JP2020131208A - レーザクラッド層形成方法及びレーザクラッド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】融点が５００℃以下である金属のレーザクラッド層を、ビードのダレ発生を防止しつつ効率的に形成可能なレーザクラッド層形成方法及びレーザクラッド装置を提供する。
【解決手段】レーザクラッド層形成方法は、母材Ｗの中心軸Ｃ周りの周面に対して融点が５００℃以下であるホワイトメタルのレーザクラッド層を形成する方法であって、母材Ｗ周面におけるレーザクラッド層の形成予定部に対して、ホワイトメタル粉末を供給しつつレーザ光を照射し、粉末を溶融させてビードを造形する造形工程Ｓ３と、造形工程Ｓ３の最中に、レーザ光の照射により形成される溶融池の大きさを制御する制御工程Ｓ５〜Ｓ６とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザクラッド層形成方法及びレーザクラッド装置に関する。

従来、研削盤等の軸を回転可能に支承する軸受金において、耐焼付き性を向上させるために、スズ系合金であるホワイトメタルの被膜を軸受金母材の内周部に粉末プラズマ溶射によって形成する方法が知られている（例えば、特許文献１、２等参照。）。

ところが、上述した従来技術では、溶射密度が低いため、仕上げ厚さに対して数倍の溶射厚さが必要であり、数十層を積層するために多くの工数を要し、材料歩留まりも低いという問題がある。また、粉末プラズマ溶射では材料の母材への密着強度が弱いため、母材にフラックスの塗布やショットブラスト等の下処理が必要である。

一方、金属の被膜を形成する別の方法として、レーザクラッド工法が知られている（例えば、特許文献３等参照。）。レーザクラッド工法によれば、密度の高い金属の被膜（レーザクラッド層）を効率的に形成できるという利点がある。

特開２００１−３３５９１４号公報 特開２００８−１９０６５６号公報 特開平９−６６３７９号公報

しかしながら、母材の中心軸周りの周面にホワイトメタルなどの低融点金属（例えば融点が５００℃以下の金属や合金）のレーザクラッド層を形成する場合、融点が低いために凝固に時間がかかり、レーザ照射によって熱を持った母材を傾けるとビードのダレが発生して品質低下を招き易くなるという問題がある。

本発明は、融点が５００℃以下である金属のレーザクラッド層を、ビードのダレ発生を防止しつつ効率的に形成可能なレーザクラッド層形成方法及びレーザクラッド装置を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザクラッド層形成方法は、母材の中心軸周りの周面に対して融点が５００℃以下である金属の粉末を供給しつつ前記粉末にレーザ照射部よりレーザ光を照射し、溶融した粉末により前記母材の周面上に前記金属のレーザクラッド層を形成する方法である。

そして、本発明に係るレーザクラッド層形成方法は、前記母材周面における前記レーザクラッド層の形成予定部に対して、前記粉末を供給しつつレーザ光を照射し、前記粉末を溶融させてビードを造形する造形工程と、前記造形工程の最中に、前記レーザ光の照射により形成される溶融池の大きさを制御する制御工程と、を有する。

この方法によれば、レーザ光を照射することにより形成される金属の溶融池の大きさを制御しつつビードの造形を行うことにより、溶融池の拡大に起因するビードのダレを防止しつつレーザクラッド層を形成することができるという効果を奏する。

本発明に係るレーザクラッド装置は、融点が５００℃以下である金属の粉末を供給しつつレーザ光を照射するレーザ照射部と、前記レーザ照射部と母材とを相対的に移動させる移動機構と、前記母材の中心軸周りの周面におけるレーザクラッド層の形成予定部に対して、前記移動機構を介して前記レーザ照射部と前記母材とを相対的に移動させつつ、前記レーザ照射部より前記粉末を供給しつつレーザ光を照射し、前記粉末を溶融させてビードを造形すると共に、その造形の最中に、前記レーザ光の照射により形成される溶融池の大きさを制御する制御部と、を備える。

この構成によれば、移動機構を介してレーザ照射部と母材とを相対的に移動させつつ、レーザ照射部より粉末を供給しつつレーザ光を照射し、粉末を溶融させてビードを造形すると共に、その造形の最中に、レーザ光の照射により形成される溶融池の大きさを制御部により制御することにより、溶融池の拡大に起因するビードのダレを防止しつつレーザクラッド層を形成することができるという効果を奏する。

