(57)【要約】【課題】  電電子ビーム溶接によって溶接部品（３２）を形成する方法、並びに得られる溶接アセンブリを提供する。【解決手段】  本方法は、具体的には、その構成部品（１０、１２）が異種金属からなるため、電子ビーム（２０）が接触面界面（１４）を通過する際に構成部品（１０、１２）間の接触面界面（１４）から外れて構成部品（１０、１２）の一方に偏向する傾向を生じるような部品（３２）の溶接に関する。本方法は、構成部品（１０、１２）間の接触面界面（１４）が弧状をなす溶接用途にも適している。本方法では、電子ビーム（２０）が所望の経路に沿って接触面界面（１４）を通るようにビーム（２０）を磁気的に方向付ける。【選択図】      図３
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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、
物品（１０、１２）をそれらの間に接触面界面（１４）が画成されるように配置する段階、
接触面界面（１４）の少なくとも一部に局所磁場を印可する段階、次いで、
物品（１０、１２）を接触面界面（１４）で電子ビーム溶接して溶接部品（３２）を形成すべく電子ビーム（２０）を接触面界面（１４）に方向付ける段階であって、物品（１０、１２）が接触面界面（１４）全体にわたって溶接されるように局所磁場によって接触面界面（１４）を通過する電子ビーム（２０）の進路を定める段階、
を含んでなる電子ビーム溶接法。
【請求項２】
物品（１０、１２）間の接触面界面（１４）が直線的で、局所磁場によって接触面界面（１４）を通過する電子ビーム（２０）の進路を真っ直ぐにする、請求項１記載の電子ビーム溶接法。
【請求項３】
物品（１０、１２）が異種金属からなるもので、局所磁場のない状態では、接触面界面（１４）に方向付けられた電子ビーム（２０）が、接触面界面（１４）から外れて物品（１０、１２）の一方に偏向するようになる、請求項１記載の電子ビーム溶接法。
【請求項４】
物品（１０、１２）間の接触面界面（１４）が弧状で、局所磁場によって接触面界面（１４）を通過する電子ビーム（２０）の進路を曲げる、請求項１記載の電子ビーム溶接法。
【請求項５】
前記局所磁場が、接触面界面（１４）の近傍に配置された単一の磁気コイル（３０）、又は接触面界面（１４）の近傍に配置された独立に制御される複数のコイル（３０）の配列によって印可される、請求項１記載の電子ビーム溶接法。
【請求項６】
接触面界面（１４）が、電子ビーム（２０）が接触面界面（１４）を通過する方向に１０ｃｍ以上の長さを有する、請求項１記載の電子ビーム溶接法。
【請求項７】
物品（１０、１２）の少なくとも一方が超合金からなる、請求項１記載の電子ビーム溶接法。
【請求項８】
物品（１０、１２）の各々が鋼からなる、請求項１記載の電子ビーム溶接法。
【請求項９】
部品（３２）がタービン部品である、請求項１記載の電子ビーム溶接法。
【請求項１０】
請求項１記載の電子ビーム溶接法で形成された部品（３２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は総括的には合金の溶接方法に関する。さらに具体的には、本発明は、異種合金からなる物品間の継手を電子ビーム（ＥＢ）溶接する方法、並びに物品間の弧状接触面界面を電子ビーム溶接する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン及び蒸気タービンのタービン静翼（ノズル）及び動翼（バケット）を始めとする、タービンのホットセクション部品の製造には、様々な耐熱合金が広く用いられている。かかる部品を溶接で製造するのが好ましい又は必要な状況が存在する。例えば、蒸気タービンノズルアセンブリ（ボックス）のような複雑な構造の部品は、鋳造品の溶接で製造する方が簡単な場合もある。こうした目的のため、様々な溶接技術が開発されてきた。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）溶接法は、手動溶接作業に広く用いられている。高アスペクト比の溶接継手のような要求の厳しい用途のため、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きた。
【０００３】
