JP2012110900A - Laser build-up method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ肉盛方法、特にレーザを用いた粉体肉盛方法に関するものである。 The present invention relates to a laser cladding method, and more particularly to a powder cladding method using a laser.
陸用ボイラの火炉壁パネルなどを肉盛溶接する場合、従来、MIG溶接、TIG溶接、レーザ溶接などの方法が適用される。しかしながら、MIG溶接を適用した場合、肉盛層が2〜4mmと厚くなる傾向があり、溶加材の無駄が多くなる。また、TIG溶接を適用した場合、肉盛層の厚さを1〜2mmと薄くできる可能性があるものの、溶接速度が遅いため時間を要する。一方、レーザ溶接を適用した場合、肉盛層の厚さは1mm程度とすることができる。特許文献1乃至特許文献3に、レーザを用いた溶接方法が開示されている。
Conventionally, methods such as MIG welding, TIG welding, and laser welding are applied when overlay welding a furnace wall panel of a land boiler. However, when MIG welding is applied, the overlay layer tends to be as thick as 2 to 4 mm, and the waste of the filler metal increases. Moreover, when TIG welding is applied, although the thickness of the overlay layer may be reduced to 1 to 2 mm, it takes time because the welding speed is slow. On the other hand, when laser welding is applied, the thickness of the built-up layer can be about 1 mm.
レーザ溶接には、被肉盛溶接部材に粉末材料(溶加材)を供給し、該粉末材料をレーザにて溶融させて肉盛溶接する粉末供給式や、ワイヤ(溶加材)を供給し、該ワイヤをレーザにて溶融させて肉盛溶接するワイヤ供給方式などがある。 For laser welding, a powder material (filler material) is supplied to the workpiece to be welded, and a powder supply method in which the powder material is melted by laser and welded by welding, or a wire (filler material) is supplied. Further, there is a wire supply method in which the wire is melted with a laser and build-up welded.
レーザ溶接で一般的に適用される粉末供給式では、供給された粉末材料のすべてが溶接に寄与できるわけではなく、一部の粉末材料が飛散する又は溶融されずに残留する。そのため、粉末材料の歩留まりが50%程度と低くなる。また、図2に示す火炉壁パネルのような複雑形状の部材3の表面全体に肉盛溶接する場合、傾斜した面(例えば、領域A)に供給された粉末材料が重力方向に移動してしまい、傾斜した面に肉盛層が形成されにくいという問題がある。そのため、図3に示すように火炉壁パネル(部材3)を傾斜させて被肉盛溶接面を略水平にすることが必要となるが、それに伴い設備投資も大きくなる。
In the powder supply method generally applied in laser welding, not all of the supplied powder material can contribute to welding, and some powder material remains without being scattered or melted. Therefore, the yield of the powder material is as low as about 50%. In addition, when overlay welding is performed on the entire surface of the
ワイヤ供給式では、ビード幅が5mm程度と小さくなる。MIG溶接でのビード幅は8mm程度以上であり、ワイヤ供給式のレーザ溶接では、MIG溶接よりも溶接ビード数が増えるため、溶接時間も長くなる。 In the wire supply type, the bead width is as small as about 5 mm. The bead width in the MIG welding is about 8 mm or more, and the number of weld beads increases in the wire supply type laser welding as compared with the MIG welding, so that the welding time becomes longer.
レーザ溶接では、金属粉末に増粘剤などのバインダ剤を混合させた溶加材を、被肉盛溶接部材に塗布して定着させた後に、レーザで溶融させる方法がある。該方法では、レーザ溶融の際に、金属粉末が溶融できる温度まで急激に加熱するため、バインダ剤が急激に分解される。これによってスパッタが発生する、又は、バインダ剤が炭化されるため、肉盛層の品質を低下させるとともに、金属粉末の歩留まりも低下する。 In laser welding, there is a method in which a filler material in which a binder agent such as a thickener is mixed with metal powder is applied and fixed on a build-up welding member, and then melted with a laser. In this method, since the laser powder is rapidly heated to a temperature at which the metal powder can be melted, the binder agent is rapidly decomposed. As a result, spatter is generated or the binder agent is carbonized, so that the quality of the built-up layer is lowered and the yield of the metal powder is also lowered.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、バインダ剤が混合された金属粉末を溶加材とした場合であっても、スパッタを発生させず、且つ、バインダ剤を炭化させずにレーザで肉盛溶接するレーザ肉盛方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and even when a metal powder mixed with a binder agent is used as a filler material, spatter is not generated and the binder agent is carbonized. An object of the present invention is to provide a laser overlaying method in which overlay welding is performed with a laser without using the laser.
