(57)【要約】【課題】金型の表面に軟化層が発生することを防止し、摩耗・破損を抑制することが可能な溶接方法を提供する。【解決手段】実施形態に係る溶接方法は、溶接部の断面の硬さに関する実測値を取得し、前記実測値が得られる曝露時間と温度との関係から相変態領域出現条件を特定する工程と、溶接部の熱影響部が前記相変態領域出現条件に含まれる場合に、前記熱影響部に軟化層が発生するものとみなして軟化層の発生を予測する工程と、前記軟化層の発生予測結果に基づいて、溶接品質の良否を判定する工程と、前記溶接品質の良否判定結果に基づいて、溶接条件を変更する工程とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接部の断面の硬さに関する実測値を取得し、前記実測値が得られる曝露時間と温度との関係から相変態領域出現条件を特定する工程と、
溶接部の熱影響部が前記相変態領域出現条件に含まれる場合に、前記熱影響部に軟化層が発生するものとみなして軟化層の発生を予測する工程と、
前記軟化層の発生予測結果に基づいて、溶接品質の良否を判定する工程と、
前記溶接品質の良否判定結果に基づいて、溶接条件を変更する工程と、
を有する、
溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具鋼の溶接技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、溶接品質（例えば、機械的強度、残留応力、溶接変形）を判定する技術が種々提案されている（例えば、特許文献１〜５）。特許文献１では、画像データから溶融池・熱影響部の表面温度分布の特徴値を抽出し、該特徴値に基づいて溶融池を形成する入熱量を推定して、表面温度分布の特徴値、入熱量及び各種データベースから溶融池・熱影響部の温度変化（冷却速度）を推定する。そして、この温度変化に基づいて溶接部の微細組織に基づく材料物性を推定し、該材料物性と負荷応力データベースとから溶接品質の良否を判定している。
【０００３】
特許文献２では、レーザー光が照射された溶接部付近の温度変化を検出し、該温度変化に基づいて溶接部の溶接の良否を判定している。また、特許文献３では、被加工部の品質が良品となる、該被加工部の放射温度の平均値における範囲を記憶し、放射温度計によって測定された被加工部の放射温度の平均値が記憶された範囲内であるときに、被加工部の品質が良品であると判定する技術が開示されている。
【０００４】
特許文献４には、複数の部材を溶接した際の各部材の温度をコンピュータによるシミュレーションによって解析する溶接解析方法が開示されている。また、特許文献５には、有限要素解析モデルを用いて、熱影響部を含む構造体の数値的シミュレーションを行う技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−１９８８０５号公報
【特許文献２】特開平０５−３３７６６２号公報
【特許文献３】特開２０１７−２１７６７５号公報
【特許文献４】特開２００６−２４７７４６号公報
【特許文献５】特開２０１３−２４６８３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
自動車のボディ等に用いられる製品は、プレス金型を用いて鋼板をプレス加工することにより生産される。また、エンジンブロックなどの鋳造製品は、鋳型を用いて鋳造加工により生産される。プレス金型や鋳型等の各種金型は長時間連続して使用されるため、その成形面、特にエッジ部や強圧部といった高負担部において摩耗や破損が生じる場合がある。金型の成形面に摩耗や破損が発生すると、表面に傷が生じて製品の品質が低下する。
【０００７】
