(57)【要約】【課題】  本発明は、溶接作業中に高温に維持された物品の溶接に関し、より具体的には、高温でのガスタービンエンジンの超合金部品の溶接修理に関する。【解決手段】  溶接を行うために、加工物（２０）は、該加工物の温度が温度センサ（１００）によって感知されるように、加工物ハウジング（５２）の内部（５４）に置かれ、ガス源（８６）を、加工物（２０）をシールドガス内に包み込むように動作させる。加工物（２０）は、設定値入力（１０６）と加工物（２０）の温度とに応じてランプ熱源（７２）に給電することにより加熱される。加工物（２０）は、溶接通路を通じて作動する溶接機（６３）を用いて溶接される。【選択図】      図２
2004195551.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温で加工物（２０）に溶接を行うための装置（５０）であって、
そこを通る窓（７０）と溶接機（６３）を内部（５４）に通すための溶接通路とを有する加工物ハウジング（５２）を備え、
前記加工物ハウジング（５２）の内部（５４）がその中に前記加工物（２０）を収容するような大きさにされ、前記加工物ハウジング（５２）がその内部表面（６６）上に断熱材（６４）を有する金属であり、
前記窓（７０）を通って前記加工物ハウジング（５２）の内部（５４）にある前記加工物（２０）に配光されたランプ熱源（７２）と、
シールドガスの制御可能な流れを前記加工物ハウジング（５２）の内部（５４）に供給するガス源（８６）と、
前記加工物ハウジング（５２）の内部（５４）にある前記加工物（２０）の温度を感知する温度センサ（１００）と、
設定値入力（１０６）と前記温度センサ（１００）に応答する入力とを有する、前記加工物（２０）の温度に応じて前記ランプ熱源（７２）への電力を制御するフィードバック制御装置（１０４）と、
が設けられた装置。
【請求項２】
前記加工物ハウジング（５２）が、ステンレス鋼で作られたことを特徴とする請求項１に記載の装置（５０）。
【請求項３】
前記加工物ハウジング（５２）が、前記溶接通路を提供する取り外し可能な上部カバー（６０）を有することを特徴とする請求項１に記載の装置（５０）。
【請求項４】
前記断熱材（６４）が、セラミック遮熱コーティング（６８）であることを特徴とする請求項１に記載の装置（５０）。
【請求項５】
前記窓（７０）が、石英で作られたことを特徴とする請求項１に記載の装置（５０）。
【請求項６】
前記ランプ熱源（７２）が、
少なくとも２つの石英ランプ（７６）と、
前記石英ランプ（７６）を収容する冷却式ランプハウジング（７８）と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置（５０）。
【請求項７】
前記ランプ熱源（７２）が、
ランプ出力ビーム（７４）を有するランプ（７６）と、
前記ランプを支持し、前記加工物（２０）に対する前記ランプ出力ビーム（７４）の入射角と前記加工物（２０）からの前記ランプの距離とを定めるように調節可能になった支持体（８２）と、
を備える請求項１に記載の装置（５０）。
【請求項８】
前記ガス源（８６）が、前記加工物ハウジング（５２）の底部にガス分配構造（９４）を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置（５０）。
【請求項９】
高温で加工物（２０）に溶接を行うための装置（５０）であって、
そこを通る石英窓（７０）と溶接機（６３）を内部（５４）に通すための溶接通路とを有する加工物ハウジング（５２）を備え、
前記加工物ハウジング（５２）の内部（５４）がそこに前記加工物（２０）を収容するような大きさにされ、前記加工物ハウジング（５２）がその内部表面（６６）上に断熱性の遮熱コーティング（６８）を有する金属であり、
前記窓（７０）を通って前記加工物ハウジング（５２）の内部（５４）にある前記加工物（２０）に配光されたランプ熱源（７２）が設けられ、
前記ランプ熱源（７２）が、
ランプ出力ビーム（７４）を有する石英ランプ（７６）と、
前記石英ランプ（７６）を収容する冷却式ランプハウジング（７８）と、
前記冷却式ランプハウジング（７８）を支持し、前記加工物（２０）に対する前記ランプ出力ビーム（７４）の入射角と前記加工物（２０）からの前記ランプの距離とを定めるように調節可能になった支持体（８２）と
を含み、前記装置には更に、
シールドガスの制御可能な流れを前記加工物ハウジング（５２）の内部（５４）に供給し、前記加工物ハウジング（５２）の底部にガス分配構造（９４）を有するガス源（８６）と、
前記加工物ハウジング（５２）の内部（５４）にある前記加工物（２０）の
温度を感知する温度センサ（１００）と、
設定値入力（１０６）と前記温度センサ（１００）に応答する入力とを有する、前記加工物（２０）の温度に応じて前記ランプ熱源（７２）への電力を制御するフィードバック制御装置（１０４）と、
