JP7287916B2 - 積層造形物の製造方法、及び積層造形物 - Google Patents

Description

本発明は、積層造形物の製造方法、及び積層造形物に関する。

一般に、耐摩耗性が要求される部品の製造には、溶接若しくは溶射により表面上に耐摩耗性が優れる（高硬度な）材料の肉盛を施す、又は粉末焼結（金型成形＋ＨＩＰなど）若しくは付加製造（Additive Manufacturing）により、要求特性を満足する粉末材料から部品全体を成形する等の方法が採用される。また、粉末焼結体を成形した後、それを拡散接合、ろう付け等により部品表面に接合する方法も採られる。

このような耐摩耗性が要求される部品には、例えば、金属、セラミックス、又はサーメットを含む材料が使用される。これらの材料の表面肉盛、成形・積層造形をする場合、母材との接合強度と肉盛層密度の確保に加え、特に加工中の割れの回避が課題となる。また、対象部品の高寿命化には、できるだけ硬度が高く、厚さが大きい（数ｍｍオーダー）肉盛層を形成することが望ましい。しかし、硬度と厚さとを増大させるに伴い、加工中に割れが発生しやすくなる。そのため、加工対象部位の寸法制約を受けることなく、経済性の高い方法により上記した肉盛層を形成することが求められている。

例えば、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接により、高硬度Ｎｉ基合金にセラミック補強材を含有させた溶加材を用いて肉盛層を形成する技術が特許文献１に記載されている。

また、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）又はガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）によるＦｅ基ワイヤの肉盛溶接において、Ｆｅ基ベースでボロンカーバイド相を含む粉末を追加して、比較的硬度の高いオーバーレイを形成する技術が特許文献２に記載されている。特許文献２の実施例では、ロックウェルＣ硬さがＨＲｃ６０以上の肉盛層が形成された結果が示されており、合金種によってはＨＲｃ７０前後まで上昇している。

特開２０１８－１７１６４４号公報 特表２０１３－５０１６３０号公報

しかしながら、特許文献１の場合、溶接性の向上に加え、形成された肉盛層の硬度も上昇しているものの、肉盛層の表面近傍ではＨＲｃ５０前後の硬度しか得られていない。また、特殊性の高い溶加材が必要となる。
特許文献２の場合、ＳＡＷでは、一般に被溶接側にフラックス層を敷いた状態で溶接する必要があり、設備の規模が大きく、中小型部品の肉盛溶接には不向きである。また、施工工程も複雑である。ＧＭＡＷによる実施例では、製作した溶接試験体のクラック数の評価をしていることから、同手法により溶接割れを生じさせずに、ＨＲｃ６０以上の硬度を有する肉盛層の形成は困難であると考えられる。

一般に市販されている表面硬化合金（例えば、ケナメタル ステライト社のステライト合金（「ステライト」は登録商標）、ウォールコルモノイ社のコルモノイ合金（「コルモノイ」は登録商標）の製品の一部には、硬度範囲がＨＲｃ６０以上（～ＨＲｃ６４程度）のものがある。しかし、これらの材料は特殊性が高く、適切な溶接条件を設定することが困難な場合が多い。また、超硬タングステンベースの粉末を用いた高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）では、一部の材質でＨＲｃ７０前後の層が得られることがあるが、ＨＶＯＦの場合には形成される硬化層は薄く（１ｍｍ未満）、溶接に比べて密度、基材への密着性が低いという問題がある。

そこで本発明は、高硬度で、且つ１パスで数ｍｍオーダーの厚さの肉盛層を、溶接割れを生じさせずに形成でき、しかも寸法制約を受けることなく高い経済性で安定して肉盛りできる積層造形物の製造方法、及び積層造形物を提供することを目的とする。

本発明は下記の構成からなる。
（１） 析出硬化型ステンレスを含有する第１粉末と、炭化チタンを含有する第２粉末とを含む粉末材料に、レーザビームをウィービング照射させて溶融固化させて、基材上に少なくとも１層の肉盛層を積層する積層造形物の製造方法にあって、
前記肉盛層を積層する工程は、以下の条件式［１］、［２］及び［３］を満たす工程である、積層造形物の製造方法。
２０≦Ａ≦３５ … 条件式［１］
１．１≦Ｂ≦１．３ … 条件式［２］
４０質量％≦Ｒ２≦６５質量％ …条件式［３］
Ａ＝Ｐ×α／β［ｋＪ／ｃｍ］：レーザ入熱指標
Ｂ＝Ｑ×α／β［ｇ／ｃｍ］：粉末供給速度指標
Ｐ［Ｗ］：レーザビームからの入熱量
Ｑ［ｇ／ｍｉｎ］：粉末材料の供給速度
α＝Ｗ／Ｖ１
β＝Ｖ２×ｔ
Ｗ［ｃｍ］：ウィービング動作によるビームスポットの走査幅
Ｖ１［ｃｍ／ｍｉｎ］：ウィービング動作によるレーザビームの走査速度
Ｖ２［ｃｍ／ｍｉｎ］：溶接方向への前進速度
ｔ［ｓｅｃ］：ウィービング１周期の時間
Ｒ２［質量％］：粉末材料に含まれる第２粉末の比率
（２） 基材上に析出硬化型ステンレス合金と炭化チタンを含有する少なくとも１層の肉盛層が形成された積層造形物であって、
前記肉盛層の１層あたりの厚さが３ｍｍ以上、５ｍｍ以下で、且つ前記肉盛層のロックウェルＣ硬さがＨＲｃ６０以上、ＨＲｃ６５以下であり、
前記肉盛層の組織観察画像における炭化チタン領域の占有面積率Ｒ１が５０面積％以上、６５面積％以下である積層造形物。

