JP2015199086A - 肉盛溶接装置、エロージョンシールドの形成方法及び動翼製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エロージョンに対する耐性が高いエロージョンシールドを形成する肉盛溶接装置、エロージョンシールドの形成方法及び動翼製造方法を提供する。
【解決手段】肉盛溶接に用いる溶着金属を噴射するパウダ供給ヘッドと、レーザを照射するレーザヘッドと、測定用のライン光を照射するライン生成器と、測定用のライン光を撮影する撮影装置と、パウダ供給ヘッド及びレーザヘッドと、基体とを相対移動させる移動機構と、撮影装置で撮影したライン光の基体への投影像が、撮影装置の所定位置と重なるように移動機構で相対位置を移動させ、投影像が撮影装置の所定位置と重なる位置を倣い位置に設定し、倣い位置に基づいて移動機構を制御し、パウダ供給ヘッド及びレーザヘッドと、基体とを相対移動させる制御装置と、を有する。
【選択図】図７

Description

本発明は、肉盛溶接装置、エロージョンシールドの形成方法及び動翼製造方法に関する。

一般的なタービン（例えば、蒸気タービン）は、ケーシングに回転軸であるロータが回転自在に支持され、このロータの外周部に動翼が設置されると共に、ケーシングの内壁に静翼が設置され、蒸気通路にこの動翼と静翼が交互に複数配設されている。そして、蒸気が蒸気通路を流れる過程で、動翼及びロータが回転駆動する。

動翼は、ロータのロータディスクに固定される翼根部と、翼根部に一体に形成されるプラットホームと、基端部がこのプラットホームに接合されて先端部側に延出する翼部と、を有している。そして、動翼は、基端部がロータディスクの外周部にその周方向に沿って複数並設するように固定されている。

例えば、蒸気タービンの動翼は、蒸気が流れる経路内で回転する。このとき、低圧蒸気タービンの最終段付近の蒸気は、微小水滴を多量に含有している。このため、動翼は、水滴の高速衝突により、翼先端前縁部がエロージョンにより減肉してしまう。

このような、エロージョンに対する対策としては、例えば、特許文献１、特許文献２に記載されているように動翼の先端前縁部にエロージョンシールドを形成する方法がある。特許文献１では、プラズマトランスファアーク溶接により肉盛溶接してエロージョンシールドを形成している。また、特許文献１には、硬質材料の粉末を高密度エネルギー照射（レーザや電子ビーム）で溶融させ肉盛溶接して硬質層を形成し、部材の一部を局部的に硬質層に置き換えて浸食防止部（エロージョンシールド）を設けることが記載されている。

特開平１０−２８０９０７号公報 特開２０１２−８６２４１号公報

特許文献１に記載されたようにアーク溶接でエロージョンシールドを形成すると、欠陥が生じる場合や、硬さが十分ではない場合がある。また、特許文献２に記載されているようにレーザ溶接による肉盛加工で、エロージョンシールドを作成することで、エロージョンシールド性を高くすることができる。しかしながら、特許文献２に記載の加工では、エロージョンシールドが翼本体から外れたり、欠損したりする場合がある。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、エロージョンに対する耐性が高いエロージョンシールドを形成する肉盛溶接装置、エロージョンシールドの形成方法及び動翼製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明は、動翼の基体にエロージョンシールドとなる溶着金属を肉盛溶接する肉盛溶接装置であって、肉盛溶接に用いる溶着金属を噴射するパウダ供給ヘッドと、レーザを照射するレーザヘッドと、測定用のライン光を照射するライン生成器と、前記測定用のライン光を撮影する撮影装置と、前記パウダ供給ヘッド及び前記レーザヘッドと、前記基体とを相対移動させる移動機構と、前記撮影装置で撮影したライン光の前記基体への投影像が、前記撮影装置の所定位置と重なるように前記移動機構で相対位置を移動させ、投影像が前記撮影装置の所定位置と重なる位置を倣い位置に設定し、前記倣い位置に基づいて前記移動機構を制御し、前記パウダ供給ヘッド及び前記レーザヘッドと、前記基体とを相対移動させる制御装置と、を有することを特徴とする。

ここで、前記制御装置は、前記パウダ供給ヘッド及び前記レーザヘッドの位置と、前記撮影装置の位置との相対位置の差に基づいて、前記倣い位置を調整することが好ましい。

また、前記制御装置は、前記基体の先端の長手方向に沿って、前記移動機構を複数パス移動させ、１回のパスおける前記倣い位置を、前記パスの起点側を密に、前記パスの終点側を疎にすることが好ましい。

