特開 2024-60317 肉盛溶接方法、及び金属部材の補修方法

(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】P2024060317

(43)【公開日】2024-05-02

(54)【発明の名称】肉盛溶接方法、及び金属部材の補修方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/342 20140101AFI20240424BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20240424BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20240424BHJP

【ＦＩ】

B23K26/342

B23K26/064 Z

B23K26/21 W

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022167622

(22)【出願日】2022-10-19

(71)【出願人】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100149548

【弁理士】

【氏名又は名称】松沼 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100162868

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 英輔

(74)【代理人】

【識別番号】100161702

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 宏之

(74)【代理人】

【識別番号】100189348

【弁理士】

【氏名又は名称】古都 智

(74)【代理人】

【識別番号】100196689

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 康一郎

(72)【発明者】

【氏名】伏野 亮史

(72)【発明者】

【氏名】平岡 卓也

(72)【発明者】

【氏名】日笠 昭人

(72)【発明者】

【氏名】月元 晃司

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168BA32

4E168BA56

4E168CB03

4E168DA24

4E168DA28

4E168EA17

4E168FB03

4E168JB04

4E168KA04

(57)【要約】

【課題】金属部材への熱影響を抑えつつ、溶接ビード同士が重なる部分における融合不良の発生を抑制可能な肉盛溶接方法、及び金属部材の補修方法を提供する。
【解決手段】肉盛溶接方法は、金属部材の表面に、溶接金属粉末を供給しつつレーザビームを照射して、金属部材の表面に肉盛溶接する肉盛溶接方法であって、レーザビームにより溶接金属粉末を溶融及び凝固させて、溶接ビードを金属部材の表面上に形成する溶接ビード形成工程を繰り返し実行して、金属部材の表面上に複数の溶接ビードを形成する。複数の溶接ビードは、溶接ビードの幅方向の一部が互いに重なり合っている。この肉盛溶接方法は、先に形成した溶接ビードに隣接する溶接ビードである隣接溶接ビードを形成する際のレーザビームのエネルギー密度を、隣接溶接ビード中で先に形成した溶接ビードに重ならない部分よりも、先に形成した溶接ビードに重なる部分を高くするように調節する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属部材の表面に、溶接金属粉末を供給しつつレーザビームを照射して、前記金属部材の表面に肉盛溶接する肉盛溶接方法において、
前記レーザビームにより前記溶接金属粉末を溶融及び凝固させて、溶接ビードを前記金属部材の表面上に形成する溶接ビード形成工程を繰り返し実行して、前記金属部材の表面上に複数の溶接ビードを形成し、
前記複数の溶接ビードは、前記溶接ビードの幅方向の一部が互いに重なり合い、
先に形成した溶接ビードに隣接する溶接ビードである隣接溶接ビードを形成する際の前記レーザビームのエネルギー密度を、前記隣接溶接ビード中で前記先に形成した溶接ビードに重ならない部分よりも、前記先に形成した溶接ビードに重なる部分を高くするように調節する
肉盛溶接方法。

【請求項2】

請求項１に記載の肉盛溶接方法において、
光回折格子を用いて前記レーザビームのエネルギー密度を調節する
肉盛溶接方法。

【請求項3】

請求項２に記載の肉盛溶接方法において、
前記溶接ビード形成工程の実行前に、前記金属部材の縁に沿ってタブを設けるタブ配置工程と、
前記複数の溶接ビードを形成した後に、前記タブと共に、前記溶接ビード中の前記タブ上に形成された部分を除去する不要部除去工程と、
を実行する
肉盛溶接方法。

【請求項4】

請求項３に記載の肉盛溶接方法において、
前記複数の溶接ビードのうち、最初に形成する溶接ビードである第一溶接ビードを、前記金属部材と前記タブとにまたがるように形成する
肉盛溶接方法。

【請求項5】

請求項２に記載の肉盛溶接方法において、
前記複数の溶接ビードのうち、最初に形成する溶接ビードである第一溶接ビードを形成する際には、前記第一溶接ビードの幅方向における前記レーザビームのエネルギー密度が均一になるよう調節された光回折格子を用い、
前記複数の溶接ビードのうち、前記第一溶接ビードを除く溶接ビードを形成する際には、前記レーザビームのエネルギー密度が、前記隣接溶接ビード中で前記先に形成した溶接ビードに重ならない部分よりも、前記先に形成した溶接ビードに重なる部分が高くなるように調節された光回折格子を用いる
肉盛溶接方法。

【請求項6】

請求項１から４の何れか一項に記載の肉盛溶接方法において、
前記隣接溶接ビードは、前記先に形成した溶接ビードの表面における最厚部を避けるように前記先に形成した溶接ビードに重なり、
前記隣接溶接ビード中で前記重なる部分における前記レーザビームのエネルギー密度は、前記重ならない部分の側に向かうにつれて増加した分布を示す
肉盛溶接方法。

【請求項7】

金属部材の補修方法において、
前記金属部材中で損傷した部分を除去する損傷部除去工程と、
損傷した部分が除かれた前記金属部材の表面に対して、請求項１から５の何れか一項に記載の肉盛溶接方法を実行する肉盛溶接工程と、
を実行する
金属部材の補修方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、肉盛溶接方法、及び金属部材の補修方法に関する。

