JP2015155110A - Laser build-up weld device and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、レーザ肉盛溶接装置およびレーザ肉盛溶接方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a laser overlay welding apparatus and a laser overlay welding method.
ガスタービンにおいては、燃焼温度を高温化することによって熱効率を向上させることができる。そのため、1990年代においては静翼入口ガス温度が1100℃のものが主流であったが、2000年代に入り1300℃、1500℃の機種が開発されている。 In a gas turbine, thermal efficiency can be improved by raising the combustion temperature. Therefore, in the 1990s, the mainstream of the stationary blade inlet gas temperature was 1100 ° C., but since the 2000s, models of 1300 ° C. and 1500 ° C. have been developed.
ガスタービンの動翼のチップスキーラは、動翼の先端に備えられ、燃焼ガスが翼先端から漏れることによる効率低下を抑制している。チップスキーラは、高温の燃焼ガスにさらされる他、対向するシュラウドセグメントと接触することがある。そのため、高温酸化やエロージョンなどによる損耗を受けやすい。 A tip squealer for a moving blade of a gas turbine is provided at the tip of the moving blade, and suppresses a decrease in efficiency due to leakage of combustion gas from the tip of the blade. In addition to being exposed to hot combustion gases, the tip squealer may come into contact with opposing shroud segments. Therefore, it is easily damaged by high temperature oxidation and erosion.
このようにチップスキーラが損耗した場合、レーザ肉盛溶接による補修が施される。ガスタービンの動翼材として使用されているNi基超合金は、Niのマトリックス中にγ’相と呼ばれるNi3Al相を析出させて強化した析出強化型Ni基超合金である。この析出強化型Ni基超合金に対して同じ材料を用いて肉盛溶接を行った場合、優れた溶接性を得ることは困難である。 When the tip squealer is worn in this way, repair by laser overlay welding is performed. A Ni-base superalloy used as a moving blade material for a gas turbine is a precipitation-strengthened Ni-base superalloy strengthened by precipitation of a Ni 3 Al phase called a γ ′ phase in a Ni matrix. When overlay welding is performed on the precipitation-strengthened Ni-base superalloy using the same material, it is difficult to obtain excellent weldability.
析出強化型Ni基超合金における溶接性は、AlとTiの含有量で定性的に整理される。AlおよびTiの濃度が高いと溶接性が悪く、溶接時に凝固割れ、液化割れ、延性低下割れなどの溶接割れを引き起こす。例えば、現在、ガスタービンの初段の動翼として使用されているGTD−111(米国ゼネラルエレクトリック社製)やReneN5(米国ゼネラルエレクトリック社製)などの単結晶超合金は、難溶接材に分類されるため溶接割れが起こりやすいと考えられる。 The weldability in the precipitation-strengthened Ni-base superalloy is qualitatively arranged by the contents of Al and Ti. When the concentrations of Al and Ti are high, the weldability is poor, and welding cracks such as solidification cracks, liquefaction cracks, and ductility deterioration cracks are caused during welding. For example, single crystal superalloys such as GTD-111 (manufactured by General Electric, USA) and ReneN5 (manufactured by General Electric, USA) that are currently used as the first stage blades of gas turbines are classified as difficult-to-weld materials. Therefore, it is considered that weld cracks are likely to occur.
これらの溶接割れは、溶接時に導入される溶接残留ひずみを小さくすることで抑制される。このため航空機用ガスタービンを中心に溶接入熱が低いレーザ肉盛溶接が採用されている。 These weld cracks are suppressed by reducing the welding residual strain introduced during welding. For this reason, laser overlay welding with low welding heat input is adopted mainly for aircraft gas turbines.
図7は、従来のレーザ肉盛溶接に使用されているレーザビームの、照射方向に垂直な断面を示した図である。図8は、図7のX−X断面におけるレーザビームのエネルギプロファイルを模式的に示した図である。図9は、図7のX−X断面のレーザビームが通過する間の積算エネルギ分布を模式的に示す図である。 FIG. 7 is a view showing a cross section perpendicular to the irradiation direction of a laser beam used in conventional laser overlay welding. FIG. 8 is a diagram schematically showing the energy profile of the laser beam in the XX section of FIG. FIG. 9 is a diagram schematically showing an integrated energy distribution during the passage of the laser beam of the XX cross section in FIG.
従来のレーザ肉盛溶接に使用されているレーザビームは、図7に示すように、断面が円形である。このレーザビームは、図8に示すように、ガウシアン型と呼ばれるエネルギプロファイルを有する。このようなガウシアン型のレーザビームを使用すると、図9に示すように、積算エネルギ(入熱)の分布は、中心部で高く、周辺部で低くなる。 As shown in FIG. 7, the cross section of the laser beam used in conventional laser overlay welding is circular. As shown in FIG. 8, this laser beam has an energy profile called a Gaussian type. When such a Gaussian type laser beam is used, as shown in FIG. 9, the distribution of accumulated energy (heat input) is high in the central portion and low in the peripheral portion.
上記したように、従来のレーザ肉盛溶接に使用されているガウシアン型のレーザビームにおいては、入熱は、中心部で高く、周辺部で低い。そのため、周辺部に合わせて入熱を設定すると中心部の入熱が過多となり、凝固割れや液化割れが発生することがある。 As described above, in a Gaussian laser beam used for conventional laser overlay welding, heat input is high at the center and low at the periphery. Therefore, when heat input is set according to the peripheral part, the heat input at the center part becomes excessive, and solidification cracking or liquefaction cracking may occur.
