(57)【要約】      （修正有）【課題】第１及び第２のフィラー金属の二重レーザビーム溶接のシステム及び方法を提供する。【解決手段】２以上の隣接する超合金部品１０２、１０４をレーザビーム溶接するためのシステム及び方法は、ベース溶接部１１０と、キャップ溶接部１１２との同時形成を含む。シム５０６は、部品１０２、１０４間に挿入され、継手表面１１４に沿った溝１０５と共に形成することができる。フィラーワイヤ５０４は、表面１１４の上又は溝１０５内に送給される。ビームスプリッタは、第１及び第２のレーザビーム５０８、５１０を供給し、所定距離５０９だけ分離された焦点５１２、５１４で照射される。第１のレーザビーム５０８は、部品１０２、１０４間の第１のフィラー金属と共にベース溶接部１１０を形成するのに使用され、第２のレーザビーム５１０は、ベース溶接部１１０の上部に第２のフィラー金属と共にキャップ溶接部１１２を形成するのに使用される。【選択図】図５
2011041982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２以上の隣接する超合金部品（１０２、１０４）をレーザビーム溶接する方法であって、当該方法が、
少なくとも第１及び第２の超合金部品（１０２、１０４）間に形成される継手内に第１のフィラー金属（１０６）を設ける段階と、
少なくとも第１及び第２の超合金部品（１０２、１０４）間に形成される継手の上に第２のフィラー金属（５０４）を送給する段階と、
互いに所定距離（５０９）で隔てられたそれぞれの第１及び第２の焦点（５１２、５１４）に第１及び第２のレーザビーム（５０８、５１０）を照射する段階と、
第１のレーザビーム（５０８）を用いて、少なくとも第１及び第２の超合金部品（１０２、１０４）間に第１のフィラー金属と共にベース溶接部（１１０）を形成する段階と、
第２のレーザビーム（５１０）を用いて、ベース溶接部（１１０）の上部に第２のフィラー金属（５０４）と共にキャップ溶接部（１１２）を形成する段階と、
第１及び第２の超合金部品（１０２、１０４）間に形成されるベース溶接部（１１０）及びキャップ溶接部（１１２）を冷却する段階と
を含んでおり、ベース溶接部（１１０）及びキャップ溶接部（１１２）が、第１及び第２の超合金部品（１０２、１０４）間に形成される継手に対する第１及び第２のレーザビーム（５０８、５１０）の単一パスで形成される、方法。
【請求項２】
少なくとも第１及び第２の超合金部品（１０２、１０４）間に形成された継手において、第１及び第２の超合金部品（１０２、１０４）の各々の上側表面（１１４）に沿って溝（１０５）を形成する段階を更に含み、ベース溶接部（１１０）の上部に形成されるキャップ溶接部（１１２）が溝（１０５）内に形成される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
少なくとも第１及び第２の部品（１０２、１０４）間の継手において第１及び第２の超合金部品（１０２、１０４）の各々の上側表面（１１４）に沿って形成される溝（１０５）の深さが、溝（１０５）のすぐ外側にある第１及び第２の超合金部品（１０２、１０４）の高さ寸法（１０８）の２０％〜４０％の範囲内にあるように選択される、請求項３記載の方法。
【請求項４】
第１のレーザビーム（５０８）のパワーレベルが第２のレーザビーム（５１０）のパワーレベルよりも大きい、請求項１記載の方法。
【請求項５】
第１及び第２のレーザビーム（５０８、５１０）間の所定距離が０．５ｃｍ〜１．５ｃｍの範囲から選択される、請求項１記載の方法。
【請求項６】
２以上の超合金部品（１０２、１０４）をレーザビーム溶接するシステムであって、当該システムが、
少なくとも第１及び第２の超合金部品（１０２、１０４）間に形成される継手内に設けられた第１のフィラー金属（１０６）と、
少なくとも第１及び第２の超合金部品（１０２、１０４）間に形成される継手の上に送給される第２のフィラー金属（５０４）と、
それぞれの第１及び第２の焦点（５１２、５１４）に第１及び第２のレーザビーム（５０８、５１０）を照射するよう構成されるエネルギー源（５００）と、
エネルギー源（５００）に結合され、第１及び第２のレーザビーム（５０８、５１０）のパワー及び位置を制御するように構造的に構成されるコントローラ（６０６、７０４）と
を備えており、第１のレーザビーム（５０８）が少なくとも第１及び第２の超合金部品（１０２、１０４）間に第１のフィラー金属と共にベース溶接部（１１０）を形成し、第２のレーザビーム（５１０）が少なくとも第１及び第２の超合金部品（１０２、１０４）間に形成される継手に対する第１及び第２のレーザビーム（５０８、５１０）の単一パスでベース溶接部（１１０）の上部に第２のフィラー金属（５０４）と共にキャップ溶接部（１１２）を形成される、システム。
