WO2013046950A1

WO2013046950A1 - パウダ供給ノズルおよび肉盛溶接方法

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Publication number: WO2013046950A1
Application number: PCT/JP2012/070303
Authority: WO
Inventors: 雅徳宮城; 武志塚本; 川中　啓嗣; 賢一岡本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2014-03-30
Also published as: JP2013075308A; US20140186549A1

Abstract

　本発明の目的は、肉盛部の酸化を抑制し、高品質の肉盛部の作製が可能なパウダ供給ノズルおよび肉盛溶接方法を提供することにある。本発明は、施工対象物にレーザ光を照射するレーザ出射部と、レーザ出射部の外周に設置され、レーザ照射部にパウダを吐出するパウダ供給部と、を備えたパウダ供給ノズルにおいて、前記パウダ供給部の外周にレーザ照射部の周囲の大気をレーザ照射部外へ誘導する機構を備えたことを特徴とするパウダ供給ノズルである。

Description

パウダ供給ノズルおよび肉盛溶接方法

　本発明は、パウダを溶加材とするレーザ肉盛に用いるパウダ供給ノズル及び肉盛溶接方法に関する。

　近年、ニアネットシェイプの直接造形や耐摩耗性などの機能付与を目的とした表面処理技術等にパウダを溶加材としたレーザ肉盛が用いられている。このレーザ肉盛において、高品質な肉盛を形成するためには、シールドガスを施工部に吹き付けて、肉盛部の酸化を抑制する必要がある。パウダを用いたレーザ肉盛の場合、パウダを安定に施工部に供給するために、パウダを輸送するためのキャリアガス流量を上げ、パウダ流の流速を大きくして施工することがある。しかしながら、パウダ流の流速が大きくなると、パウダ流の周囲の大気を巻込んでしまうため、施工部に大気が入り込み、シールド性が悪くなることがあった。これらの課題に対し、特許文献１に記載されているように、パウダ供給ノズルの外周にシールドガス供給ノズルを設け、シールド性を高めたパウダ供給ノズルが考案されている。

特表平１０－５０１４６３号公報

　上記のレーザ光による粉末金属クラッディングノズルはパウダの外周にシールドガスを流し、シールド性を高めることを可能とした発明である。レーザ光の外周から施工部へ向けてパウダをキャリアガスと共に供給する構造となっており、パウダ供給部の外周には施工部へ向けてシールドガスを吹き付けるシールドガスノズルを備えている。パウダの周囲にシールドガスを流すことで肉盛部の酸化防止を可能とした発明である。しかしながら、該クラッディングノズルではシールドガスの流速が大きくなると、周囲の大気を巻き込んでしまうため、肉盛部の酸化を抑制しにくい。

　そこで、本発明の目的は、肉盛部の酸化を抑制し、高品質の肉盛部の作製が可能なパウダ供給ノズルおよび肉盛溶接方法を提供することにある。

　パウダ供給ノズルは、レーザ光軸と同一の中心軸を有した筒状の最内ノズルを有し、前記最内ノズルはレーザ集光部とガス供給源に接続され、最内ノズルの先端から施工対象物に向かって、レーザ光を照射すると共に、不活性ガスを吹き付けるレーザ出射部と、レーザ出射部の外周に設置され、レーザ光軸と同一の中心軸を有した筒状の内ノズルを有し、前記内ノズルはパウダ供給源と接続され、前記内ノズルと前記レーザ出射部によって形成される空間をパウダ流路とし、レーザ照射部に向かってキャリアガスとともにパウダを吐出するパウダ供給部を有するパウダ供給ノズルにおいて、前記パウダ供給部の外周に設置され、レーザ光軸と同一の中心軸を有した筒状の外ノズルを有し、前記外ノズルは吸引設備またはガス供給源と接続され、前記内ノズルと前記外ノズルによって形成される空間を吸引流路またはガス供給流路としたことを特徴としている。

