JP5912659B2 - タービンロータ - Google Patents

Description

本発明は、例えば、自動車用ターボチャージャに用いられ、製造時の残留応力をなくし、稼働中のロータ軸の軸心倒れを防止可能にしたタービンロータに関する。

自動車用ターボチャージャを構成するタービンロータは、タービン翼車が耐熱性を必要とすることから、耐熱材で製作されるタービン翼車と、特に耐熱材を用いる必要のないロータ軸とを別な材料を用いて別々に製作し、両者を電子ビーム溶接等により結合している。即ち、図５に示すように、従来のタービンロータ１００は、タービン翼車１０２とロータ軸１０４の接合面１０６に、軸方向と直角方向に電子ビームＥを当てながら両者を回転させ、接合部１０６を全周に亘り溶接するようにしている。

この場合、両者を円周溶接するため、溶接部に周方向に偏った残留応力が発生する。そのため、ロータ軸１０４に２点鎖線で示す傾き（倒れ）１０４’が発生し、タービン翼車の外周で軸心倒れΔσ（図５参照）が発生する。溶接後、機械加工により倒れを修正しているが、残留応力は除去されない。そのため、ターボチャージャの稼働時に、タービンロータが加熱されることにより、溶接時の残留応力が開放され、タービンロータ１００に再び倒れが発生する。倒れが発生すると、稼働時、タービンロータにアンバランスな力が生じ、騒音や振動が発生するという問題がある。

特許文献１及び２には、タービン翼車とロータ軸とを電子ビームを用いて溶接する方法が開示されている。特許文献１に開示された溶接方法は、耐熱金属で形成されたタービン翼車とロータ軸とを接続する方法において、タービン翼車とロータ軸とを接合しながら回転させ、その接合部に電子ビームを照射して溶接する。その後、電子ビームを、接合部よりロータ軸側に所定の幅走査しながら照射し、溶接時の熱影響で硬化した接合部近傍のロータ軸を焼戻すものである。

一方、特許文献２に開示された溶接方法は、タービン翼車とロータ軸との接合部の周囲に、周方向に等角度隔てた複数点に電子ビーム照射装置を設け、多点からの等角度同時溶接を行うようにしている。これによって、溶接時の溶融金属の凝固に伴って発生する収縮応力に起因して、ロータ軸に倒れが発生するのを抑制するようにしている。

特開平７−２８６５２８号公報 特開２００１−２５４６２７号公報

前述のように、特許文献1は、接合部に電子ビームを照射して溶接した後、熱影響で硬くなった接合部の軸側近傍に、電子ビームを走査しながら照射して焼戻しを行うことにより、連続的に溶接処理することが可能となる、いわゆる生産技術的解決を目的としたもので、ロータ軸の倒れの解消を目的とするものではない。

しかも、特許文献１のように、ロータ軸側領域の焼戻しを行っただけでは、ロータ軸の倒れは解消しない。このため溶接後ロータ軸に倒れが発生すると、タービンロータの歩留まりが低下する。また、機械加工により軸心倒れを修正しようとすると、溶接工程と機械加工工程の2工程が必要となり、タービンロータの生産性を大きく低下させる。
一方、特許文献２の溶接方法は、周方向に偏った残留応力の抑制には効果があると思われるが、複数台の電子ビーム装置を必要とし、高コストになるという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、低コストな装置で、溶接後のロータ軸の倒れを抑制して歩留まりを向上させると共に、タービンロータの生産性を向上させて大量生産が可能なタービンロータを実現することを目的とする。

