JP5622636B2 - 補修装置および補修方法 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、火力発電用ガスタービンのガスタービン高温部品の熱処理および補修を行う補修装置および補修方法に関する。

ガスタービン高温部品としては、たとえばガスタービン動翼の動翼表面、動翼プラットホームおよび動翼チップ部などがある。このガスタービン動翼は、９００℃を超える燃焼ガス中にて使用されるとともに、起動および停止の回数も多い。このため、ガスタービン動翼は長時間使用されると、動翼表面上に疲労による亀裂が発生したり、動翼表面、動翼プラットホームおよび動翼チップ部に蒸気による酸化や腐食といった損傷などが発生することがある。しかしながら、これらのガスタービン高温部品は、高価であるため、一定間隔の使用でその亀裂や損傷の点検および補修がなされて、繰り返し使用されている。

近年、ガスタービン高温部品の補修では、レーザおよびガスタービン高温部品を固定するモーションシステムを、制御システムで制御しながら加熱されたガスタービン高温部品を溶接するものが提案されている（たとえば特許文献１参照）。

特表平９−５０６０３９号公報

しかしながら、上記した先行技術には、たとえば動翼チップ部の先端縁部であるチップスキーラ部（補修部位）は、この補修部位の状態変化などによって肉盛溶接する溶接条件がそれぞれ異なってしまう。このため、溶接割れが発生しないように人手によって溶接条件を変化させて補修する必要があるが、この溶接条件を変化させる補修には熟練を要するという問題がある。

本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、人手を介さずに補修部位を肉盛溶接することのできる補修装置および補修方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために本発明の補修装置は、加熱されたガスタービン翼の補修部位に補修材料を供給する材料供給部と、前記補修部位にレーザスポット光を照射して、前記供給された補修材料を溶解して前記補修部位を肉盛補修するレーザ装置と、前記レーザスポット光と前記補修部位とを相対的に移動させる移動部と、前記補修部位の溶接幅と前記補修部位の溶接条件との対応関係を示す対応データを記憶する記憶部と、前記レーザスポット光による前記補修部位の溶接位置を撮像する撮像部と、前記撮像部の撮像範囲内の前記補修部位にライン状の光を照射する光照射部と、前記照射されたライン状の光を用いて撮像された画像に基づいて、前記補修部位の溶接幅を算出する溶接幅算出部と、前記算出された補修部位の溶接幅に基づいて、前記記憶部に記憶された対応データから対応する溶接条件のデータを検索する検索部と、前記検索された溶接条件のデータに基づいて、前記材料供給部および前記レーザ装置を制御する対応制御部と、を具備し、前記記憶部は、前記補修部位の溶接幅と前記レーザスポット光のスポット径との対応関係を示す対応データと、前記レーザスポット光のスポット径と前記レーザの出力および前記補修部位に供給される前記補修材料の供給量との対応関係を示す対応データとをそれぞれ記憶し、前記検索部は、前記算出された補修部位の溶接幅に基づいて、前記記憶された対応データから対応する前記レーザスポット光のスポット径、前記レーザの出力、前記補修材料の供給量のデータを前記溶接条件のデータとしてそれぞれ検索し、前記対応制御部は、前記検索された溶接条件のデータに基づいて、前記レーザ装置から照射されるレーザスポット光のスポット径および前記レーザの出力、前記材料供給部から供給される補修材料の供給量を制御することを特徴とする。

また、本発明の補修方法は、レーザ装置のレーザスポット光が加熱されたガスタービン翼の補修部位に照射されて、材料供給部から前記補修部位に供給された補修材料を溶解してこの補修部位を肉盛補修するように、移動部が前記レーザスポット光と前記補修部位とを相対的に移動させる移動ステップと、撮像部が前記レーザ装置による補修部位の溶接位置を撮像する撮像ステップと、光照射部が前記撮像部の撮像範囲内の前記補修部位にライン状の光を照射する照射ステップと、溶接幅算出部が前記照射されたライン状の光を用いて撮像された画像に基づいて、前記補修部位の溶接幅を算出する算出ステップと、検索部が前記算出された補修部位の溶接幅に基づいて、前記補修部位の溶接幅と前記補修部位の溶接条件との対応関係を示す対応データを記憶する記憶部から対応関係にある前記溶接条件のデータを検索する検索ステップと、対応制御部が前記検索された対応データに基づいて、前記材料供給部および前記レーザ装置を制御する条件制御ステップと、を含み、前記記憶部が前記補修部位の溶接幅と前記レーザスポット光のスポット径との対応関係を示す対応データと、前記レーザスポット光のスポット径と前記レーザの出力および前記補修部位に供給される前記補修材料の供給量との対応関係を示す対応データとをそれぞれ記憶し、 前記検索ステップでは、前記検索部が前記算出された補修部位の溶接幅に基づいて、前記記憶部に記憶された対応データから対応関係にある前記レーザスポット光のスポット径、前記レーザの出力、前記補修材料の供給量のデータを前記溶接条件のデータとしてそれぞれ検索し、前記条件制御ステップでは、前記対応制御部が前記検索された溶接条件のデータに基づいて、前記レーザ装置のレーザスポット光のスポット径および前記レーザの出力、前記材料供給部から供給される補修材料の供給量を制御することを特徴とする。