【請求項７】
前記コントローラ（６０６、７０４）が更に、第１及び第２の焦点（５１２、５１４）間の距離（５０９）を０．５ｃｍ〜１．５ｃｍの範囲に制御するよう構造的に構成される、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
コントローラ（６０６、７０４）が更に、第１の焦点（５１２）の深さが第２の焦点（５１４）の深さよりも大きいように、第１及び第２の焦点（５１２、５１４）の深さを制御するよう構造的に構成され、コントローラ（６０６、７０４）が更に、第１のレーザビーム（５０８）のパワーレベルが、第２のレーザビーム（５１０）のパワーレベルよりも大きいように、第１及び第２のレーザビーム（５０８、５１０）のパワーレベルを制御するよう構造的に構成される、請求項６記載のシステム。
【請求項９】
エネルギー源（５００）が、少なくとも第１及び第２の部品（１０２、１０４）に実質的に垂直な方向に第１のレーザビーム（５０８）を照射する第１のレーザ（７００）と、少なくとも第１及び第２の部品（１０２、１０４）に対して角度が付けられた方向に第２のレーザビーム（５１０）を照射する第２のレーザ（７０２）とを含む、請求項６記載のシステム。
【請求項１０】
エネルギー源（５００）が、レーザ（６００）及びビームスプリッタ（６０４）を含み、レーザ（６００）がビームスプリッタ（６０４）に送られて、ビームスプリッタ（６０４）が出力として第１及び第２のレーザビーム（５０８、５１０）を照射するようにする、請求項６記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書では、レーザビーム溶接に関して、特に、ガスタービン用途に存在するような超合金又はクラッド金属の接合のための改良レーザビーム溶接システム及び方法に関して開示する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジン、ジェットエンジン、風力タービンとその関連プラットフォーム又はタワーを始めとする発電技術及び関連システムは、動的作動条件に付されることが多い。かかる作動条件、特に高温及び高圧条件下での応力は、強度と耐久性の増した発電部品を必要とする。かかる環境で使用するために開発された材料の種類の一例として超合金がある。
【０００３】
超合金は、特に限定されないが、ニッケル、コバルト及び鉄を始めとするベース金属を約５０重量％以上含有する合金であり、これらの合金の機械的及び物理的特性を改善するために、合金化元素が添加される。航空機及び産業用ガスタービン部品その他の用途の好適な超合金の具体例は、Ｒｅｎｅ  Ｎ５、すなわちニッケル基レニウム単結晶超合金である。これらの超合金材料は、高温で、強度だけでなく、クリープ抵抗、破面粗さその他の機械的特性を長期間にわたって良好に示すことが分かっている。
【０００４】
超合金材料同士の溶接は、極めて特殊な溶接条件が要求される比較的困難なプロセスであった。例えば、レーザ又は電子ビームなどの低入熱溶接プロセスの使用は、極めて狭い範囲の溶接条件で溶接継手を製作する。これらのビームプロセスの１つの欠点は、溶融部での方向性結晶粒成長であり、溶接部の中心にはっきりとしたデンドライト境界を形成する。このタイプの結晶粒組織は、継手を中心線亀裂に脆弱になり結果として極めて弱い疲労強度をもたらし、ガスタービンの運転中に溶接部の突発故障を生じる可能性がある。
【０００５】
中心線亀裂の問題を解決するために、溶接超合金用に複数の代替のプロセスが開発された。これらのなかでも特に、ワイヤ送給ビームプロセス、自融性（autogenous）レーザ溶接、ガスタングステンアークプロセス（ＴＩＧ）及び先詰めシム（preplaced shim）電子ビーム又はレーザプロセスが継手の疲労寿命改善の関連において検討されている。単純なワイヤ送給溶接プロセスでは、２つの金属部品の電子ビーム溶接中に自動ワイヤ送給機により延性のある超合金フィラー金属が付加される。しかしながら、このプロセスは、継手の厚みにより制限される。また、継手厚みが０．２５ｃｍを上回るときには、溶込み不良（ＬＯＰ）欠陥が発生することが多い。フィラー金属を使用しないレーザ式溶接（自融性溶接）は、極めて低い延性を示す場合があり、凝固中又はその直後に亀裂を生じる可能性がある。アーク溶接に伴う高入熱は、比較的大きな翼形部変形を引き起こし、溶接部の融合不良欠陥のリスクが高くなり、従って、複雑な翼形部構造に対して主要溶接プロセスとしてＴＩＧを使用できなくなることがある。２つの溶接部品間に先詰めシムを付加すると、継手厚みが大きくなると共に、溶着部の延性が増大し、溶接金属の亀裂が低減される。しかしながら、亀裂は、延性が十分に高くない場合でも発生することがある。
【０００６】
