JP2015155110A - レーザ肉盛溶接装置およびレーザ肉盛溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザを用いて肉盛溶接する際、凝固割れや液化割れなどの溶接割れを抑制することができるレーザ肉盛溶接装置およびレーザ肉盛溶接方法を提供する。
【解決手段】実施形態のレーザ肉盛溶接装置１０は、レーザ発振器２９から出射されたレーザ光をレーザビーム２８として、Ｎｉ基超合金からなる肉盛対象物４０に照射する光路部と、光路部に設けられ、トップハット型のエネルギプロファイルを有するレーザビーム２８を構成するエネルギプロファイル変換部３０と、溶加材の粉末を、肉盛対象物４０のレーザビーム照射部に供給する溶加材供給部とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、レーザ肉盛溶接装置およびレーザ肉盛溶接方法に関する。

ガスタービンにおいては、燃焼温度を高温化することによって熱効率を向上させることができる。そのため、１９９０年代においては静翼入口ガス温度が１１００℃のものが主流であったが、２０００年代に入り１３００℃、１５００℃の機種が開発されている。

ガスタービンの動翼のチップスキーラは、動翼の先端に備えられ、燃焼ガスが翼先端から漏れることによる効率低下を抑制している。チップスキーラは、高温の燃焼ガスにさらされる他、対向するシュラウドセグメントと接触することがある。そのため、高温酸化やエロージョンなどによる損耗を受けやすい。

このようにチップスキーラが損耗した場合、レーザ肉盛溶接による補修が施される。ガスタービンの動翼材として使用されているＮｉ基超合金は、Ｎｉのマトリックス中にγ’相と呼ばれるＮｉ_３Ａｌ相を析出させて強化した析出強化型Ｎｉ基超合金である。この析出強化型Ｎｉ基超合金に対して同じ材料を用いて肉盛溶接を行った場合、優れた溶接性を得ることは困難である。

析出強化型Ｎｉ基超合金における溶接性は、ＡｌとＴｉの含有量で定性的に整理される。ＡｌおよびＴｉの濃度が高いと溶接性が悪く、溶接時に凝固割れ、液化割れ、延性低下割れなどの溶接割れを引き起こす。例えば、現在、ガスタービンの初段の動翼として使用されているＧＴＤ−１１１（米国ゼネラルエレクトリック社製）やＲｅｎｅＮ５（米国ゼネラルエレクトリック社製）などの単結晶超合金は、難溶接材に分類されるため溶接割れが起こりやすいと考えられる。

これらの溶接割れは、溶接時に導入される溶接残留ひずみを小さくすることで抑制される。このため航空機用ガスタービンを中心に溶接入熱が低いレーザ肉盛溶接が採用されている。

図７は、従来のレーザ肉盛溶接に使用されているレーザビームの、照射方向に垂直な断面を示した図である。図８は、図７のＸ−Ｘ断面におけるレーザビームのエネルギプロファイルを模式的に示した図である。図９は、図７のＸ−Ｘ断面のレーザビームが通過する間の積算エネルギ分布を模式的に示す図である。

従来のレーザ肉盛溶接に使用されているレーザビームは、図７に示すように、断面が円形である。このレーザビームは、図８に示すように、ガウシアン型と呼ばれるエネルギプロファイルを有する。このようなガウシアン型のレーザビームを使用すると、図９に示すように、積算エネルギ（入熱）の分布は、中心部で高く、周辺部で低くなる。

日本ガスタービン学会誌 Vol.40，No.4，p.130

上記したように、従来のレーザ肉盛溶接に使用されているガウシアン型のレーザビームにおいては、入熱は、中心部で高く、周辺部で低い。そのため、周辺部に合わせて入熱を設定すると中心部の入熱が過多となり、凝固割れや液化割れが発生することがある。

本発明が解決しようとする課題は、レーザを用いて肉盛溶接する際、凝固割れや液化割れなどの溶接割れを抑制することができるレーザ肉盛溶接装置およびレーザ肉盛溶接方法を提供するものである。

実施形態のレーザ肉盛溶接装置は、レーザ発振器から出射されたレーザ光をレーザビームとして、Ｎｉ基超合金からなる肉盛対象物に照射する光路部と、前記光路部に設けられ、トップハット型のエネルギプロファイルを有する前記レーザビームを構成するエネルギプロファイル変換部と、溶加材の粉末を、前記肉盛対象物のレーザビーム照射部に供給する溶加材供給部とを備える。