このような金型のコストを低減させるため、金型の損傷部を溶接で補修して再生する技術が知られている。金型の補修は、補修箇所に溶接材を肉盛り溶接して溶接部を形成し、その後、機械加工により切削して元の形状に加工する。しかし、溶接では、ＨＡＺ（Heat Affected Zone：熱影響部）に軟化層が発生するという問題がある。機械加工後の金型の表面に溶接部の軟化層が出現すると、補修後の金型の摩耗・破損の新たな原因となる虞がある。また、溶接技術を用いて新たな金型を作成する際にも同様に、金型表面の軟化層出現による不具合が懸念される。また、ドリルやフライス等の刃具、ハンマー等の打撃工具の溶接部に軟化層が発生した場合にも同様の問題が起こりうる。
【０００８】
そこで、溶接部における軟化層の発生を予測して、溶接条件に反映させることが求められる。軟化層の発生はＨＡＺで生じる相変態が原因と考えられているため、溶接部の相変態を検証して微細組織を推定し、軟化層の発生を予測する方法が考えられる。特許文献１では、溶接部の微細組織を推定するために、熱影響部の冷却速度を用いている。しかし、各領域の形状や冷却速度を逐一検証／演算しなければならず、演算量が膨大であり、時間がかかるという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、短時間で溶接部の熱影響部における軟化層の発生を予測し、溶接条件を決定・変更することが可能な溶接方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様に係る溶接方法は、溶接部の断面の硬さに関する実測値を取得し、前記実測値が得られる曝露時間と温度との関係から相変態領域出現条件を特定する工程と、溶接部の熱影響部が前記相変態領域出現条件に含まれる場合に、前記熱影響部に軟化層が発生するものとみなして軟化層の発生を予測する工程と、前記軟化層の発生予測結果に基づいて、溶接品質の良否を判定する工程と、前記溶接品質の良否判定結果に基づいて、溶接条件を変更する工程とを有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、短時間で溶接部の熱影響部における軟化層の発生を予測し、溶接条件を決定・変更することが可能な溶接方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に係る溶接方法を示すフローチャートである。
【図２】演算領域を決定する方法を説明する図である。
【図３】演算領域を決定する方法を説明する図である。
【図４】レーザーの曝露時間と溶接部の断面の温度との関係を示す図である。
【図５】工具鋼の連続冷却変態線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。各図における同等の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
本発明は、刃具、打撃工具等の工具、各種金型に用いられる工具鋼の溶接技術に関する。実施の形態に係る溶接方法の概略は、溶接条件の初期設定を行い、溶接部の機械的性質を低下させる軟化層の発生を予測し、その軟化層の発生を抑制するような溶接条件に変更するものである。
【００１５】
例えば、金型の補修を行う場合、金型の摩耗や破損を受けた損傷部に溶接材を肉盛り溶接して溶接部を形成し、当該溶接部を切削加工して補修する。金型の損傷部をＴＩＧ溶接で補修する場合、ＴＩＧ溶接は入熱量が大きいため、熱影響部（Heat Affected Zone：ＨＡＺ）が軟化するという問題がある。
【００１６】
一方、レーザークラッド溶接は、総熱量や溶融箇所がコントロールしやすいため、ＴＩＧ溶接より軟化層の発生を低減できると考えられるものの、軟化層の発生自体をなくすことは難しい。そこで、実施の形態では、短時間で簡易的に溶接部の熱影響部における軟化層の発生を予測し、溶接条件を決定・変更する。
【００１７】
図１は、実施の形態に係る溶接方法を説明するフローチャートである。図１では、溶接条件の決定方法が示されている。なお、図１では、便宜的にフローチャートを用いて溶接条件の決定方法を図示しているが、「方法」としての工程／手順が示されており、溶接を行う溶接装置が自動制御である否か等は限定されるものではない。
【００１８】
