JP6706008B2

JP6706008B2 - 粉体供給装置

Info

Publication number: JP6706008B2
Application number: JP2016235004A
Authority: JP
Inventors: 幸治笠原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-12-02
Filing date: 2016-12-02
Publication date: 2020-06-03
Anticipated expiration: 2036-12-02
Also published as: JP2018090376A

Description

本発明は、輸送管内のガスの流れを利用して粉体を輸送する粉体供給装置に関する。

レーザクラッド加工は、シリンダヘッドのバルブシート部の耐食性、耐摩耗性、および耐衝撃性を高めることが知られている。レーザクラッド加工は、肉盛加工とも称され、高出力のレーザ光を加工対象に照射することで溶融池を形成し、当該溶融池にシールドガスの流れによって運ばれた金属粉末を供給することにより、加工対象の表面局部に異種金属の被膜（以下「クラッド層」と称する）を形成する。より高い品質のクラッド層を得るには、レーザ出力を金属粉末の供給量に応じて精密に制御する必要がある。そこで、肉盛量のばらつきを抑制してクラッド層の品質を高めるには、同軸クラッドノズルへの金属粉末の供給量を均一化させる必要がある。

特許文献１には、同軸クラッドノズルの吐出口の円周上で金属粉末を同時に吐出する供給配管において、供給量の均一性を確保するため、フィーダから同軸クラッドノズルの各供給路までの配管長さを等しくすることが記載されている。当該供給配管では、上流側の配管の傾きや湾曲の程度に起因して金属粉末が配管の一方の側に偏った場合、下流側の配管の一方に、より多量の金属粉末が分配され、その結果、肉盛量がばらつくという問題がある。

特開２０１５−２１７３９７号公報

そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、粉体の供給量のばらつきを抑制することが可能な粉体供給装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ガスの流れを利用して粉体を輸送する粉体供給装置であって、第１輸送管と、前記第１輸送管を二方に分岐させた一方の第２輸送管および他方の第３輸送管と、を有し、前記第２輸送管と前記第３輸送管とは、前記第１輸送管の中心線を対称軸として対称に配置され、前記第１輸送管は、上流側から下流端に至る過程で、断面積が不変で、かつ、下流端における管路断面の、前記第２輸送管の中心線と前記第３輸送管の中心線とを含む平面上の幅が、上流側の管路断面の、前記平面上の幅より狭いことを特徴とする。

本発明によれば、粉体の供給量のばらつきを抑制することができる。

本実施形態の粉体供給装置が適用されたレーザクラッド加工装置の斜視図である。本実施形態の粉体供給装置における供給配管の概念図である。本実施形態の粉体供給装置における管継手の平面図である。本実施形態の粉体供給装置における管継手の側面図である。本実施形態の説明図であり、第１管路の上流端の断面形状を示す円形と、第１管路の下流端の断面形状を示す楕円形とを重ね合わせた図である。他の実施形態の説明図である。他の実施形態の説明図である。他の実施形態の説明図である。

本発明の一実施形態を添付した図を参照して説明する。
図１は、本実施形態の粉体供給装置１１が適用されたレーザクラッド加工装置１の斜視図である。なお、レーザクラッド加工装置１の加工対象を、シリンダヘッド２のバルブシート部（図示省略）とする。そして、レーザクラッド加工装置１は、高出力のレーザ光をシリンダヘッド２のバルブシート部に照射して溶融池を形成し、当該溶融池にシールドガスの流れによって運ばれた金属粉末を供給する。これにより、バルブシート部には、異種金属（例えば銅を主成分とする材料）からなるクラッド層が形成される。

レーザクラッド加工装置１は、シリンダヘッド２を保持するワーク保持部３と、シリンダヘッド２のバルブシート部にレーザビームを照射し、かつ、シールドガスおよび金属粉末を供給するレーザクラッド加工ヘッド４と、レーザクラッド加工ヘッド４へシールドガスおよび金属粉末を供給する粉体供給装置１１とを備える。レーザクラッド加工ヘッド４は、レーザビームを発生させるレーザ発生部５と、レーザ発生部５で発生させたレーザビームを集光させる光学系６と、レーザビームの照射軸に対して同心に配置される同軸クラッドノズル７とを有する。

