JP5578839B2 - タービンロータ及びタービンロータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、タービンホイールと、棒状に形成されたシャフトとを電子ビーム溶接により接合して形成されるタービンロータ及びタービンロータの製造方法に関するものである。

例えば乗用車用、大型船舶用、発電機用などに用いられるターボチャージャのタービンロータは、タービンホイールとシャフトを電子ビーム溶接（ＥＢＷ）により接合して形成されたものが多く用いられている。

図７は、従来のタービンロータにおけるタービンホイールとシャフトの溶接部周辺の構成図である。図７において１０２はタービンホイール、１０４はシャフトを表している。
図７を用いて、従来のタービンロータ１０１におけるタービンホイール１０２とシャフト１０４の電子ビーム溶接の手順について説明する。

図７に示すように、従来のタービンロータ１０１におけるタービンホイール１０２とシャフト１０４の電子ビーム溶接においては、まず、タービンホイール１０２に設けた嵌合穴１０６に、シャフト１０４の先端に設けた突起部１０８を嵌め込む。次いで、タービンホイール１０２及びシャフト１０４の全体を治具（不図示）などを利用して垂直に保持し、外側から電子ビームを使用して電子ビーム溶接を行っている。なお、１１２は電子ビーム溶接により生ずる溶接部である。また、溶接部１１２の深さは、タービンホイール１０２の嵌合穴１０６（シャフト１０４の突起部１０８）まで達し、その深さをａ’で表している。また、溶接径をｂ’で表している。

図６は、従来のタービンロータ１０１におけるタービンホイール１０２とシャフト１０４の電子ビーム溶接後の処理を説明する説明図であって、図６（Ａ）は溶接時、図６（Ｂ）は溶接後、図６（Ｃ）は機械加工後を示している。

図６（Ａ）に示したように、図７を用いて説明した手順で、タービンホイール１０２とシャフト１０４を電子ビーム溶接時においては、タービンホイール１０２とシャフト１０４とは前記治具などを使用することにより垂直に保たれている。しかし、電子ビーム溶接後に、図６（Ｂ）に示したように、シャフト１０４が溶接金属の凝固収縮に伴う溶接変形によって倒れる現象がおこることがある。シャフト１０４が倒れると、タービンロータは回転体としての機能を損なう。そのため、溶接後に旋削加工などの機械加工によりシャフト１０４を図６（Ｃ）に示したような垂直な状態に修正することが行われている。即ち、シャフト１０４を倒れ代を設けた必要以上に太いものとし、電子ビーム溶接後にシャフト１０４を機械加工により削って修正することが行われている。

また、タービンホイールにはインコネル７１３ＣなどのＮｉ基鋳造用耐熱合金などを材料として使用することが多い。Ｎｉ基鋳造用耐熱合金製タービンホイールとシャフトとの電子ビーム溶接は、溶接時に高温割れなどの溶接欠陥が発生しやすいため、電子ビーム溶接時にタービンホイール１０２とシャフト１０４との拘束を緩め、シャフト１０４が倒れる状態で電子ビーム溶接を行うことで高温割れを防止することが行われている。そのため、特にタービンホイールの材料としてインコネル７１３ＣなどのＮｉ基鋳造用耐熱合金を使用する場合には前記機械加工による修正が必要不可欠なものとなっている。

図７を用いて説明したタービンホイールとシャフトの電子ビーム溶接方法は例えば特許文献１に開示されており、さらに前記溶接変形を抑制するために接合部分を周方向に等角度隔てた複数点で同時に電子ビーム溶接する技術が同じく特許文献１に開示されている。

特開２００１−２５４６２７号号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術においては、前記溶接変形を抑制するためには、複数点で同時に電子ビーム溶接を行う必要がある。しかし、電子ビーム溶接を行うために必要な電子ビーム装置は高額である。そのため、特許文献１に開示された技術を実施するためには高額な電子ビーム装置を複数用意する必要があり、実施に際して高額のコストを要するという問題点がある。