本発明によれば、高硬度で、且つ１パスで数ｍｍオーダーの厚さの肉盛層を、溶接割れを生じさせずに形成できる。また、寸法制約を受けることなく高い経済性で安定して肉盛りできる。

図１は、肉盛溶接を実施するレーザ粉体肉盛溶接装置の概略構成図である。 図２は、溶接ヘッドを溶接方向に沿って移動させながら溶接する様子を示す溶接ヘッドの要部拡大断面図である。 図３は、基材上に粉末材料による単層の肉盛層を形成した積層造形物の概略断面図である 図４は、溶接ヘッドをウィービング動作させながら基材上に粉末材料を溶融、固化させて肉盛層を形成する様子を模式的に示す説明図である。 図５は、図４に示すウィービングの動作条件を示す説明図である。 図６は、各試験例での第２粉末の含有比率と肉盛層のロックウェルＣ硬さとの関係を示すグラフである。 図７は、試験例２－１～３による肉盛層の組織観察画像（上段）と二値化画像（下段）とを示す説明図である。 図８は、試験例２－４～６による肉盛層の組織観察画像（上段）と二値化画像（下段）とを示す説明図である。 図９は、試験例２－１～６の粉末材料中の第２粉末の含有比率と、肉盛層に含まれるＴｉＣ領域の占有面積率Ｒ１との関係を示すグラフである。 図１０は、試験例２－１～６の肉盛層に含まれるＴｉＣ領域の占有面積率と、ロックウェルＣ硬さとの関係を示すグラフである。

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。
本発明に係る積層造形物の製造方法は、ステンレス粉末を含有する第１粉末と、炭化チタン（ＴｉＣ：チタンカーバイト）を含有する第２粉末と、を混合した粉末材料を基材上に供給し、供給された粉末材料にレーザビームをウィービング照射して、基材上に粉末材料を溶融固化させた少なくとも１層の硬化肉盛層を積層する方法である。

この硬化肉盛層を積層する際に、詳細を後述するように、１パスで数ｍｍオーダーの厚さを有する肉盛層を、溶接割れを発生させることなく、高硬度で安定して形成できるようにする。ここでいう１パスとは、レーザビームの１回の走査経路を意味する。

以下の説明では、硬化肉盛層を形成するための粉末材料を、レーザ粉体肉盛溶接（ＬＭＤ：Laser Metal Deposition）を用いて溶融させる例を説明するが、本積層造形物の製造方法はこれに限らない。例えば、レーザ積層造形法（ＬＡＭ：Laser Additive Manufacturing）、又は選択的レーザ溶接（ＤＭＬＳ：Direct Metal Laser Sintering）等にも本発明を好適に適用できる。特にレーザ粉体肉盛溶接の場合には、溶接ロボットを用いてワークを溶接するため、ワークをチャンバ内で加工する場合よりも積層造形物の形状自由度を向上できる利点がある。

［レーザ粉体肉盛溶接装置］
図１は、肉盛溶接を実施するレーザ粉体肉盛溶接装置１００の概略構成図である。
レーザ粉体肉盛溶接装置（以下、ＬＭＤ装置という。）１００は、溶接ロボット１１と、レーザ光源部１３と、粉末材料供給部１５と、制御部１７とを備える。

溶接ロボット１１は、先端軸にウィービング駆動部１９と溶接ヘッド２１とが設けられた多関節ロボットである。溶接ヘッド２１の位置と姿勢は、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。また、ウィービング駆動部１９は、溶接ヘッド２１を溶接線に交差する方向に揺動させる。

レーザ光源部１３は、光ファイバ２３を通じて溶接ヘッド２１にレーザビームを供給する。粉末材料供給部１５は、粉体供給パイプ２５を通じて溶接ヘッド２１に後述する肉盛層を形成するための粉末材料３９（後述の図２参照）を供給する。制御部１７は、レーザ光源部１３によるレーザ出力を調整するレーザ出力調整部２７と、粉末材料供給部１５による溶接ヘッド２１への粉末材料３９の供給量を調整する粉末材料供給調整部２９とを含んで構成され、ＬＭＤ装置１００の各部を統括して駆動制御する。

制御部１７による駆動制御は、プログラムに従ってコンピュータで実行される。つまり、制御部１７は、ＣＰＵ等のプロセッサと、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ(Random Access Memory)等のメモリと、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記憶装置と、を具備するコンピュータ装置である。この場合、各部の機能は、メモリ、記憶装置等に記憶された所定のプログラムをプロセッサが実行することによって実現できる。

図２は、溶接ヘッド２１を溶接方向ＴＤに沿って移動させながら溶接する様子を示す溶接ヘッド２１の要部拡大断面図である。
溶接ヘッド２１は、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、ファイバーレーザ、又はディスクレーザ等を用いるレーザ溶接用のヘッドであって、レーザの種類は、作製する積層造形物等に応じて適宜選定される。