が設けられた装置。
【請求項１０】
前記温度センサ（１００）が、パイロメータと熱電対（１０２）とから成る群から選択されることを特徴とする請求項１又は請求項９に記載の装置（５０）。
【請求項１１】
前記加工物ハウジング（５２）が、隅部におけるガスのデッドスペースを回避するために、その隅部において湾曲した内部形状の壁（５６）を有することを特徴とする請求項１又は請求項９に記載の装置（５０）。
【請求項１２】
高温で加工物（２０）を溶接するための方法であって、
前記加工物（２０）を提供する段階と、
溶接装置（５０）を提供する段階と、
を含み、前記溶接装置（５０）は、
そこを通る窓（７０）と溶接機（６３）を内部（５４）に通すための溶接通路とを有する加工物ハウジング（５２）を備え、
前記加工物ハウジング（５２）の内部（５４）がそこに前記加工物（２０）を収容するような大きさにされ、前記加工物ハウジング（５２）がその内部表面（６６）上に断熱材（６４）を有する金属であり、
前記窓（７０）を通って前記加工物ハウジング（５２）の内部（５４）にある前記加工物（２０）に配光されたランプ熱源（７２）と、
シールドガスの制御可能な流れを前記加工物ハウジング（５２）の内部（５４）に供給するガス源（８６）と、
前記加工物ハウジング（５２）の内部（５４）にある前記加工物（２０）の
温度を感知する温度センサ（１００）と、
設定値入力（１０６）と前記温度センサ（１００）に応答する入力とを有する、前記加工物（２０）の温度に応じて前記ランプ熱源（７２）への電力を制御するフィードバック制御装置（１０４）と、
前記溶接通路を通って前記加工物（２０）を溶接するように位置付けることができる溶接機（６３）と、
が設けられ、前記方法が更に、
前記加工物の温度が前記温度センサ（１００）によって感知されるように前記加工物ハウジング（５２）の内部（５４）に前記加工物（２０）を置く段階と、
前記加工物（２０）を前記シールドガス内に包み込むように前記ガス源（８６）を動作させる段階と、
前記設定値入力（１０６）と前記加工物（２０）の温度とに応じて前記ランプ熱源（７２）に給電することにより前記加工物（２０）を加熱する段階と、
前記溶接機（６３）を用いて前記加工物（２０）を溶接する段階と、
を含む方法。
【請求項１３】
前記加工物（２０）を提供する段階が、前記加工物（２０）としてガスタービンエンジンの構成部品を提供する段階を含む請求項１４に記載の方法。
【請求項１４】
前記加熱段階が、前記溶接段階の前に前記加工物（２０）の溶接前熱処理を行う段階、前記溶接段階の間に前記加工物（２０）を溶接温度に維持する段階、又は前記溶接段階の後に前記加工物（２０）の溶接後熱処理を行う段階の少なくとも１つを含む請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接作業中に高温に維持される物品の溶接に関し、より具体的には、高温でのガスタービンエンジンの超合金部品の溶接修理に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機用ガスタービン（ジェット）エンジンにおいては、空気がエンジン前部へ吹い込まれ、シャフト支持された圧縮機によって圧縮され、燃料と混合される。この混合気を燃焼させ、高温燃焼ガスが同一のシャフト上に支持されたタービンを通って流れる。燃焼ガス流は、タービンブレード及びタービンベーンの翼形部分に衝突することによってガスタービンを回転させ、該ガスタービンは次にシャフトを回転させて圧縮機に動力を供給する。高温排出ガスは、エンジン後部から流出してエンジンを駆動し、航空機を前方へ駆動する。
【０００３】
最も一般的な方法において、タービンブレードはニッケル基超合金から鋳造される。運転時には、タービンブレードは高温及び過酷な環境といった極めて攻撃的な条件に曝される。タービンブレードの翼形部分の一部、特に先端に近い部分が、腐食、侵食、及び酸化による損傷の組み合わせにより運転中に失われることもまれではない。先端が除去されると、タービンブレードの周り、従ってタービンの周りにおけるガス漏れが増大するため、ガスタービンエンジンの効率は低下する。
【０００４】
ガスタービンブレードは、新品の物品として作るには高価であることから、損傷したタービンブレードは常に、可能であれば廃棄されず修理される。この修理は、新たな材料を溶接によってタービンブレードの先端又は他の損傷部分に付加することを伴う。溶接作業においては、タービンブレードと同一の材料（又は場合によっては異なる材料）が損傷を受けた面積上で融解された後凝固され、損傷部分を増大させてこれを許容寸法範囲に復元させる。
【０００５】