実施の形態のレーザ肉盛溶接装置の構成を模式的に示した図である。 実施の形態のレーザ肉盛溶接に使用されているレーザビームの、照射方向に垂直な断面を示した図である。 図２のＡ−Ａ断面におけるレーザビームのエネルギプロファイルを模式的に示した図である。 実施の形態のレーザ肉盛溶接に使用されているレーザビームのエネルギプロファイルを説明するために、照射方向に垂直なレーザビームの断面を示した図である。 図２のＡ−Ａ断面のレーザビームが通過する間の積算エネルギ分布を模式的に示した図である。 肉盛部の表面全体の溶接割れの長さを説明するために、肉盛部の側面を模式的に示した図である。 従来のレーザ肉盛溶接に使用されているレーザビームの、照射方向に垂直な断面を示した図である。 図７のＸ−Ｘ断面におけるレーザビームのエネルギプロファイルを模式的に示した図である。 図７のＸ−Ｘ断面のレーザビームが通過する間の積算エネルギ分布を模式的に示した図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、実施の形態のレーザ肉盛溶接装置１０の構成を模式的に示した図である。図１に示すように、レーザ肉盛溶接装置１０は、レーザ発振器２９、溶接レーザヘッド２０、レーザ発振器２９で発生したレーザ光を溶接レーザヘッド２０に導く光ファイバ２１を備えている。

また、レーザ肉盛溶接装置１０は、溶加材の粉末２３を供給する粉末供給装置２２と、この粉末供給装置２２から導出された溶加材の粉末２３を溶接レーザヘッド２０に導く粉末供給管２４とを備える。さらに、レーザ肉盛溶接装置１０は、シールドガス２５を供給するガス供給装置２６と、シールドガス２５をガス供給装置２６から溶接レーザヘッド２０に導くガス供給管２７を備えている。

レーザ発振器２９としては、例えば、半導体レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、ディスクレーザなどを使用することができる。レーザ発振器２９から出射されるレーザ光は、例えば、ガウシアン型のエネルギプロファイルを有している。

溶接レーザヘッド２０は、例えば、肉盛方向に走査可能に取り付けられている。なお、肉盛対象物４０側を走査するように構成してもよい。溶接レーザヘッド２０内には、例えば、レーザ発振器２９からのレーザ光をレーザビーム２８として肉盛対象物４０に照射する光路２０ｂ、粉末供給装置２２からの溶加材の粉末２３を肉盛対象物４０に供給するための粉末通路２０ｃ、およびガス供給装置２６からのシールドガス２５を肉盛対象物４０に供給するためのガス通路２０ｄが備えられている。

レーザビーム２８、粉末２３、シールドガス２５は、例えば、肉盛対象物４０に対向する、溶接レーザヘッド２０の端面２０ａから肉盛対象物４０に、それぞれ照射または供給される。なお、端面２０ａにおいて、粉末２３を噴出する噴出孔およびシールドガス２５を噴出する噴出孔は、例えば、レーザビーム２８が出射する出射孔の周囲に周方向に均等に形成されている。また、粉末２３を噴出する噴出孔は、例えば、シールドガス２５を噴出する噴出孔よりも内側に形成される。

例えば、溶接レーザヘッド２０内の光路２０ｂには、溶接レーザヘッド２０から出射されるレーザビーム２８のエネルギプロファイルをトップハット型とするエネルギプロファイル変換部３０が設けられている。なお、このエネルギプロファイル変換部３０については、後に詳しく説明する。

ここで、光ファイバ２１および溶接レーザヘッド２０内の光路２０ｂは、光路部として機能する。粉末供給装置２２、粉末供給管２４および溶接レーザヘッド２０内の粉末通路２０ｃは、溶加材供給部として機能する。ガス供給装置２６、ガス供給管２７および溶接レーザヘッド２０内のガス通路２０ｄは、シールガス供給部として機能する。

なお、ここでは、肉盛部５０などの酸化を抑制するために、シールドガス２５を供給する系統を備えた一例を示しているが、シールドガス２５を供給する系統を備えなくてもよい。

