JP6085543B2 - 羽根車の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ポンプに用いられる金属製の羽根車及びその製造方法に関する。

遠心圧縮機及び軸流ポンプ等の羽根車の溶接手法として、母材の羽根設置箇所に事前に開先を施し、開先底部と羽根の接触部に裏波溶接を施し、残りの開先部に溶加材を供給する充填肉盛溶接を施すことにより、羽根を形成するものが開示されている（特許文献１参照）。また、遠心羽根車、及びターボ羽根車の溶接手法として、羽根部に隅肉溶接を施した後に、母材上部からレーザ溶接を施すことで、羽根付け根部の応力集中による亀裂発生を回避し、強度向上を図ったものが開示されている（特許文献２参照）。

特開２０１０−２２９８９４号公報 特開２００２−９８０９０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の溶接手法では、母材に開先を施すために、母材の厚みを確保する必要がある。上記特許文献２に記載の溶接手法では、羽根部の隅肉溶接のために、溶接トーチを羽根車の内部に差し込むことが必要となる。羽根車が小型の場合、特に羽根部が３次元の湾曲面を持つ混流形の羽根車の場合には、溶接トーチを内部に差し込むことが難しい。溶接トーチが届く範囲のみを溶接すると、母材と羽根部との間に隙間が生じ易く、また強度が低くなる。羽根部と母材の接触部の全面を完全溶け込みにより溶接する場合、高精度な位置決め等、高度の溶接技術が必要となる。

他には、羽根部が２次元の曲面を持つ、例えば半径流形の羽根車を製造する場合に、プロジェクション溶接が用いられている。しかしながら、プロジェクション溶接は、高圧かつ高電流の条件下で行われるため、母材や羽根材料が、この条件に耐え得る厚みと高さを有することが必要となる。

そこで、本発明は、小型の金属製の羽根車を低コストで製造できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の羽根車の製造方法は、対向配置された金属製の第１母材及び第２母材の間に多数の金属粉体を充填する粉体充填工程と、前記第１母材及び前記第２母材に前記多数の金属粉体を接触させた状態で、前記第１母材又は前記第２母材の外側から前記第１母材、前記第２母材及び前記多数の金属粉体に向けて高エネルギービームを照射することにより、前記第１母材の一部、前記第２母材の一部及び前記多数の金属粉体のうち一部の金属粉体を溶融させて溶融物を生成すると共に、前記溶融物を固化させることにより前記第１母材と前記第２母材との間に羽根部を一体に形成して羽根車を得る溶接工程と、を備えている。

この羽根車の製造方法によれば、対向配置された金属製の第１母材及び第２母材の間に、羽根部が一体に形成される。しかも、この羽根部は、金属粉体の溶融物により形成されるため金属製とされる。また、この羽根部は、第１母材又は第２母材の外側から第１母材、第２母材及び多数の金属粉体に向けて高エネルギービームが照射することにより形成されるものであるため、羽根車が小型であっても羽根部を容易に形成することが可能である。このため、小型の金属製の羽根車を低コストで製造することができる。

請求項２に記載の羽根車の製造方法は、請求項１に記載の羽根車の製造方法において、前記第１母材、前記第２母材及び前記多数の金属粉体に対して前記高エネルギービームを相対移動させて、前記高エネルギービームの相対移動方向に沿って前記羽根部を形成する方法である。

この羽根車の製造方法によれば、第１母材、第２母材及び多数の金属粉体に対して高エネルギービームを相対移動させて、この高エネルギービームの相対移動方向に沿って羽根部を形成するので、高エネルギービームの相対移動方向に羽根部を連続的に形成することができる。

請求項３に記載の羽根車の製造方法は、請求項２に記載の羽根車の製造方法の前記溶接工程において、前記高エネルギービームを照射することにより、前記第１母材の一部、前記第２母材の一部及び前記多数の金属粉体のうち一部の金属粉体に前記溶融物としての溶融池を形成すると共に、前記溶融池にキーホールを形成しながら、前記高エネルギービームを相対移動させる方法である。

