DE112015004640B4

DE112015004640B4 - Verfahren zur Herstellung eines Wellenkörpers

Info

Publication number: DE112015004640B4
Application number: DE112015004640.2T
Authority: DE
Inventors: Yuichi Hirakawa; Hiroaki Fukushima; Shin Nishimoto; Hiroyuki Endo
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2014-10-10
Filing date: 2015-10-09
Publication date: 2022-12-08
Anticipated expiration: 2035-10-10
Also published as: JPWO2016056654A1; KR101989708B1; KR20170028433A; JP6288532B2; DE112015004640T5; US10590508B2; CN106574504A; WO2016056654A1; US20170298468A1; CN106574504B

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Wellenkörpers (1) durch Verschweißen einer Vielzahl von Wellengliedern (2, 3) umfassend ein erstes Wellenglied (2) und ein zweites Wellenglied (3) und Bilden des Wellenkörpers (1), wobei das Verfahren umfasst:einen primären Temperschritt (S13) bevor die Wellenglieder (2, 3) verschweißt werden;einen Schweißschritt (S14), bei dem die Wellenglieder (2, 3) nach dem primären Temperschritt verschweißt werden, wobei zwischen den Wellengliedern (2, 3) ein Schweißteil (5) gebildet wird;einen sekundären Temperschritt (S15), bei dem die Umgebung des Schweißteils (5) zwischen den Wellengliedern (2, 3) nach dem Schweißschritt getempert wird;einen Vorschweißmaterial-Bildungs-Schritt (S11), bei dem Vorschweißmaterialien der Wellenglieder (2, 3) gebildet werden; undeinen Quenchschritt (S12), bei dem die Vorschweißmaterialien der Wellenglieder (2, 3) nach dem Vorschweißmaterial-Bildungs-Schritt (S11) und vor dem primären Temperschritt (S13) gequencht werden,dadurch gekennzeichnet, dassbei dem primären Temperschritt (S13) ein Bereich (R) des ersten, als Niederdruck-Turbinenrotor ausgebildeten Wellenglieds (2), dessen erstes Ende an der Seite des Schweißteils (5) liegt, getempert wird, wobei der primäre Temperschritt (S13) mit unterschiedlichen Temper-Temperaturen in einem Gebiet (A2) und außerhalb des Gebiets (A2) durchgeführt wird, so dass nach dem primären Temperschritt (S13), in dem Bereich (R) eine Festigkeit in der Umgebung des ersten Endes geringer ist als die Festigkeit eines zweiten, dem ersten Ende gegenüberliegenden Endes des Bereichs (R).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenkörpers durch Zusammenschweißen einer Vielzahl von Wellengliedern und Bilden des Wellenkörpers.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Turbinenrotors (eines Wellenkörpers), der eine Dampfturbine darstellt, durch Herstellung einer Vielzahl von geteilten Wellengliedern und Schweißen und Zusammenfügen der Wellenglieder ist bekannt (siehe zum Beispiel JP 4288304 B1 ). Gemäß eines solchen Verfahrens können unterschiedliche Materialien auf jedes der Wellenglieder aufgebracht werden, und Materialien der Wellenglieder können gemäß einer Temperaturverteilung in der Dampfturbine ausgewählt werden.
Wenn ein Turbinenrotor drei voneinander in einer Axialrichtung getrennte Glieder beinhaltet, kann eine Materialauswahl durchgeführt werden, bei der ein Hochchromstahl mit hervorragender Hochtemperaturfestigkeit als Basismaterial eines Mittelabschnitts verwendet wird, der an einer Position angeordnet ist, an der eine Umgebungstemperatur in einer Dampfturbine in einem hohen Temperaturgebiet ist und niedriglegierte Stähle an anderen Stellen verwendet werden.
Bei einem solchen Herstellungsverfahren wird eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen (PWHT) allgemein zum Zweck des Sicherstellens einer Belastbarkeit eines zwischen angrenzendem Wellengliedern gebildeten Schweißmaterials und Verringern einer Härte einer wärmebeeinflussten Schweißzone (einer wärmebeeinflussten Zone; HAZ) durchgeführt.
Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Wellenkörpers durch Verschweißen einer Vielzahl von Wellengliedern ist aus der DE 100 52 176 A1 bekannt.
Es ist bekannt, dass, im Fall einer niedriglegierten Stahlseite, eine Temperatur der Wärmebehandlung nach dem Schweißen hösher ist als eine Temper-Temperatur eines Materials davon, wenn eine Wärmebehandlung nach dem Schweißen durchgeführt wird. Deshalb verringert sich gleichzeitig auch die Festigkeit des Basismaterials.
Andererseits, da die Ausgangsfestigkeit des Basismaterials gemäß den Erfordernissen in Bezug auf die Festigkeit in der Umgebung einer Endstufe bestimmt wird, auf die hohe Belastung aufgebracht wird, in dem Fall eines Wellenglieds, das eine Schaufelnut beinhaltet, an der eine Endstufen-Turbinenschaufel unter einer Vielzahl von Wellengliedern eingebaut ist, wird die Basismaterialfestigkeit vor dem Schweißen angepasst, um unter Berücksichtigung eines Betrags an Festigkeitsverringerung nach der Wärmebehandlung nach dem Schweißen höher zu liegen.
Dabei tritt eine Uneinheitlichkeit der Festigkeit nach der Behandlung in der Umfangsrichtung auf, wenn eine Temperaturveränderung in einer Umfangsrichtung während der Wärmebehandlung nach dem Schweißen groß ist, das heißt, wenn eine Einheitlichkeit einer Erwärmungstemperatur bei der Wärmebehandlung nach dem Schweißen nicht gut ist, kommt es zu einer Nicht-Einheitlichkeit der Festigkeit nach der Behandlung in der Umfangsrichtung. Insbesondere wenn die Basismaterialfestigkeit angepasst ist, um höher zu sein, verschlechtert sich die Einheitlichkeit zusammen mit erhöhter Festigkeitsveränderung.
