JP6128101B2

JP6128101B2 - レーザクラッド装置

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Publication number: JP6128101B2
Application number: JP2014236475A
Authority: JP
Inventors: 耕平谷中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2017-05-17
Anticipated expiration: 2034-11-21
Also published as: US10399181B2; US20160144455A1; CN105624667A; JP2016097426A; CN105624667B

Description

本発明は、レーザクラッド装置の技術に関し、より詳しくは、クラッド加工時に余剰となった金属粉末の回収を容易にし、レーザクラッド装置の稼働効率を向上させるための技術に関する。

従来、シリンダヘッドのバルブシート部に対して、耐摩耗性等の向上を図るために、クラッド加工を施す技術が知られている。
クラッド加工は、バルブシート部にレーザ光を照射するとともに、その照射部位に金属粉末を噴射することで、金属粉末を溶融させ、バルブシート部を局部的に異種金属で覆う加工である。
クラッド加工を行う際、噴射された金属粉末が全てバルブシート部に付着するものではなく、余剰の金属粉末が発生する。余剰の金属粉末を放置しておくと、部品や生産装置の隙間等に入り込んで、不具合を引き起こす場合があるため、速やかに回収することが望まれる。
そして従来、クラッド加工時において、余剰の金属粉末を回収するための技術が種々検討されており、例えば、以下に示す特許文献１に開示された技術がある。

特許文献１に開示されている従来技術では、レーザクラッド装置を用いてバルブシート部にクラッド加工を行う際に、余剰となった金属粉末や発生したヒュームを吸引し、バルブシート部から除去する構成としている。
また、特許文献１に開示されている従来技術では、金属粉末やヒュームを吸引するためのダクトにフィルタを設けており、当該フィルタで、吸引したヒュームと金属粉末を捕集する構成としている。

レーザクラッド装置では、金属粉末を吸引するための風量を上げると、バルブシート部に付着させるべき金属粉末まで吸引してしまうこととなるため、排気風量をむやみに上げることができない、という事情が存在している。
そして、特許文献１に開示されている従来技術では、ダクトの横引き（水平）部分で金属粉末が堆積しやすくなっているため、ダクトの清掃頻度が高くなっている。
また、従来技術では、フィルタの目詰まりによる風量低下を招かないように、頻繁にフィルタのメンテナンス（交換や清掃）を行っている。
このため従来、金属粉末を回収しつつクラッド加工を行う場合、レーザクラッド装置の稼働効率を上げにくいという問題が生じていた。

特開２００８−１８８６４８号公報

本発明は、斯かる現状の課題を鑑みてなされたものであり、レーザクラッド装置を用いたクラッド加工において、容易に金属粉末の回収を行うとともに、稼働効率の向上を図ることが可能なレーザクラッド装置を提供することを目的としている。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、ワークの被加工部に金属粉末を供給しながらレーザ光を照射して、前記被加工部にクラッド加工を行うレーザクラッド装置であって、前記被加工部に接続されるダクトと、前記ダクトを介して、前記被加工部で余剰となった金属粉末を吸引する集塵手段と、を備え、前記ダクトは、直管状に形成され、かつ軸線方向が略鉛直となる姿勢で配置される部位である鉛直部と、前記鉛直部から分岐され、分岐方向が水平方向よりも上向きとなる姿勢で配置される部位である分岐部と、を備え、前記分岐部の先端側に前記集塵手段が接続されるものである。

請求項２においては、前記分岐部は、該分岐部の分岐位置よりも上方の前記鉛直部に対して、鋭角となる角度で分岐されるものである。

請求項３においては、前記ダクトは、前記鉛直部における前記分岐部の分岐位置よりも下方に位置する部位であって、前記鉛直部における前記分岐部の分岐位置よりも上方に位置する部分のダクト面積に比して、ダクト面積を小さく絞った部分を有する縮径部を備え、前記縮径部は、前記ダクト面積を小さく絞った部分よりも下方において、下端が開放されるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、金属粉末とヒュームを含む排気から、金属粉末を容易に分離することができる。これにより、ダクト中への金属粉末の堆積を抑制することができ、集塵機およびダクトのメンテナンス頻度を低減させることができる。これにより、レーザクラッド装置の稼働効率を向上させることができる。

請求項２においては、金属粉末とヒュームを含む排気から、金属粉末をより確実に分離することができる。

請求項３においては、金属粉末とヒュームを含む排気から分離した金属粉末を容易に回収することができる。

本発明の一実施形態に係るレーザクラッド装置の全体構成を示す模式図。シリンダブロックに対するダクト設備の接続状況を示す模式図。本発明の一実施形態に係るレーザクラッド装置の全体構成（排気および吸気ポートの両方に接続する構成）を示す模式図。

