JP4206216B2

JP4206216B2 - 互いに異なる温度の熱で負荷される２つの部分を互いに溶接するための方法ならびにこのような方法により製作されたターボ機械

Info

Publication number: JP4206216B2
Application number: JP2002066862A
Authority: JP
Inventors: ケラーゾーリン; ブレンドンスカーリンリチャード; シュタウブリマルクス; ウィリアムヴァンストーンロドニー
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2001-03-14
Filing date: 2002-03-12
Publication date: 2009-01-07
Anticipated expiration: 2022-03-12
Also published as: JP2002307169A; DE10112062A1; US6753504B2; US20020172587A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結合技術の分野に関する。
【０００２】
本発明は、特にターボ機械の、互いに異なる温度の熱で負荷される２つの部分を互いに溶接するための方法であって、両部分のうち、第１の部分が、鋼から成っており、第２の部分が、ニッケルベース合金から成っており、該ニッケルベース合金が、鋼との結合時に結合領域に亀裂形成もしくは好ましくない機械的な特性を生ぜしめる付加的な元素、たとえばニオブを含有している形式の、互いに異なる温度の熱で負荷される２つの部分を互いに溶接するための方法に関する。
【０００３】
本発明は、ターボ機械であって、熱で負荷されるロータが設けられており、該ロータが、個々のロータディスクもしくはロータドラムと、終端片との互いの溶接により形成されている形式のものに関する。
【０００４】
【従来の技術】
たとえば蒸気プラントに設けられた熱的な機械の効率は、たとえば６５０℃を上回る作業温度の上昇によって著しく改善され得る。このようなプラント内で使用される高温蒸気ターピンのロータは、６５０℃よりも高い作業温度のために、耐クリープ性のニッケルベース合金から製作されていることが望ましい。しかし、このような形式のニッケルベース合金（超合金）、たとえばインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ；登録商標）は慣用の鋼よりも著しく高価（たとえば１０倍）である。
【０００５】
他方では、熱的な機械には、極めて高い温度にさらされている区分と、この区分ほど高い温度にさらされていない区分とが存在している。したがって、タービンロータまたはこれと比較可能な機械部分にかかる費用を最小限に抑えるためには、ニッケルベース合金から成る高温部分と、鋼から成る残りの部分（たとえばロータの終端片）とを製作できるようにすることが所望される。この場合、たとえばアメリカ合衆国特許第４０８６６９０号明細書に記載されているように、個々のロータディスクから成るこのようなロータの製作には、鋼とニッケルベース合金とから成る部分の結合が必要となる。このような結合は螺合によって行われてもよいし、互いの溶接によって行われてもよい。大きい機械の場合の螺合部は極端に高い負荷にさらされていて、このような形式の機械に対しては実際に知られていないので、結合プロセスとしては実際に互いの溶接しか考慮されない。
【０００６】
このような形式の使用事例のために適切なニッケルベース合金は、必要となる耐クリープ性を獲得するために、ニオブを含有して合金化されていてよい。ニオブを含有したこのようなニッケルベース合金は、たとえばインコネル６２５または記号ＩＮ６２５で知られている。このような形式の合金から成る複数の部分は、互いの溶接によって容易に結合することができる。
【０００７】