肉盛溶接が行われる肉盛対象物４０は、例えば、Ｎｉ_３Ａｌ（γ’相）を析出強化させた析出強化型のＮｉ基超合金で構成されている。この析出強化型のＮｉ基超合金に対して同一の材料で肉盛溶接することは溶接性の観点から困難である。そこで、溶加材としては、Ｎｉ基超合金の中でも、固溶強化型のＮｉ基超合金の粉末を使用することが好ましい。

固溶強化型のＮｉ基超合金としては、例えば、主たる強化因子がＮｉに固溶したＣｏ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗなどの格子ひずみであるＮｉ基超合金などが挙げられる。固溶強化型のＮｉ基超合金として、特に限定するものではないが、具体的には、例えば、ＩＮ６２５（スペシャルメタル社製）、ＩＮ６１７（スペシャルメタル社製）、ＨＡ２３０（ヘインズアロイ社製）などが挙げられる。

ここで、固溶強化型のＮｉ基超合金において、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｈｆなどの成分は、局所的な融点を下げる場合ある。これらの成分を含んだ固溶強化型のＮｉ基超合金を使用しても本実施の形態の作用効果は得られるが、これらの成分を含まない固溶強化型のＮｉ基超合金を使用してもよい。

溶加材の粉末２３の平均粒径は、溶融池５１に的確に供給して確実に溶融させるために、例えば、４５μｍ〜１１０μｍであることが好ましい。なお、平均粒径は、メディアン径であり、例えば、レーザ回折散乱法などによって測定される。

シールドガス２５は、例えば、不活性ガスで構成される。この不活性ガスとしては、例えば、ヘリウム、アルゴン、窒素などを使用することができる。

次に、レーザビーム２８のパターンについて説明する。

図２は、実施の形態のレーザ肉盛溶接に使用されているレーザビーム２８の、照射方向に垂直な断面を示した図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面におけるレーザビーム２８のエネルギプロファイルを模式的に示した図である。図４は、実施の形態のレーザ肉盛溶接に使用されているレーザビーム２８のエネルギプロファイルを説明するために、照射方向に垂直なレーザビーム２８の断面を示した図である。図５は、図２のＡ−Ａ断面のレーザビーム２８が通過する間の積算エネルギ分布を模式的に示した図である。

実施の形態のレーザ肉盛溶接に使用されているレーザビーム２８の、照射方向に垂直な断面（以下、レーザビーム断面という。）における形状は、例えば、図２に示すように略四角形である。この場合、レーザスポットの形状は略四角形となる。

ここで、略四角形には、長方形や正方形以外にも、図２に示すように、４つの角がＲ部となっている構成も含むものとする。また、略四角形には、４つの角が、例えばＣ面取りのように直線状にカットされている構成も含むものとする。

なお、レーザビーム２８が通過する間の積算エネルギ分布の均一化を図る観点からは、レーザビーム断面の形状は略四角形であることが好ましいが、レーザビーム断面の形状を、例えば、円形としてもよい。この場合、レーザスポットの形状は円形となる。

レーザビーム２８は、図３に示すように、トップハット型と呼ばれるエネルギプロファイルを有する。トップハット型のエネルギプロファイルとしては、図３に示すように、レーザビーム断面に亘ってエネルギが均一であることが好ましい。ここでいうトップハット型のエネルギプロファイルには、レーザビーム断面に亘ってエネルギが均一な場合以外にも次の場合も含むものとする。

図４に示すレーザビーム断面において、断面中心を中心Ｏとして外側に向かってレーザビーム２８のエネルギを積算し、断面におけるレーザビーム２８の全エネルギの８７％となる境界６０の内側の領域を領域６１とする。境界６０上は、中心Ｏからの距離が等しい位置であり、境界６０の形状は円形となる。領域６１内においては、エネルギの最小値がエネルギの最大値の８０％以上となる。すなわち、領域６１内においては、エネルギの最大値を１とすると、エネルギの最小値は０．８以上となる。レーザビーム断面において、このようなエネルギプロファイルを有する場合も、トップハット型のエネルギプロファイルに含まれるものとする。

なお、ここでは、ガウシアン型ビームにおけるビームウエスト内のエネルギ量は、その断面全体におけるエネルギ量の８７％程度であるので、それに準じて、上記したようにトップハット型における境界６０を全エネルギの８７％となる位置とした。また、エネルギの最小値がエネルギの最大値の８０％以上となる範囲とするのは、この範囲であれば、ほぼ均一な入熱が得られ、溶接割れが抑制されるからである。

