JP2012035325A - エーロフォイルブリスクの線型摩擦溶接 - Google Patents

Abstract

【課題】エーロフォイルブレードの線形摩擦接合において、接合位置の違いによる入力エネルギーの相違を考慮した接合方法を提供する。
【解決手段】ディスクに接合するためのスタブを持つブレード部材をディスクに接合する線型摩擦溶接プロセスをモデル化する工程であって、モデル化により、溶接プロセス中のスタブに沿った位置での溶接力を示す結果を提供する工程と、モデル化を使用し、スタブに対する適合を確認し、溶接プロセス中のスタブに沿った溶接力の相違を補償する工程と、適合が確認されたスタブを持つブレード部材を提供する工程と、提供されたブレード部材を線型摩擦溶接プロセスによってディスクに接合する工程とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、線型摩擦溶接を使用したエーロフォイルブリスクの製造方法に関する。

図１は、複数のブレード１２がディスク１４に半径方向外方に延びるように取り付けられたエーロフォイルブリスク１０を示す。ブレードは、代表的には、チタニウム、ニッケル、又は鋼製であり、ディスクに線型摩擦溶接によって取り付けられている。ブリスクは、航空機用エンジンで、コンプレッサ及びタービンの両方で使用されていてもよく、従来のブレード付きディスクよりも有利である。

ブレード１２をディスク１４に線型摩擦溶接によって接合することは周知である。線型摩擦溶接は、ディスク１４を定置に保持した状態で、ブレード部材（機械加工／仕上げが未だになされていないブレードを含む）を、負荷をブレードの半径方向でディスクに向かって加えた状態で、ディスク１４に当てて接線方向に振動するプロセスである。振動及び負荷を半径方向内方に加えることによって発生した熱により、ディスク１４とブレード部材との間に溶接部を形成する。溶接材料は、接合部の両側から押し出される。

ブレードは、これによって、ディスクに接合される。

次いで、余分の材料を機械加工によってブレード部材から除去し、ブレードを所望の形状にする。

線型摩擦溶接によってディスク１４に接合するためにディスクと接触するブレード部材の半径方向内ベース領域をスタブと呼ぶ。図２は、従来技術のブレードスタブ１６の断面形状を概略に示す。断面は、ブレード部材の長さに対して横方向である。即ち、ブレード部材をディスクに取り付けるときにディスクに対して接線方向である。溶接振動方向は、矢印Ａが示すように、接線方向である。

ブレード部材のスタブ１６は、滑らかに湾曲した前縁１８及び後縁２０を含む。スタブは、更に、吸引側２２及び圧力側２４を含み、これらは、各々、ブレード部材の夫々の側で前縁１８から後縁２０まで滑らかに湾曲している。

圧力側２４の湾曲は、吸引側２２の湾曲よりも幾分小さく、溶接振動方向で計測したスタブ１６の最大幅は、その中央領域で、その前縁１８又は後縁２０におけるよりもかなり大きい。矢印Ｘはブレードの前縁幅を示し、矢印Ｙはブレードの後縁幅を示し、Ｚは最大溶接幅を示す。最大溶接幅の最小溶接幅に対する比は２よりも大きい。この比をテーパ比と呼ぶ。

テーパ比を比較的大きくすると、摩擦溶接プロセスで問題が生じる。線型摩擦溶接プロセスを行うとき、「ばり」材料が溶接部の側方に押し出される。即ち、バーンオフ(burn-off)が生じる。材料が押し出されたとき、半径方向内方への圧力（鍛造圧力）によりブレード部材が半径方向内方に押圧される。材料のバーンオフ量は、溶接振動方向でスタブが比較的狭幅の領域で大きくなる。これらの領域では、ブレード部材は、材料のバーンオフ量と釣り合う程高速で半径方向内方に移動しない。これは、ブレードスタブの広幅領域の材料により、このような半径方向内方への移動が妨げられるためである（バーンオフ量はこれらの領域で低い）。これにより、狭幅領域でばりが再循環し、場合によっては溶接部に空所を形成する。再循環は、溶接部の品質／一体性を損なう。これらの問題に対処するため、欧州特許第ＥＰ１４９５８２９Ａ号には、線型摩擦溶接によってエーロフォイルブリスクを製造するための方法が開示されている。

