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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024148444
(43)【公開日】2024-10-18
(54)【発明の名称】積層造形物及び積層造形物の製造方法
(51)【国際特許分類】
B23K 9/04 20060101AFI20241010BHJP
B23K 31/00 20060101ALI20241010BHJP
B33Y 80/00 20150101ALI20241010BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20241010BHJP
B23K 35/30 20060101ALI20241010BHJP
C22C 38/00 20060101ALI20241010BHJP
C22C 38/38 20060101ALI20241010BHJP
【ＦＩ】
B23K9/04 M
B23K9/04 G
B23K9/04 Z
B23K31/00 F
B33Y80/00
B33Y10/00
B23K35/30 340A
C22C38/00 301Y
C22C38/38
【審査請求】有
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023061572
(22)【出願日】2023-04-05
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2023-07-26
(71)【出願人】
【識別番号】000001199
【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所
(74)【代理人】
【識別番号】110002000
【氏名又は名称】弁理士法人栄光事務所
(72)【発明者】
【氏名】佐野 萌
(72)【発明者】
【氏名】黄 碩
(57)【要約】
【課題】、積層造形の工程に新たに処理を追加することなく造形物に圧縮残留応力を発生させて、造形物の機械的特性を向上させる。
【解決手段】積層造形物１００の組成は、質量％で、Ｃ：０．０２％以上、０．１５％以下、Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下、Ｍｎ：１．００％以上、１．６０％以下、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下、Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下、Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下、Ｃｕ：０．４％以下で、残部がＦｅと不可避的に含まれる不純物である。溶接ビードの延伸方向に直交する断面の断面積が８．０ｍｍ２以上、８０．０ｍｍ２以下の溶接ビードが並設された複数のビード層を含む充填部１５を有する。充填部１５の複数のビード層のうち積層方向の中央を含む中間層は、積層方向の圧縮残留応力が４７ＭＰａ以上である。
【選択図】図１
【解決手段】積層造形物１００の組成は、質量％で、Ｃ：０．０２％以上、０．１５％以下、Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下、Ｍｎ：１．００％以上、１．６０％以下、Ｐ：０．０２５％以下、Ｓ：０．０２５％以下、Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下、Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下、Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下、Ｃｕ：０．４％以下で、残部がＦｅと不可避的に含まれる不純物である。溶接ビードの延伸方向に直交する断面の断面積が８．０ｍｍ２以上、８０．０ｍｍ２以下の溶接ビードが並設された複数のビード層を含む充填部１５を有する。充填部１５の複数のビード層のうち積層方向の中央を含む中間層は、積層方向の圧縮残留応力が４７ＭＰａ以上である。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
母材上に溶加材を溶融して形成される溶接ビードが繰り返し積層された積層造形物であって、
前記積層造形物の組成は、質量％で、
Ｃ： ０．０２％以上、０．１５％以下、
Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下、
Ｍｎ：１．００％以上、１．６０％以下、
Ｐ： ０．０２５％以下、
Ｓ： ０．０２５％以下、
Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下、
Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下、
Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下、
Ｃｕ：０．４％以下で、
残部がＦｅと不可避的に含まれる不純物であり、
前記溶接ビードの延伸方向に直交する断面の断面積が８．０ｍｍ２以上、８０．０ｍｍ２以下の溶接ビードが並設された複数のビード層を含む充填部を有し、
前記充填部の複数の前記ビード層のうち積層方向の中央を含む中間層は、前記積層方向の圧縮残留応力が４７ＭＰａ以上である、
積層造形物。
前記積層造形物の組成は、質量％で、
Ｃ： ０．０２％以上、０．１５％以下、
Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下、
Ｍｎ：１．００％以上、１．６０％以下、
Ｐ： ０．０２５％以下、
Ｓ： ０．０２５％以下、
Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下、
Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下、
Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下、
Ｃｕ：０．４％以下で、
残部がＦｅと不可避的に含まれる不純物であり、
前記溶接ビードの延伸方向に直交する断面の断面積が８．０ｍｍ２以上、８０．０ｍｍ２以下の溶接ビードが並設された複数のビード層を含む充填部を有し、
前記充填部の複数の前記ビード層のうち積層方向の中央を含む中間層は、前記積層方向の圧縮残留応力が４７ＭＰａ以上である、
積層造形物。
【請求項2】
前記充填部の外周縁の少なくとも一部に沿って、前記充填部と接合される外殻部を備える、
請求項１に記載の積層造形物。
請求項１に記載の積層造形物。
【請求項3】
前記充填部の前記圧縮残留応力の平均値は、前記外殻部の前記圧縮残留応力の平均値よりも大きい、
請求項２に記載の積層造形物。
請求項２に記載の積層造形物。
【請求項4】
前記充填部は、前記母材との界面を含む深層と、前記充填部の露出面を含む表層と、前記深層と前記表層に挟まれた前記中間層とを含み、
前記中間層の前記圧縮残留応力は、８４ＭＰａ以上である、
請求項１から３のいずれか１項に記載の積層造形物。
前記中間層の前記圧縮残留応力は、８４ＭＰａ以上である、
請求項１から３のいずれか１項に記載の積層造形物。
【請求項5】
前記中間層の前記圧縮残留応力は、１７１ＭＰａ以上である、
