JP2014001686A - 蒸気タービンロータの製造方法、蒸気タービンロータ、および、溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸気タービンロータの信頼性を向上させる。
【解決手段】実施形態の蒸気タービンロータの製造方法は、Ｎｉ基合金によって形成されているＮｉ基合金ロータ部と、フェライト鋼によって形成されているフェライト鋼ロータ部とを溶接する溶接工程を有する。溶接工程においては、フェライト鋼を溶加材として用いてＮｉ基合金ロータ部とフェライト鋼ロータ部とを溶接する。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、蒸気タービンロータの製造方法、蒸気タービンロータ、および、溶接方法に関する。

蒸気タービンは、発電効率の向上のために、大型化と共に、より高い蒸気温度で運転させることが要求されている。このため、蒸気タービンにおいて、蒸気タービンロータは、高い蒸気温度に耐える金属材料を用いて形成されている。

具体的には、Ａ−ＵＳＣ（次世代超々臨界圧）蒸気タービンでは、７００℃以上の蒸気温度での運転を実現するために、６１７合金、ＴＯＳ１ＸなどのＮｉ基合金を用いて蒸気タービンロータが形成されている（たとえば、特許文献１参照）。

しかし、Ｎｉ基合金を用いた場合、大型のタービンロータを鍛造により一体型で製造することは、容易ではない。また、Ｎｉ基合金は、高価である。このため、蒸気タービンロータにおいて運転時に高温になる高温用ロータ部については、Ｎｉ基合金を用い、軸端部のように高温にならない低温用ロータ部については、フェライト鋼（Ｆｅ基合金）を用いることが提案されている。ここでは、Ｎｉ基合金の高温用ロータ部とフェライト鋼の低温用ロータ部との両者は、Ｎｉ基合金の溶加材を用いて溶接されている（たとえば、特許文献２参照）。

特開２００９−２８０８５８号公報 特開２０１０−２３４３９７号公報

しかしながら、Ｎｉ基合金の高温用ロータ部とフェライト鋼の低温用ロータ部との間をＮｉ基合金の溶加材を用いて溶接したときには、溶接部の強度が十分でない場合がある。具体的には、溶接部で脆性的な破壊が生ずる場合がある。

また、Ｎｉ基合金の溶加材を用いて溶接した場合には、溶接部について超音波探傷検査（ＵＴ：Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｅｓｔｉｎｇ）を行う際に、溶接欠陥を高精度に検出することが困難な場合がある。この欠陥検出精度の低下は、溶接部においてＮｉ基合金の結晶粒径（グレインサイズ）が大きく、超音波探傷検査の際に超音波の減衰が大きいために生ずる。

上記のような事情により、Ｎｉ基合金のロータ部とフェライト鋼のロータ部とが溶接された蒸気タービンロータにおいては、信頼性が低下する場合がある。つまり、Ｎｉ基合金母材とフェライト鋼母材との溶接部について、信頼性を十分に向上させることが容易でない。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、信頼性を向上させることができる、蒸気タービンロータの製造方法、蒸気タービンロータ、および、溶接方法を提供することである。

実施形態の蒸気タービンロータの製造方法は、Ｎｉ基合金によって形成されているＮｉ基合金ロータ部と、フェライト鋼によって形成されているフェライト鋼ロータ部とを溶接する溶接工程を有する。溶接工程においては、フェライト鋼を溶加材として用いてＮｉ基合金ロータ部とフェライト鋼ロータ部とを溶接する。

本発明によれば、信頼性を向上させることができる、蒸気タービンロータの製造方法、蒸気タービンロータ、および、溶接方法を提供することができる。

図１は、第１実施形態に係る蒸気タービンロータを模式的に示す断面図である。 図２は、第１実施形態に係る蒸気タービンロータの製造工程を示す断面図である。 図３は、第２実施形態に係る蒸気タービンロータの製造工程を示す断面図である。 図４は、第３実施形態に係る蒸気タービンロータの製造工程を示す断面図である。 図５は、第４実施形態に係る蒸気タービンロータの製造工程を示す断面図である。 図６は、第４実施形態に係る蒸気タービンロータの製造工程を示す断面図である。

実施形態について、図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
［Ａ］構成
図１は、第１実施形態に係る蒸気タービンロータを模式的に示す断面図である。

図１に示すように、蒸気タービンロータは、Ｎｉ基合金ロータ部１、第１フェライト鋼ロータ部２、第２フェライト鋼ロータ部３、第１溶接金属部４、および、第２溶接金属部５を備える。

Ｎｉ基合金ロータ部１は、Ｎｉ基合金によって形成されており、第１フェライト鋼ロータ部２と第２フェライト鋼ロータ部３との間に設けられている。

第１フェライト鋼ロータ部２は、フェライト鋼によって形成されており、Ｎｉ基合金ロータ部１の一方の端部に溶接されている。第１フェライト鋼ロータ部２は、Ｎｉ基合金ロータ部１との間に第１溶接金属部４が介在している。

第２フェライト鋼ロータ部３は、第１フェライト鋼ロータ部２と組成が同じフェライト鋼によって形成されており、Ｎｉ基合金ロータ部１の他方の端部に溶接されている。第２フェライト鋼ロータ部３は、Ｎｉ基合金ロータ部１との間に第２溶接金属部５が介在している。

