とレーザトーチ１４の回転軸とを一致させる。レーザ肉盛溶接中には、金属粉末供給部１２は、制御部１９からの制御信号に基づいて、レーザトーチ１４ヘの金属粉末の供給量を調節する。レーザ照射部１１は、制御部１９からの制御信号に基づいて、レーザビームの出力を調節する。なお、制御部１９による、レーザ肉盛溶接中における回転動作部１７と直線移動動作部１８の動作制御の詳細については後述する。
次に、シリンダヘッドの粗形材１について説明する。
図３は、シリンダヘッドの粗形材１を示す模式図である。図３に示すように、シリンダヘッドの粗形材１には、半球状の燃焼室３１にポート穴３２が放射状に複数形成され、ポート穴３２の外周に沿うように円環状のザグリ溝３３が形成されている。ザグリ溝３３の一部が加工部位２である。
図４は、シリンダヘッドの粗形材１における加工部位２に肉盛層３４が形成された状態を示す模式図である。なお、図４は、図３のＩＶ－ＩＶ断面に対応する。加工部位２において、金属粉末を供給しつつレーザビームを照射して当該金属粉末を溶融させることでザグリ溝３３に肉盛層３４が形成される。
燃焼室３１において、隣接するザグリ溝３３の間は仕切壁３１ａで仕切られている。つまり、ザグリ溝３３における燃焼室３１の中心側には仕切壁３１ａが存在し、ザグリ溝における燃焼室の外周側には燃焼室壁３１ｂが存在する。以下の説明では、ザグリ溝３３における燃焼室３１の中心側を「仕切壁側」、ザグリ溝３３における燃焼室３１の外周側を「燃焼室壁側」と呼ぶ。
次に、レーザ肉盛溶接方法の流れについて説明する。
図５は、レーザ肉盛溶接方法の流れについて説明するフローチャートである。図５に示すように、シリンダヘッドの粗形材１において、ポート穴３２の外周に沿うように円環状のザグリ溝３３を形成する（ステップＳ１）。なお、ステップＳ１は、レーザ肉盛溶接装置１０にシリンダヘッドの粗形材１をセットする前に行う。続いて、レーザ肉盛溶接装置１０にシリンダヘッドの粗形材１をセットする（ステップＳ２）。続いて、ザグリ溝３３の中心軸を鉛直方向に一致させる（ステップＳ３）。続いて、ザグリ溝３３に金属粉末を供給しつつ、レーザビームを照射して、バルブシート用の肉盛層を形成する（ステップＳ４）。続いて、レーザ肉盛溶接装置１０からシリンダヘッドの粗形材１を取り外す（ステップＳ５）。
図６は、レーザ肉盛溶接方法によってザグリ溝３３に形成すべき、理想的な肉盛層について説明する模式図である。なお、図６は、図３のＩＶ－ＩＶ断面に対応する。図６に示すように、肉盛層３４における溶接後の界面は、目標とする界面Ｗ１０に対し所定の取代ｔ１が確保されるようにする必要がある。これは、ザグリ溝３３に肉盛層３４を形成した後、目標とする界面Ｗ１０になるように肉盛層３４の界面を仕上げ加工するからである。つまり、所定の取代ｔ１は、溶接後の界面に仕上げ加工を実施して目標とする界面Ｗ１０とするのに最低限必要な取代である。目標とする界面Ｗ１０に対する溶接後の界面の取代は、所定の取代ｔ１以上であればよいが、取代を必要以上に多く取ると材料コストが嵩んでしまう。よって、溶接後の界面の取代が所定の取代ｔ１となるようにするのが理想的である。なお、以下の説明では、目標とする界面Ｗ１０に対し、取代が所定の取代ｔ１になる溶接後の界面を“理想とする界面Ｗ１”と呼ぶ。
ここで、比較例に係るレーザ肉盛溶接方法の問題点について説明する。
図７から図１０は、比較例に係るレーザ肉盛溶接方法の問題点について説明する図である。図７に示すように、比較例に係るレーザ肉盛溶接方法では、ザグリ溝３３の中心軸とレーザトーチ１４の回転軸とを一致させる。そして、レーザトーチ１４を回転軸において回転させ、ザグリ溝３３に金属粉末を供給させつつレーザビームＬを照射させる。燃焼室壁側と仕切壁側で、回転軸から同軸ノズル１２ａの先端までの距離（回転半径）は同じＲ１にしている。
仕切壁側において、肉盛層３４における溶接後の界面を、肉盛層３４における理想とする界面に一致させたとする。ザグリ溝３３において、燃焼室壁側の方が、仕切壁側よりも熱容量が大きいため、燃焼室壁側の方が、仕切壁側よりもレーザビームＬを照射したときに温度が上昇し難い。よって、ザグリ溝３３において、燃焼室壁側の方が仕切壁側よりも金属粉末を溶融・凝固させるまでに時間がかかる。このため、燃焼室壁側において、肉盛層３４が凝固するまでの間に、肉盛層３４における溶接後の界面Ｗ２の頂点が、理想とする界面Ｗ１の頂点よりも、矢印Ｃ１で示す鉛直方向下方に移動してしまう。また、燃焼室壁側において、肉盛層３４の界面Ｗ２の裾野が、理想とする界面Ｗ１の裾野よりも、矢印Ｃ２で示す回転軸の方に移動してしまう。よって、肉盛層３４における燃焼室壁側の溶接後の界面Ｗ２では、目標とする界面に対し、所定の取代が確保できない。
