JPH05125557A - Coating method using laser beam - Google Patents

Coating method using laser beam

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JPH05125557A
JPH05125557A JP28502191A JP28502191A JPH05125557A JP H05125557 A JPH05125557 A JP H05125557A JP 28502191 A JP28502191 A JP 28502191A JP 28502191 A JP28502191 A JP 28502191A JP H05125557 A JPH05125557 A JP H05125557A
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JP
Japan
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coating
laser
coated
coating material
base material
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Application number
JP28502191A
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Japanese (ja)
Inventor
Takao Fujikawa
隆男 藤川
Yoshinori Narahashi
良典 楢橋
Yasuo Manabe
康夫 真鍋
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To coat a member by the laser build-up welding by irradiating a coating material with an introduced laser beam, scanning the coating surface and melting the coating material. CONSTITUTION:A powder or foil coating material C is arranged on the surface of a member W to be coated, and the member W is set in a vacuum chamber 1 under vacuum. The gap between a condensing optical system 3 (laser irradiation head) and the surface to be coated is evacuated by using a suction nozzle 4, a suction hose 9 and a vacuum pump 7, and the material C is irradiated with the laser beam introduced by an optical fiber 8 and the optical system 3. The surface to be coated is scanned by the laser beam to melt the material C, and the surface is coated. The surface can be build-up welded regardless of its size of area.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗性あるいは耐食
性を必要とする製品の母材表面に、セラミックや硬質の
金属等をレーザを用いてコーティングする方法に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for coating a base material surface of a product requiring abrasion resistance or corrosion resistance with a laser or a ceramic or a hard metal.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、各種機械の複雑化、使用環境の多
用化に応じて、種々の機能を有する材料との複合化が行
われるようになってきており、複合化の方法として、目
的に合った特性を有する材料を製品母材表面にコーティ
ングする方法が一般に用いられている。コーティング方
法のうち、コーティング材料を溶融して母材表面に溶接
肉盛りする方法では、コーティング材料と母材との冶金
学的結合が得られやすい。特に、レーザを用いた溶接あ
るいは溶接肉盛りでは、アーク溶接やエレクトロンビー
ム溶接法では溶接できない電気絶縁体、例えばセラミッ
クスでも溶接肉盛りできるという利点がある。
2. Description of the Related Art In recent years, in accordance with the complexity of various machines and the diversification of usage environment, compounding with materials having various functions has been carried out. A method of coating a material base material surface with a material having matching properties is generally used. Among the coating methods, the method of melting the coating material and depositing it on the surface of the base material by welding tends to obtain a metallurgical bond between the coating material and the base material. In particular, welding using laser or welding build-up has the advantage that welding build-up can also be performed on electrical insulators, such as ceramics, which cannot be welded by arc welding or electron beam welding.

【0003】従来のレーザ溶接を用いたコーティング方
法としては、図4に示す装置で、容易に高エネルギーを
発生し得る炭酸ガスレーザを用いるコーティング方法が
ある。図4に示すレーザ加工装置は、光学装置と、被加
工物を収容した真空チャンバとの組合せからなる。光学
装置20は、発振器11と、該発振器11から発振され
たレーザ光を集光する光学系(レーザ照射ヘッド)12
とで構成されている。集光されたレーザ光は13で示さ
れている。一方、真空チャンバ14内には載置台15が
配設されており、載置台15上に被コーティング部材た
る母材16が、コーティング面が上になるように載置さ
れ、母材16のコーティング面上にはコーティング材料
17がほぼ均一に散布されている。真空チャンバ14の
上面には、レーザ光13を導入するために、石英などの
ガラス材料でなる窓18が設けられている。
As a conventional coating method using laser welding, there is a coating method using a carbon dioxide laser which can easily generate high energy in the apparatus shown in FIG. The laser processing apparatus shown in FIG. 4 is composed of a combination of an optical device and a vacuum chamber accommodating a workpiece. The optical device 20 includes an oscillator 11 and an optical system (laser irradiation head) 12 that collects laser light oscillated from the oscillator 11.
It consists of and. The focused laser light is shown at 13. On the other hand, a mounting table 15 is disposed in the vacuum chamber 14, and a base material 16 as a member to be coated is mounted on the mounting table 15 with its coating surface facing upward. The coating material 17 is spread almost uniformly on the top. A window 18 made of a glass material such as quartz is provided on the upper surface of the vacuum chamber 14 for introducing the laser light 13.

