JP2008168349A - 高温レーザー溶接法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 高温レーザー溶接法を提供する。
【解決手段】 超合金部品の溶接方法は、溶接すべき１以上の部品を実質的に閉鎖された不活性ガス雰囲気中で１５００°Ｆ以上の温度に予熱する段階と、組成の異なる２種以上の溶加材を含む複数の溶加材を溶接部に送給する段階と、予熱温度を維持しながら、予熱された１以上の部品をレーザービームを用いて溶接する段階とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、広義にはガスタービン技術に関し、具体的には、ガスタービン部品を接合又は補修するためのレーザービーム溶接プロセスに関する。
ガスタービン部品、特にバケット及びノズルの接合又は補修にレーザービーム溶接が使用されることが増えている。これらの部品は非常に高強度のニッケル又はコバルト超合金から作られることが多いが、これらは従来法では溶接が困難である。溶融部及び熱影響部の割れの傾向を低減するため延性の溶加材又はシムを用いることが多いが、これによって、母材に対する溶接部の機械的性能が低下してしまう。
ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）でのガスタービンバケットの製造及び補修では、以前非常に高温の予熱が用いられていた。現在の方法では、放射又は誘導加熱による１５００°Ｆ超の温度でのバケット先端の予熱が行われる。これによって高強度溶加材を用いてバケットの母材に匹敵する機械的性質をもつ溶接部を生じさせることができる。
誘導加熱及び粉体送給溶加材を用いたレーザー溶接法が米国特許第６０５４６７２号に開示されている。
予熱レーザービーム溶接の別の方法では、部材の温度を局所的に上昇させるため部材に低出力でレーザービームを当てる。この方法では、部材のばらつきのため部品毎に温度が大きく変動するので、温度制御が難しい。また、予熱と溶接に同じレーザービームを用いるので、溶接時に別途予熱を維持することができない。最後に、ビームは単一の移動スポットだけに当てられ、部材は熱伝導及び放射のために急速に熱を失うので、達成し得る最高温度が比較的低い。
米国特許第６９７２３９０号明細書 米国特許第６９３１７２８号明細書 米国特許第６８８４９６４号明細書 米国特許第６８３８１９０号明細書 米国特許第６８３７６８７号明細書 米国特許第６６５２６７７号明細書 米国特許第６６４０５４６号明細書 米国特許第６６３４８６０号明細書 米国特許第６５６５６８０号明細書 米国特許第６５５１０６３号明細書 米国特許第６４８９５８３号明細書 米国特許第６４６８３６７号明細書 米国特許第６３５４７９９号明細書 米国特許第６３０２６４９号明細書 米国特許第６１５８９５５号明細書 米国特許第６０６０６８６号明細書 米国特許第６０５４６８７号明細書 米国特許第６０２０５７１号明細書 米国特許第５５５４８３７号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１３３４８６号明細書 国際公開第２００５／０７７５８９号パンフレット 米国特許第６０５４６７２号明細書
本発明の例示的な実施形態では、超合金部品のレーザービーム溶接法を提供するが、この方法では、誘導コイル、放射（石英ランプ）又は伝導（抵抗）ヒータを用いて溶接領域をその場で局所的に予熱する。予熱時及び溶接時に到達する温度は１５００°Ｆ超であり、２０００°Ｆ超とすることもできる。こうした高温によって母材の溶接部及び熱影響部での割れのおそれが効果的に解消するとともに、強度の一致する溶加材を用いて高合金母材を溶接することができる。溶加材金属は、接合すべき部品間に挿入される粉体送給、ワイヤ送給、予備配置シム又はこれらの組合せによって溶接部に送給される。複数の溶加材の使用によって、溶融部に独特な化学組成を生じさせることができ、部品のニーズを満足するように接合部の金属学的性能を調整することができる。組成の異なる複数の溶加材を同一又は異なる送給法（シム、ワイヤ送給又は粉体）で溶接部に送給してもよい。別法として、同一組成の溶加材を異なる方法で送給してもよい。
そこで、一つの態様では、本発明は、部品の溶接方法であって、溶接すべき１以上の部品を実質的に閉鎖された不活性ガス雰囲気中で１５００°Ｆ以上の予熱温度に予熱する段階と、組成の異なる２種以上の溶加材を含む複数の溶加材を溶接部に送給する段階と、予熱温度を維持しながら、予熱された１以上の部品をレーザービームを用いて溶接する段階とを含んでなる方法に関する。
別の態様では、本発明は、超合金タービン部品の溶接方法であって、溶接すべき１以上の部品を実質的に閉鎖された不活性ガス雰囲気中で１５００°Ｆ以上の予熱温度に予熱する段階と、少なくとも２通りの異なる溶加材送給法を利用して同一組成の複数の溶加材を溶接部に送給する段階と、予熱温度を維持しながら、予熱された１以上の部品をレーザービームを用いて溶接する段階とを含んでなる方法に関する。
