JP2011212730A - 肉盛溶接方法およびレーザ肉盛溶接装置 - Google Patents

肉盛溶接方法およびレーザ肉盛溶接装置 Download PDF

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Abstract

【課題】単結晶および一方向凝固結晶の母材に積層部を形成する溶接方法において、肉盛溶接部の結晶方位を母材と同一方向になるように積層させる。
【解決手段】単結晶又は一方向凝固結晶の母材に積層部を形成する溶接方法において、前記母材の施工面より幾らか下部を強制的に冷却し、最大温度勾配が母材結晶の優先成長方向に沿った方向になるようにあらかじめ前記母材に温度勾配を付与しながら、母材結晶の優先成長方向の延長線上から肉盛する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、結晶方位を制御された合金製品に対する積層肉盛において、肉盛部の結晶成長方位を基材合金の凝固結晶方位と同一にするように、凝固制御しながら積層体を形成する肉盛溶接方法と、それに用いるレーザ肉盛溶接装置に関する。
タービンやジェットエンジンなどの翼には、遠心力による大きな応力が加わる。そのため、遠心力の作用する方向に結晶方位を持つ一方向凝固合金や単結晶合金で形成した翼が使用されている。この一方向凝固翼や単結晶翼は、高温・高負荷環境で長時間使用されると、酸化減肉や割れなどが生じる。また、製造時にも鋳造欠陥が生じる場合がある。これらの欠陥は、従来、ろう付，ＴＩＧ溶接，プラズマ溶接などによって補修が行われていた。一方向凝固翼や単結晶翼に対し従来の補修方法を行うと、補修部は基材と同じ方位の結晶にならない。結晶方位が異なると、補修部の強度低下が問題となる。
そのため、欠陥部を切除した面が基材の優先結晶成長方向を向くように損傷部位を削除し、その後、溶加材を添加するとともに比較的低い出力密度で照射面でのビーム直径が比較的大きくなるように、かつ比較的長時間にわたってレーザビームを照射して深さの幅に対する比が小さい溶融池を生成して補修を行うことが提案されている（特許文献１）。同様に欠陥部を切除し、溶加材を添加するとともに加熱トーチにより基材を過熱しながら補修を行うことが提案されている（特許文献２）。また、溶融補修部における凝固速度（Ｇ）と溶融境界における温度勾配（Ｇ）の比（Ｇ／Ｒ）が、方向凝固結晶を生じさせる値３×１０4℃・sec／cm2以上になるように、入熱量および加熱パターンを制御する方法が提案されている（特許文献３）。その他に、肉盛積層させる補修方法としてハーフオーバーラップ法（特許文献４）や間隔を開けて積層した１層目のビードの間に２層目のビードを積層する方法（特許文献５）などがある。
上記、補修部の結晶凝固を制御する補修方法は、基材を溶融させる補修においては有効な手法である。しかし、これらの方法で積層部の結晶方位を母材と同一方向になるよう積層させる場合には、最大温度勾配の方向が母材結晶の優先成長方向に沿った方向に制御することが難しく、結晶方位の異なる結晶を発生する可能性が高くなる。これは、積層の高さが高くなるとその傾向が顕著になる。
また、上記先行文献の補修方法では、積層の下層部と上層部を同条件で施工した場合は、上層部での温度勾配が下層部の施工の場合と大きく変化し、デンドライト結晶の幅が大きくなる等の特性変化が問題となる。
特開平９−１１０５９６号公報 特開２００１−２６９７８４号公報 特開２００３−４８０５３号公報 特開２００８−２６４８４１号公報 特開２００５−１５２９１８号公報
本発明の目的は、単結晶または一方向凝固結晶の母材に、母材結晶と同一の結晶方向の積層部を形成する肉盛溶接方法及びそれに用いる装置を提供することにある。
本発明の肉盛溶接方法は、単結晶又は一方向凝固結晶の母材に積層部を形成する溶接方法において、施工面を上部とし、前記施工面より母材側を冷却手段で冷却し、最大温度勾配が母材結晶の優先成長方向に沿った方向になるようにあらかじめ前記母材側に温度勾配を付与しながら、母材結晶の優先成長方向の延長線上から肉盛することを特徴とする。
また、本発明のレーザ肉盛溶接装置は、単結晶又は一方向凝固結晶の母材に積層部を形成する溶接装置において、レーザを照射する溶接ヘッドと溶加材を供給するノズルおよびシールドガスを供給するノズルを備えた肉盛溶接加工ヘッドと、母材側を強制的に冷却するための冷却手段を有することを特徴とする。
