KR20150038674A - 내에로전성 금속 재료의 용접 방법 및 터빈 블레이드 - Google Patents
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Abstract
[과제] 블레이드 전연부에 있어서의 내에로전 층의 경도 저하를 억제하는 것이 가능한 내에로전성 금속 재료의 용접 방법 및 터빈 블레이드를 제공하는 것을 목적으로 한다. [해결 수단] 본 발명에 관한 내에로전성 금속 재료의 용접 방법은, 터빈 블레이드 전연부(1A)에 있어서의 기체(1)에의 내에로전성 금속 재료의 용접 방법으로서, 내에로전성 금속 재료가 도포되는 전연부(1A)에 있어서의 곡면의 반경 R을 기체(1)의 두께 t보다 크게 형성하는 스텝과, 전연부(1A)에 내에로전성 금속 재료를 용접하는 스텝을 구비한다.
Description
본 발명은 내에로전성(erosion-resistant) 금속 재료의 용접 방법 및 터빈 블레이드에 관한 것이다.
증기 터빈 블레이드는, 증기 중의 응축 물방울이나 산화철을 주체로 하는 미세한 고체 입자로부터 받는 충격 작용에 의해서 침식되어서, 표면이 마모할 우려가 있다. 그래서, 증기 터빈 블레이드의 전방(증기류의 상류측)인 전연부에 내에로전(침식) 층을 형성하는 경우가 있고, 이것에 의해서 증기 터빈 블레이드의 침식이 억제된다.
특허문헌 1에는, 표면에 붕소화 처리층이 형성된 에로전 쉴드를, 증기 터빈 블레이드의 기체(基體)에 접합하는 것에 의해서, 에로전 손모를 줄이는 기술이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 2에는, 터빈 회전 블레이드의 블레이드 형상의 일부인 블레이드 리딩 에지부를 절취하고, 레이저에 의한 덧붙임 용접을 이용하여 침식 방지부를 복원 형성하는 것이 기재되어 있다.
증기 터빈 블레이드의 기체에 접합되는 내에로전 층은, 예를 들면 코발트를 주성분으로 하는 스텔라이트(Stellite)(등록상표) 등의 내마모성이 높은 코발트기 합금 등이 사용된다. 코발트기 합금 등을 기체에 접합하는 경우, 납땜이나 TIG 용접에 의한 덧붙임 용접을 행한다. 그러나, 납땜에 의한 접합의 경우, 접합 불량 등의 문제점이 발생하기 쉽고, 재작업에 의한 복수회의 가열에 의해서 증기 터빈 블레이드의 품질 저하가 생기기 쉽다. 또한, TIG 용접에 의한 접합의 경우, 코발트기 합금 등의 용착 금속에의 모재 혼입이 발생하고, 용착 금속이 희석화된다고 하는 문제가 있다. 그 결과, 내에로전 층의 경도가 저하해서, 코발트기 합금 등에 의한 내에로전 성능이 저하한다.
또한, 특허문헌 2의 기술에서는, 특허문헌 2의 도 1의 (c)에 도시하는 바와 같이, 터빈 회전 블레이드의 블레이드 리딩 에지부를 블레이드 길이 방향에 따라서 절단해서 띠 형상의 평면을 형성한 후, 평면으로부터 다중 용접을 해서 경질 재료로 이뤄지는 침식 방지부를 형성한다. 도 16은 종래의 증기 터빈 블레이드의 전연부(1A)의 기체(1)와 침식 방지부를 구성하는 용접 비드를 도시하는 횡단면도이며, 도 16 중의 2점쇄선은 침식 방지부의 예정 마무리면(S)을 도시한 것이다. 경질 재료는 블레이드 본체부의 재료에 비해 약하기 때문에, 특허문헌 2와 같이 블레이드 리딩 에지부 전체를 치환하면, 침식 방지부가 블레이드 본체부로부터 떨어지거나 파손하거나 한다.