【0004】以上のような構成を有するレーザ加工装置
において、窓18を通じて集光光学系12により集光さ
れたレーザ光13をコーティング材料17に照射する
と、コーティング材料17が溶融して母材16のコーテ
ィング面にコーティングされる。図4中、19は真空チ
ャンバ14を移動するxy移動機であり、広いコーティ
ング面をレーザ光13がスキャンする必要がある場合
に、真空チャンバ14を移動させることができる。
When the coating material 17 is irradiated with the laser light 13 condensed by the condensing optical system 12 through the window 18 in the laser processing apparatus having the above structure, the coating material 17 is melted and the base material 16 It is coated on the coating surface. In FIG. 4, 19 is an xy moving machine that moves the vacuum chamber 14, and can move the vacuum chamber 14 when the laser beam 13 needs to scan a wide coating surface.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかし、図4に示すよ
うな装置で、大きな、すなわちコーティングしようとす
る面積が広い被コーティング部材をコーティングする場
合、次のような問題がある。すなわち、発振器11から
発振されるレーザ光13をガラス窓18を通じて真空チ
ャンバ14内に導く場合、ガラス窓18の面積をコーテ
ィング面積とほぼ同じにする必要があるが、ガラスの強
度の観点から窓18を大きくすることには制限がある。
例えば、強度及びレーザビームの透過性の観点から窓ガ
ラスの材質として最も適している石英ガラスを用いた場
合、30cm×30cm程度の窓であっても厚み30m
m以上にしなければならないが、このような厚みでは、
光学系の焦点距離から限界にある。また、被コーティン
グ部材16を真空チャンバ14内に収容したまま移動さ
せるので、被コーティング部材16の大きさに応じてチ
ャンバ14を大きくしなければならないが、コーティン
グ面積が大きくなると、チャンバ14の大きさや重量が
大きくなり現実的でない。
However, when a large member, that is, a large area to be coated, is coated with the apparatus shown in FIG. 4, there are the following problems. That is, when the laser light 13 oscillated from the oscillator 11 is guided into the vacuum chamber 14 through the glass window 18, the area of the glass window 18 needs to be almost the same as the coating area, but from the viewpoint of the strength of the glass, the window 18 is required. There is a limit to how large.
For example, when quartz glass, which is the most suitable material for the window glass from the viewpoint of strength and laser beam transparency, is used, even if the window is about 30 cm × 30 cm, the thickness is 30 m.
It must be more than m, but with such a thickness,
There is a limit from the focal length of the optical system. Further, since the member 16 to be coated is moved while being housed in the vacuum chamber 14, the chamber 14 must be made larger according to the size of the member 16 to be coated. It becomes heavy and unrealistic.

【0006】真空チャンバ14を移動させる代わりに、
光学装置10を移動させて、スキャンすることも考えら
れるが、被コーティング部材16が30cm×30cm
程度の大きさを超えると、光学装置10をスキャンする
機構が大がかりとなり工業的でない。また、真空チャン
バ14を移動させる代わりに、真空チャンバ14内に配
設された載置台15を可動テーブルとして、この可動テ
ーブルに被コーティング部材16を取り付け、移動させ
ることも考えられる。しかし、この場合においても、コ
ーティング面積に伴って被コーティング部材16の移動
距離が長くなり、真空チャンバ14の大きさを移動距離
の2倍にする必要があることから、真空チャンバが大き
くなること、真空チャンバが大きくなるに従い大容量の
真空排気系が必要となることなどの問題がある。
Instead of moving the vacuum chamber 14,
It is considered that the optical device 10 is moved to perform scanning, but the member 16 to be coated has a size of 30 cm × 30 cm.
If the size exceeds a certain level, the mechanism for scanning the optical device 10 becomes large-scale and not industrial. Further, instead of moving the vacuum chamber 14, it is conceivable that the mounting table 15 provided in the vacuum chamber 14 is used as a movable table and the member 16 to be coated is attached to the movable table and moved. However, even in this case, the moving distance of the member 16 to be coated increases with the coating area, and the size of the vacuum chamber 14 needs to be twice the moving distance. There is a problem that a large-capacity vacuum exhaust system is required as the vacuum chamber becomes larger.

【0007】さらに、レーザ溶接肉盛りは大気中で行う
こともできるが、大気中で行うと、空気が巻き込まれた
り、被コーティング部材から発生する吸着ガスにより、
コーティング層にブローホールのような気孔状の欠陥が
生じやすい。真空下で行えば、空気の巻き込みは勿論、
吸着ガスの除去も容易となるので、気孔状の欠陥が少な
くて済み、たとえ気孔状の欠陥が若干生じても、欠陥の
大部分は表面に連通していない所謂閉気孔であるから、
そのまま使用する場合には問題なく、コーティングされ
た面を切削又は研削などで仕上げ加工したことにより気
孔が表面に現れたときに問題となる程度である。従っ
て、レーザを用いてコーティングする場合、真空下で行
うことが望ましいが、図4に示す装置において、レーザ
光13が窓18を通じて長時間被コーティング部材を照
射することにより、窓18の温度が上昇する。よって、
照射時間が長くなる場合には、窓18を冷却する必要が
ある。また、被コーティング部材の溶融部から発生する
飛散粒子により窓18のガラスが汚れるという問題もあ
る。
Further, the laser welding build-up can be carried out in the atmosphere, but if it is carried out in the atmosphere, air is entrained or adsorbed gas generated from the member to be coated causes
Pore-like defects such as blowholes are likely to occur in the coating layer. If it is done under vacuum, of course, air entrapment,
Since it is easy to remove the adsorbed gas, the number of pore-like defects may be small, and even if some pore-like defects occur, most of the defects are so-called closed pores that do not communicate with the surface.
There is no problem when used as it is, and there is no problem when pores appear on the surface by finishing the coated surface by cutting or grinding. Therefore, when coating with a laser, it is desirable to perform the coating in a vacuum, but in the apparatus shown in FIG. 4, the temperature of the window 18 rises because the laser light 13 irradiates the object to be coated through the window 18 for a long time. To do. Therefore,
When the irradiation time becomes long, it is necessary to cool the window 18. Further, there is also a problem that the glass of the window 18 is soiled by the scattered particles generated from the melting portion of the member to be coated.

