JP2010203236A - レーザクラッドバルブシート形成方法及びレーザクラッドバルブシート形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ吸収率を高めてリメルト容量を増やし充分なガス抜きを実現することのできるレーザクラッドバルブシート形成方法。
【解決手段】鋳造されたシリンダーヘッド１のバルブシート形成部位２にレーザｈｖを照射し母材を溶かして溶融層を形成した後、その溶融層上に金属粉末４を供給しながらシリンダーヘッド１及びレーザｈｖを相対的に回転させつつレーザｈｖを照射し肉盛りしてクラッド層を形成するレーザクラッドバルブシート形成方法。本発明方法では、肉盛りしてクラッド層を形成する工程の前に、バルブシート形成部位２に、レーザｈｖを吸収し反射率を抑えるレーザ吸収部位１８を加工した後、このレーザ吸収部位１８にレーザｈｖを照射して加熱溶融させるリメルト工程を行う。レーザ吸収部位１８は、レーザｈｖの照射方向と略垂直な面１８Ａとして形成する。
【選択図】図６

Description

本発明は、レーザクラッドバルブシート形成方法及びレーザクラッドバルブシート形成装置に関し、詳細にはリメルト加工技術に関する。

例えば、自動車エンジンでは、バルブシートとして従来のシートリングを打ち込む方式に変えてバルブシート合金をシリンダーヘッドへ直接肉盛りする方式（レーザクラッド加工）が採用され初めている。このように、バルブシート合金をシリンダーヘッドに直接肉盛りすれば、シートリングの打ち込み方式に比べて熱伝導性を大幅に向上させることができ、燃焼室バルブ周りの冷却性能を高めることができる。

レーザクラッド加工は、シリンダーヘッドのバルブシート形成部位に金属粉末（肉盛り材料）を供給しながらその金属粉末に対してレーザを照射して溶融固化させて肉盛る技術である。その中でも、内燃機関用シリンダヘッドのバルブシート部に対してレーザクラッド加工を行い、リング形状のバルブシートを形成する手法をレーザクラッドバルブシート加工という。

レーザクラッド加工は、鋳造されたシリンダーヘッドのバルブシート形成部位にレーザを照射して母材を溶融させるため、鋳造粗材に含まれているガスがクラッド表面に析出し空孔となることがある。そのため、レーザクラッド加工を行う前に、レーザを照射し母材を溶融させてガス抜きを行うリメルト工程を行っている（例えば、特許文献１等に記載）。

特開２００５−１５２９２５号公報

ところで、レーザクラッドするための加工装置は、金属粉末を供給する粉末供給ノズルを前記バルブシート形成部位に対して垂直に設置する一方で、レーザ軸を金属粉末供給ノズルに対して傾けて配置している。このため、バルブシート形成面に対して斜めからレーザが照射されることになり、該バルブシート形成面に対するレーザの反射率が高くなる。

その結果、バルブシート形成部位のレーザ吸収率が落ちリメルト容量が少なくなることにより、鋳造粗材に含まれるガス抜きが充分でなくなり、最終的に得られるバルブシートに空孔が生じる等してシール性能が悪化することになる。

そこで、本発明は、レーザ吸収率を高めてリメルト容量を増やし充分なガス抜きを実現することのできるレーザクラッドバルブシート形成方法及びレーザクラッドバルブシート形成装置を提供する。

本発明のレーザクラッドバルブシート形成方法では、肉盛りしてクラッド層を形成する工程の前に、バルブシートを形成する部位に、レーザを吸収し反射率を抑えるレーザ吸収部位を加工した後、このレーザ吸収部位にレーザを照射して加熱溶融させるリメルト工程を行う
本発明のレーザクラッドバルブシート形成装置は、肉盛りしてクラッド層を形成する工程の前に、バルブシートを形成する部位に、レーザの照射方向と略垂直な面を加工する手段を備える。

