(57)【要約】【課題】ビードの内部欠陥候補を効率よく抽出して、高品質の構造体を製作可能な構造体の製造システム及び製造方法を提供する。【解決手段】構造体の造形システム１０は、母材２３上にビード２５を形成するビード形成ロボット２０と、ビード２５の表面に冷却ガスを供給するガス供給ロボット３０と、溶接トーチ２１及び冷却ガスノズル３１の移動軌道を作成する軌道設計部６２と、ビード形成ロボット２０およびガス供給ロボット３０を制御する制御部６５と、ビード２５の表面温度分布を出力する温度計測部４０と、ビード２５の表面温度分布から温度勾配が閾値より大きい部分で囲まれた領域を内部欠陥候補として抽出する欠陥評価部６４とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
母材上に、溶接トーチを用いて溶加材を溶融および固化してなるビードを形成するビード形成ロボットと、
前記ビード形成ロボットによって前記母材上に形成された前記ビードの表面に前記ビードを冷却する冷却ガスを供給するガス供給部を有するガス供給ロボットと、
前記母材上に前記ビードが積層されてなる構造体を製造するための、前記溶接トーチの移動軌道および前記ガス供給部の移動軌道を作成する軌道設計部と、
前記軌道設計部で作成された前記移動軌道に基づいて前記ビード形成ロボットおよび前記ガス供給ロボットを制御する制御部と、
前記構造体の製造中に前記冷却ガスが供給されたビードに対して表面温度を計測して前記ビードの表面温度分布を出力する温度計測部と、
前記ビードの表面温度分布から温度勾配が予め定めた閾値より大きい部分で囲まれた領域を内部欠陥候補として抽出する欠陥評価部と、
を備える構造体の製造システム。
【請求項２】
前記軌道設計部が作成した前記移動軌道と前記内部欠陥候補とを関連付けしてログ情報として保存するデータ保存部を、
さらに備える請求項１に記載の構造体の製造システム。
【請求項３】
前記ガス供給部は、前記冷却ガスとともに浸透探傷試験剤の吹きつけを行う、
請求項１又は２に記載の構造体の製造システム。
【請求項４】
前記構造体の製造中に前記冷却ガスが供給された前記ビードの表面形状を計測する形状計測部を、
さらに備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の構造体の製造システム。
【請求項５】
前記形状計測部により得られた表面形状測定結果から前記ビードの表面の凹形状領域または凸形状領域を抽出し、前記凹形状領域または前記凸形状領域と前記内部欠陥候補の位置とを照合し、
前記凹形状領域または前記凸形状領域と前記内部欠陥候補の位置とが重複する場合は前記内部欠陥候補を外部欠陥候補に修正する、
請求項４に記載の構造体の製造システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の構造体の製造システムを備え、母材上にビードが積層されてなる構造体を製造する、構造体の製造方法であって、
前記軌道設計部で作成された前記移動軌道に基づいて、前記ビード形成ロボットの前記溶接トーチを用いて、前記母材上に溶加材を溶融および固化してなるビードを形成する工程と、
前記軌道設計部で作成された前記移動軌道に基づいて、前記ビード形成ロボットのガス供給部によって、前記母材上に形成された前記ビードの表面に前記ビードを冷却する冷却ガスを供給する工程と、
前記温度計測部によって、前記構造体の製造中に前記冷却ガスが供給されたビードに対して表面温度を計測して前記ビードの表面温度分布を出力する工程と、
前記欠陥評価部によって、前記ビードの表面温度分布から温度勾配が予め定めた閾値より大きい部分で囲まれた領域を内部欠陥候補として抽出する工程と、
を備える構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造体の製造システム及び製造方法に関し、より詳細には、溶加材を溶融および固化してなるビードを積層して形成される構造体の製造システム及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生産手段として３Ｄプリンタを用いた造形のニーズが高まっており、金属材料を用いた造形の実用化に向けて研究開発が進められている。金属材料を造形する３Ｄプリンタは、レーザや電子ビーム、さらにはアーク等の熱源を用いて、金属粉体や金属ワイヤを溶融させ、該溶融金属を積層させることで造形物を作製する。特に、アークを用いた積層造形方法は、レーザと比較して入熱量が多く、造形効率（単位時間当たりの盛量）が高い。
