JP6898187B2 - 積層造形部品の接合方法及び構造体、並びに積層造形部品 - Google Patents

積層造形部品の接合方法及び構造体、並びに積層造形部品 Download PDF

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Description

本発明は、積層造形部品の接合方法及び構造体、並びに積層造形部品に関する。
近年、生産手段としての３Ｄプリンタのニーズが高まっており、特に金属材料での適用については航空機業界等で実用化に向けて研究開発が行われている。金属材料を用いて造形する３Ｄプリンタは、アークやレーザ等の熱源を用いて、金属粉体や金属ワイヤを溶融させ、溶融金属を積層させて造形物を得る。このように溶融金属を積層して造形物を製造する技術は、例えば特許文献１に記載されている。
特許文献１には、金型の形状を表現する形状データを生成する工程と、生成された形状データに基づいて、金型を等高線に沿った積層体に分割する工程と、得られた積層体の形状データに基づいて、溶加材を供給する溶接トーチの移動経路を作成する工程を備える金型の製造方法が記載されている。
特許第３７８４５３９号公報
しかしながら、特許文献１に記載の技術によると、製造可能な積層造形物の大きさは製造装置によって制限される。例えば、製造装置が、多関節アームの先端部に溶接トーチを備える溶接ロボットの場合、製造される積層造形物の大きさは、多関節アームの可動範囲内の大きさとなり、可動範囲以上の大きさの積層造形物は、作製が困難となる。
また、積層構造物が、途中に細径部を有するオーバーハング形状、又は折り返し部を有する形状、更には、トラス構造のノード部分、弦材と斜材とが交差するＴ字形、Ｙ字形、Ｋ字形の継手（ＴＹＫ継手）部分等、より複雑な形状を有する場合には、積層構造物を一気に積層造形で作成するのが難しい場合がある。
一般に、積層造形物の製造においては、一回の製造工程により構造物全体を作製することを前提としている。これは、一気に積層造形することで、工数を低減した高効率な製造が行え、しかも、寸法変化や材料の品質変化を最小限に抑えられるためである。そのため、上記のような積層構造物の大きさが過大であったり、複雑形状であったりすると、通常の積層造形物の製造が適用できない場合があり、積層造形物の製造に制約を生じさせていた。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、積層造形部品のサイズや、形状の複雑さに制約されることなく、簡便に且つ高品位に作製できる積層造形部品の接合方法及び構造体、並びに積層造形部品を提供することにある。
本発明は下記構成からなる。
（１） アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードで形成した溶着ビード層に、次層の前記溶着ビード層を繰り返し積層して造形される複数の積層造形部品を、前記積層と共に造形された溶接継手を介して溶接して、一体の構造体にする積層造形部品の接合方法であって、
前記溶着ビード層は、複数列に配置される環状の前記溶着ビードにより形成され、
前記次層の溶着ビード層を、前層の前記溶着ビード層の層端縁から層面内で、前記環状の内周側、外周側の少なくとも一方にずらして積層して、前記溶接継手を、レ型、Ｖ型、Ｘ型、Ｊ型、両面Ｊ型、Ｕ型、Ｈ型のいずれかの開先形状に造形する工程を有する、
積層造形部品の接合方法。
（２） 溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードで形成された溶着ビード層が積層されてなる複数の積層造形部品同士が、前記溶着ビード層が積層されてなる溶接継手を介して互いに溶接され、
前記溶着ビード層は、複数列に配置される環状の前記溶着ビードにより形成され、
前記積層造形部品は円筒状であり、前記積層造形部品同士が同軸で溶接されており、
前層の前記溶着ビード層の層端縁から層面内で一方向にずらして次層の前記溶着ビード層が積層されて、前記溶接継手が、レ型、Ｖ型、Ｘ型、Ｊ型、両面Ｊ型、Ｕ型、Ｈ型のいずれかの開先形状に造形されている、
構造体。
（３） （２）に記載の構造体を構成する前記積層造形部品であって、
前記積層造形部品とは異なる他の積層造形部品に溶接可能な前記溶接継手が、積層された前記溶着ビード層により造形された前記積層造形部品。
（４） （２）に記載の構造体を構成する前記積層造形部品であって、
被溶接部材に溶接可能な前記溶接継手が、積層された前記溶着ビード層により造形された前記積層造形部品。
本発明によれば、積層造形部品のサイズや、形状の複雑さに制約されることなく、簡便に且つ高品位に構造体を作製できる。
