(57)【要約】【課題】単結晶または一方向凝固材料の母材を溶接した際に、母材の結晶方位と同じ結晶方位を持ち、かつ、母材と同じ一方向に凝固した結晶で形成される領域を広げる。【解決手段】母材４０に溶融深さが異なるように溶融凝固処理を複数回施して溶接する際に、１回目の溶融凝固処理で形成された第１の溶融層４７の側部から凝固して母材４０と同じ結晶方位を持つ側部凝固組織４３および熱源の走査方向に凝固して母材４０と同じ結晶方位を持つ走査方向凝固組織４４が形成されている場合に、この第１の溶融層４７よりも浅く、かつ、側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４を含む領域を溶融させた第２の溶融層４８を形成し、この第２の溶融層４８を凝固させてこの第２の溶融層４８の底部から凝固して母材と同じ結晶方位を持つ底部凝固組織４２を積層させる２回目の溶融凝固処理を施す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶および一方向凝固材料のいずれかの母材に熱源を走査して溶融層を形成しこの溶融層を凝固させる溶融凝固処理を溶融深さが異なるように複数回施してこの母材を溶接する溶接方法において、
前回の溶融凝固処理で形成された第１の溶融層の側部から凝固して前記母材と同じ結晶方位を持つ側部凝固組織および前記熱源の走査方向に凝固して前記母材と同じ結晶方位を持つ走査方向凝固組織が形成されている場合に、この第１の溶融層よりも浅く、かつ、この側部凝固組織およびこの走査方向凝固組織を含む領域を溶融させた第２の溶融層を形成し、この第２の溶融層を凝固させてこの第２の溶融層の底部から凝固して前記母材と同じ結晶方位を持つ底部凝固組織を積層させる溶融凝固処理を施す底部凝固組織積層工程、
を有することを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
前記底部凝固組織積層工程は、前記熱源を前記母材の表面方向に間隔を置いて２回以上走査して前記母材の表面方向に重なり合う前記第２の溶融層を形成することを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
【請求項３】
前記第２の溶融層の前記母材の表面方向の幅は、前記第１の溶融処理の溶融層に比べて大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の溶接方法。
【請求項４】
前記溶融凝固処理の少なくとも１回は、前記溶融層に溶化材を供給して肉盛溶接層を形成するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項５】
前記底部凝固組織が溶接前の前記母材の表面の位置に形成されるまで前記底部凝固組織積層工程を繰り返し、前記肉盛溶接層のうち溶接前の前記母材の表面から突出した部分を削り取る工程を有することを特徴とする請求項４に記載の溶接方法。
【請求項６】
前記底部凝固組織が前記母材の表面の位置に形成されるまで前記底部凝固組織積層工程を繰り返すことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の溶接方法。
【請求項７】
前記母材の表面に前記底部凝固組織が形成された後、さらに、前記溶融層に溶化材を供給して肉盛溶接層を形成する前記溶融凝固処理を施す肉盛溶接工程と、この肉盛溶接工程の後に前記底部凝固組織積層工程と、を行うことを特徴とする請求項６に記載の溶接方法。
【請求項８】
単結晶および一方向凝固材料のいずれかの母材に熱源を走査して溶融層を形成しこの溶融層を凝固させる溶融凝固処理を施してこの母材を溶接する溶接方法において、
溶化材を供給しながら前記母材に熱源を走査してこの母材の表面との界面での接線とこの母材の表面との間の角度が４５度以下となる溶融層を形成し、この溶融層を凝固させる工程、
を有することを特徴とする溶接方法。
【請求項９】
単結晶および一方向凝固材料のいずれかの母材に熱源を走査して溶融層を形成しこの溶融層を凝固させる溶融凝固処理を施してこの母材を溶接する溶接方法において、
テーパー角度が４５度未満のテーパー面を持つ除去部を前記母材の表面から除去する除去工程と、
前記除去工程の後に、前記除去部に溶化材を供給しながら前記母材に熱源を走査してこの母材の表面に溶融層を形成し、この溶融層を凝固させる工程、
を有することを特徴とする溶接方法。
【請求項１０】