本発明は、耐熱金属からなるタービン翼車と、炭素鋼からなるロータ軸とを突き合わせ溶接により接続されてなるタービンロータにおいて、
前記タービン翼車とロータ軸とはその接合部に熱発生ビーム発生装置より熱発生ビームを照射して溶接してなる構造であって、
前記接合部の突き合わせ溶接位置を含むロータ軸側を所定の幅走査しながら前記エネルギー発生装置から一定量に調整された電磁エネルギー若しくは熱エネルギーを照射して、溶接時に発生したロータ軸の局所角度分布の残留応力を全周に亘って発生するように焼戻しを行い、タービンロータの運転時に、前記タービン翼車外周で発生する軸心倒れを０．２ｍｍ以下に抑制させてなることを特徴とするものである。
前記焼戻しに使用される前記エネルギー発生装置が高周波誘導加熱装置若しくはレーザビーム発生装置であるのがよく、更に好ましくは、溶接に使用する熱発生ビーム発生装置がレーザビーム若しくは電子ビーム発生装置であるのがよい。

本発明のタービンロータでは、耐熱金属からなるタービン翼車に対して、ロータ軸の材質を相対的に熱伝導性が良く、かつ熱容量が大きい炭素鋼とする。これによって、溶接後の焼戻しによるロータ軸の熱膨張量又は熱収縮量を、タービン翼車と比べて相対的に大きくする。そのため、後述する焼戻しにおいて、溶接部に全周に亘る残留応力を発生できる。また、タービン翼車とロータ軸とはその接合部にレーザビーム若しくは電子ビーム（以下熱発生ビームという）を照射して溶接してなる構造を有する。

さらに、接合部の突き合わせ溶接位置を含むロータ軸側を、所定の幅走査しながらエネルギー発生装置から一定量に調整された電磁エネルギー若しくは熱エネルギーからなる熱発生ビーム（例えば高周波誘導加熱装置若しくはレーザビーム）を照射して、溶接時に発生したロータ軸の局所角度分布の残留応力を全周に亘って発生するように焼戻しを行って製造したものである。

このように焼戻しされたタービンロータは、残留応力が周方向に釣り合った状態にあり、冷却後もその均衡状態が保持される。そのため、ロータ軸の倒れが発生せず、かつ運転中に加熱されても倒れが発生しない。即ち、タービンロータの運転時に、タービン翼車外周で発生する軸心倒れΔσを０．２ｍｍ以下に抑制できる。軸心倒れΔσを０．２ｍｍ以下とすることで、運転時の実質的な騒音や軸振動の発生を許容範囲に抑えることができる。また、電磁エネルギー又は熱エネルギーの走査幅を焼戻しが必要な領域に一致させるようにすれば、１回の走査で焼戻しを完了でき、焼戻し作業を短時間で行うことができる。そのため、タービンロータの大量生産に好適である。

本発明者等は、種々の実験から、接合面を周方向に溶接する時、溶接の終了側角度領域に局部応力が残留することがわかった。この理由は、タービン翼車よりロータ軸の熱膨張率が大きいために、溶接時，溶接部近傍のロータ軸の熱膨張により溶接部に引張力が作用し、溶接の終了側角度領域では溶接熱に最も長い時間晒されるため、最も大きな引張力が作用するためであると考えられる。

そのため、タービンロータの焼戻しでは、該終了側角度領域（約０〜９０°の領域）を除く領域に多くの焼戻し処理を実施するとよい。例えば、接合面の１周回（３６０°）又は２周回（７２０°）の溶接を行った後、約半周（１８０°）回転させる間に徐々に出力を減少させ、溶接部を含むロータ軸側領域を１周回又は２周回の焼戻しを行う場合に、焼戻しの終了側角度領域を２７０〜３６０°の範囲で省略するとよい。これによって、該終了側領域を除く領域では、ロータ軸が膨張するため、冷却された溶接部に残留応力が発生するので、ロータ軸に全周に亘り均等に残留応力を発生させることができる。

焼戻しには、高周波加熱装置又はレーザビーム発生装置を用いるとよい。高周波加熱装置は、小型軽量化でき、かつ高効率発電が可能であるので省電力となり、低コスト化できる。また、急速高温加熱が可能であるので、大量生産に好適である。また、レーザビーム発生装置は、高パワー密度が得られ、入熱が少なく、周辺部への熱影響が少なく、ビームの照射位置を正確に制御できる。また、電子ビームのように、溶接部の周囲を真空に保持する必要がない。そのため低コスト化でき、大量生産に好適である。

