JP3572524B2 - 超合金製品の高温度におけるインターアクティブレーザー溶接 - Google Patents

Description

本発明は、溶接が難しい超合金を溶接するプロセスに関し、そしてさらに詳しくは、そのような製品をレーザー溶接するプロセスに関する。
ジェットエンジン部品類の開発につれ、該エンジンにおけるこれら部品類に対する高温度要求により、益々高くなる高温度に耐える能力の改善が絶えず要求されている。現在の高圧タービンブレードまたは羽根は、極めて不利な高温状態（例えば、2000゜F、1093℃以上）にさらされる。これらのジェットエンジン部品類は、コンポーネンツ製造中、または、エンジン動作点検後で溶接処理を必要とすることがあり、摩耗及びクラッキングの結果として補修を必要とする。
これらの高温度要求の結果として、これらの部品類は、ガンマ−プライム（γ’）相および合金のMCrAlYファミリーとして広く知られているマテリアルを含む超合金から製造されることが多い。R'80のようなガンマ−プライム析出硬化性合金についての一つの特別の問題は、これらの合金を同様な、または類似の合金で溶接したり、クラッドすると、クラッキングが生じたり、製品不良が頻発する点である。
付随する溶接温度及びストレスによって、これらの合金は、収縮、ストレスクラッキングなどを起こす。これら特定の超合金の溶接の困難性により、ガンマ・プライム析出硬化合金および合金のMCrAlYファミリーを、類似の、または、ペアレント金属合金にクラッキングしないで確実に溶接できるプロセスが要求されている。米国特許第5,106,010号は、そのような温度を記載し、溶接および凝固中の温度をそのような温度に維持している。このプロセスを効率的に、そして、自動的に実施し、溶接コンポーネンツのスループットを高める一方、再生産性を最高に、不良品および廃棄物を最低にする要求がある。
発明の概略
簡単にいうと、この発明は、ガンマ−プライム・フェーズを有するか、または、合金のMCrAlYファミリーからなるものいずれかのニッケルおよび／またはコバルトをベースとした超合金製品をレーザー溶接するプロセスおよび装置を提供するもので、これは、該製品の溶接域全体および製品の溶接域に隣接の領域を760℃（1400゜F）から1149℃（2100゜F）のレンジ内の延ばしやすくなる温度に、誘導加熱コイルで予備加熱し、溶接部の溶接および凝固の間、前記温度を維持し；そして、予熱された製品をレーザーを用い、該レーザー、粉末供給および該製品を取り付けるモーションシステムをコントロールするコントロール手段を用いて、粉末合金を供給して溶接するもので、該コントロール手段は、製品の溶接域を計数化して、レーザー溶接がフォローするパスを与えるヴィジョンシステムを含む。
図面の簡単な記述
本発明の他の特徴と利点は、添付図面と関連して以下の記述を読むことで明らかになるもので、図面において：
図１は、コンポーネンツが従事していないレーザー溶接システムを示し；
図２は、ブレードチップの予備加熱の間のレーザー溶接システムを示し；
図３は、レーザーと粉末供給が溶接に従事しているレーザー溶接システムを示し；
図４は、レーザーと粉末供給が溶接に従事していない冷却の間のレーザー溶接システムを示す。
発明の詳細な記述
この発明は、超合金製品、特に、ブレード、羽根およびローターを含むタービンエンジンの部品類を溶接するプロセスを提供する。該超合金は、現在の技術水準のプロセスでは溶接が困難であるニッケルおよび／またはコバルトをベースとする超合金である。これらの超合金は、ガンマ−プライム・フェーズを有し、ガンマ−プライム・ニッケルをベースとする析出硬化合金の方向性凝固および単結晶合金ならびに合金のMCrAlYファミリー（ここでＭは、少なくともNiCoCrAlYおよびNiCrAlY合金のようなNiまたはCoからなるグループから選ばれた少なくとも一つの金属を示す）を含む。概略的には、ガンマ−プライム析出−強化合金は、少なくとも約５％のコンバインされた量でチタンとアルミニウムとを含む。適切な超合金は、R'80、DSR'80h、R'108、R'125、DSR'142、R'N4、R'N5 Mar−Ｍ−247DS、In 792Hf、およびCMX−2/3を含む。次の表Ｉは、これらの超合金のいくつかの公称組成を確認するものである。

