(57)【要約】      （修正有）【課題】ガスタービンエンジンのロータに関し、溶接域の強度特性の向上および長い耐用寿命を特徴とする溶接ロータを製造する方法を提供する。【解決手段】ロータ軸に対して半径方向に延びる溶部を用いた従来の溶接プロセスによって２つ以上のロータディスク１を互いに接合し、その後で溶接域を所定の温度で熱処理して応力緩和によって残留引張応力を除去する、ガスタービンエンジンの溶接ロータの溶着部３を溶着部３に隣接する熱影響域２よりも大幅に低い非応力緩和温度レベルに設定させることで、大きな温度勾配の結果として、残留圧縮応力又は少なくとも実質的に低下した残留引張応力が溶着部に加わるようにする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ軸に対して半径方向に延びる溶着部（３）を用いた従来の溶接プロセスによって２つ以上のロータディスク（１）を互いに接合し、その後で所定の温度（Ｔrelaxation）で溶接域に熱処理を施して応力緩和によって残留引張応力を除去する、ガスタービンエンジンの溶接ロータ（５）を製造する方法であって、
熱処理中に前記溶着部（３）を、前記溶着部に隣接する熱影響域（２）よりも大幅に低い非応力緩和温度レベル（Ｔweld＜＜Ｔrelaxation）に設定させることで、大きな温度勾配の結果として、実質的に低下した残留引張応力、ひいては残留圧縮応力が前記溶着部（３）に加わることを特徴とする方法。
【請求項２】
最初に前記熱影響域（２）及び前記溶着部（３）の全領域を、残留引張応力を除去する温度（Ｔrelaxation）で熱処理した後で、両側で遮蔽される両方で熱影響を受ける前記影響域（２）のみを前記同じ温度（Ｔrelaxation）でさらに熱処理する一方で、前記溶着部をそれよりも低い前記温度レベル（Ｔweld）に冷却することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記溶着部の冷却及び前記溶着部隣接領域の加熱は、各隣接区域から遮蔽されて前記溶接域に沿って連続的に移動させられる少なくとも１つの冷媒ジェット及び少なくとも１つの加熱ジェットを用いて行われることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記冷媒ジェット及び前記加熱ジェットは、互いにずれた位置にあることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記冷媒ジェットは圧縮空気を用いて生成され、前記加熱ジェットはガス炎を用いて生成されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項６】
熱処理中の前記ロータ（５）は、連続回転運動に設定されることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記ロータの回転速度は、均一な周囲温度場をもたらす範囲内にあることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
最初に、前記熱影響域（２）及び前記溶着部（３）の全領域を、残留引張応力を除去する温度（Ｔrelaxation）で熱処理した後で、前記溶着部（３）のみをそれよりも低い前記温度レベル（Ｔweld）に冷却することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記溶着部（３）の冷却は、前記複数の隣接区域から遮蔽されて前記溶着部に沿って連続的に移動させられる少なくとも１つの冷媒ジェットを用いて行われることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
冷却処理中に、前記ロータ（５）は、前記溶着部の円周方向で均一な温度を確保する速度で回転させられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記冷媒ジェットは圧縮空気によって生成されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記溶着部に隣接する前記区域のみを、溶接直後に、前記ロータ（５）に対して連続的に移動する溶接ビームの集中エネルギーによって加熱して、その結果生じる温度勾配によって前記溶着部（３）に、残留圧縮応力又は少なくとも大幅に低下した残留引張応力を加えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ロータは、前記溶接ビームを用いた加熱中にその長手方向軸の周りで連続回転を行うことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記溶接ビームは電子ビームであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
