(57)【要約】【課題】アーク溶接を用いた積層造形法による積層造形物の組織を均一化して、略均一な強度を有する積層造形物および積層造形物の製造方法を提供する。【解決手段】軟鋼製の溶加材Ｗを溶融及び凝固させた溶着ビード層６１が積層されて形成される積層造形物１１であって、少なくとも一つの溶着ビード層６１は、表面酸化膜を除き、平均結晶粒径が１１μｍ以下のフェライト相を有する。【選択図】図６Ａ
2019051555.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟鋼製の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形成される積層造形物であって、
表面酸化膜を除き、平均結晶粒径が１１μｍ以下のフェライト相を有する複数の前記溶着ビード層を備えることを特徴とする積層造形物。
【請求項２】
前記平均結晶粒径が１１μｍ以下のフェライト相を有する前記複数の溶着ビード層のビッカース硬度は１３０Ｈｖ以上、１７８Ｈｖ以下であることを特徴とする請求項１に記載の積層造形物。
【請求項３】
前記平均結晶粒径が１１μｍ以下のフェライト相を有する前記複数の溶着ビード層の下層及び上層の少なくとも一方には、該溶着ビード層の結晶構造と異なる他の溶着ビード層を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の積層造形物。
【請求項４】
前記各溶着ビード層は、上面視で同一形状を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の積層造形物。
【請求項５】
アークを用いて軟鋼製の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する積層造形物の製造方法であって、
層間時間及び入熱量を制御して、前記溶着ビード層の表層の温度が２００℃〜５５０℃の範囲にあるとき、前記次層の溶着ビード層を積層することを特徴とする積層造形物の製造方法。
【請求項６】
前記各溶着ビード層は、前記層間時間及び前記入熱量を一定として積層されることを特徴とする請求項５に記載の積層造形物の製造方法。
【請求項７】
前記各溶着ビード層は、上面視で同一形状を有して積層されることを特徴とする請求項５に記載の積層造形物の製造方法。
【請求項８】
所定数の前記溶着ビード層を積層した後、前記層間時間及び前記入熱量を制御して、前記溶着ビード層の表層の温度が２００℃〜５５０℃の範囲にあるとき、前記次層の溶着ビード層を積層することを特徴とする請求項５に記載の積層造形物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層造形物および積層造形物の製造方法に関し、より詳細には、アークを用いて軟鋼を溶融及び凝固してなる積層造形物及び積層造形物の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生産手段としての３Ｄプリンタのニーズが高まっており、特に金属材料への適用については航空機業界等で実用化に向けて研究開発が行われている。金属材料を用いた３Ｄプリンタは、レーザや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、溶融金属を積層させて造形物を造形する。
【０００３】
従来、溶融金属を積層して造形物を造形する技術としては、溶接トーチを備える冷間金属移行溶接装置を用いて、回転基板を回転させながら、回転基板の溶接経路上に金属フィラーを一層ずつ堆積させて、回転式物品を形成する製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、金属ワイヤをアーク放電により溶融する溶接トーチと、該溶接トーチを移動させる移動機構と、溶接トーチおよび移動機構を制御する制御部と、を備え、金属ワイヤを溶融した溶滴の溶滴量、溶接トーチが引き込む金属ワイヤの引込速度、および溶接トーチの移動速度を制御して、下層のビードに対して上層のビードを斜め方向に積み上げて積層造形物を造形する造形装置及び製造方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
