JP6169818B2 - ハイブリッドレーザ加工を用いたクラッディング施工方法及び装置 - Google Patents

Description

本明細書に開示の主題は、金属基板表面へのクラッディング金属の接合に関する。

多様な理由から、クラッディングが基板に施される。１種類以上のクラッディングにおいて、基板は金属であり、クラッディング材料は同類又は非同類の金属である。金属基板へのクラッディング金属の接合に通常必要なことは、クラッディング材料と金属基板表面を互いに溶融させて溶融池を形成することと、この溶融池を冷却して固化させることである。クラッディング施工プロセスの結果、クラッディング金属は金属基板に堅固に固着する。

クラッディング施工プロセスには、入熱、クラッディング幅、及びクラッディング肉盛速度等の多くの変数が関連する。概して、固着したクラッディングにおいて、非均一性やピッディング形成等の欠陥を防ぐためには、これらの変数を或る一定の範囲内に維持する必要がある。これらの変数の幾つかは互いに対立することがある。例えば、クラッディング肉盛速度を高めるためには、通常は高入熱が必要になるが、高入熱はクラック形成に繋がり得る。欠陥よっては、残念ながら加工のやり直し又は廃棄処分が必要になることもある。

米国特許第６４８３０７７号

そこで、クラッディング施工技術において、固着したクラッディングに欠陥を生じずに、クラッディング肉盛速度を高めることができれば、歓迎されるであろう。

本発明の一態様に従って、クラッディング金属を基材金属に固着させる方法を開示する。この方法は、加熱装置を用いてクラッディング金属と基材金属の表面を加熱して、基材金属の溶融基材金属材料上に層をなす溶融クラッディング金属を有する溶融池を生成させるステップと、溶融池に入射するレーザビームによって溶融池の温度勾配を安定させるステップと、溶融池を冷却して、固化したクラッディング金属を基材金属に固着させるステップとを含む。

本発明の別の態様に従って、クラッディング金属を基材金属に施す装置を開示する。この装置は、クラッディング金属と基材金属の表面を加熱して基材金属の溶融基材金属材料上に層をなす溶融クラッディング金属を有する溶融池を生成させるように構成される加熱装置と、溶融池にレーザビームを照射して溶融池の温度勾配を安定させるように構成されるレーザとを含む。

