JP5813381B2 - レーザピーニング方法 - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービン翼とディスクの取付部のピン孔内等のレーザピーニングに使用されるレーザピーニング方法に関する。

図１は、フォーク型翼植込み部と呼ばれる低圧タービンの動翼５１とディスク５２の結合構造を模式的に示す図である。動翼５１の下部に位置する翼植込み部は、軸方向に配分された複数の翼フォーク１１を有し、これらの翼フォーク１１は、ディスク５２側に配分されたディスクフォーク１２と交互に係合され、半径方向位置の異なる複数のピン３５を軸方向に貫通させることにより結合されている。

動翼５１の組み立て時には、動翼５１をディスク５２の所定の位置に植え込んだ後に、予め所定の孔径より小さく開けておいた下孔に対して、リーマ工具を用いて正規の孔径となるように精密に加工を行う。その後、孔加工時に生じた切り屑を取り除いた後にピン３５を挿入する。

動翼５１とディスク５２の結合部には、動翼５１の回転に伴って大きな遠心力が作用し、かつ蒸気が隙間より結合部に入り込むことにより蒸気中に含まれるＮａやＣｌなどの腐食生成物が蓄積されるため、結合部は強度的に非常に厳しい環境にある。

ピン３５については、図２（ａ）に示すように翼フォーク１１から、動翼長手方向に翼フォーク１１から図中矢印１６で示す方向の力を受け、またディスクフォーク１２では、矢印１６とは反対方向にディスクフォーク１２から図中矢印１７で示す方向の力を受ける。その結果、翼フォーク１１及びディスクフォーク１２内の軸方向中央部に位置する付近で高い引張の曲げ応力が発生する。例えば、図３（ｂ），（ｃ）に示すように、翼フォーク１１のピン孔１３には、応力負荷領域１４、ディスクフォーク１２のピン孔１３には応力負荷領域１５がそれぞれ形成されることになる。

このような曲げ応力に対して十分な強度を有するために、ピン材料としては１１７６Ｎ／ｍｍ^２以上の引張強さを有した高強度鋼が採用されている。また、動翼とディスクの材料についても同様で、運転時の遠心力に耐えられるように５００Ｎ／ｍｍ^２を超えるような引張強さを有する材料が用いられている。

しかし、引張強さの高い材料は応力腐食割れに対する感受性が高いため、運転から１０年近く経過したプラントにおいてはピンの最大引張曲げ応力が作用する点を起点として応力腐食割れが発見されることがあった。一般に、応力腐食割れは、感受性が高い材料が腐食環境下で高い引張応力が作用する環境に長時間さらされることにより生じる。

応力腐食割れの発生を抑制するために、ピンについては表面にショットピーニングを施して圧縮残留応力を付与する方法が用いられている。動翼とディスクのピン孔内面については、多くの場合、リーマ加工により引張応力が残ったままでピンをピン孔に挿入して運転に供されることに加えて、運転時の遠心力によって高い引張応力が負荷されるため、応力腐食割れが発生する可能性が高くなる。

また、タービン内の蒸気流の乱れによって発生するランダム振動による応力や、タービンに給水加熱器内の蒸気が急速に逆流して起こるフラッシュバック現象による振動応力などによって、翼結合部、特に図３に示すような翼フォーク１１のピン孔１３近傍に形成された応力負荷領域１４において高サイクル疲労による疲労破壊が発生する可能性もある。

動翼の組立工程は、動翼をディスクに組み合わせた後、ピン孔の径をそろえるためにリーマ加工により０．５〜１．０ｍｍ程度削ってからピンを挿入して固定する方法が用いられている。そのため、ピン孔内面の応力改善処理については、動翼とディスクとを組み合わせてリーマ加工を施した後で施工する必要がある。

近年蒸気タービンの効率を向上させるために、低圧最終段においては排気損失を低減させることを目的として翼長の長いタービン翼が採用される傾向にある。しかしながら、翼長の増大に伴って動翼に作用する遠心力が増大するため、応力集中が高い動翼とディスクの結合部においては、起動停止に伴う低サイクル疲労、高い平均応力と腐食環境下での高サイクル疲労に対して十分な強度を有した構造でなければならない。

