JP2009513358A

JP2009513358A - 溶接継手の製作方法

Info

Publication number: JP2009513358A
Application number: JP2008536923A
Authority: JP
Inventors: エーバライン、アーミン; シュナイダー、アルベルト−バレンティン; エッカート、ディルク
Original assignee: エムティーユーエアロエンジンズゲーエムベーハー
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2009-04-02
Also published as: US20090184153A1; EP1940581B1; EP1940581A1; DE102005051229B4; ATE473832T1; WO2007048384A1; DE102005051229A1; DE502006007445D1

Abstract

本発明はタービン機械の構造部材の、特に部材の補修のための溶接継手の製作方法に関し、特に交換部品としての第一の部材（１２）には、第一の部材（１２）が特に補修部品としての第二の部材（１１）に嵌合するよう、ポケット状の凹み（１３）が設けられ、それにより第二の部材は前記ポケット状の凹み（１３）の底部に端部で係合し、そして第一の部材（１２）と第二の部材（１１）が、互いに溶接される。本発明によれば、第一の部材（１２）に、前記ポケット状の凹み（１３）に加え、続く部材の溶接作業において放熱と部材の変形を最小とするために、少なくとも一の切り欠き部（１４，１８）が設けられる。
【選択図】図４

Description

本発明はタービン型機械の構造部材のための、特に請求項１の前提部分に記載されたような部材の補修のための、溶接継手の製作方法に関する。

ドイツ特許ＤＥ４２２５４４３Ｃ２にはタービン型機械の構造部材のための、特にガスタービンブレードのブレード部分の補修のための、溶接継手の製作方法が説明されている。すなわちこの目的達成のために、ガスタービンブレードのブレード部分から損傷を受けた部分が除去され、交換部品により交換される。交換部品はまた継ぎ当（パッチ）とも呼ばれる。ドイツ特許ＤＥ４２２５４４３Ｃ２によれば交換部品にはポケット状の凹み（リセス）が設けられ、このポケット状の凹みが、補修されるべきガスタービンブレードのブレード部分に交換部品を配置するのに役立つ。ドイツ特許ＤＥ４２２５４４３Ｃ２は二つの部品を溶接するために、交換部品と補修されるべきガスタービンブレードのブレード部分との間の、ポケット状の凹み部分に形成される間隙を金属粉で埋めることについても論じている。

ここで、溶接継ぎ目部分に欠陥が形成され、互いに接合される部品に同様に内部応力が誘起されるという問題がある。

このような背景を踏まえ、本発明の目的はタービン型機械の部材、特に構造部材の補修に用いるための、優れた溶接継手の製作方法を具現化することである。本目的は請求項１に記載された方法により達成される。本発明によれば、ポケット状の凹みに加えて、部品を溶接した後処理での部品の歪みの発生と熱放散とを最小にするために、第一の部材に少なくとも一の切り欠きが設けられる。

ポケット状の凹みに加え、本発明によれば、好ましくは交換部品として使用される第一の部材に、一あるいは複数の部材の切り欠きが適宜設けられる。第一の部材にこの切り欠き、個々の複数の切り欠きが設けられることにより、形成される溶接継ぎ目部分に沿った平衡でない熱分布が防止される。その結果溶接継ぎ目部分の欠陥の形成は最小化される。加えて、部材溶着の過程で内部応力の発生と部材変形が最小化される。

第一の切り欠きは好ましくは第一の部材のポケット状の凹みと反対側にある側壁に設けられる。この第一の切り欠きは階段状あるいは丸みのある形状であって実質的に部材間に形成される溶接継ぎ目の方向に延びる。

第二の複数の切り欠きは好ましくは第一の部材のポケット状の凹みを囲むところにある側壁に設けられる。この第二の切り欠きはスリットあるいはスロット状の形状であって、部材間に形成される溶接継ぎ目の方向に対し実質的に横方向に延びる。

（発明の効果）
本発明による効果的な改良は、第一の部材にポケット状の凹みを備え、その凹みの形状が嵌合すべき第二の部材の終端の形状に適合し、第一の部材が第二の部材に嵌合した際、第一の部材のポケット状の凹みと第二の部材の端部がポケット状の凹みの領域で互いに面一で収まり、両部材間に形成される間隙が最小となることである。関連技術として知られた方法に比べ、より進歩した溶接継手の品質が得られる。特に互いに接合される部材に形成される内部応力と欠陥の形成が防止される。

