JP2000218387A - 溶接操作用加熱装置および方法 - Google Patents

溶接操作用加熱装置および方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶接により製造、復元または修復する超合金
物品に対する効率よい処理の実現。 【解決手段】 超合金物品を溶接する加熱装置（１０）
および方法が提供される。装置（１０）および方法は、
溶接操作を実施するのと同じエンクロージャ（１２）内
で物品に溶接前および溶接後熱処理を実施する。装置
（１０）は、物品を溶接する手段、エンクロージャ（１
２）内で物品を加熱する手段（１４）および物品の温度
を感知する手段（２４）を用いて、全温度処理プロファ
イルの間ずっと溶接すべき物品の温度を正確に制御す
る。装置（１０）は、物品についての適当な溶接前およ
び溶接後熱処理温度プロファイルおよび溶接温度プロフ
ァイルを記憶するメモリー蓄積装置とも連動する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】この発明は、溶接装置および方法に関す
る。特に、この発明は、超合金物品に溶接操作と溶接前
および溶接後熱処理との両方を行うように構成された装
置に関する。
【０００２】
【発明の背景】高温コバルトおよびニッケル基超合金
は、燃焼器、タービン静翼、タービン動翼などのガスタ
ービンエンジンの部品を製造するのによく用いられてい
る。高温超合金部品は鋳造により形成することが多い
が、超合金部品を溶接により製造するのが好ましかった
り、必須である状況も存在する。たとえば、タービン中
間フレームやシュラウド支持リングなどの複雑な形状を
有する部品は、別々の鋳造品を溶接で合体させて製造す
る方がはるかに簡単である。溶接は、動翼先端を復元し
たり、熱サイクルや異物の衝突による超合金部品の亀裂
などの表面欠陥を修復する方法としても広く用いられて
いる。高温コバルトおよびニッケル基超合金から形成し
た部品のコストは比較的高いので、これらの部品が摩耗
したり損傷を受けたりした場合に、部品を復元、修復す
る方が部品を交換するよりも望ましい。
【０００３】ガスタービンエンジンの超合金部品は一般
に、溶接前に加熱により応力除去し、エンジンでの使用
から生じる残留応力を緩和し、ついで溶接後に応力除去
し、溶接作業からクールダウンする際に誘引される残留
応力を緩和する必要がある。熱処理はまた、γ’−強化
ニッケル基超合金の硬化γ’の部分を溶解することによ
り応力除去を達成する。一般に、熱処理のパラメータ
は、対象合金、残留応力除去の必要量、溶解の必要量、
炉の設計、部品の幾何形状その他多数の因子に応じて変
化する。応力除去および溶解熱処理の昇温速度、均熱温
度、保持時間および冷却速度は、超合金およびその特性
に悪影響を与えることなく、所望の応力除去を達成する
のにきわめて重要である。
【０００４】従来、溶接前および溶接後熱処理は、大き
なバッチ式熱処理炉で、１群の部品を適当な熱処理温度
に昇温し保持することにより行われている。バッチ式熱
処理後、個々の部品を、溶接歩留まりを上げるため高温
（たとえば約１５００°Ｆ＝約８１５°Ｃを超える温
度）に維持しながら、溶接する。溶接は、タングステン
不活性ガス（ＴＩＧ）法やレーザー溶接法などの溶接技
術を用いて、制御された雰囲気（たとえば不活性ガス）
のエンクロージャ内で行うことが多い。加熱は通常、誘
導によるか、石英ハロゲンランプのようなランプを用い
て行う。
【０００５】バッチ式熱処理方法には利点もあるが、こ
の方法を用いる欠点として、大型バッチ炉の質量が大き
くかつ一緒に熱処理する大抵は多数の部品の質量が大き
いため、熱処理時間が長くなる。その上、部品を個別に
補修するので、バッチ分が集まるまでの待ち時間が長く
なる。したがって、バッチ炉を用いる溶接前および溶接
後応力除去熱処理は、溶接ラインにおける部品の流れに
時間遅れをもたらし、溶接のために部品を冶金的に調整
する方法としては非効率である。
【０００６】上述した問題を考慮すると、溶接により製
造、復元または修復する超合金物品に効率よい処理を実
現できれば、望ましい。
【０００７】
【発明の概要】本発明は一般に、超合金物品を溶接する
加熱装置および方法を提供する。詳しくは、本発明の装