本発明が解決しようとする課題は、レーザを用いて肉盛溶接する際、凝固割れや液化割れなどの溶接割れを抑制することができるレーザ肉盛溶接装置およびレーザ肉盛溶接方法を提供するものである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a laser overlay welding apparatus and a laser overlay welding method capable of suppressing weld cracking such as solidification cracking and liquefaction cracking when overlay welding is performed using a laser. It is.
実施形態のレーザ肉盛溶接装置は、レーザ発振器から出射されたレーザ光をレーザビームとして、Ni基超合金からなる肉盛対象物に照射する光路部と、前記光路部に設けられ、トップハット型のエネルギプロファイルを有する前記レーザビームを構成するエネルギプロファイル変換部と、溶加材の粉末を、前記肉盛対象物のレーザビーム照射部に供給する溶加材供給部とを備える。 The laser build-up welding apparatus of the embodiment is provided with an optical path unit for irradiating a build-up target made of a Ni-based superalloy with a laser beam emitted from a laser oscillator as a laser beam, and a top hat type. An energy profile conversion unit that constitutes the laser beam having the energy profile, and a filler material supply unit that supplies powder of the filler material to the laser beam irradiation unit of the build-up object.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、実施の形態のレーザ肉盛溶接装置10の構成を模式的に示した図である。図1に示すように、レーザ肉盛溶接装置10は、レーザ発振器29、溶接レーザヘッド20、レーザ発振器29で発生したレーザ光を溶接レーザヘッド20に導く光ファイバ21を備えている。
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration of a laser
また、レーザ肉盛溶接装置10は、溶加材の粉末23を供給する粉末供給装置22と、この粉末供給装置22から導出された溶加材の粉末23を溶接レーザヘッド20に導く粉末供給管24とを備える。さらに、レーザ肉盛溶接装置10は、シールドガス25を供給するガス供給装置26と、シールドガス25をガス供給装置26から溶接レーザヘッド20に導くガス供給管27を備えている。
The laser
レーザ発振器29としては、例えば、半導体レーザ、YAGレーザ、ファイバーレーザ、ディスクレーザなどを使用することができる。レーザ発振器29から出射されるレーザ光は、例えば、ガウシアン型のエネルギプロファイルを有している。
As the
溶接レーザヘッド20は、例えば、肉盛方向に走査可能に取り付けられている。なお、肉盛対象物40側を走査するように構成してもよい。溶接レーザヘッド20内には、例えば、レーザ発振器29からのレーザ光をレーザビーム28として肉盛対象物40に照射する光路20b、粉末供給装置22からの溶加材の粉末23を肉盛対象物40に供給するための粉末通路20c、およびガス供給装置26からのシールドガス25を肉盛対象物40に供給するためのガス通路20dが備えられている。
The
レーザビーム28、粉末23、シールドガス25は、例えば、肉盛対象物40に対向する、溶接レーザヘッド20の端面20aから肉盛対象物40に、それぞれ照射または供給される。なお、端面20aにおいて、粉末23を噴出する噴出孔およびシールドガス25を噴出する噴出孔は、例えば、レーザビーム28が出射する出射孔の周囲に周方向に均等に形成されている。また、粉末23を噴出する噴出孔は、例えば、シールドガス25を噴出する噴出孔よりも内側に形成される。
The
例えば、溶接レーザヘッド20内の光路20bには、溶接レーザヘッド20から出射されるレーザビーム28のエネルギプロファイルをトップハット型とするエネルギプロファイル変換部30が設けられている。なお、このエネルギプロファイル変換部30については、後に詳しく説明する。
For example, the
ここで、光ファイバ21および溶接レーザヘッド20内の光路20bは、光路部として機能する。粉末供給装置22、粉末供給管24および溶接レーザヘッド20内の粉末通路20cは、溶加材供給部として機能する。ガス供給装置26、ガス供給管27および溶接レーザヘッド20内のガス通路20dは、シールガス供給部として機能する。
Here, the optical path 21b in the
なお、ここでは、肉盛部50などの酸化を抑制するために、シールドガス25を供給する系統を備えた一例を示しているが、シールドガス25を供給する系統を備えなくてもよい。
Here, an example is shown in which a system for supplying the
肉盛溶接が行われる肉盛対象物40は、例えば、Ni3Al(γ’相)を析出強化させた析出強化型のNi基超合金で構成されている。この析出強化型のNi基超合金に対して同一の材料で肉盛溶接することは溶接性の観点から困難である。そこで、溶加材としては、Ni基超合金の中でも、固溶強化型のNi基超合金の粉末を使用することが好ましい。
The build-
固溶強化型のNi基超合金としては、例えば、主たる強化因子がNiに固溶したCo、Cr、Mo、Wなどの格子ひずみであるNi基超合金などが挙げられる。固溶強化型のNi基超合金として、特に限定するものではないが、具体的には、例えば、IN625(スペシャルメタル社製)、IN617(スペシャルメタル社製)、HA230(ヘインズアロイ社製)などが挙げられる。 Examples of the solid solution strengthened Ni-base superalloy include a Ni-base superalloy having lattice strain such as Co, Cr, Mo, and W whose main strengthening factor is a solid solution in Ni. Although it does not specifically limit as a solid solution strengthening type Ni base superalloy, Specifically, for example, IN625 (made by Special Metal), IN617 (made by Special Metal), HA230 (made by Haynes Alloy), etc. Is mentioned.