【背景技術】

【0002】

減肉や亀裂等の損傷が発生した金属部材を補修するための肉盛溶接の技術の一つとして、例えば、ティグアーク溶接が知られている。ティグアーク溶接では、アーク放電を電極から連続的に発生させ、金属部材の補修箇所に形成した溶融池に溶接棒を送給し、ビードを形成することで損傷が発生した箇所を補修する。

【0003】

一方で、ティグアーク溶接と比較してエネルギー密度が高いレーザ溶接も肉盛溶接の技術の一つとして知られている。レーザ溶接では、ティグアーク溶接と比較して、金属部材中に入熱する範囲がより局所的となる。また、金属粉末を溶加材として用いるＬＭＤ（Laser Metal Deposition）では、溶接棒を用いるティグアーク溶接と比較して、溶融池が円滑に形成されるため、ビードの形成に時間を要しない。したがって、金属部材への入熱量が相対的に低くなる結果、金属部材中で溶接割れや変形等の熱損傷が発生しにくい。

【0004】

例えば、特許文献１には、レーザ肉盛溶接方法が開示されている。このレーザ肉盛溶接方法では、金属部材の表面に、ある幅の一つの肉盛ビードを形成した後、その先行の肉盛ビードの幅方向に隣り合わせて且つ幅方向端部が重なり合うように次の肉盛ビードを形成する。これにより、全体として幅広の肉盛ビードを形成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１８－１６７３２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、レーザ肉盛溶接の分野では、ビード同士が重なる部分における融合不良の発生を抑制することが要求される。

【0007】

そこで、本開示は、金属部材への熱影響を抑えつつ、溶接ビード同士が重なる部分における融合不良の発生を抑制可能な肉盛溶接方法、及び金属部材の補修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】

【0008】

前記目的を達成するための一態様としての肉盛溶接方法は、金属部材の表面に、溶接金属粉末を供給しつつレーザビームを照射して、前記金属部材の表面に肉盛溶接する肉盛溶接方法において、前記レーザビームにより前記溶接金属粉末を溶融及び凝固させて、溶接ビードを前記金属部材の表面上に形成する溶接ビード形成工程を繰り返し実行して、前記金属部材の表面上に複数の溶接ビードを形成し、前記複数の溶接ビードは、前記溶接ビードの幅方向の一部が互いに重なり合い、先に形成した溶接ビードに隣接する溶接ビードである隣接溶接ビードを形成する際の前記レーザビームのエネルギー密度を、前記隣接溶接ビード中で前記先に形成した溶接ビードに重ならない部分よりも、前記先に形成した溶接ビードに重なる部分を高くするように調節する。

【0009】

一態様としての金属部材の補修方法は、金属部材の補修方法において、前記金属部材中で損傷した部分を除去する損傷部除去工程と、損傷した部分が除かれた前記金属部材の表面に対して、上記の肉盛溶接方法を実行する肉盛溶接工程と、を実行する。

【発明の効果】

【0010】

本発明の一態様によれば、金属部材への熱影響を抑えつつ、溶接ビード同士が重なる部分における融合不良の発生を抑制可能な肉盛溶接方法、及び金属部材の補修方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本開示の実施形態に係る溶接装置の概略構成を示す図である。（ａ）は溶接装置の全体の概略構成を示す概念図であり、（ｂ）は（ａ）中におけるＢ－Ｂ線方向から溶接ヘッドを見た時の図である。

【図2】本開示の実施形態に係る溶接装置が金属部材の表面上に溶接ビードを形成する時の様子を説明する図である。

【図3】本開示の実施形態に係る金属部材の補修方法を示すフローチャートである。

【図4】本開示の実施形態に係る損傷部除去工程を説明するための図である。（ａ）は金属部材中に発生した損傷部が除去される前の状態を示しており、（ｂ）は損傷部が除去された後の状態を示している。

【図5】本開示の実施形態に係るタブ配置工程を説明するための図である。（ａ）は金属部材にタブが配置される前の状態を示しており、（ｂ）はタブが配置された後の状態を示している。

【図6】本開示の実施形態に係る第一工程における溶接ビード形成工程を説明するための図である。（ａ）は第一工程における最初の溶接ビード形成工程の開始時の状態を示しており、（ｂ）は第一工程における最初の溶接ビード形成工程の終了時の状態を示している。

【図7】本開示の実施形態に係る第一工程を説明するための図である。（ａ）は二回目の溶接ビード形成工程における開始時を示しており、（ｂ）は二回目の溶接ビード形成工程における途中の状態を示している。

【図8】本開示の実施形態に係る溶接ヘッドから照射されたレーザビームの幅方向におけるエネルギー密度の分布を説明するための図である。（ａ）は図７中におけるＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線方向の溶接ビードの断面視であり、（ｂ）は第一溶接ビードを形成する際の幅方向におけるエネルギー密度の分布を示しており、（ｃ）は二回目に形成される溶接ビードの幅方向におけるエネルギー密度の分布を示している。

【図9】本開示の実施形態に係る第一工程の終わりを説明するための図である。

【図10】本開示の実施形態に係る第二工程を説明するための図である。（ａ）は第二工程で最初の溶接ビード群を形成する際の最初の溶接ビード形成工程の開始時の状態を示しており、（ｂ）は第二工程で最初の溶接ビード群を形成する際の最後の溶接ビード形成工程の終了時の状態を示している。

