JP6341730B2 - パウダ供給ヘッドの管理方法、エロージョンシールドの形成方法、及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、パウダ供給ヘッドの管理方法、エロージョンシールドの形成方法、動翼製造方法、パウダ供給ヘッド、及び肉盛溶接装置に関する。

一般的なタービン（例えば、蒸気タービン）は、ケーシングに回転軸であるロータが回転自在に支持され、このロータの外周部に動翼が設置されると共に、ケーシングの内壁に静翼が設置され、蒸気通路にこの動翼と静翼が交互に複数配設されている。そして、蒸気が蒸気通路を流れる過程で、動翼及びロータが回転駆動する。

動翼は、ロータのロータディスクに固定される翼根部と、翼根部に一体に形成されるプラットホームと、基端部がこのプラットホームに接合されて先端部側に延出する翼部と、を有している。そして、動翼は、基端部がロータディスクの外周部にその周方向に沿って複数並設するように固定されている。

例えば、蒸気タービンの動翼は、蒸気が流れる経路内で回転する。このとき、低圧蒸気タービンの最終段付近の蒸気は、微小水滴を多量に含有している。このため、動翼は、水滴の高速衝突により、翼先端前縁部がエロージョンにより減肉してしまう。

このような、エロージョンに対する対策としては、例えば、特許文献１、特許文献２に記載されているように動翼の先端前縁部にエロージョンシールドを形成する方法がある。特許文献１では、プラズマトランスファアーク溶接により肉盛溶接してエロージョンシールドを形成している。また、特許文献１には、硬質材料の粉末を高密度エネルギー照射（レーザや電子ビーム）で溶融させ肉盛溶接して硬質層を形成し、部材の一部を局部的に硬質層に置き換えて浸食防止部（エロージョンシールド）を設けることが記載されている。

特開平１０−２８０９０７号公報 特開２０１２−８６２４１号公報

特許文献１に記載されたようにアーク溶接でエロージョンシールドを形成すると、欠陥が生じる場合や、硬さが十分ではない場合がある。また、特許文献２に記載されているようにレーザ溶接による肉盛加工で、エロージョンシールドを作成することで、エロージョンシールド性を高くすることができる。

ここで、レーザ溶接による肉盛加工では、エロージョンシールドの材料、つまり肉盛に用いる溶着金属を、ヘッドに設けられた管から噴射して供給する場合がある。この溶着金属を供給する管を備えたパウダ供給ヘッドから供給される溶着金属の供給状態が変動すると肉盛加工に影響が生じる。この溶着金属を供給する管を備えたパウダ供給ヘッド、またパウダ供給ヘッドの管理には改善の余地がある。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、溶着金属の供給状態を安定させることができるパウダ供給ヘッドの管理方法、エロージョンシールドの形成方法、動翼製造方法、パウダ供給ヘッド及び肉盛溶接装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明は、肉盛溶接に用いる溶着金属を噴射する内周側の管と、前記内周側の外周に配置され、シールドエアーを噴射する外周側の管とが同心円上に重なった二重管を有し、前記溶着金属を施工位置に供給するパウダ供給ヘッドの管理方法であって、設定された条件で試験領域に前記パウダ供給ヘッドから溶着金属を噴射する噴射工程と、前記試験領域に吹き付けられた溶着金属の幅を計測する幅計測工程と、計測した前記溶着金属の幅が許容値以下の場合、前記パウダ供給ヘッドを使用可と判定し、計測した前記溶着金属の幅が許容値よりも大きい場合、前記パウダ供給ヘッドを使用不可と判定する判定工程と、を有することを特徴とする。

また、前記内周側の管は、前記溶着金属を噴射する側の端面が、前記内周側の管の軸方向に直交する面に加工されていることが好ましい。

また、前記試験領域は、粘着性の材料が設けられていることが好ましい。

また、前記噴射工程における前記試験領域の酸素濃度を計測する酸素濃度計測工程をさらに有し、前記判定工程は、前記酸素濃度計測工程で計測した酸素濃度が許容値以下の場合、前記パウダ供給ヘッドを使用可と判定し、計測した酸素濃度が許容値よりも大きい場合、前記パウダ供給ヘッドを使用不可と判定することが好ましい。

上記の課題を解決するための本発明は、動翼本体の先端及び翼面の少なくとも一部にエロージョンシールドを形成するエロージョンシールドの形成方法であって、動翼となる基体の先端及び端面の少なくとも一部を除去し、境界を形成する工程と、上記のいずれかに記載のパウダ供給ヘッドの管理方法で使用可と判定されたパウダ供給ノズルを用いて、前記境界にレーザ溶接で肉盛部を形成する工程と、前記基体の余肉及び前記肉盛部の一部を除去する仕上げ加工を行う工程と、を有することを特徴とする。

上記の課題を解決するための本発明の動翼製造方法は、前記動翼に余肉部を有する基体を成型する基体製造工程と、上記に記載のエロージョンシールドの形成方法で、前記翼本体にエロージョンシールドを形成する工程を有することを特徴とする。

