JP4694103B2 - 超合金鋳物の溶接修復 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ニッケルおよびコバルト基の超合金の溶接に関し、より詳細にはニッケルおよびコバルト基の超合金インベストメント鋳物（焼流し精密鋳造など）の溶接修復と溶接に関する。
【０００２】
【関連の技術】
γ−γ’型の析出硬化ニッケルおよびコバルト基超合金は、ガスタービンエンジン部品用にインベストメント鋳物の形で広範囲に使用されている。そのようなインベストメント鋳物は、鋳込んだままの表面欠陥が表面ボイド（空所など）の形で発生する。例示的に示せば、そのような表面ボイドは、シェルモールドから鋳物を取り外すときに鋳物の表面に存在する鋳込んだままのボイド、介在物を鋳物表面から取除いた後に鋳物表面に残るボイド、およびインベストメントシェルモールドから鋳物を取り外すときに鋳物の表面に存在するクラックまたはクラック状のボイドを含む。
【０００３】
従来、そのような表面ボイドが存在すると、例えばＭＡＲ−Ｍ２４７ニッケル基超合金のような溶接不可能またはほとんど溶接不可能な超合金で作られたインベストメント鋳物は、融接すると、基材金属の熱影響部にクラックおよび／または充填材のクラックが発生するので、検査で不合格またはスクラップになっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、１つの実施例において、いわゆる溶接不可能またはほとんど溶接不可能な超合金鋳物を、例えば基材金属の熱影響部のクラックがないような、鋳物の溶接誘起クラックなしに修復または溶接可能なことにより、ニッケルまたはコバルト超合金鋳物の溶接修復方法を提供する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の例示的な実施例は、ボイド（空所など）を充填材（溶加材など）で充填する前に、ある期間、インベストメント鋳物を振動させ、例えば、溶接により各付着物を増加させた後で、かつ次の溶接により各付着物を増加させる前に、冷却ガスを付着物の増加分に当てる工程を含むパルス・ガス・タングステン・アーク溶接を用いて、ボイド中に超合金（スーパーアロイ）の充填材を繰り返し溶接して付着物を増加させることによりボイドを充填させ、しかも、その間に、インベストメント鋳物を振動させ、さらに、ボイドが充填された後、ある期間、インベストメント鋳物を振動させる。
【０００６】
本発明は、ニッケルまたはコバルト超合金鋳物の１つまたはそれ以上の表面ボイドを、鋳物の溶接誘起クラックなしに溶接修復することができ、有利である。
本発明は、いわゆる溶接不可能またはほとんど溶接不可能な超合金を溶接誘起クラックなしに溶接できることにより、ニッケルまたはコバルト超合金部材を溶接する溶接方法を提供することもでき、有利である。
【０００７】
【実施例】
本発明の上記有利性は、図面を用いた以下の詳細な説明から、容易に、より明らかになるであろう。
【０００８】
本発明は、１つの実施例において、いわゆる溶接不可能またはほとんど溶接不可能な超合金インベストメント鋳物を、例えば基材金属の熱影響部のクラックがないような、鋳物の溶接誘起クラックなしに修復できることにより、ニッケルまたはコバルト超合金インベストメント鋳物の溶接修復方法を提供する。本発明は、あらゆる構造のインベストメント鋳物の外部表面上の１つまたはそれ以上のボイドを修復するように実施可能である。修復すべきボイドは様々な原因により発生し、様々な構造を有する。
【０００９】