ここで、断面におけるレーザビーム２８の全エネルギの８７％となる境界６０は、例えば、Ｐｒｉｍｅｓ社のフォーカスモニタなどを用いてレーザビームのエネルギ分布を測定することによって定められる。また、境界６０内のエネルギの最大値および最小値についても、例えば、Ｐｒｉｍｅｓ社のフォーカスモニタなどを用いてレーザビームのエネルギ分布を測定することによって定められる。

このようなトップハット型のエネルギプロファイルを有するレーザビーム２８を使用すると、図５に示すように、積算エネルギ（入熱）の分布は、中心部や周辺部においても均一となる。これによって、被肉盛面４１に供給される入熱が均一になるため、凝固割れや液化割れの発生を抑制することができる。

ここで、ガウシアン型のエネルギプロファイルを有するレーザビームを、トップハット型のエネルギプロファイルを有するレーザビーム２８に変換するエネルギプロファイル変換部３０について説明する。

エネルギプロファイル変換部３０は、例えば、エネルギプロファイルを均一にするビームホモジナイザで構成される。ガウシアン型のエネルギプロファイルを有するレーザ光が、このビームホモジナイザを通過することで、トップハット型のエネルギプロファイルを有するレーザ光となる。このビームホモジナイザは、例えば、溶接レーザヘッド２０内のレーザ光が通過する光路２０ｂに設けられる。また、ビームホモジナイザを、光ファイバ２１に介在させてもよい。

また、エネルギプロファイル変換部３０は、例えば、方形コアファイバで構成されてもよい。この場合、例えば、光路２０ｂを方形コアファイバで構成してもよい。また、光ファイバ２１を方形コアファイバで構成してもよい。ガウシアン型のエネルギプロファイルを有するレーザ光がこの方形コアファイバを通過することで、トップハット型のエネルギプロファイルを有するレーザ光となる。

なお、レーザビーム２８のエネルギプロファイルをトップハット型にする方法は、上記した方法に限られるものではなく、前述した定義のトップハット型のエネルギプロファイルが得られる方法であればよい。

次に、実施の形態のレーザ肉盛溶接方法について、図１を参照して説明する。

レーザ発振器２９から出射されたレーザ光は、光ファイバ２１を通り溶接レーザヘッド２０の光路２０ｂに導かれる。光路２０ｂに導かれたレーザ光は、エネルギプロファイル変換部３０によってトップハット型のエネルギプロファイルに変換される。

トップハット型のエネルギプロファイルに変換されたレーザ光は、溶接レーザヘッド２０の端面２０ａの中央からレーザビーム２８として、肉盛対象物４０の被肉盛面４１に向けて出射される。そして、出射されたレーザビーム２８は、肉盛対象物４０の被肉盛面４１に照射される。なお、肉盛部５０を多段に積層して形成する場合には、被肉盛面４１は、すでに形成された肉盛部５０となる。

粉末供給装置２２から粉末供給管２４を介して供給された溶加材の粉末２３は、溶接レーザヘッド２０から被肉盛面４１に向けて供給される。粉末２３は、例えば、図１に示すように、レーザビーム２８の周囲からレーザビーム２８に沿って供給される。

被肉盛面４１に供給された粉末２３は、レーザビーム２８のエネルギによって溶融し、溶融池５１を形成する。この際、レーザビーム２８のエネルギプロファイルがトップハット型であるため、被肉盛面４１に均一に入熱が供給される。粉末２３は、レーザビーム２８のエネルギによって溶融池５１で溶融し、その後凝固して肉盛部５０を形成する。

ガス供給装置２６からガス供給管２７を介して供給されたシールドガス２５は、溶接レーザヘッド２０から被肉盛面４１や溶融池５１に向けて吹き出される。これによって、溶融池５１やその周辺部は、シールドガス２５によって覆われ、大気と遮断される。そのため、肉盛をする際、溶融した粉末２３や溶融池５１に近い肉盛部５０が大気によって酸化されることを抑制している。なお、シールドガス２５は、例えば、中央のレーザビーム２８およびレーザビーム２８に沿って供給される粉末２３の周囲を覆うように被肉盛面４１側に吹き出されてもよい。

