JP2009090371A - 溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 溶接の構成部品について適格な修理・溶接を行う。
【解決手段】 構成部品（１、１２０、１３０、１５５）を溶接する溶接法であって、 ５００℃より高く（＞５００℃）、６００℃より低い前記構成部品（１、１２０、１３０、１５５）の予熱温度を利用する。この温度によって周囲材料の降伏強度、従って、相互の拘束力を低下させることが可能である。
【選択図】 図９

Description

本発明は、たとえばレーザビームを用いてＮｉベースの表面とりわけ単結晶（ＳＸ）超合金基体を局所的に溶接し、同時に、亀裂を修理するのに最適な温度まで基体を予熱する方法に関するものである。

これは、とりわけ単結晶（ＳＸ）構成部品の場合にはブレードが高価であるため有用である。

先行技術文献（特許文献１参照）の教示によれば、溶接中の予熱温度は７６０℃であるが、より高温の９２０℃が望ましいとしている。

鋳造後または使用後、高温のタービン部品（例えばタービン動翼または静翼）は、加工前に修理しなければならない表面亀裂が現れる可能性がある。

米国特許第５，３７４，３１９号明細書

従って、本発明の目的はこの問題を克服し適格な修理・溶接を行う予熱の方法を提供することにある。

この問題は、請求項１に記載の方法によって解決される。従属クレイムにはさらなる有利なステップが記載されており、これらを任意に互いに組み合わせることによって、さらなる利点をもたらすことが可能である。

表面を局所的に制御したレーザ溶接または再溶融によってＳＸタービン部品に影響を及ぼす亀裂の修理をすることについては、レーザを利用したプロセスを利用することが予測される。

ＳＸ構成部品をレーザで処理する場合、２つの主要タイプの欠陥すなわち偽結晶粒（spurious grains）及び凝固亀裂が修理ゾーンに影響を及ぼす可能性がある。

ＳＸ構成部品のＳＸ修理がうまくいくための条件としては、エピタキシャル成長及び柱状成長を生じさせ、結晶粒界形成の原因となる等軸または誤配向柱状成長を回避することが必要になる。すなわち、ＳＸ構造を保証するには、エピタキシャル柱状成長を確実にする正確なプロセス制御が不可欠である。

この上述の微細構造の制御とは別に亀裂の生じない凝固を実現する条件が、実際の部品の修理に関する必須条件をなす。

予熱による周囲材料の温度上昇は、冷却速度を低下させ、亀裂傾向を抑制するための最も有効な手段となる。一般にガンマプライム相の析出で強化されたニッケルベース超合金に用いられる予熱処理は、時効温度（〜８７０℃）を超えかつ初期溶融温度を下回るように設定された延性温度まで全溶接領域を加熱することにあるが、米国特許第５，３７４，３１９号明細書に記載のように９５０℃〜１０００℃の間に収まるものと定義することも可能である。

この温度範囲内において、温度勾配は１桁または２桁小さくなり、従って、核形成の推進力が増すことによって偽結晶粒の核形成の危険性が高まることになる。従って、ＳＸ凝固のプロセス範囲（ウィンドウ）は大幅に縮小され、それによってＳＸレーザ利用修理の利用が著しく制限されることになる。

こうした高予熱温度は、高転位密度を示す位置（例えば動翼の付根）の再結晶化をトリガする可能性があるので、実際の部品までプロセスを拡大する恐れを生じることにもなる。

技術的現状において決まる予熱処理の利用に固有の制限は、それら２つの相いれない特徴（偽結晶粒核形成及び高温割れ）のバランスをとる予熱処理の定義することによって解決される。

本書で提案される最適予熱温度は、５００℃を超える。この特定の温度によって周囲材料の降伏強度、従って、相互の拘束力を低下させることが可能になり、その結果、通常は溶接ビードの避けられない収縮が制限され、重要部位に引張応力が生じることになり、同時に、偽結晶粒核形成の推進力が十分に低い値に保たれる。

