JPH0938788A - 中空孔内壁面へのレーザ肉盛方法及びレーザ肉盛治具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】粉末状の肉盛材をワークに保持するためのバイ
ンダや遠心力発生装置の使用を廃止できる中空孔内壁面
へのレーザ肉盛方法及びレーザ肉盛治具を提供するこ
と。 【解決手段】ワーク１の中空孔１０にレーザ肉盛治具２
を差込む。レーザ肉盛治具２の搬送路２８にそって粉末
状の肉盛材Ｗａを搬送して吐出口２７からワーク１の内
壁面１２に向けて吐出する。レーザ投光系２２のレーザ
光Ｋを吐出口２７に通し、吐出途中の肉盛材Ｗａまたは
吐出直後の肉盛材Ｗａにレーザ光Ｋを照射する。肉盛材
Ｗａは溶融凝固し、ワーク１の内壁面１２に肉盛層５と
して積層する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は中空孔内壁面へのレ
ーザ肉盛方法及びレーザ肉盛治具に関する。本発明は、
例えば内燃機関等のシリンダボアやパイプ材の内壁面の
肉盛に使用できる。

【０００２】

【従来の技術】従来より、中空孔を区画する内壁面を備
えたワークを用い、粉末状の肉盛材にレーザ光を照射す
ることにより、肉盛材を溶融凝固させ、これによりワー
クの内壁面に肉盛層を積層する技術が知られている。こ
の技術によれば、ワークの内壁面を改質でき、その有用
性を向上できる。

【０００３】この種の技術として、従来より、粉末状の
肉盛材とバインダとを混ぜたペースト状またはスラリ状
の混合物を用い、その混合物をワークの内壁面に予め塗
布して付着しておく塗布方式がある。この塗布方式によ
れば、飛散し易い粉末状の肉盛材をワークに付着でき、
肉盛層形成を良好になし得るものの、粉末状の肉盛材を
ワークに付着させるバインダを必要とする。更にその扱
いに手間がかかる上に、バインダが肉盛欠陥を誘発する
おそれがある。

【０００４】そこで従来より、粉末状の肉盛材をワーク
に付着するバインダを用いない形態として、図２に示す
形態の技術が開発されている（特開平３−５２７８６号
公報）。この技術によれば、ワーク１００の中空孔１０
１を区画する内壁面１０２に吹込みノズル２００から粉
末状の肉盛材３００を供給しつつ、ワーク１００をその
中空孔１０１の軸芯１０１ｃの回りで高速回転させて遠
心力を生成する。そして飛散し易い粉末状の肉盛材３０
０を遠心力を利用してワーク１００の内壁面１０２に押
し付け、この様に遠心力で押し付けた粉末状の肉盛材３
００にトーチノズル４００からレーザ光４０１を照射す
ることにより、これを溶融凝固し、以てワーク１００の
内壁面１０２に肉盛層を積層する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記した
様に遠心力で粉末状の肉盛材をワークに保持する技術に
よれば、バインダは不要であるものの、粉末状の肉盛材
を遠心力でワークに押し付けるべく、ワークを高速回転
させる必要があり、設備の面で不利である。殊にワーク
が内燃機関のシリンダブロックの様に大型である場合に
は、そのワークを高速回転させる設備は大型化する。

【０００６】本発明は上記した実情に鑑みなされたもの
であり、請求項１に係る発明の課題は、肉盛層を積層す
るにあたり、ノズル筒体の吐出口からワークの内壁面に
向けて粉末状の肉盛材を吐出し、そして吐出途中の粉末
状の肉盛材または吐出直後の粉末状の肉盛材にレーザ光
を照射することにより、粉末状の肉盛材を吐出後に速や
かにワークに溶着させ得、これによりバインダや遠心力
発生装置の使用を廃止できる中空孔内壁面へのレーザ肉
盛方法を提供することにある。

【０００７】請求項２に係る発明の課題は、上記した請
求項１に係る方法の実施に使用でき、吐出口からの吐出
途中の肉盛材または吐出直後の肉盛材にレーザ光を照射
するのに有利なレーザ肉盛治具を提供することを課題と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る中空孔内
壁面へのレーザ肉盛方法は、中空孔を区画する内壁面を
備えたワークと、ワークの中空孔に差込み可能に設けら
れ、ワークの内壁面に対面して開口する吐出口と吐出口
に向けて肉盛材を搬送する搬送路とレーザ光を通過させ
て肉盛材に照射するレーザ投光系とを備えたノズル筒体
とを用い、ワークの中空孔にノズル筒体を差込んだ状態
で、粉末状の肉盛材を搬送路にそって搬送して吐出口か
らワークの内壁面に向けて吐出すると共に、吐出途中の
肉盛材または吐出直後の肉盛材にレーザ投光系のレーザ
光を照射し、肉盛材の少なくとも表層を溶融凝固させ、
ワークの内壁面に肉盛層を積層することを特徴とするも
のである。