本発明によれば、単結晶または一方向凝固結晶の母材に、母材結晶と同一の結晶方向の積層部を形成することができる。
本発明の第一の実施例における、レーザ肉盛溶接装置の構成図である。 第一の実施例における、間接的に冷却する冷却治具の一例と使用方法の説明図である。 本発明の第二の実施例における、レーザ肉盛溶接装置の構成図である。 第二の実施例における、冷媒の噴き付けにより直接的に冷却する冷却治具の一例と使用方法の説明図である。 本発明の第三の実施例における、レーザ肉盛溶接装置の構成図である。
本発明の肉盛溶接方法は第一に、施工中に溶接肉盛の溶融部が凝固する際に、母材結晶の優先成長方向に最大温度勾配の方向を得ることができる利点がある。これは、肉盛溶接部の結晶方向を母材結晶の結晶方向と同一になるよう制御することができる利点につながる。
本発明の肉盛溶接方法は第二に、積層の高さが高くなっても、温度勾配を確保でき、最大温度勾配の方向を母材結晶の優先成長方向と同一方向に制御できる利点がある。
本発明の肉盛溶接方法は第三に、温度勾配をコントロールすることで、凝固速度を制御できデンドライトの粗大化を抑制する利点がある。
ただし、積層の最上部では等軸晶が発生するためこの限りではない。また、母材に優先成長方向と異なる方向の結晶が存在した場合は、前記異なる方向の結晶を核として成長する可能性があるためこの限りではない。
以下、本実施形態を詳細に説明する。
第一の形態として、単結晶又は一方向凝固結晶の母材に前記母材結晶と同一の成長方向の積層部を形成するという目的を、母材結晶の優先成長方向の延長線上から肉盛溶接するための溶加材供給機構と熱源照射機構およびシールドガス機構を備えた加工ヘッドと、母材の施工面より幾らか下部を強制的に冷却し最大温度勾配が母材結晶の優先成長方向に沿った方向になるようにあらかじめ母材に温度勾配を付与する冷却機構から構成することによって実現した。
第二の形態として、積層高さが高くなった場合において前記母材結晶と同一の成長方向の積層部を形成するという目的を、母材結晶の優先成長方向の延長線上から肉盛溶接するための溶加材供給機構と熱源照射機構およびシールドガス機構を備えた加工ヘッドと、施工部の幾らか下部を強制的に冷却し最大温度勾配が母材結晶の優先成長方向に沿った方向になるようにあらかじめ母材に温度勾配を付与する冷却機構から構成することによって実現した。
〔実施例〕
図１に実施例１のレーザ肉盛溶接装置を示す。１はレーザ発振器、１１は光ファイバ、１２はレーザ溶接ヘッド、２は粉末供給装置、２１は粉末供給管、３は三次元ＮＣ加工装置、４は単結晶動翼、５は冷却治具、５１は冷媒導入および排出口、６は動翼固定治具、７はガス供給源、７１はガス供給管、８は冷媒供給，循環および熱交換装置、８１は冷媒供給管、１００は粉末およびシールドガス供給ノズル、２００は施工部の温度測定装置、２１０はＮＣ制御盤、２１１は三次元ＮＣ加工機への信号線、２１２はレーザ発信機への信号線、２１３は粉末供給装置への信号線、２１４はガス供給源への信号線、２２０は温度信号を解析しレーザ出力の調整を命令するコントローラ、２１１はレーザ出力調整信号線を示している。
レーザ発信機１と粉末供給装置２，三次元ＮＣ加工機３およびガス供給源７は、ＮＣ制御盤２１０のプログラムに従い動作させる。ここで、三次元ＮＣ加工機はＸＹステージを使用するタイプ、ロボットアームを使用するタイプなど、操作方法を制限するものではない。
レーザ発振器１で発振されたレーザは光ファイバ１１を通じてレーザ溶接ヘッド１２を通じて単結晶動翼４に照射される。粉末供給装置２から送給された粉末は粉末供給管２１を通じて、レーザ溶接ヘッド１２に装着された粉末およびシールドガス供給ノズル１００を通じてレーザ照射部に向かって吐出される。レーザ溶接ヘッド１２は三次元ＮＣ加工機３に装着され、レーザ照射しながら粉末を供給し、施工形状に合わせてレーザ溶接ヘッドを操作させることで形状に合わせた肉盛溶接を行う。
冷媒供給循環および熱交換装置８から冷媒供給管８１を通じて単結晶動翼４に密着させた冷却治具５に冷媒を通すことで間接的に動翼４を強制的に冷却し、あらかじめ温度勾配をあたえる。冷却治具には冷媒導入および排出口５１を通り冷媒流路５２を流れること単結晶動翼４の施工面と母材側の間に温度勾配を生じさせる。