請求項４に記載の積層造形物。
請求項４に記載の積層造形物。
【請求項6】
母材上に溶加材を溶融して形成される溶接ビードを繰り返し積層する積層造形物の製造方法であって、
前記積層造形物の組成は、質量％で、
Ｃ： ０．０２％以上、０．１５％以下、
Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下、
Ｍｎ：１．００％以上、１．６０％以下、
Ｐ： ０．０２５％以下、
Ｓ： ０．０２５％以下、
Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下、
Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下、
Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下、
Ｃｕ：０．４％以下で、
残部がＦｅと不可避的に含まれる不純物であり、
前記溶接ビードを、前記溶加材の溶着量が１６５ｍｍ３／ｓｅｃ～２００ｍｍ３／ｓｅｃ、入熱量が４００Ｊ／ｍｍ～４０００Ｊ／ｍｍの条件で形成し、
前記溶接ビードを並設したビード層を積層して充填部を形成する際に、前記充填部の複数の前記ビード層のうち、前記溶接ビードの積層方向の中央を含む中間ビード層を、前記積層方向の圧縮残留応力が４７ＭＰａ以上のビード層にする、
積層造形物の製造方法。
前記積層造形物の組成は、質量％で、
Ｃ： ０．０２％以上、０．１５％以下、
Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下、
Ｍｎ：１．００％以上、１．６０％以下、
Ｐ： ０．０２５％以下、
Ｓ： ０．０２５％以下、
Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下、
Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下、
Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下、
Ｃｕ：０．４％以下で、
残部がＦｅと不可避的に含まれる不純物であり、
前記溶接ビードを、前記溶加材の溶着量が１６５ｍｍ３／ｓｅｃ～２００ｍｍ３／ｓｅｃ、入熱量が４００Ｊ／ｍｍ～４０００Ｊ／ｍｍの条件で形成し、
前記溶接ビードを並設したビード層を積層して充填部を形成する際に、前記充填部の複数の前記ビード層のうち、前記溶接ビードの積層方向の中央を含む中間ビード層を、前記積層方向の圧縮残留応力が４７ＭＰａ以上のビード層にする、
積層造形物の製造方法。
【請求項7】
前記充填部の外周縁の少なくとも一部に沿って前記充填部と接合される外殻部を、前記充填部を形成する溶接ビードよりも前記溶着量及び前記入熱量が低い条件で形成する、
請求項６に記載の積層造形物の製造方法。
請求項６に記載の積層造形物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、積層造形物及び積層造形物の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
溶接ビードを積層した積層造形物は、溶接現象に起因して残留応力が発生しやすい。この残留応力は、造形した構造物の機械的な特性に影響を与える。例えば、圧縮残留応力は疲労寿命の向上に望ましいが、引張残留応力は逆に疲労寿命を低下させやすいことが知られている。こうした影響を考慮して、残留応力の分布を制御する手法が提案されている（例えば特許文献１，２）。
【0003】
特許文献１には、造形物の製品全体に引張残留応力が残り、層間の結合が困難となるため、層に塑性ひずみを与えるようにローリングすることで、均一な圧縮残留応力を与えることが記載されている。また、特許文献２には、ショットピーニングにより造形物に圧縮残留応力を付与することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１６－１３６８６号公報
【特許文献2】特公表２０１９－５０７２５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、特許文献１，２の手法では、いずれも特別な設備、機器及びコストを要することになり、しかも、造形物の生産リードタイムを増加させてしまう。
そこで本発明は、積層造形の工程に新たに処理を追加することなく造形物に圧縮残留応力を発生させて、造形物の機械的特性を向上させる積層造形物及び積層造形物の製造方法を提供することを目的とする。
そこで本発明は、積層造形の工程に新たに処理を追加することなく造形物に圧縮残留応力を発生させて、造形物の機械的特性を向上させる積層造形物及び積層造形物の製造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】
【0006】
本発明は下記の構成からなる。
（１） 母材上に溶加材を溶融して形成される溶接ビードが繰り返し積層された積層造形物であって、
前記積層造形物の組成は、質量％で、
Ｃ： ０．０２％以上、０．１５％以下、
Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下、
Ｍｎ：１．００％以上、１．６０％以下、
Ｐ： ０．０２５％以下、
Ｓ： ０．０２５％以下、
Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下、
Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下、
Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下、
Ｃｕ：０．４％以下で、
残部がＦｅと不可避的に含まれる不純物であり、
前記溶接ビードの延伸方向に直交する断面の断面積が８．０ｍｍ２以上、８０．０ｍｍ２以下の溶接ビードが並設された複数のビード層を含む充填部を有し、
前記充填部の複数の前記ビード層のうち積層方向の中央を含む中間層は、前記積層方向の圧縮残留応力が４７ＭＰａ以上である、
積層造形物。
（２） 母材上に溶加材を溶融して形成される溶接ビードを繰り返し積層する積層造形物の製造方法であって、
前記積層造形物の組成は、質量％で、
Ｃ： ０．０２％以上、０．１５％以下、
Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下、
Ｍｎ：１．００％以上、１．６０％以下、
Ｐ： ０．０２５％以下、
Ｓ： ０．０２５％以下、
Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下、
Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下、
Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下、
Ｃｕ：０．４％以下で、
残部がＦｅと不可避的に含まれる不純物であり、
前記溶接ビードを、前記溶加材の溶着量が１６５ｍｍ３／ｓｅｃ～２００ｍｍ３／ｓｅｃ、入熱量が４００Ｊ／ｍｍ～４０００Ｊ／ｍｍの条件で形成し、
前記溶接ビードを並設したビード層を積層して充填部を形成する際に、前記充填部の複数の前記ビード層のうち、前記溶接ビードの積層方向の中央を含む中間ビード層を、前記積層方向の圧縮残留応力が４７ＭＰａ以上のビード層にする、
積層造形物の製造方法。
（１） 母材上に溶加材を溶融して形成される溶接ビードが繰り返し積層された積層造形物であって、
