(57)【要約】【課題】本発明は、ロータ母材の化学組成が異なる、少なくとも２つのロータの突合せ部を、溶接部を介して連結したタービンロータにおいて、溶接継手部における硬度分布に段差が無く強度の不均一を緩和したバタリング層を形成し、信頼性の高いタービンロータを提供することを目的とする。【解決手段】ロータ母材の化学組成が異なる、少なくとも２つのロータの突合せ部を、溶接部を介して接合したタービンロータにおいて、少なくとも一方の前記突合せ部にバタリング層５を設ける。該バタリング層の硬度分布を、前記ロータ母材の硬度を始点とし、前記溶接部の硬度を終点とする直線の±５％の範囲内で変化するように構成している。【選択図】図８
2008215181.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ母材の化学組成が異なる、少なくとも２つのロータの突合せ部を、溶接部を介して接合したタービンロータにおいて、
少なくとも一方の前記突合せ部にバタリング層を設け、該バタリング層は、その硬度分布が、前記ロータ母材および前記溶接部の硬度を、それぞれ始点および終点とする直線の±５％の範囲内で変化するように構成されていることを特徴とするタービンロータ。
【請求項２】
前記ロータの一方のロータ母材が、Ｃを０.１〜０.２質量％、Ｍｎを０.３〜１.０質量％、Ｎｉを１質量％以下、Ｃｒ９〜１３質量％、Ｍｏを０.１〜１.５質量％、Ｎｂを０.０２〜０.１質量％、Ｖを０.１〜０.２質量％含む全焼戻しマルテンサイト組織を有する１２％Ｃｒ系鋼であり、前記他方のロータのロータ母材が、Ｃを０.２５〜０.３５質量％、Ｍｎを１質量％以下、Ｎｉを１質量％以下、Ｃｒを０.８〜１.５質量％ 、Ｍｏを１.０〜１.５質量％、Ｖを０.２〜０.３質量％、および残部としてＦｅから構成されるベイナイト組織を有するＣｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼であることを特徴とする請求項１に記載のタービンロータ。
【請求項３】
前記バタリング層は、前記１２％Ｃｒ系鋼のロータの突合せ部に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のタービンロータ。
【請求項４】
前記溶接部は、Ｃを０.０３〜０.１質量％、Ｓｉを０.１４〜０.５質量％、Ｍｎを０.４２〜１.０９質量％、Ｃｒを１.２２〜２.３質量％、Ｍｏを０.５４〜１.０４ 質量％、Ｎｂを０.０３４質量％以下、Ｖを０.２８質量％以下、および残部としてＦｅから構成される溶接材であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のタービンロータ。
【請求項５】
前記バタリング層は、Ｃを０.０３〜０.１４質量％、Ｓｉを０.０６〜０.５質量％、Ｍｎを０.４２〜１.０９質量％、Ｎｉを０.６２質量％以下、Ｃｒを１.２２〜１０.４質量％、Ｍｏを０.５４ 〜１.２１ 質量％、Ｎｂを０.０３４〜０.０５質量％、Ｖを０.１７〜０.２８質量％、および残部としてＦｅから構成される複数の溶融層により形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のタービンロータ。
【請求項６】
前記バタリング層は、前記突合せ部と同様の形状で、厚さが０.７〜７.９ｍｍ、硬度が２３７〜３４７ＨＶ、堆積した溶融層の数が２４〜２６４層であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のタービンロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンロータに関し、更に詳しくは、ロータ母材の化学組成が異なるロータを、溶接部を介して接合したタービンロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題の高まりから、蒸気タービン発電プラントには高効率化及び出力の大容量化が求められ、蒸気温度は高温化し、その上圧力も高圧化が進められている。
【０００３】
従来、蒸気タービンロータの如き回転体は、鍛造熱処理技術の発展とも相俟って、一体型ロータが適用されてきた。蒸気温度５３８℃〜６００℃の高圧，中圧蒸気タービンには、１％ＣｒＭｏＶ系鋼，１２％Ｃｒ系鋼が使用され（非特許文献１、特許文献１）、蒸気温度４００℃以下の低圧蒸気タービンには３〜４％Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼が使用されている（非特許文献２）。
【０００４】
また、タービンの軽量化，構造簡素化のために、５３８〜５６６℃の蒸気温度で高圧から低圧までを同一材質で一体成形した高低圧一体型ロータには２％Ｎｉ−２％Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼等が使用されている（特許文献２）が、この高低圧一体型ロータはさらなる高温化，大容量化には適さない。
