JP2010000534A - レーザ肉盛溶接装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被溶接材の表面状態や形状の変化など肉盛溶接部の余盛り高さが変化する場合においても、肉盛溶接部の余盛り高さを一定に保持し安定した溶接を行うことができ、単結晶材や一方向凝固材から成る部材の補修溶接用レーザ肉盛溶接装置及び方法を提供する。
【解決手段】レーザ光を伝送する光ファイバー１１と該光ファイバーから出射されたレーザ光を成形するレンズ系１３とを有するレーザ光照射機構と、溶接部に溶加材を供給する溶加材供給機構と、溶接部に不活性ガスを吹き付けるシールド機構とを備えたレーザ肉盛溶接装置おいて、前記レーザ肉盛溶接装置は、走査方向１９に対して後方に設けられた変位センサー２２と、該変位センサー２２で計測された肉盛溶接前の被溶接材２１表面の高さと肉盛溶接部２０表面の高さから肉盛溶接部の余盛り高さを求める計測装置２４と、余盛り高さを一定に保持するように溶接条件をコントロールする制御装置２５とを備える。
【選択図】図５

Description

本発明は、肉盛溶接部の余盛り高さを一定に保持するレーザ肉盛溶接装置及び方法に関し、特に単結晶材や一方向凝固材から成る部材の補修溶接に適用するレーザ肉盛溶接装置及び方法に関する。

ガスタービンやジェットエンジンの翼には、大きな遠心力とより高温での運転に耐えるために、単結晶材や一方向凝固材を用いた翼が使用されるようになってきている。このような単結晶材や一方向凝固材を用いた翼は従来型の翼に比べて耐久性は優れているものの、長時間使用すれば開口き裂や減肉等の損傷を避けることは困難である。よって、これらの翼に対しても補修を行うことが必要となる。しかし、従来用いられていた補修方法であるロウ付けや溶接では、補修部の結晶が翼材と同じ方向凝固結晶とはならずに多結晶化して、強度低下を生じる。

この問題を解決する方法として、溶加材を用いたレーザ肉盛溶接により単結晶材又は一方向凝固材の母材に溶融溶接部を形成する溶接補修方法が提案されている（特許文献１）。

一般的なレーザ肉盛溶接装置を図１に示すが、肉盛溶接に際しては、レーザ７の出力強度、ビーム径９、溶加材供給量１０、及び溶接ヘッドの走査速度などの溶接条件を制御することにより、溶接部の溶融状態を制御している。
特開２００５−１５２９１８号公報 溶接学会全国大会講演概要 第７５集（２００４−９）４６,４７頁 溶接学会全国大会講演概要 第７３集（２００３−１０）１００,１０１頁

単結晶材に対して溶融溶接を行った場合、母材と同じ結晶方位を有する溶融溶接層を形成することは可能であるものの、この溶融溶接層には凝固方向が異なった結晶が形成されることが知られている（非特許文献１、２）。たとえば、図２に示すように、単結晶材１の表面に熱源を走査させて溶融、凝固させた場合、溶融部底部から母材の結晶方位と同じ方向に凝固した領域２と溶融部側面から凝固した領域３と熱源の走査方向に凝固した領域４が溶融凝固層５に混在する。いずれの領域も母材の結晶方位と同じ結晶方位を有しているが、凝固の方向が異なる結晶であり、母材の凝固形態と異なるものである。

溶加材を用いるレーザ肉盛溶接においても、図３（ａ）、（ｃ）に示すように、溶融部底部から母材の結晶方位と同じ方向に凝固した領域２と溶融部側面から凝固した領域３とレーザ肉盛溶接装置の走査方向に凝固した領域４とが混在する凝固方向が異なる溶融凝固層からなる肉盛溶接部が形成される。損傷を補修するためには肉盛溶接部を積層して積層溶接部６を形成することが必要であるが、このような肉盛溶接部を積層した場合、溶融部底部から凝固した領域２に対して相対的に余盛りが少ない場合は図３（ｂ）に示すように積層溶接部６は溶融部底部から凝固した領域で構成される。一方、溶融部底部から凝固した領域２に対して相対的に余盛りが多い場合には図３（ｄ）に示すように積層溶接部６の内部に異なった凝固方向の溶融層が混在することになる。

よって、積層溶接部６を溶融部底部から凝固した領域で構成するためには、余盛り高さを制限することが重要となる。図４には適正な余盛り高さで溶接した場合の溶接部断面組織を示す。積層溶接部６の内部に溶融部底部から凝固した領域２が構成されていることがわかる。

