JPS61283485A - レ−ザ肉盛時におけるガスシ−ル方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は被処理物の処理部、例えば自動車用エンジンバ
ルブのバルブシート部に、シールドガスでシールしなが
ら高密度エネルギ源を用いて耐熱性、耐摩耗性合金を肉
盛する際に、処理部をシールするのに好適なガスシール
方法に関する。

〔従来の技術〕

従来の技術を、被処理物としてエンジンパルプを用いた
場合を例にして説明する。

自動車用エンジンに用いられているインテークバルブ、
エキゾーストバルブ等のエンジンバルブは、燃焼室にお
ける吸気あるいは排気をつかさどる弁であり、かさ部と
軸部からなる。このエンジンバルブのかさ部は燃焼室内
に設けられ、シリンダヘッドに圧入されたバルブシート
とバルブフェース、面で密着、離反を繰り返す。即ち、
バルブフェース部は燃焼室内において７００　’Ｃ〜８
００℃の高温に曝されると共に、バルブシートと衝突を
繰り返すため、耐熱性、耐食性、耐摩耗性が要求される
。

従来、エンジンバルブのバルブフェース部に上記耐熱性
等の緒特性を具備させる方法の一つとして、バルブフェ
ース面に耐熱性、耐食性、耐摩耗性に優れた材料、例え
ばコバルト系超合金やニッケル系超合金等を肉盛する方
法が採用されている。

このバルブフェース部の肉盛は、現在はアセチレンガス
を用いたガス肉盛が主流となっており、他にＴＩＧ溶接
電源を使用するものやプラズマ電源を使用する方法があ
る。そして、かかる肉盛においては、バルブフェース部
材料である超合金の所期の耐熱性や耐摩耗性等を確保す
るために、肉盛部の内部欠陥、即ち、ピンホールを防止
することが望まれている。この理由は、バルブフェース
面上あるいはバルブフェース面直下部にピンホールが存
在すると、自動車のエンジン回転中にピンホール部周辺
の熱伝導性が低下するため、このピンホール周辺がヒー
トスポットとなってそこから溶損し、動弁系の吹き抜け
を生じることがあるためである。

従来行われているアセチレンガスを用いる肉盛方法では
、肉盛部を加工後、バルブフェース面に現れるピンホー
ル不良は約２０％である。ここで、ピンホール不良率（
％）は、バルブフェース面に１個でもピンホールが生じ
ていたら不良品、バルブフェース面に一つもピンホール
がない場合を良品として全体中の不良品の割合を求めた
ものである。従って、アセチレンガスを用いた肉盛方法
においては、上記約２０％の不良品に対し、ピンホール
が発生しているバルブフェース面を加工後、再度アセチ
レンガスにて肉盛する等の手直しが必要であった。従来
のアセチレンガス肉盛方法では、この手直しのためのコ
ストが高くつき、またカラーチェック等の手作業による
検査工程が必要となる等の問題がある。

一方、最近では、高密度エネルギ源を用いる肉盛方法と
して、従来のＴＩＧやプラズマの他にレーザ等を用いる
方法が考えられている。かかる高密度エネルギ源を用い
て肉盛を行うと、高密度エネルギ源を用いる方法は急熱
急冷処理となるため肉盛部の組織が微細化し、耐摩耗性
の向上が期待できる。

しかしながら、この高密度エネルギ源を用いる肉盛方法
は、急熱急冷処理となるため、従来のアセチレンガス肉
盛方法に比べ肉盛プール（肉盛材料が溶融している状態
）中から、凝固時に生成する過飽和溶解ガス成分による
気泡、主に酸素が浮上しきれず内部欠陥として残存する
機会が多くなる。このピンホールは、シールドガス（不
活性ガス）によるシールが不十分な場合に起こり易い。

不活性ガスによりレーザ処理部をシールする方法として
、従来（第１の従来例）は第５図に示すような方法が探
られていた。即ち、エンジンバルブ１の肉盛部（処理部
）３に、テーパノズル１８からレーザ光１９を照射する
と同時に、ノズル１８内を送給されるシールドガス２０
によりレーザ処理部をシールしていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この方法では、ノズル１８より放出されたシールドガス
２０は、第６図に示すように、ノズル先端から一定の距
離までは大気の拡散の少ない層流２１を形成するが、そ
れ以上遠ざかるとシールドガス２０と大気との流路抵抗
により乱流２２が生じ、ガスシール性の悪い層が形成さ
れる。特に、エンジンバルブ１のバルブフェース部２の
ような形状のところでは、第６図に示すように、処理部
３のエツジ近傍で渦巻状の乱流２３が発生していること
がシュリーレンにより観察され、シールドガスのシール
性が著しく低下していることが確認された。従って、従
来のように被処理物の直上に設けたノズル１８からシー
ルドガス２０を供給する方法は、シール性が十分でない
。