欧州特許第ＥＰ１４９５８２９Ａ号

しかしながら、欧州特許第ＥＰ１４９５８２９Ａ号の方法は、スタブに亘る様々な位置（例えば前縁位置、弦中央位置、及び後縁位置）で、振動の振幅や鍛造圧力が異なるため、溶接部に入力されるエネルギが異なるということを説明していない。こうした相違は、高い鍛造負荷及び平面内負荷の作用による構成要素及び／又は工作工具の弾性撓みにより生じる。

従って、本発明は、ディスクから半径方向外方に延びるようにディスクに接合された複数のエーロフォイルブレードを含むエーロフォイルブリスクの製造方法において、
（ａ）ディスクに接合するためのスタブを持つブレード部材をディスクに接合する線型摩擦溶接プロセスをモデル化する工程であって、モデル化により、溶接プロセス中のスタブに沿った位置での溶接力(welding power) を示す結果を提供する、工程と、
（ｂ）モデル化を使用し、スタブに対する適合を確認し、溶接プロセス中のスタブに沿った溶接力の相違を補償する工程と、
（ｃ）適合が確認されたスタブを持つブレード部材を提供する工程と、
（ｄ）提供されたブレード部材を線型摩擦溶接プロセスによってディスクに接合する工程とを含む、方法を提供する。

かくして、本方法により、溶接部へのエネルギ入力の変化の効果を考慮に入れることができる。有利には、エーロフォイルブリスクを線型摩擦溶接するための従来の機械加工／工作工具システムは、例えば大型のクランプフレーム及び大型の工作工具質量によって弾性撓みを減少しようとするものであったが、本発明の方法により、溶接力に応じて弾性撓みの効果を適合したスタブによって溶接力を補償できるため、複雑さが比較的低い機械加工／工作工具システムを使用できる。

本方法は、以下の随意の特徴のうちの任意の一つを含んでいてもよいし、又は適合する限りにおいてこれらの特徴の任意の組み合わせを含んでいてもよい。

工程（ｂ）において、確認された適合は、代表的には、溶接プロセス中のスタブに沿ったバーンオフ量の相違を減少しようとするものである。

工程（ａ）は、線型摩擦溶接プロセス中のスタブ及びディスクの機械的応答を、例えば有限要素分析を使用してモデル化する工程を含んでいてもよい。

工程（ａ）では、モデル化により、溶接プロセス中のスタブに沿った位置での溶接振動の振幅及び／又は溶接プロセス中のスタブに沿った位置での溶接圧力を含む結果を提供する。振幅及び溶接圧力は、溶接力に強い影響を及ぼす。

好ましくは、工程（ｂ）では、適合は、スタブに沿った位置でのスタブの幅の変化を含み、幅は溶接振幅の方向である。かくして、適合スタブのテーパ比を、スタブに沿った溶接力の相違を補償するのに必要なスタブ幅に応じて大幅に変化できる。

工程（ｂ）では、便利には、モデル化による結果を、局所的バーンオフ量と項
w/(a^m.f.(InP)ⁿ) との間の相関で使用し、
適合を確認する。ここで、ｗは、溶接振動方向でのスタブの局所的幅であり、ａは溶接振動の局所的振幅であり、ｆは溶接振動周波数であり、Ｐは局所的鍛造圧力であり、ｍ及びｎは材料で決まる定数である（代表的には、夫々の値は約１．０９乃至約０．９である）。相関は、以下の形態であってもよい。即ち、
ＢＯＲ＝A.(w/a^m.f.(lnP)ⁿ))^B
ここで、ＢＯＲは、局所的バーンオフ量であり、Ａ及びＢは材料で決まる定数（代表的には、夫々の値は、約０．３０及び約−０．８４である）である。