上記課題を解決するために、本発明は、金属粉末を主とし、且つ、有機バインダ剤を含む溶加材を被肉盛溶接部材に塗布する工程と、前記塗布した溶加材に、第1レーザを第1出力Pfで照射する工程と、前記第1レーザを照射した後の溶加材に、所定の距離間隔をあけて前記第1レーザに追随して移動する第2レーザを第2出力Paで照射する工程と、を備え、前記金属粉末の融点をTm、前記有機バインダ剤の分解温度をTbとした場合に、前記第1出力と前記第2出力との関係が、0.8×(Tb/Tm)×Pa≦Pf<(Tb/Tm)×Paを満たすレーザ肉盛方法を提供する。 In order to solve the above-described problems, the present invention provides a process of applying a filler metal mainly composed of metal powder and containing an organic binder agent to a build-up weld member, and a first applied to the applied filler material. A step of irradiating a laser with a first output Pf, and a second output of a second laser that moves following the first laser at a predetermined distance from the filler material after the first laser irradiation. And a step of irradiating with Pa, wherein the relationship between the first output and the second output is 0.8 × when the melting point of the metal powder is Tm and the decomposition temperature of the organic binder agent is Tb. A laser cladding method that satisfies (Tb / Tm) × Pa ≦ Pf <(Tb / Tm) × Pa is provided.
上記発明において、溶加材に有機バインダ剤を含ませることで、塗布された溶加材が被肉盛溶接部材から脱落するのを防止することができる。塗布された溶加材は、第1レーザを照射することにより予加熱され、その後、所定の距離間隔をあけて第1レーザの後方を追従して移動する第2レーザによって本溶接される。第1出力Pfを{0.8×(Tb/Tm)×Pa}以上とすることで、スパッタを発生させず、且つ、炭化させずに有機バインダ剤を分解して揮発させることができる。また、第1出力を{(Tb/Tm)×Pa}以下とすることで、第1レーザを照射後から本溶接までの間に金属粉末が被肉盛溶接部材から脱落しない程度の保持力を確保することができる。そうすることによって、肉盛の品質及び溶加材の材料歩留りを向上させることが可能となる。 In the said invention, it can prevent that the apply | coated filler material falls off from the overlay welding member by including an organic binder agent in a filler material. The applied filler metal is preheated by irradiating the first laser, and then subjected to main welding by a second laser that moves following the first laser at a predetermined distance. By setting the first output Pf to be equal to or greater than {0.8 × (Tb / Tm) × Pa}, the organic binder agent can be decomposed and volatilized without causing spattering and carbonization. Further, by setting the first output to {(Tb / Tm) × Pa} or less, the holding power is such that the metal powder does not fall off from the overlay welding member after the first laser irradiation until the main welding. Can be secured. By doing so, it is possible to improve the build-up quality and the material yield of the filler metal.
上記発明の一態様において、前記第1レーザの照射面積Afと前記第2レーザの照射面積Aaとの関係が、0.8×(Tb/Tm)×Aa≦Af<(Tb×Tm)×Aaを満たすことが好ましい。 In one embodiment of the present invention, the relationship between the irradiation area Af of the first laser and the irradiation area Aa of the second laser is 0.8 × (Tb / Tm) × Aa ≦ Af <(Tb × Tm) × Aa. It is preferable to satisfy.
上記一態様によれば、予加熱時の照射面積Afを{0.8×(Tb/Tm)×Aa}以上とすることで、スパッタを発生させず、且つ、炭化させずに有機バインダ剤を分解して揮発させることができる。また、第1出力を{(Tb/Tm)×Aa}以下とすることで、第1レーザを照射後から本溶接までの間に金属粉末が被肉盛溶接部材から脱落しない程度の保持力を確保することができる。 According to the said one aspect | mode, by making irradiation area Af at the time of preheating or more into {0.8 * (Tb / Tm) * Aa}, an organic binder agent is not generated without spattering and carbonization. It can be decomposed and volatilized. Further, by setting the first output to {(Tb / Tm) × Aa} or less, the holding power is such that the metal powder does not fall off from the overlay welding member after the first laser irradiation until the main welding. Can be secured.