そこで、かかるシール性を高める方法として、第７図に
示すように、雰囲気箱２４中に被処理物】を入れ、雰囲
気箱２４中をシールドガスで充満かつ循環させながら、
レーザ処理を行う方法（第２の従来法）が提案されてい
る。

しかしながら、この方法では、エンジンバルブ等の被処
理物１を雰囲気箱２４に挿入後、排気口２５より雰囲気
箱２４内の空気を排気し、吸入口２６からシールドガス
を吸入して少量ずつ排気口２５から排気するが、雰囲気
箱２４の容積が大きいため排気処理に時間が掛かり、ま
たシールドガスの使用量が多くなるという問題がある。

また、この方法では、雰囲気箱２４内の被処理物１にレ
ーザ光１９を導くために、雰囲気箱２４にＺｎ、Ｓｅ、
ＫＣｌ等の高価な結晶体で製作されたウィンドウ（窓）
２７を備え付ける必要がある。

このウィンドウ２７は、被処理物１の処理部３の溶融プ
ールからのスパッタ等により曇ったり、損傷を受は易い
という問題がある。

このため、簡便かつ低度にシール性が確保できるガスシ
ール方法が望まれていた。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題は、次に述べる本発明のレーザ肉盛時における
ガスシール方法によって解決される。

即ち、本発明のレーザ肉盛時におけるガスシール方法は
、被処理物の処理部に、シールドガスでシールしながら
高密度エネルギ源を用いて耐熱性、耐摩耗性合金を肉盛
する際に使用するガスシール方法であって、 内側ノズルと外側ノズルからなる２重管構造を有する筒
状のノズルを被処理物の処理部の直上に配設し、このノ
ズルの内側ノズルから空気より比重の大きい第１のシー
ルドガスを供給すると共に、この第１のシールドガスの
周囲には、２重管の内側ノズルと外側ノズルの間から空
気と略比重の等しい第２のシールドガスを供給すること
を特徴としている。・−・−・・第１の発明 また、本発明のレーザ肉盛時におけるガスシール方法は
、被処理物の処理部に、シールドガスでシールしながら
高密度エネルギ源を用いて耐熱性、耐摩耗性合金を肉盛
する際に使用するガスシール方法であって、 内側ノズルと外側ノズルからなる２重管構造を存する筒
状のノズルを被処理物の処理部の直上に配設し、かつ被
処理物には乱流防止板を取り付け、このノズルの内側ノ
ズルから空気より比重の大きい第１のシールドガスを供
給すると共に、この第１のシールドガスの周囲には、２
重管の内側ノズルと外側ノズルの間から空気と略比重の
等しい第２のシールドガスを供給することを特徴として
いる。−・−・−第２の発明 本発明において、シールドガス供給用ノズルは、内側ノ
ズルと外側ノズルからなる２重管構造を有する。このノ
ズルの長さはシールドガスが層流となるのに十分な長さ
を存することが必要とされる。

ノズルの断面は、円でも楕円でも矩形でもよいが、内側
ノズルと外側ノズルは同心とするのが望ましい。このノ
ズルの内側ノズルの径は、例えば被処理物としてエンジ
ンパルプを処理する場合には４ｍ〜２０ｍｍ程度が望ま
しい。また、外側ノズルの直径は内側ノズルの直径の１
．５倍〜４倍程度とするのが望ましい。更に、ノズルの
先端部における内側ノズルの先端と外側ノズルの先端の
位置は、２０ｍ程度であれば、ずらして設けてもよい。

この内側ノズルの他端は、途中でバルブを介して第１の
シールドガス供給源と接続されており、一方外側ノズル
の他端は、途中でパルプを介して第２のシールドガス供
給源と接続されている。

