JPH07214307A

JPH07214307A - 金属表面の再溶融処理方法

Info

Publication number: JPH07214307A
Application number: JP2625194A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Shigeizumi; 健茂泉
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1994-01-28
Filing date: 1994-01-28
Publication date: 1995-08-15

Abstract

(57)【要約】【目的】リメルト処理方法において、高密度熱エネル
ギーを生ずるアークの径以上の幅寸法の処理を行なうに
際に、寸法精度を維持し、ブローホールの発生を抑制し
かつ安価なＴＩＧアークを用いる効率的なリメルト処理
方法を提供する。【構成】金属表面にＴＩＧアークを印加してその表面
層を再溶融させ、引続く急冷凝固により表面層を改質さ
せる方法において、ＴＩＧアークの移動を行なうに際
し、処理の進行方向９と金属表面と平行でかつ前記処理
の進行方向と異なる方向への周期的な運動との合成運動
によりアークを移動１０し、アークの径以上の幅寸法の
処理を行なわせ、かつ寸法精度の維持とブローホール発
生の抑制とを効率的に行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アルミニウム合金鋳物
などの一部の金属表面層を局部的に改質するための再溶
融処理方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】シリンダーヘッドのような複雑な形状の
部材は、通常鋳造によって成形される。ところが、鋳造
品はポロシティーなどの内部欠陥を含むと共に、組織が
粗大であることから鍛造、プレス加工成形品などに比べ
て、疲労強度の高い製品が得られない。鋳物製品の疲労
強度を向上させるには、内部欠陥を少なくすると共に、
結晶粒を微細化すれば良い。そして、結晶粒を微細化す
るには、凝固時の冷却速度を大きくすれば良いが、冷却
速度を大とすると、湯流れ、湯廻りなどの鋳物の成形性
が阻害されるだけでなく、内部欠陥が内部に凍結されて
残留することもある。

【０００３】アルミニウム合金製シリンダーヘッドの製
造において、鋳造により一旦成形した後、特に疲労強度
が要求される部位をＴＩＧアーク、レーザービーム、電
子ビーム又はプラズマアークなどの高密度加熱エネルギ
ーで照射してその表面層を再溶融し、引続き急冷凝固さ
せることにより、局部的に改質する方法が特開昭６１−
１９３７３３号公報に提案されている。この局部的な表
面改質方法は、「再溶融処理」又は「リメルト処理」と
呼ばれる。

【０００４】特開昭６１−１９３７７３号公報には、ア
ルミ合金製内燃機関用シリンダーヘッドの必要部分に高
密度加熱エネルギーを照射し、再溶融を行はせることに
より、当該部分の内部に存在する微小気孔等の構造欠陥
を外部に押し出し、また急冷による金属結晶粒の微細化
が行なわれて、機械的性質が改善されることが記載され
ている。

【０００５】リメルト処理には通常ＴＩＧアーク溶融が
用いられる、これは装置が安価であることと、溶融時の
ブローホール発生が少ないためである。しかし、ＴＩＧ
アーク溶融によるリメルト処理には寸法精度が悪いとい
う問題があり、特にシリンダーヘッドのように複雑な形
状の部品は、バルブシートやウォータージャケットによ
って寸法が拘束されるため、高い精度が要求される。

【０００６】図７に、シリンダーヘッドにおける寸法拘
束の状況を示す。図７Ａは、シリンダーヘッドのバルブ
部分の表面状況を示す説明図であり、リメルト処理部３
１は、排気バルブシート３２と吸気バルブシート３３の
中間部分において、高精度を要する矢印で示す寸法拘束
のあることを示す。図７Ｂは、シリンダーヘッドのウォ
ータージャケットのある箇所の断面を示す説明図であ
り、リメルト処理部３１は矢印で示す部分において、空
洞であるウォータージャケット部３４の形状で決定され
るシリンダーヘッドの肉厚３５により、深さ方向での寸
法拘束のあることを示す。

【０００７】ＴＩＧアーク溶融で寸法精度を向上させる
ためには、使用する熱源のエネルギー線の密度を高くす
る必要がある、つまり印加した熱エネルギーが無駄に放
出されることなく、すべて溶融に使用されればよい。通
常に用いられるアーク径は５〜８ｍｍであり、それ以上
の幅のリメルト処理を行なうにはアーク径を大きくすれ
ば可能となるが、高寸法精度を得ることが困難となる。

