CN107249811A - 焊接装置、焊接方法、及涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

提供一种焊接装置，具备：筒状的粉末喷嘴(201)，向母材的激光照射位置供给包含粉体的焊接材料的粉末气体；及筒状的屏蔽喷嘴(202)，以覆盖粉末喷嘴(201)的外周面的方式同轴地配置，供给用于将激光照射位置隔离的保护气体，粉末喷嘴(201)的前端部(201a)附近的外周面(201b)是外径朝向粉末喷嘴(201)的前端部(201a)而逐渐变小的形状，且粉末喷嘴(201)的前端部(201a)附近的外周面(201b)在通过粉末喷嘴(201)的中心轴(A)的剖面中的剖面形状成为圆弧形状。

Description

焊接装置、焊接方法、及涡轮叶片
技术领域
本发明涉及焊接装置、焊接方法、及涡轮叶片。
背景技术
蒸汽涡轮叶片由于从以蒸汽中的冷凝水滴或氧化铁为主体的微细的固体粒子受到的冲击作用而被侵蚀，表面可能会磨损。通过在作为蒸汽涡轮叶片的前方(蒸汽流的上游侧)的前缘部形成耐腐蚀层(耐侵蚀层)，来抑制蒸汽涡轮叶片的侵蚀。
专利文献1公开了通过将表面形成有硼化处理层的腐蚀屏蔽件与蒸汽涡轮叶片的基体接合来形成耐腐蚀层的情况。而且，专利文献2公开了将作为涡轮旋转叶片的叶片形状的一部分的叶片前沿部切下，使用基于激光的堆焊来形成耐腐蚀层的情况。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特公昭61-12082号公报
专利文献2：日本专利第4901413号公报
发明内容
发明要解决的课题
作为与蒸汽涡轮叶片的基体接合的耐腐蚀层，使用例如以钴为主成分的司太立(注册商标)等耐磨损性高的材料。作为将钴基合金等材料与基体接合的方法，使用基于钎焊或TIG(Tungsten Inert Gas：钨极隋性气体)焊接的堆焊。然而，在基于钎焊的接合时，存在如下问题：容易产生接合不良等不良情况，也容易产生由遍及大范围地加热引起的蒸汽涡轮叶片的变形。而且，在基于TIG焊接的接合时，存在如下问题：钴基合金等焊接材料因母材而被稀释化，耐腐蚀层的硬度下降。
在使用向激光的照射位置吹附包含粉体的焊接材料的气体(以下，称为粉末气体。)而进行堆焊的方法时，能够抑制钎焊或TIG焊接的不良情况。在使用了该激光的堆焊中，在焊接对象物的激光照射位置处如果焊接部与氧发生反应，则产生溅射。为了隔断氧向焊接部的侵入而防止溅射的发生，已知使用氩气或氦气作为保护气体的情况。
然而，当保护气体产生大规模的涡旋构造时，周围的空气中包含的氧被导向焊接部而产生溅射，焊接的品质会下降。
在此所说的涡旋构造包括具有与保护气体的流动方向正交的涡旋轴的横向涡旋和具有与保护气体的流动方向平行的涡旋轴的纵向涡旋这两方。横向涡旋以保护气体与保护气体流通的屏蔽喷嘴的壁面之间的摩擦或剥离为原因而产生，纵向涡旋以保护气体的喷流为原因而产生。
本发明鉴于上述的情况而作出，其目的在于提供一种抑制在保护气体产生大规模的涡旋构造的情况并能够进行使用了激光的高品质的堆焊的焊接装置、焊接方法、及利用该焊接方法焊接的涡轮叶片。
用于解决课题的方案
本发明为了解决上述课题而采用以下的方案。
本发明的第一形态的焊接装置具备：筒状的粉末喷嘴，向焊接对象物的激光照射位置供给包含粉体的焊接材料的粉末气体；及筒状的屏蔽喷嘴，以覆盖所述粉末喷嘴的外周面的方式同轴地配置，供给用于将所述激光照射位置隔离的保护气体，所述粉末喷嘴的前端部附近的外周面是外径朝向所述粉末喷嘴的所述前端部而逐渐变小的形状，且所述粉末喷嘴的前端部附近的外周面在通过所述粉末喷嘴的中心轴的剖面中的剖面形状成为圆弧形状。
