KR20170097213A - 용접 장치, 용접 방법 및 터빈 날개 - Google Patents

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나오노리 나가이
다케히사 오쿠다
사토시 소메타니
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미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
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Abstract

모재의 레이저광 조사 위치를 향하여, 분체의 용접 재료를 포함하는 파우더 가스를 공급하는 통 형상의 파우더 노즐(201)과, 파우더 노즐(201)의 외주면을 덮도록 동축에 배치되며, 레이저광 조사 위치를 격리하기 위한 실드 가스를 공급하는 통 형상의 실드 노즐(202)을 구비하고, 파우더 노즐(201)의 선단부(201a) 근방의 외주면(201b)은 파우더 노즐(201)의 선단부(201a)를 향하여 점차 외경이 작아지는 형상이며, 파우더 노즐(201)의 중심축(A)을 통과하는 단면에서의 단면 형상이 원호 형상으로 되어 있는 용접 장치를 제공한다.

Description

용접 장치, 용접 방법 및 터빈 날개
본 발명은 용접 장치, 용접 방법 및 터빈 날개에 관한 것이다.
증기 터빈 날개는, 증기 중의 응축 물방울이나 산화철을 주체로 하는 미세한 고체 입자로부터 받는 충격 작용에 의해 침식되어, 표면이 마모될 우려가 있다. 증기 터빈 날개의 전방(증기류의 상류측)인 전방 에지부에 내에로전층(내침식층)을 형성함으로써, 증기 터빈 날개의 침식이 억제된다.
특허문헌 1에는, 표면에 붕화 처리층이 형성된 에로전 실드를, 증기 터빈 날개의 기체에 접합함으로써, 내에로전층을 형성하는 것이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 2에는, 터빈 회전익의 날개 형상의 일부인 날개 리딩 에지부를 잘라내고, 레이저에 의한 덧땜 용접을 사용하여 내에로전층을 형성하는 것이 개시되어 있다.
일본 특허 공고 소61-12082호 공보 일본 특허 제4901413호 공보
증기 터빈 날개의 기체에 접합되는 내에로전층으로서, 예를 들어 코발트를 주성분으로 하는 스텔라이트(등록 상표) 등의 내마모성이 높은 재료가 사용된다. 코발트기 합금 등의 재료를 기체에 접합하는 방법으로서, 브레이징이나 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접에 의한 덧땜 용접이 사용된다. 그러나, 브레이징에 의한 접합의 경우, 접합 불량 등의 문제가 발생하기 쉽고, 광범위하게 걸쳐 가열하는 것에 의한 증기 터빈 날개의 변형도 발생하기 쉽다는 문제가 있다. 또한, TIG 용접에 의한 접합의 경우, 코발트기 합금 등의 용접 재료가 모재에 의해 희석화되어, 내에로전층의 경도가 저하된다는 문제가 있다.
레이저의 조사 위치에 분체의 용접 재료를 포함한 가스(이하, 파우더 가스라 함)를 분사함으로써 덧땜 용접을 행하는 방법을 사용하는 경우, 브레이징이나 TIG 용접의 결함을 억제할 수 있다. 이 레이저를 사용한 덧땜 용접에 있어서는, 용접 대상물의 레이저광 조사 위치에 있어서 용접부가 산소와 반응하면, 스패터가 발생 한다. 용접부에의 산소의 침입을 차단하여 스패터의 발생을 방지하기 위해, 아르곤 가스나 헬륨 가스를 실드 가스로서 사용하는 것이 알려져 있다.
그러나, 실드 가스에 대규모의 소용돌이 구조가 발생하면, 주위의 공기에 포함되는 산소가 용접부로 유도되어 스패터가 발생하여, 용접의 품질이 저하되어 버리게 된다.
여기에서 말하는 소용돌이 구조에는, 실드 가스의 흐름 방향에 직교하는 소용돌이축을 갖는 횡 소용돌이와, 실드 가스의 흐름 방향에 평행인 소용돌이축을 갖는 종 소용돌이의 양쪽이 포함된다. 횡 소용돌이는 실드 가스와 실드 가스가 유통하는 실드 노즐의 벽면의 마찰이나 박리가 원인으로 발생하고, 종 소용돌이는 실드 가스의 분류가 원인으로 발생한다.