第１のシールドガスとしては、空気より重くかつ不活性
なもの、例えばアルゴンを用いることができる。また、
アルゴンに二酸化炭素を混ぜたものを用いてもよい。

第２のシールドガスとしては、空気と略同じ重さを有し
、かつ不活性なガス、例えば窒素ガスを用いることがで
きる。

また、シールドガスの流量は、第１のシールドガスおよ
び第２のシールドガスともに、１０１／ｌｌｌ１ｎ〜’
ｌ　Ｑ　ｌ　／ｌｌ１ｉｎとするのが望ましい。このと
き、第１のシールドガスの流速と第２のシールドガスの
流速は、略同じ、即ち、±１０％に制御することが望ま
しい。

また、第２の発明においては、被処理物に乱流防止部材
を取りつける。この乱流防止部材は、被処理物の処理部
に当たったシールドガスが、乱流とならないようガイド
するものであり、被処理物の形状により形状が異なる。

この乱流防止部材は被処理物と一体的に設けてもよく、
乱流防止部材の材料として銅等色金属を用いる場合には
冷やし金の効果を兼ねさせることもできる。

〔作用〕

被処理物の処理部の直上に２重管構造を有するシールド
ガス供給ノズルを配置する。そして、バルブを開くこと
により第１のシールドガス供給源から空気より重い第１
のシールドガスを内側ノズルに供給し、同時に第２のシ
ールドガス供給源がら空気と略同じ重さの第２のシール
ドガスを内側ノズルと外側ノズルの間に供給する。する
と、ノズル先端の中央から第１のシールドガスが噴き出
され、その周りから第１のシールドガスをガイドするよ
うに第２のシールドガスが噴き出される。

このとき、第２のシールドガスの重さが空気と近いため
に、空気との間の流路抵抗が小さくなり、第２のシール
ドガスの流れはそれ程乱されない。

一方、第１のシールドガスは、第２のシールドガスによ
り周囲をガイドされるので、流れを乱されることなく処
理部に当たる。従って、処理部には流れの円滑な部分が
当たり、かつシールドガスが２ＩＥとなっているため、
空気の巻き込みが大幅に低減される。

なお、被処理物がエンジンバルブのような形状の場合、
処理部近傍にエツジがあるため、シールドガスの流れが
乱されることがあるが、乱流防止部材を取りつけること
により、この乱れを大幅に低減することができる。そし
て、シールドガスを２重に流すことと、乱流防止部材を
組み合わせることにより、更にシール性を向上させるこ
とができる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を図面を参考にして説明する。

（第１実施例） 第１実施例として、第１の発明の実施例を示す。

ここで、第１図は本発明の第１実施例に係るレーザ肉盛
時におけるガスシール方法の一工程ヲ示す概略構成図、
第３図は本発明の第１実施例と従来例のピンホール発生
率を示すグラフである。

第１図において、１は被処理物としてのエキゾーストバ
ルブであり、全長９４鶴、かさ細径３０鶴、軸部径６ｕ
＋で耐熱鋼（ＳＵＨ３Ｂ）からなる。

このエキゾーストバルブ１は、第１図に示すように、軸
部１ａとかさ部１ｂからなり、かさ部１ｂノハルフフェ
ース部２には肉盛を行うために凹部（処理部）３が形成
されている。このエキゾーストバルブ１を上方のバルブ
フェース部２が水平になるまで約４５度の角度に傾け、
軸部１ａの先端を軸の周りに回転自在に保持する。

このエキゾーストバルブ１の処理部３の直上には、レー
ザ肉盛用シールドガス供給装置４が配設されている。こ
のシールドガス供給装置４は、内側ノズル５と外側ノズ
ル６からなる２重管構造のノズル本体７と、バルブ８を
介して内側ノズル５と接続される第１のシールドガス供
給源９と、バルブｌＯを介して内側ノズル５と外側ノズ
ル６の空間と接続される第２のシールドガス供給源１）
からなる。内側ノズル５の内部にはシャワーノズル１２
が取り付けられており、このシャワーノズル１２には多
数の小孔１３が設けられている。このとき、内側ノズル
５および外側ノズル６の断面形状は円であり、内側ノズ
ル５の内径ｔ１は１５鶴、外側ノズル６の内径はｔ２は
５０１ｍとした。