第１実施形態に係るレーザクラッド装置の構成及び母材との位置関係を示す全体構成図である。 第１実施形態に係るレーザクラッド装置のレーザトーチ先端部を拡大して示す側面図である。 第１実施形態に係るレーザクラッド層形成方法の全体の流れを示すフローチャートである。 第１実施形態において母材の内周面にビードを造形する様子を模式的に示す斜視図である。 第１実施形態において母材の内周面におけるビードの造形経路を示す斜視図である。 第２実施形態に係るレーザクラッド装置の構成及び母材との位置関係を示す全体構成図である。 第２実施形態において母材の外周面にビードを造形する様子を模式的に示す斜視図である。 第２実施形態において母材の外周面におけるビードの造形経路を示す斜視図である。 第３実施形態に係るレーザクラッド装置の構成及び母材との位置関係を示す全体構成図である。 第３実施形態に係るレーザクラッド層形成方法の全体の流れを示すフローチャートである。 変形例において母材の内周面におけるビードの造形経路を示す斜視図である。

以下、本発明のレーザクラッド層形成方法及びレーザクラッド装置の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。
（１．第１実施形態）
（１−１．レーザクラッド装置１の全体構成）
第１実施形態のレーザクラッド装置１の構成について、図１を参照しつつ説明する。図１は、第１実施形態に係るレーザクラッド装置１の構成及び母材Ｗとの位置関係を示す全体構成図である。図２は、レーザクラッド装置１のレーザトーチ３０先端部を拡大して示す側面図である。

レーザクラッド装置１は、母材Ｗの周面に融点が５００℃以下である金属のレーザクラッド層を形成する装置である。本実施形態では、融点が５００℃以下である金属として、スズ系金属のレーザクラッド層を形成する例を用いて説明する。スズ系金属とは、スズ（Ｓｎ）、及びスズを主成分とするスズ合金である。スズ合金としては、例えば、スズとともに、銅（Ｃｕ）、鉛（Ｐｂ）、亜鉛（Ｚｎ）、銀（Ａｇ）、ビスマス等の金属を組成とするものを挙げることができる。本実施形態では、スズ系金属の一例としてホワイトメタルを用いることとする。ホワイトメタルは、ＪＩＳ５４０１に記載されるスズ系合金であり、スズを主成分とし、アンチモンや銅などを含有する合金である。母材Ｗは、内周面と外周面とを有する円筒状部材である。本実施形態においては、母材Ｗとして、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ鋼）等の鉄系金属材料からなり、研削盤等の軸を回転可能に支承する軸受金を例に挙げる。ただし、母材Ｗは、軸受金に限られるものではない。

レーザクラッド装置１は、図１に示すように、レーザ光照射機構１０と、回転機構５０と、制御部６０とを備えて構成される。レーザ光照射機構１０は、レーザ発振器２０と、レーザトーチ３０と、移動機構４０とを備えて構成される。

レーザ発振器２０は、レーザトーチ３０基端側の外周面に取り付けられて、レーザ光Ｌをレーザトーチ３０の径方向内側へ出射する。レーザ発振器２０は、レーザ光の出力を可変することができる。具体的には後で詳述するように、制御部６０が、撮像部３５から送られた溶融池の画像データに基づいてレーザ発振器２０を制御することにより、レーザ光の出力が可変される。レーザトーチ３０は、円筒状の本体３１と、本体３１の内部に配設される光学系３２と、粉末供給部３３と、撮像部３５とを備えている。本体３１の先端近傍における下側の側面に出射口３１ａが形成されている。レーザ発振器２０及びレーザトーチ３０が、本発明のレーザ照射部を構成するものである。

光学系３２は、第１反射部３２ａと、コリメーションレンズ３２ｂと、フォーカスレンズ３２ｃと、第２反射部３２ｄと、ハーフミラー３２ｅとを備えている。第１反射部３２ａは、レーザトーチ３０基端側の内部に配置され、レーザ発振器２０から出射された径方向のレーザ光Ｌを軸方向先端側へ反射する。コリメーションレンズ３２ｂは、凸レンズであって、第１反射部３２ａによって反射されて拡散しながら入射したレーザ光Ｌを平行光に変換し、フォーカスレンズ３２ｃへ導く。フォーカスレンズ３２ｃは、凸レンズであって、コリメーションレンズ３２ｂによって平行光に変換されたレーザ光Ｌを集光して収束光に変換し、第２反射部３２ｄへ導く。尚、コリメーションレンズ３２ｂ及びフォーカスレンズ３２ｃをそれぞれ複数配置する構成としてもよい。