溶接ヘッド２１の先端には、レーザ照射口３１、粉末材料供給口３３、及びシールドガス供給口３５が設けられる。

レーザ照射口３１は、溶接ヘッド２１の先端中央で開口し、レーザ照射口３１から出射されるレーザビームＬＢが基材３７に照射される。レーザビームＬＢは、レーザ光源部１３で発振され、光ファイバ２３を通じて溶接ヘッド２１に導かれる。レーザビームＬＢによる溶接部への入熱量は、レーザ出力調整部２７がレーザビームＬＢの強度を調整することで任意に制御できる。

粉末材料供給口３３は、溶接ヘッド２１の先端におけるレーザ照射口３１の径方向外側に同心状に開口し、粉末材料供給部１５から供給された粉末材料３９が粉末材料供給口３３から基材３７に向けて噴射される。粉末材料３９の基材３７への供給量は、粉末材料供給部１５によって任意に制御できる。

また、粉末材料供給部１５は、不図示のキャリアガス供給部からのキャリアガスと共に粉末材料３９を粉末材料供給口３３から噴射させる。基材３７に向けて噴射された粉末材料３９は、基材３７の表面において、集光されたレーザビームＬＢによって溶融した後に、冷却されて凝固し、肉盛層４１を形成する。

シールドガス供給口３５は、溶接ヘッド２１の先端における粉末材料供給口３３の外側に同心状に開口しており、基材３７に向けてシールドガスＧを供給する。シールドガスＧは、肉盛層４１及びその周辺の酸化を抑制する。

上記したレーザ粉体肉盛溶接装置１００の構成は一例であって、これに限定されることはない。

［粉末材料］
粉末材料供給部１５は、析出硬化型ステンレス合金、例えば、ＳＵＳ６３０、ＳＵＳ６３１、又は、析出硬化型Ｆｅ合金、例えばマルエージング鋼を含む第１粉末と、炭化チタン（以下、ＴｉＣと記す。）を含む第２粉末とを機械的に混合して、肉盛層形成用の粉末材料３９を調製する。ここでいう「機械的に混合する」とは、異なる種類の粉状体を特別な加工を伴うことなく、粉末材同士を撹拌混合することを意味する。

また、第１粉末と第２粉末との混合は、粉末材料供給部１５で実施してもよく、溶接ヘッド２１までの供給路の途中に設けた混合器（不図示）等、粉末材料供給部１５とは異なる位置で実施してもよい。

粉末材料３９は、一般に市販されている粉末同士を機械的に混合したものであり、特殊な肉盛用粉末材料のように複雑な前処理が不要となる。本積層造形物の製造方法は、第１粉末及び第２粉末として、いずれも市販の粉末材料をそのまま用いるため、経済性に優れる。

ここで用いる粉末材料３９は、第２粉末（ＴｉＣ）を、粉末材料３９の全体に対して４０質量％以上、６５質量％以下の範囲で含有させる。第２粉末の含有量の下限は、好ましくは４５質量％以上、より好ましくは５０質量％以上であり、上限は、６５質量％以下、好ましくは６３質量％以下、より好ましくは６０質量％以下である。（なお、前記の複数の下限値のうちの任意の数値と、複数の上限値のうちの任意の数値とを、任意に組み合わせて設定できる範囲が、好適な範囲ともいえる。）

［基材］
基材３７は平板状であるが、平板状に限らず、曲面を有する板材、ブロック体、管状体等、製造しようとする積層造形物の形状に応じて適宜な形状のものを採用できる。基材３７の材質は、ステンレス鋼材等の鋼材の他、コバルトベース又はニッケルベースの合金を用いることができ、製品の仕様等によって種々の材質を採用できる。

［肉盛層（積層造形物）の形成］
図１に示すＬＭＤ装置１００は、溶接ヘッド２１をウィービング駆動部１９によってウィービング動作させると共に、溶接ヘッド２１をロボットアームにより溶接方向ＴＤ（図２）に移動させながら、レーザ粉体肉盛溶接を実施する。これにより、基材３７上で粉末材料３９を溶融、凝固させ、形成される肉盛層４１を、所定の厚さで積層する。

図３は、基材３７上に粉末材料３９による単層の肉盛層４１を形成した積層造形物４３の概略断面図である
積層造形物４３は、基材３７上に析出硬化型ステンレスとＴｉＣとを含有する肉盛材料が溶融、凝固して積層されており、基材３７と、肉盛材料からなる肉盛層４１とを有する。より詳細には、基材３７と肉盛層４１との間には、基材３７の一部と肉盛層４１の一部が互いに溶解した中間層４２が形成される。

詳細は後述するが、肉盛層４１は、一回の溶接によって一度に形成される層（１パスにより形成される層）の厚さＴ１が３ｍｍ以上、好ましくは３．５ｍｍ以上であり、５ｍｍ以下、好ましくは４．５ｍｍ以下である。また、肉盛層４１のロックウェルＣ硬さは、ＨＲｃ６０以上、ＨＲｃ６５以下である。そして、肉盛層４１の組織観察画像におけるＴｉＣ領域の占有面積率Ｒ１は、５０面積％以上、６５面積％以下である。

肉盛層４１の表面硬度は、粉末材料３９のＴｉＣの含有比率を前述した４０質量％以上にすることで、確実にロックウェルＣ硬さでＨＲｃ６０以上にできる。

積層造形物４３には、１層（１パス）あたりの厚さが３ｍｍ以上、５ｍｍ以下の肉盛層４１が、複数層にわたって積層されていてもよい。これによれば、目標形状の積層造形物が、１パスで形成できない場合でも、複数パスで繰り返し肉盛層４１を積層することで、大きな厚さの造形物を形成できる。よって、設計自由度の高い造形が行える。