本発明によれば、人手を介さずに補修部位を容易に肉盛溶接することができる。

本発明の一実施形態の補修装置の構成を示す図である。 被溶接材先端の一部を拡大した上面図である。 チップスキーラ部の概略上面図である。 実施の形態における動翼チップ部の概略斜視図である。 図１に示した解析装置の構成を示すブロック図である。 スポット径とレーザ出力との対応関係のデータベースを示す図である。 溶接幅とスポット径との対応関係のデータベースを示す図である。 スポット径と粉末供給量との対応関係のデータベースを示す図である。 補修装置による補修動作を説明するためのフローチャートである。 溶接試験を行った被溶接材の組成を質量百分率［ｗｔ％］で示した図である。 この実施の形態の補修装置による溶接試験結果を示した図である。 本発明の実施の形態２の補修装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３の補修装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態４の補修装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態５の補修装置の構成を示す図である。 図１５に示した解析装置の構成を示すブロック図である。 溶接幅とスポット光の速度との対応関係のデータベースを示す図である。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態の補修装置１０の構成を示す図である。図２は、被溶接材先端（動翼チップ部１のチップスキーラ部１ａ）の一部を拡大した上面図である。

図１に示すように、補修装置１０は、台座２に固定された動翼チップ部（被溶接材）１のチップスキーラ部（補修部位）１ａのたとえば多層溶接を行う。この補修装置１０は、溶接ロボット１１、この溶接ロボット１１のアーム１１ａ先端にそれぞれ保持されたＣＣＤ(Charge Coupled Device)カメラ１２、光照射部１３、粉末供給ヘッド１４および溶接ヘッド１５と、を備える。

また、この補修装置１０は、溶接ロボット１１を駆動制御するロボット制御部１６と、粉末供給ヘッド１４に粉末状の補修材料（以下、「粉末材料」という）を供給する粉末供給部１７と、溶接ヘッド１５にレーザ光を出力する発振器１８と、スポット光のスポット径を制御するスポット径制御部１９と、ＣＣＤカメラ１２、光照射部１３、ロボット制御部１６、粉末供給部１７、発振器１８およびスポット径制御部１９と電気的に接続される解析装置２０と、を備える。

溶接ロボット１１は、多関節のアーム１１ａを備え、ロボット制御部１６からの駆動制御によってこのアーム１１ａを三次元方向に移動する。
ＣＣＤカメラ１２は、溶接ロボット１１のアーム１１ａ先端に固定されて保持され、このアーム１１ａの移動に伴って三次元方向に移動する。このＣＣＤカメラ１２は、溶接ヘッド１５からのレーザスポット光（以下、単に「スポット光」という）が照射されるチップスキーラ部１ａの溶接位置を撮像している。すなわち、このＣＣＤカメラ１２は、スポット光による補修部位の溶接位置を含む領域を撮像する撮像部として機能する。

光照射部１３は、ＣＣＤカメラ１２などとともにアーム１１ａ先端に固定されて保持され、このアーム１１ａの移動に伴って三次元方向に移動する。この光照射部１３は、ＣＣＤカメラ１２の撮像範囲内のチップスキーラ部１ａ（溶接位置を含む）の表面に、図２に示すようなチップスキーラ部１ａを横切る１本の直線からなるライン状の光Ｌを照射する。この光照射部１３は、たとえば従来から使用されているレーザ発生装置を利用して、たとえばコリメートされたレーザ光を、スリットを介してチップスキーラ部１ａに照射することで、ライン状の光Ｌを生成するライン発生器である。すなわち、この光照射部１３は、撮像部の撮像範囲内の補修部位にこの補修部位を横切るライン状の光を照射する機能を有する。

粉末供給ヘッド１４は、粉末供給部１７から供給される粉末材料をチップスキーラ部１ａの溶接位置に噴出している。この粉末供給ヘッド１４は、溶接ヘッド１５下方のアーム１１ａ先端に固定されて保持され、このアーム１１ａの移動に伴って三次元方向に移動する。

溶接ヘッド１５は、ＣＣＤカメラ１２などとともにアーム１１ａ先端に固定されて保持され、このアーム１１ａの移動に伴って三次元方向に移動する。この溶接ヘッド１５は、光ファイバ２１を介して発振器１８と接続されており、この発振器１８とともにレーザ装置を構成している。

溶接ヘッド１５は、図示しないレンズを含む光学系を有し、スポット径制御部１９の移動制御によってレンズの位置を移動させて、発振器１８から出力されるレーザ光を所定のスポット径のスポット光に生成し、この生成したスポット光をチップスキーラ部１ａの溶接位置に照射している。このスポット光の照射により、チップスキーラ部１ａに供給された粉末材料を溶解して、たとえば図２に示すように、このチップスキーラ部１ａをハーフオーバーラップによる２点鎖線で示す肉盛Ｍで補修することができる。なお、この実施の形態では、たとえば３盛のハーフオーバーラップによる補修の場合を示している。

ロボット制御部１６は、たとえばロボットティーチングやオフラインティーチングシステムによって作成された補修プログラムで溶接ロボット１１を動作制御する。このロボット制御部１６は、解析装置２０から入力する溶接幅を含む各種情報または予め設定された情報から補修を行うチップスキーラ部１ａの位置や補修の必要な高さなどを認識することも可能である。

ロボット制御部１６は、補修情報を記憶している。この補修情報には、たとえば予め計測されたチップスキーラ部１ａの形状、このチップスキーラ部１ａの補修面を移動するスポット光の経路情報が含まれる。また、この補修情報には、補修される一回の肉盛の長さ、厚さ、幅などの肉盛情報も含まれる。なお、スポット径とレーザ出力は、肉盛の幅や厚さと比例関係にある。

図３は、チップスキーラ部の概略上面図である。図３に示すように、経路情報は、チップスキーラ部１ａの補修面を、たとえば等間隔にプロットしたｘ，ｙ，ｚ方向の三次元の座標位置情報Ｐ０〜Ｐ１７を有する。ここで、座標位置情報Ｐ０〜Ｐ１７はたとえば（ｘ０，ｙ０，ｚ０）〜（ｘ１７，ｙ１７，ｚ１７）で表され、スポット光が移動する経路の構築を可能にする。また、座標位置情報Ｐ０は、スポット光の照射開始位置、照射終了位置に設定される。Ｓは、溶接ヘッド１５の移動速度である。

