JPS63252684A

JPS63252684A - 水力機械用羽根車の製造方法

Info

Publication number: JPS63252684A
Application number: JP62087183A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Kosaki; 幸崎　康博
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-04-10
Filing date: 1987-04-10
Publication date: 1988-10-19

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は例えば水車用ランナまたはポンプ用インペラ等
の水力機械用羽根車を製造する方法に係り、特に羽根部
と支持環部どを個別に成形し、これらをエレクトロ・ス
ラグ溶接によって接合する水力機械用羽根車の！ＥＪ造
方決方法する。

（従来の技術）従来、水車ヤボンブなどの水力機械では、ランプやイン
ペラなどの羽根車を一体ｖｌ造によって成形するのが一
般的である。

しかし、最近の水力機械の大容量化に伴い、羽根車も大
型化する傾向にあり、一体＆３造による製造が困難にな
る場合がある。そこで、このような大型の羽根車のｇＩ
Ｊ造に当たっては、羽根車の各構成要素、例えば水車用
ランナを構成するランチ羽根、ランナクラウンおよびラ
ンナバンドをｕ造などで個々に製造し、これらを高能率
溶接法の一つであるエレクトロ・スラグ溶接法で一体化
する方法が採用されている。

一方、各構成要素の材料は、羽根車の使用環境に応じて
炭素鋼鋳鋼、ステンレス鋼ｖＪ鋼等が使用されるが、溶
接構造を採用する場合は、必要に応じてこれら炭素鋼と
ステンレス鋼を組合わせる、叩ら異硬材料の組合せによ
り構成される羽根車の製造が可能である。

しかしながら、異種材料をエレクトロ・スラブ溶接する
場合は、溶接による母材への溶は込み酊が大ぎいこと、
また溶は込み量を溶接線の全長に回り一定割合を確保す
ることが困難なことなどの理由により定められた溶接部
の材料特性を確保することが難しく、炭素鋼とステンレ
ス鋼のエレクトロ・スラグ溶接により構成される羽根車
は具現化されていない。

（発明が解決しようとする問題点）従来では炭素鋼とステンレス鋼とにＪ：り構成される羽
根車をエレクトロ・スラグ溶接で％ｌ　Ｍすることが困
難であった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたしので、異種
材料の部品要素をエレクトロ・スラブ溶接によりかつ溶
接部の材料特性１１αを定められた特性第囲内に確保し
て溶接することができる水力機械用羽根車の製造方法を
提供することを目的と１’る。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段）本発明は、羽根車構成部品である羽根部と支持環部とを
互いに異なる材料でそれぞれ成形し、そのいずれか一方
の材料は炭素鋼または炭素鋼鋳鋼とし、他方の材料はス
テンレスｔＪＡ鋳鋼とし、これら両部品をエレクトロ・
スラグ溶接ににり接合づる水力機械用羽根車の製造方法
にＪ５いて、炭素鋼または炭素鋼鋳鋼を材料とザる一方
の部品の被溶接部に予め、一定高さのステンレス鋼成分
の肉盛溶接を滴し、しかる後、この肉盛溶接部とステン
レス鋼鋳鋼を材料とする他方の部品とをエレクトロ・ス
ラグ溶接により接合することことを特徴としている。

（作用）炭素鋼部材の被エレクトロ・スラグ溶接に予め一定高さ
のステンレス鋼成分の肉盛溶接部を形成することにより
、所定の溶は込み吊および溶は込み率でエレクトロ・ス
ラグ溶接による部材接合が可能となる。

このため、エレクトロ・スラグ溶接部の材料特性である
靭製のばらつき費、強度の不均一が防止され、溶接割れ
発生率も大幅に減少し、製品品質の向上ら図られる。

（実施例）以下、本発明の一実施例を第１図〜第１４図を参照して
説明する。

まず、鋳鋼製部品によって水力機械用羽根車の各部品を
製造し、その溶接による溶は込み率などを調べる。

第１図は羽根車の任意部分の軸方向断面形状を示し、第
２図は第１図の一部を拡大して示している。

羽根車１は、羽根３と、支持環部としてのクラウン２お
よびバンド４とから成る。これらクラウン、羽根、バン
ドは１ｍ鋼製とし、それぞれ個々に製造され、エレクト
ロ・スラグ溶接により一体化される。