クラッディング金属を基材金属に接合する、加熱装置とレーザを有するハイブリッドレーザヘッドの典型的な一実施形態を示す図である。 クラッディング金属を基材金属に接合する、加熱装置とレーザを有するハイブリッドレーザヘッドの典型的な一実施形態を示す図である。 クラッディング施工方向に対して垂直な同一平面に整合するレーザビームとアークトーチを用いて、クラッディング金属を基材金属に接合する態様を示す図である。 クラッディング施工方向に対して垂直な同一平面に整合するレーザビームとアークトーチを用いて、クラッディング金属を基材金属に接合する態様を示す図である。 クラッディング施工方向に対して垂直な同一平面に整合するレーザビームとアークトーチを用いて、クラッディング金属を基材金属に接合する態様を示す図である。 図２に開示した技術を用いて基材金属に接合されたクラッディング金属の態様を示す図である。 図２に開示した技術を用いて基材金属に接合されたクラッディング金属の態様を示す図である。 図２に開示した技術を用いて基材金属に接合されたクラッディング金属の態様を示す図である。 図２に開示した技術を用いて基材金属に接合されたクラッディング金属の態様を示す図である。 クラッディング施工方向に整合する平面上でレーザからのレーザビームと加熱装置からのアークが整合する一実施形態を示す図である。 クラッディング施工方向に整合する平面上でレーザからのレーザビームと加熱装置からのアークが整合する一実施形態を示す図である。 クラッディング施工方向に加熱装置からのアークがレーザからのレーザビームに先行する一実施形態を示す図である。 クラッディング施工方向に加熱装置からのアークがレーザからのレーザビームに先行する一実施形態を示す図である。 Ｕ形経路状に行われる、基材金属へのクラッディングの連続施工を示す図である。 Ｕ形経路状に行われる、基材金属へのクラッディングの連続施工を示す図である。 Ｕ形経路状に行われる、基材金属へのクラッディングの連続施工を示す図である。 レーザビームがアークに先行すると共にクラッディング施工方向に対して横方向にアークからオフセットしているハイブリッドヘッドの一実施形態を示す図である。 レーザビームがアークに先行すると共にクラッディング施工方向に対して横方向にアークからオフセットしているハイブリッドヘッドの一実施形態を示す図である。 アークがレーザビームに先行すると共にレーザビームがクラッディング施工方向に対してアークから横方向にオフセットしているハイブリッドヘッドの一実施形態を示す図である。 アークがレーザビームに先行すると共にレーザビームがクラッディング施工方向に対してアークから横方向にオフセットしているハイブリッドヘッドの一実施形態を示す図である。 レーザビームがアークに先行すると共にクラッディング施工方向に対して横方向にアークからオフセットしているハイブリッドヘッドを用いた、クラッディングの連続施工の結果を示す図である。 レーザビームがアークに追随すると共にクラッディング施工方向に対して横方向にアークからオフセットしているハイブリッドヘッドを用いた、クラッディングの連続施工の結果を示す図である。 基材金属上にクラッディング金属を連続的に施すジグザグ経路を示す図である。 基材金属上にクラッディング金属を連続的に施すジグザグ経路を示す図である。 複数の一方向経路を辿って基材金属にクラッディング金属を非連続的に施す方法を示す図である。 複数の一方向経路を辿って基材金属にクラッディング金属を非連続的に施す方法を示す図である。 クラッディング金属を基材金属に施すためのアーク及びレーザビームの幾何学的配置を示す図である。 クラッディング金属を基材金属に施すためのアーク及びレーザビームの幾何学的配置を示す図である。 レーザに結合されるビームスプリッタと制御装置の典型的な一実施形態を示す図である。 クラッディング金属を基材金属に施す方法の一例を示す図である。

図面に対応する下記の記述から、これら及びその他の利点及び特徴がより明らかになるであろう。

本明細書の結びの特許請求の範囲において、本発明とみなされる主題を特記し、明確にクレームする。本発明の上記及びその他の特徴及び利点は、同様の要素には同様の符号を付した添付図面に対応する下記の発明を実施するための形態から明らかである。

発明を実施するための形態では、図面を参照しながら例示目的において、本発明をその利点及び特徴と併せて説明する。

クラッディング金属を金属基板又は基材金属に接合する技術の典型的な実施形態を開示する。これらの技術によって、従来技術の方法よりも高いクラッディング肉盛速度で、基材金属により幅広の帯状クラッディングを施すことが可能になり、欠陥の増加を伴わずに均一なクラッディング表面が得られる。

これらの装置と方法とを含む技術は、ハイブリッドヘッドを用いてクラッディング金属と基材金属を溶融させて、クラッディング金属を基材金属に接合するものである。ハイブリッドヘッドは、加熱装置とレーザを含む。溶接用の加熱装置等の加熱装置を用いて、クラッディング金属と基材金属の表面を溶融させ、基材金属の表面上に溶融池を生成させる。この溶融池では、溶融したクラッディング金属が、溶融した基材金属上に層をなす。レーザは、溶融池に入射して溶融金属の温度を安定させるレーザビームを発する。レーザビームの出力は、このレーザビーム周りの温度勾配が安定する（即ち、温度変動が小さくなる）だけの十分な出力である。溶融池の温度を安定させることにより、従来技術のクラッディング加工よりもクラッディング肉盛速度を高めることができる上に、固化時に均一なクラッディング表面を得ることができる。加えて、温度勾配の安定化により、従来技術のクラッディング加工よりも幅広のクラッド層を得ることができる。

クラッディング施工用の従来の溶接技術を上回るハイブリッドヘッドの利点には、溶融池の溶け込み深さの結果として、クラッディング金属と基材金属の間の歪みと希釈が低減することが含まれる。

これらの技術では、ハイブリッドヘッド内において、加熱装置とレーザを様々に配置できるだけでなく、クラッディングを基材上に肉盛りするにあたり、様々な経路を用いることができる。

