特許 7255213 レーザクラッド層形成方法及びレーザクラッド装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-03

(45)【発行日】2023-04-11

(54)【発明の名称】レーザクラッド層形成方法及びレーザクラッド装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/342 20140101AFI20230404BHJP

【ＦＩ】

B23K26/342

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2019018299

(22)【出願日】2019-02-04

(65)【公開番号】P2020124722

(43)【公開日】2020-08-20

【審査請求日】2022-01-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000001247

【氏名又は名称】株式会社ジェイテクト

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】110000604

【氏名又は名称】弁理士法人 共立特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小川 史樹

(72)【発明者】

【氏名】鬼頭 卓也

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 潤一

【審査官】柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】実開昭５７－０６０７７１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実開昭５７－１５６２９１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開昭６２－１８３９８５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／３４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

母材の中心軸周りの周面に対して融点が５００℃以下である低融点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、溶融した前記粉末により前記母材の周面上に前記低融点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、
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、
を有し、
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、レーザクラッド層形成方法。

【請求項2】

複数回の前記造形工程のうち何れか１回以上の前記造形工程の後、前記ビードを冷却するための冷却工程を有する、請求項１に記載のレーザクラッド層形成方法。

【請求項3】

前記冷却工程は、前記位相決め工程と前記造形工程とを複数回繰り返した後に行う、請求項２に記載のレーザクラッド層形成方法。

【請求項4】

前記区画工程は、前記形成予定部を前記ビードの幅毎に前記各領域に区画し、
前記位相決め工程は、前記母材を前記ビードの幅に対応する位相分だけ回転させて位相決めを行い、
前記造形工程は、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ることにより前記母材周面に前記ビードを軸方向直線状に造形する、請求項１乃至３の何れか一項に記載のレーザクラッド層形成方法。

【請求項5】

前記母材は筒状部材であり、その内周面に前記形成予定部が設定され、
前記位相決め工程は、前記内周面において区画された前記一領域が鉛直最下方となるように前記母材を位相決めする、請求項１乃至４の何れか一項に記載のレーザクラッド層形成方法。

【請求項6】

前記母材は筒状又は柱状部材であり、その外周面に前記形成予定部が設定され、
前記位相決め工程は、前記外周面において区画された前記一領域が鉛直最上方となるように前記母材を位相決めする、請求項１乃至４の何れか一項に記載のレーザクラッド層形成方法。

【請求項7】

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６の何れか一項に記載のレーザクラッド層形成方法。

【請求項8】

前記造形工程は、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、請求項１乃至７の何れか一項に記載のレーザクラッド層形成方法。

【請求項9】

前記造形工程において、前記母材を常時冷却する、請求項１乃至８の何れか一項に記載のレーザクラッド層形成方法。

【請求項10】

前記低融点金属は、スズ系合金である、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。

【請求項11】

母材の周面上に融点が５００℃以下である低融点金属のレーザクラッド層を形成する装置であって、
前記低融点金属の粉末を供給しつつ前記粉末にレーザ光を照射するレーザ照射部と、
母材の軸方向が水平となるように保持しつつ、前記母材を中心軸周りに回転させる回転機構と、
前記レーザ照射部と前記母材とを相対的に軸方向移動させる移動機構と、
前記回転機構を介して、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を、各々が周方向に９０度以下となるように区画された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動作と、前記レーザ照射部及び前記移動機構とを介して、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レーザ照射部より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動作とを繰り返すように制御する制御部と、
を備える、レーザクラッド装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。）。

【0003】

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。

【0004】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００１－３３５９１４号公報

【文献】特開２００８－１９０６５６号公報

【文献】特開平９－６６３７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

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。

【0007】

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。

【課題を解決するための手段】

【0008】

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℃以下である低融点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低融点金属のレーザクラッド層を形成する方法である。

【0009】

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、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、を有し、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。

【0010】

この方法によれば、母材周面の一領域を水平に近い状態とする位相決めと、その一領域で融点が５００℃以下である低融点金属の粉末へのレーザ光照射によるビードの造形とを繰り返すことにより、ビードのダレを防止しつつ効率的に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。