본 발명은, 이러한 사정을 감안해서 이뤄진 것이며, 블레이드 전연부에 있어서의 내에로전 층의 경도 저하를 억제하는 것이 가능한 내에로전성 금속 재료의 용접 방법 및 터빈 블레이드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제 1 태양에 관한 내에로전성 금속 재료의 용접 방법은, 터빈 블레이드 전연부에 있어서 기체에의 내에로전성 금속 재료의 용접 방법으로서, 상기 내에로전성 금속 재료가 도포되는 상기 전연부에 있어서의 곡면의 반경을 상기 기체의 두께보다 크게 형성하는 스텝과, 상기 전연부에 상기 내에로전성 금속 재료를 용접하는 스텝을 구비한다.
이 구성에 의하면, 전연부의 기체는 열을 배출하기 쉬운 형상으로 되고, 내에로전성 금속 재료를 기체에 용접할 때, 기체에 있어서의 열의 정체를 억제할 수 있다. 그 결과, 기체로부터 열이 방열되어 국소적인 온도 상승을 억제할 수 있다. 그리고, 내에로전성 금속 재료에의 모재의 혼입에 의한 내에로전성 금속 재료의 희석화를 저감하고, 내에로전 층의 경도 저하를 억제할 수 있다. 또한, 전단부의 단면 형상은 원호 형상으로 한정되지 않고, 블레이드 선단부를 매끄러운 곡면으로 형성할 수 있으면, 다른 형상이라도 좋다.
본 발명의 제 2 태양에 관한 내에로전성 금속 재료의 용접 방법은, 터빈 블레이드 전연부에 있어서 기체에의 내에로전성 금속 재료의 용접 방법으로서, 내에로전성 금속 재료가 1층으로 메워지도록, 내에로전 층의 예정 마무리면과 내에로전 층의 두께에 의거하여, 상기 내에로전성 금속 재료가 도포되는 홈을 상기 기체에 형성하는 스텝과, 상기 홈에 상기 내에로전성 금속 재료를 용접하는 스텝을 구비한다.
이 구성에 의하면, 내에로전성 금속 재료가 도포되는 홈이 내에로전 층의 예정 마무리면과 내에로전 층의 두께에 의거하여 기체에 형성된다. 내에로전성 금속 재료는, 예를 들면 코발트기 합금이다. 예정 마무리면에 대한 홈 깊이가, 예를 들면 내에로전성 금속 재료가 1층으로 메워지는 깊이, 즉 다중 용접이 되지 않는 깊이이고, 또한 경도 저하 영역이 표면에 출현하지 않도록 극력 깊게 형성되는 것에 의해, 내에로전 성능의 저하를 방지할 수 있다. 경도 저하 영역이란, 용접에 의해서, 용착 금속에 모재(기체)가 혼입하는 영역이다.
본 발명의 제 2 태양에 있어서, 상기 홈의 깊이는 상기 예정 마무리면에 대해서 2㎜ 이하인 것이 바람직하다. 이것에 의해, 홈의 깊이를 내에로전성 금속 재료가 1층으로 메워지는 깊이, 즉 다중 용접이 되지 않는 깊이로 할 수 있다.
본 발명의 제 3 태양에 관한 내에로전성 금속 재료의 용접 방법은, 터빈 블레이드 전연부에 있어서 기체에의 내에로전성 금속 재료의 용접 방법으로서, 새롭게 형성되는 비드와 이미 형성되어 있는 비드와의 접촉 부분이 상기 기체와의 접촉 부분보다 넓게 형성되도록, 용접시의 각 패스의 중첩량을 결정하는 스텝과, 상기 중첩량에 의거해서 상기 기체에 상기 내에로전성 금속 재료를 용접하는 스텝을 구비한다.
이 구성에 의하면, 용접시의 각 패스의 중첩량이 크게 되어, 새롭게 형성되는 비드가 기체(모재)와 접촉하는 부분은, 이미 형성되어 있는 비드와의 접촉 부분보다 적게 된다. 그 결과, 내에로전성 금속 재료(용착 재료)에의 모재의 혼입에 의한 내에로전성 금속 재료의 희석화를 저감하고, 내에로전 층의 경도 저하를 억제할 수 있다.
본 발명의 제 1 내지 제 3 태양에 있어서, 용접된 상기 내에로전성 금속 재료는 상기 기체의 재료에 의한 희석이 10% 이하인 것이 바람직하다. 이것에 의해, 내에로전성 금속 재료의 희석화가 저감되고, 내에로전 층의 경도 저하를 억제할 수 있다.
