JPH10296474A - 粉末材料投入ノズル及びこのノズルの振動防止方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属母材に粉末材料を投入する粉末材料投入
ノズルの振動を防止して、粉末材料の投入位置を安定さ
せる。 【解決手段】 アルミ合金製のエンジン用ピストンのピ
ストンリング溝を形成する際に、耐摩耗性及び耐久性を
向上させる目的で、レーザビームの照射により銅合金粉
末材料による肉盛り層を形成し、この肉盛り層に対し溝
加工する。レーザビーム照射時には、溝に粉末材料投入
ノズル１７より粉末材料を投入し、この粉末材料が溶融
して肉盛り層となる。粉末材料投入ノズル１７は、ノズ
ル本体１９と、粉末材料を吐出する粉末ノズル口２１
と、レーザビーム照射時に発生するプラズマを吹き飛ば
すアシストガスを吐出するガスノズル口２３とを有す
る。粉末ノズル口２１は、基端部がノズル本体１９の端
面１９ａに固定され、端面１９ａとアシストガス整流用
のメッシュ３１との間に設けた支持ブラケット３３によ
りガスノズル口２３に固定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、金属母材表面
に、レーザビームの照射により他金属からなる粉末材料
を溶融させて肉盛り層を形成する際に、粉末材料を投入
するための粉末材料投入ノズル及びこのノズルの振動防
止方法に関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、肉盛り装
置本体側の可動部で振動が発生しても、粉末材料投入ノ
ズルにおける振動を防止して粉末材料の投入位置を安定
化させることを目的としている。

【０００３】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、この発明は、第１に、金属母材表面に、レーザビー
ムの照射により他金属からなる粉末材料を溶融させて肉
盛り層を形成する際に、前記粉末材料を投入するための
粉末材料投入ノズルにおいて、外部から粉末材料を導入
し肉盛り装置本体側に固定されるノズル本体と、このノ
ズル本体に一端が固定されて前記導入された粉末材料を
他端側から吐出する粉末吐出口を備えた内側筒部と、こ
の内側筒部の基端側の周囲を覆い、前記ノズル本体に導
入されて前記レーザビーム照射時に発生するプラズマを
吹き飛ばすためのアシストガスを、前記内側筒部との間
に形成された空間部を経て外部に送り出す外側筒部と、
前記内側筒部の基端部より先端側を、前記外側筒部に支
持させる支持ブラケットとを備えている構成としてあ
る。

【０００４】上記構成によれば、先端に粉末吐出口を備
えた内側筒部は、基端側がノズル本体に固定され、基端
部より先端側が支持ブラケットにより外側筒部に支持さ
れて２点支持となっているので、肉盛り装置稼働時にお
ける可動部の振動がノズル本体に伝達されても、内側筒
部の振動は防止される。

【０００５】第２に、内側筒部と外側筒部との間の空間
部にアシストガスの流れを整流する整流部が設けられ、
支持ブラケットは、前記整流部より内側筒部の基端側に
設けられている。

【０００６】上記構成によれば、支持ブラケットは、整
流部より上流側に配置されているので、整流部によって
整流されたアシストガスの乱れは発生しない。

【０００７】第３に、支持ブラケットは、整流部から内
側筒部のノズル本体への固定部までの距離ａと、整流部
から支持ブラケットまでの距離ｂとの比ｂ／ａが、１／
４＜ｂ／ａ＜１／２となる位置に設けられている。

【０００８】上記比ｂ／ａが、１／４以下、つまり支持
ブラケットが整流部に近づきすぎていると、整流部での
整流作用が損なわれてアシストガスが乱れることとな
る。一方、ｂ／ａが１／２以上、つまり支持ブラケット
が内側筒部の基端側に近づきすぎていると、内側筒部に
対する２箇所の支持部となる、基端側のノズル本体への
固定部と支持ブラケットとの距離が接近しすぎることに
なって、内側筒部に対する振動防止効果が損なわれるも
のとなる。

【０００９】したがって、上記比ｂ／ａを１／４＜ｂ／
ａ＜１／２とすることで、アシストガスの乱れを発生さ
せることなく、内側筒部の振動が防止されることにな
る。

【００１０】第４に、支持ブラケットは、円板状であっ
てその外周面が外側筒部の内周面に固定されるととも
に、中央に設けた貫通孔の内周面が内側筒部の外周面に
固定されており、円周方向に複数のアシストガス通過孔
を備えている。