上述したように、単結晶材や一方向凝固材から成る部材を補修するためにレーザ肉盛溶接により積層溶接部を形成する場合、適正な余盛り高さで肉盛溶接することが必要であり、また、各種の部材表面に耐摩耗性材料や耐食性材料をレーザ肉盛溶接する場合にも、肉盛溶接部の余盛り高さを一定にすることが求められている。

しかし、溶接条件により溶接部の溶融状態を制御することが可能なレーザ肉盛溶接においても、被溶接物の表面状態や形状の変化、粉末等の溶加材の歩留まりなどにより溶融状態が変化し、余盛り高さを一定に保持することが困難であるという課題があった。

本発明は、この課題を解決するためになされたもので、被溶接材の表面状態や形状の変化や粉末溶加材の歩留まりなどによって肉盛溶接部の余盛り高さが変化するような状況においても、肉盛溶接部の余盛り高さを一定に保持し安定した肉盛溶接を行うことができるレーザ肉盛溶接装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明のレーザ肉盛溶接装置は、レーザ光を伝送する光ファイバーと該光ファイバーから出射されたレーザ光を成形するレンズ系とを有するレーザ光照射機構と、溶接部に溶加材を供給する溶加材供給機構と、溶接部に不活性ガスを吹き付けるシールド機構とを具備し、被溶接材表面を走査して該表面に肉盛溶接を施すレーザ肉盛溶接装置であって、前記レーザ肉盛溶接装置は、走査方向に対して後方に設けられた変位センサーと、該変位センサーで計測された肉盛溶接前の被溶接材表面の高さと肉盛溶接部表面の高さから肉盛溶接部の余盛り高さを求める計測装置と、該計測装置で求めた肉盛溶接部の余盛り高さを一定に保持するように溶接条件をコントロールする制御装置とを備えたことを特徴とする。

本発明の他のレーザ肉盛溶接装置は、レーザ光を伝送する光ファイバーと該光ファイバーから出射されたレーザ光を成形するレンズ系とを有するレーザ光照射機構と、溶接部に溶加材を供給する溶加材供給機構と、溶接部に不活性ガスを吹き付けるシールド機構とを具備し、被溶接材表面を走査して該表面に肉盛溶接を施すレーザ肉盛溶接装置であって、前記レーザ肉盛溶接装置は、走査方向に対して前方と後方にそれぞれ設けられた変位センサーと、前方の変位センサーで測定された肉盛溶接前の被溶接材表面の高さと後方の変位センサーで測定された肉盛溶接部表面の高さから肉盛溶接部の余盛り高さを求める計測装置と、該計測装置で求めた肉盛溶接部の余盛り高さを一定に保持するように溶接条件をコントロールする制御装置とを備えたことを特徴とする。

本発明の他のレーザ肉盛溶接装置は、レーザ光を伝送する光ファイバーと該光ファイバーから出射されたレーザ光を成形するレンズ系とを有するレーザ光照射機構と、溶接部に溶加材を供給する溶加材供給機構と、溶接部に不活性ガスを吹き付けるシールド機構とを具備し、被溶接材表面を走査して該表面に肉盛溶接を施すレーザ肉盛溶接装置であって、前記レーザ肉盛溶接装置は、走査方向に対して後方に設けられた２次元変位センサーと、前記２次元変位センサーで取得された肉盛溶接前の被溶接材の表面形状データと肉盛溶接部の表面形状データから肉盛溶接部の余盛り高さを求める計測装置と、該計測装置で求めた肉盛溶接部の余盛り高さを一定に保持するように溶接条件をコントロールする制御装置とを備えたことを特徴とする。

本発明の他のレーザ肉盛溶接装置は、レーザ光を伝送する光ファイバーと該光ファイバーから出射されたレーザ光を成形するレンズ系とを有するレーザ光照射機構と、溶接部に溶加材を供給する溶加材供給機構と、溶接部に不活性ガスを吹き付けるシールド機構とを具備し、被溶接材表面を走査して該表面に肉盛溶接を施すレーザ肉盛溶接装置であって、前記レーザ肉盛溶接装置は、走査方向に対して前方と後方にそれぞれ設けられた２次元変位センサーと、前方の２次元変位センサーで取得された肉盛溶接前の被溶接材の表面形状データと後方の２次元変位センサーで取得された肉盛溶接部の表面形状データから肉盛溶接部の余盛り高さを求める計測装置と、該計測装置で求めた肉盛溶接部の余盛り高さを一定に保持するように溶接条件をコントロールする制御装置とを備えたことを特徴とする。

