JP2001025863A - 溶接方法および溶接用アセンブリ - Google Patents

溶接方法および溶接用アセンブリ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 物品たとえばガスタービンエンジン・ノズル
（１０）の空冷式超合金エーロフォイル（２４）を溶接
するアセンブリおよび方法。 【解決手段】 本発明の方法では、用具（３２）をエー
ロフォイル（２４）の冷却通路（１４）中に挿入する必
要がある。用具（３２）は、用具を通路（１４）に挿入
する際の通路（１４）への第１開口（２０）を閉じる形
状となっている。用具（３２）は、ガスを通路（１４）
に縦一列のポート（４０）を通して導入する形状ともな
っている。エーロフォイル（２４）の壁貫通クラック
（３０）を溶接修理し、この間、空洞（１４）へのガス
流を、溶融溶加材がクラック（３０）を通して通路（１
４）に進入するのを防止するのに十分な圧力に通路（１
４）を加圧し、しかも溶加材がクラック（３０）を充填
するのを可能にする流量に維持する。

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。さらに詳しくは、本発明は、超合金物品を溶接修理
する方法および用具、特に溶接溶加材が、エーロフォイ
ル表面で溶接修理されているクラックを通して、空冷エ
ーロフォイル内の冷却通路に進入するのを防止する手段
に関する。
【０００２】
【発明の背景】ガスタービンエンジンの高温部分用の部
品の製造に、耐熱コバルト基およびニッケル基超合金が
使用されている。ノズル、燃焼器、タービンベーンおよ
びブレードを含むこのような部品は、エンジンの作動中
過酷な高温条件下におかれ、このため種々の損傷や劣化
をうけるおそれがある。たとえば、エロージョン、クラ
ックその他の表面欠陥が、異物の衝突や応力（頻繁な熱
サイクルによりさらに悪化する）のため、使用中にブレ
ードやノズルの後縁に発現しがちである。耐熱超合金の
材料・加工コストが比較的高いので、たいていの場合、
損傷あるいは摩耗した超合金部品を復元、修理する方
が、交換より好ましい。この目的のため、タングステン
不活性ガス（ＴＩＧ）またはレーザ溶接法を用いる溶接
修理方法が開発され、このような溶接法を通常高温（た
とえば約１５００°Ｆ（８１５°Ｃ）を越える）で行っ
て溶接歩留まりを改良するとともに、確実に超合金の機
械的特性を維持する。酸化を防止するために、超合金の
高温溶接修理は、制御された雰囲気の、たとえばアルゴ
ンのような不活性ガスを充満した、エンクロージャ内で
行うことが多い。
【０００３】内部冷却空洞または通路を有する空冷ブレ
ードまたはノズルなどの中空部品の壁のクラックを溶接
修理する場合、事情は複雑である。溶接中、これらの部
品の冷却通路は、修理中のクラックを通って冷却通路に
入ってくる溶接溶加材により閉塞されやすい。具体例を
図１に示す。図１に示すノズル１０は、ノズル１０の冷
却通路１４にぴったりはまるインサート１２と組み立て
る必要がある。溶接溶加材が冷却通路１４に入ると、通
路１４を塞いだり、インサート１２への妨害となるおそ
れがある。（通常ノズルエーロフォイル２４の後縁２８
に位置する）表面冷却穴２２を塞ぐ方法が知られている
が、溶加材がクラック３０を通して通路１４に進入する
ことなしに、クラック３０の完全な充填を達成するのは
依然として困難である。
【０００４】
【発明の概要】本発明は、広義には、物品、特にガスタ
ービンエンジンの空冷式超合金エーロフォイルを溶接す
るアセンブリおよび方法を提供する。このアセンブリお
よび方法は、溶接によるエーロフォイルの修理中に、溶
接溶加材がエーロフォイル内の冷却通路その他の空洞に
進入するのを防止し、しかも溶融した溶接溶加材がエー
ロフォイルの修理中の壁貫通クラックを充填するのを可
能にする。
【０００５】本発明の方法は通常、溶接による修理を必
要とするクラックまたは他の壁貫通欠陥を有する物品の
空洞に据え付ける用具を用いることを必要とする。この
