(57)【要約】【課題】バリの発生を抑制し、大型の金属部材でも、金属部材に付与する圧力を低減できる金属部材の摩擦圧接方法及び発電設備用部材を提供する。【解決手段】実施形態の金属部材の摩擦圧接方法は、第１及び第２の金属部材を摩擦圧接で接合する方法であり、前記第１及び第２の部材を同軸上に保持する工程Ｓ１と、前記第１及び第２の部材の接合端面を突き合わせ、前記第１又は第２の部材を回転し、前記第１及び第２の部材の少なくとも一方の部材を他方の部材に軸方向に加圧し、前記第１及び第２の部材の接合端面温度が一定になるまで前記接合端面を摩擦発熱させる工程Ｓ２と、前記部材の回転と加圧を続け、前記接合端面上の酸化被膜を消失させる工程Ｓ３と、前記部材の回転を止め、前記摩擦発熱工程以上の圧力で、前記第１及び第２の部材の少なくとも一方の部材を加圧し、前記第１及び第２の部材を接合する工程Ｓ４とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の金属部材と第２の金属部材とを摩擦圧接によって接合する金属部材の摩擦圧接方法において、
前記第１の金属部材と前記第２の金属部材とを同軸上に保持する工程と、
前記第１の金属部材の接合端面と前記第２の金属部材の接合端面とを突き合わせ、前記第１の金属部材または前記第２の金属部材を回転すると共に、前記第１の金属部材および前記第２の金属部材の少なくとも一方の金属部材を他方の金属部材に軸方向に加圧し、前記第１の金属部材の接合端面の温度と前記第２の金属部材の接合端面の温度とが一定になるまで、前記第１の金属部材の接合端面と前記第２の金属部材の接合端面とを摩擦発熱させる工程と、
前記第１の金属部材または前記第２の金属部材の回転と前記第１の金属部材および前記第２の金属部材の少なくとも一方の金属部材の加圧とを継続し、一定温度に加熱している状態の、前記第１の金属部材の接合端面上の酸化被膜と前記第２の金属部材の接合端面上の酸化被膜とを消失させる工程と、
前記第１の金属部材または前記第２の金属部材の回転を停止し、前記摩擦発熱させる工程における圧力以上の圧力で、前記第１の金属部材および前記第２の金属部材の少なくとも一方の金属部材を他方の金属部材に軸方向に加圧し、前記第１の金属部材の接合端面と前記第２の金属部材の接合端面とを接合する工程と
を有することを特徴とする金属部材の摩擦圧接方法。
【請求項２】
前記酸化被膜を消失させる工程において、前記第１の金属部材または前記第２の金属部材を回転する時間は２００秒以上１０００秒以下であり、前記第１の金属部材および前記第２の金属部材の少なくとも一方の金属部材を他方の金属部材に加圧する圧力は５ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１に記載の金属部材の摩擦圧接方法。
【請求項３】
前記接合端面を接合する工程において、前記第１の金属部材および前記第２の金属部材の少なくとも一方の金属部材を加圧する、圧力は５ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下であり、時間は８０秒以上１５００秒以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の金属部材の摩擦圧接方法。
【請求項４】
前記接合端面を接合する工程において、前記第１の金属部材および前記第２の金属部材の少なくとも一方の金属部材を他方の金属部材に軸方向に加圧すると共に、前記第１の金属部材の接合端面および前記第２の金属部材の接合端面の少なくとも一方の接合端面を非接触加熱することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の金属部材の摩擦圧接方法。
【請求項５】
前記接合端面を接合する工程において、前記第１の金属部材の接合端面および前記第２の金属部材の接合端面の少なくとも一方の接合端面を加熱する、時間は１時間以上２０時間以下であり、温度は５００℃以上であることを特徴とする請求項４に記載の金属部材の摩擦圧接方法。
【請求項６】
前記接合端面を接合する工程において、前記第１の金属部材および前記第２の金属部材の少なくとも一方の金属部材が加熱される領域は、該金属部材の長手方向の長さの２０％以下であることを特徴とする請求項４または５に記載の金属部材の摩擦圧接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、金属部材の摩擦圧接方法および発電設備用部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属部材を接合する方法として、摩擦圧接が提案されている。摩擦圧接とは、一対の金属部材の接合端面を互いに接触させ、金属部材間の加圧と相対運動によって生じる摩擦熱とを利用して、金属部材の接合端面を圧接する技術である。金属部材間の相対運動には、例えば、金属部材の接合端面における、接合端面に垂直な軸を中心とした回転運動や、接合端面に平行な方向の往復運動などがある。
【０００３】
このような摩擦圧接は、極めて短時間に金属部材を接合できる上、溶加材を必要としないので、金属部材の接合コストが低い。また、摩擦圧接は、溶融プロセスを利用した溶接では接合困難な異種材料を接合できるので、摩擦圧接の応用分野は広い。そのため、摩擦圧接は、自動車用のバルブなど、多くの小型の機械部品に適用されている。
【０００４】
このように、摩擦圧接によって接合される金属部材は、例えば過給機用のタービンロータなど、直径１００ｍｍ程度までの比較的小径の丸棒や中空棒が一般的である。また近年では、金属部材の大型化を目指して、金属部材の接合端面を非接触加熱しながら加圧する摩擦圧接を、火力発電プラントや原子力発電プラントに使用される配管やタービンロータ構造物の製造への適用を目指す動きもある。
【０００５】
摩擦圧接は、一般的に、一対の金属部材を突き合わせた後、一方の金属部材を回転させながら、他方の金属部材を一方の金属部材に加圧させて、金属部材間の接合端面を摩擦発熱させる。このとき、一定の圧力が金属部材に付与されており、金属部材の回転時間の増加に伴って、接合端面の加熱温度は高くなる。また、摩擦発熱時、接合端面には酸化被膜が形成される。この酸化被膜は、摩擦圧接における接合端面の接合を阻害するものである。
【０００６】
