(57)【要約】【課題】溶接ワイヤの中心線および外周線のジュール熱による溶融を防止することができる肉盛溶接方法を提供する。【解決手段】ワークの表面および溶接ワイヤの先端を熱源によって溶融させて溶融プールを形成する工程と、溶接ワイヤを通電によって加熱しながら、熱源と異なる方向から溶融プールへ供給する工程と、を含み、溶接ワイヤとして、中心線と少なくとも１つの外周線を含み、外周線の融点が中心線の融点よりも３００℃以上高く、かつ、中心線と外周線との間に外周線から中心線への電気伝導を阻害する抵抗層が介在するワイヤを用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークの表面および溶接ワイヤの先端を熱源によって溶融させて溶融プールを形成する工程と、
前記溶接ワイヤを通電によって加熱しながら、前記熱源と異なる方向から前記溶融プールへ供給する工程と、を含み、
前記溶接ワイヤとして、中心線と少なくとも１つの外周線を含み、前記外周線の融点が前記中心線の融点よりも３００℃以上高く、かつ、前記中心線と前記外周線との間に前記外周線から前記中心線への電気伝導を阻害する抵抗層が介在するワイヤを用いる、肉盛溶接方法。
【請求項２】
前記抵抗層は空気層である、請求項１に記載の肉盛溶接方法。
【請求項３】
前記溶接ワイヤは、互いに撚り合された少なくとも３つの前記外周線を含む撚り線である、請求項１または２に記載の肉盛溶接方法。
【請求項４】
前記中心線の直径は、前記溶接ワイヤの断面における前記外周線の内接円の直径未満である、請求項３に記載の肉盛溶接方法。
【請求項５】
前記中心線の組成および前記外周線の組成は、前記溶接ワイヤ全体としての組成が、質量パーセントで表示して、Ｃｕ：６０〜８５％、Ｓｎ：５〜１５％、Ｐｂ：２〜２０％となるように調整されている、請求項１〜４の何れか一項に記載の肉盛溶接方法。
【請求項６】
前記中心線は主成分としてＰｂを含み、前記外周線は第１の主成分としてＣｕを含むとともに第２の主成分としてＳｎを含む、請求項５に記載の肉盛溶接方法。
【請求項７】
前記中心線はＰｂだけでなくＳｎも主成分として含む、請求項６に記載の肉盛溶接方法。
【請求項８】
前記熱源はレーザである、請求項１〜７の何れか一項に記載の肉盛溶接方法。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか一項に記載の肉盛溶接方法により得られた肉盛溶接物。
【請求項１０】
請求項９に記載の肉盛溶接物を機械加工して部品を製造する部品製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、肉盛溶接方法、およびこの肉盛溶接方法により得られた肉盛溶接物に関する。また、本発明は、その肉盛溶接物を用いた部品製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、肉盛溶接には、ＭＩＧ（Metal Inert Gas）溶接、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接およびＬＭＤ（Laser Metal Deposition）などが用いられている。このうち、ＴＩＧ溶接およびＬＭＤでは、ワークの表面および溶接ワイヤの先端が熱源（アークまたはレーザ）によって溶融されて溶融プールが形成されながら、溶接ワイヤが熱源と異なる方向から溶融プールへ供給される。
【０００３】
肉盛用の溶接ワイヤとしては、中心線と少なくとも１つの外周線を含むものがある（例えば、特許文献１，２参照）。例えば、外周線が１つの場合、中空の外周線の内側に中心線が配置される。外周線が３つ以上の場合は、外周線が互いに撚り合されて、その内側に中心線が配置される。このような溶接ワイヤを用いれば、中心線の組成および外周線の組成に応じて、任意の合金組成の肉盛ビードを形成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２２１６０２号公報
