JP2007054889A - フルフープ部品の溶接処理方法およびその提供方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスタービンエンジンにおける「フルフープ」構造を有する部品の溶接処理による補修の際、生じる応力を熱処理により緩和する。
【解決手段】 溶接工具６０により亀裂５２に溶接処理が適用される。溶接処理の後、熱処理が帯域５４およびこれと正反対の第２の帯域５６に適用される。帯域の周方向の幅は亀裂５２に沿った溶接接合部５３に応力除去を提供するのに十分な幅となるように選択される。溶接部と正反対の部位に熱処理を施すことにより、溶接部に付加的な残留応力を生じさせることなく溶接によってもたらされる応力を緩和する。
【選択図】図３

Description

本発明は溶接工程によりフルフープ構造を補修する方法に関し、熱処理が溶接部位ならびにこれと径方向に正反対の部位の両方に施される方法に関する。

溶接法は金属構造体の補修に時折必要となる。一例として、鋳造部品は、鋳型による鋳造の際に起こる収縮といった欠陥をもちうる。一方、部品には小さな亀裂が生じうる。

こうした処理はガスタービンエンジン部品によく用いられる。「フルフープ（ｆｕｌｌ ｈｏｏｐ）」と呼びうる構造体、すなわち中心軸を３６０°取り囲む構造体は、たびたびこの溶接工程を必要とする。ガスタービンエンジンのこうした部品の例はディフューザケースやタービン排気ケースである。

部品の一部位に施された溶接により受け入れがたい高残留応力がもたらされうる。従来技術では、この応力は溶接後の熱処理により除去されている。

従来技術の一方法では、構造体全体が熱処理温度に恒温的に加熱される。恒温的な加熱により溶接部に付加的な熱応力が誘発されないため、残留応力は実際の熱処理が行われるまで一定となる。この「全体的な」加熱はまた、残留応力を緩和することにより部品の「機械加工」された寸法に対して影響を及ぼす。多くの場合、寸法を一定に保つように熱処理を行う間に部品を固定することは、コストやその複雑性のため、実用性は見出されていない。

したがって、寸法の減少を防ぐように局所的な熱処理も利用されている。局所的な熱処理は、所期の応力緩和に対し、予測できない潜在的な悪影響を及ぼす恐れがある。局所的に加熱された部位は温度変化により膨張する。周囲の加熱されていない材料はこの膨張に抵抗して加熱領域にさらに圧縮荷重を加える。溶接による残留応力は引張を伴うため、局所的な加熱の正味の効果は溶接部における引張応力の値を一時的に軽減することである。十分な処置が行われなければ、この引張応力を完全に排除するように十分にこの値を軽減することは可能である。この場合、応力が既にゼロまで軽減されているため応力緩和のための後熱処理は効果的ではない。ここで留意すべきはこの場合に局所的に適用された温度が放出されると残留応力の全体値は元に戻る。

また懸念となるのは局所加熱により溶接応力が減少してゼロを越えて圧縮状態になるような状況である。この応力は後の熱処理の間に緩和されるが、これは溶接に関連した引張残留応力を軽減するという熱処理操作の当初の目的からかけ離れてしまう。

本発明による実施例では、フルフープ構造を有した部品に溶接補修が行われる。溶接が完了した後、溶接部および同時に反対側の第２の部位にも熱処理が施される。実施例では、第２の部位は溶接部と直径方向に正反対にある。熱処理は望ましくは溶接部およびその熱影響部を通してできるだけ狭い帯域に限られ、またその反対側の位置も同様である。さらに熱処理は望ましくは部品の軸方向の長さ全体に沿って行われる。

反対側の帯域の熱処理によって前記の圧縮応力の発生が解消される。これにより固有の問題を回避しつつ前記の全体的な熱処理における有益な効果を同様に得られる改良型の局所熱処理が可能となる。

本実施例では部品はフルフープ部品であるが、本発明はより効果的で、あらゆる特定の形状の部品に拡張できる。実際に任意の形状の部品が本発明により利益を得る。任意の形状の部品では、部品における材料部位が、溶接処理部位に付加的な応力を発生させない部位であるとともに周囲で部品が熱膨張する部位に特定される。溶接処理が施され、同時にこの溶接処理の部位と、上記の特定された部位とに局所的な熱処理が施される。