また、前記制御装置は、前記撮影装置の所定位置がラインであり、前記投影像と前記所定位置のラインとが重なる位置を前記倣い位置とすることが好ましい。

上記の課題を解決するための本発明は、翼本体の先端及び翼面の少なくとも一部にエロージョンシールドを形成するエロージョンシールドの形成方法であって、動翼となる基体の先端及び端面の少なくとも一部を除去し、境界を形成する工程と、施工位置の倣い処理を行う倣い処理工程と、前記倣い処理で設定した倣い位置に基づいて前記境界にレーザ溶接で肉盛部を形成する肉盛工程と、前記基体の余肉及び前記肉盛部の一部を除去する仕上げ加工を行う工程と、を有し、前記倣い処理工程は、測定用のライン光を前記基体に照射し、前記ライン光が前記基体に投影された投影像を、固定された位置で撮影し、撮影画像中の投影像の位置に基づいて、当該投影像が所定位置と重なる位置を倣い位置に設定し、前記肉盛工程は、前記倣い位置に基づいて前記移動機構を制御し、前記パウダ供給ヘッド及び前記レーザヘッドと、前記基体とを相対移動させることを特徴とする。

ここで、前記倣い処理工程は、前記パウダ供給ヘッド及び前記レーザヘッドの位置と、前記撮影装置の位置との相対位置の差に基づいて、前記倣い位置を調整することが好ましい。

また、前記肉盛工程は、前記基体の前記先端の長手方向に沿って、前記移動機構を複数パス移動させ、前記倣い処理工程は、１回のパスにおける前記倣い位置を、前記パスの起点側を密に、前記パスの終点側を疎にすることが好ましい。

また、前記撮影装置の所定位置は、ラインであり、前記倣い工程は、前記投影像と前記所定位置のラインとが重なる位置を前記倣い位置とすることが好ましい。

上記の課題を解決するための本発明に係る動翼製造方法は、前記動翼に余肉部を有する基体を成型する基体製造工程と、上記のいずれかに記載のエロージョンシールドの形成方法で、前記翼本体にエロージョンシールドを形成する工程と、を有することを特徴とする。

本発明は、倣い処理を行い、その結果に基づいて肉盛溶接を行うことで、融合不良が生じることを抑制でき、より高品質のエロージョンシールドとすることができる。これにより、エロージョンに対する耐性を高くすることができる。

図１は、動翼が備えられた蒸気タービンの概略構成図である。 図２は、動翼の一実施形態の概略構成を示す斜視図である。 図３は、図２のＡ−Ａ面断面図である。 図４は、エロージョンシールドの形状及び形成方法を説明するための説明図である。 図５は、動翼製造方法の一例を示すフローチャートである。 図６は、動翼製造方法のエロージョンシールドの形成方法の一例を示す模式図である。 図７は、肉盛溶接装置の概略構成を示す模式図である。 図８は、肉盛溶接装置の概略構成を示す部分拡大図である。 図９は、供給ヘッドの概略構成を示す正面図である。 図１０は、肉盛溶接の処理動作の一例を示すフローチャートである。 図１１は、肉盛溶接の処理動作の一例を示すフローチャートである。 図１２は、肉盛溶接の処理動作の一例を説明するための説明図である。 図１３は、肉盛溶接の処理動作の一例を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、本実施形態に係る動翼が備えられた蒸気タービンの概略構成図である。以下、図１を参照しながら、本実施形態に係る蒸気タービン１の構造の概略について説明する。

図１に示すように、蒸気タービン１において、ケーシング１１は、中空形状を呈し、回転軸としてのロータ１２が複数の軸受１３によって回転自在に支持されている。ケーシング１１内には、動翼１５及び静翼１６が配設されている。動翼１５は、ロータ１２に形成された円盤状のロータディスク１４の外周にその周方向に沿って、複数並設され固定されている。静翼１６は、ケーシング１１の内壁にその周方向に沿って、複数並設され固定されている。これらの動翼１５及び静翼１６は、ロータ１２の軸方向に沿って交互に配設されている。

また、ケーシング１１内には、上記の動翼１５及び静翼１６が配設され、蒸気が通過する蒸気通路１７が形成されている。この蒸気通路１７には、蒸気が供給される入口として蒸気供給口１８が形成され、蒸気が外部に排出される出口として蒸気排出口１９が形成されている。

次に、図１を参照しながら、蒸気タービン１の動作の概略を説明する。蒸気タービン１の蒸気供給口１８から蒸気通路１７に供給された蒸気は、静翼１６を通過する過程で膨張して高速の蒸気流となる。静翼１６を通過した高速の蒸気流は、動翼１５に吹き付けられて、複数の動翼１５及びこれらが取り付けられたロータ１２を回転させる。ロータ１２には、例えば、発電機等が連結されており、ロータ１２が回転することにより発電機が駆動されて電力が発生する。蒸気通路１７の静翼１６及び動翼１５が配設された部分を通過した蒸気は、蒸気排出口１９から外部に排出される。

図２は、本実施形態の動翼を示す概略図である。図３は、図２のＡ−Ａ面断面図である。図２及び図３を参照しながら、本実施形態の動翼１５の構造について説明する。図２に示すように、動翼１５は、翼根部２１と、プラットホーム２２と、翼部２３と、を含む。翼根部２１は、ロータディスク１４に埋設され、動翼１５をロータディスク１４に固定する。プラットホーム２２は、翼根部２１と一体となる湾曲したプレート形状物である。翼部２３は、基端部がプラットホーム２２に固定され、先端部がケーシング１１の内壁面側に延出している。翼部２３は、翼長方向に向かうに従って捩じられている場合もある。また、動翼１５は、翼部２３の先端部に固定されたシュラウドを備えていてもよい。シュラウドは、隣接する動翼１５のシュラウドと接触して、動翼１５を固定し、あるいは、動翼１５の振動を抑制する部材である。

