(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンバケットの先端上のテノンを補修する方法であって、
（ａ）固定具（１２）に対して複数のバケット（３０）を所定位置に取外し可能に固定する段階と、
（ｂ）前記タービンバケット（１６）を予熱する段階と、
（ｃ）前記固定具に固定した前記予熱したバケットの先端に対して第１の溶接パスで順次に溶接材料を施工する段階と、
（ｄ）前記固定具に固定した前記バケットの先端に対して少なくとも１つの追加のパスで順次に付加的溶接材料（２０）を施工する段階と、
（ｅ）前記バケットを応力除去（６０）する段階と、
（ｆ）前記施工した溶接材料を機械加工（７０）して前記バケット先端上にテノン（７６）を形成する段階と、
を含む方法。
【請求項２】
前記段階（ｂ）が、前記バケットが前記固定具に固定されている間に、前記バケットに対して誘導加熱コイル（１６）を適用することによって行われる、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記固定具が、少なくとも第１及び第２のグループのバケット位置決め装置（２２）を含み、前記少なくとも第１及び第２のグループのバケット位置決め装置（２２）が、それぞれ第１及び第２のグループのバケットを前記固定具に対して所定位置に固定する段階と、前記固定具に対して所定位置に固定した前記第１のグループのバケットを該第１のグループのバケットの先端に対して順次に溶接材料を施工するのが可能になるような溶接ヘッドに対する溶接位置に位置決めする段階と、前記固定具を移動させて該固定具に対して所定位置に固定した前記第２のグループのバケットを該第２のグループのバケットの先端に対して順次に溶接材料を施工するのが可能になるような溶接ヘッド（２０）に対する溶接位置に位置決めする段階とを行うようになっている、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記移動させる段階が、前記固定具を回転させて前記所定位置にある前記第２のグループのバケットのバケット先端を前記溶接ヘッド（２０）によって溶接するための溶接位置に整列させる段階を含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記溶接ヘッドをロボットによって前進させて前記それぞれの第１及び第２のグループのバケットのバケット先端に対して前記溶接位置にある該バケット先端の部位上に順次に溶接材料を施工する段階を含む、請求項３記載の方法。
【請求項６】
前記段階（ｅ）の前に、前記バケットを前記固定具から取外す段階を含み、前記段階（ｅ）が、前記施工した溶接材料を備えた前記バケット先端を流動床（６２）内に配置して前記バケットを応力除去する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記バケット先端が下向きに向いた配向に前記バケットを逆さにする段階を含み、前記段階（ｅ）が、前記逆さにしたバケットを第２の固定具内に配置する段階と、前記第２の固定具によって支持した前記逆さにしたバケット先端を前記流動床内に降ろす段階とを含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記段階（ｃ）が、前記バケットの先端に対して前記溶接パスの各々で順次に溶接材料を施工するように溶接ヘッド（２０）をロボットによって制御する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
タービンバケットの先端に対して溶接材料を施工して該バケット先端上に１つ又はそれ以上のテノンを形成するための組立体であって、
第１及び第２のグループのバケットをその所定位置に取外し可能に固定するためのクランプ（２２）を有する固定具（１２）と、
前記グループのバケットを予熱するための誘導コイル（１６）と、
前記バケットの先端に対して溶接材料を施工するための溶接ヘッド（２０）と、
を含み、
前記固定具（１２）が、第１及び第２の位置間で移動可能であり、その前記第１の位置おける前記固定具が、前記第１のグループのバケットを該第１のグループのバケットの先端に対して溶接材料を施工することを可能にするように前記溶接ヘッドに近接して位置決めし、また前記第２のグループのバケットを該第２のグループのバケットの先端を予熱するための前記誘導コイルに近接して位置決めし、