次に、発明の実施の形態を説明する。
まず始めに、本発明の一実施形態に係るレーザクラッド装置について、図１および図２を用いて説明をする。
尚、以下では、図１中に示す矢印Ｘの方向を鉛直上方向と規定して、矢印Ｘの方向に基づいて、上下方向を規定している（図３において同じ）。また、図１中に示す矢印Ｘに直交する方向を水平方向と規定する。

ここではまず、レーザクラッド装置によりクラッド加工を行う対象ワークであるシリンダヘッドについて、説明する。

図１に示す如く、本実施形態におけるクラッド加工の対象ワークたるシリンダヘッド１は、エンジンの構成部品の一つであり、複数種類のポート（排気ポート２および吸気ポート３）がそれぞれ複数形成されており、各ポート２・３がクラッド加工による被加工部となっている。
各ポート２・３には、バルブ（図示せず）が当接する部位であるバルブシート部２ａ・３ａが形成されており、このバルブシート部２ａ・３ａが、各ポート２・３における具体的なクラッド加工の対象部位となっている。

次に、本発明の一実施形態に係るレーザクラッド装置の全体構成について、説明をする。
図１に示すレーザクラッド装置１０は、シリンダヘッド１のバルブシート部２ａ・３ａに対してクラッド加工を施すための装置であり、クラッドノズル１１、ダクト２０、集塵機３０等を備えている。
尚、図１に示す実施形態では、シリンダヘッド１が備える各ポート２・３の内、排気ポート２のバルブシート部２ａにクラッド加工を施す場合を例示している。
また、レーザクラッド装置１０では、図示を省略しているが、レーザ発振器や、シリンダヘッド１を支持するための支持治具、等を備えている。
また、レーザクラッド装置１０は、シリンダヘッド１以外のワークに対して、クラッド加工を行うことも可能である。

クラッドノズル１１は、クラッド加工の対象物に対してレーザ光を照射するレーザ照射手段であるとともに、同対象物に対して金属粉末Ｍとシールドガスを吹き付ける噴射手段として構成され、レーザ光の光軸上に金属粉末Ｍとシールドガスを噴射することができるように構成される。
金属粉末Ｍは、シリンダヘッド１を構成する材質に対して異種金属となる材質を粉末状にしたものであり、例えば、銅系の金属等を用いることができる。

そして、レーザクラッド装置１０によるバルブシート部２ａに対するクラッド加工においては、クラッドノズル１１によって、バルブシート部２ａにレーザ光を照射しつつ、そのレーザ光の照射位置に向けて、金属粉末Ｍとシールドガスを吹き付ける構成としている。

即ち、レーザクラッド装置１０によるクラッド加工は、シールドガス雰囲気中にバルブシート部２ａがある状態で、バルブシート部２ａ上のレーザ光の照射位置において金属粉末Ｍを溶融させ、溶融した金属粉末Ｍでバルブシート部２ａを覆う構成としている。

バルブシート部２ａに対するクラッド加工において、排気ポート２のバルブシート部２ａ側とは反対側の端部には、ダクト２０および集塵機３０を接続しており、ダクト２０および集塵機３０によって、排気ポート２内を吸引し、バルブシート部２ａ周辺を吸引しながら、クラッド加工を行う構成としている。

クラッド加工を行う際、バルブシート部２ａに供給した金属粉末Ｍの大半は、溶融しバルブシート部２ａに付着するが、一部は溶融せずに粉末状のままバルブシート部２ａ周辺に残存することとなる。クラッド加工においては、粉末状のまま残った余剰の金属粉末Ｍや、加工時に発生するヒュームＦ（蒸発金属が冷却されて生成される微細な粉塵）を、ダクト２０および集塵機３０で吸引して、バルブシート部２ａから除去する構成としている。

尚、ヒュームＦは、金属粉末Ｍに比べて、一つ一つの粉塵の粒子径が小さく、軽いという性質を有している。本実施形態において、金属粉末Ｍの粒径は、１０〜１５０μｍ程度であり、ヒュームＦの粒径は、１μｍ以下程度であるため、ヒュームＦは、金属粉末Ｍに比べて、圧倒的に軽量である。このため、ヒュームＦは、金属粉末Ｍに比して、排気の流れに乗って運ばれやすい、という性質を有している。

図１および図２に示す如く、ダクト２０は、シリンダヘッド１と集塵機３０を接続するための部材であり、鉛直部２１、分岐部２２、縮径部２３、接続部２４等を備えている。
そして、ダクト２０および集塵機３０によって、バルブシート部２ａ周辺で生じた余剰の金属粉末ＭおよびヒュームＦを吸引する構成としている。

