JP4698788B2 - 溶接操作用加熱装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
この発明は、溶接装置および方法に関する。特に、この発明は、超合金物品に溶接操作と溶接前および溶接後熱処理との両方を行うように構成された装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
高温コバルトおよびニッケル基超合金は、燃焼器、タービン静翼、タービン動翼などのガスタービンエンジンの部品を製造するのによく用いられている。高温超合金部品は鋳造により形成することが多いが、超合金部品を溶接により製造するのが好ましかったり、必須である状況も存在する。たとえば、タービン中間フレームやシュラウド支持リングなどの複雑な形状を有する部品は、別々の鋳造品を溶接で合体させて製造する方がはるかに簡単である。溶接は、動翼先端を復元したり、熱サイクルや異物の衝突による超合金部品の亀裂などの表面欠陥を修復する方法としても広く用いられている。高温コバルトおよびニッケル基超合金から形成した部品のコストは比較的高いので、これらの部品が摩耗したり損傷を受けたりした場合に、部品を復元、修復する方が部品を交換するよりも望ましい。
【０００３】
ガスタービンエンジンの超合金部品は一般に、溶接前に加熱により応力除去し、エンジンでの使用から生じる残留応力を緩和し、ついで溶接後に応力除去し、溶接作業からクールダウンする際に誘引される残留応力を緩和する必要がある。熱処理はまた、γ’−強化ニッケル基超合金の硬化γ’の部分を溶解することにより応力除去を達成する。一般に、熱処理のパラメータは、対象合金、残留応力除去の必要量、溶解の必要量、炉の設計、部品の幾何形状その他多数の因子に応じて変化する。応力除去および溶解熱処理の昇温速度、均熱温度、保持時間および冷却速度は、超合金およびその特性に悪影響を与えることなく、所望の応力除去を達成するのにきわめて重要である。
【０００４】
従来、溶接前および溶接後熱処理は、大きなバッチ式熱処理炉で、１群の部品を適当な熱処理温度に昇温し保持することにより行われている。バッチ式熱処理後、個々の部品を、溶接歩留まりを上げるため高温（たとえば約１５００°Ｆ＝約８１５°Ｃを超える温度）に維持しながら、溶接する。溶接は、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）法やレーザー溶接法などの溶接技術を用いて、制御された雰囲気（たとえば不活性ガス）のエンクロージャ内で行うことが多い。加熱は通常、誘導によるか、石英ハロゲンランプのようなランプを用いて行う。
【０００５】
バッチ式熱処理方法には利点もあるが、この方法を用いる欠点として、大型バッチ炉の質量が大きくかつ一緒に熱処理する大抵は多数の部品の質量が大きいため、熱処理時間が長くなる。その上、部品を個別に補修するので、バッチ分が集まるまでの待ち時間が長くなる。したがって、バッチ炉を用いる溶接前および溶接後応力除去熱処理は、溶接ラインにおける部品の流れに時間遅れをもたらし、溶接のために部品を冶金的に調整する方法としては非効率である。
【０００６】
上述した問題を考慮すると、溶接により製造、復元または修復する超合金物品に効率よい処理を実現できれば、望ましい。
【０００７】
【発明の概要】
本発明は一般に、超合金物品を溶接する加熱装置および方法を提供する。詳しくは、本発明の装置および方法によれば、溶接操作を行うのと同じ装置内で超合金物品に溶接前および溶接後熱処理を行うことができる。
【０００８】
溶接前および溶接後熱処理がきわめて重要であることに鑑みて、本発明は、溶接している部品の温度を正確に制御するように溶接装置を適切に構成することを必要とする。このため、本発明の装置は、広義には、超合金物品を収容する構成のエンクロージャと、超合金物品を溶接する手段と、エンクロージャ内の超合金物品を加熱する手段と、エンクロージャ内の超合金物品の温度を感知する手段とを備える。本装置は、超合金物品用の適切な溶接前熱処理温度プロファイル、溶接温度プロファイルおよび溶接後熱処理温度プロファイルを記憶するメモリー蓄積装置とも連動する。さらに、本装置は、超合金物品の温度に基づいてかつあらかじめ設定された溶接前熱処理温度プロファイル、溶接温度プロファイルおよび溶接後熱処理温度プロファイルにしたがって加熱手段の出力を調節する制御手段（コントローラ）を備える。
【０００９】
上述した装置により可能な方法によれば、広義には、超合金物品用の所望の溶接前熱処理温度プロファイル、溶接温度プロファイルおよび溶接後熱処理温度プロファイルをあらかじめ設定し、物品をエンクロージャ内に配置し、ついで前記加熱手段、感知手段および制御手段を作動させて超合金物品を溶接前熱処理温度プロファイルにしたがって正確に加熱する。適切に熱処理して残留応力を除去し終わったら、超合金物品をエンクロージャから取り出すことなく、前記加熱手段、感知手段および制御手段を作動させて超合金物品を溶接前熱処理温度プロファイルから直に溶接温度プロファイルに加熱し、溶接温度プロファイルの間に、超合金物品を溶接する。その後、やはり超合金物品をエンクロージャから取り出すことなく、前記加熱手段、感知手段および制御手段を作動させて超合金物品を溶接温度プロファイルから直に溶接後熱処理温度プロファイルに加熱する。