【０００５】
また、製造工程の再溶解時に異なる材質のインゴットを接合してタービンロータを製造する方法が特許文献３に示されている。段落毎または複数段落毎のような小鋼塊でタービンロータを製造する場合は、大型ロータの製造と比べて、高品質な鋼塊が得られやすく、大規模な製造設備を必要としない。
【０００６】
ところで、大型の蒸気タービンロータにおいて、ロータ材に要求される特性は、高圧（高温）では高温クリープ破断強度であり、低圧では引張強度、靭性である。しかし、大型の蒸気タービンロータのロータ材に要求される、高圧と低圧の双方の特性を一つの材質で満足することは困難であるが、要求される特性はタービンロータの段落毎に異なっている。
【０００７】
そこで、大型の蒸気タービンロータは、段落毎または複数段落毎に最適なロータの材料を選択して段落または複数段落を形成し、これらの段落または複数段落をボルト締結、溶接接合等により連結して一本のロータを構成する方法が知られており、段落または複数段落を溶接接合により連結したタービンロータが非特許文献３に示されている。
【０００８】
段落または複数段落を構成するロータを溶接してタービンロータを構成すると、溶接時にロータ母材に熱影響部(ＨＡＺ)が形成される。ＨＡＺは硬度の高い急冷組織領域と硬度の低い過時効領域を含むため、ＨＡＺには強度の不均一領域が生じる。ロータ母材が同材の組合せの場合では、溶接後に応力除去焼鈍を行うことによりＨＡＺの強度の不均一は緩和される。しかし、ロータ母材が異材の組合せの場合では、ロータの応力除去に必要な熱処理温度がそれぞれ異なるため、熱処理によって強度の不均一を緩和する効果は期待できない。そのため、異なる材料のロータを溶接する場合には、ロータを溶接する前に、ロータの開先面へロータと溶接部との化学組成の緩和を図るためのバタリング層を形成する方法が提案されている(特許文献４、特許文献５、特許文献６)。また、蒸気タービンロータシャフトにおいて、化学組成の異なる複数種類の溶接材料を順次使用して肉盛してジャーナル部を形成する方法も提案されている(特許文献７)。
【０００９】
【特許文献１】特許第１８３３１０８号公報
【特許文献２】特許第３１０６１２１号公報
【特許文献３】特公昭５６−１４８４２号公報
【特許文献４】特開２００１−１２３８０１号公報
【特許文献５】特開２０００−６４８０５号公報
【特許文献６】特開平６−７８７２１号公報
【特許文献７】特開平２−１６１１０４号公報
【非特許文献１】ＡＳＴＭ  Ａ４７０  Class８
【非特許文献２】ＡＳＴＭ  Ａ４７０  Class７
【非特許文献３】三菱重工技報、Vol.３７、No.３（２０００−５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献４、特許文献５、特許文献６に示されている方法は、バタリング層を、化学組成がロータ母材と溶接材料との中間に位置する溶接材を使用して、タングステン・不活性ガス（ＴＩＧ）溶接、金属・不活性ガス（ＭＩＧ）溶接、サブマージアーク（ＳＡＷ）溶接などにより肉盛溶接してバタリング層を形成している。しかし、これらの方法では、バタリング層を溶接して形成する際に入熱を伴うため、ロータ母材に熱影響部(ＨＡＺ)の形成を回避することは出来ない。また、バタリング層は１種類の溶接材を使用して肉盛溶接して形成されているため、バタリング層ではロータと溶接部との化学組成の不連続が生じる。
【００１１】
そこで、発明者らは、１種類の溶接材を肉盛溶接して形成したバタリング層を介してロータを溶接して接合している溶接継手部を検証した。
【００１２】
図８は、１２％Ｃｒ鋼のロータの開先面にバタリング層を施工して溶接部によって溶接した溶接継手における、１２％Ｃｒ鋼のロータ母材、バタリング層及び溶接部の硬度を模式的に示している。バタリング層は、表１に示すように、強度に影響を及ぼすＣｒの含有量がロータ母材（１２Ｃｒ鋼）と溶接部（１.２５Ｃｒ鋼）の間である９％Ｃｒ鋼を用いた。この場合の溶接継手部の硬度分布を、図８中の白抜き印で記している。硬度は、バタリング層との境界付近のロータ母材では、バタリング層の形成時に急冷領域となりロータ母材に比べて高く、一方、ロータ母材との境界付近のバタリング層では、過時効域となって低くなり、バタリング層とロータ母材の境界付近には、硬度の極大・極小が生じていることが分かった。この硬度の極大・極小は、バタリング層と溶接金属との境界付近でも同様の理由により生じていることが分かった。また、バタリング層の中央部では、ロータ母材あるいは溶接金属との希釈効果が小さいため、バタリング層中央部の硬度はほぼ一定値となっている。１種類の溶接材を肉盛溶接して形成したバタリング層を介してロータを溶接接合により連結している、従来の溶接継手部では上述のように、硬度分布に段落が生じていた。硬度が高いと強度も高く靭性は低く、また硬度が低いと靭性は高く強度は低い傾向がある。そして、硬度分布に段落が生じていて強度の不均一な部分では亀裂等が生じやすく溶接継手部の信頼性低下の要因となっている。
