DE112015000410T5

DE112015000410T5 - Verfahren zum Schweissen von Welle und Laufrad in Turbinenwelle, Turbinenwelle und Schweissvorrichtung

Info

Publication number: DE112015000410T5
Application number: DE112015000410.6T
Authority: DE
Inventors: Kenkichi MURATA; Kosuke Watanabe; Koji Nezaki; Yuuichi Miura; Syoichiro KAIHARA
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2014-01-15
Filing date: 2015-01-09
Publication date: 2016-10-13
Also published as: JPWO2015107981A1; JP6115653B2; WO2015107981A1; CN105556093A; US10421154B2; US20160184930A1; CN105556093B

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verschweißen einer Welle (2) und eines Rads (3) in einer Turbinenwelle beschrieben. Entweder die Welle (2) oder das Rad (3) ist mit einer ringförmigen Zieloberfläche (Bodenfläche) (3c) versehen. Die Zieloberfläche (3c) weist eine Innenbohrung (3d) auf, die in einer Richtung einer Rotationsachse zurückweicht. Das andere von der Welle (2) und dem Rad (3) ist mit einer gegenüberliegenden Oberfläche (Endfläche) (2a) versehen. Die gegenüberliegende Oberfläche (2a) weist einen gegenüberliegenden Abschnitt (2c), der der Zieloberfläche (3c) gegenüberliegt, und einen nicht gegenüberliegenden Abschnitt (2d) auf, der von dem gegenüberliegenden Abschnitt (2c) aus fortlaufend zu einer Mittenseite hin ausgebildet ist, während er dem Innenloch (3d) zugewandt ist. Das Schweißverfahren beinhaltet Folgendes: Anordnen der Zieloberfläche (3c) und der gegenüberliegenden Oberfläche (2a) derart, dass die Zieloberfläche und die gegenüberliegende Oberfläche einander in der Richtung der Rotationsachse gegenüberliegen, während ein Oberflächenberührungszustand hergestellt wird; und Verschweißen der Zieloberfläche (3c) und der gegenüberliegenden Oberfläche (2a) durch Bestrahlung der Zieloberfläche (3c) und der gegenüberliegenden Oberfläche (2a) von der Außenseite in einer Radialrichtung der Welle (2) zur Innenseite in ihrer Radialrichtung hin beruhend auf einer Bedingung, die eine Aufschmelztiefe eine Position auf einer Mittenseite jenseits des gegenüberliegenden Abschnitts (2c) erreichen lässt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schweißen einer Welle und eines Rads in einer Turbinenwelle, eine Turbinenwelle und eine Schweißvorrichtung.
Stand der Technik
Ein herkömmlicher Turbolader weist ein Lagergehäuse, eine Turbinenwelle, die drehbar vom Lagergehäuse getragen wird, ein Turbinenrad, das an einem Ende der Turbinenwelle vorgesehen ist, und ein Verdichterrad auf, das am anderen Ende der Turbinenwelle vorgesehen ist. Der Turbolader wird mit einem Motor verbunden, und das Turbinenrad wird vom Abgas, das vom Motor abgegeben wird, gedreht. Darüber hinaus dreht die Drehung des Turbinenrads mittels einer Welle das Verdichterrad. Somit verdichtet der Turbolader mit der Drehung des Verdichterrads Luft und schickt die verdichtete Luft zum Motor.
Die Turbinenwelle wird ausgebildet, indem die Welle und das Turbinenrad verschweißt werden. Zum Beispiel wird, wie in der PTL 1 angegeben ist, als Schweißmittel Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder dergleichen verwendet.
Entgegenhaltungsliste
Patentliteratur

PTL 1: JP 2012-127099 A

Kurzdarstellung der Erfindung
Technisches Problem
In den letzten Jahren hat es den Bedarf gegeben, die Größe eines Turboladers zu verringern. Um eine Abgabeleistung in Übereinstimmung mit einer Motorkapazität sicherzustellen, während dieser Bedarf erfüllt wird, hat es einen Bedarf gegeben, die Turbinenwelle mit höherer Geschwindigkeit zu drehen.
Im Verlauf des oben genannten Verschweißens der Turbinenwelle ist demensprechend gewünscht worden, dass passend eine Schweißbedingung eingestellt wird und die Schweißqualität weiter verbessert wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Schweißen einer Welle und eines Rads in einer Turbinenwelle, eine Turbinenwelle und eine Schweißvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die dazu imstande sind, die Schweißqualität einer Turbinenwelle zu verbessern.
Lösung des Problems
Eine erste Ausgestaltung der Erfindung sieht ein Verfahren zum Schweißen einer Welle und eines Rads in einer Turbinenwelle vor, wobei: an entweder der Welle oder dem Rad eine ringförmige Zieloberfläche vorgesehen ist, die eine Innenbohrung aufweist, die in einer Richtung einer Rotationsachse zurückweicht; auf dem anderen von der Welle und dem Rad eine gegenüberliegende Oberfläche vorgesehen ist, die einen gegenüberliegenden Abschnitt, der der Zieloberfläche gegenüberliegt, und einen nicht gegenüberliegenden Abschnitt aufweist, der vom gegenüberliegenden Abschnitt aus fortlaufend zu einer Mittenseite hin ausgebildet ist, während er der Innenbohrung zugewandt ist; und der Turbinenwelle ein Aufbau fehlt, der durch gegenseitigen Eingriff Relativpositionen der Welle und des Rads definiert. Das Verfahren beinhaltet Folgendes: Anordnen der Zieloberfläche und der gegenüberliegenden Oberfläche derart, dass die Zieloberfläche und die gegenüberliegende Oberfläche einander in der Richtung der Rotationsachse gegenüberliegen, während ein Oberflächenberührungszustand hergestellt wird; und Verschweißen der Zieloberfläche und der gegenüberliegenden Oberfläche durch Bestrahlung der Zieloberfläche und der gegenüberliegenden Oberfläche von der Außenseite in einer Radialrichtung der Welle zur Innenseite in der Radialrichtung der Welle hin beruhend auf einer Bedingung, die eine Aufschmelztiefe eine Position auf der Mittenseite jenseits des gegenüberliegenden Abschnitts erreichen lässt.