当該技術分野では、溶接部品の性能を向上させ、かかる部品の使用に関連する補修の選択肢を拡張させるような、超合金及び他の材料を溶接するための改善されたシステム及び方法が絶えず求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６９７２３９０号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の態様及び利点は、以下の説明において部分的に記載されており、又は当該説明から明らかにすることができ、或いは、本発明の実施によって理解することができる。
【０００９】
一般に、本発明の例示的な実施形態は、部品間に配置される第１のフィラー金属によるベース溶接部と、ベース溶接部を覆って形成される第２のフィラー金属によるキャップ溶接部との実質的に同時の形成によって、２以上の隣接する部品をレーザビーム溶接するためのシステム及び方法に関する。
【００１０】
本発明の１つの例示的な方法は、２以上の隣接する金属部品をレーザビーム溶接する方法に関する。第１のフィラー金属を、少なくとも第１及び第２の部品間に形成される継手内に設ける。第２のフィラー金属を、少なくとも第１及び第２の部品間に形成された継手の上に送給する。第１及び第２のレーザビームを、互いに所定距離で隔てられたそれぞれの第１及び第２の焦点に照射する。第１のレーザビームを用いて、少なくとも第１及び第２の部品間に第１のフィラー金属と共にベース溶接部を形成する。第２のレーザビームを用いて、ベース溶接部の上部に第２のフィラー金属と共にキャップ溶接部を形成する。ベース溶接部及びキャップ溶接部を、第１及び第２の部品間に形成される継手に対する第１及び第２のレーザビームの単一パスで形成する。
【００１１】
本発明の別の例示的な実施形態は、第１のフィラー金属と、第２のフィラー金属と、エネルギー源と、コントローラとを含む、２以上の超合金部品をレーザビーム溶接するシステムに関する。第１のフィラー金属は、少なくとも第１及び第２の超合金部品間に形成される継手内に設けられる。第２のフィラー金属は、少なくとも第１及び第２の超合金部品間に形成される継手の上に送給される。エネルギー源は、それぞれの第１及び第２の焦点に第１及び第２のレーザビームを照射する。コントローラは、エネルギー源に結合され、第１及び第２のレーザビームのパワー及び位置を制御するように構造的に構成され、第１のレーザビームが少なくとも第１及び第２の超合金部品間に第１のフィラー金属と共にベース溶接部を形成し、第２のレーザビームが少なくとも第１及び第２の超合金部品間に形成される継手に対する第１及び第２のレーザビームの単一パスでベース溶接部の上部に第２のフィラー金属と共にキャップ溶接部を形成するようにする。
【００１２】
本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、以下の説明及び添付の請求項を参照するとより理解できるであろう。本明細書に組み込まれ且つその一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を例証しており、本明細書と共に本発明の原理を説明する役割を果たす。
【００１３】
添付図を参照した本明細書において、当業者に対してなしたその最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】２つの部品及び第１のフィラー金属のシムの溶接前のアセンブリの斜視図。
【図２】第１のフィラー金属のシムと共に２つの部品の溶接後のアセンブリ及び上面に沿って形成された第２のフィラー金属のキャップ溶接の斜視図。
【図３】表面溝を有する２つの部品及び第１のフィラー金属のシムの溶接前のアセンブリの斜視図。
【図４】第１のフィラー金属のシムと共に２つの部品の溶接後のアセンブリ及び表面溝に配置された第２のフィラー金属のキャップ溶接の斜視図。
【図５】本発明の態様による溶接部を形成するのに使用する例示的なハードウェア部品の概略斜視図。
【図６】本発明の例示的な溶接プロセスと共に使用するエネルギー源の第１の例示的な実施形態の概略図。
【図７】本発明の例示的な溶接プロセスと共に使用するエネルギー源の第２の例示的な実施形態の概略図。
【図８】本発明の１つの態様による溶接プロセスにおける例示的なステップのブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
