JP2015155110A - Laser build-up weld device and method - Google Patents

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武久 日野
今井 潔
Kiyoshi Imai
潔 今井
斎藤 大蔵
Daizo Saito
大蔵 斎藤
伊藤 勝康
Katsuyasu Ito
勝康 伊藤
徹 澤
Toru Sawa
徹 澤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide laser build-up weld device and method capable of suppressing weld crack, such as solidification crack and liquifaction crack when performing build-up weld by using a laser.
SOLUTION: A laser build-up weld device 10 of an embodiment comprises: an optical path part for radiating laser beam emitted from a laser oscillator 29 as laser beam 28 to a build-up object 40 formed of an Ni-based superalloy; an energy profile conversion part 30 disposed on the optical path part, and forming the laser beam 28 having a top hat shaped energy profile; and a filler material supply part for supplying powders of filler material to the laser beam radiation part of the build-up object 40.
COPYRIGHT: (C)2015,JPO&INPIT

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NiAl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.

日本ガスタービン学会誌 Vol.40,No.4,p.130Journal of the Gas Turbine Society of Japan Vol.40, No.4, p.130

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.

実施の形態のレーザ肉盛溶接装置の構成を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the structure of the laser overlay welding apparatus of embodiment. 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の、照射方向に垂直な断面を示した図である。It is the figure which showed the cross section perpendicular | vertical to the irradiation direction of the laser beam currently used for the laser overlay welding of embodiment. 図2のA−A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。It is the figure which showed typically the energy profile of the laser beam in the AA cross section of FIG. 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の断面を示した図である。It is the figure which showed the cross section of the laser beam perpendicular | vertical to the irradiation direction in order to demonstrate the energy profile of the laser beam currently used for the laser overlay welding of embodiment. 図2のA−A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した図である。It is the figure which showed typically the accumulated energy distribution during the laser beam of the AA cross section of FIG. 肉盛部の表面全体の溶接割れの長さを説明するために、肉盛部の側面を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the side of the build-up part in order to demonstrate the length of the weld crack of the whole surface of the build-up part. 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。It is the figure which showed the cross section perpendicular | vertical to the irradiation direction of the laser beam used for the conventional laser overlay welding. 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。It is the figure which showed typically the energy profile of the laser beam in the XX cross section of FIG. 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した図である。It is the figure which showed typically the accumulated energy distribution during the laser beam of the XX cross section of FIG.

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 overlay welding apparatus 10 according to an embodiment. As shown in FIG. 1, the laser overlay welding apparatus 10 includes a laser oscillator 29, a welding laser head 20, and an optical fiber 21 that guides laser light generated by the laser oscillator 29 to the welding laser head 20.

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 overlay welding apparatus 10 includes a powder supply device 22 that supplies a powder 23 of the filler material, and a powder supply tube that guides the powder 23 of the filler material derived from the powder supply device 22 to the welding laser head 20. 24. Further, the laser overlay welding apparatus 10 includes a gas supply device 26 that supplies the shield gas 25 and a gas supply pipe 27 that guides the shield gas 25 from the gas supply device 26 to the welding laser head 20.

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 laser oscillator 29, for example, a semiconductor laser, a YAG laser, a fiber laser, a disk laser, or the like can be used. The laser light emitted from the laser oscillator 29 has, for example, a Gaussian type energy profile.

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 welding laser head 20 is attached so as to be able to scan in the build-up direction, for example. In addition, you may comprise so that the build-up target 40 side may be scanned. In the welding laser head 20, for example, an optical path 20 b that irradiates the build-up object 40 with laser light from a laser oscillator 29 as a laser beam 28, and a filler material powder 23 from the powder supply device 22 are built-up object. A powder passage 20c for supplying the gas to 40 and a gas passage 20d for supplying the shielding gas 25 from the gas supply device 26 to the build-up object 40 are provided.

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 laser beam 28, the powder 23, and the shield gas 25 are irradiated or supplied to the build-up object 40 from the end surface 20 a of the welding laser head 20 facing the build-up object 40, for example. In the end face 20a, the ejection holes for ejecting the powder 23 and the ejection holes for ejecting the shield gas 25 are, for example, uniformly formed in the circumferential direction around the emission holes from which the laser beam 28 is emitted. Moreover, the ejection hole which ejects the powder 23 is formed inside the ejection hole which ejects the shield gas 25, for example.

