JP2013245383A

JP2013245383A - 溶接ロータおよびその製造方法

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Publication number: JP2013245383A
Application number: JP2012120826A
Authority: JP
Inventors: Yumiko Abe; 由美子阿部; Atsuo Nakatomi; 淳夫中富
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2012-05-28
Publication date: 2013-12-09

Abstract

【課題】靱性を回復し、残留応力を低減し、かつ応力腐食割れを抑制する熱処理は、引張強度を低下させてしまい、ホイール部に必要な強度を確保することができない。
【解決手段】溶接ロータ１の溶接部３_-１〜３_-３およびその周辺部に対して局部表面熱処理を行った後、溶接後熱処理を実施して、接合部３_-１〜３_-３およびホイール部２の強度を確保しつつ残留応力を低下させ、かつ応力腐食割れを発生しにくくした。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、溶接接合部およびホイール部の強度を確保しつつ残留応力を低下させ、かつ応力腐食割れが発生しにくい溶接ロータおよびその製造方法に関する。

蒸気タービンの低圧ロータには、一体型ロータ、あるいは軸方向に予め分割して製作されたタービンロータを互いに溶接して一体化した溶接ロータが採用されている。溶接ロータの場合、個々に分割して製作されたタービンロータを溶接により接合するので、一体型ロータに比べて、大型の溶解炉や製造設備の必要がないこと、溶接される各タービンロータは中空なので全体としての物量が減少することなどの利点が挙げられる。しかし、溶接時の熱影響は材料の特性を変化させる要因となる。

低圧ロータに使用される低合金鋼（例えば、３.５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼）は高温に加熱したのち急冷すると焼入れ状態となり、機械特性が変化し硬く脆い材料となる。従って、焼入れ状態となった後には焼き戻しといわれる熱処理が必要となる。溶接を行うとロータ溶接部はこの焼入れを何度も繰り返すことになるため、溶接熱影響部は硬くなるとともに靱性が低下する。従って、溶接ロータは焼き戻しに相当する熱処理、すなわち溶接後熱処理（ＰＷＨＴ；Post Weld Heat Treatment）を行う必要がある。また、溶接熱影響部には残留応力が発生するため、応力腐食割れ（ＳＳＣ；Stress Corrosion Cracking）の発生を防ぐためにも溶接後熱処理は不可欠となる。

特開２００１−１２３８０１号公報

しかしながら、靱性を回復し、残留応力を低減し、かつ応力腐食割れを抑制する熱処理条件では、引張強度が低下し、ホイール部に必要な強度を確保することができなくなる。一方、強度を確保するための条件下で熱処理を実施すると、硬さを十分に下げることができず、応力腐食割れが発生し易くなる。また、温度分布によっては歪が生じてしまい、残留応力を再発生させる懸念もある。

そこで本発明は上記の課題を解決するために、蒸気タービンの低圧ロータを溶接によって製造する場合、溶接後の溶接部周辺に対して局部表面熱処理を行ってから溶接後熱処理を実施することによって、接合部およびホイール部の強度を確保しつつ残留応力を低下させ、かつ応力腐食割れが発生しにくい溶接ロータおよびその製造方法を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本発明の実施形態は、複数のタービンロータを溶接によって互いに接合したのち、溶接部およびその周辺部に対して局部表面熱処理を実施し、その後さらに溶接後熱処理を行うことを特徴とする。

また、上記の目的を達成するために、本発明の実施形態は、複数のタービンロータを溶接によって互いに接合したのち、溶接部およびその周辺部に対して前記局部表面熱処理および溶接後熱処理を実施し、さらにその後当該溶接部およびその周辺部に対して加圧力と摩擦熱とから塑性流動を生じさせて表面改質コーティング層を生成するか、またはプラズマまたは高速フレーム溶射により表面改質コーティング層を生成することを特徴とする。

