JP2012125772A - レーザ加工ヘッド及び肉盛溶接方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明のレーザ加工ヘッドH1は、パウダ供給部3は、パウダを施工対象物6のレーザ5の照射部14に吐出するパウダ供給ノズル111(パウダ吐出部)と、このパウダ供給ノズル111に供給されるパウダ流の流量を予め分配することでこのパウダ供給ノズル111に対するパウダ供給量を調整するパウダ供給量調整機構130と、を備えると共に、パウダ供給量調整機構130によるパウダ流4の流量の分配を制御する制御機構9を更に備えることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
しかしながら、パウダ供給量はパウダ供給装置により制御されるため、パウダ輸送のためのタイムラグが発生し、施工中の精密なパウダ供給量の制御は困難となっていた。また、このタイムラグのため、施工の前後では溶接に使用されないパウダが施工部に供給されるため、パウダに無駄を生じて歩留りを低下させていた。
つまり、このような従来のパウダ供給装置を使用したレーザ肉盛技術においては、施工部に対するパウダ供給量の迅速な制御が困難であると共に、安定したパウダ供給量を得ることができないという課題があった。
図1に示すように、本実施形態に係るレーザ加工ヘッドH1は、施工対象物6にレーザ5を照射するレーザ出射部13と、パウダ供給装置2から供給されるパウダを施工対象物6のレーザ5の照射部14に供給するパウダ供給部3とを備えている。
そして、パウダ供給部3は、後に詳しく説明するパウダ供給ノズル111(パウダ吐出部)と、パウダ供給量調整機構130とを備えている。
なお、パウダ供給ノズル111の数は、この例では2以上であればよい。また、パウダ供給ノズル111の内径は特に制限されるものではない。また、パウダ供給ノズル111の配置は、レーザ光軸の外円周上に配置する形態に限定されず、ランダムに配置するものであってもよい。
また、ガス供給源7は、後記するように、補充ガスとしての不活性ガスを分岐部分岐部134a及び分岐部135a(図2参照)にも供給するものであり、特許請求の範囲にいう「補充ガス供給機構」を兼ねている。
本実施形態での位置決め機構96の動作は、制御機構9で制御されており、この制御機構9によって、シールドガスノズル97の上下位置が調整される。
その結果、パウダ供給ノズル111の下端の高さが可変となって、パウダの集中位置を制御することが可能となる。
本実施形態での位置決め機構92の動作は、制御機構9で制御されている。
本実施形態での位置決め機構94の動作は、制御機構9で制御されている。
なお、制御機構9による前記した位置決め機構92,94,96の動作の制御は、信号線91を介して行われる。
パウダ供給量調整機構130は、後記する分岐部134a、分岐部135a、分岐弁150及び戻し側配管135、並びにガス供給源7、補充ガス供給路131、分岐部152、分岐部153、分岐弁151及び遮断弁155を主に備えて構成されている(図2参照)。なお、ガス供給源7、補充ガス供給路131、分岐部152、分岐部153、分岐弁151及び遮断弁155は、特許請求の範囲にいう「補充ガス供給機構」を構成している。
このパウダ供給量調整機構130は、前記したように、パウダ供給装置2からパウダ供給路21を介して供給されたパウダ流を分配して、一方のパウダ流4を、パウダ供給ノズル111から施工対象物6の照射部14に向けて吐出し、他方のパウダ流(図示省略)を、戻し側配管135を介してパウダ回収容器154に返送するようになっている。
そして、分岐部152は、パウダ流の分岐部134aに形成された補充ガス供給口138aに接続される共に、補充ガス流の分岐部153は、パウダ流の分岐部135aに形成された補充ガス供給口138bに接続されている。
この分岐弁151は、分岐部152と分岐部153の開度を調節する弁体151aと、この弁体151aを駆動する電動ロータリーアクチュエータ151bとで構成されている。この電動ロータリーアクチュエータ151bの動作は、信号線136を介して制御機構9(図1参照)が制御するようになっている。
例えば、図2(c)に示すように分岐弁150の開閉率が「7:3」の場合には、補充ガスの流量を、図2(d)に示すように、分岐部153の開度(3)に対する分岐部152の開度(7)の比で表す開閉率「3:7」となるように分岐弁151を制御することで、分岐によって不足したキャリアガスを補充ガスで補填することができる。その結果、パウダ流の分岐部134a及び分岐部135aにおいては、分岐後もパウダ供給路21と同じキャリアガス流量でパウダを同伴して輸送することができる。