鉛直部２１は、ダクト２０の一部を構成する直管状に形成される部位であって、その軸線方向が略鉛直（本実施形態では、完全な鉛直）となる姿勢で配置される。つまり、鉛直部２１は、上下方向へ直線状に延出する部位である。そして、鉛直部２１を通る排気の流れ方向は、略鉛直下向きとなっている。

分岐部２２は、ダクト２０の一部を構成し、鉛直部２１から分岐される部位であり、その分岐方向（分岐部２２の基端部から排気方向へ向かう方向）が、水平方向よりも上向きとなる姿勢で配置される。
そして、ダクト２０では、鉛直部２１において、略鉛直下向きに流れる排気の流れ方向を、分岐部２２において急激に水平方向よりも上向きに変更するように構成している。

縮径部２３は、ダクト２０の一部を構成し、鉛直部２１における分岐部２２の形成位置よりも下方に位置する部位であり、鉛直部２１における分岐部２２の形成位置から下方へ向けて延出していて、軸線方向が略鉛直となっている。
そして、縮径部２３では、該縮径部２３におけるダクト面積を、分岐部２２を分岐する前（排気の流れ方向における上流側）の鉛直部２１のダクト面積に比して小さく絞った部分を有している。
さらに、本実施形態では、縮径部２３の下端を開放する構成としており、縮径部２３からも空気を流入させるとともに、開放された縮径部２３から金属粉末Ｍを排出する構成としている。縮径部２３においては、前記ダクト面積を小さく絞った部分よりも下方に位置する箇所が開放されている。

接続部２４は、図２に示すように、複数ある排気ポート２・２・・・に対して、個別に接続される部位であり、複数の接続部２４・２４・・・で、各排気ポート２・２・・・を個別に吸引する構成としている。複数の接続部２４・２４・・・は、排気方向における下流側で集合され、一つのダクト（本実施形態では鉛直部２１）にまとめられる。
各接続部２４ｄ・２４・・・は、所謂エキゾーストパイプ（排気集合管）の如く、各接続部２４・２４・・・における排気量が均等になるように構成することが好ましい。

尚、レーザクラッド装置１０は、接続部２４を保持し、シリンダヘッド１に向けて押圧するための押圧機構（図示せず）を備えており、同押圧機構によって、排気ポート２と接続部２４との間に隙間が生じないように構成している。

即ち、本発明の一実施形態に係るレーザクラッド装置１０では、シリンダヘッド１が、複数の排気ポート２・２・・・を備える場合において、ダクト２０は、各ポート２・２・・・に単独で接続する複数の接続部２４・２４・・・を備え、複数の接続部２４・２４・・・を集合させた後に、鉛直部２１に接続する構成としている。
このような構成により、各ポート２・２・・・のバルブシート部２ａから確実に金属粉末ＭおよびヒュームＦを除去することが可能になっている。

集塵機３０は、排気ファン３１と、金属粉末Ｍを捕集する第１フィルタ３２と、ヒュームＦを捕集する第２フィルタ３３等を備えており、排気ファン３１を運転することによって、ダクト２０を介して、バルブシート部２ａの周辺に存在する金属粉末ＭやヒュームＦを吸引し、金属粉末ＭとヒュームＦをそれぞれフィルタ３２・３３で捕集する。
集塵機３０は、ダクト２０における分岐部２２の先端側（鉛直部２１側とは反対側）に接続されている。

ここで、ダクト２０における金属粉末ＭやヒュームＦの流れ方について、さらに説明をする。
図１に示す如く、バルブシート部２ａの周辺に存在する金属粉末ＭやヒュームＦは、ダクト２０および集塵機３０によって吸引される空気の流れに乗って、アシストガスや空気とともに排気ポート２を通ってダクト２０へと運ばれ、さらに鉛直部２１を通った後で分岐部２２において急激に空気の流れ方向が変更される。

このとき金属粉末Ｍは、鉛直方向に向いた鉛直部２１内において、排気の流れ方向に沿った略鉛直下向きの慣性力と、該金属粉末Ｍに作用する重力によって、分岐部２２の方向へは進まずに、そのまま下方へと落下して、縮径部２３の方へと進む。