第１溶接金属部４は、フェライト鋼を溶加材として用いてＮｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との間について溶接を行うことによって形成されている。第１溶接金属部４は、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との間の中空部分の周りを囲うように設けられている。

第２溶接金属部５は、第１溶接金属部４と同じフェライト鋼を溶加材として用いてＮｉ基合金ロータ部１と第２フェライト鋼ロータ部３との間について溶接を行うことによって形成されている。第２溶接金属部５は、Ｎｉ基合金ロータ部１と第２フェライト鋼ロータ部３との間の中空部分の周りを囲うように設けられている。

具体的には、上記のＮｉ基合金ロータ部１は、たとえば、質量％で、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｃｒ：１８〜２８％、Ｃｏ：１０〜１５％、Ｍｏ：８〜１２％、Ａｌ：０．５〜１．５％未満、Ｔｉ：０．７〜３．０％、Ｂ：０．００１〜０．００６％を含有し、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる組成のＮｉ基合金によって形成されている。

また、第１フェライト鋼ロータ部２および第２フェライト鋼ロータ部３は、たとえば、質量％で、Ｃ：０．２６〜０．３３％、Ｍｎ：０．５〜０．８５％、Ｃｒ：０．９〜１．９％、Ｍｏ：０．７〜１．５％、Ｖ：０．２〜０．３５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成のＣｒＭｏＶ鋼によって形成されている。

また、第１溶接金属部４および第２溶接金属部５は、たとえば、質量％で、Ｃ：０．１１〜０．１５％、Ｍｎ：０．３〜０．６％、Ｃｒ：２．００〜２．５０％、Ｍｏ：０．９０〜１．１０％、Ｖ：０．２５〜０．３５％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成のフェライト鋼を溶加材として用いて溶接を行うことによって形成されている。

［Ｂ］製造方法
図２は、第１実施形態に係る蒸気タービンロータの製造工程を示す断面図である。

図２では、図１のＡ部分を示しており、（ａ），（ｂ）に示す工程を順次実施することによって蒸気タービンロータを製造する。

本実施形態では、図２に示すように、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との両者を溶接する。また、図示を省略しているが、Ｎｉ基合金ロータ部１と第２フェライト鋼ロータ部３（図１参照）との両者についても、同様に溶接する。

以下より、本実施形態において蒸気タービンロータを製造するときの各工程について詳細に説明する。

（１）突き合わせ
Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との両者を溶接する際には、図２（ａ）に示すように、まず、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２とを互いに突き合わせる。

本工程では、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２とにおいて、予め開先が形成された開先面を対面させる。

本実施形態においては、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との継手部分には、たとえば、Ｕ形の開先が形成されている。開先は、狭開先であって、開先角度が４５°未満である。たとえば、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２とを突き合わせた継手部分が、下記に示す条件になるようにすることが好適である。
（継手部分の条件）
・継手部分の厚みｔ：１５０ｍｍ
・開先の上端部の幅Ｗ：２５ｍｍ
・開先角度：０．５〜１°
・ルート面：２．５〜３ｍｍ
・ルート間隔：０

（２）溶接
つぎに、図２（ｂ）に示すように、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との間を溶接する。

本工程では、上述したように、フェライト鋼を溶加材として用いて、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との両者を溶接する。これにより、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との間には、第１溶接金属部４が形成される。

具体的には、最初に、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との両者について仮付けを行う。その後、ホットワイヤＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）溶接によって、本溶接を行う。本溶接では、溶接姿勢が全て下向き姿勢であって、入熱量が２５０００Ｊ／ｃｍ以下の条件下において１層について１パスで形成することを繰り返し、複数の層を積層する。これにより、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との継手部分が溶融して、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との間に第１溶接金属部４が形成される。

Ｎｉ基合金ロータ部１と第２フェライト鋼ロータ部３（図１参照）との間についても、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との間の場合と同様に、互いを突き合わせた状態で両者を溶接する。

（３）熱処理
つぎに、Ｎｉ基合金ロータ部１に対して第１フェライト鋼ロータ部２および第２フェライト鋼ロータ部３が溶接された溶接構造物について、熱処理を行う。

本工程では、第１フェライト鋼ロータ部２および第２フェライト鋼ロータ部３を構成するフェライト鋼のテンパー（ｔｅｍｐｅｒ）温度（焼戻し温度）以下の熱処理温度で熱処理を行うことによって、溶接構造物から残留応力を除去する。つまり、いわゆる、溶接後熱処理（ＰＷＨＴ：Ｐｏｓｔ Ｗｅｌｄ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）を行う。より具体的には、下記の条件によって、熱処理を行うことによって、金属を変態させる。
（熱処理条件）
・熱処理温度：６１０〜６４０℃
・熱処理時間：６〜８時間保持
・冷却方法：徐冷（１０〜３５℃／Ｈｒ）

（４）検査
つぎに、上記のように熱処理が行われた溶接構造物について検査を行う。

本工程では、第１溶接金属部４および第２溶接金属部５（図１参照）が形成された溶接部について超音波探傷検査を行う。

上記のように各工程を経て、図１に示すように、蒸気タービンロータを完成させる。

［Ｃ］まとめ
以上のように、本実施形態においては、Ｎｉ基合金によって形成されているＮｉ基合金ロータ部１に対して、フェライト鋼によって形成されている第１フェライト鋼ロータ部２，第２フェライト鋼ロータ部３の両者を溶接する。ここでは、フェライト鋼を溶加材として用いて、Ｎｉ基合金ロータ部１に対して、第１フェライト鋼ロータ部２および第２フェライト鋼ロータ部３を溶接している。