本発明のタービンロータは、タービン翼車とロータ軸との溶接後に、溶接部を含む溶接部近傍のロータ軸側領域を焼戻し、溶接時に発生したロータ軸の局所角度分布の残留応力を全周に亘って発生させるようにしているので、冷却後やその後の運転時のロータ軸の倒れを抑制可能になる。そのため、低コストでロータ軸の倒れが生じないタービンロータを製作できる。また、溶接後の機械加工による修正作業が不要となり、歩留まりを向上できると共に、製作時間を短縮できるので、大量生産に好適である。

本発明の電子ビームを用いた溶接装置の正面図である。 本発明のレーザビームを用いた焼戻し装置の正面図である。 （Ａ）は前記実施形態の熱処理工程を示す線図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は熱処理工程中の溶接部の断面図である。 前記実施形態の溶接方法及び焼戻し方法を示す説明図である。 前記実施形態で照射されるレーザビームを示す説明図である。 従来のタービンロータのロータ軸の倒れを示す説明図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

本発明の一実施形態を図１Ａ〜図４に基づいて説明する。図１Ａは、タービンロータ１０を構成するタービン翼車１２とロータ軸１４とを溶接する溶接装置を示す。モータ２０の出力軸にチャック２２が接続され、ロータ軸１４の下端はチャック２２に装着されている。ロータ軸１４はチャック２２と共にモータ２０によって回転する。ロータ軸１４の上端には、ロータ軸１４より小径の凸部１４ａが形成され、一方、タービン翼車１２の下面中心には、凸部１４ａと嵌合する凹部１２ａが形成されている。

これら凹凸部１２ａ、１４ａが互いに嵌合することで、タービン翼車１２とロータ軸１４とは互いに位置決めされ、かつ共に回転する。タービン翼車１２はインコネル等の耐熱材料で構成され、ロータ軸１４は炭素鋼で構成されている。従って、ロータ軸１４はタービン翼車１２より熱伝導性が大で、かつ熱容量が大きい。

タービン翼車１２の上端中心は、チャック２４によって回転可能に支持され、かつチャック２２によってタービン翼車１２はロータ軸１４と同期回転する。凹凸部１２ａ、１４ａが互いに接触することで、接合面１６を形成している。タービン翼車１０の位置決め箇所の近傍に電子ビーム発生装置３０が設けられ、電子ビーム発生装置３０から接合面１６に向けて電子ビームＬが発進される。３００は真空チャンバ３０１内を真空に維持する真空弁である。

かかる構成において、タービン翼車１２とロータ軸１４とを凹凸部１２ａ、１４ａで嵌合させ、この状態で、モータ２０を回転させ、タービン翼車１２及びロータ軸１４を回転させる。次に、電子ビーム発生装置３０から電子ビームＬを発生させる。電子ビームＬは、集光レンズ３４で中心側に集光され、接合面１６に向けて照射される。これによって、接合面１６の周縁部が加熱溶融され、接合面１６が溶接される。

図２（Ａ）は、前記電子ビーム発生装置３０を用いた本実施形態の熱処理工程を示す。まず、室温から４５０〜５５０℃に昇温して予熱工程Ａを全周に亘って実施する。
次に、電子ビーム発生装置３０から接合面１６に電子ビームＬを照射し、１５００〜１７００℃に昇温する溶接工程Ｂを、全周に亘って１周回（３６０°）実施し、その後、約半周（１８０°）回転させる間に徐々に出力を減少させて溶接を完了させる。

図１Ｂは溶接された前記接合面を焼き戻すための焼き戻し装置である。
レーザ発生装置３０‘は ダクト３２の内部に集光レンズ３４が設けられ、レーザビームＬは集光レンズ３４で集光された後、接合面１６に照射される。ダクト３２に分岐ダクト３６が設けられており、分岐ダクト３６にアルゴンやヘリウム等のシールドガスＳが供給される。接合面１６に向けて照射されたレーザビームＬの周囲には、溶融金属の酸化を防ぐ遮断ガスとして、該シールドガスＳが供給される。