前記積層造形物の組成は、質量％で、
Ｃ： ０．０２％以上、０．１５％以下、
Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下、
Ｍｎ：１．００％以上、１．６０％以下、
Ｐ： ０．０２５％以下、
Ｓ： ０．０２５％以下、
Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下、
Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下、
Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下、
Ｃｕ：０．４％以下で、
残部がＦｅと不可避的に含まれる不純物であり、
前記溶接ビードの延伸方向に直交する断面の断面積が８．０ｍｍ２以上、８０．０ｍｍ２以下の溶接ビードが並設された複数のビード層を含む充填部を有し、
前記充填部の複数の前記ビード層のうち積層方向の中央を含む中間層は、前記積層方向の圧縮残留応力が４７ＭＰａ以上である、
積層造形物。
（２） 母材上に溶加材を溶融して形成される溶接ビードを繰り返し積層する積層造形物の製造方法であって、
前記積層造形物の組成は、質量％で、
Ｃ： ０．０２％以上、０．１５％以下、
Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下、
Ｍｎ：１．００％以上、１．６０％以下、
Ｐ： ０．０２５％以下、
Ｓ： ０．０２５％以下、
Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下、
Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下、
Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下、
Ｃｕ：０．４％以下で、
残部がＦｅと不可避的に含まれる不純物であり、
前記溶接ビードを、前記溶加材の溶着量が１６５ｍｍ３／ｓｅｃ～２００ｍｍ３／ｓｅｃ、入熱量が４００Ｊ／ｍｍ～４０００Ｊ／ｍｍの条件で形成し、
前記溶接ビードを並設したビード層を積層して充填部を形成する際に、前記充填部の複数の前記ビード層のうち、前記溶接ビードの積層方向の中央を含む中間ビード層を、前記積層方向の圧縮残留応力が４７ＭＰａ以上のビード層にする、
積層造形物の製造方法。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、積層造形の工程に新たな処理を追加することなく造形物に圧縮残留応力を発生させることができ、これにより、造形物の機械的特性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。ここでは、アーク溶接で形成する溶接ビードによって積層造形物を造形する場合を例に説明するが、材料の溶融と凝固を伴って所望の形状を造形する方式であれば、他の造形方式であってもよい。
【0010】
図１は、積層造形物を模式化した概略断面図である。ここで示す積層造形物（以下、造形物という。）１００は、母材１１上に溶接ワイヤ等の溶加材が溶融及び凝固して形成される溶接ビードを、繰り返し積層して形成される。造形物１００は、母材１１上に例えば外殻部１３と充填部１５とを含んで構成される。外殻部１３は、図１に示すビード延伸方向に垂直な断面で、所定の溶着断面積を有する溶接ビードが連なったビード壁でもよく、母材の一部により形成される母材壁でもよい。充填部１５は、外殻部１３に囲まれる部分に、外殻部１３よりも大きい溶着断面積の溶接ビードにより形成される。外殻部１３は、充填部１５の外周縁に形成することに限らず、充填部１５内に画成する空洞の内壁を形成してもよい。
【0011】
充填部１５は、溶接ビードが並設されたビード層を積層した多層構造体である。充填部１５を構成する各ビード層の溶接ビードは、溶加材の溶融及び凝固により形成され、溶接条件及び周囲部材からの抜熱条件によってその性状が変化する。ここでは、母材１１と充填部１５との界面を含む層を深層１５ａ、充填部１５として積層されたビード層の最終層（最上層）となる露出面を含む層を表層１５ｃ、深層１５ａと表層１５ｃに挟まれた層を中間層１５ｂとして、それぞれ区別する。なお、ここでいう各層１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、それぞれ１層のビード層に限らず、複数のビード層により形成された層である場合を含む。
【0012】
上記した造形物１００は、例えばアークを熱源として溶接を行う積層造形装置により製造できる。
図２は、造形物を積層造形する積層造形装置２００の概略構成図である。一例として示す積層造形装置２００は、造形制御装置２１と、マニピュレータ２３と、溶加材供給装置２５と、マニピュレータ制御装置２７と、熱源制御装置２９とを含んで構成される。
図２は、造形物を積層造形する積層造形装置２００の概略構成図である。一例として示す積層造形装置２００は、造形制御装置２１と、マニピュレータ２３と、溶加材供給装置２５と、マニピュレータ制御装置２７と、熱源制御装置２９とを含んで構成される。
【0013】
マニピュレータ制御装置２７は、マニピュレータ２３と、熱源制御装置２９とを制御する。マニピュレータ制御装置２７には不図示のコントローラが接続されて、マニピュレータ制御装置２７の任意の操作がコントローラを介して操作者から指示可能となっている。
【0014】
マニピュレータ２３は、例えば多関節ロボットであり、先端軸に設けたトーチ３１には、溶加材Ｍが連続供給可能に支持される。トーチ３１は、溶加材Ｍを先端から突出した状態に保持する。トーチ３１の位置及び姿勢は、マニピュレータ２３を構成するロボットアームの自由度の範囲で３次元的に任意に設定可能となっている。マニピュレータ２３は、６軸以上の自由度を有するものが好ましく、先端の熱源の軸方向を任意に変化させられるものが好ましい。マニピュレータ２３は、図１に示す４軸以上の多関節ロボットの他、２軸以上の直交軸に角度調整機構を備えたロボット等、種々の形態であってもよい。
【0015】
トーチ３１は、不図示のシールドノズルを有し、シールドノズルからシールドガスが供給される。シールドガスは、大気を遮断し、溶接中の溶融金属の酸化、窒化などを防いで溶接不良を抑制する。本構成で用いるアーク溶接法としては、被覆アーク溶接又は炭酸ガスアーク溶接等の消耗電極式、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接又はプラズマアーク溶接等の非消耗電極式のいずれであってもよく、造形対象に応じて適宜選定される。ここでは、ガスメタルアーク溶接を例に挙げて説明する。消耗電極式の場合、シールドノズルの内部にはコンタクトチップが配置され、電流が給電される溶加材Ｍがコンタクトチップに保持される。トーチ３１は、溶加材Ｍを保持しつつ、シールドガス雰囲気で溶加材Ｍの先端からアークを発生する。
【0016】
溶加材供給装置２５は、トーチ３１に向けて溶加材Ｍを供給する。溶加材供給装置２５は、溶加材Ｍが巻回されたリール２５ａと、リール２５ａから溶加材Ｍを繰り出す繰り出し機構２５ｂとを備える。溶加材Ｍは、繰り出し機構２５ｂによって必要に応じて正方向又は逆方向に送られながらトーチ３１へ送給される。繰り出し機構２５ｂは、溶加材供給装置２５側に配置されて溶加材Ｍを押し出すプッシュ式に限らず、ロボットアーム等に配置されるプル式、又はプッシュ－プル式であってもよい。