【特許文献２】特開平８−１０３８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＴＩＧ溶接またはＬＭＤにより肉盛溶接を行う場合には、ワークへの入熱量を低減するために、溶接ワイヤを通電により加熱することがある（いわゆる、ホットワイヤ法）。このようなホットワイヤ法において、上述したような中心線と少なくとも１つの外周線を含む溶接ワイヤを用いる場合には、溶接ワイヤの通電時に中心線および外周線の双方がジュール熱により加熱されるため、中心線および外周線の溶融を防止する必要がある。なお、特許文献１，２に記載された肉盛溶接は、ホットワイヤ法を使用するものではない。
【０００６】
そこで、本発明は、溶接ワイヤの中心線および外周線のジュール熱による溶融を防止することができる肉盛溶接方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明の肉盛溶接方法は、ワークの表面および溶接ワイヤの先端を熱源によって溶融させて溶融プールを形成する工程と、前記溶接ワイヤを通電によって加熱しながら、前記熱源と異なる方向から前記溶融プールへ供給する工程と、を含み、前記溶接ワイヤとして、中心線と少なくとも１つの外周線を含み、前記外周線の融点が前記中心線の融点よりも３００℃以上高く、かつ、前記中心線と前記外周線との間に前記外周線から前記中心線への電気伝導を阻害する抵抗層が介在するワイヤを用いる、ことを特徴とする。
【０００８】
上記の構成によれば、電圧が印加される外周線の融点が中心線の融点よりも３００℃以上高く設定されているので、ジュール熱による外周線の溶融を防止することができる。しかも、外周線と中心線の間に介在する抵抗層は、外周線が中心線の融点よりも高い温度となっても外周線の熱が中心線へ伝導することを抑制する。このため、中心線が熱伝導によって溶融することも防止される。また、抵抗層は外周線から中心線への電気伝導を阻害するため、溶接ワイヤの通電時に中心線に発生するジュール熱を小さく抑えることができる。これにより、ジュール熱による中心線の溶融も防止することができる。
【０００９】
前記抵抗層は空気層であってもよい。この構成によれば、抵抗層の電気抵抗率が格段に大きくなるため、溶接ワイヤの通電時に中心線に発生するジュール熱を格別に小さく抑えることができる。
【００１０】
例えば、前記溶接ワイヤは、互いに撚り合された少なくとも３つの前記外周線を含む撚り線であってもよい。
【００１１】
例えば、前記中心線の直径は、前記溶接ワイヤの断面における前記外周線の内接円の直径未満であってもよい。
【００１２】
前記中心線の組成および前記外周線の組成は、前記溶接ワイヤ全体としての組成が、質量パーセントで表示して、Ｃｕ：６０〜８５％、Ｓｎ：５〜１５％、Ｐｂ：２〜２０％となるように調整されていてもよい。この構成によれば、肉盛ビードを鉛青銅で構成することができ、肉盛ビードに潤滑性を付与することができる。
【００１３】
前記中心線は主成分としてＰｂを含み、前記外周線は第１の主成分としてＣｕを含むとともに第２の主成分としてＳｎを含んでもよい。鉛青銅は延性が乏しいために、鉛青銅からなる単線の製造は困難である。これに対し、市場に流通する鉛からなる単線および青銅からなる単線をそれぞれ中心線および外周線として用いれば、溶接ワイヤを低コストで容易に製造することができる。
【００１４】
前記中心線はＰｂだけでなくＳｎも主成分として含んでもよい。この構成によれば、半田からなる単線を中心線として用いることができる。
【００１５】
前記熱源はレーザであってもよい。この構成によれば、ＬＭＤにより肉盛溶接を行うことができる。
【００１６】
また、本発明は、上記の肉盛溶接方法により得られた肉盛溶接物を提供する。
【００１７】