まず図１を参照すると、符号10により、まとめてアイデンティファイされた発明のシステムは、粉末供給部12をもつレーザー11、インダクション加熱コイル14をもつ誘導ヒーター13および製品20を据付けるモーションシステム15を備える。製品は、通例のように、クランプを用いて、極めて精確にステージ16に装着されて据え付けられる。高温計17と、不活性ガス供給ライン19をもつ不活性ガスシュラウド（シールド）18およびガスディフューザー20もまた図示されている。
図２に示すように、製品20（例えば、羽根またはブレード）がインダクション加熱コイル14により予備加熱される。この段階においては、レーザー11と粉末フィーダー12は、動作していない。この予熱ステージの間、超合金の全溶接域と溶接域に隣位した領域は、インダクション加熱コイル14で760℃（1400゜F）から1149℃（2100゜F）、好ましくは、941℃（1725゜F）から1079℃（1975゜F）の範囲にある延ばしやすくなる温度に加熱される。製品の溶接域を加熱する延ばしやすくなる温度は、エージングまたは析出硬化温度より上であるが、特定の超合金サブストレートの初期溶融温度以下である。このプロセスにとってクリティカルな点は、溶接／クラッディングの前、間、後において、熱平衡を維持し、溶接される、または、近接のベース金属の温度勾配をきつくならないようにして、内部応力と、その後のクラッキングを減らすことである。温度勾配を和らげることで、加熱されるゾーンへの溶接熱のインパクトを弱め、即ち、該プロセスは、熱の影響を受けるゾーンを融接ラインから離すように”再位置”する。全溶接域と隣接領域は、析出硬化温度より高く予備加熱されることで、温度分布が均一になり、加熱作用を受け難いゾーンで問題になる収縮と内部応力を排除できる。全溶接域と隣接領域は、内部応力とのエージング反応の結果として、温度収縮するが、この内部応力は、溶接スポットに集中するのみならず、よりずっと広い領域にわたり分布する、エージング反応から生ずる。
全溶接域と溶接部に近接した領域は、誘導加熱により、延ばしやすい温度まで加熱される。加熱される溶接域に隣接の領域は、少なくとも、熱作用の影響を受けるゾーンを包囲することができる充分な広さ、好ましくは、それよりも広くなっている。熱に影響をされるゾーンは、溶融しないが、その機械的特性または微細構造が溶接の熱で変えられてしまっているベース金属の部分として定義される（1983年ASM、メタルズ・ハンドブック９版６巻参照）。概略的には、この加熱される近接領域は、溶接部から少なくとも0.64cm（0.25インチ）、好ましくは、1.27〜2.54cm（0.5〜１インチ）である。
製品が所望の温度に予熱されると、レーザー11と粉末フィーダー12は、図３に示すように、溶接に従事する。レーザー11からの放射22がサブストレートの小さなモルテンプールを形成し、粉末フィーダー12からの粉末が該モルテンプールに分散され、レーザービーム21により該部分に溶接（クラッド）される。凝固プロセスは、レーザービームとインダクションコイルにより発される加熱エネルギーの放射およびレーザービームと製品との相対運動によって精確にコントロールされて、温度および発生するストレインと応力をコントロールし、凝固プロセスの間と後、クラックがない溶接部を形成する。操作中、製品溶接域は、供給ライン19とガスディフューザー20によって、シュラウド18へ供給される不活性ガス（例えば、アルゴンまたはヘリウム）で囲まれ、加熱および溶接プロセスにおける酸化と、ベースの超合金およびフィラー金属合金粉末の酸化物汚染をなくす。
