JP2015110239A - 摩擦接合方法、動翼の補修方法、摩擦接合装置、動翼及び拘束治具 - Google Patents

Abstract

【課題】補修作業を容易なものとし、母材と補修材とを好適に接合することができる摩擦接合方法等を提供する。【解決手段】摩擦接合方法は、補修対象となる動翼１０のチップフィン２４に対して補修材１１を圧接させ、圧接させた補修材１１をチップフィン２４に対して直線往復運動させて、チップフィン２４と補修材１１との間に摩擦熱を発生させることで、チップフィン２４及び補修材１１を摩擦加熱して軟化させる摩擦加熱工程と、摩擦加熱工程後、チップフィン２４に対して補修材１１を摩擦加熱工程のときよりも圧接して、チップフィン２４と補修材１１とを接合する圧接工程とを備える。【選択図】図１０

Description

本発明は、補修材を母材に摩擦圧接することで、補修材と母材とを接合する摩擦接合方法、動翼の補修方法、摩擦接合装置、動翼及び拘束治具に関するものである。

従来、金属材料の表面の欠損部に形成された溶射層に圧接させ、溶射層を摩擦することにより加熱して塑性流動させる回転工具と、回転工具を回転駆動させる駆動装置とから構成される金属材料の補修装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−３１１４４２号公報

しかしながら、特許文献１の補修装置では、金属材料の欠陥部に溶射層を形成するため、補修作業が煩雑となる。また、一般的な補修方法として、母材に形成される欠損部を肉盛溶接することで補修する場合がある。この場合、溶接によって母材が溶融することから、母材と肉盛溶接部との間で溶接割れが生じ易くなる。

そこで、本発明は、補修作業を容易なものとし、母材と補修材とを好適に接合することができる摩擦接合方法、動翼の補修方法、摩擦接合装置、動翼及び拘束治具を提供することを課題とする。

本発明の摩擦接合方法は、補修対象となる母材に対して補修材を圧接させ、圧接させた前記補修材を前記母材に対して直線往復運動させて、前記母材と前記補修材との間に摩擦熱を発生させることで、前記母材及び前記補修材を摩擦加熱して軟化させる摩擦加熱工程と、前記摩擦加熱工程後、前記母材に対して前記補修材を前記摩擦加熱工程のときよりも圧接して、前記母材と前記補修材とを接合する圧接工程と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、母材に対して補修材を直線往復運動させて、母材及び補修材を摩擦熱により加熱して軟化させることができる。このため、母材が融点に達する前に軟化させ、軟化した母材及び補修材を圧接して接合することができる。これにより、母材を溶融させることがないことから、溶接割れの発生を抑制することができる。また、従来のように母材に対して溶射を行う必要がないことから、補修作業を簡易なものとすることができる。

この場合、前記摩擦加熱工程では、軟化した前記母材及び前記補修材を圧接させることにより、前記母材及び前記補修材の一部を、前記母材と前記補修材との合わせ面となる接合界面の周囲にはみ出させることで、バリを形成することが好ましい。

この構成によれば、圧接工程において、接合界面の周囲にバリを形成した状態で、母材と補修材とを圧接することができる。このため、余剰部となるバリによって、母材と補修材との接合界面を広げることにより、接合界面における接合不良、特に接合界面の縁部における接合不良の発生を抑制できることから、母材と補修材とを好適に接合することができる。なお、バリは、摩擦接合後の後成形において除去される。

この場合、前記摩擦加熱工程では、前記母材に圧接される前記補修材の前記摩擦加熱工程の開始時における位置を基準位置とし、前記基準位置から前記補修材が前記母材へ近づく方向に所定の長さ分だけ移動するまで摩擦加熱を行うことで、前記バリを形成することが好ましい。

この構成によれば、基準位置に位置する補修材が所定の長さ分だけ母材側に近づく（移動する）ことで、接合界面の周囲のバリを好適に形成することができる。このとき、補修材の移動量を管理することで、バリを好適に形成することが可能となる。なお、好適なバリを形成するための最適な補修材の移動量（所定の長さ）は、予め実験等により求められる。

この場合、前記摩擦加熱工程では、前記接合界面が平坦になるまで摩擦加熱を行うことで、前記バリを形成することが好ましい。

この構成によれば、母材及び補修材の接触面が凹凸を有する場合であっても、母材に対して補修材を直線往復運動させることで、母材と補修材との接合界面を平坦にすることができ、また、接合界面が平坦となった状態でバリを形成することができる。

この場合、摩擦接合される前記母材及び前記補修材のうち、前記接合界面を挟んだ前記母材側には、摩擦加熱による熱影響部が形成されることが好ましい。

この構成によれば、接合界面を挟んだ母材に溶融部を形成することなく、母材に熱影響部を形成することができる。

この場合、前記母材及び前記補修材は、相互に接触するそれぞれの接触面が、平坦面となっていることが好ましい。

この構成によれば、母材及び補修材の相互の接触面を平坦面にすることができるため、母材及び補修材に複雑な加工を行う必要がなく、また、母材と補修材との接触面積を大きくすることができる。

この場合、前記母材及び前記補修材は、相互に接触するそれぞれの接触面の少なくとも一方が、凹凸形状となる摩擦面となっていることが好ましい。

この構成によれば、母材及び補修材の相互の接触面の少なくとも一方を摩擦面にすることができるため、摩擦加熱工程において、母材と補修材との間に摩擦熱を効率良く発生させることができる。なお、接触面の少なくとも一方を摩擦面とする場合、母材を平坦面に形成し、補修材を摩擦面に形成することがより好ましい。

この場合、前記摩擦加熱工程では、前記母材に対する前記補修材の圧力が、３００ＭＰａから４００ＭＰａの範囲内となっており、前記直線往復運動の周波数が、４５Ｈｚから７５Ｈｚの範囲内となっていることが好ましい。

この構成によれば、摩擦加熱工程において、母材に対して補修材を最適な圧力で圧接させ、また、母材に対して補修材を最適な周波数で直線往復運動を行うことができるため、母材及び補修材を効率良く摩擦加熱して軟化させることができる。

