JP5835913B2 - 方向凝固材の溶接補修方法 - Google Patents

Description

本発明は、単結晶材及び一方向凝固材を結晶方向に成長させて形成された方向凝固材の損傷部を肉盛溶接によって補修する方法に関する。

例えばガスタービン翼（ガスタービンの動翼等の翼部材）には、強度特性や耐熱性等、多くの優れた特性を有するため、単結晶材及び一方向凝固材を結晶方向に成長させて形成された方向凝固材が用いられている。一方、ガスタービン翼１は、方向凝固材を用いた場合であっても、運転時に高温等の過酷な環境下にさらされるため、摩耗、減肉、亀裂等の損傷がチップ端部１ａやプラットフォームの端面１ｂに発生する（図１参照）。そして、従来から、ガスタービン翼のチップ端部やプラットフォームの端面等に損傷が確認された場合には、この損傷部を肉盛溶接で補修（修復）するようにしている。

一方、方向凝固材のガスタービン翼等の損傷部を肉盛溶接で補修する場合には、母材（方向凝固材）と同等の物理的特性（強度特性や耐熱性等）を備えた肉盛部を形成することが重要であり、母材の結晶方向に合わせ、単結晶成長、もしくは結晶を同じ方向に成長させながら肉盛溶接を行って、肉盛部を形成することが必要になる。しかしながら、単結晶、もしくは結晶を同じ方向に成長させて肉盛溶接を行うことは、非常に難易度が高く、肉盛部の表面側（ビードの表面側）に異結晶（多結晶）が生じてしまう。

これに対し、特許文献１には、ＴＩＧ肉盛溶接やプラズマ肉盛溶接によって母材の損傷部にマッシュルーム状に肉盛溶接を施し、異結晶であるビード表面を整形除去し、順次層毎に肉盛溶接、ビード整形除去を繰り返して肉盛部を形成することで、一方向凝固材の損傷部を補修する方法が開示されている。そして、この補修方法では、マッシュルーム状に形成したビード表面側を整形除去することによって、異結晶を取り除き、同じ結晶方向に成長した内部の一方向凝固材で肉盛部を形成することができる。すなわち、比較的容易に母材と同じ結晶方向に成長させた状態の肉盛部を形成することができる。

特開２００９−１８３４５号公報

しかしながら、上記の特許文献１に開示された補修方法では、マッシュルーム状に肉盛溶接、マッシュルーム状に形成したビード表面側を整形除去するため、非常に時間がかかり、作業効率が低いという問題がある。

ここで、母材と同じ結晶方向に成長させて、母材の端部に肉盛溶接を施す場合に、Ｇ／Ｒ（Ｇ：凝固界面における液相と固相の温度勾配、Ｒ：凝固速度）の値を大きくするほど、すなわち、肉盛溶接時に、Ｇ／Ｒが大きい領域を多くするほど、結晶が成長しやすく、単結晶を成長させた単結晶材、もしくは結晶を同じ方向に成長させた一方向凝固材で好適に肉盛部を形成することが可能になる。

そして、溶接速度を小さくするほど、また、溶接出力を大きくするほど、Ｇ／Ｒが大きな領域を多くすることができる。しかしながら、このように溶接速度を小さくするほど、また、溶接出力を大きくするほど、母材の端部が溶けすぎてしまい、母材や肉盛部が溶け落ちるという不都合が発生してしまう。

また、ＴＩＧ肉盛溶接やプラズマ肉盛溶接のようにマッシュルーム状の肉盛りに適用することは困難であるが、レーザー粉体肉盛溶接は、温度勾配や凝固速度が制御しやすい溶接方法である。このため、レーザー粉体肉盛溶接を用いて温度勾配や凝固速度を制御し、溶け落ちを防止しつつＧ／Ｒが大きな領域を多くして、単結晶を成長させた単結晶材、もしくは結晶を同じ方向に成長させた一方向凝固材で好適に肉盛部を形成できるようにする手法が強く望まれていた。

本発明の方向凝固材の溶接補修方法は、単結晶材及び一方向凝固材を結晶方向に成長させて形成された方向凝固材の端部に生じた損傷を肉盛溶接によって補修する方法であって、前記方向凝固材の厚さ方向外側に突出する張出部を前記端部側に形成する張出部形成工程と、レーザー粉体肉盛溶接によって前記端部上に肉盛部を形成する肉盛溶接工程と、前記張出部上に配された前記肉盛部の表面側及び前記張出部を除去する除去工程と、を備え、前記肉盛溶接工程では前記端部と前記張出部上に前記肉盛部を形成し、前記除去工程では、少なくとも前記肉盛部における前記表面に生じた異結晶材を除去することを特徴とする。