本発明のレーザクラッドバルブシート形成方法によれば、バルブシート形成部位にレーザを吸収し反射率を抑えるレーザ吸収部位を加工した後にリメルト工程を行うようにしたので、リメルト工程で照射したレーザを無駄に反射させることなく吸収させることができる。これにより、バルブシート形成部位をレーザで充分に加熱し溶融することができ、鋳造粗材に含まれるガスを抜くことができる。その結果、本発明によれば、レーザクラッド加工後のクラッド層に空孔が生じることが回避され、シール性能の高いバルブシートを得ることができる。

本発明のレーザクラッドバルブシート形成装置によれば、肉盛りしてクラッド層を形成する工程の前に、バルブシートを形成する部位にレーザの照射方向と略垂直な面を加工する手段を備えているので、この手段によりレーザの照射方向と略垂直な面をバルブシートを形成する部位に加工できることにより、レーザクラッド加工時のレーザをそのまま状態で使用することができる。つまり、既存のレーザ照射装置を利用できる。

図１はレーザクラッドバルブシート形成装置を示す斜視図である。 図２はシリンダーヘッドのバルブシートを形成する部位に金属粉末を供給する状態を示す図である。 図３はシリンダーヘッドのバルブシートを形成する部位にレーザを照射し母材を溶かした溶融層上に金属粉末を供給する状態を示す図である。 図４はバルブシートを形成する部位の要部拡大平面図である。 図５は図４のＡ−Ａ線における要部拡大断面図である。 図６は図４のＢ−Ｂ線における要部拡大断面図である。 図７は図４のバルブシートを形成する部位に形成したレーザ吸収部位の要部拡大平面図である。 図８はレーザ吸収部位を形成するための刻印部材を示す図である。 図９はリメルト加工後のリメルト溶融量を示す図である。 図１０はレーザ照射方向に対する垂直面の面積とリメルト溶融量との関係を示す図である。 図１１は刻印部材の複数本を纏めて同時にバルブシートを形成する部位に押し付けてレーザ吸収部位を形成する状態を示す図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

「レーザクラッドバルブシート形成装置の構成説明」
先ず、レーザクラッドバルブシート形成装置について説明する。図１はレーザクラッドバルブシート形成装置を示す斜視図である。このレーザクラッドバルブシート形成装置は、図１に示すように、例えば自動車用エンジンなどのシリンダーヘッド１のバルブシートを形成する部位であるバルブシート形成部位２にレーザｈｖを照射するレーザ照射装置３と、バルブシート形成部位２に金属粉末４を供給する粉末供給装置５とを備えている。

レーザ照射装置３は、レーザ発振器６と、このレーザ発振器６により発振されるレーザの強さなどを制御するレーザ発振器制御部７と、ＮＣ制御装置８と、レーザを集光してバルブシート形成部位２に照射させる集光ヘッド９とからなる。

レーザ発振器６で発振されたレーザｈｖは、レーザ発振器制御部７で制御されて集光ヘッド９に供給され、この集光ヘッド９で所定のスポット径に絞られてバルブシート形成部位２に照射される。

粉末供給装置５は、バルブシート形成部位２に金属粉末４を供給するノズル１０（図１では図示を省略し図２に示す）と、金属粉末４を収容して置くホッパー１１と、金属粉末４の量を計測する荷重計１２と、ホッパー１１からノズル１０へと金属粉末４を送り込むフィーダ１３と、これらを制御する粉末制御部１４とからなる。

ノズル１０の先端からは、ホッパー１１に収容された金属粉末４がフィーダ１３により送られることで、前記バルブシート形成部位２へと吹き付けられる。金属粉末４としては、例えば熱伝導性に優れる銅合金などが使用される。