好ましくは、工程（ａ）では、モデル化により結果が提供される位置には、スタブの前縁位置、弦中央位置、及び後縁位置が含まれる。

工程（ａ）及び工程（ｂ）を反復して実施し、スタブの適合を精密にしてもよい。即ち、工程（ｂ）で確認された適合を工程（ａ）で再モデル化してもよい。更なる適合を確認し且つ更なる再モデル化を実行する等のため、工程（ｂ）を繰り返すことができる。

次に、本発明の実施例を添付図面を参照して例として説明する。

エーロフォイルブリスクを示す図である。 従来技術のブレードスタブの断面形状を概略に示す図である。 実験により決定されたバーンオフ量（ＢＯＲ）を、項w/(a^m.f.(InP)ⁿ)に対してプロットしたグラフである。 様々なスタブ幅についての溶接振動の振幅に対するバーンオフ量のグラフである。 様々なスタブ幅についての溶接振動の振幅に対するバーンオフ量のグラフである。 様々なスタブ幅についての溶接振動の振幅に対するバーンオフ量のグラフである。 様々なスタブ幅についての溶接振動の振幅に対するバーンオフ量のグラフである。 様々なスタブ幅についての溶接振動の振幅に対するバーンオフ量のグラフである。 本発明の方法における工程のフローチャートである。 ブレードスタブの撓みモードを概略に示す図である。

図３は、ブレード部材をディスクに接合する線型摩擦溶接プロセスについての項w/(a^m.f.(InP)ⁿ)に対してプロットした、実験により決定したバーンオフ量（ＢＯＲ）のグラフである。ここで、ｗは、溶接振動方向でのスタブ幅であり、ａは溶接振動の振幅であり、ｆは溶接振動周波数であり、Ｐは鍛造圧力であり、ｍ及びｎは定数である。これらの定数の値は、夫々、１．０９及び０．９である。更に、
ｙ＝０．３０ｘ^０．８４がプロットしてある。

Ｒ^２値が高いと、実験点との相関が高度であることを示す。

このような相関を使用し、例えばスタブに沿った幾つかの点でスタブの幅（この幅は、溶接振動方向で計測した幅である）を変化し、スタブに沿った局所的バーンオフ量の相違を減少することによって、ブレード部材スタブを適合できる。詳細には、構成要素及び工作工具の弾性撓みにより、溶接振動の振幅及び鍛造圧力がスタブに沿って変化してしまうため、変化を補償するために局所的幅に変更を加えることができる。

この手順を図４（ａ）乃至図４（ｅ）に関して例示する。これらの図は、前縁（Ｔ_ＬＥ）、後縁（Ｔ_ＴＥ）、及び代表的には弦中央近くの最大幅位置Ｔ_Ｔｍａｘでの様々なスタブ幅についての溶接振動の振幅に対するバーンオフ量のグラフである。これらのグラフは、ＢＯＲ間の上掲の相関から計算される。ｆ及びＰは、所与のｗに対して不変であると仮定する（実際には、Ｐは、スタブ並びにａに沿って変化し易い）。ブレード部材に対する振動の入力振幅は２ｍｍである。スタブの未調節の最大幅Ｔ_Ｔｍａｘは１６ｍｍであり、前縁及び後縁の未調節の幅Ｔ_ＬＥ、Ｔ_ＴＥは、両方とも１０ｍｍである。