　本発明によれば、第一に肉盛部の酸化を防止することが可能であり、高品質の肉盛部の作製が可能となる利点がある。

第一の実施例におけるパウダ供給ノズルの断面図である。第一の実施例における肉盛施工部近傍の模式図である。第一の実施例におけるパウダ供給ノズルのパウダ及びガス導入部の配置図である。第二の実施例におけるパウダ供給ノズルの断面図である。第二の実施例における肉盛施工部近傍の模式図である。第二の実施例におけるパウダ供給ノズルのパウダ及びガス導入部の配置図である。

　第一の形態として、溶加材にパウダを用いたレーザ肉盛において、肉盛部の酸化を防止するという目的を、本実施形態のパウダ供給ノズルによって達成した。パウダ供給ノズルは、レーザ出射部と、パウダ供給部と、を有する。レーザ出射部は、レーザ光軸と同一の中心軸を有した筒状の最内ノズルを有し、前記最内ノズルはレーザ集光部とガス供給源に接続され、最内ノズルの先端から施工対象物に向かって、レーザ光を照射すると共に、不活性ガスを吹き付ける。パウダ供給部は、レーザ出射部の外周に設置され、レーザ光軸と同一の中心軸を有した筒状の内ノズルを有し、前記内ノズルはパウダ供給源と接続され、前記内ノズルと前記レーザ出射部によって形成される空間をパウダ流路とし、レーザ照射部に向かってキャリアガスとともにパウダを吐出する。
　パウダ供給ノズルは、さらに、前記パウダ供給部の外周に設置され、レーザ光軸と同一の中心軸を有した筒状の外ノズルを有し、前記外ノズルはガス供給源と接続され、前記内ノズルと前記外ノズルによって形成される空間をガス供給流路とし、外ノズル先端の吹き出し角度がレーザ光軸に対して、ノズルの外側に広がる方向に０°から６０°の範囲内の角度であると共に、前記外ノズルは複数のガス吹き出し口を備え、各々のガス吹き出し口から供給されるガス流量を外部信号により調整する機構を有する。

　第二の形態として、溶加材にパウダを用いたレーザ肉盛において、肉盛部の酸化を防止するという目的を、本実施形態の他のパウダ供給ノズルによって達成した。他のパウダ供給ノズルは、レーザ出射部と、パウダ供給部と、有する。レーザ出射部は、レーザ光軸と同一の中心軸を有した筒状の最内ノズルを有し、前記最内ノズルはレーザ集光部とガス供給源に接続され、最内ノズルの先端から施工対象物に向かって、レーザ光を照射すると共に、不活性ガスを吹き付ける。パウダ供給部は、レーザ出射部の外周に設置され、レーザ光軸と同一の中心軸を有した筒状の内ノズルを有し、前記内ノズルはパウダ供給源と接続され、前記内ノズルと前記レーザ出射部によって形成される空間をパウダ流路とし、レーザ照射部に向かってキャリアガスとともにパウダを吐出する。
　他のパウダ供給ノズルは、さらに、前記パウダ供給部の外周に設置され、レーザ光軸と同一の中心軸を有した筒状の外ノズルを有し、前記外ノズルが吸引設備に接続され、前記外ノズルは複数の吸引口を備え、各々の吸引口から吸引する流量を外部信号により調整する機構を有する。

　図１に実施例１のパウダ供給ノズルの断面図を示す。

　１はレーザ発振器、１１は光ファイバ、１２はレーザ集光部、１３はレーザ出射部、２はパウダ供給装置、２１はパウダ送給路、３は内ノズル、４はパウダ流、５はレーザ光、６は施工対象物、７はガス供給源、７１はガス供給管、７２はガス供給量調整機構、７４はガス供給量調整信号線、８はシールドガス流、９は外ノズル、９１は誘導ガスを示している。レーザ発振器１で生成されたレーザ光５は光ファイバ１１を通じてレーザ集光部１２に伝送され、レーザ集光部１２で集光されたレーザ光５はレーザ出射部１３を通じて施工対象物６に照射される。内ノズル３はレーザ出射部の１３の外周に設けられ、レーザ出射部１３と内ノズル３の間に形成される空間をパウダ流路とした。パウダ供給装置２からキャリアガスとともに送給されたパウダはパウダ送給路２１を通じて内ノズルに送られ、内ノズルから施工部に向けて吹き付けられる。レーザ出射部１３はガス供給源７と接続しており、ガス供給管７１とレーザ出射部１３を通じてシールドガス流８を施工部に吹き付けることが可能である。外ノズル９は内ノズル３の外周に設けられ、内ノズル３と外ノズル９の間に形成される空間をガス流路とした。外ノズル９はガス供給源７に接続されており、ガス供給管７１と外ノズル９を通じて、ガスを吐出することが可能である。外ノズル９の出射口は施工部外に向けてあり、外ノズル９を通じて吐出された誘導ガス９１はシールドガス流８の外側に向けて出射される。

