JP6125640B2 - 三次元画像化溶接経路制御を有する自動化された超合金レーザークラッディングシステム - Google Patents

Description

［関連出願の参照］
この出願は、共通に所有されている同時係属中の、２０１２年９月１２日に出願された「表面トポロジーエネルギー移送補正を有する超合金のレーザークラッディング」との名称の米国特許出願第１３／６１１，０３４号、２０１２年９月１２日に出願された「レーザークラッディングシステムのフィラー材料分配装置」との名称の米国特許出願第１３／６１１，１４４号、及び２０１３年７月８日に出願された「三次元画像化溶接経路制御を有する自動化された超合金レーザークラッディングシステム」との名称の米国特許出願第１３／９３６，３９５号の優先権の利益を主張する。

本発明は、経年劣化したタービンブレード及びベーンのような超合金製部品をレーザービーム溶接によってクラッドする（ｃｌａｄｄｉｎｇ）システム又は方法に関する。溶接／クラッディング経路は、事前の、好ましくはリアルタイムの部品の非接触式三次元寸法走査（３Ｄ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ）及び得られた寸法走査データと部品に対する仕様上の寸法データとの比較によって決定される。走査された部品をクラッドしてその寸法を仕様上の寸法データに合わせるための溶接経路が決定される。レーザー溶接装置は、好ましくはクラッディング用フィラー材料分配装置と協働して、溶接経路を実行する。いくつかの実施形態では、溶接された部品の溶接後非接触式三次元寸法走査が行われ、溶接後走査寸法データが仕様上の寸法データと比較される。好ましくは、溶接経路及び／又はクラッディングの適用は、溶接前及び／又は溶接後の三次元寸法走査によるフィードバックループにおいて変更される。

ガスタービン又は他の超合金製部品の「構造的な」修復は、損傷を受けた材料を同じ合金材料に置き換え、元の製造用部品仕様に近い（例えば、元の仕様の最大引張強度の少なくとも７０％）強度のような特性を達成することとして一般的に認識されている。例えば、表面割れを生じたタービンブレードへの構造的修復を行い、それによってさらなる割れの危険性を減少させ、ブレードが元の材料構造及び寸法の仕様に戻ることが好ましい。

タービンブレードのようなタービンの部品を製造するのに使用されるニッケル及びコバルト基超合金材料の修復は、完成したブレードの材料の金属学的特性の故に困難である。完成したタービンブレードの合金は、通常は鋳造後熱処理の間に強くされており、このことは、その合金に引き続く構造的な溶接を行うことを困難にする。そのような超合金材料から構成されたブレードが、同一の若しくは同様の合金からなるフィラー金属で溶接される場合、ブレードは溶接部内及びその近傍の凝固割れ、及び／又は引き続いて行われる、超合金を元の強度及び新しい部品に匹敵する他の材料特性に回復することを意図された熱処理工程中のひずみ時効割れを受けやすい。

下層の超合金基材を熱的に劣化させることなく、超合金フィラー材料を溶融させようとする超合金の接合及び修復の１つの既知の方法は、レーザービームマイクロクラッディングとしても知られるレーザービーム溶接である。超合金基材に適合するか、又は同一の（紛体フィラーであることが多い）超合金フィラー材料は、溶接に先立って基材表面に前以て配置されるか又はクラッディング行程中にチャネルを通じた加圧ガスによって表面に溶射される。固定式光学レーザー（すなわち、相対的な並進とは異なり、レーザーと基板とがレーザービームの適用中、固定された相対配向を有する）によって生成された集束レーザー光エネルギーの「スポット」領域は、フィラー材料を液化するとともに、基材の表面を十分に加熱してフィラーと基材との融合を容易化し、次いで基材の表面上にクラッド堆積層として凝固する。既知の従来の溶接工程と比較して、レーザービームマイクロクラッディングは入熱の少ない工程であり、基材の溶融及び急速な凝固に亘る比較的良好な制御を有し、上述した凝固割れを引き起こす傾向を減少させる。また、レーザー溶接／クラッディング中の超合金基材への少ない入熱は別様に、上述した溶接後熱処理のひずみ時効割れに影響する残留応力を最小化する。レーザークラッディングの溶接部は従来形成されていた溶接部を超える構造的利点を有するが、実際の製造及び修復の現実は、単一のパスでクラッディングの体積を適用することによって満たすことができるよりも大きなクラッディング表面積及び／又は体積の範囲を必要とする。

超合金部品への体積付加に対する需要に合わせるために、基材上へのレーザークラッドされた堆積物を、隣接する凝固したクラッドパスの一次元又は二次元の配列から形成することができる。複数のレーザー溶接されたクラッディングのパスおよび層を自動化された制御の下で適用して表面の寸法体積を形成することができる。レーザークラッドした堆積物の配列を生成することは、堆積した材料及び下層の基材における熱の影響を受けた領域の材料中にマイクロクラック及び欠陥を生じさせることが多い。いくつかの欠陥は、不十分な局所的なレーザー光エネルギーによる入熱がある場合に共通する融合不良（ＬｏＦ：ｌａｃｋ ｏｆ ｆｕｓｉｏｎ）に関連する。タービンブレードのような基材が、ブレードの基材の材料の失われた体積を、それに相当する体積の超合金フィラーによって充填してブレードの元の構造的な寸法に戻す、構造的な修復を必要とすることは多い。既知のレーザークラッディング技術では、失われたブレード基材の体積は、別々に適用されたレーザークラッドの堆積物又はパスからなる二次元のフィラー溶融物の配列によって充填される。レーザービームの焦点位置と基材表面とが、単一の堆積物形成の後に自動化された制御の下で互いに対して移動して、隣接して重なり合う一連の隆起（ｂｕｍｐｓ）又は点（ｄｏｔｓ）に類似する次の堆積物を溶接する。既知の多次元フィラー材料堆積装置によって、（粉状形態にある場合が多い）フィラー粒子が基材表面の層に前以て配置されるか、加圧されたガス供給ノズルを通じてレーザー「スポット」が突出した領域上に導かれる。

超合金製タービン部品基材の自動化された、若しくは半自動化されたレーザー溶接による修復は、追跡の目的のために各部分の形状（ｇｅｏｍｅｔｒｙ）を明確にすることを必要とし、それによってレーザークラッディング経路が凝固した堆積物を部品の望ましい部分に適用する。部品の測定された実際の幾何学的外形の情報が、望ましい部品の仕様上の幾何学的外形の情報と比較される。この比較は、凝固したフィラーを必要とする部品の通常より小さい表面部分を特定する。比較情報は、新しく充填される部分が望ましい仕様上の寸法に合うか又は超える予想を有してレーザークラッディング又は溶接の経路をプログラムするのに使用される。溶接された部品の新しく充填された部分が通常より小さいままである場合には、部品は再測定され、２回目の溶接経路で再溶接される。１回以上の溶接経路の適用の後、溶接された部品は溶接品質を検査される。溶接工程の後に残存しているか、又は溶接工程中に生成されたボイド又は割れは、部品を使用に対して不適合とする場合があり、その場合には溶接前の努力と費用とが無駄となる。溶接後検査が、部品が使用可能であると示した場合には、溶接後の全ての過剰な材料が既知の金属加工工程によって取り除かれる。

既知の溶接工程においては、部品又は部分の外形形状の情報は通常、カメラによって修復作業前に収集され、コントラスト測定によって明確にされる。光学カメラは、自動化された溶接システムのマシンビジョンサブシステム中にあってもよく、タービン部品の輪郭の視覚的イメージを取得する。光学的コントラストは、部品の輪郭又は設置面積を規定するのに使用される。自動化された溶接システムは、光学的に規定された部品の輪郭と、部品の望ましい寸法仕様上の輪郭と、を使用して、部品と溶接スポットとの間の相対的移動の溶接経路（すなわち、運動制御式作業台上の部品の動き又は溶接装置の動き、又はそれら両方）を確立する。溶接経路を実行する溶接システムは、部品の表面をクラッド（ｃｌａｄ）して、光学カメラシステムによって得られた実際に形成された輪郭寸法と、仕様上の寸法との間で失われている体積を充填する。

修復された部品の形状と輪郭とを規定するための従来の光学的方法は、特殊化した部分照明を必要とするとともに、分解能と精度とに欠けている。光学的測定方法は、高さ寸法が影の分解能によって効率的に推測しかされていない、平面的な二次元の輪郭情報しか生成しない。したがって、溶接装置によって実行される溶接経路は、部品の二次元の輪郭を概算することしかしない。フィラーの高さの決定は、溶接作業者によって経験的に、又は自動化された溶接経路プロセッサによる、部品の仕様上の高さ寸法を得るために必要な連続した層の数を推定することによって決定される。従来の光学的な部品の測定方法は、修復中に、部品の部分の物理的状態（例えば熱的歪）の変化、移動、修復中の部品表面と溶接装置との位置合わせ不良、誤った溶接経路、又は溶接欠陥の生成（例えば、ボイド及び／又は割れ）が生じた場合に処理装置を調整するフィードバックとして使用することはできない。上述に特定された光学的測定システムの照明、分解能、及び精度の欠如に加えて、従来の光学的方法は、溶接工程中のレーザークラッディング／溶接システムによって生成される煙及び高強度の紫外線照射を通じた視覚映像を得ることはできない。煙は反射した光学カメラの照明を散乱させ、高強度の紫外線照射は光学カメラの視覚映像を取得する能力を圧倒してしまう。

