JP3112758B2 - 超合金製のワークピースの溶接方法及び装置 - Google Patents

超合金製のワークピースの溶接方法及び装置

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JP3112758B2 JP04340790A JP34079092A JP3112758B2 JP 3112758 B2 JP3112758 B2 JP 3112758B2 JP 04340790 A JP04340790 A JP 04340790A JP 34079092 A JP34079092 A JP 34079092A JP 3112758 B2 JP3112758 B2 JP 3112758B2
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    • B23K13/01—Welding by high-frequency current heating by induction heating
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  • Arc Welding In General (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、溶接用電極と、付加
的エネルギー源を用いて余熱されたワークピースの間に
発生するアークによって保護ガスを用いてアーク溶接す
ることにより、超合金製のワークピースを肉盛溶接又は
継手溶接するための方法又は装置に関する。
【０００２】
【従来の技術とその課題】このタイプの方法はＤＥ−Ｐ
Ｓ２８３１７０２から知ることができる。この公知の方
法においては、非溶融性の電極のプラズマアークによっ
て形成される付加的エネルギー源を用いて余熱がなされ
る。非溶融性の電極の余熱用プラズマアークの少なくと
も一部は溶融電極の中のアークの中に斜めに流れ込む。
【０００３】この方法の欠点は、それが時効硬化型の超
合金には適用できないことである。なぜなら、余分なエ
ネルギー源(つまりプラズマアーク)の効果を受ける領域
は非常に制限されており、その温度は正確に制御するこ
とができないからである。
【０００４】光エネルギーを使ってワークピースを溶接
し、融解し、又は加熱する方法はＤＥ２２５７７３９に
より知ることができる。この方法は、保護用ガスを用い
て超合金を余熱する場合に一部を変更した形で用いられ
る。この変更された方法において光エネルギーはＤＥ２
２５７３９のように加熱されるべき対象物の上に集中さ
せられる。しかし、並列された放熱器が広い領域におい
てワークピースを加熱する。この方法では、溶接は光エ
ネルギーによって行われるのではなく、保護ガスを用い
たアーク溶接によって行われる。
【０００５】この方法の欠点は、平行な光線が寸法と加
熱の容量の比との関係で制限を受けるため、ワークピー
スの全ての部分が余熱温度に加熱されてしまうこと、及
び５分以上というかなりの余熱時間が必要となる点であ
る。同時に、保護用のガスホルダが部分的に加熱されて
しまう点も不利な点である。光源を用いるのは、光照射
器の寿命がその要求される高出力のために非常に厳しく
制限されており、結局、その高電力密度のためにコスト
高の要因となる。さらに、この方法では、ワークピース
の溶接領域が加熱されるだけでなく、保護ガスもまた照
射を受けた保護ガス容器を介する対流によって加熱さ
れ、これによって、この余熱又は溶接の方法を行う際の
共同作業者にかなりの熱的ストレスを与える。この方法
は、多量のエネルギーの消費を伴う。さらに、特に保護
ガス容器の臨界部分には冷却手段が必要となる。
【０００６】超合金を肉盛溶接することによってタービ
ンブレードを補修する方法は、ＵＳ−ＰＳ４，１４１，
１２７から知ることができる。この方法では、溶接に伴
うストレスは、その後１２００゜Ｃで１時間焼準(tempe
ring)工程を行うことにより減少させることができる。
この方法の欠点は、後に焼準を伴うような補修方法は析
出硬化型の超合金に対しては全く用いることができない
点である。さらに、γ’組成を有する延性の穴として知
られる温度範囲を通過する場合は割れの発生の危険性が
あり、溶接と焼準の間においてはワークピースの歪変形
の虞が有る。
【０００７】この発明の目的は、このタイプの方法と装
置を提供するものであって、これにより、エネルギーが
節約され、余熱時間が短くなり、保護用ガス容器や共同
作業者に負荷される熱的なストレスが減少し、また、余
熱温度の正確な制御と統制によって割れや変形のない超