この場合、前記圧接工程では、前記母材に対する前記補修材の圧力が、３００ＭＰａから４００ＭＰａの範囲内となっていることが好ましい。

この構成によれば、圧接工程において、母材に対して補修材を最適な圧力で圧接させることができるため、母材に対して補修材を好適に接合することができる。

この場合、前記摩擦加熱工程では、開始時において、前記母材に対する前記補修材の前記直線往復運動による振幅を大きくし、前記母材に対する前記補修材の圧力を小さくし、前記直線往復運動の周波数を小さくする一方で、終了時において、前記母材に対する前記補修材の前記直線往復運動による振幅を小さくし、前記母材に対する前記補修材の圧力を大きくし、前記直線往復運動の周波数を大きくすることが好ましい。

この構成によれば、母材に対する補修材の直線往復運動が不安定となり易い、摩擦加熱工程の開始時においては、母材に対する補修材の直線往復運動による振幅を大きくすることで、摩擦熱の発生量（入熱量）を多くしつつ、母材に対する補修材の圧力を小さくし、直線往復運動の周波数を小さくすることで、母材に対する補修材の直線往復運動を安定させることができる。一方で、母材に対する補修材の直線往復運動が安定し易い、摩擦加熱工程の終了時においては、母材に対する補修材の直線往復運動による振幅を小さくすることで、母材に対する補修材の位置ずれを抑制しつつ、母材に対する補修材の圧力を大きくし、直線往復運動の周波数を大きくすることで、摩擦熱の発生量（入熱量）を多くすることができる。

この場合、前記補修材は、前記母材よりも強度が低いことが好ましい。

この構成によれば、母材と比べて補修材が軟化し易くなるため、摩擦加熱工程における母材の軟化による欠損を抑制することができる。

この場合、前記補修材は、前記母材側が低強度となる一方で、前記母材の反対側が高強度となることが好ましい。

この構成によれば、摩擦接合される補修材の母材の反対側を高強度にすることができるため、補修後の母材の経時的な欠損を抑制することができる。

本発明の動翼の補修方法は、上記の摩擦接合方法を用いた動翼の補修方法であって、欠損部が形成された前記母材となる前記動翼に対し、前記動翼の前記欠損部を成形加工して、前記補修材を接触させる接触面を形成する前成形工程と、成形後の前記動翼を固定すると共に、固定された前記動翼の前記接触面に対し、前記補修材が対向するように前記補修材を取り付ける取付工程と、取り付けた前記動翼と前記補修材とを前記摩擦接合方法によって摩擦接合する摩擦接合工程と、摩擦接合された前記動翼及び前記補修材の固定を解除して取り外す取外し工程と、前記動翼の前記欠損部を補修した形状となるように、摩擦接合された前記動翼及び前記補修材を成形する後成形工程と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、上記の摩擦接合方法を用いて動翼を補修することができるため、溶接割れの発生を抑制しつつ、動翼の補修作業を簡易なものとすることができる。

本発明の摩擦接合装置は、補修対象となる母材に対して補修材を押圧する押圧機構と、前記母材に対して前記補修材を直線往復運動させる振動機構と、前記押圧機構及び前記振動機構を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記押圧機構を制御して、前記母材に対して前記補修材を圧接させ、前記振動機構を制御して、圧接させた前記補修材を前記母材に対して直線往復運動させる摩擦加熱制御を実行し、摩擦加熱制御の実行後、前記母材に対して前記補修材を前記摩擦加熱制御時よりも圧接する圧接制御を実行することを特徴とする。

この構成によれば、制御部が押圧機構及び振動機構を制御して、摩擦加熱制御及び圧接制御を実行することで、母材及び補修材を摩擦接合することができる。このため、溶接割れの発生を抑制しつつ、母材の補修作業を簡易なものとすることができる。

本発明の動翼は、上記の摩擦接合方法を用いて補修された動翼であって、欠損部が形成された前記母材となる前記動翼と、前記動翼の前記欠損部に摩擦接合された前記補修材との合わせ面となる前記接合界面は、平坦となっていることを特徴とする。

この構成によれば、母材となる動翼に溶融部が形成されることなく、補修材が好適に摩擦接合された動翼を得ることができる。

本発明の拘束治具は、上記の摩擦接合方法を用いて補修される動翼を固定するための拘束治具であって、前記動翼は、ロータに取り付けられる基端側の翼根部と、前記翼根部から前記ロータの反対側となる先端側へ向かって長手方向に延びる翼形部と、前記翼形部の先端側に設けられるシュラウドと、前記シュラウドから先端側に突出して設けられるチップフィンと、を有し、前記翼根部を拘束する翼根部拘束部と、長手方向に直交する面において前記翼形部の周囲に設けられ、前記翼形部の周囲を拘束する翼形部拘束部と、長手方向に直交する面において前記シュラウドの周囲に設けられ、前記シュラウドの周囲を拘束する第１シュラウド拘束部と、前記シュラウドの基端側に設けられ、前記シュラウドを基端側から拘束する第２シュラウド拘束部と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、動翼を強固に固定することができるため、摩擦接合によって動翼に与えられる応力を抑制することができる。このため、母材となる動翼に対し、補修材を好適に摩擦接合することができる。

図１は、実施例１に係る摩擦接合方法によって補修される動翼の斜視図である。 図２は、実施例１に係る摩擦接合方法で用いられる拘束治具の一部を示す模式図である。 図３は、実施例１に係る摩擦接合方法で用いられる拘束治具の一部を示す模式図である。 図４は、実施例１に係る摩擦接合方法で用いられる拘束治具の一部を示す模式図である。 図５は、実施例１に係る摩擦接合方法で用いられる拘束治具の一部を示す模式図である。 図６は、実施例１に係る摩擦接合装置を模式的に示す概略構成図である。 図７は、実施例１に係る摩擦接合装置の保持部を模式的に示す斜視図である。 図８は、実施例１に係る摩擦接合装置によって行われる直線往復運動を表す説明図である。 図９は、摩擦加熱された動翼及び補修材を示す模式図である。 図１０は、実施例１に係る摩擦接合方法を用いた動翼の補修方法に関する説明図である。 図１１は、実施例２に係る摩擦接合方法で用いられる補修材を示す模式図である。 図１２は、実施例３に係る摩擦接合方法で用いられる補修材を示す模式図である。 図１３は、実施例４に係る摩擦接合装置によって行われる直線往復運動を表す説明図である。