この発明においては、張出部形成工程で、ガスタービン翼等の母材（方向凝固材）の端部側に張出部を形成しているため、肉盛溶接工程で、レーザー粉体肉盛溶接を用いて母材の端部上に肉盛り溶接を施して肉盛部を形成する際に、溶接速度を小さくし、また、溶接出力を大きくしても、張出部によって母材や肉盛部が溶け落ちることを防止できる。

本発明の方向凝固材の溶接補修方法においては、レーザー粉体肉盛溶接を用いて母材（方向凝固材）の端部上に肉盛溶接を施して肉盛部を形成する際に、溶接速度を小さくし、また、溶接出力を大きくしても、張出部によって母材や肉盛部が溶け落ちることを防止できるため、Ｇ／Ｒの値を大きくし、効率的且つ効果的に肉盛部を形成することができる。

また、このとき、レーザー粉体肉盛溶接によって肉盛部を形成するようにしたことで、温度勾配や凝固速度を精度よく制御することができる。

よって、本発明の方向凝固材の溶接補修方法によれば、母材や肉盛部の溶け落ちを防止しつつＧ／Ｒが大きな領域を多くして、単結晶を成長させた単結晶材、もしくは結晶を同じ方向に成長させた一方向凝固材で好適に肉盛部を形成することが可能になる。また、マッシュルーム状に肉盛部を形成する必要がないため、従来と比較し、溶接作業（補修作業）の作業効率を高めることが可能になる。

本発明の一実施形態に係るであるガスタービン翼（単結晶材及び一方向凝固材を結晶方向に成長させて形成された方向凝固材）を示す図である。 本発明の一実施形態に係るガスタービン翼（方向凝固材）の損傷が生じた端部を示す図である。 本発明の一実施形態に係る方向凝固材の溶接補修方法において、ガスタービン翼（方向凝固材）の端部側に張出部を形成した状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る方向凝固材の溶接補修方法において、ガスタービン翼（方向凝固材）の端部側に肉盛溶接を施した状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る方向凝固材の溶接補修方法において、張出部及び肉盛部の異結晶部分を整形除去した状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る方向凝固材の溶接補修方法において、補修が完了した状態を示す図である。 レーザー粉体肉盛装置を示す図である。 本発明の一実施形態に係る方向凝固材の溶接補修方法において、ガスタービン翼（方向凝固材）の端部上に複数の肉盛溶接層を積層形成している状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る方向凝固材の溶接補修方法の変形例を示す図であり、張出用部材を用いて張出部を形成した状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る方向凝固材の溶接補修方法の変形例を示す図であり、張出用部材を用いて張出部を形成した状態を示す図である。 図１０のＸ１−Ｘ１線矢視図である。

以下、図１から図８を参照し、本発明の一実施形態に係る方向凝固材の溶接補修方法について説明する。なお、本実施形態では、本発明にかかる方向凝固材が、Ｎｉ基合金等で形成されたガスタービン翼（ガスタービンの動翼等の翼部材）であるものとして説明を行う。なお、このガスタービン翼は、単結晶材を成長させて形成したものである。

はじめに、本実施形態の溶接補修方法（方向凝固材の溶接補修方法）は、図１に示すチップ端部１ａやプラットフォームの端面１ｂ等のガスタービン翼（母材、ガスタービンの翼部材）１の端部１ｃに発生した摩耗、減肉、亀裂等の損傷を肉盛溶接によって補修する方法である。

そして、ガスタービン翼１の損傷部３を補修する本実施形態の溶接補修方法は、図２及び図３に示すように、ガスタービン翼１の厚さ方向Ｔ１外側に突出する張出部２を、損傷したガスタービン翼１の端部１ｃ側に形成する張出部形成工程と、図４に示すように、レーザー粉体肉盛溶接によってガスタービン翼１の端部１ｃ上に肉盛部４を形成する肉盛溶接工程と、図５及び図６に示すように、肉盛部４の表面４ａ側及び張出部２を整形除去する除去工程とを備えている。また、本実施形態では、張出部形成工程において、ガスタービン翼１の端部１ｃ側にレーザー粉体肉盛溶接で肉盛りすることによって張出部２を形成する。

より具体的に、まず、本実施形態の溶接補修方法では、例えば図７に示すようなレーザー粉体肉盛装置５を使用する。このレーザー粉体肉盛装置５は、従来周知のものであり、例えば、多軸ロボット６と、レンズユニット７を備え、多軸ロボット６に支持されたレーザー照射ノズル８と、光ファイバ９を通じてレーザー照射ノズル８に接続して設けられ、レーザーを発振するレーザー発振装置１０と、シールドガスパイプ１１を介してレーザー照射ノズル８に接続して設けられ、レーザー照射ノズル８（近傍）にシールドガスを供給するシールドガス供給源１２と、母材１と同種の金属粉体をレーザー照射ノズル８に供給する粉体供給装置１３とを備えている。