ここで、動翼１５は、図２及び図３に示すように、翼本体２４の表面の一部にエロージョンシールド２５が形成されている。エロージョンシールド２５は、動翼１５が回転して蒸気流が流れる際、動翼１５のうち、蒸気流の上流側である前縁部、つまり先端２６及び翼面２７の先端２６側の一部に形成される。翼本体２４とエロージョンシールド２５との境目が境界２８となる。エロージョンシールド２５は、動翼１５の延在方向、つまり翼部２３のプラットホーム２２から離れる方向において、プラットホーム２２から遠い側の一定範囲に設けるようにしてもよい。つまり、回転時に径方向外側となる側の一部のみに形成してもよい。エロージョンシールド２５は、例えば、コバルトを主成分とするステライト（登録商標）等の耐摩耗性の高いコバルト基合金を用いることができる。エロージョンシールド２５は、翼本体２４の表面に、対象の材料（例えば、ステライト（登録商標））をレーザ溶接の肉盛加工（肉盛溶接）で形成することができる。なお、翼本体２４は、クロム基合金等で形成される。

次に、図４から図１３を用いて、エロージョンシールドのより詳細な形状、エロージョンシールドの形成方法及びこれを含む動翼製造方法について説明する。図４は、エロージョンシールドの形状及び形成方法を説明するための説明図である。図５は、動翼製造方法の一例を示すフローチャートである。図６は、動翼製造方法のエロージョンシールドの形成方法の一例を示す模式図である。図７は、肉盛溶接装置の概略構成を示す模式図である。図８は、肉盛溶接装置の概略構成を示す部分拡大図である。図９は、供給ヘッドの概略構成を示す正面図である。図１０は、肉盛溶接の処理動作の一例を示すフローチャートである。図１１は、肉盛溶接の処理動作の一例を示すフローチャートである。図１２及び図１３は、それぞれ肉盛溶接の処理動作の一例を説明するための説明図である。

図４に示すように、動翼１５は、翼本体２４となる基体４０からエロージョンシールド２５を形成するための開先を形成することで、境界２８が形成される。その後、境界２８にエロージョンシールド２５となる材料を肉盛加工で形成し、その後、肉盛加工した部分の余肉と、基体４０の余肉を除去することで、先端２６と、翼面２７と、翼面２７とは反対側の面が形成される。

ここで、境界２８は、翼面２７側の端部から先端２６の端部に向かうにしたがって、翼面２７とは反対側の面に近づく形状となっている。また、境界２８は、翼面２７側の端部が、翼本体２４の内側に凸の曲面（第１曲面）Ｒ１と、第１曲面Ｒ１よりも先端２６側に配置された翼本体２４の外側に凸の曲面（第２曲面）Ｒ２と、第２曲面Ｒ２よりも先端２６側に配置された翼本体２４の外側に凸の曲面（第３曲面）Ｒ３と、第３曲面Ｒ３と翼面２７とは反対側の面との間に配置された直線と、で形成されている。本実施形態の境界２８は、第１曲面Ｒ１と第２曲面Ｒ２と第３曲面Ｒ３とが滑らかに接続されている。また本実施形態の境界２８は、第１曲面Ｒ１の曲率半径が第２曲面Ｒ２の曲率半径よりも小さくなる。また、境界２８は、第３曲面Ｒ３の曲率半径が第１曲面Ｒ１の曲率半径よりも小さくなる。

本実施形態の動翼１５の各形状の一例としては、第１曲面Ｒ１の曲率が６．５ｍｍ、第２曲面Ｒ２の曲率半径が１０．０ｍｍ、第３曲面Ｒ３の曲率半径が２．５ｍｍとなる。

境界２８は、第２曲面Ｒ２と第３曲面Ｒ３との接点と、翼面２７とは反対側の面と、の距離ｄ１が２．３ｍｍ、第３曲面Ｒ３と翼面２７とは反対側の面との間に配置された直線の距離ｄ２が０．７ｍｍとなる。動翼１５は、翼面２７と、第１曲面Ｒ１と第２曲面Ｒ２との接点と、の距離ｄ３が０．８ｍｍとなる。基体４０は、翼面２７側の面と翼面２７との距離ｄ４、ｄ５が１．０ｍｍとなる。基体４０は、翼面２７側とは反対側の面側の面と、動翼１５の翼面２７側とは反対側の面との距離ｄ６が２．０ｍｍとなる。

また、基体４０は、先端２６側の端部から、境界２８の翼面２７側の端部までの距離Ｌ１が１２．５ｍｍとなり、先端２６側の端部から、第１曲面Ｒ１と第２曲面Ｒ２との接点までの距離Ｌ２が９．０ｍｍとなる。基体４０は、先端２６側の端部から、エロージョンシールド２５の先端２６側の端部までの距離Ｌ３が１．０ｍｍとなる。基体４０は、先端２６側の端部から、第３曲面Ｒ３の先端２６側の端部までの距離Ｌ４が２．７ｍｍとなる。基体４０は、先端２６側の端部から、第２曲面Ｒ２と第３曲面Ｒ３との接点までの距離Ｌ５が３．２ｍｍとなる。

