JP2017148826A - レーザ肉盛方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳物からなる素形材の鋳巣や、表面における微小欠陥内の残留物に起因する肉盛層の欠陥を抑制する。【解決手段】実施の形態に係るレーザ肉盛方法は、シリンダヘッド素形材１０のポートの燃焼室側開口端に、環状のザグリ溝１１を形成するステップと、ザグリ溝１１の表面にバニシング加工を施すステップと、バニシング加工を施したザグリ溝１１に金属粉を供給しつつ、レーザビームを照射し、ザグリ溝１１に肉盛層１６を形成するステップとを備える。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、レーザ肉盛方法に関する。

自動車用エンジンのシリンダヘッドには、燃焼室や吸排気ポートが設けられている。吸排気ポートの燃焼室側の開口周縁には、バルブが当接するバルブシートが設けられる。バルブシートは、シリンダヘッド素形材の吸排気ポートの開口周縁に、機械加工により環状のザグリ溝を形成し、このザグリ溝に銅系合金等からなる肉盛層を形成することにより得られる。

このようなバルブシート用の肉盛方法としては、ザグリ溝に金属粉を供給しながらレーザビームを照射して肉盛層（クラッド層）を形成するレーザ肉盛方法（いわゆる、レーザクラッド法）が知られている（例えば、特許文献１）。

シリンダヘッド素形材は鋳物であるため、その内部には多数の鋳巣が存在する。また、機械加工により形成したザグリ溝の表面には微小欠陥が存在する。シリンダヘッド素形材の鋳巣内部のガスや、微小欠陥内に残留した機械加工に用いた切削油剤等は、レーザクラッド工程において加熱された際に揮発し、肉盛層にピンホールやブローホール等の欠陥が発生するおそれがある。

特許文献１に記載のレーザ肉盛方法では、このような肉盛層の欠陥を減らすため、ザグリ溝を形成する機械加工を行った後、機械加工により使用した切削油剤を除去するために洗浄剤を用いて洗浄を行っている。また、洗浄工程において取りきれなかった残留物を、バルブシートを加熱して気化させた後、バルブシートを密閉空間に露出させた状態で、この密閉空間に対し真空ポンプを用いて空気の吸引を行うことで、残留物を除去している。

特開平１１−２９１０７２号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、シリンダヘッド素形材内部の鋳巣に起因する欠陥の抑制に対しては効果がない。また、特許文献１では、長時間を要する加熱処理や吸引処理を行うため、生産効率に劣る問題があった。

本発明は、上記のような問題点を背景としてなされたものであり、本発明の目的は、鋳物からなる素形材の鋳巣や、表面における微小欠陥内の残留物に起因する肉盛層の欠陥を抑制することを目的とする。

実施の形態に係るレーザ肉盛方法は、シリンダヘッド素形材のポートの燃焼室側開口端に、環状のザグリ溝を形成するステップと、前記ザグリ溝の表面にバニシング加工を施すステップと、前記バニシング加工を施した前記ザグリ溝に金属粉を供給しつつ、レーザビームを照射し、前記ザグリ溝に肉盛層を形成するステップとを備える。

本発明によれば、鋳物からなる素形材の鋳巣や、表面における微小欠陥内の残留物に起因する肉盛層の欠陥を抑制することが可能となる。

実施の形態に係るレーザ肉盛方法を説明する工程図である。 実施の形態に係るレーザ肉盛方法を説明する工程図である。 実施の形態に係るレーザ肉盛方法を説明する工程図である。 実施の形態に係るレーザ肉盛方法を説明する工程図である。 シリンダヘッド素形材の溶融凝固領域を説明する図である。 比較例のレーザ肉盛方法を説明する工程図である。 比較例のレーザ肉盛方法を説明する工程図である。 比較例のレーザ肉盛方法を説明する工程図である。

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。以下の図面においては、同じ作用を奏する構成要素には同じ符号を付している。なお、各図における寸法関係は実際の寸法関係を反映するものではない。

実施の形態は、自動車用エンジンのシリンダヘッドのバルブシート用のレーザ肉盛方法に関する。実施の形態に係るレーザ肉盛方法は、レーザクラッド工程の前に、シリンダヘッドに形成されたザグリ溝の表面にバニシング加工を施すことで、表面の微小欠陥や鋳巣を除去し、肉盛層内に発生する欠陥を低減させる。

まず、バルブシートについて説明する。自動車用エンジンのシリンダヘッドには、燃焼室や吸気、排気用のポートが設けられる。ポートの燃焼室側の開口端周縁には、バルブの背面が当接するバルブシートが設けられる。バルブシートとバルブとが当接することにより、燃焼室の気密性が保持される。

バルブシートは、シリンダヘッド素形材のポートの開口端周縁に、機械加工により環状のザグリ溝を形成し、このザグリ溝にシリンダヘッド素形材とは異なる金属材料により肉盛層を形成することにより得られる。例えば、シリンダヘッド素形材はアルミニウム合金等からなる鋳物であり、肉盛層は銅系合金等からなる。

