JP7725207B2

JP7725207B2 - 溶接方法

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Publication number: JP7725207B2
Application number: JP2021000213A
Authority: JP
Inventors: 康貴川田; 耕平山田; 吉延牧野
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2021-01-04
Filing date: 2021-01-04
Publication date: 2025-08-19
Anticipated expiration: 2041-01-04
Also published as: JP2022105424A; US20220212285A1; US12311466B2

Description

本発明の実施の形態は、溶接方法に関する。

環境保護を目的として、二酸化炭素に代表される温室効果ガスの排出量の削減が求められている。二酸化炭素の排出量を削減するため、化石燃料を多量に使用する火力発電プラントにおける発電効率の向上が望まれている。

火力発電プラントの発電効率を向上させるためには、火力発電プラント内を流れる蒸気を高温化させることが効果的である。このため、火力発電プラントに使用される部材は、これまで以上に、高温強度に優れ、耐摩耗性が向上されている必要がある。

例えば、蒸気タービンに流れ込む蒸気の流量を制御する役割を担う蒸気弁は、高温高圧の水蒸気に曝されながら弁の開閉動作を行う。蒸気弁の一部を構成する弁棒は、摺動によって生じる摩耗や、酸化スケールの生成が抑制されることが求められている。これは、次のような理由による。すなわち、摺動によって弁棒が摩耗すると、弁棒と弁箱の隙間から漏洩する蒸気量が多くなり、火力発電プラントの熱効率を低下させる。また、弁棒は高温の蒸気と反応して、その表面に酸化スケールが形成される。酸化スケールが形成されると、弁棒の外径が大きくなる。また、酸化スケールは剥離して弁棒の周囲に堆積する。弁棒の外径が大きくなったり、弁棒と弁箱との間に酸化スケールが堆積すると、弁棒は所望のように動作することができなくなる。

このような点に関し、特許文献１には、弁棒の母材の表面にコバルト基合金を肉盛溶接して硬化層（肉盛層）を形成し、弁棒の耐摩耗性を向上させ且つ酸化スケールの生成を抑制する方法が開示されている。

特開平６－１７４１２６号公報

しかしながら、特許文献１に示された方法で作製された弁棒は、その一部が、高温化された蒸気が流れる火力発電プラントでの使用に耐え得る十分な耐摩耗性を有していないことが分かった。より具体的には、弁棒に形成された肉盛層の硬さは、溶接始端部近傍においては十分であるが、溶接中間部近傍から溶接終端部近傍にかけては不十分であることが分かった。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、溶接対象体に肉盛溶接を行う溶接方法であって、肉盛層の硬さ等の特性を改善させることが可能な溶接方法、及び肉盛層の特性が改善された溶接加工部材を提供することを目的とする。

本発明による溶接方法は、細長状の溶接対象体の長手方向に沿って前記溶接対象体の被肉
盛面に肉盛溶接を行う溶接方法であって、前記被肉盛面に対して前記長手方向に沿って溶
加材を供給するとともにレーザ光を照射し、溶融した前記溶加材によって前記被肉盛面に
肉盛層を形成する肉盛工程を備え、前記肉盛工程において、前記溶接対象体上の前記レー
ザ光により溶融した前記溶加材及び前記溶接対象体によって形成される溶融池を含む領域
の各箇所の温度を取得し、当該領域のうち溶接対象体及び溶加材の融点以上の温度を有す
る領域の寸法に関する情報を前記溶融池の寸法に関する情報として取得し、前記溶融池の
寸法が所定の範囲となるようにし、且つ前記肉盛層における前記溶加材の成分の希釈率が
１０％以上４０％以下となるように、前記溶融池の寸法が大きいほどレーザ光の強度が低
くなるように且つ前記溶融池の寸法が小さいほどレーザ光の強度が高くなるように前記レ
ーザ光の出力を制御する。

あるいは、本発明による溶接方法は、
細長状の溶接対象体の長手方向に沿って前記溶接対象体の被肉盛面に肉盛溶接を行う溶接
方法であって、前記被肉盛面に対して溶加材を溶射あるいは塗布して溶加材層を形成する
溶加材層形成工程と、前記溶加材層形成工程の後に前記溶加材層に対して前記長手方向に
沿ってレーザ光を照射し、前記溶加材層の溶加材を再度溶融させて前記被肉盛面に肉盛層
を形成する肉盛工程と、を備え、前記肉盛工程において、前記溶接対象体上の前記レーザ
光により溶融した前記溶加材及び前記溶接対象体によって形成される溶融池を含む領域の
各箇所の温度を取得し、当該領域のうち溶接対象体及び溶加材の融点以上の温度を有する
領域の寸法に関する情報を前記溶融池の寸法に関する情報として取得し、前記溶融池の寸
法が所定の範囲となるようにし、且つ前記肉盛層における前記溶加材の成分の希釈率が１
０％以上４０％以下となるように、前記溶融池の寸法が大きいほどレーザ光の強度が低く
なるように且つ前記溶融池の寸法が小さいほどレーザ光の強度が高くなるように前記レー
ザ光の出力を制御する。

