KR20170028433A

KR20170028433A - 축체의 제조 방법

Info

Publication number: KR20170028433A
Application number: KR1020177003637A
Authority: KR
Inventors: 유이치 히라카와; 히로아키 후쿠시마; 신 니시모토; 히로유키 엔도
Original assignee: 미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
Priority date: 2014-10-10
Filing date: 2015-10-09
Publication date: 2017-03-13
Also published as: CN106574504B; DE112015004640B4; CN106574504A; KR101989708B1; JP6288532B2; JPWO2016056654A1; US10590508B2; WO2016056654A1; DE112015004640T5; US20170298468A1

Abstract

복수의 축부재를 용접하여 축체를 형성하는 축체의 제조 방법이며, 적어도 어느 하나의 축부재에 대해, 축부재끼리를 용접하기 전에, 인접하는 다른 축부재측의 단부의 근방의 범위에, 범위의 단부측의 강도가 범위의 단부와 반대측의 강도보다도 낮아지도록 템퍼링을 행하는 1차 템퍼링 공정과, 1차 템퍼링 공정 후에, 축부재끼리를 용접하는 용접 공정과, 용접 공정 후에, 축부재 사이의 용접부 근방에 대해 템퍼링을 행하는 2차 템퍼링 공정을 구비하는 축체의 제조 방법이다.

Description

축체의 제조 방법 {METHOD FOR MANUFACTURING SHAFT BODY}

본 발명은 복수의 축부재를 용접하여 축체를 형성하는 축체의 제조 방법에 관한 것이다.

본원은 2014년 10월 10일에 출원된 일본 특허 출원 제2014-208814호에 대해 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

예를 들어, 증기 터빈을 구성하는 터빈 로터(축체)를, 복수의 축부재로 분할한 후, 이들 축부재를 서로 용접에 의해 접합시킴으로써 제조하는 방법이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 이와 같은 방법이라면, 예를 들어 축부재에 의해 재료를 다른 것으로 할 수 있고, 예를 들어 증기 터빈 내의 온도 분포에 따라, 축부재의 재료를 선정할 수 있다.

예를 들어, 터빈 로터를 축방향으로 3분할하는 경우, 증기 터빈 내의 환경 온도가 고온 영역인 위치에 배치되는 중앙부의 모재로서 고온 강도가 우수한 고Cr강을 사용하고, 그 이외의 부위에는 저합금강을 사용한다는 재료 선정을 행할 수 있다.

이 제조 방법에 있어서는, 인접하는 축부재끼리의 사이에 형성되는 용접 금속의 인성 확보와 용접 열 영향부(HAZ, Heat-Affected Zone)의 경도를 내릴 목적으로 용접 후 열처리(PWHT, Post Weld Heat Treatment)를 실시하는 것이 일반적이다.

일본 특허 제4288304호 공보

그런데, 용접 후 열처리를 실시할 때, 저합금강측은 소재의 템퍼링 온도보다도 용접 후 열처리 온도의 쪽이 높아지고, 모재의 강도 저하도 동시에 발생해 버리는 것이 알려져 있다.

한편, 복수의 축부재 중, 최종단 터빈 날개를 설치하는 날개 홈을 포함하는 축부재에 있어서는, 높은 응력이 부가되는 최종단 근방의 강도 요구에 의해, 모재의 초기 강도가 결정되어 있으므로, 용접 후 열처리 후의 강도 저하분을 가미하여 용접 전의 모재 강도를 높게 조정하고 있다.

여기서, 용접 후 열처리 중에 있어서의 주위 방향의 온도 변동이 큰 경우, 즉 용접 후 열처리에 있어서의 가열 온도의 균일성이 나쁜 경우에 있어서는, 처리 후에 있어서의 강도의 주위 방향의 불균일이 발생한다. 특히, 모재 강도를 높게 조정하고 있는 경우, 강도 변화가 커지는 것에 수반하여 균일성은 악화된다.

강도의 균일성의 악화를 억제하기 위해서는, 전기로를 사용하여 용접 후 열처리를 행하는 것이 일반적이다. 전기로를 사용하여 로터의 전체를 가열함으로써, 용접 후 열처리 중의 주위 방향의 온도 변동을 작게 할 수 있다. 또한, 전기로로서는, 로터 자중에 의한 크리프 변형을 억제하기 위해, 수직형 전기로의 사용이 일반적이다.

그러나, 로터를 수용 가능한 전기로의 사용은 많은 비용을 필요로 하므로, 용접부 근방만을 가열하는 방법도 검토되어 있다. 그러나, 용접부 근방만을 가열하는 방법에서는, 로터의 주위의 분위기를 가열하는 전기로와 비교하여, 용접 후 열처리 중의 온도 변동을 작게 하는 것이 어렵다는 과제가 있었다.

