WO2018198871A1 - 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
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Definitions
- the present invention relates to an additive manufacturing method and structure for additive manufacturing parts, and additive manufacturing parts.
- Patent Document 1 discloses a technique for manufacturing a shaped object by laminating molten metals.
- Patent Document 1 includes a step of generating shape data representing the shape of a mold, a step of dividing a mold into a laminate along contour lines based on the generated shape data, and the obtained laminate
- route of the welding torch which supplies a filler metal based on the shape data of is described.
- the size of the layered object that can be manufactured is limited by the manufacturing apparatus.
- the manufacturing apparatus is a welding robot having a welding torch at the tip of the articulated arm
- the size of the manufactured layered object is within the movable range of the articulated arm. Therefore, it becomes difficult to produce a layered object having a size larger than the movable range.
- the laminated structure has an overhang shape having a small-diameter portion in the middle, or a shape having a folded portion, and further, a T-shape, a Y-shape,
- a more complicated shape such as a letter-shaped joint (TYK joint) portion
- TYK joint letter-shaped joint
- the entire structure is manufactured by a single manufacturing process. This is because layered modeling at a stretch enables high-efficiency manufacturing with reduced man-hours and minimizes dimensional changes and material quality changes. Therefore, if the size of the layered structure as described above is excessive or complicated, the production of the usual layered product may not be applicable, which causes restrictions on the production of the layered product. It was.
- An object of the present invention is to provide a method and a structure for joining a layered molded component and a layered molded component that can be easily and high-quality manufactured without being restricted by the size or shape complexity of the layered molded component. It is in.
- the present invention has the following configuration.
- (1) A plurality of layered molded parts that are formed by repeatedly laminating the welding bead layer of the next layer on a welding bead layer formed of a welding bead obtained by melting and solidifying a filler material using an arc.
- a plurality of layered parts formed by laminating a weld bead layer composed of a plurality of weld beads are welded via welded joints shaped by the weld bead layer.
- an integral structure is produced. Therefore, a structure larger than the maximum size of the additive manufacturing component that can be formed by the manufacturing apparatus can be produced.
- even when the structure has a complicated shape the structure can be manufactured easily and with high quality without causing restrictions.
- the weld bead layer is formed by the weld beads arranged in a plurality of rows,
- the layered manufacturing described in (1) in which the weld bead layer of the next layer is stacked while being shifted in one direction within the layer surface from the layer edge of the weld layer of the previous layer, and the groove shape of the weld joint is formed.
- Part joining method According to this method for joining layered parts, since the shape of the welded joint is formed by layered modeling, the number of processing steps can be reduced as compared with the case of forming the welded joint by post-processing such as cutting.
- the weld bead layer is formed by the weld beads arranged in a plurality of rows,
- the backing metal is molded integrally with the layered parts, so there is no need to prepare a separate member to be the backing metal and it is necessary to fix the backing metal. Nor. Therefore, it is possible to easily weld the additive manufacturing part and the part to be welded.
- the weld bead layer is formed of an annular weld bead
- the welding layer of the next layer is laminated on at least one of the annular inner peripheral side and the outer peripheral side of the welding layer of the previous layer, and the welded joint is modeled on the additive manufacturing part. Bonding method of additive manufacturing parts. According to this joining method of layered shaped parts, since the welded joint is formed by modeling, the number of processing steps can be reduced as compared with the case where the welded joint is formed by post-processing such as cutting.
- the weld joint is at least one of a butt joint, a T-shaped joint, a cross joint, a corner joint, a contact plate joint, a lap joint, and a lip joint.
- the layered product can be joined with high welding strength.
- the additive manufacturing part constituting the structure according to any one of (7) to (10), The additive manufacturing part formed by the welded bead layer in which the weld joint that can be welded to another additive manufacturing part different from the additive manufacturing part is formed. According to this additive manufacturing part, since the additive manufacturing parts can be welded via the welded joint formed by additive manufacturing, the joining structure can be simplified and the number of steps for joining can be reduced.
- the additive manufacturing part constituting the structure according to any one of (7) to (10), The additive manufacturing part in which the weld joint that can be welded to the part to be welded is formed by the welded bead layer stacked. According to this additive manufacturing part, the additive object can be easily obtained by welding the additive manufacturing part to another welded part different from the other additive manufacturing part.