上記の課題を解決するための本発明に係るパウダ供給ヘッドは、肉盛溶接に用いる溶着金属を噴射する内周側の管と、前記内周側の外周に同心円上に重なって配置され、シールドエアーを噴射する外周側の管と、を有し、前記内周側の管は、前記溶着金属を噴射する側の端面が、前記内周側の管の軸方向に直交する面であることを特徴とする。

上記の課題を解決するための本発明は、動翼本体の先端及び翼面の少なくとも一部にエロージョンシールドを形成するエロージョンシールドの形成方法であって、動翼となる基体の先端及び端面の少なくとも一部を除去し、境界を形成する工程と、上記に記載のパウダ供給ヘッドを有するパウダ供給ノズルを用いて、前記境界にレーザ溶接で肉盛部を形成する工程と、前記基体の余肉及び前記肉盛部の一部を除去する仕上げ加工を行う工程と、を有することを特徴とする。

上記の課題を解決するための本発明の動翼製造方法は、前記動翼に余肉部を有する基体を成型する基体製造工程と、上記に記載のエロージョンシールドの形成方法で、前記翼本体にエロージョンシールドを形成する工程を有することを特徴とする。

上記の課題を解決するための本発明に係る肉盛溶接装置は、上記に記載のパウダ供給ヘッドと、レーザを照射するレーザヘッドと、を有し、施工位置に前記レーザヘッドでレーザを照射しつつ、前記パウダ供給ヘッドで前記溶射金属を供給することを特徴とする。

本発明は、溶着金属の供給状態を安定させることができる。これにより、肉盛溶接を寄り高精度に実行することができる。

図１は、動翼が備えられた蒸気タービンの概略構成図である。 図２は、動翼の一実施形態の概略構成を示す斜視図である。 図３は、図２のＡ−Ａ面断面図である。 図４は、エロージョンシールドの形状及び形成方法を説明するための説明図である。 図５は、動翼製造方法の一例を示すフローチャートである。 図６は、動翼製造方法のエロージョンシールドの形成方法の一例を示す模式図である。 図７Ａは、肉盛溶接装置の概略構成を示す模式図である。 図７Ｂは、肉盛溶接装置の概略構成を示す部分拡大図である。 図８は、パウダ供給ヘッドの概略構成を示す正面図である。 図９は、パウダ供給ヘッドの概略構成を示す断面図である。 図１０は、肉盛溶接の処理動作の一例を示すフローチャートである。 図１１は、パウダ供給ヘッドの管理動作の一例を示すフローチャートである。 図１２は、パウダ供給ヘッドの管理動作の一例を説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

図１は、実施形態１に係る動翼が備えられた蒸気タービンの概略構成図である。以下、図１を参照しながら、実施形態１に係る蒸気タービン１の構造の概略について説明する。

図１に示すように、蒸気タービン１において、ケーシング１１は、中空形状を呈し、回転軸としてのロータ１２が複数の軸受１３によって回転自在に支持されている。ケーシング１１内には、動翼１５及び静翼１６が配設されている。動翼１５は、ロータ１２に形成された円盤状のロータディスク１４の外周にその周方向に沿って、複数並設され固定されている。静翼１６は、ケーシング１１の内壁にその周方向に沿って、複数並設され固定されている。これらの動翼１５及び静翼１６は、ロータ１２の軸方向に沿って交互に配設されている。

また、ケーシング１１内には、上記の動翼１５及び静翼１６が配設され、蒸気が通過する蒸気通路１７が形成されている。この蒸気通路１７には、蒸気が供給される入口として蒸気供給口１８が形成され、蒸気が外部に排出される出口として蒸気排出口１９が形成されている。

次に、図１を参照しながら、蒸気タービン１の動作の概略を説明する。蒸気タービン１の蒸気供給口１８から蒸気通路１７に供給された蒸気は、静翼１６を通過する過程で膨張して高速の蒸気流となる。静翼１６を通過した高速の蒸気流は、動翼１５に吹き付けられて、複数の動翼１５及びこれらが取り付けられたロータ１２を回転させる。ロータ１２には、例えば、発電機等が連結されており、ロータ１２が回転することにより発電機が駆動されて電力が発生する。蒸気通路１７の静翼１６及び動翼１５が配設された部分を通過した蒸気は、蒸気排出口１９から外部に排出される。

図２は、実施形態１の動翼を示す概略図である。図３は、図２のＡ−Ａ面断面図である。図２及び図３を参照しながら、実施形態１の動翼１５の構造について説明する。図２に示すように、動翼１５は、翼根部２１と、プラットホーム２２と、翼部２３と、を含む。翼根部２１は、ロータディスク１４に埋設され、動翼１５をロータディスク１４に固定する。プラットホーム２２は、翼根部２１と一体となる湾曲したプレート形状物である。翼部２３は、基端部がプラットホーム２２に固定され、先端部がケーシング１１の内壁面側に延出している。翼部２３は、翼長方向に向かうに従って捩じられている場合もある。また、動翼１５は、翼部２３の先端部に固定されたシュラウドを備えていてもよい。シュラウドは、隣接する動翼１５のシュラウドと接触して、動翼１５を固定し、あるいは、動翼１５の振動を抑制する部材である。

