JP2008161933A - ランプ利用ｓｗｅｔ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ニッケル、コバルト系超合金を溶接するＳＷＥＴ溶接に先立って工作物を加熱する装置を提供する。
【解決手段】加熱装置５０は、溶接格納箱の内部に配置された４つのヒータ５２を含む。各ヒータ５２は、溶接位置２６に向けられたランプ５４と、ランプ５４が装着されたヒータ支持体８０とを有する。ヒータ支持体８０は、ランプ５４を溶接位置２６に対して制御自在に接離させるスライダ８２を含む。各ランプ５４は、光出力を有する光源５６と、光源５６の光出力の入射部分を溶接位置２６に向かって反射するように配置された反射面を有する反射鏡６０とを含むのが好ましい。
【選択図】図３

Description

本発明は、溶接装置に関し、特に、溶接される工作物を加熱するために高輝度ランプを使用する溶接装置に関する。

ニッケル系超合金及びコバルト系超合金から成るいくつかの組成及び工作物形状の溶接は困難である。これは、溶接工程の間に材料の脆化及び亀裂が発生するためである。通常、そのような溶接は２つの工作物の接合、単一の工作物の修理又は工作物への表面層の塗布を含んでもよい。そのような組成及び工作物の溶接を実現するために、高温超合金溶接（Superalloy Welding at Elevated Temperature、ＳＷＥＴ）と呼ばれる技術が開発された。簡単に言うと、これは、溶接に先立って工作物が予熱され、高温で溶接が実行される技術である。溶接後に熱処理が実行されてもよい。ＳＷＥＴ溶接を必要とする材料及び工作物のいくつか、並びにその工程は、例えば、参考として本明細書に開示内容が取入れられている米国特許第５，８９７，８０１号公報（特許文献１）及び第６，１２４，５６８号公報（特許文献２）に記載されている。

ＳＷＥＴ溶接を実行するために種々の種類の装置が開発されている。１つの方法においては、溶接される１つ以上の工作物は加熱ランプにより加熱される。高輝度石英水銀ハロゲンランプが工作物に向けられ、予め選択された加熱プロファイル、保持プロファイル又は冷却プロファイルを実現するように出力を制御するために、ランプに対する電力が調整される。溶接装置の操作担当者は、熱サイクル中の適切な時点で溶接を実行する。

既存の装置及び手順は数多くの状況で動作可能であるが、改良の余地は依然として残っている。本発明の方法は、そのような改良を提供する。
米国特許第５，８９７，８０１号公報 米国特許第６，１２４，５６８号公報 米国特許第６，９９６，９０６号公報 米国特許第６，９０６，８６３号公報 米国特許第６，２９７，４７４号公報 米国特許出願公開第２００４／０１１２９４０号

本発明は、ニッケル系超合金及びコバルト系超合金のＳＷＥＴ溶接を実行するため及びそれに類似する用途のための改良された溶接装置を提供する。装置は、溶接される超合金工作物の精密に制御された加熱を実行し、ランプヒータは、要求される加熱条件に対応するように容易に位置決めされる。

本発明によれば、工作物を溶接する溶接装置は、溶接位置に工作物を格納するのに十分な大きさを有する溶接格納箱、好ましくはグローブボックスを具備し、オプションとして、溶接位置において工作物に対して動作自在であるように溶接格納箱の内部に配置された溶接機を具備する。通常、溶接格納箱の中へ不活性雰囲気を導入するように動作可能である雰囲気制御部が存在する。加熱装置は、溶接格納箱の内部に配置された少なくとも３つ、好ましくは４つのヒータを具備する。４つのヒータが存在する好適な形態においては、４つのヒータは１つの平面内に位置し、互いに９０°の角度で配置される。各ヒータは、溶接位置に向けられたランプと、ランプが装着されたヒータ支持体とを具備する。ランプは、約１〜５インチ、最も好ましくは約２インチの短い焦点距離を有することが望ましい。ヒータ支持体は、溶接位置に対してランプを制御自在に接離させるスライダを具備する。

