JP6370557B2 - 肉盛溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、肉盛溶接方法及びタービンブレードに関するものである。

ガスタービンの静翼や動翼等の高温部品に発生した磨耗、高温酸化又はき裂等の欠陥を補修する場合、ブレンディングにより欠陥の除去が行われた後に、肉盛溶接等が行われる。このとき、静翼や動翼の母材に使用されたニッケル基超合金材料が、単結晶凝固材又は一方向凝固材である場合、溶接時に割れが生じやすいことから、レーザ肉盛溶接などの高度な補修工法が採用される。

例えば、レーザ肉盛溶接の場合、幅が狭い欠肉部であれば、１回のパスによる多層溶接を適用できるため、比較的欠陥が生じにくく健全な肉盛溶接部が得られることが多い。
しかしながら、幅が広い欠肉部の場合には、複数回のパスによる多層溶接が必要となり、パス間で不具合が生じやすい。
特許文献１には、線状、楕円形又は長方形の形状を有するエネルギの焦点の寸法を、処理すべき表面の全幅に相当させ、溶接ビートの重複や接触を起こさずにエピタキシャル層を形成する技術が開示されている。

特表２００５−５２２３４２号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているように、レーザビームを幅方向に拡張させて母材に照射する場合、レーザ照射領域内の熱エネルギーを均等にすることが難しい。このため、熱エネルギーが低いレーザ照射領域の端部等の部分では溶接材を十分に溶融できず、溶接材がダマになり残留してしまうおそれがあった。また、このような問題は、レーザビームを用いる溶接方法だけではなく、プラズマ溶接、アーク溶接などにも同様に生じうる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、肉盛溶接の効率向上を図るとともに、溶接部での欠陥の発生を抑制することが可能な肉盛溶接方法及びタービンブレードを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の肉盛溶接方法及びタービンブレードは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る肉盛溶接方法は、母材表面に熱を投入し、前記母材表面を含む熱投入領域内に溶接材を供給する肉盛溶接方法であって、前記熱投入領域の進行方向に直交する幅方向における前記熱投入領域の長さは、前記母材表面における被溶接領域の幅方向の長さ以上であり、進行方向に直行する幅方向について、前記熱投入領域を覆い、かつ、前記被溶接領域の外側に、マスキング治具を設ける。

この構成によれば、熱投入領域の幅方向の長さは、母材の被溶接領域の幅よりも長いので、従来は複数回のパスが必要であった箇所を１回のパスで溶接できる。また、被溶接領域の幅方向端部においても高い熱エネルギーとすることができる。
熱投入領域は、例えば、一辺が３ｍｍ以上２０ｍｍ以下の範囲、他辺が２ｍｍ以上２５ｍｍ以下の範囲の略長方形、或いは、この略長方形に包含されるｎ角形状（ｎは３以上の整数）、略楕円形状、略扁平形状である。
また、マスキング治具によって、被溶接領域以外にレーザが照射されることを防止することができる。

上記発明において、前記熱投入領域の長さは、前記被溶接領域の幅方向に関わらず一定に設定されてもよい。

この構成によれば、熱投入領域の幅方向の長さが一定の幅で供給されることから、簡易に母材表面に熱を投入できる。

上記発明において、前記熱投入領域の長さは、前記被溶接領域の幅方向に応じて調整されてもよい。

この構成によれば、熱投入領域の幅方向の長さが調整されながら母材表面に熱が投入されることから、被溶接領域の幅方向の長さが変化する場合等において、被溶接領域外に供給される余剰な熱量を低減できる。

上記発明において、前記熱投入領域内の前記被溶接領域に、該熱投入領域の熱量分布に応じた量の前記溶接材を供給してもよい。

この構成によれば、溶接材が、被溶接領域上の熱投入領域の熱量分布に応じた量で、熱投入領域に供給されるため、過剰な溶接材を十分に溶融できないことがなく、溶接材の溶け残りを抑制することができる。