본 발명은 용접 후 열처리에 있어서의 주위 방향의 온도 변동이 큰 경우에 있어서도 용접부 근방의 강도 불균일을 작게 할 수 있는 축체의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제1 형태에 의하면, 축체의 제조 방법은 복수의 축부재를 용접하여 축체를 형성하는 축체의 제조 방법이며, 적어도 어느 하나의 상기 축부재에 대해, 상기 축부재끼리를 용접하기 전에, 인접하는 다른 상기 축부재측의 단부의 근방의 범위에, 상기 범위의 상기 단부측의 강도가 상기 범위의 상기 단부와 반대측의 강도보다도 낮아지도록 템퍼링을 행하는 1차 템퍼링 공정과, 상기 1차 템퍼링 공정 후에, 상기 축부재끼리를 용접하는 용접 공정과, 상기 용접 공정 후에, 상기 축부재 사이의 용접부 근방에 대해 템퍼링을 행하는 2차 템퍼링 공정을 구비한다.

이와 같은 구성에 의하면, 하나의 축부재의 용접부 근방의 강도를 낮게 함으로써, 2차 템퍼링 공정에 있어서의 강도 저하가 경미해진다. 이에 의해, 2차 템퍼링 공정에 있어서의 가열 온도의 주위 방향의 온도 변위가 큰 경우에 있어서도, 용접부로부터 이격되는 부위의 강도를 확보하면서, 용접부 근방의 주위 방향의 강도 불균일을 작게 할 수 있다.

또한, 축부재의 용접부 근방을, 축방향을 따라 서서히 변화되는 필요 강도에 따른 강도로 할 수 있다.

상기 축체의 제조 방법에 있어서, 각각의 상기 축부재의 용접 전 소재를 형성하는 용접 전 소재 형성 공정과, 상기 용접 전 소재 형성 공정 후, 또한 상기 1차 템퍼링 공정 전에, 각각의 상기 축부재의 용접 전 소재에 대해 켄칭을 행하는 켄칭 공정을 구비하고 있어도 된다.

상기 축체의 제조 방법에 있어서, 상기 1차 템퍼링 공정은 상기 범위의 템퍼링 온도와 상기 범위 이외의 템퍼링 온도를 바꿈으로써 행해도 된다.

이와 같은 구성에 의하면, 1차 템퍼링 공정에서 템퍼링 온도를 바꿈으로써, 용이하게 온도 제어를 행할 수 있다.

상기 축체의 제조 방법에 있어서, 상기 2차 템퍼링 공정은 패널 히터를 사용하여 상기 용접부 근방을 가열해도 된다.

상기 축체의 제조 방법에 있어서, 상기 2차 템퍼링 공정은 상기 축체의 축선이 수평 방향을 따르는 상태에서 실시해도 된다.

상기 축체의 제조 방법에 있어서, 상기 축체로서 회전 기계의 로터를 제조해도 된다.

상기 축체의 제조 방법에 있어서, 상기 로터로서 터빈축을 형성하고, 상기 하나의 축부재는 터빈 내의 환경 온도가 중저온 영역인 위치에 배치되고 최종단 터빈 날개를 설치하는 날개 홈을 포함하고, 상기 범위로서 최종단보다도 상단측의 범위를 설정해도 된다.

상기 축체의 제조 방법에 있어서, 상기 하나의 축부재를 저합금강으로 형성하고, 상기 다른 축부재를 고크롬강으로 형성해도 된다.

이와 같은 구성에 의하면, 템퍼링 온도가 높은 고크롬강과 저합금강을 용접하는 경우에 있어서도, 용접부 근방의 주위 방향의 강도의 불균일을 작게 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 하나의 축부재의 용접부 근방의 강도를 낮게 함으로써, 2차 템퍼링 공정에 있어서의 강도 저하가 경미해진다. 이에 의해, 2차 템퍼링 공정에 있어서의 가열 온도의 주위 방향의 온도 변위가 큰 경우에 있어서도, 용접부로부터 이격되는 부위의 강도를 확보하면서, 용접부 근방의 주위 방향의 강도 불균일을 작게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태의 터빈 로터의 구성 및 강도ㆍ경도를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 형태의 축체의 제조 방법의 공정을 설명하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태의 축체의 제조 방법에 있어서의 1차 템퍼링 공정의 방법을 설명하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 형태의 축체의 제조 방법의 공정을 설명하는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 형태의 축체의 제조 방법에서 사용되는 (a) 용접 열 영향부의 LMP 플롯과, (b) 모재의 LMP 플롯이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 형태의 축체의 제조 방법에서 사용되는 실체 온도 계측의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7a는 본 발명의 제2 실시 형태의 축체의 제조 방법에서 사용되는, 2차 템퍼링 공정에 있어서의 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7b는 본 발명의 제2 실시 형태의 축체의 제조 방법에서 사용되는, 용접 후 열처리의 조건의 보정 방법을 설명하는 그래프이다.

