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JP6547652B2 - Laser buildup apparatus and laser buildup method - Google Patents
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Description

本発明は、レーザ肉盛装置及びレーザ肉盛方法に関するものであり、例えば、バルブシート用のレーザ肉盛装置及びレーザ肉盛方法に関する。   The present invention relates to a laser buildup apparatus and a laser buildup method, and more particularly to a laser buildup apparatus for a valve seat and a laser buildup method.

金属粉を供給しながらレーザビームを照射して肉盛層を形成するレーザ肉盛加工(いわゆるレーザクラッド法)は、例えばシリンダヘッドのバルブシートを形成するために用いられている。   A laser buildup process (so-called laser cladding method) of forming a buildup layer by irradiating a laser beam while supplying metal powder is used, for example, to form a valve seat of a cylinder head.

ところで、特許文献1には、レーザ肉盛加工において、溶融池から発生する光の強度を複数の光センサにより観察し、肉盛層における異常の有無を判定する装置が開示されている。   Patent Document 1 discloses an apparatus for observing the intensity of light generated from a molten pool with a plurality of optical sensors in laser build-up processing to determine the presence or absence of abnormality in the build-up layer.

特開平09−192861号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 09-192861

発明者は、溶融池の進行方向前方に堆積した余剰な金属粉(余剰粉)が凝集し、レーザビームが近づくことにより半ば溶融してある程度の大きさの玉(玉状の金属粉凝集体)状になった後、溶融池に吸収されると、空孔(ブローホール)が発生することを見出した。   The inventor of the present invention aggregates extra metal powder (surplus powder) deposited in the forward direction of the molten pool, and semi-melts when the laser beam approaches, and balls of a certain size (ball-like metal powder aggregate) When it was absorbed into the molten pool, it was found that pores (blow holes) were generated.

特許文献1に開示された装置では、溶融池から発生する光の強度しか観察しておらず、このような空孔を発生させる上述の玉状の金属粉凝集体を検出する機能は備えていない。   The apparatus disclosed in Patent Document 1 only observes the intensity of light generated from the molten pool, and does not have the function of detecting the above-mentioned ball-shaped metal powder aggregate that generates such holes. .

そこで、例えば、照射するレーザビームの反射光を利用すると、溶融池に玉状の金属粉凝集体が吸収される様子を撮像することができる。しかしながら、溶融池の進行方向前方で形成される玉状の金属粉凝集体の状況が、肉盛条件に応じてどのように変化するのかが分からなかった。そのため、肉盛条件を最適化して玉状の金属粉凝集体を効果的に減らすことができなかった。   Therefore, for example, by using the reflected light of the laser beam to be irradiated, it is possible to image how the ball-shaped metal powder aggregate is absorbed in the molten pool. However, it was not understood how the condition of the ball-shaped metal powder aggregate formed in the forward direction of the molten pool changes depending on the buildup condition. Therefore, it was not possible to optimize the buildup conditions and effectively reduce the ball-shaped metal powder aggregates.

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、金属粉凝集体によるブローホールの発生を抑制することができるレーザ肉盛装置及びレーザ肉盛方法を提供する。   The present invention has been made to solve such a problem, and provides a laser overlaying device and a laser overlaying method capable of suppressing the occurrence of blow holes due to metal powder aggregates.

本発明の一態様に係るレーザ肉盛装置は、金属粉を供給する供給部と、レーザビームを出力するレーザ発振器と、を備え、前記供給部から前記金属粉を供給しつつ、前記レーザビームを照射することにより肉盛層を形成するレーザ肉盛装置であって、溶融池の進行方向前方を撮像する撮像部を有し、前記撮像部の位置が調整可能である。このような構成によって、金属粉凝集体を効果的に減らすことができる。   A laser build-up device according to one aspect of the present invention includes a supply unit that supplies metal powder, and a laser oscillator that outputs a laser beam, and supplies the metal powder while supplying the metal powder from the supply unit. It is a laser buildup apparatus which forms a buildup layer by irradiating, Comprising: It has an imaging part which images the advancing direction forward of a molten pool, and the position of the said imaging part can be adjusted. Such a configuration can effectively reduce metal powder aggregates.

また、本発明の一態様に係るレーザ肉盛方法は、シリンダヘッド粗形材において、ポートの燃焼室側開口端に、円環状のザグリ溝を形成するステップと、前記ザグリ溝に金属粉を供給しつつ、レーザビームを走査させ、前記ザグリ溝に肉盛層を形成するステップと、を備えたレーザ肉盛方法であって、前記肉盛層を形成するステップにおいて、溶融池の進行方法前方に形成された玉状の金属粉凝集体を撮像し、前記金属粉凝集体の撮像結果に応じて前記レーザビームの出力を制御する。このような構成によって、金属粉凝集体によるブローホールの発生を抑制することができる。   The laser cladding method according to one aspect of the present invention is the step of forming an annular counterbore groove at the open end on the combustion chamber side of the port in the cylinder head rough profile, and supplying metal powder to the counterbore groove. A laser beam is scanned to form a build-up layer in the counterbore groove, and in the step of forming the build-up layer, the method of advancing the molten pool ahead The formed ball-shaped metal powder aggregate is imaged, and the output of the laser beam is controlled according to the imaging result of the metal powder aggregate. With such a configuration, the generation of blow holes due to metal powder aggregates can be suppressed.

