(57)【要約】【課題】溶接工程におけるシール部の硬化を抑制すること。【解決手段】シャフト部１２は、ホイール部１１と溶接する溶接部３３と、溶接部３３の近傍に形成されたシール部３５と、を備え、溶接治具１３は、シャフト部１２の外周近傍に配置され、内部に熱線反射層４２ｃを有するとともに、シャフト部１２の軸方向に沿って動作可能である可動式スリーブ４２と、シャフト部１２の径方向において、シャフト部１２と可動式スリーブ４２の間に配置され、シャフト部１２に当接して溶接時に通電する通電部４１と、を備え、通電部４１によるシャフト部１２への通電が終了した場合には、可動式スリーブ４２を軸方向に動かしてシャフト部１２と治具の通電部４１を離間させ、且つ、シール部３５に対向する位置まで動作させる。【選択図】図１
2018087540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接治具を用い、ホイール部とシャフト部を電子ビームにより溶接するタービンロータの製造方法であって、
前記シャフト部は、
前記ホイール部と溶接する溶接部と、
前記溶接部の近傍に形成されたシール部と、を有し、
前記溶接治具は、前記シャフト部の外周近傍に配置され、内部に熱線反射層を有するとともに、前記シャフト部の軸方向に沿って動作可能である可動式スリーブと、
前記シャフト部の径方向において、前記シャフト部と前記可動式スリーブの間に配置され、前記シャフト部に当接して溶接時に通電する通電部と、を備え、
前記通電部による前記シャフト部への通電が終了した場合には、前記可動式スリーブを軸方向に動かしてシャフト部と治具の通電部を離間させ、且つ、前記シール部に対向する状態となる位置まで動作させる、
タービンロータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンロータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボチャージャーのタービンロータは、耐熱性を持たせた羽根部を有するホイール部と、ホイール部とは異なり通常の鋼材から形成されたシャフト部と、を接合して構成している。従来、このような分野の技術として、特開平７−２８６５２８号公報がある。この公報に記載されたタービンロータの製造方法では、接合部に電子ビームを照射して溶接した後、熱影響で硬くなった接合部の軸側近傍に、電子ビームを照射して焼戻しを行うことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２８６５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、ホイール部と接合するシャフト部の接合部近傍にはシール構造のシール部が設けられている。特に、タービンロータを小型化する場合には、シール部が溶接部に近い位置に配置されるため、溶接による熱の影響を受けやすくなる。そのため、シール部は溶接の熱を受けた後に冷却されることで、焼き入れがなされた状態となり、硬度が高くなることによって、シール磨耗の問題が生じる。
【０００５】
例えば、溶接工程の後に焼き戻しの工程を行うことや、溶接条件で通常設定される後熱処理にて溶接後の入熱量を制御して対策を行い、溶接の熱影響による硬度の高まりを抑制することが行われている。しかしながら、焼き戻し工程を追加する場合は、設備投資や稼動費のコストが増加する。また、溶接条件による対応では、安定して焼き戻しできる条件を入熱量だけでは実現できずに、硬度が高い箇所が発生し、不良率が高くなる場合がある。
本発明は、溶接工程におけるシール部の硬化を安定的に抑制するタービンロータの製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にかかるタービンロータの製造方法では、溶接治具を用い、ホイール部とシャフト部を電子ビームにより溶接するタービンロータの製造方法であって、前記シャフト部は、前記ホイール部と溶接する溶接部と、前記溶接部の近傍に形成されたシール部と、を有し、前記溶接治具は、前記シャフト部の外周近傍に配置され、内部に熱線反射層を有するとともに、前記シャフト部の軸方向に沿って動作可能である可動式スリーブと、前記シャフト部の径方向において、前記シャフト部と前記可動式スリーブの間に配置され、前記シャフト部に当接して溶接時に通電する通電部と、を備え、前記通電部による前記シャフト部への通電が終了した場合には、前記可動式スリーブを軸方向に動かしてシャフト部と治具の通電部を離間させ、且つ、前記シール部に対向する状態となる位置まで動作させる。
これにより、通電部を介したシャフト部からの熱伝導とシール部近傍からの熱放射を戻す事とで、冷却速度を抑制することができる。
【発明の効果】
【０００７】
これにより、急冷が避けられ、溶接の熱影響によるシール部の硬化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】タービンロータ及び溶接治具を示す図である。
【図２】通電部がシャフト部に当接した状態を示す図である。
【図３】通電部とシャフト部が離間した状態を示す拡大図である。
【図４】可動式スリーブを動作させた状態を示す図である。
