JP4232615B2 - レーザ肉盛り加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ肉盛り加工方法に関し、特に内燃機関用シリンダヘッドのバルブシート部に対し例えば粉体（粉末）状の肉盛り材料を供給しながらレーザビームを照射し、バルブシート部とレーザビームを相対回転させることで肉盛り層を形成するようにしたレーザ肉盛り加工方法（レーザクラッド法とも称される）に関する。

内燃機関のシリンダヘッドに代表されるようなアルミニウム鋳造合金母材上にレーザ肉盛り加工を施す場合、母材中の巣穴に鋳造時の溶湯中に含有していたガス（主にＨ₂ガス）や前工程での機械加工時の切削油剤もしくは洗浄時の水分等が残留していると、この残留物が肉盛り層加工の際の母材溶融時に気泡化し、その肉盛り層中に入り込むことでいわゆるポア欠陥の発生原因となる。また、それらの残留物が気化・膨張する際に、溶融した母材を肉盛り層中に巻き上げて希釈させることでクラックの発生原因ともなっている。

そこで、これらの対策として例えば特許文献１に記載のように、母材の機械加工後の洗浄に続いて上記のような残留物の除去を目的として加熱・吸引処理を施すことが行われている。

また、別の方法として、母材の巣の量を低減するべく、特許文献２に記載のように、母材そのものの鋳造段階で肉盛り層（被処理部）なるべき部分のごく近傍のみを急速冷却して、組織を緻密化することも試みられている。

さらに、肉盛り層を形成する前に、何らかの方法で肉盛り層となるべき部分を予め塑性変形させて、実質的に巣穴を潰してしまうことも一部で試みられている。
特開平１１−２９１０７２号公報 特開２００２−２３９７１１号公報

しかしながら、特許文献１に記載のいわゆる加熱・吸引方式では、肉盛り加工の前工程である機械加工を終えた段階で母材表面に開口している巣穴に対しては顕著な効果が認められるものの、表面に開口することなく内部に潜んでいる巣穴に対しては何ら効果がなく、完全な対策とはなり得ない。

また、特許文献２に記載の方式では、鋳造段階での根本対策としてある程度の改善効果が認められるものの、巣の発生を完全になくすことは工法上不可能であり、また母材の鋳造性を損なうおそれもあることから、上記と同様に完全な対策とはなり得ない。

さらに、第３の方式として最後に述べた塑性変形方式では、塑性加工により巣穴を潰したとしても内部に存在するガスは除去することができず、他の二方式と同様になおも改善の余地を残している。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、とりわけ鋳造材では不可避とされる金属母材の巣穴の発生に起因した肉盛り欠陥の発生を大幅に低減可能とした肉盛り加工方法を提供するものである。

請求項１に記載の発明は、鋳造材からなる金属母材に対して肉盛り材料を供給しながらレーザビームを照射して肉盛り層を形成する方法として、肉盛り層を形成した後に、後処理としてその肉盛り層に再度レーザビームを照射して再溶融・再凝固させることを特徴とする。

ここでの肉盛り加工方法の代表的なものとしては、アルミニウム合金鋳物製の内燃機関用シリンダヘッドのバルブシート部の加工を挙げることができるが、鋳造材を母材とする肉盛り加工法であればシリンダヘッド以外にも広く応用が可能である。

この場合において、例えば請求項２に記載のように、上記の後処理に際して肉盛り層に投与される入熱量を、肉盛り層を形成する際に投与される入熱量よりも大きくするとともに、請求項３に記載のように、後処理に際して使用される熱源をとして、肉盛り層を形成する際に使用されるレーザビームを使用することが望ましい。

したがって、少なくとも請求項１に記載の発明では、後述する前処理に代わって、同様の処理を肉盛り加工後に後処理として行うものであり、例えば肉盛り層の中に一旦ポア（気泡）が封じ込められたとしても、後処理によりそれらのポアを解消することができるようになる。

請求項４に記載の発明は、鋳造材からなる金属母材に対して肉盛り材料を供給しながらレーザビームを照射して肉盛り層を形成する方法として、肉盛り層の形成に先立ち、前処理として金属母材のうち肉盛り層となるべき部分をレーザビームの照射により加熱して溶融・再凝固させる一方、肉盛り層を形成した後に、後処理としてその肉盛り層に再度レーザビームを照射して再溶融・再凝固させることを特徴とする。