互いに溶接される前記ロータディスク（１）は、Ｎｉ又はＴｉ基鍛造材でできており、前記熱処理温度（Ｔrelaxation）は、各残留応力プロファイルに従って、７００℃〜８００℃の範囲であり、冷却される前記溶着部の温度（Ｔweld）は、前記温度勾配を発生させるために約１５０℃低く設定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
当接する前記ロータディスク（１）は、電子ビーム溶接によって互いに接合されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータ軸に対して半径方向に延びる溶着部を用いた従来の溶接プロセスによって２つ以上のロータディスクを互いに接合し、その後で溶接域を熱処理して残留引張応力を除去する、ガスタービンエンジンの溶接ロータを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの圧縮機及びタービンはそれぞれ、ロータ（ロータドラム）を形成するように互いに接合されてエンジン軸の周りを高速で回転する複数のロータホイールを含み、ロータホイールは、ロータブレードが、その周囲から半径方向に延びているロータディスクを有する。ねじ接続によるロータに加えて、直接隣接しているロータディスクが従来の溶接プロセスによって作られる溶着部によって相互接触面に沿って互いに接続される、溶接接合によるロータが長い間知られている。ねじ接続に勝る溶接接合の利点は、軽量化、強度損失の低減、及びより有利な力の流れ、並びに設計の自由度である。個々のロータディスクを接合するのに用いられることが好ましい溶接プロセスは、電子ビーム溶接及び摩擦溶接である。代替的な溶接プロセスは、ごく一部の例を挙げると、レーザ溶接、超音波溶接、誘導溶接、イナートガス溶接、又は電気アーク溶接である。電子ビーム溶接プロセスは、エネルギー密度が高いことで材料への深い溶け込みが確保され、このプロセスで生じる溶接応力及びその結果生じる溶接物の歪みの危険が比較的小さいため、有利である。しかしながら、この溶接作用は、細粒又は粗粒それぞれの形成、及び結晶粒及び粒界それぞれにおける相の部分的な組織変態又は析出によって、溶接金属の両側に隣接する熱影響域の母材のミクロ組織を破壊する。電子ビーム溶接に関する別の弱点は、始点及び終点における溶接の重なり、及びそれに関連する不連続部があることである。さらに、別の主要問題は、溶接金属の冷却に起因した収縮、及びその結果生じる溶着部における円周方向残留引張応力である。材料品質が最悪で機械的特性が損なわれているこの領域は、動作時に、すなわち溶接ロータの高速回転中に高負荷を受けるため、溶接域の応力がさらに著しく大きくなる。熱影響域における組織変態及び析出と溶着部における残留引張応力とに関連する溶接ロータの強度低下及びその結果生じる耐用寿命の短縮を制限するために、熱影響域の強度低下溶接組織をなくして溶接域における残留引張応力を減らす溶接後熱処理をロータに施すことが知られている。しかしながら、熱処理後でも、エンジンの停止時、さらにはエンジンの動作時のロータの回転中の両方で、引張応力は溶接ロータの耐用寿命を縮めるほど依然として大きい。
【０００３】
広範な態様では、本発明は、溶接域の強度特性の向上及び長い耐用寿命を特徴とする溶接ロータを製造する方法を提供する。
【発明の概要】
【０００４】
特許請求項１の特徴による方法によって、上記問題への解決手段を提供することが本発明の特定の目的である。本発明の有利な発展形態は、従属請求項から明らかとなる。
【０００５】
所定の温度（Ｔrelaxation）で溶接域に溶接後熱処理を施して応力緩和によって残留引張応力を除去する、ガスタービンエンジンの溶接ロータを製造する既知の方法に基づき、本発明は本質的に、熱処理中に溶着部の温度を溶着部に隣接する熱影響域よりも大幅に低い非応力緩和温度レベル（Ｔweld＜＜Ｔrelaxation）に低下させることで、大きな温度勾配の結果として、残留圧縮応力又は少なくとも実質的に低下した残留引張応力が溶着部に加わることにより、この動作時に高負荷がかかる脆弱点における強度特性を大幅に向上させると共に、こうして生産されたロータの耐用寿命を大幅に延ばす。さらに、本発明による熱処理を、非常に大きな円周方向引張応力を受ける非溶接円周方向ロータ区域に対して行って、その場所の引張応力を著しく低下させ、妥当な場合には圧縮応力も低下させることもできる。
【０００６】
