(57)【要約】【課題】単結晶材もしくは一方向凝固材の母材に、レーザ粉体肉盛を施すにあたり、幅広に肉盛する場合でも、異結晶組織が生じにくく、融合不良等の欠陥が生じることなく高温割れが生じにくい肉盛部を形成し得るレーザ肉盛溶接装置及び肉盛溶接方法を提供する。【解決手段】レーザビーム出射部と、レーザ光源からレーザビーム出射口にレーザ光を導く光路と、溶接金属粉末を肉盛対象部位に供給するための粉末供給部とを有してなる溶接ヘッドを備え、光路には、レーザビームを、レーザ進行方向に対して直交する平面でのビーム形状が長矩形状をなすように整形するビーム整形手段が設けられ、粉末供給部が、レーザビームの前記直交平面におけるビーム形状の長手方向に沿って配列された複数の粉末供給口によって構成されているレーザ肉盛溶接装置。その装置を用いて長矩形状ビームの長辺方向が溶接進行方向に直交するようにして肉盛溶接する。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを出射して母材の肉盛対象部位にレーザビームを照射するためのレーザビーム出射部と、レーザ光源から前記レーザビーム出射口にレーザ光を導く光路と、溶接金属粉末を肉盛対象部位に供給するための粉末供給部とを有してなる溶接ヘッドを備え、
前記光路には、レーザビームを、レーザ進行方向に対して直交する平面でのビーム形状が長矩形状をなすように整形するビーム整形手段が設けられ、
さらに前記粉末供給部が、レーザビームの前記平面における長手方向に沿って配列された複数の粉末供給口によって構成されていることを特徴とするレーザ肉盛溶接装置。
【請求項２】
前記ビーム整形手段が回折光学素子からなることを特徴とする請求項１に記載のレーザ肉盛溶接装置。
【請求項３】
請求項１、請求項２にいずれかの請求項に記載のレーザ肉盛溶接装置を用いて、母材に肉盛溶接する方法であって、
前記ビーム整形手段により整形された長矩形状ビームの長辺方向に対して直交する方向に前記溶接ヘッドを母材に対して相対的に移動させながら、母材上におけるレーザ照射領域が長矩形状となるようにレーザビーム出射部から長矩形状ビームを母材の肉盛溶接対象部位に照射するとともに母材におけるレーザ照射領域内に、前記粉末供給部の各粉末供給口からレーザ照射領域の長辺方向の異なる位置に向けて溶接金属粉末を連続的に供給し、肉盛溶接を行うことを特徴とするレーザ肉盛溶接方法。
【請求項４】
請求項３に記載のレーザ肉盛溶接方法において、前記母材が一方向凝固材もしくは単結晶材であることを特徴とするレーザ肉盛溶接方法。
【請求項５】
請求項３、請求項４のいずれかの請求項に記載のレーザ肉盛溶接方法において、前記溶接金属粉末として、前記母材の金属と同一の成分組成の金属からなる金属粉末を用いることを特徴とするレーザ肉盛溶接方法。
【請求項６】
損傷部分を有する補修対象部材について、損傷部分を含む部位を除去して開先部を形成し、その開先部にレーザ肉盛溶接することによって、前記補修対象部材を補修する溶接補修方法において、
前記補修対象部材を母材とし、請求項３〜請求項５のいずれかの請求項に記載のレーザ肉盛溶接方法にしたがって前記開先部に肉盛溶接するにあたり、
溶接進行方法に対して直交する断面で見た前記開先部の輪郭線が連続凹湾曲線をなすように、開先部を形成することを特徴とする溶接補修方法。
【請求項７】
前記連続凹湾曲線をなす開先部の輪郭線の最小曲率半径の部位における曲率半径を３ｍｍ以上とすることを特徴とする請求項６に記載の溶接補修方法。
【請求項８】
前記開先部の前記輪郭線を円弧とすることを特徴とする請求項６、請求項７のいずれかの請求項に記載の溶接補修方法。
【請求項９】
前記補修対象部材がタービン部材であることを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれかの請求項に記載の溶接補修方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン部材で代表される高温部品等の金属母材に、溶加材として金属粉末を用いてレーザ肉盛溶接するための装置、およびその装置を用いてレーザ肉盛溶接する方法、さらに、レーザ肉盛溶接によって高温部品を溶接補修する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの動翼や静翼等の高温部品には、強度や耐熱性が必要であるため、これらの特性に優れたＮｉ基耐熱合金やＣｏ基耐熱合金等の、いわゆる超合金を用いることが多い。また、その製造方法としては、普通鋳造法により多結晶体の鋳物を得る方法に代えて、単結晶凝固法や方向性凝固法を適用して、単結晶材や一方向凝固材とする傾向が強まっている。この種の単結晶材や一方向凝固材であれば、普通鋳造法による鋳物よりも強度等について優れた特性を得ることができる。
【０００３】
一方、この種のタービン高温部品は、運転時に高温、高圧力の過酷な環境下に曝されるため、例えば動翼の翼頂部などには、摩耗や減肉、亀裂などの損傷が生じやすい。そこで、運転後の補修のために、損傷部位について、ＴＩＧ肉盛溶接、プラズマ肉盛溶接、レーザ肉盛溶接等によって肉盛溶接を行うのが一般的であり、特に最近では、溶接金属（溶加材）として粉末（粉体）を用いて粉体レーザ肉盛を行う補修方法が普及しつつある。
【０００４】
粉体レーザ肉盛の一般的な施工方法の概念を、図１、図２に示す。
図１において、溶接ヘッド１の先端には、レーザビーム２を母材３の肉盛対象部位（例えば補修対象部位）に向けて照射するためのレーザビーム出射部１１と、溶接金属粉末４を肉盛対象部位に向けて供給するための粉末供給部１２と、溶融金属の酸化を防止するためのシールドガス５を供給するためのシールドガス供給部１３とが形成されており、溶接ヘッド１は、母材３に対して所定方向Ｄに移動（走査）するように構成されている。そして、溶接ヘッド１を連続的に移動させながら、母材３上に溶接金属４を供給しながらレーザビーム２を照射して、母材３上の溶接金属粉末４およびその下側の母材３の一部（表層部）を急速溶融させ（溶融プール６の形成）、溶接ヘッド１の走査によるレーザビーム照射位置の移動に伴って、溶融金属を冷却・凝固させ、溶接ヘッド１の移動方向Ｄに沿って延びる溶接ビード７を形成する（図２参照）。
【０００５】
なお一般的なレーザ肉盛溶接におけるレーザビームのプロファイル（照射面、もしくはレーザ光進行方向に対して直交する断面におけるレーザパワー分布）としては、図３に示すように、正規分布に従ったいわゆるガウシアンモードとされるのが通常である。
【０００６】
