JP4500815B2 - 部品の加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンのガスタービン部品を肉盛り溶接する方法に関する。

例えばガスタービンのタービン翼などの部品に対しては、その製造ないし補修に際して様々な加工が施され、それら加工のうちには、部品をその加工に先立って加熱することを必要とするものがある。そのような加熱は、予熱とも呼ばれている。

例えばガスタービンのタービン翼の補修などに際しては、いわゆる肉盛り溶接が実施される。通常、肉盛り溶接を行う際には、その肉盛り溶接による加工を施そうとするタービン翼を予熱して、所望の加工温度にまで昇温させた上で肉盛り溶接を行う必要がある。なぜなら、肉盛り溶接を施そうとするタービン翼は、それを所望の加工温度にまで加熱し、そして、肉盛り溶接を行っている間その所望の加工温度を維持するのでなければ、信頼性の高い肉盛り溶接を施すことができないからである。

従来、部品の加熱ないし予熱には、いわゆる電磁誘導加熱システムが用いられていた。この用途に用いられる電磁誘導加熱システムは、例えばコイルなどを使用して、電磁誘導によりエネルギ注入を行うことにより、部品を加熱するようにしたものである。しかしながら、電磁誘導加熱システムによって部品の加熱ないし予熱を行うことには、加熱した部品の温度誤差が５０℃もの大きな誤差になり得るという短所が付随していた。このように、加熱した部品の温度分布の精度がよくないことは、非常に不都合である。更に、この種の電磁誘導加熱システムは、そのエネルギ消費量も大きかった。また、この種の電磁誘導加熱システムに付随する更なる短所として、部品を加熱ないし予熱した際に、その部品の内部がその表面よりも高温になってしまうことがあり得るということがあった。それによって、部品が劣化する恐れがある。

本発明はかかる事情に鑑み成されたものであり、本発明の課題は、ガスタービンのガスタービン部品を肉盛り溶接のために予熱するための新規な加熱方法を提供することにある。

この課題は、請求項１に記載した特徴を備えた方法により達成される。本発明においては、加熱を行うためのエネルギ源として少なくとも１台のレーザ装置を用いる。

レーザ装置を用いて部品を加熱するため、従来の加熱方法と比べて、より迅速に加熱を行うことができる。また、レーザ装置を用いるため、加熱した部品の内部が表面以上の高温になることもない。更に、レーザ装置によれば、特定の狭い波長領域の放射エネルギを利用することができる。そのため、部品へのエネルギ注入を高精度で行うことができ、その結果として部品の加熱状態を良好なものとすることができる。

本発明の特に有利な更なる特徴の１つに、加熱しようとする部品の表面に照射するレーザビームの入射角を、照射対象の表面の形状に適合した角度にすることがある。これによって、特にその部品が、表面の各部分ごとに曲率が様々に異なるタービン翼である場合などに、エネルギ注入の均一性を向上させることができる。

本発明の特に有利な実施の形態における特徴の１つに、前記部品の加熱時の温度を測定し、その測定温度に基づいて、所望の目標温度が得られるように前記レーザ装置の出力を調節する加熱制御を行うことがある。これによって、所望の目標温度を維持することができるため、例えば部品に対して長時間に亘って加工を施している間中、その加熱の目標温度を維持しなければならない場合などに、特に有利である。

本発明の特に好適な更なる特徴として、従属請求項に記載した様々な特徴があり、それらについては以下の説明の中で明らかにして行く。これより添付図面を参照しつつ、本発明の幾つかの実施の形態について更に詳細に説明して行くが、ただし本発明は、それら実施の形態に限定されるものではない。

以下に図１〜図３を参照しつつ、部品の加熱ないし予熱を行うための本発明に係る方法について、ガスタービンのタービン翼の予熱を行う場合を例に取って、詳細に説明して行く。図１〜図３は、本発明に係る方法の３通りの実施の形態を示したものである。

図１は、航空機用エンジンの高圧タービンのタービン翼１０を概略化して示した模式図である。この高圧タービンのタービン翼１０を、その加工に先立って及び／またはその加工中に、本発明に従って加熱するものである。尚、ここでいうタービン翼１０の加工とは、例えば、いわゆる肉盛り溶接による加工などである。

本発明においては、部品の加熱ないし予熱を行うためのエネルギ源として、少なくとも１台のレーザ装置を用いるようにしている。また、そのレーザ装置としては、ダイオードレーザを装備しておくことが好ましい。ダイオードレーザを装備しておくことで、数々の利点が得られる。ただし、ダイオードレーザに替えて、或いは、ダイオードレーザに付加して、その他のレーザビーム発生源をエネルギ源として装備するようにしてもよい。その具体例としては、例えば、ＣＯ₂レーザ、Ｎｄレーザ、ＹＡＧレーザ、それにエキシマレーザなどを挙げることができる。