【００１１】上記構成によれば、支持ブラケットは、ア
シストガスを通過させつつ、内側筒部の円周方向の全周
を支持し、かつその外周面全周が外側筒部に支持される
ので、内側筒部に対する振動防止効果が向上する。

【００１２】第５に、金属母材表面に、レーザビームの
照射により他金属からなる粉末材料を溶融させて肉盛り
層を形成する際に、前記粉末材料を投入するための粉末
材料投入ノズルの振動防止方法において、外部から粉末
材料を導入し肉盛り装置本体側に固定されるノズル本体
に一端が固定されて前記導入された粉末材料を他端側か
ら吐出する粉末吐出口を備えた内側筒部を、この内側筒
部の基端側の周囲を覆い、前記ノズル本体に導入されて
前記レーザビーム照射時に発生するプラズマを吹き飛ば
すためのアシストガスを、前記内側筒部との間に形成さ
れた空間部を経て外部に送り出す外側筒部に支持させて
振動を防止させる。

【００１３】上記方法によれば、先端に粉末吐出口を備
えた内側筒部は、基端側がノズル本体に固定され、基端
部より先端側が支持ブラケットにより外側筒部に支持さ
れて２点支持としているので、肉盛り装置稼働時におけ
る可動部の振動がノズル本体に伝達されても、内側筒部
の振動は防止される。

【００１４】

【発明の効果】第１の発明または第５の発明によれば、
先端に粉末吐出口を備えた内側筒部は、基端側がノズル
本体に固定され、先端側が支持ブラケットにより外側筒
部に支持されて２点支持となっているので、肉盛り装置
稼働時にて可動部が振動しても、内側筒部の振動を防止
することができ、粉末吐出口から吐出される粉末材料の
投入位置が安定したものとなり、高品質な肉盛り層を得
ることができる。

【００１５】第２の発明によれば、支持ブラケットは、
整流部より上流側に配置されているので、整流部によっ
て整流されたアシストガスの乱れを発生させることはな
く、粉末材料内へのアシストガスの巻き込みによる肉盛
り層における空孔発生を防止することができる。

【００１６】第３の発明によれば、支持ブラケットは、
整流部から内側筒部のノズル本体への固定部までの距離
ａと、整流部から支持ブラケットまでの距離ｂとの比ｂ
／ａが、１／４＜ｂ／ａ＜１／２となる位置に設けられ
ることで、支持ブラケットが整流部から所定距離離れた
位置となって整流部における整流作用が有効に発揮され
てアシストガスの乱れを確実に防止できるとともに、内
側筒部に対する２箇所の支持部となる、ノズル本体への
固定部と支持ブラケットとの間についても所定距離離れ
たものとなって内側筒部の振動も確実に防止することが
できる。

【００１７】第４の発明によれば、支持ブラケットは、
アシストガスを通過させつつ、内側筒部の円周方向の全
周を支持し、かつその外周面全周が外側筒部に支持され
るので、振動抑制効果を向上させることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面に基づき説明する。

【００１９】図１は、この発明の実施の一形態に係わる
粉末材料投入ノズルを備えたレーザ肉盛り装置の全体構
成図である。ここでの金属母材としては、エンジンにお
けるアルミニウム合金からなるピストン１であり、この
ピストン１に対し、あらかじめ形成したピストンリング
溝となる環状溝３に、他金属としての銅合金からなる粉
末材料により肉盛り層を形成する。この肉盛り層に対
し、ピストンリングが嵌入されるピストンリング溝を、
機械加工により形成する。これにより、アルミニウム合
金として軽量化したピストンにおけるピストンリング溝
の耐摩耗性及び耐久性が向上する。

【００２０】ピストン１は、治具５によって横置き状態
で保持され、かつこの治具５の回転によってピストン１
の中心軸線Ｔを中心として回転する。環状溝３には、粉
末材料７が、環状溝３の斜め上方から投入されるととも
に、この投入された粉末材料７を加熱溶融ささせるため
のレーザビーム９が、環状溝３の上方から照射される。
なお、図１では、粉末材料７の投入方向は、わかりやす
くするために中心軸線Ｔに沿った図中で左側からとして
あるが、実際には溝３に沿った斜め上方からである。

【００２１】レーザビーム９は、肉盛り装置本体１１に
内蔵されるＣＯ₂レーザ発振器から発振したものが、肉
盛り装置本体１１の一部を構成する集光ヘッド１３を経
て所定の照射部位に集光される。