かかる装置において、焼戻し工程Ｃを行う。焼戻し工程Ｃでは、図１Ｂ’に示すように、高周波熱源またはレーザビームＬにより、溶接部を含み溶接部近傍のロータ軸側領域Ｘを４００〜７５０℃の温度で加熱した後空冷する。この焼戻し工程Ｃにレーザビームを用いる場合、レーザビームＬを走査し、領域Ｘを１周回（３６０°）若しくは２周回（７２０°）焼戻しを行う。この場合、最も好ましくは、終了側角度領域の０〜９０°の範囲でレーザビームＬの照射を行わない。レーザビームＬの偏光は、レーザビーム発生装置３０‘の内部に反射境（図示省略）を設け、この反射境にレーザビームＬを反射させることで可能になる。

図３は、接合面１６に対する１周回の溶接を行うと共に、その後、溶接部を含むロータ軸側領域Ｘに対する［１周回（３６０°）−９０°］の焼戻しを行う場合を示している。この場合、溶接工程Ｂでは、０°の開始点から照射を開始し、照射位置が接合面１６の周囲を１回りし、０°に位置に戻るまで接合面１６の周縁部に照射している。次に、焼戻し工程Ｃでは、レーザビームＬを溶接部を含むロータ軸側領域Ｘに偏光させる。そして、０°の位置からレーザビームＬの照射を開始し、２７０°の範囲まで照射している。

図４は、照射対象に対するレーザビームＬの集光度の違いを示している。レーザビームＬ_１は溶接工程Ｂにおける集光度を示している。溶接工程Ｂでは、接合面１６に対して、集光レンズ３４によって１点に集光させて集光度を大きくしている。これによって、高パワー密度を得ることができ、瞬時に溶融を生じさせ得るので、高速溶接が可能になり、溶接時間を短縮できる。（従って溶接に電子ビームと同様にレーザビームを用いることも可能である。）

本発明では、レーザビームＬ_２が焼戻し工程Ｃで用いられるものである。この場合、レーザビームＬ_２の集光範囲を図１Ｂ、及び図４に示すように、溶接部を含むロータ軸側領域Ｘの範囲に対応させて分散させている。これによって、パワー密度を焼戻し工程Ｃの必要加熱温度が得られるまでに低下できると共に、集光範囲を広げたことで、溶接部を含むロータ軸側領域Ｘに対して１回転の照射で、これら領域の全域を照射できる。かかる要領でレーザビームＬ_１又はＬ_２を接合面１６又は溶接部を含むロータ軸側領域Ｘに向けて電子ビーム若しくはレーザビームを照射する。

図２（Ｂ）は、溶接工程Ｂを行った後の図２（Ａ）のＤ点における溶接部４０の残留応力の発生状況を示している。図３に示すように、０°を開始点としてレーザビームＬの照射を１周行った時、２７０°以降の終了側角度領域で残留応力Ｒ_１が発生している。この理由は、溶接の終了側角度領域では溶接熱に最も長い時間晒されるため、溶接部近傍のロータ軸の熱膨張により、最も大きな引張力が作用し、この引張力が溶接の終了側角度領域で局部残留応力となるものと思料される。

そこで、本実施形態では、焼戻し工程Ｃで、該終了側領域のレーザビーム照射をやらずに、０°の開始点から２７０°までの領域でレーザビームＬ_２を照射している。これによって、終了側角度領域を除く角度領域では、ロータ軸１４が膨張するため、溶接部４０に残留応力が発生する。そのため、図２（Ｃ）に示すように、溶接部４０で全周に亘り均等に残留応力Ｒ_２を発生させることができる。