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 optical path 20b in the welding laser head 20 is provided with an energy profile conversion unit 30 in which the energy profile of the laser beam 28 emitted from the welding laser head 20 is a top hat type. The energy profile conversion unit 30 will be described in detail later.

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 optical fiber 21 and the welding laser head 20 functions as an optical path portion. The powder supply device 22, the powder supply pipe 24, and the powder passage 20c in the welding laser head 20 function as a filler material supply unit. The gas supply device 26, the gas supply pipe 27, and the gas passage 20d in the welding laser head 20 function as a seal gas supply unit.

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 shield gas 25 is provided in order to suppress oxidation of the built-up portion 50 and the like, but a system for supplying the shield gas 25 may not be provided.

肉盛溶接が行われる肉盛対象物40は、例えば、NiAl(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-up object 40 on which build-up welding is performed is made of, for example, a precipitation-strengthened Ni-base superalloy obtained by precipitation strengthening Ni 3 Al (γ ′ phase). It is difficult from the viewpoint of weldability to build-up weld the same precipitation-strengthening Ni-base superalloy with the same material. Therefore, as the filler material, it is preferable to use solid solution strengthened Ni-base superalloy powder among the Ni-base superalloys.

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 filler powder 23 is preferably 45 μm to 110 μm, for example, so as to be supplied to the molten pool 51 and melted reliably. The average particle diameter is a median diameter, and is measured by, for example, a laser diffraction scattering method.

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 shield gas 25 is composed of, for example, an inert gas. As this inert gas, helium, argon, nitrogen etc. can be used, for example.

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 laser beam 28 will be described.

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 laser beam 28 used for laser overlay welding according to the embodiment. FIG. 3 is a diagram schematically showing the energy profile of the laser beam 28 in the AA cross section of FIG. FIG. 4 is a view showing a cross section of the laser beam 28 perpendicular to the irradiation direction in order to explain the energy profile of the laser beam 28 used in the laser overlay welding of the embodiment. FIG. 5 is a diagram schematically showing an integrated energy distribution during the passage of the laser beam 28 of the AA cross section of FIG.

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 laser beam 28 used for laser overlay welding in the embodiment in a cross section perpendicular to the irradiation direction (hereinafter referred to as a laser beam cross section) is, for example, a substantially square shape as shown in FIG. In this case, the shape of the laser spot is substantially square.

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 laser beam 28, the shape of the laser beam cross section is preferably substantially rectangular, but the laser beam cross section may be circular, for example. . In this case, the shape of the laser spot is circular.

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 laser beam 28 has an energy profile called a top hat type. As the top hat type energy profile, as shown in FIG. 3, it is preferable that the energy is uniform over the cross section of the laser beam. The top-hat type energy profile here includes the following cases in addition to the case where the energy is uniform over the laser beam cross section.

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 laser beam 28 is accumulated outward with the cross-sectional center as the center O, and an area inside the boundary 60 that is 87% of the total energy of the laser beam 28 in the cross section is an area 61. And On the boundary 60, the distance from the center O is equal, and the shape of the boundary 60 is circular. In the region 61, the minimum value of energy is 80% or more of the maximum value of energy. That is, in the region 61, when the maximum energy value is 1, the minimum energy value is 0.8 or more. A laser beam cross section having such an energy profile is also included in the top hat type energy profile.

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 boundary 60 in the top hat type is set to 87 of the total energy as described above. % Position. In addition, the reason why the minimum energy value is 80% or more of the maximum energy value is that, within this range, substantially uniform heat input is obtained and weld cracking is suppressed.

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 boundary 60 which is 87% of the total energy of the laser beam 28 in the cross section is determined by measuring the energy distribution of the laser beam using, for example, a Primes focus monitor. Also, the maximum value and the minimum value of the energy within the boundary 60 are determined by measuring the energy distribution of the laser beam using, for example, a Primes focus monitor.