当技術分野で公知の通り、電子ビーム溶接では、真空中に保持された物品間の継手に高エネルギー電子ビームを当てる。電子ビーム溶接法は、あらゆるビーム法の中で溶込みが最も深く、例えば約４インチ（約１０ｃｍ）以上のオーダーの溶込みを生じ、約１０〜５０の高いアスペクト比が容易に達成できるので、高アスペクト比の溶接継手の製造に特に適している。しかし、異種金属からなる物品を電子ビーム溶接し、かつ比較的深い溶接継手が必要とされる場合によくみられる問題は、溶接部の底部でビームが「フック」して、物品の一方に曲り込み、継手を逸れ、融合不良（ＬＯＦ）を生じることである。一例として、フックした溶接継手は、静翼が内側バンド及び外側バンドに溶接されるタービンステータ静翼アセンブリの溶接の際に起こることがある。かかる状況を図１に概略的に示すが、この図では、電子銃２２は、異種金属からなる２つの部品１０及び部品１２間の接触界面１４に電子ビーム２０を放出している状態として示してある。電子ビーム２０で形成された溶接継手１６が左側の部品１０の中に曲り込んで、フック２４と呼び得るものを形成しているのが分かる。フック２４の結果、得られた溶接継手１６は不完全で、電子銃２２とは反対側の接触面界面１４の先端に融合不良１８を生じる。こうしたフック２４の原因についてはこれまでに多々議論されてきた。考えられる原因としては、熱起電力（ｅｍｆ）作用又は異種金属間の電気陰性度の差が挙げられる。
【０００４】
例えばビーム２０下の物品１０及び１２を一方に偏らせたり、接触界面１４をビーム２０に対してある角度に配向させるといった、この問題を是正するための直感的方策は、接触面界面１４が移動すると電子ビーム２０も移動するので、効果がないことが判明している。磁気固定具の使用のため存在しかねない比較的小さい漂遊磁界又は機械加工部品内の残留磁気が多大なビーム移動を起こすことも知られている。その結果、溶接に先立って、かかる部品をガウスメータで検査し、必要に応じて消磁することが多々行われている。しかし、かかる方法は、図１に示すビームフック２４をなくすのには不十分である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上の点から、異種金属溶接時の電子ビームのフッキングをなくすことができて、高アスペクト比の深い溶接継手が必要とされるさらに広範な種類の部品の電子ビーム溶接が可能となれば、望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、電子ビーム溶接によって溶接アセンブリを形成する方法、並びに得られる溶接アセンブリを提供する。本方法は、具体的には、その構成部品が異種金属からなるため、電子ビームが接触面界面を通過する際に構成部品間の接触面界面から外れて偏向する傾向を生じるようなアセンブリの溶接に関する。本方法では、電子ビームを磁気的に方向づけて、電子ビームが所望の経路に沿って接触面界面を通過するようにせしめる。
【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以上の接触面界面が画成されるように配置する段階を含む。次いで、接触面界面の少なくとも一部に局所磁場を印可し、次に電子ビームを接触面界面に方向付けて物品を接触面界面で電子ビーム溶接し、溶接部品を得る。局所磁場は、物品が接触面界面全体にわたって溶接されるような進路を接触面界面を通過する電子ビームが取るように印可される。
【０００８】
本発明の一態様では、物品間の接触面界面は直線的で、局所磁場は、接触面界面を通過する電子ビームの進路が真っ直ぐになるように印可される。本方法は、物品が、局所磁場のない状態では、接触面界面に方向付けられた電子ビームが接触面界面から外れて物品の一方に偏向するようになってしまう異種金属からなるときにも、適用可能である。この場合、局所磁場は、接触面界面を通過する電子ビームの進路が真っ直ぐになるように印可され、物品は直線的接触面界面全体にわたって溶接される。本発明の別の態様では、物品間の接触面界面は弧状で、局所磁場は、接触面界面を通過する電子ビームの進路が曲がるように印可され、物品は弧状接触面界面全体にわたって溶接される。
【０００９】
本発明の方法は、溶接すべき界面が、電子ビームが界面を通過する方向において、１０ｃｍ以上の長さを有する状況など、比較的深い溶接継手が必要とされる場合に、特に有効である。本発明の第一の態様では、本方法は、ステンレス鋼と炭素鋼のような異種金属からなる物品を電子ビーム溶接する場合にも、特に有効である。
【００１０】
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一層良く理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図２、図３及び図４に示すように、本発明では、２つの部品１０及び１２を界面１４で溶接して溶接アセンブリ３２を形成するため、部品１０及び１２の向き合った面で形成される界面１４を通るように電子ビーム２０の進路を定めるべく配向せしめた１以上のコイル３０で発生する磁場を用いる。便宜上、図１から図４を通して同一の要素には同一の参照符号を用いる。部品１０及び１２は、ガスタービン及び蒸気タービンの鋳造タービン部品の製造に用いられる鋼及び超合金を始めとする様々な合金からなるものでよい。
【００１２】