【０００３】
このような造形物を造形する技術として、溶加材を供給する溶接トーチを移動させることで、溶接金属を積層させて金型などの造形物を造形する溶接技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、溶接部および溶接部近傍の温度分布データを温度センサで測定して、予め記憶されている既知のデータと比較し、溶接部の良否を判定する溶接部検査方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１５３６３号公報
【特許文献２】特開平６−３４５６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、アークを用いた積層造形法により造形される造形物においても、ブローホールや割れといった溶接欠陥を検出することが望まれている。特に、内部欠陥は、外部から目視で確認することができないため、非破壊で検出することが望まれている。
特許文献２に記載の鋼板の溶接部検査方法は、積層造形法について考慮されておらず、また、良好な溶接部の場合のデータを予め用意する必要があり、種々の形状を持つ積層造形物毎に実施するには、非常に煩雑となる。
【０００７】
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ビードの内部欠陥候補を効率よく抽出して、高品質の構造体を製作可能な構造体の製造システム及び製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
したがって、本発明の上記目的は、下記（１）の構造体の製造システム、及び下記（２）の構造体の製造方法により達成される。
（１）  母材上に、溶接トーチを用いて溶加材を溶融および固化してなるビードを形成するビード形成ロボットと、
前記ビード形成ロボットによって前記母材上に形成された前記ビードの表面に前記ビードを冷却する冷却ガスを供給するガス供給部を有するガス供給ロボットと、
前記母材上に前記ビードが積層されてなる構造体を製造するための、前記溶接トーチの移動軌道および前記ガス供給部の移動軌道を作成する軌道設計部と、
前記軌道設計部で作成された前記移動軌道に基づいて前記ビード形成ロボットおよび前記ガス供給ロボットを制御する制御部と、
前記構造体の製造中に前記冷却ガスが供給されたビードに対して表面温度を計測して前記ビードの表面温度分布を出力する温度計測部と、
前記ビードの表面温度分布から温度勾配が予め定めた閾値より大きい部分で囲まれた領域を内部欠陥候補として抽出する欠陥評価部と、
を備える構造体の製造システム。
（２）  （１）に記載の構造体の製造システムを備え、母材上にビードが積層されてなる構造体を製造する、構造体の製造方法であって、
前記軌道設計部で作成された前記移動軌道に基づいて、前記ビード形成ロボットの前記溶接トーチを用いて、前記母材上に溶加材を溶融および固化してなるビードを形成する工程と、
前記軌道設計部で作成された前記移動軌道に基づいて、前記ビード形成ロボットのガス供給部によって、前記母材上に形成された前記ビードの表面に前記ビードを冷却する冷却ガスを供給する工程と、
前記温度計測部によって、前記構造体の製造中に前記冷却ガスが供給されたビードに対して表面温度を計測して前記ビードの表面温度分布を出力する工程と、
前記欠陥評価部によって、前記ビードの表面温度分布から温度勾配が予め定めた閾値より大きい部分で囲まれた領域を内部欠陥候補として抽出する工程と、