以下に、本発明に係る実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、実施例１に係る摩擦接合方法によって補修される動翼の斜視図である。図２から図５は、実施例１に係る摩擦接合方法で用いられる拘束治具の一部を示す模式図である。図６は、実施例１に係る摩擦接合装置を模式的に示す概略構成図である。図７は、実施例１に係る摩擦接合装置の保持部を模式的に示す斜視図である。図８は、実施例１に係る摩擦接合装置によって行われる直線往復運動を表す説明図である。図９は、摩擦加熱された動翼及び補修材を示す模式図である。図１０は、実施例１に係る摩擦接合方法を用いた動翼の補修方法に関する説明図である。

実施例１の摩擦接合方法は、動翼１０を補修する動翼１０の補修方法に適用され、母材としての動翼１０の欠損部に対して、補修材１１を摩擦接合することで、動翼１０の補修を行っている。先ず、実施例１の摩擦接合方法の説明に先立ち、図１を参照して、動翼１０について説明する。

図１に示すように、動翼１０は、例えば、ガスタービンのロータに取り付けられる動翼１０であり、ニッケル基合金等を用いて構成されている。動翼１０は、基端側であるロータ側から順に、翼根部２１と、翼形部２２と、シュラウド２３と、チップフィン２４とを含んで構成されている。翼根部２１は、例えば、ツリー形状となっており、ロータに取り付けられる部位となっている。翼形部２２は、翼根部２１の先端側に設けられており、翼根部２１から先端側へ向かって長手方向に延びて形成されている。翼形部２２は、その周面が翼面となっており、この翼面に、ガスタービンで燃焼される燃焼ガスが吹き当たる。シュラウド２３は、翼形部２２の先端側に設けられ、ロータの回転方向（周方向）に延びて形成されており、隣接する他の動翼１０のシュラウド２３に連結可能となっている。チップフィン２４は、シュラウド２３から先端側に突出して設けられている。チップフィン２４は、周方向に延びる薄板のフィン形状となっている。

上記の動翼１０において、チップフィン２４は、燃焼ガスが流通する図示しない分割環の内周面に対向して設けられている。このとき、動翼１０は、燃焼ガスによって熱延びすることで、回転部材となる動翼１０のチップフィン２４が、固定部材となる分割環に対して摺接し、チップフィン２４の先端が欠損する場合がある。この場合、動翼１０のチップフィン２４における欠損部を補修するために、摩擦接合方法を用いた動翼１０の補修方法を行っている。

次に、図２から図５を参照して、摩擦接合方法で用いられる動翼１０を固定するための拘束治具３０について説明する。この拘束治具３０は、補修材１１の摩擦接合時において動翼１０に与えられる荷重に抗するように動翼１０を固定する。拘束治具３０は、翼根部２１を拘束する翼根部拘束部３１と、翼形部２２を拘束する翼形部拘束部３２と、シュラウド２３を拘束する第１シュラウド拘束部３３及び第２シュラウド拘束部３４と、を含んで構成されている。

図２に示すように、翼根部拘束部３１は、ツリー形状に形成される翼根部２１を、周方向の両側から挟み込むように設けられる一対の翼根部拘束部材３１ａ，３１ｂを有している。一対の翼根部拘束部材３１ａ，３１ｂは、その当接面が、翼根部２１の形状と相補的形状となっている。つまり、一対の翼根部拘束部材３１ａ，３１ｂのうち、一方の翼根部拘束部材３１ａは、その当接面が、翼根部２１の周方向の一方側の形状と相補的形状となっており、他方の翼根部拘束部材３１ｂは、その当接面が、翼根部２１の周方向の他方側の形状と相補的形状となっている。このため、一対の翼根部拘束部材３１ａ，３１ｂは、翼根部２１の周方向の両側から、翼根部２１の形状に合致させて挟み込むことで、翼根部２１を拘束する。

図３に示すように、翼形部拘束部３２は、翼形部２２（動翼１０）の長手方向に直交する断面において翼形部２２の周囲に設けられている。具体的に、翼形部拘束部３２は、翼形部２２の湾曲する表裏の翼面に当接して、翼形部２２の表側及び裏側から挟み込むように設けられる一対の翼形部拘束部材３２ａ，３２ｂを有している。一対の翼形部拘束部材３２ａ，３２ｂは、その当接面が、翼形部２２の形状と相補的形状となっている。つまり、一対の翼形部拘束部材３２ａ，３２ｂのうち、一方の翼形部拘束部材３２ａは、その当接面が、翼形部２２の湾曲する表側（腹側）の形状と相補的形状となっており、他方の翼形部拘束部材３２ｂは、その当接面が、翼形部２２の湾曲する裏側（背側）の形状と相補的形状となっている。このため、一対の翼形部拘束部材３２ａ，３２ｂは、翼形部２２の表側及び裏側から、翼形部２２の形状に合致させて挟み込むことで、翼形部２２を拘束する。

図４に示すように、第１シュラウド拘束部３３は、動翼１０の長手方向に直交する平面において、シュラウド２３の周囲に設けられている。具体的に、第１シュラウド拘束部３３は、平面において、シュラウド２３の周方向における左右両側面に当接する一対の左右側当接部材３３ａ，３３ｂと、シュラウド２３の周方向に直交する前後方向における前後両側面に当接する一対の前後側当接部材３３ｃ，３３ｄとを有している。一対の左右側当接部材３３ａ，３３ｂは、その当接面が、シュラウド２３の左右両側面の形状と相補的形状となっている。つまり、一対の左右側当接部材３３ａ，３３ｂのうち、左側当接部材３３ａは、その当接面が、シュラウド２３の湾曲（または傾斜）する左側面の形状と相補的形状となっており、右側当接部材３３ｂは、その当接面が、シュラウド２３の湾曲（または傾斜）する右側面の形状と相補的形状となっている。