본 발명은 상기의 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 실드 가스에 대규모의 소용돌이 구조가 발생하는 것을 억제하고, 레이저를 사용한 고품질의 덧땜 용접을 행할 수 있는 용접 장치, 용접 방법, 및 그 용접 방법에 의해 용접된 터빈 날개를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해, 이하의 수단을 채용하였다.
본 발명의 제1 형태에 관한 용접 장치는, 용접 대상물의 레이저광 조사 위치에 대하여, 분체의 용접 재료를 포함하는 파우더 가스를 공급하는 통 형상의 파우더 노즐과, 상기 파우더 노즐의 외주면을 덮도록 동축에 배치되며, 상기 레이저광 조사 위치를 격리하기 위한 실드 가스를 공급하는 통 형상의 실드 노즐을 구비하고, 상기 파우더 노즐의 선단부 근방의 외주면은, 상기 파우더 노즐의 상기 선단부를 향하여 점차 외경이 작아지는 형상이며, 상기 파우더 노즐의 중심축을 통과하는 단면에서의 단면 형상이 원호 형상으로 되어 있다.
본 발명의 제1 형태에 관한 용접 장치는, 용접 대상물의 레이저광 조사 위치에 대하여 통 형상의 파우더 노즐로부터 분체의 용접 재료를 포함하는 파우더 가스를 공급하여, 덧땜 용접을 행한다. 레이저광 조사 위치에는, 파우더 노즐의 외주면을 덮도록 동축에 배치된 통 형상의 실드 노즐로부터 실드 가스가 공급되어, 레이저광 조사 위치가 격리된다. 파우더 노즐의 선단부 근방의 외주면은, 파우더 노즐의 선단부를 향하여 외경이 점차 작아지는 원호 형상으로 되어 있다.
파우더 노즐의 선단부가 원호 형상으로 되어 있기 때문에, 파우더 노즐의 외주면을 따라서 실드 노즐로부터 유출되는 실드 가스의 박리가 억제되어, 실드 가스의 흐름 방향에 직교하는 소용돌이축을 갖는 횡 소용돌이가 발생하기 어렵다. 또한, 횡 소용돌이의 억제에 의해 소용돌이도 생성이 억제되기 때문에, 실드 가스의 분류 내에서 횡 소용돌이의 소용돌이축이 기우는 것에 의한 종 소용돌이의 발생도 억제된다. 그리고, 실드 가스에 대규모의 소용돌이 구조가 발생하는 것을 억제함으로써, 소용돌이 구조의 발생에 의해 주위의 대기(산소)가 용접부에 침입하는 것이 방지된다.
따라서, 실드 가스에 대규모의 소용돌이 구조가 발생하는 것을 억제하고, 레이저를 사용한 고품질의 덧땜 용접을 행할 수 있다.
본 발명의 제1 형태의 용접 장치에 있어서는, 상기 파우더 노즐의 선단부 근방의 내주면이, 상기 파우더 노즐의 상기 선단부를 향하여 점차 내경이 커지는 형상이며, 상기 파우더 노즐의 중심축을 통과하는 단면에서의 단면 형상이 원호 형상으로 되는 구성이어도 된다. 이 구성에서는, 파우더 노즐의 선단부가 원호 형상으로 되어 있기 때문에, 파우더 노즐의 내주면을 따라서 파우더 노즐로부터 유출되는 파우더 가스에, 파우더 가스의 흐름 방향에 직교하는 소용돌이축을 갖는 횡 소용돌이가 발생하기 어렵다. 또한, 횡 소용돌이의 억제에 의해 소용돌이도 생성이 억제되기 때문에, 파우더 가스의 분류 내에서 횡 소용돌이의 소용돌이축이 기우는 것에 의한 종 소용돌이의 발생도 억제된다. 이에 의해, 파우더 가스에 소용돌이 구조가 발생하고, 그것에 기인하여 실드 가스에 소용돌이 구조가 발생한다는 문제가 방지된다.
본 발명의 제2 형태의 용접 장치는, 용접 대상물의 레이저광 조사 위치에 대하여, 분체의 용접 재료를 포함하는 파우더 가스를 공급하는 통 형상의 파우더 노즐과, 상기 파우더 노즐의 외주면을 덮도록 동축에 배치되며, 상기 레이저광 조사 위치를 격리하기 위한 실드 가스를 공급하는 통 형상의 실드 노즐을 구비하고, 상기 실드 노즐의 선단부 근방의 내주면에, 상기 실드 가스에 의한 소용돌이의 발생을 억제하는 소용돌이 억제 부재가 설치되어 있다.