図１の実施の形態では、加熱しようとするタービン翼１０の両側面へ、夫々のレーザ装置によりレーザビームを照射している。即ち、加熱しようとするタービン翼１０へ２方向の照射方向から放射エネルギを照射しており、更に換言するならば、このタービン翼１０のそれら２方向の照射方向に対応した夫々の側面の表面へ放射エネルギを照射している。これを表すために、図１には、第１の複数の矢印１１と、第２の複数の矢印１２とを図示してある。第１の複数の矢印１１は、加熱しようとするタービン翼１０へ第１の照射方向からレーザビームを照射することを表しており、第２の複数の矢印１２は、第２の照射方向からレーザビームを照射することを表している。それら矢印１１及び１２で表されている２方向の照射方向は、タービン翼１０の両側面の夫々へレーザビームを照射する方向である。それらレーザビームによって、タービン翼１０が、所要の条件に従って加熱される。

図２の実施の形態では、タービン翼１０へ、４方向からレーザビームを照射している。これを表すために、図２には、第１の複数の矢印１３、第２の複数の矢印１４、第３の複数の矢印１５、及び第４の複数の矢印１６を図示してある。第１の複数の矢印１３は第１の照射方向を表している。第２の複数の矢印１４は第２の照射方向を表しており、第３及び第４の複数の矢印１５及び１６は夫々第３及び第４の照射方向を表している。従ってこの実施の形態では、タービン翼１０の４つの異なる表面へレーザビームを照射している。このように、照射方向を増やし、使用するレーザ装置の台数を増やすことによって、タービン翼１０に放射エネルギを照射する上での、そのタービン翼１０の形状許容度を増大させることを可能とし、それによって、タービン翼１０の表面が極度に彎曲している場合でも、そのタービン翼１０を均一に加熱することを可能にしている。

また、当然のことであるが、タービン翼１０の表面へレーザビームを照射する際の照射の仕方としては、図１に示した両側面への照射や、図２に示した四側面への照射ばかりでなく、タービン翼１０の一側面のみを照射することも考えられ、また、三側面を照射することも考えられる。

照射方向を実際に幾つの方向とするかは、上の説明からも明らかなように、１つには、レーザビームを照射しようとする部品がいかなる部品であるかに応じて決められるべきものであり、またもう１つには、加熱後及び／または加熱中に、その部品にいかなる加工が施されるかに応じて決められるべきものである。

図３に示したのは、本発明に係る方法の更に別の実施の形態である。この実施の形態では、加熱ないし予熱しようとするタービン翼１０へ、４方向から、夫々のレーザ装置によりレーザビームを照射している。即ち、第１の複数の矢印１７は第１の照射方向を表しており、第２の複数の矢印１８は第２の照射方向を表しており、また、第３及び第４の複数の矢印１９及び２０は夫々第３及び第４の照射方向を表している。この図３の実施の形態では、加熱しようとするタービン翼１０の、夫々の表面へ照射するレーザビームの入射角を、照射対象の夫々の表面の形状に適合した角度にしている。図３はこのことを表したものであり、図示のごとく、第１の複数の矢印１７で表されたレーザビームは、第２の複数の矢印１８で表されたレーザビームとは異なった角度でタービン翼１０へ入射している。このように、夫々のレーザビームの入射角を、加熱しようとするタービン翼１０の夫々の表面に適合した角度にすることによって、タービン翼１０へのエネルギ注入における均一性を、また従って、タービン翼１０の加熱における均一性を、更に向上させることができる。

以上から明らかなように、図１〜図３の実施の形態の全てに共通しているのは、タービン翼１０を加熱するために、そのエネルギ源としてレーザ装置を用いていることである。そのため、加熱しようとするタービン翼１０へのエネルギ注入が、タービン翼１０の表面に接触することのない、非接触方式で行われている。

それに加えて更に、本発明においては、タービン翼１０の加熱時ないし予熱時の温度、即ち、加熱ないし予熱によりタービン翼１０の夫々の表面が達した温度の測定を、それら表面には接触しない、非接触方式で行うようにしている。そして、この非接触方式の温度測定を実施するために、１台または複数台のパイロメータを装備するようにしている。温度測定のためのパイロメータは、複数の照射方向の各々に対応して１台ずつ、即ち、タービン翼１０のレーザビームを照射して加熱しようとする複数の表面の各々に対応して１台ずつ装備することが好ましい。そうする場合には、図１の実施の形態では２台のパイロメータを使用し、また、図２及び図３の夫々の実施の形態では４台のパイロメータを使用して、夫々の表面の温度測定を行うことになる。これによって、エネルギ注入のみならず、温度測定もまた、タービン翼１０の表面に接触することのない、非接触方式で行うことになる。

このように非接触方式の温度測定によって部品の加熱時ないし予熱時の温度を監視し、それを利用してタービン翼１０の加熱制御を行うようにしている。即ち、本発明においては、各々のパイロメータが、タービン翼１０の当該パイロメータに対応した表面の温度を測定したならば、その測定温度に対応した測定信号が、不図示の制御装置へ送出されるようにしてある。その制御装置において、それら測定信号に対して信号処理が施され、対応する表面の温度が所望の目標温度になるようにするための制御が行われる。また、そのために、その制御装置が、レーザ装置の出力を調節するようにしてある。所望の目標温度に達したならば、温度制御のための各々のレーザ装置の出力の調節は、別の調節の仕方に切り替わる。