Der nicht gegenüberliegende Abschnitt der gegenüberliegenden Oberfläche kann mit einem in der Richtung der Rotationsachse vorstehenden Vorsprung versehen sein, der in die Innenbohrung eingeführt wird und von einer Innenumfangsfläche der Innenbohrung aus in der Radialrichtung der Welle entfernt liegt. Das Verschweißen kann die Bestrahlung beinhalten, die derart erfolgt, dass die Aufschmelztiefe zwischen der Innenumfangsfläche der Innenbohrung und einer Außenumfangsfläche des Vorsprungs liegt.
Der nicht gegenüberliegende Abschnitt der gegenüberliegenden Oberfläche kann mit einem Loch kleinen Durchmessers versehen sein, das in der Richtung der Rotationsachse zurückweicht und einen kleineren Durchmesser als ein Durchmesser der Innenbohrung hat. Das Verschweißen kann die Bestrahlung beinhalten, die derart erfolgt, dass die Aufschmelztiefe zwischen der Innenumfangsfläche der Innenbohrung und einer Innenumfangsfläche des Lochs kleinen Durchmessers liegt.
Das Verschweißen der Zieloberfläche und der gegenüberliegenden Oberfläche kann realisiert werden, indem als die Bestrahlung ein Laserstrahl unter einer Umgebung reduzierten Drucks abgegeben wird.
Eine zweite Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Turbinenwelle vor, die durch das Schweißverfahren gemäß der ersten Ausgestaltung ausgebildet ist.
Eine dritte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Schweißvorrichtung vor, die so ausgestaltet ist, dass sie eine Welle und ein Rad in einer Turbinenwelle verschweißt, wobei: an entweder der Welle oder dem Rad eine ringförmige Zieloberfläche vorgesehen ist, die eine Innenbohrung aufweist, die in einer Richtung einer Rotationsachse zurückweicht; an dem anderen von der Welle und dem Rad eine gegenüberliegende Oberfläche vorgesehen ist, die einen gegenüberliegenden Abschnitt, der der Zieloberfläche gegenüberliegt, und einen nicht gegenüberliegenden Abschnitt aufweist, der vom gegenüberliegenden Abschnitt aus fortlaufend zu einer Mittenseite hin ausgebildet ist, während er der Innenbohrung zugewandt ist; und der Turbinenwelle ein Aufbau fehlt, der durch gegenseitigen Eingriff Relativpositionen der Welle und des Rads definiert. Die Schweißvorrichtung weist Folgendes auf: eine Einspanneinheit, die so gestaltet ist, dass sie die Zieloberfläche und die gegenüberliegende Oberfläche derart anordnet, dass die Zieloberfläche und die gegenüberliegende Oberfläche einander in der Richtung der Rotationsachse gegenüberliegen, während ein Oberflächenberührungszustand hergestellt wird; und eine Schweißeinheit, die so gestaltet ist, dass sie die Zieloberfläche und die gegenüberliegende Oberfläche durch Bestrahlung der Zieloberfläche und der gegenüberliegenden Oberfläche von der Außenseite in einer Radialrichtung der Welle zur Innenseite in der Radialrichtung der Welle hin derart verschweißt, dass eine Aufschmelztiefe eine Position auf der Mittenseite jenseits des gegenüberliegenden Abschnitts erreicht.
Eine vierte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine Turbinenwelle mit einer Welle und einem Rad vor, die durch Schweißen miteinander verbunden sind, wobei der Welle und dem Rad ein Aufbau fehlt, der durch gegenseitigen Eingriff Relativposition der Welle und des Rads definiert. Entweder die Welle oder das Rad weist eine ringförmige Zieloberfläche auf, die mit einer Innenbohrung versehen ist, die in einer Richtung einer Rotationsachse zurückweicht. Das andere von der Welle und dem Rad weist eine gegenüberliegende Oberfläche, die mit einem gegenüberliegenden Abschnitt versehen ist, der der Zieloberfläche gegenüberliegt, und einen nicht gegenüberliegenden Abschnitt auf, der vom gegenüberliegenden Abschnitt aus fortlaufend zu einer Mittenseite hin ausgebildet ist, während er der Innenbohrung zugewandt ist. Ein Aufschmelzbereich reicht von einer Verbindungsstelle zwischen der Zieloberfläche und dem gegenüberliegenden Abschnitt zum nicht gegenüberliegenden Abschnitt der gegenüberliegenden Oberfläche, wobei der Aufschmelzbereich durch Aufschmelzen in Verbindung mit dem Verschweißen der Zieloberfläche und des gegenüberliegenden Abschnitts und dann durch Erstarren ausgebildet ist.
Die gegenüberliegende Oberfläche kann einen Vorsprung aufweisen, der auf dem nicht gegenüberliegenden Abschnitt ausgebildet ist und in der Richtung der Rotationsachse vorsteht. Eine Außenumfangsfläche des Vorsprungs kann von einer Innenumfangsfläche der Innenbohrung aus in einer Radialrichtung der Welle entfernt liegen, während der nicht gegenüberliegende Abschnitt zwischen der Außenumfangsfläche und der Innenumfangsfläche eingefügt ist. Ein Endabschnitt des Aufschmelzbereichs auf der Innenseite in der Radialrichtung kann am nicht gegenüberliegenden Abschnitt liegen.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die Erfindung kann die Schweißqualität einer Turbinenwelle verbessern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1(a) und 1(b) sind Ansichten, um eine Turbinenwelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zu erläutern.
2 ist eine schematische Darstellung einer Schweißvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 ist ein Ablaufdiagram, um ein Schweißverfahren gemäß dem Ausführungsbespiel der Erfindung zu erläutern.
4(a) bis 4(c) sind Darstellungen, um eine Aufschmelztiefe zu erläutern.