図８に示すように、レーザトーチ１４の回転半径をＲ１よりも大きいＲ２にしたとする。このようにすると、燃焼室壁側において、肉盛層３４における、溶接後の界面を理想とする界面に一致させることができる。つまり、図７に示す、レーザトーチ１４の回転半径をＲ１にした場合よりも界面の頂点の位置を鉛直方向上方に移動させることができる。また、仕切壁側においては、図７に示す場合と同様に、肉盛層３４における、溶接後の界面を理想とする界面に一致させることができる。しかしながら、熱容量が燃焼室壁側よりも小さい仕切壁側では、レーザビームＬが仕切壁３１ａの縁３１ａＡの近くに照射されると、縁３１ａＡが高温になりすぎて、図９に示すように、仕切壁３１ａの縁３１ａＡが溶けてしまう。
また、図７に示す場合よりもザグリ溝３３に供給する金属粉の量を増やしたとする。このようにした場合、図１０に示すように、燃焼室壁側において、肉盛層３４における、溶接後の界面Ｗ３の頂点の位置を理想とする界面Ｗ１の位置に一致させることができる。しかしながら、図７に示す場合と同様に、燃焼室壁側において、肉盛層３４の界面Ｗ３の裾野は、理想とする界面Ｗ１の裾野よりも、矢印Ｃ２で示す回転軸の方に移動する。また、仕切壁側の肉盛層３４では、界面Ｗ４の頂点が理想とする界面Ｗ１の頂点よりも鉛直方向上方に移動し、界面Ｗ４の裾野が理想とする界面Ｗ１の裾野よりも回転軸の方に移動する。つまり、燃焼室壁側と仕切壁側のいずれの肉盛層３４の取代においても、所定の取代ｔ１を超えた余剰分（余剰取代ｔ２、ｔ３）が多くなる、いわゆる“肉盛り過剰な状態”となる。
次に、本実施の形態に係るレーザ肉盛溶接装置１０によるレーザ肉盛溶接方法について説明する。なお、以下の説明では、図１及び図２についても適宜参照する。
図１１は、本実施の形態に係るレーザ肉盛溶接装置１０によるレーザ肉盛溶接方法について説明する模式図である。図１１に示すように、ザグリ溝３３における燃焼室３１の中心側（仕切壁側）の部分を溶接する場合、レーザビームＬの照射軌跡Ｌ１のザグリ溝３３の中心軸からの距離Ｒａが、仕切壁３１ａが溶け落ちない第１の距離範囲になるようにする。また、ザグリ溝３３における燃焼室３１の外周側（燃焼室壁側）の部分を溶接する場合、レーザビームＬの照射軌跡Ｌ２のザグリ溝３３の中心軸からの距離Ｒｂが、肉盛層３４における溶接後の界面が目標とする界面に対し所定の取代が確保される第２の距離範囲になるようにする。制御部１９は、距離Ｒａが、仕切壁側の部分を溶接する場合は第１の距離範囲内（Ｒａ１≦Ｒａ≦Ｒａ２）、燃焼室壁側の部分を溶接する場合は第２の距離範囲内（Ｒｂ１≦Ｒｂ≦Ｒｂ２）になるよう、回転動作部１７及び直線移動動作部１８の動作を制御する。なお、距離Ｒｂが距離Ｒａよりも長くなる。
このようにすることで、肉盛層３４における、溶接後の界面を理想とする界面Ｗ１にすることができる。これにより、肉盛層３４において、燃焼室壁側と仕切壁側のいずれにおいても、肉盛層３４の目標とする界面からの取代を、必要最低限な取代にすることができる。また、仕切壁３１ａの縁がレーザビームからの過剰な熱で溶け落ちてしまうといった、肉盛溶接に起因する品質不良を抑制することができる。
なお、制御部１９は、回転動作部１７及び直線移動動作部１８の動作を制御して、仕切壁側の部分における照射軌跡Ｌ１と、燃焼室壁側の部分における照射軌跡Ｌ２と、の間のレーザビームＬの照射軌跡Ｌ３が直線状になるようにレーザトーチ１４を移動させる。このようにすることで、仕切壁側の部分における照射軌跡Ｌ１と、燃焼室壁側の部分における照射軌跡Ｌ２と、をスムーズにつなげることができる。
［変形例１］