用具は、用具を挿入する際の空洞への第１開口を閉じる
形状となっている。用具はまた、ガスを空洞に、空洞を
加圧するのに十分な流量で導入するよう構成され、この
後ガスが（空洞と流体連通している）穴、たとえばエー
ロフォイル冷却通路の冷却穴を通って空洞から外に出
る。この目的のため、用具は、長さ方向に一列に配列さ
れたポートの設けられた細長い部分を有するのが好まし
い。こうしてガスは、用具を通して空洞に導入され、そ
の後穴を通って空洞から出ていく。つぎに物品のクラッ
クを適当な方法で溶接修理し、この間、空洞へのガス流
を、溶融溶加材がクラックを通して空洞に進入するのを
防止し、しかも溶加材がクラックを充填するのを可能に
する流量に維持する。
【０００６】上述したように、本発明の装置および方法
は、超合金エーロフォイルにおける壁貫通クラックを溶
接修理する場合のような、内部空洞を有する物品を溶接
修理する際の困難を解決しようとするものである。本発
明によれば、溶加材による通路の閉塞を防止するため
に、溶融溶加材が隣接するエーロフォイル冷却通路へ流
れこむのを回避しながら、壁貫通クラックを溶接溶加材
で完全に充填することによりクラックを溶接修理するこ
とができる。
【０００７】この発明の他の目的および効果は、以下の
詳細な説明から明らかになるはずである。
【０００８】
【好適な実施態様】以下に、本発明を空冷式超合金エー
ロフォイルの溶接修理に関連して説明する。しかし、本
発明は一般に、中空物品の壁を貫通するクラックを溶加
材で修理し、その際溶加材が物品の空洞に進入するのを
防止するか少なくとも進入する溶加材の量を減らす必要
のある種々の用途に適用できる。
【０００９】図１に、ガスタービンエンジンのノズル１
０が、１対のエーロフォイル２４を内側バンド１６およ
び外側バンド１８間に配置した構成のものとして示され
ている。 各エーロフォイル２４は前縁２６および後縁
２８を有し、後縁２８には多数の冷却穴２２があけられ
ている。冷却穴２２は対応するエーロフォイル２４内の
冷却通路１４と流体連通している。ノズル１０はまた、
一方のエーロフォイル２４の後縁２８にクラック３０が
発生しているものとして示されている。ノズル１０を、
冷却通路１４にぴったりはまるインサート１２と組み立
てる前に、このクラック３０を溶接修理しなければなら
ない。しかし、溶接溶加材が冷却通路１４に進入する
と、通路１４を塞いでしまうおそれや、インサート１２
を通路１４に挿入できなくなるおそれがある。
【００１０】図２に示す用具アセンブリ３２は、溶接に
よりクラック３０を修理する際に溶融した溶接溶加材が
通路１４に進入するのを防止するよう構成されている。
用具アセンブリ３２は、外側バンド１８の開口２０を通
して冷却通路１４中に挿入する形状とされており、用具
アセンブリ３２の適当な輪郭のリム３４が開口２０にぴ
ったりはまり、かつ適当な輪郭のカラー３６が開口２０
を取り囲む外側バンド１８の表面に当接する。リム３４
およびカラー３６の正確な寸法および形状は必然的に、
ノズル１０の特定の形状に応じて異なる。長さ方向の１
列のポート４０が設けられた細長いパイプ３８がリム３
４から延在している。パイプ３８のカラー３６とは反対
側の端部は閉じられ、平坦部分４２で終端し、平坦部分
４２には後述する目的のロック用くさび４６を受け入れ
る寸法のスロット４４が設けられている。パイプ３８は
カラー３６に関して反対側で入口パイプ４８に流体連結
されている。入口パイプ４８は、ガス、好ましくはアル
ゴンなどの不活性ガスをパイプ３８に送るためのもの
で、ガスはパイプ３８のポート４０からパイプ３８の長
さ方向軸線に関して半径方向に吐き出される。入口パイ
プ４８は、不活性ガス源に取り付けるための圧縮継手ナ
ット５０および圧縮ワッシャ５２が付属したものとして
示してある。用具アセンブリ３２用の材料としては、ノ
ズル１０を溶接修理するのに必要な高温に耐える材料が
適当である。種々の材料を使用できるが、リム３４およ
びカラー３６の材料としては銅が適当であり、パイプ３
８、入口パイプ４８、圧縮継手ナット５０および圧縮ワ
