(57)【要約】【課題】  本発明は、溶接組立品（１０）を形成する方法を提供する。【解決手段】  本方法においては、電子ビーム（２４）を使用して２以上の物品（１２）を接合する溶接部（１６）を形成して、溶接組立品（１０）を形成する。本方法は、溶解した析出強化相の析出を抑制して溶接部（１６）におけるひずみ時効割れの発生率を減少させるように、溶接ビーム（２４）のすぐ後方の溶接部（１６）に第二の電子ビーム（２６）を導く段階を含む。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビーム溶接法であって、
１以上の析出強化相を含む合金からなる複数の物品（１２）をそれらの間に接触面（１４）が画成されるように互いに配置する段階と、
物品（１２）を接触面（１４）で接合する溶接部（１６）が形成されるように接触面（１４）に沿って第一の電子ビーム（２４）を導いて溶接部品（１０）を形成する段階であって、析出強化相が第一の電子ビーム（２４）によって溶解して溶接部（１６）に実質的に存在しなくなる段階と、
第一の電子ビーム（２４）後方の溶接部（１６）の部分（３０）に第二の電子ビーム（２６）を導く段階であって、第二の電子ビーム（２６）の出力密度及び第一の電子ビーム（２４）との間隔が、析出強化相の析出を避けるのに十分な速度で溶接部（１６）の応力除去温度まで溶接部（１６）の部分（３０）が加熱されるのに十分なものである段階と、
を含んでなる電子ビーム溶接法。
【請求項２】
第一及び第二の電子ビーム（２４，２６）が第３の電子ビーム（２０）の分割によって形成される、請求項１記載の電子ビーム溶接法。
【請求項３】
第一の電子ビーム（２４）が第二の電子ビーム（２６）よりも高い出力密度である、請求項１記載の電子ビーム溶接法。
【請求項４】
前記合金がニッケル基超合金であり、析出強化相がガンマプライム析出物を含む、請求項１記載の電子ビーム溶接法。
【請求項５】
前記合金がニッケル基超合金であり、析出強化相がガンマダブルプライム析出物を含む、請求項１記載の電子ビーム溶接法。
【請求項６】
部品（１０）がガスタービンエンジン部品である、請求項１記載の電子ビーム溶接法。
【請求項７】
電子ビーム溶接によってガスタービンエンジン部品（１０）を形成する方法であって、当該方法が、
ガンマプライム析出相及びガンマダブルプライム析出相からなる群から選択される１以上の析出強化相を含むニッケル基超合金からなる複数の物品（１２）をそれらの間に接触面（１４）が画成されるように互いに配置する段階と、
電子ビーム（２０）を発生させる段階と、
電子ビーム（２０）を分割して第一及び第二の分割電子ビーム（２４，２６）を形成する段階であって、物品（１２）を接触面（１４）で接合する溶接部（１６）が形成され、析出強化相が第一の分割電子ビーム（２４）によって溶解して溶接部（１６）に実質的に存在しなくなるように接触面（１４）に沿って第一の分割電子ビーム（２４）を導いて溶接部品（１０）を形成し、第一の分割電子ビーム（２４）後方の溶接部（１６）の部分（３０）に第二の分割電子ビーム（２６）を、析出強化相の析出を避けるのに十分な速度で溶接部（１６）の応力除去温度まで溶接部（１６）の部分（３０）が加熱されるのに十分な第二の分割電子ビーム（２６）の出力密度及び第一の分割電子ビーム（２４）との間隔で、導く段階と、
を含んでなる方法。
【請求項８】
第一の分割電子ビーム（２４）が第二の分割電子ビーム（２６）よりも高い出力密度である、請求項７記載の電子ビーム溶接法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概括的にはビーム溶接技術に関する。さらに具体的には、本発明は、溶接作業と溶接継手のひずみ時効割れを低減するための溶接後熱処理とを同時に行うべく２つのビームを投射する電子ビーム溶接（ＥＢＷ）法に関する。
【背景技術】
【０００２】
