JP2000505732A - 摩擦溶接方法及び該方法を実施するための防護ガスシャワー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は流体機械の羽根支持体（１）に羽根を取りつけるための摩擦溶接方法並びに溶接面をガスで保護するための防護ガスシャワーに関する。このために羽根支持体（１）の周囲に複数の長くのびた、羽根支持体（１）の回転軸（Ｒ）に対して羽根角度βで整列する、羽根（２）の溶接面（５ｂ）に溶接される溶接面（５ａ）が設けられる。物体（羽根支持体（１）、羽根（２））を接合するために必要な溶接温度は、溶接面（５ａ，ｂ）を圧縮し、同時に溶接領域（Ｅ）内で物体（１，２）を振動相対運動（Ｐ）させることによって生じる。その場合において前記相対運動（Ｐ）中溶接面（５ａ，ｂ）の周囲には防護ガス（Ｓ）が流れる。防護ガスの流れ（Ｓ）は羽根支持体及び羽根の輪郭に倣い溶接面を防護するように閉じられた防護ガスシャワーをもたらす。前記相対運動中溶接面を出来る限りあらゆる側からガスで保護することを保証するために、物体の一つにに対して固定した防護ガスシャワーは、溶接面に向くガス出口を備える。運動方向へのガス出口のひろがりは運動せしめられる溶接面がかすめる領域を隙間なく防護ガスで保護することができ、それによって酸化の起こり易い溶接面への空気の侵入が阻止されるという利点を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 摩擦溶接方法及び該方法を実施するための防護ガスシャワー 本発明は請求項１の前文に記載の摩擦溶接方法並びに請求項６に記載の該摩擦 溶接方法を実施するための防護ガスシャワーに関する。このような摩擦溶接方法 はBP 513,669 B1に開示されている。 前記のような摩擦溶接方法は、流体機械(Stroemungsmaschine)の羽根支持体、 例えばジェットエンジンの全ディスク(Blisk)又はドラムに羽根を取りつけるの に使われる。羽根支持体は、円錐状又は円筒状の輪郭を有し、前記輪郭の周囲に 互いに等しい間隔をおいた複数の羽根の羽根根部に溶接される。羽根支持体の周 囲並びに羽根根部は、平面又は僅かに湾曲した溶接面を有し、突き合わせ加圧力 (Stauchkraft)によって必要な溶接温度を生じさせるように圧縮され、羽根が羽 根支持体に対して並進往復運動をしている間溶接面の領域は溶接温度にまで加熱 される。前記往復運動は、長くのびて形成された溶接面に対して斜めに行われ、 その場合数mmになる。 溶接される部分の相対運動のため、第１に周囲の空気の侵入が防止されており 、第２に摩擦運動により融解物と一緒に酸化物が溶接領域から外へ輸送されるの で、圧接法に属する摩擦溶接方法は、これまでのガス又はアーク融接法に比して 周囲の空気中における酸化に対して十分に不感性である点において優れている。 それでも、縁及びコーナー領域に溶接継ぎ目の欠陥が見出される。このような欠 陥は溶接継ぎ目の強度を減少させるので、高い遠心力による羽根の破損の危険が 流体機械の作動中にある。 上記の事柄から発して、本発明の課題は、羽根支持体と羽根の欠陥のない溶接 接合を保証する、上記したような種類の羽根支持体に羽根を取りつける摩擦溶接 方法を提供することである。さらに接合すべき物体の間の相対運動を妨げること なく摩擦溶接方法を実施するために投入することができる上記したような種類の 防護ガスシャワーを提供することである。 摩擦溶接方法に関して上記課題は本発明により請求項１の特有の特徴によって 解決される。 既知の回転摩擦溶接方法とは対照的に、上記したような種類の振動相対運動を する溶接法においては、相対運動の振幅に相当する溶接面の領域が露出され、空 気が侵入することにより露出された溶接面は酸化せしめられることを防止するこ とはできない。