本発明の好適な実施形態は特許請求の範囲の従属項と以下の説明から理解される。本発明は以下の例示としての実施態様に極めて詳細に記載されるが、これに限定されるものではない。（以下の図面が参照される。）

本発明はタービン型機械の構造部材のための溶接継手の製作方法に関する。本発明は、特にガスタービン部材の補修のために用いられる。このために（図１参照）、損傷した部分はガスタービンブレード１１のブレード部材１０から補修のため除去あるいは分離され、そこに交換部品１２を溶接することにより交換される。本発明は好適な用途として以下のように説明されるが、本発明による方法はいかなる部品を溶接する場合にも使用されうることを、この時点で明記しておく。

本発明の方法を使用してガスタービンブレード１１を補修するために、すでに述べたように、ガスタービンブレード１１のブレード部材１０から、損傷したブレード部分がまず初めに補修のため分離される。この損傷したブレード部分は交換部品１２、継ぎ当とも呼ばれる、を残りのブレード１１に溶接することにより、交換部品１２と交換される。一旦部品が溶接されると、ブレード１０に要求される空力特性を持つ表面を得るために、少なくとも交換部品１２について表面機械加工が施される。

残りのブレード１１は、少なくともその断面、すなわち少なくとも損傷したブレード部分を分離したことによりできた分離部分の領域について計測される。計測の目的は、交換部品１２に設けられるポケット状の凹み１３（図５参照）にある。ポケット状の凹み１３はその形状により、ブレードの損傷した部分を分離した結果、ブレード１０にできた、ブレード１０の分離した領域に適合される。交換部品１２はこのポケット状の凹み１３を介してブレード１０の分離した部分上に嵌まり込む。そして実際このようにしてブレードの端部または分離された端部は交換部品１２のポケット状の凹み１３の底部上に載るような形になる。このような状況においては、ポケット状の凹み１３の形状は、交換部品１２のポケット状の凹み１３とガスタービンブレード１０のブレード１１との間に形成される間隙が最小限の大きさになるよう、ブレード１０の切除領域の形状に適合する。実際、交換部品１２とブレード１０はポケット状の凹み１３中でお互いにぴったり面一で収まるようになる。そして交換部品１２とブレード１０は追加の溶加材、特にフラックスを使用することなく互いに溶接される。

交換部品に設けられるポケット状の凹み１３は、基本的に交換部品１２とブレード１０が接合されるところの溶接継ぎ目の線に沿って均一な厚みを有するように形成される。このようにすることによって溶接継ぎ目の線に沿って溶接される場合に溶接パラメータを実質的に一定にすることができる。

スリット状そして／又はスロット状そして／又は階段状そして／又は丸みのあるそして／又は穴状の凹所が交換部品１２、すなわちその側壁の外部表面に設けられる。これにより、溶接プロセス全体を通じて実質的に一定に溶接の処理温度を維持し、溶着されるべき部材１１、１２からの放熱を最小にすることができる。交換部品１２にスリット状そして／又はスロット状そして／又は階段状そして／又は丸みのあるそして／又は穴状の凹所を設けることにより、交換部品１２の変形を防ぐことができる。これにより溶接品質の向上が図られる。

図２に示した実施例では、交換部品１２として用いられる第一の部材にポケット状の凹み１３に加えて、切り欠き１４が設けられており、この切り欠き１４は交換部品１２の、ポケット状の凹み１３と反対側の側壁１５に設けられている。図２に示した実施例では、切り欠き１４は丸みを与えられた円弧状の形状を有する。すなわち切り欠き１４は図２に示した実施例では丸みのあるデザインを有する。切り欠き１４は実質的に、ガスタービンブレード１１の各々について、ブレード１０と交換部品１２との間に形成される溶接継ぎ目の方向と同様に、ブレード１０の半径方向に延びている。図２によれば、切り欠き１４は側壁１５の内面に向かって半径方向に設定される。

図３に示した実施例では、同様にポケット状の凹み１３と反対側の側壁１５に設けられた切り欠き１６は、図２の実施例の切り欠き１４とは対照的に、丸みを帯びた形状ではなく、むしろ階段状の形状を有する。切り欠き１６は、実質的に、ガスタービンブレード１１の各々について、ブレード１０と交換部品１２との間に形成される溶接継ぎ目の方向と同様に、順にブレード１０の半径方向に延びていて、図３によれば、側壁１５の内面に向かって半径方向に設定される。