ここで、固溶強化型のNi基超合金において、Nb、Si、Hfなどの成分は、局所的な融点を下げる場合ある。これらの成分を含んだ固溶強化型のNi基超合金を使用しても本実施の形態の作用効果は得られるが、これらの成分を含まない固溶強化型のNi基超合金を使用してもよい。 Here, in a solid solution strengthened Ni-base superalloy, components such as Nb, Si, and Hf may lower the local melting point. Although the effects of the present embodiment can be obtained even if a solid solution strengthened Ni-base superalloy containing these components is used, a solid solution strengthened Ni-base superalloy that does not contain these components is used. May be.
溶加材の粉末23の平均粒径は、溶融池51に的確に供給して確実に溶融させるために、例えば、45μm〜110μmであることが好ましい。なお、平均粒径は、メディアン径であり、例えば、レーザ回折散乱法などによって測定される。
The average particle diameter of the
シールドガス25は、例えば、不活性ガスで構成される。この不活性ガスとしては、例えば、ヘリウム、アルゴン、窒素などを使用することができる。
The
次に、レーザビーム28のパターンについて説明する。
Next, the pattern of the
図2は、実施の形態のレーザ肉盛溶接に使用されているレーザビーム28の、照射方向に垂直な断面を示した図である。図3は、図2のA−A断面におけるレーザビーム28のエネルギプロファイルを模式的に示した図である。図4は、実施の形態のレーザ肉盛溶接に使用されているレーザビーム28のエネルギプロファイルを説明するために、照射方向に垂直なレーザビーム28の断面を示した図である。図5は、図2のA−A断面のレーザビーム28が通過する間の積算エネルギ分布を模式的に示した図である。
FIG. 2 is a view showing a cross section perpendicular to the irradiation direction of the
実施の形態のレーザ肉盛溶接に使用されているレーザビーム28の、照射方向に垂直な断面(以下、レーザビーム断面という。)における形状は、例えば、図2に示すように略四角形である。この場合、レーザスポットの形状は略四角形となる。
The shape of the
ここで、略四角形には、長方形や正方形以外にも、図2に示すように、4つの角がR部となっている構成も含むものとする。また、略四角形には、4つの角が、例えばC面取りのように直線状にカットされている構成も含むものとする。 Here, in addition to the rectangle and the square, the substantially square includes a configuration in which four corners are R portions as shown in FIG. Further, the substantially quadrangular shape includes a configuration in which four corners are cut in a straight line shape, for example, C chamfering.
なお、レーザビーム28が通過する間の積算エネルギ分布の均一化を図る観点からは、レーザビーム断面の形状は略四角形であることが好ましいが、レーザビーム断面の形状を、例えば、円形としてもよい。この場合、レーザスポットの形状は円形となる。
Note that, from the viewpoint of making the integrated energy distribution uniform during the passage of the
レーザビーム28は、図3に示すように、トップハット型と呼ばれるエネルギプロファイルを有する。トップハット型のエネルギプロファイルとしては、図3に示すように、レーザビーム断面に亘ってエネルギが均一であることが好ましい。ここでいうトップハット型のエネルギプロファイルには、レーザビーム断面に亘ってエネルギが均一な場合以外にも次の場合も含むものとする。
As shown in FIG. 3, the
図4に示すレーザビーム断面において、断面中心を中心Oとして外側に向かってレーザビーム28のエネルギを積算し、断面におけるレーザビーム28の全エネルギの87%となる境界60の内側の領域を領域61とする。境界60上は、中心Oからの距離が等しい位置であり、境界60の形状は円形となる。領域61内においては、エネルギの最小値がエネルギの最大値の80%以上となる。すなわち、領域61内においては、エネルギの最大値を1とすると、エネルギの最小値は0.8以上となる。レーザビーム断面において、このようなエネルギプロファイルを有する場合も、トップハット型のエネルギプロファイルに含まれるものとする。
In the laser beam cross section shown in FIG. 4, the energy of the
なお、ここでは、ガウシアン型ビームにおけるビームウエスト内のエネルギ量は、その断面全体におけるエネルギ量の87%程度であるので、それに準じて、上記したようにトップハット型における境界60を全エネルギの87%となる位置とした。また、エネルギの最小値がエネルギの最大値の80%以上となる範囲とするのは、この範囲であれば、ほぼ均一な入熱が得られ、溶接割れが抑制されるからである。
Here, the energy amount in the beam waist of the Gaussian beam is about 87% of the energy amount in the entire cross section, and accordingly, the
ここで、断面におけるレーザビーム28の全エネルギの87%となる境界60は、例えば、Primes社のフォーカスモニタなどを用いてレーザビームのエネルギ分布を測定することによって定められる。また、境界60内のエネルギの最大値および最小値についても、例えば、Primes社のフォーカスモニタなどを用いてレーザビームのエネルギ分布を測定することによって定められる。
Here, the
このようなトップハット型のエネルギプロファイルを有するレーザビーム28を使用すると、図5に示すように、積算エネルギ(入熱)の分布は、中心部や周辺部においても均一となる。これによって、被肉盛面41に供給される入熱が均一になるため、凝固割れや液化割れの発生を抑制することができる。
When the
ここで、ガウシアン型のエネルギプロファイルを有するレーザビームを、トップハット型のエネルギプロファイルを有するレーザビーム28に変換するエネルギプロファイル変換部30について説明する。
Here, an energy
エネルギプロファイル変換部30は、例えば、エネルギプロファイルを均一にするビームホモジナイザで構成される。ガウシアン型のエネルギプロファイルを有するレーザ光が、このビームホモジナイザを通過することで、トップハット型のエネルギプロファイルを有するレーザ光となる。このビームホモジナイザは、例えば、溶接レーザヘッド20内のレーザ光が通過する光路20bに設けられる。また、ビームホモジナイザを、光ファイバ21に介在させてもよい。
The energy
また、エネルギプロファイル変換部30は、例えば、方形コアファイバで構成されてもよい。この場合、例えば、光路20bを方形コアファイバで構成してもよい。また、光ファイバ21を方形コアファイバで構成してもよい。ガウシアン型のエネルギプロファイルを有するレーザ光がこの方形コアファイバを通過することで、トップハット型のエネルギプロファイルを有するレーザ光となる。
In addition, the energy
なお、レーザビーム28のエネルギプロファイルをトップハット型にする方法は、上記した方法に限られるものではなく、前述した定義のトップハット型のエネルギプロファイルが得られる方法であればよい。
Note that the method of making the energy profile of the
次に、実施の形態のレーザ肉盛溶接方法について、図1を参照して説明する。 Next, the laser overlay welding method according to the embodiment will be described with reference to FIG.
