JP5835904B2 - 横向溶接法及びそのための接合構造 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、総括的には溶接方法に関し、より具体的には、横向姿勢に溶接する方法及びそのような方法に適した接合部（継手）構造に関する。

蒸気タービンロータなどの装置の製作には、部材のガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）を必要とすることが多い。ＧＴＡＷは、高性能機械で所望されることの多い異なるベース材料（基材）を有する部品を接合する能力を含む機械的特性の向上を可能にする。溶融池に導入する前に金属フィラーをその融点に近い温度に予加熱する「熱線」ＧＴＡＷは、「冷線」ＧＴＡＷよりも一般的に高速かつ効率的であるので多くの場合に好ましく、このことは、金属フィラーを溶融する電気アークによる加熱に全面的に依存している。

公知のＧＴＡＷ方法、特に熱線ＧＴＡＷ方法の欠点は、それらが下向き姿勢の溶接に限定されることである。つまり、そのような方法は、下向きに溶接接合部に面した電極を用いて溶接することを必要とする。従って、蒸気タービンロータなどの装置の製作においてＧＴＡＷ、特に熱線ＧＴＡＷを採用することは一般的に、溶接接合部を適切に配向させるために大型の部品を取扱いかつ移動させることを必要とする。そのように取扱いかつ移動させることは、必然的に効率を低下させかつ装置を製作するコストを上昇させる。

米国特許第５２８０８４９号明細書

一実施形態では、本発明は、２つの部品間に溶接接合部を形成する方法を提供し、本方法は、第１の部品と第２の部品を整列させて、第１の部品と第２の部品の間に、第１の部品の突出部と第２の部品の陥凹部とを含む接合部であって、突出部と陥凹部とが相補的な形状を有する接合部を形成するステップと、各々の主軸線が縦向きに配向されるように第１及び第２の部品を配向するステップと、接合部に沿って位置した略横向配向根元開口部で第１の部品と第２の部品を溶接するステップとを含む。

別の実施形態では、本発明は、装置の２つの金属部品間に溶接接合部を形成する方法を提供し、本方法は、略円筒形本体、本体の表面に沿っておりかつ突出部を備えた合せ面、及び合せ面から離れる方向にかつ本体に向けて延在する凹面形面を有する第１の部品を準備するステップと、略円筒形本体、本体の表面に沿っておりかつ第１の部品の合せ面の突出部の形状と相補的な形状を有する陥凹部を備えた合せ面、及び合せ面から離れる方向にかつ本体に向けて延在する凹面形面を有する第２の部品を準備するステップと、第１の部品の合せ面の突出部が第２の部品の合せ面の陥凹部に位置しかつ第１及び第２の部品の凹面形面が第１及び第２の部品の略円筒形本体の隣接する表面に沿って横向配向根元開口部を形成するように、第１の部品と第２の部品を整列させるステップと、横向配向根元開口部にわたって第１の部品を第２の部品に溶接するステップとを含む。

さらに別の実施形態では、本発明は、タービンロータを提供し、本タービンロータは、第１の本体、第１の本体の表面に沿っておりかつ突出部を備えた第１の合せ面、及び第１の合せ面から離れる方向にかつ第１の本体に向けて延在する第１の凹面形面を有する第１の部品と、第２の本体、第２の本体の表面に沿っておりかつ第１の合せ面の突出部の形状と相補的な形状を有する陥凹部を備えた第２の合せ面、及び第２の合せ面から離れる方向にかつ第２の本体に向けて延在する第２の凹面形面を有する第２の部品と、第１及び第２の凹面形面によって形成された第１の部品と第２の部品の間の根元開口部と、根元開口部内に位置し、突出部及び陥凹部によって形成されかつ根元開口部の中心部からオフセットした接合部とを含む。

本発明のこれらの及びその他の特徴は、本発明の様々な実施形態を示す添付図面と関連させてなした本発明の様々な態様の以下の詳細な説明から一層容易に理解されるであろう。

本発明の実施形態による接合部構造を形成するのに適した装置の部品の側面断面図。 整列して接合部を形成した、図１の部品。 図２の部品のより広範囲の側面断面図。 本発明の実施形態により溶接した、図３の部品を示す図。 本発明の別の実施形態による整列した部品の側面断面図。 本発明の実施形態による方法の流れ図。

本発明の図面は正確な縮尺でないことに留意されたい。図面は、本発明の典型的な態様のみを示すことを意図しており、従って本開示の技術的範囲を限定するものとして考えるべきではない。図面を通して、類似の要素には同じ符号を付した。

