JP7100488B2 - Overlay welding method - Google Patents
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Description
本発明は、肉盛溶接方法、およびこの肉盛溶接方法により得られた肉盛溶接物に関する。また、本発明は、その肉盛溶接物を用いた部品製造方法に関する。 The present invention relates to a overlay welding method and an overlay weld obtained by this overlay welding method. The present invention also relates to a method for manufacturing parts using the overlay welded product.
従来から、肉盛溶接には、MIG(Metal Inert Gas)溶接、TIG(Tungsten Inert Gas)溶接およびLMD(Laser Metal Deposition)などが用いられている。このうち、TIG溶接およびLMDでは、ワークの表面および溶接ワイヤの先端が熱源(アークまたはレーザ)によって溶融されて溶融プールが形成されながら、溶接ワイヤが熱源と異なる方向から溶融プールへ供給される。 Conventionally, MIG (Metal Inert Gas) welding, TIG (Tungsten Inert Gas) welding, LMD (Laser Metal Deposition) and the like have been used for overlay welding. Of these, in TIG welding and LMD, the surface of the work and the tip of the welding wire are melted by a heat source (arc or laser) to form a molten pool, while the welding wire is supplied to the molten pool from a direction different from the heat source.
肉盛用の溶接ワイヤとしては、中心線と少なくとも1つの外周線を含むものがある(例えば、特許文献1,2参照)。例えば、外周線が1つの場合、中空の外周線の内側に中心線が配置される。外周線が3つ以上の場合は、外周線が互いに撚り合されて、その内側に中心線が配置される。このような溶接ワイヤを用いれば、中心線の組成および外周線の組成に応じて、任意の合金組成の肉盛ビードを形成することができる。
Some welding wires for overlay include a center line and at least one outer peripheral line (see, for example,
ところで、TIG溶接またはLMDにより肉盛溶接を行う場合には、ワークへの入熱量を低減するために、溶接ワイヤを通電により加熱することがある(いわゆる、ホットワイヤ法)。このようなホットワイヤ法において、上述したような中心線と少なくとも1つの外周線を含む溶接ワイヤを用いる場合には、溶接ワイヤの通電時に中心線および外周線の双方がジュール熱により加熱されるため、中心線および外周線の溶融を防止する必要がある。なお、特許文献1,2に記載された肉盛溶接は、ホットワイヤ法を使用するものではない。
By the way, when overlay welding is performed by TIG welding or LMD, the welding wire may be heated by energization in order to reduce the amount of heat input to the work (so-called hot wire method). In such a hot wire method, when a welding wire including the center line and at least one outer peripheral line as described above is used, both the center line and the outer peripheral line are heated by Joule heat when the welding wire is energized. , It is necessary to prevent melting of the center line and the outer circumference line. The overlay welding described in
そこで、本発明は、溶接ワイヤの中心線および外周線のジュール熱による溶融を防止することができる肉盛溶接方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a build-up welding method capable of preventing melting of the center line and the outer peripheral line of the welding wire due to Joule heat.
前記課題を解決するために、本発明の肉盛溶接方法は、ワークの表面および溶接ワイヤの先端を熱源によって溶融させて溶融プールを形成する工程と、前記溶接ワイヤを通電によって加熱しながら、前記熱源と異なる方向から前記溶融プールへ供給する工程と、を含み、前記溶接ワイヤとして、中心線と少なくとも1つの外周線を含み、前記外周線の融点が前記中心線の融点よりも300℃以上高く、かつ、前記中心線と前記外周線との間に前記外周線から前記中心線への電気伝導を阻害する抵抗層が介在するワイヤを用いる、ことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the overlay welding method of the present invention comprises a step of melting the surface of the work and the tip of the welding wire with a heat source to form a molten pool, and heating the welding wire by energization. The welding wire includes a center line and at least one outer peripheral line, and the melting point of the outer peripheral line is 300 ° C. or higher higher than the melting point of the center line. Further, it is characterized by using a wire in which a resistance layer that inhibits electrical conduction from the outer peripheral line to the central line is interposed between the center line and the outer peripheral line.