　図２に施工部の近傍の模式図を示す。１００は大気、２００は肉盛部を示す。施工対象物６に向けて照射されたレーザ光５によってパウダ流４を溶融して、肉盛部２００を形成する。このとき、レーザ出射部１３からシールドガス流８を施工部へ向けて吹きつけた。しかしながら、パウダ流４の流速が大きい場合には周囲の大気１００がパウダ流４に巻込まれて、肉盛部２００は酸化し、品質が低下する恐れがある。

　内ノズル３の外周に設置された外ノズル９の吹き出し口は肉盛部外を向いている。本実施例ではレーザ光軸に対して、約１５°外側に傾けている。外ノズル９から誘導ガス９１をパウダ流４よりも大きい流速で吹き付けながら施工を行った。パウダ流４よりも流速を大きくすることで、施工部の周囲に存在する大気１００は優先的に誘導ガス９１に巻込まれるため、大気は肉盛部外へ誘導され、肉盛部２００の酸化は抑制される。

　図３に本ノズルのパウダ及びガス導入部の配置図を示す。３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄはパウダ導入部、７３Ａ、７３Ｂはガス導入部を示している。ガス導入部７３Ａ、７３Ｂはガス供給量調整機構７２にガス供給管７１で接続されており、ガス導入部７３Ａ、７３Ｂに送られるガス流量は任意に調整することができ、外ノズル９から吐出されるガスの流量分布を調整することが可能である。施工部の周囲の流体の流れは施工対象物形状によって変化することがあるため、施工対象物形状に合わせて、外ノズル９から吐出されるガス流量の分布を調整することで、施工対象物形状が変化しても安定したシールド効果が得られ、高品質の肉盛部を形成することができる。

　本実施例では外ノズルの角度をレーザ光軸に対して約１５°外側に傾けたが、好ましくは０°から６０°であり、より好ましくは０°から３０°の範囲で傾けるとよい。また、本実施例ではパウダ導入部を４箇所、ガス導入部を２箇所としたが、本発明はこれらに限定されるものではない。

　図４に実施例２のパウダ供給ノズルの断面図を示す。１はレーザ発振器、１１は光ファイバ、１２はレーザ集光部、１３はレーザ出射部、２はパウダ供給装置、２１はパウダ送給路、３は内ノズル、４はパウダ流、５はレーザ光、６は施工対象物、７はガス供給源、８はシールドガス流、９は外ノズル、３００はロータリーポンプ、３０１は吸引流量調整機構、３０３は吸引流体、３０４は吸引配管、３０６は吸引流量調整信号を示している。

　レーザ発振器１で生成されたレーザ光５は光ファイバ１１を通じてレーザ集光部１２に伝送され、レーザ集光部１２で集光されたレーザ光５はレーザ出射部１３を通じて施工対象物６に照射される。内ノズル３はレーザ出射部１３の外周に設けられ、レーザ出射部１３と内ノズル３の間に形成される空間をパウダ流路とした。パウダ供給装置２から送給されたパウダはパウダ送給路２１を通じて内ノズルに送られ、内ノズルから施工部に向けて吹き付けられる。レーザ出射部１３はガス供給源７と接続しており、ガス供給管７１とレーザ出射部１３を通じてシールドガス流８を施工部に吹き付けることが可能である。外ノズル９は内ノズル３の外周に設けられ、内ノズル３と外ノズル９の間に形成される空間を吸引流路とした。外ノズル９はロータリーポンプ３００に接続されており、吸引配管３０４と外ノズル９を通じて、施工部周辺の流体を吸引することが可能である。