本発明によれば、溶接対象体に肉盛溶接を行う溶接方法であって、肉盛層の硬さ等の特
性を改善させることが可能な溶接方法を提供することができる。

図１は、本発明の一実施の形態による溶接加工部材であって、溶接対象体に肉盛層が形成された溶接加工部材を示す側面図である。図２は、図１に示す肉盛層を形成するための溶接装置を示す側面図である。図３は、図２に示す溶接装置のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面を示す図である。図４は、図２に示す溶接トーチ及び温度センサを示す部分拡大図である。

以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施の形態による溶接加工部材を示す図である。図２及び図３は、図１に示す溶接加工部材を作製するための溶接装置の構成を概略的に示す図である。図３は、図２に示す溶接装置のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面を示す図である。図３では、図示の簡略化のため、後述する溶加材供給部３０、レーザ照射部４０及びシールドガス供給部５０の一部の図示を省略している。図４は、図２及び図３に示す溶接装置の一部を拡大して示す図である。

図１に示す溶接加工部材１は、溶接対象体２の被肉盛面２ａに肉盛溶接されて肉盛層３が形成されることにより作製される。図２及び図３に示す溶接装置１０は、溶接対象体１の被肉盛面２ａに肉盛溶接を行うものである。より具体的には、溶接装置１０は、溶接対象体２の被肉盛面２ａに、レーザ光４５を利用して溶融した溶加材３５で肉盛層３を形成する。

図１に示すように、溶接対象体２は、細長状であり、長手方向を有する。図示された例では、溶接対象体２は、中実で円柱状に形成され、円筒状の表面（被肉盛面２ａ）を有する。図示された例では、溶接対象体２はニッケル（Ｎｉ）基合金の鍛造棒である。もちろん、溶接対象体２の形状及び溶接対象体２を構成する材料は、これに限られない。例えば、溶接対象体２は、中空の円筒状に形成されていてもよい。また、例えば、溶接対象体２を構成する材料は、鉄（Ｆｅ）基合金であってもよい。本明細書においてニッケル基合金および鉄基合金とは、それぞれ、ニッケル元素及び鉄元素の重量分率が最も多い材質のことを指すこととする。

図２に示すように、溶接装置１０は、溶接対象体２を支持する支持部２０と、溶接対象体２に溶加材３５を供給する溶加材供給部３０と、溶接対象体２にレーザ光４５を照射するレーザ照射部４０と、シールドガス供給部５０と、レーザ照射部４０を支持部２０に対して相対移動させる長手方向駆動部６０と、支持部２０に支持された溶接対象体２を回転させる回転駆動部７０と、を有する。

支持部２０は、溶接対象体２の長手方向の両端部を支持する。支持部２０は、溶接対象体２の長手方向の両端部を、長手方向に沿った回転軸線７０Ｘ周りに回転可能に支持する。

図４に示すように、溶加材供給部３０は、溶加材３５の粉末を収容する溶加材収容部３１と、溶加材収容部３１から導出された溶加材３５の粉末を支持部２０に支持された溶接対象体２の近傍へ導く溶加材供給管３２と、溶加材供給管３２の先端に設けられて、溶加材３５が吐出される溶加材吐出孔３３と、を有する。なお、溶加材３５としては、例えばコバルト（Ｃｏ）基合金や、ニッケル基合金、鉄基合金を採用可能である。溶加材供給部３０は、更に、溶加材供給管３２にキャリアガスを供給するキャリアガス供給部（図示せず）を有していてもよい。この場合、溶加材吐出孔３３から溶加材３５を吐出する際、溶加材３５をキャリアガスに同伴させて溶接対象体２に供給することができる。