図１２は、変形例１に係る移動部１１６を示す模式図である。図１２に示すように、変形例１に係る移動部１１６は、図２に示す移動部１６における直線移動動作部１８の代わりに、レーザトーチ１４の鉛直方向に対する角度θを調節する角度調節部１１８を有する。図１に示す制御部１９は、レーザビームを照射中に回転動作部１７及び角度調節部１１８の動作を制御する。そして、図１１を参照して説明したように、ザグリ溝３３における燃焼室３１の中心側（仕切壁側）の部分を溶接する場合、レーザビームＬを照射中に、レーザビームＬの照射軌跡Ｌ１のザグリ溝３３の中心軸からの距離Ｒａが、仕切壁３１ａが溶け落ちない第１の距離範囲になるようにする。また、ザグリ溝３３における燃焼室３１の外周側（燃焼室壁側）の部分を溶接する場合、レーザビームＬを照射中に、レーザビームＬの照射軌跡Ｌ２のザグリ溝３３の中心軸からの距離Ｒｂが、肉盛層３４における溶接後の界面が目標とする界面に対し所定の取代が確保される第２の距離範囲になるようにする。
つまり、制御部１９は、燃焼室壁側の部分を溶接する場合には仕切壁側の部分を溶接する場合と比べてレーザトーチ１４の鉛直方向に対する角度θが大きくなるように角度調節部１１８の動作を制御する。これにより、燃焼室壁側の部分を溶接する場合におけるレーザビームＬの照射軌跡のザグリ溝３３の中心軸からの距離が、仕切壁側の部分を溶接する場合におけるレーザビームの照射軌跡のザグリ溝３３の中心軸からの距離よりも長くすることができる。
［変形例２］
図１３は、変形例２に係る移動部２１６及び位置決め部２１５を示す模式図である。図１３に示すように、変形例２に係る移動部２１６は、図２に示す移動部１６における直線移動動作部１８を有さず、回転動作部１７のみを有する。つまり、レーザトーチ１４は、レーザビームＬを照射中に、燃焼室壁側の部分を溶接する場合にも仕切壁側の部分を溶接する場合にも設定した回転半径で回転する。位置決め部２１５は、レーザビームＬを照射中に、直線移動させることが可能なように構成されている。図１に示す制御部１９は、レーザビームを照射中に回転動作部１７及び位置決め部２１５の動作を制御する。そして、図１１を参照して説明したように、ザグリ溝３３における燃焼室３１の中心側（仕切壁側）の部分を溶接する場合、レーザビームＬを照射中に、レーザビームＬの照射軌跡Ｌ１のザグリ溝３３の中心軸からの距離Ｒａが、仕切壁３１ａが溶け落ちない第１の距離範囲になるようにする。また、ザグリ溝３３における燃焼室３１の外周側（燃焼室壁側）の部分を溶接する場合、レーザビームＬを照射中に、レーザビームＬの照射軌跡Ｌ２のザグリ溝３３の中心軸からの距離Ｒｂが、肉盛層３４における溶接後の界面が目標とする界面に対し所定の取代が確保される第２の距離範囲になるようにする。
つまり、レーザビームを照射中に、回転動作部１７によりレーザトーチ１４を設定した回転半径で回転させると共に、位置決め部２１５の直線移動量を制御する。これにより、燃焼室壁側の部分を溶接する場合におけるレーザビームＬの照射軌跡のザグリ溝３３の中心軸からの距離が、仕切壁側の部分を溶接する場合におけるレーザビームの照射軌跡のザグリ溝３３の中心軸からの距離よりも長くなるようにする。
以上により、本実施の形態に係るレーザ肉盛溶接装置では、ザグリ溝における燃焼室の中心側の部分を溶接する場合、レーザビームを照射中に、レーザビームの照射軌跡のザグリ溝の中心軸からの距離が、仕切壁が溶け落ちない第１の距離範囲になるようにする。また、ザグリ溝における燃焼室の外周側の部分を溶接する場合、レーザビームを照射中に、レーザビームの照射軌跡のザグリ溝の中心軸からの距離が、肉盛層における溶接後の界面が目標とする界面に対し所定の取代が確保される第２の距離範囲になるようにする。このようにすることで、肉盛層において、燃焼室壁側と仕切壁側のいずれにおいても、肉盛層の目標とする界面からの取代を、必要最低限な取代にすることができる。また、仕切壁の縁がレーザビームからの過剰な熱で溶け落ちてしまうといった、肉盛溶接に起因する品質不良を抑制することができる。
本実施の形態に係るレーザ肉盛溶接装置１０によるレーザ肉盛溶接方法は、燃焼室壁側の方が仕切壁側に対してレーザビームの照射軌跡のザグリ溝の中心軸からの距離が長くなるよう、回転軸からレーザトーチの先端までの距離をオフセットさせるだけでよい。また、肉盛溶接中に所々の制御パラメータを変化させる等の複雑な制御が不要であるため、比較的簡易なプログラムで対応が可能である。さらに、本実施の形態に係るレーザ肉盛溶接装置１０によるレーザ肉盛溶接方法は、特殊な設備を必要とすることもないため、設備コストの増加を招くこともない。