上記の前処理は、例えば請求項５に記載のように、金属母材のうち肉盛り層となるべき部分をレーザビームの照射により加熱して溶融・再凝固させるものとし、その場合に、前処理としての溶融・再凝固により形成される前処理下地層は、前処理そのものの目的からして、請求項６に記載のように肉盛り層の形成の際の溶融層よりも深く形成するものとする。

また、請求項７に記載のように、前処理に際して金属母材のうち肉盛り層となるべき部分に投与される入熱量を、肉盛り層を形成する際に投与される入熱量よりも大きくするとともに、請求項８に記載のように、前処理に際して使用される熱源をとして、肉盛り層を形成する際に使用されるレーザビームを使用することが望ましい。

したがって、少なくとも請求項４に記載の発明では、正規の肉盛り加工に先立って、母材表面を一旦溶融することで母材内部に残存するガスや表層部の巣穴中に残存している油分や水分等が事前に放出されることから、肉盛り加工段階での欠陥の発生も誘発しにくくなる。

その上、先に述べたような前処理と後処理を併用することで、肉盛り層での欠陥発生をより確実に防止できるようになる。

請求項１に記載の発明によれば、肉盛り層を形成した後に、後処理としてその肉盛り層に再度レーザビームを照射して再溶融・再凝固させることにより、肉盛り層の中に一旦封じ込められたガスや気泡等を事後的に放出させることができるため、これによって上記のガス等に起因する欠陥の発生を大幅に抑制でき、肉盛り加工品質が大幅に向上する。

請求項４に記載の発明によれば、後処理に加えて、前処理として溶融・再凝固させることにより母材内部に残存するガスや油分もしくは水分を事前に放出させることができるため、実際に肉盛り層を形成する段階では上記のガス等に起因する欠陥の発生を大幅に抑制できるようになり、肉盛り加工品質が大幅に向上する。また、従来の洗浄工程のほか加熱・乾燥および吸引の各工程が不要となって、工程数の短縮化が図れる。

また、上記の前処理と後処理を併用するようにしたため、上記のガス等に起因する欠陥の発生防止効果が一段と顕著となって、さらなる肉盛り加工品質の向上に寄与できる。

図１，２は本発明に係るレーザ肉盛り加工方法の好ましい実施の形態を示し、先に述べた特許文献１，２に記載のものと同様に、内燃機関におけるアルミニウム合金鋳物製のシリンダヘッドのバルブシート部に肉盛り加工を施す場合の概略を示している。なお、いずれの図においても符号Ｃはバルブシート部の中心線を示している。

図１の（Ａ），（Ｂ）に示すように、母材となるシリンダヘッド（以下、母材という）１は、周知のように所定の三次元形状の鋳造粗材１Ａに必要な旋削等の機械加工を施すことで仕上げられる。特にバルブシート部となるべき部分には、切削工具により凹溝状の環状溝２が形成される。そして、機械加工後であって且つ肉盛り加工の前に、同図（Ｃ）に示すように、必要に応じて母材１に付着した切削油剤等の除去を目的として洗浄水４による洗浄が行われることもある。

なお、後述するように肉盛り加工に先立って前処理を施すことを前提とすれば、基本的にはこの洗浄工程は廃止することができる。ただし、機械加工時に使用する切削油剤の種類によっては洗浄が必要となることもあるので、念のため記載してある。また、図１ではバルブシート部となるべき部分の近傍に巣穴５が発生した状態を誇張して描いてある。

上記の洗浄工程に続いて、一般的には図２の（Ｂ）に示すような肉盛り加工（レーザクラッド加工）に移行することになるが、本実施の形態ではそれに先立って同図（Ａ）に示すように前処理として溶融処理を行う一方、肉盛り加工後に同図（Ｃ）に示すように後処理として再溶融処理を行うものとする。なお、図２の（Ａ）〜（Ｃ）に示す各工程では、実際にはバルブシート部となるべき環状溝２が水平となるように母材１を傾けてそれぞれの処理を行うことになるが、同図では紙面の都合上母材１を傾けていない状態を描いてある。