5(a) bis 5(d) sind Darstellungen, um jeweils erste bis vierte abgewandelte Beispiele des Ausführungsbeispiels der Erfindung zu erläutern.
6(a) und 6(b) sind Darstellungen, um Vergleichsbeispiele zu dem in 5(c) gezeigten dritten abgewandelten Beispiel zu erläutern.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Unten wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es ist zu beachten, dass die Abmessungen, Materialien, spezifischen numerischen Werte und dergleichen, die in dem Ausführungsbeispiel angegeben sind, bloß Beispiele darstellen, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Dementsprechend sollen diese Faktoren, solange nichts anderes angegeben ist, die Erfindung nicht beschränken. Unterdessen werden in der Beschreibung und den Zeichnungen Bestandteile, die im Wesentlichen die gleichen Funktionsweisen und Gestaltungen haben, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet, um sich überlappende Erläuterungen wegzulassen, und die Darstellung von Elementen, die sich nicht direkt auf die Erfindung beziehen, wird weggelassen.
– Turbinenwelle 1 –
1(a) und 1(b) sind Ansichten, um eine Turbinenwelle 1 zu erläutern. 1(a) ist eine Seitenansicht eines Zustands, bevor eine Welle 2 und ein Turbinenrad 3 (ein Rad) zusammengeschweißt werden. 1(b) ist eine Seitenansicht der Turbinenwelle 1, nachdem das Turbinenrad 3 und die Welle 2 zusammengeschweißt wurden.
Wie in 1(a) gezeigt ist, hat die Welle 2 eine Endfläche 2a (eine gegenüberliegende Oberfläche), die in einer Richtung einer Rotationsachse an einem Ende liegt und dem Turbinenrad 3 gegenüberliegt. An der einen Endfläche 2a ist ein Vorsprung 2b ausgebildet, der in der Richtung der Rotationsachse vorsteht.
Unterdessen weist das Turbinenrad 3 eine Nabe 3a und mehrere, an einer Außenumfangsfläche der Nabe 3a vorgesehene Schaufeln 3b auf. In einer Bodenfläche 3c (Zieloberfläche) der Nabe 3a ist eine Innenbohrung (Vertiefung) 3d ausgebildet. Die Innenbohrung 3d weicht in einer Achsenrichtung der Welle 2 zurück. Ein Innendurchmesser der Innenbohrung 3d ist größer als ein Außendurchmesser des Vorsprungs 2b der Welle 2. Dementsprechend lässt sich der Vorsprung 2b in die Innenbohrung 3d einführen.
Wie in 1(b) gezeigt ist, wird der Vorsprung 2b der Welle 2 in die Innenbohrung 3d des Turbinenrads 3 eingeführt, und die eine Endfläche 2a der Welle 2 kommt mit der Bodenfläche 3c der Turbinenwelle 3 in Berührung. In dem Zustand, in dem die Berührung aufrecht erhalten wird, werden Außenumfänge der einen Endfläche 2a und der Bodenfläche 3c bestrahlt und zusammengeschweißt. Somit wird das Turbinenrad 3 mit der Welle 2 verbunden, und daher wird die Turbinenwelle 1 ausgebildet. Im Folgenden wird eine Schweißvorrichtung beschrieben, die die Welle 2 und das Turbinenrad 3 zusammenschweißt.
– Schweißvorrichtung 100 –
2 ist eine schematische Darstellung einer Schweißvorrichtung 100. In 2 sind Wege von Steuerungssignalen mit gestrichelten Pfeilen angegeben. Ein in 2 gezeigter erster Halter 102 ist aus einer Einspannvorrichtung oder dergleichen ausgebildet, die drei Klauen 102a aufweist, die von einem nicht dargestellten Stellglied anzutreiben sind. Der erste Halter 102 ist auf einem Drehtisch 104 vorgesehen. Dann klemmen die drei Klauen 102a einen Endabschnitt der Welle 2, der auf einer entgegengesetzten Seite zu der einen Endfläche 2a liegt. Daher hält der erste Halter 102 die Welle 2. Unterdessen ist der erste Halter 102 an einer Abtriebswelle eines nicht dargestellten Motors befestigt und wird um die Rotationsachse der so gehaltenen Welle 2 gedreht.
Ein zweiter Halter 106 (eine Einspanneinheit) ist aus einer Einspannvorrichtung oder dergleichen ausgebildet, die drei Klauen 106a aufweist, die von einem (nicht gezeigten) Stellglied anzutreiben sind. Die drei Klauen 106a klemmen einen runden Vorsprung 3e der Nabe 3a des Turbinenrads 3 fest. Daher hält der zweite Halter 106 das Turbinenrad 3.
Der zweite Halter 106 ist an einem (nicht gezeigten) Roboterarm befestigt. Indem der Roboterarm angetrieben wird, hält der zweite Halter 106 das Turbinenrad 3 fest und transportiert das Turbinenrad 3 zu der Seite der einen Endfläche 2a der Welle 2.
Eine Schweißeinheit 108 weist einen Oszillator 108a, eine Glasfaser 108b und einen Kollektor 108c auf. Der Oszillator 108a erzeugt durch Anregung eines (nicht gezeigten) Lasermediums Licht. Das erzeugte Licht wird über die Glasfaser 108b zum Kollektor 108c geführt und zu einem zu verschweißenden Abschnitt hin abgegeben, während es durch den Kollektor 108c gesammelt wird.
Eine Steuerung 110 ist aus einer integrierten Halbleiterschaltung ausgebildet, die eine zentrale Recheneinheit (CPU), einen ROM, der ein Programm und dergleichen speichert, einen RAM als einen Arbeitsbereich und dergleichen aufweist. Die Steuerung 110 steuert den ersten Halter 102, den Drehtisch 104, den zweiten Halter 106 und die Schweißeinheit 108. Darüber hinaus steuert die Steuerung 110 auch den Roboterarm, die Stellglieder und den Motor, die in der Schweißvorrichtung 100 vorgesehen sind.