鉄基、コバルト基及びニッケル基耐熱超合金は、燃焼器並びにタービン静翼（ノズル）及び動翼（バケット）を始めとするガスタービンエンジンのホットセクション部品の製造に広く用いられている。超合金部品を溶接で組み立てるのが好ましい又は必要とされる状況が存在する。例えば、タービン中間フレーム、シュラウド支持リング及び蒸気タービンノズルアセンブリ（ボックス）のような複雑な形状の部品は、鋳造品を溶接して組み立てる方が容易である。超合金の溶接技術は種々開発されている。手動溶接作業ではタングステン不活性ガス（ＴＩＧ) 溶接法及びプラズマ移行型アーク（ＰＴＡ）溶接法が広く用いられている。アスペクト比の高い溶接継手のような厳しい用途のため、レーザビーム溶接法及び電子ビーム溶接法が開発されている。当技術分野で公知の通り、電子ビーム溶接では、真空中に保持した物品間の継手に高エネルギー電子ビームを導く。あらゆるビーム法の中で電子ビーム溶接が最も深い溶込み深さを生じ約１０〜５０の非常に高いアスペクト比を容易に達成するので、アスペクト比の高い溶接継手の形成には電子ビーム溶接法が特に適している。かかる目的では、約３０ＫＷ〜５０ＫＷ容量のＥＢ溶接機も珍しいものではない。
【０００３】
ガスタービンのホットセクション用の部品は、高温・高応力下で過度の変形を起こさずに長期間耐えることが必要とされる。そのため、これらの部品は、γ′（ガンマプライム）相及びγ″（ガンマダブルプライム）相の析出硬化によって良好な高温強度を達成するニッケル基超合金で作られることが多い。これらの相の析出は「Ｃ曲線」カイネティクスを示す。図１に示すように、析出過程の諸段階を温度対時間軸上にプロットすると、得られる曲線はＣ形であり、析出が最も速い温度で「ノーズ」を呈する。Ｃ曲線挙動は、析出のような核生成・成長型の過程において一般的である。
【０００４】
非常な高温に耐え得る超合金は、高体積分率のガンマプライムを含むように設計されることが多い。こうした合金では、Ｃ曲線のノーズ付近の温度での析出は極めて速い。析出硬化合金で作られた部品を溶接する場合、ガンマプライム相及びガンマダブルプライム相は溶接部とその周辺（熱影響部すなわちＨＡＺ）で溶解する。部品が後でＣ曲線のノーズ付近の高温（「時効範囲」）に付されると、これらの相は再び析出する可能性がある。この強化過程は、溶接時から残る残留応力の緩和時間よりも速く起こることがある。溶接部とその周辺部は、残留応力の除去に必要なひずみの吸収ができなくなり、溶接部又はＨＡＺに割れが生じる。この現象はひずみ時効割れとして知られる。
【０００５】
ひずみ時効割れを防止するために開発された解決策の一つは、強化相が析出する時間がないほど十分に速い加熱速度で、溶接部及びその周辺部をその合金の応力除去温度まで加熱することである。図１の時間−温度曲線において、この解決策は、Ｃ曲線のノーズを避ける上側の加熱曲線に従う。しかし、図１の下側の曲線に示すように、熱的質量の大きい比較的大型の部品に従来の加熱法を用いる場合には、この解決策は実益がない。ひずみ時効割れを起こし易い合金の溶接を容易にするため、溶接後応力除去に対する別の解決策が開発された。例えば、Ｔｈｅ  Ｗｅｌｄｉｎｇ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ（ＴＷＩ、英国ケンブリッジ）は、ＥＢ溶接機の電子ビームの一部を逸らす独自の方法を開発しており、２つの別々の電子ビームを独立に部品に導くことをができる。ＴＷＩ法は、具体的には２通りのメカニズムでひずみ時効割れの発生率を低減するために開発された。一つは、溶接ビームに先行して被溶接部を予熱するために分岐ビームを使用することである。そうした温度で材料の強度が低下すること、溶融溶接部とその周辺部との温度差が小さくなることから、割れ発生が減少する。第二のメカニズムは、溶接ビーム位置の周辺の部品を加熱するために分岐ビームを使用することである。この技術は、溶接完了時の溶接部が圧縮残留ひずみの状態になるような熱ひずみ分布を生じさせ、溶接後熱処理時の割れの発生率を減少させるといわれる。
【特許文献１】米国特許第４５６６８１０号
