JP5573295B2 - Manufacturing method of turbine rotor - Google Patents
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Description
本発明は、タービンホイールおよびタービンシャフトを溶接によって接合するタービンローターの製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a turbine rotor in which a turbine wheel and a turbine shaft are joined by welding.
従来から、タービンホイールとタービンシャフトとを溶接することで接合するタービンローターの技術は公知となっている。
図１２に示すように、タービンローター１２０は、タービンハウジング１９１、センタハウジング１９２、およびコンプレッサーハウジング１９３内に回転可能に収納される。タービンローター１２０は、エンジンの排気ガスが流入することでタービンホイール１３０が高速で回転し、当該回転に伴ってコンプレッサーホイール１９０も高速で回転する。これにより、圧縮される空気をエンジンに供給する。このようなタービンローター１２０は高精度に製造する必要がある。
Conventionally, the technology of a turbine rotor for joining a turbine wheel and a turbine shaft by welding is known.
As shown in FIG. 12, the
例えば、タービンホイール１３０とタービンシャフト１４０との嵌合部１２１（図１３参照）をタービンシャフト１４０の周方向に沿って溶接すると、最初に溶接された部分より順番に凝固収縮して歪みが発生する。つまり、タービンシャフト１４０の軸方向に収縮してタービンローター１２０の軸方向の寸法が合わなくなる、あるいは、タービンローター１２０が傾いてタービンローター１２０の精度が低下してしまう。このため、溶接した後でタービンホイール１３０を削る等、別途精度を向上させる工程を行う必要があった。つまり、タービンローター１２０の製造コストが上がるという問題があった。
For example, when the fitting portion 121 (see FIG. 13) between the
上記のような問題を解消するタービンローターの製造方法として、以下に示す特許文献１、および特許文献２のような技術が開示されている。
As a method of manufacturing a turbine rotor that solves the above problems, techniques such as
特許文献１に開示される技術は、タービンホイールとタービンシャフトとを複数の電子銃によって溶接する技術である。
図１３に示すように、複数の電子銃１１０・１１０は、タービンシャフト１４０の軸心に対して対称な位置に配置される。そして、タービンホイール１３０とタービンシャフト１４０とを嵌合させた状態で回転させながら、当該嵌合部１２１に向けて複数の電子銃１１０・１１０より同時に電子ビーム１１２・１１２を照射する。
The technique disclosed in
As shown in FIG. 13, the plurality of
これによれば、嵌合部１２１は、タービンシャフト１４０の軸心を中心に点対称となる位置より順に凝固収縮が開始される。つまり、凝固収縮する部分をタービンシャフト１４０の軸心に対してつり合わせることができる。このため、凝固収縮によって発生するタービンシャフト１４０の軸方向の寸法収縮を抑制できる。
しかし、特許文献１に開示される技術では、高価な部材である電子銃１１０・１１０を複数用いるため、タービンローター１２０の製造コストが上がってしまうという点で不利であった。
According to this, coagulation contraction of the
However, the technique disclosed in
また、特許文献２に開示される技術は、タービンホイールとタービンシャフトとが当接する部分に軸方向当接部を形成し、タービンホイールとタービンシャフトとを電子銃を用いて溶接する技術である。
図１４（ａ）に示すように、タービンホイール１３０の開口部１３１は、その径方向内側に向かって縮径する段差部１３２が形成され、タービンシャフト１４０の軸方向に沿って大きく開口する。タービンシャフト１４０の一端部は、タービンホイール１３０の開口部１３１に沿った形状に形成される。タービンシャフト１４０の一端部は、タービンホイール１３０の開口部１３１に圧入される。タービンシャフト１４０の一端部とタービンホイール１３０の段差部１３２とが当接する部分は軸方向当接部１２３として形成される。また、タービンホイール１３０の開口部１３１側の端部とタービンホイール１３０とが嵌合する部分は、嵌合部１２１として形成される。
そして、軸方向当接部１２３が溶融しないように電子銃１１０でタービンホイール１３０とタービンシャフト１４０とを溶接する。
The technique disclosed in Patent Document 2 is a technique in which an axial contact portion is formed at a portion where the turbine wheel and the turbine shaft are in contact, and the turbine wheel and the turbine shaft are welded using an electron gun.
As shown in FIG. 14 (a), the opening 131 of the
Then, the
これによれば、タービンホイール１３０とタービンシャフト１４０とを溶接するときに、軸方向当接部１２３がタービンホイール１３０とタービンシャフト１４０とを支持した状態となる。つまり、溶接時に発生するタービンローター１２０の傾きを抑制できる。
しかし、特許文献２に開示される技術では、軸方向当接部１２３を形成する分だけ、軸方向当接部１２３を形成しない場合に比べてタービンローター１２０の軸長が長くなってしまう（図１４（ｂ）に示す矢印Ｌ参照）。このため、固有振動数が低下して使用回転域がその影響を受ける。つまり、振動特性が悪化する（ターボ性能が悪化する）という点で不利であった。
According to this, when the
However, in the technique disclosed in Patent Document 2, the axial length of the
本発明は、以上の如き状況を鑑みてなされたものであり、コストを低減できるとともに、振動特性の悪化を防止できるタービンローターの製造方法を提供するものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a method for manufacturing a turbine rotor that can reduce costs and prevent deterioration of vibration characteristics.