添付図を参照した本明細書において、当業者に対してなしたその最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示を説明する。各実施例は、本発明の限定ではなく、例証として提供される。本発明の範囲又は技術的に思想から逸脱することなく、当業者であれば、種々の修正及び変形を実施できる点は理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示し又は説明した特徴は、他の実施形態で使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変更を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。
【００１６】
図１〜４は、本開示の溶接技術の適用前及び適用後の２つの例示的な部品アセンブリの斜視図を示している。かかる図及び関連する説明は、第１及び第２の部品を共に溶接することを述べているが、本開示の技術に従って、より多くの数の部品及び／又は第１、第２その他の部品間の複数の継手を溶接できる点を理解されたい。
【００１７】
図１に示すように、第１及び第２の全体的に金属の部品１０２及び１０４が用意される。１つの特定の実施形態では、部品１０２及び１０４は、１種以上のそれぞれの超合金材料から作られた部品である。本明細書で開示される方法は、例えば、ガスタービンなどで利用されるような、Ｒｅｎｅ  Ｎ５及びＲｅｎｅファミリー材料の他のものなど、単結晶ニッケル基超合金のような超合金材料の溶接に特に好適である。部品１０２、１０４は、代替として、ニッケル基、コバルト基及び鉄基超合金を始めとする他の超合金からなるものであってもよい。ニッケル基超合金の具体例としては、特に限定されないが、ＧＴＤ−２２２、ＧＴＤ−１１１及びＲｅｎｅ  Ｎ５材料など、鍛造又は鋳造形態（例えば、等軸、一方向凝固、又は単結晶鋳造）で得られるγ′強化ニッケル基超合金が挙げられる。鉄基超合金の具体例は、Ａ２８６合金である。コバルト基超合金の具体例は、ＦＳＸ−４１４である。
【００１８】
図１を更に参照すると、金属シム１０６が、２つの部品１０２、１０４間に形成された継手に挿入される。図１の実施例では、シム１０６と、シム１０６近傍の第１及び第２の部品１０２、１０４、並びに第１及び第２の部品１０２、１０４間の対応する継手は全て、実質的に同じである高さ寸法１０８により特徴付けられる。図示していないが、幾つかの実施形態では、シム１０６は、第１及び第２の部品の高さを上回って、又は下回って延びることができる点は理解されたい。更に、１以上の小ギャップがシム１０６と隣接する部品１０２、１０４との間に存在してもよい点は理解されたい（例えば、シムと隣接部品表面間に約０〜０．２５ｃｍのそれぞれのギャップ）。
【００１９】
シム１０６は第１のフィラー金属からなり、第１のフィラー金属としては様々な好適な材料が挙げられる。ある実施例では、第１のフィラー金属としては、特に限定されないが、１０％〜６０％のγ′で強化されたγ′強化超合金などの、高強度超合金材料が挙げられる。具体例として、特に限定されないが、固溶強化のためにモリブデンを添加した析出硬化型ニッケル−クロム−コバルト合金（例えば、ＮＩＭＯＮＩＣ２６３）、並びにニッケル基γ′強化超合金（例えば、ＧＴＤ−２２２、ＧＴＤ−１１１及びＲｅｎｅファミリー材料）が挙げられる。第１のフィラー材料用の高強度超合金の追加の具体例としては、特に限定されないが、合金７１８（ニッケル−クロム−モリブデン合金）、合金７０６（ニッケル−鉄−クロム合金）及び合金７２５（ニッケル−クロム−モリブデン−ニオビウム合金）などのγ″強化合金が挙げられる。別の具体例では、第１のフィラー金属は、特に限定されないが、ＩＮＣＯＮＥＬ合金６１７（ＩＮ６１７）などの固溶強化ニッケル−クロム−コバルト−モリブデン超合金、ＩＮＣＯＮＥＬ合金６２５（ＩＮ６２５）などのニッケル−クロム−モリブデン超合金、又はＨＡＹＮＥＳ２３０（ＨＡ２３０）などのニッケル−クロム−タングステン超合金のようなより延性の超合金材料が挙げられる。
【００２０】
図２は、開示された溶接技術の適用後の図１の部品アセンブリを示している。図２に示すように、ベース溶接部１１０は、第１及び第２の部品間のシムの深さ全体に溶け込むのに十分なレベルにまでシム１０６を加熱することによって形成される。ベース溶接部１１０の上部では、第２のフィラー金属（例えば、第１及び第２の部品１０２、１０４間で継手の上部に設けられたフィラーワイヤ）を加熱することにより同じ溶接パス中にキャップ溶接部１１２が形成される。図２の実施形態では、キャップ溶接部１１２は一般に、第１及び第２の部品１０２、１０４により形成される上側表面１１４に沿って形成される。キャップ溶接部１１２に使用される第２のフィラー金属の一部はまた、シム１０６と部品１０２、１０４の隣接部分間のいずれかのギャップの一部になど、ベース溶接部に向けて下方に流れることができる点は理解されたい。更に、キャップ溶接部１１２は、図２に示すような連続溶接部として形成することができ、或いは、必要に応じて間欠的に施工される溶接部として形成することができる点は理解されたい。例えば、キャップ溶接部１１２は、離間して配置された一連の別個の又は様々な厚みのキャップ溶接部部分を形成するステッチ溶接とすることができる。
