JPH11320136A - 金属中空体内面のレ―ザ―加工方法およびその装置 - Google Patents
金属中空体内面のレ―ザ―加工方法およびその装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】耐摩耗性を付与する合金成分を表面近傍にのみ
追加的に合金化することを可能にするとともに、この方
法を実施するための装置を提供すること。 【解決手段】本発明の金属中空体内面のレーザー加工方
法は、マトリックス合金からなり回転対称なシリンダ軸
を備えている中空体の内面をレーザー加工する方法であ
って、中空体の位置を固定して状態で、回転可能なプロ
ーブにより該中空体の内面にビームスポットを生じさ
せ、該ビームスポットに搬送・保護ガス中に含有される
合金粉を連続的に供給し、プローブが回転している間に
同時にプローブをシリンダ軸に沿って移動させ、合金粉
をビームスポット内で溶融させ、0.2〜2mmの深さ
で合金化するものである。
追加的に合金化することを可能にするとともに、この方
法を実施するための装置を提供すること。 【解決手段】本発明の金属中空体内面のレーザー加工方
法は、マトリックス合金からなり回転対称なシリンダ軸
を備えている中空体の内面をレーザー加工する方法であ
って、中空体の位置を固定して状態で、回転可能なプロ
ーブにより該中空体の内面にビームスポットを生じさ
せ、該ビームスポットに搬送・保護ガス中に含有される
合金粉を連続的に供給し、プローブが回転している間に
同時にプローブをシリンダ軸に沿って移動させ、合金粉
をビームスポット内で溶融させ、0.2〜2mmの深さ
で合金化するものである。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、マトリックス合金
からなって回転対称なシリンダ軸を備えている中空体、
特に耐磨耗性のピストン摺動内側面を備えた軽金属製エ
ンジンブロックの内面のレーザー加工方法、およびこの
方法を実施するための装置に関するものである。
からなって回転対称なシリンダ軸を備えている中空体、
特に耐磨耗性のピストン摺動内側面を備えた軽金属製エ
ンジンブロックの内面のレーザー加工方法、およびこの
方法を実施するための装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】マトリックス合金からなる回転対称なシ
リンダ軸を備える中空体の内面を加工する方法として
は、ドイツ連邦共和国特許公開第3910098号公報
には、たとえば、管をレーザーにより溶接し、その際レ
ンズ系を備えた棒状のプローブを工作物の中に挿入させ
る方法が記載されている。
リンダ軸を備える中空体の内面を加工する方法として
は、ドイツ連邦共和国特許公開第3910098号公報
には、たとえば、管をレーザーにより溶接し、その際レ
ンズ系を備えた棒状のプローブを工作物の中に挿入させ
る方法が記載されている。
【0003】レーザー表面処理で加工する場合、レーザ
ーエネルギーを広範囲に適用することにより、特に工作
物の内側面でエッジ層の面被覆処理を施すことが望まれ
る。また、エッジ層において合金成分を増大させたり、
エッジ層において金属間化合物が得られることも必要で
ある。さらに、特にアルミニウム鋳造合金または鍛錬用
合金の場合には、金属工作物の耐磨耗性の向上のために
エッジ層の金属組織が微粒化していることが好ましい。
このような耐摩耗性が要求される金属工作物としては、
たとえばエンジンの部品、工具、管、ガイドブッシュ等
が挙げられる。
ーエネルギーを広範囲に適用することにより、特に工作
物の内側面でエッジ層の面被覆処理を施すことが望まれ
る。また、エッジ層において合金成分を増大させたり、
エッジ層において金属間化合物が得られることも必要で
ある。さらに、特にアルミニウム鋳造合金または鍛錬用
合金の場合には、金属工作物の耐磨耗性の向上のために
エッジ層の金属組織が微粒化していることが好ましい。
このような耐摩耗性が要求される金属工作物としては、
たとえばエンジンの部品、工具、管、ガイドブッシュ等
が挙げられる。
【0004】従来の耐磨耗性工作物は、工作物の材料全
体を添加物と合金化させることにより得られており、た
とえばアルミニウム鋳造合金では、シリコンが17重量
%以下で添加されていた。このように工作物の材料をシ
リコン含有合金とすると合金全体が硬化するため、工作
物の表面には耐摩耗性が付与される。
体を添加物と合金化させることにより得られており、た
とえばアルミニウム鋳造合金では、シリコンが17重量
%以下で添加されていた。このように工作物の材料をシ
リコン含有合金とすると合金全体が硬化するため、工作
物の表面には耐摩耗性が付与される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、材料に
シリコンを含有させ全体として合金とすると、硬化はす
るが一方でもろくもなる。このため、工作物の表面には
耐摩耗性は付与されるものの、材料の内部まで合金とな
っているため工作物全体がもろくなる。従って、工作物
の表面の耐摩耗性の付与と工作物全体のもろさの問題を
鋳造によって解決するには幾多の問題があった。
シリコンを含有させ全体として合金とすると、硬化はす
るが一方でもろくもなる。このため、工作物の表面には
耐摩耗性は付与されるものの、材料の内部まで合金とな
っているため工作物全体がもろくなる。従って、工作物
の表面の耐摩耗性の付与と工作物全体のもろさの問題を
鋳造によって解決するには幾多の問題があった。
【0006】従って、本発明の目的は、耐摩耗性を付与
する合金成分を表面近傍にのみ追加的に合金化すること
を可能にするとともに、この方法を実施するための装置
を提供することにある。