本発明によれば、溶加材には有機バインダ剤が含まれているため、被肉盛溶接部材を傾斜させなくても良い。有機バインダ剤を含む金属粉末を溶加材とした場合であっても、第1レーザを用いて所定の出力で予加熱することで、スパッタを発生させず、且つ、バインダ剤を炭化させずに肉盛溶接することができる。第2レーザを、所定の距離間隔をあけて第1レーザに追随して移動させることで、有機バインダ剤の炭化を抑え、金属粉末の被肉盛溶接部材への定着を確保した状態で本溶接することができる。これによって、肉盛層の品質を向上させるとともに、粉末の歩留まりを向上させることが可能となる。 According to the present invention, since the filler material contains the organic binder agent, the overlay welding member need not be inclined. Even when a metal powder containing an organic binder agent is used as a filler material, by preheating with a predetermined output using the first laser, no spatter is generated and the binder agent is not carbonized. Overlay welding is possible. The second laser is moved following the first laser at a predetermined distance, thereby suppressing the carbonization of the organic binder agent and performing the main welding in a state in which fixing of the metal powder to the overlay welding member is ensured. can do. Thereby, it is possible to improve the quality of the built-up layer and improve the yield of the powder.
以下に、本発明に係るレーザ肉盛方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。図1に、本実施形態に係るレーザ肉盛溶接を説明する概略図を示す。
本実施形態に係るレーザ肉盛方法は、溶加材1を被肉盛溶接部材2に塗布する工程と、塗布した溶加材1に、第1レーザを照射する工程と、第1レーザを照射した後の溶加材1に第2レーザを照射する工程と、を備えている。
Hereinafter, an embodiment of a laser cladding method according to the present invention will be described with reference to the drawings. In FIG. 1, the schematic explaining the laser overlay welding which concerns on this embodiment is shown.
The laser cladding method according to the present embodiment includes a step of applying the
まず、溶加材1を被肉盛溶接部材2に塗布して定着させる。塗布方法は、スプレー塗布、はけ塗りなどとされる。塗布する溶加材1の厚さは、例えば、耐食目的で陸用ボイラの火炉壁パネルに対して施工するインコネル(登録商標)肉盛の場合、0.5mm〜1.5mm程度とされ、適宜設定する。
First, the
溶加材1は、金属粉末を主とし、さらに有機バインダ剤を含む。金属粉末は、インコネル(登録商標)またはステンレスなどとされる。有機バインダ剤は、ポリビニルアルコール系樹脂やセルロース系樹脂などとされる。金属粉末と有機バインダ剤との混合比は、金属粉末及び有機バインダ剤の種類や、それらの組み合わせなどによって適宜設定される。
The
次に、塗布した溶加材1に第1レーザ及び第2レーザを順次照射する。レーザは、YAG、半導体レーザまたはファイバーレーザなどが用いられる。レーザ走行速度は、400mm/分〜800mm/分とする。
詳細には、第1レーザを、第1出力Pfで溶加材1に照射しながら溶加材1に沿って(X方向に)移動させる。第1レーザを所定の距離移動させた後、第2レーザの照射を開始する。第2レーザは、第2出力Paで第1レーザが照射された後の溶加材1に照射される。第2レーザは、第1レーザと所定の距離間隔dを保持させながら、第1レーザに追随して移動させる。所定の距離間隔dは、5mm以上10mm以下とされることが好ましい。
Next, the first filler and the second laser are sequentially irradiated onto the applied
Specifically, the first laser is moved along the filler material 1 (in the X direction) while irradiating the
第1出力Pfと第2出力Paとの関係は、式(1)を満たすものとする。Tmは金属粉末の融点、Tbは有機バインダ剤の熱分解温度である。
0.8×(Tb/Tm)×Pa≦Pf<(Tb/Tm)×Pa・・・(1)
It is assumed that the relationship between the first output Pf and the second output Pa satisfies the formula (1). Tm is the melting point of the metal powder, and Tb is the thermal decomposition temperature of the organic binder agent.
0.8 × (Tb / Tm) × Pa ≦ Pf <(Tb / Tm) × Pa (1)
第1レーザの照射面積Afと第2レーザの照射面積Aaとの関係は、式(2)を満たすことが好ましい。レーザの形は、円形又は矩形(スリット状)のどちらであっても良い。
0.8×(Tb/Tm)×Aa≦Af<(Tb/Tm)×Aa・・・(2)
The relationship between the irradiation area Af of the first laser and the irradiation area Aa of the second laser preferably satisfies the formula (2). The shape of the laser may be either circular or rectangular (slit).