このため、本実施形態においては、下記に示すように、蒸気タービンロータの信頼性を向上させることができる。

本実施形態と異なり、Ｎｉ基合金を溶加材として用いて溶接を行った場合についてクリープ試験を行ったところ、溶接部において脆性的な破壊が生じた。この原因を調査したところ、高温環境下において、Ｆｅ基−Ｎｉ基の境界部に存在する炭素が、母材と溶接部との間のＣｒ濃度差に依存して、Ｆｅ基からＮｉ基に著しく拡散する現象が確認された。そして、その炭素の拡散によって、炭素が欠乏した境界近傍のＦｅ基に軟化域が生成され、濃化したＮｉ基側に硬化域が生成されて、クリープ特性が悪化することが分かった。これに対して、本実施形態のように、フェライト鋼を溶加材として用いて溶接を行った場合には、母材と溶接部との間においてＣｒ濃度の差が小さく、炭素の拡散量が減少する。このため、本実施形態では、溶接部の延性により、脆性破壊が生じなかった。したがって、本実施形態においては、蒸気タービンロータの信頼性を向上させることができる。

また、本実施形態と異なり、Ｎｉ基合金を溶加材として用いて溶接を行った場合には、溶接部の結晶粒径（グレインサイズ）は、３００μｍ程度であった。このため、既に述べたように、超音波探傷検査の際には、超音波の減衰が大きく、溶接欠陥を高精度に検出することが困難な場合がある。しかしながら、本実施形態の場合には、フェライト鋼を溶加材として用いて溶接を行うことによって形成されているので、溶接部の結晶粒径（グレインサイズ）は、５０μｍ程度であった。したがって、本実施形態においては、超音波探傷検査の際に超音波が減衰することが抑制され、溶接の欠陥を高精度に検出することができるので、蒸気タービンロータの信頼性を向上させることができる。

本実施形態においては、上述したように、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との間において狭開先が設けられた継手部分を、ホットワイヤＴＩＧ溶接により１層について１パスで溶接する。Ｎｉ基合金ロータ部１と第２フェライト鋼ロータ部３との間についても同様に溶接する。このため、本実施形態では、溶接のときの入熱量が低いため、Ｎｉ基合金ロータ部１のＮｉ基合金が溶け込んで溶接金属の成分が希釈されることを抑制できるので、溶接継手の強度を向上させることができる。したがって、本実施形態は、蒸気タービンロータの信頼性を更に向上させることができる。

＜第２実施形態＞
［Ａ］製造方法
図３は、第２実施形態に係る蒸気タービンロータの製造工程を示す断面図である。

図３では、図２と同様に、図１のＡ部分を拡大して示しており、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に順次示す工程により、蒸気タービンロータを製造する。

図３に示すように、本実施形態においては、蒸気タービンロータの製造工程の一部が、第１実施形態と異なる。本実施形態は、この点、および、これに関連する点を除き、第１実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において、重複する個所については、適宜、説明を省略する。

本実施形態では、図３に示すように、フェライト鋼の継手部１２が開先面に形成されたＮｉ基合金ロータ部１に、第１フェライト鋼ロータ部２を溶接する。図示を省略しているが、これと同様に、Ｎｉ基合金ロータ部１に、第２フェライト鋼ロータ部３を溶接する。

以下より、本実施形態において蒸気タービンロータを製造するときの各工程の詳細について説明する。

（１）バタリング溶接金属部１１の形成
まず、図３（ａ）に示すように、Ｎｉ基合金ロータ部１の開先面にフェライト鋼のバタリング溶接金属部１１を形成する。

本工程では、開先面が突き合わせ方向に対して直交しているＮｉ基合金ロータ部１を準備する。そして、Ｎｉ基合金ロータ部１の開先面に、第１バタリング溶接層１１１と第２バタリング溶接層１１２とを、順次、バタリング溶接することによって、バタリング溶接金属部１１を形成する。第１バタリング溶接層１１１および第２バタリング溶接層１１２については、Ｎｉ基合金ロータ部１の開先面において開先およびルート面が設けられる全面に積層させる。

具体的には、バタリング溶接金属部１１の形成においては、フェライト鋼を溶加材として用いる。本実施形態では、後工程においてＮｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との両者の間を本溶接するときに用いるフェライト鋼と同じ組成のフェライト鋼を用いて、バタリング溶接を行い、バタリング溶接金属部１１を形成する。

上記のバタリング溶接は、たとえば、ＴＩＧ溶接により行う。この他に、ＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）溶接、サブマージアーク溶接により、上記のバタリング溶接を行ってもよい。