次に、ハイブリッドヘッド１０とよばれるクラッディング施工用ハイブリッドヘッド１０の典型的な一実施形態を示す図１を参照する。図１にハイブリッドヘッド１０と基材金属２との概略図を示し、図２に試作品のハイブリッドヘッド１０と基材金属２及びクラッディング金属３を示す。ハイブリッドヘッド１０は、加熱装置１１とレーザ１２を含む。１つ以上の実施形態において、加熱装置１１は溶接用トーチヘッドである。溶接用トーチヘッドの非限定的な実施形態には、ティグ（ＴＩＧ）溶接ともよばれるガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）用、ミグ（ＭＩＧ）溶接又はマグ（ＭＡＧ）溶接ともよばれるガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）用、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）用、プラズマアーク溶接（ＰＡＷ）用、及びフラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）用のトーチヘッドが含まれる。溶接用トーチヘッドの場合、クラッディングは概して、溶融池を生成させるアークにより溶融される線材の形態で供給される。１つ以上の実施形態において、レーザ１２は、加熱装置１１によって生成した溶融池全体の温度勾配を制限できる程度の十分な出力を有するものの、レーザビームが基材金属２に溶融池の深さよりも深いキーホールを生成しないように、過出力ではない工業用レーザである。１つ以上の実施形態において、レーザ１２は、クラッディング金属３が基材金属２上に所定の速度で肉盛りされる間、溶融池の表面積を維持可能な程度の十分な出力を有する。明らかなように、クラッディング肉盛速度と溶融池の大きさ及び温度は、レーザ１２の所要出力の判定に用いる要因の一部にすぎない。レーザ１２の非限定的な実施形態には、溶融池の温度勾配を安定させ得る十分な出力の、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ₂レーザ、ディスクレーザ、ファイバレーザ、又はあらゆる種類のレーザ共振器が含まれる。図１を参照すると、レーザ１２は、基材金属２上にクラッディング３を肉盛りする際に加熱装置１１に先行するように配向可能である。或いは、加熱装置１１がクラッディング施工プロセスにおいてレーザ１２に先行するように配向可能である。

次に、クラッディング施工方向に対して垂直な同一平面に整合するレーザ１２からのレーザビームと加熱装置１１からのアークを示す、図３〜５を参照する。クラッディング施工プロセス中に基材金属２をハイブリッドヘッド１０に対して移動させること又はハイブリッドヘッド１０を基材金属２に対して移動させることが可能なことは、わかるであろう。図３に、アークと整合したレーザビームの側面図を示す。図４には、溶融池２０の上のレーザビームとアークとの俯瞰図を示す。レーザビームはアークから横方向に或る距離Ｌだけオフセットする。図５は、レーザビームとアークとの側面図である。図５において、クラッディング施工方向は読者へと向かう方向である。

次に、図３〜５に開示した実施形態を用いてレーザビームとアークとの間のオフセットＬを異ならせて行ったクラッディング施工の結果を示す、図６〜９を参照する。レーザ１２の出力は２キロワットであった。加熱装置１１は、トーチに対するクラッディング材料の送り量を３００インチ／分に設定し、設定電圧を２５ＶとしたＭＩＧ溶接トーチであった。基材２にクラッディング３を施す速度は４０インチ／分であった。ＭＩＧトーチに使用したガスはＡｒ＋２％Ｏ₂であった。基材金属２は３０４ステンレス鋼であり、クラッディング金属３は３０８ステンレス鋼であった。図６において、間隔Ｌは５．０ｍｍであった。２つの別々のビード状のクラッディング３が得られた。ＭＩＧトーチアークとレーザビームとの間にはいかなる相互作用も生じず、その結果としてレーザビーム下で第１の溶融池が、ＭＩＧトーチアーク下で第２の溶融池が得られた。レーザビーム下では均一なクラッディングビードが得られたが、ＭＩＧトーチアーク下のクラッディングビードは凝集塊状を呈する。図７において、間隔Ｌは４．０ｍｍであり、１つのクラッディングビードが得られたが、クラッディング３は凝集塊状を呈する。図８では、間隔Ｌは２．５ｍｍであり、１つのクラッディングビードが得られ、クラッディング３の凝集塊は、Ｌが４．０ｍｍである場合よりも減少した。図９において、間隔Ｌは１．０ｍｍであり、結果的に得られたクラッディングビードは、該クラッディングビードのレーザビーム側において均一な表面を有しており、このことから、レーザビームを横方向にのみアークと整合させても均一なクラッド表面を形成させることはできないことがわかる。