そして、このようなレーザー粉体肉盛装置５を用いてガスタービン翼１（以下、母材ともいう）の損傷部３を補修する際には、図２及び図３に示すように、レーザー粉体肉盛装置５によって、母材１の端部１ｃ（損傷部３）側の側面から母材１の厚さ方向Ｔ１外側に突出するように肉盛溶接を行い、張出部２を形成する。

次に、図４及び図８に示すように、レーザー粉体肉盛装置５によって、母材１の端部１ｃ上（端面上）に肉盛溶接を行う。このとき、摩耗、減肉、亀裂等の損傷量に応じて設定した所定の肉盛高さが得られるまで、肉盛溶接を順次繰り返し行い、複数の肉盛溶接層１５を積層形成してゆく。また、各肉盛溶接層１５を形成した段階で、各肉盛溶接層１５の表面側（ビード表面）全体に異結晶１６が生じ、この異結晶部分１６で覆われた各肉盛溶接層１５の内部で、母材１の単結晶の結晶方向と同じ結晶方向に単結晶（単結晶材）１７が成長して、Ｔ２方向（積層方向）に肉盛形成される。

さらに、本実施形態では、順次下層の肉盛溶接層１５の上に新たに肉盛溶接層１５を積層形成する際、図８に示すように、下層の肉盛溶接層１５の頂部側の異結晶部分１６を再溶融させながら新たな肉盛溶接層１５を形成してゆく。これにより、図４に示すように、複数の肉盛溶接層１５を積層した形の肉盛部４は、最上方（母材１の端部１ｃから積層方向Ｔ２最外側）の頂部側と、母材１の厚さ方向Ｔ１両側部側とに異結晶部分１６が形成され、内部は母材１の単結晶の結晶方向と同じ結晶方向に単結晶１７が成長して、Ｔ２方向に肉盛形成される。

そして、本実施形態では、図４及び図８に示すように、肉盛溶接工程で各肉盛溶接層１５を形成する際、母材１の端部１ｃ上及び張出部２上に肉盛溶接を行うようにして各肉盛溶接層１５ひいては複数の肉盛溶接層１５を積層してなる肉盛部４を形成する。これにより、肉盛部４の母材１の厚さ方向Ｔ１両側部（表面側）に形成された異結晶部分１６が張出部２上に配される。

次に、上記のように複数の肉盛溶接層１５を積層して肉盛部４を形成した後、図５及び図６に示すように、除去工程において、張出部２上に配された母材１の厚さ方向Ｔ１両側部の異結晶部分１６と、最上方の頂部の異結晶部分１６と、張出部２とを機械加工や放電加工などで除去する。このとき、例えば母材１の厚さＴ１と肉盛部４の厚さが等しくなるように整形除去することで、異結晶１６を完全に除去し、同じ結晶方向に成長した単結晶材１７からなる肉盛部４’が形成される。これにより、ガスタービン翼１のチップ端部１ａやプラットフォームの端面１ｂ等の端部１ｃに発生した摩耗、減肉、亀裂等の補修作業が完了する。

一方、本実施形態の溶接補修方法では、張出部形成工程で張出部２を形成するようにしているため、肉盛溶接工程においてレーザー粉体肉盛溶接を用いて各肉盛溶接層１５（肉盛部４）を形成する際、溶接速度を小さくし、及び／又は溶接出力を大きくしても、張出部２によって母材１や肉盛部４が溶け落ちることが確実に防止される。

そして、このように、張出部２を設けることで、溶接速度を小さくし、及び／又は溶接出力を大きくしても母材１や肉盛部４の溶け落ちが防止されることにより、レーザー粉体肉盛溶接によって温度勾配や凝固速度を精度よく制御しながら、Ｇ／Ｒ（Ｇ：凝固界面における液相と固相の温度勾配、Ｒ：凝固速度）の値を大きくすることができる。これにより、効率的且つ効果的に単結晶１７を成長させて肉盛部４’が形成されることになる。

したがって、本実施形態の方向凝固材の溶接補修方法においては、レーザー粉体肉盛溶接を用いて母材１の端部１ｃ上に肉盛溶接を施して肉盛部４を形成する際に、溶接速度を小さくし、また、溶接出力を大きくしても、張出部２によって母材１や肉盛部４が溶け落ちることを防止できる。このため、Ｇ／Ｒの値を大きくし、効率的且つ効果的に単結晶１７を成長させて肉盛部４（４’）を形成することができる。