タービンブレードに使用されるニッケル基超合金の中には、溶接領域に隣接するタービンブレード部分が比較的低温の状態で溶接作業を行った場合に、脆弱化及び亀裂を生じ易いものがある。これらの合金の溶接を行うために、「高温における超合金溶接法」（ＳＷＥＴ）と呼ばれる方法が開発されている。特許文献１及び特許文献２に記載されているように（これらの開示内容は引用により本明細書に組み込まれる）、ＳＷＥＴ法は、溶接前に、溶接領域に隣接するタービンブレード部分を高温の溶接温度まで予め加熱し、溶接作業中はタービンブレードを該溶接温度に維持することを含む。溶接は、タービンブレードの過度の酸化を回避するために、雰囲気制御したグローブボックス又は同様のエンクロージャ内で行われる。溶接作業の前に、個別の溶接前熱処理を行い、溶接作業後に別個の溶接後熱処理を行うことができる。
【０００６】
ＳＷＥＴ溶接法は、タービンブレード及びその他の超合金部品の溶接修理に対して有効に適用されてきた。しかしながら、この修理は比較的時間がかかる。又、この方法は、溶接オペレータが溶接作業の多数の異なる局面を一度に制御することが必要とされる。オペレータが高度な技能者であっても、この溶接作業を行うことは、能力を過剰に働かせることになり、場合によっては溶接が有効に行うことができない。
【特許文献１】米国特許第５，８９７，８０１号公報
【特許文献２】特開２０００−２１８３８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、高温で材料を溶接する改善された方法に対する必要性がある。本発明は、この必要性を満たし、更にこの溶接作業に関連する利点を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、高温で被作業物に対して溶接作業を行うための装置及び方法を提供する。この方法は、加工物を優れた精度を有し適正な高い溶接温度に維持することを可能にし、又、正確な温度及び時間制御で、及び正確に制御された不活性ガス環境内での溶接前及び溶接後の熱処理を可能にする。全ての熱処理及び溶接は、加工物を異なる設備間で移動させる必要がなく、単一の装置内で行われる。加工物は、先行技術による高温溶接装置によるよりも極めて迅速且つ均一に加熱することができる。熱源の耐用寿命は改善される。この装置の一実施形態は、溶接設備を除いて自己内蔵型である。
【０００９】
高温で加工物に溶接を行うための装置は、そこを通る窓と、溶接機を内部に通すための溶接通路とを有する加工物ハウジングを備える。加工物ハウジングは、その中に加工物を収容するような大きさに作られる。加工物ハウジングは、その内部表面上に断熱材、好ましくはセラミック遮熱コーティングを有する金属である。該装置は、窓を通って加工物ハウジングの内部にある加工物に配光されたランプ熱源と、シールドガスの制御可能な流れを加工物ハウジングの内部に供給するガス源と、加工物ハウジングの内部にある加工物の温度を感知する温度センサと、を含む。フィードバック制御装置は、設定値入力と温度センサに応答する入力とを有し、加工物の温度に応じてランプ熱源への電力を制御する。
【００１０】
溶接加工物は、高温溶接を必要とする実施可能な任意のタイプのものとすることができる。最も興味深い加工物は、ガスタービンブレードのようなニッケル基超合金製のガスタービン部品である。
【００１１】
加工物は、任意の実施可能な材料で作ることができるが、３００系ステンレス鋼のようなステンレス鋼が好ましい。加工物ハウジングは、好ましくは隅部におけるガスのデッドスペースを回避するために、該隅部において湾曲した内部形状の壁（５６）を有する。加工物ハウジングは、好ましくは溶接通路を提供する取り外し自在な絶縁された上部カバーを有する。窓は、通常は石英で作られる。
【００１２】
ランプ熱源は、少なくとも２つの石英ランプ、好ましくは少なくとも４の石英ランプを含む。石英ランプを収容する冷却式ランプハウジングがあるのが望ましい。ランプは、加工物に対するランプ出力ビームの入射角と加工物からのランプの距離とを定めるように調節可能になった支持体上で支持されるのが好ましい。
【００１３】
温度センサは、望ましくは非接触式パイロメータ又は接触式熱電対である。
【００１４】
ガス源は、好ましくは加工物ハウジングの底部にガス分配構造を含み、シールドガスの流れが均一に分布されることを保証する。
【００１５】
高温で加工物を溶接するための方法は、加工物を提供する段階と、本明細書に述べるタイプの溶接装置と溶接通路を通って加工物を溶接するように位置付けることができる溶接機とを提供する段階とを含む。この方法は、加工物の温度が温度センサによって感知されるように加工物ハウジングの内部に加工物を置く段階と、加工物をシールドガス内に包み込むようにガス源を動作させる段階と、設定値入力及び加工物の温度に応じてランプ熱源に給電することにより加工物を加熱する段階と、溶接機を用いて溶接加工物を溶接する段階とを含む。
【００１６】
加熱段階は、溶接段階の前に加工物の溶接前熱処理を行う段階、及び／又は溶接段階後に加工物の溶接後熱処理を行う段階を含み、且つ溶接段階中に加工物を溶接温度に維持する段階を含む。
