(57)【要約】【課題】熱電対の使用本数を低減させつつ、熱電対で測温することができる溶融領域の温度測定方法を提供することを課題とするにある。【解決手段】溶融凝固部２２となる材料を基部１にセットすると共に材料に熱電対３を延設させるセット工程と、レーザビーム等の高エネルギを材料に与えることにより材料において溶融領域２０を熱電対３の延設方向に沿って移動させることにより、熱電対３の延設方向における溶融領域２０の温度を測定する溶融測温工程とを順に実施する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融凝固部となる材料を基部にセットすると共に、前記材料に熱電対を延設させるセット工程と、
前記材料に高エネルギを与えることにより前記材料において溶融領域を形成すると共に、前記溶融領域を前記熱電対の延設方向に沿って移動させることにより、前記熱電対の延設方向における前記溶融領域の温度を測定する溶融測温工程とを順に実施することを特徴とする溶融領域の温度測定方法。
【請求項２】
請求項１において、前記高エネルギはレーザビーム、電子ビーム、高周波誘導加熱、アーク加熱のうちのいずれかであることを特徴とする溶融領域の温度測定方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記熱電対はタングステンレニウム系であることを特徴とする溶融領域の温度測定方法。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項において、前記セット工程において前記熱電対は前記材料に埋設されていることを特徴とする溶融領域の温度測定方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項において、前記セット工程において前記材料は肉盛粉末の集合体であることを特徴とする溶融領域の温度測定方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項において、前記熱電対は第１線及び第２線で形成されており、前記第１線及び前記第２線を互いに非接触状態に維持しつつ接近させる接近具が設けられていることを特徴とする溶融領域の温度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は材料の溶融領域の温度を測定する溶融領域の温度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザビームの照射により肉盛層を形成するレーザクラッド加工を例にとって従来技術について説明する。レーザクラッド加工の分野では、凝固により肉盛層となる溶融池の最高温度、冷却速度が、肉盛層の品質に大きく影響する。このため、凝固により肉盛層となる溶融池の温度を精度よく測定することは、極めて重要である。
【０００３】
そこで、このようなレーザクラッド加工の分野では、放射温度計により溶融領域の温度を測定することが行われている。
【０００４】
更に従来より、アルミニウム合金の基部に連続的に供給した粉末にレーザビームを照射することによって粉末を溶融凝固させてクラッド部を形成する際に、輝度計の受光部を粉末の溶融領域に向け、輝度に基づいて計測信号からクラッド部の品質の良否を判定するレーザクラッド加工におけるクラッド層の品質判定方法が知られている（特許文献１）。
【０００５】
また従来より、熱電対を構成する第１線の先端と第２線の先端との接合点が摩擦摺動して劣化することを防止するために、熱電対を構成する第１線の先端を回転ローラに接合すると共に、第２線の先端を別の回転ローラに接合することにより、接合部の摩擦摺動を防止した温度測定方法が知られている（特許文献２）。
【特許文献１】特開２００２−４８７１８号公報
【特許文献２】特開２００３−２４０６４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら上記したように放射温度計により溶融領域の温度を測定すると、プラズマなどの影響を受けるおそれがあり、溶融領域の温度を正確に測定するには限界があった。また、溶融領域の輝度に基づいて計測する特許文献１に係る技術の場合にも、同様に、プラズマなどの影響を受けるおそれがあり、溶融領域の温度を正確に測定するには限界があった。
【０００７】
また特許文献２は溶融領域の温度を測定するものではない。
【０００８】
ところで、溶融領域の温度を正確に測定するには、溶融領域に存在する熱電対により行うことが好ましいといえるが、この場合には、溶融領域を移動させる方向に沿って多数本の熱電対を並設する必要がある。このように熱電対の本数が増加すると、測温コストが増加する。殊に、レーザビームや電子ビーム等のように高エネルギで材料を溶融する場合には、溶融領域の温度は１０００℃以上、１５００℃以上、２０００℃以上、場合によっては２５００℃以上と高温となるおそれがある。このような高温を測定する熱電対のコストは高いものであり、熱電対の本数が増加すると、測温コストが増加する。
