JP6512059B2

JP6512059B2 - バルブシート用のレーザ肉盛方法

Info

Publication number: JP6512059B2
Application number: JP2015200596A
Authority: JP
Inventors: 夏樹杉山; 武久藤田; 佐藤　彰生; 彰生佐藤; 信吾岩谷; 稔河崎; 喜治荘田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-10-08
Filing date: 2015-10-08
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2035-10-08
Also published as: JP2017070988A

Description

本発明はバルブシートに対しレーザにより肉盛りを行うバルブシート用のレーザ肉盛方法に関するものである。

シリンダヘッド粗材において、一対の吸気ポートの燃焼室側の開口端に円環状のザグリ溝を形成し、このザグリ溝に金属粉を供給しつつ、レーザビームを照射して肉盛層を形成するバルブシート用のレーザ肉盛方法が知られている（特許文献１参照）。このレーザ肉盛方法では、肉盛層の始端部と終端部とを重ね合わせたオーバーラップ部を、隣り合うバルブシートの中心を結ぶ中心線に対して９０度以上のなす角度の位置に形成している。

特開２００９−０４７０２６号公報

しかしながら、本願発明者は、オーバーラップ部の肉盛層の始端部を上記９０度以上のなす角度の位置に形成したとしてもその始端部に未溶着が発生することを見出した。バルブシート近傍のシリンダヘッド内部には、水冷用のウォータジャケットが形成されている。このため、バルブシートにおける各位置において熱容量が異なる。さらに、始端部ではシリンダヘッド粗形材が十分に加熱されていない。このため、熱容量が大きい位置に始端部を形成したり、熱容量が大きくなる方向に肉盛りを開始すると、始端部において未溶着が起こり易いことが分かった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、熱容量が大きくない位置において、熱容量が小さくなる方向に肉盛りを開始するため、始端部おける未溶着を抑制できるバルブシート用のレーザ肉盛方法を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、シリンダヘッド粗形材において、一対の吸気ポートの燃焼室側の開口端に円環状のザグリ溝を形成するステップと、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て前記ザグリ溝に肉盛層を形成するステップと、を含むバルブシート用のレーザ肉盛方法であって、前記肉盛層を形成するステップにおいて、前記ザグリ溝における円周方向の位置を、シリンダブロックとの合わせ面に最近接する位置を０°として角度表示した場合、一方の前記吸気ポートにおける前記肉盛層の始端部を、他方の前記吸気ポートに近づく方向の０〜４５°の範囲に形成する、バルブシート用のレーザ肉盛方法である。この一態様によれば、熱容量が大きくない位置において、熱容量が小さくなる方向に肉盛りを開始するため、始端部おける未溶着を抑制できる。

本発明によれば、熱容量が大きくない位置において、熱容量が小さくなる方向に肉盛りを開始するため、始端部おける未溶着を抑制できるバルブシート用のレーザ肉盛方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るシリンダヘッドの上面図である。本発明の一実施形態に係るザグリ溝の部分拡大断面図である。ザグリ溝における円周方向の角度及びその角度における台座部の体積の実測値の一例を示す図である。ザグリ溝における円周方向の位置とその位置における熱容量との関係を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
本発明の一実施形態に係るバルブシート用のレーザ肉盛方法は、例えば、自動車エンジンなどのシリンダヘッド１のバルブシート２に金属粉（クラッド粉）を供給しつつ、その金属粉に対してレーザビームを照射して溶融固化させて肉盛る所謂レーザクラッド加工を行うものである（図１）。このように、バルブシート合金をシリンダヘッド１に直接肉盛りすることで、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。

本実施形態に係るバルブシート用のレーザ肉盛方法では、アルミニウム製のシリンダヘッド粗形材において、切削加工を行い、一対の吸気ポート３の燃焼室側の開口端に円環状のザグリ溝４を形成する（図２）。形成したザグリ溝４に金属粉を供給しつつ、レーザビームを照射してザグリ溝４に肉盛層（クラッド層）４１を形成する。