一対の前後側当接部材３３ｃ，３３ｄは、シュラウド２３の前側面及び後側面に対して当接する複数の接触子を有し、複数の接触子は、シュラウド２３の前後両側面の形状に応じた高さとなっており、シュラウド２３の前後両側面に沿って並べて設けられている。つまり、一対の前後側当接部材３３ｃ，３３ｄのうち、前側当接部材３３ｃは、複数の接触子が、シュラウド２３の前側面に当接することで、シュラウド２３の湾曲する前側面の形状に倣って当接し、後側当接部材３３ｄは、複数の接触子が、シュラウド２３の後側面に当接することで、シュラウド２３の湾曲する後側面の形状に倣って当接する。

このため、一対の左右側当接部材３３ａ，３３ｂ及び一対の前後側当接部材３３ｃ，３３ｄは、平面において、シュラウド２３の前後左右の四方から挟み込むことで、シュラウド２３を拘束する。

図５に示すように、第２シュラウド拘束部３４は、シュラウド２３の基端側に設けられ、圧接される補修材からの圧力に抗して設けられている。具体的に、第２シュラウド拘束部３４は、シュラウド２３の基端側の面に当接して、翼形部２２の表側及び裏側からシュラウド２３を支持するように設けられる一対の支持部材３４ａ，３４ｂを有している。一対の支持部材３４ａ，３４ｂのうち、一方の支持部材３４ａは、シュラウド２３の基端側の前面に当接し、他方の支持部材３４ｂは、シュラウド２３の基端側の後面に当接する。このため、一対の支持部材３４ａ，３４ｂは、シュラウド２３の基端側の前面及び後面を支持することで、シュラウド２３を拘束する。

拘束治具３０によって拘束された動翼１０は、そのチップフィン２４の先端側に補修材１１が圧接され、圧接した補修材１１が直線往復運動させられることで、補修材１１が摩擦接合される。

次に、図６及び図７を参照して、動翼１０に補修材１１を摩擦接合する摩擦接合装置５０について説明する。摩擦接合装置５０は、保持部５１と、振動機構５２と、三軸移動機構５３と、制御部５４とを備えている。補修材１１は、動翼１０のチップフィン２４に沿って延在する長方体形状に形成されている。なお、補修材１１は、動翼１０と同じ材料を用いて構成されており、例えば、ニッケル基合金で構成されている。

保持部５１は、補修材１１を保持可能となっており、保持部５１により保持された補修材１１は、動翼１０のチップフィン２４に対向するように配置される。図７に示すように、保持部５１は、補修材１１の長手方向の両端側から挟持する挟持部材５６と、挟持部材５６によって挟持された補修材１１の両側に設けられる一対の支持板５７ａ，５７ｂとを含んで構成されている。

挟持部材５６は、動翼１０のチップフィン２４と対向する面に、凹状の窪みが形成されており、この窪みに、補修材１１が収容される。そして、挟持部材５６は、その窪みに補修材１１を収容した状態で、補修材１１の長手方向の両側を挟み込んでいる。一対の支持板５７ａ，５７ｂは、挟持部材５６によって挟み込まれた補修材１１の両側面をそれぞれ支持する部材であり、補修材１１の両側面に当接された状態で、補修材１１と共に挟持部材５６によって挟持される。これにより、補修材１１は、挟持部材５６及び一対の支持板５７ａ，５７ｂによって、チップフィン２４と対向する面以外の面が覆われた状態で、保持される。

再び、図６を参照し、振動機構５２は、保持部５１と連結可能となっており、保持部５１に保持された補修材１１が、対向する動翼１０のチップフィン２４上で、直線往復運動が可能な機構となっている。この振動機構５３は、例えば、アクチュエータにより振動する振動軸を含む構成となっており、制御部５４に接続されている。このため、制御部５４は、振動機構５２を制御することで、動翼１０に対する補修材１１の直線往復運動を制御することが可能となっている。

三軸移動機構５３は、Ｘ軸移動機構５３ａ、Ｙ軸移動機構５３ｂ及びＺ軸移動機構５３ｃを含む移動機構となっている。Ｙ軸移動機構５３ｂは、基台５９上に立設した一対の脚部５８上をＹ方向に移動可能な機構となっている。Ｘ軸移動機構５３ａは、Ｙ軸移動機構５３ｂ上をＸ方向に移動可能な機構となっている。Ｚ軸移動機構５３ｃは、Ｘ軸移動機構５３ａの一端に連結され、Ｚ方向に移動可能な構成となっている。このＺ軸移動機構５３ｃには、振動機構５２が連結されており、振動機構５２をＺ方向に移動可能となっている。このため、Ｚ軸移動機構５３ｃは、振動機構５２を押圧する押圧機構として機能することから、保持部５１に保持された補修材１１を、対向する動翼１０のチップフィン２４に対して押圧可能となっている。また、三軸移動機構５３のＸ軸移動機構５３ａ、Ｙ軸移動機構５３ｂ及びＺ軸移動機構５３ｃは、制御部５４にそれぞれ接続されており、制御部５４は、Ｘ軸移動機構５３ａ及びＹ軸移動機構５３ｂを制御することで、動翼１０のチップフィン２４に対する補修材１１の位置を制御することが可能となっている。また、制御部５４は、Ｚ軸移動機構５３ｃを制御することで、動翼１０のチップフィン２４に対する補修材１１の押圧を制御することが可能となっている。

制御部５４は、振動機構５２及び三軸移動機構５３にそれぞれ接続され、振動機構５２及び三軸移動機構５３をそれぞれ制御している。制御部５４は、振動機構５２及び三軸移動機構５３をそれぞれ制御することで、摩擦加熱制御及び圧接制御を実行可能となっている。そして、制御部５４は、摩擦加熱制御及び圧接制御を実行することで、動翼１０のチップフィン２４に補修材１１を摩擦接合している。