請求項１においては、タービンホイールおよびタービンシャフトを嵌合させることで嵌合部を形成し、溶接手段を用いて前記嵌合部を溶接するタービンローターの製造方法であって、前記嵌合部を前記溶接手段に対して一回転させる中で、前記嵌合部の位相に対応するパルスビームを前記溶接手段より前記嵌合部に複数回照射して、前記タービンシャフトの周方向において等間隔に配置されるとともに、複数の溶融部を前記嵌合部に形成する溶融部形成工程と、前記溶融部形成工程の後に、溶融部形成工程で形成される溶融部の幅と同じ幅、あるいは溶融部の幅よりも小さい幅だけ前記嵌合部を前記溶接手段に対して回転させる回転工程と、を含み、前記溶融部形成工程および回転工程は、前記複数の溶融部が前記嵌合部の全周にわたって連続して形成されるまで繰り返され、前記溶融部形成工程において形成される複数の溶融部のうち、隣接する溶融部が形成される時間差を、前記溶融部が形成されてから凝固を開始するまでの時間よりも短くする、ものである。
In
請求項２においては、前記複数の溶融部が前記嵌合部の全周にわたって連続して形成された後で、最後に行われた前記溶融部形成工程で形成される複数の溶融部に対応する複数の後熱部を形成する後熱部形成工程をさらに含む、ものである。 In Claim 2, after the said some fusion | melting part is continuously formed over the perimeter of the said fitting part, it respond | corresponds to the several fusion | melting part formed in the said fusion | melting part formation process performed at the end. The method further includes a post-heat part forming step of forming a plurality of post-heat parts.
請求項３においては、前記溶融部形成工程を少なくとも一回行って、前記複数の溶融部が形成されていない部分である非溶融部が前記嵌合部に残っている状態で、前記複数の溶融部を凝固収縮させる凝固収縮工程をさらに含み、前記嵌合部は、前記タービンホイールにタービンシャフトを圧入することで形成し、前記溶融部形成工程および回転工程は、前記凝固収縮工程を行った後で、前記複数の溶融部が前記嵌合部の全周にわたって連続して形成されるまで繰り返される、ものである。 In Claim 3, said melt | fusion part formation process is performed at least once, and the said some melt | fusion is in the state in which the non-molten part which is a part in which these melt | fusion part is not formed remains in the said fitting part. A coagulation / shrinkage step of coagulating / shrinking the portion, wherein the fitting portion is formed by press-fitting a turbine shaft into the turbine wheel, and the melting portion forming step and the rotation step are performed after the solidification / shrinkage step is performed. Then, the plurality of melting portions are repeated until they are continuously formed over the entire circumference of the fitting portion.
本発明は、複数の電子銃を用いることなくタービンホイールとタービンシャフトとを接合できるためコストを低減できるとともに、タービンローターの軸長を長くすることなく高精度にタービンホイールとタービンシャフトとを接合できるため振動特性の悪化を防止できる、という効果を奏する。 The present invention can reduce the cost because the turbine wheel and the turbine shaft can be joined without using a plurality of electron guns, and can join the turbine wheel and the turbine shaft with high accuracy without increasing the axial length of the turbine rotor. Therefore, there is an effect that deterioration of the vibration characteristics can be prevented.
以下に、第一実施形態に係るタービンローターの製造方法が用いられてタービンローター２０の製造を行うタービンローター製造装置１について、図面を参照して説明する。
Below, the turbine
図１に示すように、タービンローター２０は、自動車等のターボチャージャー等に取り付けられ、エンジンの排気ガスによって高速で回転する。タービンローター２０は、タービンホイール３０とタービンシャフト４０とを具備する。
As shown in FIG. 1, the
タービンホイール３０には、タービンシャフト４０の軸方向に沿って開口する略円状の開口部３１が形成される。
The
タービンシャフト４０の先端部４１は、タービンホイール３０の開口部３１の内径と略同一の外径となるように形成され、タービンホイール３０の開口部３１に嵌入される。これにより、タービンホイール３０の開口部３１およびタービンシャフト４０の先端部４１は嵌合される。当該嵌合される部分は、嵌合部２１として形成される。
また、本実施形態のタービンシャフト４０は、焼き入れ鋼によって構成される。