レーザ発振器29から出射されたレーザ光は、光ファイバ21を通り溶接レーザヘッド20の光路20bに導かれる。光路20bに導かれたレーザ光は、エネルギプロファイル変換部30によってトップハット型のエネルギプロファイルに変換される。
The laser beam emitted from the
トップハット型のエネルギプロファイルに変換されたレーザ光は、溶接レーザヘッド20の端面20aの中央からレーザビーム28として、肉盛対象物40の被肉盛面41に向けて出射される。そして、出射されたレーザビーム28は、肉盛対象物40の被肉盛面41に照射される。なお、肉盛部50を多段に積層して形成する場合には、被肉盛面41は、すでに形成された肉盛部50となる。
The laser beam converted into the top hat type energy profile is emitted from the center of the end face 20 a of the
粉末供給装置22から粉末供給管24を介して供給された溶加材の粉末23は、溶接レーザヘッド20から被肉盛面41に向けて供給される。粉末23は、例えば、図1に示すように、レーザビーム28の周囲からレーザビーム28に沿って供給される。
The
被肉盛面41に供給された粉末23は、レーザビーム28のエネルギによって溶融し、溶融池51を形成する。この際、レーザビーム28のエネルギプロファイルがトップハット型であるため、被肉盛面41に均一に入熱が供給される。粉末23は、レーザビーム28のエネルギによって溶融池51で溶融し、その後凝固して肉盛部50を形成する。
The
ガス供給装置26からガス供給管27を介して供給されたシールドガス25は、溶接レーザヘッド20から被肉盛面41や溶融池51に向けて吹き出される。これによって、溶融池51やその周辺部は、シールドガス25によって覆われ、大気と遮断される。そのため、肉盛をする際、溶融した粉末23や溶融池51に近い肉盛部50が大気によって酸化されることを抑制している。なお、シールドガス25は、例えば、中央のレーザビーム28およびレーザビーム28に沿って供給される粉末23の周囲を覆うように被肉盛面41側に吹き出されてもよい。
The
このように、肉盛工程では、被肉盛面41に対して溶加材の粉末23を供給するとともに、レーザビーム28を照射し、溶融した粉末23によって被肉盛面41に肉盛部50が形成される。
As described above, in the build-up process, the
また、肉盛工程において、例えば、すでに形成された肉盛部50上に、さらに新たな肉盛部50を形成して、多層の肉盛部50を形成する場合には、新たな肉盛部50は、すでに形成された肉盛部50の温度(表面温度)が400℃以上の状態で、積層されることが好ましい。温度が400℃以上の肉盛部50上に新たな肉盛部50を形成することで、溶接割れを抑制することができる。なお、肉盛部50の温度は、例えば、熱電対、放射温度計などを使用して測定される。
In addition, in the build-up process, for example, when a new build-up
なお、上記において、溶接レーザヘッド20を介して溶加材の粉末23を被肉盛面41に向けて供給する一例を示したが、この構成に限られるものではない。例えば、溶加材の粉末23を溶接レーザヘッド20を介さずに、例えば、別個に設けられた供給配管から被肉盛面41に供給してもよい。
In the above description, an example is shown in which the
上記した実施の形態のレーザ肉盛溶接装置およびレーザ肉盛溶接方法によれば、トップハット型のエネルギプロファイルを有するレーザビーム28を使用することで、被肉盛面41に均一に入熱が供給される。これによって、凝固割れや液化割れなどの溶接割れを抑制することができる。
According to the laser build-up welding apparatus and the laser build-up welding method of the above-described embodiment, heat input is uniformly supplied to the build-
実施の形態のレーザ肉盛溶接装置およびレーザ肉盛溶接方法は、例えば、動翼、静翼などのガスタービン高温部品の損耗やき裂を補修する際のレーザ肉盛溶接方法として利用することが可能である。また、ガスタービン部品に限らず、Ni基超合金からなる母相に対するレーザ肉盛溶接に広く適用することができる。さらに、母相がNi基超合金以外の金属で構成された場合においても、実施の形態のレーザ肉盛溶接装置およびレーザ肉盛溶接方法を適用することができる。これらの場合においても、被肉盛面に均一に入熱が供給され、凝固割れや液化割れなどの溶接割れを抑制することができる。 The laser build-up welding apparatus and laser build-up welding method of the embodiment can be used as a laser build-up welding method for repairing wear and cracks of gas turbine high-temperature parts such as moving blades and stationary blades, for example. It is. Further, the present invention can be widely applied not only to gas turbine parts but also to laser overlay welding for a parent phase made of a Ni-base superalloy. Furthermore, even when the parent phase is made of a metal other than the Ni-base superalloy, the laser overlay welding apparatus and the laser overlay welding method of the embodiment can be applied. Also in these cases, heat input is uniformly supplied to the surface to be built, and weld cracks such as solidification cracks and liquefaction cracks can be suppressed.