前記熱源はレーザであって、前記レーザの出力をＰ（ｋＷ）とすると、前記熱源の走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓ）は、Ｖ＜１１．２５−１２．５×Ｐを満たすことを特徴とする請求項１ないし請求項９に記載の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶および一方向凝固材料のいずれかの母材の溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンやジェットエンジンの翼には大きな遠心力と、より高温での運転に耐えるために、単結晶材や一方向凝固材を用いた翼が使用されるようになってきている。このような単結晶翼や一方向凝固翼は、従来型の翼に比べて耐久性は優れているものの、長時間使用すれば開口き裂や減肉などの損傷を避けることは困難である。このため、補修を行うことが必要となってくる。しかし、従来用いられていた補修方法であるロウ付けや溶接では、補修部の結晶が翼材と同じ方向凝固結晶とはならずに多結晶化して、強度低下を生じる。
【０００３】
たとえば特許文献１には、単結晶の母材の溶融溶接を行った際に、母材と同じ結晶方位を有する溶融溶接層を形成する方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−１５２９１８号公報
【非特許文献１】西本、他３名、「表面溶融部の結晶成長に関する理論的検討  −ＬＤレーザによる結晶制御クラッディング第２報−」、溶接学会全国大会講演概要集第７５集、ｐ．４６−４７、２００４年９月
【非特許文献２】坂本、片山、「Ｎｉ基超合金の溶融溶接性（第３報）−多結晶化に及ぼす母材結晶面と方位の影響−」、溶接学会講演概要集第７３集、ｐ．１００−１０１、２００３年１０月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された方法による溶融溶接では、非特許文献１および非特許文献２に示されているように、凝固方向が異なった結晶が形成される。たとえば、単結晶材の表面に熱源を走査させて溶融、凝固させた場合、溶融部底部から母材の結晶方位と同じ方向に凝固した領域と溶融部側面から凝固した領域と熱源の走査方向に凝固した領域が溶融層に混在する。いずれの領域も母材の結晶方位と同じ結晶方位を有しているが、凝固の方向が異なる結晶であり、母材の凝固形態と異なるものである。
【０００５】
そこで、本発明は、単結晶または一方向凝固材料の母材を溶接した際に、母材の結晶方位と同じ結晶方位を持ち、かつ、母材と同じ一方向に凝固した結晶で形成される領域を広げることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題を解決するため、本発明は、単結晶および一方向凝固材料のいずれかの母材に熱源を走査して溶融層を形成しこの溶融層を凝固させる溶融凝固処理を溶融深さが異なるように複数回施してこの母材を溶接する溶接方法において、前回の溶融凝固処理で形成された第１の溶融層の側部から凝固して前記母材と同じ結晶方位を持つ側部凝固組織および前記熱源の走査方向に凝固して前記母材と同じ結晶方位を持つ走査方向凝固組織が形成されている場合に、この第１の溶融層よりも浅く、かつ、この側部凝固組織およびこの走査方向凝固組織を含む領域を溶融させた第２の溶融層を形成し、この第２の溶融層を凝固させてこの第２の溶融層の底部から凝固して前記母材と同じ結晶方位を持つ底部凝固組織を積層させる溶融凝固処理を施す底部凝固組織積層工程、を有することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明は、単結晶および一方向凝固材料のいずれかの母材に熱源を走査して溶融層を形成しこの溶融層を凝固させる溶融凝固処理を施してこの母材を溶接する溶接方法において、溶化材を供給しながら前記母材に熱源を走査してこの母材の表面との界面での接線とこの母材の表面との間の角度が４５度以下となる溶融層を形成し、この溶融層を凝固させる工程、を有することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、単結晶および一方向凝固材料のいずれかの母材に熱源を走査して溶融層を形成しこの溶融層を凝固させる溶融凝固処理を施してこの母材を溶接する溶接方法において、テーパー角度が４５度未満のテーパー面を持つ除去部を前記母材の表面から除去する除去工程と、前記除去工程の後に、前記除去部に溶化材を供給しながら前記母材に熱源を走査してこの母材の表面に溶融層を形成し、この溶融層を凝固させる工程、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、単結晶または一方向凝固材料の母材を溶接した際に、母材の結晶方位と同じ結晶方位を持ち、かつ、母材と同じ一方向に凝固した結晶で形成される領域を広げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係る溶接方法の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１１】
