JP2021020250A

JP2021020250A - 構造体の製造方法及び構造体

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Publication number: JP2021020250A
Application number: JP2019139918A
Authority: JP
Inventors: 藤井　達也; Tatsuya Fujii; 達也藤井
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2021-02-18
Anticipated expiration: 2039-07-30
Also published as: JP7160774B2

Abstract

【課題】製造コストを抑えつつ耐久性に優れた高強度な構造体を容易に製造することができる構造体の製造方法及び構造体を提供する。【解決手段】溶加材Ｍを溶融及び凝固させた溶着ビード５９を層状に積層させた積層部５５を有する構造体Ｗ１の製造方法であって、母材５１上に、溶着ビード５９から造形する積層部５５よりも高い引張強度の補強部材５３を設置する補強部材設置工程と、補強部材５３が設置された母材５１上に、溶着ビード５９を形成して積層部５５を造形する造形工程と、を含む。【選択図】図４Ｂ

Description

本発明は、構造体の製造方法及び構造体に関する。

近年、生産手段としての３Ｄプリンタのニーズが高まっており、特に金属材料への適用については航空機業界等で実用化に向けて研究開発が行われている。金属材料を用いた３Ｄプリンタは、レーザやアーク等の熱源を用いて、金属粉体や金属ワイヤを溶融させ、溶融金属を積層させて造形物を造形する。

溶接ビードを形成する技術として、特許文献１には、アルミ母材上に強化用物質で成る異種材を置き、アルミワイヤを用いて異種材の両側をＭＩＧ溶接し、その後、異種材の上方からアルミ溶加材を用いてアーク溶接により肉盛り溶接することが知られている。

特許第３４８７０２１号公報

ところで、溶着ビードを積層して構造体を造形する造形技術において、構造体の強度を高めるためには、高強度の溶加材を用いればよい。しかし、溶着ビードの形成は、溶加材の強度が高いほど難しくなり、生産性が低下してしまう。また、高強度の溶加材は高価であるため、造形する構造体の製造コストが嵩んでしまう。
また、特許文献１は、溶接個所の接合強度を高める技術であり、構造体を造形する製造方法については記載されていない。このため、この特許文献１の技術を用いても溶着ビードを積層して造形する構造体の強度を高めることは困難である。

本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造コストを抑えつつ耐久性に優れた高強度な構造体を容易に製造することができる構造体の製造方法及び構造体を提供することにある。

本発明は下記構成からなる。
（１）溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを層状に積層させた積層部を有する構造体の製造方法であって、
母材上に、前記溶着ビードから造形する前記積層部よりも高い引張強度の補強部材を設置する補強部材設置工程と、
前記補強部材が設置された前記母材上に、前記溶着ビードを形成して前記積層部を造形する造形工程と、
を含む構造体の製造方法。
（２）溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードを層状に積層させた積層部を有する構造体であって、
母材と、
前記母材上に設置された前記積層部よりも引張強度が高い補強部材と、
前記補強部材が設置された前記母材上に積層された複数の前記溶着ビードからなる前記積層部と、
を有する構造体。

本発明によれば、製造コストを抑えつつ耐久性に優れた高強度な構造体を容易に製造することができる。

本発明の第１実施形態の製造方法で製造する構造体の斜視図である。本発明の第１実施形態の製造方法で製造する構造体の幅方向に沿う断面図である。構造体を製造する製造システムの模式的な概略構成図である。構造体の製造工程を示す製造途中の構造体の幅方向に沿う断面図である。構造体の製造工程を示す製造途中の構造体の幅方向に沿う断面図である。本発明の第２実施形態の製造方法で製造する構造体の斜視図である。本発明の第２実施形態の製造方法で製造する構造体の平面図である。図６におけるＡ−Ａ断面図である。構造体を製造する製造システムの模式的な概略構成図である。構造体の製造工程を示す製造途中の構造体の平面図である構造体の製造工程を示す製造途中の構造体の平面図である構造体の製造工程を示す製造途中の構造体の平面図である図９ＡにおけるＡ１−Ａ１断面図である。図９ＢにおけるＡ２−Ａ２断面図である。図９ＣにおけるＡ３−Ａ３断面図である。補強部材の他の固定方法を示す斜視図である。補強部材の他の例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の製造方法で製造する構造体の概略斜視図である。図２は本発明の製造方法で製造する構造体の幅方向に沿う断面図である。

