JPH03294076A - レーザ肉盛方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は肉盛材料を粉末状にて自動供給するレーザ肉盛
方法において、特に欠陥の発生が少なく、長時間に亘り
連続して安定に肉盛施工することが可能なレーザ肉盛方
法に関する。

（従来の技術） 基材表面に金属材料を肉盛して基材表面を改質する肉盛
方法が広い分野で実施されており、近年ではレーザ光を
利用したレーザ肉盛方法も多用化されている。

第４図は従来のレーザ肉盛方法を説明するための構成図
を示すものである。このレーザ肉盛方法は第４図に示す
ように、レーザ光通過部１２を有するシールドガスボッ
クス１１が用いられ、このシールドガスボックス１１を
通して肉盛材料供給装置１２より粉末状の肉盛用材料１
３を基材１４の被加工部表面に供給すると共に、図示し
ないレーザ発振器より発振されたレーザ光１５を集光レ
ンズ１６でシールドガスボックス１１のレーザ光通過部
コ２を通して集光させることにより、肉盛材料１３を肉
盛して肉盛層１８を形成するようにしている。この場合
、シールドガスボックス１１に供給される不活性ガス（
Ｈｅ、Ａｒ）等のシールドガス１７を被溶融部に吹付け
てガスシールドすることにより、金属蒸気の浮遊を抑え
、プラズマの発生を抑制している。なお、１９は集光レ
ンズ１６を保護するために集光レンズ１６の焦点位置に
ガスを供給するガス供給装置である。

しかし、このレーザ肉盛方法は不活性ガス等のシールド
ガス１７により被溶融部をガスシールドするようにして
いるため、基材１４の被加工部表面に照射されるレーザ
光が不活性ガスによる影響で有効に利用できないという
問題がある。

ところで、最近レーザ光の肉盛用粉末への吸収は不活性
ガスより大気の方が大きく、レーザ光をより有効に利用
できることが本発明者らによって知見されている。

第５図はかかる大気中におけるレーザ肉盛方法を説明す
るための断面図を示すもので、ここでは肉盛材料として
耐酸化性の優れたＣｏ基のステライト系材料やＮｉ基合
金を採用した場合について述べる。まず、レーザ肉盛設
備の構成としては第５図に示すように、熱源としてのレ
ーザ光２１を発振するレーザ光発振器２２と、このレー
ザ光発振器２２より発振したレーザ光２１を基材Ｗの被
加工部表面に集光する集光レンズ２３と、被加工部表面
に粉末状の肉盛用金属材料２４を供給する金属材料供給
装置２５と、少なくともレーザ光２１の集束位置（集光
レンズの焦点位Ｗ）Ｆを含むレーザ光２１の照射経路に
対して供給ノズル２７ａを通して金属蒸気排気用ガス２
６を噴射するガス供給装置２７とを備えている。なお、
基材Ｗの一端部は回転装置２８により回転自在に保持さ
れている。

次にこのようなレーザ肉盛設備による肉盛加工方法につ
いて述べる。

レーザ発振器２２からレーザ光２１を発振させ、このレ
ーザ光２１を集光レンズ２３で集束し、加工する基材Ｗ
の被加工部に照射する。レーザ光２１の照射エネルギは
被加工部表面および金属材料供給装置２５から供給され
た金属材料２４に吸収される。そして、金属材料２４を
溶融して基材Ｗの表面部と一体に肉盛層２９を形成する
。この場合、回転装置２８の回転速度は肉盛速度に対応
して設定されており、その回転により基材Ｗの外周にス
パイラル状に肉盛層２９が形成される。

なお、被加工部表面に照射するレーザ光２１の照射面積
やレーザ光２１のエネルギ密度は、レーザ光２１の集束
位置Ｆから被加工部表面までの距離を伸縮させることに
より、適宜調整される。

（発明が解決しようとする課題） しかし、このようなレーザ肉盛方法においては、被加工
部表面から離れた位置にレーザ光２１の集束位置Ｆが存
在するため、被溶融部から発生する肉盛金属材料２４お
よび基材Ｗの金属蒸気がプラズマ化し易く、そのプラズ
マ発生によって肉盛施工の中断を余儀なくされていた。