【0017】
熱源制御装置２９は、マニピュレータ２３による溶接に要する電力を供給する溶接電源である。熱源制御装置２９は、溶加材Ｍを溶融、凝固させるビード形成時に供給する溶接電流及び溶接電圧を調整する。また、熱源制御装置２９が設定する溶接電流及び溶接電圧等の溶接条件に連動して、溶加材供給装置２５の溶加材供給速度が調整される。
【0018】
溶加材Ｍを溶融させる熱源としては、上記したアークに限らない。例えば、アークとレーザーとを併用した加熱方式、プラズマを用いる加熱方式、電子ビーム又はレーザーを用いる加熱方式等、他の方式による熱源を採用してもよい。電子ビーム又はレーザーにより加熱する場合、加熱量を更に細かく制御でき、形成するビードの状態をより適正に維持して、積層構造物の更なる品質向上に寄与できる。
【0019】
溶加材Ｍの材質は、特に圧縮残留応力の効果が顕著となる材料として下記の組成物を例示できる。
【0020】
（溶加材の材質）
Ｃ： ０．０２％以上、０．１５％以下
Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下
Ｍｎ：１．１０％以上、１．６０％以下
Ｐ： ０．０２５％以下
Ｓ： ０．０２５％以下
Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下
Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下
Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下
Ｃｕ：０．４％以下
Ｃ： ０．０２％以上、０．１５％以下
Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下
Ｍｎ：１．１０％以上、１．６０％以下
Ｐ： ０．０２５％以下
Ｓ： ０．０２５％以下
Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下
Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下
Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下
Ｃｕ：０．４％以下
【0021】
造形制御装置２１は、上記した各部を統括して制御する。造形制御装置２１は、マニピュレータ制御装置２７に直接接続される形態に限らず、ネットワーク等を介して遠隔から接続される他のコンピュータで構成されてもよい。
【0022】
上記した構成の積層造形装置２００は、造形物１００の造形計画に基づいて作成された造形プログラムに従って動作する。造形プログラムは、多数の命令コードにより構成され、造形物の形状、材質、入熱量等の諸条件に応じて、適宜なアルゴリズムに基づいて作成される。この造形プログラムに従って、トーチ３１を移動させつつ、送給される溶加材Ｍを溶融及び凝固させると、溶加材Ｍの溶融凝固体である線状の溶接ビードＢが母材１１上に形成される。つまり、マニピュレータ制御装置２７は、造形制御装置２１から提供される所定のプログラムに基づいてマニピュレータ２３、熱源制御装置２９を駆動させる。マニピュレータ２３は、マニピュレータ制御装置２７からの指令により、溶加材Ｍをアークで溶融させながらトーチ３１を移動させて溶接ビードＢを形成する。このようにして溶接ビードＢを順次に形成、積層することで、目的とする形状の造形物１００が得られる。
【0023】
造形制御装置２１は、例えば、ＰＣ（Personal Computer）などの情報処理装置を用いたハードウェアにより構成される。造形制御装置２１の各機能は、不図示の制御部が不図示の記憶装置に記憶された特定の機能を有するプログラムを読み出し、これを実行することで実現される。記憶装置としては、揮発性の記憶領域であるＲＡＭ（Random Access Memory）、不揮発性の記憶領域であるＲＯＭ（Read Only Memory）等のメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）等のストレージを例示できる。また、制御部としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processor Unit）などのプロセッサ、又は専用回路等を例示できる。
【0024】
図１に示す造形物１００を、上記した積層造形装置２００により積層造形する場合には、概略的には次のような手順で行う。まず、造形しようとする目標形状を溶接ビードの高さでスライスし、複数層のスライスモデルを生成する。生成されたスライスモデルの形状を、それぞれ溶接ビードの幅でビード形成する場合のトーチ移動経路（パス）を求めて、溶接ビードを模擬したビードモデルを生成する。こうして得られたビードモデルに沿って溶接ビードＢを形成することで、スライスモデルの形状のビード層を形成する。このようにして複数のビード層を繰り返し積層することで、目標形状の造形物が製造される。溶接ビードＢの断面形状（ビード幅、ビード高さ等）は、溶加材Ｍの送給速度、溶接電圧、溶接電流等の溶接条件によって調整される。
【0025】
上記した溶接ビードＢを形成するためのパス、及び溶接条件の情報は、前述した造形プログラムに含まれており、造形制御装置２１は、造形対象とする造形物の形状に応じた造形プログラムをマニピュレータ制御装置２７に出力して、目的とする造形物の形状を造形させる。
【0026】
図３は、図１に示す造形物１００を形成する溶接ビードＢのビードモデルの断面を模式的に示す説明図である。母材１１上には、図１に示す外殻部１３を構成するビードモデルＢＭａと、充填部１５を構成するビードモデルＢＭｂが積層されている。外殻部１３は、形状精度を高めるために比較的小さい溶接ビードで形成し、充填部１５は、充填効率を向上させるために比較的大きい溶接ビードで形成する。そのため、充填部１５のビードモデルＢＭｂを、外殻部１３のビードモデルＢＭａよりも大きくする。つまり、溶接ビードの延伸方向に直交する断面の断面積を、外殻部１３よりも充填部１５が大きくなるようにビードモデルＢＭａ，ＢＭｂを設定する。
【0027】
外殻部１３と充填部１５の各溶接ビードを、互いに断面積の異なる溶接ビードに形成するには、溶接条件をそれぞれ異ならせればよい。上記した外殻部１３のビードモデルＢＭａに対応する溶接ビードの断面積は、例えば２．５ｍｍ２～７０ｍｍ２である。この溶接ビードを形成する溶接条件としては、溶加材Ｍの溶着量を２５ｍｍ３／ｓｅｃ～１６５ｍｍ３／ｓｅｃ、入熱量を５０Ｊ／ｍｍ～２５００Ｊ／ｍｍとした低入熱条件にする。一方、充填部１５のビードモデルＢＭｂに対応する溶接ビードの断面積は、例えば８．０ｍｍ２～８０ｍｍ２である。この溶接ビードを形成する溶接条件としては、溶加材Ｍの溶着量を１６５ｍｍ３／ｓｅｃ～２００ｍｍ３／ｓｅｃ、入熱量を４００Ｊ／ｍｍ～４０００Ｊ／ｍｍとした高入熱条件にする。低入熱条件での溶接としては、例えばＣＭＴ（Cold Metal Transfer：登録商標）方式の溶接等が挙げられる。
【0028】
このように、充填部１５の溶接条件を、外殻部１３の溶接条件と比較して溶接ビードの単位時間当たりの溶着量（ビード断面積と相関）、及び入熱量を大きく設定すると、外殻部１３に比べて、積層方向に関して比較的大きな圧縮残留応力が充填部１５に発生する。
【0029】