- a structure can be easily produced with high quality without being restricted by the size and shape complexity of the layered product.
- FIG. 13B is a cross-sectional view schematically showing a welded joint between the additive manufacturing part and the part to be welded shown in FIG. 13A.
- FIG. 14B is a cross-sectional view schematically showing an additive manufacturing part and a part to be welded when the welded joint of FIG. 14A is a V-shaped groove.
- FIG. 13B is a schematic perspective view showing a welding procedure between the layered product and the part to be welded when the extending direction of the weld bead shown in FIG. 13A is set to a direction orthogonal to the depth direction of the opening of the weld joint.
- FIG. 19 is a cross-sectional view showing a cross section taken along line XIX-XIX in FIG.
- FIG. 19B is a cross-sectional view illustrating a state in which the additive manufacturing part and the part to be welded illustrated in FIG. 19A are fitted together.
- FIG. 19A is explanatory drawing which shows a mode that a layered modeling component and a to-be-welded part are welded, and a structure is produced.
- the structure of the present invention is obtained by welding a plurality of layered parts formed by the layered modeling process described later through a welded joint that is modeled together in the layered modeling process. Thereby, a structure larger than the maximum size that can be produced as one additive-molded part can be produced due to restrictions on the movable range of the manufacturing apparatus.
- FIG. 1 is a configuration diagram of a manufacturing apparatus used for manufacturing a layered product.
- the manufacturing apparatus 100 having this configuration includes an additive manufacturing apparatus 11 and a controller 15 that performs overall control of the additive manufacturing apparatus 11.
- the additive manufacturing apparatus 11 includes a welding robot 19 having a torch 17 on a tip shaft, and a filler material supply unit 21 that supplies a filler material (welding wire) M to the torch 17.
- the controller 15 includes a CAD / CAM unit 31, a trajectory calculation unit 33, a storage unit 35, and a control unit 37 to which these are connected.
- the welding robot 19 is an articulated robot, and the filler material M is supported on the torch 17 provided on the tip shaft so as to be continuously supplied.
- the position and orientation of the torch 17 can be arbitrarily set three-dimensionally within the range of the degree of freedom of the robot arm.
- the torch 17 has a shield nozzle (not shown), and a shield gas is supplied from the shield nozzle.
- the arc welding method may be any of consumable electrode methods such as coated arc welding and carbon dioxide arc welding, and non-consumable electrode methods such as TIG welding and plasma arc welding, and is appropriately selected according to the layered object to be produced.
- the contact tip is arranged inside the shield nozzle, and the filler material M to which the molten current is fed is held by the contact tip.
- the torch 17 generates an arc from the tip of the filler material M in a shield gas atmosphere while holding the filler material M.
- the melt material M is fed from the melt material supply unit 21 to the torch 17 by a feed mechanism (not shown) attached to a robot arm or the like. Then, when the melt material M continuously fed is melted and solidified while moving the torch 17, a linear weld bead 25 is formed on the base 27.
- the CAD / CAM unit 31 receives the shape data of the layered object 23 to be produced, and divides it into a plurality of layers P (1)... P (n) parallel to each other based on this shape data. Layer shape data representing the shape of each layer P (1)... P (n) is generated.
- the trajectory calculation unit 33 obtains the movement trajectory of the torch 17 based on the generated layer shape data.
- the storage unit 35 stores the generated layer shape data, data such as the movement trajectory of the torch 17, and a drive program for moving the torch 17.
- the control unit 37 drives the welding robot 19 by executing a drive program based on the layer shape data stored in the storage unit 35 and the movement trajectory of the torch 17. That is, the welding robot 19 moves the torch 17 while melting the filler metal M with an arc based on the movement trajectory of the torch 17 generated by the trajectory calculation unit 33 according to a command from the controller 15.
- FIG. 1 shows a state in which a welded bead 25 is laminated on a base 27 made of a steel plate to form a cylindrical additive manufacturing component 23.
- FIG. 1 is a size that is equal to or less than the maximum size that the manufacturing apparatus 100 can produce.