動翼１５は、翼本体２４とエロージョンシールド２５との境界２８の形状を、翼面２７側の端部から先端２６の端部に向かうにしたがって、翼面２７とは反対側の面に近づく形状とし、かつ、第１曲面Ｒ１と第２曲面Ｒ２とを含む形状とすることで、エロージョンシールド２５のエロージョンシールド性能を高くすることができる。また、翼本体２４にエロージョンシールド２５の欠陥の発生を抑制することができ、エロージョンシールド２５の硬さを高く（硬く）することができる。つまり、レーザ溶接の肉盛加工で形成するエロージョンシールド２５と翼本体２４との上記関係とすることで、母材成分（翼本体２４の成分）により溶接金属（エロージョンシールド２５の金属）が希釈されるため、エロージョンシールド２５の硬さが高く（硬く）ならず、性能の劣化が生じることを抑制することができる。また、母材成分により溶接金属が希釈されたことにより、エロージョンシールド２５の金属に割れが発生することを抑制することができる。また、エロージョンシールド２５と翼本体２４との融合不良やブローホールといった溶接欠陥の発生を抑制することができる。

なお、本実施形態は、第１曲面Ｒ１と第２曲面Ｒ２とを接触させたが、第１曲面Ｒ１と第２曲面Ｒ２との間に直線部を設けてもよい。また、本実施形態は、第３曲面Ｒ３と翼面２７とは反対側の面との間に曲面を設けてもよい。ここで、境界２８は、第１曲面Ｒ１と第２曲面Ｒ２と第３曲面Ｒ３とが、滑らかに接続され、かつ曲率半径が大きくなるようにすることが好ましい。このように、境界２８のそれぞれの曲面の曲率半径を大きくすることで、境界２８に沿った方向におけるエロージョンシールド２５の厚みの変動を緩やかにすることができ、エロージョンシールド２５の性能を高くすることができる。

動翼１５は、距離Ｌ４−距離Ｌ３の距離よりも距離ｄ３の方が短くなる。つまり、エロージョンシールド２５は、先端２６側の方が翼面２７よりも厚くなる。これにより、エロージョンがより発生しやすく、減肉量が多い先端２６側の厚みを厚くしつつ、減肉量が少ない翼面２７側の厚みを薄くすることができる。

基体４０は、翼面２７側の面と翼面２７との距離ｄ４、ｄ５、つまり、翼面２７側の余肉部の距離を１ｍｍとする。なお、翼面２７側の余肉部の距離は、１ｍｍとすることで、効率よく加工を行うことができるが、１ｍｍ以上であればよく、厚くてもよい。

基体４０は、翼面２７側とは反対側の面側の面と、動翼１５の翼面２７側とは反対側の面との距離ｄ６、つまり、翼面２７側とは反対側の面側の余肉部の距離を２ｍｍとする。なお、翼面２７側とは反対側の面側の余肉部の距離は、２ｍｍとすることで、効率よく加工を行うことができるが、２ｍｍ以上であればよく、厚くてもよい。

次に、図５及び図６を用いて動翼の製造方法について説明する。動翼製造方法は、製造するタービン翼（動翼）の形状に基づいて、タービン翼の基体４０の形状と加工量を決定する（ステップＳ２０）。つまり、上述した図４に示すように設定した基体４０の形状及び各位置の距離等を決定し、また、形状に基づいて、加工量や加工手順を決定する。

動翼製造方法は、加工条件を決定したら、決定した条件に基づいて、タービン翼の基体４０を製造する（ステップＳ２２）。つまり、動翼製造方法は、図６に示す加工対象物８２である基体４０を製造する。基体４０は、境界２８が形成される前の形状であり、余肉部や、境界２８よりも先端側の領域に残った形状である。基体４０は、鋳造で製造される。例えば、基体４０の形に加工された上下一組の金型内に、再結晶温度以上の高温に加熱した鍛造素材（例えば、ステンレス等）を設置し、熱間型鍛造を行う。熱間型鍛造が終了すると、基体４０の形状の鍛造物が成型される。製造された基体４０は、成型された高温状態の鍛造物を冷却した後、不要な部分（バリ）を除去し、鍛造物に対して熱処理を施すことにより、前工程（鍛造工程）で鍛造物に発生した残留応力及び冷却過程で鍛造物に発生した熱応力を解放する。これにより、基体４０を製造する。

動翼製造方法は、基体４０を製造したら、肉盛溶接開先加工を行う（ステップＳ２４）。つまり、図６の加工対象物８２に対して開先加工を行い、加工対象物８４のように、基体４２の一部４４を除去する。これにより、基体４２の先端側の部分は、境界２８に沿った曲面となる。

