JP2010172963A - レーザ蒸着を用いた溶接によりブリスクドラムのブレードを修復する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ蒸着を用いた溶接により、ガスタービン用のブリスクドラムのブレードを修復する装置を提供する。
【解決手段】装置はレーザ光源に接続されビームが長さ方向に偏向等されるモジュール１３を備え、CCDカメラ１２用のモジュールが接続されCCDカメラで装置を配置し、ブレードへの粉末の蒸着を監視、制御が可能で、モジュール１３のカメラモジュールに対向側にレーザビームを成形、集光するモジュール１９、モジュール２０が隣接する。モジュール２０内の長手方向でヘッド２１内の溶接粉末供給装置に接続される供給路３５が、出射口３６へ配向される。出射口にモジュール２２が隣接し、これがガス源に接続され対象のブレードを含む開いた保護ガスダクトを形成し、翼端に付加される蒸着金属を保護ガスで封止し蒸着物を融解時等の劣化から保護する。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ蒸着を用いた溶接によりガスタービン用のブリスクドラムのブレードを修復する装置に関し、この装置は、集光レーザビームを生成するレーザ光源およびレーザ光学素子、およびレーザビームにより溶解される金属粉末を溶接部位に供給する粉末タンクに接続される粉末供給路を含む。

公知のように、ガスタービンエンジンのコンプレッサのロータは、最適な気流誘導および高コンプレッサ効率を実現するため、軽量なブリスク形式に構成される。このような構成において、ブレードはロータディスク上に一体形成される。前述のように製造されたロータディスクは、溶接もしくはねじ式接続により相互に強固に結合されてロータドラムを形成する。砂塵もしくは例えば石等の異物衝突により大きな負荷を受けたブレードの、詳細には前縁および後縁および翼端を修復するために、ブレードの損傷部分を切断／機械加工により分離し、当該部分を、蒸着を用いた溶接により充填し、その後、当該部分を所定の寸法に再加工する方法が知られている。特許文献１より、レーザー蒸着を用いた溶接によるブレードの修復方法が公知であり、この方法においては、ブレードの損傷部分を翼端の方から分離し、分離した構造部分をレーザー蒸着を用いた溶接により翼端まで置換する。その後、通常の機械加工により最終的な寸法に形成し、熱処理加工する。レーザー蒸着を用いた溶接装置は、冷却出射口を介して粉末材料を溶接部位に供給するアルゴン充填電力リザーバおよび粉末材料を融解する適切な形状のレーザビームを生成するレーザ光学素子を備えるレーザ光源を含む。当該装置によれば、ブリスクのブレードをレーザー蒸着を用いた溶接により翼端から修復可能であるが、ブリスク型コンプレッサドラム内でブレードの段が緊密に隣接するため、公知のレーザー蒸着を用いた溶接装置は必要とする空間が大きく、溶接加工において周囲の外気に無防備に露出するため、当該装置はブリスクドラムのブレード前縁および後縁の損傷部分を高品質に修復するには不適である。

米国特許第５０３８０１４号明細書

本発明の特性は広義には、隣接するコンプレッサ段間の制限された空間においてブレード前縁および後縁を高品質に修復可能な、レーザー蒸着を用いた溶接によりブリスクドラムのブレードを修復する装置を提供することである。

本発明の詳細な目的は、本発明の請求項１に記載の特性に基づいて構成されるレーザビーム蒸着を用いた溶接装置により、上述の問題を解決することである。本発明の効果的な変形例は従属請求項より明らかにされる。