Um eine Verschlechterung der Einheitlichkeit der Festigkeit zu unterbinden, wird die Wärmebehandlung nach dem Schweißen allgemein unter Verwendung eines Elektroofens durchgeführt. Eine Temperaturveränderung in der Umfangsrichtung während der Wärmebehandlung nach dem Schweißen kann durch Erwärmen eines ganzen Rotors unter Verwendung des Elektroofens verringert werden. Ferner wird ein vertikaler Elektroofen allgemein als der Elektroofen verwendet, um Kriechverformung aufgrund eines Eigengewichts des Rotors zu unterbinden.
Jedoch fallen bei der Verwendung eines Elektroofens, der in der Lage ist, den Rotor aufzunehmen, hohe Kosten an. Somit kann auch ein Verfahren des Erwärmens von nur der Umgebung eines Schweißteils berücksichtigt werden. Jedoch besteht, bei dem Verfahren zum Erwärmen von nur der Umgebung des Schweißteils, ein Problem dahingehend, dass es schwierig ist, die Temperaturveränderung während der Wärmebehandlung nach dem Schweißen zu verringern, verglichen mit einem Elektroofen, der eingerichtet ist, die Umgebung um den Rotor zu erwärmen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenkörpers anzugeben, das in der Lage ist, Festigkeitsungleichmäßigkeit in der Umgebung eines Schweißteils zu minimieren, selbst wenn es eine große Temperaturveränderung in einer Umfangsrichtung davon bei der Wärmebehandlung nach dem Schweißen gibt.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenkörpers ein Verfahren mit den Merkmalen in Patentspruch 1.
Dadurch wird die Festigkeit eines Abschnitts des einen Wellenglieds, das in der Umgebung des Schweißteils ist, verringert, so dass eine Verringerung der Festigkeit in dem sekundären Schritt des Temperns geringfügig ist. Somit kann Ungleichmäßigkeit der Festigkeit in der Umgebung des Schweißteils in der Umfangsrichtung davon verringert werden, während Festigkeit an einer Stelle weg von dem Schweißteil sichergestellt ist, selbst wenn eine Veränderung in der Temperatur einer Erwärmungstemperatur in der Umfangsrichtung bei dem sekundären Schritt des Temperns groß ist.
Auch kann die Umgebung des Schweißteils des Wellenglieds festgelegt werden, eine Festigkeit gemäß einer benötigten Festigkeit zu haben, die sich in der Axialrichtung davon verändert.
Dadie Temper-Temperatur bei dem primären Schritt des Temperns verändert wird, kann eine Temperatur leicht gesteuert werden.
Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Ist ein Wellenglied aus einem niedriglegierten Stahl und das andere Wellenglied aus einem Hochchromstahl gebildet, kann eine Ungleichmäßigkeit der Festigkeit in der Umgebung des Schweißteils in der Umfangsrichtung davon verringert werden, selbst wenn ein Hochchromstahl mit einer hohen Temper-Temperatur an einen niedriglegierten Stahl geschweißt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Verringerung der Festigkeit bei einem sekundären Schritt des Temperns geringfügig aufgrund eines Verringerns der Festigkeit eines Abschnitts, der in der Umgebung eines Schweißteils, des einen Wellenglieds, ist. Daher kann eine Ungleichmäßigkeit in der Festigkeit in der Umgebung des Schweißteils in der Umfangsrichtung davon verringert werden, während die Festigkeit an einer Stelle weg von dem Schweißteil sichergestellt ist, selbst wenn eine Temperaturverlagerung einer Erwärmungstemperatur in einer Umfangsrichtung in dem sekundären Schritt des Temperns groß ist.

1 ist eine Ansicht zum Beschreiben einer Darstellung und Festigkeit/Härte eines Turbinenrotors einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Flussdiagramm zum Beschreiben von Schritten bei einem Verfahren zur Herstellung des Wellenkörpers der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein schematisches Diagramm zum Beschreiben eines Verfahrens in Verbindung mit einem primären Schritt des Temperns bei dem Verfahren zur Herstellung des Wellenkörpers der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist Flussdiagramm zum Beschreiben von Schritten bei einem Verfahren zur Herstellung des Wellenkörpers einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5(a) ist eine Larson-Miller-Parameter-(LMP)-Kurve einer wärmebeeinflussten Schweißzone, und 5(b) ist eine LMP-Kurve eines Basismaterials, das für das Verfahren zur Herstellung des Wellenkörpers einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
6 ist ein Schaubild, das Ergebnisse von tatsächlicher Temperaturmessung veranschaulicht, die bei dem Verfahren zur Herstellung des Wellenkörpers einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
7A ist ein Schaubild, das eine Temperaturveränderung bei einem sekundären Schritt des Temperns veranschaulicht, der bei dem Verfahren zur Herstellung des Wellenkörpers einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
7B ist ein Schaubild zum Beschreiben eines Verfahrens zum Richtigstellen von Bedingungen einer Wärmebehandlung nach dem Schweißen, die für das Verfahren zur Herstellung des Wellenkörpers einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

(Erste Ausführungsform)
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung des Wellenkörpers einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genauer unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung wird das Verfahren zur Herstellung des Wellenkörpers dieser Ausführungsform unter Verwendung eines Verfahrens zur Herstellung eines Turbinenrotors (einer Turbinenwelle) einer Dampfturbine (einer Rotationsmaschine) beschrieben.
Zunächst wird der mithilfe des Verfahrens zur Herstellung des Wellenkörpers dieser Ausführungsform hergestellte Turbinenrotor beschrieben. Wie in 1 gezeigt besitzt ein mithilfe des Verfahrens zur Herstellung des Wellenkörpers dieser Ausführungsform hergestellter Turbinenrotor 1 ein erstes Wellenglied 2, das als ein erstes Ende des Turbinenrotors 1 dient, ein drittes Wellenglied 4, das als ein zweites, dem ersten Ende entgegengesetztes Ende des Turbinenrotors 1 dient, und ein zweites Wellenglied 3, das zwischen dem ersten Wellenglied 2 und dem dritten Wellenglied 4 angeordnet ist.