また、強度と打抜性の向上を図った熱延鋼板としては、フェライト相の面積率が８０％以上、フェライト相の平均結晶粒径が６μｍ以下であり、Ｔｉを含む炭化物の析出量が０．２２質量％以上であり、炭化物の平均粒子径が１０ｎｍ以下の鋼板組織を有するものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。さらに、建築用の低降伏比鋼材としては、Ｓｎを含有する化学組成を有し、フェライト相の割合が４０％以上であり、かつ、該フェライト相の平均結晶粒径が３μｍを超えて２０μｍ以下のミクロ組織を有するものが開示されている（例えば、特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２０１６−５０４１９４号公報
【特許文献２】特開２０１５−１６０２１７号公報
【特許文献３】特開２０１４−２０８８７６号公報
【特許文献４】特開２０１２−１１７１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
アーク溶接を用いた積層造形法により造形された造形物は、溶融した金属が凝固する際、溶着ビード層ごとに冷却速度が異なることに起因して、複数の組織(例えば、軟鋼の場
合は、フェライト、パーライト、ベイナイトを含む)を持つ造形物となる。この場合、組
織の違いにより機械的強度(引張り強度・疲労強度・靭性)にばらつきが生じ、略均一な強度を得ることが困難となる。
【０００８】
特許文献１及び２に記載の製造方法では、具体的な溶接条件について記載されているが、造形物の組織を考慮したものではなく、また、造形物の組織については言及されていない。
【０００９】
特許文献３及び４は、いずれも圧延鋼板に関する技術であり、アークを用いて溶加材を溶融及び凝固してなる積層造形物とは異なる。
【００１０】
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、アーク溶接を用いた積層造形法による積層造形物の組織を均一化して、略均一な強度を有する積層造形物及び積層造形物の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】
【００１１】
本発明の上記目的は、下記の構成により達成される。
（１）  軟鋼製の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形成される積層造形物であって、
表面酸化膜を除き、平均結晶粒径が１１μｍ以下のフェライト相を有する複数の前記溶着ビード層を備えることを特徴とする積層造形物。
（２）  前記平均結晶粒径が１１μｍ以下のフェライト相を有する前記複数の溶着ビード層のビッカース硬度は１３０Ｈｖ以上、１７８Ｈｖ以下であることを特徴とする（１）に記載の積層造形物。
（３）  前記平均結晶粒径が１１μｍ以下のフェライト相を有する前記複数の溶着ビード層の下層及び上層の少なくとも一方には、該溶着ビード層の結晶構造と異なる他の溶着ビード層を有することを特徴とする（１）又は（２）に記載の積層造形物。
（４）  前記各溶着ビード層は、上面視で同一形状を有することを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の積層造形物。
（５）  アークを用いて軟鋼製の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する積層造形物の製造方法であって、
層間時間及び入熱量を制御して、前記溶着ビード層の表層の温度が２００℃〜５５０℃の範囲にあるとき、前記次層の溶着ビード層を積層することを特徴とする積層造形物の製造方法。
（６）  前記各溶着ビード層は、前記層間時間及び前記入熱量を一定として積層されることを特徴とする（５）に記載の積層造形物の製造方法。
（７）  前記各溶着ビード層は、上面視で同一形状を有して積層されることを特徴とする（５）又は（６）に記載の積層造形物の製造方法。
（８）  所定数の溶着ビード層を積層した後、前記層間時間及び前記入熱量を制御して、前記溶着ビード層の表層の温度が２００℃〜５５０℃の範囲にあるとき、前記次層の溶着ビード層を積層することを特徴とする（５）に記載の積層造形物の製造方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の積層造形物によれば、表面酸化膜を除き、平均結晶粒径が１１μｍ以下のフェライト相を有する複数の溶着ビード層を備えるので、複数の溶着ビード層が均一化された組織となり、略均一な強度を有する積層造形物が得られる。
【００１３】