本発明の他のレーザ肉盛溶接装置は、レーザ光を伝送する光ファイバーと該光ファイバーから出射されたレーザ光を成形するレンズ系とを有するレーザ光照射機構と、溶接部に溶加材を供給する溶加材供給機構と、溶接部に不活性ガスを吹き付けるシールド機構とを具備し、被溶接材表面を走査して該表面に肉盛溶接を施すレーザ肉盛溶接装置であって、前記レーザ肉盛溶接装置は、走査方向に対して後方に設けられた２次元変位センサーと、溶接時に前記２次元変位センサーで取得された肉盛溶接部と被溶接材を含む溶接後の表面形状データから肉盛溶接部の余盛り高さを求める計測装置と、該計測装置で求めた肉盛溶接部の余盛り高さを一定に保持するように溶接条件をコントロールする制御装置とを備え、さらに、前記制御装置は、溶接前に前記２次元変位センサーで取得された肉盛溶接部と被溶接材を含む溶接前の表面形状データを基にして溶接位置を補正することを特徴とする。

本発明の他のレーザ肉盛溶接装置は、レーザ光を伝送する光ファイバーと該光ファイバーから出射されたレーザ光を成形するレンズ系とを有するレーザ光照射機構と、溶接部に溶加材を供給する溶加材供給機構と、溶接部に不活性ガスを吹き付けるシールド機構とを具備し、被溶接材表面を走査して該表面に肉盛溶接を施すレーザ肉盛溶接装置であって、前記レーザ肉盛溶接装置は、走査方向に対して前方と後方にそれぞれ設けられた２次元変位センサーと、後方の２次元変位センサーで取得された新規肉盛溶接部と被溶接材を含む溶接後の表面形状データから肉盛溶接部の余盛り高さを求める計測装置と、該計測装置で求めた肉盛溶接部の余盛り高さを一定に保持するように溶接条件をコントロールする制御装置とを備え、さらに、前記制御装置は、前方の２次元変位センサーで取得された既肉盛溶接部と被溶接材を含む溶接前の表面形状データを基にして溶接位置を補正することを特徴とする。

本発明のレーザ肉盛溶接方法は、上記のレーザ肉盛溶接装置を用いて、被溶接材表面に肉盛溶接を施すことを特徴とする。
本発明のレーザ肉盛溶接方法は、上記のレーザ肉盛溶接装置を用いて、単結晶又は一方向凝固材から成る部材表面に積層溶接部を形成することを特徴とする。

本発明によれば、余盛り高さを一定にするように制御装置で溶接条件をコントロールすることにより、溶接条件のコントロールが迅速に、また正確に行える。よって、被溶接材の表面状態や形状が変化した場合でも、粉末溶加材を使用したときに粉末の歩留まりの変化により溶融状態が変化した場合でも、肉盛溶接部の余盛り高さを一定に保持してレーザ肉盛溶接をすることが可能となる。

以下、本発明に係るレーザ肉盛溶接装置及び方法について図５〜１２を用いて説明する。
（第１の実施形態）
図５を用いて本発明の第１の実施形態を説明する。
図５（ａ）に示すように、溶接ヘッド１８には、溶接部１４にレーザ光を照射するレーザ光照射機構と、溶接部１４に溶加材を供給する溶加材供給機構と、溶接部１４に不活性ガスを吹き付けるシールド機構が搭載される。

図５（ａ）において、図示しないレーザ発信器に接続され、レーザ光を伝送する光ファイバー１１と、光ファイバー１１から出射されたレーザ光１２を成形し、所定のビーム径で溶接部１４に照射するレンズ系１３がレーザ光照射機構である。粉末供給装置１５と粉末状の溶加材１６を溶接部１４に供給する溶加材供給管１６’が溶加材供給機構である。シールド機構は、不活性ガスを充填した図示しないガスボンベに接続されたシールドガス供給管１７’により、不活性ガスをシールドガス１７として溶接部１４に吹き付けて、溶接部１４の酸化を防止する。溶接ヘッド１８を、図示しない溶接ヘッド走査装置により走査方向１９に所定の速度で走査して、レーザ肉盛溶接をすることにより被溶接材２１の表面に肉盛溶接部２０を形成する。

溶接ヘッド１８には、溶接ヘッド１８の走査方向１９に対して後方に変位センサー２２を取り付ける。図５（ｂ）に示すように、変位センサー２２は、溶接時に、形成された肉盛溶接部２０の中央部までの距離を求め、肉盛溶接部２０の表面の高さを測定する。変位センサーには接触式または光学式などの非接触式のいずれを用いてもよい。