Das erste Wellenglied 2, das zweite Wellenglied 3 und das dritte Wellenglied 4 werden in einer Axialrichtung des Turbinenrotors 1 zusammengeschweißt. Die Wellenkörper besitzen Formen, deren Durchmesser sich in einer Längsrichtung davon verändern, und eine Querschnittsform des Turbinenrotors 1 ist eine kreisförmige Form.
Der Turbinenrotor 1 ist ein geschweißter Rotor aus unterschiedlichen Stahltypen, das erste Wellenglied 2 (ein Niederdruck-Turbinenrotor) und das dritte Wellenglied 4, das an einer Position angeordnet ist, an der eine Umgebungstemperatur in einer Turbine in einem mittleren und niedrigen Temperaturbereich ist, sind aus niedriglegierten Stählen gebildet, und das zweite Wellenglied 3, das an einer Position angeordnet ist, an der eine Umgebungstemperatur in einer Turbine in einem hohen Temperaturbereich ist, ist aus einem Hochchromstahl mit hervorragender Hochtemperaturfestigkeit gebildet.
Konkret ist das erste Wellenglied 2 aus einem niedriglegierten 3,5%-igen NiCrMoV-Stahl gebildet, das zweite Wellenglied 3 ist aus einem 12%-igen Chromstahl gebildet, und das dritte Wellenglied 4 ist aus einem niedriglegierten 1 bis 2,25%-igen CrMoV-Stahl gebildet.
Das erste Wellenglied 2 ist ein Niederdruck-Turbinenrotor, an dem eine Vielzahl von Turbinenschaufeln RB befestigt ist. Die befestigten Turbinenschaufeln RB erstrecken sich in eine Richtung, die senkrecht zu einer Axialrichtung des ersten Wellenglieds 2 ist, und Schaufelhöhen werden schrittweise von einer stromaufwärtigen Seite (der Seite des zweiten Wellenglieds 3) derart länger, dass eine Endstufen-Turbinenschaufel LRB die Längste ist.
Eine Schaufelnut 6, an der die Endstufen-Turbinenschaufel LRB installiert ist, ist in dem ersten Wellenglied 2 gebildet. Die Endstufen-Turbinenschaufel LRB mit einer hohen Schaufelhöhe ist an der Schaufelnut 6 des ersten Wellenglieds 2 befestigt, und eine große Zentrifugalkraft (Belastung) wird auf die Umgebung der Schaufelnut 6 aufgebracht. Somit wird hohe Festigkeit für die Schaufelnut 6 des ersten Wellenglieds 2 benötigt.
Ein aus einem Schweißmaterial gebildetes Schweißteil 5 ist zwischen dem ersten Wellenglied 2 und dem zweiten Wellenglied 3 und zwischen dem zweiten Wellenglied 3 und dem dritten Wellenglied 4 gebildet.
Eine relative Festigkeit des Turbinenrotors 1 in einer Axialrichtung davon ist angepasst wie es durch die Zweipunkt-Strichlinie aus 1 angezeigt wird. Mit anderen Worten, eine Festigkeit des zweiten Wellenglieds 3 ist höher als die des dritten Wellenglieds 4. Eine Festigkeit an einer Stelle an der in dem ersten Wellenglied 2 gebildeten Schaufelnut 6 ist höher als die des zweiten Wellenglieds 3. Konkret ist eine Festigkeit an einer Stelle an dem ersten Wellenglied 2, an dem die Schaufelnut 6 gebildet ist, höher als eine nötige Festigkeit H5 der Schaufelnut 6.
Eine Festigkeit des ersten Wellenglieds 2 in einem Bereich R, das heißt, einem Bereich an einer oberen Stufenseite in Bezug auf die Schaufelnut 6, ist niedriger als die an einer Stelle an dem ersten Wellenglied 2, an dem die Schaufelnut 6 gebildet ist. Mit anderen Worten, die Festigkeit des gleichen Wellenglieds unterscheidet sich gemäß Positionen in einer Axialrichtung davon.
Eine nötige Festigkeit H2 eines Endes davon in dem Bereich R, der am nächsten zu der Seite des Schweißteils 5 ist, ist erheblich niedriger als die nötige Festigkeit H5 der Schaufelnut 6. Die Festigkeit des Endes davon in dem Bereich R, der am nächsten zu der Seite des Schweißteils 5 ist, ist angepasst, so dass die Festigkeit davon höher ist als die nötige Festigkeit H2 der entsprechenden Stelle und niedriger ist als eine Festigkeit des dritten Wellenglieds 4.
In dem Bereich R des ersten Wellenglieds 2 wird die Anpassung derart durchgeführt, dass sich die Festigkeit des ersten Wellenglieds 2 schrittweise von dem Ende davon in dem Bereich R erhöht, der am nächsten zu der Seite des Schweißteils 5 des ersten Wellenglieds 2 ist, hin zu der Schaufelnut 6.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenkörpers durch Zusammenschweißen einer Vielzahl von Wellengliedern 2, 3 und 4 und Bilden des Wellenkörpers beschrieben.
Wie in 2 gezeigt umfasst ein Verfahren M1 zur Herstellung eines Wellenkörpers dieser Ausführungsform einen Schritt S11 des Bildens von Vorschweißmaterial des Bildens von Vorschweißmaterial der Wellenglieder 2, 3 und 4, einen Schritt S12 des Quenchens, bei dem das Vorschweißmaterials der Wellenglieder 2, 3 und 4 dem Quenchen unterzogen wird, einen primären Schritt S13 des Temperns, bei dem das gequenchte Vorschweißmaterial der Wellenglieder 2, 3 und 4 dem Tempern unterzogen wird, einen Schritt S14 des Schweißens des Zusammenschweißens der Wellenglieder, und einen sekundären Schritt S15 des Temperns (Wärmebehandlung nach dem Schweißen), bei dem die wärmebeeinflussten Zonen nach dem Schritt S14 des Schweißens dem Tempern unterzogen werden.