【0011】

本発明に係るレーザクラッド装置は、母材の周面上に融点が５００℃以下である低融点金属のレーザクラッド層を形成する装置であって、前記低融点金属の粉末を供給しつつ前記粉末にレーザ光を照射するレーザ照射部と、母材の軸方向が水平となるように保持しつつ、前記母材を中心軸周りに回転させる回転機構と、前記レーザ照射部と前記母材とを相対的に軸方向移動させる移動機構と、前記回転機構を介して、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を、各々が周方向に９０度以下となるように区画された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動作と、前記レーザ照射部及び前記移動機構とを介して、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レーザ照射部より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動作とを繰り返すように制御する制御部と、を備える。

【0012】

この構成によれば、母材周面の一領域を水平に近い状態とする位相決めと、その一領域で融点が５００℃以下である低融点金属の粉末へのレーザ光照射によるビードの造形とを繰り返すことにより、ビードのダレを防止しつつ効率的に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。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】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。

【図2】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。

【図3】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。

【図4】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。

【図5】第１実施形態の変形例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。

【図6】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。

【図7】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。

【図8】その他の変形例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。

【発明を実施するための形態】

【0014】

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。

【0015】

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、円筒状部材であって、内径部Ｗ１を有する。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。

【0016】

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。

【0017】

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。本実施形態では、レーザ光の出力を一定とするが、レーザ発振器２０を制御することによりレーザ光の出力を可変とすることも可能である。レーザトーチ３０は、本発明のレーザ照射部を構成するものであって、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。

【0018】

光学系３２は、第１反射部３２ａと、第１集光部３２ｂと、第２集光部３２ｃと、第２反射部３２ｄ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。第１集光部３２ｂ、第２集光部３２ｃは、レーザ光集光用の凸レンズであって、本体３１内部に第１反射部３２ａで反射されたレーザ光Ｌの光軸に沿って順に配置され、レーザ光Ｌを集光して第２反射部３２ｄへ導く。

【0019】

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、第１集光部３２ｂ、第２集光部３２ｃで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。

【0020】

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。使用するホワイトメタルの粉末の粒径は、例えば、５０～１００μｍ程度である。粉末供給部３３は、例えば、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。

【0021】

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を把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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

（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及び図４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。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、溶融した粉末により母材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。

【0025】

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、区画工程を実行する。区画工程Ｓ１は、母材Ｗ周面におけるレーザクラッド層の形成予定部を、各々が周方向に９０度以下となる複数の領域に区画する工程である。本実施形態では、母材Ｗの内周面全体を形成予定部とし、レーザクラッド装置１によって造形されるホワイトメタルのビード幅毎に、周方向にＮ個（Ｎは正の整数）の領域に区画する。ビード幅は、数ｍｍ（例えば５ｍｍ）程度である。尚、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４では隣接する各領域の境界を破線にて示している。区画工程Ｓ１に続いて、Ｓ２で、変数ｎに１を設定する。

【0026】

次に、Ｓ３で、位相決め工程を実行する。位相決め工程Ｓ３は、母材Ｗを軸方向が水平となるように保持し、区画工程Ｓ１で区画された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を位相決めする工程である。本実施形態では、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、Ｎ個の領域のうちビード未造形であるｎ番目（ｎは１～Ｎの整数）の領域の周方向中央における母材Ｗ内周面の法線方向が鉛直上向きとなるように回転させて位相決めする。図４では、ｎ番目の領域の周方向中央を一点鎖線にて示している。

【0027】

図４に示す状態で、ｎ番目の領域の周方向中央は、母材Ｗの内周面における鉛直最下方に位置している。つまり、毎回の位相決め工程Ｓ３において、各領域の周方向の長さに相当する角度だけ母材Ｗを回転させ、ビード造形対象であるｎ番目の領域を鉛直最下方に位相決めする。