(溶接割れの評価)
次に、実施の形態のレーザ肉盛溶接装置およびレーザ肉盛溶接方法によって肉盛部50を形成することで、溶接割れを抑制できるとこを説明する。
(Evaluation of weld cracks)
Next, it will be described that welding cracks can be suppressed by forming the built-up
(実施例1)
実施例1では、図1に示したレーザ肉盛溶接装置10を使用して肉盛溶接を行った。なお、以下の実施例および比較例においても図1に示したレーザ肉盛溶接装置10を使用した。
Example 1
In Example 1, overlay welding was performed using the laser
肉盛対象物40として、Ni基超合金であるMM247LCのブロック材を使用した。肉盛対象物40のサイズは、縦を50mm、横を10mm、厚さを20mmとした。被肉盛面41は、上記した縦(50mm)および横(10mm)で構成される面とした。
As the build-up
溶加材として、HA230を使用した。溶加材の粉末23の平均粒径(メディアン径)を90μmとした。なお、平均粒径は、レーザ回折散乱法によって測定した(以下、同じ)。
HA230 was used as a filler material. The average particle size (median diameter) of the
ここで、表1に、肉盛対象物40および溶加材を構成する材料の化学組成を示している。
Here, in Table 1, the chemical composition of the material which comprises the build-up
レーザ発振器29として、半導体レーザを使用した。レーザビーム断面の形状が円形のレーザビーム28を使用した。そのため、レーザスポットの形状は円形であった。また、レーザビーム28のエネルギプロファイルをトップハット型とした。ここでは、溶接レーザヘッド20内のレーザ光が通過する光路20bにビームホモジナイザを設置して、トップハット型のレーザビーム28を得た。
A semiconductor laser was used as the
レーザビーム断面において、断面中心を中心Oとして外側に向かってレーザビーム28のエネルギを積算し、断面におけるレーザビーム28の全エネルギの87%となる境界60の内側の領域61内において、エネルギの最小値はエネルギの最大値の90%であった。なお、境界60、エネルギの最大値および最小値は、前述した方法で定めた。このレーザビーム28において、境界60の直径は、5mmであった。
In the cross section of the laser beam, the energy of the
レーザ出力を2100W、溶接速度を300mm/分、溶加材の粉末23の供給速度を9g/分として被肉盛面41の外周に沿って単層の肉盛溶接を行った。
Overlay welding of a single layer was performed along the outer periphery of the build-
続いて、肉盛部50の溶接割れを蛍光浸透探傷試験によって評価した。ここで、肉盛部50の表面には、表面のみ溶融した粉末23が付着している。そのため、肉盛部50の表面は、一部が付着した粉末23によって凸凹になっている。このままの状態で蛍光浸透探傷試験を行うと、肉盛部50の表面の凹凸に蛍光浸透探傷液が浸透して染み出す。そのため、欠陥の判別が難しい。そこで、表面をグラインダで研削して凹凸を除去した後、蛍光浸透探傷試験を行った。
Then, the weld crack of the build-up
蛍光浸透探傷試験では、測定顕微鏡を用いて、肉盛部50の表面全体の溶接割れの長さを測定した。図6は、肉盛部50の表面全体の溶接割れの長さを説明するために、肉盛部50の側面を模式的に示した図である。図6に示すように、例えば、肉盛部50の表面全体において3箇所に溶接割れ70、71、72が生じていたとする。溶接割れ70、71、72の長さは、図6に示すように、それぞれ、amm、bmm、cmmである。この場合、肉盛部50の表面全体の溶接割れの長さは、(a+b+c)mmとなる。すなわち、肉盛部50の表面全体の溶接割れの長さは、各溶接割れの長さを積算した値である。
In the fluorescence penetration flaw detection test, the length of the weld crack on the entire surface of the built-up
なお、溶接割れ70、71、72の長さは、溶接割れ70、71、72の一端と他端との間の距離、すなわち溶接割れ70、71、72の一端と他端とを結んだ直線の長さである。 The length of the weld cracks 70, 71, 72 is the distance between one end and the other end of the weld cracks 70, 71, 72, that is, a straight line connecting one end and the other end of the weld cracks 70, 71, 72. Is the length of
肉盛部50の表面全体の溶接割れの長さの測定結果を表2に示す。
Table 2 shows the measurement results of the weld crack length of the entire surface of the built-up
表2に示すように、実施例1において溶接割れは存在しなかった。 As shown in Table 2, there was no weld crack in Example 1.