図４に示すように、レーザ照射部４０は、支持部２０に支持された溶接対象体２にレーザ光４５を照射する。レーザ照射部４０は、レーザ発振器４１と、レーザ発振器４１で発振されたレーザ光４５を支持部２０で支持された溶接対象体２の近傍へ導く光ファイバ４２と、光ファイバ４２の先端に設けられ、光ファイバ４２で導かれたレーザ光４５を支持部２０で支持された溶接対象体２に向けて射出するレーザ射出部４３と、を有している。レーザ発振器４１としては、例えば、半導体レーザや固体レーザ等、任意のレーザを利用したものを採用可能である。レーザ発振器４１は、４００～１１００ｎｍの波長範囲のレーザ光４５を発振可能であることが好ましい。レーザ射出部４３から射出されたレーザ光４５によって、溶加材吐出孔３３から吐出された粉末状の溶加材３５が溶融する。また、レーザ射出部４３から射出されたレーザ光４５によって、溶接対象体２が部分的に溶融する。そして、溶融した溶加材３５の成分が溶融した溶接対象体２に溶け込み、溶融した溶接対象体２の成分が溶融した溶加材３５に溶け込む。溶融した溶加材３５及び溶融した溶接対象体２は、被溶接面２ａ上に溶融池４を形成する。その後、溶融池４は凝固して肉盛層３となる。

図４に示すように、シールドガス供給部５０は、シールドガス５５を収容するシールドガス収容部５１と、シールドガス収容部５１から導出されたシールドガス５５を支持部２０に支持された溶接対象体２の近傍へ導くガス供給管５２と、ガス供給管５２の先端に設けられ、シールドガス５５が吐出されるシールドガス吐出孔５３と、を有する。シールドガス５５としては、例えば、ヘリウム、アルゴン、窒素などの不活性ガスを採用可能である。

なお、図示された例では、溶接装置１０は、溶接トーチ１５を有している。溶接トーチ１５の先端面１５ａには、上述した溶加材吐出孔３３、レーザ射出部４３及びシールドガス吐出孔５３が形成されている。溶接トーチ１５は、その先端面１５ａが支持部２０に支持された溶接対象体２の被肉盛面２ａに対面するように配置される。また、溶接トーチ１５は、支持部２０に対して長手方向に相対移動可能に設けられている。

図２及び図３に示す長手方向駆動部６０は、レーザ射出部４３を、支持部２０に支持された溶接対象体２に対して長手方向に沿って相対移動させる。図示された例では、長手方向駆動部６０は、溶接トーチ１５を、支持部２０に対して長手方向に移動させる。長手方向駆動部６０は、溶接トーチ１５を、支持部２０に支持された溶接対象体２の一方の端部から他方の端部に向かう方向Ｄ１に移動させる。もちろん、長手方向駆動部６０は、支持部２０を、溶接トーチ１５に対して長手方向に移動させるものであってもよい。

回転駆動部７０は、支持部２０によって支持された溶接対象体２を、回転軸線７０Ｘの周りに回転させる。図示された例では、回転軸線７０Ｘは、溶接対象体２の軸線２Ｘ（円筒状の被肉盛面２ａの中心軸）に一致する線である。回転駆動部７０は、溶接対象体２を所定の回転速度で回転させる。なお、図３に示す例では、回転駆動部７０は、溶接対象体２を図３において時計回りに回転させるが、これに限られない。回転駆動部７０は、溶接対象体２を図３において反時計回りに回転させてもよい。

溶接トーチ１５が長手方向駆動部６０によって溶接対象体２に対して長手方向に相対移動され、且つ、溶接対象体２が回転駆動部７０によって回転軸線７０Ｘ周りに回転されることにより、溶接トーチ１５は、溶接対象体２の被肉盛面２ａの周りにらせん状の軌道を描く。また、被溶接面２ａ上に形成された溶融池４は、溶接トーチ１５の移動及び溶接対象体２の回転に伴ってレーザ光４５から離れ、凝固して肉盛層３となる。

ところで、近年、火力発電プラントにおける発電効率の向上等を目的として、火力発電プラントに使用される部材の耐摩耗性を向上させること及び当該部材における酸化スケールの形成を抑制することが望まれている。例えば、図１に示す溶接加工部材が蒸気弁の弁棒として使用される場合、肉盛層の耐摩耗性を向上させることで、弁棒による蒸気弁の開閉機能を信頼性高く維持することができる。すなわち、弁棒の摺動によって肉盛層が摩耗すると、弁棒と弁箱の隙間から漏洩する蒸気量が多くなり、火力発電プラントの熱効率を低下させる。また、弁棒に酸化スケールが形成されると、弁棒の外径が大きくなる。あるいは、酸化スケールが剥離して弁棒の周囲に堆積する。弁棒の外径が大きくなったり、弁棒と弁箱との間に酸化スケールが堆積すると、弁棒は所望のように動作することができなくなる。この点に関し、特許文献１には、溶接対象体の被肉盛面にコバルト基合金を肉盛溶接して、弁棒の耐摩耗性を向上させ且つ酸化スケールの生成を抑制する方法が開示されている。