【特許文献２】米国特許第６３６４９７１号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、電子ビームを用いて２以上の物品を接合する溶接部を形成して溶接組立品を形成する溶接組立品の製造方法を提供する。当該方法は、具体的には、溶接部でのひずみ時効割れが低減するように、溶接ビームに続いて溶接部に第二の電子ビームを投射することに関する。
【０００７】
本発明の電子ビーム溶接法は概して、２以上の物品をそれらの間に１以上の接触面が画成されるように互いに配置する段階を含む。本発明の好ましい態様では、物品は、ガンマプライム析出物及び／又はガンマダブルプライム析出物を含むニッケル基超合金のような、１以上の析出強化相を含む合金からなる。第一の電子ビームは、物品を接合する溶接部が形成されるように接触面に沿って移動し、第二の電子ビームは、溶接部の第一の電子ビームの後方の部分に選択的に導かれる。本発明の別の好ましい態様では、第一及び第二の電子ビームは、第３の電子ビームの分割によって形成される。析出強化相は、第一の電子ビームによって溶解して溶接部には実質的に存在しなくなる。第二の電子ビームは、析出強化相の析出を避けるのに十分な速度で合金の応力除去温度まで溶接部が加熱されるように、十分な出力密度で第一の電子ビームと適切な間隔をおいて、溶接部に導かれる。このようにして、本発明の電子ビーム溶接法では、溶接部が形成された直ぐ後に溶接部とその周辺部が応力除去され、ひずみ時効割れに耐性を有する溶接組立品が得られる。
【０００８】
本発明のその他の目的及び利点は、以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明では、図２に示す電子ビーム溶接装置を利用する。溶接装置は一対の部品１２での溶接作業を実施している状態として示してあり、電子ビーム２４は両部品１２の対向面からなる接触面１４に導かれ、部品１２を金属接合する溶接部１６を形成し、溶接組立品１０を形成する。部品１２は、ガスタービンエンジンの鋳造部品の製造に用いられる析出強化ニッケル基超合金のような溶接の比較的困難な合金を始めとする様々な合金からなる。特筆すべき超合金としては、Ｒｅｎｅ  Ｎ５として知られるγ′（ガンマプライム）強化ニッケル基超合金があり、これは、重量％で、コバルト７．５％、クロム７．０％、タンタル６．５％、アルミニウム６．２％、タングステン５．０％、レニウム３．０％、モリブデン１．５％、ハフニウム０．１５％、炭素０．０５％、ホウ素０．００４％、イットリウム０．０１％、残部のニッケルと不可避不純物からなる公称組成を有する。本発明の利点を析出強化型超合金を例にとって説明するが、本発明の方法を他の合金に適用すれば他の利点が得られると予見できる。
【００１０】
図２に示すように、電子ビーム２４は、電子ビーム銃２２で発生した電子ビーム２０から分かれた２つの電子ビーム２４及び２６のうちの１つである。図２にみられる通り、ビーム２４は下方に進むものとして示してあり、溶接部１６を形成するのに十分な出力密度である。第二のビーム２６は、「溶接」ビーム２４と概ね同じ方向に進むが、図２に描かれた瞬間においては、溶接ビーム２４が照射されている位置２８の後方の溶接部１６の部分３０に選択的に投射される。以下に説明する通り、第二のビーム２６は、溶接部１６とその直ぐ周辺のＨＡＺで局所的熱処理を行うのに十分な出力密度であり、熱処理前の溶接部１６の冷却が最小限に抑えられるように溶接ビーム２４に十分に近接してその後を追う。本発明では、第二の「処理」ビーム２６で行われる熱処理は、溶接作業時に溶解した強化相が再析出する可能性のある高温に後々溶接組立品１０が付されても溶接部１６とその周囲でひずみ時効割れが生じることがないように十分なものであることが望ましい。
【００１１】
