JPS63224889A - レ−ザ肉盛溶接方法 - 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 この発明は自動車エンジンのシリンダの如き自動車部品
やその他各種機械部品などにおいて、局部的に耐摩耗性
、耐食性などの表面特性を改善するために、鋳鉄等から
なる基材上にレーザを熱源として耐食耐摩耗合金などを
肉盛溶接する方法に関し、特に幅５＃程度以上の幅広な
肉盛ど一ドを形成する方法に関するものである。

従来の技術 最近に至り、金属基材の特性、例えば耐摩耗性や耐食性
を改善するために、高密度エネルギ源であるレーザを熱
源として用いて、金属基材上に要求特性に応じた金属（
合金）を肉盛溶接する方法が普及されるようになってい
る。例えば鋳鉄基材に対する摺動摩耗特性の改善のため
のレーザ肉盛溶接方法としては、特開昭６１−１１６０
５６号に示されているように、レーザ光を肉盛処理幅ま
たはそれより若干人きめにレンズにより集光し、基材上
に供給された肉盛材料としての耐食耐摩耗合金にそのレ
ーザ光を照射して溶融・凝固させるのか通常である。ま
た他の方法として、特開昭５０−１０１２５４号に記載
されているように、レーザ発振器から発撮されたガウシ
ャン分布またはリングモート状のレーザ光を一旦ビーム
オシレート光学系により成形し、これを肉酩材利上に照
射する方法が知られている。一方、特に幅広い部分に肉
盛するための方法としては、米国特許第３．９５２．１
８０号明細書に示されているように、幅の狭いビートを
何本も重ね合せて行くことにより広い部分をレーザ肉盛
する方法も知られている。

発明が解決すべき問題点 前）小の特開昭６１−１１６０５６号あるいは特開昭５
０−１０１２５４号などに示されるような従来の一般的
なレーザ肉盛溶接法によって幅広い肉盛ビードを形成す
る場合、特に５Ｍ以上の幅の肉盛ビードを形成する場合
、レーザ照射により溶融した肉盛材料が基材上で凝固す
る際の収縮応力が著しく犬ぎくなり、そのため肉盛材料
の下側の基材に著しく大きな引張応力が加わるから、基
材が鋳鉄の如く引張強さや靭性が低い材料であれば、そ
の凝固収縮による引張応力によって例えば後に改めて説
明する第５図に示すように肉盛層の周辺で基材にクラッ
クが生じることが多い。このようなりランクか基材に生
じれば、肉盛部およびその周辺の仕上加工を行なっても
、仕上加工面に微細なりラックが残存し、そのため機械
的繰返し応力が加わるような用途での疲労特性に悪影響
を及ぼすとともに、耐摩耗特性にも悪影響を及ぼすから
、上述のようなりラックの発生は避けることが必要であ
る。

一方、前述の米国特許第３．９５２．１８０号明細書に
記載されているように、幅の狭いビードを何本も重ね合
わせて全体として幅広の肉盛層を形成する方法では、例
えば後に改めて説明する第６図に示すように先に形成さ
れた肉盛ビードに次の肉盛ビードを重なり部をもって形
成する場合、先に形成された肉盛ビードにクラックか発
生し易い問題がある。このように先に形成された肉盛ビ
ードにクラックが発生ずる原因は次のように考えられる
。

すなわち、高密度エネルギ源であるレーザを用いての肉
盛は、必要最少限の熱エネルギによる急熱・急冷肉盛で
あることから、先に形成された肉盛ビードに対して重な
り部をもって次の肉盛ビードを形成する時点では、先に
形成された肉盛ビードは既に基材と同程度の温度まで冷
却されており、したがってその時点では、先に形成され
ている肉盛ビードには肉盛材料の溶融凝固時に発生する
応力σＳと凝固後基材と同程度の温度まで冷却される過
程での熱膨張係数分の収縮応力σｔとの総和σ−σＳ十
σｔの応力が既に加わっている。そしてその時点で次の
肉盛ビードの形成のために新たなレーザエネルギか加え
られれば、応力バランスか崩れて、先に形成されている
肉盛ビートにクラツクが発生するものと考えられる。こ
のように肉盛ビードにクラックが発生した場合は、基材
のクラックと同様に疲労特性や摩耗特性に著しい悪影響
を与えることとなる。

この発明は以上の事情を背景としてなされたもので、肉
盛溶接によって幅広い肉盛ビードを形成するにあたって
、ビード周辺部の基材や肉盛ビード自体にクラックが生
じることを有効に防止したレーザ肉盛溶接方法を提供す
ることを目的とするものである。