本発明によれば、溶接接合部およびホイール部の強度を確保しつつ残留応力が低下し、かつ応力腐食割れが発生しにくい溶接ロータおよびその製造方法を提供することができる。

分割して製作された複数のタービンロータを溶接により一体化した溶接ロータの概略図。本発明の実施形態１に係る溶接ロータの局部表面熱処理方法および溶接後熱処理方法を実施する装置を模式的に描いた図。３.５％ニッケルクロムモリブデンバナジウム（３.５ＮｉＣｒＭｏＶ）の溶接継手の熱影響部の硬さとラーソンミラーパラメータとの関係を示す特性図。本発明の実施形態２に係る溶接ロータの局部表面熱処理方法および溶接後熱処理方法を実施する装置を模式的に描いた図。本発明の実施形態３に係る溶接ロータの局部表面熱処理方法および溶接後熱処理方法を実施する装置を模式的に描いた図。本発明の実施形態４に係る溶接ロータの表面改質コーティングを実施する装置を模式的に描いた図であり、特に図６（ａ）は局部表面熱処理および溶接後熱処理後に表面改質コーティングを行った溶接ロータの断面図、図６（ｂ）は局部表面熱処理および溶接後熱処理を実施した部分に摩擦攪拌により表面改質コーティングを行なう様子を描いた図。本発明の実施形態５に係る溶接ロータの表面改質コーティングを実施する装置を模式的に描いた図であり、特に図７（ａ）は局部表面熱処理および溶接後熱処理後に表面改質コーティングを行った溶接ロータの断面図、図７（ｂ）は局部表面熱処理および溶接後熱処理を実施した部分にプラズマまたは高速フレーム溶射により表面改質コーティングを行なう様子を描いた図。

以下、本発明に係る溶接ロータおよびその製造方法について、図面を参照して説明する。
［実施形態１］
図１は、分割して製作された複数のタービンロータを溶接により一体化した溶接ロータの概略図であり、各実施形態に共通する図である。図２は、本実施形態１に係る溶接ロータの局部表面熱処理方法および溶接後熱処理方法を実施する装置を模式的に描いた図であり、図３は３.５％ニッケルクロムモリブデンバナジウム（３.５ＮｉＣｒＭｏＶ）の溶接継手の熱影響部の硬さとラーソンミラーパラメータとの関係を示す特性図である。

（構成）
図１において、１は蒸気タービンの低圧ロータ等の溶接ロータであって、軸方向に４つに分割されて製作されたタービンロータ１_-１、１_-２、１_-３および１_-４を対向する端部３箇所を溶接して一体化したものである。各タービンロータ１_-１、１_-２、１_-３および１_-４の端部の外径は、ホイール部（動翼植え込み部と称する場合もある）２の相互間に形成された溝（ホイール溝）の内径と同等の寸法に形成され、かつ中央部分に僅かな窪み部を有するように形成されている。このため、タービンロータ１_-１、１_-２、１_-３および１_-４の対向する端部を溶接すると溶接部の内側に空洞部が形成される。図中、３_-１、３_-２および３_-３はそれぞれ溶接部を示す。

図２は図１で示した３箇所の溶接部３_-１、３_-２、３_-３のうちの一箇所の溶接部３_-１に対して本実施形態１による局部表面熱処理方法および溶接後熱処理方法を実施する装置を模式的に描いたもので、溶接部３_-１およびその軸方向の周辺部に対して局部表面熱処理による表面改質を行なうために、ホイール溝内の溶接部３_-１の外周面に高周波誘導加熱装置５の高周波加熱コイル６を円筒状に巻き、この高周波加熱コイル６に整合用トランス７を介して高周波電源８に接続する。この高周波電源８の内部構成は特に図示していないが、交流電源と高周波インバータとを備えており、高周波インバータから出力された高周波の電力を整合用トランス７に供給するようになっている。

そして、溶接部３_-１の外周面と高周波加熱コイル６との間に温度センサー例えば熱電対９の検出部９ａを挟むように設置して溶接部３_-１の温度を計測するようにしている。熱電対９の出力信号は高周波電源８に帰還されることにより予め設定されている設定温度と比較され、整合用トランス７から高周波加熱コイル６に供給する電力を制御する。これにより、溶接部３_-１およびその周辺部は予め設定した温度が維持されるように高周波誘導加熱される。

一方、溶接部３_-１の両側に位置するホイール部２には、溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）を行なうための電気熱処理炉あるいはバンドヒータ等の電気加熱装置４_-１、４_-２を設置している。

（作用）
（ｉ）溶接部およびその周辺部に対する局部表面熱処理方法。
まず、溶接部およびその周辺部に対する表面改質を行うために、熱処理範囲（高周波誘導加熱の電流浸透深さ）δを表面から０.１ｍｍ以上０.４ｍｍ以下の深さに設定する。

ここで、０．１ｍｍとは応力腐食割れき裂が発生したか否かの判断可能な１粒界分の深さであり、また０．４ｍｍとは亀裂検出限界長さである。高周波誘導加熱の電流浸透深さδは、次式（１）を用いて算出可能であるため、この式（１）を用いて条件を決定する。このときの周波数ｆは５０〜３０００（Ｈｚ）とする。

