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JPH0732173A - Laser cladding method - Google Patents

Laser cladding method

Info

Publication number
JPH0732173A
JPH0732173A JP5197019A JP19701993A JPH0732173A JP H0732173 A JPH0732173 A JP H0732173A JP 5197019 A JP5197019 A JP 5197019A JP 19701993 A JP19701993 A JP 19701993A JP H0732173 A JPH0732173 A JP H0732173A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
laser beam
base material
laser
cladding
donut
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP5197019A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toshihide Takeda
俊秀 武田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Komatsu Ltd
Original Assignee
Komatsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Komatsu Ltd filed Critical Komatsu Ltd
Priority to JP5197019A priority Critical patent/JPH0732173A/en
Publication of JPH0732173A publication Critical patent/JPH0732173A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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  • Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

PURPOSE:To provide the laser cladding method which does not generate defects, such as blowholes, improves the uniformity of structures, does not require an intricate table device and grooving of a coating part and is high in the stability of the device. CONSTITUTION:While the prescribed position on a base material is irradiated with a laser beam R having a doughnut-shaped irradiation mode formed by rotating a spot laser beam 20, alloy powder for cladding is supplied toward the inside of the doughnut-shaped irradiation range of the laser beam 20. On the other hand, the base material and the laser beam having the doughnut- shaped irradiation mode are relatively moved.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、レーザビームを使用し
て母材上へ異種材料をクラッディングする方法に関す
る。
FIELD OF THE INVENTION This invention relates to a method of cladding dissimilar materials onto a matrix using a laser beam.

【0002】[0002]

【従来の技術】自動車、航空機、ロボット産業等の分野
では軽量化のニーズが高く、比重が鉄の約1/3と小さ
いアルミニウム合金が各種部品に使用されているが、ア
ルミニウム合金は耐熱性耐摩耗性が著しく低いため、こ
のような機械的特性が必要とされる箇所には、そのまま
で使用することはできない。そこで、アルミニウム合金
を耐熱性や耐摩耗性が必要とされる箇所にも使用するこ
とができるように、アルミニウム合金表面に耐熱性耐摩
耗性の優れたクラッド層を付与する技術の開発が必要と
なってきた。
2. Description of the Related Art In fields such as the automobile, aircraft and robot industries, there is a strong need for weight reduction, and aluminum alloys having a specific gravity as small as about 1/3 of iron are used for various parts. Since it has extremely low wear resistance, it cannot be used as it is in a place where such mechanical properties are required. Therefore, it is necessary to develop a technology to apply a clad layer having excellent heat resistance and wear resistance to the surface of the aluminum alloy so that the aluminum alloy can be used in places where heat resistance and wear resistance are required. It's coming.

【0003】ところで、アルミニウム合金に対するクラ
ッド層として比較的融点の低い銅系合金(銅の場合、約
1080℃)を使用するとしても、アルミニウム合金の
融点(アルミニウムの場合、約660℃)に比べるとか
なり高く、在来の手段ではアルミニウム合金母材を余り
溶かさずにクラッディングすることは非常に難しく、母
材アルミニウム合金が大きく溶け銅系合金中に希釈し、
銅系合金クラッド層の硬度低下、耐熱性低下をきたし、
また割れ発生の原因となっている。
Even if a copper-based alloy having a relatively low melting point (about 1080 ° C. in the case of copper) is used as a cladding layer for an aluminum alloy, compared with the melting point of aluminum alloy (about 660 ° C. in the case of aluminum). It is quite expensive, it is very difficult to clad the aluminum alloy base material without melting it by conventional means, the base material aluminum alloy is greatly melted and diluted in the copper alloy,
The hardness and heat resistance of the copper-based alloy clad layer are reduced,
It also causes cracking.

【0004】そこで、最近では、アルミニウム合金母材
を広範囲に溶融することなく、極最表面のみを溶融させ
る手段としてレーザビームを利用したクラッディング方
法が注目されるようになり、例えば特公平2−2463
7号公報には、アルミニウム合金表面に耐熱耐摩耗性等
に優れた銅系合金を肉盛するに際し、図13(a)に示
すように、予め銅系合金粉末1をアルミニウム合金母材
2上に置いておき、レーザビーム3を肉盛進行方向に対
して垂直な方向にオシレート(矢印a)させるととも
に、アルミニウム合金母材2を移動(矢印b)させ、合
金粉末を溶かしアルミニウム合金母材上に肉盛層4を形
成する方法が記載されている。
Therefore, recently, a cladding method using a laser beam as a means for melting only the outermost surface without melting the aluminum alloy base material in a wide range has been attracting attention. 2463
No. 7, in the case of overlaying a copper-based alloy having excellent heat resistance and abrasion resistance on the surface of an aluminum alloy, as shown in FIG. And oscillate the laser beam 3 in the direction perpendicular to the build-up direction (arrow a) and move the aluminum alloy base material 2 (arrow b) to melt the alloy powder and Describes a method of forming the overlay layer 4.

【0005】なお、図13において、図示しないレーザ
発生装置から照射されるレーザビーム3’は、凸レンズ
5を通過後、反射ミラー6によりオシレートミラー7に
向かって反射され、矢印に示すごとく往復回転するオシ
レートミラー7により処理面に向かって反射される。ま
た、照射面におけるレーザビームの照射モード(以下、
一方向オシレーションモードという)は、図13(b)
に示すように、肉盛り進行方向の幅wが元のレーザビー
ム3のスポット径に等しく、進行方向に垂直な方向の幅
がオシレートの分だけ広くなっている。なお、そのエネ
ルギー密度mは、オシレートミラー7の慣性重量により
両端部で高くなる。
In FIG. 13, a laser beam 3'irradiated from a laser generator (not shown) passes through the convex lens 5, is reflected by the reflection mirror 6 toward the oscillating mirror 7, and reciprocally rotates as shown by an arrow. It is reflected toward the processing surface by the oscillating mirror 7. The irradiation mode of the laser beam on the irradiation surface (hereinafter,
The one-way oscillation mode) is shown in FIG.
As shown in, the width w in the traveling direction of the buildup is equal to the spot diameter of the original laser beam 3, and the width in the direction perpendicular to the traveling direction is widened by the amount of oscillates. The energy density m increases at both ends due to the inertial weight of the oscillating mirror 7.