粉体供給装置１１は、金属粉末を貯留するホッパ１２と、ホッパ１２内の金属粉末をシールドガスの流れによって送り出すフィーダ１３と、フィーダ１３から送り出されたシールドガスおよび金属粉末をレーザクラッド加工ヘッド４の同軸クラッドノズル７へ供給するための供給配管１４とを有する。レーザクラッド加工装置１は、レーザクラッド加工ヘッド４および粉体供給装置１１と通信可能な制御装置（図示省略）を備える。制御装置は、粉体供給装置１１のフィーダ１３からレーザクラッド加工ヘッド４の同軸クラッドノズル７への金属粉末の供給量に応じてレーザ発生部５で発生させるレーザ出力を制御する。

図２に示されるように、同軸クラッドノズル７は、レーザビームを通過させる略円管状のインナ部材７Ａと、インナ部材７Ａの外周に設けられるアウタ部材７Ｂとを有する。インナ部材７Ａおよびアウタ部材７Ｂは、同軸上に配置されるとともにノズル先端に向かって縮径される。インナ部材７Ａとアウタ部材７Ｂとの間には、シールドガスおよび金属粉末を通過させる通路８が形成される。通路８は、インナ部材７Ａとアウタ部材７Ｂとの間に架設された隔壁９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄにより、周方向に４つの通路８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄに分画される。アウタ部材７Ｂには、粉体供給装置１１から供給されたシールドガスおよび金属粉末を各通路８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄに導入させるポート１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄが設けられる。

供給配管１４は、上流端がフィーダ１３に接続されるチューブ４１を有する。チューブ４１の下流端は、Ｔ形の管継手１７の第１輸送管１８に接続される。管継手１７は、第１輸送管１８が第２輸送管１９と第３輸送管２０との二方に分岐される。管継手１７の第２輸送管１９には、チューブ４２の上流端が接続される。チューブ４２の下流端は、後述するＹ形の管継手２１の第１輸送管２２に接続される。管継手２１は、第１輸送管２２が第２輸送管２３と第３輸送管２４との二方に分岐される。管継手２１の第２輸送管２３には、チューブ４３の上流端が接続される。チューブ４３の下流端は、同軸クラッドノズル７のポート１０Ａに接続される。また、管継手２１の第３輸送管２４には、チューブ４４の上流端が接続される。チューブ４４の下流端は、同軸クラッドノズル７のポート１０Ｂに接続される。

一方、管継手１７の第３輸送管２０には、チューブ４５の上流端が接続される。チューブ４５の下流端は、後述するＹ形の管継手３１の第１輸送管３２に接続される。管継手３１は、第１輸送管３２が第２輸送管３３と第３輸送管３４との二方に分岐される。管継手３１の第２輸送管３３には、チューブ４６の上流端が接続される。チューブ４６の下流端は、同軸クラッドノズル７のポート１０Ｃに接続される。管継手３１の第３輸送管３４には、チューブ４７の上流端が接続される。チューブ４７の下流端は、同軸クラッドノズル７のポート１０Ｄに接続される。

なお、供給配管１４のチューブ（４１−４７）には、同型の既製品が使用される。また、２本のチューブ（４２，４５）は、長さが同一に設定される。また、４本のチューブ（４３−４４，４６−４７）は、長さが同一に設定される。

主に図３、図４を参照して管継手２１，３１を説明する。
なお、管継手２１と管継手３１とは同一構造である。よって、管継手３１についてのみ説明し、管継手２１の構造については、図３、図４に符号を括弧内に付与する。また、図３における上方向（上側）および下方向（下側）を、上方向（上側）および下方向（下側）と称する。また、図３における左方向（左側）および右方向（右側）を、左方向（左側）および右方向（右側）と称する。

管継手３１は、例えば、３Ｄプリンタにより造形され、第１輸送管３２、分岐部３５、第２輸送管３３、および第３輸送管３４が一体に形成される。分岐部３５は、左右方向に長い直方体に形成される。分岐部３５には、左右方向に延びて断面が長方形の通路３６が形成される。第１輸送管３２は、上下方向に延びて、下流端が分岐部３５の上面３５Ａの左右方向中央に接続される。なお、第１輸送管３２の中心線CLは、分岐部３５の上面３５Ａの中心（図示省略）および通路３６の左右方向へ延びる中心線（図示省略）に直交する。