本発明により、金属粉凝集体によるブローホールの発生を抑制することができるレーザ肉盛装置及びレーザ肉盛方法を提供する。   The present invention provides a laser buildup apparatus and a laser buildup method that can suppress the generation of blow holes due to metal powder aggregates.

実施形態に係るレーザ肉盛装置を例示した構成図である。It is the block diagram which illustrated the laser buildup apparatus which concerns on embodiment. 実施形態に係るレーザ肉盛装置のノズルを例示した断面図である。It is sectional drawing which illustrated the nozzle of the laser buildup apparatus which concerns on embodiment. 実施形態に係るレーザ肉盛装置のノズル及び撮像部を例示した図である。It is the figure which illustrated the nozzle and imaging part of the laser buildup apparatus which concern on embodiment. 実施形態に係るレーザ肉盛装置による肉盛層の形成方法を模式的に示した斜視図である。It is the perspective view which showed typically the formation method of the buildup layer by the laser buildup apparatus which concerns on embodiment. 実施形態に係るレーザ肉盛方法を例示したフローチャート図である。It is the flowchart figure which illustrated the laser buildup method which relates to the execution form. 実施形態に係るレーザ肉盛方法において、玉の総和とレーザビームの出力補正量との関係を例示したグラフである。In the laser build-up method which concerns on embodiment, it is the graph which illustrated the relationship between the sum total of a ball | bowl and the output correction amount of a laser beam.

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。   Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the attached drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments. Further, in order to clarify the explanation, the following description and the drawings are simplified as appropriate.

実施形態に係るレーザ肉盛装置を説明する。まず、レーザ肉盛装置の構成を説明する。図1は、実施形態に係るレーザ肉盛装置を例示した構成図である。図2は実施形態に係るレーザ肉盛装置のノズルを例示した断面図である。図3は、実施形態に係るレーザ肉盛装置のノズル及び撮像部を例示した図である。   A laser deposition apparatus according to an embodiment will be described. First, the configuration of the laser deposition apparatus will be described. FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a laser deposition apparatus according to the embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the nozzle of the laser deposition apparatus according to the embodiment. FIG. 3 is a view exemplifying a nozzle and an imaging unit of the laser buildup apparatus according to the embodiment.

図1に示すように、レーザ肉盛装置100は、供給部10、ノズル20、レーザ発振器30、撮像部40、照明部46、表示部47、回転部50、台座部60、ステージ61を有している。また、レーザ肉盛装置100は、図3に示すように、レーザ出力調整部35、画像処理部41も有している。   As shown in FIG. 1, the laser buildup apparatus 100 includes a supply unit 10, a nozzle 20, a laser oscillator 30, an imaging unit 40, an illumination unit 46, a display unit 47, a rotating unit 50, a pedestal 60, and a stage 61. ing. Further, as shown in FIG. 3, the laser buildup apparatus 100 also includes a laser output adjustment unit 35 and an image processing unit 41.

図1に示すように、台座部60は、床面上に設置されている。台座部60は、直方体形状の部材である。台座部60の上面上には、ステージ61が設けられている。ステージ61は、ワーク、例えば、シリンダヘッド粗形材70を固定する。ステージ61は、ワークの位置及び向きを適宜設定した後にワークを固定する。   As shown in FIG. 1, the pedestal portion 60 is installed on the floor surface. The pedestal portion 60 is a rectangular parallelepiped shaped member. A stage 61 is provided on the upper surface of the pedestal 60. The stage 61 fixes a work, for example, a rough cylinder head 70. The stage 61 fixes the work after appropriately setting the position and orientation of the work.

回転部50は、棒状の軸部51と、軸部51を支持する枠状部52とを有している。回転部50は、例えば、ワークの上方に設置されている。軸部51は、中心軸A2を回転軸として回転する。枠状部52は回転しない。枠状部52は、回転する軸部51を支持している。軸部51には、取付治具等を介して、ノズル20、レーザ発振器30、撮像部40及び照明部46が取り付けられている。したがって、中心軸A2を回転軸として、ノズル20、レーザ発振器30、撮像部40及び照明部46を回転させることができる。   The rotating portion 50 has a rod-like shaft 51 and a frame-like portion 52 for supporting the shaft 51. The rotating unit 50 is installed, for example, above the workpiece. The shaft 51 rotates with the central axis A2 as a rotation axis. The frame 52 does not rotate. The frame 52 supports the rotating shaft 51. The nozzle 20, the laser oscillator 30, the imaging unit 40, and the illumination unit 46 are attached to the shaft 51 via an attachment jig or the like. Therefore, the nozzle 20, the laser oscillator 30, the imaging unit 40, and the illumination unit 46 can be rotated with the central axis A2 as a rotation axis.