そして、接合端面の温度が所定値以上の高温に到達した後、金属部材の回転を停止し、摩擦発熱時よりも大きい圧力で、他方の金属部材を一方の金属部材にさらに加圧させる。このときの大きな加圧力によって、接合端面の接合を阻害する酸化被膜がバリとして金属部材の外周側に排出される。酸化被膜を含むバリを排出した後の接合端面では、酸化被膜が除去されて、新生層が露出する。接合端面では新生層が互いに密接するため、金属部材が接合端面で接合する。また、金属部材の外周側に形成したバリは、研磨などによって除去される。
【０００７】
異材接合を対象とした摩擦圧接で形成されるバリの発生を抑制する目的として、例えば、高融点側の材料の接合端面を融点近傍まで加熱しながら、金属部材を加圧する。高融点側の材料の接合端面を加熱することによって、低融点側の材料の外周側に大量に発生するバリの量が抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３４００８０号公報
【特許文献２】特開２０１２−１１５８８４号公報
【特許文献３】特開平１０−２０２３７３号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】「炭素鋼の摩擦圧接に関する研究」、日本機械学会論文集（Ｃ編）、ｐ．１４０６−１４１４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記したように、摩擦圧接において新生層を露出させるためには、大きな圧力を金属部材に付与して、酸化被膜を含むバリを発生させる。大型の金属部材を接合する場合、接合端面の面積が大きくなるにつれて、金属部材の接合に必要な圧力は増加する。このように、大型の金属部材を接合するためには、大きな圧力を金属部材に付与するので、大型の金属部材の加圧を行う装置設備はこれまでよりも大型化する。
【００１１】
また、加圧時に接合端面を融点近傍まで加熱することによって、金属部材を接合するための圧力は低下する。しかしながら、接合端面を融点近傍まで加熱しても、バリを発生させるためには、金属部材の加圧時に大きな圧力が求められる。そのため、金属部材の加圧を行う装置設備を縮小することは容易ではなかった。
【００１２】
本発明が解決しようとする課題は、バリの発生を抑制すると共に、大型の金属部材であっても、金属部材に付与する圧力を低減することができる金属部材の摩擦圧接方法および発電設備用部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法は、第１の金属部材と第２の金属部材とを摩擦圧接によって接合する。この摩擦圧接方法は、前記第１の金属部材と前記第２の金属部材とを同軸上に保持する工程と、前記第１の金属部材の接合端面と前記第２の金属部材の接合端面とを突き合わせ、前記第１の金属部材または前記第２の金属部材を回転すると共に、前記第１の金属部材および前記第２の金属部材の少なくとも一方の金属部材を他方の金属部材に軸方向に加圧し、前記第１の金属部材の接合端面の温度と前記第２の金属部材の接合端面の温度とが一定になるまで、前記第１の金属部材の接合端面と前記第２の金属部材の接合端面とを摩擦発熱させる工程と、前記第１の金属部材または前記第２の金属部材の回転と前記第１の金属部材および前記第２の金属部材の少なくとも一方の金属部材の加圧とを継続し、一定温度に加熱している状態の、前記第１の金属部材の接合端面上の酸化被膜と前記第２の金属部材の接合端面上の酸化被膜とを消失させる工程と、前記第１の金属部材または前記第２の金属部材の回転を停止し、前記摩擦発熱させる工程における圧力以上の圧力で、前記第１の金属部材および前記第２の金属部材の少なくとも一方の金属部材を他方の金属部材に軸方向に加圧し、前記第１の金属部材の接合端面と前記第２の金属部材の接合端面とを接合する工程とを有する。
【発明の効果】
【００１４】
バリの発生を抑制すると共に、大型の金属部材であっても、金属部材に付与する圧力を低減することができる金属部材の摩擦圧接方法および発電設備用部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法によって接合する一対の金属部材を示す概略図である。
【図２】第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法の工程を示すフローシートである。
【図３】第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法の工程を示す概略図である。
【図４】第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法の工程を示す概略図である。
【図５】第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法における温度、回転速度、圧力と、回転時間との関係を示すグラフである。
【図６】第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法における接合端面近傍の状態を示す概略断面図である。
【図７】第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法における接合端面近傍の状態を示す概略断面図である。
【図８】第２の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法の工程を示すフローシートである。
【図９】第２の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法の工程を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法によって接合する一対の金属部材を示す概略図である。図１には、第１の金属部材１および第２の金属部材２が同軸上に保持されている状態が示されている。
【００１８】
図１に示すように、第１の金属部材１および第２の金属部材２は、軸対称な中実の円柱状の部材である。第１の金属部材１および第２の金属部材２の外径は、特に限定されるものではなく、例えば５０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下である。
【００１９】
