JP2007506556A - 構造部品を溶接するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、好適にはガスタービンの、特に航空機用エンジンの構造部品を溶接するための方法及び装置に関する。本発明に従って、構造部品は、少なくとも一つのレーザー光源、即ち、パルスモードで動作されている一つ又はそれより多くのレーザー光源を用いて、レーザー溶接される。一つ又はそれより多くのレーザー光源のパルス幅及び／又はパルス波形及び／又は出力は可変的に調整される。溶接ワイヤーのワイヤー前進は、一つ又はそれより多くのレーザー光源のパルスに応じて制御される。

Description

本発明は、請求項１に定義される種に係る、好適にはガスタービンの、特に航空機用エンジンの構造部品を溶接するための方法に関する。また、本発明は、請求項１１に定義される種に係る、好適にはガスタービンの、特に航空機用エンジンの構造部品を溶接するための装置に関する。

ガスタービン、特に航空機用エンジンは、信頼性、重量、性能、経済性及び耐用年数に関して非常に厳しい要求を満たさなければならない。ここ数十年の間に、特に民間部門での使用において、航空機用エンジンは発達し、上記の要求を十分に満たし、ハイレベルな技術的完成を成し遂げている。材質の選択、新しいタイプの適切な材質の探求、並びに新たな製造プロセスの追及は、航空機用エンジンの発達において、決定的な役割を果たしている。ガスタービンは高度のストレスを受け、それゆえ、稼動中にガスタービンに欠陥領域が形成され得るため、欠陥領域を、確実に、安全に、すばやく及びコスト効率良く、修理するための、高度に発達した修理プロセスが考案されることも重要である。

今日、航空機用エンジン又はその他のタイプのガスタービンに使用される最も重要な材料は、チタン合金、ニッケル合金（超合金とも呼ばれる）及び高張力鋼である。高張力鋼は、コンプレッサハウジング及びタービンハウジングのための軸部品、歯車部品に使われる。チタン合金は、コンプレッサー部品、特にコンプレッサブレードに使用される代表的な材料である。ニッケル合金は、航空機用エンジンにおいて熱に曝される部品、したがって、例えば、タービンブレードに適している。最新世代のガスタービン部品は、一方向凝固した又は単結晶の材料から製造され、さらに重量が最適化され、その部品はまた、非常に薄い肉厚を有するように構造的に設計される。

ガスタービン部品の開発における上述の傾向、即ち、ますます改良される材料、及びますます重量最適化される構造部品の探求は、溶接プロセスも含む、製造プロセス並びに修理プロセスに非常に高い要求を突きつけている。

本発明は、構造部品、特にガスタービン部品の新たな溶接方法、特に修理溶接方法に関する。高耐熱超合金、即ち、一方向凝固材料及び単結晶材料として存在するものは、溶接プロセス中の亀裂及び歪みに対して高い感受性を示す。したがって、上記の材料で作られる構造部品は、従来の溶接方法を使用しては、決して十分には加工可能又は修復可能ではない。

ドイツ国特許第ＤＥ ４３ ２７ １８９ Ｃ２号は、ガスタービンのブレードのための修理溶接方法を記述している。その特許が論じている方法は、前処理された修理表面の突合せ溶接を提供するものであり、突合せ溶接方法としてプラズマアーク溶接（ＰＡＷ）、レーザービーム溶接又は電子ビーム溶接のいずれかが使用される。この場合、ＣＯ₂レーザーがレーザー光源として使用される。

ドイツ国特許第ＤＥ １９６ ３０ ７０３ Ｃ２号は、ニッケルベース合金から製造される構造部品の修理修復のための方法及び装置を記述している。ドイツ国特許第ＤＥ １９６ ３０ ７０３ Ｃ２号に係る修理溶接方法では、溶接される構造部品は誘導加熱され、タングステンイナートガス溶接（ＴＩＧ）又はプラズマアーク溶接のいずれかが溶接方法として使用される。