問題点を解決するための手段 この発明のレーザ肉盛溶接方法は、基本的には金属基材
上に肉盛すべき金属をある幅をもって配置して、その肉
盛すべき金属の上からレーザビームを照射するとともに
、レーザビームを金属基材に対して肉盛すべき金属の幅
方向に対し直交する方向に相対的に移動させて、肉盛す
べき金属をその長さ方向に順次溶融・凝固させて肉盛じ
−ドを形成して行く方法を前提としたものであって、こ
のような方法においてこの発明の方法では肉盛すべき金
属の上に照射するレーザビームを、特に肉盛すべき金属
の幅方向に２以上に分割し、かつその分割されたビーム
の相互に隣り合うものの照射タイミングに時間差下を持
たせるものである。そしてこの分割ビームの照射タイミ
ングの差Ｔは、次式を満足するように定める。

ｔｓ十↑ａ≦Ｔ≦ｔｓ　＋ｔｂ ここで、ｔｓは肉盛すべき金属にレーザを照射開始した
時点からその肉盛すべき金属が溶融してｉ凝固するまで
に要する時間、またｔａは、肉盛すべき金属の凝固温度
からそれより２００℃低い温度に到達するに要する時間
、さらにｔｂは、肉盛すべき金属の凝固温度からその凝
固温度の２７３の温度（但し°Ｃにて）に到達するに要
する時間を表わす。

作　　　用 この発明のレーザ肉盛溶接方法においては、基本的には
レーザビームを肉盛すべき金属の幅方向に対し直交する
方向（この方向がビード進行方向となる）に相対的に移
動（走査）させて、おる幅、ある長さを有する肉盛ビー
ドを形成して行くことを前提としている。この場合、従
来の通常のレーザ肉盛溶接方法、すなわちビームを分割
しない方法では、肉盛すべき金属の幅方向各位置にあけ
るビーム照射タイミングが同じとなるが、この発明の方
法の場合は、レーザビームを肉盛すべき金属の幅方向に
２以上に分割して、その分割された各ビーム（以下分割
ビームと記す）の隣り合うものの照射タイミング、すな
わち先行する分割ビームと後行の分割ビームの肉盛金属
幅方向同一位置における照射タイミングに時間差下を持
たせている。

このようにレーザビームを幅方向に２以上に分割して照
射しかつその照射タイミングに時間差を持たせることに
よって、幅広い肉盛ビードを形成する場合でも各分割ビ
ームによって形成されるビードはそれぞれ幅狭いものと
なり、そのため肉盛金属の凝固収縮によって発生する応
力は幅広な肉盛ビードを同時に形成する場合よりも格段
に小さくなり、その応力によって基材にクラックか生じ
るような事態の発生を未然に防止できる。

そして隣り合う分割ビームの照射タイミングの時間差下
を前記の式を満足するように設定することによって、ビ
ームを分割したことによる上）ホの効果を充分に発揮さ
せると同時に、先行する分割ビート自体にクラックが発
生することをも有効に防止することができる。

ここで、隣り合う分割ビームの照射タイミングの差Ｔに
ついて、前記式を満足するように定めた理由は次の通り
で必る。

■　ｔｓ　＋ｔａ≦下について： レーザビームを分割して時間差をもたせて照射する場合
、各分割ビームにより溶融・凝固して形成されるビード
の凝固収縮応力を小さくするためには、先行する溶融ビ
ードが完全に凝固してから後続の溶融ビートに分割ビー
ムが照射されなければならす、その意味からは照射タイ
ミングの時間差下は、ビームの照射開始から肉盛金属が
溶融しさらにその凝固が終了するまでに要する時間ｔｓ
より人きくな（ブればならない（ｔｓ＜Ｔ）が、それだ
けでは不充分である。

−〇　− すなわち、先行する溶融ビードが凝固した後で必っても
、未だそのビートの温度が高過ぎれば、後続する溶融ビ
ードの熱によって再び先行ビードが溶融してしまい、ビ
ーム分割によりヒートを分割した効果が得られなくなっ
てしまう。先行ビードが後続ど−ドの熱により再溶融さ
れないようにするためには、後続ビートのための分割ビ
ーム照射時に先行ビートか凝固点湿度よりも２００　℃
以上冷却されていることか必要である。