- FIG. 2A shows a structural example of the structure.
- other additive manufacturing parts 23Ua and 23Da are prepared separately from the additive manufacturing part 23.
- These layered modeling parts 23Ua and 23Da are also modeled by the manufacturing apparatus 100 described above, and are not more than the maximum size that the manufacturing apparatus 100 can model.
- the three additive manufacturing parts 23, 23 ⁇ / b> Ua, and 23 ⁇ / b> Da are arranged with the additive manufacturing part 23 ⁇ / b> Ua above the additive manufacturing part 23 and the additive manufacturing part 23 ⁇ / b> Da below the additive manufacturing part 23. Weld the mutual joints. Thereby, the integral structure 29 is produced.
- the size is larger than the size of the largest layered product that the manufacturing apparatus 100 can model. That is, it is possible to produce a layered object that is larger than the maximum size that can be formed by the manufacturing apparatus 100.
- the structure 29 exemplified here is composed of three parts, but is not limited to this and can be an arbitrary number.
- the layered parts 23, 23Ua, and 23Da are welded to each other through welded joints formed respectively.
- the structure of the weld joint for example, in the case of a butt joint, various forms such as providing various groove shapes and backing metal can be adopted.
- the welded joint is not limited to a butt joint, and may be other various welded joints.
- the shape of the structure is complex, and it may be difficult to create by layered modeling at once. Even in such a case, the shape of the structure is divided into a plurality of additive manufacturing parts, and after each additive manufacturing part is formed, it is constrained by the complexity of the shape by welding to each other via a welded joint. And a structure can be produced easily and with high quality.
- the structure 29 is not limited to a form in which only a plurality of additive manufacturing parts are joined, and a part of the joining partner may be other than additive manufacturing parts. Therefore, in the following description, the mating member to be joined to the additive manufacturing part will be described as “a part to be welded”. That is, the welded part may be a layered modeling part or a part produced by another processing method.
- FIG. 3A, FIG. 3B, and FIG. 3C are typical explanatory views showing a modeling procedure of the layered modeling component of the first configuration example.
- a weld bead layer (first weld bead layer 34 ⁇ / b> A) composed of a plurality of rows of weld beads 25 is modeled on the base 27.
- the second weld bead layer 34B is shifted from the layer edge 36a of the first weld bead layer 34A to the extending direction K of the weld bead 25 within the layer plane.
- a layer is formed on the weld bead layer 34A.
- the third weld bead layer 34C is laminated by shifting in the extending direction K of the weld bead 25 within the layer surface from the layer edge 36b of the second weld bead layer 34B.
- FIG. 3C shows an additive manufacturing part 23 having a welded joint (JIS Z 3001) 41 in the shape of a groove with the base 27 shown in FIG. 3B removed.
- JIS Z 3001 welded joint
- the layered modeling part 23 shaped as described above is placed in contact with the part to be welded 39 that is a joining partner.
- the outline is shown by a solid line so that the shape of the welded joint 41 can be easily understood.
- the to-be-welded part 39 shown here is shown as what was modeled by the several welding bead layer similarly to the above-mentioned layered modeling part 23.
- FIG. 4B a structure 29 ⁇ / b> A in which the layered modeling component 23 and the welded component 39 are integrated is manufactured by the welded portion 43 welded via the weld joint 41.
- the welding robot 19 of the manufacturing apparatus 100 for modeling the layered modeling part can be used as it is, but another welding apparatus may be used separately. .
- the structure 29 ⁇ / b> A having this configuration is manufactured by welding the layered modeling part 23 and the part to be welded 39 through a welded joint that is modeled together with the layered modeling process of the layered modeling part 23. Therefore, the structure 29 ⁇ / b> A larger than the maximum size that can be modeled by the manufacturing apparatus 100 for layered modeling parts can be manufactured without being limited to the movable range of the manufacturing apparatus 100. Further, even when the structure 29A has a complicated shape, the structure 29A can be manufactured easily and with high quality without causing restrictions. Furthermore, since the welded joint is formed together with the additive manufacturing process of the additive manufacturing part 23, the number of processing steps can be reduced as compared with the case where the welded joint is formed by cutting or the like.
