JPS6163391A - レーザー光による金属材処理方法 - Google Patents

レーザー光による金属材処理方法

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JPS6163391A
JPS6163391A JP60183786A JP18378685A JPS6163391A JP S6163391 A JPS6163391 A JP S6163391A JP 60183786 A JP60183786 A JP 60183786A JP 18378685 A JP18378685 A JP 18378685A JP S6163391 A JPS6163391 A JP S6163391A
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additive
metal base
laser beam
metal
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JP60183786A
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アルド・ヴイツトリオ・ラ・ロツカ
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Fiat Auto SpA
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Publication date
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/18—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using absorbing layers on the workpiece, e.g. for marking or protecting purposes
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    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/144—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing particles, e.g. powder

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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、レーザーを利用した金属母材の処理方法に関
し、詳述すれば、レーザー光で金属母材を局所的に加熱
する傍ら、添加材を可塑状態もしくは液状として、金属
母材の加熱個所に融合させることよりなる金属母材の処
理方法に関する。
尚、本発明を説明するに当り、ここで用いろ［処理Ｊな
る用語は、充填材を添加して金属母材にχ１してｉｊ゛
うす１段、溶接１合金化５表面杖化処理などのプロセス
を含む乙のを意味する。
従来の技術 従来の溶接やその他の金属処理においては、添加材が用
いられているが、この添加材は一般にワイヤや棒状のも
のが用いられている。そこで、この添加材を溶融するの
に強力レーザー光を用いるとなると、ワイヤまたは棒状
の添加材を用いている限り、幾多の問題点がある。即ち
、ワイヤまたは棒状の添加材は、照射したレーザー光を
反射させたり散乱させたりする傾向があり、それがため
に、処理すべき金属材に「ドλ」、即ち、レーザー光の
未Ｑ（ｌ射部が形成されることイこなる。この陰か形成
された部分では、金属材の表面が充分加熱されないこと
がら、添加材が適切に付（°７しないばがりが、金属（
オによせつけられないことが起る。
ワイヤないし棒状の添加材をＩＩ！いれば前述のように
レーザー光が反射ないし散乱させられることがら、レー
ザー光の強度を強大なしのとイーろ必要がある。ところ
が、レーザー光を強大にすればするほど、今瓜はし　ザ
　光か表面部に浸透・（ろに伴って添加材が強制的に駆
遂されｆニリ、飛散してしまうようなことが起る。
前述の問題点を解消する乙のとして、添加日としてのワ
イヤを溶融部位に挿入さＵ゛ることが考えられるが、こ
の場合、溶融部位を逆にワイヤで冷却してしまいかねな