본 발명의 제 1 내지 제 3 태양에 있어서, 상기 내에로전성 금속 재료를 용접해서 형성되는 마무리 가공전의 내에로전 층은 1층에서 2㎜ 이하인 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 모재에 의한 희석을 저감할 수 있기 때문에, 내에로전성에 필요한 최소한의 두께로서, 고품질의 내에로전 층을 형성할 수 있다.
본 발명의 제 1 내지 제 3 태양에 있어서, 상기 내에로전성 금속 재료를 용접하는 스텝은 에너지 밀도 분포가 평탄화하도록 레이저를 진행 방향에 대해서 횡 방향으로 위빙시키는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의하면, 에너지 밀도 분포를 평탄화할 수 있고, 용해 부분을 얕게 또는 폭넓게 할 수 있다.
내에로전성 금속 재료를 분말 형상 또는 띠판 형상으로 공급하면서 용접하거나, 또는 내에로전성 금속 재료를 용접 개소에 미리 용사 또는 콜드 스프레이로 부착한 후에 용접해도 괜찮다.
이 구성에 의하면, 패스수를 줄일 수 있고, 결함의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 4 태양에 관한 터빈 블레이드는 상술의 내에로전성 금속 재료의 용접 방법에 따라 전연부에 내에로전 층이 형성되어 있다.
본 발명에 의하면, 블레이드 전연부에 있어서의 내에로전 층의 경도 저하를 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 관한 증기 터빈 블레이드 전연부의 기체를 도시하는 횡단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 관한 증기 터빈 블레이드 전연부의 기체를 도시하는 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 관한 증기 터빈 블레이드 전연부의 기체와 용접 비드를 도시하는 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 관한 증기 터빈 블레이드 전연부의 기체와 용접 비드를 도시하는 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 관한 증기 터빈 블레이드 전연부의 기체와 용접 비드를 도시하는 횡단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 관한 증기 터빈 블레이드 전연부의 기체와 용접 비드를 도시하는 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 관한 증기 터빈 블레이드 전연부의 제 1 예를 도시하는 횡단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 관한 증기 터빈 블레이드 전연부의 제 2 예를 도시하는 횡단면도이다.
도 9는 도 7의 전연부의 경도 측정 결과를 도시하는 횡단면도이다.
도 10은 도 7의 전연부의 경도 측정 결과를 도시하는 횡단면도이다.
도 11은 증기 터빈 블레이드를 도시하는 측면도이다.
도 12는 종래의 증기 터빈 블레이드 전연부의 기체를 도시하는 횡단면도이다.
도 13은 증기 터빈 블레이드를 도시하는 사시도이다.
도 14는 레이저를 고속으로 위빙시키지 않는 경우의 레이저의 에너지 밀도 분포와 용접에 의한 용해 부분의 관계를 도시하는 개략도이다.
도 15는 레이저를 고속으로 위빙시키는 경우의 레이저의 에너지 밀도 분포와 용접에 의한 용해 부분의 관계를 도시하는 개략도이다.
도 16은 종래의 증기 터빈 블레이드 전연부의 기체와 용접 비드를 도시하는 횡단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 관한 증기 터빈 블레이드 전연부의 기체를 도시하는 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 관한 증기 터빈 블레이드 전연부의 기체와 용접 비드를 도시하는 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 관한 증기 터빈 블레이드 전연부의 기체와 용접 비드를 도시하는 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 관한 증기 터빈 블레이드 전연부의 기체와 용접 비드를 도시하는 횡단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 관한 증기 터빈 블레이드 전연부의 기체와 용접 비드를 도시하는 횡단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태에 관한 증기 터빈 블레이드 전연부의 제 1 예를 도시하는 횡단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 관한 증기 터빈 블레이드 전연부의 제 2 예를 도시하는 횡단면도이다.
도 9는 도 7의 전연부의 경도 측정 결과를 도시하는 횡단면도이다.
도 10은 도 7의 전연부의 경도 측정 결과를 도시하는 횡단면도이다.
도 11은 증기 터빈 블레이드를 도시하는 측면도이다.
도 12는 종래의 증기 터빈 블레이드 전연부의 기체를 도시하는 횡단면도이다.
도 13은 증기 터빈 블레이드를 도시하는 사시도이다.