供給部10は、例えば、枠状部52に取付けられている。供給部10は、原料投入口11から投入された金属粉26を、キャリアガスに混合させる。そして、供給部10は、キャリアガスとともに金属粉26をノズル20に供給する。金属粉26は、例えば、銅粉末を含むものである。キャリアガスは、例えば、窒素またはアルゴン等の不活性ガスである。キャリアガスに混合された金属粉26は、供給部10から図示しない原料供給管を介してノズル20に供給される。   The supply unit 10 is attached to the frame 52, for example. The supply unit 10 mixes the metal powder 26 introduced from the raw material inlet 11 with the carrier gas. Then, the supply unit 10 supplies the metal powder 26 to the nozzle 20 together with the carrier gas. The metal powder 26 contains, for example, copper powder. The carrier gas is, for example, an inert gas such as nitrogen or argon. The metal powder 26 mixed with the carrier gas is supplied from the supply unit 10 to the nozzle 20 via a raw material supply pipe (not shown).

ノズル20は、ワークの上方に配置され、例えば、軸部51に取付治具等を介して取り付けられている。したがって、ノズル20を、中心軸A2を中心として回転させることができる。ノズル20は、ワークに対して金属粉26を供給する。また、ノズル20は、レーザ発振器30から出力されたレーザビーム31を出射する。   The nozzle 20 is disposed above the workpiece, and is attached to the shaft 51 via, for example, a mounting jig or the like. Therefore, the nozzle 20 can be rotated about the central axis A2. The nozzle 20 supplies metal powder 26 to the work. Further, the nozzle 20 emits the laser beam 31 output from the laser oscillator 30.

図2に示すように、ノズル20は、内側ノズル21、外側ノズル22、原料供給管23を備えている。ノズル20は、内側ノズル21及び外側ノズル22の中心軸が一致した同軸二重管構造となっている。レーザ発振器30から出力されたレーザビーム31は、ノズル20の内側ノズル21から出射される。レーザビーム31の光軸A1は、内側ノズル21の中心軸と一致している。内側ノズル21と外側ノズル22との間からは、原料供給管23を介して供給されたキャリアガス25及び金属粉26が吐出される。したがって、ノズル20の同軸二重管構造の中心軸は、レーザビーム31の光軸A1と一致している。   As shown in FIG. 2, the nozzle 20 includes an inner nozzle 21, an outer nozzle 22, and a raw material supply pipe 23. The nozzle 20 has a coaxial double-pipe structure in which central axes of the inner nozzle 21 and the outer nozzle 22 coincide with each other. The laser beam 31 output from the laser oscillator 30 is emitted from the inner nozzle 21 of the nozzle 20. The optical axis A 1 of the laser beam 31 coincides with the central axis of the inner nozzle 21. From between the inner nozzle 21 and the outer nozzle 22, the carrier gas 25 and the metal powder 26 supplied via the raw material supply pipe 23 are discharged. Therefore, the central axis of the coaxial double tube structure of the nozzle 20 coincides with the optical axis A1 of the laser beam 31.

これにより、キャリアガス25及び金属粉26の吐出軸は、レーザビーム31の光軸A1と同軸となっている。なお、後述する溶融池の酸化防止やレーザビーム31の出射口ガラスの保護を目的として、内側ノズル21から溶融池に対して不活性ガス等のシールドガス24を噴射させてもよい。このように、レーザビーム31の照射と、シールドガス24、キャリアガス25及び金属粉26の供給とが一体化されることにより、ノズル20をコンパクトにすることができる。   Thus, the discharge axes of the carrier gas 25 and the metal powder 26 are coaxial with the optical axis A 1 of the laser beam 31. Note that a shield gas 24 such as an inert gas may be jetted from the inner nozzle 21 to the molten pool for the purpose of preventing the oxidation of the molten pool to be described later and protecting the exit glass of the laser beam 31. As described above, by integrating the irradiation of the laser beam 31 with the supply of the shield gas 24, the carrier gas 25, and the metal powder 26, the nozzle 20 can be made compact.

図3に示すように、ノズル20は、ワーク、例えば、シリンダヘッド粗形材70上の加工点32に対して金属粉26を供給する。レーザ発振器30は、レーザビーム31を出力する。出力されたレーザビーム31は、ノズル20を介してワーク上の加工点32を照射する。加工点32の金属粉26は溶融して溶融池33となる。このように、レーザビーム31の照射により金属粉26が溶融したものを溶融池33という。金属粉26の供給及びレーザビーム31の照射を継続しながら、ノズル20を加工方向27に移動させることにより、溶融池33を加工方向に進行させる。   As shown in FIG. 3, the nozzle 20 supplies the metal powder 26 to a work, for example, a processing point 32 on the rough cylinder head 70. The laser oscillator 30 outputs a laser beam 31. The output laser beam 31 irradiates the processing point 32 on the workpiece through the nozzle 20. The metal powder 26 at the processing point 32 is melted to form a molten pool 33. Thus, what the metal powder 26 fuse | melted by irradiation of the laser beam 31 is called molten pool 33. As shown in FIG. By moving the nozzle 20 in the processing direction 27 while continuing the supply of the metal powder 26 and the irradiation of the laser beam 31, the molten pool 33 is advanced in the processing direction.