なお、本実施形態では、補充ガス供給路131を介してパウダ供給量調整機構130に供給される補充ガスの供給量は、パウダ供給路21を介してパウダ供給量調整機構130に供給されるキャリアガスの流量と同量としたが、これらのガス流量はこれに限定されない。また、パウダ流の分岐部134a及び分岐部135aのそれぞれに供給する補充ガスの量は、分岐弁151の開閉率によって調整したが、分岐弁151を用いずに独立して調整することもできる。
ここでは、本実施形態に係るレーザ加工ヘッドH1を、施工対象物としてのタービン翼の上端部の肉盛溶接に利用した場合について説明する。
また、シールドガスノズル97(図1参照)からシールドガス流8を溶融プール142に向かって吹き付けることにより肉盛溶接部141の酸化を抑制した。
なお、図3中、符号21は、パウダ供給路であり、符号130は、パウダ供給量調整機構であり、符号131は、補充ガス供給路であり、符号140は、施工対象物6としてのタービン翼であり、符号135は、パウダの戻し側配管であり、符号154は、パウダ回収容器である。
図4の左欄上段に示すように、施工前(レーザ照射前)においては、パウダ供給路21に所定のパウダ流4の流量を確保しておき、このパウダ流4の全てが、分岐部135aに流れるように、分岐弁150の開閉率を「10:0」に設定する(図4の(a)参照)。このとき、図4の左欄下段に示すように、補充ガス供給路131は、遮断弁155で閉じられている(図4の(e)参照)。そして、パウダ流4は、戻し側配管135(図1参照)を介してパウダ回収容器154(図1参照)に向かって流れて、施工前に供給されたパウダは回収されて再利用することが可能となる。
ちなみに、本実施形態での溶融プール142に対するパウダ供給量の調整は、予め分岐弁150と分岐弁151の開閉率がプログラムされた制御機構9によって行われる。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。参照する図5は、第2実施形態に係るレーザ加工ヘッドの構成説明図である。なお、本実施形態において前記第1実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
なお、内ノズル31が上下移動すると、外ノズル32も内ノズル31と共に上下移動するようになっている。その結果、内ノズル31と外ノズル32との先端の隙間から吐出するパウダ流4の集中位置は、位置決め機構92による内ノズル31の上下移動によって調整できるようになっている。この位置決め機構92は、信号線91を介して制御機構9によって制御されている。
また、シールドガスノズル97(図5参照)からシールドガス流8を溶融プール142に向かって吹き付けることにより肉盛溶接部141の酸化を抑制した。
ちなみに、この例では、パウダA及びパウダBは、その硬さが相互に異なっており、具体的には、パウダAは、施工対象物6のタービンロータシャフト160の材質よりも硬い材質で形成されており、パウダBは、パウダAよりも硬い材質で形成されている。
つまり、本実施形態では、肉盛溶接部141における化学組成を制御する組成傾斜肉盛を実施した。
次の表1には、本実施形態で施工した肉盛各層のパウダA,Bのパウダ混合比率を示している。
なお、このとき、パウダ供給量調整機構130A,130Bに補充ガスを導入する補充ガス供給路131A,131Bは、第1実施形態での遮断弁155(図2(d)及び(e)参照)と同様の遮断弁で閉じられている。つまり、パウダ供給量調整機構130A,130Bには、補充ガスが供給されていない。
なお、パウダ供給装置2A,2Bからパウダ供給量調整機構130A,130Bに供給するパウダAとパウダBとの総量は変更せずに、前記パウダ混合比率のみが変更されている。
このとき、第1実施形態での分岐弁151(図2(d)及び(e)参照)と同様に構成されるパウダ供給量調整機構130A,130Bの分岐弁(図示省略)は、分岐前後でパウダ流に含まれるキャリアガス量が変化しないように、補充ガスをパウダ流に補填している。
ちなみに、本実施形態では、この組成傾斜肉盛溶接を実施した結果、タービンロータシャフト160の表面と肉盛部との密着性に優れると共に、肉盛部の各層は互いに密着性に優れることとなる。また、肉盛部の最外層(5層目)は、パウダBのみからなる組成となり、タービンロータシャフト160の最表面に最も硬い表面層を形成することとなる。
この際、本実施形態に係るレーザ加工ヘッドH2及び肉盛溶接方法によれば、パウダ供給量の早急な制御が可能となるので、肉盛層ごとの化学組成の制御を容易に行うことが可能となる。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。参照する図7は、第3実施形態に係るレーザ加工ヘッドの構成説明図である。なお、本実施形態において前記第1実施形態及び第2実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