第２反射部３２ｄは、出射口３１ａを臨む本体３１先端近傍の内部に配置され、コリメーションレンズ３２ｂ、フォーカスレンズ３２ｃを経て集光されたレーザ光Ｌを斜め下向きに反射させる。例えば、レーザ光Ｌは、図２に示すように、第２反射部３２ｄへ入射したレーザ光Ｌを本体３１軸線方向に対して下向きの角度θＬ方向へ反射し、出射口３１ａを通して母材Ｗに照射される。角度θＬは、例えば、１２０°に設定してもよい。第２反射部３２ｄは、さらに、母材Ｗ周面において出射口３１ａを通してレーザ光Ｌが照射される領域の反射像を、レーザ光Ｌの進行方向とは逆向きの同軸方向へ送る。ハーフミラー３２ｅは、コリメーションレンズ３２ｂとフォーカスレンズ３２ｃとの間でレーザ光Ｌの光軸上に配置され、第１反射部３２ａから第２反射部３２ｄに向かって進むレーザ光Ｌを透過させると共に、第２反射部３２ｄからフォーカスレンズ３２ｃを経て送られた母材Ｗ周面におけるレーザ光Ｌ照射領域の反射像を撮像部３５に向かって反射させる。

粉末供給部３３は、出射口３１ａの基端側近傍に配置され、不活性シールドガスの吹き出しに伴って、ホワイトメタルの粉末を母材Ｗのレーザ光照射面に供給する。例えば、粉末供給部３３は、図２に示すように、ホワイトメタルの粉末を本体３１軸線方向に対して下向きの角度θＰ方向へ供給する。角度θＰは、例えば、１５０°に設定してもよい。

撮像部３５は、公知のＣＣＤ（charge-coupled device）やＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor）イメージセンサ等の撮像素子を使ったカメラによって構成される。撮像部３５は、本体３１の基端寄り側面にハーフミラー３２ｅに対向して配置され、ハーフミラー３２ｅによって反射された母材Ｗ周面におけるレーザ光Ｌの照射領域の反射像の画像を撮像し、画像データを制御部６０へ送る。従って、レーザ光Ｌの照射によって金属（ホワイトメタル）の溶融池が形成されている場合、第２反射部３２ｄ、フォーカスレンズ３２ｃ及びハーフミラー３２ｅを経て送られる溶融池の反射像が撮像部３５により撮像され、溶融池の画像データが制御部６０へ送られる。

移動機構４０は、レーザトーチ３０と母材Ｗとを相対的に軸方向移動させる機構である。移動機構４０は、レーザトーチ３０を保持して軸方向に水平移動させることが可能な公知の機構、例えばロボットアームによって構成することができる。

回転機構５０は、母材Ｗの軸方向が水平となるように保持しつつ、母材Ｗを中心軸Ｃ周りに回転させる機構である。回転機構５０は、例えば、母材Ｗの軸方向端部を把持するチャックと、チャックを中心軸Ｃ周りに回転させるサーボモータとを備えて構成される。

制御部６０は、図示しないＣＰＵと、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータであって、レーザ光照射機構１０の各部及び回転機構５０の動作を制御することにより、レーザクラッド層形成方法の各工程を実行する。また、制御部６０は、撮像部３５から送られる画像データに公知の画像認識処理を実行することによって、母材Ｗへのレーザ光照射により形成される溶融池の大きさを認識する。

（１−２．レーザクラッド層形成方法）
次に、レーザクラッド装置１を用いたレーザクラッド層形成方法について、図３乃至図５を参照しつつ説明する。図３は、レーザクラッド層形成方法の流れを示すフローチャートであり、図４は、母材Ｗの内周面にレーザクラッド層形成方法を施す様子を模式的に示す説明図であり、母材Ｗの一部を斜視にて示している。図５は、母材Ｗの内周面におけるビードの造形経路を示す斜視図である。

本実施形態のレーザクラッド層形成方法は、母材Ｗの中心軸Ｃ周りの内周面に対し、レーザトーチ３０を介して融点が５００℃以下の金属であるホワイトメタルの粉末を供給しつつレーザ光を照射し、粉末を溶融させて母材Ｗの内周面上にホワイトメタルのレーザクラッド層を形成する方法であり、制御部６０によって実行される。レーザトーチ３０は、母材Ｗの内周に形成される空間に基端側から挿入され、移動機構４０によって出射口３１ａを真下に向けて水平に保持されている。

まず、図３のフローチャートに示すように、ステップ１（以下、Ｓ１と略記する。他のステップも同様。）で、レーザトーチ３０を開始位置へ移動させる。例えば、母材Ｗの第１端（先端）から第２端（基端）に向かってビードを造形する場合、レーザトーチ３０の出射口３１ａが母材Ｗの内周面第１端（先端）近傍近に対向する状態が開始位置となる。

