JPH09285884A - レーザ肉盛り材及びレーザ肉盛り加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 クラック等の欠陥の発生を抑制でき、種々の
加工環境に対応可能で生産性に優れたレーザ肉盛り材及
びレーザ肉盛り加工方法を提供する。 【解決手段】 レーザ肉盛り材は、銅合金箔９上に銅合
金圧粉体１３を一体的に堆積して成り、銅合金箔９は被
肉盛り部２に嵌合可能である。レーザ肉盛り材を被肉盛
り部２に設置し、レーザビーム４を銅合金圧粉体１３側
から照射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ肉盛り材及
びレーザ肉盛り加工方法に係り、更に詳細には、特定構
造を有し、得られる肉盛り層におけるクラックの発生を
抑制できるレーザ肉盛り材及びこれを用いたレーザ肉盛
り加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザ肉盛り加工は、図５及び図
６に示すように、金属部材１の表面の被肉盛り部２に、
金属粉末等の肉盛り原料３を供給しながらレーザビーム
４を照射し、被肉盛り部２と肉盛り原料３とを同時に溶
融して肉盛り層５を形成する加工方法であって、金属部
材表面の一部又は全部に当該金属部材の性質とは異なっ
た性質を付与するものである。そして、このようなレー
ザ肉盛り加工は、例えば、自動車エンジンのアルミニウ
ム合金シリンダーヘッドの製造において、バルブシート
部の耐熱性、耐摩耗性及び耐蝕性などを向上させるため
に行われている。

【０００３】かかる従来のアルミニウム合金部材のレー
ザ肉盛り加工においては、通常、肉盛り原料として銅合
金粉末を用い、この粉末を粉末供給ノズルから加工点で
ある被肉盛り部に向けて噴射し、この間、噴射されてい
る粉末にレーザビーム照射することにより、肉盛り原料
である銅合金粉末を溶融し、被加工材であるアルミニウ
ム合金と銅合金粉末とを金属結合させていた。この加工
の際、レーザビーム４は、レーザ加工ヘッドに取り付け
られた２枚のシリンドリカルミラーにより所定の加工幅
に合致するように制御され、加工点２に照射されること
により、上述の如く銅合金粉末を溶融させる（図６参
照）。なお、肉盛り原料としては、上述の粉末以外に
も、銅合金ワイヤや銅合金板を用いることもあった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような従来のレーザ肉盛り加工において、肉盛り加工の
開始点及び／又は終了点が意図する加工領域に含まれて
いると、銅合金粉末の供給タイミングとレーザビームの
照射タイミングとのずれに起因して、得られる肉盛り層
の強度が低下することがあるという課題があった。即
ち、加工開始時（加工開始点）において、銅合金粉末の
供給タイミングとレーザビームの照射タイミングとにず
れが生じ、供給タイミングに対して照射タイミングが早
くなると、銅合金粉末に対する入熱量が過剰となり、被
加工材であるアルミニウム合金の肉盛り層への希釈が大
きくなり、得られる肉盛り層にクラックが発生すること
がある。一方、加工終了時（加工終了点）において、粉
末供給停止タイミングとビームの照射停止タイミングと
にずれが生じ、供給停止タイミングに対して照射停止タ
イミングが遅くなると、粉末に対する入熱量が過剰とな
り被加工材の肉盛り層への希釈が大きくなり、上記同様
の結果を招く。

【０００５】また、肉盛り原料としてワイヤや板材を使
用すると、これらワイヤ等の表面はレーザビームに対す
る反射率が極めて高いため、溶融させるに当たっては粉
末使用時よりも更に高い入熱量が必要であり、この場合
も被加工材であるアルミニウムの肉盛り層への希釈を促
進する可能性が高いという課題がある。更に、加工点の
位置が粉末供給ノズルの位置より高いような加工環境で
肉盛り加工を行わなければならない場合、粉末を加工点
に供給するのは困難であり、これに対し、ワイヤや板材
では、上述の希釈を促進する可能性が高く、クラックを
発生させる原因となる。

【０００６】また、肉盛り材料として銅合金粉末を使用
する場合、肉盛り層を所望形状に形成するには、適正量
の銅合金粉末を安定して加工点に供給する必要がある
が、粉末供給ノズルの詰まりやシールドガス流量の突発
的な変化により、粉末供給量が変化することがあり、粉
末供給量が所定値以下になった場合などには、粉末供給
量に対して入熱が過剰となり、上述の希釈が起こりクラ
ックが発生する可能性があるという課題もあった。本発
明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、クラック等の
欠陥の発生を抑制でき、種々の加工環境に対応可能で生
産性に優れたレーザ肉盛り材及びレーザ肉盛り加工方法
を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記目的
を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、所定形状の箔に圧
粉体を一体的に堆積させることにより、上記目的が達成
できることを見出し、本発明を完成するに至った。即
ち、本発明のレーザ肉盛り材は、銅又は銅合金製の肉盛
り原料をアルミニウム又はアルミニウム合金製部材表面
の所定部位にレーザ肉盛り加工を行うのに使用するレー
ザ肉盛り材であって、上記所定部位に嵌合する銅又は銅
合金製の箔に、銅又は銅合金製の圧粉体を一体的に堆積
して成ることを特徴とする。なお、本発明のレーザ肉盛
り材では、上記圧粉体は常温下５００〜１５００ｋｇ／
ｃｍ²の圧力で加圧することにより得るのが好ましく、
また、上記箔の厚さは０．１５ｍｍ以下とするのが好ま
しく、成形時に破れない程度の厚さであれば問題ない。

