JPS6191371A - 物品の金属部分を修理するための方法および装置 - Google Patents
物品の金属部分を修理するための方法および装置Info
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- JPS6191371A JPS6191371A JP60212750A JP21275085A JPS6191371A JP S6191371 A JPS6191371 A JP S6191371A JP 60212750 A JP60212750 A JP 60212750A JP 21275085 A JP21275085 A JP 21275085A JP S6191371 A JPS6191371 A JP S6191371A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は物品の金属部分の修理に関するものであって、
更に詳しく言えば、金属粉末およびレーザビームを使用
した上記のごとき修理に関する。
更に詳しく言えば、金属粉末およびレーザビームを使用
した上記のごとき修理に関する。
発 明 の 背 景
最新のガスタービンエンジン、とりわけ主に航空機用と
して設計されたタイプのガスタービンエンジンは、複雑
な形状や特殊な構造材料のために高い製造原価を有する
部品を含んでいる。、かかる装置の正規の運転に際し、
ある種の部品においては正常摩耗や熱損傷のごとき現象
が見られることがある。更にまた、初期製造時において
も、機械加工の間違いやその他の偶発的な損傷のごとき
事故が起こることがある。たとえば、かかる現象や損傷
は圧縮源やタービンのスプールまたは円板に関連して起
こり得るのである。
して設計されたタイプのガスタービンエンジンは、複雑
な形状や特殊な構造材料のために高い製造原価を有する
部品を含んでいる。、かかる装置の正規の運転に際し、
ある種の部品においては正常摩耗や熱損傷のごとき現象
が見られることがある。更にまた、初期製造時において
も、機械加工の間違いやその他の偶発的な損傷のごとき
事故が起こることがある。たとえば、かかる現象や損傷
は圧縮源やタービンのスプールまたは円板に関連して起
こり得るのである。
物品の一部分を交換する代りにその部分の局部的な修理
を行う場合、電子ビーム溶接やガスタングステンアーク
溶接のごとき通常の公知修理技術は構造材料の性質に悪
We冑を及ぼし得ることが判明している。その原因は、
熱入力が比較的大きいため、ゆがみや比較的深い熱作用
域が生じることにある。かかる過大な熱の供給は部品の
亀裂を引起こすことが判明しているが、これはガスター
ビンエンジンのホイール、ドラムおよびスプールのごと
き回転部品においては特に重大なことである。
を行う場合、電子ビーム溶接やガスタングステンアーク
溶接のごとき通常の公知修理技術は構造材料の性質に悪
We冑を及ぼし得ることが判明している。その原因は、
熱入力が比較的大きいため、ゆがみや比較的深い熱作用
域が生じることにある。かかる過大な熱の供給は部品の
亀裂を引起こすことが判明しているが、これはガスター
ビンエンジンのホイール、ドラムおよびスプールのごと
き回転部品においては特に重大なことである。
発 明 の 概 要
本発明の主たる目的は、物品の損傷を受けた金属部分を
修理してそれの元来の形状および材料を復元すると共に
、熱作用域の範囲を制限することによってかかる修理が
物品に及ぼす悪影響を低減させるような改良された修理
方法を提供することにある。
修理してそれの元来の形状および材料を復元すると共に
、熱作用域の範囲を制限することによってかかる修理が
物品に及ぼす悪影響を低減させるような改良された修理
方法を提供することにある。
また、物品の金属部分と実質的に同じ組成を持った修理
用金属粉末とレーザビームとを併用することにより、物
品上に単一の補修層または複数の互いに重なり合った補
修層を形成するような上記の・ごとき修理方法を提供す
ることも本発明の目的の1つである。
用金属粉末とレーザビームとを併用することにより、物
品上に単一の補修層または複数の互いに重なり合った補
修層を形成するような上記の・ごとき修理方法を提供す
ることも本発明の目的の1つである。
更にまた・、一定した連続的な粉末の流れを供給して上
記のごとき修理方法の実施を可能にするような要素の組
合せから成る装置を提供することも本発明の目的の1つ
である。
記のごとき修理方法の実施を可能にするような要素の組
合せから成る装置を提供することも本発明の目的の1つ
である。
上記およびその他の目的や利点は、以下の詳細な図面、
説明および実施例を参照することによって一居明確に理
解されよう。なお、それらはいずれも本発明の実施を代
表的に例示するものであって、本発明の範囲を制限する
ものと解ずべきではない。
説明および実施例を参照することによって一居明確に理
解されよう。なお、それらはいずれも本発明の実施を代
表的に例示するものであって、本発明の範囲を制限する
ものと解ずべきではない。
金fiAjA料製の構成部分を有する物品を修理するた
めの不発、明方法は、実施の一態様に従って簡単に述べ
れば、単独使用または研摩材のごとき他樺の粉末と併用
される金属粉末を上記の物品構成部分に供給しながら、
その物品構成部分にシー11ビームを照射する1稈を含
んでいる。上記。の金属粉末は物品構成部分の金属材料
と実質的に同じ組成を有するものであって、好ましくは
約2〜15′)7分の範囲内の速度で供給される。レー