次に図面を参照すると、図１は、蒸気タービンロータなどの装置の第１の部品１００及び第２の部品２００の側面断面図を示す。第１の部品１００及び第２の部品２００の各々は、それぞれ本体１１０，２１０、合せ面１２０，２２０、及び合せ面１２０，２２０から離れる方向にかつ本体１１０，２１０に向けて延在する凹面形面１３０，２３０を備える。合せ面１２０，２２０は、接合部（継手）構造を形成することができる略相補的な形状をもつ。図１に示すように、第１の部品１００の合せ面１２０は、合せ面１２０から外向きに延在する突出部１２２を含み、一方、第２の部品２００の合せ面２２０は、その中に突出部１２２を配置することができる陥凹部２２２を含む。

図２は、本発明の実施形態により接合位置にありかつ接合部３００を形成した第１の部品１００及び第２の部品２００を示す。図２で分かるように、第１の部品１００の凹面形面１３０及び第２の部品２００の凹面形面２３０は、根元開口部３１０（つまり、それに沿って溶接部を形成することができる部品間の開口部）を形成する。第１の部品１００及び第２の部品２００は、最終的には根元開口部３１０で溶接することによって接合される。従って、根元開口部３１０への金属フィラーの堆積は、その角度付き形状によって可能になる。つまり、凹面形面１３０の少なくとも一部分は、水平面３２０の上方に角度αを形成し、凹面形面２３０の少なくとも一部分は、水平面３２０の下方に角度βを形成する。角度α及びβは各々独立に約０°〜約１０°である。幾つかの実施形態では、各々は、約３°〜約７°である。幾つかの実施形態では、各々は、約５°である。当業者には解るようにまた以下により詳細に説明しかつ示すように、水平面３２０は、第１の部品１００及び第２の部品２００の半径方向軸線又は半径方向平面に沿って或いは平行に位置する。

図２で分かるように、接合部３００は、そこを通って水平面３２０が位置している根元開口部３１０の中心部からオフセット３３０している。つまり、そこにおいて根元開口部３１０内で第１の部品１００及び第２の部品２００が接触する箇所は、根元開口部３１０の中心部からオフセットしている。図２では、オフセット３００は、突出部１１２を有する部品、つまり第１の部品１００に向けて変位しているが、このことは絶対必要なことではない。

図３は、図２の第１の部品１００及び第２の部品２００のより広範囲の側面図を示す。図３で分かるように、第１の部品１００及び第２の部品２００は各々、それぞれボア１５０，２５０、長手方向軸線１４０，２４０、並びに複数の半径方向軸線１４２、１４４及び２４２、２４４を有する略円筒形の又は管状の本体１１０，２１０を含むことができる。本体１１０及び２１０は、略円筒形又は管状であるものとして上記しているが、図３の断面図は各本体の弓形セグメントのみを示していることに注目されたい。根元開口部３１０は、それぞれ第１の部品１００及び第２の部品２００の外表面１１２、２１２に沿って開口している。第１の部品１００及び第２の部品２００は各々さらに、それぞれそれらのボア１５０，２５０に沿って形成された内表面１１４、２１４を含む。

図４は、溶接作業の間にそれらの長手方向軸線１４０，２４０が略垂直方向に（縦向きに）配向された姿勢になっている第１の部品１００及び第２の部品２００を示す。従って、それら部品の半径方向軸線１４２、１４４及び２４２、２４４並びに根元開口部３１０は、略水平方向に（横向に）配向されている。

上述したように、公知のＧＴＡＷ方法、特に熱線ＧＴＡＷ方法は、下向き姿勢（つまり、根元開口部３１０が上向きに面した状態）で溶接することに限定される。しかしながら、図４に示すように、本発明の実施形態は、横向姿勢（つまり、根元開口部３１０が略横向に開口しかつ長手方向軸線１４０，２４０が略縦向きに配向された状態）で溶接するのを可能にするだけでなく、複数の溶接ヘッド７００，７０２を使用するのを可能にする。つまり、溶接ヘッド７００，７０２は、溶接部７４０を形成しながら各溶接ヘッド７００，７０２を第１の部品１００及び第２の部品２００の周りを移動させるようにして、根元開口部３１０に沿った異なる箇所で同時に溶接７３０することができる。

図４には、フィラーロッド７２０により根元開口部３１０に金属フィラーを堆積させながら接合部３００に沿って溶接７３０する溶接ヘッド７００を示す。当業者には解るように、シールドガス７１０，７１２が、酸素及び窒素のような大気ガスから溶接ステップ７３０を保護する。好適なシールドガス７１０，７１２としては、特に限定されないが、アルゴン、ヘリウム、水素及びそれらの混合物が挙げられる。