【0006】そして、上記公報によれば、この一方向オ
シレーションモードを適用するときは、レーザビームの
元のスポット径に比べ広幅のクラッディング処理をする
ことができ、レーザビームが照射面を走査する速度が大
きいので母材の溶け込みが少ないという利点があるとさ
れる。しかしながら、上記公報に記載されたレーザビー
ムによるクラッディング方法にも次のような問題点があ
った。
According to the above publication, when this one-way oscillation mode is applied, a cladding process having a wider width than the original spot diameter of the laser beam can be performed, and the irradiation surface is scanned by the laser beam. It is said that there is an advantage that the base material melts little because of the high speed. However, the laser beam cladding method described in the above publication also has the following problems.

【0007】まず、レーザ処理進行方向のビーム幅w
が狭く、レーザビームと母材とのレーザ処理進行方向に
おけるインターラクションタイムが極めて短い。言い換
えれば、母材上に形成される溶融池のレーザ処理進行方
向の幅が狭く、母材上のある点における溶融池の存続時
間も極めて短くなるので、クラッド層にブローホール等
の欠陥が多く、組織の均一性も不良となる。つまり、前
者については、銅の融点がアルミニウムの融点より40
0℃も高いため、先にクラッディングした銅合金が凝固
し、その後に該銅合金と母材との界面で溶融したアルミ
ニウム合金が固まり、そこに逃げられなくなったガスが
捕捉されるためであり、後者については、溶融池の撹は
んが不十分となるためであると考えられる。
First, the beam width w in the direction of laser processing progress
Is narrow, and the interaction time between the laser beam and the base material in the direction of laser processing is extremely short. In other words, the width of the molten pool formed on the base material in the direction of laser processing is narrow and the duration of the molten pool at a certain point on the base material is extremely short, so there are many defects such as blowholes in the cladding layer. However, the uniformity of the structure also becomes poor. That is, in the former case, the melting point of copper is 40% lower than that of aluminum.
This is because, since the temperature is as high as 0 ° C., the copper alloy that has been cladded first is solidified and then the molten aluminum alloy is solidified at the interface between the copper alloy and the base material, and the gas that cannot escape is trapped there. Regarding the latter, it is considered that the stirring of the molten pool becomes insufficient.

【0008】図13(b)の一方向オシレーションモ
ードに示すように、両端部のエネルギー密度が高く、こ
の部分で母材の溶け込みが大きくなり、銅合金の希釈、
組織の不均一性が生じる。なお、アルミニウム合金の溶
け込みが多いと、銅合金層との界面に脆いγ’相が形成
され、割れが発生しやすくなることが知られている。
As shown in the one-way oscillation mode of FIG. 13 (b), the energy density at both ends is high, and the penetration of the base material becomes large at this part, and the copper alloy is diluted.
Tissue non-uniformity occurs. It is known that when the aluminum alloy melts in a large amount, a brittle γ'phase is formed at the interface with the copper alloy layer, and cracking easily occurs.

【0009】オシレートの方向がレーザ処理進行方向
に対して常に垂直のため、レーザ処理進行方向が制限さ
れる。従って、例えば、図14(a)に示すエンジン用
シリンダヘッド11のバルブシート部12のシート面1
2aに直接クラッディングする場合には、シリンダヘッ
ド11全体を各バルブシート部12の中心線の回りに回
さねばならず、非常に複雑な動作をするテーブル装置1
3が必要となり、これが初期投資コストを押し上げる。
Since the oscillating direction is always perpendicular to the laser processing advancing direction, the laser processing advancing direction is limited. Therefore, for example, the seat surface 1 of the valve seat portion 12 of the engine cylinder head 11 shown in FIG.
In the case of cladding directly on the table 2a, the entire cylinder head 11 has to be rotated around the center line of each valve seat portion 12, and the table device 1 having a very complicated operation is required.
3 is required, which increases the initial investment cost.

【0010】レーザ処理進行方向のビーム幅wが狭い
ため、粉末をレーザ処理の進行に合わせて溶融池に向け
投入するという給粉法を採ることが難しく、粉末を予め
母材上(つまり、溶融池の前方)に置いていくような給
粉法をとらねばならない。このため、図14(b)のご
とくバルブシート部12のシート面12aは必ず水平に
維持されなければならず、上記に加えさらに複雑な動
作をするテーブル装置13を必要とする(結局、シリン
ダヘッド11を傾斜した状態で支持し、且つバルブシー
ト部12の中心線14の回りに回す機能が必要とな
る)。また、給粉の効率(合金層となった粉末重量/供
給した粉末重量)を上げるためにコーティング部に予め
溝加工が必要となり、これは量産上のコストアップ要因
となる。
Since the beam width w in the direction of progress of laser processing is narrow, it is difficult to adopt a powder feeding method in which powder is introduced into a molten pool in accordance with the progress of laser processing, and the powder is preliminarily deposited on the base material (that is, melted). You must take a method of pollination such as putting it in front of the pond). For this reason, as shown in FIG. 14B, the seat surface 12a of the valve seat portion 12 must be kept horizontal, and in addition to the above, a table device 13 that performs a more complicated operation is required (in the end, the cylinder head). 11 is required to be supported in an inclined state and to be rotated around the center line 14 of the valve seat portion 12). Further, in order to increase the efficiency of powder feeding (the weight of powder that has become an alloy layer / the weight of powder that has been supplied), it is necessary to form a groove in the coating portion in advance, which causes a cost increase in mass production.