この他に、バタリング溶接金属部１１の形成においては、第１バタリング溶接層１１１をバタリング溶接するときの入熱量が、第２バタリング溶接層１１２をバタリング溶接するときの入熱量よりも低い条件にする。これと共に、第１バタリング溶接層１１１をバタリング溶接で形成するときの入熱量が、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２とを溶接するときの入熱量よりも低い条件にする。たとえば、下記の入熱量条件で第１バタリング溶接層１１１と第２バタリング溶接層１１２とを形成する。
（入熱量条件）
・第１バタリング溶接層１１１の場合：１５０００Ｊ／ｃｍ程度
・第２バタリング溶接層１１２の場合：２５０００Ｊ／ｃｍ程度以下

（２）継手部１２の形成
つぎに、図３（ｂ）に示すように、フェライト鋼の継手部１２を形成する。

本工程では、前工程で形成したフェライト鋼のバタリング溶接金属部１１（図３（ａ）参照）について開先加工を行うことによって、Ｎｉ基合金ロータ部１の開先面に開先を形成する。これにより、Ｎｉ基合金ロータ部１の開先面の全体に、フェライト鋼の継手部１２を設ける。

（３）突き合わせ
つぎに、図３（ｃ）に示すように、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２とを互いに突き合わせる。

本工程では、Ｎｉ基合金ロータ部１においてフェライト鋼の継手部１２が形成された開先面に、第１フェライト鋼ロータ部２の開先面を対面させる。

（４）溶接
つぎに、図３（ｄ）に示すように、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との間を溶接する。

本工程では、上記の実施形態の場合と同様に、フェライト鋼を溶加材として用いて、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との両者の間を溶接する。これにより、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との間には、第１溶接金属部４が形成される。

Ｎｉ基合金ロータ部１と第２フェライト鋼ロータ部３（図１参照）との間についても、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との間の場合と同様に、互いを突き合わせた後に両者を溶接する。

（５）熱処理，検査
つぎに、Ｎｉ基合金ロータ部１に第１フェライト鋼ロータ部２と第２フェライト鋼ロータ部３とが溶接された溶接構造物について、上記の実施形態の場合と同様に、熱処理を行い、残留応力を除去する。そして、熱処理を行った後に、その溶接構造物について検査を行う。

上記のように各工程を経て、蒸気タービンロータを完成させる。

［Ｂ］まとめ
以上のように、本実施形態では、Ｎｉ基合金ロータ部１の開先面の全体にフェライト鋼の継手部１２を形成する。その後、Ｎｉ基合金ロータ部１においてフェライト鋼の継手部１２が形成された開先面と、第１フェライト鋼ロータ部２の開先面とを突き合わせた状態で、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２とを溶接する。このように、本実施形態においては、Ｎｉ基合金ロータ部１の開先面にフェライト鋼の継手部１２が設けられているので、第１溶接金属部４にＮｉ基合金ロータ部１のＮｉ基合金が多量に溶け込んで、溶接金属の成分が希釈されることを防止できる。その結果、溶接部の強度を向上させることができる。Ｎｉ基合金ロータ部１と第２フェライト鋼ロータ部３とについても、同様に溶接しているので、溶接部の強度を向上させることができる。

本実施形態では、上述したように、Ｎｉ基合金ロータ部１の開先面にフェライト鋼をバタリング溶接することによってバタリング溶接金属部１１を形成後、そのバタリング溶接金属部１１について開先加工することにより、フェライト鋼の継手部１２を形成する。バタリング溶接金属部１１については、第１バタリング溶接層１１１と第２バタリング溶接層１１２とを、順次、バタリング溶接で積層させることで形成する。このとき、第１バタリング溶接層１１１をバタリング溶接で形成するときの入熱量は、第２バタリング溶接層１１２をバタリング溶接で形成するときの入熱量よりも低い。また、第１バタリング溶接層１１１をバタリング溶接で形成するときの入熱量は、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２とを本溶接するときの入熱量よりも低い。このため、本実施形態では、第１バタリング溶接層１１１の形成の際にＮｉ基合金ロータ部１のＮｉ基合金が第１バタリング溶接層１１１に溶け込んで成分が希釈されることを抑制できるので、溶接部の強度を向上させることができる。

したがって、本実施形態は、蒸気タービンロータの信頼性を更に向上させることができる。

［Ｃ］変形例
本実施形態では、バタリング溶接金属部１１について、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との両者の間を本溶接するときに用いるフェライト鋼と同じ組成のフェライト鋼を用いて形成する場合について示したが、これに限らない。Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との両者の間を本溶接するときに用いるフェライト鋼と同じでなく、これに近い組成のフェライト鋼を用いて、バタリング溶接金属部１１を形成してもよい。たとえば、質量％で、Ｃ：０．１１〜０．３３、Ｍｎ：０．３〜０．８５、Ｃｒ：０．９〜２．５、Ｍｏ：０．７〜１．５、Ｖ：０．２〜０．３５残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる組成（フェライト鋼ロータ部と本溶接で用いる溶加材との中間組成）のフェライト鋼を用いて、バタリング溶接金属部１１を形成してもよい。

＜第３実施形態＞
［Ａ］製造方法
図４は、第３実施形態に係る蒸気タービンロータの製造工程を示す断面図である。

図４では、図２と同様に、図１のＡ部分を拡大して示しており、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に順次示す工程により、蒸気タービンロータを製造する。

図４に示すように、本実施形態においては、蒸気タービンロータの製造工程の一部が、第２実施形態と異なる。本実施形態は、この点、および、これに関連する点を除き、第２実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において、重複する個所については、適宜、説明を省略する。

