(57)【要約】【課題】バインダ剤が混合された金属粉末を溶加材とした場合であっても、スパッタを発生させず、且つ、バインダ剤を炭化させずにレーザで肉盛溶接するレーザ肉盛方法を提供することを目的とする。【解決手段】レーザ肉盛方法は、金属粉末を主とし、且つ、有機バインダ剤を含む溶加材１を被肉盛溶接部材２に塗布する工程と、塗布した溶加材１に、第１レーザを第１出力Ｐｆで照射する工程と、第１レーザを照射した後の溶加材１に、所定の距離間隔をあけて第１レーザに追随して移動する第２レーザを第２出力Ｐａで照射する工程とを備え、金属粉末の融点をＴｍ、有機バインダ剤の分解温度をＴｂとした場合に、第１出力と第２出力との関係が、０．８×（Ｔｂ／Ｔｍ）×Ｐａ≦Ｐｆ＜（Ｔｂ／Ｔｍ）×Ｐａを満たす。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粉末を主とし、且つ、有機バインダ剤を含む溶加材を被肉盛溶接部材に塗布する工程と、
前記塗布した溶加材に、第１レーザを第１出力Ｐｆで照射する工程と、
前記第１レーザを照射した後の溶加材に、所定の距離間隔をあけて前記第１レーザに追随して移動する第２レーザを第２出力Ｐａで照射する工程と、
を備え、
前記金属粉末の融点をＴｍ、前記有機バインダ剤の分解温度をＴｂとした場合に、前記第１出力と前記第２出力との関係が、０．８×（Ｔｂ／Ｔｍ）×Ｐａ≦Ｐｆ＜（Ｔｂ／Ｔｍ）×Ｐａを満たすレーザ肉盛方法。
【請求項２】
前記第１レーザの照射面積Ａｆと前記第２レーザの照射面積Ａａとの関係が、０．８×（Ｔｂ／Ｔｍ）×Ａａ≦Ａｆ＜（Ｔｂ×Ｔｍ）×Ａａを満たす請求項１に記載のレーザ肉盛方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ肉盛方法、特にレーザを用いた粉体肉盛方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
陸用ボイラの火炉壁パネルなどを肉盛溶接する場合、従来、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接、レーザ溶接などの方法が適用される。しかしながら、ＭＩＧ溶接を適用した場合、肉盛層が２〜４ｍｍと厚くなる傾向があり、溶加材の無駄が多くなる。また、ＴＩＧ溶接を適用した場合、肉盛層の厚さを１〜２ｍｍと薄くできる可能性があるものの、溶接速度が遅いため時間を要する。一方、レーザ溶接を適用した場合、肉盛層の厚さは１ｍｍ程度とすることができる。特許文献１乃至特許文献３に、レーザを用いた溶接方法が開示されている。
【０００３】
レーザ溶接には、被肉盛溶接部材に粉末材料（溶加材）を供給し、該粉末材料をレーザにて溶融させて肉盛溶接する粉末供給式や、ワイヤ（溶加材）を供給し、該ワイヤをレーザにて溶融させて肉盛溶接するワイヤ供給方式などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−８５９７１号公報（請求項１）
【特許文献２】特開２００２−３３２５０４号公報（解決手段）
【特許文献３】特許第４５０５１９７号公報（請求項１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
レーザ溶接で一般的に適用される粉末供給式では、供給された粉末材料のすべてが溶接に寄与できるわけではなく、一部の粉末材料が飛散する又は溶融されずに残留する。そのため、粉末材料の歩留まりが５０％程度と低くなる。また、図２に示す火炉壁パネルのような複雑形状の部材３の表面全体に肉盛溶接する場合、傾斜した面（例えば、領域Ａ）に供給された粉末材料が重力方向に移動してしまい、傾斜した面に肉盛層が形成されにくいという問題がある。そのため、図３に示すように火炉壁パネル（部材３）を傾斜させて被肉盛溶接面を略水平にすることが必要となるが、それに伴い設備投資も大きくなる。
