JPH0621335B2 - レ−ザ溶射法 - Google Patents

レ−ザ溶射法

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JPH0621335B2
JPH0621335B2 JP63041764A JP4176488A JPH0621335B2 JP H0621335 B2 JPH0621335 B2 JP H0621335B2 JP 63041764 A JP63041764 A JP 63041764A JP 4176488 A JP4176488 A JP 4176488A JP H0621335 B2 JPH0621335 B2 JP H0621335B2
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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が開発したもので、これまでに
特開昭61-264168 、特開昭62-177166 の二件を特許出願
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で溶融さ
せ、これをガス流又は爆発の衝撃により吹き飛ばし細粒
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
他でも研究されているが、いずれも被覆する母材面にレ
ーザ光線の焦点が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〉 本発明者等はさきにレーザ溶射法として前述の特開昭61
-264168 、同62-177166 の二件を特許出願ずみである
が、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で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
送給すれば密着度が高まり、溶射膜が剥がれにくゝなる
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
面に垂直に向け上記レーザ光線は終始、被溶射面に当て
ず、また、レーザ光線以外の熱源によっても該面を加熱
しないため、該面は溶射開始時に常温であり、そして、
溶射の際、レーザ出力、溶射材供給速度、ガス噴出圧力
の三者を適宜選択して、溶射材の溶融微粒群がムラなく
揃って噴霧状に飛ぶようにし、その飛行距離である溶射
距離は、得られた溶射膜の気孔率が、使用条件に対応し
て、０．１〜１５％の範囲で任意に変えられるようにす
ること、又は、溶射膜が、ＪＩＳ Ｈ８６６６-１９８
０に規定された試験方法によって、溶射膜内部及び溶射
膜と被溶射材との接合部で破壊しないような耐剥離性を
有するようにすることを特徴とする。その溶射材は金
属、無機物、又は両者の混合物である線材が主としてが
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
が使われる。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で、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。更に、
被溶射面は、レーザ光線以外の熱源によっても加熱され
ないため、溶射開始時は常温の状態であり、そこに高温
溶融粒を叩き付け圧着する。
常温である被溶射面に溶射材の溶融粒を圧着するから、
双方の材料が化合したり合金化したりする事なく固着す
る。従って溶射材が金属なら、その金属だけの溶射膜が
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が作られる。
溶射材が線材は、その先端が高エネルギ密度部に進入す
ると共に溶融、飛散させられる。
噴出ガスがアルゴン等の非反応性ガスの場合、溶融粒が
飛行中、酸素、窒素と化合するおそれがなく、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できる。
溶射材の線材を高エネルギ密度部へ案内するノズルは一
本と限らない。複数本併設すれば、それぞれから異る溶
射材を送って、それらが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で収れんさせ、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から直進して高エネルギ密度部10に達した
ワイヤ５は瞬間的に気化温度近くまで昇温、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
一たん気化した後、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と溶射材送給ノズル11、
12とを別個に設けている。ノズル11はワイヤ５を送り、
ノズル12はワイヤ５ａを送る。ワイヤ５、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へ進入しているが、この方が第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が長いか
ら、加熱時間も長くなって有利である。高エネルギ密度
部10はつゞみ形をしており、溶射材はそのどの部分に通
してもよい。
第３図の実施例は、レーザ光線収れんに凹面鏡２ａを用
いた例で、それ以外は第１図の例と変りないが、ガス噴
射管３を二重管にして、内管にワイヤを通し、外管に高
速ガスを流すとか、三重管にして内管にワイヤ、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で包
んで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0.9mmのワイヤ） 同上送り速度 １〜２ｍ／分 ガ ス アルゴン 同上噴出圧力 ２〜８Kg／cm２ 溶射面 ステンレス鋼板（サンドブラストした
粗面） 溶射距離(l) 50〜150 mm 溶射膜の気孔率 0.1 〜0.4 ％（ただし、ガス噴出圧力
が８Kg／cm2、溶射距離が50mmの場合） 上表中、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。
この溶射膜の気孔率計測値は、従来のプラズマ溶射等の
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。
ただし、この気孔率の値は、ガス噴出圧力が８ｋｇ／ｃ
ｍ2、溶射距離が５０ｍｍの場合のものであり、ガス噴
出圧力をこれより徐々に低くしていく場合、及び、溶射
距離をこれより徐々に大きくしていく場合には、従来法
であるプラズマ溶射法で得られる気孔率とほぼ同じ値
（４〜８％）に漸近する。更に、８頁の表では、従来法
である、プラズマ溶射法で得られる気孔率以下の値を得
る溶射条件の範囲を示してあるが、ガス噴出圧力を１．
５ｋｇ／ｃｍ2、溶射距離を２００ｍｍ程度にすること
により、溶射膜の気孔率を１５％程度にすることも可能
である。この事実から、溶射条件を変えることにより、
気孔率を０．１〜１５％の範囲で任意に変化させること
が可能である。
被溶射面であるステンレス鋼板表面は予めサンドブラス
トで粗面にしてあるが、そこに溶融したチタンの微粒が
叩きつけられて完全に圧着しており、全面的ではない
が、金属同士のろう接部同様の組織ができている。
これは被溶接面の加熱なしでも、溶射膜は十分な耐剥離
性を備えることを伺わせるが、後述の剥離試験でそれが
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。
断面が円形（50mm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までは150 mm、溶射距離ｌも15
0 mmである。
ガス噴射管３の内径は３mmで、その中に0.9 mm径の工業
用純チタン・ワイヤ５（供給速度２ｍ／分）と窒素ガス
（圧力５Kg／cm２）を通し、溶射面７を500 mm／分の速
