JPS63248587A - タ−ビンロ−タおよびその肉盛溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、蒸気タービン等のタービンロータおよびその
肉盛溶接方法に係り、特に肉盛溶接部における残留応力
および熱影響が少なく、軸受特性を改良し得るタービン
ロータおよびその肉盛溶接方法に関する。

（従来の技術） 一般に、１２％クロム鋼タービンロータなど、耐食性金
属であるクロム等を比較的多く含有する鋼材で形成した
タービンロータは、長時間の運転に伴って軸受特性が低
下する。

この軸受特性の低下は、ロータ本体部材からクロム等が
析出し、軸受部に焼付き現象を生じたり、軸受内に異物
が混入してロータのジャーナル部および軸受面が異常摩
耗して損傷するゴーリング現象を発生することに起因す
る。

従来、このゴーリング現象を防止するために、例えばク
ロムモリブデン鋼あるいはモリブデンバナジウム鋼など
、焼付きが発生しにくく、耐摩耗性に優れた鋼材で形成
したスリーブをタービンロータのジャーナル部に焼きば
めによって嵌装している。

一方、近年上記のような軸受特性が優れた炭素鋼または
低合金鋼をジャーナル部表面に肉盛溶接することによっ
てゴーリング現象の防止対策とする試みもなされている
。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、ターごンロータのジャーナル部にスリー
ブを焼きばめによって嵌装する場合においては、スリー
ブの端面において、相接触するスリーブとタービンロー
タとが、回転振動により相対的に微小滑りを繰り返して
摩耗を生起し、いわゆるフレッティング疲労によって部
拐強度の著しい低下を発生する場合がある。

また、アーク溶接等による肉盛溶接をタービンロータの
軸受部に施工して防護層を形成する場合においては、溶
接による入熱量が大きいため、ロータ本体部材が広範囲
に渡って変性を起し、強度が低下した熱影響部が形成さ
れるとともに、肉盛溶接部において熱による残留応力が
発生し、部材強度が低下する問題点がある。

ちなみに、従来の肉盛溶接方法による肉盛溶接部表面に
おける引張残留応力は、３０〜４０　Ｋｙ　ｆ／−に及
ぶ場合があることが実験的に確認されている。この残留
応力は通常の焼鈍操作では容易に軽減しないことが判明
しており、この残留応力はタービンロータの応力腐食を
促進したり、脆性強度を低下させる要因ともなっている
。

また、アーク溶接等のエレクトロビーム溶接においては
、溶接電流がアークの周囲に磁場を形成し、その磁場に
よってアークが正規の方向から側方に偏向して均一なビ
ードが形成されず溶接品質を低下させ、その補修に多大
な労力を要する場合がある。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、肉盛溶接部にお（プる残留応力および部材に対す
る熱影響が少なく、また溶接施工が容易なタービンロー
タおにびその肉盛溶接方法を提供することを目的とする
。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明に係るタービンロータおよびその肉盛溶接方法は
、タービンロータの肉盛対象部に耐熱性および耐摩耗性
を有する肉盛金属を付着せしめ、上記肉盛対象部に肉盛
金属をレーザ光の照射により肉盛溶接して一体成形した
ことを特徴とする。

（作用） 上記構成のタービンロータおよびその肉盛溶接方法によ
れば、まずタービンロータの肉盛対象部に肉盛金属が付
着される。肉盛金属としては、耐熱性および耐摩耗性に
優れた金属部材が薄板状、棒状に成形されて使用される
。

一方、レーザ光発振装置から発振されたレーザ光が集光
レンズ等で集束された後に肉盛金属に照射される。

レーザ光の照射を受けた肉盛金属は溶融し、タービンロ
ータ母材と一体に接合され、肉盛溶接が完了覆る。

上記のレーザ光によれば、大容量の熱を肉盛対象部に局
部的に限定して照射することが可能となるため、溶接熱
による母材の熱影響部の幅および深さを極めて小さくす
ることができる。