すなわち、レーザ光２１の照射経路に侵入した金属蒸気
はレーザ光のエネルギを加熱源として吸収し、プラズマ
化するため、被加工部に照射されるレーザ光２１のエネ
ルギは大幅に減少する。そして、短時間の内に入熱量が
低下し、肉盛施工が困難となる問題点があった。特にレ
ーザ光２１のエネルギ密度が最も高くなるレーザ光の集
束位置Ｆにおいては、金属蒸気のプラズマ化が著しくな
り、レーザ光２１の照射エネルギの低下も顕著であった
。

そこで、プラズマ化の防止を図るため、ガス供給装置２
７からレーザ光２１の集束位置Ｆに金属蒸気排気用ガス
２６を噴射するガス供給ノズル２７ａの径を細径として
ガス圧を上げるようにすればよいが、このガス供給ノズ
ル２７ａをレーザ光２１の集束位置Ｆを狙うように位置
決めすることが難しく、また位置決めを容易にするため
にはガス供給ノズル２７ａの径を大きくすればよいが、
噴出ガス量が増加するため、大量のガスが必要となる。

本発明はガス供給ノズルより噴出するガス圧に頼らずに
被溶融部から発生する金属蒸気のプラズマ化を未然に防
止することができ、肉盛層における欠陥の発生が少なく
、長時間に亘り連続して安定に肉盛施工を実施すること
ができるレーザ肉盛方法を提供することを目的とする。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明は上記の目的を達成するため、粉末状の肉盛材料
を被加工物に供給すると共に、レーザ発振器より発振さ
れたレーザ光を被加工物に照射して肉盛材料を肉盛する
レーザ肉盛方法において、前記レーザ発振器から発振さ
れたレーザ光を集光させる光学系として、レーザ光の集
束位置が前記被加工物の内部になるように設定し、レー
ザ光の照射経路内におけるパワー密度（レーザ出力／ビ
ーム断面積）を被加工物表面のパワー密度より小さくな
るようにしたものである。

（作用） このようなレーザ肉盛方法にあっては、従来のようにエ
ネルギ密度が高くなるレーザ光の集束位置がレーザ光の
照射経路に存在しないため、被溶融部から発生する金属
蒸気のプラズマ化を未然に防止できる。また、プラズマ
が発生しないまでも金属蒸気をプラズマ化するための熱
源としてレーザ光が消費されないので、レーザ光を金属
材料および被加工部を加熱するためのエネルギとして有
効に利用することができる。この結果、入熱不足による
肉盛層内でのブローホール等の欠陥の発生が抑制でき、
長時間に亘り連続して安定に肉盛施工を実施することが
可能となる。

（実施例） 以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明によるレーザ肉盛方法を説明するための
構成例を示すもので、第５図と同一部分には同一記号を
付してその説明を省略し、ここでは異なる点について述
べる。本実施例では第１図に示すように、レーザ発振器
２２から発振されたレーザ光２１を集光するための集光
レンズ２３およびレーザ光２１の光路の配設位置として
、レーザ光２１の集束位置がレーザ光の照射経路に存在
しない、つまり集束位置が基材Ｗの内部になるような光
学系に設定するようにしたものである。具体的には集光
レンズ２３として集束位置がレーザ光２１の照射経路に
存在しない長焦点距離の集光レンズが用いられ、また被
加工部表面に所定のエネルギ密度が得られるように加工
ノズル３ｏがら基材Ｗまでの距離が設定される。また、
ガス供給装置２７から供給される金属蒸気排気用ガスを
噴出する供給ノズル２７ａは基材Ｗの被加工部表面とレ
ーザ光２１の光路となる加工ノズル３０との間の適宜位
置に設定される。

このような設定条件のもとに金属材料供給装置２５より
被加工部表面に粉末状の金属材料２４を供給すると共に
、レーザ発振器２３からレーザ光２１を発振すると、こ
のレーザ光２１は集光レンズ２３および加工ノズル３０
を通して基材Ｗの被加工部表面に照射される。従って、
基材Ｗの被加工部はレーザ光２１の照射により加熱され
て金属材料２４が溶融するので、被加工部表面に一体的
に肉盛層２９が形成される。この場合、レーザ光２１の
照射経路内におけるパワー密度は被加工部表面のパワー
密度より小さいので、被溶融部から発生する金属蒸気の
プラズマ化を未然に防止できる。また、プラズマが発生
しないまでも金属蒸気をプラズマ化するための熱源とし
てレーザ光が消費されないので、レーザ光を金属材料お
よび被加工部を加熱するためのエネルギとして有効に利
用することができる。