【図11】本開示の実施形態に係る第二工程で形成された複数の溶接ビード群の溶接方向における一断面を示した図である。

【図12】本開示の実施形態に係る不要部除去工程で不要部が除去された後の様子を示した図である。

【図13】本開示のその他の実施形態に係る溶接ヘッドから照射されたレーザビームのエネルギー密度の分布を示した図であり、図８で示した部分に対応した図である。

【図14】本開示のその他の実施形態に係る溶接ヘッドから照射されたレーザビームのエネルギー密度の分布を示した図であり、図８で示した部分に対応した図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、添付図面を参照して、本開示による金属部材の補修方法を実施するための形態を説明する。

【0013】

本実施形態における金属部材の補修方法は、減肉や亀裂等の損傷が発生したガスタービン動静翼や分割環などの金属部材を補修するための方法である。この金属部材の補修方法では、ＬＭＤ（Laser Metal Deposition）による肉盛溶接をすることが可能な溶接装置を用いて金属部材を補修する。本実施形態における金属部材は、例えば、Ｎｉ基合金などの金属によって形成されている。

【0014】

ここで、金属部材の補修方法で用いられる溶接装置について説明する。
図１に示すように、溶接装置１は、溶接ヘッド１０と、コリメータ１１と、光学回折素子１２と、集光レンズ１３と、レーザ光源１４と、光伝送部１５と、粉末供給源１６と、シールドガス供給源１７とを備えている。

【0015】

溶接ヘッド１０は、金属部材の表面に溶接金属粉末を供給しつつ、レーザビームを金属部材の表面に照射する。溶接ヘッド１０は、その全体が金属部材に対して一方向へ相対的に移動することができるように移動機構（図示省略）によって保持されている。

【0016】

溶接ヘッド１０には、光路１０ａが形成されている。光路１０ａの一端は、溶接装置１が肉盛溶接を行う際、溶接ヘッド１０における金属部材の表面に対向する先端面１０ｂに開口している。この光路１０ａの開口部分は、溶接ヘッド１０における光出射口１０ｃとされている。光路１０ａは、光ファイバ等で形成された光伝送部１５によって導かれたレーザビームを光出射口１０ｃに導く。光伝送部１５は、ＹＡＧレーザやファイバレーザ等のレーザ光源１４と、光路１０ａの上記一端側とは反対の側の他端とを互いに接続している。光伝送部１５は、レーザ光源１４からのレーザビームを光路１０ａ内に導く。

【0017】

また、溶接ヘッド１０には、溶接金属粉末を金属部材の表面に供給するための粉末供給路１０ｄが形成されている。粉末供給路１０ｄの一端は、溶接ヘッド１０の先端面１０ｂに開口しており、粉末供給路１０ｄの他端は、粉末供給源１６に接続されている。また、溶接ヘッド１０には、アルゴンガス（Ａｒ）等のシールドガスを供給するためのシールドガス供給路１０ｅが形成されている。シールドガス供給路１０ｅの一端は、溶接ヘッド１０の先端面１０ｂに開口しており、シールドガス供給路１０ｅの他端は、シールドガス供給源１７に接続されている。

【0018】

なお、粉末供給路１０ｄの開口は、例えば、溶接ヘッド１０の先端面１０ｂ上に複数が並んで配置されている。図１中の（ｂ）では、三つの粉末供給源１６の開口が先端面１０ｂに開口している場合を一例として示している。また、シールドガス供給路１０ｅの開口は、先端面１０ｂ上で光路１０ａの開口及び粉末供給路１０ｄの開口を取り囲むように環状に形成されている。

【0019】

コリメータ１１は、溶接ヘッド１０の光路１０ａに設けられている。コリメータ１１は、レーザ光源１４から光伝送部１５を通じて光路１０ａ内に導かれたレーザビームを平行光線のレーザビームに変換する。

【0020】

光学回折素子１２（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）は、溶接ヘッド１０の光路１０ａにおけるコリメータ１１よりも光出射口１０ｃ側に設けられている。光学回折素子１２は、コリメータ１１を通過することで平行光線のレーザビームをビーム状のレーザビームに整形する。本実施形態における光学回折素子１２は、コリメータ１１からの平行光線を長矩形状のビームに整形可能な光回折格子１２ａを有している。

【0021】

集光レンズ１３は、溶接ヘッド１０の光路１０ａにおける光学回折素子１２よりも光出射口１０ｃ側に設けられている。集光レンズ１３は、光学回折素子１２によって整形されたレーザビームを集光する。集光レンズ１３によって集光されたレーザビームは、光路１０ａを通じて光出射口１０ｃから出射されるとともに、金属部材の表面に照射される。

【0022】

以下、金属部材の表面にレーザビームが照射される領域を「照射領域Ｒ」と称する。金属部材の表面上に仮想的に示すことができる照射領域Ｒの形状の一例を図１中の（ｂ）に示す。本実施形態における照射領域Ｒは、例えば、長方形状を成している。