尚、本実施形態では、鉛直部２１の姿勢が完全な鉛直となるように、鉛直部２１を配置した場合を例示しているが、レーザクラッド装置１０における鉛直部２１の姿勢は、軸線方向が完全な鉛直となる姿勢に限定されず、軸線方向が「略鉛直」となる姿勢であればよい。
ここでいう「略鉛直」とは、排気と共に鉛直部２１に流れてきた金属粉末Ｍを、分岐部２２側へは流さずに、慣性力と重力の作用によって、そのまま略鉛直下向きに直進させることができる姿勢を意味しており、鉛直部２１の姿勢は、鉛直方向を基準として所定の角度において傾いていてもよい。
また、金属粉末Ｍが略鉛直下向きに落下し、結果的に縮径部２３から排出されるか否かは、金属粉末Ｍの材質、粒径、排気風量、縮径部２３側からの流入空気量、温湿度等の種々の要素により左右されるため、前記所定の角度（どの程度傾けて良いかということ）は、これらの各要素を考慮して、クラッド加工時の条件に応じて決定することができる。
換言すれば、鉛直部２１から縮径部２３の方向へ略鉛直下向きに進んだ金属粉末Ｍが、慣性力と重力の作用では縮径部２３から排出されず、ダクト内に堆積してしまうような姿勢については、「略鉛直」となる姿勢には該当しない。

鉛直部２１に対する分岐部２２の角度、即ち、分岐前（排気の流れ方向における上流側）の鉛直部２１の軸線方向に対する分岐部２２の軸線方向の角度は、鋭角とすることが好ましい。このような構成により、より確実に、分岐部２２側に金属粉末Ｍが流れることを防止できる。

レーザクラッド装置１０において、縮径部２３は、図１に示すように、下端部が開放されているため、縮径部２３側に進んだ金属粉末Ｍは、縮径部２３の下端から排出され、受け皿４０上に貯溜される。

一方、ヒュームＦは、金属粉末Ｍに比して重量が圧倒的に軽く、慣性力と重力の作用が小さいため、縮径部２３の方向へは進まずに、排気の流れ方向に沿って、分岐部２２の方へと進む。その後ヒュームＦは、ダクト２０を通って、集塵機３０まで運ばれる。

縮径部２３は、鉛直部２１に比して口径を小さくして、縮径部２３から分岐部２２に向けて流入する空気の流入抵抗を増大させ、流入空気量を抑えることによって、金属粉末Ｍの落下を阻害しないように構成される。
換言すれば、縮径部２３を開放している構成において、縮径部２３は、流入空気量が、金属粉末Ｍの落下を阻害することがない流量となるように、ダクト面積（開口面積）を絞る構成としている。

即ち、本発明の一実施形態に係るレーザクラッド装置１０において、鉛直部２１は、分岐部２２の分岐位置以下において、分岐部２２の分岐位置以上の鉛直部２１のダクト面積に比して、ダクト面積が小さい部位である縮径部２３を備え、縮径部２３以下において開放されるものである。
このような構成により、金属粉末ＭとヒュームＦを含む排気から分離した金属粉末Ｍを容易に回収することができる。

また、本発明の一実施形態に係るレーザクラッド装置１０において、分岐部２２は、該分岐部２２の分岐位置よりも上方の鉛直部２１に対して、鋭角となる角度θで分岐されるものである。
このような構成により、金属粉末ＭとヒュームＦを含む排気から、金属粉末Ｍをより確実に分離することができる。

このように、本発明の一実施形態に係るレーザクラッド装置１０では、集塵機３０の手前に配置した受け皿４０において、大半の金属粉末Ｍを回収する構成としている。
レーザクラッド装置１０では、鉛直部２１は略鉛直向きであるので、鉛直部２１に金属粉末Ｍが堆積することはなく、かつ、分岐部２２以後では、大半の金属粉末Ｍが回収された後の排気が流通しているため、ダクト２０内における金属粉末Ｍの堆積量が、従来に比して少なくなっており、ダクト清掃の頻度が減ることによって、レーザクラッド装置１０の稼働効率を上げることができる。
また、レーザクラッド装置１０では、集塵機３０の手前で、大半の金属粉末Ｍを既に回収しているため、集塵機３０における第１フィルタ３２の目詰まりが抑制され、フィルタ寿命を延ばすことができ、さらに、フィルタ交換の頻度が減ることによって、レーザクラッド装置１０の稼働効率を上げることができる。

あるいは、レーザクラッド装置１０においては、例えば、縮径部２３を設けずに、鉛直部２１の下端部に弁体（図示せず）等を設けて、封止しておく構成としてもよい。
この場合、下向きに落下した金属粉末Ｍは、再び、分岐部２２の方向に飛翔することなく、ダクト２０内に貯溜される。また、貯溜された金属粉末Ｍは、定期的に弁体を開放することによって、ダクト２０の外に排出することができる。
このように弁体を設ける構成では、縮径部２３からの空気の流入を考慮する必要がないため、集塵機３０（排気ファン３１）の排気量を抑えることができる。