いうまでもなく、根元開口部３１０に堆積させる金属フィラーは、部品の材料を始めとする多くの要因に応じて変化する。好適な金属フィラーとしては、特に限定されないが、ニッケル合金、ステンレス鋼、低合金鋼、高合金鋼及びそれらの混合物が挙げられる。

部品自体の組成に関しては、多くの材料を採用することができること、それら材料は、例えば部品又は最終装置の用途に応じて変化することは、当業者には自明であろう。従って、場合によっては、部品自体は、異なる材料を含むことができる。このことは、例えば変化する温度の蒸気が異なる部品に接触するような蒸気タービンロータで使用する部品の場合には、よくあるケースである。そのようなケースでは、各部品の材料を部品が曝される蒸気の温度に基づいて選択し、それによって熱膨張のような要因を制御するようにするのが望ましいと言える。部品が独立に含むことができる材料の非限定的な具体例としては、例えばステンレス鋼、炭素鋼、ニッケル合金、低合金鋼、高合金鋼及びそれらの混合物が挙げられる。

図５は、本発明の別の実施形態を示しており、この実施形態では、根元開口部６１０は、それぞれ第１の部品４００及び第２の部品５００の内表面４１４，５１４に沿って開口している。つまり、根元開口部６１０は、それぞれ第１の部品４００及び第２の部品５００のボア４５０，５５０内に開口している。従って、根元開口部６１０内における接合部６００に溶接部を形成するステップは、１つ又は両方のボア４５０，５５０に溶接装置を通すことを必要とする。図４に示す実施形態におけるのと同様に、複数の溶接ヘッドを使用して略横向姿勢で溶接するステップが、実施可能になる。

図６は、本発明の実施形態による方法の流れ図を示す。ブロックＡにおいて、第１の部品１００及び第２の部品２００（図４）が整列して、第１の部品１００の合せ面１２０（図１）上の突出部１２２（図１）が第２の部品２００の合せ面２２０（図１）上の陥凹部２２２（図１）内に位置するようになる。それによって、根元開口部３１０（図２）が、第１の部品１００及び第２の部品２００の凹面形面１３０，２３０（図２）によって形成される。ブロックＢにおいて、第１の部品１００と第２の部品２００は、それらの長手方向軸線１４０，２４０がそれぞれ略縦向きになりかつそれらの半径方向軸線１４２，１４４及び２４２，２４４が略横向になるように配向される。当業者には自明であろうが、ブロックＡの整列ステップ及びブロックＢの配向ステップは、いずれかの順序又は一緒に実行することができる。つまり本発明の幾つかの実施形態では、第１の部品１００及び第２の部品２００は、最初に互いに整列させ、次いでそれらの長手方向及び半径方向軸線が説明したように配向されるように配向することができる。本発明の他の実施形態では、第１の部品１００及び第２の部品２００は、最初にそれらの長手方向及び半径方向軸線が説明したように配向されるように配向し、次いで互いに整列させることができる。本発明のさらに他の実施形態では、第１の部品１００及び第２の部品２００の整列と配向を同時に行ってもよい。

ブロックＣにおいて、根元開口部３１０内に、任意選択的に金属フィラーを導入することができる。そのようなケースでは、金属フィラーは、ブロックＤにおいて任意選択的にその融点まで加熱する（熱線溶接法）ことができる。

最後に、ブロックＥにおいて、第１の部品１００及び第２の部品２００は、根元開口部３１０に沿って溶接７３０される（図４）。上述したように、ブロックＥにおける溶接するステップは、略横向方向に行うことができ、ＧＴＡＷ方法を含むことができ、複数の溶接ヘッド７００，７０２（図４）によって同時に溶接するステップを含むことができる。

本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とするものであり、本開示を限定することを意図するものではない。本明細書で使用する場合に、数詞を付していない表現は、文脈がそうでないことを明確に示していない限り、複数の形態もまた含むことを意図している。さらに、本明細書で使用する場合の「含む」及び／又は「含んでいる」という用語は、記述した特徴、回数、ステップ、操作、要素及び／又は構成部品の存在を特定するが、その他の特徴、回数、ステップ、操作、要素、構成部品及び／或いはそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことを理解されたい。

本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる関連又は組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行うことを可能にもする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲により定めており、当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を含むか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲に属する。