(実施例2)
実施例2で使用した肉盛対象物40は、実施例1の肉盛対象物40と同じとした。溶加材として、IN625を使用した。溶加材の粉末23の平均粒径(メディアン径)を90μmとした。表1に、肉盛対象物40および溶加材を構成する材料の化学組成を示している。
(Example 2)
The build-up
レーザ発振器29として、半導体レーザを使用した。レーザビーム断面の形状が略四角形のレーザビーム28を使用した。そのため、レーザスポットの形状は略四角形であった。また、レーザビーム28のエネルギプロファイルをトップハット型とした。ここでは、溶接レーザヘッド20内のレーザ光が通過する光路20bにビームホモジナイザを設置して、トップハット型のレーザビーム28を得た。
A semiconductor laser was used as the
レーザビーム断面において、断面中心を中心Oとして外側に向かってレーザビーム28のエネルギを積算し、断面におけるレーザビーム28の全エネルギの87%となる境界60の内側の領域61内において、エネルギの最小値はエネルギの最大値の90%であった。なお、境界60、エネルギの最大値および最小値は、前述した方法で定めた。このレーザビーム28において、円形の境界60が内接する四角形の1辺の長さは、5mmであった。
In the cross section of the laser beam, the energy of the
レーザ出力、溶接速度、溶加材の粉末23の供給速度は、実施例1と同じとした。被肉盛面41の外周に沿って肉盛部50を形成し、この肉盛部50の温度(表面温度)が500℃の状態で、この肉盛部50上に新たに肉盛部50を形成した。すなわち、2段に積層された肉盛部50を形成した。なお、肉盛部50の温度(表面温度)は、放射温度計によって測定した(以下、同じ。)。
The laser output, the welding speed, and the supply speed of the
実施例1と同様に、肉盛部50の表面をグラインダで研削して凹凸を除去した後、蛍光浸透探傷試験を行った。肉盛部50の表面全体の溶接割れの長さの測定結果を表2に示す。表2に示すように、実施例2において溶接割れは存在しなかった。
In the same manner as in Example 1, the surface of the built-up
(実施例3)
実施例3で使用した肉盛対象物40は、実施例1の肉盛対象物40と同じとした。溶加材として、HA230を使用した。溶加材の粉末23の平均粒径(メディアン径)を90μmとした。表1に、肉盛対象物40および溶加材を構成する材料の化学組成を示している。
(Example 3)
The build-up
レーザ発振器29、レーザビーム断面の形状およびレーザビーム28のエネルギプロファイル、レーザ出力、溶接速度、溶加材の粉末23の供給速度は、実施例2のものと同じとした。
The
被肉盛面41の外周に沿って肉盛部50を形成し、この肉盛部50の温度(表面温度)が410℃の状態で、この肉盛部50上に新たに肉盛部50を形成した。すなわち、2段に積層された肉盛部50を形成した。
A built-up
実施例1と同様に、肉盛部50の表面をグラインダで研削して凹凸を除去した後、蛍光浸透探傷試験を行った。肉盛部50の表面全体の溶接割れの長さの測定結果を表2に示す。表2に示すように、実施例3において溶接割れは存在しなかった。
In the same manner as in Example 1, the surface of the built-up
(実施例4)
実施例4で使用した肉盛対象物40は、ガスタービンの動翼の材料として使用されるGTD−111のブロック材を使用した。肉盛対象物40のサイズは、実施例1のそれと同じとした。溶加材として、IN617を使用した。溶加材の粉末23の平均粒径(メディアン径)を90μmとした。表1に、肉盛対象物40および溶加材を構成する材料の化学組成を示している。
Example 4
The build-up
レーザ発振器29、レーザビーム断面の形状およびレーザビーム28のエネルギプロファイル、レーザ出力、溶接速度、溶加材の粉末23の供給速度は、実施例2のものと同じとした。
The
被肉盛面41の外周に沿って肉盛部50を形成し、この肉盛部50の温度(表面温度)が415℃の状態で、この肉盛部50上に新たに肉盛部50を形成した。すなわち、2段に積層された肉盛部50を形成した。
A built-up
実施例1と同様に、肉盛部50の表面をグラインダで研削して凹凸を除去した後、蛍光浸透探傷試験を行った。肉盛部50の表面全体の溶接割れの長さの測定結果を表2に示す。表2に示すように、実施例4において溶接割れは存在しなかった。
In the same manner as in Example 1, the surface of the built-up
(比較例1)
比較例1で使用した肉盛対象物40および溶加材は、実施例3のそれらと同じとした。溶加材の粉末23の平均粒径(メディアン径)も実施例3のそれと同じとした。
(Comparative Example 1)
The build-up
レーザ発振器29として、半導体レーザを使用した。レーザビーム断面の形状が円形のレーザビーム28を使用した。そのため、レーザスポットの形状は円形であった。また、レーザビーム28のエネルギプロファイルをガウシアン型とした。
A semiconductor laser was used as the
レーザビーム断面において、断面中心を中心Oとして外側に向かってレーザビーム28のエネルギを積算し、断面におけるレーザビーム28の全エネルギの87%となる境界60の内側の領域61内において、エネルギの最小値はエネルギの最大値の10%以下であった。なお、境界60、エネルギの最大値および最小値は、前述した方法で定めた。このレーザビーム28において、境界60の直径は、5mmであった。
In the cross section of the laser beam, the energy of the
レーザ出力を2100W、溶接速度を300mm/分、溶加材の粉末23の供給速度を9g/分とした。被肉盛面41の外周に沿って肉盛部50を形成し、この肉盛部50の温度(表面温度)が410℃の状態で、この肉盛部50上に新たに肉盛部50を形成した。すなわち、2段に積層された肉盛部50を形成した。
The laser output was 2100 W, the welding speed was 300 mm / min, and the feed rate of the
実施例1と同様に、肉盛部50の表面をグラインダで研削して凹凸を除去した後、蛍光浸透探傷試験を行った。肉盛部50の表面全体の溶接割れの長さの測定結果を表2に示す。表2に示すように、比較例1において、溶接割れは存在し、肉盛部50の表面全体の溶接割れの長さは、12.1mmであった。
In the same manner as in Example 1, the surface of the built-up
(比較例2)