(제1 실시 형태)

이하, 본 발명의 제1 실시 형태 축체의 제조 방법에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하의 설명에 있어서는, 본 실시 형태의 축체의 제조 방법을 증기 터빈(회전 기계)의 터빈 로터(터빈축)의 제조 방법을 사용하여 설명한다.

먼저, 본 실시 형태의 축체의 제조 방법에 의해 제조되는 터빈 로터에 대해 설명한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 축체의 제조 방법에 의해 제조되는 터빈 로터(1)는 터빈 로터(1)의 제1 단부를 이루는 제1 축부재(2)와, 터빈 로터(1)의 제1 단부와는 반대측의 제2 단부를 이루는 제3 축부재(4)와, 제1 축부재(2)와 제3 축부재(4) 사이에 배치되는 제2 축부재(3)를 갖고 있다.

제1 축부재(2)와 제2 축부재(3)와 제3 축부재(4)는 터빈 로터(1)의 축선 방향으로 서로 용접되어 있다. 각각의 축부재는 길이 방향에 있어서 직경이 변화되는 형상을 이루고 있고, 터빈 로터(1)의 단면 형상은 원 형상이 되어 있다.

터빈 로터(1)는 이강종 용접 로터이고, 증기 터빈 내의 환경 온도가 중저온 영역인 위치에 배치되는 제1 축부재(2)(저압 터빈 로터) 및 제3 축부재(4)는 저합금강으로 형성되고, 증기 터빈 내의 환경 온도가 고온 영역인 위치에 배치되는 제2 축부재(3)는 고온 강도가 우수한 고Cr강으로 형성되어 있다.

구체적으로는, 제1 축부재(2)는 3.5％ NiCrMoV 저합금강으로 형성되고, 제2 축부재(3)는 12％ Cr강으로 형성되고, 제3 축부재(4)는 1 내지 2.25％ CrMoV 저합금강으로 형성되어 있다.

제1 축부재(2)는 저압 터빈 로터이고, 복수의 터빈 날개 RB가 설치된다. 설치되는 터빈 날개 RB는 제1 축부재(2)의 축방향에 직교하는 방향으로 연장되고, 날개 높이는 최종단 터빈 날개 LRB가 가장 길어지도록, 상류측[제2 축부재(3)의 측]보다 점차 길어지고 있다.

제1 축부재(2)에는 최종단 터빈 날개 LRB를 설치하는 날개 홈(6)이 형성되어 있다. 제1 축부재(2)의 날개 홈(6)에는 높은 날개 높이를 갖는 최종단 터빈 날개 LRB가 설치되고, 날개 홈(6) 근방에는 큰 원심력(응력)이 부가된다. 이에 의해, 제1 축부재(2)의 날개 홈(6)에 있어서 요구되는 강도는 높다.

제1 축부재(2)와 제2 축부재(3) 사이 및 제2 축부재(3)와 제3 축부재(4) 사이에는 용접 금속으로 이루어지는 용접부(5)가 형성되어 있다.

터빈 로터(1)의 축방향의 상대적인 강도는 도 1의 이점쇄선으로 나타낸 바와 같이 조정되어 있다. 즉, 제2 축부재(3)는 제3 축부재(4)보다도 강도가 높다. 제1 축부재(2)의 날개 홈(6)이 형성되어 있는 부위는 제2 축부재(3)보다도 강도가 높다. 구체적으로는, 제1 축부재(2)의 날개 홈(6)이 형성되어 있는 부위의 강도는 날개 홈(6)에 있어서의 필요 강도 H5보다도 높게 되어 있다.

제1 축부재(2)의 범위 R, 즉 날개 홈(6)보다도 상단측의 범위에 있어서는 제1 축부재(2)의 날개 홈(6)이 형성되어 있는 부위보다도 강도가 낮게 되어 있다. 즉, 동일한 축부재에 있어서, 축방향의 위치에 따라 강도가 상이하다.

범위 R의 가장 용접부(5)측의 단부의 필요 강도 H2는 날개 홈에 있어서의 필요 강도 H5보다도 대폭으로 낮다. 범위 R의 가장 용접부(5)측의 단부의 강도는 당해 부위의 필요 강도 H2보다도 높고, 또한 제3 축부재(4)의 강도보다도 낮게 조정되어 있다.

