JP2022105421A - 溶接方法および溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】肉盛層の硬さを向上させることが可能な溶接方法及び溶接装置を提供する。【解決手段】細長状の溶接対象体２の長手方向に沿って溶接対象体２の被肉盛面２ａに肉盛溶接を行う溶接方法は、被肉盛面２ａに対して長手方向に沿って溶加材３５を供給するとともにレーザ光４５を照射し、溶融した溶加材３５によって被肉盛面２ａに肉盛層３を形成する肉盛工程を備えている。そして、肉盛工程中、溶接対象体２に冷媒８５が供給される。【選択図】図４

Description

本発明の実施の形態は、溶接方法および溶接装置に関する。

環境保護を目的として、二酸化炭素に代表される温室効果ガスの排出量の削減が求められている。二酸化炭素の排出量を削減するため、化石燃料を多量に使用する火力発電プラントにおける発電効率の向上が望まれている。

火力発電プラントの発電効率を向上させるためには、火力発電プラント内を流れる蒸気を高温化させることが効果的である。このため、火力発電プラントに使用される部材は、これまで以上に、高温強度に優れ、耐摩耗性が向上されている必要がある。

例えば、蒸気タービンに流れ込む蒸気の流量を制御する役割を担う蒸気弁は、高温高圧の水蒸気に曝されながら弁の開閉動作を行う。蒸気弁の一部を構成する弁棒は、摺動によって生じる摩耗や、酸化スケールの生成が抑制されることが求められている。これは、次のような理由による。すなわち、摺動によって弁棒が摩耗すると、弁棒と弁箱の隙間から漏洩する蒸気量が多くなり、火力発電プラントの熱効率を低下させる。また、弁棒は高温の蒸気と反応して、その表面に酸化スケールが形成される。酸化スケールが形成されると、弁棒の外径が大きくなる。また、酸化スケールは剥離して弁棒の周囲に堆積する。弁棒の外径が大きくなったり、弁棒と弁箱との間に酸化スケールが堆積すると、弁棒は所望のように動作することができなくなる。

このような点に関し、特許文献１には、弁棒の母材の表面にコバルト基合金を肉盛溶接して硬化層（肉盛層）を形成し、弁棒の耐摩耗性を向上させ且つ酸化スケールの生成を抑制する方法が開示されている。

特開平６－１７４１２６号公報

しかしながら、特許文献１に示された方法で作製された弁棒は、その一部が、高温化された蒸気が流れる火力発電プラントでの使用に耐え得る十分な耐摩耗性を有していないことが分かった。より具体的には、弁棒に形成された肉盛層の硬さは、溶接始端部近傍においては十分であるが、溶接中間部近傍から溶接終端部近傍にかけては不十分であることが分かった。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、溶接対象体に肉盛溶接を行う溶接方法及び溶接装置であって、肉盛層の硬さを向上させることが可能な溶接方法及び溶接装置を提供することを目的とする。

本発明による溶接方法は、
細長状の溶接対象体の長手方向に沿って前記溶接対象体の被肉盛面に肉盛溶接を行う溶接方法であって、
前記被肉盛面に対して前記長手方向に沿って溶加材を供給するとともにレーザ光を照射し、溶融した前記溶加材によって前記被肉盛面に肉盛層を形成する肉盛工程を備え、
前記肉盛工程中、前記溶接対象体に冷媒が供給される。

あるいは、本発明による溶接方法は、
細長状の溶接対象体の長手方向に沿って前記溶接対象体の被肉盛面に肉盛溶接を行う溶接方法であって、
前記被肉盛面に対して溶加材を溶射あるいは塗布して溶加材層を形成する溶加材層形成工程と、
前記溶加材層形成工程の後に前記溶加材層に対して前記長手方向に沿ってレーザ光を照射し、前記溶加材層の溶加材を再度溶融させて前記被肉盛面に肉盛層を形成する肉盛工程と、を備え、
前記肉盛工程中、前記溶接対象体に冷媒が供給される。

本発明による溶接装置は、
細長状の溶接対象体の長手方向に沿って前記溶接対象体の被肉盛面に肉盛溶接を行う溶接装置であって、
前記溶接対象体を支持する支持部と、
前記溶接対象体の前記被肉盛面に溶加材を供給する溶加材供給部と、
レーザ発振器と前記レーザ発振器で発振されたレーザ光を前記支持部で支持された前記溶接対象体に向けて射出するレーザ射出部とを有するレーザ照射部と、
前記レーザ射出部を、前記支持部に支持された前記溶接対象体に対して前記長手方向に沿って相対移動させる長手方向駆動部と、
前記支持部に支持された前記溶接対象体に冷媒を供給する冷媒供給部と、
を備えている。

あるいは、本発明による溶接装置は、
細長状の溶接対象体の長手方向に沿って前記溶接対象体の被肉盛面に肉盛溶接を行う溶接装置であって、
前記被肉盛面に溶加材を溶射あるいは塗布して溶加材層を形成する溶加材層形成部と、
前記溶加材層が形成された前記溶接対象体を支持する支持部と、
レーザ発振器と前記レーザ発振器で発振されたレーザ光を前記支持部で支持された前記溶接対象体に向けて射出するレーザ射出部とを有するレーザ照射部と、
前記レーザ射出部を、前記支持部に支持された前記溶接対象体に対して前記長手方向に沿って相対移動させる長手方向駆動部と、
前記支持部に支持された前記溶接対象体に冷媒を供給する冷媒供給部と、
を備えている。