置および方法によれば、溶接操作を行うのと同じ装置内
で超合金物品に溶接前および溶接後熱処理を行うことが
できる。
【０００８】溶接前および溶接後熱処理がきわめて重要
であることに鑑みて、本発明は、溶接している部品の温
度を正確に制御するように溶接装置を適切に構成するこ
とを必要とする。このため、本発明の装置は、広義に
は、超合金物品を収容する構成のエンクロージャと、超
合金物品を溶接する手段と、エンクロージャ内の超合金
物品を加熱する手段と、エンクロージャ内の超合金物品
の温度を感知する手段とを備える。本装置は、超合金物
品用の適切な溶接前熱処理温度プロファイル、溶接温度
プロファイルおよび溶接後熱処理温度プロファイルを記
憶するメモリー蓄積装置とも連動する。さらに、本装置
は、超合金物品の温度に基づいてかつあらかじめ設定さ
れた溶接前熱処理温度プロファイル、溶接温度プロファ
イルおよび溶接後熱処理温度プロファイルにしたがって
加熱手段の出力を調節する制御手段（コントローラ）を
備える。
【０００９】上述した装置により可能な方法によれば、
広義には、超合金物品用の所望の溶接前熱処理温度プロ
ファイル、溶接温度プロファイルおよび溶接後熱処理温
度プロファイルをあらかじめ設定し、物品をエンクロー
ジャ内に配置し、ついで前記加熱手段、感知手段および
制御手段を作動させて超合金物品を溶接前熱処理温度プ
ロファイルにしたがって正確に加熱する。適切に熱処理
して残留応力を除去し終わったら、超合金物品をエンク
ロージャから取り出すことなく、前記加熱手段、感知手
段および制御手段を作動させて超合金物品を溶接前熱処
理温度プロファイルから直に溶接温度プロファイルに加
熱し、溶接温度プロファイルの間に、超合金物品を溶接
する。その後、やはり超合金物品をエンクロージャから
取り出すことなく、前記加熱手段、感知手段および制御
手段を作動させて超合金物品を溶接温度プロファイルか
ら直に溶接後熱処理温度プロファイルに加熱する。
【００１０】上述した説明から明らかなように、本発明
は、溶接により製造、復元または修復する超合金物品の
バッチ式溶接前および溶接後熱処理について知られた処
理上の欠点を解決する。多数の物品を蓄積してから同時
に単一の熱処理を行うのではなくて、本発明は、単一の
装置内で必要な複数の熱処理を溶接操作と組み合わせる
ことにより、部品のより能率的な生産を可能にする。ま
た本発明は、各熱処理サイクル中に加熱または冷却する
熱質量を少なくすることにより、必要な熱処理期間を短
縮する。
【００１１】本発明の他の目的や効果は以下の詳細な説
明から理解できるはずである。
【００１２】
【好適な実施態様】本発明は一般に、その製造、復元ま
たは修復時に溶接作用を受ける超合金物品に関係する。
この発明の利点をガスタービンエンジンの部品について
説明するが、本発明は、溶接前後に物品の特性を損なわ
ない態様で物品を熱処理する必要のあるさまざまな用途
にも適用できる。
【００１３】この発明にしたがって熱処理および溶接操
作を行う装置を図１に１０で示す。装置１０は、ＴＩＧ
やレーザー溶接のような溶接操作を制御された雰囲気内
で行う既知の形式のエンクロージャ１２を含む。装置１
０は、溶接中にエンクロージャ１２の内部を加熱するた
めの既知の形式の加熱装置１４も含む。加熱装置として
は、誘導コイル、石英ハロゲンランプ、炭化珪素素子な
どが適当である。図示のように冷却素子１６を設けるこ
とができる。エンクロージャ１２はさらに、入口１８を
含み、この入口１８を通して不活性ガス、たとえばアル
ゴンをエンクロージャ１２の内部に供給して、本発明に
よる高い処理温度にある間、超合金物品の酸化を防止す
る。また、エンクロージャ１２を包囲する外部冷却熱シ
ールド２０および溶接操作中に発生する煙霧を排出する
排気フード２２を設けるのが好ましい。
【００１４】従来、図１に示す形式のエンクロージャ内
で溶接を行う前に、超合金物品を最初にバッチ式で熱処
理して、物品の使用から生じた残留応力を緩和し、また
物品がγ’−強化ニッケル基超合金製である場合には、
硬化γ’相の一部の溶解により合金軟化を行う。つぎに
第２のバッチ式熱処理を、溶接後に行って、溶接温度か
らの冷却時に誘引された残留応力を緩和する。これらの
別個の熱処理サイクルを図２に曲線「Ａ」および「Ｃ」
で示す。図２の曲線「Ｂ」は溶接サイクルを表し、この