제1 축부재(2)의 범위 R에 있어서는, 범위 R의 가장 용접부(5)측의 단부로부터 날개 홈(6)을 향해 점차 강도가 높아지도록 조정되어 있다.

이어서, 복수의 축부재(2, 3, 4)를 용접하여 축체를 형성하는 축체의 제조 방법에 대해 설명한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 축체의 제조 방법 M1은 축부재(2, 3, 4)의 용접 전 소재를 형성하는 용접 전 소재 형성 공정 S11과, 축부재(2, 3, 4)의 용접 전 소재에 대해 켄칭을 행하는 켄칭 공정 S12와, 켄칭을 행한 축부재(2, 3, 4)의 용접 전 소재에 대해 템퍼링을 행하는 1차 템퍼링 공정 S13과, 축부재끼리를 용접하는 용접 공정 S14와, 용접 공정 S14 후에, 각각의 용접 열 영향부에 대해 템퍼링을 행하는 2차 템퍼링 공정 S15(용접 후 열처리)를 구비한다.

용접 전 소재 형성 공정 S11은 용해한 합금 용탕을 주조하고, 단조ㆍ성형 가공을 실시하여 축부재(2, 3, 4)의 용접 전 소재를 형성하는 공정이다.

켄칭 공정 S12는 축부재(2, 3, 4)의 용접 전 소재에 대해 켄칭을 행하는 공정이다.

제1 축부재(2)에 대해서는, 3.5％ NiCrMoV 저합금강으로 형성된 용접 전 소재를 800 내지 900℃의 온도로부터 급랭시킨다.

제2 축부재(3)에 대해서는, 고Cr강으로 형성된 용접 전 소재를 1050 내지 1150℃의 온도로부터 급랭시킨다.

제3 축부재(4)에 대해서는, 1 내지 2.25％ CrMoV 저합금강으로 형성된 용접 전 소재를 900 내지 1000℃의 온도로부터 급랭시킨다.

1차 템퍼링 공정 S13은 켄칭을 행한 축부재(2, 3, 4)의 용접 전 소재에 대해 템퍼링을 행하는 공정이다.

여기서, 본 실시 형태의 축체의 제조 방법 M1에 있어서는, 제2 축부재(3) 및 제3 축부재(4)에 대해서는, 전체의 강도가 균질하게 되도록 템퍼링을 행하지만, 제1 축부재(2)에 대해서는, 축방향에 있어서 강도차를 갖게 하도록 템퍼링을 행한다.

제2 축부재(3)에 대해서는, 켄칭이 실시된 제2 축부재(3)를, 650 내지 750℃의 온도에서 재가열함으로써 템퍼링을 행한다.

제3 축부재(4)에 대해서는, 켄칭이 실시된 제3 축부재(4)를, 600 내지 700℃의 온도에서 재가열함으로써 템퍼링을 행한다.

이어서, 1차 템퍼링 공정 S13에 있어서의, 제1 축부재(2)의 템퍼링에 대해 설명한다.

제1 축부재(2)에 대한 1차 템퍼링 공정 S13에서는 제1 축부재(2)의 용접부(5) 근방의 소재 강도만을 낮게 조정한다. 구체적으로는 제1 축부재(2)의 용접부(5) 근방(도 1에 도시하는 범위 R)과 날개 홈(6)의 강도차를 부여한 경사 템퍼링을 행한다. 구체적으로는 범위 R의 용접부(5)측의 강도가 범위 R의 용접부(5)와 반대측의 강도보다도 낮아지도록 템퍼링을 행한다. 용접부(5) 근방에는 용접에 의한 용접 열 영향부(HAZ, Heat-Affected Zone)가 포함된다.

도 1에 도시한 바와 같이, 1차 템퍼링 공정 S13 실시 후의 제1 축부재(2)의 강도는 제2 축부재(3)와 용접되는 단부 근방의 강도가 제2 축부재(3)와 용접되는 단부로부터 이격되는 부위보다도 낮다. 제1 축부재(2)에 있어서, 날개 홈(6)(최종단)보다도 상단측의 범위가, 소재 강도가 낮게 조정되는 범위 R로 되어 있다.

