JPH06272503A - 5〜13%Cr系タービンロータ及び該ロータジャーナル部の肉盛溶接方法 - Google Patents

5〜13%Cr系タービンロータ及び該ロータジャーナル部の肉盛溶接方法

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JPH06272503A
JPH06272503A JP8116893A JP8116893A JPH06272503A JP H06272503 A JPH06272503 A JP H06272503A JP 8116893 A JP8116893 A JP 8116893A JP 8116893 A JP8116893 A JP 8116893A JP H06272503 A JPH06272503 A JP H06272503A
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alloy steel
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JP8116893A
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Takashi Fukuda
隆 福田
Eiji Uchiyama
英二 内山
Atsushi Narita
篤 成田
Yasumi Ikeda
保美 池田
Eiji Tsunoda
英治 角田
Satoru Asai
知 浅井
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Toshiba Corp
Japan Steel Works Ltd
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Toshiba Corp
Japan Steel Works Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 5〜13%Cr系タービンロータのジャー
ナル部に溶接割れが生ずることなく高強度の肉盛部を形
成する。 【構成】 ロータのジャーナル部に、上盛用低合金鋼
およびロータ材よりも強度が低く、かつ線膨張率の大き
な溶接材料で下盛し、低合金鋼で上盛して肉盛部を形成
する。 【効果】 溶接割れの発生を防止して、表層に高強度
の肉盛層を形成できる。ジャーナル部は十分な強度を有
し、タービンロータの耐久性が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、5〜13%Cr系タ
ービンロータ及び該ロータジャーナル部の肉盛溶接方法
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】5〜13%Cr系鋼は、高温強度および
低温靱性が優れているため、発電機の高圧、中圧用ター
ビンロータ素材として注目されており、徐々に使用が拡
大されつつある。ところで、タービンロータの組み付け
においては、高速で回転するタービンロータを発電機の
軸受けで支持しており、軸受け特性が耐久性などに大き
く影響する。しかし、上記した5〜13%Cr系鋼の場
合はCrを多く含むため、使用中にジャーナル部で焼付
けを生じやすく、軸受け部の損傷を招くおそれがある。
このため、従来は、ロータのジャーナル部にCr含有量
の少ない低合金鋼を焼きばめ固定する方法が行われてい
たが、軸受け部の形状から制約が多く、使用が困難な場
合もある。また、使用中にずれ等が生ずるおそれもあ
り、他の改良方法が望まれていた。そして、これら問題
点を解決する方法として、ロータのジャーナル部に低C
r低合金鋼を肉盛溶接する方法が提案されている(例え
ば、特開昭57−137456号等)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ロータのジャ
ーナル部に肉盛溶接をする方法では、5〜13%Cr鋼
に直接、焼付を生じない低Crの高強度鋼を溶接するこ
とになり、肉盛表面に高い残留応力が残り、溶接時の低
温割れや後熱処理時の再熱割れあるいは使用時の割れが
発生しやすいという問題がある。特に5〜13%Cr鋼
は高強度肉盛溶接層に比べ、熱膨張係数が著しく小さい
ため、溶接後熱焼鈍(PWHT)後に、溶接層に高い引
張りの残留応力が発生する。これに対し、溶接割れのみ
を考慮して溶接材の選定を行えば、ジャーナル部として
十分な強度が得られないという問題がある。この発明
は、上記事情を背景としてなされたものであり、溶接割
れがなく、しかも、ジャーナル部として十分な強度が得
られ、かつ溶接残留応力の小さい5〜13%Cr系ター
ビンロータ及び該ロータジャーナル部の肉盛溶接方法を
提供する。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本願発明の5〜13Cr系タービンロータは、ター
ビンロータのジャーナル部に、下盛と上盛とからなる肉
盛部が形成されており、前記上盛用溶接材料が低合金鋼
からなり、かつ、下盛用溶接材料がこの低合金鋼上盛用
溶接材料およびロータ材よりも強度が低く、かつ線膨張
率の大きな溶接材料からなることを特徴とし、残留応力
低減の目的から上盛用溶接材料の線膨張係数はできるだ
け小さくしている。第2〜第6の発明は、下盛用溶接材
料が、純鉄またはTiを0.03〜1%を含有し、残部
がFeおよび不可避不純物からなるFe合金または、重量
%で、C:0.07%以下、Si:0.7%以下、Mn:
0.5〜2%を含有し、残部がFeおよび不可避不純物
からなる軟鋼で構成されており、かつ上盛用溶接材料の
組成が重量%で、C:0.05〜0.2%、Si:0.