動翼製造方法は、肉盛溶接開先加工を行ったら、レーザ溶接で肉盛加工を行う（ステップＳ２６）。つまり、図６の加工対象物８４に対して肉盛溶接を行い、加工対象物８６のように、基体４２に肉盛部４６を形成する。肉盛部４６は、エロージョンシールド２５となる金属（溶着金属）で形成され、エロージョンシールド２５が形成される領域５０を含む範囲に形成する。また、肉盛加工は、動翼１５の延在方向、つまり図６の紙面に垂直な方向を１パスとして行われる。また、１パスの肉盛加工が行われ、次のパスの肉盛加工が行われる場合、加工位置は矢印５２の方向に移動される。つまり、肉盛加工は、領域５０の翼面２７側の端部側から行い、先端２６側に徐々に移動し、翼面２７とは反対側の面まで行われる。

動翼製造方法は、基体４２の肉盛部４６が形成される面を境界２８に沿った曲面とすることで、領域５０の厚みが厚くなることを抑制でき、各位置を１パス分の溶着金属（１層）で形成することができる。つまり、多層盛の溶接で形成することを抑制することができ、硬さ低下領域が表面に出現することを抑制できる。ここで、動翼製造方法は、領域５０の厚みを２ｍｍ以下とすることで、肉盛部４６の各位置を１層で形成することができる。硬さ低下領域とは、溶着金属に母材が混入する領域であり、溶着金属によって得られるエロージョンシールド２５の性能（耐エロージョン性能）が低下した領域である。

肉盛部４６は、母材（基体４２の材料）による希釈を１０％以下とすることが好ましい。動翼製造方法は、後述するがレーザを用いた肉盛加工で肉盛部４６を形成することで、母材（基体４２の材料）による希釈を１０％以下とすることができる。動翼製造方法は、基体４２の肉盛部４６が形成される面を境界２８に沿った曲面とすることで、溶着金属（肉盛部４６の金属、エロージョンシールド２５となる金属）の溶け込みを抑制することができ、母材（基体４２の材料）による希釈をより確実に１０％以下とすることができる。また、肉盛部４６は、隣り合う溶接ビード、つまり隣接するパスで形成される部分が重なるように形成する。なお、溶接ビードは、基体４２に接触する場合、基体４２に接触する部分よりも他の溶接ビードに接触する部分が多くなるように、形成することが好ましい。レーザ溶接による肉盛加工については、後述する。

動翼製造方法は、肉盛加工を行ったら、余肉部を除去する仕上げ加工を行う（ステップＳ２８）。つまり、図６の加工対象物８６に対して、仕上げ加工を行い、加工対象物８８に示すように、翼面２７側の余肉部６０と、翼面２７と反対側の面の余肉部６２と、肉盛部４６の余肉部６４と、を切削する。これにより、翼本体２４とエロージョンシールド２５とを有する動翼１５を形成する。その後、動翼１５には必要な熱処理（例えば、溶体化処理及び時効処理）等が施されて、動翼１５に必要な機械的特性が与えられる。

次に、図７、８及び図９を用いて、ステップＳ２６のレーザ溶接による肉盛加工（肉盛溶接）について、より詳細に説明する。まず、図７及び図８を用いて、レーザ溶接による肉盛加工を行う肉盛溶接装置１００の概略構成について説明する。図７に示すように肉盛溶接装置１００は、レーザ照射装置１０２と、パウダ供給装置１０４と、撮影装置１０６と、ライン生成器１０７と、支持台１０８と、移動機構１０９と、モニタ１１０と制御装置１１１と、を有する。

レーザ照射装置１０２は、光源１１２と、光ファイバ１１４と、レーザヘッド１１６と、を有する。光源１１２は、レーザを出力する発光源である。光ファイバ１１４は、光源１１２から出力されたレーザをレーザヘッド１１６に導く。レーザヘッド１１６は、光ファイバ１１４に案内されたレーザを出力する。レーザヘッド１１６は、図８に示すように基体４２の施工位置に対面しており、レーザ２０２を施工位置に照射する。

パウダ供給装置１０４は、パウダ供給源１２０と、パウダ供給ライン１２２と、エアー供給源１２４と、エアー供給ライン１２６と、パウダ供給ヘッド１２８と、を有する。パウダ供給源１２０は、溶着金属を供給する供給源である。パウダ供給源１２０は、溶着金属を空気等で混合流として搬送することで、パウダ供給ライン１２２に供給する。パウダ供給ライン１２２は、パウダ供給源１２０から供給された溶着金属と空気との混合流をパウダ供給ヘッド１２８に供給する。エアー供給源１２４は、施工位置のシールドガスとなる不活性ガス（例えば、窒素、アルゴン）、本実施形態では９９．９９９％の窒素ガスを供給する。エアー供給ライン１２６は、エアー供給源１２４から供給されたシールドガスを供給ヘッド１２８に供給する。

パウダ供給ヘッド１２８は、図９に示すように二重管のノズルであり、内周側の管１３０と、内周側の管１３０の外周に配置された外周側の管１３２とが同心円上に配置されている。パウダ供給ヘッド１２８は、内周側の管１３０の内周に囲まれた領域が流路１３４となる。流路１３４は、同心円の中心を含む円である。パウダ供給ヘッド１２８は、外周側の管１３２の内周面と内周側の管１３０の外周面とに囲まれた領域が流路１３６となる。流路１３６は、リング形状となる。パウダ供給ヘッド１２８は、流路１３４からパウダ供給ライン１２２を介して供給された溶着金属と空気との混合流（パウダ）２０４を噴射し、流路１３６からエアー供給ライン１２６から供給されたシールドエアー２０６を噴射する。パウダ供給ヘッド１２８は、図８に示すように基体４２の施工位置に対面しており、施工位置にパウダ２０４とシールドエアー２０６と噴射する。