本発明は本質的には、管状に細長く形成されるモジュラー式溶接装置を提供するものであり、装置は、レーザ光源に接続され、入光するレーザビームが内部で長さ方向に偏向され、並行化される接続モジュールを備える。接続モジュールの一方側にはＣＣＤカメラ用のカメラモジュールが接続され、ＣＣＤカメラにより、溶接装置を正確に配置し、各ブレードへの溶解金属粉末の蒸着を監視し、制御することが可能となる。接続モジュールのカメラモジュールに対向する側には、レーザビームを更に成形および集光するビーム成形モジュールおよび細長形状の溶接ヘッドモジュールが隣接し、レーザビームおよび粉末供給路は、溶接ヘッドモジュールの長さ方向に伸長し、かつ蒸着ヘッド内で側方出射口へ向かって配向される溶接粉末供給装置に接続される。出射口には保護ガス源に接続され、解放保護ガスダクトを形成する保護ガスシールドモジュールが隣接し、翼端に付加される蒸着金属を保護ガスにより封止して、蒸着物を融解および冷却時の劣化から保護する。上述のように構成される装置により、ブリスクドラムにおいて隣接する２段が緊密に配置されている場合でも、所定の手順で前加工された損傷ブレードの前縁および後縁をレーザー蒸着を用いた溶接により高精度かつ高品質の蒸着で修復可能となる。

本発明の他の特性によれば、保護ガスシールドモジュールは、溶接ヘッドモジュール上に配置される固定ダクト部、各ブレードの形状およびサイズに適合する交換可能な可動ダクト部、および修復対象のブレードに一時的に取付けられ、蒸着加工時に溶接装置および保護ガスシールドモジュールを保持するスロット付摺動素子を含む。したがって、溶接部位は実質的に保護ガスにより封止され、蒸着、融解および冷却時の溶接材料の劣化をほぼ防止する。

本発明の変形例においては、水源に接続される冷却回路を介して冷却される、ビーム成形および集光する視準レンズおよび集光レンズは接続モジュールおよびビーム成形モジュール内に配置される。

本発明の更なる変形例においてはまた、ビーム成形モジュールは保護ガス源に接続されて、溶接装置の光学素子の劣化を防止する。

本発明の変形例においては、接続モジュールおよび溶接ヘッドモジュール内に配置されてレーザビームを偏向させる偏向鏡と、白色光ビームをＣＣＤカメラへ向かって偏向させる反射鏡とを備える。

本発明の更なる変形例においては、溶接装置を工業用ロボット等に接続する固定素子が接続モジュールもしくはビーム成形モジュール上に設けられる。

本発明の更なる変形例においては、レーザ光を接続モジュールに結合する光ファイバコネクタが設けられ、光ファイバコネクタは接続モジュールに接続され、光ファイバケーブル（１５）を介してレーザ光源に接続される。

好ましい実施の形態を示す添付の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

図１は、航空機用ガスタービン用のブリスク型コンプレッサドラムにおいて、複数のブレードが前縁もしくは後縁に損傷を受けた状態を示す斜視図である。 図２は、レーザー蒸着を用いた溶接によりブリスクドラムのブレードを修復する装置の概略図である。 図３は、図２に記載の装置内におけるビーム配向を示す図である。 図４は、蒸着・溶接部位を保護ガスによりシールドする装置の概略図である。 図５は、レーザー蒸着を用いた溶接において損傷ブレードの前縁に配置される溶接装置の部分図である。

図１に示す四段ブリスクドラムは、相互に強固に接続され、かつ各々が外周に一体化して形成されるブレード２を備える４個のロータディスク１を含み、ブレード２のいくつかは前縁および後縁に異物衝突による損傷部位３を有する。損傷ブレードをレーザー蒸着を用いた溶接により修復するため、損傷部位３を切削し、これにより分離部位４を形成する。前述のように前加工した損傷ブレード上に以下に説明するレーザー蒸着を用いた溶接装置を配置し、保護ガスシールド下で、ブレード材料に適合する溶解金属粉末の複数の層をブレード前縁もしくは後縁の分離部位４上に蒸着し、これにより、ブレード後縁の損傷部位に対して図１に示す蒸着部位５を形成する。次に、蒸着部位５を機械加工し、最終的に修復部位６を形成する。これにより、損傷ブレードの全てを高品質に修復する。