このレーザクラッド装置では、前記レーザ発振器６とレーザ発振器制御部７とＮＣ制御装置８と粉末供給制御部１４とがそれぞれコンピュータ１５によって制御されている。そして、このように構成されたレーザクラッドバルブシート形成装置によりバルブシート形成部位２に金属粉末４を供給しながらレーザｈｖを照射して肉盛りを行うことでクラッド層（バルブシート）を形成するが、その際に、図２及び図３に示すように、シリンダーヘッド１を回転装置１６の上に固定し、該シリンダーヘッド１を矢印Ａで示すように回転させながらレーザクラッド加工を行う。

図１のレーザクラッドバルブシート形成装置は、肉盛りしてクラッド層を形成するレーザクラッド加工工程前に、バルブシート形成部位２に、レーザｈｖの照射方向と略垂直な面を加工する手段である刻印部材を備えている。刻印部材については、図１０を参照して後述するものとする。

「レーザクラッドバルブシート形成方法の説明」
次に、レーザクラッドバルブシート形成方法について説明する。先ず、鋳造用金型に溶融したアルミニウム合金を流し込むことにより、シリンダーヘッド１を作成する。次に、鋳造したシリンダーヘッド１のバルブシート形成部位２に、図４に示すように、切削加工により円環凹溝１７を形成する。円環凹溝１７は、図４のＡ−Ａ線で示す断面図である図５に示すように、シリンダーヘッド１の上面１ａとほぼ平行な底面１７Ａと、この底面１７Ａの両側に傾斜する傾斜面１７Ｂ、１７Ｃとからなる。

次に、バルブシート形成部位２に、図６及び図７に示すようなレーザｈｖを吸収し反射率を抑えるレーザ吸収部位１８を加工する。レーザ吸収部位１８は、円環凹溝１７に対して円周方向に小さな凹みとして所定間隔を置いて複数配列して形成する。本実施形態では、この小さな凹みとして形成するレーザ吸収部位１８を所定間隔を置いて複数配列させて円形状としたものを、溝幅方向で複数列となるように形成する。これにより、円環凹溝１７の殆どの領域にレーザ吸収部位１８が形成されることになる。

前記レーザ吸収部位１８は、レーザｈｖの照射方向と略垂直な面となるレーザ吸収面１８Ａと、レーザｈｖが照射されないレーザ非照射面１８Ｂとからなる。そして、このレーザ吸収部位１８は、レーザ吸収面１８Ａとレーザ非照射面１８Ｂとが約９０度のなす角度を持つ断面形状をＶ字状とし且つ平面形状を長方形状とする小さな溝として形成される。なお、図７（Ａ）では、レーザ吸収面１８を理解し易いようにグレー色にて表記してある。

前記レーザ吸収部位１８を形成するには、図８に示すように、先端を尖らせたＶ字状の刻印部材１９をバルブシート形成部位２に押し付けるようにして形成する。つまり、レーザ吸収部位１８を、刻印部材１９を使用して転造にて形成する。刻印部材１９は、例えばＶ字状をなす先端部に形成される第１刻印面１９Ａを水平面２０に対しなす角度（θ１）３０度とし、第２刻印面１９Ｂを水平面２０に対しなす角度（θ２）６０度としている。かかる刻印部材１９は、例えば剛性の高いダイヤ或いは鋼材からなる。

前記刻印部材１９は、例えば図示を省略するエアー駆動手段により荷重Ｆが加えられることにより、そのＶ字状をなす先端部を円環凹溝１７に押し付けて打刻する。打刻後は、戻りバネ２１によって刻印部材１９が元の位置に戻る。このように構成された打刻部材１９を使用し、シリンダーヘッド１を回転させながら円環凹溝１７に所定間隔を置いて順次打刻することで複数のレーザ吸収部位１８を形成する。これにより、円環凹溝１７には、レーザｈｖの照射方向と略垂直な面（レーザ吸収面１８Ａ）が数多く形成されることになる。このレーザ吸収部位形成工程は、シリンダーヘッド１に形成される全てのバルブシート形成部位２に対して行う。