前記第２の位置における前記固定具が、前記第２のグループのバケットを該第２のグループのバケットの先端に対して溶接材料を施工することを可能にするように前記溶接ヘッドに近接して位置決めする、
組立体。
【請求項１０】
前記溶接ヘッド（２０）を支持し、かつ前記溶接ヘッドを前記グループのバケットのバケット先端に対して順次に溶接材料を施工する位置に位置決めするようにプログラミングされたロボット（１８）を含む、請求項９記載の組立体。
【請求項１１】
前記予熱したバケットの温度を検知しかつロボットに接続された温度センサ（５０）を含み、前記温度センサ（５０）が、所定の温度範囲内の温度を検知した時にのみ前記バケット先端に対して溶接材料を施工するのを可能にする、請求項９記載の組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンバケットの先端上の損傷したテノンを補修するための装置及び方法に関し、具体的には製造サイクル時間、費用及び労力を少なくしかつ品質を向上させる、腐食したテノンを補修するための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンバケット、例えば蒸気タービンバケットには、一般的にバケットの先端を覆う環状のカバーが設けられる。カバーは、バケットの応答を弱めかつ剛性を与えて応答を生じないようにするのに使用され、またその上にシールを設けることができる円形のバンドを形成する。従来の方法では、カバーは、複数のバケット先端を覆う円弧形セグメントの形態で設けられる。最初に製造したバケットでは、１つ又はそれ以上のテノンが、バケットの先端から突出した状態で形成され、カバーの対応する開口部内に受けられる。次ぎに、テノンは、カバーをバケット上に保持するために、カバーに対してピーニングされるか又は別の方法で固定される。タービン、特に蒸気タービンの長時間にわたる長期使用により、バケットテノンは腐食して次第に消滅し、テノンを補修しかつカバーをバケット先端に再固定することによってバケット／カバー組立体を改修することが必要になる。
【０００３】
これ迄は、バケットのテノンを補修するために、各個々のバケットを作業台上に置いた状態で、バケットをタービンから取外していた。次ぎに、腐食したテノンを研削して取去って、先端上の小さなこぶにするか又はバケット先端と同一平面にしていた。テノン先端は、予熱されかつ清浄にされた。次ぎに、予熱の度合に厳しい注意を払いながら、手作業で先端に対して多重パスの形態で溶接材料を施工していた。次ぎに、溶接肉盛部を応力除去し、機械加工して新しいすなわち補修したテノンを形成していた。この従来の工程は、手作業で行われ、面倒で費用がかかり、生産速度が非常に遅いものになっていた。
【特許文献１】米国特許第4542272号明細書
【特許文献２】米国特許第5092942号明細書
【特許文献３】米国特許第5319179号明細書
【特許文献４】米国特許第6376801号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第2003/0066192号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の好ましい実施形態によると、補修工程を自動化することによって製造サイクル時間、費用及び労力を少なくしかつ品質を向上させるための装置及び方法を提供する。本発明の１つの態様では、固定具、好ましくはテーブルは、例えば各々４つのバケットの２つのグループの形態で該テーブルに対してそれらグループのバケットを固定するための複数のクランプを含む。従って、バケットは、テーブル上の所定位置に固定される。一方のグループのバケットが、好ましくは誘導コイルによって予熱されている間、ロボットによって支持した溶接ヘッドを使用して他方のグループのバケットの先端に対して多重パスで順次に溶接材料を施工する。各バケット先端がさらに別の溶接パスを可能にするほど充分な予熱状態になっているような温度測定値に各バケット先端がなった後に、溶接材料が多重パスで施工される。