第１の金属部材１および第２の金属部材２が摩擦圧接方法によって接合されると、第１の金属部材１の接合端面１ａと第２の金属部材２の接合端面２ａとが圧接される。第１の金属部材１の接合端面１ａと第２の金属部材２の接合端面２ａとは、同じ形状および大きさであってもよいし、異なる形状、異なる大きさであってもよい。
【００２０】
第１の金属部材１および第２の金属部材２を構成する材料は、炭素を含んでいれば、特に限定されるものではない。第１の金属部材１および第２の金属部材２を構成する材料として、例えば、炭素鋼、耐熱鋼、高Ｃｒ鋼、ＣｒＭｏＶ鋼、ステンレス鋼のような鋼、Ｎｉ基合金などが挙げられる。また、第１の金属部材１および第２の金属部材２は、同じ材料で構成されてもよいし、異なる材料で構成されてもよい。
【００２１】
なお、ここでは第１の金属部材１および第２の金属部材２が中実の円柱状の部材である一例を示しているが、第１の金属部材１および第２の金属部材２の形状は、それぞれの中心軸に対して軸対称であれば特に限定されるものではない。第１の金属部材１および第２の金属部材２の形状としては、例えば、円筒、中実もしくは中空の半球、中実もしくは中空の半楕球などが挙げられる。
【００２２】
第１の金属部材１および第２の金属部材２を接合することによって製造される部材としては、特には限定されるものではなく、例えば、低圧タービン、中圧タービン、高圧タービンなどの軸流タービンを構成するタービンロータ構造物や配管などの発電設備用部材が挙げられる。
【００２３】
次に、第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法について説明する。
【００２４】
図２は、第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法の工程を示すフローシートである。図３は、第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法の工程を示す概略図である。図４は、第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法の工程を示す概略図である。図５は、第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法における温度、回転速度、圧力と、回転時間との関係を示すグラフである。
【００２５】
なお、図５は、摩擦発熱工程Ｓ２、消失工程Ｓ３、および接合工程Ｓ４における温度、回転速度、圧力の変化を示している。図５において、温度とは、第１の金属部材１の接合端面１ａの温度および第２の金属部材２の接合端面２ａの温度の平均値である。回転速度とは、単位時間当たりに第２の金属部材２が回転する速度である。圧力とは、第１の金属部材１が第２の金属部材２を軸方向に加圧する圧力である。回転時間とは、第２の金属部材２が回転している時間である。また、第１の金属部材１の接合端面１ａおよび第２の金属部材２の接合端面２ａの温度は、非接触の放射温度計での実測や数値計算によるシミュレーションを用いて求める。
【００２６】
また、図６は、第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法における接合端面近傍の状態を示す概略断面図である。図７は、第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法における接合端面近傍の状態を示す概略断面図である。
【００２７】
第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法は、第１の金属部材１と第２の金属部材２とを摩擦圧接によって接合する方法である。図２に示すように、第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法は、保持工程Ｓ１と、摩擦発熱工程Ｓ２と、消失工程Ｓ３と、接合工程Ｓ４とを有する。
【００２８】
まず、保持工程Ｓ１について説明する。
【００２９】
保持工程Ｓ１は、図３に示すように、軸対称である第１の金属部材１と軸対称である第２の金属部材２とを同軸上に保持する工程である。第１の金属部材１の接合端面１ａ側とは異なる側の他端部は、例えば図示しない固定部によってチャッキングされ、第１の金属部材１は、回転しないように固定されている。また、第２の金属部材２の接合端面２ａ側とは異なる側の他端部は、例えば図示しない回転可能な固定部によってチャッキングされ、第２の金属部材２は、回転可能に固定されている。こうして、第１の金属部材１と第２の金属部材２とが同軸上に保持される。
【００３０】
ここで、図３に示すように、第１の金属部材１は、軸受１０によって支持されることが好ましい。また、第２の金属部材２も、軸受１１によって支持されることが好ましい。軸受１０および軸受１１は、例えば、転がり軸受やすべり軸受などで構成される。このように、回転しないように固定されている第１の金属部材１を軸受１０で支持することで、自重による撓みを抑制することができる。また、回転可能に固定されている第２の金属部材２を軸受１１で支持することで、自重による撓みや、回転時の回転振動を抑制することができる。また、軸受１０および軸受１１を設けることで、第１の金属部材１および第２の金属部材２を、確実に同軸上に保持して、摩擦圧接することができる。
【００３１】
次に、摩擦発熱工程Ｓ２について説明する。
【００３２】
保持工程Ｓ１の後に行われる摩擦発熱工程Ｓ２は、第１の金属部材１の接合端面１ａと第２の金属部材２の接合端面２ａとを突き合わせ、第１の金属部材１または第２の金属部材２を回転させると共に、第１の金属部材１および第２の金属部材２の少なくとも一方の金属部材を他方の金属部材に軸方向に加圧し、第１の金属部材１の接合端面１ａの温度と第２の金属部材２の接合端面２ａの温度とが一定になるまで、第１の金属部材１の接合端面１ａと第２の金属部材２の接合端面２ａとを摩擦発熱させる工程である。
【００３３】
ここでは、図４および図５に示すように、摩擦発熱工程Ｓ２において、第１の金属部材１の接合端面１ａと第２の金属部材２の接合端面２ａとを突き合わせる。そして、第２の金属部材２を回転させると共に、第１の金属部材１を第２の金属部材２に軸方向に加圧し、第１の金属部材１の接合端面１ａの温度および第２の金属部材２の接合端面２ａの温度が一定になるまで、接合端面１ａおよび接合端面２ａを摩擦発熱させる。