特許文献１は、ダイヤモンド表面の三次元寸法トポグラフィー測定情報を得るために、非接触式レーザープロフィロメータ（ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｅｒ）の使用を提案している。測定された情報は望ましい仕様上の情報と比較される。続いて、アブレーションレーザーが、望ましい仕様に比べて厚すぎると特定された表面部分を切り取る。切り取られた表面は次いで、レーザープロフィロメータで走査されて、今や表面が望ましい厚みの仕様を満足するかどうかを決定する。切り取り及び走査は、表面が望ましい仕様に合うまで、連続して繰り返される。特許文献１には、プロフィロメータ及びアブレーションシステムが一般的なレーザー装置を使用することができるとさらに述べている。

このように当技術分野には、リアルタイムで部品の寸法データを取得し、この取得された寸法データを仕様上の寸法データと比較し、部品の表面を決定された溶接パターンに基づいて構築するための溶接パターンを決定し、それによって溶接パターンが動的に決定され、溶接行程中に生じる過渡変化に応じて調整される、タービン部品のレーザークラッディングシステム及び方法に対する必要がある。そのような過渡変化の例は、それに限られるわけではないが、部品の熱歪、部品の表面と溶接装置との移動及び／又は位置合わせ不良、誤った溶接経路、又は溶接工程中の溶接欠陥（例えば、ボイド及び／又は割れ）の生成を含む。

当技術分野には、リアルタイムで引き続く溶接後の部品表面の測定を行い、溶接後の表面測定のデータが、望ましい仕様上の寸法データ及び／又は溶接品質（例えば、溶接表面にボイド及び／又はマイクロクラックがないこと）と一致しているかどうかを決定する、タービン部品のレーザークラッディングシステム及び方法に対する別の必要がある。この必要を満足させるため、システム又は方法は、好ましくは溶接後測定及び／又は検査をリアルタイムのフィードバックループに組み込み、溶接工程を動的に調整し、それによって溶接表面が望ましい仕様と一致して形成される。

当技術分野には、リアルタイムで若しくは連続的に寸法データを取得し、取得された寸法データを仕様上のデータと比較し、部品の表面を決定された溶接パターンに基づいて構築するための溶接経路及び溶接工程を決定し、溶接レーザーからフィラー材料及び基材に、フィラー材料を基材にフィラー層として融合させる光エネルギーを移送することによって基材に熱的劣化を生じさせないで溶接を行う、タービン部品のレーザークラッディングシステム及び方法に対するさらなる必要がある。この熱的劣化を避ける必要を満足させるため、システム及び方法は、好ましくは部品の表面トポロジーに基づいて光エネルギー移送を変化させる。

当技術分野には、煙った状況及び／又は紫外線照射がレーザー溶接工程中に生じたとしても、またデータの取得がリアルタイムであろうと、レーザー溶接工程と連続してであろうと、寸法データを取得する、タービン部品のレーザークラッディングシステム及び方法に対するまた別の必要がある。

米国特許第５５０４３０３号明細書

したがって、１つの目的は、リアルタイムで部品の寸法データを取得し、この取得された寸法データを仕様上の寸法データと比較し、部品の表面を決定された溶接パターンに基づいて構築するための溶接パターンを決定し、それによって溶接パターンが動的に決定され、溶接行程中に生じる過渡変化に応じて調整される、タービン部品のレーザークラッディングシステム及び方法を創造することである。そのような過渡変化の例は、それに限られるわけではないが、部品の熱歪、部品の表面と溶接装置との移動及び／又は位置合わせ不良、誤った溶接経路、又は溶接工程中の溶接欠陥（例えば、ボイド及び／又は割れ）の生成を含む。

また別の目的は、リアルタイムで引き続く溶接後の部品表面の測定を行い、溶接後の表面測定のデータが、望ましい仕様上の寸法データ及び／又は溶接品質（例えば、溶接表面にボイド及び／又はマイクロクラックがないこと）と一致しているかどうかを決定する、タービン部品のレーザークラッディングシステム及び方法を創造することである。そのようなシステム又は方法は、好ましくは溶接後測定及び／又は検査をリアルタイムのフィードバックループに組み込み、溶接工程を動的に調整し、それによって溶接表面が望ましい仕様と一致して形成される。

さらなる目的は、リアルタイムで若しくは連続的に寸法データを取得し、取得された寸法データを仕様上のデータと比較し、部品の表面を決定された溶接パターンに基づいて構築するための溶接経路及び溶接工程を決定し、溶接レーザーからフィラー材料及び基材に、フィラー材料を基材にフィラー層として融合させる光エネルギーを移送することによって、基材に熱的劣化を生じさせないで溶接を行う、タービン部品のレーザークラッディングシステム及び方法を創造することである。この熱的劣化を避ける必要を満足させるため、システム及び方法は、好ましくは部品の表面トポロジーに基づいて光エネルギー移送を変化させる。

また別の目的は、煙った状況及び／又は紫外線照射がレーザー溶接工程中に生じたとしても、また、データの取得がリアルタイムであろうと、レーザー溶接工程と連続してであろうと、寸法データを取得する、タービン部品のレーザークラッディングシステム又は方法を創造することである。

これらの及び別の目的は本発明のレーザークラッディングシステム及び方法によって達成され、経年劣化した超合金製タービンブレード及びベーンのようなタービンの部品は、レーザービーム溶接によってクラッドされる。クラッディングの適用プロファイルを含む溶接／クラッディング経路は、事前の、好ましくはリアルタイムの部品の非接触式三次元寸法走査（３Ｄ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ）及び得られた寸法走査データと、部品に対する仕様上の寸法データと、の比較によって決定される。走査された部品をクラッドしてその寸法を仕様上の寸法データに合わせるための溶接経路が決定される。レーザー溶接装置は、好ましくはクラッディングフィラー材料分配装置と協働して溶接経路を実行して、望ましいクラッディングプロファイルを適用する。いくつかの実施形態では、溶接された部品の溶接後非接触式三次元寸法走査が行われ、溶接後走査寸法データが仕様上の寸法データと比較される。好ましくは、溶接経路及び／又はクラッディングプロファイルの適用は、溶接前及び／又は溶接後の三次元寸法走査によるフィードバックループにおいて動的に変更される。この好ましい例示の方法においては、溶接パターン（経路及び／又はプロファイル）は動的に決定され、溶接工程中に生じる過渡変化に応じてリアルタイムで調整される。そのような過渡変化は、それに限られるわけではないが、部品の熱歪、部品の表面と溶接装置との移動及び／又は位置合わせ不良、誤った溶接経路、又は溶接工程中の溶接欠陥（例えば、ボイド及び／又は割れ）の生成を含む。本発明の実施形態は、煙った状況及び／又は紫外線照射がレーザー溶接工程中に生じたとしても、また、データの取得がリアルタイムであろうと、レーザー溶接工程と連続してであろうと、寸法データを取得する。

本発明の実施形態は、基材とフィラー層を有する表面とを有するタービン部品をクラッドするためのシステムを特徴とし、このシステムは、その上にタービン部品の基材を受け取るための作業台装置を含む。また、このシステムは、タービンの部品の基材の表面を走査し、部品の寸法データを取得するためのレーザープロフィロメータ装置を有する。このプロフィロメータ装置は、光エネルギーをタービン部品表面に反射させるための走査レーザービームを生成する走査レーザー；走査レーザービームを基材表面に方向づけるための、走査レーザービームを遮断する少なくとも１つの可動走査ミラー；及び、レーザーとミラーとの間の相対的移動を生じさせるための、走査レーザー及び少なくとも１つの可動走査ミラーに取りつけられた、レーザープロフィロメータ装置の駆動システムインターフェース；を有している。このシステムは、フィラー材料を部品の基材上に導入するためのクラッディング用フィラー材料分配装置をさらに有し、この装置は、フィラー材料を溶接パターンとして適用された構築用フィラー層として基材に融合させる光エネルギーを、タービン部品の基材及び基材上のフィラー材料に移送するためのレーザー溶接装置を含んでいる。溶接装置は、光エネルギーを移送するための溶接レーザービームを生成する溶接レーザー；レーザービームを基材上に方向づけるための、溶接レーザービームを遮断する少なくとも１つの溶接用可動ミラー；及び、溶接レーザー及び少なくとも１つの溶接用可動ミラーに取りつけられた、ミラーとレーザーとの間に相対的な移動を生じさせるための溶接レーザー装置駆動システムインターフェースを有する。駆動システムは、作業台、プロフィロメータ、クラッディング用フィラー材料分配装置、レーザー溶接装置、及びこれらそれぞれの駆動インターフェースに、これら装置を作動させ、それらの間に制御された相対的な移動を与えるために動作的に結合している。制御システムは、レーザープロフィロメータ装置で部品の寸法データを取得し、取得された寸法データを部品の仕様上の寸法データと比較するために、上述した装置及びそれらの駆動インターフェースそれぞれに動作的に結合されている。データの比較に基づいて、コントローラは、部品の基材表面部分をクラッディングして溶接された部品の寸法を仕様上の寸法データに合わせるように、フィラー導入量及び／又は溶接パターンそれぞれを決定する。コントローラは、部品の基材をクラッドするために、フィラー装置及びレーザー溶接装置にそれらそれぞれのパターンを実行させる。