第２輸送管３３と第３輸送管３４とは、第１輸送管３２の中心線CLを対称軸として左右対称に配置される。第２輸送管３３および第３輸送管３４の上流端は、分岐部３５の下面３５Ａに接続される。第２輸送管３３および第３輸送管３４は、上下方向へ延びる第１輸送管３２の中心線CLに対して平行に配置される。管継手３１は、第２輸送管３３の中心線（図示省略）に沿って延びる第２管路３７と、第３輸送管３４の中心線（図示省略）に沿って延びる第３管路３８とを有する。

第２管路３７は、断面が一定の面積を有する円形に形成され、上流端が分岐部３５の通路３６の左端部分に接続される。第２管路３７の下流端には、チューブ１６が圧入により接続されるチューブ接続部３７Ａが形成される。第３管路３８は、断面が第２管路３７と同一の面積を有する円形に形成され、上流端が分岐部３５の通路３６の右端部分に接続される。第３管路３８の下流端には、チューブ２３が圧入により接続されるチューブ接続部３８Ａが形成される。

管継手３１は、第１輸送管３２の中心線CLに沿って延びる第１管路３９を有する。第１管路３９の上流端には、チューブ４５が圧入により接続されるチューブ接続部３９Ａが形成される。第１管路３９は、上流端の断面、換言すると、チューブ接続部３９Ａの下端位置（図３における「Ａ−Ａ」の位置、以下「Ａ位置」と称する）における管路断面が、第２管路３７および第３管路３８の管路断面と同一径の円形（図５参照）に形成される。また、第１管路３９は、下流端の断面、換言すると、第１輸送管３２の下端位置（図３における「Ｂ−Ｂ」の位置、以下「Ｂ位置」と称する）における管路断面、すなわち、分岐部３５の上面３５Ａにおける管路断面が、楕円形（図５参照）に形成される。ここで、第１管路３９の断面とは、第１輸送管３２の軸直角平面による管路断面、すなわち、中心線CLに直交する平面による第１輸送管３２の管路断面を指す。

図５から解るように、第１管路３９は、Ｂ位置（第１輸送管３２の下流端）における断面の左右方向の幅（第２輸送管３３の中心線と第３輸送管３４の中心線とを含む平面上の幅であって、図５におけるHB）が、Ａ位置（上流側）における断面の左右方向の幅（当該平面上の幅であって、図５におけるHA）より狭くなっている。ここで、左右方向は、第２輸送管３７の中心線と第３輸送管３８の中心線とに直交する直線方向、換言すると、分岐部３５の通路３６の中心線に沿う方向と同義である。第１管路３９は、Ａ位置からＢ位置に至る過程で、断面積が不変で、かつ、左右方向の幅がHAからHBへ一定の比率で漸減される。換言すると、第１管路３９は、上流側の所定位置から下流端へ向かって、断面積が不変で、かつ、側面視（図６参照）における左右方向の幅、すなわち、各輸送管３２，３３，３４の中心線を含む平面に直交する直線方向の幅が、一定の比率で漸増される。

なお、Ａ位置からＢ位置までの距離は、輸送対象となる金属粉末の性状や使用環境等に応じて適宜に設定される。また、第１輸送管３２の外径と内径との差（壁厚）は、Ａ位置からＢ位置まで一定であるが、これに限定されるものではない。また、本実施形態において、第２輸送管３３の中心線と第３輸送管３４の中心線とを含む平面は、第１輸送管３２の中心線CLも含む。

ところで、第１管路３９の断面がＡ位置からＢ位置まで同一径の円形である管継手（以下「従来の管継手」と称し、相当の要素に管継手３１と同一の名称および符号を付与する）を使用した場合、第２輸送管３３および第３輸送管３４を流れる金属粉末の重量の左右差が７５％であったことが、発明者らによる試験により確認されている。ここで、当該左右差は、以下の（数式１）により算出される。