ザビームは粉末およびその直下の物品構成部分に対し1
04〜106W/crR2の出力密麿を持ったレーザビ
ームスポットとして照射され、それによって金属粉末お
よび物品構成部分の金属材料から溶融相η作用域が形成
される。更に、その結果として生じる熱作用域を制御す
るため、レーザビームスポットと粉末およびその直下の
物品構成部分との相互作用時間が0.005〜2秒の範
囲内に維持される。そのためには、たとえば横方向の相
対運動により、溶融相互作用域の漸進的な移動、冷却お
よび凝固を生起させればよい。このようにすれば、物品
構成部分における熱作用域の範囲は抑制縮小され、そし
て物品構成部分上には供給された粉末おにび物品構成部
分の金属材!′!1から成る補修層が形成されることに
なる。本発明の別の実施の態様に従えば、所望に応じ、
金属粉末の供給およびシー1fビームの照射を同時に施
すための「物品構成部分」として前段の補修層を使用し
ながら上記の操作を繰返すことにより、複数の互いに重
なり合いかつ結合した補修層が形成されるのである。
めの不発、明方法は、実施の一態様に従って簡単に述べ
れば、単独使用または研摩材のごとき他樺の粉末と併用
される金属粉末を上記の物品構成部分に供給しながら、
その物品構成部分にシー11ビームを照射する1稈を含
んでいる。上記。の金属粉末は物品構成部分の金属材料
と実質的に同じ組成を有するものであって、好ましくは
約2〜15′)7分の範囲内の速度で供給される。レー
ザビームは粉末およびその直下の物品構成部分に対し1
04〜106W/crR2の出力密麿を持ったレーザビ
ームスポットとして照射され、それによって金属粉末お
よび物品構成部分の金属材料から溶融相η作用域が形成
される。更に、その結果として生じる熱作用域を制御す
るため、レーザビームスポットと粉末およびその直下の
物品構成部分との相互作用時間が0.005〜2秒の範
囲内に維持される。そのためには、たとえば横方向の相
対運動により、溶融相互作用域の漸進的な移動、冷却お
よび凝固を生起させればよい。このようにすれば、物品
構成部分における熱作用域の範囲は抑制縮小され、そし
て物品構成部分上には供給された粉末おにび物品構成部
分の金属材!′!1から成る補修層が形成されることに
なる。本発明の別の実施の態様に従えば、所望に応じ、
金属粉末の供給およびシー1fビームの照射を同時に施
すための「物品構成部分」として前段の補修層を使用し
ながら上記の操作を繰返すことにより、複数の互いに重
なり合いかつ結合した補修層が形成されるのである。
本発明の装置は、実施の一態様に従って述べれば、好ま
しくは加熱された密閉形の粉末容器、加圧下にある不活
性ガスを粉末容器内に導入する手段、容積計量式の機械
的粉末供給手段、粉末振動機および液冷式の送給ノズル
を含む特異な組合せの要素から成っている。かかる要素
の協働により、一定した連続的な粉末の流れが供給され
るのである。
しくは加熱された密閉形の粉末容器、加圧下にある不活
性ガスを粉末容器内に導入する手段、容積計量式の機械
的粉末供給手段、粉末振動機および液冷式の送給ノズル
を含む特異な組合せの要素から成っている。かかる要素
の協働により、一定した連続的な粉末の流れが供給され
るのである。
好適な実施の態様の説明
航空機用ガスタービンエンジン部品の初fill製造時
および動作時には、製造上の間違いや運転に伴う熱ザイ
クル、摩耗、部品間の干渉などに原因する損10が起こ
り得る。かかる部品は原価が高いため、それらを交換す
るよりも修理した方が有¥である場合が多い。このよう
な10傷は固定部品および回転部品のいずれにも起こり
得るが、運転申すなわち回転中に応力が発生することを
考えると、回転部品における損傷は特に重大である。か
かる部品の損傷を受けた部分が比較的薄いこともあり得
るから、公知の修理方法によってたとえば寸法不足の部
分を肉盛するような場合には過大な熱作用域が生じ、そ
れが部品の動作性′能に対して悪影響を及ぼすことがあ
る。
および動作時には、製造上の間違いや運転に伴う熱ザイ
クル、摩耗、部品間の干渉などに原因する損10が起こ
り得る。かかる部品は原価が高いため、それらを交換す
るよりも修理した方が有¥である場合が多い。このよう
な10傷は固定部品および回転部品のいずれにも起こり
得るが、運転申すなわち回転中に応力が発生することを
考えると、回転部品における損傷は特に重大である。か
かる部品の損傷を受けた部分が比較的薄いこともあり得
るから、公知の修理方法によってたとえば寸法不足の部
分を肉盛するような場合には過大な熱作用域が生じ、そ
れが部品の動作性′能に対して悪影響を及ぼすことがあ
る。
本発明を適用し得るガスタービンエンジン部品の一例と
しては、ドラムまたはスプール表向から半径方向に沿っ
て内向きに配置された複数の円板形部材を含むような圧
縮機ロータが挙げられる。
しては、ドラムまたはスプール表向から半径方向に沿っ
て内向きに配置された複数の円板形部材を含むような圧
縮機ロータが挙げられる。
かかる圧縮機ロータの実例は、本発明の場合と同じ藷受
入に壌渡された1973年10月16日付の米国特許第
3765795号明m内中に記載されている。かかるス
プールの一部を第1図の部分断面6図中に示すが、これ
はたとえば隣接部材へのボルト締めによって接合される
大形圧縮機ロータの4段セグメントを成すものである。
入に壌渡された1973年10月16日付の米国特許第
3765795号明m内中に記載されている。かかるス
