要旨
本稿では、ディーゼルエンジンのクランクシャフト補修におけるレーザクラッディング技術の基本原理、プロセス特性、具体的な応用例を紹介する。G6190ZLLCZZ-3R舶用ディーゼルエンジンクランクシャフトのアクティブギアシャフトネック摩耗の補修を例に、データ収集、欠陥検出、予熱処理、レーザクラッディング、断熱・冷却、その後の機械加工、研磨、洗浄、品質検査を含む全工程について詳述する。レーザークラッディング技術は、希釈率が低い、接合強度が高い、熱変形が少ないなどの利点があり、クランクシャフトのような高精度・高負荷部品の補修に適しており、経済性・普及性に優れている。.

1.はじめに
ディーゼルエンジンは、効率的なパワーユニットとして、船舶の推進や発電システムに広く使用されています。クランクシャフトはディーゼルエンジンの中核部品であり、ピストンの往復運動を回転運動に変換し、アクティブギアを介して燃料ポンプやオイルポンプなどの付属品にトルクを伝達する役割を担っています。長時間の運転では、クランクシャフトは摩耗しやすく、特にアクティブギヤのシャフトネック部は高い修理精度が要求され、高いコストがかかります。レーザークラッディングは、レーザーを用いてクラッディング材と基材表面を溶融させ、その後急速に凝固させて金属結合を形成する表面改質方法です。この方法は、緻密な被覆、強力な結合力、幅広い材料への適用が可能で、クランクシャフト補修の新たな道を提供します。.

2.レーザクラッディング技術のプロセスと特徴
レーザークラッディングプロセスには、予備蒸着法と同期法の2種類がある。予備溶着法は、レーザーで溶融する前に基板表面にクラッド材を配置するもので、同期法はレーザー照射中に材料を供給するもので、通常は粉末またはワイヤーの形態で行われます。この技術には次のような特徴がある：

冷却速度が速く（最高10⁶ K/s）、微細な結晶構造の形成を促進します。.

希釈率が低く（<5%）、基材と冶金的に結合する。.

入熱を最小限に抑え、ワークの変形を抑制できる。.

低融点基材への高融点合金のクラッディングを可能にする、幅広いクラッディング材料の選択。.

クラッドの厚さ範囲が広く（0.2～2.0mm）、局所的な補修に最適。.

このプロセスは簡単に自動化できる。.

3.クランクシャフトオリジナルデータの収集と前処理
修理対象のクランクシャフトはQT800-2A製で、アクティブギアのシャフトネック部に摩耗が確認された（図2のBC部）。シャフトネックの外径を測定したところ、標準サイズ（Ø1100.180.200.180.20 mm）から逸脱しており、偏摩耗が確認された。染料浸透探傷剤と超音波検査で、表面に亀裂などの欠陥がないことを確認した。シャフトネックの元の硬度はHRC43であった。その後、シャフト・ネックをØ109.50 mmに旋削し、真円度と円筒度の偏差をなくし、クラッド加工に備えた。.

4.レーザークラッディングプロセス

予熱:クランクシャフトを旋盤に載せてゆっくり回転させ、炉で補修部分を250℃まで均一に加熱する。.

クラッディング補修:半導体レーザーと鉄系合金ワイヤーを用いて、同期給電クラッディングを行います。プロセス中、温度勾配を厳密に制御することで、クラッド層がクラックやポロシティなしに基板と冶金的に結合することを保証します。.

断熱:被覆後、補修箇所を断熱綿で覆い、30分間保持した後、室温まで冷却する。.

測定:クラッド後のシャフト・ネック・サイズは約Ø112.10mmで、クラッド層の厚さは約1.3mm、機械加工用に確保された材料は0.95mmである。補修部分の硬度はHRC47まで上昇した。.

5.レーザークラッディング後の加工

機械加工:クラッドの表面は、Ø110.50 mmまで旋盤で平滑にする。.

研磨:最終的なサイズは、ギアとの干渉フィットの要件を満たすためにØ110.20 mmに研磨されています。.

キー溝の調整:キー溝の幅は22.7mmから24mm、深さは4.6mmから5mm。.

強度計算:ディーゼルエンジンの定格出力440kW、回転数1300rpmに基づき、補修部のねじりせん断応力を計算すると7.39MPaとなり、材料の許容応力256MPaを下回り、使用条件を満たした。.

研磨とクリーニング:修理箇所を緑色の研磨ペーストで磨き、洗剤で洗浄する。.

検査:染料浸透探傷剤と超音波検査で修理箇所をチェックし、欠陥がないことを確認。.

6.結論
レーザクラッディング技術は、効率的で信頼性の高い表面補修方法として、クランクシャフトのような重要部品の補修に大きな利点を発揮する。本稿では、この技術が寸法を復元し、表面特性を向上させ、しかも経済的に実行可能であることを検証する具体的な補修事例を紹介する。レーザー技術の発展に伴い、船舶の修理や製造におけるレーザー技術の応用は大幅に拡大すると予想される。.