従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、電子ビーム装置を１台使用することでシャフトとタービンホイールの電子ビーム溶接が可能であり、しかも従来の電子ビーム溶接によって生じていたシャフトの溶接変形を低減することが可能なタービンロータ及びタービンロータの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するタービンロータの製造方法の発明として、タービンホイールと、棒状に形成されたシャフトとを電子ビーム溶接により接合するタービンロータの製造方法において、前記タービンホイールの端部には、前記シャフトとの接合部の中心部分に設けられ嵌合穴と、該嵌合穴の外周側に形成された平面部とを有し、前記シャフトの端部には、前記タービンホイールとの接合部の中心部分に前記嵌合穴に嵌合可能な突起部と、該突起部の外周側に、シャフト中心側から径方向外側に順に設けられた平面部及び溝部及び該溝部の周辺の平面状部分を有した、タービンホイール及びシャフトを準備し、タービンホイールに設けた前記嵌合穴に、シャフトの先端に設けた前記突起部を嵌め込むステップと、前記嵌合穴に前記突起部を嵌め込むときに、タービンホイールの前記平面部とシャフトの前記平面部とを対面して接触させて、溶接時のタービンホイールの倒れを抑制する面当て部を形成するステップと、前記面当て部を形成した状態でタービンホイール及びシャフトの全体を垂直に保持するステップと、外側から１台の電子ビーム装置によって、前記タービンホイールとシャフトの外周側から前記溝部が存在する深さまで電子ビーム溶接を行って、周方向に前記溝部まで溶接部を形成するステップと、を備えたことを特徴とする。

前記面当て部を形成することにより、電子ビーム溶接中におけるタービンホイールとシャフトとの位置関係が安定するため電子ビーム装置が１つであっても電子ビーム溶接が可能であり、しかも溶接金属の凝固収縮に伴う溶接変形を抑制することができる。

また、溝部を設けることにより、溶接部の深さを均一にすることができるとともに、溶接部の先端に応力が集中することを防止することができる。さらに、タービンホイールやシャフトの材料中にガスが含まれていても、溝部がガス抜き穴となるため、タービンホイールやシャフトの材料中にガスが含まれている場合であっても、該ガスが溶接部へ混入し、溶接部にブローホールが生じることを防止できる。

さらに、溶接部の深さが、従来よりも小さくなるように溝部の位置を決めておき、溶接部の深さを小さくすることで、入熱量が小さくなり、溶接時における高温割れなどの溶接欠陥を抑制することができる。

さらに、タービンホイールとシャフトの溶接後における溶接径を大きくすることで、曲げに対する断面係数Ｚが大きくなり、前記曲げモーメントに対する耐性を確保することができる。

また、前記シャフトは快削鋼によって形成され、前記タービンホイールは鋳造加工された材料によって形成されていることを特徴とする。
前記溝部の存在により、一般的に用いられるシャフト、タービンホイールの材料であっても、溶接部におけるブローホールの発生を防止することができる。

また、上記課題を解決するタービンロータの発明として、前記製造方法によって製造されるタービンロータは、乗用車用、大型船舶用又は発電機用に用いられるターボチャージャ用のタービンロータであることを特徴とする。

また、前記シャフトは快削鋼によって形成され、前記タービンホイールは鋳造加工された材料によって形成されていることを特徴とする。

また、前記溝部は断面矩形状の形状であるとよい。
溝部を断面矩形状とすることで、シャフトに溝部を設ける加工が簡単であるとともに、前記溶接部の深さを確実に規定することができ、溶接部の先端への応力集中を確実に防止することができる。

以上記載のごとく本発明によれば、電子ビーム装置を１台使用することでシャフトとタービンホイールの電子ビーム溶接が可能であり、しかも従来の電子ビーム溶接によって生じていたシャフトの溶接変形を低減することが可能なタービンロータ及びタービンロータの製造方法を提供することができる。

実施例のタービンロータの概略構成図である。 実施例のタービンロータにおけるタービンホイールとシャフトの溶接部周辺の概略断面図であって、図１におけるＡ部拡大図に相当する。 タービンホイールの倒れ量測定試験の概要を表す図である。 本発明の電子ビーム溶接方法を用いて作成したタービンロータにおける電子ビーム溶接後の倒れ量計測結果を示したものである。 従来の電子ビーム溶接方法を用いて作成したタービンロータにおける電子ビーム溶接後の倒れ量計測結果を示したものである。 従来のタービンロータにおけるタービンホイールとシャフトの電子ビーム溶接後の処理を説明する説明図であって、図６（Ａ）は溶接時、図６（Ｂ）は溶接後、図６（Ｃ）は機械加工後を示している。 従来のタービンロータにおけるタービンホイールとシャフトの溶接部周辺の構成図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。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、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は、本実施例のタービンロータの概略構成図である。タービンロータ１は、タービンホイール２とシャフト４が電子ビーム溶接により接合されて構成されている。本実施例において、タービンホイール２は、Ｎｉ鋳造用耐熱合金であるインコネル７１３Ｃを材料として形成され、シャフト４は快削鋼である米国鉄鋼協会（ＡＩＳＩ）で規格されるＣ１１４４を材料として形成されている。
図２は、本実施例のタービンロータにおけるタービンホイール２とシャフト４の溶接部周辺の概略断面図であって、図１におけるＡ部拡大図に相当する。