【００２１】
キャップ溶接部１１２で使用される第２のフィラー金属は、ベース溶接１１０及びその他で第１のフィラー金属に関して上述した具体例のいずれを含んでいてもよい。特定の実施例では、第１のフィラー金属として高強度超合金と、第２のフィラー金属として、より延性の超合金（特に限定されないが、ＩＮ６１７、ＩＮ６２５、又はＨＡ２３０材料など）とを含む。他の特定の実施例では、第２のフィラー金属の延性は、第１のフィラー金属の延性よりも大きくてもよい。例えば、第１のフィラー金属は、約１０〜３０％の伸び（ＡＳＴＭ  Ｅ８：金属材料の引張試験のための標準試験方法に従って定められる）を有することができ、第２のフィラー金属は、約５０〜７５％の伸びを有することができる。
【００２２】
図１及び図２に示す実施形態に対する変形形態では、部品１０２、１０４間の第１のフィラー金属は、別個のシムではなく、一方又は両方の部品１０２、１０４の１以上の表面上のコーティングとして施工されたクラッド金属に相当する。かかる場合には、本発明の溶接技術を用いて、クラッド金属を互いに接合することができる。すなわち、既にクラッディングされているベース金属は、クラッディングにより同様のベース材料に接合される。深く侵入する第１のレーザビームは、２つの材料間のベース溶接部を形成し、第２のレーザビームは、上部にクラッディングの化学的性質を与えることになる。これにより２つのクラッド金属要素を単一の操作で接合することができる。
【００２３】
図３及び図４には、開示された溶接技術により達成される部品アセンブリの代替の実施形態が示されている。同様の要素を示すのに同じ符号が使用される。例えば、図３の第１及び第２の部品１０２、１０４は、図１及び２における第１及び第２の部品１０２、１０４と同様であるが、例外として、図３及び４に示す実施形態は、部品の表面に沿って溝を形成し、上側表面に沿うのとは異なってこの溝内にキャップ溶接部を形成している。
【００２４】
図３を更に詳細に参照すると、第１及び第２の部品１０２、１０４は、所与の表面（例えば、上側表面１１４）に沿った溝１０５と共に形成される。溝１０５は一般に、第１及び第２の部品１０２、１０４間の継手の実質的に全体寸法に沿って長手方向に延びるチャンネルに相当する。例示するように、溝１０５は、ほぼＵ字形の断面を有するチャンネルを定めるように形成することができるが、特に限定されないが、Ｖ字形又は矩形断面を含む他の構成を用いてもよい。第１及び第２の部品１０２、１０４間の継手において溝１０５を設けることにより、ベース溶接部１１０を形成するためにシム１０６を接触させる目標場所が定められる。加えて、キャップ溶接部１１２を形成する区域は、キャップ溶接部１１２が第１及び第２の部品１０２、１０４の上側表面に沿っているだけでなく、該部品間に少なくとも部分的に形成されるように設けられる。図２に示すものよりも大きな容積のキャップ溶接部１１２を収容するかかる配置は、溶接部の耐久性を更に高め、亀裂を更に低減することができる。
【００２５】
図３及び図４の１つの例示的な実施形態では、シム１０６の高さ１０７は、溝１０５の高さ１０９よりも高く、従って、ベース溶接部１１０の高さは、キャップ溶接部１１２の高さよりも高くなる。ある実施例では、第１及び第２の部品１０２、１０４の高さは、図３に示す高さ寸法１０８に相当する。シム１０６の高さは、第１及び第２の部品１０２、１０４の間にある継手付近の第１及び第２の部品の高さ１０７に対応し、高さ寸法１０８の約６０〜８０％に相当する。従って、溝１０５の最深部分に対応する高さ寸法１０９は、高さ１０８と高さ１０７との差に相当し、通常は、高さ寸法１０８の約２０〜４０％とすることができる。
【００２６】
図２及び図４に示す溶接部品を得るための例示的なシステムが、図５に概略図で示されている。図５に示すように、溶接されることになる部品アセンブリ上にエネルギー源５００が設けられる。部品アセンブリは、プラットフォーム５０２の上部に設けることができ、より詳細には、第１のフィラー金属が間に挿入される第１及び第２の部品１０２、１０４を含む。第２のフィラー金属のフィラーワイヤ５０４は、ワイヤスプールなどのフィラー源５０６からシム１０６の上の位置にまで送給される。図５に示すように、溝１０５が第１及び第２の部品１０２、１０４間に形成されると、フィラーワイヤ５０４の端部を溝１０５内に位置決めすることができる。
【００２７】