また、本発明の積層造形物の製造方法によれば、層間時間及び入熱量を制御して、溶着ビード層の表層の温度が２００℃〜５５０℃の範囲にあるとき、次層の溶着ビード層を積層するので、溶着ビード層は、表面酸化膜を除いて平均結晶粒径が１１μｍ以下のフェライト相を有する均一化された組織となり、略均一な強度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第1実施形態に係る積層造形物の製造システムの構成を示す模式図である。
【図２】図１に示す積層造形物の製造システムにより製作される円筒形の積層造形物を示す斜視図である。
【図３】Ｎｏ．１の実施例で積層される積層造形物の最上層における温度変化を示すグラフである。
【図４】Ｎｏ．１の実施例で積層される積層造形物の特定の層における温度変化を示すグラフである。
【図５】各実施例で複数の溶着ビード層が積層された積層造形物の各部のビッカース硬度を示すグラフである。
【図６Ａ】Ｎｏ．１の実施例の積層造形物の断面写真の図である。
【図６Ｂ】図６ＡのＶＩＢの組織を示す顕微鏡写真の図である。
【図６Ｃ】図６ＡのＶＩＣの組織を示す顕微鏡写真の図である。
【図６Ｄ】図６ＡのＶＩＤの組織を示す顕微鏡写真の図である。
【図６Ｅ】図６ＡのＶＩＥの組織を示す顕微鏡写真の図である。
【図６Ｆ】図６ＡのＶＩＦの組織を示す顕微鏡写真の図である。
【図７】積層造形物の製造システムにより製作されるコの字形の積層造形物を示す斜視図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る積層造形物の製造システムの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る積層造形物及び積層造形物の製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の各実施形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術範囲を限定するものではない。
【００１６】
（第１実施形態）
先ず、本実施形態の積層造形物及びその製造方法を実施するのに好適な製造システムについて図１を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態の積層造形物の製造システム１０は、溶接ロボット２０と、温度センサ３０と、制御装置５０と、ＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１と、軌道計画手段５２と、メモリー５３と、を備える。即ち、本実施形態では、積層装置として既存の溶接ロボット２０が用いられている。
【００１７】
図２も参照して、積層造形物の製造システム１０は、溶接ロボット２０により軟鋼製の溶加材（ワイヤ）Ｗを溶融しながら、積層造形物１１の各層Ｌ１・・・Ｌｋの形状を表す層形状データに基づいて溶接トーチ２２を移動させて、溶着ビード層６１を複数層Ｌ１・・・Ｌｋに亘って積層することで積層造形物１１を成形する。なお、軟鋼製の溶加材とは、炭素含有量が０．３質量％以下の炭素鋼のものとして規定され、ソリッドワイヤとしては、ＪＩＳ規格のＺ３３１２  ＹＧＷ１２、Ｚ３３１２  ＹＧＷ１５、Ｚ３３１２  ＹＧＷ１８、Ｚ３３１２  ＹＧＷ１９などが挙げられる。
【００１８】
なお、図１及び図２に示す積層造形物１１は、溶着ビード層６１を螺旋状に連続して積層する（即ち、前層の溶着ビード層６１の終端部と次層の溶着ビード層６１の始端部とが連続する）ことで、略円筒形状に成形する一例を示しているが、積層造形物１１は、任意の形状に設定可能である。
【００１９】
溶接ロボット２０は、多関節ロボットであり、先端アーム２１の先端部に溶接トーチ２２を備える。先端アーム２１は、３次元的に移動可能であり、先端アーム２１の姿勢及び位置を制御装置５０で制御することにより、溶接トーチ２２は、任意の姿勢で、任意の位置に移動することができる。
【００２０】
溶接トーチ２２は、シールドガスが供給される不図示の略筒状のシールドノズルと、シールドノズルの内部に配置されたコンタクトチップと、コンタクトチップに保持されて溶融電流が給電される溶加材Ｗと、を備える。溶接トーチ２２は、溶加材Ｗを送給しつつ、シールドガスを流しながらアークを発生させて軟鋼製の溶加材Ｗを溶融及び凝固し、基台６０上に溶着ビード層６１を積層して積層造形物１１を成形する。なお、溶接トーチ２２は、外部から溶加材を供給する非溶極式であってもよい。
【００２１】
温度センサ３０は、直前に積層された溶着ビード層６１の表層の温度を測定するものであり、接触式の測定センサも使用可能ではあるが、積層された溶着ビード層６１は高温であることから、サーモビュアや赤外線温度センサなどの非接触式の測定センサが望ましい。