比較例2で使用した肉盛対象物40および溶加材は、実施例1のそれらと同じとした。溶加材の粉末23の平均粒径(メディアン径)も実施例1のそれと同じとした。
(Comparative Example 2)
The build-up
レーザ発振器29、レーザビーム断面の形状は、実施例1のそれぞれと同じとした。ここで、比較例2において、トップハット型ではないが、これに近い状態のレーザビーム28のエネルギプロファイルを形成した。すなわち、レーザビーム断面において、断面中心を中心Oとして外側に向かってレーザビーム28のエネルギを積算し、断面におけるレーザビーム28の全エネルギの87%となる境界60の内側の領域61内において、エネルギの最小値はエネルギの最大値の70%であった。なお、境界60、エネルギの最大値および最小値は、前述した方法で定めた。このレーザビーム28において、円形の境界60が内接する四角形の1辺の長さは、5mmであった。
The shape of the
レーザ出力、溶接速度、溶加材の粉末23の供給速度を実施例1と同じとし、被肉盛面41の外周に沿って単層の肉盛溶接を行った。
The laser output, the welding speed, and the feeding speed of the
実施例1と同様に、肉盛部50の表面をグラインダで研削して凹凸を除去した後、蛍光浸透探傷試験を行った。肉盛部50の表面全体の溶接割れの長さの測定結果を表2に示す。表2に示すように、比較例2において、溶接割れは存在し、肉盛部50の表面全体の溶接割れの長さは、3.2mmであった。
In the same manner as in Example 1, the surface of the built-up
(比較例3)
比較例3で使用した肉盛対象物40および溶加材は、実施例2のそれらと同じとした。溶加材の粉末23の平均粒径(メディアン径)も実施例2のそれと同じとした。
(Comparative Example 3)
The build-up
レーザ発振器29、レーザビーム断面の形状、レーザビーム28のエネルギプロファイルも実施例2のそれらと同じとした。レーザ出力、溶接速度、溶加材の粉末23の供給速度も実施例2と同じとした。しかし、比較例3では、被肉盛面41の外周に沿って肉盛部50を形成し、この肉盛部50の温度(表面温度)が50℃の状態で、この肉盛部50上に新たに肉盛部50を形成した。そして、2段に積層された肉盛部50を形成した。
The
実施例1と同様に、肉盛部50の表面をグラインダで研削して凹凸を除去した後、蛍光浸透探傷試験を行った。肉盛部50の表面全体の溶接割れの長さの測定結果を表2に示す。表2に示すように、比較例3において、溶接割れは存在し、肉盛部50の表面全体の溶接割れの長さは、7.8mmであった。
In the same manner as in Example 1, the surface of the built-up
以上説明した実施形態によれば、レーザを用いて肉盛溶接する際、凝固割れや液化割れなどの溶接割れを抑制することが可能となる。 According to the embodiment described above, it is possible to suppress weld cracks such as solidification cracks and liquefaction cracks when overlay welding is performed using a laser.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
10…レーザ肉盛装置、20…溶接レーザヘッド、20a…端面、20b…光路、20c…粉末通路、20d…ガス通路、21…光ファイバ、22…粉末供給装置、23…粉末、24…粉末供給管、25…シールドガス、26…ガス供給装置、27…ガス供給管、28…レーザビーム、29…レーザ発振器、30…エネルギプロファイル変換部、40…肉盛対象物、41…被肉盛面、50…肉盛部、51…溶融池、60…境界、61…領域。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記光路部に設けられ、トップハット型のエネルギプロファイルを有する前記レーザビームを構成するエネルギプロファイル変換部と、
溶加材の粉末を、前記肉盛対象物のレーザビーム照射部に供給する溶加材供給部と
を具備することを特徴とするレーザ肉盛溶接装置。 A laser beam emitted from a laser oscillator as a laser beam, and an optical path portion for irradiating a built-up object made of a Ni-base superalloy;
An energy profile conversion unit that is provided in the optical path unit and constitutes the laser beam having a top-hat type energy profile;
A laser build-up welding apparatus, comprising: a filler material supply unit that supplies powder of the filler material to a laser beam irradiation unit of the build-up object.
断面中心を中心として外側に向かって前記レーザビームのエネルギを積算し、前記断面における前記レーザビームの全エネルギの87%となる境界の内側の領域内で、エネルギの最小値がエネルギの最大値の80%以上であ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。 In a cross section perpendicular to the irradiation direction of the laser beam having the top hat type energy profile,
The energy of the laser beam is accumulated outward from the center of the cross section, and the minimum value of the energy is the maximum value of the energy in the region inside the boundary that is 87% of the total energy of the laser beam in the cross section. 2. The laser overlay welding apparatus according to claim 1, wherein the laser overlay welding apparatus is 80% or more.