このグループのバケットに対して溶接肉盛が完了すると、これらバケットはテーブル固定具から取外され、逆さにした状態でさらに別の固定具内に置かれ、応力除去のために流動床内に配置される。さらに、テーブル固定具を移動させて、別のグループの予熱したバケットをロボットアームによって支持した溶接ヘッドに対する溶接位置に位置決めし、次のグループの予熱したバケット先端に対して多重パスで順次に溶接材料を施工することができるようにする。ほぼ同時に、さらに別のグループのバケットが、テーブル固定具に固定されて、誘導コイルによって予熱される。この工程は、損傷したテノンの全てに充分な溶接肉盛がなされかつ応力除去が行われるまで繰返される。応力除去後に、各バケット先端における溶接肉盛部は、好ましくはＣＮＣ機械によって機械加工されて交換テノンを形成する。
【０００５】
バケットは、最初に個々のクランプによって、必ずというわけではないが回転可能なテーブル上の所定位置に固定することができることが分かるであろう。従って、予熱後に、予熱したバケット先端に対して多重パスでロボットによってかつ順次に溶接材料を施工し、次ぎに応力除去して機械加工することができる。応力除去は、特に本明細書に開示した方法を含む様々な公知の方法のいずれか１つによって行うことができる。
【０００６】
本発明による好ましい実施形態では、タービンバケットの先端上のテノンを補修する方法を提供し、本方法は、（ａ）固定具に対して複数のバケットを所定位置に取外し可能に固定する段階と、（ｂ）タービンバケットを予熱する段階と、（ｃ）固定具に固定した予熱したバケットの先端に対して第１の溶接パスで順次に溶接材料を施工する段階と、（ｄ）固定具に固定したバケットの先端に対して少なくとも１つの追加のパスで順次に追加の溶接材料を施工する段階と、（ｅ）バケットを応力除去する段階と、（ｆ）施工した溶接材料を機械加工してバケット先端上にテノンを形成する段階とを含む。
【０００７】
別の好ましい実施形態では、タービンバケットの先端上のテノンを補修する方法は、（ａ）複数のバケットを所定位置に固定する段階と、（ｂ）タービンバケットを予熱する段階と、（ｃ）バケットが所定位置に固定されている間に、固定具に固定した予熱したバケットの先端に対して第１の溶接パスで順次に溶接材料を施工する段階と、（ｄ）バケットが所定位置に固定されている間に、バケットの先端に対して少なくとも１つの追加のパスで順次に追加の溶接材料を施工する段階と、（ｅ）バケットを応力除去する段階と、（ｆ）施工した溶接材料を機械加工してバケット先端上にテノンを形成する段階とを含む。
【０００８】
本発明によるさらに別の好ましい実施形態では、タービンバケットの先端に対して溶接材料を施工して該バケット先端上に１つ又はそれ以上のテノンを形成するための組立体を提供し、本組立体は、第１及び第２のグループのバケットをその所定位置に取外し可能に固定するためのクランプを有する固定具と、グループのバケットを予熱するための誘導コイルと、バケットの先端に対して溶接材料を施工するための溶接ヘッドとを含み、固定具は、第１及び第２の位置間で移動可能であり、その第１の位置における固定具は、第１のグループのバケットを該第１のグループのバケットの先端に対して溶接材料を施工することができるように溶接ヘッドに近接して位置決めし、また第２のグループのバケットを該第２のグループのバケットの先端を予熱するための誘導コイルに近接して位置決めし、第２の位置における前記固定具は、第２のグループのバケットを該第２のグループのバケットの先端に対して溶接材料を施工することができるように溶接ヘッドに近接して位置決めする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図面、特に図１を参照すると、全体を符号１０で示した、品質を向上しかつ補修サイクル時間を短縮した生産速度でタービンバケットを予熱しかつタービンバケットの先端上に溶接肉盛材料を施工するための組立体を示している。図１に示した組立体は、垂直軸線の周りで回転するように支持されたテーブル１４を備えた固定具１２を含む。組立体はまた、誘導加熱コイル１６と溶接ヘッド２０を支持したロボット１８とを含む。
【００１０】