【００１３】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ロータ母材の化学組成が異なる、少なくとも２つのロータの突合せ部を、溶接部を介して連結したタービンロータにおいて、溶接継手部における硬度分布に段差が無く強度の不均一を緩和したバタリング層を形成し、信頼性の高いタービンロータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するため、本発明のタービンロータは、ロータ母材の化学組成が異なる、少なくとも２つのロータの突合せ部を、溶接部を介して連結したものであり、少なくとも一方の前記突合せ部にバタリング層を設け、該バタリング層は、その硬度分布が、前記ロータ母材および前記溶接部の硬度を、それぞれ始点および終点とする直線の±５％の範囲内で変化するように構成されていることを特徴としている。
【００１５】
本発明は、ロータ母材の化学組成が異なる、少なくとも２つのロータの突合せ部を、溶接部を介して連結したタービンロータにおいて、突合せ部に設けたバタリング層の硬度分布が、前記ロータ母材および前記溶接部の硬度を、それぞれ始点および終点とする直線の±５％の範囲内で変化するように構成されており、ロータ母材と溶接部との間の硬度変化に段差が無く強度が均一化されているので、信頼性の高いタービンロータとすることができる。
【００１６】
本発明のタービンロータは、具体的には、ロータの一方のロータ母材が、Ｃを０.１〜０.２質量％、Ｍｎを０.３〜１.０質量％、Ｎｉを１質量％以下、Ｃｒ９〜１３質量％、Ｍｏを０.１〜１.５質量％、Ｎｂを０.０２〜０.１質量％、Ｖを０.１〜０.２質量％含む全焼戻しマルテンサイト組織を有する１２％Ｃｒ系鋼であり、他方のロータのロータ母材が、Ｃを０.２５〜０.３５質量％、Ｍｎを１質量％以下、Ｎｉを１質量％以下、Ｃｒを０.８〜１.５質量％ 、Ｍｏを１.０〜１.５質量％、Ｖを０.２〜０.３質量％、および残部としてＦｅから構成されるベイナイト組織を有するＣｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼である。
【００１７】
また、本発明のタービンロータは、バタリング層が、１２％Ｃｒ系鋼のロータの突合せ部に形成されている。
【００１８】
また、本発明のタービンロータは、溶接部が、Ｃを０.０３〜０.１質量％、Ｓｉを０.１４〜０.５質量％、Ｍｎを０.４２〜１.０９質量％、Ｃｒを１.２２〜２.３質量％、Ｍｏを０.５４〜１.０４ 質量％、Ｎｂを０.０３４質量％以下、Ｖを０.２８質量％以下、および残部としてＦｅから構成される溶接材である。
【００１９】
さらに、本発明のタービンロータは、バタリング層が、Ｃを０.０３〜０.１４質量％、Ｓｉを０.０６〜０.５質量％、Ｍｎを０.４２〜１.０９質量％、Ｎｉを０.６２質量％以下、Ｃｒを１.２２〜１０.４質量％、Ｍｏを０.５４ 〜１.２１ 質量％、Ｎｂを０.０３４〜０.０５質量％、Ｖを０.１７〜０.２８質量％、および残部としてＦｅから構成される複数の溶融層により形成されている。
【００２０】
さらに、本発明のタービンロータは、バタリング層が、突合せ部と同様の形状で、幅が０.７〜７.９ｍｍ、硬度が２３７〜３４７ＨＶ、堆積した溶融層の数が２４〜２６４層であることが望ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ロータ母材の化学組成が異なる、少なくとも２つのロータの突合せ部を、溶接部を介して接合したタービンロータにおいて、少なくとも一方の突合せ部に、その硬度分布が、前記ロータ母材および前記溶接部の硬度を、それぞれ始点および終点とする直線の±５％の範囲内で変化するバタリング層を設けたので、タービンロータの溶接継手部に、硬度分布に大きな段差が生じておらず、強度の不均一が緩和されているため、タービンロータ溶接継手部の信頼性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明のタービンロータを実施するための最良の形態を具体的な実施例によって詳細に説明する。
【実施例１】
【００２３】