ッシャ５２の材料としてはステンレス鋼が適当である。
【００１１】図３に、図１に示す後縁２８にクラック３
０が発生した片方のエーロフォイル２４の冷却通路１４
に用具アセンブリ３２を挿入した状態を示す。（図３で
は、用具アセンブリ３２がよく分かるように、外側バン
ド１８およびエーロフォイル２４の隣接部分を省略して
ある。）図示状態では、用具アセンブリ３２の平坦部分
４２が内側バンド１６の開口５４を通って突出し、また
くさび４６がスロット４４に差し込まれ、用具アセンブ
リ３２を冷却通路１４内に固定している。開口５４を通
しての漏れを最小限に抑えるために、平坦部分４２の寸
法および形状を開口５４にぴったりはまるものとするの
が好ましい。
【００１２】パイプ３８のポート４０は、エーロフォイ
ル２４の後縁２８とは逆向きにかつ前縁２６に向けて面
するものとして示されている。本発明によれば、不活性
ガスをエーロフォイル２４の前縁２６に差し向けること
により、最終的にはガスのすべてがエーロフォイル２４
から冷却穴２２（図３では図示せず）を通して排気され
るにもかかわらず、ガスが通路１４をわずかに加圧する
ことになる。通路１４内の圧力は溶融した溶接溶加材が
通路１４に進入するのを防止するのに十分で、しかも溶
加材が修理しようとしているクラック３０を完全に充填
するのを妨げるほどは高くない圧力とする必要がある。
本発明の目的を達成するのに必要なガス流量およびそれ
に伴う圧力は、冷却穴２２の数や寸法をはじめとする特
定のエーロフォイル２４の条件に応じて変わるが、約１
０〜４０標準立方フィート／時（約２８３〜１１３０リ
ットル／時）、特に約３２〜３５標準立方フィート／時
（約９０６〜９９２リットル／時）程度の流量で適切な
結果が得られると考えられる。
【００１３】上述したとおりに設定したら、適当な溶接
方法、たとえばタングステン不活性ガス（ＴＩＧ）、プ
ラズマ移行アーク、レーザビーム溶接法などを用いて溶
接を行うことができる。溶接を不活性雰囲気下で行うの
が好ましく、その不活性雰囲気の少なくとも一部を用具
アセンブリ３２により供給する不活性ガスにより維持す
ることができる。溶接修理後、通路１４内に存在する溶
接溶加材からの妨害を受けることなく、インサート１２
（図１）を冷却通路１４に据え付けることができる。
【００１４】以上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も採用できることが明ら
かである。したがって、本発明の要旨は特許請求の範囲
によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスタービンエンジン・ノズルアセンブリの斜
視図である。
【図２】図１のノズルに適用する本発明による溶接修理
用具の斜視図である。
【図３】本発明にしたがって図２の用具を図１のノズル
に組み込んだ状態を示す（便宜上ノズルの一部を省略）
斜視図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート・デール・ローレンス アメリカ合衆国、オハイオ州、ハマースビ ル、ワトソン・ロード、2775番

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内部空洞（１４）が表面の穴（２２）に
    流体連通している物品（１０）を溶接するにあたり、 用具（３２）を前記空洞（１４）内に挿入し、このとき
    用具（３２）を空洞（１４）に挿入する際の空洞（１
    ４）への第１開口（２０）を用具（３２）で閉じ、 用具（３２）を通して空洞（１４）にガスを流して空洞
    （１４）を加圧し、ガスが前記穴（２２）を通って空洞
    （１４）から外に流出するようにし、ついでガスを空洞
    （１４）内で、溶融した溶接溶加材が空洞（１４）に進
    入するのを防止するのに十分な圧力に保ちながら、物品
    （１０）を溶接する工程を含む溶接方法。
  2. 【請求項２】 前記用具（３２）はガスを空洞（１４）
    中に穴（２２）から遠ざかる方向に差し向ける、請求項