범위 R은 용접부(5)측에서의 강도로부터 용접부(5)와 반대측의 강도까지, 강도가 경사져서 변화되어 있다. 용접부(5)측(조인트부)의 강도는 용접부(5)측의 강도 요구가 낮기 때문에, 낮게 조정되어 있다. 바꾸어 말하면, 제1 축부재(2)의 조인트부에는 터빈 날개 등의 부가물이 설치되어 있지 않아, 큰 응력이 부가되지 않으므로, 제1 축부재(2)의 모재인 3.5％ NiCrMoV 저합금강이 갖는 강도ㆍ경도는 필요로 하고 있지 않다.

한편, 범위 R에 있어서의 용접부(5)와 반대측의 강도는 날개 홈(6)의 강도 요구가 높기 때문에 높게 조정되어 있다.

구체적으로는, 날개 홈(6)(최종단)에 있어서의 필요 강도 H5와 비교하여, 가장 용접부(5)측의 단부에 있어서의 필요 강도 H2는 대폭으로 낮게 되어 있다. 최종단의 전전단에 있어서의 필요 강도 H3은 가장 용접부(5)측의 단부에 있어서의 필요 강도 H2보다도 약간 큰 정도이다. 최종단의 전단에 있어서의 필요 강도 H4는 최종단의 전전단에 있어서의 필요 강도 H3보다도 약간 큰 정도이다.

한편, 최종단의 전단에 있어서의 필요 강도 H4는 날개 홈(6)(최종단)에 있어서의 필요 강도 H5보다도 대폭으로 작게 조정되어 있다.

이어서, 제1 축부재(2)에 상기한 바와 같은 범위 R에 강도차를 부여한 템퍼링을 행하는 방법을 설명한다. 제1 축부재(2)의 범위 R에 템퍼링을 행하는 데 있어서는, 도 3에 도시한 바와 같이 원통 형상의 직립로(8)에 구획판(9)을 넣고, 템퍼링 온도를 바꿈으로써 강도차를 부여한다. 직립로(8)의 주위벽의 내면에는 가열 장치로서, 예를 들어 전열선이 배치되어 있다.

구체적으로는, 구획판(9)보다 하부의 영역 A1에 대해서는, 550 내지 600℃의 온도 범위에서 40시간 내지 60시간의 1차 템퍼링을 실시한다. 구획판(9)보다 상부의 영역 A2(범위 R)에 대해서는, 600 내지 650℃의 온도 범위에서 40시간 내지 60시간의 1차 템퍼링을 실시한다. 1차 템퍼링 온도는 소정의 온도에 대해, 축부재 표면에 설치한 열전대에 의해 계측되는 온도가 ±5℃의 범위가 되도록 제어한다. 또한, 구획판(9) 근방의 천이 온도 영역은 최대한 좁을수록 바람직하다.

상술한 바와 같은 열처리를 실시함으로써, 각 부위에 있어서 최적의 강도 특성을 갖고, 주위 방향으로 균질한 강도 분포를 갖는 터빈 로터(1)의 용접 전 소재로 할 수 있다.

용접 공정 S14는 축부재끼리, 즉 제1 축부재(2)와 제2 축부재(3)와 제3 축부재(4)를 서로 맞댐 용접하는 공정이다. 용접 공정 S14에 있어서는, 축부재끼리를 맞대고, 질소 함유량이 질량％로 0.025％ 이하인 9％ Cr계 용가재를 사용하여, 예를 들어 아크 용접함으로써, 축부재 사이에 용접 금속으로 이루어지는 용접부(5)(도 1 참조)를 형성한다.

도 1의 파선으로 나타낸 바와 같이, 용접 공정 S14에 의해, 용접 열 영향부(HAZ)가 형성된다. 용접 열 영향부는 용접 금속으로 이루어지는 용접부(5)와, 용접부(5)와 접하는 축부재의 단부로 구성되어 있다.

도 1로부터도 명확해진 바와 같이, 제1 축부재(2)와 제2 축부재(3) 사이의 용접 열 영향부와 제2 축부재(3)와 제3 축부재(4) 사이의 용접 열 영향부에 있어서는, 강도 및 경도가 대폭으로 상승하고 있다. 즉, 용접 열 영향부는 용접 시행에 의한 켄칭 경화성이 크고, 현저하게 단단해진다. 용접부(5)의 경도가, 예를 들어 HV350 이상으로 단단해지면, 터빈 사용 중에 지연되어 깨짐이 발생할 가능성이 있으므로, 2차 템퍼링 공정 S15에 의해 기준값 이하의 경도로 저하시킬 필요가 있다.

2차 템퍼링 공정 S15는 용접 공정 S14 후에, 각각의 용접 열 영향부에 대해 템퍼링을 행하는 용접 후 열처리(PWHT, Post Welt Heat Treatment)라고 불리는 공정이다. 2차 템퍼링 공정 S15는 용접 열 영향부만을 가열하는 국부 템퍼링이고, 예를 들어 패널 히터를 사용하여, 터빈 로터(1)의 축선이 수평 방향을 따르는 상태에서 가열을 행한다. 패널 히터에 더하여, 고주파 가열 장치 등을 사용하여, 보조 가열하는 것이 바람직하다.