計測装置２４は、変位センサー２２の信号を受信し肉盛溶接部20の余盛り高さ２３を求める。溶接前に一度溶接ヘッド１８を走査して、溶接ヘッド１８に取り付けられた変位センサー２２で測定して得た被溶接材２１の表面形状データを記憶し、この表面形状データを基にして、肉盛溶接前の被溶接材２１の表面の高さと溶接時に変位センサー２２で測定した肉盛溶接部２０の高さから肉盛溶接部２０の余盛り高さ２３を求める。

制御装置２５は、計測装置２４で求めた肉盛溶接部２０の余盛り高さ２３を一定に保持するように粉末供給装置コントローラー、レーザ発振器コントローラー、溶接ヘッド走査装置コントローラーに信号を送り、溶接条件である溶加材粉末供給量、レーザ出力、溶接ヘッド１８の走査速度をコントロールする。余盛り高さが少ないと判断した場合には、粉末供給量を増加し、溶接ヘッド１８の走査速度を低下するように制御する。余盛り高さが多いと判断した場合には、粉末供給量を低減し、溶接ヘッド１８の走査速度を増加するように制御する。場合によっていずれか一つを制御してもよいし、レーザ出力も含めて複数の条件を制御してもよい。

この実施形態により、被溶接材の表面状態や形状の変化、さらに、粉末の歩留まりの変化によって溶融状態の変化が発生する場合でも、肉盛溶接部の余盛り高さを一定にしてレーザ肉盛溶接をすることができる。さらに、形状変化を伴う単結晶材及び一方向凝固材から成る部材の補修溶接に適用した場合において、一方向から凝固した積層溶接部を得ることができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係るレーザ肉盛溶接装置は、第１の実施形態と同じく、図５に示す装置を用いる。
但し、計測装置２４は、溶接前に溶接ヘッド１８を走査して変位センサー２２で得た被溶接材２１の表面形状データの代わりに、製品のCADデータなどの被溶接材の表面形状を示す設計情報を基にして、溶接時に変位センサー２２で測定した肉盛溶接部２０の高さから肉盛溶接部２０の余盛り高さ２３を求める。こうして求めた余盛り高さ２３が一定になるように、第１の実施形態と同じく制御装置２５で溶接条件を制御する。
第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様に良好な結果が得られる。

（第３の実施形態）
図６を用いて本発明の第３の実施形態を説明する。
図６に示すように、溶接ヘッド１８は第１の実施形態と同じものである。
溶接ヘッド１８には、溶接ヘッド１８の走査方向に対して前方と後方にそれぞれ前方変位センサー２６と後方変位センサー２７を取り付ける。前方変位センサー２６で、被溶接材２１の表面までの距離を求め、肉盛溶接前の被溶接材２１の表面の高さを測定し、後方変位センサー２７で、肉盛溶接部２０の表面までの距離を求め、肉盛溶接部２０の表面の高さを測定する。変位センサーには接触式または光学式などの非接触式のいずれを用いてもよい。

計測装置２４は、前方変位センサー２６と後方変位センサー２７の測定値から肉盛溶接部２０の余盛り高さ２３を求める。制御装置２５は、計測装置２４で求めた肉盛溶接部２０の余盛り高さ２３を一定に保持するように粉末供給装置コントローラー、レーザ発振器コントローラー、溶接ヘッド走査装置コントローラーに信号を送り、溶接条件である粉末供給量、レーザ出力、溶接ヘッド１８の走査速度をコントロールする。制御装置２５における溶接条件の制御内容は第１の実施形態と同様である。
第３の実施形態によっても、第１の実施形態と同様に良好な結果が得られる。

（第４の実施形態）
図７を用いて本発明の第４の実施形態を説明する。
図７（ａ）に示すように、溶接ヘッド１８は第１の実施形態と同じものである。
溶接ヘッド１８には、溶接ヘッド１８の走査方向１９に対して後方に２次元変位センサー２８を取り付ける。図７（ｂ）に示すように、２次元変位センサー２８は、溶接時に、形成された肉盛溶接部２０の表面形状２９を２次元的に測定する。２次元変位センサー２８としては、光学式２次元変位センサーを用いることができる。

計測装置２４は、２次元変位センサー２８のデータから肉盛溶接部２０の余盛り高さ２３を求める。溶接前に一度、溶接ヘッド１８を走査して、溶接ヘッド１８に取り付けられた２次元変位センサー２８で測定して得た被溶接材２１の表面形状データを記憶し、その表面形状データを基にして、溶接時に２次元変位センサー２８で測定して得た肉盛溶接部２０の表面形状２９のデータから肉盛溶接部２０の余盛り高さ２３を求める。