用いられる加熱源は局所加熱処理を可能にする誘導システムに存在する可能性がある。

本明細書で定義の幾分低い温度を考慮すると、赤外線ランプ及び焦点をずらしたレーザビームの利用によって所望の予熱温度を実現することが考えられるかもしれない。

図１には、一例としてガスタービン１００の部分的縦断面が示されている。内部において、ガスタービン１００には、回転軸１０２まわりを回転できるように取り付けられ、シャフト１０１を備え、タービンロータとも呼ばれるロータ１０３が備えられている。

吸気ハウジング１０４、圧縮機１０５、及び、例えばトロイダル燃焼室１１０、特に環状燃焼室具体的には複数の同軸をなすように配置されたバーナ１０７、タービン１０８、及び、排気ハウジング１０９が、互いにロータ１０３に沿って並んでいる。

環状燃焼室１１０は、例えば環状高温ガス流路１１１に通じており、この場合、例えば４つの連続したタービン段部１１２によってタービン１０８が形成されている。

各タービン段部１１２は、例えば２つの動翼または静翼（案内翼）リングから形成されている。作動ガス１１３の流れの方向に見ると、高温ガス流路１１１内において、案内翼の列１１５に動翼１２０から形成された列１２５が後続している。

案内翼１３０はステータ１４３の内部ハウジング１３８に固定されているが、列１２５をなす動翼１２０は、例えばタービンディスク１３３によってロータ１０３に固定されている。

発電機（不図示）がロータ１０３に結合されている。

ガスタービン１００の運転中、圧縮機１０５が吸気ハウジング１０４を介して空気１３５を吸い込んで、圧縮する。圧縮機１０５のタービン側端部で生じる圧縮空気はバーナ１０７に送られ、燃料と混合される。次に、混合気は燃焼室１１０で燃焼して、作動ガス１１３を生じる。作動ガス１１３は、そこから高温ガス流路１１１に沿って流れ、案内翼１３０及び動翼１２０を通過する。作動ガス１１３は動翼１２０で膨張し、その運動量を移動させるので、動翼１２０がロータ１０３を駆動し、ロータ１０３がさらにそれに結合された発電機を駆動することになる。

ガスタービン１００の運転中、高温作動ガス１１３にさらされる構成部品は熱応力を受けることになる。作動ガス１１３の流れの方向に見ると、第１のタービン段部１１２の案内翼１３０及び動翼１２０が、環状燃焼室１１０の内側を覆う遮熱レンガと共に、最大の熱応力を受けることになる。その場所で優勢な温度に耐えることができるように、それらは冷却液によって冷却することが可能である。構成部品の基体は方向性を有する構造を備えることが可能である、すなわち、それらは単結晶形態（ＳＸ構造）であるかまたは縦配向の結晶粒だけしか備えない（ＤＳ構造）。

一例として、鉄ベース、ニッケルベース、または、コバルトベースの超合金が、構成部品、とりわけ、タービン動翼または静翼１２０、１３０、及び、燃焼室１１０の構成部品の材料として利用される。このタイプの超合金は、例えば、欧州特許第１ ２０４ ７７６ Ｂ１号明細書、欧州特許第１ ３０６ ４５４号明細書、欧州特許第１ ３１９ ７２９ Ａ１号明細書、国際公開第９９／６７４３５号パンフレット、または、国際公開第００／４４９４９号パンフレットによって既知のところである。

案内翼１３０は、タービン１０８の内部ハウジング１３８に向かい合った案内翼付根（ここでは不図示）と、案内翼付根から反対側の端部の案内翼ヘッドを備えている。案内翼ヘッドは、ロータ１０３と向かい合い、ステータ１４３の固定リング１４０に固定されている。

