JPH01215961A - レーザ溶射法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明はレーザ溶射法に関する。

〈従来の技術〉 レーザ溶射法は本出願人か開発したもので、これまてに
特開昭［１ｌ−２６４１６８、特開昭６２−１７７１６
６の工性を特許出願している。

それ以前の溶射方法は、フレーム（火焔）溶射、アーク
溶射、プラズマ溶射、線爆溶射に限られていた。

なお溶射とは、溶射材を溶射面から離れた位置て溶融さ
せ、これをガス流又は爆発の衝撃により吹き飛はし細粒
化して溶射面に吹きつけ、溶射膜を形成する工法をいう
。本出願人の特許第１３７８７８０号「レーザー溶射方
法及びその装置」はその特許請求の範囲に記していると
おり肉盛りする方法である。レーザを肉盛りに用いる方
法は他ても研究されているか、いずれも被覆する母材面
にレーザ光線の焦点か来るよう収れんさせ、そこに被覆
材料を送給して、母材面と被覆材料とを同時に加熱、溶
融し、順次移動して細い帯状に肉盛りを進めるものであ
る。

〈発明が解決しようとする課題〉 木発明者等はさきにレーザ溶射法として前述の特開昭６
１−２６４１６８　、同５２−１７７１６６の工性を特
許出願ずみであるか、それらの明細書、図面の記載内容
は、高エネルギー密度部形成後のレーザ光線てもって溶
射面を加熱することにより、溶射面と溶射膜との密着度
を高めることを狙いする。

溶射面を予め加熱しておいて、そこに溶融した溶射材を
送給すれば密着度か高まり、溶射膜か剥かれにく＼なる
という上記二発明の考え方は、溶接、ろう接、肉盛り等
の場合、母材を予熱することにより接合品質を高められ
るという過去の研究、実績から類推されたものである。

本発明者等はレーザ溶射法の開発者として、レーザ溶射
に溶射面の予熱を不可欠と思わせる事に疑問を抱き、そ
の解明を研究課題としてとらえた。解明の結果は予熱不
要と出て、この発明に至った。

〈課題を解決するための手段〉 この発明のレーザ溶射法は、レーザ光線を集光レンズ又
は鏡で収れんさせた高エネルギ密度部に、溶射材を送給
して溶融させ、これをガス流により被溶射面へ吹きつけ
るレーザ溶射法において、上記ガス流の中心軸を被溶射
面に垂直に向けると共に、前記レーザ光線の高エネルギ
密度の光軸を上記ガス流の中心軸と、交差させて被溶射
面からそらせたことを特徴とする。その溶射材は金属、
無機物、又は両者の混合物である線材もしくは粉末か使
われる。そのガスはアルゴン等の非反応性ガス、又は酸
素、窒素等の反応性ガス、もしくはそれらの混合ガスか
使われる。その溶射材を送給するノズルは複数本併設し
、それぞれから同時に溶射材を高エネルギ密度部へ送給
してもよい。

〈作　用〉 この発明は前記二発明て、溶射材加熱後のレーザ光線を
被溶射面に当て、予熱又は接合補助熱としていたのを改
め、被溶射面には終始、レーザ光線を当てない。従って
被溶射面は原則として常温てあり、そこに高温溶融粒を
叩き付は圧着する。

常温である被溶射面に溶射材の溶融粒を圧着するから、
双方の材料か化合したり合金化したりする事なく固着す
る。従って溶射材か金属なら、その金属だけの溶射膜か
作られ、無機物なら無機物だけの溶射膜、そして両者の
混合物ならその混合物の溶射膜か作られる。

溶射材か線材なら、その先端か高エネルギ密度部に進入
すると共に溶融、飛散させられ、溶射材か粉末なら、重
力又は搬送ガスによりノズルから出て高エネルギ密度部
へ進入し溶融、飛散させられる。

噴出ガスかアルゴン等の非反応性ガスの場合、溶融粒か
飛行中、酸素、窒素と化合するおそれかなく、逆に酸素
、窒素等の反応性ガスだけか、それらを適当に混合した
ガスの場合、溶融粒をその飛行中に適宜、酸化、窒化等
の化学反応させる事がてきる。