プールの一部を第1図の部分断面6図中に示すが、これ
はたとえば隣接部材へのボルト締めによって接合される
大形圧縮機ロータの4段セグメントを成すものである。
第1図を参照しながら説明ずれば、かかるドラムまたは
スプール10は中央開口を有する4個の円板部分から成
り、かつエンジン@12の回りに回転し得るように配置
されている。スプール10はボルト手段16によって隣
接する回転部材14に接合されているが、そのボルト手
段16は回転部材14を隣接するスプール18に連結す
るためにも役立っている。スプール10および回転部材
14は、軸流圧縮機分野において公知のごとくに静vA
22と協働する!JIv!部材20を支持している。
スプール10は中央開口を有する4個の円板部分から成
り、かつエンジン@12の回りに回転し得るように配置
されている。スプール10はボルト手段16によって隣
接する回転部材14に接合されているが、そのボルト手
段16は回転部材14を隣接するスプール18に連結す
るためにも役立っている。スプール10および回転部材
14は、軸流圧縮機分野において公知のごとくに静vA
22と協働する!JIv!部材20を支持している。
本発明に関連して述べれば、(第2図に拡大して示され
るような)スプール10のリップ24は動作に際して回
転部材14の隣接部分と協!IIする。
るような)スプール10のリップ24は動作に際して回
転部材14の隣接部分と協!IIする。
かかるリップ24は1、たとえば摩耗、浸食、熱疲労な
どに原因する動作損1セを受けることがある。
どに原因する動作損1セを受けることがある。
リップ24を含めたスプール10の端部を拡大して示す
第2図には、摩耗によってリップ24から除去された部
分23が点線で示されている。かかる部分においては円
滑な空気の流れを維持しかつ漏れを最小限にすることが
所望されるから、上記のような損(nがもたらす過大な
隙間は部品の性能に影響を及ぼすことがある。部品の4
8造が複flIなことかられかる通り、かかる部品を交
換するよりも修理した方が通かに有益である。しかしな
がら、問題の部分の断面が比較的薄いため、通常の修理
方法はかかる部品を構成する金属にとって不都合かつ有
害であることが判明している。
第2図には、摩耗によってリップ24から除去された部
分23が点線で示されている。かかる部分においては円
滑な空気の流れを維持しかつ漏れを最小限にすることが
所望されるから、上記のような損(nがもたらす過大な
隙間は部品の性能に影響を及ぼすことがある。部品の4
8造が複flIなことかられかる通り、かかる部品を交
換するよりも修理した方が通かに有益である。しかしな
がら、問題の部分の断面が比較的薄いため、通常の修理
方法はかかる部品を構成する金属にとって不都合かつ有
害であることが判明している。
本発明の評価に当って、第3および4図に示されるよう
なものを含む各種の試験体が作製された。
なものを含む各種の試験体が作製された。
かかる試験体は粉末を溶融して物品構成部分の金属材料
に溶着させる際におけるレーザビームの効果を評価する
ためのものであった。このような溶着および復元(時に
は[逆機械加工法(Reversefvlachini
ng n+ethod )と呼ばれることもある)の目
的は、かかる方法がもたらす望ましくない結果の1つで
ある熱作用域を最小限に抑えながら、物品を構成する材
料と同じ材料から成る補修層を(9ることにある。一般
に熱作用域とは、たとえば材料表面に熱エネルギーを付
与するろう付け、溶接およびその他の方法(特に修理方
法)において比較的多I11の局部加熱を受Gプだ部分
の物品構成材料を指す。かかる加熱の結果として、材料
の機械的性質は顕著に低下することがあるのであって、
時には引続いて何らかの再補強操作を施さなければその
物品はもはや本来の目的に使用できないことさえある。
に溶着させる際におけるレーザビームの効果を評価する
ためのものであった。このような溶着および復元(時に
は[逆機械加工法(Reversefvlachini
ng n+ethod )と呼ばれることもある)の目
的は、かかる方法がもたらす望ましくない結果の1つで
ある熱作用域を最小限に抑えながら、物品を構成する材
料と同じ材料から成る補修層を(9ることにある。一般
に熱作用域とは、たとえば材料表面に熱エネルギーを付
与するろう付け、溶接およびその他の方法(特に修理方
法)において比較的多I11の局部加熱を受Gプだ部分
の物品構成材料を指す。かかる加熱の結果として、材料
の機械的性質は顕著に低下することがあるのであって、
時には引続いて何らかの再補強操作を施さなければその
物品はもはや本来の目的に使用できないことさえある。
第1図に示されるような圧縮(幾ロータ部分のごとき物
品が複雑であることを考えると、特にかかる^応力部材
の場合、過大な熱作用域を生じるような補修方法に引続
いて部材の再−補強を行うことは経済的に見て望ましく
ない。
品が複雑であることを考えると、特にかかる^応力部材
の場合、過大な熱作用域を生じるような補修方法に引続
いて部材の再−補強を行うことは経済的に見て望ましく
ない。
本発明の評価に当って、第3および4図の部分断面斜視
図中に示されるような試験体を使用した。
図中に示されるような試験体を使用した。
第3図の場合、試験体の上面29に沿って長さ約165
インチの試験用補煤F425および27が形成された。
インチの試験用補煤F425および27が形成された。
第1の試験系列においては、試験表面に沿った2回のパ