    １に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記用具（３２）はガスを空洞（１４）
    中に穴（２２）とは反対方向に差し向ける、請求項１に
    記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記用具（３２）の端部（４２）が、空
    洞（１４）への第１開口（２０）とは反対側の物品（１
    ０）の第２開口（５４）から突出する、請求項１に記載
    の方法。
  5. 【請求項５】 溶接工程で、物品（１０）の壁を貫通す
    るクラック（３０）を修理することを伴う、請求項１に
    記載の方法。
  6. 【請求項６】 前縁（２６）、後縁（２８）および後縁
    （２８）に設けた複数の冷却穴（２２）に流体連通した
    内部冷却通路（１４）を有し、後縁（２８）の壁にクラ
    ック（３０）が貫通した、空冷エーロフォイル（２４）
    を有する超合金物品（１０）を修理するにあたり、 用具（３２）を冷却通路（１４）内に挿入し、ここで用
    いる用具（３２）は、用具（３２）を冷却通路（１４）
    に挿入する際の冷却通路（１４）への第１開口（２０）
    を閉じる第１部分（３４，３６）と、長さ方向に整列さ
    れたポート（４０）の列を有する細長い部分（３８）と
    を有し、さらに用具（３２）は、ポート（４０）がエー
    ロフォイル（２４）の前縁（２６）に面するように、冷
    却通路（１４）内に配置され、 不活性ガスを用具（３２）およびポート（４０）を通し
    て冷却通路（１４）中に前縁（２６）に向けて流し、冷
    却通路（１４）を加圧し、その後ガスは冷却穴（２２）
    を通して冷却通路（１４）から流出し、ついでエーロフ
    ォイル（２４）のクラック（３０）を溶接修理し、この
    際冷却通路（１４）内のガスは、溶融した溶接溶加材が
    クラック（３０）を通して冷却通路（１４）中に進入す
    るのを防止するのに十分で、しかも溶融溶接溶加材がク
    ラック（３０）を充填するのを許す圧力に維持する、超
    合金物品（１０）の修理方法。
  7. 【請求項７】 前記用具（３２）の端部（４２）が、冷
    却通路（１４）への第１開口（２０）とは反対側の物品
    （１０）の第２開口（５４）から突出し、用具（３２）
    を第２開口（５４）内で固定する、請求項６に記載の方
    法。
  8. 【請求項８】 さらに、クラック（３０）を溶接修理し
    た後、インサート（１２）を冷却通路（１４）内に据え
    付ける工程を含む、請求項６に記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記物品（１０）がガスタービンエンジ
    ン・ノズル（１０）である、請求項６に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 内部空洞（１４）が表面の穴（２２）
    に流体連通している物品（１０）を溶接するためのアセ
    ンブリであって、空洞（１４）に挿入できる用具（３
    ２）を備え、この用具（３２）は、用具（３２）を空洞
    （１４）に挿入する際の空洞（１４）への第１開口（２
    ０）を閉じる第１部分（３４，３６）と、長さ方向に整
    列されたポート（４０）の列を有する細長い部分（３
    ８）とを有し、前記１列のポート（４０）はガスを空洞
    （１４）中に流して空洞（１４）を加圧し、しかる後ガ
    スが穴（２２）を通して空洞（１４）から流出し、前記
    ポート（４０）の数および寸法は、空洞（１４）内のガ
    スを、溶融した溶接溶加材が物品（１０）のクラック
    （３０）を通して空洞（１４）中に進入するのを防止す
    るのに十分で、しかも溶融溶接溶加材がクラック（３
    ０）を充填するのを許す圧力に維持するのに十分であ
    る、溶接アセンブリ。