본 발명의 제2 형태에 관한 용접 장치는, 용접 대상물의 레이저광 조사 위치에 대하여 통 형상의 파우더 노즐로부터 분체의 용접 재료를 포함하는 파우더 가스를 공급하여, 덧땜 용접을 행한다. 레이저광 조사 위치에는, 파우더 노즐의 외주면을 덮도록 동축에 배치된 통 형상의 실드 노즐로부터 실드 가스가 공급되어, 레이저광 조사 위치가 격리된다. 실드 노즐로부터 레이저광 조사 위치에 공급되는 실드 가스는, 실드 노즐의 선단부 근방의 내주면에 설치된 소용돌이 억제 부재에 의해 실드 가스에 의한 소용돌이의 발생이 억제된다.
실드 노즐의 선단부 근방의 내주면에 소용돌이 억제 부재가 설치되어 있기 때문에, 실드 노즐로부터 유출되는 실드 가스에, 실드 가스의 흐름 방향에 직교하는 소용돌이축을 갖는 횡 소용돌이가 발생하기 어렵다. 또한, 실드 가스의 분류 내에서 횡 소용돌이의 소용돌이축이 기우는 것에 의한 종 소용돌이의 발생도 억제된다. 실드 가스에 대규모의 소용돌이 구조가 발생하는 것을 억제함으로써, 소용돌이 구조의 발생에 의해 주위의 대기(산소)가 용접부에 침입하는 것이 방지된다.
따라서, 실드 가스에 대규모의 소용돌이 구조가 발생하는 것을 억제하고, 레이저를 사용한 고품질의 덧땜 용접을 행할 수 있다.
본 발명의 제2 형태의 용접 장치에 있어서는, 상기 소용돌이 억제 부재가, 상기 실드 노즐의 중심축을 향하여 돌출되는 복수의 돌기부를 구비하는 구성이어도 된다. 이 구성에서는, 복수의 돌기부의 근방을 통과하는 실드 가스에 발생하는 소용돌이가, 복수의 돌기부에 의해 분쇄되므로, 소용돌이가 성장하는 것이 억제된다.
본 발명에 관한 용접 방법은, 본 발명에 관한 어느 것의 형태의 용접 장치를 사용하여 터빈 날개 전방 에지 부분의 기체와 내에로전성 금속 재료의 접합부에 분체의 용접 재료를 포함하는 파우더 가스를 공급하여, 상기 기체와 상기 내에로전성 금속 재료를 덧땜 용접하는 용접 공정을 구비한다.
이와 같이 함으로써, 실드 가스에 대규모의 소용돌이 구조가 발생하는 것을 억제하고, 레이저를 사용한 고품질의 덧땜 용접을 행하는 용접 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 관한 터빈 날개는, 본 발명에 관한 용접 방법에 의해 내에로전성 금속 재료가 덧땜 용접된 것을 특징으로 한다.
이와 같이 함으로써, 실드 가스에 대규모의 소용돌이 구조가 발생하는 것을 억제하고, 레이저를 사용한 고품질의 덧땜 용접이 행해진 터빈 날개를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 실드 가스에 대규모의 소용돌이 구조가 발생하는 것을 억제하고, 레이저를 사용한 고품질의 덧땜 용접을 행할 수 있는 용접 장치, 용접 방법, 및 그 용접 방법에 의해 용접된 터빈 날개를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태의 용접 장치를 도시하는 개략 구성도이다.
도 2는 제1 실시 형태의 노즐부의 중심축을 통과하는 단면에서의 단면도이다.
도 3은 제1 실시 형태의 노즐부를 중심축을 따라서 본 도면이다.
도 4는 제2 실시 형태의 노즐부의 중심축을 통과하는 단면에서의 단면도이다.
도 5는 제3 실시 형태의 노즐부의 중심축을 통과하는 단면에서의 단면도이다.
도 6은 비교예의 노즐부의 중심축을 통과하는 단면에서의 단면도이다.
도 7은 증기 터빈 날개를 도시하는 도면이다.
〔제1 실시 형태〕
이하, 본 발명의 제1 실시 형태의 용접 장치(100)에 대하여, 도 1을 참조하면서 설명한다.