【００１７】
本発明の方法は、高温における超合金溶接(ＳＷＥＴ溶接)を行うための好都合な方法を提供する。加工物ハウジングの大きさは、一度に１つ又はそれ以上の加工物を収容できるような大きさにすることができる。加熱ランプの数及び位置付けも、加工物の性質と行われるべき正確な処理とに対して最適化することができる。溶接温度に基づく温度制御に加えて、熱処理も行うことができる。本発明の方法は、溶接オペレータの付帯作業を低減して、溶接作業に集中することを可能にする。
【００１８】
本発明の方法はまた、蝋付けのためにも使用可能である。従って本明細書で使用される「溶接」という用語は、蝋付け並びに個々の加工物のを修理溶接及び２つ又はそれ以上の加工物の多部品接合溶接を含む。
【００１９】
本発明の方法は、溶接作業において従来の方法よりも実質的に良好な制御性と再現性を実現し、結果として高品質な溶接物品を生成する。本発明の方法はまた、効率と作業の流れに関しても修理／製造作業を大幅に改善する。従来の方法においては、加工物は、場合によっては、別の建物内あるいは別の場所にある別個の熱処理設備内で溶接前熱処理され、ＳＷＥＴ溶接設備内に移され、溶接温度まで加熱されて溶接され、冷却され、別の熱処理設備に移されて、次いで溶接後熱処理された。この工程は、加工物を熱処理設備へ移動させ、熱処理しようとする加工物を炉内に装填して積み、炉が使用可能な状態になるまで待機し、実際の熱処理を行い、加工物を溶接設備へ戻すことが必要とされる点を考慮すると、完了までに数日を要する場合もあった。本発明の方法においては、溶接前熱処理、溶接、及び溶接後熱処理は、単一の設備内で連続的に遂行される。溶接装置は、修理設備内の好都合な位置に配置することができ、これにより、洗浄のような溶接前作業から溶接設備へ、次いで仕上げコーティングのような溶接後作業までの加工物の円滑な流れが可能となる。その結果、修理作業の効率性が改善されてコストが低減される。
【００２０】
本発明の他の特徴及び利点は、本発明の原理を例示の目的で示す添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、本発明の範囲はこの好ましい実施形態に限定されるものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、好ましくは以前に使用されたか、又は新たに製作されたものとすることができるガスタービンブレード２２の形態の溶接加工物２０を示す。ガスタービンブレード２２は、運転中に高温の燃焼ガス流が衝突する翼形部２４と、下向きに延びるシャンク２６と、ガスタービンブレード２２をガスタービンエンジンのガスタービンディスク（図示せず）に取り付けるダブテール２８の形態の取り付け部とを有する。翼形部２４と、一方ではシャンク２６との間及び他方ではダブテール２８との間の位置においてプラットフォーム３０が横方向外向きに延びる。１つ又はそれ以上の内部冷却通路がガスタービンブレード２２の内部を貫通して延び、開口３２において終端する。
【００２２】
ガスタービンブレード２２の翼形部２４は、根本３４と先端３６とを有するものとして説明することができる。運転中の材料の除去又は新品の物品の寸法不足に起因して、根本３４と先端３６との間の翼形部２４の長さが最小許容寸法より短い場合には、先端３６上に追加材料を溶接することにより翼形部２４を延ばすことができる。本発明の方法は、好ましい応用例としてガスタービンブレード２２の翼形部２４の先端３６へのこのような材料追加に関連して説明される。特に興味深い他のタイプの加工物２０としては、高圧タービンノズル（ベーン）、低圧タービンノズル（ベーン）、及びシュラウドである。本発明の方法はこれらのタイプの加工物に限定されるものではなく、どのような実施可能な加工物２０に対しても適用することができる。
【００２３】
本発明は新品の物品に対しても同様に使用可能ではあるが、好ましい実施形態では、以前に使用されたガスタービンブレード２２に関係して利用され、従ってこのような実施形態について説明する。以前に使用されたガスタービンブレード２２は、新品のガスタービンブレードとして製造され、その後少なくとも一度は航空機エンジン運転で使用されたものである。ガスタービンブレード２２は、運転中にその構造を劣化させる諸条件に曝された。具体的には、ガスタービンブレード２２の先端３６の一部分が焼失した結果、形状及び寸法が変化し、他の部分は燃焼して損傷を受けた可能性があり、コーティングには孔があき、又は燃焼している。ガスタービンブレード２２は高価な物品であるため、これを廃棄するよりも、比較的小さな損傷は修理するのが好ましい。本発明の方法は、ガスタービンブレード２２を再使用できるように、これを修理、改修、及び修復するために提供される。このような修理、改修、及び修復は、本来ならば使用不能なガスタービンブレード２２を適切な処理を施した後に再使用することにより、航空機のガスタービンエンジンの経済的存続性を改善する重要な働きである。