次に、Ｓ２で、レーザ発振器２０のレーザ出力を所定の基準値に初期設定する。続いて、Ｓ３で、造形工程を実行する。具体的には、母材Ｗの内周面においてレーザトーチ３０の真下に位置する領域に対して、粉末供給部３３よりホワイトメタルの粉末を供給しつつレーザ光を照射し、粉末を溶融させてビードを造形する。詳細には、レーザ光が照射された母材Ｗが溶融池を形成し、溶融池に粉末が供給されたり、粉末自体にレーザ光があたることで粉末が溶融されビードが造形される。同時に、移動機構４０によりレーザトーチ３０を母材Ｗの軸方向第２端に向かって一定速度で相対的に移動させつつ、回転機構５０によって母材Ｗを軸方向が水平となるように保持して一定速度で反時計回りに回転させる。母材Ｗは、回転機構５０によって軸方向が水平となるように保持され、常に、母材Ｗ内周面の法線方向が鉛直上向きとなる最下位置で、出射口３１ａを介して照射されるレーザ光Ｌにより金属の溶融池が形成される。このようにして、図５に破線及び矢印にて示す経路で母材Ｗの内周面にビードが螺旋状に造形されていく。造形工程Ｓ３は、予定領域のビード造形が終了するまで継続して実行される。

次に、Ｓ４で、母材Ｗ内周面におけるレーザクラッド層の形成予定領域へのビード造形が終了したか否かを判定する。例えば、造形開始時点からの移動機構４０によるレーザトーチ３０の軸方向総移動量や、回転機構５０による母材Ｗの総回転量によって、形成予定領域全体へビード造形が終了したか否かを判定可能である。

予定領域へのビード造形が終了していない場合（Ｓ４：Ｎｏ）、Ｓ５で、撮像部３５によって撮像された画像に基づいて溶融池の大きさが所定範囲内か否かを判定する。ここで、「所定範囲」は、ビードのダレが発生しない範囲の溶融池の大きさであり、具体的には、溶融池の面積でもよいし、面積に代えて直径でもよい。溶融池の大きさが所定範囲内の場合（Ｓ５：Ｙｅｓ）、Ｓ３へ戻って造形工程Ｓ３を続行する。

溶融池の大きさが所定範囲外の場合（Ｓ５：Ｎｏ）、Ｓ６でレーザ出力可変制御を行う。具体的には、溶融池の大きさが所定範囲を上回っている場合、レーザ発振器２０のレーザ出力を所定値だけ増大させる。一方、溶融池の大きさが所定範囲を下回っている場合、レーザ発振器２０のレーザ出力を所定値だけ減少させる。Ｓ６でレーザ出力可変制御を実行した後、Ｓ３へ戻って造形工程Ｓ３を続行する。Ｓ４で、予定領域へのビード造形が終了した場合（Ｓ４：Ｙｅｓ）、全工程を終了する。尚、Ｓ５〜Ｓ６のステップが、本発明における「造形工程の最中に、レーザ光の母材Ｗへの照射により形成される溶融池の大きさを制御する制御工程」に対応し、Ｓ５のステップが、「溶融池の大きさを検知する検知工程」に対応する。

（１−３．まとめ）
上述したように、融点が５００℃以下である金属の溶融池は徐々に広がってビードのダレが発生しやすくなるが、本実施形態のレーザクラッド装置１によれば、レーザ光を照射することにより形成される溶融池の大きさを制御しつつビードの造形を行うことにより、溶融池の拡大に起因するビードのダレを防止しつつレーザクラッド層を連続的に形成することができるレーザクラッド層形成方法を確実に実施できるという効果を奏する。

また、本実施形態では、Ｓ５〜Ｓ６の制御工程は、溶融池の大きさが所定範囲となるように造形工程Ｓ３における制御パラメータを調整する。これにより、溶融池の大きさが、ビードのダレが発生しない所定範囲に維持されることにより、ビードのダレが確実に防止される。具体的には、Ｓ５〜Ｓ６の制御工程において、造形工程Ｓ３が実行されている最中に、レーザ発振器２０におけるレーザ光の出力を可変することにより、溶融池の大きさを確実に制御することができる。特に、溶融池の大きさを撮像部３５からの画像データに基づいて検知する検知工程としてＳ５のステップを実行し、その検知結果に基づいてＳ６でレーザ出力を可変して溶融池の大きさを制御するので、溶融池の現在の状態に即した制御を行うことにより、ビードのダレを効果的に防止することができる。

特に、本実施形態では、レーザトーチ３０を母材Ｗの内周に挿入配置し、母材Ｗの回転による位相決めと、レーザトーチ３０の軸方向移動との繰り返しにより、ビードのダレを防止しつつ母材Ｗの内周面全体にレーザクラッド層を効率的に形成することができる。