本発明によれば、溶接対象体に肉盛溶接を行う溶接方法及び溶接装置であって、肉盛層の硬さを向上させることが可能な溶接方法及び溶接装置を提供することができる。

図１は、本発明の一実施の形態による耐摩耗性部材であって、溶接対象体に肉盛層が形成された耐摩耗性部材を示す側面図である。 図２は、図１に示す肉盛層を形成するための溶接装置を示す側面図である。 図３は、図２に示す溶接装置のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面を示す図である。 図４は、図２に示す溶接トーチとノズルを示す部分拡大図である。 図５は、図４に対応する図であって、溶接装置の変形例を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施の形態による耐摩耗性部材を示す図である。図２及び図３は、図１に示す耐摩耗性部材を作製するための溶接装置の構成を概略的に示す図である。図３は、図２に示す溶接装置のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面を示す図である。図３では、図示の簡略化のため、後述する溶加材供給部３０、レーザ照射部４０及びシールドガス供給部５０の一部の図示を省略している。図４は、図２及び図３に示す溶接装置の一部を拡大して示す図である。

図１に示す耐摩耗性部材１は、溶接対象体２の被肉盛面２ａに肉盛溶接されて肉盛層３が形成されることにより作製される。図２及び図３に示す溶接装置１０は、溶接対象体２の被肉盛面２ａに肉盛溶接を行うものである。より具体的には、溶接装置１０は、溶接対象体２の被肉盛面２ａに、レーザ光４５を利用して溶融した溶加材３５で肉盛層３を形成する。

図１に示すように、溶接対象体２は、細長状であり、長手方向を有する。図示された例では、溶接対象体２は、中実で円柱状に形成され、円筒状の表面（被肉盛面２ａ）を有する。図示された例では、溶接対象体２はニッケル（Ｎｉ）基合金の鍛造棒である。もちろん、溶接対象体２の形状及び溶接対象体２を構成する材料は、これに限られない。例えば、溶接対象体２は、中空の円筒状に形成されていてもよい。また、例えば、溶接対象体２を構成する材料は、鉄（Ｆｅ）基合金であってもよい。本明細書においてニッケル基合金および鉄基合金とは、それぞれ、ニッケル元素及び鉄元素の重量分率が最も多い材質のことを指すこととする。

図２に示すように、溶接装置１０は、溶接対象体２を支持する支持部２０と、溶接対象体２に溶加材３５を供給する溶加材供給部３０と、溶接対象体２にレーザ光４５を照射するレーザ照射部４０と、シールドガス供給部５０と、レーザ照射部４０を支持部２０に対して相対移動させる長手方向駆動部６０と、支持部２０に支持された溶接対象体２を回転させる回転駆動部７０と、を有する。

支持部２０は、溶接対象体２の長手方向の両端部を支持する。支持部２０は、溶接対象体２の長手方向の両端部を、長手方向に沿った回転軸線７０Ｘ周りに回転可能に支持する。

図４に示すように、溶加材供給部３０は、溶加材３５の粉末を収容する溶加材収容部３１と、溶加材収容部３１から導出された溶加材３５の粉末を支持部２０に支持された溶接対象体２の近傍へ導く溶加材供給管３２と、溶加材供給管３２の先端に設けられて、溶加材３５が吐出される溶加材吐出孔３３と、を有する。なお、溶加材３５としては、例えばコバルト（Ｃｏ）基合金や、ニッケル基合金、鉄基合金を採用可能である。溶加材供給部３０は、更に、溶加材供給管３２にキャリアガスを供給するキャリアガス供給部（図示せず）を有していてもよい。この場合、溶加材吐出孔３３から溶加材３５を吐出する際、溶加材３５をキャリアガスに同伴させて溶接対象体２に供給することができる。

図４に示すように、レーザ照射部４０は、支持部２０に支持された溶接対象体２にレーザ光４５を照射する。レーザ照射部４０は、レーザ発振器４１と、レーザ発振器４１で発振されたレーザ光４５を支持部２０で支持された溶接対象体２の近傍へ導く光ファイバ４２と、光ファイバ４２の先端に設けられ、光ファイバ４２で導かれたレーザ光４５を支持部２０で支持された溶接対象体２に向けて射出するレーザ射出部４３と、を有している。レーザ発振器４１としては、例えば、半導体レーザや固体レーザ等、任意のレーザを利用したものを採用可能である。レーザ発振器４１は、８００～１１００ｎｍの波長範囲のレーザ光４５を発振可能であることが好ましい。

図４に示すように、シールドガス供給部５０は、シールドガス５５を収容するシールドガス収容部５１と、シールドガス収容部５１から導出されたシールドガス５５を支持部２０に支持された溶接対象体２の近傍へ導くガス供給管５２と、ガス供給管５２の先端に設けられ、シールドガス５５が吐出されるシールドガス吐出孔５３と、を有する。シールドガス５５としては、例えば、ヘリウム、アルゴン、窒素などの不活性ガスを採用可能である。