本発明のさらなる実施の形態では、最初に、熱影響域及び溶着部の全領域を、残留引張応力を除去する温度（Ｔrelaxation）で熱処理した後で、両側で遮蔽される熱影響域のみを同じ温度（Ｔrelaxation）でさらに熱処理する一方で、溶着部をそれよりも低い温度レベル（Ｔweld）に冷却する。
【０００７】
溶着部の冷却及び溶着部隣接領域の加熱は、少なくとも１つの冷媒ジェット及び少なくとも１つの加熱ジェットを用いて行われる。加熱ジェット及び冷媒ジェットが遮蔽板を用いて各隣接区域から遮蔽されることにより、溶着部に向かって大きな温度勾配が効果的に得られる。冷媒ジェット及び加熱ジェットは、互いにずれた位置にある。均一な加熱又は冷却のために、外的条件（ロータ設計、ロータ材料、溶接パラメータ）に応じて数分間から数時間に及ぶ期間にわたって、実際には特に、均一な周囲温度場をもたらし同じく外的条件に応じた回転速度でロータがその長手方向軸の周りを回転することによって、冷媒ジェット及び加熱ジェットそれぞれは、溶接域に沿って連続的に移動させられる。
【０００８】
本発明の発展形態では、冷媒ジェットは、圧縮空気を用いて生成され、加熱ジェットは、好ましくはアセチレンバーナによって提供されるガス炎を用いて生成される。
【０００９】
溶接域における温度勾配の発生を特徴とする本発明の根底にある概念の有利な発展形態では、最初に、熱影響域及び溶着部の全域を、残留引張応力を除去する温度（Ｔrelaxation）で熱処理した後で、溶着部のみをそれよりも低い温度（Ｔweld）に冷却することができる。この場合、熱影響域における付加的な熱放射器は不要であり、溶着部のみが、好ましくは圧縮空気の形態の、隣接区域に向かって遮蔽されて溶着部に沿って連続的に移動させられる少なくとも１つの冷媒ジェットを用いて冷却される。
【００１０】
冷却処理中に、ロータはさらに、溶着部の円周方向で均一な温度を確保する速度で回転させられる。
【００１１】
大きな温度勾配をつけた熱処理である本発明の根底にある概念のさらに別の有利な発展形態では、溶着部の両側に隣接する区域のみを、溶接直後に、すなわち溶着装置内にまだあるうちに、ロータに対して連続的に移動する溶接ビームの集中エネルギーによって加熱して、その結果生じる温度勾配によって溶着部に残留圧縮応力を加えることにより、溶接域の強度特性を向上させる。溶着部を除いた集中エネルギーの導入のために、電子ビームを用いて加熱が行われることが好ましい。この区域の均一な加熱は、ロータがその長手方向軸の周りを連続的に回転することによって確保される。
【００１２】
溶接域で発生する温度を制御するために、溶接域の方を向いている熱画像カメラが設けられる。温度は、冷媒放射器及び熱放射器を適当に設定することによって、且つロータの回転速度に応じて、制御可能である。
【００１３】
互いに溶接されるロータディスクが、Ｎｉ又はＴｉ基鍛造材でできている場合、熱処理温度（Ｔrelaxation）は、各残留応力プロファイルに従って、７００℃〜８００℃の範囲にすることができ、冷却される溶着部の温度（Ｔweld）は、温度勾配を発生させるために約１５０℃低く設定することができる。
【００１４】
本発明は、多くの従来の溶接プロセスに基づいて適用することができる。好ましくは、当接するロータディスクが電子ビーム溶接によって互いに接合される。大きな温度勾配の発生に基づくこのタイプの熱処理は、非常に大きな円周方向引張応力を受ける非溶接ロータ区域でも有利である。
【００１５】
好ましい実施形態を示す添付図面に照らして、本発明をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】温度勾配をつけない技術水準に従って熱処理されたロータの溶接域における応力分布のグラフである。
【図２】本発明に従って製造された溶接ロータにおける応力分布のグラフである。
【図３】互いに溶接された複数のロータディスクから成るロータの溶接熱処理用の装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、溶着部３の領域及びその両側に隣接する域で電子ビーム溶接によって互いに接合されている２つのロータディスク１における応力分布を示す。鍛造ロータディスク１は、高耐熱ニッケル基鍛造材、本例ではＩＮＣＯ７１８でできている。溶接後に７６０℃で４時間行われる技術水準に従った熱処理（ＰＷＨＴ：溶接後熱処理）は、溶着部３に隣接する熱影響域２の結晶粒及び粒界における脆性相の析出を防ぐ。さらに、溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）は、参照符号４で示す残留引張応力を溶着部３の領域において約８００ＭＰａから３９５ＭＰａの値まで減らすことを可能にする。しかしながら、エンジンの動作時には、溶接域の応力分布は、高遠心力によって図１に示す上レベルまで上昇するため、残留引張応力の最大値は、約１０００ＭＰａになる。しかしながら、これは、溶接域における残留引張応力４が依然として非常に大きく、こうして生産された溶接ロータ５の耐用寿命がそれに従って短いことを意味する。