0.8 × (Tb / Tm) × Aa ≦ Af <(Tb / Tm) × Aa (2)
上記実施形態によれば、第1レーザを照射することで、溶加材1が予加熱され、溶加材1に含まれる有機バインダ剤が分解される。第2レーザは、所定の距離間隔をあけて第1レーザに追随して溶加材1に照射されるため、金属粉末が脱落する前に本溶接することができる。
According to the said embodiment, the
上記実施形態によれば、第1レーザと第2レーザとは、所定の距離間隔をあけて同時に照射されながら、溶加材1に沿って移動する。第1出力Pfと第2出力Paとの関係が式(1)を満たすことで、第1レーザ照射後から第2レーザを照射するまでの間に金属粉末が被肉盛溶接部材から脱落しない程度の定着力を保持しつつ、第2レーザの照射に起因するスパッタの発生や有機バインダ剤の炭化を抑制することができる。
According to the above embodiment, the first laser and the second laser move along the
上記実施形態によれば、第1レーザの照射面積Afと第2レーザの照射面積Aaとの関係が式(2)を満たすことで、第1レーザ照射後から第2レーザを照射するまでの間に金属粉末が被肉盛溶接部材から脱落しない程度の定着力を保持しつつ、第2レーザを照射することによるスパッタの発生や有機バインダ剤の炭化を抑制することができる。これは、レーザの照射焦点をずらすことでレーザ密度を低くした状態となり、肉盛層への入熱を抑えられるためである。 According to the above embodiment, the relationship between the irradiation area Af of the first laser and the irradiation area Aa of the second laser satisfies the formula (2), so that the period after the first laser irradiation until the second laser irradiation is performed. In addition, it is possible to suppress the occurrence of spatter and carbonization of the organic binder agent by irradiating the second laser while maintaining a fixing force that does not cause the metal powder to fall off the overlay welding member. This is because the laser density is lowered by shifting the irradiation focus of the laser, and heat input to the overlay layer can be suppressed.
(実施例)
金属粉末としてインコネル(登録商標)625(融点Tm:1290℃〜1350℃)を使用した。有機バインダ剤は、ポリビニルアルコール水溶液(ポリビニルアルコールの熱分解温度Tb:500℃)とした。金属粉末及び有機バインダ剤を、90:10(重量比)で混合したスラリを溶加材とした。
(Example)
Inconel (registered trademark) 625 (melting point Tm: 1290 ° C. to 1350 ° C.) was used as the metal powder. The organic binder agent was an aqueous polyvinyl alcohol solution (polyvinyl alcohol thermal decomposition temperature Tb: 500 ° C.). A slurry in which metal powder and an organic binder agent were mixed at 90:10 (weight ratio) was used as a filler material.
上記で調製した溶加材を、斜め45°に傾斜させた炭素鋼板の表面に約1mmの厚さとなるようスプレー塗布した。 The filler material prepared above was spray-applied on the surface of the carbon steel plate inclined at 45 ° so as to have a thickness of about 1 mm.
第1レーザ及び第2レーザに半導体レーザを用い、レーザ走査速度:600mm/分、第2レーザの出力Pa:5.0kWとした。第1レーザと第2レーザとのレーザ照射位置の間隔は10mmとした。第1レーザの出力Pfは1.0kW、1.4kW、1.5kW、1.8kW、または2.0kWとした。 A semiconductor laser was used for the first laser and the second laser, the laser scanning speed was 600 mm / min, and the output Pa of the second laser was 5.0 kW. The interval between the laser irradiation positions of the first laser and the second laser was 10 mm. The output Pf of the first laser was 1.0 kW, 1.4 kW, 1.5 kW, 1.8 kW, or 2.0 kW.
炭素鋼板の表面に塗布した溶加材に、各レーザを上記条件で順次照射してレーザ肉盛溶接を行った。結果を表1に示す。
表1によれば、第1レーザの出力を1.0kW及び1.4kWとすると、第2レーザの照射後にスパッタが発生し、有機バインダ剤が炭化した。第1レーザの出力を2.0とした場合、スパッタの発生や有機バインダ剤の炭化は生じなかったが、第2レーザを照射する前に金属粉末が脱落した。一方、第1レーザの出力を1.5kW及び1.8kWとすると、スパッタの発生や有機バインダ剤の炭化を生じさせず、且つ、金属粉末の炭素鋼板への定着も保持することができた。 According to Table 1, when the output of the first laser was 1.0 kW and 1.4 kW, spatter occurred after irradiation of the second laser, and the organic binder agent was carbonized. When the output of the first laser was 2.0, spattering and carbonization of the organic binder agent did not occur, but the metal powder dropped off before irradiation with the second laser. On the other hand, when the output of the first laser was 1.5 kW and 1.8 kW, spattering and carbonization of the organic binder agent did not occur, and fixing of the metal powder to the carbon steel plate could be maintained.
