JP2013119098A - レーザ肉盛装置とレーザ肉盛方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、被溶接部形状に合わせた肉盛部の形状制御が可能であり、高品質の肉盛部の作製を可能としたレーザ肉盛装置とレーザ肉盛方法を提供することにある。
【解決手段】レーザを伝送する光ファイバと、前記光ファイバから出射されたレーザを成形するレーザ加工ヘッドと、レーザ照射部に不活性ガスとパウダを吹き付けるパウダ供給ノズルを有し、施工対象物の表面を走査して、肉盛溶接するレーザ肉盛溶接装置において、溶融池から発生する光信号を検知する光学センサとレーザ加工ヘッドの外周に設けられた変位センサを備え、前記光信号と変位センサで計測された情報に基づいて事前に設定された光信号の制御目標値に近づけるように、溶接条件をパラメータとしてフィードバック制御する機構を備えることを特徴とするレーザ肉盛装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パウダを溶加材とするレーザ肉盛に用いるレーザ肉盛装置及びレーザ肉盛方法に関する。

近年、ニアネットシェイプの直接造形や耐摩耗性などの機能付与を目的とした表面処理技術等にパウダを溶加材としたレーザ肉盛が用いられている。このレーザ肉盛において、高精度な肉盛積層形状を得るためには、溶接部への熱の蓄積の影響のため、１パス毎に熱が十分に散逸するまで待ってから、積層を行う必要があり、非効率な施工であった。このため、特許文献１に記載されているように、溶融池からの光信号をモニタし、レーザ出力、溶接速度、パウダ供給量、ノズルと施工対象物との距離などを制御して、所望の溶融池特性を得る方法が考案されている。

特表２００５−５３７９３４号公報

特許文献１は、溶融池からの光信号を基に、溶接条件のコントロールを行う手法である。光信号からは主に溶融池の温度情報を取得しており、この温度情報をもとにレーザ出力、溶接速度、溶加材の供給量、ノズルと施工対象物との距離、ノズルの角度などを調整して、所望の微細構造のために好都合な温度分布を形成することを可能としている。

しかしながら、連続的に積層を行う場合や、被肉盛形状に凹凸が形成されていた場合にはノズルと施工対象物との距離の変化に対応することができないため、所望の肉盛形状を形成し続けることが問題となっていた。

そこで、本発明の目的は、被溶接部形状に合わせた肉盛部の形状制御が可能であり、高品質の肉盛部の作製を可能としたレーザ肉盛装置とレーザ肉盛方法を提供することにある。

本発明のレーザ肉盛装置は、レーザを伝送する光ファイバと、前記光ファイバから出射されたレーザを成形するレーザ加工ヘッドと、レーザ照射部に不活性ガスとパウダを吹き付けるパウダ供給ノズルを有し、施工対象物の表面を走査して、肉盛溶接するレーザ肉盛溶接装置において、
溶融池から発生する光信号を検知する光学センサと、
レーザ加工ヘッドの外周に設けられた変位センサと、
前記光信号と変位センサで計測された情報に基づいて事前に設定された光信号の制御目標値に近づけるように、溶接条件をパラメータとしてフィードバック制御する機構と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、被溶接部形状に合わせて肉盛部の形状を制御することが可能であり、高品質の肉盛部の作製が可能となる。

レーザ肉盛装置の構成図である。 レーザ肉盛部近傍の詳細図である。 実施例３におけるレーザ肉盛装置の構成図である。 実施例３におけるレーザ肉盛部近傍の詳細図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

図１に、実施例１のレーザ肉盛装置の構成を示す。１は光ファイバ、１１はレーザ加工ヘッド、１２はパウダ供給ノズル、１３はレーザ、１４は光信号受信部、２はパウダ供給装置、２１はパウダ、３はガス供給源、３１はシールドガス、４は変位センサ、４１は計測用レーザ、５は制御コントローラ、６は施工対象物、６１は肉盛部、６２は溶融池を示している。

光ファイバ１を通じてレーザ加工ヘッド１１に送られたレーザはパウダ供給ノズル１２から施工対象物６または肉盛部６１に向けて照射される。レーザ加工ヘッドには光信号受信部１４が内蔵されている。パウダ供給装置２から送給されたパウダ２１はパウダ供給ノズル１２を介して、レーザ１３によって形成した溶融池６２に向けて供給され、肉盛部６１を形成した。ガス供給源３から供給されたシールドガス３１はパウダ供給ノズル１２を通じて、溶融池６２に向けて吹き付けて、肉盛部が大気によって酸化することを抑制した。