Der Schritt S11 des Bildens von Vorschweißmaterial ist ein Schritt des Gießens einer Metallschmelze, die geschmolzen wird, des Durchführens eines Vorgangs des Schmiedens/Bildens, und Bildens des Vorschweißmaterials der Wellenglieder 2, 3 und 4.
Der Schritt S12 des Quenchens ist ein Schritt, bei dem Vorschweißmaterial der Wellenglieder 2, 3 und 4 dem Quenchen unterzogen wird.
Das Vorschweißmaterial des ersten aus einem niedriglegierten 3,5%igen NiCrMoV Stahl gebildeten Wellenglieds 2 wird auf eine Temperatur von 800 bis 900°C gequencht.
Das Vorschweißmaterial des zweiten aus einem 12%igen Chromstahl gebildeten Wellenglieds 3 wird auf eine Temperatur von 1050 bis 1150°C gequencht.
Das Vorschweißmaterial des dritten, aus einem niedriglegierten 1 bis 2,25%igen CrMoV Stahl gebildeten Wellenglieds 2 wird auf eine Temperatur von 900 bis 1000°C gequencht.
Der primäre Schritt S13 des Temperns ist ein Schritt, bei dem das gequenchte Vorschweißmaterial der Wellenglieder 2, 3 und 4 dem Tempern unterzogen wird.
Bei dem Verfahren M1 zur Herstellung eines Wellenkörpers dieser Ausführungsform werden hierbei das zweite Wellenglied 3 und das dritte Wellenglied 4 dem Tempern unterzogen, so dass die Festigkeit der gesamten Wellenglieder einheitlich ist, aber das erste Wellenglied 2 wird dem Tempern unterzogen, um Festigkeitsunterschiede in einer Axialrichtung davon zu besitzen.
Das zweite Wellenglied 3 wird dem Tempern durch Erwärmen des zweiten Wellenglieds 3 erneut auf eine Temperatur von 650 bis 750°C unterzogen.
Das dritte Wellenglied 4 wird dem Tempern durch Erwärmen des dritten Wellenglieds 4 erneut auf einer Temperatur von 600 bis 700°C unterzogen.
Als nächstes wird das Tempern des ersten Wellenglieds 2 in dem primären Schritt S 13 des Temperns beschrieben.
Bei dem primären Schritt S 13 des Temperns des ersten Wellenglieds 2 wird nur eine Materialfestigkeit in der Umgebung des Schweißteils 5 des ersten Wellenglieds 2 angepasst, um niedriger zu sein. Konkret wird Kipp-Tempern, bei dem ein Festigkeitsunterschied zwischen der Umgebung (dem in 1 gezeigten Bereich R) des Schweißteils 5 und der Schaufelnut 6 des ersten Wellenglieds 2 geboten wird, durchgeführt. Konkret wird Tempern durchgeführt, so dass eine Festigkeit des Schweißteils 5 in dem Bereich R niedriger ist als eine Festigkeit gegenüber dem Schweißteil 5 in dem Bereich R. Wärmebeeinflusste Schweißzonen (eine wärmebeeinflusste Zone; HAZ) aufgrund von Schweißen sind in der Umgebung des Schweißteils 5.
Wie in 1 gezeigt, in dem Fall einer Festigkeit des ersten Wellenglieds 2 nachdem der primäre Schritt S 13 des Temperns durchgeführt wurde, ist eine Festigkeit in der Umgebung eines Endes davon, welches an das zweite Wellenglied 3 geschweißt wurde, niedriger als an einer Stelle weg von dem Ende davon, welches an das zweite Wellenglied 3 geschweißt wurde. Der Bereich an der oberen Stufenseite in Bezug auf die Schaufelnut 6 (eine Endstufe) in dem ersten Wellenglied 2 ist festgelegt auf den Bereich R, in dem die Materialfestigkeit davon angepasst ist, um niedriger zu sein.
Die Festigkeit in dem Bereich R verändert sich schrittweise von einer Festigkeit an der Seite des Schweißteils 5 des ersten Wellenglieds 2 zu einer Festigkeit ab einer dem Schweißteil 5 gegenüberliegenden Seite. Die Festigkeit an der Seite des Schweißteils 5 (ein Verbundteil) ist angepasst, um niedriger zu sein, weil die Seite des Schweißteils 5 keine hohe Festigkeit benötigt. Mit anderen Worten sind zusätzliche Produkte wie Turbinenschaufeln, nicht an dem Verbundteil des ersten Wellenglieds 2 befestigt, weshalb eine große Belastung nicht aufgebracht wird. Somit wird eine Festigkeit/Härte des niedriglegierten 3,5%igen NiCrMoV Stahls, der als das Basismaterial des ersten Wellenglieds 2 dient, nicht benötigt.
G Andererseits wird die Festigkeit an der Seite in dem Bereich R, die dem Schweißteil 5 gegenüberliegt, angepasst, um höher zu sein, weil die Schaufelnut 6 eine hohe Festigkeit erfordert.
Konkret ist die benötigte Festigkeit H2 an dem Ende davon, das am nächsten zu dem Schweißteil 5 ist, erheblich niedriger als die benötigte Festigkeit H5 der Schaufelnut 6 (die Endstufe). Eine benötigte Festigkeit H3 an einer Stufe, die sich zwei Stufen vor der Endstufe befindet, ist geringfügig größer als die benötigte Festigkeit H2 an dem Ende davon, das am nächsten zu dem Schweißteil 5 ist. Eine benötigte Festigkeit H4 an einer Stufe, die eine Stufe vor der Endstufe ist, ist geringfügig größer als die benötigte Festigkeit H3 an einer Stufe, die zwei Stufen vor der Endstufe ist.