また、レーザ光によれば、照射範囲の広狭、照射形状も
適宜変えて使用することが可能である。

そのため、１回のパス（層）当りの肉盛厚さを極力低減
して、複数回のパスによって所定厚さの肉盛溶接部を形
成することもできる。このいわゆる多層盛りによって溶
接施工を行なうと、各層毎に局部的に溶融、凝固を繰り
返すことにな°す、溶接熱の移動量も少なく、母材への
緯入熱量を分散することが可能となる。

したがって、肉盛溶接部における残留応力の発生が抑制
されるとともに、熱影響部の発生が極めて狭い部位に限
定される。

さらに、レーザ光を使用した場合は、従来のエレクトロ
ビーム溶接とは異なり、いわゆる磁気吹きによる溶接品
質の低下がない。したがって、磁化する可能性のある部
材に対する肉盛溶接方法として最適であり、タービンロ
ータの品質および信頼性の向上に資する。

（実施例） 次に、本発明の一実施例について添付図面を参照して説
明する。

第１図（Ａ）、（Ｂ）は本発明に係るタービンロータの
肉盛溶接方法を実施している状態を示す斜視図である。

この肉盛方法を実施する場合は、まずタービンロータ１
外周面の肉盛対象部に肉盛金属２が付着される。ここで
、肉盛金属２としては、例えば炭素鋼、クロムモリブデ
ン鋼、あるいは、クロムモリブデンバナジウム鋼など耐
熱性および耐摩耗性に優れた部材が採用される。肉盛金
属２は第１図（Ａ）で例示するように、予め薄板状に形
成した薄板状金属２ａとして肉盛対象部に巻き付けたり
、または第１図（Ｂ）で例示するように粉沫状金属２ｂ
として、肉盛対象部に供給される。

一方、図示しないレーザ光発振装置から発振されたレー
ザ光３は集光レンズ等で集束された後にレーザガン４の
先端部から肉盛金属２としての薄板状金属２ａに照射さ
れる。レーザ光３の照射を受けた薄板状金属２９は溶融
し、タービンロータ１と一体に接合され肉盛溶接部５を
形成する。

また、第１図（Ｂ）は、肉盛金属２として粉沫状金属２
ｂを使用した例を示している。すなわち、貯留槽６内に
貯留した粉沫状金属２ｂをアルゴンまたはヘリウム等の
不活性ガスに同伴させて肉盛対象部に送供し、同時にレ
ーザ光３によって付着、溶融せしめ、肉盛溶接部５を形
成することもできる。

さらに図示しないが、肉盛金属２を細い棒状に成形した
ものを肉盛対象部に巻回する操作と、巻回した棒状の肉
盛金属２にレーザ光３を照射して溶融する操作を繰り返
して所定厚さの肉盛溶接部を形成することもできる。

第２図（Ａ）、（Ｂ）は、本実施例による肉盛溶接方法
によってタービンロータに肉盛溶接部５を形成した状態
を示す断面図であり、第２図（Ａ）はタービンロータ１
のジャーナル部に予め溶接用満７を形成し、その内部に
肉盛溶接部５を形成し、ジャーナル部と同一平面に仕上
げたものである。

一方、第２図＜８）は、溝加工を行なわずにタービンロ
ータ１の軸受部外周面に突出するように肉盛溶接部５を
形成した状態を示す。

従来のアーク溶接等による肉盛溶接を行なう場合は、溶
融池が大きく溶融部に多大な溶接入熱が付加され、同時
にその周辺部にも熱影響部が広く形成される。しかし、
本実施例のようにレーザ光を使用した肉盛溶接において
は熱源となるレーザ光を照射する範囲、深さ、形状を集
光レンズまたは反射鏡等によって任意に調整することが
可能であり、その寸法精度は一般に０．１＃程度まで厳
密に設定づることができる。