このように、肉盛工程では、被肉盛面４１に対して溶加材の粉末２３を供給するとともに、レーザビーム２８を照射し、溶融した粉末２３によって被肉盛面４１に肉盛部５０が形成される。

また、肉盛工程において、例えば、すでに形成された肉盛部５０上に、さらに新たな肉盛部５０を形成して、多層の肉盛部５０を形成する場合には、新たな肉盛部５０は、すでに形成された肉盛部５０の温度（表面温度）が４００℃以上の状態で、積層されることが好ましい。温度が４００℃以上の肉盛部５０上に新たな肉盛部５０を形成することで、溶接割れを抑制することができる。なお、肉盛部５０の温度は、例えば、熱電対、放射温度計などを使用して測定される。

なお、上記において、溶接レーザヘッド２０を介して溶加材の粉末２３を被肉盛面４１に向けて供給する一例を示したが、この構成に限られるものではない。例えば、溶加材の粉末２３を溶接レーザヘッド２０を介さずに、例えば、別個に設けられた供給配管から被肉盛面４１に供給してもよい。

上記した実施の形態のレーザ肉盛溶接装置およびレーザ肉盛溶接方法によれば、トップハット型のエネルギプロファイルを有するレーザビーム２８を使用することで、被肉盛面４１に均一に入熱が供給される。これによって、凝固割れや液化割れなどの溶接割れを抑制することができる。

実施の形態のレーザ肉盛溶接装置およびレーザ肉盛溶接方法は、例えば、動翼、静翼などのガスタービン高温部品の損耗やき裂を補修する際のレーザ肉盛溶接方法として利用することが可能である。また、ガスタービン部品に限らず、Ｎｉ基超合金からなる母相に対するレーザ肉盛溶接に広く適用することができる。さらに、母相がＮｉ基超合金以外の金属で構成された場合においても、実施の形態のレーザ肉盛溶接装置およびレーザ肉盛溶接方法を適用することができる。これらの場合においても、被肉盛面に均一に入熱が供給され、凝固割れや液化割れなどの溶接割れを抑制することができる。

（溶接割れの評価）
次に、実施の形態のレーザ肉盛溶接装置およびレーザ肉盛溶接方法によって肉盛部５０を形成することで、溶接割れを抑制できるとこを説明する。

（実施例１）
実施例１では、図１に示したレーザ肉盛溶接装置１０を使用して肉盛溶接を行った。なお、以下の実施例および比較例においても図１に示したレーザ肉盛溶接装置１０を使用した。

肉盛対象物４０として、Ｎｉ基超合金であるＭＭ２４７ＬＣのブロック材を使用した。肉盛対象物４０のサイズは、縦を５０ｍｍ、横を１０ｍｍ、厚さを２０ｍｍとした。被肉盛面４１は、上記した縦（５０ｍｍ）および横（１０ｍｍ）で構成される面とした。

溶加材として、ＨＡ２３０を使用した。溶加材の粉末２３の平均粒径（メディアン径）を９０μｍとした。なお、平均粒径は、レーザ回折散乱法によって測定した（以下、同じ）。

ここで、表１に、肉盛対象物４０および溶加材を構成する材料の化学組成を示している。

レーザ発振器２９として、半導体レーザを使用した。レーザビーム断面の形状が円形のレーザビーム２８を使用した。そのため、レーザスポットの形状は円形であった。また、レーザビーム２８のエネルギプロファイルをトップハット型とした。ここでは、溶接レーザヘッド２０内のレーザ光が通過する光路２０ｂにビームホモジナイザを設置して、トップハット型のレーザビーム２８を得た。

レーザビーム断面において、断面中心を中心Ｏとして外側に向かってレーザビーム２８のエネルギを積算し、断面におけるレーザビーム２８の全エネルギの８７％となる境界６０の内側の領域６１内において、エネルギの最小値はエネルギの最大値の９０％であった。なお、境界６０、エネルギの最大値および最小値は、前述した方法で定めた。このレーザビーム２８において、境界６０の直径は、５ｍｍであった。