【0011】オシレートミラー7を高速で一方向オシ
レートさせるため、装置の安定性に問題がある。従っ
て、装置の厳重なチェックやできた製品のチェック等管
理項目が増える。
Since the oscillating mirror 7 oscillates in one direction at high speed, there is a problem in the stability of the device. Therefore, management items such as a strict check of the device and a check of the finished product are increased.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来のレー
ザクラッディング方法の上記問題点に鑑み、ブローホー
ル等の欠陥が少なく組織の均一性に優れ、しかも複雑な
テーブル装置やコーティング部の溝加工を必要とせず、
装置の安定性も高いレーザクラッディング方法を得るこ
とを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above problems of the conventional laser cladding method, the present invention has few defects such as blowholes and excellent texture uniformity, and has a complicated groove for a table device or a coating portion. No processing required,
It is an object of the present invention to obtain a laser cladding method with high stability of the device.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】上記目的のため、本発明
に関わるレーザクラッディング方法は、スポット状のレ
ーザビームを回転させて形成したドーナツ状の照射モー
ド(以下、ドーナツモードという)を有するレーザビー
ムを母材上の所定位置に照射しながら、クラッッド用合
金粉末を上記ドーナツモードのレーザビームの照射範囲
内に向け供給する一方、上記母材と上記ドーナツモード
を有するレーザビームを相対移動させることを特徴とす
る。
To achieve the above object, a laser cladding method according to the present invention is a laser having a donut-shaped irradiation mode (hereinafter referred to as a donut mode) formed by rotating a spot-shaped laser beam. While irradiating the beam to a predetermined position on the base material, while supplying the alloy powder for cladding toward the irradiation range of the laser beam in the donut mode, relatively moving the base material and the laser beam having the donut mode Is characterized by.

【0014】図1〜図5を参照し、本発明をより具体的
に説明すると、本発明におけるドーナツモードのレーザ
ビームRは、小径のスポット状レーザビーム20を被照
射面上で高速回転(矢印c)させることにより形成され
るもので、図1(a)に例示するように、図示しないレ
ーザ発振装置から照射されるレーザビーム20’を平面
ミラー21により反射し、これをモータ22の軸に傾斜
して取り付けられ回転する凹面又は放物面ミラー23に
より処理面に向けて反射することにより形成され、ドー
ナツ状に分布したエネルギー密度mを有する。
The present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 1 to 5. As for the donut mode laser beam R according to the present invention, a spot-shaped laser beam 20 having a small diameter is rotated at a high speed on an irradiated surface (arrow). The laser beam 20 'emitted from a laser oscillator (not shown) is reflected by the plane mirror 21 and is directed to the axis of the motor 22 as shown in FIG. 1 (a). It has an energy density m distributed in a donut shape, which is formed by reflecting it toward the processing surface by a concave or parabolic mirror 23 that is attached at an angle and rotates.

【0015】図2は、ドーナツモードのレーザビームR
を形成する他の手段を示すもので、(a)は、凸レンズ
24、固定した平面ミラー25、及び傾斜して回転する
平面ミラー26の組合せにより形成するもの、(b)
は、固定した凹面又は放物面ミラー27及び傾斜して回
転する平面ミラーの組合せにより形成するものであり、
他にも、例えば上記(a)において、凸レンズ24を傾
斜して回転させ、その代わり平面ミラー26を固定ミラ
ーとするなど、無数のバリエーションが考えられるが、
いずれも小さいスポット状レーザビーム20を高速回転
させることによりドーナツモードのレーザビームRを形
成しようというものである。
FIG. 2 shows a donut mode laser beam R.
(A) is a combination of a convex lens 24, a fixed plane mirror 25, and a plane mirror 26 that rotates at an inclination, and
Is formed by a combination of a fixed concave or parabolic mirror 27 and an inclined and rotating flat mirror,
In addition, for example, in the above (a), innumerable variations are conceivable, for example, the convex lens 24 is inclined and rotated, and the plane mirror 26 is used as a fixed mirror instead.
In both cases, the donut mode laser beam R is formed by rotating the small spot-shaped laser beam 20 at high speed.

【0016】なお、数kW以上のエネルギー密度のレー
ザビームを用いる場合には、回転するミラー23等の冷
却が不可欠となる。この冷却は、具体的には例えば図3
及び図4に示す機構によりミラー23に冷却水又は油を
循環させることで実施できる。これをより詳細にみる
と、モータ30の軸31はカップリング32を介して中
心軸33に連結され、中心軸33の先端は回転盤34に
連結され、その先には支持リング35が支持棒36を介
して支持され、支持リング35にはミラー23が取付軸
37により傾斜して支持されている。
When using a laser beam having an energy density of several kW or more, it is essential to cool the rotating mirror 23 and the like. This cooling is specifically shown in FIG.
And it can be implemented by circulating cooling water or oil in the mirror 23 by the mechanism shown in FIG. In more detail, the shaft 31 of the motor 30 is connected to the center shaft 33 via the coupling 32, the tip of the center shaft 33 is connected to the turntable 34, and the support ring 35 is connected to the end of the support ring 35. The mirror 23 is supported on the support ring 35 by a mounting shaft 37 while being inclined.

【0017】中心軸33の回りには、中心軸33ととも
に2重管構造をなす中径管38と、中心軸33及び中径
管38とともに3重管構造をなす大径管39がはめら
れ、中心軸33の外周と中径管38の内周面とで画定さ
れる空間が冷却水の供給路となり、中径管38の外周面
と大径管39の内周面とで画定される空間が冷却水の排
出路となる。図4(a)に3重管構造部分の冷却水の供
給路及び排出路を矢印で示す。いうまでもないが、中径
管38の端面38aは中心軸33の外周に対し蓋をさ
れ、大径管39の端面39aは中径管38の外周に対し
蓋をされ、冷却水の漏れが生じないようにされている。
Around the central axis 33, a medium diameter tube 38 having a double tube structure together with the central axis 33 and a large diameter tube 39 having a triple tube structure together with the central axis 33 and the medium diameter tube 38 are fitted. The space defined by the outer periphery of the central shaft 33 and the inner peripheral surface of the medium diameter pipe 38 serves as a cooling water supply path, and the space defined by the outer peripheral surface of the medium diameter pipe 38 and the inner peripheral surface of the large diameter pipe 39. Serves as a cooling water discharge path. In FIG. 4A, the supply passage and the discharge passage of the cooling water of the triple pipe structure portion are indicated by arrows. Needless to say, the end surface 38a of the medium diameter pipe 38 is covered with respect to the outer circumference of the central shaft 33, and the end surface 39a of the large diameter pipe 39 is covered with respect to the outer circumference of the medium diameter pipe 38, so that cooling water does not leak. It is supposed not to happen.