いし、それかために、添；ＪＯ（オか金属けと混合した
り、拡散することが・−゛い。
また、添加材としてワイヤや棒状のらのを使った場合、
この添加材の表面に酸化層が形成されｐずく、それをそ
のまま使えば、処理した金属Ｉオｌこおける処理部位の
品質に問題が生「ることがゐろ。
発明の構成 本発明は、従来の問題点を解消した前述の如きの金属母
材処理方法を洪するのを特徴とする特許本発明によれば
、重連の目的は添加材として粉末を用いろことにより達
成される。
金属（オの表面の一部分によ５いて表層合金化、らしく
（よ、ｋ面硬化処理を行う場合、本発明による粉末添加
材を、＋ｉＦｉ記表面の一部分がレーザー光により粉末
添加材を介して所定温度に達するのに要する時間！こけ
照射された後（即し、レーザー光照射によるＰ熱液）、
　金属材の前記表面の一部分に注入する。
曲述のように金属の表面部に粉末添加材を添加した後で
し、所定時間にわたってレーザー光照射を続行させてお
くのが望ましい（後加熱）。
粉末添加材が注入された金属材の表面部を、この粉末添
加材を介して浸透するレーザー光で照射することにより
、粉末添加材が金属材の表面に達するに先立ってこれを
可塑状態もしくは液状にする。このようにすれば、金属
材の素材との相互融着＜ｖｉ着作用）ないし融合作用（
合金化）により付着が促進される。
同時に、粉末添加ナイによる吸収作用や、−ｒ熱と後加
熱のいずれが一方、または両方をｉテっへイレーザ−先
か広範囲にわｆ二って広がるこ七でレーザー光強度か減
少するが、これ？こよＩ）１−１−不ルギー・インパク
ト」を融合部位に限定さけることｌノ）できろ。エネル
ギー・インパクトとは、例えＨＥ、　（−ｉ機バインダ
ーを何するペースト状の粉末添加材を用いて添加を行っ
た場合に起りうろ、融合材にわける対流移動や波状形成
、それに、添加（４の爆発的な放追である材料の飛散を
起す元凶である。
また、本発明によれば、粉末添加材を処理すべき金属母
材に供給するに当り、好ましくは空気よりも比重の重い
不活性ガス、例えば、アルゴンガスと混合さける。こう
すれば、酸化物の形成を防ぐことができるとともに、そ
れに関連する問題点を解消すること力（できる。
主として流動床として起る粉末添加材の動とは、粉末添
加材の供給°装置と容器のいずれが一方、または両方に
超音波振動を作用させれば制御できる。
本発明による方法を１、溶接材を用いて母材を溶接する
のに適用すれば、当該溶接を機械的、かつ、美しく化上
るように行なわしめることができる。
何故ならば、粉末溶接材（それを受ける表面と同様）が
、溶接路に沿ってより徹底的に充填し、その粉末か相互
融合温度にある表面を供えた空洞を充填する過熱液とし
てほぼ振舞うことがてきろ温ｆ１条件にあるからである
。従って、空洞が形成されたり、気泡か形成されたりす
るのを最小限にすることができる。また、適当に後加熱
を行うことにより、完全になめらか溶接継目（化粧継目
）を形成４゛ろことでさえ可能である。
本願出願人が行った本発明の方法の実現性試験（Ｆｅａ
ｓｉｂｉｌｉｔｙ　Ｔｅ５ｔｓ）の結果、本発明の方法
を用いれば、処理した母材における仕上り表面から凸凹
などの表面欠陥を大幅に減少させることが判明した。
０（オに注入する粉末添加材の注入速度と…とを適切に
選び、かつ、扮末添力旧オの流れにおけろ空間密度と粒
子速度のいずれか一方、または両方を適切にすれば、粉
末添加材の流れは、レーザーノしの照射に対して充分「
透明Ｊになる、即ち、レーザー光の照射路を実用上さえ
ぎることはないので、処理している母材に陰が形成され
るようなことを実用上さけることができる。
更に、レーザー光の断面や強度、それに、粉末添加材の
粒径や落下速度とは、粉末添加材の粒子か予め適当に加
熱した母材に達するｌ１ｒｒに、加Ｍされて溶融し、か
くて、過熱される程度のゆとりをしてるように選ぶべき
である。
及塵桝 以後、添付図面を蓼照しながら、本発明の好ましい実施
例を詳述ずろ。
先ず第１図において、Ｉは処理すべき金属１４ｋ　＋４
であり、この金１ｉ１母材１は矢印■２の方向に移動自
在に傾斜面Ｐに載置されている。図示しないレーザー光
発生器から出ｌニレーザー光２は、母材１の表面におけ
る決い処理部位３を照射しているヮ前記処理ｉ１（位３
に対するレーザー光２の服ａｔμｍ度を母材の表面に対
して直角とならないように４−れば、照射したレーザー
光かレーザーノｖ：発生器へと反射されたり、反射され