図４は、この実施の形態における動翼チップ部１の概略斜視図である。図４に示すように、経路情報は、この他に溶接ヘッド１５の移動速度Ｓ（図３参照）、溶接ヘッド１５のスポット光Ｓ１の長さＨの情報を有する。この実施の形態では、溶接ヘッド１５の移動速度Ｓは一定である。

ロボット制御部１６は、経路情報および補修プログラムに基づいて、溶接ロボット１１（たとえばアーム１１ａ）を駆動制御する。すなわち、ロボット制御部１６は、チップスキーラ部１ａの座標位置情報Ｐ０〜Ｐ１７、移動速度Ｓなどの補修情報に基づいて、スポット光Ｓ１の現在位置を認識し、このスポット光Ｓ１を一定の移動速度Ｓで、この経路に沿ってＰ０→Ｐ１→Ｐ３→…→Ｐ１６→Ｐ１７→Ｐ０と移動させるように、溶接ヘッド１５を移動制御する。なお、この座標位置情報間は、補修プログラムによって予め経路が補完されており、これによりロボット制御部１６は、チップスキーラ部１ａの補修面におけるスポット光Ｓ１の現在位置を常時認識することができる。

さらに、ロボット制御部１６は、座標位置情報Ｐ０〜Ｐ１７、長さＨの情報などの補修情報に基づいて、チップスキーラ部１ａの補修面からの溶接ヘッド１５の高さを調整することができる。すなわち、溶接ヘッド１５は、チップスキーラ部１ａ上に配置され、このチップスキーラ部１ａは摩耗などによって表面が凹凸に変形している。

一方、スポット光Ｓ１の長さＨは、常に一定に設定されている。また、ロボット制御部１６は、照射するスポット光Ｓ１の光軸を鉛直にし、経路に沿ってスポット光Ｓ１を移動させるように、溶接ヘッド１５を移動制御する。

そこで、ロボット制御部１６は、座標位置情報に基づいて認識されたチップスキーラ部１ａにおけるスポット光Ｓ１の現在位置を認識し、この現在位置の座標のうちのｙ値に、スポット光Ｓ１の長さＨを加えた値が、溶接ヘッド１５の位置（スポット光Ｓ１の出射位置）になるように、溶接ヘッド１５を移動制御する。

この駆動制御により、溶接ヘッド１５は、溶接開始位置（座標位置Ｐ０）からチップスキーラ部１ａの補修面に対して、常に一定の長さで光軸が鉛直のスポット光Ｓ１を照射するとともに、スポット光Ｓ１を上記経路に沿って移動させることができる。この結果、このスポット光Ｓ１によってチップスキーラ部１ａの補修面を局所的に加熱することができる。このロボット制御部１６は、加熱されたガスタービン翼の補修部位に照射されてこの補修部位に供給された補修材料を溶解してこの補修部位を肉盛補修するレーザのスポット光と補修部位とを相対的に移動させる移動部として機能する。

粉末供給部１７は、粉末供給ヘッド１４に所定量の粉末材料を供給する機能を有する。この粉末供給部１７には、解析装置２０から粉末供給量のデータが入力されており、粉末供給部１７はこの入力された粉末供給量に基づいて粉末材料を粉末供給ヘッド１４に供給している。すなわち、この粉末供給部１７は、検索された溶接条件のデータに基づいて、粉末材料の供給量を制御する対応制御部として機能する。

発振器１８は、レーザ発振によるレーザ光を溶接ヘッド１５に出射する機能を有する。この発振器１８には、解析装置２０からレーザ出力のデータが入力されており、発振器１８はこの入力されたレーザ出力に基づいてレーザ発振を行ってレーザ光を溶接ヘッド１５に出射している。すなわち、この発振器１８は、検索された溶接条件のデータに基づいて、レーザ出力を制御する対応制御部として機能する。

スポット径制御部１９は、溶接ヘッド１５の図示しない光学系のレンズ位置を移動制御して、溶接ヘッドから出射されるスポット光のスポット径を変更させる機能を有する。このスポット径制御部１９には、解析装置２０からスポット径のデータが入力されており、スポット径制御部１９はこの入力されたスポット径に対応したレンズ位置に光学系のレンズを移動制御している。すなわち、このスポット径制御部１９は、検索された溶接条件のデータに基づいて、スポット光のスポット径を制御する対応制御部として機能する。

図５は、図１に示した解析装置２０の構成を示すブロック図である。
図５に示すように、解析装置２０は、肉盛データベース（以下、「肉盛ＤＢ」という）３１と、データ入力制御部３２と、溶接幅算出部３３と、スポット径検索部３４と、レーザ出力検索部３５と、粉末供給量検索部３６と、データ出力制御部３７と、ライン制御部３８と、表示制御部３９とを備える。

図６は、溶接幅とスポット径との対応関係のデータベースを示す図である。図７は、スポット径とレーザ出力との対応関係のデータベースを示す図である。図８は、スポット径と粉末供給量との対応関係のデータベースを示す図である。

図６に示すように、肉盛ＤＢ３１は、溶接ヘッド１５からのスポット光が照射されるチップスキーラ部１ａの溶接位置での溶接幅と、溶接ヘッド１５から出射されるスポット光のスポット径との対応関係を実験等で予め求め、この対応関係をデータベース（以下、「対応データ」という）として記憶している。このＤＢでは、溶接幅とスポット径とは、比例関係にあり、この溶接幅が大きくなると、このスポット径は直線的（右上がりの直線）に大きくなる。