この羽根車の製造方法によれば、第１母材の一部、第２母材の一部及び多数の金属粉体のうち一部の金属粉体に形成された溶融池にキーホールを形成しながら、高エネルギービームを相対移動させる。従って、キーホールを通じて高エネルギービームを深い位置まで届かせることができるので、第１母材及び第２母材の間に羽根部を一体に形成することができる。

請求項４に記載の羽根車の製造方法は、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の羽根車の製造方法の前記溶接工程において、前記高エネルギービームの焦点を前記第１母材、前記第２母材、又は前記多数の金属粉体の位置に設定した状態で前記高エネルギービームを照射する方法である。

この羽根車の製造方法によれば、高エネルギービームの焦点を第１母材、第２母材、又は多数の金属粉体の位置に設定するので、第１母材の一部、第２母材の一部及び多数の金属粉体のうち一部の金属粉体を効果的に溶融させて溶融物を生成することができる。これにより、高エネルギービームの照射側に位置する母材と、多数の金属粉体のうち一部の金属粉体と、照射側の反対側に位置する母材とを溶融させて、第１母材及び第２母材の間に羽根部を一体に形成することができる。

以上詳述したように、本発明によれば、小型の金属製の羽根車を低コストで製造することができる。

第１実施形態に係り、第１母材と第２母材に羽根部を形成する流れを説明する説明図である。 第１実施形態に係る羽根部の製作の流れを説明する説明図である。 第１実施形態に係る羽根車を示す斜視図である。 第２実施形態に係る羽根部の製作の流れを説明する説明図である。 第２実施形態に係る羽根車を示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

［第１実施形態］
本実施形態では、羽根車１０の製造方法と、羽根車１０について説明する。以下の説明において、本発明における『多数の金属粉体』については、単に『金属粉体』と称する。また、本発明における『多数の金属粉体のうち一部の金属粉体』については、単に『金属粉体の一部』と称する。図１において、羽根車１０の製造方法に用いる製造装置１６は、高エネルギービーム２２を出射する出射部２４と、この出射部２４から出射された高エネルギービーム２２を対象物に向けて照射する照射部２６と、第１母材１１及び第２母材１２を適宜移動させる駆動部２８と、これらを制御する制御部３０とを備えている。

高エネルギービーム２２は、一例として、レーザビームとされており、この場合出射部２４は、レーザ発振器である。この出射部２４では、出射される高エネルギービーム２２のエネルギーが調節可能となっている。照射部２６は、レンズ等を含む光学系により構成されている。この照射部２６では、レンズ等が移動されることにより、照射される高エネルギービーム２２の焦点距離が調節可能となっている。

そして、この製造装置１６により、以下の要領にて羽根車１０が製造される。すなわち、先ず、図１（Ａ）に示されるように、第１母材１１及び第２母材１２が、所定の隙間を持って互いに平行に対向配置されるように製造装置１６にセットされる。

続いて、第１母材１１及び第２母材１２の間の隙間に金属粉体３２が充填されると共に、第１母材１１及び第２母材１２の周囲の開口部が蓋（図示せず）により閉塞される。このとき、金属粉体３２が、第１母材１１及び第２母材１２の対向面１１Ａ，１２Ａの全体に亘って接触するように、第１母材１１及び第２母材１２の間には十分な量の金属粉体３２が充填される（以上、粉体充填工程）。本実施形態では、金属粉体３２には、一例として、金属製の第１母材１１及び第２母材１２と同一の金属が使用される。この金属としては、例えば、ステンレス、鉄、アルミニウム、銅などが適宜選択される。

そして、第１母材１１及び第２母材１２の間に金属粉体３２が充填された状態で、例えば第１母材１１の外側に位置する照射部２６から、該第１母材１１、第２母材１２及び金属粉体３２に向けて高エネルギービーム２２が照射される。

このとき、より具体的には、制御部３０によって照射部２６が制御されて照射部２６内のレンズ等が移動することにより、高エネルギービーム２２の焦点距離が調節される。そして、図１（Ａ），（Ｂ）に示されるように、高エネルギービーム２２の焦点２２Ａが、例えば金属粉体３２（第１母材１１及び第２母材１２の間）の位置に設定される。また、この状態で、第１母材１１の外側から、該第１母材１１、第２母材１２及び金属粉体３２に向けて、高エネルギービーム２２が照射される。