レーザ出力を２１００Ｗ、溶接速度を３００ｍｍ／分、溶加材の粉末２３の供給速度を９ｇ／分として被肉盛面４１の外周に沿って単層の肉盛溶接を行った。

続いて、肉盛部５０の溶接割れを蛍光浸透探傷試験によって評価した。ここで、肉盛部５０の表面には、表面のみ溶融した粉末２３が付着している。そのため、肉盛部５０の表面は、一部が付着した粉末２３によって凸凹になっている。このままの状態で蛍光浸透探傷試験を行うと、肉盛部５０の表面の凹凸に蛍光浸透探傷液が浸透して染み出す。そのため、欠陥の判別が難しい。そこで、表面をグラインダで研削して凹凸を除去した後、蛍光浸透探傷試験を行った。

蛍光浸透探傷試験では、測定顕微鏡を用いて、肉盛部５０の表面全体の溶接割れの長さを測定した。図６は、肉盛部５０の表面全体の溶接割れの長さを説明するために、肉盛部５０の側面を模式的に示した図である。図６に示すように、例えば、肉盛部５０の表面全体において３箇所に溶接割れ７０、７１、７２が生じていたとする。溶接割れ７０、７１、７２の長さは、図６に示すように、それぞれ、ａｍｍ、ｂｍｍ、ｃｍｍである。この場合、肉盛部５０の表面全体の溶接割れの長さは、（ａ＋ｂ＋ｃ）ｍｍとなる。すなわち、肉盛部５０の表面全体の溶接割れの長さは、各溶接割れの長さを積算した値である。

なお、溶接割れ７０、７１、７２の長さは、溶接割れ７０、７１、７２の一端と他端との間の距離、すなわち溶接割れ７０、７１、７２の一端と他端とを結んだ直線の長さである。

肉盛部５０の表面全体の溶接割れの長さの測定結果を表２に示す。

表２に示すように、実施例１において溶接割れは存在しなかった。

（実施例２）
実施例２で使用した肉盛対象物４０は、実施例１の肉盛対象物４０と同じとした。溶加材として、ＩＮ６２５を使用した。溶加材の粉末２３の平均粒径（メディアン径）を９０μｍとした。表１に、肉盛対象物４０および溶加材を構成する材料の化学組成を示している。

レーザ発振器２９として、半導体レーザを使用した。レーザビーム断面の形状が略四角形のレーザビーム２８を使用した。そのため、レーザスポットの形状は略四角形であった。また、レーザビーム２８のエネルギプロファイルをトップハット型とした。ここでは、溶接レーザヘッド２０内のレーザ光が通過する光路２０ｂにビームホモジナイザを設置して、トップハット型のレーザビーム２８を得た。

レーザビーム断面において、断面中心を中心Ｏとして外側に向かってレーザビーム２８のエネルギを積算し、断面におけるレーザビーム２８の全エネルギの８７％となる境界６０の内側の領域６１内において、エネルギの最小値はエネルギの最大値の９０％であった。なお、境界６０、エネルギの最大値および最小値は、前述した方法で定めた。このレーザビーム２８において、円形の境界６０が内接する四角形の１辺の長さは、５ｍｍであった。

レーザ出力、溶接速度、溶加材の粉末２３の供給速度は、実施例１と同じとした。被肉盛面４１の外周に沿って肉盛部５０を形成し、この肉盛部５０の温度（表面温度）が５００℃の状態で、この肉盛部５０上に新たに肉盛部５０を形成した。すなわち、２段に積層された肉盛部５０を形成した。なお、肉盛部５０の温度（表面温度）は、放射温度計によって測定した（以下、同じ。）。

実施例１と同様に、肉盛部５０の表面をグラインダで研削して凹凸を除去した後、蛍光浸透探傷試験を行った。肉盛部５０の表面全体の溶接割れの長さの測定結果を表２に示す。表２に示すように、実施例２において溶接割れは存在しなかった。

（実施例３）
実施例３で使用した肉盛対象物４０は、実施例１の肉盛対象物４０と同じとした。溶加材として、ＨＡ２３０を使用した。溶加材の粉末２３の平均粒径（メディアン径）を９０μｍとした。表１に、肉盛対象物４０および溶加材を構成する材料の化学組成を示している。

レーザ発振器２９、レーザビーム断面の形状およびレーザビーム２８のエネルギプロファイル、レーザ出力、溶接速度、溶加材の粉末２３の供給速度は、実施例２のものと同じとした。