【図５】可動式スリーブを動作させた状態を示す拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１に示すように、タービンロータ１は、ホイール部１１と、ホイール部１１に溶接されるシャフト部１２と、を備える。ホイール部１１と、シャフト部１２との溶接には、溶接治具１３を用いる。以下では、シャフト部１２の延在方向をＺ軸方向とし、ホイール部１１がシャフト部１２のＺ軸上方に配置された状態で、溶接治具１３による溶接が実行されるものとして説明する。
【００１０】
ホイール部１１は、Ｚ軸方向に中心軸を有する基部２１と、基部２１のＸＹ軸方向に連結された複数の羽根からなる羽根部２２と、を備える。
【００１１】
例えば基部２１は、Ｚ軸方向の上下面を底部とする略円錐台状であって、上面２１ａが小径、下面２１ｂが大径に形成されているとともに、外径部２１ｃにＲ形状を有する形状である。例えば、基部２１は、下面２１ｂにおける略中央部が、シャフト部１２の溶接部３３と連結する。また、ホイール部１１は、エンジンからの排気ガスを羽根部２２に直接作用させることにより駆動するため、基部２１及び羽根部２２は耐熱性を有する素材で形成されている。
【００１２】
シャフト部１２は、略円柱状でＺ軸方向に延在するシャフトであって、小径部３１と、小径部３１の上方に設けられた大径部３２と、を備える。なお例えば、シャフト部１２は、耐熱性を持たせるための特別な処理が行われていない鋼材により形成されている。
【００１３】
小径部３１は、シャフト軸方向に長く延在するように形成された箇所である。
【００１４】
大径部３２は、シャフト軸の端部に配置されているとともに、小径部３１より大径に形成された箇所である。大径部３２は、ホイール部１１に対向する側の端部、すなわち上端部に設けられた溶接部３３と、小径部３１の近傍であって溶接時に溶接治具１３が当接する下端部３４とを備える。溶接部３３と下端部３４の間には、以降の工程でシール部３５が設けられる。なお図１では、溶接加工の後に大径部３２が加工されたときの状態を点線で示している。
【００１５】
大径部３２の上端に設けられた溶接部３３は、ホイール部１１の下面２１ｂに当接した状態で、電子ビームが供給されることで高熱となり溶接される。
【００１６】
下端部３４は、例えば、フランジ状に外径方向に突出して形成されている。下端部３４の下面には、後述する溶接治具１３の通電部４１の上端が当接した状態となることで、溶接時には通電が実行される。
【００１７】
シール部３５は、溶接部３３の近傍であって、溶接部３３と下端部３４の間に、以降の工程で形成される。シール部３５は、溶接部３３において電子ビームを用いた溶接が行われる際に、溶接に用いられる熱の影響を受けて加熱される。なお、シール部３５は、シール材の対磨耗性の観点から、硬度を抑制する必要がある箇所である。
【００１８】
溶接治具１３は、基部４０と、通電部４１と、可動式スリーブ４２と、を備える。この溶接治具１３は、溶接工程において、ワークの位置決めを行うのと合わせて、シャフト部１２からの排熱を制御する。なお、通電部４１は、基部４０と一体であって、基部４０から上方に突出するように形成されている。また基部４０は、溶接を実行する際に動かないように固定されている。
【００１９】
通電部４１は、シャフト部１２の小径部３１の外周近傍に配置され、ワークの位置決めと溶接時の通電を担っている。通電部４１は、小径部３１の外周面に対向するように配置された内側面４１ａと、シャフト部１２の大径部３２の下面に対向するように配置された上端部４１ｂと、外側面４１ｃと、を備える。例えば、通電部４１はシャフト部１２の小径部３１の外周を囲う円筒状であって、中空部にシャフト部１２が配置された状態である。なお、通電部４１の内側面４１ａと、シャフト部１２の小径部３１の間には隙間が設けられている。したがって、内側面４１ａと小径部３１は非接触の状態である。
【００２０】
電子ビーム溶接を行う際には、照射した電子ビームがワークから外部に通電する必要があり、通電部４１は大径部３２に当接して、電流の通り道となる。
【００２１】
可動式スリーブ４２は、シャフト部１２の軸方向に沿って延びる壁部４２ａと、壁部４２ａの上端から外周方向に延びる頭部４２ｂと、を備える。可動式スリーブ４２は、シャフト部１２の軸方向に沿ってスライド動作が可能である。すなわち、可動式スリーブ４２は、Ｚ軸方向に上下動を行う。
【００２２】
可動式スリーブ４２の壁部４２ａは、小径部３１の外周を囲う略円筒状であって、その内径は、シャフト部１２の大径部３２の外径より僅かに大きく形成されており、中空部内にシャフト部１２及び通電部４１が配置される。すなわち、シャフト部１２の径方向において、シャフト部１２と、可動式スリーブ４２の壁部４２ａとの間に、通電部４１が配置されている。なお、可動式スリーブ４２の壁部４２ａと、通電部４１の外側面４１ｃの間には僅かに隙間が設けられている。したがって、可動式スリーブ４２の壁部４２ａと通電部４１の外側面４１ｃは、非接触の状態である。
【００２３】
また、可動式スリーブ４２の壁部４２ａの内部には、熱線反射層４２ｃが形成されている。熱線反射層４２ｃでは、シャフト部１２の大径部３２から放射される熱エネルギーを、シャフト部１２側に反射する。