【００２２】一方、粉末材料７は、粉末材料投入ノズル
１７により環状溝３に投入される。粉末材料投入ノズル
１７は、その内部構造を示す断面図である図２及び、図
２の右側面図である図３に示すように、ノズル本体１９
と、ノズル本体１９の図中で右側の端面１９ａのほぼ中
央部に一端が接続される内側筒部としての粉末ノズル口
２１と、粉末ノズル口２１の基端側の周囲を覆い、前記
端面１９ａに一端が接続される外側筒部としてのガスノ
ズル口２３とを備えている。

【００２３】粉末ノズル口２１は、ノズル本体１９の端
面１９ａにねじ結合される基端部２１ａを有し、この基
端部２１ａは先端側がガスノズル口２３の他端側より外
部に突出し、この突出端部に、粉末吐出口を備えた先端
部２１ｂがねじ結合されている。この粉末ノズル口２１
と同一直線上のノズル本体１９には、外部から粉末材料
が導入される粉末導入通路２５が形成されている。粉末
導入通路２５は、一端が前記端面１９ａに開口して粉末
ノズル口２１に連通し、他端が図中で左側の端面１９ｂ
に開口部２５ａとなって開口しており、この開口部２５
ａから粉末材料が導入される。また、ノズル本体１９内
には、冷却水通路２７も形成されている。

【００２４】ガスノズル口２３は、レーザビーム照射時
に発生するプラズマを吹き飛ばすためのアシストガス
を、粉末ノズル口２１との間に形成された空間部２８を
経て外部に送り出すもので、ノズル本体１９の端面１９
ａの外周部分に対して一端がねじ結合されている。ま
た、ノズル本体１９には、上記アシストガスを導入する
ためのガス導入通路２９が形成されている。ガス導入通
路２９は、一端が端面１９ａに開口部２９ａとして開口
する一方、他端が側面（図中では上部）に開口部２９ｂ
として開口して、外部からアシストガスを粉末ノズル口
２１とガスノズル口２３との間の空間部２８に導入す
る。

【００２５】ガスノズル口２３の長さ方向（図２中で左
右方向）先端側のほぼ半分は、内径が大径となる段部２
３ａが形成され、この段部２３ａにおけるガスノズル口
２３の先端付近には、アシストガスの流れを整流する整
流部としてのメッシュ３１が設けられ、さらに段部２３
ａの図中で左側端部には円板状の支持ブラケット３３が
設けられている。支持ブラケット３３とメッシュ３１と
の間の段部２３ａには、円筒状のカラー３５が介装さ
れ、さらにガスノズル口２３の先端にはメッシュ押さえ
３７がねじ結合によって装着されている。

【００２６】支持ブラケット３３は、図４に示すよう
に、アシストガスを通過させるためのアシストガス通過
孔３３ａが円周方向等間隔に６個設けられるとともに、
中心部に、粉末ノズル口２１が挿入される貫通孔３３ｂ
が形成されている。支持ブラケット３３における貫通孔
３３ｂの内周面は粉末ノズル口２１の外周面に固定さ
れ、一方支持ブラケット３３の外周面は段部２３ａの内
周面に固定されている。これにより、粉末ノズル口２１
は、基端側の端部がノズル本体１９に固定されるととも
に、それより先端側にてガスノズル口２３に支持ブラケ
ット３３を介して固定されて２点支持されることにな
る。

【００２７】支持ブラケット３３の取付位置は、メッシ
ュ３１から粉末ノズル口２１のノズル本体１９への固定
部である端面１９ａまでの距離ａと、メッシュ３１から
支持ブラケット３３までの距離ｂとの比ｂ／ａが、１／
４＜ｂ／ａ＜１／２となるよう設定されている。

【００２８】また、ノズル本体１９には、図２中で紙面
に直交する方向に貫通する二つの取付孔１９ｃが形成さ
れ、この取付孔１９ｃはノズル本体１９の側部に設けら
れた円形の取付盤１９ｄを貫通している。一方、肉盛り
装置本体１１側の集光ヘッド１３の側部には取付ブラケ
ット３８が固定されており、上記取付孔１９ｃに図示し
ないねじを挿入して取付ブラケット３８にねじ込むこと
で、肉盛り装置本体１１側に粉末材料投入ノズル１７が
取り付けられることになる。