即ち、レーザクラッド装置１０においては、縮径部２３に、開度の調整が可能な弁体を付設する構成としてもよく、このような構成により、金属粉末ＭとヒュームＦを含む排気から、金属粉末Ｍを確実に分離しながら、排気量を低減することができ、ひいては、集塵機３０のランニングコストを低減することができる。

即ち、本発明の一実施形態に係るレーザクラッド装置１０では、排気風量をむやみに上げることができないというレーザクラッド装置特有の制約下において、金属粉末Ｍの回収を容易にし、かつ、ダクト内に金属粉末Ｍが堆積することが抑制され、ひいては、稼働効率の向上が図られている。

即ち、本発明の一実施形態に係るレーザクラッド装置１０は、シリンダヘッド１に形成された排気ポート２のバルブシート部２ａに、金属粉末Ｍを供給しながらレーザ光を照射して、バルブシート部２ａにクラッド加工を行う装置であって、排気ポート２に接続されるダクト２０と、ダクト２０を介して、バルブシート部２ａで余剰となった金属粉末Ｍを吸引する集塵機３０と、を備え、ダクト２０は、直管状に形成され、かつ軸線方向が略鉛直となる姿勢で配置される部位である鉛直部２１と、鉛直部２１から分岐され、分岐方向が水平方向よりも上向きとなる姿勢で配置される部位である分岐部２２と、を備え、分岐部２２の先に集塵機３０が接続されるものである。

このような構成により、金属粉末ＭとヒュームＦを含む排気から、金属粉末Ｍを容易に分離することができる。これにより、ダクト２０への金属粉末Ｍの堆積を抑制することができ、集塵機３０およびダクト２０のメンテナンス頻度を低減させることができる。

また、本実施形態では、シリンダヘッド１に形成された２種類の各ポート２・３の内、排気ポート２のみにダクト２０を接続する場合を例示しているが、図３に示すように、ダクト２０を、排気ポート２と吸気ポート３の両方に、同時に接続する構成としてもよい。

図３に示す如く、本発明の別実施形態に係るレーザクラッド装置１５は、シリンダヘッド１のバルブシート部２ａ・３ａに対してクラッド加工を施すための装置であり、クラッドノズル１１、ダクト２０・２０、集塵機３０等を備えている。
このようなレーザクラッド装置１５では、クラッドノズル１１の向きを変えるだけで、排気ポート２のバルブシート部２ａにクラッド加工を施す状態から、即座に吸気ポート３のバルブシート部３ａにクラッド加工を施す状態に移行することができる。
また、レーザクラッド装置１５では、シリンダヘッド１に対してダクト２０を接続し直す必要がないので、クラッド加工の途中における段取り替えに要する時間を短縮することができる。

このため、レーザクラッド装置１５では、クラッド加工に要する時間を、レーザクラッド装置１０に比して短縮することが可能になっており、このような構成のレーザクラッド装置１５によれば、稼働効率のさらなる向上を図ることができる。

１シリンダヘッド
１０レーザクラッド装置
２０ダクト
２１鉛直部
２２分岐部
２３縮径部
３０集塵機
Ｍ金属粉末
Ｆヒューム

Claims

ワークの被加工部に金属粉末を供給しながらレーザ光を照射して、前記被加工部にクラッド加工を行うレーザクラッド装置であって、
前記被加工部に接続されるダクトと、
前記ダクトを介して、前記被加工部で余剰となった金属粉末を吸引する集塵手段と、
を備え、
前記ダクトは、
直管状に形成され、かつ軸線方向が略鉛直となる姿勢で配置される部位である鉛直部と、
前記鉛直部から分岐され、分岐方向が水平方向よりも上向きとなる姿勢で配置される部位である分岐部と、
を備え、
前記分岐部の先端側に前記集塵手段が接続され、
前記ダクトは、
前記鉛直部における前記分岐部の分岐位置よりも下方に位置する部位であって、
前記鉛直部における前記分岐部の分岐位置よりも上方に位置する部分のダクト面積に比して、ダクト面積を小さく絞った部分を有する縮径部を備え、
前記縮径部は、
前記ダクト面積を小さく絞った部分よりも下方において、下端が開放される、
ことを特徴とするレーザクラッド装置。
前記分岐部は、
該分岐部の分岐位置よりも上方の前記鉛直部に対して、
鋭角となる角度で分岐される、
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザクラッド装置。