図２には、縦軸１２１に沿って延びるターボマシンの動翼１２０または案内翼１３０の透視図が示されている。

ターボマシーンは航空機または電気を発生するためのパワープラントのガスタービン、蒸気タービン、または、圧縮機とすることが可能である。

動翼または案内翼１２０、１３０は、縦軸１２１に沿って連続して、固定領域４００、隣接する動翼または案内翼プラットフォーム４０３、及び、動翼または案内翼本体４０６並びに動翼または案内翼先端４１５を備えている。案内翼１３０として、案内翼１３０はその案内翼先端４１５にもう１つのプラットフォーム（不図示）を備えることが可能である。

固定領域４００には、動翼１２０、１３０をシャフトまたはディスク（不図示）に固定するのに用いられる動翼または案内翼付根１８３が形成されている。動翼または案内翼付根１８３は、例えばハンマーヘッド形状をなすように設計される。のこぎり歯またはダブテール状の付根といった他の構造も可能である。

動翼または案内翼１２０、１３０は、動翼または案内翼本体４０６を通過して流れる媒体のために前縁４０９と後縁４１２を備えている。

従来の動翼または案内翼１２０、１３０の場合、一例として固体金属材料とりわけ超合金が動翼または案内翼１２０、１３０の全ての領域４００、４０３、４０６に用いられる。

このタイプの超合金は、例えば欧州特許第１ ２０４ ７７６ Ｂ１号明細書、欧州特許第１ ３０６ ４５４号明細書、欧州特許第１ ３１９ ７２９ Ａ１号明細書、国際公開第９９／６７４３５号パンフレット、または、国際公開第００／４４９４９号パンフレットによって既知のところである。動翼または案内翼１２０、１３０は、この場合、鋳造法によって、しかも方向性凝固も利用して、鍛造法によって、フライス加工法によって、または、それらの組み合わせによって製造することが可能である。

１つまたは複数の単結晶構造を備えた工作物が、動作時に強い機械的、熱的、及び／または、化学的応力にさらされる機械のための構成部品として用いられる。このタイプの単結晶工作物は、例えば溶融物からの方向性凝固によって製造される。これには、液体合金が凝固して、単結晶構造すなわち単結晶工作物を形成するか、または、方向性凝固する鋳造法が必要になる。この場合、樹枝状結晶が熱流方向に沿った配向をなし、柱状結晶粒構造（すなわち、工作物の全長にわたってひろがり、本明細書では慣習的に用いられる用語に従って方向性凝固したと称される結晶粒）または単結晶構造（すなわち、工作物全体が１つの単結晶から構成される）を形成する。非方向性成長は不可避的に縦及び横結晶粒界を形成し、そのために、方向性凝固構成部品または単結晶構成部品の好ましい特性が無効になるので、これらのプロセスにおいて、球状（多結晶）凝固への移行を回避する必要がある。

本書では一般的な用途で方向性凝固微細構造と称されているが、これは、結晶粒界がないかまたはせいぜい角度の小さい結晶粒界しかない単結晶と、結晶粒界が縦方向に延びているが、横結晶粒界はない単結晶の両方を意味するものと理解すべきである。この第２の形態の結晶構造は、方向性凝固微細構造（方向性凝固構造）としても記載される。このタイプのプロセスは、米国特許第６，０２４，７９２号明細書及び欧州特許第０ ８９２ ０９０ Ａ１号明細書によって既知のところである。

動翼または案内翼１２０、１３０は、さらに、腐食または酸化から保護するコーティングを施すことが可能である。例えばＭＣｒＡｌＸ（Ｍは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）から構成されるグループから選択される少なくとも１つの元素、Ｘは、活性元素であり、イットリウム（Ｙ）及び／またはシリコン及び／または少なくとも１つの希土類元素、または、ハフニウム（Ｈｆ）に相当する）。このタイプの合金は、欧州特許第０ ４８６ ４８９ Ｂ１号明細書、欧州特許第０ ７８６ ０１７ Ｂ１号明細書、欧州特許第０ ４１２ ３９７ Ｂ１号明細書、または、欧州特許第１ ３０６ ４５４ Ａ１号明細書によって既知のところである。密度は理論密度の９５％が望ましい。保護酸化アルミニウム層（ＴＧＯ＝熱成長酸化物層）がＭＣｒＡｌＸ層上に形成される（中間層または最外層として）。

例えばＺｒＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃−ＺｒＯ₂から構成される、すなわち、酸化イットリウム及び／または酸化カルシウム及び／または酸化マグネシウムによって不安定化された、部分的に安定化された、または、完全に安定化された、最外層であることが望ましい断熱コーティングをＭＣｒＡｌＸ上に施すことも可能である。断熱コーティングによってＭＣｒＡｌＸ層全体が被覆される。例えば電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）のような適合するコーティング法を用いて、断熱コーティングに柱状結晶粒が生じさせられる。例えば大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、ＬＰＰＳ、ＶＰＳ、または、ＣＶＤといった他のコーティング法もあり得る。断熱コーティングには、その耐熱衝撃性を改善するためマイクロクラックまたはマクロクラックを備える多孔性結晶粒子を含むことが可能である。従って、断熱コーティングはＭＣｒＡｌＸ層よりも多孔性であることが望ましい。

動翼または案内翼１２０、１３０は中空または中実の形態をなすことが可能である。動翼または案内翼１２０、１３０を冷却すべき場合には、中空とし、フィルム冷却孔４１８（点線で表示）を備えることも可能である。

図３には、ガスタービン１００の燃焼室１１０が示されている。燃焼室１１０は、例えば、回転軸１０２の周囲に配置された多数のバーナ１０７が共通燃焼室空間１５４内に開いていて、火炎１５６を発生する環状燃焼室として既知のもののように構成することが可能である。このため、燃焼室１１０全体が、回転軸１０２のまわりに配置される環状構造をなしている。

比較的高い効率を実現するため、燃焼室１１０は、約１０００℃〜１６００℃の比較的高い作動媒体Ｍの温度に合わせて設計される。材料にとって好ましくないこれらの動作パラメータの場合でも比較的長い態様寿命を可能にするため、燃焼室壁１５３はその作動媒体Ｍにさらされる側に遮熱素子１５５から形成された内張りが施される。

燃焼室１１０の内部は高温になるので、遮熱素子１５５及び／またはその保持素子のために冷却システムを設けることも可能である。従って、遮熱素子１５５は例えば中空とし、適切な場合には、燃焼室空間１５４内に開く冷却孔（不図示）も備える。

合金から製造される各遮熱要素１５５は、その作動媒体側に特に耐熱性保護層（ＭＣｒＡｌＸ層及び／またはセラミックコーティング）が施されるか、あるいは、耐熱性材料（中実セラミックレンガ）から製作される。これらの保護層は、タービン動翼または静翼に用いられるものと同様とすることが可能であり、すなわち、例えばＭＣｒＡｌＸを表わすが、Ｍは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）から構成されるグループから選択される少なくとも１つの元素、Ｘは、活性元素であり、イットリウム（Ｙ）及び／またはシリコン及び／または少なくとも１つの希土類元素、または、ハフニウム（Ｈｆ）に相当する。このタイプの合金は、欧州特許第０ ４８６ ４８９ Ｂ１号明細書、欧州特許第０ ７８６ ０１７ Ｂ１号明細書、欧州特許第０ ４１２ ３９７ Ｂ１号明細書、または、欧州特許第１ ３０６ ４５４ Ａ１号明細書によって既知のところである。