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 laser beam 28 having such a top hat type energy profile is used, as shown in FIG. 5, the distribution of accumulated energy (heat input) is uniform in the central portion and the peripheral portion. Thereby, since the heat input supplied to the build-up surface 41 becomes uniform, the occurrence of solidification cracking and liquefaction cracking can be suppressed.

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 profile conversion unit 30 that converts a laser beam having a Gaussian type energy profile into a laser beam 28 having a top hat type energy profile will be described.

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 profile conversion unit 30 is configured by, for example, a beam homogenizer that makes the energy profile uniform. A laser beam having a Gaussian type energy profile passes through this beam homogenizer to become a laser beam having a top hat type energy profile. This beam homogenizer is provided, for example, in the optical path 20b through which the laser light in the welding laser head 20 passes. A beam homogenizer may be interposed in the optical fiber 21.

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 profile conversion unit 30 may be configured with, for example, a rectangular core fiber. In this case, for example, the optical path 20b may be composed of a rectangular core fiber. Moreover, you may comprise the optical fiber 21 with a square core fiber. A laser beam having a Gaussian type energy profile passes through the rectangular core fiber, so that a laser beam having a top hat type energy profile is obtained.

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 laser beam 28 the top hat type is not limited to the above-described method, and any method can be used as long as the top hat type energy profile defined above can be obtained.

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 laser oscillator 29 is guided to the optical path 20 b of the welding laser head 20 through the optical fiber 21. The laser beam guided to the optical path 20 b is converted into a top hat type energy profile by the energy profile conversion unit 30.

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 welding laser head 20 toward the build-up surface 41 of the build-up object 40 as a laser beam 28. Then, the emitted laser beam 28 is applied to the build-up surface 41 of the build-up object 40. In addition, when forming the build-up part 50 by laminating | stacking in multiple stages, the to-be-laid surface 41 becomes the already-formed build-up part 50.

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 filler material powder 23 supplied from the powder supply device 22 via the powder supply pipe 24 is supplied from the welding laser head 20 toward the build-up surface 41. For example, as shown in FIG. 1, the powder 23 is supplied along the laser beam 28 from the periphery of the laser beam 28.

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 powder 23 supplied to the build-up surface 41 is melted by the energy of the laser beam 28 to form a molten pool 51. At this time, since the energy profile of the laser beam 28 is a top hat type, the heat input is uniformly supplied to the build-up surface 41. The powder 23 is melted in the molten pool 51 by the energy of the laser beam 28 and then solidified to form the built-up portion 50.

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 shield gas 25 supplied from the gas supply device 26 via the gas supply pipe 27 is blown out from the welding laser head 20 toward the overlay surface 41 and the molten pool 51. Thereby, the molten pool 51 and its peripheral part are covered with the shield gas 25 and are cut off from the atmosphere. Therefore, when overlaying, the overlaying part 50 close to the molten powder 23 and the molten pool 51 is suppressed from being oxidized by the atmosphere. In addition, the shielding gas 25 may be blown out to the build-up surface 41 side so that the circumference | surroundings of the powder 23 supplied along the center laser beam 28 and the laser beam 28 may be covered, for example.

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 filler material powder 23 is supplied to the build-up surface 41, the laser beam 28 is irradiated, and the build-up portion 50 is applied to the build-up surface 41 by the melted powder 23. Is formed.

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 part 50 is formed on the already formed build-up part 50 to form a multi-layer build-up part 50, a new build-up part is formed. 50 is preferably laminated in a state in which the temperature (surface temperature) of the built-up portion 50 already formed is 400 ° C. or higher. By forming a new build-up part 50 on the build-up part 50 having a temperature of 400 ° C. or higher, weld cracking can be suppressed. In addition, the temperature of the build-up part 50 is measured using a thermocouple, a radiation thermometer, etc., for example.

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 filler powder 23 is supplied toward the build-up surface 41 via the welding laser head 20, but the present invention is not limited to this configuration. For example, the powder 23 of the filler material may be supplied to the build-up surface 41 from, for example, a separately provided supply pipe without using the welding laser head 20.

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-up surface 41 by using the laser beam 28 having a top hat type energy profile. Is done. Thereby, weld cracks such as solidification cracks and liquefaction cracks can be suppressed.

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 portion 50 by the laser build-up welding apparatus and the laser build-up welding method of the embodiment.