なお、図示された例では、溶接装置１０は、溶接トーチ１５を有している。溶接トーチ１５の先端面１５ａには、上述した溶加材吐出孔３３、レーザ射出部４３及びシールドガス吐出孔５３が形成されている。溶接トーチ１５は、その先端面１５ａが支持部２０に支持された溶接対象体２の被肉盛面２ａに対面するように配置される。また、溶接トーチ１５は、支持部２０に対して長手方向に相対移動可能に設けられている。

図２及び図３に示す長手方向駆動部６０は、レーザ射出部４３を、支持部２０に支持された溶接対象体２に対して長手方向に沿って相対移動させる。図示された例では、長手方向駆動部６０は、溶接トーチ１５を、支持部２０に対して長手方向に移動させる。長手方向駆動部６０は、溶接トーチ１５を、支持部２０に支持された溶接対象体２の一方の端部から他方の端部に向かう方向Ｄ１に移動させる。もちろん、長手方向駆動部６０は、支持部２０を、溶接トーチ１５に対して長手方向に移動させるものであってもよい。

回転駆動部７０は、支持部２０によって支持された溶接対象体２を、回転軸線７０Ｘの周りに回転させる。図示された例では、回転軸線７０Ｘは、溶接対象体２の軸線２Ｘ（円筒状の被肉盛面２ａの中心軸）に一致する線である。回転駆動部７０は、溶接対象体２を所定の回転速度で回転させる。なお、図３に示す例では、回転駆動部７０は、溶接対象体２を図３において時計回りに回転させるが、これに限られない。回転駆動部７０は、溶接対象体２を図３において反時計回りに回転させてもよい。

溶接トーチ１５が長手方向駆動部６０によって溶接対象体２に対して長手方向に相対移動され、且つ、溶接対象体２が回転駆動部７０によって回転軸線７０Ｘ周りに回転されることにより、溶接トーチ１５は、溶接対象体２の被肉盛面２ａの周りにらせん状の軌道を描く。

ところで、近年、火力発電プラントにおける発電効率の向上等を目的として、火力発電プラントに使用される部材の耐摩耗性を向上させること及び当該部材における酸化スケールの形成を抑制することが望まれている。例えば、図１に示す耐摩耗性部材が蒸気弁の弁棒として使用される場合、肉盛層の耐摩耗性を向上させることで、弁棒による蒸気弁の開閉機能を信頼性高く維持することができる。すなわち、弁棒の摺動によって肉盛層が摩耗すると、弁棒と弁箱の隙間から漏洩する蒸気量が多くなり、火力発電プラントの熱効率を低下させる。また、弁棒に酸化スケールが形成されると、弁棒の外径が大きくなる。あるいは、酸化スケールが剥離して弁棒の周囲に堆積する。弁棒の外径が大きくなったり、弁棒と弁箱との間に酸化スケールが堆積すると、弁棒は所望のように動作することができなくなる。この点に関し、特許文献１には、溶接対象体の被肉盛面にコバルト基合金を肉盛溶接して、弁棒の耐摩耗性を向上させ且つ酸化スケールの生成を抑制する方法が開示されている。

しかしながら、本件発明者らは、特許文献１に記載の方法で耐摩耗性部材を作製した場合、肉盛層の硬さが、溶接対象体の長手方向に沿って異なることを見出した。具体的には、肉盛層のうち、溶接が開始された部分を溶接始端部、溶接が終了した部分を溶接終端部、溶接始端部と溶接終端部との中間部を溶接中間部とした場合、溶接始端部近傍における肉盛層の硬さと比較して、溶接中間部近傍から溶接終端部近傍における肉盛層の硬さが低くなることを見出した。そして、本件発明者等は、鋭意研究を重ねた結果、溶接中間部近傍から溶接終端部近傍にかけて肉盛層の硬さが低下する原因を発見した。すなわち、肉盛溶接が開始されてから終了するまで、溶接対象体にはレーザ光による入熱がなされる。これにより、溶接対象体の各部の温度が、溶接の進行方向（溶接トーチの進行方向）に沿って上昇する。この結果、肉盛層の各部における溶加材の成分の希釈率が、溶接の進行方向に沿って（言い換えると、溶接始端部から溶接終端部に向かって）上昇する。そして、希釈率が高くなりすぎると、肉盛層の硬さは、高温化された蒸気が流れる火力発電プラントでの使用には不十分な硬さとなる。

