羽根車の溶接方法、溶接装置及び羽根車
【課題】溶接ビードの仕上げ加工等を省略ないし簡素化することができるとともに、肉盛溶接の施工効率の向上、溶接変形の緩和等も図りながら、溶接継手部に所要の強度を確保できる羽根車の溶接方法及び溶接装置を提供する。
【解決手段】羽根１３に突き合わせられる側板１２の反突き合わせ側の面に、羽根１３に向けて所定の深さと幅を有する溝１４を設け、該溝１４の底部１４ａにレーザ光２１を照射して、裏側に形成されるビード部分４が内方側に凹んだ曲面となるように、溝底部１４ａと羽根１３の端部とを裏波溶接し、その後、溝底部１４ａにレーザ光２１を走査しながら溶融部に溶加材８を供給して肉盛溶接を行う。この場合、レーザ光２１の集光部２１１が細長方形とされ、裏波溶接工程では、集光部２１１の長辺を溝１４の長さ方向に対して平行ないし所定角度傾斜させ、溶接工程では、集光部２１１の長辺を溝１４の長さ方向に対して裏波溶接工程とは異なる角度に傾斜させる。
【解決手段】羽根１３に突き合わせられる側板１２の反突き合わせ側の面に、羽根１３に向けて所定の深さと幅を有する溝１４を設け、該溝１４の底部１４ａにレーザ光２１を照射して、裏側に形成されるビード部分４が内方側に凹んだ曲面となるように、溝底部１４ａと羽根１３の端部とを裏波溶接し、その後、溝底部１４ａにレーザ光２１を走査しながら溶融部に溶加材８を供給して肉盛溶接を行う。この場合、レーザ光２１の集光部２１１が細長方形とされ、裏波溶接工程では、集光部２１１の長辺を溝１４の長さ方向に対して平行ないし所定角度傾斜させ、溶接工程では、集光部２１１の長辺を溝１４の長さ方向に対して裏波溶接工程とは異なる角度に傾斜させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心圧縮機等に用いられる羽根車の溶接方法及び溶接装置に係り、特に、羽根車の構成部材である羽根と心板、側板等の外装体とを接合するのに好適な溶接方法及び溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機等に使用される羽根車のうち、図７に示される如くの、心板１１、側板１２、羽根１３から構成される羽根車の製作では、それらの構成部材を接合して一体化するのに、通常、溶接が使用されている。この羽根車の溶接方法としては、図８に示される如くに、別々の部材として加工した心板１１と羽根１３、及び、側板１２と羽根１３を被覆アーク溶接、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接等のアーク溶接法ですみ肉溶接する方法や、図９に示される如くに、機械加工による削り出し等で心板１１と一体に形成された羽根１３にスロット穴が穿設された側板を重ね合わせて、スロット穴をアーク溶接法で肉盛溶接して羽根１３の端部と側板１２を接合する方法が多く用いられている。
【０００３】
しかし、前者は、位置合わせの精度が悪く、また羽根１３の高さが小さく、心板１１と側板１２との間の隙間空間１５が小さい場合には溶接棒や溶接トーチが入らず、溶接することができない等の問題がある。後者は、側板１２の外側面から溶接を行うため、心板１１と側板１２の間隙が小さい場合にも適用できる利点があるが、溶接入熱が多いため、溶接変形が大きいことや、アークの変動により側板１２と羽根１３の接合部に形成される裏波ビード４の形状が不均質になりやすい等の問題がある。
【０００４】
このような問題を解決すべく、従来においては、例えば、下記特許文献１に見られるように、心板１１と側板１２との間に水溶解性の変形防止材と耐熱性セラミックス製の裏当て材を設置して溶接を行い、溶接変形の抑制と裏波ビードの形状調整を行う方法や、下記特許文献２に見られるように、エネルギー密度が大きく溶接入熱を低減できる電子ビームを熱源として裏波ビードの形成と肉盛溶接を行う方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−１０７８６６公報
【特許文献２】特開昭６３−２６２８５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記した従来の羽根車の溶接方法のうち、水溶解性の変形防止材と耐熱性セラミックス製の裏当て材を用いる方法では、溶接前に変形防止材、裏当て材を設置する工程と、溶接後に変形防止材、裏当て材を除去する工程が必要となり、生産性が良いとは言えない。また、電子ビームを用いる方法では、深溶込みの溶接形態であるため裏波ビードの形状が凸形になりやすく、羽根車使用時の応力集中を避けるために溶接ビードの仕上げ加工、つまり、ビード部分が内方側に凹んだ曲面（Ｒ形状）となるように機械加工を施す必要があった。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、主目的とするところは、溶接ビードの仕上げ加工等を省略ないし簡素化を図りながら、羽根車使用時の応力集中を充分に緩和することができ、また、変形防止材、裏当て材等を不要として生産性の向上を図ることもでき、さらに、肉盛溶接の施工効率の向上、溶接変形の緩和等も図りながら、溶接継手部に所要の強度を確保できる羽根車の溶接方法及び溶接装置を提供することにある。
【０００８】
他の目的とするところは、羽根が三次元的な捩れを有する場合でも、シールドガスを供給するノズルや溶加材を供給するノズル等の溶接装置部分と羽根車との干渉を確実に回避できて、効率よく適切に溶接を行うことのできる羽根車の溶接装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成すべく、本発明に係る羽根車の溶接方法の一つは、複数枚の羽根と、該羽根に溶接すべき心板、側板等の外装体とを備えた羽根車に適用され、前記羽根に突き合わせられる外装体の反突き合わせ側の面に、前記羽根に向けて所定の深さと幅を有する溝を設け、該溝の底部にレーザ光を照射して、裏側に形成されるビード部分が内方側に凹んだ曲面となるように、前記溝の底部と前記羽根の端部とを裏波溶接する第一の工程と、該第一の工程が完了した後、前記溝の底部に前記レーザ光を走査しながら溶融部に溶加材を供給して肉盛溶接を行う第二の工程と、を有することを特徴としている。
【００１０】
この場合、好ましくは、前記溝を、前記羽根の突き合わせ側端部が平面視で幅方向中央に位置するように、前記羽根の長さ方向に沿って設け、前記レーザー光の集光部を前記溝の底部の幅方向中央部を通るように走査するようにされる。
【００１１】
他の好ましい態様では、前記レーザ光の集光部が細長方形ないし長楕円形状とされ、前記第一の工程では、前記集光部の長辺もしくは長軸を前記溝の長さ方向に対して平行ないし所定角度傾斜させた状態で前記溝の長さ方向に沿って走査し、前記第二の工程では、前記集光部の長辺もしくは長軸を前記溝の長さ方向に対して第一の工程とは異なる角度に傾斜させた状態で前記溝の長さ方向に沿って走査するようにされる。
【００１２】
また、本発明に係る羽根車の溶接方法の他の一つは、複数枚の羽根が設けられた心板もしくは側板と羽根が設けられていない側板もしくは心板とを備えた羽根車に適用され、前記羽根に突き合わせられる側板もしくは心板の反突き合わせ側の面に、前記羽根の突き合わせ側端部が平面視で幅方向中央に位置するように所定の深さと幅を有する溝を設け、該溝の底部の幅方向中央部を、集光部が細長方形ないし長楕円形状となるレーザー光でその長さ方向に沿って走査することにより、前記溝の底部と前記羽根の端部とを裏波溶接する第一の工程と、該第一の工程が完了した後に、前記集光部の長辺もしくは長軸を前記溝の長さ方向に対して第一の工程とは異なる角度に傾斜させた状態で前記溝の長さ方向に沿って走査しながら溶融部に溶加材を供給して肉盛溶接を行い、前記溝を埋め戻す第二の工程と、を有することを特徴としている。
【００１３】
さらに、本発明に係る羽根車の溶接方法の他の別の一つは、心板、側板、及び複数枚の羽根を備えた羽根車に適用され、前記羽根に突き合わせられる側板もしくは心板の反突き合わせ側の面に、前記羽根の突き合わせ側端部が平面視で幅方向中央に位置するように所定の深さと幅を有する溝を設け、該溝の底部の幅方向中央部を、集光部が細長方形ないし長楕円形状となるレーザー光でその長さ方向に沿って走査することにより、前記溝の底部と前記羽根の端部とを裏波溶接する第一の工程と、該第一の工程が完了した後に、前記集光部の長辺もしくは長軸を前記溝の長さ方向に対して第一の工程とは異なる角度に傾斜させた状態で前記溝の長さ方向に沿って走査しながら溶融部に溶加材を供給して肉盛溶接を行い、前記溝を埋め戻す第二の工程と、を有することを特徴としている。