【０００９】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、熱電対の使用本数を低減させて測温コストを低減させつつ、熱電対で測温することができる溶融領域の温度測定方法を提供することを課題とするにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る溶融領域の温度測定方法は、溶融凝固部となる材料を基部にセットすると共に、材料に熱電対を延設させるセット工程と、材料に高エネルギを与えることにより材料において溶融領域を形成すると共に、溶融領域を熱電対の延設方向に沿って移動させることにより、熱電対の延設方向における溶融領域の温度を測定する溶融測温工程とを順に実施することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明方法によれば、材料に高エネルギを与えることにより材料において溶融領域を熱電対の延設方向に沿って移動させる。溶融領域は非溶融領域よりも導電率が低下するため、熱電対の電流は主に当該溶融領域を流れる。このため当該溶融領域の温度が熱電対により測定される。溶融領域は熱電対の延設方向に沿って移動するため、熱電対の延設方向における溶融領域の温度が測定される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明方法によれば、材料に高エネルギを与えることにより材料において溶融領域を熱電対の延設方向に沿って移動させることにより、熱電対の延設方向における溶融領域の温度を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明方法によれば、溶融凝固部となる材料を基部にセットすると共に材料に熱電対を延設させるセット工程と、材料に高エネルギを与えることにより材料において溶融領域を形成すると共に、溶融領域を熱電対の延設方向に沿って移動させることにより、熱電対の延設方向における溶融領域の温度を測定する溶融測温工程とを順に実施する。
【００１４】
高エネルギとしてはレーザビーム（例えばＣＯ2レーザビーム、ＹＡＧレーザビーム）、電子ビーム、高周波誘導加熱、アーク加熱のうちのいずれかである形態を採用することができる。
【００１５】
単位面積当たりエネルギの高い高エネルギが投入されるときには、熱電対としてはタングステン−レニウム系である形態を採用することができる。熱電対としては、これを構成する第１線及び第２線を結合したとき、第１線及び第２線の長さ方向の高温側の一端側と、長さ方向の低温側の他端側との間に温度差が生じるとき、温度差に応じて発生する熱起電力に基づいて高温側の温度を測定するものである。単位面積当たりエネルギの高い高エネルギが投入されるときには、第１線及び第２線の双方をタングステンレニウム系とすることができる。この場合、第１線及び第２線の組成を異ならせることができる。
【００１６】
また第１線及び第２線の組み合わせとしては、単位面積当たりのエネルギ投入量にもよるが、溶融領域の温度が低いときには、クロメル−アルメル、銅−コンスタンタン、鉄−コンスタンタン、白金−白金ロジウム、イリジウム−イリジウム・ロジウム合金といった組み合わせを例示することができる。
【００１７】
セット工程において材料としては肉盛粉末の集合体である形態を採用することができる。肉盛粉末としては金属粉末が好ましい。この場合、銅、銅系合金、鉄、鉄系合金、アルミニウム、アルミニウム系合金、ニッケル、ニッケル系合金、タングステン、タングステン系合金、モリブデン、モリブデン系合金、コバルト、コバルト系合金、スズ、スズ系合金等を例示することができる。基部の材質としては、アルミニウム、アルミニウム系合金、銅、銅系合金、鉄、鉄系合金、ニッケル、ニッケル系合金、タングステン、タングステン系合金、モリブデン、モリブデン系合金等を例示することができる。
【００１８】
本発明方法によれば、熱電対は第１線及び第２線で形成されており、第１線及び第２線を互いに非接触状態に維持しつつ接近させる接近具が設けられている形態を採用することができる。第１線及び第２線の離間している距離が大きいと、測温時のノイズが大きくなる。しかし熱電対を構成する第１線及び第２線を互いに非接触状態に維持しつつ接近具により接近させると、測温時のノイズが低減される。第１線及び第２線を互いに非接触状態に維持しつつ接近させるにあたり、第１線及び第２線に張力を与えることができる。
【００１９】
本発明方法によれば、熱電対は第１線及び第２線で形成されており、生成される起電力をＥ1、第１線の熱電能をＳAO、第２線の熱電能をＳBO、溶融領域の熱電能をＳCOとすると共に、熱電対の延設方向と直交する方向において、溶融領域の一方側の温度をＴ2とし、溶融領域の他方側の温度をＴ3とすると、起電力Ｅ1は式１に基づいて求められる形態、つまり式１から導出される式１０，式１１に基づいて求められる形態を採用することができる。この場合、第１線と第２線との距離Ｌが短いときには、後述するように実質的にＴ2≒Ｔ3であると推定されるため、溶融領域が第１線と第２線との間に生成されるときであっても、式１０，式１１に示すように、溶融領域の熱電能ＳCOを求めずとも、熱電対の起電力Ｅ1を求めることができる。
【００２０】
【数１】
