JP4495199B2

JP4495199B2 - タービンロータ及びロータの製造方法

Info

Publication number: JP4495199B2
Application number: JP2007235855A
Authority: JP
Inventors: 淳嗣鶴崎; 王男幡野
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2027-09-11
Also published as: JP2009068380A

Description

本発明は、内燃機関の排気ターボ過給機用タービンロータ等に用いられ、ディスク部の外周に羽根が形成されたホイールと棒状に形成されたシャフトとを電子ビーム溶接によって接合してなるロータの製造方法及びこの製造方法によって製造されたタービンロータに関する。

車両用エンジン等に用いられる比較的小型の排気ターボ過給機においては、ディスク部の外周に羽根が形成されたホイールと棒状に形成されたタービンシャフトとを電子ビーム溶接によって接合したタービンロータが多く用いられている。
かかる電子ビーム溶接からなるタービンロータを製造する方法の一つに、特許文献１（特許３２９３７１２号公報）にて提供されている技術がある。

かかる技術においては、耐熱金属で形成されたタービン翼車とロータ軸とを接続する方法において、タービン翼車とロータ軸とを接続しながら回転させ、その接合部に電子ビームを照射して溶接した後、電子ビームを、前記接合部よりロータ軸側に所定の幅走査しながら照射して接合部近傍のロータ軸を焼戻すことを特徴とし、熱影響で硬くなった接合部軸近傍に、電子ビームを走査して照射することで焼戻しをすることが可能になり、これにより、熱処理炉に投入して焼き戻すことが不要になり作業工数を大幅に削減し、しかも、連続的に溶接処理をすることが可能となる。

特許３２９３７１２号公報

しかしながら、前記特許文献１（特許３２９３７１２号公報）にて提供されているような、従来の電子ビーム溶接式ロータの製造方法には、次のような解決すべき課題がある。
即ち、かかる従来技術にあっては、タービン翼車とロータ軸とを接続しながら回転させ、その接合部に電子ビームを照射して溶接した後、電子ビームを、前記接合部よりロータ軸側に所定の幅走査しながら照射して接合部近傍のロータ軸を焼戻すように構成しているが、タービン翼車とロータ軸との電子ビーム溶接後に焼戻しを行った場合の接続部は、表面が粗になっているため、クラックが発生し易い状況にある。かかるクラックの発生の生じやすさについては、焼戻しでは除去することは困難である。

また、前記特許文献１の技術にあっては、図４の（Ａ）に示されるように、仮溶接から１次電子ビーム、１次焼戻し及び２次焼戻しに至る、溶接作業工程が長くなり、この溶接作業工程を短くすることが要求されている（図４（Ａ）においてＴは各行程の時間）。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、電子ビーム溶接後における溶接面を平滑にすることによりクラックの発生を防止するとともに、溶接作業工程を短縮し得るロータの製造方法及びこの製造方法によって製造されたタービンロータを提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、ディスク部の外周に羽根が形成された金属製のホイールと棒状に形成され前記ホイールとは異種金属からなるシャフトとを電子ビーム溶接によって接合してロータを形成するロータの製造方法であって、前記ロータを回転しながら前記ホイールと前記シャフトとを第１次電子ビームの照射によって溶接固着し、次いで前記ロータを回転しながら前記第１次電子ビームによる溶接部の表面を覆うように第２次電子ビームを再照射し、該第２次電子ビームの再照射により前記電子ビーム溶接部のビード表面を滑らかにするようにしたことを特徴とする。

そして、本発明を排気ターボ過給機におけるタービンロータの製造に適用すれば、
エンジンからの排気ガスをタービンケーシング内に設けられた複数のノズルベーンを通して該ノズルベーンの内周側に設けられたタービンロータに作用させ、該タービンロータによりエンジン給気加圧用のコンプレッサを直結駆動するように構成され、前記タービンロータはディスク部の外周に羽根が形成された金属製のホイールと前記ホイールとは異種金属からなるシャフトとを電子ビーム溶接によって接合して構成された排気ターボ過給機におけるタービンロータの製造方法であって、前記タービンロータを回転しながら前記ホイールと前記シャフトとを第１次電子ビームの照射によって溶接固着し、次いで前記タービンロータを回転しながら前記第１次電子ビームによる溶接部の表面を覆うように第２次電子ビームを再照射し、該第２次電子ビームの再照射により前記電子ビーム溶接部のビード表面を滑らかにするようにしたことを特徴とする。