また、図７に示すように、肉盛ＤＢ３１は、上述したスポット光のスポット径と、発振器１８から発振されるレーザ光のレーザ出力との対応関係を実験等で予め求め、この対応関係を対応データとして記憶している。このＤＢでは、スポット径とレーザ出力とは、このスポット径が大きくなると、レーザ出力は二次曲線的（右上がりの曲線）に大きくなる。

さらに、図８に示すように、肉盛ＤＢ３１は、上述したスポット光のスポット径と、粉末供給部１７から供給される粉末材料の粉末供給量との対応関係を実験等で予め求め、この対応関係を対応データとして記憶している。このＤＢでは、スポット径と粉末供給量とは、このスポット径が大きくなると、粉末供給量は二次曲線的（右上がりの曲線）に大きくなる。この肉盛ＤＢ３１は、補修部位の溶接幅と前記補修部位の溶接条件との対応関係を示す対応データを記憶する記憶部として機能する。

データ入力制御部３２は、ＣＣＤカメラ１２からこの光照射部１３からの光Ｌを含むチップスキーラ部１ａの溶接位置の画像を取り込むとともに、キーボードやマウスなどからの入力データを取り込む。

溶接幅算出部３３は、データ入力制御部３２によって取り込まれた画像からライン状の光Ｌを検出し、このライン状の光Ｌの輝度の差（チップスキーラ部１ａの補修面でのライン状の光Ｌの輝度と、このチップスキーラ部１ａの補修面から外れたライン状の光Ｌの輝度）の中間を二値化の基準の閾値とする。そして、この中間の輝度に基づいてライン状の光Ｌの画像を二値化処理して明と暗の部分を求め、求めた明の部分を溶接幅として算出するものである。すなわち、この溶接幅算出部３３は、照射されたライン状の光Ｌを用いて撮像された画像に基づいて、補修部位の溶接幅を算出する機能を有する。

スポット径検索部３４は、溶接幅算出部３３で算出された溶接幅のデータに基づいて、肉盛ＤＢ３１の図６に示したＤＢから対応関係にあるスポット径の対応データを検索するものである。このスポット径検索部３４は、算出された補修部位の溶接幅に基づいて、記憶部ＤＢ３１に記憶された対応データから対応関係にあるスポット径のデータを検索する検索部として機能する。

レーザ出力検索部３５は、スポット径検索部３４で検索されたスポット径の対応データに基づいて、肉盛ＤＢ３１の図７に示したＤＢから対応関係にあるレーザ出力の対応データを検索するものである。すなわち、この実施の形態の補修装置１０は、算出された溶接幅に対して、レーザ出力を変更して、補修部位に照射するスポット光の強さを変化させることで、溶解される粉末材料の量を変えてチップスキーラ部１ａを肉盛溶接するものである。このレーザ出力検索部３５は、算出された補修部位の溶接幅に基づいて、記憶部ＤＢ３１に記憶された対応データから対応関係にあるレーザ出力のデータを検索する検索部として機能する。

粉末供給量検索部３６は、スポット径検索部３４で検索されたスポット径の対応データに基づいて、肉盛ＤＢ３１の図８に示したＤＢから対応関係にある粉末供給量の対応データを検索するものである。この粉末供給量検索部３６は、算出された補修部位の溶接幅に基づいて、記憶部ＤＢ３１に記憶された対応データから対応関係にある補修材料の粉末供給量のデータを検索する検索部として機能する。

データ出力制御部３７は、溶接幅算出部３３で算出された溶接幅のデータをロボット制御部１６に出力制御する。また、データ出力制御部３７は、スポット径検索部３４で検索されたスポット径の対応データをスポット径制御部１９に出力制御する。また、データ出力制御部３７は、レーザ出力検索部３５で検索されたレーザ出力の対応データを発振器１８に出力制御する。さらに、データ出力制御部３７は、粉末供給量検索部３６で検索された粉末供給量の対応データを粉末供給部１７に出力制御する。

ライン制御部３８は、光照射部１３を動作制御してこの光照射部１３からライン状の光Ｌを、ＣＣＤカメラ１２の撮像範囲内のチップスキーラ部１ａの溶接位置に照射させる。すなわち、このライン制御部３８は、光照射部１３をオン、オフ制御する機能を有する。

（補修装置の動作）
以下、図９を参照してこの補修装置１０の補修動作を説明する。
図９は、補修装置１０による補修動作を説明するためのフローチャートである。なお、この補修装置１０による補修を行う際には、チップスキーラ部１ａは、予め所定の予熱温度で熱処理されているものとする。

図９に示すように、この補修装置１０では、起動されると、ハーフオーバーラップによる溶接を開始させる（ステップＳ１０１）。ここでは、ロボット制御部１６が、溶接ヘッド１５の位置座標を予め設定した零地点に到るように、アーム１１ａを前方（溶接ヘッド１５がチップスキーラ部１ａに近づく方向）に移動させ、その零地点から溶接開始位置の座標に移動させる。溶接ヘッド１５が溶接開始位置に移動したら、この溶接ヘッド１５の高さを調整する。

次に、解析装置２０（ライン制御部３８）が、光照射部１３を動作制御してこの光照射部１３からライン状の光Ｌを、ＣＣＤカメラ１２の撮像範囲内のチップスキーラ部１ａの溶接位置（被溶接部）にこのチップスキーラ部１ａを横切るように照射させる（ステップＳ１０２）。そして、解析装置２０（データ入力制御部３２）は、ＣＣＤカメラ１２が撮影したライン状の光Ｌを含むチップスキーラ部１ａの溶接位置の画像を取り込む（ステップＳ１０３）。