- FIG. 5 is a schematic perspective view of a main part showing a modified example of the layered modeling part and the part to be welded.
- the layered modeling component 23 ⁇ / b> A of the present modification is formed by shifting the weld bead layers 34 ⁇ / b> A, 34 ⁇ / b> B, 34 ⁇ / b> C, 34 ⁇ / b> D in a direction orthogonal to the extending direction K of the weld bead 25. In this way, by shifting the welding bead 25 in one direction within the welding bead layer, the welded joint 41A having a lave groove shape is formed.
- Other parts are the same as those in the first configuration example. In the following description, the same parts are denoted by the same or corresponding reference numerals, and the description thereof is simplified or omitted.
- the welding bead 25 is made long and continuous to model the welded joint 41A, so that the modeling speed of the welded joint 41A can be increased compared to the case of the first modification, and the tact time Can be shortened.
- the welded part 39 may be an arbitrary part produced by machining or the like as shown in FIG. Also in this case, the layered modeling part 23 and the part to be welded 39A are welded via the weld joint 41 having a labyrinth groove shape, and a structure is produced.
- the weld bead 25 is moved from the weld bead 25 of the previous layer toward the bead array direction along the upper surface of the base 27 of the weld bead 25, and is half of the pitch Pt of the bead array (Pt / 2) Stacked with a shift.
- the welding bead 25 may be laminated immediately above the welding bead of the previous layer, that is, laminated in the same phase at the same pitch Pt. In that case, the movement path of the welding torch can be shared by each layer, and the laminating process can be simplified.
- the cross-sectional shape of the weld bead 25 is not a perfect circle but a flat shape that spreads toward the adjacent weld bead. Therefore, the gap between the weld beads in the illustrated example is actually smaller.
- ⁇ Other variations> 8A to 8D are cross-sectional views schematically showing a groove shape of a welded joint formed by modeling.
- the above-described welded joint 41 is a welded joint of a lave groove shown in FIG. 8A.
- the welded joint 41 may be a V-shaped groove welded joint 41B formed by a layered shaped component 23B and a welded component 39B, as shown in FIG. 8B.
- It may be a weld joint 41C with a K-shaped groove formed on 23C, or a weld joint 41D with an X-shaped groove formed on the layered object 23D and the welded part 39C shown in FIG. 8D.
- the weld joint may have other groove shapes such as I-type, J-type, double-sided J-type, U-type, and H-type other than the above-described groove shape.
- FIG. 9 is a cross-sectional view of the additive manufacturing part and the welded part of the second configuration example, and shows a case where the welded joint is welded using a backing metal.
- a layered molded part 23 formed by laminating a single weld bead 25 in the depth direction (perpendicular to the paper surface) in FIG. 9 and a flat plate-like welded part 39 that also extends in the depth direction.
- a backing metal 45 is disposed on the weld joint 41E.
- An integrated structure is obtained by welding the backing metal 45, the additive manufacturing part 23, and the part 39 to be welded.
- the backing metal 45 may be a plate material which is prepared separately by the welding bead prepared separately from the additive manufacturing part 23 and the welded part 39, but the additive manufacturing part 100 uses the additive manufacturing part manufacturing apparatus 100. 23 may be formed at the same time. Furthermore, the backing metal 45 may be a plate material produced by a process other than the layered modeling.
- the backing metal 45 one that is suitable for joining the layered shaped component 23 and the part to be welded 39 or the same material as the layered shaped component 23 is used.
- FIGS. 10A and 10B are cross-sectional views schematically showing a layered product and a part to be welded, which are modifications of the second configuration example.
- FIG. 10A shows a configuration in which a backing metal 45 is disposed on the weld joint 41 of the mold groove shown in FIG. 8A.
- FIG. 10B shows a configuration in which a backing metal 45 is arranged on a weld joint 41B having a V-shaped groove shown in FIG. 8B.
- the backing metal 45 may be a separately prepared plate material prepared separately, or may be formed simultaneously with the additive manufacturing component. According to this configuration, the layered parts are welded together with the backing metal 45, and both parts are firmly joined. Also, the amount of shield gas used and the working time can be reduced, and welding can be performed with high efficiency.