【００３４】
図４に示すように、第１の金属部材１および第２の金属部材２が互いに突き合わせられると、第１の金属部材１の接合端面１ａおよび第２の金属部材２の接合端面２ａが互いに接触する。そして、第２の金属部材２が一定の回転速度で回転しながら、第１の金属部材１が第２の金属部材２を加圧すると、接合端面１ａおよび接合端面２ａが互いに摩擦されて加熱する。
【００３５】
そして、図５に示すように、第２の金属部材２の回転時間が経過するにつれて、接合端面１ａおよび接合端面２ａの温度が上昇する。摩擦発熱工程Ｓ２では、接合端面１ａおよび接合端面２ａの温度上昇が一定になるまで、第２の金属部材２の回転を続ける。以下では、第２の金属部材２を回転させながら、第１の金属部材１を第２の金属部材２に軸方向に加圧する圧力を、摩擦圧力ともいう。
【００３６】
摩擦発熱工程Ｓ２において、接合端面１ａおよび接合端面２ａの温度が一定であるとは、接合端面１ａおよび接合端面２ａの単位時間当たりの温度変化が概ね２００℃／秒以下である状態である。
【００３７】
摩擦発熱工程Ｓ２において、接合端面１ａおよび接合端面２ａの温度が一定になるまでとは、温度上昇している接合端面１ａおよび接合端面２ａの温度が一定になるまでである。
【００３８】
第２の金属部材２の回転速度は、第１の金属部材１および第２の金属部材２の形状、第１の金属部材１および第２の金属部材２を構成する材料などによって適宜選択されるが、例えば１０００ｒｐｍ以上２０００ｒｐｍ以下程度である。
【００３９】
摩擦発熱工程Ｓ２において、第１の金属部材１および第２の金属部材２が摩擦によって加熱されると、第１の金属部材１および第２の金属部材２の界面、換言すると、第１の金属部材１の接合端面１ａおよび第２の金属部材２の接合端面２ａの温度は増加する。接合端面１ａおよび接合端面２ａが加熱されると、図６に示すように、酸化被膜３および酸化被膜４が接合端面１ａおよび接合端面２ａに形成される。なお、接合端面１ａに形成した酸化被膜３および接合端面２ａに形成した酸化被膜４は、接合端面１ａおよび接合端面２ａの接合を阻害する。
【００４０】
次に、消失工程Ｓ３について説明する。
【００４１】
摩擦発熱工程Ｓ２の後に行われる消失工程Ｓ３は、第１の金属部材１または第２の金属部材２の回転と第１の金属部材１および第２の金属部材２の少なくとも一方の金属部材の加圧とを継続し、一定温度に加熱している状態の、第１の金属部材１の接合端面１ａ上の酸化被膜３と第２の金属部材２の接合端面２ａ上の酸化被膜４とを消失させる工程である。
【００４２】
ここでは、図４および図５に示すように、消失工程Ｓ３において、第２の金属部材２の回転、および第１の金属部材１の加圧を継続する。そして、一定温度に加熱している状態の、第１の金属部材１の接合端面１ａ上に形成した酸化被膜３と第２の金属部材２の接合端面２ａ上に形成した酸化被膜４とを消失させる。
【００４３】
消失工程Ｓ３では、摩擦発熱工程Ｓ２における第２の金属部材２の回転と第１の金属部材１の加圧とを継続し、摩擦発熱工程Ｓ２において温度上昇が一定になった接合端面１ａおよび接合端面２ａを、摩擦して加熱し続ける。例えば、図５に示すように、摩擦発熱工程Ｓ２における回転速度と同じ回転速度で金属部材２を回転し続け、摩擦発熱工程Ｓ２における圧力と同じ圧力で、第１の金属部材１を第２の金属部材２に加圧し続ける。図５に示すように、摩擦発熱工程Ｓ２において一定になった接合端面１ａおよび接合端面２ａの温度は、消失工程Ｓ３においても一定である。
【００４４】
消失工程Ｓ３において、接合端面１ａおよび接合端面２ａの温度が一定であるとは、接合端面１ａおよび接合端面２ａの単位時間当たりの温度変化が概ね２００℃／秒以下である状態である。
【００４５】
接合端面１ａおよび接合端面２ａが高温に加熱されて軟化すると、接合端面１ａおよび接合端面２ａの摩擦によって発生する熱量は小さくなる。このとき、第１の金属部材１および第２の金属部材２において、接合端面１ａおよび接合端面２ａで発生する熱量と、接合端面１ａとは異なる側の他端部の方向に伝導する熱量および接合端面２ａとは異なる側の他端部の方向に伝導する熱量とが釣り合う。そのため、接合端面１ａおよび接合端面２ａの温度上昇は、所定の温度で一定になる。以下では、このような一定になる温度を、消失温度ともいう。
【００４６】
消失温度は、第１の金属部材１および第２の金属部材２を構成する材料に依存する。例えば、第１の金属部材１および第２の金属部材２が低炭素鋼である場合、消失温度はおよそ１３００℃以上１４００℃以下である。
【００４７】
そして、所定の回転速度および圧力で、消失温度に到達した後の接合端面１ａおよび接合端面２ａを所定の時間摩擦し続ける。このとき、接合端面１ａおよび接合端面２ａは高温であり、摩擦圧力が接合端面１ａおよび接合端面２ａに付与しているので、接合端面１ａおよび接合端面２ａは外部雰囲気から遮断される。このような状態が所定の時間続くと、接合端面１ａ上の酸化被膜３および接合端面２ａ上の酸化被膜４が消失する。酸化被膜３および酸化被膜４が消失する理由としては、第１の金属部材１および第２の金属部材２に含まれる炭素と酸化被膜３および酸化被膜４に含まれる酸素とが反応し、気体状の一酸化炭素または二酸化炭素が発生して第１の金属部材および第２の金属部材２の外部に放出することによるものと考えられる。
【００４８】
酸化被膜３および酸化被膜４の消失によって清浄化された接合端面１ａおよび接合端面２ａには、金属光沢を有する新生層５および新生層６が現れる。消失工程Ｓ３は、新生層５を接合端面１ａに露出させ、および新生層６を接合端面２ａに露出させるまで行う。さらに消失工程Ｓ３を続けると、図７に示すように、酸化被膜３および酸化被膜４は完全に消失する。母材としての第１の金属部材１や第２の金属部材２の引張強さの観点から、消失工程Ｓ３の終了時における接合端面近傍の状態は、図７に示すように酸化被膜３および酸化被膜４の全てが消失した状態であることが好ましい。
【００４９】