また、施工部の温度測定装置２００で温度を電圧値に変換し、温度信号の解析装置２２０で所定の温度より高ければレーザ出力を下げる、所定の温度よりも低ければレーザ出力を上げる命令信号を出し、２２１の信号線を通って、レーザ発信機１をコントロールすることも可能である。
図２に実施例１のレーザ肉盛溶接時に強制冷却を行うための冷却治具５の使用方法を示す。４は単結晶動翼、４１は施工面、４２はダブテイル部、５は冷却治具、５１は冷媒導入および排出口、５２は冷媒流路、６は動翼固定治具、６１は動翼固定治具の連結用ボルトナットを示している。単結晶動翼４は動翼固定治具６に固定され、施工部より母材側に動翼と密着するように冷却治具５を装着する。このとき、施工面を囲むように冷却治具５を配してしまうと、単結晶動翼４の母材結晶の優先成長方向と垂直な方向にも最大温度勾配が発生してしまうため、施工面よりも単結晶動翼の母材側に装着する必要がある。図１の冷媒供給，循環および熱交換装置８から供給された冷媒は、冷媒導入口５１から冷媒流路５２を通り、間接的に単結晶動翼４の施工面と母材側の間に温度勾配を生じさせる。冷媒流路５２を通った冷媒は、冷媒排出口５１より冷媒供給，循環および熱交換装置８にもどり、冷媒が循環することで単結晶動翼を強制的に冷却することができる。
図３に実施例２のレーザ肉盛溶接装置を示す。実施例１の構成において、冷却治具５を直接冷却治具９に変更した構成である。
図４に実施例２のレーザ肉盛溶接時に強制冷却を行うための直接冷却治具９の使用方法を示す。４は単結晶動翼、４１は施工面、４２はダブテイル部、９は直接冷却治具、９１は冷媒導入口、９２は冷媒噴き付け流路、９３は冷媒遮蔽板、５１は冷媒導入および排出口、５２は冷媒流路、６は動翼固定治具、６１は動翼固定治具の連結用ボルトナットを示している。単結晶動翼４は動翼固定治具６に固定され、施工部より母材側に動翼と密着するように直接冷却治具９を装着する。このとき、施工面を囲むように冷媒を噴き付けると、単結晶動翼４の母材結晶の優先成長方向と垂直な方向にも最大温度勾配が発生してしまうため、施工面よりも単結晶動翼の母材側に装着する必要がある。図３の冷媒供給，循環および熱交換装置８から供給された冷媒は、冷媒導入口９１から冷媒噴き付け流路９２を通り、直接単結晶動翼４の施工面より母材側に噴き付けることで、施工面と母材の間に温度勾配を生じさせる。このとき、噴き付けた冷媒が施工面へ流れると肉盛溶接の妨げになるので、冷媒遮蔽板９３を単結晶動翼４と密着させて配置することでこれを防ぐ。実施例２で示した直接冷却治具９は冷媒遮蔽板９３も供えた構造のものを用いた。
図５に実施例３のレーザ肉盛溶接装置を示す。実施例１の構成において、冷却治具５を冷媒槽３００に変更した構成である。
冷媒供給，循環および熱交換装置８から供給された冷媒は、冷媒導入口３０２より冷媒槽３００に導入され、動翼固定治具６に固定された単結晶合金４を冷媒槽３００内に配置し冷媒に浸漬することで直接単結晶動翼４を強制冷却することで、施工面と母材の間に温度勾配を生じさせる。このとき、施工面を囲むように単結晶動翼４を冷媒に浸漬させると、単結晶動翼４の母材結晶の優先成長方向と垂直な方向にも最大温度勾配が発生してしまうため、施工面よりも単結晶動翼の母材側に装着する必要がある。また、冷媒の蒸発や、冷媒槽をＸＹステージに取り付けて操作させた場合に起こり得る冷媒の波打ちによって、施工部に冷媒が干渉すると肉盛溶接の妨げになるので、冷媒遮蔽板３０１を単結晶動翼４と密着させて配置することでこれを防ぐ。冷媒は、冷媒排出口３０２より冷媒供給，循環および熱交換装置８にもどり、冷媒が循環することで単結晶動翼を強制的に冷却することができる。
１ レーザ発振器
２ 粉末供給源
３ 三次元加工装置
４ 単結晶動翼
５ 冷却治具
６ 動翼固定治具
７ ガス供給源
８ 冷媒供給，循環および熱交換装置
９ 直接冷却治具
１１ 光ファイバ
２１ 粉末供給管
４１ 施工面
４２ ダブテイル部
５１，３０２ 冷媒供給および排出口
５２ 冷媒流路
６１ 動翼固定治具の連結用ボルトナット
７１ ガス供給管
８１ 冷媒供給管
９１ 冷媒供給口
９２ 冷媒噴き付け流路
９３，３０１ 冷媒遮蔽板
１００ 粉末およびシールドガス供給ノズル
２００ 施工部の温度測定装置
２１０ ＮＣ制御盤
２１１ 三次元ＮＣ加工機への信号線