このように高エネルギービーム２２が照射されると、第１母材１１及び第２母材１２の一部及び金属粉体３２の一部に溶融物としての溶融池３６が形成される。この高エネルギービーム２２のパワー密度が高い場合、溶融池３６の表面では金属の蒸発が生じ、金属の蒸気３８が発生する。また、この蒸気３８によって溶融池３６の表面に反発力が発生し、溶融池３６の中央部にくぼみが生じる。そして、このくぼみが深くなると、この溶融池３６にキーホール４０が形成される。このように溶融池３６にキーホール４０が形成されると、このキーホール４０を通じて高エネルギービーム２２が金属粉体３２の深い位置まで届くようになる。

そして、図１（Ｂ）に示されるように、溶融池３６にキーホール４０を形成しながら、第１母材１１、第２母材１２及び金属粉体３２に対して、高エネルギービーム２２が相対移動する。この高エネルギービーム２２の相対移動方向は、羽根部１４の形成方向とされる。また、この第１母材１１、第２母材１２及び金属粉体３２に対する高エネルギービーム２２の相対移動は、図１（Ａ）に示される制御部３０によって駆動部２８が作動することにより行われる。

図１（Ｂ）に示されるように、溶融池３６は、この高エネルギービーム２２の相対移動方向に沿って生成される。このとき、相対移動する高エネルギービーム２２の照射位置Ｐでは溶融池３６が形成されるが、溶融池３６が広がる前に高エネルギービーム２２が相対移動するので、高エネルギービーム２２の相対移動方向における照射位置Ｐよりも後側Ｒでは、溶融池３６が冷却されて固化する。

このように、本実施形態では、相対移動する高エネルギービーム２２の照射位置Ｐでは溶融池３６が形成され、高エネルギービーム２２の相対移動方向における照射位置Ｐよりも後側Ｒでは溶融池３６が冷却されて固化するように、高エネルギービーム２２の相対移動速度が設定される。

そして、このようにして溶融池３６が冷却されて固化することにより、図１（Ｃ）に示されるように、第１母材１１及び第２母材１２の間に羽根部１４が形成される。この羽根部１４は、第１母材１１の一部、第２母材１２の一部及び金属粉体３２の一部が溶融されて生成された溶融池３６が固化することで形成されたものであるので、第１母材１１及び第２母材１２に一体に形成される。本実施形態では、羽根部１４を、高エネルギービーム２２の相対移動方向に連続的に形成することができる。

なお、本実施形態では、図１（Ｃ）に示されるように、第１母材１１及び第２母材１２の間に充填された金属粉体３２のうちの一部のみが溶融され、金属粉体３２のうち溶融されなかった部分は残存する。この残存した金属粉体３２は、溶融池３６が冷却されて固化される際には、溶融池３６に対して型の役割（溶融池３６の形状保持及び放熱）を果たすようになる。このため、本実施形態では、溶融池３６の形状（高エネルギービーム２２の光軸方向を深さ方向とする形状）が維持された状態で、溶融池３６が固化されて羽根部１４が形成される。

そして、図２（Ａ），（Ｂ）に示されるように、上記動作が繰り返されることにより、第１母材１１及び第２母材１２の間に、例えば複数の羽根部１４を形成することができる（以上、溶接工程）。その後、第１母材１１及び第２母材１２から蓋（図示せず）が取り外され、図２（Ｃ）に示されるように、第１母材１１及び第２母材１２の間に残存する金属粉体３２が、該第１母材１１及び第２母材１２の周囲の開口部から外部に排出される（粉体除去工程）。

以上の要領で、図１（Ｄ）に示されるように、第１母材１１及び第２母材１２と、この第１母材１１及び第２母材１２の間に形成された複数の羽根部１４とを有する羽根車１０が得られる。図３に示されるように、この羽根車１０は、例えば、２次元の曲面を持つ羽根部１４を有する半径流形となっている。

なお、図１（Ｄ）には、以上の要領で製造された羽根車１０における羽根部１４及びその周辺部の側面断面図が示されており、図１（Ｅ）には、この羽根部１４及びその周辺部の正面断面図が示されている。