する合金成分を表面近傍にのみ追加的に合金化すること
を可能にするとともに、この方法を実施するための装置
を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】かかる実情において、本
発明者らは鋭意検討を行った結果、金属中空体の内面に
ビームスポットを生じさせ、該ビームスポットに搬送・
保護ガス中に含有される合金粉を連続的に供給して溶融
すれば、中空体内面を0.2〜2mmの深さで合金化で
きることを見出し、本発明を完成するに至った。
発明者らは鋭意検討を行った結果、金属中空体の内面に
ビームスポットを生じさせ、該ビームスポットに搬送・
保護ガス中に含有される合金粉を連続的に供給して溶融
すれば、中空体内面を0.2〜2mmの深さで合金化で
きることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0008】すなわち、本発明(1)は、マトリックス
合金からなり回転対称なシリンダ軸を備えている中空体
の内面をレーザー加工する方法であって、前記中空体の
位置を固定した状態で、回転可能なプローブにより該中
空体の内面にビームスポットを生じさせ、該ビームスポ
ットに搬送・保護ガス中に含有される合金粉を連続的に
供給し、プローブが回転している間に同時にプローブを
シリンダ軸に沿って移動させ、合金粉をビームスポット
内で溶融させ、0.2〜2mmの深さで合金化すること
を特徴とする金属中空体内面のレーザー加工方法を提供
するものである。
合金からなり回転対称なシリンダ軸を備えている中空体
の内面をレーザー加工する方法であって、前記中空体の
位置を固定した状態で、回転可能なプローブにより該中
空体の内面にビームスポットを生じさせ、該ビームスポ
ットに搬送・保護ガス中に含有される合金粉を連続的に
供給し、プローブが回転している間に同時にプローブを
シリンダ軸に沿って移動させ、合金粉をビームスポット
内で溶融させ、0.2〜2mmの深さで合金化すること
を特徴とする金属中空体内面のレーザー加工方法を提供
するものである。
【0009】また、本発明(2)は、上記発明(1)に
おいて、前記中空体の内面が、耐磨耗性のピストン摺動
内側面を備えた軽金属製エンジンブロックの内面である
ことを特徴とする金属中空体内面のレーザー加工方法を
提供するものである。
おいて、前記中空体の内面が、耐磨耗性のピストン摺動
内側面を備えた軽金属製エンジンブロックの内面である
ことを特徴とする金属中空体内面のレーザー加工方法を
提供するものである。
【0010】また、上記発明(1)又は(2)におい
て、合金粉がシリコンからなっている場合、粒径が3〜
35μmで含有量が17〜50%の硬質位相成分を溶融
物から分離させると、より好ましい発明(3)となる。
て、合金粉がシリコンからなっている場合、粒径が3〜
35μmで含有量が17〜50%の硬質位相成分を溶融
物から分離させると、より好ましい発明(3)となる。
【0011】また、上記発明(1)〜(3)のいずれか
において、合金粉として、粒径が45〜130μmのニ
ッケル、チタン、またはニオブを使用すると、より好ま
しい発明(4)となる。
において、合金粉として、粒径が45〜130μmのニ
ッケル、チタン、またはニオブを使用すると、より好ま
しい発明(4)となる。
【0012】また、上記発明(1)〜(4)のいずれか
において、20〜800J/mmのレンジエネルギー
と、0.5〜4.0kW/mm2 の強度を持ったレーザ
ー光を使用すると、より好ましい発明(5)となる。
において、20〜800J/mmのレンジエネルギー
と、0.5〜4.0kW/mm2 の強度を持ったレーザ
ー光を使用すると、より好ましい発明(5)となる。
【0013】また、上記発明(1)〜(5)のいずれか
において、合金粉をアルミニウム製シリンダブロック内
で合金化するため、波長が800〜1100nmのレー
ザー光を使用すると、より好ましい発明(6)となる。
において、合金粉をアルミニウム製シリンダブロック内
で合金化するため、波長が800〜1100nmのレー
ザー光を使用すると、より好ましい発明(6)となる。
【0014】また、上記発明(1)〜(6)のいずれか
において、中空体の内面を、1:10以上のダクト比
で、且つ50mmの最小径で加工すると、より好ましい
発明(7)となる。
において、中空体の内面を、1:10以上のダクト比
で、且つ50mmの最小径で加工すると、より好ましい
発明(7)となる。
【0015】また、上記発明(1)〜(7)のいずれか
において、レーザー光の出力が1.3〜6kWである
と、より好ましい発明(8)となる。
において、レーザー光の出力が1.3〜6kWである
と、より好ましい発明(8)となる。
【0016】また、上記発明(1)〜(8)のいずれか
において、ビームスポットを、被加工表面全体にわたっ
て螺旋状に移動させると、より好ましい発明(9)とな
る。
において、ビームスポットを、被加工表面全体にわたっ
て螺旋状に移動させると、より好ましい発明(9)とな
る。
【0017】また、上記発明(1)〜(9)のいずれか
において、エッジ長さが0.2〜4mmの直線状のビー
ムスポットを、中空体の被加工内面に生じさせると、よ
り好ましい発明(10)となる。
において、エッジ長さが0.2〜4mmの直線状のビー
ムスポットを、中空体の被加工内面に生じさせると、よ
り好ましい発明(10)となる。
【0018】また、上記発明(1)〜(10)のいずれ
かにおいて、周上でのビームスポットのプローブの送り
速度が300〜4000mm/分であると、より好まし
い発明(11)となる。
かにおいて、周上でのビームスポットのプローブの送り
速度が300〜4000mm/分であると、より好まし
い発明(11)となる。
【0019】また、上記発明(1)〜(11)のいずれ