本発明は、溶接面の周囲に防護ガスが流れることによって溶接面 が防護ガスのカーテンによって取り囲まれ、溶接面の相対運動中溶接面が空気の 侵入から保護されるという利点を有する。羽根と羽根支持体が流れの格子 (Stroemungsgitter)を形成するという事実に基づいて溶接面の周囲に防護ガスが 流れることにより羽根支持体の作動中における流れの場と近似した流れの場がも たらされる。即ち防護ガスの流れは羽根支持体及び羽根の輪郭に従い溶接面を保 護する閉鎖された防護ガスのカーテンをもたらす。それ故溶接面の領域において 物体の相対運動中でも流れを維持するためにその他の処置が何ら必要とされない 。 これに関連して、完成部品の輪郭に関連する表面寸法(Aufmass)が設定された 溶接面を、流体機械の作動の場合に近似して極力長く流体機械のボスの領域に隣 接して防護ガスの流れが進む区間が生じるように、羽根角度β及びテーパ角度α に調整し、それによって溶接面が保護ガスにより覆われたままであるようにする のが有利である。さらにこの効果は、防護ガスの流れが運動する溶接面がかすめ る領域をとらえることによって支援され、これは往復運動の方向に防護ガスの流 れを相応に広げることによって可能にされる。羽根支持体のテーパ角度α並びに 溶接面の調節角度βに関連して防護ガスの流れを調整することによって十分に隣 合った防護ガス流が溶接面の領域に与えられる。極力妨害のない防護ガスの供給 と妨害のない摩擦溶接過程の作業を保証するために、防護ガス流の方向が相対運 動の方向に対して斜め又は垂直であり、その場合において相対運動は本質的に並 進する又は僅かに円弧状の運動を行う。 防護ガスシャワーに関する課題は本発明により請求項６の特有の特徴によって 解決される。 相対運動中の溶接面の極力あらゆる側からの防護ガスによる保護(Begasung)を 保証するために、物体の１つに開して固定してある防護ガスシャワーは溶接面の ほうに向くガス出口を有する。本発明においては、運動方向へのガス出口の広が りは、運動する溶接面がかすめる領域を隙間なく防護ガスで保護することができ 、それによって酸化されやすい溶接面への空気の侵入を阻止することができると いう利点を有する。防護ガスシャワーを一定に形成することにより、防護ガスに より、一定の溶接面がかすめる領域が与えられ且つ防護ガスの防護ガスシャワー への供給が簡単になる。 防護ガスシャワーの運動の方向に対して斜めに距離を置いた配置は、摩擦溶接 過程の妨げのない実施を可能にし、それによって幾何的な運動の過程を殆ど維持 することができる。又実際の流れの状態に近い状態で防護ガスで溶接面を保護す ることが可能であり、その結果流体の案内に関して始めに述べた利点が最適に保 証され、且つ運動方向に対して斜めの又は垂直の、流体の誘導に対して最適なガ ス出口が可能にされる。 有利なことに防護ガスシャワーが溶接面の領域内の物体の１つの輪郭に相応し て形成される。大抵防護ガスシャワーは摩擦溶接過程の間固定してある羽根支持 体に取りつけられ、その結果防護ガスシャワーは羽根支持体の円筒状の輪郭に相 応して弧状に形成される。それと共に防護ガスシャワーは、羽根支持体と防護ガ スシャワーの間に空気の侵入並びに空気の防護ガスとの極度に強烈な混合を排除 することができるように、羽根支持体に平らに取りつけられる。 ガス出口を介しての防護ガスの一様な分配に関する本発明のその他の実施の形 態は請求項１１乃至１３の特徴によって与えられる。 以下に、好ましい本発明の実施の形態について添付の図面を参照しながら説明 する。図面において 図１は、防護ガスシャワーを備える流体機械用のロータディスクの部分図であり 、 図２は、羽根付きディスクのＩ−Ｉ線断面で見た図であり、 図３ａは、一部切欠した防護ガスシャワーの側面図であり、 図３ｂは、防護ガスシャワーの図３ａのII−II線断面で見た横断面図であり、 図３ｃは、防護ガスシャワーの一部切欠正面図である。 図１及び図２はジェットエンジン等の流体機械用のロータディスクの羽根の配 置に関するものである。