例えばＺｒＯ₂、Ｙ₂Ｏ₃−ＺｒＯ₂から構成される、すなわち、酸化イットリウム及び／または酸化カルシウム及び／または酸化マグネシウムによって不安定化された、部分的に安定化された、または、完全に安定化された断熱コーティングをＭＣｒＡｌＸ上に施すことも可能である。例えば電子ビーム物理蒸着（ＥＢ−ＰＶＤ）のような適合するコーティング法を用いて、断熱コーティングに柱状結晶粒が生じさせられる。例えば大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）、ＬＰＰＳ、ＶＰＳ、または、ＣＶＤといった他のコーティング法もあり得る。断熱コーティングには、その耐熱衝撃性を改善するためマイクロクラックまたはマクロクラックを備える多孔性結晶粒子を含むことが可能である。

改修は、使用後、タービン動翼または静翼１２０、１３０、遮熱素子１５５から保護層を除去しなければならない（例えば、サンドブラストによって）可能性があることを意味している。従って、腐食及び／または酸化層及び生成物が除去される。適切な場合には、タービン動翼または静翼１２０、１３０または遮熱素子１５５の亀裂も修理される。これに続いて、タービン動翼または静翼１２０、１３０、遮熱素子１５５の再コーティングが施され、それが終了すると、タービン動翼または静翼１２０、１３０または遮熱素子１５５を再使用することが可能になる。

図４には、基体４を構成する構成部品１、１２０、１３０、１５５が示されている。

基体４はとりわけ超合金、特にニッケルベースの超合金から製造される。

図７には、この方法によって修理可能な超合金、とりわけ、ＰＷＡ１４８３ＳＸ、ＣＭＳＸ４が記載されている。

この基体４には、閉じなければならない亀裂１０または穴１０がある。穴または亀裂１０は盲穴である。

とりわけ亀裂１０の深さは０．７５ｍｍ〜１．５ｍｍまでである。とりわけ亀裂１０の深さは、１ｍｍまで、特に１ｍｍの範囲内である。構成部品の表面２２における亀裂の幅は１０μｍ〜１００μｍの範囲内が望ましい。

予熱は、溶接すべき領域１０のまわりで局部的にのみ実施するのが望ましく、他の領域では、温度ははるかに低くなる。

５００℃以下の温度は結晶粒の誤配向のような欠陥を増加させることになるため、＞５００℃の温度、とりわけ、５１０℃〜５５０℃の温度範囲にすると、温度勾配が高くなり、そのために良好な溶接の降伏率（yielding rate）が低下するかまたは欠陥数が減少するので（図９）、極めて良好な結果が得られる。ここで「＞５００℃」は、所定の測定許容差がΔＴ（＞０）の温度Ｔが５００℃を超える、すなわち、Ｔ_preheat＞５００℃＋ΔＴであることを表わしている。

予熱温度は、溶接プロセス全体にわたって維持されるのが望ましい。

用いられる溶接装置としてレーザ１３の実行可能態様がいくつか存在するが、Ｎｄ−ＹＡＧまたは高出力ダイオードレーザタイプを用いるのが最良であることが分かっている。

レーザビームのスポットサイズの直径は、２．５ｍｍ〜５ｍｍ、とりわけ３ｍｍ〜５ｍｍの範囲内であり、別して云えば４ｍｍである。意外にも、レーザビームの焦点のこうした大きい直径が、その小さい亀裂（１０μｍ〜１００μｍ）の修理に良好な結果を示すことが判明した。ここで「小さい」は基体４の表面２２における亀裂幅に関連する。レーザ１３Ｐ_Laser［Ｗ］のパワーは４５０ワット〜９５０ワット、とりわけ、５００ワット〜９００ワット（図８）が望ましいので、２，３ｋＷ／ｃｍ²〜３０ｋＷ／ｃｍ²、とりわけ、２，５ｋＷ／ｃｍ²〜２９ｋＷ／ｃｍ²のレーザ強度に達することになる。レーザビームと修理を受ける基体４の相対運動は、１ｍｍ／秒未満、とりわけ、０．９ｍｍ／秒以下、別して云えば５０ｍｍ／分が望ましい。相対運動は０．４ｍｍ／秒以上、とりわけ、０．６ｍｍ／秒以上が望ましい。