以下、添付の図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。
図１を参照すると、レーザービーム溶接システム１０は、溶接すべき領域を露呈する開口又はウィンドウ１６を備えたエンクロージャ１４（破線で示す）内にタービンバケットのような被加工物を完全に取り囲むように構成された予熱システムを利用する。溶接ウィンドウ１６から空気が入らないように十分な速度でアルゴンのような不活性ガスをエンクロージャに供給する。例示的な実施形態では、溶接すべき部品１２の温度は、部品を加熱するための誘導加熱、石英ランプ又は抵抗加熱コイルを用いて、１５００°Ｆ超、場合によっては（特定の用途、合金などに応じて）２０００°Ｆ超に昇温される。図１では、これらの加熱要素を全体として符号１８で示す。
溶加材は、図２に示す溶加材送給法のいずれか又はそれらの組合せによって溶接部又は接合部に送給される。具体的には、溶加材は、溶接接合部に１以上のシム２０を予備配置するか、送給管２４を介してワイヤ２２を溶接パドルに送給するか、或いは１以上の管２８で粉体２６を溶接パドルに送給することによって供給することができる。溶接プロセスが完了したら、溶接した１以上の部品が冷めるまで不活性ガスシールドを維持する。
明らかであろうが、溶接すべき部材が目標予熱温度に達したら、溶接プロセス全体を通して部材をその温度に保持する。高温によって、強度及び化学組成の一致する溶加材金属を用いて高合金母材を溶接することができる。不活性ガス雰囲気の閉鎖予熱システムを用いると、高い予熱温度に起因する母材の酸化から部材が保護される。
また、本レーザー溶接法で用いる溶加材は、母材の性能にできるだけ一致させるため公知の高強度溶加材とすることができる。一方、同じ溶接作業に際して異なる溶加材を使用することが有利な場合もある。例えば、タービンバケットに先端キャップを溶接する場合には、溶接すべき２つの部材の間に予備配置したシムを用いるとともに、同一又は異なる組成の粉体溶加材を溶接接合部に送給して傾斜組成の構造を生じさせることもできる。こうして、上述のように同一又は異なる溶加材送給法を利用して組成の異なる溶加材を溶接部に送給して、溶接すべき部材間に所望の化学組成を生じさせることができる。同時に、同一組成の溶加材を、同一又は２以上の異なる溶加材送給法を利用して送給することもできる。
現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって規定される技術的思想及び技術的範囲に属する様々な変更及び均等を包含するものである。
例示的な実施形態に係るレーザー溶接システムの概略図。 例示的な実施形態に係る溶加材を溶接部に送給する様々な方法の概略図。
符号の説明
１０ レーザー溶接システム
１２ タービンバケット
１４ エンクロージャ
１６ 開口又は溶接ウィンドウ
１２ 部品
２０ シム溶加材
２２ ワイヤ溶加材
２６ 粉体溶加材

Claims (14)

  1. 部品の溶接方法であって、
    溶接すべき１以上の部品を実質的に閉鎖された不活性ガス雰囲気中で１５００°Ｆ以上の予熱温度に予熱する段階と、
    組成の異なる２種以上の溶加材を含む複数の溶加材を溶接部に送給する段階と、
    予熱温度を維持しながら、予熱された１以上の部品をレーザービームを用いて溶接する段階と
    を含んでなる方法。
  2. 複数の溶加材が粉体溶加材を含む、請求項１記載の方法。
  3. 複数の溶加材がワイヤ溶加材を含む、請求項１記載の方法。
  4. 複数の溶加材が１以上の予備配置シムを含む、請求項１記載の方法。
  5. 溶加材の１つが粉体の形態で送給され、他の溶加材がワイヤの形態で送給される、請求項１記載の方法。
  6. 溶加材の１つが１以上の予備配置シムの形態で送給される、請求項１記載の方法。
  7. 溶加材の１つが粉体の形態で送給され、他の溶加材が１以上の予備配置シムの形態で送給される、請求項１記載の方法。
  8. 溶加材の１つがワイヤの形態で送給され、他の溶加材が１以上の予備配置シムの形態で送給される、請求項１記載の方法。
  9. 溶接すべき部品が超合金を含む、請求項１記載の方法。
  10. 超合金タービン部品の溶接方法であって、
    溶接すべき１以上の部品を実質的に閉鎖された不活性ガス雰囲気中で１５００°Ｆ以上の予熱温度に予熱する段階と、
    少なくとも２通りの異なる溶加材送給法を利用して同一組成の複数の溶加材を溶接部に送給する段階と、
    予熱温度を維持しながら、予熱された１以上の部品をレーザービームを用いて溶接する段階と
    を含んでなる方法。
  11. ２通りの異なる溶加材送給法が粉体送給とワイヤ送給とを含む、請求項１０記載の方法。
  12. ２通りの異なる溶加材送給法が粉体送給と１以上の予備配置シムを含む、請求項１０記載の方法。
  13. ２通りの異なる溶加材送給法がワイヤ送給と１以上の予備配置シムとを含む、請求項１０記載の方法。
  14. 溶接すべき部品が超合金を含む、請求項１０記載の方法。
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