積層造形部品の作製に用いる製造装置の構成図である。 構造体の一構成例を示す積層造形部品の分解斜視図である。 構造体の一構成例を示す全体斜視図である。 第１構成例の積層造形部品の作製手順を示す工程説明図である。 第１構成例の積層造形部品の作製手順を示す工程説明図である。 第１構成例の積層造形部品の作製手順を示す工程説明図である。 第１構成例の積層造形部品と被溶接部品とを接合する手順を示す工程説明図である。 第１構成例の積層造形部品と被溶接部品とを接合する手順を示す工程説明図である。 積層造形部品と被溶接部品の変形例を示す模式的な要部斜視図である。 被溶接部品の他の例を示す模式的な要部斜視図である。 溶着ビードを前層の溶着ビードの直上に積層した様子を示す模式的な説明図である。 造形によって形成される溶接継手の開先形状を模式的に示す断面図である。 造形によって形成される溶接継手の開先形状を模式的に示す断面図である。 造形によって形成される溶接継手の開先形状を模式的に示す断面図である。 造形によって形成される溶接継手の開先形状を模式的に示す断面図である。 第２構成例の積層造形部品と被溶接部品の断面図である。 第２構成例の変形例である積層造形部品と被溶接部品を模式的に示す断面図である。 第２構成例の変形例である積層造形部品と被溶接部品を模式的に示す断面図である。 第３構成例の積層造形部品と被溶接部品の断面図である。 第４構成例の積層造形部品の造形作手順を示す説明図である。 第４構成例の積層造形部品の造形作手順を示す説明図である。 第４構成例の積層造形部品の造形作手順を示す説明図である。 図１２Ｃに示す積層造形部品と被溶接部品との溶接手順を示す模式的な斜視図である。 図１２Ｃに示す積層造形部品と被溶接部品との溶接手順を示す模式的な斜視図である。 図１３Ａに示す積層造形部品と被溶接部品との溶接継手を模式的に示す断面図である。 図１４Ａの溶接継手をＶ型開先とした場合の積層造形部品と被溶接部品を模式的に示す断面図である。 図１３Ａに示す溶着ビードの延設方向を溶接継手の開口の深さ方向に直交する方向にした場合の、積層造形部品と被溶接部品との溶接手順を示す模式的な斜視図である。 積層造形部品と被溶接部品を示す模式的な斜視図である。 積層造形部品と被溶接部品によって溶接継手を形成した状態を示す模式的な斜視図である。 積層造形部品と被溶接部品とを溶接する様子を示す説明図である。 第５構成例の円筒状の積層造形部品と円筒状の被溶接部品とを示す斜視図である。 図１８のXIX−XIX線断面を示す断面図である。 図１９Ａに示す積層造形部品と被溶接部品とを嵌め合わせた状態を示す断面図である。 積層造形部品と被溶接部品とを溶接して構造体を作製する様子を示す説明図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。本発明の構造体は、後述する積層造形工程により形成される複数の積層造形部品を、この積層造形工程で共に造形される溶接継手を介して溶接して得られる。これにより、製造装置の可動範囲の制約により、一つの積層造形部品として作製可能な最大サイズよりも大きな構造体を作製できる。
図１は積層造形部品の作製に用いる製造装置の構成図である。
本構成の製造装置１００は、積層造形装置１１と、積層造形装置１１を統括制御するコントローラ１５と、を備える。積層造形装置１１は、先端軸にトーチ１７を有する溶接ロボット１９と、トーチ１７に溶加材（溶接ワイヤ）Ｍを供給する溶加材供給部２１とを有する。コントローラ１５は、ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１と、軌道演算部３３と、記憶部３５と、これらが接続される制御部３７と、を有する。
溶接ロボット１９は、多関節ロボットであり、先端軸に設けたトーチ１７には、溶加材Ｍが連続供給可能に支持される。トーチ１７の位置や姿勢は、ロボットアームの自由度の範囲で３次元的に任意に設定可能となっている。
トーチ１７は、不図示のシールドノズルを有し、シールドノズルからシールドガスが供給される。アーク溶接法としては、被覆アーク溶接や炭酸ガスアーク溶接等の消耗電極式、ＴＩＧ溶接やプラズマアーク溶接等の非消耗電極式のいずれであってもよく、作製する積層造形体Ｗに応じて適宜選定される。
例えば、消耗電極式の場合には、シールドノズルの内部にコンタクトチップが配置され、溶融電流が給電される溶加材Ｍがコンタクトチップに保持される。トーチ１７は、溶加材Ｍを保持しつつ、シールドガス雰囲気で溶加材Ｍの先端からアークを発生させる。なお、溶加材Ｍは、ロボットアーム等に取り付けた不図示の繰り出し機構により溶加材供給部２１からトーチ１７に送給される。そして、トーチ１７を移動しつつ、連続送給される溶加材Ｍを溶融及び凝固させると、ベース２７上に線状の溶着ビード２５が形成される。
ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１は、作製しようとする積層造形部品２３の形状データが入力され、この形状データに基づいて、互いに平行な複数の層Ｐ（１）・・・Ｐ（ｎ）に分割し、各層Ｐ（１）・・・Ｐ（ｎ）の形状を表す層形状データを生成する。軌道演算部３３は、生成された層形状データに基づいてトーチ１７の移動軌跡を求める。記憶部３５は、生成された層形状データやトーチ１７の移動軌跡等のデータを記憶する。
制御部３７は、記憶部３５に記憶された層形状データやトーチ１７の移動軌跡に基づく駆動プログラムを実行して、溶接ロボット１９を駆動する。つまり、溶接ロボット１９は、コントローラ１５からの指令により、軌道演算部３３で生成したトーチ１７の移動軌跡に基づき、溶加材Ｍをアークで溶融させながらトーチ１７を移動する。なお、図１においては、鋼板からなるベース２７上に溶着ビード２５を積層して円筒状の積層造形部品２３を造形する様子を示している。
図１に示す溶着ビード２５を積層して造形した積層造形部品２３は、製造装置１００が作製可能な最大サイズ以下のサイズである。図２Ａに構造体の一構成例を示した。ここでは、積層造形部品２３とは別体に、他の積層造形部品２３Ｕａ、２３Ｄａが用意される。これら積層造形部品２３Ｕａ，２３Ｄａも、上記した製造装置１００により造形され、製造装置１００の造形可能な最大サイズ以下のものである。
３つの積層造形部品２３，２３Ｕａ，２３Ｄａは、図２Ｂに示すように、積層造形部品２３の上方に積層造形部品２３Ｕａを配置し、積層造形部品２３の下方に積層造形部品２３Ｄａを配置した状態で、互いの接合部を溶接する。これにより、一体の構造体２９が作製される。
このようにして得られた構造体２９は、複数の積層造形部品２３，２３Ｕａ，２３Ｄａが、積層造形部品の積層造形工程で共に造形された溶接継手を介して溶接されるので、積層造形部品の製造装置１００が造形可能な最大の積層造形部品のサイズよりも大きなサイズとなる。つまり、製造装置１００の造形可能な最大サイズより大きな積層造形物の作製が可能となる。ここで例示した構造体２９は、３つの部品により構成されるが、これに限らず任意の個数にできる。また、積層造形部品２３，２３Ｕａ，２３Ｄａ同士は、それぞれに形成された溶接継手を介して溶接される。溶接継手の構造としては、例えば突合せ継手の場合、種々の開先形状や裏当て金を設ける等、種々の形態を採用できる。また、溶接継手は、突合せ継手に限らず、他の各種の溶接継手であってもよい。
また、構造体が造形可能な最大サイズより小さくても、構造体の形状が複雑で、一気に積層造形で作成するのが困難な場合もある。そのような場合でも、構造体の形状を複数の積層造形部品に分割し、各積層造形部品を造形した後、溶接継手を介して相互に溶接することで、形状の複雑さに制約されることなく、簡便に且つ高品位に構造体を作製できる。
以下に、開先形状を有する積層造形部品２３の造形方法、及び積層造形部品２３の接合方法について説明する。なお、構造体２９は、複数の積層造形部品のみが接合された形態に限らず、接合相手の一部は積層造形部品以外であってもよい。そのため、以下の説明では、積層造形部品に接合する相手部材を、「被溶接部品」として説明する。つまり、被溶接部品は、積層造形部品であってもよく、他の加工法により作製された部品であってもよい。
＜第１構成例＞
以下の説明では、特に、図２Ｂに示すような積層造形部品２３，２３Ｕａ，２３Ｄａ同士を溶接するための溶接継手の造形手順を説明する。図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃは第１構成例の積層造形部品の造形手順を示す模式的な説明図である。
本構成の突合せ溶接継手の造形においては、図３Ａに示すように、まず、ベース２７上に複数列の溶着ビード２５からなる溶着ビード層（１層目の溶着ビード層３４Ａ）を造形する。
次いで、図３Ｂに示すように、２層目の溶着ビード層３４Ｂを、１層目の溶着ビード層３４Ａの層端縁３６ａから層面内で溶着ビード２５の延設方向Ｋにずらして、１層目の溶着ビード層３４Ａ上に積層して造形する。同様に、２層目の溶着ビード層３４Ｂの層端縁３６ｂから層面内で溶着ビード２５の延設方向にずらして３層目の溶着ビード層３４Ｃを積層する。このような溶着ビード２５の積層を繰り返すことで、図３Ｃに示すように、溶着ビード層３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃの層端縁３６ａ，３６ｂ，３６ｃによって、図中点線で示す溶接継手（開先を含む）４１を有する積層造形部品２３が得られる。
図示例では、溶着ビード層を３層で示しているが、実際には更に多層の溶着ビード層によって開先が形成される。また、図示範囲は、積層造形部品全体の一部の範囲である。なお、図３Ｃは、図３Ｂに示すベース２７が取り外された、レ型開先形状の溶接継手（JIS Z 3001）４１を有する積層造形部品２３となる。