Ｔ_Ｔｍａｘ、Ｔ_ＬＥ、及びＴ_ＴＥでの局所的振動振幅が全て２ｍｍである場合には、図４（ａ）に示すように、ＬＥ及びＴＥでのバーンオフ量は、ＴｍａｘにおけるよりもΔＢＯＲ（これは、約２ｍｍ／ｓである）だけ高い。しかしながら、実際には、工具及び構成要素の撓みにより、局所的振動振幅はスタブのところで小さくなり、例えばＴＥのところで最大振幅、ＬＥのところで最小振幅になる。ＴＥのところでの振幅が２ｍｍであると仮定すると、ＬＥのところでの振幅は１ｍｍであり、Ｔ_Ｔｍａｘのところでの振幅は、ＴＥ及びＬＥのところでの振幅の中間であり、図４（ｂ）は、対応する振幅に対するバーンオフ量のグラフを示す。ＬＥのところでのバーンオフ量は、ＬＥのところでの幅の減少に関わらず、Ｔｍａｘのところでのバーンオフ量とほぼ同じである。しかしながら、ＴＥのところでのバーンオフ量は、Ｔｍａｘのところでのバーンオフ量よりも２ｍｍ／ｓよりも遥かに大きく高い。

ブレード部材への振動の入力振幅を２．５ｍｍまで増大すると、図４（ｃ）に示すように、Ｔｍａｘのところでの振幅が以前の２ｍｍの入力振幅に戻るが、それでも、ＴＥとＴｍａｘとの間で局所的バーンオフ量の大きな相違を保存する。これは、２ｍｍ／ｓよりも遥かに大きい。

かくして、ＴＥのところでのスタブの幅を１０ｍｍから１２．７５ｍｍまで増大できる。図４（ｄ）に示すように、これにより、ＴＥのところでのバーンオフ量を、Ｔｍａｘのところでのバーンオフ量よりも僅か２ｍｍ／ｓしか高くない量まで減少する。

更に、図４（ｅ）に示すように、ＬＥのところでのスタブの幅を７．３１ｍｍまで減少でき、これにより、ＬＥのところでの局所的バーンオフ量を、Ｔｍａｘのところでのバーンオフ量よりも約２ｍｍ／ｓ高いバーンオフ量まで増大する。

このようにして、スタブに沿った幅を調節することによって、振動の入力振幅、及び従って工具及び構成要素の撓みによりスタブに沿って生じる溶接力の変化を補償できる。

同じ方法を、失われた鍛造圧力並びに失われた振幅に対処する上で使用できる。スタブに沿った振幅及び圧力を決定するため、工作工具、ブレード、及びディスクの機械的性能分析、例えば有限要素分析等を実施できる。確かに、スタブの各適合後、又は溶接作業条件の変更後、スタブに沿った振幅及び圧力の別の有限要素分析決定を行うことができる。これは、スタブ幅、入力振幅、又は入力鍛造圧力の変化により、スタブの溶接応答に悪影響が及ぼされるためである。このようにして、反復法により、最終的に適合したスタブに達することができる。

図５は、本発明の方法における工程のフローチャートを示す。

従来の機械／工作工具システムは、通常は、大型のクランプフレーム及び大きな工作工具質量を使用することによって弾性撓みを最小にするように構成される。図６は、スタブの撓みモードを概略に示す。これらの撓みモードは、夫々、ボウイング(bowing)（振動方向での特異な撓み(differential deflection)） 、アーチング(arching) （鍛造方向での特異な撓み）、及びロッキング(rocking)（スタブを通る長さ方向軸線を中心とした溶接スタブの角度回転）である。ボウイングは、主として、スタブの端部での拘束が中央におけるよりも大きいことにより生じる。ボウイング変位は、溶接スタブの長さに沿った加工の量が変化するということを意味する。アーチングは、ブレード、工作工具、又はディスクの鍛造方向での剛性により影響が及ぼされる。スタブが採用したアーチ形状は、鍛造力がスタブの長さに沿ってどのように分配されるのかを示す。アーチングのレベルが高いということは、スタブに圧力が不均等に分配されるということを示し、従って、溶接インターフェースのバーンオフが不均等であるということを示す。ロッキングは、溶接振幅中にスタブが平行状態からずれるということを示す。本発明の方法を適用することにより、特にディスク及びスタブのボウイング及びアーチングの変化を大きくでき、これにより以下に列挙する利点の幾つか又は全てを得ることができる。