【００１４】
より好ましい態様では、前記第一の工程では、前記溝の長さ方向に対して前記集光部の長辺もしくは長軸が平行となる状態で走査し、前記第二の工程では、前記溝の長さ方向に対して前記集光部の長辺もしくは長軸が直交する状態で走査するようにされる。
【００１５】
他の好ましい態様では、溶接部を大気雰囲気からシールドすべく、前記集光部の側方から不活性ガスを溶接点に吹き付けるとともに、該不活性ガスの噴流内を通して溶加材を溶融部に供給するようにされる。
【００１６】
他の別の好ましい態様では、溶接部を大気雰囲気からシールドすべく、前記集光部の側方から不活性ガスを溶接点に吹き付けるとともに、該不活性ガスの噴流内に流速の異なるもう一つの不活性ガスの流れを形成し、この噴流内の不活性ガスの流れに乗せて溶加材としての金属粉末を溶融部に供給するようにされる。
【００１７】
一方、本発明に係る羽根車の溶接装置の一つは、細長方形ないし長楕円形状の集光部を生成するレーザ照射装置と、前記集光部の側方からレーザ光の照射方向と異なる角度で前記集光部に溶加材を供給する溶加材供給ノズルと、該溶加材供給ノズルから供給される溶加材の外周を囲むように不活性ガスを噴出するシールドガスノズルと、を備えていることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明に係る羽根車の溶接装置の他の一つは、細長方形ないし長楕円形状の集光部を生成するレーザ照射装置と、前記集光部の側方からレーザ光の照射方向と異なる角度で前記集光部に溶加材としての金属粉末を不活性ガスの流れに乗せて供給する金属粉末供給ノズルと、該金属粉末供給ノズルから供給される金属粉末を含んだ不活性ガスの噴流の外周を囲むように流速の異なる不活性ガスを噴出するシールドガスノズルと、を備えていることを特徴としている。
【００１９】
好ましい態様では、前記金属粉末供給ノズルの内部に形成されている金属粉末を含んだ不活性ガスの流路の断面積が出口に向かって小さくなるようにされる。
【００２０】
他の好ましい態様では、前記金属粉末供給ノズルの内部に形成されている金属粉末を含んだ不活性ガスの流路は、その向きが途中で変化せしめられる。
【００２１】
他の別の好ましい態様では、前記シールドガスノズルの出口は、弾性撓曲可能な部材を介して装置本体部に支持される。
【００２２】
そして、本発明に係る羽根車は、上記溶接方法及び溶接装置を用いて製作されるもので、複数枚の羽根と、該羽根に溶接すべき心板、側板等の外装体とを備え、前記羽根に突き合わせられる外装体の反突き合わせ側の面に設けられた溝の底部が前記羽根の端部に裏波溶接されて、該裏波溶接によるビード部分が内方側に凹んだ曲面となっていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る羽根車の溶接方法によれば、羽根に溶接すべき心板、側板等の外装体に溝を設け、この溝の底部にレーザ光を照射して溶融させ、裏側に形成されるビード部分が内方側に凹んだ曲面となるように、溝の底部と羽根の端部とを裏波溶接するようにされるので、羽根車使用時の応力集中を充分に緩和することができるとともに、裏波ビードの仕上げ加工を省略ないし簡素化することが可能となり、生産性を向上できる。
【００２４】
また、前記のように溝を設けて裏波溶接を行った後に、レーザ光の集光部を裏波溶接時とは溝の長さ方向に対して異なる傾斜角度をもって走査しながら溶融部に溶加材を供給して肉盛溶接を行うようにされるので、溶接継手部に所要の強度を確保できるとともに、肉盛溶接の施工効率の向上、溶接入熱の総量の低減、溶接変形の緩和等も図ることができ、さらに、変形防止材、裏当て材等も不要となるので、生産性を一層向上できる。
【００２５】
また、本発明に係る羽根車の溶接装置では、レーザ光の集光部の側方からレーザ光の照射方向と異なる角度でシールドガスや溶加材を供給するようにされるので、羽根が三次元的な捩れを有する、いわゆる三次元羽根車であっても、シールドガスを供給するノズルや溶加材を供給するノズル等の溶接装置部分と羽根車との干渉を確実に回避できて、効率よく適切に溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る羽根車の溶接方法及び溶接装置の第１実施形態の説明に供される図であり、（Ａ）は第一の工程である裏波溶接時の様子を示す部分切欠断面図、（Ｂ）は第二の工程である肉盛溶接時の様子を示す部分切欠断面図。
【図２】（Ａ）は、図１の（Ａ）に対応して第一の工程である裏波溶接時の様子を示す部分拡大図、（Ｂ）は、図１の（Ｂ）に対応して第二の工程である肉盛溶接時の様子を示す部分拡大図。
【図３】（Ａ）は、側板に予め形成される溝の説明に供される拡大断面図、（Ｂ）は第二の工程である肉盛溶接時に使用される金属粉末供給ノズルの先端部付近の詳細を示す拡大断面図。
【図４】本発明に係る羽根車の溶接方法及び溶接装置の第２実施形態の説明に供される図であり、（Ａ）は第一の工程である裏波溶接時の様子を示す部分切欠断面図、（Ｂ）は第二の工程である肉盛溶接時の様子を示す部分切欠断面図。
【図５】（Ａ）は、図４の（Ａ）に対応して第一の工程である裏波溶接時の様子を示す部分拡大図、（Ｂ）は、図４の（Ｂ）に対応して第二の工程である肉盛溶接時の様子を示す部分拡大図。
【図６】第２実施形態において第二の工程である肉盛溶接時に使用される金属粉末供給ノズルの先端部付近の詳細を示す拡大断面図。
【図７】一般的な羽根車の外観を示す斜視図。
【図８】従来における羽根車溶接方法の一例の説明に供される図。
【図９】従来における羽根車溶接方法の他の例の説明に供される図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の羽根車の溶接方法及び溶接装置の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００２８】
図１、図２、図３は、本発明に係る羽根車の溶接方法及び溶接装置の第１実施形態の説明に供される図である。
【００２９】
本実施形態は、機械加工によって複数枚の羽根１３が形成された心板１１と羽根を有さない側板１２とを備えた羽根車１０において、前記羽根１３と側板１２とを接合する場合に適用される。なお、心板１１、側板１２、及び羽根１３は、ここでは同じ材質（例えばＳＵＳ４１０）である。前記羽根１３に突き合わされる側板１２の反突き合わせ側の面には、図２及び図３（Ａ）に示される如くに、予め、羽根１３の突き合わせ側端部が平面視で幅方向中央に位置するように所定の深さと幅を有する断面逆台形状の溝１４が羽根１３の長さ方向（羽根１３の突き合わせ側端面）に沿って設けられている。より詳細には、羽根１３は三次元的に捩れており、羽根１３と突き合わされる側板１２の反突き合わせ側の面（外側面）に、底部１４ａが羽根１３と直交するように溝１４が設けられ、羽根１３の板厚中心が溝１４の中心線９２と一致するように、心板１１及び羽根１３上に側板１２が乗せ置かれて、仮付け溶接により固定されている。
【００３０】
また、本実施形態で使用されるレーザ溶接装置１は、前記溝１４の長さ方向に沿って移動可能な装置本体部２、該装置本体部２に支持固定された二重管構造のノズル（シールドガスノズル２２及び該ノズル２２内に配在された金属粉末供給ノズル２３）等を備えている。装置本体部２は、図１、図２に示される如くに、溝１４の底部１４ａの幅方向中央部に向けてレーザ光２１を照射する。該レーザ光２１は、前記溝１４の底部１４ａ上に形成される集光部２１１の形状が細長方形（例えば、幅１ｍｍ、長さ１０ｍｍ）となるように、また、集光部２１１の長辺が溝１４の長さ方向に対して平行ないし所定の傾斜角度を持つように、前記装置本体部２においてレンズ等で調節されている。また、前記二重管構造のノズルは、詳細には、前記集光部２１１の側方からレーザ光２１の照射方向と異なる角度で前記集光部２１１に溶加材としての金属粉末８を不活性ガスの流れに乗せて供給する金属粉末供給ノズル２３と、該金属粉末供給ノズル２３から供給される金属粉末を含んだ不活性ガスの噴流の外周を囲むように流速の異なる不活性ガスを噴出するシールドガスノズル２２とからなっている。
【００３１】
かかるレーザ溶接装置１を用いて、羽根１３と側板１２とを次のようにして溶接する。
【００３２】
まず、第一の工程として、図１（Ａ）及び図２（Ａ）に示される如くに、レーザ光２１の集光部２１１を、その長辺が溝１４の長さ方向に対して平行となる状態で、溝１４の底部１４ａの幅方向中央部（中心線９２上）に位置させ、溝１４の長さ方向に沿って走査することにより、溝１４の底部１４ａと羽根１３の端部とを裏波溶接する。