【０００９】請求項２に係るレーザ肉盛治具は、肉盛さ
れるワークの被肉盛面に対面して開口する吐出口と吐出
口に向けて肉盛材を搬送する搬送路とを備えたノズル筒
体と、ノズル筒体に設けられ、肉盛材に照射するレーザ
光をノズル筒体にそって通過させると共にレーザ光を吐
出口に通すレーザ投光系とを具備してなり、ノズル筒体
の吐出口は、肉盛材がワークの被肉盛面に向けて吐出す
る肉盛材吐出用の開口と、吐出途中の肉盛材または吐出
直後の肉盛材に照射するレーザ光を通すレーザ投光用の
開口とを兼務する共通窓とされていることを特徴とする
ものである。

【００１０】請求項１に係る肉盛方法によれば、ワーク
の中空孔に差込んだノズル筒体の吐出口から粉末状の肉
盛材をワークの内壁面に向けて吐出する。そしてワーク
の内壁面に向けて吐出途中の肉盛材またはワークの内壁
面に吐出された直後の肉盛材に、レーザ光が照射され、
肉盛材が溶融する。この様な請求項１に係る肉盛方法に
よれば、肉盛材はワークの内壁面に到達した直後に溶着
する。

【００１１】請求項２に係る肉盛治具によれば、ワーク
の中空孔に差込んだノズル筒体の吐出口は、肉盛材がワ
ークの被肉盛面に向けて吐出する肉盛材吐出用の開口と
しての機能と、吐出途中の肉盛材または吐出直後の肉盛
材に照射するレーザ光を通すレーザ投光用の開口として
の機能とを併有する。従って、吐出口からワークに吐出
される肉盛材または吐出直後の肉盛材にレーザ光を照射
し易い。

【００１２】

【発明の実施の形態】請求項１に係る肉盛方法で用いる
ワークとしては、一般的には、アルミ合金、鉄合金等の
金属系、セラミックス焼結体系を採用できる。ワークと
しては例えば内燃機関のシリンダブロック、パイプ材等
を採用できる。キャリヤガスの吹込みで粉末状の肉盛材
を吐出口まで搬送することが好ましい。キャリヤガスと
してはＡｒガス、酸素、窒素や空気などを適宜選択でき
る。肉盛材には、表面改質性を考慮してセラミックス粒
子等の硬質粒子を適宜含ませておくことも好ましい。硬
質粒子としてはＴｉＣ、ＴｉＮ、ＳｉＣ、アルミナ等を
採用できる。肉盛材は粉末状であり、その平均粒径は１
０〜７０μｍ程度にできる。

【００１３】ノズル筒体のレーザ投光系は、レーザ光発
光源からのレーザ光を通すレーザ光通過路と、レーザ光
通過路に配置された反射鏡とで形成できる。レーザ光と
しては肉盛材の少なくとも表層を溶融可能なものであれ
ばよく、一般的には炭酸ガスレーザを採用できるが、Ｙ
ＡＧレーザ、Ａｒレーザでも良い。請求項２に係る肉盛
治具によれば、請求項１に係る方法の様にワークの中空
孔に差込んで、中空孔を区画する内壁面に肉盛層を積層
する形態に適用できるが、その他に、ワークの平坦状の
被肉盛面にレーザ肉盛治具を沿わせることにより、平坦
状の被肉盛面に肉盛層を積層する形態にも適用しても良
い。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。本実施例
方法で用いるワーク１は、円筒形状の中空孔１０を区画
する内壁面１２を備えている。内壁面１２は被肉盛面と
して機能する。ワーク１の材質はアルミ系合金（目標組
成：ＪＩＳ−ＡＣ２Ｂ系）であり、Ｃｕ、Ｓｉ等の合金
元素を含む。

【００１５】肉盛治具２はワーク１の中空孔１０に差込
み可能であり、ステンレス鋼等の金属製のノズル筒体２
０を備えている。ノズル筒体２０には肉盛材を溶融させ
るレーザ光を照射するレーザ投光系２２が装備されてい
る。レーザ投光系２２は、ノズル筒体２０の中空室で形
成された空洞状のレーザ光透過路２３と、レーザ光透過
路２３の先端部に固定された断面方物線状の反射面２５
ｃを備えた反射鏡２５とで形成されている。レーザ光透
過路２３には、炭酸ガスレーザ光の発振源から発光した
レーザ光Ｋが通る。