도 1은 본 실시 형태의 용접 장치(100)를 도시하는 개략 구성도이다.
용접 장치(100)는 용접 대상물인 모재(400)에 레이저를 조사함과 함께, 모재(400) 상의 레이저광 조사 위치 P에 대하여 용접 재료를 공급함으로써 덧땜 용접을 행하는 장치이다. 여기서, 용접 재료는 스텔라이트(등록 상표) 등의 내에로전성 금속 재료를 포함하는 것이다.
용접 장치(100)는 모재(400)에 대하여 레이저광(301)을 조사하는 레이저부(300)와, 레이저광 조사 위치 P에 대하여 분체의 용접 재료를 포함하는 파우더 가스를 공급하는 노즐부(200)를 구비하고 있다. 노즐부(200)는 중심축 A 주위에 배치된 통 형상의 파우더 노즐(201)과 실드 노즐(202)의 이중관 구조로 되어 있다. 실드 노즐(202)은 파우더 노즐(201)의 외주면을 덮도록 중심축 A와 동축에 배치된다.
파우더 노즐(201)로부터 레이저광 조사 위치 P에 대하여 파우더 가스가 공급되고, 파우더 가스의 외측을 덮도록, 실드 가스가 레이저광 조사 위치를 대기(산소)로부터 격리하도록 공급된다. 실드 가스로서는, 아르곤 가스나 헬륨 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 파우더 가스로서는, 분체의 용접 재료에 아르곤 가스나 헬륨 가스를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
노즐부(200)의 중심축 A의 연장선과 레이저부(300)의 레이저 광축 B의 연장선은, 모재(400)의 표면에서 교차하고 있고, 그 위치가 레이저광 조사 위치 P로 되어 있다.
용접 장치(100)는 레이저광(301)이 조사되는 레이저광 조사 위치 P에 분체의 용접 재료를 포함하는 파우더 가스를 공급함으로써, 레이저광 조사 위치 P에 있어서 덧땜 용접을 행한다.
용접 대상물인 모재(400)로서는, 다양한 것을 대상으로 할 수 있다. 예를 들어, 모재(400)로서, 증기 터빈 날개(1)를 대상으로 할 수 있다. 증기 터빈 날개(1)는 증기 터빈에 이용되며, 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 근원부(2)와 익형부(3)를 구비하고 있다. 근원부(2)는 증기 터빈의 로터에 설치된다. 익형부(3)는 익형으로 형성되며, 근원부(2)에 고정되어 있다. 익형부(3)는 근원부(2)가 증기 터빈의 로터에 설치될 때에, 증기 터빈을 흐르는 증기에 폭로된다.
익형부(3)는 본체 부분(5)과 보호부(6)를 구비하고 있다. 본체 부분(5)은 대략 익형으로 형성되며, 근원부(2)에 일체로 형성됨으로써 근원부(2)에 고정되어 있다. 보호부(6)는 스텔라이트(등록 상표)로부터 형성된 박판 형상의 부재이다. 보호부(6)는 익형부(3)의 익단의 전방 에지 부분을 형성하도록, 본체 부분(5)에 접합되어 있다.
본 실시 형태의 용접 장치(100)는 보호부(6)와 본체 부분(5)을 접합할 때에, 그 접합부를 용접하는 장치로서 사용할 수 있다. 레이저 덧땜 용접에 사용되는 파우더 가스는, 내에로전성 금속 재료를 포함하므로, 브레이징이나 TIG 용접에 의해 보호부(6)와 본체 부분(5)을 접합하는 경우에 비해, 내에로전층의 경도가 저하되는 등의 문제를 피할 수 있다.
다음에, 도 2 및 도 3을 사용하여 노즐부(200)의 구성을 보다 상세하게 설명한다. 도 2는 제1 실시 형태의 노즐부(200)의 중심축 A를 통과하는 단면에서의 단면도이다. 도 3은 제1 실시 형태의 노즐부를 중심축을 따라서 본 도면이다. 전술한 바와 같이, 노즐부(200)는 중심축 A 주위에 배치된 통 형상의 파우더 노즐(201)과 실드 노즐(202)의 이중관 구조로 되어 있다.