【００２９】この粉末材料投入ノズル１７には、銅合金
からなる粉末材料が収容される材料収容部を備えた材料
供給部３９から切替バルブ４１を経て粉末材料が供給さ
れる。切替バルブ４１は、支持アーム４２により肉盛り
装置本体１１に支持されており、内部には、図１中で左
右方向に移動するバルブ本体を収容している。このバル
ブ本体の移動によって、材料供給部３９より送り込まれ
た粉末材料を、粉末材料投入ノズル１７に供給する材料
供給形態と、排出容器４３に排出する材料排出形態とに
切り替わる。

【００３０】材料供給部３９は、材料収容部となる内部
が密閉された中空円板状のケース４５と、ケース４５の
外周側近傍の上部からケース４５内に粉末材料を送り込
む材料格納筒４７と、ケース４５の下方からヘリウムガ
スをケース２５内に送り込むガス供給口４９とを備えて
いる。ケース４５の前記材料格納筒４７とは別の位置に
おける外周側近傍の上部には、材料供給管５１の一端が
接続されている。

【００３１】ケース４５内には、材料格納筒４７からの
粉末材料が入り込む環状の凹部を備えた回転可能な材料
受けが収納されており、材料受けに供給された粉末材料
が、材料受けの回転によって材料供給管５１の接続部に
達したところで、ケース４５内に送り込まれたヘリウム
ガスの材料供給管５１への流れに伴って、材料供給ホー
ス５１に順次送り込まれる。材料供給管５１の他端は、
切替バルブ４３の上部に設置されたガス抜きホッパ５３
に接続されている。ガス抜きホッパ５３は、材料供給管
５１を経て粉末材料とともに送り込まれるヘリウムガス
を外部に逃がす役目を果たす。

【００３２】切替バルブ４３と粉末材料投入ノズル１７
とは、中継部５５及びその両端に接続された材料供給管
５７，５９により相互に接続され、切替バルブ４３が材
料供給形態に切り替わった状態で、材料供給部３９から
切替バルブ４３に送られた粉末材料が、材料供給管５
７，中継部５５及び材料供給管５９を経て粉末材料投入
ノズル１７に供給されることになる。

【００３３】上記したレーザ肉盛り装置においては、回
転中のピストン１の溝３に対し粉末材料投入ノズル１７
から粉末材料７を投入し、この投入した粉末材料に対し
てレーザビーム９を照射することで、溝３上に肉盛り層
が形成される。

【００３４】このとき、肉盛り装置本体１１側において
は、可動物、例えば切替バルブ４３においては、収容し
ているバルブ本体の移動によって振動が発生し、この振
動が粉末材料投入ノズル１７に伝達されることになる。
しかしながら、粉末材料投入ノズル１７は、粉末ノズル
口２１が、基端側がノズル本体１９に固定されているほ
か、支持ブラケット３３によってガスノズル口２３にも
固定されており、２点支持となっているので、粉末ノズ
ル口２１の振動は防止され、先端部２１ｂから吐出され
る粉末材料の、ピストン１の溝３への投入位置が安定
し、溝３に形成される肉盛り層の形状も安定したものと
なる。

【００３５】ピストンリング溝のように、環状部分の全
周に肉盛り層を形成する場合には、図５に示すように、
その肉盛り作業開始部となる始端部Ｓに終端部Ｅを重ね
合わせるオーバラップ部Ｌを形成する必要がある。この
ような場合には、そのオーバラップ部Ｌにおける始端部
Ｓの形状によっては、重ね合わせた部分での未溶着部や
割れなどの不具合が発生する恐れがあるので、特に有効
である。

【００３６】粉末材料投入ノズル１７においては、粉末
導入通路２５を経て導入された粉末材料が粉末ノズル口
２１から吐出されると同時に、ガス導入通路２９を経て
導入されたアシストガスが、ガスノズル口２３から吐出
されている。このアシストガスは、支持ブラケット３３
のアシストガス通過孔３３ｂを通過した後、メッシュ３
１を通過することで整流され、レーザビーム照射による
粉末材料溶融時に発生するプラズマを効率よく吹き飛ば
し、レーザビーム９がプラズマを吸収することによる粉
末材料溶融不良を防止する。

【００３７】ここで、支持ブラケット３３は、メッシュ
３１から粉末ノズル口２１のノズル本体１９に対する固
定部である端面１９ａまでの距離ａと、メッシュ３１か
ら支持ブラケット３３までの長さｂとの比：ｂ／ａが、
１／４＜ｂ／ａ＜１／２となる位置に設けられており、
端面１９ａ及びメッシュ３１のいずれに対しても所定以
上の距離を保っている。