Andererseits wird die benötigte Festigkeit H4 an einer Stufe, die eine Stufe vor der Endstufe ist, angepasst, um erheblich kleiner zu sein als die benötigte Festigkeit H5 der Schaufelnut 6 (die Endstufe).
Als nächstes wird ein Verfahren beschrieben, bei dem das erste Wellenglied 2 dem Tempern unterzogen wird, wodurch Festigkeitsunterschiede in den obenstehend beschriebenen Bereich R weitergegeben werden. Wie in 3 gezeigt, wenn der Bereich R des ersten Wellenglieds 2 dem Tempern unterzogen wird, wird ein Trennblech 9 in einen vertikal-artigen zylindrischen Ofen 8 eingeführt und eine Temper-Temperatur wird so verändert, dass Festigkeitsunterschiede weitergegeben werden. Zum Beispiel kann ein Heizdraht an einer Innenfläche einer Umfangswand des vertikalen Ofens 8 als Erwärmungsvorrichtung angeordnet sein.
Konkret wird ein Gebiet A1 unterhalb des Trennblechs 9 dem primären Tempern für 40 bis 60 Stunden bei einem Temperaturbereich von 550 bis 600°C unterzogen. Ein Gebiet A2 (der Bereich R) oberhalb des Trennblechs 9 wird dem primären Tempern für 40 bis 60 Stunden bei einem Temperaturbereich von 600 bis 650°C unterzogen. Eine primäre Temper-Temperatur wird so gesteuert, dass eine Temperatur, die mittels eines an die Wellengliedoberfläche befestigten Thermoelements gemessen wurde, in einen Bereich von ±5°C fällt in Bezug auf eine vorgegebene Temperatur. Ferner ist ein Übergangstemperaturbereich in der Umgebung des Trennblechs 9 bevorzugt so schmal wie möglich.
Das Vorschweißmaterial des Turbinenrotors 1, von dem Stellen optimale Festigkeitscharakteristiken besitzen und der eine einheitliche Festigkeitsverteilung in einer Umfangsrichtung besitzt, kann durch Durchführen der obenstehend beschriebenen Wärmebehandlung bereitgestellt werden.
Der Schritt S 14 des Schweißens ist ein Schritt des Stumpfschweißens der Wellenglieder, das heißt, des ersten Wellenglieds 2, des zweiten Wellenglieds 3 und des dritten Wellenglieds 4 zusammen. Bei dem Schritt S14 des Schweißens sind die Wellenglieder ausgerichtet und werden Bogen-geschweißt, beispielsweise, mittels eines 9%igen Cr-basierten Füllmaterials, von dem ein Stickstoffgehalt 0,025 Masse-% oder weniger ist, so dass das Schweißteil 5 (siehe 1), das aus einem Schweißmaterial gefertigt ist, zwischen den Wellengliedern gebildet wird.
Wie durch eine gestrichelte Linie in 1 angegeben, werden bei dem Schritt S14 des Schweißens die wärmebeeinflussten Schweißzonen (HAZs) gebildet. Die wärmebeeinflussten Schweißzonen werden aus dem Schweißteil 5, das aus einem Schweißmaterial gefertigt ist, und Enden der Wellenglieder gebildet, die in Kontakt mit dem Schweißteil 5 sind.
Wie deutlich aus 1 hervorgeht, erhöhen sich Festigkeiten und Härten der wärmebeeinflussten Schweißzone zwischen dem ersten Wellenglied 2 und dem zweiten Wellenglied 3 und der der wärmebeeinflussten Schweißzone zwischen dem zweiten Wellenglied 3 und dem dritten Wellenglied 4 erheblich. Mit anderen Worten, die Quench-Härtbarkeit der wärmebeeinflussten Schweißzone ist groß, und die wärmebeeinflussten Schweißzonen sind nach dem Schweißen deutlich hart. Wenn eine Härte des Schweißteils 5 beispielsweise HV 350 oder mehr beträgt, ist es wahrscheinlich, dass verspätete Risse bei Verwendung der Turbine entstehen. Somit muss die Härte davon auf eine Härte eines Standardwerts oder weniger bei dem sekundären Schritt S15 des Temperns verringert werden.
Der sekundäre Schritt S 15 des Temperns ist ein Schritt, der Wärmebehandlung nach dem Schweißen genannt wird (PWHT), bei dem die wärmebeeinflussten Schweißzonen nach dem Schritt S 14 des Schweißens dem Tempern unterzogen werden. Der sekundäre Schritt S15 des Temperns umfasst lokales Tempern, bei dem nur die wärmebeeinflussten Schweißzonen erwärmt werden, und Erwärmen der wärmebeeinflussten Schweißzonen unter Verwendung eines Flächenheizers in einem Zustand, in dem eine Achse des Turbinenrotors 1 parallel zu einer horizontalen Richtung ist. Zusätzlich zu dem Flächenheizer werden die wärmebeeinflussten Schweißzonen unter Verwendung einer Hochfrequenz-Erwärmungsvorrichtung oder dergleichen als Unterstützung erwärmt.
Konkret wird ein Verbindungsabschnitt zwischen dem ersten Wellenglied 2 und dem zweiten Wellenglied 3 der Wärmebehandlung nach dem Schweißen bei einem Temperaturbereich von 595 bis 620°C für 40 bis 60 Stunden unterzogen.
Wie obenstehend beschrieben wird der sekundäre Schritt S15 des Temperns in einem Zustand durchgeführt, in dem der Turbinenrotor 1 zur Seite gerichtet wird. Dies geschieht, weil das lokale Tempern unter Verwendung des Flächenheizers bei dem sekundären Schritt S15 des Temperns durchgeführt wird. Mit anderen Worten, nur die Umgebung des Schweißteils 5 wird unter Verwendung des Flächenheizers erwärmt, so dass eine Kriechverformung während der Wärmebehandlung nicht berücksichtigt werden muss.