制御装置２５は、計測装置２４で求めた肉盛溶接部２０の余盛り高さ２３を一定に保持するように粉末供給装置コントローラー、レーザ発振器コントローラー、溶接ヘッド走査装置コントローラーに信号を送り、溶接条件である溶加材粉末供給量、レーザ出力、溶接ヘッド１８の走査速度をコントロールする。第１の実施形態と同様、余盛り高さが少ないと判断した場合には、粉末供給量を増加し、溶接ヘッド１８の走査速度を低下するように制御する。余盛り高さが多いと判断した場合には、粉末供給量を低減し、溶接ヘッド１８の走査速度を増加するように制御する。場合によっていずれか一つを制御するか、レーザ出力も含めて複数の条件を制御する。

この実施形態では、被溶接材の表面状態や形状の変化、さらに、粉末の歩留まりの変化によって溶融状態の変化が発生する場合でも、肉盛溶接部の余盛り高さを一定にしてレーザ肉盛溶接をすることができる。また、２次元的に表面形状を測定しているため、溶接線が蛇行している場合でも余盛り高さを求めることが可能であり、肉盛溶接部の余盛り高さを一定にすることができる。さらに、形状変化を伴う単結晶材料及び一方向凝固材料の補修溶接に適用した場合において、一方向から凝固した積層溶接部を得ることができる。

（第５の実施形態）
第４の実施形態と同じく、図７に示された装置を用いる。
但し、計測装置２４は、溶接前に溶接ヘッド１８を走査して２次元変位センサー２８で得た被溶接材２１の表面形状データの代わりに、製品のCADデータなどの被溶接材の表面形状を示す設計情報を基にして、溶接時に２次元変位センサー２８で測定して得た肉盛溶接部２０の表面形状２９のデータから肉盛溶接部２０の余盛り高さ２３を求める。こうして求めた余盛り高さ２３が一定になるように、第４の実施形態と同じく制御装置２５で溶接条件を制御する。
この実施形態によっても、第４の実施形態と同様に良好な結果が得られる。

（第６の実施形態）
図８を用いて本発明の第６の実施形態を説明する。
図８に示すように、溶接ヘッド１８は第１の実施形態と同じものである。
溶接ヘッド１８には、溶接ヘッド１８の走査方向に対して前方と後方にそれぞれ前方２次元変位センサー３０と後方２次元変位センサー３１を取り付ける。前方２次元変位センサー３０で被溶接材２１の表面形状を測定し、後方２次元変位センサー３１で肉盛溶接部２０の表面形状を測定する。２次元変位センサーとしては、光学式２次元変位センサーを使用することができる。

計測装置２４は、前方２次元変位センサー３０で得られた被溶接材２１の表面形状データと後方２次元変位センサー３１で得られた肉盛溶接部２０の表面形状データから肉盛溶接部２０の余盛り高さ２３を求める。制御装置２５は、この計測装置２４で求めた肉盛溶接部２０の余盛り高さ２３を一定に保持するように粉末供給装置コントローラー、レーザ発振器コントローラー、溶接ヘッド走査装置コントローラーに信号を送り、溶接条件である粉末供給量、レーザ出力、溶接ヘッド１８の走査速度をコントロールする。制御装置２５における溶接条件の制御内容は第４の実施形態と同様である。
第６の実施形態によっても、第４の実施形態と同様に良好な結果が得られる。

（第７の実施形態）
図９を用いて本発明の第７の実施形態について説明する。
図９（ａ）に示すレーザ肉盛溶接装置は、第４の実施形態で説明したものと同様、溶接ヘッド１８の走査方向１９に対して後方に２次元変位センサー２８を取り付けたものである。

通常、被溶接材の表面をレーザ肉盛溶接する場合、溶接ヘッド１８の走査位置をずらして半ば積層しながら隣接して肉盛溶接部を形成していくが、この実施形態では、溶接前に溶接ヘッド１８を走査して、図９（ｂ）に示すように、２次元変位センサー２８で、半ば積層しながら隣接して形成された既肉盛溶接部３２と被溶接材２１を含む溶接前の表面形状３３のデータを取得する。制御装置２５が、そのデータに基づいて溶接位置の位置決めを行い、溶接ヘッド１８の走査位置を補正する。

また、図９（ｃ）に示すように、溶接時には、２次元変位センサー２８で、今回の走査により形成された新規肉盛溶接部３４と被溶接材２１を含む溶接後の表面形状３５のデータを取得し、このデータを計測装置２４に送信し、制御装置２４はこの表面形状３５のデータから新規溶接部34の余盛り高さ２３を求める。制御装置２５は、計測装置２４で求めた肉盛溶接部２０の余盛り高さ２３を一定に保持するように粉末供給装置コントローラー、レーザ発振器コントローラー、溶接ヘッド走査装置コントローラーに信号を送り、溶接条件である粉末供給量、レーザ出力、溶接ヘッド１８の走査速度をコントロールする。制御装置２５における溶接条件の制御内容は第４の実施形態と同様である。

