粉体レーザ肉盛溶接と切削加工を組み合わせた耐熱合金の高精度造形技術の研究
神奈川県立産業技術総合研究所 情報・生産技術部
部長 薩田 寿隆
（平成 29 年度 一般研究開発助成 AF-2017225）
キーワード：粉体レーザ肉盛溶接，切削加工，インコネル合金

1.はじめに粉体レーザ肉盛溶接は，入熱域を抑えることができるた

２．実験方法2・1

レーザ粉体肉盛溶接め，薄い対象物に肉盛ができる．例えば，工業用カッター

レーザはディスクレーザ（トルンプ製 Trudisk3306）の刃先への硬化層形成 1)，航空機や火力発電用ガスタービを用いた．レーザ照射条件は，出力 1.6 kW，ビーム径φンのタービンブレード等のエンジン部品補修 2）3)等に利用

4.3 mm，走査速度 0.01 m/s とした．粉末はインコネル

されている．

625 合金を用い，供給量は 16 g/min とした．粉末成分を

航空機のエンジン部品は，稼働中は 1,000℃前後の高温

表 1 に，外観写真を図 1 に示す.粒径は-44/+125 μm であ

環境下にあるため，高温酸化により損耗する．損耗した部

る．基材は SUS304 で，サイズは，100 mm×50 mm×

品は，整備時に交換・廃棄される．しかしながら，材料費

10 mm である．レーザ光の吸収率を上げるために，アルは高価なため，補修・再利用への要望は強い．航空機産業

ミナ製メディアを基材表面に投射し，表面に凹凸を形成しが盛んなヨーロッパでは，粉体レーザ肉盛溶接装置・LMD

た．これらの条件で，幅約 30 mm，長さ約 70 mm，高さによる補修の研究開発が行われ，様々なエンジン部品への約 5 mm の積層造形をおこなった．
表 1 粉末組成 (mass%)

適用が試みられている．この粉体レーザ肉盛溶接は，エンジン部品の補修における重要な基盤技術となるものと考

C

Si

Mn

Cr

Fe

Mo

Nb

Ni

えられる．しかしながら，レーザ肉盛層の表面状態は平滑

0.01

0.45

0.39

21.79

0.4

9.26

3.57

Bal.

では無いため，部品として供するには成形が必要となる．
複雑な形状のものが多いため，マシニングセンタにおける切削加工技術の開発が必要となる．
航空機エンジン部品の代表的な材料であるインコネル
合金は，高温強度が高い，加工硬化が生じやすい，工具材
料との親和性が大きい，熱伝導率が小さいといった要因のため，難削材であることが知られている．航空機産業の成長を見越し，近年，インコネル合金を対象とした切削に関する研究報告が増えている．しかし旋削加工が主体で薄肉のエンジン部品の加工で行われるミーリング加工の実用的な切削データは十分に存在していない．工具材種や切削

図 1 粉末の外観 SEM 像

工具の切れ刃形状の選択，切削条件の設定などに関して，指針となる基礎データは不足している．さらにインコネル

2・2

切削加工

625 合金は固溶強化型，718 合金は析出強化型合金であり，

上記肉盛材を 20 mm×60 mm×4 mm のブロック状にレーザ肉盛時の後続パスにより先行パス中の固溶体や析エンドミルで加工し，被削材として切削実験に供した．ま出物が熱影響を受けることが想定される．熱影響により硬た，比較のためにインコネル 625 合金の溶製材を用意し，さを始めとする材料特性が場所により異なり，被削性は場同様の形状に加工し切削試験をおこなった．

所により相違すると推定される．このような不均質材料に対する被削性に関する研究報告はなされていない．
このような背景から本研究では，インコネル 625 合金を対象とし，その肉盛層の被削性を明らかにすることを目的とする．

マシニングセンタ（牧野フライス製作所製 V33）のテー
ブルに 3 成分切削動力計（キスラー製 9257B）を設置し，その上に上述の被削材を固定した．
直径 6 mm の 4 枚刃スクエアエンドミル（三菱マテリ
アル製 VQ-MHV 6）を用いて被削材の側面切削をおこなった．切削速度を 40 m/min および 120 m/min の 2 条件