図２および図３に示す、前加工済みの損傷翼端をレーザー蒸着を用いて溶接する装置は、加工対象のブレード２上に配置される（図５参照）複合モジュラー型溶接装置７を含み、図２によれば、レーザ光源８、水源９、溶接粉末供給装置１０、保護ガス源１１、およびＣＣＤカメラ１２と連動する。レーザ光源８には、光ファイバコネクタ１４および光ファイバケーブル１５を介して接続モジュール１３が接続される。接続モジュール１３は、第一に白色光ビーム１７をＣＣＤカメラ１２の方へ偏向させる反射鏡１６を備えるカメラモジュール１８に接続し、第二にビーム成形モジュール１９に接続するインターフェース素子である。ビーム成形モジュール１９の自由端には、側方出射口３６および可動の保護ガスシールドモジュール２２を有する蒸着ヘッド２１を備える狭小な溶接ヘッドモジュール２０が隣接して設けられる。ビーム成形モジュール１９は、溶接装置７を工業用ロボットもしくは他のＮＣ（図示せず）に固定する固定素子２３に接続される。ビーム成形モジュール１９は、溶接粉末供給装置１０および水源９に接続される。保護ガス源１１は、ビーム成形モジュール１９および保護ガスシールドモジュール２２に接続される。

ＣＣＤカメラ１２を用いると、モジュラー式溶接装置７は修復対象のブレード上に位置的に正しく、かつ各翼端（分離部位４）を横断してわたって配置され、その際、同時に溶接層の蒸着が制御される。

接続モジュール１３に入光したレーザビームは、第１の視準レンズ２４および第１の偏向鏡２５により形成される光学素子を介してビーム成形モジュール１９内で並行化および偏向され、レーザビーム２６はビーム成形モジュール１９内で第２の視準レンズ２７により再度並行化され、その後、集光レンズ２８により集光され、かつ第２の偏向鏡２９により噴射金属粉末３０へ向けて偏向され、噴射金属粉末３０は粉末供給路３５を介して溶接ヘッドモジュール２０内に供給され、形成される翼端に衝突する。粉末供給路３５を介して供給される噴射金属粉末３０およびレーザビーム２６は、蒸着ヘッド２１内で側方出射口３６に向かって偏向され、金属粉末は形成される翼端上で溶解し、損傷ブレードの分離部位４に沿って複数の被覆金属層が蒸着して分離部位４を充填する。

蒸着ヘッド２１上には、保護ガスダクト３１を有する、保護ガスシールドモジュール２２が配置される。保護ガスダクト３１では自由端が開かれて、そこに修復対象のブレード部分を収容し、かつ保護ガスダクト３１は、保護ガス源１１に接続される。保護ガスダクト３１は蒸着ヘッド２１の出射口３６へ向かって開放されており、これにより、溶解金属粉末が実質的には保護ガスダクト３１内で形成される保護ガス雰囲気下で各翼端に蒸着可能となる。保護ガスシールドモジュール２２は、蒸着ヘッド２１に強固に接続されるダクト部３２、ダクト部３２上に交換可能に配置され、異なるブレードサイズに適合可能な可動ダクト部３３、およびダクト開口部もしくは翼端にそれぞれ対応するスロットを備える摺動素子３４を含む。溶解金属粉末を蒸着する際に溶接装置７が進行する際、保護ガスシールドモジュール２２は、修復対象のブレードに取付けられる摺動素子３４上で誘導される。したがって、溶解金属粉末層は蒸着および冷却の際に局所的な保護ガス雰囲気下に存在することとなり、これにより、蒸着される材料の劣化を防止もしくは少なくとも減少する。図３に示すように、保護ガス源１１はまたビーム成形モジュール１９に接続され、これにより、溶接装置、詳細にはレンズおよび偏向鏡内での劣化が防止可能である。接続モジュール１３およびビーム成形モジュール１９内に配置されるビーム成形レンズおよび集光レンズは、水源９に接続される冷却回路（図示せず）により冷却される。

上述の溶接装置７の前部には狭小な溶接ヘッドモジュール２０が設けられ、狭小な溶接ヘッドモジュール２０内では、溶接ビーム２６および噴射金属粉末３０が並行して伸長し、かつ保護ガスシールドモジュール２２が隣接する側方出射口３６へ向かって偏向され、これにより、ブリスクドラムの隣接するブレード列間の制限された空間においても局所的な保護ガスシールド下でブレード前縁および後縁に確実に良好に到達可能となり、これにより、ブリスクドラムのブレードを高品質かつ比較的低コストおよび小さい労力で容易に修復可能となる。