このような点を考慮して、本実施の形態の溶接装置２０及び溶接方法は、溶接中間部から溶接終端部における肉盛層３の溶加材３５の成分の希釈率の上昇を抑制し、肉盛層３の硬度を向上させるための工夫が成されている。具体的には、溶接開始から終了までの間、溶接対象体２を冷却して被肉盛面２ａの温度を下げながら肉盛溶接を行う。これにより、肉盛溶接中における溶接対象体２の温度上昇が抑制され、肉盛層３の希釈率が高くなりすぎることが抑制される。なお、肉盛溶接中における溶接対象体２の温度上昇を抑制する方法として、肉盛溶接中に溶接対象体２へのレーザ光の照射を中断して（すなわち肉盛溶接を中断して）溶接対象体２の熱を放散させたり、肉盛溶接中にレーザ発振器４１からのレーザ光４５の出力等を随時制御することも考えられる。しかしながら、肉盛溶接を中断する場合、肉盛溶接を開始してから終了するまでに掛かる時間が長くなり、肉盛溶接を効率的に行うことができない。上記希釈率が所定の値よりも低くなるように溶接条件を肉盛溶接中に随時調節することは、困難である。この点、溶接対象体２を冷却しながら肉盛溶接を行う場合、肉盛溶接を中断することなく、一定の溶接条件で肉盛溶接を行いながら、溶接対象体２の温度上昇及びそれに起因する上記希釈率の上昇を抑制することができる。

上述した肉盛溶接中における溶接対象体２の冷却を行うため、溶接装置１０は、冷媒供給部８０を更に備えている。冷媒供給部８０は、図示しない冷媒供給源から冷媒８５を支持部２０で支持された溶接対象体２の近傍に導く冷媒導管８１と、冷媒導管８１の先端に設けられて冷媒８５が吐出するノズル８２と、ノズル８２から吐出する冷媒８５の流量を調整する流量調整弁８３と、を有する。溶接対象体２が冷媒８５で冷却されることにより、レーザ照射部４０からのレーザ光４５の照射に伴う溶接対象体２の温度上昇が抑制される。

図示された例では、冷媒８５は水である。冷媒８５として水を用いることにより、溶接対象体２や肉盛層３、溶接装置１０が冷媒による悪影響を受ける虞が抑制される。冷媒は、水道水であってよい。この場合、冷媒導管８１は上水道に接続されてよい。冷媒８５の温度は、好ましくは３０℃以下、より好ましくは２５℃以下、さらに好ましくは２０℃以下である。これにより、後述する肉盛工程において溶接対象体２が十分に冷却されずに肉盛層３における溶加材３５の成分の希釈率が所望の希釈率よりも高くなる、という虞が抑制される。そして、肉盛層３の硬度が所望の硬度よりも低くなる、という虞が抑制される。また、冷媒８５の温度は、好ましくは０℃以上、より好ましくは５℃以上、さらに好ましくは１０℃以上である。これにより、後述する肉盛工程において、溶接対象体２の温度が低くなりすぎて肉盛層３と溶接対象体２との間に溶け込み不良となる部分が形成される、という虞が抑制される。ここで、上水道から供給される水道水の温度は、一般に、５℃～２５℃である。したがって、冷媒８５として水道水を用いることにより、冷媒８５の温度調節を行う必要がない。

ノズル８２は、筒状であり、冷媒８５を垂れ流し状態で（筋状に）吐出する。ノズル８２が冷媒８５を垂れ流し状態で（筋状に）吐出することにより（言い換えると、ノズル８２が霧状に冷媒８５を吐出しないことにより）、冷媒８５が飛散して溶接装置１０に付着することが抑制される。

なお、ノズル８２が冷媒８５を霧状に吐出する場合あるいはノズル８２から吐出される冷媒８５の流量が多い場合は、飛散した冷媒８５が溶接装置１０に付着する虞が低減されるよう、適宜、遮蔽板やカバーを配置することが好ましい。また、冷媒８５としては、水以外の液体や気体も利用可能である。冷媒８５が気体である場合、冷媒８５が周囲に拡散することを抑制するため、適宜、遮蔽板やカバーを配置することが好ましい。

図示された例では、図３に示すように、ノズル８２の先端部は、溶接対象体２の上方に、被肉盛面２ａに対面して配置され、被肉盛面２ａに冷媒８５を供給する。しかしながら、溶接対象体２が中空である場合、図５に示すように、ノズル８２は、溶接対象体２の内側の中空領域内に配置されて、中空領域内に冷媒８５を供給してもよい。この場合、冷媒８５が飛散したり拡散したりする虞が、溶接対象体２それ自体によって抑制される。

ノズル８２は、支持部２０に支持された溶接対象体２に対して長手方向に沿って相対移動可能に設けられている。図示された例では、ノズル８２は、長手方向駆動部６０によって、溶接トーチ１５（レーザ射出部４３）と共に、支持部２０に対して長手方向に移動される。これにより、レーザ光４５の入熱に起因する溶接対象体２の温度上昇を、後述する肉盛工程の開始から終了に至るまで、効率良く抑制することができる。

さらに、図示された例では、図２及び図４に示すように、ノズル８２は、溶接トーチ１５（レーザ射出部４３）の溶接対象体２に対する相対移動方向Ｄ１において、溶接トーチ１５（レーザ射出部４３）の前方に配置されている。このため、レーザ光４５の溶接対象体２上の照射位置よりも、上記相対移動方向Ｄ１の前方に冷媒８５が供給される。これにより、溶接対象体２の各部を、レーザ光４５によって溶融した溶加材３５が付着する前に冷却することができる。この場合、溶融した溶加材３５が溶接対象体２の各部に付着した直後に溶接対象体２の当該部分を冷却する場合と比較して、肉盛層３に割れが生じる虞が低減される。