解析装置２０（溶接幅算出部３３）は、取り込んだ画像を二値化処理してライン状の光Ｌを検出し、このライン状の光Ｌの輝度の差に基づいて溶接幅を算出する（ステップＳ１０４）。次に、解析装置２０（スポット径検索部３４、レーザ出力検索部３５および粉末供給量検索部３６）は、算出した溶接幅と、肉盛ＤＢ３１内のＤＢとから、該当するスポット径、レーザ出力および粉末供給量の対応データをそれぞれ検索する（ステップＳ１０５）。

次に、解析装置２０（データ出力制御部３７）は、算出した溶接幅、検索したスポット径、レーザ出力、粉末供給量の各データを、ロボット制御部１６、スポット径制御部１９、発振器１８、粉末供給部１７に、それぞれ出力制御する。これによって、ロボット制御部１６、スポット径制御部１９、発振器１８および粉末供給部１７は、セットされている各データを変更でき、この変更されたデータに基づいて溶接を行う（ステップＳ１０６）。

なお、この実施の形態に係るロボット制御部１６では、溶接の肉盛数（オーバーラップの最終肉盛数）を一定に設定しているが、たとえば取り込んだ溶接幅のデータに基づいて、この溶接の肉盛数を変更することも可能である。

そして、解析装置２０（ロボット制御部１６）は、この設定された溶接の肉盛数に基づいて、連続的に溶接ロボット１１を移動制御しつつ、肉盛溶接を行う（ステップＳ１０７）。次に、設定された肉盛数の溶接が終了したか判断する（ステップＳ１０８）。

ここで、設定された肉盛数の溶接が終了していない場合（ステップＳ１０８のＮｏの場合）、ステップＳ１０７に戻って肉盛溶接を続行する。また、設定された肉盛数の溶接が終了した場合（ステップＳ１０８のＹｅｓの場合）、ステップＳ１０１に戻って、溶接ヘッド１５を次の溶接開始位置に移動させて溶接を開始させる。

図１０は、溶接試験を行った被溶接材の組成を質量百分率［ｗｔ％］で示した図である。図１１は、この実施の形態の補修装置１０による溶接試験結果を示した図である。
図１０に示すように、溶接試験を行った被溶接材は、炭素（Ｃ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）の合金組成からなる。

この補修装置１０において、発振器１８はランプ励起２ｋＷのＹＡＧレーザ、溶接ヘッド１５は同軸型粉末溶接ヘッドを用いて、上記組成の被溶接材の先端に対して肉盛溶接を行った。この溶接試験では、被溶接材の先端の溶接位置の溶接幅を１．７［ｍｍ］、２．６［ｍｍ］、３．２［ｍｍ］に変化させ、これに対応するスポット径を２［ｍｍ］、３［ｍｍ］、４［ｍｍ］とし、この時のそれぞれのレーザ出力を４００［Ｗ］、６００［Ｗ］、６００［Ｗ］とした。

このような溶接試験による結果は、図１１に示すように、上記溶接幅が、１．７［ｍｍ］、２．６［ｍｍ］、３．２［ｍｍ］に変化しても、それぞれの肉盛高さは、０．７６［ｍｍ］、０．８７［ｍｍ］、０．８３［ｍｍ］とほぼ均一になり、また溶接割れもないことが確認された。

このように、この実施の形態の補修装置によれば、補修部位の溶接幅が変化しても、スポット径、レーザ出力などの溶接条件を肉盛ＤＢ３１の対応データに基づいて変化させるので、人手を介さずに容易に補修部位を肉盛溶接することができる。

また、この実施の形態の補修装置によれば、図１１に示すような良好な溶接結果を得ることができるので、溶接割れのない肉盛溶接を可能とするとともに、均一な肉盛高さで肉盛溶接することができる。

（実施の形態２）
図１２は、本発明の実施の形態２の補修装置１０の構成を示す図である。

図１２において、図１に示した補修装置１０と異なる点は、溶接ロボット１１に代えて、数値制御加工機（以下、「ＮＣ加工機」という）２２を用いることである。このＮＣ加工機２２は、ブーム２２ａを備え、このブーム２２ａの先端にＣＣＤカメラ１２、光照射部１３、粉末供給ヘッド１４および溶接ヘッド１５をそれぞれ保持している。このＮＣ加工機２２は、ＮＣ制御部２３からの駆動制御によって、ブーム２２ａを三次元方向に移動する。

ＮＣ制御部２３は、補修情報および数値制御プログラム（補修プログラム）を記憶している。この補修情報は、実施の形態１と同様の経路情報および肉盛情報が含まれている。ＮＣ制御部２３は、経路情報および補修プログラムに基づいて、ＮＣ加工機２２（たとえばブーム２２ａ）を実施の形態１と同様に駆動制御する。

すなわち、ＮＣ制御部２３は、この経路情報によって構築された経路に沿って、溶接ヘッド１５からのスポット光が移動するように、ＮＣ加工機２２を駆動制御する。つまり、ＮＣ制御部２３は、図３に示したチップスキーラ部１ａの座標位置情報Ｐ０〜Ｐ１７、移動速度Ｓなどの補修情報に基づいて、スポット光Ｓ１の現在位置を認識し、このスポット光Ｓ１を一定の移動速度Ｓで、この経路に沿ってＰ０→Ｐ１→Ｐ３→…→Ｐ１６→Ｐ１７→Ｐ０と移動させるように、溶接ヘッド１５を移動制御する。なお、この座標位置情報間は、補修プログラムによって予め経路が補完されており、これによりＮＣ制御部２３は、チップスキーラ部１ａの補修面におけるスポット光Ｓ１の現在位置を常時認識することができる。

さらに、ＮＣ制御部２３は、座標位置情報Ｐ０〜Ｐ１７、長さＨ（図４参照）の情報などの補修情報に基づいて、チップスキーラ部１ａの補修面からの溶接ヘッド１５の高さを調整することができる。すなわち、溶接ヘッド１５は、チップスキーラ部１ａ上に配置され、このチップスキーラ部１ａは摩耗などによって表面が凹凸に変形している。