【0008】本発明は、このような事情を鑑みてなされ
たものであり、第1の目的とするところは、コーティン
グ面積の大きさに拘らず、気孔状欠陥の少ない美麗なコ
ーティング層が得られるコーティング方法を提供するこ
とにある。また、第2の目的とするところは、気孔状欠
陥がなく、かつ極めて緻密なコーティング層が得られる
コーティング方法を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances. A first object of the present invention is to obtain a beautiful coating layer with few pore defects regardless of the size of the coating area. It is to provide a coating method. A second object is to provide a coating method which is free from pore defects and can obtain an extremely dense coating layer.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明のレーザを用いた
コーティング方法は、コーティング面上に粉末状又は箔
状のコーティング材料を配置した被コーティング部材を
真空下にセットし、真空下にある集光光学系とコーティ
ング面との間を真空排気しつつ、光ファイバ及び前記集
光光学系により導入したレーザ光を前記コーティング材
料に照射し、かつ前記レーザ光を前記コーティング面上
でスキャンして、前記コーティング材料を溶融せしめつ
つ、前記コーティング面にコーティングする。
According to a coating method using a laser of the present invention, a member to be coated having a powdery or foil-shaped coating material disposed on a coating surface is set under vacuum, and the member under vacuum is collected. While evacuating between the optical optical system and the coating surface, irradiating the coating material with laser light introduced by an optical fiber and the condensing optical system, and scanning the laser light on the coating surface, The coating surface is coated while melting the coating material.

【0010】[0010]

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図1は本発明のコーティング方法を実施するため
のレーザ加工装置の一実施例であり、図2は図1のコー
ティング部付近の拡大図である。図1において、1は内
部に所定真空度に真空引きされる空間を有し、側壁に透
明なガラス窓1aが設けられた真空チャンバである。こ
の真空チャンバ1内に、被コーティング部材たる母材W
を固定支持するための固定台2、後述する集光光学系、
すなわちレーザ照射ヘッド3及び吸引ノズル4を母材W
に対して位置決めし、移動させるための3軸スライダ装
置5が配置されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an embodiment of a laser processing apparatus for carrying out the coating method of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of the coating portion of FIG. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a vacuum chamber having a space inside which is evacuated to a predetermined degree of vacuum and having a transparent glass window 1a on its side wall. In the vacuum chamber 1, a base material W which is a member to be coated is provided.
A fixed base 2 for fixedly supporting the
That is, the laser irradiation head 3 and the suction nozzle 4 are connected to the base material W.
A triaxial slider device 5 for positioning and moving is arranged.

【0011】3軸スライダ装置5は、図に示すように、
真空チャンバ1の底面に設置されたレール5a上を図に
おける紙面垂直方向に移動される前後移動スライダ5
b、前後移動スライダ5b上に垂設された支持軸に沿っ
て図における上下方向に移動される上下移動スライダ5
c、この上下移動スライダ5cに取り付けられ、図にお
ける左右方向に移送される左右移動スライダ5d、及
び、真空チャンバ1の外部に配置され、上記各スライダ
5b、5c、5dを駆動制御するための図示しない制御
操作装置とにより構成されている。後述する、レーザ照
射ヘッド3及び加工時における母材Wの溶融部から発生
する飛散粒子を吸引するための吸引ノズル4は、図に示
すように、左右移動スライダ5dの先端部に取り付けら
れている。
The triaxial slider device 5, as shown in FIG.
A front-rear moving slider 5 that is moved on a rail 5a installed on the bottom of the vacuum chamber 1 in a direction perpendicular to the plane of the drawing.
b, a vertical movement slider 5 which is moved in the vertical direction in the drawing along a support shaft vertically provided on the longitudinal movement slider 5b.
c, a horizontal movement slider 5d attached to the vertical movement slider 5c and moved in the left-right direction in the figure, and arranged outside the vacuum chamber 1 for driving and controlling the sliders 5b, 5c, 5d. The control operation device does not. A laser irradiation head 3 and a suction nozzle 4 for sucking scattered particles generated from a molten portion of the base material W at the time of processing, which will be described later, are attached to the tip portion of the left and right moving slider 5d as shown in the figure. ..

【0012】真空チャンバ1の外部には、YAGレーザ
光を発振させるYAGレーザ発振器6と、真空ポンプ7
とが配置されている。そして、真空チャンバ1内の上記
レーザ照射ヘッド3にYAGレーザ発振器6から出射さ
れたYAGレーザ光が石英系の光ファイバ8によって導
かれ、真空チャンバ1内の上記吸引ノズル4は吸引ホー
ス9を介して真空ポンプ7に接続されるようになってい
る。
Outside the vacuum chamber 1, a YAG laser oscillator 6 for oscillating YAG laser light and a vacuum pump 7 are provided.
And are arranged. Then, the YAG laser light emitted from the YAG laser oscillator 6 is guided to the laser irradiation head 3 in the vacuum chamber 1 by the silica optical fiber 8, and the suction nozzle 4 in the vacuum chamber 1 passes through the suction hose 9. And is connected to the vacuum pump 7.

【0013】上記のレーザ照射ヘッド3は、図2に示す
ように、下側が開口した有底筒状のヘッド本体3aとこ
の内部に取り付けられた集束レンズ(集光レンズ)3b
とにより構成されており、ヘッド本体3aの上面には光
ファイバ8の出力端部が接続されるとともに、図示しな
い取り付けブラケットによって上記の左右移動スライダ
5dの先端部に取り付けられるようになっている。
As shown in FIG. 2, the laser irradiation head 3 has a bottomed cylindrical head body 3a having an opening on the lower side and a focusing lens (condensing lens) 3b mounted inside the head body 3a.
The output end of the optical fiber 8 is connected to the upper surface of the head main body 3a, and is attached to the tip of the left and right moving slider 5d by a mounting bracket (not shown).