【０００８】図８は、使用する熱源のエネルギー線の密
度の高低、及びこれに対応する溶融部の状況を示す。図
８Ａの（ａ）はエネルギー分布を示す曲線３６が、熱源
のアーク径が小さく、エネルギー線の密度が高い状態を
示し、これにより得られる溶融部３８の形状を図８Ａの
（ｂ）に示し、この形状から放熱により熱エネルギーが
無駄に放出されることが少なく、かつ寸法精度が保たれ
る状態を示す。図８Ｂの（ａ）はエネルギー分布を示す
曲線３７が、熱源のアーク径が大きく、エネルギー線の
密度が低い状態を示し、これにより得られる溶融部３９
の形状を図８Ｂの（ｂ）に示し、この形状から放熱によ
り熱エネルギーが無駄に放出されることが多く、かつ寸
法精度の維持が困難な状態となる。

【０００９】エネルギー線の密度の高い熱源には、レー
ザービーム、電子ビーム等がある。ＴＩＧが１０⁴〜１
０⁵Ｗ／ｃｍ²であるのに対して、レーザービームは１０
⁷Ｗ／ｃｍ²以上、電子ビームは１０⁶Ｗ／ｃｍ²以上のエ
ネルギー線の密度を有している。しかし、これらの熱源
は装置が高価なだけではなく、リメルト処理を行なう対
象部品の成分によっては、多量のブローホールを発生す
ることがある。ブローホールは熱間亀裂に対して大きな
影響を及ぼすため、極力発生させてはならないが、現在
では非常に困難な問題として残されている。

【００１０】また、ＴＩＧ溶融で寸法精度を向上させる
手段としてパルス溶融法がある、パルス溶融法では、溶
融エネルギーとなるトーチへの入力電流を一定周期のパ
ルス状とし、パルスのピーク電流が流れているときは部
品の溶融箇所を溶融し、ベース電流の流れているときに
は、溶融箇所（溶融プールという）を冷却しながらトー
チを移動して、周期的にできるスポット的な溶融プール
を重ね合わせて行く方法である。

【００１１】図９は、パルス溶融法の説明図である。図
９Ａは、トーチへ印加する入力電流のパルス状の波形４
０を示し、ピーク電流とベース電流が交互にトーチへ印
加される状況となる。図９Ｂは、パルス溶融法によりリ
メルト処理を行なった部品の表面と断面を示す、溶融ビ
ード４１ａはトーチの移動過程で、電流波形４０のピー
ク電流に対応して構成される溶融プールを重ね合せて構
成され、その断面４１ｂに溶け込み形状を示すが、溶融
層と部品の溶融されない母材との境界４１ｃは波状とな
る。

【００１２】この方法では溶融が瞬間的であるため効率
がよく、寸法精度を高くすることが出来る、しかし欠点
として下記のことが生ずる。溶融層と部品の溶融されない母材との境界は波状と
なる。ピーク電流でも溶け込みが浅いため、通常のＴＩＧ
より大きな電流を流せる大型電源が必要となる。耳ざわりなノイズを発生する。溶融ビードの幅が狭い。母材との境界が波状となる対策としては、パルスの周波
数を上げる方法があるが、ますます溶け込みが浅く、溶
融ビードの幅が狭くなり、さらに大きなノイズが発生す
るようになる。また周波数を上げ過ぎると十分な冷却が
出来なくなるため、スポット的な溶融ではなく、連続的
な通常のＴＩＧ溶接とほとんど変わらなくなってしま
う。溶け込みが浅くなる対策としては、電流を上げずに
トーチの移動速度を下げる方法も考えられるが、溶融時
間が長くなり本来の目的である熱効率が低下するばかり
か処理時間も増大する。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】金属表面に高密度熱エ
ネルギーを移動させながら印加して、その表面を再溶融
させ、引続く急冷凝固により表面層を局部的に改質する
リメルト処理方法において、高密度熱エネルギーを生ず
るアークの幅以上の寸法の処理を行なうに際に、寸法精
度を維持し、ブローホールの発生を抑制し、かつ装置の
高価なレーザービーム、電子ビーム、またはＴＩＧパル
ス溶融法を用いることなく、安価なＴＩＧアークを用い
る効率的なリメルト処理方法を提供することを目的とす
るものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、金属表面にＴ
ＩＧアークを印加してその表面層を再溶融させ、引続く
急冷凝固により表面層を改質させる方法において、ＴＩ
Ｇアークの移動を行なうに際し、金属表面と平行でかつ
処理の進行方向と異なる方向への周期的な運動と処理の
進行方向への運動との合成運動によりアークを移動し、
アークの径以上の幅寸法の処理を行なう金属表面のリメ
ルト処理方法である。