上記発明において、前記熱投入領域の熱量分布は、前記被溶接領域の幅方向端部の熱量が、前記被溶接領域の中心部分よりも低くてもよい。

この構成によれば、被溶接領域内の幅方向端部の熱量と中心部分の熱量を同一にした場合に比べ、被溶接領域内の幅方向端部での温度上昇を抑制できる。

上記発明において、前記溶接材が供給される領域の幅方向が前記被溶接領域の幅方向の長さ以上で、かつ、一定に設定されて、前記溶接材を供給してもよい。

この構成によれば、溶接材は、幅方向において被溶接領域の長さ以上で供給されることから、被溶接領域において１回のパスで確実に溶接が行われる。また、その際、溶接材が一定の幅で供給されることから、簡易に溶接材の供給を実施できる。

上記発明において、前記溶接材が供給される領域の幅方向が前記被溶接領域の幅方向の長さ以上で、かつ、前記溶接材の幅方向の長さを調整しながら、前記溶接材を供給してもよい。

この構成によれば、溶接材は、幅方向において被溶接領域の長さ以上で供給されることから、被溶接領域において１回のパスで確実に溶接が行われる。また、その際、溶接材の幅方向の長さが調整されながら供給されることから、被溶接領域の幅方向の長さが変化する場合等において、被溶接領域外に供給される余剰な溶接材の量を低減できる。

上記発明において、前記溶接材は、溶接ワイヤ又は粉末状であり、前記熱投入領域の進行方向に略直交する方向に供給されてもよい。

この構成によれば、溶接材は熱投入領域の進行方向に略直交する幅方向に供給されるため、溶接材が供給される領域の幅方向にわたって供給される。したがって、溶接材が供給される領域の幅方向全てに溶接材を同時に供給する場合に比べて、均一に溶接材を供給できる。

上記発明において、前記溶接材は、粉末状であり、前記溶接材を供給する噴射ノズルの開口は、略長方形又は略角丸長方形でもよい。

この構成によれば、噴射される粉末状の溶接材の断面が略長方形又は略角丸長方形で供給されるため、特に熱投入領域の形状が略長方形又は略角丸長方形であるとき、不具合の少ない溶接が実施可能となる。

上記発明において、前記溶接材は、溶接ワイヤであり、断面形状が、略長方形、略角丸長方形、略楕円、又は略扁平形状とされ、前記断面形状の長手方向の長さが１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下、短手方向の長さが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とされてもよい。

この構成によれば、溶接材である溶接ワイヤの断面が略長方形又は略角丸長方形で供給されるため、特に熱投入領域の形状が略長方形又は略角丸長方形であるとき、不具合の少ない溶接が実施可能となる。また、略楕円形状又は略扁平形状とすることで、溶接ワイヤを容易に作成することができる。さらに、断面形状の長手方向の長さが１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下、短手方向の長さが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることにより、溶接ワイヤを適切に溶融できる。

本発明の参考例に係るタービンブレードは、上述した肉盛溶接方法を用いて補修されたタービンブレードである。

本発明によれば、肉盛溶接の効率向上を図るとともに、溶接部での欠陥の発生を抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る肉盛溶接方法を実現するためのシステム構成の一例を示した図である。 図１に示したレーザ照射装置の構成を概略的に示した図である。 熱投入領域の幅方向における熱量分布（エネルギー分布）と、それに対応する平板溶接ワイヤの断面形状及び母材表面を対応付けて示した図である。 平板溶接ワイヤの断面形状の他の例を示した図である。 平板溶接ワイヤの断面形状の他の例を示した図である。 本発明の第１実施形態に係る肉盛溶接方法を用いた補修方法の工程を概略的に示した図である。 熱投入領域の幅方向における熱量分布（エネルギー分布）の他の例と、それに対応する平板溶接ワイヤの断面形状を対応付けて示した図である。 本発明の第２実施形態に係る肉盛溶接方法を模式的に示した図である。 本発明の第２実施形態に係る肉盛溶接方法において、熱投入領域の幅方向における熱量分布（エネルギー分布）の他の例と、それに対応する溶接ワイヤの配置及び径の一例とを対応付けて示した図である。 本発明の第２実施形態に係る肉盛溶接方法において、Ｎ層目とＮ＋１層目における溶接ワイヤの配置例を示した図である。 本発明の第３実施形態に係る肉盛溶接方法を模式的に示した図である。 本発明の第３実施形態に係る肉盛溶接方法における粉末状の溶接材を送出するノズル出口部の断面形状を模式的に示した図である。 熱投入領域の幅方向における熱量分布（エネルギー分布）と、それに対応する母材表面を対応付けて示した図である。 レーザ光が照射された母材及びマスキング治具を示す縦断面図である。 母材及びマスキング治具の第１実施例を示す平面図である。 母材及びマスキング治具の第１実施例を示す正面図である。 母材及びマスキング治具の第２実施例を示す平面図である。 母材及びマスキング治具の第２実施例を示す正面図である。 母材及びマスキング治具の第３実施例を示す平面図である。 母材及びマスキング治具の第３実施例を示す正面図である。