上記したロックウェルＣ硬さは、肉盛層４１を形成する際に用いた粉末材料３９の第２粉末（ＴｉＣ）の含有量に対応する指標となる。上記したロックウェルＣ硬さの下限値は、粉末材料３９の第２粉末の含有量が少なく、第２粉末を添加したことにより得られる硬度増加の効果が小さい場合の、第２粉末の含有量の下限値に対応する。ロックウェルＣ硬さが目標硬度のＨＲｃ６０～ＨＲｃ６５の範囲内である場合には、上記した第２粉末の含有量が下限値未満である場合と比べて、肉盛層４１の硬度が大幅に上昇することに加え、肉盛加工中の溶接割れを回避できる。また、ロックウェルＣ硬さが上限値であるＨＲｃ６５を超過する場合には、肉盛加工中に溶接割れが発生しやすくなる。

つまり、粉末材料３９に含まれるＴｉＣの比率（含有比率ともいう）Ｒ２を上記範囲にすることで、肉盛層４１を、溶接割れが生じにくい適正な硬度（ロックウェルＣ硬さＨＲｃ６０～ＨＲｃ６５）にできる。

そして、肉盛層４１の組織観察画像のＴｉＣ領域の占有面積率Ｒ１が５０面積％未満であると、ＴｉＣ含有量が少ないため、上記した目標硬度を達成しにくくなる。占有面積率Ｒ１が５０面積％以上、６５面積％以下である場合には、肉盛層４１に溶接割れの発生がなく、目標硬度を安定して達成できる。また、占有面積率Ｒ１が６５面積％を超過する場合には、ＴｉＣの含有量が過多となり、溶接割れが発生しやすくなる。

＜ウィービング動作＞
次に、肉盛層４１を形成する際のウィービング動作について図１，図２を適宜参照しながら説明する。
図４は、溶接ヘッド２１をウィービング動作させながら基材３７上に粉末材料３９を溶融、固化させて肉盛層を形成する様子を模式的に示す説明図である。

基材３７の表面に粉末材料３９による肉盛層４１を形成するには、溶接ヘッド２１をウィービング動作させ、溶接ヘッド２１から出射されるレーザビームＬＢを走査することを繰り返す。具体的には、ウィービング駆動部１９により溶接ヘッド２１を揺動させ、基材３７上に照射されるレーザビームＬＢを図４に示す所定の幅で走査する。ここでいう所定の幅とは、ウィービング動作によるビームスポットＳの走査幅Ｗである。

ウィービング動作と共に、溶接ロボット１１のロボットアームを駆動して、溶接ヘッド２１を溶接方向ＴＤに向けて前進させる。このレーザビームＬＢの走査及び溶接ヘッド２１の溶接方向ＴＤへの移動によって、基材３７の表面に粉末材料３９を溶融、凝固させたビードが幅広に形成される。そして、形成したビードに隣接する次のビードを、走査幅Ｗの一部が既設のビードとオーバーラップするように形成する。この作業を繰り返すことで、基材３７の表面に複数列のビードからなる肉盛層４１が隙間なく積層される。

図５は、図４に示すウィービングの動作条件を示す説明図である。
肉盛層４１を積層するための動作は、レーザビームＬＢを走査幅Ｗでウィービングさせる動作と、溶接ヘッド２１を溶接方向ＴＤに前進させる動作とを含む。ここで、溶接ヘッド２１のウィービング方向（走査方向）への走査速度をＶ１、溶接方向ＴＤへの前進速度（溶接速度）をＶ２、ウィービング動作の１周期当たりの所要時間をｔとする。

肉盛層４１を積層する工程では、以下の条件式［１］、［２］及び［３］を満たすようにする。
２０≦Ａ≦３５ … 条件式［１］
１．１≦Ｂ≦１．３ … 条件式［２］
４０質量％≦Ｒ２≦６５質量％ …条件式［３］

ここで、条件式［１］、［２］及び［３］における各パラメータは次のとおりである。
Ａ＝Ｐ×α／β［ｋＪ／ｃｍ］：レーザ入熱指標
Ｂ＝Ｑ×α／β［ｇ／ｃｍ］：粉末供給速度指標
Ｐ［Ｗ］：レーザビームからの入熱量
Ｑ［ｇ／ｍｉｎ］：粉末材料の供給速度
α＝Ｗ／Ｖ１
β＝Ｖ２×ｔ
Ｗ［ｃｍ］：ウィービング動作によるビームスポットの走査幅
Ｖ１［ｃｍ／ｍｉｎ］：ウィービング動作によるレーザビームの走査速度
Ｖ２［ｃｍ／ｍｉｎ］：溶接方向への前進速度
ｔ［ｓｅｃ］：ウィービング１周期の時間
Ｒ２［質量％］：粉末材料に含まれる第２粉末の比率

条件式［１］は、基材３７上の粉末材料３９に照射されるレーザビームＬＢによる入熱量を表すレーザ入熱指標Ａの適正範囲を示す。レーザ入熱指標Ａは、ウィービング溶接時の単位溶接線あたりのレーザ入熱量を意味し、２０≦Ａ≦３５、望ましくは２０≦Ａ≦３０である。