各ランプは、光出力を有する光源と、光源の光出力の入射部分を溶接位置に向かって反射するように配置された反射面を有する反射鏡とを具備するのが好ましい。反射鏡は、クロムではなくアルミニウム合金であるのが好ましい基板を含むことが望ましい。反射面は、基板の上に位置し、好ましくは基板と接触し、光源の光出力の入射部分を溶接位置に向かって反射するように配置されたクロム層である。

１つの構成においては、溶接格納箱はベースと取外し自在の蓋とを具備する。更に、ベースに加熱装置支持体がヒンジを介して装着される。溶接位置への接近を容易するために加熱装置支持体をはね上げることができるように、加熱装置は加熱装置支持体に固着される。

使用中、工作物は溶接格納箱の中に封じ込められる。工作物はニッケル系超合金又はコバルト系超合金から製造される。

従って、１つの形態においては、工作物を溶接する溶接装置は、溶接位置に工作物を格納するのに十分な大きさを有する溶接格納箱と、溶接位置にある工作物に対して動作自在であるように溶接格納箱の内部に配置された溶接機とを具備する。加熱装置は溶接格納箱の内部に配置される。加熱装置は、溶接位置に向けられたランプを具備する。各ランプは、光出力を有する光源と反射鏡とを具備し、反射鏡は、クロムではない基板と、基板と接触し且つ光源の光出力の入射部分を溶接位置に向かって反射するように配置されたクロム反射面とを具備する。ランプはヒータ支持体に装着される。本明細書中で説明される他の適合する特徴は、本実施形態と組合わせて使用されてもよい。

本発明の溶接装置は、溶接が困難である合金のＳＷＥＴ及び関連する種類の溶接を実行する上で有効である。工作物の加熱は、耐熱性を有し且つ堅牢である加熱ランプを使用して精密に実行される。アルミニウム反射面のようなクロムよりやわらかい反射面の場合、引っかき傷ができると重大な問題を引き起こすが、クロム反射面は引っかき傷ができにくい。また、クロムは反射鏡の使用温度で酸化しない。

溶接格納箱の内部にランプヒータが配置されるので、ランプヒータを工作物に近接して位置決めできるため、最大限の強さのエネルギーを工作物に向けることができる。複数のランプヒータが配置されるので、工作物をあらゆる面から加熱でき、また、個別のスライダ装着構造はランプヒータを移動して精密に位置決めする。

本発明のその他の特徴及び利点は、本発明の原理を例示する添付の図面と関連させた以下の好適な実施形態の更に詳細な説明から明らかになるであろう。しかし、本発明の範囲はこの好適な実施形態に限定されない。

図１〜図４は、工作物２２を溶接する溶接装置２０を示した種々の図である。好適な工作物２２は、ＳＷＥＴ技術以外の技術により溶接された場合に亀裂を発生しやすい種類のニッケル系超合金又はコバルト系超合金から製造される。好適な工作物２２の一例は、低圧タービンブレード、タービンノズルなどのガスタービンエンジンの構成要素である。

溶接装置２０は、溶接位置２６に工作物２２を格納するのに十分な大きさを有する溶接格納箱２４を含む。溶接格納箱２４はベース２８及び取外し自在の蓋３０を含むのが好ましい。溶接装置２０のベース２８、蓋３０及び内部の構成要素は、必要に応じて水冷される。周囲シール３１は、蓋がベース２８に装着されたときにベース２８と蓋３０との間の空間でガス漏れが起こるのを防止する。好適な溶接格納箱２４はグローブボックスである。グローブボックスの好適な形態においては、グローブポート３２はグローブ３４を有する。グローブ３４はグローブポート３２に密封され、溶接格納箱２４の内部３６へ延出する。溶接を実行する場合、溶接格納箱２４の内部３６で作業を行うために、担当者はグローブポート３２からグローブ３４の中へ手を差込む。