本発明の他の実施形態は、基材とフィラーをその上に有する表面とを有するタービン部品をクラッドするためのシステムを特徴とし、その上にタービン部品の基材を受け取るための、作業台インターフェースを有する作業台装置、及びタービン部品の基材の表面をリアルタイムで走査して部品の寸法データを取得するためのレーザープロフィロメータ装置を含む。プロフィロメータは、光エネルギーをタービン部品表面に反射させるための走査レーザービームを生成する走査レーザー；走査レーザービームを基材表面に方向づけるための、走査レーザービームを遮断する少なくとも１つの可動走査ミラー；及び、レーザーとミラーとの間の相対的移動を生じさせるための、走査レーザー及び少なくとも１つの可動走査ミラーに取りつけられた、レーザープロフィロメータ装置の駆動システムインターフェース；を有している。また、このシステムは、フィラー材料を部品の基材上に導入するためのクラッディング用フィラー材料分配装置をさらに有し、この装置は、分配開口を画定する外面と、その中にフィラー材料を保持するように設けられた、分配開口に連通する内部チャンバと、を有する分配装置ハウジング；分配開口を通じて内部チャンバからフィラー材料を選択的に供給するように設けられた供給機構；及び、分配開口を通じて内部チャンバからフィラー材料を選択的に供給するための、供給機構に結合した供給機構駆動システムインターフェースを有する。また、このシステムは、フィラー材料を溶接パターンとして適用された構築用フィラー層として基材に融合させる光エネルギーを、タービン部品の基材及び基材上のフィラー材料に移送するためのレーザー溶接装置を有する。溶接装置は、光エネルギーを移送するための溶接レーザービームを生成する溶接レーザー；レーザービームを基材上に方向づけるための、溶接レーザービームを遮断する少なくとも１つの溶接用可動ミラー；及び、溶接レーザー及び少なくとも１つの溶接用可動ミラーに取りつけられた、ミラーとレーザーとの間に相対的な移動を生じさせるための溶接レーザー装置駆動システムインターフェース；を有する。駆動システムは、作業台、プロフィロメータ、クラッディング用フィラー材料分配装置、レーザー溶接装置、及びこれらそれぞれの駆動インターフェースに、これら装置を作動させ、それらの間に制御された相対的な移動を与えるために動作的に結合している。制御システムは、レーザープロフィロメータ装置で部品の寸法データをリアルタイムで取得し；取得された寸法データを部品の仕様上の寸法データとリアルタイムで比較する；ために、上述した装置及びそれらの駆動インターフェースそれぞれに動作的に結合されている。データの比較に基づいて、コントローラは、部品の基材表面部分をクラッドして溶接された部品の寸法を仕様上の寸法データにリアルタイムで合わせ；部品の基材をクラッドするために、フィラー装置及びレーザー溶接装置にそれらそれぞれのパターンをリアルタイムで実行させる；ように、フィラー導入量及び溶接パターンそれぞれを決定する。

本発明の他の実施形態は、基材とフィラーをその上に有する表面とを有するタービン部品をクラッドするためのシステムを特徴としている。このシステムは、その上にタービン部品の基材を受け取るための、動作制御システムによって駆動される、作業台インターフェースを有する可動な作業台装置を有する。このシステムは、タービン部品の基材の表面をリアルタイムで走査して、部品の寸法データを取得するためのレーザープロフィロメータ装置を有する。プロフィロメータ装置は、光エネルギーをタービン部品表面に反射させるための走査レーザービームを生成する走査レーザー；走査レーザービームを基材表面に方向づけるための、走査レーザービームを遮断する少なくとも１つの可動走査ミラー；及び、レーザーとミラーとの間の相対的移動を生じさせるための、走査レーザー及び少なくとも１つの可動走査ミラーに取りつけられた、レーザープロフィロメータ装置の駆動システムインターフェース；を有している。このシステムは、フィラー材料を部品の基材上に導入するためのクラッディング用フィラー材料分配装置をさらに含み、この装置は、分配開口を画定する外面と、その中にフィラー材料を保持するように設けられた、分配開口に連通する内部チャンバと、を有する分配装置ハウジングをさらに含む。供給機構が、分配開口を通じて内部チャンバからフィラー材料を選択的に供給するように設けられている。供給機構駆動システムインターフェースが、分配開口を通じて内部チャンバからフィラー材料を選択的に供給するために、供給機構に結合している。レーザー溶接装置は、フィラー材料を溶接パターンとして適用された構築用フィラー層として基材に融合させる光エネルギーを、タービン部品の基材及び基材上のフィラー材料に移送する。この溶接装置は、光エネルギーを移送するための溶接レーザービームを生成する溶接レーザー；レーザービームを基材上に方向づけるための、溶接レーザービームを遮断する少なくとも１つの溶接用可動ミラー；及び、溶接レーザー及び少なくとも１つの溶接用可動ミラーに取りつけられた、ミラーとレーザーとの間に相対的な移動を生じさせるための溶接レーザー装置駆動システムインターフェース；を有する。このシステムでは、クラッドされたタービン部品の基材の表面を走査して溶接後の部品の寸法データを取得するために、第２のレーザープロフィロメータ装置がレーザー溶接装置の下流に方向づけられている。駆動システムは、作業台、プロフィロメータ、クラッディングフィラー材料分配装置、レーザー溶接装置、及びこれらそれぞれの駆動インターフェースに、これら装置を作動させ、それらの間に制御された相対的な移動を与えるために動作的に結合している。また、制御システムは上述した装置及びそれらの駆動インターフェースそれぞれに動作的に結合されて、レーザープロフィロメータ装置で部品の寸法データをリアルタイムで取得し；取得された寸法データを部品の仕様上の寸法データとリアルタイムで比較し；寸法データの比較に基づいて、溶接された部品の寸法を仕様上の寸法データにリアルタイムで合わせるように、部品の基材表面部分をクラッドするためのフィラー導入量及び溶接パターンそれぞれを決定し；部品の基材をリアルタイムでクラッドするために、フィラー装置及びレーザー溶接装置にそれらそれぞれのパターンをリアルタイムで実行させ；溶接後の部品の寸法データを部品の仕様上の寸法データと比較する。この比較に基づいて、コントローラはフィラーの導入量及び／又は部品の基材表面部分をクラッドするための溶接パターンそれぞれを修正して、溶接された部品の寸法を仕様上の寸法データにリアルタイムで合わせる。

目的及び特徴は当業者によって、ここに記載された他の特徴を含む、いずれかの組み合わせ又は下位の組み合わせ（ｓｕｂ−ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）で、一緒に又は別々に適用され得る。

本発明の教示は、添付の図面に関連する以下の詳細な説明を考慮することによって容易に理解することができる。

超合金製タービンブレードを溶接するタービン部品溶接システムの一実施形態の側面図である。 タービン部品溶接システムが超合金製タービンブレードを溶接する場合の、図１の２−２に沿って描かれた平面図である。 裸ブレード、レーザービームの上流でブレード上に堆積したフィラー材料、レーザービーム内で盛んにクラッドされている部分、及びレーザービームの下流の溶接後の堆積物を含む溶接ゾーンを示す、図２Ａの超合金製タービンブレードの詳細な平面図である。 クラッドされる部品のための作業台、溶接前用走査型レーザープロフィロメータ、レーザー溶接システム、フィラー材料分配装置、及び溶接後用走査型レーザープロフィロメータを組み込んでいる、自動化されたレーザークラッディングシステムの例示の実施形態の図である。 図３のクラッディングシステムの例示的な多層レーザー溶接のラスタパターンを示す図である。 レーザー溶接システムのビームがラスタパターンの溶接経路を走査する前に、フィラー材料を基材上に分配する、図３のフィラー材料分配装置の側面図である。 レーザー溶接システムのビームがラスタパターンの溶接経路を走査する前に、フィラー材料を基材上に分配する、図３及び図５のフィラー材料分配装置の平面図である。 フィラー材料を、レーザー溶接システムのビームがラスタパターンの溶接経路の第１幅を走査する前に、基材表面領域に亘ってフィラー材料を分配するフィラー材料分配装置の実施形態の軸方向断面図である。 フィラー材料を、レーザー溶接システムのビームがラスタパターンの溶接経路の、図７に示す幅より狭い第２幅を走査する前に、基材表面領域に亘ってフィラー材料を分配するフィラー材料分配装置の実施形態の軸方向断面図である 選択的にサイズ可変の分配開口を有するフィラー材料分配装置の別の例示的な実施形態の部分断面図である。 基材表面に適用されるフィラー材料の組成を選択的に変化させるための複数のフィラー材料用ホッパ又はビンを有するフィラー材料分配装置の別の例示的実施形態の部分断面図である。 三次元走査及び溶接のための共通のレーザー源を共有する、走査型レーザープロフィロメータ及びレーザー溶接システムを示す図である。 どちらのレーザービームを溶接工程中に使用するかを選択的に変えるための、光ファイバー管のコア及び外側クラッド光学層に、光学的に結合した異なる複数のレーザー源を有する、レーザー溶接システムの入れ子式の光ファイバー管及び可変焦点レンズを示す図である。