図２及び図３に示すように、溶接装置１０は、溶接対象体２に供給された冷媒８５を受けるバケット９０有していてもよい。バケット９０は、支持部２０に支持された溶接対象体２の下方に配置される。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。ここでは、上述した溶接装置１０を用いた溶接方法について説明する。

まず、図２に示すように、溶接対象体２の両端部が支持部２０によって支持される。

続いて、溶接トーチ１５及びノズル８２が、溶接対象体２の一方の端部の近傍に配置される。図示された例では、ノズル８２は、長手方向駆動部６０による溶接トーチ１５及びノズル８２の移動方向Ｄ１の前方に配置される。

次に、回転駆動部７０によって溶接対象体２が回転軸線７０Ｘ周りに回転される。また長手方向駆動部６０によって、溶接トーチ１５及びノズル８２の長手方向に沿った移動が開始される。溶接トーチ１５及びノズル８２は、上記移動方向Ｄ１に移動される。

次に、溶接対象体２に肉盛層３を形成する肉盛工程が実施される。肉盛工程では、まず、ノズル８２から溶接対象体２に冷媒８５が供給される。次に、溶接トーチ１５から、溶接対象体２の被肉盛面２ａに対して溶加材３５が供給されるとともに、レーザ光４５が照射される。肉盛工程は、回転駆動部７０によって溶接対象体２を回転させつつ、また、長手方向駆動部６０によって溶接トーチ１５及びノズル８２を移動させながら行われる。

図示された例では、冷媒８５は、長手方向駆動部６０による溶接トーチ１５の移動方向Ｄ１における、溶接トーチ１５の前方となる位置に供給される。これにより、溶接対象体２の各箇所が、当該箇所にレーザ光４５によって溶融した溶加材３５が付着する前に冷却される。

図示された例では、レーザ光４５は、溶接トーチ１５のレーザ射出部４３から射出される。この間、溶接トーチ１５の溶加材吐出孔３３から、粉末状の溶加材３５が供給される。溶加材３５は、レーザ光４５の周囲からレーザ光４５に沿って供給される。このことにより、粉末状の溶加材３５がレーザ光４５で溶融する。また、レーザ光４５によって、溶接対象体２が部分的に溶融する。溶融した溶加材３５及び溶融した溶接対象体２は、被肉盛面２ａ上に溶融池４を形成する。そして、溶融した溶加材３５の成分が溶融した溶接対象体２に溶け込み、また、溶融した溶接対象体２の成分が溶融した溶加材３５に溶け込む。なお、溶加材吐出孔３３から吐出された粉末状の溶加材３５並びに溶融した溶加材３５及び溶接対象体２によって形成される溶融池４は、シールドガス吐出孔５３から供給されるシールドガス５５によって取り囲まれ、大気によって酸化することが抑制される。

肉盛工程中、溶接トーチ１５が溶接対象体２に対して移動されることにより、被肉盛面２ａ上に形成された溶融池４は、レーザ光４５から離れ、凝固して肉盛層３となる。また、肉盛工程中、溶接トーチ１５が溶接対象体２の被肉盛面２ａの周りにらせん状の軌道を描くことにより、被肉盛面２ａ上には、上記らせん状の軌道に沿って溶融池４そして肉盛層３が形成される。

肉盛工程中に溶接対象体２に冷媒８５が供給されることにより、溶接対象体２の各部のレーザ光４５の入熱に起因する温度上昇が抑制される。したがって、肉盛工程を中断して溶接対象体２の熱を放散させる必要がない。また、肉盛工程中に、溶接対象体２の温度上昇を抑制するようレーザ発振器４１からのレーザ光４５の出力等の溶接条件を随時調節する、という必要がない。また、冷媒８５の供給がレーザ光４５の溶接対象体２上の照射位置の移動方向Ｄ１に沿って行われることにより、レーザ光４５の入熱に起因する溶接対象体２の温度上昇を、肉盛工程の開始から終了に至るまで、効率良く抑制することができる。さらに、冷媒８５がレーザ光４５の上記照射位置よりも上記移動方向Ｄ１の前方に供給されるに沿って行われることにより、溶接対象体２の各部が、レーザ光４５によって溶融した溶加材３５が付着する前に冷却される。これにより、溶接対象体２の各部が溶融した溶加材３５が付着した直後に冷却される場合と比較して、肉盛層３に割れが生じる虞が低減される。

肉盛工程後、肉盛層３の表面に機械加工を施して当該表面を滑らかにする（円筒状の表面にする）表面処理工程が実施されてもよい。

次に、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例）
上述の溶接装置１０を用いて、溶接対象体２に対し肉盛溶接を行い、図１に示すように一層の肉盛層３を溶接対象体２の被肉盛面２ａに形成した。溶接対象体２としてニッケル基合金の円柱状の鍛造棒を用い、溶加材３５としてコバルト基合金の粉末を用いた。また、レーザ発振器４１として半導体レーザを利用した発振器用い、冷媒８５として水道水を用いた。そして、以下の溶接条件で肉盛工程を実施した。溶接条件は、溶接開始から終了までの間一定であった。
＜溶接条件＞
・レーザ出力：２ｋＷ～１０ｋＷ
・溶加材の供給量：１０ｇ／ｍｉｎ～６０ｇ／ｍｉｎ
・溶接速度：２００ｍｍ／ｍｉｎ～１０００ｍｍ／ｍｉｎ
・冷媒の平均流量：１８０ｇ／ｍｉｎ
なお、「溶接速度」とは、ここでは、溶接トーチ１５の被肉盛面２ａに対する速度（上記らせん状の軌道に沿った速度）を意味する。