スにより、金属粉末の供給およびレーザビームの照射を
同時に施こした。詳しく述べれば、1回目のパスはレー
ザビームスポットの中心軸が第3図の試験体の縁端26
に沿っ□て移1FJJ するようにして行い、また2回
目のパスはその中心軸が縁@26から0.065インチ
だけ離れた破線28に沿って移動するようにして行った
。
スにより、金属粉末の供給およびレーザビームの照射を
同時に施こした。詳しく述べれば、1回目のパスはレー
ザビームスポットの中心軸が第3図の試験体の縁端26
に沿っ□て移1FJJ するようにして行い、また2回
目のパスはその中心軸が縁@26から0.065インチ
だけ離れた破線28に沿って移動するようにして行った
。
これらの試験に際しては、金属粉末は本発明にヰづく1
〜307/分の規定範囲にSまれる約5〜102/分の
範囲内の速度で供給された。それと同時に、3.5〜3
.9X10’ W/cm2の出力密麿に相当する1、8
〜2.OkWの出力設定値の下で、スペクトラ・フィジ
ックス(3pOctraP hysics)社製モデル
975の5000ワツト連続波CO2レーザからのレー
ザビームが照射された。また、レーザビームスポットの
大きさは0゜05〜0.15インチの範囲内にあった。
〜307/分の規定範囲にSまれる約5〜102/分の
範囲内の速度で供給された。それと同時に、3.5〜3
.9X10’ W/cm2の出力密麿に相当する1、8
〜2.OkWの出力設定値の下で、スペクトラ・フィジ
ックス(3pOctraP hysics)社製モデル
975の5000ワツト連続波CO2レーザからのレー
ザビームが照射された。また、レーザビームスポットの
大きさは0゜05〜0.15インチの範囲内にあった。
これらの評価例においては、金属粉末および上記試験体
の金属材料から溶融相互作用域が形成された。なお、試
験体はlN718合金として商業的に入手可能なニッケ
ル基合金から成り、また金属粉末は試験体材料と実質的
に同じ組成を有するlN718合金から成っていた。
の金属材料から溶融相互作用域が形成された。なお、試
験体はlN718合金として商業的に入手可能なニッケ
ル基合金から成り、また金属粉末は試験体材料と実質的
に同じ組成を有するlN718合金から成っていた。
1回目のパスIh二ltjけるレーザビームスポットの
中心軸が縁端26に位置するような試験においては、補
洗層中に内部割れまたは樹枝状結晶間割れが常に生じた
。しかるに、同じ材料および装置を用いながら1回目の
パスにおけるレーザビームスポットの中心軸を縁端26
から約0.01〜0゜02インヂ(公称0.15インチ
)だけ離して移動させた別の試験においては、かかる割
れは全く見られなかった。従って本発明の方法において
は、物品の縁端を含むような物品構成部分を一3理する
場合、溶着した補修層の割れを回避するためにレーザビ
ームスポットの中心軸を物品の縁端から引ill tの
が重要であることが認められる。1回目のパスにおける
レーザビームスポットの中心軸を物品の縁端か□ら引離
して行った試験においては、0゜06インチずつずらし
ながら上記のごとき2回の並行バスを実施して3つの補
修層を縦方向に重ねて形成した場合にも、溶着物の割れ
は生じなかった。それ故、本発明の方法に従えば、冷却
後において溶着物中にυ1れを生じることなく複数の補
修層を互いに重ね合わせることができるのである。
中心軸が縁端26に位置するような試験においては、補
洗層中に内部割れまたは樹枝状結晶間割れが常に生じた
。しかるに、同じ材料および装置を用いながら1回目の
パスにおけるレーザビームスポットの中心軸を縁端26
から約0.01〜0゜02インヂ(公称0.15インチ
)だけ離して移動させた別の試験においては、かかる割
れは全く見られなかった。従って本発明の方法において
は、物品の縁端を含むような物品構成部分を一3理する
場合、溶着した補修層の割れを回避するためにレーザビ
ームスポットの中心軸を物品の縁端から引ill tの
が重要であることが認められる。1回目のパスにおける
レーザビームスポットの中心軸を物品の縁端か□ら引離
して行った試験においては、0゜06インチずつずらし
ながら上記のごとき2回の並行バスを実施して3つの補
修層を縦方向に重ねて形成した場合にも、溶着物の割れ
は生じなかった。それ故、本発明の方法に従えば、冷却
後において溶着物中にυ1れを生じることなく複数の補
修層を互いに重ね合わせることができるのである。
ここで言う「物品の縁端」とは、平坦な横断面内におい
てI察した場合、急激な角度変化を示すような表面また
は平面の交わりを意味する。物品の縁端の一例としては
、約0.1インチ以下の半径を有する比較的鋭いかど部
分が挙げられる。
てI察した場合、急激な角度変化を示すような表面また
は平面の交わりを意味する。物品の縁端の一例としては
、約0.1インチ以下の半径を有する比較的鋭いかど部
分が挙げられる。
別の試験系列においては、第4図に示されるような試験
体を使用した。この場合には、材料および条件は同じで
あったが、試験体の側部に沿って設けられた溝の中に追
加のlN718合金粉末30が予め配置された。かかる
溝は、第4図に示されるごとく、試験体の本体33およ
びそれに保持された薄板32によって規定されている。
体を使用した。この場合には、材料および条件は同じで
あったが、試験体の側部に沿って設けられた溝の中に追
加のlN718合金粉末30が予め配置された。かかる
