JP2000218373A - 溶接方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 物品のきわめて局部的な領域の温度を正確に
制御し、小さな制御された溶接部を生成し且つ物品の物
理的および機械的特性を所望通りに向上させる。 【解決手段】 超合金物品を溶接する装置（１０）およ
び方法が提供される。装置（１０）は、超合金物品を収
容するエンクロージャ（１２）と、物品の局部領域を溶
接する極性反転式プラズマトランスファアーク溶接装置
（２０）と、局部領域を加熱する誘導コイル（１４）
と、局部領域の温度を感知する手段（２４）および制御
する手段（２６）とを備える。誘導コイル（１４）は物
品の局部領域のごく近くに配置され、したがって局部領
域の温度は誘導コイル（１４）の出力によって大部分決
定され、急速に変化する。溶接装置（２０）は、４５ア
ンペア以下のきわめて低電流で作動し、したがって溶接
装置（２０）は、誘導コイル（１４）と比較して、二次
的な加熱作用しかもたない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】この発明は、溶接装置および方法に関す
る。特に、この発明は、溶接中に加熱される物品の区域
を最小にする極性反転式プラズマトランスファアーク法
を用いて超合金物品を溶接する装置および方法に関す
る。

【０００２】

【発明の背景】高温コバルトおよびニッケル基超合金
は、燃焼器、タービン静翼、タービン動翼などのガスタ
ービンエンジンの部品を製造するのによく用いられてい
る。高温超合金部品は鋳造により形成することが多い
が、超合金部品を溶接により製造するのが好ましかった
り、必須である状況も存在する。たとえば、タービン中
間フレームやシュラウド支持リングなどの複雑な形状を
有する部品は、別々の鋳造品を溶接で合体させて製造す
る方がはるかに簡単である。溶接は、ブレード先端を復
元したり、熱サイクルや異物の衝突による超合金部品の
亀裂などの表面欠陥を修復する方法としても広く用いら
れている。高温コバルトおよびニッケル基超合金から形
成した部品のコストは比較的高いので、これらの部品が
摩耗したり損傷を受けたりした場合に、部品を復元、修
復する方が部品を交換するよりも望ましい。

【０００３】従来、ガスタービンエンジンの超合金部品
は、溶接歩留まりを上げるため、高温（たとえば約１５
００°Ｆ＝約８１５°Ｃを超える温度）で溶接してい
る。溶接は、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）法やレ
ーザー溶接法などの溶接技術を用いて、制御された雰囲
気（たとえば不活性ガス）のエンクロージャ内で行うこ
とが多い。加熱は通常、誘導によるか、石英ハロゲンラ
ンプのようなランプを用いて行う。ガスタービンエンジ
ンの超合金部品は、溶接前に加熱により応力除去し、エ
ンジンでの使用から生じる残留応力を緩和し、ついで溶
接後に応力除去し、溶接作業からクールダウンする際に
誘引される残留応力を緩和する。熱処理はまた、γ’−
強化ニッケル基超合金の硬化γ’の部分を溶解すること
により応力除去を達成する。一般に、熱処理および溶接
のパラメータは、対象合金、残留応力除去の必要量、溶
解の必要量、炉の設計、部品の幾何形状その他多数の因
子に応じて変化する。

【０００４】上述したＴＩＧおよびレーザー溶接法は、
超合金部品について適切に実施されている。これらの技
術では、加熱を溶接の必要な区域に限定しようとする努
力はなされているものの、部品の比較的広い区域を加熱
することが多い。一般に、部品の最低温度は溶接中の割
れを阻止するのに十分な高温（たとえば１５００°Ｆ）
でなければならないが、部品の望ましくない再結晶や溶
融を防止するために、溶接温度があまりに高くなるのは
避けるべきである。このような高温では、加熱および冷
却サイクルが長くなり、溶接装置のオペレータへの過酷
さが問題となる。

【０００５】

【発明の概要】本発明は一般に、超合金物品を溶接する
装置および方法を提供する。詳しくは、本発明の装置お
よび方法によれば、物品のきわめて局部的な領域の温度
を正確に制御し、これにより溶接中に局部領域に最適温
度を維持でき、こうして小さな制御された溶接部を生成
するとともに、物品の物理的および機械的特性を所望通
りに向上させる。

【０００６】本発明の装置は、超合金物品を収容するエ
ンクロージャと、物品の局部領域を溶接する手段と、局
部領域を加熱する手段と、局部領域の温度を感知する手
段と、加熱手段の出力を局部領域の温度に基づいてかつ
あらかじめ設定された溶接温度プロファイルにしたがっ
て制御する手段とを備える。本発明によれば、加熱手段
は物品の局部領域の近くに配置された誘導コイルであ
り、感知手段は限定領域の温度を感知し、したがって局
部領域の温度はコイルの出力によって大部分決定され、
急速に変化する。また本発明によれば、溶接手段は、４
５アンペア以下、好ましくは５アンペア以下のきわめて
小さい電流で作動する極性反転式プラズマトランスファ
アーク（ＰＴＡ＝ｐｌａｓｍａ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅ
ｄ ａｒｃ）溶接装置であり、したがって溶接装置は、
誘導コイルと比較して、二次的な加熱作用しかもたな
い。本装置は、物品の局部領域に適切な溶接温度プロフ
ァイルを記憶するメモリー蓄積装置も備える。