全ての従来技術の溶接方法、特に修理溶接方法に関連する不利な点は、溶接プロセス中に、比較的に高レベルの熱が、溶接される構造部品に導入されることである。それは、超合金、特に一方向凝固した又は単結晶の材料で作られた薄肉部品に特に当てはまり、構造部品に導入される高レベルの熱が、貫通欠陥、溶融池の局所的崩壊、構造部品の歪みまたは新たなもしくは拡大された亀裂形成を引き起こす可能性がある。二重壁の部品を加工するときには、過度の溶接たるみが起きる可能性がある。従って、関連技術から知られている溶接方法は、後処理にかかる実質的な経費を必要とする。さらに、関連技術に係る溶接方法を使用して得られる品質にはかなりのばらつきがある。

この背景に鑑み、本発明の目的は、好適にはガスタービンの、構造部品を溶接するための新たな方法ならびに新たな装置を発明することである。

この目的は、先に言及した方法を、請求項１の特徴部分に記載した特徴によりさらに改良することによって達成される。

本発明においては、前記又は各レーザー光源はパルスモードで作動される。本発明に係る溶接方法においては、溶接される構造部品に、選択的に且つ最低レベルで熱が導入される。溶接される構造部品に導入されるエネルギーと、したがって導入される入熱とが、正確に制御可能である。本発明に係る方法は、超合金、特に一方向凝固した又は単結晶の材料で作られる構造部品を加工する時、及び薄肉部品を溶接する時でさえ、非常に薄く且つ再生可能な溶接継ぎ目を形成することができる。溶接品質が向上し、再発性の亀裂、貫通欠陥、部品の歪み等に必然的に伴う再加工が最小限まで減少する。本発明に係る溶接方法は、溶接される構造部品を予熱することなく、効果的に実施できる。

本発明の一つの有利な形態は、前記又は各レーザー光源のレーザービームの領域へ自動的に前進される溶接ワイヤーと、前記又は各レーザー光源の、及びそれぞれ対応するレーザービームの、パルス幅及び／又はパルス波形及び／又はパワー出力の関数として、溶接ワイヤーのワイヤー供給率を決定する制御装置とを備える。

構造部品のレーザー溶接は、不活性ガス雰囲気下において、構造部品が予加熱されていない状態で、好適に実行される。

本発明に係る装置は、独立の請求項１１において定義され、好適には可般型レーザー装置として構成される。本発明に係る方法、並びに本発明に係る装置は、好適には、一方向凝固した又は単結晶の材料で作られた構造部品を溶接するために使用される。

本発明の好適な実施形態は、独立請求項及び以下の記述から導かれる。

以下、本発明について、例示される実施形態に基づき更に詳細に説明するが、それに制限されるものではない。

以下では、特に構造部品（特にガスタービンの）を修理溶接するための、本発明に係る溶接方法及び装置が、より詳細に明らかにされる。図１は、ガスタービン部品を溶接するための本発明に係る装置の、一つの好適な例示形態を示しており、その装置は可般型レーザー装置として設計されている。

図１の例示の実施形態において、溶接される構造部品１０は、溶接容器（receptacle）又は保持容器１１に設置される。図１に例示される実施形態では、構造部品１０はガスタービンブレードの形をしている。

レーザー溶接は、保持容器１１内の構造部品１０を溶接するために使われる。図１に係る装置はレーザー光源１２を含み、レーザー光源１２によって発せられるレーザー光は光ファイバー１３を介して処理ステーション１４の領域内に導かれる。処理ステーション１４は、レーザー光源１２によって発せられるレーザー光を集束し、そのレーザー光を、正確に照準を定められたレーザービーム１７として溶接される構造部品１０へ送るために、光学素子１５、１６を含む。溶接プロセスは、処理ステーション１４に設置された立体顕微鏡１８を用いて監視又は観察することができる。