また、母材Ｗは円筒状部材であり、その内周面にレーザクラッド層の形成予定部が設定され、造形工程Ｓ３は、母材Ｗを軸方向が水平となるように保持し、母材Ｗ内周面におけるビードの造形予定位置の法線方向が鉛直上向きである鉛直最下方となるよう母材Ｗを回転させると同時に、母材Ｗとレーザトーチ３０とを相対的に軸方向移動させながら、ホワイトメタル粉末を供給しつつレーザ光を照射し、粉末を溶融させて母材Ｗ内周面にビードを螺旋状に造形する。よって、溶融池の大きさを制御してビードのダレを防止しつつ、母材Ｗ内周面にビードを連続的に造形し、効率的にレーザクラッド層を形成することができる。

（２．第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６〜図８を参照しつつ説明する。図６は、第２実施形態に係るレーザクラッド装置１の構成及び母材Ｗとの位置関係を示す全体構成図である。図７は、第２実施形態において母材Ｗの外周面にビードを造形する様子を模式的に示す斜視図である。図８は、第２実施形態において母材Ｗの外周面におけるビードの造形経路を示す斜視図である。

第１実施形態では、レーザクラッド層を母材Ｗの内周面に形成する例を示したが、本変形例では母材Ｗの外周面にレーザクラッド層を形成する点が異なっている。すなわち、レーザクラッド装置１の構成は第１実施形態と同様であり、レーザトーチ３０と母材Ｗとの位置関係が異なっている。具体的には、上記実施形態では、レーザトーチ３０を母材Ｗの内周に挿入配置して出射口３１ａを内周面に対向させるようにしたが、本実施形態では、図６に示すように、レーザトーチ３０を母材Ｗの鉛直上方に配置し、出射口３１ａを外周面に対向させるようにしている。また、レーザクラッド層形成方法における工程の流れは上記実施形態と同様である。上記実施形態と同様の内容については詳細な説明を省略すると共に、同一部材には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。

図３のフローチャートに示すように、Ｓ１では、レーザトーチ３０を開始位置へ移動させる。例えば、本実施形態では、母材Ｗの第１端（基端）から第２端（先端）に向かってビードを造形する場合、レーザトーチ３０の出射口３１ａが母材Ｗの外周面第１端（基端）近傍に対向する状態が開始位置となる。

次に、Ｓ２で、レーザ発振器２０のレーザ出力を基準値に初期設定する。続いて、Ｓ３で、造形工程を実行する。具体的には、母材Ｗの外周面においてレーザトーチ３０の真下に位置する領域に対して、粉末供給部３３よりホワイトメタルの粉末を供給しつつレーザ光を照射し、粉末を溶融させてビードを造形する。同時に、移動機構４０によりレーザトーチ３０を母材Ｗの軸方向第２端に向かって一定速度で相対的に移動させつつ、回転機構５０によって母材Ｗを軸方向が水平となるように保持して一定速度で反時計回りに回転させる。母材Ｗは、回転機構５０によって軸方向が水平となるように保持され、常に、母材Ｗ外周面の法線方向が鉛直上向きとなる最上位置で、出射口３１ａを介して照射されるレーザ光Ｌにより金属の溶融池が形成される。このようにして、図８に破線及び矢印にて示す経路で母材Ｗの外周面にビードが造形されていく。

次に、Ｓ４で、母材Ｗ外周面におけるレーザクラッド層の形成予定領域へのビード造形が終了したか否かを判定する。例えば、造形開始時点からの移動機構４０によるレーザトーチ３０の軸方向総移動量や、回転機構５０による母材Ｗの総回転量によって、形成予定領域全体へビード造形が終了したか否かを判定可能である。

予定領域へのビード造形が終了していない場合（Ｓ４：Ｎｏ）、Ｓ５で、撮像部３５によって撮像された画像に基づいて溶融池の大きさが所定範囲内か否かを判定する。溶融池の大きさが所定範囲内の場合（Ｓ５：Ｙｅｓ）、Ｓ３へ戻って造形工程Ｓ３を続行する。

溶融池の大きさが所定範囲外の場合（Ｓ５：Ｎｏ）、Ｓ６でレーザ出力可変制御を行う。具体的には、溶融池の大きさが所定範囲を上回っている場合、レーザ発振器２０のレーザ出力を所定値だけ増大させる。一方、溶融池の大きさが所定範囲を下回っている場合、レーザ発振器２０のレーザ出力を所定値だけ減少させる。Ｓ６でレーザ出力可変制御を実行した後、Ｓ３へ戻って造形工程Ｓ３を続行する。Ｓ４で、予定領域へのビード造形が終了した場合（Ｓ４：Ｙｅｓ）、全工程を終了する。