구체적으로는, 제1 축부재(2)와 제2 축부재(3) 사이에 대해서는, 595℃ 내지 620℃의 온도 범위에서 40시간 내지 60시간의 용접 후 열처리를 실시한다. 또한, 제2 축부재(3)와 제3 축부재(4) 사이에 대해서는, 625℃ 내지 650℃의 온도 범위에서 40시간 내지 60시간의 용접 후 열처리를 실시한다.

상술한 바와 같이, 2차 템퍼링 공정 S15는 터빈 로터(1)를 횡방향으로 하여 행해도 된다. 이는, 2차 템퍼링 공정 S15에 있어서는 패널 히터를 사용하여 국부 템퍼링을 행하기 위해서이다. 즉, 패널 히터를 사용하여 용접부(5) 근방만을 가열함으로써, 열 처리 시의 크리프 변형을 고려할 필요가 없다.

도 1의 일점쇄선에 나타낸 바와 같이, 2차 템퍼링 공정 S15 후에 있어서는, 용접 열 영향부의 강도 및 경도는 기준값 H1(HAZ 경도 상한)보다도 낮아진다. 한편, 제1 축부재(2)의 가장 용접부(5)측의 강도는 당해 부위의 필요 강도 H2보다도 높아진다. 바꾸어 말하면, 제1 축부재(2)에 있어서 1차 템퍼링 공정 S13에서 결정되는 강도는 2차 템퍼링 공정 S15를 거쳐서 저하되는 강도를 가미하여 설정되어 있다. 마찬가지로, 제1 축부재(2)의 날개 홈(6)에 있어서의 강도는 당해 부위의 필요 강도 H5보다도 높아진다.

즉, 제1 축부재(2)의 1차 템퍼링 범위 R의 강도가 경사져 있음으로써, 단부나 날개 홈(6)의 강도가 필요 강도 이상으로 유지된다.

상기 실시 형태에 따르면, 제1 축부재(2)의 용접부(5) 근방의 강도를 낮게 함으로써, 2차 템퍼링 공정 S15(용접 후 열처리)에 있어서의 강도 저하가 경미해진다. 이에 의해, 2차 템퍼링 공정 S15에 있어서의 가열 온도의 주위 방향의 온도 변동이 큰 경우에 있어서도, 용접부(5) 근방의 주위 방향의 강도 불균일을 작게 할 수 있다.

즉, 주위 방향의 온도 불균일이 큰 패널 히터를 사용한 경우에 있어서도, 용접부(5) 근방의 주위 방향의 강도 불균일을 작게 할 수 있다.

바꾸어 말하면, 2차 템퍼링 공정 S15, 즉 용접 후 열처리 중의 주위 방향의 온도 변동의 영향에 의한 강도 변화를 최소한으로 할 수 있다. 이에 의해, 2차 템퍼링 공정 S15에 있어서의 주위 방향의 온도 변동의 허용 폭이 넓어져, 2차 템퍼링 공정 S15 후의 주위 방향의 강도의 균질성을 확보할 수 있다.

이에 의해, 이강종 용접 로터의 제조 시, 요구 강도가 높은 날개 홈(6)을 갖는 한편 증기 터빈 내의 환경 온도가 중저온 영역인 저압 터빈 로터를, 다른 로터와 용접할 때에 있어서, 날개 홈(6)의 강도를 확보하면서, 용접부(5) 근방의 주위 방향의 강도 불균일을 작게 할 수 있다.

또한, 템퍼링 온도가 높은 고Cr강에 의해 형성되어 있는 제2 축부재(3)와, 저합금강에 의해 형성되어 있는 제1 축부재(2)를 용접하는 경우에 있어서도, 용접부(5) 근방의 주위 방향의 강도 불균일을 작게 할 수 있다.

또한, 범위 R의 강도가 경사져서 변화되어 있음으로써, 제1 축부재(2)의 용접부(5) 근방을, 축방향을 따라 서서히 변화되는 필요 강도에 따른 강도로 할 수 있다.

또한, 2차 템퍼링 공정 S15에 있어서, 패널 히터를 사용하여 용접부(5) 근방만을 가열하는 방법을 사용함으로써, 전기로를 사용하여 가열하는 방법과 비교하여, 저비용으로 용접 후 열처리를 실시할 수 있다.