既述のごとく、レーザ装置としては、ダイオードレーザを用いることが好ましい。また特に、線形制御を行うことによって、照射出力を線形的に変化させることができるようなダイオードレーザを用いると有利である。更に、ダイオードレーザを用いて加熱ないし予熱を行う際には、その出力強度を２００Ｗ〜８００Ｗの範囲内とすることが、特に好ましい。

更に、ダイオードレーザを用いることによって、加熱しようとするタービン翼１０に、特定の狭い波長領域のレーザビームのエネルギを注入することができる。また、その焦点距離を様々に設定することによって、そのレーザビームのエネルギを、発散するビームとすることも、収束するビームとすることも、また、平行ビームとすることもできる。特に、焦点距離を長く設定するか、ないしは、平行エネルギビームとなるように設定するならば、タービン翼１０などの加熱しようとする部品の位置が変化する場合でも、その加工対象の表面を、エネルギビームの光路内に正確に捕捉することができる。また、ダイオードレーザは、その波長領域を正確に設定することができるため、エネルギビームの発散・収束状態を良好且つ高精度のものとすることができる。そのため、タービン翼１０の加熱対象の表面へ正確にビームを照射して加熱することができる。図１〜図３は、夫々の照射方向から平行エネルギビームを照射しているところを示したものである。

既述のごとく、特に、タービン翼１０の加熱は、その加熱後及び／またはその加熱中に実施するタービン翼１０に対する加工との関連において行われるものである。タービン翼１０の加熱ないし予熱が必要とされるような加工の一例は、肉盛り溶接、ないしは、レーザビーム肉盛り溶接と呼ばれている加工である。

レーザビーム肉盛り溶接は、様々な用途に利用されているが、それらのうちでも特に、例えば航空機用エンジンなどのガスタービンの補修に際して、母材に肉盛り材を金属接合するために利用されている。この用途におけるレーザビーム肉盛り溶接は、タービン翼の摩耗領域に関連した補修のために実施されており、ここでいう摩耗領域とは、主として高圧タービンのタービン翼の前縁領域である。かかる用途におけるレーザビーム肉盛り溶接に関しては、本発明に係る方法に従ってタービン翼１０の加熱ないし予熱を行うことによって、大きな利点が得られる。即ち、この場合には、レーザビーム肉盛り溶接に際して、本発明に係る方法を用いて、補修を施そうとするタービン翼の母材を予熱する。また、本発明に係る方法を説明する際に既に述べたように、ダイオードレーザを使用して加熱することで、その予熱を実施するようにする。実際に、レーザビーム肉盛り溶接に際して、本発明に係る方法を実施したところ、ダイオードレーザを約７００Ｗの動作電力で用いて、約９５０℃の目標温度に到達するのに要した平均加熱時間は、３０秒であった。そして、４０秒後には、レーザビーム肉盛り溶接を開始することができた。両者間の１０秒の時間差は、加工を施そうとするタービン翼の内部温度を均一化するために要した時間である。尚、レーザビーム肉盛り溶接は、レーザビーム肉盛り溶接のために装備しておいた別のレーザ装置を用いて行った。

本発明に係る方法の第１の実施の形態を説明するための図であり、加熱対象の部品を含む、概略図である。 本発明に係る方法の第２の実施の形態を説明するための図であり、加熱対象の部品を含む、概略図である。 本発明に係る方法の第３の実施の形態を説明するための図であり、加熱対象の部品を含む、概略図である。

Claims (8)

1. ガスタービンのガスタービン部品を肉盛り溶接する方法において、
   ガスタービン部品の肉盛り溶接に先立って加熱を行うためのエネルギ源として少なくとも１台の第１レーザ装置を用いて、第１レーザ装置からのレーザビームをガスタービン部品に対して照射して、予熱を行い、
   前記予熱後に、別の第２レーザ装置を用いてレーザビーム肉盛り溶接による加工を施すことを特徴とする方法。
2. 前記部品の少なくとも一側面へ前記第１レーザ装置によりレーザビームを照射することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記部品の両側面へ２方向の照射方向からレーザビームを照射し、その際にそれら照射方向の各々ごとに個別の第１レーザ装置を用いることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 前記部品の全側面へ複数方向の照射方向からレーザビームを照射し、その際にそれら照射方向の各々ごとに個別の第１レーザ装置を用いることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
5. 加熱しようとする前記部品の表面へ照射する第１レーザ装置からのレーザビームの入射角を、照射対象の表面の形状に適合した角度にすることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の方法。
6. 前記部品の加熱時の温度を測定し、その測定温度に基づいて、所望の目標温度が得られるように前記第１レーザ装置の出力を調節する加熱制御を行うことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の方法。
7. 前記部品の加熱と、前記部品の加熱時の温度の測定とを、非接触方式で行うことを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記第１レーザ装置として、１台または複数台のダイオードレーザを用いることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項記載の方法。

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