かにおいて、プローブの回転に対応して被加工表面の全
長にわたって螺旋状に蛇行して延在するような合金化ゾ
ーンをビームスポットの作用で生じさせると、より好ま
しい発明(12)となる。
かにおいて、プローブの回転に対応して被加工表面の全
長にわたって螺旋状に蛇行して延在するような合金化ゾ
ーンをビームスポットの作用で生じさせると、より好ま
しい発明(12)となる。
【0020】また、上記発明(1)〜(12)のいずれ
かにおいて、合金化ゾーンの複数個の隣接する蛇行部が
互いにオーバーラップしていると、より好ましい発明
(13)となる。
かにおいて、合金化ゾーンの複数個の隣接する蛇行部が
互いにオーバーラップしていると、より好ましい発明
(13)となる。
【0021】また、上記発明(1)〜(13)のいずれ
かにおいて、複数個の蛇行部をピストン摺動内側面にわ
たって間隔を持って設け、この間隔がピストンリングの
幅よりも小さいと、より好ましい発明(14)となる。
かにおいて、複数個の蛇行部をピストン摺動内側面にわ
たって間隔を持って設け、この間隔がピストンリングの
幅よりも小さいと、より好ましい発明(14)となる。
【0022】また、上記発明(1)〜(14)のいずれ
かにおいて、シリンダ摺動面が、拡散された合金粒子に
より、ピストンの転回点に完全被覆部を有し、摺動面の
残りの部分に部分被覆部を有していると、より好ましい
発明(15)となる。
かにおいて、シリンダ摺動面が、拡散された合金粒子に
より、ピストンの転回点に完全被覆部を有し、摺動面の
残りの部分に部分被覆部を有していると、より好ましい
発明(15)となる。
【0023】また、上記発明(1)〜(15)のいずれ
かにおいて、部分被覆部を備えたゾーンにおいて、潤滑
油ポケットをシリンダ摺動面に加工すると、より好まし
い発明(16)となる。
かにおいて、部分被覆部を備えたゾーンにおいて、潤滑
油ポケットをシリンダ摺動面に加工すると、より好まし
い発明(16)となる。
【0024】また、上記発明(1)〜(16)のいずれ
かにおいて、レーザー光の出力を2kW、ビームスポッ
トの径を約0.5〜2mm、送りを300〜1500m
m/分、プロセスガス供給量を10〜20リットル/
分、粉体供給量を1〜10g/分に設定して、17〜5
0%のシリコンの合金化を表面で行なうと、より好まし
い発明(17)となる。
かにおいて、レーザー光の出力を2kW、ビームスポッ
トの径を約0.5〜2mm、送りを300〜1500m
m/分、プロセスガス供給量を10〜20リットル/
分、粉体供給量を1〜10g/分に設定して、17〜5
0%のシリコンの合金化を表面で行なうと、より好まし
い発明(17)となる。
【0025】また、上記発明(1)〜(17)のいずれ
かにおいて、過剰の合金粉を搬送ガスにより中空体から
噴出させると、より好ましい発明(18)となる。
かにおいて、過剰の合金粉を搬送ガスにより中空体から
噴出させると、より好ましい発明(18)となる。
【0026】また、本発明(19)は、搬送・保護ガス
による合金粉供給部とレーザー光線案内部(2)とを有
し、レーザー光線案内部(2)がコリメータレンズ系
(4)を介してレーザー光線(3)をプローブヘッド内
に形成した回転鏡(5)に投射するようにした棒状のプ
ローブ(1)と、前記合金粉供給部のノズルと前記回転
鏡の反射角範囲内に設けられるレーザー光線供給部とを
回動可能にするプローブに設けられた回転駆動部と、プ
ローブ(1)の軸線方向移動装置と、前記合金粉供給部
のノズルおよびレーザー光線供給部を移動可能にする入
れ子式の駆動部とを設けることを特徴とする装置を提供
するものである。
による合金粉供給部とレーザー光線案内部(2)とを有
し、レーザー光線案内部(2)がコリメータレンズ系
(4)を介してレーザー光線(3)をプローブヘッド内
に形成した回転鏡(5)に投射するようにした棒状のプ
ローブ(1)と、前記合金粉供給部のノズルと前記回転
鏡の反射角範囲内に設けられるレーザー光線供給部とを
回動可能にするプローブに設けられた回転駆動部と、プ
ローブ(1)の軸線方向移動装置と、前記合金粉供給部
のノズルおよびレーザー光線供給部を移動可能にする入
れ子式の駆動部とを設けることを特徴とする装置を提供
するものである。
【0027】また、上記発明(19)において、4つの
プロセス媒体管、すなわち少なくとも冷却水供給管およ
び戻し管と、クロスジェット(9)用の保護ガス管
(7,8)と、レーザー光線および粉体を案内する搬送
ガス用の管とに対して回転連結を解除する回転連結解除
部を、偏向可能で自在に回動可能なプローブヘッド
(6)内に設けると、より好ましい発明(20)とな
る。
プロセス媒体管、すなわち少なくとも冷却水供給管およ
び戻し管と、クロスジェット(9)用の保護ガス管
(7,8)と、レーザー光線および粉体を案内する搬送
ガス用の管とに対して回転連結を解除する回転連結解除
部を、偏向可能で自在に回動可能なプローブヘッド
(6)内に設けると、より好ましい発明(20)とな
る。
【0028】また、上記発明(19)又は(20)にお
いて、レーザー光線出口の領域にクロスジェットが設け
られていると、より好ましい発明(21)となる。
いて、レーザー光線出口の領域にクロスジェットが設け
られていると、より好ましい発明(21)となる。
【0029】また、上記発明(19)〜(21)のいず
れかにおいて、回転鏡が、円錐セグメント面上に配置さ
れて円錐状、門状、または放物線状に成形した面を備え
た面ミラーとして形成されていると、より好ましい発明
(22)となる。
れかにおいて、回転鏡が、円錐セグメント面上に配置さ
れて円錐状、門状、または放物線状に成形した面を備え
た面ミラーとして形成されていると、より好ましい発明
(22)となる。