The
Moreover, the
タービンローター製造装置１は、電子銃１０を具備する。
The turbine
電子銃１０は、嵌合部２１を溶接することで、タービンホイール３０とタービンシャフト４０とを接合するものである。電子銃１０は、タービンローター２０より離れた位置に配置される。電子銃１０は、所定の電子ビーム発生源より照射される電子ビーム１２を電磁コイル１１で収束させることにより、電子ビーム１２を嵌合部２１に照射する（衝突させる）。
The
電子銃１０は、加工部位（溶接部位）への照射のＯＮ／ＯＦＦとの切替を即座に行って、所定の短い間隔で電子ビーム１２を照射可能に構成される。言い換えれば、電子銃１０は、パルスビームを照射可能に構成される。具体的には、電子銃１０は、例えば、５０ｍｓｅｃの間だけ電子ビーム１２を照射し、その後１０００ｍｓｅｃの間だけ電子ビーム１２の照射を停止することができ、さらにはこの５０ｍｓｅｃの電子ビーム１２の照射および１０００ｍｓｅｃの電子ビーム１２の照射停止を、繰り返し行うことが可能である。
The
また、タービンローター製造装置１は、所定のアクチュエータを具備し、当該アクチュエータを駆動させることにより、一定の回転数でタービンシャフト４０を回転可能に構成される。このとき、タービンホイール３０は、タービンシャフト４０の回転に伴って一体的に回転する。つまり、タービンローター製造装置１は、嵌合部２１を電子銃１０に対して回転させる。
The turbine
以上の構成を備えるタービンローター製造装置１が用いられて行われる、第一実施形態に係るタービンローターの製造方法について説明する。
The turbine rotor manufacturing method according to the first embodiment, which is performed using the turbine
なお、以下において、電子銃１０が電子ビーム１２を照射する時間を「時間Ｔ１」とし、嵌合部２１を電子銃１０に対して一回転させる時間を「時間Ｔ２」とする。また、時間Ｔ１の長さは、時間Ｔ２の長さの二十分の一の長さとする。
In the following, the time for the
また、図２において、最初に電子ビーム１２が照射される位置を「位置２１ａ」とし、タービンシャフトの軸心Ｐに対して位置２１ａより反時計回りに９０°位相がずれた位置を「位置２１ｂ」とし、位置２１ｂから反時計回りに９０°位相がずれた位置を「位置２１ｃ」とし、位置２１ｃから反時計回りに９０°位相がずれた位置を「位置２１ｄ」とする。つまり、「位置２１ｂ」、「位置２１ｃ」、および「位置２１ｄ」は、位置２１ａを基準として、反時計回りに順に９０°ずつ位相がずれた位置である。
In FIG. 2, the position where the
まず、タービンローター製造装置１は、所定のアクチュエータを駆動させて一定の回転数でタービンシャフト４０を回転させる。言い換えれば、嵌合部２１を電子銃１０に対して回転させる。
First, the turbine
次に、図２および図３に示すように、タービンローター製造装置１は、嵌合部２１を電子銃１０に対して一回転させる中で、電子銃１０からの電子ビーム１２の嵌合部２１に対する時間Ｔ１の間だけの照射を複数回（第一実施形態では二回）行う。嵌合部２１において電子ビーム１２が照射される部分は溶融し、溶融部５１・５２が形成される。
Next, as shown in FIGS. 2 and 3, the turbine
より詳細には、図３に示す時点Ａから時点Ｂまでにおいて、電子ビーム１２を照射して、溶融部５１を形成する（図２（ａ）および図２（ｂ）参照）。つまり、時間Ｔ１の間電子ビーム１２を照射する。
More specifically, the
時点Ｂから時点Ｄまでにおいて、電子ビーム１２の照射を停止する（図２（ｃ）参照）。このとき、嵌合部２１が位置２１ｃまで、換言すれば、嵌合部２１が時点Ａの状態から半回転する。
From time B to time D, the irradiation of the
時点Ｄから時点Ｅまでにおいて、再び電子ビーム１２を照射して、溶融部５２を形成する（図２（ｄ）および図２（ｅ）参照）。つまり、時間Ｔ１の間電子ビーム１２を照射する。
From time D to time E, the
時点Ｅから時点Ｆまでにおいて、嵌合部２１が位置２１ａまで、換言すれば、嵌合部２１が時点Ａの状態から一回転するまで電子ビーム１２の照射を停止する（図２（ｆ）参照）。
From the time point E to the time point F, the irradiation of the
このように溶融部５１・５２は、タービンシャフトの軸心Ｐを中心に互いに１８０°位相がずれた状態で配置される。溶融部５１・５２は、時間Ｔ１の間だけ電子ビーム１２を照射することで形成されるため、同一の形状に形成される。
In this way, the
以下において、嵌合部２１を電子銃１０に対して一回転させる中で、電子ビーム１２を照射する間隔（時点Ｂから時点Ｄまで）を「時間Ｔ３」とする。第一実施形態の時間Ｔ１と時間Ｔ３との長さの和は、嵌合部２１を電子銃１０に対して一回転させる時間である時間Ｔ２の二分の一の長さとなる。
Hereinafter, the interval (from time B to time D) for irradiating the
溶融部５１・５２を形成した後で、図３に示すように、タービンローター製造装置１は、電子ビーム１２の照射を停止した状態で所定の時間だけ嵌合部２１を回転させる。すなわち、時点Ｆから時点Ｇまでにおいて、電子ビーム１２の照射を停止する。
以下において、嵌合部２１を電子銃１０に対して一回転させた後で電子ビーム１２の照射を停止する時間（時点Ｆから時点Ｇまでの時間）を「時間Ｔ４」とする。また、時間Ｔ４は、時間Ｔ１と同じ長さとする。
この場合、タービンローター製造装置１は、嵌合部２１が前回一回転した際に形成された溶融部５１の幅だけ嵌合部２１を電子銃１０に対して回転させることとなる。
After forming the
Hereinafter, the time (time from time F to time G) for stopping the irradiation of the
In this case, the turbine