本実施形態では、母材Ｗは円筒状又は円柱状部材であり、その外周面にレーザクラッド層の形成予定部が設定され、造形工程Ｓ３は、母材Ｗを軸方向が水平となるように保持し、ビードの造形予定位置が外周面において鉛直最上方となるように母材を位相決めした状態で行われる。本実施形態においても、上述した第１実施形態と同様の効果を奏する。すなわち、レーザトーチ３０を母材Ｗの外周面の鉛直上方に配置し、レーザ光を照射することにより形成される溶融池の大きさを制御しつつビードの造形を行うことにより、ビードのダレを防止しつつレーザクラッド層を連続的に形成することができるという効果を奏する。

（３．第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図９、図１０を参照しつつ説明する。図９は、第２実施形態に係るレーザトーチ３０先端部を示す拡大図である。上記実施形態では、ホワイトメタルの溶融池の大きさを制御するために、ビードの造形における制御パラメータの一つであるレーザ出力を可変するようにしたが、本実施形態では、別の制御パラメータである母材Ｗに対する冷却力を可変するようにしたものである。

本実施形態では、図９に示すように、上記第１実施形態における各構成に加え、加熱冷却可能な温度調節槽７０を備え、温度調節槽７０内に母材Ｗ全体を設置している。温度調節槽７０は、母材Ｗに対する冷却力を可変することができるものである。

まず、図１０のフローチャートに示すように、Ｓ１１で、レーザトーチ３０を開始位置へ移動させる。次に、Ｓ１２で、温度調節槽７０の初期設定、すなわち、冷却力を所定の基準値に初期設定する。続いて、Ｓ１３で、造形工程を実行する。次に、Ｓ１４で、母材Ｗ内周面におけるレーザクラッド層の形成予定領域へのビード造形が終了したか否かを判定する。予定領域へのビード造形が終了していない場合（Ｓ１４：Ｎｏ）、Ｓ１５で、撮像部３５によって撮像された画像に基づいて溶融池の大きさが所定範囲内か否かを判定する。溶融池の大きさが所定範囲内の場合（Ｓ１５：Ｙｅｓ）、Ｓ１３へ戻って造形工程Ｓ１３を続行する。

溶融池の大きさが所定範囲外の場合（Ｓ１５：Ｎｏ）、Ｓ１６で温度調節槽７０の冷却力可変制御を行う。具体的には、溶融池の大きさが所定範囲を上回っている場合、温度調節槽７０の冷却力を所定値だけ増大させる。これにより、母材Ｗの温度が下降し、溶融池の大きさが徐々に縮小する。一方、溶融池の大きさが所定範囲を下回っている場合、温度調節槽７０の冷却力を所定値だけ減少させる。これにより、母材Ｗの温度が上昇し、溶融池の大きさが徐々に拡大する。Ｓ１６で冷却力可変制御を実行した後、Ｓ１３へ戻って造形工程Ｓ１３を続行する。Ｓ１４で、予定領域へのビード造形が終了した場合（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、全工程を終了する。尚、Ｓ１５〜Ｓ１６のステップが、本発明における制御工程に対応し、Ｓ１５のステップが、検知工程に対応する。

本実施形態によれば、制御工程Ｓ１５〜Ｓ１６において、造形工程Ｓ１３の最中に、温度調節槽７０で母材Ｗに対する冷却力を可変することにより溶融池の大きさを制御する。よって、本実施形態においても、上述した第１実施形態と同様に、レーザ光を照射することにより形成される溶融池の大きさを制御しつつビードの造形を行うことにより、ビードのダレを防止しつつレーザクラッド層を連続的に形成することができるという効果を奏する。

（４．その他の変形例）
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々に変更を施すことが可能である。上記実施形態では、研削盤等の軸を回転可能に支承する軸受金を母材Ｗとした例を示したが、これには限られず、船舶や自動車のエンジン、タービン、発電機などにおいてすべり軸受で支承する部分の軸受金に適用してもよい。要するに、中心軸周りに周面を有する如何なる母材の加工にも本発明のレーザクラッド層形成方法を適用することが可能である。また、融点が５００℃以下である金属としてホワイトメタルを用いてレーザクラッド層を形成する例を示したが、ホワイトメタル以外のスズ系合金でもよく、融点が５００℃以下であるスズ系合金以外の金属を用いてもよい。

また、第１実施形態では円筒状の母材Ｗの内周面に、第２実施形態では円柱状の母材Ｗの外周面にレーザクラッド層を形成する例を示したが、母材Ｗの形状やレーザクラッド層を形成する周面はこれらに限られない。筒状の母材における多角形状の内周面をレーザクラッド層の形成対象としてもよいし、多角柱状の母材における外周面を同じく形成対象としてもよい。要するに、母材の中心軸周りの周面をレーザクラッド層の形成対象とすることができる。