ロータディスクはディスクとして形成された羽根支持体 １を含み、前記羽根支持体上には複数の同様な羽根２が摩擦溶接されている。羽 根支持体１と羽根２はチタン合金で作られている。羽根２又は羽根の粗材 (Schaufelrohlinge)が羽根支持体１に摩擦溶接された後、羽根根部には仕上げ加 工が施され、羽根２に最終形状を付けるように材料が切除される。軸方向に構成 された流体機械用の典型的な羽根２は羽根板３と羽根根部４とを備え、羽根根部 ４は、未加工状態において平らな溶接面５ａにおいて終わっている。羽根板３は 半径方向に比較的長く且つ薄く、湾曲した形状を有し、羽根の一方の側の主面は 凹面になっており、他方の側の主面は凸面になっている。溶接面５ａは概略羽根 の断面形に似た輪郭を有する。直方体状羽根根部４は羽根板３につながっている 。溶接面５ａは羽根根部４の直方体状部分から台座(Podest)を介して数ミリメー トル（約２〜８mm）だけ離れている。摩擦溶接中往復運動、締め付け、及びアプ セット突き合わせ加圧力(Pendel-，Binspann-，und Stauchkraefte)が羽根根部 ４を介して羽根２又は溶接面５ａに加えられる。 羽根支持体１は本質的に平らな、互いに平行にはしる正面６ａ及び６ｂ及び円 形の輪郭を有する。本質的に回転対称に形成された羽根支持体１は、流体機械の 回転軸線に相当する回転軸線Ｒを有する。回転軸線Ｒに対して垂直に正面６ａ及 び６ｂがのびている。正面６ａ及び６ｂの外縁の間に羽根支持体１の周面７がの びている。 周面７には複数の僅かに突き出したブリッジが形成されている。各ブリッジは 本質的に羽根２の溶接面５ａに相当する平らな溶接面５ｂに加工される。図１に 示すように各溶接面５ｂの長軸線Ｌは回転軸線Ｒに対して羽根角度βだけ傾斜し ている。溶接面５ｂの長軸線Ｌは本質的に羽根根部の断面の投影された弦の線に 相当する。 実際に大部分の羽根支持体１が周面７が断面円錐形の外形を有するように成形 される。周面７の断面円錐状の部分には、図２に示すように、溶接面５ｂ又は羽 根２が取りつけられる。断面円錐形の部分には周面の筒状部分がつながっている 。断面円錐形の部分は筒状部分に対してテーパ角度αを有する。 摩擦溶接過程のために、羽根支持体１は、羽根を取りつけるべき溶接面５ｂが 並進往復運動の方向Ｐに平行にはしる面Ｅに位置する状態に固定される。羽根を 取りつけるべき溶接面５ｂは所謂溶接長さ内にある。図１に示すように、羽根２ が羽根支持体１に対して行う往復運動Ｐの方向Ｐが回転軸線Ｒに対して垂直には しり、一方図２においては往復運動Ｐの方向は画面に対して垂直である。羽根２ を羽根支持体１に摩擦溶接するとき、羽根２の溶接面５ａは、図２に示すように 、羽根支持体１の溶接面５ｂと接触せしめられる。必要な溶接温度を得るために 、溶接面５ａ，ｂに対して垂直にアプセット突き合わせ加圧力が羽根２に加えら れ、同時に羽根２が羽根支持体１に対して迅速に往復運動され、摩擦熱が発生せ しめられる。十分な熱が生じると、往復運動が中止され、羽根２が羽根支持体１ に最終的に溶接、接合されるまで、アプセット突き合わせ加圧力が再び維持され る。次に羽根支持体１が、開放され、別の羽根２が溶接される状態に回転せしめ られる。前記の一連の操作が、全ての羽根２が羽根支持体１に溶接されるまで繰 り返される。 羽根の粗材には成形が施され、そのとき正確に羽根の形状が得られるように各 羽根根部４から材料が取り除かれる。前記成形は切削により並びに電気化学的に 行われる。 図１に点線で示す溶接面５ａ’及び５ａ”は、支持体側の溶接面５ｂに対する 往復運動又は相対運動Ｐの間の羽根側の溶接面５ａの両極端の位置又は振幅を示 す。そのとき羽根側の溶接面５ａは、往復運動の方向即ち回転軸線Ｒに対して垂 直な方向の最大寸法が寸法ｂである領域をかすめる。