実施の形態に係るレーザ肉盛方法では、ザグリ溝に向けてレーザビームを照射するともに、金属粉を供給するレーザ加工ヘッドを備えたレーザ肉盛装置が用いられる。レーザクラッド工程では、当該レーザ加工ヘッドが、環状のザグリ溝に沿って走査される。これにより、ザグリ溝に連続した円環状の肉盛層が形成される。レーザクラッド工程後は、機械加工によってバルブシート面が形成される。

ここで、実施の形態に係るレーザ肉盛方法について説明する前に、図３Ａ〜３Ｃを参照して、比較例のレーザ肉盛方法について説明する。図３Ａ〜３Ｃでは、シリンダヘッド素形材１０のザグリ溝１１の一部の断面が示されている。図３Ａはレーザクラッド工程前の状態を示しており、図３Ｂはレーザクラッド工程後の状態を示しており、図３Ｃはバルブシート加工後の状態を示している。

図３Ａに示すように、レーザクラッド工程前のシリンダヘッド素形材１０内には、鋳巣１２が存在する。また、シリンダヘッド素形材１０の表面には、ザグリ溝１１の機械加工時に形成される微小欠陥１３が存在する。微小欠陥１３内には、ザグリ溝１１の機械加工時に使用された切削油剤等の残留物１４が染み込んでいる。また、ザグリ溝１１の表面には、残留物１４が付着している。

ザグリ溝１１を形成する機械加工を行った後、洗浄剤を用いた洗浄工程によりザグリ溝１１の表面に付着した残留物１４が除去される。しかしながら、微小欠陥１３に染み込んだ残留物１４は洗浄工程では取りきれず、微小欠陥１３内に残留物１４が残った状態で残った状態で、レーザクラッド工程が実施される。微小欠陥１３内に残る残留物１４としては、例えば、上述した切削油剤や、洗浄工程で使用された洗浄剤等の油水分があげられる。

なお、レーザクラッド工程前に欠陥要因となる残留物１４を除去する方法として、レーザによって蒸発させる手法や洗浄／真空乾燥／乾燥炉等で何重にも洗浄／乾燥を繰り返す手法などがあるが、シリンダヘッド素形材１０の内部にしみ込んだ残留物１４は取りきれない。

また、シリンダヘッド素形材１０の表面が溶融されてしまうような洗浄手法も存在する。しかし、バルブシートは、自動車用エンジンとして排気ガス、燃焼ガスにさらされ、大きな熱応力が生じる部位である。シリンダヘッド素形材１０がアルミニウム合金で形成されている場合には、シリンダヘッド素形材１０への入熱を複数回行うと、熱処理効果が低減し、また、溶融部に残留引張応力が残ってしまう。これにより、シリンダヘッド素形材１０が有する疲労強度が低下してしまうため、シリンダヘッド素形材１０の洗浄には用いることはできない。

洗浄工程の後、図３Ｂに示すようにレーザクラッド工程においてザグリ溝１１上に肉盛層１６が形成される。残留物１４が残った状態でレーザクラッド工程を行うと、鋳巣１２内部のガスや、残留物１４が気化して溶融状態の肉盛層１６内に混入する。これにより、肉盛層１６の凝固後には、ピンホール１７が形成されてしまう。

肉盛層１６内にピンホール１７が存在することで、肉盛層１６の強度低下を招き、クラックが発生するなどの欠陥が発生するおそれがある。また、図３Ｃに示すように、バルブシート加工を行うと、ピンホール１７が露出して欠陥となるという不具合もある。

そこで、実施の形態に係るレーザ肉盛方法では、鋳物からなるシリンダヘッド素形材１０における残留物１４を、機械的な手法で取り除くことを特徴としている。図１Ａ〜１Ｄは、実施の形態に係るレーザ肉盛方法を説明する工程図である。なお、図１Ａ〜１Ｄでは、ザグリ溝の一部の断面を示している。

図１Ａは、ザグリ溝形成工程において、シリンダヘッド素形材１０にザグリ溝１１を形成した後の、レーザクラッド工程前のシリンダヘッド素形材１０の状態を示している。図１Ｂは、バニシング工程におけるシリンダヘッド素形材１０の状態を示している。図１Ｃは、バニシング工程後のレーザクラッド工程において、シリンダヘッド素形材１０上に肉盛層１６が形成された状態を示している。図１Ｄは、バルブシート加工工程において、肉盛層１６に対してバルブシート加工を実施した後の状態を示している。

実施の形態に係るレーザ肉盛方法では、まず、図１Ａに示すように、シリンダヘッド素形材１０のポートの燃焼室側開口端に、環状のザグリ溝１１が形成される。図１Ａに示すように、シリンダヘッド素形材１０内には、鋳巣１２が存在する。また、シリンダヘッド素形材１０の表面には、ザグリ溝１１の機械加工時に形成される微小欠陥１３が存在する。微小欠陥１３内には、ザグリ溝１１の機械加工時に使用された切削油剤等の残留物１４が染み込んでいる。また、ザグリ溝１１の表面には、残留物１４が付着している。