ここで、
ρ：金属の固有抵抗（μΩ・ｍｍ）、
μ：比透磁率、
f：周波数（Ｈｚ）

局部表面熱処理の温度は、焼戻し温度以上でかつＡ１変態点以下とし、処理時間は、ラーソンミラーパラメータ（Ｌ.Ｍ.Ｐ）［Ｐ＝Ｔ（Ｃ＋logｔｒ）］を用いて決定する。ここで、Ｔは絶対温度（Ｋ）、Ｃは材料定数、ｔｒは処理時間（ｈ）である。このときの熱処理影響部の硬さは、脆性破壊が懸念される硬さ（０.２％耐力：１０００〜１１００ＭＰａ）まで下げることを目標とする。

図３は、３.５％ニッケルクロムモリブデンバナジウム鋼（３.５ＮｉＣｒＭｏＶ鋼）の溶接継手の熱影響部の硬さ（ＨＡ１）とラーソンミラーパラメータ（Ｌ.Ｍ.Ｐ）との関係を示す図である。図３の例によれば、硬さを例えば３５０ＨＶまで下げる場合、ラーソンミラー値を１８２００程度にすればよいことがわかる。仮に熱処理温度を６４０℃と選定した場合、前記のラーソンミラーパラメータ（Ｌ.Ｍ.Ｐ）［Ｐ＝Ｔ（Ｃ＋logｔｒ）］を用いて処理時間は１時間程度と算出することができる。

（ii）溶接部およびその周辺部に対する溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）方法。
上記のようにして蒸気タービンの低圧ロータ１の溶接部３_-１およびその周辺部に対して局部表面熱処理による表面改質を行った後に、溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）を行う。この溶接後熱処理は、高周波誘導加熱装置５および電気加熱装置４_-１、４_-２を用いてホイール部２の強度を低下させないように、母材製作時の焼き戻し温度を電気加熱装置４_-１、４_-２の最高温度として溶接部３_-１周辺部を加熱して行う。
同様にして、他の溶接部３_-２、３_-３およびその周辺部に対しても、局部表面熱処理による表面改質および溶接後熱処理を行う。

（効果）
以上述べたように、本実施形態１によれば、複数のタービンロータを溶接によって互いに接合したのち、溶接部３_-１〜３_-３およびその周辺部に対して高周波誘導加熱装置５を使用して局部表面熱処理による表面改質を行い、さらにその後に高周波誘導加熱装置５と電気加熱装置４_-１、４_-２とを用いて溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）を実施するようにしたので、溶接による接合部およびホイール部の強度を確保しつつ残留応力が低下し、かつ応力腐食割れが発生しにくい溶接ロータを製造することができる。

しかも、ホイール溝底部に円筒状に巻かれた高周波加熱コイル６によって溶接部３_-１〜３_-３とその周辺部に対する局部表面熱処理および溶接後熱処理の温度制御を正確に行うことができる。

［実施形態２］
以下、本発明の実施形態２について、図４を参照して説明する。
図４は実施形態２に係る溶接ロータの局部表面熱処理方法および溶接後熱処理方法を実施する装置を模式的に描いた図である。

本実施形態２が前述した実施形態１と異なる点は、高周波誘導加熱装置５に替えて、炎焼入れ装置１０を設置し、火炎の熱による表面改質を行うようにした点であり、溶接部の両側に位置するホイール部２を包囲して溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）を行なうための電気加熱装置４_-１、４_-２については実施形態１と変わらない。

本実施形態２で採用した炎焼入れ装置１０は、溶接部３_-１およびその周辺部に対してアセチレンガス、プロパンガスなどと酸素との火炎を放射するバーナー１１と、このバーナー１１にアセチレンガスおよび酸素の混合ガスを供給するためのアセチレンガスやプロパンガスを充填したガスボンベ１２および酸素を充填した酸素ボンベ１３と、火炎の温度を制御する制御装置１４で構成されている。

本実施形態２の場合も、溶接部３_-１の近傍に熱電対９の検出部９ａを取付け、熱電対９で検出した温度の信号を制御装置１４に帰還し、溶接部３_-１周辺部の温度が予定の温度になるように制御装置１４でアセチレンガスおよび酸素の混合ガス量を制御するようにしている。この場合の熱処理範囲、処理時間は前述した実施形態１と同様である。