【００３３】
本例では、シールドガスノズル２２は集光部２１１の側方（溶接方向で見ると後方）に配置され、羽根車１０の外周側から中心に向かってレーザ光２１を走査するようにされる。この場合、集光部２１１の長辺側の中心線９１を溝１４の中心線９２と一致させるようにレーザ光２１（装置本体部２）を所定の速度で移動させる。また、この走査時（レーザ光照射中）に、シールドガスノズル２２から、大気雰囲気による酸化を防止すべく、溶融部（溶接点）に向けて不活性ガスの一種であるアルゴンガス７を吹き付けるようにされる。なお、このときは、金属粉末供給ノズル２３からの金属粉末の供給は行わない。
【００３４】
上記のようにして、レーザ溶接装置１を用いて裏波溶接を行うと、図２（Ａ）に示される如くに、溝１４に対して縦長の溶融池６（平面視涙滴形）が形成され、溶融金属の羽根１３側、側板１２の裏面側への濡れ拡がりが促進されて、羽根１３の突き合わせ側端部（上端部）の両側に、内方側に凹んだ曲面（Ｒ形状）を有する裏波ビード４が形成される。本願発明者等の実験によれば、溝１４の幅を羽根１３の厚さの２倍以上、溝１４の底の厚さを羽根１３の厚さ以下とすることで、羽根車使用時の応力集中を充分に緩和できる、半径が羽根１３の厚さ以上の凹形曲面を有する裏波ビード４の形成が可能であった。
【００３５】
上記のように、本実施形態の溶接方法及び溶接装置を用いて製作される羽根車１０は、羽根１３に突き合わせられる側板１２の反突き合わせ側の面に設けられた溝１４の底部１４ａが前記羽根１３の端部に裏波溶接されて、該裏波溶接によるビード部分４が内方側に凹んだ曲面となり、このため、羽根車使用時の応力集中を充分に緩和することができる。
【００３６】
このようにして、裏波溶接を行った後は、第二の工程として、図１（Ｂ）及び図２（Ｂ）に示される如くに、前記溝１４の底部１４ａにレーザ光２１を走査しながら溶融部６に溶加材８を供給して肉盛溶接を行う。
【００３７】
この肉盛溶接工程では、シールドガスノズル２２は集光部２１１の側方（溶接方向で見ると前方）に配置され、羽根車１０の外周側から中心に向かってレーザ光２１を走査するようにされる。この場合、図２（Ｂ）に示される如くに、集光部２１１の寸法形状は、幅１ｍｍ、長さ１０ｍｍの細長方形とされ（裏波溶接工程と同じ）、集光部２１１の長辺側の中心軸９１を溝１４の中心線９２と直交させるようにされる。また、大気雰囲気による酸化を防止すべく、シールドガスノズル２２から溶融部（溶接点）に向けて不活性ガスの一種であるアルゴンガス７を吹き付けるとともに、シールドガスノズル２２内部に配在された金属粉末供給ノズル２３から溶融部に向けて溶加材である金属粉末８を吹きつけて供給し、肉盛溶接を行う。なお、金属粉末８の材質は共金、つまり、心板１１、側板１２、及び羽根１３と同じ材質（例えばＳＵＳ４１０）である。
【００３８】
図３（Ｂ）に金属粉末供給ノズル２３の先端部２３１の断面構造の一例を示す。本例では、金属粉末流路２３２を先端部２３１で金属粉末供給ノズル２３の中心軸２３４から１５°曲げ、かつ、噴出口２３３に向かってその流路断面積が次第に小さくなるように（先細り状に）されている。
【００３９】
このような構成のもとで肉盛溶接を行うことにより、噴出された後の金属粉末８の拡がりが抑制され、金属粉末８が効率良く溶融部に溶着する。この結果、レーザ光２１と側板１２との間の隙間空間が狭く、金属粉末供給ノズル２３の中心軸２３４が集光部２１１に直線的に向くように配置することができない場合にも、金属粉末供給ノズル２３と溝底上の集光部２１１との距離を５０ｍｍ以上離すことができ、かつ、金属粉末供給ノズル２３がレーザ光２１や心板１１、側板１２と接触することなく肉盛溶接を行うことが可能となる。
【００４０】
また、集光部２１１の長辺側の中心軸９１を溝１４の中心線９２と直交させるようにして走査することより、溝１４に対して幅広（横長楕円状）の溶融池６が形成され、ビード幅の大きい肉盛ビード５が得られ、効率の良い肉盛溶接が実現される。溝１４の幅が１０ｍｍ以下の場合には、１層当たり１パス、１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下の場合には１層当たり２パスの施工で、溝深さ１０ｍｍ当たり５層以下での肉盛が可能であった。
【００４１】
なお、複数枚の羽根１３に対する施工順序は、まず全ての羽根１３に対して第一の工程の裏波溶接を行った後、第二の工程の肉盛溶接を行うことが好ましい。第二の工程の肉盛溶接は、一つの羽根１３に対して複数のパスが必要であるが、それぞれの羽根１３に対して１パスずつ、もしくは１層ずつ順番に施工を行うと、局部的な溶接変形の防止に効果的である。実際に溶接を行った羽根車１では、溶接前の基準面に対し、羽根車１の直径との比率で０．５％未満の溶接変形に抑制されていた。
【００４２】
以上のように、本実施形態の羽根車の溶接方法及び溶接装置によれば、羽根１３に溶接すべき側板１２に溝１４を設け、この溝１４の底部にレーザ光２１を所定の態様で照射して溶融させ、裏側に形成されるビード部分４が内方側に凹んだ曲面となるように、溝１４の底部１４ａと羽根１３の端部とを裏波溶接するようにされるので、羽根車使用時の応力集中を充分に緩和することができるとともに、裏波ビードの仕上げ加工を省略ないし簡素化することが可能となり、生産性を向上できる。
【００４３】
また、前記のように溝１４を設けて裏波溶接を行った後に、レーザ光２１の集光部２１１を裏波溶接時とは溝の長さ方向に対して異なる傾斜角度をもって走査しながら溶融部に金属粉末（溶加材）８を供給して肉盛溶接を行うようにされるので、溶接継手部に所要の強度を確保できるとともに、肉盛溶接の施工効率の向上、溶接入熱の総量の低減、溶接変形の緩和等も図ることができ、さらに、変形防止材、裏当て材等も不要となるので、生産性を一層向上できる。
【００４４】
また、本実施形態の溶接装置１では、レーザ光２１の集光部２１１の側方からレーザ光の照射方向と異なる角度でシールドガス７や溶加材８を供給するようにされるので、羽根１３が三次元的な捩れを有する、いわゆる三次元羽根車１０であっても、シールドガスを供給するノズル２２や溶加材を供給するノズル２３等の溶接装置部分と羽根車１０との干渉を確実に回避できて、効率よく適切に溶接を行うことができる。
【００４５】
図４、図５、図６は、本発明に係る羽根車の溶接方法及び溶接装置の第２実施形態の説明に供される図である。
【００４６】
本実施形態は、複数枚の羽根１３と、羽根を有さない心板１１及び側板１２とを備えた羽根車１０’において、前記羽根１３と心板１１並びに前記羽根１３と側板１２とを接合する場合に適用される。羽根１３と心板１１の接合と羽根１３と側板１２の接合は基本的には同じである（心板１１にも予め溝１４を設ける）ので、以下においては、前述した実施形態と同様に羽根１３と側板１２とを接合する場合を説明する。また、羽根車１０’並びに溶接装置１の基本構成も前述した実施形態と略同じであるので、以下においては、同一構成及び同一機能部分には同じ符号を付して重複説明を省略し、相違点を重点的に説明する。
【００４７】
本実施形態では、集光部２１１の寸法形状は、幅０．５ｍｍ、長さ１２ｍｍの細長方形とされ、第一の工程である裏波溶接時においては、図５（Ａ）に示される如くに、集光部２１１の長辺側の中心軸９１と溝１４の中心線９２のなす角度が０〜１０°の範囲となるようにされる。なお、本実施形態においても、心板１１、側板１２、羽根１３の材質は同じで、例えばＳＵＳ６３０とされる。かかる構成のもとで、前記実施形態と同様にレーザー光２１を溝１４の底部１４ａに照射して走査すると、溝の底部１４ａに対して縦長の溶融池６が形成され、溶融金属の羽根１３側、側板１２の裏面側への濡れ拡がりが促進されて、内方側に凹んだ曲面を有する裏波ビード４が形成される。溝１４の幅を羽根１３の厚さの２倍以上、溝１４の底の厚さを羽根１３の厚さ以下とすることで、半径が羽根１３の厚さ以上の凹形曲面を有する裏波の形成が可能であった。
【００４８】
また、第二の工程である肉盛溶接工程では、集光部２１１の長辺側の中心軸９１と溝１４の中心線９２のなす角度が８０〜９０°の範囲となるようにして、羽根車１０’の外周側から中心に向かってレーザ光２１を走査する。これに加え、シールドガスノズル２２から溶融部（溶接点）に向けてアルゴンガス７を吹き付けるとともに、シールドガスノズル２２内部に配在された金属粉末供給ノズル２３から溶融部に向けてアルゴンガスと共に溶加材である金属粉末８を吹きつけて供給し、肉盛溶接を行う。