【０００８】また、本発明のレーザ肉盛り加工方法は、
上述のレーザ肉盛り材を用いるレーザ肉盛り加工方法で
あって、アルミニウム又はアルミニウム合金製部材の所
定部位に、上記レーザ肉盛り材を嵌合させ、この肉盛り
材を構成する箔部分を圧粉体部分と上記所定部位との間
に配置し、次いで、上記圧粉体部分の表面側からレーザ
ビームを照射することを特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明のレーザ肉盛り材においては、銅又は銅
合金製の箔に銅又は銅合金製の圧粉体を一体的に堆積さ
せ、且つこの箔の形状を、肉盛り加工を施すべきアルミ
ニウム又はアルミニウム合金製部材表面の所定部位に嵌
合する形状とした。そして、本発明のレーザ肉盛り加工
方法では、この肉盛り材を上記所定部位に配置して箔部
分を圧粉体部分と所定部位表面との間に位置させ、この
肉盛り材の表面、即ち上記圧粉体部分からレーザ等の局
所的加熱源を照射することにした。

【００１０】従って、銅合金箔が被肉盛り材であるアル
ミニウム合金へのレーザビームの直接的な照射を防ぐの
で、アルミニウム合金が肉盛り層へ過剰に希釈されるの
を抑制できるとともに、銅合金箔がレーザビームを適切
に反射するので、肉盛り原料である銅合金圧粉体に効率
のよい入熱が可能となり、エネルギー効率に優れた加工
が可能となる。また、圧粉体を用いたことにより、粉末
をそのまま粉末供給ノズルから加工点に供給する場合と
比較して、粉末が加工点以外に飛び散るロスを低減でき
る。

【００１１】更に、上記圧粉体を、常温下５００〜１５
００ｋｇ／ｃｍ²の圧力で加圧して得ることにより、照
射されたレーザビームが粉末間で一層適切に多重反射
し、この圧粉体が一層効率よく加熱されるようにするこ
とができる。加圧力が５００ｋｇ／ｃｍ²未満では、銅
合金粉末を十分に圧粉成形することができず搬送中に形
状が崩れてしまうことがあり、好ましくない。また、１
５００ｋｇ／ｃｍ²を超えると、得られる圧粉体の密度
が高くなり過ぎ、レーザビームの粉末間での多重反射に
よる圧粉体の溶融を妨げるばかりでなく、圧粉体表面で
のレーザビームの反射が大きくなり、粉末を供給して肉
盛り加工を行う場合と比較して大きな入熱量が必要とな
ることがあり、好ましくない。

【００１２】また、上述の銅合金製箔の厚さを、０．１
５ｍｍ以下とすることにより、この金属箔を一層適切に
溶融させ、被加工材であるアルミニウム合金との界面を
容易に形成させることができる。厚さが０．１５ｍｍを
超えると、粉体が溶融した際の熱エネルギーにより、金
属箔が十分に溶融しないことがあり、被加工材であるア
ルミニウム合金と肉盛り原料である粉末との界面を形成
することができず、この結果、肉盛り加工ができなくな
ることがあり、好ましくない。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、図面を参照して
実施形態により詳細に説明する。図１〜４は、本発明の
レーザ肉盛り加工方法の一実施形態において、被加工部
材やレーザ肉盛り材などを示す説明図である。本実施形
態においては、図１に示すように、被加工部材としてア
ルミ合金製の自動車エンジン用シリンダヘッド７を採用
しており、被加工部であるバルブシート８の被肉盛り部
２には、Ｒ４．５の溝加工が施されている。一方、図３
は、本発明のレーザ肉盛り材の一例を示す斜視図であ
り、この肉盛り材は、銅合金箔９上に銅合金圧粉体１３
を一体的に堆積して構成されており、また、銅合金箔９
は、上記被肉盛り部２に嵌合し得る形状をなしている。

【００１４】次に、図２に、上述のレーザ肉盛り材の製
造装置の一例を示す。上記レーザ肉盛り材は、同図に示
す装置を用いて加圧成形されるものであり、図２（ａ）
において、下パンチ１１は、上述したＲ４．５の溝加工
を施した被肉盛り部２と同一形状を有する凹型をなし、
また、上パンチ１０は、この下パンチ１１との間で銅合
金箔９に所定形状を付与する形状（凸型）をなしてい
る。