ここで、動翼１５は、図２及び図３に示すように、翼本体２４の表面の一部にエロージョンシールド２５が形成されている。エロージョンシールド２５は、動翼１５が回転して蒸気流が流れる際、動翼１５のうち、蒸気流の上流側である前縁部、つまり先端２６及び翼面２７の先端２６側の一部に形成される。翼本体２４とエロージョンシールド２５との境目が境界２８となる。エロージョンシールド２５は、動翼１５の延在方向、つまり翼部２３のプラットホーム２２から離れる方向において、プラットホーム２２から遠い側の一定範囲に設けるようにしてもよい。つまり、回転時に径方向外側となる側の一部のみに形成してもよい。エロージョンシールド２５は、例えば、コバルトを主成分とするステライト（登録商標）等の耐摩耗性の高いコバルト基合金を用いることができる。エロージョンシールド２５は、翼本体２４の表面に、対象の材料（例えば、ステライト（登録商標））をレーザ溶接の肉盛加工で形成することができる。なお、翼本体２４は、クロム基合金等で形成される。

次に、図４から図１０を用いて、エロージョンシールドのより詳細な形状、エロージョンシールドの形成方法及びこれを含む動翼製造方法について説明する。図４は、エロージョンシールドの形状及び形成方法を説明するための説明図である。図５は、動翼製造方法の一例を示すフローチャートである。図６は、動翼製造方法のエロージョンシールドの形成方法の一例を示す模式図である。図７Ａは、肉盛溶接装置の概略構成を示す模式図である。図７Ｂは、肉盛溶接装置の概略構成を示す部分拡大図である。図８は、パウダ供給ヘッドの概略構成を示す正面図である。図９は、パウダ供給ヘッドの概略構成を示す断面図である。図１０は、肉盛溶接の処理動作の一例を示すフローチャートである。

図４に示すように、動翼１５は、翼本体２４となる基体４０からエロージョンシールド２５を形成するための開先を形成することで、境界２８が形成される。その後、境界２８にエロージョンシールド２５となる材料を肉盛加工（肉盛溶接）で形成し、その後、肉盛加工した部分の余肉と、基体４０の余肉を除去することで、先端２６と、翼面２７と、翼面２７とは反対側の面が形成される。

ここで、境界２８は、翼面２７側の端部から先端２６の端部に向かうにしたがって、翼面２７とは反対側の面に近づく形状となっている。また、境界２８は、翼面２７側の端部が、翼本体２４の内側に凸の曲面（第１曲面）Ｒ１と、第１曲面Ｒ１よりも先端２６側に配置された翼本体２４の外側に凸の曲面（第２曲面）Ｒ２と、第２曲面Ｒ２よりも先端２６側に配置された翼本体２４の外側に凸の曲面（第３曲面）Ｒ３と、第３曲面Ｒ３と翼面２７とは反対側の面との間に配置された直線と、で形成されている。本実施形態の境界２８は、第１曲面Ｒ１と第２曲面Ｒ２と第３曲面Ｒ３とが滑らかに接続されている。また本実施形態の境界２８は、第１曲面Ｒ１の曲率半径が第２曲面Ｒ２の曲率半径よりも小さくなる。また、境界２８は、第３曲面Ｒ３の曲率半径が第１曲面Ｒ１の曲率半径よりも小さくなる。

本実施形態の動翼１５の各形状の一例としては、第１曲面Ｒ１の曲率が６．５ｍｍ、第２曲面Ｒ２の曲率半径が１０．０ｍｍ、第３曲面Ｒ３の曲率半径が２．５ｍｍとなる。

境界２８は、第２曲面Ｒ２と第３曲面Ｒ３との接点と、翼面２７とは反対側の面と、の距離ｄ１が２．３ｍｍ、第３曲面Ｒ３と翼面２７とは反対側の面との間に配置された直線の距離ｄ２が０．７ｍｍとなる。動翼１５は、翼面２７と、第１曲面Ｒ１と第２曲面Ｒ２との接点と、の距離ｄ３が０．８ｍｍとなる。基体４０は、翼面２７側の面と翼面２７との距離ｄ４、ｄ５が１．０ｍｍとなる。基体４０は、翼面２７側とは反対側の面側の面と、動翼１５の翼面２７側とは反対側の面との距離ｄ６が２．０ｍｍとなる。

また、基体４０は、先端２６側の端部から、境界２８の翼面２７側の端部までの距離Ｌ１が１２．５ｍｍとなり、先端２６側の端部から、第１曲面Ｒ１と第２曲面Ｒ２との接点までの距離Ｌ２が９．０ｍｍとなる。基体４０は、先端２６側の端部から、エロージョンシールド２５の先端２６側の端部までの距離Ｌ３が１．０ｍｍとなる。基体４０は、先端２６側の端部から、第３曲面Ｒ３の先端２６側の端部までの距離Ｌ４が２．７ｍｍとなる。基体４０は、先端２６側の端部から、第２曲面Ｒ２と第３曲面Ｒ３との接点までの距離Ｌ５が３．２ｍｍとなる。