【0014】このレーザ照射ヘッド3のヘッド本体3a
には、図2に示すように、吸引ホース9が接続された吸
引管が側面に設けられ、上端から内方に突出した上端周
縁部を有する筒状の外筒体4aと、外筒体4aの内側に
設けられ、その上端が外筒体4aの上端周縁部に接合さ
れ先端側に行くに従って径縮小する筒状の内筒体4bと
により構成された吸引ノズル4が取り付けられている。
The head body 3a of the laser irradiation head 3
2, a suction tube to which a suction hose 9 is connected is provided on the side surface, and a cylindrical outer cylinder 4a having an upper end peripheral portion protruding inward from the upper end, and an outer cylinder 4a. A suction nozzle 4 having an inner cylindrical body 4b, which is provided on the inner side of the inner cylindrical body 4b and whose upper end is joined to the upper end peripheral portion of the outer cylindrical body 4a and whose diameter is reduced toward the distal end side, is attached.

【0015】次に、以上のような構成を有するレーザ加
工装置を用いてコーティングする方法を説明する。本発
明の方法を利用できる被コーティング部材、すなわち母
材Wとしては、例えば、鋼、アルミニウム、銅、チタ
ン、モリブデンなどの高融点金属又はアルミナ等のセラ
ミックスが挙げられる。
Next, a method of coating using the laser processing apparatus having the above structure will be described. The member to be coated, that is, the base material W, which can utilize the method of the present invention includes, for example, refractory metals such as steel, aluminum, copper, titanium and molybdenum, or ceramics such as alumina.

【0016】上記母材Wのコーティングしようとする面
上にコーティング材料Cを配置する。コーティング材料
Cとしては、粉末又は厚さ約200〜300μm程度の
箔が用いられる。コーティング材料Cの材質は、母材W
に付与しようとする特性により適宜選択される。例え
ば、耐熱性又は耐食性を付与したい場合には、セラミッ
クスが用いられる。この他、ステライト、超硬合金、T
iC−Niなどのハードフェイシングに用いられる合金
や金属;アルミナ等のセラミックス;又はセラミックス
を分散させた金属類もコーティング材料として用いられ
る。
The coating material C is placed on the surface of the base material W to be coated. As the coating material C, powder or foil having a thickness of about 200 to 300 μm is used. The material of the coating material C is the base material W
It is appropriately selected depending on the characteristics to be imparted to. For example, ceramics are used when heat resistance or corrosion resistance is desired. In addition, stellite, cemented carbide, T
Alloys and metals used for hard facing such as iC-Ni; ceramics such as alumina; and metals in which ceramics are dispersed are also used as the coating material.

【0017】コーティング材料Cを母材Wのコーティン
グ面上に配置する方法としては、単にコーティング材料
Cをコーティング面上に散布してもよいが、有機系の粘
着剤で母材Wに仮止めすることが好ましい。仮止めの方
法としては、例えば、コーティング材料を粘着剤と混合
してペースト状としたものを被覆面に塗布したり、予め
被覆面に粘着剤を塗布した後、コーティング材料をスプ
レーで吹きつけたりする方法が挙げられる。
As a method for disposing the coating material C on the coating surface of the base material W, the coating material C may be simply sprinkled on the coating surface, but it is temporarily fixed to the base material W with an organic adhesive. Preferably. As a temporary fixing method, for example, a coating material mixed with an adhesive to form a paste is applied to the coated surface, or the adhesive is applied to the coated surface in advance and then the coating material is sprayed. There is a method.

【0018】上記コーティング材料Cを配置した母材W
を図1に示すレーザ加工装置の真空チャンバ1内の固定
台2上に載置する。そして、真空チャンバ1内を図示し
ない真空ポンプで真空引きをする。真空チャンバ1内が
所定の真空度に達したら、YAGレーザ発振器6から出
射されたYAGレーザ光LBを光ファイバ8によってレ
ーザ照射ヘッド3に導き、母材W上のコーティング材料
Cに照射する。コーティング面積が大きい場合には、コ
ーティング面上、レーザ照射ヘッド3を3軸スライダ装
置5に保持してスキャンする。図1及び図2中、コーテ
ィング材料Cが溶融して母材W上に肉盛りされたコーテ
ィング層はC’で示されている。なお、レーザ照射及び
スキャンを行っている間、コーティング面とレーザ照射
ヘッド3間は、ずっと真空排気されている。
Base material W on which the coating material C is arranged
Is placed on the fixed base 2 in the vacuum chamber 1 of the laser processing apparatus shown in FIG. Then, the inside of the vacuum chamber 1 is evacuated by a vacuum pump (not shown). When the inside of the vacuum chamber 1 reaches a predetermined degree of vacuum, the YAG laser light LB emitted from the YAG laser oscillator 6 is guided to the laser irradiation head 3 by the optical fiber 8 and is applied to the coating material C on the base material W. When the coating area is large, the laser irradiation head 3 is held on the triaxial slider device 5 on the coating surface for scanning. In FIG. 1 and FIG. 2, the coating layer C and the coating material C melted and piled up on the base material W are shown by C '. During the laser irradiation and scanning, the coating surface and the laser irradiation head 3 are evacuated all the time.

【0019】上記コーティング方法におけるレーザ照射
の条件、即ちレーザ光の焦点位置、照射パワー、スキャ
ンの速度、スキャン間隔などは、コーティングの目的、
コーティング材料の種類等に応じて適宜選択される。例
えば、レーザ光としてYAGレーザを用いる場合、レー
ザ光の焦点位置は母材の表面から±1mm、照射パワー
100〜500W、このパワーに対応したスキャン速度
1〜20mm/秒、スキャン間隔0.5〜1.5mmが
標準的条件である。
The conditions of laser irradiation in the above coating method, that is, the focal position of laser light, irradiation power, scanning speed, scanning interval, etc.
It is appropriately selected depending on the type of coating material. For example, when a YAG laser is used as the laser light, the focus position of the laser light is ± 1 mm from the surface of the base material, the irradiation power is 100 to 500 W, the scan speed corresponding to this power is 1 to 20 mm / sec, and the scan interval is 0.5 to 1.5 mm is the standard condition.