本実施形態２では、炎焼入れ装置１０により溶接部３_-１およびその周辺部に対して局部表面熱処理を行なう。そしてその後、電気加熱装置４_-１、４_-２および炎焼入れ装置１０を用いてホイール部２の強度を低下させないように母材製作時の焼き戻し温度を電気加熱装置４_-１、４_-２の最高温度として溶接部３_-１の周辺部を加熱して溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）を行う。

以上述べたように、本実施形態２によれば、複数のタービンロータを溶接によって互いに接合したのち、溶接部３_-１およびその周辺部に対して炎焼入れ装置１０を使用して局部表面熱処理による表面改質を行い、さらにその後に炎焼入れ装置１０と電気加熱装置４_-１、４_-２を用いて溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）を実施するようにしたので、溶接による接合部およびホイール部の強度を確保しつつ残留応力が低下し、かつ応力腐食割れが発生しにくい溶接ロータを製造することができる。

［実施形態３］
図５は実施形態３に係る溶接ロータの局部表面熱処理方法および溶接後熱処理方法を実施する装置を模式的に描いた図である。

本実施形態３が、前述した実施形態１と異なる点は、高周波誘導加熱装置５に替えて、レーザ熱処理装置１５を設置してレーザ熱による表面改質を行うようにした点であり、溶接部の両側に位置するホイール部２を包囲して溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）を行なうための電気加熱装置４_-１、４_-２については変わらない。

本実施形態３によるレーザ熱処理装置１５は、レーザヘッド１６、ＣＯ_２等のガスを充填したガスボンベ１８、レーザ発信器１９で構成されている。１７はレーザビームである。

本実施形態３の場合も、溶接部３_-１の近傍に熱電対９の検出部９ａを取付け、この熱電対９で検出した温度信号をレーザ発信器１９に帰還し、溶接部３_-１周辺部の温度が予定の温度になるようにレーザ発信器１９を制御して溶接部３_-１に照射するレーザビーム１７の強度を制御するようにしている。この場合の熱処理範囲、処理時間も前述した実施形態１と同様である。

本実施形態３では、レーザ熱処理装置１５により溶接部３_-１およびその周辺部に対して局部表面熱処理を行なう。そしてその後、電気加熱装置４_-１、４_-２およびレーザ熱処理装置１５を用いてホイール部２の強度を低下させないように母材製作時の焼き戻し温度を電気加熱装置４_-１、４_-２の最高温度として溶接部３_-１の周辺部を加熱し、溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）を行う。

以上述べたように、本実施形態３によれば、複数のタービンロータを溶接によって互いに接合したのち、溶接部３_-１およびその周辺部に対してレーザ熱処理装置１５を使用して局部表面熱処理による表面改質を行い、さらにその後にレーザ熱処理装置１５と電気加熱装置４_-１、４_-２を用いて溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）を実施するようにしたので、溶接による接合部およびホイール部の強度を確保しつつ残留応力が低下し、かつ応力腐食割れが発生しにくい溶接ロータを製造することができる。

［実施形態４］
図６は本実施形態４に係る溶接ロータの表面改質コーティングを実施する装置を模式的に描いた図であり、特に図６（ａ）は局部表面熱処理および溶接後熱処理後に表面改質コーティングを行った溶接ロータの断面図、図６（ｂ）は局部表面熱処理および溶接後熱処理を実施した部分に表面改質コーティングを行なう様子を描いた図である。

本実施形態４は、局部表面熱処理および溶接後熱処理を実施した後に、耐応力腐食割れ性を向上させるために、溶接部とその周辺部に対する表面改質コーティング層Ｃの生成に摩擦攪拌を用いることを特徴とする溶接ロータ熱処理方法に関する。

２０は、本実施形態４で新たに設けた摩擦攪拌装置であり、回転して摩擦熱を発生させる回転ツール２１と、この回転ツール２１を支える加圧用支持板２２と、回転ツール２１に所定の圧力を加える加圧装置２３と、溶接部３_-１の近傍に取付けた熱電対９の検出部９ａの検出温度を帰還させて回転ツール２１への加圧力を制御して摩擦熱を制御する制御装置２４とから構成されている。

本実施形態４では、局部表面熱処理および溶接後熱処理を実施した後に、溶接部３_-１に摩擦攪拌装置２０を設置し、回転ツール２１を加圧して回転させることにより摩擦熱を生じさせ、このときの加圧力と摩擦熱とから溶接部３_-１およびその近傍部の表面に塑性流動を生じさせ、これにより溶接部３_-１表面に肉盛コーティング層Ｃを生成する。そして、肉盛コーティング後は研磨等により溶接部３_-１とその周辺部の表面高さを調整する。なお、このときの回転ツール２１の材質は母材と同じ低合金鋼（例えば、３.５ＮｉＣｒＭｏＶ）か耐食性が良好なオーステナイト系ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１６Ｌ）とする。