同図（Ｂ）に示す肉盛り加工は、周知のように、母材１の環状溝２に肉盛り材料として例えば銅合金粉末材料６を粉末供給ノズル７から一定量ずつ供給しつつ、その粉末供給部位にレーザビームＬｂを照射するとともに、母材１とレーザビームＬｂを所定速度で連続的に相対回転させることにより（例えば母材１を固定側とした場合には、レーザビームＬｂを環状溝２に沿って移動させる）、母材１および粉末材料６の溶融化処理により肉盛り層（クラッド層）８を形成する。同図から明らかなように、母材１そのものの溶融層９の表層側に肉盛り層８が形成される。

ここで、熱源であるレーザビームＬｂには、例えば波長が８００〜９００ｎｍのダイレクトダイオードレーザを照射部位でのビームスポットサイズを４×４ｍｍとして使用する。一方、母材１は例えばＡＣ２Ａ−Ｔ６相当のアルミニウム合金鋳物材であり、また粉末材料６としては市販の銅合金粉末材料ＭＣｕＮｉ２（三井金属鉱業社製）のものを使用する。

上記の肉盛り加工に先立つ前処理としての溶融処理は、同図（Ａ）に示すように肉盛り加工の際に使用するレーザビームＬｂをそのまま使用して、粉末材料６を供給することなくレーザビームＬｂを母材１の環状溝２に照射しながら相対回転させて、環状溝２の底部相当部を一旦溶融して前処理溶融層１０とした上で再凝固させて前処理下地層とする。具体的は、レーザ出力を例えば２．０〜４．０ｋＷとし、上記と同様に母材１を固定側としてレーザビームＬｂを例えば０．１〜１．０ｍ／ｍｉｎの速度で送りを与えて移動させる。

この前処理溶融層（前処理下地層）１０の深さは、同図（Ｂ）の肉盛り加工時の溶融層９の深さよりも大きくすることが重要である。例えば肉盛り加工時の溶融層９の深さを０．３〜０．５ｍｍとすれば、前処理溶融層（前処理下地層）１０の深さは０．７ｍｍ程度とする。また、この前処理に際しての環状溝２への入熱量は肉盛り加工時のそれよりも大きくすることが望ましい。何故ならば、機械加工が施された母材１たるアルミニウム合金表面のレーザ吸収率が低いため、上記のような所要深さの前処理溶融層（前処理下地層）１０を形成するためには粉末等の肉盛り材料６を併用する肉盛り加工時に比べより大きな入熱量が必要となるからである。

このような前処理を施すことにより、同図（Ａ）に示すように巣穴５に封じ込められていたガスや油分もしくは水分が蒸発して矢印Ｑで示すように外部に放出される。

次に、この前処理に続いて先に述べた同図（Ｂ）の肉盛り加工を施すことになる。この肉盛り加工は、前処理溶融層１０の再凝固によってできた前処理下地層の一部を溶融層９として再溶融させながら肉盛り層８を形成することになるため、この段階ではポア（気泡）が発生せず、欠陥のないきわめて良好な肉盛り層８を形成することができる。

肉盛り加工に続いて、同図（Ｃ）に示すように先の前処理と同様の手順で後処理として再溶融処理を施す。この後処理として再溶融処理は、先に形成された肉盛り層８をレーザビームＬｂの照射により再溶融させた上で再凝固させる。ただし、この後処理段階でのレーザ出力は例えば３．０〜４．０ｋＷとし、レーザビームＬｂの送り速度は例えば０．２〜０．５ｍ／ｍｉｎとする。

また、この後処理に際しての肉盛り層８への入熱量は肉盛り加工時のそれよりも大きいことが望ましい。何故ならば、通常、肉盛り材料として使用される粉末あるいはワイヤ状の材料に対し、母材１上に既に形成されている肉盛り層８は母材１と金属結合していることから熱容量が大きく、且つレーザ照射を受ける単位重量当たりの表面積が小さく、見かけのレーザ吸収率が低下することから、再溶融させるためにより高い入熱が必要となるからである。こうして、肉盛り加工時よりも高い入熱を行うことで、肉盛り層８を確実に再溶融させることができる。