ところで、一方向凝固材もしくは単結晶材を母材とする高温部品を肉盛溶接によって補修する場合、その肉盛部に母材なみの高強度を持たせるためには、母材の結晶方向を引き継がせるか、もしくは母材の単結晶をそのまま成長させるように、肉盛溶接を行う必要がある。しかしながら、このように肉盛溶接することは、実際には極めて困難であり、従来の一般的な肉盛溶接施工では、肉盛金属の表面側に異結晶（結晶方向がランダムな多結晶）が生じることを避け得ず、結果的に表面から割れが生じやすくなってしまう。
【０００７】
そこで特許文献１には、一方向凝固材からなる母材に対して、ＴＩＧ溶接もしくはプラズマアーク溶接によって肉盛を行うにあたり、マッシュルーム状に肉盛溶接した後、そのマッシュルーム状の肉盛金属の表面の、異結晶部分である表面層を整形除去し、さらにその上に肉盛溶接して、再び表面層を整形除去し、以下同様の手順を繰り返すことが提案されている。
しかしながらこの方法では、異結晶組織を低減することは可能であるが、所要の肉盛高さを得るためには、著しく長時間を要し、肉盛作業能率が極めて低いという問題がある。
【０００８】
ところで、例えば特許文献２に記載されているように、単結晶材もしくは一方向凝固材の肉盛溶接においては、凝固界面における液相と固相の温度勾配をＧ、凝固速度をＲとすれば、そのＧ／Ｒの比が大きいほど、結晶が成長しやすくなって、単結晶を成長させやすく、また一方向凝固結晶粒を成長させやすくなうことが知られている。すなわち、肉盛溶接にあたって、Ｇ／Ｒの比が大きくなるような条件とすることによって、母材との界面からの肉盛金属の結晶のエピタキシャル成長が生じやすくなって、母材側から単結晶を成長させた肉盛部、もしくは母材の結晶成長方向を引き継いだ一方向凝固肉盛部を形成しやすくなることが知られている。
【０００９】
そして一般には、母材の溶融が過度にならない範囲で、溶接速度を小さくするほど、また溶接出力を大きくするほど、上記の温度勾配Ｇと凝固速度Ｒとの比Ｇ／Ｒが大きい領域が大きくなり、単結晶肉盛部、一方向凝固肉盛部の形成に有利となるとされている。
【００１０】
このような考えを基礎として、上記の特許文献２では、単結晶材もしくは一方向凝固材からなる母材の端部に肉盛高さが高い肉盛部を形成するにあたり、レーザ粉体肉盛溶接を適用し、かつ溶接金属（溶加材）として母材金属と同じ金属、すなわちいわゆる共金（を用いて、Ｇ／Ｒ比が大きい条件で溶接施工し得るようにすることを狙った肉盛方法を提案している。
【００１１】
具体的な特許文献２の提案の技術は、単結晶材もしくは一方向凝固材からなる母材の端部にレーザ粉体肉盛溶接を適用し、かつ溶接金属（溶加材）として母材金属と同じ金属（共金）を用いて、高い肉盛部を形成するにあたって、先ず、肉盛部の高さ方向に直交する方向に張り出す張り出し部を先に肉盛形成し、その後に高さ方向に肉盛することによって、肉盛時の溶融金属の垂れ落ちを張り出し部によって防止し、肉盛り後に、肉盛部の表面および張り出し部を除去するものである。この方法によれば、張り出し部によって母材や肉盛部の垂れ落ちを防止できるため、溶接速度を小さくしたり溶接出力を大きくしてＧ／Ｒ比を大きくすることが可能となり、その結果、肉盛高さが高い単結晶材もしくは一方向凝固材からなる肉盛溶接部を形成することが可能となるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００９−１８３４５号公報
【特許文献２】特許第５８３５９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１の方法の場合、前述のように所要の肉盛高さにするためには、著しく長時間を要し、肉盛作業能率が極めて低い問題がある。
【００１４】
これに対して、特許文献２の方法では、肉盛高さが高い単結晶材もしくは一方向凝固材からなる肉盛溶接部を比較的容易に形成することが可能である。但し、特許文献２の方法の場合、Ｇ／Ｒ比が大きい条件を適用しても、肉盛溶融金属の表面は温度勾配が小さくなって異結晶が生じやすく、そのため肉盛溶接を高さ方向に何層にも重ねて施工し、その後に張り出し部のみならず、異結晶が残る肉盛表層部を除去する必要がある。
【００１５】
また特許文献２の方法は、単結晶材もしくは一方向凝固材からなる幅広の肉盛部（肉盛ビード幅の広い肉盛部）を形成するためには、必ずしも適切ではなかった。
【００１６】
例えば図４に代表的なタービン動翼１０を示す。その動翼１０における肉盛補修が必要となる典型的な部位としては、プラットフォーム部１２の端部１２Ａや、翼部１３の先端のチップ部１３Ａ等があるが、このうち、プラットフォーム端部１２Ａについては、ＩＧＴ部品の場合、約５ｍｍ程度の広い幅があるのが通常である。そしてこのような幅広の肉盛補修部位については、一つのビードでは幅が足りないことが多い。そこでこのような場合、例えば図５に模式的に示しているように、母材３の表面に、ある幅Ｗ１の一つの肉盛ビード７Ａを形成した後、その先行のビード７Ａの幅方向に隣り合わせて且つ幅方向端部が重なり合うように、次の肉盛ビード７Ｂを幅Ｗ２で形成することによって、広い幅Ｗ０の肉盛ビード７を形成することが行われ、また、より広い幅の肉盛ビードが必要な場合は、３以上の肉盛ビードを幅方向に重ねて形成することが行われる。
【００１７】
しかるに、幅方向に重ねて複数のビードを形成することによって、幅広な溶接補修部位に肉盛溶接する場合、ビードの重なり合う部分（すなわち各ビード７Ａ、７Ｂの幅方向端部付近）では、表層部分が重なることになるため、異結晶が生じやすく、その結果、特にその重なり部分が脆弱となって、高温割れが生じやすくなる。
【００１８】
しかしながら、前述の特許文献２の場合は、このような問題に対する対策は講じられておらず、そのため単結晶材もしくは一方向凝固材からなるタービン翼等の高温部品における、幅広な肉盛補修部位についての肉盛補修には不適当と言わざるを得ない。
【００１９】
したがって本発明の一態様では、例えば単結晶材もしくは一方向凝固材からなる母材に、レーザ粉体肉盛を施すにあたって、幅広なビードで肉盛する場合であっても、異結晶組織が肉盛部に生じることをできるだけ回避すると同時に、融合不良等の欠陥が生じることなく、高温割れが生じにくい肉盛部を形成し得るレーザ肉盛溶接装置を提供することを基本的な課題としている。また本発明の別の態様では、上記のレーザ肉盛溶接装置を用いて、上記のような健全な肉盛部を形成し得るレーザ肉盛溶接方法を提供することを課題としている。さらに本発明の別の態様では、タービン部材等の高温部品を補修するにあたって、幅広なビードで健全な肉盛補修部を形成し得る溶接補修方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
