JP2005081402A - Welding method by high energy density beam - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被溶接部材同士の突合せ部の背面から高エネルギー密度ビームを照射して該突合せ部の溶接を行う空気圧縮機やポンプなどに使用される羽根車などの製造に好適な高エネルギー密度ビームによる溶接方法に関するものである。 The present invention provides a high energy density suitable for manufacturing impellers used in air compressors, pumps, and the like that perform irradiation of a high energy density beam by irradiating a high energy density beam from the back of a butt portion between welded members. The present invention relates to a welding method using a beam.
空気圧縮機やポンプなどに使用される羽根車のようなシュラウドとディスクとの間に空間を有する構造物を製造する方法としては、精密鋳造法による一体製作や、放電加工により狭間隙部分を除去する方法、または拡散接合による方法などの製造方法では、表面が粗い、コストが高い、多大な時間を要するなど問題が多いことから、溶接による組付けが一般的である。 As a method of manufacturing a structure having a space between a shroud such as an impeller used in an air compressor or a pump and a disk, a narrow gap portion is removed by integral manufacturing by precision casting or electric discharge machining. In the manufacturing method such as the method of performing diffusion bonding or the method of diffusion bonding, there are many problems such as a rough surface, high cost, and a lot of time required, and therefore assembly by welding is common.
溶接による組付けとして、電子ビーム、あるいは炭酸ガスやYAG結晶、半導体などを発振源とするレーザビームなどを用いた高エネルギー密度ビーム溶接があり、この溶接においては深い溶込みを得られる利点がある。 As an assembly by welding, there is a high energy density beam welding using an electron beam or a laser beam using a carbon dioxide gas, a YAG crystal, a semiconductor or the like as an oscillation source, and this welding has an advantage that a deep penetration can be obtained. .
また、羽根車は回転体であり、回転数が高くなるに従い、遠心応力と振動応力が重畳された大きな応力が羽根付根部に集中する。このため溶接止端形状を滑らかなR形状に形成して応力集中を緩和する必要がある。 Further, the impeller is a rotating body, and as the rotational speed increases, a large stress in which centrifugal stress and vibration stress are superimposed on the root portion of the blade. For this reason, it is necessary to reduce the stress concentration by forming the weld toe shape into a smooth R shape.
高エネルギー密度ビーム溶接による羽根車などの製造において、羽根とシュラウドあるいはディスクとを接合する場合、シュラウドと羽根とは電子ビームによる溶接したままの状態である。このため、羽根付根部が応力集中部となり、羽根付根部からき裂が発生する恐れがある。シュラウドと羽根との付根部分は、高い応力がかかる部分であることから、応力集中を緩和するための大きな曲率(R部)が必要である。しかし、大きな曲率(R部)を形成するためには、大幅な切削加工が必要となる。特に羽根車のように曲線状で複雑な形状の溶接箇所に切削加工を施すことは多大な困難を伴い、コスト増加に繋がる。 In manufacturing an impeller by high energy density beam welding, when a blade and a shroud or a disk are joined, the shroud and the blade are still welded by an electron beam. For this reason, a blade root part becomes a stress concentration part, and there exists a possibility that a crack may generate | occur | produce from a blade root part. Since the root portion of the shroud and the blade is a portion to which high stress is applied, a large curvature (R portion) is required to alleviate stress concentration. However, in order to form a large curvature (R portion), significant cutting is required. In particular, it is very difficult to perform cutting on a curved and complicated welded portion such as an impeller, which leads to an increase in cost.
また、高エネルギー密度ビームによる溶接では、ビーム照準の狙い位置の調整には、非常に高い精度が要求される。しかし、溶接入熱による熱歪の発生で、溶接対象に変形が生じると、ビームの狙い位置ずれが起こり、羽根部分が溶け落ちたり、シュラウドが溶断されたりする。 In welding with a high energy density beam, very high accuracy is required to adjust the target position of the beam aim. However, if deformation occurs in the welding object due to the occurrence of thermal distortion due to welding heat input, the beam aiming position shifts, and the blade part melts down or the shroud is blown out.