を備える構造体の製造方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の構造体の製造システム及び製造方法によれば、ビードの内部欠陥候補を効率よく抽出して、高品質の構造体を製作できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る構造体の製造システムの概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態に係る構造体の製造システム及び製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、構造体の製造システム１０は、ビード形成ロボット２０と、ガス供給ロボット３０と、温度計測部４０と、形状計測部５０と、コントローラ６０と、を備える。
【００１２】
ビード形成ロボット２０は、多関節ロボットであり、先端軸に設けた溶接トーチ２１には、溶加材Ｍが連続供給可能に支持される。溶接トーチ２１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。
【００１３】
溶接トーチ２１は、溶加材Ｍを保持しつつ、溶加材Ｍの先端からアークを発生する。溶加材Ｍは、ロボットアーム等に取り付けられた、不図示の繰り出し機構により、溶加材供給部２２から溶接トーチ２１に送給される。また、溶接トーチ２１には、シールドガスノズルが設けられ、不図示のガス供給装置から供給されるシールドガスをシールドガスノズルから噴出させる。そして、後述する軌道設計部６２が作成する溶接トーチ２１の移動軌道に基づいて、溶接トーチ２１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て、母材２３上に溶加材Ｍの溶融凝固体である線状のビード２５を積層して構造体Ｗを形成する。
なお、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式電極式のいずれであっても良く、作製する構造体Ｗに応じて適宜選定される。
【００１４】
ガス供給ロボット３０は、多関節ロボットであり、先端軸にはガス供給部である冷却ガスノズル３１が取り付けられている。冷却ガスノズル３１は、後述する軌道設計部６２が作成する冷却ガスノズル３１の移動軌道に基づいて移動しつつ、ビード形成ロボット２０により形成されたビード２５の表面に冷却ガスを吹き付けてビード２５を冷却する。冷却ガスは、特に限定されず、エアや炭酸ガス、Ａｒガスなどが使用できる。また、冷却ガスは、シールドガスと同じガスを使用してもよい。
【００１５】
温度計測部４０は、構造体Ｗの製造中に、冷却ガスが供給されたビード２５に対して、ビード２５の表面温度を連続して計測して、ビード２５の表面温度分布を出力する。温度計測部４０は、造形されたビード２５の表面温度を測定可能であれば特に限定されず、接触式の測定センサでも使用可能であるが、ビード２５は高温であることから、赤外線サーモグラフィや赤外線カメラなどの非接触式の測定センサが望ましい。赤外線サーモグラフィや赤外線カメラは、一度に広範囲の領域の温度検出が可能であり、好ましい。
【００１６】
形状計測部５０は、ビード２５の表面形状を測定するものであり、一般的に用いられている光走行時間法（ＴＯＦ法）や光切断法が使用可能である。
【００１７】
コントローラ６０は、ＣＡＤ／ＣＡＭ部６１と、軌道設計部６２と、データ保存部６３と、欠陥評価部６４と、制御部６５を備える。
【００１８】
ＣＡＤ／ＣＡＭ部６１は、作製しようとする構造体Ｗの形状データを作成した後、構造体Ｗを複数の層に分割して各層の形状を表す層形状データを生成する。軌道設計部６２は、生成された層形状データに基づいて溶接トーチ２１及び冷却ガスノズル３１の各移動軌道を生成する。
【００１９】
データ保存部６３は、ＣＡＤ／ＣＡＭ部６１で生成された層形状データや、軌道設計部６２が作成した溶接トーチ２１及び冷却ガスノズル３１の移動軌道を記憶する。さらに、データ保存部６３は、溶接トーチ２１及び冷却ガスノズル３１の移動軌道を、後述する欠陥評価部６４により検出された内部欠陥候補と関連付けてログ情報として記憶する。
【００２０】
欠陥評価部６４は、温度計測部４０から出力されたビード２５の表面温度分布から温度勾配が所定の閾値より大きい部分で囲まれた領域内に欠陥があると推定し、内部欠陥候補として抽出する。
【００２１】