（第１実施形態）
まず、第１実施形態について説明する。
図１及び図２に示すように、本発明に係る製造方法によって製造する構造体Ｗ１は、母材５１と、補強部材５３と、積層部５５とを有している。母材５１及び補強部材５３は、それぞれ板状に形成されている。補強部材５３は、母材５１の上面に設置されて母材５１に固定されている。積層部５５は、溶加材（溶接ワイヤ）Ｍを溶融及び凝固させた複数の溶着ビード５９からなるもので、母材５１及び補強部材５３の上部に形成されている。これにより、補強部材５３は、その周囲が溶着ビード５９からなる積層部５５によって覆われている。

補強部材５３は、溶着ビード５９となる溶加材Ｍ及び母材５１と溶接が可能な材料を選択する。また、補強部材５３は、母材５１上に造形された溶着ビード５９からなる積層部５５よりも高い引張強度を有している。例えば、溶着ビード５９となる溶加材Ｍを低合金鋼とした場合、炭素鋼やステンレス鋼を選択することができる。溶加材Ｍと補強部材を接合する観点で材質的に予熱や後熱が必要な場合は、補強部材に対して抵抗加熱等を実施してもよい。

次に、上記の構造体Ｗ１を製造する製造システムについて説明する。
図３は構造体を製造する製造システムの模式的な概略構成図である。

図３に示すように、本構成の製造システム１００は、積層造形装置１１と、積層造形装置１１を統括制御するコントローラ１５と、を備える。

積層造形装置１１は、先端軸にトーチ１７を有する溶接ロボット１９と、トーチ１７に溶加材（溶接ワイヤ）Ｍを供給する溶加材供給部２１とを有する。トーチ１７は、溶加材Ｍを先端から突出した状態に保持する。

溶接ロボット１９は、多関節ロボットであり、先端軸に設けたトーチ１７は、溶加材Ｍが連続供給可能に支持される。トーチ１７の位置や姿勢は、ロボットアームの自由度の範囲で３次元的に任意に設定可能となっている。

トーチ１７は、不図示のシールドノズルを有し、シールドノズルからシールドガスが供給される。本構成で用いられるアーク溶接法としては、被覆アーク溶接や炭酸ガスアーク溶接等の消耗電極式、ＴＩＧ溶接やプラズマアーク溶接等の非消耗電極式のいずれであってもよく、作製する積層造形物である構造体Ｗ１に応じて適宜選定される。

例えば、消耗電極式の場合、シールドノズルの内部にはコンタクトチップが配置され、溶融電流が給電される溶加材Ｍがコンタクトチップに保持される。トーチ１７は、溶加材Ｍを保持しつつ、シールドガス雰囲気で溶加材Ｍの先端からアークを発生する。溶加材Ｍは、ロボットアーム等に取り付けた不図示の繰り出し機構により、溶加材供給部２１からトーチ１７に送給される。そして、トーチ１７を移動しつつ、連続送給される溶加材Ｍを溶融及び凝固させると、母材５１上に溶加材Ｍの溶融凝固体である線状の溶着ビード５９が形成される。

なお、溶加材Ｍを溶融させる熱源としては、上記したアークに限らない。例えば、アークとレーザとを併用した加熱方式、プラズマを用いる加熱方式、電子ビームやレーザを用いる加熱方式等、他の方式による熱源を採用してもよい。電子ビームやレーザにより加熱する場合、加熱量を更に細かく制御でき、溶着ビード５９の状態をより適正に維持して、構造体Ｗ１の更なる品質向上に寄与できる。