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。
２ 加工部位
１０ レーザ肉盛溶接装置
１１ レーザ照射部
１２ 金属粉末供給部
１２ａ 同軸ノズル
１２ｂ 圧送ポンプ
１２ｃ ホース
１４ レーザトーチ
１５、２１５ 位置決め部
１６ 移動部
１７ 回転動作部
１８ 直線移動動作部
１９ 制御部
３１ 燃焼室
３１ａ 仕切壁
３１ｂ 燃焼室壁
３２ ポート穴
３３ ザグリ溝
３４ 肉盛層
１１６、２１６ 移動部
１１８ 角度調節部

Claims (6)

  1. 半球状の燃焼室が形成され前記燃焼室にポート穴が放射状に複数形成されたシリンダヘッドの粗形材において、前記ポート穴の外周に沿うように円環状のザグリ溝を形成する第１の工程と、
    前記ザグリ溝の中心軸を鉛直方向に一致させ、前記ザグリ溝に金属粉末を供給しつつ、レーザビームを照射して、バルブシート用の肉盛層を形成する第２の工程と、を備え、
    前記第２の工程において、前記ザグリ溝における前記燃焼室の中心側の部分では、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離が、隣接する前記ザグリ溝の間にある仕切壁が溶け落ちない第１の距離範囲になり、かつ、前記ザグリ溝における前記燃焼室の外周側の部分では、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離が、前記肉盛層における溶接後の界面が目標とする界面に対し所定の取代が確保される第２の距離範囲になるように、前記レーザビームを照射するためのレーザトーチを移動させ、
    前記ザグリ溝における前記燃焼室の外周側の部分における、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離が、前記ザグリ溝における前記燃焼室の中心側の部分における、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離よりも長い、レーザ肉盛溶接方法。
  2. 前記ザグリ溝における前記燃焼室の中心側の部分における前記レーザビームの照射軌跡と、前記ザグリ溝における前記燃焼室の外周側の部分における前記レーザビームの照射軌跡と、の間の前記レーザビームの照射軌跡が直線状になるように前記レーザトーチを移動させる、請求項１に記載のレーザ肉盛溶接方法。
  3. 半球状の燃焼室が形成されかつ前記燃焼室にポート穴が放射状に複数形成されたシリンダヘッドの粗形材において、前記ポート穴の外周に沿うように円環状のザグリ溝を形成する第１の工程と、
    前記ザグリ溝の中心軸を鉛直方向に一致させ、前記ザグリ溝に金属粉末を供給しつつ、レーザビームを照射して、バルブシート用の肉盛層を形成する第２の工程と、を備え、
    前記第２の工程において、前記ザグリ溝における前記燃焼室の中心側の部分では、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離が、隣接する前記ザグリ溝の間にある仕切壁が溶け落ちない第１の距離範囲になり、かつ、前記ザグリ溝における前記燃焼室の外周側の部分では、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離が、前記肉盛層における溶接後の界面が目標とする界面に対し所定の取代が確保される第２の距離範囲になるように、前記粗形材を移動させ、
    前記ザグリ溝における前記燃焼室の外周側の部分における、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離が、前記ザグリ溝における前記燃焼室の中心側の部分における、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離よりも長い、レーザ肉盛溶接方法。
  4. 前記ザグリ溝における前記燃焼室の中心側の部分における前記レーザビームの照射軌跡と、前記ザグリ溝における前記燃焼室の外周側の部分における前記レーザビームの照射軌跡と、の間の前記レーザビームの照射軌跡が直線状になるように、前記粗形材を移動させる、請求項３に記載のレーザ肉盛溶接方法。