撮影装置１０６は、カメラ等であり、基体４２の画像を撮影する。撮影装置１０６は、レーザヘッド１１６及びパウダ供給ヘッド１２８が基体４２を加工する位置を通り、基体４２の先端の延在方向に平行な線上の一部を視野に含む。ライン生成器１０７は、撮影装置１０６の視野に含まれる基体４２に向けて測定用のライン光を照射する。支持台１０８は、レーザヘッド１１６、パウダ供給ヘッド１２８、撮影装置１０６及びライン生成器１０７を支持する台である。レーザヘッド１１６とパウダ供給ヘッド１２８とは、支持台１０８に対して、レーザヘッド１１６とパウダ供給ヘッド１２８とを移動させるヘッド移動機構１２９を介して支持されている。ヘッド移動機構１２９は、レーザヘッド１１６とパウダ供給ヘッド１２８とを、基体４２の先端の延在方向を軸として回転させたり、直交する３軸の方向に移動させたりする。移動機構１０９は、支持台１０８で支持している各部に対して基体４２を移動させる機構である。モニタ１１０は、撮影装置１０６が撮影した画像や、各種操作画面が表示される。制御装置１１１は、肉盛溶接装置１００の各部の動作を制御する。制御については後述する。

肉盛溶接装置１００は、基体４２の施工位置にレーザ２０２を照射しつつ、パウダ２０４を供給することで、パウダ２０４に含まれる溶着金属を基体４２に溶接することができる。また、肉盛溶接装置１００は、シールドエアー２０６を施工位置に噴射することで、施工位置の雰囲気を所定の雰囲気とすることができる。具体的には、施工位置の酸素濃度を制御することができる。

次に、図１０から図１３を用いて、レーザ溶接による肉盛加工の処理動作の一例について、説明する。なお、図１０に示す処理は、プログラム等を用いて自動制御で実行することができる。

動翼製造方法は、グラインダ処理を行い（ステップＳ４０）、開先加工を行った領域の表面を処理する。グラインダ処理を行うことで、肉盛溶接で溶着させる溶着金属が基体４２の表面（境界）に溶着しやすい状態とすることができる。動翼製造方法は、グラインダ処理を行ったら、厚み計測（ステップＳ４２）を行う。つまり、動翼製造方法は、エロージョンシールド２５を形成する領域の形状を計測する。

動翼製造方法は、厚み計測を行ったら、施工位置の倣い処理を行う（ステップＳ４４）。レーザを照射しつつ溶着金属を噴射することで溶接ビードを設ける位置を特定する。これにより、各ヘッドと基体４２とを相対移動させる経路を調整する。

ここで、図１１から図１３を用いて倣い処理について説明する。動翼製造方法は、施工用レーザ（レーザヘッド１１６から照射されるレーザ）と測定用レーザ（ライン生成器１０７から出力されるレーザ）と、の位置を補正する（ステップＳ１００）。具体的には、レーザヘッド１１６とライン生成器１０７との位置合わせを行う。位置合わせは、エンコーダ等の位置検出装置を用いて行ってもよいし、制御信号に基づいて行ってもよい。

動翼製造方法は、位置を補正したら、施工位置の倣い処理を行う（ステップＳ１０２）。具体的には、図１２に示すように、ライン生成器１０７から測定対象物（基体）１４０に向けてライン光１３８を照射し、所定位置を撮影している撮影装置１０６で画像を取得する。動翼製造方法は、画像を取得し、取得した画像を制御装置１１１で解析することで、画像の所定位置に固定したマーク１４２と、ライン光１３８が基体１４０に投影されることで、生じる投影像１４４との相対位置を検出する。ここで、本実施形態のマーク１４２は、十字形状である。

動翼製造方法は、マーク１４２と投影像１４４とが重なる位置を検出し、検出した位置を倣い位置として抽出する。動翼製造方法は、基体１４０ａの位置にある場合、マーク１４２ａと投影像１４４ａとが一致しないため、倣い位置として抽出せず、移動機構１０９で基体１４０を移動させる。また、同様に動翼製造方法は、基体１４０ｂの位置にある場合、マーク１４２ｂと投影像１４４ｂとが一致しないため、倣い位置として抽出せず、移動機構１０９で基体１４０を移動させる。このように動翼製造方法は、基体１４０の位置を調整し、マーク１４２と投影像１４４とが重なる位置を検出する。