本実施例ではパウダ２１には３１６Ｌステンレス鋼パウダ、施工対象物６には３１６Ｌステンレス鋼、シールドガス３１にはアルゴンガスを用いた。

図２は施工中の肉盛部近傍を概略的に示した模式図である。１５は光信号、１６はスタンドオフ（施工対象物とパウダ供給ノズル先端との距離）を示している。

肉盛施工中に溶融池６２から発生する光信号１５をモニタしている。モニタした光信号１５は制御コントローラ５に記録される。肉盛施工は溶融池からの光信号１５を事前に設定された光信号の目標値に近づくように、制御コントローラ５からフィードバック制御により溶接条件を調整しながら行った。このとき、光信号１５は熱放射光、フィードバック制御した溶接条件はレーザ出力とした。また変位センサ４によって、溶接進行方向前方の被溶接部形状と後方の肉盛形状を計測している。変位センサ４には光学式のレーザ変位センサを用いた。計測データは制御コントローラ５に記録される。変位センサ４の情報から溶接進行方向前方の被溶接部形状を取得し、被溶接部形状から、施工対象物とパウダ供給ノズル先端との距離、スタンドオフ１６を算出する。スタンドオフ１６が施工開始前と変化していた場合には、スタンドオフ１６が施工開始前と同じになるように制御コントローラ５からフィードバック制御して、レーザ加工ヘッド１１の動作を調整した。この結果、スタンドオフ１６の変化よって生じる、レンズ焦点位置の変化や溶融池６２へのパウダの投入量の変化を抑制することが可能であり、連続に積層を繰り返す施工においても、安定して、所望の肉盛形状を作製することが可能となる。

本実施例ではフィードバック制御する溶接条件はレーザ出力としたが、これに限らない。また施工対象物とノズル先端部との距離の計測方法はレーザ変位センサに限らない。また本実施例では単純に積層を繰り返す施工を示したが、積層方法は本実施例にこれに限定されない。また変位センサはノズル外周に配置したが、施工方法によって全周に配置しなくてもよい。また変位センサにはレーザ変位センサを用いたが、これに限定されない。

本実施例ではパウダ２１には３１６Ｌステンレス鋼パウダ、施工対象物６には３１６Ｌステンレス鋼、シールドガス３１にはアルゴンガスを用いたが、これに限定されない。

実施例２のレーザ肉盛装置の構成は実施例と同じであるため、図１、図２を使用する。１は光ファイバ、１１はレーザ加工ヘッド、１２はパウダ供給ノズル、１３はレーザ、１４は光信号受信部、２はパウダ供給装置、２１はパウダ、３はガス供給源、３１はシールドガス、４は変位センサ、４１は計測用レーザ、５は制御コントローラ、６は施工対象物、６１は肉盛部、６２は溶融池を示している。

光ファイバ１を通じてレーザ加工ヘッド１１に送られたレーザはパウダ供給ノズル１２から施工対象物６または肉盛部６１に向けて照射される。レーザ加工ヘッドには光信号受信部１４が内蔵されている。パウダ供給装置２から送給されたパウダ２１はパウダ供給ノズル１２を介して、レーザ１３によって形成した溶融池６２に向けて供給され、肉盛部６１を形成した。ガス供給源３から供給されたシールドガス３１はパウダ供給ノズル１２を通じて、溶融池６２に向けて吹き付けて、肉盛部が大気によって酸化することを抑制した。

本実施例ではパウダ２１には３１６Ｌステンレス鋼パウダ、施工対象物６には３１６Ｌステンレス鋼、シールドガス３１にはアルゴンガスを用いた。

図２は施工中の肉盛部近傍を概略的に示した模式図である。１５は光信号、１６はスタンドオフ（施工対象物とパウダ供給ノズル先端との距離）を示している。肉盛施工中に溶融池６２から発生する光信号１５をモニタしている。モニタした光信号１５は制御コントローラ５に記録される。肉盛施工は溶融池からの光信号１５を事前に設定された光信号の目標値に近づくように、制御コントローラ５からフィードバック制御により溶接条件を調整しながら行った。このとき、光信号１５は熱放射光、フィードバック制御した溶接条件はレーザ出力とした。また変位センサ４によって、溶接進行方向前方の被溶接部形状と後方の肉盛形状を計測している。変位センサ４には光学式のレーザ変位センサを用いた。計測データは制御コントローラ５に記録される。変位センサ４の情報から溶接進行方向前後の被溶接部形状と肉盛形状を取得し、１層当りの肉盛高さの平均を算出する。この値を用いて、２層目の積層に移行するときに、レーザ加工ヘッド１１の高さ方向への移動量を決定する。この結果、１層ごとの肉盛高さを管理し、スタンドオフ１６を一定に保つことが可能であり、積層を繰り返すことで生じるスタンドオフ１６の変化に伴うレンズ焦点位置の変化や溶融池６２へのパウダの投入量の変化を抑制することが可能であり、連続に積層を繰り返す施工においても、安定して、所望の肉盛形状を作製することが可能となる。