具体的には、テーブル１４は、複数の直立した機械式オーバセンタクランプを含む。クランプは、テーブル１４によって支持された垂直材２４上に取付けられ、かつストッパ２６と可動腕２８（図２及び図３）とを含む。クランプ２２は、それ自体は従来型のものであり、バケット３０の上端部を所定位置においてストッパ２６に当接させて固定するために使用される。バケット３０は、プラットフォーム３２とダブテール３４とを含み、後者のダブテール３４はテーブル１４の上面上に載置され、一方、バケット３０の上端部は、図３に示すように腕２８とストッパ２６との間に固定されることが分かるであろう。クランプ２２には、ハンドル３６が設けられ、ハンドル３６によってクランプを手動で位置決めして、図４に示すようにバケットを所定位置に固定することができる。
【００１１】
図１に示すように、クランプ２２は、テーブル１４の両側に沿って各々４つのクランプの２つのグループの形態で配置される。各グループにはより少ない又はより多い数のクランプ２２（つまり、バケット３０）を設けてもよく、またクランプのグループは、テーブルの両側に沿って整列させる必要はなくて、互いに別の角度配向で整列させてもよいことが分かるであろう。テーブル１４は、中心垂直軸線の周りでピボット動可能であり、これらグループのクランプつまり固定したバケットを誘導加熱コイル１６とロボット１８、具体的にはロボット１８によって支持された溶接ヘッド２０とに近接したそれぞれの位置に位置決めすることができる。この例示した好ましい実施形態では、クランプはテーブル１４の両側に沿って取付けられ、従って、テーブル１４は、各グループのバケットを誘導加熱コイル１６に近接して位置決めする位置と各グループのバケットを溶接ヘッド２０が各グループにおける各バケットの先端上に溶接肉盛を行うことができるような溶接位置にある溶接ヘッド２０に近接して位置決めする位置との間で１８０°回転可能である。テーブル１４は、テーブルを固定支柱に固定するコーナピン４０によって２つの回転位置の各々において固定することができる。
【００１２】
誘導加熱コイル１６は、クランプ２２によってテーブルに固定したバケットのグループに近接してテーブル１４の一側に位置している。誘導加熱コイル１６は、バケットと接触せずにバケットを予熱し、それによってバケット先端に隣接した翼形部の断面がほぼ均一に予熱される。誘導コイルは、バケット翼形部を約４５０°Ｆの温度に予熱するのが好ましい。ロボット１８は、マニピュレータアーム４２と、アームの先端に支持した溶接ヘッド２０の動作を制御するためのコントローラ４４と、タービンバケットの先端上に溶接肉盛を行うための不活性ガス雰囲気を形成するためのガスカップ４６とを含む従来型の構造のものでよい。ロボットは、バケットの先端が溶接位置に位置決めされた時、溶接材料４３をバケット先端上に施工するようにプログラミング可能であることが分かるであろう。従って、ロボットは、テーブルの一側に沿ってテーブル１４に固定したそれらのバケット先端の様々な部位においてバケット先端に対して順次に溶接材料を施工するようにプログラミングする、すなわちティーチングすることができる。さらに、下記の理由のために、ロボットにはまた、溶接する前に各バケット先端の温度を確認することができるような赤外線スキャナ５０が取付けられる。ロボット１８は、オハイオ州チップシティ所在のＤａｉｈｅｎ，Ｉｎｃ．によって製造及び販売され、ＯＴＣ−Ａｌｍｅｇａ  Ｘシリーズというその商品名で特定される形式のものとすることができる。
【００１３】
図６及び図７を参照すると、溶接肉盛材料がバケットの垂下した先端上にある逆さにした状態でバケットを支持するための付加的な固定具すなわち支持体６０がさらに設けられている。従って、バケットのグループに対して充分な溶接肉盛材料を施工した時、テーブル上の固定した位置からバケットを手作業で取外し、支持体６０内に挿入する。図７には、溶接肉盛部を備えたバケット先端が流動床６２内に浸漬された状態の支持体６０を示している。流動床６２は、小さな金属又はセラミックビーズを保持する容器を含み、これらのビーズが、容器６２の底部に供給されかつビーズ内及び該ビーズの周りを上向きに流れて容器の上部を通って外部に出る加熱空気によって容器６２内部で流動する形式のものとすることができる。符号６４で概略的に示した予熱空気の供給は、図示していない電気炉又はガス炉によって行われ、容器６２内に吹込むことができる。各バケット先端上に溶接肉盛材料を含むバケットの先端を容器６２内に沈めることによって、バケットに対してほぼ均一な温度を加えて高温によりバケットを応力除去することができる。応力除去が実行されると、図８に示した溶接肉盛部は、例えば図９の符号７０で概略的に示したＣＮＣ機械によって順次に機械加工されて、図１０に示したバケットテノン７６を形成することができる。