動翼製造方法は、倣い処理を行ったら、倣い位置の記憶を行い（ステップＳ１０４）、倣いデータに基づいて駆動動作を設定し（ステップＳ１０６）、駆動テストを行い（ステップＳ１０８）、本処理を終了する。また、駆動動作を設定する場合、パウダ供給ヘッド及びレーザヘッドの位置と、撮影装置の位置との相対位置の差に基づいて、倣い位置を調整することが好ましい。このように相対位置の差に基づいて補正（オフセット）を行うことで、撮影装置１０６で画像を撮影する位置と、レーザヘッド１１６がレーザを照射する位置がずれていても、倣い位置に基づいて高い精度で位置を補正することができる。

動翼製造方法は、倣い処理を行ったら、予熱及びパス間温度調整を行う（ステップＳ４６）。本実施形態では、基体４２を５０℃以上１００℃以下に含まれる所定の温度となるように主に加熱また必要に応じて冷却を行う。動翼製造方法は、予熱及び温度調整を行ったら、肉盛溶接を行う（ステップＳ４８）。具体的には、肉盛溶接装置１００を用いて、１パス分の肉盛溶接を行う。

動翼製造方法は、肉盛溶接を行ったら、パス間・層間手入れを行う（ステップＳ５０）。具体的には、肉盛部４６の表面等に付着したフラックス、ごみ等を除去する。動翼製造方法は、手入れを行ったら、肉盛溶接を終了するかを判定する（ステップＳ５２）。つまり、設定された全てのパスの肉盛溶接を行い、肉盛部４６が形成できたかを判定する。動翼製造方法は、肉盛溶接が終了していない（ステップＳ５２でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ４４に戻り、倣い処理以降の処理を行い、次のパスの肉盛溶接を行う。

動翼製造方法は、肉盛溶接が終了した（ステップＳ５２でＹｅｓ）と判定した場合、溶接ビード表面の手入れを行う（ステップＳ５４）。具体的には、肉盛部４６の表面等に付着したフラックス、ごみ等を除去する。動翼製造方法は、その後、厚み計測を行い（ステップＳ５６）、肉盛部４６の形状を計測したら、本処理を終了する。

動翼製造方法は、このように、ライン生成器１０７と撮影装置１０６とを用い、マーク１４２と投影像１４４とを一致させることで、肉盛溶接装置１００と基体１４０との相対位置を高さ方向の成分でも合わせることができ、三次元で倣いを行うことができる。これにより、相対位置をより高い精度で検出することができ、加工の精度をより高くすることができ、パス間の位置精度を高くすることができ、前のパスで形成した肉盛と基材との間や、下層のパスとパスの間で融合不良が生じることを抑制することができる。また、この倣い処理をパス毎に行うことで、パス間の位置精度をさらに高くすることができ、前のパスで形成した肉盛と基材との間や、下層のパスとパスの間で融合不良が生じることを抑制することができる。また、動翼製造方法は、ライン光を用いて非接触で倣い処理を行うことで、接触式のセンサで検出した場合よりも作業性を向上させ、施工時間を短くすることができる。

また、動翼製造方法は、図１３に示すように、基体４２の倣いを１回のパスで肉盛溶接を行う範囲において、複数点で行うことが好ましい。つまり、倣い位置１６０を複数設けることが好ましい。また、動翼製造方法は、図１３に示すように、パスの起点１５０から反対側の端部に向けて矢印１５２の方向で加工を行う場合、１回のパスにおける倣い位置１６０を、パスの起点１５０側を密に、パスの終点側を疎にすることが好ましい。これにより、効率よくかつ高い精度で倣い処理を行うことができ、加工の精度を高くすることができる。

動翼製造方法は、以上のような処理でレーザ溶接による肉盛加工（肉盛溶接）を行うことで、高い精度で加工を行うことができ、欠陥等の発生も抑制することができる。動翼製造方法は、ステップＳ４０、Ｓ４６、Ｓ５０、Ｓ５４に示す処理を行うことで、加工精度を高くすることができ、欠陥を抑制することができるが必ずしも行わなくてもよい。

なお、本実施形態では、パスごとに倣い処理を行ったが、倣い処理は１回目の肉盛溶接前のみに行うようにしてもよい。この場合、各パスで形成する溶接ビードの形状を計算により算出し、その形状に基づいて、倣い位置を決定する。また、このとき、計測器で施工位置を取得し、その結果に基づいてフィードバック制御を行うことが好ましい。これにより、施工位置の位置ずれの発生を抑制できる。計測する位置は、施工位置の上流側であればよい。

また、肉盛溶接装置１００は、レーザを基体の施工位置の平面、凸部と凸部を結ぶ接線に対して約９０度とすることが好ましい。基体の施工位置の平面または施工位置に近い凸部と凸部（例えば溶接ビードの凸部と基体の凸部）を結ぶ接線に対して約９０度とすることで、溶着不良を抑制でき、溶着金属への母材の混入を抑制することができる。

また、肉盛溶接装置１００は、施工位置にオシレーションをかけてもよい。例えばパウダを施工位置に帯状に供給しながら、レーザを幅方向（パスに直交する方向）に高速でウィービングさせてもよい。ここで、高速とは、施工位置におけるレーザのエネルギー密度分布を山状ではなく矩形状にして、母材の混入する希釈部分を浅くする速度である。本実施形態のウィービングは、数十Ｈｚから数百Ｈｚの周波数でウィービングさせる。これによりエネルギー密度分布を平坦化することができ、レーザにより溶融する部分を浅くかつ幅広くすることができる。