溶接装置２０は、溶接格納箱２４の内部３６と気体連通状態である雰囲気制御部３８を更に含む。雰囲気制御部３８は、溶接格納箱２４の内部３６に選択された雰囲気を制御自在に生成する。高温における工作物２２の酸化を防止するために、通常、雰囲気は不活性ガスなどの不活性雰囲気であるように選択される。雰囲気制御部３８は、溶接格納箱２４の内部の空気を減圧するための真空ポンプ（グローブポート３２を被覆する板を有する）と、溶接格納箱２４の内部３６に逆充填されるアルゴンなどの不活性ガスの供給源とを含んでもよい。必要に応じて、雰囲気制御部３８から溶接格納箱２４の内部３６を通り、放出弁４０から出るまで、不活性ガスの連続する流れが維持されてもよい。

溶接装置２０は電源４２を更に含む。電源４２は、溶接機及び以下に説明されるヒータ、並びに溶接格納箱２４の内部に配置され電力により動作される他の任意の構成要素に電力を供給する（図１〜図５においては、図を見にくくしないために電気的配線は全て省略されている。）。

ベース２８に対して工作物２２を適切な作業高さに位置決めできるように、ベース２８に任意に凹部４４が形成される。工作物２２がグローブポート３２に対して適正に位置決めされるように工作物２２を制御自在に回転するために、ターンテーブル４６が更に設けられてもよい。ターンテーブル４６の代わりに、工作物２２の高さを制御自在に変化させるジャッキが使用されてもよく、ターンテーブルの機能とジャッキの機能とを単一の構造に組合わせてもよい。

溶接装置２０は加熱装置５０を更に含む。図２〜図４を参照すると加熱装置５０は、溶接格納箱２４の内部３６に配置された少なくとも３つ、好ましくは４つのヒータ５２を具備する。ヒータ５２は溶接格納箱２４の内部３６にある。ヒータ５２は溶接格納箱２４の外側にはなく、溶接格納箱２４の窓を通過するように向きを規定されてない。ヒータ５２を溶接格納箱２４の内部３６に配置することにより、ヒータ５２を工作物２２により近接して配置でき、溶接格納箱２４の窓を光エネルギーが通過することに関連するエネルギー損失は起こらない。

各ヒータ５２は溶接位置２６に向けられたランプ５４を含む。図２及び図３は、好適な４ヒータ構成のランプを示し、図５は、ランプ５４のうち１つを更に詳細に示す。ランプ５４は石英水銀ハロゲンランプであるのが好ましい。各ランプ５４は、光出力５８を有する光源５６を有する。各ランプ５４は、光源５６の光出力５８の入射部分を溶接位置２６に向かって反射するように配置された反射面６２を有する反射鏡６０を更に含む。反射鏡６０は、クロムではない基板６４として形成されるのが好ましい。反射鏡６０はアルミニウム系合金であるのが好ましい。被覆層６６は基板６４の面６８の上に位置し、面６８を被覆する。被覆層６６はクロムであり、基板６４の面６８に電着されてもよい。クロム被覆層６６は、製造作業中に容易に引っかき傷を生じない十分な硬度を有する。クロム層６６は、使用中の加熱の結果として反射率が低下するほどには酸化しない。クロム被覆層６６は反射面６２を形成する。クロム被覆層６６は任意の動作自在厚さを有してもよい。

基板の面６８は、光源５６の光出力５８の入射部分を溶接位置２６に向かって反射するために必要とされる鏡の形状に湾曲される。ランプの構造及び鏡の形状は、１〜５インチ、好ましくは２インチの焦点距離を有するように選択されるのが好ましい。そのため、ランプ５６が最適に機能するためには、ランプ５６は溶接位置２６に近接して位置決めされなければならない。薄いクロム被覆層６６は基板面６８の形状に適応するので、クロム被覆層６６の反射面６２の形状は、光源５６の光出力５８の入射部分を溶接位置２６に向かって反射するために必要とされる形状を有する。光出力５８の入射部分を実際に反射する反射面６２はクロム被覆層６６の上にある。すなわち、クロム被覆層６６の上には、反射面を支持するような他の層は重なり合っていない。反射面６２はクロム被覆層６６の上にある。