上記条件にて溶接対象体２に形成された肉盛層３に対して機械加工を施す表面処理工程を実施して、肉盛層３の厚さを０．５ｍｍにした。ここで、肉盛層３の厚さは、肉盛溶接前の溶接対象体２の被肉盛面２ａを基準として測定した。言い換えると、肉盛層３の厚さとは、図１に示すように、溶接対象体２に形成された肉盛層３の外周面３ａの半径３Ｒと、肉盛溶接前の溶接対象体２の外周面（被肉盛面２ａ）の半径２Ｒとの差Ｔである。

表面処理工程を実施した後、得られた耐摩耗性部材１の断面試料を作製し、肉盛層３の硬さ及び肉盛層３における溶加材３５の希釈率を測定した。硬さはビッカース硬さである。

（比較例）
肉盛溶接中に溶接対象体２の冷媒８５による冷却を実施しなかった他は、実施例と同様に、肉盛工程及び表面処理工程を実施し、肉盛層３の硬さ及び肉盛層３における溶加材３５の成分の希釈率を測定した。

（評価）
表１に、実施例及び比較例の肉盛層３の硬さ及び上記希釈率を示す。表１において、硬さは、実施例の溶接終端部近傍における肉盛層３の硬さに対する、実施例及び比較例の肉盛層３の各部の硬さの比（硬さ比）として示されている。また、表１において、希釈率は、比較例の溶接終端部における肉盛層３の上記希釈率に対する、実施例の溶接終端部における肉盛層３の上記希釈率の比（希釈率比）として示されている。

表１に示すように、比較例の溶接終端部における肉盛層３の上記希釈率を１とすると、実施例の溶接終端部における肉盛層３の上記希釈率（希釈率比）は０．６２５であった。すなわち、実施例の肉盛層３の上記希釈率は、比較例の肉盛層３の上記希釈率よりも低かった。すなわち、比較例に比べて、実施例の肉盛層３の上記希釈率の上昇が抑制された。また、表１に示すように、実施例の溶接終端部近傍における肉盛層の硬さを１とすると、比較例の溶接始端部近傍、溶接中間部近傍、及び溶接終端部近傍における肉盛層３の硬さ（硬さ比）は、それぞれ、１．２２、０．８８及び０．８２であった。これに対し、実施例の溶接終端部近傍における肉盛層３の硬さを１とすると、実施例の溶接始端部近傍及び溶接中間部近傍における肉盛層３の硬さ（硬さ比）は、それぞれ、１．３９及び１．０８であった。すなわち、比較例に比べて、実施例の肉盛層３の各部の硬さが向上した。

以上の結果から、肉盛溶接を行う際に溶接対象体２の冷却を実施することにより、肉盛層３の上記希釈率の上昇が抑制され、肉盛層３の硬さが向上することが分かる。

なお、上述した実施形態及び実施例では、肉盛工程において、被肉盛面２ａに対して長手方向に沿って溶加材３５を供給するとともにレーザ光４５を照射して肉盛層３を形成する場合を例に挙げて説明したが、これに限られない。肉盛層３は、被肉盛面２ａに対して溶加材３５を溶射あるいは塗布することにより形成された溶加材層に対してレーザ光４５を照射することにより、形成されてもよい。この場合、溶接装置１０は、溶加材供給部３０に代えて、被肉盛面２ａに溶加材３５を溶射あるいは塗布して溶加材層を形成する溶加材層形成部を備えていてもよい。そして、支持部２０は、溶加材層が形成された溶接対象体２を支持するものであってよく、レーザ照射部４０は、溶加材層が形成された溶接対象体２にレーザ光を照射するものであってよい。また、この場合、溶接方法は、被肉盛面２ａに対して溶加材３５を溶射あるいは塗布して溶加材層を形成する溶加材層形成工程を備えていてよい。そして、肉盛工程では、溶加材層形成工程の後に溶加材層に対してレーザ光４５を照射し、溶加材層の溶加材３５を再度溶融させて被肉盛面２ａに肉盛層３を形成してよい。

以上のように、本実施の形態による溶接方法は、細長状の溶接対象体２の長手方向に沿って溶接対象体２の被肉盛面２ａに肉盛溶接を行う溶接方法であって、被肉盛面２ａに対して長手方向に沿って溶加材３５を供給するとともにレーザ光４５を照射し、溶融した溶加材３５によって被肉盛面２ａに肉盛層３を形成する肉盛工程を備えている。そして、肉盛工程中、溶接対象体２に冷媒８５が供給される。このような溶接方法によれば、溶接対象体２の各部のレーザ光４５の入熱に起因する温度上昇が抑制される。これにより、肉盛層３の上記希釈率の上昇が抑制され、肉盛層３の硬度の低下が抑制される。