動翼１５は、翼本体２４とエロージョンシールド２５との境界２８の形状を、翼面２７側の端部から先端２６の端部に向かうにしたがって、翼面２７とは反対側の面に近づく形状とし、かつ、第１曲面Ｒ１と第２曲面Ｒ２とを含む形状とすることで、エロージョンシールド２５のエロージョンシールド性能を高くすることができる。また、翼本体２４にエロージョンシールド２５の欠陥の発生を抑制することができ、エロージョンシールド２５の硬さを高く（硬く）することができる。つまり、レーザ溶接の肉盛加工で形成するエロージョンシールド２５と翼本体２４との上記関係とすることで、母材成分（翼本体２４の成分）により溶接金属（エロージョンシールド２５の金属）が希釈されるため、エロージョンシールド２５の硬さが高く（硬く）ならず、性能の劣化が生じることを抑制することができる。また、母材成分により溶接金属が希釈されたことにより、エロージョンシールド２５の金属に割れが発生することを抑制することができる。また、エロージョンシールド２５と翼本体２４との融合不良やブローホールといった溶接欠陥の発生を抑制することができる。

なお、本実施形態は、第１曲面Ｒ１と第２曲面Ｒ２とを接触させたが、第１曲面Ｒ１と第２曲面Ｒ２との間に直線部を設けてもよい。また、本実施形態は、第３曲面Ｒ３と翼面２７とは反対側の面との間に曲面を設けてもよい。ここで、境界２８は、第１曲面Ｒ１と第２曲面Ｒ２と第３曲面Ｒ３とが、滑らかに接続され、かつ曲率半径が大きくなるようにすることが好ましい。このように、境界２８のそれぞれの曲面の曲率半径を大きくすることで、境界２８に沿った方向におけるエロージョンシールド２５の厚みの変動を緩やかにすることができ、エロージョンシールド２５の性能を高くすることができる。

動翼１５は、距離Ｌ４−距離Ｌ３の距離よりも距離ｄ３の方が短くなる。つまり、エロージョンシールド２５は、先端２６側の方が翼面２７よりも厚くなる。これにより、エロージョンがより発生しやすく、減肉量が多い先端２６側の厚みを厚くしつつ、減肉量が少ない翼面２７側の厚みを薄くすることができる。

基体４０は、翼面２７側の面と翼面２７との距離ｄ４、ｄ５、つまり、翼面２７側の余肉部の距離を１ｍｍとする。なお、翼面２７側の余肉部の距離は、１ｍｍとすることで、効率よく加工を行うことができるが、１ｍｍ以上であればよく、厚くてもよい。

基体４０は、翼面２７側とは反対側の面側の面と、動翼１５の翼面２７側とは反対側の面との距離ｄ６、つまり、翼面２７側とは反対側の面側の余肉部の距離を２ｍｍとする。なお、翼面２７側とは反対側の面側の余肉部の距離は、２ｍｍとすることで、効率よく加工を行うことができるが、２ｍｍ以上であればよく、厚くてもよい。

次に、図５及び図６を用いて動翼の製造方法について説明する。動翼製造方法は、製造するタービン翼（動翼）の形状に基づいて、タービン翼の基体４０の形状と加工量を決定する（ステップＳ２０）。つまり、上述した図４に示すように設定した基体４０の形状及び各位置の距離等を決定し、また、形状に基づいて、加工量や加工手順を決定する。

動翼製造方法は、加工条件を決定したら、決定した条件に基づいて、タービン翼の基体４０を製造する（ステップＳ２２）。つまり、動翼製造方法は、図６に示す加工対象物８２である基体４０を製造する。基体４０は、境界２８が形成される前の形状であり、余肉部や、境界２８よりも先端側の領域に残った形状である。基体４０は、鋳造で製造される。例えば、基体４０の形に加工された上下一組の金型内に、再結晶温度以上の高温に加熱した鍛造素材（例えば、ステンレス等）を設置し、熱間型鍛造を行う。熱間型鍛造が終了すると、基体４０の形状の鍛造物が成型される。製造された基体４０は、成型された高温状態の鍛造物を冷却した後、不要な部分（バリ）を除去し、鍛造物に対して熱処理を施すことにより、前工程（鍛造工程）で鍛造物に発生した残留応力及び冷却過程で鍛造物に発生した熱応力を解放する。これにより、基体４０を製造する。

動翼製造方法は、基体４０を製造したら、肉盛溶接開先加工を行う（ステップＳ２４）。つまり、図６の加工対象物８２に対して開先加工を行い、加工対象物８４のように、基体４２の一部４４を除去する。これにより、基体４２の先端側の部分は、境界２８に沿った曲面となる。

動翼製造方法は、肉盛溶接開先加工を行ったら、レーザ溶接で肉盛加工を行う（ステップＳ２６）。つまり、図６の加工対象物８４に対して肉盛溶接を行い、加工対象物８６のように、基体４２に肉盛部４６を形成する。肉盛部４６は、エロージョンシールド２５となる金属（溶着金属）で形成され、エロージョンシールド２５が形成される領域５０を含む範囲に形成する。また、肉盛加工は、動翼１５の延在方向、つまり図６の紙面に垂直な方向を１パスとして行われる。また、１パスの肉盛加工が行われ、次のパスの肉盛加工が行われる場合、加工位置は矢印５２の方向に移動される。つまり、肉盛加工は、領域５０の翼面２７側の端部側から行い、先端２６側に徐々に移動し、翼面２７とは反対側の面まで行われる。