上記の構成によれば、電圧が印加される外周線の融点が中心線の融点よりも300℃以上高く設定されているので、ジュール熱による外周線の溶融を防止することができる。しかも、外周線と中心線の間に介在する抵抗層は、外周線が中心線の融点よりも高い温度となっても外周線の熱が中心線へ伝導することを抑制する。このため、中心線が熱伝導によって溶融することも防止される。また、抵抗層は外周線から中心線への電気伝導を阻害するため、溶接ワイヤの通電時に中心線に発生するジュール熱を小さく抑えることができる。これにより、ジュール熱による中心線の溶融も防止することができる。 According to the above configuration, since the melting point of the outer peripheral line to which the voltage is applied is set to be 300 ° C. or higher higher than the melting point of the center line, it is possible to prevent the outer peripheral line from melting due to Joule heat. Moreover, the resistance layer interposed between the outer peripheral line and the center line suppresses the heat of the outer peripheral line from being conducted to the center line even when the temperature of the outer peripheral line becomes higher than the melting point of the center line. Therefore, it is also prevented that the center line is melted by heat conduction. Further, since the resistance layer inhibits the electrical conduction from the outer peripheral line to the center line, the Joule heat generated in the center line when the welding wire is energized can be suppressed to a small value. This makes it possible to prevent the center line from melting due to Joule heat.
前記抵抗層は空気層であってもよい。この構成によれば、抵抗層の電気抵抗率が格段に大きくなるため、溶接ワイヤの通電時に中心線に発生するジュール熱を格別に小さく抑えることができる。 The resistance layer may be an air layer. According to this configuration, since the electrical resistivity of the resistance layer becomes remarkably large, the Joule heat generated in the center line when the welding wire is energized can be suppressed to be extremely small.
例えば、前記溶接ワイヤは、互いに撚り合された少なくとも3つの前記外周線を含む撚り線であってもよい。 For example, the weld wire may be a stranded wire containing at least three of the outer peripheral wires twisted together.
例えば、前記中心線の直径は、前記溶接ワイヤの断面における前記外周線の内接円の直径未満であってもよい。 For example, the diameter of the center line may be less than the diameter of the inscribed circle of the outer peripheral line in the cross section of the weld wire.
前記中心線の組成および前記外周線の組成は、前記溶接ワイヤ全体としての組成が、質量パーセントで表示して、Cu:60~85%、Sn:5~15%、Pb:2~20%となるように調整されていてもよい。この構成によれば、肉盛ビードを鉛青銅で構成することができ、肉盛ビードに潤滑性を付与することができる。 The composition of the center line and the composition of the outer peripheral line are such that the composition of the welding wire as a whole is expressed in mass percent as Cu: 60 to 85%, Sn: 5 to 15%, Pb: 2 to 20%. It may be adjusted to be. According to this configuration, the overlay bead can be composed of lead bronze, and the overlay bead can be imparted with lubricity.
前記中心線は主成分としてPbを含み、前記外周線は第1の主成分としてCuを含むとともに第2の主成分としてSnを含んでもよい。鉛青銅は延性が乏しいために、鉛青銅からなる単線の製造は困難である。これに対し、市場に流通する鉛からなる単線および青銅からなる単線をそれぞれ中心線および外周線として用いれば、溶接ワイヤを低コストで容易に製造することができる。 The center line may contain Pb as a main component, and the outer peripheral line may contain Cu as a first main component and Sn as a second main component. Since lead bronze has poor ductility, it is difficult to manufacture a single wire made of lead bronze. On the other hand, if a single wire made of lead and a single wire made of bronze, which are on the market, are used as the center line and the outer peripheral line, respectively, the welded wire can be easily manufactured at low cost.
前記中心線はPbだけでなくSnも主成分として含んでもよい。この構成によれば、半田からなる単線を中心線として用いることができる。 The center line may contain not only Pb but also Sn as a main component. According to this configuration, a single wire made of solder can be used as the center line.
前記熱源はレーザであってもよい。この構成によれば、LMDにより肉盛溶接を行うことができる。 The heat source may be a laser. According to this configuration, overlay welding can be performed by LMD.
また、本発明は、上記の肉盛溶接方法により得られた肉盛溶接物を提供する。 The present invention also provides an overlay weld obtained by the overlay welding method described above.
さらに、本発明は、上記の肉盛溶接物を機械加工して部品を製造する部品製造方法を提供する。 Further, the present invention provides a part manufacturing method for manufacturing a part by machining the above-mentioned overlay weld.