したがって、肉盛り加工の段階で万が一その肉盛り層８の中にポア（気泡）１１が封じ込められていたとしても、後処理として肉盛り層８の再溶融・再凝固処理を施すことによってそれらのポア（気泡）１１が放出されて、良好な肉盛り層８とすることができる。その上、母材希釈層と周囲の健全な層を一緒に溶融して撹拌することで、アルミニウム含有率（希釈率）が高くて硬く脆い希釈層の希釈率を低減でき、肉盛り層８でのクラックの発生を抑制する上でも有利となる。

このように本実施の形態によれば、肉盛り加工に先立って前処理として溶融・再凝固処理を行うか、肉盛り加工の後に後処理として再溶融・再凝固処理を行うことにより、望ましくはその双方を併用することにより、母材１自体の巣穴５に封じ込められたガスや油分もしくは水分に起因する肉盛り層８の欠陥を大幅に低減できて、肉盛り加工品質が大幅に向上することになる。

ここで、発明の効果の欄に記載した以外の本実施の形態の付随的効果を列挙すれば次のとおりである。

（１）前処理もしくは後処理時の熱源としてレーザビームＬｂを使用していることにより、広くリメルト処理の熱源として用いられるＭＩＧやＴＩＧ等と比べて入熱の制御が容易で、溶融・凝固によって生じるその溶融・凝固層の凹凸や、熱応力による母材１全体の変形を抑制できる。

（２）上記レーザビームＬｂとして肉盛り加工時に使用するものをそのまま使用しているため、同一工程内で前処理や後処理までも行え、効率的な生産が可能となる。

本発明の好ましい実施の形態として母材の機械加工工程とその前後の工程の概略を示す工程説明図。 図１の工程に続く前処理、肉盛り加工および後処理の各工程の概略を示す工程説明図。

符号の説明

１…母材（シリンダヘッド）
２…環状溝（バルブシート部となるべき部位）
５…巣穴
６…肉盛り材料
８…肉盛り層
９…肉盛り加工時の溶融層
１０…前処理時の溶融層（前処理下地層）
Ｌｂ…レーザビーム

Claims (9)

1. 鋳造材からなる金属母材に対して肉盛り材料を供給しながらレーザビームを照射して肉盛り層を形成する方法であって、
   肉盛り層を形成した後に、後処理としてその肉盛り層に再度レーザビームを照射して再溶融・再凝固させることを特徴とするレーザ肉盛り加工方法。
2. 後処理に際して肉盛り層に投与される入熱量を、肉盛り層を形成する際に投与される入熱量よりも大きくすることを特徴とする請求項１に記載のレーザ肉盛り加工方法。
3. 後処理に際して使用される熱源をとして、肉盛り層を形成する際に使用されるレーザビームを使用することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ肉盛り加工方法。
4. 鋳造材からなる金属母材に対して肉盛り材料を供給しながらレーザビームを照射して肉盛り層を形成する方法であって、
   肉盛り層の形成に先立ち、前処理として金属母材のうち肉盛り層となるべき部分をレーザビームの照射により加熱して溶融・再凝固させる一方、
   肉盛り層を形成した後に、後処理としてその肉盛り層に再度レーザビームを照射して再溶融・再凝固させることを特徴とするレーザ肉盛り加工方法。
5. 前処理は、金属母材のうち肉盛り層となるべき部分をレーザビームの照射により加熱して溶融・再凝固させることを特徴とする請求項４に記載のレーザ肉盛り加工方法。
6. 前処理としての溶融・再凝固により形成される前処理下地層は、肉盛り層の形成の際の溶融層よりも深く形成することを特徴とする請求項４または５に記載のレーザ肉盛り加工方法。
7. 前処理に際して金属母材のうち肉盛り層となるべき部分に投与される入熱量を、肉盛り層を形成する際に投与される入熱量よりも大きくすることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載のレーザ肉盛り加工方法。
8. 前処理に際して使用される熱源をとして、肉盛り層を形成する際に使用されるレーザビームを使用することを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載のレーザ肉盛り加工方法。
9. 金属母材がアルミニウム合金の鋳造材であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のレーザ肉盛り加工方法。

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