レーザ入熱指標Ａが２０未満の場合、レーザ入熱不足による粉末材料の溶け残り、未溶融結果の発生、又は肉盛加工中の溶接割れの発生が問題となりやすい。また、２０≦Ａ≦３５の場合（ただし、Ｂも条件式［２］を満足する場合）、以下の第１，第２条件のいずれも満足する。
・第１条件：前述した肉盛層４１のロックウェルＣ硬さがＨＲｃ６０以上、ＨＲｃ６５以下であること。
・第２条件：１パスで形成される肉盛層４１の厚さＴａが３ｍｍ以上、５ｍｍ以下であること。

そして、レーザ入熱指標Ａが３５を超過する場合、レーザ入熱量の過多により基材３７の溶け込みが大きく、第１条件の肉盛層４１の硬度がＨＲｃ６０以上になりにくい。

条件式［２］は、基材３７上に供給する粉末材料３９の供給速度を表す粉末供給指標Ｂの適正範囲を示す。粉末供給指標Ｂは、ウィービング溶接時の単位溶接線あたりの粉末供給重量を意味し、１．１≦Ｂ≦１．３、好ましくは１．１５≦Ｂ≦１．２５である。

粉末供給指標Ｂが１．１未満の場合、粉末供給不足により３ｍｍ以上の肉盛層４１を形成しにくくなる。そのため、肉盛層４１の厚さ（体積）稼ぐために比重が小さいＴｉＣ粉末の添加量を増加させると、その結果として、肉盛層４１のＴｉＣの含有量が過多となり、溶接割れが発生しやすくなる。また、１．１≦Ｂ≦１．３の場合（ただし、Ａも条件式［１］を満足する場合）、前述した第１、第２条件を安定して満足する。そして、粉末供給指標Ｂが１．３を超過する場合、粉末材料の供給過多による未溶融粉末の残存が生じやすい。未溶有粉末の残存させずに所定厚さの肉盛を実施するために、比重が大きいステンレス粉末の割合を増加させると、その結果として、肉盛層４１のＴｉＣの含有量が少なくなり、目標硬度の達成が困難となる。

条件式［３］は、粉末材料３９に含まれる第２粉末の比率Ｒ２の適正範囲を示す。第２粉末の含有比率Ｒ２は、第１粉末と第２粉末の合計質量に対する第２粉末の質量比であり、４０質量％≦Ｒ２≦６５質量％である。

第２粉末の含有比率Ｒ２が４０質量％未満の場合、肉盛層４１のＴｉＣの含有量が少なく、前述した肉盛層４１の硬度がＨＲｃ６０以上になりにくい。また、４０質量％≦Ｒ２≦６５の場合、上記した４０質量％未満の場合と比べて硬度が大幅に上昇し、肉盛加工中の溶接割れの発生を回避できる。そして、含有比率Ｒ２が６５質量％を超過する場合には、肉盛層４１のＴｉＣの含有量が過多となり、肉盛加工中に溶接割れが発生しやすくなる。

＜レーザビームのウィービング照射＞
次に、レーザビームのウィービング照射による作用を説明する。
一般に、レーザビームは指向性及びエネルギー密度が高いため、レーザビームを基材に向けて照射すると、微小な照射スポットの領域内が集中的に加熱される。そのため、条件によっては基材にキーホールが形成され、加熱は照射スポット付近に限られる。

そこで、レーザビームＬＢを溶接方向へ前進させる際、前進速度より速い走査速度でウィービングさせることで、その走査範囲に応じて加熱面積を拡大するとともに、走査範囲内の基材を均等に加熱する。ここでいう「ウィービング」とは、例えば突合せアーク溶接において、溶接線に交差する方向へ溶接トーチを揺動させ、双方の母材を均等に溶融することによって溶接性を向上させる手法であるが、本構成においては、これをレーザビームＬＢの走査に応用している。

レーザビームＬＢにウィービングを適用して溶接する場合、基材３７上の溶接部近傍にビームスポットが照射される時間は、通常の溶接線（ウィービングなし）に沿ってレーザビームＬＢを移動させて溶接する場合と比べて長くなる。つまり、ウィービングの適用によって、溶接部近傍の入熱量を増加させ、基材３７の加熱を促進できる。そのため、粉末材料３９が供給される基材に向けてレーザビームＬＢを広範囲に照射する場合、レーザビームＬＢからの入熱によって粉末材料３９が溶融、凝固して形成される肉盛層４１と、レーザビームＬＢによって加熱された基材３７の表面との温度差が小さくなり、冷却後の収縮ひずみに起因する肉盛層４１の溶接割れを抑制できる。

また、レーザビームＬＢのウィービングによって溶接部近傍の入熱量が増加するため、溶接時に粉末材料３９の供給量を増やして、１パス当たりの厚さが大きい肉盛りを行える。この場合、基材３７の表面が粉末材料３９により厚く覆われて、レーザビームＬＢからの入熱がその粉末材料３９の溶融に消費される。そのため、レーザビームＬＢによる基材３７の過剰な加熱が回避され、溶け込み量が抑えられる。これにより、肉盛層４１を１層で数ｍｍオーダーの厚さに容易に形成でき、３ｍｍ～５ｍｍ程度の厚さであれば、複数回にわたる多層盛りを不要にできる。よって、繰り返し肉盛りする場合よりも溶接割れが発生する可能性を低減できる。さらに、寸法制約の緩和、施工コストの低減、リードタイムの短縮の効果も得られる。