ここで、溶融部５１の幅とは、タービンシャフト４０の周方向における溶融部５１の長さである。つまり、溶接部５１の幅は、電子ビーム１２を照射する時間である時間Ｔ１に対応する。
Here, the width of the
そして、時点Ｇから時点Ｈまでにおいて、電子ビーム１２を照射して、溶融部５３を形成する（図４（ａ）および図４（ｂ）参照）。
溶融部５３は、溶融部５１に対して連続して形成される。つまり、溶融部５１と溶融部５３とは繋げられる。
Then, from time G to time H, the
The
ここで、図５（ａ）に示すように、溶融部５１は非常に高温であるため、溶融部５１の周囲には熱影響部５１ａが生じ、溶融部５１に対応する熱影響部５１ａの硬度は高くなる。このため、置き割れ（熱影響部５１ａにひびが入る等）が発生する可能性が生じる。従って、置き割れの発生を防止するために、熱影響部５１ａに熱を与える後熱（焼きなまし）工程を溶接後に別途行う必要がある。
Here, as shown in FIG. 5A, since the melted
図５（ｂ）に示すように、溶融部５３も溶融部５１と同様に高温であるため、溶融部５３の熱によって溶融部５１の熱影響部５１ａは高温で保持される。以下において、このような熱影響部５１ａを高温で保持する部分を「後熱部５１ｂ」とする。
これによれば、後熱工程が行われたときと同様に、溶融部５１の熱影響部５１ａの硬度を低くできる。つまり、溶融部５１の熱影響部５１ａにおいて置き割れが発生することを防止できる。
As shown in FIG. 5B, since the
According to this, the hardness of the heat affected
タービンローター製造装置１は、前述したような加工部位への照射のＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことにより、図４（ｃ）および図４（ｄ）に示すように、嵌合部２１が一回転するごとに、一回の電子ビーム１２の照射で形成される溶融部の幅だけ位相をずらしながら、溶融部を繋いでいく。第一実施形態では、嵌合部２１を十回回転させることで溶融部５１〜７０が嵌合部２１の全周にわたって繋げられる。
このように、電子銃１０は、最初に形成される溶融部５１から最後に形成される溶融部７０までが繋がるような電子ビーム１２を照射する。つまり、電子ビーム１２は、嵌合部２１の位相に対応するパルスビームとなる。
The turbine
In this way, the
ここで、溶融部５１〜６８は、溶融部５３〜７０を形成することで繋げられる。つまり、熱影響部５１ａ〜６８ａは、溶融部５３〜７０の熱によって高温で保持されるため、置き割れが発生することを防止できる。
Here, the fusion | melting parts 51-68 are connected by forming the fusion | melting parts 53-70. That is, since the heat-affected
図５（ｃ）に示すように、溶融部５１〜７０を嵌合部２１の全周に形成した後で、タービンローター製造装置１は、最後の回転で形成される溶融部６９・７０の熱影響部６９ａ・７０ａに対応する後熱部６９ｂ・７０ｂを形成する。
As shown in FIG.5 (c), after forming the fusion | melting parts 51-70 in the perimeter of the
より詳細には、電子銃１０の設定を変更し、溶融部７０と同じ位置に出力を絞った（フォーカスをずらした）電子ビーム１２を照射する。これにより、熱影響部７０ａに熱を与えることができるため、溶融部７０の熱影響部７０ａに対応する後熱部７０ｂを形成できる。また、溶融部６９に対しても同様に後熱部６９ｂを形成する。
More specifically, the setting of the
これにより、最後の回転で形成される溶融部６９・７０の熱影響部６９ａ・７０ａを高温で保持することができるため、溶融部６９・７０において、置き割れの発生を防止できる。つまり、タービンローター２０において、置き割れの発生を防止できる。
これにより、タービンローター２０は、溶接後に別途後熱工程を行うことなく置き割れの発生を防止できるため、製造工程を短縮できる。従って、タービンローター２０の製造コストを低減できるとともに、タービンローター２０の製造に要する時間を短縮できる。
As a result, the heat-affected
Thereby, since the
このように、タービンローターの製造方法では、溶融部５１〜７０が嵌合部２１の全周にわたって形成されるまで電子ビーム１２を嵌合部２１に複数回照射する工程と時間Ｔ１の間だけ嵌合部２１を電子銃１０に対して回転させる工程とを繰り返す。
これによれば、最初に形成される溶融部である溶融部５１、時間Ｔ３後に形成される溶融部５２の順に凝固収縮が開始される。また、溶融部５１と溶融部５２とは、前述のように、タービンシャフトの軸心Ｐを中心に互いに対称な位置に配置される。つまり、溶融部５１と溶融部５２とは、タービンシャフト４０の周方向において等間隔に配置される。
As described above, in the turbine rotor manufacturing method, the fitting is performed only during the time T1 and the step of irradiating the
According to this, solidification shrinkage is started in the order of the melted
従って、溶融部５１・５２が凝固収縮する時間に対して、溶融部５１が形成されてから溶融部５２が形成されるまでの時間である時間Ｔ３を短くすることで、嵌合部２１を一回転させる間に形成される溶融部５１と溶融部５２とはほぼ同時に凝固収縮を開始する。第一実施形態では、少なくとも、溶融部５２は、最初に形成された溶融部５１が凝固を開始するまでに形成される。
例えば、嵌合部２１を溶接したときに、溶融部５１が図６に示すグラフＧ１のように温度が変化する場合、溶融部５１と溶融部５２とが形成される時間差（時間Ｔ３）を短くすることで、溶融部５２の温度変化のグラフであるグラフＧ２がグラフＧ１に近接する。