ランプ５４はヒータハウジング７０の中に封入される。ヒータハウジング７０に形成された石英窓などのオプションの窓７２を通して、光源５６から直接に発出した光出力５８及び反射鏡６０から反射された光出力５８の双方はヒータハウジング７０を通過し、溶接位置２６及び溶接位置２６にある工作物２２に達する。

各ヒータ５２はヒータ支持体８０を更に含み、ヒータ５２はヒータ支持体８０に装着される。図示される実施形態においては、４つのヒータ５２及び４つのヒータ支持体８０がある。各ヒータ支持体８０は、ヒータ５２及びそのランプ５４を溶接位置に対して制御自在に接離させるスライダ８２を具備する。ヒータ５２及びランプ５４は、１組の軸受８４、通常は１組のころ軸受によりスライダ８２に装着される。スライダ８２は、全伸長引出し形スライダの構造及び機能を有する全伸長スライダであるのが好ましい。スライダ８２は、ヒータ５２及びランプ５４を溶接位置２６及び溶接位置２６に配置された工作物２２に近接して位置決めできるが、工作物２２を設置する場合、溶接処理を行う場合及び工作物２２を取外す場合には、溶接位置２６及び工作物２２を操作できるように、ヒータ５２及びランプ５４を溶接位置２６及び工作物２２から離間させることができる。図２及び図３は、種々の伸長長さにあるヒータ５２を示す。

更に、図２及び図３からわかるように、加熱装置５０は、１つの平面（ベース２８の上面の平面）にあって互いに９０°の角度で配置された４つのヒータ５２を具備するのが好ましい。図３に示されるように、工作物２２が不規則な形状である場合、工作物２２の全面を最適に加熱するように、互いに独立して移動自在であるヒータ５２が位置決めされてもよい。例えば、最適な加熱を実行するために、ヒータ５２は工作物２２のヒータに面する面から等距離にあることが要求される場合がある。

作業に好都合なように、スライダ８２及びスライダにより支持されたヒータ５２の全てはフレーム８６に装着されるのが好ましい。フレーム８６は、釣合いおもりを含み且つヒンジ結合された加熱装置支持体８８によってベース２８に装着される。ヒンジ結合された加熱装置支持体８８により、フレーム８６、従って、フレームに装着されたスライダ８２及びヒータ５２は溶接作業のための下降位置（図２及び図３を参照）と、溶接作業の位置から外れた引上げ位置（図４を参照）との間で回動できる。図４の引上げ位置にあるとき、工作物２２を装填、溶接及び除去するために溶接位置２６における作業が可能であり、図２及び図３の下降位置は溶接前熱処理及び溶接後熱処理に使用される。

通常、溶接装置２０は、溶接格納箱２４の内部に配置された溶接機９０を更に含む。溶接機９０は、非消耗溶接又は消耗溶接のいずれかのための任意の動作自在の種類であればよい。溶接機９０は、溶接位置２６にある工作物２２に対して動作自在であるように位置決めされる。グローブボックス形の溶接格納箱２４によって手動操作で溶接を実行する際には、グローブポート３２から手を差入れることにより、グローブ３４の中の手で溶接機９０を握って操作する。溶接機９０は、溶接格納箱２４の内部で自動的に動作されるロボット溶接装置であってもよい。

本発明の方法は図１〜図５に示される形態で実施されている。

例示を目的として本発明の特定の一実施形態を詳細に説明したが、本発明の趣旨の範囲から逸脱せずに種々の変形及び改良が実施されてもよい。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲により限定される場合を除いて限定されてはならない。