도 14는 레이저를 고속으로 위빙시키지 않는 경우의 레이저의 에너지 밀도 분포와 용접에 의한 용해 부분의 관계를 도시하는 개략도이다.
도 15는 레이저를 고속으로 위빙시키는 경우의 레이저의 에너지 밀도 분포와 용접에 의한 용해 부분의 관계를 도시하는 개략도이다.
도 16은 종래의 증기 터빈 블레이드 전연부의 기체와 용접 비드를 도시하는 횡단면도이다.
이하에, 본 발명에 관한 실시형태에 대해서 도면을 참조해서 설명한다.
우선, 증기 터빈 블레이드(10)의 전연부(1A)의 구성에 대해 설명한다. 도 11은 증기 터빈 블레이드(10)를 도시하는 측면도이다.
증기 터빈 블레이드(10)의 전연부(1A)는, 주성분을 코발트로 하는 코발트기 합금에 의한 내에로전 층(3)이 기체(1)에 접합되어 형성되어 있다. 내에로전 층(3)은, 증기 터빈 블레이드(10)가 회전해서 증기류가 흐를 때, 증기 터빈 블레이드(10) 중 증기류의 상류측인 전연부(1A)에 배치되어 있다. 이것에 의해, 증기 터빈 블레이드(10)의 전연부(1A)의 에로전(침식)을 억제할 수 있다.
기체(1)(모재)는, 예를 들면 크롬기 합금이며, 내에로전 층(3)이 형성되기 전은 도 1에 도시하는 단면 형상을 갖고 있다. 도 1은 증기 터빈 블레이드(10)의 전연부(1A)를 형성하기 위한 기체(1)를 도시하는 횡단면도이며, 증기 터빈 블레이드(10)의 블레이드 길이 방향에 대해서 수직 방향으로 절단한 도면이다. 도 1 중의 2점쇄선은 내에로전 층(3)의 예정 마무리면(S)을 도시한 것이다.
내에로전 층(3)을 형성하기 전의 기체(1)는 예정 마무리면(S)에 대해서 기체(1)의 내부측으로 오목한 형상의 홈부(2)를 갖고 있다. 증기 터빈 블레이드(10)가 회전할 때, 홈부(2)의 전단부(2A)는 증기류의 상류측에 위치하고, 홈부(2)의 후단부(2B)는 증기류의 하류측에 위치한다.
홈부(2)의 전단부(2A)는, 예를 들면 단면의 표면이 원호 형상인 코너부를 구비한다. 코너부의 단면의 반경 R은, 예를 들면 기체(1)의 두께 t보다 크다. 이것에 의해, 후술하는 용접 방법에 따라 내에로전 층(3)을 형성할 때, 기체(1)에 있어서의 열의 정체를 억제할 수 있다. 또한, 전단부(2A)의 코너부의 단면 형상은 원호 형상으로 한정되지 않고, 기체(1)로부터 열을 배출하기 쉬운 형상이며, 블레이드 선단부를 매끄러운 곡면으로 형성할 수 있으면, 다른 형상이라도 좋다.
홈부(2)의 후단부(2B)에 있어서의 예정 마무리면(S)에 대한 홈 깊이 D는 용착 금속이 1층으로 메워지는 깊이, 즉 다중 용접이 되지 않는 깊이이며, 한편 경도 저하 영역이 표면에 출현하지 않도록 극력 깊게 형성되는 것이 바람직하다. 1층으로 용접이 가능한 홈 깊이 D는 예를 들면 2㎜ 이하이다. 경도 저하 영역이란, 용접에 의해서, 용착 금속의 코발트기 합금에 모재가 혼입하는 영역이며, 코발트기 합금에 의해서 얻을 수 있게 해 줄 내에로전 성능이 저하한 영역이다.
홈부(2)에 형성된 내에로전 층(3)은 복수의 패스로부터 형성되지만, 1층 용접의 덧붙임 용접에 의해서 형성되고, 마무리 가공전의 상태(도 7 및 도 8 참조)의 두께가 2㎜ 이하이다. 내에로전 층(3)은 모재에 의한 희석이 10% 이하가 되는 것이 바람직하다. 또한, 홈부(2)의 선단부(2C)는, 용착 금속에의 모재의 용입을 방지하기 위해, 뾰족한 형상이 아니고, 도 1에 도시하는 바와 같이 평면부가 형성되는 것이 바람직하다.