【００４９】
なお、金属粉末供給ノズル２３の先端部２３１は、図６に断面構造が示されているように、金属粉末流路２３２を噴出口２３３に向かって流路断面積が次第に小さくなるように（先細り状に）されている。これにより、噴出された後の金属粉末８の拡がりが抑制され、金属粉末８が効率良く溶融部に溶着する。この結果、金属粉末供給ノズル２３と集光部２１１とを５０ｍｍ以上離間させることができ、側板１２と金属粉末供給ノズル２３がと接触干渉することなく肉盛溶接を行うことが可能となる。
【００５０】
また、シールドガスノズル２２の先端部（出口）２２１を、図４（Ｂ）に示される如くに、スプリング状の弾性撓曲部材２２３を介して装置本体部２に支持させることで、装置本体部２の移動軌跡に誤差が生じ、シールドガスノズル先端部２２１が心板１１や側板１２と接触した場合に、シールドガスノズル先端部２２１のみが折れ曲がり、金属粉末供給ノズル２３の位置が変化しないようにできる。シールドガスノズル先端部２２１が心板１１や側板１２と離れると、弾性撓曲部材２２３の元の形状に戻り、シールドガス先端部２２１は元の設定位置に復帰する。この結果、溝底上の集光部２１１に安定して金属粉末８を供給することが可能となる。
【００５１】
実際に溶接を行った羽根車１０’では、溶接前の基準面に対し、羽根車の直径との比率で０．５％未満の溶接変形に抑制されていた。
【００５２】
このように、本第２実施形態の溶接方法及び溶接装置においても、前述した第１実施形態と略同様な作用効果が得られる。
【００５３】
なお、以上に説明した実施形態では、心板１１、側板１２、羽根１３の材質と溶加材である金属粉末８の材質を同じ（例えばＳＵＳ４１０、ＳＵＳ６３０）としたが、他の材料であってもよく、共金でない金属粉末を溶加材を使用しても構わない。また、溶加材は溶接棒や溶接ワイヤの形態であってもよい。シールドガス７及び金属粉末８のキャリアガスは窒素や他の不活性ガスを用いることも可能である。シールドガスノズル２２及び金属粉末供給ノズル２３の配置態様は、溶接（走査）方向に対して、前記実施形態と反対側であってもよい。また、集光部２１１の寸法形状は本実施形態と同じである必要はなく、また、集光部は、ダイレクト半導体レーザや、ビーム整形光学系と溶接用の各種レーザと組み合わせで得ることが可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１ 溶接装置
２ 装置本体部
４ 裏波ビード
５ 肉盛ビード
６ 溶融池
７ アルゴンガス
８ 金属粉末
１０ 羽根車
１１ 心板
１２ 側板
１３ 羽根
１４ 溝
１４ａ 底部
２１ レーザ光
２１１ 集光部
２２ シールドガスノズル
２２１ ノズル先端部
２２２ ノズル本体
２２３ 弾性撓曲部材
２３ 金属粉末供給ノズル
２３１ 先端部
２３２ 流路
２３３ 噴出口
２３４ 中心軸
９１ 中心軸
９２ 溝の中心線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、遠心圧縮機等に用いられる羽根車の溶接方法及び溶接装置に係り、特に、羽根車の構成部材である羽根と心板、側板等の外装体とを接合するのに好適な溶接方法及び溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心圧縮機等に使用される羽根車のうち、図７に示される如くの、心板１１、側板１２、羽根１３から構成される羽根車の製作では、それらの構成部材を接合して一体化するのに、通常、溶接が使用されている。この羽根車の溶接方法としては、図８に示される如くに、別々の部材として加工した心板１１と羽根１３、及び、側板１２と羽根１３を被覆アーク溶接、ＭＩＧ溶接、ＴＩＧ溶接等のアーク溶接法ですみ肉溶接する方法や、図９に示される如くに、機械加工による削り出し等で心板１１と一体に形成された羽根１３にスロット穴が穿設された側板を重ね合わせて、スロット穴をアーク溶接法で肉盛溶接して羽根１３の端部と側板１２を接合する方法が多く用いられている。
【０００３】
しかし、前者は、位置合わせの精度が悪く、また羽根１３の高さが小さく、心板１１と側板１２との間の隙間空間１５が小さい場合には溶接棒や溶接トーチが入らず、溶接することができない等の問題がある。後者は、側板１２の外側面から溶接を行うため、心板１１と側板１２の間隙が小さい場合にも適用できる利点があるが、溶接入熱が多いため、溶接変形が大きいことや、アークの変動により側板１２と羽根１３の接合部に形成される裏波ビード４の形状が不均質になりやすい等の問題がある。
【０００４】
このような問題を解決すべく、従来においては、例えば、下記特許文献１に見られるように、心板１１と側板１２との間に水溶解性の変形防止材と耐熱性セラミックス製の裏当て材を設置して溶接を行い、溶接変形の抑制と裏波ビードの形状調整を行う方法や、下記特許文献２に見られるように、エネルギー密度が大きく溶接入熱を低減できる電子ビームを熱源として裏波ビードの形成と肉盛溶接を行う方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−１０７８６６公報
【特許文献２】特開昭６３−２６２８５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記した従来の羽根車の溶接方法のうち、水溶解性の変形防止材と耐熱性セラミックス製の裏当て材を用いる方法では、溶接前に変形防止材、裏当て材を設置する工程と、溶接後に変形防止材、裏当て材を除去する工程が必要となり、生産性が良いとは言えない。また、電子ビームを用いる方法では、深溶込みの溶接形態であるため裏波ビードの形状が凸形になりやすく、羽根車使用時の応力集中を避けるために溶接ビードの仕上げ加工、つまり、ビード部分が内方側に凹んだ曲面（Ｒ形状）となるように機械加工を施す必要があった。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、主目的とするところは、溶接ビードの仕上げ加工等を省略ないし簡素化を図りながら、羽根車使用時の応力集中を充分に緩和することができ、また、変形防止材、裏当て材等を不要として生産性の向上を図ることもでき、さらに、肉盛溶接の施工効率の向上、溶接変形の緩和等も図りながら、溶接継手部に所要の強度を確保できる羽根車の溶接方法及び溶接装置を提供することにある。
【０００８】
他の目的とするところは、羽根が三次元的な捩れを有する場合でも、シールドガスを供給するノズルや溶加材を供給するノズル等の溶接装置部分と羽根車との干渉を確実に回避できて、効率よく適切に溶接を行うことのできる羽根車の溶接装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成すべく、本発明に係る羽根車の溶接方法の一つは、複数枚の羽根と、該羽根に溶接すべき心板、側板等の外装体とを備えた羽根車に適用され、前記羽根に突き合わせられる外装体の反突き合わせ側の面に、前記羽根に向けて所定の深さと幅を有する溝を設け、該溝の底部にレーザ光を照射して、裏側に形成されるビード部分が内方側に凹んだ曲面となるように、前記溝の底部と前記羽根の端部とを裏波溶接する第一の工程と、該第一の工程が完了した後、前記溝の底部に前記レーザ光を走査しながら溶融部に溶加材を供給して肉盛溶接を行う第二の工程と、を有することを特徴としている。
【００１０】
この場合、好ましくは、前記溝を、前記羽根の突き合わせ側端部が平面視で幅方向中央に位置するように、前記羽根の長さ方向に沿って設け、前記レーザー光の集光部を前記溝の底部の幅方向中央部を通るように走査するようにされる。
【００１１】
他の好ましい態様では、前記レーザ光の集光部が細長方形ないし長楕円形状とされ、前記第一の工程では、前記集光部の長辺もしくは長軸を前記溝の長さ方向に対して平行ないし所定角度傾斜させた状態で前記溝の長さ方向に沿って走査し、前記第二の工程では、前記集光部の長辺もしくは長軸を前記溝の長さ方向に対して第一の工程とは異なる角度に傾斜させた状態で前記溝の長さ方向に沿って走査するようにされる。
【００１２】
また、本発明に係る羽根車の溶接方法の他の一つは、複数枚の羽根が設けられた心板もしくは側板と羽根が設けられていない側板もしくは心板とを備えた羽根車に適用され、前記羽根に突き合わせられる側板もしくは心板の反突き合わせ側の面に、前記羽根の突き合わせ側端部が平面視で幅方向中央に位置するように所定の深さと幅を有する溝を設け、該溝の底部の幅方向中央部を、集光部が細長方形ないし長楕円形状となるレーザー光でその長さ方向に沿って走査することにより、前記溝の底部と前記羽根の端部とを裏波溶接する第一の工程と、該第一の工程が完了した後に、前記集光部の長辺もしくは長軸を前記溝の長さ方向に対して第一の工程とは異なる角度に傾斜させた状態で前記溝の長さ方向に沿って走査しながら溶融部に溶加材を供給して肉盛溶接を行い、前記溝を埋め戻す第二の工程と、を有することを特徴としている。