上記のように、レーザビームＬＢへのウィービングの適用と、粉末供給量の増加とを同時に実施することで、基材３７の過剰な溶け込みを抑えつつ、厚さが大きい肉盛りを、溶接割れを生じさせずに実現できる。一般にレーザ粉末肉盛溶接では、レーザビームＬＢによる投入エネルギーが、供給された粉末材料の溶融と、基材の直接的な加熱とに使用される。前述した条件式［１］～［３］の範囲であれば、レーザビームＬＢからの入熱の多くは粉末材料３９の溶融に消費され、基材３７の過剰な加熱が抑えられる。また、溶融した粉末材料３９自身が持つ熱エネルギーによっても基材３７が加熱されるため、この点からも溶接割れの発生を低減できる。つまり、前述した条件式［１］～［３］は、基材３７の過剰な溶け込みを抑える作用、溶接割れの発生を防止する作用、肉盛層４１の厚さを数ｍｍオーダーにする作用と、のバランスを適切に調整している。

例えば、粉末材料の供給量が少ないまま、レーザビームにウィービングを適用した場合、レーザビームが基材に直接照射されて、投入エネルギーの殆どが基材３７の加熱に費やされる。その結果、基材３７の溶け込み量が大きくなり、肉盛層４１が希釈されて硬度が低下する。この場合、肉盛層４１の溶接割れは回避できるが、肉盛層４１は薄いままとなり、数ｍｍオーダーの肉盛はできない。

なお、上記したレーザビームＬＢのウィービングによる肉盛層４１の形成工程は、図１に示す溶接ヘッド２１をウィービングさせながら溶接ロボット１１のロボットアームで移動させる工程に限らない。例えば、レーザビームＬＢをタンデムビーム方式にして、粉末材料３９の溶融及び肉盛と、基材３７の加熱とに役割を分けて施工してもよい。また、基材３７の加熱用として、バーナー加熱、高周波導加熱等により加熱する加熱装置を併用してもよい。その場合、ウィービングの走査範囲を減らし、溶接方向ＴＤへの前進速度を向上させてタクトタイムの短縮を図れる。

図１に示すレーザ粉体肉盛溶接装置１００により、鋼材（ＳＳ４００）の基材３７上に肉盛溶接を実施した。基材３７のサイズは、縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ２０ｍｍである。第１粉末にはＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ６３０の粉末を使用し、第２粉末にはＴｉＣ粉末を使用して、基材３７の表面全面に１層の肉盛層を形成した。各供試片の肉盛形成の各種条件と結果を表１に示す。

試験例１－１～４は、粉末材料の第１粉末をＳＵＳ３１６Ｌ、第２粉末をＴｉＣとし、レーザ入熱指標Ａを２１．９［ｋＪ／ｃｍ］の一定値としたまま、粉末供給指標Ｂと、粉末材料中の第２粉末（ＴｉＣ）の含有量とを変化させた。
試験例２－１～６は、粉末材料の第１粉末を析出硬化型ステンレス合金であるＳＵＳ６３０、第２粉末をＴｉＣとし、レーザ入熱指標Ａを２１．４［ｋＪ／ｃｍ］の一定値としたまま、粉末供給指標Ｂと、粉末材料中の第２粉末（ＴｉＣ）の含有量を変化させた。

各試験例に対して、浸透探傷検査（ＰＴ）により肉盛層の溶接割れの有無を確認し、溶接割れ無しの場合を「〇」、溶接割れありの場合を「×」と評価した。

また、肉盛層のロックウェルＣ硬さは、基材に肉盛形成した肉盛層の表面から３ｍｍの深さまで面削加工した加工面表層を、ロックウェル硬さ試験装置（Ｃスケール使用）により測定した。加工面表層の５点を測定点とし、各測定点での測定値の平均値を肉盛層におけるロックウェルＣ硬さの代表値とした。表２には、それぞれの試験例における供試片の５点の硬度測定結果を示している。

図６は、各試験例での第２粉末（ＴｉＣ）の含有比率Ｒ２と肉盛層のロックウェルＣ硬さとの関係を示すグラフである。
試験例１－１～４の第１粉末にＳＵＳ３１６Ｌを使用した場合、第２粉末（ＴｉＣ）の含有比率を６０質量％程度まで上昇させると、表面硬度がＨＲｃ６０以上となるものの、溶接割れが発生した（試験例１－４）。

一方、試験例２－１～６の第１粉末にＳＵＳ６３０を使用した場合、第２粉末（ＴｉＣ）の含有比率が４０～５０質量％程度から表面硬度がＨＲｃ６０以上となった（試験例２－３、２－４）。また、第２粉末（ＴｉＣ）の含有比率を７０ｗｔ％を超える程度に上昇させた場合には、溶接割れが発生した（試験例２－５、２－６）。

以上より、第１粉末にＳＵＳ６３０を使用し、第２粉末（ＴｉＣ）の含有比率Ｒ２を４０質量％以上、６５質量％以下にすることで、溶接割れが発生しない状態で、表面硬度がＨＲｃ６０以上、ＨＲｃ６５以下で、且つ１パスあたりの厚さが数ｍｍオーダー（今回の試験例では３ｍｍ）の肉盛層の形成が可能であることがわかった。なお、１パスあたりの肉盛層の厚さが５ｍｍを超過すると、経験上、表面硬度が上記範囲に至らないか、溶接割れが発生する等の事態を生じることが予見される。そのため、１パスあたりの肉盛層の厚さは、５ｍｍまでは表面硬度を上記範囲にでき、溶接割れが発生しないものと推察できる。