– Schweißverfahren –
Als Nächstes wird ein Verfahren zum Verschweißen der Welle 2 und des Turbinenrads 3 der Turbinenwelle 1 beschrieben, das die Schweißvorrichtung 100 verwendet. 3 ist ein Ablaufdiagramm, um das Schweißverfahren dieses Ausführungsbeispiels zu erläutern. Zunächst wird auf dem Drehtisch 104 der erste Halter 102 an einer zurückgezogenen Position vorgesehen, die dem zweiten Halter 106 nicht gegenüberliegt. Dann steuert die Steuerung 110 den nicht dargestellten Roboterarm, wodurch die Welle 2 auf dem ersten Halter 102 installiert wird.
Der erste Halter 102 hält die Welle 2, indem die drei Klauen 102a angetrieben werden. Wenn danach der Drehtisch 104 gedreht wird und sich die Welle 2 dem zweiten Halter 106 nähert, hält der zweite Halter 106 den runden Vorsprung 3e des Turbinenrads 3, indem die drei Klauen 106a angetrieben werden, er transportiert das Turbinenrad 3 dann zur Seite der einen Endfläche 2a der Welle 2 und er installiert darauf das Turbinenrad 3 (S200).
Dann bringt der zweite Halter 106 entweder die Mitte in einer Radialrichtung der Bodenfläche 3c des Turbinenrads 3 oder eine Position in der Radialrichtung der Bodenfläche 3c, die dem Schwerpunkt des Turbinenrads 3 entspricht, dazu, mit der Mitte der einen Endfläche 2a der Welle 2 zusammenzufallen. In diesem Zustand ordnet der zweite Halter 106 die Bodenfläche 3c und die eine Endfläche 2a derart an, dass die Zieloberfläche und die gegenüberliegende Oberfläche einander in der Richtung der Rotationsachse gegenüberliegen, während ein Oberflächenberührungszustand hergestellt wird (S202). Dabei kann die Position in der Radialrichtung der Bodenfläche 3c, die dem Schwerpunkt des Turbinenrads 3 entspricht, bestimmt werden, indem im Voraus die Position des Schwerpunkts des Turbinenrads 3 gemessen wird. Es ist zu beachten, dass die Welle 2 und das Turbinenrad 3 keinen gemeinsamen Zapfenaufbau haben, wie er später beschrieben wird. Dementsprechend werden beim Schweißvorgang die Relativpositionen der Welle 2 und des Turbinenrads 3 durch den ersten Halter 102 und den zweiten Halter 106 definiert.
Darüber hinaus wird der Drehtisch 104 gedreht, und die Welle 2 des Turbinenrads 3 nähert sich der Schweißeinheit 108. Dann führt die Schweißeinheit 108 eine Bestrahlung der Bodenfläche 3c und der einen Endfläche 2a von der Außenseite in der Radialrichtung der Welle 2 zur Innenseite in ihrer Radialrichtung hin durch, um so eine bestimmte Aufschmelztiefe zu erreichen, die später beschrieben wird (S204).
Zu diesem Zeitpunkt wird der erste Halter 102 von dem Motor gedreht, während die Welle 2 und das Turbinenrad 3 um die Rotationsachse der Welle 2 gedreht werden. Auf diese Weise tastet der Laserstrahl die gesamten Außenumfänge der Bodenfläche 3c und der einen Endfläche 2a ab, wodurch die Bodenfläche 3c und die eine Endfläche 2a zusammengeschweißt werden.
Als Nächstes folgt unten eine ausführliche Beschreibung der Aufschmelztiefe in dem Fall, dass die Schweißeinheit 108 eine Bestrahlung der Bodenfläche 3c und der einen Endfläche 2a gemäß dem Schweißverfahren und der Schweißvorrichtung 100 dieses Ausführungsbeispiels durchführt.
4(a) bis 4(c) sind Darstellungen, um die Aufschmelztiefe zu erläutern. 4(a) zeigt einen Querschnitt eines in 1(b) mit einer Strichellinie angegebenen Abschnitts A einschließlich der Wellenmitte der Welle 2, der die Welle 2 und das Turbinenrad 3 vor dem Zusammenschweißen darstellt.
Wie in 4(a) gezeigt ist, weist die eine Endfläche 2a der Welle 2 einen gegenüberliegenden Abschnitt 2c und einen nicht gegenüberliegenden Abschnitt 2d auf. Der gegenüberliegende Abschnitt 2c ist ein Bereich, der der Bodenfläche 3c des Turbinenrads 3 in einem Zustand des Gegenüberliegens (Zustand koaxialen Gegenüberliegens) gegenüberliegt und mit ihr in Oberflächenberührung kommt, wobei die Mitte der einen Endfläche 2a in der Radialrichtung der Welle 2 mit entweder der Mitte in der Radialrichtung der Bodenwelle 3c oder der Position in ihrer Radialrichtung, die dem Schwerpunkt des Turbinenrads 3 entspricht, zusammenfällt.
Unterdessen ist der nicht gegenüberliegende Abschnitt 2d ein Bereich, der der Bodenfläche 3c des Turbinenrads 3 in dem oben genannten Zustand koaxialen Gegenüberliegens nicht gegenüberliegt. Der nicht gegenüberliegende Abschnitt 2d ist ein Bereich, der von dem gegenüberliegenden Abschnitt 2c aus fortlaufend zur Mittenseite hin ausgebildet ist, während er der Innenbohrung 3d zugewandt ist. Die Bodenfläche 3c hat eine Ringform, wobei die Innenbohrung 3d in der Radialrichtung auf der Innenseite ausgebildet ist. Der nicht gegenüberliegende Abschnitt 2d wird durch diese Form ausgebildet.