또한, 2차 템퍼링 공정 S15에 있어서의 용접 후 열처리를 터빈 로터(1)의 축선이 수평 방향을 따르는 상태에서 가열을 행함으로써, 수직형 전기로 등의 수직형의 설비를 사용하지 않고, 용접 후 열처리를 실시할 수 있다.

(제2 실시 형태)

이하, 본 발명의 제2 실시 형태의 축체의 제조 방법을 도면에 기초하여 설명한다. 또한, 본 실시 형태에서는 상술한 제1 실시 형태와의 상위점을 중심으로 설명하고, 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략한다.

본 실시 형태의 축체의 제조 방법은 용접 후의 실체 강도(경도) 계측 데이터 및 열처리 중의 실체 온도 계측 데이터를 기초로 열처리 조건에 피드백을 행하고, 열처리 후의 목적 강도 정밀도를 더욱 향상시킨다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 축체의 제조 방법 M2는 제1 실시 형태와 동일한 용접 전 소재 형성 공정 S21과, 켄칭 공정 S22와, 1차 템퍼링 공정 S23과, 축부재끼리를 용접하는 용접 공정 S24와, 용접 열 영향부 및 모재의 경도 측정을 행하는 제1 경도 측정 공정 S25와, 용접 후 열처리에 있어서의 LMP 범위를 결정하는 LMP 범위 결정 공정 S26과, 온도 해석을 행하여 용접 후 열처리의 가열ㆍ보온 범위를 결정하는 보온 범위 결정 공정 S27과, 제1 실시 형태와 동일한 2차 템퍼링 공정 S28과, 터빈 로터(1)의 실체 온도 계측을 행하는 실체 온도 측정 공정 S29와, 용접 후 열처리의 온도ㆍ유지 시간을 보정하는 2차 템퍼링 온도ㆍ유지 시간 보정 공정 S30과, 용접 후 열처리 후의 경도를 측정하는 제2 경도 측정 공정 S31을 구비한다.

제1 경도 측정 공정 S25는 용접 후에 있어서의 터빈 로터(1)의 용접 열 영향부(HAZ)의 경도(비커스 경도 Hv) 및 터빈 로터(1)의 모재의 경도를 측정하는 공정이다.

LMP 범위 결정 공정 S26은 도 5에 도시한 바와 같은 용접 열 영향부의 LMP 플롯과, 모재의 LMP 플롯을 사용하여, 2차 템퍼링 공정 S28(용접 후 열처리)의 LMP 범위를 결정하는 공정이다.

여기서, LMP(라슨 밀러 파라미터)는 템퍼링 파라미터라고도 불리는 시간과 온도의 함수이고, 다음 식으로 표현된다.

LMP＝(T＋273)×(logㆍt＋20), T: 온도(℃), t: 유지 시간(hour)

도 5의 (a)는 용접 열 영향부(HAZ)의 경도와 라슨 밀러 파라미터의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 5의 (b)는 모재의 경도와 라슨 밀러 파라미터의 관계를 나타내는 그래프이다.

LMP 범위 결정 공정 S26에서는 용접 열 영향부의 경도가 도 5의 (a)에 나타내는 소정의 경도 Hv1 이하가 됨과 함께, 모재의 경도가 도 5의 (b)에 나타내는 소정의 경도 Hv2 이상이 되는 LMP의 범위를 결정한다.

보온 범위 결정 공정 S27은 용접부(5) 근방의 주위 방향의 실체 온도 계측을 행하고, LMP 범위 결정 공정 S26에서 결정된 LMP 범위에 열처리 조건 범위가 들어가도록 온도 분포를 제어함과 함께 유지 시간을 조정하는 공정이다. 예를 들어, 주위 방향의 실체 온도의 시간에 의한 변화는, 도 6에 도시한 바와 같이 표층과, 내주측에서 상이하기 때문에, 이것도 고려하여 가열ㆍ보온 범위를 결정한다.

본 실시 형태의 2차 템퍼링 공정 S28(용접 후 열처리)에 있어서는, 터빈 로터(1)의 실체 온도 계측(축방향 및 주위 방향)을 행하는 실체 온도 측정 공정 S29를 실시한다. 실체 온도 측정 공정 S29를 실시함으로써, 경도 변화량(용접 열 영향부, 모재)의 예측을 행한다.

2차 템퍼링 온도ㆍ유지 시간 보정 공정 S30은, 예를 들어 도 7a에 도시한 바와 같이 주위 방향 위치에 따라 2차 템퍼링 공정 S28에 있어서의 온도 변화가 상이한 경우, 2차 템퍼링 공정 S28의 온도ㆍ유지 시간을 보정하는 공정이다.