まず、図２を用いて、本実施例のタービンロータにおけるタービンホイール１０２及びシャフト１０４の接合部周辺の形態について説明する。
タービンホイール２は、シャフト４との接合部の中心付近に嵌合穴６が設けられており、その周囲には平面部７が形成されている。
また、シャフト４は、タービンホイール２との接合部の中心付近に嵌合穴６に嵌合可能な突起部８が設けられており、その周囲にはシャフト４の中心側から順に平面部９、断面矩形状の溝部１０が形成されている。さらに、溝部１０の周辺は平面状に形成されている。また、上記のタービンホイール２とシャフト４の接合部周辺の各部は、タービンホイール２とシャフト４とが図６に示した従来例と同等のものである場合、タービンホイール２とシャフト４の溶接後における溶接径ｂが、図６に示した溶接径ｂ’よりも大きくなるように形成する。

次に、図２を用いて、本実施例のタービンロータ１におけるタービンホイール２とシャフト４の電子ビーム溶接の手順について説明する。

図２に示すように、本実施例のタービンロータ１におけるタービンホイール２とシャフト４の電子ビーム溶接においては、まず、タービンホイール２に設けた嵌合穴６に、シャフト４の先端に設けた突起部８を嵌め込む。このとき、タービンホイール２の平面部７とシャフト４の平面部９とを対面して接触させ、面当て部１４を形成する。

次いで、タービンホイール２及びシャフト４の全体を治具などを利用して垂直に保持し、外側から電子ビームを使用して電子ビーム溶接を行う。このとき、電子ビーム装置は１つだけ用いる。なお、１２は電子ビーム溶接により生ずる溶接部である。溶接部１２の深さは、シャフト４に設けた溝部１０の位置によって規制され、図２に示したａとなる。なお、溶接部１２の深さａが、タービンホイール２とシャフト４とが図６に示した従来例と同等のものである場合、図６に示した溶接深さａ’よりも小さくなるように溝部１０の位置を決めておくとよい。

以上の手順により、タービンホイール２とシャフト４の接合部は、嵌合穴６と突起部８の嵌合部の周囲に、シャフト４の中心側から順に面当て部１４、溝部１０、溶接部１２が形成される。
面当て部１４を設けることにより、電子ビーム溶接中におけるタービンホイール２とシャフト４との位置関係が安定するため電子ビーム装置が１つであっても電子ビーム溶接が可能であり、しかも溶接金属の凝固収縮に伴う溶接変形を抑制することができる。
また、溝部１０を設けることにより、溶接部１２の深さａを均一にすることができるとともに、溶接部１２の先端に応力が集中することを防止することができる。さらに、溝部１０を断面矩形状としているため、シャフト４に溝部１０を設ける加工が簡単であるとともに、前記溶接部１２の深さを確実に規定することができ、溶接部１２の先端への応力集中を確実に防止することができる。

また、タービンホイール２やシャフト４の材料（インコネル７１３Ｃ、Ｃ１１４４）は電子ビーム溶接中にガスが発生することがある。溝部１０は、該ガスのガス抜き穴となるため、タービンホイール２やシャフト４の材料中からガスが発生する場合であっても、該ガスが原因により溶接部１２へのガスの混入を防止し、溶接部１２にブローホールが生じることを防止できる。

さらに、タービンホイール２とシャフト４とが図６に示した従来例と同等のものである場合、溶接部１２の深さａが図６に示した溶接深さａ’よりも小さくなるように溝部１０の位置を決めておくなど、溶接部１２の深さａを小さくすることで、入熱量が小さくなり、溶接時における高温割れなどの溶接欠陥を抑制することができる。

また、完成したタービンロータ１を用いたターボチャージャの使用時においては、タービンロータ１の溶接部分には曲げモーメントがかかることが予想される。そのため、タービンホイール２とシャフト４とが図６に示した従来例と同等のものである場合、タービンホイール２とシャフト４の溶接後における溶接径ｂが、図６に示した溶接径ｂ’よりも大きくなるように形成するなど、溶接径ｂを大きくすることで、曲げに対する断面係数Ｚが大きくなり、前記曲げモーメントに対する耐性を確保することができる。