【0023】

図２に示すように、溶接ヘッド１０は、金属部材１００の表面１００ａに溶接金属粉末Ｐを供給しつつ、レーザビームＬを金属部材１００の表面１００ａに照射することで、供給された溶接金属粉末ＰがレーザビームＬによって金属部材１００の表面１００ａ上で溶融され、照射領域Ｒに溶融池Ｍを形成する。この際、溶融池Ｍと周囲の空気との反応を抑制するためのシールドガスＧがシールドガス供給路１０ｅから供給され、供給されたシールドガスＧは、溶融池Ｍの周囲を流れる。金属部材１００の表面１００ａ上で溶融池Ｍが形成されるとともに溶接ヘッド１０が一方向に移動されることで、金属部材１００の表面１００ａ上で一方向に延びる溶接ビード３０が形成される。以下、溶接ヘッド１０が移動される一方向を「溶接方向Ｄａ」と称する。溶接方向Ｄａは、長方形状を成す照射領域Ｒの短辺が延びる方向に一致する。

【0024】

この際、溶接ビード３０は、肉盛溶接をするために加工された金属部材１００の表面１００ａに形成される。溶接ビード３０は、金属部材１００の表面１００ａに接触しない表面３０ａを有している。金属部材１００の表面１００ａ上に形成された溶接ビード３０の表面３０ａは、金属部材１００の表面１００ａから離間する側へ凸となる凸曲面状を成している。

【0025】

続いて、本実施形態における金属部材１００の補修方法について説明する。図３に示すように、金属部材１００の補修方法では、損傷部除去工程Ｓ１と、肉盛溶接工程Ｓ２とを実行する。

【0026】

（損傷部除去工程）
はじめに、損傷部除去工程Ｓ１では、金属部材１００中で損傷した部分を除去する。以下、説明の便宜上、金属部材１００中の損傷した部分を単に「損傷部１００ｂ」と称する。具体的には、図４に示すように、金属部材１００の表面中の上面１００ｕにおける亀裂等の損傷部１００ｂが発生した部分を含むように金属部材１００の一部分を切削や研削等を行うことで、損傷部１００ｂを除去する。金属部材１００がガスタービンの分割環である場合、金属部材１００の上面１００ｕには、例えば、分割環の側面などを例示することができる。

【0027】

損傷部１００ｂの除去には、例えば、グラインダー等の工具が用いられる。損傷部除去工程Ｓ１では、金属部材１００から損傷部１００ｂを除去することで、溶接装置１によって肉盛溶接の対象部分である表面１００ａが形成される。
図３に示すように、損傷部除去工程Ｓ１を終えた後、肉盛溶接工程Ｓ２を次に実行する。

【0028】

（肉盛溶接工程）
肉盛溶接工程Ｓ２では、損傷部除去工程Ｓ１で損傷部１００ｂが除かれた金属部材１００の表面１００ａに対して肉盛溶接を実行する。本実施形態における肉盛溶接方法では、タブ配置工程Ｓ２０と、第一工程Ｓ２１と、第二工程Ｓ２２と、不要部除去工程Ｓ２３とを実行する。

【0029】

（タブ配置工程）
図５に示すように、タブ配置工程Ｓ２０では、金属部材１００の縁１００ｃに沿ってタブ２００を設ける。タブ２００は、金属部材１００の表面１００ａを肉盛溶接する際に溶接金属粉末が金属部材１００の表面１００ａから落下することを防止するための部材である。

【0030】

タブ２００は、このタブ２００の表面２００ａが金属部材１００の表面１００ａと面一を成すように、金属部材１００の縁１００ｃに沿って設けられている。タブ２００は、例えば、溶接等によって金属部材１００と一体となるように金属部材１００に固定される。
図３に示すように、タブ配置工程Ｓ２０を終えた後、第一工程Ｓ２１を次に実行する。

【0031】

（第一工程）
第一工程Ｓ２１では、溶接ビード形成工程Ｓ３０を繰り返し実行する。図６に示すように、溶接ビード形成工程Ｓ３０では、レーザビームにより溶融池Ｍが形成され、溶融池Ｍに投入された溶接金属粉末が溶融・凝固することで形成された溶接ビード３０を金属部材１００の表面１００ａ上に形成する。第一工程Ｓ２１では、溶接ビード形成工程Ｓ３０を繰り返し実行することで、金属部材１００の表面１００ａ上に複数の溶接ビード３０を形成する。以下、説明の便宜上、第一工程Ｓ２１で形成された複数の溶接ビード３０をまとめて「溶接ビード群３０ｇ」と称する。

【0032】

溶接ビード形成工程Ｓ３０では、レーザビームを金属部材１００の表面１００ａに照射するとともに、金属部材１００の表面１００ａに溶接金属粉末を供給しつつ、溶接ヘッド１０を溶接方向Ｄａに移動させる。これにより、金属部材１００の表面１００ａ上で溶接方向Ｄａに延びる溶接ビード３０を形成する。

【0033】

本実施形態では、説明の便宜上、溶接ビード形成工程Ｓ３０を繰り返すことで金属部材１００の表面１００ａ上に形成する複数の溶接ビード３０のうち、最初に形成する溶接ビード３０を「第一溶接ビード３０１」と称する。溶接ビード形成工程Ｓ３０で形成された第一溶接ビード３０１は、タブ２００の表面２００ａと金属部材１００の表面１００ａとにまたがっている。