ここにおいて、摩擦溶接運 動中溶接面５ａ，５ｂが一時的に一部の面だけが互いに接触し、それ故ふさがっ ていない一部の面が空気の侵入にさらされることは明らかである。結果として、 空気の侵入により、酸化物の望ましくない形成が、溶接面、特に溶接面の端部又 は縁の領域において行われることとなる。この普通の摩擦溶接方法において原則 的に発生しない酸化を阻止するために、防護ガス流sによる溶接面５ａ，５ｂの 保護が設けられる。 防護ガスの供給のために、羽根支持体１の円筒状の周囲の部分に防護ガスシャ ワーが設けられる。この防護ガスシャワー８は、周面７に弧長さｌに渡ってのび る円弧状に湾曲したガス出口９を備える。回転軸線Ｒに対して垂直にのびるガス 出口９は支持体側の溶接面５ｂから軸方向に離れており、その場合において間隔 ａは羽根側の溶接面がかすめる領域の大きさを表示する寸法ｂよりも小さい。溶 接面５ａ，５ｂへの全ての側から空気の侵入を防ぐために、ガス出口９の長さｌ は、溶接面５ａがかすめる領域bより少なくとも５０％だけ大きく保持される。 前記寸法領域ｂの上に中心にガス出口９を配置することによって、溶接面５a,５ ｂの外側端部もそれらの運動中閉鎖された防護ガスのカーテン内に保持されるこ とが保証される。またガス出口９の半径方向の寸法は、空気の侵入を阻止する十 分な防護ガスカーテンを形成するように限定される。 溶接面５ａ，５ｂ又は羽根２にガスが流れることに関連するガス出口９の配列 は羽根角度βで羽根２にガスが流れることを可能にする。これは流体機械の作動 中のガスの流れの状態に非常に近くなり、その結果、少なくとも溶接面５ａ，５ ｂの領域において周囲の空気が混ざることを十分に減じる、隣接する防護ガス流 Ｓが形成される。図１及び図２に流線Ｓを示すように、流線Ｓは輪郭があたえら れた溶接面５ａ，ｂの領域における羽根根部４並びに角度αで傾斜した周面７の 輪郭に十分に倣う。 防護ガスシャワーと周面７の間への空気の侵入並びにそれに伴ってあらわれる 防護ガスと周囲の空気の混合を避けるために、図３ｃに示すように弧状に形成さ れ、保護ガスシャワー８はその半径方向内側のケーシング壁１０に十分に間隔を あけることなく周面７に隣接している。 図３ａ乃至図３ｃが示すように、防護ガスシャワーは溶接された金属板製ケー シング１１とガス供給用の２つの導管１２ａ，１２ｂと流れを分配する手段１３ で構成されている。箱状又は円弧状の金属板製ケーシング１１にガス供給用の２ つの導管１２ａ及び１２ｂが接続され、その場合において導管１２ａ，１２ｂは ケーシング壁１０の周囲端部の正面１４ａ，１４ｂに入る。導管１２ａ，１２ｂ はガス室１５内に金属板製ケーシング１１の中央にまでのびている。ガス室１５ とその中をのびる導管１２ａ，１２ｂは防護ガスシャワー８内のガス出口９の上 方３分の１のところに形成されている。導管１２ａ，１２ｂにはガス室１５の内 側において、ガス室に防護ガスが一様に充填されることが保証されるように、多 数の孔が開口されている。ガス室１５の向かい側で、金属板製ケーシング１１は 開いており、長くのびる弧状のガス出口９が形成されている。ガス出口９とガス 室１５の間に防護ガスシャワー８の下方半部内にも鋼綿とフィルター材料からな る複数の層から構成された流体分配手段１３が設けられている。鋼綿とフィルタ ー材料からなる層は防護ガス流Ｓを全ガス出口９にわたって防護ガス流Ｓを一様 にするように導く。 防護ガスシャワー８を羽根支持体１に固定するために金属板製ケーシング１１ に２つの湾曲固定具(Befestlgungsbuegel)１７が設けられる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ターレル・エリッヒ ドイツ連邦共和国 ディー―85221 ダッ チャウ，バドヘンネルストラッセ ７ (72)発明者 モッシャル・ゲオルク ドイツ連邦共和国 ディー―85435 エル ディング，フックスベルグストラッセ ４ (72)発明者 カテデル・カール ドイツ連邦共和国 ディー―81545 ミュ ンヘン，シェルトルストラッセ 42 【要約の続き】 することができ、それによって酸化の起こり易い溶接面 への空気の侵入が阻止されるという利点を有する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1． 