図１を参照して、金型の溶接条件の決定方法の全体の流れを説明する。図１に示すように、まず、溶接条件の初期設定が行われる（Ｓ１）。溶接条件の初期設定では、例えば、従来値、経験値、ノウハウ値、実験値、シミュレーション値等、既知又は標準的な溶接条件が設定される。レーザークラッド溶接の場合、レーザー出力、走査位置／パターン、材料供給量／速度等が設定される。
【００１９】
次に、軟化層の発生予測を行う対象である、演算領域を決定する（Ｓ２）。軟化層の発生予測を全ての領域で逐一検証／演算して溶接条件にフィードバックすると非常に時間がかかるため、実施の形態では演算を行う領域を限定している。演算領域の決定工程には、熱エネルギー安定領域の決定（Ｓ２１）、硬化領域の決定（Ｓ２２）が含まれる。なお、図２では、Ｓ２１、Ｓ２２の順番で各処理が実行されるように記載されているが、これらの処理はいずれから行ってもよく、同時に実行されてもよい。
【００２０】
まず、熱エネルギー安定領域の決定（Ｓ２１）について、図２を参照して説明する。図２は、溶接部の入熱量が最大となる位置の断面を示している。母材１０に溶接が行われると、溶融境界から母材１０に向かって、その材料の融点に近い温度に加熱される領域からほとんど熱の影響を受けない領域まで連続的に温度が変化する。この領域内で顕微鏡組織に変化が生じたところを熱影響部１１という。溶接部１３は溶けて固まった溶接金属（溶融領域）１２と溶接の熱で組織変化の生じた熱影響部１１から成る。溶接金属１２は、溶接材と母材１０とが混合した組成となる。
【００２１】
図２に示すように、母材１０には溶接金属１２が肉盛りされた溶接部１３が形成されている。母材１０の溶接金属１２に接触する領域が、熱影響部１１となる。レーザークラッド溶接では、溶接の開始直後と終了直前においてレーザーの熱エネルギーが不安定となる。このため、母材１０に形成された溶接部１３のうち、溶接開始直後と終了直前の領域を軟化層の発生予測の演算領域から除外する除外領域１４とし、熱エネルギーが安定する安定領域１５を演算領域とする。
【００２２】
次に、硬化領域の決定について、図３を参照して説明する。一般に、軟化層１１ａは、母材１０の熱影響部１１に形成される。従って、溶接部１３のうち溶接金属１２からなる溶融領域は、軟化層の発生予測を行う演算領域から除外する。また、図３に示すように、レーザークラッド溶接等では、溶融領域が１５００℃ほどの高温になるため、熱影響部１１は軟化層１１ａと焼き入れ効果による硬化領域１１ｂの２層構造となる。従って、溶接部１３のうち硬化領域１１ｂについても、軟化層の発生予測を行う演算領域から除外する。
【００２３】
そして、Ｓ２で決定された演算領域について、相変態を検証して微細組織を推定し、軟化層の発生を予測する（Ｓ３）。軟化層の発生予測には、例えば、軟化層の材質や発生領域の予測が含まれる。実施の形態では、演算量を減少させるために、溶接部の冷却速度を用いずに、過去の実測値を用いて簡易的に軟化層の発生を予測する。軟化層の発生予測については、後に詳述する。
【００２４】
その後、Ｓ３において得られた軟化層の発生予測に基づいて、当該溶接部の溶接品質の良否を判定する（Ｓ４）。溶接品質の良否は、例えば、軟化層の発生量や厚み、これらに基づく溶接部の予想硬さ等によって判定される。
【００２５】
溶接品質に問題がない場合（Ｓ４、ＹＥＳ）、溶接条件の決定方法は終了し、Ｓ１で設定された初期条件が、その後行われる溶接の条件となる。一方、溶接品質に問題がある場合（Ｓ４、ＮＯ）、軟化層の発生を抑制するようにＳ１で設定された初期条件が変更される（Ｓ５）。
【００２６】
ここで、Ｓ３の軟化層の発生予測工程について詳細に説明する。
実施の形態について説明する前に、図５を参照して、軟化層の発生を予測する方法の比較例について説明する。図５は、溶接部の断面の温度履歴を工具鋼の一例であるＳＫＤ６１のＣＣＴ（Continuous Cooling Transformation：連続冷却変態）線図に重ねた模式図である。図５において、破線がＳＫＤ６１を示しており、実線が溶接部の断面の温度履歴を示している。図５において、縦軸が温度（℃）、横軸が最高到達温度１０３０℃からの冷却時間（ｍｉｎ）を示している。図５中、Ｂ、Ｐ、Ｍはそれぞれベイナイト相、パーライト相、マルテンサイト相が生成する温度−時間領域である。