【0034】

図７に示すように、第一溶接ビード３０１を形成し終えた後、この第一溶接ビード３０１と隣接した状態で溶接方向Ｄａに延びる溶接ビード３０を形成する。本実施形態では、説明の便宜上、溶接ビード３０を形成する際に、先に形成された溶接ビード３０を「既成溶接ビード３１」と称し、新たに形成する溶接ビード３０を「隣接溶接ビード３２」と称する。したがって、二回目に形成する溶接ビード３０は、既成溶接ビード３１である最初に形成された第一溶接ビード３０１に対して、隣接溶接ビード３２となる。

【0035】

図８に示すように、二回目に形成する溶接ビード３０である隣接溶接ビード３２と、第一溶接ビード３０１とは、溶接ビード３０の幅方向Ｄｗの一部が互いに重なり合っている。溶接ビード３０の幅方向Ｄｗは、長方形状を成す照射領域Ｒの長辺が延びる方向に一致する。

【0036】

また、隣接溶接ビード３２は、第一溶接ビード３０１の表面３０ａにおける最厚部を避けるように第一溶接ビード３０１に重なっている。ここでいう「最厚部」とは、溶接ビード３０の表面３０ａのうち、金属部材１００の表面１００ａから最も離間した部分を意味する。

【0037】

ここで、隣接溶接ビード３２を形成する際の、溶接ヘッド１０から照射されたレーザビームのエネルギー密度は、隣接溶接ビード３２中で第一溶接ビード３０１に重ならない部分よりも、第一溶接ビード３０１に重なる部分が高くなるように調節されている。

【0038】

換言すれば、照射領域Ｒにおける第一溶接ビード３０１がレーザビームによって照らされる部分は、照射領域Ｒにおける金属部材１００の表面１００ａがレーザビームによって照らされる部分よりもエネルギー密度が高い。すなわち、本実施形態における第一工程Ｓ２１では、溶接ビード形成工程Ｓ３０が繰り返される過程で、照射領域Ｒにおける既成溶接ビード３１がレーザビームによって照らされる部分が、照射領域Ｒにおける金属部材１００の表面１００ａがレーザビームによって照らされる部分よりもエネルギー密度が高い。

【0039】

以下、説明の便宜上、照射領域Ｒにおける既成溶接ビード３１がレーザビームによって照らされる部分を「高エネルギー領域Ｒｈ」と称し、照射領域Ｒにおけるこの高エネルギー領域Ｒｈを除いた部分を「低エネルギー領域Ｒｌ」と称する。第一溶接ビード３０１は、金属部材１００の表面１００ａ上に形成される際、照射領域Ｒの高エネルギー領域Ｒｈがタブ２００の表面２００ａ上に配置された状態で形成される。

【0040】

レーザビームのエネルギー密度は、溶接装置１の光学回折素子１２が有する光回折格子１２ａを用いることによって調節されている。すなわち、溶接ヘッド１０から出射されたレーザビームのエネルギー密度が、隣接溶接ビード３２中で第一溶接ビード３０１に重ならない部分よりも、第一溶接ビード３０１に重なる部分が高くなるような光回折格子１２ａが採用されている。

【0041】

本実施形態では、隣接溶接ビード３２中で重なる部分におけるレーザビームのエネルギー密度（高エネルギー領域Ｒｈでのレーザビームのエネルギー密度）は、重ならない部分の側に向かうにつれて増加した分布を示している。より具体的には、隣接溶接ビード３２中で重なる部分におけるレーザビームのエネルギー密度は、重ならない部分の側に向かうにつれて線形的に増加した分布を示している。

【0042】

一方、隣接溶接ビード３２中で重ならない部分におけるレーザビームのエネルギー密度（低エネルギー領域Ｒｌでのレーザビームのエネルギー密度）は、溶接ビード３０の幅方向Ｄｗで均一な分布を示している。

【0043】

図９に示すように、第一工程Ｓ２１では、溶接ビード形成工程Ｓ３０を二回以上繰り返すことで溶接ビード群３０ｇを形成する。図９中では、第一工程Ｓ２１で溶接ビード形成工程Ｓ３０を四回繰り返した場合に形成された溶接ビード群３０ｇを一例として示している。複数の溶接ビード３０から成る溶接ビード群３０ｇは、金属部材１００の表面１００ａの全体を覆っている。

【0044】

第一工程Ｓ２１における最後の溶接ビード形成工程Ｓ３０で形成される溶接ビード３０は、金属部材１００の表面１００ａとタブ２００の表面２００ａとにまたがっている。この際、第一工程Ｓ２１における最後の溶接ビード形成工程Ｓ３０で形成される溶接ビード３０は、金属部材１００の表面１００ａ上に形成される際、照射領域Ｒの低エネルギー領域Ｒｌが金属部材１００の表面１００ａとタブ２００の表面２００ａとにまたがるように配置された状態で形成される。
図３に示すように、第一工程Ｓ２１を終えた後、第二工程Ｓ２２を次に実行する。

【0045】

（第二工程）
第二工程Ｓ２２では、溶接ビード形成工程Ｓ３０を繰り返し実行する。図１０に示すように、第二工程Ｓ２２における溶接ビード形成工程Ｓ３０では、レーザビームにより形成された溶融池Ｍへ投入された溶接金属粉末が溶融・凝固することにより形成された溶接ビード３０を、先に形成された溶接ビード群３０ｇの溶接ビード３０の表面３０ａ上に形成する。

