JP7249127B2 - 傾斜状構造体およびその製造方法 - Google Patents

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本発明は、母材の表面から斜め方向に延びる傾斜状構造体およびその製造方法に関する。
母材の表面から斜め方向に延びる傾斜状構造体は、肉盛溶接によって製造することができる。例えば、特許文献１の図５には、ＭＩＧ（Metal Inert Gas）溶接によって傾斜状構造体を製造することが記載されている。
また、特許文献１には、母材の表面の垂線に対する傾斜状構造体の角度が３３度までは支持体なしで傾斜状構造体を製造可能であることが記載されている（発明の詳細な説明の段落００２２参照）。換言すれば、母材の表面と傾斜状構造体の傾斜方向との間の角度が５７度未満では、支持体なしで傾斜状構造体を製造することができない。
特開平４－３３６３０４号公報
そこで、本発明は、どのような傾斜方向の傾斜状構造体でも支持体なしで製造することができる傾斜状構造体の製造方法を提供すること、およびその製造方法により製造される傾斜状構造体を提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の傾斜状構造体の製造方法は、母材の表面から斜め方向に延びる傾斜状構造体を製造する方法であって、前記母材の表面上に各々が複数のビードからなる複数の肉盛層を積層することによって、前記母材の表面の垂線に対して前記斜め方向と反対側に傾斜する基準面を有するベース部を形成する工程と、前記ベース部の基準面上に各々が複数のビードからなる複数の肉盛層を積層することによって、前記ベース部から前記斜め方向に延びる突出部を形成する工程と、を含む、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、母材の表面に対して傾斜する基準面がまず形成され、その後に基準面上に複数の肉盛層が積層されるので、どのような傾斜方向の傾斜状構造体でも支持体なしで製造することができる。
ところで、特許文献１の図５のように複数の肉盛層を少しずつずらしながら母材の表面上に積層して傾斜状構造体を製造した場合には、傾斜状構造体内の結晶粒が積層方向（母材の表面に垂直な方向）に沿った柱状となるため、傾斜状構造体の延在方向におけるクリープ強度がそれほど高くない。これに対し、上記の製造方法で製造された傾斜状構造体では、傾斜状構造体内の結晶粒が突出部では傾斜状構造体の延在方向に沿った柱状となるため、傾斜状構造体の延在方向において高いクリープ強度を得ることができる。
例えば、前記傾斜状構造体は、前記母材から遠ざかるにつれて縮径または拡径する環状であってもよい。
前記母材の表面上への前記複数の肉盛層の積層および前記ベース部の基準面上への前記複数の肉盛層の積層は、レーザ金属肉盛により行われてもよい。この構成によれば、母材への入熱量が小さくなるため、母材の熱影響部（ＨＡＺ）を小さくすることができる。また、ベース部の基準面上への肉盛層の積層もレーザ金属肉盛により行われるので、ベース部と突出部とを連続して形成することができる。
前記レーザ金属肉盛では溶接材としてパウダが用いられ、前記基準面上に前記複数の肉盛層を積層する際は、各肉盛層を、前記母材側から順に前記ビードを並べて形成してもよい。基準面上に肉盛層を積層する際に、各肉盛層を、母材から遠い側から順にビードを並べて形成した場合には、第２ビード以降を形成する際に、溶融プールの回りに飛び散ったパウダが既設ビードと母材との間に残存し易い。これに対し、母材側から順にビードを並べて形成すれば、各肉盛層において第２ビード以降も良好に形成することができる。
前記母材の表面上に前記複数の肉盛層を積層する際は、各肉盛層を、前記基準面側から順に前記ビードを並べて形成してもよい。この構成によれば、凹凸の小さい基準面を形成することができる。
また、本発明の傾斜状構造体は、母材の表面から斜め方向に延びる傾斜状構造体であって、前記母材の表面上に形成された、結晶粒が前記母材の表面に垂直な方向に沿った柱状である金属製のベース部と、前記ベース部から前記斜め方向に延びる、結晶粒が前記斜め方向に沿った柱状である金属製の突出部と、を備える、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、傾斜状構造体の延在方向において高いクリープ強度を得ることができる。
本発明によれば、どのような傾斜方向の傾斜状構造体でも支持体なしで製造することができる。
本発明の一実施形態に係る製造方法によって製造された傾斜状構造体およびこれを担持する母材の平面図である。 図１のII－II線に沿った断面図である。 前記製造方法におけるベース部を形成する工程を説明するための図である。 前記製造方法における突出部を形成する前の準備工程を説明するための図である。 前記製造方法における突出部を形成する工程を説明するための図である。 従来の製造方法によって製造した傾斜状構造体の断面図である。 前記実施形態の製造方法によって製造した傾斜状構造の断面図である。 従来の製造方法によって製造した傾斜状構体の切断面にエッチング処理した後の拡大写真である。