従って、溶接部４０の周方向で残留応力Ｒ_２が周方向に釣り合った状態にあるので、冷却後も残留応力の均衡状態が保持される。そのため、ロータ軸１４の倒れが発生せず、かつ運転中に加熱されても倒れが発生しない。本実施形態によれば、タービンロータ１０が自動車用ターボチャージャに組み込まれたとき、自動車用ターボチャージャの運転時に、タービン翼車外周で発生する軸心倒れΔσを０．２ｍｍ以下に抑制できる。軸心倒れΔσを０．２ｍｍ以下とすることで、運転時の実質的な騒音や軸振動の発生を許容範囲に抑えることができる。

また、少なくともレーザビーム発生装置３０‘を用いることで、高パワー密度が得られるため、高速溶接が可能であり、大量生産に好適である。また、入熱が少なく、周辺部への熱影響が少なく、ビームの照射位置を正確に制御できる。また、電子ビームのように、溶接部の周囲を真空に保持する必要がなく、そのため低コスト化できる。さらに、焼戻し工程Ｃでは、レーザビームＬの集光範囲を溶接部を含むロータ軸側領域Ｘに一致させているので、タービンロータ１０を１回転又は２回転させるだけで、焼戻し工程Ｃを終了でき、焼戻し工程Ｃを短縮できる。

本実施形態は、焼き戻し用の加熱装置としてレーザビーム発生装置を用いた例であるが、代わりに、高周波加熱装置を用いてもよい。高周波加熱装置は、装置を小型軽量化でき、かつ高効率発電が可能であるので省電力となり、低コスト化できる。また、急速高温加熱が可能であるので、大量生産に好適であると共に、高周波磁界により非接触で加熱温度を精度良く制御できる。

本発明によれば、溶接後のロータ軸の軸心倒れを抑制でき、これによって、歩留まりを向上できると共に、大量生産が可能なタービンロータを低コストで実現できる。

１０ タービンロータ
１２ タービン翼車
１２ａ 凹部
１４ ロータ軸
１４ａ 凸部
１６ 接合面
２０ モータ
２２，２４ チャック
３０ レーザビーム発生装置
３２ 集光レンズ
３４ ダクト
３６ 分岐ダクト
４０ 溶接部
Ａ 予熱工程
Ｂ 溶接工程
Ｃ 焼戻し工程
Ｌ、Ｌ_１、Ｌ_２ レーザビーム
Ｒ_１、Ｒ_２ 残留応力
Ｓ シールドガス

Claims (4)

1. 耐熱金属からなるタービン翼車と、炭素鋼からなるロータ軸とを突き合わせ溶接により接続されてなるタービンロータの製造方法において、
   前記タービン翼車と前記ロータ軸との接合部に、前記接合部における溶接開始位置から所定回り方向に１周回又は２周回に亘って第１ビームを照射する溶接工程と、
   前記溶接工程の後に、前記接合部を含むロータ軸側の所定領域に、前記溶接開始位置から前記所定周り方向に下記式（１）又は（２）で定義される角度位置Ａに亘って第２ビームを照射する焼戻し工程と、
   を含むことを特徴とするタービンロータの製造方法。
   Ａ＝３６０°−Ｂ・・・（１）
   Ａ＝７２０°−Ｂ・・・（２）
   （式（１）、（２）中、Ｂは終了側角度であって、０〜９０°の範囲内における任意の角度である。）
2. 前記終了側角度Ｂが約９０°であることを特徴とする請求項１に記載のタービンロータの製造方法。
3. 前記溶接工程は、前記接合部に前記溶接開始位置から前記所定回り方向に１周回又は２周回に亘って前記第１ビームを照射した後に、前記第１ビームの出力を徐々に減少させながら約半周回に亘って前記第１ビームを照射する工程を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のタービンロータの製造方法。
4. 前記溶接工程で使用される前記第１ビーム、及び前記焼戻し工程で使用される前記第２ビームが、ともにレーザビーム発生装置から発生したレーザビームであり、
   前記溶接工程では、前記レーザビーム発生装置から発生した前記レーザビームを集光させて前記接合面に照射し、
   前記焼戻し工程では、前記レーザビーム発生装置から発生した前記レーザビームを分散させて前記所定領域に照射することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のタービンロータの製造方法。
   

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