溶加材Ｍは、あらゆる市販の溶接ワイヤを用いることができる。例えば、軟鋼，高張力鋼及び低温用鋼用のマグ溶接及びミグ溶接ソリッドワイヤ（ＪＩＳＺ３３１２）、軟鋼，高張力鋼及び低温用鋼用アーク溶接フラックス入りワイヤ（ＪＩＳＺ３３１３）等で規定されるワイヤを用いることができる。

コントローラ１５は、ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１と、軌道演算部３３と、記憶部３５と、これらが接続される制御部３７と、を有する。

ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１は、作製しようとする構造体Ｗ１の形状データを作成した後、複数の層に分割して各層の形状を表す層形状データを生成する。軌道演算部３３は、生成された層形状データに基づいてトーチ１７の移動軌跡を求める。記憶部３５は、構造体Ｗ１の形状データ、生成された層形状データ及びトーチ１７の移動軌跡等のデータを記憶する。

制御部３７は、記憶部３５に記憶された層形状データやトーチ１７の移動軌跡に基づく駆動プログラムを実行して、溶接ロボット１９を駆動する。つまり、溶接ロボット１９は、コントローラ１５からの指令により、軌道演算部３３で生成したトーチ１７の移動軌跡に基づき、溶加材Ｍをアークで溶融させながらトーチ１７を移動する。

上記構成の製造システム１００は、設定された層形状データから生成されるトーチ１７の移動軌跡に沿って、トーチ１７を溶接ロボット１９の駆動により移動させ、溶融した溶加材Ｍからなる溶着ビード５９をトーチ１７によって母材５１上に積層させる。これにより、母材５１上に溶着ビード５９が積層された積層部５５を造形する。

次に、上記の構造体Ｗ１の製造方法について説明する。
図４Ａ及び図４Ｂは構造体の製造工程を示す製造途中の構造体の幅方向に沿う断面図である。

（補強部材設置工程）
図４Ａに示すように、母材５１の上面に補強部材５３を位置決めして載置させる。そして、この補強部材５３を抵抗溶接等によって母材５１に固定する。

（造形工程）
設定された層形状データから生成されるトーチ１７の移動軌跡に沿って、積層造形装置１１のトーチ１７を溶接ロボット１９の駆動により移動させながら、溶加材Ｍを溶融させる。そして、図４Ｂに示すように、溶融した溶加材Ｍを母材５１上に供給し、母材５１及び補強部材５３の上部に溶着ビード５９を層状に積層させて積層部５５を造形する。これにより、補強部材５３が溶着ビード５９に埋め込まれ、この補強部材５３によって高強度化された構造体Ｗ１を造形する（図１及び図２参照）。なお、母材５１上に位置決めした補強部材５３を、抵抗溶接によって母材５１に固定せず、母材５１と補強部材５３との隅部に溶着ビード５９を形成して母材５１に固定してもよい。

第１実施形態によれば、溶着ビード５９で造形する積層部５５よりも高い引張強度を有する補強部材５３によって強度及び耐久性を高めることができ、高強度な構造体Ｗ１を製造することができる。これにより、積層部５５を造形するための溶着ビード５９の溶加材Ｍとして、強度の高い高価な溶加材を用いなくても、高強度な構造体Ｗ１を安価に製造することができる。

また、溶加材Ｍおよび母材５１と主成分が同一の補強部材５３を用いることにより、補強部材５３と溶加材Ｍからなる溶着ビード５９および母材５１との接合性を高めて高い強度を得ることができる。

しかも、母材５１に補強部材５３を溶接して設置することにより、補強部材５３を設定した位置に位置決めして固定し、設計強度を得ることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。
図５は本発明の製造方法で製造する構造体の概略斜視図である。図６は本発明の製造方法で製造する構造体の斜視図である。図６は本発明の製造方法で製造する構造体の平面図である。図７は本発明の製造方法で製造する構造体の長手方向に沿う断面図である。
図５から図７に示すように、本発明に係る製造方法によって製造する構造体Ｗ２は、母材６１と、複数の補強部材６３と、積層部６５と、鋳物部６７と、を有している。