また溶融凝固境界の左側では硬さは数十 HV 上昇していとし，送り量，切込み量は一定とした．
切削液とその供給方法は次の通りとした．水溶性切削油剤としてエマルション（20 倍希釈）を選定し，約 7.5ℓ

る．インコネル 625 合金は 620～800 ℃の昇温により時効硬化することが明らかにされており 5)，後続パスの形成/min で 2 本のノズルから切削点に供給した．また比較と時の昇温により，時効硬化が生じたと推察される．

して，水道水，浸透性を高めた水道水（高浸透水），不水

3・2

溶性切削油剤を，0.5 MPa の圧縮空気とともにミスト供給①肉盛材と溶製材の比較する方法（供給量約 1 mℓ/min）も実施した．さらに，切削液を供給しないドライでも実験をおこなった．
切削後のエンドミルの刃先をマイクロスコープ（キーエンス製 VHX-600）により観察した．

切削試験

肉盛材と溶製材の切削特性について調査した．切削条件
は，切削速度：40 m/min，送り：0.03 mm/tooth，径方向
切込み：0.5 mm，軸方向切込み：3.0 mm，切削液：水溶性切削油剤，加工距離：1,800 mm とした．
図 3 に両者の切削抵抗の加工距離に対する変化を示す．

３．実験結果3・1

肉盛層の金属組織と硬さ

SUS304 上に肉盛層を形成し肉盛方向に直角に切断し，加工初期の切削抵抗値は，溶製材のほうが低いが，加工距
離とともに増加した．一方肉盛材では，加工初期の抵抗値は大きいが，加工の進展に伴い一旦減少しそこからは溶製

その面の光学顕微鏡による金属組織観察と硬さ測定をお材に比べ緩やかな増加になり最終的には溶製材の約 85％こなった．その結果をまとめて図 2 に示す．

の抵抗値であった．

図の下側に示す金属組織写真において，楕円を少し傾けた形の明るく見える領域が周期的に観察される．この明るく見える領域は，溶融凝固境界を表している．肉盛パスの形成は左から右側に向けて順番に行っているため，この明
るい領域より左側が後続の肉盛パスを堆積した際に昇温されたために生じた熱影響部である．また写真の左側の一部でデンドライト組織が見られ，溶融凝固境界を貫いて，エピタキシャルに成長していることが確認できる．
肉盛層全体を観察すると，割れや大きなポロシティは観察されず，健全な肉盛層が形成されている．
図 2 の上部には，最表面に形成した肉盛層の硬さ分布を示す．金属組織中に明示した線は硬さ測定位置を示している．この線上を 0.2 mm ピッチで硬さ測定をおこなった．
硬さは 240～300HV の範囲にあり，板材を TIG 溶接により突合溶接をおこなったものと同じ硬さの範囲にある 4）．

図 3 肉盛材と溶製材の切削抵抗の比較
図 4 に 1,800 mm 加工後の工具逃げ面の状態を示す．
いずれにおいても大きな損傷は認められない．刃先の凝着状態を比較すると，溶製材のほうがやや凝着が多く認められる．これにより溶製材の切削抵抗が大きくなったと考えられる．
本実験では，切削速度を中心として工具メーカの推奨切削条件を採用し，水溶性切削油剤を供給しながら切削試験をおこなった．この条件を用いれば，大きな問題もなくインコネル 625 合金による肉盛層の切削が可能であることを確認できた．

図 2 肉盛層の金属組織と硬さ分布

図 4 工具逃げ面の状態

②切削液供給方法が切削特性に及ぼす影響される．

上述した切削実験により，適正な切削条件を選定するこ図 6 に切削速度 40 m/min で加工をおこなった際の切削とにより，難加工材と言われているインコネル 625 合金