［第１実施形態］
以下に、本発明の第１実施形態に係る肉盛溶接方法について、図面を参照して説明する。本実施形態では、熱源としてレーザ光源を用いるレーザ肉盛溶接方法を、ガスタービンの高温部品であるタービンブレード（静翼や動翼等）に適用する場合について述べるが、本発明はレーザ溶接に限られるものではない。例えば、電子ビーム溶接などであってもよい。また、母材についても一例であり、特にタービンブレードに限定されない。

図１は、本実施形態に係る肉盛溶接方法を実現するためのシステム構成の一例を示した図である。図１に示すように、レーザ肉盛溶接システム１は、レーザ照射装置２と、溶接材供給装置（図示せず。）を主な構成として備えている。図１では、母材表面Ｓに、１回のパス（シングルパス）による多層溶接を行う場合について説明する。

レーザ照射装置２は、例えば、図２に示すように、レーザを出射するレーザ光源２１、レーザヘッド２２、及び、レーザ光源２１から出射された光をレーザヘッド２２まで導く導光部２３を主な構成として備えている。
レーザ光源２１としては、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、又はファイバーレーザなどが採用され得る。

レーザ照射装置２は、レーザ光源２１から出射されたレーザ光を、母材表面Ｓの被溶接領域Ａ全てを含むように拡張して、母材表面Ｓへ照射させる。換言すると、熱投入領域Ｆの幅が、母材表面Ｓにおける被溶接領域Ａの幅以上となるように、レーザ光を拡張させて出力する。熱投入領域Ｆは、レーザ光の焦点となる領域である。ここで、幅方向とは、図１に示すように、熱投入領域Ｆの進行方向（レーザ光の走査方向）に直交する方向である。

このように、母材表面Ｓにおける熱投入領域Ｆを、通常の円形状を有する焦点のスポット径よりも拡張させ、被溶接領域Ａの幅以上の幅を有するように設定することで、従来は複数回のパス（マルチパス）による溶接が必要な箇所をシングルパスによる溶接で行うことが可能となり、肉盛溶接の効率向上を図ることが可能となる。

上記熱投入領域Ｆについては、被溶接領域Ａの形状に応じて適切な形状とすることが可能である。例えば、ｎ角形（ｎは３以上の整数）、楕円形状、又は扁平形状等が一例として挙げられる。図１では、長方形（ｎ＝４）の場合を例示している。
図１に示したレーザ肉盛溶接システム１では、熱投入領域Ｆと母材とを相対的に移動させることで、走査方向におけるビードの形成を可能とする。

また、熱投入領域Ｆの長さは、被溶接領域Ａの幅方向に関わらず一定に設定されてもよいし、被溶接領域Ａの幅方向に応じて調整されてもよい。熱投入領域Ｆの幅方向の長さが一定の幅で供給されることにより、簡易に母材表面Ｓに熱を投入できる。熱投入領域Ｆの幅方向の長さが調整されながら母材表面Ｓに熱が投入されることにより、被溶接領域Ａの幅方向の長さが変化する場合等において、被溶接領域Ａ外に供給される余剰な熱量を低減できる。