本発明の一実施形態に係る製造方法では、図１および図２に示すように、母材１の表面１１から斜め方向Ｄに延びる傾斜状構造体２を製造する。
本実施形態では、母材１が、中心に貫通穴１２を有する円盤状である。ただし、母材１の形状はこれに限定されるものではなく、母材１はどのような形状であってもよい（例えば、お椀状など）。
また、本実施形態では、傾斜状構造体２が、母材１から遠ざかるにつれて縮径する環状である。換言すれば、傾斜状構造体２は、テーパー状の周壁である。このため、上述した斜め方向Ｄは、円錐面に沿った方向である。
ただし、傾斜状構造体２は、母材１から遠ざかるにつれて拡径する環状であってもよい。あるいは、傾斜状構造体２は、必ずしも環状である必要はなく、傾斜する板状または柱状であってもよい。
傾斜状構造体２は、母材１の表面１１上に形成されたベース部３と、ベース部３から斜め方向Ｄに延びる突出部５を含む。これらのベース部３および突出部５は、共に金属製である。
本実施形態では、ベース部３の断面形状が図３に示すように三角形状であり、突出部５の断面形状が図５に示すように矩形状である。ただし、ベース部３の断面形状は、ベース部３が後述する基準面３１を有する限り、特に限定されるものではない。例えば、ベース部３の断面形状は、台形状であってもよいし、母材１の表面１１および基準面３１を二辺とする扇形であってもよい。また、突出部４の断面形状も特に限定されるものではなく、台形状または三角形状であってもよい。
図３に示すように、ベース部３は、母材１の表面１１上に複数（図例では６つ）の肉盛層４Ａ～４Ｆを積層することによって形成される。本実施形態では、上述したようにベース部３の断面形状が三角形状であるため、最も上方に位置する肉盛層４Ｆは単一のビード４１からなり、それ以外の肉盛層４Ａ～４Ｅはそれぞれ複数のビード４１からなる。
全てのビード４１は、傾斜状構造体２と同心円状の環状である。肉盛層４Ａ～４Ｅのそれぞれでは、ビード４１が母材１の表面１１と平行に並んでいる。
ベース部３は、母材１の表面１１の垂線に対して斜め方向Ｄと反対側に傾斜する基準面３１を有する。この基準面３１は、肉盛層４Ａ～４Ｆのそれぞれにおける最も斜め方向Ｄ側に位置するビード４１により形成される。
本実施形態では、母材１の表面１１上への肉盛層４Ａ～４Ｆの積層がレーザ金属肉盛（ＬＭＤ）によって行われる。ただし、母材１の表面１１上への肉盛層４Ａ～４Ｆの積層は、ＭＩＧ溶接や電子ビーム溶接などの他の方法で行われてもよい。
ＬＭＤでは、図略のノズルから母材１の表面１１または直前に形成された肉盛層の表面に向けて溶接材およびシールドガスが供給されるとともにレーザ光が照射され、これにより溶融プールが生成される。溶接材およびシールドガスの供給ならびにレーザ光の照射は、水平に保たれた母材１が回転されながら行われ、上記の溶融プールがビード４１となる。本実施形態では、溶接材としてパウダが用いられる。ただし、溶接材はワイヤであってもよい。
母材１の表面１１上に肉盛層４Ａ～４Ｆを積層する際は、肉盛層４Ａ～４Ｆのそれぞれを、ベース部３の基準面３１側から順に（図３では右側から左側に向かって）ビード４１を並べて形成することが望ましい。凹凸の小さい基準面３１を形成することができ、かつ、その基準面３１を母材１の表面１１に対して正確な角度で形成することができるからである。
ベース部３を形成した後は、突出部５を形成する前に、図４に示すように、ベース部３の基準面３１が最下点で水平となるように母材１を傾けて、ＬＭＤで使用したノズルからレーザのみを照射し、基準面３１を平滑化する。
図５に示すように、突出部５は、ベース部３の基準面３１上に複数（図例では１０）の肉盛層６Ａ～６Ｊを積層することにより形成される。本実施形態では、上述したように突出部５の断面形状が矩形状であるため、全ての肉盛層６Ａ～６Ｊがそれぞれ複数のビード６１からなる。
全てのビード６１は、傾斜状構造体２と同心円状の環状である。肉盛層６Ａ～６Ｊのそれぞれでは、ビード６１がベース部３の基準面３１と平行に並んでいる。
本実施形態では、ベース部３の基準面３１上への肉盛層６Ａ～６Ｊの積層がＬＭＤによって行われる。ただし、ベース部３の基準面３１上への肉盛層６Ａ～６Ｊの積層は、ＭＩＧ溶接や電子ビーム溶接などの他の方法で行われてもよい。
ＬＭＤでは、図略のノズルからベース部３の基準面３１または直前に形成された肉盛層の表面に向けて溶接材およびシールドガスが供給されるとともにレーザ光が照射され、これにより溶融プールが生成される。溶接材およびシールドガスの供給ならびにレーザ光の照射は、傾けられた状態の母材１が回転されながら行われ、上記の溶融プールがビード６１となる。本実施形態では、溶接材としてパウダが用いられる。ただし、溶接材はワイヤであってもよい。