내에로전 층(3)은, 예를 들면 코발트를 주성분으로 하는 코발트기 합금이다. 본 실시형태에서는, 코발트기 합금으로서 예를 들면, 스텔라이트(등록상표)를 적용할 수 있다. 내에로전 층(3)은 서로 인접하는 용접 비드가 서로 겹치도록 형성된다. 용접 비드는 모재에 접촉하는 부분과, 이미 형성된 서로 인접하는 용접 비드에 접촉하는 부분을 구비하고, 모재에 접촉하는 부분을 줄이고, 서로 인접하는 용접 비드에 접촉하는 부분을 넓게 하는 것이 바람직하다(도 7의 비드 <3> 내지 <7> 및 도 8의 비드 <3> 내지 <8> 참조). 내에로전 층(3)은 복수회의 패스가 실행되는 것에 의해서 형성된다. 또한, 도 7 및 도 8에 도시하는 용접 비드가 형성된 후, 전연부(1A)는 도 1 중의 2점쇄선으로 도시한 것과 같은 예정 마무리면(S)이 되도록 가공된다.
전연부(1A)는, 전체가 내에로전성 금속 재료로 치환되는(특허문헌 2 또는 도 16 참조) 것은 아니고, 기체(1)의 형상에 따라서 균일한 두께로 표층만이 내에로전성 금속 재료로 형성된다. 그 때문에, 기체(1)에 비해 약한 성질을 갖는 내에로전성 금속 재료의 내에로전 층(3)의 손상을 억제할 수 있다.
다음에, 본 실시형태에 관한 증기 터빈 블레이드(10)의 전연부(1A)의 형성 방법, 즉 기재에 내에로전 층(3)을 접합하는 방법에 대해 설명한다.
우선, 증기 터빈 블레이드(10)의 기체(1)에 홈부(2)를 형성하고, 예를 들면 도 1에 도시하는 형상으로 한다. 즉, 홈부(2)의 전단부(2A)에는, 기체(1)의 두께보다 긴 반경 R을 갖는, 단면이 원호 형상의 코너부를 형성한다. 또한, 홈부(2)의 후단부(2B)의 깊이 D는 용착 금속이 1층으로 메워지는 깊이, 또한 경도 저하 영역이 표면에 출현하지 않는 것과 같은 깊이로 형성한다.
다음에, 상술과 같은 형상을 갖는 기체(1)에 대해서, 레이저 용접에 의한 덧붙임 용접을 실행하고, 1층으로 내에로전 층(3)을 형성한다. 덧붙임 용접은 도 7또는 도 8의 <> 내의 숫자로 나타내는 순번으로 복수회의 패스가 실행된다. 도 7과 도 8은 패스의 실행 방법이 상이한 예를 나타내고 있다.
이 때, 용접시의 각 패스의 중첩량을 크게 하고, 용접 비드가 모재와 접촉하는 부분을 줄이는 것에 의해서, 용착 금속의 코발트기 합금에 모재가 혼입하는 양을 저감할 수 있다. 중첩량은, 예를 들면 레이저의 목표 각도나 패스간 이동량으로 조정된다.
레이저 용접의 경우, 자동화가 가능하고, 용접 전에 프로그램을 작성하고, 용접 장치에 프로그램을 실행시키는 것에 의해서, 각 상태에 따른 적절한 용접을 실행할 수 있다.
레이저 용접은 통상의 용접 장치를 이용할 수 있고, 본 실시형태에서는 다음에 나타내는 조건으로 행해진다. 즉, 위치 결정 카메라와 높이 센서를 구비하는 높이 조정용 지그를 이용한다. 용접 자세는 항상 하향으로 하고, 기체(1)를 회전시키면서 패스간 이동을 한다. 프로그램에는, 각 패스의 목표 위치가 티칭에 의해서 티칭 포인트로서 입력되어 있다. 또한, 용접시에 있어서의 열의 영향에 의한 기체(1)의 변형 형상을 예측하고, 미리 패스를 기체(1)의 변형 형상에 따르도록 설정한다. 또한, 위치 결정 카메라를 이용하는 것에 의해서, 피드백하면서, 위치 어긋남이 발생하지 않도록 용접할 수 있다.