第７の実施形態によっても、第４の実施形態と同様に良好な結果が得られる。さらに、２次元変位センサー２８による表面形状測定により溶接位置を補正することにより、正確な肉盛溶接部の形成ができる。

（第８の実施形態）
図１０を用いて本発明の第８の実施形態について説明する。
図１０（ａ）に示すレーザ肉盛溶接装置は、第６の実施形態で説明したものと同様、溶接ヘッド１８の走査方向に対して前方と後方にそれぞれ前方２次元変位センサー３０と後方２次元変位センサー３１を取り付けたものである。

図１０（ｂ）に示すように、前方２次元変位センサー３０により、隣接して形成された既肉盛溶接部３２と被溶接材２１を含む溶接前の表面形状３３のデータを取得する。制御装置２５が、そのデータに基づいて溶接位置の位置決めを行い、溶接ヘッド１８の走査位置をオンラインで補正しながら溶接を行う。

さらに、図１０（ｃ）に示すように、後方２次元変位センサー３１による測定で今回の走査により形成された新規肉盛溶接部34と被溶接材２１を含む溶接後の表面形状３５のデータを得て、このデータを計測装置２４に送信し、計測装置２４でこの表面形状３５のデータから新規溶接部34の余盛り高さを求める。制御装置２５は、計測装置２４で求めた肉盛溶接部２０の余盛り高さ２３を一定に保持するように粉末供給装置コントローラー、レーザ発振器コントローラー、溶接ヘッド走査装置コントローラーに信号を送り、溶接条件である粉末供給量、レーザ出力、溶接ヘッド１８の走査速度をコントロールする。制御装置２５における溶接条件の制御内容は第４の実施形態と同様である。

第８の実施形態によっても、第４の実施形態と同様に良好な結果が得られる。さらに、前方２次元変位センサー３０による表面形状測定によりオンラインで溶接位置を補正することにより、正確な肉盛溶接部の形成ができる。

（第９の実施形態）
図１１を用いて、本発明の第９の実施形態について説明する。
変位センサー又は２次元変位センサーとして光学式の変位センサー又は２次元変位センサーを用いる。図１１に示すように、これら変位センサー又は２次元変位センサーと溶接部１４の間に遮光板３６を設ける。
遮蔽板３６で溶接部１４からの散乱光を遮ることにより、光学式の変位センサー又は２次元変位センサーの誤作動を防止し、安定した計測が可能となる。

図１１は、溶接ヘッド１８に、溶接ヘッド１８の走査方向に対して前方と後方にそれぞれ光学式の前方２次元変位センサー３０と光学式の後方２次元変位センサー３１を取り付けたレーザ肉盛溶接装置において、前方２次元変位センサー３０と溶接部１４の間、及び、後方２次元変位センサー３１と溶接部１４の間に、それぞれ遮光板３６を設けたものを示しているが、上述のレーザ肉盛溶接装置のいずれにおいても、変位センサー又は２次元変位センサーとして光学式のセンサーを用いた場合、変位センサー又は２次元変位センサーと溶接部１４の間に遮蔽板３６を設けることにより同様の効果が得られることはいうまでもない。

（第１０の実施形態）
図１２を用いて、本発明の第１０の実施形態について説明する。
変位センサー又は２次元変位センサーとして光学式の変位センサー又は２次元変位センサーを用いる。図１２に示すように、変位センサー又は２次元変位センサーのセンサー受光部３８に遮光フィルター３９を設ける。
センサー受光部３８に設けられた遮光フィルター３９により、溶接部１４で発生した散乱光３７がセンサー内部に入ることを阻止し、センサーの誤動作を防止する。

図１２は、溶接ヘッド１８に、溶接ヘッド１８の走査方向に対して前方と後方にそれぞれ光学式の前方２次元変位センサー３０と光学式の後方２次元変位センサー３１を取り付けたレーザ肉盛溶接装置において、前方２次元変位センサー３０と後方２次元変位センサー３１のセンサー受光部に遮光フィルター３９を設けたものを示しているが、上述のレーザ肉盛溶接装置のいずれにおいても、変位センサー又は２次元変位センサーとして光学式のセンサーを用いた場合、変位センサー又は２次元変位センサーのセンサー受光部に遮光フィルター３９を設けることにより同様の効果が得られることはいうまでもない。