なお、ここでは図示していないが、実施の形態に係るレーザ肉盛方法においても、上述したように、ザグリ溝１１を形成した後に洗浄剤を用いた洗浄工程が実施され、ザグリ溝１１の表面に付着した残留物１４が除去される。

その後、図１Ｂに示すように、ザグリ溝１１の表面にバニシング加工が施される。バニシング加工とは、金属の耐摩耗性や疲労強度を向上させるための表面仕上げ法の一つである。バニシング加工では、ローラ等のバニシング加工装置２０によって、ザグリ溝１１の表面を塑性変形させる。これにより、ザグリ溝１１の表面の凹凸を均一にすることが可能となる。

すなわち、ザグリ溝１１の表面近傍の鋳巣１２や、微小欠陥１３に染み込んだ残留物１４に起因する洗浄工程では除去できない欠陥要因を、バニシング加工によって表面を塑性変形させることで除去する。

また、バニシング加工によって、ザグリ溝１１の表面は加工硬化並びに圧縮残留応力が生じ、表面硬度と疲労強度が増す。このように、ザグリ溝１１の表面の圧縮残留応力が付与された領域を加工硬化領域２１とする。

バニシング工程後、図１Ｃに示すように、レーザクラッド工程において、シリンダヘッド素形材１０上に肉盛層１６が形成される。上述のように、レーザクラッド工程の前には、ザグリ溝１１の表面にバニシング加工が施されている。このため、ザグリ溝１１の表面に露出する凹凸が除去され、微小欠陥１３内の残留物１４は低減されている。また、ザグリ溝１１の表面近傍の鋳巣１２もまた除去される。これにより、鋳巣１２内部のガスや微小欠陥１３に染み込んだ残留物１４に起因する肉盛層１６の欠陥発生を抑制することが可能となる。

バニシング加工では、特許文献１に記載の加熱処理や吸引処理による残留物質の除去と比較すると、短時間で効率よくザグリ溝１１表面の微小欠陥１３を除去することができる。これにより、バルブシートの生産効率を向上させることが可能となる。

通常、肉盛を実施すると、肉盛層に発生する強い引張残留応力に起因して、ビード割れが発生するという問題がある。鋳物用アルミニウム合金により形成されたシリンダヘッド素形材１０上にレーザクラッド法により銅系合金等からなる肉盛層を形成した場合には、図２に示すように、シリンダヘッド素形材１０表面は最大０．２ｍｍ程度まで溶融・再凝固する。

比較例では、図３Ｂに示すように、レーザクラッド加工によりザグリ溝１１表面が溶融し、その後再凝固すると、溶融凝固領域１５が形成される。このため、肉盛層からなるバルブシートだけでなく、バルブシート近傍のシリンダヘッド素形材１０にも強い引張残留応力が発生する。バルブシートに亀裂が発生すると、シリンダヘッド素形材１０にも亀裂が進展するという問題もある。

これに対し、実施の形態に係る肉盛方法では、図１Ｂに示すように、バニシング加工により、ザグリ溝１１の表面に加工硬化領域２１が形成されている。この加工硬化領域２１は、図１Ｃに示すように、レーザクラッド加工によるシリンダヘッド素形材１０の溶融凝固領域１５よりも深い。加工硬化領域２１には圧縮残留応力が付与されているため、疲労強度を向上することが可能となる。

肉盛層を形成した後、図１Ｄに示すように、バルブシート加工が実施される。バルブシート加工工程では、肉盛層１６に対して機械加工が施される。上述したように、実施の形態に係るレーザ肉盛方法により形成された肉盛層１６には、ピンホール等の欠陥が低減されている。これにより、品質が向上したバルブシートを得ることが可能となる。

以上説明したように、実施の形態によれば、鋳物からなる鋳造欠陥を内包するアルミニウム製のシリンダヘッド素形材に対し、バルブシートとなる肉盛層をレーザクラッド法で形成する前に、シリンダヘッド素形材のザグリ溝の表面にバニシング加工を施すことにより、バルブシートの品質を向上し、かつ、シリンダヘッドの疲労強度を向上させることが可能となる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。実施の形態において示した各構成部材の形状や組み合せ等は一例であって、設計要求等に基づき種々変更可能である。

１０ シリンダヘッド素形材
１１ ザグリ溝
１２ 鋳巣
１３ 微小欠陥
１４ 残留物
１５ 溶融凝固領域
１６ 肉盛層
１７ ピンホール
２０ バニシング加工装置
２１ 加工硬化領域

Claims (1)

1. シリンダヘッド素形材のポートの燃焼室側開口端に、環状のザグリ溝を形成するステップと、
   前記ザグリ溝の表面にバニシング加工を施すステップと、
   前記バニシング加工を施した前記ザグリ溝に金属粉を供給しつつ、レーザビームを照射し、前記ザグリ溝に肉盛層を形成するステップと、
   を備えるレーザ肉盛方法。