Therefore, by shortening the time T3, which is the time from when the melted
For example, when the
これにより、凝固収縮による引っ張りをタービンシャフトの軸心Ｐを中心につり合わせることができるため、タービンシャフト４０の軸方向の寸法収縮を抑制できる。
つまり、嵌合部２１を溶接するときに発生するタービンシャフト４０の軸方向の寸法収縮を抑制できる。
Thereby, since the tension | pulling by solidification shrinkage can be balanced centering on the axial center P of a turbine shaft, the dimension shrinkage of the axial direction of the
That is, dimensional shrinkage in the axial direction of the
また、第一実施形態のタービンローター製造装置１は、一つの電子銃１０を用いてタービンホイール３０およびタービンシャフト４０を接合する構成である。このため、従来技術にあるような複数の電子銃を用いることがないため、タービンローター２０の製造コストを低減できる（図１３参照）。
Moreover, the turbine
特に、タービンシャフト４０を高速回転させて、嵌合部２１を非常に速い速度で回転させた場合、溶融部５１と溶融部５２とが形成される時間差（時間Ｔ３）がさらに短くなり、グラフＧ１とグラフＧ２とは重なる。
つまり、溶融部５１・５２が凝固収縮する時間に対して溶融部５１と溶融部５２とが形成される時間差（時間Ｔ３）が非常に小さくなる。このため、タービンシャフト４０の軸方向の寸法収縮をさらに抑制できる。
In particular, when the
That is, the time difference (time T3) in which the melted
なお、嵌合部２１を電子銃１０に対して一回転させた後で電子ビーム１２の照射を停止する時間Ｔ４の長さは、電子ビーム１２を照射する時間Ｔ１以下であればよい。以下では、時間Ｔ１よりも時間Ｔ４が短い場合（すなわち時間Ｔ１＞時間Ｔ４の場合）について説明する。なお、説明の便宜上、時間Ｔ４は、時間Ｔ１の半分の長さとする。
It should be noted that the length of time T4 for stopping the irradiation of the
図７に示すように、嵌合部２１が電子銃１０に対して一回転する間に時間Ｔ１の間だけ電子ビーム１２が嵌合部２１に二回照射されて、溶融部５１・５２が形成される。そして、嵌合部２１が電子銃１０に対して一回転した後で時間Ｔ４だけさらに回転させて、電子ビーム１２を時間Ｔ１の間照射して溶融部５３を形成する。
As shown in FIG. 7, while the
この場合、溶融部５３の一部は、嵌合部２１が溶融部５１の幅よりも短い幅だけ回転することとなるため、溶融部５１の一部と重なった状態となる、つまり、溶融部５１・５３がオーバーラップする。
溶融部５３を形成した後で、時間Ｔ３だけ嵌合部２１を電子銃１０に対して回転させ、時間Ｔ１の間電子ビーム１２を照射することで、溶融部５４を形成する。この場合溶融部５２・５４がオーバーラップする。
In this case, a part of the
After forming the
タービンローター製造装置１は、このような加工部位への照射のＯＮ／ＯＦＦを繰り返して、嵌合部２１の全周にわたって連続する溶融部を形成する。
このように時間Ｔ１よりも時間Ｔ４が短い場合には、個々の溶融部がオーバーラップする。
これによれば、時間Ｔ４の長さが時間Ｔ１の長さと同じ場合と比較して、より確実に溶融部を繋げることができる。
The turbine
In this way, when the time T4 is shorter than the time T1, the individual melted portions overlap.
According to this, compared with the case where the length of time T4 is the same as the length of time T1, a fusion | melting part can be connected more reliably.
このように、時間Ｔ１の間だけ電子銃１０より電子ビーム１２を嵌合部２１に複数回照射する工程は、嵌合部２１を電子銃１０に対して一回転させる中で、嵌合部２１の位相に対応する電子ビーム１２を電子銃１０より嵌合部２１に複数回照射して、タービンシャフトの周方向において等間隔に配置されるとともに、複数の溶融部５１〜７０を嵌合部２１に形成する溶融部形成工程として機能する。
As described above, the step of irradiating the
また、電子ビーム１２の照射を停止した状態で時間Ｔ１の間だけ嵌合部２１を電子銃１０に対して回転させる工程は、溶融部形成工程の後に、溶融部形成工程で形成される溶融部５１〜６８の幅（タービンシャフト４０の周方向における溶融部５１〜６８の長さ）と同じ幅、あるいは溶融部５１〜６８の幅よりも小さい幅だけ嵌合部２１を電子銃１０に対して回転させる回転工程として機能する。
Moreover, the process of rotating the
また、後熱部６９ｂ・７０ｂを形成する工程は、複数の溶融部５１〜７０が嵌合部２１の全周にわたって連続して形成された後で、最後に行われた溶融部形成工程で形成される複数の溶融部６９・７０に対応する複数の後熱部６９ｂ・７０ｂを形成する後熱部形成工程として機能する。
In addition, the step of forming the
なお、本実施形態のタービンローターの製造方法は、嵌合部２１を電子銃１０に対して一回転させる間に二回電子ビーム１２を照射して、溶融部５１〜７０を形成したが、これに限定されるものでない。すなわち、嵌合部２１を一回転させる間に三回以上電子ビーム１２を照射して溶融部を形成しても構わない。