溝は、第4図に示されるごとく、試験体の本体33およ
びそれに保持された薄板32によって規定されている。
この評1illi例は、余分の粉末で光子エネルギーを
吸収して縁端の過度の溶融を防止することにより、一層
好ましい伝熱状態を生み出そうとするものである。
吸収して縁端の過度の溶融を防止することにより、一層
好ましい伝熱状態を生み出そうとするものである。
追加の粉末30は、溶融に要する熱(融解熱)を吸収す
ることによってピーク温度を低下させるのに役立つので
ある。
ることによってピーク温度を低下させるのに役立つので
ある。
本発明の更に別の評価例は、製造時に損傷を受けたがス
タービンエンジン用胃形羽根のかみ0合い面の炸埋に関
するものであった。かかる羽根は、T+ −6−4合金
として商業的に入手可能なチタン合金から成っていた。
タービンエンジン用胃形羽根のかみ0合い面の炸埋に関
するものであった。かかる羽根は、T+ −6−4合金
として商業的に入手可能なチタン合金から成っていた。
かかる羽根を晦即するために上記方法および装置におい
て使用された粉末は、航空宇宙材料規格(AMS)49
28HのELIグレードに適合する一35メツシュのチ
タンわ)末であった。この評価列においては、金属粉末
は加圧アルゴンガスを用いながら4.5〜5.55)/
分の速度ぐ供給され、また粉末供給用のノズルは加工物
に対して約45〜50’の角度を成していた。上記の5
000ワツトレーザは、6.9〜7゜9 X 10’
W/C12の出力密度に相当する3、5〜4 kMの
出力範囲内において使用された。レーザビームスポット
の大きさは約0.100インチであり、また相互作用時
間は約0.27秒であった。この評価例においては、上
記のごとくにして加工物の表面上に複数の互いに小なり
合った補修層が形成された。その場合、各層における粉
末の厚さは約0.018〜0.020インチであり、そ
して溶着物の総合厚さは0.14インチを越えなかった
。
て使用された粉末は、航空宇宙材料規格(AMS)49
28HのELIグレードに適合する一35メツシュのチ
タンわ)末であった。この評価列においては、金属粉末
は加圧アルゴンガスを用いながら4.5〜5.55)/
分の速度ぐ供給され、また粉末供給用のノズルは加工物
に対して約45〜50’の角度を成していた。上記の5
000ワツトレーザは、6.9〜7゜9 X 10’
W/C12の出力密度に相当する3、5〜4 kMの
出力範囲内において使用された。レーザビームスポット
の大きさは約0.100インチであり、また相互作用時
間は約0.27秒であった。この評価例においては、上
記のごとくにして加工物の表面上に複数の互いに小なり
合った補修層が形成された。その場合、各層における粉
末の厚さは約0.018〜0.020インチであり、そ
して溶着物の総合厚さは0.14インチを越えなかった
。
これらの試験および評価の結果として、本発明の方法を
実施するための出力密度は104〜106W/CT11
2の範囲内にあるべきものと規定された。その下限1直
より低い場合にはエネルギーが反射され、そして物品の
金属材料によってレーザビームが十分に吸収されないた
め、粉末と物品構成材料との融合または溶着が不十分と
なる。すなわら、それはレーザビームと物品構成材料と
の効 ′末的なカップリングに必要な限葬埴に達しない
のである。他方、出り密度が10’W/CTl2より高
いと物品表面において過電の蒸発が起こり、そのために
より深い溶融相互作用域が生じることがある。かかる高
い出力密度の下ではより広い熱作用域が形成される結果
、溶融相互作用域の冷部後には物品構成部分の金属材料
と(=J加された補修層の再凝固組織との間にはより大
きい残留応力が生じることになる。
実施するための出力密度は104〜106W/CT11
2の範囲内にあるべきものと規定された。その下限1直
より低い場合にはエネルギーが反射され、そして物品の
金属材料によってレーザビームが十分に吸収されないた
め、粉末と物品構成材料との融合または溶着が不十分と
なる。すなわら、それはレーザビームと物品構成材料と
の効 ′末的なカップリングに必要な限葬埴に達しない
のである。他方、出り密度が10’W/CTl2より高
いと物品表面において過電の蒸発が起こり、そのために
より深い溶融相互作用域が生じることがある。かかる高
い出力密度の下ではより広い熱作用域が形成される結果
、溶融相互作用域の冷部後には物品構成部分の金属材料
と(=J加された補修層の再凝固組織との間にはより大
きい残留応力が生じることになる。
本発明の方法においては、レーザビームと粉末およびそ
のII′Y下の物品構成材料との相互作用時間をIi制
御する必要のあることが認められている。好適な実施の
態様に従えば、本発明において規定された出力密度の下
では、かかる制御のために0゜1〜2秒の相互作用時間
が必要とされる。なお、相互作用時間はレーザビームス
ポットと物品構成部分との間における横方向の相対運動
速度に対するレーザビームスポットの大きさの比の値と
して定義される。
のII′Y下の物品構成材料との相互作用時間をIi制
御する必要のあることが認められている。好適な実施の
態様に従えば、本発明において規定された出力密度の下
では、かかる制御のために0゜1〜2秒の相互作用時間
が必要とされる。なお、相互作用時間はレーザビームス
ポットと物品構成部分との間における横方向の相対運動
速度に対するレーザビームスポットの大きさの比の値と
して定義される。
出力密度が104〜106W/cm2の範囲内に維持さ