本発明の第１の実施例について図１から図８を用いて説明する。図１は本発明に係る高圧蒸気用のタービンロータの断面図である。図１に示すように、高圧蒸気用のタービンロータは、高温側ロータ６１、低温側ロータ６２、高温側ロータ６１に接続された軸受部６３の３つに分割されており、各々が溶接部６６、６７で接合されてタービンロータが構成されている。溶接部６６，６７で接合される継手部には中空部６４、６５が形成され、軽量化が図られている。高温側ロータ６１はマルテンサイト系Ｃｒ鋼である、表１の１２％Ｃｒ鋼で構成され、低温側ロータ６２及び軸受部６３は表１のベイナイト組織を有する１％Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼で構成されている。表１はタービンロータのロータを構成する母材及び溶接ワイヤの化学組成（重量％）を示し、残部がＦｅである。溶接継手部の特性を円滑に変化させるには、溶接部の材料の化学組成、特に強度に最も影響するＣｒの含有量を段階的に変化させることが有効である。本実施例では、高温側ロータ６１の母材のＣｒ含有量が１０.４％であり、低温側ロータ６２の母材のＣｒ含有量が１.１３％であるので、溶接部のＣｒ含有量は１.１３〜１０.４％で変化することが望ましい。本実施例では、低温側ロータ６２の１％Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ母材との化学組成の希釈を優先するために、Ｃｒ含有量が１.２５％の溶接ワイヤ(１)を使用した。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
図２は、本発明に係るタービンロータの溶接継手部の部分断面図であり、（ｂ）は（ａ）の一部拡大図である。一方のロータ１の突合せ部３には、他方の突合せ部４と溶接接合する前に、ロータ１の母材の化学組成を希釈するために、バタリング層５を形成してある。開先部底部には、ロータ１，２同志を位置合わせするために突合せ面７が設けてある。ロータ１とロータ２は、開先部に溶接ワイヤを溶融することで溶接部６が形成されて接合され、タービンロータが構成される。
【００２６】
図３は、ロータの突合せ部にバタリング層を形成するためのバタリング装置を示す図である。ここでは、粉末供給型レーザ溶接装置４２を用いたバタリング装置について図示している。粉末供給型レーザ溶接装置４２は、レーザ発振装置５２、レーザトーチ５３、バタリング層を形成するための粉末４７を貯蔵する粉末貯蔵容器４４，４５、粉末４７を運搬するために用いるガスを貯蔵するガスボンベ４６、ガスおよび粉末４７の供給量を制御する制御装置４３、ガスおよび粉末４７を制御装置４３に送給するガスホース４８、粉末用ホース５０、ガスをレーザトーチ５３に送給するガス送給ホース４９、及び、粉末４７をレーザトーチ５３に送給する粉末送給ホース５１から構成される。
【００２７】
レーザ発振装置５２により発生されたレーザは、レーザファイバー５４を通り、レーザトーチ５３からタービンロータ１の開先表面に向けて照射される。粉末貯蔵容器４４、４５にそれぞれ貯蔵されている粉末４７は、制御装置４３でその量が制御されて粉末送給ホース５１によってレーザ照射される箇所に向けて投入され、レーザの熱により溶融され、タービンロータ１の開先表面に溶融層となって堆積する。レーザトーチ５３はアーム１２に取り付けられて、タービンロータ１の開先表面上を走査し、また、タービンロータ１はタービンロータ回転装置１５により回転する。レーザ溶接中は、アーム１２の位置とタービンロータ回転装置１５の回転を制御することにより、タービンロータ１の開先表面に均一の厚さにバタリング層を形成することができる。
【００２８】
図４は、タービンロータを溶接するためのタービンロータ溶接装置を示し、ここでは、タングステン・不活性ガス（ＴＩＧ）溶接法によるタービンロータ溶接装置を図示している。タービンロータ溶接装置８は、電極９が取り付けられるトーチ１０、溶接部を形成する溶接ワイヤ１１、トーチ１０及び溶接ワイヤ１１を支持固定するアーム１２、電極９に所定値の電流を供給する溶接電源１３、溶接部の酸化を抑制するために電極９周囲から噴射する不活性ガスを供給するガスボンベ１４、タービンロータ１を支持しながら回転させるためのタービンロータ回転装置１５及び溶接ワイヤ１１を溶接部に送給する溶接ワイヤ送給装置１６を備える。電極９には、溶接電源１３からの送電線１７が取り付けられてあり、溶接電源１３から電流が供給される。トーチ１０には、ガスボンベ１４から不活性ガスの供給をうけるためにガスホース１８が取り付けてある。タービンロータ１には、電極９とタービンロータ１との間で電気アークを発生するために、電気線１９が取り付けてある。タービンロータ回転装置１５には、回転信号線２０が取り付けてあり、溶接電源１３からの制御信号を受けてタービンロータ回転装置１５の回転速度および回転方向が制御される。溶接ワイヤ送給装置１６は、送給信号線２１からの制御信号を受けて溶接ワイヤ２２の送給速度が制御されるように構成されてある。本発明では溶接装置として、図４で示したタングステン・不活性ガス（ＴＩＧ）溶接法に加えて、サブマージアーク（ＳＡＷ）溶接法、被覆アーク溶接法、金属・不活性ガス（ＭＩＧ）溶接法および、これらの組合せを採用することができる。