【００１３】
さらに、本発明に係る羽根車の溶接方法の他の別の一つは、心板、側板、及び複数枚の羽根を備えた羽根車に適用され、前記羽根に突き合わせられる側板もしくは心板の反突き合わせ側の面に、前記羽根の突き合わせ側端部が平面視で幅方向中央に位置するように所定の深さと幅を有する溝を設け、該溝の底部の幅方向中央部を、集光部が細長方形ないし長楕円形状となるレーザー光でその長さ方向に沿って走査することにより、前記溝の底部と前記羽根の端部とを裏波溶接する第一の工程と、該第一の工程が完了した後に、前記集光部の長辺もしくは長軸を前記溝の長さ方向に対して第一の工程とは異なる角度に傾斜させた状態で前記溝の長さ方向に沿って走査しながら溶融部に溶加材を供給して肉盛溶接を行い、前記溝を埋め戻す第二の工程と、を有することを特徴としている。
【００１４】
より好ましい態様では、前記第一の工程では、前記溝の長さ方向に対して前記集光部の長辺もしくは長軸が平行となる状態で走査し、前記第二の工程では、前記溝の長さ方向に対して前記集光部の長辺もしくは長軸が直交する状態で走査するようにされる。
【００１５】
他の好ましい態様では、溶接部を大気雰囲気からシールドすべく、前記集光部の側方から不活性ガスを溶接点に吹き付けるとともに、該不活性ガスの噴流内を通して溶加材を溶融部に供給するようにされる。
【００１６】
他の別の好ましい態様では、溶接部を大気雰囲気からシールドすべく、前記集光部の側方から不活性ガスを溶接点に吹き付けるとともに、該不活性ガスの噴流内に流速の異なるもう一つの不活性ガスの流れを形成し、この噴流内の不活性ガスの流れに乗せて溶加材としての金属粉末を溶融部に供給するようにされる。
【００１７】
一方、本発明に係る羽根車の溶接装置の一つは、細長方形ないし長楕円形状の集光部を生成するレーザ照射装置と、前記集光部の側方からレーザ光の照射方向と異なる角度で前記集光部に溶加材を供給する溶加材供給ノズルと、該溶加材供給ノズルから供給される溶加材の外周を囲むように不活性ガスを噴出するシールドガスノズルと、を備えていることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明に係る羽根車の溶接装置の他の一つは、細長方形ないし長楕円形状の集光部を生成するレーザ照射装置と、前記集光部の側方からレーザ光の照射方向と異なる角度で前記集光部に溶加材としての金属粉末を不活性ガスの流れに乗せて供給する金属粉末供給ノズルと、該金属粉末供給ノズルから供給される金属粉末を含んだ不活性ガスの噴流の外周を囲むように流速の異なる不活性ガスを噴出するシールドガスノズルと、を備えていることを特徴としている。
【００１９】
好ましい態様では、前記金属粉末供給ノズルの内部に形成されている金属粉末を含んだ不活性ガスの流路の断面積が出口に向かって小さくなるようにされる。
【００２０】
他の好ましい態様では、前記金属粉末供給ノズルの内部に形成されている金属粉末を含んだ不活性ガスの流路は、その向きが途中で変化せしめられる。
【００２１】
他の別の好ましい態様では、前記シールドガスノズルの出口は、弾性撓曲可能な部材を介して装置本体部に支持される。
【００２２】
そして、本発明に係る羽根車は、上記溶接方法及び溶接装置を用いて製作されるもので、複数枚の羽根と、該羽根に溶接すべき心板、側板等の外装体とを備え、前記羽根に突き合わせられる外装体の反突き合わせ側の面に設けられた溝の底部が前記羽根の端部に裏波溶接されて、該裏波溶接によるビード部分が内方側に凹んだ曲面となっていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る羽根車の溶接方法によれば、羽根に溶接すべき心板、側板等の外装体に溝を設け、この溝の底部にレーザ光を照射して溶融させ、裏側に形成されるビード部分が内方側に凹んだ曲面となるように、溝の底部と羽根の端部とを裏波溶接するようにされるので、羽根車使用時の応力集中を充分に緩和することができるとともに、裏波ビードの仕上げ加工を省略ないし簡素化することが可能となり、生産性を向上できる。
【００２４】
また、前記のように溝を設けて裏波溶接を行った後に、レーザ光の集光部を裏波溶接時とは溝の長さ方向に対して異なる傾斜角度をもって走査しながら溶融部に溶加材を供給して肉盛溶接を行うようにされるので、溶接継手部に所要の強度を確保できるとともに、肉盛溶接の施工効率の向上、溶接入熱の総量の低減、溶接変形の緩和等も図ることができ、さらに、変形防止材、裏当て材等も不要となるので、生産性を一層向上できる。
【００２５】
また、本発明に係る羽根車の溶接装置では、レーザ光の集光部の側方からレーザ光の照射方向と異なる角度でシールドガスや溶加材を供給するようにされるので、羽根が三次元的な捩れを有する、いわゆる三次元羽根車であっても、シールドガスを供給するノズルや溶加材を供給するノズル等の溶接装置部分と羽根車との干渉を確実に回避できて、効率よく適切に溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る羽根車の溶接方法及び溶接装置の第１実施形態の説明に供される図であり、（Ａ）は第一の工程である裏波溶接時の様子を示す部分切欠断面図、（Ｂ）は第二の工程である肉盛溶接時の様子を示す部分切欠断面図。
【図２】（Ａ）は、図１の（Ａ）に対応して第一の工程である裏波溶接時の様子を示す部分拡大図、（Ｂ）は、図１の（Ｂ）に対応して第二の工程である肉盛溶接時の様子を示す部分拡大図。
【図３】（Ａ）は、側板に予め形成される溝の説明に供される拡大断面図、（Ｂ）は第二の工程である肉盛溶接時に使用される金属粉末供給ノズルの先端部付近の詳細を示す拡大断面図。
【図４】本発明に係る羽根車の溶接方法及び溶接装置の第２実施形態の説明に供される図であり、（Ａ）は第一の工程である裏波溶接時の様子を示す部分切欠断面図、（Ｂ）は第二の工程である肉盛溶接時の様子を示す部分切欠断面図。
【図５】（Ａ）は、図４の（Ａ）に対応して第一の工程である裏波溶接時の様子を示す部分拡大図、（Ｂ）は、図４の（Ｂ）に対応して第二の工程である肉盛溶接時の様子を示す部分拡大図。
【図６】第２実施形態において第二の工程である肉盛溶接時に使用される金属粉末供給ノズルの先端部付近の詳細を示す拡大断面図。
【図７】一般的な羽根車の外観を示す斜視図。
【図８】従来における羽根車溶接方法の一例の説明に供される図。
【図９】従来における羽根車溶接方法の他の例の説明に供される図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の羽根車の溶接方法及び溶接装置の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００２８】
図１、図２、図３は、本発明に係る羽根車の溶接方法及び溶接装置の第１実施形態の説明に供される図である。
【００２９】
本実施形態は、機械加工によって複数枚の羽根１３が形成された心板１１と羽根を有さない側板１２とを備えた羽根車１０において、前記羽根１３と側板１２とを接合する場合に適用される。なお、心板１１、側板１２、及び羽根１３は、ここでは同じ材質（例えばＳＵＳ４１０）である。前記羽根１３に突き合わされる側板１２の反突き合わせ側の面には、図２及び図３（Ａ）に示される如くに、予め、羽根１３の突き合わせ側端部が平面視で幅方向中央に位置するように所定の深さと幅を有する断面逆台形状の溝１４が羽根１３の長さ方向（羽根１３の突き合わせ側端面）に沿って設けられている。より詳細には、羽根１３は三次元的に捩れており、羽根１３と突き合わされる側板１２の反突き合わせ側の面（外側面）に、底部１４ａが羽根１３と直交するように溝１４が設けられ、羽根１３の板厚中心が溝１４の中心線９２と一致するように、心板１１及び羽根１３上に側板１２が乗せ置かれて、仮付け溶接により固定されている。
【００３０】