れるならば、本発明の方法は0.005秒ζいう知い相
互作用時間の下でも実施し得ることが認められている。
れるならば、本発明の方法は0.005秒ζいう知い相
互作用時間の下でも実施し得ることが認められている。
下記の第1表には、レーザビームスポットの大きさ、(
テーブル速度によって表わされる)横方向の相対運!l
l速度、および相互作用時間の間の関係を表わす典型的
な計専結果が本発明方法の規定範囲内において示されて
いる。
テーブル速度によって表わされる)横方向の相対運!l
l速度、および相互作用時間の間の関係を表わす典型的
な計専結果が本発明方法の規定範囲内において示されて
いる。
第1表
このように本発明の方法においては、出力密度および相
互作用時間の範囲を規定することにより、物品構成部分
の金属材料上に配置された粉末にレーザビームを照射す
ることから生じる熱作用域の範囲が最小限に抑制される
。詳しく述べれば、出力密度は101〜106W/cm
2の範囲内に維持されると共に、レーザビームスポット
と粉末Jjよひその直下の物品構成部分との相互作用時
間は0゜005〜2秒の範囲内に維持されるのである。
互作用時間の範囲を規定することにより、物品構成部分
の金属材料上に配置された粉末にレーザビームを照射す
ることから生じる熱作用域の範囲が最小限に抑制される
。詳しく述べれば、出力密度は101〜106W/cm
2の範囲内に維持されると共に、レーザビームスポット
と粉末Jjよひその直下の物品構成部分との相互作用時
間は0゜005〜2秒の範囲内に維持されるのである。
本発明の装置、そしてまた本発明の評価に際して使用さ
れた!A同を第5図の部分断面略図中゛に示す。かかる
装置は密閉形の粉末容器40を含んでいて、それは粉末
の含水母を低いレベルに維持するため」イル42によっ
て加熱されている。また、ガス人口44を通して(矢印
46で示されるごとくに)好ましくは乾燥した不活性ガ
ス(たとえばアルゴン)を導入することにより、容器4
0内の粉末48が加圧下に維持されると共に粉末の輸送
が促進される。容器4・Oに付随して、商業的に入手可
能なタイプの容積計量式機械的粉末供給手段たとえば粉
末tJt給ホイール50が設けられている。
れた!A同を第5図の部分断面略図中゛に示す。かかる
装置は密閉形の粉末容器40を含んでいて、それは粉末
の含水母を低いレベルに維持するため」イル42によっ
て加熱されている。また、ガス人口44を通して(矢印
46で示されるごとくに)好ましくは乾燥した不活性ガ
ス(たとえばアルゴン)を導入することにより、容器4
0内の粉末48が加圧下に維持されると共に粉末の輸送
が促進される。容器4・Oに付随して、商業的に入手可
能なタイプの容積計量式機械的粉末供給手段たとえば粉
末tJt給ホイール50が設けられている。
たとえば、実施の一態様に基づく本発明の装置において
は変形されたメトコ(M etco)の粉末供給用り形
ホイールが使用された。
は変形されたメトコ(M etco)の粉末供給用り形
ホイールが使用された。
ホイール50の下流側においては、導管54中を移UJ
する粉末粒子が相互にあるいは導管54の内壁に付?t
−Iるのを防止りるため、振!FI11(たとえば空気
圧式の振#Jll)52が導管54に取付けられている
。導管54の末端には水冷式の粉末送給ノズル、56が
設けられていて、それと加圧不活性ガスとの協働により
、粉末は一定した流れを成しながら物品または加工表面
に向けられる。゛レーIJ”ビームからの反q1を受け
ると、ノズル56・を通過する粉末が目詰りを起こす可
能性のあることが判明している。それ故にかかるノズル
は、少なくとも、使用するレーザの波長に対して高度の
反射、性を示す材料(たとえば銅やアルミニウム)から
成る先端部分を含むことが好ましく、またかかる問題を
解消すると共に一定した粉末の流れを形成する目的でく
たとえば水により)液冷される。このような一定した粉
末の流れは、低水分状態に維持されながら不活性ガスの
正迂下で容梢計吊式の機械的粉末供給手段および粉末振
#J例によって供給される粉末の使用、並びにレーずビ
ームスポット内の物品表面に向けて粉末を送給する液冷
式ノズルの使用の結果として得られるものである。
する粉末粒子が相互にあるいは導管54の内壁に付?t
−Iるのを防止りるため、振!FI11(たとえば空気
圧式の振#Jll)52が導管54に取付けられている
。導管54の末端には水冷式の粉末送給ノズル、56が
設けられていて、それと加圧不活性ガスとの協働により
、粉末は一定した流れを成しながら物品または加工表面
に向けられる。゛レーIJ”ビームからの反q1を受け
ると、ノズル56・を通過する粉末が目詰りを起こす可
能性のあることが判明している。それ故にかかるノズル
は、少なくとも、使用するレーザの波長に対して高度の
反射、性を示す材料(たとえば銅やアルミニウム)から
成る先端部分を含むことが好ましく、またかかる問題を
解消すると共に一定した粉末の流れを形成する目的でく
たとえば水により)液冷される。このような一定した粉
末の流れは、低水分状態に維持されながら不活性ガスの
正迂下で容梢計吊式の機械的粉末供給手段および粉末振
#J例によって供給される粉末の使用、並びにレーずビ
ームスポット内の物品表面に向けて粉末を送給する液冷
式ノズルの使用の結果として得られるものである。
本発明の装置と組合わせて、中心軸62を有するレーザ
ビーム60を成用するようなレーザ58が使用される。