【００２７】
軟化層はＨＡＺで生じる相変態が原因で発生すると考えられている。このため、図５に示されるような、ＣＣＴ線図から「冷却速度」求め、相変態を検証して溶接部の微細組織を推定し、軟化層の発生を予測する方法が考えられる。しかし、各領域の形状や冷却速度を逐一検証／演算しなければならず、演算に時間がかかる。
【００２８】
そこで、実施の形態では、溶接部の冷却速度を用いずに、過去の実測値を用いて簡易的に軟化層の発生を予測する。図４は、レーザーの「曝露時間」と溶接部の断面の「温度」との関係を示す図である。図４において、横軸は時間を示しており、縦軸は温度を示している。
【００２９】
例えば、母材を合金工具鋼ＳＫＤとしたレーザー溶接においては、入熱エネルギーが大きいため、熱影響部でパーライト相が層状組織から粒状組織へと変化することで、軟化層が形成される。そこで、母材を合金工具鋼ＳＫＤとしたレーザークラッド溶接においては、熱影響部にパーライト相が出現することをもって、軟化層が発生するものとみなす。
【００３０】
まず、溶接部の断面の硬さに関する実測値が取得される。そして、当該実測値が得られる曝露時間と温度との関係から相変態領域出現条件が特定され、実測データベースに保存される。例えば、母材を合金工具鋼ＳＫＤとしたレーザークラッド溶接では、熱影響部にパーライト相が出現する条件を、熱影響部の温度が５００〜６００℃の範囲であると特定することができる。この相変態領域出現条件を満たすことで、ビッカース硬さＨｖ６０以下の軟化層が発生するものとみなされる。
【００３１】
図４において、一点鎖線で囲まれている領域が、パーライト相が出現するパーライト相変態領域を表している。熱影響部の軟化層の発生を予測するとき、実測ＤＢを参照して、相変態領域出現条件として特定した５００〜６００℃の温度範囲に含まれる熱影響部の領域が、軟化層であるとみなされる。なお、実施の形態では、フェライト相やマルテンサイト相等の他の相変態領域については、演算を行わない。このように、演算量を抑えることで、短時間で軟化層の発生予測を行うことが可能となる。
【００３２】
なお、入熱エネルギーがレーザーに比べて小さいアーク溶接などにおいては、軟化層発生に関して、熱影響部でのフェライトの組織変化の影響が大きくなる場合がある。この場合、溶接部の断面の硬さに関する実測値、曝露時間、温度との相関関係に基づき、フェライト相が出現する相変態領域出現条件についても、実測ＤＢに保存することができる。
【００３３】
軟化層の発生により、Ｓ４で溶接品質に問題があると判定された場合は、Ｓ５において、軟化層の発生を抑制するように溶接条件が変更される。例えば、レーザークラッド溶接においては、軟化層の発生を抑制するため、粉末材料が溶融状態になっている時間・量を低減させ、溶融領域の冷却速度を速めることができる。そのためには、「レーザー照射径を絞る」、「走査速度を高速化する」などの溶接条件の変更を行うことができる。
【００３４】
このように、実施の形態によれば、演算量が多い冷却速度演算を使用せずに、溶接部の断面の硬さ、温度、曝露時間から直接的に軟化層の発生を予測することができ、多くの時間を要することなく、溶接品質の良否を判定して溶接条件を変更することが可能となる。さらに、軟化層の発生予測を行う演算領域を限定することで、軟化層の発生予測の演算量を低減し、検証／演算にかかる時間を低減することができる。
【００３５】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  母材
１１  熱影響部
１２  溶接金属
１３  溶接部
１４  除外領域
１５  安定領域
１１ａ  軟化層
１１ｂ  硬化領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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