たレーザー光か（呼び１′）ＩＡの処理部位３を再び照
射するのをさくノろことができ、二のことは、例えば、
米国特許第４．２８８．６７８号、および、本願出願人
が本願のイタリア国出願と同時に出願したイタリア国出
願に開示されている。
４は、粉末添加材の流れを示し、これに：よ好ましくは
、例えばアルゴン、ヘリウム、乾窒素の如きの不活性ガ
スやぶ元ガスが混在している。このように粉末添加材と
不活性カスや還元ガスを混在させておけば、粉末添加材
の粒子の表面か酸化するのを防ぐことができる。言うま
でらなく、この粉末添加材の流れ４は、母材１の処理部
位３に対しては給する。
好ましくは、粉末添加材の流れ４の断面積は、レーザー
光２の断面積（スポット径）よりも小さく、レーザー光
２が照射する処理部位３に含まれるＵＹ。
財の表面部分６に注入されるようにするのか望ましい。
従って、粉末添加材の流れ４か母材１の表面に達４′ろ
先立って、粉末添加（イをし　ザ　光２１）・ＩＩζ）
射する二とになる。よｆ：、粉末添加材の拉：’ｆ−＊
’乙度、それに、その落下速度と）よ、粉末添加材のＪ
。
れ・１かレーザー光２の照射に対して充分−透明−とな
る範囲にＭｌ：　ｒＩｆされている。
よって、レーザー光２か照射される処理、Ｖ：　＋、°
Ｌ′３において、し＝−イー光２か照射しているらし）
Ｕ）、粉末添加材の流れ４が供給されない部分５か見ら
れろ。これに対し、ギｉ述の表面部分６には、レーザー
光２が照射されているのみならす、粉末添加材の流れ４
もふりそそいている。尚、７は、レーザー光照射により
すでに処理をすまｔ　ｊ＝母材ｌの部分であって、依然
とレーザー光のスポットに覆われている部分を示す。
母材！の表面部分５．７とは夫々、予熱と後加熱処理を
受けることになる。表面部分を予熱すれば、粉末添加材
か後て添加される部分においての局所的な温度勾配を緩
和させることがてごろ一方、表面部分を後加熱すれば、
母材の表面に付着さＵ。
た粉末添加材を拡散させて表面仕上りを美しくし、かつ
、表面の機械的強度を向上させることができる。第１図
においては、母材Ｉの表面に付着した粉末添加材の層を
Ｒにて示しである。
本発明によれば、粉末添加材の流れ４が母材１の表面に
達するに先立って、これをレーザー光２て照射すること
により、粉末添加材を可塑化、液状、ないし過熱液状に
してしまうのか望ましい。
こうすれば粉末添加材が母材１の表面に達すると同時に
「ホット・プロブ（ｈｏＬｂｌｏｂ）ｊ、即ち、溶融プ
ールを形成し、それが母材の表面における予熱部（ケに
対して容易に付着、もしくは相互融合するに至る。従っ
て、実際の処理の後段階を、低電ツバよって、低ダイナ
ミツク効果で達成することができろ。それにより、界面
における付着を良好な乙のとし、材質を均一にさけ、加
熱に伴う内部応力を減少さ仕ることができるとともに、
母材の表面条件を良好なしのとすることができるのであ
る。
このような効果は、後で行う後加熱の段階で更に向上、
５ｔ！られる。
第２図は、母材ｌを平坦な支持面に載置し、これを斜め
方向からレーザー光２て照射４゛る構成を示すものであ
る。この図において、１７はレーザー光２の発生源を示
し、この発生源Ｉ７から発したレーザー光２は、母材１
の上表面の処理部分３を所定の傾斜角度で照射する傍ら
、処理部分３の直上に、不活性ガスまたは還元ガスと混
在しｆ二状態で粉末添加材を供給する装置８を設けて、
そこより粉末添加材を落下させている。
レーザー光発生源！７と供給装置８とは、図示の如く夫
々所定位置に固定してもよく、その場合、母材１を矢印
Ｆ　＝、、　Ｆ　３て示しｌ二方向に移動さＵろように
すれば良い。
供給装置８としては、例えばツヤツタ−・スクリーンの
如きの遮断２；をＯ；ｈえた十ツバ−で構成し、遮断器
の動作を、少くとら１系統の調節制御回路を介してレー
ザー光発生源１７の作用と同期さＵるのが好ましい。こ
の供給装置８に、例えば超音波発振装置の如きの励振装
置を設けてらよく、その場合、母材ｌへの粉末添加材の
流れをスムーズにすることができる。。
母材１の〜隅（第２１Ａからみて左側の−・隅）から始
めれば、１夏敗回にわたって母材の順次送りすることに
より、母材１の全表面に披１°σ層１えを形成ず・Ｓこ
とがてきる。
第３図に示した装置は第２図に示した乙のと固してはう
る刀＼、内燃機関の吸気弁ないしυト気弁を作動ごＵろ
のに用いる揺動アーム９の−・５１ｖ８におけろ表面を