２１２ レーザ発信機への信号線
２１３ 粉末供給装置への信号線
２１４ ガス供給源への信号線
２２０ 温度信号を解析しレーザ出力の調整を命令するコントローラ
２２１ レーザ出力調整信号線
３００ 冷媒槽

Claims (20)

  1. 単結晶又は一方向凝固結晶の母材に積層部を形成する溶接方法において、施工面を上部とし、前記施工面より母材側を冷却手段で冷却し、最大温度勾配が母材結晶の優先成長方向に沿った方向になるように予め前記母材側に温度勾配を付与しながら、母材結晶の優先成長方向の延長線上から肉盛することを特徴とする肉盛溶接方法。
  2. 請求項１において、繰り返し肉盛溶接を行い積層することを特徴とする肉盛溶接方法。
  3. 請求項１または２において、レーザ溶接を用いて肉盛溶接することを特徴とする溶接方法。
  4. 請求項１〜３において、前記施工面より母材側に冷媒の流路を備えた冷却治具を密着させ、治具流路内に冷媒を流すことで、間接的に母材側を冷却しながら肉盛することを特徴とする肉盛溶接方法。
  5. 請求項１〜３において、前記施工面より母材側を冷媒中に浸漬させることで、直接的に母材側を冷却しながら肉盛することを特徴とする肉盛溶接方法。
  6. 請求項１〜３において、前記母材の母材側に冷媒を噴き付けることで、直接的に母材側を冷却しながら肉盛することを特徴とする肉盛溶接方法。
  7. 請求項１〜３において、前記母材内の流路に冷媒を流すことで、直接的に母材側を冷却しながら肉盛することを特徴とする肉盛溶接方法。
  8. 請求項５または６において、遮蔽機構により施工部へ冷媒が直接干渉しないようにしながら肉盛することを特徴とする肉盛溶接方法。
  9. 請求項４〜８において、あらかじめ母材側に温度勾配を付与するために用いた冷媒を循環させながら冷却し、肉盛することを特徴とする肉盛溶接方法。
  10. 請求項４〜９において、あらかじめ母材側に温度勾配を付与するために用いた冷媒を循環させるときに熱交換機構により冷媒温度を調整しながら冷却し、肉盛することを特徴とする肉盛溶接方法。
  11. 請求項１〜１０において、施工中の施工部の温度をモニタし、前記施工部の温度が一定になるよう入熱量を調整しながら肉盛することを特徴とする肉盛溶接方法。
  12. 請求項３〜１０において、焦点外し距離を一定に保つために、肉盛溶接直後の積層高さを測定し、測定データを平均化処理して次層の施工位置を決定して、繰り返し肉盛することを特徴とする肉盛溶接方法。
  13. 単結晶又は一方向凝固結晶の母材に積層部を形成する溶接装置において、レーザを照射する溶接ヘッドと溶加材を供給するノズルおよびシールドガスを供給するノズルを備えた肉盛溶接加工ヘッドと、母材側を強制的に冷却するための冷却手段を有することを特徴とするレーザ肉盛溶接装置。
  14. 請求項１３において、前記施工面より母材側に冷媒の流路を備えた冷却治具を密着させ、治具流路内に冷媒を流す手段により、間接的に母材側を強制冷却するための冷却装置を備えることを特徴とするレーザ肉盛溶接装置。
  15. 請求項１３において、前記施工面より母材側を冷媒槽の冷媒中に浸漬させる手段により、直接的に母材側を強制冷却するための冷却装置を備えることを特徴とするレーザ肉盛溶接装置。
  16. 請求項１３において、前記母材の施工面より母材側に冷媒を噴き付ける手段により、直接的に母材側を冷却するための冷却装置を備えることを特徴とするレーザ肉盛溶接装置。
  17. 請求項１５または１６において、施工部へ冷媒が直接干渉しないように遮蔽機構を備えることを特徴とするレーザ肉盛溶接装置。
  18. 請求項１３〜１７において、冷媒を循環させるための装置を備えることを特徴とするレーザ肉盛溶接装置。
  19. 請求項１３〜１７において、冷媒を循環させるときに熱交換により冷媒温度を調整する機構を備えることを特徴とするレーザ肉盛溶接装置。
  20. 請求項１３〜１９において、肉盛溶接直後の積層高さを測定する機構と、測定データを平均化処理する論理回路機構を備え、平均化された位置情報から施工位置とレーザを照射する溶接ヘッドとの距離を所定の長さになるように位置決定を行う論理回路および制御装置を備えることを特徴とするレーザ肉盛溶接装置。
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