(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 overlay welding apparatus 10 shown in FIG. The laser overlay welding apparatus 10 shown in FIG. 1 was also used in the following examples and comparative examples.

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 object 40, a block material of MM247LC, which is a Ni-based superalloy, was used. The size of the build-up object 40 was 50 mm in length, 10 mm in width, and 20 mm in thickness. The build-up surface 41 was a surface composed of the above-described length (50 mm) and width (10 mm).

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 filler powder 23 was 90 μm. The average particle size was measured by a laser diffraction scattering method (hereinafter the same).

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 target object 40 and a filler material is shown.

Figure 2015155110
Figure 2015155110

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 laser oscillator 29. A laser beam 28 having a circular laser beam cross section was used. Therefore, the shape of the laser spot was circular. The energy profile of the laser beam 28 is a top hat type. Here, a beam homogenizer was installed in the optical path 20b through which the laser beam in the welding laser head 20 passes, and a top hat type laser beam 28 was obtained.

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 laser beam 28 is accumulated outward from the center of the cross section as the center O, and the minimum energy is obtained in the region 61 inside the boundary 60 which is 87% of the total energy of the laser beam 28 in the cross section. The value was 90% of the maximum value of energy. The boundary 60 and the maximum and minimum values of energy were determined by the method described above. In this laser beam 28, the diameter of the boundary 60 was 5 mm.

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-up surface 41 with a laser output of 2100 W, a welding speed of 300 mm / min, and a feeding rate of the filler powder 23 of 9 g / min.

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 part 50 was evaluated by the fluorescence penetration flaw detection test. Here, on the surface of the built-up portion 50, the powder 23 melted only on the surface adheres. Therefore, the surface of the built-up part 50 is uneven by the powder 23 to which a part is attached. When the fluorescent penetrant testing is performed in this state, the fluorescent penetrating flaw detection liquid penetrates into the irregularities on the surface of the built-up portion 50 and oozes out. Therefore, it is difficult to determine the defect. Therefore, the surface was ground with a grinder to remove the irregularities, and then a fluorescence penetration test was conducted.

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 portion 50 was measured using a measurement microscope. FIG. 6 is a diagram schematically showing a side surface of the built-up portion 50 in order to explain the length of the weld crack on the entire surface of the built-up portion 50. As shown in FIG. 6, for example, it is assumed that weld cracks 70, 71, and 72 are generated at three locations on the entire surface of the built-up portion 50. The lengths of the weld cracks 70, 71, 72 are amm, bmm, and cmm, respectively, as shown in FIG. In this case, the length of the weld crack on the entire surface of the built-up portion 50 is (a + b + c) mm. That is, the length of the weld crack on the entire surface of the built-up portion 50 is a value obtained by integrating the length of each weld crack.

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 portion 50.

Figure 2015155110
Figure 2015155110

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 object 40 used in Example 2 was the same as the build-up object 40 of Example 1. IN625 was used as a filler material. The average particle size (median diameter) of the filler powder 23 was 90 μm. In Table 1, the chemical composition of the material which comprises the build-up target object 40 and a filler material is shown.

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 laser oscillator 29. A laser beam 28 having a substantially square cross section was used. Therefore, the shape of the laser spot was substantially square. The energy profile of the laser beam 28 is a top hat type. Here, a beam homogenizer was installed in the optical path 20b through which the laser beam in the welding laser head 20 passes, and a top hat type laser beam 28 was obtained.

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 laser beam 28 is accumulated outward from the center of the cross section as the center O, and the minimum energy is obtained in the region 61 inside the boundary 60 which is 87% of the total energy of the laser beam 28 in the cross section. The value was 90% of the maximum value of energy. The boundary 60 and the maximum and minimum values of energy were determined by the method described above. In this laser beam 28, the length of one side of the quadrangle inscribed by the circular boundary 60 was 5 mm.

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 filler powder 23 were the same as those in Example 1. A built-up portion 50 is formed along the outer periphery of the build-up surface 41, and a new built-up portion 50 is formed on the built-up portion 50 in a state where the temperature (surface temperature) of the built-up portion 50 is 500 ° C. Formed. That is, the built-up part 50 laminated in two stages was formed. In addition, the temperature (surface temperature) of the build-up part 50 was measured with the radiation thermometer (hereinafter the same).