本実施例ではフィードバック制御する溶接条件はレーザ出力としたが、これに限らない。また施工対象物とノズル先端部との距離の計測方法はレーザ変位センサに限らない。また本実施例では単純に積層を繰り返す施工を示したが、積層方法は本実施例にこれに限定されない。また、変位センサはノズル外周に配置したが、施工方法によって全周に配置しなくてもよい。また、変位センサにはレーザ変位センサを用いたが、これに限定されない。

本実施例ではパウダ２１には３１６Ｌステンレス鋼パウダ、施工対象物６には３１６Ｌステンレス鋼、シールドガス３１にはアルゴンガスを用いたが、これに限定されない。

図３に実施例３のレーザ肉盛装置の構成を示す。１は光ファイバ、１１はレーザ加工ヘッド、１２はパウダ供給ノズル、１３はレーザ、１４は光信号受信部、２はパウダ供給装置、２１はパウダ、３はガス供給源、３１はシールドガス、４は変位センサ、４１は計測用レーザ、５は制御コントローラ、６は施工対象物、６１は肉盛部、６２は溶融池、６３は凹凸のある肉盛部を示している。

光ファイバ１を通じてレーザ加工ヘッド１１に送られたレーザはパウダ供給ノズル１２から施工対象物６または肉盛部６１に向けて照射される。レーザ加工ヘッドには光信号受信部１４が内蔵されている。パウダ供給装置２から送給されたパウダ２１はパウダ供給ノズル１２を介して、レーザ１３によって形成した溶融池６２に向けて供給され、肉盛部６１を形成した。ガス供給源３から供給されたシールドガス３１はパウダ供給ノズル１２を通じて、溶融池６２に向けて吹き付けて、肉盛部が大気によって酸化することを抑制した。

本実施例ではパウダ２１には３１６Ｌステンレス鋼パウダ、施工対象物６には３１６Ｌステンレス鋼、シールドガス３１にはアルゴンガスを用いた。

図４は施工中の肉盛部近傍を概略的に示した模式図である。１５は光信号、１６はスタンドオフ（施工対象物とパウダ供給ノズル先端との距離）を示している。肉盛施工中に溶融池６２から発生する光信号１５をモニタしている。モニタした光信号１５は制御コントローラ５に記録される。肉盛施工は溶融池からの光信号１５を事前に設定された光信号の目標値に近づくように、制御コントローラ５からフィードバック制御により溶接条件を調整しながら行った。このとき、光信号１５は熱放射光、フィードバック制御した溶接条件はレーザ出力と施工速度とした。また変位センサ４によって、溶接進行方向前方の被溶接部形状と後方の肉盛形状を計測している。変位センサ４には光学式のレーザ変位センサを用いた。計測データは制御コントローラ５に記録される。溶接進行方向前方は凹凸のある肉盛部６３であり、一定の肉盛形状を形成するためには、凹凸に合わせて、肉盛形状を変化させる必要がある。変位センサ４の情報から溶接進行方向前方の被溶接部形状と後方の肉盛形状を取得し、肉盛形状から凹凸部における肉盛部断面積の過不足分を算出する。肉盛部断面積の過不足分に応じて、制御コントローラ５上で事前に設定された光信号の目標値を再設定させて、再設定後の目標値に近づくように、フィードバック制御によって溶接条件とスタンドオフ１６を調整しながら施工を行った。

例えば、被溶接部形状が凹部である場合には、事前に設定していた目標値に近づけるだけでは、不足分を解消することはできない。そこで、溶接進行方向前後の形状から、不足分を算出し、不足分を足した目標値をプロセス中に再設定する。つまり光信号の目標値もフィードバック制御されることになる。この結果、常に光信号の目標値はより適正な目標値に修正され、被溶接部形状に凹凸があっても、安定して所望の肉盛形状を作製することが可能となる。

本実施例ではフィードバック制御する溶接条件はレーザ出力と施工速度としたが、これに限らない。また施工対象物とノズル先端部との距離の計測方法はレーザ変位センサに限らない。また本実施例では単純に積層を繰り返す施工を示したが、積層方法は本実施例にこれに限定されない。また変位センサはノズル外周に配置したが、施工方法によって全周に配置しなくてもよい。また変位センサにはレーザ変位センサを用いたが、これに限定されない。

本実施例ではパウダ２１には３１６Ｌステンレス鋼パウダ、施工対象物６には３１６Ｌステンレス鋼、シールドガス３１にはアルゴンガスを用いたが、これに限定されない。

１ 光ファイバ
２ パウダ供給装置
３ ガス供給源
４ 変位センサ
５ 制御コントローラ
６ 施工対象物
１１ レーザ加工ヘッド
１２ パウダ供給ノズル
１３ レーザ
１４ 光信号受信部
１５ 光信号
１６ スタンドオフ
２１ パウダ
３１ シールドガス
４１ 計測用レーザ
６１ 肉盛部
６２ 溶融池
６３ 凹凸のある肉盛部