そして、かかる発明において、特に次のように構成するのが好ましい。
（１）前記第２次電子ビームの再照射は、前記ロータ若しくは前記タービンロータの軸方向をＸ方向、該Ｘ方向と直角方向をＹ方向としたとき、前記第２次電子ビームを前記Ｘ方向及びＹ方向に混成した面偏向として所定の幅、長さを保ちつつ、該ロータを回転されることにより行う。
（２）前記第２次電子ビームの再照射は、前記第１次電子ビームとビームの配置を同一に設定して行う。

また、本発明により製造された排気ターボ過給機におけるタービンロータの発明は、
エンジンからの排気ガスをタービンケーシング内に設けられた複数のノズルベーンを通して該ノズルベーンの内周側に設けられたタービンロータに作用させ、該タービンロータによりエンジン給気加圧用のコンプレッサを直結駆動するように構成された排気ターボ過給機において、前記タービンロータは、ディスク部の外周に羽根が形成された金属製のホイールと前記ホイールとは異種金属からなるシャフトとを電子ビーム溶接によって接合して構成されるとともに、前記ホイールとシャフトとを第１次電子ビームの照射によって溶接固着し、次いで前記第１次電子ビームによる溶接部の表面を覆うように、第２次電子ビームを再照射して前記溶接部のビード表面を滑らかにするように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、タービンロータを含むロータを回転しながら前記ホイールと前記シャフトとを第１次電子ビームの照射によって溶接固着し、次いで前記ロータを回転しながら前記第１次電子ビームによる溶接部の表面を覆うように第２次電子ビームを再照射し、該第２次電子ビームの再照射により前記電子ビーム溶接部のビード表面を滑らかにするように構成したので、さらに、ロータの表面に、該ロータを回転しながら第１次電子ビームによる溶接を行い、次いで第２次電子ビームの再照射を、その幅及び長さをＸ方向及びＹ方向に混成した面偏向として所定の幅、長さを保ちつつ、且つ前記第２次電子ビームの再照射は、前記第１次電子ビームとビームの配置を同一に設定して行うように構成する。

このように構成することにより、第１次電子ビームの照射による溶接部のビード表面に微小なクラックが生じていても、第２次電子ビームの再照射の熱で第１次電子ビームによる溶接部のビード表面を溶かすことによって、微小なクラックが消滅して、表面が滑らかな美麗な溶接面となり、粗ビードによる割れ発生を抑制することができる。

また、本発明によれば、タービンロータを含むロータを回転しながら、前記ホイールと前記シャフトとを第１次電子ビームによる溶接と、該第１次電子ビームによる溶接部の表面に第２次電子ビームの再照射を連接して行うことにより、前記特許文献１の技術のような焼戻し行程を行わないので、焼戻し行程が不要となる分、溶接作業工程が短くなりこの溶接作業工程を短縮できる。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、本発明の実施例に係る排気ターボ過給機のタービンロータの電子ビーム溶接作業装置の概略側面図、図２は前記タービンロータの電子ビーム溶接部の部分拡大図、図３は電子ビーム溶接方法の説明図である。図４は電子ビーム溶接作業工程の説明図で、（Ａ）は従来技術、（Ｂ）は本発明である。
図１において、２は溶接作業を行うための真空チャンバで、該真空チャンバ２内にホイール１ａとシャフト１ｂとが互いに組み合った状態のワーク（タービンロータ）１として収容される。該ワーク（タービンロータ）１は、上部を上部チャック９、下部を下部チャック８で支持され、上部チャック９に連結されるモータ３により回転駆動される。

５は真空チャンバ２を形成するケースで、該ケース５の下部は昇降手段６ａに連結されており、該昇降手段６ａによって、前記ワーク１が上下動可能となっている。
前記ケース５の両側には、円周方向に１８０°の間隔で電子銃４が２台設置されている（電子銃４は１台でもよい）。該電子銃４は前記ワーク１の接合部１０１の位置に合わせて電子ビーム４ａを照射する。
該電子銃４は、前記ワーク１とは独立して、単独に上下及び前後に偏向走査可能となっており、電子ビームの収束４ａが前記溶接部に自在に一致するように（具体的には後述する）配置されている。６はガスの排出管である。