本発明は、商業的に入手可能なＭＡＲ−Ｍ−２４７、ＭＡＲ−Ｍ−２４６、ＩＮ−１００、ＩＮ−７１３Ｃ、ＩＮ−７１３ＬＣ、ＩＮ−７１８、ＩＮ−７３８、ＩＮ−７９２ＨＦ、ＩＮ−７９２Ｍ５Ａ、ＩＮ−９０９、ＩＮ−９３９、ＵＤＩＭＥＴ５００、およびＡＩＲＥＳＩＳＴ３１９を含むニッケル基超合金の溶接に使用することができるが、これに限定されない。これらのニッケル基超合金のうち、以下のもの、すなわち、ＭＡＲ−Ｍ−２４７、ＭＡＲ−Ｍ−２４６、ＩＮ−１００、ＩＮ−７１３Ｃ、ＩＮ−７１３ＬＣ、ＩＮ−７３８、ＩＮ−７９２ＨＦ、およびＩＮ−７９２Ｍ５Ａは、基材金属の熱影響部に避けることのできないクラックが発生するため、溶接不可能であると従来考えられていた。また、以下のもの、すなわち、ＩＮ−９０９、ＩＮ−９３９、ＵＤＩＭＥＴ５００、およびＡＩＲＥＳＩＳＴ３１９は、基材金属の熱影響部にクラックが頻繁に発生するため、ほとんど溶接が不可能であると従来考えられていた。本発明は、商業的に入手可能なＸ−４０、Ｘ−４５、ＦＳＸ−４１４、ＳＴＥＬＬＩＴＥ２５、およびＳＴＥＬＬＩＴＥ３１を含むコバルト基超合金の溶接にも使用することができるが、これに限定されない。コバルト基超合金Ｘ−４０およびＳＴＥＬＬＩＴＥ３１は、基材金属の熱影響部にクラックが頻繁に発生するため、ほとんど溶接が不可能であると従来考えられていた。
【００１０】
図１〜図３を参照すると、本発明の例示的な実施例を実施する場合、外部表面に１つまたはそれ以上の表面ボイド１０ａ（図２および図３においては１つ）を有するニッケルまたはコバルト基超合金インベストメント鋳物１０が、溶接テーブル１２上に取り付けられる。表面ボイド１０ａは、シェルモールドから鋳物を取り外すときに鋳物表面に存在する鋳込んだままのボイド、介在物を鋳物表面から取除いた後に鋳物表面に残るボイド、および／またはインベストメントシェルモールドから鋳物を取り外すときに鋳物の表面に存在するクラックまたはクラック状のボイドを含む。従来、インベストメント鋳物１０を溶接する前に、インベストメント鋳物１０は、通常、溶体化処理（溶体化熱処理）されてγ基材中に存在する少なくともγ’相の部分が溶体化した後、溶接修復される前に室温にまで冷却された。説明の目的であり限定ではないが、ＭＡＲ−Ｍ−２４７に対する通常の溶体化処理は、１１８５℃で２時間の加熱後、１０〜３６℃／分の冷却速度で室温にまで冷却する。ニッケルまたはコバルト基超合金に対する溶体化処理（溶体化熱処理）は、当該技術分野において公知の技術である。
【００１１】
単に説明の便宜上、図２において、外側シュラウド１５の縁に円周上に延びたボイド１０ａがあり、内側シュラウド１３と外側シュラウド１５との間に複数の静翼１１を有するタービンノズルから構成されるインベストメント鋳物１０が示される。このボイド１０ａは鋳造工程欠陥により生じる。上述のように、修復すべきボイドは様々な原因により発生し、様々な構造を有する。
【００１２】
ボイド１０ａは、以下により詳細に説明するように本発明の溶接修復により、共溶性の超合金充填材２０で充填される。充填材２０は、ボイド１０ａが充填されて隣接する外側シュラウド表面と一致するまで、パルス・ガス・タングステン・アーク溶接を用いてボイド１０ａ中に溶解付着される充填材ワイヤー２２から供給される。充填材２０は、インベストメント鋳物１０と同じか、あるいは異なる合金組成を有する。説明の目的であり限定ではないが、ＩＮ−７１８ニッケル基超合金の修復溶接において、充填材は同じ合金組成により構成することができる。ＭＡＲ−Ｍ−２４７ニッケル基超合金の修復溶接において、充填材は、同じ合金組成あるいは、例えば、Ｃ２６３（ＮＩＭＯＮＩＣ２６３とも呼ばれる）ニッケル基超合金充填材またはＩＮ−６２５ニッケル基超合金充填材のような異なる合金組成により構成することができる。説明の目的であり限定ではないが、ＩＮ−９３９ニッケル基超合金インベストメント鋳物を溶接する場合、充填材２０はＮＩＭＯＮＩＣ２６３充填材（公称組成は重量％で、２０％Ｃｒ，２０％Ｃｏ、２．１５％Ｔｉ、５．９％Ｍｏ、０．４５％Ａｌ、および０．０６％Ｃである）により構成される。
【００１３】
