JP2012061499A

JP2012061499A - Ｎｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法及び溶接継手

Info

Publication number: JP2012061499A
Application number: JP2010207978A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Watanabe; 康介渡辺; Naotaka Oiwa; 直貴大岩; Koji Nezaki; 孝二根崎
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2012-03-29

Abstract

【課題】Ｎｉ基超合金に対して異種金属である鉄鋼材料を溶接により接合するに際して、両者を溶け合わせた金属とＮｉ基超合金との境界に割れの無い健全な溶接継手を得ることが可能であるＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法及び溶接継手を提供する。
【解決手段】Ｎｉ基超合金であるタービン翼車４と、鉄鋼材料であるロータ軸２とを各々の境界部で溶接により互いに溶け合わせて接合するに際して、タービン翼車４のＮｉ基超合金及びロータ軸２の鉄鋼材料を溶け合わせた溶接金属６と、タービン翼車４との境界部分に対して、電子ビームＥＢを周期的に偏向させつつ照射する。
【選択図】図４

Description

本発明は、Ｎｉ基超合金に対して、異種金属である低合金鋼等の鉄鋼材料を溶接により接合するのに用いられるＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法及びこの溶接方法により製作された溶接継手に関するものである。

従来、例えば、自動車の過給機の分野において、翼車にはインコネル713Cが採用され、心棒には低合金鋼が採用され、これらは電子ビーム溶接により接合されていた。
この溶接は、溶接金属を別に用いる溶接ではなく、翼車であるインコネル713Cと心棒である低合金鋼とを互いに溶け合わせる溶接である。
近年、環境に配慮して、排気ガスの高温化が図られるのに対応して、翼車により融点の高い（耐熱性に優れた）IN100のようなＮｉ基超合金が採用されるようになった（例えば、特許文献１参照）。

「1050℃対応小型高性能ターボチャージャの開発」三菱重工技報 VOL.45 No.3: 2008

ところが、上記した耐熱性に優れたＮｉ基超合金から成る翼車と、低合金鋼から成る心棒とを電子ビーム溶接により接合する場合、両者を溶け合わせた金属とＮｉ基超合金との境界に、融点の著しい違いによる高温割れ（境界割れ）が生じる可能性があるという問題を有しており、この問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、IN100のようなＮｉ基超合金に対して異種金属である鉄鋼材料を溶接により接合するに際して、両者を溶け合わせた金属とＮｉ基超合金との境界に割れの無い健全な溶接継手を得ることが可能であるＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法及び溶接継手を提供することを目的としている。

本発明の請求項１に係る発明は、少なくともIN100,Mar-M246,Mar-M247のいずれかが含まれるＮｉ基超合金と、このＮｉ基超合金とは異なる異種金属である低合金鋼等の鉄鋼材料とを各々の境界部で溶接により互いに溶け合わせて接合するに際して、前記Ｎｉ基超合金及び前記鉄鋼材料を溶け合わせた溶接金属と、前記Ｎｉ基超合金との境界部分に対して、溶接ビームを周期的に偏向させつつ照射する構成としたことを特徴としており、この構成のＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

ここで、Ｎｉ基超合金及び鉄鋼材料を溶け合わせた溶接金属と、Ｎｉ基超合金との境界部分の偏析を少なくするうえで、溶接ビームの偏向周波数を少なくとも２００Ｈｚにすることが望ましく、溶接ビームの偏向周波数を４００Ｈｚ以上にすることがより望ましい。さらに、溶接ビームの偏向周波数を１０００Ｈｚ以上にすることがより一層望ましいが、溶接ビームの偏向周波数の上限は、電子ビーム溶接の場合において、市販されている電子ビーム溶接加工機のオシレート機能、例えば偏向周波数４ｋＨｚに依存する。

また、本発明の請求項２に係るＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法は、前記Ｎｉ基超合金と、前記鉄鋼材料とを各々の境界部で電子ビーム溶接又はレーザ溶接により互いに溶け合わせて接合する構成としており、電子ビーム溶接及びレーザ溶接のいずれの溶接においても、溶接ビーム径は、０．１〜０．８ｍｍとすることが望ましい。

一方、本発明の請求項３に係る溶接継手は、上記いずれかのＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法により形成された構成を成している。