理解を容易にするために、同一の参照符号が、可能な範囲で、図面に共通な同一の要素を示すために使用された。

以下の説明を考慮した後には、当業者は、本発明の教示が、経年劣化した超合金製タービンブレード及びベーンなどのタービン部品がレーザービーム溶接によってクラッドされるレーザークラッディングシステム若しくは方法において、容易に使用できることを明確に理解するだろう。クラッディング適用プロファイルを含む溶接／クラッディング経路は、事前の、好ましくはダイナミックかつリアルタイムの部品の非接触式三次元寸法走査及び得られた寸法走査データの、部品に対する仕様上の寸法データとの比較によって決定される。走査された部品をクラッドしてその寸法を仕様上の寸法データに合わせるための溶接経路が決定される。レーザー溶接装置は、好ましくはクラッディング用フィラー材料分配装置と協働して、望ましいクラッディングプロファイルを適用するように溶接経路を実行する。

ここに説明されるいくつかの実施形態では、溶接された部品の溶接後非接触式三次元寸法走査が行われ、溶接後走査寸法データが仕様上の寸法データと比較される。好ましくは、溶接経路及び／又はクラッディングプロファイルの適用は、溶接前及び／又は溶接後の三次元寸法走査によるリアルタイムフィードバックループにおいて動的に変更される。この好ましい例示の方法では、溶接パターンは動的に決定され、溶接工程中に生じる過渡変化に応じてリアルタイムに調整される。そのような過渡変化の例は、それらに限られるわけではないが、部品の熱歪、部品の表面と溶接装置との移動及び／又は位置合わせ不良、誤った溶接経路、又は溶接工程中の溶接欠陥（例えば、ボイド及び／又は割れ）の生成を含む。

溶接工程は、溶接レーザーからフィラー材料及び基材に、フィラー材料を基材にフィラー層として融合させる光エネルギーを移送することによって基材に熱的劣化を生じさせないで行われる。ここに説明される実施形態において、部品基材の熱的劣化は、部品の表面トポロジーに基づいて光エネルギー移送を変化させ、それによって均一なエネルギーを基材とフィラー材料とに移送することによって避けられる。本発明の実施形態では、均一なエネルギー移送は：基材と溶接レーザービームとの相対的な移動速度を変化させること；レーザーの出力を変化させること；溶接ビームと基材とを互いに対してラスタすること（ｒａｓｔｅｒｉｎｇ）；基材と溶接レーザービームとを溶接パターン経路に沿って互いに対して並進させ、周期的にオシレーションさせること；フィラー材料の組成、投入量、又は分散パターンを変えること；クローズドフィードバックループの制御システムによってエネルギー移送をモニターし、モニターされたエネルギー移送に基づいてエネルギー移送の量を変化させること；のうちの１つ以上によって溶接工程中に達成することができる。本発明の実施形態は、煙った状況及び／又は紫外線照射がレーザー溶接工程中に生じたとしても、またデータの取得がリアルタイムであろうと、レーザー溶接工程と連続してであろうと、寸法データを取得する。

自動化されたレーザークラッディングシステム１５の例示の実施形態が図１、２Ａ、及び２Ｂに示されている。超合金製タービンブレード２０のようなタービンの部品は、経年劣化し、破線で示した、新しいブレードの望ましいブレード翼端の仕様上の寸法２０_Ｓに比べて、摩耗した翼端表面２０_Ａを有する。より具体的に図２Ｂでは、溶接レーザービームのオシレーティングスキャン（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ ｓｃａｎ）６８０の上流のブレード翼端スキーラー（ｓｑｕｅａｌｅｒ）２０_Ａの部分は、仕様上の幅ｄ_Ｓより狭い測定された幅寸法ｄ_Ａを有する。摩耗した翼端表面２０_Ａに堆積した紛体フィラーＦは、溶接レーザービームのオシレーティングスキャン６８０によって部品の基材の翼端表面に融合する。ビーム６８０の連続的なラスタされるレーザー溶接の通過は、横方向に結合した堆積物２１〜２３を形成して、仕様上の幅ｄ_Ｓよりわずかに広い幅ｄ_Ｄを有する連続的なフィラー層堆積物Ｄを形成する。通常は、ブレードの十分な溶接後検査の後に、過剰な幅が、グラインディングのような既知の金属加工工程によって除去される。矢印Ｗは、基材２０に対するレーザービーム６８０の移動方向を示す。当然、基材のレーザービーム６８０に対する移動方向は、矢印Ｗとは対向する方向となる。好ましい実施形態においては、レーザー溶接工程は、方向Ｗの規定された経路に沿って、連続的にかつダイナミックにリアルタイムで行われる。

図３（並びに図４及び図５に示す相応する詳細）は、クラッドされる部品の基材２０のための作業台３０、溶接前用走査型レーザープロフィロメータ５０、レーザー溶接システム６０、フィラー材料分配装置７０、及び任意の溶接後用走査型レーザープロフィロメータ８０を組み込んだ、自動化されたレーザークラッディングシステム１５の例示の実施形態の図である。より具体的には、クラッディングシステム１５は、タービンブレード２０又は他のタービン用部品の基材が固定される作業台３０を含む。任意の作業台の動作制御システム３５は、示されたＸ、Ｙ、Ｚ座標又はいずれかの他の単軸座標系若しくは多軸座標系において作業台３０を移動させるのに使用される。破線で示されている（図１）クラッディングシステムのガントリー４０は、任意にガントリー動作制御システム４５に結合されて、示されたＸ、Ｙ、Ｚ座標又はいずれかの他の単軸座標系若しくは多軸座標系において作業台３０を移動させるのに使用される。動作制御システム４５若しくは３５の一方又は両方は、ガントリー４０と基材２０との間の相対的動きを伝えるように使用され、それによって溶接クラッドパターンを基材表面に形成することができる。

ガントリー４０は、基材２０の三次元データを取得するための溶接前非接触式レーザープロフィロメータ５０、溶接レーザービーム６８０を生成するレーザー溶接装置６０及び、溶接レーザービームによる結果的な融合が凝固した堆積物Ｄを形成するために、選択的に基材表面上にフィラーＦを選択的に堆積させるためのフィラー材料分配システム７０を含む。任意の溶接後非接触レーザープロフィロメータ８０は、溶接後の寸法データを取得する。クラッディングシステム１５は、制御装置９０の制御の下で作動し、制御装置９０は、好ましくは人間の作業者による溶接装置及びその溶接法のモニター、指示、及び変更のためのヒューマン・マシン・インターフェース（ＨＭＩ）を有する。フィラー分配システム７０の構成及び作動は、すでに参照された米国特許出願第１３／６１１，１４４号に記載されている。フィラー材料分配装置７０は、既知のクラッディングシステム及び方法によってであろうと、レーザーシステム６０及び方法によって行われる多次元のラスタされた連続的な溶接パターンによってであろうと、フィラー材料の溶接パターン経路の全体に亘る均一な分配を容易化し、レーザーシステム６０及び方法は既に参照された米国特許出願第１３／６１１，０３４号に記載されている。

図１及び図３は、ガントリー４０、レーザー溶接装置６０、及びフィラー材料分配装置７０を図示している。溶接装置６０は米国特許出願第１３／６１１，０３４号に開示されているタイプの連続経路溶接レーザークラッディング装置である。図２Ａに示されるように、クラッディングシステム１５は、超合金材料製タービンブレード又はベーンのようなタービン用部品の基材２０が固定される作業台３０を含む。任意の作業台の動作制御システム３５は、示されたＸ、Ｙ、Ｚ座標又はいずれかの他の単軸座標系若しくは多軸座標系において作業台３０を移動させるのに使用される。フィラー材料分配システム７０は、基材２０の表面を多次元の（ここでは二次元）パターンで溶接して、溶接装置６０のラスタパターンに合わせるのに好適な粉状フィラー材料Ｆを投入する。例えば、基材が超合金である場合には、フィラー材料は、同じ又は適合性を有する合金であることが多い。分配システム７０のフィラー材料の供給量は、電気モータ駆動とすることができるフィラー駆動システム７３５によって制御される。分配システム７０は、供給されたフィラー材料粉の適用領域を基材２０に対して動かすための、それ自身の独立した動作制御システム７３６を有することができる。フィラー材料分配システム装置７０の構成は、レーザー溶接装置６０の一般的な以下の説明により詳細に記載される。