図３は、熱投入領域Ｆの幅方向における熱量分布（エネルギー分布）の一例と、それに対応する平板溶接ワイヤ４の断面形状及び母材表面を対応付けて示した図である。
熱投入領域Ｆの幅は、母材表面Ｓの被溶接領域Ａの幅よりも長いので、被溶接領域Ａの幅方向端部においても高い熱エネルギーとすることができる。熱投入領域Ｆの幅が、母材表面Ｓの被溶接領域Ａの幅と同一の場合、被溶接領域Ａの幅方向端部は熱エネルギーが低く、溶接箇所に欠陥が生じるおそれがある。これに対して、熱投入領域Ｆの幅を、母材表面Ｓの被溶接領域Ａの幅よりも長くすることによって、熱量分布のうちエネルギーの高い部分のみを使用して溶接が行われるため、欠陥の少ない適切な溶接を施すことができる。

溶接材供給装置は、熱投入領域Ｆ内の被溶接領域Ａにおいて、被溶接領域Ａにおけるレーザの熱量分布に応じた量の溶接材を供給する。
例えば、溶接材は平板上に固形化された平板溶接ワイヤ４であり、被溶接領域Ａの熱量分布に応じた断面形状を有している。

ここで、熱投入領域Ｆの幅方向における中心と、被溶接領域Ａの幅方向における中心は一致しているものとし、被溶接領域Ａ内の熱量は、少なくとも溶接材を溶融させるに十分な熱量とされることが必要である。
図３に示すように、熱投入領域Ｆの熱量分布は、中心部分に熱量のピークをとり、中心から離れるにつれて熱量が小さくなる。したがって、平板溶接ワイヤ４の厚さは、中心が最も厚く、端部に行くにつれて薄くなるような形状とされる。

より具体的には、熱量がピーク値を示している範囲を基準の厚さＬｒ（例えば、１．２ｍｍ）とした場合、熱量がピーク熱量の５０％を示している範囲はＬｒ／２の厚さ（例えば、０．６ｍｍ）とされる。このように、幅方向において、各位置における平板溶接ワイヤ４の厚さは、その位置における熱量がピーク値に対する割合に応じて決定されている。
ここで、ピーク値に対する基準の厚さＬｒは、実際に平板溶接ワイヤ４を供給するときの送給速度において、溶融不足が生じない厚さに設定されることはいうまでもない。

また、平板溶接ワイヤ４の断面形状Ｂにおける長手方向の長さである幅Ｈは、例えば、母材表面Ｓにおける被溶接領域Ａの幅に一致していてもよいし、被溶接領域Ａの幅よりも長くてもよい。これにより、平板溶接ワイヤ４は、被溶接領域Ａにおいて１回のパスで確実に溶接が行われる。

なお、平板溶接ワイヤ４の断面形状Ｂは図３に示した形状に限られず、例えば、図４に示すように、略楕円形状とされてもよいし、図５に示すように、略扁平形状とされてもよい。このように、略楕円形状又は略扁平形状とすることで、平板溶接ワイヤ４を容易に作製することができる。
また、平板溶接ワイヤ４の断面形状Ｂの幅Ｈは、平板溶接ワイヤ４を溶融可能な熱量を保持しながら、熱投入領域Ｆをどこまで拡張できるかという点に依存するが、およそ１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲となる。また、断面形状Ｂの短手方向の長さ（すなわち、厚さ）は、長手方向における長さ及び被溶接領域Ａの熱分布に依存するものの、およそ０．５ｍｍ以上２．０ｍｍの範囲とされる。

平板溶接ワイヤ４の断面形状Ｂにおける幅Ｈが、被溶接領域Ａの幅以上の長さで供給される場合、幅Ｈは、一定に設定されてもよいし、被溶接領域Ａの幅の変化に合わせて調整されてもよい。平板溶接ワイヤ４が一定の幅で供給される場合、幅の調整された平面溶接ワイヤ４を用意しておくことが不要であるから、簡易に平板溶接ワイヤ４の供給を実施できる。幅の調整された平面溶接ワイヤ４を用意しておき、平面溶接ワイヤ４の幅が調整されながら供給される場合、被溶接領域Ａ外に供給される余剰な平面溶接ワイヤ４の量を低減できる。