【００１０】
上述した説明から明らかなように、本発明は、溶接により製造、復元または修復する超合金物品のバッチ式溶接前および溶接後熱処理について知られた処理上の欠点を解決する。多数の物品を蓄積してから同時に単一の熱処理を行うのではなくて、本発明は、単一の装置内で必要な複数の熱処理を溶接操作と組み合わせることにより、部品のより能率的な生産を可能にする。また本発明は、各熱処理サイクル中に加熱または冷却する熱質量を少なくすることにより、必要な熱処理期間を短縮する。
【００１１】
本発明の他の目的や効果は以下の詳細な説明から理解できるはずである。
【００１２】
【好適な実施態様】
本発明は一般に、その製造、復元または修復時に溶接作用を受ける超合金物品に関係する。この発明の利点をガスタービンエンジンの部品について説明するが、本発明は、溶接前後に物品の特性を損なわない態様で物品を熱処理する必要のあるさまざまな用途にも適用できる。
【００１３】
この発明にしたがって熱処理および溶接操作を行う装置を図１に１０で示す。装置１０は、ＴＩＧやレーザー溶接のような溶接操作を制御された雰囲気内で行う既知の形式のエンクロージャ１２を含む。装置１０は、溶接中にエンクロージャ１２の内部を加熱するための既知の形式の加熱装置１４も含む。加熱装置としては、誘導コイル、石英ハロゲンランプ、炭化珪素素子などが適当である。図示のように冷却素子１６を設けることができる。エンクロージャ１２はさらに、入口１８を含み、この入口１８を通して不活性ガス、たとえばアルゴンをエンクロージャ１２の内部に供給して、本発明による高い処理温度にある間、超合金物品の酸化を防止する。また、エンクロージャ１２を包囲する外部冷却熱シールド２０および溶接操作中に発生する煙霧を排出する排気フード２２を設けるのが好ましい。
【００１４】
従来、図１に示す形式のエンクロージャ内で溶接を行う前に、超合金物品を最初にバッチ式で熱処理して、物品の使用から生じた残留応力を緩和し、また物品がγ’−強化ニッケル基超合金製である場合には、硬化γ’相の一部の溶解により合金軟化を行う。つぎに第２のバッチ式熱処理を、溶接後に行って、溶接温度からの冷却時に誘引された残留応力を緩和する。これらの別個の熱処理サイクルを図２に曲線「Ａ」および「Ｃ」で示す。図２の曲線「Ｂ」は溶接サイクルを表し、この間物品を、通常約１５００°Ｆ（約８１５°Ｃ）以上の高温に維持する。応力除去および溶解熱処理のための加熱および冷却速度（勾配）、均熱温度および保持時間は、超合金およびその特性を悪化することなく、所望の応力除去を達成するのに重要である。熱処理曲線ＡおよびＣは均熱温度を含み、物品をこの温度に物品内の応力を除去するのに十分な時間、たとえば約２０〜３０分間維持する。溶接後熱処理を行う予定であるので、物品を溶接前に許容範囲内の温度に加熱しさえすれば、溶接操作の温度および時間プロファイルはさほど臨界的ではない。図２の３つの独立な温度プロファイルから明らかなように、加工中の物品を前後のサイクル間で室温まで冷却し、この間に、バッチ熱処理を行うのに十分な数の物品が溜まるまで、物品をとっておく。
【００１５】
上述したプロセスとは対照的に、本発明の溶接装置１０は、エンクロージャ１２内の温度および時間プロファイルを制御することができ、したがって、従来必要とされた別々のバッチ炉および溶接炉の代わりに、単一の可変温度熱露出を用いる単一炉内で溶接前および溶接後の応力除去熱処理と溶接を行う機会を提供する。重要なこととして、溶接装置１０で実施する好適なプロセスは、図２に示すように温度サイクル間で物品を冷却する工程を含まず、その代わりに、図３に示すように、物品を溶接前温度プロファイル「Ｄ」から溶接プロファイル「Ｅ」まで直に冷却し、ついで物品を溶接プロファイル「Ｅ」から溶接後温度プロファイル「Ｆ」まで直に加熱する。図２と図３を比較すると、図３の溶接前および溶接後プロファイルＤおよびＦは、図２の対応するプロファイルＡおよびＣで特徴的な一定温度の均熱処理を含まないことが分かる。さらに、図３の溶接前および溶接後プロファイルＤおよびＦのピーク温度は、図２のプロファイルＡおよびＣの対応する均熱温度より高い。その結果、室温までの冷却をなくすことでサイクル時間が短縮されるだけでなく、溶接前後の熱処理サイクル（ＤおよびＦ）も短くなる。しかし、図３のプロファイルＤおよびＦおよび本発明に図２に示すような均熱処理を導入することができる。たとえば、図３に示す約２０５０°Ｆのピークの代わりに図２の約１９００°Ｆの均熱処理を採用することができる。