母材６１は、板状に形成されており、補強部材６３は、それぞれ棒状に形成されている。補強部材６３は、母材６１の上面に設置され、母材６１に対して立設するように固定されている。補強部材６３は、水平方向へ互いに間隔をあけて配置されている。積層部６５は、溶加材（溶接ワイヤ）Ｍを溶融及び凝固させた複数の溶着ビード６９からなるもので、補強部材６３が設置された母材６１の上部に造形されている。積層部６５は、外殻６５Ａを有している。外殻６５Ａは、補強部材６３を囲うように、母材６１上に形成されている。鋳物部６７は、母材６１上に立設された補強部材６３の周囲を覆うように、積層部６５の外殻６５Ａの内側に設けられている。これにより、構造体Ｗ２は、母材６１、補強部材６３、外殻６５Ａを有する積層部６５及び鋳物部６７が一体化されて構成されている。

次に、上記の構造体Ｗ２を製造する製造システムについて説明する。
なお、第１実施形態における製造システム１００と同一構造部分は、同一符号を付して説明を省略する。
図８は構造体を製造する製造システムの模式的な概略構成図である。

図８に示すように、製造システム２００は、鋳湯２５を貯留するるつぼ２７を備えた鋳造装置１３を有している。鋳造装置１３は、積層造形装置１１を統括制御するコントローラ１５によって制御され、設定された鋳湯位置へ移動させて、るつぼ２７から鋳湯２５を流し込む。

次に、上記の構造体Ｗ２の製造方法について説明する。
図９Ａ〜図９Ｃは構造体の製造工程を示す製造途中の構造体の平面図である。図１０Ａ〜図１０Ｃは構造体の製造工程を示す製造途中の構造体の断面図である。

（補強部材設置工程）
図９Ａ及び図１０Ａに示すように、母材６１の上面に複数の棒状の補強部材６３を位置決めして立設させる。そして、この補強部材６３を抵抗溶接等によって母材６１に固定する。

（造形工程）
設定された層形状データから生成されるトーチ１７の移動軌跡に沿って、積層造形装置１１のトーチ１７を溶接ロボット１９の駆動により移動させながら、溶加材Ｍを溶融させる。そして、図９Ｂ及び図１０Ｂに示すように、溶融した溶加材Ｍを母材６１上に供給し、母材６１上に溶着ビード６９を層状に積層させて外殻６５Ａを有する積層部６５を造形する。これにより、母材６１上に立設させた補強部材６３の周囲を積層部６５の外殻６５Ａで囲う。なお、母材６１上に位置決めした補強部材６３を、抵抗溶接によって母材６１に固定せず、図１１に示すように、母材６１の上面に溶着ビード６９を形成して補強部材５３の下端部を母材６１に固定してもよい。

（鋳造工程）
図９Ｃ及び図１０Ｃに示すように、鋳造装置１３のるつぼ２７を母材６１上に造形した積層部６５の外殻６５Ａの上方へ移動させ、鋳湯２５を外殻６５Ａの内側空間Ｓに流し込む。これにより、外殻６５Ａの内側空間Ｓに、流し込んだ鋳湯２５が凝固された鋳物部６７を形成する。なお、鋳造工程では、コントローラ１５によらずに、人手によって鋳造装置１３を操作して外殻６５Ａの内側空間Ｓに鋳湯２５を流し込んでもよい。

以上の工程により、母材６１上に造形されて補強部材６３を囲う外殻６５Ａの内側空間Ｓに、補強部材６３よりも引張強度が低い鋳物部６７が形成された構造体Ｗ２が得られる。

第２実施形態の場合も、溶着ビード６９で造形する積層部６５よりも高い引張強度を有する補強部材６３によって強度及び耐久性を高めることができ、高強度な構造体Ｗ２を製造することができる。これにより、積層部６５を造形するための溶着ビード６９の溶加材Ｍとして、強度の高い高価な溶加材を用いなくても、高強度な構造体Ｗ２を安価に製造することができる。
特に、第２実施形態では、溶着ビード６９を積層させて造形した外殻６５Ａの内側空間Ｓに鋳湯２５を流し込んで鋳物部６７を形成するので、溶着ビード６９を積層して造形する範囲を少なくすることができる。これにより、溶着ビード６９を積層して積層部６５を造形する時間を短縮することができ、生産性を向上させることができる。