本発明に沿って、レーザー光源１２はいわゆるパルスモードで動作される。従って、レーザー溶接はパルスモードで実行され、パルスレーザービーム１７は構造部品を溶接するために使われる。この接続において、レーザービーム１７又はレーザー光源１２のパルス幅及び／又はパルス波形及び／又は電力は可変的に設定可能である。溶接は、連続パルス動作、並びに単一パルス動作の両方において実行できる。レーザービーム１７のパルス波形、パルス幅及び電力は、好ましくは制御装置（図示せず）によって制御される。これにより、構造部品１７への、レーザービーム１７の非常に選択的な配向又は集束を可能にし、その結果、レーザービーム１７によって導入されたエネルギーは正確に制御可能である。パルス方法を用いた溶接プロセスにおける入熱は非常に低く、大型の溶融溶接プールの必要性は無くなる。パルスレーザー溶接方法を用いることによって、溶接される構造部品１０上の、あらゆる変形、部品のゆがみ、微細構造変化及び亀裂は最小限まで減少させられる。

本発明に係るパルス動作レーザー溶接方法は、一方向凝固した又は単結晶の形態で存在する超合金で作られた薄肉部品に、非常に有利に適用できる。これらの構造部品は、特に、ガスタービンブレードである。この種の構造部品は、溶接プロセス中は特に高感度であり、本発明に係る方法を用いることによって、予加熱されることなく、即ち、予熱されていない状態で溶接できる。その結果、ガスタービンブレードは、非常に確実に、安全に、迅速に及びコスト効率良く修理できる。本発明に係るパルスレーザー溶接方法によって、非常に高い輪郭精度を実現しながら、ガスタービンブレードの磨耗エッジを再溶接でき、またタービンブレードにおける亀裂を確実に閉じることができる。

また、本発明に係る装置は、ワイヤー供給機１９を含む。ワイヤー供給機１９は溶接ワイヤー２０を前進させて、溶接される構造部品１０に接触させる。本発明に従って、ワイヤー供給機１９は、制御装置（図示せず）によって、溶接ワイヤー２０のワイヤー供給率を、パルスレーザー溶接方法のパルス幅及び／又はパルス波形及び／又は電力出力に応じて制御する。ワイヤー供給率は、溶接ワイヤー２０が溶接パルス毎に正確に送られて、溶接される構造部品１０と接触するように制御される。このプロセスにおいて、ワイヤー供給率は、好ましくはレーザーパワーの関数として設定される。制御装置（図示せず）のデータベースに保存されている、実験的に確認された溶接パラメータを用いて、不可欠な溶接パラメータは特定の損傷の関数として検索できる。プロセスの信頼性を高めるため、本発明は、溶接ワイヤー２０を送るために用いられる制御装置（図示せず）によって駆動されるＣＮＣマシンを備える。

修理される構造部品１０は、保持容器１１内で、好ましくは不活性ガス雰囲気によって遮断されて、溶接される。不活性ガスは不活性ガス供給ライン２１を介して保持容器１１内に導入される。適切な不活性ガスは、この技術的教示に関する当業者によって、溶接される構造部品の材料に応じて選択される。

固体レーザー、好ましくはＮｄ‐ＹＡＧ固体レーザーがレーザー光源１２として用いられる。この固体レーザーは、パルスモードで動作され、制御装置によって制御可能である。好ましくはパルス固体レーザーが用いられ、その平均レーザーパワー出力は１００Ｗから５００Ｗの範囲内であり、最大パルス電力は少なくとも６ｋＷから１０ｋＷとの間である。パルス電力は０．１Ｊから８０Ｊまでの間を上下し、パルス幅は０．１ｍｓから３０ｍｓまでの間で可変的に設定可能である。固体レーザーは光学的に励起される；即ち、好ましくは、固体レーザーは、ダイオード励起又はランプ励起固体レーザーとして設計される。