また、上記第３実施形態において、造形工程Ｓ１３実行後に母材Ｗを温度調節槽７０で再加熱する再加熱工程を設けるようにしてもよい。本変形例によれば、再加熱工程でビードが時間をかけてゆっくり冷却されるため、レーザクラッド層をより均一で高品質とすることができる。

また、上記第１実施形態では、母材Ｗ内周面に螺旋状にビードを造形する例を示したが、これには限られない。例えば、造形工程Ｓ３において、母材Ｗを軸方向が水平となるように保持し、母材Ｗ内周面におけるビードの造形予定位置の法線方向が鉛直上向きとなるよう母材Ｗを回転させながら、ホワイトメタル粉末を供給しつつ粉末にレーザ光を照射し、粉末を溶融させて母材Ｗ内周面にビードを環状に造形する工程と、母材Ｗとレーザトーチ３０とをビードの幅分だけ相対的に軸方向移動させる工程とを繰り返すようにしてもよい。本変形例によれば、母材Ｗ内周面に環状のビードが軸方向に順次隣接して造形されることにより、母材Ｗ内周面全体にレーザクラッド層を形成することができる。同様に、上記第２実施形態において、上記変形例と同様の工程を実行すれば、母材Ｗ外周面に環状のビードが軸方向に順次隣接して造形されることにより、母材Ｗ外周面全体にレーザクラッド層を形成することができる。

或いは、上記各実施形態や変形例のビード造形方法に代えて、図１１に示すように、母材Ｗ周面における形成予定部を、各々が周方向に９０度以下となる複数の領域に区画し（区画工程）、母材Ｗを軸方向が水平となるように保持し、複数の領域のうち一領域内の母材Ｗ周面の法線方向が、鉛直上向きを基準に所定角度範囲内となるように母材Ｗを位相決めして（位相決め工程）、レーザトーチ３０を母材Ｗ先端と基端との間で軸方向移動させて母材Ｗ周面にビードを造形し（造形工程）、各領域に対して位相決め工程と造形工程とを繰り返し、母材Ｗ周面の形成予定部全体にビードを造形することによりレーザクラッド層を形成するようにしてもよい。

本変形例において、各領域の区画は、制御部６０の内部処理で行われるものであるが、理解を容易とするため、図１１では隣接する各領域の境界を破線にて示している。本変形例によれば、ビードの造形中に母材Ｗを回転させないので、レーザ光照射によって熱を持った母材Ｗを傾けることに起因するビードのダレ発生を抑制することができるという効果を奏する。尚、本変形例を、第２実施形態のように、母材Ｗの外周面におけるレーザクラッド層形成に適用することも可能である。

また、上記各実施形態では、撮像部３５によりレーザ光Ｌが照射される領域の画像を撮像し、画像データに基づいて溶融池の大きさを検知するようにしたが、これには限られない。例えば、母材Ｗの温度を温度センサによって計測し、母材Ｗの温度から溶融池の大きさを推定して検知するようにしてもよい。或いは、母材Ｗの形状や大きさ、環境温度等を同一条件としてレーザクラッド工法を実施する場合、予め実験やシミュレーションに基づいてレーザ出力や冷却力の最適な可変パターンを設定しておけば、Ｓ５又はＳ１５の検知工程を省略してもよい。本変形例によれば、母材Ｗ周面におけるビード造形の進捗に合わせて設定された一定パターンでレーザ出力や冷却力を可変することにより、溶融池の大きさを制御してビードのダレを防止することができる。

また、上記第３実施形態では、母材Ｗを温度調節槽７０内に設置し、母材Ｗ全体を冷却して溶融池の大きさを制御するようにしたが、母材Ｗの溶融池周辺のみを冷却して溶融池の大きさを制御するようにしてもよい。例えば、溶融池周辺に向かって冷却風を吹き付けて冷却するようにしてもよい。

Ｗ…母材、Ｃ…中心軸、１…レーザクラッド装置、１０…レーザ光照射機構、２０…レーザ発振器（レーザ照射部）、３０…レーザトーチ（レーザ照射部）、４０…移動機構、５０…回転機構、６０…制御部、７０…温度調節槽、Ｓ３，Ｓ１３…造形工程、Ｓ５〜Ｓ６，Ｓ１５〜Ｓ１６…制御工程、Ｓ５，Ｓ１５…検知工程。

Claims (14)