図２において、インベストメント鋳物１０は、一対のねじクランプ３０により鋼製の溶接テーブル１２上に固定されて示される。インベストメント鋳物１０は、溶接テーブル上の固定位置にインベストメント鋳物を保持するその他の適当な手段により、テーブル１２上に固定することが可能である。テーブル１２は、テーブルおよびインベストメント鋳物の質量により決まる選択された低調波周波数でテーブルを振動させそれによりテーブル上に取り付けられたインベストメント鋳物１０を振動させる、テーブル上端の上部表面（あるいは別法として、破線で示されるようなテーブル上端の底面、またはテーブルの他の面）に配置されるトランスジューサー３２を含んで図１中に概略的に示される。トランスジューサー３２は、固定されるなどしてテーブル上部表面、底面、あるいは他の面に取付けることができる。テーブル１２の４本の脚１２ａ（２本が示されている）は、ゴム製のパッド１２ｂの上に載っている。保管棚１２ｃがテーブル脚１２ａの間のテーブル上端より下の位置に溶接されている。選択された低調波周波数は４０〜５０ヘルツの範囲を取ることができるが、上記の溶接テーブルと図示されたインベストメント鋳物１０については、説明の目的のため選択された低調波周波数は４５ヘルツである。
【００１４】
本発明の実施例の方法を実施する場合、インベストメント鋳物１０上のボイド１０ａを溶接修復する前の選択された期間、テーブル１２は振動され、溶体化処理されたインベストメント鋳物中に存在する内部応力を軽減する。本発明の実施において溶接に先立つ振動時間は他にも選択可能であるが、振動時間は経験的に決定され、上記の溶接テーブル１２と図示されたインベストメント鋳物１０に対しては６０分が選択された。
【００１５】
テーブル１２およびその上のインベストメント鋳物１０の振動は、ボイド１０ａの溶接修復の間続けられる。ここで、パルス・ガス・タングステン・アーク溶接または他のアーク溶接方法を用いて、ボイド中に超合金充填材２０の付着物Ｄを繰り返し溶接して増加させることによりボイド１０ａは充填され、また溶接により付着物を増加させる毎におよび次の溶接により付着物を増加させる前に、冷却ガスが付着物の増加分に当てられる。従来のパルス・ガス・タングステン・アーク溶接機を、溶接修復に使用することができる。有用な溶接機は、米国ウィスコンシン州アップルトンのＭｉｌｌｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｆｇ．社製のＡＥＲＯＷＡＶＥ３００型溶接機が入手可能である。そのような溶接機は、タングステン電極２５ａ、電力ケーブル２５ｂおよび、よく知られているように電極チップの周りにアルゴンガスのようなシールドガスを供給する導管２５ｃを有する溶接トーチ２５が含まれる。
【００１６】
パルス・ガス・タングステン・アーク溶接は、パルス溶接電流を用いて行われる。説明の目的であり限定ではないが、溶接電流は６５％のオン時間において４５０パルス／秒で８０アンペアに設定され、６アンペアのバックグラウンド電流から送り込まれる。溶接パラメーターは他の値を取ることができまたボイド１０ａを充填するために経験的に決めることできるが、溶接電流は図示されるインベストメント鋳物１０に関して、５〜８アンペアのバックグラウンド電流において７５〜８０アンペアの範囲のパルス電流に対して毎秒４４０〜４６０パルスの範囲で動作可能である。
【００１７】
前述のように、図４に示すようにボイドが充填材２０で充填されるまで、図２および図３に示すようにボイド中に超合金充填材２０の付着物Ｄを溶接して増加させることにより、ボイド１０ａは充填される。充填材２０は、充填材と基材金属との間の境界線がないように、周囲の基材金属（超合金）に融合する。溶接付着物はボイド１０ａ中に並列に設ける、および／またはボイド中に溶接付着物を積み重ねる、またはボイド１０ａを充填する他のあらゆる方法により作成することができる。説明の目的のみにおいて、ボイド１０ａを充填させる際にあらゆる寸法や形状の溶接付着物を用いることができるが、通常の溶接付着物Ｄは約３．２ミリ（１／８インチ）の半球形状を有する。通常溶接修復は、図２に示すように、片手に充填材ワイヤー２２を持ちもう一方の手に溶接トーチ２５を持つ溶接作業員により手作業で行われる。
【００１８】
充填材２０の溶接付着物Ｄを少し増加させる毎に、次の溶接付着物が形成される前に冷却ガスを付着物に当てて、溶接付着物を直ちに冷却する。冷却ガスは、図３に示すように、６０秒間または他の適当な期間空気ノズルＮから各溶接付着物Ｄに向けられ、付着物を室温まで急速に冷却する２０〜９０ｐｓｉの工場圧縮空気により構成される。限定するものではないが、窒素、ヘリウムやアルゴンなどの不活性ガス、およびその他のガスを含む冷却ガスを使用してもよい。