  11. 【請求項１１】 ポート（４０）が用具（３２）の第１
    部分（３４，３６）に対して、ガスを空洞（１４）中に
    穴（２２）から遠ざかる方向に差し向けるように配向さ
    れている、請求項１０に記載のアセンブリ。
  12. 【請求項１２】 ポート（４０）が用具（３２）の第１
    部分（３４，３６）に対して、ガスを空洞（１４）中に
    穴（２２）とは反対方向に差し向けるように配向されて
    いる、請求項１０に記載のアセンブリ。
  13. 【請求項１３】 前記用具（３２）の端部（４２）が空
    洞（１４）への第１開口（２０）とは反対側の物品（１
    ０）の第２開口（５４）から突出し、かつ第２開口内に
    固定可能である、請求項１０に記載のアセンブリ。
  14. 【請求項１４】 前記物品（１０）が前縁（２６）およ
    び後縁（２８）を有する空冷エーロフォイル（２４）を
    備え、前記空洞（１４）がエーロフォイル（２４）の内
    部冷却通路（１４）であり、穴（２２）がエーロフォイ
    ル（２４）の後縁（２８）に設けた複数の冷却穴（２
    ２）の一つであり、クラック（３０）が後縁（２８）に
    あり、用具（３２）は冷却通路（１４）内に、ポート
    （４０）がエーロフォイル（２４）の前縁（２６）に面
    するように配置された、請求項１０に記載のアセンブ
    リ。
  15. 【請求項１５】 内部空洞（１４）が第１開口（２０）
    を有し、表面の穴（２２）に流体連通している超合金物
    品（１０）と、 前記第１開口（２０）を通して空洞（１４）内に装着さ
    れる用具（３２）とを備え、 前記用具（３２）は第１開口（２０）を閉じる閉止手段
    を有し、またガスを空洞（１４）中に流入させて空洞
    （１４）を加圧するガス流入手段（３８，４０）を有
    し、その後ガスが穴（２２）を通して空洞（１４）から
    流出し、前記ガス流入手段（３８，４０）は空洞（１
    ４）内のガスを、溶融した溶接溶加材が物品（１０）の
    クラック（３０）を通して空洞（１４）中に進入するの
    を防止し、しかも溶融溶接溶加材がクラック（３０）を
    充填するのを許すのに十分な圧力に加圧する、アセンブ
    リ。
  16. 【請求項１６】 用具（３２）のガス流入手段（３８，
    ４０）がガスを空洞（１４）中に穴（２２）から遠ざか
    る方向に差し向ける、請求項１５に記載のアセンブリ。
  17. 【請求項１７】 用具（３２）のガス流入手段（３８，
    ４０）がガスを空洞（１４）中に穴（２２）とは反対方
    向に差し向ける、請求項１５に記載のアセンブリ。
  18. 【請求項１８】 前記用具（３２）の端部（４２）が空
    洞（１４）への第１開口（２０）とは反対側の物品（１
    ０）の第２開口（５４）から突出し、かつ第２開口内に
    固定される、請求項１５に記載のアセンブリ。
  19. 【請求項１９】 用具（３２）は、冷却通路（１４）へ
    の第１開口（２０）を閉じる形状の第１部分（３４，３
    ６）と、前記ガス流入手段（３８，４０）を画定する複
    数のポート（４０）を有する細長い部分（３８）とを有
    する、請求項１５に記載のアセンブリ。
  20. 【請求項２０】 前記物品（１０）が前縁（２６）およ
    び後縁（２８）を有する空冷エーロフォイル（２４）を
    備え、前記空洞（１４）がエーロフォイル（２４）の内
    部冷却通路（１４）であり、穴（２２）がエーロフォイ
    ル（２４）の後縁（２８）に設けた複数の冷却穴（２
    ２）の一つであり、クラック（３０）が後縁（２８）に
    あり、用具（３２）は冷却通路（１４）内に、ポート
    （４０）がエーロフォイル（２４）の前縁（２６）に面
    するように配置された、請求項１９に記載のアセンブ
    リ。
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