なお、構造体Ｗ２を製造する場合、図１２に示すように、母材６１上に設置する複数の補強部材６３を互いに交差させて結合させて一体化させてもよい。この場合、複数の補強部材６３同士を互いに交差させて結合させるので、補強部材６３による補強効果を高め、さらに高強度で耐久性に優れた構造体Ｗ２を製造することができる。また、補強部材６３同士が互いに交差されて結合されるので、補強部材６３に引張力が作用しても抜けにくい構造にすることができる。なお、各補強部材６３同士は、溶接等によって固定して結合してもよく、また、針金やワイヤによって緊結させて結合してもよい。

このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１）溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを層状に積層させた積層部を有する構造体の製造方法であって、
母材上に、前記溶着ビードから造形する前記積層部よりも高い引張強度の補強部材を設置する補強部材設置工程と、
前記補強部材が設置された前記母材上に、前記溶着ビードを形成して前記積層部を造形する造形工程と、
を含む構造体の製造方法。
上記（１）の構成の構造体の製造方法によれば、溶着ビードで造形する積層部よりも高い引張強度を有する補強部材によって強度及び耐久性を高めることができ、高強度な構造体を製造することができる。これにより、積層部を造形するための溶着ビードの溶加材として、強度の高い高価な溶加材を用いなくても、高強度な構造体を安価に製造することができる。

（２）前記溶加材および前記母材と溶接が可能な材料からなる前記補強部材を用いる、（１）に記載の構造体の製造方法。
上記（２）の構成の構造体の製造方法によれば、溶加材および母材と溶接が可能な補強部材を用いることにより、補強部材と溶加材からなる溶着ビードおよび母材との接合性を高めて高い強度を得ることができる。

（３）前記補強部材設置工程において、前記母材に対して前記補強部材を溶接して設置する、（１）または（２）に記載の構造体の製造方法。
上記（３）の構成の構造体の製造方法によれば、母材に補強部材を溶接して設置することにより、補強部材を設定した位置に位置決めして固定し、設計強度を得ることができる。

（４）前記造形工程において、前記母材上に、前記補強部材を囲う外殻を有する前記積層部を、前記溶着ビードを積層させて造形し、
前記外殻の内側空間に鋳湯を流し込み、前記外殻の内側に、前記補強部材よりも引張強度が低い鋳物部を形成する鋳造工程を行う、（１）〜（３）のいずれか一つに記載の構造体の製造方法。
上記（４）の構成の構造体の製造方法によれば、溶着ビードを積層させて造形した外殻の内側空間に鋳湯を流し込んで鋳物部を形成するので、溶着ビードを積層して造形する範囲を少なくすることができる。これにより、溶着ビードを積層して積層部を造形する時間を短縮することができ、生産性を向上させることができる。

（５）複数の前記補強部材同士を互いに交差させて結合させる補強部材結合工程を含む、（１）〜（４）のいずれか一つに記載の構造体の製造方法。
上記（５）の構成の構造体の製造方法によれば、複数の補強部材同士を互いに交差させて結合させるので、補強部材による補強効果を高め、さらに高強度で耐久性に優れた構造体を製造することができる。また、補強部材同士を互いに交差させて結合するので、補強部材に引張力が作用しても抜けにくい構造にすることができる。

（６）溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードを層状に積層させた積層部を有する構造体であって、
母材と、
前記母材上に設置された前記積層部よりも引張強度が高い補強部材と、
前記補強部材が設置された前記母材上に積層された複数の前記溶着ビードからなる前記積層部と、
を有する構造体。
上記（６）の構成の構造体によれば、溶着ビードからなる積層部よりも高い引張強度を有する補強部材によって強度及び耐久性が高められた高強度な構造体とすることができる。これにより、この構造体を製造する際に、積層部を造形するための溶着ビードの溶加材として、強度の高い高価な溶加材を用いる必要がなくなり、安価に製造することができる。