【００１５】

【作用】リメルト処理を行なう面積に対してアーク径が
小さく、安価なＴＩＧアークを用いることが可能とな
り、放熱が少なく寸法精度が維持され、溶融、冷却が早
いため金属組織の結晶粒の微細化が促進されて、リメル
ト処理の効果が増大する。またアークの行なう合成運動
により溶融プールが攪拌されるため、リメルト処理部の
有害な内部ブローホールが浮上し、除去される作用も行
なわれる。

【００１６】

【実施例】図１は、本発明によるリメルト処理を行なう
第１実施例の説明図である。図１Ａは、ＴＩＧトーチ１
の運動にロボット３を用いて、ワーク２へのリメルト処
理を行なう状況を示す。ロボットアームの先端にＴＩＧ
トーチ１を設置し、溶融エネルギーの電源８の出力の一
方をＴＩＧトーチ１へ接続してアークを生ぜしめ、他方
をワーク２のアース４接続へする。ＴＩＧトーチ１は、
ロボットの制御装置７により制御されるロボットでワー
ク２に対し教示された軌跡を描きつつ、リメルト処理を
行なう。

【００１７】ロボットは、あらかじめ入力された教示点
までの軌跡を数値化し、その数値化された座標（ｘ，
ｙ，ｚ）に向かって動いているものとし、ここで、交流
発振器５により発生した正弦波の電圧をアナログで出力
し、演算装置６（パソコン等）でデジタル変換した後、
ロボットの制御装置７に対してｘ軸方向のオフセット量
Δｘとして入力し、ロボットの描くべき座標を（ｘ＋Δ
ｘ，ｙ，ｚ）と変化させる。図１Ｂは、制御装置７へ入
力するオフセット量Δｘへの変換の説明図であり、
（ａ）は交流発振器５の発生する電圧波形、（ｂ）と
（ｃ）は演算装置６による電圧波形のオフセット量Δｘ
への変換の状況を示す。以上により、ロボットアーム先
端の軌跡、つまりＴＩＧトーチ１の軌跡が図１Ｃの９に
示す始点ａから終点ｂへの直線から、図１のＤの１０に
示す始点ｃから終点ｄへのジグザグ状のものへと変化す
る。

【００１８】本発明では、交流発振器をロボット制御装
置に内蔵して行なうこともできるし、またロボットによ
って、任意に設定可能なアナログデータを外部演算装置
（パソコン等）に対して出力し、この数値により発振器
の設定（電圧振幅、周波数、ｄｕｔｙ）を制御すれば、
一本の溶融ビードの中で様々にジグザグの幅を変化させ
ながら、リメルト処理を行うことが可能となる。

【００１９】次に、具体例について説明する。ＡＣ２Ｂ
材を鋳造により成形したシリンダーヘッドの下面バルブ
シート間を、本発明による方法でＴＩＧトーチでのリメ
ルト処理を行なった。この際の処理軌跡を図２に示す。
ａ点でＴＩＧトーチのアークをスタートし、ｂ点までは
アークの安定を図るため、発振器からのオフセット入力
信号をカットしておき、ｂ点よりオフセット入力信号を
制御装置へ投入して、ＴＩＧトーチをジグザグ状の軌跡
１０へと変化させ、ｃ点に到着した後、再び発振器から
のオフセット入力信号を停止して、ＴＩＧトーチの軌跡
を信号入力前の状態に戻しｄ点までの処理を行なった。
このジグザグ状の軌跡の区間では、ＴＩＧトーチの振動
の振幅は２．５ｍｍ、周波数は２Ｈｚ、Ｄｕｔｙは５０
％とした。またＴＩＧトーチの作動区間中での電流は３
５０→４３０→３００（Ａ）、電圧は４４．５→４５→
４５（Ｖ）、スピードは８→７→１１（ｍ／ｍｉｎ）と
それぞれ３段階に変化させてリメルト処理を行ない好結
果を得ている。本発明ではアークの動きが、その描く軌
跡により早くなり、従って溶融と冷却の繰り返しも早く
なり、溶融プールに余分な熱を加えないようすること
で、溶融部の寸法精度を向上することが可能となる。従
来の直線的なＴＩＧリメルト処理では、幅の寸法精度が
±４ｍｍ、深さの寸法精度が±３ｍｍであるのに対し
て、本発明によれば幅、深さとも約±１ｍｍ以内とする
ことができた。