【００２４】
ガスタービンブレード２２全体は、好ましくはニッケル基超合金で作られる。ニッケル基合金は、他のいずれの元素よりも大きな重量パーセントのニッケルを有し、またニッケル基超合金は、γ’（ガンマプライム）相又は関連する相により強化されたニッケル基合金である。興味深いニッケル基超合金は、米国特許第５，８９７，８０１号（特許文献１）に記載されているように、加工物を加熱せずに溶接した場合には、脆弱化及び亀裂を生じ易くなる。本発明を用いることができるニッケル基超合金の例としては、重量パーセントで約１４．０％のクロムと、約９．５％のコバルトと、約４．０％のモリブデンと、約４．０％のタングステンと、約３．０％のアルミニウムと、約５．０％のチタンと、約０．１７％の炭素と、約０．０１５％のホウ素と、約０．０３％のジルコニウムと、残部ニッケル及び少量元素の公称組成を有するＲｅｎｅ（登録商標）８０、重量パーセントで約７．５％のコバルトと、約７．０％のクロムと、約１．５％のモリブデンと、約５％のタングステンと、約３％のレニウムと、約６．５％のタンタルと、約６．２％のアルミニウムと、約０．１５％のハフニウムと、約０．０５％の炭素と、約０．００４％のホウ素と、約０．０１％のイットリウムと、残部ニッケル及び少量元素の公称組成を有するＲｅｎｅ（登録商標）Ｎ５、及び重量パーセントで約１２．０％のコバルトと、約６．８％のクロムと、約１．５％のモリブデンと、約４．９％のタングステンと、約２．８％のレニウムと、約６．３５％のタンタルと、約６．１５％のアルミニウムと、約１．５％のハフニウムと、約０．１２％の炭素と、約０．０１５％のホウ素と、残部ニッケル及び少量元素の公称組成を有するＲｅｎｅ（登録商標）１４２が含まれる。本発明の方法は、他の合金にも同様に実施可能であり、本発明の用途は、上に掲げた合金に限定されるものではない。
【００２５】
図２は、高温で加工物２０に溶接を行うための装置５０を概略的に示している。装置５０は、好ましくは３００系ステンレス鋼のような金属で作られた加工物ハウジング５２を含む。加工物ハウジング５２の内部５４は、加工物２０を受け入れ、該加工物を加熱するための外部加熱ランプを適切に組み合わせたものを使用可能にするようなサイズにされる。図示された実施形態（図３参照）において、加工物ハウジングは３つの加工物２０を受け入れるような大きさにされている。
【００２６】
図３の上面図に見られるように、図示した加工物ハウジング５２は、ほぼ矩形である。該加工物ハウジング５２は、特定の加工物の処理に最も適したどのような実施可能な形状及びサイズとしてもよい。例えば、加工物ハウジングは、その上面図で六角形又は八角形としてもよい。加工物ハウジング５２の壁５６の内表面は、後に述べるように、シールドガスの流れに対して隅部５８におけるガスのデッドスペースを回避するために、該隅部において湾曲しているのが好ましい。加工物ハウジング５２は、好ましくは同一材料で作られた取り外し自在な上部カバー６０を有し、該上部カバーは、溶接機６３のために加工物ハウジング５２の開放された上部を通じて加工物ハウジング５２の内部５４への溶接通路６２を提供する。３つの加工物が示された実施形態の上部カバー６０は、各々が溶接通路６２の半分を覆う２つの半カバーとして形成されるのが好ましく、その結果、内部５４の熱を保持するように、加工物ハウジング５２の内部５４の半分を覆ったまま残りの半分にアクセスすることができる。
【００２７】
図４で分かるように、壁５６は、その内表面６６上に断熱材６４を有する。断熱材６４は、加工物２０からの熱損失、更により全体的には、加工物ハウジング５２の内部５４からの熱損失を低減するのに役立つ。断熱材６４を使用することにより、加工物ハウジング５２の内部及びその中の加工物２０を、断熱材６４がない場合よりもはるかに迅速に加熱することができる。断熱材６４は、内表面６６に直接塗布されるか、又は間に接着剤被膜を用いて貼付したイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）のような材料で作られたセラミック遮熱コーティング６８であるのが好ましい。ＹＳＺは、相変化に対してジルコニアを安定化させるために、通常約２乃至１２重量パーセント、好ましくは約６乃至８重量パーセントのイットリアを添加したジルコニアである。セラミック遮熱コーティングは、好ましくは大気プラズマ溶射（ＡＰＳ）法により塗布される。好ましいセラミック遮熱コーティング６８は、十分な絶縁を提供するために少なくとも約０．００１５インチの厚みがあるが、溶接作業を繰り返し行う間に加工物ハウジング５２が熱サイクルされる結果、セラミック遮熱コーティング６８が剥落及び剥離することのないように、約０．０３０インチよりも厚くはない。任意選択的ではあるが、ＮｉＣｒＡｌ材料のようなボンディングコートの約０．００１乃至０．００５インチ厚の薄層を内表面６６に塗布した後、セラミック遮熱コーティング６８を塗布して、壁５６の内表面６６への該遮熱コーティングの接着を助けるのが好ましい。セラミック遮熱コーティング６８は、湾曲隅部５８を含む内表面６６の形状に一致して、加工物ハウジング５２の壁５６に優れた断熱性を与える。上部カバー６０は、内表面に塗布されたセラミック遮熱コーティング６８を有することができる。より具体的には、平坦な上部カバー６０は、その内表面を平坦なセラミックタイルで絶縁される。