具体的に、制御部５４は、摩擦加熱制御を実行すると、Ｚ軸移動機構５３ｃを制御して、保持部５１に保持された補修材１１をチップフィン２４に圧接し、振動機構５２を制御して、保持部５１に保持された補修材１１をチップフィン２４に対して直線往復運動させる。このとき、制御部５４は、摩擦加熱制御の開始時においてチップフィン２４と補修材１１とが接触する位置を基準位置とし、基準位置から補修材１１が動翼１０に近づく方向に所定の長さ分だけ移動したら、摩擦加熱制御の実行を停止し、圧接制御へ移行する。

制御部５４は、圧接制御を実行すると、振動機構５２を制御して、保持部５１に保持された補修材１１の直線往復運動を停止させ、Ｚ軸移動機構５３ｃを制御して、保持部５１に保持された補修材１１をチップフィン２４に圧接する。このとき、制御部５４は、圧接制御時における補修材１１の圧接が、摩擦加熱制御時における圧接よりも大きな圧力となるように制御する。

次に、図８を参照して、摩擦加熱制御及び圧接制御の実行時における摩擦接合装置５０の運転について説明する。ここで、図８に示す上方のグラフは、振動機構５２により直線往復運動する補修材１１の振幅に関するグラフであり、縦軸が振幅、横軸が時間となっている。補修材１１の振幅とは、チップフィン２４上に沿って移動する補修材１１の移動量である。このため、補修材１１の振幅が大きければ、補修材１１がチップフィン２４に対して大きくスライドする一方で、補修材１１の振幅が小さければ、補修材１１がチップフィン２４に対して小さくスライドする。図８に示す中央のグラフは、振動機構５２により直線往復運動する補修材１１の周波数に関するグラフであり、縦軸が周波数、横軸が時間となっている。補修材１１の周波数とは、チップフィン２４上に沿って移動する補修材１１の単位時間あたりにおける往復回数である。このため、補修材１１の周波数が大きければ、補修材１１の往復回数が多くなる一方で、補修材１１の周波数が小さければ、補修材１１の往復回数が少なくなる。図８に示す下方のグラフは、Ｚ軸移動機構５３ｃにより押圧される補修材１１の動翼１０への圧力に関するグラフであり、縦軸が圧力、横軸が時間となっている。このため、補修材１１の動翼１０への圧力が大きければ、チップフィン２４に対する補修材１１の荷重が大きくなる一方で、補修材１１の動翼１０への圧力が小さければ、チップフィン２４に対する補修材１１の荷重が小さくなる。

摩擦接合装置５０において、制御部５４は、先ず、摩擦加熱制御を実行した後、圧接制御を実行する。ここで、摩擦加熱制御は、時間Ｔ１から時間Ｔ２までの間に実行され、圧接制御は、時間Ｔ２から時間Ｔ３までの間に実行される。なお、時間Ｔ１までの間は、摩擦加熱制御を行うまでの起動時間となっている。制御部５４は、摩擦加熱制御を実行すると、Ｚ軸移動機構５３ｃによる補修材１１の圧力を、所定の圧力Ｐａとなるように制御する。所定の圧力Ｐａは、例えば、１５０ＭＰａから２５０ＭＰａの範囲内となっている。また、制御部５４は、摩擦加熱制御を実行すると、振動機構５２による補修材１１の振幅を、所定の振幅となるように制御すると共に、所定の周波数となるように制御する。所定の周波数は、例えば、４５Ｈｚから７５Ｈｚの範囲内となっている。さらに、制御部５４は、摩擦加熱制御の実行時間を所定の時間としている。所定の時間は、すなわち時間Ｔ１から時間Ｔ２までの時間は、１０秒から２５秒の範囲内となっている。上記の圧力、周波数、振幅及び時間は、動翼１０及び補修材１１が、ニッケル基合金を用いた同じ材料のときに、効率良く材料を軟化させるための最適な値となっている。

この後、制御部５４は、圧接制御を実行すると、振動機構５２による補修材１１の直線往復運動の実行を停止することから、補修材１１の振幅及び周波数は０となる。一方で、制御部５４は、圧接制御を実行すると、Ｚ軸移動機構５３ｃによる補修材１１の圧力を、摩擦加熱制御時の圧力よりも大きな所定の圧力Ｐｂとなるように制御する。所定の圧力Ｐｂは、例えば、３００ＭＰａから４００ＭＰａの範囲内となっている。また、制御部５４は、圧接制御の実行時間を所定の時間としている。所定の時間は、すなわち時間Ｔ２から時間Ｔ３までの時間は、１５秒から２５秒の範囲内となっている。

ここで、図９を参照して、摩擦加熱制御を実行することで摩擦加熱された動翼１０及び補修材１１について説明する。図９に示すように、摩擦加熱された動翼１０のチップフィン２４及び補修材１１は、融点に達する前に軟化する。軟化したチップフィン２４及び補修材１１の一部は、チップフィン２４と補修材１１との合わせ面となる接合界面Ｆ内において周囲にはみ出ることで、バリＢが形成される。つまり、バリＢは、軟化したチップフィン２４の一部（先端部）が接合界面Ｆからはみ出ることで形成されるフィン側バリＢａと、軟化した補修材１１の一部（基端部）が接合界面Ｆからはみ出ることで形成される補修材側バリＢｂとを含むものとなっている。このフィン側バリＢａ及び補修材側バリＢｂは、チップフィン２４の厚みＤよりも両外側に延在するように形成され、つまり、チップフィン２４の厚みＤを覆うように広がって形成される。このように、フィン側バリＢａ及び補修材側バリＢｂを形成することで、接合界面Ｆをチップフィン２４の厚みＤよりも両外側に広げて形成することができる。