前述の課題を解決するべく、本発明者等が種々実験、検討を重ねた結果、レーザビームのプロファイルを適切化すると同時に、溶接金属粉末の供給形態を適切化することによって、幅広なビードで肉盛する場合であっても、異結晶が生じることをできるだけ回避しながら、耐高温割れ性に優れた肉盛部を形成し得ることを見い出した。またレーザ肉盛溶接によってタービン部材などの補修を行うにあたって、レーザビームのプロファイルを適切化し且つ溶接金属粉末の供給形態を適切化すると同時に、開先部の形状を適切に設定することによって、健全な肉盛溶接補修部が得られることを見い出した。
【００２１】
具体的には、本発明の基本的な態様（第１の態様）のレーザ肉盛溶接装置は、
レーザビームを出射して母材の肉盛対象部位にレーザビームを照射するためのレーザビーム出射部と、レーザ光源から前記レーザビーム出射口にレーザ光を導く光路と、溶接金属粉末を肉盛対象部位に供給するための粉末供給部とを有してなる溶接ヘッドを備え、
前記光路には、レーザビームを、レーザ進行方向に対して直交する平面でのビーム形状が長矩形状をなすように整形するビーム整形手段が設けられ、
さらに前記粉末供給部が、レーザビームの前記平面における長手方向に沿って配列された複数の粉末供給口によって構成されていることを特徴とするものである。
【００２２】
また本発明の第２の態様のレーザ肉盛溶接装置は、前記第１の態様のレーザ肉盛溶接装置において、前記ビーム整形手段が回折光学素子からなることを特徴とするものである。
【００２３】
また本発明の第３の態様のレーザ肉盛溶接方法は、前記第１又は第２の態様のレーザ肉盛溶接装置を用いて、母材に肉盛溶接する方法であって、
前記ビーム整形手段により整形された長矩形状ビームの長辺方向に対して直交する方向に前記溶接ヘッドを母材に対して相対的に移動させながら、母材上におけるレーザ照射領域が長矩形状となるようにレーザビーム出射部から長矩形状ビームを母材の肉盛溶接対象部位に照射するとともに母材におけるレーザ照射領域内に、前記粉末供給部の各粉末供給口からレーザ照射領域の長辺方向の異なる位置に向けて溶接金属粉末を連続的に供給し、肉盛溶接を行うことを特徴とするものである。
【００２４】
また本発明の第４の態様のレーザ肉盛溶接方法は、前記第３の態様のレーザ肉盛溶接方法において、前記母材が一方向凝固材もしくは単結晶材であることを特徴とするものである。
【００２５】
また本発明の第５の態様のレーザ肉盛溶接方法は、前記第３又は第４の態様のレーザ肉盛溶接方法において、前記溶接金属粉末として、前記母材の金属と同一の成分組成の金属からなる金属粉末を用いることを特徴とするものである。
【００２６】
さらに本発明の第６の態様の溶接補修方法は、
損傷部分を有する補修対象部材について、損傷部分を含む部位を除去して開先部を形成し、その開先部にレーザ肉盛溶接することによって、前記補修対象部材を補修する溶接補修方法において、
前記補修対象部材を母材とし、請求項３〜請求項５のいずれかの請求項に記載のレーザ肉盛溶接方法にしたがって前記開先部に肉盛溶接するにあたり、
溶接進行方法に対して直交する断面で見た前記開先部の輪郭線が連続凹湾曲線をなすように、開先部を形成することを特徴とするものである。
【００２７】
さらに本発明の第７の態様の溶接補修方法は、前記第６の態様の溶接補修方法において、前記連続凹湾曲線をなす開先部の輪郭線の最小曲率半径の部位における曲率半径を３ｍｍ以上とすることを特徴とするものである。
【００２８】
そしてまた本発明の第８の態様の溶接補修方法は、前記第６又は第７の態様の溶接補修方法において、前記開先部の前記輪郭線が円弧であることを特徴とするものである。
【００２９】
さらに本発明の第９の態様の溶接補修方法は、前記第６〜第８のいずれかの態様の溶接補修方法において、前記補修対象部材がタービン部材であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の一態様のレーザ肉盛溶接装置を用いて肉盛溶接を行えば、例えば単結晶材もしくは一方向凝固材からなる母材にレーザ粉体肉盛を施すに際し、幅広なビードで肉盛する場合であっても、異結晶組織が生じることをできるだけ回避すると同時に、融合不良等の欠陥が生じることなく、高温割れが生じにくい肉盛部を形成することができる。
また本発明の別の態様のレーザ肉盛溶接方法によれば、上記のレーザ肉盛溶接装置を用いて、上記のような健全な肉盛部を形成することができる。
また本発明のさらに別の態様の溶接補修方法によれば、タービン部材等の高温部品を補修するにあたって、幅広な補修箇所についても、健全な肉盛補修部を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】粉体レーザ肉盛の一般的な施工方法の概念を示す略解図である。
【図２】図１示す施工方法により形成される溶接ビードを示す模式的な斜視図である。
【図３】従来の一般的なレーザ肉盛溶接に用いられているレーザビームのプロファイルを示す説明図である。
【図４】ガスタービンの動翼の一例を示す斜視図である。
【図５】従来のレーザ肉盛溶接において肉盛ビードを幅方向に重ねて形成した場合の模式的な斜視図である。
【図６】本発明において適用する長矩形状ビームのプロファイルを示す説明図である。
【図７】本発明により肉盛溶接する場合の、母材表面でのレーザビーム照射領域の状況の一例を示す平面図である。
【図８】本発明による場合の母材表面のレーザビーム照射領域と粉末供給位置との関係を示す略解図である。
【図９】本発明のレーザ肉盛溶接装置の一実施形態を示す部分省略縦断面図である。
【図１０】図９のＸ−Ｘ線における底面図である。
【図１１】本発明の溶接補修方法を実施する場合の開先部の断面形状の一例を示す模式的な断面図である。
【図１２】従来の一般的な溶接補修方法における開先部の断面形状の一例を示す模式的な断面図である。
【図１３】実施例１による肉盛部の断面組織写真である。
【図１４】実施例１による肉盛部の引張強さを、母材部分の引張強さと比較して示すグラフである。
【図１５】実施例１による肉盛部の低サイクル疲労試験結果を、母材部分の低サイクル疲労試験結果と比較して示すグラフである。
【図１６】実施例２の溶接補修方法による肉盛溶接補修部の断面組織写真である。
【図１７】実施例２による肉盛部の引張強さを、母材部分の引張強さと比較して示すグラフである。
【図１８】実施例２による肉盛部の低サイクル疲労試験結果を、母材部分の低サイクル疲労試験結果と比較して示すグラフである。