図１に示されるように本発明に係る装置は、可般型の定置溶接機として設計され、従って、可般型のレーザーユニットとして設計されている。従って、説明した好適な例示形態においては、制御装置が、レーザービーム１７のパルス幅、パルス波形及び電力、並びに溶接ワイヤー２０へのワイヤー供給を制御し、オペレータは単に、溶接される構造部品１０をレーザービーム１７の下に導き、立体顕微鏡１８を介して溶接動作の品質を観察すればよい。剛体又は線形の応用においては、構造部品を供給するために、三軸システムを付加的に用いることができる。溶接ワイヤー２０のためのモーターにより駆動され制御されるワイヤー供給に加えて、手動ワイヤー供給動作も同様に可能であることは自明である。しかしながら、モーターにより駆動され制御されるワイヤー供給はより正確であり、従って好ましい。

可般型定置溶接機としての本発明に係る装置の、上述した特定の実施形態は、処理、即ち、ガスタービンブレードのような比較的小さなガスタービン部品を溶接又は修理溶接することに、主に適している。より大きな構造部品を処理するために、又は直接ガスタービンに溶接動作を行うために、本発明に係る装置は、可動式溶接装置としても実現できる。この種の特定の実施形態によって、体積が大きくて、重く、届きづらい構造部品を同様に処理できる。この場合、処理ステーション１４は溶接される構造部品の領域内に移動可能な多関節アーム上に取り付けられる。処理ステーション１４が、多軸ガントリー型システムによって、処理される構造部品へ前進させられることも考えられる。この場合、本発明に係る装置は、ガントリー型システムとして設計される。

本発明に係る方法、並びに本発明に係る装置は、好ましくは溶接、特に一方向凝固した又は単結晶の形態を有する耐熱超合金の構造部品の修理溶接のために用いられる。新たな方法を用いることによって、軸対称部品のような、例えばシールや止め輪のような、ガスタービンの構造部品を溶接できる。ハウジング部品に加えて、ロータブレード、並びに高圧タービン、低圧タービン及びコンプレッサーのガイドベーンを溶接できる。全ての超合金γ´相材料、即ち、ＭＣｒＡｌＹ族の材料、及び全ての耐熱合金、並びにニッケル族又はコバルト族の合金は、確実に溶接できる。本発明に係る方法を用いて溶接可能な材料の代表例は：Ｒ´８０，Ｒ´４１，ＤＳＲ´１４２，Ｒ´Ｎ５，Ｒ´Ｎ４，ＰＷＡ１４２６，ＰＷＡ１４８４，ＰＷＡ１４８０，ＭＡＲＭ５０９又はＭＡＲＭ２７４、を含む。溶接ワイヤーとしては、溶接される構造部品と同じ組成を有するものが、主に用いられる。

本発明を用いることによって、多数の利点を関連技術の全体にわたり得ることができる。従って、溶接動作中及びその後における亀裂が減少する。加えて、より狭い熱作用領域及び入熱の減少によって、構造部品のゆがみがより少なくなる。溶接過程において、より高い強度、並びにより細かい粒子の溶接金属を得ることができ、これは溶接プロセスの品質向上に基づくものである。極端に薄肉の構造部品でさえも確実な修理溶接が可能である。本発明に係る装置は非常に用途が広い。本発明に係る装置は、一方では、小さな構造部品を溶接するために使用でき、他方では、大型で、重く、容易には接近できない構造部品を溶接するためにも同様に使用できる。レーザーパルス制御及びワイヤー供給制御によって再現性のある溶接品質を得ることができる。本発明に係る方法を用いることによって、耐久性及び耐磨耗性を有する溶接継手を製造できる。溶接される構造部品の組成と、金属フィラーとして用いられる溶接ワイヤーの組成とが類似のものであると、形成される溶接継手は基材と実質的に同じ性質を持つようになり、従って、形成される溶接継手は基材と同じ熱膨張係数を有するため、その後の動作において、特に熱疲労亀裂の影響をより受けにくくなる。

本発明に係る方法を実施するための本発明に従う装置の概略図である。

Claims (19)