上記のように造形された積層造形部品２３は、図４Ａに示すように、接合相手となる被溶接部品３９と突き合わされて配置される。なお、図示例では溶接継手４１の形状が理解しやすいように概略的な外形を実線で示してある。また、ここで示される被溶接部品３９は、上記の積層造形部品２３と同様に複数の溶着ビード層によって造形されたものとして示してある。そして、図４Ｂに示すように、溶接継手４１を介して溶接された溶接部４３により、積層造形部品２３と被溶接部品３９とが一体化された構造体２９Ａが作製される。
積層造形部品２３と被溶接部品３９とを溶接する溶接装置としては、積層造形部品を造形する製造装置１００の溶接ロボット１９がそのまま使用可能であるが、別途に他の溶接装置を用いてもよい。
本構成の構造体２９Ａは、積層造形部品２３と被溶接部品３９とが、積層造形部品２３の積層造形工程と共に造形された溶接継手を介して溶接することで作製される。そのため、積層造形部品の製造装置１００が造形可能な最大サイズよりも大きな構造体２９Ａを、製造装置１００の可動範囲に制限されることなく作製できる。また、構造体２９Ａが複雑な形状である場合にも、制約を生じさせることなく、簡便に且つ高品位に構造体２９Ａを作製できる。更に、溶接継手を積層造形部品２３の積層造形工程と共に形成するため、溶接継手を切削加工等により形成する場合と比較して、加工工数を削減できる。
＜変形例＞
図５は積層造形部品と被溶接部品の変形例を示す模式的な要部斜視図である。
本変形例の積層造形部品２３Ａは、各溶着ビード層３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄが、溶着ビード２５の延設方向Ｋに対して直交方向にずらして造形される。このように、溶着ビード２５を溶着ビード層内で一方向にずらすことで、レ型開先形状の溶接継手４１Ａが造形される。その他の部分については、第１構成例と同様である。なお、以降に説明においては、同一部分には同一符号又は相当符号を付与することで、その説明を簡略化又は省略する。
本構成の積層造形部品２３Ａによれば、溶着ビード２５を連続させながら、溶接継手４１Ａを造形するため、第１変形例の場合と比較して、溶接継手４１Ａの造形速度を早められ、タクト時間の短縮が図れる。
また、被溶接部品３９は、図６に示すように、機械加工等により作製された任意の部品であってもよい。この場合も、積層造形部品２３と被溶接部品３９Ａとがレ型開先形状の溶接継手４１を介して溶接されて、構造体が作製される。
なお、上記例においては、図３Ｂに示すように、溶着ビード２５を、前層の溶着ビード２５から溶着ビード２５のベース２７上面に沿ったビード配列方向に向けて、ビード配列のピッチＰｔの半分（Ｐｔ／２）だけずらして積層している。この積層構造によれば、溶着ビード間に隙間が生じにくくなるが、これに限らない。例えば、図７に模式的に示すように、溶着ビードを、前層の溶着ビードの直上に積層、即ち、同一のピッチＰｔで同位相に積層してもよい。その場合、溶接トーチの移動経路を各層で共通化でき、積層処理をより簡単化できる。なお、溶着ビードの断面形状は完全な円形ではなく、隣接する溶着ビードに広がって扁平状となる。そのため、図示例の溶着ビード間の隙間は、実際には更に小さなものとなる。
＜他の変形例＞
図８Ａ〜図８Ｄは造形によって形成される溶接継手の開先形状を模式的に示す断面図である。
前述の溶接継手４１は、図８Ａに示されるレ型開先の溶接継手である。
この他に、図８Ｂに示すように、積層造形部品２３Ｂと被溶接部品３９Ｂにより形成されたＶ型開先の溶接継手４１Ｂであってもよい。また、図８Ｃに示す積層造形部品２３Ｃに形成されたＫ型開先の溶接継手４１Ｃ、図８Ｄに示す積層造形部品２３Ｄと被溶接部品３９Ｃに形成されたＸ型開先の溶接継手４１Ｄであってもよい。なお、溶接継手は、上記した開先形状以外にも、Ｉ型、Ｊ型、両面Ｊ型、Ｕ型、Ｈ型等の他の開先形状であってもよい。
＜第２構成例＞
次に、積層造形部品が裏当て金を用いて溶接された溶接継手の構成を説明する。
図９は第２構成例の積層造形部品と被溶接部品の断面図であり、溶接継手が裏当て金を用いて溶接される場合を示す。
本構成例においては、単一の溶着ビード２５が図９における奥行き方向（紙面垂直方向）に積層されて形成された積層造形部品２３と、同じく奥行き方向に延びる平板状の被溶接部品３９との溶接継手４１Ｅに、裏当て金４５が配置される。この裏当て金４５と積層造形部品２３と被溶接部品３９とを溶接することで、一体となった構造体が得られる。裏当て金４５は、積層造形部品２３と被溶接部品３９とは別途に準備された、溶着ビードにより積層造形された板材であってもよいが、積層造形部品の製造装置１００により、積層造形部品２３と同時に造形されたものであってもよい。更には、裏当て金４５を、積層造形以外の加工により作製された板材としてもよい。
この構造体によれば、片面溶接により積層造形部品２３と被溶接部品３９とを接合できる。裏当て金４５は、積層造形部品２３と被溶接部品３９との接合に適合するもの、又は積層造形部品２３と同じ材質のものが使用される。