高エネルギービーム２２の相対移動速度を速めた場合には、高エネルギービーム２２を中心にした熱の広がりが抑制されるので、羽根部１４における長さ方向の両端部に形成される曲面１４Ａの曲率は小さくなる。また、図１（Ｅ）に示されるように、羽根部１４の幅は狭くなり、且つ、羽根部１４における両側の側部に形成された曲面１４Ｂの曲率も小さくなる。

高エネルギービーム２２の相対移動速度を遅くした場合には、高エネルギービーム２２を中心にして熱が広がるので、溶融池３６が形成される領域が拡大される。従って、羽根部１４における長さ方向の両端部に形成される曲面１４Ａの曲率は大きくなる。また、羽根部１４の幅は広くなり、且つ、羽根部１４における両側の側部に形成された曲面１４Ｂの曲率も大きくなる。更に、羽根部１４の第１母材１１及び第２母材１２との接合箇所の強度を高めることができる。

また、特に図示しないが、出射部２４から出射される高エネルギービーム２２のエネルギーが増加されると、高エネルギービーム２２による加熱温度が上昇して溶融池３６の生成が促進されるので、溶融池３６の深さが増加する。また、高エネルギービーム２２の焦点２２Ａが第１母材１１の対向面１１Ａよりも金属粉体３２側の遠い位置（深い位置）に設定されると、高エネルギービーム２２によって金属粉体３２のより深い位置まで加熱されるので、溶融池３６の深さが増加する。

このように、上述の羽根車１０の製造方法では、羽根車１０の仕様（要求される羽根部１４の形状等）に応じて、高エネルギービーム２２の相対移動速度、高エネルギービーム２２のエネルギー、及び、高エネルギービーム２２の焦点距離等が設定される。

なお、溶融池３６の固化時に、溶融池３６に付着した金属粉体３２の溶融物が固化することにより、羽根部１４の表面には、複数の粒状突起が形成される（図示せず）。この複数の粒状突起は、上述の溶融池３６の固化時に溶融池３６に付着した金属粉体３２（図１参照）が、完全に溶融しないまま固化したことにより形成されたものである。つまり、この粒状突起は、金属粉体３２の不完全溶融物であるので、粉体形状を残しているものである。なお、使用される金属粉体３２の粒径を変えることにより、粒状突起の大きさ、つまり羽根部１４の表面粗さを変更することが可能である。

（作用）
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。以上詳述したように、本実施形態によれば、第１母材１１及び第２母材１２の間に、羽根部１４が一体に形成される。しかも、この羽根部１４は、金属粉体３２の溶融物により形成されるため金属製とされる。また、この羽根部１４は、第１母材１１の外側から該第１母材１１、第２母材１２及び金属粉体３２に向けて高エネルギービーム２２が照射されることにより形成されるものである。従って、羽根車１０が小型であっても、羽根部１４を容易に形成することが可能である。溶接が１工程で済むため、製造コストを低減できる。このため、小型の金属製の羽根車１０を低コストで製造することができる。羽根車１０の試作も、低コストで行うことが可能である。

また、本実施形態では、高エネルギービーム２２の光軸方向を深さ方向とする溶融池３６を生成した後に、この溶融池３６を固化させることで羽根部１４を形成している。しかも、高エネルギービーム２２によって、金属製の第１母材１１及び第２母材１２の間に充填された金属粉体３２のうちの一部のみを溶融させるので、溶融池３６が固化される際には、残存した金属粉体３２が溶融池に対して型の役割（溶融池３６の形状保持及び放熱）を果たすようになる。従って、溶融池３６の形状（高エネルギービーム２２の光軸方向を深さ方向とする形状）を維持することができるので、溶融池３６の形状を維持したまま溶融池３６を固化させることができる。これにより、羽根部１４の形状を確保することができる。第１母材１１の一部、第２母材１２の一部及び金属粉体３２の一部を溶融させてから固化させるので、第１母材１１及び第２母材１２に対する羽根部１４の接合強度が高い。