また、本実施形態で使用されるレーザ溶接装置１は、前記溝１４の長さ方向に沿って移動可能な装置本体部２、該装置本体部２に支持固定された二重管構造のノズル（シールドガスノズル２２及び該ノズル２２内に配在された金属粉末供給ノズル２３）等を備えている。装置本体部２は、図１、図２に示される如くに、溝１４の底部１４ａの幅方向中央部に向けてレーザ光２１を照射する。該レーザ光２１は、前記溝１４の底部１４ａ上に形成される集光部２１１の形状が細長方形（例えば、幅１ｍｍ、長さ１０ｍｍ）となるように、また、集光部２１１の長辺が溝１４の長さ方向に対して平行ないし所定の傾斜角度を持つように、前記装置本体部２においてレンズ等で調節されている。また、前記二重管構造のノズルは、詳細には、前記集光部２１１の側方からレーザ光２１の照射方向と異なる角度で前記集光部２１１に溶加材としての金属粉末８を不活性ガスの流れに乗せて供給する金属粉末供給ノズル２３と、該金属粉末供給ノズル２３から供給される金属粉末を含んだ不活性ガスの噴流の外周を囲むように流速の異なる不活性ガスを噴出するシールドガスノズル２２とからなっている。
【００３１】
かかるレーザ溶接装置１を用いて、羽根１３と側板１２とを次のようにして溶接する。
【００３２】
まず、第一の工程として、図１（Ａ）及び図２（Ａ）に示される如くに、レーザ光２１の集光部２１１を、その長辺が溝１４の長さ方向に対して平行となる状態で、溝１４の底部１４ａの幅方向中央部（中心線９２上）に位置させ、溝１４の長さ方向に沿って走査することにより、溝１４の底部１４ａと羽根１３の端部とを裏波溶接する。
【００３３】
本例では、シールドガスノズル２２は集光部２１１の側方（溶接方向で見ると後方）に配置され、羽根車１０の外周側から中心に向かってレーザ光２１を走査するようにされる。この場合、集光部２１１の長辺側の中心線９１を溝１４の中心線９２と一致させるようにレーザ光２１（装置本体部２）を所定の速度で移動させる。また、この走査時（レーザ光照射中）に、シールドガスノズル２２から、大気雰囲気による酸化を防止すべく、溶融部（溶接点）に向けて不活性ガスの一種であるアルゴンガス７を吹き付けるようにされる。なお、このときは、金属粉末供給ノズル２３からの金属粉末の供給は行わない。
【００３４】
上記のようにして、レーザ溶接装置１を用いて裏波溶接を行うと、図２（Ａ）に示される如くに、溝１４に対して縦長の溶融池６（平面視涙滴形）が形成され、溶融金属の羽根１３側、側板１２の裏面側への濡れ拡がりが促進されて、羽根１３の突き合わせ側端部（上端部）の両側に、内方側に凹んだ曲面（Ｒ形状）を有する裏波ビード４が形成される。本願発明者等の実験によれば、溝１４の幅を羽根１３の厚さの２倍以上、溝１４の底の厚さを羽根１３の厚さ以下とすることで、羽根車使用時の応力集中を充分に緩和できる、半径が羽根１３の厚さ以上の凹形曲面を有する裏波ビード４の形成が可能であった。
【００３５】
上記のように、本実施形態の溶接方法及び溶接装置を用いて製作される羽根車１０は、羽根１３に突き合わせられる側板１２の反突き合わせ側の面に設けられた溝１４の底部１４ａが前記羽根１３の端部に裏波溶接されて、該裏波溶接によるビード部分４が内方側に凹んだ曲面となり、このため、羽根車使用時の応力集中を充分に緩和することができる。
【００３６】
このようにして、裏波溶接を行った後は、第二の工程として、図１（Ｂ）及び図２（Ｂ）に示される如くに、前記溝１４の底部１４ａにレーザ光２１を走査しながら溶融部６に溶加材８を供給して肉盛溶接を行う。
【００３７】
この肉盛溶接工程では、シールドガスノズル２２は集光部２１１の側方（溶接方向で見ると前方）に配置され、羽根車１０の外周側から中心に向かってレーザ光２１を走査するようにされる。この場合、図２（Ｂ）に示される如くに、集光部２１１の寸法形状は、幅１ｍｍ、長さ１０ｍｍの細長方形とされ（裏波溶接工程と同じ）、集光部２１１の長辺側の中心軸９１を溝１４の中心線９２と直交させるようにされる。また、大気雰囲気による酸化を防止すべく、シールドガスノズル２２から溶融部（溶接点）に向けて不活性ガスの一種であるアルゴンガス７を吹き付けるとともに、シールドガスノズル２２内部に配在された金属粉末供給ノズル２３から溶融部に向けて溶加材である金属粉末８を吹きつけて供給し、肉盛溶接を行う。なお、金属粉末８の材質は共金、つまり、心板１１、側板１２、及び羽根１３と同じ材質（例えばＳＵＳ４１０）である。
【００３８】
図３（Ｂ）に金属粉末供給ノズル２３の先端部２３１の断面構造の一例を示す。本例では、金属粉末流路２３２を先端部２３１で金属粉末供給ノズル２３の中心軸２３４から１５°曲げ、かつ、噴出口２３３に向かってその流路断面積が次第に小さくなるように（先細り状に）されている。
【００３９】
このような構成のもとで肉盛溶接を行うことにより、噴出された後の金属粉末８の拡がりが抑制され、金属粉末８が効率良く溶融部に溶着する。この結果、レーザ光２１と側板１２との間の隙間空間が狭く、金属粉末供給ノズル２３の中心軸２３４が集光部２１１に直線的に向くように配置することができない場合にも、金属粉末供給ノズル２３と溝底上の集光部２１１との距離を５０ｍｍ以上離すことができ、かつ、金属粉末供給ノズル２３がレーザ光２１や心板１１、側板１２と接触することなく肉盛溶接を行うことが可能となる。
【００４０】
また、集光部２１１の長辺側の中心軸９１を溝１４の中心線９２と直交させるようにして走査することより、溝１４に対して幅広（横長楕円状）の溶融池６が形成され、ビード幅の大きい肉盛ビード５が得られ、効率の良い肉盛溶接が実現される。溝１４の幅が１０ｍｍ以下の場合には、１層当たり１パス、１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下の場合には１層当たり２パスの施工で、溝深さ１０ｍｍ当たり５層以下での肉盛が可能であった。
【００４１】
なお、複数枚の羽根１３に対する施工順序は、まず全ての羽根１３に対して第一の工程の裏波溶接を行った後、第二の工程の肉盛溶接を行うことが好ましい。第二の工程の肉盛溶接は、一つの羽根１３に対して複数のパスが必要であるが、それぞれの羽根１３に対して１パスずつ、もしくは１層ずつ順番に施工を行うと、局部的な溶接変形の防止に効果的である。実際に溶接を行った羽根車１では、溶接前の基準面に対し、羽根車１の直径との比率で０．５％未満の溶接変形に抑制されていた。
【００４２】
以上のように、本実施形態の羽根車の溶接方法及び溶接装置によれば、羽根１３に溶接すべき側板１２に溝１４を設け、この溝１４の底部にレーザ光２１を所定の態様で照射して溶融させ、裏側に形成されるビード部分４が内方側に凹んだ曲面となるように、溝１４の底部１４ａと羽根１３の端部とを裏波溶接するようにされるので、羽根車使用時の応力集中を充分に緩和することができるとともに、裏波ビードの仕上げ加工を省略ないし簡素化することが可能となり、生産性を向上できる。
【００４３】
また、前記のように溝１４を設けて裏波溶接を行った後に、レーザ光２１の集光部２１１を裏波溶接時とは溝の長さ方向に対して異なる傾斜角度をもって走査しながら溶融部に金属粉末（溶加材）８を供給して肉盛溶接を行うようにされるので、溶接継手部に所要の強度を確保できるとともに、肉盛溶接の施工効率の向上、溶接入熱の総量の低減、溶接変形の緩和等も図ることができ、さらに、変形防止材、裏当て材等も不要となるので、生産性を一層向上できる。
【００４４】
また、本実施形態の溶接装置１では、レーザ光２１の集光部２１１の側方からレーザ光の照射方向と異なる角度でシールドガス７や溶加材８を供給するようにされるので、羽根１３が三次元的な捩れを有する、いわゆる三次元羽根車１０であっても、シールドガスを供給するノズル２２や溶加材を供給するノズル２３等の溶接装置部分と羽根車１０との干渉を確実に回避できて、効率よく適切に溶接を行うことができる。
【００４５】
図４、図５、図６は、本発明に係る羽根車の溶接方法及び溶接装置の第２実施形態の説明に供される図である。
【００４６】
本実施形態は、複数枚の羽根１３と、羽根を有さない心板１１及び側板１２とを備えた羽根車１０’において、前記羽根１３と心板１１並びに前記羽根１３と側板１２とを接合する場合に適用される。羽根１３と心板１１の接合と羽根１３と側板１２の接合は基本的には同じである（心板１１にも予め溝１４を設ける）ので、以下においては、前述した実施形態と同様に羽根１３と側板１２とを接合する場合を説明する。また、羽根車１０’並びに溶接装置１の基本構成も前述した実施形態と略同じであるので、以下においては、同一構成及び同一機能部分には同じ符号を付して重複説明を省略し、相違点を重点的に説明する。
【００４７】