Der Vorsprung 2b ist an dem nicht gegenüberliegenden Abschnitt 2d der einen Endfläche 2a ausgebildet. Der Vorsprung 2b wird in die Innenbohrung 3d eingeführt. Unterdessen liegt der Vorsprung 2b von einer Innenumfangsfläche 3f der Innenbohrung 3d aus in der Radialrichtung der Welle 2 entfernt, während der nicht gegenüberliegende Abschnitt 2d dazwischen liegt. Mit anderen Worten haben die Welle 2 und das Turbinenrad 3 keinen gemeinsamen Zapfenaufbau (Zapfen(verbindungs)aufbau). Dabei ist der Zapfenaufbau ein Aufbau, der mittels gegenseitigen Eingriffs Relativpositionen zwischen zwei Bestandteilen, etwa einer Vertiefung oder einem Vorsprung, definiert. Hinsichtlich zweier Bestandteile, die gemeinsam den Zapfenaufbau haben, wird zum Beispiel eine Außenumfangsfläche von einem der Bauteile in eine Innenumfangsfläche des anderen Bauteils auf eine relativ zueinander gleitende Weise eingeführt (in Eingriff gebracht).
In 4(b) und 4(c) ist durch Kreuzschraffur jeweils ein Bereich (Aufschmelzbereich) B dargestellt, der in Verbindung mit der Bestrahlung der Welle 2 und des Turbinenrads 3 einmal aufgeschmolzen wurde und dann erstarrt ist. Es wird ein Schlüsselloch ausgebildet, wenn mittels der Bestrahlung ein tiefes Eindringschweißen (Schlüsselloch-Schweißen, Schlüssellochmodus-Schweißen) durchgeführt wird. Dabei ist das tiefe Eindringschweißen ein Schweißmodus, der mit einer relativ hohen Energiedichte einhergeht und ein Schmelzbad ausbildet, das eine größere Tiefe als Breite hat. Das Schlüsselloch ist eine Einsenkung, die durch eine Reaktionskraft ausgebildet wird, die auftritt, wenn ein in dem Schmelzbad aufgeschmolzenes Metall verdampft und sich das verdampfende Metall von seiner Oberfläche trennt.
Wie in 4(b) gezeigt ist, erreicht die Aufschmelztiefe des Bereichs B in diesem Ausführungsbeispiel eine Position auf der Mittenseite jenseits des gegenüberliegenden Abschnitts 2c. Mit anderen Worten reicht der Bereich B von einer Verbindungsstelle zwischen der Zieloberfläche 3c und dem gegenüberliegenden Abschnitt 2c zum nicht gegenüberliegenden Abschnitt 2d. Genauer gesagt liegt ein Endabschnitt des Bereichs B auf der Innenseite in der Radialrichtung der Welle 2 (Unterseite in 4) am nicht gegenüberliegenden Abschnitt 2d der einen Endfläche 2a, der zwischen einer Außenumfangsfläche 2e des Vorsprungs 2b und der Innenumfangsfläche 3f der Innenbohrung 3d liegt. Das heißt, dieser Endabschnitt erreicht nicht die Außenumfangsfläche 2e des Vorsprungs 2b. Andererseits reicht in einem in 4(c) gezeigten Vergleichsbeispiel ein Endabschnitt eines Bereichs B auf der Innenseite in einer Radialrichtung einer Welle S1 (Unterseite in 4) eine Position auf der Innenseite in der Radialrichtung der Welle S1 jenseits einer Außenumfangsfläche S1e eines Vorsprungs S1b. Mit anderen Worten erreicht das Schlüsselloch die Position auf der Innenseite in der Radialrichtung der Welle S1 jenseits der Außenumfangsfläche S1e des Vorsprungs S1b.
In dem Vergleichsbeispiel wird ein Teilstück von dem nicht gegenüberliegenden Abschnitt 2d bis zum Vorsprung S1b kontinuierlich aufgeschmolzen. Dementsprechend gibt es eine große Fließmenge des Metalls, die infolge des Aufschmelzens auf der Außenumfangsfläche S1e des Vorsprungs S1b zurückbleibt. Wenn das aufgeschmolzene Metall auf der Außenumfangsfläche S1e des Vorsprungs S1b zurückbleibt und dann erstarrt, kann das aufgeschmolzene Metall abhängig von der Schweißbedingung eine Form ähnlich eines Risses (Pseudoriss) haben. Darüber hinaus ist es wahrscheinlich, dass ein Schweißbereich infolge der Aufnahme von Umgebungsgas (etwa der Luft) während des Schweißens Porosität (Hohlräume) ausbildet. Wenn wie oben beschrieben der Pseudoriss oder die Porosität ausgebildet wird, kann sich die Festigkeit des Schweißbereichs abhängig davon, wo der Bereich erzeugt wird, verschlechtern. Infolgedessen ist es notwendig, verschiedene Schweißbedingungen strenger handzuhaben.
Die Welle 2 und das Turbinenrad 3 können dabei aus verschiedenen Metallmaterialien bestehen. Zum Beispiel kann die Welle 2 aus einem Chromstahl wie SCM oder SCr bestehen. Unterdessen kann das Turbinenrad 3 aus einer auf Ni basierenden Superlegierung, die hervorragende Wärmebeständigkeit und Oxidationsbeständigkeit hat, oder dergleichen bestehen.
Dementsprechend führt die Schweißeinheit 108 in diesem Ausführungsbeispiel die Bestrahlung der Bodenfläche 3c und der einen Endfläche 2a von der Außenseite in der Radialrichtung der Welle 2 zur Innenseite in ihrer Radialrichtung hin derart durch, dass die Aufschmelztiefe zwischen der Innenumfangsfläche 3f der Innenbohrung 3d und der Außenumfangsfläche 2e des Vorsprungs 2b liegt. Genauer gesagt werden passende Schweißbedingungen festgelegt, um das oben beschriebene Schweißen zu erreichen, indem Schweißvorgänge wiederholt werden, der Schweißbereich nach dem Schweißen analysiert wird usw. Dann erfolgt das Schweißen in Übereinstimmung mit den festgelegten Schweißbedingungen. Das heißt, das Schweißen erfolgt beruhend auf den Schweißbedingungen, die die oben genannte gewünschte Aufschmelztiefe erreichen (mit anderen Worten unter Verwendung dieser Bedingungen). Die Schweißbedingungen werden zum Beispiel als Daten in der Steuerung 110 gespeichert und zum Schweißbeginn ausgelesen und zur Steuerung des Schweißens verwendet.