【0020】以上のように、本発明のコーティング方法
では、従来のようにガラス窓を介してレーザ照射しない
ので、コーティング面積の大きさに応じたガラス窓を用
意する必要がない。従って、コーティング面積の大きさ
に応じてレーザ照射ヘッドをスキャンすることに伴う従
来のような問題が生じないので、コーティング面積の大
きさに拘らず、レーザを用いた溶接肉盛りが可能とな
る。
As described above, in the coating method of the present invention, since laser irradiation is not performed through the glass window as in the conventional case, it is not necessary to prepare a glass window according to the size of the coating area. Therefore, since the conventional problem associated with scanning the laser irradiation head according to the size of the coating area does not occur, welding overlay using a laser is possible regardless of the size of the coating area.

【0021】また、本発明のコーティング方法は、レー
ザ光LBの照射中、コーティング面とレーザ照射ヘッド
間を真空排気し続けているので、レーザ照射による加熱
で、母材Wの溶融部から飛散粒子Mが発生したり、仮止
めのために用いた粘着剤に含まれる有機物質からガス状
物質やミストが発生しても、これらは吸引ノズル4によ
り真空系外に排気される。よって、発生した飛散粒子M
やミスト等により、レーザ照射ヘッド3の内部に設けら
れたレンズ3bなどが汚染されることがないので、レー
ザ光を連続照射できる。
Further, in the coating method of the present invention, since the coating surface and the laser irradiation head are continuously evacuated during the irradiation of the laser beam LB, the particles scattered from the molten portion of the base material W are heated by the laser irradiation. Even if M is generated or a gaseous substance or mist is generated from the organic substance contained in the adhesive used for temporary fixing, these are exhausted to the outside of the vacuum system by the suction nozzle 4. Therefore, the scattered particles M generated
Since the lens 3b and the like provided inside the laser irradiation head 3 are not contaminated by the mist or the like, the laser light can be continuously irradiated.

【0022】なお、図1の装置で用いた母材は板状であ
ったが、本発明のコーティング方法は円柱部材もコーテ
ィングできる。円柱形の母材にコーティングする場合、
図3に示すように、コーティング材料Cを巻き付けた母
材Wを回転式の治具(図示せず)に取り付け固定し、母
材Wを回転しながら、レーザ照射ヘッド3を母材Wの軸
方向にスキャンする。図3中、10はレーザ光LBがス
キャンした跡を示している。なお、円柱形の母材Wを用
いる場合には、コーティング材料Cを粘着剤等でコーテ
ィング面に仮止め固定することが好ましい。
Although the base material used in the apparatus of FIG. 1 was plate-shaped, the coating method of the present invention can also be used to coat columnar members. When coating on a cylindrical base material,
As shown in FIG. 3, the base material W wound with the coating material C is attached and fixed to a rotary jig (not shown), and the base material W is rotated while the laser irradiation head 3 is mounted on the axis of the base material W. Scan in the direction. In FIG. 3, reference numeral 10 indicates a trace of the laser beam LB scanned. When the cylindrical base material W is used, it is preferable to temporarily fix the coating material C to the coating surface with an adhesive or the like.

【0023】このようにしてコーティング層C’が形成
された母材(以下、コーティング部材という)は、大気
中でレーザ溶接肉盛りあるいは他の方法で溶接肉盛りし
て得られるコーティング部材と比較して、ブローホール
などの気孔状の欠陥が少ない。しかしながら、上記方法
により、気孔状欠陥の少ないコーティング部材が得られ
ても、コーティング面を切削あるいは研削などで仕上げ
加工を施すことにより、わずかに含まれていた気孔状の
欠陥が表面に出て、使用に耐えない場合もある。かかる
場合には、得られたコーティング部材に、HIP処理を
施すことが好ましい。すなわち、得られたコーティング
部材を、HIP装置に入れ、高圧のアルゴン等の不活性
ガス雰囲気下で母材又はコーティング材料の再結晶温度
以上の高温に所定時間曝すことにより、コーティング直
後に残っていた欠陥を除去できる。なお、コーティング
層において気孔状の欠陥が表面に連通しているコーティ
ング部材では、ガス圧力によっても欠陥を圧潰除去でき
ないので、このような欠陥は溶接肉盛り時に減らしてお
くことが好ましい。
The base material (hereinafter referred to as a coating member) on which the coating layer C'is formed in this manner is compared with a coating member obtained by laser welding deposition or welding deposition by another method in the atmosphere. In addition, there are few pore-like defects such as blowholes. However, by the above method, even if a coating member with few pore-like defects is obtained, by slightly finishing the coating surface by cutting or grinding, the slightly contained pore-like defects appear on the surface, It may not be usable. In such a case, it is preferable to apply HIP treatment to the obtained coated member. That is, the obtained coating member was placed in a HIP device and exposed to a high temperature equal to or higher than the recrystallization temperature of the base material or the coating material for a predetermined time in an atmosphere of an inert gas such as high-pressure argon, so that the coating member remained immediately after coating. Defects can be removed. It should be noted that, in a coating member in which pore-like defects are connected to the surface in the coating layer, the defects cannot be crushed and removed even by the gas pressure. Therefore, it is preferable to reduce such defects during welding build-up.