羽根車の羽根形状は通常３次元的に捩れており、また、
その支持環部は円錐型形状のためエレクトロ・スラグ溶
接線は、３次元的な捩れ線となる。

一方、エレクトロ・スラグ溶接は、重力線に添い下方か
ら上方に向かい溶接を進める方法であり、溶接中は、羽
根車の溶接線を常に重力線方向に姿勢制御することが最
良の方法である。しかしながら、溶接構造型の羽根車の
重量は数１０トンから数１００トンあり、姿勢制御のた
めの駆動装置も大型になる。このため、溶接線が３次元
的な捩れ線であるにｂかかわらず、羽根車を一定姿勢に
固定し、重力線に対して傾斜のまま溶接り゛る方法がと
られる。

下記の第１表は、エレクトロ・スラグ溶接方向を重力線
に対して第３図および第４図の如くθ。

ψ’ｐＡ斜２￥じ、その傾斜角度θ、ψと溶１ノ込み率
との関係を求めたものである。なＪ３、傾斜角度Ｏ１ψ
は、大型フランシス型羽根中の最大傾斜角度を示す。

また、溶は込み率は第５図の溶接態様に対し、下式で表
される。

Ｗ：　溶接ワイ＼ｌ−の面積Ｐ：Ｉ’、１材の溶は込み面積第１表上記第１表より、溶Ｉノ込み率のＩｎ小値は３５％であ
り、最大値は５６％である。

次に、下記の式は最大肉盛高さの決め方を説明する。こ
の方法は、エレクトロ・スラグ溶接の溶は込み率の４１
人値に相当する嘴だけ／１ｉ２索ｔ！４部材表面にステ
ンレス金属を肉盛溶接しておき、羽根と羽根の支持環部
を１１９１〜口・スラグ溶接する場合の溶（）込みを肉
盛溶接部の範囲内に抑える方法である。なお、第１表か
ら、最小溶は込み率は３５〜５６％であるが、施工条件
の変動分を考慮して最大溶は込み率は６０％として品定
する。

第６図に示すように、平均溶番ノ込み潔さをｔ〕、１１
９１〜口・スラグ溶接高さをＷとづるど、必要な肉盛＾
さは、で表される。そこで、Ｗ＝３０ｍ［エレクト■」・スラ
グ溶接の通常ギャップ（ルー１−１竺ｔ−ツブ）値］よ
り、１６．２≦Ｐ　（−Ｈ）　＜　／１５＃Ｉ１１とな
り、ト１＝４５＃となる。

したがって、最大肉盛高さ１−４は１−（＝　４５　＃Ｉとなる。

次に羽根３をステンレス鋼＃Ｒｗ４製とし１、クラウン
２おにびバンド４を炭素！ＩＩ　＃Ｊ鋼製とした鳴合に
ついて説明する。羽根３はＪＩＳ　　Ｇｂ１２１ＳＣ８
５、クラウン（バンド〉はＪＩＳ　　Ｇ５１０２　５Ｃ
Ｗ４９、肉盛溶接部５およびエレクトロ・スラグ溶接６
は１３％Ｃｒ　−４％Ｎｉステンレス系溶接金属である
。各々の材ｔｉｔの化学成分の規格値および供試材の成
分を第２表に示す。

（以下余白）エレク１〜Ｌトスラグ溶接は深い溶は込みとなるため肉
盛溶接部５の高さが小さい場合は、炭Ｍ鋼鋳鋼より成る
クラウン２（バンド４）も溶融する。

この際、溶接金属はエレクトロ・スラグ溶接ワイヤー、
肉盛ワイヤー、羽根母材、クラウン母材の４種類の責な
る化学成分の混合成分となる。尚、エレクトロ・スラグ
溶接ワイヤーと肉盛溶接ワイヤーとはＩＩ″１−化学成
分組成とすれば、３種類の混合成分組成である。クラウ
ン母材の５ＣＷ４９は炭素間が高く、クロム、ニッケル
などの合金成分は低い。このため、溶接金属は５ＣＷ４
９に希釈されることになり、１３％Ｃｒ−Ｎｉスデンレ
ス鋼に比較し、高炭素、低クロム、低ニツケル成分とな
る。