次に、クラッディング施工方向に整合する平面上においてレーザ１２からのレーザビームと加熱装置１１からのアークとを整合させる実施形態を示す、図１０及び１１を参照する。図１０及び１１の実施形態では、レーザ１２はクラッディング施工方向に加熱装置１１に先行する。図１０に、レーザビームがアークよりも縦方向距離Ｓだけ先行する場合の側面図を示す。図１１は、ＭＩＧトーチアークによって生成した溶融池２０に照射されるレーザビームを示す俯瞰図である。

次に図１２及び１３を参照すると、図１０及び１１に示す実施形態と同様であるが、加熱装置１１からのアークがクラッディング施工方向にレーザ１２からのレーザビームに先行する実施形態が示されている。図１２は側面図であり、図１３は俯瞰図である。

次に、上述の２つの場合（レーザ先行及びアーク先行）を実証可能な、Ｕ形経路状に基材金属２にクラッディング金属３が施された連続施工を示す、図１４及び１５を参照する。図１４はハイブリッドレーザヘッドのＵ形の移動経路を示す俯瞰図であり、図１５はこの経路の側面図である。図１６に、Ｕ形経路の一方の区間ではレーザビームを先行させ、経路の他方の区間ではアークを先行させてＵ形経路状にクラッディング３を施した結果を示す。この結果から、施されたクラッディングの表面が、両区間と区間間のＵ形移行部分とにおいて均一であることがわかる。図１４〜１６の実施形態において、レーザ出力は２キロワットであり、ＭＩＧトーチ設定は、クラッディング材料送り速度が３００インチ／分、設定電圧が２５Ｖであり、基材金属上にクラッディングを施す速度は４０インチ／分、ＭＩＧガスはＡｒ＋２％Ｏ₂、基材金属２は３０４ステンレス鋼、そしてクラッディング３は３０８ステンレス鋼であった。

次に、レーザビームが縦方向にＭＩＧアークに先行すると共にクラッディング施工方向に対して横方向にＭＩＧアークからオフセットするハイブリッドヘッド１０の実施形態を示す図１７及び１８を参照する。図１７及び１８において、レーザビームは縦方向距離ＳだけＭＩＧアークに先行すると共に、距離Ｌだけ横方向にオフセットする。図１７は側面図であり、図１８は俯瞰図である。

次に図１９及び２０を参照すると、図１７及び１８に示す実施形態と同様であるが、加熱装置１１からのアークがクラッディング施工方向にレーザ１２からのレーザビームに先行する実施形態が示されている。図１９には側面図を示し、図２０には俯瞰図を示す。

次に、図１７〜２０に示すハイブリッドヘッド１０を用いて縦方向に２．５ｍｍの一定の間隔Ｓをあけて連続的にクラッディングを施した結果を示す、図２１及び２２を参照する。図２１に示すクラッディング施工は、４．５ｍｍの横方向オフセットＬを有するハイブリッドヘッド１０を用いて施されたものである。図２１のクラッディング施工にはピッディングが見られる。図２２に示すクラッディング施工は、２．５ｍｍの横方向オフセットＬを有するハイブリッドヘッドを用いて施されたものである。図２２のクラッディング施工は、図２１に示すピッディングの無い、均一な表面を呈する。図２１及び２２の各図に示す連続的なクラッディング施工は、Ｕ形経路の一方の区間ではレーザビームをアークに先行させ、経路の他方の区間ではアークをレーザビームに先行させて施されたものである。