第１及び第２のレーザビーム５０８及び５１０は、エネルギー源５００からの出力としてもたらされ、図５に示す部品アセンブリに沿ったそれぞれの第１及び第２の焦点５１２及び５１４に照射される。第１の焦点５１２は一般に、第１及び第２の部品１０２、１０４間に侵入するベース溶接部１１０を形成するためのシム１０６に沿った場所に相当する。第２の焦点５１４は一般に、ベース溶接部１１０の上部にキャップ溶接部１１２を形成するためにフィラーワイヤ５０４の端部に沿った又は該端部に位置する場所に相当する。レーザの実焦点は、シム及びフィラーワイヤのそれぞれの表面よりも高いか又は低い位置に集束することができる点を理解されたい。
【００２８】
第１及び第２の焦点５１２、５１４間（又は第１及び第２のレーザビーム５０８、５１０内の平行点間）のビーム分離距離５０９は、ベース溶接部１１０及びキャップ溶接部１１２を別個に形成できるように十分に小さな距離とすることができるが、当該キャップ溶接部１１２は、ベース溶接部１１０が冷却及び凝固の可能性が得られるまではベース溶接部１１０の直ぐ上に形成される。ある実施例では、ビーム分離距離５０９は、約０．５ｃｍ〜約１．５ｃｍの範囲から選択される。かかる距離は、第１及び第２の焦点間で直接測定することができる。別の実施形態では、約０．５〜２．０ｃｍの例示的な範囲に相当する分離距離５０９は、水平分離距離と垂直分離距離とに分けることができる。第１及び第２の焦点を異なる水平位置に適用することにより、キャップ溶接部の形成前にベース溶接部の形成が可能になる。また、第１及び第２の焦点を異なる垂直位置に適用することにより、第１のレーザビームがベース溶接部内により深く侵入できるようになり、第２のレーザビームは、僅かに高い垂直位置にてキャップ溶接部を形成するよう機能する。ある実施例では、第１及び第２の焦点間の水平分離距離は、約０．５〜２．０ｃｍであり、第１及び第２の焦点間の垂直分離距離は、約０．１〜１．０ｃｍである。
【００２９】
図５に概略的に示す二重ビームレーザ溶接法は、第１のレーザビーム５０８による第１及び第２の部品１０２、１０４の接合と、ベース溶接部１１０の冷却前に延性キャップ溶接部１１２の融解とを可能にする。従って、ベース溶接部１１０及びキャップ溶接部１１２の形成は、例えば、それぞれの第１及び第２のフィラー金属に第１及び第２のレーザビームを実質的に同時に照射することによるなど、第１及び第２のレーザビームを単一の溶接ステップで行うことができる。単一の溶接パスでベース溶接部１１０及びキャップ溶接部１１２両方を形成することで、延性の上部キャップ溶接部１１２が施工される前にベース溶接部１１０が凝固及び亀裂を生じる時間を持つことができない。結果として、全体の溶接（ベース溶接部１１０及びキャップ溶接部１１２両方から形成された）が均一に凝固し、従って、凝固亀裂が生じる傾向が有意に低減される。
【００３０】
単一の溶接パスでのベース溶接部１１０及びキャップ溶接部１１２の形成は、第１のレーザビーム５０８及び第２のレーザビーム５１０両方の照射を正確に制御することによって達成される。溶接部１１０、１１２は、部品アセンブリを固定して第１及び第２のレーザビーム５０８、５１０を出力するエネルギー源５００を移動させることにより、又は、エネルギー源５００を固定して部品アセンブリをプラットフォーム５０２に沿って移動させることにより、第１及び第２の部品１０２、１０４間に継手に沿って形成される。かかる相対的に移動を行うことができる速度は、最適な溶接条件を促進するよう具体的に選定され、ある実施例では、約１０ｃｍ／分〜約４００ｃｍ／分の範囲から選択された速度に相当する。
【００３１】
ベース溶接部１１０及びキャップ溶接部１１２のサイズは、１つには、第１及び第２の部品１０２、１０４のサイズ、並びに供給される第１のフィラー金属（例えば、シム１０６）及び第２のフィラー金属（例えば、フィラーワイヤ５０４）の好適に選択された対応するサイズによって決まる。ある実施例では、シム１０６は、約０．０２ｃｍ〜約０．０８ｃｍの範囲内から選択された厚みにより特徴付けられる。ある実施例では、フィラーワイヤ５０４は、約０．０２ｃｍ〜約０．１５ｃｍの範囲から選択された直径を備える。より大きなワイヤ直径（例えば、０．０７５ｃｍ以上の直径）では、レーザビーム又は溶融プールに入りキャップ溶接部１１２を形成する前にワイヤを予熱することが望ましい場合があることは理解されたい。
【００３２】