ビーム60を成用するようなレーザ58が使用される。
レーザビーム60は物品または加工物表面66の下方に
焦点面64を有するから、表面66においては0.00
5〜0.2インチ好ましくは0.05〜0.15インチ
の範囲内の大きさを持ったレーザビームスポット68が
形成される。前述の通り、レーザビームは104〜10
6W/、C112の範囲内の出力密度をもって照QJさ
れると共に、レーザビームスポットと粉末およびその直
下の物品構成部分との相17作用時間は0゜005〜2
秒の範囲内に維持されるように制御される。かかる制御
は、矢印70で示されるような横方向の相対運動によっ
て達成される。そのためには、たとえば物品を載せたテ
ーブルを所望の相互作用時間が得られるような速度で図
示の方向に移動させればよい。
焦点面64を有するから、表面66においては0.00
5〜0.2インチ好ましくは0.05〜0.15インチ
の範囲内の大きさを持ったレーザビームスポット68が
形成される。前述の通り、レーザビームは104〜10
6W/、C112の範囲内の出力密度をもって照QJさ
れると共に、レーザビームスポットと粉末およびその直
下の物品構成部分との相17作用時間は0゜005〜2
秒の範囲内に維持されるように制御される。かかる制御
は、矢印70で示されるような横方向の相対運動によっ
て達成される。そのためには、たとえば物品を載せたテ
ーブルを所望の相互作用時間が得られるような速度で図
示の方向に移動させればよい。
、粉末は、物品表面に対し約35〜60”好ましくは約
40〜55°の角度を成してノズル56から供給される
。角度が約60°より大きいと、ノズルおよび粉末がレ
ーザビームと早期に相互作用を示づことを防止するのが
困難になる。また、角度が約35°より小さいと、物品
表面上に所望されるレーザビームポットの位置にJ3い
てレーザビームの照射と同時に粉末を供faツ°ること
が困難になる。物品表面に対して↑5)末の供給および
レーザビームの照射が同時に施される結果、レーザビー
ムスポットの区域内には溶融相互作用域が形成される。
40〜55°の角度を成してノズル56から供給される
。角度が約60°より大きいと、ノズルおよび粉末がレ
ーザビームと早期に相互作用を示づことを防止するのが
困難になる。また、角度が約35°より小さいと、物品
表面上に所望されるレーザビームポットの位置にJ3い
てレーザビームの照射と同時に粉末を供faツ°ること
が困難になる。物品表面に対して↑5)末の供給および
レーザビームの照射が同時に施される結果、レーザビー
ムスポットの区域内には溶融相互作用域が形成される。
また、レーザビームスポットと物品およびその上に配置
されIC粉末との間に横方向の相対運動が付与されるこ
とにより、かかる溶融相互作用域の漸進的な移動、冷l
Aおよび再凝固が起こることになる。(の結果として、
第5図に示されるような溶着した補#(層72が冑られ
るのである。本発明の実施によって1r?られるこのよ
うな補婬層は、第2図中に23として点線で示されたよ
うな部分を成す1うのである。
されIC粉末との間に横方向の相対運動が付与されるこ
とにより、かかる溶融相互作用域の漸進的な移動、冷l
Aおよび再凝固が起こることになる。(の結果として、
第5図に示されるような溶着した補#(層72が冑られ
るのである。本発明の実施によって1r?られるこのよ
うな補婬層は、第2図中に23として点線で示されたよ
うな部分を成す1うのである。
かかる溶着の後、付加された余分の補修層材料はたとえ
ば機械加工、研削、研摩粒子仕上などによって所望の形
状に成形することができる。このようにすれば、最小限
の熱作用域および所望の機械的性質を有するような修理
済みの物品が得られるのである。
ば機械加工、研削、研摩粒子仕上などによって所望の形
状に成形することができる。このようにすれば、最小限
の熱作用域および所望の機械的性質を有するような修理
済みの物品が得られるのである。
以上、特定の実施の態様に関連して本発明を説明したが
、前記特許請求の範囲によって規定された本発明の範囲
から逸脱することなしに様々な変更がl’J Fil
T′あることは関連りる技術分野(たとえば冶金技術、
金属接合技術おにびレーザ技術分野)の当業者にとって
自明であろう。
、前記特許請求の範囲によって規定された本発明の範囲
から逸脱することなしに様々な変更がl’J Fil
T′あることは関連りる技術分野(たとえば冶金技術、
金属接合技術おにびレーザ技術分野)の当業者にとって
自明であろう。
第1図は本発明を適用し111る圧縮機スプールの一部
分を示す部分断面略図、第2図は第1図のスプール10
の一部分の拡大図、第3および4図は本発明の評価に際
して使用された2種の試験体を示(1部分断面斜視図、
そして第5図は本発明方法を実施するための装置を示す
部分断面略図である。 図中、40は粉末容器、42は加熱コイル、44はガス
入口、48は粉末、50は粉末供給ホイール、52は振
動機、54は導管、56は粉末噴射ノズル、58はレー
ザ、60はレーザビーム、62はレーザビームの中心軸
、66は物品または加工物表面、68はレーザビームス
ポット、そして70はチー1ルの運動方向を表わす。 画5
分を示す部分断面略図、第2図は第1図のスプール10
の一部分の拡大図、第3および4図は本発明の評価に際
して使用された2種の試験体を示(1部分断面斜視図、
そして第5図は本発明方法を実施するための装置を示す
部分断面略図である。 図中、40は粉末容器、42は加熱コイル、44はガス