それにもかかわらず、その供給材料がやはり溶接装置１３によって溶融する材料供給装置１６によって、付加材料１９（図６）とりわけＣＭＳＸ４ベースの粉末であるＰＷＡ １４８３（図６、とりわけ粉末の形態をなす）を付加することが可能である。

ガスタービンを示す図である。 タービン動翼を示す図である。 燃焼室を示す図である。 溶接によって修理すべき構成部品を示す図である。 溶接によって修理すべき構成部品を示す図である。 溶接によって修理すべき構成部品を示す図である。 超合金のリストである。 実験結果を示す図である。 実験結果を示す図である。

符号の説明

１００ ガスタービン
１０１ シャフト
１０２ 回転軸
１０３ ロータ
１０４ 吸気ハウジング
１０５ 圧縮機
１０７ バーナ
１０８ タービン
１０９ 排気ハウジング
１１０ 環状燃焼器
１１１ ガス流路
１１２ タービン段部
１２０ 動翼
１３０ 案内翼
１３３ タービンディスク
１３８ 内部ハウジング
１４０ 固定リング
１４３ ステータ
１５５ 遮熱素子

Claims (23)

1. 構成部品（１、１２０、１３０、１５５）を溶接する溶接方法であって、
   ５００℃より高く（＞５００℃）、６００℃より低い前記構成部品（１、１２０、１３０、１５５）の予熱温度が利用されることを特徴とする方法。
2. 予熱温度が５１０℃を超えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 予熱温度が５２０℃を超えることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 予熱温度が５５０℃未満であることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記構成部品（１、１２０、１３０、１５５）がニッケルベースの超合金から製造されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記構成部品（１、１２０、１３０、１５５）が方向性凝固柱状結晶粒（ＤＳ）から製造されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記構成部品（１、１２０、１３０、１５５）が単結晶超合金（ＳＸ）から製造されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
8. レーザ（１３）が溶接に用いられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
9. プラズマが溶接に用いられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
10. 前記構成部品（１、１２０、１３０、１５５）が誘導システムによって予熱されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記構成部品（１、１２０、１３０、１５５）が赤外線ランプによって予熱されることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記構成部品（１、１２０、１３０、１５５）が、溶接にも用いられるレーザによって予熱されることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記構成部品（１、１２０、１３０、１５５）が、溶接される領域（１０）において局所的にのみ予熱されることを特徴とする、請求項１、請求項５、請求項１０、請求項１１、請求項１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 溶接される領域（１０）に材料（１９）が付加されることを特徴とする、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の方法。
15. 溶接される領域（１０）に材料が付加されないことを特徴とする、請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 溶接中、予熱温度が維持されることを特徴とする、請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の方法。
17. レーザビームのスポットサイズが、直径２．５ｍｍ〜５ｍｍ、特に３ｍｍ〜５ｍｍ、とりわけ４ｍｍであることを特徴とする、請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 前記レーザ（１３）の出力が４５０Ｗ〜９５０Ｗ、とりわけ５００Ｗ〜９００Ｗであることを特徴とする、請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の方法。
19. レーザビームと前記構成部品の相対運動が１ｍｍ／秒未満であることを特徴とする、請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載の方法。
20. 前記相対運動が１ｍｍ／秒であることを特徴とする、請求項１から請求項１９のいずれか１項に記載の方法。
21. 前記相対運動が０．４ｍｍ／秒以上及び０．９ｍｍ／秒以下、とりわけ、５０ｍｍ／分であることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
22. Ｎｄ−ＹＡＧレーザが用いられることを特徴とする、請求項１から請求項２１のいずれか１項に記載の方法。
23. 溶接方法が再溶融法であることを特徴とする、請求項１から請求項２２のいずれか１項に記載の方法。

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