【００１６】更にノズル筒体２０の中空室を形成する壁
体２０ｆの先端部には、この壁体２０ｆの厚み方向に貫
通する吐出口２７が形成されている。図１に示す様に吐
出口２７は、下向きであり、ワーク１の内壁面１２に接
近して対面開口している。更にノズル筒体２０の中空室
には、吐出口２７に向けて粉末状の肉盛材Ｗａを搬送す
る搬送路２８を形成するカバーやパイプ等の搬送路形成
部材２９が一体的に保持されている。

【００１７】使用に際しては図１に示す様に、大気中に
おいてワーク１の中空孔１０の軸芯１０ｘを横向きにし
て図略のワーク保持手段によりワーク１を保持すると共
に、横向きとしたノズル筒体２０の先端側をワーク１の
中空孔１０に略同軸的に差し込む。この状態でワーク１
をその軸芯１０ｘの回りで所定の速度で矢印Ａ１方向に
回転させる。

【００１８】更に本実施例では肉盛層をシールドするシ
ールドガスも兼ねるキャリヤガス（例えばＡｒガス）を
用い、バインダを含まない粉末状の肉盛材Ｗａをキャリ
ヤガスと共に搬送路２８の供給口２８ｍ側から吹き込ん
で、粉末状の肉盛材Ｗａを吐出口２７に向けて搬送路２
８にそって搬送する。吐出口２７に搬送された粉末状の
肉盛材Ｗａは、吐出口２７から適量づつ重力により落下
してワーク１の内壁面１２に吐出される。なお本実施例
では肉盛材Ｗａとして、硬質粒子としてのＴｉＣ粉末と
マトリックス相となるアルミ粉末とを混合した混合粉末
を用いた。アルミ粉末の目標組成は、ワーク１の目標組
成と実質的に同じものとした。

【００１９】更に本実施例では炭酸ガスレーザ光の発振
源を発振させてレーザ光Ｋを生成し、そのレーザ光Ｋを
レーザ光透過路２３に通過させる。このレーザ光Ｋは反
射鏡２５の反射面２５ｃで下向きに反射する。反射した
レーザ光Ｋはノズル筒体２０の吐出口２７を通り、ワー
ク１の内壁面１２上で集光する。従ってノズル筒体２０
の吐出口２７は、粉末状の肉盛材Ｗａがワーク１の内壁
面１２に向けて吐出する肉盛材吐出用の開口としての役
割と、吐出口２７から吐出する吐出途中の肉盛材Ｗａや
吐出直後の肉盛材Ｗａに照射するレーザ光Ｋを通すレー
ザ投光用の開口としての役割とを兼務する共通窓とされ
ている。

【００２０】本実施例によれば、ノズル筒体２０の吐出
口２７から落下して吐出する粉末状の肉盛材Ｗａ、また
は、ワーク１の内壁面１２に吐出された直後の粉末状の
肉盛材Ｗａにレーザ光Ｋが照射され、肉盛材Ｗａの粉末
粒子が溶融する。溶融した肉盛材Ｗａはワーク１の内壁
面１２で急冷されて直ちに凝固して溶着する。これによ
り肉盛層５がワーク１の内壁面１２に積層される。なお
肉盛層５の厚みは適宜選択できるが、例えば０．３〜
０．８ｍｍ程度にできる。

【００２１】本実施例によれば、肉盛の際にはワーク１
は軸芯１０ｘの回りで回転すると共にワーク１の軸長方
向である矢印Ｂ１方向に移動されるため、肉盛層５は螺
旋状に形成されつつワーク１の内壁面１２の略全域に積
層される。上記した本実施例によれば、肉盛材Ｗａはワ
ーク１の内壁面１２に到達した直後にワーク１の内壁面
１２に溶着するため、従来技術とは異なり、バインダや
遠心力等を利用して、粉末状の肉盛材Ｗａをワーク１の
内壁面１２に保持せずとも良い。故に肉盛材Ｗａをワー
ク１の内壁面１２に固定するバインダを必要とせず、バ
インダの残留に起因する肉盛欠陥の軽減、回避に有利で
ある。また遠心力を生成するためにワーク１を高速回転
させるための特別な設備も不要となる。