［第１の実施の形態］
図３は、単結晶材の溶融凝固組織の例を示す一部断面斜視図である。
【００１２】
単結晶の母材４０の表面に、図３に矢印４１で示す方向に熱源を走査して溶融層４６を形成し、凝固させると、溶融層４６に対応する領域には、溶融部底部から母材４０の結晶方位と同じ方向に凝固した底部凝固組織４２と、溶融部側面から凝固した側部凝固組織４３と、熱源の走査方向４１に凝固した走査方向凝固組織４４が形成される。底部凝固組織４２、側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４は、いずれも母材４０の結晶方位と同じ結晶方位を持つ。しかし、側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４は、母材４０と凝固の方向が異なり、凝固形態が異なる結晶である。
【００１３】
本実施の形態の溶接方法は、母材と同じ結晶方位を持ち、かつ、母材と同じ方向に凝固した結晶で形成される補修溶接層の領域を広げる方法である。また、最終的には、補修溶接層の全ての領域を、母材と同じ結晶方位を持ち、かつ、母材と同じ方向に凝固した結晶とする。
【００１４】
図２は、本発明に係る溶接方法の第１の実施の形態におけるフローチャートである。
【００１５】
本実施の形態の溶接方法は、単結晶および一方向凝固材料のいずれかの母材４０に熱源を走査して、溶融層４６を形成し、この溶融層４６を凝固させる溶融凝固処理を溶融深さが異なるように複数回施して、母材４０を溶接する方法である。まず、１回目の溶融凝固処理として、母材４０に熱源を走査して、母材４０の表面に溶融層４６を形成し、この溶融層４６を凝固させる（工程Ｓ１）。
【００１６】
次に、２回目の溶融凝固処理として、母材４０に熱源を走査して、母材４０の表面に再び溶融層４６を形成し、この溶融層４６を凝固させる（工程Ｓ２）。工程Ｓ２で形成する溶融層４６は、前回の溶融工程で形成された溶融層４６よりも浅く、かつ、前回の溶融工程で形成された側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４を含む領域を溶融させたものとする。さらに、側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４が残存しているか否かを判定し（工程Ｓ３）、残存している場合には、再び２回目の溶融凝固処理と同様の処理を施してもよい。母材４０の溶融に用いる熱源としては、レーザやプラズマ、アークなどを用いることができる。
【００１７】
図１は、本実施の形態における凝固組織の変化を示す母材の断面図であって、（ａ）は１回目の溶融凝固処理後、（ｂ）は２回目の溶融凝固処理後、（ｃ）は３回目の溶融凝固処理後の状態を示すものである。
【００１８】
１回目の溶融凝固処理では、母材４０の表面に第１の溶融層４７を形成し、この第１の溶融層４７を凝固させる。第１の溶融層４７が形成されていた領域に凝固によって生じる凝固組織は、底部凝固組織４２、側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４からなる。
【００１９】
２回目の溶融凝固処理では、第２の溶融層４８を形成する。この第２の溶融層４８は、第１の溶融層４７よりも浅く、かつ、第１溶融工程で形成された側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４を含む領域を溶融させたものとする。このような第２の溶融層４８は、たとえば熱源の出力を１回目の溶融凝固処理よりも小さくしたり、熱源の走査速度を１回目の溶融凝固処理より速めることにより形成することができる。
【００２０】
第２の溶融層４８を形成した後に、この第２の溶融層４８を凝固させる。これにより、１回目の溶融凝固処理と同様に、第２の溶融層４８が形成されていた領域に、底部凝固組織４２、側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４が形成される。このようにして、母材４０と同じ結晶方位を持ち、第１の溶融層４７の底部から一方向に凝固した結晶が、第１の溶融層４７の底部から連続して積層される。つまり、母材４０と同じ結晶方位を持ち、かつ、母材と同じ方向に凝固した結晶で形成される補修溶接層の領域を広げることができる。