さらに、羽根車は、硫化水素、炭酸ガス、高温多湿などの腐食環境での使用が考えられるため、羽根付根部分とシュラウドあるいはディスクとの接合部に隙間があると、その部分が腐食されやすくなる。従って、羽根付根部分とシュラウドあるいはディスクとの接合部には隙間が無いことが要求される。 Furthermore, since the impeller can be used in a corrosive environment such as hydrogen sulfide, carbon dioxide gas, and high temperature and humidity, if there is a gap between the blade root portion and the shroud or the joint of the disk, the portion is easily corroded. . Accordingly, it is required that there is no gap at the joint between the blade root portion and the shroud or the disk.
従来の電子ビームによる溶接方法を示すものとして、下記の特許文献がある。 There are the following patent documents showing conventional welding methods using an electron beam.
上記特許文献の溶接方法においては、被溶接部材同士が形成する空間に耐熱性の物質を充填しておいて、溶接後にその物質を除去することを提案している。 In the welding method of the said patent document, it fills with the heat-resistant substance in the space which members to be welded form, and it proposes removing the substance after welding.
上記特許文献の溶接方法によれば、耐熱性の物質が溶け落ちを阻止するので、羽根車のように曲線状で複雑な形状の溶接箇所であっても切削加工を施す必要がなくなり、シュラウドが溶断される恐れはないし、接合部には隙間が無くなるので腐食の恐れも無い。 According to the welding method of the above-mentioned patent document, since the heat-resistant substance prevents the melt-down, it is not necessary to perform cutting even in a curved and complicated welded place like an impeller, and the shroud There is no fear of fusing, and there is no risk of corrosion because there is no gap in the joint.
しかしながら、この物質は被溶接部材同士が形成する空間の形となるように予め加工しており、空間が複雑な形状であれば、物質の加工が困難となる。そして、溶接後に空間固有の形状を持つ物質を除去することが大変である。 However, this material is processed in advance so as to form a space formed by the members to be welded, and if the space has a complicated shape, it becomes difficult to process the material. And it is difficult to remove a material having a shape unique to the space after welding.
それゆえ本発明の目的は、被溶接部材同士の突合せ部の背面から高エネルギー密度ビームを照射する際のビームの狙い位置ずれ裕度を拡大することができて、被溶接部材同士の突合せ部に充分な裏波ビードを形成することができ、もって突合せ部の応力集中を緩和し、接合部への腐食性のガスや液体の浸入を防ぎ、信頼性の高い高エネルギー密度ビームによる溶接方法を提供することにある。 Therefore, the object of the present invention is to increase the beam misalignment tolerance when irradiating a high energy density beam from the back of the butt portion between the welded members, and to the butt portion between the welded members. A sufficient back wave bead can be formed, thereby reducing the stress concentration at the butt and preventing the entry of corrosive gas and liquid into the joint, and providing a reliable welding method using a high energy density beam There is to do.
上記目的を達成する本発明の特徴とするところは、被溶接部材同士の突合せ部の背面から高エネルギー密度ビームを照射して該突合せ部の溶接を行う高エネルギー密度ビームによる溶接方法において、該突合せ部を構成する被溶接部材同士が形成する空間に粒状物質を充填しておいて、該突合せ部の背面から高エネルギー密度ビームを照射することにある。 The present invention that achieves the above object is characterized in that in the welding method using a high energy density beam, a high energy density beam is irradiated by irradiating a high energy density beam from a back surface of a butt portion between welded members. The space formed by the members to be welded constituting the portion is filled with a granular material, and a high energy density beam is irradiated from the back surface of the butt portion.