Infolgedessen gibt es eine geringe Fließmenge des Metalls, das am Vorsprung 2b zurückbleibt, und es ist weniger wahrscheinlich, dass wie im Vergleichsbeispiel der Pseudoriss oder die Porosität ausgebildet wird. Dementsprechend ist es möglich, die Schweißqualität zu verbessern.
Selbst wenn unterdessen ein Teil des Strahls, der die Innenumfangsfläche 3f durchdringt, den Vorsprung 2b erreicht und einen Teil des Vorsprungs 2b aufschmilzt, erreicht der Strahl, der zur Seite des nicht gegenüberliegenden Abschnitts 2d abgegeben wurde, den Vorsprung 2b nicht. Aus diesem Grund läuft der aufgeschmolzene Abschnitt nicht von dem nicht gegenüberliegenden Abschnitt 2d zum Vorsprung 2b weiter.
5(a) bis 5(d) sind Darstellungen, um jeweils erste bis vierte abgewandelte Beispiele des Ausführungsbeispiels zu erläutern. In dem ersten abgewandelten Beispiel ist, wie in 5(a) gezeigt ist, in dem Vorsprung 2b ein gegenüberliegendes Loch 12f ausgebildet. Das gegenüberliegende Loch 12f weicht in der Richtung der Rotationsachse zurück und liegt der Innenbohrung 3d gegenüber.
In dem zweiten abgewandelten Beispiel ist, wie in 5(b) gezeigt ist, in dem nicht gegenüberliegenden Abschnitt 2d der einen Endfläche 2a eine ringförmige Nut 22f ausgebildet. Die ringförmige Nut 22f weicht bezogen auf den gegenüberliegenden Abschnitt 2c der einen Endfläche 2a in der Richtung der Rotationsachse zurück und ist ringförmig um den Vorsprung 2b herum ausgebildet.
Wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel führt die Schweißeinheit 108 in dem ersten abgewandelten Beispiel und zweiten abgewandelten Beispiel die Bestrahlung der Bodenfläche 3c und der einen Endfläche 2a jeweils von der Außenseite in der Radialrichtung der Welle 2 zur Innenseite in ihrer Radialrichtung hin derart aus, dass die Aufschmelztiefe zwischen der Innenumfangsfläche 3f der Innenbohrung 3d und der Außenumfangsfläche 2e des Vorsprungs 2b liegt. Aus diesem Grund ist es weniger wahrscheinlich, dass der Pseudoriss oder die Porosität ausgebildet wird, und es ist daher möglich, die Schweißqualität zu verbessern. Selbst wenn dabei zum Zeitpunkt des Schweißens aufgeschmolzene Partikel (sogenannte Schweißspritzer) erzeugt werden, nimmt die Außenumfangsfläche 2e diese aufgeschmolzenen Partikel auf. Somit werden die aufgeschmolzenen Partikel daran gehindert, auseinanderzustieben. Da die aufgeschmolzenen Partikel auf der Außenumfangsfläche 2e bleiben, wird darüber hinaus auch das Auftreten anormaler Geräusche unterdrückt, das sich Zusammenstößen erstarrter, aufgeschmolzener Partikel zuschreiben lässt.
Unterdessen ist in dem zweiten abgewandelten Beispiel die ringförmige Nut 22f ausgebildet. Dementsprechend breitet sich das aufgeschmolzene Metall auch in die ringförmige Nut 22f aus. Folglich kann die Dicke des aufgeschmolzenen Metalls verringert werden. Außerdem ist es weniger wahrscheinlich, dass der Pseudoriss oder die Porosität ausgebildet wird.
In dem dritten abgewandelten Beispiel ist, wie in 5(c) gezeigt ist, in dem nicht gegenüberliegenden Abschnitt 2d der einen Endfläche 2a ein Loch kleinen Durchmessers 32f vorgesehen, das einen kleineren Durchmesser als die Innenbohrung 3d hat. Das Loch kleinen Durchmessers 32f weicht von der einen Endfläche 2a in der Richtung der Rotationsachse zurück. In diesem Fall wird die Bestrahlung in dem Schritt des Verschweißens der Welle 2 und des Turbinenrads 3 derart durchgeführt, dass die Aufschmelztiefe zwischen der Innenumfangsfläche 3f der Innenbohrung 3d und einer Innenumfangsfläche 32g des Lochs kleinen Durchmessers 32f liegt.
6(a) und 6(b) sind Darstellungen, um Vergleichsbeispiele zum dritten abgewandelten Beispiel zu erläutern. In dem in 6(a) gezeigten Vergleichsbeispiel erreicht ein Endabschnitt eines Bereichs B auf der Innenseite in einer Radialrichtung einer Welle S2 (Unterseite in 6) eine Innenumfangsfläche T2f einer Innenbohrung T2d nicht. In diesem Fall ist die Schweißfläche zwischen einer gegenüberliegenden Oberfläche S2a und einer Zieloberfläche T2c kleiner als im dritten abgewandelten Beispiel. Dementsprechend besteht das Risiko, keine ausreichende Schweißfestigkeit sicherstellen zu können. Unterdessen erreicht in dem in 6(b) gezeigten Vergleichsbeispiel der Endabschnitt des Bereichs B auf der Innenseite in der Radialrichtung der Welle S2 (Unterseite in 6) eine Position nahe der Innenseite in der Radialrichtung jenseits einer Innenumfangsfläche S2g eines Lochs kleinen Durchmessers S2f. Aus diesem Grund kann das aufgeschmolzene Metall daran scheitern, auf der gegenüberliegenden Oberfläche S2a zurückzubleiben, und es kann in die Innenbohrung T2d und das Loch kleinen Durchmessers S2f herabtropfen. Dadurch kann der Schwerpunkt in der Rotationsrichtung der Turbinenwelle beeinflusst werden.