【0046】

第二工程Ｓ２２では、溶接ビード形成工程Ｓ３０を繰り返し実行することで、第一工程Ｓ２１で形成された溶接ビード群３０ｇの上に複数の溶接ビード３０を形成する。つまり、第二工程Ｓ２２では、第一工程Ｓ２１で形成された溶接ビード群３０ｇの上に新たな溶接ビード群３０ｇを形成する。図１０中では、第二工程Ｓ２２で溶接ビード形成工程Ｓ３０を四回繰り返した場合に形成された新たな溶接ビード群３０ｇを一例として示している。

【0047】

本実施形態では、説明の便宜上、第一工程Ｓ２１で形成された溶接ビード群３０ｇを「第一溶接ビード群３０１ｇ」と称する。また、先に形成された溶接ビード群３０ｇの上に新たな溶接ビード群３０ｇを形成する際に、先に形成された溶接ビード群３０ｇを「既成溶接ビード群３１ｇ」と称し、この既成溶接ビード群３１ｇの上で層を成すように新たに形成される溶接ビード群３０ｇを「重畳溶接ビード群３２ｇ」と称する。したがって、第二工程Ｓ２２で最初に形成する溶接ビード群３０ｇは、既成溶接ビード３１である第一溶接ビード群３０１ｇに対して、重畳溶接ビード群３２ｇとなる。

【0048】

第二工程Ｓ２２では、第一溶接ビード群３０１ｇの上に重畳溶接ビード群３２ｇを形成した後、この重畳溶接ビード群３２ｇを既成溶接ビード群３１ｇとして、新たな重畳溶接ビード群３２ｇをこの既成溶接ビード群３１ｇの上に層を成すように形成する。図１１に第一工程Ｓ２１で形成された第一溶接ビード群３０１ｇの上に、新たな三層の溶接ビード群３０ｇを形成した場合を一例として示す。

【0049】

ここで、第二工程Ｓ２２で形成された重畳溶接ビード群３２ｇの幅方向Ｄｗにおける寸法は、既成溶接ビード群３１ｇの幅方向Ｄｗにおける寸法よりも短い。すなわち、図１１に示すように、第一工程Ｓ２１で形成された第一溶接ビード群３０１ｇの幅方向Ｄｗにおける寸法Ｌ１は、第二工程Ｓ２２で最初に形成された第一溶接ビード群３０１ｇに対する重畳溶接ビード群３２ｇの幅方向Ｄｗにおける寸法Ｌ２よりも長い。さらに、第二工程Ｓ２２で最初に形成された既成溶接ビード群３１ｇの幅方向Ｄｗにおける寸法Ｌ２は、この既成溶接ビード群３１ｇに対する重畳溶接ビード群３２ｇの幅方向Ｄｗにおける寸法Ｌ３よりも長い。さらに、第二工程Ｓ２２で二回目に形成された既成溶接ビード群３１ｇの幅方向Ｄｗにおける寸法Ｌ３は、この既成溶接ビード群３１ｇに対する重畳溶接ビード群３２ｇの幅方向Ｄｗにおける寸法Ｌ４よりも長い。したがって、第二工程Ｓ２２で形成された互いに層を成す複数の溶接ビード群３０ｇは、重畳されるにつれて溶接ビード３０の幅方向Ｄｗにおける寸法が短くなる。
図３に示すように、第二工程Ｓ２２を終えた後、不要部除去工程Ｓ２３を次に実行する。

【0050】

（不要部除去工程）
不要部除去工程Ｓ２３では、第二工程Ｓ２２で複数の溶接ビード３０から成る溶接ビード群３０ｇを形成した後、タブ２００と共に、溶接ビード３０中のタブ２００上に形成された部分を不要部Ｘとして除去する。また、不要部除去工程Ｓ２３では、例えば、損傷部１００ｂを除去する前の金属部材１００の上面１００ｕの位置よりも上方に盛り上がった溶接ビード３０を不要部Ｘとして除去する。例えば、図１１中では、金属部材１００、及び溶接ビード３０中に二点鎖線で示されている領域以外の部分を不要部Ｘとして示している。

【0051】

具体的には、図１２に示すように、不要部除去工程Ｓ２３では、損傷部１００ｂを除去する前の金属部材１００が有していた形状となるように不要部Ｘを削除することで、溶接ビード３０を含んだ金属部材１００を元の形状へと復旧する。不要部Ｘの除去には、例えば、グラインダー等の工具が用いられる。
不要部除去工程Ｓ２３を終えることで、肉盛溶接方法を実行する肉盛溶接工程Ｓ２が終了する。

【0052】

（作用効果）
金属部材１００の表面１００ａに溶接ビード３０が形成された際、この溶接ビード３０の表面３０ａは、金属部材１００の表面１００ａから離間する側へ凸となる曲面状を成す。複数の溶接ビード３０が溶接ビード３０の幅方向Ｄｗに隣接した状態で幅方向Ｄｗの一部が互いに重なり合うように肉盛溶接を行う場合、既成溶接ビード３１の表面３０ａに照射されたレーザビームがこの表面３０ａ上の曲面では、金属部材１００の表面１００ａと比べてエネルギー密度が相対的に低下する。このため、レーザビームのエネルギー密度が溶接ビード３０の幅方向Ｄｗで均一に分布せず、溶接ビード３０の幅方向Ｄｗで溶接ビード３０同士が重なり合う部分への入熱量が不十分になる場合がある。