他の選択的な実施例では、第２の帯域は前記の正反対の部位と置き換えられる複数の帯域である。一例としては、溶接処理領域から１８０°反対側の部位を中心に等しく間隔をあけた２つの別々の帯域が単一の第２の帯域の代わりに利用される。

また別の実施例では、第２の帯域は溶接処理についての帯域よりも周方向により大きく拡張している。この場合、第２の帯域の熱処理はより低温となる。低温度を利用することにより、第２の領域に潜在的に生じる寸法変化は軽減される。こうした寸法変化は温度に関連するため、広範囲ではあるが低温度での熱処理を利用できることにより特定の適用において有益である。

図１には軸方向の中心線１２に沿って延びるガスタービンエンジン１０が示されている。ファンセクション１４は、コンプレッサセクション１６、燃焼セクション１８、およびタービンセクション１１の上流である。周知のように、ガスタービンエンジン１０の多くの部品は「フルフープ」構造をもつと言える。フルフープとは軸方向の中心線１２を３６０°取り巻く構造と定義される。ガスタービンエンジン１０に見られるこのフルフープ構造の一例は、コンプレッサの下流に位置するディフューザケース、もしくはタービンセクション１１の下流に位置するタービン排気ケースを含む。「フルフープ」という用語は部品が円筒状であることが必要であると捉えるべきではない。事実、上記の部品は幾分円錐形といったほうがよいかもしれない。さらにその形状は「フルフープ」の定義に限定されず、非対称構造体もしくは複雑な表面や外表面に多面的な形状を有する構造体にも拡張できる。

図２に示すように、こうした部品５０は符号５２に示す亀裂のような欠陥をもちうる。その他の種類の欠陥は収縮によりもたらされる鋳物欠陥である。溶接補修処理が必要な周知の多くの欠陥が当業者には認識できよう。

図３に概略的に示すように、溶接処理５３が溶接工具６０により亀裂５２に適用される。溶接処理の完了後、本発明により２つの熱処理の狭い帯域が各々径方向に正反対の領域５４，５６に適用される。帯域の周方向の幅は、亀裂５２に沿った溶接接合部５３に応力除去を提供するのに十分なだけの幅となるように選択されることが望ましい。したがって、これらの帯域は概ね同じ周方向の幅となる。図示のように、加熱装置５８は２つの熱処理部位をつくる。加熱装置は誘導コイル、放射ランプ、ガスバーナ等でよい。熱処理温度は周知であるが、１５００°Ｆのオーダーである。図２に示すように帯域５４および帯域５６は部品５０の長さ全体に沿って延びる。もちろん帯域は部品の全長にわたって延びなくてもよい。

本発明は２つの正反対の帯域を利用することにより従来技術の全体的な加熱によって提供される利益を達成するとともに、従来技術で発生する全体的な加熱における問題を回避する。

また、本発明はフルフープ部品を対象として開示しているが、上記で定義するようなフルフープ構造を持たない部品についても役立つ。任意の形状の部品も２つの別々の領域を熱処理することにより本発明から利益を得ることができ、結果として生じる寸法変化の負担を大きく軽減もしくは解消しつつ溶接残留応力の絶対値の熱処理を可能にする。

フルフープ構造でない構造体にとって、第２の帯域として局所的に熱処理されるところの材料の線もしくは平面は、部品の溶接部に余分な応力を与えずに構造体が周囲で熱膨張するような線もしくは平面である。こうした線もしくは平面は構造分析により決定することが当業者にとっては可能である。

図４は「第２の帯域」が実質的に２本の別々の帯域２０２，２０４により提供される別の実施例を示す。図から認識できるように、２本の別々の帯域は、溶接処理領域Ｔに対し１８０°離れた地点Ｐから各々等間隔となるように示されている。この別々の帯域を地点Ｐを中心に位置決めすることにより、前記の実施例により提供される効果が達成される。

図５は第２の帯域３００の周方向の幅が溶接帯域３０２の周方向の幅よりも広いさらに別の実施例を示す。第２の帯域３００に供給される温度はより低く、この第２の帯域において結果として生じる可能性のある寸法変化は軽減される。