さらに、本発明は、上記の肉盛溶接物を機械加工して部品を製造する部品製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、溶接ワイヤの中心線および外周線のジュール熱による溶融を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る肉盛溶接方法を説明するための図である。
【図２】前記一実施形態で用いられる溶接ワイヤの構成を説明するための図である。
【図３】図２のIII−III線に沿った断面図である。
【図４】変形例の溶接ワイヤの構成を説明するための図である。
【図５】図４のV−V線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１を参照して、本発明の一実施形態に係る肉盛溶接方法を説明する。本実施形態では、ＬＭＤにより肉盛溶接が行われる。すなわち、ワーク１の表面に向かって溶融用の熱源であるレーザ３が図略のレーザ出射口から照射される。
【００２１】
ワーク１の材質は、特に限定されるものではないが、例えば、鋼、鋳鉄、ステンレス、ニッケル基合金、アルミニウム合金などである。
【００２２】
本実施形態の肉盛溶接方法では、ワーク１の表面および肉盛用の溶接ワイヤ２の先端がレーザ３によって溶融されて溶融プール１０が形成されながら、溶接ワイヤ２がレーザ３と異なる方向から溶融プール１０へ供給される。さらに、本実施形態では、溶接ワイヤ２が通電によって加熱されながら、溶融プール１０へ供給される。
【００２３】
溶接ワイヤ２は、ノズル４を通じて繰り出される。ノズル４は、溶接ワイヤ２の外周面に電圧を印加する電極としての役割も果たす。この電圧の印加により、ノズル４から溶接ワイヤ２および溶融プール１０を通じてワーク１へ電流が流れて溶接ワイヤ２が加熱される。溶接ワイヤ２は、後述する外周線２２の温度が後述する中心線２１の融点以上かつ当該外周線２２の融点未満の温度となるように加熱されることが望ましい。
【００２４】
また、ノズル４には溶接ワイヤ２の周囲に環状の流路４１が設けられており、この流路４１を通じて、溶融プール１０の周囲へアルゴンなどの不活性ガス５が供給される。なお、環状の流路４１に代えて、周方向に点在する複数の流路が採用されてもよい。
【００２５】
図略のレーザ出射口およびノズル４は、肉盛溶接を行うべき計画線に沿って、ワーク１と相対的に移動される。これにより、肉盛ビード１１が形成される。
【００２６】
図１では、上述した計画線に沿った溶接方向（図１では左から右に向かう方向）において、溶接ワイヤ２がレーザ３の前方に位置しているが、それらの位置関係は逆であってもよい。あるいは、溶接ワイヤ２およびレーザ３は、上述した計画線の両側に位置してもよい。さらには、ノズル４にレーザ３を導く導光路が設けられ、レーザ３が溶接ワイヤ２と異なる位置でノズル４から出射されてもよい。
【００２７】
レーザ３は、溶接ワイヤ２に直接照射されてもよいが、図１に示すように溶接ワイヤ２に直接照射されないことが望ましい。換言すれば、溶融プール１０に対するレーザ３の照射範囲は、溶融プール１０に対する溶接ワイヤ２の供給位置からズレていることが望ましい。
【００２８】
図２に示すように、溶接ワイヤ２は、中心線２１と、少なくとも１つの外周線２２を含む。本実施形態では、図２および図３に示すように、溶接ワイヤ２が撚り線である。より詳しくは、溶接ワイヤ２は、互いに撚り合わされた６つの外周線２２を含む。中心線２１は、外周線２２の内側に配置されている。ただし、撚り線中の外周線２２の数は、少なくとも３つであればよい。
【００２９】
撚り線は、外周線２２が互いに撚り合された後に、外側から圧縮して押し潰されてもよい。すなわち、各外周線２２の断面形状は、真円であってもよいし真円でなくてもよい。
【００３０】
中心線２１と外周線２２の間には、外周線２２から中心線２１への電気伝導を阻害する抵抗層２３が介在する。抵抗層２３の電気抵抗率は、１．０×１０-5Ω・ｍ以上であることが望ましく、１０Ω・ｍ以上であることがより望ましい。本実施形態では、抵抗層２３が空気層である。