【0053】

上記によれば、隣接溶接ビード３２を形成する際のレーザビームのエネルギー密度が隣接溶接ビード３２中で既成溶接ビード３１に重ならない部分よりも、既成溶接ビード３１に重なる部分が高くなるように調節されている。これにより、レーザビームのエネルギー密度を全体的に上昇させることなく、溶接ビード３０同士が重なり合う部分への入熱量を上昇させることができる。したがって、金属部材１００への熱影響を抑えつつ、溶接ビード３０同士が重なる部分における融合不良の発生を抑制することができる。

【0054】

また、上記によれば、光回折格子１２ａを用いてレーザビームのエネルギー密度が調節されるため、上記の作用をより高精度に実現することができる。

【0055】

また、上記によれば、溶接ビード３０を形成する前に、金属部材１００の縁１００ｃに沿ってタブ２００が設けられる。これにより、例えば、金属部材１００の表面１００ａに溶接ビード３０を形成する際、金属部材１００の表面１００ａからの溶接金属粉末の落下が抑制される。さらに、複数の溶接ビード３０が形成された後に、このタブ２００と共に溶接ビード３０中のタブ２００上に形成された部分が除去される。これにより、金属部材１００の縁１００ｃの部分で、溶接ビード３０の厚みを増加させることができる。

【0056】

また、上記によれば、金属部材１００の表面１００ａに最初に形成する溶接ビード３０である第一溶接ビード３０１が、金属部材１００とタブ２００とにまたがるように形成される。これにより、例えば、第一溶接ビード３０１を形成した際、第一溶接ビード３０１中の溶接ビード３０の幅方向Ｄｗでレーザビームのエネルギー密度が高い部分によって形成された一部をタブ２００と共に除去することができる。すなわち、第一溶接ビード３０１中における入熱量が比較的多い部分をタブ２００と共に除去することができる。したがって、第一溶接ビード３０１を形成する場合と他の溶接ビード３０を形成する場合とで、光回折格子１２ａを変更させる必要がない。

【0057】

また、上記によれば、隣接溶接ビード３２が、既成溶接ビード３１の表面３０ａにおける最厚部を避けるように既成溶接ビード３１に重なるとともに、隣接溶接ビード３２中で重なる部分におけるレーザビームのエネルギー密度が、重ならない部分の側に向かうにつれて増加した分布を示している。すなわち、隣接溶接ビード３２を形成する際の溶接ビード３０同士が重なる部分におけるエネルギー密度が、幅方向Ｄｗにおける既成溶接ビード３１の表面３０ａの傾きが急峻になるにつれて高くなる。つまり、既成溶接ビード３１の表面３０ａの形状に即した分布を示している。したがって、例えば溶接ビード３０の幅方向Ｄｗに均一な分布を示す場合と比較して、より適切に入熱させることができる。その結果、溶接ビード３０同士が重なる部分における融合不良の発生をより抑制することができる。

【0058】

（その他の実施形態）
以上、本開示の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成は実施形態の構成に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内での構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。

【0059】

なお、図１３に示すように、第一工程Ｓ２１で第一溶接ビード３０１を形成する際には、第一溶接ビード３０１の幅方向Ｄｗにおけるレーザビームのエネルギー密度が均一になるように調節された光回折格子１２ａを用いてもよい。この際、例えば、第一溶接ビード３０１を形成する場合と他の溶接ビード３０を形成する場合とで、溶接装置１の光学回折素子１２を取り換える操作によって互いに異なる光回折格子１２ａを用いてもよい。また、例えば、二台の溶接装置１を用意するとともに、これら溶接装置１が、互いに異なる光回折格子１２ａを有する光学回折素子１２を備えていてもよい。これにより、第一溶接ビード３０１中における入熱量が比較的多い部分を生じさせることがない。

【0060】

また、図１４に示すように、第一工程Ｓ２１で複数の溶接ビード３０を形成する際には、隣接溶接ビード３２中で重なる部分におけるレーザビームのエネルギー密度が、重ならない部分の側に向かうにつれて指数関数的に増加した分布を示していてもよい。これにより、より適切に入熱させることができる。

【0061】

［付記］
上記実施形態に記載の肉盛溶接方法、及び金属部材の補修方法は、例えば、以下のように把握される。

【0062】

（１）第１の態様における肉盛溶接方法では、金属部材１００の表面１００ａに、溶接金属粉末を供給しつつレーザビームを照射して、前記金属部材１００の表面１００ａに肉盛溶接する肉盛溶接方法において、前記レーザビームにより前記溶接金属粉末を溶融及び凝固させて、溶接ビード３０を前記金属部材１００の表面１００ａ上に形成する溶接ビード形成工程Ｓ３０を繰り返し実行して、前記金属部材１００の表面１００ａ上に複数の溶接ビード３０を形成し、前記複数の溶接ビード３０は、前記溶接ビード３０の幅方向Ｄｗの一部が互いに重なり合い、先に形成した溶接ビード３０に隣接する溶接ビード３０である隣接溶接ビード３２を形成する際の前記レーザビームのエネルギー密度を、前記隣接溶接ビード３２中で前記先に形成した溶接ビード３０に重ならない部分よりも、前記先に形成した溶接ビード３０に重なる部分を高くするように調節する。