消失工程Ｓ３において、第２の金属部材２を回転する時間、すなわち、消失温度の状態の接合端面１ａおよび接合端面２ａを摩擦する時間は、２００秒以上１０００秒以下であることが好ましく、３００秒以上６００秒以下であることがより好ましい。消失工程Ｓ３における第２の金属部材２を回転させる時間が２００秒よりも短いと、酸化被膜３および酸化被膜４が完全には消失せずに、接合端面１ａには酸化被膜３および新生層５が混在し、接合端面２ａには酸化被膜４および新生層６が混在するため、新生層５および新生層６が接合端面１ａおよび接合端面２ａの全面に現れないことがある。また、第２の金属部材２を回転する時間が６００秒よりも長いと、金属部材１および金属部材２を摩擦圧接する時間が必要以上に長くなり、母材に伝導する熱によって母材の特性が劣化することがある。
【００５０】
消失工程Ｓ３において、第１の金属部材１を第２の金属部材２に加圧する圧力、すなわち摩擦圧力は、５ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下であることが好ましく、１０ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下であることがより好ましい。消失工程Ｓ３における第１の金属部材１を加圧する圧力が５ＭＰａよりも小さいと、摩擦熱によって加熱される接合端面１ａおよび接合端面２ａが十分に加熱されないことがある。また、第１の金属部材１を加圧する圧力が３０ＭＰａよりも大きいと、金属部材１および金属部材２における接合端面１ａおよび接合端面２ａの外側に、大きなバリが発生することがある。また、加圧装置が大きくなり、加圧装置の小型化が達成できなくなる恐れがある。
【００５１】
なお、上述した第２の金属部材２を回転する時間の最適範囲、および第１の金属部材１を第２の金属部材２に加圧する圧力の最適範囲は、第１の金属部材１および第２の金属部材２の形状、第１の金属部材１および第２の金属部材２を構成する材料、第２の金属部材２の回転速度などに応じて、適宜選択されることが好ましい。
【００５２】
また、消失工程Ｓ３において、図示しない冷却部によって、接合端面１ａおよび接合端面２ａを除く、接合端面１ａおよび接合端面２ａの近傍における第１の金属部材１および第２の金属部材２の外周を冷却してもよい。
【００５３】
消失工程Ｓ３では、接合端面１ａおよび接合端面２ａが発熱すると、熱伝導によって、接合端面１ａおよび接合端面２ａの近傍における第１の金属部材１および第２の金属部材２が加熱される。加熱された部分には、熱によって内部組織の変化した熱影響部が生じることがある。熱影響部の物性は、熱影響部の生じない部分の第１の金属部材１や第２の金属部材２の物性とは異なる。一方で、消失工程Ｓ３では、接合端面１ａおよび接合端面２ａを消失温度に維持することが求められる。そのため、接合端面１ａおよび接合端面２ａの近傍における第１の金属部材１および第２の金属部材２の外周を冷却部で冷却することによって、第１の金属部材１および第２の金属部材２に生じる熱影響部の拡大を防ぐことができる。
【００５４】
次に、接合工程Ｓ４について説明する。
【００５５】
消失工程Ｓ３の後に行われる接合工程Ｓ４は、第１の金属部材１または第２の金属部材２の回転を停止し、摩擦発熱工程Ｓ２における圧力以上の圧力で、第１の金属部材１および第２の金属部材２の少なくとも一方の金属部材を他方の金属部材に軸方向に加圧し、第１の金属部材１の接合端面１ａと第２の金属部材２の接合端面２ａとを接合する工程である。
【００５６】
ここでは、図５に示すように、接合工程Ｓ４において、第２の金属部材２の回転を停止し、摩擦発熱工程Ｓ２における圧力以上の圧力で、第１の金属部材１を第２の金属部材２に軸方向にさらに加圧する。そして、第１の金属部材１の接合端面１ａと第２の金属部材２の接合端面２ａとを接合する。
【００５７】
図５に示すように、接合工程Ｓ４では、消失工程Ｓ３時に回転していた第２の金属部材２の回転を完全に停止すると共に、摩擦発熱工程Ｓ２における摩擦圧力以上の圧力で、第１の金属部材１を第２の金属部材２に軸方向に加圧する。以下では、このように、第２の金属部材２を停止した状態で、第１の金属部材１を第２の金属部材２に軸方向に加圧する圧力を、アプセット圧力ともいう。アプセット圧力の大きさは、摩擦圧力の大きさ以上である。
【００５８】
図７に示すように、新生層５および新生層６が互いに接触している接合端面１ａおよび接合端面２ａには、第２の金属部材２の回転停止と同時に、アプセット圧力が付与される。そして、接合端面１ａおよび接合端面２ａは、アプセット圧力で加圧保持される。このとき、接合端面１ａおよび接合端面２ａは高温であり、アプセット圧力が接合端面１ａおよび接合端面２ａに付与しているので、接合端面１ａおよび接合端面２ａは外部雰囲気から遮断される。
【００５９】
図５に示すように、接合工程Ｓ４において第２の金属部材２の回転が止まると、接合端面１ａおよび接合端面２ａの摩擦による加熱が行われなくなり、接合端面１ａおよび接合端面２ａの温度は徐々に低下する。このとき、アプセット圧力によって、接合端面１ａおよび接合端面２ａのクリープ変形が生じ、接合端面１ａおよび接合端面２ａの微小な凹凸が非常に少なくなる。そのため、接合端面１ａ上の新生層５および接合端面２ａ上の新生層６は、互いに密着する。さらに、新生層５および新生層６の表面や内部に存在する欠陥は非常に少ない。そのため、密着している新生層５および新生層６の間の界面において、新生層５から新生層６への原子の拡散および新生層６から新生層５への原子の拡散によって、第１の金属部材１および第２の金属部材２は新生層５および新生層６を介して接合される。接合端面１ａおよび接合端面２ａの温度が所定の温度以下になると、接合端面１ａおよび接合端面２ａの間の界面における原子拡散が発生しなくなる。その後、第１の金属部材１の加圧を終了する。
【００６０】
このように、接合工程Ｓ４は、接合端面１ａの新生層５および接合端面２ａの新生層６を密着させながら、新生層５および新生層６の間で原子を拡散させることによって、接合端面１ａおよび接合端面２ａを圧接する。以下では、接合端面１ａおよび接合端面２ａが圧接された部分を、圧接部ともいう。良好な圧接部を得るという観点から、アプセット圧力は摩擦圧力よりも大きいことが好ましい。
【００６１】
圧接部の引張強さは、母材である第１の金属部材１や第２の金属部材２の引張強さに比べて大きい。
【００６２】