本実施形態では、図４に示すように、フェライト鋼の第１継手部１２Ａとフェライト鋼の第２継手部１２Ｂとが開先面に形成されたＮｉ基合金ロータ部１に、第１フェライト鋼ロータ部２を溶接する。図示を省略しているが、これと同様に、Ｎｉ基合金ロータ部１に、第２フェライト鋼ロータ部３を溶接する。

以下より、本実施形態において蒸気タービンロータを製造するときの各工程の詳細について説明する。

（１）バタリング溶接金属部１１Ａ，１１Ｂの形成
まず、図４（ａ）に示すように、Ｎｉ基合金ロータ部１の開先面に、バタリング溶接金属部１１Ａ，１１Ｂを形成する。

本工程では、最初に、Ｎｉ基合金ロータ部１の開先面において、複数のバタリング溶接金属部１１Ａ，１１Ｂを形成する部分を加工する。

一方のバタリング溶接金属部１１Ａを形成する部分は、Ｎｉ基合金ロータ部１の開先面のうちルート面が設けられる部分であり、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との突き合わせ方向に対して直交する面を含むように加工される。

他方のバタリング溶接金属部１１Ｂを形成する部分は、Ｎｉ基合金ロータ部１の開先面に設けられる開先のうち、ルート面側の端部に対して反対側の端部に位置する開先開口部であり、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との突き合わせ方向に対して傾斜する面を含むように加工される。

その後、フェライト鋼を溶加材として用いてバタリング溶接を行うことによって、バタリング溶接金属部１１Ａ，１１Ｂを形成する。

具体的には、上記の実施形態の場合と同様に、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との両者の間を本溶接するときに用いるフェライト鋼と同じ材料を溶加材として用いてバタリング溶接を行うことにより、バタリング溶接金属部１１Ａ，１１Ｂを形成する。

上記の実施形態の場合と同様に、バタリング溶接金属部１１Ａ，１１Ｂの形成においては、第１バタリング溶接層（図示省略）と第２バタリング溶接層（図示省略）との２層を積層させる。

（２）第１継手部１２Ａ，第２継手部１２Ｂの形成
つぎに、図４（ｂ）に示すように、第１継手部１２Ａ，第２継手部１２Ｂを形成する。

本工程では、一方のバタリング溶接金属部１１Ａ（図４（ａ）参照）を開先加工することによって、第１継手部１２Ａを形成する。ここでは、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との突き合わせ方向に対して側面が直交するようにバタリング溶接金属部１１Ａを加工することによって、第１継手部１２Ａを形成する。

また、他方のバタリング溶接金属部１１Ｂ（図４（ａ）参照）を開先加工することによって第２継手部１２Ｂを形成する。ここでは、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との突き合わせ方向に上面が沿うようにバタリング溶接金属部１１Ｂを加工することによって、第２継手部１２Ｂを形成する。

（３）突き合わせ
つぎに、図４（ｃ）に示すように、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２とを互いに突き合わせる。

本工程では、Ｎｉ基合金ロータ部１において第１継手部１２Ａおよび第２継手部１２Ｂが形成された開先面と、第１フェライト鋼ロータ部２の開先面とを突き合わせる。

（４）溶接
つぎに、図４（ｄ）に示すように、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との間を溶接する。

本工程では、上記の実施形態の場合と同様に、フェライト鋼を溶加材として用いて、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との両者の間を溶接する。これにより、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との間には、第１溶接金属部４が形成される。

Ｎｉ基合金ロータ部１と第２フェライト鋼ロータ部３（図１参照）との間についても、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との間の場合と同様に、互いを突き合わせた後に両者を溶接する。

（５）熱処理，検査
つぎに、Ｎｉ基合金ロータ部１に対して第１フェライト鋼ロータ部２および第２フェライト鋼ロータ部３を溶接した溶接構造物について、上記の実施形態の場合と同様に、熱処理を行って残留応力を除去した後、検査を行う。

上記のように各工程を経て、蒸気タービンロータを完成させる。

［Ｂ］まとめ
以上のように、本実施形態では、Ｎｉ基合金ロータ部１の開先面のうちルート面が設けられる部分に、フェライト鋼の第１継手部１２Ａを形成している。このため、本実施形態では、ルート面が設けられたルート部において、第１溶接金属部４にＮｉ基合金ロータ部１のＮｉ基合金が多量に溶け込んで溶接金属の成分が希釈されることを防止できるので、溶接部の強度を向上させることができる。

本実施形態では、上述したように、Ｎｉ基合金ロータ部１の開先面のうち開先開口部に、フェライト鋼の第２継手部１２Ｂを形成している。このため、本実施形態では、開先開口部において、第１溶接金属部４にＮｉ基合金ロータ部１のＮｉ基合金が多量に溶け込んで溶接金属の成分が希釈されることを防止できるので、溶接部の強度を向上させることができる。

したがって、本実施形態は、蒸気タービンロータの信頼性を更に向上させることができる。

＜第４実施形態＞
［Ａ］製造方法
図５，図６は、第４実施形態に係る蒸気タービンロータの製造工程を示す断面図である。

図５，図６では、図４と同様に、図１のＡ部分を拡大して示しており、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）に順次示す工程により、蒸気タービンロータを製造する。