Wie in 5(c) gezeigt ist, wird die Bestrahlung im dritten abgewandelten Beispiel in dem Schritt des Verschweißens der Welle 2 und des Turbinenrads 3 derart durchgeführt, dass die Aufschmelztiefe zwischen der Innenumfangsfläche 3f der Innenbohrung 3d und der Innenumfangsfläche 32g des Lochs kleinen Durchmessers 32f liegt. Auf diese Weise ist es möglich, die Schweißqualität zu verbessern.
Wie in 5(d) gezeigt ist, ist in dem vierten abgewandelten Beispiel der im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel gezeigte Vorsprung 2b nicht vorgesehen. Dabei ist anders als in dem dritten abgewandelten Beispiel auch das Loch kleinen Durchmessers 32f nicht vorgesehen. Trotzdem schweißt die Schweißeinheit 108 die Bodenfläche 3c und die eine Endfläche 2a wie bei den ersten bis dritten abgewandelten Beispielen durch Bestrahlung der Bodenfläche 3c und der einen Endfläche 2a von der Außenseite in der Radialrichtung der Welle 2 zur Innenseite in ihrer Radialrichtung hin derart zusammen, dass die Aufschmelztiefe eine Position auf der Mittenseite jenseits des gegenüberliegenden Abschnitts 2c erreicht. Dementsprechend ist es möglich, die Schweißqualität zu verbessern, während eine Situation wie bei dem in 6(a) gezeigten Vergleichsbeispiel vermieden wird, bei dem der Endabschnitt des Bereichs B auf der Innenseite der Radialrichtung der Welle 2 (Unterseite in 6) die Innenumfangsfläche 3f der Innenbohrung 3d nach dem Aufschmelzen und der Erstarrung des Bereichs B nicht erreicht.
Das Ausführungsbeispiel und die oben genannten abgewandelten Beispiele beschreiben jeweils den Fall, in dem das Turbinenrad 3 die ringförmige Bodenfläche 3c aufweist, die mit der Innenbohrung 3d versehen ist, und die Welle 2 die eine Endfläche 2a aufweist, die der Bodenfläche 3c gegenüberliegt. Allerdings kann anstelle dessen ein Turbinenrad mit einer ringförmigen Zieloberfläche versehen werden, die mit einer Innenbohrung versehen ist, und eine Welle kann mit einer gegenüberliegenden Oberfläche versehen werden, die der Zieloberfläche gegenüberliegt.
Unterdessen beschreiben das Ausführungsbeispiel und die oben genannten abgewandelten Beispiele jeweils den Fall, in dem die Schweißvorrichtung 100 die Welle 2 und das Turbinenrad 3 durch Laserschweißen zusammenschweißt. Anstelle dessen kann eine Schweißvorrichtung die Welle 2 und das Turbinenrad 3 durch Elektronenstrahlschweißen zusammenschweißen.
Im Fall des Elektronenstrahlschweißens erfolgt ein Schweißschritt zum Verschweißen der Bodenfläche 3c (Zieloberfläche) der Nabe 3a des Turbinenrads 3 und der einen Endfläche 2a (gegenüberliegende Oberfläche) der Welle 2 unter einer Umgebung reduzierten Drucks. Im Fall des Laserschweißens erfolgt der Schweißschritt indessen im Allgemeinen unter einem Atmosphärendruck. Allerdings wird im Schweißschritt der Erfindung als Bestrahlung der Laserstrahl unter einer Umgebung reduzierten Drucks abgegeben, die beinahe ein Vakuum ist. Daher ist es möglich, die Schweißqualität synergetisch zu verbessern. Und zwar wird das Umgebungsgas, etwa die Luft, stärker daran gehindert, während des Schweißens in das aufgeschmolzene Metall aufgenommen zu werden, wodurch die Wirkung, die Porosität zu unterdrücken, weiter gesteigert wird.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde zwar oben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, doch versteht es sich, dass die Erfindung nicht nur auf das Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Es ist für den Fachmann ersichtlich, dass innerhalb des Schutzumfangs, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, verschiedene Abwandlungen und Änderungen vorgenommen werden können. Es versteht sich natürlich ebenfalls, dass diese Abwandlungen und Änderungen auch durch den technischen Schutzumfang der Erfindung umfasst sind.
Es ist zu beachten, dass die Schritte in dem Schweißverfahren dieser Beschreibung nicht immer in der chronologischen Abfolge durchgeführt werden müssen, die im Ablaufdiagramm beschrieben wird.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Erfindung ist bei einem Verfahren zum Verschweißen einer Welle und eines Rads in einer Turbinenwelle, einer Turbinenwelle und einer Schweißvorrichtung anwendbar.

Claims

Verfahren zum Schweißen einer Welle und eines Rads in einer Turbinenwelle, wobei an entweder der Welle oder dem Rad eine ringförmige Zieloberfläche vorgesehen ist, die eine Innenbohrung aufweist, die in einer Richtung einer Rotationsachse zurückweicht, auf dem anderen von der Welle und dem Rad eine gegenüberliegende Oberfläche vorgesehen ist, die einen gegenüberliegenden Abschnitt, der der Zieloberfläche gegenüberliegt, und einen nicht gegenüberliegenden Abschnitt aufweist, der vom gegenüberliegenden Abschnitt aus fortlaufend zu einer Mittenseite hin ausgebildet ist, während er der Innenbohrung zugewandt ist, und der Turbinenwelle ein Aufbau fehlt, der durch gegenseitigen Eingriff Relativpositionen der Welle und des Rads definiert, wobei das Verfahren Folgendes beinhaltet: Anordnen der Zieloberfläche und der gegenüberliegenden Oberfläche derart, dass die Zieloberfläche und die gegenüberliegende Oberfläche einander in der Richtung der Rotationsachse gegenüberliegen, während ein Oberflächenberührungszustand hergestellt wird; und Verschweißen der Zieloberfläche und der gegenüberliegenden Oberfläche durch Bestrahlung der Zieloberfläche und der gegenüberliegenden Oberfläche von der Außenseite in einer Radialrichtung der Welle zur Innenseite in der Radialrichtung der Welle hin beruhend auf einer Bedingung, die eine Aufschmelztiefe eine Position auf der Mittenseite jenseits des gegenüberliegenden Abschnitts erreichen lässt.