図7中、符号1は、レーザ発振器であり、符号2は、パウダ供給装置であり、符号3は、パウダ供給部であり、符号6は、施工対象物であり、符号5は、レーザであり、符号8は、シールドガス流であり、符号11は、光ファイバであり、符号12は、レーザ集光部であり、符号13は、レーザ出射部であり、符号21は、パウダ供給路であり、符号31は、内ノズルであり、符号41は、パウダ流路であり、符号71は、ガス供給管であり、符号92,96,98,120は、位置決め機構であり、符号130は、パウダ供給量調整機構であり、符号131は、補充ガス供給路であり、符号135は、戻し側配管であり、符号154は、パウダ回収容器である。
2A パウダ供給装置
2B パウダ供給装置
3 パウダ供給部
4 パウダ流
5 レーザ
6 施工対象物
7 ガス供給源
9 制御機構
13 レーザ出射部
14 照射部
21A パウダ供給路
21B パウダ供給路
22A パウダ格納部
22B パウダ格納部
41 パウダ流路(パウダ吐出部)
111 パウダ供給ノズル(パウダ吐出部)
130 パウダ供給量調整機構
130A パウダ供給量調整機構
130B パウダ供給量調整機構
134a 分岐部
135a 分岐部
141 肉盛溶接部
142 溶融プール(レーザの照射部)
150 分岐弁
151 分岐弁
152 分岐部
153 分岐部
154 パウダ回収容器
155 遮断弁
H1 レーザ加工ヘッド
H2 レーザ加工ヘッド
H3 レーザ加工ヘッド
Claims (17)
- 施工対象物にレーザを照射するレーザ出射部と、
パウダ供給装置から供給されるパウダを施工対象物のレーザの照射部に供給するパウダ供給部と、を備えるレーザ加工ヘッドにおいて、
前記パウダ供給部は、パウダを施工対象物のレーザの照射部に吐出するパウダ吐出部と、このパウダ吐出部に供給されるパウダ流の流量を予め分配することでこのパウダ吐出部に対するパウダ供給量を調整するパウダ供給量調整機構と、を有し、
前記パウダ供給量調整機構によるパウダ流の流量の分配を制御する制御機構を更に備えることを特徴とするレーザ加工ヘッド。 - 請求項1に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
パウダ回収容器を更に備えると共に、
前記パウダ供給量調整機構は、前記パウダ供給装置から供給されるパウダのパウダ供給路の下流側が分岐して形成される複数の分岐部と、
この複数の分岐部のうちの、少なくとも一つの分岐部と前記パウダ吐出部とを接続する供給側配管と、
この複数の分岐部のうちの、残りの分岐部と、前記パウダ回収容器とを接続する戻し側配管と、
この複数の分岐部におけるパウダ流の流量の分配率を調整する分配率調整機構と、
を有していることを特徴とするレーザ加工ヘッド。 - 請求項1に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
前記パウダ供給装置は、パウダ格納部を有していると共に、
前記パウダ供給量調整機構は、前記パウダ供給装置から供給されるパウダのパウダ供給路の下流側が分岐して形成される複数の分岐部と、
この複数の分岐部のうちの、少なくとも一つの分岐部と前記パウダ吐出部とを接続する供給側配管と、
この複数の分岐部のうちの、残りの分岐部と、前記パウダ格納部とを接続する戻し側配管と、
この複数の分岐部におけるパウダ流の流量の分配率を調整する分配率調整機構と、
を有していることを特徴とするレーザ加工ヘッド。 - 請求項2又は請求項3に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
前記パウダ供給量調整機構は、前記分岐部に補充ガスを送り込む補充ガス供給機構を更に有していることを特徴とするレーザ加工ヘッド。 - 施工対象物にレーザを照射するレーザ出射部と、
パウダ供給装置から供給される複数種のパウダのそれぞれを、個別に施工対象物のレーザの照射部に供給するパウダ供給部と、を備えるレーザ加工ヘッドにおいて、
前記パウダ供給部は、各パウダを個別に施工対象物のレーザの照射部に吐出する複数のパウダ吐出部と、各パウダ吐出部に供給されるパウダ流の流量を予め分配することで各パウダ吐出部に対する各パウダ供給量を調整するパウダ供給量調整機構と、を有し、
前記パウダ供給量調整機構によるパウダ流の流量の分配を制御する制御機構を更に備えることを特徴とするレーザ加工ヘッド。 - 請求項5に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