ここで、従来の摩擦圧接方法では、接合時に、接合端面１ａおよび接合端面２ａの接合を阻害する酸化被膜を介して、接合端面１ａおよび接合端面２ａが密着している。そして、接合端面１ａおよび接合端面２ａを接合するためには、接合端面１ａおよび接合端面２ａから酸化被膜を排出させ、接合端面１ａおよび接合端面２ａに新生層を露出させると共に、露出した接合端面１ａ上の新生層および接合端面２ａ上の新生層を互いに密着させることが可能な、アプセット圧力を付与しなければならない。
【００６３】
一方、接合工程Ｓ４では、図７に示すように、予め酸化被膜３および酸化被膜４が除去されているので、接合端面１ａ上の新生層５および接合端面２ａ上の新生層６が互いに密着している。すなわち、接合工程Ｓ４で付与されるアプセット圧力は、従来のように酸化被膜３および酸化被膜４を排出する必要がない。そのため、従来の摩擦圧接方法におけるアプセット圧力に比べて、接合工程Ｓ４におけるアプセット圧力を大幅に低下することができる。
【００６４】
たとえ第１の金属部材１および第２の金属部材２が外径１００ｍｍ以上の大型の部材であっても、接合工程Ｓ４におけるアプセット圧力は従来よりも低いので、接合工程Ｓ４におけるアプセット圧力が過剰に増加することはない。そのため、大型の部材を摩擦圧接するときに使用する装置設備には、強力な加圧推力を発生させる加圧装置などの特殊な装置を設けなくてよい。
【００６５】
また、接合時に付与されるアプセット圧力が従来よりも低下するので、第１の金属部材１および第２の金属部材２の外周に発生するバリの量を大幅に抑制することができる。そのため、第１の金属部材１および第２の金属部材２を接合することによって製造される発電設備用部材に対して、発電設備用部材の外周側に形成されるバリを除去するプロセスが不要になることがある。
【００６６】
さらに、従来の摩擦圧接方法では、酸化被膜に加えて、接合端面１ａの近傍を構成する第１の金属部材１の部分および接合端面２ａの近傍を構成する第２の金属部材２の部分も、バリとして、第１の金属部材１および第２の金属部材２の外周側に排出する。一方、接合工程Ｓ４では、接合端面１ａの近傍を構成する第１の金属部材１の部分および接合端面２ａの近傍を構成する第２の金属部材２の部分は、バリとして、第１の金属部材１および第２の金属部材２の外周側にほとんど排出しない。そのため、従来の摩擦圧接方法に比べて、接合工程Ｓ４は、従来バリとして排出されていた量に相当する第１の金属部材１および第２の金属部材２のロスを少なくすることができる。
【００６７】
接合工程Ｓ４において、第１の金属部材１を第２の金属部材２に加圧する圧力、すなわちアプセット圧力は、５ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下であることが好ましく、１０ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下であることがより好ましい。接合工程Ｓ４における第１の金属部材１を加圧する圧力が５ＭＰａよりも小さいと、接合端面１ａおよび接合端面２ａに生じるクリープ変形が十分ではないため、圧接部に空隙が残存することがある。圧接部に存在する空隙のように、接合端面１ａと接合端面２ａとの接合していない未接合部が圧接部に存在すると、圧接部の接合強度が低下する。また、第１の金属部材１を加圧する圧力が５０ＭＰａよりも大きいと、圧接部の外側に、大きなバリが発生することがある。また、加圧装置が大きくなり、加圧装置の小型化が達成できなくなる恐れがある。
【００６８】
接合工程Ｓ４において、第１の金属部材１を第２の金属部材２に加圧する時間は、８０秒以上１５００秒以下であることが好ましく、１００秒以上９００秒以下であることがより好ましい。接合工程Ｓ４における第１の金属部材１を加圧する時間が８０秒よりも短いと、接合端面１ａおよび接合端面２ａの間の界面で生じる原子の拡散が十分ではないため、圧接部の接合強度が低下することがある。また、第１の金属部材１を加圧する時間が１５００秒よりも長いと、第１の金属部材１および第２の金属部材２を加圧保持する時間が必要以上に長くなり、また温度が低くなっているため、原子の拡散の効果はほとんど認められなくなる。
【００６９】
なお、上述した第１の金属部材１を第２の金属部材２に加圧する圧力および時間の最適範囲は、第１の金属部材１および第２の金属部材２の形状、第１の金属部材１および第２の金属部材２を構成する材料、消失工程Ｓ３の条件などに応じて、適宜選択されることが好ましい。
【００７０】
また、消失工程Ｓ３と同様に、接合工程Ｓ４においても、図示しない冷却部によって、接合端面１ａおよび接合端面２ａを除く、接合端面１ａおよび接合端面２ａの近傍における第１の金属部材１および第２の金属部材２の外周を冷却してもよい。第１の金属部材１および第２の金属部材２の外周を冷却部で冷却することによって、第１の金属部材１および第２の金属部材２に生じる熱影響部の拡大を防ぐことができる。
【００７１】
なお、上記では、図４に示すように、第２の金属部材２を回転させながら、第１の金属部材１を第２の金属部材２に加圧する一例を示したが、第１の金属部材１および第２の金属部材２の回転および加圧の方法は以下のようにしてもよい。すなわち、第２の金属部材２を回転させながら、第２の金属部材２を第１の金属部材１に加圧してもよい。また、第２の金属部材２を回転させながら、第１の金属部材１を第２の金属部材２に加圧すると共に、第２の金属部材２を第１の金属部材１に加圧してもよい。また、第１の金属部材１を回転させながら、第２の金属部材２を第１の金属部材１に加圧してもよい。また、第１の金属部材１を回転させながら、第１の金属部材１を第２の金属部材２に加圧してもよい。また、第１の金属部材１を回転させながら、第２の金属部材２を第１の金属部材１に加圧すると共に、第１の金属部材１を第２の金属部材２に加圧してもよい。
【００７２】
また、上記では、第１の金属部材１の接合端面１ａに第２の金属部材２の接合端面２ａを接合する一例を示したが、さらに、第１の金属部材１の接合端面１ａ側とは異なる側の接合端面に第２の金属部材２の接合端面を接合してもよい。すなわち、第１の金属部材１の片端部に第２の金属部材２を接合してもよいし、第１の金属部材１の両端部に第２の金属部材２を接合してもよい。
【００７３】
なお、第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法によって製造された発電設備用部材には、必要に応じて、圧接部の延靱性向上を目的とした焼き戻しを行うことがある。