図５，図６に示すように、本実施形態においては、蒸気タービンロータの製造工程の一部が、第３実施形態と異なる。本実施形態は、この点、および、これに関連する点を除き、第３実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において、重複する個所については、適宜、説明を省略する。

本実施形態では、図５，図６に示すように、フェライト鋼の第１継手部１２ＡとＮｉ基合金の第１開先延長部１２Ｃとが設けられたＮｉ基合金ロータ部１に、第２開先延長部２２Ｃが設けられた第１フェライト鋼ロータ部２を溶接する。図示を省略しているが、これと同様に、Ｎｉ基合金ロータ部１に第２フェライト鋼ロータ部３を溶接する。

以下より、本実施形態において、蒸気タービンロータを製造する各工程の詳細について説明する。

（１）バタリング溶接金属部１１Ａ，１１Ｃ，２１Ｃの形成
まず、図５（ａ）に示すように、Ｎｉ基合金ロータ部１にバタリング溶接金属部１１Ａ，１１Ｃを形成する。この他に、フェライト鋼ロータ部２にバタリング溶接金属部２１Ｃを形成する。

本工程では、最初に、Ｎｉ基合金ロータ部１の開先面においてバタリング溶接金属部１１Ａを形成する部分について加工する。上記の実施形態と同様に、バタリング溶接金属部１１Ａを形成する部分は、Ｎｉ基合金ロータ部１の開先面のうちルート面が設けられる部分であり、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との突き合わせ方向に対して直交する面に加工される。その後、フェライト鋼を溶加材として用いてバタリング溶接を行うことによって、バタリング溶接金属部１１Ａを形成する。

そして、Ｎｉ基合金ロータ部１の開先開口部側の面において当該開先開口部の近傍にバタリング溶接金属部１１Ｃを形成する。バタリング溶接金属部１１Ｃについては、Ｎｉ基合金を溶加材として用いてバタリング溶接を行うことで形成する。たとえば、質量％で、Ｃ：０．０５〜０．１５、Ｃｒ：２０〜２４、Ｍｏ：８〜１０、Ａｌ：０．８〜１．５、Ｃｏ：１０〜１５、残部がＮｉおよび不可避的不純物からなる組成のＮｉ基合金によって、バタリング溶接金属部１１Ｃを形成する。

また、フェライト鋼ロータ部２の開先開口部側の面において当該開先開口部の近傍にバタリング溶接金属部２１Ｃを設ける。バタリング溶接金属部２１Ｃについては、上記の実施形態においてＮｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との両者の間を本溶接するときに用いるフェライト鋼と同じ材料を溶加材として用いて、上記のバタリング溶接を行うことで形成する。

上記のバタリング溶接は、たとえば、ＴＩＧ溶接により行う。この他に、ＭＩＧ溶接、サブマージアーク溶接により、上記のバタリング溶接を行ってもよい。

上記の実施形態の場合と同様に、バタリング溶接金属部１１Ａ，１１Ｃ，２１Ｃの形成においては、第１バタリング溶接層（図示省略）と第２バタリング溶接層（図示省略）との２層を積層させる。

（２）第１継手部１２Ａ，第１開先延長部１２Ｃ，第２開先延長部２２Ｃの形成
つぎに、図５（ｂ）に示すように、第１継手部１２Ａ，第１開先延長部１２Ｃ，第２開先延長部２２Ｃを形成する。

本工程では、フェライト鋼のバタリング溶接金属部１１Ａ（図５（ａ）参照）を加工することによって、図５（ｂ）に示すように、第１継手部１２Ａを形成する。ここでは、上記の実施形態の場合と同様に、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との突き合わせ方向に対して第１継手部１２Ａの側面が直交するように、バタリング溶接金属部１１Ａについて開先加工を行う。

また、Ｎｉ基合金のバタリング溶接金属部１１Ｃ（図５（ａ）参照）を加工することによって、図５（ｂ）に示すように、第１開先延長部１２Ｃを形成する。ここでは、第１開先延長部１２Ｃにおいて開先側の側面がＮｉ基合金ロータ部１の開先面に沿うように、バタリング溶接金属部１１Ｃについて開先加工を行って開先を上方へ延長させる。

この他に、フェライト鋼のバタリング溶接金属部２１Ｃ（図５（ａ）参照）を加工することによって、図５（ｂ）に示すように、第２開先延長部２２Ｃを形成する。ここでは、第２開先延長部２２Ｃにおいて開先側の側面がフェライト鋼ロータ部２の開先面に沿うように、バタリング溶接金属部２１Ｃについて開先加工を行って開先を上方へ延長させる。この開先加工では、第２開先延長部２２Ｃの形成と共に、フェライト鋼ロータ部２の開先面に開先を形成する。

（３）突き合わせ
つぎに、図５（ｃ）に示すように、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２とを互いに突き合わせる。

本工程では、Ｎｉ基合金ロータ部１において第１継手部１２Ａが形成された開先面と、第１フェライト鋼ロータ部２の開先面とを突き合わせる。また、第１開先延長部１２Ｃの側面と第２開先延長部２２Ｃの側面とが開先を介して対面するように、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２とを突き合わせる。

（４）溶接
つぎに、図６（ｄ）に示すように、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との間を溶接する。