パウダ回収容器を更に備えると共に、
前記パウダ供給量調整機構は、前記パウダ供給装置から供給される各パウダの各パウダ供給路のそれぞれの下流側が分岐して形成される複数の分岐部と、
この複数の分岐部のうちの、少なくとも一つの分岐部と前記パウダ吐出部とを接続する供給側配管と、
この複数の分岐部のうちの、残りの分岐部と、前記パウダ回収容器とを接続する戻し側配管と、
この複数の分岐部におけるパウダ流の流量の分配率を調整する分配率調整機構と、を有していることを特徴とするレーザ加工ヘッド。 - 請求項5に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
前記パウダ供給装置は、パウダ格納部を有していると共に、
前記パウダ供給量調整機構は、前記パウダ供給装置から供給される各パウダの各パウダ供給路のそれぞれの下流側が分岐して形成される複数の分岐部と、
この複数の分岐部のうちの、少なくとも一つの分岐部と前記パウダ吐出部とを接続する供給側配管と、
この複数の分岐部のうちの、残りの分岐部と、前記パウダ格納部とを接続する戻し側配管と、
この複数の分岐部におけるパウダ流の流量の分配率を調整する分配率調整機構と、を有していることを特徴とするレーザ加工ヘッド。 - 請求項6又は請求項7に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
前記パウダ供給量調整機構は、前記分岐部に補充ガスを送り込む補充ガス供給機構を更に有していることを特徴とするレーザ加工ヘッド。 - 施工対象物にレーザ出射部からレーザを照射すると共に、パウダ供給装置から供給されるパウダを、パウダ吐出部から施工対象物のレーザの照射部に吐出して肉盛部を形成する肉盛溶接方法において、
前記パウダ吐出部に供給されるパウダ流の流量を予め分配することでこのパウダ吐出部に対するパウダ供給量を調整することを特徴とする肉盛溶接方法。 - 請求項9に記載の肉盛溶接方法において、
前記パウダ吐出部に供給されるパウダ流の流量の分配は、
前記パウダ供給装置から供給されるパウダのパウダ供給路の下流側で前記パウダ流を分岐させて、一方の前記パウダ流を前記パウダ吐出部に向けて流通させ、他方の前記パウダ流をパウダ回収容器に向けて流通させると共に、
一方の前記パウダ流の流量と、他方の前記パウダ流の流量との分配率を調整して行うことを特徴とする肉盛溶接方法。 - 請求項9に記載の肉盛溶接方法において、
前記パウダ吐出部に供給されるパウダ流の流量の分配は、
前記パウダ供給装置から供給されるパウダのパウダ供給路の下流側で前記パウダ流を分岐させて、一方の前記パウダ流を前記パウダ吐出部に向けて流通させ、他方の前記パウダ流を前記パウダ供給装置のパウダ格納部に向けて流通させると共に、
一方の前記パウダ流の流量と、他方の前記パウダ流の流量との分配率を調整して行うことを特徴とする肉盛溶接方法。 - 請求項10又は請求項11に記載の肉盛溶接方法において、
前記パウダ供給装置から供給されるパウダは、キャリアガスと共に前記パウダ供給路に送り出されることを特徴とする肉盛溶接方法。 - 請求項12に記載の肉盛溶接方法において、
分配した前記パウダ流には、補充ガスを更に加えて前記パウダ吐出部に向けて流通させることを特徴とする肉盛溶接方法。 - 施工対象物にレーザ出射部からレーザを照射すると共に、パウダ供給装置から供給される複数種のパウダのそれぞれを、個別に複数のパウダ吐出部から施工対象物のレーザの照射部に供給して肉盛部を形成する肉盛溶接方法において、
前記各パウダ吐出部に供給されるパウダ流の流量を予め分配することで前記各パウダ吐出部に対する各パウダ供給量を調整することを特徴とする肉盛溶接方法。 - 請求項14に記載の肉盛溶接方法において、
前記各パウダ吐出部に供給されるパウダ流の流量の分配は、
前記パウダ供給装置から供給される各パウダの各パウダ供給路の下流側で前記パウダ流を分岐させて、一方の前記パウダ流を前記パウダ吐出部に向けて流通させ、他方の前記パウダ流を前記パウダ供給装置のパウダ格納部に向けて流通させると共に、
一方の前記パウダ流の流量と、他方の前記パウダ流の流量との分配率を調整して行うことを特徴とする肉盛溶接方法。 - 請求項14又は請求項15に記載の肉盛溶接方法において、
前記パウダ供給装置から供給されるパウダは、キャリアガスと共に前記パウダ供給路に送り出されることを特徴とする肉盛溶接方法。 - 請求項16に記載の肉盛溶接方法において、
分配した前記パウダ流には、補充ガスを更に加えて前記パウダ吐出部に向けて流通させることを特徴とする肉盛溶接方法。
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