溶射材の線材又は粉末を高エネルギ密度部へ案内するノ
ズルは一木と限らない。複数本併設すれば、それぞれか
ら異る溶射材を送って、それらか混合した溶射膜を作る
ことができる。

〈実　施　例〉 第１図はこの発明の一実施例を示すもので、レーザ光線
１を集光レンズ２て収れんさせ、焦点を中心にした高エ
ネルギ密度部１０を作り、その光軸とガス流の軸６とが
交叉するようにガス噴射管３を高エネルギ密度部１０を
経て被溶射面に垂直に向けている。この場合、ワイヤ５
である溶射材は噴射管３の中心部を通る。その案内片９
はガス４の流線を乱さない形にする。

ガス噴射管３から直進し“Ｃ高エネルギ密度部１０に達
したワイヤ５は瞬間的に気化温度近くまて昇温、溶融し
、噴射ガス４により溶融微粒となって吹飛ばされ、被溶
射面７へ叩きつけ圧着せしめられ、溶射膜８を作る。一
部は−たん気化した後、固化していると思われる。

第２図の実施例はガス噴射管３と溶射材送給ノスル１１
．１２とを別個に設けている。ノスル１１はワイヤ５た
け送り、ノスル１２は粉状溶射材５ａを搬送ガス、その
他て送り出す。ワイヤ５、粉末５ａの両溶射材は、いず
れも光軸に傾斜した方向から高エネルギ密度部１０へ進
入しているか、この方か第１図のように真横から高エネ
ルギ密度部を横切る場合より通過時間か長いから、加熱
時間も長くなって有利である。高エネルギ密度部１ｏは
っＸみ形をしており、溶射材はそのとの部分に通しても
よい。

第３図の実施例は、レーサ光線収れんに凹面鏡２ａを用
いた例て、それ以外は第１図の例と変りないか、ガス噴
射管３を二重管にして、内管にワイヤ又は粉末を通し、
外管に高速ガスを流すとか、三重管にして内管にワイヤ
又は粉末、中管に反応性ガス、外管に非反応性ガスを通
して、溶融微粒に所要のガスと反応をさせ、その外側は
非反応性ガスて包んて空気の混入を防ぐ等、周知の技術
を多様に取入れられる。

次に第１図の実施例による実験結果を記す。

レーザ出力　　　４ＫＷ 溶射材　　　　　チタン（直径９ｍｍのワイヤ）同上送
り速度　　１〜２　ｍ　／分 ガ　ス　　　　　アルゴン 同上噴出圧力　　２〜８　Ｋｇ／　ｃｍ２溶射面　　　
　　ステンレス鋼板（サンドララストした粗面） 溶射距離（１）　　　５０〜１５０　ｎ＋ａ＋溶射膜の
気孔率　０．１〜０．４％ ト表中、ワイヤの送り速度、ガス噴出圧力、溶射距離は
実用可能な範囲を示す。

第４図にその被溶射面付近の断面の顕微鏡写真を示す。

レーザ溶射以外の従来の溶射膜断面は溶融微粒か扁平に
漬れて入組み重なった状態が見られるか、この写真ては
それが見られない。

この溶射膜の気孔率計測値は、従来のブラスマ溶射等の
場合の気孔率（通常、数％）より一桁低い０．１〜０．
４％であるから、このような顕微鏡写真になるものと思
われる。

被溶射面であるステンレス鋼板表面は予めサンドララス
トて粗面にしであるか、そこに溶融したチタンの微粒か
叩きつけられて完全に圧着しており、全面的てはないか
、金属同士のろう接部同様の組織かできている。

これは被溶接面の加熱なしても、溶射膜は十分な耐剥離
性を備えることを伺わせるか、後述の剥離試験でそれか
実証された。

第３図の実施例はステンレス鋼板を溶射面７とし、これ
に窒化チタンの溶射膜８を作った装置である。

断面か円形（５０＋ｏｎ＋径）の連続発振ｃｏ２レーザ
（４ＫＷ）を使い、凹面鏡２ａは銅製で表面金コートし
たもの、鏡面から高エネルギ密度部１０まては１５０　
ｍｍ、溶射膜＃１も１５０　ｍｍである。