【0018】図3に40で示すのは、上記冷却水の供給
路に冷却水導入管41を通じて冷却水を供給するための
供給用シール部である。供給用シール部40において
は、中径管38の一部がある幅で切除され(図4(b)
参照)、内周面に分配溝42を有しその両側にオイルシ
ール構造を備えたシールリング43が、上記切除部分を
被うようにはめ込まれる。一方、排出用シール部44に
おいても同様に、大径管39の一部がある幅で切除さ
れ、その切除部分を被うようにシールリング45がはめ
込まれる。上記オイルシール構造のため、中径管38及
び大径管39はそれぞれシールリング43及び45の内
側で回転自在である。また、中径管38及び大径管39
の先端部分には、接続パイプ46、47が取り付けら
れ、これが回転盤34を通ってミラー23を背後から冷
却する冷却盤48(内部に冷却水通路を有する)に連結
される。
Reference numeral 40 in FIG. 3 denotes a supply seal portion for supplying cooling water to the cooling water supply passage through a cooling water introduction pipe 41. In the supply seal portion 40, a part of the medium diameter pipe 38 is cut off with a certain width (FIG. 4B).
A seal ring 43 having a distribution groove 42 on the inner peripheral surface and an oil seal structure on both sides thereof is fitted so as to cover the cut portion. On the other hand, similarly, in the discharge seal portion 44, a part of the large-diameter pipe 39 is cut off with a certain width, and the seal ring 45 is fitted so as to cover the cut part. Due to the above oil seal structure, the medium diameter pipe 38 and the large diameter pipe 39 are rotatable inside the seal rings 43 and 45, respectively. In addition, the medium diameter pipe 38 and the large diameter pipe 39
Connection pipes 46 and 47 are attached to the tip end portion of, and are connected to a cooling plate 48 (having a cooling water passage inside) that cools the mirror 23 from the back through the rotating plate 34.

【0019】この装置においては、モータ30の回転力
は軸31及びカップリング32を介して中心軸33に伝
達され、さらに回転盤34、支持棒36、支持リング3
5を介してミラー23を回転させる。冷却水は、冷却水
導入管41から供給用シール部40内に入り、中径管3
8内の供給路を通り、接続パイプ46を介して冷却盤4
8に入り、接続パイプ47から大径管39内の排出路を
通り、排出用シール部を通って冷却水排出管49から排
出される。
In this apparatus, the rotational force of the motor 30 is transmitted to the central shaft 33 via the shaft 31 and the coupling 32, and further the rotary disk 34, the support rod 36, and the support ring 3 are provided.
The mirror 23 is rotated via 5. The cooling water enters the supply seal portion 40 from the cooling water introduction pipe 41, and the medium diameter pipe 3
Cooling board 4 through the supply path in 8 and connecting pipe 46
8, the water is discharged from the cooling water discharge pipe 49 from the connection pipe 47 through the discharge passage in the large-diameter pipe 39 and the discharge seal portion.

【0020】図5は、母材53上にクラッディング層5
4を形成する様子を模式的に示すものであり、レーザ発
振装置から照射されるレーザビーム20’はドーナツビ
ーム成形装置55(図1あるいは図2に示すミラー等を
収容するもの)からドーナツモードのレーザビームRと
して下方へ照射される。レーザビームRの周囲はシール
ド用筒56で覆われ、シールド用筒56は、図示しない
給粉装置からクラッド用合金粉末を受け入れレーザビー
ムRの照射範囲内へ向け供給する給粉口57と、アルゴ
ン等のシールドガスを供給するシールドガス導入口58
が取り付けられる。ここでは、母材53を移動(矢印
d)させているが、逆にドーナツビーム成形装置55の
側を移動させることもできる。
In FIG. 5, the cladding layer 5 is formed on the base material 53.
4 schematically shows how the laser beam 20 'emitted from the laser oscillation device is emitted from the donut beam shaping device 55 (which accommodates the mirrors shown in FIG. 1 or 2) in a donut mode. The laser beam R is emitted downward. The periphery of the laser beam R is covered with a shield cylinder 56, and the shield cylinder 56 receives a clad alloy powder from a powder supply device (not shown) and supplies it to the irradiation range of the laser beam R with a powder supply port 57 and argon. Shield gas inlet 58 for supplying shield gas such as
Is attached. Here, the base material 53 is moved (arrow d), but conversely, the side of the donut beam forming device 55 can be moved.

【0021】本発明は、母材がアルミニウム合金でクラ
ッド用合金粉末が銅系合金である場合に好適に適用する
ことができるが、母材が鋳鉄でクラッド用合金粉末が銅
系合金である場合等、他の材質の組合せに対しても適用
することができる。なお、ドーナツモードのレーザビー
ムによりクラッディングするにあたり、クラッド用合金
粉末をレーザビームのドーナツ状の照射範囲内に供給す
るという給粉方法を採る代わりに、予め母材上の所定位
置に置くという給粉方法を採ることもできる。
The present invention can be preferably applied to the case where the base material is an aluminum alloy and the clad alloy powder is a copper alloy, but when the base material is cast iron and the clad alloy powder is a copper alloy. It can also be applied to other combinations of materials. When cladding with a donut-mode laser beam, instead of using the powder feeding method in which the alloy powder for cladding is fed into the donut-shaped irradiation range of the laser beam, it is placed in a predetermined position on the base material in advance. The powder method can also be adopted.