溶融池33の進行方向は、加工方向と同じ方向となる。溶融池33の進行方向の後方には、溶融池33が凝固し、肉盛層76が形成される。このようにして、レーザ肉盛装置100は、供給部10から金属粉26を供給しつつ、レーザビーム31を照射することにより肉盛層76を形成する。レーザビーム31の出力は、レーザ出力調整部35からの信号により制御されている。   The advancing direction of the molten pool 33 is the same as the processing direction. At the rear of the advancing direction of the molten pool 33, the molten pool 33 solidifies, and a buildup layer 76 is formed. In this manner, the laser buildup apparatus 100 forms the buildup layer 76 by irradiating the laser beam 31 while supplying the metal powder 26 from the supply unit 10. The output of the laser beam 31 is controlled by a signal from the laser output adjustment unit 35.

図1及び図3に示すように、撮像部40は、ワークの上方に配置され、例えば、軸部51に取付治具等を介して取り付けられている。したがって、撮像部40を、中心軸A2を回転軸として回転させることができる。撮像部40は、例えば、高速度カメラである。撮像部40には、マイクロメータ送りねじ48付きの位置決めステージ45が設けられている。撮像部40の位置は、例えば、位置決めステージ45により調整可能となっている。位置決めステージ45は、XYZ軸調整式カウンタ付きのハンドルを有している。よって、簡便かつ高精度で再現性が高い位置調整をすることができる。   As shown in FIGS. 1 and 3, the imaging unit 40 is disposed above the workpiece, and is attached to, for example, the shaft 51 via a mounting jig or the like. Therefore, the imaging unit 40 can be rotated with the central axis A2 as the rotation axis. The imaging unit 40 is, for example, a high speed camera. The imaging unit 40 is provided with a positioning stage 45 with a micrometer feed screw 48. The position of the imaging unit 40 can be adjusted by, for example, the positioning stage 45. The positioning stage 45 has a handle with an XYZ-axis adjustable counter. Therefore, position adjustment can be easily performed with high accuracy and high reproducibility.

撮像部40は、溶融池33の進行方向前方を撮像する。また、撮像部40は、溶融池33及びその近傍を撮像してもよい。撮像部40は任意の位置を撮像することができる。撮像部40は、撮像した画像データを画像処理部41に送信する。   The imaging unit 40 captures an image of the advancing direction forward of the molten pool 33. Moreover, the imaging part 40 may image the molten pool 33 and its vicinity. The imaging unit 40 can capture an arbitrary position. The imaging unit 40 transmits the captured image data to the image processing unit 41.

画像処理部41は、撮像部40が撮像した画像データを撮像部40から受信する。画像処理部41は、撮像部40から受信した画像データをもとに、レーザ出力の制御演算を行う。制御演算には、レーザ出力補正量の算出及びレーザビーム31の出力タイミングの算出等が含まれる。画像処理部41は、レーザ出力調整部35に対して算出した結果を送信する。   The image processing unit 41 receives image data captured by the imaging unit 40 from the imaging unit 40. The image processing unit 41 performs control calculation of the laser output based on the image data received from the imaging unit 40. The control calculation includes calculation of the laser output correction amount, calculation of the output timing of the laser beam 31, and the like. The image processing unit 41 transmits the calculated result to the laser output adjustment unit 35.

図1に示すように、照明部46は、ワークの上方に配置され、例えば、軸部51に取付治具等を介して取り付けられている。照明部46は、例えば、照明光を生成する光源である。照明部46は、溶融池33の進行方向前方を照明する。また、照明部46は、溶融池33及び溶融池33の近傍を照明してもよい。照明部46は、例えば、ワークの上面において照明光が反射した反射光が撮像部40に到達するような位置に配置されている。撮像部40及び照明部46は、ノズル20の回転移動に同期して回転移動する。撮像部40及び照明部46の位置が調整可能となっている。これにより、撮像部40が撮像する対象及び照明部46が照明する対象は、溶融池33の進行方向前方等、任意に設定することができる。   As shown in FIG. 1, the illumination unit 46 is disposed above the workpiece, and is attached to the shaft 51 via, for example, a mounting jig or the like. The illumination unit 46 is, for example, a light source that generates illumination light. The illumination unit 46 illuminates the forward direction of the molten pool 33 in the direction of travel. The lighting unit 46 may also illuminate the molten pool 33 and the vicinity of the molten pool 33. The illumination unit 46 is disposed, for example, at a position where the reflected light obtained by the illumination light reflected on the upper surface of the workpiece reaches the imaging unit 40. The imaging unit 40 and the illumination unit 46 rotate and move in synchronization with the rotational movement of the nozzle 20. The positions of the imaging unit 40 and the illumination unit 46 can be adjusted. Thereby, the object which the imaging part 40 images, and the object which the illumination part 46 illuminates can be arbitrarily set, such as the advancing direction forward direction of the molten pool 33, for example.

表示部47は、撮像部40が撮像した画像を表示する。また、表示部47は、画像処理部41が算出した制御演算の結果を表示する。   The display unit 47 displays the image captured by the imaging unit 40. Further, the display unit 47 displays the result of the control calculation calculated by the image processing unit 41.