- FIG. 11 is a cross-sectional view of an additive manufacturing part 23 in which a backing metal is integrally formed and a welded part 39 to be welded to the additive manufacturing part 23.
- the additive manufacturing part 23 of this configuration example is provided with a bent part in which the end part of the weld bead 25 in the bead extending direction is bent in a substantially crank shape by the thickness of the part 39 to be welded.
- the weld bead 25 is laminated in the depth direction (perpendicular to the paper surface) in FIG. 11, and becomes a layered molded part 23 in which a bent portion is formed as a backing metal 47.
- the backing metal 47 faces the welding back surface 39a of the flat plate-like welded part 39 extending in the depth direction, and constitutes a weld joint 41F.
- FIG. 12A to FIG. 12C are explanatory diagrams showing a modeling procedure of a layered modeling component in which a groove and a backing metal are modeled integrally by a plurality of welding beads 25 having different lengths.
- the additive manufacturing component of this configuration forms a plurality of rows of welding beads 25 on the base 27, and the extending direction K of the welding beads 25 for the groove and backing metal portions. It is formed by changing the length and the forming position. That is, the welding bead at one end in the arrangement direction of the welding beads 25 (the direction perpendicular to the extending direction K) is formed to be shifted in the bead extending direction in the welding bead layer. Thus, the first weld bead layer 34A is formed.
- FIG. 12B a welding bead 25 having the same length (shape) as the first welding bead layer 34A is laminated on the first welding bead layer 34A.
- a second weld bead layer 34B having the same shape is formed.
- the third weld bead layer 34C and the fourth weld bead layer 34D are sequentially stacked on the previous weld bead layer.
- a layered product 23E in which the weld joint 41 having a groove and the backing metal 47A are integrally formed is formed.
- FIG. 12C shows an additive manufacturing part 23 ⁇ / b> E having a welded joint 41 in the shape of a groove with the base 27 shown in FIG. 12B removed.
- FIG. 13A and 13B are schematic perspective views showing a welding procedure between the layered object 23E and the part to be welded 39 shown in FIG. 12C.
- the to-be-welded part 39 prepared beforehand is faced
- the outer shape is shown by a solid line so that the shapes of the welded joint 41 and the backing metal 47A can be easily understood.
- the welded part 39 in the illustrated example has a plurality of weld bead layers formed in the thickness direction of the layered molded part 23E, similarly to the layered molded part 23E in the present configuration example.
- the welded part 39 may be an arbitrary part separately produced by machining or the like.
- FIG. 14A is an explanatory view showing a welded joint between the additive manufacturing part 23E and the welded part 39 shown in FIG. 13A.
- FIG. 14B shows a pre-weld state of the layered modeling part 23F in which the V-shaped groove weld joint 41B and the backing metal 47A, which are manufactured by the same procedure, are integrally modeled, and the part 39 to be welded.
- the groove shape of the welded joint may be any shape such as K-type, X-type, I-type, J-type, double-sided J-type, U-type, H-type, etc. Good.
- the extending direction K of the weld bead 25 is parallel to the depth direction of the opening of the weld joint 41, but this is not restrictive.
- the extending direction K of the weld bead 25 may be a direction orthogonal to the depth direction of the opening of the weld joint 41.
- the lamination position of the welding beads 25 may be just above the welding beads of the previous layer as shown in the drawing, or may be laminated by shifting by half the pitch Pt of the bead arrangement.
- FIG. 16A is a schematic perspective view showing the layered modeling part 23G and the welded part 39D
- FIG. 16B is a schematic perspective view showing a state where a welded joint is formed by the layered modeling part 23G and the welded part 39D.
- the additive manufacturing component 23 ⁇ / b> G is a plate-like member in which a weld bead layer made up of a plurality of weld beads 25 is laminated, and has a welded joint 41 having a mold groove inclined at one end from the plate thickness direction. Is formed.
- the welded part 39D is a plate-like member in which a weld bead layer made up of a plurality of weld beads 25 is laminated.
- a backside bead 26 is formed by additive manufacturing on the plate surface of the part to be welded 39D on the joint side with the additive manufacturing part 23G.
- the back bead 26 is formed along the groove of the additive manufacturing component 23G to be joined.