また、内側ノズル５の先端は外側ノズル６の先端より１
０鶴内部に位置させた。また、図示されていないが、エ
キゾーストバルブ１の処理部３の近傍には、肉盛合金粉
末１４を供給する肉盛合金供給装置の供給口が開口して
おり、更にレーザ発生装置から発射されたレーザ光がこ
の処理部３に照射されるようにレーザ発生装置が取り付
けられている。

なお、第１のシールドガスとしてアルゴン（Ａｒ）を、
第２のシールドガスとして窒素（Ｎｚ）を用い、また肉
盛合金粉末１４としては、Ｃ：２゜５％、Ｓｉ：１．１
％、Ｎｉ：］、５５％Ｃｒ　：　３０゜０％、ＭＯ：０
．６％、Ｗ：４〜１２．０％、Ｆｅ＜１゜５％および残
部Ｇｏからなるステライトを用いた。

次に、本実施例のレーザ肉盛時におけるガスシール方法
を用いた肉盛方法を説明する。

まず、エキゾーストパルプｌを第１図に示すように４５
度傾けた状態で回転可能に支持する。そして、シールド
ガス供給装置４のノズル本体７を処理部３の直上に位置
させる。このとき、図示しない肉盛合金粉末供給装置や
レーザ発生装置は所定に位置に設置されている。この状
態で、パルプ８とパルプｌＯを開く、すると、第１のシ
ールド、ガス供給源９から送給されたアルゴンガスは、
内側ノズル５内のシャワーノズル１２に導かれ、小孔１
３を介して内側ノズル５内に入り、層流となって内側ノ
ズル５の先端からエキゾーストバルブ１の処理部３に吹
きつけられる。同時に、第２のシールドガスとしての窒
素ガスが内側ノズル５と外側ノズル６０間に導かれ、外
側ノズル６と内側ノズル５の先端部からアルゴンガスの
周りを囲むような形で外部に吹きつけられる。このとき
、アルゴンガス１５は窒素ガス１６に流れがガイドされ
ると共に、大気との接触を遮断されることになるため、
大気を巻き込むことがない。なお、アルゴンガス１５の
流速は９４ｆｌ／秒、窒素ガス１６の流速は１００ｕ＋
／秒に調整した。

この２種類のシールドガスの流れが安定した状態で、図
示しない肉盛合金粉末供給装置から肉盛合金粉末１４を
処理部３に供給し、同時に図示しないレーザ発生装置か
ら処理部３にレーザ光を照射する。そして、エキゾース
トバルブ１を周速度３．３ｍ／秒で回転させる。すると
、レーザ光は肉盛合金粉末１４を瞬時に溶融して肉盛を
行う。

このとき、レーザ肉盛条件は、レーザ照射出力１．５Ｋ
Ｗ、ビーム走査スピード：２００１）／分、ビーム径：
φ５鶴とした。

この結果得られた肉盛パルプについてピンホールの発生
率を調べたところ、第３図に示すように、約４％であっ
た。なお、比較のため、従来法、即ち、第５図に示すシ
ールド法で肉盛を行った場合のピンホール発生率を第３
図に併せ示す、第３図より、本実施例のレーザ肉盛用シ
ールドガス供給装置を用いれば、ピンホール発生率が第
１の従来例の１９％に対し、４％と約１）５に低減され
ていることが判る。なお、この本実施例のピンホール発
生率は、雰囲気箱を用いる第２の従来例とほぼ同じであ
る。

また、シールドガスの消費量は第２の従来例の場合がエ
キゾーストバルブ１本当り２１必要であったものが、０
．７１でよくなり、第２の従来例の約１／３に低減でき
た。

以上より、本実施例のレーザ肉盛時におけるガスシール
方法によれば、簡便な方法でピンホール発生率を大幅に
低減できる。また、シールドガス消費量も大幅に低減さ
れ、かつ第２のシールドガスとしての窒素ガスは安価な
ため、全体として低コスト化を図ることができる。従っ
て、本実施例によれば、品質の向上とコスト低減が図れ
る。

（第２実施例） 第２実施例として第２の発明の実施例を示す。

ここで、第２図は本発明の第２実施例に係るレーザ肉盛
時におけるガスシール方法の一工程を示す概略構成図で
ある。

第２実施例において、第１実施例と異なる点は、第２図
に示すような乱流防止部材１７をエキゾーストバルブ１
のかさ表側に取り付けたことにあり、他は実質的に第１
実施例と同じである。この乱流防止部材１７は略円錐台
形状をしており、エキゾーストバルブｌのかさ部１ｂの
エツジをなくし、エツジ部の乱流を防止するためのもの
である。この乱流防止部材１７は銅合金からなり、冷や
し金としても作用する。