【００２９】
図５は、本発明に係るタービンロータにおいて、複数のロータを溶接して接合する溶接工程フローの一例を示している。まず、ステップ１０１で溶接工程を開始する指示がでると、ステップ１０２で、バタリング層施工時の熱応力を緩和するために、バタリング層を形成するロータを予熱する。そして、ステップ１０３で、図３で示したバタリング装置を用いて開先面にバタリング層を形成し、ステップ１０４で、バタリング層周囲のみに局部的に入った熱を均一化するために応力除去焼鈍（後熱処理）を行う。ステップ１０５では、バタリング層の形成時に混入する可能性があるバタリング層の欠陥の有無を確認するために、バタリング層内を検査する。ステップ１０６で、バタリング層内に欠陥を検出した場合は、ステップ１０７に進んでその欠陥サイズを推定する。ステップ１０７で、バタリング層内の欠陥が機械強度上許容できないサイズであると判断した場合には、ステップ１０８に進んで、欠陥部を含むバタリング層を除去し、ステップ１０３に戻って再度バタリング層を施工する。
【００３０】
ステップ１０６で、バタリング層内に欠陥を検出しなかった場合、または、ステップ１０７で、検出した欠陥が許容できるサイズであると判断した場合は、ステップ１０９において、図４で示したタービンロータ溶接装置によって複数のロータを溶接して接合するための本溶接を行う。ステップ１１０では、本溶接で溶接部に入った熱を均一化するために応力除去焼鈍を行い、ステップ１１１で、溶接部に欠陥が有るか否かを確認するために検査を行う。ステップ１１２で、溶接部内に欠陥を検出した場合は、ステップ１１３に進んで、その欠陥サイズを推定する。ステップ１１３で、溶接部内の欠陥が機械強度上許容できないサイズであると判断した場合には、ステップ１１４で、欠陥部を含む溶接部を除去し、再度、ステップ１０９に戻って本溶接する。ステップ１１２で溶接部内で欠陥を検出しなかった場合、または、ステップ１１３で検出した欠陥が許容できるサイズであると判断した場合は、ステップ１１５に進んで接合工程を終了する。
【００３１】
本発明は、ステップ１０３においてロータの開先面に形成するバタリング層に関するものである。そして、本発明では、バタリング層は、１２％Ｃｒ鋼側のロータの開先表面に施工した。これは、１２％Ｃｒ鋼の焼き戻し温度(６６０℃)が、１％Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼（６５０℃）よりも高いためである。応力除去焼鈍（図５のＳ１１０）を行う際の熱処理温度は、焼き戻し温度の低い方に合わせる必要がある。そのため、１２％Ｃｒ鋼に対しては低い温度での応力除去焼鈍では、十分応力を除去できない。このことから、１２％Ｃｒ鋼側にバタリング層を施工した後に、１２％Ｃｒ鋼に適した応力除去焼鈍（図５のＳ１０４）を行った。
【００３２】
ここで、本発明のバタリング層の形成方法について説明する。図３に示すバタリング装置において、粉末貯蔵容器４４に１２％Ｃｒ鋼ロータ母材の粉末を貯蔵し、また、粉末貯蔵容器４５に、Ｃｒ含有量が１.２５％の溶接ワイヤ(１)の粉末を貯蔵し、これらの粉末は混合されて粉末送給ホース５１からロータの開先面に送給され、混合された粉末は照射したレーザによって溶融させて開先面に溶融層を形成する。溶融層を形成する初期段階では、粉末貯蔵容器４５，４６に貯蔵している粉末を、１２％Ｃｒ鋼ロータ母材に近い成分となるように混合して送給し、１２％Ｃｒ鋼ロータ母材に近い成分の溶融層を形成する。溶融層を形成するにつれて、１２％Ｃｒ鋼ロータ母材の粉末と溶接ワイヤ(１)の粉末との混合割合において、溶接ワイヤ(１)の粉末の割合を徐々に増やしながら、複数の溶融層を形成していく。最後の溶融層は、溶接ワイヤ(１)の成分と最も近い成分、あるいは溶接ワイヤ(１) と同じ成分としている。
【００３３】
バタリング層内の化学組成は、１２％Ｃｒ鋼と溶接部の化学組成を上限および下限とする範囲で調整する。すなわち、バタリング層の化学組成は、Ｃを０.０６〜０.１４質量％、Ｓｉを０.５〜０.６質量％、Ｍｎを０.６３〜０.９９質量％、Ｎｉを０.６２質量％以下、Ｃｒを１.２〜１０.４質量％、Ｍｏを０.５４ 〜１.２１ 質量％、Ｎｂを０.０５質量％以下、Ｖを０.１７質量％以下、および残部としてＦｅとする範囲で調整されている。このようにしてバタリング層を形成することにより、バタリング層の硬度が、ロータ母材の硬度から溶接部の硬度に段差無く変化するようにしている。
【００３４】