次に、肉盛りしてクラッド層を形成するレーザクラッド加工を行う工程の前に、前記レーザ吸収部位１８に前記したレーザ照射装置３からレーザｈｖを照射して加熱溶融させるリメルト工程を行う。このリメルト工程では、レーザｈｖの照射方向と垂直な面として形成されたレーザ吸収部位１８のレーザ吸収面１８Ａにレーザｈｖが垂直に照射されることになる。そのため、照射されたレーザｈｖは、レーザ吸収面１８Ａに吸収され易くなり、反射する量が大幅に減る。つまり、このレーザ吸収面１８Ａのレーザ吸収率が向上し、より多く吸収した分だけ加熱され母材が溶融する。この時のリメルト溶融量Ｒを、図９に示す。図９の斜線で示す部位が母材が溶融した領域を示している。リメルト溶融量Ｒは、図１０に示すように、レーザ照射方向に対する垂直面の面積が増加するにつれて増加する。本実施形態では、刻印部材１９でレーザ吸収部位１８によるレーザ吸収面１８Ａを数多く形成しているため、リメルト溶融量Ｒの増加が図れる。

前記リメルト工程を行うことで、母材が溶融するため、鋳造粗材に含まれるガスを抜くことができる。特に、本実施形態におけるように、レーザｈｖを反射させることなく効率良く吸収して母材を溶融したので、バルブシート形成部位２に存在するガス抜きを確実に行うことができる。

次に、前記リメルト工程を完了ししたらレーザクラッド加工工程を行う。レーザクラッド加工は、バルブシート形成部位２にレーザｈｖを照射し母材を溶かして溶融層（図示は省略する）を形成した後、その溶融層上に金属粉末４を供給しながらシリンダーヘッド１及びレーザｈｖを相対的に回転させつつレーザｈｖを照射して肉盛りしてクラッド層を形成する。そして、最後に仕上げ用切削工具を回転させながらクラッド層に押し当てて、当該クラッド層の表面を研磨する。

以上のように本実施形態のレーザクラッドバルブシート形成方法によれば、バルブシート形成部位２にレーザｈｖを吸収し反射率を抑えるレーザ吸収部位１８を加工した後にリメルト工程を行うようにしたので、リメルト工程で照射したレーザｈｖを無駄に反射させることなく吸収させることができる。これにより、バルブシート形成部位２をレーザｈｖで充分に加熱し溶融することができ、鋳造粗材に含まれるガスを抜くことができる。その結果、本発明方法によれば、レーザクラッド加工後のクラッド層に空孔が生じることが回避され、シール性能の高いバルブシートを得ることができる。

また、本実施形態のレーザクラッドバルブシート形成方法によれば、レーザ吸収部位１８を、レーザｈｖの照射方向と略垂直な面（レーザ吸収面１８Ａ）として形成したので、反射するレーザ量が少なくなり、該レーザ吸収部位１８におけるレーザ吸収率を高めることができる。

また、本実施形態のレーザクラッドバルブシート形成方法によれば、レーザ吸収部位１８を、バルブシートを形成する部位の円環凹溝１７に対して円周方向に複数配列して形成したので、レーザｈｖを吸収するレーザ吸収部位１８の数が増えることにより、レーザ吸収効率が大幅に増え充分に母材を加熱溶融することが可能となる。

また、本実施形態のレーザクラッドバルブシート形成方法によれば、レーザ吸収部位１８を、略垂直な面を形成するために先端を尖らせたＶ字状の刻印部材１９をバルブシートを形成する部位に押し付けて形成するので、簡単にレーザ吸収部位１８を形成することができる。