＜変形例＞
図１０Ａ，図１０Ｂは、第２構成例の変形例である積層造形部品と被溶接部品を模式的に示す断面図である。
図１０Ａは、図８Ａに示すレ型開先の溶接継手４１に、裏当て金４５が配置された構成である。また、図１０Ｂは、図８Ｂに示すＶ型開先の溶接継手４１Ｂに、裏当て金４５が配置された構成である。
いずれの場合も、裏当て金４５は別途に用意された積層造形された板材であってもよく、積層造形部品と同時に造形されたものであってもよい。この構成によれば、積層造形部品同士が裏当て金４５と共に溶接されて、双方の部品が強固に接合される。また、シールドガスの使用量と作業時間を削減でき、高効率に溶接が行える。
＜第３構成例＞
次に、裏当て金を積層造形部品と一体に造形した構造体の構成を説明する。
図１１は裏当て金が一体に造形された積層造形部品２３と、積層造形部品２３に溶接される被溶接部品３９の断面図である。
本構成例の積層造形部品２３は、溶着ビード２５のビード延設方向端部を、被溶接部品３９の厚さ分だけ略クランク状に屈曲させた屈曲部を設ける。この溶着ビード２５は、図１１における奥行き方向（紙面垂直方向）に積層され、屈曲部が裏当て金４７として形成された積層造形部品２３となる。そして、裏当て金４７は、奥行き方向に延びる平板状の被溶接部品３９の溶接背面３９ａに対面して溶接継手４１Ｆを構成する。
本構成によれば、裏当て金４７を積層造形部品２３と一体に造形することで、別途に裏当て金となる部材を用意する必要がなくなり、溶接継手４１Ｆの溶接工程を簡略化できる。
＜第４構成例＞
次に、裏当て金を溶接継手と一体に造形した積層造形部品を用いた構造体の構成を説明する。
図１２Ａ〜図１２Ｃは、長さが異なる複数の溶着ビード２５により、開先と裏当て金とが一体に造形された積層造形部品の造形作手順を示す説明図である。
本構成の積層造形部品２３Ｅは、まず、図１２Ａに示すように、ベース２７上に溶着ビード２５を複数列形成する共に、開先と裏当て金の部位については、溶着ビード２５の延設方向Ｋの長さや形成位置を変更して形成する。つまり、溶着ビード２５の配列方向（延設方向Ｋの直交方向）一端部の溶着ビード２５を、溶着ビード層内でビード延設方向の一方にずらして形成する。これにより、１層目の溶着ビード層３４Ａを造形する。
次いで、図１２Ｂに示すように、１層目の溶着ビード層３４Ａの上に、１層目の溶着ビード層３４Ａと同じ長さ（形状）を有する溶着ビード２５を積層して、１層目と同じ形状の２層目の溶着ビード層３４Ｂを形成する。以降同様にして、３層目の溶着ビード層３４Ｃ、４層目の溶着ビード層３４Ｄを順次、前層の溶着ビード層上に積層し、図１２Ｃに示すように、開先を有する溶接継手４１と裏当て金４７Ａとが一体に形成された積層造形部品２３Ｅを造形する。なお、図１２Ｃは、図１２Ｂに示すベース２７が取り外された、レ型開先形状の溶接継手４１を有する積層造形部品２３Ｅを示している。
図１３Ａ，図１３Ｂは、図１２Ｃに示す積層造形部品２３Ｅと被溶接部品３９との溶接手順を示す模式的な斜視図である。
図１３Ａに示すように、積層造形部品２３Ｅの裏当て金４７Ａに、予め用意された被溶接部品３９が突き合わされて配置される。なお、図示例では溶接継手４１や裏当て金４７Ａの形状が理解しやすいように外形を実線で示してある。
そして、図１３Ｂに示すように、積層造形部品２３Ｅと被溶接部品３９とを溶接継手４１を介して溶接された溶接部４３により、積層造形部品２３Ｅと被溶接部品３９とが一体化された構造体２９Ｂが作製される。図示例の被溶接部品３９は、本構成例の積層造形部品２３Ｅと同様に、積層造形部品２３Ｅの厚さ方向に複数の溶着ビード層が形成されている。なお、被溶接部品３９は、機械加工等により別途に作製された任意の部品であってもよい。
＜変形例＞
図１４Ａは上記した図１３Ａに示す積層造形部品２３Ｅと被溶接部品３９の溶接継手を示す説明図である。同図においては、レ型開先の溶接継手４１と裏当て金４７Ａとが一体に造形された積層造形部品２３Ｅ、及び複数の溶着ビード層が積層されてなる被溶接部品３９の溶接前の状態を示している。
図１４Ｂは、同様の手順により作製されたＶ型開先の溶接継手４１Ｂと裏当て金４７Ａとが一体で造形された積層造形部品２３Ｆと、被溶接部品３９の溶接前の状態を示している。なお、溶接継手の開先形状は、レ型、Ｖ型以外にも、前述同様にＫ型、Ｘ型、Ｉ型、Ｊ型、両面Ｊ型、Ｕ型、Ｈ型等の任意の形状であってもよい。
なお、上記した積層造形部品２３Ｅ（２３Ｆも同様）や被溶接部品３９は、溶着ビード２５の延設方向Ｋが、溶接継手４１の開口の深さ方向と平行であるが、これに限らない。例えば、図１５に示すように、溶着ビード２５の延設方向Ｋを溶接継手４１の開口の深さ方向に直交する方向としてもよい。また、溶着ビード２５の積層位置は、図示例のように前層の溶着ビードの直上であってもよく、ビード配列のピッチＰｔの半分だけずらして積層されていてもよい。