そこで照射タイミング時間差Ｔは、照射開始から溶融し
て凝固が終了するまでの時間ｔｓと、凝固点温度から２
００℃低い温度に到達するに要する時間ｔａとの総和（
ｔｓ十士ａ）以上とし１こ　。

■　Ｔ≦ｔｓ　＋ｔｂについて： 既に従来技術の項で述べたように、先行するビードが凝
固冷却されてそのビードの温度か基材温度近くまで低下
してから後続ご−ドが先行のビートに重ね合されるよう
にして処理された場合、先行ビードにクランクが生じる
という間題がある。そこで前述の熱膨張係数分の応力σ
ｔが大きくならないうちに後続ビードが処理されるため
には、少なくとも先行する分割ビームによる先行ビード
の温度が凝固点温度の２７３の温度となる以前に後続す
る分割ビートのための分割ビームが照射される必要があ
る。すなわち、分割ビームの時間差Ｔは、照射開始から
肉盛すべき金属が凝固してさらにその凝固点温度の２７
３の温度に達するまでの時間（ｉｓ　＋ｔｂ　）よりも
短くする必要かあり、Ｔ≦ｔｓ　＋ｔｂと定めた。

以上のように、分割ビームの時間差Ｔを、ｔｓ＋↑ａ≦
丁≦士Ｓ＋ｔｂと設定することによって、基材のクラッ
ク発生および肉盛ビード自体のクラック発生をともに有
効に防止することができる。

実施例 ［実施例１］ 鋳鉄基材上へＮｉ基合金の肉盛を行なった実施例を以下
に示す。

この実施例において使用した光学系は第１図、第２図に
示すようなものでおり、先ずこの光学系について説明す
る。

レーザ発振器１により発せられたレーザ光２はペンドミ
ラー３により折返され、さらに７ｎＳｅレンズ４により
絞り込まれることにより、肉盛を行なうべき基材５上に
おいて適切なじ゛−ム径となるように調整される。レン
ズ４を通過したレーザ光２は、電磁加振器６により振動
せしめられるビームオシレートミラー７により一定周波
数、一定振幅にオシレートされる。なおこのオシレート
方向は、基材５上においてその基材５の移動方向Ａに対
し直交する方向、換言すれば肉盛すべき金属粉末８の幅
方向となるように定められている。ここで、レンズ４を
通過した直後のレーザ光２のビームモードは、符号９で
示すようなガウシャンモードとなっているが、ビームオ
シレートミラー７により整形されたオシレートビームは
、符＠１゜で示すように見掛は上筒側にピークを持ち中
央部がフラットな形状となっており、その両側のピーク
部分が肉盛すべき金属粉末８の幅方向両側に相当する。

このようにして整形されたオシレートビーム１０は、ざ
らに分割ミラー１１により反射されると同時に３分割さ
れて、図中矢印へ方向へ一定速度で移動する鋳鉄基材５
上の肉盛すべき金属粉末８に分割ビーム１２Ａ、１２Ｂ
、１２Ｇとして照射される。この分割ミラー１１は、第
２図に詳細に示すように、３枚の単位ミラー’ｌ’ｌＡ
、’１１Ｂ、’１１Ｇを組合せた３分割構成とされてお
り、両脇の単位ミラ〜１１Ｃはその反射面が同一平面上
に位置しており、一方中央の単位ミラー１’ｌＢはその
反射面が両脇の単位ミラー１１Ａ、１１Ｃの反射面に対
して角度θだけ傾斜されている。このように中央の単位
ミラー１１Ｂを傾けることによって、その単位ミラー１
１Ｂにより反射された中央の分割ビーム１２Ｂが、両脇
の単位ミラー１１Ａ、１１Ｃにより反射された両脇の分
割ビーム１２Ａ、１２Ｇに対し照射タイミングの時間遅
れＴを与えられている。分割ビーム１２Ａ、１２Ｂ、１
２Ｇの照射タイミングを第３図（Ａ）に模式的に示す。

以上のように時間差Ｔをもって分割ビーム１２Ａ、１２
Ｂ、１２Ｃが肉盛金属粉末８に照射されることにより、
それぞれのビームに対応する部分で肉盛金属粉末８が溶
融・凝固して分割ビード１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃが形成
され、全体として肉盛層１３が形成されることになる。

なおここでレンズ４の焦点距離ｆは、オシレートビーム
を高Ｈｚとししかもオシレート幅を広くとるためには、
ビームオシレートミラー駆動用の電磁加振器６の能力限
界を考慮して、ｆ＞５００ｍとすることが必要である。