레이저의 목표 방향은 모재의 평면에 대해서 약 90°, 또는 볼록부와 볼록부를 연결하는 접선에 대해서 약 90°이다. 예를 들면, 도 2에 도시하는 바와 같이, 레이저 선단부(11)가 슈라우드부(12)(도 13 참조) 등에 가까운 경우, 레이저 목표 방향은, 레이저 선단부(11)가 슈라우드부(12)에 간섭하지 않고, 또한 용접 개소의 두 개의 볼록부를 연결하는 접선에 대해서 90°에 가깝게 되도록 용접 프로그램이 작성된다. 또한, 레이저의 목표 방향은, 도 2에 도시하는 바와 같이, R면과 반대측의 평판면에서는 평판면에 대해서 90°이며, 도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같이, 비드가 이미 형성되어 있는 경우는, 비드의 볼록부와 모재의 볼록부를 연결하는 접선에 대해서 90°이다. 또한, 레이저의 목표 방향은, 도 5에 도시하는 바와 같이, 기체(1)의 선단부에 대해서는, 평판면에 대해서 평행이며, 도 6에 도시하는 바와 같이, 두 개의 비드가 이미 형성되어 있는 경우는, 하나의 비드의 볼록부와 다른 비드의 볼록부를 연결하는 접선에 대해서 90°이다. 이와 같이, 레이저 목표 방향을 결정하는 것에 의해서, 용착 불량을 저하할 수 있고, 또한 용착 금속에의 모재의 혼입을 억제할 수 있다.
또한, 레이저 용접시, 용접 개소에 진동(oscillation)이 걸려도 괜찮다. 이것에 의해, 용착 불량을 저하할 수 있다. 진동을 걸면서 용접하는 방법으로서 이하에 나타내는 방법이 있다.
분말 형상의 내에로전성 금속 재료를 용접 개소에 띠 형상으로 공급하면서, 용접 개소에 있어서의 레이저를 폭 방향으로 고속으로 위빙시키고, 내에로전 층(3)을 형성한다. 또는, 일정 두께를 갖는 띠판 형상의 내에로전성 금속 재료를 용접 개소에 공급하면서, 용접 개소에 있어서의 레이저를 폭 방향으로 고속으로 위빙시키고, 내에로전 층(3)을 형성한다.
또한, 내에로전 층(3)을 형성하는 부분의 전체에, 미리 용사나 콜드 스프레이 등에 의해서 내에로전성 금속 재료에 의하는 층을 형성해 두고, 용접 개소에 있어서의 레이저를 폭 방향으로 고속으로 위빙시키고, 내에로전 층(3)을 형성한다. 이 때의 레이저의 진동 폭은 분말이나 띠판 형상의 내에로전성 금속 재료를 공급하는 경우에 비해, 대폭으로 할 수 있고, 또한 재료의 중합부가 없기 때문에, 결함이 생기기 어렵다.
여기서, 폭 방향이란, 레이저의 진행 방향에 대한 횡 방향이다. 또한, 고속이란, 용접 개소에 있어서의 레이저의 에너지 밀도 분포를 산형상은 아니고 직사각형 형상으로 하고, 모재의 혼입하는 희석 부분을 얕게 하는 속도이다. 통상의 위빙 용접이 수 ㎐의 주파수인데 대하여, 본 실시형태에서는 수십 ㎐ 내지 수백 ㎐의 주파수이다. 즉, 레이저를 고속으로 위빙시키지 않는 경우는, 도 14에 도시하는 바와 같이, 에너지 밀도 분포가 산형으로 되고, 용해 부분이 깊어지지만, 레이저를 고속으로 위빙시키는 것에 의해서, 도 15에 도시하는 바와 같이, 에너지 밀도 분포를 평탄화할 수 있고, 용해 부분을 얕고 또한 폭넓게 할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태의 방법에 의해, 덧붙임 용접시의 패스수가 적게 되어 결함수를 줄일 수 있고, 작업 효율도 향상시킬 수 있다. 또한, 레이저의 에너지 밀도 분포가 평탄화하기 때문에, 모재에 의한 내에로전 층(3)의 희석을 억제한다. 그리고, 모재에 의한 희석을 저감 할 수 있기 때문에, 내에로전성에 필요한 최소한의 두께로서, 고품질의 내에로전 층(3)을 형성할 수 있다.