次に試験例２－１～６の条件で形成した肉盛層に対して、深さ３ｍｍの位置の表面を、走査型電子顕微鏡を用いて組織観察した。そして、得られたＳＥＭ画像の黒色部（ＴｉＣ領域）が占める割合（占有率）を画像解析により求めた。
組織観察から画像解析するまでの手順は、次のとおりである。
（１）表面の鏡面研磨
（２）ＳＥＭ観察（倍率×５０）
（３）ＳＥＭ像の二値化処理による黒色部（ＴｉＣ領域）の識別
（４）黒色部（ＴｉＣ領域）の占有面積率Ｒ１の算出

図７は、試験例２－１～３による肉盛層の組織観察画像（上段）と二値化画像（下段）とを示す説明図である。図８は、試験例２－４～６による肉盛層の組織観察画像（上段）と二値化画像（下段）とを示す説明図である。また、表３には、ＴｉＣ領域の占有面積率を、第２粉末（ＴｉＣ）の含有比率Ｒ２、及びロックウェルＣ硬さの値と共に示した。ここで、二値化の閾値の設定は、例えばＳＥＭ像におけるＴｉＣ領域のエッジが最も近似する閾値を、観察視野毎に調整して設定する等、適宜な方法を採用できる。

これらの結果より、二値画像における黒色部（ＴｉＣ領域）の占有面積率Ｒ１が５０面積％以上、６５面積％以下である場合（試験例２－３，２－４）に、表面硬度がＨＲｃ６０以上、６５以下となることがわかった。

図９は、試験例２－１～２－６の粉末材料中の第２粉末（ＴｉＣ）の含有比率Ｒ２と、肉盛層に含まれるＴｉＣ領域の占有面積率Ｒ１との関係を示すグラフである。
ＴｉＣ領域の占有面積率Ｒ１は、第２粉末（ＴｉＣ）の添加量の増加に伴って、比例して増加していることがわかる。

図１０は、試験例２－１～６の肉盛層に含まれるＴｉＣ領域の占有面積率Ｒ１と、ロックウェルＣ硬さとの関係を示すグラフである。
ロックウェルＣ硬さの分布は、図６に示す第２粉末（ＴｉＣ）の添加量との関係と同様に、ＴｉＣ領域の占有面積率Ｒ１に対しても、概ね６０ＨＲｃ以上、６５ＨＲｃの範囲に試験例２－３，２－４が含まれる。

なお、表１に示すレーザ入熱指標Ａの上限については、材質は異なるが、ステライト合金（ケナメタル ステライト社 Ｎｏ．１）と炭化タングステン（ヘガネス社 炭化タングステン粉末 品目名：４６７０）の混合粉末によるレーザ硬化肉盛により確認した。その結果、ウィービング溶接条件のレーザ入熱指標Ａの値が３５［ｋＪ／ｃｍ］を超えると、基材への溶け込み深さが２ｍｍ以上と深くなり、肉盛層の希釈率が高くなることで硬度が大幅に低減した。このことから、析出硬化型ステンレスとＴｉＣとの混合粉末の場合においても、レーザ入熱指標Ａは３５［ｋＪ／ｃｍ］以下とすることが望ましいと推察される。

表１に示す判定欄の結果は、溶接割れがなく、ロックウェルＣ硬さがＨＲｃ６０以上、ＨＲｃ６５以下であり、ＴｉＣ領域の占有面積率Ｒ１が５０面積％以上、６５面積％以下である場合を「○」、それ以外を「×」と評価したものである。肉盛層の１パスあたりの厚さは、いずれも３ｍｍ以上、５ｍｍ以下であった。

以上より、試験例２－３，２－４のように、前述した条件式［１］～［３］を満足する条件に設定することで、溶接割れを生じさせることなく、高い耐摩耗性が得られる硬度（ロックウェルＣ硬さがＨＲｃ６０以上、ＨＲｃ６５以下）で、しかも、１パスあたりの肉盛厚さが３ｍｍ以上、５ｍｍ以下の高品質な積層造形物が安定して得られた。

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。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 析出硬化型ステンレスを含有する第１粉末と、炭化チタンを含有する第２粉末とを含む粉末材料に、レーザビームをウィービング照射させて溶融固化させて、基材上に少なくとも１層の肉盛層を積層する積層造形物の製造方法にあって、
前記肉盛層を積層する工程は、以下の条件式［１］、［２］及び［３］を満たす工程である、積層造形物の製造方法。
２０≦Ａ≦３５ … 条件式［１］
１．１≦Ｂ≦１．３ … 条件式［２］
４０質量％≦Ｒ２≦６５質量％ …条件式［３］
Ａ＝Ｐ×α／β［ｋＪ／ｃｍ］：レーザ入熱指標
Ｂ＝Ｑ×α／β［ｇ／ｃｍ］：粉末供給速度指標
Ｐ［Ｗ］：レーザビームからの入熱量
Ｑ［ｇ／ｍｉｎ］：粉末材料の供給速度
α＝Ｗ／Ｖ１
β＝Ｖ２×ｔ
Ｗ［ｃｍ］：ウィービング動作によるビームスポットの走査幅
Ｖ１［ｃｍ／ｍｉｎ］：ウィービング動作によるレーザビームの走査速度
Ｖ２［ｃｍ／ｍｉｎ］：溶接方向への前進速度
ｔ［ｓｅｃ］：ウィービング１周期の時間
Ｒ２［質量％］：粉末材料に含まれる第２粉末の比率
この積層造形物の製造方法によれば、レーザビームのウィービングによって基材の溶接部近傍の入熱量を増大させ、基材の加熱を促進できる。そのため、レーザビームからの入熱によって粉末材料が溶融、凝固して形成される肉盛層と、レーザビームによって加熱された基材の表面との温度差が小さくなり、冷却後の収縮ひずみに起因する肉盛層の溶接割れを抑制できる。
また、レーザビームのウィービングによって溶接部近傍の入熱量が増加するため、溶接時に粉末材料の供給量を増やして、１パス当たりの厚さが大きい肉盛りを行える。
そして、溶け込み（基材と肉盛層との中間硬度を有する中間層の形成範囲）が小さい状態で、１層あたり数ｍｍオーダーの肉盛層を形成できる。その結果、従前のような肉盛層の厚みを確保するために多層盛溶接を実施する必要がなくなり、加工中に溶接割れが発生する可能性を低減できる。さらに、寸法制約の緩和、施工コスト低減、リードタイムの短縮の効果も得られる。
また、析出硬化型ステンレス、炭化チタンといった一般に市販されている粉末を混合した粉末材料を使用するため、複雑な前処理必要な肉盛用粉末材料を用いる必要がなく、経済性に優れ、高品質な肉盛層の形成が可能となる。