本実施形態では、集光部２１１の寸法形状は、幅０．５ｍｍ、長さ１２ｍｍの細長方形とされ、第一の工程である裏波溶接時においては、図５（Ａ）に示される如くに、集光部２１１の長辺側の中心軸９１と溝１４の中心線９２のなす角度が０〜１０°の範囲となるようにされる。なお、本実施形態においても、心板１１、側板１２、羽根１３の材質は同じで、例えばＳＵＳ６３０とされる。かかる構成のもとで、前記実施形態と同様にレーザー光２１を溝１４の底部１４ａに照射して走査すると、溝の底部１４ａに対して縦長の溶融池６が形成され、溶融金属の羽根１３側、側板１２の裏面側への濡れ拡がりが促進されて、内方側に凹んだ曲面を有する裏波ビード４が形成される。溝１４の幅を羽根１３の厚さの２倍以上、溝１４の底の厚さを羽根１３の厚さ以下とすることで、半径が羽根１３の厚さ以上の凹形曲面を有する裏波の形成が可能であった。
【００４８】
また、第二の工程である肉盛溶接工程では、集光部２１１の長辺側の中心軸９１と溝１４の中心線９２のなす角度が８０〜９０°の範囲となるようにして、羽根車１０’の外周側から中心に向かってレーザ光２１を走査する。これに加え、シールドガスノズル２２から溶融部（溶接点）に向けてアルゴンガス７を吹き付けるとともに、シールドガスノズル２２内部に配在された金属粉末供給ノズル２３から溶融部に向けてアルゴンガスと共に溶加材である金属粉末８を吹きつけて供給し、肉盛溶接を行う。
【００４９】
なお、金属粉末供給ノズル２３の先端部２３１は、図６に断面構造が示されているように、金属粉末流路２３２を噴出口２３３に向かって流路断面積が次第に小さくなるように（先細り状に）されている。これにより、噴出された後の金属粉末８の拡がりが抑制され、金属粉末８が効率良く溶融部に溶着する。この結果、金属粉末供給ノズル２３と集光部２１１とを５０ｍｍ以上離間させることができ、側板１２と金属粉末供給ノズル２３がと接触干渉することなく肉盛溶接を行うことが可能となる。
【００５０】
また、シールドガスノズル２２の先端部（出口）２２１を、図４（Ｂ）に示される如くに、スプリング状の弾性撓曲部材２２３を介して装置本体部２に支持させることで、装置本体部２の移動軌跡に誤差が生じ、シールドガスノズル先端部２２１が心板１１や側板１２と接触した場合に、シールドガスノズル先端部２２１のみが折れ曲がり、金属粉末供給ノズル２３の位置が変化しないようにできる。シールドガスノズル先端部２２１が心板１１や側板１２と離れると、弾性撓曲部材２２３の元の形状に戻り、シールドガス先端部２２１は元の設定位置に復帰する。この結果、溝底上の集光部２１１に安定して金属粉末８を供給することが可能となる。
【００５１】
実際に溶接を行った羽根車１０’では、溶接前の基準面に対し、羽根車の直径との比率で０．５％未満の溶接変形に抑制されていた。
【００５２】
このように、本第２実施形態の溶接方法及び溶接装置においても、前述した第１実施形態と略同様な作用効果が得られる。
【００５３】
なお、以上に説明した実施形態では、心板１１、側板１２、羽根１３の材質と溶加材である金属粉末８の材質を同じ（例えばＳＵＳ４１０、ＳＵＳ６３０）としたが、他の材料であってもよく、共金でない金属粉末を溶加材を使用しても構わない。また、溶加材は溶接棒や溶接ワイヤの形態であってもよい。シールドガス７及び金属粉末８のキャリアガスは窒素や他の不活性ガスを用いることも可能である。シールドガスノズル２２及び金属粉末供給ノズル２３の配置態様は、溶接（走査）方向に対して、前記実施形態と反対側であってもよい。また、集光部２１１の寸法形状は本実施形態と同じである必要はなく、また、集光部は、ダイレクト半導体レーザや、ビーム整形光学系と溶接用の各種レーザと組み合わせで得ることが可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１ 溶接装置
２ 装置本体部
４ 裏波ビード
５ 肉盛ビード
６ 溶融池
７ アルゴンガス
８ 金属粉末
１０ 羽根車
１１ 心板
１２ 側板
１３ 羽根
１４ 溝
１４ａ 底部
２１ レーザ光
２１１ 集光部
２２ シールドガスノズル
２２１ ノズル先端部
２２２ ノズル本体
２２３ 弾性撓曲部材
２３ 金属粉末供給ノズル
２３１ 先端部
２３２ 流路
２３３ 噴出口
２３４ 中心軸
９１ 中心軸
９２ 溝の中心線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の羽根と、該羽根に溶接すべき心板、側板等の外装体とを備えた羽根車の溶接方法であって、前記羽根に突き合わせられる外装体の反突き合わせ側の面に、前記羽根に向けて所定の深さと幅を有する溝を設け、該溝の底部にレーザ光を照射して、裏側に形成されるビード部分が内方側に凹んだ曲面となるように、前記溝の底部と前記羽根の端部とを裏波溶接する第一の工程と、該第一の工程が完了した後、前記溝の底部に前記レーザ光を走査しながら溶融部に溶加材を供給して肉盛溶接を行う第二の工程と、を有することを特徴とする羽根車の溶接方法。
【請求項２】
前記溝を、前記羽根の突き合わせ側端部が平面視で幅方向中央に位置するように、前記羽根の長さ方向に沿って設け、前記レーザー光の集光部を前記溝の底部の幅方向中央部を通るように走査することを特徴とする請求項１に記載の羽根車の溶接方法。
【請求項３】
前記レーザ光の集光部が細長方形ないし長楕円形状とされ、前記第一の工程では、前記集光部の長辺もしくは長軸を前記溝の長さ方向に対して平行ないし所定角度傾斜させた状態で前記溝の長さ方向に沿って走査し、前記第二の工程では、前記集光部の長辺もしくは長軸を前記溝の長さ方向に対して第一の工程とは異なる角度に傾斜させた状態で前記溝の長さ方向に沿って走査することを特徴とする請求項１又は２に記載の羽根車の溶接方法。
【請求項４】
複数枚の羽根が設けられた心板もしくは側板と、羽根が設けられていない側板もしくは心板とを備えた羽根車の溶接方法であって、前記羽根に突き合わせられる側板もしくは心板の反突き合わせ側の面に、前記羽根の突き合わせ側端部が平面視で幅方向中央に位置するように所定の深さと幅を有する溝を設け、該溝の底部の幅方向中央部を、集光部が細長方形ないし長楕円形状となるレーザー光でその長さ方向に沿って走査することにより、前記溝の底部と前記羽根の端部とを裏波溶接する第一の工程と、該第一の工程が完了した後に、前記集光部の長辺もしくは長軸を前記溝の長さ方向に対して第一の工程とは異なる角度に傾斜させた状態で前記溝の長さ方向に沿って走査しながら溶融部に溶加材を供給して肉盛溶接を行い、前記溝を埋め戻す第二の工程と、を有することを特徴とする羽根車の溶接方法。
【請求項５】
心板、側板、及び複数枚の羽根を備えた羽根車の溶接方法であって、前記羽根に突き合わせられる側板もしくは心板の反突き合わせ側の面に、前記羽根の突き合わせ側端部が平面視で幅方向中央に位置するように所定の深さと幅を有する溝を設け、該溝の底部の幅方向中央部を、集光部が細長方形ないし長楕円形状となるレーザー光でその長さ方向に沿って走査することにより、前記溝の底部と前記羽根の端部とを裏波溶接する第一の工程と、該第一の工程が完了した後に、前記集光部の長辺もしくは長軸を前記溝の長さ方向に対して第一の工程とは異なる角度に傾斜させた状態で前記溝の長さ方向に沿って走査しながら溶融部に溶加材を供給して肉盛溶接を行い、前記溝を埋め戻す第二の工程と、を有することを特徴とする羽根車の溶接方法。
【請求項６】
前記第一の工程では、前記溝の長さ方向に対して前記集光部の長辺もしくは長軸が平行となる状態で走査し、前記第二の工程では、前記溝の長さ方向に対して前記集光部の長辺もしくは長軸が直交する状態で走査することを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の羽根車の溶接方法。
【請求項７】
溶接部を大気雰囲気からシールドすべく、前記集光部の側方から不活性ガスを溶接点に吹き付けるとともに、該不活性ガスの噴流内を通して溶加材を溶融部に供給することを特徴とする請求項１、４、又は５に記載の羽根車の溶接方法。
【請求項８】
溶接部を大気雰囲気からシールドすべく、前記集光部の側方から不活性ガスを溶接点に吹き付けるとともに、該不活性ガスの噴流内に流速の異なるもう一つの不活性ガスの流れを形成し、この噴流内の不活性ガスの流れに乗せて溶加材としての金属粉末を溶融部に供給することを特徴とする請求項１、４、又は５に記載の羽根車の溶接方法。
【請求項９】
細長方形ないし長楕円形状の集光部を生成するレーザ照射装置と、前記集光部の側方からレーザ光の照射方向と異なる角度で前記集光部に溶加材を供給する溶加材供給ノズルと、該溶加材供給ノズルから供給される溶加材の外周を囲むように不活性ガスを噴出するシールドガスノズルと、を備えていることを特徴とする羽根車の溶接装置。