例えば、粉フィーダーなどを用いて銅合金などの金属粉をガスにより加圧し、その金属粉をノズル介してザグリ溝４に対して吹き付ける。そして、半導体レーザ装置などにより、ザグリ溝４に供給された金属粉に対しレーザビームを照射し該金属粉を溶融させることで、ザグリ溝４に肉盛加工を行う。

図１に示す如く、吸気ポート３のザグリ溝４の始端部Ｓ１から金属粉を供給しつつ、レーザビームを照射してザグリ溝４に肉盛層４１の形成を開始し、ザグリ溝４に沿って１周肉盛層４１を形成する。さらに、始端部Ｓ１を通り過ぎて、１周目で形成した肉盛層４１にラップさせて終端部Ｓ２まで肉盛層４１（以下、このラップした肉盛層４１をラップ部４２と称す）を形成する。このように、肉盛層４１をラップさせることで、ザグリ溝４に隙間なく肉盛層４１を形成することができる。

ところで、バルブシート近傍のシリンダヘッド内部には、水冷用のウォータジャケットが形成されている。このため、バルブシートにおける各位置において熱容量が異なる。また、始端部ではシリンダヘッド粗形材が加熱されていない。このため、熱容量が大きい位置に始端部を形成したり、熱容量が大きくなる方向に肉盛りを開始すると、始端部において未溶着が起こり易い。

これに対し、本実施形態に係るバルブシート用のレーザ肉盛方法において、形成されたザグリ溝４における円周方向の位置を、シリンダブロックとの合わせ面に最近接する位置を０°として角度表示した場合、一方の吸気ポート３における肉盛層４１の始端部Ｓ１を、他方の吸気ポート３に近づく方向の０〜４５°の範囲に形成する。これにより、熱容量が大きくない位置において、熱容量が小さくなる方向に肉盛りを開始するため、始端部Ｓ１おける未溶着を抑制できる。

ここで、熱容量とは、例えば、ザグリ溝（台座部）４の肉盛中心（角部）Ｓ３からレーザビームの熱影響が及ぶ範囲内に含まれる台座部４の体積（アルミ体積）、あるいは、台座部４の肉盛中心Ｓ３からウォータージャケット５又は隣接する台座部４までの範囲で最小となる肉厚、である。例えば、図２に示す如く、クラッド（肉盛中心）Ｓ３を中心に、直径１５ｍｍの球の中に含まれる台座部４のアルミ体積を熱容量とする。

ザグリ溝４における円周方向の位置を、シリンダブロックとの合わせ面に最近接する位置（シリンダヘッド１のボア中心Ｓ４と吸気ポート３の燃焼室側の開口端の中心とを結んだ直線が、ボア中心Ｓ４から離れた側のザグリ溝４と交差する交点）を０°として角度表示する。

図３は、ザグリ溝における円周方向の角度Θ（ｄｅｇ）およびその角度における台座部の体積（熱容量ｍｍ^３）の実測値の一例を示す図である。図１の左側の吸気ポート３のザグリ溝４は時計方向、図１の右側の吸気ポート３のザグリ溝４は反時計方向を正方向とする。すなわち、一方の吸気ポート３における肉盛層４１の始端部Ｓ１から、他方の吸気ポート３に近づく方向へ正方向とする。

図３に示す実測値より、ザグリ溝４における円周方向の位置（角度Θ）における熱容量は、下記式のように、正弦波で近似できる。
熱容量ｙ＝−Ａｓｉｎ（Θ−α）＋ｍ

上記式において、ｍは、周方向の各位置における熱容量の平均値（以下、熱容量平均値）であり、αは熱容量平均値となる角度（熱容量平均位置）であり、Ａは予め設定される任意の定数である。図３において、熱容量平均値ｍ＝１０２０ｍｍ^３、熱容量平均位置α＝４５°、Ａ＝１００となっている。

ここで、熱容量が小さい位置に肉盛層のラップ部があると、熱容量が大きい部分に来たときに溶込み不足による未溶着が発生する。一方、熱容量が大きい位置に肉盛層のラップ部があると、熱容量が小さい部分に来たときに溶込み過剰による合金化が発生する。