表1によれば、(第1レーザの出力Pf)/(第2レーザの出力Pa)が、0.28より大きく0.4より小さかった場合、より確実には0.3以上0.36以下とした場合にスパッタの発生や有機バインダ剤の炭化を抑制しつつ、金属粉末を保持させることができることが示された。すなわち、0.28<Pf/Pa<0.4とすることで、第1レーザを照射した後の溶加材に含まれる有機バインダ剤を、金属粉末の定着を保持しつつ、第2レーザで照射されてもスパッタを発生させず、且つ炭化も抑制される程度の量とすることができる。 According to Table 1, when (output Pf of the first laser) / (output Pa of the second laser) is larger than 0.28 and smaller than 0.4, it is more surely 0.3 or more and 0.36 or less. It was shown that the metal powder can be held while suppressing the generation of spatter and carbonization of the organic binder agent. That is, by setting 0.28 <Pf / Pa <0.4, the organic binder agent contained in the filler material after the irradiation with the first laser is applied to the second laser while maintaining the fixing of the metal powder. Even if irradiated, the amount can be set such that no spatter is generated and carbonization is also suppressed.
第1レーザを照射した後の溶加材中の有機バインダ剤の量、及び、第2レーザを照射したときにスパッタを発生させず、且つ、炭化が問題とならない溶加材中の有機バインダ剤の量は、有機バインダの熱分解温度Tb及び金属粉末の融点Tmと関連づけることができる。
金属粉末にインコネル(登録商標)625、有機バインダ剤にポリビニルアルコールを使用した場合、Tb/Tmは0.37〜0.39となり、0.4を下回る。よって、表1の結果から、Pf/Paの上限値はTb/Tm未満と定義することができる。また、Tb/Tmに0.8を乗じると、0.8×Tb/Tmは0.288〜0.312となり、0.28を上回る。よって、表1の結果から、Pf/Paの下限値は0.8×Tb/Tm以上と定義することができる。
The amount of the organic binder agent in the filler material after irradiation with the first laser, and the organic binder agent in the filler material that does not cause sputtering when irradiated with the second laser and carbonization does not become a problem. The amount of can be related to the thermal decomposition temperature Tb of the organic binder and the melting point Tm of the metal powder.
When Inconel (registered trademark) 625 is used for the metal powder and polyvinyl alcohol is used for the organic binder agent, Tb / Tm is 0.37 to 0.39, which is less than 0.4. Therefore, from the results in Table 1, the upper limit value of Pf / Pa can be defined as less than Tb / Tm. Moreover, when Tb / Tm is multiplied by 0.8, 0.8 × Tb / Tm is 0.288 to 0.312, which exceeds 0.28. Therefore, from the results in Table 1, the lower limit value of Pf / Pa can be defined as 0.8 × Tb / Tm or more.
上記結果から、第1レーザの第1出力Pfと第2レーザの第2出力Paとの最適な関係を、0.8×(Tb/Tm)×Pa≦Pf<(Tb/Tm)×Paと定義することができる。 From the above results, the optimum relationship between the first output Pf of the first laser and the second output Pa of the second laser is 0.8 × (Tb / Tm) × Pa ≦ Pf <(Tb / Tm) × Pa. Can be defined.
1 溶加材
2 被肉盛溶接部材
3 部材
1
Claims (2)
前記塗布した溶加材に、第1レーザを第1出力Pfで照射する工程と、
前記第1レーザを照射した後の溶加材に、所定の距離間隔をあけて前記第1レーザに追随して移動する第2レーザを第2出力Paで照射する工程と、
を備え、
前記金属粉末の融点をTm、前記有機バインダ剤の分解温度をTbとした場合に、前記第1出力と前記第2出力との関係が、0.8×(Tb/Tm)×Pa≦Pf<(Tb/Tm)×Paを満たすレーザ肉盛方法。 A step of applying a filler material mainly composed of metal powder and containing an organic binder agent to the overlay welding member;
Irradiating the applied filler material with a first laser at a first output Pf;
Irradiating the filler material after irradiation with the first laser at a second output Pa with a second laser that moves following the first laser at a predetermined distance interval;
With
When the melting point of the metal powder is Tm and the decomposition temperature of the organic binder agent is Tb, the relationship between the first output and the second output is 0.8 × (Tb / Tm) × Pa ≦ Pf < Laser overlaying method that satisfies (Tb / Tm) × Pa.
The relationship between the irradiation area Af of the first laser and the irradiation area Aa of the second laser satisfies 0.8 × (Tb / Tm) × Aa ≦ Af <(Tb × Tm) × Aa. Laser overlaying method.
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