本発明では、バタリング層を形成するための粉末を溶融させて複数の溶融層を堆積することによりロータの開先面にバタリング層を形成する。そのため、バタリング層を施工する時間を短縮するには、溶融層の厚さを増やすことが望ましいが、それに伴い冷却時の残留応力により、溶融層が割れる可能性も増す。一方、溶融層厚さが薄い場合、被覆ムラが生じて、適切な化学組成の傾斜化が出来ない。そこで、適切な溶融層厚さを求めるために予備試験を行った。予備試験では、レーザ溶接で適用できる約１００μｍ以下の粉末を使用した。図６に、予備試験における溶融層厚さと被覆率の測定結果例を示す。溶融層厚さを増やすと被覆率は上昇し、溶融層厚さが３０μｍ以上の場合に被覆率は１００％となった。また、溶融層厚さが３００μｍ以上の場合には溶融層に割れが生じた。このことから、溶融層の厚さは３０〜３００μｍとすることが望ましい。本実施例では、溶融層厚さは２５０μｍとした。
【００３５】
バタリング層の施工後に行う本溶接(図５のＳ１０９)は、通常２５ＫＪ／ｃｍの入熱量で施工する。予備試験として、タービンロータと同じ組成の母材へ入熱量２５ＫＪ／ｃｍで本溶接を施工し、溶け込み深さとＨＡＺ幅を計測した。その結果、図７に示すように、溶け込み深さは０.７ｍｍ、ＨＡＺ幅は５.８ｍｍであった。本溶接によりバタリング層を含む領域が溶け込んでしまうと、化学組成の傾斜効果がなくなり、硬度分布の不均一をもたらす。そのため、バタリング層の厚さは本溶接施工時の溶け込み深さよりも大きく、すなわち０.７ｍｍ以上が必要である。一方、バタリング層の厚さは、機能の観点では上限はないが、施工時間の観点から必要最小限とすることが望ましい。前述の予備試験の結果から、ＨＡＺ幅と溶け込み深さとの合計である、母材の組織が変化する幅は、６.５ｍｍ（０.７＋５.８ｍｍ）である。よって、バタリング層の幅（厚さ）は、６.５ｍｍあれば、バタリング層の役割を果たすことができる。本実施例では、バタリング層の厚さが６.５ｍｍとなるまで、溶融層を堆積させた。すなわち、１層当たりの溶融層の厚さが２５０μｍであるので、粉末組成を変えながら２６層を堆積させることにより、厚さ６.５ｍｍのバタリング層を形成した。
【００３６】
図８には、このようにしてバタリング層を６．５ｍｍの厚さに形成して溶接した溶接継手部において、１２％Ｃｒ鋼ロータ母材の硬度、バタリング層の硬度及び溶接部の硬度を測定した結果を示している。１２％Ｃｒ鋼ロータ母材の硬度は３００±１５ＨＶであり、溶接部の平均硬度は２５０±１３ＨＶである。このことから、本発明では、バタリング層の硬度分布が、ロータ母材側では３００ＨＶを始点として、溶接金属側では２５０ＨＶを終点とする一直線状の勾配となるように入熱量と使用する粉末の混合割合を調整してバタリング層を形成した。
【００３７】
しかし、バタリング層は、多数の溶融層が積み重なることで形成される。そのため、バタリング層内の硬度分布は、厳密には幾何学的な直線変化とはならず、図８の実線で示すような硬度分布であった。しかし、材料の機械的特性は、元々ばらつきを含んでおり、このばらつきが約±５％以内であれば、機械強度設計上許容できる。したがって、バタリング層の硬度分布は、±５％以内のばらつきを含む一直線上の傾斜であれば、実用上問題はない。本実施例では、バタリング層の直線状に傾斜させた硬度は、ロータ母材と溶接部の硬度をそれぞれ起点と終点とした直線に対して約±４％のばらつきであった。
【００３８】
本発明のタービンロータは、ロータ母材と溶接部との間に形成されているバタリング層の硬度が、ロータ母材の硬度から溶接部の硬度に徐々に変わっており、溶接継手部の硬度分布に大きな段差がなくて強度の不均一が抑制されているため、信頼性の高いタービンロータとなっている。
【実施例２】
【００３９】
本実施例は、本溶接施工時の入熱量とバタリング層の厚さが実施例１とは異なるタービンロータであり、図７を用いて説明する。溶接装置および溶接工程の手順は、実施例１と同様（図３〜５）である。また、タービンロータの構造及び鋼種は、第１の実施例と同じ（図１と表１）である。
【００４０】
実施例１では、本溶接施工時の入熱量が２５ＫＪ／ｃｍの場合について説明した。しかし、開先が狭い場合には、実施例１よりも低い入熱量で本溶接を施工する。図７に、本溶接施工時の入熱量とＨＡＺ幅およびロータ母材への溶け込み深さの関係を示している。入熱量が１０ＫＪ／ｃｍ未満の場合では、溶接ワイヤを適切に溶かすことができないために、溶融層内に欠陥が生じた。よって、適切に溶融層を形成するには、１０ＫＪ／ｃｍ以上の入熱量が必要であり、１０ＫＪ／ｃｍ以上の入熱量の時の溶け込み深さは０.７ｍｍ、ＨＡＺ幅は４.５ｍｍである。このことから、本溶接施工時の入熱量が１０ＫＪ／ｃｍの場合では、バタリング層は０.７〜５.２（＝０.７＋４.５）ｍｍの範囲であることが望ましい。本実施例では、バタリング層が０.７ｍｍになるまで、溶融層を堆積させた。１層当たりの溶融層の厚さを３０μｍとしたので、粉末組成を変えながら２４層を堆積させることにより、厚さ０.７ｍｍのバタリング層を形成した。