【００３１】
より詳しくは、中心線２１の直径Ｄｃは、溶接ワイヤ２の断面における外周線２２の内接円の直径Ｄｉ未満である。各外周線２２の断面形状が真円である場合、６つの外周線２２の内接円の直径Ｄｉは外周線２２の直径Ｄｏと等しい。
【００３２】
抵抗層２３の厚さを十分に確保するという観点からは、中心線２１の直径Ｄｃは、外周線２２の内接円の直径Ｄｉの９０％以下であることが望ましく、７０％以下であることがより望ましい。
【００３３】
なお、外周線２２の数が７つ以上であり、外周線２２の断面形状が真円である場合は、外周線２２の内接円の直径Ｄｉは外周線２２の直径Ｄｏよりも大きい。この場合、中心線２１の直径Ｄｃは、外周線２２の直径Ｄｏと等しくてもよいし、それよりも大きくてもよい。
【００３４】
上述したように、中心線２１の直径Ｄｃは中心線２１と外周線２２との間に隙間が形成されるように小さく設定されているので、中心線２１は軸方向において部分的に外周線２２のいずれかと接触する。すなわち、抵抗層２３の断面形状は、中心線２１が外周線２２と接触しない位置では環状であり、中心線２１が外周線２２と接触する位置では略Ｃ字状である。
【００３５】
各外周線２２の融点は、中心線２１の融点よりも３００℃以上高く設定されている。中心線２１および外周線２２の組成は、肉盛ビード１１をどのような合金で構成するかによって適宜決定される。例えば、肉盛ビード１１の合金としては、鉛青銅、アルミ青銅、青銅、黄銅、ニッケルアルミ合金などが挙げられる。
【００３６】
肉盛ビード１１を鉛青銅で構成する場合、例えば、中心線２１の組成および外周線２２の組成は、溶接ワイヤ２全体としての組成が、質量パーセントで表示して（以下、同じ）、Ｃｕ：６０〜８５％、Ｓｎ：５〜１５％、Ｐｂ：２〜２０％となるように調整される。この場合、中心線２１は主成分としてＰｂを含むか、ＰｂとＳｎの双方を含み、外周線２２は、第１の主成分としてＣｕを含むとともに、第２の主成分としてＳｎを含む。
【００３７】
肉盛ビード１１を鉛青銅で構成する場合、肉盛ビード１１に潤滑性を付与することができる。鉛青銅は延性が乏しいために、鉛青銅からなる単線の製造は困難である。これに対し、中心線２１が主成分としてＰｂのみを含み、外周線２２が主成分としてＣｕ，Ｓｎを含む場合には、市場に流通する鉛からなる単線および青銅からなる単線をそれぞれ中心線２１および外周線２２として用いることができる。従って、溶接ワイヤ２を低コストで容易に製造することができる。あるいは、外周線２２が主成分としてＰｂ，Ｓｎを含む場合には、半田からなる単線を中心線２１として用いることができる。
【００３８】
例えば、中心線２１の直径Ｄｃを６つの外周線２２の内接円の直径Ｄｉの７０％としたときの中心線２１および外周線２２の組成は以下のとおりである。
【００３９】
中心線２１が主成分としてＰｂのみを含む場合、例えば、中心線２１の組成はＰｂ：９９〜１００％であり、外周線２２の組成はＣｕ：９０〜９５％、Ｓｎ：５〜１０％である。
【００４０】
中心線２１が主成分としてＰｂおよびＳｎの双方を含む場合、例えば、中心線２１の組成はＰｂ：６０〜９９％、Ｓｎ：１〜４０％であり、外周線２２の組成はＣｕ：８７〜９８％、Ｓｎ：２〜１３％である。
【００４１】
肉盛ビード１１を鉛青銅で構成する場合、中心線２１および外周線２２の少なくとも一方には、Ｐ、Ａｌ、Ｓｉなどを添加剤として含めてもよい。Ｐ、Ａｌ、Ｓｉは、酸素との親和力が強く、肉盛中に脱酸剤として働く。このため、Ｐ、Ａｌ、Ｓｉは、肉盛ビード１１の酸化物由来の気泡欠陥を抑制するために添加される。
【００４２】
肉盛ビード１１をアルミ青銅で構成する場合、例えば、中心線２１の組成および外周線２２の組成は、溶接ワイヤ２全体としての組成が、Ｃｕ：８０〜９９％、Ａｌ：１〜２０％となるように調整される。この場合、中心線２１は主成分としてＡｌを含み、外周線２２は主成分としてＣｕを含む。
【００４３】