流体機械の羽根支持体（１）に羽根を取りつけるための摩擦溶接方法であ り、羽根支持体（１）の周囲に複数の、長くのびる、羽根支持体（１）の回転 軸線（Ｒ）に対して羽根角度βで整列する、羽根（２）の溶接面（５ｂ）に溶 接される溶接面（５ａ）が設けられ、物体（羽根支持体（１）、羽根（２）） を接合するために必要な溶接温度が前記溶接面（５ａ，ｂ）を圧縮し、同時に 溶接領域（Ｅ）内の物体（１，２）の振動相対運動（Ｐ）を行うことによって 生ぜしめられる摩擦溶接方法であって、相対運動（Ｐ）中溶接面（５ａ，ｂ） のまわりに防護ガス（Ｓ）を流すことを特徴とする摩擦溶接方法。 2． 溶接すべき羽根（２）の断面に近い溶接面（５ａ，ｂ）が長くのびて形成 され、防護ガス流（Ｓ）は羽根角度βに相応して溶接面（５ａ，ｂ）に向かっ て流れることを特徴とする請求項１に記載の摩擦溶接方法。 3． 防護ガス流（Ｓ）が少なくとも運動する溶接面（５ｂ）によってかすめら れる領域（Ｂ）をとらえることを特徴とする請求項１又は２に記載の摩擦溶接 方法。 4． 防護ガスの流れ（Ｓ）が溶接面（５ａ）内の羽根支持体（１）の周囲に隣 接するように調整されることを特徴とする先行する請求項の何れか一項に記載 の摩擦溶接方法。 5． 相対運動（Ｐ）が本質的に並進運動であり、防護ガスの流れ（Ｓ）の方向 が相対運動（Ｐ）の方向に対して斜め或いは垂直であることを特徴とする先行 する請求項の何れか一項に記載の摩擦溶接方法。 6． ２つの接合すべき物体（羽根支持体１，羽根２）がその溶接面（５ａ，ｂ （に溶接熱を生じさせるために一緒に圧縮され、本質的に並進又は弧状に振動 運動することができ、且つ物体（１，２）に関して固定している防護ガスシャ ワー（８）がガス供給路（導管１２ａ，１２ｂ）並びに溶接面（５ａ，５ｂ） のほうへ向いたガス出口（９）を備え、その場合においてガス出口（９）は、 溶接面を防護ガスを保護するために、少なくとも運動せしめられる溶接面（５ ， ６）によりかすめられる領域（ｂ）をガスにより保護することが可能なように 、移動方向（Ｐ）にひろがりを有することを特徴とする摩擦溶接方法の実施の ための防護ガスシャワー。 7． 防護ガスシャワー（８）が移動方向（Ｐ）に対して斜めに距離をおいて配 置されることを特徴とする請求項６に記載の防護ガスシャワー。 8． ガス流出が移動方向（Ｐ）に対して斜めに又は垂直に起こるようにガス出 口（９）が向いていることを特徴とする請求項６又は７に記載の防護ガスシャ ワー。 9． 空気の侵入を避けるために物体（１，２）の１つの輪郭に相応して溶接面 （５ａ）の領域に防護ガスシャワー（８）が形成され、且つ前記物体（１）に 平らに隣接していることを特徴とする請求項６乃至８の何れか一項に記載の防 護ガスシャワー。 １０． 防護ガスシャワー（８）がガス出口（９）に連絡したガス室（１５）を 備え、ガス室（１５）内にガス供給部に接続された導管（１２ａ，１２ｂ）が 突入していることを特徴とする請求項６乃至９の何れか一項に記載の防護ガス シャワー。 １１． 導管（１２ａ，１２ｂ）にガス室（１５）中に防護ガスを一様に分配す るように孔があけられていることを特徴とする請求項１０に記載の防護ガスシ ャワー。 １２． 防護ガスシャワー（８）がガス出口（９）とガス室（１５）の間に流体 を分配する手段（１３）を備えることを特徴とする請求項１０又は１１に記載 の防護ガスシャワー。 １３． 前記手段（１３）が鋼綿及び／又はフィルター材料からなる複合物で構 成されていることを特徴とする請求項１２に記載の防護ガスシャワー。