【0028】

次に、Ｓ４で、造形工程を実行する。造形工程Ｓ４は、母材Ｗが位相決めされた状態で、一領域に対して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工程である。本実施形態では、回転機構５０によって母材Ｗが位相決めされた状態で、移動機構４０によりレーザトーチ３０を母材Ｗの軸方向第１端にレーザ光を照射可能な位置に移動させる。続いて、レーザトーチ３０の真下に位置するｎ番目の領域に対して、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端に向かって相対的に移動させる。

【0029】

図４では、ｎ番目の領域に対し、軸方向先端から基端に向かってレーザトーチ３０を移動させてビードを造形する様子を示している。また、図４では、母材Ｗの内周面におけるビード造形済み部分を網掛けで図示している。これにより、母材Ｗ内周面のｎ番目の領域に軸方向直線状に延びるホワイトメタルのビードが造形される。母材Ｗの回転を停止させて、ｎ番目の領域を水平に近い状態に保持してビードを造形するので、ダレの発生が抑制される。

【0030】

尚、従来のプラズマ溶射による方法では、１回の溶射で造形されるホワイトメタルの厚みが薄いため、１．５ｍｍ～２ｍｍの肉盛厚さを実現するために８０層程度の積層が必要であったが、本実施形態によれば、レーザトーチ３０の１回の移動に伴って形成されるビードの厚さが１．５ｍｍ～２ｍｍであるため、必要な肉盛厚さを１層で実現することができる。また、プラズマ溶射による肉盛に比べて、レーザクラッドを用いた本実施形態では肉盛の母材への密着強度が高く、フラックス塗布やショットブラスト等の下処理が不要になるという利点がある。

【0031】

次に、Ｓ５で、ｎがＭの倍数か否かを判定する。但し、Ｍは１以上且つＮ以下の整数であり、例えば、母材Ｗの回転位相３０°～５０°に対応する値に設定される。ｎがＭの倍数でない場合（Ｓ５：Ｎｏ）、Ｓ７へ進む。一方、ｎがＭの倍数である場合（Ｓ５：Ｙｅｓ）、Ｓ６で、冷却工程を実行する。冷却工程Ｓ６では、回転機構５０による母材Ｗの回転及びレーザ光照射機構１０によるビード造形を停止し、常温で所定時間に亘って待機する。つまり、位相決め工程Ｓ３と造形工程Ｓ４とをＭ回繰り返した後、所定時間の冷却工程を経て、再び、位相決め工程Ｓ３と造形工程Ｓ４との繰り返しをＭ回行うことになる。例えば、Ｍを回転位相４０°に対応する値とし、母材Ｗの内周全体（３６０°）にビードを造形する間に、５分間の冷却工程を９回実行するようにしてもよい。このように冷却工程Ｓ６を実行するのは、ビード造形を続けて行うことによって母材Ｗが次第に熱を持つことに起因して、ビードのダレが生じ易くなるからである。母材Ｗの温度を、一旦、冷却工程Ｓ６で下げてから、ビード造形を再開することでダレの発生をより効果的に防止することができる。

【0032】

次に、Ｓ７で、変数ｎに１を加算し、続いてＳ８で、ｎ≦Ｎか否かを判定する。ｎ≦Ｎの場合（Ｓ８：Ｙｅｓ）、Ｓ３へ戻り、ｎ＞Ｎの場合（Ｓ８：Ｎｏ）、全工程を終了する。つまり、１番目からＮ番目の各領域に対して位相決め工程Ｓ３と造形工程Ｓ４とを繰り返し、母材Ｗ内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。

【0033】

（１－３．まとめ）
上述したように、本実施形態のレーザクラッド装置１によれば、母材Ｗ周面の一領域が水平に近い状態となるように位相決めする位相決め工程Ｓ３と、その一領域で金属の粉末にレーザ光を照射してビードを造形する造形工程Ｓ４とを繰り返すことにより、ビードのダレを防止しつつ効率的にレーザクラッド層を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。