【図１９】比較例１の溶接補修方法による肉盛溶接補修部の断面組織写真である。
【図２０】実施例３による肉盛部の断面組織写真である。
【図２１】実施例３による肉盛部の耐力を、母材部分の耐力と比較して示すグラフである。
【図２２】実施例３による肉盛部の引張強さを、母材部分の引張強さと比較して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明のレーザ肉盛溶接装置、レーザ肉盛溶接方法、および溶接補修方法の実施形態について、詳細に説明する。
【００３３】
＜レーザビームの形状、パワー分布＞
本発明において、肉盛のために照射するレーザビーム２０の形状およびパワー分布（プロファイル）の一例を図６に示す。
レーザビーム２０におけるレーザ光進行方向に対して直交するする断面で見たビーム形状、特に照射対象部位（母材の肉盛対象部位）に照射される際のビーム２０の平面形状は、図６の（a）に示しているように、平行な二つの長辺２２Ａ、２２Ｂと、その長辺２２Ａ、２２Ｂの長さＬｐより短い長さＬｑで且つ長辺２２Ａ、２２Ｂに対して直角をなす二つの短辺２４Ａ、２４Ｂによって囲まれる長矩形状とされる。このような形状のビームについて、本明細書では長矩形状ビーム２０と称している。この長矩形状ビーム２０における、長辺方向に沿ったパワー分布は、図６の（b）に示すように実質的に均一とされ、また短辺方向に沿ったパワー分布も、図６の（c）に示すように実質的に均一とされる。
【００３４】
そして肉盛溶接時には、図７に示しているように、後述するような金属粉末供給部としての例えば三つの粉末供給口３９Ａ、３９Ｂ，３９Ｃから母材３の表面に溶接金属粉末４を供給しながら長矩形状ビーム２０を照射し、且つその長矩形状ビーム２０の長辺２２Ａ、２２Ｂに対して直交する方向Ｄに照射位置を連続的に一定の速度で移動（実際には溶接ヘッドを連続的に移動）させ、溶接ビード７を形成する。言い換えれば、形成すべき溶接ビード７の幅方向が長矩形状ビーム２０の長辺２２Ａ、２２Ｂに沿うように、移動方向（溶接方向）Ｄを設定して、肉盛溶接を実施する。なお図７において、溶接金属粉末４は、溶接ビード７の幅方向（したがって長矩形状ビーム２０の長辺２２Ａ、２２Ｂに沿った方向）に並ぶ３箇所の金属粉末供給口３９Ａ、３９Ｂ，３９Ｃから母材上に供給することにしているが、この点は、後にレーザ肉盛溶接装置の実施形態の項において詳細に説明する。
【００３５】
長矩形状ビームにおける短辺と長辺との比は特に限定されないが、本実施形態の場合、長辺：短辺＝３：１としており、さらに具体的には、母材３の表面での長矩形状の照射領域における短辺を２ｍｍ、長辺を６ｍｍとしている。もちろんこれらの比や長辺、短辺の長さの具体的な値については、肉盛溶接すべき幅（形成すべき肉盛溶接ビードの幅）や、溶接速度、レーザ出力、溶接金属粉末の供給量等の溶接条件によって適切な値が異なり、したがってそれらの条件に応じて適切に決定すればよい。ただし、本発明の場合、幅広な溶接ビードを形成する場合でも、ビードを幅方向に重ねずに、一つのビードで肉盛部を形成することが好ましく、その観点から、母材表面の照射位置での長矩形状ビーム（照射領域）の長辺の長さは、形成すべき肉盛ビードの幅とほぼ同じとすることが好ましい。
【００３６】
上述のように長矩形状ビームを用いることとした理由は、単に幅広な肉盛ビードを形成するという観点のみならず、前述の、凝固界面における液相と固相の温度勾配Ｇと凝固速度Ｒとの比Ｇ／Ｒの観点、および融合不良（肉盛部と母材との融合不良）の発生防止の観点からも重要である。
【００３７】
すなわち、既に述べたように、一般的傾向としては、溶接速度を小さくするほど、また溶接出力を大きくするほど、Ｇ／Ｒが大きくなり、このようにＧ／Ｒが大きくなれば、母材との界面からの肉盛金属の結晶のエピタキシャル成長が生じやすくなり、母材から引き継いだ単結晶もしくは一方向凝固部で肉盛部を形成することが容易となる。
また一方、単結晶材もしくは一方向凝固材からなるタービン翼等の補修のために肉盛溶接する場合、母材の溶融はできるだけ少なくすることが望まれる。すなわち、母材の溶融が大きくなれば、溶融プールで対流が生じて、単結晶成長もしくは一方向凝固が阻害され、溶接部が異結晶組織となってしまうことが懸念される。
【００３８】
ここで、レーザビームとして、図３に示したような、パワー分布がガウシアンモードのビーム、すなわち中央部のパワーが大きく、周辺でパワーが低下するビームを用いて、単結晶材もしくは一方向凝固材からなる母材表面に幅広な肉盛ビードを形成しようとした場合、次のような問題が生じる。
すなわち、Ｇ／Ｒ比を大きくするために溶接速度を落とせば、ビーム照射領域の中央部の温度がビーム照射領域の端部の温度よりもかなり高くなり、そのため、幅方向端部まで溶融させて広い幅を得るべく入熱を上げれば、幅方向中央部の母材が溶融し過ぎて対流が生じ、逆に、中央部の溶融を抑制しようと入熱を下げる（Ｇ／Ｒ値を考慮し、溶接速度を増大させるのではなく、レーザ出力を低下させることによって入熱を下げる)と、幅方向端部に対する溶融のためのエネルギが不足し、端部で融合不良が生じて、結果的に良好な幅広な肉盛部が得られなくなる。
【００３９】
これに対して、本発明のように、長矩形状のビームを用いれば、中央部から幅方向端部まで入熱が均一となるため、中央部の過剰溶融による対流の発生を防止し得ると同時に、幅方向端部での融合不良の発生を回避し、幅広な肉盛ビードを安定して形成することが可能となる。
【００４０】
ここで、母材と溶接金属との融合不良が生じない程度に、母材溶融を最小限に抑えることが好ましいが、そのためには溶接入熱を、ある程度低い水準に抑えることが好ましい。一方、Ｇ／Ｒ比を大きくする観点からは、前述のように溶接速度を小さくすることが望ましい。そして上記の溶接入熱は、レーザ出力／溶接速度の比で決まるから、溶接入熱をある程度低い水準に抑えるためには、Ｇ／Ｒ比確保のために溶接速度を低く抑えながら、レーザ出力を低くすることが望ましい。このように溶接速度を低く抑えると同時にレーザ出力を低くすることは、結果的に高温割れ発生の抑制に有利となる。
【００４１】
＜レーザ肉盛溶接装置＞
次に本発明のレーザ肉盛溶接装置の実施形態について、図９、図１０を参照して説明する。
本実施形態のレーザ肉盛溶接装置は、ＹＡＧレーザやファイバレーザ等のレーザ光源３１から光ファイバ３２等の光伝送手段によって導かれたレーザ光のビーム形状を既に述べたような長矩形状に整形し、その整形された長矩形状ビームを母材の肉盛溶接対象部位に照射するとともに、溶接金属粉末を母材の肉盛溶接対象部位に供給して、レーザ肉盛溶接を行うための溶接ヘッド３３を有している。