本明細書において、上記した「高入熱条件」とは、「低入熱条件」に比べて溶着量（体積比）が２倍以上、入熱量は１．５倍以上であることを意味する。溶接ビードの断面積については、使用した溶加材の体積（例えば、溶接ワイヤの直径と長さ）、溶接条件等に基づいて、単位時間あたりの溶着体積から見積もってもよい。また、造形後の造形物を切断して、鋼材のマクロ組織を観察する要領（ＪＩＳ Ｇ０５５３）で観察し、観察される溶接ビードの境界線によりビード断面積を見積もってもよい。
【0030】
溶接ビードを繰り返し積層すると、造形物に生じた引張残留応力が、機械的強度を良化させる圧縮残留応力に転じる傾向があることが知られている（例えば、文献１：T.Mukherjee, W.Zhang, T.DebRoy, An improved prediction of residual stresses and distortion in additive manufacturing, Computational Materials Science 126(2017),PP.360-372）。そのため、溶接ビードの積層層数が多いほど、より確実に圧縮残留応力を生じるため好ましく、少なくとも１０層以上積層することが好ましい。
【0031】
さらに、詳細を後述する造形物においては、造形物に発生した残留応力（造形物の積層方向（Ｚ方向）の残留応力）を、充填部１５の複数の部位から切り出された試験体で計測したところ、残留応力値は造形物の場所により異なっていた。図１に示すように、造形物が母材１１上に外殻部１３、及び外殻部１３の内側の充填部１５を備える場合、充填部１５について、母材１１とその上層の溶接ビードとの境界（Ｚ＝０）を含む領域（「境界部」ともいう）で残留応力を計測したところ、境界部のいずれの箇所でも７０ＭＰａ以上の圧縮残留応力を有していた。一方、境界部から離れた充填部１５の内部（Ｚ＝２５ｍｍの深さ位置）と、充填部１５の表面層（Ｚ＝５０ｍｍの位置）を含む表面部の残留応力は、境界部と異なる傾向を示した。
【0032】
このような造形物の内部における残留応力は、４７ＭＰａ以上が好ましく、より好ましくは８４ＭＰａ以上である。特に、造形物の内部に１７１ＭＰａ以上の圧縮残留応力を有する場合には、母材との境界部から造形物の表面にかけての残留応力が場所によらずに圧縮となり、バランスのよい残留応力分布となる。このように、造形物の内部の圧縮残留応力が比較的大きいことで、ビード層同士の密着力が向上するほか、造形物に欠陥、亀裂が発生しても厚さ方向の欠陥及び亀裂の拡大を抑制できる。
【0033】
本発明では上述した残留応力分布を得るために、例えば、造形物に粒子を衝突させるショットピーニング、圧下機構により圧力を加えるローリング等の機械的処理は、付加的なコストを要するため基本的に実施しない。これら機械的処理は、その処理が必要な場合に限り、コストが許容される範囲で特定の部位に絞って実施することが好ましい。例えば、外殻部１３については、母材と溶接ビードの積層体とが剥離する方向に外力が働きやすいことから、外殻部１３の周囲に対して、これら機械的な後処理を実施してもよい。その場合、外殻部１３の周囲では、外力による引張応力が緩和され、母材と積層体の剥離及び亀裂の発生を抑制できる。
【実施例0034】
以下に示す試験体を造形し、この試験体に発生した残留応力分布を確認した。
（試験体の造形）
図４は、試験体ＴＰの側面図、図５は、試験体ＴＰに含まれる母材１１の斜視図である。図４に示す試験体ＴＰは、図３に示す造形物を模擬した形状であり、母材１１と積層体３５とにより構成される。
（試験体の造形）
図４は、試験体ＴＰの側面図、図５は、試験体ＴＰに含まれる母材１１の斜視図である。図４に示す試験体ＴＰは、図３に示す造形物を模擬した形状であり、母材１１と積層体３５とにより構成される。
【0035】
母材１１は、図５に示すように、上側が開口する断面半円状の２つの溝部３７Ａ，３７Ｂが形成された平坦部３９と、平坦部３９の一端側で溝部３７Ａ，３７Ｂの長手方向に沿って立設された壁部４１とを有する。壁部４１の平坦部３９に向いた壁面４１ａは、平坦部３９の上面３９ａに垂直な鉛直面である。溝部３７Ａ，３７Ｂは、互いに平行に形成し、その長手方向の一端を平坦部３９の端部まで形成した。
【0036】
図４に示す母材１１の平坦部３９と壁部４１とにより形成される凹所に、溶接ビードの積層体３５を形成した。積層体３５は、外殻部４７と、溝部３７Ａ，３７Ｂを覆って断面円形の中空空間３９を形成する溝壁部４９Ａ，４９Ｂと、充填部５１とを有する。溝壁部４９Ａ，４９Ｂは、外殻部４７と同じ又はそれに近い条件で形成した。
【0037】
図６は、積層体３５を造形する溶接ビードの形成パスを示す説明図である。ここでは、平坦部３９の上面３９ａで、溶接ビードを溝部３７Ａ，３７Ｂの長手方向に沿った複数のパスで順次に形成して積層体３５を造形した。具体的には、パスＰＳａにより外殻部４７を形成し、パスＰＳｂにより溝壁部４９Ａ，４９Ｂを形成し、パスＰＳｃにより充填部５１を形成した。図６には、平坦部３９上の一層のビード層を形成するパスを示しているが、同様にして次層を積層し、合計１０層以上を積層することで図４に示す形状の積層体３５を得た。
【0038】
上記の溶接ビードの形成には２種類の溶接条件を適用した。造形物の外枠となる外形部分（外殻部４７を含む矩形状の枠、及び溝壁部４９Ａ，４９Ｂ）には低入熱の溶接条件を適用し、外周が囲まれる充填部分（充填部５１）には比較的高入熱の溶接条件を適用した。
【0039】
積層造形装置としては、アーク溶接ロボット（神戸製鋼所製：ＡＲＣＭＡＮ－ＭＰ）を使用し、表１に示す条件で溶接ビードを積層した。
【0040】
【表1】
【0041】
つまり、外形部分については、溶着量が２８．３ｍｍ３／ｓｅｃ、入熱量が３００．１Ｊ／ｍｍの低入熱条件とし、外周が囲まれる充填部分については、溶着量が１７９．１ｍｍ３／ｓｅｃ、入熱量が５７６．６Ｊ／ｍｍの高入熱条件とした。いずれの場合にもシールドガスとして、ＡｒガスにＣＯ２ガスを２０％添加したガスを用いた。また、充填部５１については、振幅１ｍ、周期４Ｈｚでウィービングを実施した。
【0042】
母材１１の材質は、機械構造用炭素鋼Ｓ３５Ｃ（ＪＩＳ Ｇ４０５１）である。溶加材Ｍは、ワイヤ径がφ１２ｍｍの溶接ワイヤ（ＭＢ－Ｓ６３Ｂ：神戸製鋼所製）を用いた。造形中の溶接ビードの亀裂発生を抑制するため、母材１１を予熱したのち、２００～３００℃の範囲で保温した状態下で初層（１層目）の積層を行った。
【0043】
溶接ビード層の積層後は、積層体３５に確実に残る残留応力を評価するために、焼鈍熱処理した。この焼鈍処理は、１００℃／ｈｒで昇温させたのち、５８０℃にて６ｈｒ保持する条件とした。
【0044】
（試験体の金属組成推定）
上記の試験体ＴＰの造形に使用した溶加材Ｍの組成規格（ＪＩＳ Ｚ ３３１２のＣ１Ｍ１Ｔ参照）、溶着金属の組成例（カタログに記載された製品仕様値）、外殻造形及び充填造形を組み合わせて造形した簡易試験体（不図示）の充填部における組成例を表２に示す。
上記の試験体ＴＰの造形に使用した溶加材Ｍの組成規格（ＪＩＳ Ｚ ３３１２のＣ１Ｍ１Ｔ参照）、溶着金属の組成例（カタログに記載された製品仕様値）、外殻造形及び充填造形を組み合わせて造形した簡易試験体（不図示）の充填部における組成例を表２に示す。
【0045】
【表2】
【0046】
表２より、造形物の組成は概ね溶加材の成分規格から逸脱しない。Ｍｎだけ僅かに成分規格から外れるが、これはＭｎが比較的酸化されやすく、スラグ等の生成によって消費されることが原因と考えられる。以上のことも踏まえ、試験体の充填部５１における金属組成及び残留応力に影響を及ぼす金属組成は、以下に示す範囲にあると推定される。