ピン孔内部の応力を改善する方法としては、ピン孔内部にレーザピーニングを行う方法がある。この方法によれば、ピン孔内面にパルスレーザを照射して施工範囲を圧縮残留応力にすることで、ピン孔部の残留応力の改善と疲労強度の向上を行うことができる（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１０−４３５９５号公報

しかしながら、従来のレーザピーニング方法では、ピン孔内部を応力改善するために多くの時間を要し、また、施工するごとに数ミクロンずつピン孔が大きくなっていくため、同一箇所を複数回施工することでピン孔が大きくなり、挿入するピンとの公差が大きくなり、そのままでは使えなくなる可能性がある。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたものであり、従来に比べて短時間で効率的に残留応力の改善と疲労強度の向上を行うことのできるレーザピーニング方法を提供することを目的とする。

本発明のレーザピーニング方法の一態様は、被施工対象物の表面に液体を通してパルス状のレーザビームを、走査方向（ｘ方向）に移動させながら一定の走査間隔毎に照射し、一定の走査長さを走査した後、前記走査方向（ｘ方向）と直交するピッチ方向（ｙ方向）に一定のピッチ移動させ、前記走査方向（ｘ方向）に移動させながら一定の走査間隔毎に前記レーザビームを照射する工程を繰り返して、前記被施工対象物の表面に圧縮残留応力を付与するレーザピーニング方法であって、 前記被施工対象物の部位にかかる負荷の方向及び大きさに応じて、前記走査方向（ｘ方向）と前記ピッチ方向（ｙ方向）及びこれらの方向における夫々の単位面積当たりの照射密度を変更し、前記被施工対象物の表面の処理領域を、被施工対象物の部位にかかる負荷に応じて複数の処理領域に分割し、複数の前記処理領域毎に単位面積当たりの照射密度を変更し、かつ、複数の前記処理領域の中で、負荷応力が最も高くなる第１処理領域の中で最も負荷応力が高い領域を中心に単位面積当たりの照射密度を傾斜的に変化させることを特徴とする。

本発明によれば、従来に比べて短時間で効率的に残留応力の改善と疲労強度の向上を行うことができる。

タービン翼がディスクに対してピンで固定されていることを説明するための図。 タービン翼とディスクのピン孔にかかる力を説明するための図。 タービン翼とディスクのピン孔にかかる負荷領域の一例を説明するための図。 タービン翼とディスクのピン孔内を分割した領域の一例を説明するための図。 レーザピーニングの施工方法の一例を説明するための図。 レーザピーニングよる深さ方向の応力測定結果を示すグラフ。 施工方向による照射密度比率と表面残留応力との関係の測定結果を示すグラフ。 レーザピーニング装置の構成の一例を示す図。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、フォーク型翼植込み部と呼ばれる低圧タービンの動翼５１とディスク５２の結合構造を模式的に示す図である。動翼５１の下部に位置する翼植込み部は、軸方向に配分された複数の翼フォーク１１を有し、これらの翼フォーク１１は、ディスク５２側に配分されたディスクフォーク１２と交互に係合され、半径方向位置の異なる複数のピン３５を軸方向に貫通させることにより結合されている。

ディスク５２に固定された動翼５１の翼フォーク１１の部分は、運転時の回転による遠心力で力を受ける。図２（ａ）に示すように、ピン３５については、動翼長手方向に翼フォーク１１から図中矢印１６で示す方向の力を受け、またディスクフォーク１２では、矢印１６とは反対方向に、ディスクフォーク１２から図中矢印１７で示す方向の力を受ける。

このため、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、翼フォーク１１のピン孔１３内には、応力負荷領域１４、ディスクフォーク１２のピン孔１３内には応力負荷領域１５がそれぞれ形成されることになる。これらの応力負荷領域１４，１５の部位において応力が高くなり、場合によっては、き裂が発生する可能性があるため、ピン孔１３内にレーザピーニングを施す。