なお、本実施形態では、温度センサ３０は、各層の造形始端位置の温度を測定している。
【００２２】
制御装置５０は、溶接ロボット２０、及び温度センサ３０を制御して複数の溶着ビード層６１を積層し、積層造形物１１を成形する。
【００２３】
ＣＡＤ／ＣＡＭ装置５１は、形成する積層造形物１１の形状データを作成した後、複数の層に分割して（図２参照）各層Ｌ１・・・Ｌｋの形状を表す層形状データを生成する。図２に示すような略円筒形の積層造形物１１を成形する場合には、水平方向に各層Ｌ１・・・Ｌｋの形状に分割し、垂直方向に積層する。軌道計画手段５２は、層形状データに基づいて、各層Ｌ１…Ｌｋにおける溶接トーチ２２の移動軌跡や、各層Ｌ１…Ｌｋの溶着ビード層６１が積層された溶着ビード層６１の計画高さ、などの具体的な溶着ビード層６１の積層計画を作成する。メモリー５３は、生成された層形状データ、溶接トーチ２２の移動軌跡、パス間温度Ｔｐなどを記憶する。
【００２４】
制御装置５０は、メモリー５３に記憶された層形状データ、溶接トーチ２２の移動軌跡、及びパス間温度Ｔｐや、温度センサ３０で測定された直前に積層された溶着ビード層６１の表層の温度などに基づいて、溶接電流、アーク電圧、溶接速度を含めた、溶接ロボット２０の動きを制御する。また、制御装置５０は、各層の溶着ビード層６１の温度が、造形開始時点の温度から、許容されるパス間温度Ｔｐに冷却されるまでの冷却時間を計測するタイマー５４を内蔵している。
【００２５】
このような積層造形物の製造システム１０を用いることで、図２に示すように、溶接ロボット２０は、計画された移動軌跡に沿って溶接トーチ２２を移動させて、溶着ビード層６１を基台６０上、又は、前層の溶着ビード層６１上に造形し、同時に、温度センサ３０は、積層された溶着ビード層６１の表層の温度を測定する。
【００２６】
ここで、次層の溶着ビード層６１の造形は、前層の溶着ビード層６１の表層の温度が、予め設定されているパス間温度Ｔｐの許容範囲内にあるときに開始される。具体的には、パス間温度Ｔｐが２００℃〜５５０℃の許容範囲内に納まるように、層間時間及び入熱量（溶接電流、アーク電圧、溶接速度）を一定に制御して次層の溶着ビード層６１を形成する。
【００２７】
ただし、積層造形物１１の造形初期における数層の溶着ビード層６１においては、基台６０による抜熱により溶着ビード層６１が冷却されるので、層間時間及び入熱量の制御ではパス間温度Ｔｐを許容範囲内に収めることができず、許容範囲の下限温度を下回ってしまう。このような造形初期における数層の溶着ビード層６１については、上記一定の層間時間及び入熱量のまま、次層の溶着ビード層６１を形成する。
【００２８】
以後、全ての層Ｌｋに至るまで、上記と同様に、前層の溶着ビード層６１の表層の温度を監視し、そのパス間温度Ｔｐが許容温度範囲内にあるときに次層の溶着ビード層６１を積層することを繰り返して積層造形物１１が成形される。
【００２９】
ここで、溶着ビード層６１が積層される際、溶融した軟鋼製の溶加材Ｗが急冷されると、ベイナイトを主とする混合組織となる。また、溶融した軟鋼製の溶加材Ｗが自然凝固すると、粗大なフェライト、パーライト、ベイナイトを含む組織となる。一方、本実施形態では、これらの組織は、次層以降の溶着ビード層６１が積層されることによりフェライトの変態点を超えて加熱されるため、パーライト及びベイナイトはフェライトに変態し、粗大なフェライトは微細化した組織となる。
【００３０】
即ち、積層造形物１１は、パス間温度Ｔｐが２００℃〜５５０℃の範囲内に納まるように、層間時間及び入熱量を制御しながら次層の溶着ビード層６１を積層し、同様に、次層以降の溶着ビード層６１を積層する。これにより、溶着ビード層６１がフェライトの変態点を超えて加熱され、平均結晶粒径が１１μｍ以下となる微細なフェライト相からなる均一化された組織が得られる。
【００３１】
次層の溶着ビード層６１を積層する際に、パス間温度Ｔｐが２００℃未満だと、次層以降の溶着ビード層６１を積層することで溶着ビード層６１が加熱されても、フェライトの変態点を超えることができず、微細なフェライト相からなる均一化された組織が得られない。上述したように、造形初期では、次層の溶着ビード層６１を積層する際のパス間温度Ｔｐが２００℃未満となるため、ベイナイトを主とする混合組織となる。また、パス間温度Ｔｐが５５０℃を超えると、次層の溶着ビード層６１の積層により溶着ビード層６１が加熱されて、溶着ビード層６１の扁平化や垂れ落ちが発生して所定の形状に積層できなくなる。