また、第１母材１１、第２母材１２及び金属粉体３２に対して高エネルギービーム２２を相対移動させて、この高エネルギービーム２２の相対移動方向に沿って第１母材１１の一部、第２母材１２の一部及び金属粉体３２の一部を溶融させるので、高エネルギービーム２２の相対移動方向に連続して溶融池３６を生成することができる。この溶融池３６を固化させることで、高エネルギービーム２２の相対移動方向に羽根部１４を連続的に形成することができる。

また、高エネルギービーム２２の焦点２２Ａを第１母材１１の対向面１１Ａよりも金属粉体３２側（第１母材１１及び第２母材１２の間）の位置に設定するので、第１母材１１の一部、第２母材１２の一部及び金属粉体３２の一部を効果的に溶融させて溶融池３６を生成することができる。これにより、高エネルギービーム２２の照射側の反対側に位置する第２母材１２を溶融させて、第１母材１１及び第２母材１２の間に羽根部１４を一体に形成することができる。

また、第１母材１１の一部、第２母材１２の一部及び金属粉体３２の一部に形成された溶融池３６にキーホール４０を形成しながら、高エネルギービーム２２を相対移動させる。従って、キーホール４０を通じて高エネルギービーム２２を金属粉体３２の深い位置まで届かせることができるので、このことによっても、第１母材１１及び第２母材１２の間に羽根部１４を一体に形成することができる。

また、第１母材１１及び第２母材１２の間に金属粉体３２を充填するので、金属粉体３２の流動を抑制することができる。これにより、金属粉体３２の溶融物である溶融池３６の形状が崩れることを抑制することができるので、溶融池３６の形状をより安定して維持したまま溶融池３６を固化させて、羽根部１４を形成することができる。

［第２実施形態］
本実施形態では、羽根車２０の製造方法と、羽根車２０について説明する。図４において、羽根車２０は、第１実施形態と同様の製造装置１６（図１）を用いて、以下の要領にて製造される。先ず、図４（Ａ）に示されるように、第１母材１１及び第２母材１２が、所定の隙間を持って互いに対向配置されるように製造装置１６（図１）にセットされる。図５に示されるように、第１母材１１及び第２母材１２は、共に双曲線状に３次元に湾曲している。図４は、これらを平板状に模式化し、第２母材１２を第１母材１１に対して傾けて配置した図となっている。第１実施形態と異なり、第１母材１１と第２母材１２との間の距離は一定ではない。

続いて、第１実施形態と同様に、第１母材１１及び第２母材１２の間の隙間に金属粉体３２が充填される。そして、第１実施形態と同様に、例えば第１母材１１の外側に位置する照射部２６から、該第１母材１１、第２母材１２及び金属粉体３２に向けて高エネルギービーム２２が照射される。照射部２６は、１つであっても良いし、複数であっても良い。第１母材１１の一部、第２母材１２の一部、金属粉体３２の一部を溶融させるために、高エネルギービーム２２の焦点距離やパワー密度は、第１母材１１と第２母材１２との間の距離に応じて適宜調節される。

高エネルギービーム２２により、第１母材１１の一部、第２母材１２の一部及び金属粉体３２の一部が溶融して固化することにより、図４（Ｂ）に示されるように、第１母材１１及び第２母材１２の間に複数の羽根部１４が形成される（溶接工程）。その後、図４（Ｃ）に示されるように、第１母材１１及び第２母材１２の間に残存する金属粉体３２が、該第１母材１１及び第２母材１２の周囲の開口部から外部に排出される（粉体除去工程）。

以上の要領で、第１母材１１及び第２母材１２と、この第１母材１１及び第２母材１２の間に形成された複数の羽根部１４とを有する羽根車２０が得られる。図５に示されるように、この羽根車２０は、例えば、３次元の曲面を持つ羽根部１４を有する混流形となっている。

［他の実施形態］
なお、上記各実施形態では、羽根部１４が第１母材１１に垂直に形成されていた。しかしながら、第１母材１１や第２母材１２に対して斜めに高エネルギービーム２２が照射されることにより、羽根部１４が第１母材１１や第２母材１２に対して斜めに形成されていても良い。また、第１母材１１及び第２母材１２の間に羽根部１４が形成されるものとしたが、母材を更に追加して、各々の母材間に羽根部１４を形成しても良い。羽根部１４は、上記具体例に挙げた形状以外の曲線状や屈曲線状に延びるように形成されても良く、また、その他の形状に形成されても良い。