【0030】また、上記発明(19)〜(22)のいず
れかにおいて、回転鏡が、冷却可能な銅製体として形成
されていると、より好ましい発明(23)となる。
れかにおいて、回転鏡が、冷却可能な銅製体として形成
されていると、より好ましい発明(23)となる。
【0031】また、上記発明(19)〜(23)のいず
れかにおいて、回転鏡の光学作用表面が、高反射性のコ
ーティング部を備えていると、より好ましい発明(2
4)となる。
れかにおいて、回転鏡の光学作用表面が、高反射性のコ
ーティング部を備えていると、より好ましい発明(2
4)となる。
【0032】また、上記発明(19)〜(24)のいず
れかにおいて、可変なレンズ系が、中空体の内面に対す
る軸心から測って作業間隔の少なくとも1/100の焦
点深度を可能にし、且つ可変なレンズ系が、レーザービ
ームの種々の径および拡がりへの適合が可能なものであ
ると、より好ましい発明(25)となる。
れかにおいて、可変なレンズ系が、中空体の内面に対す
る軸心から測って作業間隔の少なくとも1/100の焦
点深度を可能にし、且つ可変なレンズ系が、レーザービ
ームの種々の径および拡がりへの適合が可能なものであ
ると、より好ましい発明(25)となる。
【0033】また、上記発明(19)〜(25)のいず
れかにおいて、クロスジェットノズルが冷却部を備えて
いると、より好ましい発明(26)となる。
れかにおいて、クロスジェットノズルが冷却部を備えて
いると、より好ましい発明(26)となる。
【0034】また、上記発明(19)〜(26)のいず
れかにおいて、カプセリングされたプローブ内の過圧が
光学的構成要素を汚染に対して保護すると、より好まし
い発明(27)となる。
れかにおいて、カプセリングされたプローブ内の過圧が
光学的構成要素を汚染に対して保護すると、より好まし
い発明(27)となる。
【0035】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の金属中空体内面
のレーザー加工方法に用いられる装置の実施の形態の断
面の模式図である。この装置は棒状のプローブ1と、レ
ーザー光線3のためのレーザー光線案内部2と、コリメ
ータレンズ系4と、回転鏡5から構成されている。回転
鏡5は、回動可能なプローブヘッド6内に配置されてい
る。プローブヘッド6内には、保護ガスのための管7、
8が収納されている。管7を通って侵入してくる保護ガ
スは、プローブヘッド6の下部部分で転向され、管8を
介してプローブヘッドから再び流出する。この場合保護
ガスは、回転鏡5によって反射されたレーザー光線と交
差し、その際クロスジェット9を形成する。工作物表面
10との衝突点における粉材の高エネルギーにより、粉
材の一部が跳ね返される。クロスジェット9は、跳ね返
された材料が回転鏡5に衝突するのを阻止する。
のレーザー加工方法に用いられる装置の実施の形態の断
面の模式図である。この装置は棒状のプローブ1と、レ
ーザー光線3のためのレーザー光線案内部2と、コリメ
ータレンズ系4と、回転鏡5から構成されている。回転
鏡5は、回動可能なプローブヘッド6内に配置されてい
る。プローブヘッド6内には、保護ガスのための管7、
8が収納されている。管7を通って侵入してくる保護ガ
スは、プローブヘッド6の下部部分で転向され、管8を
介してプローブヘッドから再び流出する。この場合保護
ガスは、回転鏡5によって反射されたレーザー光線と交
差し、その際クロスジェット9を形成する。工作物表面
10との衝突点における粉材の高エネルギーにより、粉
材の一部が跳ね返される。クロスジェット9は、跳ね返
された材料が回転鏡5に衝突するのを阻止する。
【0036】本発明による方法では、中空体等の内表面
のエッジゾーンに合金成分を100%混合させることに
よりエッジ層に合金が形成される。アルミニウムにおけ
る合金化プロセスにおいては、純粋なシリコン粉で処理
するのが好ましい。分離したシリコン粒子は3〜25μ
mの粒径であり、侵入深さ0.2〜2mmにおいて17
〜50体積%の体積成分のシリコンがエッジ層に含有さ
れる。その結果、アルミニウムマトリックス合金の耐磨
耗性が向上する。
のエッジゾーンに合金成分を100%混合させることに
よりエッジ層に合金が形成される。アルミニウムにおけ
る合金化プロセスにおいては、純粋なシリコン粉で処理
するのが好ましい。分離したシリコン粒子は3〜25μ
mの粒径であり、侵入深さ0.2〜2mmにおいて17
〜50体積%の体積成分のシリコンがエッジ層に含有さ
れる。その結果、アルミニウムマトリックス合金の耐磨
耗性が向上する。
【0037】本発明では、レーザー光を20〜800J
/mmのレンジエネルギーと0.5〜4.0kW/mm
2 の強度で表面に指向させることが好ましい。レーザー
光の形状は、「シルクハット分布」が行なわれるように
選定される。レーザー光の出力は、例えばNd−YAG
レーザーと高出力ダイオードレーザーの両方を用いる場
合、1.3〜4kWである。エッジゾーンでの混合のた
めには、波長が1064nm、808nm、940nm
のレーザー光が好ましいが、その際その都度のプロセス
パラメータを互いに同調させる必要がある。
/mmのレンジエネルギーと0.5〜4.0kW/mm
2 の強度で表面に指向させることが好ましい。レーザー
光の形状は、「シルクハット分布」が行なわれるように
選定される。レーザー光の出力は、例えばNd−YAG
レーザーと高出力ダイオードレーザーの両方を用いる場
合、1.3〜4kWである。エッジゾーンでの混合のた
めには、波長が1064nm、808nm、940nm
のレーザー光が好ましいが、その際その都度のプロセス
パラメータを互いに同調させる必要がある。
【0038】この点は、特に送り速度を300〜400
0mm/分の範囲に設定するうえで適用される。その都