【0024】なお、コーティング後HIP処理を行う場
合において、コーティング材料として孔状欠陥のない厚
さが10μm以上の金属箔を用いる場合、コーティング
材料たる金属箔が必ずしも全コーティング面にて溶接さ
れていなくてもよい。例えば、箔の外周面のみが溶接さ
れ、母材と箔との間は真空かつ外部から気密に保持され
ていれば、HIP処理工程にて最終的には全コーティン
グ面で接合される。従って、全コーティング面を溶接に
より生成された組織で形成する必要がある場合以外は、
外周面のみを溶接したコーティング部材をHIP処理し
てもよい。
In the case where HIP treatment is performed after coating, when a metal foil having a thickness of 10 μm or more and having no pore defects is used as the coating material, the metal foil as the coating material is not necessarily welded on the entire coating surface. May be. For example, if only the outer peripheral surface of the foil is welded and the base material and the foil are kept vacuum and airtight from the outside, they are finally joined on the entire coating surface in the HIP processing step. Therefore, unless it is necessary to form the entire coated surface with the texture produced by welding,
You may HIP the coating member which welded only the outer peripheral surface.

【0025】〔具体的実施例〕 実施例1;母材として100mm×200mm×15m
mのSS鋼板を用い、コーティング材料としてWC−1
0%Coの超硬合金粉末を用いた。母材の片面を研削加
工し、その面上にコーティング材料を厚さ0.5〜1.
0mmに散布して、これを図1に示すYAGレーザ加工
装置内にセットした。真空チャンバ内を約0.01To
rrにまで排気した後、レーザ照射ヘッドの下に取り付
けられた吸引ノズルからさらに真空引きを行いつつ、約
200WのYAGパルスレーザを2mm/秒、スキャン
間隔1mmで80×180mmの面積をスキャンした。
得られたコーティング部材を切断し、断面を研削、研磨
して気孔状の欠陥の有無を調べたところ、5μm以下の
微細な穴が散見される程度であり、この種の溶接肉盛り
としては良好であった。
[Specific Example] Example 1; 100 mm × 200 mm × 15 m as a base material
m SS steel plate, WC-1 as coating material
Cemented carbide powder of 0% Co was used. One side of the base material is ground, and a coating material having a thickness of 0.5 to 1.
It was sprayed to 0 mm and set in the YAG laser processing apparatus shown in FIG. About 0.01 To in the vacuum chamber
After evacuating to rr, a YAG pulse laser of about 200 W was scanned at 2 mm / sec and a scan interval of 1 mm to scan an area of 80 × 180 mm while further evacuating from a suction nozzle attached below the laser irradiation head.
The obtained coating member was cut, and its cross section was ground and polished to examine the presence or absence of pore-like defects, and it was found that minute holes of 5 μm or less were scattered, which is good as a weld overlay of this kind. Met.

【0026】実施例2;母材として60×60×2.5
mmのモリブデン板を用い、コーティング材料として純
度99.9%のアルミナ粉末(平均粒径0.5μm)を
用いた。コーティング材料は、メチルセルロースをイソ
プロパノールに溶解してなる粘着剤中に分散させてか
ら、母材の片面に刷毛塗りにより配置した。塗布した粘
着剤混合コーティング材料を乾燥させた後、これを図1
に示すYAGレーザ加工装置内にセットし、実施例1と
同様にしてコーティング処理を施した。
Example 2; 60 × 60 × 2.5 as a base material
A mm2 molybdenum plate was used, and alumina powder (average particle size: 0.5 μm) having a purity of 99.9% was used as a coating material. The coating material was dispersed in a pressure-sensitive adhesive prepared by dissolving methyl cellulose in isopropanol, and then placed on one surface of the base material by brushing. After drying the applied adhesive mixture coating material,
It was set in the YAG laser processing apparatus shown in (1) and coated in the same manner as in Example 1.

【0027】モリブデンの膨張係数がアルミナのそれと
余り差がないこともあって、得られたコーティング部材
は、大きなソリもなかった。また、コーティング層の気
孔状態について断面観察したところ、10μm以下の僅
かな気孔が存在していたが、全体として非常に美麗であ
った。
Since the coefficient of expansion of molybdenum was not so different from that of alumina, the coating member obtained did not have a large warp. In addition, cross-sectional observation of the pore state of the coating layer revealed that there were slight pores of 10 μm or less, but it was very beautiful as a whole.

【0028】実施例3;母材として、切削加工により表
面粗さRmax1.8μm以下に仕上げた外径20mm
のS45C鋼棒を用いた。コーティング材料として、幅
15mm、厚さ30μmのアモルファス軟磁性材箔26
05−S2(アライド・コーポレーション製)を用い
た。脱脂処理した母材のコーティング面に、シアノアク
リレート系粘着剤(商品名;アロンアルファ)にて、コ
ーティング材料たるアモルファス軟磁性材箔を仮止めし
た。箔を仮止めした母材を、回転式の治具に取り付け固
定して、図1のレーザ加工装置にセットした。真空チャ
ンバ内を真空排気した後、図3に示すように母材を回転
させながら、レーザ照射ヘッドの下に取り付けられた吸
引ノズルからさらに真空引きを行いつつ、レーザ光を照
射した。レーザ照射条件は、幅約10mmの円筒面でス
キャン間隔1mmで12周のスキャンを行った。得られ
たコーティング部材のコーティング部分をX回折により
観察したところ、アモルファス相が保持されていた。
Example 3 As a base material, an outer diameter of 20 mm finished by cutting to a surface roughness Rmax of 1.8 μm or less
The S45C steel rod of was used. Amorphous soft magnetic material foil 26 having a width of 15 mm and a thickness of 30 μm as a coating material
05-S2 (manufactured by Allied Corporation) was used. An amorphous soft magnetic material foil as a coating material was temporarily fixed to the coating surface of the degreased base material with a cyanoacrylate-based adhesive (trade name: Aron Alpha). The base material on which the foil was temporarily fixed was attached and fixed to a rotary jig and set in the laser processing apparatus of FIG. After the inside of the vacuum chamber was evacuated, laser light was emitted while rotating the base material as shown in FIG. 3 and further vacuuming from the suction nozzle attached below the laser irradiation head. The laser irradiation conditions were such that a cylindrical surface having a width of about 10 mm was scanned for 12 rounds at a scan interval of 1 mm. When the coating portion of the obtained coating member was observed by X-ray diffraction, an amorphous phase was retained.