【００４２】
溶接ヘッド３３は、その全体が、母材に対して相対的に移動（走査）し得るように、図示しない移動機構（走査機構）によって例えば図８のＤ方向に移動可能となるように支持されている。
【００４３】
溶接ヘッド３３内には、光ファイバ３２等の光伝送手段からのレーザ光を、後述するレーザビーム出射口（出射部）３８に導く光路３４が形成されており、この光路３４には、レーザ光源３１からのレーザ光を平行光線に変換するためのコリメータ３５と、そのコリメータ３５からの平行光線を長矩形状ビームに整形するためのビーム整形手段としての回折光学素子（ＤＯＥ；Diffractive Optical Element）３６と、その回折光学素子（ＤＯＥ）３６によって整形された長矩形状ビームを母材に向けて集光するための集光手段として例えば集光レンズ３７が、その順に設けられている。
【００４４】
ここで、レーザ光源３１から導かれて、コリメータ３５により平行光線とされたビームは、通常は図３に示したようなガウシアンモードのプロファイルを有しており、そこで回折光学素子（ＤＯＥ）３６によって、長矩形状ビームに整形する。すなわち、既に図６を参照して説明したように、レーザ光進行方向に対して直交するする断面で見たビーム形状が、平行な二つの長辺２２Ａ、２２Ｂと、その長辺２２Ａ、２２Ｂの長さＬｐより短かい長さＬｑで且つ長辺２２Ａ、２２Ｂに対して直角をなす二つの短辺２４Ａ、２４Ｂによって囲まれる長矩形状とされた長矩形状ビーム２０であって、且つ長辺方向に沿ったパワー分布、および短辺方向に沿ったパワー分布がそれぞれ実質的に均一（言い換えればパワートップが平坦）となるように整形する。この際、長矩形状ビームの長辺方向が、溶接進行方向（走査方向）Ｄに対して直交するように設定される。なおこのように長矩形状にレーザビームを整形する手段としては、回折光学素子（ＤＯＥ）に限られるものではなく、そのほか、カライドスコープ、オシレータ、インテグレーションミラー、マイクロレンズアレイ等を使用することもできる。
【００４５】
集光レンズ３７は、肉盛溶接時において、母材上に長矩形状ビームの焦点を結ぶように、言い換えれば、例えば図７、図８に示しているように、母材１３上におけるレーザビーム照射領域５０の平面的な形状も、長矩形状となるようにレーザビームを集光する。
【００４６】
溶接ヘッド３３の先端（図９の下端）には、整形された長矩形状レーザビームを出射して母材の肉盛対象部位に長矩形状レーザビームを照射するためのレーザビーム出射口（レーザビーム出射部）３８と、溶接金属粉末を肉盛対象部位に供給するための粉末供給部としての複数の粉末供給口、例えば三つの粉末供給口３９Ａ、３９Ｂ，３９Ｃと、Ａｒガスなどのシールドガスを吐出するためのシールドガス供給スリット４０とが設けられている。
ただし、シールドガスについては、図９、図１０のようにスリット４０を有する２重ノズルとして、シールドガス専用ノズル（スリット４０）から供給しても良いし、中央のレーザ光が通過してくるノズルから供給しても良く、施工対象物の形状等によって、ガスシールド性と、ヘッドと施工対象の干渉回避のためのヘッド先端部分の必要寸法・形状等を勘案して決められる。
【００４７】
溶接金属粉末は、溶接ヘッド３３の外部の粉末供給源４１から、Ａｒガスなどのキャリヤガスによって圧送されて、溶接ヘッド３３の内部の通路を経て各粉末供給口３９Ａ、３９Ｂ，３９Ｃに導かれる。なお粉末供給源４１から各粉末供給口３９Ａ、３９Ｂ，３９Ｃへの粉末の分配は、図１０に示しているように溶接ヘッド３３の外部で行っても、あるいは溶接ヘッド３３の内部で行ってもよい。
【００４８】
またシールドガスは、一般的な溶接装置と同様に、溶接ヘッド３３の外部のシールドガス供給源４２から、溶接ヘッド３３の内部の通路を経てシールドガス供給スリット４０に導かれる。
【００４９】
ここで、前記三つの粉末供給口３９Ａ、３９Ｂ，３９Ｃは、長矩形状レーザビームの長辺方向に沿って間隔を置いて配列されている。言い換えれば、粉末供給口３９Ａ、３９Ｂ，３９Ｃは、溶接進行方向Ｄに対して直交する方向に沿って間隔を置いて並設されている。また各粉末供給口３９Ａ、３９Ｂ，３９Ｃによる粉末噴出方向は、図７、図８に示すように、母材３上における長矩形状のレーザ照射領域内であってかつその長矩形状レーザ照射領域の長さ方向の異なる位置に向けて粉末が供給されるように設定される。
【００５０】
母材上における長矩形状ビームの照射領域５０の寸法や粉末供給位置は、特に限定されるものではないが、本実施形態では、図８に示すように、母材上における照射領域５０の長辺の長さＬｐ´が６ｍｍ、短辺の長さＬｑ´が２ｍｍとされる。そして溶接金属粉末は、各粉末供給口３９Ａ、３９Ｂ，３９Ｃから、それぞれの母材表面における粉末供給中心位置５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃが図８中に示した位置となるように、分配されて供給される構成としている。
【００５１】
なお図９、図１０では、溶接ヘッド３３について、コリメータ３５、回折光学素子（ＯＤＥ）３６、および集光レンズ３７を含む光路３４からレーザビーム出射口（レーザビーム出射部）３８に至る経路を構成する部分と、粉末供給部としての複数の粉末供給口３９Ａ、３９Ｂ，３９Ｃを構成する部分と、シールドガス供給スリット４０を構成する部分とが、すべて一体化されている構成で示しているが、これらの溶接ヘッド３３を構成する各部分は、全て一体化されていなければならないということを意味するものではない。例えば、コリメータ３５、回折光学素子（ＯＤＥ）３６、および集光レンズ３７を含む光路３４からレーザビーム出射口（レーザビーム出射部）３８に至る経路を構成する部分を主ヘッド部材‘光路ヘッド部材）で構成し、粉末供給部としての複数の粉末供給口３９Ａ、３９Ｂ，３９Ｃを構成する部分を、上記の主ヘッド部材とは別の副ヘッド部材（粉末供給ヘッド部材）とし、これらのヘッド部材を、同時に同方向に移動し得るように結合した構成の溶接ヘッドとしてもよいことはもちろんである。またシールドガス供給スリット４０を構成する部分についても、同様に別部材で構成してもよい。
【００５２】
＜レーザ肉盛溶接方法＞
次に、図９、図１０に示したレーザ肉盛溶接装置を用いて、肉盛溶接を行う方法の実施形態について説明する。なお、既に＜レーザビームの形状、パワー分布＞の項、および＜レーザ肉盛溶接装置＞の項において説明した事項については、その詳細は省略する。
【００５３】