第７図は、５Ｃ８５の規！８値範囲内である１３％Ｃｒ
−４％Ｎｉをベースとした溶接金属中の炭素間と衝撃値
特性の相関関係を示したものである。

なｄ３、溶接後熱処理は５Ｒ５８ｏ〜６２０℃とした。

一般に、水力橢械は、水の凝固点である０℃で特性を評
価す°るが、０℃での衝撃吸収エネルギーは炭素間の増
加とと６に急激にイ１（下りる。従って深い溶は込みを
得る肉盛金属を必要どすることがわかる。函撃吸収エネ
ルギーは、１３％Ｃｒ−４％Ｎｉスデンレス鋼ｖＩ鋼の
保証値どして４．８に９−　ｍを採用しているため、第
７図より溶接金属の炭素間は約０．０６％以下にする必
要があることがわかる。

次に溶接金属中の化学成分組成を６とに適正内Ｗ１ｔＳ
さを決める方法を説明する。まず下記の第３表に、ステ
ンレス鋼鋳鋼が溶融しない仮定のもとで、Ｔレフ１−口
・スラグ溶接ワイヤーと肉盛ワイヤーと炭素鋼鋳鋼の溶
融部より溶接金属が組成される場合を示す。即ち、溶し
／込み率が３５％と６０％のそれぞれの場合の溶接金属
中の炭素ω、クロム吊、ニッケル吊を求めた。

〔以下余白〕

第３表なお、ここでは主要化学成分＜Ｇ、Ｃｒ、Ｎ　ｉ　）ｆ
ｕに、肉盛高さと溶接金属中の化学成分量の関係を求め
、適正肉盛高ざを決めている。

品１等に際しては、第２表の化学成分の一覧表中の供試
材の成分１ｆｆｉを用い、ステンレス鋼側への溶（）込
みを考慮していない。

上記の第３表Ｊこり、下記の第４表を冑る。

（以下余白〕第４表ここで、傘１．峠は下記の計算で求めた値である。

即ち、（溶接ワイヤーからの聞＋母材５ＣＷ４９からの
ｍ＝溶接金属中の伍）により算出する。

（本１）０、　　６５Ｘ０．　　０３　−ト　０．　　３５Ｘ０
．　　１８／（０，６５＋０．３５）＝０．０８３（傘２）０．４Ｘ０．０３−１−０．６Ｘ０．１８／（０，４＋
０．６）−０，１２上記第４表にＵづく肉盛ｎざと溶接金属中の各原素量と
の関係をグラフ化したものを第８図〜第１０図に示す。

なお、各図中、実線は溶は込み率６０％、一点ｔ！ｉ線
は溶は込み率３５％の場合を示す。

また、第４表の率３は第８図〜第１０図から冑るように
する。

第８図〜第１０図に示したように、最大炭素ｍを０．０
６％、必要最小クロム帛、ニッケル量を５Ｃ３５の規格
値の最小値である１１．５％、３゜５％として、肉盛高
さと溶接金属中の炭素間、クロム指、ニッケルｍとの相
関線の交点より、炭素間に注目する場合は、適正肉盛高
さは３０ｍ、クロム吊では３８　ａｍ　、ニッケル量で
は３３ｍとなり、値の最も大きい３８順が適正肉盛高さ
となる。

一方、実際にエレクトロ・スラグ溶）Ｉ　Ｔる場合は、
ステンレス鋼鋳鋼も溶融するため、これも考慮して溶接
金属がエレクトロ・スラグ溶接ワイヤー、肉盛ワイヤー
、炭素ｔＩ４ｖＪＩＪ４の溶融部、ステンレス鋼鋳鋼の
溶融部より組成される場合の適正肉盛高さを決める方法
を説明する。

即ち、ステンレス鋼側への溶は込みを考慮する場合の最
大肉盛高さＨを求める要素として、第１１図にお１プる
Ｗ、　ｌ−１，Ｐ　　、　Ｐ２を（山川する。

ここでＷ、　Ｈ，Ｐ　　、　１）２ｔｉｔそれぞれ次の
値を示す。

Ｗ　：エレクトロ・スラグ溶接＾さくルート・ギｔ７ツ
ブ〉１−１；肉Ｉ８？３さ１〕１；ステンレス鋼側への平均溶は込み深さ１〕２；
肉盛全屈側への平均溶けみ深ざ最大＾さ１］を求めると
次の通りである。

Ｗ＝３０ａｍより、１６．２≦Ｐ１＋Ｆ〕２＜’１５Ｐ
　　＝Ｐ　　とすると、８．１≦Ｐ２　＞２２．５Ｊ、
す、最大肉盛高さＨ＝２２．５咽となる。

平均溶は込み深さＰ＝Ｐ１＋Ｐ　　、また１〕１＝Ｐ２
を条件に、溶は込み率が３５％と６０％のそれぞれの場
合の溶接金属中の炭素間、クロム間、ニッケル量を第３
表と同様の手法で求め、イの結果を下記の第５表、第６
表および第１２図〜第１４図に示す。