図２及び図３では接触面界面１４は実質的に直線的なものとして示してあるが、図４では接触面界面１４は弧状のものとして示してある。図２及び図３に例示した状況については、本発明は、部品１０及び１２が異種金属からなり、電子ビーム２０が界面１４から外れて部品１０及び１２の一方に偏向してしまうビームフッキング現象が起こる場合に用途を見出すことができる。ビームフッキング現象の結果は、図３に仮想線で示す溶接部のフック部２４である。フック部２４は、界面１４の深さが増すと顕著になり、特に深さが４インチ（約１０ｃｍ）以上の場合に顕著である。本発明の好ましい態様では、コイル３０によって発生する上述の磁場を印加する結果、図３に示す溶接部１６にはフック部２４は形成されず、コイル３０は、界面１４を通る電子ビーム２０の進路を真っ直ぐにするような配向で界面１４の近傍に配置される。
【００１３】
図４において、部品１０及び１２は異種金属からなるものでもよいが、そうした異種金属は必ずしもフッキング現象を生じるものである必要はない。ただし、部品１０及び１２間の弧状界面１４は、界面１４全体が溶接されるように電子ビーム２０が界面１４に沿って曲がることを要する。タービン産業では、このように電子ビーム溶接することで恩恵を受ける幾何形状をもつ潜在的に適用可能な溶接部品は、例えば複数段のステータ翼形部を翼形部周囲の他のリングとの深い軸対称ＥＢ溶接によってリング内にシールする蒸気タービンノズルアセンブリ（ボックス）のように多数存在する。こうした状況では、図４の部品１０は翼形部の一部を表し、部品１２は翼形部に溶接されるリングを表す。いずれの場合も、部品１０及び１２は、接触面界面１４全体にわたって溶接され、図１に示すタイプの融合不良の形成は回避される。
【００１４】
なお、磁気コイルは電子ビーム溶接に遍在するが、その使用は、ビーム２０（同軸）を集束又はビーム２０を振動させるため電子ビーム溶接機自体（例えば、図１の電子銃２２）に限定されていた。これとは対照的に、本発明では、個々の状況下での必要に応じてビーム２０を局所的に移動させるため、溶接部１６が形成される界面１４の近傍に、ビーム２０と垂直な磁場を生じる１以上のコイル３０を配置する。コイル３０の作用を、図２に示す。磁場「Ｂ」内を速度「Ｖ」で運動する電荷「ｑ」の粒子は、ローレンツ力と呼ばれる力「Ｆ」を受けることが知られている。この力は、磁場「Ｂ」と粒子の速度「Ｖ」の双方に垂直に作用する。この力の大きさと方向は、ベクトル積Ｆ＝ｑＶ×Ｂで与えられる。図２を参照すると、−Ｚ方向（つまり、界面１４を電子ビーム２０が通過する方向と垂直な方向）に作用する磁場Ｂ内を−Ｙ方向に運動する電子は、＋Ｘ方向に作用する力を受け
、電子はその本来の経路から偏向する。図３において、コイル３０（図の平面内）が示してあるが、コイル３０は、電子ビーム２０内の電子をローレンツ力によって右方向に偏向させる磁場（図の平面に垂直）を生じる。
【００１５】
電子ビーム２０の偏向度が、ビーム２０の強度と１以上のコイル３０で発生した磁場Ｂの強さとによって決まることは当業者には自明であろう。界面１４を通過する電子ビーム２０の偏向は、用いるコイル３０の数（例えば単一のコイル３０、又は図３及び図４に示すような単コイル３０の配列）によって調整できる。単コイル３０の配列を使用する場合、界面１４の具体的な形状を始めとする個々の状況を考慮して、界面１４を通るビーム２０の経路を適切に方向付けるため、界面１４に沿って強さが適切に変化する磁場Ｂを生じるように配列を「チューニング」できるように、各コイル３０を公知の制御システムによって独立に制御することもできる。このチューニング作用は、試行錯誤又は数値モデルによって達成できる。図４の実施形態に関して、数値モデル化は、部品１０及び１２の厚さ全体にわたって界面１４の弧状経路に沿うような電子ビームをコイル３０を用いて形作ることができるように、部品１０及び１２とその既知の弧状界面１４の形状との数値モデルに基づくことができる。
【００１６】
以上、好ましい実施形態に関して本発明を説明してきたが、その他の形態を当業者が採用できることは明らかである。従って、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】
【００１７】
【図１】異種金属からなる物品で深い溶込みの電子ビーム溶接を実施したときに観察されるフッキング現象を示す図。
【図２】断面で示す２つの物品間の直線的界面にビームがほぼ一致するように、図１のビームフックが実質的になくなるローレンツ力を生じさせる局所磁場を印加した例を示す図。
【図３】図２の局所磁場の発生に単コイルの配列を使用した例を示す図。
【図４】断面で示す２つの物品間の弧状面の界面にビームがほぼ一致するように、電子ビームを曲げるローレンツ力を生じさせる局所磁場の発生に単コイルの配列を使用した例を示す図。
【符号の説明】
【００１８】
１０、１２  物品
１４  接触面界面
１６  溶接継手
１８  融合不良
２０  電子ビーム
２４  フック
３０  コイル
３２  溶接部品
【図１】
2004216456.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004216456.tif 000005
【図４】
2004216456.tif 000006
【外国語明細書】
2004216456000001.pdf