【００２８】
加工物ハウジング５２は、窓７０を有する。好ましい実施形態においては、加工物ハウジング５２の両側に２つの窓７０があるが、同様に別の窓であってもよい。１つ又は複数の窓７０は、光に対して透明であり且つ加工物ハウジング５２が受ける高温に耐えるように石英で作られるのが好ましい。特定の形状の加工物２０を加熱アクセスを可能にするために必要な窓７０の数と大きさは任意の組み合わせとすることができる。例えば、必要であれば、加工物の側面の全面を加熱するために、壁５６の全体を窓にすることもできる。更に、上方に置かれたランプへのアクセスを可能にするために、上部カバー６０に窓を設けることができ、又は（窓ではなく）貫通孔を設けてもよい。抵抗炉や誘電加熱のような他の加熱技術と比べた場合の本発明の方法の利点は、加熱を非常に迅速に行うことができるだけでなく、加工物の各々のタイプ、形状、構成、及び数に応じて正確に調整可能であることである。
【００２９】
ランプ熱源７２は、加工物ハウジング５２の外部に置かれる。ランプ熱源７２は、窓７０を通して（又は溶接通路を通って）加工物ハウジング５２の内部５４にある加工物２０に配光されたランプ出力ビーム７４を有する。好ましくは、窓７０の各々と関係付けられるランプ熱源７２があり、従って図２の実施形態においては、２つのランプ熱源７２があることになるが、右側の窓７０を通じて配光されたランプ熱源のみが図示され、左側の窓７０を通じて配光されるランプ熱源は図示されない。各ランプ熱源７２は、少なくとも１つ、好ましくは少なくとも２つの石英ランプ７６を含む（図２の図面には１つのみが見られる）。石英ランプ７６（石英ハロゲンランプとも呼ばれる）は、２０００Ｗサイズのものが商業的に入手可能であるため、図２の好ましい実施形態においては、ランプ出力ビーム７４として加工物２０に配光される合計８０００Ｗの熱出力を得るために２つのランプ熱源７２の各々に関連する２つの石英ランプ７６が設けられる。この高出力レベルにより、所望の場合に加工物２０を迅速に加熱することが可能になる。ランプ熱源の他の組み合わせも可能であり、別のタイプの加工物のために開発された別の設計においては、上部カバー６０内の孔を通して配光される追加のランプ熱源もある。このように、ランプ熱源の組み合わせは、溶接しようとする加工物のタイプに最適な加熱を提供するように正確に調整することができる。
【００３０】
石英ランプ７６は、冷却式ランプハウジング７８内に収容するのが好ましい。冷却剤（好ましくは水）の流れは、水ポンプ／放熱器８０により、ランプハウジング７８を通って制御可能に循環される。図示された形態の水冷式構造は、閉ループ型再循環冷却システムであるため、外部の水源及び排水接続は必要ではない。しかしながら、非再循環式の水流システムも同様に使用することができる。石英ランプ７６の球を冷却するために、補助加圧空気流を使用することができる。ランプハウジング７８の冷却は、石英ランプ７６を冷却し、又加圧空気流が使用される場合には、この加圧空気流がランプ球を冷却し、これによりランプ７６の耐用寿命が延びる。更に、溶接装置のオペレータから熱を取り去り、又オペレータからあらゆる煙気を吹き払い又は吸引するように冷却空気の流れを供給することができる。
【００３１】
ランプハウジング７８と、従ってランプ７６とは、支持体８２上で支持される。この支持体８２は、加工物２０に対する各ランプ出力ビーム７４の入射角を定め、また同様に加工物２０からランプ７６までの距離を定めるために好ましくは調節可能である。図２の実施形態においては、ランプハウジング７８及びランプ７６は、加工物２０からランプ７６までの距離を定めるために、支持体８２上で摺動自在に支持され、選択された摺動位置において固定することができる。支持体８２は、加工物ハウジング５２に対し近位端で枢動自在に支持され、遠位端では、調節アーム８４上で支持され、該アーム８４は、加工物２０へのランプ出力ビーム７４の入射角を調節するために、支持体８２と、従ってランプハウジング７８とランプ７６とを枢動点の周りで枢動させるように動かすことができる。ランプ７６をこのような方法で調節することは、１つ又は複数の加工物２０へのエネルギ入力すなわち加熱の最適化に役立つ。通常は加工物２０の全体を均一に加熱する必要はない。代わりに、加工物２０の溶接しようとする区域に隣接する部分（例えば、図示した実施形態における先端３６）を制御可能に加熱すれば十分である。