本发明的第一形态的焊接装置从筒状的粉末喷嘴向焊接对象物的激光照射位置供给包含粉体的焊接材料的粉末气体，进行堆焊。从以覆盖粉末喷嘴的外周面的方式同轴地配置的筒状的屏蔽喷嘴向激光照射位置供给保护气体，将激光照射位置隔离。粉末喷嘴的前端部附近的外周面成为外径朝向粉末喷嘴的前端部而逐渐变小的圆弧形状。
由于粉末喷嘴的前端部成为圆弧形状，因此能抑制沿着粉末喷嘴的外周面从屏蔽喷嘴流出的保护气体的剥离，难以产生具有与保护气体的流动方向正交的涡旋轴的横向涡旋。而且，通过抑制横向涡旋来抑制旋度生成，因此在保护气体的喷流中也能抑制由横向涡旋的涡旋轴倾斜引起的纵向涡旋的产生。并且，通过抑制在保护气体中产生大规模的涡旋构造的情况，能防止由于涡旋构造的产生而周围的大气(氧)侵入焊接部的情况。
因此，能够抑制在保护气体中产生大规模的涡旋构造的情况，并进行使用了激光的高品质的堆焊。
在本发明的第一形态的焊接装置中，也可以是，所述粉末喷嘴的前端部附近的内周面是内径朝向所述粉末喷嘴的所述前端部而逐渐变大的形状，且所述粉末喷嘴的前端部附近的内周面在通过所述粉末喷嘴的中心轴的剖面中的剖面形状成为圆弧形状。在该结构中，粉末喷嘴的前端部成为圆弧形状，因此在沿着粉末喷嘴的内周面从粉末喷嘴流出的粉末气体中，难以产生具有与粉末气体的流动方向正交的涡旋轴的横向涡旋。而且，通过抑制横向涡旋来抑制旋度生成，因此在粉末气体的喷流中也能抑制由横向涡旋的涡旋轴倾斜引起的纵向涡旋的产生。由此，能防止在粉末气体中产生涡旋构造，并防止以之为起因而在保护气体中产生涡旋构造的不良情况。
本发明的第二形态的焊接装置具备：筒状的粉末喷嘴，向焊接对象物的激光照射位置供给包含粉体的焊接材料的粉末气体；及筒状的屏蔽喷嘴，以覆盖所述粉末喷嘴的外周面的方式同轴地配置，供给用于将所述激光照射位置隔离的保护气体，在所述屏蔽喷嘴的前端部附近的内周面设置有涡旋抑制构件，该涡旋抑制构件抑制由所述保护气体引起的涡旋的产生。
本发明的第二形态的焊接装置从筒状的粉末喷嘴向焊接对象物的激光照射位置供给包含粉体的焊接材料的粉末气体，进行堆焊。从以覆盖粉末喷嘴的外周面的方式同轴地配置的筒状的屏蔽喷嘴向激光照射位置供给保护气体，将激光照射位置隔离。从屏蔽喷嘴向激光照射位置供给的保护气体通过在屏蔽喷嘴的前端部附近的内周面设置的涡旋抑制构件来抑制由保护气体引起的涡旋的产生。
由于在屏蔽喷嘴的前端部附近的内周面设有涡旋抑制构件，因此在从屏蔽喷嘴流出的保护气体中，难以产生具有与保护气体的流动方向正交的涡旋轴的横向涡旋。而且，在保护气体的喷流中也能抑制由横向涡旋的涡旋轴倾斜引起的纵向涡旋的产生。通过抑制在保护气体中产生大规模的涡旋构造的情况，能防止由于涡旋构造的产生而周围的大气(氧)侵入焊接部的情况。
因此，能够抑制在保护气体中产生大规模的涡旋构造的情况，并进行使用了激光的高品质的堆焊。
在本发明的第二形态的焊接装置中，也可以是，所述涡旋抑制构件具备朝向所述屏蔽喷嘴的中心轴突出的多个突起部。在该结构中，在通过多个突起部的附近的保护气体中产生的涡旋被多个突起部粉碎，因此能抑制涡旋的生长。
本发明的焊接方法具备焊接工序，该焊接工序使用本发明的任一形态的焊接装置，向涡轮叶片前缘部分的基体与耐腐蚀性金属材料之间的接合部供给包含粉体的焊接材料的粉末气体，将所述基体和所述耐腐蚀性金属材料进行堆焊。
由此，能够提供一种抑制在保护气体中产生大规模的涡旋构造并进行使用了激光的高品质的堆焊的焊接方法。