1〜0.7%、Mn:0.3〜2%、Cr:0.5〜3
%、Mo:0.2〜1%を含有し、所望によりNi:1%
以下を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる
ことを特徴とする。
【0005】第7の発明の5〜13%Cr系タービンロ
ータのジャーナル部肉盛溶接方法は、タービンロータの
ジャーナル部に低合金鋼を肉盛溶接する際に、この低合
金鋼上盛用溶接材料およびロータ材よりも強度が低く、
かつ線膨張率の大きな溶接材料で下盛溶接し、その上層
に前記低合金鋼を上盛溶接することを特徴とする。な
お、本願発明における下盛、上盛は、それぞれ単層の他
に複数層とすることも適宜選定できる。肉盛溶接の方法
としても特に限定されないが、溶接作業性の点で細径の
溶接材料を用いた方法がよく、ティグ(TIG)溶接、
ミグ(MIG)溶接、マグ(MAG)溶接、サブマージ
アーク溶接、被覆アーク(SMA)溶接等が望ましい。
【0006】
【作用】すなわち本願発明によれば、下盛用溶接材料
は、上盛用溶接材料に比べて強度が小さく、線膨張係数
が大きいので、溶接時に肉盛部分に残る残留応力を小さ
くすることができ、溶接割れを未然に防止することがで
きる。そして、上盛用溶接材料には、溶接割れの制約が
少ないので、ジャーナル部として十分な強度を有する材
料を選定することができる。以下に、下盛用溶接材料お
よび上盛用溶接材料の望ましい成分限定理由を述べる。
【0007】下盛用溶接材料 純鉄やTiを含有するFe合金は、十分に強度が小さく、
また線膨張係数も大きいので、多くの上盛用溶接材料に
対して、本願発明の条件を満たすことができる。なお、
Tiは、融合希釈により溶接金属中のC含有量が多くな
った場合に、TiCとしてCを固定して硬さの増大を防
ぐために添加する。ここで、Ti含有量が0.03%未
満であると、上記作用が十分に得られず、また、0.1
%を越えると、靱性を害するので、0.03〜0.1%
の範囲に限定した。また、軟鋼についても同様である
が、その成分は以下の範囲とするのが望ましい。 C:0.07%以下 Cは、強度を確保するために必要な元素であるが、添加
量を増大させると、溶接割れ感受性が大きくなり、さら
に、靱性の低下を招くので上限を0.7%とした。 Si:0.7%以下 Siは、脱酸剤あるいは強度確保のために必要な元素で
あるが、過剰な添加はSR割れ等の溶接割れ性を助長
し、靱性の低下を招くのでその上限を0.7%とした。 Mn :0.5〜2% MnはSiと同様、脱酸剤として必要であるとともに強度
確保に必要な元素であるため、下限値を0.5%とし
た。しかし過剰な添加は靱性を低下させるため上限を2
%とした。
【0008】上盛用溶接材料 上盛用溶接材料としては、ジャーナル部として十分な強
度が得られ、かつ溶接割れ感受性の小さい材料が望まし
い。そして、以下の成分の限定により、ジャーナル部と
して望ましい強度である700〜900MPaの強度が
得られる。以下にその成分の具体的な限定理由について
述べる。 C:0.05〜0.2% 上盛溶接部の引張強度を確保するという観点からCは必
要な添加元素であり、引張強さ700MPa以上を確保
するため0.05%を下限とした。しかし、0.2%以
上の添加は衝撃値を低下させることから0.2%を上限
とした。 Si:0.1〜0.7% Siの添加理由は下盛用溶接材料と同じ理由であるが、
引張強度確保のため0.1%を下限とした。 Mn:0.3〜2% MnはSiと同様に脱酸剤として必要であるとともに、強
度確保に必要な元素であるため、下限値を0.3%以上
とした。しかし過剰な添加は靱性を低下させ、熱膨張率
を増大させるため上限を2%とした。 Cr:0.5〜3% Crは引張強度と靱性を確保する上で重要な元素である
が、0.5%以下ではその効果が認められず、3%を越
えると必要以上に強度を上昇させ、衝撃値の低下及び焼
付の要因を増すことから上記範囲とした。 Ni:1%以下 Niは溶接入熱量の高いSAW溶接等を適用する場合に
添加する。しかし、1%以上の添加は残留応力の増加の