なお、上述した説明では、平面溶接ワイヤ４が熱投入領域Ｆの進行方向とほぼ同一であったり、進行方向に対して平行である場合について説明したが、本発明はこの例に限定されない。平面溶接ワイヤ４は、熱投入領域Ｆの進行方向に略直交する方向に、例えば蛇行しながら供給されてもよい。

このようなレーザ肉盛溶接システム１によれば、レーザ照射装置２から照射されたレーザ光は、母材表面Ｓの被溶接領域Ａ全てを含むように母材表面Ｓに照射され、熱投入領域Ｆ内の被溶接領域Ａに、レーザの熱量分布に応じた断面形状を有する平板溶接ワイヤ４が溶接材供給装置から供給される。
母材表面Ｓにおいて、平板溶接ワイヤ４はレーザ光の入熱により溶融され、母材表面Ｓに溶着され、ビードが形成される。そして、このような熱投入領域Ｆ、すなわち、被溶接領域Ａが図１の走査方向に所定の速度で移動していくことにより、走査方向にビードの形成が行われる。
そして、形成されたビード上に更に同様の操作が繰り返されることにより、図６に示すようにビードが積層され、所定の高さまでビードが達すると、研磨形成を行い、補修が終了する。

以上説明してきたように、本実施形態に係る肉盛溶接方法によれば、母材表面Ｓの被溶接領域Ａに、熱量分布に応じた量の溶接材を供給するので、溶接材の溶け残りを抑制することができる。また、母材表面Ｓにおける熱投入領域Ｆの幅を、母材表面Ｓにおける被溶接領域Ａの幅以上とするので、従来はマルチパスによる溶接が必要なところをシングルパスによる溶接で行うことが可能となり、溶接部分における欠陥の発生を抑制することが可能となる。

なお、図３に示した熱投入領域Ｆの幅方向における熱量分布は、図３に示した特性に限定されない。例えば、図７に、熱投入領域Ｆの幅方向における熱量分布（エネルギー分布）の他の例と、それに対応する平板溶接ワイヤ４の断面形状Ｂ’とを対応付けて示す。図７に示すように、熱投入領域Ｆの熱量分布は、一定の幅においてほぼ均一（なお、当然ながら、溶接材を溶融させるに十分な熱量以上である。）とされているとともに、両端において熱量が急激に低下する特性を有する。

このような熱量分布の場合には、図７に示されるように、平板溶接ワイヤ４の断面形状Ｂ’を略長方形とすることができる。ここで、平板溶接ワイヤ４の断面形状の幅Ｈ’は、上述の通り、母材表面Ｓにおける被溶接領域Ａの幅に一致させて又は被溶接領域Ａの幅よりも長く設定されている。
なお、平板溶接ワイヤ４の断面形状は、図７に示した例に限定されず、例えば、四隅に所定の丸みを持たせた角丸長方形等であってもよい。
また、この場合においても、平板溶接ワイヤ４の断面形状Ｂ’の幅Ｈ’は、およそ１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲とされ、厚さ（短手方向）Ｌｒ’は、おおよそ０．５ｍｍ以上２．０ｍｍの範囲とされる。

また、熱投入領域Ｆの熱量分布は、被溶接領域Ａの幅方向端部の熱量が、被溶接領域Ａの中心部分とほぼ同一でもよいし、被溶接領域Ａの中心部分よりも低くてもよい。被溶接領域Ａの中心部分よりも低い場合、被溶接領域Ａ内の幅方向端部の熱量と中心部分の熱量を同一にした場合に比べ、被溶接領域Ａ内の幅方向端部での温度上昇を抑制できる。すなわち、図１３に示すように、被溶接領域Ａの幅が母材表面Ｓの幅と同一である場合、母材端部での熱集中を回避できる。また、図３に示すように、被溶接領域Ａよりも母材表面Ｓの幅のほうが広い場合、被溶接領域Ａ以外の母材に拡散する熱量を低減できる。その結果、被溶接領域Ａ内の幅方向端部での温度上昇が抑制される。