また、本実施形態のレーザクラッドバルブシート形成装置によれば、肉盛りしてクラッド層を形成する工程の前に、バルブシートを形成する部位にレーザｈｖの照射方向と略垂直な面を加工する手段を備えているので、この手段によりレーザｈｖの照射方向と略垂直な面をバルブシートを形成する部位に加工できることにより、レーザクラッド加工時のレーザｈｖをそのまま状態で使用することができる。つまり、本実施形態によれば、既存のレーザ照射装置を利用できる。

「その他の実施形態」
図１１は刻印部材の複数本を纏めて同時にバルブシートを形成する部位に押し付けてレーザ吸収部位を形成する状態を示す図である。

ここでは、図１１に示すように、図８で使用した刻印部材１９の複数本を纏めて基台２２に配列して固定し、１回の打刻で同時にバルブシート形成部位２に押し付けてレーザ吸収部位１８を形成する。

この実施形態によれば、複数本の打刻部材１９により１回の打刻で同時にバルブシート形成部位２に一度で複数のレーザ吸収面１８Ａをすることができ、リメルト前処理加工の速度を高めることができる。したがって、本実施形態によれば、作業時間の短縮及び製造コストの低下を実現できる。

本発明は、バルブシート合金をシリンダーヘッドへ直接肉盛りするレーザクラッド加工前に行うリメルト加工技術に利用することができる。

１…シリンダーヘッド
２…バルブシート形成部位
３…レーザ照射装置
４…金属粉末
５…粉末供給装置
６…レーザ発振器
１０…ノズル
１６…回転装置
１７…円環凹溝
１８…レーザ吸収部位
１８Ａ…レーザ吸収面
１９…刻印部材

Claims (6)

1. 鋳造されたシリンダーヘッドのバルブシートを形成する部位にレーザを照射し母材を溶かして溶融層を形成した後、その溶融層上に金属粉末を供給しながらシリンダーヘッド及びレーザを相対的に回転させつつレーザを照射し肉盛りしてクラッド層を形成するレーザクラッドバルブシート形成方法において、
   前記肉盛りしてクラッド層を形成する工程の前に、前記バルブシートを形成する部位に、レーザを吸収し反射率を抑えるレーザ吸収部位を加工した後、このレーザ吸収部位にレーザを照射して加熱溶融させるリメルト工程を行う
   ことを特徴とするレーザクラッドバルブシート形成方法。
2. 請求項１に記載のレーザクラッドバルブシート形成方法であって、
   前記レーザ吸収部位を、前記レーザの照射方向と略垂直な面として形成した
   ことを特徴とするレーザクラッドバルブシート形成方法。
3. 請求項２に記載のレーザクラッドバルブシート形成方法であって、
   前記レーザ吸収部位を、前記バルブシートを形成する部位の円環凹溝に対して円周方向に複数配列して形成した
   ことを特徴とするレーザクラッドバルブシート形成方法。
4. 請求項３に記載されるレーザクラッドバルブシート形成方法であって、
   前記レーザ吸収部位を、前記略垂直な面を形成するために先端を尖らせたＶ字状の刻印部材を前記バルブシートを形成する部位に押し付けて形成した
   ことを特徴とするレーザクラッドバルブシート形成方法。
5. 請求項４に記載されるレーザクラッドバルブシート形成方法であって、
   前記刻印部材の複数本を纏めて同時に前記バルブシートを形成する部位に押し付けて前記レーザ吸収部位を形成する
   ことを特徴とするレーザクラッドバルブシート形成方法。
6. 鋳造されたシリンダーヘッドのバルブシートを形成する部位にレーザを照射し母材を溶かして溶融層を形成した後、その溶融層上に金属粉末を供給しながらシリンダーヘッド及びレーザを相対的に回転させつつレーザを照射し肉盛りしてクラッド層を形成するレーザクラッドバルブシート形成装置において、
   前記肉盛りしてクラッド層を形成する工程の前に、前記バルブシートを形成する部位に、レーザの照射方向と略垂直な面を加工する手段を備えた
   ことを特徴とするレーザクラッドバルブシート形成装置。

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