原因となることから1%以下とした。 Mo:0.2〜0.7% Moは引張強度を確保する上で、また熱膨張率を下げる
点で重要な合金元素であるが、0.2%以下では必要な
強度が確保できず、また0.7%以上では衝撃値の確保
ができないという理由で0.2〜0.7%の範囲とし
た。
【0009】
【実施例】表1に示す組成を有する12%Cr系タービ
ンロータ1のジャーナル部2に、予熱処理を行った後、
表2の方法でタービンロータ1を円周方向に回転させな
がら溶接ワイヤを供給して単層または複数層の肉盛を行
い、その後、後熱処理を行った。なお、表2における溶
接材料の成分は表3に示すとおりであり、さらに上盛用
溶接材料には、表3に示さない純鉄も使用した。得られ
た各試験材の肉盛部3の溶接線方向の残留応力をX線法
により測定し、その結果を図2および表2に示した。
【0010】また、溶接金属の機械的性質を知るため
に、溶接金属中央部から試験片を採取し、強度を測定し
た。測定結果は、表2において、700〜900MPa
を満たすものを○印、700MPa未満のものを×印で
示した。その結果、単層の肉盛からなる比較例は、残留
応力が大きいのみならず、強度もジャーナル部としては
十分ではなかった。これをより強度の大きな溶接材料で
肉盛を行うことも考えられるが、その結果は、残留応力
は一層大きくなり、溶接割れの危険性が高まることにな
る。一方、本発明法による実施例では、いずれも残留応
力は小さく、しかも表層の肉盛は十分な強度を有してお
り、機械的性質にも優れていた。
【0011】
【表1】
【0012】
【表2】
【0013】
【表3】
【0014】
【発明の効果】以上説明したように本願発明の5〜13
%Cr系タービンロータ及び該ロータジャーナル部の肉
盛溶接方法によれば、ジャーナル部に、下盛と上盛とか
らなる肉盛部を形成し、前記上盛用溶接材料に低合金鋼
を使用し、かつ、下盛用溶接材料にこの低合金鋼および
ロータ材よりも強度が低く、かつ線膨張率の大きな溶接
材料を使用したので、溶接後熱焼鈍後の溶接金属表面の
残留応力が低下し、溶接時および後熱処理時における割
れの発生を防止して、溶接作業性を改善するとともに、
十分な肉盛部を形成することができる。また溶接割れの
制約が小さくなるので、表層に高強度の材料で肉盛する
ことができ、ジャーナル部に十分な強度を与えて、耐久
性に優れたタービンロータが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、この発明が適用されるタービンロータ
の一例を示す正面図である。
【図2】図2は、実施例における試験材の溶接金属の残
留応力を示すグラフである。
【符号の説明】
1 タービンロータ 2 ジャーナル部 3 肉盛部
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成6年6月13日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項4
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項5
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項6
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0004
【補正方法】変更
【補正内容】
【0004】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本願発明の5〜13Cr系タービンロータは、ター
ビンロータのジャーナル部に、下盛と上盛とからなる肉
盛部が形成されており、前記上盛用溶接材料が低合金鋼
からなり、かつ、下盛用溶接材料がこの低合金鋼上盛用
溶接材料およびロータ材よりも強度が低く、かつ線膨張
率の大きな溶接材料からなることを特徴とし、残留応力
低減の目的から上盛用溶接材料の線膨張係数はできるだ
け小さくしている。第2、第3の発明では、上盛用溶接
材料の組成が重量%で、C:0.05〜0.2%、S
i:0.1〜0.7%、Mn:0.3〜2%、Cr:0.