本工程では、上記の実施形態の場合と同様に、フェライト鋼を溶加材として用いて、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との両者の間を溶接する。これにより、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との間には、第１溶接金属部４が形成される。

本実施形態では、第１開先延長部１２Ｃと第２開先延長部２２Ｃとを第１溶接金属部４が被覆するように、Ｎｉ基合金ロータ部１とフェライト鋼ロータ部２とを溶接する。

（５）第１開先延長部１２Ｃ、第２開先延長部２２Ｃ、第１溶接金属部４の余盛部分の除去
つぎに、図６（ｅ）に示すように、第１開先延長部１２Ｃ、第２開先延長部２２Ｃ、および、第１溶接金属部４の余盛部分について除去する。

本工程では、Ｎｉ基合金ロータ部１において開先が形成された面から上方へ突き出た第１開先延長部１２Ｃ（図５（ｄ）参照）を除去する。また、フェライト鋼ロータ部２において開先が形成された面から上方へ突き出た第２開先延長部２２Ｃ（図５（ｄ）参照）を除去する。これと共に、第１溶接金属部４において開先が形成された面から上方に突き出た余盛部分（図５（ｄ）参照）について除去する。これにより、Ｎｉ基合金ロータ部１およびフェライト鋼ロータ部２において開先が形成された面を平坦にする。

Ｎｉ基合金ロータ部１と第２フェライト鋼ロータ部３（図１参照）との間についても、Ｎｉ基合金ロータ部１と第１フェライト鋼ロータ部２との間の場合と同様に溶接する。

（６）熱処理，検査
つぎに、Ｎｉ基合金ロータ部１に対して第１フェライト鋼ロータ部２および第２フェライト鋼ロータ部３を溶接した溶接構造物について、上記の実施形態の場合と同様に、熱処理を行って残留応力を除去した後、検査を行う。

上記のように各工程を経て、蒸気タービンロータを完成させる。

［Ｂ］まとめ
以上のように、本実施形態においては、Ｎｉ基合金ロータ部１の開先開口部側の面において当該開先開口部の近傍に、Ｎｉ基合金の第１開先延長部１２Ｃを設ける。これと共に、フェライト鋼ロータ部２の開先開口部側の面において当該開先開口部の近傍に、フェライト鋼の第２開先延長部２２Ｃを設ける。そして、Ｎｉ基合金ロータ部１とフェライト鋼ロータ部２とを溶接するときには、第１開先延長部１２Ｃの上面と第２開先延長部２２Ｃの上面とを第１溶接金属部４で被覆させる。その後、第１開先延長部１２Ｃと第２開先延長部２２Ｃと共に第１溶接金属部４の余盛部分を除去する。

このように、本実施形態では、第１開先延長部１２Ｃと第２開先延長部２２Ｃとが開先の上方において開先を延長しているので、本溶接を行ったときには、開先の上端において溶接金属の成分が希釈される部分が、第１開先延長部１２Ｃと第２開先延長部２２Ｃとの間の余盛部分に移る。そして、その後、その余盛部分を除去している。このため、本実施形態では、溶接金属の成分が希釈された部分を減少できるので、溶接部の強度を向上させることができる。

本実施形態においては、上述したように、第１開先延長部１２Ｃは、Ｎｉ基合金を用いてＮｉ基合金ロータ部１に形成されているので、Ｎｉ基合金ロータ部１に密着している。また、第２開先延長部２２Ｃは、フェライト鋼を用いてフェライト鋼ロータ部２に形成されているので、フェライト鋼ロータ部２に密着している。このため、本実施形態では、Ｎｉ基合金ロータ部１とフェライト鋼ロータ部２との溶接を的確に行うことができる。

したがって、本実施形態は、蒸気タービンロータの信頼性を更に向上させることができる。

［Ｃ］変形例
本実施形態では、Ｎｉ基合金を用いて第１開先延長部１２ＣをＮｉ基合金ロータ部１に形成しているが、これに限らない。たとえば、フェライト鋼を用いて第１開先延長部１２ＣをＮｉ基合金ロータ部１に形成してもよい。

＜その他＞
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…Ｎｉ基合金ロータ部（Ｎｉ基合金母材）、２，３…フェライト鋼ロータ部（フェライト鋼母材）、４，５…溶接金属部、１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，２１Ｃ…バタリング溶接金属部、１２，１２Ａ，１２Ｂ…継手部、１２Ｃ，２２Ｃ…開先延長部、１１１，１１２…バタリング溶接層

Claims (15)