照明部46に電力を供給する配線等を含む照明用ケーブル42は、照明部46に接続されている。撮像部40に電力を供給する配線、撮像部40の動作を制御する信号線等を含むカメラ用ケーブル43は、撮像部40に接続されている。撮像部40が撮像した画像を送信する信号線は、撮像部40と画像処理部41とを接続している。撮像部40が撮像した画像を表示部47に送信する信号線等を含むカメラ用ケーブル44は、表示部47に接続されている。   A lighting cable 42 including a wire and the like for supplying power to the lighting unit 46 is connected to the lighting unit 46. The camera cable 43 including a wire for supplying power to the imaging unit 40, a signal line for controlling the operation of the imaging unit 40, and the like is connected to the imaging unit 40. A signal line for transmitting an image captured by the imaging unit 40 connects the imaging unit 40 and the image processing unit 41. The camera cable 44 including a signal line and the like for transmitting the image captured by the imaging unit 40 to the display unit 47 is connected to the display unit 47.

次に、レーザ肉盛方法を説明する。例えば、シリンダヘッド粗形材70に肉盛層76を形成する場合を例にして、レーザ肉盛方法を説明する。図4は、実施形態に係るレーザ肉盛方法を模式的に示した斜視図である。図4に示すように、シリンダヘッド粗形材70は、例えば、鋳鉄やアルミニウム合金などからなる鋳物である。シリンダヘッド粗形材70は、複数の燃焼室71を備えている。各燃焼室71は、吸気ポート72及び排気ポート73を備えている。   Next, the laser deposition method will be described. For example, the laser build-up method will be described by taking the case where the build-up layer 76 is formed on the rough cylinder head 70 as an example. FIG. 4 is a perspective view schematically showing a laser buildup method according to the embodiment. As shown in FIG. 4, the cylinder head rough section 70 is a casting made of, for example, cast iron or an aluminum alloy. The cylinder head profile 70 comprises a plurality of combustion chambers 71. Each combustion chamber 71 is provided with an intake port 72 and an exhaust port 73.

図4に示すように、まず、シリンダヘッド粗形材70において、吸気ポート72及び排気ポート73の燃焼室71側の開口74の端に、開口74を囲むように円環状のザグリ溝75を形成する。ザグリ溝75は機械加工により形成される。   As shown in FIG. 4, first, in the rough cylinder head 70, an annular counterbore groove 75 is formed at the end of the opening 74 on the combustion chamber 71 side of the intake port 72 and the exhaust port 73 so as to surround the opening 74. Do. The counterbore 75 is formed by machining.

ザグリ溝75の円環形状の中心軸を、レーザ肉盛装置100の軸部51の中心軸A2に一致するように、シリンダヘッド粗形材70の位置及び向きを設定した後、シリンダヘッド粗形材70をステージ61に固定する。これにより、シリンダヘッド粗形材70を固定したまま、中心軸A2を回転軸としてノズル20を回転させることにより、ザグリ溝75に肉盛層76を形成することができる。   After setting the position and orientation of the rough cylinder head 70 so that the center axis of the annular shape of the counterbored groove 75 coincides with the center axis A2 of the shaft portion 51 of the laser cladding device 100, the rough cylinder head is formed The material 70 is fixed to the stage 61. As a result, it is possible to form the overlaying layer 76 in the counterbored groove 75 by rotating the nozzle 20 with the central axis A2 as the rotation axis while the rough cylinder head material 70 is fixed.

図4に示したシリンダヘッド粗形材70は、4気筒16バルブ用であって、4つの燃焼室71のそれぞれに吸気ポート72及び排気ポート73を2つずつ備えている。当然のことながら、燃焼室71や吸気ポート72及び排気ポート73の個数は図4の例に限定されるものではなく、適宜決定されるものである。   The rough cylinder head section 70 shown in FIG. 4 is for a 4-cylinder 16 valve, and each of the four combustion chambers 71 is provided with two intake ports 72 and two exhaust ports 73. As a matter of course, the numbers of the combustion chamber 71, the intake port 72 and the exhaust port 73 are not limited to the example shown in FIG.

図3及び図4に示すように、ノズル20は、ザグリ溝75に金属粉26を供給する。例えば、金属粉26の供給量は、0.75[g/s]である。キャリアガス25の流量及びシールドガス24の流量は、例えば、10[L/min]及び20[L/min]である。また、ノズル20は、ザグリ溝75に供給された金属粉26に対して、レーザビーム31を照射する。例えば、レーザビーム31の出力は、2.8[kW]である。このように、金属粉26を供給しつつ、レーザビーム31を走査させ、ザグリ溝75に肉盛層76を形成する。肉盛層76のノズル20との対向面には溶融池33が形成される。ノズル20は、溶融池33を持続させながら、レーザビーム31をザグリ溝75に沿って走査し、溶融池33をザグリ溝75に沿って移動させる。具体的には、シリンダヘッド粗形材70を固定したまま、中心軸A2を回転軸としてノズル20を回転させる。溶融池33が移動した跡には溶融池33が凝固した肉盛層76が順次形成される。加工速度は、例えば900[mm/min]である。   As shown in FIGS. 3 and 4, the nozzle 20 supplies the metal powder 26 to the counterbored groove 75. For example, the supply amount of the metal powder 26 is 0.75 [g / s]. The flow rate of the carrier gas 25 and the flow rate of the shield gas 24 are, for example, 10 [L / min] and 20 [L / min]. In addition, the nozzle 20 irradiates the laser beam 31 to the metal powder 26 supplied to the counterbore groove 75. For example, the output of the laser beam 31 is 2.8 kW. As described above, while supplying the metal powder 26, the laser beam 31 is scanned to form the buildup layer 76 in the counterbored groove 75. A molten pool 33 is formed on the surface of the buildup layer 76 facing the nozzle 20. The nozzle 20 scans the laser beam 31 along the counterbore groove 75 while moving the molten pool 33 and moves the pooler 33 along the counterbore groove 75. Specifically, the nozzle 20 is rotated with the central axis A2 as a rotation axis while the rough cylinder head 70 is fixed. A buildup layer 76 in which the molten pool 33 is solidified is sequentially formed on the mark where the molten pool 33 has moved. The processing speed is, for example, 900 [mm / min].