内部のいくつかの特徴を想像線により示した溶接装置の外部斜視図である。 線２‐２に沿った図１の溶接装置の断面図である。 線３‐３に沿った図１の溶接装置の断面図である。 蓋を除去し、溶接位置が見えるようにヒンジ結合された加熱装置支持体をはね上げた状態の溶接装置の内部を示した斜視図である。 図２の線５‐５に沿ったランプのうち１つの断面図である。

符号の説明

２０…溶接装置、２２…工作物、２４…溶接格納箱、２６…溶接位置、３８…雰囲気制御部、５０…加熱装置、５２…ヒータ、５４…ランプ、５６…光源、５８…光出力、６０…反射鏡、６２…反射面、６４…基板、８０…ヒータ支持体、８２…スライダ、８８…加熱装置支持体、９０…溶接機

Claims (10)

1. 工作物（２２）を溶接する溶接装置（２０）において、
   溶接位置（２６）に工作物（２２）を格納するのに十分な大きさを有する溶接格納箱（２４）と；
   前記溶接格納箱（２４）の内部に配置された少なくとも３つのヒータ（５２）を含む加熱装置（５０）とを具備し、各ヒータ（５２）は、
   前記溶接位置（２６）に向けられたランプ（５４）と、
   前記ランプ（５４）が装着されたヒータ支持体（８０）とを具備し、前記ヒータ支持体（８０）は、前記溶接位置（２６）に対して前記ランプ（５４）を制御自在に接離させるスライダ（８２）を具備する溶接装置（２０）。
2. 前記溶接格納箱（２４）はグローブボックスである請求項１記載の溶接装置（２０）。
3. 前記溶接格納箱（２４）の中へ不活性雰囲気を導入するように動作自在である雰囲気制御部（３８）を更に含む請求項１記載の溶接装置（２０）。
4. 前記加熱装置（５０）は、１つの平面に位置し且つ互いに９０°の角度で配置され丁度４つのヒータを具備する請求項１記載の溶接装置（２０）。
5. 各ランプ（５４）は、
   光出力（５８）を有する光源（５６）と、
   前記光源（５６）の前記光出力（５８）の入射部分を前記溶接位置（２６）に向かって反射するように配置された反射面（６２）を有する反射鏡（６０）とを具備する請求項１記載の溶接装置（２０）。
6. 各ランプ（５４）は、
   光出力（５８）を有する光源（５６）と、
   反射鏡（６０）とを具備し、前記反射鏡（６０）は、
   クロムではない基板（６４）と、
   前記基板（６４）に接触し、前記光源（５６）の前記光出力（５８）の入射部分を前記溶接位置（２６）に向かって反射するように配置されたクロム反射面（６２）とを具備する請求項１記載の溶接装置（２０）。
7. 各ランプ（５４）は、
   光出力（５８）を有する光源（５６）と、
   反射鏡（６０）とを具備し、前記反射鏡（６０）は、
   アルミニウム合金基板（６４）と、
   前記基板（６４）に接触し、前記光源（５６）の前記光出力（５８）の入射部分を前記溶接位置（２６）に向かって反射するように配置されたクロム反射面とを具備する請求項１記載の溶接装置（２０）。
8. 前記溶接格納箱（２４）の内部に封入された工作物（２２）を更に含み、前記工作物（２２）はニッケル系超合金又はコバルト系超合金から製造される請求項１記載の溶接装置（２０）。
9. 前記溶接格納箱（２４）はベース（２８）及び取外し自在の蓋を具備し、
   前記溶接装置は、前記ベース（２８）にヒンジを介して装着された加熱装置支持体（８８）を更に含み、前記加熱装置（５０）は前記加熱装置支持体（８８）に固着される請求項１記載の溶接装置（２０）。
10. 前記溶接位置（２６）において前記工作物（２２）に対して動作自在であるように前記溶接格納箱（２４）の内部に配置された溶接機（９０）を更に含む請求項１記載の溶接装置（２０）。

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