溶接装置６０は、任意の可変焦点ｄＦレンズシステム６４１又は基材２０の表面及びフィラー材料Ｆを加熱するためのレーザービーム６８０の光学エネルギー源を提供する出力ｄＰを有するレーザー６４０を有する。また、溶接システム６０は、駆動部６６２、６６４、及び６６６それぞれの制御の下で、傾斜Ｔ、パン（ｐａｎ）Ｐ、回転Ｒとして示された短軸動作又は複数軸動作が可能なミラー６６０を有する可動ミラーシステム６５０を有する。駆動部６６２、６６４、及び６６６は、既知の電動構成の動作制御システムの一部とするか、又は既知の制御装置９０の制御の下にある既知のガルバノメータに組み込むことができる。代替的に、ビームは一軸動作を有する複数のミラーによって遮断することができ、よって上述の軸動作のそれぞれを達成することができる。

制御装置９０は、スタンドアローンの制御装置、プログラマブルロジックコントローラ、又はパーソナルコンピュータとすることができる。また、制御装置９０は、作業台３０の作動制御システム３５、ガントリー４０の作動制御システム４５、紛体フィラー材料分配システム７０の駆動装置７３５、及び／又は任意の紛体フィラー材料分配システムの駆動動作制御システム７３６、及び／又はレーザー６４０の可変焦点ｄＦ及び／又は出力ｄＰのうちの１つ以上を制御することができる。制御装置９０を有する既知の開及び／又は閉フィードバックループを、駆動装置３５、４５、７３５、７３６、６６２〜６６６、ｄＦ又はｄＰに関連させることができる。また、基材及びフィラーへのレーザービームの光エネルギー移送を閉フィードバックループでモニターし、それによって制御装置がモニターされたエネルギー移送速度に基づいてエネルギー移送速度を変化させることもできる。ヒューマン・マシン・インターフェース（ＨＭＩ）を、溶接作業のモニター及び／又は溶接作業を実施するためのインストラクションに使用することができる。

溶接システム６０を作動するときに、レーザー６４０の出力ビーム６８０はミラー６６０（又は複数のミラー）に反射し、次いで部品の基材２０上に達し、光エネルギーを基材とフィラー材料Ｆとに移送する。基材とフィラー材料Ｆとの両方は移送された光エネルギーを吸収し、フィラー材料を溶融させ、基材表面を濡らし、溶融したフィラーと基材表面とを互いに融合して、凝固した堆積物Ｄを形成する。図３及び図４を参照すると、基材２０とレーザービーム６８０とは、作業台の駆動システム３５、ガントリー駆動システム４５、及び／又は可動ミラーシステム６５０の駆動部６６２、６６４、６６６のうちの１つ以上に関与するコントロールシステム９０によって、互いに対して並進経路に沿って移動し、連続して溶接されたクラッド層又は堆積物Ｄを形成する。可動なミラーシステム６５０が商業的に入手可能なレーザーガルバノメータに組み込まれる場合には、基材２０とレーザービーム６８０との間の相対的動作及びレーザーの光エネルギーの移送量を、ガルバノメータのミラー６６０（又は複数のミラー）を並進及びオシレーション（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）に対して動かすことによって変えることができる。レーザービーム６８０と基材２０／フィラー材料Ｆとの間の相対的な動きは、既知のオシレーションしないレーザークラッディングシステムでは不可能である融合の均一性のために連続的に溶融した溶接線を並進動作の前縁に維持する（例えば、図４及び図５における溶接ライン２１の右側前縁）。

ビームの焦点領域で吸収される溶接レーザー６８０の光エネルギーは、集束維持時間に比例して変化する。限定されない例によって、レーザービーム６８０の集束維持時間及び比例する吸収されるエネルギーは、以下のように変化することができる。（ｉ）レーザービーム６８０は、溶接並進経路２１に対して平行に、又は側部から側部へ横断的にオシレーションさせることができる；（ｉｉ）オシレーション速度又は並進速度を変えることができる；及び（ｉｉｉ）レーザー出力強度ｄＰ又は焦点ｄＦは、連続的に又はパルス変調によって変化させることができる。このように、レーザービーム６８０の集束維持時間の比率を動的に変えることによって、基材及びフィラーＦへのエネルギー移送量は、溶接ラインの並進経路に沿って変化し、それによって一様なエネルギーの移送が、局所的なトポグラフィーの変化にかかわらず、溶接部全体で維持される。

図３及び図４に示すように、クラッド層は単一のラスタされた直線の溶接部２１又は複数の隣接する直線の溶接部２１、２２、及び２３の二次元の溶接部の配列を備えることができる。パスそれぞれに対する並進方向は、図示のように連続して反転される。パスそれぞれに対するオシレーション方向は、パス２１、２２、２３それぞれに対して２１１、２２１、及び２３１のように、並進方向に対して完全に横断方向とすることができる。前のパスの側部に対するオシレーションの持続時間は、融合を確実とするように増加させることができる。複数のクラッド層を、図４の連続的に並べられた方向（Ｗ_Ｉ、Ｗ_ＩＩ、Ｗ_ＩＩＩ）における連続して交互にされた層によって互いの上に適用するか、又は、並進の方向を、左から右への並進から、左から右に対して９０℃に変えることによって適用することができる。これら多次元のラスタパターンのすべては、レーザービームの焦点をフィラー材料及び基材上に合わせる前若しくはそれと同時の基材表面上へのフィラー材料の均一な分配を必要とする。フィラー分配システム７０は、特定のクラッディング作業に対して要求される様々なサイズの、多次元の溶接パターンの「フットプリント」上へのフィラー材料の均一な分配を容易にする。

図５及び図６では、フィラー材料分配システム７０が，紛体状フィラー材料Ｆを、レーザービーム６８０が図４の矢印の方向に並進経路２１の方向及びオシレーション経路２１１の方向にパターンをラスタするのに先立って分配している。この実施形態では、フィラー分配システム７０は、レーザービーム６８０と歩調を合わせて矢印Ｗの方向に動いている。代替的に、レーザービーム６８０とフィラー材料分配システム７０とは、互いに対して固定された位置に保持されて、一方で基材２０が矢印Ｗとは反対方向に動かされてもよい。

また、図５は既知のレーザープロフィロメータ５０及び８０内の主要な部品の詳細な構成を示しており、それはレーザー溶接システム６０と同様の機能を果たす。プロフィロメータ５０、８０それぞれは、対応するレーザー源５４０、８４０、制御装置の制御の下で対応するレーザー源によって生成されたレーザービームの方向を変えるように操作される可動鏡５５０、８５０、及び検出器５６０、８６０を有している。好ましくは、プロフィロメータ５０、８０のそれぞれは、それらそれぞれの検出器５６０、８６０それぞれに関連する既知の構成の光学フィルタ５７０、８７０を有する。光学フィルタ５７０、８７０は、レーザー溶接中に生成した反射電磁周波数範囲の周波数を除去して、検出器のノイズを減少させる。既知の光学フィルタは、プロフィロメータの走査データの処理の前に、検出器の出力周波数を除去する、コーティングされたレンズ又は電気光学的フィルタのような機械光学的フィルタリング装置を備えることができる。

フィラー材料分配システム７０の例示の実施形態が図７〜１０に示されている。分配システム７０は、（ここでは筒状の）ハウジング７１０を有し、ハウジング７１０は、内部空洞７２０及び複数のフィラー材料分配開口７３１〜７３６（以下、「開口」と称する）を形成し、この開口を通じてフィラー材料が排出される。この例示の実施形態においては６つの開口が示されているが、それらの配列パターン及びサイズは、望ましいフィラー材料分配パターンを提供するために選択的に変えられる。開口の配列パターンは、例えば図７〜１０に示すように直線パターンとすることができ、又はいずれかの望ましい多角形状パターン、例えば長方形状、台形状等とすることができる。回転するオーガ７４０の機械的供給機構は、ハウジング７１０に取り付けられているとともに、フィラー材料の軸方向流れに対する境界を設定する前部シール部７４２及び後部シール部７４４を有する。このように、フィラー分配流の幅は開口７３１及び７３６の最大散布である。オーガ７４０は、制御装置９０の制御の下で、分配駆動システム７３５によって回転させられ、フィラー材料を供給ホッパ７５０から開口の配列７３１〜７３６へ、加圧ガスの支援無しに、又は代替的に望ましい若しくは許容できる、フィラー材料の分配パターンを乱さない限られた量の加圧ガスの支援によって移送される。不活性ガスが依然として溶接工程における酸化からの絶縁のために必要とされる場合があるが、そのガスは独立して、例えば溶接用隔離チャンバ内に供給することができる。代替的に、溶接フラックスをフィラー金属紛と混合することができ、又はそのような遮蔽機能を提供するために独立して供給することができる。加圧ガスの支援無しのフィラーの供給は、ガスの渦流がフィラー材料の分配の均一性を損なわせるか、又はフィラーの凝集を生じさせる可能性を排除する。フィラー材料の供給量は、オーガ７４０の回転速度を変化させることによって、変えることができる。総供給量は、分配開口７３１〜７３６の寸法（後述される）又はオーガのスレッド（ｔｈｒｅａｄ）パターンを変化させることによって、変えることができる。