上記のバリＢを形成する場合、摩擦加熱制御の開始時においてチップフィン２４と補修材１１とが接触する位置を基準位置Ｐ１とし、基準位置Ｐ１から補修材１１が動翼１０に近づく方向に所定の長さＬ分だけ移動させることで、所定のバリＢを形成している。また、上記のバリＢを形成する場合、摩擦加熱制御の実行時において、接合界面Ｆが平坦になるまで摩擦加熱を行っている。このため、好適なバリＢを形成すると共に接合界面Ｆを平坦に形成するための最適な長さＬ（補修材１１の移動量）は、予め実験等により求められる。そして、補修材１１の移動量（長さＬ）を管理しながら、補修材１１を圧接しつつ直線往復運動させることで、バリＢを好適に形成することができる。このとき、摩擦接合される動翼１０及び補修材１１のうち、接合界面Ｆを挟んで動翼１０のチップフィン２４側と補修材１１側とには、摩擦加熱による熱影響部Ｈが形成される。

次に、図１０を参照して、摩擦接合装置５０を用いた摩擦接合方法を含む動翼１０の補修方法について説明する。ここで、補修対象となる動翼１０のチップフィン２４には、欠損部２４ａが形成されている（ステップＳ１）。この動翼１０に対し、動翼１０の欠損部２４ａを成形加工する前成形工程を行う（ステップＳ２）。前成形工程Ｓ２では、チップフィン２４の先端側に形成された欠損部２４ａを、放電加工等によって平坦面に成形する。この成形された平坦面が、補修材１１が接触する接触面となる。続いて、成形加工された動翼１０は、拘束治具３０を用いて拘束すると共に、拘束された動翼１０の接触面に対して補修材１１が対向するように、摩擦接合装置５０の保持部５１に補修材１１を取り付ける（ステップＳ３：取付工程）。

取付工程Ｓ３後、摩擦接合装置５０によって、補修材１１をチップフィン２４の接触面に圧接し、圧接した補修材１１をチップフィン２４の接触面に、直線往復運動させて摺動させることで、チップフィン２４及び補修材１１を摩擦加熱し（摩擦加熱工程）、この後、軟化したチップフィン２４及び補修材１１を圧接する（圧接工程）ことで、チップフィン２４及び補修材１１を摩擦接合する（ステップＳ４：摩擦接合工程）。そして、摩擦接合された動翼１０及び補修材１１は、摩擦接合装置５０の保持部５１による補修材１１の保持が解除されると共に、拘束治具３０による動翼１０の拘束が解除された後、摩擦接合装置５０及び拘束治具３０から取り外される（ステップＳ５：取外し工程）。この後、取り外された動翼１０及び補修材１１は、欠損部２４ａを補修した所定の形状に成形される（ステップＳ６：後成形工程）。

上記の動翼１０の補修方法によって補修された動翼１０は、その接合界面Ｆが平坦面となる。また、補修された動翼１０は、接合界面Ｆを挟んでチップフィン２４側と補修材１１側とに、熱影響部Ｈが形成される。

以上のように、実施例１の構成によれば、動翼１０に対して補修材１１を直線往復運動させて、動翼１０及び補修材１１を摩擦熱により加熱して軟化させることができる。このため、動翼１０が融点に達する前に軟化させ、軟化した動翼１０及び補修材１１を圧接して接合することができる。これにより、動翼１０を溶融させることがないことから、溶接割れの発生を抑制することができる。また、動翼１０及び補修材１１を摩擦加熱して圧接することで、動翼１０及び補修材１１を摩擦接合することができるため、動翼１０の補修作業を簡易なものとすることができる。

また、実施例１の構成によれば、圧接工程において、接合界面Ｆの周囲にバリＢを形成した状態で、動翼１０と補修材１１とを圧接することができる。このため、余剰部となるバリＢによって、動翼１０と補修材１１との接合界面Ｆを広くすることができ、接合界面Ｆの縁部における接合不良の発生を抑制できることから、動翼１０と補修材１１とを好適に接合することができる。

また、実施例１の構成によれば、基準位置Ｐ１に位置する補修材１１を、所定の長さＬ分だけ動翼１０側へ移動させることで、接合界面Ｆの周囲のバリＢを好適に形成することができる。このとき、補修材１１の移動量を管理することで、バリＢを好適に形成することができる。

また、実施例１の構成によれば、動翼１０及び補修材１１の接合界面Ｆを平坦にしつつ、バリＢを形成することができるため、接合界面Ｆの周囲にバリＢを好適に形成することができる。

また、実施例１の構成によれば、接合界面Ｆを挟んだ動翼１０に溶融部を形成することなく、動翼１０と補修材１１とに熱影響部Ｈを形成することができる。

また、実施例１の構成によれば、動翼１０及び補修材１１の相互の接触面を平坦面にすることができるため、動翼１０及び補修材１１に複雑な加工を行う必要がなく、また、動翼１０と補修材１１との接触面積を大きくすることができる。

また、実施例１の構成によれば、摩擦加熱工程（摩擦加熱制御）において、動翼１０に対する補修材１１の圧力を、１５０ＭＰａから２５０ＭＰａの範囲内とし、直線往復運動の周波数を、４５Ｈｚから７５Ｈｚの範囲内とすることができる。このため、動翼１０に対して補修材１１を最適な圧力で圧接させることができる。また、動翼１０に対して補修材１１を最適な周波数で直線往復運動を行うことができる。このため、動翼１０及び補修材を効率良く摩擦加熱して軟化させることができる。

なお、実施例１では、補修材１１を、動翼１０と同じ材料となるニッケル基合金を用いて構成したが、この構成に限定されない。補修材１１は、動翼１０よりも強度が低いものを適用してもよく、例えば、動翼１０よりも強度の低い異なる種類のニッケル基合金を用いてもよい。具体的に、例えば、動翼１０が、ＭＧＡ１４００の材料である場合には、補修材１１は、例えば、ＭＧＡ２４００、ＩＮ９３９等の材料が用いられる。この構成によれば、動翼１０と比べて補修材１１が軟化し易くなるため、摩擦加熱工程において、動翼１０のチップフィン２４が軟化して突出方向における長さが短くなってしまうことを抑制することができる。