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 portion 50 was ground with a grinder to remove the irregularities, and then a fluorescence penetration test was performed. Table 2 shows the measurement results of the weld crack length of the entire surface of the built-up portion 50. As shown in Table 2, there were no weld cracks in Example 2.

(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 object 40 used in Example 3 was the same as the build-up object 40 of Example 1. HA230 was used as a filler material. The average particle size (median diameter) of the filler powder 23 was 90 μm. In Table 1, the chemical composition of the material which comprises the build-up target object 40 and a filler material is shown.

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 laser oscillator 29, the shape of the cross section of the laser beam, the energy profile of the laser beam 28, the laser output, the welding speed, and the feeding speed of the filler powder 23 were the same as those in the second embodiment.

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 portion 50 is formed along the outer periphery of the build-up surface 41, and the built-up portion 50 is newly formed on the built-up portion 50 in a state where the temperature (surface temperature) of the built-up portion 50 is 410 ° C. Formed. That is, the built-up part 50 laminated in two stages was formed.

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 portion 50 was ground with a grinder to remove the irregularities, and then a fluorescence penetration test was performed. Table 2 shows the measurement results of the weld crack length of the entire surface of the built-up portion 50. As shown in Table 2, there was no weld crack in Example 3.

(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 object 40 used in Example 4 used the block material of GTD-111 used as a material of the moving blade of a gas turbine. The size of the build-up object 40 was the same as that of Example 1. IN617 was used as a filler material. The average particle size (median diameter) of the filler powder 23 was 90 μm. In Table 1, the chemical composition of the material which comprises the build-up target object 40 and a filler material is shown.

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 laser oscillator 29, the shape of the cross section of the laser beam, the energy profile of the laser beam 28, the laser output, the welding speed, and the feeding speed of the filler powder 23 were the same as those in the second embodiment.

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 portion 50 is formed along the outer periphery of the build-up surface 41, and a new built-up portion 50 is formed on the built-up portion 50 in a state where the temperature (surface temperature) of the built-up portion 50 is 415 ° C. Formed. That is, the built-up part 50 laminated in two stages was formed.

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 portion 50 was ground with a grinder to remove the irregularities, and then a fluorescence penetration test was performed. Table 2 shows the measurement results of the weld crack length of the entire surface of the built-up portion 50. As shown in Table 2, there was no weld crack in Example 4.

(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 object 40 and filler material used in Comparative Example 1 were the same as those in Example 3. The average particle diameter (median diameter) of the filler powder 23 was also the same as that of Example 3.

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 laser oscillator 29. A laser beam 28 having a circular laser beam cross section was used. Therefore, the shape of the laser spot was circular. The energy profile of the laser beam 28 is a Gaussian type.

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 laser beam 28 is accumulated outward from the center of the cross section as the center O, and the minimum energy is obtained in the region 61 inside the boundary 60 which is 87% of the total energy of the laser beam 28 in the cross section. The value was 10% or less of the maximum value of energy. The boundary 60 and the maximum and minimum values of energy were determined by the method described above. In this laser beam 28, the diameter of the boundary 60 was 5 mm.

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 filler powder 23 was 9 g / min. A built-up portion 50 is formed along the outer periphery of the build-up surface 41, and the built-up portion 50 is newly formed on the built-up portion 50 in a state where the temperature (surface temperature) of the built-up portion 50 is 410 ° C. Formed. That is, the built-up part 50 laminated in two stages was formed.

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 portion 50 was ground with a grinder to remove the irregularities, and then a fluorescence penetration test was performed. Table 2 shows the measurement results of the weld crack length of the entire surface of the built-up portion 50. As shown in Table 2, in Comparative Example 1, there was a weld crack, and the length of the weld crack on the entire surface of the built-up portion 50 was 12.1 mm.

(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 object 40 and filler material used in Comparative Example 2 were the same as those in Example 1. The average particle diameter (median diameter) of the filler powder 23 was also the same as that in Example 1.

