JPH1034360A - レーザービームによる肉盛方法 - Google Patents

レーザービームによる肉盛方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】重なり部分の欠陥発生を有効に抑制しうるレー
ザービームによる肉盛方法を提供する。 【解決手段】１層目の肉盛り開始部分３ａに重ねて２層
目を肉盛りさせる際に、レーザビーム５と粉末供給ノズ
ル６を所定の軌跡７に沿って上方に移動させながら肉盛
り加工を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザービームに
よる肉盛方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】ベースとなる金属（母材）に特殊な性質
を持った他の金属（被覆材）を肉盛りする方法として、
レーザービームを用いて肉盛り加工を行うようにしたも
のがある。たとえば、自動車エンジンのシリンダーヘッ
ドのバルブシートなどでは、レーザービームを照射する
ことによりアルミニウム系母材へ耐熱性、耐磨耗性、耐
蝕性などにすぐれた銅系肉盛り合金材料を肉盛りするこ
とが行われている。バルブシートなどにリング状の肉盛
り部を形成する場合には、図２に示すように、肉盛り部
分をその開始部（始端部）と終了部（終端部）との間で
オーバーラップさせる必要がある（同図中の重なり部
分）。オーバーラップさせないとリング部を形成するの
に必要な肉盛り量を確保できないからである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、肉盛り
部分をオーバーラップさせる場合には、次のような問題
がある。まず第１に、レーザビームと母材と粉末供給位
置を１層目の形状に追従させることなく、そのままオー
バーラップさせた場合、図３に示すように、重なり部分
の途中でクラック８が発生するおそれがある。
【０００４】すなわち、ここで、１層目の形状に追従さ
せるとは、図３に示す加工点Ｐ（おおよそ母材１上にお
けるレーザービーム５と粉末供給ノズル６の中心線との
交点）を、たとえばＮＣ加工プログラムにより、１層目
表面９をトレースさせながら移動させることをいうが、
図３に示すように１層目形状に追従させずに加工を行っ
た場合には、レーザービーム５と粉末供給位置と母材
（このときは１層目表面９）との位置関係が狂ってしま
うため、加工状態が不安定となり、１層目と２層目の溶
着状態が不良となって、応力集中箇所においてクラック
８が発生するおそれがある。
【０００５】第２に、たとえ１層目形状に追従させてオ
ーバーラップさせたとしても、１層目形状に合わせた場
合には、図３の円１０中に示すように、欠肉が発生する
おそれがある。
【０００６】すなわち、加工点Ｐを１層目表面９に沿っ
て移動させながらＮＣ加工する場合、実際の肉盛り加工
部は遅れて凝固するため、区間Ｈの加工時において区間
Ｉの部分はいまだ未凝固状態であるところ、区間Ｈには
傾斜した１層目開始部が存在するため、レーザービーム
で溶融された金属は区間Ｉの方向へ流れ落ちていき、そ
の結果、区間Ｈに残留する溶融金属量が不足する一方
で、区間Ｉの未凝固部分は凝固する際に加工点Ｐの移動
方向とは反対の方向にどんどん引っ張られるので、欠肉
が発生するおそれがある。欠肉が発生した場合には、凝
固収縮応力集中部なので、クラックが発生しやすい。
【０００７】本発明は、レーザービームにより母材への
肉盛り加工を行う際のオーバーラップ処理方法における
上記課題に着目してなされたものであり、重なり部分の
欠陥発生を有効に抑制することができるレーザービーム
による肉盛方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１記載の発明は、レーザービームを照射する
ことにより母材の表面に被覆用の他金属を肉盛りする方
法において、１層目の肉盛り開始部分に重ねて２層目を
肉盛りさせる際に、母材表面にレーザビームを照射しか
つ粉末状の被覆金属を供給する加工手段を上方に移動さ