【００３２】
また、平均結晶粒径が１１μｍ以下となる微細なフェライト相を有する溶着ビード層６１は、ビッカース硬度が１３０Ｈｖ以上、１７８Ｈｖ以下となり、機械的強度が良好な、ばらつきが少ない略均一な硬度となっている。
【００３３】
なお、造形後期（積層造形物の最上層）の溶着ビード層６１は、次層の溶着ビード層６１が積層されず、加熱されることがないので、溶融した溶加材Ｗが自然凝固した状態、即ち、粗大なフェライト、パーライト、及びベイナイトを含む組織のままとなる。
このように、本実施形態では、平均結晶粒径が１１μｍ以下のフェライト相を有する複数の溶着ビード層６１の下層及び上層には、該溶着ビード層６１の結晶構造と異なる他の溶着ビード層が形成される。
【００３４】
以下、積層条件の異なる４つの実施例を用いて、略円筒形の積層造形物を造形し、本発明の効果を確認した。表１は、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４の４つの実施例における溶着ビード層６１の積層条件と、成形された積層造形物１１（造形中期の溶着ビード層６１）の平均結晶粒径を表す。図３は、Ｎｏ．１の実施例の積層造形物１１の最上層の表層の温度変化を示すグラフであり、図４は、Ｎｏ．１の実施例における２０層目の溶着ビード層６１を抜き出して、その温度変化を示すグラフである。図５は、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．４の実施例の積層造形物における各部のビッカース硬度を示すグラフであり、図６は、Ｎｏ．１の実施例の積層造形物の顕微鏡写真の図である。なお、図３では、溶着ビード層６１の表層温度はサーモビュアを用いて測定したため、アーク直近の温度は強烈なアーク光に阻害されて測定されておらず、実際には、グラフ上の温度より高温である溶融温度に達している。また、図４は、数値シミュレーションによる温度履歴予測結果であり、サーモビュアで測定したときに強烈なアーク光に阻害されて測定されなかったアーク直近の温度まで予測している。
【００３５】
【表１】
2019051555.tif 000003
【００３６】
表１に示すように、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３の実施例では、溶接電流１１２Ａ、アーク電圧１６．３Ｖ、溶接速度４０ｃｍ／ｍｉｎとし、パス間時間を６０，９０，１２０ｓｅｃに変更した条件で複数の溶着ビード層６１を積層して積層造形物１１を成形した。このため、造形中期におけるパス間温度Ｔｐは、パス間時間が長くなるに従って低下し、それぞれ５４０℃、３８０℃、２９０℃になっている。
【００３７】
また、Ｎｏ．４の実施例では、溶接電流１６８Ａ、アーク電圧１８．１Ｖ、溶接速度４０ｃｍ／ｍｉｎ、パス間時間を９０ｓｅｃの条件で複数の溶着ビード層６１を積層して積層造形物１１を成形した。この場合、Ｎｏ．４の実施例におけるパス間温度Ｔｐは、入熱量が大きいため、５５０℃になっている。
【００３８】
このときの造形中期の溶着ビード層６１の微細化されたフェライト組織の平均結晶粒径は、９．２μｍ、９．１μｍ、１１．０μｍ、及び９．３μｍである。このように、パス間温度Ｔｐが２００℃〜５５０℃の範囲内になるように制御することで、平均結晶粒径が１１μｍ以下となる微細なフェライト相が連続する組織となり、略均一な強度が得られる。平均結晶粒径が１１μｍ以下の微細なフェライト相とすることで、靱性が低下することなく、機械的特性に優れた積層造形物１１が得られることがわかる。
【００３９】
なお、平均結晶粒径の算出は、溶着ビード層６１の高さ方向では、パス間温度Ｔｐが２００℃未満であり、ベイナイトを主とする混合組織である造形初期の溶着ビード層６１、及び粗大なフェライト、パーライト、及びベイナイトを含む組織である造形後期の溶着ビード層６１を除いた部分を５等分し、また、溶着ビード層６１の幅方向では、表面酸化膜を除いた部分を３等分し、各部分の約５ｍｍ角の視野にてＪＩＳ  Ｇ０５５１の規格に従って結晶粒径を算出し、これらを平均して求めた。なお、ベイナイトを主とする混合組織、微細化されたフェライト組織、及び、粗大なフェライト、パーライト、及びベイナイトを含む組織は、溶着ビード層６１の断面を光学顕微鏡で観察し、画像の境界線から判別した（図６Ａ参照）。また、表面酸化膜は、表面から０．３ｍｍの深さまでの領域とした。
【００４０】