次に、図２を参照して本発明に係る前記タービンロータの電子ビーム溶接の状態について説明する。
先ず、ワーク（タービンロータ）１を回転しながら、前記２つの電子銃４により、前記ホイール１ａと前記シャフト１ｂとを第１次電子ビームの照射による溶接によって第１次電子ビーム溶接部１０を全周に亘り固着する。このときのワークの回転数（毎分）は２０〜２２回転数（毎分）程度である。

次いで、第２次電子ビームの再照射を次の要領で行う。
（１）２つの電子銃４の位置を、電子ビームの収束４ａの先端部が前記ワーク１の接合部１０１の位置に一致するように合わせる（ジャストフォーカス）。
（２）このとき、前記第２次電子ビームの再照射は、第１次電子ビームと第２次電子ビームとの配置を同一に設定する、即ち第２次電子ビームの再照射のビームの中心と、第１次電子ビームの中心とを一致させて行う。
さらに、この第２次電子ビームの再照射は、図３に示すように、前記ワーク１の軸方向をＸ方向、該Ｘ方向と直角方向をＹ方向としたとき、前記第２次電子ビームを前記Ｘ方向及びＹ方向に混成した面偏向として所定の幅、長さを保ちつつ、該ワーク１を回転させることにより行う。このＸ方向、Ｙ方向の偏向は第２次電子ビームのビーム中心を中心に両側に振ることで偏向させる。
（３）この第２次電子ビームの再照射のとき、ワーク１の軸回転数は、好ましくは第１次電子ビーム溶接のときの回転数（毎分）の１．５〜２倍程度とし、電子ビームの照射を例えば、振幅がＸ方向に２ｍｍ、Ｙ方向に６ｍｍで、振幅周波数を２０００〜３０００Ｈｚ、照射時間を５〜１０秒に設定する。

以上により、前記ワーク（タービンロータ）１を回転しながら前記ホイール１ａと前記シャフト１ｂとを第１次電子ビーム溶接によって固着し（第１次電子ビーム溶接部１０）、次いで前記ワーク１を回転しながら、前記第１次電子ビーム溶接部１０の表面に第２次電子ビームを再照射して、第２次電子ビームの再照射部１１を形成し、該第２次電子ビームの再照射による溶解層が、前記第１次電子ビーム溶接部１０のビード表面を覆うようにして形成される。

１２は、シャフト１ｂ側に現われる電子ビーム溶接による熱影響部分である。ホイール１ａ部分は、耐熱鋼材料によって形成され、シャフト１ｂ部分はクロームモリブデン鋼（ＳＣＭ）を使用するために、シャフト１ｂの部分に溶接による熱の影響域が生じることを示している。

このように構成することにより、第１次電子ビームによる溶接後に、第１次電子ビーム溶接部１０のビード表面に微小なクラックが生じていても、第２次電子ビームの再照射の熱で第１次電子ビーム溶接部１０のビード表面を溶かすことにより、微小なクラックが消滅するとともに、第１次電子ビーム溶接部１０のビードを第２次電子ビームの再照射部１１による溶解層によって覆うことにより、表面が滑らかな美麗な溶接面が得られ、粗ビードによる割れ発生を抑制することができる。

また、かかる実施例によれば、図４の（Ｂ）のように、ワーク（タービンロータ）１を回転しながら、仮溶接の後、前記ホイール１ａと前記シャフト１ｂとを第１次電子ビームの溶接を行い、該第１次電子ビーム溶接部１０の表面に第２次電子ビームの再照射を連接して行うことにより（図４においてTは各行程の時間）、前記従来技術（特許文献１の技術）のような焼戻し行程は不要となるので、焼戻し行程が不要となる分、溶接作業工程が短くなり、この溶接作業工程を短縮できる。

さらに、２つの電子銃４の位置を、ワークに対して１８０°位置の間隔で設置されているため、ワーク１回転あたりの電子ビームによる受熱効率が向上するため、第１次電子ビームによる溶接作業時間の短縮、さらに第２次電子ビームの再照射の作業効率の向上がなされる。