5〜3%、Mo:0.2〜1%を含有し、所望によりN
i:1%以下を含有し、残部がFeおよび不可避不純物か
らなることを特徴とする。第4〜第6の発明では、下盛
用溶接材料が、純鉄またはTiを0.03〜1%を含有
し、残部がFeおよび不可避不純物からなるFe合金また
は、重量%で、C:0.07%以下、Si:0.7%以
下、Mn:0.5〜2%を含有し、残部がFeおよび不可
避不純物からなる軟鋼で構成されていることを特徴とす
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 // C22C 38/00 301 Z 38/14 38/18 (72)発明者 成田 篤 北海道室蘭市茶津町4番地 株式会社日本 製鋼所内 (72)発明者 池田 保美 北海道室蘭市茶津町4番地 株式会社日本 製鋼所内 (72)発明者 角田 英治 横浜市鶴見区末広町2丁目4番地 株式会 社東芝京浜事業所内 (72)発明者 浅井 知 横浜市鶴見区末広町2丁目4番地 株式会 社東芝京浜事業所内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 5〜13%Cr系タービンロータのジャ
    ーナル部に、下盛と上盛とからなる肉盛部が形成されて
    おり、前記上盛用溶接材料が低合金鋼からなり、かつ、
    下盛用溶接材料がこの低合金鋼上盛用溶接材料およびロ
    ータ材よりも強度が低く、かつ線膨張率の大きな溶接材
    料からなることを特徴とする5〜13%Cr系タービン
    ロータ
  2. 【請求項2】 上盛用溶接材料の組成が重量%で、C:
    0.05〜0.2%、Si:0.1〜0.7%、Mn:
    0.3〜2%、Cr:0.5〜3%、Mo:0.2〜1%
    を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなること
    を特徴とする請求項1記載の5〜13%Cr系タービン
    ロータ
  3. 【請求項3】 上盛用溶接材料の組成が重量%で、C:
    0.05〜0.2%、Si:0.1〜0.7%、Mn:
    0.3〜2%、Cr:0.5〜3%、Ni:1%以下、M
    o:0.2〜1%を含有し、残部がFeおよび不可避不純
    物からなることを特徴とする請求項1記載の5〜13%
    Cr系タービンロータ
  4. 【請求項4】 下盛用溶接材料が、純鉄からなることを
    特徴とする請求項2または3記載の5〜13%Cr系タ
    ービンロータ
  5. 【請求項5】 下盛用溶接材料が、Tiを重量%で0.
    03〜1%を含有し、残部がFeおよび不可避不純物か
    らなるFe合金からなることを特徴とする請求項2また
    は3記載の5〜13%Cr系タービンロータ
  6. 【請求項6】 下盛用溶接材料が、重量%で、C:0.
    07%以下、Si:0.7%以下、Mn:0.5〜2%を
    含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる軟鋼で
    構成されていることを特徴とする請求項2または3記載
    の5〜13%Cr系タービンロータ
  7. 【請求項7】 5〜13%Cr系タービンロータのジャ
    ーナル部に、低合金鋼を肉盛溶接する際に、この低合金
    鋼上盛用溶接材料およびロータ材よりも強度が低く、か
    つ線膨張率の大きな溶接材料で下盛溶接し、その上層に
    前記低合金鋼を上盛溶接することを特徴とする5〜13
    %Cr系タービンロータのジャーナル部肉盛溶接方法
JP8116893A 1993-03-17 1993-03-17 5〜13%Cr系タービンロータ及び該ロータジャーナル部の肉盛溶接方法 Pending JPH06272503A (ja)

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