本発明に係るＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法では、Ｎｉ基超合金及び鉄鋼材料を溶け合わせた溶接金属と、Ｎｉ基超合金との境界部分において、溶接ビームを周期的に偏向させつつ照射することで、この境界部分における偏析を少なく制御し得るので、IN100のような添加元素の多いＮｉ基超合金に対して異種金属である鉄鋼材料を溶接により接合する場合に、境界割れの無い健全な溶接継手が得られることとなる。

本発明に係るＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法では、上記した構成としているので、Ｎｉ基超合金に対して異種金属である鉄鋼材料を溶接により接合する場合に、Ｎｉ基超合金及び異種金属である鉄鋼材料の双方を溶け合わせた溶接金属とＮｉ基超合金との境界に割れが生じるのを防ぐことができ、その結果、境界割れの無い健全な溶接継手を得ることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一実施例に係る溶接継手を有するターボチャージャを示す概略構成説明図である。図１のターボチャージャにおける溶接継手の溶接前の状態を示す部分拡大断面説明図である。図１のターボチャージャにおける溶接継手の溶接後の状態を示す部分拡大断面説明図である。図１のターボチャージャにおける溶接継手の製作に用いる電子ビーム溶接装置の概略構成説明図である。本発明に係るＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法の効果を示すグラフである。図１のターボチャージャにおける溶接継手の製作に用いるレーザ溶接装置の概略構成説明図である。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る溶接継手の一実施例を示しており、この実施例では、本発明に係る溶接継手をターボチャージャの溶接部分に適用した場合を例に挙げて説明する。

図１に示すように、このターボチャージャ１は、鉄鋼材料である低合金鋼（例えば、ＣｒＭｏ鋼）からなるロータ軸２と、このロータ軸２の一端部に固定されて低合金鋼よりも耐熱性の高いＮｉ基超合金（例えば、IN100）からなるタービン翼車４が備えられている。なお、このターボチャージャ１のロータ軸２における他端部には、図示しないコンプレッサ翼車が備えられている。

このような構成のターボチャージャ１は車両の内燃機関に搭載されて、排気通路にタービン翼車４が位置し、吸気通路にコンプレッサ翼車が位置するようにして設置される。このように設置することで、排気流によってタービン翼車４が回転し、このタービン翼車４の回転がロータ軸２を介してコンプレッサ翼車に伝達されることにより、コンプレッサ翼車が回転して吸入空気を圧縮する。

この場合、ロータ軸２のタービン翼車４側の端面中央には、円形状の凸部２ａが形成されている。一方、タービン翼車４の端面中央には、円形状の凹部４ａが形成されている。これらのロータ軸２の凸部２ａ及びタービン翼車４の凹部４ａが互いに嵌合してインロー継手を形成しており、このインロー継手の互いに突き合わされている部分、すなわち、ロータ軸２及びタービン翼車４の各端面同士を溶接により接合して溶接継手５とすることで、ターボチャージャ１が形成されている。

このターボチャージャ１の溶接継手５は、凸部２ａと凹部４ａとを互いに嵌合させて一体化した低合金鋼であるロータ軸２及びＮｉ基超合金であるタービン翼車４を芯出し状態でセットした後、ロータ軸２の軸心周りに回転させながら、上記突き合わせ部分に全周にわたって電子ビームを照射して溶接することで形成される。

次に、上記したターボチャージャ１の溶接継手５を得るための溶接方法、すなわち、本発明に係るＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法について説明する。

図２に示すように、溶接前においては、ロータ軸２の凸部２ａを囲む環状の端面と、タービン翼車４の凹部４ａを囲む環状の端面とが互いに突き合わされて、ロータ軸２の軸心と直交する境界面Ｆが形成されている。

そして、一体化させたロータ軸２及びタービン翼車４をロータ軸２の軸心周りに回転させながら、上記突き合わせ部分の照射位置Ｗ１に向けて電子ビームＥＢを照射することで、突き合わせ部分の全周を溶接する。

この溶接が終了すると、図３に示すように、境界面Ｆを含んでロータ軸２及びタービン翼車４の溶融した溶接金属６が形成される。この溶接金属６は、ロータ軸２とタービン翼車４とが溶融したもの、すなわち、低合金鋼とＮｉ基超合金とを溶け合わせた金属である。