ベース部３の基準面３１上に肉盛層６Ａ～６Ｊを積層する際は、肉盛層６Ａ～６Ｊのそれぞれを、母材１側から順に（図５では右側から左側に向かって）ビード６１を並べて形成することが望ましい。ベース部３の基準面３１上に肉盛層６Ａ～６Ｊを積層する際に、肉盛層６Ａ～６Ｊのそれぞれを、母材１から遠い側から順にビード６１を並べて形成した場合には、第２ビード以降を形成する際に、溶融プールの回りに飛び散ったパウダが既設ビードと母材１との間に残存し易い。これに対し、母材１側から順にビード６１を並べて形成すれば、肉盛層６Ａ～６Ｊのそれぞれにおいて第２ビード以降も良好に形成することができる。
以上説明したような製造方法では、母材１の表面１１に対して傾斜する基準面３１がまず形成され、その後に基準面３１上に複数の肉盛層６Ａ～６Ｊが積層されるので、どのような傾斜方向の傾斜状構造体２でも支持体なしで製造することができる。
ところで、図６に示すように、複数の肉盛層を少しずつずらしながら母材１の表面１１上に積層して傾斜状構造体を製造した場合には、図８に示すように傾斜状構造体内の結晶粒が積層方向（母材１の表面１１に垂直な方向Ｐ）に沿った柱状となる。つまり、図６中に一点鎖線で示すように、結晶粒界が母材１の表面１１と平行な方向に並ぶ。このため、傾斜状構造体の延在方向におけるクリープ強度がそれほど高くない。なお、図６は、多数存在する結晶粒界の一部を概略的に示したものである（この点は、後述する図７も同様）。また、図８は、傾斜状構体の切断面にエッチング処理した後の拡大写真である。
これに対し、本実施形態の製造方法で製造された傾斜状構造体２では、傾斜状構造体２内の結晶粒がベース部３では母材１の表面１１に垂直な方向Ｐに沿った柱状となるが、突出部５では傾斜状構造体２の延在方向に沿った柱状となる。つまり、突出部では、図７中に一点鎖線で示すように、結晶粒界が斜め方向Ｄと垂直な方向に並ぶ。このため、傾斜状構造体２の延在方向において高いクリープ強度を得ることができる。
また、本実施形態では、母材１の表面１１上への肉盛層４Ａ～４Ｆの積層がＬＭＤにより行われるので、母材１への入熱量が小さくなる。従って、母材１の熱影響部（ＨＡＺ）を小さくすることができる。また、本実施形態では、ベース部３の基準面３１上への肉盛層６Ａ～６Ｊの積層もＬＭＤにより行われるので、ベース部と突出部とを連続して形成することができる。
（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。
例えば、ベース部３を構成する肉盛層４Ａ～４Ｆのそれぞれは、必ずしも、ベース部３の基準面３１側から順にビード４１を並べて形成される必要はない。例えば、肉盛層４Ａ～４Ｆのそれぞれにおいて、ビード４１の形成順を逆にしてもよい。
また、突出部５を構成する肉盛層６Ａ～６Ｊのそれぞれは、必ずしも、母材１側から順にビード６１を並べて形成される必要はない。例えば、溶接条件などにより溶融プールの回りに飛び散るパウダが少ない場合は、肉盛層６Ａ～６Ｊのそれぞれにおいて、最初に両側に位置するビード６１を形成し、その後に内側に位置するビード６１を形成してもよい。
１ 母材
１１ 表面
２ 傾斜状構造体
３ ベース部
３１ 基準面
４Ａ～４Ｆ 肉盛層
５ 突出部
６Ａ～６Ｊ 肉盛層

Claims (3)

  1. 母材の表面から斜め方向に延びる傾斜状構造体を製造する方法であって、
    溶接材としてパウダを用いたレーザ金属肉盛により前記母材の表面上に各々が複数のビードからなる複数の肉盛層を積層することによって、前記母材の表面の垂線に対して前記斜め方向と反対側に傾斜する基準面を有するベース部を形成する工程と、
    溶接材としてパウダを用いたレーザ金属肉盛により前記ベース部の基準面上に各々が複数のビードからなる複数の肉盛層を積層することによって、前記ベース部から前記斜め方向に延びる突出部を形成する工程と、を含み、
    前記基準面上に前記複数の肉盛層を積層する際は、各肉盛層を、前記母材側から順に前記ビードを並べて形成する、傾斜状構造体の製造方法。
  2. 前記傾斜状構造体は、前記母材から遠ざかるにつれて縮径または拡径する環状である、請求項１に記載の傾斜状構造体の製造方法。
  3. 母材の表面から斜め方向に延びる傾斜状構造体を製造する方法であって、
    前記母材の表面上に各々が複数のビードからなる複数の肉盛層を積層することによって、前記母材の表面の垂線に対して前記斜め方向と反対側に傾斜する基準面を有するベース部を形成する工程と、
    前記ベース部の基準面上に各々が複数のビードからなる複数の肉盛層を積層することによって、前記ベース部から前記斜め方向に延びる突出部を形成する工程と、を含み、
    前記母材の表面上に前記複数の肉盛層を積層する際は、各肉盛層を、前記基準面側から順に前記ビードを並べて形成する、傾斜状構造体の製造方法。
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