次に、図１１を参照して、実施例２に係る摩擦接合方法について説明する。図１１は、実施例２に係る摩擦接合方法で用いられる補修材を示す模式図である。なお、実施例２では、重複した記載を避けるべく、実施例１と異なる部分について説明し、実施例１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。実施例２に係る摩擦接合方法では、使用する補修材１１が、実施例１と異なる構成となっている。

図１１に示すように、実施例２の摩擦接合方法で用いられる補修材６１は、動翼１０側（基端側）における部位が動翼１０よりも低強度となる一方で、動翼１０の反対側（先端側）の部位が動翼１０よりも高強度となっている。具体的に、補修材６１は、長方体形状の本体６２と、本体６２の先端側の面に形成される硬質層体６３とを含んで構成されている。本体６２は、動翼１０よりも低強度の材料を用いて構成され、その基端側の面が動翼１０のチップフィン２４に接触する面となっている。硬質層体６３は、動翼１０及び本体６２よりも高強度の材料を用いて構成され、その先端側の面が、対向する分割環に対向する面となる。硬質層体６３は、例えば、厚さがほぼ０．３ｍｍ〜２．０ｍｍとなっており、ＣＢＮ焼結体を用いて、ロウ付等によって本体６２に接合される。なお、補修材６１は、後成形工程Ｓ６において硬質層体６３が残存するような大きさとなっている。

以上のように、実施例２の構成によれば、摩擦接合される補修材６１の先端側を高強度の硬質層体６３にすることができるため、補修後の動翼１０においてチップフィン２４の経時的な欠損を抑制することができる。

次に、図１２を参照して、実施例３に係る摩擦接合方法について説明する。図１２は、実施例３に係る摩擦接合方法で用いられる補修材を示す模式図である。実施例３でも、重複した記載を避けるべく、実施例１及び２と異なる部分について説明し、実施例１及び２と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。実施例３に係る摩擦接合方法では、使用する補修材７１が、実施例１及び実施例２と異なる構成となっている。

図１２に示すように、実施例３の摩擦接合方法で用いられる補修材７１は、動翼１０側（基端側）の面が摩擦面となっている。具体的に、補修材７１は、動翼１０のチップフィン２４と接触する接触面が凹凸形状となる摩擦面となっている。一方で、動翼１０のチップフィン２４は、補修材７１と接触する接触面が平坦面となっている。

以上のように、実施例３の構成によれば、補修材７１の接触面を摩擦面にすることができるため、摩擦加熱工程（摩擦加熱制御時）において、動翼１０と補修材７１との間に摩擦熱を効率良く発生させることができる。

なお、実施例３では、補修材７１の接触面を摩擦面としたが、動翼１０のチップフィン２４の接触面を摩擦面としてもよい。つまり、動翼１０及び補修材７１の相互の接触面の少なくとも一方を摩擦面にすれば、特に実施例３の構成に限定されない。

次に、図１３を参照して、実施例４に係る摩擦接合方法について説明する。図１３は、実施例４に係る摩擦接合装置によって行われる直線往復運動を表す説明図である。実施例４でも、重複した記載を避けるべく、実施例１から３と異なる部分について説明し、実施例１から３と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。実施例４に係る摩擦接合方法では、摩擦接合装置５０による運転が、実施例１と異なる運転となっている。

ここで、図１３に示す上方、中央及び下方のグラフは、図８と同様であるため、説明を省略する。摩擦接合装置５０の制御部５４は、時間Ｔ１から時間Ｔ２までの間に実行される摩擦加熱制御において、時間Ｔ１における補修材１１の圧力を、所定の圧力の範囲内で小さくする一方で、時間Ｔ２へ向かうにつれて、所定の圧力の範囲内で大きくする。また、制御部５４は、摩擦加熱制御において、時間Ｔ１における補修材１１の振幅を大きくする一方で、時間Ｔ２へ向かうにつれて所定の振幅となるように、補修材１１の振幅を小さくする。さらに、制御部５４は、摩擦加熱制御において、時間Ｔ１における補修材１１の周波数を、所定の周波数の範囲内で小さくする一方で、時間Ｔ２へ向かうにつれて、所定の周波数の範囲内で大きくする。

なお、制御部５４は、時間Ｔ２から時間Ｔ３までの間に実行される圧接制御を実施例１と同様としている。つまり、制御部５４は、圧接制御において、振動機構５２による補修材１１の直線往復運動の実行を停止することから、補修材１１の振幅及び周波数は０となる。一方で、制御部５４は、圧接制御において、Ｚ軸移動機構５３ｃによる補修材１１の圧力を、摩擦加熱制御時の圧力よりも大きな所定の圧力となるように制御する。

以上のように、実施例４の構成によれば、動翼１０に対する補修材１１の直線往復運動が不安定となり易い、摩擦加熱工程（摩擦加熱制御）の開始時においては、動翼１０に対する補修材１１の直線往復運動による振幅を大きくすることで、摩擦熱の発生量（入熱量）を多くしつつ、動翼１０に対する補修材１１の圧力を小さくし、直線往復運動の周波数を小さくすることで、動翼１０に対する補修材１１の直線往復運動を安定させることができる。一方で、動翼１０に対する補修材１１の直線往復運動が安定し易い、摩擦加熱工程（摩擦加熱制御）の終了時においては、動翼１０に対する補修材１１の直線往復運動による振幅を小さくすることで、動翼１０に対する補修材１１の位置ずれを抑制しつつ、動翼１０に対する補修材１１の圧力を大きくし、直線往復運動の周波数を大きくすることで、摩擦熱の発生量（入熱量）を多くすることができる。

なお、実施例１から４では、摩擦接合方法を、動翼１０の補修方法の摩擦接合工程に適用したが、動翼１０以外の母材に対し補修材１１，６１，７１を摩擦接合する方法（工程）であれば、特に限定されない。