Ｃ ：０．０２％以上、０．１５％以下
Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下
Ｍｎ：１．００％以上、１．６０％以下
Ｐ ：０．０２５％以下
Ｓ ：０．０２５％以下
Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下
Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下
Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下
Ｃｕ：０．４％以下
残部は鉄および不可避的不純物（Ｏ，Ａｌなど）
Ｃ ：０．０２％以上、０．１５％以下
Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下
Ｍｎ：１．００％以上、１．６０％以下
Ｐ ：０．０２５％以下
Ｓ ：０．０２５％以下
Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下
Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下
Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下
Ｃｕ：０．４％以下
残部は鉄および不可避的不純物（Ｏ，Ａｌなど）
【0047】
（試験体の残留応力）
上記のように形成した試験体ＴＰの残留応力を、ひずみゲージ法（切断法）を用いて測定した。
図７は、試験体ＴＰの残留応力測定位置を示す説明図である。試験体ＴＰから様々な残留応力の導入状況を調べるため、試験体ＴＰの外殻部及び充填部における複数の部位Ｐ１～Ｐ１１について測定した。また、各部位Ｐ１～Ｐ１１について、充填部５１の表層（Ｚ＝０ｍｍ）、中間層（Ｚ＝２５ｍｍ）、平坦部３９の上面３９ａ位置となる深層（Ｚ＝５０ｍｍ：）の各深さ位置における残留応力をそれぞれ測定した。各部位における層毎の残留応力の測定結果を表３に示した。なお、表３中の符号についてマイナス（－）は圧縮残留応力を意味し、プラス（＋）は引張残留応力を意味することに注意する。
上記のように形成した試験体ＴＰの残留応力を、ひずみゲージ法（切断法）を用いて測定した。
図７は、試験体ＴＰの残留応力測定位置を示す説明図である。試験体ＴＰから様々な残留応力の導入状況を調べるため、試験体ＴＰの外殻部及び充填部における複数の部位Ｐ１～Ｐ１１について測定した。また、各部位Ｐ１～Ｐ１１について、充填部５１の表層（Ｚ＝０ｍｍ）、中間層（Ｚ＝２５ｍｍ）、平坦部３９の上面３９ａ位置となる深層（Ｚ＝５０ｍｍ：）の各深さ位置における残留応力をそれぞれ測定した。各部位における層毎の残留応力の測定結果を表３に示した。なお、表３中の符号についてマイナス（－）は圧縮残留応力を意味し、プラス（＋）は引張残留応力を意味することに注意する。
【0048】
【表3】
【0049】
試験体ＴＰの各部位Ｐ１～Ｐ１１の評価結果は、以下の基準により判定している。
◎：各層で圧縮残留応力が発生し、その大きさがいずれも１００ＭＰａ以上
○：各層で圧縮残留応力が発生し、その大きさがいずれも５０ＭＰａ以上だが◎に該当しない
△：各層で圧縮残留応力が発生し、その大きさがいずれも２５ＭＰａ以上だが◎もしくは○に該当しない
×：◎、○、△以外
◎：各層で圧縮残留応力が発生し、その大きさがいずれも１００ＭＰａ以上
○：各層で圧縮残留応力が発生し、その大きさがいずれも５０ＭＰａ以上だが◎に該当しない
△：各層で圧縮残留応力が発生し、その大きさがいずれも２５ＭＰａ以上だが◎もしくは○に該当しない
×：◎、○、△以外
【0050】
深層から表層にかけてバランスよく圧縮残留応力を有する部位としては、Ｐ２、Ｐ３が挙げられる。これら部位Ｐ２，Ｐ３においては、少なくともｚ＝２５ｍｍの深さにおいて２５ＭＰａ以上の圧縮残留応力を有するため、望ましい状態といえる。また、Ｐ１，Ｐ４，Ｐ５の部位のように外殻部４７及び母材１１の４１壁部から離れると、圧縮残留応力が更に増大した。このことから、積層体３５の中央寄りの位置では、圧縮残留応力が確実に増大し、残留応力分布が圧縮側にバランスしていることが確認できた。
【0051】
なお、充填部５１の領域の部位Ｐ１～Ｐ８と、外殻部４７の領域の部位Ｐ９～Ｐ１１とを比較すると、相対的に入熱量が低い溶接ビードにより形成される外殻部４７では、大きな圧縮残留応力は生じないことが確認できた。このことから、比較的高入熱で形成される溶接ビードを繰り返し積層した方が、圧縮残留応力の導入に好ましいことがわかった。また、溶接ビードの延伸方向に関しては、端側より内側（中間部）の方が比較的圧縮残留応力が大きい傾向があった（例えば、Ｐ３とＰ８の比較、Ｐ１とＰ４の比較、Ｐ２とＰ７の比較）。以上のことは、前述した文献１からも同様な傾向を確認できる。
【0052】
なお、中間層１５ｂの圧縮残留応力が８４ＭＰａ以上であると、積層方向の残留応力が殆ど圧縮残留応力となるため好ましい。更に１７１ＭＰａ以上であると、より大きな圧縮残留応力の分布が得られるため好ましい。
【0053】
また、充填部５１の周囲に外殻部４７が存在することで、積層体３５の外縁形状を高精度に形成できる。しかも、充填部５１の溶接ビードの垂れ落ちが防止されるため、充填部５１をより大きな溶着断面積となる高入熱条件で形成できる。これにより、充填部５１に発生する圧縮残留応力を更に増大でき、機械的特性に優れた構成にできる。このように、外殻部４７を設けることにより、充填部５１の圧縮残留応力の平均値は、外殻部４７の圧縮残留応力の平均値よりも更に大きくして、充填部５１を含む積層体３５の機械的特性を向上できる。
【0054】
以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 母材上に溶加材を溶融して形成される溶接ビードが繰り返し積層された積層造形物であって、
前記積層造形物の組成は、質量％で、
Ｃ： ０．０２％以上、０．１５％以下、
Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下、
Ｍｎ：１．００％以上、１．６０％以下、
Ｐ： ０．０２５％以下、
Ｓ： ０．０２５％以下、
Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下、
Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下、
Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下、
Ｃｕ：０．４％以下で、
残部がＦｅと不可避的に含まれる不純物であり、
前記溶接ビードの延伸方向に直交する断面の断面積が８．０ｍｍ２以上、８０．０ｍｍ２以下の溶接ビードが並設された複数のビード層を含む充填部を有し、
前記充填部の複数の前記ビード層のうち積層方向の中央を含む中間層は、前記積層方向の圧縮残留応力が４７ＭＰａ以上である、
積層造形物。
この積層造形物によれば、積層造形物の圧縮残留応力が４７ＭＰａ以上であることで、ビード層同士の密着力が向上するほか、造形物に欠陥、亀裂が発生しても厚さ方向の欠陥及び亀裂の拡大を抑制でき、機械的特性に優れた構成となる。
（１） 母材上に溶加材を溶融して形成される溶接ビードが繰り返し積層された積層造形物であって、
前記積層造形物の組成は、質量％で、
Ｃ： ０．０２％以上、０．１５％以下、
Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下、
Ｍｎ：１．００％以上、１．６０％以下、
Ｐ： ０．０２５％以下、
Ｓ： ０．０２５％以下、
Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下、
Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下、
Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下、
Ｃｕ：０．４％以下で、
残部がＦｅと不可避的に含まれる不純物であり、
前記溶接ビードの延伸方向に直交する断面の断面積が８．０ｍｍ２以上、８０．０ｍｍ２以下の溶接ビードが並設された複数のビード層を含む充填部を有し、
前記充填部の複数の前記ビード層のうち積層方向の中央を含む中間層は、前記積層方向の圧縮残留応力が４７ＭＰａ以上である、
積層造形物。
この積層造形物によれば、積層造形物の圧縮残留応力が４７ＭＰａ以上であることで、ビード層同士の密着力が向上するほか、造形物に欠陥、亀裂が発生しても厚さ方向の欠陥及び亀裂の拡大を抑制でき、機械的特性に優れた構成となる。
【0055】
（２） 前記充填部の外周縁の少なくとも一部に沿って、前記充填部と接合される外殻部を備える、（１）に記載の積層造形物。
この積層造形物によれば、充填部の外周縁に外殻部が存在することで、外形形状を高精度に形成できる。しかも、充填部の溶接ビードの垂れ落ちが防止されるため、より大きな溶着断面積となる高入熱条件で形成できる。これにより、発生する圧縮残留応力を更に増大でき、機械的特性に優れた構成にできる。
この積層造形物によれば、充填部の外周縁に外殻部が存在することで、外形形状を高精度に形成できる。しかも、充填部の溶接ビードの垂れ落ちが防止されるため、より大きな溶着断面積となる高入熱条件で形成できる。これにより、発生する圧縮残留応力を更に増大でき、機械的特性に優れた構成にできる。
【0056】
（３） 前記充填部の前記圧縮残留応力の平均値は、前記外殻部の前記圧縮残留応力の平均値よりも大きい、（２）に記載の積層造形物。
この積層造形物によれば、外殻部を設けることにより、充填部５１を含む積層体３５の機械的特性を向上できる。
この積層造形物によれば、外殻部を設けることにより、充填部５１を含む積層体３５の機械的特性を向上できる。
【0057】
（４） 前記充填部は、前記母材との界面を含む深層と、前記充填部の露出面を含む表層と、前記深層と前記表層に挟まれた前記中間層とを含み、
前記中間層の前記圧縮残留応力は、８４ＭＰａ以上である、（１）から（３）のいずれか１つに記載の積層造形物。
この積層造形物によれば、積層方向の残留応力が殆ど圧縮残留応力となるため好ましい。
前記中間層の前記圧縮残留応力は、８４ＭＰａ以上である、（１）から（３）のいずれか１つに記載の積層造形物。
この積層造形物によれば、積層方向の残留応力が殆ど圧縮残留応力となるため好ましい。
【0058】
（５） 前記中間層の前記圧縮残留応力は、１７１ＭＰａ以上である、（４）に記載の積層造形物。
この積層造形物によれば、母材との境界部から造形物の表面にかけての残留応力が場所によらずに圧縮となり、バランスのよい残留応力分布となる。
この積層造形物によれば、母材との境界部から造形物の表面にかけての残留応力が場所によらずに圧縮となり、バランスのよい残留応力分布となる。
【0059】
（６） 母材上に溶加材を溶融して形成される溶接ビードを繰り返し積層する積層造形物の製造方法であって、
前記積層造形物の組成は、質量％で、
Ｃ： ０．０２％以上、０．１５％以下、
Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下、
Ｍｎ：１．００％以上、１．６０％以下、
Ｐ： ０．０２５％以下、
Ｓ： ０．０２５％以下、
Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下、
Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下、
Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下、
Ｃｕ：０．４％以下で、
残部がＦｅと不可避的に含まれる不純物であり、
前記溶接ビードを、前記溶加材の溶着量が１６５ｍｍ３／ｓｅｃ～２００ｍｍ３／ｓｅｃ、入熱量が４００Ｊ／ｍｍ～４０００Ｊ／ｍｍの条件で形成し、
前記溶接ビードを並設したビード層を積層して充填部を形成する際に、前記充填部の複数の前記ビード層のうち、前記溶接ビードの積層方向の中央を含む中間ビード層を、前記積層方向の圧縮残留応力が４７ＭＰａ以上のビード層にする、
積層造形物の製造方法。
この積層造形物の製造方法によれば、溶加材の溶着量と入熱量の条件の調整により積層造形物の圧縮残留応力を４７ＭＰａ以上にすることで、ビード層同士の密着力が向上するほか、造形物に欠陥、亀裂が発生しても厚さ方向の欠陥及び亀裂の拡大を抑制でき、機械的特性に優れた構成にできる。
前記積層造形物の組成は、質量％で、
Ｃ： ０．０２％以上、０．１５％以下、
Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下、
Ｍｎ：１．００％以上、１．６０％以下、
Ｐ： ０．０２５％以下、
Ｓ： ０．０２５％以下、
Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下、
Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下、
Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下、
Ｃｕ：０．４％以下で、
残部がＦｅと不可避的に含まれる不純物であり、
前記溶接ビードを、前記溶加材の溶着量が１６５ｍｍ３／ｓｅｃ～２００ｍｍ３／ｓｅｃ、入熱量が４００Ｊ／ｍｍ～４０００Ｊ／ｍｍの条件で形成し、
前記溶接ビードを並設したビード層を積層して充填部を形成する際に、前記充填部の複数の前記ビード層のうち、前記溶接ビードの積層方向の中央を含む中間ビード層を、前記積層方向の圧縮残留応力が４７ＭＰａ以上のビード層にする、
積層造形物の製造方法。
この積層造形物の製造方法によれば、溶加材の溶着量と入熱量の条件の調整により積層造形物の圧縮残留応力を４７ＭＰａ以上にすることで、ビード層同士の密着力が向上するほか、造形物に欠陥、亀裂が発生しても厚さ方向の欠陥及び亀裂の拡大を抑制でき、機械的特性に優れた構成にできる。
【0060】
（７） 前記充填部の外周縁の少なくとも一部に沿って前記充填部と接合される外殻部を、前記充填部を形成する溶接ビードよりも前記溶着量及び前記入熱量が低い条件で形成する、（６）に記載の積層造形物の製造方法。
この積層造形物の製造方法によれば、充填部の外周縁に外殻部が存在することで、外形形状を高精度に形成できる。しかも、積層充填部の溶接ビードの垂れ落ちが防止されるため、より大きな溶着断面積となる高入熱条件で形成できる。これにより、発生する圧縮残留応力を更に増大でき、機械的特性に優れた構成にできる。
この積層造形物の製造方法によれば、充填部の外周縁に外殻部が存在することで、外形形状を高精度に形成できる。しかも、積層充填部の溶接ビードの垂れ落ちが防止されるため、より大きな溶着断面積となる高入熱条件で形成できる。これにより、発生する圧縮残留応力を更に増大でき、機械的特性に優れた構成にできる。