【００１９】
前述の振動させたインベストメント鋳物１０のボイド１０ａ中に溶接付着物Ｄを繰り返し付着させ、その後次の溶接付着物を形成する前に各溶接付着物を直ちに強制ガス冷却する動作が、ボイド１０ａが充填材２０により充填されるまで続く。溶接テーブル１２とインベストメント鋳物１０の振動は、ボイド１０ａの溶接修復を行う全期間を通して行われ、鋳物と溶接の応力を軽減する。
【００２０】
テーブル１２は、インベストメント鋳物１０上のボイド１０ａを溶接修復した後のある選択された期間中振動され続け、充填されたボイド１０ａ中に存在する内部応力を軽減する。本発明の実施において溶接後の振動時間は他の値を取ることができるが、振動時間は経験的に決まり、上記の溶接テーブル１２と図示されたインベストメント鋳物１０に対しては６０分が選択される。
【００２１】
その後、修復されたインベストメント鋳物１０は、適切な機械特性を発揮するために構成材であるニッケルまたはコバルト基超合金に対して従来の溶体化処理および時効硬化処理を行った後に、ボイド１０ａ中の充填材２０を設計図の寸法にするために機械加工することができる。
【００２２】
本発明の方法は、基材金属の熱影響部のクラックなしに、修復目的に関してボイド１０ａを充填材２０で充填することができる。前述の溶接不可能またはほとんど溶接不可能と考えられている様々なニッケルおよびコバルト超合金により構成されるインベストメント鋳物が溶接修復して、前述の同じまたは類似の溶接に先立つ振動パラメーター、溶接振動パラメーター、および溶接後振動パラメーター、パルス・ガス・タングステン・アーク溶接パラメーター、また溶接付着物冷却パラメーターを用いて、鋳物に溶接誘起クラックを発生させることなく、鋳物上の１つまたはそれ以上のボイドを充填することができる。
【００２３】
本発明は、溶接誘起クラックを発生させることなく１つまたはそれ以上の表面ボイドを溶接修復する目的に関して、溶接誘起クラックを発生させることなくニッケルまたはコバルト超合金部材を溶接するために使用できる溶接方法を提供する。例えば、そのような溶接方法は、溶接された継ぎ手により接合されたニッケルまたはコバルト基超合金部材により構成される構造物を製造するために用いることができる。本発明は特定の実施例に関して詳細に説明したが、本発明分野の技術者は、請求項に記載される本発明の精神と範囲を逸脱することなく、改良あるいは変更等を行うことができることを認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】超合金インベストメント鋳物を溶接修復するために取り付ける溶接テーブルの概略図である。
【図２】ＴＩＧ溶接修復により修復するボイドを有する超合金インベストメント鋳物の斜視図である。
【図３】溶接付着物の増分に向けられる工場圧縮空気を示す超合金インベストメント鋳物の斜視図である。
【図４】超合金充填材により充填されたインベストメント鋳物上のボイドの拡大図である。
【符号の説明】
１０ インベストメント鋳物
１０ａ 表面ボイド
１１ 静翼
１２ 溶接テーブル
１２ａ 溶接テーブルの脚
１２ｂ ゴム製のパッド
１２ｃ 保管棚
１３ 内部シュラウド
１５ 外部シュラウド
２０ 共溶性の超合金充填材
２２ 充填材ワイヤー
２５ 溶接ト−チ
２５ａ タングステン電極
２５ｂ 電力ケ−ブル
２５ｃ シ−ルドガスを供給する導管
３０ ねじクランプ
３２ トランスジューサー
Ｄ 付着物

Claims (22)

1. 超合金の鋳物のボイドを修復する方法において、
   前記ボイドを充填材で充填する前に、ある期間、前記鋳物を振動させて、鋳物中に存在する内部応力を軽減し、