【００２１】
２回目の溶融処理で側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４が残存しているか否かを判定し（工程Ｓ３）、ここでは図１（ｂ）に示す通り残存しているため、再度２回目の溶融凝固処理と同様の処理を施す（工程Ｓ２）。前回の溶融層とは第２の溶融層４８のことであるから、第１の溶融層４７よりも浅く、かつ、２回目の溶融処理で形成された側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４を含む領域を溶融させた第３の溶融層４９を形成し、この第３の溶融層４９を凝固させる。
【００２２】
第３の溶融層４９が十分に浅い場合には、第３の溶融層４９が形成された領域には、底部凝固組織４２のみが形成される。このように、側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４が残存しなくなった場合には、溶接処理を終了する。第３の溶融層４９がある程度深く、底部凝固組織４２以外の凝固組織も形成された場合には、再度２回目の溶融凝固処理と同様の処理を施す（工程Ｓ２）。
【００２３】
このようにして、最終的には、母材４０の表面まで、母材４０と同一の結晶方位を持ち、第１の溶融層４７の底部から一方向に凝固した結晶を積層することができる。つまり、補修溶接層の全ての領域を、母材と同じ結晶方位を持ち、かつ、母材と同じ方向に凝固した結晶とすることができる。
【００２４】
溶融層４７，４８，４９を形成するために、熱源を母材４０の表面方向に間隔を置いて２回以上走査してもよい。この際、前回の熱源の走査によって形成された溶融層４７，４８，４９と重なり合う溶融層４７，４８，４９を形成するような位置に熱源を走査することにより、より広い領域に溶接処理を施すことができる。
【００２５】
また、たとえば第１の溶融層４７に対して、第２の溶融層４８の母材４０の表面方向の幅を大きくしておくと、第１の溶融層４７が凝固して形成された側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４の全体が再び溶融される。このため、前回の溶融凝固処理によって形成された側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４が残存しないようにできる。
【００２６】
［第２の実施の形態］
本発明に係る溶接方法の第２の実施の形態では、溶融凝固処理の際に、溶融部に溶化材を供給しながら熱源を走査し、肉盛溶接を行う。また、最後に表面仕上げ加工を行う。
【００２７】
図４は、本実施の形態における凝固組織の変化を示す母材の断面図であって、（ａ）は１回目の肉盛溶接後、（ｂ）は２回目の肉盛溶接後、（ｃ）は仕上げ加工後の状態を示すものである。図５は、本実施の形態におけるフローチャートである。
【００２８】
１回目の肉盛溶接では、溶融部に溶化材を供給しながら母材４０に熱源を走査して、この母材４０の表面に第１の肉盛溶接層５１を形成し、この第１の肉盛溶接層５１を凝固させる（工程Ｓ１１）。第１の肉盛溶接層５１が形成された領域には、凝固によって、底部凝固組織４２、側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４が形成される。この肉盛溶接に際しては、底部凝固組織４２の厚さＨ１が肉盛溶接層５１の余盛高さＨ２よりも大きくなるように溶化材の供給量を調節する。
【００２９】
次に、２回目の肉盛溶接で、母材４０に熱源を走査して第２の肉盛溶接層５２を形成する（工程Ｓ２１）。この第２の肉盛溶接層５２は、第１の肉盛溶接層５１よりも浅く、かつ、１回目の溶融処理で形成された側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４を含む領域を溶融させたものとする。１回目の溶接処理は、底部凝固組織４２の厚さＨ１が肉盛溶接層５１の余盛高さＨ２よりも大きくなるものであるから、１回目の溶融凝固処理と同じ条件で肉盛溶接することによって、このような２回目の溶融凝固処理を施すことができる。
【００３０】
次に、溶接前の母材４０の表面に側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４が残存しているか否かを判定する（工程Ｓ３１）。ここでは、２回の肉盛溶接によって底部凝固組織４２が溶接前の母材４０の表面まで形成されているため、溶融凝固処理を終了し、表面仕上げ加工（工程Ｓ４）を行う。この表面仕上げ加工によって、溶接前の母材４０の表面の上に形成された肉盛溶接層５１，５２の部分を削り取って、母材４０の表面を平坦にする。