本発明によれば、溶接ワイヤの中心線および外周線のジュール熱による溶融を防止することができる。 According to the present invention, it is possible to prevent melting of the center line and the outer peripheral line of the welding wire due to Joule heat.
図1を参照して、本発明の一実施形態に係る肉盛溶接方法を説明する。本実施形態では、LMDにより肉盛溶接が行われる。すなわち、ワーク1の表面に向かって溶融用の熱源であるレーザ3が図略のレーザ出射口から照射される。
With reference to FIG. 1, the overlay welding method according to the embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, overlay welding is performed by LMD. That is, the
ワーク1の材質は、特に限定されるものではないが、例えば、鋼、鋳鉄、ステンレス、ニッケル基合金、アルミニウム合金などである。
The material of the
本実施形態の肉盛溶接方法では、ワーク1の表面および肉盛用の溶接ワイヤ2の先端がレーザ3によって溶融されて溶融プール10が形成されながら、溶接ワイヤ2がレーザ3と異なる方向から溶融プール10へ供給される。さらに、本実施形態では、溶接ワイヤ2が通電によって加熱されながら、溶融プール10へ供給される。
In the overlay welding method of the present embodiment, the surface of the
溶接ワイヤ2は、ノズル4を通じて繰り出される。ノズル4は、溶接ワイヤ2の外周面に電圧を印加する電極としての役割も果たす。この電圧の印加により、ノズル4から溶接ワイヤ2および溶融プール10を通じてワーク1へ電流が流れて溶接ワイヤ2が加熱される。溶接ワイヤ2は、後述する外周線22の温度が後述する中心線21の融点以上かつ当該外周線22の融点未満の温度となるように加熱されることが望ましい。
The
また、ノズル4には溶接ワイヤ2の周囲に環状の流路41が設けられており、この流路41を通じて、溶融プール10の周囲へアルゴンなどの不活性ガス5が供給される。なお、環状の流路41に代えて、周方向に点在する複数の流路が採用されてもよい。
Further, the
図略のレーザ出射口およびノズル4は、肉盛溶接を行うべき計画線に沿って、ワーク1と相対的に移動される。これにより、肉盛ビード11が形成される。
The laser ejection port and the nozzle 4 (not shown) are moved relative to the
図1では、上述した計画線に沿った溶接方向(図1では左から右に向かう方向)において、溶接ワイヤ2がレーザ3の前方に位置しているが、それらの位置関係は逆であってもよい。あるいは、溶接ワイヤ2およびレーザ3は、上述した計画線の両側に位置してもよい。さらには、ノズル4にレーザ3を導く導光路が設けられ、レーザ3が溶接ワイヤ2と異なる位置でノズル4から出射されてもよい。
In FIG. 1, the
レーザ3は、溶接ワイヤ2に直接照射されてもよいが、図1に示すように溶接ワイヤ2に直接照射されないことが望ましい。換言すれば、溶融プール10に対するレーザ3の照射範囲は、溶融プール10に対する溶接ワイヤ2の供給位置からズレていることが望ましい。
The
図2に示すように、溶接ワイヤ2は、中心線21と、少なくとも1つの外周線22を含む。本実施形態では、図2および図3に示すように、溶接ワイヤ2が撚り線である。より詳しくは、溶接ワイヤ2は、互いに撚り合わされた6つの外周線22を含む。中心線21は、外周線22の内側に配置されている。ただし、撚り線中の外周線22の数は、少なくとも3つであればよい。
As shown in FIG. 2, the
撚り線は、外周線22が互いに撚り合された後に、外側から圧縮して押し潰されてもよい。すなわち、各外周線22の断面形状は、真円であってもよいし真円でなくてもよい。
The stranded wire may be compressed from the outside and crushed after the outer
中心線21と外周線22の間には、外周線22から中心線21への電気伝導を阻害する抵抗層23が介在する。抵抗層23の電気抵抗率は、1.0×10-5Ω・m以上であることが望ましく、10Ω・m以上であることがより望ましい。本実施形態では、抵抗層23が空気層である。
A
より詳しくは、中心線21の直径Dcは、溶接ワイヤ2の断面における外周線22の内接円の直径Di未満である。各外周線22の断面形状が真円である場合、6つの外周線22の内接円の直径Diは外周線22の直径Doと等しい。
More specifically, the diameter Dc of the
抵抗層23の厚さを十分に確保するという観点からは、中心線21の直径Dcは、外周線22の内接円の直径Diの90%以下であることが望ましく、70%以下であることがより望ましい。