度の送り速度は強度に依存しており、すなわちレーザー
光の出力と、焦点の形成と、熱源、溶融体積、冷却率に
より決定される溶融個所の熱的条件とに依存している。
プロセスパラメータは、硬質物質流の分離プロセスが所
望の濃度と粒径で行なわれるように互いに同調させる必
要がある。
0mm/分の範囲に設定するうえで適用される。その都
度の送り速度は強度に依存しており、すなわちレーザー
光の出力と、焦点の形成と、熱源、溶融体積、冷却率に
より決定される溶融個所の熱的条件とに依存している。
プロセスパラメータは、硬質物質流の分離プロセスが所
望の濃度と粒径で行なわれるように互いに同調させる必
要がある。
【0039】特に、衝突部位において素材からプラズマ
を生じさせるようなレーザー光線を使用することによっ
て、局所的に生じたプラズマの中に粉体を装入すること
が可能である。好ましくは45〜150μmの粒径の合
金粉体を装入し、スポット径が0.5〜2mmの2kW
のレーザー光線を用いれば、侵入深さを1mmにするこ
とができる。この場合、十分に厚い耐磨耗性のエッジ層
が生じるので、この層は機械的に荷重がかかっても工作
物から剥離しない。同時に、たとえば希ガス等の搬送ガ
スを用いることにより、酸素を含んだ反応性雰囲気でな
い雰囲気の下でプラズマが生成される。レーザー光線の
出力は、第一次層と第二次層とが適当に分布するように
制御される。このようにして中空体等の表面に17〜5
0%のシリコン成分が合金中に含有されることにより、
工作物の深部には、たとえばエンジンのシリンダ摺動面
の機械的荷重の吸収が可能な弾性的性質が依然として残
存することが保証される。
を生じさせるようなレーザー光線を使用することによっ
て、局所的に生じたプラズマの中に粉体を装入すること
が可能である。好ましくは45〜150μmの粒径の合
金粉体を装入し、スポット径が0.5〜2mmの2kW
のレーザー光線を用いれば、侵入深さを1mmにするこ
とができる。この場合、十分に厚い耐磨耗性のエッジ層
が生じるので、この層は機械的に荷重がかかっても工作
物から剥離しない。同時に、たとえば希ガス等の搬送ガ
スを用いることにより、酸素を含んだ反応性雰囲気でな
い雰囲気の下でプラズマが生成される。レーザー光線の
出力は、第一次層と第二次層とが適当に分布するように
制御される。このようにして中空体等の表面に17〜5
0%のシリコン成分が合金中に含有されることにより、
工作物の深部には、たとえばエンジンのシリンダ摺動面
の機械的荷重の吸収が可能な弾性的性質が依然として残
存することが保証される。
【0040】プローブを工作物の筒状部分の中で下方に
移動すると、かなりの熱的な問題が解決される。工作物
を通じて放出される熱以外にも、幾何学的な状態がプロ
ーブヘッドをかなり加熱させる。本発明では、プローブ
ヘッドは水冷して用いる。さらに、本発明によれば、プ
ローブヘッドは回転可能に構成され、その結果、工作物
を回転させねばならなかった従来の公知の装置とは異な
り、むしろ工作物は位置固定したままでよい。したがっ
て、レーザー光と搬送媒体の中にある合金化される粉体
とをそれぞれ回転可能なプローブヘッドに供給できるた
め、エンジンブロックを加工する場合には操作が容易に
なる。
移動すると、かなりの熱的な問題が解決される。工作物
を通じて放出される熱以外にも、幾何学的な状態がプロ
ーブヘッドをかなり加熱させる。本発明では、プローブ
ヘッドは水冷して用いる。さらに、本発明によれば、プ
ローブヘッドは回転可能に構成され、その結果、工作物
を回転させねばならなかった従来の公知の装置とは異な
り、むしろ工作物は位置固定したままでよい。したがっ
て、レーザー光と搬送媒体の中にある合金化される粉体
とをそれぞれ回転可能なプローブヘッドに供給できるた
め、エンジンブロックを加工する場合には操作が容易に
なる。
【0041】中空体等の内部空間を加工する場合、粉体
とガスを適当に供給することにより無孔性にすることも
可能である。この場合、保護ガス供給と構造的処置とを
適正にすることにより、コーティングされる粉体がプロ
ーブの光学系の上に堆積しないよう保証される。また、
必要な場合には、搬送ガスに加えて、別な保護ガスをエ
ネルギービームとともにプローブに供給してもよい。
とガスを適当に供給することにより無孔性にすることも
可能である。この場合、保護ガス供給と構造的処置とを
適正にすることにより、コーティングされる粉体がプロ
ーブの光学系の上に堆積しないよう保証される。また、
必要な場合には、搬送ガスに加えて、別な保護ガスをエ
ネルギービームとともにプローブに供給してもよい。
【0042】レーザー光の出力が約2kWで、ビームス
ポットの径が約0.5〜2mmで、送りが1分間あたり
300〜1500mmで、搬送ガスの供給量が1分間あ
たり約10〜20リットルで、このために算定される粉
体供給量が1分間あたり10g以下である場合、プロー
ブはたとえば螺旋状に変位する表面部位に対し空間的に
集中的に工作物を加工することができ、この場合プロー
ブを自立的に回転させ、同時にプローブを下方に移動さ
せることにより、表面部位は全体にわたって加工され
る。このようにして、表面で17〜50%のシリコンの
合金化が生じるが、過剰なシリコン粉は特に搬送ガスに
より工作物の内部から除去される。
ポットの径が約0.5〜2mmで、送りが1分間あたり
300〜1500mmで、搬送ガスの供給量が1分間あ
たり約10〜20リットルで、このために算定される粉
体供給量が1分間あたり10g以下である場合、プロー
ブはたとえば螺旋状に変位する表面部位に対し空間的に
集中的に工作物を加工することができ、この場合プロー
ブを自立的に回転させ、同時にプローブを下方に移動さ
せることにより、表面部位は全体にわたって加工され