合金の肉盛溶接又は継手溶接が保証され、母材にその後
に熱処理を行った場合でも有害な影響がない。
【０００８】
【課題を解決するための手段とその作用】この目的は、
本発明によって、まず、付加加熱装置としての誘導加熱
装置によってワークピースの溶接領域の熱影響領域を余
熱温度にまで加熱し、次に、同じタイプの材料がアーク
溶接によってワークピースの表面に盛り付けられ、又は
溶接継手の箇所に置かれることによって達成される。
【０００９】この発明の利点は、誘導加熱の結果、溶接
領域が、ワークピースの材料について応力を発生させな
い焼準温度として知られている温度まで正確に余熱され
ることである。この結果、割れの形成に関係のない程度
の値である内部残留溶接応力の値にまで応力が連続的に
減少する。
【００１０】誘導加熱装置及び誘導加熱方法それ自体は
知られており、結晶成長、高温溶融浴の形成、高温のハ
ンダを用いて真空又は保護ガスの中で行われるハンダ付
けにおいて使用されている。溶融ゾーンは誘導加熱装置
のコイルの中に限られているので、これまで、アーク溶
接において保護ガスを用いることの利点は溶接の熟練者
にとって自明なことではなかった。従って、ワークピー
スの余熱を効果的に行うためには、溶接領域が誘導加熱
炉の内部に配置される必要があり、これはアークの発生
に対して悪影響を与えるとともに溶接の熟練者が電極を
導くための充分な作業領域が与えられないことを意味す
る。
【００１１】誘導溶解炉が部材を加熱するためにのみ用
いられるなら、そのために用いられる誘導コイルは通常
セラミックか石英ガラスのチューブの上に巻かれてお
り、加熱されるワークピースを完全に取り囲み、このた
め、ワークピースの溶接操作を同時に行うことはできな
い。
【００１２】超合金の溶接のために誘導加熱で余熱する
ことの積極的な効果は、余熱温度へ数秒の間に到達でき
ることであり、当然に余熱温度より下の危険な温度範囲
を急速に通過できることである。誘導余熱による溶接領
域の応力の連続的な減少は、さらに、余熱温度より下の
通常の温度を通り過ぎるときに、時効硬化合金に脆性
(延性の穴)の発生とそれに続く割れの生成を起こす体積
の収縮の原因となるような構造的変化(細かいγ’析出
物)の結果として、危険な応力の重なり合いが起るのを
防止する。
【００１３】余熱温度は、γ’析出型の超合金において
は、９００〜１１００゜Ｃの間にある。誘導コイルの巻
線は水冷されており、疲労を受けないような利点をもっ
ている。
【００１４】この発明による方法の好ましい一実施例に
おいては、パイロメータ及び高周波発電機に接続されて
作動するレギュレータによって余熱温度が一定値に維持
されている。これは、余熱温度が誘導加熱によって数秒
の間に到達されるということ、さらに、溶接の間の比較
的長い時間一定の値に保たれるという利点を有する。こ
の目的のため、ワークピースの溶接領域に面しない側の
上の点の測定を行うパイロメータが調整され、誘導周波
数である１５０〜５００キロヘルツの間において誘導加
熱が行われる。
【００１５】この方法を実施するために好ましい装置と
して、ワークピースを支持するための保護ガス容器を有
するものがある。これには、保護ガスを搬送するための
パイプダクトと、ワークピースを操作するための少なく
とも１つの回転型ダクトが設けられている。容器の中の
溶接の領域では、ワークピースは、容器の中の高周波ダ
クトを介して高周波発電機に接続されて作動される冷却
誘導コイルにより取り囲まれ、パイロメータが余熱温度
を監視するために容器の外側に設けられている。
【００１６】この装置の利点は、ワークピースとその溶
接領域を、誘導コイル、パイロメータ及び溶接バーナや
溶接ワイヤを伴う溶接電極等との関係で最も好ましい位
置に設定するために、ワークピースを一つ又は複数の誘
導巻線によって形成された高周波場の中で回転させるこ
とができることである。さらなる利点は、ワークピース
が、誘導加熱とアーク溶接が同時に動作することにより
処理されることである。この装置はさらに、保護ガス容
器及び保護ガスの加熱を光による加熱に比べて確実に減
少させるものである。
【００１７】この発明の好ましい実施例においては、パ
イロメータが、保護ガス容器に設けられた内視窓を経由
して、ワークピースの溶接領域に面していない側に配置
された測定点に向けられている。このような配列によ
り、溶接温度と余熱温度がワークピースを経由して同じ
になってしまうことがなく、溶接工程における余熱温度
の間違った測定が回避されるという利点が得られる。
【００１８】さらに好ましい実施例の装置として、回転
型ダクトが回転上昇型ダクトと設計されたものがあり、