硬化処理する一例を示すしのてめろ。この場合での粉末
添加材としては、Ｎｉ−Ｃｒ扮体を用いろ。
同様に、内燃機関の排気弁をステライトで被覆すること
もできる。
第４図に一例として示すように、溶接するに当ってら粉
末添加材を使うことらある。第４図は本発明の方法をＩ
ＩＩ用して、一対の金属片１１．１２を突合せ溶接して
いるところを示しており、ここでは、金属片１１．１２
を突合せるとＶ字形溶接溝１３が形成されるように夫々
の金属片１１、Ｉ２の側縁が傾斜切削加工されている。
このＶ字形溶接溝１３には粉末添加材が充填して、それ
か溶融。
１疑１．１１目−るに仕って、ｆ？ｉｌ炎継１１を斤ニ
１戊）ろＬ’）にｆよ−、ているっこの場合で乙、レー
ザー光発生器１７と粉末添加材供給管８とを定（ζｌ置
に固定することて支１’＝’ｉさＵｏる一方、″′１２
属片１１．１２を同時に矢印Ｆ、の方向へ移動させるよ
うにしている。し〃１し、金属片１１，１２を定位置に
載置し、レ　ザ　光発生イ：；１７とＯ’ｉｉｎ管８と
を、矢印Ｉ・、と、１反’ｔＪ力向に移動さＵても同様
に目的か達成できる。
レーザー光をトリ用した溶接の場合、コーキ／（填隙処
理）を行なわなくてし良いことがわが−ｆ−０これは、
溶接すべき金属片の間におけるギャノブノ存在により「
鍵穴」が形成され、この鍵穴に粉末添加材が充填される
からであり、この時面画ギャップは光束内路として作用
する。
第５図は、第４図と同様にレーザー光を用いて突合せ溶
接を行うところを示しているしのの、図示の板状金属片
ＩＩ、＋２との間に形成されているギャップ１５の幅Ｗ
は、溶接方向に沿って変化している。このように幅ｗｈ
ｔｇ化しているギャップ１５を充填して金属片１１．１
２を溶接する場合、例えば近接センサー（ｐｒｏｘｉｍ
ｉｃｙ　５ｅｎｓｏｒ）よりなる公知のギャップ幅検出
器７０を用いて、レーザー光発生１５１７と供給装置８
との作用をギャップの幅の変化に応じてル１卯さ０゛て
ら良い。
第６図に示す実施例は、溶接部に折曲片を夫ンＨする金
属板ＩＩＩ、＋１２を突合せ・溶接する場合を示してい
る。この場合においてもギャップ幅か変化しているので
あれば、レーザー光発生器と粉末添加材供給装置との作
用を制御するのに適当な検出器を用いることら可能であ
る。溶接後に形成される継目は第７図に示した如くにな
り、なめらかで美しく仕上っているのがわかる。
一対の「スキッドＪ［２１１，２１２を溶接する一例を
第８図に示す。この場合、キャップ１Ｇは垂直方向に延
在しているので、粉末添加（オと混在させる不活性ガス
にはいくらか圧力をかけ、それにより粉末添加材がギヤ
ノブＩ６の方へと正確に流れるようにするａＩ！１１繞
しているガスにいくらか王ツノをかければ、粉末添加材
の流れをギャップないし溶接部へと配向に関係なく正確
に指向さｌることができろ。
いずれの実施例においてら、また、本発明による方法を
用いる限り、どのような用途においてら、レーザー光が
照射される部位は、従来公知のようにレーザー光を非合
メｆ′とする、または、レーザー光に揺動することによ
りカバーされる。尚、レーザー光を１帛動させる場合、
溶接線に沿勺て揺動ごせてらよく、或いは溶接線と直交
する方向、ないし両方向には動させてら良い。
【図面の簡単な説明】
第１図は、レーザー光を利用して粉末添加材を添加した
金１７！母材を示す概略図、第２図は、本発明の方法を
、金属板の表面上に硬質披ｒｒｉ層を形成ずろのに実施
するに適した装置の部り’ｒｌｌ！Ｅ略斜視図、第３図
は、内燃機関の吸気弁ないし排気弁のための揺動アーム
の一端を表面硬化処理オろのに本発明の方法を利用して
いるところを示才斜睨図、第４図から第６図までは、本
発明の方法をＩｌｌ用して溶接を行う七ころを小ず概略
斜視図、第７図は、第６図に示した溶接により得られｌ
−１林ＩＩを示イ゛断面図、第８図は、一対のスキッド
仮を溶接ケるところを小ず斜視図である。 Ｉ・金属母材、２・　レーザー光、３・処理部位、４　
粉末添加材の流れ、８・粉末添加材Ｏ（給装置、１７　
レーザー光発生器、７０・・ギャップ検出器。 特許出願人　フィアノト・アウト・ソノエタ・ベル・ア
チオーニ 代　理　人　弁理士　青　山　葆　ほか２名＝１６．５

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）レーザー光で金属母材と添加材とを局所的に加熱
    する傍ら、添加材を可塑状態もしくは液状にせしめて金