Wie durch die Strichpunktlinie in 1 angegeben, sind, nach dem sekundären Schritt S15 des Temperns, die Festigkeit und Härte der wärmebeeinflussten Schweißzonen niedriger als ein Bezugswert H1 (obere Grenze einer HAZ Härte). Andererseits ist die Festigkeit des Abschnitts des ersten Wellenglieds 2, das der Seite des Schweißteils 5 am nächsten ist, höher als die nötige Festigkeit H2 der entsprechenden Stelle. Mit anderen Worten, die Festigkeit des ersten Wellenglieds 2, die bei dem primären Schritt S13 des Temperns bestimmt wurde, wird unter Berücksichtigung der Festigkeit davon festgelegt, die sich über den sekundären Schritt S15 des Temperns verringert. Ähnlich ist die Festigkeit der Schaufelnut 6 in dem ersten Wellenglied 2 höher als die nötige Festigkeit H2 der entsprechenden Stelle.
Mit anderen Worten, die Festigkeit des ersten Wellenglieds 2 in dem primären Temperbereich R besitzt einen Gradienten, derart, dass die Festigkeit an dem Ende davon oder an der Schaufelnut 6 bei einer nötigen Festigkeit oder höher beibehalten wird.
Gemäß der obenstehend beschriebenen Ausführungsform verringert sich die Festigkeit eines Abschnitts des ersten Wellenglieds 2, das in der Umgebung des Schweißteils 5 ist, so dass eine Verringerung an Festigkeit bei dem sekundären Schritt S15 des Temperns (der Wärmebehandlung nach dem Schweißen) geringfügig ist. Somit kann Festigkeitsungleichmäßigkeit in der Umgebung des Schweißteils 5 in der Umfangsrichtung davon verringert werden, selbst wenn eine Temperaturveränderung bei einer Erwärmungstemperatur in einer Umfangsrichtung bei dem sekundären Schritt S15 des Temperns groß ist.
Mit anderen Worten kann Festigkeitsungleichmäßigkeit in der Umgebung des Schweißteils 5 in der Umfangsrichtung davon verringert werden, selbst wenn ein Flächenheizer, bei dem Festigkeitsungleichmäßigkeit in der Umfangsrichtung groß ist, verwendet wird.
Mit anderen Worten kann eine Festigkeitsveränderung aufgrund eines Einflusses einer Temperaturveränderung in der Umfangsrichtung während des sekundären Schritts S15 des Temperns, das heißt, der Wärmebehandlung nach dem Schweißen, verringert werden. Somit wird eine zulässige Weite einer Temperaturveränderung in der Umfangsrichtung während des sekundären Schritts S15 des Temperns größer, und somit kann eine Einheitlichkeit der Festigkeit in der Umfangsrichtung nach dem sekundären Schritt S15 des Temperns sichergestellt werden.
Somit kann eine Festigkeitsungleichmäßigkeit in der Umgebung des Schweißteils 5 in der Umfangsrichtung davon verringert werden, während die Festigkeit der Schaufelnut 6 sichergestellt wird, wenn der geschweißte Rotor aus unterschiedlichen Stahlarten hergestellt wird, wenn der Niederdruck-Turbinenrotor, der die Schaufelnut 6 mit der erforderlichen Festigkeit besitzt und in dem die Umgebungstemperatur in der Dampfturbine in dem mittleren und unteren Temperaturbereich ist, an einen anderen Rotor geschweißt wird.
Festigkeitsungleichmäßigkeit in der Umgebung des Schweißteils 5 in der Umfangsrichtung davon kann auch verringert werden, selbst, wenn das aus dem Hochchromstahl gebildete zweite Wellenglied 3 mit der hohen Temper-Temperatur an das aus dem niedriglegierten Stahl gebildete erste Wellenglied 2 geschweißt wird.
Die Festigkeit in dem Bereich R verändert sich schrittweise, so dass die Umgebung des Schweißteils 5 des ersten Wellenglieds 2 festgelegt werden kann, um eine Festigkeit gemäß einer nötigen, sich schrittweise in der Axialrichtung davon verändernden Festigkeit zu besitzen.
Das Verfahren zum Erwärmen nur der Umgebung des Schweißteils 5 unter Verwendung des Flächenheizers wird bei dem sekundären Schritt S15 des Temperns verwendet, so dass die Wärmebehandlung nach dem Schweißen zu niedrigen Kosten durchgeführt werden kann, verglichen mit einem Verfahren unter Verwendung eines Elektroofens.
Das Erwärmen der Wärmebehandlung nach dem Schweißen bei dem sekundären Schritt S 15 des Temperns wird in einem Zustand durchgeführt, in dem die Achse des Turbinenrotors 1 parallel zu der horizontalen Richtung ist, so dass die Wärmebehandlung nach dem Schweißen durchgeführt werden kann, ohne eine vertikale Einrichtung wie beispielsweise einen vertikalen Elektroofen zu verwenden.
(Zweite Ausführungsform)
Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung eines Wellenkörpers einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf Grundlage der Zeichnungen beschrieben. Es sei angemerkt, dass diese Ausführungsform mit dem Fokus auf Unterschiede zu der obenstehend beschriebenen ersten Ausführungsform beschrieben wird und Beschreibungen der gleichen Abschnitte entfallen.
Bei dem Verfahren zur Herstellung des Wellenkörpers dieser Ausführungsform wird eine Rückmeldung zu Wärmebehandlungsbedingungen gegeben auf Grundlage von tatsächlichen Festigkeits(Härte)Messdaten nach dem Schweißen und tatsächlichen Temperaturmessdaten während der Wärmebehandlung, weshalb eine Genauigkeit der Sollfestigkeit nach der Wärmebehandlung weiter verbessert ist.