間物品を、通常約１５００°Ｆ（約８１５°Ｃ）以上の
高温に維持する。応力除去および溶解熱処理のための加
熱および冷却速度（勾配）、均熱温度および保持時間
は、超合金およびその特性を悪化することなく、所望の
応力除去を達成するのに重要である。熱処理曲線Ａおよ
びＣは均熱温度を含み、物品をこの温度に物品内の応力
を除去するのに十分な時間、たとえば約２０〜３０分間
維持する。溶接後熱処理を行う予定であるので、物品を
溶接前に許容範囲内の温度に加熱しさえすれば、溶接操
作の温度および時間プロファイルはさほど臨界的ではな
い。図２の３つの独立な温度プロファイルから明らかな
ように、加工中の物品を前後のサイクル間で室温まで冷
却し、この間に、バッチ熱処理を行うのに十分な数の物
品が溜まるまで、物品をとっておく。
【００１５】上述したプロセスとは対照的に、本発明の
溶接装置１０は、エンクロージャ１２内の温度および時
間プロファイルを制御することができ、したがって、従
来必要とされた別々のバッチ炉および溶接炉の代わり
に、単一の可変温度熱露出を用いる単一炉内で溶接前お
よび溶接後の応力除去熱処理と溶接を行う機会を提供す
る。重要なこととして、溶接装置１０で実施する好適な
プロセスは、図２に示すように温度サイクル間で物品を
冷却する工程を含まず、その代わりに、図３に示すよう
に、物品を溶接前温度プロファイル「Ｄ」から溶接プロ
ファイル「Ｅ」まで直に冷却し、ついで物品を溶接プロ
ファイル「Ｅ」から溶接後温度プロファイル「Ｆ」まで
直に加熱する。図２と図３を比較すると、図３の溶接前
および溶接後プロファイルＤおよびＦは、図２の対応す
るプロファイルＡおよびＣで特徴的な一定温度の均熱処
理を含まないことが分かる。さらに、図３の溶接前およ
び溶接後プロファイルＤおよびＦのピーク温度は、図２
のプロファイルＡおよびＣの対応する均熱温度より高
い。その結果、室温までの冷却をなくすことでサイクル
時間が短縮されるだけでなく、溶接前後の熱処理サイク
ル（ＤおよびＦ）も短くなる。しかし、図３のプロファ
イルＤおよびＦおよび本発明に図２に示すような均熱処
理を導入することができる。たとえば、図３に示す約２
０５０°Ｆのピークの代わりに図２の約１９００°Ｆの
均熱処理を採用することができる。
【００１６】上述した作動特性は、適当な温度センサ２
４、たとえば光高温計または標準型Ｋ熱電対でエンクロ
ージャ１２内の物品の温度を検出することによって可能
になる。センサ２４からの温度信号を、プログラム可能
な温度コントローラ２６への入力として使用し、この温
度コントローラ２６は、センサ２４からの信号をメモリ
ー２８内に記憶されたこの物品についての所望のプロフ
ァイルＤ、ＥおよびＦと比較する。つぎに加熱装置１４
への制御信号を、所望の温度プロファイルと物品の温度
との差に基づいて調節する。このようにして、所定の超
合金物品に必要なほぼすべての温度プロファイルをプロ
グラムし、正確に制御して本発明の目的を達成すること
ができる。
【００１７】上述したところから明らかなように、本発
明は、単一の装置内で熱処理サイクルと溶接サイクルと
を組合せ、その結果、従来は３つの独立した温度プロフ
ァイルであったものを一つの温度露出にまとめる。その
効果として、バッチ式熱処理がなくなり、処理とつぎの
処理の間の室温への冷却がなくなり、個々の処理プロフ
ァイルが短くなる。以上、超合金物品の処理に適当な装
置について説明したが、本発明の装置１０は、処理時
に、物品の特性の劣化を避けるために高温での正確な制
御を必要とする他の材料や物品の処理や溶接にも使用で
きる。したがって、本発明を好適な実施例について説明
したが、当業者であれば他の形態を採用することも可能
である。したがって、本発明の範囲は特許請求の範囲で
限定されるだけである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による熱処理兼溶接装置の線図的説明図
である。
【図２】従来法にしたがって超合金物品を熱処理し溶接
するのに必要な熱サイクルを示すグラフである。
【図３】本発明にしたがって超合金物品を熱処理し溶接