しかしながら、本件発明者らは、特許文献１に記載の方法で溶接加工部材を作製した場合、肉盛層の硬さが、溶接対象体の長手方向に沿って異なることを見出した。具体的には、肉盛層のうち、溶接が開始された部分を溶接始端部、溶接が終了した部分を溶接終端部とした場合、溶接始端部近傍における肉盛層の硬さと比較して、溶接終端部近傍における肉盛層の硬さが低くなることを見出した。そして、本件発明者等は、鋭意研究を重ねた結果、溶接始端部よりも溶接終端部近傍における肉盛層の硬さが低下する原因を発見した。すなわち、肉盛溶接が開始されてから終了するまで、溶接対象体にはレーザ光による入熱がなされる。これにより、溶接対象体の各部の温度が、溶接の進行方向（溶接トーチの進行方向）に沿って上昇する。この結果、肉盛層の各部における溶加材の成分の希釈率が、溶接の進行方向に沿って（言い換えると、溶接始端部から溶接終端部に向かって）上昇する。そして、希釈率が高くなりすぎると、肉盛層の硬さは、高温化された蒸気が流れる火力発電プラントでの使用には不十分な硬さとなる。もちろん、硬さ以外の肉盛層の特性も、溶接始端部と溶接終端部とで異なる。具体的には、溶接終端部における肉盛層の特性は、溶接始端部における肉盛層の特性と比較して、溶加材の溶接前の特性から離れた特性になる。

このような点を考慮して、本実施の形態の溶接装置１０及び溶接方法は、溶接始端部から溶接終端部に向かって肉盛層３における溶加材３５の成分の希釈率が上昇することを抑制し、肉盛層３の特性を改善させる（溶加材３５の特性に近づける）ための工夫が成されている。すなわち、溶接装置１０は、肉盛溶接中、レーザ発振器４１から発振されるレーザ光４５の出力を制御して、レーザ光４５の入熱に起因する溶接対象体２の温度上昇を抑制するための手段を備えている。

ここで、肉盛溶接中における溶接対象体２の温度上昇を抑制する方法として、肉盛溶接中に溶接対象体２へのレーザ光の照射を中断して（すなわち肉盛溶接を中断して）溶接対象体２の熱を放散させることも考えられる。しかしながら、肉盛溶接を中断する場合、肉盛溶接を開始してから終了するまでに掛かる時間が長くなり、肉盛溶接を効率的に行うことができない。この点、レーザ発振器４１から発振されるレーザ光４５の出力を制御しながら肉盛溶接を行う場合、肉盛溶接を中断することなく、溶接対象体２の温度上昇及びそれに起因する上記希釈率の上昇を抑制することができる。

さらに、レーザ発振器４１から発振されるレーザ光４５の出力を制御する際、溶接対象体２の温度を直接測定して、測定された温度に基づいてレーザ光４５の出力を制御することも考えられる。しかしながら、レーザ光４５の出力の制御を行うためには、溶接対象体２上の複数の点の温度を測定する必要がある。測定された複数の温度に基づいて制御を行うことは、煩雑である。

この点に関しては、溶接対象体２の温度が高いほど溶融池４の寸法が大きくなることを利用し、溶融池４の寸法に基づいてレーザ光４５の出力を制御することにより、溶接対象体２の温度上昇を信頼性高く且つ効率的に抑制することができる。

具体的には、本実施の形態の溶接装置１０は、溶融池４の寸法に関する情報を取得するための寸法測定部８０と、当該情報に基づいてレーザ照射部４０を制御する制御部９０と、を備えている。

寸法測定部８０は、次のようにして溶融池４の寸法に関する情報を取得する。すなわち、肉盛溶接が行われている溶接対象体２上の、溶融池４を含む領域の各箇所の温度を取得して上記溶融池４を含む領域の温度マッピングを行い、温度分布図を作成する。そして、上記溶融池４を含む領域のうち所定の温度以上の温度を有する領域が溶融池４のみの領域に対応するものと仮定し、この領域の寸法に関する情報を上記温度分布図に基づいて取得することで、溶融池４の寸法に関する情報を取得する。