図４と５に示した実施例では、交換部品１２の凹み１３と反対側の側壁１５に設けられた丸みのある形状の凹み１４に加えて、スリット又はスロット状の形状を持つ凹み１８が、交換部品１２のポケット状の凹み１３を囲む互いに対抗する側壁１７に設けられる。図４と５に示した実施例では、スリット又はスロット状の形状を持つ凹み１８は、実質的に補修されるべきガスタービンブレード１１のブレード１０の軸方向に、従ってブレード１０と交換部品１２の間に形成される溶接継ぎ目に対し実質的に横方向に延びている。

加えて、図５に参照されるように、好ましくは丸みのある形状の追加の部材の切り欠きにより、図４と５に示した実施例の交換部品は互いに対抗する側壁１７に、その半径方向内側に狭窄した部分を持ち、スリット又はスロット状の形状を持つ凹み１８は、専らこの互いに対抗する側壁１７の半径方向内側に狭窄した部分に形成される。図４と５に示した実施例と反対に、スリット上の凹み１８は、交換部品１２の全半径方向に延びると同時に、凹み１３の全長に亘って延びていてもよい。

図４と５に示した実施例では、ブレード１１のブレード先端につながる領域の変形を防ぐため、別の切り欠き２０がポケット状の凹み１３の半径方向外側の部分に設けられている。

図６は本発明の他の実施例を示す。図６の実施例では、交換部品１２に、一方では階段状あるいは段差のある形状の切り欠き１６が設けられ、他方では複数のスリット又はスロット状の切り欠き１９が設けられる。図６の実施例では、スリット又はスロット状の切り欠き１９はポケット状の凹み１３の反対側にある交換部品１２の側壁１５に設けられる。図６の実施例によれば、スリット又はスロット状の形状を持つ凹み１９は、実質的に補修されるべきガスタービンブレード１１の、各々ブレード１０の円周方向に、そして実際ポケット状の凹み１３の全半径方向全体に亘って設けられる。

図１から６の実施例では、交換部品１２は補修されるべきガスタービンブレード１１のブレード１０の一の縁の領域に、つまりその前縁領域か後縁領域かに伸びている。一方図７では、交換部品１２は補修されるべきガスタービンブレード１１のブレード１０の軸方向全体に、すなわちその前縁と後縁との間に渡って延びている。図７の実施例の交換部品１２が同様にポケット状の凹み１３を持つことは自明である。図７の実施例の交換部品１２には複数のスリット又はスロット状の切り欠きが設けられている、すなわち前縁および後縁近傍にはそれぞれ第一のスリットタイプの切り欠き２１が、翼端の近傍には第二のスリットタイプの切り欠き２２が設けられていて、第一の切り欠き２１は実質円周方向に、そして第二の切り欠き２２は実質半径方向に延びている。加えて、交換部品１２にはガスタービンブレード１１のそれぞれに、ブレード１０の半径方向に延びる丸みのある形状の切り欠き２３が、後縁近傍とともに前縁近傍に設けられる。第二のスリットタイプの切り欠き２２と丸みのある形状の切り欠き２３は、実質的に形成される溶接継ぎ目の方向に対して横方向に延びる。一方、第一のスリットタイプの切り欠き２１は、実質的に形成される溶接継ぎ目の方向に延びる。切り欠き２１、２２と２３はポケット状の凹みと境界を有するよう交換部品１２の側壁に設けられる。

溶接作業にあたっては、熱源の助けを借りて、接合されるべき部材１１，１２が実際の溶接作業に先立ちある処理温度にまで余熱されるようにされてもよい。すなわち熱源の利用により溶接中に二つの部材１１，１２は同様にその処理温度に維持される。溶接作業の終了に際し、接合された部材は溶接後熱処理を施されてもよい。熱源としては、例として誘導熱源、コイル状電熱線またはレーザーなどが用いられる。

すでに述べたように、溶接継ぎ目の形成に先立ち交換部品１２は損傷したブレードの部分が除去された補修すべきブレード１０に、ポケット状の凹み１３を介して嵌まり込む。一旦嵌合すると交換部品１２はブレード１０上に仮付け溶接で留めることもできる。溶接中に交換部品１２をブレード１０上に保持するために、特別に設計された保持装置を用意してもよい。溶接継ぎ目形成のため交換部品１２の終始端にタブ板を接合してもよい。

仮に交換部品がブレードの前縁、後縁それぞれと翼端との間にわたる継ぎ当（パッチ）である場合、溶接継ぎ目はどのようにも所望に応じ、一方では前縁、後縁それぞれから翼端へ、あるいは反対に翼端から前縁、後縁に延びるようにしても良い。