상술한 바와 같이, 주위 방향 위치에 따라 2차 템퍼링 공정에 있어서의 온도 변화가 상이하고, 예를 들어 도 7b에 도시한 바와 같이, 180° 및 270°에 있어서의 LMP가 LMP 범위 결정 공정 S26에서 결정된 LMP 범위를 벗어나는 경우, 180° 및 270°에 있어서의 LMP가 LMP 범위에 들어가도록 용접 후 열처리의 조건을 보정한다.

제2 경도 측정 공정 S31은 2차 템퍼링 공정 S28 후에 있어서의 터빈 로터(1)의 용접 열 영향부의 경도 및 터빈 로터(1)의 모재 경도를 측정하는 공정이다. 제2 경도 측정 공정 S31에 있어서 측정된 모재 및 용접 열 영향부의 경도가, 요구되는 경도의 범위 내에 있는 경우는, 본 실시 형태의 축체의 제조 방법 M2는 종료되고, 어느 한쪽의 경도가 범위 외로 된 경우에는, LMP 범위 결정 공정으로 돌아간다.

상기 실시 형태에 따르면, 실태 강도ㆍ실태 온도에 기초한 조건 선정 및 보정을 행함으로써, 열처리 후의 강도 목적값의 정밀도 향상을 도모할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명했지만, 각 실시 형태에 있어서의 각 구성 및 그것들의 조합 등은 일례이고, 본 발명의 취지로부터 일탈하지 않는 범위 내에서, 구성의 부가, 생략, 치환 및 그 밖의 변경이 가능하다. 또한, 본 발명은 실시 형태에 의해 한정되지 않고, 클레임의 범위에 의해서만 한정된다.

예를 들어, 상기 실시 형태에서는 축부재로서 터빈 로터(1)를 사용하여 설명을 행하였지만, 축부재는 터빈 로터(1)와 같은 원기둥 형상의 부재로 한정되는 경우는 없고, 각기둥 형상의 부재끼리를 용접한 축부재 등에도 적용이 가능하다.

1 : 터빈 로터(축체)
2 : 제1 축부재
3 : 제2 축부재
4 : 제3 축부재
5 : 용접부
6 : 날개 홈
8 : 직립로
9 : 구획판
M1, M2 : 축체의 제조 방법
S11 : 용접 전 소재 형성 공정
S12 : 켄칭 공정
S13 : 1차 템퍼링 공정
S14 : 용접 공정
S15 : 2차 템퍼링 공정
R : 범위

Claims

복수의 축부재를 용접하여 축체를 형성하는 축체의 제조 방법이며,
적어도 어느 하나의 상기 축부재에 대해, 상기 축부재끼리를 용접하기 전에, 인접하는 다른 상기 축부재측의 단부의 근방의 범위에, 상기 범위의 상기 단부측의 강도가 상기 범위의 상기 단부와 반대측의 강도보다도 낮아지도록 템퍼링을 행하는 1차 템퍼링 공정과,
상기 1차 템퍼링 공정 후에, 상기 축부재끼리를 용접하는 용접 공정과,
상기 용접 공정 후에, 상기 축부재 사이의 용접부 근방에 대해 템퍼링을 행하는 2차 템퍼링 공정을 구비하는, 축체의 제조 방법.
제1항에 있어서, 각각의 상기 축부재의 용접 전 소재를 형성하는 용접 전 소재 형성 공정과,
상기 용접 전 소재 형성 공정 후, 또한 상기 1차 템퍼링 공정 전에, 각각의 상기 축부재의 용접 전 소재에 대해 켄칭을 행하는 켄칭 공정을 구비하는, 축체의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 1차 템퍼링 공정은 상기 범위의 템퍼링 온도와 상기 범위 이외의 템퍼링 온도를 바꿈으로써 행하는, 축체의 제조 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 템퍼링 공정은 패널 히터를 사용하여 상기 용접부 근방을 가열하는, 축체의 제조 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차 템퍼링 공정은 상기 축체의 축선이 수평 방향을 따르는 상태에서 실시하는, 축체의 제조 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 축체로서 회전 기계의 로터를 제조하는, 축체의 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 로터로서 터빈축을 형성하고,
상기 하나의 축부재는 터빈 내의 환경 온도가 중저온 영역인 위치에 배치되고 최종단 터빈 날개를 설치하는 날개 홈을 포함하고,
상기 범위로서 최종단보다도 상단측의 범위를 설정하는, 축체의 제조 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나의 축부재를 저합금강으로 형성하고, 상기 다른 축부재를 고크롬강으로 형성하는, 축체의 제조 방법.