制御部６５は、データ保存部６３に記憶された層形状データ、溶接トーチ２１及び冷却ガスノズル３１の各移動軌道に基づく駆動プログラムを実行して、ビード形成ロボット２０及びガス供給ロボット３０を駆動する。具体的には、ビード形成ロボット２０は、コントローラ６０からの指令により、軌道設計部６２が作成した溶接トーチ２１の移動軌道に基づいて、溶接トーチ２１を移動させ、母材２３上にビード２５を積層する。また同時に、ガス供給ロボット３０は、コントローラ６０からの指令により、軌道設計部６２が作成した冷却ガスノズル３１の移動軌道に基づいて、冷却ガスノズル３１を移動させて生成直後のビード２５を冷却する。
【００２２】
次に、本実施形態の作用を説明する。構造体の製造システム１０は、先ず、ＣＡＤ／ＣＡＭ部６１が作成した構造体Ｗの層形状データに基づいて、軌道設計部６２が溶接トーチ２１及び冷却ガスノズル３１のそれぞれの移動軌道を生成する。そして、制御部６５が、溶接トーチ２１を移動軌道に基づいて移動させ、溶加材Ｍを溶融及び凝固させて、母材２３上に溶加材Ｍの溶融凝固体である線状のビード２５を積層して形成する。
【００２３】
また同時に制御部６５は、軌道設計部６２が生成した冷却ガスノズル３１の移動軌道に基づいて冷却ガスノズル３１を移動させて、高温状態のビード２５の表面に冷却ガス吹きつけて冷却する。
【００２４】
このように、ビード形成ロボット２０とガス供給ロボット３０が協働して、ビード２５の形成とビード２５の冷却とを２台のロボットで分担して行うことで、１台のロボットが、溶接トーチ２１と冷却ガスノズル３１を交換して同様の動作を行う場合と比較して、生産性が大幅に向上する。さらにビード２５を冷却することで、次層のビード２５の積層開始時間（パス間時間）を短縮することができ、これによっても造形効率が向上する。
【００２５】
次いで、冷却ガスで冷却された後のビード２５に対して温度計測部４０が、ビード２５の表面温度を連続して計測して、ビード２５の表面温度分布を出力する。ビード２５の表面温度は、欠陥がある領域と欠陥がない領域では熱伝導率が異なるため冷却速度が異なり、欠陥がある領域と欠陥がない領域の境界では、温度勾配が大きくなる。
【００２６】
欠陥評価部６４は、ビード２５の表面温度分布から温度勾配が予め定めた閾値より大きい部分で囲まれた領域を内部欠陥候補として抽出する。例えば、ビード２５の内部にブローホールやスラグ巻き込みなどの内部欠陥がある領域は、冷却ガスにより急速に冷却されるのに対して、内部欠陥がない領域では、熱量を保持するビード２５の質量が大きく冷め難いので、ビード２５の表面温度に温度差ができる。欠陥評価部６４は、この温度差に基づいて内部欠陥候補を抽出する。
【００２７】
ビード２５の表面温度分布から抽出された内部欠陥候補は、軌道設計部６２が作成した溶接トーチ２１及び冷却ガスノズル３１の移動軌道と関連付けてログ情報としてデータ保存部６３に保存される。このログ情報は、今後の軌道計画の見直しなどに活用される。
また、制御部６５は、内部欠陥候補の部分に対して、ガウジングなどの処理を行うようにしてもよい。
【００２８】
上記のように、ビード２５の表面温度分布から抽出された内部欠陥候補は、表面の割れ、クラックなどの外部欠陥である可能性がある。そこで、形状計測部５０が、光走行時間法（ＴＯＦ法）や光切断法などの手法によりビード２５の表面形状を計測してビード２５の表面の凹形状領域または凸形状領域を抽出する。
【００２９】
次いで、欠陥評価部６４が、抽出された凹形状領域または凸形状領域と内部欠陥候補の位置とを照合し、両者の位置が重複する場合は、内部欠陥候補を外部欠陥候補に修正する。これにより、内部欠陥候補と外部欠陥候補を明確に判別でき、内部欠陥候補の検出精度が向上する。抽出された外部欠陥候補については、溶接の後工程で修正することができる。また、内部欠陥候補については、溶接条件を変更するなどの欠陥防止対策に役立たせることができる。
【００３０】
尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。
【００３１】
例えば、冷却ガスノズル３１は、冷却ガスとともに浸透探傷試験剤の吹きつけを行うようにしてもよい。浸透探傷試験剤は、赤色や蛍光の浸透性のよい検査液であり、ビード２５の表面に塗布し、毛細管現象や知覚現象を利用して拡大した像にして、ビード２５の表面の外部欠陥を目視で検出することができる。また、この外部欠陥は、内部欠陥候補と照合して検出されてもよい。