上記溶接において、電子ビームＥＢの照射位置Ｗ１を突き合わせ部分における境界面Ｆの近傍の一点に設定すると、溶接金属６とタービン翼車４との境界部分において図３に仮想線で示すような溶接割れＮＧが生じやすい。

この実施例に係る溶接方法では、図４に部分的に示す電子ビーム溶接装置を用いて溶接を行うようにしている。すなわち、この電子ビーム溶接装置は、図示しない電子銃からの電子ビームＥＢを集束させる集束レンズ７と、この集束レンズ７を通過した電子ビームＥＢを周期的に偏向させる偏向コイル８と、電子ビームＥＢのオシレート動作を制御する制御部９を備えている。

この実施例に係る溶接方法では、上記電子ビーム溶接装置を用いて、ロータ軸２及びタービン翼車４の突き合わせ部分、すなわち、溶接金属６とタービン翼車４との境界部分に対して、電子ビームＥＢを周期的に偏向させつつ照射するようにしているので、この境界部分における偏析が少なく抑えられることとなり、その結果、境界割れの無い健全な溶接継手５が得られることとなる。

そこで、タービン翼車４のＮｉ基超合金としてIN100を採用し、一方、異種金属であるロータ軸２の鉄鋼材料の低合金鋼としてＣｒＭｏ鋼を採用した場合の溶接継手引張強度に及ぼす電子ビームＥＢの偏向周波数の影響を調べたところ、図５に示す結果を得た。

図５に示すように、電子ビームＥＢの偏向周波数を大きくすれば、これに伴って溶接継手引張強度が向上することが判り、したがって、この実施例に係る溶接方法では、境界割れの無い健全な溶接継手５が得られることが実証できた。

上記した実施例では、ロータ軸２及びタービン翼車４の突き合わせ部分に向けて電子ビームＥＢを照射することで、溶接継手５を得る場合を示したが、他の構成として、図６に簡略的に示すレーザ溶接装置を用いてもよい。

このレーザ溶接装置は、ベッド１０上に配置される面盤１１と、この面盤１１に対向してベッド１０上に配置される芯押し台１２と、ロータ軸２及びタービン翼車４の各端面同士の突き合わせ部分にレーザビームＬＢを照射するレーザ発振器１３と、レーザ出力やレーザビーム照射位置等の溶接条件をコントロールする制御部１４と、この制御部１４からの指令により回動するモータ１５と、このモータ１５の出力軸に装着されたカルバノミラー１６を備えている。

このレーザ溶接装置では、ベッド１０上の面盤１１及び芯押し台１２間に、一体化させた低合金鋼であるロータ軸２及びＮｉ基超合金であるタービン翼車４を芯出し状態でセットした後、面盤１１の作動によりロータ軸２の軸心周りに回転させながら、ロータ軸２及びタービン翼車４の突き合わせ部分に全周にわたってレーザビームＬＢを照射して溶接するようになっている。

このレーザ溶接装置では、上記溶接の間、制御部１４からの指令によりモータ１５を回動動作させて、カルバノミラー１６に遥動動作を行わせることで、ロータ軸２及びタービン翼車４の境界部分にレーザビームＬＢを周期的に偏向させつつ照射するようにしているので、この境界部分における偏析が少なく抑えられることとなり、その結果、境界割れの無い健全な溶接継手５が得られることとなる。

本発明に係るＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法及び溶接継手の構成は、上記した実施例の構成に限定されるものではない。

２ロータ軸（鉄鋼材料）
４タービン翼車（Ｎｉ基超合金）
５溶接継手
６溶接金属
ＥＢ電子ビーム（溶接ビーム）
ＬＢレーザビーム（溶接ビーム）

Claims

Ｎｉ基超合金と、このＮｉ基超合金とは異なる異種金属である鉄鋼材料とを各々の境界部で溶接により互いに溶け合わせて接合するに際して、
前記Ｎｉ基超合金及び前記鉄鋼材料を溶け合わせた溶接金属と、前記Ｎｉ基超合金との境界部分に対して、溶接ビームを周期的に偏向させつつ照射する
ことを特徴とするＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法。
前記Ｎｉ基超合金と、前記鉄鋼材料とを各々の境界部で電子ビーム溶接又はレーザ溶接により互いに溶け合わせて接合する請求項１に記載のＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法。
請求項１又は２に記載のＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法により形成された溶接継手。