이상, 본 실시형태에 의한 증기 터빈 블레이드(10)의 전연부(1A)의 형성 방법에 의하면, 다음과 같은 작용 효과를 얻을 수 있다.
우선, 증기 터빈 블레이드(10)의 기체(1)에 있어서의 홈부(2)의 전단부(2A)에 형성하는 코너부에 대해서, 기체(1)의 두께보다 긴 반경 R을 갖는 원호 형상의 단면으로 하는 것에 의해서, 용접시의 코너부의 열의 정체를 완화할 수 있다. 종래, 코너부는 기체(1)의 두께보다 짧은 반경 R0을 갖는 원호 형상의 단면이었는데, 이러한 기체(1)의 단면 형상은 용착 금속으로부터 받아서 축적된 열이 방열되기 어렵다. 한편, 본 실시형태와 같이, 코너부 단면의 원호 형상을 완만하게 하는 것에 의해서, 기체(1)로부터 열이 방열되어 국소적인 온도 상승을 억제할 수 있다. 그 결과, 용착 금속에의 모재의 혼입에 의한 용착 금속의 희석화를 저감하고, 내에로전 층(3)의 경도 저하를 억제할 수 있다.
또한, 증기 터빈 블레이드(10)의 기체(1)에 있어서의 홈부(2)의 후단부(2B)에 있어서, 내에로전 층(3)의 예정 마무리면(S)보다 가능한 한 깊게 하는 것에 의해서, 모재가 용착 금속에 혼입하는 희석 영역을 증기 터빈 블레이드(10)의 표면측에서는 아니고 내부측에 위치시킬 수 있다. 그 결과, 용착 금속에의 모재의 혼입에 의해서 경도가 저하한 희석 영역이 표면에 출현하기 어려워지기 때문에, 경도가 담보된 내에로전 층(3)을 갖는 증기 터빈 블레이드(10)를 형성할 수 있다.
한편, 도 12에 도시하는 바와 같이, 홈부(2)의 깊이가 얕은 경우, 경도가 낮은 희석 영역이 내에로전 층(3)의 예정 마무리면(S)에 가깝게 되기 때문에, 내에로전 성능이 저하할 우려가 있다.
또한, 홈부(2)의 깊이는 용착 금속이 1층으로 메워지는 깊이이기 때문에, 다층 용접의 경우의 기재의 온도 상승을 억제할 수 있고, 용착 금속의 희석률을 저하시킬 수 있다.
또한, 용접시의 각 패스의 중첩량을 크게 하고, 용접 비드가 모재와 접촉하는 부분을 줄이는 것에 의해서, 용착 금속에의 모재의 혼입에 의한 용착 금속의 희석화를 저감하고, 내에로전 층(3)의 경도 저하를 억제할 수 있다.
또한, 레이저 용접을 적용하는 것에 의해서, 용접 작업을 자동화할 수 있고, 용접부를 적정하게 형성할 수 있고, 또한 기재에의 입열량을 억제시켜서 용착 금속의 희석률을 저하시킬 수 있다.
상술한 용접 방법에서는, 홈부(2)에 형성된 내에로전 층(3)은 1층의 용접에 의해서 형성되며, 모재에 의한 희석이 10% 이하가 되도록 한다.
도 7 및 도 8은 기체(1)의 두께가 4.6㎜일 때, 코너부의 반경을 7.8㎜, 홈 깊이를 0.8㎜, 각 용접 패스의 랩량을 3.2㎜로서 레이저 용접을 실행했을 때의 단면의 일례이다. <> 내는 패스의 순서를 나타낸다.
도 9 및 도 10은 각각 도 7 및 도 8의 순서로 덧붙임 용접해서 내에로전 층(3)을 형성했을 때의 비커스 경도 측정 시험의 결과를 나타낸다. <> 내의 수치의 단위는 경도 Hv이다. 측정점은 내에로전 층(3)의 예정 마무리면(S)에 대응한다. 측정 결과로부터, 예정 마무리면(S)에 있어서, 경도 Hv400을 넘는 값이 되는 것을 알았고, Hv400 이상의 경도를 가지는 내에로전 층(3)을 형성할 수 있는 것이 확인되었다.