溶接域の温度は、レーザービームから熱が加えられても、プロセスを通じて、誘導ヒーター13をコントロールするフィードバック電圧ループ（インフェロメーター）をもつ光学高温計を用いてコントロールされる。予熱される部分の温度は、760℃（1400゜F）から1149℃（2100゜F）の範囲であり、局部的にレーザー加熱されても、この範囲に留まる。さらに、インフェロメーター（フィイドバックループ）は、溶接に先立ち、ランプアップ（加熱）レートをコントロールし、溶接完了すれば、ランプダウン（冷却）レートをコントロールする。この予熱プロセスによって、溶接からのストレスとクラックを減らし、ベースの超合金製品を、超合金、即ち、ガンマ−プライム析出強化超合金またはMCrAlYからなる粉末合金供給ものでレーザー溶接（クラッド）することができるようになる。有利な点としては、超合金製品の合金と実質的に同じものである粉末合金を使用することができることである。溶接からの応力とクラッキングとを減らすことは、方向性凝固された超合金をガンマ プライム強化粉末合金で溶接するとき、粒界にそってクラッキングをうけやすいために、特に必要である。
図４においては、レーザー11とパウダーフィーダー12は、冷却サイクルの間、休止しているが、インダクションコイル14は、所定の位置に維持されて、超合金製品のランプダウンをコントロールすることが示されている。概略的には、冷却をコントロールし、クラッキングを誘発するコントロールされない冷却により誘発されるストレスを減らすことが好ましい。
製品のレーザー溶接は、レーザー、パウダーフィーダーおよび製品が固定されるモーションシステムをコントロールするコンピューター数値制御（CNC）手段を使用してコントロールされる。金属分析によって確証される広範囲のプログラミングおよびパラメーター・デヴェロップメントがクラックなしの金属サウンド・フュージョン・ボンドに要求される。コントロール手段は、ヴィジョンシステムを含み、これは、製品形状をデジタル化し、製品を保持するモーションシステムをフォーカスされたレーザービームと収斂された供給粉末の直下にくるようにする。
該コントロールシステムは、種々の複雑な形状のものを溶接可能にする溶接プロセスの効率的で、経済的操作の鍵である。使用されるヴィジョンシステムは、溶接される特定の製品の溶接域に対し分けられているレーザー溶接システムのための精確なパスを設定する。これは、製品についてのプログラムを用いるコンピューター数値制御でなされるが、精確なパスは，ヴィジョンシステムによって設定される。製品が固定位置に確保されると、溶接（クラッディング）の間必要なビルドアップを確かめるため、高さがチェックされる。ついで溶接域のコントラストを設定した後、ヴィジョンシステムのカメラによって溶接域をビュウし（即ち、撮影し）、数値的にコンバートされる複数のポイントをとってその輪郭をトレースして、その輪郭をデジタル化し、製品の特定の溶接域をレーザーが辿る精確な輪郭パスを付与する。このパスは、精確に設定されているから溶接に無駄なものが生ずることがなく、余分な溶接物を除去するために後加工が必要なマシニング（例えば、ミリング、グラインディング）を減らす。特に有利な引き続いてのマシニングも同じ装置を利用し、レーザー溶接のためにヴィジョンシステムによって最初に設定したように、特定製品のためのパラメーターをコントロールして、精確に制御できる。これによって、プロセスの効率を増進させる引き続いての計測と制御についての条件が緩和される。
パスがコントロールシステムによって設定されるモーションシステムは、少なくとも３軸、好ましくは、４または５軸のモーションシステムであって、種々複雑な溶接域面に必要なこまかな動きができるようになっている。３軸方向の動きは、X,Y,Z方向にそったものであり、もっと複雑なフラットな面に対しての４軸方向の動きは、X,Y,Z方向と回転とを組み合わせたもの（図１参照）であり、輪郭がつけられた面に対する５軸の動きは、X,Y,Z方向に回転と傾斜方向とが組み合わされたものである。