フィラー分配システム７０の供給幅は、オーガ７４０のハウジング７１０内の軸位置を変化させることによって選択的に変えることができる。図７と図８を比較すると、供給幅は、１つ以上の開口７３１、７３２をオーガ７４０から分離することによって狭くなっている。また、フィラー材料の分配量は、図９に示すように、分配開口のサイズを変化させることによって変えることもできる。ここでは、開口７６１、７６２・・・を有するオリフィス板が、ハウジングの対応する大きな開口７３１、７３２・・・を覆っている。他の開口のサイズを変える、限定されない例による個々のスレッドオリフィス及び調整可能なシャッタを含む既知の機構でオリフィス板を置き換えることもできる。

図１０は、複数のホッパ７５０Ａ、７５０Ｂ、７５０Ｃに保持された異なるフィラー材料の選択的な排出を容易にする、フィラー分配システム７０の代替的な実施形態を示し、ホッパ７５０Ａ、７５０Ｂ、７５０Ｃはそれぞれ個々に、排出弁７５１Ａ〜Ｃによって連通している。排出弁は、フィラー材料をハウジング中に、制御装置９０の制御の下で選択的に放出する。

図１１の代替的実施形態では、２つ以上のレーザー溶接装置又はレーザープロフィロメータ５０、８０が共通のレーザー源６４０を共有し、このレーザー源６４０の出力ビームは、２つ以上の可動ミラーシステム５５０、６５０、８５０によって反射される。レーザー源及びその焦点調節システム６４１は、レーザーのスポット及び／又は方向を、多重化する、焦点調節する、及び再設定するために、コントロールシステム９０に動作的に結合したレーザー駆動システム６４２を組み込むことができる。代替的に、コントロールシステム９０に動作的に結合した可動ミラーシステム５５０、６５０、８５０は、レーザービームの方向を多重化するか、又は再設定するために使用することができる。共有されたレーザー源の周波数、出力、スポットサイズ、変調等は、溶接ビーム又は寸法操作ビームとしてのその特定の用途に対して選択的に変えることができる。クラッディングシステムが溶接前寸法走査、溶接、及び任意に溶接後寸法走査を順次に行う場合には、共通のレーザー源は３つすべての順次の機能のために使用することができる。リアルタイムで動的に使用できる走査システムの全ての共有レーザー源は、供給している装置の中で多重化されなければならない。

いくつかのクラッディング用途において、クラッディング作業の異なる部分に対して異なる溶接レーザービーム特性を使用するのが好ましい。例えば、レーザーパワー強度及び／又は周波数範囲の特性の第１のセットを裸基材の最初のクラッド層の堆積に対して最適化し、特性の第２のセットを最初の層上の次の堆積層に対して最適化することができる。特性の第３のセットは、異なる表面トポロジーに対して、例えば隣接する溶接ビードの端部境界線に沿って、最適とすることができる。溶接レーザーの出力特性を動的に再構成するよりむしろ、出力特性の特定のセットに対してそれぞれ構成された異なるレーザーを切り替えることがより好適である場合がある。図１２に示すように、レーザーの可変焦点レンズ６４１が、入れ子式の光ファイバー管６４３の出力端の前に挿入される。異なるレーザー源６４０Ａと６４０Ｂとが、どちらのレーザービームを溶接工程中に使用するかを選択的に変えるために、光ファイバー管のコア６４５及び外側クラッド光学層６４４に光学的に結合される。光学的コア６４５を通じて伝播されたレーザー源６４０Ｂからのレーザービームは、１つのタイプの溶接用途に使用される。同様に、レーザー源６４０Ａからのレーザービームは、外側クラッド光学層６４４を通じて他の溶接用途用に伝播される。

既知の光学カメラの寸法測定システムとは異なり、本発明の実施形態は、その取得がリアルタイムであろうと又はレーザー溶接工程に連続していようと、煙った状況及び／又はレーザー溶接工程中に生じた紫外線照射にも拘らず、寸法データを取得する。正確な高分解能の溶接前の三次元寸法データを高速で、煙った及び／又は反射された高い紫外線状況にも拘らず取得する能力は、既知の逐次的なレーザープロフィロメトリー及びレーザー切断システムに比べて、リアルタイムで動的に走査及び溶接する能力を大幅に容易化する。任意にリアルタイムでの溶接後の三次元寸法走査を加えることは、クラッディングシステムの機能的な特性（例えば、溶接経路、溶接プロファイル若しくはアプリケーション、及びフィラー材料の動的かつ選択的な分配）を動的に変える動的フィードバック制御システムの実現を容易化し、それによってクラッディングシステムは、溶接サイクル中の基材の特性の変化に応答することができる。

既に参照された米国特許出願第１３／６１１，０３４号明細書に、より十分に記載されているように、溶接工程は、フィラー材料を基材にフィラー層として、基材に熱的劣化を生じさせずに融合させる、溶接レーザーからの光エネルギーを、フィラー材料及び基材に移送することによって動的かつリアルタイムで制御されるのが好ましい。ここに記載された実施形態において、部品の基材の熱的な劣化は、部品の表面トポロジーに基づいて光エネルギーの移送を動的に変化させることによって回避され、それによって均一なエネルギーを基材及びフィラー材料に移送する。本発明の実施形態において、均一なエネルギーの移送は、基材と溶接レーザービームとの相対的な移動速度を変えること、レーザー出力を変えること、溶接レーザービーム及び基材を互いに対してラスタすること、基材と溶接レーザービームを溶接パターンの経路に沿って互いに対して並進させ、かつオシレーションさせること、レーザー出力を変調すること、フィラー材料の組成、フィラー分配システムによる導入量及び分散パターンを変えること、又は閉フィードバックループにおける制御システムによってエネルギー移送をモニターし、モニターされたエネルギー移送に基づいてエネルギー移送量を変えること、のうちの１つ以上によって溶接工程中に達成することができる。

本発明の教示を組み込んだ多くの実施形態がここに詳細に示され説明されてきたが、当業者であれば、これら教示をさらに組み込んだ他の多くの変形実施形態を容易に想到することができる。本発明は、発明の詳細な説明の記載された又は図面に図示された部品の構成及び配置の例示の実施形態の詳細の実施に限定されない。本発明は他の実施形態に適応でき、様々な方法で実践でき実施できる。また、ここで使用された表現及び用語は、説明の目的で使用されており、限定事項とはみなされてはならないことが理解される。「含む」、「備える」、又は「有する」並びにその変形のここでの使用は、それ以降に列挙された事項及びその同等のもの、及び追加の事項を包含することを意味する。別様に特定され限定されない限り、「取り付けられた」、「接続された」、「支持された」、及び「結合した」との用語、及びその変形体は広く使用されており、直接的及び間接的取り付け、接続、支持、及び結合を包含する。さらに、「接続された」及び「結合した」は、物理的または機械的な接続又は結合に限定されない。

１５ レーザークラッディングシステム
２０ 基材
２０_Ａ 摩耗した翼端の幅寸法表面
２０_Ｓ ブレード翼端の仕様上の幅寸法
３０ 作業台
４０ ガントリー４０
４５ ガントリー動作制御システム
５０ 溶接前用走査型レーザープロフィロメータ
６０ レーザー溶接システム
７０ フィラー材料分配装置
８０ 溶接後用走査型レーザープロフィロメータ
９０ 制御装置
６４０ レーザー
６８０ レーザービーム
７３５ フィラー駆動システム

Claims (20)