【００３１】
図６は、底部凝固組織の厚さが肉盛溶接層の余盛高さよりも小さい肉盛溶接を２回繰り返した場合の凝固組織の変化の例を示す母材の断面図であって、（ａ）は１回目の肉盛溶接後、（ｂ）は２回目の肉盛溶接後の状態を示すものである。
【００３２】
図６に示すように、底部凝固組織４２の厚さが肉盛溶接層５３の余盛高さよりも小さい肉盛溶接を２回繰り返した場合には、底部凝固組織４２が連続しない２以上の領域に形成され、底部凝固組織４２を連続して積層していくことができない。一方、図４に示すように、底部凝固組織４２の厚さが肉盛溶接層５１，５２の余盛高さよりも小さい肉盛溶接を繰り返すことによって、底部凝固組織４２を連続して積層していくことができる。
【００３３】
また、単結晶材に溶化材を加えながらレーザ溶接を行うと、溶接割れが発生することがある。
【００３４】
図７は、溶接割れがある場合とない場合のレーザ出力と溶接速度の関係を示すグラフである。
【００３５】
レーザ出力をＰ（ｋＷ）、溶接速度、すなわち、熱源の走査速度をＶ（ｍｍ／ｓ）とすると、図７より、Ｖ＜１１．２５−１２．５×Ｐの条件を満たすときに溶接割れが生じないことがわかる。そこで、この条件を満たすようにレーザ出力と溶接速度を制御することにより、単結晶材および一方向凝固材料の溶接を行う際に溶接割れの発生を抑制することができる。たとえば、レーザ出力を３００〜６００Ｗ、レーザビームの直径をφ１．５〜３．０ｍｍとし、溶接部の参加を防止するためにＡｒガスを溶接部に吹き付けながら溶接すればよい。
【００３６】
このようにして、肉盛溶接を用いても、補修溶接層の全ての領域を、母材と同じ結晶方位を持ち、かつ、母材と同じ方向に凝固した結晶とすることができる。また、レーザ出力と溶接速度を適切に制御することにより、溶接割れの発生を抑制することができる。
【００３７】
［第３の実施の形態］
図８は、本発明に係る溶接方法の第３の実施の形態における凝固組織の変化を示す母材の断面図であって、（ａ）は２回目の肉盛溶接後、（ｂ）は３回目の溶融凝固処理後、（ｃ）は４回目の溶融凝固処理後、（ｄ）は５回目の溶融行幸処理後の状態を示す。
【００３８】
本実施の形態では、まず、第２の実施の形態と同様に、母材４０に熱源を走査して、この母材４０の表面に第１の肉盛溶接層５１を形成し、この第１の肉盛溶接層５１を凝固させる（工程Ｓ１１）。次に、２回目の肉盛溶接で、母材４０に熱源を走査して第２の肉盛溶接層５２を形成する（工程Ｓ２１）。この第２の肉盛溶接層５２は、第１の肉盛溶接層５１よりも浅く、かつ、１回目の溶融凝固処理で形成された側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４を含む領域を溶融させたものとする。ここでは、２回の肉盛溶接によって底部凝固組織４２が溶接前の母材４０の表面まで形成されていて、母材４０の断面は、図８（ａ）に示す状態となっている。
【００３９】
その後、本実施の形態では、第２の実施の形態と異なり、母材４０の表面仕上げ処理を行わずに、溶接前の母材４０の表面の上に形成された肉盛溶接層５１，５２の部分に対して、第１の実施の形態と同様の処理を施す。つまり、３回目の溶融凝固処理として、母材４０に熱源を走査して、肉盛溶接後の母材４０の表面に第１の溶融層４７を形成し、この第１の溶融層４７を凝固させる。この際、第１の溶融層４７は、前回の溶融凝固処理である２回目の肉盛溶接の際に生じた第２の肉盛溶接層５２よりも浅く、かつ、２回目の肉盛溶接で形成された側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４を含む領域を溶融させたものとする。
【００４０】
次に、肉盛溶接後の母材４０の表面に側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４が残存しているか否かを判定する（工程Ｓ３１）。ここでは、母材４０の断面は、図８（ｂ）に示す状態となっているため、さらに３回目の溶融凝固処理と同様の処理を複数回施し（工程Ｓ２）、図８（ｃ）、図８（ｄ）に示す状態にする。図８（ｄ）に示す状態となったところで、肉盛溶接後の母材４０の表面に側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４が残存しなくなっているため、そこで溶融凝固処理を終了する。
【００４１】