Claims (14)

1. レーザを伝送する光ファイバと、前記光ファイバから出射されたレーザを成形するレーザ加工ヘッドと、レーザ照射部に不活性ガスとパウダを吹き付けるパウダ供給ノズルを有し、施工対象物の表面を走査して、肉盛溶接するレーザ肉盛溶接装置において、
   溶融池から発生する光信号を検知する光学センサと、
   レーザ加工ヘッドの外周に設けられた変位センサと、
   前記光信号と変位センサで計測された情報に基づいて事前に設定された光信号の制御目標値に近づけるように、溶接条件をパラメータとしてフィードバック制御する機構と、
   を備えることを特徴とするレーザ肉盛装置。
2. 請求項１において、前記光信号と変位センサで計測された情報に基づいて溶接条件と、施工対象部とパウダ供給ノズル先端の距離をパラメータとしてフィードバック制御する機構を備えることを特徴とするレーザ肉盛装置。
3. 請求項１において、前記変位センサで計測される情報が溶接進行方向の前方の被溶接部形状であり、前記溶接部形状に基づいて事前に設定した目標とする肉盛部との肉盛量の過不足分を算出して、前記光信号のフィードバック制御目標値を施工中に設定する機構を備え、前記光信号をモニタして溶接条件と、施工対象部とパウダ供給ノズル先端の距離をパラメータとしてフィードバック制御する機構を備えることを特徴とするレーザ肉盛装置。
4. 請求項１において、前記変位センサで計測される情報が溶接進行方向の前方の被溶接部形状と後方の肉盛形状であり、前記溶接部形状と肉盛形状に基づいて、溶接部前後での肉盛量の過不足分を算出して、前記光信号のフィードバック制御目標値を施工中に設定する機構を備え、前記光信号をモニタして溶接条件と、施工対象部とパウダ供給ノズル先端の距離をパラメータとしてフィードバック制御する機構を備えることを特徴とするレーザ肉盛装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、フィードバック制御される溶接条件が、レーザ出力、施工速度、パウダ供給量から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とするレーザ肉盛装置。
6. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、光学センサによって検知される光信号が、熱放射光であることを特徴とするレーザ肉盛装置。
7. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記変位センサが、光学式変位センサ、静電容量センサ、差分トランス式変位センサ、磁気誘導式変位センサ、渦電流式変位センサ、超音波式変位センサから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とするレーザ肉盛装置。
8. 光ファイバから出射されたレーザを成形するレーザ加工ヘッドから施工対象物に向けてレーザを照射しながら、レーザ照射部に不活性ガスとパウダを吹き付けて施工対象物の表面を走査し、肉盛部を形成するレーザ肉盛方法において、
   レーザ加工ヘッドの外周に設けられた変位センサと、光学センサで検知した溶融池から発生する光信号で計測された情報に基づいて、事前に設定された光信号の目標値に近づけるように、溶接条件をパラメータとしてフィードバック制御して肉盛形状を制御することを特徴とするレーザ肉盛方法。
9. 請求項８において、前記光信号と変位センサで計測された情報に基づいて溶接条件と、施工対象部とパウダ供給ノズル先端の距離をパラメータとしてフィードバック制御することを特徴とするレーザ肉盛方法。
10. 請求項８において、前記変位センサで溶接進行方向の前方の被溶接部形状を計測して、前記溶接部形状に基づいて事前に設定した目標とする肉盛部との肉盛量の過不足分を算出して、前記光信号のフィードバック制御目標値を施工中に設定し、前記光信号をモニタして溶接条件と、施工対象部とパウダ供給ノズル先端の距離をパラメータとしてフィードバック制御することを特徴とするレーザ肉盛方法。
11. 請求項８において、前記変位センサで溶接進行方向の前方の被溶接部形状と後方の肉盛形状を計測して、前記溶接部形状と肉盛形状に基づいて溶接部前後での肉盛量の過不足分を算出して、前記光信号のフィードバック制御目標値を施工中に設定し、前記光信号をモニタして溶接条件と、施工対象部とパウダ供給ノズル先端の距離をパラメータとしてフィードバック制御することを特徴とするレーザ肉盛方法。
12. 請求項８乃至１１のいずれかにおいて、フィードバック制御される溶接条件が、レーザ出力、施工速度、パウダ供給から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とするレーザ肉盛方法。
13. 請求項８乃至１１のいずれかにおいて、光学センサによって検知される光信号が熱放射光であることを特徴とするレーザ肉盛方法。
14. 請求項８乃至１１のいずれかにおいて、前記変位センサが、光学式変位センサ、静電容量センサ、差分トランス式変位センサ、磁気誘導式変位センサ、渦電流式変位センサ、超音波式変位センサから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とするレーザ肉盛方法。