１つの例示的な実施形態では、エネルギー源５００は、第１のレーザビーム５０８及び第２のレーザビーム５１０を出力として発生するレーザエネルギー源に相当する。かかる出力を与えるのに使用されるレーザは、特に限定されないが、固体レーザ（例えば、ファイバーホストレーザ、直接ダイオードレーザ、フォトニック結晶レーザ（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ））、半導体レーザ、ガスレーザ（例えば、二酸化炭素（ＣＯ2）、ヘリウムネオン、アルゴンイオン）、化学レーザ、エキシマレーザ、色素レーザ及び自由電子レーザを始めとする様々なタイプが挙げられる。レーザは、連続又はパルスレーザのいずれかとして動作するよう構成することができる。ある実施例では、第１及び第２のレーザビーム５０８、５１０のパワーレベルはほぼ同じである。別の実施例では、第１のレーザビーム５０８のパワーレベルは、第２のレーザビーム５１０のパワーレベルよりも大きくすることができる。例えば、第１のレーザビーム５０８は、エネルギー源の出力パワーの約７０％のパワーレベルで供給することができ、第２のレーザビーム５１０は、エネルギー源の出力パワーの約３０％のパワーレベルで供給することができる。従って、第１のレーザビーム５０８のパワーレベルは、実際には、第２のレーザビーム５１０のパワーレベルよりも約２倍又はそれ以上とすることができる。
【００３３】
図６により詳細に示すように、エネルギー源５００の１つの例示的な構成は、初期レーザビーム６０２を照射するレーザ６００を含む。レーザビーム６０２は、ビームスプリッタ６０４に送られ、該ビームスプリッタ６０４が初期ビーム６０２を２つのレーザビーム５０８及び５１０に分割し、これらを用いてベース溶接部１１０及びキャップ溶接部１１２をそれぞれ形成する。ビームスプリッタは、実質的に平行な方向に送ることのできる２つのビーム５０８及び５１０へとレーザビーム６０２を分割するよう機能する、あらゆる光学素子又は光学素子の組合せ（例えば、プリズム又はミラー）でよい。コントローラ６０６は、ビームスプリッタ６０４に結合され、これを用いてレーザビーム５０８及び５１０間の距離、焦点の垂直及び／又は水平位置及び／又は各レーザビームのパワーレベルを設定することができる。
【００３４】
図７に更に詳細に示すように、エネルギー源５００の別の例示的な構成は、出力として第１のレーザビーム５０８を照射する第１のレーザ７００と、出力として第２のレーザビーム５１０を照射する第２のレーザ７０２とを含む。図７の実施形態はまた、レーザ７００及び７０２にそれぞれ結合されたコントローラ７０４を含み、レーザビーム５０８及び５１０間の距離、レーザビーム５０８及び５１０の水平及び／又は垂直焦点、並びに各レーザビームのパワーレベルを設定することができる。第１及び第２のレーザ７００及び７０２が使用される場合、第１及び第２のレーザビーム５０８及び５１０は、必ずしも実質的に平行な方向に送らなくてもよい。例えば、第１のレーザビーム５０８は、プラットフォーム５０２に対して実質的に垂直な方向（約９０度）に供給することができる。しかしながら、第２のレーザビーム５１０は、ある角度で照射する場合がある（第２のレーザ７０２の別個のハードウェアを良好に収容するため）。例えば、第２のレーザビーム５１０は、プラットフォーム５０２に対して０〜９０度（例えば、４０〜７０度）のあらゆる好適な角度で照射することができる。
【００３５】
コントローラ６０６及び７０４が使用される場合、かかる装置はそれぞれ、ユーザ入力並びにコンピュータ可読命令を受け取り且つ格納するためのメモリデバイス（例えば、コンピュータ可読媒体）と、命令を実行し、コントローラにエネルギー源５００の特定の動作パラメータを実施させるための専用装置及びインタフェースとして機能させるよう適合されたプロセッサとを少なくとも含むことができる。
【００３６】
パワーレベル、周波数レベル、移動速度などを始めとするレーザビームの例示的な動作パラメータは、ベース溶接部を形成する際の溶接部品間への完全な侵入に十分に高いが、金属を偶発的に切断するような、望ましくない熱的損傷を避けるのに十分低いように特に選択される。プラットフォームに沿った溶接部品の移動速度もまた、遅い移動速度による過熱又は速い移動速度による狭い溶接の結果として生じる融解欠陥を避けるよう特に選択される。１つの特定の実施形態では、第１及び第２のレーザビーム５０８及び５１０は、それぞれ、約５００〜２００００ワットのパワーレベル、１０〜４００ｃｍ／分の移動速度及び約１０〜２５ｃｍの焦点距離を始めとする動作条件を備える。
【００３７】
本発明の１つの実施形態による上述の溶接技術は、例示的な溶接プロセスステップのフローチャートを記載した図８を参照すると更に理解することができる。第１の例示的なステップ８００は、第１及び第２の超合金部品間に（例えば、第１のフィラー金属から形成されたシムを挿入することによって）第１のフィラー金属を設ける段階を含む。任意選択のステップ８０２では、第１及び第２の部品間の継手の所与の表面に沿って溝が形成される。かかる溝の実施例は、図３及び５に示されている。ステップ８０４では、第２のフィラー金属から形成されたフィラーワイヤは、図５に示すように、任意選択の溝内、又は第１及び第２の部品間の所与の表面に沿って送給される。ステップ８０６では、第２のフィラー金属は、溶接される前に予熱することができる。例えば、フィラーワイヤは、フィラー金属を準備してより効率的なキャップ溶接を可能にするために、抵抗加熱、誘導コイル加熱、又は他の加熱プロセスなどの高温のワイヤプロセスに曝される可能性がある。