なお、溶融池４のみの領域を決定するために用いられる上記所定の温度は、溶接対象体２及び溶加材３５の融点を考慮して決定される。

このようにして溶融池４を測定するため、図示された例では、寸法測定部８０は、非接触式放射温度センサ８１と、温度センサ８１で取得された温度に基づいて上記溶融池４を含む領域の温度マッピングを行い、温度分布図を作成する処理装置８２と、を有する。温度センサ８１は、溶接対象体２上の溶融池４を含む領域から放射される赤外線を検出して、当該領域の各箇所の温度を取得する。寸法測定部８０は、上記赤外線を反射させて温度センサ８１に向けるための反射素子（例えば、ダイクロイックミラー）を含んでいてもよい。

温度センサ８１は、支持部２０に支持された溶接対象体２に対して長手方向に沿って相対移動可能に設けられている。温度センサ８１は、長手方向駆動部６０によって溶接トーチ１５と共に長手方向に移動される。これにより、後述する肉盛工程の開始から終了に至るまで、溶融池４を含む上記領域の温度を継続的に測定することができる。図示された例では、温度センサ８１は、溶接トーチ１５に固定されている。

処理装置８２は、温度分布図に基づいて溶融池４の寸法に関する情報を生成し、制御部９０に渡す。後述する肉盛工程の開始から終了に至るまで温度センサ８１が溶融池４を含む上記領域の温度を測定することにより、処理装置８２は、肉盛工程の開始から終了に至るまで、溶融池４の寸法に関する情報を、制御部９０に継続的に渡すことができる。

制御部９０は、処理装置８２から受け取った溶融池４の寸法に関する情報に基づいて、レーザ発振器４１を制御する。具体的には、溶融池４の寸法が大きいほどレーザ射出部４３から射出されるレーザ光４５の強度が低くなるように、レーザ発振器４１を制御する。また、溶融池４の寸法が小さいほどレーザ射出部４３から射出されるレーザ光４５の強度が高くなるように、レーザ発振器４１を制御する。これにより、溶融池４の寸法を所定の範囲に制御することができる。このことは、肉盛溶接中の溶接対象体２の温度を所望のように制御することができることを意味する。さらに、肉盛層３における溶加材３５の成分の希釈率を、所望のように制御することができることを意味する。この結果、肉盛層３の特性を所望の特性にすることができる。肉盛工程の開始から終了に至るまで処理装置８２から溶融池４の寸法に関する情報が制御部９０に継続的に渡されることにより、制御部９０は、肉盛工程の開始から終了に至るまで、レーザ発振器４１を継続的に制御することができる。この結果、肉盛工程を中断することなく、溶接対象体２の温度上昇及びそれに起因する上記希釈率の上昇を抑制することができる。

なお、図示された例では、レーザ光４５の出力は、上記希釈率が１０％以上４０％以下となるように、より好ましくは１５％以上３５％以下となるように制御される。上記希釈率が１０％未満である場合、肉盛層３と溶接対象体２との間で溶け込み不良となる箇所が生じる虞があるからである。また、上記希釈率が４０％を超えると、肉盛層３の硬さが、高温化された蒸気が流れる火力発電プラントでの使用には不十分な硬さとなるからである。上記希釈率が１５％以上３５％以下となるようにレーザ光４５の出力が制御される場合、肉盛層３のビッカース硬さを、より信頼性高くＨｖ３２０以上Ｈｖ５００以下にすることができる。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。ここでは、上述した溶接装置１０を用いた溶接方法について説明する。

まず、図２に示すように、溶接対象体２の両端部が支持部２０によって支持される。

続いて、溶接トーチ１５及び温度センサ８１が、溶接対象体２の一方の端部の近傍に配置される。

次に、回転駆動部７０によって溶接対象体２が回転軸線７０Ｘ周りに回転される。また長手方向駆動部６０によって、溶接トーチ１５及び温度センサ８１の長手方向に沿った移動が開始される。溶接トーチ１５及び温度センサ８１は、上記移動方向Ｄ１に移動される。

次に、溶接対象体２に肉盛層３を形成する肉盛工程が実施される。肉盛工程では、溶接トーチ１５から、溶接対象体２の被肉盛面２ａに対して溶加材３５が供給されるとともに、レーザ光４５が照射される。肉盛工程は、回転駆動部７０によって溶接対象体２を回転させつつ、また、長手方向駆動部６０によって溶接トーチ１５及び温度センサ８１を移動させながら行われる。