あるいは、本実施の形態による溶接方法は、細長状の溶接対象体２の長手方向に沿って溶接対象体２の被肉盛面２ａに肉盛溶接を行う溶接方法であって、被肉盛面２ａに対して溶加材３５を溶射あるいは塗布して溶加材層を形成する溶加材層形成工程と、溶加材層形成工程の後に溶加材層に対して長手方向に沿ってレーザ光４５を照射し、溶加材層の溶加材３５を再度溶融させて被肉盛面２ａに肉盛層３を形成する肉盛工程と、を備えていてもよい。そして、肉盛工程中、溶接対象体２に冷媒８５が供給されてよい。このような溶接方法によっても、溶接対象体２の各部のレーザ光４５の入熱に起因する温度上昇が抑制される。これにより、肉盛層３の上記希釈率の上昇が抑制され、肉盛層３の硬度の低下が抑制される。

また、本実施の形態による溶接方法において、冷媒８５は、レーザ光４５の溶接対象体２上の照射位置よりも、照射位置の溶接対象体２に対する相対移動方向Ｄ１における前方で、溶接対象体２に供給される。これにより、溶接対象体２の各部を、レーザ光４５によって溶融した溶加材３５が付着する前に冷却することができ、冷却によって肉盛層３に割れが生じる虞を低減させることができる。

また、本実施の形態において、溶接対象体２は中空であってよく、冷媒８５は、溶接対象体２の内側の中空領域内に供給されてもよい。この場合、冷媒８５の飛散や拡散が、溶接対象体２それ自体によって防止される。

また、本実施の形態において、冷媒８５は水である。これにより、溶接対象体２や肉盛層３、溶接装置１０が冷媒８５による浸食等の影響を受ける、という虞が抑制される。

また、本実施の形態において、肉盛工程中、溶接対象体２を長手方向に沿った回転軸線７０Ｘの周りに回転させる。これにより、被肉盛面２ａ上には、らせん状に肉盛層３が形成される。すなわち、被肉盛面２ａの全周に肉盛層３を形成することができる。

また、本実施の形態による溶接装置１０は、細長状の溶接対象体２の長手方向に沿って溶接対象体２の被肉盛面２ａに肉盛溶接を行う溶接装置１０であって、支持部２０と、溶加材供給部３０と、レーザ照射部４０と、長手方向駆動部６０と、冷媒供給部８０と、を備えている。支持部２０は、溶接対象体２を支持する。溶加材供給部３０は、溶接対象体２の被肉盛面２ａに溶加材３５を供給する。レーザ照射部４０は、レーザ発振器４１と、レーザ発振器４１で発振されたレーザ光４５を支持部２０で支持された溶接対象体２に向けて射出するレーザ射出部４３と、を有している。長手方向駆動部６０は、レーザ射出部４３を、支持部２０に支持された溶接対象体２に対して長手方向に沿って相対移動させる。冷媒供給部８０は、支持部２０に支持された溶接対象体２に冷媒８５を供給する。このような溶接装置１０によれば、溶接対象体２にレーザ光４５を照射中に溶接対象体２に冷媒８５を供給して、レーザ光４５の入熱に起因する溶接対象体２の各部の温度上昇を抑制することができる。これにより、肉盛層３の上記希釈率の上昇を抑制することができ、肉盛層３の硬度の低下を抑制することができる。

あるいは、本実施の形態による溶接装置１０は、細長状の溶接対象体２の長手方向に沿って溶接対象体２の被肉盛面２ａに肉盛溶接を行う溶接装置１０であって、溶加材層形成部と、支持部２０と、レーザ照射部４０と、長手方向駆動部６０と、冷媒供給部８０と、を備えていてよい。溶加材層形成部は、被肉盛面２ａに溶加材３５を溶射あるいは塗布して溶加材層を形成してよい。支持部２０は、溶加材層が形成された溶接対象体２を支持してよい。レーザ照射部４０は、レーザ発振器４１と、レーザ発振器４１で発振されたレーザ光４５を支持部２０で支持された溶接対象体２に向けて射出するレーザ射出部４３とを有してよい。長手方向駆動部６０は、レーザ射出部４３を、支持部２０に支持された溶接対象体２に対して長手方向に沿って相対移動させてよい。冷媒供給部８０は、支持部２０に支持された溶接対象体２に冷媒８５を供給してよい。このような溶接装置１０によっても、溶接対象体２にレーザ光４５を照射中に溶接対象体２に冷媒８５を供給して、レーザ光４５の入熱に起因する溶接対象体２の各部の温度上昇を抑制することができる。これにより、肉盛層３の上記希釈率の上昇を抑制することができ、肉盛層３の硬度の低下を抑制することができる。

本実施の形態において、冷媒供給部８０は、冷媒８５を吐出させるノズル８２を有している。長手方向駆動部６０は、ノズル８２を、レーザ射出部４３と共に支持部２０に支持された溶接対象体２に対して長手方向に沿って相対移動させる。このような溶接装置１０によれば、レーザ光４５の入熱に起因する溶接対象体２の温度上昇を、肉盛溶接が開始されてから終了されるまで、効率良く抑制することができる。