これに対して、鋼から成る部分と、たとえばニオブまたは別の付加的な元素を含有したニッケルベース合金から成る部分との間の溶接結合は問題となる。この事例では、溶接時のニッケルベース合金の局所的な溶融によって、ニオブもしくは別の付加的な元素が溶接シームにおいて濃度増加され、その結果、溶接結合部に亀裂が形成される。ニッケルベース合金の溶融の範囲をより肉薄の溶接電極またはこれに類するものを用いた入熱の減少によって低減させるための試みは、これまで制限されてしか成功しなかった。
【０００８】
アメリカ合衆国特許第４９６２５８６号明細書に基づき、２つのロータ部分を互いに溶接することによってタービンロータを形成することが公知である。両ロータ部分は互いに異なる温度の熱で負荷されていて、低合金化された二種類の鋼から成っている。溶接結合を改善するためには、高い温度のために設けられたロータ部分の結合面にまずビルドアップ溶接によって、充填材料から成る層が被着させられ、次いで加工される。この充填材料は、溶接結合部における互いに異なる鋼品質のより良好な互いの適合を成立させる。その後、両部分は互いに溶接される。この場合、この公知の方法は、鋼から成る２つの部分の結合に関する方法と異なっている。被覆塗布（Ａｕｆｂｕｔｔｅｒｎ）は、被覆塗布される部分（クラッド層５１）が、他方の部分が耐えられる温度よりも高い温度に赤熱され得ることによって行われる（アメリカ合衆国特許第４９６２５８６号明細書の図３および図４参照）。この方法は熱的に制限されていて、被覆塗布、高温焼きなまし（Ｈｏｃｈｇｌｕｅｈｅｎ）、互いの溶接および低温焼きなまし（Ｔｉｅｆｇｌｕｅｈｅｎ）のステップを有している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、鋼から成る部分と、付加的な元素、たとえばニオブを含有したニッケルベース合金から成る部分とを互いに溶接するための方法を改善すると同時にこの方法により製作されているターボ機械を改良して、簡単な使用および僅かな手間で、安定した溶接結合部が得られるようにすることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の方法では、まず、第２の部分の、互いに溶接するために設けられた結合面に、付加的な元素の割合が内部から外部に向かって漸進的に減少する中間層を被着させ、次いで、該中間層を備えた第２の部分を第１の部分に溶接するようにした。
【００１１】
この課題を解決するために本発明のターボ機械では、熱で強く負荷されるロータディスクもしくはロータドラムが、鋼との結合に対して好ましくない元素を含有している付加的なニッケルベース合金、特にインコネル６２５から成っており、より僅かに熱で負荷される終端片が、鋼から成っており、終端片と、隣り合って位置するロータディスクもしくはロータドラムとが、前記方法により互いに溶接されているようにした。
【００１２】
【発明の効果】
本発明の核は、まず、たとえばニオブを含有した超合金から成る部分の、互いに溶接するために設けられた結合面に、付加的な元素、たとえばニオブの割合が内部から外部に向かって漸進的に減少する中間層を被着させ、次いで、該中間層を備えた部分を、鋼から成る部分に溶接する点にある。この場合、中間層によって、亀裂なしの安定した溶接結合部が得られる程度にまで、溶接シームにおけるニオブまたは溶接に対して好ましくない別の元素の有害な濃度増加が低減される。
【００１３】
本発明による方法の第１の有利な実施態様によれば、中間層が、付加的な元素を含有していないニッケルベース合金から形成される。これによって、高価値の溶接結合部が得られる。
【００１４】
本発明の別の有利な実施態様によれば、中間層が、連続して被着された互いに重なり合って位置する複数の個別層から形成されると、中間層の製作が特に簡単に行われる。しかも、溶接のために鋼電極から成る後続の層が使用される場合、溶接結合部の亀裂を確実に阻止するためには、中間層のために、ＩＮ６２５から成る溶接したい部分への、ＩＮ６１７から成る５つの個別層で十分であることが分かった。
【００１５】
中間層における個別層の数は、互いの溶接が、ＭＡＧ（ｍｅｔａｌ−ａｋｔｉｖｅ−ｇａｓ）法またはＴＩＧ（ｔｕｎｇｓｔｅｎ−ｉｎｅｒｔ−ｇａｓ）法により行われることによって減少させることができる。また、ＥＳＢ（Ｅｌｅｋｔｒｏｓｃｈｌａｃｋｅｎｂａｎｄ）による帯状電極またはワイヤ電極を用いた被着または被覆鋳込み（Ａｕｆｇｉｅｓｓｅｎ）も可能である。