ここで、以下の条件により実際に肉盛施工を実施した場
合の具体例について述べる。

基材ニステンレス鋼、 肉盛用金属粉末ニステライト＃６　（Ｃｏ基合金）又は
インコネル６２５（Ｎｉ基合金）、レーザ出カニ６〜ｌ
０ＫＷ。

集光レンズの焦点距離：　２５４ｍ＋＊、３８１ｍｍ。

５０８ｍｍ。

基材上のビーム径：５〜２０＋ｉｍ。

加工速度：　１００〜１５００ｗｎ／ｓｉｎ　。

金属材料供給速度：　１０〜１００ｇ／ｇｉｎまた、集
光レンズ２３を保護するため、ガス供給ノズル２７ａか
らレーザ光２１に対して金属蒸気排気用ガス２６ガスが
供給される。ガスの種類としては電離電圧が高く、プラ
ズマ化しにくいＨｅ、Ｎ２や空気が使用されるが、価格
の点で空気を採用することが望ましい。さらに、ガス流
量は従来の肉盛方法における１００〜２００ｐ／ｍａｎ
　、　　３〜５ｋｇ／ｃＪに比較し、本例では３０〜６
０１／■ｉｎ　、　　３ｋｇ／ｃｊ以下で十分である。

コレはレーザ光の集束位置がレーザ光の照射経路内に存
在しないため、プラズマ発生阻止用に大量の金属蒸気排
除用ガスを必要としないためである。

他方、ガス供給ノズル２７ａの設定位置はレーザ光の光
路を形成する加工ノズル３０と基材Ｗ表面間であればど
の位置でも良く、従来のように集に設定できる。

このような条件の下にレーザ肉盛を実施した結果、被溶
融部からの金属蒸気に起因するプラズマ発生が阻止され
、またレーザ光が金属蒸気をプラズマ化するための熱源
として消費されることもないので、レーザ光のエネルギ
が有効に利用され、１時間以上に亘って連続的に安定し
た肉盛加工を行なうことができる。また、レーザ光の照
射部に対する入熱量が常に一定に保持されるため、肉盛
層の内部に欠陥が発生することもない。さらに、連続的
な肉盛施工が可能となるため、加工時間を大幅に短縮す
ることができる。

第２図および第３図は本発明の他力実施例による構成を
それぞれ示すものである。Ｎ２図においては第１図の集
光レンズ２３に代えて凸面鏡３１と凹面鏡３２とからな
るカセグレンミラー３３を使用したものである。また、
第３図においては集光レンズ２３に代えてセグメントミ
ラー３４を使用したものである。何れの構成の光学系で
あってもレーザ光の集束位置がレーザ光の照射経路に設
定されないようにしておくことで、品質の良い肉盛層２
９を形成することができる。

なお、集光レンズ２３は一般にＺｎ５ｅやＫＣＩの材料
に限定され、使用寿命は数か月程度であるが、金属製の
ミラーであれば再研磨することにより半永久的に使用す
ることができる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、ガス供給ノズルより
噴出するガス圧に頼らずに被溶融部から発生する金属蒸
気のプラズマ化を未然に防止することができ、肉盛層に
おける欠陥の発生が少なく、長時間に亘り連続して安定
に肉盛施工を実施することができるレーザ肉盛方法を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるレーザ肉盛方法を説明するための
一実施例を示す構成４図、第２図および第３図は本発明
方法の他の実施例を説明するための要部を示す概略構成
図、第４図および第５図は従来の異なるレーザ肉盛方法
をそれぞれ説明するための構成図である。 ２１・・・・・・レーザ光、２２・・・・・・レーザ発
振器、２３・・・・・・集光レンズ、２４・・・・・・
肉盛用金属材料、２５・・・・・・金属材料供給装置、
２７・・・・・・ガス供給装置、２８・・・・・・回転
装置、２９・・・・・・肉盛層。 第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 粉末状の肉盛材料を被加工物に供給すると共に、レーザ
   発振器より発振されたレーザ光を被加工物に照射して肉
   盛材料を肉盛するレーザ肉盛方法において、前記レーザ
   発振器から発振されたレーザ光を集光させる光学系とし
   て、レーザ光の集束位置が前記被加工物の内部になるよ
   うに設定し、レーザ光の照射経路内におけるパワー密度
   （レーザ出力／ビーム断面積）を被加工物表面のパワー
   密度より小さくなるようにしたことを特徴とするレーザ
   肉盛方法。