このようにして、肉盛った溶接金属の全体を、母材と同じ結晶方位を持ち、かつ、溶融底部から一方向に凝固した結晶、すなわち、底部凝固組織４２とすることができる。
【００４２】
［第４の実施の形態］
本発明に係る溶接方法の第４の実施の形態は、第３の実施の形態の溶接方法を施した後に、さらに肉盛溶接を施す方法である。
【００４３】
図９は、本実施の形態における３回目の肉盛溶接後の状態を示す母材の断面図である。
【００４４】
本実施の形態では、第３の実施の形態の溶接方法を施した後に、さらに、溶融部に溶化材を供給しながら、母材４０に熱源を走査して、この母材４０の表面に第３の肉盛溶接層５３を形成する。この際、この第３の肉盛溶接層５３は、第１の溶融層４７よりも浅くなるようにする。
【００４５】
その後、肉盛溶接層の厚さを必要な厚さになるまで、さらに肉盛溶接を施し、第３の実施形態の溶接方法を施すことにより、必要な厚さまで肉盛った溶接金属の全体を、母材と同じ結晶方位を持ち、かつ、溶融底部から一方向に凝固した結晶、すなわち、底部凝固組織４２とすることができる。
【００４６】
また、底部凝固組織４２が必要な厚さになったところで、残存する側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４を削り取る表面仕上げ処理を施してもよい。
【００４７】
［第５の実施の形態］
図１０は、肉盛溶接を行った際の凝固組織の配置の例を示す断面図である。
【００４８】
上述の通り、母材４０に熱源を走査して、この母材４０の表面に溶融層を形成し、その溶融層を凝固させると、底部凝固組織４２、側部凝固組織４３および走査方向凝固組織４４が形成される。
【００４９】
図１１は、底部凝固組織と側部凝固組織の界面における接線方向の測定結果を示すグラフである。
【００５０】
この図は、様々な条件で母材４０を溶融させた場合の、底部凝固組織４２と側部凝固組織４３との界面における接線の母材４０の表面との角度θを、入熱量に対する溶接速度の比に対してプロットしたものである。図８より、溶接時の入熱が変化しても、溶融界面の接線角度θは４５度以下であることがわかる。
【００５１】
図１２は、本発明に係る第５の実施の形態における肉盛溶接後の状態を示す母材の断面図である。図１３および図１４は、レーザの照射形状の例を示す母材の上面図である。
【００５２】
本実施の形態では、図１２に示すように母材４０との界面における接線６０の方向と母材との間の角度θが４５度未満となるように溶融層４５を形成し、この溶融層４５を凝固させる。このとき生じる凝固組織は、底部凝固組織４２および走査方向凝固組織４４であり、側部凝固組織４３は形成されない。このように、本実施の形態の溶接方法を用いると、単結晶または一方向凝固材料の母材を溶接した際に、母材の結晶方位と同じ結晶方位を持ち、かつ、母材と同じ一方向に凝固した結晶で形成される領域を広げることができる。
【００５３】
溶融部界面の接線角度を小さくし、溶け込みが浅い溶接を行う方法としては、レーザを熱源として用いる場合には、熱源走査速度を速くするか、レーザ出力を小さくすればよい。円形ビームを照射する場合には、ビーム直径を大きくしてもよい。レーザビーム形状を、図１３に示すような楕円ビーム２１としたり、図１４に示す線状ビーム２２として、図１３および図１４に矢印４１で示す方向に走査してもよい。また、レーザのエネルギー強度分布をカライドスコープなどによって均一化したビームを用いることも効果的である。
【００５４】
図１５は、本実施の形態における溶融層を重ねて形成する場合の母材の断面図である。図１６は、溶融層を重ねて形成した場合の母材の断面図の例である。
【００５５】
溶融層４５を重ねて形成する場合であっても、溶融界面の接線角度θが４５度未満の場合には、図１５に示すように、溶融層４５を凝固させて生じる凝固組織は、底部凝固組織４２および走査方向凝固組織４４であり、側部凝固組織４３は形成されない。一方、溶融界面の接線角度θ１が４５度以上の場合には、図１６に示すように、溶融層５０を凝固させて生じる凝固組織には、側部凝固組織４３が形成される。
【００５６】
したがって、溶融層を重ねて形成する場合であっても、単結晶または一方向凝固材料の母材を溶接した際に、母材の結晶方位と同じ結晶方位を持ち、かつ、母材と同じ一方向に凝固した結晶で形成される領域を広げることができる。
【００５７】
［第６の実施の形態］
図１７は、本発明に係る溶接方法の第６の実施の形態における母材の断面図である。図１８は、欠陥部分を除去した母材に肉盛溶接を施した場合の例を示す断面図である。
【００５８】