1. 基材と、フィラー層を設けられた表面と、を有するタービン部品をクラッドするためのシステムであって、
   作業台インターフェースを有する、前記タービン部品の基材をその上に受け取る作業台装置と、
   前記タービン部品の基材の表面を走査して部品の寸法データを取得するためのレーザープロフィロメータ装置であって、
   光エネルギーを前記タービン部品の表面に反射させるための走査レーザービームを生成する走査レーザー、
   前記走査レーザービームを前記基材の表面に方向づけるための、前記走査レーザービームを遮断する少なくとも１つの可動走査ミラー、及び
   前記走査レーザーと、前記少なくとも１つの可動走査ミラーとの間の相対的な移動を生じさせるために、前記走査レーザー及び前記少なくとも１つの可動走査ミラーに結合したレーザープロフィロメータ装置駆動システムインターフェース、
   を有するレーザープロフィロメータ装置と、
   フィラー材料を前記部品の基材上に導入するための、クラッディング用フィラー材料分配装置と、
   前記フィラー材料を溶接パターンとして適用された構築用フィラー層として前記基材に融合する光エネルギーを、前記タービン部品の基材と前記フィラー材料に移送するためのレーザー溶接装置であって、
   光エネルギーを移送するための溶接レーザービームを生成する溶接レーザー、
   前記レーザービームを前記基材に方向づけるための、前記溶接レーザービームを遮断する少なくとも１つの溶接用可動ミラー、及び
   前記溶接レーザーと、前記少なくとも１つの溶接用可動ミラーとの間に相対的な移動を生じさせるために、前記溶接レーザー及び前記少なくとも１つの溶接用可動ミラーに結合した溶接レーザー装置駆動システムインターフェース、
   を有するレーザー溶接装置と、
   前記作業台、前記レーザープロフィロメータ装置、前記クラッディング用フィラー材料分配装置、前記レーザー溶接装置、及びこれらそれぞれの駆動装置に作動的に結合した、これら装置を作動させ、それらの間に制御された相対的な動作を提供するための駆動システムと、
   前記装置及びそれらのそれぞれの駆動装置に動作的に結合した制御システムであって、
   前記部品の寸法データを前記レーザープロフィロメータ装置によって取得すること、
   取得された前記部品の寸法データを前記部品の仕様上の寸法データと比較すること、
   部品のデータと前記仕様上の寸法データとの比較に基づいて、溶接された部品の寸法を前記仕様上の寸法データに合わせるように、部品の基材の表面部分をクラッドするためのフィラー導入量及び／又は溶接パターンをそれぞれ決定すること、
   前記部品の基材をクラッドするために、前記フィラー装置及び前記溶接装置にそれらそれぞれのパターンを実行させること、
   のための制御システムと、
   を備える、タービン部品をクラッドするためのシステム。
2. 前記制御システムが、すべての機能をリアルタイムでモニターし、実行することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記溶接ビームより前に、フィラー材料を前記基材上に導入するように方向付けられた前記クラッディング用フィラー材料分配装置が、
   分配開口を画定する外面と、フィラー材料を中に保持するために設けられ、前記分配開口と連通する内部チャンバと、を有する分配装置ハウジング；
   フィラー材料を前記内部チャンバから前記分配開口を通じて選択的に供給するように設けられた供給機構；及び
   前記内部チャンバから前記分配開口を通じてフィラー材料を選択的に供給するための、前記供給機構に結合した供給機構駆動システムインターフェース；
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 前記クラッディング用フィラー材料分配装置が、
   配列状に配置された複数の分配開口と、
   前記供給機構駆動インターフェースに結合された、分配開口を内部チャンバ中のフィラー材料から選択的に分離するための分配開口分離機構と、
   前記供給機構駆動システムインターフェースに結合した、分配開口の寸法を選択的に変えるための開口調整機構と、
   をさらに備え、
   前記フィラー装置に、前記分配開口分離機構及び調整機構の作動を選択的に変化させ、かつ供給機構駆動システムインターフェースにフィラー導入パターンを実行させることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. 前記クラッディング用フィラー材料分配装置が、
   中にそれぞれフィラー材料を保持するための複数の内部チャンバと、
   前記供給機構駆動システムインターフェースに結合した、分配開口と内部チャンバそれぞれとの間の連通を選択的に確立するための内部チャンバ選択機構と、
   をさらに備え、
   前記制御システムが、前記フィラー装置に内部チャンバ選択機構の作動を選択的に変化させ、前記供給機構駆動システムインターフェースに、前記フィラー導入パターンにおけるフィラー材料の組成を変化させることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
6. 前記制御システムは、前記溶接レーザー及び前記溶接レーザー駆動システムインターフェースに、以下の制御機能：
   前記基材と前記溶接レーザービームとの相対的な移動速度を変化させること；
   溶接レーザー出力を変化させること；
   前記溶接レーザービームと前記基材とを互いに対して相対的にラスタスキャンすること；
   前記基材と前記溶接レーザービームとを前記溶接パターンの経路に沿って互いに対して並進させ、オシレーションさせること；
   前記溶接レーザーの出力を変調させること；
   フィラー材料の組成、導入量、又は分配パターンを変化させること；又は、
   前記制御システムによって、閉フィードバックループでエネルギー移送をモニターし、モニターされたエネルギー移送に基づいてエネルギー移送速度を変化させること；
   のいずれかによって前記基材に熱劣化を生じさせることなく、前記溶接パターンの全体に亘って前記基材に均一なエネルギー移送を維持させることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. クラッドされたタービン部品の基材の表面を走査し、溶接後の部品の寸法データを取得するための、前記レーザー溶接装置の下流に配置された、第２のレーザープロフィロメータ装置をさらに備え、
   前記制御システムが、溶接後の前記部品の寸法データを前記部品の仕様上の寸法データと比較し、前記比較に基づいて、フィラーの導入及び／又は前記部品の基材の表面部分をクラッドするための溶接パターンを変更して、溶接された部品の寸法を前記仕様上の寸法データに合わせることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
8. 前記レーザー溶接装置によって生成された周波数域、又は部品のクラッディング中に前記部品から反射された周波数域を遮断するための、前記レーザープロフィロメータ装置に結合したフィルタをさらに備え、
   前記レーザープロフィロメータ装置のレーザービームの周波数域は、フィルタにかけられた周波数域の外側にあることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
9. 前記レーザープロフィロメータ装置と前記溶接レーザーそれぞれの入力端とに光学的に結合した一対の別々の光学的経路を有する光ファイバー管と、
   前記光ファイバー管の出力端に光学的に結合した前記それぞれのレーザーによって生成されたレーザービームを集束するための可変焦点レンズと、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
10. 前記レーザープロフィロメータ装置と前記溶接装置は、それぞれ走査レーザービーム及び溶接レーザービームを生成するために共通のレーザー源を共有し、前記制御システムは、１つ以上のレーザー出力、周波数、又は出力変調のうちの１つ以上を変化させることによって、前記レーザープロフィロメータ装置用と前記溶接装置用との異なるモードで前記レーザー源を作動させることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
11. 基材と、フィラー層を設けられた表面と、を有するタービン部品をクラッドするためのシステムであって、
    作業台インターフェースを有する、前記タービン部品の基材をその上に受け取るための作業台装置と、
    前記タービン部品の基材の表面をリアルタイムで走査して部品の寸法データを取得するためのレーザープロフィロメータ装置であって、
    光エネルギーを前記タービン部品の表面に反射させるための走査レーザービームを生成する走査レーザー、
    前記走査レーザービームを前記基材の表面に方向づけるための、前記走査レーザービームを遮断する少なくとも１つの可動走査ミラー、及び
    前記走査レーザーと、前記少なくとも１つの可動走査ミラーとの間の相対的な移動を生じさせるために、前記走査レーザー及び前記少なくとも１つの可動走査ミラーに結合したレーザープロフィロメータ装置駆動システムインターフェース、
    を有するレーザープロフィロメータ装置と、
    フィラー材料を前記部品の基材上に導入するための、クラッディング用フィラー材料分配装置であって、
    分配開口を画定する外面と、フィラー材料を中に保持するために設けられ、前記分配開口と連通する内部チャンバと、を有する分配装置ハウジング；
    フィラー材料を前記内部チャンバから前記分配開口を通じて選択的に供給するように設けられた供給機構；及び
    前記内部チャンバから前記分配開口を通じてフィラー材料を選択的に供給するための、前記供給機構に結合した供給機構駆動システムインターフェース；
    を有する、クラッディング用フィラー材料分配装置と、
    前記フィラー材料を溶接パターンとして適用された構築用フィラー層として前記基材に融合する光エネルギーを、前記タービン部品の基材と前記フィラー材料に移送するためのレーザー溶接装置であって、
    光エネルギーを移送するための溶接レーザービームを生成する溶接レーザー；
    前記レーザービームを前記基材に方向づけるための、前記溶接レーザービームを遮断する少なくとも１つの溶接用可動ミラー；及び
    前記溶接レーザーと、前記少なくとも１つの溶接用可動ミラーとの間に相対的な移動を生じさせるために、前記溶接レーザー及び前記少なくとも１つの溶接用可動ミラーに結合した溶接レーザー装置駆動システムインターフェース；
    を有するレーザー溶接装置と、
    前記作業台、前記レーザープロフィロメータ装置、前記クラッディング用フィラー材料分配装置、前記レーザー溶接装置、及びこれらそれぞれの駆動装置に作動的に結合した、これら装置を作動させ、それらの間に制御された相対的な動作を提供するための駆動システムと、