  5. 半球状の燃焼室にポート穴が放射状に複数形成され、前記ポート穴の外周に沿うように円環状のザグリ溝が形成されたシリンダヘッドの粗形材の位置決めをする位置決め部と、
    前記ザグリ溝に対して金属粉末を供給する金属粉末供給部と、
    レーザビームを照射して該金属粉末を溶融させることで前記ザグリ溝に肉盛層を形成するレーザ照射部と、
    前記レーザ照射部におけるレーザトーチを回転させる回転動作部と、
    前記レーザトーチを直線移動させる直線移動動作部と、
    前記位置決め部、前記金属粉末供給部、前記レーザ照射部、前記回転動作部及び前記直線移動動作部の動作を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部が、
    前記ザグリ溝の中心軸を鉛直方向に一致させるよう前記位置決め部の動作を制御し、
    前記ザグリ溝に金属粉末を供給させつつレーザビームを照射させるよう前記金属粉末供給部及び前記レーザ照射部の動作を制御し、
    前記レーザビームを照射中に前記ザグリ溝における前記燃焼室の中心側の部分では、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離が、隣接する前記ザグリ溝の間にある仕切壁が溶け落ちない第１の距離範囲になり、かつ、前記ザグリ溝における前記燃焼室の外周側の部分では、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離が、前記肉盛層における溶接後の界面が目標とする界面に対し所定の取代が確保される第２の距離範囲になるように、前記回転動作部及び前記直線移動動作部の動作を制御し、
    前記ザグリ溝における前記燃焼室の外周側の部分における、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離が、前記ザグリ溝における前記燃焼室の中心側の部分における、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離よりも長い、レーザ肉盛溶接装置。
  6. 半球状の燃焼室にポート穴が放射状に複数形成され、前記ポート穴の外周に沿うように円環状のザグリ溝が形成されたシリンダヘッドの粗形材の位置決めをする位置決め部と、
    前記ザグリ溝に対して金属粉末を供給する金属粉末供給部と、
    レーザビームを照射して該金属粉末を溶融させることで前記ザグリ溝に肉盛層を形成するレーザ照射部と、
    前記レーザ照射部におけるレーザトーチを回転させる回転動作部と、
    前記レーザトーチの鉛直方向に対する角度を調節する角度調節部と、
    前記位置決め部、前記金属粉末供給部、前記レーザ照射部、前記回転動作部及び前記角度調節部の動作を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部が、
    前記ザグリ溝の中心軸を鉛直方向に一致させるよう前記位置決め部の動作を制御し、
    前記ザグリ溝に金属粉末を供給させつつレーザビームを照射させるよう前記金属粉末供給部及び前記レーザ照射部の動作を制御し、
    前記レーザビームを照射中に前記ザグリ溝における前記燃焼室の中心側の部分では、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離が、隣接する前記ザグリ溝の間にある仕切壁が溶け落ちない第１の距離範囲になり、かつ、前記ザグリ溝における前記燃焼室の外周側の部分では、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離が、前記肉盛層における溶接後の界面が目標とする界面に対し所定の取代が確保される第２の距離範囲になるように、前記回転動作部及び前記角度調節部の動作を制御し、
    前記ザグリ溝における前記燃焼室の外周側の部分における、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離が、前記ザグリ溝における前記燃焼室の中心側の部分における、前記レーザビームの照射軌跡の前記ザグリ溝の中心軸からの距離よりも長い、レーザ肉盛溶接装置。
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