【００３８】
更に図８を参照すると、ステップ８０８は、約０．５〜２．０ｃｍの範囲内にあるものとして上記で説明されたようなビーム分離距離により互いに分離された第１及び第２の焦点に第１及び第２のレーザビームを照射する段階を含む。ステップ８１０において、第１のレーザビームは、シムと共に第１及び第２の部品間にベース溶接部を形成するのに用いられ、第２のレーザビームは、任意選択の溝におけるベース溶接部の上部に、或いは所与の表面に沿ってフィラーワイヤと共にキャップ溶接部を形成するのに用いられる。ベース溶接部及びキャップ溶接部は、第１及び第２の部品間の継手に対する第１及び第２のレーザビームの単一パスで形成される。任意選択のステップ８１２は、ベース溶接部及びキャップ溶接部両方が形成された後にこれらを冷却する段階を含む。次に、任意選択のステップ８１４は、溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）を施し、第１及び／又は第２のフィラー材料内の素子の強化を促進させることにより、第１及び第２の部品間に形成された溶接部を更に強化する段階を含む。ある実施例では、ＰＷＨＴステップ８１４は、最初にフィラー材料に容体化処理を施し、次いで時効又は時効硬化処理を施す段階を含む、熱作用の２ステッププロセスを含む。例えば、容体化処理は、溶接アセンブリを１〜３時間の期間に高温（例えば、１０００〜１２００℃）に曝す段階を含むことができ、時効は、溶接アセンブリを４〜２４時間の期間にある温度（例えば、γ′析出では６００〜７５０℃及び／又はγ″析出では７５０〜９００℃）に曝す段階を含むことができる。追加の任意選択のステップは、第１及び第２の部品の上側又は下側表面を超えて延びるベース溶接部及び／又はキャップ溶接部の研磨部分を含むことができる。
【００３９】
本溶接技術は、溶接部品に関して説明してきたが、開示の方法を用いて、例えば、ノズル継手への蒸気出口チムニの溶接、バケット間先端キャップ溶接、ノズルカバーへのバケット先端キャップの溶接、移行部品への後方フレームの接合、端部カバーマニホルド閉合、沖合風力クラッドタワーセクションの溶接、クラッド圧力ベッセルの内径に対する接合又は補修溶接、ベース溶接部と共にキャップ溶接がより大きな延性を示すロータの補修溶接、その他など、様々なタービン部品のいずれかを溶接することができる点は理解されるであろう。
【００４０】
本発明の設計は、単一の製造パスで複数の溶接部を同時に完了し、従って、処理速度を向上させる溶接プロセスが得られる利点をもたらす。この技術はまた、溶接部品において及び部品間に溶接部を形成するのに使用されるフィラー金属において形成される可能性がある亀裂（例えば、溶接部品間の継手における亀裂、又は溶接部品の上側表面に沿った横断亀裂として位置付けることができる）の発生を阻止するのを助ける。溶接亀裂が排除されることで、場合によっては動的な動作条件に曝される溶接部品において行う必要性がある再加工の潜在的量が低減される。
【００４１】
本発明の主題を特定の例示的な実施形態及びその方法に関して詳細に説明してきたが、上述の説明を理解することにより、当業者にはかかる実施形態に対する代替形態、変形形態及び均等な形態を容易に提示することができることは理解されるであろう。従って、本開示の範囲は、限定ではなく例証の目的のものであり、本主題の開示は、当業者には容易に理解されるように、本主題に対するかかる修正、変形及び／又は追加を含むことを排除するものではない。
【符号の説明】
【００４２】
１０２  第１の部品
１０４  第２の部品
１０５  溝
１０６  シム
１０７  シム高さ
１０８  部品高さ
１０９  溝高さ
１１０  ベース溶接部
１１２  キャップ溶接部
１１４  上側表面
５００  エネルギー源
５０２  プラットフォーム
５０４  フィラーワイヤ
５０６  フィラー源
５０８  第１のレーザビーム
５０９  ビーム分離距離
５１０  第２のレーザビーム
５１２  第１の焦点
５１４  第２の焦点
６００  レーザ
６０２  初期レーザビーム
６０４  ビームスプリッタ
６０６  コントローラ
７００  第１のレーザ
７０２  第２のレーザ
７０４  コントローラ
【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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