図5は、実施形態に係るレーザ肉盛方法を例示したフローチャート図である。図5のステップS1に示すように、撮像部40は、溶融池33の進行方向前方の撮像を行う。撮像部40の撮像位置を調整及び微調整することにより、所定の位置を撮像する。また、撮像位置を所定の位置に固定する。撮像部40は、撮像した溶融池33の進行方向前方の画像データを、画像処理部41に送信する。画像処理部41は、ステップS2に示すように、受信した画像から、溶融池33の進行方向前方に存在する玉状の金属粉凝集体のサイズ及び個数を測定する。ここで、玉状の金属粉凝集体を玉34という。そして、玉34の総和を、玉34の大きさ別に重み係数を掛けた玉34の個数を加算したものと定義する。例えば、玉34の総和は、以下の(1)式により、求めることができる。   FIG. 5 is a flowchart illustrating the laser deposition method according to the embodiment. As shown in step S1 of FIG. 5, the imaging unit 40 performs imaging in the forward direction of the molten pool 33. The predetermined position is imaged by adjusting and finely adjusting the imaging position of the imaging unit 40. In addition, the imaging position is fixed at a predetermined position. The imaging unit 40 transmits, to the image processing unit 41, image data on the front side in the traveling direction of the molten pool 33, which has been captured. The image processing unit 41 measures the size and number of ball-shaped metal powder aggregates present in the forward direction of the molten pool 33 from the received image, as shown in step S2. Here, the ball-shaped metal powder aggregate is referred to as a ball 34. Then, the sum of the balls 34 is defined as the sum of the number of the balls 34 multiplied by the weighting factor for each size of the balls 34. For example, the sum of the balls 34 can be obtained by the following equation (1).

X(総和)=C1×N1+C2×N2+C3×N3+・・・(1)   X (sum total) = C1 × N1 + C2 × N2 + C3 × N3 + (1)

ここで、Ciは、玉34の大きさ別の重み係数であり、玉34が大きいほど係数が大きいものである。Niは、玉34の個数である。   Here, Ci is a weight coefficient according to the size of the ball 34, and the coefficient is larger as the ball 34 is larger. Ni is the number of balls 34.

図6は、実施形態に係るレーザ肉盛方法において、玉34の総和とレーザビームの出力補正量との関係を例示したグラフである。図6に示すように、あらかじめ、テスト加工により、溶融池33の進行方向前方に存在する玉34の総和と、レーザビーム31の出力補正量との関係を求めておく。レーザビーム31の出力補正量とは、玉34の存在により肉盛層76の内部に発生する空孔(ブローホール)を低減させることができるレーザビーム31の出力と、レーザビーム31の設定出力との間の差である。したがって、溶融池33の進行方向前方に任意の玉34の総和が存在する場合に、図6より算出した出力補正量をレーザビーム31の設定出力に付加する。これにより、レーザビームの出力を、空孔(ブローホール)を低減させることが可能な出力に変更することができる。   FIG. 6 is a graph illustrating the relationship between the sum of the balls 34 and the output correction amount of the laser beam in the laser build-up method according to the embodiment. As shown in FIG. 6, the relationship between the total sum of the balls 34 present in the forward direction of the molten pool 33 and the output correction amount of the laser beam 31 is obtained in advance by test processing. The output correction amount of the laser beam 31 includes the output of the laser beam 31 which can reduce the number of holes (blow holes) generated inside the buildup layer 76 due to the presence of the balls 34, and the set output of the laser beam 31. The difference between Therefore, when the sum total of arbitrary balls 34 is present in the forward direction of the molten pool 33, the output correction amount calculated from FIG. 6 is added to the setting output of the laser beam 31. Thereby, the output of the laser beam can be changed to an output capable of reducing the number of holes (blow holes).

次に、ステップS3に示すように、画像処理部41は、制御演算を実施する。画像処理部41は、例えば、撮像部40から受信した画像における玉34の総和から、形成されつつある肉盛層76の品質を判定する。例えば、判定は、玉34の総和の閾値等を設定して決定する。そして、判定結果から、品質を向上させる必要があるときは、図6をもとにして、レーザビーム31の出力補正量を算出する。また、画像処理部41は、溶融池33の進行方向前方における撮像位置と、レーザビーム31の照射位置との間の距離及び加工速度に基づいて、レーザ出力を変更するタイミングを算出する。そして、画像処理部41は、算出した出力補正量及びタイミングをレーザ出力調整部35に送信する。   Next, as shown in step S3, the image processing unit 41 performs control calculation. The image processing unit 41 determines the quality of the buildup layer 76 being formed, for example, from the total sum of the balls 34 in the image received from the imaging unit 40. For example, the determination is made by setting a threshold or the like of the sum of the balls 34. Then, when it is necessary to improve the quality from the determination result, the output correction amount of the laser beam 31 is calculated based on FIG. In addition, the image processing unit 41 calculates the timing of changing the laser output based on the distance between the imaging position in the forward direction of the molten pool 33 and the irradiation position of the laser beam 31 and the processing speed. Then, the image processing unit 41 transmits the calculated output correction amount and timing to the laser output adjustment unit 35.