【0034】

また、冷却工程Ｓ６でビードを冷却して凝固させた後、次の領域の位相決めとビード造形を行うことで、より確実にビードのダレを防止することができる。特に、位相決め工程Ｓ３と造形工程Ｓ４とを複数回連続して繰り返すことで効率的にビードを造形することができると共に、冷却工程Ｓ６でビードを冷却して凝固させることで、熱を持った母材Ｗを傾けることによって生じ易いビードのダレをより確実に防止することができる。

【0035】

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。

【0036】

また、本実施形態では、区画工程Ｓ１は、レーザクラッド層の形成予定部をビードの幅毎に各領域に区画し、位相決め工程Ｓ３は、母材Ｗをビードの幅に対応する位相分だけ回転させて位相決めを行い、造形工程Ｓ４は、母材Ｗとレーザトーチ３０とを相対的に軸方向移動させることにより母材Ｗ内周面にビードを軸方向直線状に造形する。よって、母材Ｗの回転とレーザトーチ３０の軸方向移動との動作の繰り返しで、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。

【0037】

（２．第１実施形態の変形例）
次に、第１実施形態の変形例について図５を参照しつつ説明する。図５は、本変形例において母材Ｗ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。上記実施形態では、母材Ｗの内周面をビード幅で周方向に複数の領域に区画し、各領域において軸方向直線状にビードを造形する例を示したが、本変形例では、母材Ｗの内周面を周方向に所定角度を有する複数の領域に区画し、各領域においてレーザトーチ３０の周方向回動と軸方向移動とを繰り返して矩形波状にビードを造形する。レーザトーチ３０の母材Ｗに対する配置は、上記実施形態と同様、図１に示すとおりである。

【0038】

区画工程Ｓ１では、図５に示すように、母材Ｗ内周面におけるレーザクラッド層の形成予定部を周方向に９０度以下の所定角度に、１番目からＮ番目までのＮ個（Ｎは正の整数）の領域に区画する。例えば、母材Ｗ内周面の周方向全体（３６０度）を周方向に２０度の領域に区画する場合、母材Ｗ内周面は１番目から１８番目までの１８個の領域に区画されることになる。

【0039】

位相決め工程Ｓ３では、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、Ｎ個の領域のうちビード未造形であるｎ番目（ｎは１～Ｎの整数）の領域の周方向中央における母材Ｗ内周面の法線方向が鉛直上向きとなるように回転させて位相決めする。この状態で、ｎ番目の領域の周方向中央は、母材Ｗの内周面における鉛直最下方に位置している。つまり、毎回の位相決め工程Ｓ３において、各領域の周方向の長さに相当する角度だけ母材Ｗを回転させ、ビード造形対象であるｎ番目の領域を鉛直最下方に位相決めする。

【0040】

造形工程Ｓ４では、回転機構５０によって母材Ｗが位相決めされた状態で、移動機構４０によりレーザトーチ３０を母材Ｗ内周面の軸方向第１端にレーザ光を照射可能な位置に移動させる。続いて、レーザトーチ３０の真下に位置するｎ番目の領域に対して、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の周方向時計回りに回動させる。続いて、移動機構４０によりレーザトーチ３０を母材Ｗの軸方向基端側へビード幅分だけ相対的に移動させた後、レーザトーチ３０を母材Ｗの周方向反時計回りに回動させる。これらの動作を繰り返すことにより、母材Ｗ内周面のｎ番目の領域が矩形波状に隙間なくビードが造形される。尚、移動機構４０をロボットアームで構成することにより、レーザトーチ３０の軸方向移動及び軸線周り回動の両動作に対応可能である。

【0041】

ｎ番目の領域のビード造形が終了すると、Ｓ７でｎを１加算し、以後ｎがＮに達するまでＳ３～Ｓ７を繰り返し、母材Ｗ内周面全体にホワイトメタルのレーザクラッド層を形成する。本変形例によっても、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という上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

【0042】

（３．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７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。

【0043】

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。

【0044】

区画工程Ｓ１では、母材Ｗ外周面におけるレーザクラッド層の形成予定部をホワイトメタルのビード幅毎に、周方向にＮ個（Ｎは正の整数）の領域に区画する。尚、図６では、隣接する各領域の境界を破線にて示している。