＜第５構成例＞
次に、第５構成例の構造体をＴ字継手に適用した例を説明する。
図１６Ａは積層造形部品２３Ｇと被溶接部品３９Ｄを示す模式的な斜視図、図１６Ｂは積層造形部品２３Ｇと被溶接部品３９Ｄによって溶接継手を形成した状態を示す模式的な斜視図である。
図１６Ａに示すように、積層造形部品２３Ｇは、複数の溶着ビード２５による溶着ビード層が積層された板状部材であり、一端部に板厚方向から傾斜したレ型開先を有する溶接継手４１が形成される。
被溶接部品３９Ｄは、複数の溶着ビード２５による溶着ビード層が積層された板状部材である。被溶接部品３９Ｄの積層造形部品２３Ｇとの接合側の板面には、裏置きビード２６が積層造形によって形成される。裏置きビード２６は、接合する積層造形部品２３Ｇの開先に沿って形成される。なお、被溶接部品３９Ｄは、他の加工法により作製された部品であってもよく、裏置きビード２６は、別途用意された板材や棒材を被溶接部品３９Ｄに取り付けた構成であってもよい。
積層造形部品２３Ｇと被溶接部品３９Ｂは、図１６Ｂに示すように、積層造形部品２３Ｇの溶接継手４１を、裏置きビード２６が溶接継手４１の裏面側に所定の隙間を有して配置されるように、被溶接部品３９Ｄの板面に垂直な方向から突き当てる。つまり、積層造形部品２３Ｇと被溶接部品３９ＤによってＴ字継手を構成し、このＴ字継手を溶接することで双方の部品を接合する。
図１７は積層造形部品２３Ｇと被溶接部品３９Ｄとを溶接する様子を示す説明図である。
同図に示すように、被溶接部品３８Ｄは板面を鉛直方向にして配置され、積層造形部品２３Ｇは板面を水平方向にして配置される。そして、図１に示す溶接ロボット１９のトーチ１７を、積層造形部品２３Ｇの上方から溶接継手４１の開先に沿って移動させながら溶接する。
このとき、溶加材Ｍと継手母材とが溶融した溶湯が、裏置きビード２６によって堰き止められ、開先からたれ落ちることが防止される。そのため、溶湯は、積層造形部品２３Ｇの開先と、被溶接部品３９Ｄと、裏置きビード２６とによって囲まれる領域内に留まって凝固して、溶接部４３が形成される。
本構成によれば、片側隅肉溶接において、溶接部の裏側に溶け出してきた溶湯を裏置きビード２６により受け止めることで、完全な溶け込み溶接継手を形成できる。この場合、裏側のビードが未溶着部を生じることなく綺麗に形成されるため、接合部における亀裂の進展が防止され、溶接強度を向上できる。一方、裏置きビード２６に代えて、別途に裏当て金を設けて溶接した場合、裏当て金と被溶接部品３９Ｄとの間、又は裏当て金と積層造形部品２３Ｇとの間には未溶着部が生じることがある。その場合、荷重の負荷によって未溶着部の剥離や亀裂の進展によって、溶接強度が不十分になることがある。
なお、本構成の溶接継手４１は、図５に示す溶接継手４１Ａと同様の開先であるが、図４Ａに示す溶接継手４１のように、溶着ビードの方向を変更した構成であってもよい。
＜第６構成例＞
次に、円筒状の積層造形部品と円筒状の被溶接部品とが溶接により一体にされた構造体を説明する。
図１８は円筒状の積層造形部品２３Ｈと円筒状の被溶接部品３９Ｅとを示す斜視図である。
本構成の積層造形部品２３Ｈは、円筒状の本体部４９と、本体部４９の軸方向一端部の内周面に接して設けられ、軸方向外側に突出する内側円筒部５１とを有する。本体部４９と内側円筒部５１は、それぞれ溶着ビード２５が螺旋状又は円環状に積層された溶着ビード層により造形される。つまり、積層造形部品２３Ｈは、本体部４９と内側円筒部５１とが一体に造形されてなる。
被溶接部品３９Ｅは、溶着ビード２５が螺旋状又は円環状に積層された溶着ビード層により円筒状に造形された積層造形部品である。被溶接部品３９Ｅの内径は、積層造形部品２３Ｈの内側円筒部５１の外径よりも僅かに大きく造形される。
図１９Ａは図１８のXIX−XIX線断面を示す断面図、図１９Ｂは積層造形部品２３Ｈと被溶接部品３９Ｅとを嵌め合わせた状態を示す断面図である。
図１９Ａ，図１９Ｂに示すように、積層造形部品２３Ｈの内側円筒部５１には、被溶接部品３９Ｅが円筒軸に沿って挿入される。これにより、積層造形部品２３Ｈの内側円筒部５１の外周に、被溶接部品３９Ｅの内周が当接した状態で同軸に嵌め合わされる。このとき、積層造形部品２３Ｈの本体部４９と内側円筒部５１との間に形成される径方向の段部５３と、被溶接部品３９Ｅの挿入先端側の端部５５との間に環状の隙間５７を残しておく。この隙間５７によって、積層造形部品２３Ｈの本体部４９の一端である段部５３と被溶接部品３９Ｅの端部５５とを溶接継手４１Ｃとし、内側円筒部５１を裏当て金として機能させる。
図２０は積層造形部品２３Ｈと被溶接部品３９Ｅとを溶接して構造体を作製する様子を示す説明図である。