従来のレーザ肉盛溶接装置の全体構成図。 単結晶材の溶融凝固部組織の説明図。 （ａ）〜（ｄ）は溶接部の余盛りの変化が積層溶接部組織に与える影響を説明する図。 （ａ）及び（ｂ）は単結晶材溶接部の凝固組織を示す図。 （ａ）は本発明の第１及び第２の実施形態に係るレーザ肉盛溶接装置の全体構成図、（ｂ）は変位センサーによる変位測定概念図。 本発明の第３の実施形態に係るレーザ肉盛溶接装置の全体構成図。 （ａ）は本発明の第４及び５の実施形態に係るレーザ肉盛溶接装置の全体構成図、（ｂ）は変位センサーによる変位測定概念図。 本発明の第６の実施形態に係るレーザ肉盛溶接装置の全体構成図。 （ａ）は本発明の第７の実施形態に係るレーザ肉盛溶接装置の全体構成図、（ｂ）及び（ｃ）は変位センサーによる変位測定概念図。 （ａ）は本発明の第８の実施形態に係る溶接位置補正を伴うレーザ肉盛溶接装置の全体構成図、（ｂ）及び（ｃ）は変位センサーによる変位測定概念図。 本発明の第９の実施形態に係るレーザ肉盛溶接装置の全体構成図。 本発明の第１０の実施形態に係るレーザ肉盛溶接装置の全体構成図。

符号の説明

１…単結晶材、２…溶融部底部から凝固した領域、３…溶融部側面から凝固した領域、４…熱源の走査方向に凝固した領域、５…溶融凝固層、６…積層溶接部、７…レーザ出力、８…走査方向、９…ビーム径、１０…溶加材供給量、１１…光ファイバー、１２…レーザ光、１３…レンズ系、１４…溶接部、１５…粉末供給装置、１６…溶加材、１６’…溶加材供給管、１７…シールドガス、１７’…シールドガス供給管、１８…溶接ヘッド、１９…走査方向、２０…肉盛溶接部、２１…被溶接材、２２…変位センサー、２３…余盛り高さ、２４…計測装置、２５…制御装置、２６…前方変位センサー、２７…後方変位センサー、２８…２次元変位センサー、２９…表面形状、３０…前方２次元変位センサー、３１…後方２次元変位センサー、３２…既肉盛溶接部、３３…溶接前の表面形状、３４…新規肉盛溶接部、３５…溶接後の表面形状、３６…遮光板、３７…散乱光、３８…センサー受光部、３９…遮光フィルター。

Claims (12)