図示された例では、レーザ光４５は、溶接トーチ１５のレーザ射出部４３から射出される。この間、溶接トーチ１５の溶加材吐出孔３３から、粉末状の溶加材３５が供給される。溶加材３５は、レーザ光４５の周囲からレーザ光４５に沿って供給される。このことにより、粉末状の溶加材３５がレーザ光４５で溶融する。また、レーザ光４５によって、溶接対象体２が部分的に溶融する。溶融した溶加材３５及び溶融した溶接対象体２は、被溶接面２ａ上に溶融池４を形成する。そして、溶融した溶加材３５の成分が溶融した溶接対象体２に溶け込み、また、溶融した溶接対象体２の成分が溶融した溶加材３５に溶け込む。なお、溶加材吐出孔３３から吐出された粉末状の溶加材３５並びに溶融した溶加材３５及び溶接対象体２によって形成される溶融池４は、シールドガス吐出孔５３から供給されるシールドガス５５によって取り囲まれ、大気によって酸化することが抑制される。

肉盛工程中、溶接トーチ１５が溶接対象体２に対して移動されることにより、被肉盛面２ａ上に形成された溶融池４は、レーザ光４５から離れ、凝固して肉盛層３となる。また、肉盛工程中、溶接トーチ１５が溶接対象体２の被肉盛面２ａの周りにらせん状の軌道を描くことにより、被肉盛面２ａ上には、上記らせん状の軌道に沿って溶融池４そして肉盛層３が形成される。

肉盛工程中、温度センサ８１は、溶融池４を含む溶接対象体２上の領域の温度を測定する。溶融池４の溶接対象体２における位置は、上記らせん状の軌道に沿って移動するが、温度センサ８１の溶接対象体２における位置も、溶融池４に追随して移動する。処理装置８２は、温度センサ８１が測定した温度に基づいて温度分布図を作成する。そして、温度分布図に基づいて溶融池４の寸法に関する情報を作成する。制御部９０は、処理装置８２で作成された溶融池４の寸法に関する情報に基づいて、レーザ発振器４１を制御する。

肉盛工程後、肉盛層３の表面に機械加工を施して当該表面を滑らかにする（円筒状の表面にする）表面処理工程が実施されてもよい。

次に、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例）
上述の溶接装置１０を用いて、溶接対象体２に対し肉盛溶接を行い、図１に示すように一層の肉盛層３を溶接対象体２の被肉盛面２ａに形成した。溶接対象体２としてニッケル基合金の円柱状の鍛造棒を用い、溶加材３５としてコバルト基合金の粉末を用いた。また、レーザ発振器４１として固体レーザを利用したレーザ発振器を用いた。以下の溶接条件で肉盛溶接を行った。
＜溶接条件＞
・溶加材の供給量：１０ｇ／ｍｉｎ～６０ｇ／ｍｉｎ
・溶接速度：２００ｍｍ／ｍｉｎ～１０００ｍｍ／ｍｉｎ
・レーザ出力：２ｋＷ～１０ｋＷ
なお、「溶接速度」とは、ここでは、溶接トーチ１５の被肉盛面２ａに対する速度（上記らせん状の軌道に沿った速度）を意味する。

上記条件にて溶接対象体２に形成された肉盛層３に対して機械加工を施す表面処理工程を実施して、肉盛層３の厚さを０．５ｍｍにした。ここで、肉盛層３の厚さは、肉盛溶接前の溶接対象体２の被肉盛面２ａを基準として測定した。言い換えると、肉盛層３の厚さとは、図１に示すように、溶接対象体２に形成された肉盛層３の外周面３ａの半径３Ｒと、肉盛溶接前の溶接対象体２の外周面（被肉盛面）２ａの半径２Ｒとの差Ｔである。

表面処理工程を実施した後、得られた溶接加工部材１の断面試料を作製し、肉盛層３の硬さ及び肉盛層３における溶加材３５の希釈率を測定した。硬さはビッカース硬さである。

（比較例）
肉盛溶接中にレーザ光４５の出力制御を実施しなかった他は、実施例と同様に肉盛溶接を行い、溶接対象体２に形成された肉盛層３に対して実施例と同様に表面処理工程を実施した。そして、肉盛層３の硬さ及び肉盛層３における溶加材３５の成分の希釈率を測定した。