【０００７】上述した装置により可能となる方法は、通
常、超合金物品に適当な溶接温度プロファイルをあらか
じめ設定し、ついて誘導コイル、感知手段および制御手
段を作動させて物品の局部領域を溶接温度プロファイル
にしたがって加熱する工程を含む。つぎに、物品の局部
領域の温度を溶接温度プロファイルにしたがって維持し
ながら、局部領域を低電流での極性反転式ＰＴＡ溶接に
より溶接する。

【０００８】上述したように、本発明の装置および方法
は、誘導加熱と低熱極性反転式ＰＴＡ溶接法とを組み合
わせて、製造、復元または修復中の超合金物品の極めて
局部的な領域の温度を正確に制御する。その結果、溶接
操作中ずっと局部領域の温度を限定された温度範囲内に
より正確に維持することができ、物品への熱的損傷を回
避できる。本発明の他の効果として、溶接時間が短く、
熱入力が小さく、これにより基体および溶接部の割れが
低減し、電力使用量が少なく、さらにネットシェイプに
近い溶接肉盛りを生成でき、その後の溶接部のプロファ
イリングがほとんどまたは全く必要ない。

【０００９】本発明の他の目的や効果は、以下の詳細な
説明の中からよく理解できるはずである。

【００１０】

【発明の詳細な記述】本発明は一般に、その製造、復元
または修復時に溶接作用を受ける超合金物品に関係す
る。この発明の利点をガスタービンエンジンの部品につ
いて説明するが、本発明は、溶接中に物品の温度を正確
に維持する必要のあるさまざまな用途にも適用できる。

【００１１】この発明にしたがって溶接作用を行う装置
を図１に１０で示す。装置１０は、ＴＩＧやレーザー溶
接のような溶接作用を制御された雰囲気内で行う既知の
形式のエンクロージャ１２を含む。装置１０内には、超
合金物品（図示せず）を加熱するための誘導コイル１４
が線図的に図示されている。コイル１４は、物品のきわ
めて局部的な領域をぴったり包囲する寸法および形状と
し、局部領域の均一かつ迅速な加熱を可能とするのが好
ましい。エンクロージャ１２は入口１８を含み、この入
口１８を通して不活性ガス、たとえばアルゴンをエンク
ロージャ１２の内部に供給して、溶接作用に必要とされ
る高い加工温度にある間、超合金物品の酸化を防止す
る。

【００１２】従来、図１に示す形式のエンクロージャ内
で行われる溶接作業では、物品のバルク温度をモニタし
ながら、物品を高温、代表的には約１５００°Ｆ（約８
１５°Ｃ）を超えるが、物品の再結晶温度を超えない温
度に加熱していた。加熱速度は通常、使用する加熱素子
の種類とエンクロージャおよび加熱している物品の寸法
によって決まる。溶接温度に達したら、ＴＩＧまたはレ
ーザー溶接による溶接を開始し、かなりの温度降下が生
じたら、追加の加熱を行っていた。

【００１３】これに対し、本発明の溶接装置１０は、エ
ンクロージャ１２内で溶接作用を受けている物品のきわ
めて局部的な領域の温度プロファイルを正確に制御する
ことができ、したがって、物品の温度制御を改良しなが
ら、一層迅速な溶接作用を行う好機を提供する。これら
の利点は、一部には、物品の局部領域の温度を適当な温
度センサ２４、たとえば光高温計または標準型Ｋ熱電対
で検出することによって実現される。センサ２４からの
温度信号を、プログラム可能な温度コントローラ２６へ
の入力として使用し、この温度コントローラ２６は、セ
ンサ２４からの信号をメモリー２８内に記憶されたこの
物品についての所望の溶接温度プロファイルと比較す
る。つぎに誘導コイル１４への電力を、所望の温度プロ
ファイルと局部領域の現行温度との差に基づいて調節す
る。このようにして、所定の超合金物品に必要なほぼす
べての溶接温度プロファイルをプログラムし、正確に制
御して本発明の目的を達成することができる。

【００１４】この発明によれば、きわめて小さな電流、
好ましくは０．１アンペア以上、４５アンペア以下、特
に好ましくは５アンペア以下の電流で作動する極性反転
式プラズマトランスファアーク（ＰＴＡ）溶接機２０で
溶接を行う。このような低い電流レベルでは、溶接作用
それだけの結果としては物品の加熱はほとんど起こらな
い。その代わりに、物品の局部領域の温度は主として、
出力が上述したように正確に制御される誘導コイル１４
によって決定される。極性反転式ＰＴＡ溶接は、本出願
人に譲渡されたＦｌｏｗｅｒｓらの米国特許第５，４６
６，９０５号に記載されている。この米国特許を本発明
の先行技術として援用する。この米国特許に教示されて
いるように、極性反転式ＰＴＡ溶接では、１対の電極間
に直流電流で電気アークを発生し、この電気アークを不
活性プラズマガス（たとえばアルゴン）で物品まで移行
させ、プラズマアークを物品と片方の電極との間に確立
し、つぎに物品および電極の極性を低周波数で反転させ
る。実際、前記米国特許に開示された極性サイクルパラ
メータがこの発明に用いるのに好適である。通常、約１
〜１０００Ｈｚの周波数で極性反転を行い、この間１サ
イクル中に物品の極性が正である時間が負である時間よ
り短い。つぎに、適当な手段２２により溶加材をプラズ
マアーク中に供給する。溶加材は、物品の組成と冶金的
に適合性であり、物品の使用環境に適切である組成の超
合金ワイヤまたは粉末の形態とするのがよい。