【００１６】
上述した作動特性は、適当な温度センサ２４、たとえば光高温計または標準型Ｋ熱電対でエンクロージャ１２内の物品の温度を検出することによって可能になる。センサ２４からの温度信号を、プログラム可能な温度コントローラ２６への入力として使用し、この温度コントローラ２６は、センサ２４からの信号をメモリー２８内に記憶されたこの物品についての所望のプロファイルＤ、ＥおよびＦと比較する。つぎに加熱装置１４への制御信号を、所望の温度プロファイルと物品の温度との差に基づいて調節する。このようにして、所定の超合金物品に必要なほぼすべての温度プロファイルをプログラムし、正確に制御して本発明の目的を達成することができる。
【００１７】
上述したところから明らかなように、本発明は、単一の装置内で熱処理サイクルと溶接サイクルとを組合せ、その結果、従来は３つの独立した温度プロファイルであったものを一つの温度露出にまとめる。その効果として、バッチ式熱処理がなくなり、処理とつぎの処理の間の室温への冷却がなくなり、個々の処理プロファイルが短くなる。以上、超合金物品の処理に適当な装置について説明したが、本発明の装置１０は、処理時に、物品の特性の劣化を避けるために高温での正確な制御を必要とする他の材料や物品の処理や溶接にも使用できる。したがって、本発明を好適な実施例について説明したが、当業者であれば他の形態を採用することも可能である。したがって、本発明の範囲は特許請求の範囲で限定されるだけである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による熱処理兼溶接装置の線図的説明図である。
【図２】従来法にしたがって超合金物品を熱処理し溶接するのに必要な熱サイクルを示すグラフである。
【図３】本発明にしたがって超合金物品を熱処理し溶接するのに必要な熱サイクルを示すグラフである。

Claims (7)

1. 超合金物品用の溶接前熱処理温度プロファイル、溶接温度プロファイルおよび溶接後熱処理温度プロファイルを設定し、
   超合金物品を加熱する手段（１４）と、物品の温度を感知する手段（２４）と、物品の温度に基づいてかつ溶接前熱処理温度プロファイル、溶接温度プロファイルおよび溶接後熱処理温度プロファイルにしたがって加熱手段（１４）を制御する手段（２６）とを備えるエンクロージャ（１２）内に前記超合金物品を配置し、
   前記加熱手段（１４）、感知手段（２４）および制御手段（２６）を作動させて前記超合金物品を溶接前熱処理温度プロファイルにしたがって加熱し、
   前記超合金物品をエンクロージャ（１２）から取り出すことなく、前記加熱手段（１４）、感知手段（２４）および制御手段（２６）を作動させて超合金物品を溶接前熱処理温度プロファイルから直に溶接温度プロファイルに加熱し、
   前記超合金物品の温度を溶接温度プロファイルにしたがって維持しながら、超合金物品を溶接し、次いで
   前記超合金物品をエンクロージャ（１２）から取り出すことなく、前記加熱手段（１４）、感知手段（２４）および制御手段（２６）を作動させて超合金物品を溶接温度プロファイルから直に溶接後熱処理温度プロファイルに加熱する
   工程を含む超合金物品の溶接方法であって、溶接温度プロファイルが溶接前熱処理温度プロファイルより低い温度からなる、方法。
2. 溶接温度プロファイルが溶接後熱処理温度プロファイルより低い温度からなる、請求項１に記載の方法。
3. 溶接温度プロファイルが溶接前および溶接後熱処理温度プロファイルより低い温度からなる、請求項１に記載の方法。
4. 溶接前および溶接後熱処理温度プロファイルに一定温度均熱処理がない、請求項１に記載の方法。
5. 超合金物品を収容する構成のエンクロージャ（１２）と、
   エンクロージャ（１２）内の超合金物品を加熱する手段（１４）と、
   エンクロージャ（１２）内にある間の超合金物品の温度を感知する手段（２４）と、
   超合金物品用の溶接前熱処理温度プロファイル、溶接温度プロファイルおよび溶接後熱処理温度プロファイルを記憶するメモリー手段（２８）と、
   超合金物品の温度に基づいてかつ溶接前熱処理温度プロファイル、溶接温度プロファイルおよび溶接後熱処理温度プロファイルにしたがって加熱手段（１４）を制御する手段（２６）と、
   超合金物品が溶接温度プロファイルにある間に物品を溶接する手段と
   を含む溶接装置（１０）であって、溶接温度プロファイルが溶接前熱処理温度プロファイルより低い温度からなる、溶接装置（１０）。
6. 溶接温度プロファイルが溶接後熱処理温度プロファイルより低い温度からなる、請求項５に記載の溶接装置（１０）。
7. 溶接温度プロファイルが溶接前および溶接後熱処理温度プロファイルより低い温度からなる、請求項５に記載の溶接装置（１０）。

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