1. 好ましくはガスタービンの、特に航空機用エンジンの構造部品の溶接、特に修理溶接のための方法であって、
   構造部品（１０）は少なくとも一つのレーザー光源（１２）を使用してレーザー溶接され、
   前記又は各レーザー光源（１２）はパルスモードで動作される方法。
2. レーザー溶接プロセス中に、構造部品（１０）は、前記又は各レーザー光源（１２）のレーザービーム（１７）のパルスに応じて溶接され、パルス幅及び／又はパルス波形及び／又はレーザーパワーは可変設定可能である、請求項１記載の方法。
3. 構造部品（１０）のレーザー溶接は、構造部品の予加熱されない状態で実行される、請求項１または２記載の方法。
4. 構造部品（１０）のレーザー溶接は、不活性ガス雰囲気下で実行される、請求項１〜３のいずれか１項またはそれより多くの項に記載の方法。
5. 溶接ワイヤー（１７）は前記又は各レーザー光源（１２）のレーザービーム（１７）の領域へ自動的に前進させられる、請求項１〜４のいずれか１項またはそれより多くの項に記載の方法。
6. 溶接ワイヤー（１７）のワイヤー供給速度は、前記又は各レーザー光源（１２）からのパルスの関数として制御される、請求項５記載の方法。
7. 溶接ワイヤー（１７）のワイヤー供給速度は、前記又は各レーザー光源（１２）のパルス幅及び／又はパルス波形及び／又はパワー出力の関数として決定される、請求項５または６記載の方法。
8. 溶接ワイヤー（１７）は、前記又は各レーザー光源（１２）からの各パルスに応じて前進させられ、前記供給速度は前記又は各レーザー光源（１２）のパワー出力の関数である、請求項５、６または７記載の方法。
9. 一方向凝固した又は単結晶の材料で作られた構造部品を溶接するための、請求項１〜８のいずれか１項またはそれより多くの項に記載の方法の使用方法。
10. ニッケルベース合金又はコバルトベース合金で作られた構造部品、特に、ＭＣｒＡｌＹ材料で作られた構造部品を溶接するための、請求項１〜８のいずれか１項またはそれより多くの項に記載の方法の使用方法。
11. 少なくとも一つのレーザー光源（１２）を備えた、好ましくはガスタービンの、特に航空機用エンジンの構造部品の溶接、特に修理溶接のための装置であって、
    その装置は、特に可般型レーザー装置として設計され、前記又は各レーザー光源（１２）をパルス駆動するための制御装置を特徴とする装置。
12. 制御装置によって、パルス幅及び／又はパルス波形及び／又はレーザーパワーが可変設定可能である、請求項１１記載の装置。
13. 制御装置によって制御可能なワイヤー供給器（１９）を備え、ワイヤー供給器（１９）は溶接ワイヤー（１０）を前記又は各レーザー光源（１２）のレーザービーム（１７）の領域内に自動的に前進させることを特徴とする、請求項１１または１２記載の装置。
14. 制御装置は、溶接ワイヤー（２０）のワイヤー供給率が前記又は各レーザー光源（１２）のパルス幅及び／又はパルス波形及び／又はレーザーパワー出力に依存するように、ワイヤー供給器（１９）を制御する、請求項１３記載の装置。
15. 溶接される構造部品（１０）の保持容器（１１）を備え、保持容器（１１）内における不活性ガス雰囲気下でレーザー溶接が実行可能である、請求項１０〜１４のいずれか１項またはそれより多くの項に記載の装置。
16. 前記又は各レーザー光源（１２）が固体レーザー、特にＮｄ‐ＹＡＧ固体レーザーとして構成されている、請求項１１〜１５のいずれか１項またはそれより多くの項に記載の装置。
17. 固体レーザーが光学的に励起されるように、好ましくはダイオード励起又はランプ励起固体レーザーとして構成されている、請求項１６に記載の装置。
18. 一方向凝固した又は単結晶で作られた構造部品を溶接するための、請求項１１〜１７のいずれか１項またはそれより多くの項に記載の装置の使用方法。
19. ニッケルベース合金又はコバルトベース合金で作られた構造部品、特に、ＭＣｒＡｌＹ材料で作られた構造部品を溶接するための、請求項１１〜１７のいずれか１項またはそれより多くの項に記載の装置の使用方法。

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