また、上記実施形態では、溶着金属をパウダとして供給したが溶射やコールドスプレー等によって供給してもよい。

なお、本実施形態は、蒸気タービンにおける動翼を対象として説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ガスタービン等のその他の回転機械の動翼の製造方法にも適用できる。

１ 蒸気タービン
１１ ケーシング
１２ ロータ
１３ 軸受
１４ ロータディスク
１５ 動翼
１６ 静翼
１７ 蒸気通路
１８ 蒸気供給口
１９ 蒸気排出口
２１ 翼根部
２２ プラットホーム
２３ 翼部
２４ 翼本体
２５ エロージョンシールド
２６ 先端
２７ 翼面
２８ 境界
４０、４２ 基体
４６ 肉盛部
６０、６２、６４ 余肉部
８２、８４、８６、８８ 加工対象物
１００ 肉盛溶接装置
１０２ レーザ照射装置
１０４ パウダ供給装置
１０６ 撮影装置
１０７ ライン生成器
１０８ 支持台
１０９ 移動機構
１１０ モニタ
１１１ 制御装置
１１２ 光源
１２９ ヘッド移動機構

Claims (9)

1. 動翼の基体にエロージョンシールドとなる溶着金属を肉盛溶接する肉盛溶接装置であって、
   肉盛溶接に用いる溶着金属を噴射するパウダ供給ヘッドと、
   レーザを照射するレーザヘッドと、
   測定用のライン光を照射するライン生成器と、
   前記測定用のライン光を撮影する撮影装置と、
   前記パウダ供給ヘッド及び前記レーザヘッドと、前記基体とを相対移動させる移動機構と、
   前記撮影装置で撮影したライン光の前記基体への投影像が、前記撮影装置の所定位置と重なるように前記移動機構で相対位置を移動させ、投影像が前記撮影装置の所定位置と重なる位置を倣い位置に設定し、前記倣い位置に基づいて前記移動機構を制御し、前記パウダ供給ヘッド及び前記レーザヘッドと、前記基体とを相対移動させる制御装置と、を有することを特徴とする肉盛溶接装置。
2. 前記制御装置は、前記パウダ供給ヘッド及び前記レーザヘッドの位置と、前記撮影装置の位置との相対位置の差に基づいて、前記倣い位置を調整することを特徴とする請求項１に記載の肉盛溶接装置。
3. 前記制御装置は、前記基体の先端の長手方向に沿って、前記移動機構を複数パス移動させ、
   １回のパスにおける前記倣い位置を、前記パスの起点側を密に、前記パスの終点側を疎にすることを特徴とする請求項１または２に記載の肉盛溶接装置。
4. 前記制御装置は、前記撮影装置の所定位置がラインであり、前記投影像と前記所定位置のラインとが重なる位置を前記倣い位置とする請求項１から３のいずれか一項に記載の肉盛溶接装置。
5. 翼本体の先端及び翼面の少なくとも一部にエロージョンシールドを形成するエロージョンシールドの形成方法であって、
   動翼となる基体の先端及び端面の少なくとも一部を除去し、境界を形成する工程と、
   施工位置の倣い処理を行う倣い処理工程と、
   前記倣い処理で設定した倣い位置に基づいて前記境界にレーザ溶接で肉盛部を形成する肉盛工程と、
   前記基体の余肉及び前記肉盛部の一部を除去する仕上げ加工を行う工程と、を有し、
   前記倣い処理工程は、測定用のライン光を前記基体に照射し、前記ライン光が前記基体に投影された投影像を、固定された位置で撮影し、撮影画像中の投影像の位置に基づいて、当該投影像が所定位置と重なる位置を倣い位置に設定し、
   前記肉盛工程は、前記倣い位置に基づいて前記移動機構を制御し、前記パウダ供給ヘッド及び前記レーザヘッドと、前記基体とを相対移動させることを特徴とするエロージョンシールドの形成方法。
6. 前記倣い処理工程は、前記パウダ供給ヘッド及び前記レーザヘッドの位置と、前記撮影装置の位置との相対位置の差に基づいて、前記倣い位置を調整することを特徴とする請求項５に記載のエロージョンシールドの形成方法。
7. 前記肉盛工程は、前記基体の前記先端の長手方向に沿って、前記移動機構を複数パス移動させ、
   前記倣い処理工程は、１回のパスにおける前記倣い位置を、前記パスの起点側を密に、前記パスの終点側を疎にすることを特徴とする請求項５または６に記載のエロージョンシールドの形成方法。
8. 前記撮影装置の所定位置は、ラインであり、
   前記倣い工程は、前記投影像と前記所定位置のラインとが重なる位置を前記倣い位置とする請求項５から７のいずれか一項に記載のエロージョンシールドの形成方法。
9. 前記動翼に余肉部を有する基体を成型する基体製造工程と、
   請求項５から８のいずれか一項に記載のエロージョンシールドの形成方法で、前記翼本体にエロージョンシールドを形成する工程と、を有することを特徴とする動翼製造方法。

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