【００１８】
したがって、上記のＰＷＨＴプロセスに従って熱処理された溶接ロータ５に、その後さらなる熱処理を施すが、その際、ロータ５を回転テーブル９の上に設置してその長手方向軸の周りを回転させながら、溶着部３に隣接しており各幅が熱影響域２の材料の厚さ又は熱影響域２の各幅の約２倍である局部的に限定した区域のみを、ガスバーナの形態の熱放射器６を用いて７６０℃に加熱する。両側に対する（ガスバーナのガス炎の）各熱ジェットの遮蔽は、遮蔽要素７によって行われるため、実際には溶着部３に隣接する区域のみが加熱され、応力緩和及び樹脂加工によるプロセスで応力が除去される。同時に、溶着部３は、９０度ずれた冷媒放射器８（圧縮空気放射器）を用いて冷却されることにより、６１０℃の温度に保たれるため、図２に示すように、溶接プロセスの温度条件とは逆の温度条件、すなわち低温の溶着部及び高温の両側に隣接する熱影響域２の温度条件を適用することによって、残留応力プロファイルが逆になり、溶着部３において残留圧縮応力１０が発生して、溶接域における応力レベルが全体として実質的に低下する。これは、エンジンの動作状態でも高負荷の溶接域における応力状態が変わって除去されることにより、エンジンロータの耐用寿命を実質的に延ばすことができることを意味する。
【００１９】
溶着部３を別個に冷却して、すなわち、溶着部３とそれに隣接する領域（熱影響域２）との間の温度勾配を大きくして、溶着部に隣接する狭い領域に限定した第２の熱処理の持続時間は、本例では約３０分間である。
【００２０】
上述のように、ロータ５すなわち溶着部３の回転中に、溶接域の局部熱処理又は冷却をそれぞれ行うことで、円周方向の温度勾配がごくわずかである熱の均一な導入が確保される。この目的で、溶接ロータ５は、溶接域が熱処理／冷却される前にすでに回転運動させられている。ロータ５の回転速度は、本例では約２回転／秒である。熱放射器６及び冷媒放射器８並びに回転テーブル９の回転速度によって制御可能である熱処理／冷却部の温度設定は、ロータ５の各溶接域の方を向いている熱画像カメラ１１を用いて検査される。
【００２１】
本発明は、上記の例に限定されない。ロータ５の材料及び設計並びに各溶接パラメータに応じて、回転速度は、１〜１０回転／秒の範囲とすることができ、大きな温度勾配で実施される熱処理は、数分間〜数時間の持続時間を有し、熱処理／冷却は当然ながら各材料に合わせて調整された温度で実行される。ガスバーナ（熱放射器）、圧縮空気放射器（冷媒放射器）、及び遮蔽板に加えて、他の加熱手段、冷却手段、及び遮蔽手段を用いて、溶着部において低下する温度勾配及びそれによって溶着部において発生する圧縮応力を得ることもできる。例えば、溶着部３の両側に配置される環状の熱放射器を、個々の熱放射器の代わりに設けることもできる。
【００２２】
第１の変形形態では、溶着部３の冷却のみを、溶接域全体の既知の溶接後熱処理の直後に、すなわち、溶着部の縁にそれ以上熱を供給せずに、上記の方法で実施することにより、溶着部に圧縮応力を加える。
【００２３】
溶着部３の温度を２つの接合されたロータディスク１の溶着部隣接縁（熱影響域２）の温度未満に低下させ、それにより溶着部３に圧縮応力を加える方法の別の変形形態では、溶接直後に、すなわち溶接装置内にまだあるうちに、接合されたロータディスク１の溶着部隣接縁区域のみを、この場合は溶着部の作製にも用いられる電子ビームを用いて加熱する。ロータディスクの縁区域と溶着部との間の大きな温度勾配が溶接プロセスの温度勾配とは逆であるため、溶着部に残留圧縮応力が加わることにより、ロータディスク間の溶接接合の耐久性が高くなると共にロータの耐用寿命が延びる。
【００２４】
上記の変形形態は、電子ビーム溶接に基づいて説明されている。当然ながら、本発明は、エンジンロータのディスクを接合するのに適した他の溶接プロセスと共に適用可能でもある。
【符号の説明】
【００２５】
１  ロータディスク
２  熱影響域
３  溶着部
４  従来の熱処理後の残留引張応力
５  ロータ
６  熱放射器、ガスバーナ
７  遮蔽要素、遮蔽板
８  冷媒放射器、圧縮空気放射器
９  回転テーブル
１０  残留圧縮応力
１１  熱画像カメラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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