するのに必要な熱サイクルを示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リチャード・ロイ・ワーシング，ジュニア アメリカ合衆国、オハイオ州、シンシナテ ィ、マンダリン・コート、1637番 (72)発明者 ローレンス・ジョセフ・ローデル アメリカ合衆国、オハイオ州、ウェスト・ チェスター、カスカラ・ドライブ、9074番 (72)発明者 ジョン・マシュー・パワーズ アメリカ合衆国、ケンタッキー州、インデ ィペンデンス、インディペンデンス・ステ ーション・ロード、890番 (72)発明者 ウォーレン・デイヴィス・グロスクロー ス，ジュニア アメリカ合衆国、オハイオ州、ウェスト・ チェスター、リッジ・ミドウ・コート、 7385番

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超合金物品用の溶接前熱処理温度プロフ
    ァイル、溶接温度プロファイルおよび溶接後熱処理温度
    プロファイルを設定し、 超合金物品を加熱する手段（１４）と、物品の温度を感
    知する手段（２４）と、物品の温度に基づいてかつ溶接
    前熱処理温度プロファイル、溶接温度プロファイルおよ
    び溶接後熱処理温度プロファイルにしたがって加熱手段
    （１４）を制御する手段（２６）とを備えるエンクロー
    ジャ（１２）内に前記超合金物品を配置し、 前記加熱手段（１４）、感知手段（２４）および制御手
    段（２６）を作動させて前記超合金物品を溶接前熱処理
    温度プロファイルにしたがって加熱し、 前記超合金物品をエンクロージャ（１２）から取り出す
    ことなく、前記加熱手段（１４）、感知手段（２４）お
    よび制御手段（２６）を作動させて超合金物品を溶接前
    熱処理温度プロファイルから直に溶接温度プロファイル
    に加熱し、 前記超合金物品の温度を溶接温度プロファイルにしたが
    って維持しながら、超合金物品を溶接し、次いで前記超
    合金物品をエンクロージャ（１２）から取り出すことな
    く、前記加熱手段（１４）、感知手段（２４）および制
    御手段（２６）を作動させて超合金物品を溶接温度プロ
    ファイルから直に溶接後熱処理温度プロファイルに加熱
    する工程を含む超合金物品の溶接方法。
  2. 【請求項２】 溶接温度プロファイルが溶接前熱処理温
    度プロファイルより低い温度からなる、請求項１に記載
    の方法。
  3. 【請求項３】 溶接温度プロファイルが溶接後熱処理温
    度プロファイルより低い温度からなる、請求項１に記載
    の方法。
  4. 【請求項４】 溶接温度プロファイルが溶接前および溶
    接後熱処理温度プロファイルより低い温度からなる、請
    求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 溶接前および溶接後熱処理温度プロファ
    イルに一定温度均熱処理がない、請求項１に記載の方
    法。
  6. 【請求項６】 超合金物品を収容する構成のエンクロー
    ジャ（１２）と、 エンクロージャ（１２）内の超合金物品を加熱する手段
    （１４）と、 エンクロージャ（１２）内にある間の超合金物品の温度
    を感知する手段（２４）と、 超合金物品用の溶接前熱処理温度プロファイル、溶接温
    度プロファイルおよび溶接後熱処理温度プロファイルを
    記憶するメモリー手段（２８）と、 超合金物品の温度に基づいてかつ溶接前熱処理温度プロ
    ファイル、溶接温度プロファイルおよび溶接後熱処理温
    度プロファイルにしたがって加熱手段（１４）を制御す
    る手段（２６）と、 超合金物品が溶接温度プロファイルにある間に物品を溶
    接する手段とを含む溶接装置（１０）。
  7. 【請求項７】 溶接温度プロファイルが溶接前熱処理温
    度プロファイルより低い温度からなる、請求項６に記載
    の溶接装置（１０）。
  8. 【請求項８】 溶接温度プロファイルが溶接後熱処理温
    度プロファイルより低い温度からなる、請求項６に記載
    の溶接装置（１０）。
  9. 【請求項９】 溶接温度プロファイルが溶接前および溶
    接後熱処理温度プロファイルより低い温度からなる、請
    求項６に記載の溶接装置（１０）。
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