ピン孔１３内にレーザピーニングを施す装置としては、例えば図８に示すレーザピーニング装置１００を使用することができる。レーザピーニング装置１００は、レーザ発振器１０１と、レーザ光調整手段１０２と、レーザ光伝送手段１０３と、レーザ光集光手段１０４と、射出口１０６と、レーザ光出射手段１０７と、軸方向移動手段１０８と、回転手段１０９と、送液手段１１０と、筺体１１１とを具備している。

レーザ発振器１０１から照射されたレーザ光１０５は、レーザ光調整手段１０２で調整された後、光ファイバ等からなるレーザ光伝送手段１０３により加工点近傍まで伝送される。レーザ光伝送手段１０３の先端のレーザ光出射手段１０７から照射されたレーザ光１０５は、レーザ光集光手段１０４により集光され、射出口１０６からピン孔１３内に照射される。レーザ光集光手段１０４としては、非球面ミラーを用いれば反射させつつ集光することが可能となるが、集光レンズと平面ミラーの組み合わせ等を用いることも可能である。レーザ光集光手段１０４は、筐体１１１内に固定されており、この筺体１１１とともに、レーザ光集光手段１０４を、軸方向移動手段１０８と回転手段１０９を用いて移動させつつレーザ光１０５を照射し、同時に送液手段１１０から水などの液体を噴出させながら加工することでレーザピーニングを行う。

レーザピーニングの施工は、図５に示すようにパルス状のレーザビーム６１をレーザビーム駆動軌跡６２に示すようなパターンで移動させ、施工範囲６３に必要な照射密度が得られるようにレーザビーム６１を照射することで達成される。すなわち、パルス状のレーザビーム６１を、走査方向（ｘ方向）に移動させながら一定の走査間隔毎に照射し、一定の走査長さを走査した後、走査方向（ｘ方向）と直交するピッチ方向（ｙ方向）に一定のピッチ移動させ、走査方向（ｘ方向）に移動させながら一定の走査間隔毎にレーザビーム６１を照射する工程を繰り返して、ピン孔１３の内側面に圧縮残留応力を付与する。なお、図５に示すｘ方向は、ピン孔１３の軸方向であり、ｙ方向はピン孔１３の周方向である。したがって、走査方向（ｘ方向）の移動は直線状に行われ、ピッチ方向（ｙ方向）の移動は回転によって行われる。

上記のようにしてレーザピーニングを行った場合、表１に示すように、レーザビーム６１のエネルギーが同じでも、単位面積当たりの照射密度を高くすることで、形成される圧縮残留応力の値は高くなる。なお、表１の値は、レーザピーニング施工した１２Ｃｒ鋼について、ｘ方向の表面残留応力σx及びｙ方向の表面残留応力σｙを測定した結果を示している。

また、走査方向（ｘ方向）の圧縮残留応力に比べて、ピッチ方向（ｙ方向）の圧縮残留応力が高くなる。したがって、単位面積当たりの照射密度が同じ条件でも、図５に示すレーザビーム駆動軌跡６２の走査方向（ｘ方向）とピッチ方向（ｙ方向）の照射密度の比率を変えることで、レーザピーニングにより形成される表面の圧縮残留応力を変えることが可能である。

図７は、縦軸を残留応力、横軸を照射密度比率（ｘ／ｙ）として、残留応力と照射密度比率との関係を調べた結果を示している。なお、パルスエネルギー７０ｍＪ、照射密度４５パルス／ｍｍ^２の条件でレーザピーニング施工した１２Ｃｒ鋼の表面応力を測定した結果を示している。

図５に示す走査方向（ｘ方向）とピッチ方向（ｙ方向）の照射密度比率を変えてレーザピーニングを行った場合、走査方向（ｘ方向）の照射密度を増やしてピッチ方向（ｙ方向）の照射密度を減らすことで、ｙ方向の表面残留応力σｙは徐々に減少し、逆にｘ方向の表面残留応力σxは徐々に増加する。また、絶対値はｙ方向の表面残留応力σｙの方がｘ方向の表面残留応力σxより大きい。したがって、負荷が大きく圧縮残留応力を大きくしたい方向をピッチ方向（ｙ方向）とすることが好ましい。これによって、より少ない照射密度で必要な圧縮残留応力を得ることができ、効率良く施工することができる。