ここで、Ｎｏ．１の実施例では、図３に示すように、溶融されて基台６０上に積層された造形初期（図３に示す実施例では１層目〜６層目）の溶着ビード層６１は、前層の溶着ビード層６１の表層の温度がパス間温度Ｔｐの許容範囲の下限（２００℃）を下回っている。このため、次層以降の溶着ビード層６１が積層されても、フェライトの変態点を越えることができず、ベイナイトを主とする混合組織となる（図６（Ｂ）参照）。
【００４１】
造形中期（図３に示す実施例では７層目〜４９層目）の溶着ビード層６１では、次層以降（８層目〜５０層目）の溶着ビード層６１が積層されるときの溶着ビード層６１の表層の温度は、図３に示すように、パス間温度Ｔｐの許容範囲（２００℃〜５５０℃）内にある。
【００４２】
例えば、図４に示すように、２０層目の溶着ビード層６１は、層間時間及び入熱量が制御されることにより、２１層目の溶着ビード層６１が積層される際のパス間温度Ｔｐは許容範囲内（図３に示すＴ点（略４００℃））にある。また、次層以降の溶着ビード層６１の積層にともなって、２０層目の溶着ビード層６１の温度は、昇温、冷却が繰り返され、温度振幅を次第に小さくしながら略４００℃に収斂する。このときの最上層の表層の温度は、図３に示すように、略５４０℃に収斂する。
【００４３】
このため、次層以降の溶着ビード層６１が積層されることで、溶着ビード層６１は変態点を超える温度まで加熱されて、造形中期の溶着ビード層６１は、パーライト及びベイナイトがフェライトに変態すると共に粗大なフェライトが微細化して、平均結晶粒径が１１μｍ以下のフェライト相が連続する略均一な組織となる（図６（Ｃ）〜図６（Ｅ）参照）。なお、図３に示すように、造形中における最上層の表面の温度は、次層以降の溶着ビード層６１が積層されるに従って次第に上昇し、パス間温度は、略５４０℃で安定する。
【００４４】
また、造形後期（図３に示す実施例では５０層目）の溶着ビード層６１では、次層の溶着ビード層６１が積層されない。従って加熱されることがないので、溶融した溶加材Ｗが自然凝固した状態、即ち、粗大なフェライト、パーライト、及びベイナイトを含む組織のままとなる（図６（Ｆ）参照）。
【００４５】
また、図５に示すように、いずれの実施例においても、平均結晶粒径が１１μｍ以下となる微細なフェライト相が連続する造形中期の溶着ビード層６１は、ビッカース硬度が１３０Ｈｖ以上、１７８Ｈｖ以下となり、ばらつきが少ない略均一な硬度となっている。
【００４６】
造形後期の溶着ビード層６１の組織は、粗大なフェライト、パーライト、及びベイナイトを含む組織であるため、ビッカース硬度が僅かに高い。また、造形初期の溶着ビード層６１は、ベイナイトを主とする混合組織であるため、ビッカース硬度が略２００Ｈｖ以上と高いが、靭性が低い組織となっている。
【００４７】
このため、該積層造形物１１を用いて製品を製作する際、ベイナイトを主とする混合組織からなる造形初期の溶着ビード層６１を、また、必要に応じて造形後期の溶着ビード層６１を削除して、平均結晶粒径が１１μｍ以下となる微細化したフェライト相が連続する均一化された組織のみを使用するようにしてもよい。
【００４８】
なお、積層造形物１１の造形の際、溶着ビード層６１の１層あたりの造形時間を、造形開始時点の温度から許容されるパス間温度Ｔｐに冷却されるまでの冷却時間に設定すれば、アークを一時停止させることなく、最も短時間で溶着ビード層６１を連続積層することが可能となり、生産効率が向上する。
【００４９】
溶着ビード層６１の１層あたりの造形時間の設定は、造形工程時の入熱量を、溶着ビード層６１の単位長さ当たり一定として、造形工程時の溶接電流、アーク電圧、及び溶接速度の少なくとも一つの溶接条件を変更することで調整してもよい。
【００５０】
或いは、溶着ビード層６１の１層あたりの造形時間の設定は、造形工程時の溶着ビード層６１の断面積が一定となるように、造形工程時の溶接電流、アーク電圧、及び溶接速度の少なくとも一つの溶接条件を変更することで調整してもよい。これにより、高い造形効率を維持し、造形精度を確保しつつ、安定した造形が可能となる。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態の積層造形物１１によれば、少なくとも一つの溶着ビード層６１は、表面酸化膜を除き、平均結晶粒径が１１μｍ以下のフェライト相を有するので、積層造形物１１の組織が均一化されて略均一な強度を有し、機械的特性に優れた積層造形物１１が得られる。
【００５２】
また、平均結晶粒径が１１μｍ以下のフェライト相を有する溶着ビード層６１のビッカース硬度は１３０Ｈｖ以上、１７８Ｈｖ以下であるので、適度の靭性と硬度を有する組織の積層造形物１１が得られる。