1. Ｎｉ基合金によって形成されているＮｉ基合金ロータ部と、フェライト鋼によって形成されているフェライト鋼ロータ部とを溶接する溶接工程
   を有し、
   前記溶接工程においては、フェライト鋼を溶加材として用いて、前記Ｎｉ基合金ロータ部と前記フェライト鋼ロータ部とを溶接することを特徴とする、
   蒸気タービンロータの製造方法。
2. 前記溶接工程では、前記Ｎｉ基合金ロータ部と前記フェライト鋼ロータ部との間において狭開先が設けられた継手を、ホットワイヤＴＩＧ溶接により１層について１パスで溶接することを特徴とする、
   請求項１に記載の蒸気タービンロータの製造方法。
3. 前記Ｎｉ基合金ロータ部の開先面にフェライト鋼の継手部を形成する継手部形成工程
   を有し、
   前記溶接工程では、前記Ｎｉ基合金ロータ部において前記フェライト鋼の継手部が形成された開先面と、前記フェライト鋼ロータ部の開先面とを突き合わせた状態で、前記Ｎｉ基合金ロータ部と前記フェライト鋼ロータ部とを溶接することを特徴とする、
   請求項１または２に記載の蒸気タービンロータの製造方法。
4. 前記継手部形成工程では、前記Ｎｉ基合金ロータ部の開先面の全体にフェライト鋼の継手部を形成する、
   請求項３に記載の蒸気タービンロータの製造方法。
5. 前記継手部形成工程では、前記Ｎｉ基合金ロータ部の開先面のうちルート面が設けられる部分に、前記フェライト鋼の継手部を形成する、
   請求項３に記載の蒸気タービンロータの製造方法。
6. 前記継手部形成工程では、前記Ｎｉ基合金ロータ部の開先面のうち開先開口部に、前記フェライト鋼の継手部を形成する、
   請求項３または５に記載の蒸気タービンロータの製造方法。
7. 前記継手部形成工程は、前記Ｎｉ基合金ロータ部の開先面にフェライト鋼をバタリング溶接することによってバタリング溶接金属部を形成した後に、当該バタリング溶接金属部について開先加工を行うことによって前記フェライト鋼の継手部を形成することを特徴とする、
   請求項３から６のいずれかに記載の蒸気タービンロータの製造方法。
8. 前記継手部形成工程では、第１バタリング溶接層と第２バタリング溶接層とを順次バタリング溶接することによって、前記バタリング溶接金属部を形成し、
   前記第１バタリング溶接層をバタリング溶接で形成するときの入熱量が、前記第２バタリング溶接層をバタリング溶接で形成するときの入熱量、および、前記溶接工程において前記Ｎｉ基合金ロータ部と前記フェライト鋼ロータ部とを溶接するときの入熱量よりも低いことを特徴とする、
   請求項７に記載の蒸気タービンロータの製造方法。
9. 前記Ｎｉ基合金ロータ部の開先開口部側の面において当該開先開口部の近傍に第１開先延長部を設ける第１開先延長部形成工程と、
   前記フェライト鋼ロータ部の開先開口部側の面において当該開先開口部の近傍に第２開先延長部を設ける第２開先延長部形成工程と
   を有し、
   前記溶接工程において前記第１開先延長部と前記第２開先延長部とを溶接金属が被覆するように前記Ｎｉ基合金ロータ部と前記フェライト鋼ロータ部とを溶接した後に、
   前記第１開先延長部と前記第２開先延長部と共に前記溶接金属の余盛部分を除去することを特徴とする、
   請求項１から８のいずれかに記載の蒸気タービンロータの製造方法。
10. 前記第１開先延長部形成工程では、ニッケル基合金をバタリング溶接することによってバタリング溶接金属部を形成した後に、当該バタリング溶接金属部について加工を行うことによって前記第１開先延長部を形成し、
    前記第２開先延長部形成工程では、フェライト鋼をバタリング溶接することによってバタリング溶接金属部を形成した後に、当該バタリング溶接金属部について加工を行うことによって前記第２開先延長部を形成する、
    請求項９に記載の蒸気タービンロータの製造方法。
11. 前記第１開先延長部形成工程および前記第２開先延長部形成工程では、第１バタリング溶接層と第２バタリング溶接層とを順次バタリング溶接することによって、前記バタリング溶接金属部を形成し、
    前記第１バタリング溶接層をバタリング溶接で形成するときの入熱量が、前記第２バタリング溶接層をバタリング溶接で形成するときの入熱量、および、前記溶接工程において前記Ｎｉ基合金ロータ部と前記フェライト鋼ロータ部とを溶接するときの入熱量よりも低いことを特徴とする、
    請求項１０に記載の蒸気タービンロータの製造方法。
12. ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、サブマージアーク溶接のいずれかにより、前記バタリング溶接金属部を形成することを特徴とする、
    請求項７，８，１０，１１のいずれかに記載の蒸気タービンロータの製造方法。
13. 前記溶接工程において前記Ｎｉ基合金ロータ部と前記フェライト鋼ロータ部とを溶接した後に、前記フェライト鋼ロータ部のテンパー温度以下で熱処理を行うことによって残留応力を除去する熱処理工程と、
    前記熱処理工程の実施後に、前記Ｎｉ基合金ロータ部と前記フェライト鋼ロータ部との溶接部について超音波探傷検査を行う検査工程
    を更に有する、
    請求項１から１２のいずれかに記載の蒸気タービンロータの製造方法。
14. Ｎｉ基合金によって形成されているＮｉ基合金ロータ部と、
    フェライト鋼によって形成されているフェライト鋼ロータ部と
    を有し、
    前記Ｎｉ基合金ロータ部と前記フェライト鋼ロータ部とが、フェライト鋼を溶加材として用いて溶接されていることを特徴とする、
    蒸気タービンロータ。
15. Ｎｉ基合金母材と、フェライト鋼母材とを溶接する溶接工程
    を有し、
    前記溶接工程においては、フェライト鋼を溶加材として用いて、前記Ｎｉ基合金母材と前記フェライト鋼母材とを溶接することを特徴とする、
    溶接方法。

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