파우더 노즐(201)의 내주측은 단면에서 보았을 때 원형인 파우더 가스 유로(203)로 되어 있다. 파우더 가스 유로(203)는 파우더 가스 공급원(도시하지 않음)에 연통하고 있으며, 파우더 가스 공급원으로부터 공급되는 파우더 가스를 도 2 중의 화살표 방향을 따라서 유통시킨다.
파우더 가스 유로(203)의 단부는, 외부에 개방한 파우더 가스 유출구(203a)로 되어 있다. 파우더 가스 유출구(203a)로부터 유출된 파우더 가스는, 레이저광 조사 위치 P에 공급된다. 파우더 가스 유출구(203a)를 형성하는 파우더 노즐(201)의 선단부(201a) 근방의 내주면에는, 테이퍼부(201c)가 형성되어 있다. 테이퍼부(201c)는 파우더 노즐(201)의 선단부(201a)를 향하여 일정한 구배로 내경이 커지는 형상으로 되어 있다.
테이퍼부(201c)의 구배는, 파우더 노즐(201)로부터 유출되는 파우더 가스가 중심축 A로부터 확산되는 범위(용사의 적용 범위)를 규정하는 것이다. 이 테이퍼부(201c)의 구배와, 노즐부(200)로부터 레이저광 조사 위치까지의 거리를 적절하게 설정함으로써, 적절한 범위의 용접을 행할 수 있다.
파우더 노즐(201)의 외주면과 실드 노즐(202)의 내주면에 의해 구획되며, 중심축 A에 직교하는 방향의 단면이 원환 형상으로 되는 공간은, 실드 가스 유로(204)로 되어 있다. 실드 가스 유로(204)는 실드 가스 공급원(도시하지 않음)에 연통하고 있으며, 실드 가스 공급원으로부터 공급되는 실드 가스를 도 2 중의 화살표 방향을 따라서 유통시킨다.
실드 가스 유로(204)의 단부는, 외부에 개방한 실드 가스 유출구(204a)로 되어 있다. 실드 가스 유출구(204a)로부터 유출된 실드 가스는, 레이저광 조사 위치 P를 격리하도록, 레이저광 조사 위치 P를 중심으로 한 원환 형상의 영역에 공급된다.
파우더 노즐(201)의 선단부(201a) 근방에는, 파우더 노즐(201)의 선단부(201a)를 향하여 점차 외경이 작아지는 형상의 외주면(201b)이 형성되어 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 외주면(201b)은, 파우더 노즐(201)의 중심축 A를 통과하는 단면에서의 단면 형상이 원호 형상으로 되어 있다.
파우더 노즐(201)로부터 유출되는 파우더 가스와, 실드 노즐(202)로부터 유출되는 실드 가스는, 각각 파우더 가스 유로(203) 및 실드 가스 유로(204)로부터 유출된 후에 합류한다. 실드 가스는, 레이저광 조사 위치 P(용접부)를 산소를 포함하는 대기로부터 격리하기 위한 가스이다. 파우더 가스와 실드 가스는, 각각이 혼합되지 않도록 별개의 층으로 되어 흐르는 것이 바람직하다.
그 때문에, 본 실시 형태의 용접 장치(100)에서는, 파우더 가스의 유속과 실드 가스의 유속이, 대략 동일한 속도로 되도록 조정되어 있다. 파우더 가스의 유속과 실드 가스의 유속을 대략 동일하게 함으로써, 파우더 가스와 실드 가스가 혼합되어 버리는 문제를 억제할 수 있다. 이 유속의 조정은, 파우더 가스의 유량, 파우더 가스 유로(203)의 유로폭, 실드 가스의 유량, 실드 가스 유로(204)의 유로폭 등의 각종 파라미터를 적절하게 설정함으로써 행해진다.
여기서, 도 6을 사용하여 본 실시 형태의 비교예에 대하여 설명한다. 도 6은 비교예의 노즐부(500)의 중심축 A를 통과하는 단면에서의 단면도이다. 비교예의 노즐부(500)는 파우더 노즐(501)과 실드 노즐(502)을 구비하고 있다. 또한, 파우더 노즐(501)에는 파우더 가스 유로(503)가 형성되어 있고, 실드 노즐(502)의 내주면과 파우더 노즐(501)의 외주면에 의해 구획된 공간은 실드 가스 유로(504)로 되어 있다.