しかしながらｆ値が大きくなるとビームスポット径が絞
り込まれにくくなるという問題があり、ビームスポット
径を適切な３＃以下とするためにはｆ　＜　７８０ｍが
必要であり、これらからレンズ４としては５００ｍｍ＜
　ｆ　＜　７８０１Ｂ１Ｂの範囲内の焦点距離のものを
用いた。

またレンズ４により絞り込まれたレーザビームはオシレ
ートミラー７に照射されるが、オシレートミラー７は高
速でオシレートさせるために軽量に作られているなどの
点からオシレートミラー７に照射可能なエネルギには限
界がある。そこで照射レーザ出力Ｐ、レンズの焦点距離
ｆ、レーザ発振器１から出たレーザビーム半径をｒとす
れば、レンズ４とオシレートミラー７との間の距離！は
、次式を満足するように設定された。

なおオシレートミラー７として３ｉ基板ミラーを用いる
場合は、次式を満足するように設定することが望ましい
。

以上のような光学系を用いてのこの実施例において肉盛
用の金属粉末として使用したＮｉ基合金は、第１表に示
すような成分組成を有するものである。

第　　１　　表 またそのＮ１基合金粉末としては粒径−８０メツシユ〜
＋２５０メツシユのものを用い、厚さ約３ｍ、幅１５＃
に基材上に配置した。一方、基材はＦｅ１２のねずみ鋳
鉄でおる。さらに、レーザ処理条件は次のように設定し
た。

レーザ出カニ　３ｋＷ ビームスポット径：直径１．５〜２．５ｍビーム走査速
度（基材移動速度）■ ：　　１５０〜３００ｍ／ｍ＋ｎ ビームオシレート周波数：　　２００Ｈｚオシレ一ト幅
：１４ｍｍ なおここで肉盛金属であるＮｉ１合金の凝固点温度は１
２５０℃であり、また上記の肉盛条件下でレーザ照射開
始から溶融しさらに凝固が終了するまでに要する時間ｔ
ｓは約１．５秒、凝固温度から２００°Ｃ低下した温度
に到達するに要する時間ｔａは約１，０秒、凝固点温度
からその凝固点温度の２７３の温度に到達するに要する
時間ｔｂは約２．３秒であり、したがって既に）小べた
ように分割ミラー１１の中央の単位ミラー１１Ｂを傾け
て照射タイミングの差Ｔを２，５秒〜３，８秒の範囲内
とすることによりこの発明の条件を満足させることがで
きた。

以上のようにして肉盛を行なって得られた肉盛ビードの
断面状況を第４図に示す。第４図から明らかなように、
肉盛層の周辺の基材にクラックが発生することはないこ
とが確認された。また図には示していないか肉盛層自体
にもクランクが発生しないことが確認された。

［比較例１］ 従来から行なわれているレーザビームを分割しない方法
でレーザ肉盛溶接を行なった。使用した基材および肉盛
金属粉末は実施例１の場合と同じとし、またレーザ処理
条件も実施例１と同じとし、分割ミラー１１を用いずに
単一ミラーを用いて、レーザビームを分割しなかった点
以外は実施例と同様な光学系で肉盛を行なった。

このようにして得られた肉盛ビードの断面状況を第５図
に示す。第５図から明らかなように、ビームを分割しな
かったこの比較例１の場合は、肉盛ビードの周辺部にお
いて基材に肉盛材料の収縮応力に起因するクラックが発
生していることが判る。

［比較例２］ 従来性なわれている米国特許第３．９５２．１８０号明
細書に示されている方法に従ってビートを重ね合せて行
く方法、すなわちこの発明の方法とは異なり、先に形成
されたビードが基材温度とほぼ同じ温度まで冷却されて
から、次のビートを先のビードに対し重なり部をもって
形成して行く方法に従ってレーザ肉盛溶接を行なった。

なお基材および肉盛金属粉末としては実施例１と同じも
のを用いた。またレーザ処理条件は、単位面積当りの照
射エネルギ条件を実施例１の場合と同一とするため、次
のような条件とした。

レーザ出カニ３にμ ビームスポット径：直径１．５〜２．０ｍｍヒーム走査
速度：　　３００〜６００ｍｍ／ｍｔｎビームオシレー
ト周波数：　　２００Ｈｚオシレ一ト幅ニア馴 このような条件でビートを重ね合わせなからレーザ肉盛
溶接を行なって得られた肉盛ヒートの断面状況を第６図
に示す。第６図から明らかなように、ビードの中央部、
すなわちビード重ね合せ部にクラックが生じていた。

