JP4912533B2 - シムを用いる電子ビーム溶接方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は、電子ビーム溶接に関し、特に超合金材料を接合する改良型電子ビーム溶接方法に関する。
【０００２】
ニッケル基またはコバルト基超合金は、ニッケルを約５０重量％以上含有する合金で、更に加えてこれら合金の機械的特性および物理的特性を改良するために合金化元素が添加されている。これらの材料は、代表的には、航空機、工業用ガスタービン部品など、高温で良好な強度、耐クリープ性、破壊靱性、その他の機械的特性を長期間必要とする用途に使用されている。
【０００３】
Rene N5のような、高融点元素を１０％以上含有する単結晶ニッケル基超合金は一般に溶接不可能とみなされている。しかし、レーザまたは電子ビームのような低熱入力溶接法を用いれば、極めて狭い範囲の溶接条件でクラックのない溶接接合部を生成できる。このようなビーム溶接法の欠点として、溶融ゾーンに方向性結晶粒成長が生じ、溶接ゾーンの中心にはっきりした樹枝状（デンドライト）境界が現れる。このタイプの結晶粒構造のため、接合部は中心線クラッキングを受けやすくなり、疲労強度に乏しくなる。たとえば、電子ビーム溶接したＮ５材料の１２００°Ｆ、０．９％ひずみでの疲労寿命は約１００サイクルで損なわれ、これはベース金属の寿命より著しく短い。この範囲の溶接特性レベルでは、ガスタービンでの使用中に溶接接合部の壊滅的な破損が起こるおそれがある。
【０００４】
中心線クラッキング問題を克服するために、Rene N5材料を溶接するための別の方法が開発されている。かかる方法のうち、ワイヤフィード電子ビーム溶接法とガスタングステンアーク（ＴＩＧ）溶接法が、接合部の疲労寿命を改良する効果の点で最良であった。ワイヤフィード電子ビーム溶接法では、電子ビーム溶接中に自動ワイヤフィーダを通して延性溶加材を供給する。溶接金属の延性が高いので、ワイヤフィード電子ビーム溶接の接合部の疲労寿命は大幅に向上した。しかし、この方法は接合部の厚さに限界があることが明らかである。接合部厚さが０．３インチに増加すると、溶込み不良の欠陥がしばしば生じた。ＴＩＧ溶接法でも延性溶加材を用いる。このマルチパスアーク溶接法では溶接ゾーンにおける方向性結晶粒構造が完全に変わり、また溶接金属中に延性溶加材が導入された。しかし、この高熱入力アーク溶接法は、比較的大きなエーロフォイル変形の原因となり、溶接部に融合不良の欠陥を生じるおそれを増した。多くの場合、変形量が大きいため、ＴＩＧ溶接法を複雑なエーロフォイル構造用の主要な溶接法として使用することができなかった。
【０００５】
【発明の概要】
本発明の１実施態様による、超合金材料間の接合部を電子ビーム溶接する方法は、接合部に溶接可能なシムを挿入し、これら超合金材料を電子ビームで加熱する工程を含む。シムは超合金材料から形成することができる。厚さ０．３インチの接合部の場合、加熱工程において、電子ビームを２０〜３０ｉｐｍの走行速度で１００〜１３０ｋＶの電圧および２５〜３５ｍＡの電流で加速するのが好ましい。この方法では、加熱工程を単一パスで完了することができる。
【０００６】
本発明の別の実施態様による、超合金材料間の少なくとも０．０４０インチまでの接合ギャップを溶接する方法は、接合ギャップにシムを挿入し、これら超合金材料を電子ビームで加熱する工程を含む。接合ギャップは実際のところ０．１００インチ以下とすることができる。
【０００７】
【好適な実施態様】
超合金材料、特にニッケル基またはコバルト基超合金は、高温で良好な強度、耐クリープ性、破壊靱性、その他の機械的特性を必要とするガスタービン部品に有用である。このような材料は、たとえばタービンバケットや第１および第２段ノズルに使用され、この場合材料はタービンの運転中に高温にさらされるだけでなく、高応力、高ひずみを受ける。
【０００８】