In addition, although the manufacturing method of the turbine rotor of this embodiment irradiated the
例えば、図８（ａ）に示すように、嵌合部２１を電子銃１０に対して一回転する間に三回電子ビーム１２を照射する場合、溶融部５１・５２・５３は、タービンシャフトの軸心Ｐを中心に１２０°位相がずれた状態で配置される。
これによれば、同時に凝固収縮が始まる溶融部が三つになるため、例えば、三つの溶融部５１・５２・５３のうち一つの溶融部５１だけが早く凝固収縮しても、タービンシャフト４０の軸方向の寸法収縮を他の二つの溶融部５２・５３で抑制できる。つまり、三つの溶融部の凝固収縮差に対してロバスト性を向上できる。特に、嵌合部２１を一回転させる間に五回電子ビーム１２を照射するような星型にした場合、さらに安定するため、ロバスト性を向上できる。
このように、嵌合部２１が一回転する間に溶融部を三箇所以上形成する場合には、各溶融部が凝固収縮するときに、タービンシャフトの軸心Ｐに対してつり合わせることができれば、各溶融部の形状を同一の形状にする必要はない。
For example, as shown in FIG. 8A, when the
According to this, since there are three melted portions where solidification shrinkage starts at the same time, for example, even if only one melted
As described above, when three or more melting portions are formed while the
また、図８（ｂ）に示すように、嵌合部２１を一回転させる間に電子ビーム１２を十回照射して溶融部５１〜６０を形成し、次の一回転で嵌合部２１の全周にわたって溶融部を形成しても構わない。この場合、嵌合部２１を二回転させることで溶融部が嵌合部２１の全周にわたって形成される。
Further, as shown in FIG. 8B, the
そして、図８（ｃ）に示すように、嵌合部２１に対してより短い間隔（図８（ｃ）においては六十分の一）の溶融部を形成し、当該溶融部を嵌合部２１の全周にわたって繋げても構わない。
And as shown in FIG.8 (c), the fusion | melting part of a shorter space | interval (in FIG.8 (c) in 1/6) is formed with respect to the
また、嵌合部２１が一回転する間に形成されない各溶融部の形状、例えば、互いに隣接する溶融部の形状は、前述のように凝固収縮するときにタービンシャフトの軸心Ｐに対してつり合わせることができれば、同一の形状である必要はない。つまり、電子ビーム１２を照射する時間Ｔ１は、嵌合部２１が一回転する毎に変更しても構わない。
In addition, the shape of each melted portion that is not formed during one rotation of the
また、嵌合部２１が凝固収縮を開始する時間は、溶接の深さおよびタービンシャフト４０の材料等によって変動する。このため、電子ビーム１２を照射する間隔である時間Ｔ３は、当該変動する時間に応じて適宜設定することが好ましい。
Further, the time for the
また、第一実施形態のタービンローターの製造方法では、嵌合部２１を一回転させた後で、時間Ｔ４の間だけさらに回転させて電子ビーム１２を照射したが、これに限定されるものでない。すなわち、図９に示すように、嵌合部２１を一回転させる前に電子ビーム１２を照射しても構わない。
より詳細には、嵌合部２１を一回転させる時間である時間Ｔ２より、電子ビーム１２を照射する時間である時間Ｔ１だけ早い時間（あるいは時間Ｔ１よりも短い時間だけ早い時間）が経過した後で、電子ビーム１２を時間Ｔ１だけ照射する。これにより、最初に形成される溶融部５１の回転方向前側に次の溶融部５３形成される。
これによれば、電子ビーム１２を照射する時間Ｔ１だけ早めて、溶融部を形成できる。このため、より早い時間でタービンローター２０を製造できる。
In the turbine rotor manufacturing method according to the first embodiment, after the
More specifically, after a time that is earlier by time T1 that is the time to irradiate the
According to this, the melting portion can be formed by advancing the time T1 for irradiating the
また、嵌合部２１を一回転させる中で、電子ビーム１２を最後に照射した後で、嵌合部２１の回転数を変更して、溶融部の幅と同じ幅（あるいは溶融部の幅よりも小さい幅だけ）嵌合部２１の電子銃１０に対する位相をずらしても構わない。この場合、電子銃１０は、一定の間隔で電子ビーム１２を照射して、嵌合部２１の全周にわたって溶融部を形成できる。
In addition, while the
次に、第二実施形態に係るタービンローターの製造方法が用いられてタービンローター２０の製造が行われるタービンローター製造装置１について、図面を参照して説明する。
なお、第二実施形態のタービンローター製造装置１は、第一実施形態のタービンローター製造装置１と同様に構成されるため、その説明を省略する。
Next, a turbine
In addition, since the turbine
また、第二実施形態の時間Ｔ１〜時間Ｔ３は、第一実施形態の時間Ｔ１〜時間Ｔ３と同じ時間の長さとする。また、時間Ｔ４は、時間Ｔ１と同じ長さとする。 In addition, the time T1 to the time T3 in the second embodiment has the same length as the time T1 to the time T3 in the first embodiment. The time T4 is the same length as the time T1.