【００１４】
次ぎに、バケット上のテノンを改修する工程の説明を述べる。明らかなように、タービン、特に蒸気タービンの長時間にわたる長期使用により、最初に製造したテノンは摩滅及び侵食されて次第に消滅し、新しいテノンを形成するようにバケットを改修して、改修したバケットに対してカバーを固定することができるようにする必要がある。従って、侵食又は腐食したテノンを有するバケットは、タービンから取外され、損傷したテノンは、図示しないが研削作業によってバケット先端から取除かれる。バケット先端がほぼ平らな形状に研削されると、バケットは改修する用意ができたことになる。
【００１５】
バケットは、そのダブテール３４をテーブル１４上に載置した状態でテーブル上に直立した配向で配置される。バケット翼形部の上端部分は、クランプ２２によってテーブル上の所定位置に固定される。この例示的な実施形態では、第１のグループのバケットは、テーブルの一側、例えば誘導加熱コイル１６に近接したテーブルの側に沿って固定される。バケットは、ロボット１８に予めプログラミングされた位置に対応する所定位置に固定されて、第１のグループの予熱したバケットが溶接ヘッド２０に近接した溶接位置に回転移動されると、ロボットは所定の溶接部位に溶接肉盛を施工するようになる。第１のグループのバケットが誘導加熱コイル１６に近接した所定位置に固定された場合、コイル１６は、バケットを所定の温度、例えば４５０°Ｆまで予熱するように作動する。所定温度に達すると、テーブル１４は、垂直軸線の周りで、この実施形態では約１８０°回転して予熱したバケットを溶接位置に位置決めする。テーブルが回転すると、第２のグループのバケットが誘導加熱コイル１６に近接したテーブルの側に沿ってテーブルに固定される。第１のグループのバケットが溶接位置にありかつバケット先端に対して溶接肉盛材料が施工されている間に、テーブルの反対側に沿った第２のグループのバケットは、誘導加熱コイル１６によって予熱されていることが分かるであろう。
【００１６】
溶接位置にある第１グループのバケットに対して、ロボット１８は、予熱したバケット先端の各々に対して順次に溶接肉盛を施工するように作動する。具体的には、ロボット１８は、ガスカップ４６を含む溶接ヘッド２０を図５に示すように予熱したバケット先端に近接して位置決めするように作動する。赤外線スキャナ５０がバケット先端をスキャンしてバケット先端が適切に予熱された状態にあり溶接材料を施工することが可能であることを保証する。溶接法は、多数の溶接法の１つとすることができる。例えば、ＭＩＧシステムを使用すると、ガスカップ上のシンブルを通してワイヤが連続的に供給されかつ溶接部を保護するためにＣＯ２又はアルゴンガス或いはその混合物が散布される。この遮蔽ガスは大気を排除しかつ溶接ヘッドを遮蔽して、バケット先端に対して溶接材料を施工することを可能にする。所定量の溶接肉盛材料を施工する時、ロボットのパターン記憶制御装置により、ロボットアームが溶接ヘッドをこの第１のグループのバケットの第１のバケット先端から第２のバケット先端に移動させ、第２のバケット先端において溶接肉盛材料を施工する工程を繰返すようになる。スキャナ５０が、温度を読み取り、適切である場合には、第２のバケット先端に対して溶接肉盛材料が施工される。ロボットは、テーブル上の所定位置にありかつ溶接位置にある第１のグループのバケットのバケット先端の各々に対して第１のパスで溶接肉盛材料を施工するようなシーケンスになっている。溶接肉盛材料の施工は、バケットによって吸収される熱量を制限するように限定される。赤外線スキャナは、溶接材料を施工する前に各バケット先端における温度を監視する。監視温度が高すぎる場合、ロボットは、適切な温度に達するまで溶接シーケンスを停止する。反対に、先端温度が適切な溶接には低すぎる場合、付加的な加熱を与えることができる。
【００１７】