　図５に施工部近傍の模式図を示す。施工対象物６に向けて照射されたレーザ光５によってパウダ流４を溶融して、肉盛部２００を形成する。このとき、レーザ出射部１３からシールドガス流８を施工部へ向けて吹きつけた。しかしながら、パウダ流４の流速が大きい場合には周囲の大気１００がパウダ流４に巻込まれて、肉盛部２００は酸化し、品質が低下する恐れがある。

　内ノズル３の外周に外ノズル９を設置した。外ノズル９の吸引口はレーザ光軸と平行に下向きとなっている。外ノズル９によって、施工部周囲の流体、主に大気を吸引しながら、施工を行った。パウダ流に巻込まれる大気を吸引ノズルで吸い込むことで、肉盛部２００への大気の混入を抑制し、高品質の肉盛部２００が形成される。

　図６に本実施例のパウダ供給ノズルのパウダ及び吸引部の配置図を示す。３０５Ａ、３０５Ｂは吸引部を示している。吸引部３０５Ａ、３０５Ｂは吸引流量調整機構３０１に吸引配管３０４で接続されており、吸引部３０５Ａ、３０５Ｂで吸引する流量を任意に調整することができ、外ノズル９から吸い込まれる流体の流量分布を調整することが可能である。施工部の周囲の流体の流れは施工対象物形状によって変化することがあるため、施工対象物形状に合わせて、外ノズル９から吸い込む流体の流量の分布を調整することで、施工対象物形状が変化しても安定したシールド効果が得られ、高品質の肉盛部を形成することができる。

　本実施例では吸引ノズルの角度をレーザ光軸と平行で下向きとしたが、好ましくは０°から６０°であり、より好ましくは０°から３０°の範囲で傾けるとよい。

　また、本実施例ではパウダ導入部を４箇所、ガス導入部を２箇所としたが、本発明はこれらに限定されるものではない。

　また、本実施例では吸引機構にロータリーポンプを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。

１　レーザ発振器
２　パウダ供給装置
３　内ノズル
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ　パウダ導入部
４　パウダ流
５　レーザ光
６　施工対象物
７　ガス供給源
８　シールドガス流
９　外ノズル
１１　光ファイバ
１２　レーザ集光部
１３　レーザ出射部
２１　パウダ送給路
７１　ガス供給管
７２　ガス供給量調整機構
７３Ａ、７３Ｂ　ガス導入部
７４　ガス供給量調整信号線
９１　誘導ガス
１００　大気
２００　肉盛部
３００　ロータリーポンプ
３０１　吸引流量調整機構
３０３　吸引流体
３０４　吸引配管
３０５Ａ、３０５Ｂ　吸引部
３０６　吸引流量調整信号線