【0022】[0022]

【作用】以下、本発明の作用につき、図1等を参照して
具体的に説明する。まず、本発明におけるドーナツモー
ドのレーザビームRの直径は元の小径のスポット状レー
ザビーム20と比較すると大きいので、レーザ処理進行
方向(図1(b)の矢印e)における母材とのインター
ラクションタイムが大きくなる。言い換えれば、被処理
面に形成される溶融池はドーナツの直径に相当する広い
円状となり、被処理面上のある点における溶融池の存続
時間も長くなる。また、高速で回転運動(矢印f)する
小径のレーザビーム20により、溶融池内に表面張力の
差に基づく溶融金属の流れが生じ(レーザビーム20を
受けた瞬間にその部分の温度が上昇して表面張力が下が
り、表面張力の高い部分に向かう溶融金属の流れが生ず
る)、溶融池の撹はんが活発化する。このようにインタ
ーラクションタイムが長くなり、広い溶融池内での撹は
んが活発化することにより、ガスが放出される機会が増
えブローホール等の欠陥が少なく、且つ均一な組織を持
ったクラッド層を得ることができるものである。
The operation of the present invention will be specifically described below with reference to FIG. First, since the diameter of the donut-mode laser beam R in the present invention is larger than that of the original spot-shaped laser beam 20 having a small diameter, the interaction with the base material in the laser processing proceeding direction (arrow e in FIG. 1B). Time gets bigger. In other words, the molten pool formed on the surface to be treated has a wide circular shape corresponding to the diameter of the donut, and the duration of the molten pool at a certain point on the surface to be treated also becomes long. Further, the small-diameter laser beam 20 rotating at a high speed (arrow f) causes a flow of molten metal in the molten pool due to the difference in surface tension (at the moment the laser beam 20 is received, the temperature of the portion rises. The surface tension decreases, and the flow of molten metal toward the high surface tension part occurs, and the stirring of the molten pool becomes active. By increasing the interaction time and activating the stirring in a large molten pool in this way, the chances of gas release are increased and there are few defects such as blowholes and the clad layer has a uniform structure. Is what you can get.

【0023】また、上記ドーナツモードのレーザビーム
Rは、中心部におけるエネルギー密度がゼロか非常に低
い値であるので、照射中心部が過度に加熱されるという
ことがなく、例えばアルミニウム合金の母材に銅系合金
のクラッディング層を形成するような場合でも、アルミ
ニウム合金が過度に溶け込むことはない。
Further, since the energy density at the central portion of the donut mode laser beam R is zero or very low, the irradiation central portion is not excessively heated, and for example, the base material of aluminum alloy is used. Even when a cladding layer of a copper alloy is formed on the aluminum alloy, the aluminum alloy does not melt excessively.

【0024】なお、この作用は、図15(a)のごとき
レーザ発振器60自身からドーナツモードのレーザビー
ムR’を直接発振する場合でも得ることができる。しか
し、ドーナツモードのレーザービームをレーザ発振器6
0から直接発振するときは、常に図15(b)のような
きれいなドーナツモードが得られるとは限らず、例えば
発振器60内部で凹面ミラー61にゴミ等が付着すると
この部分が発熱してミラーが歪み、図15(c)のごと
くモードの左右のバランスがくずれ、アルミニウム合金
母材の溶け込みが局部的に大きくなる恐れがある。これ
に対し、本発明では、絞った細径ビーム20を機械的に
一定速度で円状に回すため、非常にきれいなドーナツモ
ードRが成形でき、レーザ発振器60から直接発振する
ときのような装置の変動を全く受けず、非常に安定した
レーザクラッディングが可能となる。なお、レーザ発振
器60自身から出るドーナツモードR’を用いる場合、
レーザビームによる前記撹はん作用が十分に得られない
という欠点もある。
This effect can be obtained even when the laser beam R'in the donut mode is directly emitted from the laser oscillator 60 itself as shown in FIG. However, the donut-mode laser beam is emitted by the laser oscillator 6
When oscillating directly from 0, a clean donut mode as shown in FIG. 15 (b) is not always obtained. For example, when dust or the like adheres to the concave mirror 61 inside the oscillator 60, this part generates heat and the mirror There is a possibility that the distortion and the left-right balance of the modes are lost as shown in FIG. 15C, and the penetration of the aluminum alloy base material is locally increased. On the other hand, in the present invention, since the narrowed beam 20 that has been narrowed is mechanically rotated in a circular shape at a constant speed, a very clean donut mode R can be formed, and a device such as when directly oscillating from the laser oscillator 60 can be formed. Very stable laser cladding is possible without any fluctuation. When using the donut mode R ′ emitted from the laser oscillator 60 itself,
There is also a drawback that the stirring action by the laser beam cannot be sufficiently obtained.

【0025】さらに、本発明では、ドーナツモードのレ
ーザビームRに対応する大きな円状の溶融池が生成さ
れ、給粉はその中心に向けて行うようにしているので、
同一平面上では全方向へ向かってクラッディングをする
ことができる。このことから、例えば図14に関し説明
したような複雑なテーブル機構が不要となり、投資イニ
シャルコストが安くなるとともに非常に信頼性の高い生
産が可能となる。例えば、図6に示すエンジン用シリン
ダヘッド(図14に示すものと同一)のバルブシート部
12に対しクラッディングするときは、シリンダヘッド
11を軸65の回りに回動して、バルブシート部12の
うち例えば排気バルブシート部(図において手前側)が
水平に向くようにセットし、シリンダヘッド11は動か
さずにドーナツビーム成形装置55のヘッドを円状に移
動させることによりクラッディング可能となる。無論、
テーブルを相対的に移動させてもよい。従って、テーブ
ル装置が簡単になり、非常に信頼性の高い生産が可能と
なる。
Further, in the present invention, since a large circular molten pool corresponding to the donut mode laser beam R is generated and the powder is fed toward the center thereof,
Cladding can be done in all directions on the same plane. From this, for example, the complicated table mechanism described with reference to FIG. 14 is not required, the investment initial cost is reduced, and extremely reliable production is possible. For example, when cladding the valve seat portion 12 of the engine cylinder head shown in FIG. 6 (the same as that shown in FIG. 14), the cylinder head 11 is rotated around the shaft 65 so that the valve seat portion 12 is rotated. Among them, for example, the exhaust valve seat portion (front side in the drawing) is set so as to be horizontally oriented, and the head of the donut beam forming device 55 is moved in a circular shape without moving the cylinder head 11 to enable cladding. Of course,
The table may be moved relatively. Therefore, the table device is simplified and very reliable production is possible.