【００２４】
なお、可動式スリーブ４２の壁部４２ａの外側部分では、吸熱しやすい構造とすることで、溶接用の電子ビームによる外部からのエネルギーを吸熱し、シャフト部１２側に熱を放射する。ここで、可動式スリーブ４２には断熱効果のあるものを用いることができる。例えば可動式スリーブ４２はセラミック製である。
【００２５】
頭部４２ｂは、可動式スリーブ４２が上昇動作を行った際に、ホイール部１１の基部２１の下面２１ｂにおける外周近傍の箇所が接触して支持することで、通電部４１と大径部３２とを離間させることができる。
【００２６】
次に、溶接治具１３を用いて、溶接工程においてシャフト部１２の排熱を制御しながらタービンロータ１を製造する方法について説明する。
【００２７】
最初に、溶接治具１３の通電部４１に、大径部３２が当接するようワークがセットされる。また、可動式スリーブ４２は、頭部４２ｂがホイール部１１の基部２１の下面２１ｂに当接しないように、十分に下降させた状態で配置されている。
【００２８】
溶接部３３の近傍に電子ビームが供給される。これにより、ホイール部１１とシャフト部１２の溶接が開始する。このとき図２に示すように、通電部４１は、大径部３２に通電することにより、加熱を行う。
【００２９】
溶接が終了したら、可動スリーブ４２は、シャフト部１２の軸方向に沿って上昇する。すなわち、頭部４２ｂがシャフト部１２の大径部３２から切り離されて、離間した状態となる。これにより図３に示すように、シャフト部１２の大径部３２から、通電部４１を介した熱伝導によって熱が逃げることが抑制される。
【００３０】
ここで図４に示すように、可動式スリーブ４２が上昇することで、可動スリーブ４２側では、頭部４２ｂが基部４０上に載置された状態から、シャフト部１２の大径部３２に当接した位置となり、壁部４２ａが大径部３２の外周側に配置された状態となる。すなわち、可動式スリーブ４２の壁部４２ａがシール部３５に対向するように配置される。
【００３１】
これにより図５に示すように、壁部４２ａ内に配置された熱線反射層４２ｃが、大径部３２から放射されるエネルギーを、シャフト部１２の大径部３２側に戻す。言い換えると、シール部３５及びシール部３５の近傍から放射されるエネルギーをシール部３５側に戻す。したがって、放射された熱線が反射してシャフト部１２側に戻ることにより、シール部３５が保温された状態になる。
【００３２】
さらに、可動式スリーブ４２が上昇した状態では、大径部３２は、可動式スリーブ４２の壁部４２ａによって、壁部４２ａの外側に対して遮断された状態である。したがって、シール部３５は、溶接後、大気圧に戻される際に加工室内に流入する常温の大気の流れが、壁部４２ａにより直接当たらないように遮られた状態となる。これにより、シール部３５が、空気の対流によって冷却されることを抑制する。
【００３３】
このようにして、通電部４１を介して、熱伝導により大径部３２から熱が逃げることを抑制するとともに、大径部３２からの熱放射については、可動式スリーブ４２の熱線反射層４２ｃにより大径部３２側に反射させることで保温効果を狙う。また溶接工程後は、可動式スリーブ４２が大径部３２の外周近傍を囲っていることにより、空気の対流による冷却を抑制する。
【００３４】
これにより、大径部３２に形成されているシール部３５において、温度の低下が緩やかになる。したがって、溶接治具１３を用いることにより、シール部３５では、急激な温度低下により焼き入れがなされた状態となる場合に比べて、硬度の高まりを抑制することができる。
【００３５】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。上記では、説明のためにシャフト部１２の軸方向をＺ方向とし、ホイール部１１がシャフト部１２の上方に配置されるものとして説明したが、これに限られない。
【符号の説明】
【００３６】
１            タービンロータ
１１            ホイール部
１２            シャフト部
１３            溶接治具
２１            基部
２１ａ            上面
２１ｂ            下面
２１ｃ            外径部
２２            羽根部
３１            小径部
３２            大径部
３３            溶接部
３４            下端部
３５            シール部
４１            通電部
４１ａ            内側面
４１ｂ            上端部
４１ｃ            外側面
４２            可動式スリーブ
４２ａ            壁部
４２ｂ            頭部
４２ｃ            熱線反射層
【図１】
2018087540.tif 000003
【図２】
2018087540.tif 000004
【図３】
2018087540.tif 000005
【図４】
2018087540.tif 000006
【図５】
2018087540.tif 000007