入口、48は粉末、50は粉末供給ホイール、52は振
動機、54は導管、56は粉末噴射ノズル、58はレー
ザ、60はレーザビーム、62はレーザビームの中心軸
、66は物品または加工物表面、68はレーザビームス
ポット、そして70はチー1ルの運動方向を表わす。 画5
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、金属材料から成る物品構成部分を有する物品の修理
方法において、下記の工程を含むことを特徴とする方法
: 前記物品構成部分の金属材料と実質的に同じ組成を持っ
た金属粉末から成る粉末を前記物品構成部分に供給する
と同時に、10^4〜10^6W/cm^2の範囲内の
出力密度を持ったレーザビームスポットを成すようにし
て前記粉末および前記粉末直下の前記物品構成部分にレ
ーザビームを照射して前記粉末および前記物品構成部分
の金属材料から溶融相互作用域を形成し、かつ 前記レーザビームと前記粉末および前記粉末直下の前記
物品構成部分との相互作用時間を0.005〜2秒の範
囲内に維持することにより、前記物品構成部分中の熱作
用域を縮小しながら、前記粉末および前記物品構成部分
の金属材料から成る補修層を前記物品構成部分上に設け
る。 2、前記レーザビームスポットと前記物品構成部分との
間に横方向の相対運動を付与し、前記相互作用時間を維
持しつつ前記出力密度と協働して、前記溶融相互作用域
の漸進的な移動、冷却および再凝固が可能となる特許請
求の範囲第1項記載の方法。 3、前記レーザビームが連続波方式のものである特許請
求の範囲第1項記載の方法。 4、前記粉末が約1〜30g/分の範囲内の速度で供給
され、かつ前記レーザビームが前記物品構成部分の位置
において約0.005〜0.2インチの範囲内の大きさ
を持ったレーザビームスポットを成すように照射される
特許請求の範囲第1項記載の方法。 5、修理すべき前記物品構成部分が前記物品の縁端を含
む場合において、前記レーザビームスポットの中心軸が
前記物品の前記縁端から離れた位置に存在するようにし
て前記レーザビームが照射される特許請求の範囲第1項
記載の方法。 6、前記粉末が実質的に水分を含まない状態で供給され
る特許請求の範囲第1項記載の方法。 7、前記粉末を前記物品構成部分に供給するのに先立っ
て、水分を除去するために前記粉末が加熱される特許請
求の範囲第6項記載の方法。 8、前記粉末の供給および前記レーザビームの照射を同
時に施すための前記物品構成部分として前段の補修層を
使用しながら前記工程を繰返すことによって、複数の互
いに重なり合いかつ結合した補修層が形成される特許請
求の範囲第1項記載の方法。 9、(a)密閉形の粉末容器、(b)加圧下にあるガス
を前記容器内に導入する手段、(c)前記容器から粉末
導管中に粉末を移動させるための容積計量式機械的粉末
供給手段、(d)前記粉末導管およびその中の粉末を振
動させるための導管振動手段、並びに(e)前記粉末導
管からの粉末を受けて送給する、前記粉末導管に連結さ
れた液冷式粉末送給ノズルの諸要素から成ることを特徴
とする、一定した連続的な粉末の流れを供給するための
装置。 10、前記容器内の粉末の含水量を低く維持するために
前記容器が加熱される特許請求の範囲第9項記載の装置
。 11、前記粉末送給ノズルが、少なくとも、前記装置と
組合わせて使用されるレーザの波長に対して高度の反射
性を示す材料から成る先端部分を含む特許請求の範囲第
9項記載の装置。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US655775 | 1984-10-01 | ||
US06/655,775 US4743733A (en) | 1984-10-01 | 1984-10-01 | Method and apparatus for repairing metal in an article |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS6191371A true JPS6191371A (ja) | 1986-05-09 |
JPH0742589B2 JPH0742589B2 (ja) | 1995-05-10 |
Family
ID=24630302
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP60212750A Expired - Lifetime JPH0742589B2 (ja) | 1984-10-01 | 1985-09-27 | 物品の金属部分を修理するための方法および装置 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4743733A (ja) |
EP (2) | EP0176942B1 (ja) |
JP (1) | JPH0742589B2 (ja) |
DE (2) | DE3582891D1 (ja) |
IL (1) | IL76356A (ja) |
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WO2020203411A1 (ja) * | 2019-03-29 | 2020-10-08 | 株式会社Ihi | 既設鋼構造物のき裂補修方法 |
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