- the part to be welded 39D may be a part produced by another processing method, and the back bead 26 may have a configuration in which a separately prepared plate or bar is attached to the part to be welded 39D.
- the back bead 26 may be composed of a plurality of welding beads 25.
- the layered object 23 ⁇ / b> G and the welded part 39 ⁇ / b> B are arranged with the welded joint 41 of the layered object 23 ⁇ / b> G and the back bead 26 with a predetermined gap on the back side of the welded joint 41.
- it abuts from the direction perpendicular to the plate surface of the part to be welded 39D. That is, a T-shaped joint is constituted by the layered modeling part 23G and the part 39D to be welded, and both parts are joined by welding the T-shaped joint.
- FIG. 17 is an explanatory view showing a state in which the additive manufacturing part 23G and the part to be welded 39D are welded.
- the part to be welded 38D is arranged with the plate surface in the vertical direction
- the additive manufacturing part 23G is arranged with the plate surface in the horizontal direction. Then, the torch 17 of the welding robot 19 shown in FIG. 1 is welded while being moved along the groove of the welded joint 41 from above the additive manufacturing part 23G.
- the molten metal in which the filler metal M and the joint base material are melted is blocked by the lining bead 26 and prevented from dripping from the groove. Therefore, the molten metal stays in the region surrounded by the groove of the layered object 23G, the part 39D to be welded, and the back bead 26, and is solidified to form the weld 43.
- the molten metal that has melted out on the back side of the welded portion is received by the backside bead 26, whereby a complete penetration welded joint can be formed.
- the backside bead 26 since the bead on the back side is formed beautifully without causing an unwelded portion, the progress of cracks at the joint portion is prevented, and the welding strength can be improved.
- the backing bead 26 when a separate backing metal is provided and welding is performed, no welding is performed between the backing metal and the part to be welded 39D, or between the backing metal and the additive manufacturing part 23G. May occur. In that case, the welding strength may be insufficient due to the peeling of the unwelded portion or the development of cracks due to the load.
- the weld joint 41 of this configuration is a groove similar to the weld joint 41A shown in FIG. 5, but may have a configuration in which the direction of the weld bead is changed as in the weld joint 41 shown in FIG. 4A.
- FIG. 18 is a perspective view showing a cylindrical additive manufacturing part 23H and a cylindrical welded part 39E.
- the additive manufacturing component 23H of this configuration includes a cylindrical main body portion 49 and an inner cylindrical portion 51 that is provided in contact with an inner peripheral surface of one end portion in the axial direction of the main body portion 49 and protrudes outward in the axial direction.
- the main body portion 49 and the inner cylindrical portion 51 are each formed by a weld bead layer in which the weld beads 25 are laminated in a spiral shape or an annular shape. That is, the layered modeling component 23H is formed by integrally molding the main body 49 and the inner cylindrical portion 51, and the portion protruding from the main body 49 of the inner cylindrical portion 51 is different from the layered modeling component 23H. It becomes a weldable welded joint.
- the welded part 39E is an additive manufacturing part formed in a cylindrical shape by a welding bead layer in which the welding beads 25 are laminated in a spiral shape or an annular shape.
- the inner diameter of the part to be welded 39E is formed slightly larger than the outer diameter of the inner cylindrical portion 51 of the layered manufacturing part 23H.
- FIG. 19A is a cross-sectional view showing a cross section taken along the line XIX-XIX of FIG. 18, and FIG. 19B is a cross-sectional view showing a state where the layered product 23H and the part to be welded 39E are fitted together.
- a part to be welded 39E is inserted along the cylindrical axis into the inner cylindrical part 51 of the additive manufacturing part 23H. Thereby, it fits coaxially in the state which the inner periphery of the to-be-welded component 39E contact
- annular shaft is formed between the radial step portion 53 formed between the main body portion 49 and the inner cylindrical portion 51 of the additive manufacturing component 23H and the end portion 55 on the insertion tip side of the welded component 39E.
- the stepped portion 53 which is one end of the body portion 49 of the layered product 23H, and the end portion 55 of the welded component 39E serve as the weld joint 41C, and the inner cylindrical portion 51 functions as a backing metal.