剛性の低下を許容できるため、工作工具／機械的の複雑さが低下し、
犠牲ブレード脚部形状を更に小さく及び／又は細くでき（「脚部」は、クランプ負荷及び加工力が加わる場所である）、
ブレード脚部が比較的小さく、剛性が低いため、機械加工によるばり取りを行うために溶接部に近づき易く、
犠牲、補剛、「クランプ」材料を減少することに より、ほぼ正味形状ディスク鍛造(Nearer nett shape disk forging)を使用でき（クランプ材料は、ディスク鍛造に加えられた余分の材料であり、これにより鍛造を接線方向振動及び半径方向鍛造負荷に対して定置に保持でき、余分の材料は、最終的には、最終ディスクを形成するため、例えば機械加工によって除去されなければならない）、
ブレード部材及び工作工具の振動質量を減少し、
機械、工作工具、及び構成要素鍛造形状の自由度が向上する。

上文中に説明した例示の実施例と関連して本発明を説明したが、本開示が与えられたとき、多くの等価の変形及び変更が当業者に明らかになるであろう。従って、上文中に説明した本発明の例示の実施例は例示であって限定でないと考えられる。上述の実施例に対する様々な変更は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、行うことができる。

上文中で言及した全ての文献は、出典を明示することにより、その開示の全ての内容が本明細書の開示の一部とされる。

Claims (7)

1. ディスクから半径方向外方に延びるように前記ディスクに接合された複数のエーロフォイルブレードを含むエーロフォイルブリスクの製造方法において、
   （ａ）前記ディスクに接合するためのスタブを持つブレード部材を前記ディスクに接合する線型摩擦溶接プロセスをモデル化する工程であって、前記モデル化により、溶接プロセス中の前記スタブに沿った位置での溶接力を示す結果を提供する、工程と、
   （ｂ）前記モデル化を使用し、前記スタブに対する適合を確認し、前記溶接プロセス中の前記スタブに沿った溶接力の相違を補償する工程と、
   （ｃ）適合が確認されたスタブを持つブレード部材を提供する工程と、
   （ｄ）前記提供されたブレード部材を前記線型摩擦溶接プロセスによって前記ディスクに接合する工程とを含む、方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記工程（ａ）は、前記線型摩擦溶接プロセス中の前記スタブ及び前記ディスクの機械的応答をモデル化する工程を含む、方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法において、
   前記工程（ａ）では、前記モデル化により、
   前記溶接プロセス中の前記スタブに沿った位置での溶接振動の振幅及び／又は前記溶接プロセス中の前記スタブに沿った位置での溶接圧力を含む結果を提供する、方法。
4. 請求項１、２、又は３に記載の方法において、
   工程（ｂ）では、前記適合は、前記スタブに沿った位置での前記スタブの前記幅の変化を含み、前記幅は溶接振幅の方向である、方法。
5. 請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の方法において、
   工程（ｂ）では、前記モデル化による結果を、局所的バーンオフ量と項w/(a^m.f.(InP)ⁿ) との間の相関で使用し、
   前記適合を確認し、ここで、ｗは、溶接振動方向での前記スタブの局所的幅であり、ａは溶接振動の局所的振幅であり、ｆは溶接振動周波数であり、Ｐは局所的鍛造圧力であり、ｍ及びｎは材料で決まる定数である、方法。
6. 請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載の方法において、
   工程（ａ）では、前記モデル化により結果が提供される位置には、前記スタブの前縁位置、弦中央位置、及び後縁位置が含まれる、方法。
7. 請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載の方法において、
   工程（ａ）及び工程（ｂ）を反復して実施し、前記スタブの適合を精密にする、方法。

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