【0026】また、本発明では、ドーナツモードのレー
ザビームRに対応する大きな円状の溶融池が生成される
ことから、供給した合金粉末は全て直接溶融池へ打ち込
むことが可能となり、前記加工溝がなくても、しかも図
6(b)のごとくシート面12aが水平面に対し傾斜
(θ=45°)していてもクラッディング可能となる。
従って、エンジンシリンダヘッド11のバルブシート部
12へレーザクラッディングを行うときシート部前加工
溝が不要となりランニングコストの低減が可能である。
これに対し、従来の一方向オシレーションモードのレー
ザビームの場合は、溶融池は細長い線状のため、給粉す
る全ての合金粉末を溶融池へ直接打ち込むことは不可能
である。
Further, in the present invention, since a large circular molten pool corresponding to the laser beam R in the donut mode is generated, it is possible to directly drive all the supplied alloy powder into the molten pool, and the above-mentioned machining groove is formed. Even if the seat surface 12a is inclined (θ = 45 °) with respect to the horizontal plane as shown in FIG. 6B, the cladding can be performed.
Therefore, when performing laser cladding on the valve seat portion 12 of the engine cylinder head 11, the seat portion pre-machining groove is not required, and the running cost can be reduced.
On the other hand, in the case of the conventional one-way oscillation mode laser beam, since the molten pool has an elongated linear shape, it is impossible to directly implant all the alloy powder to be powdered into the molten pool.

【0027】加えて、本発明においては、ドーナツモー
ドを成形する装置の高速可動部分が、例えば凹面又は放
物面ミラー23(図1)をモータで回転させるだけとい
うように原理がオシレーション法に比べ簡単であること
から、信頼性が高く安定性が高い装置とすることができ
る。
In addition, in the present invention, the principle is based on the oscillation method such that the high-speed moving part of the device for shaping the donut mode only rotates the concave or parabolic mirror 23 (FIG. 1) by a motor. Since it is simpler than the other devices, the device can be highly reliable and highly stable.

【0028】以上述べた本発明の作用を有効に引き出す
ためには、以下に示す範囲内の条件でクラッディングを
行うのが望ましい。すなわち、スポット状レーザビー
ム20のビーム径1mm〜10mmφ、そのエネルギ
ー密度50W/mm2 〜10000W/mm2 、その
回転速度3000rpm以上、成形されたドーナツモ
ードのレーザビームRのビーム外径2〜30mmφ、
クラッディング処理スピード50mm/min〜240
0mm/minである。
In order to effectively bring out the action of the present invention described above, it is desirable to carry out the cladding under the conditions within the following range. That is, the beam diameter of the spot-shaped laser beam 20 is 1 mm to 10 mmφ, its energy density is 50 W / mm 2 to 10000 W / mm 2 , its rotational speed is 3000 rpm or more, and the beam outer diameter of the shaped donut mode laser beam R is 2 to 30 mmφ.
Cladding processing speed 50 mm / min ~ 240
It is 0 mm / min.

【0029】ここで、上記の条件は、ビーム径が1m
mφ未満であればエネルギー密度が高くなりすぎ母材が
多量に溶融し、一方、有効ビーム径が10mmφを越え
る大出力レーザは現在開発されていないことから、上記
の条件は、エネルギー密度が50W/mm2 未満では
クラッディングができず、10000W/mm2 を越え
ると母材が多量に溶融することから、上記の条件は、
3000rpm未満では溶融池の撹はん効果が不足する
ことから、上記の条件は、ドーナツモードのビーム径
が2mmφ未満であればエネルギー密度が高くなりすぎ
母材が多量に溶融し、ビーム径が30mmφを越えても
有効な大出力レーザは現在開発されていないことから、
上記の条件は、50mm/min未満では母材が多量
に溶融し、2400mm/minを越えると溶融が不十
分になったり割れが発生したりすることから、それぞれ
上記範囲内で選ばれる。
The above condition is that the beam diameter is 1 m.
If it is less than mφ, the energy density will be too high and the base material will be melted in a large amount. On the other hand, since a high-power laser having an effective beam diameter of more than 10 mmφ has not been developed at present, the above condition is that the energy density is 50 W / If it is less than mm 2 , cladding cannot be performed, and if it exceeds 10,000 W / mm 2 , the base material melts in a large amount.
If the beam diameter in the donut mode is less than 2 mmφ, the energy density will be too high and the base material will be melted in a large amount, and the beam diameter will be 30 mmφ. Since a high-power laser that is effective beyond the
The above conditions are selected within the above ranges because the base material melts in a large amount at less than 50 mm / min, and insufficient melting or cracking occurs at more than 2400 mm / min.

【0030】[0030]

【実施例】以下、本発明の具体的実施例を比較例ととも
に説明する。
EXAMPLES Specific examples of the present invention will be described below together with comparative examples.