したがって、肉盛対象部の形状に合わせて、寸法精度の
高い肉盛溶接作業が可能となる。また、薄板状金属２ａ
、粉沫状金属２ｂ、または棒状金属の中から、施工が容
易となる肉盛金属２を適宜選択し、溶接施工の簡易化を
図ることができる。

また人熱聞も局部的に限定されるため、肉盛溶接部の残
留比ノｊが大幅に軽減されるとともに、熱影響部も極め
て狭い範囲に限定される。

また、本実施例のタービンロータおよびその肉盛溶接方
法によれば、加熱源として溶接電流を使用せずにレーザ
光を使用しているため、従来法において発生した磁気吹
き現象による溶接品質の低下はない。したがって、補修
作業が無用となる上に肉盛操作が簡易となり、溶接作業
効率が向上する。

次に、本実施例の肉盛溶接方法によって肉盛溶接を行な
った場合の効果について第３図および第４図のグラフに
従って説明する。

第３図は一層（パス）当りの肉盛厚さｔを種々変化させ
て、所定厚さの肉盛溶接を実施した後の肉盛溶接部表面
における残留応力を従来の肉盛溶接方法と比較して示し
ている。

本実施例では１２％クロム鋼を母材にしたタービンロー
タ１に、例えば第１表に示すように各種の化学成分を含
有する肉盛金属Ｉ〜Ｖｌを第１図（Ｂ）で示ずように粉
床状態で肉盛対象部に供給し、出力３ｋｗの炭酸ガス（
ｃｏ２）レーザを照射して肉盛溶接を行なった。なお、
タービンロータ１の母材および肉盛金属■〜■の化学成
分は下記の第１表に示す。

〔以下余白〕

また、１回当りの肉盛厚さｔは３Ｍ以下の１ｔ５ＦＨＪ
内で変化させ、全肉盛厚さは２５ｍとし、肉盛金属とし
てはＭ１表に示す肉盛金属■を粉床状態で使用し、その
肉盛金属■の供給速度は２０　ｇ／ｍｉｎに設定してい
る。さらに肉盛溶接前に、肉盛対象部を予め温度１５０
〜３００℃にて予熱する一方、肉盛溶接後は、６４０℃
で約１時間の焼鈍操作を実施している。

この結果、第３図において実線で示すように、一層当り
の肉盛厚さｔが１Ｍ以下において、肉盛溶接部表面にお
ける残留応力σは大幅に減少し、破線で示す従来法の場
合と比較して１０分の１程度まで減少することが確認さ
れた。

また、レーザ光の照射による熱影響は第４図に示ずよう
に少ない。すなわち第４図は、肉盛溶接部とその周辺部
における熱の影響度を部材の硬さくＨｖ）の変化として
把え、その分布を示したものである。第４図の結果より
、母材側であるタービンロータが溶接入熱によって硬化
した部位は、母材と肉盛溶接部との境界部から０．３＃
以下であり、従来法による熱影響部が数Ｍから１０数Ｍ
に及ぶことと比較して、本実施例によれば、１に対する
熱影響を大幅に低減することができる。

さらに第１表に示す他の肉盛金属Ｉ、　Ｉ［、ＩＶ。

Ｖ、Ｖｌについても、１層当りの肉盛厚さｔを０゜５＃
ＩＩＩ＋に設定し、同様に肉盛溶接を実施して、残留応
力および硬度の変化を測定した結果、重量％において、
０．５％以下の炭素、２％以下のマンガン、３％以下の
クロム、１．０％以下のシリコン、２．０％以下のモリ
ブデン、０．５％以下のバナジウムを含有する肉盛金属
Ｉ、　Ｉｌ、　ＩＶ、　Ｖ、　Ｖｌのいずれにおいても
残留応力σは１０Ｋｙｆ／−以下であり、また熱影響に
よる部材硬化層の厚さも、最大０．５＃と非常に小さく
、母材となるタービンロータの健全性が充分維持される
ことが確認された。