本発明溶接方法によれば、高エネルギー密度ビームにより被溶接部材の溶融した金属は、被溶接部材同士が形成する空間に容易に充填できる粒状の物質によって溶落ちが抑制され、被溶接部材同士の突合せ部の背面から高エネルギー密度ビームを照射する際のビームの狙い位置ずれ裕度を拡大することができて、被溶接部材同士の突合せ部に充分な裏波ビードを形成することができ、もって突合せ部の応力集中を緩和し、接合部への腐食性のガスや液体の浸入を防ぎ、信頼性の高い溶接が得られる。また、溶接後には粒状の物質を簡単に除去することができる。 According to the welding method of the present invention, the molten metal of the members to be welded by the high energy density beam is suppressed from being melted by the granular substance that can be easily filled in the space formed by the members to be welded. The tolerance of misalignment of the target position of the beam when irradiating a high energy density beam from the back of the butt part can be expanded, and a sufficient back wave bead can be formed at the butt part between the welded members. Reducing stress concentration at the butt and preventing the ingress of corrosive gas and liquid into the joint, resulting in highly reliable welding. In addition, the particulate matter can be easily removed after welding.
以下、本発明の一実施形態を、図1に示す羽根とディスクを予め一体としてあるものとシュラウドとの接合を例にとって、説明する。 In the following, an embodiment of the present invention will be described by taking as an example the joining of a blade and a disk integrated in advance and a shroud shown in FIG.
図2において、1はシュラウド、2は羽根、3はディスクで、シュラウド1とディスク3は断面を示し、羽根2は側面を示している。
In FIG. 2, 1 is a shroud, 2 is a blade, 3 is a disk, the
準備としてディスク3上に各羽根2を溶接する。この溶接は通常の溶接法で行なう。図3はこうして得られるものを示している。図3(a)ではシュラウド1はそのままであるが、図3(b)では羽根2とディスク3を一体としたものを示している。
As a preparation, each
その後、図1に示すように、羽根2とディスク3を一体としたものの上にシュラウド1を置く。
Thereafter, as shown in FIG. 1, the
図1(a)は平面図であり、図1(b)は断面図である。なお、図1において斜線をひいた部分は溶接後に除去をしてビードの始端部や終端部に発生しやすい欠陥を除去するための削除しろである。 FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a cross-sectional view. In FIG. 1, the hatched portions are removed to remove defects that are likely to occur at the start and end portions of the bead by removing them after welding.
この場合における被溶接部材同士の突合せ部はシュラウド1と羽根2との接触部であり、この被溶接部材同士の突合せ部はT字突合せ溶接継手を構成しており、その背面はこの接触部に対応したシュラウド1の上面部であるので、高エネルギー密度ビームの照射はシュラウド1の上面側から実行する。
In this case, the butted portion between the members to be welded is a contact portion between the
高エネルギー密度ビームの照射にあたり、シュラウド1とディスク3を結ぶ外周側にフランジを有するリング状の治具4を嵌めて、シュラウド1における中央の開孔OPからシュラウド1と羽根2とディスク3で形成される空間Sに粒状の耐熱性物質であるセラミック粒子を流し込んで充填する。治具4はセラミック粒子を流失しないようにするものである。
In irradiation with a high energy density beam, a ring-
空間Sの隅々までセラミック粒子5が行き渡るようにするために、シュラウド1と羽根2とディスク3と治具4を適宜な工具で緊縛しておいて、セラミック粒子5を充填しつつ、この緊縛体に振動を付加するとよい。あるいは、セラミック粒子5に液体を加えて泥状となし、この泥状物を空間Sに流し込んで、液体が蒸発したら溶接を行なうようにしてもよい。
In order to spread the ceramic particles 5 to every corner of the space S, the
図4は、高エネルギー密度ビームの照射の状況を示している。
図4で、5は空間Sに充填したセラミック粒子で、片方の空間のセラミック粒子5は除去しているが、実際には充填してある。
FIG. 4 shows the state of irradiation with a high energy density beam.
In FIG. 4, reference numeral 5 denotes ceramic particles filled in the space S, and the ceramic particles 5 in one space are removed, but are actually filled.
セラミック粒子5としては、97wt%のSiO2と残予がFe2O3とAl2O3からなるもので、粒径0.2〜0.8mmに調製したものを使用している。 As the ceramic particles 5, 97 wt% of SiO 2 , the residual is made of Fe 2 O 3 and Al 2 O 3, and those having a particle diameter of 0.2 to 0.8 mm are used.