図９、図１０に示した溶接ヘッド３３の先端（図９の下端）を、肉盛溶接すべき母材３の表面に、所定の間隔、例えば５ｍｍ〜２０ｍｍ程度の間隔を置いて対向させ、既に述べたように、溶接ヘッド３３を母材３に対して相対的に移動（走査）させながら、長矩形状に整形したレーザビームを母材表面に照射するとともに、その母材表面の照射領域内の例えば３箇所に、溶接金属粉末を供給する。母材上の溶接金属粉末はレーザビームのエネルギによって溶融され、またその下側の母材の表面部分も溶融されて、溶融プールが形成される。そして溶接ヘッド３３の移動に伴う照射位置の移動によって、溶融プールの溶融金属が凝固し、溶接ヘッド３３の進行方向に沿って延びる溶接ビードが形成されていく。
【００５４】
この際、繰り返し述べたように、長矩形状ビームを用いて、溶接ヘッドの進行方向に対して直交する方向に長辺が沿う長矩形状照射領域が形成されるため、溶接ビードの幅を稼ぐことができる。また、長矩形状ビームは、そのパワーが均一化（平坦化）されているため、照射領域の長さ方向中心部（ビードで見れば、幅方向中央部）で過度に高温となることが回避されると同時に、長さ方向両端部（ビードで見れば幅方向両端部）の温度が過度に低温となることも回避される。その結果、既に述べたように、幅広な肉盛ビードを、高温割れなどを招くことなく安定して形成することができる。
【００５５】
また、上記の長矩形状ビームを用いて照射領域を長矩形状とすると同時に、複数の粉末供給口から、溶接金属粉末を長矩形状照射領域の長さ方向に分散（分配）して供給するため、母材上の粉末供給量分布も長矩形状照射領域の長さ方向に均一化される。すなわち照射領域の入熱分布に適合した粉末分布となり、その結果、上記の長矩形状ビームを用いたことによる効果が有効に発揮されるのである。
【００５６】
ここで、Ｇ／Ｒ比を大きく確保すると同時に、母材溶融を最小限に抑えるためには、既に述べたように、溶接速度を低く抑えながら、レーザ出力を低く抑えることが望ましい。
具体的な溶接速度、レーザ出力の好ましい値は、粉末供給量や、その他の溶接条件あるいは母材の種類、成分等によって異なるから、一概には規定することはできないが、Ｎｉ基耐熱合金もしくはＣｏ基耐熱合金などの超合金からなる、一方向凝固材もしくは単結晶材を母材として共金溶接する場合、溶接速度は１０〜２００ｍｍ／ｍｉｎ程度が適切であり、またレーザ出力は５００〜２０００Ｗ程度とすることが好ましい。また溶接金属粉末の供給量も特に限定しないが、Ｎｉ基耐熱合金もしくはＣｏ基耐熱合金などの超合金からなる、一方向凝固材もしくは単結晶材を母材とする場合、通常は、１〜１０ｇ／ｍｉｎ程度とすればよい。ただし亀裂除去部などの肉盛補修の場合においては、開先形状・寸法によっても必要な粉末量は変化する。
【００５７】
なお実際の溶接施工にあたっては、必要な肉盛高さに応じて、上記のような肉盛溶接ビードを高さ方向に複数層重ねてもよいことはもちろんであり、その場合、各層のビード形成について、本発明の長矩形状ビームを用いた肉盛溶接方法を適用することが望ましい。
【００５８】
母材の金属の種類、成分組成は、特に限定されないが、タービン部材等の高温部品を母材とする場合、Ｎｉ基超合金、Ｃｏ基超合金などの、いわゆる耐熱性に優れた超合金であることが好ましい。
【００５９】
溶接金属粉末も、基本的には限定されないが、単結晶材もしくは一方向凝固材を母材とする場合、母材の単結晶もしくは一方向性凝固材を肉盛部に引き継がせるためには、母材の合金と同一成分の合金、すなわちいわゆる共金を用いることが好ましい。
【００６０】
ここで、単結晶材からなる母材を肉盛補修する場合、補修部に異結晶を生じさせずに、単結晶状態での補修を図るためには、溶接金属粉末は、母材と同等成分であることが必要である。一方、一方向凝固材の場合には、母材に元々粒界が存在するから、補修部位を単結晶状態にすることは、必ずしも必要ではなく、結果的に肉盛補修部位に強度等の必要性能が得られるならば、母材と同等の成分組成としなくてもよい。また、強度が不要な単純な化粧補修や、母材とは異なる性能を局所的に要求されていて肉盛を行う場合（例えば、母材とは異なる成分の耐摩耗合金を局所的に肉盛する場合等）にも、施工に問題がなければ、共金以外の成分の粉末を用いても良い。
【００６１】
＜溶接補修方法＞
上記の本発明のレーザ肉盛溶接方法は、タービン部材（動翼や静翼など）などの高温部品についての補修にも有効に適用することができるが、比較的ニーズが高いと予想されるのは、タービン部材における平面的部位であって、チップ等に比べて比較的幅があり、かつ酸化減肉や熱疲労等により、比較的ダメージを受けやすい、プラットフォーム部の端面などである。
【００６２】
すなわち、この種のタービン部材等では、ガスタービンの運転中に、表面に亀裂（割れ）が生じたり、打痕が生じたりすることがある。その場合、運転後に、割れや打痕などの損傷部位を含む部分を局部的に切削等の機械加工によって除去して、溶接のための開先部を形成し、その開先部に肉盛溶接することが多い。そこで、このような開先部についての肉盛溶接に、既に述べたような長矩形状ビームを用いたレーザ肉盛溶接方法を適用することが望まれる。
【００６３】
但し、本発明者等の実験によれば、従来このような溶接補修のために形成されている一般的な開先部の形状とは異なる開先部形状（例えば図１１に示す形状）とすることが、健全な肉盛溶接補修部を得るために有効であることを見い出した。
【００６４】
すなわち、従来一般の溶接補修のための開先部としては、図１２に示すようなＶノッチ形状の底部の一部をフラットとした開先部５２、言い換えれば開先を溶接進行方向に直交する断面で見て、その輪郭線が略Ｖ状をなしていて、底部に連続的に滑らかな曲線によって繋がっていない部分（以下これを不連続部分と称する）５２Ａ、５２Ｂが存在する形状の開先部が一般的であった。しかしながら本発明の肉盛溶接方法を適用して、その効果を最大限に発揮させるためには、図１２に示すような略Ｖノッチ形状の開先のように不連続部分５２Ａ、５２Ｂが存在する形状の開先は不適当であり、これに対し図１１に示すような滑らかな凹湾曲面で連続する開先形状を有する開先部５４とすることが有効であることを見い出した。このような知見について、次に説明する。
【００６５】
高温割れを回避するためには、既に述べたように、母材をできるだけ溶かさず、低入熱、低速度条件で安定した施工を行う必要がある。しかしながら、その場合、図１２に示したような開先底部に不連続部分５２Ａ、５２Ｂがある開先形状とすれば、その不連続部分付近で融合不良が生じやすい。特に、Ｎｉ基超合金を母材として、溶接金属として同じＮｉ基超合金を用いた共金補修の場合、高温割れリスクを減らすためには、低入熱条件による母材溶融極小化を目指すため、融合不良リスクが大きくなる。したがってこのような融合不良の発生を避けるための方策を講じることが望まれる。