（評価）
表１に、実施例及び比較例の肉盛層３の硬さ及び上記希釈率を示す。

表１に示すように、比較例の肉盛層３における溶加材３５の成分の希釈率は、溶接始端部において１８．０％であり、溶接終端部において４１．３％であった。すなわち、比較例では、肉盛層３の上記希釈率が、溶接始端部よりも溶接終端部において高くなった。比較例の肉盛層３の上記希釈率は、溶接終端部において、４０％を超えた。また、比較例の肉盛層３の硬さは、溶接始端部においてＨｖ４１８であり、溶接終端部ではＨｖ３１９であった。すなわち、比較例では、肉盛層３の硬さが、溶接始端部よりも溶接終端部において低くなった。比較例の肉盛層３の硬さは、溶接終端部において、Ｈｖ３２０未満となった。

これに対し、実施例の肉盛層３における溶加材３５の成分の希釈率は、溶接始端部において１０．０％であり、溶接終端部において２１．８％であった。すなわち、実施例では、肉盛層３の上記希釈率が、溶接始端部よりも溶接終端部において高くなった。実施例の肉盛層３の上記希釈率は、溶接始端部及び溶接終端部のいずれにおいても、１０％以上４０％以下であった。また、実施例の肉盛層３の硬さは、溶接始端部においてＨｖ４９２であり、溶接終端部ではＨｖ３５３であった。すなわち、実施例では、肉盛層３の硬さが、溶接始端部よりも溶接終端部において低くなった。実施例の肉盛層３の硬さは、溶接始端部及び溶接終端部のいずれにおいても、Ｈｖ３２０以上であった。

以上の結果から、溶融池４の寸法に関する情報に基づいてレーザ光４５の出力を制御することにより、肉盛層３の特性を制御することができることが分かる。

なお、上述した実施形態及び実施例では、肉盛工程において、被肉盛面２ａに対して長手方向に沿って溶加材３５を供給するとともにレーザ光４５を照射して肉盛層３を形成する場合を例に挙げて説明したが、これに限られない。肉盛層３は、被肉盛面２ａに対して溶加材３５を溶射あるいは塗布することにより形成された溶加材層に対してレーザ光４５を照射することにより、形成されてもよい。この場合、溶接装置１０は、溶加材供給部３０に代えて、被肉盛面２ａに溶加材３５を溶射あるいは塗布して溶加材層を形成する溶加材層形成部を備えていてもよい。そして、支持部２０は、溶加材層が形成された溶接対象体２を支持するものであってよく、レーザ照射部４０は、溶加材層が形成された溶接対象体２にレーザ光を照射するものであってよい。また、この場合、溶接方法は、被肉盛面２ａに対して溶加材３５を溶射あるいは塗布して溶加材層を形成する溶加材層形成工程を備えていてよい。そして、肉盛工程では、溶加材層形成工程の後に溶加材層に対してレーザ光４５を照射し、溶加材層の溶加材３５を再度溶融させて被肉盛面２ａに肉盛層３を形成してよい。

以上のように、本実施の形態による溶接方法は、細長状の溶接対象体２の長手方向に沿って溶接対象体２の被肉盛面２ａに肉盛溶接を行う溶接方法であって、被肉盛面２ａに対して長手方向に沿って溶加材３５を供給するとともにレーザ光４５を照射し、溶融した溶加材３５によって被肉盛面２ａに肉盛層３を形成する肉盛工程を備えている。肉盛工程において、レーザ光４５により溶融した溶加材３５及び溶接対象体２によって形成される溶融池４の寸法に関する情報を取得し、当該情報に基づいてレーザ光４５の出力を制御する。このような溶接方法によれば、肉盛溶接中の溶接対象体２の温度、及び、肉盛層３における溶加材３５の成分の希釈率を所望のように制御することができる、この結果、肉盛層３の特性を所望の特性にすることができる。

あるいは、本実施の形態による溶接方法は、細長状の溶接対象体２の長手方向に沿って溶接対象体２の被肉盛面２ａに肉盛溶接を行う溶接方法であって、被肉盛面２ａに対して溶加材３５を溶射あるいは塗布して溶加材層を形成する溶加材層形成工程と、溶加材層形成工程の後に溶加材層に対して長手方向に沿ってレーザ光４５を照射し、溶加材層の溶加材３５を再度溶融させて被肉盛面２ａに肉盛層３を形成する肉盛工程と、を備えていてもよい。また、肉盛工程において、レーザ光４５により溶融した溶加材３５及び溶接対象体２によって形成される溶融池４の寸法に関する情報を取得し、当該情報に基づいてレーザ光４５の出力を制御してもよい。このような溶接方法によっても、肉盛溶接中の溶接対象体２の温度、及び、肉盛層３における溶加材３５の成分の希釈率を所望のように制御することができる。この結果、肉盛層３の特性を所望の特性にすることができる。