【0029】実施例4;実施例1で得られたコーティン
グ部材をHIP装置にセットし、1100℃、1000
kgf/cm2 で1時間のHIP処理を行った。処理後
のコーティング部材を断面観察したところ、HIP処理
前に散見された気孔状欠陥はほぼ100%消失して、緻
密なコーティング層が得られていることが確認できた。
Example 4; The coating member obtained in Example 1 was set in a HIP device, and the temperature was set to 1100 ° C. and 1000
HIP treatment was performed for 1 hour at kgf / cm 2 . When the cross-section of the coated member after the treatment was observed, it was confirmed that the pore-like defects scattered before the HIP treatment disappeared by almost 100% and a dense coating layer was obtained.

【0030】実施例5;実施例2で得られたコーティン
グ部材(コーティング層の厚さ約0.2mm)を、HI
P装置にセットし、1350℃、1000kgf/cm
2 で1時間のHIP処理を行った。処理後のコーティン
グ部材を切断し、切断面を研磨して光学顕微鏡にて、切
断面の気孔状況を観察した。表面から約20μm内部の
ところでは気孔が残存していたが、HIP処理前にコー
ティング層内部に散見された気孔状欠陥はほぼ100%
消失して、緻密なコーティング層が得られていることが
確認できた。
Example 5: The coating member obtained in Example 2 (having a coating layer thickness of about 0.2 mm) was treated with HI.
Set on P device, 1350 ℃, 1000kgf / cm
HIP treatment was performed at 2 for 1 hour. The coated member after the treatment was cut, the cut surface was polished, and the state of the pores of the cut surface was observed with an optical microscope. Porosity remained within about 20 μm from the surface, but the porosity-like defects scattered inside the coating layer before HIP treatment were almost 100%.
It was confirmed that it disappeared and a dense coating layer was obtained.

【0031】実施例6;実施例3で得られたコーティン
グ部材(コーティング層の厚さ約0.2mm)を、HI
P装置にセットし、550℃、2200kgf/cm2
で20分のHIP処理を行った。処理後のコーティング
部材について、肉眼では顕著な変化は認められなかっ
た。硬度に関してもHIP処理前後で顕著な変化は認め
られなかったが、S45C熱処理材の機械的特性がほぼ
保持されていた。
Example 6; The coating member obtained in Example 3 (having a coating layer thickness of about 0.2 mm) was treated with HI.
Set on P device, 550 ℃, 2200kgf / cm 2
Then, HIP treatment was performed for 20 minutes. With respect to the coated member after the treatment, no remarkable change was visually observed. The hardness was not significantly changed before and after the HIP treatment, but the mechanical properties of the S45C heat-treated material were almost maintained.

【0032】次に、このコーティング部材10個につい
て衝撃試験を行った。衝撃によりコーティング層が剥が
れたコーティング部材は1個だけであった。なお、HI
P処理を行わなかったコーティング部材について、上記
と同様の条件で衝撃試験を行ったところ、10個中、6
個のコーティング層が剥がれた。また、HIP処理条件
を通常の鉄系材料の条件(1100℃、1000kgf
/cm2 で1時間)に代えて処理したコーティング部材
では、10個中、8個のコーティング層が剥がれた。ま
た、通常のHIP条件で処理したコーティング部材をX
線回折で観察したところ、アモルファス層はほとんど保
持されておらず、一部Fe3 Cが認められた上に、母材
であるS45Cの延び特性も著しく低下していた。
Next, an impact test was conducted on the ten coated members. Only one coating member had the coating layer peeled off by impact. HI
An impact test was conducted on the coated member not subjected to the P treatment under the same conditions as above.
The individual coating layers were peeled off. In addition, the HIP treatment conditions are the same as those of ordinary iron-based materials (1100 ° C., 1000 kgf
/ Cm 2 for 1 hour), the coating member treated instead of 8 peeled the coating layer out of 10. In addition, the coating member treated under normal HIP conditions is
As a result of line diffraction observation, the amorphous layer was hardly retained, Fe 3 C was partially detected, and the elongation property of the base material S45C was remarkably deteriorated.

【0033】[0033]

【発明の効果】本発明のコーティング方法によれば、コ
ーティング面積が大きい被コーティング部材であって
も、レーザ溶接肉盛りによるコーティング処理が可能と
なる。従って、従来、アーク溶接やエレクトロンビーム
溶接では溶接による肉盛りコーティングが不可能であっ
たセラミックス等のコーティング材料であっても、被コ
ーティング面積の大きさに拘らず溶接による肉盛りが可
能になる。
According to the coating method of the present invention, even a member to be coated having a large coating area can be coated by laser welding. Therefore, even with a coating material such as ceramics, which has been conventionally impossible to be overlaid by welding by arc welding or electron beam welding, it is possible to be overlaid by welding regardless of the size of the area to be coated.