【００６６】
例えば、後に改めて比較例１として説明するように、図１２に示す開先を用いて、従来のように粉末をビーム照射領域の中央に１点供給する溶接ヘッドを用いた場合の、肉盛溶接補修後の開先部付近（補修肉盛部付近）の断面写真の一例を図１９に示す。
【００６７】
この場合、図１９に示すように、開先中央の底部に明確な融合不良が残っている。融合不良回避手法としては、入熱を上げることが考えられるが、この形状の開先では、入熱を上げても底部融合不良を無くすことは困難であった。図１９の写真でも、すでにビームの端部に相当する開先肩部の母材は、かなり溶融していることから、これ以上入熱を大きくして融合不良を回避することには無理があることが分かるが、従来のように粉末中央１点供給の溶接ヘッドでは、中央部のビームエネルギーの多くの部分が、粉末溶融に消費され、母材の溶融を妨げることが分かった。そして図１２に示す形状の開先では、中央部に形状不連続部分が存在しているため、よりいっそう良好な施工を妨げる結果となることが判明した。なお図１９に示した例では、目視で確認し得る程度に明確に融合不良が発生したため、肉盛溶接後に熱処理を実施していないが、目視できない程度の微細な融合不良の場合でも、溶接後に熱処理を実施すれば、融合不良が存在する肉盛溶接補修部で、融合不良部から再熱割れが生じてしまうという不都合が散見された。
【００６８】
そして種々の開先形状、施工条件を検討の結果、前述のように長矩形状のビーム形状としかつ粉末をそのビーム照射領域（長矩形状領域）の長さ方向分散して供給する場合、とりわけ低入熱、低速度条件での溶接施工の場合には、開先底部に形状不連続部分の無い、例えば図１１に示すような開先が最適であることを見い出した。
このような開先形状、施工条件で補修のための肉盛溶接を行った場合の結果については、後に改めて実施例２として示すが、その結果（図１６参照）から、融合不良等の欠陥が無く、良好な結果が得られることが確認された。なお図１６は、溶接後、安定化処理および時効熱処理を実施した後の組織を示す。
【００６９】
ここで、本発明の溶接補修方法における開先形状は、要は、溶接進行方法に対して直交する断面で見た前記開先部の輪郭線が連続凹湾曲線をなす形状であればよく、したがって図１１に示すような円弧状に限らず、例えば長円を分割した形状、あるいは楕円を分割した形状などであってもよい。但し、開先部の輪郭線の曲線における最小の曲率半径箇所における曲率半径（Ｒ）は３ｍｍ以上が適当である。最小曲率半径Ｒが３ｍｍ未満では、不連続部分を無くした効果が充分に発揮されないおそれがある。
【実施例】
【００７０】
以下に本発明の実施例を、比較例とともに示す。
【００７１】
［実施例１］
この実施例１は、本発明の各態様のうち、レーザ肉盛溶接方法の実施例である。
母材としては、Ｎｉ基超合金であるＭＧＡ１４００合金からなり、且つ一方向凝固材を用いた。母材合金（ＭＧＡ１４００合金）の成分組成を表１に示す。また溶接金属粉末としても母材と同じＮｉ基超合金合金を用いて、共金溶接施工とした。
図９、図１０に示した溶接ヘッドを用いて、長矩形状ビームを照射しながら、その照射領域の３点に溶接金属粉末を分散供給し、肉盛溶接を行った。照射領域の寸法、粉末供給位置は、図８に示した通りである。また溶接施工条件は、表２に示す通り、低入熱、低速度の条件とした。なおこの実施例では、同じ条件で、高さ方向に４層重ねる溶接施工を実施した。
【００７２】
【表１】
2018167320.tif 000003
【００７３】
【表２】
2018167320.tif 000004
【００７４】
図１３に、４層溶接後、安定化処理、時効処理を行った後の、肉盛溶接部の断面組織を示す。
図１３から明らかなように、熱処理後も割れの無い健全な溶接部が得られた。なお熱処理前の溶接ままでも割れがないことはもちろんであり、また融合不良も生じていないことが確認された。
ちなみに、本実施例１で用いた母材、溶接金属は、表１から明らかなように、Ａｌを４％、Ｔｉを２．７％含有するγ’強化型Ｎｉ基超合金であって、高温割れ感受性が極めて高いため、これまでは共金溶接が困難とされていたが、本発明法を適用し且つ低入熱・低速度の施工条件を適用することによって、溶接ままのみならず、熱処理後も割れの無い健全な溶接部が得られたのである。
【００７５】
さらに、本実施例１による肉盛積層部から採取した試験片にて、室温および６５０℃での引張試験を各２回実施した。また同時に、母材の一方向凝固方向に対して９０°の方向に沿って採取した試験片（ＤＳ９０°方向試験片）について、８５０℃での低サイクル疲労試験（ＬＣＦ試験）を行った。
【００７６】
引張試験結果を図１４に示す。図１４では、母材部分の室温での引張強さを、基準値の１とし、それに対する他の引張強さの比の値（相対値）を示した。
ＬＣＦ試験結果を図１５に示す。図１５では、母材部分の全歪範囲１％での疲労寿命を基準の１とし、それに対する肉盛溶接部の全歪範囲１％での疲労寿命の比の値（相対値）を示した。
なお一方向凝固合金では、一方向凝固の方向（ＤＳ０°方向）に比べ、それに垂直な方向（ＤＳ９０°方向）の方が、粒界の存在のために強度が低くなる。通常、この種の合金が損傷を受ける場合、粒界に沿って亀裂が進展することが多いため、補修強度は、亀裂を進展させる方向の強度、すなわち、ＤＳ９０°方向の強度が重要である。そこで、図１５の疲労強度の比較では、母材のＤＳ９０°方向の疲労強度と、肉盛溶接部の同じ方向の疲労強度とを比較した。
図１４、図１５から、本実施例１による肉盛部は、同じ合金からなる母材のＤＳ９０°方向と同等以上の引張強さ、低サイクル疲労強度が得られることが確認された。
【００７７】
［実施例２］
この実施例２は、本発明の各態様のうち、溶接補修方法についての実施例である。
母材は、実施例１と同様なＮｉ基超合金（表１）からなる一方向凝固材であり、その母材表面に、深さ２ｍｍ以内の亀裂や打痕が生じていると仮定して、図１１に示したように開先形状が円弧形状で、幅Ｗが６ｍｍ、曲率半径Ｒが３．２５ｍｍ、深さｄが２ｍｍの開先部５４を切削加工によって形成した。溶接金属粉末としては、実施例１と同様に母材と同じ合金を用い、表３に示す施工条件で、開先部に肉盛溶接を行った。
【００７８】
【表３】
2018167320.tif 000005
【００７９】
溶接後、安定化処理、時効処理を行った後の、肉盛溶接部の断面組織を、図１６に示す。
図１６に示すように、融合不良等の欠陥が無く、良好な結果が得られることが確認された。
【００８０】