Claims

　レーザ光軸と同一の中心軸を有した筒状の最内ノズルを有し、前記最内ノズルはレーザ集光部とガス供給源に接続され、最内ノズルの先端から施工対象物に向かって、レーザ光を照射すると共に、不活性ガスを吹き付けるレーザ出射部と、
　前記レーザ出射部の外周に設置され、レーザ光軸と同一の中心軸を有した筒状の内ノズルを有し、前記内ノズルはパウダ供給源と接続され、前記内ノズルと前記レーザ出射部によって形成される空間をパウダ流路とし、レーザ照射部に向かってキャリアガスとともにパウダを吐出するパウダ供給部と、を有するパウダ供給ノズルにおいて、
　前記パウダ供給部の外周に設置され、レーザ光軸と同一の中心軸を有した筒状の外ノズルを有し、前記外ノズルは吸引設備またはガス供給源と接続され、前記内ノズルと前記外ノズルによって形成される空間を吸引流路またはガス供給流路としたことを特徴とするパウダ供給ノズル。
　請求の範囲第１項において、前記外ノズルがガス供給源に接続され、外ノズル先端の吹き出し方向が前記内ノズルの吹き出し方向よりも外側であることを特徴とするパウダ供給ノズル。
　請求の範囲第１項において、前記外ノズルがガス供給源に接続され、外ノズル先端の吹き出し角度がレーザ光軸に対して、ノズルの外側に広がる方向に０°から６０°の範囲内の角度であることを特徴とするパウダ供給ノズル。
　請求の範囲第１項において、前記外ノズルがガス供給源に接続され、外ノズル先端の吹き出し角度がレーザ光軸に対して、ノズルの外側に広がる方向に０°から６０°の範囲内の角度であると共に、前記外ノズルは複数のガス吹き出し口を備え、各々の前記ガス吹き出し口から供給されるガス流量を外部信号により調整する機構を有することを特徴とするパウダ供給ノズル。
　請求の範囲第１項において、前記外ノズルが吸引設備に接続され、前記外ノズルは複数の吸引口を備え、各々の吸引口から吸引する流量を外部信号により調整する機構を有することを特徴とするパウダ供給ノズル。
　請求の範囲第１項において、前記外ノズルがガス供給源に接続され、前記外ノズルの吹き出し方向が前記内ノズルの吹き出し方向よりも外側であると共に、前記外ノズルの外周に設置され、吸引設備に接続された筒状の最外ノズルを有し、前記外ノズルと前記最外ノズルで形成される空間を吸引流路とすることを特徴とするパウダ供給ノズル。
　請求の範囲第１項において、前記外ノズルがガス供給源に接続され、前記外ノズルの吹き出し角度がレーザ光軸に対して、ノズルの外側に広がる方向に０°から６０°の範囲内の角度であると共に、前記外ノズルの外周に設置され、吸引設備に接続された筒状の最外ノズルを有し、前記外ノズルと前記最外ノズルで形成される空間を吸引流路とすることを特徴とするパウダ供給ノズル。
　請求の範囲第１項において、前記外ノズルがガス供給源に接続され、前記外ノズルの吹き出し角度がレーザ光軸に対して、ノズルの外側に広がる方向に０°から６０°の範囲内の角度であって、前記外ノズルの外周に設置され、吸引設備に接続された筒状の最外ノズルを有し、前記外ノズルと前記最外ノズルで形成される空間を吸引流路とすると共に、前記外ノズル及び前記最外ノズルは複数のガス吹き出し口と吸引口を備え、各々の前記吹き出し口、吸引口から吸排気する流量を外部信号により調整する機構を有することを特徴とするパウダ供給ノズル。
　請求の範囲第１項において、吸引設備に接続された前記外ノズルと、前記外ノズルの外周に設置され、ガス供給源に接続された筒状の最外ノズルを有し、前記最外ノズルの吹き出し方向が前記外ノズルの吹き出し方向よりも外側であると共に、前記外ノズルと前記最外ノズルで形成される空間をガス供給流路とすることを特徴とするパウダ供給ノズル。
　請求の範囲第１項において、吸引設備に接続された前記外ノズルと、前記外ノズルの外周に設置され、ガス供給源に接続された筒状の最外ノズルを有し、前記最外ノズルの吹き出し角度がレーザ光軸に対して、ノズルの外側に広がる方向に０°から６０°の範囲内の角度であると共に、前記外ノズルと前記最外ノズルで形成される空間をガス供給流路とすることを特徴とするパウダ供給ノズル。