From the viewpoint of ensuring a sufficient thickness of the
なお、外周線22の数が7つ以上であり、外周線22の断面形状が真円である場合は、外周線22の内接円の直径Diは外周線22の直径Doよりも大きい。この場合、中心線21の直径Dcは、外周線22の直径Doと等しくてもよいし、それよりも大きくてもよい。
When the number of the outer
上述したように、中心線21の直径Dcは中心線21と外周線22との間に隙間が形成されるように小さく設定されているので、中心線21は軸方向において部分的に外周線22のいずれかと接触する。すなわち、抵抗層23の断面形状は、中心線21が外周線22と接触しない位置では環状であり、中心線21が外周線22と接触する位置では略C字状である。
As described above, since the diameter Dc of the
各外周線22の融点は、中心線21の融点よりも300℃以上高く設定されている。中心線21および外周線22の組成は、肉盛ビード11をどのような合金で構成するかによって適宜決定される。例えば、肉盛ビード11の合金としては、鉛青銅、アルミ青銅、青銅、黄銅、ニッケルアルミ合金などが挙げられる。
The melting point of each outer
肉盛ビード11を鉛青銅で構成する場合、例えば、中心線21の組成および外周線22の組成は、溶接ワイヤ2全体としての組成が、質量パーセントで表示して(以下、同じ)、Cu:60~85%、Sn:5~15%、Pb:2~20%となるように調整される。この場合、中心線21は主成分としてPbを含むか、PbとSnの双方を含み、外周線22は、第1の主成分としてCuを含むとともに、第2の主成分としてSnを含む。
When the
肉盛ビード11を鉛青銅で構成する場合、肉盛ビード11に潤滑性を付与することができる。鉛青銅は延性が乏しいために、鉛青銅からなる単線の製造は困難である。これに対し、中心線21が主成分としてPbのみを含み、外周線22が主成分としてCu,Snを含む場合には、市場に流通する鉛からなる単線および青銅からなる単線をそれぞれ中心線21および外周線22として用いることができる。従って、溶接ワイヤ2を低コストで容易に製造することができる。あるいは、外周線22が主成分としてPb,Snを含む場合には、半田からなる単線を中心線21として用いることができる。
When the
例えば、中心線21の直径Dcを6つの外周線22の内接円の直径Diの70%としたときの中心線21および外周線22の組成は以下のとおりである。
For example, the composition of the
中心線21が主成分としてPbのみを含む場合、例えば、中心線21の組成はPb:99~100%であり、外周線22の組成はCu:90~95%、Sn:5~10%である。
When the
中心線21が主成分としてPbおよびSnの双方を含む場合、例えば、中心線21の組成はPb:60~99%、Sn:1~40%であり、外周線22の組成はCu:87~98%、Sn:2~13%である。
When the
肉盛ビード11を鉛青銅で構成する場合、中心線21および外周線22の少なくとも一方には、P、Al、Siなどを添加剤として含めてもよい。P、Al、Siは、酸素との親和力が強く、肉盛中に脱酸剤として働く。このため、P、Al、Siは、肉盛ビード11の酸化物由来の気泡欠陥を抑制するために添加される。
When the
肉盛ビード11をアルミ青銅で構成する場合、例えば、中心線21の組成および外周線22の組成は、溶接ワイヤ2全体としての組成が、Cu:80~99%、Al:1~20%となるように調整される。この場合、中心線21は主成分としてAlを含み、外周線22は主成分としてCuを含む。
When the
肉盛ビード11を青銅で構成する場合、例えば、中心線21の組成および外周線22の組成は、溶接ワイヤ2全体としての組成が、Cu:80~99%、Sn:1~20%となるように調整される。この場合、中心線21は主成分としてSnを含み、外周線22は主成分としてCuを含む。
When the
肉盛ビード11を黄銅で構成する場合、例えば、中心線21の組成および外周線22の組成は、溶接ワイヤ2全体としての組成が、Cu:60~99%、Zn:1~40%となるように調整される。この場合、中心線21は主成分としてZnを含み、外周線22は主成分としてCuを含む。
When the
肉盛ビード11をニッケルアルミ合金で構成する場合、例えば、中心線21の組成および外周線22の組成は、溶接ワイヤ2全体としての組成が、Ni:90~99%、Al:1~5%となるように調整される。この場合、中心線21は主成分としてAlを含み、外周線22は主成分としてNiを含む。
When the
上述した肉盛溶接方法により、肉盛ビード11を含む肉盛溶接物を得ることができる。この肉盛溶接物からは、当該肉盛溶接物を機械加工して部品を製造することも可能である。
By the overlay welding method described above, an overlay weld including the