１ ロータディスク
２ ブレード
３ ２の損傷部位
４ ２の分離部位
５ 蒸着部位
６ 修復部位
７ 溶接装置
８ レーザ光源
９ 水源
１０ 溶接粉末供給装置
１１ 保護ガス源
１２ ＣＣＤカメラ
１３ 接続モジュール
１４ 光ファイバコネクタ
１５ 光ファイバケーブル
１６ 反射鏡
１７ 白色光ビーム
１８ カメラモジュール
１９ ビーム成形モジュール
２０ 溶接ヘッドモジュール
２１ 蒸着ヘッド
２２ 保護ガスシールドモジュール
２３ 固定素子
２４ 第１の視準レンズ
２５ 第１の偏向鏡
２６ レーザビーム
２７ 第２の視準レンズ
２８ 集光レンズ
２９ 第２の偏向鏡
３０ 噴射金属粉末
３１ 解放保護ガスダクト
３２ 固定ダクト部
３３ 可動ダクト部
３４ スロット付摺動素子
３５ 粉末供給路
３６ 側方出射口

Claims (7)

1. ガスタービン用のブリスクドラムのブレードをレーザー蒸着を用いた溶接により修復する装置であって、集光レーザビームを生成するレーザ光源およびレーザ光学素子と、粉末リザーバに接続されて前記レーザビーム（２６）により溶解される噴射金属粉末（３０）を溶接部位に供給する粉末供給路（３５）とを含み、モジュラー式溶接装置（７）は、
   前記レーザ光源（８）に接続され、入光する前記レーザビーム（２６）が内部で成形および偏向される接続モジュール（１３）と、
   ＣＣＤカメラ（１２）用に前記接続モジュール（１３）の一方側に接続されるカメラモジュール（１８）と、
   他方側に接続されて前記レーザビーム（２６）を成形および集光するビーム成形モジュール（１９）と、
   前記ビーム成形モジュール（１９）に隣接し、前記レーザビーム（２６）および前記粉末供給路（３５）が溶接ヘッドモジュール（２０）の長さ方向に伸長、かつ蒸着ヘッド（２１）内で側方出射口（３６）へ向かって配向される細長形状の溶接ヘッドモジュール（２０）と、
   前記出射口（３６）に隣接し、保護ガス源（１１）に接続され、開かれた保護ガスダクト（３１）を形成し、翼端に付加される蒸着金属を融解および冷却時に劣化から保護する保護ガスシールドモジュール（２２）とを含むことを特徴とする装置。
2. 前記保護ガスシールドモジュール（２２）は、
   前記溶接ヘッドモジュール（２０）上に配置される固定ダクト部（３２）、各ブレードの形状およびサイズに適合する交換可能な可動ダクト部（３３）、および修復対象のブレードに一時的に取付けられ、蒸着加工時に前記溶接装置（７）および前記保護ガスシールドモジュール（２２）を保持するスロット付摺動素子（３４）を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記接続モジュール（１３）およびビーム成形モジュール（１９）内に配置されてビーム成形および集光する視準レンズ（２４、２７）および集光レンズ（２８）と、水源（９）に接続されて前記レンズを冷却する冷却回路とを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記ビーム成形モジュール（１９）は前記保護ガス源（１１）に接続されて、前記溶接装置（７）の光学素子の劣化を防止することを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記接続モジュール（１３）および前記溶接ヘッドモジュール（２０）内に配置されて前記レーザビーム（２６）を偏向させる偏向鏡（２５、２９）と、白色光ビームを前記ＣＣＤカメラ（１２）へ向かって偏向させる反射鏡（１６）とを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記溶接装置（７）を工業用ロボットに接続する固定素子（２３）が前記接続モジュール（１３）もしくは前記ビーム成形モジュール（１９）上に設けられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
7. レーザ光を前記接続モジュール（１３）に結合する光ファイバコネクタ（１４）が前記接続モジュール（１３）上に設けられ、前記光ファイバコネクタ（１４）は光ファイバケーブル（１５）を介して前記レーザ光源（８）に接続されることを特徴とする請求項１に記載の装置。

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