また、上記実施形態では、金属粉体３２には、第１母材１１及び第２母材１２と同一の金属が使用されていたが、第１母材１１及び第２母材１２と異なる金属が使用されても良い。なお、金属粉体３２に、第１母材１１及び第２母材１２と異なる金属が使用された場合、羽根部１４は、異種金属の合金により形成される。

また、上記実施形態において、高エネルギービーム２２は、一例として、レーザビームとされており、この場合出射部２４は、レーザ発振器により構成される。しかしながら、出射部２４は、例えば、電子ビームやプラズマビームなどレーザ以外の高エネルギービーム２２を出射する構成とされていても良い。そして、このレーザ以外の高エネルギービーム２２を用いて羽根部１４が形成されても良い。

また、上記実施形態では、高エネルギービーム２２の焦点２２Ａが金属粉体３２（第１母材１１及び第２母材１２の間）の位置に設定されていた。しかしながら、例えば、第１母材１１の一部、第２母材１２の一部及び金属粉体３２の一部を溶融させることができるのであれば、高エネルギービーム２２の焦点２２Ａは第１母材１１又は第２母材１２に設定されても良い。また、このように高エネルギービーム２２の焦点２２Ａが第１母材１１又は第２母材１２に設定された場合に、第１母材１１の一部、第２母材１２の一部及び金属粉体３２の一部に溶融池３６が形成されると共に、この溶融池３６にキーホール４０が形成されても良い。

また、上記実施形態では、駆動部２８によって第１母材１１及び第２母材１２を適宜移動させるものとしたが、駆動部２８によって照射部２６を移動させることにより、高エネルギービーム２２を、第１母材１１、第２母材１２及び金属粉体３２に対して相対移動させても良い。

更に、高エネルギービーム２２により形成される溶融池３６の固化は、自然冷却によるものに限られず、金属板等を第１母材１１及び第２母材１２の少なくとも一方に当てることにより、溶融池３６を積極的に冷却して、該溶融池３６をより早期に固化させるようにしてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

１０…羽根車、１１…第１母材、１２…第２母材、１４…羽根部、２０…羽根車、２２…高エネルギービーム、２２Ａ…焦点、３２…金属粉体、３６…溶融池（溶融物の一例）、４０…キーホール

Claims (4)

1. 対向配置された金属製の第１母材及び第２母材の間に多数の金属粉体を充填する粉体充填工程と、
   前記第１母材及び前記第２母材に前記多数の金属粉体を接触させた状態で、前記第１母材又は前記第２母材の外側から前記第１母材、前記第２母材及び前記多数の金属粉体に向けて高エネルギービームを照射することにより、前記第１母材の一部、前記第２母材の一部及び前記多数の金属粉体のうち一部の金属粉体を溶融させて溶融物を生成すると共に、前記溶融物を固化させることにより前記第１母材と前記第２母材との間に羽根部を一体に形成して羽根車を得る溶接工程と、
   を備えた羽根車の製造方法。
2. 前記溶接工程において、前記第１母材、前記第２母材及び前記多数の金属粉体に対して前記高エネルギービームを相対移動させて、前記高エネルギービームの相対移動方向に沿って前記羽根部を形成する、
   請求項１に記載の羽根車の製造方法。
3. 前記溶接工程において、前記高エネルギービームを照射することにより、前記第１母材の一部、前記第２母材の一部及び前記多数の金属粉体のうち一部の金属粉体に前記溶融物としての溶融池を形成すると共に、前記溶融池にキーホールを形成しながら、前記高エネルギービームを相対移動させる、
   請求項２に記載の羽根車の製造方法。
4. 前記溶接工程において、前記高エネルギービームの焦点を前記第１母材、前記第２母材、又は前記多数の金属粉体の位置に設定した状態で前記高エネルギービームを照射する、
   請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の羽根車の製造方法。

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