【００７４】
第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法によって製造される発電設備用部材は、配管やタービンロータ構造物である。
【００７５】
このような発電設備用部材においては、摩擦圧接方法による接合部において酸化被膜が除去されているので接合部分の強度を向上させることができる。
【００７６】
上記したように、第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法によれば、接合端面１ａに存在する酸化被膜３および接合端面２ａに存在する酸化被膜４を消失工程Ｓ３で消失させ、新生層５および新生層６を介して密着している接合端面１ａおよび接合端面２ａを接合工程Ｓ４で接合する。接合工程Ｓ４では、新生層５および新生層６を介して接合端面１ａおよび接合端面２ａが密着しているので、アプセット圧力を大幅に低減することができる。さらに、接合工程Ｓ４において、予め酸化被膜３および酸化被膜４が除去されていると共にアプセット圧力が低減されるので、圧接部におけるバリの発生を抑制することができる。
【００７７】
また、アプセット圧力が従来よりも大幅に低下するので、強力な加圧推力を発生させる加圧装置などの特殊な装置を使用せずに、大型の金属部材を接合することができる。そのため、大型の金属部材を接合する場合であっても、摩擦圧接時の加圧装置に関する装置設備を大型化しなくてもよい。さらに、従来から一般的に摩擦圧接によって接合されている大きさの部材、例えば外径１００ｍｍ以下の部材を接合する場合には、加圧装置に関する装置設備を縮小させることができる。
【００７８】
（第２の実施の形態）
図８は、第２の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法の工程を示すフローシートである。図９は、第２の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法の工程を示す概略図である。なお、以下に示す実施の形態において、第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法の構成と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。
【００７９】
第２の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法において、接合工程Ｓ４ａの構成が異なる以外は、第１の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法の構成と基本的に同じである。そのため、ここでは、その異なる構成について主に説明する。
【００８０】
第２の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法における接合工程Ｓ４ａは、接合工程Ｓ４において、第１の金属部材１および第２の金属部材２の少なくとも一方の金属部材を他方の金属部材に軸方向に加圧すると共に、第１の金属部材１の接合端面１ａおよび第２の金属部材２の接合端面２ａの少なくとも一方の接合端面を非接触加熱する。換言すると、接合工程Ｓ４ａおよび接合工程Ｓ４の違いは、接合端面１ａおよび接合端面２ａの少なくとも一方の接合端面の加熱の有無である。接合工程Ｓ４ａにおける接合端面の加熱は、接合工程Ｓ４ａの始めからでもよいし、接合工程Ｓ４ａの途中からでもよい。
【００８１】
ここでは、図９に示すように、消失工程Ｓ３の後に行われる接合工程Ｓ４ａにおいて、消失工程Ｓ３で回転していた第２の金属部材２の回転を停止し、第１の金属部材１を第２の金属部材２に軸方向にアプセット圧力で加圧する。さらに、第１の金属部材１の加圧時に、第１の金属部材１の接合端面１ａを加熱部３０によって第１の金属部材１の外周側から非接触加熱し、さらに第２の金属部材２の接合端面２ａを加熱部３１によって第２の金属部材２の外周側から非接触加熱する。そして、第１の金属部材１の接合端面１ａと第２の金属部材２の接合端面２ａとを接合する。
【００８２】
加熱部３０は、第１の金属部材１の接合端面１ａ側の端部の周囲に、第１の金属部材１の外側面と所定の間隔をあけて設けられている。そして、加熱部３０は、接合端面１ａ近傍を非接触で外周側から加熱する。例えば、加熱部３０は、接合端面１ａを高温に加熱しながら、第１の金属部材１の長手方向の温度分布を制御して、第１の金属部材１に生じる熱影響部の拡大を抑制することができる。また、加熱部３０は、第１の金属部材１の長手方向や周方向に亘って複数設けられてもよい。また、加熱部３０は、第１の金属部材１の外周面に沿って移動可能に設けられてもよい。
【００８３】
また、加熱部３１は、第２の金属部材２の接合端面２ａ側の端部の周囲に、第２の金属部材２の外側面と所定の間隔をあけて設けられている。そして、加熱部３１は、接合端面２ａ近傍を非接触で外周側から加熱する。例えば、加熱部３１は、接合端面２ａを高温に加熱しながら、第２の金属部材２の長手方向の温度分布を制御して、第２の金属部材２に生じる熱影響部の拡大を抑制することができる。また、加熱部３１は、第２の金属部材２の長手方向や周方向に亘って複数設けられてもよい。また、加熱部３１は、第２の金属部材２の外周面に沿って移動可能に設けられてもよい。
【００８４】
加熱部３０および加熱部３１は、接合端面１ａおよび接合端面２ａを非接触で外周側から加熱することができれば特に限定されるものではなく、例えば、カスバーナー、高周波誘導加熱用のコイル、レーザー加熱装置などによって構成される。加熱部３０および加熱部３１の出力を適宜調整することによって、接合端面１ａおよび接合端面２ａの温度を調整することができる。加熱部３０および加熱部３１は、接合端面１ａおよび接合端面２ａのみを局所的に加熱することが好ましい。
【００８５】
接合端面１ａおよび接合端面２ａを加熱しているときに、第１の金属部材１を第２の金属部材２に軸方向に加圧する圧力は、アプセット圧力以上である。以下では、接合端面１ａおよび接合端面２ａを加熱しているときに、第１の金属部材１を第２の金属部材２に軸方向に加圧する圧力を、加熱時圧力ともいう。
【００８６】