本发明的涡轮叶片的特征在于，利用本发明的焊接方法来堆焊耐腐蚀性金属材料。
由此，能够提供一种抑制在保护气体中产生大规模的涡旋构造并进行使用了激光的高品质的堆焊的涡轮叶片。
发明效果
根据本发明，能够提供一种可抑制在保护气体中产生大规模的涡旋构造并进行使用了激光的高品质的堆焊的焊接装置、焊接方法、及利用该焊接方法焊接的涡轮叶片。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的焊接装置的概略构成图。
图2是第一实施方式的喷嘴部的通过中心轴的剖面处的剖视图。
图3是沿中心轴观察第一实施方式的喷嘴部而得到的图。
图4是第二实施方式的喷嘴部的通过中心轴的剖面处的剖视图。
图5是第三实施方式的喷嘴部的通过中心轴的剖面处的剖视图。
图6是比较例的喷嘴部的通过中心轴的剖面处的剖视图。
图7是表示蒸汽涡轮叶片的图。
具体实施方式
〔第一实施方式〕
以下，关于本发明的第一实施方式的焊接装置100，参照图1进行说明。
图1是表示本实施方式的焊接装置100的概略构成图。
焊接装置100是向作为焊接对象物的母材400照射激光，并向母材400上的激光照射位置P供给焊接材料，从而进行堆焊的装置。在此，焊接材料是包含司太立(注册商标)等耐腐蚀性金属材料的焊接材料。
焊接装置100具备：向母材400照射激光301的激光部300；及向激光照射位置P供给包含粉体的焊接材料的粉末气体的喷嘴部200。喷嘴部200成为绕着中心轴A配置的筒状的粉末喷嘴201与屏蔽喷嘴202的双层管构造。屏蔽喷嘴202以覆盖粉末喷嘴201的外周面的方式与中心轴A同轴地配置。
从粉末喷嘴201向激光照射位置P供给粉末气体，以覆盖粉末气体的外侧的方式供给保护气体，以将激光照射位置从大气(氧)隔离。作为保护气体，优选使用氩气、氦气。作为粉末气体，优选向粉体的焊接材料混合氩气、氦气来使用。
喷嘴部200的中心轴A的延长线与激光部300的激光轴B的延长线在母材400的表面交叉，该位置成为激光照射位置P。
焊接装置100向被照射激光301的激光照射位置P供给包含粉体的焊接材料的粉末气体，由此在激光照射位置P进行堆焊。
作为焊接对象物即母材400，可以将各种构件作为对象。例如，作为母材400，可以将蒸汽涡轮叶片1作为对象。蒸汽涡轮叶片1利用于蒸汽涡轮，如图7所示，具备根部2和叶片形部3。根部2安装于蒸汽涡轮的转子。叶片形部3形成为叶片形且固定于根部2。在根部2安装于蒸汽涡轮的转子时，叶片形部3暴露于在蒸汽涡轮中流动的蒸汽中。
叶片形部3具备主体部分5和保护部6。主体部分5大致形成为叶片形，通过与根部2一体形成而固定于根部2。保护部6是由司太立(注册商标)形成的薄板状的构件。保护部6与主体部分5接合，以形成叶片形部3的叶片端的前缘部分。
本实施方式的焊接装置100在将保护部6与主体部分5接合时，可以使用作为对该接合部进行焊接的装置。激光堆焊使用的粉末气体包含耐腐蚀性金属材料，因此与利用钎焊或TIG焊接而将保护部6与主体部分5接合的情况相比，能够避免耐腐蚀层的硬度下降这样的问题。
接下来，使用图2及图3，更详细地说明喷嘴部200的结构。图2是第一实施方式的喷嘴部200的通过中心轴A的剖面处的剖视图。图3是沿中心轴观察第一实施方式的喷嘴部而得到的图。如前所述，喷嘴部200成为绕着中心轴A配置的筒状的粉末喷嘴201与屏蔽喷嘴202的双层管构造。
粉末喷嘴201的内周侧成为剖视为圆形的粉末气体流路203。粉末气体流路203与粉末气体供给源(未图示)连通，使从粉末气体供给源供给的粉末气体沿着图2中的箭头方向流通。