【0063】

これにより、レーザビームのエネルギー密度を全体的に上昇させることなく、溶接ビード３０同士が重なり合う部分への入熱量を上昇させることができる。

【0064】

（２）第２の態様における肉盛溶接方法では、（１）の肉盛溶接方法であって、光回折格子１２ａを用いて前記レーザビームのエネルギー密度を調節してもよい。

【0065】

これにより、上記の作用をより高精度に実現することができる。

【0066】

（３）第３の態様における肉盛溶接方法では、（２）の肉盛溶接方法であって、前記溶接ビード形成工程Ｓ３０の実行前に、前記金属部材１００の縁１００ｃに沿ってタブ２００を設けるタブ配置工程Ｓ２０と、前記複数の溶接ビード３０を形成した後に、前記タブ２００と共に、前記溶接ビード３０中の前記タブ２００上に形成された部分を除去する不要部除去工程Ｓ２３と、を実行してもよい。

【0067】

これにより、金属部材１００の表面１００ａに溶接ビード３０を形成する際、金属部材１００の表面１００ａからの溶接金属粉末の落下が抑制される。また、金属部材１００の縁１００ｃの部分で溶接ビード３０の厚みを増加させることができる。

【0068】

（４）第４の態様における肉盛溶接方法では、（３）の肉盛溶接方法であって、前記複数の溶接ビード３０のうち、最初に形成する溶接ビード３０である第一溶接ビード３０１を、前記金属部材１００と前記タブ２００とにまたがるように形成してもよい。

【0069】

これにより、例えば、第一溶接ビード３０１を形成した際、第一溶接ビード３０１中の溶接ビード３０の幅方向Ｄｗでレーザビームのエネルギー密度が高い部分によって形成された一部をタブ２００と共に除去することができる。

【0070】

（５）第５の態様における肉盛溶接方法では、（２）の肉盛溶接方法であって、前記複数の溶接ビード３０のうち、最初に形成する溶接ビード３０である第一溶接ビード３０１を形成する際には、前記第一溶接ビード３０１の幅方向Ｄｗにおける前記レーザビームのエネルギー密度が均一になるよう調節された光回折格子１２ａを用い、前記複数の溶接ビード３０のうち、前記第一溶接ビード３０１を除く溶接ビード３０を形成する際には、前記レーザビームのエネルギー密度が、前記隣接溶接ビード３２中で前記先に形成した溶接ビード３０に重ならない部分よりも、前記先に形成した溶接ビード３０に重なる部分が高くなるように調節された光回折格子１２ａを用いてもよい。

【0071】

これにより、第一溶接ビード３０１中における入熱量が比較的多い部分を生じさせることがない。

【0072】

（６）第６の態様における肉盛溶接方法では、（１）から（４）の何れかの肉盛溶接方法であって、前記隣接溶接ビード３２は、前記先に形成した溶接ビード３０の表面３０ａにおける最厚部を避けるように前記先に形成した溶接ビード３０に重なり、前記隣接溶接ビード３２中で前記重なる部分における前記レーザビームのエネルギー密度は、前記重ならない部分の側に向かうにつれて増加した分布を示してもよい。

【0073】

これにより、より適切に入熱させることができる。

【0074】

（７）第７の態様における金属部材１００の補修方法では、金属部材１００の補修方法において、前記金属部材１００中で損傷した部分を除去する損傷部除去工程Ｓ１と、損傷した部分が除かれた前記金属部材１００の表面１００ａに対して、（１）から（５）の何れかの肉盛溶接方法を実行する肉盛溶接工程Ｓ２と、を実行する。

【符号の説明】

【0075】

１…溶接装置 １０…溶接ヘッド １０ａ…光路 １０ｂ…先端面 １０ｃ…光出射口 １０ｄ…粉末供給路 １０ｅ…シールドガス供給路 １１…コリメータ １２…光学回折素子 １２ａ…光回折格子 １３…集光レンズ １４…レーザ光源 １５…光伝送部 １６…粉末供給源 １７…シールドガス供給源 ３０…溶接ビード ３０ａ，１００ａ，２００ａ…表面 ３０ｇ…溶接ビード群 ３１…既成溶接ビード ３１ｇ…既成溶接ビード群 ３２…隣接溶接ビード ３２ｇ…重畳溶接ビード群 １００…金属部材 １００ｂ…損傷部 １００ｃ…縁 １００ｕ…上面 ２００…タブ ３０１…第一溶接ビード ３０１ｇ…第一溶接ビード群 Ｄａ…溶接方向 Ｄｗ…幅方向 Ｇ…シールドガス Ｌ…レーザビーム Ｍ…溶融池 Ｐ…溶接金属粉末 Ｒ…照射領域 Ｒｈ…高エネルギー領域 Ｒｌ…低エネルギー領域 Ｓ１…損傷部除去工程 Ｓ２…肉盛溶接工程 Ｓ２０…タブ配置工程 Ｓ２１…第一工程 Ｓ２２…第二工程 Ｓ２３…不要部除去工程 Ｓ３０…溶接ビード形成工程 Ｘ…不要部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】