本実施形態４によれば、局部表面熱処理および溶接後熱処理を実施した後に、回転ツール２１を回転させ加圧力と摩擦熱とから溶接部３_-１およびその近傍部の表面に塑性流動を生じさせて、母材と同じ低合金鋼か、耐食性が良好なオーステナイト系ステンレス鋼で溶接部３_-１の表面に肉盛コーティング層Ｃを生成するようにしたので、耐応力腐食割れ性を向上させることができる。

［実施形態５］
図７は本実施形態５に係る溶接ロータの表面改質コーティングを実施する装置を模式的に描いた図であり、特に図７（ａ）は局部表面熱処理および溶接後熱処理後に表面改質コーティングを行った溶接ロータの断面図、図７（ｂ）は局部表面熱処理および溶接後熱処理を実施した部分に表面改質コーティングを行なう様子を描いた図である。

本実施形態５は、局部表面熱処理および溶接後熱処理を実施した後に、耐応力腐食割れ性を向上させるために、溶接部とその周辺部に対する表面改質コーティング層Ｃの生成にプラズマまたは高速フレーム溶射を用いることを特徴とする溶接ロータ熱処理方法に関する。

２５は本実施形態５で新たに設けたプラズマまたは高速フレーム溶射装置であり、溶射ガン２６、粉末供給装置２７、燃焼ガスボンベ２８、制御装置２９、冷却装置３０で構成されている。なお、実施形態を制御する温度は溶接部３_-１の近傍に熱電対９の検出部９ａを取り付けて測定する。

本実施形態５では、局部表面熱処理および溶接後熱処理を実施した後に、溶接部３_-１に溶射ガン２６より、粉末状の低合金鋼やオーステナイト系ステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１６Ｌ）を噴出し、溶接部３_-１の表面に表面改質コーティング層Ｃを生成する。

本実施形態５によれば、局部表面熱処理および溶接後熱処理を実施した後に、溶接部３_-１とその周辺部に対して母材と同じ低合金鋼か耐食性が良好なＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１６Ｌでプラズマまたは高速フレーム溶射を行ない、表面改質コーティング層Ｃを生成するようにしたので、耐応力腐食割れ性を向上させることができる。

以上、本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…ロータ、１_-１〜１_-４…分割ロータ、２…ホイール部、３_-１〜３_-３…溶接部、４_-１，４_-２…電気加熱装置（電気熱処理炉あるいはバンドヒータ）、５…高周波誘導加熱装置、６…高周波加熱コイル、７…整合用トランス、８…高周波電源装置、９…熱電対、９ａ…検出部、１０…炎焼入れ装置、１１…バーナー、１２…ガスボンベ、１３…酸素ボンベ、１４…制御装置、１５…レーザ熱処理装置、１６…レーザヘッド、１７…レーザビーム、１８…ガスボンベ、１９…レーザ発信器、２０…摩擦攪拌装置、２１…回転ツール、２２…加圧用支持板、２３…加圧装置、２４…制御装置、２５…プラズマまたは高速フレーム溶射装置、２６…溶射ガン、２７…粉末供給装置、２８…燃焼ガス、２９…制御装置、３０…冷却装置、Ｃ…表面改質コーティング層。

Claims

複数のタービンロータを溶接によって互いに接合したのち、溶接部およびその周辺部に対して局部表面熱処理を実施し、その後さらに溶接後熱処理を行うことを特徴とする溶接ロータ製造方法。
前記局部表面熱処理を、高周波加熱装置、炎焼入れ装置、レーザ熱処理装置から選択された装置により実施することを特徴とする請求項１記載の溶接ロータ製造方法。
前記溶接部およびその周辺部に対して前記局部表面熱処理および溶接後熱処理を実施した後に、当該溶接部およびその周辺部に対して、加圧力と摩擦熱とから塑性流動を生じさせて表面改質コーティング層を生成するか、またはプラズマまたは高速フレーム溶射により表面改質コーティング層を生成することを特徴とする請求項２に記載の溶接ロータ製造方法。
前記表面改質コーティング層の材料として、ロータと同等の低合金鋼またはＳＵＳ３０４あるいはＳＵＳ３１６Ｌを使用することを特徴とする請求項３に記載の溶接ロータ製造方法。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法により製造されたことを特徴とする溶接ロータ。