【００３２】
加工物２０の酸化を防止するために、溶接作業は、アルゴン雰囲気のような不活性ガスのシールド雰囲気内で行われる。不活性シールドガスを供給するための制御可能なガス源８６が、加工物ハウジング５２の内部５４へ不活性シールドガスの制御可能な流れを供給する。ガス源８６は、ガス供給装置８８と、このガス供給装置８８から加工物ハウジング５２の内部５４へシールドガスを計量供給する調節弁９０とを含む。加工物２０全体又は存在する複数の加工物２０がシールドガス内に完全に包まれることを保証するためには、シールドガスが加工物ハウジング５２の内部５４へ注意深く導入されなくてはならないことが、試作装置を使用して経験的に示された。完全に包み込むことを保証するために、シールドガスは、加工物ハウジング５２の底部を形成するガス分配プレート９４の全面にシールドガスを供給するプレナム９２を介して導入される。ガス分配プレート９４の全面には、複数の貫通孔９６があり、該孔９６は、加工物ハウジング５２の底部領域全体を覆ってシールドガスを拡散させる。シールドガスの流れを更に拡散させるために、ガス分配プレート９４の下方のプレナム９２内には、ある量の鋼綿９８が置かれる。加工物ハウジング５２の内部５４へシールドガスが導入されると、丸みの付いた隅部５８の助けにより、加工物ハウジング５２の内部５４に滞留するガス容積が全く存在しないことが保証される。加工物ハウジング５２の上部において、シールドガスは、溶接通路６２を通じて流出する。シールドガスの流れは、望ましくは高容積で低圧であるように制御される。過度に低圧のシールドガス流が使用された場合には、加工物ハウジング５２の内部５４に空気が拡散して、高温で加工物が酸化される恐れがある。過度に高圧のシールドガス流が使用された場合には、内部５４に空気を吸引する渦流が生じて、同様の損害をもたらす可能性がある。
【００３３】
温度センサ１００は、加工物ハウジング５２の内部５４にある加工物２０の温度を感知する。所望であれば、各加工物２０に対して複数の温度センサ１００を用いてもよいが、通常は各加工物２０に対して１つの温度センサ１００で十分である。温度センサ１００は、好ましくは非接触式パイロメータか又は図示したような接触式熱電対１０２のいずれか一方、或いはこれらの両方を使用することができる。温度センサ１００は、加工物２０の溶接しようとする領域近傍の温度測定値をリアルタイムに提供する。ランプ熱源７２及び溶接機６３は、作動時に加工物２０に熱入力を供給する。熱は、伝導、放射、及びシールドガス流を加熱することにより、加工物ハウジング５２の壁５６及び上部カバー６０を通じて、及び、上部カバー６０が全体的に又は部分的に除去された場合に溶接通路６２を通じて加工物２０から失われる。温度センサ１００は、加工物２０の実温度測定値を提供する。
【００３４】
フィードバック制御装置１０４は、設定値入力１０６と、温度センサ１００に応答する入力とを有する。フィードバック制御装置１０４は、ランプ電力供給装置１０８を温度センサ１００により測定された加工物温度と設定値入力１０６とに応じて制御することにより、ランプ熱源７２への電力を制御し、従ってこのランプ熱源から加工物２０へ送られる熱出力を制御する。図には手動制御として概略的に示されているが、設定値入力１０６はまた、通常は加工物２０を所望の溶接温度に導くように（及び所望に応じて、溶接前熱処理及び溶接後熱処理を行うように）選択された予めプログラムされた温度分布を含み、加工物２０の溶接作業を達成できるように加工物２０を溶接温度で維持する。フィードバック制御装置１０４はまた、水ポンプ／放熱器８０及び制御可能なガス源８６の弁９０に対する制御出力を有するのが望ましい。これらの制御出力は、これらの機能の作動を保証するための単純なオン／オフ制御信号であってもよく、或いは水流とガス流のそれぞれの大きさを制御するように選択することができる。
【００３５】
図５は、装置５０の好ましい形態を示している。上述の装置５０は、オペレータが容易にアクセス可能な制御盤１１２を備えたテーブル１１０に組み込まれる。テーブル１１０には、様々な構成要素８０、８８、１０４、１０８及びその他（及び図５には図示されていない相互接続線）が組み込まれる。テーブル１１０には、車輪を備え付けて容易に移動できるようにしてもよい。この形態の装置５０は、電源、空気源、及び不活性ガス源を除外すれば完全に自己内蔵型である。空気及び／又は不活性ガス源は、ボンベに詰めた形態で供給でき、テーブル１１０に載せて運搬することができることから、電源入力だけが必要とされる。従ってこの形態の装置５０は、工場内での設置において便利な場所へ容易に移動することができる。
【００３６】