（７）前記補強部材は、前記溶加材および前記母材と溶接が可能な材料からなる、（６）に記載の構造体。
上記（７）の構成の構造体によれば、補強部材が、溶加材および母材と溶接が可能であるので、補強部材と溶加材からなる溶着ビードおよび母材との接合性が高められた高強度な構造体とすることができる。

（８）前記母材に対して前記補強部材が溶接されて設置されている、（６）または（７）に記載の構造体。
上記（８）の構成の構造体によれば、母材に補強部材が溶接されて設置されているので、補強部材が設定された位置に位置決めされて固定され、設計強度が得られた構造体とすることができる。

（９）前記積層部は、前記母材上に立設されて前記補強部材を囲う外殻を有し、
前記外殻の内側に、前記補強部材よりも引張強度が低い鋳物部が形成されている、（６）〜（８）のいずれか一つに記載の構造体の製造方法。
上記（９）の構成の構造体によれば、外殻の内側に鋳物部が形成されているので、溶着ビードからなる積層部の部分を少なくすることができる。これにより、この構造体を製造する際に、溶着ビードを積層して積層部を造形する時間を短縮することができ、生産性を向上させることができる。

（１０）複数の前記補強部材同士が互いに交差されて結合されている（６）〜（９）のいずれか一つに記載の構造体の製造方法。
上記（１０）の構成の構造体によれば、複数の補強部材同士が互いに交差されて結合されているので、補強部材による補強効果が高められ、さらに高強度で耐久性に優れた構造体とすることができる。また、補強部材同士が互いに交差されて結合されているので、補強部材に引張力が作用しても抜けにくい構造にすることができる。

２５鋳湯
５１，６１母材
５３，６３補強部材
５５，６５積層部
５９，６９溶着ビード
６５Ａ外殻
６７鋳物部
Ｍ溶加材
Ｓ内側空間
Ｗ１，Ｗ２構造体

Claims

溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを層状に積層させた積層部を有する構造体の製造方法であって、
母材上に、前記溶着ビードから造形する前記積層部よりも高い引張強度の補強部材を設置する補強部材設置工程と、
前記補強部材が設置された前記母材上に、前記溶着ビードを形成して前記積層部を造形する造形工程と、
を含む構造体の製造方法。
前記溶加材および前記母材と溶接が可能な材料からなる前記補強部材を用いる、
請求項１に記載の構造体の製造方法。
前記補強部材設置工程において、前記母材に対して前記補強部材を溶接して設置する、
請求項１または２に記載の構造体の製造方法。
前記造形工程において、前記母材上に、前記補強部材を囲う外殻を有する前記積層部を、前記溶着ビードを積層させて造形し、
前記外殻の内側空間に鋳湯を流し込み、前記外殻の内側に、前記補強部材よりも引張強度が低い鋳物部を形成する鋳造工程を行う、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の構造体の製造方法。
複数の前記補強部材同士を互いに交差させて結合させる補強部材結合工程を含む、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の構造体の製造方法。
溶加材を溶融及び凝固させた複数の溶着ビードを層状に積層させた積層部を有する構造体であって、
母材と、
前記母材上に設置された前記積層部よりも引張強度が高い補強部材と、
前記補強部材が設置された前記母材上に積層された複数の前記溶着ビードからなる前記積層部と、
を有する構造体。
前記補強部材は、前記溶加材および前記母材と溶接が可能な材料からなる、
請求項６に記載の構造体。
前記母材に対して前記補強部材が溶接されて設置されている、
請求項６または７に記載の構造体。
前記積層部は、前記母材上に立設されて前記補強部材を囲う外殻を有し、
前記外殻の内側に、前記補強部材よりも引張強度が低い鋳物部が形成されている、
請求項６〜８のいずれか一項に記載の構造体の製造方法。
複数の前記補強部材同士が互いに交差されて結合されている
請求項６〜９のいずれか一項に記載の構造体の製造方法。