また、本実施の形態において、ノズル８２は、レーザ射出部４３の溶接対象体２に対する相対移動方向Ｄ１において、レーザ射出部４３の前方に位置している。このような溶接装置１０によれば、溶接対象体２の各部を、レーザ光４５によって溶融した溶加材３５が付着する前に冷却することができ、冷却によって肉盛層３に割れが生じる虞が低減される。

また、本実施の形態において、溶接装置１０は、支持部２０に支持された溶接対象体２を長手方向に沿った回転軸線７０Ｘ周りに回転させる回転駆動部７０を更に備えている。このような溶接装置１０によれば、被肉盛面２ａ上に、肉盛層３をらせん状に形成することができる。すなわち、被肉盛面２ａの全周に肉盛層３を形成することができる。

上述した実施の形態やその変形は、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。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、上述した実施の形態やその変形を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。

１：耐摩耗性部材、２：溶接対象体、２ａ：被肉盛面、３：肉盛層、１０：溶接装置、１５：溶接トーチ、２０：支持部、３０：溶加材供給部、３５：溶加材、４０：レーザ照射部、４５：レーザ光、５０：シールドガス供給部、６０：長手方向駆動部、７０：回転駆動部、８０：冷媒供給部

Claims (11)

1. 細長状の溶接対象体の長手方向に沿って前記溶接対象体の被肉盛面に肉盛溶接を行う溶接方法であって、
   前記被肉盛面に対して前記長手方向に沿って溶加材を供給するとともにレーザ光を照射し、溶融した前記溶加材によって前記被肉盛面に肉盛層を形成する肉盛工程を備え、
   前記肉盛工程中、前記溶接対象体に冷媒が供給される、溶接方法。
2. 細長状の溶接対象体の長手方向に沿って前記溶接対象体の被肉盛面に肉盛溶接を行う溶接方法であって、
   前記被肉盛面に対して溶加材を溶射あるいは塗布して溶加材層を形成する溶加材層形成工程と、
   前記溶加材層形成工程の後に前記溶加材層に対して前記長手方向に沿ってレーザ光を照射し、前記溶加材層の溶加材を再度溶融させて前記被肉盛面に肉盛層を形成する肉盛工程と、を備え、
   前記肉盛工程中、前記溶接対象体に冷媒が供給される、溶接方法。
3. 前記冷媒は、前記レーザ光の前記溶接対象体上の照射位置よりも、前記照射位置の前記溶接対象体に対する相対移動方向における前方で、前記溶接対象体に供給される、請求項１又は２に記載の溶接方法。
4. 前記溶接対象体は中空であり、
   前記冷媒は、前記溶接対象体の内側の中空領域内に供給される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の溶接方法。
5. 前記冷媒は水である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の溶接方法。
6. 前記肉盛工程中、前記溶接対象体を前記長手方向に沿った回転軸線の周りに回転させる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の溶接方法。
7. 細長状の溶接対象体の長手方向に沿って前記溶接対象体の被肉盛面に肉盛溶接を行う溶接装置であって、
   前記溶接対象体を支持する支持部と、
   前記溶接対象体の前記被肉盛面に溶加材を供給する溶加材供給部と、
   レーザ発振器と前記レーザ発振器で発振されたレーザ光を前記支持部で支持された前記溶接対象体に向けて射出するレーザ射出部とを有するレーザ照射部と、
   前記レーザ射出部を、前記支持部に支持された前記溶接対象体に対して前記長手方向に沿って相対移動させる長手方向駆動部と、
   前記支持部に支持された前記溶接対象体に冷媒を供給する冷媒供給部と、
   を備えた溶接装置。
8. 細長状の溶接対象体の長手方向に沿って前記溶接対象体の被肉盛面に肉盛溶接を行う溶接装置であって、
   前記被肉盛面に溶加材を溶射あるいは塗布して溶加材層を形成する溶加材層形成部と、
   前記溶加材層が形成された前記溶接対象体を支持する支持部と、
   レーザ発振器と前記レーザ発振器で発振されたレーザ光を前記支持部で支持された前記溶接対象体に向けて射出するレーザ射出部とを有するレーザ照射部と、
   前記レーザ射出部を、前記支持部に支持された前記溶接対象体に対して前記長手方向に沿って相対移動させる長手方向駆動部と、
   前記支持部に支持された前記溶接対象体に冷媒を供給する冷媒供給部と、
   を備えた溶接装置。
9. 前記冷媒供給部は、前記冷媒を吐出させるノズルを有し、
   前記長手方向駆動部は、前記ノズルを、前記レーザ射出部と共に前記支持部に支持された前記溶接対象体に対して前記長手方向に沿って相対移動させる、請求項７又は８に記載の溶接装置。
10. 前記ノズルは、前記レーザ射出部の前記溶接対象体に対する相対移動方向において、前記レーザ射出部の前方に位置している、請求項９に記載の溶接装置。
11. 前記支持部に支持された前記溶接対象体を前記長手方向に沿った回転軸線周りに回転させる回転駆動部を更に備える、請求項７乃至１０のいずれか一項に記載の溶接装置。

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