積層造形部品２３Ｈと被溶接部品３９Ｅを嵌め合わせた状態で、前述した隙間５７に沿ってトーチ１７（図１も参照）を移動させながら、積層造形部品２３Ｈと被溶接部品３９Ｅとを溶接する。これにより、隙間５７に溶接部４３が形成され、積層造形部品２３Ｈと被溶接部品３９Ｅが一体とされた構造体２９Ｃが得られる。
本構成の構造体２９Ｃによれば、小型の積層造形部品（積層造形部品２３Ｈ、被溶接部品３９Ｅ）同士を溶接することで、例えば図１に示す溶接ロボット１９の可動範囲を超えるサイズの構造体を容易に作製できる。また、二重構造を有する構造体２９Ｃを、簡便に且つ高品位に構造体２９Ａを作製できる。
なお、上記例は薄肉構造であるが、より厚肉の構造体にする場合には、径方向に関して複数層の溶着ビード層にして、前述したＫ型、Ｘ型開先等の溶接継手を形成して接合すればよい。
このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
例えば、上記構成例では、突合せ継手とＴ継手を一例に説明しているが、この他にも、十字継手、かど継手、当て金継手、重ね継手、縁継手、等の各種の溶接継手（JIS Z 3001）に対しても、本接合方法を適用できる。
以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードで形成した溶着ビード層に、次層の前記溶着ビード層を繰り返し積層して造形される複数の積層造形部品を、前記積層と共に造形された溶接継手を介して溶接して、一体の構造体にする積層造形部品の接合方法。
この積層造形部品の接合方法によれば、複数の溶着ビードからなる溶着ビード層が積層して造形された複数の積層造形部品が、溶着ビード層により造形された溶接継手を介して溶接されることで、一体の構造体が作製される。そのため、製造装置により造形可能な積層造形部品の最大サイズより大きな構造体を作製できる。また、構造体が複雑な形状である場合にも、制約を生じさせることなく、簡便に且つ高品位に構造体を作製できる。
（２） 前記溶着ビード層は複数列に配置される前記溶着ビードにより形成され、
前記次層の溶着ビード層を、前層の溶着ビード層の層端縁から層面内で一方向にずらして積層して、前記溶接継手の開先形状を造形する（１）に記載の積層造形部品の接合方法。
この積層造形部品の接合方法によれば、溶接継手の形状を積層造形により形成するため、切削等の後加工によって溶接継手を形成する場合よりも加工工数を削減できる。
（３） 前記溶接継手に裏当て金を配置して、前記積層造形部品同士を前記裏当て金と共に溶接する（１）又は（２）に記載の積層造形部品の接合方法。
この積層造形部品の接合方法によれば、積層造形部品と被溶接部品とが強固に溶接される。
（４） 前記溶着ビードに、ビード延設方向端部を屈曲させた屈曲部を形成し、
前記次層の溶着ビード層を前層の溶着ビード層に繰り返し積層して、前記裏当て金を前記屈曲部により造形する（３）に記載の積層造形部品の接合方法。
この積層造形部品の接合方法によれば、裏当て金が積層造形部品と一体に造形されるので、裏当て金となる部材を別途に用意する必要がなく、また、裏当て金を固定する必要もない。よって、積層造形部品と被溶接部品との溶接を容易に行える。
（５） 前記溶着ビード層は、複数列に配置される前記溶着ビードにより形成され、
前記溶着ビード層における前記溶着ビードの配列方向の一端部を、前記溶着ビード層内でビード延設方向の一方にずらして前記裏当て金を造形する（３）に記載の積層造形部品の接合方法。
この積層造形部品の接合方法によれば、裏当て金が積層造形部品と一体に造形されるので、裏当て金となる部材を別途に用意する必要がなく、また、裏当て金を固定する必要もない。よって、積層造形部品と被溶接部品との溶接を簡単に行える。
（６） 前記溶着ビード層は環状の溶着ビードにより形成され、
前記次層の溶着ビード層を、前層の溶着ビード層における前記環状の内周側、外周側の少なくとも一方に積層して、前記積層造形部品に前記溶接継手を造形する（１）に記載の積層造形部品の接合方法。
この積層造形部品の接合方法によれば、溶接継手を造形により形成するため、切削等の後加工によって溶接継手を形成する場合よりも加工工数を削減できる。
（７） 溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビード層が積層されてなる複数の積層造形部品同士が、前記溶着ビード層が積層されてなる溶接継手を介して互いに溶接された構造体。
この構造体によれば、複数の積層造形部品が溶接されて一体に構成されるため、個々の積層造形部品を作製する製造装置が造形可能な最大サイズよりも大きなサイズにできる。また、構造体が一気に積層造形できない複雑形状であっても、構造体を簡単に製造可能な構成にできる。
（８） 前記溶接継手は、突合せ継手、Ｔ字継手、十字継手、かど継手、当て板継手、重ね継手、へり継手の少なくともいずれかである（７）に記載の構造体。
この構造体によれば、高い溶接強度で積層造形部品を接合できる。