せながら肉盛り加工を行うことを特徴とする。
【０００９】請求項２記載の発明は、上記請求項１記載
の方法において、前記加工手段の上方への移動量は肉盛
り厚±２０％以内であることを特徴とする。
【００１０】請求項３記載の発明は、上記請求項１また
は２記載の方法において、前記加工手段は１層目の肉盛
り開始部分を越えてから上方への移動を開始することを
特徴とする。
【００１１】請求項４記載の発明は、上記請求項１、
２、または３記載の方法において、前記加工手段の上方
への移動時の傾斜角θは表面に対して次式 ０°＜θ＜８０° の範囲内にあることを特徴とする。
【００１２】請求項５記載の発明は、上記請求項１、
２、３、または４記載の方法において、１層目と２層目
の重なり代は１層目の肉盛り開始部分の長さの５倍以内
であることを特徴とする。
【００１３】次に、図１を使って、上記各発明の作用を
説明する。なお、同図中、「１」は母材、「２」は被覆
金属からなる肉盛り部、「３」は肉盛り部２の重なり部
分における１層目の肉盛り層、「３ａ」は１層目の肉盛
り層３における肉盛り開始部分、「４」は肉盛り部２の
重なり部分における２層目の肉盛り層、「５」はレーザ
ービーム、「６」は粉末状の被覆金属を供給する粉末供
給ノズル、「７」はレーザービーム５と粉末供給ノズル
６の移動軌跡である。加工手段はレーザービーム５と粉
末供給ノズル６とで構成されている。
【００１４】この発明にあっては、１層目の肉盛り開始
部分３ａに重ねて２層目を肉盛りさせる際に、母材１表
面にレーザビームを照射しかつ粉末状の被覆金属を供給
する加工手段５、６を所定の軌跡７に沿って上方に移動
させながら肉盛り加工を行うので、重なり部分またはそ
の近傍に発生する欠陥（クラック、欠肉）を抑制するこ
とが可能となる。
【００１５】その際、好ましくは、加工手段５、６の上
方への移動量Ａは肉盛り厚Ｂ±２０％以内である。これ
は、実験などの結果として、前記移動量Ａが１層目の肉
盛り厚Ｂ±２０％の値よりも大きかったり小さかったり
した場合には、重なり部分にクラックが発生したからで
ある。
【００１６】また、好ましくは、上方への移動開始位置
Ｃは１層目の肉盛り開始部分３ａを越えたところにあ
る。実験などの結果として、１層目の肉盛り開始部分３
ａを越えないで上方への移動を開始させた場合には、肉
盛り開始部付近に欠肉が発生したからである。これは、
前述したように、肉盛り部の凝固が実際の加工の制御に
比べ遅れて形成されるためである。
【００１７】すなわち、本発明では、従来のように単に
１層目形状をトレースするのではなく、少なくとも１層
目の肉盛り開始部分３ａの長さＥだけ遅らせてトレース
する。つまり、図３中の区間Ｈ方向に残留する溶融金属
量を増加させるために１層目開始部（肉盛り開始部分３
ａ）付近が先に凝固してから上方へ移動させるようにし
ている。これにより、従来のように区間Ｈに残留する溶
融金属量が不足するということがなくなり、欠肉の発生
が抑制される。実験的にも欠肉は消滅した。
【００１８】さらに、好ましくは、上方への移動時の傾
斜角θは表面に対して０°＜θ＜８０°の範囲内にあ
る。実験などの結果として、垂直に移動させた場合に
は、クラックが重なり部分に発生したからである。
【００１９】また、好ましくは、１層目と２層目の重な
り代（つまり、重なり部分の長さ）Ｄは１層目の肉盛り
開始部分３ａの長さＥの５倍以内（Ｅ＜Ｄ≦５Ｅ）であ
る。実験などの結果として、５倍を超える重なり部分を
設けた場合には、クラックが重なり部分の途中に発生し
たからである。これは、入熱過多となって母材１が希釈
したためである。すなわち、母材１に対して入熱が過多
になると母材１とクラッド部界面にある中間層、たとえ
ば、銅とアルミニウムの金属間化合物（性質として非常
にもろい）が増加するので、クラッド部自体がもろくな
り、自己収縮応力によりクラックが発生しやすくなるた
めである。
【００２０】
【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、肉盛りの