粉末气体流路203的端部成为向外部开口的粉末气体流出口203a。从粉末气体流出口203a流出的粉末气体向激光照射位置P供给。在形成粉末气体流出口203a的粉末喷嘴201的前端部201a附近的内周面设有锥形部201c。锥形部201c成为内径朝向粉末喷嘴201的前端部201a以一定的斜度增大的形状。
锥形部201c的斜度规定从粉末喷嘴201流出的粉末气体从中心轴A扩散的范围(喷镀的适用范围)。通过适当地设定该锥形部201c的斜度和从喷嘴部200至激光照射位置的距离，能够进行适当的范围的焊接。
如下空间成为保护气体流路204，所述空间是由粉末喷嘴201的外周面和屏蔽喷嘴202的内周面分隔且与中心轴A正交的方向的剖面成为圆环形状的空间。保护气体流路204与保护气体供给源(未图示)连通，使从保护气体供给源供给的保护气体沿着图2中的箭头方向流通。
保护气体流路204的端部成为向外部开口的保护气体流出口204a。从保护气体流出口204a流出的保护气体向以激光照射位置P为中心的圆环状的区域供给，以将激光照射位置P隔离。
在粉末喷嘴201的前端部201a附近设有外径朝向粉末喷嘴201的前端部201a逐渐变小的形状的外周面201b。如图2所示，外周面201b在通过粉末喷嘴201的中心轴A的剖面中的剖面形状成为圆弧形状。
从粉末喷嘴201流出的粉末气体与从屏蔽喷嘴202流出的保护气体在分别从粉末气体流路203及保护气体流路204流出之后汇合。保护气体是用于将激光照射位置P(焊接部)从包含氧的大气隔离的气体。粉末气体和保护气体优选分别不混合地成为不同的层而流动。
因此，在本实施方式的焊接装置100中，将粉末气体的流速和保护气体的流速调整成为大致相同的速度。通过使粉末气体的流速与保护气体的流速大致相同，能够抑制粉末气体与保护气体混合的不良情况。该流速的调整通过适当地设定粉末气体的流量、粉末气体流路203的流路宽度、保护气体的流量、保护气体流路204的流路宽度等各种参数来进行。
在此，使用图6，说明本实施方式的比较例。图6是比较例的喷嘴部500的通过中心轴A的剖面处的剖视图。比较例的喷嘴部500具备粉末喷嘴501和屏蔽喷嘴502。而且，在粉末喷嘴501设置粉末气体流路503，由屏蔽喷嘴502的内周面和粉末喷嘴501的外周面分隔的空间成为保护气体流路504。
将图2所示的本实施方式的喷嘴部200与图6所示的比较例的喷嘴部500进行对比时，不同点在于，在喷嘴部200的前端部201a设有剖面为圆弧形状的外周面201b，相对于此，在喷嘴部500的前端部的附近设有与中心轴A平行的外周面。而且，相比图2所示的第一实施方式的屏蔽喷嘴202的前端部的位置，图6所示的比较例的屏蔽喷嘴502的前端部的位置成为沿保护气体的流动方向后退的位置。
在图6的喷嘴部500的前端部，示出示意性地表示在从保护气体流路流出的保护气体产生的涡旋构造的箭头。该涡旋构造包括具有与保护气体的流动方向正交的涡旋轴的横向涡旋和具有与保护气体的流动方向平行的涡旋轴的纵向涡旋这两方。在比较例的粉末喷嘴501的前端部的附近设有与中心轴A平行的外周面。因此，通过了喷嘴部500的前端部的保护气体沿着与中心轴A正交的方向急剧扩散。因此，保护气体的流动发生紊乱，在保护气体产生涡旋构造505。
另外，比较例的屏蔽喷嘴502的前端部的位置成为沿着保护气体的流动方向后退的位置。因此，在通过了屏蔽喷嘴502的前端部的位置处，在接近中心轴A的一侧存在粉末喷嘴501的外周面，另一方面，在距中心轴A远的一侧不存在屏蔽喷嘴502。因此，保护气体在通过了屏蔽喷嘴502的前端部之后向从中心轴A远离的方向急剧扩散。因此，保护气体的流动发生紊乱，在保护气体产生涡旋构造505。