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【実施例１】
【００２１】
以下、本発明の実施例１を図１〜図６を参照して説明する。本実施例はレーザビームによる肉盛に適用した場合である。図１は本実施例に係る溶融領域２０の温度測定方法を示す。セット工程では、溶融領域２０が凝固した溶融凝固部２２となる材料としての肉盛粉末２ｃを基部１の保持面１０に載せて肉盛粉末層２を保持面１０にセットする。この場合、肉盛粉末層２の内部に熱電対３を埋設した状態で肉盛粉末層２に熱電対３がこれの長さ方向に沿って延設されている。図１に示すように、熱電対３を構成する第１線３１及び第２線３２は、基部１の保持面１０に沿って互いに延設されている。この場合、第１線３１の長さ方向の一端と第２線３２の長さ方向の一端とは接合しているため、接合部３３が熱電対３の一端側に形成されている。
【００２２】
熱電対３を構成する第１線３１及び第２線３２は高温用のタングステン−レニウム系とされているが、第１線３１及び第２線３２ではレニウム含有量が異なる。熱電対３のうち少なくとも肉盛粉末層２の溶融領域２０の温度を測定する部分については、被覆層が設けられておらず、熱電対３の外面は裸面のまま露出している。
【００２３】
本実施例によれば、図１〜図６に示すように、基部１の保持面１０、肉盛粉末層２が直状とされているため、熱電対３も直状に延設されている。図３に示すように、熱電対３の第１線３１及び第２線３２が基部１の保持面１０に接触しないように、接近具５が基部１に設置されている。これにより熱電対３の第１線３１及び第２線３２は基部１の保持面１０に対して非接触とされている。これにより測温ノイズが抑制される。
【００２４】
溶融測温工程では、図５に示すように、高エネルギとしてのレーザビーム４（例えばＣＯ2レーザビーム、ＹＡＧレーザビーム）を肉盛粉末層２に照射し、高エネルギを肉盛粉末層２に集中的に与える。これにより肉盛粉末層２のうち、レーザビーム４が照射された部分は局部的に溶融し、溶融領域２０が肉盛層に部分的に形成される。溶融領域２０の内部の温度は短時間のうち昇温する。溶融領域２０の温度は、レーザの出力等にもよるが、短時間のうちに１０００℃以上、１５００℃以上に昇温すると考えられる。
【００２５】
レーザビーム４の走査によりレーザビーム４が溶融領域２０から離れると、溶融領域２０は冷却されて凝固するため、溶融凝固部２２が肉盛粉末層２に形成される。換言すると、本実施例によれば、図５及び図６に示すように、レーザビーム４は肉盛粉末層２の延設方向に沿って走査され、熱電対３の延設方向（矢印Ｘ１方向，接合部３３から遠ざかる方向）に沿って順に移動する。このため図５及び図６に示すように溶融領域２０はレーザビーム４の走査と共に肉盛粉末層２の延設方向（矢印Ｘ１方向）に沿って熱電対３の一端側から熱電対３の他端側に向けて順に移動する。従って、溶融凝固部２２が肉盛粉末層２において肉盛粉末層２の延設方向（矢印Ｘ１方向）に沿って移動する。レーザビーム４の走査が終了すれば、溶融凝固部２２が連続するため、肉盛粉末層２は、肉盛粉末が溶融して凝固した肉盛層６となる。
【００２６】
本実施例によれば、肉盛粉末層２にレーザビーム４を照射することにより、肉盛粉末層２において局部的に発生する溶融領域２０は、図５及び図６に示すように、熱電対３の延設方向（矢印Ｘ１方向）に沿ってレーザビーム４の移動に伴い矢印Ｘ１方向に移動する。肉盛粉末層２において、溶融領域２０は非溶融領域よりも導電率が大幅に低下するため、熱電対３の電流は主に当該溶融領域２０を流れる。このため当該溶融領域２０が接合部３０と同様な機能を奏することになり、肉盛粉末層２において局部的に生成された当該溶融領域２０の温度が測定される。
【００２７】
前述したように溶融領域２０は熱電対３の延設方向（矢印Ｘ１方向）に沿って移動するため、肉盛粉末層２において熱電対３の延設方向（矢印Ｘ１方向）に沿って溶融領域２０の温度が連続的に測定される。
【００２８】
更に図８及び図９を参照して説明を加える。図８は、溶融領域２０が生成されない一般的な温度測定の場合を示す。ここで、熱電対３で生成される起電力をＥ0、第１線３１に相当する素線Ａの熱電能ＳAO、第２線３２に相当する素線Ｂの熱電能ＳBOとすると、生成される起電力Ｅ0は基本的には式２で示される。熱電能は、熱電対３の一方の接合点の温度を一定に保ち、他の接合点の温度を１℃変化させたときにおける熱起電力の変化の割合をいう。
【００２９】
【数２】
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【００３０】
これに対して図９は、溶融領域２０が局部的に生成される温度測定の場合を示す。ここで、図９に示すように、熱電対３で生成される起電力をＥ1、第１線３１に相当する素線Ａの熱電能ＳAO、第２線３２に相当する素線Ｂの熱電能ＳBO、溶融領域２０に相当する素線Ｃの熱電能ＳCOとする。図９に示すように、熱電対３の延設方向（矢印Ｘ１方向）と直交する方向（矢印Ｙ１方向,肉盛粉末層２幅方向）において、溶融領域２０のうち第１線３１に相当する素線Ａ側の温度をＴ2とし、溶融領域２０のうち第２線３２に相当する素線Ｂ側の温度をＴ3とする。このように溶融領域２０が第１線３１と第２線３２との間に形成されるとき、生成される起電力Ｅ1は基本的には前記した式１で示される。従って、溶融領域２０に相当する素線Ｃの熱電能ＳCOを求めれば、溶融領域２０が生成されるときにおける起電力Ｅ1は求められる。