（数式１）
左右差（％）＝│左重量（ｇ）−右重量（ｇ）│／全体重量（ｇ）×１００（％）

上記（数式１）において、全体重量は、フィーダ１３（図２参照）から第１輸送管３２へ送り出された金属粉末の重量である。また、左重量および右重量は、全体重量のうち、左側の第２輸送管３３および右側の第３輸送管３４に分配された金属粉末のそれぞれの重量である。なお、試験は、第１輸送管３２の中心線CLを鉛直線に対して４０°傾けた状態で実施した。また、従来の管継手における第１輸送管３２の管路内径は、Ａ位置からＢ位置まで一律に４mmである。

そして、従来の管継手を粉体供給装置１１に適用してレーザクラッド加工装置１（図１参照）によりシリンダヘッド２のバルブシート部をレーザクラッド加工した場合、当該管継手で分配される金属粉末の重量の左右差が大きい（７５％）ため、バルブシート部に供給される金属粉末が溶融池の一方に偏る傾向にあり、肉盛量がばらついてクラッド層の品質が低下するという問題があった。

本実施形態では、管継手３１の第１輸送管３２の管路断面（第１管路３９の断面）は、上流側のＡ位置から下流端のＢ位置に至る過程で、断面積が不変で、かつ、左右方向の幅をHAからHBへ一定の比率で漸減させたので、第１輸送管３２を流れる金属粉末に第１管路３９の左右方向の外側から中心に向かう指向性を持たせることが可能であり、金属粉末を第１輸送管３２から分岐部３５の中心へ吐出させることができる。これにより、分岐部３５の通路３６内の金属粉末が左右方向に、より均等に分配されるので、当該管継手３１で分配される金属粉末の重量の左右差をより小さくすることが可能である。

ここで、第１輸送管３２のＡ位置における管路断面を直径が４mmの円形とし、Ｂ位置における管路断面を短軸が２mmで長軸が８mmの楕円とし、かつ、Ａ位置からＢ位置に至る過程の第１輸送管３２の管路面積を一律に１２．５６mm²の管継手３１を用いて、第１輸送管３２の中心線CLを鉛直線に対して４０°傾けた場合、当該管継手３１の第２輸送管３３および第３輸送管３４を流れる金属粉末の重量の左右差が６０％であったことが、発明者らによる試験により確認されている。このように、本実施形態では、管継手３１の第１輸送管３２が傾いていても、金属粉末を第１輸送管３２から第２輸送管３３および第３輸送管３４へより均等に分配することができる。

そして、本実施形態の管継手３１を粉体供給装置１１に適用してレーザクラッド加工装置１（図１参照）によりシリンダヘッド２のバルブシート部をレーザクラッド加工した場合、従来の管継手と比較して管継手２１，３１で分配される金属粉末の重量の左右差が小さい（６０％）ため、バルブシート部の溶融池への金属粉末の供給量を均一化させることが可能であり、肉盛量のばらつきが抑制されることでクラッド層の品質を向上させることができる。

また、本実施形態では、管継手３１の第１輸送管の管路面積を中心線CLに沿った全域にわたって一律（同一）にしたので、立上げ（レーザクラッド加工開始）および立下げ（レーザクラッド加工終了）の、第１管路３９におけるシールドガスの圧力および流速の変化を抑えることが可能であり、非定常流れの時間を短縮することができる。その結果、レーザクラッド加工における金属粉末の供給量が安定し、肉盛量にばらつきがない高い品質のクラッド層を形成することができる。

以下、本実施形態の作用効果を説明する。
本実施形態は、ガスの流れを利用して粉体を輸送する粉体供給装置であって、第１輸送管と、第１輸送管を二方に分岐させた一方の第２輸送管および他方の第３輸送管と、を有し、第２輸送管と第３輸送管とは、第１輸送管の中心線を対称軸として対称に配置され、第１輸送管は、下流端における管路断面の、第２輸送管の中心線と第３輸送管の中心線とを含む平面上の幅が、上流側の管路断面の、当該平面上の幅より狭いので、第１輸送管を流れる金属粉末を、第２輸送管と第３輸送管との間の中心に向けて吐出させることができる。