第５表なお、第１２図〜第１４図において、実線は溶ＧＪ込み
率６０％、一点鎖線は溶は込み率３５％の場合を示す。

〔以下余白〕

第６表（本１は、第１２図〜第１４図より得る。）最大炭素間
０．０６％、最小クロム吊１１．５％、最小ニッケル噂
３．５％より、適正肉盛高さは、約１７ｍである。施工
条件の変動を考１Ｉｆｆすると１５．ｗである。

これらの結果Ｊ：す、異種材料で溶接鋼製する羽根中を
エレクトロ・スラブ溶接にて製造する場合、エレクトロ
・スラグ溶接する以前に炭素鋼部材の被エレクト１］・
スラグ溶接部に予め、一定高さの肉盛溶接を施ηことが
必要である。

炭素鋼部材が５ＣＷ４９、ステンレス鋼部材が５Ｃ８５
である場合の必要最大肉盛量は４５ｍ高さであり、最小
肉盛量は１５履高さである。

第１５図は、本発明の他の実施例を示している。

前記実施例では、クラウン２　Ｊ３よびバンド４の溶接
継手部の高面を平均とし、その平面部に肉盛溶接したが
、この第１５図の方法にＪ３いては、クララン２　Ｊ５
よびバンド４の溶接継子の所面部に突出するスタブ７を
設【ノ、スタブの」−に肉盛溶接するものである。

この方法によれば、クラウンおよびバンドのスタブと羽
根の板厚は、同じであるため、エレクトロ・スラグ溶接
の場合、溶接継手部のスタブと羽根の熱要領は、ばぼｆ
ＦｊＥ等となり、前記実施例より乙、さらに溶ｔＪ込み
制御が容易となり、肉盛高さの最適化が図れる。

なお、前記実施例では、本発明を水力機械用羽根車とし
てのランナやインペラの製造方法に適用したが、他の各
種ポンプのインペラ等の製造についても、適宜実施する
ことができる。

〔発明の効果〕

本発明に係る水力機械用羽根車の製造方法によれば、エ
レクトロ・スラブ溶接する以前に炭素鋼部材の被エレク
トロ・スラグ溶接部に予め一定＾さの肉盛溶接を施し、
エレクトロ・スラグ溶接全屈の材料特性を確保すること
により、炭素鋼部材とステンレス鋼部Ｈにより羽根部と
支持環部とが構成される水力機械用羽根車を好適に製造
づることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る水力機械用羽根車の製造方法の一
実施例を説明するだめの断面図、第２図は第１図の溶接
継手部を拡大して示Ｊ゛断面図、第３図〜第１４図はそ
れぞれ溶接条件を説明するための説明図、第１５図は本
発明の詳細な説明するための断面図である。１・・・羽根車、２．４・・・支持環部（クラウン、バ
ンド）、３・・・羽根、５・・・肉盛溶接部、６・・・
エレクトロ・スラグ溶接部。第１図第２図弔６　図　　　　　　ｌ１１１図肉盛高さＣｍｍ）第１３図

Claims

【特許請求の範囲】１、羽根車構成部品である羽根部と支持環部とを互いに
異なる材料でそれぞれ成形し、そのいずれか一方の材料
は炭素鋼または炭素鋼鋳鋼とし、他方の材料はステンレ
ス鋼鋳鋼とし、これら両部品をエレクトロ・スラグ溶接
により接合する水力機械用羽根車の製造方法において、
炭素鋼または炭素鋼鋳鋼を材料とする一方の部品の被溶
接部に予め、一定高さのステンレス鋼成分の肉盛溶接を
施し、しかる後、この肉盛溶接部とステンレス鋼鋳鋼を
材料とする他方の部品とをエレクトロ・スラグ溶接によ
り接合することを特徴とする水力機械用羽根車の製造方
法。２、炭素鋼または炭素鋼鋳鋼製部品の含有炭素間を０．
２２％以下に設定し、ステンレス鋼鋳鋼製部品を１３％
クロム−４％ニッケル系ステンレス鋼とし、ステンレス
成分の肉盛溶接の高さを１５ｍｍ〜４５ｍｍにする特許
請求の範囲第１項記載の水力機械用羽根車の製造方法。