図６には、高温で加工物２０を溶接するための方法がブロック図の形で示されている。この方法は、１つ又は複数の加工物２０を提供する段階１２０と、図２及び／又は図５に示すような溶接装置５０を提供する段階１２２とを含む。加工物２０は、好ましくは図１に示すガスタービンブレード２２のようなガスタービンエンジン部品である。段階１２４において、加工物２０は、ランプ出力ビーム７４によって加熱され且つ該加工物の温度が温度センサ１００によって感知されるように、加工物ハウジング５２の内部５４に配置され位置付けられる。加工物２０は、工具又は支持体により必要な状態に支持される。
【００３７】
段階１２６で、ガス源８６は加工物をシールドガス内に包み込むために、制御可能に作動される。同時に、水ポンプ／放熱器８０を作動させ、ランプハウジング７８とランプ７６とを冷却するのが好ましい。制御可能なガス源８６と制御可能な水ポンプ／放熱器８０（及び任意の空気冷却システム）の作動は、オペレータがこれらを起動することを忘れる危険性を回避し、或いはこれらの適正な作動レベルに対して関与する必要が無いように、制御装置１０４により制御されるのが好ましい。
【００３８】
段階１２８で、加熱／溶接サイクルが実行される。このサイクルにおいて、加工物２０は、段階１３０で、設定値入力１０６と温度センサ１００により測定された加工物２０の温度とに応じてランプ熱源７２に給電することにより加熱され、段階１３２で、加工物２０は溶接機６３を使用して溶接される。加熱段階１３０及び溶接段階１３２は、通常は逐次的な副段階と同時的な副段階の両方で実行され、図７は、典型的な作業サイクルを示している。加工物は、始めは室温であり（１４０）、最初に制御可能な加熱速度にて加熱される（１４２）。溶接段階の前に、任意選択的に加工物２０の溶接前熱処理を行うことができる（１４４）。典型的な溶接前熱処理は、溶接前時間の間、加工物２０を溶接前温度に維持する必要がある。その後、加工物２０は、制御可能な加熱速度で更に加熱され（１４６）、溶接温度まで加熱されると溶接修理を行うのに十分な時間の間、該温度で維持される（１４８）。溶接段階１３２が完了した後、加工物２０は制御可能な速度で室温まで冷却される（１５０、１５４）。任意選択的に溶接後熱処理を行うこともでき（１５２）、これは、冷却期間１５０と１５４との間に行われ、通常、加工物２０は、溶接後熱処理の期間中は溶接後熱処理の温度に保持されることが必要とされる。段階１４２乃至１５４の温度、時間、加熱速度、及び冷却速度を含む温度分布は、フィードバック制御装置１０４により容易に制御され、溶接作業を完了するのに必要なだけ長い時間にわたり段階１４８を引き延ばすことが可能であれば手動により中断される。ランプ熱源７２及び十分に絶縁された加工物ハウジング５２の使用により、温度分布を容易且つ正確に制御することが可能になる。図７の温度分布の特定パラメータは、加工物２０の特定のタイプ及びその構成材料に応じて選択され、これらは当技術分野において公知であるか、又は様々なタイプの加工物のために開発されることになる。
【００３９】
本発明の方法は、図２に示すような試作型装置５０を用いて実施するために簡略化され、図６の方法と図７に示すような温度分布とを使用して実施された。
【００４０】
例証の目的で本発明の特定の実施形態について詳細に説明してきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、また、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】タービンブレードの形態の溶接加工物の斜視図。
【図２】加工物ハウジングを側方断面図で示した溶接装置及び溶接機の概略図。
【図３】図２の加工物ハウジングの概略上面図。
【図４】図２の線４−４に沿って見た加工物ハウジングの壁の拡大断面図。
【図５】溶接機の一実施形態の概略側面図。
【図６】溶接作業を行うための方法のブロックフロー図。
【図７】溶接作業の概略的な温度―時間グラフ図。
【符号の説明】
【００４２】
５０  装置
５２  加工物ハウジング
５４  内部（加工物ハウジング５２の）
５６  壁（加工物ハウジング５２の）
５８  隅部（加工物ハウジング５２の）
６０  上部カバー（加工物ハウジング５２の）
６２  溶接通路
６３  溶接機
６４  断熱材
６６  内表面（壁５６の）
６８  セラミック遮熱コーティング
７０  窓
７２  ランプ熱源
７４  ランプ出力ビーム
７６  石英ランプ
７８  ランプハウジング
８０  水ポンプ／放熱器
８２  支持体
８４  アーム
８６  ガス源
８８  ガス供給装置
９０  調節弁
９２  プレナム
９４  ガス分配プレート
９６  孔
９８  鋼綿
１００  温度センサ
１０２  接触式熱電対
１０４  フィードバック制御装置
１０６  設定値入力
１０８  ランプ電力供給装置
【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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