抵抗の変化を示す．図中のウェットは水溶性切削油剤，水の肉盛層ならびに溶製材の切削が可能であることが明ら

は水道水，オイルは不水溶性切削油剤をそれぞれ示す．

かにできた．そこで次に被削材を肉盛材に限定し，切削液容易に想定されることではあるがドライの場合は切削抵の供給方法が切削特性に及ぼす影響について調査した．

抗が最も大きく，水溶性切削油剤と高浸透水ミストは同程

切削条件は，切削速度：40,120 m/min，送り：0.03

度の切削抵抗，さらに水道水ミスト，不水溶性切削油剤ミmm/tooth，径方向切込み：0.5 mm，軸方向切込み：3.0 mm，ストの順で切削抵抗は低くなった．不水溶性切削油剤ミス

加工距離：1,800 mm とした．切削液供給方法は，先におトの切削抵抗は低く，潤滑性の効果が表れていると考えらこなった水溶性切削油剤を直接供給する方法に加え，油剤れる．またいずれの場合も加工距離の増加に伴い切削抵抗を供給しないドライおよびミストによる供給方法を採用した．その理由を以下に記す．近年レーザ粉体肉盛溶接と切削の機能を併せ持つ複合機が市販されている．レーザ粉
体肉盛による造形と切削を交互に繰り返すことにより，一台の装置で所定の形状の製品を形成することが可能となっている．造形と切削を繰り返す際，切削液がレーザ照射
面に多量に残留していると，レーザ照射による液体の気化・膨張により肉盛層にポロシティの発生が懸念される．
上記の理由よりドライ切削が望まれるが，工具寿命の低下が想定されることから，切削液量の低減が期待されるミストによる供給も評価することとした．切削液として，不図 6 切削速度 40 m/min における切削抵抗の変化

水溶性切削油剤，水道水，水道水に添加剤として界面活性剤を 1%添加して浸透性のみを向上させたもの（以降高浸が上昇する傾向を示している．

透水と記す）を採用した．これらの切削液の特性をまとめ，切削速度 120 m/min での切削抵抗の変化を図 7 に示す．

表 2 に示す．また図 5 にインコネル 625 合金による肉盛

加工距離の増加に伴い，ドライ，水道水ミスト，不水溶性層上に滴下した切削液の拡がりを示す．高浸透水は拡がり

切削油剤ミストの抵抗値は急激に増大した．特にドライとが大きく濡れ性が良い，すなわち浸透性が高いことが推定

不水溶性切削油剤ミストでは工具の損傷が顕著であった
ため，1,200 mm 時点で加工を中止した．一方，高浸透水

表 2 切削液の特性

ミストでは，水溶性切削油剤とほぼ同等の低い切削抵抗のまま 1,800 mm まで加工が可能であった．
図 8 に加工終了後の工具逃げ面の損傷状態を示す．切削速度 40 m/min では，ドライの場合に大きな欠損があった．
水道水ミストと高浸透水ミストの場合は，水溶性切削油剤
や不水溶性切削油剤ミストに比べて凝着物が多くみられた．不水溶性切削油剤ミストでは，凝着はほとんどないが，複数の小さな欠けが発生した．

図 5 切削液の濡れ性

図 7 切削速度 120 m/min における切削抵抗の変化

一方切削速度 120 m/min では，ドライ，水道水ミスト，
不水溶性切削油剤ミストの場合に，大きく欠損した．高浸
透水ミストの場合は，欠損は無く，逃げ面摩耗も水溶性切削油剤と同程度であった．
③切削液の効果の考察
はじめに，切削速度 40 m/min について考察する．この切削速度は，工具メーカの推奨条件である．ドライで工具
図 8 工具逃げ面の損傷に大きな欠損が生じたことから，インコネル 625 合金肉盛材のドライ切削は困難であることがわかった．工具刃先に凝着物がみられることから，摩耗形態は，熱的摩耗（拡４．まとめ散摩耗）と凝着摩耗のいずれの可能性も考えられる．これ