電子ビームソースは溶接すべき接合部を加熱する作用をなす。当業者に明らかなように、既知の電子ビームソースのいずれでも使用でき、本発明は特定の構造的構成に限定されない。さらに電子ビーム溶接を行うための電子ビーム発生装置は既知であり、好適な操作パラメータに関する以下の説明を除いては、電子ビーム発生装置の細部についてはこれ以上説明しない。
【０００９】
図１において、超合金材料製の部品１２間の突合せジョイントまたは接合ギャップ１０にシム１４をはめる。本発明の方法はあらゆる超合金材料の溶接に適用できるが、ガスタービンなどに使用されているRene N5のような単結晶ニッケル基超合金に特に適当である。シム１４は、ＩＮ６１７、ＩＮ６２５またはＨＡ２３０のような延性超合金材料から形成するのが好ましい。シムの厚さは、溶接すべき材料間のギャップの寸法に応じて変えることができる。通常の方法の場合と同様、接合部１０に隣接して裏当て１６をあてがい電子ビームが意図しない表面に損傷を与えるのを防ぐ。裏当て１６も超合金材料から形成でき、溶接すべき材料とは別の部材としても一体の部材としてもよい。
【００１０】
電子ビームの操作パラメータは、周知のように、所望の結果に応じて変動する。本発明に関連して、電子ビームを１００〜１３０ｋＶの電圧および２５〜３５ｍＡの電流で加速するのが好ましい。電圧および／または電流値がこれより低いと、溶込みが部分的になるため融合欠陥を生じ、接合部のサイクル疲労寿命が著しく短くなることがある。電圧および／または電流値が大きすぎると、金属材料を貫通する切断部が生じることがある。走行速度は約２０〜３０インチ／分（ｉｐｍ）とするのが好ましく、これを制御して電子ビームからの熱入力を変える。熱入力は電圧および電流を走行速度で割った商の関数である。したがって、走行速度が低すぎると、接合部が過熱されることがあり、一方走行速度が高すぎると、溶接部が浅くなる結果として融合欠陥が生じることがある。振動、周波数、焦点などの他の溶接パラメータは、上述した電圧、電流および走行速度ほどには関与しない。しかし、これらのパラメータを既知の原理にしたがって増減して溶接操作の変更を行うことができる。
【００１１】
本発明の溶接法によれば、溶接接合部の疲労寿命を従来と比べて３〜４倍伸ばすことができる。また本方法は、単一パスで一定の溶加材割合にて深さ６インチまでの突合せ接合部の完全な溶込みを達成できる。マルチパス溶接法の必要をなくすことにより、融合不良型の欠陥が生じるおそれが著しく低下する。本方法では、シム厚さおよび接合部取付けギャップを０．０４０インチまで、また０．１００インチのように大きく変動させることができ、複雑なエーロフォイル構造体などを接合する際に製造の融通性が高まる。
【００１２】
以上、本発明を現在のところもっとも実用的かつ好適な実施態様と考えられるものについて説明したが、本発明は開示した実施態様に限定されず、本発明の範囲に含まれる種々の変更例や均等な配置を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子ビーム溶接方法の線図的説明図である。

Claims (3)

1. ニッケル基超合金材料（１２）間の接合部（１０）を電子ビーム溶接する方法であって、当該方法が、ニッケル基超合金材料からなる溶接可能なシム（１４）を接合部に挿入し、これら超合金材料を電子ビームで加熱する工程を含んでおり、上記シムが０．０４０インチ（１．０１６ｍｍ）〜０．１００インチ（２．５４ｍｍ）の厚さを有していて、上記加熱工程が、２０〜３０インチ／分（５０．８〜７６．２ｃｍ／分）の走行速度で、１００〜１３０ｋＶの電圧及び２５〜３５ｍＡの電流で電子ビームを加速することを含む、方法。
2. 前記シム（１４）が鍛造、鋳造又は粉末冶金法で形成される、請求項１に記載の方法。
3. 前記加熱工程を単一パスで完了する、請求項１に記載の方法。

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