【００１５】本実施形態においては、銅合金箔９として
０．１ｍｍの厚さのものを使用し、この箔９を下パンチ
１１に載置し、上パンチ１０で加圧成形して被肉盛り部
２に嵌合し得る形状に成形した。次いで、上パンチ１０
を除去し、銅合金製の肉盛り粉末６ｇを、成形した銅合
金箔９上に均一に盛り、所定の肉盛り形状となるように
加工を施した上パンチ１０’（凹型Ｒ４形状）を用い、
圧力１０００ｋｇ／ｃｍ²で銅合金箔９とともに圧粉し
（図２（ｂ）参照）、図３に示したレーザ肉盛り材を得
た。

【００１６】次いで、図４に示すように、得られたレー
ザ肉盛り材をバルブシート８の被肉盛り部２に設置し、
発振機からの非集光レーザビームをシリンドリカルミラ
ーとセグメントミラーにより１×６ｍｍの形状に集光し
たレーザビーム４を、レーザ照射位置の接線に対して垂
直に照射し、この際、シールドガスとしてのＡｒガスを
５ｌ／ｍｉｎでレーザ照射位置に向けて流し、ロータリ
ーテーブルを０．６ｍ／ｍｉｎで回転させながら、加工
点（被肉盛り部２）を移動させ、本実施形態のレーザ肉
盛り加工を実施した。

【００１７】以上に説明した本実施形態のレーザ肉盛り
加工を行うことにより、銅合金粉末の供給ロスを低減す
ることができ、通常の粉末供給に比べて少ない粉末量で
所望形状の加工が可能となり、更には、得られる肉盛り
層におけるクラック等の欠陥の発生率を数％低減するこ
とが可能となった。

【００１８】以上、本発明を一実施形態により詳細に説
明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものでは
なく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形が可能
である。例えば、本発明のレーザ肉盛り加工方法は、ア
ルミニウム又はアルミニウム合金製の部材に銅又は銅合
金製の肉盛り層を形成するのに適用するのが原則である
が、圧粉体と箔とによるレーザ肉盛り材の構成材料を適
宜選定することなどにより、他の異種金属間におけるレ
ーザ肉盛り加工にも適用することが可能である。また、
レーザビームとしても、肉盛り加工に使用する各種金属
を溶融できれば十分であり、他の熱線ビーム等の局所的
熱源を使用することも可能である。

【００１９】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、所定形状の箔に圧粉体を一体的に堆積させることと
したため、クラック等の欠陥の発生を抑制でき、種々の
加工環境に対応可能で生産性に優れたレーザ肉盛り材及
びレーザ肉盛り加工方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ肉盛り加工方法に用いる被加工
部材の一例を示す斜視及び部分断面図である。

【図２】本発明のレーザ肉盛り材の製造装置の一例を示
す斜視図である。

【図３】本発明にレーザ肉盛り材の一実施形態を示す斜
視図である。

【図４】本発明のレーザ肉盛り加工方法の一実施形態を
示す斜視説明図である。

【図５】従来のレーザ肉盛り加工方法の一例を示す断面
説明図である。

【図６】従来のレーザ肉盛り加工方法の一例を示す斜視
説明図である。

【符号の説明】

１ 金属部材 ２ 被肉盛り部 ３ 肉盛り材料 ４ レーザビーム ５ 肉盛り層 ６ 粉末供給ノズル ７ シリンダヘッド ８ バルブシート部 ９ 銅合金箔 １０ 上パンチ １０’ 上パンチ １１ 下パンチ １２ 銅合金粉末 １３ 銅合金圧粉体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 銅又は銅合金製の肉盛り原料をアルミニ
   ウム又はアルミニウム合金製部材表面の所定部位にレー
   ザ肉盛り加工を行うのに使用するレーザ肉盛り材であっ
   て、 上記所定部位に嵌合する銅又は銅合金製の箔に、銅又は
   銅合金製の圧粉体を一体的に堆積して成る、ことを特徴
   とするレーザ肉盛り材。
2. 【請求項２】 上記圧粉体が、常温下５００〜１５００
   ｋｇ／ｃｍ²の圧力で加圧されたものであることを特徴
   とする請求項１記載のレーザ肉盛り材。
3. 【請求項３】 上記箔の厚さが、０．１５ｍｍ以下であ
   ることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ肉盛り
   材。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１つの項に記載
   のレーザ肉盛り材を用いるレーザ肉盛り加工方法であっ
   て、 アルミニウム又はアルミニウム合金製部材の所定部位
   に、請求項１〜３のいずれか１つの項に記載のレーザ肉
   盛り材を嵌合させ、この肉盛り材を構成する箔部分を圧
   粉体部分と上記所定部位との間に配置し、 次いで、上記圧粉体部分の表面側からレーザビームを照
   射する、ことを特徴とするレーザ肉盛り加工方法。