以上説明したように、本実施形態の肉盛溶接方法では、電圧が印加される外周線22の融点が中心線21の融点よりも300℃以上高く設定されているので、ジュール熱による外周線22の溶融を防止することができる。しかも、外周線22と中心線21の間に介在する抵抗層23は、外周線22が中心線21の融点よりも高い温度となっても外周線22の熱が中心線21へ伝導することを抑制する。このため、中心線21が熱伝導によって溶融することも防止される。また、抵抗層23は外周線22から中心線21への電気伝導を阻害するため、溶接ワイヤ2の通電時に中心線21に発生するジュール熱を小さく抑えることができる。これにより、ジュール熱による中心線21の溶融も防止することができる。
As described above, in the overlay welding method of the present embodiment, the melting point of the outer
(変形例)
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
(Modification example)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
例えば、肉盛溶接は、TIG溶接により行われてもよい。この場合、溶融用の熱源はアークである。 For example, overlay welding may be performed by TIG welding. In this case, the heat source for melting is an arc.
また、溶接ワイヤ2は、必ずしも少なくとも3つの外周線22を含む撚り線である必要はない。例えば、溶接ワイヤ2は、中空の1つの外周線22の内側に中心線21が配置された構成を有してもよい(いわゆるフープ材)。
Further, the
あるいは、溶接ワイヤ2は、図4および図5に示すように、中心線21が抵抗層23で被覆され、この抵抗層23の回りに1つまたは複数の外周線22が巻き回された構成を有してもよい(いわゆる巻き線)。この場合の抵抗層23は、例えば樹脂からなる。
Alternatively, as shown in FIGS. 4 and 5, the
ただし、前記実施形態のように溶接ワイヤ2が撚り線であれば、フープ材に比べて、肉盛ビード11の合金組成が調整し易いというメリットがある。中心線21及び外周線22の材質が決まっている場合の肉盛ビード11の合金組成を調整するパラメータとしては、フープ材では単一の外周線22の肉厚に限られるのに対し、撚り線では外周線22の直径、撚りピッチを用いることができるからである。また、図4および5に示すような巻き線では、溶接ワイヤ2としての強度や可撓性を中心線21で持たせる必要があるのに対し、巻き線では、中心線21に強度や可撓性を持たせる必要がない。しかも、抵抗層23が空気層であれば、抵抗層23の電気抵抗率が格段に大きくなるため、溶接ワイヤ2の通電時に中心線21に発生するジュール熱を格別に小さく抑えることができる。
However, if the welded
1 ワーク
10 溶融プール
2 溶接ワイヤ
21 中心線
22 外周線
23 抵抗層
3 レーザ(熱源)
1
Claims (8)
前記溶接ワイヤを通電によって加熱しながら、前記熱源と異なる方向から前記溶融プールへ供給する工程と、を含み、
前記溶接ワイヤとして、中心線と少なくとも1つの外周線を含み、前記外周線の融点が前記中心線の融点よりも300℃以上高く、かつ、前記中心線と前記外周線との間に前記外周線から前記中心線への電気伝導を阻害する抵抗層が介在するワイヤを用いる、肉盛溶接方法。 The process of melting the surface of the work and the tip of the welding wire with a heat source to form a molten pool,
A step of supplying the welding wire to the melting pool from a direction different from that of the heat source while heating the welding wire by energization is included.
The welding wire includes a center line and at least one outer peripheral line, the melting point of the outer peripheral line is 300 ° C. or more higher than the melting point of the center line, and the outer peripheral line is between the center line and the outer peripheral line. A overlay welding method using a wire having a resistance layer that inhibits electrical conduction from the center line to the center line.
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