溶接位置にある第１のグループのバケットのバケット先端の各々に対して溶接肉盛材料を施工する第１のパスが完了すると、ロボットはアームを移動させてバケット先端の各々に沿って第２のパスを行い追加の溶接材料を供給する。従って、追加の溶接肉盛材料は、各バケット先端に対して第１のパスと同様なシーケンスで供給される。このようにして、溶接材料の必要な肉盛が得られるまで多重溶接パスが実行される。
【００１８】
シーケンスにすること及び固定具を使用することが、２つの機能をもたらすことが分かるであろう。先ず、このことは、各溶接の開始時において溶接ヘッドを各バケット先端の同一部位に位置決めし、従って施工した溶接材料の整合性が確保される。さらに、このことは、溶接工程時に発生した熱が伝導によって材料を通して消散しかつ移動するのに適切な時間があることを可能になる。バケット温度の監視と共にこのタイミングとシーケンスとが、温度の安定制御をもたらし、生産速度を高めることを可能にする。
【００１９】
第１のグループのバケットへの溶接肉盛が完了すると、バケットはテーブル１４から取外され、逆さにして支持体６０内に配置される。第１のグループのバケットがテーブル１４から取外されると、テーブルを回転させてテーブルの反対側の次のグループのバケットを溶接位置に位置決めする。その第２のすなわち次のグループのバケットは溶接温度に適するように既に予熱されており、溶接工程が繰返される。追加のバケットを誘導コイル１６に近接した現在空いている所定位置に同様に位置決めして、先に予熱したグループのバケットが溶接されている時にこれらの追加のバケットを予熱する。
【００２０】
適切な溶接肉盛部を備えた状態でテーブル１４から取外された第１のグループのバケットは、支持体６０内に配置される。支持体６０は、逆さにした状態でバケットを支持し、応力除去するためにバケットを流動床６２内に沈めることを可能にする。例えば約２０分間の応力除去の後に、バケットは、流動床から取出され、図示していないが断熱ブランケットに包み、除冷される。冷却後に、バケット先端上の溶接肉盛材料は、例えばＣＮＣ機械などによって順次に機械加工されてテノン７６を形成する。機械加工後に、バケットは、これで完全に改修されかつ復元されて、カバーをバケット先端に対して装着することが可能になる。
【００２１】
現在もっとも実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものでなく、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】
【００２２】
【図１】タービンバケットの先端上に溶接肉盛を施工するための装置の部分概略図。
【図２】図１に示す固定具に対してバケットを固定する段階の部分斜視図。
【図３】固定具に固定したバケット先端を示す図２と同様の図。
【図４】誘導加熱コイルの適用と工業ロボットのロボットアームで支持した溶接ヘッドによって施工された溶接肉盛とを示す図１と同様の図。
【図５】バケット先端の先端上の溶接肉盛部を示す拡大図。
【図６】先端上に溶接肉盛部を備えたバケットを逆さにした状態に保持するためのさらに別の固定具の斜視図。
【図７】バケット先端上の溶接肉盛部を応力除去のために流動床内に浸漬することを示す図６と同様の図。
【図８】バケットの先端上の溶接肉盛部を示す拡大部分概略図。
【図９】溶接肉盛部を研削してテノンを形成するＣＮＣ機械の概略図。
【図１０】先端上の完成テノンを示すバケット先端の斜視図。
【符号の説明】
【００２３】
１０  組立体
１２  固定具
１４  テーブル
１６  誘導加熱コイル
１８  ロボット
２０  溶接ヘッド
２２  クランプ
２４  垂直材
２６  ストッパ
２８  アーム
３０  バケット
３６  ハンドル
４０  コーナピン
４２  マニピュレータ
４４  コントローラ
４６  ガスカップ
５０  赤外線スキャナ
【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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【図９】
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【図１０】
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