したがって、肉盛層４１のラップ部４２は、熱容量平均位置近傍にあるのが好ましい。この場合、肉盛層４１の始端部Ｓ１は熱容量平均位置近傍となる。このため、レーザビームの入熱過剰による溶込み過剰による亀裂、および、レーザビームの入熱不足による未溶着を防止できる。

図４は、ザグリ溝における円周方向の位置とその位置における熱容量との関係を示す図であり、図３を簡略化した図である。
本実施形態において、例えば、図４に示すように、肉盛層４１の始端部Ｓ１を、熱容量平均位置（４５°）の近傍の０°〜４５°の範囲に形成する。同様に、肉盛層４１の終端部Ｓ２を熱容量平均位置（４０５°）の近傍の４０５°〜４５０°の範囲に形成する。これにより、レーザビームの入熱過剰による溶込み過剰による亀裂、および、レーザビームの入熱不足による未溶着を防止できる。

また、本実施形態のように肉盛層４１の始端部Ｓ１を０〜４５°の範囲に形成した場合、図４に示す如く、その始端部Ｓ１から角度が増加するに従がって熱容量が小さくなる。すなわち、肉盛層４１の始端部Ｓ１から熱容量が小さくなる方向に、ザグリ溝４に金属粉を供給しつつ、レーザビームを照射してザグリ溝４に肉盛層４１の形成することとなる。これにより、ザグリ溝４が温まり易く、レーザビームによる溶込みを適正に制御でき、肉盛層４１の始端部Ｓ１直後での未溶着を防止できる。さらに、熱容量が小さい角度から熱容量が大きい角度まで肉盛層４１の形成が進むと、この時点で既にシリンダヘッド１全体が温まっている。このため、シリンダヘッド１のザグリ溝４全体においてレーザビームの溶込みを十分に確保でき、未溶着を防止できる。

このように、本実施形態において、肉盛層４１の始端部Ｓ１を、熱容量が大きくない熱容量平均位置近傍の０°〜４５°の範囲に形成し、この始端部Ｓ１から熱容量が小さくなる方向に肉盛りを開始する。このため、始端部Ｓ１における未溶着を抑制できる。すなわち、熱容量が大きくない位置において、熱容量が小さくなる方向に肉盛りを開始するため、始端部Ｓ１における未溶着を抑制できる。

また、肉盛層４１のラップ部４２は、一度形成した肉盛層４１を再溶融させる必要があるが、この肉盛層４１はアルミよりも融点が高い。このため、ラップ部４２ではレーザビームの入熱を高くする必要があるが、本実施形態においては、ラップ部４２の始端部Ｓ１から終端部Ｓ２へと熱容量が小さくなっている。したがって、ラップ部４２において、１層目の肉盛層４１を溶融させる熱量を確保でき、１及び２層間の肉盛層４１の未溶着を防止できる。

さらに、肉盛層４１の終端部Ｓ２では、通常、凝固収縮に伴う残留応力が発生するが、本実施形態によれば、この終端部Ｓ２付近で熱容量が熱容量平均値以下となる。このため、この終端部Ｓ２ではザグリ溝４の熱引けが悪く、ゆっくり温度が降下することで、残留応力を低減することができる。

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。

１シリンダヘッド、２バルブシート、３吸気ポート、４ザグリ溝、５ウォータージャケット、４１肉盛層、４２ラップ部、Ｓ１始端部、Ｓ２終端部、Ｓ３肉盛中心、Ｓ４ボア中心

Claims

シリンダヘッド粗形材において、一対の吸気ポートの燃焼室側の開口端に円環状のザグリ溝を形成するステップと、
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て前記ザグリ溝に肉盛層を形成するステップと、
を含むバルブシート用のレーザ肉盛方法であって、
前記肉盛層を形成するステップにおいて、
前記ザグリ溝における円周方向の位置を、シリンダブロックとの合わせ面に最近接する位置を０°として角度表示した場合、一方の前記吸気ポートにおける前記肉盛層の始端部を、他方の前記吸気ポートに近づく方向の０〜４５°の範囲に形成し、
前記始端部から、前記角度が増加する方向に前記肉盛層の形成を開始する、
バルブシート用のレーザ肉盛方法。