重なり部分において加工手段を上方に移動させながらそ
の肉盛り加工を行うので、従来肉盛りの重なり部分また
はその近傍に発生するおそれのあった欠陥を抑制するこ
とが可能となる。
【００２１】請求項２記載の発明によれば、上記請求項
１記載の発明の効果に加え、上方への移動量を好適な範
囲に限定したので、特に重なり部分におけるクラックの
発生を有効に抑制することができる。
【００２２】請求項３記載の発明によれば、上記請求項
１または２記載の発明の効果に加え、上方への移動開始
位置を好適に限定したので、特に重なり部分近傍におけ
る欠肉の発生を有効に抑制することができる。
【００２３】請求項４記載の発明によれば、上記請求項
１、２、または３記載の発明の効果に加え、上方への移
動時の傾斜角を好適な範囲に限定したので、特に重なり
部分におけるクラックの発生を有効に抑制することがで
きる。
【００２４】請求項５記載の発明によれば、上記請求項
１、２、３、または４記載の発明の効果に加え、１層目
と２層目の重なり代を好適な範囲に限定したので、特に
重なり部分におけるクラックの発生を有効に抑制するこ
とができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の具体的な実施の
形態（実施例）を、図１に則して説明しておく。アルミ
ニウム合金製（ＪＩＳによるＡＣ２Ａ材）のシリンダー
ヘッドのバルブシートを母材１とし、これに肉盛りする
合金材料として、銅合金粉末（Ｃｕ−１５．５Ｎｉ−１
４．１Ｃｏ−０．９１Ａｌ−１．５８Ｖ−１．８４Ｎｂ
−２．７８Ｓｉ）を用いた。加工条件は次のとおりであ
る。 ビームモード：リングモード レーザー出力：４．０ＫＷ レーザー照射方向：母材底面の法線方向 加工速度：０．８ｍ／分 粉末供給量：４０ｇ／分 粉末供給ノズル角度：７０°（母材底面から） スタンドオフ：１０ｍｍ ノズル内径：φ３．４ｍｍ １層目始端部から上方移動開始位置Ｃまでの加工遅延時
間：約０．５秒 以上の条件の下で肉盛り加工を行ったところ、クラック
や欠肉のない良好なクラッド品が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザービームによる肉盛り方法
の説明図である。
【図２】母材を肉盛り加工した状態を示す図である。
【図３】従来技術による肉盛り状態を示す図である。
【符号の説明】 １…母材 ２…肉盛り部 ３…重なり部分の１層目肉盛り層 ３ａ…肉盛り開始部分 ４…重なり部分の２層目肉盛り層 ５…レーザービーム ６…粉末供給ノズル ７…レーザービームと粉末供給ノズルの移動軌跡

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】レーザービームを照射することにより母材
    の表面に被覆用の他金属を肉盛りする方法において、 １層目の肉盛り開始部分に重ねて２層目を肉盛りさせる
    際に、母材表面にレーザービームを照射しかつ粉末状の
    被覆金属を供給する加工手段を上方に移動させながら肉
    盛り加工を行うことを特徴とするレーザービームによる
    肉盛方法。
  2. 【請求項２】前記加工手段の上方への移動量は肉盛り厚
    ±２０％以内であることを特徴とする請求項１記載のレ
    ーザービームによる肉盛方法。
  3. 【請求項３】前記加工手段は１層目の肉盛り開始部分を
    越えてから上方への移動を開始することを特徴とする請
    求項１または２記載のレーザービームによる肉盛方法。
  4. 【請求項４】前記加工手段の上方への移動時の傾斜角θ
    は表面に対して次式 ０°＜θ＜８０° の範囲内にあることを特徴とする請求項１、２、または
    ３記載のレーザービームによる肉盛方法。
  5. 【請求項５】１層目と２層目の重なり代は１層目の肉盛
    り開始部分の長さの５倍以内であることを特徴とする請
    求項１、２、３、または４記載のレーザービームによる
    肉盛方法。
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