翼などの被溶接体にき裂などの欠陥が発生した際に、欠陥部分を除去して、その除去部に肉盛溶接を施して補修する場合がある。本実施の形態は、このような場合に対応したもので、溶接処理の前に、まず母材４０の欠陥部などを除去し、この欠陥除去部２３に肉盛溶接層５４を形成し、凝固させる。
【００５９】
上述の通り、溶融界面の接線角度θが４５度未満の場合には、溶融層を凝固させて生じる凝固組織は、底部凝固組織４２および走査方向凝固組織４４であり、側部凝固組織４３は形成されない。そこで、本実施の形態では、欠陥除去部２３に、テーパー角度θ２が４５度未満となるようなテーパー面２４を設けている。このようなテーパー面２４を設けることにより、欠陥除去部２３の端部では、溶融部界面の接線角度を４５度未満に制御することが可能となり、底部凝固組織４２を積層することができる。
【００６０】
一方、テーパー角度θ３が４５度以上となるようなテーパー面２４を設けた除去部２３に肉盛溶接層５４を形成した場合には、溶融部界面の接線角度を４５度未満に制御することができず、肉盛溶接層５４の側部に側部凝固組織４３が形成される。
【００６１】
このように、単結晶または一方向凝固材料の母材から、テーパー角度が４５度未満のテーパー面を持つように欠陥などを除去すると、その除去部を溶接した際に、母材の結晶方位と同じ結晶方位を持ち、かつ、母材と同じ一方向に凝固した結晶で形成される領域を広げることができる。
【００６２】
［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。たとえば上述の各実施の形態は、単結晶の母材の溶接について説明したが、一方向凝固材料でも同様である。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係る溶接方法の第１の実施の形態における凝固組織の変化を示す母材の断面図であって、（ａ）は１回目の溶融凝固処理後、（ｂ）は２回目の溶融凝固処理後、（ｃ）は３回目の溶融凝固処理後の状態を示すものである。
【図２】本発明に係る溶接方法の第１の実施の形態におけるフローチャートである。
【図３】単結晶材の溶融凝固組織の例を示す一部断面斜視図である。
【図４】本発明に係る溶接方法の第２の実施の形態における凝固組織の変化を示す母材の断面図であって、（ａ）は１回目の肉盛溶接後、（ｂ）は２回目の肉盛溶接後、（ｃ）は仕上げ加工後の状態を示すものである。
【図５】本発明に係る溶接方法の第２の実施の形態におけるフローチャートである。
【図６】底部凝固組織の厚さが肉盛溶接層の余盛高さよりも小さい肉盛溶接を２回繰り返した場合の凝固組織の変化の例を示す母材の断面図であって、（ａ）は１回目の肉盛溶接後、（ｂ）は２回目の肉盛溶接後の状態を示すものである。
【図７】溶接割れがある場合とない場合のレーザ出力と溶接速度の関係を示すグラフである。
【図８】本発明に係る溶接方法の第３の実施の形態における凝固組織の変化を示す母材の断面図であって、（ａ）は２回目の肉盛溶接後、（ｂ）は３回目の溶融凝固処理後、（ｃ）は４回目の溶融凝固処理後、（ｄ）は３回目の溶融行幸処理後の状態を示す。
【図９】本発明に係る溶接方法の第４の実施の形態における３回目の肉盛溶接後の状態を示す母材の断面図である。
【図１０】肉盛溶接を行った際の凝固組織の配置の例を示す断面図である。
【図１１】底部凝固組織と側部凝固組織の界面における接線方向の測定結果を示すグラフである。
【図１２】本発明に係る第５の実施の形態における肉盛溶接後の状態を示す母材の断面図である。
【図１３】レーザの照射形状の例を示す母材の上面図である。
【図１４】レーザの照射形状の例を示す母材の上面図である。
【図１５】本発明に係る第５の実施の形態における溶融層を重ねて形成する場合の母材の断面図である。
【図１６】溶融層を重ねて形成した場合の母材の断面図の例である。
【図１７】本発明に係る溶接方法の第６の実施の形態における母材の断面図である。
【図１８】欠陥部分を除去した母材に肉盛溶接を施した場合の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
２１…楕円ビーム、２２…線状ビーム、２３…欠陥除去部、２４…テーパー面、４０…母材、４１…熱源の走査方向、４２…底部凝固組織、４３…側部凝固組織、４４…走査方向凝固組織、４５，４６，４７，４８，４９，５０…溶融層、５１，５２，５３，５４…肉盛溶接層、６０…接線
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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