【0031】ドーナツモード(実施例)のレーザビーム
と一方向オシレーションモード(比較例)のレーザビー
ムにより、AC2B相当アルミニウム合金(Cu2.0
〜1.0%、Si5.0〜7.0%、Mg≦0.5%、
Zn≦1.0%、Fe≦1.0%、Mn≦0.5%、N
i≦0.35%、Pb≦0.20%、Sn≦0.10
%、Cr≦0.20%、Ti≦0.20%)からなる母
材上に銅系合金(Cu−10%Sn−2%Ni−0.5
%Si−0.3%P−0.3%B)をレーザクラッディ
ングした。実施例では、2mmφのスポット状レーザビ
ームを円状に回転し、図7(a)に示すように、外径が
6mmφ、内径が2mmφのドーナツモードのレーザビ
ームを成形し、比較例では、2mmφのスポット状レー
ザビームを4mmオシレートし、図7(b)に示すよう
に、レーザ処理進行方向(矢印g)の幅が2mm、垂直
方向の幅が6mmの一方向オシレーションモードのレー
ザビームを成形した。その他の条件については、レーザ
出力が3000W、処理速度が800mm/min(=
13.3mm/s)、給粉量が0.89gr/sであ
り、実施例、比較例とも同一条件である。
An AC2B equivalent aluminum alloy (Cu2.0) was formed by using a laser beam in a donut mode (example) and a laser beam in a one-way oscillation mode (comparative example).
~ 1.0%, Si5.0-7.0%, Mg≤0.5%,
Zn ≦ 1.0%, Fe ≦ 1.0%, Mn ≦ 0.5%, N
i ≦ 0.35%, Pb ≦ 0.20%, Sn ≦ 0.10
%, Cr ≦ 0.20%, Ti ≦ 0.20%) on a base material made of copper alloy (Cu-10% Sn-2% Ni-0.5).
% Si-0.3% P-0.3% B) was laser-clad. In the embodiment, a 2 mmφ spot-shaped laser beam is rotated in a circular shape to form a donut mode laser beam having an outer diameter of 6 mmφ and an inner diameter of 2 mmφ, as shown in FIG. The spot-shaped laser beam of 4 mm is oscillated by 4 mm to form a unidirectional oscillation mode laser beam having a width of 2 mm in the laser processing direction (arrow g) and a vertical width of 6 mm as shown in FIG. 7B. did. For other conditions, the laser output is 3000 W and the processing speed is 800 mm / min (=
13.3 mm / s) and the amount of powdered powder was 0.89 gr / s, and the conditions were the same for both the examples and comparative examples.

【0032】図8及び図9に、それぞれ実施例と比較例
のクラッド層の断面組織顕微鏡写真を示す。図10は、
このクラッド層における最大ブローホール径(a)及び
断面平均ブローホール数(b)を調べた結果を示し、実
施例のクラッド層の方が最大ブローホール径が小さく、
ブローホール数も少ないことが分かる。図11は、この
クラッド層における硬度のばらつきを調べた結果を示
し、実施例のクラッド層の方が硬度のばらつきが少な
い。
8 and 9 show cross-sectional structure micrographs of the cladding layers of Examples and Comparative Examples, respectively. Figure 10
The results of examining the maximum blowhole diameter (a) and the average number of cross-sectional blowholes (b) in this clad layer are shown. The maximum blowhole diameter is smaller in the clad layer of the example,
It can be seen that the number of blow holes is also small. FIG. 11 shows the result of examining the variation in hardness of this clad layer, and the variation in hardness is smaller in the clad layer of the example.

【0033】このような結果が出たのは、実施例のイン
ターラクションタイム(進行方向ビーム幅(mm)/レ
ーザ処理進行速度(mm/s))が0.45秒であり、
比較例のインターラクションタイム0.15秒と比較す
ると3倍の時間となり、溶融池の撹はんが十分に行われ
たことが主たる要因であると考えられる。なお、実施例
のドーナツモードの照射面積は比較例の一方向オシレー
ションモードの照射面積より広く(28.26mm2
11.14mm2 )、一方、レーザ出力は両者同一であ
るので、実施例では照射面におけるエネルギー密度が低
くなり、インターラクションタイムが長くなっても母材
の過度の溶け込みが防止される。
Such a result is obtained when the interaction time (beam width (traveling direction) (mm) / laser processing progressing speed (mm / s)) of the embodiment is 0.45 seconds.
The interaction time of the comparative example was 0.15 seconds, which was three times longer, and it is considered that the main reason is that the molten pool was sufficiently stirred. The irradiation area of the donut mode of the example is wider than the irradiation area of the unidirectional oscillation mode of the comparative example (28.26 mm 2 :
11.14 mm 2 ) On the other hand, since both laser outputs are the same, the energy density on the irradiation surface is low in the embodiment, and excessive melting of the base material is prevented even if the interaction time is long.

【0034】図12は、レーザ出力を変化させた以外は
上記実施例及び比較例と同様の試験を行って、ドーナツ
モードのレーザビーム(実施例)と一方向オシレーショ
ンモードのレーザビーム(比較例)のインターラクショ
ンタイムの許容範囲、すなわち、クラッディングが可能
で、且つ母材の多量の溶け込みが生じない範囲を求めた
結果である。ここに示すように、同一のエネルギー密度
でも実施例の方がインターラクションタイムの許容範囲
が広く、撹はん時間を長くとることができる。このよう
な結果となった理由としては、実施例ではビーム中央を
ドーナツ状に抜いていることからビーム中央での母材の
溶け込みが抑えられること(通常の円形ビームでは一般
にビーム中央が溶けやすい)、高速回転によりビームの
均一性が常時保たれていることなどが考えられる。
In FIG. 12, the same tests as those of the above-mentioned Examples and Comparative Examples were conducted except that the laser output was changed, and a donut mode laser beam (Example) and a unidirectional oscillation mode laser beam (Comparative Example) were used. 2) is the result of determining the allowable range of the interaction time, that is, the range in which cladding can be performed and a large amount of the base material does not melt. As shown here, even with the same energy density, the embodiment has a wider allowable range of the interaction time, and the stirring time can be longer. The reason for such a result is that in the embodiment, since the beam center is extracted in a donut shape, the melt of the base material at the beam center can be suppressed (in the case of an ordinary circular beam, the beam center is generally easy to melt). It is conceivable that the uniformity of the beam is always maintained due to the high speed rotation.