さで移動させて、窒化チタンの溶射膜（厚み１mm）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
が、ほかにレーザ出力、溶射距離、材料供給速度、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10へ入ってきた溶射材
５、５′が出てゆくまでの短時間に、これを気化温度に
近い高温にし得る値でなければならない。実施者が注意
深く溶射状況を見ておれば、ムラなく揃って噴霧状に溶
融微粒群が走る良好な状態が判断できるようになる。レ
ーザ出力が不足すると飛行する微粒群が霧のように均一
にならず、やゝ粗い感じや、断続現象も出てくる。
溶射条件は各項目ごとに、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
ゆくものであるが、次に５KWCO２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が良好な
噴霧状で飛行する条件を求めた曲線を第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
で、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
方が良好な条件である。
曲線の上方が広いことは適正条件の範囲が広いことを意
味する。噴射ガスが酸素の場合、最も範囲が広く、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
好な噴霧状溶射が行われる感じである。
第６図の点Ｐは、レーザ出力２KW以上で、直径0.9 mmの
チタンワイヤを窒素ガスで溶射するには、ワイヤ送り1.
5 ｍ／分、窒素ガス圧４Kg／cm２で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がよく、弱いと噴
霧状飛行はしても耐剥離性が低下した。
なお溶射距離ｌはガス圧にもよるが、一般50mm〜300 mm
が実用的で、これを超えると溶着が悪くなり、これ以下
で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が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 mm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２〜８Kg／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、平均粒径が小さ
くなる傾向を示すことがわかるが、これらの数値は、プ
ラズマ溶射等で用いられる溶射材の粒径が50μｍ以下程
度であることを考えると、１桁小さい10μｍ以下の直径
の粒子が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が小さいために、得ら
れた溶射膜の気孔率が小さくなるものと考えられる。
二個のノズルから、それぞれチタンワイヤとアルミニウ
ムワイヤを送り、酸素ガスで噴射すると、チタニアとア
ルミナがうまく混合した溶射膜が得られた。
溶射面を予熱しないでレーザ溶射した場合、溶射膜が剥
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。
第４図に例示した溶射膜は、被溶射材であるステンレス
鋼とチタン溶射膜との間で合金は生成していないが、Ｊ
ＩＳ Ｈ８６６６-１９８０で規定されだ接着剤を用い
る密着力試験では、接着剤の部分で切断し、密着力は測
定できないものの、耐剥離性に優れていることを示して
いる。このように、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
発明で溶射したものと、プラズマ溶射でもってCu板へ、
まず下地のMo-Ni-Al系合金を溶射し、その上にAl2O３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。
両方法で得た試験片をガスバーナで室温から400 ゜〜42
0 ℃に一分間加熱後、水冷する事を、１時間に20〜30回
の割合で繰返した。
結果は従来のプラズマ溶射のものが400 回の加熱、冷却
で溶射膜がはがれ始め、この発明によるものは2000回ま
ではがれなかった。
なお銅板はレーザの反射が強いため、前述の出願中の二
件のように溶射面をレーザ光線で予熱すると、反射した
レーザ光線が他物を加熱するため危険で使えない。
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が
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、制約が解消した。
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が得られる。
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できる事は、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図はこの発明の一実施例説明図、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で、図中、１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、ｌは溶射距離を示
す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 勝村 宗英 香川県高松市花ノ宮町２丁目３番３号 工 業技術院四国工業技術試験所内 (72)発明者 米田 理史 香川県高松市花ノ宮町２丁目３番３号 工 業技術院四国工業技術試験所内 (72)発明者 矢野 哲夫 香川県高松市花ノ宮町２丁目３番３号 工 業技術院四国工業技術試験所内 (56)参考文献 特開 昭62−177166（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−238472（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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、線状溶射材を繰り出して溶融
    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、上記レー
    ザ光線は終始被溶射面に当てず、また、レーザ光線以外
    の熱源によっても加熱されないため、該面は溶射開始時
    には常温であること、そして、 溶射の際、レーザ出力、溶射材供給速度、ガス噴出圧力
    の三者を適宜調整して、溶射材の溶融微粒子群がムラな
    く揃って噴霧状に飛ぶようにし、その飛行距離である溶
    射距離は、得られた溶射膜の気孔率が、使用条件に対応
    して、０．１〜１５％の範囲で任意に変えられるように
    すること、又は、溶射膜が、ＪＩＳ Ｈ８６６６-１９
    ８０に規定された試験方法によって、溶射膜内部及び溶
    射膜と被溶射材との接合部で破壊しないような耐剥離性
    を有するようにすること を特徴とするレーザ溶射法。
  2. 【請求項２】溶射材は金属、又は金属と無機物の混合物
    である線材であることを特徴とする請求項（１）に記載
    のレーザ溶射法。
  3. 【請求項３】ガス流のガスはアルゴン等の非反応性ガ
    ス、又は酸素等の反応性ガス、もしくはそれらの混合ガ
    スであることを特徴とする請求項（１）に記載のレーザ
    溶射法。
  4. 【請求項４】請求項（１）（２）（３）のどれか１項に
    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。
JP63041764A 1988-02-24 1988-02-24 レ−ザ溶射法 Expired - Lifetime JPH0621335B2 (ja)

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