適切なレーザー11は、CO₂レーザーを含む、当業者に知られているものを含む。該レーザーのパワー密度は、1.6x10⁴ワット／平方センチ（10⁵ワット／平方インチ）から1.6x10⁶ワット／平方センチ（10⁷ワット／平方インチ）の間であり、ビームスポットサイズは、0.127cm（0.050インチ）から0.381cm（0.150インチ）の範囲内である。パウダー合金の供給は、約−120から＋400メッシュの粒径で、毎秒５〜15グラムのレートで合金粒子を流すように供給して行われる。レーザービームとパウダーフィーダーのモーションは、概ね毎分25.4−76.2cm（10−30インチ）のオーダーであり、これにより、サブストレートの溶融と、その面における溶接が所望のレートで行われる。
実施例
チップスがRene方向性凝固タービンブレードにホット溶接（クラッド）された。
該ブレードをその固定場所に配置した後、高さを測定して、要求されるチップ立ち上げ（ビルドアップ）の量を決定する。溶接プロセスのコントロールシステムが、溶接される当該タービンブレードについての特定のプログラムをもったコンピューター数値制御を使用し、ヴィジョンシステム（Adept O.C.Controller Stand Alone Vision System）により溶接の精確なパスがコントロールされ、前記システムでブレードチップ溶接域をビュウし、溶接域の周縁をデジタル化して、溶接またはクラッディングの際にレーザーが辿る特定のパスを定められた。未だ固定されているブレードは、ついで、モーションシステムへ添えられ、不活性ガスのシュラウドの下に配置された。該ブレードは、インダクションコイルにより、1066℃（1950゜F）まで予備加熱されたが、このブレード温度まで上がる時間は、150秒であった。この温度は、溶接ならびに溶接ものの凝固の間、全溶接域と溶接域に隣接の領域（即ち、約2.5cm（約１インチ））にわたり維持された。図面に示された装置とプロセスは、2.6〜2.8キロワット、0.254cm（0.100インチ）のスポットサイズで操作されるCO₂レーザーを用い、供給される粉末合金は、ンメッシュサイズが−170〜＋325メッシュで、流動レートが毎分８〜９グラムであった。毎分46cm（18インチ）で動く４軸モーションシステムが使用され、アルゴン不活性ガスは、シュラウドへ2.4CFMで流入した。溶接完了後、溶接もの全体は、250秒かけて、1066℃（1950゜F）から649℃（1200゜F）以下へ均一に冷却された。
溶接された製品は、ついで研磨され、内面は、電気放電研磨、外面は、平研磨で、必要に応じ、後加工でポリッシュされる。プロセスの精確なコントロールによって、研磨が最低になり、場合によっては、必要なくなり、無駄をなくし、処理時間を短縮できる利点がある。

Claims (23)

1. チタンとアルミニウムとが少なくとも５％の量で組み合わされたものと、MCrAlY合金（ここで、Ｍは、ニッケルおよび／またはコバルトである）を含むガンマ−プライム析出強化超合金からなるグループから選ばれるニッケルおよび／またはコバルトをベースとする超合金製品をレーザー溶接するプロセスであって：
   該製品の全溶接域と該溶接域に隣接の領域を延ばしやすくなる温度、即ち、前記超合金に対するエージング温度よりも上で、初期溶融温度以下の温度であって、760℃ （1400゜F）から1149℃（2100゜F）の範囲の温度に、インダクション加熱コイルにより、予備加熱し、溶接部の溶接ならびに凝固の間、前記温度に維持する工程；そして