動翼製造方法は、基体４２の肉盛部４６が形成される面を境界２８に沿った曲面とすることで、領域５０の厚みが厚くなることを抑制でき、各位置を１パス分の溶着金属（１層）で形成することができる。つまり、多層盛の溶接で形成することを抑制することができ、硬さ低下領域が表面に出現することを抑制できる。ここで、動翼製造方法は、領域５０の厚みを２ｍｍ以下とすることで、肉盛部４６の各位置を１層で形成することができる。硬さ低下領域とは、溶着金属に母材が混入する領域であり、溶着金属によって得られるエロージョンシールド２５の性能（耐エロージョン性能）が低下した領域である。

肉盛部４６は、母材（基体４２の材料）による希釈を１０％以下とすることが好ましい。動翼製造方法は、後述するがレーザを用いた肉盛加工で肉盛部４６を形成することで、母材（基体４２の材料）による希釈を１０％以下とすることができる。動翼製造方法は、基体４２の肉盛部４６が形成される面を境界２８に沿った曲面とすることで、溶着金属（肉盛部４６の金属、エロージョンシールド２５となる金属）の溶け込みを抑制することができ、母材（基体４２の材料）による希釈をより確実に１０％以下とすることができる。また、肉盛部４６は、隣り合う溶接ビード、つまり隣接するパスで形成される部分が重なるように形成する。なお、溶接ビードは、基体４２に接触する場合、基体４２に接触する部分よりも他の溶接ビードに接触する部分が多くなるように、形成することが好ましい。レーザ溶接による肉盛加工については、後述する。

動翼製造方法は、肉盛加工を行ったら、余肉部を除去する仕上げ加工を行う（ステップＳ２８）。つまり、図６の加工対象物８６に対して、仕上げ加工を行い、加工対象物８８に示すように、翼面２７側の余肉部６０と、翼面２７と反対側の面の余肉部６２と、肉盛部４６の余肉部６４と、を切削する。これにより、翼本体２４とエロージョンシールド２５とを有する動翼１５を形成する。その後、動翼１５には必要な熱処理（例えば、溶体化処理及び時効処理）等が施されて、動翼１５に必要な機械的特性が与えられる。

次に、図７Ａ，７Ｂ及び図１０を用いて、ステップＳ２６のレーザ溶接による肉盛加工について、より詳細に説明する。まず、図７Ａ及び図７Ｂを用いて、レーザ溶接による肉盛加工を行う肉盛溶接装置１００の概略構成について説明する。図７Ａに示すように肉盛溶接装置１００は、レーザ照射装置１０２と、パウダ供給装置１０４と、を有する。なお、肉盛溶接装置１００は、上記構成に加え、位置調整機構や基体４２との相対位置を移動させる機構や、施工位置の倣い処理を行う機構等を備えている。

レーザ照射装置１０２は、光源１１２と、光ファイバ１１４と、レーザヘッド１１６と、を有する。光源１１２は、レーザを出力する発光源である。光ファイバ１１４は、光源１１２から出力されたレーザをレーザヘッド１１６に導く。レーザヘッド１１６は、光ファイバ１１４に案内されたレーザを出力する。レーザヘッド１１６は、図７Ｂに示すように基体４２の施工位置に対面しており、レーザ２０２を施工位置に照射する。

パウダ供給装置１０４は、パウダ供給源１２０と、パウダ供給ライン１２２と、エアー供給源１２４と、エアー供給ライン１２６と、パウダ供給ヘッド１２８と、を有する。パウダ供給源１２０は、溶着金属を供給する供給源である。パウダ供給源１２０は、溶着金属を空気等で混合流として搬送することで、パウダ供給ライン１２２に供給する。パウダ供給ライン１２２は、パウダ供給源１２０から供給された溶着金属と空気との混合流をパウダ供給ヘッド１２８に供給する。エアー供給源１２４は、施工位置のシールドガスとなる不活性ガス（例えば、窒素、アルゴン）、本実施形態では９９．９９９％の窒素ガスを供給する。エアー供給ライン１２６は、エアー供給源１２４から供給されたシールドガスをパウダ供給ヘッド１２８に供給する。

パウダ供給ヘッド１２８は、図８に示すように、二重管のノズルであり、内周側の管１３０と、内周側の管１３０の外周に配置された外周側の管１３２とが同心円上に配置されている。パウダ供給ヘッド１２８は、内周側の管１３０の内周に囲まれた領域が流路１３４となる。流路１３４は、同心円の中心を含む円である。パウダ供給ヘッド１２８は、外周側の管１３２の内周面と内周側の管１３０の外周面とに囲まれた領域が流路１３６となる。流路１３６は、リング形状となる。パウダ供給ヘッド１２８は、流路１３４からパウダ供給ライン１２２を介して供給された溶着金属と空気との混合流（パウダ）２０４を噴射し、流路１３６からエアー供給ライン１２６から供給されたシールドエアー２０６を噴射する。パウダ供給ヘッド１２８は、図７Ｂ及びに示すように基体４２の施工位置に対面しており、施工位置にパウダ２０４とシールドエアー２０６とを噴射する。