次に、ステップS4に示すように、レーザ出力調整部35は、画像処理部41が算出した出力補正量及びタイミングを受信する。レーザ出力調整部35は、受信したタイミングで、レーザビーム31の出力を、受信した出力補正量で変更するように、レーザ発振器30を制御する。これにより、レーザ発振器30は、画像処理部41が算出したタイミングで、レーザビーム31の出力を変更する。このような撮像結果のフィードバックを用いることにより、ザグリ溝75の全周に渡って肉盛層76を形成する。   Next, as shown in step S4, the laser output adjustment unit 35 receives the output correction amount and the timing calculated by the image processing unit 41. The laser output adjustment unit 35 controls the laser oscillator 30 so as to change the output of the laser beam 31 by the received output correction amount at the received timing. Thus, the laser oscillator 30 changes the output of the laser beam 31 at the timing calculated by the image processing unit 41. A buildup layer 76 is formed over the entire circumference of the counterbored groove 75 by using feedback of such imaging results.

本実施形態によれば、溶融池33の進行方向前方を撮像する撮像部40を有し、撮像部40の位置が調整可能である。そのため、溶融池33の進行方向前方で形成される玉34(玉状の金属粉凝集体)の状況が、肉盛条件に応じてどのように変化するのかを知ることができる。その結果、肉盛条件を最適化して玉34(玉状の金属粉凝集体)を効果的に低減させることができる。   According to the present embodiment, the imaging unit 40 for imaging the forward direction of the molten pool 33 is provided, and the position of the imaging unit 40 can be adjusted. Therefore, it can be known how the condition of the ball 34 (ball-shaped metal powder aggregate) formed in the forward direction of the molten pool 33 changes according to the buildup condition. As a result, the buildup conditions can be optimized to effectively reduce the balls 34 (ball-like metal powder aggregates).

また、撮像部40には、位置決めステージ45等の位置調整用治具が設けられており、溶融池33の進行方向前方の他、溶融池33及びその近傍の任意の位置に対して高精度な撮像を、簡便に行うことができる。よって、その場の観察により、形成されつつある肉盛層76の良否判定を行うことができる。そして、その撮像した結果及び品質判定を肉盛条件にフィードバックし、肉盛条件を迅速に最適化することができる。よって、肉盛層75の品質を向上させ、肉盛層76の不良率を低減させることができる。   Further, the imaging unit 40 is provided with a position adjustment jig such as the positioning stage 45 etc., and high accuracy is given to the molten pool 33 and an arbitrary position in the vicinity thereof in addition to the forward direction of the molten pool 33. Imaging can be performed simply. Therefore, the quality determination of the built-up layer 76 can be performed by observation of the spot. Then, the imaging result and the quality determination can be fed back to the buildup condition, and the buildup condition can be rapidly optimized. Therefore, the quality of the buildup layer 75 can be improved, and the defect rate of the buildup layer 76 can be reduced.

さらに、撮像位置の調整が短時間に高精度で行うことができるので、肉盛条件を最適化する時間及びコストを大幅に低減させることができる。例えば、従来例のような撮像部40を最適位置に固定する治具の作成を不要とすることができる。また、例えば、従来例のような多関節のマグネットスタンドで撮像部40を固定する必要がない。この従来例の方法では、現在位置が定量的にわからず、位置調整をする場合でも、多関節のマグネットスタンドの各軸で、所望の方向に所望の寸法で合わせることが困難である。また、このようなスタンドでは、撮像位置を決定しても、一旦分解した場合には、その撮像位置を再現することが困難である。   Furthermore, since the adjustment of the imaging position can be performed with high accuracy in a short time, the time and cost for optimizing the buildup conditions can be significantly reduced. For example, it is not necessary to create a jig for fixing the imaging unit 40 at the optimum position as in the conventional example. Further, for example, it is not necessary to fix the imaging unit 40 with a multi-joint magnet stand as in the prior art. In this conventional method, the current position can not be determined quantitatively, and even in the case of position adjustment, it is difficult to fit in the desired direction in the desired direction on each axis of the articulated magnet stand. Further, in such a stand, even if the imaging position is determined, it is difficult to reproduce the imaging position once it is disassembled.

これに対して、本実施形態においては、撮像部40の位置調整用に位置決めステージ45を用いている。位置決めステージ45は、XYZ軸調整式カウンタ付きのハンドルを有しているので、簡便かつ高精度で再現性が高い位置調整をすることができる。   On the other hand, in the present embodiment, the positioning stage 45 is used for position adjustment of the imaging unit 40. Since the positioning stage 45 has a handle with an XYZ-axis adjustable counter, it is possible to perform position adjustment with high accuracy and high reproducibility.