前記レーザビームのエネルギプロファイルがトップハット型であることを特徴とするレーザ肉盛溶接方法。 A build-up process in which a filler material is supplied to a build-up surface made of a Ni-base superalloy, and a laser beam is irradiated to form a build-up portion on the build-up surface with the melted melt material. Have
A laser overlay welding method, wherein an energy profile of the laser beam is a top hat type.
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Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017062140A (en) * | 2015-09-24 | 2017-03-30 | 日立Geニュークリア・エナジー株式会社 | Manufacturing method of reactor control rod and reactor control rod |
JP2017116352A (en) * | 2015-12-22 | 2017-06-29 | シチズンファインデバイス株式会社 | Thermal strain measuring method and thermal strain measuring apparatus |
JP2017154159A (en) * | 2016-03-02 | 2017-09-07 | 公立大学法人大阪府立大学 | Intermetallic compound alloy, metal member and manufacturing method of clad layer |
WO2017158738A1 (en) * | 2016-03-15 | 2017-09-21 | 技術研究組合次世代3D積層造形技術総合開発機構 | Nozzle for optical processing and optical processing device |
US10967574B2 (en) | 2017-12-04 | 2021-04-06 | DMG MORI Company Limited | Laser additive manufacturing apparatus and laser additive manufacturing method |
US11131198B2 (en) | 2019-03-19 | 2021-09-28 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Unidirectionally solidified article, turbine rotor blade and unidirectionally solidified article repair method |
Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04100685A (en) * | 1990-08-20 | 1992-04-02 | Toshiba Corp | Pattern removing method for thin-film body |
JPH08229693A (en) * | 1995-02-28 | 1996-09-10 | Toshiba Corp | Laser beam irradiating equipment |
JPH1085933A (en) * | 1996-09-10 | 1998-04-07 | Nippon Steel Corp | Multi-layered building-up method for hot extruding or forging die |
JP2003340583A (en) * | 2002-05-23 | 2003-12-02 | Toyota Motor Corp | Apparatus and method for laser cladding |
JP2005021908A (en) * | 2003-06-30 | 2005-01-27 | Toyota Motor Corp | Apparatus and method for cladding with laser beam welding |
JP2008264841A (en) * | 2007-04-23 | 2008-11-06 | Toshiba Corp | Welding method |
JP2010000534A (en) * | 2008-06-23 | 2010-01-07 | Toshiba Corp | Laser build-up welding equipment and method |
JP2011256795A (en) * | 2010-06-09 | 2011-12-22 | Toshiba Corp | Method for repairing of gas turbine blade, and gas turbine blade |
JP2013126668A (en) * | 2011-12-16 | 2013-06-27 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Overlay welding method and overlay welding apparatus |
JP2014028397A (en) * | 2012-07-04 | 2014-02-13 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Welding method for erosion resistant metallic material and turbine blade |
-
2014
- 2014-02-21 JP JP2014031613A patent/JP2015155110A/en active Pending
Patent Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04100685A (en) * | 1990-08-20 | 1992-04-02 | Toshiba Corp | Pattern removing method for thin-film body |
JPH08229693A (en) * | 1995-02-28 | 1996-09-10 | Toshiba Corp | Laser beam irradiating equipment |
JPH1085933A (en) * | 1996-09-10 | 1998-04-07 | Nippon Steel Corp | Multi-layered building-up method for hot extruding or forging die |
JP2003340583A (en) * | 2002-05-23 | 2003-12-02 | Toyota Motor Corp | Apparatus and method for laser cladding |
JP2005021908A (en) * | 2003-06-30 | 2005-01-27 | Toyota Motor Corp | Apparatus and method for cladding with laser beam welding |
JP2008264841A (en) * | 2007-04-23 | 2008-11-06 | Toshiba Corp | Welding method |
JP2010000534A (en) * | 2008-06-23 | 2010-01-07 | Toshiba Corp | Laser build-up welding equipment and method |
JP2011256795A (en) * | 2010-06-09 | 2011-12-22 | Toshiba Corp | Method for repairing of gas turbine blade, and gas turbine blade |
JP2013126668A (en) * | 2011-12-16 | 2013-06-27 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Overlay welding method and overlay welding apparatus |
JP2014028397A (en) * | 2012-07-04 | 2014-02-13 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Welding method for erosion resistant metallic material and turbine blade |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017062140A (en) * | 2015-09-24 | 2017-03-30 | 日立Geニュークリア・エナジー株式会社 | Manufacturing method of reactor control rod and reactor control rod |
JP2017116352A (en) * | 2015-12-22 | 2017-06-29 | シチズンファインデバイス株式会社 | Thermal strain measuring method and thermal strain measuring apparatus |
JP2017154159A (en) * | 2016-03-02 | 2017-09-07 | 公立大学法人大阪府立大学 | Intermetallic compound alloy, metal member and manufacturing method of clad layer |
WO2017158738A1 (en) * | 2016-03-15 | 2017-09-21 | 技術研究組合次世代3D積層造形技術総合開発機構 | Nozzle for optical processing and optical processing device |
JPWO2017158738A1 (en) * | 2016-03-15 | 2018-03-29 | 技術研究組合次世代3D積層造形技術総合開発機構 | Optical processing nozzle and optical processing apparatus |
US10967574B2 (en) | 2017-12-04 | 2021-04-06 | DMG MORI Company Limited | Laser additive manufacturing apparatus and laser additive manufacturing method |
US11131198B2 (en) | 2019-03-19 | 2021-09-28 | Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. | Unidirectionally solidified article, turbine rotor blade and unidirectionally solidified article repair method |
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