【００１６】
第２の部分が、インコネル６２５（ＩＮ６２５）から成っており、中間層もしくは個別層が、インコネル６１７（ＩＮ６１７）から形成されると有利である。
【００１７】
本発明によるターボ機械の有利な構成では、終端片と、隣り合って位置するロータディスクもしくはロータドラムとが、溶接シームによって材料接続的（ｓｔｏｆｆｓｃｈｌｕｅｓｓｉｇ）に互いに結合されており、該溶接シームと各ロータディスクもしくはロータドラムとの間に、ニッケルベース合金、有利にはインコネル６１７（ＩＮ６１７）から成る中間層が配置されており、該中間層において、付加的な元素の割合が、溶接シームに向かって漸進的に減少している。
【００１８】
さらなる実施態様は従属請求項から得られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図面につき詳しく説明する。
【００２０】
図１には、ターボ機械の、ロータ軸線１１を中心として回転可能なロータ１０を形成するために、本発明による方法により互いに溶接したい、ニオブを含有したニッケルベース合金から成るロータディスクもしくはロータドラム１３，１４，１５と、鋼から成る終端片１２，２２とが概略的な縦断面図で示してある。ロータディスク１３，１４，１５はロータ１０の高温部分に所属していて、完成したロータ１０において、たとえば羽根を支持している。終端片１２，２２はロータ１０の支承に役立ち、ロータディスク１３，１４，１５ほど強く熱で負荷されていない。各ロータディスク１３，１４，１５の互いの溶接は慣用の形式で行われてよい。なぜならば、ロータディスク１３，１４，１５は同じ材料から成っているからである。
【００２１】
これに対して、鋼から成る終端片１２；２２と、隣り合って位置する、超合金から成るロータディスク１３；１５との間の溶接結合はより困難である。この場合に使用される本発明による方法は、終端片１２とロータディスク１３との互いの溶接の例に関する図２の部分図（ａ）〜（ｃ）（図１の区分ＩＩの拡大図）に種々異なるステップで示してある。互いに結合させたい部分１２，１３は、それぞれ１つの円環状の結合面１６；１７を有している（図２ａ参照）。
【００２２】
両部分１２，１３を互いに溶接する前に、まずロータディスク１３の結合面１７に中間層１８が被着される。この中間層１８は、有利には、互いに重なり合って位置する複数（たとえば５つ）の肉薄の個別層２０から形成されている（図２ｂには、図面を見やすくするために、個別層２０の厚さが誇張して示してある）。中間層１８は、後続の溶接シーム１９（図２ｃ参照）における、たとえばニオブの濃度増加（Ａｎｒｅｉｃｈｅｒｕｎｇ）またはロータディスク１３の超合金から成る、鋼との溶接結合に対して好ましくない別の元素の濃度増加を阻止するかもしくはニオブ濃度増加に基づく溶接結合部の亀裂が確実に回避される程度にまで減少させるために役立つ。このことは、連続して被着された個別層２０において、前記元素の割合が漸進的に減少することによって達成される。中間層１８の被着（被覆溶接；Ａｕｆｓｃｈｗｅｉｓｓｅｎ）後、両部分１２，１３は互いに溶接されて溶接シーム１９を形成することができる（図２ｃ参照）。
【００２３】
実際、後続の層が鋼電極によって形成される場合、溶接結合部の亀裂を阻止するためには、ニオブを含有した合金ＩＮ６２５から成る部分１３への、ニオブ不含の合金ＩＮ６１７から成る５つの個別層２０の使用で十分であることが分かった。しかし、超合金から成る部分から可能な限り僅かに溶融する溶接法が使用される場合には、個別層２０の数は減少させることもできる。この溶接法には、僅かな入熱と小さな電極直径とを伴った溶接法、たとえばＭＡＧ（ｍｅｔａｌ−ａｋｔｉｖｅ−ｇａｓ）法、ＴＩＧ（ｔｕｎｇｓｔｅｎ−ｉｎｅｒｔ−ｇａｓ）法または帯状電極を用いたサブマージアーク法が所属している。
【００２４】