る。このようにして、表面で17〜50%のシリコンの
合金化が生じるが、過剰なシリコン粉は特に搬送ガスに
より工作物の内部から除去される。
【0043】レーザー光の出力をスポット径が2〜4m
mになるように4kWへ増大させ、送りを1分間あたり
1500〜4000mm、搬送ガス供給量を1分間あた
りほぼ30リットル以上に設定し、このために算定され
る粉体供給量を1分間あたり20g以下に設定すると、
プローブを螺旋状に変位する表面部位に対し空間的に集
中させることができる。
mになるように4kWへ増大させ、送りを1分間あたり
1500〜4000mm、搬送ガス供給量を1分間あた
りほぼ30リットル以上に設定し、このために算定され
る粉体供給量を1分間あたり20g以下に設定すると、
プローブを螺旋状に変位する表面部位に対し空間的に集
中させることができる。
【0044】本発明は第1に、中空体等の内部空間の処
理に適しており、たとえば(深さに対する径の比として
測定した)ダクト比が1:10以上の筒体および管の処
理に適しており、この場合棒状のプローブは径が50m
m以上のものを使用するのが特に好ましい。プローブ内
には、搬送ガスおよび保護ガスでシリコン粉を供給する
供給部が設けられるとともに、レーザー光線をコリメー
タレンズ系を介してプローブヘッド内に形成された回転
鏡へ投射するレーザー光線案内部が設けられている。回
転鏡によりレーザー光線の焦点を形成することができる
が、回転鏡部分の処理温度が高いために回転鏡は銅から
製造され、水冷される。さらに回転鏡はHRコーティン
グされていることが好ましい。回転鏡のミラーは面ミラ
ーであり、5〜50個の面ミラーが円錐セグメント面上
に配置されて円錐状、門状または放物線状に成形され
る。
理に適しており、たとえば(深さに対する径の比として
測定した)ダクト比が1:10以上の筒体および管の処
理に適しており、この場合棒状のプローブは径が50m
m以上のものを使用するのが特に好ましい。プローブ内
には、搬送ガスおよび保護ガスでシリコン粉を供給する
供給部が設けられるとともに、レーザー光線をコリメー
タレンズ系を介してプローブヘッド内に形成された回転
鏡へ投射するレーザー光線案内部が設けられている。回
転鏡によりレーザー光線の焦点を形成することができる
が、回転鏡部分の処理温度が高いために回転鏡は銅から
製造され、水冷される。さらに回転鏡はHRコーティン
グされていることが好ましい。回転鏡のミラーは面ミラ
ーであり、5〜50個の面ミラーが円錐セグメント面上
に配置されて円錐状、門状または放物線状に成形され
る。
【0045】この装置を用いると、特に軽金属製エンジ
ンブロックの内部空間の加工を行なうことができ、この
場合搬送・保護ガス内のシリコン粉の供給部とともにレ
ーザー光線案内部が配置されているプローブを、エンジ
ンブロック内へ挿入させることができ、しかも従来のよ
うに回転部として回転させる必要がない。また、粉体供
給ノズルおよびエネルギービーム供給装置の少なくとも
端部部分を回転可能にするためにプローブに設けられる
回転駆動部と、前記端部部分を下降させる入れ子式の駆
動部とにより、複数個のプローブを配置することによっ
て複数個のシリンダに対し同時に使用することが実現さ
れている。
ンブロックの内部空間の加工を行なうことができ、この
場合搬送・保護ガス内のシリコン粉の供給部とともにレ
ーザー光線案内部が配置されているプローブを、エンジ
ンブロック内へ挿入させることができ、しかも従来のよ
うに回転部として回転させる必要がない。また、粉体供
給ノズルおよびエネルギービーム供給装置の少なくとも
端部部分を回転可能にするためにプローブに設けられる
回転駆動部と、前記端部部分を下降させる入れ子式の駆
動部とにより、複数個のプローブを配置することによっ
て複数個のシリンダに対し同時に使用することが実現さ
れている。
【0046】この場合、本発明により提案される棒状の
プローブ内には、プローブが挿入される経路にわたって
平行なレーザー光線をコリメートする可変なレンズ系
が、プローブヘッド内に形成された回転鏡の前に設けら
れており、その際3つのプロセス媒体管、すなわち少な
くとも冷却水供給管および戻し管と、粉体を輸送する搬
送ガス用の管に対して回転連結を解除する回転連結解除
部が、下降可能で自在に回動可能なプローブ内の縁領域
に設けられている。
プローブ内には、プローブが挿入される経路にわたって
平行なレーザー光線をコリメートする可変なレンズ系
が、プローブヘッド内に形成された回転鏡の前に設けら
れており、その際3つのプロセス媒体管、すなわち少な
くとも冷却水供給管および戻し管と、粉体を輸送する搬
送ガス用の管に対して回転連結を解除する回転連結解除
部が、下降可能で自在に回動可能なプローブ内の縁領域
に設けられている。
【0047】レーザー光線出口の上方に配置されるクロ
スジェット出口は、レーザー光出口の領域に設けられ、
保護ガスの供給部と連通しており、たとえば下方へ向け
られている。粉体流出ノズルに対しては、交換可能な端
部部分を簡単に交換することにより、所望の侵入深さと
前進速度に応じて適当な幾何学的形状を選択することが
できる。レーザー出口の領域に設けられるクロスジェッ
トは、保護ガス供給部と冷却部を備えている。作業間隔
が短い場合、エッジ層の溶融と粉体の供給に大きく影響
する流動状態が内部空間に存在する。内部空間に無孔の
エッジ層を得るようにするためには、本発明による態様
でクロスジェットを使用することが必要である。
スジェット出口は、レーザー光出口の領域に設けられ、
保護ガスの供給部と連通しており、たとえば下方へ向け
られている。粉体流出ノズルに対しては、交換可能な端
部部分を簡単に交換することにより、所望の侵入深さと
前進速度に応じて適当な幾何学的形状を選択することが