２つの別個のビーム２４及び２６を形成するための原ビーム２０の分割は当技術分野で公知のタイプの分割装置１８で行うことができ、例えば、ＴＷＩによって実施されていたような溶接継手接触面の予熱に従前用いられていた分割装置と同様の装置で実施できる。しかし、その他様々な装置及び方法でビーム２０からビーム２４及び２６を分割することもでき、２以上の処理ビーム２６を溶接ビーム２４後方の複数の位置に投射することもできる。別法として、溶接ビーム２４と１以上の処理ビーム２６は別々の電子ビーム銃で発生させてもよい。ただし、この方法の短所は、別々の銃を保持しそれらのビームの目標設定を調整する必要があることであろう。溶接ビーム２４及び処理ビーム２６の所要出力密度は、部品１２の熱的質量及び部品１２の材料によってある程度左右される。一般に、ビーム２４は、処理ビーム２６よりも高い出力密度であることが好ましい。ビーム２４及び２６の直径は異なっていてもよく、処理ビーム２６はそのカバー域を拡げるため振動させてもよいと予見できる。
【００１２】
本発明の完成に至る研究において、γ′強化ニッケル基超合金からなる９対の試験片をビードオンプレート式電子ビームワイヤ供給（ＥＢＷＦ）法で溶接した。電子ビーム溶接機は、ピーク溶接温度が溶接継手とその周辺でγ′析出物が溶解する十分な高さとなるように作動させた。溶接直後、９対の溶接試験片のうちの８対は、溶接部の温度低下が最小限となるように予熱炉に素早く移した。９番目の試験片対は、溶接後に熱処理しないで、自然対流で室温（約２５℃）まで放冷した。
【００１３】
これらの溶接後熱処理（ＰＷＨＴ）に付した試験片対について、その熱処理炉は、約１２００°Ｆ（約６５０℃）、約１３００°Ｆ（約７０５℃）、約１４００°Ｆ（約７６０℃）、約１５００°Ｆ（約８１５℃）、約１６００°Ｆ（約８７０℃）、約１７００°Ｆ（約９３０℃）、約１８００°Ｆ（約９８０℃）又は約１９００°Ｆ（約１０４０℃）の温度に予熱し、炉温度が高いほど加熱速度が高かった。８対の試験片の熱処理後、９対の試験片すべてを、溶接継手のγ′相が再析出できる温度に十分に低い速度で加熱した。試験片対を再び室温まで放冷し、ひずみ時効割れの有無を検査した。図３から明らかなように、溶接後熱処理を行わなかった試験片対（ＰＷＨＴ温度「０」としてプロット）は、比較的多数のひずみ時効割れを有していた。１４００°Ｆ〜約１８００°Ｆで熱処理した試験片対は減ってはいるが依然としてかなりの数の割れを示し、約１２００°Ｆ及び約１３００°Ｆで熱処理した試験片対はひずみ時効割れ発生を示すものでは割れの数が最も少なかった。対照的に、約１９００°Ｆ（約１０４０℃）で熱処理した試験片対では割れは全くみられず、試験した超合金について溶接後加熱速度がＣ曲線のノーズを完全に回避するのに十分であったことが明らかとなった。従って、これらの結果は、電子ビーム溶接後に直ちに適切な熱処理を用いることによって、ひずみ時効割れの発生を回避できることを証明している。
【００１４】
これらの結果から、過度に冷却される前の溶接部に第二のビームが当てられ、第二のビームが個々の合金に適した応力除去温度まで溶接部を急速に加熱するのに十分な出力密度であれば、溶接ビームのすぐ後に続く第二の電子ビームで適切な熱処理を行うことができるとの結論を得た。
【００１５】
好ましい実施形態に関して本発明を説明してきたが、当業者がその他の形態を採用し得ることは明らかである。よって、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】析出強化合金に典型的なＣ曲線カイネティクスを示す温度対時間のグラフであり、析出強化相の析出を避けるために部品を熱処理する能力に関して寸法のもつ影響を示す。
【図２】本発明による分割電子ビーム溶接装置を示す概略図。
【図３】溶接直後に、析出強化相の析出を避けるのに十分な応力除去温度まで十分な加熱速度で溶接部を加熱することによって、電子ビーム溶接した超合金組立品でのひずみ時効割れを避けることができることを明らかにするグラフ。
【符号の説明】
【００１７】
１０  組立品
１２  物品
１４  接触面
１６  溶接部
１８  分割装置
２０  電子ビーム
２２  電子ビーム銃
２４  第一の電子ビーム
２６  第二の電子ビーム
３０  溶接部の部分
【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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