したがって、本発明による方法によって、鋼板もしくは鋼軸端部と、ニッケルをベースにした超合金製のディスクとから、亀裂のない安定した溶接されたロータを製作するために、高い強度を備えたＩＮ６２５から成る大きなロータディスクを、より低い強度を備えた（中間層のための）ＩＮ６１７の比較的僅かな付加で使用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ターボ機械のロータを形成するために、本発明による方法により互いに溶接される、ニオブを含有したニッケルベース合金から成るロータディスクと、鋼から成る終端片との概略的な縦断面図である。
【図２ａ】図１に示した区分ＩＩの拡大図であり、本発明による方法の有利な実施例における第１のステップを示す図である。
【図２ｂ】図１に示した区分ＩＩの拡大図であり、本発明による方法の有利な実施例における第２のステップを示す図である。
【図２ｃ】図１に示した区分ＩＩの拡大図であり、本発明による方法の有利な実施例における第３のステップを示す図である。
【符号の説明】
１０ロータ、１１ロータ軸線、１２終端片、１３ロータディスク、１４ロータディスク、１５ロータディスク、１６結合面、１７結合面、１８中間層、１９溶接シーム、２０個別層、２２終端片

Claims

特にターボ機械の、互いに異なる温度の熱で負荷される２つの部分（１２，１３）を互いに溶接するための方法であって、両部分（１２，１３）のうち、第１の部分（１２）が、鋼から成っており、第２の部分（１３）が、ドイツ工業規格材料番号２．４８５６を備えたニッケルベース合金から成っており、この場合、まず、第２の部分（１３）の、互いに溶接するために設けられた結合面（１７）に、付加的な元素の割合が内部から外部に向かって漸進的に減少する中間層（１８）を被着させ、次いで、該中間層（１８）を備えた第２の部分（１３）を第１の部分（１２）に溶接して、互いに異なる温度の熱で負荷される２つの部分を互いに溶接するための方法において、中間層（１８）を、ドイツ工業規格材料番号２．４６６３を備えたニッケルベース合金から形成することを特徴とする、互いに異なる温度の熱で負荷される２つの部分を互いに溶接するための方法。
中間層（１８）を、連続して被着された互いに重なり合って位置する複数の個別層（２０）から形成する、請求項１記載の方法。
両部分（１２，１３）を互いに溶接するために鋼ベースの溶加材を使用する、請求項１または２記載の方法。
互いの溶接をＭＡＧ法、ＴＩＧ法またはサブマージ線材法により行う、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
中間層（１８）を被覆溶接によって被着させ、該被覆溶接をＭＡＧ法、ＴＩＧ法、サブマージ線材法、サブマージ帯材法またはＥＳＢ法によりにより行う、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
中間層（１８）を被覆鋳込みによって被着させる、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
第１の部分が、終端片（１２）であり、第２の部分が、ターボ機械のロータ（１０）のロータディスクもしくはロータドラム（１３）である、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
ターボ機械であって、熱で負荷されるロータ（１０）が設けられており、該ロータ（１０）が、個々のロータディスクもしくはロータドラム（１３，１４，１５）と、終端片（１２，２２）との互いの溶接により形成されている形式のものにおいて、熱で強く負荷されるロータディスクもしくはロータドラム（１３，１４，１５）が、ドイツ工業規格材料番号２．４８５６を備えたニッケルベース合金から成っており、より僅かに熱で負荷される終端片（１２，２２）が、鋼から成っており、終端片（１２，２２）と、隣り合って位置するロータディスクもしくはロータドラム（１３；１５）とが、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法により互いに溶接されていることを特徴とする、ターボ機械。