一方、スポット光Ｓ１の長さＨは、常に一定に設定されている。また、ＮＣ制御部２３は、照射するスポット光Ｓ１の光軸を鉛直にし、経路に沿ってスポット光Ｓ１を移動させるように、ＮＣ加工機２２を移動制御する。

そこで、ＮＣ制御部２３は、座標位置情報に基づいて認識されたチップスキーラ部１ａにおけるスポット光Ｓ１の現在位置を認識し、この現在位置の座標のうちの高さ方向のｙ値に、スポット光Ｓ１の長さＨを加えた値が、溶接ヘッド１５の位置（スポット光Ｓ１の出射位置）になるように、ＮＣ加工機２２を移動制御する。

この駆動制御により、溶接ヘッド１５は、溶接開始位置（座標位置Ｐ０）からチップスキーラ部１ａの補修面に対して、常に一定の長さで光軸が鉛直のスポット光を照射するとともに、スポット光Ｓ１を上記経路に沿って移動させることができる。この結果、このスポット光Ｓ１によってチップスキーラ部１ａの補修面を局所的に加熱することができる。

このように、この実施の形態の補修装置によれば、実施の形態１と同様に、被溶接材の溶接幅が変化しても、スポット径、レーザ出力などの溶接条件を肉盛ＤＢ３１の対応データに基づいて変化させるので、人手を介さずに容易に補修部位を肉盛溶接することができる。

また、この実施の形態の補修装置でも、実施の形態１と同様に、図１１に示すような良好な溶接結果を得ることができるので、溶接割れのない肉盛溶接を可能とするとともに、均一な肉盛高さで肉盛溶接することができる。

（実施の形態３）
図１３は、本発明の実施の形態３の補修装置１０の構成を示す図である。

図１３において、図１２の補修装置１０と異なる点は、チップスキーラ部１ａが載置されるステージ３を備え、ステージ３はＮＣ制御部２４からの駆動制御によって、三次元方向に移動する点である。この実施の形態では、ＮＣ制御部２４の駆動制御の対象がステージ３に代わっており、ＮＣ制御部２４は、経路情報および補修プログラムに基づいて、ステージ３を実施の形態２と同様に駆動制御する。

この駆動制御により、溶接ヘッド１５は、溶接開始位置からチップスキーラ部１ａの補修面に対して、常に一定の長さＨ（図４参照）で光軸が鉛直のスポット光Ｓ１を照射するとともに、スポット光Ｓ１を上記経路に沿って移動させることができる。この結果、このスポット光Ｓ１によってチップスキーラ部１ａの補修面を局所的に加熱することができる。

このように、この実施の形態の補修装置によれば、実施の形態１，２と同様に、被溶接材の溶接幅が変化しても、スポット径、レーザ出力などの溶接条件を肉盛ＤＢ３１の対応データに基づいて変化させるので、人手を介さずに容易に補修部位を肉盛溶接することができる。

また、この実施の形態の補修装置でも、実施の形態１と同様に、図１１に示すような良好な溶接結果を得ることができるので、溶接割れのない肉盛溶接を可能とするとともに、均一な肉盛高さで肉盛溶接することができる。

（実施の形態４）
図１４は、本発明の実施の形態４の補修装置１０の構成を示す図である。

図１４に示す補修装置１０は、図１２と図１３の補修装置を合わせたもので、ＮＣ加工機２２はＮＣ制御部２８からの駆動制御によって、ブーム２２ａを三次元方向に移動するとともに、ステージ３はＮＣ制御部２８からの駆動制御によって、三次元方向に移動するものである。ＮＣ制御部２８は、経路情報および補修プログラムに基づいて、ＮＣ加工機２２およびステージ３をそれぞれ駆動制御し、溶接ヘッド１５が溶接開始位置からチップスキーラ部１ａの補修面に対して、常に一定の長さで光軸が鉛直のスポット光を照射するとともに、スポット光を上記経路に沿って移動させることができる。

このように、この実施の形態の補修装置によれば、実施の形態１，２と同様に、被溶接材の溶接幅が変化しても、これに対してスポット径、レーザ出力を変化させるので、溶接割れのない肉盛溶接を可能とするとともに、均一な肉盛高さで肉盛溶接することができる。

また、この実施の形態では、ＮＣ加工機２２の駆動とステージ３の駆動とに関連性を持たせ、たとえばブーム２２ａとステージ３を短時間に最小限に移動させることで、溶接ヘッド１５が溶接開始位置からチップスキーラ部１ａの補修面に対して、常に一定の長さで光軸が鉛直のスポット光を照射するとともに、スポット光を上記経路に沿って移動させることも可能である。

図１５は、本発明の実施の形態５の補修装置１０の構成を示す図である。
図１５において、図１２の補修装置１０と異なる点は、解析装置２０からロボット制御部１６へは、溶接幅とスポット光の移動速度とが入力されている。ロボット制御部１６は、この入力されたスポット光の移動速度に基づいて、溶接ヘッド１５の移動速度を制御する。

図１６は、図１５に示した解析装置２０の構成を示すブロック図である。図１７は、溶接幅とスポット光の速度との対応関係のデータベースを示す図である。

図１６において、図５の解析装置の構成と異なる点は、レーザ出力検索部３５に代えて、速度検索部４０を備える点と、肉盛ＤＢ３１に、スポット光のスポット径とレーザ光のレーザ出力との対応データ（図７参照）に代えて、溶接幅とスポット光の速度との対応データ（図１７参照）を記憶させる点とである。