도 2에 도시한 본 실시 형태의 노즐부(200)와 도 6에 도시한 비교예의 노즐부(500)를 대비하면, 노즐부(200)의 선단부(201a)에는 단면이 원호 형상인 외주면(201b)이 형성되어 있는 것에 반해, 노즐부(500)의 선단부 근방은 중심축 A에 평행인 외주면이 형성되어 있는 점에서 상이하다. 또한, 도 2에 도시한 제1 실시 형태의 실드 노즐(202)의 선단부의 위치보다도, 도 6에 도시한 비교예의 실드 노즐(502)의 선단부의 위치쪽이 실드 가스의 흐름 방향을 따라서 후퇴한 위치로 되어 있다.
도 6의 노즐부(500)의 선단부에는, 실드 가스 유로로부터 유출된 실드 가스에 발생하는 소용돌이 구조를 모식적으로 도시한 화살표가 도시되어 있다. 이 소용돌이 구조는, 실드 가스의 흐름 방향에 직교하는 소용돌이축을 갖는 횡 소용돌이와, 실드 가스의 흐름 방향에 평행인 소용돌이축을 갖는 종 소용돌이의 양쪽을 포함한다. 비교예의 파우더 노즐(501)의 선단부의 근방에는, 중심축 A에 평행인 외주면이 형성되어 있다. 그 때문에, 노즐부(500)의 선단부를 통과한 실드 가스는 중심축 A에 직교하는 방향으로 급격하게 확산된다. 그 때문에, 실드 가스의 흐름에 교란이 발생하여, 실드 가스에 소용돌이 구조(505)가 발생한다.
또한, 비교예의 실드 노즐(502)의 선단부의 위치는 실드 가스의 흐름 방향을 따라서 후퇴한 위치로 되어 있다. 그 때문에, 실드 노즐(502)의 선단부를 통과한 위치에서는, 중심축 A에 가까운 측에 파우더 노즐(501)의 외주면이 존재하는 한편, 중심축 A에 먼 측에는 실드 노즐(502)이 존재하지 않게 된다. 그 때문에, 실드 가스는, 실드 노즐(502)의 선단부를 통과한 후에 중심축 A로부터 멀어지는 방향으로 급격하게 확산된다. 그 때문에, 실드 가스의 흐름에 교란이 발생하여, 실드 가스에 소용돌이 구조(505)가 발생한다.
또한, 다수 발생한 소용돌이 구조(505)는 실드 가스의 흐름 방향을 따라서 이동함과 함께, 다른 복수의 소용돌이 구조(505)와 중첩된다. 이에 의해, 더 큰 소용돌이 구조(506)가 발생한다. 이와 같은 큰 소용돌이 구조(506)는, 중심축 A에 대하여 소용돌이 구조(506)의 외주측에 존재하는 대기(산소)를, 중심축 A에 대하여 소용돌이 구조(506)의 내측으로 유도하도록 작용한다. 그 때문에, 레이저 덧땜 용접이 행해지는 레이저광 조사 위치 P에 산소가 유입되고, 용접부로 유도되어 스패터가 발생하여, 용접의 품질이 저하되어 버리게 된다. 본 실시 형태에서는, 소용돌이 구조(505, 506)의 발생이 억제되므로, 용접의 품질의 저하가 방지된다.
여기서, 본 실시 형태의 용접 장치(100)를 사용한 용접 방법에 대하여 설명한다.
이 용접 방법은, 용접 장치(100)를 사용하여 터빈 날개 전방 에지 부분의 본체 부분(5)과 내에로전성 금속 재료의 보호부(6)의 접합부에 분체의 용접 재료를 포함하는 파우더 가스를 공급하여, 본체 부분(5)과 내에로전성 금속 재료의 보호부(6)를 덧땜 용접하는 용접 공정을 실행한다는 방법이다.
이와 같은 용접 방법에 의하면, 실드 가스에 대규모의 소용돌이 구조가 발생하는 것을 억제하고, 레이저를 사용한 고품질의 덧땜 용접을 행할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 용접 장치(100)는 용접 대상물인 모재(400)의 레이저광 조사 위치 P에 대하여 통 형상의 파우더 노즐(201)로부터 분체의 용접 재료를 포함하는 파우더 가스를 공급하여, 덧땜 용접을 행한다. 레이저광 조사 위치 P에는, 파우더 노즐(201)의 외주면을 덮도록 동축에 배치된 통 형상의 실드 노즐(202)로부터 실드 가스가 공급되어, 레이저광 조사 위치 P가 격리된다. 파우더 노즐의 선단부(201a) 근방의 외주면(201b)은, 파우더 노즐(201)의 선단부(201a)를 향하여 외경이 점차 작아지는 원호 형상으로 되어 있다.