【０００６】
ワイヤ供給式では、ビード幅が５ｍｍ程度と小さくなる。ＭＩＧ溶接でのビード幅は８ｍｍ程度以上であり、ワイヤ供給式のレーザ溶接では、ＭＩＧ溶接よりも溶接ビード数が増えるため、溶接時間も長くなる。
【０００７】
レーザ溶接では、金属粉末に増粘剤などのバインダ剤を混合させた溶加材を、被肉盛溶接部材に塗布して定着させた後に、レーザで溶融させる方法がある。該方法では、レーザ溶融の際に、金属粉末が溶融できる温度まで急激に加熱するため、バインダ剤が急激に分解される。これによってスパッタが発生する、又は、バインダ剤が炭化されるため、肉盛層の品質を低下させるとともに、金属粉末の歩留まりも低下する。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、バインダ剤が混合された金属粉末を溶加材とした場合であっても、スパッタを発生させず、且つ、バインダ剤を炭化させずにレーザで肉盛溶接するレーザ肉盛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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、金属粉末を主とし、且つ、有機バインダ剤を含む溶加材を被肉盛溶接部材に塗布する工程と、前記塗布した溶加材に、第１レーザを第１出力Ｐｆで照射する工程と、前記第１レーザを照射した後の溶加材に、所定の距離間隔をあけて前記第１レーザに追随して移動する第２レーザを第２出力Ｐａで照射する工程と、を備え、前記金属粉末の融点をＴｍ、前記有機バインダ剤の分解温度をＴｂとした場合に、前記第１出力と前記第２出力との関係が、０．８×（Ｔｂ／Ｔｍ）×Ｐａ≦Ｐｆ＜（Ｔｂ／Ｔｍ）×Ｐａを満たすレーザ肉盛方法を提供する。
【００１０】
上記発明において、溶加材に有機バインダ剤を含ませることで、塗布された溶加材が被肉盛溶接部材から脱落するのを防止することができる。塗布された溶加材は、第１レーザを照射することにより予加熱され、その後、所定の距離間隔をあけて第１レーザの後方を追従して移動する第２レーザによって本溶接される。第１出力Ｐｆを｛０．８×（Ｔｂ／Ｔｍ）×Ｐａ｝以上とすることで、スパッタを発生させず、且つ、炭化させずに有機バインダ剤を分解して揮発させることができる。また、第１出力を｛（Ｔｂ／Ｔｍ）×Ｐａ｝以下とすることで、第１レーザを照射後から本溶接までの間に金属粉末が被肉盛溶接部材から脱落しない程度の保持力を確保することができる。そうすることによって、肉盛の品質及び溶加材の材料歩留りを向上させることが可能となる。
【００１１】
上記発明の一態様において、前記第１レーザの照射面積Ａｆと前記第２レーザの照射面積Ａａとの関係が、０．８×（Ｔｂ／Ｔｍ）×Ａａ≦Ａｆ＜（Ｔｂ×Ｔｍ）×Ａａを満たすことが好ましい。
【００１２】
上記一態様によれば、予加熱時の照射面積Ａｆを｛０．８×（Ｔｂ／Ｔｍ）×Ａａ｝以上とすることで、スパッタを発生させず、且つ、炭化させずに有機バインダ剤を分解して揮発させることができる。また、第１出力を｛（Ｔｂ／Ｔｍ）×Ａａ｝以下とすることで、第１レーザを照射後から本溶接までの間に金属粉末が被肉盛溶接部材から脱落しない程度の保持力を確保することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、溶加材には有機バインダ剤が含まれているため、被肉盛溶接部材を傾斜させなくても良い。有機バインダ剤を含む金属粉末を溶加材とした場合であっても、第１レーザを用いて所定の出力で予加熱することで、スパッタを発生させず、且つ、バインダ剤を炭化させずに肉盛溶接することができる。第２レーザを、所定の距離間隔をあけて第１レーザに追随して移動させることで、有機バインダ剤の炭化を抑え、金属粉末の被肉盛溶接部材への定着を確保した状態で本溶接することができる。これによって、肉盛層の品質を向上させるとともに、粉末の歩留まりを向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態に係るレーザ肉盛溶接を説明する概略図である。