（９） 前記積層造形部品は円筒状であり、前記積層造形部品同士が同軸で溶接されている（７）又は（８）に記載の構造体。
この構造体によれば、円筒状の積層造形部品が同軸で接合された構成となり、軸長の長い管体が容易に得られる。
（１０） 前記溶接継手に、前記溶着ビード層が積層されてなる裏当て金が設けられ、前記積層造形部品同士が前記裏当て金と共に溶接されている（７）〜（９）のいずれか一つに記載の構造体。
この構造体によれば、積層造形部品と被溶接部品とが強固に溶接される。
（１１） （７）〜（１０）のいずれか一つに記載の構造体を構成する前記積層造形部品であって、
前記積層造形部品とは異なる他の積層造形部品に溶接可能な前記溶接継手が、積層された前記溶着ビード層により造形された前記積層造形部品。
この積層造形部品によれば、積層造形部品同士が積層造形された溶接継手を介して溶接可能な構成であるため、接合構造を簡単にでき、接合のための工数も削減できる。
（１２） （７）〜（１０）のいずれか一つに記載の構造体を構成する前記積層造形部品であって、
被溶接部品に溶接可能な前記溶接継手が、積層された前記溶着ビード層により造形された前記積層造形部品。
この積層造形部品によれば、積層造形部品が他の積層造形部品と異なる他の被溶接部品に溶接されることで、任意形状の構造体が簡単に得られる。
２３，２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ，２３Ｅ，２３Ｆ，２３Ｇ，２３Ｈ，２３Ｕａ，２３Ｄａ 積層造形部品
２５ 溶着ビード
２９，２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃ 構造体
３６ａ，３６ｂ，３６ｃ 層端縁
３９，３９Ａ，３９Ｂ，３９Ｃ，３９Ｄ，３９Ｅ 被溶接部品
４１，４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ 溶接継手
４３ 溶接部
４７，４７Ａ 裏当て金
Ｍ 溶加材

Claims (8)

  1. アークを用いて溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードで形成した溶着ビード層に、次層の前記溶着ビード層を繰り返し積層して造形される複数の積層造形部品を、前記積層と共に造形された溶接継手を介して溶接して、一体の構造体にする積層造形部品の接合方法であって、
    前記溶着ビード層は、複数列に配置される環状の前記溶着ビードにより形成され、
    前記次層の溶着ビード層を、前層の前記溶着ビード層の層端縁から層面内で、前記環状の内周側、外周側の少なくとも一方にずらして積層して、前記溶接継手を、レ型、Ｖ型、Ｘ型、Ｊ型、両面Ｊ型、Ｕ型、Ｈ型のいずれかの開先形状に造形する工程を有する、
    積層造形部品の接合方法。
  2. 前記溶接継手に裏当て金を配置して、前記積層造形部品同士を前記裏当て金と共に溶接する請求項１に記載の積層造形部品の接合方法。
  3. 前記溶着ビードに、ビード延設方向端部を屈曲させた屈曲部を形成し、
    前記次層の溶着ビード層を前層の前記溶着ビード層に繰り返し積層して、前記裏当て金を前記屈曲部により造形する請求項２に記載の積層造形部品の接合方法。
  4. 溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードで形成された溶着ビード層が積層されてなる複数の積層造形部品同士が、前記溶着ビード層が積層されてなる溶接継手を介して互いに溶接され、
    前記溶着ビード層は、複数列に配置される環状の前記溶着ビードにより形成され、
    前記積層造形部品は円筒状であり、前記積層造形部品同士が同軸で溶接されており、
    前層の前記溶着ビード層の層端縁から層面内で一方向にずらして次層の前記溶着ビード層が積層されて、前記溶接継手が、レ型、Ｖ型、Ｘ型、Ｊ型、両面Ｊ型、Ｕ型、Ｈ型のいずれかの開先形状に造形されている、
    構造体。
  5. 前記溶接継手は、突合せ継手である請求項４に記載の構造体。
  6. 前記溶接継手に、前記溶着ビード層が積層されてなる裏当て金が設けられ、前記積層造形部品同士が前記裏当て金と共に溶接されている請求項４又は請求項５に記載の構造体。
  7. 請求項４〜請求項６のいずれか一項に記載の構造体を構成する前記積層造形部品であって、
    前記積層造形部品とは異なる他の積層造形部品に溶接可能な前記溶接継手が、積層された前記溶着ビード層により造形された前記積層造形部品。
  8. 請求項４〜請求項６のいずれか一項に記載の構造体を構成する前記積層造形部品であって、
    被溶接部材に溶接可能な前記溶接継手が、積層された前記溶着ビード層により造形された前記積層造形部品。
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