【００３１】
ここで、第１線３１である素線Ａと第２線３２である素線Ｂとの距離Ｌがかなり接近しているときには、実質的に温度Ｔ2≒温度Ｔ3であると近似的に推定される。故に、溶融領域２０の熱電能ＳCOがいかなる値であろうと、溶融領域２０の熱電能ＳCO値を求めずとも、式１における第２項（ＳCOに関する温度Ｔ3とＴ2との間の積分項）は実質的に０と推定されるため、式１を変形した式１０，式１１に基づいて、起電力Ｅ1を求めることができる。この結果、式１≒式２となり、溶融領域２０が存在しないときにおける起電力Ｅ0、溶融領域２０が存在するときにおける起電力Ｅ1については、起電力Ｅ0≒起電力Ｅ1となり、溶溶融領域２０に起因する測定ノイズは低減または解消される。
【００３２】
そこで本実施例によれば、図３に示すように、熱電対３を構成する裸線状の第１線３１及び第２線３２を互いに非接触状態に維持しつつ、第１線３１と第２線３２との距離Ｌが接近するように、接近具５により設定させている。距離Ｌは３ミリメートル以下とされており、好ましくは２ミリメートル以下、１ミリメートル以下とされている。この場合、第１線３１及び第２線３２にこれの長さ方向に沿って張力付与手段により張力が与えられている。これにより第１線３１及び第２線３２は互いに非接触状態に維持され、測温ノイズが低減または解消される。
【００３３】
なお本実施例によれば、図１〜図６に示すように、第１線３１の長さ方向の一端と第２線３２の長さ方向の一端とは接合部３３で接合されているが、これに限らず、場合によっては、図７に示すように、第１線３１の長さ方向の一端と第２線３２の長さ方向の一端とは接合部３３で接合されていなくても良い。溶融領域２０が生成されると、溶融領域２０を介して第１線３１及び第２線３２は導通するためである。
【実施例２】
【００３４】
図１０は実施例２を示す。実施例２は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。本実施例によれば、本実施例によれば、基部１の保持面１０、肉盛粉末層２が環状とされているため、熱電対３も肉盛粉末層２の内部に環状に沿って延設されている。
【実施例３】
【００３５】
図１０は実施例３を示す。実施例３は実施例１と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、異なる部分を中心として説明する。本実施例によれば、本実施例によれば、基部１の保持面１０、肉盛粉末層２がＬ字形状とされているため、熱電対３も肉盛粉末層２の内部にＬ字形状に延設されている。
【００３６】
（その他）
上記した実施例によれば、肉盛粉末層２に沿って肉盛粉末層２の内部に熱電対３が埋設されているが、これに限らず、溶融領域２０が形成され、熱電対３の第１線３１及び第２線３２とが溶融領域２０で導通する限り、肉盛粉末層２に沿って熱電対３を沿わせることにしても良い。その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更して実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は例えば肉盛層の形成に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】熱電対が溶融前の肉盛粉末層に埋設されている状態を模式的に示す斜視図である。
【図２】熱電対が埋設されている肉盛粉末層にレーザビームを照射して溶融領域を形成している状態を模式的に示す斜視図である。
【図３】熱電対を接近させつつ配置している状態を模式的に示す斜視図である。
【図４】熱電対が肉盛粉末層に埋設されている状態を模式的に示す平面図である。
【図５】熱電対が埋設されている肉盛粉末層にレーザビームが照射されている状態を模式的に示す平面図である。
【図６】熱電対が埋設されている肉盛粉末層にレーザビームが照射されている状態を模式的に示す平面図である。
【図７】熱電対が埋設されている肉盛粉末層にレーザビームが照射されている状態を模式的に示す平面図である。
【図８】熱電対の一般的な測定原理を説明する説明図である。
【図９】溶融領域が生成されているときにおいて熱電対の測定原理を説明する説明図である。
【図１０】実施例２に係り、熱電対が肉盛粉末層に埋設されている状態を模式的に示す平面図である。
【図１１】実施例３に係り、熱電対が肉盛粉末層に埋設されている状態を模式的に示す平面図である。
【符号の説明】
【００３９】
図中、１は基部、１０は保持面、２は肉盛粉末層、２０は溶融領域、２２は溶融凝固部、３は熱電対、３１は第１線、３２は第２線、４はレーザビーム（高エネルギ）、５は接近具、６は肉盛層を示す。
【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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