Wie in 4 gezeigt, umfasst ein Verfahren M2 zur Herstellung des Wellenkörpers dieser Ausführungsform einen Schritt S21 des Bildens des Vorschweißmaterials ähnlich zu dem der ersten Ausführungsform, einen Schritt S22 des Quenchens, einen primären Schritt S23 des Temperns, einen Schritt S24 des Schweißens des Zusammenschweißens der Wellenglieder, einen ersten Schritt S25 des Messens der Härte des Messens einer Härte von wärmebeeinflussten Schweißzonen und einem Basismaterial, einen Schritt S26 des Bestimmens des Larson-Miller-Parameterbereichs des Bestimmens eines Larson-Miller-Parameterbereichs bei einer Wärmebehandlung nach dem Schweißen, einen Schritt S27 des Bestimmens des Wärmehaltebereichs des Analysierens von Temperaturen und Bestimmen eines Wärme/Wärmehaltebereichs der Wärmebehandlung nach dem Schweißen, einen sekundären Schritt S28 des Temperns ähnlich zu dem der ersten Ausführungsform, einen Schritt S29 des Messens der tatsächlichen Temperatur des Messens einer tatsächlichen Temperatur eines Turbinenrotors 1, einen sekundären Schritt S30 des Korrigierens der Temper-Temperatur/Verweilzeit des Korrigierens einer Temper-Temperatur/Verweilzeit der Wärmebehandlung nach dem Schweißen, und einen sekundären Schritt S31 des Messens der Härte des Messens einer Härte nach der Wärmebehandlung nach dem Schweißen.
Der erste Schritt S25 des Messens der Härte ist ein Schritt des Messens einer Härte (Vickershärte Hv) von wärmebeeinflussten Schweißzonen (HAZs) des Turbinenrotors 1 nach dem Schweißen und einer Härte eines Basismaterials des Turbinenrotors 1.
Der Schritt S26 des Bestimmens des LMP-Bereichs ist ein Schritt des Bestimmens des LMP-Bereichs des sekundären Schritts S28 des Temperns (der Wärmebehandlung nach dem Schweißen) unter Verwendung einer LMP-Kurve der wärmebeeinflussten Schweißzonen und einer LMP-Kurve des Basismaterials, wie in 5 gezeigt.
Dabei ist ein LMP eine Funktion der Zeit und Temperatur, was auch als Temperparameter bezeichnet wird und als folgender Ausdruck dargestellt wird. $LMP = (T + 273) \times (log \cdot t + 20);$

T: Temperatur (°C) und
t: Verweilzeit (Stunden)
5(a) ist ein Schaubild, das ein Verhältnis zwischen Härte einer wärmebeeinflussten Schweißzone und einem Larson-Miller-Parameter veranschaulicht. 5(b) ist ein Schaubild, das ein Verhältnis zwischen Härte eines Basismaterials und einem Larson-Miller-Parameter (LMP) veranschaulicht.
Bei dem Schritt S26 des Bestimmens des LMP-Bereichs wird ein LMP-Bereich, in dem die Härte der wärmebeeinflussten Schweißzone Härte Hv 1 oder weniger ist, gezeigt in 5(a), und die Härte des Basismaterials Härte Hv 2 oder mehr ist, gezeigt in 5(b), bestimmt.
Der Schritt S27 des Bestimmens des Wärmehaltebereichs ist ein Schritt des Messens einer tatsächlichen Temperatur in der Umgebung des Schweißteils 5 in einer Umfangsrichtung davon, des Steuerns einer Temperaturverteilung, so dass ein Bereich von Wärmebehandlungsbedingungen in einen LMP-Bereich fällt, der in dem Schritt S26 des Bestimmens des LMP-Bereichs bestimmt wurde, und des Anpassens einer Verweilzeit. Wie zum Beispiel in 6 gezeigt, unterscheidet sich Veränderung in der tatsächlichen Temperatur in der Umfangsrichtung gemäß einer Zeit zwischen einer Oberflächenschicht und einer Innenumfangsseite. Somit wird der Wärme/Wärmehaltebereich auch unter Berücksichtigung dieser Dinge bestimmt.
Bei dem sekundären Schritt S28 des Temperns (der Wärmebehandlung nach dem Schweißen) dieser Ausführungsform wird der Schritt S29 des Messens der tatsächlichen Temperatur des Messens der tatsächlichen Temperatur (einer Axialrichtung und einer Umfangsrichtung) des Turbinenrotors 1 durchgeführt. Ein Betrag einer Härteveränderung (die wärmebeeinflussten Schweißzonen und das Basismaterial) wird durch Durchführen des Schritts S29 des Messens der tatsächlichen Temperatur vorausberechnet.
Der sekundäre Schritt S30 des Korrigierens der Temper-Temperatur/Verweilzeit ist ein Schritt des Korrigierens einer Temper-Temperatur/Verweilzeit bei dem sekundären Schritt S28 des Temperns, beispielsweise, wenn eine Temperaturveränderung bei dem sekundären Schritt S28 des Temperns sich in Übereinstimmung mit einer Position in der Umfangsrichtung unterscheidet, wie in 7A gezeigt.
Wie obenstehend beschrieben, wenn die Temperaturveränderung bei dem sekundären Schritt des Temperns sich in Übereinstimmung mit einer Position in der Umfangsrichtung unterscheidet, und beispielsweise, wie in 7B gezeigt, LMPs bei 180 bis 270°C außerhalb eines LMP-Bereichs sind, der in dem Schritt S26 des Bestimmens des LMP-Bereichs bestimmt wurde, werden die Bedingungen der Wärmebehandlung nach dem Schweißen so korrigiert, dass die LMPs bei 180 bis 270°C in den LMP-Bereich fallen.