또한, 본 실시형태에서는, 내에로전 층(3)의 접합에 대해서, 레이저 용접의 경우에 대해 설명했지만, 본 발명은 이 예로 한정되지 않고, 다른 용접 방법, 예를 들면 TIG 용접 등에 의한 경우에서도, 기재의 형상이나 내에로전 층(3)을 상기와 마찬가지로 형성하는 것에 의해서, 상술의 실시형태와 동일한 작용 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 내에로전 층의 내에로전성 금속 재료로서 스텔라이트(등록상표) 등의 코발트기 합금을 들었지만, 내에로전성 금속 재료는 이 이외에도 기재 및 사용 환경에 따라 다른 금속 재료가 적용 가능하다. 내에로전성 금속 재료로서는, 예를 들면 기재보다 딱딱한 재료 등, 내에로전성의 효과를 기대할 수 있는 재료 모두가 적용의 가능성이 있다.
1 : 기체 2 : 홈부
3 : 내에로전 층 10 : 증기 터빈 블레이드
11 : 레이저 선단부 12 : 슈라우드부
S : 예정 마무리면
3 : 내에로전 층 10 : 증기 터빈 블레이드
11 : 레이저 선단부 12 : 슈라우드부
S : 예정 마무리면
Claims (9)
- 터빈 블레이드 전연부에 있어서 기체에의 내에로전성 금속 재료의 용접 방법에 있어서,
상기 내에로전성 금속 재료가 도포되는 상기 전연부에 있어서의 곡면의 반경을 상기 기체의 두께보다 크게 형성하는 스텝과,
상기 전연부에 상기 내에로전성 금속 재료를 용접하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는
내에로전성 금속 재료의 용접 방법. - 터빈 블레이드 전연부에 있어서 기체에의 내에로전성 금속 재료의 용접 방법에 있어서,
상기 내에로전성 금속 재료가 1층으로 메워지도록, 내에로전 층의 예정 마무리면과 내에로전 층의 두께에 의거하여, 상기 내에로전성 금속 재료가 도포되는 홈을 상기 기체에 형성하는 스텝과,
상기 홈에 상기 내에로전성 금속 재료를 용접하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는
내에로전성 금속 재료의 용접 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 홈의 깊이는 상기 예정 마무리면에 대해서 2㎜ 이하인 것을 특징으로 하는
내에로전성 금속 재료의 용접 방법. - 터빈 블레이드 전연부에 있어서 기체에의 내에로전성 금속 재료의 용접 방법에 있어서,
새롭게 형성되는 비드와 이미 형성되어 있는 비드와의 접촉 부분이, 상기 기체와의 접촉 부분보다 넓게 형성되도록, 용접시의 각 패스의 중첩량을 결정하는 스텝과,
상기 중첩량에 의거해서 상기 기체에 상기 내에로전성 금속 재료를 용접하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는
내에로전성 금속 재료의 용접 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
용접된 상기 내에로전성 금속 재료는 상기 기체의 재료에 의한 희석이 10% 이하인 것을 특징으로 하는
내에로전성 금속 재료의 용접 방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내에로전성 금속 재료를 용접해서 형성되는 마무리 가공전의 내에로전 층은 1층에서 2㎜ 이하인 것을 특징으로 하는
내에로전성 금속 재료의 용접 방법. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내에로전성 금속 재료를 용접하는 스텝은, 에너지 밀도 분포가 평탄화하도록 레이저를 진행 방향에 대해서 횡 방향으로 위빙시키는 것을 특징으로 하는
내에로전성 금속 재료의 용접 방법. - 제 7 항에 있어서,
내에로전성 금속 재료를 분말 형상 또는 띠판 형상으로 공급하면서 용접하거나, 또는 내에로전성 금속 재료를 용접 개소에 미리 용사 또는 콜드 스프레이로 부착한 후에 용접하는 것을 특징으로 하는
내에로전성 금속 재료의 용접 방법. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 내에로전성 금속 재료의 용접 방법에 의해서 전연부에 내에로전 층이 형성된 것을 특징으로 하는
터빈 블레이드.
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