　請求の範囲第１項において、吸引設備に接続された前記外ノズルと、前記外ノズルの外周に設置され、ガス供給源に接続された筒状の最外ノズルを有し、前記最外ノズルの吹き出し角度がレーザ光軸に対して、ノズルの外側に広がる方向に０°から６０°の範囲内の角度であり、前記外ノズルと前記最外ノズルで形成される空間をガス供給流路とすると共に、前記外ノズル及び前記最外ノズルは複数のガス吹き出し口と吸引口を備え、各々の前記吹き出し口、前記吸引口から吸排気する流量を外部信号により調整する機構を有することを特徴とするパウダ供給ノズル。
　施工対象物にレーザ出射部から不活性ガスを吹き付けながら、レーザ光を照射し、前記レーザ出射部と前記レーザ出射部の外周に設けられた内ノズルで形成するパウダ供給部からキャリアガスとともにパウダをレーザ照射部に供給して肉盛部を形成する肉盛溶接方法において、前記パウダ供給部の外周に設置され、ガス供給源に接続された外ノズルからガスを前記不活性ガスの吹き付け方向よりも外側に向けて吹き付けることを特徴とする肉盛溶接方法。
　請求の範囲第１２項において、前記外ノズルからガスをレーザ光軸に対して、ノズルの外側に広がる方向に０°から６０°の範囲内の角度で吹き付けることを特徴とする肉盛溶接方法。
　請求の範囲第１２項において、前記外ノズルからガスをレーザ光軸に対して、ノズルの外側に広がる方向に０°から６０°の範囲内の角度で、前記パウダ供給部から供給される前記パウダよりも大きな流速で吹き付けることを特徴とする肉盛溶接方法。
　請求の範囲第１２項において、前記外ノズルからガスをレーザ光軸に対して、ノズルの外側に広がる方向に０°から６０°の範囲内の角度で、前記パウダ供給部から供給される前記パウダよりも大きな流速で吹き付けると共に、前記外ノズルは複数のガス吹き出し口と、各々のガス吹き出し口から供給されるガス流量を調整する機構を有しており、各々の前記ガス吹き出し口からガスを任意の流量で吹き付けることを特徴とする肉盛溶接方法。
　請求の範囲第１２項において、前記外ノズルの外周に、吸引設備に接続された最外ノズルを設置し、前記外ノズルからガスをレーザ光軸に対して、ノズルの外側に広がる方向に０°から６０°の範囲内の角度で、前記パウダ供給部から供給される前記パウダよりも大きな流速で吹き付けると共に、前記最外ノズルから前記不活性ガスの周囲の大気を吸引することを特徴とする肉盛溶接方法。
　請求の範囲第１２項において、前記外ノズルの外周に、吸引設備に接続された最外ノズルを設置し、前記外ノズルと前記最外ノズルは複数のガス吹き出し口と吸引口を備えており、各々のガス吹き出し口から供給するガス流量と吸引口から吸引する流量を調整する機構を有しており、前記外ノズルと前記最外ノズルの任意の吸引口と吹き出し口から、任意の吸引流量とガス供給流量で前記不活性ガスの周囲の大気の吸引とガス吹き付けを行うことを特徴とする肉盛溶接方法。
　施工対象物にレーザ出射部から不活性ガスを吹き付けながら、レーザ光を照射し、前記レーザ出射部と前記レーザ出射部の外周に設けられた内ノズルで形成するパウダ供給部からキャリアガスとともにパウダをレーザ照射部に供給して肉盛部を形成する肉盛溶接方法において、前記パウダ供給部の外周に設置され、吸引設備に接続された外ノズルから前記不活性ガスの周囲の大気を吸引することを特徴とする肉盛溶接方法。
　請求の範囲第１８項に記載の肉盛溶接方法において、前記外ノズルは複数の吸引口を有しており、各々の吸引口から吸引する流量を調整する機構を備えており、前記各々の吸引口から任意の流量で前記不活性ガスの周囲の大気を吸引することを特徴とする肉盛溶接方法。
　請求の範囲第１８項に記載の肉盛溶接方法において、前記外ノズルの外周に、ガス供給源に接続された最外ノズルを設置し、前記外ノズルから前記不活性ガスの周囲の大気を吸引すると共に、前記最外ノズルからガスをレーザ光軸に対して、ノズルの外側に広がる方向に０°から６０°の範囲内の角度で、前記パウダ供給部から供給される前記パウダよりも大きな流速で吹き付けることを特徴とする肉盛溶接方法。
　請求の範囲第１８項に記載の肉盛溶接方法において、前記外ノズルの外周に、ガス供給源に接続された最外ノズルを設置し、前記外ノズルと前記最外ノズルは複数のガス吹き出し口と吸引口を備えており、各々の前記ガス吹き出し口から供給するガス流量と吸引口から吸引する流量を調整する機構を有しており、前記外ノズルと前記最外ノズルの任意の吸引口と吹き出し口から、任意の吸引流量とガス供給流量で前記不活性ガスの周囲の大気の吸引とガス吹き付けを行うことを特徴とする肉盛溶接方法。