   前記鋳物を振動させる一方で、前記ボイド中に前記充填材を繰り返し溶接して付着物を増加させることにより前記ボイドを充填させ、かつ、溶接により各付着物を増加させた後で、かつ、次の溶接により付着物を増加させる前に、冷却ガスを増加分の付着物に当て、前記ボイドが充填された後、ある期間、前記鋳物を振動させる方法。
2. 前記鋳物は、テーブル上に取り付けられる請求項１に記載の方法。
3. 前記鋳物は、前記鋳物を取り付けた前記テーブルの、鋳物中に存在する内部応力を軽減するための周波数で振動する請求項２に記載の方法。
4. 前記周波数は、４０〜５０ヘルツの範囲である請求項３に記載の方法。
5. 各溶接付着物は、パルス溶接電流を用いて行われるアーク溶接により形成される請求項１に記載の方法。
6. 前記溶接は、溶接電流が毎秒４４０〜４６０パルスの範囲であるパルス・ガス・タングステン・アーク溶接からなる請求項５に記載の方法。
7. 前記溶接は、５〜８アンペアの範囲のバックグラウンド電流と７５〜８５アンペアの範囲のパルス電流を有するように制御される請求項６に記載の方法。
8. 前記冷却ガスは、所定期間、各溶接付着物の増加分に向けられる圧縮空気からなる請求項１に記載の方法。
9. ニッケルまたはコバルト超合金インベストメント鋳物のボイドを修復する方法において、
   前記鋳物を溶体化処理し、
   前記鋳物を溶接テーブルの上に固定し、
   前記ボイドを超合金の充填材で充填する前に、ある期間、前記テーブルを鋳物中に存在する内部応力を軽減するための周波数で振動させて、鋳物中に存在する内部応力を軽減し、
   前記テ−ブルを鋳物中に存在する内部応力を軽減するための周波数で振動させる一方で、パルス・ガス・タングステン・アーク溶接を用いて前記ボイド中に前記超合金の充填材を繰り返し溶接して、付着物を増加させることにより前記ボイドを充填させ、かつ、溶接により各付着物を増加させた後で、かつ次の溶接により付着物を増加させる前に、冷却ガスを各付着物の増加分に当て、
   前記ボイドが充填された後、ある期間、前記テーブルを鋳物中に存在する内部応力を軽減するための周波数で振動させる方法。
10. 前記アーク溶接は、パルス溶接電流を用いて行われる請求項９に記載の方法。
11. 前記溶接電流は、毎秒４４０〜４６０パルスの範囲で動作する請求項１０に記載の方法。
12. 前記溶接電流は、５〜８アンペアの範囲のバックグラウンド電流と７５〜８５アンペアの範囲のパルス電流を有するように制御される請求項１０に記載の方法。
13. 前記冷却ガスは、所定期間、各溶接付着物の増加分に向けられる圧縮空気からなる請求項９に記載の方法。
14. 前記周波数は、４０〜５０ヘルツの範囲である請求項９に記載の方法。
15. ニッケルまたはコバルト基超合金からなる部材を溶接する
    方法において、
    溶接の前に、ある期間、部材を振動させて、部材中に存在する内部応力を軽減し、
    アーク溶接を用いて前記部材を溶接し前記部材上に超合金充填材の付着物を増加させる間に、前記部材を振動させ、かつ溶接により各付着物を増加させた後で、かつ次の溶接により付着物を増加させる前に、冷却ガスを各付着物の増加分に当て、
    溶接後、ある期間、前記部材を振動させる方法。
16. 前記部材は、テーブル上に取り付けられる請求項１５に記載の方法。
17. 前記部材を取り付けた前記テーブルを鋳物中に存在する内部応力を軽減するための周波数で振動させる請求項１６に記載の方法。
18. 前記周波数は、４０〜５０ヘルツの範囲である請求項１７に記載の方法。
19. 前記アーク溶接は、パルス溶接電流を用いて行われる請求項１５に記載の方法。
20. 前記溶接は、溶接電流が毎秒４４０〜４６０パルスの範囲であるパルス・ガス・タングステン・アーク溶接からなる請求項１９に記載の方法。
21. 前記溶接電流は、５〜８アンペアの範囲のバックグラウンド電流と７５〜８５アンペアの範囲のパルス電流を有するように制御される請求項１９に記載の方法。
22. 前記冷却ガスは、所定期間、各溶接付着物の増加分に向けられる圧縮空気からなる請求項１５に記載の方法。

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