第二実施形態では、タービンホイール３０とタービンシャフト４０とがそれぞれ密着するように、タービンシャフト４０の先端部４１をタービンホイール３０の開口部３１に圧入する。これにより、嵌合部２１が形成される。
In the second embodiment, the
次に、タービンローター製造装置１が用いられて行われる、第二実施形態に係るタービンローターの製造方法について説明する。
なお、以下において、タービンシャフト４０の嵌合部２１のうち、溶融部が形成されていない部分を「非溶融部２２」とする。
Next, a method for manufacturing a turbine rotor according to the second embodiment, which is performed using the turbine
In the following, the portion of the
図１０に示すように、第二実施形態のタービンローター製造装置１は、第一実施形態のタービンローター製造装置１と同様に、嵌合部２１を回転させる。そして、時間Ｔ１の間電子ビーム１２を照射して溶融部５１・５２を形成する。
As shown in FIG. 10, the turbine
溶融部５１・５２を形成した後で、タービンローター製造装置１は、時間Ｔ４の間だけ嵌合部２１を回転させる。
第二実施形態では、図１０（ａ）に示すように、溶融部を形成する工程を五回繰り返すことにより、溶融部５１〜６０が、位置２１ａから位置２１ｂまで形成されるとともに位置２１ｃから位置２１ｄまで形成される。
After forming the melted
In 2nd embodiment, as shown to Fig.10 (a), by repeating the process of forming a fusion | melting part 5 times, the fusion | melting parts 51-60 are formed from the
図１０（ｂ）に示すように、溶融部５１〜６０を位置２１ｂ・２１ｄまで形成した後で、タービンローター製造装置１は、当該溶融部５１〜６０が凝固するまで待機する。
つまり、溶融部５１〜６０は前述したような、タービンシャフトの軸心Ｐを中心につり合った状態で凝固収縮する。従って、溶融部５１〜６０は凝固収縮によって発生するタービンシャフト４０の軸方向の寸法収縮を抑制できる。
As shown in FIG. 10B, after forming the melted
That is, the
このとき、溶融部５１〜６０は、凝固収縮によってタービンシャフト４０の軸がずれる（倒れる）ように引っ張られる。ここで、嵌合部２１には、溶融部５１〜６０が形成されていない部分である非溶融部２２が残っている。また、嵌合部２１は、圧入されているため、当該非溶融部２２が柱となりタービンローター２０が傾くことを抑制できる。
つまり、従来技術にあるような軸方向当接部１２３（図１４参照）を別途設けることなくタービンローター２０が傾くことを抑制できる。このため、タービンローター２０の軸長が長くなることを防止できる。つまり、振動特性が悪化する（ターボ性能が悪化する）ことを防止できる。
At this time, the
That is, it is possible to suppress the tilting of the
例えば、図１１に示すように、嵌合部２１に隙間Ｓがある場合、嵌合部２１に非溶融部２２が残っている状態で溶融部５１〜６０を凝固させたとき、非溶融部２２は、溶融部５１〜６０の凝固収縮によって、隙間Ｓに向かって傾いてしまう（図１１の二点鎖線で示す符号４０参照）。
しかし、タービンホイール３０にタービンシャフト４０を圧入することで嵌合部２１を形成することにより、非溶融部２２は、溶融部５１〜６０が凝固するときに柱として機能する。
For example, as shown in FIG. 11, when there is a gap S in the
However, by forming the
図１０（ｃ）に示すように、溶融部５１〜６０が凝固するまで待機した後で、溶融部５９・６０に繋げるように溶融部６１・６２を形成する。
そして、タービンローター製造装置１は、各溶融部５１〜６２の幅だけ位相をずらしながら、溶融部５１〜６２に繋げるように溶融部６３〜７０を形成していく。つまり、溶融部５１〜７０が嵌合部２１の全周にわたって形成されるまで電子ビーム１２を嵌合部２１に複数回照射する工程と時間Ｔ１の間だけ嵌合部２１を電子銃１０に対して回転させる工程とを繰り返す。
As shown in FIG. 10C, after waiting until the
And the turbine
なお、第二実施形態のタービンローターの製造方法では、嵌合部２１の半周まで溶融部５１〜６０を繋げた状態で凝固させたが、これに限定されるものでない。すなわち、嵌合部２１に溶融部が形成されていない部分である非溶融部２２が残っている状態で、当該溶融部を凝固させればよい。
In addition, in the manufacturing method of the turbine rotor of 2nd embodiment, although it solidified in the state which connected the fusion | melting parts 51-60 to the half periphery of the
このように、溶融部５１〜６０が凝固するまで待機する工程は、溶融部形成工程を少なくとも一回行って、複数の溶融部５１〜６０が形成されていない部分である非溶融部２２が嵌合部２１に残っている状態で、複数の溶融部５１〜６０を凝固収縮させる凝固収縮工程として機能する。
As described above, the process of waiting until the melted
なお、本実施形態のタービンローターの製造方法では、電子銃１０を用いて嵌合部２１を溶接したが、これに限定されるものでない。すなわち、レーザー溶接装置を用いても構わない。
In the turbine rotor manufacturing method of the present embodiment, the
この場合、本実施形態にあるようなパルスビームを照射するために、レーザーシャッターを用いる、あるいは、レーザー発振器のＯＮとＯＦＦとを制御することが考えられる。しかし、このような場合には、高速であるとともに高精度であるレーザーを照射できない場合がある。つまり、パルスビームの照射タイミングがずれることで、溶融部が途切れる場合がある等、タービンローター２０の製造精度が低下する場合がある。
In this case, in order to irradiate the pulse beam as in the present embodiment, it is conceivable to use a laser shutter or to control ON / OFF of the laser oscillator. However, in such a case, there are cases where high-speed and high-precision laser irradiation cannot be performed. That is, the manufacturing accuracy of the
また、最後の回転で形成される熱影響部６９ａ・７０ａに対応する後熱部６９ｂ・７０ｂ（図５（ｃ）参照）を形成するときに、レーザー溶接装置より照射されるレーザー光を集光するレンズを制御（例えば、向きを変える等）する必要がある。このような動作は、非常に短い時間の間で正確に行う必要がある。しかし、このような動作を行う場合においても、高速であるとともに高精度であるレーザーの照射を行うことができない場合がある。つまり、最後の回転で形成される熱影響部６９ａ・７０ａの硬度が高いままの状態となり、ひいては、熱影響部６９ａ・７０ａにおいて置き割れが発生する可能性がある。
Further, when forming the
一方、電子銃１０を用いた場合には、電子を流すタイミングを変えるだけで、電子ビーム１２を照射するタイミングを変えることができる。つまり、高速であるとともに高精度である電子ビーム１２を照射できる。
また、電子銃１０を用いた場合には、出力を絞るだけで最後の回転で形成される熱影響部６９ａ・７０ａに対応する後熱部６９ｂ・７０ｂを形成できる。従って、電子銃１０を用いることにより、熱影響部６９ａ・７０ａにおいて置き割れが発生することを確実に防止できる。