1. レーザ光を伝送する光ファイバーと該光ファイバーから出射されたレーザ光を成形するレンズ系とを有するレーザ光照射機構と、溶接部に溶加材を供給する溶加材供給機構と、溶接部に不活性ガスを吹き付けるシールド機構とを具備し、被溶接材表面を走査して該表面に肉盛溶接を施すレーザ肉盛溶接装置であって、
   前記レーザ肉盛溶接装置は、走査方向に対して後方に設けられた変位センサーと、該変位センサーで計測された肉盛溶接前の被溶接材表面の高さと肉盛溶接部表面の高さから肉盛溶接部の余盛り高さを求める計測装置と、該計測装置で求めた肉盛溶接部の余盛り高さを一定に保持するように溶接条件をコントロールする制御装置とを備えたことを特徴とするレーザ肉盛溶接装置。
2. 前記計測装置は、肉盛溶接前の被溶接材表面の高さを被溶接材の表面形状を示す設計情報を基にして求め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. レーザ光を伝送する光ファイバーと該光ファイバーから出射されたレーザ光を成形するレンズ系とを有するレーザ光照射機構と、溶接部に溶加材を供給する溶加材供給機構と、溶接部に不活性ガスを吹き付けるシールド機構とを具備し、被溶接材表面を走査して該表面に肉盛溶接を施すレーザ肉盛溶接装置であって、
   前記レーザ肉盛溶接装置は、走査方向に対して前方と後方にそれぞれ設けられた変位センサーと、前方の変位センサーで測定された肉盛溶接前の被溶接材表面の高さと後方の変位センサーで測定された肉盛溶接部表面の高さから肉盛溶接部の余盛り高さを求める計測装置と、該計測装置で求めた肉盛溶接部の余盛り高さを一定に保持するように溶接条件をコントロールする制御装置とを備えたことを特徴とするレーザ肉盛溶接装置。
4. レーザ光を伝送する光ファイバーと該光ファイバーから出射されたレーザ光を成形するレンズ系とを有するレーザ光照射機構と、溶接部に溶加材を供給する溶加材供給機構と、溶接部に不活性ガスを吹き付けるシールド機構とを具備し、被溶接材表面を走査して該表面に肉盛溶接を施すレーザ肉盛溶接装置であって、
   前記レーザ肉盛溶接装置は、走査方向に対して後方に設けられた２次元変位センサーと、前記２次元変位センサーで取得された肉盛溶接前の被溶接材の表面形状データと肉盛溶接部の表面形状データから肉盛溶接部の余盛り高さを求める計測装置と、該計測装置で求めた肉盛溶接部の余盛り高さを一定に保持するように溶接条件をコントロールする制御装置とを備えたことを特徴とするレーザ肉盛溶接装置。
5. 前記計測装置は、肉盛溶接前の被溶接材の表面形状データを被溶接材の表面形状を示す設計情報を基にして求めることを特徴とする請求項４記載のレーザ肉盛溶接装置。
6. レーザ光を伝送する光ファイバーと該光ファイバーから出射されたレーザ光を成形するレンズ系とを有するレーザ光照射機構と、溶接部に溶加材を供給する溶加材供給機構と、溶接部に不活性ガスを吹き付けるシールド機構とを具備し、被溶接材表面を走査して該表面に肉盛溶接を施すレーザ肉盛溶接装置であって、
   前記レーザ肉盛溶接装置は、走査方向に対して前方と後方にそれぞれ設けられた２次元変位センサーと、前方の２次元変位センサーで取得された肉盛溶接前の被溶接材の表面形状データと後方の２次元変位センサーで取得された肉盛溶接部の表面形状データから肉盛溶接部の余盛り高さを求める計測装置と、該計測装置で求めた肉盛溶接部の余盛り高さを一定に保持するように溶接条件をコントロールする制御装置とを備えたことを特徴とするレーザ肉盛溶接装置。
7. レーザ光を伝送する光ファイバーと該光ファイバーから出射されたレーザ光を成形するレンズ系とを有するレーザ光照射機構と、溶接部に溶加材を供給する溶加材供給機構と、溶接部に不活性ガスを吹き付けるシールド機構とを具備し、被溶接材表面を走査して該表面に肉盛溶接を施すレーザ肉盛溶接装置であって、
   前記レーザ肉盛溶接装置は、走査方向に対して後方に設けられた２次元変位センサーと、溶接時に前記２次元変位センサーで取得された肉盛溶接部と被溶接材を含む溶接後の表面形状データから肉盛溶接部の余盛り高さを求める計測装置と、該計測装置で求めた肉盛溶接部の余盛り高さを一定に保持するように溶接条件をコントロールする制御装置とを備え、さらに、前記制御装置は、溶接前に前記２次元変位センサーで取得された肉盛溶接部と被溶接材を含む溶接前の表面形状データを基にして溶接位置を補正することを特徴とするレーザ肉盛溶接装置。
8. レーザ光を伝送する光ファイバーと該光ファイバーから出射されたレーザ光を成形するレンズ系とを有するレーザ光照射機構と、溶接部に溶加材を供給する溶加材供給機構と、溶接部に不活性ガスを吹き付けるシールド機構とを具備し、被溶接材表面を走査して該表面に肉盛溶接を施すレーザ肉盛溶接装置であって、
   前記レーザ肉盛溶接装置は、走査方向に対して前方と後方にそれぞれ設けられた２次元変位センサーと、後方の２次元変位センサーで取得された新規肉盛溶接部と被溶接材を含む溶接後の表面形状データから肉盛溶接部の余盛り高さを求める計測装置と、該計測装置で求めた肉盛溶接部の余盛り高さを一定に保持するように溶接条件をコントロールする制御装置とを備え、さらに、前記制御装置は、前方の２次元変位センサーで取得された既肉盛溶接部と被溶接材を含む溶接前の表面形状データを基にして溶接位置を補正することを特徴とするレーザ肉盛溶接装置。
9. 請求項１〜８のいずれか記載のレーザ肉盛溶接装置において、前記変位センサー又は前記２次変位センサーが光学式センサーであり、溶接部と前記変位センサー又は前記２次変位センサーとの間に遮光板を備えたことを特徴とするレーザ肉盛溶接装置。
10. 請求項１〜８のいずれか記載のレーザ肉盛溶接装置において、前記変位センサー又は前記２次変位センサーが光学式センサーであり、前記変位センサー又は前記２次変位センサーの受光部に遮光フィルターを備えたことを特徴とするレーザ肉盛溶接装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか記載のレーザ肉盛溶接装置を用いて、被溶接材表面に肉盛溶接を施すことを特徴とするレーザ肉盛溶接方法。
12. 請求項１〜１０のいずれか記載のレーザ肉盛溶接装置を用いて、単結晶又は一方向凝固材から成る部材表面に積層溶接部を形成することを特徴とするレーザ肉盛溶接方法。

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