    前記装置及びそれらのそれぞれの駆動装置に動作的に結合した制御システムであって、
    前記部品の寸法データを前記レーザープロフィロメータ装置によって取得すること；
    取得された前記部品の寸法データを前記部品の仕様上の寸法データとリアルタイムで比較すること；
    部品のデータと前記仕様上の寸法データとの比較に基づいて、溶接された部品の寸法を前記仕様上の寸法データにリアルタイムで合わせるように、部品の基材の表面部分をクラッドするためのフィラー導入量及び溶接パターンをそれぞれ決定すること；及び
    前記部品の基材をクラッドするために、前記フィラー装置及び前記溶接装置にそれらそれぞれのパターンを実行させること；
    のための制御システムと、
    を備える、タービン部品をクラッドするためのシステム。
12. クラッドされた前記タービン部品の基材の表面を走査し、溶接後の部品の寸法データを取得するための、前記レーザー溶接装置の下流に配置された、第２のレーザープロフィロメータ装置をさらに備え、
    前記制御システムが、溶接後の前記部品の寸法データを前記部品の仕様上の寸法データと比較し、前記比較に基づいて、フィラーの導入及び／又は前記部品の基材の表面部分をクラッドするための溶接パターンを変更して、溶接された部品の寸法を前記仕様上の寸法データに合わせることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
13. 前記レーザー溶接装置によって生成された周波数域、又は部品のクラッディング中に前記部品から反射された周波数域を遮断するための、前記レーザープロフィロメータ装置に結合したフィルタをさらに備え、
    前記レーザープロフィロメータ装置のレーザービームの周波数域は、フィルタにかけられた周波数域の外側にあることを特徴とする、請求項１１に記載のシステム。
14. 前記制御システムは、前記溶接レーザー及び前記溶接レーザー駆動システムインターフェースに、以下の制御機能：
    前記基材と前記溶接レーザービームとの相対的な移動速度を変化させること；
    溶接レーザー出力を変化させること；
    前記溶接レーザービームと前記基材とを互いに対して相対的にラスタスキャンすること；
    前記基材と前記溶接レーザービームとを前記溶接パターンの経路に沿って互いに対して並進させ、オシレーションさせること；
    前記溶接レーザーの出力を変調させること；
    フィラー材料の組成、導入量、又は分配パターンを変化させること；又は、
    前記制御システムによって、閉フィードバックループでエネルギー移送をモニターし、モニターされたエネルギー移送に基づいてエネルギー移送速度を変化させること；
    のいずれかによって前記基材に熱劣化を生じさせることなく、前記溶接パターンの全体に亘って前記基材に均一なエネルギー移送を維持させることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
15. 前記クラッディング用フィラー材料分配装置が、
    配列状に配置された複数の分配開口と、
    前記供給機構駆動インターフェースに結合された、分配開口を内部チャンバ中のフィラー材料から選択的に分離するための分配開口分離機構と、
    前記供給機構駆動システムインターフェースに結合した、分配開口の寸法を選択的に変えるための開口調整機構と、
    をさらに備え、
    前記フィラー装置に、前記分配開口分離機構及び調整機構の作動を選択的に変化させ、かつ供給機構駆動システムインターフェースにフィラー導入パターンを実行させることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
16. 前記クラッディング用フィラー材料分配装置が、
    中にそれぞれフィラー材料を保持するための複数の内部チャンバと、
    前記供給機構駆動システムインターフェースに結合した、分配開口と内部チャンバそれぞれとの間の連通を選択的に確立するための内部チャンバ選択機構と、
    をさらに備え、
    前記制御システムが、前記フィラー装置に内部チャンバ選択機構の作動を選択的に変化させ、前記供給機構駆動システムインターフェースに、前記フィラー導入パターンにおけるフィラー材料の組成を変化させることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
17. 基材と、フィラー層を設けられた表面と、を有するタービン部品をクラッドするためのシステムであって、
    動作制御システムによって駆動され、作業台インターフェースを有する、前記タービン部品の基材をその上に受け取るための移動可能な作業台装置と、
    前記タービン部品の基材の表面をリアルタイムで走査して部品の寸法データを取得するためのレーザープロフィロメータ装置であって、
    光エネルギーを前記タービン部品の表面に反射させるための走査レーザービームを生成する走査レーザー；
    前記走査レーザービームを前記基材の表面に方向づけるための、前記走査レーザービームを遮断する少なくとも１つの可動走査ミラー；及び
    前記走査レーザーと、前記少なくとも１つの可動走査ミラーとの間の相対的な移動を生じさせるために、前記走査レーザー及び前記少なくとも１つの可動走査ミラーに結合したレーザープロフィロメータ装置駆動システムインターフェース；
    を有するレーザープロフィロメータ装置と、
    フィラー材料を前記部品の基材上に導入するための、クラッディング用フィラー材料分配装置であって、
    分配開口を画定する外面と、フィラー材料を中に保持するために設けられ、前記分配開口と連通する内部チャンバと、を有する分配装置ハウジング；
    フィラー材料を前記内部チャンバから前記分配開口を通じて選択的に供給するように設けられた供給機構；及び
    前記内部チャンバから前記分配開口を通じてフィラー材料を選択的に供給するための、前記供給機構に結合した供給機構駆動システムインターフェース；
    を有する、クラッディング用フィラー材料分配装置と、
    前記フィラー材料を溶接パターンとして適用された構築用フィラー層として前記基材に融合する光エネルギーを、前記タービン部品の基材と前記フィラー材料に移送するためのレーザー溶接装置であって、
    光エネルギーを移送するための溶接レーザービームを生成する溶接レーザー；
    前記レーザービームを前記基材に方向づけるための、前記溶接レーザービームを遮断する少なくとも１つの溶接用可動ミラー；及び
    前記溶接レーザーと、前記少なくとも１つの溶接用可動ミラーとの間に相対的な移動を生じさせるために、前記溶接レーザー及び前記少なくとも１つの溶接用可動ミラーに結合した溶接レーザー装置駆動システムインターフェース；
    を有するレーザー溶接装置と、
    クラッドされた前記タービン部品の記載の表面を走査して、溶接後の部品の寸法データを取得するための、前記レーザー溶接装置の下流に配置された、第２のレーザープロフィロメータ装置と、
    前記作業台、前記レーザープロフィロメータ装置、前記クラッディング用フィラー材料分配装置、前記レーザー溶接装置、及びこれらそれぞれの駆動装置に作動的に結合した、これら装置を作動させ、それらの間に制御された相対的な動作を提供するための駆動システムと、
    前記装置及びそれらのそれぞれの駆動装置に動作的に結合した制御システムであって、
    前記部品の寸法データを前記レーザープロフィロメータ装置によってリアルタイムで取得すること；
    取得された前記部品の寸法データを前記部品の仕様上の寸法データとリアルタイムで比較すること；
    部品のデータと前記仕様上の寸法データとの比較に基づいて、溶接された部品の寸法を前記仕様上の寸法データにリアルタイムで合わせるように、部品の基材の表面部分をクラッドするためのフィラー導入量及び溶接パターンをそれぞれ決定すること；
    前記部品の基材をリアルタイムでクラッドするために、前記フィラー装置及び前記レーザー溶接装置にそれらそれぞれのパターンをリアルタイムで実行させること；及び
    前記溶接後の部品の寸法データを部品の仕様上の寸法データと比較し、この比較に基づいて、溶接された部品の寸法を前記仕様上の寸法データにリアルタイムで合わせるように、部品の基材の表面部分をクラッドするためのフィラー導入量及び／又は溶接パターンのそれぞれを変更すること；
    のための制御システムと、
    を備える、タービン部品をクラッドするためのシステム。
18. 前記レーザープロフィロメータ装置のそれぞれに結合され、前記レーザー溶接装置によって生成された周波数域、又は部品のクラッディング中に前記部品から反射された周波数域を遮断するフィルタをさらに備え、
    前記レーザープロフィロメータ装置のそれぞれが、フィルタをかけられた周波数域の外側にレーザービームの周波数域を有することを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
19. 前記制御システムは、前記溶接レーザー及び前記溶接レーザー駆動システムインターフェースに、以下の制御機能：
    前記基材と前記溶接レーザービームとの相対的な移動速度を変化させること；
    溶接レーザー出力を変化させること；
    前記溶接レーザービームと前記基材とを互いに対して相対的にラスタスキャンすること；
    前記基材と前記溶接レーザービームとを前記溶接パターンの経路に沿って互いに対して並進させ、オシレーションさせること；
    前記溶接レーザーの出力を変調させること；
    フィラー材料の組成、導入量、又は分配パターンを変化させること；又は、
    前記制御システムによって、閉フィードバックループでエネルギー移送をモニターし、モニターされたエネルギー移送に基づいてエネルギー移送速度を変化させること；
    のいずれかによって前記基材に熱劣化を生じさせることなく、前記溶接パターンの全体に亘って前記基材に均一なエネルギー移送を維持させることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
20. 前記クラッディング用フィラー材料分配装置が、
    配列状に配置された複数の分配開口と、
    前記供給機構駆動インターフェースに結合された、分配開口を内部チャンバ中のフィラー材料から選択的に分離するための分配開口分離機構と、
    前記供給機構駆動システムインターフェースに結合した、分配開口の寸法を選択的に変えるための開口調整機構と、
    をさらに備え、
    前記フィラー装置に、前記分配開口分離機構及び調整機構の作動を選択的に変化させ、かつ供給機構駆動システムインターフェースにフィラー導入パターンを実行させることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。

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