［その他の実施例］ 前述の実施例１においては、３分割構成の分割ミラー１
１を用いてレーザビームを３分割するものとしたか、場
合によってはレーザビームを２分割しても良いことはも
ちろんでおり、また４分割以上の多分割として良く、要
は最終的に形成すべき肉盛ビード幅や肉盛（Ａ料に応じ
て、凝固収縮応力により基材にクランクか生じないよう
な分割数に定めれば良い。

レーザビームを２分割した場合の各分割ビーム＝　１９
− １２Ｄ、１２Ｅの照射タイミングを第３図（Ｂ）に模式
的に示す。

また各分割ビームの照射タイミングの差Ｔは、要は隣り
合う分割ビームの間で確保すれば良いから、例えばビー
ムを３分割する場合、第３図（Ｃ）に模式的に示すよう
に、一方の側の分割ビーム１２△に対して中央の分割ビ
ーム１２Ｂを王だけ遅らせ、ざらに他方の側の分割ビー
ム１２Ｃを中央の分割ビーム１２Ｂに対して王だけ遅ら
せても良い。

さらに、実施例１ては、Ａシレー１〜ビームを分割する
こととしたが、Ａシロートビームに限られるものではな
く、例えばインチグレートビームを用いてこれを分割し
ても良いことは勿論である。

また実施例１では鋳鉄基何に耐食耐摩耗合金としてのＮ
ｉ基合金を肉盛することとしたが、基材および肉盛材料
はこれに限定されるものではないことは勿論である。

発明の効果 実施例からも明らかなように、この発明のローザ肉盛溶
接方法によれば、幅広な肉盛ビード、特に幅５＃以上の
幅広な肉盛ど一ドを形成するにあたって、ビード周辺部
の基材にクランクが生じたり肉盛ビード自体にクラック
が生じたりすることを有効に防止でき、したがってこの
ようなりラックにより疲労特性や耐摩耗特性、耐食性等
を劣化させることなく、幅広な肉盛ビードを高い良品歩
留りで形成することかできる。

【図面の簡単な説明】

＠１図はこの発明の実施例における光学系の構成を示す
略解的な斜視図、第２図は実施例で使用した分割ミラー
の底面側からの斜視図、第３図（Ａ＞、（Ｂ）、（Ｃ）
はそれぞれ実施例における分割ビームの照射タイミング
を示す模式図、第４図は実施例１により形成された肉盛
ビードの要部を示す金属組織断面写真（倍率５倍）、第
５図は比較例１により形成された肉盛ビードの要部を示
す金属組織断面写真（倍率１０倍）、第６図は比較例２
により形成された肉盛ビードを示す金属組織断面写真（
倍率５倍）である。 ５・・・基材、　７・・・ビームオシレートミラー、　
８・・・肉盛すべき金属粉末、　１１・・・分割ミラー
、１２Ａ、１２８，１２０・・・分割ビーム、　１３Ａ
、１３Ｂ、１３Ｇ・・・分割ご−ド、　１３・・・肉盛
層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属基材上に肉盛すべき金属をある幅をもって配
   置し、その肉盛すべき金属の上からレーザビームを照射
   するとともにレーザビームを金属基材に対し肉盛すべき
   金属の幅方向に対し直交する方向へ相対的に移動させ、
   肉盛すべき金属を順次溶融・凝固させて肉盛溶接する方
   法において、肉盛すべき金属の上に照射するレーザビー
   ムを、その肉盛すべき金属の幅方向に複数に分割し、か
   つ分割されたビームの相互に隣り合うものの照射タイミ
   ングに時間差Ｔを持たせ、しかもその時間差Ｔを、照射
   開始から溶融してさらに凝固が終了するまでに要する時
   間ｔｓ、肉盛金属の凝固点温度からそれより２００℃低
   い温度に到達するに要する時間ｔａ、肉盛金属の凝固温
   度（℃）からその凝固温度の２／３の温度（℃）に到達
   するに要する時間ｔｂに対して、 ｔｓ＋ｔａ≦Ｔ≦ｔｓ＋ｔｂ を満足するように設定したことを特徴とするレーザ肉盛
   溶接方法。
2. （２）分割する前の前記レーザビームとして、肉盛すべ
   き金属の幅方向にオシレートさせたオシレートビームを
   用いる特許請求の範囲第１項記載のレーザ肉盛溶接方法
   。