図２を用いて説明した本発明の電子ビーム溶接方法により作成されたタービンロータ１と、図７を用いて説明した従来の電子ビーム溶接方法により作成されたタービンロータ１０１を用いて、本発明の効果の確認を行うため、タービンホイールの倒れ量測定試験を行った。

図３は、タービンホイールの倒れ量測定試験の概要を表す図である。図３に示したように、電子ビーム溶接後の、シャフト４（１０４）上の基準Ａから見たタービンホイール２（１０２）の倒れ量Ｄを測定した。
倒れ量Ｄの測定試験は、図２を用いて説明した本発明の電子ビーム溶接方法により作成されたタービンロータ１と、図７を用いて説明した従来の電子ビーム溶接方法により作成されたタービンロータ１０１と、それぞれについて４８サンプルについて行った。

図４は、本発明の電子ビーム溶接方法を用いて作成したタービンロータ１における電子ビーム溶接後の倒れ量計測結果を示したものである。
図４において、縦軸は標本数、横軸は倒れ度を表している。ここで、倒れ度とは、図３に示した倒れ量Ｄの大きさを意味する。また、図４に示した倒れ度の基準値はシャフトの機械加工を行わなくともタービンロータ１が回転体としての機能を損なわない上限値を意味する。即ち倒れ度が基準値以下であれば、タービンホイール２とシャフト４の電子ビーム溶接後の機械加工は必要ない。

図４に示したように、本発明の電子ビーム溶接方法を用いて作成したタービンロータ１においては、４８サンプル中４３サンプルで倒れ度が基準値以下であり、９０％のサンプルで機械加工が不要であった。

図５は、従来の電子ビーム溶接方法を用いて作成したタービンロータ１０１における電子ビーム溶接後の倒れ量計測結果を示したものである。
図５において、縦軸は標本数、横軸は倒れ度を表している。

図５に示したように、従来の電子ビーム溶接方法を用いて作成したタービンロータ１０１においては、４８サンプル中倒れ度が基準値であるのは２サンプルであり、機械加工が不要なサンプルは４％であった。

つまり、従来においてはタービンホイールとシャフトの電子ビーム溶接後に機械加工が不要なタービンロータは全体の４％であったのに対し、本発明により９０％のタービンロータで機械加工が不要となり、シャフトの溶接変形を大幅に低減することができた。

電子ビーム装置を１台使用することでシャフトとタービンホイールの電子ビーム溶接が可能であり、しかも従来の電子ビーム溶接によって生じていたシャフトの溶接変形を低減することが可能なタービンロータ及びタービンロータの製造方法として利用することができる。

１ タービンロータ
２ タービンホイール
４ シャフト
７ タービンホイールの平面部
９ シャフトの平面部
１０ 溝部
１２ 溶接部
１４ 面当て部

Claims (3)

1. タービンホイールと、棒状に形成されたシャフトとを電子ビーム溶接により接合するタービンロータの製造方法において、
   前記タービンホイールの端部には、前記シャフトとの接合部の中心部分に設けられ嵌合穴と、該嵌合穴の外周側に形成された平面部とを有し、前記シャフトの端部には、前記タービンホイールとの接合部の中心部分に前記嵌合穴に嵌合可能な突起部と、該突起部の外周側に、シャフト中心側から径方向外側に順に設けられた平面部及び溝部及び該溝部の周辺の平面状部分を有した、タービンホイール及びシャフトを準備し、
   タービンホイールに設けた前記嵌合穴に、シャフトの先端に設けた前記突起部を嵌め込むステップと、
   前記嵌合穴に前記突起部を嵌め込むときに、タービンホイールの前記平面部とシャフトの前記平面部とを対面して接触させて、溶接時のタービンホイールの倒れを抑制する面当て部を形成するステップと、
   前記面当て部を形成した状態でタービンホイール及びシャフトの全体を垂直に保持するステップと、
   外側から１台の電子ビーム装置によって、前記タービンホイールとシャフトの外周側から前記溝部が存在する深さまで電子ビーム溶接を行って、周方向に前記溝部まで溶接部を形成するステップと、
   を備えたことを特徴とするタービンロータの製造方法。
2. 前記シャフトは快削鋼によって形成され、前記タービンホイールは鋳造加工された材料によって形成されていることを特徴とする請求項１記載のタービンロータの製造方法。
3. 前記請求項１または２に記載の製造方法によって製造されるタービンロータは、乗用車用、大型船舶用又は発電機用に用いられるターボチャージャ用のタービンロータであることを特徴とするタービンロータ。

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