接合端面１ａおよび接合端面２ａが加熱されると共に第１の金属部材１が加熱時圧力で加圧されると、接合端面１ａおよび接合端面２ａの間の界面には、第１の金属部材１および第２の金属部材２の熱膨張に起因する圧縮方向の熱応力が付与される。さらに、接合端面１ａから接合端面２ａおよび接合端面２ａから接合端面１ａへの原子の拡散が促進される。
【００８７】
このように、接合工程Ｓ４ａでは、接合端面１ａ上の新生層および接合端面２ａ上の新生層の密着性が増加すると共に新生層間での原子の拡散が促進されるので、圧接部に生じる未接合部をさらに減少させることができる。そのため、第１の金属部材１および第２の金属部材２をさらに良好に接合することができる。
【００８８】
さらには、接合工程Ｓ４ａにおける接合端面１ａおよび接合端面２ａの加熱は、第１の金属部材１および第２の金属部材２の接合によって製造した発電設備用部材に施される焼き戻しも兼ねることができる。そのため、発電設備用部材を焼き戻ししなくてもよい。
【００８９】
接合工程Ｓ４ａにおいて、接合端面１ａおよび接合端面２ａを加熱する時間は、１時間以上２０時間以下であることが好ましく、３時間以上８時間以下であることがより好ましい。接合工程Ｓ４ａにおける接合端面１ａおよび接合端面２ａを加熱する時間が１時間よりも短いと、接合端面１ａおよび接合端面２ａの間の界面で生じる熱応力および原子の拡散が十分でないときがある。また、接合端面１ａおよび接合端面２ａを加熱する時間が２０時間よりも長いと、第１の金属部材１および第２の金属部材２を加熱する時間が必要以上に長くなる。また母材に伝導する熱によって母材の特性が劣化することがある。
【００９０】
接合工程Ｓ４ａにおいて、接合端面１ａおよび接合端面２ａを加熱する温度は、鋼種によっても異なるが、一般的に、５００℃以上であることが好ましい。接合工程Ｓ４ａにおける接合端面１ａおよび接合端面２ａを加熱する温度が５００℃よりも低いと、接合端面１ａおよび接合端面２ａの間の界面で生じる熱応力および原子の拡散が十分でないときがあるからである。
【００９１】
なお、上述した接合端面１ａおよび接合端面２ａを加熱する時間および温度の最適範囲は、第１の金属部材１および第２の金属部材２の形状、第１の金属部材１および第２の金属部材２を構成する材料、加熱時圧力などに応じて、適宜選択されることが好ましい。
【００９２】
また、接合工程Ｓ４ａにおいて、第１の金属部材１が加熱される領域は、第１の金属部材１の長手方向の長さの２０％以下であることが好ましい。また、第２の金属部材２が加熱される領域は、第２の金属部材２の長手方向の長さの２０％以下であることが好ましい。接合工程Ｓ４ａにおける第１の金属部材１および第２の金属部材２の加熱される領域が上記２０％よりも大きいと、第１の金属部材１および第２の金属部材２に生じる熱影響部が拡大することがあるからである。
【００９３】
また、図９に示すように、接合工程Ｓ４ａにおいて、冷却部４０および冷却部４１によって、接合端面１ａおよび接合端面２ａを除く、接合端面１ａおよび接合端面２ａの近傍における第１の金属部材１および第２の金属部材２の外周を冷却してもよい。
【００９４】
冷却部４０は、第１の金属部材１の接合端面１ａ側の端部の周囲に、第１の金属部材１の外側面と所定の間隔をあけて設けられている。冷却部４０は、例えば、冷媒を噴出する噴出部４０ａを備えている。冷媒は、冷却部４０の噴出部４０ａから、第１の金属部材１の外周に噴出される。
【００９５】
また、冷却部４１は、第２の金属部材２の接合端面２ａ側の端部の周囲に、第２の金属部材２の外側面と所定の間隔をあけて設けられている。冷却部４１は、例えば、冷媒を噴出する噴出部４１ａを備えている。冷媒は、冷却部４１の噴出部４１ａから、第２の金属部材２の外周に噴出される。
【００９６】
冷媒は、特に限定されるものではなく、例えば圧縮空気のような空気、アルゴン（Ａｒ）ガスのような不活性ガスなどが挙げられる。
【００９７】
加熱部３０および加熱部３１と冷却部４０および冷却部４１とを併用することによって、接合端面１ａおよび接合端面２ａのみを局所的に加熱することがさらに容易になる。そのため、第１の金属部材１および第２の金属部材２に生じる熱影響部の拡大をさらに防ぐことができる。
【００９８】
なお、上記では、図９に示すように、第１の金属部材の接合端面１ａおよび第２の金属部材２の接合端面２ａを加熱する一例を示したが、第１の金属部材の接合端面１ａおよび第２の金属部材２の接合端面２ａの少なくとも一方の接合端面を加熱してもよい。すなわち、第２の金属部材の接合端面２ａを加熱せずに、第１の金属部材の接合端面１ａを加熱部３０によって加熱してもよいし、第１の金属部材の接合端面１ａを加熱せずに、第２の金属部材の接合端面２ａを加熱部３１によって加熱してもよい。
【００９９】
上記したように、第２の実施の形態の金属部材の摩擦圧接方法によれば、接合端面１ａおよび接合端面２ａの少なくとも一方の接合端面を接合工程Ｓ４ａで加熱する。さらに、接合工程Ｓ４ａでは、新生層の密着性がさらに増加し、新生層間における原子の拡散がさらに促進される。そのため、圧接部に生じる未接合部をさらに減少させることができる。さらには、第１の金属部材１および第２の金属部材２を良好に接合させることができるので、圧接部の接合強度をさらに向上させることができる。
【０１００】
以上説明した少なくとも一つの実施の形態によれば、バリの発生を抑制すると共に、大型の金属部材であっても、金属部材に付与する圧力を低減することができる金属部材の摩擦圧接方法および発電設備用部材を提供することができる。
【０１０１】
本発明のいく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り、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、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。
【符号の説明】
【０１０２】
１…第１の金属部材、１ａ…接合端面、２…第２の金属部材、２ａ…接合端面、３，４…酸化被膜、５，６…新生層、１０，１１…軸受、３０，３１…加熱部、４０，４１…冷却部、４０ａ，４１ａ…噴出部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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