Verfahren zum Schweißen einer Welle und eines Rads in einer Turbinenwelle nach Anspruch 1, wobei der nicht gegenüberliegende Abschnitt der gegenüberliegenden Oberfläche mit einem in der Richtung der Rotationsachse vorstehenden Vorsprung versehen ist, der in die Innenbohrung eingeführt wird und von einer Innenumfangsfläche der Innenbohrung aus in der Radialrichtung der Welle entfernt liegt, und das Verschweißen die Bestrahlung beinhaltet, die derart erfolgt, dass die Aufschmelztiefe zwischen der Innenumfangsfläche der Innenbohrung und einer Außenumfangsfläche des Vorsprungs liegt.
Verfahren zum Schweißen einer Welle und eines Rads in einer Turbinenwelle nach Anspruch 1, wobei der nicht gegenüberliegende Abschnitt der gegenüberliegenden Oberfläche mit einem Loch kleinen Durchmessers versehen ist, das in der Richtung der Rotationsachse zurückweicht und einen kleineren Durchmesser als ein Durchmesser der Innenbohrung hat, und das Verschweißen die Bestrahlung beinhaltet, die derart erfolgt, dass die Aufschmelztiefe zwischen der Innenumfangsfläche der Innenbohrung und einer Innenumfangsfläche des Lochs kleinen Durchmessers liegt.
Verfahren zum Schweißen einer Welle und eines Rads in einer Turbinenwelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verschweißen der Zieloberfläche und der gegenüberliegenden Oberfläche realisiert wird, indem als die Bestrahlung ein Laserstrahl unter einer Umgebung reduzierten Drucks abgegeben wird.
Turbinenwelle, die durch das Schweißverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 geschweißt ist.
Schweißvorrichtung, die so ausgestaltet ist, dass sie eine Welle und ein Rad in einer Turbinenwelle verschweißt, wobei an entweder der Welle oder dem Rad eine ringförmige Zieloberfläche vorgesehen ist, die eine Innenbohrung aufweist, die in einer Richtung einer Rotationsachse zurückweicht, an dem anderen von der Welle und dem Rad eine gegenüberliegende Oberfläche vorgesehen ist, die einen gegenüberliegenden Abschnitt, der der Zieloberfläche gegenüberliegt, und einen nicht gegenüberliegenden Abschnitt aufweist, der vom gegenüberliegenden Abschnitt aus fortlaufend zu einer Mittenseite hin ausgebildet ist, während er der Innenbohrung zugewandt ist, und der Turbinenwelle ein Aufbau fehlt, der durch gegenseitigen Eingriff Relativpositionen der Welle und des Rads definiert, wobei die Schweißvorrichtung Folgendes umfasst: eine Einspanneinheit, die so gestaltet ist, dass sie die Zieloberfläche und die gegenüberliegende Oberfläche derart anordnet, dass die Zieloberfläche und die gegenüberliegende Oberfläche einander in der Richtung der Rotationsachse gegenüberliegen, während ein Oberflächenberührungszustand hergestellt wird; und eine Schweißeinheit, die so gestaltet ist, dass sie die Zieloberfläche und die gegenüberliegende Oberfläche durch Bestrahlung der Zieloberfläche und der gegenüberliegenden Oberfläche von der Außenseite in einer Radialrichtung der Welle zur Innenseite in der Radialrichtung der Welle hin derart verschweißt, dass eine Aufschmelztiefe eine Position auf der Mittenseite jenseits des gegenüberliegenden Abschnitts erreicht.
Turbinenwelle mit: einer Welle und einem Rad, die durch Schweißen miteinander verbunden sind, wobei der Welle und dem Rad ein Aufbau fehlt, der durch gegenseitigen Eingriff Relativposition der Welle und des Rads definiert, wobei entweder die Welle oder das Rad eine ringförmige Zieloberfläche aufweist, die mit einer Innenbohrung versehen ist, die in einer Richtung einer Rotationsachse zurückweicht, das andere von der Welle und dem Rad eine gegenüberliegende Oberfläche, die mit einem gegenüberliegenden Abschnitt, der der Zieloberfläche gegenüberliegt, und einem nicht gegenüberliegenden Abschnitt versehen ist, der vom gegenüberliegenden Abschnitt aus fortlaufend zu einer Mittenseite hin ausgebildet ist, während er der Innenbohrung zugewandt ist, und ein Aufschmelzbereich von einer Verbindungsstelle zwischen der Zieloberfläche und dem gegenüberliegenden Abschnitt zum nicht gegenüberliegenden Abschnitt der gegenüberliegenden Oberfläche reicht, wobei der Aufschmelzbereich durch Aufschmelzen in Verbindung mit dem Verschweißen der Zieloberfläche und des gegenüberliegenden Abschnitts und dann durch Erstarren ausgebildet ist.
Turbinenwelle nach Anspruch 7, wobei die gegenüberliegende Oberfläche einen Vorsprung aufweist, der auf dem nicht gegenüberliegenden Abschnitt ausgebildet ist und in der Richtung der Rotationsachse vorsteht, eine Außenumfangsfläche des Vorsprungs von einer Innenumfangsfläche der Innenbohrung aus in einer Radialrichtung der Welle entfernt liegt, während der nicht gegenüberliegende Abschnitt zwischen der Außenumfangsfläche und der Innenumfangsfläche eingefügt ist, und ein Endabschnitt des Aufschmelzbereichs auf der Innenseite in der Radialrichtung am nicht gegenüberliegenden Abschnitt liegt.