また、本実施形態によれば、肉盛層76を形成する際に、溶融池33の進行方向前方に形成された玉状の金属粉凝集体を撮像し、金属粉凝集体の撮像結果に応じてレーザビーム31の出力を制御する。このような構成により、金属粉凝集体によるブローホールの発生を抑制することができる。   Further, according to the present embodiment, when forming the buildup layer 76, the ball-shaped metal powder aggregate formed in the forward direction of the molten pool 33 is imaged, and the imaging result of the metal powder aggregate is obtained. The output of the laser beam 31 is controlled. With such a configuration, the generation of blow holes due to metal powder aggregates can be suppressed.

以上、本発明に係るレーザ肉盛装置及びレーザ肉盛方法の実施形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。   Although the embodiments of the laser build-up apparatus and the laser build-up method according to the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above configuration, and modifications can be made without departing from the technical concept of the present invention.

例えば、金属粉26の供給量、シールドガスの流量、キャリアガスの流量、レーザビームの出力及び加工速度は、上述したものに限らず、最適化した肉盛条件の場合のものを用いてもよい。また、ワークは、シリンダヘッド粗形材70に限らず、肉盛層75が形成される他の部材としてもよい。   For example, the supply amount of the metal powder 26, the flow rate of the shield gas, the flow rate of the carrier gas, the output of the laser beam and the processing speed are not limited to those described above, and those under optimized overlay conditions may be used. . Further, the work is not limited to the rough cylinder head 70, but may be another member on which the overlay 75 is formed.

10 供給部
20 ノズル
24 シールドガス
25 キャリアガス
26 金属粉
27 加工方向
30 レーザ発振器
31 レーザビーム
32 加工点
33 溶融池
34 玉
35 レーザ出力調整部
40 撮像部
41 画像処理部
42 照明用ケーブル
43 カメラ用ケーブル
44 カメラ用ケーブル
45 位置決めステージ
46 照明部
47 表示部
48 マイクロメータ送りねじ
50 回転部
51 軸部
52 枠状部
60 台座部
61 ステージ
70 シリンダヘッド粗形材
71 燃焼室
72 吸気ポート
73 排気ポート
74 開口
75 ザグリ溝
76 肉盛層
100 レーザ肉盛装置
DESCRIPTION OF REFERENCE NUMERALS 10 supply unit 20 nozzle 24 shield gas 25 carrier gas 26 metal powder 27 processing direction 30 laser oscillator 31 laser beam 32 processing point 33 molten pool 34 ball 35 laser output adjustment unit 40 imaging unit 41 image processing unit 42 illumination cable 43 for camera Cable 44 Camera cable 45 Positioning stage 46 Lighting unit 47 Display unit 48 Micrometer feed screw 50 Rotating unit 51 Shaft unit 52 Frame-like unit 60 Base unit 61 Stage 70 Cylinder head coarse-shaped member 71 Combustion chamber 72 Intake port 73 Exhaust port 74 Opening 75 Counterbore 76 Filled Layer 100 Laser Filler

Claims (2)

金属粉を供給する供給部と、
レーザビームを出力するレーザ発振器と、を備え、
前記供給部から前記金属粉を供給しつつ、前記レーザビームを照射することにより肉盛層を形成するレーザ肉盛装置であって、
溶融池の進行方向前方を撮像する撮像部と、
前記撮像部から受信した画像データをもとに、前記レーザビームの出力を制御する画像処理部と、
さらに有し、
前記撮像部の位置が調整可能であり、
前記撮像部は、前記溶融池の進行方向前方に形成された玉状の金属粉凝集体を撮像し、
前記画像処理部は、前記金属粉凝集体の撮像結果に応じて前記レーザビームの出力を制御する、
レーザ肉盛装置。
A supply unit for supplying metal powder,
And a laser oscillator for outputting a laser beam,
A laser buildup apparatus that forms a buildup layer by irradiating the laser beam while supplying the metal powder from the supply unit.
An imaging unit for imaging the advancing direction forward of the molten pool ;
An image processing unit that controls the output of the laser beam based on the image data received from the imaging unit;
Further comprising a,
Ri adjustable der position of the imaging unit;
The imaging unit images a ball-shaped metal powder aggregate formed in the forward direction of the molten pool;
The image processing unit controls the output of the laser beam according to the imaging result of the metal powder aggregate.
Laser buildup equipment.
シリンダヘッド粗形材において、ポートの燃焼室側開口端に、円環状のザグリ溝を形成するステップと、
前記ザグリ溝に金属粉を供給しつつ、レーザビームを走査させ、前記ザグリ溝に肉盛層を形成するステップと、を備えたレーザ肉盛方法であって、
前記肉盛層を形成するステップにおいて、
溶融池の進行方向前方に形成された玉状の金属粉凝集体を撮像し、前記金属粉凝集体の撮像結果に応じて前記レーザビームの出力を制御する、
レーザ肉盛方法。
Forming an annular counterbore at a combustion chamber side open end of the port in the cylinder head rough member;
And supplying a metal powder to the counterbored groove while scanning a laser beam to form a cladding layer on the counterbored groove.
In the step of forming the buildup layer,
Imaging a ball-shaped metal powder aggregate formed in the forward direction of the molten pool, and controlling the output of the laser beam according to the imaging result of the metal powder aggregate;
Laser buildup method.
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