【００２０】第１実施例では、電気信号によりＴＩＧト
ーチに必要な軌跡の動作を行はせしめる構造として説明
したが、機械的構造によっても同様の動作をせしめるこ
とが可能であり、図３、図４、図５にこれを示す。

【００２１】図３は、カム１１の表面に、図示せぬ適宜
なカムフォロアーと移動装置に保持されたトーチ１を移
動させ、カムの表面に沿ったトーチの軌跡１０を描かせ
ことができる。

【００２２】図４は、一対の噛み合うピニョン１２と歯
車１３を用い、歯車の歯本付近にＴＩＧトーチ１を設置
し、図示せぬ適宜な歯車列の保持と回転駆動及び移動装
置により、運動を行なわせれば、１０に示すような軌跡
をトーチに描かせることができる。

【００２３】図５は、軸１６を中心として回転するカム
１５と、これに当接して平行移動するフォロアーバー１
４上で、滑動可能にＴＩＧトーチ１を設けるもので、図
示せぬ適宜な装置により、これ等の保持と運動を行なわ
せれば、１０に示すような軌跡をトーチに描かせること
ができる。

【００２４】また、ＴＩＧアークは電気の流れであるか
ら、電磁石によって発生する磁場によってもアークを振
動させることも可能である。図６はこの説明図である。
図６Ａで、１７はＴＩＧアークの電極であり、アークは
紙面と垂直の方向へ放出される、１９は電磁石のコイル
でこれに印加される電流により、２０ａに示す方向の磁
力線が発生する、この磁力線により生ずる磁場の影響に
より、電極からの電気の流れであるアークは、１８ａに
示すように偏向する。図６Ｂは、電磁石のコイルに印加
する電流の方向を、図６Ａとは逆方向とした状態を示
す、発生する磁力線２０ｂの方向も逆となり、アーク１
８ｂも電極に対し逆方向に偏向する。従って、図示せぬ
適宜の装置により、コイルへの印加電流とその方向制御
及びコイルとＴＩＧトーチの双方の保持と運動を行なわ
せると、ＴＩＧトーチのアークに所望の軌跡を描かせる
ことができる。

【００２５】

【発明の効果】本発明は、表面層を局部的に改質するリ
メルト処理において、アークの径以上の幅寸法の処理を
行なうに際に、寸法精度を維持し、ブローホールの発生
を抑制し、かつ安価なＴＩＧトーチのアークを用いて効
率的に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の説明図。

【図２】本発明の第１実施例のトーチの軌跡の説明図。

【図３】本発明の第２実施例の説明図。

【図４】本発明の第３実施例の説明図。

【図５】本発明の第４実施例の説明図。

【図６】本発明の第５実施例の説明図。

【図７】処理部形状の説明図。

【図８】アークのエネルギー分布と溶融部の説明図。

【図９】従来の技術における電流波形と溶融部の説明
図。

【符号の説明】

１ＴＩＧトーチ２ワーク３ロボット
４アース５交流発振器６演算装置７ロボットの制
御装置８溶融エネルギーの電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属表面にＴＩＧアークを印加してその表
面層を再溶融させ、引続く急冷凝固により表面層を改質
させる方法において、ＴＩＧアークの移動を行なうに際
し、金属表面と平行でかつ処理の進行方向と異なる方向
への周期的な運動と前記処理の進行方向への運動との合
成運動によりアークを移動し、アークの径以上の幅寸法
の処理を行なうことを特長とする金属表面の再溶融処理
方法。