本発明による方法は部材を接合する溶接継手の利用を最適化する。特に、ガスタービンの構造部品の溶接継手を形成する際に、一定の溶接パラメータを用いることが可能となる。そのため、溶接の際、接合されるべき部材内の内部応力の発生とともに、欠陥の形成が最小化される。その結果、全体として溶接品質が向上する。

補修されるガスタービンブレードを当該ブレードに溶接される交換部品と共に示す。本発明の第一の実施例による、図１に従った構成の詳細である。本発明の第二の実施例による、図１に従った構成の詳細である。本発明の第三の実施例による、図１に従った構成の詳細である。図４の交換部品を斜視図として示す。本発明の他の実施例による、図１に従った構成の詳細である。そして、補修すべき他のガスタービンブレードを、当該ブレードに溶接される交換部品と共に示す。

Claims

ガスタービンの部材、特に部材の補修のための溶接継手の製作方法であって、第一の部材（１２）には、特に補修の際、第二の部材（１１）に嵌合するようポケット状の凹み（１３）が設けられ、それにより前記第二の部材（１１）が前記ポケット状の凹み（１３）の底部に端部で係合し、前記第一の部材（１２）と前記第二の部材（１１）が互いに溶接されるものにおいて、
前記第一の部材（１２）に、前記ポケット状の凹みに加え、続く部材の溶接作業において放熱と部材の変形を最小とするために、少なくとも一の切り欠き部を設けたことを特徴とする溶接継手の製作方法。
前記第一の部材（１２）の前記ポケット状の凹み（１３）と反対側に位置する側壁（１５）には第一の切り欠き（１４，１６）が設けられ、当該第一の切り欠き（１４，１６）は階段状あるいは丸みのある形状を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記第一の切り欠き（１４，１６）は実質的に部材間に形成される溶接継ぎ目の方向に延びることを特徴とする請求項２に記載の方法。
前記ポケット状の凹みを囲む前記第一の部材（１２）の少なくとも一の側壁（１５，１７）には第二の切り欠き（１８，１９）が設けられ、当該第二の切り欠き（１８，１９）はスリットあるいはスロット状の形状を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
前記第二の切り欠き（１８，１９）は実質的に部材間に形成される溶接継ぎ目に対し横方向に延びることを特徴とする請求項４に記載の方法。
前記ポケット状の凹み（１３）を囲み、かつ前記ポケット状の凹み（１３）に対し実質的に横方向に延びる、相互に対抗する側壁（１７）に設けた切り欠きにより、前記第一の部材（１２）は狭窄した形状を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の方法。
前記第一の部材（１２）が、ガスタービンブレードとして設計された前記第二の部材（１０）のブレード（１１）を補修するための交換部品である場合、前記第一の切り欠き（１４，１６）は実質的に前記ブレードの半径方向に、前記第二の切り欠き（１８，１９）は実質的に前記ブレードの軸方向そして／又は円周方向に延びることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
切り欠き（２１，２２，２３）、すなわちスリット又はスロット状の形状を有する切り欠き（２１，２２）と丸みのある形状を有する切り欠き（２３）とが前記第一の部材（１２）のポケット状の凹みを囲む複数の側壁に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
嵌合した際に前記第二の部材（１１）の端部の形状に適合するような形状を有するポケット状の凹み（１３）を前記第一の部材（１２）へ設け、前記第一の部材が前記第二の部材に嵌合した際、部材がポケット状の凹みの領域で互いに面一で収まり、前記第一の部材のポケット状の凹みと前記第二の部材の端部との間に形成される間隙が最小となるようにされたことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の方法。
二つの部材は追加の溶加材、特に溶接フラックスを使用することなく溶接されることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の方法。
前記第一の部材の各ポケット状の凹みは、部材の厚みが溶接継ぎ目の線に沿って均一となる形状を有し、それにより該溶接継ぎ目の線に沿って溶接する際には、実質的に一定な溶接パラメータが使用できることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
二つの部材は溶接作業に先立ち少なくとも前記溶接継ぎ目の線の領域について処理温度にまで予熱され、溶接中は前記二つの部材は少なくとも前記溶接継ぎ目の線の領域についてその処理温度に維持されることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の方法。
ガスタービンブレードの部品を補修するため、交換部品としてあるいは継ぎ当として設計された第一の部材と、ガスタービンブレードとして設計された第二の部材のブレードとの間に溶接継手が形成される場合において、このために交換部品により交換される予定のブレード部分を分離した後、残りのブレードは前記ポケット状の凹みを前記交換部品に設けるために、少なくともその断面について計測されることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の方法。