另外，产生多个的涡旋构造505沿着保护气体的流动方向移动，并与其他的多个涡旋构造505重合。由此，产生更大的涡旋构造506。这样的大涡旋构造506以将相对于中心轴A而存在于涡旋构造506的外周侧的大气(氧)相对于中心轴A向涡旋构造506的内侧引导的方式发挥作用。因此，氧向进行激光堆焊的激光照射位置P流入，被导向至焊接部而产生溅射，焊接的品质下降。在本实施方式中，能抑制涡旋构造505、506的产生，因此能防止焊接的品质的下降。
在此，说明使用了本实施方式的焊接装置100的焊接方法。
该焊接方法是使用焊接装置100向涡轮叶片前缘部分的主体部分5与耐腐蚀性金属材料的保护部6的接合部供给包含粉体的焊接材料的粉末气体，执行将主体部分5和耐腐蚀性金属材料的保护部6进行堆焊的焊接工序的方法。
根据这样的焊接方法，能够抑制在保护气体产生大规模的涡旋构造的情况，并进行使用了激光的高品质的堆焊。
如以上说明所述，本实施方式的焊接装置100从筒状的粉末喷嘴201向作为焊接对象物的母材400的激光照射位置P供给包含粉体的焊接材料的粉末气体，进行堆焊。从以覆盖粉末喷嘴201的外周面的方式同轴配置的筒状的屏蔽喷嘴202向激光照射位置P供给保护气体，将激光照射位置P隔离。粉末喷嘴的前端部201a附近的外周面201b成为外径朝向粉末喷嘴201的前端部201a逐渐变小的圆弧形状。
由于粉末喷嘴201的前端部201a成为圆弧形状的外周面201b，因此在沿着粉末喷嘴201的外周面201b从保护气体流路204流出的保护气体中，难以产生具有与保护气体的流动方向正交的涡旋轴的横向涡旋。而且，在保护气体的喷流中也能抑制由横向涡旋的涡旋轴倾斜引起的纵向涡旋的产生。通过抑制在保护气体产生大规模的涡旋构造的情况，能防止由于涡旋构造的产生而周围的大气(氧)侵入激光照射位置P的焊接部的情况。
因此，能够抑制在保护气体中产生大规模的涡旋构造的情况，并进行使用了激光的高品质的堆焊。
〔第二实施方式〕
以下，关于本发明的第二实施方式的焊接装置，参照图4进行说明。
图4是第二实施方式的喷嘴部210的通过中心轴A的剖面处的剖视图。
第二实施方式是第一实施方式的变形例，除了以下特别说明的情况之外，与第一实施方式同样，并省略以下的说明。不同点在于，第一实施方式的喷嘴部200具备锥形部201c，相对于此，第二实施方式的喷嘴部210具备剖面为圆弧形状的内周面201d。
第二实施方式的焊接装置的喷嘴部210中，粉末喷嘴201的前端部201a附近的内周面201d成为内径朝向粉末喷嘴201的前端部201a而逐渐变大的形状。而且，如图4所示，内周面201d的在通过粉末喷嘴201的中心轴A的剖面中的剖面形状成为圆弧形状。
第二实施方式的喷嘴部210由于粉末喷嘴201的前端部201a的内周面201d成为圆弧形状，因此在沿着粉末喷嘴201的内周面201d从粉末喷嘴201流出的粉末气体中，难以产生具有与粉末气体的流动方向正交的涡旋轴的横向涡旋。而且，在粉末气体的喷流中也能抑制由横向涡旋的涡旋轴倾斜引起的纵向涡旋的产生。由此，能防止在粉末气体中产生涡旋构造，并防止以之为起因而在保护气体中产生涡旋构造这样的不良情况。
〔第三实施方式〕
以下，关于本发明的第三实施方式的焊接装置，参照图5进行说明。
图5是第三实施方式的喷嘴部220的通过中心轴A的剖面处的剖视图。