できる。レーザー出口の領域に設けられるクロスジェッ
トは、保護ガス供給部と冷却部を備えている。作業間隔
が短い場合、エッジ層の溶融と粉体の供給に大きく影響
する流動状態が内部空間に存在する。内部空間に無孔の
エッジ層を得るようにするためには、本発明による態様
でクロスジェットを使用することが必要である。
【0048】レーザー光学系により、作業間隔の少なく
とも1/100に相当する焦点深度が生じる。これは工
具の公差幅を表しており、作業間隔を再調整することな
く合金化が可能である。互いに並んでオーバーラップ領
域を備えるトレースを生じさせることができるととも
に、互いにずれたおよび/または螺旋状の個別トレース
を生じさせることができる。個別トレースによれば、低
コスト化が可能になる。レーザーによって生じた合金化
ゾーンは、トレースがオーバーラップしていると、シリ
ンダ摺動面が完全に被覆される。レーザーをずらして螺
旋状に案内すると、部分被覆が得られる。部分被覆であ
っても、シリンダ内を摺動するピストン/ピストンリン
グがレーザーにより生じる個別リングの間隔よりも幅広
であれば、完全被覆の場合と同様の優れた耐磨耗性を可
能にする。
とも1/100に相当する焦点深度が生じる。これは工
具の公差幅を表しており、作業間隔を再調整することな
く合金化が可能である。互いに並んでオーバーラップ領
域を備えるトレースを生じさせることができるととも
に、互いにずれたおよび/または螺旋状の個別トレース
を生じさせることができる。個別トレースによれば、低
コスト化が可能になる。レーザーによって生じた合金化
ゾーンは、トレースがオーバーラップしていると、シリ
ンダ摺動面が完全に被覆される。レーザーをずらして螺
旋状に案内すると、部分被覆が得られる。部分被覆であ
っても、シリンダ内を摺動するピストン/ピストンリン
グがレーザーにより生じる個別リングの間隔よりも幅広
であれば、完全被覆の場合と同様の優れた耐磨耗性を可
能にする。
【0049】シリンダ摺動面上において、ピストンの転
回点に完全被覆部を設けてもよく、摺動面の残りの領域
に部分被覆部を設けてもよく、又は両被覆部を組み合わ
せて設けてもよい。他の構成のレーザートレース、たと
えば蛇行状構造あるいは網状構造のようなレーザートレ
ースも本発明による装置により実施可能である。部分被
覆の場合、たとえば潤滑媒体を集積させる潤滑油ポケッ
トのような凹部を目的に応じて形成させてもよい。
回点に完全被覆部を設けてもよく、摺動面の残りの領域
に部分被覆部を設けてもよく、又は両被覆部を組み合わ
せて設けてもよい。他の構成のレーザートレース、たと
えば蛇行状構造あるいは網状構造のようなレーザートレ
ースも本発明による装置により実施可能である。部分被
覆の場合、たとえば潤滑媒体を集積させる潤滑油ポケッ
トのような凹部を目的に応じて形成させてもよい。
【0050】プローブヘッドに関して指摘しておかねば
ならないことは、レーザー光のほかに、冷却媒体(たと
えばH2 O)も、および場合によってはクロスジェット
用の付加的な保護ガス(とりわけ空気)も、粉体を案内
するプロセスガスとともにそれぞれ回転案内部を介し
て、連続的に回転する外側のプローブヘッド内へ導入さ
れることである。これは、本発明では、回転連結される
冷却水往路部および還路部用回転案内部を設けることで
達成される。同時に、レーザー光線はこの領域で自由に
延在できる。
ならないことは、レーザー光のほかに、冷却媒体(たと
えばH2 O)も、および場合によってはクロスジェット
用の付加的な保護ガス(とりわけ空気)も、粉体を案内
するプロセスガスとともにそれぞれ回転案内部を介し
て、連続的に回転する外側のプローブヘッド内へ導入さ
れることである。これは、本発明では、回転連結される
冷却水往路部および還路部用回転案内部を設けることで
達成される。同時に、レーザー光線はこの領域で自由に
延在できる。
【0051】
【発明の効果】総じて、本発明による装置により、プロ
ーブを工作物にかなり密に接近させることができ、たと
えば70mmの近さに接近させることができ、これはた
とえば80mm以上の範囲であった従来の粉体供給装置
の場合よりもかなり接近している。また、ガスを適宜案
内することにより、安定したプロセス管理が達成され
る。もし安定したプロセス管理が得られなければ必要で
ある熱処理も、このようにして節約することが可能であ
る。
ーブを工作物にかなり密に接近させることができ、たと
えば70mmの近さに接近させることができ、これはた
とえば80mm以上の範囲であった従来の粉体供給装置
の場合よりもかなり接近している。また、ガスを適宜案
内することにより、安定したプロセス管理が達成され
る。もし安定したプロセス管理が得られなければ必要で
ある熱処理も、このようにして節約することが可能であ
る。
【図1】 内面のレーザー加工に用いられる装置の実施
形態の断面の模式図である。
形態の断面の模式図である。
1 プローブ 2 レーザー光線案内部 3 レーザー光線 4 コリメータレンズ系 5 回転鏡 6 プローブヘッド 7、8 管 9 クロスジェット 10 工作物表面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI B23K 26/14 B23K 26/14 Z F02F 1/00 F02F 1/00 C (71)出願人 599052978 エヌ・ウー テック ケゼルシャフト フ ュー レーザーテヒニーク、マテリアルプ リュフンク ウント メステヒニーク エ ム・ベー・ハー NU TECH Gesellshaft fur Lasertechnik,M aterialprufung und Messtechnik mbH ドイツ連邦共和国 24536 ノイミュンス ター イルザール 5 (72)発明者 トルステン バディ ドイツ連邦共和国 23826 トーデスフェ ルデ ズィートルンクスストラーセ 65 (72)発明者 ミヒャエル ボーリンク ドイツ連邦共和国 28203 ブレーメン マントイフェルストラーセ 18 (72)発明者 ギュンター レンシュ ドイツ連邦共和国 22607 ハンブルク パペンカンプ 8 (72)発明者 アルフォンス フィシャー ドイツ連邦共和国 45239 エッセン フ ィシュラーカー ホーフェ 56 (72)発明者 フランツ−ヨーゼフ ファイクス ドイツ連邦共和国 53123 ボン クララ −フィービーク−ストラーセ 17 (72)発明者 アヒム ザッハ ドイツ連邦共和国 53757 セント アウ グスティン ホルダーシュテーク 16