被溶接領域Ａの幅方向端部においても高い熱エネルギーとするため、熱投入領域Ｆの幅は、母材表面Ｓの被溶接領域Ａの幅よりも長くした。これにより、被溶接領域Ａ以外にレーザが照射されないようにマスキング治具を設置しておく必要がある。
マスキング治具は、図１４に示すように、例えば、反射板３１と、漏れ防止板３２などからなる。
反射板３１は、例えば銅製であって、平板が屈曲した形状を有し、一つの平板面と他の平板面面のなす角は４５°以下である。反射板３１は、被溶接領域Ａである母材Ｍの外側に設けられる。漏れ防止板３２は、例えば銅製の平板であり、反射板３１と母材Ｍの間に設置される。反射板３１が母材Ｍに設置されると、溶接時に照射されるレーザが反射板３１で反射し、被溶接領域Ａ以外で母材Ｍが高温化するのを防ぐ。漏れ防止板３２は、反射板を母材Ｍから離隔させることによって、反射板３１と母材Ｍが溶接されるのを防止し、かつ、レーザが母材Ｍと反射板３１の間を通過して下方へ漏洩するのを防止する。

反射板３１と漏れ防止板３２は、図１５及び図１６に示すように、クランプ３３によって挟まれることで母材Ｍに固定されたり、図１７及び図１８に示すように、接着材３４や耐熱性テープ３５によって母材Ｍに固定されたり、図１９及び図２０に示すように、接合点Ｐにて仮付溶接やろう付けによって母材Ｍに固定されたりする。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る肉盛溶接方法について説明する。上述した第１実施形態では、熱量分布に応じた断面形状を有する平板溶接ワイヤ４を使用していたが、本実施形態では、複数の溶接ワイヤを用いる点が第１実施形態と異なる。

図８は、本実施形態に係る肉盛溶接方法を模式的に示した図である。図８に示すように、本実施形態に係る肉盛溶接方法では、母材表面Ｓの被溶接領域Ａに複数の溶接ワイヤ５，６を供給する。ここで、各溶接ワイヤ５，６の断面は円形状とされている。したがって、市販の溶接ワイヤを用いることができ、上述した第１実施形態と比較して、溶接ワイヤのコストを低減させることができる。

また、本実施形態においても、上述した第１実施形態と同様、被溶接領域Ａに供給される溶接材の量は、被溶接領域Ａの熱量分布に応じた量とされる。例えば、熱投入領域Ｆが、図３に示した熱量分布を持つような場合には、熱量がピーク値の５０％に当たる位置に対しては、ピーク部分の５０％の溶接材が供給される。

このような溶接材の供給量の調整は、例えば、溶接ワイヤ５，６の送給速度を同じにして、溶接ワイヤ５，６の径を変えることによって行ってもよいし、溶接ワイヤ５，６の径を同じにして、溶接ワイヤ５，６の送給速度を変えることによって行うこととしてもよい。

例えば、図８では、溶接ワイヤ５，６の径を変えた場合について例示している。具体的には、溶接ワイヤ５，６は、同じ送給速度で被溶接領域Ａに供給されるとともに、被溶接領域Ａの中心部に対応する溶接ワイヤ５の径（例えば、直径１．２ｍｍ）よりも端部に対応する溶接ワイヤ６の径（例えば、直径０．８ｍｍ）が小さくされている。これは、図３に示すように、被溶接領域Ａの中心部の熱量が、端部に比べて大きいためである。
なお、これら溶接ワイヤ５，６の直径は、被溶接領域Ａの各部分において、溶融不足が生じない程度の適切な大きさを基準として設定されていることはいうまでもない。また、隣接する溶接ワイヤ間の距離は、所定の品質が確保できるように適切な距離に調整される。

例えば、溶接ワイヤ５は、熱量分布においてピーク値を示している箇所をターゲットとして供給され、溶接ワイヤ６は、例えば、熱量分布においてピーク値の５０％の熱量を示している箇所をターゲットとして供給される。

また、例えば、熱投入領域Ｆが、図９に示した熱量分布を有する場合には、図９に示すように、両端部のみを溶接ワイヤ６とし、他の領域を溶接ワイヤ５としてもよい。また、これに代えて、全てを同じ径の溶接ワイヤ５としてもよい。