【００３８】支持ブラケット３３が、端面１９ａから所
定距離以上離れていることで、２点支持による振動防止
効果が発揮され、粉末ノズル口２１の振動を確実に防止
できる。一方、支持ブラケット３３がメッシュ３１から
所定距離以上離れていることで、メッシュ３１による整
流作用が効果的になされ、アシストガスの乱れを確実に
防止できる。アシストガスの乱れが防止されることで、
このガスの巻き込みによる肉盛り層内での空孔の発生が
回避され、高品質な肉盛り層が得られる。

【００３９】図６は、上記比ｂ／ａに対する肉盛り層の
欠陥発生頻度を示したもので、１／４以下ではアシスト
ガスの乱れが発生し、１／２以上では粉末ノズル口２１
の振動が発生し、これらによりそれぞれ肉盛り層に欠陥
が発生する状態を示している。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の一形態を示す粉末材料投入ノ
ズルを備えたレーザ肉盛り装置の全体構成図である。

【図２】図１の粉末材料投入ノズルの内部構造を示す断
面図である。

【図３】図２の右側面図である。

【図４】図２の粉末材料投入ノズルに使用される支持ブ
ラケットの正面図である。

【図５】肉盛り層の始端部に終端部を重ね合わせたオー
バラップ部周辺の断面図である。

【図６】支持ブラケットの取付位置に対する肉盛り層の
欠陥発生頻度を示す説明図である。

【符号の説明】

１ ピストン（金属母材） ７ 粉末材料 ９ レーザビーム １７ 粉末材料投入ノズル １９ ノズル本体 ２１ 粉末ノズル口（内側筒部） ２３ ガスノズル口（外側筒部） ３１ メッシュ（整流部） ３３ 支持ブラケット ３３ａ アシストガス通過孔 ３３ｂ 貫通孔

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属母材表面に、レーザビームの照射に
   より他金属からなる粉末材料を溶融させて肉盛り層を形
   成する際に、前記粉末材料を投入するための粉末材料投
   入ノズルにおいて、外部から粉末材料を導入し肉盛り装
   置本体側に固定されるノズル本体と、このノズル本体に
   一端が固定されて前記導入された粉末材料を他端側から
   吐出する粉末吐出口を備えた内側筒部と、この内側筒部
   の基端側の周囲を覆い、前記ノズル本体に導入されて前
   記レーザビーム照射時に発生するプラズマを吹き飛ばす
   ためのアシストガスを、前記内側筒部との間に形成され
   た空間部を経て外部に送り出す外側筒部と、前記内側筒
   部の基端部より先端側を、前記外側筒部に支持させる支
   持ブラケットとを備えていることを特徴とする粉末材料
   投入ノズル。
2. 【請求項２】 内側筒部と外側筒部との間の空間部にア
   シストガスの流れを整流する整流部が設けられ、支持ブ
   ラケットは、前記整流部より内側筒部の基端側に設けら
   れていることを特徴とする請求項１記載の粉末材料投入
   ノズル。
3. 【請求項３】 支持ブラケットは、整流部から内側筒部
   のノズル本体への固定部までの距離ａと、整流部から支
   持ブラケットまでの距離ｂとの比ｂ／ａが、１／４＜ｂ
   ／ａ＜１／２となる位置に設けられていることを特徴と
   する請求項２記載の粉末材料投入ノズル。
4. 【請求項４】 支持ブラケットは、円板状であってその
   外周面が外側筒部の内周面に固定されるとともに、中央
   に設けた貫通孔の内周面が内側筒部の外周面に固定され
   ており、円周方向に複数のアシストガス通過孔を備えて
   いることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記
   載の粉末材料投入ノズル。
5. 【請求項５】 金属母材表面に、レーザビームの照射に
   より他金属からなる粉末材料を溶融させて肉盛り層を形
   成する際に、前記粉末材料を投入するための粉末材料投
   入ノズルの振動防止方法において、外部から粉末材料を
   導入し肉盛り装置本体側に固定されるノズル本体に一端
   が固定されて前記導入された粉末材料を他端側から吐出
   する粉末吐出口を備えた内側筒部を、この内側筒部の基
   端側の周囲を覆い、前記ノズル本体に導入されて前記レ
   ーザビーム照射時に発生するプラズマを吹き飛ばすため
   のアシストガスを、前記内側筒部との間に形成された空
   間部を経て外部に送り出す外側筒部に支持させて振動を
   防止させることを特徴とする粉末材料投入ノズルの振動
   防止方法。