これにより本実施形態は、第１輸送管を流れる金属粉末を、第２輸送管と第３輸送管とに、より均等に分配することができる。そして、本実施形態の粉体供給装置を適用してシリンダヘッドのバルブシート部をレーザクラッド加工した場合、従来技術と比較して管継手で分配される金属粉末の重量の左右差が小さいため、バルブシート部の溶融池への金属粉末の供給量を均一化させることが可能であり、肉盛量のばらつきが抑制されることでクラッド層の品質を向上させることができる。

なお、実施形態は上記に限定されるものではなく、例えば、次のように構成することができる。
図５に示されるように、本実施形態では、管継手３１（２１）の第１輸送管３２（２２）のＡ位置における管路断面を円形とし、Ｂ位置における管路断面を楕円としたが、管継手３１（２１）は、第１輸送管３２（２２）の下流端（図３におけるＢ位置）における管路断面の左右方向の幅が、第１輸送管３２（２２）上流側の管路断面の左右方向の幅より狭く、かつ、第１輸送管３２（２２）の管路断面積が上流側から下流端まで不変であればよい。したがって、例えば、図６に示されるように、管継手３１（２１）の第１輸送管３２（２２）のＡ位置における管路断面を対向する２辺が左右方向に沿って延びる正方形とし、Ｂ位置における管路断面を左右方向の幅が狭い長方形としてもよい。あるいは、図７に示されるように、管継手３１（２１）の第１輸送管３２（２２）のＡ位置における管路断面を一方の対角線が左右方向へ延びる平行四辺形とし、Ｂ位置における管路断面を左右方向の幅が狭い平行四辺形としてもよい。

本実施形態では、管継手３１（２１）の分岐部３５（２５）を直方体に形成したが、例えば、有底円筒形とすることができる。
また、本実施形態では、分岐部３５（２５）の通路３６（２６）の断面を長方形に形成したが、例えば、円形とすることができる。
また、本実施形態では、第１管路３９（２９）の上流端（図３におけるＡ位置）の断面積と第２管路３７（２７）および第３管路３８（２８）の断面積とを同一に設定したが、必ずしも同一である必要はなく、例えば、第１管路３９（２９）の上流端の断面積を第２管路３７（２７）および第３管路３８（２８）の断面積よりも大きく設定することができる。
また、供給配管１４に使用される管継手１７，２１，３１のうち、管継手２１，３１に本実施形態を適用したが、Ｔ形の管継手１７に代えて本実施形態の管継手２１，３１と同型の管継手を適用してもよい。

また、本実施形態を管継手２１，３１に適用した事例を説明したが、図８に示されるように、チューブ５１（第１輸送管）の下流端を二方に分岐させる、換言すると、チューブ５２（第２輸送管）およびチューブ５３（第３輸送管）の上流端をチューブ５１（第１輸送管）の下流端に直接接続し、チューブ５１（第１輸送管）の下流端から上流側の一定範囲（以下「対象範囲」と称する）に本実施形態を適用することができる。この場合、チューブ５１（第１輸送管）の対象範囲は、管路断面の面積が不変で、かつ、左右方向の幅が下流端に向かって一定の比率で漸減される。これにより、金属粉末をチューブ５１（第１輸送管）から各チューブ５１，５２，５３の接続部の中心へ吐出させることができる。これにより、金属粉末をチューブ５１（第１輸送管）から左右の各チューブ５２，５３へ均一に分配することができる。また、管継手２１，３１が不要となることから、部品点数を削減することができる。

１１粉体供給装置、２２，３２第１輸送管、２３，３３第２輸送管、２４，３４第３輸送管

Claims

ガスの流れを利用して粉体を輸送する粉体供給装置であって、
第１輸送管と、前記第１輸送管を二方に分岐させた一方の第２輸送管および他方の第３輸送管と、を有し、
前記第２輸送管と前記第３輸送管とは、前記第１輸送管の中心線を対称軸として対称に配置され、
前記第１輸送管は、上流側から下流端に至る過程で、断面積が不変で、かつ、下流端における管路断面の、前記第２輸送管の中心線と前記第３輸送管の中心線とを含む平面上の幅が、上流側の管路断面の、前記平面上の幅より狭いことを特徴とする紛体供給装置。