図１６及び２１〜２２に示すクラッディング施工は、Ｕ形経路状に施されたものである。レーザビームがアークに先行又は追随するその他の経路形状を用いて、クラッディング金属３を基材金属２に施工できることが、わかるであろう。１つ以上の実施形態において、経路形状は、平行な区間とこれらの区間間の９０度の移行部とを含む。１つ以上の実施形態において、ハイブリッドヘッド１０が経路の直線状の平行区間においてクラッディング３を施す間はレーザビームとアークとの間の縦方向距離Ｓを零とし、区間間の移行部ではレーザビームをアークに先行又は追随させることができる。ハイブリッドヘッド１０が、直線状区間及び／又は曲線部においてはクラッディング施工方向に対するレーザビームとアークとの一定の幾何学的配置を維持するように、ハイブリッドヘッド１０を構成可能なことがわかるであろう。また、ハイブリッドヘッド１０を用いてクラッディング３を管体に施せることも、わかるであろう。クラッディング３を管体に施すためには、一定の線形移動を維持するようにハイブリッドヘッド１０を構成すると同時に、管体を一定の速度で回転させてクラッディング金属を管体の外径上に堆積させることができるようにするとよい。

図２３及び２４に、基材金属２上にクラッディング金属３を施すジグザグ経路を示す。図２３は側面図であり、図２４は俯瞰図である。このジグザグ経路を用いると、クラッディング３を基材金属２上に絶えず施すことができる。

図２５及び２６に、クラッディング金属３を基材金属２上に施す複数の一方向経路を示す。図２５は側面図であり、図２６は俯瞰図である。これらの複数の一方向経路では、クラッディング施工の頻繁な開始及び停止が必要になる。

図２７及び２８に、基材金属２に対するハイブリッドヘッド１０の幾何学的配置を固定した状態に維持する実施形態を示す。このように幾何学的配置を固定した結果として、基材金属２に対して、アーク入射領域とレーザビーム入射領域の幾何学配置が固定された状態に維持される。図２７において、第１の区間ではレーザビームがアークに先行する一方で、第２の区間ではアークがレーザビームに先行する。移行部では、アークとレーザビームとの間の縦方向のオフセットが零となる。図２８では、アークとレーザビームとの間の縦方向のオフセットが、第１、第２、及び第３の区間において零となる一方で、移行部ではレーザビームがアークに先行する。ハイブリッドヘッド１０は、基材金属２に対して旋回又は回転して、ハイブリッドヘッド１０の幾何学的配置がクラッディング施工方向に対して（即ち、各々の区間及び移行部に対して）固定された状態に維持されるように構成可能なことは、わかるであろう。

以上、溶融池２０に入射する十分な出力のレーザビームを用いることにより溶融池２０の温度勾配を安定させて基材金属２上にクラッディング金属３を施す速度を高めることができ、従来のクラッディング施工プロセスと比べてクラッディング施工幅を大きくできることを示してきた。複数のレーザビームを用いて溶融池２０の様々な領域を照射して、温度勾配を更に制限できることは、わかるであろう。複数のビームを得るには、１つのレーザから発せられるレーザビームを分割するか、又は複数のレーザを用いる。レーザ１２を振動させて、レーザビームが溶融池２０の様々な領域を照射するように構成できることがわかるであろう。図２９に、レーザ１２に光結合されると共に、レーザ１２から発せられるレーザビームを溶融池２０に入射する２つ以上のレーザビームに分割するように構成される、ビームスプリッタ１３０の典型的な一実施形態を示す。加えて、図２９では、レーザ１２に結合される制御装置１３２の典型的な一実施形態を示す。この制御装置は、レーザ１２及び放射されるレーザビームを溶融池２０の様々な領域に振動させるように構成された、電子機器、センサ、及びサーボ等の部品を含む。

図３０に、クラッディング金属を基材金属に固着させる方法１４０の一例を示す。この方法１４０は、加熱装置を用いて基材金属の表面とクラッディング金属とを加熱して、基材金属の基材金属材料の上に層をなすクラッディング金属の溶融池を生成させるステップ（ステップ１４１）を含む。更に、方法１４０は、溶融池に照射されるレーザビームによって溶融池の温度勾配を安定させるステップ（ステップ１４２）を含む。ステップ１４２は、レーザビームを加熱装置のアークに対して横方向及び／又は縦方向にオフセットさせるステップを含み得る。更に、方法１４０は、溶融池を冷却して固化したクラッディングを基材金属に固着させるステップ（ステップ１４３）を含む。