【0035】[0035]

【発明の効果】本発明によれば、ブローホール等の欠陥
が少なく組織の均一性に優れたクラッド層を得ることが
できる。また、クラッディング中のレーザ照射域への給
粉が容易で、しかも複雑なテーブル装置やクラッド部の
溝加工を必要とせず、クラッディングを実施する装置の
安定性も高い。
According to the present invention, it is possible to obtain a clad layer having few defects such as blowholes and excellent in uniformity of structure. Further, it is easy to feed powder to the laser irradiation area during the cladding, does not require complicated table equipment or groove processing of the clad portion, and the stability of the equipment for performing the cladding is high.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】ドーナツモードのレーザビームを成形する方法
を説明する図(a)及びそのレーザビームのエネルギー
密度分布を説明する図(b)である。
FIG. 1 is a diagram (a) illustrating a method for shaping a donut mode laser beam and a diagram (b) illustrating an energy density distribution of the laser beam.

【図2】ドーナツモードのレーザビームを成形する他の
方法を説明する図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating another method of shaping a donut mode laser beam.

【図3】冷却機構を有するミラー回転装置の模式的斜視
図である。
FIG. 3 is a schematic perspective view of a mirror rotation device having a cooling mechanism.

【図4】ミラー回転装置の3重管構造部分の断面斜視図
(a)、及び供給用シール部の構造を説明する斜視図で
ある。
FIG. 4 is a cross-sectional perspective view (a) of a triple tube structure portion of the mirror rotation device and a perspective view illustrating a structure of a supply seal portion.

【図5】本発明のレーザクラッディングを説明する模式
的側面図である。
FIG. 5 is a schematic side view illustrating laser cladding of the present invention.

【図6】本発明のレーザクラッディングをエンジンシリ
ンダヘッドのバルブシート部に適用する様子を説明する
概略図(a)、及び要部断面図(b)である。
6A and 6B are a schematic diagram (a) and a cross-sectional view (b) for explaining a state in which the laser cladding of the present invention is applied to a valve seat portion of an engine cylinder head.

【図7】実施例に使用したドーナツモード(a)及び一
方向オシレーションモード(b)のレーザビームを示す
図である。
FIG. 7 is a diagram showing a laser beam in a donut mode (a) and a unidirectional oscillation mode (b) used in Examples.

【図8】実施例のクラッド層の断面組織顕微鏡写真(金
属組織写真)である。
FIG. 8 is a cross-sectional micrograph (metal micrograph) of a cladding layer of an example.

【図9】比較例のクラッド層の断面組織顕微鏡写真(金
属組織写真)である。
FIG. 9 is a cross-sectional micrograph (metal micrograph) of a cladding layer of a comparative example.

【図10】クラッド層の最大ブローホール数(a)及び
断面平均ブローホール数(b)の調査結果を示す図であ
る。
FIG. 10 is a diagram showing the examination results of the maximum number of blow holes (a) and the average number of cross-section blow holes (b) in the cladding layer.

【図11】クラッド層の硬度のばらつきの調査結果であ
る。
FIG. 11 is a result of investigation of variations in hardness of the clad layer.

【図12】レーザビームのエネルギー密度とインタラク
ションタイムの関係を示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing a relationship between energy density of a laser beam and interaction time.

【図13】一方向オシレーションモードのレーザビーム
を成形する方法を説明する図(a)及びそのレーザビー
ムのエネルギー密度分布を説明する図(b)である
13A is a diagram illustrating a method of shaping a laser beam in a one-way oscillation mode, and FIG. 13B is a diagram illustrating an energy density distribution of the laser beam.

【図14】一方向オシレーションモードによるレーザク
ラッディングをエンジンシリンダヘッドのバルブシート
部に適用する様子を説明する概略図(a)、及び要部断
面図(b)である。
14A and 14B are a schematic view (a) and a cross-sectional view (b) for explaining a state in which laser cladding in a one-way oscillation mode is applied to a valve seat portion of an engine cylinder head.

【図15】ドーナツモードのレーザビームを発振する発
振器の模式的側面図(a)、正常なレーザビーム
(b)、及びバランスの崩れたレーザビーム(c)の説
明図である。
FIG. 15 is a schematic side view of an oscillator that oscillates a donut-mode laser beam (a), a normal laser beam (b), and an unbalanced laser beam (c).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

20 小径のスポット状レーザビーム R ドーナツモードのレーザビーム 20 Spot-shaped laser beam with small diameter R Donut-mode laser beam

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 スポット状のレーザビームを回転させて
形成したドーナツ状の照射モードを有するレーザビーム
を母材上の所定位置に照射しながら、クラッッド用合金
粉末を上記レーザビームのドーナツ状の照射範囲内に向
け供給する一方、上記母材と上記ドーナツ状の照射モー
ドを有するレーザビームを相対移動させることを特徴と
するレーザクラッディング方法。
1. A doughnut-shaped laser beam irradiation of the alloy powder for cladding while irradiating a predetermined position on the base material with a laser beam having a donut-shaped irradiation mode formed by rotating a spot-shaped laser beam. A laser cladding method, characterized in that the laser beam having the doughnut-shaped irradiation mode is moved relative to the base material while being supplied into the range.
【請求項2】 母材がアルミニウム合金でクラッド用合
金粉末が銅系合金であることを特徴とする請求項1に記
載されたレーザクラッディング方法。
2. The laser cladding method according to claim 1, wherein the base material is an aluminum alloy and the clad alloy powder is a copper alloy.
【請求項3】 母材が鋳鉄でクラッド用合金粉末が銅系
合金であることを特徴とする請求項1に記載されたレー
ザクラッディング方法。
3. The laser cladding method according to claim 1, wherein the base material is cast iron and the alloy powder for clad is a copper alloy.
【請求項4】 クラッド用合金粉末をレーザビームの照
射範囲内に供給する代わりに、予め母材上の所定位置に
置くことを特徴とする請求項1〜3に記載されたレーザ
クラッディング方法。
4. The laser cladding method according to claim 1, wherein the alloy powder for cladding is placed at a predetermined position on the base material in advance, instead of being supplied into the irradiation range of the laser beam.
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