図１７に示すように、肉盛ＤＢ３１は、溶接幅とスポット光の速度との対応関係を実験等で予め求め、この対応関係をデータベース（以下、「対応データ」という）として記憶している。このＤＢでは、溶接幅とスポットの速度とは、反比例関係にあり、溶接幅が大きくなると、スポット光の速度は直線的（左上がりの直線）に小さくなる。

速度検索部４０は、溶接幅算出部３３で算出された溶接幅のデータに基づいて、肉盛ＤＢ３１の図１７に示したＤＢから対応関係にあるスポット光の速度の対応データを検索するものである。すなわち、この実施の形態の補修装置は、算出された溶接幅に対して、レーザ出力を変更する代わりに、溶接ロボット１１によるスポット光の移動速度を変更して、補修部位にスポット光が照射される時間を変化させることで、溶解される粉末材料の量を変えてチップスキーラ部１ａを肉盛溶接するものである。

データ出力制御部３７は、溶接幅算出部３３で算出された溶接幅のデータおよび速度検索部４０で検索されたスポット光の速度の対応データをロボット制御部１６に出力制御する。

ロボット制御部１６は、設定された溶接の肉盛数およびスポット光の速度に基づいて、連続的に溶接ロボット１１を移動制御しつつ、肉盛溶接を行うことが可能となる。なお、この肉盛溶接では、レーザ出力は常に一定となっている。

このように、この実施の形態の補修装置によれば、被溶接材の溶接幅が変化しても、スポット径、スポット径の速度などの溶接条件を肉盛ＤＢ３１の対応データに基づいて変化させるので、人手を介さずに容易に補修部位を肉盛溶接することができる。

また、この実施の形態の補修装置では、実施の形態１のレーザ出力の代わりにスポット径の速度を変更するので、この場合も実施の形態１と同様に、溶接割れのない肉盛溶接を可能とするとともに、均一な肉盛高さで肉盛溶接することが可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態のみに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形してもよい。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより、種々の発明を構成できる。たとえば実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…動翼チップ部、１ａ…チップスキーラ部、２…台座、３…ステージ、１０…補修装置、１１…溶接ロボット、１１ａ…アーム、１２…カメラ、１３…光照射部、１４…粉末供給ヘッド、１５…溶接ヘッド、１６…ロボット制御部、１７…粉末供給部、１８…発振器、１９…スポット径制御部、２０…解析装置、２１…光ファイバ、２２…ＮＣ加工機、２２ａ…ブーム、２３，２４，２８…ＮＣ制御部、３２…データ入力制御部、３３…溶接幅算出部、３４…スポット径検索部、３５…レーザ出力検索部、３６…粉末供給量検索部、３７…データ出力制御部、３８…ライン制御部、３９…表示制御部、４０…速度検索部、３１…肉盛ＤＢ、Ｐ０〜Ｐ１７…座標位置情報、Ｓ…移動速度、Ｓ１…スポット光。

Claims (8)