被肉盛面４１の外周に沿って肉盛部５０を形成し、この肉盛部５０の温度（表面温度）が４１０℃の状態で、この肉盛部５０上に新たに肉盛部５０を形成した。すなわち、２段に積層された肉盛部５０を形成した。

実施例１と同様に、肉盛部５０の表面をグラインダで研削して凹凸を除去した後、蛍光浸透探傷試験を行った。肉盛部５０の表面全体の溶接割れの長さの測定結果を表２に示す。表２に示すように、実施例３において溶接割れは存在しなかった。

（実施例４）
実施例４で使用した肉盛対象物４０は、ガスタービンの動翼の材料として使用されるＧＴＤ−１１１のブロック材を使用した。肉盛対象物４０のサイズは、実施例１のそれと同じとした。溶加材として、ＩＮ６１７を使用した。溶加材の粉末２３の平均粒径（メディアン径）を９０μｍとした。表１に、肉盛対象物４０および溶加材を構成する材料の化学組成を示している。

レーザ発振器２９、レーザビーム断面の形状およびレーザビーム２８のエネルギプロファイル、レーザ出力、溶接速度、溶加材の粉末２３の供給速度は、実施例２のものと同じとした。

被肉盛面４１の外周に沿って肉盛部５０を形成し、この肉盛部５０の温度（表面温度）が４１５℃の状態で、この肉盛部５０上に新たに肉盛部５０を形成した。すなわち、２段に積層された肉盛部５０を形成した。

実施例１と同様に、肉盛部５０の表面をグラインダで研削して凹凸を除去した後、蛍光浸透探傷試験を行った。肉盛部５０の表面全体の溶接割れの長さの測定結果を表２に示す。表２に示すように、実施例４において溶接割れは存在しなかった。

（比較例１）
比較例１で使用した肉盛対象物４０および溶加材は、実施例３のそれらと同じとした。溶加材の粉末２３の平均粒径（メディアン径）も実施例３のそれと同じとした。

レーザ発振器２９として、半導体レーザを使用した。レーザビーム断面の形状が円形のレーザビーム２８を使用した。そのため、レーザスポットの形状は円形であった。また、レーザビーム２８のエネルギプロファイルをガウシアン型とした。

レーザビーム断面において、断面中心を中心Ｏとして外側に向かってレーザビーム２８のエネルギを積算し、断面におけるレーザビーム２８の全エネルギの８７％となる境界６０の内側の領域６１内において、エネルギの最小値はエネルギの最大値の１０％以下であった。なお、境界６０、エネルギの最大値および最小値は、前述した方法で定めた。このレーザビーム２８において、境界６０の直径は、５ｍｍであった。

レーザ出力を２１００Ｗ、溶接速度を３００ｍｍ／分、溶加材の粉末２３の供給速度を９ｇ／分とした。被肉盛面４１の外周に沿って肉盛部５０を形成し、この肉盛部５０の温度（表面温度）が４１０℃の状態で、この肉盛部５０上に新たに肉盛部５０を形成した。すなわち、２段に積層された肉盛部５０を形成した。

実施例１と同様に、肉盛部５０の表面をグラインダで研削して凹凸を除去した後、蛍光浸透探傷試験を行った。肉盛部５０の表面全体の溶接割れの長さの測定結果を表２に示す。表２に示すように、比較例１において、溶接割れは存在し、肉盛部５０の表面全体の溶接割れの長さは、１２．１ｍｍであった。

（比較例２）
比較例２で使用した肉盛対象物４０および溶加材は、実施例１のそれらと同じとした。溶加材の粉末２３の平均粒径（メディアン径）も実施例１のそれと同じとした。

レーザ発振器２９、レーザビーム断面の形状は、実施例１のそれぞれと同じとした。ここで、比較例２において、トップハット型ではないが、これに近い状態のレーザビーム２８のエネルギプロファイルを形成した。すなわち、レーザビーム断面において、断面中心を中心Ｏとして外側に向かってレーザビーム２８のエネルギを積算し、断面におけるレーザビーム２８の全エネルギの８７％となる境界６０の内側の領域６１内において、エネルギの最小値はエネルギの最大値の７０％であった。なお、境界６０、エネルギの最大値および最小値は、前述した方法で定めた。このレーザビーム２８において、円形の境界６０が内接する四角形の１辺の長さは、５ｍｍであった。