【0034】また、本発明のレーザを用いたコーティン
グ方法は、真空中で行うので、大気中での施工で得られ
るコーティング部材と比較して気孔状の欠陥量が極めて
少ない。しかも、コーティング面と集光光学系との間を
真空引きしつつレーザ照射を行うので、母材やコーティ
ング材料等から飛散粒子や有機ガスが発生しても、コー
ティングに影響を及ぼさない。
Further, since the coating method using the laser of the present invention is performed in a vacuum, the amount of pore-like defects is extremely small as compared with the coating member obtained by the working in the atmosphere. Moreover, since laser irradiation is performed while a vacuum is drawn between the coating surface and the condensing optical system, even if scattered particles or organic gas is generated from the base material or the coating material, the coating is not affected.

【0035】さらに、コーティング材料を粘着剤で仮止
めすれば、単純な平面のコーティングだけでなく、曲面
に対してもコーティングでき、コーティングできる対象
材料の範囲が拡大される。さらにまた、本発明の方法に
より得られたコーティング部材をHIP処理すれば、コ
ーティング部材中に気孔状欠陥が残存していても、ほぼ
完全に消失させ、極めて緻密なコーティング層が得られ
る。
Further, if the coating material is temporarily fixed with an adhesive, not only a simple flat surface coating but also a curved surface can be coated, and the range of target materials that can be coated is expanded. Furthermore, when the coating member obtained by the method of the present invention is subjected to HIP treatment, even if the pore-like defect remains in the coating member, it is almost completely eliminated and an extremely dense coating layer is obtained.

【0036】従って、近年、需要が増大しつつあるコー
ティングによる部品の複合化の要請から、本発明の方法
は、耐摩耗性に優れたセラミックスコーティング部品、
堅固な電気絶縁性被膜を有するセラミックスコーティン
グ部品、又は耐食性部品などの製造技術として重要な地
位を占めるものと思われる。また、本発明により、レー
ザ加工技術の利用分野が広がり、レーザ機器の発展にも
つながる。
Therefore, in response to the demand for composite parts by coating, which has been in increasing demand in recent years, the method of the present invention provides a ceramic-coated part excellent in wear resistance,
It seems that it will occupy an important position as a manufacturing technology for ceramics-coated parts having a solid electrically insulating coating or corrosion-resistant parts. Further, the present invention expands the field of application of laser processing technology and leads to the development of laser equipment.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明のコーティング方法を実施するレーザ加
工装置の一実施例の構成説明図である。
FIG. 1 is a configuration explanatory view of an example of a laser processing apparatus for carrying out a coating method of the present invention.

【図2】図1に示すレーザ照射ヘッド及び吸引ノズルを
説明するための図である。
FIG. 2 is a diagram for explaining a laser irradiation head and a suction nozzle shown in FIG.

【図3】円柱形の被コーティング部材を用いた場合のコ
ーティング方法の一例を説明すための図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining an example of a coating method when a cylindrical member to be coated is used.

【図4】従来のレーザ加工装置の構成説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of a configuration of a conventional laser processing apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 真空チャンバ 3 レーザ照射ヘッド 3b 集束レンズ 4 吸引ノズル 5 3軸スライダ装置 6 YAGレーザ発振器 7 真空ポンプ 8 光ファイバ W 被コーティング部材 C コーティング材料 1 Vacuum Chamber 3 Laser Irradiation Head 3b Focusing Lens 4 Suction Nozzle 5 Triaxial Slider Device 6 YAG Laser Oscillator 7 Vacuum Pump 8 Optical Fiber W Coated Material C Coating Material

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 コーティング面上に粉末状又は箔状のコ
ーティング材料を配置した被コーティング部材を真空下
にセットし、 真空下にある集光光学系とコーティング面との間を真空
排気しつつ、光ファイバ及び前記集光光学系により導入
したレーザ光を前記コーティング材料に照射し、かつ前
記レーザ光を前記コーティング面上でスキャンして、 前記コーティング材料を溶融せしめつつ、前記コーティ
ング面にコーティングすることを特徴とするレーザを用
いたコーティング方法。
1. A coated member having a powdery or foil-shaped coating material arranged on a coating surface is set under vacuum, and while evacuating between the condensing optical system and the coating surface under vacuum, Irradiating the coating material with laser light introduced by an optical fiber and the condensing optical system, and scanning the coating material with the laser light to coat the coating surface while melting the coating material. And a coating method using a laser.
【請求項2】 請求項1に記載の方法において、レーザ
光照射前に予め、前記コーティング材料が有機系の粘着
剤によりコーティング面に仮止めされていることを特徴
とするレーザを用いたコーティング方法。
2. The coating method using a laser according to claim 1, wherein the coating material is preliminarily fixed to the coating surface by an organic adhesive before the laser irradiation. ..
【請求項3】 請求項1又は請求項2に記載の方法によ
りコーティング材料をコーティングしたコーティング部
材を、次いで熱間等方加圧処理することを特徴とするレ
ーザを用いたコーティング方法。
3. A coating method using a laser, which comprises subjecting the coating member coated with the coating material by the method according to claim 1 or 2 to hot isostatic pressing.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100238953B1 (en) * 1997-01-07 2000-01-15 정명식 Process for the preparation of functionally gradient material tin on carbon steel
JP2010065253A (en) * 2008-09-09 2010-03-25 Fuji Heavy Ind Ltd Coating method using plasma shock wave

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