肉盛ビード１１を青銅で構成する場合、例えば、中心線２１の組成および外周線２２の組成は、溶接ワイヤ２全体としての組成が、Ｃｕ：８０〜９９％、Ｓｎ：１〜２０％となるように調整される。この場合、中心線２１は主成分としてＳｎを含み、外周線２２は主成分としてＣｕを含む。
【００４４】
肉盛ビード１１を黄銅で構成する場合、例えば、中心線２１の組成および外周線２２の組成は、溶接ワイヤ２全体としての組成が、Ｃｕ：６０〜９９％、Ｚｎ：１〜４０％となるように調整される。この場合、中心線２１は主成分としてＺｎを含み、外周線２２は主成分としてＣｕを含む。
【００４５】
肉盛ビード１１をニッケルアルミ合金で構成する場合、例えば、中心線２１の組成および外周線２２の組成は、溶接ワイヤ２全体としての組成が、Ｎｉ：９０〜９９％、Ａｌ：１〜５％となるように調整される。この場合、中心線２１は主成分としてＡｌを含み、外周線２２は主成分としてＮｉを含む。
【００４６】
上述した肉盛溶接方法により、肉盛ビード１１を含む肉盛溶接物を得ることができる。この肉盛溶接物からは、当該肉盛溶接物を機械加工して部品を製造することも可能である。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態の肉盛溶接方法では、電圧が印加される外周線２２の融点が中心線２１の融点よりも３００℃以上高く設定されているので、ジュール熱による外周線２２の溶融を防止することができる。しかも、外周線２２と中心線２１の間に介在する抵抗層２３は、外周線２２が中心線２１の融点よりも高い温度となっても外周線２２の熱が中心線２１へ伝導することを抑制する。このため、中心線２１が熱伝導によって溶融することも防止される。また、抵抗層２３は外周線２２から中心線２１への電気伝導を阻害するため、溶接ワイヤ２の通電時に中心線２１に発生するジュール熱を小さく抑えることができる。これにより、ジュール熱による中心線２１の溶融も防止することができる。
【００４８】
（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【００４９】
例えば、肉盛溶接は、ＴＩＧ溶接により行われてもよい。この場合、溶融用の熱源はアークである。
【００５０】
また、溶接ワイヤ２は、必ずしも少なくとも３つの外周線２２を含む撚り線である必要はない。例えば、溶接ワイヤ２は、中空の１つの外周線２２の内側に中心線２１が配置された構成を有してもよい（いわゆるフープ材）。
【００５１】
あるいは、溶接ワイヤ２は、図４および図５に示すように、中心線２１が抵抗層２３で被覆され、この抵抗層２３の回りに１つまたは複数の外周線２２が巻き回された構成を有してもよい（いわゆる巻き線）。この場合の抵抗層２３は、例えば樹脂からなる。
【００５２】
ただし、前記実施形態のように溶接ワイヤ２が撚り線であれば、フープ材に比べて、肉盛ビード１１の合金組成が調整し易いというメリットがある。中心線２１及び外周線２２の材質が決まっている場合の肉盛ビード１１の合金組成を調整するパラメータとしては、フープ材では単一の外周線２２の肉厚に限られるのに対し、撚り線では外周線２２の直径、撚りピッチを用いることができるからである。また、図４および５に示すような巻き線では、溶接ワイヤ２としての強度や可撓性を中心線２１で持たせる必要があるのに対し、巻き線では、中心線２１に強度や可撓性を持たせる必要がない。しかも、抵抗層２３が空気層であれば、抵抗層２３の電気抵抗率が格段に大きくなるため、溶接ワイヤ２の通電時に中心線２１に発生するジュール熱を格別に小さく抑えることができる。
【符号の説明】
【００５３】
１    ワーク
１０  溶融プール
２    溶接ワイヤ
２１  中心線
２２  外周線
２３  抵抗層
３    レーザ（熱源）
【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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