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 laser oscillator 29 and the cross section of the laser beam were the same as those in Example 1. Here, in Comparative Example 2, the energy profile of the laser beam 28 in a state close to that of the top hat type was formed. That is, in the cross section of the laser beam, the energy of the laser beam 28 is accumulated outward with the center O of the cross section as the center, and the energy in the region 61 inside the boundary 60 which is 87% of the total energy of the laser beam 28 in the cross section. The minimum value of was 70% of the maximum value of energy. The boundary 60 and the maximum and minimum values of energy were determined by the method described above. In this laser beam 28, the length of one side of the quadrangle inscribed by the circular boundary 60 was 5 mm.

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 filler powder 23 were the same as those in Example 1, and single layer overlay welding was performed along the outer periphery of the overlay surface 41.

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 portion 50 was ground with a grinder to remove the irregularities, and then a fluorescence penetration test was performed. Table 2 shows the measurement results of the weld crack length of the entire surface of the built-up portion 50. As shown in Table 2, in Comparative Example 2, there was a weld crack, and the length of the weld crack on the entire surface of the built-up portion 50 was 3.2 mm.

(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 object 40 and filler material used in Comparative Example 3 were the same as those in Example 2. The average particle diameter (median diameter) of the filler powder 23 was also the same as that in Example 2.

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 laser oscillator 29, the shape of the laser beam cross section, and the energy profile of the laser beam 28 were also the same as those in the second embodiment. The laser output, the welding speed, and the supply speed of the filler powder 23 were also the same as in Example 2. However, in Comparative Example 3, the built-up portion 50 is formed along the outer periphery of the build-up surface 41, and the temperature (surface temperature) of the built-up portion 50 is 50 ° C. on the built-up portion 50. A built-up portion 50 was newly formed. And the build-up part 50 laminated | stacked on 2 steps | paragraphs was formed.

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 portion 50 was ground with a grinder to remove the irregularities, and then a fluorescence penetration test was performed. Table 2 shows the measurement results of the weld crack length of the entire surface of the built-up portion 50. As shown in Table 2, in Comparative Example 3, weld cracks existed, and the length of the weld cracks on the entire surface of the built-up portion 50 was 7.8 mm.

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 SYMBOLS 10 ... Laser cladding apparatus, 20 ... Welding laser head, 20a ... End face, 20b ... Optical path, 20c ... Powder path, 20d ... Gas path, 21 ... Optical fiber, 22 ... Powder supply apparatus, 23 ... Powder, 24 ... Powder supply 25, shield gas, 26 ... gas supply device, 27 ... gas supply tube, 28 ... laser beam, 29 ... laser oscillator, 30 ... energy profile converter, 40 ... build-up object, 41 ... overlay surface, 50: Overlaying part, 51 ... Molten pool, 60 ... Boundary, 61 ... Area.

Claims (7)

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.
前記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の、照射方向に垂直な断面において、
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.
前記溶加材が、固溶強化型Ni基超合金であることを特徴とする請求項1または2記載のレーザ肉盛溶接装置。   3. The laser overlay welding apparatus according to claim 1, wherein the filler material is a solid solution strengthened Ni-base superalloy. 照射方向に垂直な前記レーザビームの断面形状が略四角形であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載のレーザ肉盛溶接装置。   The laser overlay welding apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein a cross-sectional shape of the laser beam perpendicular to the irradiation direction is substantially rectangular. 前記被肉盛面に向けてシールドガスを供給するシールドガス供給部をさらに具備することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載のレーザ肉盛溶接装置。   The laser overlay welding apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising a shield gas supply unit that supplies a shield gas toward the overlay surface. Ni基超合金からなる被肉盛面に対して溶加材を供給するとともに、レーザビームを照射し、溶融した前記溶加材によって前記被肉盛面に肉盛部を形成する肉盛工程を有し、
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.
前記肉盛工程において、形成された前記肉盛部の温度が400℃以上の状態で、前記肉盛部の上に新たな肉盛部を積層することを特徴とする請求項6記載のレーザ肉盛溶接方法。   The laser build-up according to claim 6, wherein, in the build-up step, a new build-up part is laminated on the build-up part in a state where the temperature of the formed build-up part is 400 ° C. or higher. Prime welding method.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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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