ピン孔１３内面にレーザピーニングを行うにあたり、さらに効率良く施工を行うためには、ピン孔１３内面の部位にかかる負荷に応じて複数の処理領域に分割し、これらの処理領域毎に処理条件を変更することが好ましい。例えば、図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、ピン孔内部を、３つの処理領域に分け、それぞれの処理領域について施工条件を変えてレーザピーニングを行う。本実施形態では、最も応力の高くなる翼フォーク１１の第１処理領域２１とディスクフォーク１２の第１処理領域２４については応力改善効果の高くなるような条件、例えば表１に示した条件１でレーザピーニング施工を行う。

次に、負荷応力の高くなる翼フォーク１１の第２処理領域２２及びディスクフォーク１２の第２処理領域２５については、応力改善効果はあるものの第１処理領域よりも簡便な条件で施工する。例えば、表１に示した条件２で施工すれば、条件１で実施した場合に比べて約１／２の処理時間で施工できる。

さらに、翼フォーク１１の第３領域２３とディスクフォーク１２の第３領域２６については、運転時も負荷応力があまりかからないため、例えば表１に示した工条件３を選定すれば、条件１で実施した場合に比べて約１／４の時間で施工できる。あるいは負荷応力によっては施工しないという選択も可能となる。

また、より負荷応力の高い方向をピッチ方向（ｙ方向）とすることにより、必要な圧縮残留応力を得るために必要とされる照射密度を低くすることができる。

本実施形態のように、各部位の負荷に応じて、必要とされる条件で施工する手法を採用すれば、最も負荷応力が高くなる範囲については理想的な圧縮応力場が形成されるため、動翼５１とディスク５２の構造物としての強度は向上すると共に、実際にレーザピーニングを施工する際に必要とされる時間を短縮することができる。

また、レーザピーニングを施工すると、表層の数ミクロンがアブレーションによりプラズマ化することでピン孔１３の孔径が大きくなるため、全面施工すると徐々に孔径が大きくなり、繰り返し施工する回数が増えるとピン孔１３とピン３５のクリアランスが大きくなって、がたつきが発生する可能性がある。この場合、必要な部位だけに限定してレーザピーニング施工することにより、レーザピーニング施工しなかった部位については肉厚の変化がなく初期状態が保たれるようになるため、仮にピーニングの施工回数が増えたとしてもピン孔１３とピン３５のクリアランスの増大を抑制することができる。

また、例えば、翼フォーク１１の第１処理領域にレーザピーニングを行う際、その中でも最も応力の高くなる領域の単位あたりの照射密度が高くなるように施工し、その部位を中心に照射密度を傾斜させてレーザピーニングを行ってもよい。

例えば、図３（ｂ）に示す翼フォーク１１の応力負荷領域１４は、図３（ｄ）に示すように、応力負荷が最も高い部位は中心付近で４００ＭＰａ(図３（ｄ）の領域２７)であり、そこから周囲に向かうに従って徐々に応力は小さくなるような分布となっている(例えば図３（ｄ）の領域２８（応力負荷３００ＭＰａ）、領域２９（応力負荷２００ＭＰａ）、領域３０（応力負荷１００ＭＰａ）)。ここで、中心付近の応力負荷が４００ＭＰａの領域については表１の条件１で施工すれば、表面には−６００ＭＰａの圧縮応力が付与されるため、運転時に４００ＭＰａの応力負荷がかかったとしても圧縮応力が保たれた状態となり、疲労き裂が入ることはなくなる。

中心から離れていくと負荷される応力の値は小さくなっていくことから、レーザピーニング条件についても照射密度が少ない条件で十分となり、このような条件で施工することにより、施工時間の短縮を図ることができる。また、翼フォーク１１だけでなく、ディスクフォーク１２についても同様の処理が可能である。