【００４１】
このバタリング層を開先面に形成してロータを溶接で接合してタービンロータを形成することにより、溶接継手部の強度不均一を抑制することができ、信頼性の高いタービンロータを得ることができた。
【実施例３】
【００４２】
本実施例は、本溶接施工時の入熱量とバタリング層の厚さが実施例１及び２とは異なるタービンロータであり、図７を用いて説明する。溶接装置および溶接工程の手順は、実施例１と同様（図３〜５）である。また、タービンロータの構造及び鋼種も実施例１と同じ（図１と表１）である。
【００４３】
実施例１では、本溶接施工時の入熱量が２５ＫＪ／ｃｍの場合について説明した。しかし、開先が広い場合には、実施例１よりも高い入熱量で本溶接を施工する。図７に示すように入熱量が５０ＫＪ／ｃｍより高い場合には、開先が溶け落ちて、所定の開先形状を保てなくなる。よって、本溶接施工時に適切に溶融層を形成するには、５０ＫＪ／ｃｍ以下の入熱量である必要がある。入熱量が５０ＫＪ／ｃｍの時の溶け込み深さは２.０ｍｍ、ＨＡＺ幅は５.９ｍｍであった。このことから、本溶接施工時の入熱量が５０ＫＪ／ｃｍの場合には、バタリング層は２.０〜７.９（＝２.０＋５.９）ｍｍの範囲であることが望ましい。本実施例では、バタリング層が７.９ｍｍになるまで、溶融層を堆積させた。１層当たりの溶融層の厚さを３０μｍとしたので、粉末組成を変えながら２６４層を堆積させることにより、厚さ７.９ｍｍのバタリング層を形成した。
【００４４】
開先面にこのバタリング層を形成してロータを溶接で接合してタービンロータを形成することにより、溶接継手部の強度不均一を抑制することができ、信頼性の高いタービンロータを得ることができた。
【実施例４】
【００４５】
本実施例は、高中圧用タービンロータである点で、高圧蒸気用のタービンロータである実施例１のものとその構造および用途が異なるが、ロータを溶接する溶接装置および溶接工程の手順は、実施例１と同様（図３〜５）である。また、タービンロータの鋼種も実施例１と同じ（表１）である。
【００４６】
図９は、本実施例の高中圧用タービンロータの断面図である。図９に示すように、高中圧用タービンロータは、高温側ロータ７１とそれぞれの後側段落に接合された低温側ロータ７２，７３の３つに分割されており、これらを溶接部７６，７７で接合することにより構成されている。継手部には中空部７４，７５が形成され、軽量化が図られている。高温側ロータ７１は表１の１２％Ｃｒ系鋼で構成されており、低温側ロータ７２，７３は表１の１％Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼で構成されている。タービンロータの構造や用途が異なっても、異材の組合せのタービンロータであれば、バタリング層には母材と溶接部との間で機械的特性が連続的に変化することが要求される。したがって、実施例１と同様に、機械的特性を代表するバタリング層の硬度は、図８のようにロータの母材の硬度から溶接部の硬度へ変化するように傾斜させることが望ましい。
【００４７】
開先面にこのバタリング層を形成してロータを溶接で接合してタービンロータを形成することにより、溶接継手部の硬度分布に段差が生ぜず、強度不均一を抑制することができ、信頼性の高いタービンロータを形成することができる。
【実施例５】
【００４８】
本実施例のタービンロータは、溶接部の化学組成のみが実施例１とは異なるが、溶接装置および溶接工程の手順は、実施例１と同様（図３〜５）である。また、タービンロータの鋼種および構造は、実施例１と同じ（表１および図１）である。実施例１では、溶接部のＣｒ含有量は１.１３〜１０.４であることが望ましいことを示した。ただし、溶接部のＣｒ含有量が２.５％を超えると、溶接部が溶接割れを起こしやすくなるから、実用的には、溶接部のＣｒ含有量は１.１３〜２.５であることが望ましい。このことから、本実施例では、Ｃｒ含有量が２.２５％の溶接ワイヤ(２)を使用した。そのため、本実施例の溶接部の硬度分布は２６０±１３ＨＶであり、実施例１の硬度分布よりも高かった。これに応じて、バタリング層の硬度分布は、実施例１と同様にロータ母材と溶接部の硬度を始点および終点とした一直線状に変化させることが望ましい。
【００４９】
バタリング層の化学組成は、タービンロータの母材および溶接部の化学組成に応じて変化させる。本実施例の場合では、バタリング層の化学組成は、Ｃを０.０３〜０.１４質量％、Ｓｉを０.０６〜０.４９質量％、Ｍｎを０.６３〜１.０９質量％、Ｎｉを０.６２質量％以下、Ｃｒを２.２２〜１０.４質量％、Ｍｏを１.０１ 〜１.２１ 質量％、Ｎｂを０.０５質量％以下、Ｖを０.１７質量％以下、および残部としてＦｅとする範囲で変化させた。
【００５０】