このような肉盛溶接システムによれば、母材表面Ｓ上の被溶接領域Ａに対して、各箇所に配置された溶接ワイヤ５，６が同じ送給速度で供給される。各箇所に供給された溶接ワイヤ５，６はレーザの入熱により溶融されて、母材表面Ｓに溶着され、ビードが形成される。そして、形成されたビード上に更に同様の操作が繰り返されることにより、ビードが積層され、所定の高さまでビードが達すると、研磨形成を行い、補修が終了する。

ここで、ビードを積層する場合には、図１０に示すように、Ｎ層目の走査時と、Ｎ＋１層目の走査時とで、溶接ワイヤ５，６の配置を幅方向にずらすこととしてもよい。例えば、ワイヤ送給位置を溶接ワイヤ５の半径分、幅方向にずらすこととしてもよい。このように、位置を変えることで、表面の凹凸を低減させることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態に係る肉盛溶接方法によれば、複数の溶接ワイヤ５，６を被溶接領域Ａに供給する。このとき、被溶接領域Ａに供給される溶接材の供給量は、熱量分布に応じた量とされるので、溶接材の溶け残りを抑制することが可能となる。また、熱投入領域Ｆの幅は、母材表面Ｓにおける被溶接領域Ａの幅以上に拡張されているので、従来はマルチパスによる溶接が必要なところをシングルパスによる溶接で行うことが可能となり、溶接部分における欠陥の発生を抑制することが可能となる。また、被溶接領域Ａの幅方向端部においても高い熱エネルギーとすることができる。
更に、複数の溶接ワイヤ５，６を用いることにより、断面が円形状の一般的に市販されている溶接ワイヤを使用することが可能となる。この結果、上述した第１実施形態の場合と比較して、溶接ワイヤのコストを低減することができる。

［第３実施形態］
上述した第１、第２実施形態では、溶接材として固形状の溶接ワイヤを用いていたが、本実施形態では、粉末状の溶接材を採用する。
図１１は、本実施形態に係る肉盛溶接方法を模式的に示した図である。図１１に示すように、本実施形態に係る肉盛溶接方法では、複数の溶接材供給部１０を設け、各溶接材供給部１０から粉末状の溶接材を被溶接領域Ａに供給する。このとき、被溶接領域Ａに供給される溶接材の供給量は、被溶接領域Ａの熱量分布に応じた量とされる。例えば、図３に示したように、熱量がピーク値の５０％に当たる位置に対しては、ピーク部分の５０％の溶接材が供給される。

このような溶接材の供給量の調整は、例えば、各溶接材供給部１０における溶接材の送給速度を同じにして、各溶接材供給部１０から供給される溶接材の粒径を変えることによって行ってもよいし、各溶接材の粒径を同じにして、各溶接材供給部１０からの送給速度を変えることによって行うこととしてもよい。
粉末の送給速度は、例えば、Ｎｉ基超合金材料（インコネル６２５等）を粉末とし、粉末粒径を４５μｍ以上１２５μｍ以下の範囲とした場合、およそ２ｇ／ｍｉｎ以上１０ｇ／ｍｉｎ以下の範囲に設定される。
また、これら溶接材の粒径は、被溶接領域Ａの各部分において、溶融不足が生じない程度の適切な粒径を基準として設定されていることはいうまでもない。

図１１は、溶接材の粒径を変化させた場合の肉盛溶接方法について模式的に示した図である。例えば、被溶接領域Ａが、図３に示したような熱量分布を有する場合、同じ送給速度で溶接材を被溶接領域Ａに供給するとともに、被溶接領域Ａの中心部に対応する溶接材の粒径（例えば、４５μｍ）よりも端部に対応する溶接材の粒径（例えば、３６μｍ）を小さくする。これは、被溶接領域Ａの中心部の熱量が、端部に比べて大きいためである。

例えば、粒径が大きい溶接材は、熱量分布においてピーク値を示している箇所をターゲットとして供給され、粒径が小さい溶接材は、例えば、熱量分布においてピーク値の５０％の熱量を示している箇所をターゲットとして供給される。