また、かかる実施例によれば、排気ターボ過給機のタービンロータ1のホイール１ａとシャフト１ｂとの溶接部のビード表面が、微小なクラックが消滅して滑らかになり、粗ビードによる割れ発生を抑制して、タービンロータ１の性能を向上することができる。

本発明は、以上の実施例に限定されることなく、ディスク部の外周に羽根が形成されたホイールと棒状に形成されたシャフトとを電子ビーム溶接によって接合してなるロータの製造全般に適用可能である。

本発明によれば、電子ビーム溶接後における溶接面を平滑にすることによりクラックの発生を防止するとともに、溶接作業工程を短縮し得るロータの製造方法及びこの製造方法によって製造されたタービンロータを提供できる。

本発明の実施例に係る排気ターボ過給機のタービンロータの電子ビーム溶接作業装置の概略側面図である。前記タービンロータの電子ビーム溶接部の部分拡大図である。電子ビーム溶接方法の説明図である。電子ビーム溶接作業工程の説明図で、（Ａ）は従来技術、（Ｂ）は本発明である。

符号の説明

１ワーク（タービンロータ）
１ａホイール
１ｂシャフト
２真空チャンバ
３モータ
４電子銃
４ａ電子ビームの収束
５ケース
６ａ昇降手段
８下部チャック
９上部チャック
１０第１次電子ビーム溶接部
１１第２次電子ビームの再照射部
１２シャフト側熱影響部
１０１接合部

Claims

ディスク部の外周に羽根が形成された金属製のホイールと棒状に形成され前記ホイールとは異種金属からなるシャフトとを電子ビーム溶接によって接合してロータを形成するロータの製造方法であって、
前記ロータを回転しながら前記ホイールと前記シャフトとを第１次電子ビームの照射によって溶接固着し、次いで前記ロータを回転しながら前記第１次電子ビームによる溶接部の表面を覆うように第２次電子ビームを再照射し、該第２次電子ビームの再照射により前記電子ビーム溶接部のビード表面を滑らかにするようにしたことを特徴とするロータの製造方法。
エンジンからの排気ガスをタービンケーシング内に設けられた複数のノズルベーンを通して該ノズルベーンの内周側に設けられたタービンロータに作用させ、該タービンロータによりエンジン給気加圧用のコンプレッサを直結駆動するように構成され、前記タービンロータはディスク部の外周に羽根が形成された金属製のホイールと前記ホイールとは異種金属からなるシャフトとを電子ビーム溶接によって接合して構成された排気ターボ過給機におけるタービンロータの製造方法であって、
前記タービンロータを回転しながら前記ホイールと前記シャフトとを第１次電子ビームの照射によって溶接固着し、次いで前記タービンロータを回転しながら前記第１次電子ビームによる溶接部の表面を覆うように第２次電子ビームを再照射し、該第２次電子ビームの再照射により前記電子ビーム溶接部のビード表面を滑らかにするようにしたことを特徴とするロータの製造方法。
前記第２次電子ビームの再照射は、前記ロータ若しくは前記タービンロータの軸方向をＸ方向、該Ｘ方向と直角方向をＹ方向としたとき、前記第２次電子ビームを前記Ｘ方向及びＹ方向に混成した面偏向として所定の幅、長さを保ちつつ、該ロータを回転されることにより行うことを特徴とする請求項１若しくは２に記載のロータの製造方法。
前記第２次電子ビームの再照射は、前記第１次電子ビームとビームの配置を同一に設定して行うことを特徴とする請求項１若しくは２に記載のロータの製造方法。
エンジンからの排気ガスをタービンケーシング内に設けられた複数のノズルベーンを通して該ノズルベーンの内周側に設けられたタービンロータに作用させ、該タービンロータによりエンジン給気加圧用のコンプレッサを直結駆動するように構成された排気ターボ過給機において、
前記タービンロータは、ディスク部の外周に羽根が形成された金属製のホイールと前記ホイールとは異種金属からなるシャフトとを電子ビーム溶接によって接合して構成されるとともに、前記ホイールとシャフトとを第１次電子ビームの照射によって溶接固着し、次いで前記第１次電子ビームによる溶接部の表面を覆うように、第２次電子ビームを再照射して前記溶接部のビード表面を滑らかにするように構成したことを特徴とするタービンロータ。