各実施形態の要素が、単数名詞で記述されている。これらの単数名詞では、その要素が１つ以上あることを意図している。「含む」及び「有する」という表現は、包括的であり、列挙した要素以外にも要素が更にあり得ることを意図している。少なくとも２つの項目を羅列して「又は」という接続詞を用いるときは、あらゆる項目又は項目どうしのあらゆる組み合わせを意味することを意図している。「第１」「第２」という表現は、特定の順序を示すためではなく、要素どうしを区別するために用いられている。「結合」という表現は、或る部品が、別の部品に直接結合されていること、或いは、１つ以上の介在部品を介して別の部品に間接的に結合されていることを示す。

限られた数の実施形態のみについて本発明を詳説したが、本発明がこうした開示の実施形態に限定されないことは、容易に理解できよう。寧ろ、本発明を改変して、上記しなかった変形、代替、置換、又は等価の構造を幾つでも組み込むことができ、これらも本発明の概念及び範囲に含まれる。また、本発明の種々の実施形態を記述したが、本発明の態様は、記述した実施形態の一部を含むのみであってもよいことを理解されたい。したがって、本発明は、以上の記述によって限定されるのではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるとみなされるべきである。

１０ クラッディング施工用ハイブリッドヘッド（ハイブリッドヘッド）
２ 基材金属
３ クラッディング金属
１１ 加熱装置
１２ レーザ
２０ 溶融池
１３０ ビームスプリッタ
１３２ 制御装置

Claims (9)

1. クラッディング金属（３）を基材金属（２）に固着させる方法であって、
   アークを形成する加熱装置（１１）に線材の形態のクラッディング金属（３）を供給するステップと、
   基材金属（２）の表面とそこに供給されるクラッディング金属（３）とを前記アークで加熱して、基材金属（２）の溶融基材金属材料上に層をなす溶融クラッディング金属を有する溶融池（２０）を生成させるステップと、
   レーザビームを溶融池（２０）に照射することによってレーザビームの周りの温度変動を低減して溶融池（２０）の温度勾配を安定させるステップであって、溶融池（２０）におけるレーザビームの入射領域が、溶融池（２０）におけるアーク入射領域からオフセットしている、ステップと、
   溶融池（２０）を冷却してクラッディング金属（３）を基材金属（２）に固着させるステップと
   を含む方法。
2. 前記加熱装置（１１）が、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）、プラズマアーク溶接（ＰＡＷ）及びフラックスコアアーク溶接（ＦＣＡＷ）から選択される溶接用トーチヘッドを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記レーザビームを、クラッディング金属（３）を施す方向に対して平行な方向にアークから距離Ｓだけ縦方向にオフセットさせるステップをさらに含む、請求項１又は請求項２記載の方法。
4. 前記レーザビームを、クラッディング金属（３）を施す方向に対して垂直な方向にアークから距離Ｌだけ横方向にオフセットさせるステップをさらに含む、請求項３記載の方法。
5. 前記レーザビームを、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、ＣＯ ₂ レーザ、ディスクレーザ、ファイバレーザ又はレーザビームの周りの温度変動を低減して溶融池の温度勾配を安定させる十分な出力のレーザ共振器によって形成するステップをさらに含む、請求項１乃至請求項４のいずれか１記載の方法。
6. 前記溶融池（２０）内でレーザビームの照射領域を振動させるステップをさらに含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１記載の方法。
7. 前記溶融池（２０）の異なる領域に複数のレーザビームを照射するステップをさらに含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１記載の方法。
8. 前記クラッディング金属（３）を溶融池（２０）に供給しながら、レーザビームで、一定の表面積の溶融池（２０）を維持するステップをさらに含む、請求項１乃至請求項７のいずれか１記載の方法。
9. 前記レーザビームが基材金属（２）に溶融池（２０）の深さよりも深いキーホールを生成しないように、前記レーザビームが、過出力ではないレーザから発せられる、請求項１乃至請求項８のいずれか１記載の方法。