- FIG. 20 is an explanatory diagram showing a state in which a layered product 23H and a part to be welded 39E are welded to produce a structure. While the additive manufacturing component 23H and the welded component 39E are fitted together, the additive manufacturing component 23H and the welded component 39E are moved while moving the torch 17 (see also FIG. 1) along the circumferential direction of the gap 57 described above. Weld. As a result, the welded portion 43 is formed in the gap 57, and the structure 29C in which the layered modeling component 23H and the welded component 39E are integrated is obtained.
- a structure having a size exceeding the movable range of the welding robot 19 shown in FIG. 1 by welding small additive manufacturing parts (an additive manufacturing part 23H, a part to be welded 39E).
- an additive manufacturing part 23H, a part to be welded 39E can be easily produced.
- the structure 29A having a double structure can be produced easily and with high quality.
- the above example is a configuration in which the next weld bead layer is laminated on the annular inner peripheral side of the previous weld bead layer, but may be a laminate on the annular outer peripheral side.
- the layered object 23H and the part to be welded 39E are fitted together leaving a gap in the axial direction, and this gap is welded from the inner peripheral side.
- the above example has a thin-walled structure, but when a thicker structure is to be formed, a welded joint such as the above-mentioned K-type or X-type groove is formed by using a plurality of weld bead layers in the radial direction. And can be joined.
- the present invention is not limited to the above-described embodiments, and those skilled in the art can make changes and applications based on combinations of the configurations of the embodiments, descriptions in the specification, and well-known techniques. This is also the scope of the present invention, and is included in the scope for which protection is sought.
- a butt joint and a T joint are described as an example.
- various welded joints JIS joints such as a cross joint, a corner joint, a metal fitting joint, a lap joint, an edge joint, etc.
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Abstract
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。積層造形部品は、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。これら複数の積層造形部品を、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。
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いる。特に金属材料を造形材料に適用することについては、航空機業界等でその実用化に向けた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が、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。
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る。そのため、可動範囲以上の大きさの積層造形物の作製は困難となる。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。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、更にはトーチ17を移動させる駆動プログラムを記憶する。
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。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。
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。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。
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K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。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。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。以降の説明においては、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。
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。以降の説明においては、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を長く連続させて溶接継手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の造形速度を速められ、タクト時間の短縮が図れる。
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。
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25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。溶着ビード25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向けて広がった扁平状となる。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、溶接継手41は、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であってもよく、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。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。
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、溶接継手41は、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であってもよく、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。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。
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。
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。
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。
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する。これにより、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。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。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。
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。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。
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。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。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。
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。
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。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。裏置きビード26は複数本の溶着ビード25で構成されていてもよい。
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。
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。
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。
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り、内側円筒部51の本体部49から突出した部分は、積層造形部品23Hとは異なる他の部品に溶接可能な溶接継手となる。
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との間に環状の軸方向の隙間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との間に環状の軸方向の隙間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を周方向に沿ってトーチ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。
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を周方向に沿ってトーチ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。
上記例は、次層の溶着ビード層を、前層の溶着ビード層における環状の内周側に積層する構成であるが、環状の外周側に積層した構成としてもよい。その場合、積層造形部品23Hと被溶接部品39Eとを軸方向の隙間を残して嵌め合わせ、この隙間を内周側から溶接する。
また、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。
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。
本出願は2017年4月27日出願の日本国特許出願(特願2017-88781)、及び2017年9月15日出願の日本国特許出願(特願2017-177813)に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
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
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 (17)
- 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。
- 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請求項1に記載の積層造形部品の接合方法。 - 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又は請求項2に記載の積層造形部品の接合方法。
- 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請求項3に記載の積層造形部品の接合方法。 - 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請求項3に記載の積層造形部品の接合方法。 - 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請求項1に記載の積層造形部品の接合方法。 - 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。
- 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請求項7に記載の構造体。
- 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請求項7又は請求項8に記載の構造体。
- 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7又は請求項8に記載の構造体。
- 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9に記載の構造体。
- 請求項7又は請求項8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。 - 請求項9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。 - 請求項10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。 - 請求項7又は請求項8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。 - 請求項9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。 - 請求項10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。
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