(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、加工マップに従って所定形状の金型に加工される溶接部を形成する溶接方法であって、溶接の初期条件を設定する工程と、前記溶接部の断面と前記加工マップとをマッチングし、加工後に前記金型の表面となる加工境界線を含む境界領域を演算領域に設定する工程と、前記演算領域につい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
2019130541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工マップに従って所定形状の金型に加工される溶接部を形成する溶接方法であって、
溶接の初期条件を設定する工程と、
前記溶接部の断面と前記加工マップとをマッチングし、加工後に前記金型の表面となる加工境界線を含む境界領域を演算領域に設定する工程と、
前記演算領域につい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、金型の作成や損傷部の補修を行う溶接技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
そこで、特許文献１では、高負担部が所定の硬度となるプレス金型の製造方法が提案されている。この製造方法では、鉄系素材からなる成形部の高負担部に下地処理用の溶接材を溶接し、その上にハイス鋼からなる肉盛り溶接材で肉盛り溶接し、その肉盛り部分を所定の形状に加工している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２０８３６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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、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ことである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る溶接方法は、加工マップに従って所定形状の金型に加工される溶接部を形成する溶接方法であって、溶接の初期条件を設定する工程と、前記溶接部の断面と前記加工マップとをマッチングし、加工後に前記金型の表面となる加工境界線を含む境界領域を演算領域に設定する工程と、前記演算領域につい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】
【０００８】
本発明によれば、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となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【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】図１の演算領域決定工程を示すフローチャートである。
【図３】演算領域を決定する方法を説明する図である。
【図４】演算領域を決定する方法を説明する図である。
【図５】実施の形態に係る溶接方法により溶接部が形成される金型の構成の一例を示す図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ断面を示す図である。
【図７】溶接部の断面と加工マップとをマッチングした状態を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
本発明は、加工マップに従って所定形状の金型に加工される溶接部を形成する溶接方法に関する。実施の形態に係る溶接方法は、例えば、金型の損傷部に溶接材を溶接して溶接部を形成したり、新たな金型を作成する際に溶接部を形成したりする。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、当該溶接部を加工マップに従って加工して補修する。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。
【００１２】
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。軟化層は、新たな金型を作成するための溶接部にも同様に発生する。そこで、実施の形態では、加工後の金型の形状を考慮して軟化層の発生位置を予測して溶接条件を決定することで、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。
【００１３】
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。図２は、図１の演算領域決定工程（Ｓ２）を示している。なお、図１、２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、金型の損傷部へ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。
【００１４】
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。
【００１５】
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）。演算領域は、加工後の金型の形状を考慮して決定される。演算領域の決定方法については、後に詳述する。そして、Ｓ２で決定された演算領域について、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。軟化層の材質の予測は、例えば、特開２００４−４０３４号公報に記載の方法で行うことが可能である。
【００１６】
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断する（Ｓ４）。溶接品質の良否は、加工後に金型表面となる箇所での軟化層の発生の有無により判断する。加工後に金型表面となる箇所に軟化層の発生が認められた場合は、溶接品質がＮＧであると判断される。
【００１７】
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、その後金型の損傷部に対して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）。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。
【００１８】
ここで、図２、演算領域の決定工程について詳細に説明する。図２に示すように、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）、溶接部の断面形状と加工マップとのマッチング（Ｓ２３）が含まれる。なお、図２では、Ｓ２１からＳ２３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。
【００１９】
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（Ｓ２１〜２３）。また、Ｓ４において、溶接部を加工したときに軟化層が金型の表面に出現するか否かを判断するためには、加工後に金型の表面となる加工境界線を含む領域における軟化層の発生予測が必要である。そこで、Ｓ２３では、加工後に金型の表面となる加工境界線を含む領域が演算領域に決定される。
【００２０】
まず、熱エネルギー安定領域の決定（Ｓ２１）について、図３を参照して説明する。図３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３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４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５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】
最後に、溶接部の断面形状と加工マップとのマッチング（Ｓ２３）について、図６〜８を参照して説明する。図５は、実施の形態に係る溶接方法により溶接部が形成される金型１の構成の一例を示す図である。図６は、図５のＶＩ−ＶＩ断面を示す。ＶＩ−ＶＩ断面は、図５のＸＹＺ直交座標系におけるＸ−Ｚ平面にある。ここでは、金型１に損傷部２が形成されており、当該損傷部２に実施の形態に係る溶接方法で溶接部を形成する例について説明する。図６において、金型１の損傷部２が補修箇所となる。損傷部２に溶接材を肉盛り溶接して溶接部１３を形成し、当該溶接部１３を加工情報（加工マップ）に従って切削加工することにより元の形状に整形することで、金型１の補修が行われる。加工マップは、金型１のＣＡＤ／ＣＡＭデータから作成される。
【００２４】
図７は、溶接部１３の断面と加工マップとをマッチングした状態を説明する図である。図７においては、溶接部１３の断面が横方向にａ〜ｌ列、縦方向に１〜６行の７２の領域に分割されている。加工境界線３が、加工後の金型１の表面となる。加工後に溶接部１３の軟化層１１ａが金型１の表面に出現すると、補修後の金型１の摩耗・破損の新たな原因となる虞がある。
【００２５】
そこで、溶接部１３（肉盛り箇所）の断面と加工マップとをマッチングさせ、加工後に金型１の表面となる加工境界線３を含む境界領域を、軟化層の発生予測を行う演算領域に設定する。図７に示す例では、分割された各領域のうち加工境界線３が通るａ列６行、ｂ列６行、ｃ列５行、ｄ列５行、ｅ列４行、ｆ列４行、ｇ列４行、ｈ列４行、ｉ列４行、ｊ列４行、ｋ列３行、ｌ列２行、ｌ列１行の領域、境界領域となる。
【００２６】
また、溶接部１３のうち、当該加工で除去される部分は、軟化層の発生予測を行う必要がない。そこで、溶接部１３のうち、加工で除去される除去領域４を検証／演算が不要な領域として特定し、演算領域から除外する。図７においては、加工境界線３よりも上の領域が除去領域４として演算領域から除外される。除去領域４は、ｃ列６行、ｄ列６行、ｅ列５〜６行、ｆ列５〜６行、ｇ列５〜６行、ｈ列５〜６行、ｉ列５〜６行、ｊ列５〜６行、ｋ列４〜６行、ｌ列３〜６行となる。
【００２７】
このように、実施の形態に係る溶接方法によれば、加工後の金型の形状を考慮して軟化層の発生位置を予測して溶接条件を決定することができる。これにより、加工後の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となる。また、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。
【００２８】
上述したように、Ｓ４の溶接品質の良否判断では、加工後に金型１の表面となる箇所に軟化層が出現していない場合に良品と判断される。すなわち、図７に示す加工境界線３に沿って、Ｓ３において予想された軟化層の発生の有無が特定される。例えば、図７ｄ列５行の領域に軟化層の発生が認められた場合、Ｓ５において５行目全体の溶接条件が変更される。なお、溶接機の制御精度が向上すれば、予測された軟化層の発生領域に限定して溶接条件を変更することも可能である。
【００２９】
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】
【００３０】
１  金型
２  損傷部
３  加工境界線
４  除去領域
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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【図６】
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【図７】
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