インコネル 625 合金粉末を用いレーザ粉体肉盛溶接のらの摩耗を抑制するには，切削液による冷却と潤滑が必要

肉盛層の金属組織と硬さ並びに切削特性について調べた．

である．水溶性切削油剤のウェット加工において切削抵抗得られた結果を以下に記す．

が低く工具の損傷が抑えられたのは冷却と潤滑の効果の1)所定の条件を選定することにより，割れやポロシティ等発現と考えられる．

の欠陥を発生させることなく肉盛層の形成が可能であ

一方，ミスト切削でも，一定の加工が可能であることがった．また硬さは，熱影響部で僅かな上昇が見られた．

明らかになった．すなわち水道水ミストと高浸透水ミスト

2)肉盛材と溶製材の被削性を比較したところ，切削距離がでは，凝着が生じるものの，刃先の欠けはほとんど認めら増えるにつれ，切削抵抗は溶製材のほうが高くなった．

れず，切削抵抗も水溶性切削油剤によるウェット加工には

肉盛材の切削距離に対する切削抵抗の上昇率は小さく，及ばないものの加工距離に伴う大きな上昇は見られなか比較的問題なく切削をおこなうことができた．

った．水は潤滑作用がほとんどないことから凝着を抑制で

3)肉盛材に対して，切削速度 40 m/min でのドライ切削できないが，冷却作用により拡散摩耗を抑制されたと推察さはエンドミルに欠損が生じ，安定した切削は困難であっれる．不水溶性切削油剤によるミスト切削では凝着はほとた．一方，水道水または不水溶性切削油剤をミスト供給

んど生じないが，小さな欠けが多数発生した．この理由は，すれば切削抵抗が低い状態で加工することができた．特不水溶性切削油剤の潤滑作用により凝着は抑制されたが，に水道水ミストで刃先の欠けが生じていなかったこと

冷却不足により拡散摩耗が進行したと考えられる．

から，切削液の冷却作用が欠け防止に有効であることが以上から，インコネル 625 合金肉盛材の切削には，刃先の欠損を防止するために，切削液による冷却作用が支配因子であることが明らかになった．
次に，切削速度 120 m/min における切削特性を考察す
る．図 8 に見られるように，切削速度 120 m/min では，わかった．
4)切削速度 120 m/min においては，浸透性を高めた高浸透水を用いることにより，ミスト供給でもウェット並みに工具損傷がほとんどなく切削をおこなうことが可能であった．

ドライ，水道水ミスト，不水溶性切削油剤ミストのいずれにおいても工具に大きな欠損が生じた．切削速度 120

謝辞m/min では 40 m/min に対し，刃先温度が上昇し，ドライ

本研究は，公益財団法人天田財団の平成 29 年度一般研はもとより，冷却能力が高くない不水溶性切削油剤ミスト

究開発助成（AF-2017225）によるものである．ここに謝も冷却が不十分であったと考えられる．冷却能力の高い水意を表す．また切削試験は，当所主任研究員の横田知宏がでも工具の欠損を防止することができなったのは，水の浸実施した．併せて謝意を表す．

透性が影響したと考えられる．水は浸透性に劣り，狭い隙
間に入りにくい．40 m/min の場合は，切削速度が高くな

参考文献

いため浸透性の低い水でもある程度刃先付近に浸入する

1)金安力：溶射技術, 34,（2014），69.

ことができたが，120 m/min の高速条件では水は刃先へ

2)Steffen Nowotny et.al：J. Therm. Spray Tech., 16,

到達できず，冷却が不十分であったと考えられる．高浸透（2007），344.

水ミストの場合，刃先への浸透，冷却により工具の損傷な

3)牧野吉延ら：溶接技術，60，（2012），63.

く 1,800 mm の加工が可能であったと考えられる．

4)日本溶接協会特殊材料溶接研究委員会編：スーパーアロ

以上から，切削速度 120 m/min の高速条件においては，切削液の冷却作用と，刃先に到達させる浸透性の必要性が明らかになった．

イの溶接，(2010)，69，産報出版．
5)草開清志ら：鉄と鋼，85，（1999），241．