なお、最良の効果を得るために図４および図５の選択的な実施例をどのように実現するかは当業者にとって理解できよう。

ガスタービンエンジンを示す概略図。 フルフープ部品の概略図。 本明細書に記載の部品に実施されている熱処理の断面図。 別の実施例を示す図。 さらに別の実施例を示す図。

符号の説明

５０…部品
５２…亀裂
５３…溶接接合部
５４…熱処理される帯域
５６…熱処理される第２の帯域
５８…加熱装置
６０…溶接工具

Claims (20)

1. （１）軸方向の中心線の周りを３６０°取り囲む部品について、その部品の欠陥を特定するステップと、
   （２）前記欠陥を補修するように前記欠陥に溶接処理を施すステップと、
   （３）前記溶接処理に対応した第１の帯域とこの第１の帯域から前記軸方向の中心線について間隔を置くように選択された第２の帯域とに熱処理を施すステップと、
   を備えてなるフルフープ部品の処理方法。
2. 前記第２の帯域が、前記第１の帯域から前記軸方向の中心線について１８０°間隔をあけた領域であることを特徴とする請求項１に記載の処理方法。
3. 前記第１および第２の帯域が、同時に熱処理されることを特徴とする請求項１に記載の処理方法。
4. 前記第２の帯域が、前記第１の帯域よりも広い周方向の幅をもつことを特徴とする請求項１に記載の処理方法。
5. 前記第２の帯域が、前記第１の帯域よりも低温で熱処理されることを特徴とする請求項４に記載の処理方法。
6. 前記第１および第２の帯域が、周方向にほぼ等しい幅となるように選択されることを特徴とする請求項１に記載の処理方法。
7. 前記部品が軸方向に延びるとともに前記第１および第２の帯域が前記軸方向の長さ全体にわたって延びることを特徴とする請求項１に記載の処理方法。
8. 前記第１の帯域の周方向の幅が、溶接接合部に応力除去を提供するのに十分な最小の幅となるように選択されることを特徴とする請求項１に記載の処理方法。
9. 前記部品が、ガスタービンエンジン部品であることを特徴とする請求項１に記載の処理方法。
10. 前記部品が、ディフューザケースであることを特徴とする請求項５に記載の処理方法。
11. 前記部品が、タービン排出ケースであることを特徴とする請求項５に記載の処理方法。
12. 前記熱処理が、前記第１および第２の帯域の両方から間隔を置いた第３の帯域にも施されることを特徴とする請求項１に記載の処理方法。
13. 前記第２および第３の帯域が、前記第１の帯域から等間隔に置かれることを特徴とする請求項１２に記載の処理方法。
14. 軸方向の中心線をもつとともにこの軸方向の中心線の周りを３６０°取り巻くコンポーネント本体と、
    前記３６０°の範囲内の周方向の領域における溶接処理と、
    を備えてなるコンポーネントであって、前記コンポーネント本体における前記溶接接合部を含む第１の帯域と、この第１の帯域から前記軸方向の中心線について間隔を置いた第２の帯域と、が前記溶接処理の形成後に熱処理されていることを特徴とするコンポーネント。
15. 前記第１および第２の帯域が、周方向にほぼ等しい幅となるように選択されることを特徴とする請求項１４に記載のコンポーネント。
16. 前記コンポーネントが、ガスタービンエンジン部品であることを特徴とする請求項１４に記載のコンポーネント。
17. 前記コンポーネントが、ディフューザケースであることを特徴とする請求項１６に記載のコンポーネント。
18. 前記コンポーネントが、タービン排気ケースであることを特徴とする請求項１６に記載のコンポーネント。
19. （１）欠陥を補修するための溶接処理を必要とする部品を特定するステップと、
    （２）任意の形状の部品における溶接処理部位に付加的な応力を発生させない部位である一方で周辺が熱膨張する部位となる前記部品の材料部位を特定するステップと、
    （３）前記溶接処理を行うステップと、
    （４）前記溶接処理を受けた部位と前記特定された部位とに局所的な熱処理を同時に行うステップと、
    を備えてなる部品の溶接処理の提供方法。
20. 前記部品が、中心軸を３６０°取り巻くフルフープ部品であることを特徴とする請求項１９に記載の提供方法。
    

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