また実施例１と同様に、肉盛積層部から採取した試験片にて、室温および６５０℃での引張試験を実施した。また同時に、母材の一方向凝固方向に対して９０°の方向に沿って採取した試験片（ＤＳ９０°方向試験片）について、８５０℃での低サイクル疲労試験（ＬＣＦ試験）を行った。
【００８１】
引張試験結果を図１７に示す。図１７では、母材部分の室温での引張強さ、６５０℃での引張強さを、それぞれ基準値の１とし、それに対する肉盛溶接部の室温、６５０℃の各引張強さの比の値（相対値）を示した。
【００８２】
ＬＣＦ試験結果を図１８に示す。図１８では、母材部分の全歪範囲１％での疲労寿命を基準の１とし、それに対する肉盛溶接部の全歪範囲１％での疲労寿命の比の値（相対値）を示した。
図１７、図１８から、本実施例２による肉盛溶接部は、引張強さは同じ合金からなる母材と同程度であり、また低サイクル疲労強度は母材よりも優れていることが明らかである。
【００８３】
［比較例１］
この比較例１は、溶接補修方法についての本発明の実施例２に対する比較例として、従来の一般的なレーザ肉盛溶接補修方法に従って溶接補修を行ったものである。
すなわち、実施例２と同様なＮｉ基超合金（表１）からなる一方向凝固材を母材とし、その母材表面に、深さ２ｍｍ以内の亀裂や打痕が生じていると仮定して、図１２に示した略Ｖ字形状の形状で、図１２中に示す寸法の開先部５２を切削加工によって形成した。溶接金属粉末として、実施例２と同様に母材と同じ合金を用い、表４に示す施工条件で、開先部に肉盛溶接を行った。
【００８４】
【表４】
2018167320.tif 000006
【００８５】
比較例１による肉盛溶接部の断面組織を図１９に示す。
図１９から明らかなように、比較例１による肉盛溶接部においては、開先中央の底部に明確な融合不良が残っていることが確認された。
【００８６】
［実施例３］
この実施例３は、実施例１と同様に、本発明の各態様のうち、レーザ肉盛溶接方法についての実施例である。但し、母材としては、実施例１とは変えて、Ｎｉ基超合金であるＭＧＡ１７００材の単結晶材を用い、溶接金属粉末としても同じ合金を用いた。その合金の成分組成を表５に示す。また溶接施工条件は表６に示すとおりである。この実施例３では、同じ条件で、高さ方向に２層積層する溶接施工を実施した。なおこの場合は、積層時に、表層部に残る異結晶の影響を避けるため、１層肉盛形成した後、特許文献２に記載の要領と同様に、約０．５ｍｍ程度の表層部の切削除去を行って水平面を出し、その上に２層目の肉盛施工を重ねる方式を適用した。
【００８７】
【表５】
2018167320.tif 000007
【００８８】
【表６】
2018167320.tif 000008
【００８９】
図２０に、２層溶接後、安定化処理、時効処理を行った後の、肉盛溶接部の断面組織を示す。また同時に肉盛溶接部について、後方散乱電子解析（ＥＢＳＰ）の手法によって、異結晶の存在状態を調べた。
図２０から明らかなように、肉盛部に欠陥は見られず、頂部には若干の異結晶が見られるものの、溶接施工中央部（肉盛層の中央部）では、ＥＢＳＰ評価においても、異結晶は認められず、単結晶組織となっていて、適切な単結晶補修を行ない得たことが確認された。
【００９０】
さらに、本実施例３による肉盛積層部から採取した試験片にて、実施例１と同様に、室温および６５０℃での引張試験を実施して、０．２％耐力および引張強さを調べたので、その結果を図２１、図２２に示す。なお、同時に母材部分から採取した試験片についても室温および６５０℃での引張試験を実施したので、母材部分の室温での０．２％耐力および引張強さをそれぞれ基準値の１とし、その基準値１に対するほかの試験結果の比の値を相対値として、図２１、図２２に示した。
図２１、図２２に示すように、肉盛部の耐力、引張強さは、ともに母材の９０％を越えており、補修された部位として、良好な性能を有していることが明らかである。
そしてこの実施例３から、実施例１に示した一方向凝固材に限らず、単結晶材の場合においても、欠陥の無い、良好な性能を有する肉盛溶接部が得られることが明らかである。
【００９１】
以上、本発明の好ましい実施形態、実施例について説明したが、これらの実施形態、実施例は、あくまで本発明の要旨の範囲内の一つの例に過ぎず、本発明の要旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。すなわち本発明は、前述した説明によって限定されることはなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定され、その範囲内で適宜変更可能であることはもちろんである。
【符号の説明】
【００９２】
３・・・母材
７・・・溶接ビード（肉盛ビード）
２０・・・レーザビーム
３３・・・溶接ヘッド
３４・・・開先部
３５・・・回折光学素子（ビーム整形手段）
３６・・・光路
３８・・・レーザビーム出射口（レーザビーム出射部）
３９Ａ、３９Ｂ，３９Ｃ・・・粉末供給口（粉末供給部）
【図１】
2018167320.tif 000009
【図２】
2018167320.tif 000010
【図３】
2018167320.tif 000011
【図４】
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【図５】
2018167320.tif 000013
【図６】
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【図７】
2018167320.tif 000015
【図８】
2018167320.tif 000016
【図９】
2018167320.tif 000017
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2018167320.tif 000021
【図１４】
2018167320.tif 000022
【図１５】
2018167320.tif 000023
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2018167320.tif 000026
【図１９】
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【図２０】
2018167320.tif 000028
【図２１】
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【図２２】
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