    属母材の加熱個所に融合させる方法において、前記添加
    材として粉状添加材を用いていることを特徴とするレー
    ザー光による金属材処理方法。
  2. （２）特許請求の範囲第（１）項に記載のものであって
    、金属母材の表層部を合金化もしくは表面硬化処理をす
    べく、その母材の表面部に添加材を添加する場合におい
    ては、前記表面部が所定温度に達するに要する時間にわ
    たってレーザー光により前記表面部を加熱した後、前記
    表面部に粉状添加材を注入することを特徴とする方法。
  3. （３）特許請求の範囲第（１）項または第（２）項に記
    載のものであって、粉状添加材が注入された金属母材の
    前記表面部を所定時間にわたってレーザー光で照射する
    ことにより後加熱することを特徴とする方法。
  4. （４）特許請求の範囲第（１）項から第（３）項のいず
    れかに記載のものであって、注入した粉状添加材が金属
    母材の前記表面部に達する前に、前記粉状添加材をレー
    ザー光で照射することを特徴とする方法。
  5. （５）特許請求の範囲第（４）項に記載のものであって
    、粉状添加材が注入される金属母材の表面部を、前記粉
    状添加材が前記表面部に達する前に可塑状態、液状また
    は過熱液状となるように、レーザー光で照射することを
    特徴とする方法。
  6. （６）特許請求の範囲第（５）項に記載のものであって
    、粉状添加材が時々刻々と注入される金属母材の前記表
    面部の部分は、レーザー光が照射される前記表面部の部
    分よりも狭いことを特徴とする方法。
  7. （７）特許請求の範囲第（６）項に記載のものであって
    、粉状添加材が時々刻々と注入される金属母材の前記表
    面部の部分が、レーザー光に照射される前記表面部の部
    分に含まれていて、処理されている金属母材の表面部に
    おいて予熱と後加熱とが行なわれていることを特徴とす
    る方法。
  8. （８）特許請求の範囲第（１）項に記載のものであって
    、添加材が充填される溶接溝を有する金属母材または金
    属板を溶接する場合においては、溶接時に前記溶接溝に
    粉状添加材を注入し、その後、レーザー光を照射するこ
    とでその場にて溶融させることを特徴とする方法。
  9. （９）特許請求の範囲第（１）項から第（８）項のいず
    れかに記載の方法であって、金属母材に供給する粉状添
    加材に還元ガスを混在させたことを特徴とする方法。
  10. （１０）特許請求の範囲第（１）項から第（８）項のい
    ずれかに記載のものであって、金属母材に供給する粉状
    添加材に不活性ガスを混在させたことを特徴とする方法
    。
  11. （１１）特許請求の範囲第（１０）項に記載のものであ
    って、不活性ガスがアルゴンガスであることを特徴とす
    る方法。
  12. （１２）特許請求の範囲第（１）項から第（１１）項の
    いずれかに記載のものであって、粉状添加材を金属母材
    に供給するに当っては、重力の作用で落下させることを
    特徴とする方法。
  13. （１３）特許請求の範囲第（８）項から第（１１）項の
    いずれかに記載のものであって、溶接溝の幅が変化して
    いる金属母材を溶接する場合においては、照射するレー
    ザー光の特性と粉状添加材の流れのいずれか一方、また
    は両方を、溶接溝の幅の変化に応じて修正することを特
    徴とする方法。
  14. （１４）特許請求の範囲第（９）項から第（１２）項に
    記載のものであって、路が如何なる配向をしている金属
    母材を処理する場合にあっては、粉状添加材に混在させ
    た不活性ガスまたは還元ガスに周囲の気圧より大きい圧
    力を作用させることを特徴とする方法。
JP60183786A 1984-08-20 1985-08-20 レーザー光による金属材処理方法 Pending JPS6163391A (ja)

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IT67832-A/84 1984-08-20

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