また、このとき、レーザー粉体肉盛溶接によって肉盛部４を形成するようにしたことで、温度勾配や凝固速度を精度よく制御することができる。

よって、本実施形態の方向凝固材の溶接補修方法によれば、母材１や肉盛部４の溶け落ちを防止しつつＧ／Ｒが大きな領域（例えばＧ／Ｒ＞１０^４以上となる領域）を多くして、単結晶１７を同じ結晶方向に好適に成長させた肉盛部４（４’）をＴ２方向に形成することが可能になる。また、マッシュルーム状に肉盛部を形成する必要がないため、従来と比較し、作業効率を高めることが可能になる。

さらに、本実施形態の方向凝固材の溶接補修方法においては、張出部２を肉盛部４と同様に肉盛溶接して形成するようにしたことで、より効率的に作業を行うことが可能になる。そして、張出部２の肉盛形成後に、張出部２上の異結晶部分を機械加工などで除去することで、同じ結晶方向に好適に成長させた肉盛部４をより効率的に形成することが可能になる。また、このとき、母材１の端部１ｃと張出部２上に肉盛部４を形成し、張出部２とともに張出部２上の異結晶部分１６を除去するようにしたことで、さらに効率的に作業を行うことが可能になる。

以上、本発明に係る方向凝固材の溶接補修方法の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、本実施形態では、本発明に係る方向凝固材が単結晶材のガスタービン翼１であるものとして説明を行ったが、本発明は、結晶を同じ方向に成長させて形成された方向凝固材１の端部１ｃに生じた損傷を肉盛溶接によって補修するあらゆるケースに適用可能であり、方向凝固材をガスタービン翼１に限定する必要はない。

また、本実施形態では、張出部２上に肉盛部４を形成することで母材１の厚さ方向Ｔ１外側に肉盛部４の異結晶部分１６を配するようにし、この張出部２とともに異結晶部分１６を除去するものとして説明を行った。これに対し、本発明においては、必ずしも張出部２上に肉盛部４を形成することによって母材１の厚さ方向Ｔ１外側に肉盛部４の異結晶部分１６を配するようにしなくてもよい。そして、この場合には、張出部２が、母材１の端部１ｃや肉盛部４が溶け落ちることを防止するという優れた作用効果を発揮する。

さらに、本実施形態では、張出部２が母材１の端部１ｃに肉盛溶接して形成されているものとしたが、図９、図１０及び図１１に示すように、例えば母材１と同じ材質で形成した治具（張出用部材１８）を母材１の端部１ｃ側に一体に取り付けて張出部２を形成するようにしてもよい。この場合、治具１８は、図９に示すように点溶接等で母材１の端部１ｃ側に取り付けるようにすればよい。あるいは、図１０及び図１１に示すように、母材１を挟み込むように配置した一対の治具１８を固定手段１９で固定して母材１の端部１ｃ側に取り付けるようにしてもよい。この場合には、治具１８の着脱を容易に行うことが可能である。

１ ガスタービン翼（方向凝固材、母材、単結晶材、ガスタービンの翼部材）
１ａ チップ端部
１ｂ プラットフォームの端面
１ｃ 端部
２ 張出部
３ 損傷部
４ 肉盛部
４ａ 表面
４’ 肉盛部
５ レーザー粉体肉盛装置
６ 多軸ロボット
７ レンズユニット
８ レーザー照射ノズル
９ 光ファイバ
１０ レーザー発振装置
１１ シールドガスパイプ
１２ シールドガス供給源
１３ 粉体供給装置
１５ 肉盛溶接層
１６ 異結晶（異結晶部分）
１７ 単結晶（単結晶部分）
１８ 治具（張出用部材）
１９ 固定手段
Ｔ１ 厚さ方向
Ｔ２ 積層方向（肉盛形成方向）

Claims (3)

1. 単結晶材及び一方向凝固材を結晶方向に成長させて形成された方向凝固材の端部に生じた損傷を肉盛溶接によって補修する方法であって、
   前記方向凝固材の厚さ方向外側に突出する張出部を前記端部側に形成する張出部形成工程と、
   レーザー粉体肉盛溶接によって前記端部上に肉盛部を形成する肉盛溶接工程と、
   前記張出部上に配された前記肉盛部の表面側及び前記張出部を除去する除去工程と、
   を備え、
   前記肉盛溶接工程では前記端部と前記張出部上に前記肉盛部を形成し、
   前記除去工程では、少なくとも前記肉盛部における前記表面に生じた異結晶材を除去する
   ことを特徴とする方向凝固材の溶接補修方法。
2. 請求項１に記載の方向凝固材の溶接補修方法において、
   前記張出部は、前記端部に肉盛溶接して形成、あるいは前記端部に張出用部材を一体に取り付けて形成されていることを特徴とする方向凝固材の溶接補修方法。
3. 請求項１又は２に記載の方向凝固材の溶接補修方法において、
   前記方向凝固材が、ガスタービンの翼部材であることを特徴とする方向凝固材の溶接補修方法。

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