また、例えば、熱投入領域Ｆが、図７や図９に示した熱量分布を有する場合には、被溶接領域Ａに対して同じ粒径の溶接材を供給することが可能である。この場合には、図１２に示すように、粉末溶接材を供給する粉末供給ノズルの出口部Ｃの断面形状を長方形又は角丸長方形にすることが可能である。四隅に丸みを持たせることで、送給性を向上させることが可能となる。

このような肉盛溶接システムによれば、母材表面Ｓ上の被溶接領域Ａに対して供給された粉末状の溶接材はレーザにより溶融され、母材表面Ｓに溶着され、ビードが形成される。そして、形成されたビード上に更に同様の操作が繰り返されることにより、ビードが積層され、所定の高さまでビードが達すると、研磨形成を行い、補修が終了する。

以上説明したように、本実施形態に係る肉盛溶接方法によれば、１つ又は複数の溶接材供給部１０を設け、各溶接材供給部１０から粉末状の溶接材を被溶接領域Ａに供給する。このとき、被溶接領域Ａに供給される溶接材の供給量は、熱量分布に応じた量とされるので、溶接材の溶け残りを抑制することが可能となる。
また、母材表面Ｓにおける熱投入領域Ｆの幅を、母材表面Ｓにおける被溶接領域Ａの幅以上とするので、より広い範囲を一度の照射によって肉盛溶接することが可能となり、溶接部分における欠陥の発生を抑制することが可能となる。また、熱投入領域Ｆの幅は、母材表面Ｓの被溶接領域Ａの幅よりも長いので、被溶接領域Ａの幅方向端部においても高い熱エネルギーとすることができる。

１ レーザ肉盛溶接システム
２ レーザ照射装置
４ 平板溶接ワイヤ
Ａ 被溶接領域
Ｂ 断面形状
Ｓ 母材表面

Claims (10)

1. 母材表面に熱を投入し、前記母材表面を含む熱投入領域内に溶接材を供給する肉盛溶接方法であって、
   前記熱投入領域の進行方向に直交する幅方向における前記熱投入領域の長さは、前記母材表面における被溶接領域の幅方向の長さ以上であり、
   進行方向に直行する幅方向について、前記熱投入領域を覆い、かつ、前記被溶接領域の外側に、マスキング治具を設ける肉盛溶接方法。
2. 前記熱投入領域の長さは、前記被溶接領域の幅方向に関わらず一定に設定されている請求項１に記載の肉盛溶接方法。
3. 前記熱投入領域の長さは、前記被溶接領域の幅方向に応じて調整される請求項１に記載の肉盛溶接方法。
4. 前記熱投入領域内の前記被溶接領域に、該熱投入領域の熱量分布に応じた量の前記溶接材を供給する請求項１から３のいずれか１項に記載の肉盛溶接方法。
5. 前記熱投入領域の熱量分布は、前記被溶接領域の幅方向端部の熱量が、前記被溶接領域の中心部分よりも低い請求項１から４のいずれか１項に記載の肉盛溶接方法。
6. 前記溶接材が供給される領域の幅方向が前記被溶接領域の幅方向の長さ以上で、かつ、一定に設定されて、前記溶接材を供給する請求項１から５のいずれか１項に記載の肉盛溶接方法。
7. 前記溶接材が供給される領域の幅方向が前記被溶接領域の幅方向の長さ以上で、かつ、前記溶接材の幅方向の長さを調整しながら、前記溶接材を供給する請求項１から５のいずれか１項に記載の肉盛溶接方法。
8. 前記溶接材は、溶接ワイヤ又は粉末状であり、前記熱投入領域の進行方向に略直交する方向に供給される請求項１から７のいずれか１項に記載の肉盛溶接方法。
9. 前記溶接材は、粉末状であり、前記溶接材を供給する噴射ノズルの開口は、略長方形又は略角丸長方形である請求項１から８のいずれか１項に記載の肉盛溶接方法。
10. 前記溶接材は、溶接ワイヤであり、断面形状が、略長方形、略角丸長方形、略楕円、又は略扁平形状とされ、
    前記断面形状の長手方向の長さが１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下、短手方向の長さが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とされている請求項１から８のいずれか１項に記載の肉盛溶接方法。

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