【００３２】
以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１）  母材上に、溶接トーチを用いて溶加材を溶融および固化してなるビードを形成するビード形成ロボットと、
前記ビード形成ロボットによって前記母材上に形成された前記ビードの表面に前記ビードを冷却する冷却ガスを供給するガス供給部を有するガス供給ロボットと、
前記母材上に前記ビードが積層されてなる構造体を製造するための、前記溶接トーチの移動軌道および前記ガス供給部の移動軌道を作成する軌道設計部と、
前記軌道設計部で作成された前記移動軌道に基づいて前記ビード形成ロボットおよび前記ガス供給ロボットを制御する制御部と、
前記構造体の製造中に前記冷却ガスが供給されたビードに対して表面温度を計測して前記ビードの表面温度分布を出力する温度計測部と、
前記ビードの表面温度分布から温度勾配が予め定めた閾値より大きい部分で囲まれた領域を内部欠陥候補として抽出する欠陥評価部と、
を備える構造体の製造システム。
この構成によれば、ビードに内部欠陥のない高品質の構造体を製造効率よく製作することができる。
【００３３】
（２）  前記軌道設計部が作成した前記移動軌道と前記内部欠陥候補とを関連付けしてログ情報として保存するデータ保存部を、
さらに備える（１）に記載の構造体の製造システム。
この構成によれば、ログ情報を今後の軌道計画の見直しなどに活用できる。
【００３４】
（３）  前記ガス供給部は、前記冷却ガスとともに浸透探傷試験剤の吹きつけを行う、
（１）又は（２）に記載の構造体の製造システム。
この構成によれば、ビードの表面側に形成された外部欠陥を目視で容易に検出することが可能となる。
【００３５】
（４）  前記構造体の製造中に前記冷却ガスが供給された前記ビードの表面形状を計測する形状計測部を、
さらに備える（１）〜（３）のいずれかに記載の構造体の製造システム。
この構成によれば、ビードの表面の凹形状領域または凸形状領域を抽出することができる。
【００３６】
（５）  前記形状計測部により得られた表面形状測定結果から前記ビードの表面の凹形状領域または凸形状領域を抽出し、前記凹形状領域または前記凸形状領域と前記内部欠陥候補の位置とを照合し、
前記凹形状領域または前記凸形状領域と前記内部欠陥候補の位置とが重複する場合は前記内部欠陥候補を外部欠陥候補に修正する、
（４）に記載の構造体の製造システム。
この構成によれば、内部欠陥候補と外部欠陥候補を判別することができ、内部欠陥候補の検出精度が向上する。
【００３７】
（６）  （１）〜（５）のいずれかに記載の構造体の製造システムを備え、母材上にビードが積層されてなる構造体を製造する、構造体の製造方法であって、
前記軌道設計部で作成された前記移動軌道に基づいて、前記ビード形成ロボットの前記溶接トーチを用いて、前記母材上に溶加材を溶融および固化してなるビードを形成する工程と、
前記軌道設計部で作成された前記移動軌道に基づいて、前記ビード形成ロボットのガス供給部によって、前記母材上に形成された前記ビードの表面に前記ビードを冷却する冷却ガスを供給する工程と、
前記温度計測部によって、前記構造体の製造中に前記冷却ガスが供給されたビードに対して表面温度を計測して前記ビードの表面温度分布を出力する工程と、
前記欠陥評価部によって、前記ビードの表面温度分布から温度勾配が予め定めた閾値より大きい部分で囲まれた領域を内部欠陥候補として抽出する工程と、
を備える構造体の製造方法。
この構成によれば、ビードに内部欠陥のない高品質の構造体を製造効率よく製作することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１０    構造体の製造システム
２０    ビード形成ロボット
２１    溶接トーチ
２３    母材
２５    ビード
３０    ガス供給ロボット
３１    冷却ガスノズル（ガス供給部）
４０    温度計測部
５０    形状計測部
６２    軌道設計部
６３    データ保存部
６４    欠陥評価部
６５    制御部
Ｍ      溶加材
Ｗ      構造体
【図１】
2020189324.tif 000003