図4において、3Aは高エネルギー密度ビーム溶接による溶込み部であり、矢印は高エネルギー密度ビームの照射方向を示している。 In FIG. 4, 3A is the penetration part by high energy density beam welding, and the arrow has shown the irradiation direction of the high energy density beam.
ビームの狙い位置ずれが起きた場合でも空間Sにはセラミック粒子5が存在するために、溶込み部3Aにおける溶け落ちが阻止されるので、結果として狙い位置ずれ裕度を拡大することができる。
Even when the beam misalignment occurs, the ceramic particles 5 are present in the space S, so that the melt-through in the
セラミック粒子5は空間Sの形状に従うので、前以て突合せ部の応力集中を緩和できるシュラウド1や羽根2やディスク3の形状を加工しておけばよい。
Since the ceramic particles 5 follow the shape of the space S, the shape of the
空間Sを満たすセラミック粒子5同士が形成している隙間は、溶接の際のガス抜き通路となっているので、溶接部(接合部)に腐食性のガスや液体が浸入する空間を残すことはなく、信頼性のある溶接を得ることができる。 Since the gap formed by the ceramic particles 5 satisfying the space S serves as a degassing passage during welding, leaving a space for corrosive gas or liquid to enter the welded portion (joined portion) And reliable welding can be obtained.
また、突合せ溶接を行う場合において、特別な開先加工をせずに良好で安定した裏波ビードを形成することが出来る。 In addition, when performing butt welding, a good and stable backside bead can be formed without special groove processing.
溶接後に、治具4を外し、空間Sを満たしたセラミック粒子5を除去し、図1に斜線を付けて示した削除しろ部分を適宜な機械加工で除去すれば、所望の羽根車を得ることができる。セラミック粒子5は粉粒の集まりに過ぎないので、治具4を除去すれは自然に流失するし必要に応じて適度な衝撃を印加すれば、羽根車から分離するので、セラミック粒子5の除去に苦労は伴わない。
After welding, the
図1乃至図4では羽根2とディスク3を予め一体としたものに対しシュラウド1を溶接した例で説明したが、図5のように、シュラウド1と羽根2が一体となったものとディスク3とを接合(溶接)する場合でも、本発明は実施適用できるし、接合する対象は羽根車に限定されるものではない。
1 to FIG. 4, an example in which the
また、セラミック粒子5の組成や粒径も上記実施例に限定されるものではない。 Further, the composition and particle size of the ceramic particles 5 are not limited to the above examples.
また、セラミック粒子5の代わりに充填材として溶接用フラックスを用いることで溶接金属の性能向上を図ることができる。特に、この場合、溶込み部3Aに隣接する溶接用フラックス粒子が高エネルギー密度ビームの熱で溶融しても、溶接金属と一体になり、溶込み部3Aを満たし良好な裏波を形成できるだけでなく、含有されるマンガンMnやシリコンSiは脱酸作用があって溶接金属表面の酸化膜を強制的に除去するので、溶接部は金属同士の強固な結合となるだけでなく表面も清浄化される。
Further, by using a welding flux as a filler instead of the ceramic particles 5, the performance of the weld metal can be improved. In particular, in this case, even if the welding flux particles adjacent to the
1‥シュラウド
2‥羽根
3‥ディスク
4‥治具
5‥セラミック粒子(粒状の耐熱性物質)
1. Shroud
2 ... feathers
3 Disc
4. Jig
5. Ceramic particles (granular heat resistant material)
Claims (2)
該突合せ部を構成する被溶接部材同士が形成する空間に粒状物質を充填しておいて、該突合せ部の背面から高エネルギー密度ビームを照射することを特徴とする高エネルギー密度ビームによる溶接方法。 In the welding method using a high energy density beam that welds the butt portion by irradiating the butt portion with the back of the butt portion between the members to be welded,
A welding method using a high energy density beam, wherein a space formed by members to be welded constituting the butt portion is filled with a particulate material, and a high energy density beam is irradiated from the back surface of the butt portion.
2. A welding method using a high energy density beam according to claim 1, wherein the particulate material is ceramics or a welding flux.
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