１００，４００ 第１の部品
１１０，４１０ 本体
１１２，４１２ 外表面
１１４，４１４ 内表面
１２０ 合せ面
１２２ 突出部
１３０ 凹面形面
１４０，４４０ 長手方向軸線
１４２，１４４，４４２，４４４ 半径方向軸線
１５０，４５０ ボア
２００，５００ 第２の部品
２１０，５１０ 本体
２１２，５１２ 外表面
２１４，５１４ 内表面
２２０ 合せ面
２２２ 陥凹部
２３０ 凹面形面
２４０，５４０ 長手方向軸線
２４２，２４４，５４２，５４４ 半径方向軸線
２５０，５５０ ボア
３００，６００ 接合部
３１０，６１０ 根元開口部
３２０ 水平面
３３０ オフセット
７００，７０２ 溶接ヘッド
７１０，７１２ シールドガス
７２０ フィラーロッド
７３０ 溶接するステップ
７４０ 溶接部

Claims (14)

1. ２つの部品間に溶接接合部を形成する方法であって、
   第１の部品（１００）と第２の部品（２００）を整列させて、第１の部品（１００）と第２の部品（２００）の間に、第１の部品（１００）の突出部（１２２）と第２の部品（２００）の陥凹部（２２２）とを含む接合部（３００）であって、突出部（１２２）と陥凹部（２２２）とが相補的な形状を有する接合部（３００）を形成するとともに、接合部（３００）から対向して延在する第１の部品（１００）の第１の凹面（１３０）と第２の部品（２００）の第２の凹面（２３０）とによって、第１及び第２の部品（１００，２００）の半径方向軸線（１４２，１４４，２４２，２４４）と略平行に配向したルート開口部（３１０）を形成するステップと、
   各々の主軸線（１４０，２４０）が垂直に配向するように第１の部品（１００）と第２の部品（２００）を配向させるステップと、
   前記接合部（３００）に沿って位置する略水平配向ルート開口部（３１０）で第１の部品（１００）と第２の部品（２００）を溶接するステップ（７３０）と
   を含む方法。
2. 前記溶接ステップ（７３０）が、前記略水平配向ルート開口部（３１０）に沿って溶接することを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記溶接ステップ（７３０）が、複数の溶接ヘッド（７００，７０２）を使用して同時に溶接することを含む、請求項１又は請求項２記載の方法。
4. 前記溶接ステップが、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記ＧＴＡＷが、アルゴン、ヘリウム、水素及びそれらの混合物からなる群から選択されるシールドガス（７１０，７１２）を使用する、請求項４記載の方法。
6. 前記溶接ステップ（７３０）が、前記略水平配向ルート開口部内に金属フィラー（７２０）を導入することをさらに含む、請求項４又は請求項５記載の方法。
7. 前記金属フィラー（７２０）が、ニッケル合金、ステンレス鋼、低合金鋼、高合金鋼及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項６記載の方法。
8. 前記溶接ステップ（７３０）が、前記金属フィラー（７２０）を金属フィラー（７２０）の融点近くの温度に加熱することをさらに含む、請求項６又は請求項７記載の方法。
9. 第１の部品（１００）が第１の材料を含み、第２の部品（２００）が第１の材料とは異なる第２の材料を含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
10. 第１の部品（１００）と第２の部品（２００）が各々独立に、ステンレス鋼、炭素鋼、ニッケル合金、低合金鋼、高合金鋼及びそれらの混合物からなる群から選択される１種以上の材料を含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
11. 第１の部品（１００）が、ボア（１５０）を有する略円筒形の第１の本体（１１０）と、第１の本体（１１０）の表面に沿った第１の合せ面（１２０）であって突出部（１２２）を備える第１の合せ面（１２０）と、第１の合せ面（１２０）から第１の本体に向かって延在する第１の凹面（１３０）とを有していて、第２の部品（２００）が、ボア（２５０）を有する略円筒形の第２の本体（２１０）と、第２の本体（２１０）の表面に沿った第２の合せ面（２２０）であって第１の合せ面（１２０）の突出部（１２２）の形状と相補的な形状の陥凹部（２２２）を備える第２の合せ面（２２０）と、第２の合せ面（２２０）から第２の本体に向かって延在する第２の凹面（２３０）とを有しており、前記接合部（３００）が第１の合せ面（１２０）と第２の合せ面（２２０）とによって形成される、請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載の方法。
12. 前記接合部（３００）が、略水平配向ルート開口部（３１０）の中心からオフセット（３３０）している、請求項１１記載の方法。
13. 略水平配向ルート開口部（３１０）が、第１及び第２の部品（１００，２００）の外表面（１１２，２１２）に沿って開口している、請求項１１又は請求項１２記載の方法。
14. 略水平配向ルート開口部（３１０）が、第１及び第２の部品（１００，２００）の内表面（１１４，２１４）に沿って開口している、請求項１１又は請求項１２記載の方法。