なお、本実施例では表面応力に着目して説明を行ったが、深さ方向の圧縮残留応力についても同様の処理が可能となる。例えば、縦軸を残留応力、横軸を表面からの距離とした図６（ａ），（ｂ）に示すように、同じ施工条件でも施工方向の違いにより形成される深さ方向の応力状態は変化する。例えば、例えば図６（ａ）は、ｘ方向の残留応力σxの測定結果であり、実線４１は照射密度が２７パルス／ｍｍ^２の場合、点線４２は照射密度が１００パルス／ｍｍ^２の場合である。図６（ｂ）は、ｙ方向の残留応力σｙの測定結果であり、実線４３は照射密度が２７パルス／ｍｍ^２の場合、点線４４は照射密度が１００パルス／ｍｍ^２の場合である。なお、パルスエネルギーは７０ｍＪ、試料は１２Ｃｒ鋼である。このような深さ方向の圧縮残留応力の発生状態を加味して施工条件を選定すれば表面応力だけでなく深さ方向の応力状態も部位に応じてレーザピーニング条件を変えることでコントロールすることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１……翼フォーク、１２……ディスクフォーク、１３……ピン孔、１４……応力負荷領域、１５……応力負荷領域、２１……第１処理領域、２２……第２処理領域、２３……第３処理領域、２４……第１処理領域、２５……第２処理領域、２６……第３処理領域、３５……ピン。

Claims (3)

1. 被施工対象物の表面に液体を通してパルス状のレーザビームを、走査方向（ｘ方向）に移動させながら一定の走査間隔毎に照射し、一定の走査長さを走査した後、前記走査方向（ｘ方向）と直交するピッチ方向（ｙ方向）に一定のピッチ移動させ、前記走査方向（ｘ方向）に移動させながら一定の走査間隔毎に前記レーザビームを照射する工程を繰り返して、前記被施工対象物の表面に圧縮残留応力を付与するレーザピーニング方法であって、
   前記被施工対象物の部位にかかる負荷の方向及び大きさに応じて、前記走査方向（ｘ方向）と前記ピッチ方向（ｙ方向）及びこれらの方向における夫々の単位面積当たりの照射密度を変更し、
   前記被施工対象物の表面の処理領域を、被施工対象物の部位にかかる負荷に応じて複数の処理領域に分割し、複数の前記処理領域毎に単位面積当たりの照射密度を変更し、かつ、
   複数の前記処理領域の中で、負荷応力が最も高くなる第１処理領域の中で最も負荷応力が高い領域を中心に単位面積当たりの照射密度を傾斜的に変化させる
   ことを特徴とするレーザピーニング方法。
2. 請求項１記載のレーザピーニング方法であって、
   前記被施工対象物は、
   タービン動翼の植込み部に軸方向に複数並んだフォークと、
   ディスク側の軸方向に複数並んだフォークとを互いに係合させ、
   半径方向位置の異なる軸方向に沿って形成された複数のピン孔に、ピンを挿入して結合する前記タービン動翼であり、
   前記ピン孔の軸方向を前記走査方向（ｘ方向）とし、前記ピン孔の周方向を前記ピッチ方向（ｙ方向）として前記レーザビームを前記ピン孔の内側面に照射する
   ことを特徴とするレーザピーニング方法。
3. 請求項１記載のレーザピーニング方法であって、
   前記被施工対象物は、
   タービン動翼の植込み部に軸方向に複数並んだフォークと、
   ディスク側の軸方向に複数並んだフォークとを互いに係合させ、
   半径方向位置の異なる軸方向に沿って形成された複数のピン孔に、ピンを挿入して結合する前記ディスクであり、
   前記ピン孔の軸方向を前記走査方向（ｘ方向）とし、前記ピン孔の周方向を前記ピッチ方向（ｙ方向）として前記レーザビームを前記ピン孔の内側面に照射する
   ことを特徴とするレーザピーニング方法。

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