On the other hand, when the
Further, when the
本実施形態の電子銃１０は、電磁コイル１１を用いて電子ビーム１２を照射したが、これに限定されるものでない。すなわち、電子銃１０は、電磁コイル１１を２セット（偏向コイルおよび収束コイル）用いて、電子ビーム１２を収束および偏向する構成としても構わない。この場合、収束コイルだけで照射する電子ビーム１２と比較して、電子ビーム１２の照射開始から高出力となるため、加工部位への電子ビーム１２のＯＮ／ＯＦＦの使い分けを容易にできる。つまり、より高い効果が得られる。
Although the
本実施形態のタービンローターの製造方法は、パルスビームを用いて溶接を行う適宜の部材に対して、広く適用可能である。特に、タービンローター２０のような高い精度が求められる部材に対して用いることにより、溶接後に精度を向上させる工程等を行うことなく低コストに製造できる。
The method of manufacturing a turbine rotor according to this embodiment can be widely applied to appropriate members that perform welding using a pulse beam. In particular, by using a member such as the
１ タービンローター製造装置
１０ 電子銃（溶接手段）
１２ 電子ビーム（パルスビーム）
２０ タービンローター
２１ 嵌合部
３０ タービンホイール
４０ タービンシャフト
５１ 溶融部
Ｐ タービンシャフトの軸心
DESCRIPTION OF
12 Electron beam (pulse beam)
20
Claims (3)
前記嵌合部を前記溶接手段に対して一回転させる中で、前記嵌合部の位相に対応するパルスビームを前記溶接手段より前記嵌合部に複数回照射して、前記タービンシャフトの周方向において等間隔に配置されるとともに、複数の溶融部を前記嵌合部に形成する溶融部形成工程と、
前記溶融部形成工程の後に、溶融部形成工程で形成される溶融部の幅と同じ幅、あるいは溶融部の幅よりも小さい幅だけ前記嵌合部を前記溶接手段に対して回転させる回転工程と、
を含み、
前記溶融部形成工程および回転工程は、
前記複数の溶融部が前記嵌合部の全周にわたって連続して形成されるまで繰り返され、
前記溶融部形成工程において形成される複数の溶融部のうち、隣接する溶融部が形成される時間差を、前記溶融部が形成されてから凝固を開始するまでの時間よりも短くする、
タービンローターの製造方法。 A turbine rotor and a turbine shaft are fitted to each other to form a fitting portion, and the fitting portion is welded using welding means.
While the fitting portion is rotated once with respect to the welding means, a pulse beam corresponding to the phase of the fitting portion is irradiated to the fitting portion a plurality of times from the welding means, and the circumferential direction of the turbine shaft And a melted part forming step in which a plurality of melted parts are formed in the fitting part.
A rotation step of rotating the fitting portion with respect to the welding means by the same width as the width of the melted portion formed in the melted portion forming step or a width smaller than the width of the melted portion after the melted portion forming step; ,
Including
The melting part forming step and the rotating step are:
Repeated until the plurality of melting portions are continuously formed over the entire circumference of the fitting portion ,
Among the plurality of melted parts formed in the melted part forming step, the time difference in which adjacent melted parts are formed is shorter than the time from when the melted part is formed until solidification is started,
A method for manufacturing a turbine rotor.
請求項１に記載のタービンローターの製造方法。 After the plurality of melting portions are continuously formed over the entire circumference of the fitting portion, a plurality of after-heating portions corresponding to the plurality of melting portions formed in the melting portion forming step performed last. Further comprising a post-heat part forming step of forming,
The method for manufacturing a turbine rotor according to claim 1.
前記嵌合部は、
前記タービンホイールにタービンシャフトを圧入することで形成し、
前記溶融部形成工程および回転工程は、
前記凝固収縮工程を行った後で、前記複数の溶融部が前記嵌合部の全周にわたって連続して形成されるまで繰り返される、
請求項１または請求項２に記載のタービンローターの製造方法。 Solidification that solidifies and shrinks the plurality of melted portions in a state where the melted portion forming step is performed at least once and a non-melted portion that is a portion where the plurality of melted portions are not formed remains in the fitting portion. A shrinking step,
The fitting portion is
Formed by press-fitting a turbine shaft into the turbine wheel,
The melting part forming step and the rotating step are:
After performing the solidification shrinkage step, repeated until the plurality of melting portions are continuously formed over the entire circumference of the fitting portion,
The method for manufacturing a turbine rotor according to claim 1 or 2.
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