1. 母材の中心軸周りの周面に対して融点が５００℃以下である金属の粉末を供給しつつ前記粉末にレーザ照射部よりレーザ光を照射し、前記粉末を溶融させて前記母材の周面上に前記金属のレーザクラッド層を形成する方法であって、
   前記母材周面における前記レーザクラッド層の形成予定部に対して、前記粉末を供給しつつ前記粉末にレーザ光を照射し、前記粉末を溶融させてビードを造形する造形工程と、
   前記造形工程の最中に、前記レーザ光の照射により形成される溶融池の大きさを制御する制御工程と、
   を有するレーザクラッド層形成方法。
2. 前記制御工程は、前記溶融池の大きさが所定範囲となるように、前記造形工程における制御パラメータを調整する、請求項１に記載のレーザクラッド層形成方法。
3. 前記制御工程は、前記造形工程の最中に、前記レーザ照射部における前記レーザ光の出力を可変することにより前記溶融池の大きさを制御する、請求項２に記載のレーザクラッド層形成方法。
4. 前記制御工程は、前記造形工程の最中に、少なくとも前記溶融池の周辺を冷却することにより前記溶融池の大きさを制御する、請求項２又は３に記載のレーザクラッド層形成方法。
5. 前記制御工程は、冷却力を可変することにより前記溶融池の大きさを制御する、請求項４に記載のレーザクラッド層形成方法。
6. 前記制御工程は、前記溶融池の大きさを検知する検知工程を有し、その検知結果に基づいて前記溶融池の大きさを制御する、請求項１乃至５の何れか一項に記載のレーザクラッド層形成方法。
7. 前記造形工程は、前記母材を軸方向が水平となるように保持し、前記母材周面における前記ビードの造形予定位置の法線方向が鉛直上向きとなるよう前記母材を回転させると同時に、前記母材と前記レーザ照射部とを相対的に軸方向移動させながら、前記粉末を供給しつつレーザ光を照射し、前記粉末を溶融させて前記母材周面に前記ビードを螺旋状に造形する、請求項１乃至６の何れか一項に記載のレーザクラッド層形成方法。
8. 前記造形工程は、前記母材を軸方向が水平となるように保持し、前記母材周面における前記ビードの造形予定位置の法線方向が鉛直上向きとなるよう前記母材を回転させながら、前記粉末を供給しつつレーザ光を照射し、前記粉末を溶融させて前記母材周面に前記ビードを環状に造形する工程と、前記母材と前記レーザ照射部とを前記ビードの幅分だけ相対的に軸方向移動させる工程とを繰り返す、請求項１乃至６の何れか一項に記載のレーザクラッド層形成方法。
9. 前記母材周面における前記形成予定部を、各々が周方向に９０度以下となる複数の領域に区画する区画工程と、
   前記母材を軸方向が水平となるように保持し、前記複数の領域のうち一領域内の前記母材周面の法線方向が、鉛直上向きを基準に所定角度範囲内となるように前記母材を位相決めする位相決め工程と、
   を有し、
   前記造形工程は、前記母材が位相決めされた状態で、前記一領域に対して前記粉末を供給しつつレーザ光を照射し、前記粉末を溶融させてビードを造形するものであり、
   前記各領域に対して前記位相決め工程と前記造形工程とを繰り返し、前記形成予定部の全体に前記ビードを造形することにより前記レーザクラッド層を形成する、請求項１乃至６の何れか一項に記載のレーザクラッド層形成方法。
10. 前記母材は円筒状部材であり、その内周面に前記レーザクラッド層の形成予定部が設定され、
    前記造形工程は、前記母材を軸方向が水平となるように保持し、前記ビードの造形予定位置が前記内周面において鉛直最下方となるように前記母材を位相決めした状態で行われる、請求項１乃至９の何れか一項に記載のレーザクラッド層形成方法。
11. 前記母材は円筒状又は円柱状部材であり、その外周面に前記レーザクラッド層の形成予定部が設定され、
    前記造形工程は、前記母材を軸方向が水平となるように保持し、前記ビードの造形予定位置が前記外周面において鉛直最上方となるように前記母材を位相決めした状態で行われる、請求項１乃至９の何れか一項に記載のレーザクラッド層形成方法。
12. 前記ビードが周面に造形された前記母材を再加熱する再加熱工程を有する、請求項１乃至１１の何れか一項に記載のレーザクラッド層形成方法。
13. 前記金属は、スズ系合金である、請求項１乃至１２の何れか一項に記載のレーザクラッド層形成方法。
14. 融点が５００℃以下である金属の粉末を供給しつつレーザ光を照射するレーザトーチと、
    前記レーザトーチと母材とを相対的に移動させる移動機構と、
    前記母材の中心軸周りの周面におけるレーザクラッド層の形成予定部に対して、前記移動機構を介して前記レーザトーチと前記母材とを相対的に移動させつつ、前記レーザトーチより前記粉末を供給しつつレーザ光を照射し、前記粉末を溶融させてビードを造形すると共に、その造形の最中に、前記レーザ光の照射により形成される溶融池の大きさを制御する制御部と、
    を備える、レーザクラッド装置。

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