【００２２】（試験例）上記した実施例に基づいて試験
を行った。この試験例では、ワーク１の中空孔１０の内
径を２０ｍｍとし、矢印Ａ１方向へのワーク１の回転速
度を２０ｒｐｍ、矢印Ｂ１方向へのワーク１の移動速度
を１００ｍｍ／ｍｉｎ、レーザ出力を１．５ｋＷ、肉盛
材ＷａをＴｉＣ粉末（平均粒径：２〜３μｍ）を含む残
部実質的にアルミ系合金粉末（ＪＩＳ−ＡＣ２Ｂ：平均
粒径５０〜６５μｍ程度）とし、肉盛材Ｗａの供給量を
５グラム／ｍｉｎの条件で行った。

【００２３】この試験例ではワーク１に積層された肉盛
層５は、その厚みが０．５ｍｍ、硬度が２３０ＭＨｖ
（荷重２００グラム）であった。

【００２４】

【発明の効果】請求項１に係るレーザ肉盛方法によれ
ば、ワークの中空孔の内壁面に肉盛層を積層するにあた
り、ノズル筒体の吐出口からワークの内壁面に向けて粉
末状の肉盛材を吐出する。そして吐出口から吐出途中の
肉盛材または吐出直後の肉盛材にレーザ光を照射する。
そのため肉盛材は、ワークの内壁面に到達した直後にワ
ークの内壁面に溶着する。

【００２５】この様な請求項１に係るレーザ肉盛方法に
よれば、肉盛材がワークの内壁面に到達した直後にワー
クの内壁面に溶着するため、従来技術とは異なり、バイ
ンダや遠心力等を利用して粉末状の肉盛材をワークの内
壁面に保持せずとも良い。故に肉盛材をワークの内壁面
に固定するバインダを必要とせず、バインダの残留に起
因する肉盛欠陥の軽減、回避に有利である。また遠心力
を生成するためにワーク１を高速回転させるための特別
な設備も不要となる。

【００２６】請求項２に係るレーザ肉盛治具によれば、
ノズル筒体の吐出口は、肉盛材がワークの被肉盛面に向
けて吐出する肉盛材吐出用の開口としての機能と、吐出
口から吐出する肉盛材または吐出された直後の肉盛材に
照射するレーザ光を通すレーザ投光用の開口としての機
能とを兼務する。従って、吐出口からワークに吐出され
る肉盛材または吐出直後の肉盛材にレーザ光を照射し易
い。よって請求項１に係る方法を実施するのに有利であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】肉盛層を積層している状態を示す実施例に係る
構成図である。

【図２】従来技術に係り、肉盛層を積層している状態を
示す構成図である。

【符号の説明】

図中、１はワーク、１０は中空孔、１２は内壁面（被肉
盛面）、Ｋはレーザ光、２はレーザ肉盛治具、２０はノ
ズル筒体、２２はレーザ投光系、２７は吐出口、２８は
搬送路を示す。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中空孔を区画する内壁面を備えたワーク
   と、 該ワークの中空孔に差込み可能に設けられ、該ワークの
   内壁面に対面して開口する吐出口と該吐出口に向けて粉
   末状の肉盛材を搬送する搬送路とレーザ光を通過させて
   該肉盛材に照射するレーザ投光系とを備えたノズル筒体
   とを用い、 該ワークの中空孔に該ノズル筒体を差込んだ状態で、 粉末状の該肉盛材を該搬送路にそって搬送して該吐出口
   から該ワークの内壁面に向けて吐出すると共に、吐出途
   中の該肉盛材または吐出直後の該肉盛材に該レーザ投光
   系のレーザ光を照射し、該肉盛材の少なくとも表層を溶
   融凝固させ、該ワークの該内壁面に肉盛層を積層するこ
   とを特徴とする中空孔内壁面へのレーザ肉盛方法。
2. 【請求項２】肉盛されるワークの被肉盛面に対面して開
   口する吐出口と該吐出口に向けて粉末状の肉盛材を搬送
   する搬送路とを備えたノズル筒体と、 該ノズル筒体に設けられ、該肉盛材に照射するレーザ光
   を該ノズル筒体にそって通過させると共に該レーザ光を
   該吐出口に通すレーザ投光系とを具備してなり、 該ノズル筒体の吐出口は、 該肉盛材がワークの被肉盛面に向けて吐出する肉盛材吐
   出用の開口と、吐出途中の該肉盛材または吐出直後の該
   肉盛材に照射するレーザ光を通すレーザ投光用の開口と
   を兼務する共通窓とされていることを特徴とするレーザ
   肉盛治具。