ガス噴射ｖ３の内径は３ｍｍて、その中に０．９　ｍｍ
径の工業用純チタン・ワイヤ５（供給速度２　ｍ　７分
）と窒素ガス（圧力５Ｋｇ／　ｃｍ２）を通し、溶射面
７を５００　ｍｍ７分の速さて移動させて、窒化チタン
の溶射膜（厚みｊｍｍ）を作った。

この発明のレーザ溶射法を実施する場合、重要な溶射条
件は、レーザ光線を溶射面に当てない事は無論であるか
、ほかにレーザ出力、溶射距離、及びガス噴射圧力があ
る。

レーザ出力は、高エネルギ密度部１ｏへ入ってきた溶射
材５．５′か出てゆくまての短時間に、これを気化温度
に近い高温にし得る値てなければならない。実施者か注
意深く溶射状況を見ておれ−は、ムラなく揃って噴霧状
に溶融微粒群か走る良好な状態か判断てきるようになる
。レーザ出力か不足すると飛行する微粒群が霧のように
均一にならず、や＼粗い感じゃ、断続現象も出てくる。

溶射条件は各項目ことに、他の条件を実施条件に合わせ
て設定し、その結果の分布図を作って実用範囲を決めて
ゆくものであるか、次に５　ＫＷＣＯ２レーザ発生装置
を用い、ガス噴出圧力、溶射材ワイヤ送り速度、レーザ
出力をパラメータとし、ワイヤ先端から溶融微粒群か良
好な噴霧状て飛行する条件を求めた曲線図を第５〜７図
に示す。いずれもステンレス鋼板上にチタンを溶射する
ものて、噴射ガスをアルゴン、窒素、酸素に変え、各縦
軸にガス圧力、横軸にワイヤ送り速度をとり、レーザ出
力を２〜４ＫＷに変えて、それぞれの曲線を画いた。曲
線の上方か良好な条件である。

曲線の上方か広いことは適正条件の範囲か広いことを意
味する。噴射ガスか酸素の場合、最も範囲か広く、次は
窒素、次はアルゴンの順である。

これはチタンとガスの反応熱が、ワイヤの溶融に寄与す
るためと考えられる。なお、ガスとして酸素を使うとレ
ーザ出力に無関係に良好な噴霧状溶射か行われる感しで
ある。

第６図の点Ｐは、レーザ出カ２ＫＷ以上て、直径０．９
　ｍｍのチタンワイヤを窒素ガスて溶射するには、ワイ
ヤ送り１．５ｍ／分、窒素ガス圧４　Ｋｇ／ｃｍ２てあ
れば適正ということである。ガス圧はこのように高い方
かよく、弱いと噴霧状飛行はしても耐剥離性か低下した
。

なお溶射距離ρはガス圧にもよるか、一般５０＋＋＋＋
ｎ〜３００　ｍｍか実用的て、これを超えると溶着か悪
くなり−１これ以下ては溶射膜が不均一になった。

次にレーザによる溶射膜の気孔率か少なくなる原因を考
察するため行った、溶融微粒の粒径分布を測定した結果
の一例を示す。

溶射条件は、レーザ出力（４ＫＷ）と０．９　＋＋＋＋
ｎ径のチタンワイヤの送給速度（２ｍ／分）を一定にし
、ガスとして用いた窒素の圧力を２〜８　Ｋｇ／ｃｍ２
の範囲で変化させ、水で冷却、捕集した窒化チタンの微
粒の直径を測定したものである。

上表から、ガス圧を増すにともなって、平均粒径か小さ
くなる傾向を示すことかわかるか、これらの数値は、プ
ラズマ溶射等て用いられる溶射材の粒径か５０μｓ以下
程度であることを考えると、１桁ホさい１０μｓ以下の
直径の粒子か多数を占めていると言える。すなわち、ワ
イヤから放出される溶融微粒子の直径か小さいために、
得られた溶射膜の気孔率か小さくなるものと考えられる
。

溶射材を線材にして送るのと、粉体にして送るのと、ど
ちらか良いかは、現在のところ線材の方か有利である。

すなわち粉体としては現在、２０〜３〇−以下の直径の
粉体を一定量連続的に送給する装置か無いため、５０Ｉ
ｆｆ１程度の直径の酸化アルミニウム粉体を用いて溶射
膜を作り、他方、アルミニウム線材と酸素ガスを用いて
作った溶射膜とを比較して見たか、線材を用いた方の気
孔率か小さかった。もっとも粉体の送給装置か改善され
＼ば結果も変ってくると思われる。