파우더 노즐(201)의 선단부(201a)가 원호 형상의 외주면(201b)으로 되어 있기 때문에, 파우더 노즐(201)의 외주면(201b)을 따라서 실드 가스 유로(204)로부터 유출되는 실드 가스에, 실드 가스의 흐름 방향에 직교하는 소용돌이축을 갖는 횡 소용돌이가 발생하기 어렵다. 또한, 실드 가스의 분류 내에서 횡 소용돌이의 소용돌이축이 기우는 것에 의한 종 소용돌이의 발생도 억제된다. 실드 가스에 대규모의 소용돌이 구조가 발생하는 것을 억제함으로써, 소용돌이 구조의 발생에 의해 주위의 대기(산소)가 레이저광 조사 위치 P의 용접부에 침입하는 것이 방지된다.
따라서, 실드 가스에 대규모의 소용돌이 구조가 발생하는 것을 억제하고, 레이저를 사용한 고품질의 덧땜 용접을 행할 수 있다.
〔제2 실시 형태〕
이하, 본 발명의 제2 실시 형태의 용접 장치에 대하여, 도 4를 참조하면서 설명한다.
도 4는 제2 실시 형태의 노즐부(210)의 중심축 A를 통과하는 단면에서의 단면도이다.
제2 실시 형태는, 제1 실시 형태의 변형예이며, 이하에 특별히 설명하는 경우를 제외하고, 제1 실시 형태와 마찬가지인 것으로 하고, 이하에서의 설명을 생략한다. 제1 실시 형태의 노즐부(200)가 테이퍼부(201c)를 구비하고 있는 것에 반해, 제2 실시 형태의 노즐부(210)는 단면이 원호 형상인 내주면(201d)을 구비하고 있는 점에서 상이하다.
제2 실시 형태의 용접 장치의 노즐부(210)는 파우더 노즐(201)의 선단부(201a) 근방의 내주면(201d)이, 파우더 노즐(201)의 선단부(201a)를 향하여 점차 내경이 커지는 형상으로 되어 있다. 또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 내주면(201d)은 파우더 노즐(201)의 중심축 A를 통과하는 단면에서의 단면 형상이 원호 형상으로 되어 있다.
제2 실시 형태의 노즐부(210)는 파우더 노즐(201)의 선단부(201a)의 내주면(201d)이 원호 형상으로 되어 있기 때문에, 파우더 노즐(201)의 내주면(201d)을 따라서 파우더 노즐(201)로부터 유출되는 파우더 가스에, 파우더 가스의 흐름 방향에 직교하는 소용돌이축을 갖는 횡 소용돌이가 발생하기 어렵다. 또한, 파우더 가스의 분류 내에서 횡 소용돌이의 소용돌이축이 기우는 것에 의한 종 소용돌이의 발생도 억제된다. 이에 의해, 파우더 가스에 소용돌이 구조가 발생하고, 그것에 기인하여 실드 가스에 소용돌이 구조가 발생한다는 결함이 방지된다.
〔제3 실시 형태〕
이하, 본 발명의 제3 실시 형태의 용접 장치에 대하여, 도 5를 참조하면서 설명한다.
도 5는 제3 실시 형태의 노즐부(220)의 중심축 A를 통과하는 단면에서의 단면도이다.
제3 실시 형태는, 제1 실시 형태의 변형예이며, 이하에 특별히 설명하는 경우를 제외하고, 제1 실시 형태와 마찬가지인 것으로 하고, 이하에서의 설명을 생략한다. 제1 실시 형태의 노즐부(200)가 실드 노즐(202)의 선단부의 내주면이 평탄한 것에 반해, 제3 실시 형태의 노즐부(220)는 실드 노즐(202)의 선단부의 내주면에 소용돌이 억제 부재(202a)가 설치되어 있는 점에서 상이하다.
또한, 소용돌이 억제 부재(202a)는 실드 노즐(202)의 선단부에 설치되는 것이 바람직하지만, 선단부 근방이면 다른 위치에 설치하도록 해도 된다.