【0045】

位相決め工程Ｓ３では、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、Ｎ個の領域のうちビード未造形であるｎ番目（ｎは１～Ｎの整数）の領域の周方向中央における母材Ｗ外周面の法線方向が鉛直上向きとなるように回転させて位相決めする。ｎ番目の領域に位相決めした状態で、その周方向中央は母材Ｗの外周面における鉛直最上方に位置している。つまり、毎回の位相決め工程Ｓ３において、各領域の周方向の長さに相当する角度だけ母材Ｗを回転させ、ビード造形対象であるｎ番目の領域を鉛直最上方に位相決めする。

【0046】

造形工程Ｓ４では、回転機構５０によって母材Ｗが位相決めされた状態で、移動機構４０によりレーザトーチ３０を母材Ｗの軸方向第１端にレーザ光を照射可能な位置に移動させる。続いて、レーザトーチ３０の真下に位置するｎ番目の領域に対して、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端に向かって相対的に移動させる。これにより、母材Ｗ外周面のｎ番目の領域に軸方向直線状に延びるホワイトメタルのビードが造形される。

【0047】

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、母材Ｗ外周面の一領域が鉛直最上方に位置して水平に近い状態となるように位相決めする位相決め工程Ｓ３と、その一領域でホワイトメタルの粉末にレーザ光を照射してビードを造形する造形工程Ｓ４とを繰り返すことにより、母材Ｗの外周面全体にビードのダレを防止しつつ効率的に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。

【0048】

（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。

【0049】

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。

【0050】

また、上記実施形態では、ホワイトメタルのビードが周面に造形された母材Ｗを常温で冷却する例を示したが、造形工程Ｓ４実行後に、母材Ｗを加熱槽やヒータ等の加熱装置で所定温度（例えば、１７０℃程度）に再加熱する再加熱工程を設けるようにしてもよい。例えば、図８に示すように、加熱冷却可能な温度調節槽７０内に母材Ｗ全体を設置して、造形工程Ｓ４実行後に、制御部６０が温度調節槽７０を制御して再加熱工程を実行するようにしてもよい。本変形例によれば、ビードを再加熱工程で時間をかけてゆっくり冷却して組織が形成されるため、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。

【0051】

また、上記実施形態では、位相決め工程Ｓ３と造形工程Ｓ４とを複数回繰り返した後、冷却工程Ｓ６を実行する例を示したが、母材Ｗを傾けてもビードのダレが発生しない程度に凝固していれば、冷却工程Ｓ６を省略してもよい。

【0052】

また、造形工程Ｓ４を常温で実施する例を示したが、冷却槽や冷風機等の冷却装置により母材Ｗを常温よりも低い温度で常時冷却した状態で造形工程Ｓ４を実施するようにしてもよい。例えば、図８に示すように、加熱冷却可能な温度調節槽７０内に母材Ｗ全体を設置して制御部６０の制御により常時冷却するようにしてもよい。本変形例によれば、溶融したホワイトメタルが母材Ｗの冷却に伴って速やかに凝固するため、ビードのダレをより効果的に防止することができる。また、本変形例では、ビードのダレが発生しない程度に凝固していれば、冷却工程Ｓ６を省略してもよい。

【0053】

また、上記実施形態では、造形工程Ｓ４でレーザ光を一定の出力とするのに代えて、レーザ光の出力を可変するようにしてもよい。例えば、レーザ光照射により形成される金属の溶融池をカメラで撮像し、画像に基づいて溶融池の大きさが所定以上であることが検出された場合に、制御部６０を介してレーザ発振器２０によるレーザ光の出力を小さくする制御を行うことにより、ビードのダレ発生をより効果的に防止することができる。

【符号の説明】

【0054】

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、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、Ｓ１…区画工程、Ｓ３…位相決め工程、Ｓ４…造形工程、Ｓ６…冷却工程。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】