【符号の説明】
【0061】
１１ 母材
１３ 外殻部
１５ 充填部
１５ａ 深層
１５ｂ 中間層
１５ｃ 表層
２１ 造形制御装置
２３ マニピュレータ
２５ 溶加材供給装置
２７ マニピュレータ制御装置
２９ 熱源制御装置
３１ トーチ
３５ 積層体
３７Ａ，３７Ｂ 溝部
３９ 平坦部
３９ａ 上面
４１ 壁部
４１ａ 壁面
４５ 壁部
４７ 外殻部
４９Ａ，４９Ｂ 溝壁部
５１ 充填部
１００ 造形物（積層造形物）
２００ 積層造形装置
ＴＰ 試験体
１３ 外殻部
１５ 充填部
１５ａ 深層
１５ｂ 中間層
１５ｃ 表層
２１ 造形制御装置
２３ マニピュレータ
２５ 溶加材供給装置
２７ マニピュレータ制御装置
２９ 熱源制御装置
３１ トーチ
３５ 積層体
３７Ａ，３７Ｂ 溝部
３９ 平坦部
３９ａ 上面
４１ 壁部
４１ａ 壁面
４５ 壁部
４７ 外殻部
４９Ａ，４９Ｂ 溝壁部
５１ 充填部
１００ 造形物（積層造形物）
２００ 積層造形装置
ＴＰ 試験体
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【手続補正書】
【提出日】2023-06-05
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
母材上に溶加材を溶融して形成される溶接ビードが繰り返し積層された積層造形物であって、
前記積層造形物の組成は、質量％で、
Ｃ： ０．０２％以上、０．１５％以下、
Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下、
Ｍｎ：１．００％以上、１．６０％以下、
Ｐ： ０．０２５％以下、
Ｓ： ０．０２５％以下、
Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下、
Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下、
Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下、
Ｃｕ：０．４％以下で、
残部がＦｅと不可避的に含まれる不純物であり、
前記溶接ビードの延伸方向に直交する断面の断面積が８．０ｍｍ２以上、８０．０ｍｍ２以下の溶接ビードが並設された複数のビード層を含む充填部を有し、
前記充填部の複数の前記ビード層のうち積層方向の中央を含む中間層は、前記積層方向の圧縮残留応力が４７ＭＰａ以上であり、
前記充填部の外周縁の少なくとも一部に沿って、前記充填部と接合される外殻部を備え、
前記充填部の前記圧縮残留応力の平均値は、前記外殻部の前記圧縮残留応力の平均値よりも大きい、
積層造形物。
前記積層造形物の組成は、質量％で、
Ｃ： ０．０２％以上、０．１５％以下、
Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下、
Ｍｎ：１．００％以上、１．６０％以下、
Ｐ： ０．０２５％以下、
Ｓ： ０．０２５％以下、
Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下、
Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下、
Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下、
Ｃｕ：０．４％以下で、
残部がＦｅと不可避的に含まれる不純物であり、
前記溶接ビードの延伸方向に直交する断面の断面積が８．０ｍｍ２以上、８０．０ｍｍ２以下の溶接ビードが並設された複数のビード層を含む充填部を有し、
前記充填部の複数の前記ビード層のうち積層方向の中央を含む中間層は、前記積層方向の圧縮残留応力が４７ＭＰａ以上であり、
前記充填部の外周縁の少なくとも一部に沿って、前記充填部と接合される外殻部を備え、
前記充填部の前記圧縮残留応力の平均値は、前記外殻部の前記圧縮残留応力の平均値よりも大きい、
積層造形物。
【請求項2】
前記充填部は、前記母材との界面を含む深層と、前記充填部の露出面を含む表層と、前記深層と前記表層に挟まれた前記中間層とを含み、
前記中間層の前記圧縮残留応力は、８４ＭＰａ以上である、
請求項１に記載の積層造形物。
前記中間層の前記圧縮残留応力は、８４ＭＰａ以上である、
請求項１に記載の積層造形物。
【請求項3】
前記中間層の前記圧縮残留応力は、１７１ＭＰａ以上である、
請求項２に記載の積層造形物。
請求項２に記載の積層造形物。
【請求項4】
母材上に溶加材を溶融して形成される溶接ビードを繰り返し積層する積層造形物の製造方法であって、
前記積層造形物の組成は、質量％で、
Ｃ： ０．０２％以上、０．１５％以下、
Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下、
Ｍｎ：１．００％以上、１．６０％以下、
Ｐ： ０．０２５％以下、
Ｓ： ０．０２５％以下、
Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下、
Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下、
Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下、
Ｃｕ：０．４％以下で、
残部がＦｅと不可避的に含まれる不純物であり、
前記溶接ビードを、前記溶加材の溶着量が１６５ｍｍ３／ｓｅｃ～２００ｍｍ３／ｓｅｃ、入熱量が４００Ｊ／ｍｍ～４０００Ｊ／ｍｍの条件で形成し、
前記溶接ビードを並設したビード層を積層して充填部を形成する際に、前記充填部の複数の前記ビード層のうち、前記溶接ビードの積層方向の中央を含む中間ビード層を、前記積層方向の圧縮残留応力が４７ＭＰａ以上のビード層にする、
積層造形物の製造方法。
前記積層造形物の組成は、質量％で、
Ｃ： ０．０２％以上、０．１５％以下、
Ｓｉ：０．５０％以上、０．９０％以下、
Ｍｎ：１．００％以上、１．６０％以下、
Ｐ： ０．０２５％以下、
Ｓ： ０．０２５％以下、
Ｃｒ：０．３０％以上、０．６０％以下、
Ｍｏ：０．１０％以上、０．４５％以下、
Ｔｉ：０．０２％以上、０．３０％以下、
Ｃｕ：０．４％以下で、
残部がＦｅと不可避的に含まれる不純物であり、
前記溶接ビードを、前記溶加材の溶着量が１６５ｍｍ３／ｓｅｃ～２００ｍｍ３／ｓｅｃ、入熱量が４００Ｊ／ｍｍ～４０００Ｊ／ｍｍの条件で形成し、
前記溶接ビードを並設したビード層を積層して充填部を形成する際に、前記充填部の複数の前記ビード層のうち、前記溶接ビードの積層方向の中央を含む中間ビード層を、前記積層方向の圧縮残留応力が４７ＭＰａ以上のビード層にする、
積層造形物の製造方法。
【請求項5】
前記充填部の外周縁の少なくとも一部に沿って前記充填部と接合される外殻部を、前記充填部を形成する溶接ビードよりも前記溶着量及び前記入熱量が低い条件で形成する、
請求項４に記載の積層造形物の製造方法。
請求項４に記載の積層造形物の製造方法。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0042】
母材１１の材質は、機械構造用炭素鋼Ｓ３５Ｃ（ＪＩＳ Ｇ４０５１）である。溶加材Ｍは、ワイヤ径がφ１２ｍｍの溶接ワイヤ（ＭＧ－Ｓ６３Ｂ：神戸製鋼所製）を用いた。造形中の溶接ビードの亀裂発生を抑制するため、母材１１を予熱したのち、２００～３００℃の範囲で保温した状態下で初層（１層目）の積層を行った。