ここで、流路１３４から噴射されるパウダ２０４は、図９に示すように所定の広がり角で広がりながら噴射される。また、パウダ供給ヘッド１２８は、内周側の管１３０の噴射側の端面（噴射口）１５０が、内周側の管１３０の中心軸（延在方向）に直交する面となる。つまり、内周側の管１３０は、端面１５０が面取りされていない。

肉盛溶接装置１００は、基体４２の施工位置にレーザ２０２を照射しつつ、パウダ２０４を供給することで、パウダ２０４に含まれる溶着金属を基体４２に溶接することができる。また、肉盛溶接装置１００は、シールドエアー２０６を施工位置に噴射することで、施工位置の雰囲気を所定の雰囲気とすることができる。具体的には、施工位置の酸素濃度を制御することができる。

また、肉盛溶接装置１００は、パウダ供給ヘッド１２８の端面１５０を面取りしていない形状とすることで、パウダ２０４の広がり角を一定にすることができる。つまり、パウダ供給ヘッド１２８は、端面１５０が面取りされていると面取りの状態によって、パウダ２０４の広がり角が変動してしまい、施工位置に向けたパウダの供給状態が、パウダ供給ヘッド１２８によって変わってしまう。これに対して、本実施形態のパウダ供給ヘッド１２８は、パウダ供給ヘッド１２８の端面１５０を面取りしていない形状とすることで、パウダ供給ヘッド１２８の端面１５０の形状を同じ形状とすることができ、個体差が生じることを抑制できる。これにより、パウダ２０４の広がり角を一定にすることができ、施工位置に安定してパウダ（溶着金属）を供給することができる。

次に図１０を用いて、レーザ溶接による肉盛加工の処理動作の一例について、説明する。なお、図１０に示す処理は、プログラム等を用いて自動制御で実行することができる。

動翼製造方法は、グラインダ処理を行い（ステップＳ４０）、開先加工を行った領域の表面を処理する。グラインダ処理を行うことで、肉盛溶接で溶着させる溶着金属が基体４２の表面（境界）に溶着しやすい状態とすることができる。動翼製造方法は、グラインダ処理を行ったら、厚み計測（ステップＳ４２）を行う。つまり、動翼製造方法は、エロージョンシールド２５を形成する領域の形状を計測する。

動翼製造方法は、厚み計測を行ったら、施工位置の倣い処理を行う（ステップＳ４４）。レーザを照射しつつ溶着金属を噴射することで溶接ビードを設ける位置を特定する。これにより、各ヘッドと基体４２とを相対移動させる経路を調整する。

動翼製造方法は、倣い処理を行ったら、予熱及びパス間温度調整を行う（ステップＳ４６）。本実施形態では、基体４２を５０℃以上１００℃以下に含まれる所定の温度となるように主に加熱また必要に応じて冷却を行う。動翼製造方法は、予熱及び温度調整を行ったら、肉盛溶接を行う（ステップＳ４８）。具体的には、肉盛溶接装置１００を用いて、１パス分の肉盛溶接を行う。

動翼製造方法は、肉盛溶接を行ったら、パス間・層間手入れを行う（ステップＳ５０）。具体的には、肉盛部４６の表面等に付着したフラックス、ごみ等を除去する。動翼製造方法は、手入れを行ったら、肉盛溶接を終了するかを判定する（ステップＳ５２）。つまり、設定された全てのパスの肉盛溶接を行い、肉盛部４６が形成できたかを判定する。動翼製造方法は、肉盛溶接が終了していない（ステップＳ５２でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ４４に戻り、倣い処理以降の処理を行い、次のパスの肉盛溶接を行う。

動翼製造方法は、肉盛溶接が終了した（ステップＳ５２でＹｅｓ）と判定した場合、溶接ビード表面の手入れを行う（ステップＳ５４）。具体的には、肉盛部４６の表面等に付着したフラックス、ごみ等を除去する。動翼製造方法は、その後、厚み計測を行い（ステップＳ５６）、肉盛部４６の形状を計測したら、本処理を終了する。

動翼製造方法は、以上のような処理でレーザ溶接による肉盛加工（肉盛加工）を行うことで、高い精度で加工を行うことができ、欠陥等の発生も抑制することができる。動翼製造方法は、ステップＳ４０、Ｓ４６、Ｓ５０、Ｓ５４に示す処理を行うことで、加工精度を高くすることができ、欠陥を抑制することができるが必ずしも行わなくてもよい。

なお、本実施形態では、パスごとに倣い処理を行ったが、倣い処理は１回目の肉盛溶接前のみに行うようにしてもよい。この場合、各パスで形成する溶接ビードの形状を計算により算出し、その形状に基づいて、倣い位置を決定する。また、このとき、計測器で施工位置を取得し、その結果に基づいてフィードバック制御を行うことが好ましい。これにより、施工位置の位置ずれの発生を抑制できる。計測する位置は、施工位置の上流側であればよい。

また、肉盛溶接装置１００は、レーザを基体の施工位置の平面、凸部と凸部を結ぶ接線に対して約９０度とすることが好ましい。基体の施工位置の平面または施工位置に近い凸部と凸部（例えば溶接ビードの凸部と基体の凸部）を結ぶ接線に対して約９０度とすることで、溶着不良を抑制でき、溶着金属への母材の混入を抑制することができる。