【００５３】
また、平均結晶粒径が１１μｍ以下のフェライト相を有する溶着ビード層６１の下部、及び上部には、該溶着ビード層６１の結晶構造と異なる他の溶着ビード層６１を有するので、平均結晶粒径が１１μｍ以下の微細化されたフェライト相を有する溶着ビード層６１を安定して形成できる。
【００５４】
また、各溶着ビード層６１は、上面視で同一形状を有するので、各層の溶着ビード層６１が略同じ条件で積層されて略均一な組織が得られる。
【００５５】
さらに、本実施形態の積層造形物の製造方法によれば、層間時間及び入熱量を制御して、溶着ビード層６１の表層の温度が２００℃〜５５０℃の範囲にあるとき、次層の溶着ビード層６１を積層するので、溶着ビード層６１は、表面酸化膜を除いて平均結晶粒径が１１μｍ以下のフェライト相を有する均一化された組織となり、略均一な強度が得られる。
【００５６】
また、各溶着ビード層６１は、層間時間及び入熱量を一定として積層されるので、生産効率良く、均一な組織が得られる。
【００５７】
図７は、積層する各層の溶着ビードの始端位置Ｐ１と終端位置Ｐ２とが異なる変形例の積層造形物１１を製作する場合を示している。この場合にも、次層の溶着ビード層６１の造形は、前層の溶着ビード層６１の温度が、許容されるパス間温度Ｔｐの範囲内となった時に開始される。
【００５８】
この場合、溶着ビード層６１の１層あたりの造形時間が、冷却時間以上となるように設定してもよいが、溶着ビード層６１の１層あたりの造形時間と溶接トーチ２２の移動時間との合計が、冷却時間以上となるように設定されることでより生産効率を向上できる。
【００５９】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る積層造形物の製造方法及び製造システムについて図８を参照して詳細に説明する。なお、第１実施形態と同一又は同等部分については、同一符号を付して説明を省略或いは簡略化する。
【００６０】
本実施形態では、１本の溶接トーチ２２を用いて造形する溶着ビード層６１の1層あたりの造形時間が、冷却時間に比べて非常に長い場合に、複数台の溶接トーチ２２を用いて複数の溶着ビード層６１を同時に積層することで、生産効率が向上するものである。
【００６１】
即ち、１本の溶接トーチ２２を用いて造形する溶着ビード層６１の１層あたりの造形時間を冷却時間で除した商の整数値に、溶着ビード層６１を造形する際の溶接トーチ２２の本数を設定する。例えば、図８に示すように、１本の溶接トーチ２２での溶着ビード層６１の１層あたりの造形時間を冷却時間で除した商の整数値が２である場合には、２本の溶接トーチ２２を用いて造形が行われている。
【００６２】
なお、本実施形態では、冷却時間は、前層の溶着ビード層６１において、造形開始時点の温度から、許容されるパス間温度に冷却されるまでの冷却時間を計測して、次層の溶着ビード層６１を造形する際に、溶接トーチ２２の本数を決定している。ただし、同一の造形物を製造する場合などでは、最初の造形物を製造する際に、すべての層の溶着ビード層６１において、造形開始時点の温度から、許容されるパス間温度に冷却されるまでの冷却時間を計測し、最も長いものを冷却時間とし、この冷却時間に基づいて、２つ目以降の造形物を製造する際の溶接トーチ２２の本数を設定してもよい。
その他の構成及び作用については、第1実施形態のものと同様である。
【００６３】
尚、本発明は、前述した各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。
【符号の説明】
【００６４】
１１    積層造形物
６１    溶着ビード層
Ｗ      溶加材
【図１】
2019051555.tif 000004
【図２】
2019051555.tif 000005
【図３】
2019051555.tif 000006
【図４】
2019051555.tif 000007
【図５】
2019051555.tif 000008
【図６Ａ】
2019051555.tif 000009
【図６Ｂ】
2019051555.tif 000010
【図６Ｃ】
2019051555.tif 000011
【図６Ｄ】
2019051555.tif 000012
【図６Ｅ】
2019051555.tif 000013
【図６Ｆ】
2019051555.tif 000014
【図７】
2019051555.tif 000015
【図８】
2019051555.tif 000016