（２） 前記肉盛層を、複数回にわたって積層する（１）に記載の積層造形物の製造方法。
この積層造形物の製造方法によれば、任意の目標形状に造形でき、設計自由度が向上する。

（３） 基材上に析出硬化型ステンレス合金と炭化チタンを含有する少なくとも１層の肉盛層が形成された積層造形物であって、
前記肉盛層の１層あたりの厚さが３ｍｍ以上、５ｍｍ以下で、且つ前記肉盛層のロックウェルＣ硬さがＨＲｃ６０以上、ＨＲｃ６５以下であり、
前記肉盛層の組織観察画像における炭化チタン領域の占有面積率Ｒ１が５０面積％以上、６５面積％以下である積層造形物。
この積層造形物によれば、高硬度で溶接割れのない高品質な性状であるため、製品への適用範囲を拡大できる。

（４） 前記析出硬化型ステンレス合金がＳＵＳ６３０合金である（３）に記載の積層造形物。
この積層造形物によれば、例えばオーステナイトステンレス合金を用いる場合と比較して、より高強度で耐食性に優れた構成にできる。

（５） 前記基材上に複数層の前記肉盛層が積層された請求項３又は４に記載の積層造形物。
この積層造形物によれば、任意の形状を高硬度で溶接割れのない高品質な性状にできる。

１１ 溶接ロボット
１３ レーザ光源部
１５ 粉末材料供給部
１７ 制御部
１９ ウィービング駆動部
２１ 溶接ヘッド
２３ 光ファイバ
２５ 粉体供給パイプ
２７ レーザ出力調整部
２９ 粉末材料供給調整部
３１ レーザ照射口
３３ 粉末材料供給口
３５ シールドガス供給口
３７ 基材
３９ 粉末材料
４１ 肉盛層
４２ 中間層
４３ 積層造形物
１００ レーザ粉体肉盛溶接装置

Claims (5)

1. 析出硬化型ステンレスを含有する第１粉末と、炭化チタンを含有する第２粉末とを含む粉末材料に、レーザビームをウィービング照射させて溶融固化させて、基材上に少なくとも１層の肉盛層を積層する積層造形物の製造方法にあって、
   前記肉盛層を積層する工程は、以下の条件式［１］、［２］及び［３］を満たす工程である、積層造形物の製造方法。
   ２０≦Ａ≦３５ … 条件式［１］
   １．１≦Ｂ≦１．３ … 条件式［２］
   ４０質量％≦Ｒ２≦６５質量％ …条件式［３］
   Ａ＝Ｐ×α／β［ｋＪ／ｃｍ］：レーザ入熱指標
   Ｂ＝Ｑ×α／β［ｇ／ｃｍ］：粉末供給速度指標
   Ｐ［Ｗ］：レーザビームからの入熱量
   Ｑ［ｇ／ｍｉｎ］：粉末材料の供給速度
   α＝Ｗ／Ｖ１
   β＝Ｖ２×ｔ
   Ｗ［ｃｍ］：ウィービング動作によるビームスポットの走査幅
   Ｖ１［ｃｍ／ｍｉｎ］：ウィービング動作によるレーザビームの走査速度
   Ｖ２［ｃｍ／ｍｉｎ］：溶接方向への前進速度
   ｔ［ｓｅｃ］：ウィービング１周期の時間
   Ｒ２［質量％］：粉末材料に含まれる第２粉末の比率
2. 前記肉盛層を、複数回にわたって積層する請求項１に記載の積層造形物の製造方法。
3. 基材上に析出硬化型ステンレス合金と炭化チタンを含有する少なくとも１層の肉盛層が形成された積層造形物であって、
   前記肉盛層の１層あたりの厚さが３ｍｍ以上、５ｍｍ以下で、且つ前記肉盛層のロックウェルＣ硬さがＨＲｃ６０以上、ＨＲｃ６５以下であり、
   前記肉盛層の組織観察画像における炭化チタン領域の占有面積率Ｒ１が５０面積％以上、６５面積％以下である積層造形物。
4. 前記析出硬化型ステンレス合金がＳＵＳ６３０合金である請求項３に記載の積層造形物。
5. 前記基材上に複数層の前記肉盛層が積層された請求項３又は４に記載の積層造形物。

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