【図２】火炉壁パネルの断面構造を示す概略図である。
【図３】図２に示す火炉壁パネルを傾斜させた図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明に係るレーザ肉盛方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態に係るレーザ肉盛溶接を説明する概略図を示す。
本実施形態に係るレーザ肉盛方法は、溶加材１を被肉盛溶接部材２に塗布する工程と、塗布した溶加材１に、第１レーザを照射する工程と、第１レーザを照射した後の溶加材１に第２レーザを照射する工程と、を備えている。
【００１６】
まず、溶加材１を被肉盛溶接部材２に塗布して定着させる。塗布方法は、スプレー塗布、はけ塗りなどとされる。塗布する溶加材１の厚さは、例えば、耐食目的で陸用ボイラの火炉壁パネルに対して施工するインコネル（登録商標）肉盛の場合、０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度とされ、適宜設定する。
【００１７】
溶加材１は、金属粉末を主とし、さらに有機バインダ剤を含む。金属粉末は、インコネル（登録商標）またはステンレスなどとされる。有機バインダ剤は、ポリビニルアルコール系樹脂やセルロース系樹脂などとされる。金属粉末と有機バインダ剤との混合比は、金属粉末及び有機バインダ剤の種類や、それらの組み合わせなどによって適宜設定される。
【００１８】
次に、塗布した溶加材１に第１レーザ及び第２レーザを順次照射する。レーザは、ＹＡＧ、半導体レーザまたはファイバーレーザなどが用いられる。レーザ走行速度は、４００ｍｍ／分〜８００ｍｍ／分とする。
詳細には、第１レーザを、第１出力Ｐｆで溶加材１に照射しながら溶加材１に沿って（Ｘ方向に）移動させる。第１レーザを所定の距離移動させた後、第２レーザの照射を開始する。第２レーザは、第２出力Ｐａで第１レーザが照射された後の溶加材１に照射される。第２レーザは、第１レーザと所定の距離間隔ｄを保持させながら、第１レーザに追随して移動させる。所定の距離間隔ｄは、５ｍｍ以上１０ｍｍ以下とされることが好ましい。
【００１９】
第１出力Ｐｆと第２出力Ｐａとの関係は、式（１）を満たすものとする。Ｔｍは金属粉末の融点、Ｔｂは有機バインダ剤の熱分解温度である。
０．８×（Ｔｂ／Ｔｍ）×Ｐａ≦Ｐｆ＜（Ｔｂ／Ｔｍ）×Ｐａ・・・（１）
【００２０】
第１レーザの照射面積Ａｆと第２レーザの照射面積Ａａとの関係は、式（２）を満たすことが好ましい。レーザの形は、円形又は矩形（スリット状）のどちらであっても良い。
０．８×（Ｔｂ／Ｔｍ）×Ａａ≦Ａｆ＜（Ｔｂ／Ｔｍ）×Ａａ・・・（２）
【００２１】
上記実施形態によれば、第１レーザを照射することで、溶加材１が予加熱され、溶加材１に含まれる有機バインダ剤が分解される。第２レーザは、所定の距離間隔をあけて第１レーザに追随して溶加材１に照射されるため、金属粉末が脱落する前に本溶接することができる。
【００２２】
上記実施形態によれば、第１レーザと第２レーザとは、所定の距離間隔をあけて同時に照射されながら、溶加材１に沿って移動する。第１出力Ｐｆと第２出力Ｐａとの関係が式（１）を満たすことで、第１レーザ照射後から第２レーザを照射するまでの間に金属粉末が被肉盛溶接部材から脱落しない程度の定着力を保持しつつ、第２レーザの照射に起因するスパッタの発生や有機バインダ剤の炭化を抑制することができる。
【００２３】