【請求項１０】
細長方形ないし長楕円形状の集光部を生成するレーザ照射装置と、前記集光部の側方からレーザ光の照射方向と異なる角度で前記集光部に溶加材としての金属粉末を不活性ガスの流れに乗せて供給する金属粉末供給ノズルと、該金属粉末供給ノズルから供給される金属粉末を含んだ不活性ガスの噴流の外周を囲むように流速の異なる不活性ガスを噴出するシールドガスノズルと、を備えていることを特徴とする羽根車の溶接装置。
【請求項１１】
前記金属粉末供給ノズルの内部に形成されている金属粉末を含んだ不活性ガスの流路の断面積が出口に向かって小さくなっていることを特徴とする請求項１０に記載の羽根車の溶接装置。
【請求項１２】
前記金属粉末供給ノズルの内部に形成されている金属粉末を含んだ不活性ガスの流路は、その向きが途中で変化せしめられていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の羽根車の溶接装置。
【請求項１３】
前記シールドガスノズルの出口は、弾性撓曲可能な部材を介して装置本体部に支持されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の羽根車の溶接装置。
【請求項１４】
複数枚の羽根と、該羽根に溶接すべき心板、側板等の外装体とを備えた羽根車であって、前記羽根に突き合わせられる外装体の反突き合わせ側の面に設けられた溝の底部が前記羽根の端部に裏波溶接されて、該裏波溶接によるビード部分が内方側に凹んだ曲面となっていることを特徴とする羽根車。
【請求項１】
複数枚の羽根と、該羽根に溶接すべき心板、側板等の外装体とを備えた羽根車の溶接方法であって、前記羽根に突き合わせられる外装体の反突き合わせ側の面に、前記羽根に向けて所定の深さと幅を有する溝を設け、該溝の底部にレーザ光を照射して、裏側に形成されるビード部分が内方側に凹んだ曲面となるように、前記溝の底部と前記羽根の端部とを裏波溶接する第一の工程と、該第一の工程が完了した後、前記溝の底部に前記レーザ光を走査しながら溶融部に溶加材を供給して肉盛溶接を行う第二の工程と、を有することを特徴とする羽根車の溶接方法。
【請求項２】
前記溝を、前記羽根の突き合わせ側端部が平面視で幅方向中央に位置するように、前記羽根の長さ方向に沿って設け、前記レーザー光の集光部を前記溝の底部の幅方向中央部を通るように走査することを特徴とする請求項１に記載の羽根車の溶接方法。
【請求項３】
前記レーザ光の集光部が細長方形ないし長楕円形状とされ、前記第一の工程では、前記集光部の長辺もしくは長軸を前記溝の長さ方向に対して平行ないし所定角度傾斜させた状態で前記溝の長さ方向に沿って走査し、前記第二の工程では、前記集光部の長辺もしくは長軸を前記溝の長さ方向に対して第一の工程とは異なる角度に傾斜させた状態で前記溝の長さ方向に沿って走査することを特徴とする請求項１又は２に記載の羽根車の溶接方法。
【請求項４】
複数枚の羽根が設けられた心板もしくは側板と、羽根が設けられていない側板もしくは心板とを備えた羽根車の溶接方法であって、前記羽根に突き合わせられる側板もしくは心板の反突き合わせ側の面に、前記羽根の突き合わせ側端部が平面視で幅方向中央に位置するように所定の深さと幅を有する溝を設け、該溝の底部の幅方向中央部を、集光部が細長方形ないし長楕円形状となるレーザー光でその長さ方向に沿って走査することにより、前記溝の底部と前記羽根の端部とを裏波溶接する第一の工程と、該第一の工程が完了した後に、前記集光部の長辺もしくは長軸を前記溝の長さ方向に対して第一の工程とは異なる角度に傾斜させた状態で前記溝の長さ方向に沿って走査しながら溶融部に溶加材を供給して肉盛溶接を行い、前記溝を埋め戻す第二の工程と、を有することを特徴とする羽根車の溶接方法。
【請求項５】
心板、側板、及び複数枚の羽根を備えた羽根車の溶接方法であって、前記羽根に突き合わせられる側板もしくは心板の反突き合わせ側の面に、前記羽根の突き合わせ側端部が平面視で幅方向中央に位置するように所定の深さと幅を有する溝を設け、該溝の底部の幅方向中央部を、集光部が細長方形ないし長楕円形状となるレーザー光でその長さ方向に沿って走査することにより、前記溝の底部と前記羽根の端部とを裏波溶接する第一の工程と、該第一の工程が完了した後に、前記集光部の長辺もしくは長軸を前記溝の長さ方向に対して第一の工程とは異なる角度に傾斜させた状態で前記溝の長さ方向に沿って走査しながら溶融部に溶加材を供給して肉盛溶接を行い、前記溝を埋め戻す第二の工程と、を有することを特徴とする羽根車の溶接方法。
【請求項６】
前記第一の工程では、前記溝の長さ方向に対して前記集光部の長辺もしくは長軸が平行となる状態で走査し、前記第二の工程では、前記溝の長さ方向に対して前記集光部の長辺もしくは長軸が直交する状態で走査することを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の羽根車の溶接方法。
【請求項７】
溶接部を大気雰囲気からシールドすべく、前記集光部の側方から不活性ガスを溶接点に吹き付けるとともに、該不活性ガスの噴流内を通して溶加材を溶融部に供給することを特徴とする請求項１、４、又は５に記載の羽根車の溶接方法。
【請求項８】
溶接部を大気雰囲気からシールドすべく、前記集光部の側方から不活性ガスを溶接点に吹き付けるとともに、該不活性ガスの噴流内に流速の異なるもう一つの不活性ガスの流れを形成し、この噴流内の不活性ガスの流れに乗せて溶加材としての金属粉末を溶融部に供給することを特徴とする請求項１、４、又は５に記載の羽根車の溶接方法。
【請求項９】
細長方形ないし長楕円形状の集光部を生成するレーザ照射装置と、前記集光部の側方からレーザ光の照射方向と異なる角度で前記集光部に溶加材を供給する溶加材供給ノズルと、該溶加材供給ノズルから供給される溶加材の外周を囲むように不活性ガスを噴出するシールドガスノズルと、を備えていることを特徴とする羽根車の溶接装置。
【請求項１０】
細長方形ないし長楕円形状の集光部を生成するレーザ照射装置と、前記集光部の側方からレーザ光の照射方向と異なる角度で前記集光部に溶加材としての金属粉末を不活性ガスの流れに乗せて供給する金属粉末供給ノズルと、該金属粉末供給ノズルから供給される金属粉末を含んだ不活性ガスの噴流の外周を囲むように流速の異なる不活性ガスを噴出するシールドガスノズルと、を備えていることを特徴とする羽根車の溶接装置。
【請求項１１】
前記金属粉末供給ノズルの内部に形成されている金属粉末を含んだ不活性ガスの流路の断面積が出口に向かって小さくなっていることを特徴とする請求項１０に記載の羽根車の溶接装置。
【請求項１２】
前記金属粉末供給ノズルの内部に形成されている金属粉末を含んだ不活性ガスの流路は、その向きが途中で変化せしめられていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の羽根車の溶接装置。
【請求項１３】
前記シールドガスノズルの出口は、弾性撓曲可能な部材を介して装置本体部に支持されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の羽根車の溶接装置。
【請求項１４】
複数枚の羽根と、該羽根に溶接すべき心板、側板等の外装体とを備えた羽根車であって、前記羽根に突き合わせられる外装体の反突き合わせ側の面に設けられた溝の底部が前記羽根の端部に裏波溶接されて、該裏波溶接によるビード部分が内方側に凹んだ曲面となっていることを特徴とする羽根車。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１０１２８２（Ｐ２０１２−１０１２８２Ａ）
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２１９８（Ｐ２０１２−２１９８）
【出願日】平成２４年１月１０日（２０１２．１．１０）
【分割の表示】特願２００７−２６４７８３（Ｐ２００７−２６４７８３）の分割
【原出願日】平成１９年１０月１０日（２００７．１０．１０）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１月１０日（２０１２．１．１０）
【分割の表示】特願２００７−２６４７８３（Ｐ２００７−２６４７８３）の分割
【原出願日】平成１９年１０月１０日（２００７．１０．１０）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
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