本実施例のレーザ肉盛時におけるガスシール方法によれ
ば、乱流防止部材を設けたため、シール性が第１実施例
より更に向上する。これは、第１実施例と同様にピンホ
ールを調べた結果を第３図に併せ示したように、ピンホ
ール発生率が３％となっていることから理解される。

（第３実施例） 第３実施例として、第１の発明の他の例を示す。

ここで、第４図は本発明の第３実施例で使用するレーザ
肉盛用シールドガス供給装置の概要を示す概略構成図で
ある。

第３実施例において、第１実施例と異なる点は、第４図
からも判るように、第１実施例とは逆に内側ノズル５の
先端が外側ノズル６の先端より１０鶴外部に突出してい
ることにあり、他は実質的に第１実施例と同じである。

第３実施例においても、第１実施例と同様な効果を奏し
た。

以上、本発明の特定の実施例について説明したが、本発
明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の
範囲内において種々の実施態様を包含するものである。

〔発明の効果〕

以上より、本発明のレーザ肉盛時におけるガスシール方
法によれば、簡便な方法で十分なシール性が確保できる
ため、ピンホール発生率の低減と低コスト化が同時に達
成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係るレーザ肉盛時におけ
るガスシール方法の一工程を示す概略構成図、 第２図は本発明の第２実施例に係るレーザ肉盛時におけ
るガスシール方法の一工程を示す概略構成図、 第３図は第１実施例、第２実施例と従来例のピンホール
発生率を示すグラフ、 第４図は本発明の第３実施例に使用するレーザ肉盛用シ
ールドガス供給装置の概要を示す概略構成図、 第５図は第１の従来例に係るシール方法を示す概略構成
図、 第６図は第１の従来例に係るシール方法のシールドガス
の流れを示す説明図、 第７図は第２の従来例に係るシール方法を示す概略構成
図である。 １・−−−−−ｍ−エキシーストバルブ（被処理物）２
−・−−−−−バルブフェース部 ３−・・・−処理部（凹部） ４−−−−−−−・シールドガス供給装置５−−−−−
−−・内側ノズル ６−−−−−−−外側ノズル ？−−−−−〜〜ツズル本体 ８．１０−・−・バルブ ９・−・−・・−第１のシールドガス供給源１）・・−
一−−−・第２のシールドガス供給源１２−・−・−シ
ャワーノズル １３−・−・−小孔 １４・−・・・肉盛合金粉末 １５−・・−・アルゴンガス（第１のシールドガス）１
６−・−・−窒素ガス（第２のシールドガス）１７・・
−・乱流防止部材 出瀬人　　トヨタ自動車株式会社 第１図 第２図 第３図 第４図 第、５図 第６図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被処理物の処理部に、シールドガスでシールしな
   がら高密度エネルギ源を用いて耐熱性、耐摩耗性合金を
   肉盛する際に使用するガスシール方法であって、 内側ノズルと外側ノズルからなる２重管構造を有する筒
   状のノズルを被処理物の処理部の直上に配設し、このノ
   ズルの内側ノズルから空気より比重の大きい第１のシー
   ルドガスを供給すると共に、この第１のシールドガスの
   周囲には、２重管の内側ノズルと外側ノズルの間から空
   気と略比重の等しい第２のシールドガスを供給すること
   を特徴とするレーザ肉盛時におけるガスシール方法。
2. （２）被処理物の処理部に、シールドガスでシールしな
   がら高密度エネルギ源を用いて耐熱性、耐摩耗性合金を
   肉盛する際に使用するガスシール方法であって、 内側ノズルと外側ノズルからなる２重管構造を有する筒
   状のノズルを被処理物の処理部の直上に配設し、かつ被
   処理物には乱流防止板を取り付け、このノズルの内側ノ
   ズルから空気より比重の大きい第１のシールドガスを供
   給すると共に、この第１のシールドガスの周囲には、２
   重管の内側ノズルと外側ノズルの間から空気と略比重の
   等しい第２のシールドガスを供給することを特徴とする
   レーザ肉盛時におけるガスシール方法。