これによって、比較的大きな操作領域が形成されるとい
う利点が得られ、また、この装置はワークピースの寸法
の大きな変化に対応して用いることができる。さらに、
容器の中の溶接電極をアーク溶接の間中案内するよう
に、少なくとも一つのマニピュレータが保護ガス容器の
外側に設けられることが好ましいく、この結果、全ての
方向が閉鎖された容器の中で溶接することが可能とな
る。この目的のために、保護ガス容器は、余熱及び溶接
を監視し、管理し、制御するために用いる内視窓を有す
る。
【００１９】
【実施例】ここで、発明の方法の実行のために好適な装
置の部分的断面を模式的に示す添付図を参照しながら、
発明の実施例を説明する。この図において、肉盛溶接又
は継手溶接するための装置は、ワークピース７を支持す
るための保護ガス容器１を有する。保護ガス容器１は、
保護ガスを矢印Ｄ及びＨの方向に供給、排出するパイプ
ダクト１４及び１５と、ワークピース７をＢ及びＣの移
動方向に操作するための少なくとも１つの回転昇降ダク
ト２を有する。容器１の中の溶接領域１６では、ワーク
ピース７は、例えば２巻きの、冷却された誘導コイル８
に取り囲まれており、これは容器１の中の高周波ダクト
１７，１８を経由して高周波発電機１２に接続されて作
動できるようになっている。アーク溶接の間容器１の中
で溶接電極２０を案内するためのミクロマニピュレータ
１９が容器１の外側に設けられ、これは溶接バーナと溶
接ワイヤ３１を有する溶接電極２０を、矢印Ｅ，Ｆの方
向に向けて、また、軸の回りを方向Ｇに向けて捻ること
ができる。この動きは、視覚及び監視用窓として設けら
れた変位できない石英製ガラス板に合体している電気的
に絶縁されたボール−ソケット継手３８を経由して伝達
される。さらに、容器１は、余熱工程をパイロメータ１
１によって監視し、管理するための付加的内視窓２３を
持っている。このパイロメータ１１は余熱温度の間違っ
た測定を排除するために、ワークピース上のアークに面
していない側の一点で余熱温度を測定する。
【００２０】パイロメータは、電線２４を介してレギュ
レータ３０と高周波発電機１２に接続されて作動するよ
うになっており、この高周波発電機１２は水冷された誘
導コイル８(例えば２つの巻線を持っている。)に高周波
アダプタ９を介してエネルギーを供給する。この実施例
における水冷された誘導コイル８は、絶縁材の中に鋳込
まれた銅のパイプを有している。絶縁材は、温度変化や
酸化に対する抵抗性を持ち、誘導コイル８と溶接電極２
０又はＴＩＧ溶接バーナとの間に電気アークや短絡が発
生するのを防止する。安全性を向上させるため、高周波
発生器１２と溶接電源２９は、互いに電気的に遮蔽され
るように配置されている。高周波場のスイッチがオンに
なった後、１２秒以内にワークピース７の溶接領域の領
域が９００〜１１００゜Ｃの余熱温度に到達する。従来
は溶接継手を形成するために研磨して除去されていた割
れが存在する領域においても、電極２０がマニピュレー
タ１９によって案内され、同時に溶接ワイヤ３１をその
中心に案内することにより、溶接を行うことができる。
割れ１０を完全に溶接するためには、ワークピース７が
最適位置に配置され、続いて回転昇降型ダクト２により
案内されるか、また、溶接電極２０が最適位置に配置さ
れ、続いてスライディングシート２５を有するボール−
ソケット継手３８により案内されるかのいずれかであ
る。
【００２１】この目的のためにワークピース７は支持部
材６に固定されており、この支持部材６は矢印Ｂの方向
に上下させられるとともに、パイプ１３を介して矢印Ｃ
の方向に回転され、また、矢印Ａの方向に保護ガスが供
給される。もし、ワークピース７が中空の部材である
か、又はこの実施例のように、冷却流路２６を有するエ
ンジンブレードであるときは、その中空の空間又は冷却
流路２６は、ワークピース支持部材６を経由して矢印Ｋ
の方向に流れる保護ガスによって充填される。
【００２２】容器１の基部の導管のネットワークには、
保護ガスがガス供給パイプ５を経由して矢印Ｄの方向に
供給される。この導管のネットワークは、例えば、容器
１の基部の保護ガスの均一な分布を得るためにスチール
ウール３で取り巻かれている。この保護ガスは、次に、
穴が形成された基盤４を通過して容器１の中の作業空間
２８に流入し、全工程の間ワークピース７の外表面の回
りを流れる。
【００２３】
【発明の効果】この発明の方法は、誘導加熱によりワー
クピースの溶接領域を、材料について応力を発生させな
い焼準温度として知られている温度まで正確に余熱する
ので、時効硬化合金に脆性の発生とそれに続く割れの生