ロータの開先面にこのバタリング層を形成してロータを溶接で接合してタービンロータを形成することにより、溶接継手部の強度不均一を抑制することができ、信頼性の高いタービンロータを得ることができた。
【実施例６】
【００５１】
本実施例のタービンロータは、溶接部の化学組成のみが実施例１及び５とは異なるが、溶接装置および溶接工程の手順は、実施例１と同様（図３〜５）である。また、タービンロータの鋼種および構造は、実施例１と同じ（表１および図１）である。
【００５２】
本実施例では、炭化物の形成により硬度を高くするために、炭化物生成元素であるＮｂおよびＶをそれぞれ０.０３４質量％および０.２８質量％添加してある溶接ワイヤ(３)を使用した。その結果、本実施例の溶接部の硬度は３３０±１７ＨＶであり、実施例５の溶接部の硬度よりも高かった。これに応じて、バタリング層の硬度分布は、実施例１と同様にロータ母材と溶接部の硬度を始点および終点とした一直線状に変化させることが望ましい。
【００５３】
バタリング層の化学組成は、実施例１と同様にロータ母材および溶接部の化学組成に応じて変化させる。本実施例の場合では、バタリング層の化学組成は、Ｃを０.１０〜０.１４質量％、Ｓｉを０.０６〜０.１４質量％、Ｍｎを０.４２〜０.６３質量％、Ｎｉを０.６２質量％以下、Ｃｒを２.３〜１０.４質量％、Ｍｏを１.０４ 〜１.２１ 質量％、Ｎｂを０.０３４〜０.０５質量％、Ｖを０.１７〜０.２８質量％、および残部としてＦｅとする範囲で変化させた。
【００５４】
開先面にこのバタリング層を形成してロータを溶接で接合してタービンロータを形成することにより、溶接継手部の強度不均一を抑制することができ、信頼性の高いタービンロータを得ることができた。
【００５５】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではない。また、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。
【００５６】
前記実施例では、高温側のタービンロータのロータ母材を表１に記載した１２％Ｃｒ鋼としているが、これに限定されるものではなく、Ｃを０．１〜０．２質量％、Ｍｎを０．３〜１．０質量％、Ｎｉを１質量％以下、Ｃｒ９〜１３質量％、Ｍｏを０．１〜１．５質量％、Ｎｂを０．０２〜０．１質量％、Ｖを０．１〜０．２質量％含む全焼戻しマルテンサイト組織を有する１２％Ｃｒ系鋼でもよい。また、低温側のタービンロータのロータ母材を表１に記載した１％Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼としているが、これに限定されるものではなく、Ｃを０.２５〜０.３５質量％、Ｍｎを１質量％以下、Ｎｉを１質量％以下、Ｃｒを０．８〜１.５質量％ 、Ｍｏを１.０〜１.５質量％、Ｖを０.２〜０.３質量％、および残部としてＦｅから構成されるベイナイト組織を有するＣｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施例１に係る高圧タービン用溶接ロータの断面図。
【図２】本発明に係るタービンロータの継手部を示し、（ａ）は継手部の部分断面図、（ｂ）は（ａ）の一部拡大断面図。
【図３】本発明のバタリング層を形成するタービンロータバタリング装置を示す模式図。
【図４】本発明のタービンロータを溶接するタービンロータ溶接装置を示す模式図。
【図５】本発明の実施例１に係るタービンロータ溶接工程を示すフロー図。
【図６】本発明のバタリング層を形成する溶融層厚と被覆率との関係を示す図。
【図７】本溶接時における入熱量とＨＡＺ幅および溶け込み深さの関係を示す図。
【図８】本発明の実施例１に係る溶接継手部の硬度分布状態を示す図。
【図９】本発明の実施例４に係る高圧タービン用溶接ロータの断面図。
【符号の説明】
【００５８】
１，２  タービンロータ
８  タービンロータ溶接装置
９  電極
１０  トーチ
１１  溶接ワイヤ
１２  アーム
１３  溶接電源
１４  ガスボンベ
１５  タービンロータ回転装置
１６  溶接ワイヤ送給装置
１７  送電線
１８  ガスホース
１９  電気線
２０  回転信号線
２１  送給信号線
４２  粉末供給型レーザ溶接装置
４３  制御装置
４４，４５  粉末を貯蔵する粉末貯蔵容器
４６  ガスボンベ
４７  粉末
４８  ガスホース
４９  ガス送給ホース
５０  粉末ホース
５１  粉末送給ホース
５２  レーザ発振装置
５３  レーザトーチ
５４  レーザファイバー
【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】
2008215181.tif 000010
【図８】
2008215181.tif 000011
【図９】
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