Claims (3)
- 【請求項1】 マトリックス合金からなり回転対称なシ
リンダ軸を備えている中空体の内面をレーザー加工する
方法であって、 前記中空体の位置を固定した状態で、回転可能なプロー
ブにより該中空体の内面にビームスポットを生じさせ、
該ビームスポットに搬送・保護ガス中に含有される合金
粉を連続的に供給し、プローブが回転している間に同時
にプローブをシリンダ軸に沿って移動させ、合金粉をビ
ームスポット内で溶融させ、0.2〜2mmの深さで合
金化することを特徴とする金属中空体内面のレーザー加
工方法。 - 【請求項2】 前記中空体の内面が、耐磨耗性のピスト
ン摺動内側面を備えた軽金属製エンジンブロックの内面
であることを特徴とする請求項1記載の金属中空体内面
のレーザー加工方法。 - 【請求項3】 搬送・保護ガスによる合金粉供給部とレ
ーザー光線案内部(2)とを有し、レーザー光線案内部
(2)がコリメータレンズ系(4)を介してレーザー光
線(3)をプローブヘッド内に形成した回転鏡(5)に
投射するようにした棒状のプローブ(1)と、前記合金
粉供給部のノズルと前記回転鏡の反射角範囲内に設けら
れるレーザー光線供給部とを回動可能にするプローブに
設けられた回転駆動部と、プローブ(1)の軸線方向移
動装置と、前記合金粉供給部のノズルおよびレーザー光
線供給部を移動可能にする入れ子式の駆動部とを設ける
ことを特徴とする装置。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19817091A DE19817091C2 (de) | 1998-04-17 | 1998-04-17 | Verfahren zum Einlegieren von pulverförmigen Zusatzstoffen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
| DE19826138A DE19826138B4 (de) | 1998-04-17 | 1998-06-12 | Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks mit einer verschleißbeständigen Oberfläche |
| DE19826138.1 | 1998-06-12 | ||
| DE19817091.2 | 1998-06-12 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11320136A true JPH11320136A (ja) | 1999-11-24 |
| JP3247878B2 JP3247878B2 (ja) | 2002-01-21 |
Family
ID=26045551
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10762299A Expired - Fee Related JP3247878B2 (ja) | 1998-04-17 | 1999-04-15 | 金属中空体内面のレーザー加工方法およびその装置 |
Country Status (11)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6303897B1 (ja) |
| EP (1) | EP0950461B1 (ja) |
| JP (1) | JP3247878B2 (ja) |
| KR (1) | KR100420877B1 (ja) |
| AT (1) | ATE209549T1 (ja) |
| BR (1) | BR9903184A (ja) |
| CZ (1) | CZ293190B6 (ja) |
| DE (2) | DE19826138B4 (ja) |
| ES (1) | ES2168819T3 (ja) |
| HU (1) | HU222099B1 (ja) |
| PL (1) | PL189910B1 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003525351A (ja) * | 2000-02-28 | 2003-08-26 | ファーアーベー アルミニウム アクチェンゲゼルシャフト | 表面が合金とされた円筒形、部分円筒形又は中空円筒形の構成要素を製造する方法とこの方法を実施する装置 |
| JP2005313191A (ja) * | 2004-04-28 | 2005-11-10 | Toshiba Corp | レーザー加工装置およびレーザー加工方法 |
| WO2007083489A1 (ja) * | 2006-01-17 | 2007-07-26 | Tokyo Denki University | 内面露光装置および内面露光方法 |
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