Der sekundäre Schritt S31 des Messens der Härte ist ein Schritt des Messens einer Härte der wärmebeeinflussten Schweißzonen des Turbinenrotors 1 nach dem sekundären Schritt S28 des Temperns und einer Härte des Basismaterials des Turbinenrotors 1. Das Verfahren M2 zur Herstellung des Wellenkörpers dieser Ausführungsform endet, wenn die Härte des Basismaterials und der wärmebeeinflussten Schweißzonen, die in dem sekundären Schritt S31 des Messens der Härte gemessen wurden, in einem erforderten Härtebereich sind, und der Vorgang kehrt zu dem Schritt des Bestimmens des LMP-Bereichs zurück, wenn eine der Härten außerhalb dieses Bereichs ist.
Gemäß der obenstehend beschriebenen Ausführungsform werden die Bedingungen auf Grundlage der tatsächlichen Festigkeit/tatsächlichen Temperatur ausgewählt und korrigiert, so dass die Genauigkeit eines Sollfestigkeitswerts nach der Wärmebehandlung verbessert werden kann.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden obenstehend detailliert in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, aber Darstellungen in den Ausführungsformen, Kombinationen davon und dergleichen sind lediglich ein Beispiel. Zum Beispiel wurde ein Fall, in dem der Turbinenrotor 1 als der Wellenkörper verwendet wird, in den obenstehend beschriebenen Ausführungsformen beschrieben, aber der Wellenkörper ist nicht auf ein säulenförmiges Glied wie den Turbinenrotor 1 beschränkt und ein Wellenkörper oder dergleichen, in dem prismatische, säulenförmige Glieder zusammengeschweißt werden, kann ebenfalls angewendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Turbinenrotor (Wellenkörper)
2: erstes Wellenglied
3: zweites Wellenglied
4: drittes Wellenglied
5: Schweißteil
6: Schaufelnut
8: vertikaler Ofen
9: Trennblech
M1, M2: Verfahren zur Herstellung eines Wellenkörpers
S11: Schritt des Bildens von Vorschweißmaterial
S12: Schritt des Quenchens
S13: primärer Schritt des Temperns
S14: Schritt des Schweißens
S15: sekundärer Schritt des Temperns
R: Bereich

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Wellenkörpers (1) durch Verschweißen einer Vielzahl von Wellengliedern (2, 3) umfassend ein erstes Wellenglied (2) und ein zweites Wellenglied (3) und Bilden des Wellenkörpers (1), wobei das Verfahren umfasst: einen primären Temperschritt (S13) bevor die Wellenglieder (2, 3) verschweißt werden; einen Schweißschritt (S14), bei dem die Wellenglieder (2, 3) nach dem primären Temperschritt verschweißt werden, wobei zwischen den Wellengliedern (2, 3) ein Schweißteil (5) gebildet wird; einen sekundären Temperschritt (S15), bei dem die Umgebung des Schweißteils (5) zwischen den Wellengliedern (2, 3) nach dem Schweißschritt getempert wird; einen Vorschweißmaterial-Bildungs-Schritt (S11), bei dem Vorschweißmaterialien der Wellenglieder (2, 3) gebildet werden; und einen Quenchschritt (S12), bei dem die Vorschweißmaterialien der Wellenglieder (2, 3) nach dem Vorschweißmaterial-Bildungs-Schritt (S11) und vor dem primären Temperschritt (S13) gequencht werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem primären Temperschritt (S13) ein Bereich (R) des ersten, als Niederdruck-Turbinenrotor ausgebildeten Wellenglieds (2), dessen erstes Ende an der Seite des Schweißteils (5) liegt, getempert wird, wobei der primäre Temperschritt (S13) mit unterschiedlichen Temper-Temperaturen in einem Gebiet (A2) und außerhalb des Gebiets (A2) durchgeführt wird, so dass nach dem primären Temperschritt (S13), in dem Bereich (R) eine Festigkeit in der Umgebung des ersten Endes geringer ist als die Festigkeit eines zweiten, dem ersten Ende gegenüberliegenden Endes des Bereichs (R).
Verfahren zur Herstellung des Wellenkörpers nach Anspruch 1, wobei der sekundäre Temperschritt (S15) das Erwärmen der Umgebung des Schweißteils (5) unter Verwendung eines Flächenheizers umfasst.
Verfahren zur Herstellung des Wellenkörpers nach Anspruch 1 oder 2, wobei der sekundäre Temperschritt (S15) in einem Zustand durchgeführt wird, bei dem eine Achse des Wellenkörpers (1) parallel zu einer horizontalen Richtung ist.
Verfahren zur Herstellung des Wellenkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Rotor einer Rotationsmaschine als Wellenkörper (1) hergestellt wird.
Verfahren zur Herstellung des Wellenkörpers nach Anspruch 4, wobei eine Turbinenwelle als Rotor gebildet wird, das erste Wellenglied (2) eine Schaufelnut (6) beinhaltet, die an einer Position angeordnet ist, an der eine Umgebungstemperatur in einer Turbine in einem mittleren und niedrigen Temperaturbereich ist, und an der eine Endstufen-Turbinenschaufel installiert ist, und ein Bereich an einer oberen Stufenseite in Bezug auf eine Endstufe als der Bereich (R) festgelegt ist.
Verfahren zur Herstellung des Wellenkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das erste Wellenglied (2) aus einem niedriglegierten Stahl gebildet wird, und das daran angrenzende zweite Wellenglied (3) aus einem Hochchromstahl gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung des Wellenkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der primäre Temperschritt (S13) in einem Zustand durchgeführt wird, in dem die Tempertemperatur in dem Gebiet (A2) in einem Temperaturbereich von 600 bis 650 °C liegt.
Verfahren zur Herstellung des Wellenkörpers nach Anspruch 7, bei dem der primäre Temperschritt (S13) in einem Zustand durchgeführt wird, in dem die Tempertemperatur außerhalb des Gebiets (A2) in einem Temperaturbereich von 550 bis 600 °C liegt.
Verfahren zur Herstellung des Wellenkörpers nach Anspruch 8, bei dem der primäre Temperschritt (S13) 40 bis 60 Stunden lang durchgeführt wird.