成を起こす体積の収縮の原因となるような構造的変化の
結果として、危険な応力の重なり合いが起るのを防止
し、品質のよい溶接構造を提供することができる。ま
た、この発明の装置においては、ワークピースとその溶
接領域を、誘導コイル、パイロメータ及び溶接バーナや
溶接ワイヤを伴う溶接電極等との関係で最も好ましい位
置に設定するために、ワークピースを一つ又は複数の誘
導巻線によって形成された高周波場の中で回転させるこ
とができ、これにより、ワークピースの誘導加熱による
余熱を制御された状態で行うことができる。さらに、ワ
ークピースが、誘導加熱とアーク溶接が同時に動作する
ことにより処理されるので、上述した方法を作業性よ
く、また、実効が上がるように行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の方法の実行のために好適な装置の部分的
断面を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１ 保護ガス容器 ７ ワークピース ８ 誘導コイル １０ 溶接継手
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−13477（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−9781（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−39081（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−264260（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−88745（ＪＰ，Ａ) 特公 昭44−4903（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 9/04 H05B 6/10

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 全溶接工程にわたって保護ガスが流入し
    排出される容器内で、溶接電極と付加エネルギー源によ
    って余熱されたワークピースとの間に発生するアークを
    用いたアーク溶接によって超合金製ワークピースの肉盛
    溶接又は継手溶接を行う方法であって、 ワークピースはまず付加エネルギー源である誘導加熱装
    置によって溶接領域の熱影響領域が余熱温度に加熱さ
    れ、次に、ワークピースと同じタイプの材料がアーク溶
    接によってワークピースの表面に盛り付けられるか又は
    溶接継手の箇所に置かれることを特徴とする超合金製の
    ワークピースの溶接方法。
  2. 【請求項２】 余熱温度がパイロメータと高周波電源に
    接続されて作動するレギュレータによって一定値に保た
    れることを特徴とする請求項１の超合金製のワークピー
    スの溶接方法。
  3. 【請求項３】 ワークピースを支持するための保護ガス
    容器と、この保護ガスを搬送するためのパイプダクト
    と、ワークピースを操作するための少なくとも１つの回
    転ダクトとを有し、 容器の内部に、使用時にワークピースの溶接領域を取り
    囲む被冷却誘導コイルが設けられ、この冷却された誘導
    コイルは、容器の中の高周波ダクトにより高周波電源に
    接続されて作動可能となっており、このワークピースを
    支持する保護ガス容器容器の外側に余熱温度を監視する
    ためのパイロメータが設けられていることを特徴とする
    請求項１又は２の方法を実行するための装置。
  4. 【請求項４】 上記パイロメータは、容器の内視窓を介
    して使用状態において溶接領域から離れたワークピース
    の側に位置する測定点に向けられている請求項３の装
    置。
  5. 【請求項５】 回転ダクトは回転昇降ダクトとして構成
    され、保護ガス容器の外側にはアーク溶接の間容器の内
    側で溶接電極を案内するための少なくとも１つのマニピ
    ュレータが設けられ、容器は余熱と溶接を監視し、管理
    (regulate)し、制御するための内視窓を有している請求
    項３又は４の装置。
JP04340790A 1991-12-19 1992-12-21 超合金製のワークピースの溶接方法及び装置 Expired - Lifetime JP3112758B2 (ja)

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