〔発明の効果〕

本発明に係るタービンロータおよびその肉盛溶接方法に
よれば、肉盛金属にレーザ光を照射して肉盛金属を溶融
せしめ、母材であるタービンロータに肉盛溶接部を形成
しており、大容量の熱をレーザ光によって局部的に限定
して付与することができるため、溶接熱による母材の熱
影響部を極めて小さくすることができる上に、肉盛溶接
部における残留応力を大幅に低減することができる。

またレーザ光は、照射範囲、照射形状を適宜調整して使
用することができるため、肉盛対象部の寸法、形状に合
わせて、高い寸法精度で肉盛溶接することが可能となる
。特に、１層当りの肉盛厚さを小ざく設定し、多層盛り
によって所定厚さの肉盛溶接を実施すれば肉盛対象部へ
の絶大熱量が分散され、残留応力および熱影響部を少な
くすることができる。

さらに本発明によれば、焼きばめスリーブを無用とでき
るためフレッティング疲労による腐食、摩耗問題が解決
し、また従来の肉盛溶接において発生する残留応力が大
幅に低減できるため、機械強度に優れた信頼性の高いタ
ービンロータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ＞、（Ｂ）は本発明法によって肉盛溶接を施
工している状態を示す斜視図、第２図（Ａ）、（Ｂ）は
本発明によるタービンロータの肉盛溶接部を示す断面図
、第３図は一層当りの肉盛厚さと肉盛溶接部表面の残留
応力との関係を示すグラフ、第４図は肉盛溶接部周辺の
部材硬さの分布を示すグラフである。 １・・・タービンロータ、２・・・肉盛金属、２ａ・・
・薄板状金属、２ｂ・・・粉末状金属、３・・・レーザ
光、４・・・レーザガン、５・・・肉盛溶接部、６・・
・貯留槽、７・・・溶接用溝、ｔ・・・１回当りの肉盛
厚さ、σ・・・残留応力。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久−１６＝ 第１図 第３図 母材と肉堅ｊ容接＠ｉとの境界１す・らの！巨財、ｄ　
（ｒｎｎｌ）第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、タービンロータ母材の肉盛対象部に耐熱性および耐
   摩耗性を有する肉盛金属を付着させ、上記肉盛対象部に
   肉盛金属をレーザ光の照射により肉盛溶接して一体成形
   したことを特徴とするタービンロータ。 ２、タービンロータ母材は、１２％クロム鋼である特許
   請求の範囲第１項記載のタービンロータ。 ３、肉盛金属は、予め薄板状または棒状に成形してなる
   特許請求の範囲第１項記載のタービンロータ。 ４、肉盛金属は、粉沫状金属である特許請求の範囲第１
   項記載のタービンロータ。 ５、肉盛金属は、重量％において０．５％以下の炭素、
   ２％以下のマンガン、３％以下のクロム、１．０％以下
   のシリコン、２．０％以下のモリブデン、０．５％以下
   のバナジウムを含有する金属部材から成る特許請求の範
   囲第１項記載のタービンロータ。 ６、タービンロータの肉盛対象部に耐熱性および耐摩耗
   性を有する肉盛金属を付着せしめ、肉盛金属にレーザ光
   を集束照射して肉盛溶接を行なうことを特徴とするター
   ビンロータの肉盛溶接方法。 ７、タービンロータの肉盛対象部は、肉盛溶接前に温度
   １５０〜３００℃にて所定時間、予熱を行なう特許請求
   の範囲第６項記載のタービンロータの肉盛溶接方法。 ８、肉盛溶接は、多層盛りで施工する特許請求の範囲第
   ６項記載のタービンロータの肉盛溶接方法。 ９、タービンロータの肉盛対象部は、肉盛溶接後に温度
   ５００℃以上にて焼鈍を行なう特許請求の範囲第６項記
   載のタービンロータの肉盛溶接方法。