제3 실시 형태의 용접 장치의 노즐부(220)는 실드 노즐(202)의 선단부 근방의 내주면에 소용돌이 억제 부재(202a)가 설치되어 있다. 소용돌이 억제 부재(202a)는 실드 노즐(202)의 중심축 A를 향하여 돌출되는 복수의 돌기부를 구비하는 구성으로 되어 있다. 이 돌기부는, 막대 형상의 부재여도 되고, 중심축 A의 주위 방향으로 연장되는 원환 형상의 부재여도 된다.
실드 노즐(202)의 선단부 근방의 내주면에 소용돌이 억제 부재(202a)가 설치되어 있기 때문에, 소용돌이 억제 부재(202a)의 근방을 통과하는 실드 가스에 발생하는 소용돌이가, 소용돌이 억제 부재(202a)에 의해 분쇄된다. 이에 의해, 실드 가스 유로(204)를 통과 중인 실드 가스에 실드 가스 유로(204)의 벽면과의 사이에 발생하는 전단 응력 등의 영향에 의해 소용돌이가 발생하였다고 해도, 그 소용돌이가 더 성장하는 것이 억제된다.
따라서, 실드 가스에 대규모의 소용돌이 구조가 발생하는 것을 억제하고, 레이저를 사용한 고품질의 덧땜 용접을 행할 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위에서, 적절히 필요에 따라서 변형 실시, 변경 실시할 수 있다.
100 : 용접 장치
200, 210, 220 : 노즐부
201 : 파우더 노즐
201a : 선단부
201b : 외주면
201c : 테이퍼부
201d : 내주면
202 : 실드 노즐
202a : 소용돌이 억제 부재
203 : 파우더 가스 유로
203a : 파우더 가스 유출구
204 : 실드 가스 유로
204a : 실드 가스 유출구
300 : 레이저부
301 : 레이저광
400 : 모재(용접 대상물)
A : 중심축
B : 레이저 광축
P : 레이저광 조사 위치

Claims (6)

  1. 용접 대상물의 레이저광 조사 위치에 대하여, 분체의 용접 재료를 포함하는 파우더 가스를 공급하는 통 형상의 파우더 노즐과,
    상기 파우더 노즐의 외주면을 덮도록 동축에 배치되며, 상기 레이저광 조사 위치를 격리하기 위한 실드 가스를 공급하는 통 형상의 실드 노즐을 구비하고,
    상기 파우더 노즐의 선단부 근방의 외주면은, 상기 파우더 노즐의 상기 선단부를 향하여 점차 외경이 작아지는 형상이며, 상기 파우더 노즐의 중심축을 통과하는 단면에서의 단면 형상이 원호 형상으로 되어 있는, 용접 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파우더 노즐의 선단부 근방의 내주면이, 상기 파우더 노즐의 상기 선단부를 향하여 점차 내경이 커지는 형상이며, 상기 파우더 노즐의 중심축을 통과하는 단면에서의 단면 형상이 원호 형상으로 되어 있는, 용접 장치.
  3. 용접 대상물의 레이저광 조사 위치에 대하여, 분체의 용접 재료를 포함하는 파우더 가스를 공급하는 통 형상의 파우더 노즐과,
    상기 파우더 노즐의 외주면을 덮도록 동축에 배치되며, 상기 레이저광 조사 위치를 격리하기 위한 실드 가스를 공급하는 통 형상의 실드 노즐을 구비하고,
    상기 실드 노즐의 선단부 근방의 내주면에, 상기 실드 가스에 의한 소용돌이의 발생을 억제하는 소용돌이 억제 부재가 설치되어 있는, 용접 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 소용돌이 억제 부재가, 상기 실드 노즐의 중심축을 향하여 돌출되는 복수의 돌기부를 구비하는, 용접 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 용접 장치를 사용하여 터빈 날개 전방 에지 부분의 본체부와 내에로전성 금속 재료의 접합부에 분체의 용접 재료를 포함하는 파우더 가스를 공급하여, 상기 본체부와 상기 내에로전성 금속 재료를 덧땜 용접하는 용접 공정을 구비한, 용접 방법.
  6. 제5항에 기재된 용접 방법에 의해 내에로전성 금속 재료가 덧땜 용접된, 터빈 날개.
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