1. 加熱されたガスタービン翼の補修部位に補修材料を供給する材料供給部と、
   前記補修部位にレーザスポット光を照射して、前記供給された補修材料を溶解して前記補修部位を肉盛補修するレーザ装置と、
   前記レーザスポット光と前記補修部位とを相対的に移動させる移動部と、
   前記補修部位の溶接幅と前記補修部位の溶接条件との対応関係を示す対応データを記憶する記憶部と、
   前記レーザスポット光による前記補修部位の溶接位置を撮像する撮像部と、
   前記撮像部の撮像範囲内の前記補修部位にライン状の光を照射する光照射部と、
   前記照射されたライン状の光を用いて撮像された画像に基づいて、前記補修部位の溶接幅を算出する溶接幅算出部と、
   前記算出された補修部位の溶接幅に基づいて、前記記憶部に記憶された対応データから対応する溶接条件のデータを検索する検索部と、
   前記検索された溶接条件のデータに基づいて、前記材料供給部および前記レーザ装置を制御する対応制御部と、
   を具備し、
   前記記憶部は、前記補修部位の溶接幅と前記レーザスポット光のスポット径との対応関係を示す対応データと、前記レーザスポット光のスポット径と前記レーザの出力および前記補修部位に供給される前記補修材料の供給量との対応関係を示す対応データとをそれぞれ記憶し、
   前記検索部は、前記算出された補修部位の溶接幅に基づいて、前記記憶された対応データから対応する前記レーザスポット光のスポット径、前記レーザの出力、前記補修材料の供給量のデータを前記溶接条件のデータとしてそれぞれ検索し、
   前記対応制御部は、前記検索された溶接条件のデータに基づいて、前記レーザ装置から照射されるレーザスポット光のスポット径および前記レーザの出力、前記材料供給部から供給される補修材料の供給量を制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の補修装置。
2. 加熱されたガスタービン翼の補修部位に補修材料を供給する材料供給部と、
   前記補修部位にレーザスポット光を照射して、前記供給された補修材料を溶解して前記補修部位を肉盛補修するレーザ装置と、
   前記レーザスポット光と前記補修部位とを相対的に移動させる移動部と、
   前記補修部位の溶接幅と前記補修部位の溶接条件との対応関係を示す対応データを記憶する記憶部と、
   前記レーザスポット光による前記補修部位の溶接位置を撮像する撮像部と、
   前記撮像部の撮像範囲内の前記補修部位にライン状の光を照射する光照射部と、
   前記照射されたライン状の光を用いて撮像された画像に基づいて、前記補修部位の溶接幅を算出する溶接幅算出部と、
   前記算出された補修部位の溶接幅に基づいて、前記記憶部に記憶された対応データから対応する溶接条件のデータを検索する検索部と、
   前記検索された溶接条件のデータに基づいて、前記材料供給部および前記レーザ装置を制御する対応制御部と、
   を具備し、
   前記記憶部は、前記補修部位の溶接幅と前記レーザスポット光のスポット径および前記レーザスポット光の移動速度との対応関係を示す対応データと、前記レーザスポット光のスポット径と前記補修部位に供給される前記補修材料の供給量との対応関係を示す対応データとをそれぞれ記憶し、
   前記検索部は、前記算出された補修部位の溶接幅に基づいて、前記記憶された対応データから対応する前記レーザスポット光のスポット径、前記スポット光の移動速度、前記補修材料の供給量のデータを前記溶接条件のデータとしてそれぞれ検索し、
   前記対応制御部は、前記検索された溶接条件のデータに基づいて、前記レーザ装置から照射されるレーザスポット光のスポット径および前記レーザスポット光の移動速度、前記材料供給部から供給される補修材料の供給量を制御する
   ことを特徴とする補修装置。
3. 前記移動部は、前記レーザ装置、前記撮像部および前記光照射部を移動可能に保持する移動保持部を有し、前記レーザスポット光が前記補修部位の予め設定された経路に沿って移動するように、前記移動保持部を移動させる
   ことを特徴とする請求項１または２記載の補修装置。
4. 前記移動部は、前記補修部位を移動可能に保持する移動保持部を有し、前記スポット光が前記補修部位の予め設定された経路に沿って移動するように、前記移動保持部を移動させる
   ことを特徴とする請求項１または２記載の補修装置。
5. 前記移動部は、溶接ロボットからなり、
   前記移動保持部は、前記溶接ロボットが有する多関節のアームからなり、このアームの先端に前記レーザ、前記撮像部および前記光照射部を移動可能に保持させる
   ことを特徴とする請求項３記載の補修装置。
6. 前記移動部は、数値制御加工機からなり、
   前記移動保持部は、前記数値制御加工機が有する三次元方向に移動可能なブームからなり、このブームの先端に前記レーザ、前記撮像部および前記光照射部を移動可能に保持させる
   ことを特徴とする請求項３記載の補修装置。
7. レーザ装置のレーザスポット光が加熱されたガスタービン翼の補修部位に照射されて、材料供給部から前記補修部位に供給された補修材料を溶解してこの補修部位を肉盛補修するように、移動部が前記レーザスポット光と前記補修部位とを相対的に移動させる移動ステップと、
   撮像部が前記レーザ装置による補修部位の溶接位置を撮像する撮像ステップと、
   光照射部が前記撮像部の撮像範囲内の前記補修部位にライン状の光を照射する照射ステップと、
   溶接幅算出部が前記照射されたライン状の光を用いて撮像された画像に基づいて、前記補修部位の溶接幅を算出する算出ステップと、
   検索部が前記算出された補修部位の溶接幅に基づいて、前記補修部位の溶接幅と前記補修部位の溶接条件との対応関係を示す対応データを記憶する記憶部から対応関係にある前記溶接条件のデータを検索する検索ステップと、
   対応制御部が前記検索された対応データに基づいて、前記材料供給部および前記レーザ装置を制御する条件制御ステップと、
   を含み、
   前記記憶部が前記補修部位の溶接幅と前記レーザスポット光のスポット径との対応関係を示す対応データと、前記レーザスポット光のスポット径と前記レーザの出力および前記補修部位に供給される前記補修材料の供給量との対応関係を示す対応データとをそれぞれ記憶し、
   前記検索ステップでは、前記検索部が前記算出された補修部位の溶接幅に基づいて、前記記憶部に記憶された対応データから対応関係にある前記レーザスポット光のスポット径、前記レーザの出力、前記補修材料の供給量のデータを前記溶接条件のデータとしてそれぞれ検索し、
   前記条件制御ステップでは、前記対応制御部が前記検索された溶接条件のデータに基づいて、前記レーザ装置のレーザスポット光のスポット径および前記レーザの出力、前記材料供給部から供給される補修材料の供給量を制御する
   ことを特徴とする補修方法。
8. レーザ装置のレーザスポット光が加熱されたガスタービン翼の補修部位に照射されて、材料供給部から前記補修部位に供給された補修材料を溶解してこの補修部位を肉盛補修するように、移動部が前記レーザスポット光と前記補修部位とを相対的に移動させる移動ステップと、
   撮像部が前記レーザ装置による補修部位の溶接位置を撮像する撮像ステップと、
   光照射部が前記撮像部の撮像範囲内の前記補修部位にライン状の光を照射する照射ステップと、
   溶接幅算出部が前記照射されたライン状の光を用いて撮像された画像に基づいて、前記補修部位の溶接幅を算出する算出ステップと、
   検索部が前記算出された補修部位の溶接幅に基づいて、前記補修部位の溶接幅と前記補修部位の溶接条件との対応関係を示す対応データを記憶する記憶部から対応関係にある前記溶接条件のデータを検索する検索ステップと、
   対応制御部が前記検索された対応データに基づいて、前記材料供給部および前記レーザ装置を制御する条件制御ステップと、
   を含み、
   前記記憶部が前記補修部位の溶接幅と前記レーザスポット光のスポット径および前記レーザスポット光の移動速度との対応関係を示す対応データと、前記レーザスポット光のスポット径と前記補修部位に供給される前記補修材料の供給量との対応関係を示す対応データとをそれぞれ記憶し、
   前記検索ステップでは、前記検索部が前記算出された補修部位の溶接幅に基づいて、前記記憶された対応データから対応関係にある前記レーザスポット光のスポット径、前記レーザスポット光の移動速度、前記補修材料の供給量の対応データを前記溶接条件のデータとしてそれぞれ検索し、
   前記条件制御ステップでは、前記対応制御部が前記検索された溶接条件のデータに基づいて、前記レーザ装置のレーザスポット光のスポット径およびスポット光の移動速度、前記材料供給部から供給される補修材料の供給量を制御する
   ことを特徴とする補修方法。

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