第三实施方式是第一实施方式的变形例，除了以下特别说明的情况之外，与第一实施方式相同，并省略以下的说明。不同点在于，第一实施方式的喷嘴部200的屏蔽喷嘴202的前端部的内周面平坦，相对于此，第三实施方式的喷嘴部220在屏蔽喷嘴202的前端部的内周面设有涡旋抑制构件202a。
需要说明的是，涡旋抑制构件202a优选设置在屏蔽喷嘴202的前端部，但是只要是前端部附近即可，也可以设置在其他的位置。
第三实施方式的焊接装置的喷嘴部220在屏蔽喷嘴202的前端部附近的内周面设有涡旋抑制构件202a。涡旋抑制构件202a成为具备朝向屏蔽喷嘴202的中心轴A突出的多个突起部的结构。该突起部可以是棒状的构件，也可以是沿中心轴A的周向延伸的圆环状的构件。
由于在屏蔽喷嘴202的前端部附近的内周面设有涡旋抑制构件202a，因此在通过涡旋抑制构件202a的附近的保护气体中产生的涡旋被涡旋抑制构件202a粉碎。由此，即使在通过保护气体流路204的过程中的保护气体中由于与保护气体流路204的壁面之间产生的剪切应力等的影响而产生涡旋，也能抑制该涡旋的进一步生长。
因此，能够抑制在保护气体中产生大规模的涡旋构造的情况，并进行使用了激光的高品质的堆焊。
需要说明的是，本发明没有限定为上述的实施方式，在不脱离本发明的技术思想的范围内，根据需要可以适当进行变形实施、变更实施。
符号说明
100 焊接装置
200、210、220 喷嘴部
201 粉末喷嘴
201a 前端部
201b 外周面
201c 锥形部
201d 内周面
202 屏蔽喷嘴
202a 涡旋抑制构件
203 粉末气体流路
203a 粉末气体流出口
204 保护气体流路
204a 保护气体流出口
300 激光部
301 激光
400 母材(焊接对象物)
A 中心轴
B 激光轴
P 激光照射位置

Claims (6)

1.一种焊接装置，具备：
筒状的粉末喷嘴，向焊接对象物的激光照射位置供给包含粉体的焊接材料的粉末气体；及
筒状的屏蔽喷嘴，以覆盖所述粉末喷嘴的外周面的方式同轴地配置，供给用于将所述激光照射位置隔离的保护气体，
所述粉末喷嘴的前端部附近的外周面是外径朝向所述粉末喷嘴的所述前端部而逐渐变小的形状，且所述粉末喷嘴的前端部附近的外周面在通过所述粉末喷嘴的中心轴的剖面中的剖面形状成为圆弧形状。
2.根据权利要求1所述的焊接装置，其中，
所述粉末喷嘴的前端部附近的内周面是内径朝向所述粉末喷嘴的所述前端部而逐渐变大的形状，且所述粉末喷嘴的前端部附近的内周面在通过所述粉末喷嘴的中心轴的剖面中的剖面形状成为圆弧形状。
3.一种焊接装置，具备：
筒状的粉末喷嘴，向焊接对象物的激光照射位置供给包含粉体的焊接材料的粉末气体；及
筒状的屏蔽喷嘴，以覆盖所述粉末喷嘴的外周面的方式同轴地配置，供给用于将所述激光照射位置隔离的保护气体，
在所述屏蔽喷嘴的前端部附近的内周面设置有涡旋抑制构件，该涡旋抑制构件抑制由所述保护气体引起的涡旋的产生。
4.根据权利要求3所述的焊接装置，其中，
所述涡旋抑制构件具备朝向所述屏蔽喷嘴的中心轴突出的多个突起部。
5.一种焊接方法，其中，
所述焊接方法具备焊接工序，该焊接工序使用权利要求1～4中任一项所述的焊接装置，向涡轮叶片前缘部分的主体部与耐腐蚀性金属材料之间的接合部供给包含粉体的焊接材料的粉末气体，将所述主体部和所述耐腐蚀性金属材料进行堆焊。
6.一种涡轮叶片，利用权利要求5所述的焊接方法来堆焊耐腐蚀性金属材料。
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