   レーザー、パウダーフィーダー及び製品が固定されるモーションシステムの全体的なパスをコントロールするための値を伴う前記製品の幾何学的形状と冶金学的要求とに基づいてプレプログラムされた制御手段と共に、パウダー合金フィーダーをもつレーザーを用いて、該予熱された製品を溶接する工程を備え、前記値は、該製品の形状と組成に基づくものであり、
   該制御手段は、製品の溶接域をデジタル化し、溶接される当該製品の溶接域について個別化されてレーザー溶接が辿る精確なパスを示すヴィジョンシステムをさらに含んでいることを特徴とするプロセス。
2. コンピューター数値制御を制御手段が含む請求の範囲１のプロセス。
3. モーションシステムが３軸の動きをもつ請求の範囲２のプロセス。
4. モーションシステムが４軸の動きをもつ請求の範囲２のプロセス。
5. モーションシステムが５軸の動きをもつ請求の範囲２のプロセス。
6. 製品の溶接域の温度を計測し、制御する光学高温計をさらに備える請求の範囲３のプロセス。
7. 製品の温度上昇と冷却レートをコントロールして、ストレインとクラッキングを抑えることをさらに含む請求の範囲６のプロセス。
8. 溶接中、不活性ガスシュラウドを提供し、製品の溶接域をシールドすることをさらに含む請求の範囲７のプロセス。
9. 粉末合金は、チタンとアルミニウムとが少なくとも５％の量で組み合わされたもの、または、MCrAlY合金（ここで、Ｍは、ニッケルおよび／またはコバルトである）を含むガンマ−プライム析出強化超合金である請求の範囲８のプロセス。
10. 超合金製品と粉末合金とは、実質的に同じ合金である請求の範囲９のプロセス。
11. 超合金製品は、ガスタービンエンジンの部品である請求の範囲９のプロセス。
12. 該製品は、タービンブレード、タービンの羽根またはタービンローターである請求の範囲10のプロセス。
13. 溶接された製品を研磨することを更に含む請求の範囲２のプロセス。
14. 該製品は、レーザー溶接と研磨に対し同じ据付具に維持され、該研磨は、レーザー溶接のためのヴィジョンシステムによるものと同じデジタル化インフォーメーションを利用してコントロールされる請求の範囲12のプロセス。
15. 延ばしやすくなる温度は、941℃（1725 ゜F）から1079℃（1975゜F）の範囲内である請求の範囲９のプロセス。
16. 超合金製品は、方向性凝固されている請求の範囲９のプロセス。
17. 超合金製品のレーザー溶接装置であっ て：
    製品の溶接域と隣接する領域を871℃（1600゜F）から10 93℃（2000゜F）へ加熱し、溶接ものの溶接と凝固の間、該温度に維持するインダクション加熱コイル；
    該製品を溶接するパウダーフィードシステムをもったレーザー；
    該製品を固定する、少なくとも３軸のモーションを行うモーションシステム；および
    レーザー、パウダーフィーダー及び製品が固定されるモーションシステムの全体的なパスをコントロールするための値を伴う前記製品の幾何学的形状と冶金学的要求とに基づいてプレプログラムされた制御手段を備え、前記値は、該製品の形状と組成に基づくものであり、
    該制御手段は、製品の溶接域をデジタル化し、溶接される当該製品の溶接域について個別化されてレーザー溶接が辿る精確なパスを示すヴィジョンシステムを含んでいることを特徴とするレーザー溶接装置。
18. 該コントロール手段は、コンピューター数値制御を含む請求の範囲17の装置。
19. 該製品の温度を測定する光学高温計をさらに備える請求の範囲17の装置。
20. 該製品の溶接域の温度と、該温度の昇温および冷却をコントロールする手段をさらに備える請求の範囲18の装置。
21. 溶接中、該製品の溶接域を不活性ガスでシールドするガスシュラウドをさらに備える請求の範囲19の装置。
22. 該モーションシステムは、４軸のモーションである請求の範囲20の装置。
23. 該モーションシステムは、５軸のモーションである請求の範囲20の装置。

Images