なお異る溶射材を同時送給するにも、線材て送る方か容
易で、二個のノスルから、それぞれチタンワイヤとアル
ミニウムワイヤを送り、酸素ガスて噴射すると、チタニ
アとアルミナがうまく混合した溶射膜か得られた。

溶射面を予熱しないでレーザ溶射した場合、溶射膜か剥
がれやすくないか、という懸念を一掃したのは次の剥離
試験である。

耐剥離性は定量的に測定できないので多くの比較試験を
したが、この発明に最も厳しい条件として、プラズマ溶
射不能であるＣｕ板へＡｌ２Ｏ３を、この発明て溶射し
たものと、プラズマ溶射てもってＣｕ板へ、まず下地の
Ｍ。−Ｎ、−Ａｊｌ系合金を溶射し、その上にＡｊ１２
０３を溶射した在来法によるものとを比較した結果を次
に記す。

両方法て得た試験片をガスバーナて室温から４００°〜
４２０℃に一分間加熱後、水冷する事を、１時間に２０
〜３０回の割合て繰返した。

結果は従来のプラズマ溶射のものか４００回の加熱、冷
却て溶射膜かはかれ始め、この発明によるものは２００
０回まてはかれなかった。

なお銅板はレーザの反射か強いため、前述の出願中の工
性のように溶射面をレーザ光線て予熱すると、反射した
レーザ光線か他物を加熱するため危険て使えない。

他の材質の溶射面に対し予熱つきレーザ溶射を行ったも
のと、この発明の予熱なしレーザ溶射のものとは、耐剥
離性に優劣はなかった。

〈発明の効果〉 この発明は、少なくともレーザ溶射には溶射面の予熱か
不要である事を実証した。

これにより、高エネルギ密度部形成後のレーザ光線を被
溶射面に向けるための設備、制約か解消した。

被溶射面を予熱しないため、被溶射面の材料と溶射材の
溶融微粒との間に合金等を生ずるおそれがなく、単体を
溶射すれば被溶射面との境界部から単体の溶射膜が得ら
れ、反応ガスを加えれば反応生成物か得られる。

゛　この発明により、従来の他の溶射法による溶射膜よ
り気孔率が一桁下回る高品質のレーザ溶射膜を、十分確
実な耐剥離性をもって形成てきる事は、金属、無機物の
溶射品質を高め、用途を広げる効果が絶大である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の詳細な説明図、第２．３図はそれぞ
れ別の実施例説明図、第４図は溶射面と溶射膜の境界部
断面の金属組織を示す顕微鏡写真、第５．６．７図は適
正溶射条件を求めた曲線図三種て、図中、ｌはレーザ光
線、４はガス、５．５ａは溶射材、７は被溶射面、８は
溶射膜、１０は高エネルギ密度部、１は溶射距離を示す
。 区 へ 味 」

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光線を集光レンズ又は鏡で収れんさせた高
   エネルギ密度部に、溶射材を送給して溶融させ、これを
   ガス流により被溶射面へ吹きつけるレーザ溶射法におい
   て、 上記ガス流の中心軸を被溶射面に垂直に向けると共に、
   前記レーザ光線の高エネルギ密度部の光軸を上記ガス流
   の中心軸と、交差させて被溶射面からそらせたことを特
   徴とするレーザ溶射法。
2. （２）請求項（１）記載のレーザ溶射法において、その
   溶射材は金属、又は金属と無機物の混合物である線もし
   くは粉末であることを特徴とするレーザ溶射法。
3. （３）請求項（１）又は（２）記載のレーザ溶射法にお
   いて、ガス流のガスはアルゴン等の非反応性ガス、又は
   酸素、窒素等の反応性ガス、もしくはそれらの混合ガス
   であることを特徴とするレーザ溶射法。
4. （４）請求項（１）、（２）、（３）のどれか１項記載
   のレーザ溶射法において、その溶射材を送給するノズル
   は複数本併設し、それぞれから同時に溶射材を高エネル
   ギ密度部へ送給することを特徴とするレーザ溶射法。