また、肉盛溶接装置１００は、施工位置にオシレーションをかけてもよい。例えばパウダを施工位置に帯状に供給しながら、レーザを幅方向（パスに直交する方向）に高速でウィービングさせてもよい。ここで、高速とは、施工位置におけるレーザのエネルギー密度分布を山状ではなく矩形状にして、母材の混入する希釈部分を浅くする速度である。本実施形態のウィービングは、数十Ｈｚから数百Ｈｚの周波数でウィービングさせる。これによりエネルギー密度分布を平坦化することができ、レーザにより溶融する部分を浅くかつ幅広くすることができる。

次に、図１１及び図１２を用いて、パウダ供給ヘッドの管理方法について説明する。本実施形態の肉盛溶接装置１００は、パウダ供給ヘッドの内周側の管１３０の端面１５０が面取していない形状であるが、溶着金属をパウダとして供給している間に管１３０の内周面の形状が変化する場合がある。本実施形態の肉盛溶接装置１００は、図１１及び図１２に示す処理を実行して、パウダ供給ヘッドの状態を管理する。図１１は、パウダ供給ヘッドの管理動作の一例を示すフローチャートである。図１２は、パウダ供給ヘッドの管理動作の一例を説明するための説明図である。図１１に示す処理を実行するタイミングは、特に限定されない。肉盛加工の実行中に行ってもよいし、パウダ供給ヘッドの装着時に行ってもよいし、装置の起動時に行ってもよいし、メンテナンス等の処理が設定された場合に実行してもよい。

パウダ供給ヘッドの管理方法は、試験領域にパウダを噴射する（ステップＳ１００）。具体的には、図１２に示すように、肉盛溶接装置１００の施工位置に試験ユニット１８０を設置する。試験ユニット１８０は、試験部材１８２と、酸素濃度計測装置１８４とを有する。試験部材１８２は、平板等の平坦な部材であり、パウダ供給ヘッド１２８から距離α離れた位置に配置されている。試験部材１８２は、パウダ供給ヘッド１２８からパウダが噴射される試験領域となる。試験部材１８２は、パウダ供給ヘッド１２８と対面する面に粘着性を有する材料が設けられている。例えば、試験部材１８２は、パウダ供給ヘッド１２８と対面する面に接着剤が塗布されている。これにより、試験部材１８２は、パウダ供給ヘッド１２８から噴射されたパウダ（溶着金属）を付着した位置で保持することができる。酸素濃度計測装置１８４は、パウダ供給ヘッド１２８からパウダが噴射される試験領域（または試験領域の近傍）の酸素濃度を計測する。酸素濃度計測装置１８４は、酸素濃度を検出する計測端子を移動可能とし、濃度を計測していない間は、パウダ供給ヘッド１２８から噴射されるパウダが通過しない領域にあることが好ましい。

試験ユニット１８０は、パウダ供給ヘッド１２８と試験部材１８２とを矢印１８６の方向に移動させることで、パウダ供給ヘッド１２８から噴射されたパウダが到達する試験部材１８２上の位置を一方向に移動させ、パウダが到達する矢印１８６に直交する方向の幅がβとなる線とすることができる。

パウダ供給ヘッドの管理方法は、このように試験ユニット１８０を用いて、試験領域にパウダを噴射し、試験領域にパウダで線分を形成する。パウダ供給ヘッドの管理方法は、試験領域に線を形成したら、パウダが散布された領域の幅、つまり幅ベータを計測し（ステップＳ１０２）、さらに、パウダが噴射されている試験領域の酸素濃度を計測する（ステップＳ１０４）。

パウダ供給ヘッドの管理方法は、領域の幅と酸素濃度を計測したら、パウダが散布された領域の幅がしきい値以上であるかを判定する。しきい値は予め設定された値である。例えば、距離αが１３ｍｍで、内周側の管の径が１．２ｍｍで、溶着金属の供給量が５ｇ／ｍｉｎで、溶着金属を搬送するキャリアガスの流量が３ｌ／ｍｉｎ以上４ｌ／ｍｉｎ以下である場合、幅βは、７ｍｍとなる。パウダ供給ヘッドの管理方法は、幅βがしきい値以上である（ステップＳ１０６でＹｅｓ）と判定した場合、ステップＳ１１２に進む。パウダ供給ヘッドの管理方法は、幅βがしきい値未満である（ステップＳ１０６でＮｏ）と判定した場合、酸素濃度が設定した範囲内であるかを判定する（ステップＳ１０８）。パウダ供給ヘッドの管理方法は、酸素濃度が設定した範囲内である（ステップＳ１０８でＹｅｓ）と判定した場合、対象のパウダ供給ヘッドが使用可能である（ステップＳ１１０）とし、本処理を終了する。パウダ供給ヘッドの管理方法は、酸素濃度が設定した範囲内ではない（ステップＳ１０８でＮｏ）と判定した場合、また、ステップＳ１０６でＹｅｓと判定した場合、使用不可であると判定し（ステップＳ１１２）、本処理を終了する。パウダ供給ヘッドの管理方法は、判定結果をモニタ等に表示させたり、スピーカから音声を出力したりして作業者に結果を報知することが好ましい。