上記実施形態によれば、第１レーザの照射面積Ａｆと第２レーザの照射面積Ａａとの関係が式（２）を満たすことで、第１レーザ照射後から第２レーザを照射するまでの間に金属粉末が被肉盛溶接部材から脱落しない程度の定着力を保持しつつ、第２レーザを照射することによるスパッタの発生や有機バインダ剤の炭化を抑制することができる。これは、レーザの照射焦点をずらすことでレーザ密度を低くした状態となり、肉盛層への入熱を抑えられるためである。
【００２４】
（実施例）
金属粉末としてインコネル（登録商標）６２５（融点Ｔｍ：１２９０℃〜１３５０℃）を使用した。有機バインダ剤は、ポリビニルアルコール水溶液（ポリビニルアルコールの熱分解温度Ｔｂ：５００℃）とした。金属粉末及び有機バインダ剤を、９０：１０（重量比）で混合したスラリを溶加材とした。
【００２５】
上記で調製した溶加材を、斜め４５°に傾斜させた炭素鋼板の表面に約１ｍｍの厚さとなるようスプレー塗布した。
【００２６】
第１レーザ及び第２レーザに半導体レーザを用い、レーザ走査速度：６００ｍｍ／分、第２レーザの出力Ｐａ：５．０ｋＷとした。第１レーザと第２レーザとのレーザ照射位置の間隔は１０ｍｍとした。第１レーザの出力Ｐｆは１．０ｋＷ、１．４ｋＷ、１．５ｋＷ、１．８ｋＷ、または２．０ｋＷとした。
【００２７】
炭素鋼板の表面に塗布した溶加材に、各レーザを上記条件で順次照射してレーザ肉盛溶接を行った。結果を表１に示す。
【表１】
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【００２８】
表１によれば、第１レーザの出力を１．０ｋＷ及び１．４ｋＷとすると、第２レーザの照射後にスパッタが発生し、有機バインダ剤が炭化した。第１レーザの出力を２．０とした場合、スパッタの発生や有機バインダ剤の炭化は生じなかったが、第２レーザを照射する前に金属粉末が脱落した。一方、第１レーザの出力を１．５ｋＷ及び１．８ｋＷとすると、スパッタの発生や有機バインダ剤の炭化を生じさせず、且つ、金属粉末の炭素鋼板への定着も保持することができた。
【００２９】
表１によれば、（第１レーザの出力Ｐｆ）／（第２レーザの出力Ｐａ）が、０．２８より大きく０．４より小さかった場合、より確実には０．３以上０．３６以下とした場合にスパッタの発生や有機バインダ剤の炭化を抑制しつつ、金属粉末を保持させることができることが示された。すなわち、０．２８＜Ｐｆ／Ｐａ＜０．４とすることで、第１レーザを照射した後の溶加材に含まれる有機バインダ剤を、金属粉末の定着を保持しつつ、第２レーザで照射されてもスパッタを発生させず、且つ炭化も抑制される程度の量とすることができる。
【００３０】
第１レーザを照射した後の溶加材中の有機バインダ剤の量、及び、第２レーザを照射したときにスパッタを発生させず、且つ、炭化が問題とならない溶加材中の有機バインダ剤の量は、有機バインダの熱分解温度Ｔｂ及び金属粉末の融点Ｔｍと関連づけることができる。
金属粉末にインコネル（登録商標）６２５、有機バインダ剤にポリビニルアルコールを使用した場合、Ｔｂ／Ｔｍは０．３７〜０．３９となり、０．４を下回る。よって、表１の結果から、Ｐｆ／Ｐａの上限値はＴｂ／Ｔｍ未満と定義することができる。また、Ｔｂ／Ｔｍに０．８を乗じると、０．８×Ｔｂ／Ｔｍは０．２８８〜０．３１２となり、０．２８を上回る。よって、表１の結果から、Ｐｆ／Ｐａの下限値は０．８×Ｔｂ／Ｔｍ以上と定義することができる。
【００３１】
上記結果から、第１レーザの第１出力Ｐｆと第２レーザの第２出力Ｐａとの最適な関係を、０．８×（Ｔｂ／Ｔｍ）×Ｐａ≦Ｐｆ＜（Ｔｂ／Ｔｍ）×Ｐａと定義することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１  溶加材
２  被肉盛溶接部材
３  部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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