レーザ出力、溶接速度、溶加材の粉末２３の供給速度を実施例１と同じとし、被肉盛面４１の外周に沿って単層の肉盛溶接を行った。

実施例１と同様に、肉盛部５０の表面をグラインダで研削して凹凸を除去した後、蛍光浸透探傷試験を行った。肉盛部５０の表面全体の溶接割れの長さの測定結果を表２に示す。表２に示すように、比較例２において、溶接割れは存在し、肉盛部５０の表面全体の溶接割れの長さは、３．２ｍｍであった。

（比較例３）
比較例３で使用した肉盛対象物４０および溶加材は、実施例２のそれらと同じとした。溶加材の粉末２３の平均粒径（メディアン径）も実施例２のそれと同じとした。

レーザ発振器２９、レーザビーム断面の形状、レーザビーム２８のエネルギプロファイルも実施例２のそれらと同じとした。レーザ出力、溶接速度、溶加材の粉末２３の供給速度も実施例２と同じとした。しかし、比較例３では、被肉盛面４１の外周に沿って肉盛部５０を形成し、この肉盛部５０の温度（表面温度）が５０℃の状態で、この肉盛部５０上に新たに肉盛部５０を形成した。そして、２段に積層された肉盛部５０を形成した。

実施例１と同様に、肉盛部５０の表面をグラインダで研削して凹凸を除去した後、蛍光浸透探傷試験を行った。肉盛部５０の表面全体の溶接割れの長さの測定結果を表２に示す。表２に示すように、比較例３において、溶接割れは存在し、肉盛部５０の表面全体の溶接割れの長さは、７．８ｍｍであった。

以上説明した実施形態によれば、レーザを用いて肉盛溶接する際、凝固割れや液化割れなどの溶接割れを抑制することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…レーザ肉盛装置、２０…溶接レーザヘッド、２０ａ…端面、２０ｂ…光路、２０ｃ…粉末通路、２０ｄ…ガス通路、２１…光ファイバ、２２…粉末供給装置、２３…粉末、２４…粉末供給管、２５…シールドガス、２６…ガス供給装置、２７…ガス供給管、２８…レーザビーム、２９…レーザ発振器、３０…エネルギプロファイル変換部、４０…肉盛対象物、４１…被肉盛面、５０…肉盛部、５１…溶融池、６０…境界、６１…領域。

Claims (7)

1. レーザ発振器から出射されたレーザ光をレーザビームとして、Ｎｉ基超合金からなる肉盛対象物に照射する光路部と、
   前記光路部に設けられ、トップハット型のエネルギプロファイルを有する前記レーザビームを構成するエネルギプロファイル変換部と、
   溶加材の粉末を、前記肉盛対象物のレーザビーム照射部に供給する溶加材供給部と
   を具備することを特徴とするレーザ肉盛溶接装置。
2. 前記トップハット型のエネルギプロファイルを有する前記レーザビームの、照射方向に垂直な断面において、
   断面中心を中心として外側に向かって前記レーザビームのエネルギを積算し、前記断面における前記レーザビームの全エネルギの８７％となる境界の内側の領域内で、エネルギの最小値がエネルギの最大値の８０％以上であることを特徴とする請求項１記載のレーザ肉盛溶接装置。
3. 前記溶加材が、固溶強化型Ｎｉ基超合金であることを特徴とする請求項１または２記載のレーザ肉盛溶接装置。
4. 照射方向に垂直な前記レーザビームの断面形状が略四角形であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のレーザ肉盛溶接装置。
5. 前記被肉盛面に向けてシールドガスを供給するシールドガス供給部をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のレーザ肉盛溶接装置。
6. Ｎｉ基超合金からなる被肉盛面に対して溶加材を供給するとともに、レーザビームを照射し、溶融した前記溶加材によって前記被肉盛面に肉盛部を形成する肉盛工程を有し、
   前記レーザビームのエネルギプロファイルがトップハット型であることを特徴とするレーザ肉盛溶接方法。
7. 前記肉盛工程において、形成された前記肉盛部の温度が４００℃以上の状態で、前記肉盛部の上に新たな肉盛部を積層することを特徴とする請求項６記載のレーザ肉盛溶接方法。

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