パウダ供給ヘッドの管理方法は、このように、パウダ供給ヘッドから噴射されるパウダの広がりを検出し、その結果に基づいて、パウダ供給ヘッドの使用の可否を判定することで、使用で生じた摩耗等により生じるノズルの形状変化を把握することができ、ヘッド施工位置に供給されるパウダの量、密度を所定の範囲に維持することができる。これにより溶接の条件の変動を抑制することができ、安定した加工を行うことができる。本実施形態は、パウダ供給ヘッドの管理方法で管理したパウダ供給ヘッドで肉盛溶接を行うことで、より欠陥が少なくかつ強度の高い肉盛部及びエロージョンシールドを形成することができる。

また、パウダ供給ヘッドの管理方法は、このように、酸素濃度を検出し、その結果に基づいて、パウダ供給ヘッドの使用の可否を判定することで、加工条件が適切であるかを検出することができる。これにより、溶接の条件の変動を抑制することができ、安定した加工を行うことができる。本実施形態は、パウダ供給ヘッドの管理方法で管理したパウダ供給ヘッドで肉盛溶接を行うことで、より欠陥が少なくかつ強度の高い肉盛部及びエロージョンシールドを形成することができる。

なお、パウダ供給ヘッドの管理方法は、パウダが散布された領域の幅と、酸素濃度の両方を用いて判定を行ったがいずれか一方のみでパウダ供給ヘッドの使用の可否を判定してもよい。

なお、本実施形態は、蒸気タービンにおける動翼を対象として説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、ガスタービン等のその他の回転機械の動翼の製造方法にも適用できる。

１ 蒸気タービン
１１ ケーシング
１２ ロータ
１３ 軸受
１４ ロータディスク
１５ 動翼
１６ 静翼
１７ 蒸気通路
１８ 蒸気供給口
１９ 蒸気排出口
２１ 翼根部
２２ プラットホーム
２３ 翼部
２４ 翼本体
２５ エロージョンシールド
２６ 先端
２７ 翼面
２８ 境界
４０、４２ 基体
４６ 肉盛部
６０、６２、６４ 余肉部
８２、８４、８６、８８ 加工対象物
１００ 肉盛溶接装置
１０２ レーザ照射装置
１０４ パウダ供給装置
１２８ パウダ供給ヘッド

Claims (7)

1. レーザを用いた肉盛溶接に用いる溶着金属を噴射する内周側の管と、前記内周側の外周に配置され、シールドエアーを噴射する外周側の管とが同心円上に重なった二重管を有し、前記溶着金属を施工位置に供給するパウダ供給ヘッドの管理方法であって、
   設定された条件で試験領域に前記パウダ供給ヘッドから前記レーザを照射せずに溶着金属を噴射し、前記試験領域に噴射した前記溶着金属で線分を形成する噴射工程と、
   前記試験領域に吹き付けられた溶着金属の幅を計測する幅計測工程と、
   計測した前記溶着金属の幅が許容値以下の場合、前記パウダ供給ヘッドを使用可と判定し、計測した前記溶着金属の幅が許容値よりも大きい場合、前記パウダ供給ヘッドを使用不可と判定する判定工程と、を有することを特徴とするパウダ供給ヘッドの管理方法。
2. 前記内周側の管は、前記溶着金属を噴射する側の端面が、前記内周側の管の軸方向に直交する面に加工されていることを特徴とする請求項１に記載のパウダ供給ヘッドの管理方法。
3. 前記試験領域は、粘着性の材料が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のパウダ供給ヘッドの管理方法。
4. 前記噴射工程における前記試験領域の酸素濃度を計測する酸素濃度計測工程をさらに有し、
   前記判定工程は、前記酸素濃度計測工程で計測した酸素濃度が許容値以下の場合、前記パウダ供給ヘッドを使用可と判定し、計測した酸素濃度が許容値よりも大きい場合、前記パウダ供給ヘッドを使用不可と判定することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のパウダ供給ヘッドの管理方法。
5. 動翼本体の先端及び翼面の少なくとも一部にエロージョンシールドを形成するエロージョンシールドの形成方法であって、
   動翼となる基体の先端及び端面の少なくとも一部を除去し、境界を形成する工程と、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のパウダ供給ヘッドの管理方法で使用可と判定されたパウダ供給ノズルを用いて、前記境界にレーザ溶接で肉盛部を形成する工程と、
   前記基体の余肉及び前記肉盛部の一部を除去する仕上げ加工を行う工程と、を有することを特徴とするエロージョンシールドの形成方法。
6. 前記動翼に余肉部を有する基体を成型する基体製造工程と、
   請求項５に記載のエロージョンシールドの形成方法で、前記翼本体にエロージョンシールドを形成する工程を有することを特徴とする動翼製造方法。
7. 請求項１から４のいずれか一項に記載のパウダ供給ヘッドの管理方法で使用可と判定されたパウダ供給ヘッドと、
   レーザを照射するレーザヘッドと、を有し、
   施工位置に前記レーザヘッドでレーザを照射しつつ、前記パウダ供給ヘッドで前記溶射金属を供給することを特徴とする肉盛溶接装置。

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