本実施の形態による溶接方法において、溶融池４の寸法に関する情報は、非接触式放射温度センサ８１を用いて取得される。

本実施の形態による溶接加工部材１は、細長状の溶接対象体２の被肉盛面２ａに溶加材３５が肉盛溶接されて肉盛層３が形成された溶接加工部材１であって、肉盛層３における溶加材３５の成分の希釈率が、１０％以上４０％以下、好ましくは１５％以上３５％以下である。このような溶接加工部材１によれば、肉盛層３と溶接対象体２との間で溶け込み不良となる箇所が生じる虞が抑制されると共に、肉盛層３の硬さが高温化された蒸気が流れる火力発電プラントでの使用に適した硬さとなる。

また、本実施の形態による溶接加工部材１は、細長状の溶接対象体２の被肉盛面２ａにコバルト基合金３５が肉盛溶接されて肉盛層３が形成された溶接加工部材１であって、肉盛層３のビッカース硬さがＨｖ３２０以上Ｈｖ５００以下である。このような溶接加工部材１によれば、肉盛層３の硬さが高温化された蒸気が流れる火力発電プラントでの使用に適した硬さとなる。

上述した実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、上述した実施の形態やその変形を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。

１：溶接加工部材、２：溶接対象体、２ａ：被肉盛面、３：肉盛層、１０：溶接装置、１５：溶接トーチ、２０：支持部、３０：溶加材供給部、３５：溶加材、４０：レーザ照射部、４５：レーザ光、５０：シールドガス供給部、６０：長手方向駆動部、７０：回転駆動部、８０：寸法測定部、８１：温度センサ、９０：制御部

Claims

細長状の溶接対象体の長手方向に沿って前記溶接対象体の被肉盛面に肉盛溶接を行う溶
接方法であって、
前記被肉盛面に対して前記長手方向に沿って溶加材を供給するとともにレーザ光を照射
し、溶融した前記溶加材によって前記被肉盛面に肉盛層を形成する肉盛工程を備え、
前記肉盛工程において、前記溶接対象体上の前記レーザ光により溶融した前記溶加材及
び前記溶接対象体によって形成される溶融池を含む領域の各箇所の温度を取得し、当該領
域のうち溶接対象体及び溶加材の融点以上の温度を有する領域の寸法に関する情報を前記
溶融池の寸法に関する情報として取得し、前記溶融池の寸法が所定の範囲となるようにし
、且つ前記肉盛層における前記溶加材の成分の希釈率が１０％以上４０％以下となるよう
に、前記溶融池の寸法が大きいほどレーザ光の強度が低くなるように且つ前記溶融池の寸
法が小さいほどレーザ光の強度が高くなるように前記レーザ光の出力を制御する、溶接方
法。
細長状の溶接対象体の長手方向に沿って前記溶接対象体の被肉盛面に肉盛溶接を行う溶
接方法であって、
前記被肉盛面に対して溶加材を溶射あるいは塗布して溶加材層を形成する溶加材層形成
工程と、
前記溶加材層形成工程の後に前記溶加材層に対して前記長手方向に沿ってレーザ光を照
射し、前記溶加材層の溶加材を再度溶融させて前記被肉盛面に肉盛層を形成する肉盛工程
と、
を備え、
前記肉盛工程において、前記溶接対象体上の前記レーザ光により溶融した前記溶加材及
び前記溶接対象体によって形成される溶融池を含む領域の各箇所の温度を取得し、当該領
域のうち溶接対象体及び溶加材の融点以上の温度を有する領域の寸法に関する情報を前記
溶融池の寸法に関する情報として取得し、前記溶融池の寸法が所定の範囲となるようにし
、且つ前記肉盛層における前記溶加材の成分の希釈率が１０％以上４０％以下となるよう
に、前記溶融池の寸法が大きいほどレーザ光の強度が低くなるように且つ前記溶融池の寸
法が小さいほどレーザ光の強度が高くなるように前記レーザ光の出力を制御する、溶接方
法。
前記溶融池の寸法に関する情報は、非接触式放射温度センサを用いて取得される、請求
項１又は２に記載の溶接方法。
前記希釈率が、１５％以上３５％以下である、請求項１又は２に記載の溶接方法。
前記肉盛層のビッカース硬さがＨｖ３２０以上Ｈｖ５００以下である、請求項１乃至４
のいずれか一項に記載の溶接方法。