【００１５】以上超合金物品の加工に関して説明した
が、本発明の装置１０は、その加工にあたり、物品の特
性の劣化を避けるために高温での正確な制御を必要とす
る、他の材料や物品の処理および溶接にも使用すること
ができる。したがって、本発明を好適な実施例について
説明したが、当業者であれば他の形態を採用することも
可能である。したがって、本発明の範囲は特許請求の範
囲で限定されるだけである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による溶接装置の線図的説明図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リチャード・ロイ・ワーシング，ジュニア アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、マンダリン・コート、1637番 (72)発明者 ローレンス・ジョセフ・ローデル アメリカ合衆国、オハイオ州、ウェスト・ チェスター、カスカラ・ドライブ、9074番 (72)発明者 ジョン・マシュー・パワーズ アメリカ合衆国、ケンタッキー州、インデ ィペンデンス、インディペンデンス・ステ ーション・ロード、890番 (72)発明者 トーマス・フローツ・ブロデリック アメリカ合衆国、オハイオ州、スプリング ボロ、アレック・コート、8478番

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超合金物品に適当な溶接温度プロファイ
   ルを設定し、 超合金物品をエンクロージャ（１２）内に、物品の局部
   領域がエンクロージャ（１２）内の誘導コイル（１４）
   に隣接するように配置し（ここに、前記エンクロージャ
   （１２）はさらに、局部領域の温度を感知する手段（２
   ４）と、局部領域の温度に基づいてかつ溶接温度プロフ
   ァイルにしたがって誘導コイル（１４）の熱出力を制御
   する手段（２６）とを有し）、 誘導コイル（１４）、感知手段（２４）および制御手段
   （２６）を作動させて物品の局部領域を溶接温度プロフ
   ァイルにしたがって加熱し、 ついで、物品の局部領域の温度を溶接温度プロファイル
   にしたがって維持しながら、物品の局部領域を０．１〜
   約４５Ａの電流での極性反転式プラズマトランスファア
   ーク溶接により溶接する工程を含む、超合金物品の溶接
   方法。
2. 【請求項２】 溶接工程において、物品を第１極性に設
   定し、物品に隣接する電極を反対極性に設定し、ついで
   物品および電極の極性を繰り返し反転させる、請求項１
   に記載の方法。
3. 【請求項３】 溶接工程において、電極と物品間に発生
   したプラズマアークに溶加材を供給する、請求項２に記
   載の方法。
4. 【請求項４】 前記溶加材が超合金ワイヤおよび粉末か
   ら選ばれる材料である、請求項３に記載の方法。
5. 【請求項５】 物品の局部領域の温度を光高温計（２
   ４）で感知する、請求項１に記載の方法。
6. 【請求項６】 溶接工程を０．１〜５Ａの電流で行う、
   請求項１に記載の方法。
7. 【請求項７】 超合金物品を収容するエンクロージャ
   （１２）と、 エンクロージャ（１２）内の物品の局部領域を加熱する
   誘導コイル（１４）と、 物品の局部領域の温度を感知する手段（２４）と、 物品の溶接温度プロファイルを保存するメモリー手段
   （２８）と、 物品の局部領域の温度に基づいてかつ溶接温度プロファ
   イルにしたがって誘導コイル（１４）を制御する手段
   （２６）と、 物品の局部領域の温度を溶接温度プロファイルにしたが
   って維持しながら、物品の局部領域を０．１〜約５Ａの
   電流での極性反転式プラズマトランスファアーク溶接に
   より溶接する手段（２０）とを備える溶接装置。
8. 【請求項８】 溶接手段（２０）が、物品を第１極性に
   設定するとともに、物品に隣接する電極を反対極性に設
   定する手段と、物品および電極の極性を繰り返し反転さ
   せる手段とを含む、請求項７に記載の溶接装置。
9. 【請求項９】 溶接手段（２０）が、電極と物品間に発
   生したプラズマアークに溶加材を供給する手段（２２）
   を含む、請求項８に記載の溶接装置。
10. 【請求項１０】 前記溶加材が超合金ワイヤおよび粉末
    から選ばれる材料である、請求項９に記載の溶接装置。
11. 【請求項１１】 感知手段（２４）が光高温計である、
    請求項７に記載の溶接装置。
12. 【請求項１２】 溶接手段（２０）が０．１〜約５Ａの
    電流で作動する、請求項７に記載の溶接装置。