１０ 動翼
１１ 補修材
２１ 翼根部
２２ 翼形部
２３ シュラウド
２４ チップフィン
２４ａ 欠損部
３０ 拘束治具
３１ 翼根部拘束部
３２ 翼形部拘束部
３３ 第１シュラウド拘束部
３４ 第２シュラウド拘束部
５０ 摩擦接合装置
５１ 保持部
５２ 振動機構
５３ 三軸移動機構
５４ 制御部
６１ 補修材（実施例２）
６２ 本体
６３ 硬質層体
７１ 補修材（実施例３）
Ｆ 接合界面
Ｂ バリ
Ｂａ フィン側バリ
Ｂｂ 補修材側バリ
Ｄ チップフィンの厚み
Ｐ１ 基準位置
Ｌ 長さ
Ｈ 熱影響部

Claims (16)

1. 補修対象となる母材に対して補修材を圧接させ、圧接させた前記補修材を前記母材に対して直線往復運動させて、前記母材と前記補修材との間に摩擦熱を発生させることで、前記母材及び前記補修材を摩擦加熱して軟化させる摩擦加熱工程と、
   前記摩擦加熱工程後、前記母材に対して前記補修材を前記摩擦加熱工程のときよりも圧接して、前記母材と前記補修材とを接合する圧接工程と、を備えることを特徴とする摩擦接合方法。
2. 前記摩擦加熱工程では、軟化した前記母材及び前記補修材を圧接させることにより、前記母材及び前記補修材の一部を、前記母材と前記補修材との合わせ面となる接合界面の周囲にはみ出させることで、バリを形成することを特徴とする請求項１に記載の摩擦接合方法。
3. 前記摩擦加熱工程では、前記母材に圧接される前記補修材の前記摩擦加熱工程の開始時における位置を基準位置とし、前記基準位置から前記補修材が前記母材へ近づく方向に所定の長さ分だけ移動するまで摩擦加熱を行うことで、前記バリを形成することを特徴とする請求項２に記載の摩擦接合方法。
4. 前記摩擦加熱工程では、前記接合界面が平坦になるまで摩擦加熱を行うことで、前記バリを形成することを特徴とする請求項２または３に記載の摩擦接合方法。
5. 摩擦接合される前記母材及び前記補修材のうち、前記接合界面を挟んだ前記母材側及び前記補修材側には、摩擦加熱による熱影響部が形成されることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の摩擦接合方法。
6. 前記母材及び前記補修材は、相互に接触するそれぞれの接触面が、平坦面となっていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の摩擦接合方法。
7. 前記母材及び前記補修材は、相互に接触するそれぞれの接触面の少なくとも一方が、凹凸形状となる摩擦面となっていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の摩擦接合方法。
8. 前記摩擦加熱工程では、前記母材に対する前記補修材の圧力が、１５０ＭＰａから２５０ＭＰａの範囲内となっており、前記直線往復運動の周波数が、４５Ｈｚから７５Ｈｚの範囲内となっていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の摩擦接合方法。
9. 前記圧接工程では、前記母材に対する前記補修材の圧力が、３００ＭＰａから４００ＭＰａの範囲内となっていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の摩擦接合方法。
10. 前記摩擦加熱工程では、開始時において、前記母材に対する前記補修材の前記直線往復運動による振幅を大きくし、前記母材に対する前記補修材の圧力を小さくし、前記直線往復運動の周波数を小さくする一方で、終了時において、前記母材に対する前記補修材の前記直線往復運動による振幅を小さくし、前記母材に対する前記補修材の圧力を大きくし、前記直線往復運動の周波数を大きくすることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の摩擦接合方法。
11. 前記補修材は、前記母材よりも強度が低いことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の摩擦接合方法。
12. 前記補修材は、前記母材側が低強度となる一方で、前記母材の反対側が高強度となることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の摩擦接合方法。
13. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の摩擦接合方法を用いた動翼の補修方法であって、
    欠損部が形成された前記母材となる前記動翼に対し、前記動翼の前記欠損部を成形加工して、前記補修材を接触させる接触面を形成する前成形工程と、
    成形後の前記動翼を固定すると共に、固定された前記動翼の前記接触面に対し、前記補修材が対向するように前記補修材を取り付ける取付工程と、
    取り付けた前記動翼と前記補修材とを前記摩擦接合方法によって摩擦接合する摩擦接合工程と、
    摩擦接合された前記動翼及び前記補修材の固定を解除して取り外す取外し工程と、
    前記動翼の前記欠損部を補修した状態となるように、摩擦接合された前記動翼及び前記補修材を成形する後成形工程と、を備えることを特徴とする動翼の補修方法。
14. 補修対象となる母材に対して補修材を押圧する押圧機構と、
    前記母材に対して前記補修材を直線往復運動させる振動機構と、
    前記押圧機構及び前記振動機構を制御する制御部と、を備え、
    前記制御部は、前記押圧機構を制御して、前記母材に対して前記補修材を圧接させ、前記振動機構を制御して、圧接させた前記補修材を前記母材に対して直線往復運動させる摩擦加熱制御を実行し、摩擦加熱制御の実行後、前記母材に対して前記補修材を前記摩擦加熱制御時よりも圧接する圧接制御を実行することを特徴とする摩擦接合装置。
15. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の摩擦接合方法を用いて補修された動翼であって、
    欠損部が形成された前記母材となる前記動翼と、前記動翼の前記欠損部に摩擦接合された前記補修材との合わせ面となる前記接合界面は、平坦となっていることを特徴とする動翼。
16. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の摩擦接合方法を用いて補修される動翼を固定するための拘束治具であって、
    前記動翼は、
    ロータに取り付けられる基端側の翼根部と、
    前記翼根部から前記ロータの反対側となる先端側へ向かって長手方向に延びる翼形部と、
    前記翼形部の先端側に設けられるシュラウドと、
    前記シュラウドから先端側に突出して設けられるチップフィンと、を有し、
    前記翼根部を拘束する翼根部拘束部と、
    長手方向に直交する面において前記翼形部の周囲に設けられ、前記翼形部の周囲を拘束する翼形部拘束部と、
    長手方向に直交する面において前記シュラウドの周囲に設けられ、前記シュラウドの周囲を拘束する第１シュラウド拘束部と、
    前記シュラウドの基端側に設けられ、前記シュラウドを基端側から拘束する第２シュラウド拘束部と、を備えることを特徴とする拘束治具。

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