(57)【要約】  本発明は、２つの部品（２）、特に２つの回転シャフト部品（２）を接合領域（８）において密着接合する方法であって、部品（２）の表面幾何形状を改変する一体形成部分（１０）が接合領域（８）に隣接して配置され、２つの部品（２）が共に溶接され、後熱処理が圧縮残留応力の目標とする導入のために実施され、圧縮残留応力分布も改変された表面幾何形状によって決定される方法に関する。
2015513629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの部品（２）、特に２つの回転シャフト部品（２）を接合領域（８）において密着接合する方法であって、
前記部品（２）の表面幾何形状を改変する一体形成部分（１０）が前記接合領域（８）に隣接して配置され、
前記２つの部品（２）が共に溶接され、
目標を定めて圧縮残留応力を導入するために後熱処理が行われ、圧縮残留応力分布は前記改変された表面幾何形状に影響されることを特徴とする方法。
【請求項２】
環状の一体形成部分（１０）が提供されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記一体形成部分（１０）が前記接合領域（８）から離れていることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記後熱処理が前記接合領域（８）で局所的に実施されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
焼なまし作業、特に応力除去焼なまし作業が前記後熱処理として提供されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
後熱処理が、前記溶接された部品（２）に液体、特に水が噴射される部分工程において実施されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記部品（２）に液体が噴射される前記部分工程が応力除去焼なまし作業の保持段階の温度以下の温度で開始されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記一体形成部分（１０）が前記後熱処理後に機械的に除去されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの部品、特に２つの回転シャフト部品を接合領域において密着接合する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
部品が溶接、したがって溶接継目によって互いに密着接合されたとき、これによって部品の材料特性が接合領域において変化する。この材料特性の変化は溶接プロセス中の熱の効果によるものであり、これによって影響を受けた領域をまた熱影響ゾーンと呼ぶ。一般に、材料特性の変化は都合が悪く、したがって望ましくない。
【０００３】
タービンシャフトのセグメント間の溶接接合を形成中、例えば、高い引張残留応力が溶接継目領域に生じるが、これは計画段階における部品および溶接接合の構成中に考慮されるか、または溶接された部品の後処理によって減少される。非常に一般的な後処理方法としては、例えば、圧延またはショットピーニングによって溶接された部品の表面付近への圧縮残留応力の導入がもたらされるが、この圧縮残留応力は存在する引張残留応力を相殺するものである。しかしながら、溶接された部品のこのような後処理方法はもっとも骨の折れるものであり、表面付近の領域でのみ有効である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような状況から、本発明は、２つの部品の密着接合の代替的方法を提案するという目的に基づくものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、この目的は請求項１の特徴を有する方法によって達成される。
【０００６】
この方法は、２つの部品、特に２つの回転シャフト部品、したがって例えば２つのタービンシャフト部品の接合領域内における密着接合に役立つものであり、これらの部品の表面幾何形状を改変する一体形成部分が接合領域に隣接して配置され、２つの部品が共に溶接され、目標を定めて圧縮残留応力を導入するために後熱処理が行われ、圧縮残留応力分布は改変された表面幾何形状に影響される。
【０００７】
本文脈中、一体形成部分は好ましくは後熱処理の効果に影響を与えるためだけにもっぱら用いられる。このことは一体形成部分が密着接合に関与しておらず、また特に一体形成部分間には溶接継目が形成されないことを意味する。代わりに、存在する引張残留応力を相殺し、引張残留応力の効果を少なくとも部分的に打ち消す圧縮残留応力とともに一体形成部分を使用して、後熱処理によって導入された圧縮残留応力の分布が改変される。全体として、このことによって、後熱処理によって変化されかつ後熱処理前の分布よりも実質的に好ましい、引張残留応力および圧縮残留応力の分布が生じる。そして表面幾何形状の改変と後熱処理を組み合わせたものが、溶接された部品の後処理に取って代わり、溶接された部品は圧延またはショットピーニングによって単純な後熱処理および／または表面処理に供される。
【０００８】
特に、互いに対称軸に沿って並んでおり、共に溶接された回転対称部品の場合、環状の一体形成部分が提供される変形方法が好都合である。これは例えばタービンシャフトのロータセグメントの場合である。
【０００９】
一体形成部分が接合領域、特にいわゆる熱影響ゾーン（ＨＡＺ）の境界領域から離れて位置する本方法の変形例はさらに好都合である。この種の配置は原則的に好ましいと証明され、便宜上、部品に適合した一体形成部分の形状および位置はすべての密着接合に対して、例えばモデル計算によって数値的に決定される。
【００１０】
特に寸法が大きい部品の場合は特に、後熱処理が接合領域に局所的に実施される変形方法は好都合であるが、これは、そうすることで、溶接された部品の体積全体にわたる後熱処理と比較して後熱処理のコストがかなり低下するからである。
【００１１】
加えて、焼なまし作業、特に応力除去焼なまし作業または焼戻し処理が後熱処理として施される変形方法が好都合である。このような後熱処理によって、溶接された部品の引張残留応力は圧縮残留応力を導入せずに低減されうる。
【００１２】
さらに、溶接された部品に液体、特にオイルまたは水が噴射される部分工程中に後熱処理が実施される変形方法が好都合である。この目的は、溶接された部品の表面付近に顕著な温度勾配を発生させ、したがって大きな圧縮残留応力を対応する領域に導入することである。本文脈中、部品に液体が噴射される部分工程が応力除去焼なまし作業の保持段階の温度以下の温度で開始される場合は特に好都合である。後熱処理のこの部分工程は便宜上応力除去焼なまし作業の保持段階の終わりに行われ、したがってこの場合、制御冷却段階の一部となる。
【００１３】
溶接された部品の使用目的によっては、熱処理後に一体形成部分を機械的に除去することもまた好都合である。これは、付随する重量低下によって良い効果が得られた場合、またはタービンシャフト部品の場合のように作業方式、この場合だとフロー特性に対する好ましくない影響を回避した場合、特に有効である。
【００１４】
噴射処理中の部分工程において溶接された部品に水が噴射されている間に後熱処理が実施され、また一体形成部分が熱処理後に機械的に除去される変形方法もまた好ましい。本文脈中、一体形成部分は溶接継目領域における噴射処理によって生じた圧縮残留応力をずらす目的に用いるのが好ましい、またはこの目的にのみもっぱら用いられる。このことは一体形成部分が密着接合に関与しておらず、また特に一体形成部分間には溶接継目が形成されないことを意味する。存在する引張残留応力を相殺し、したがって、引張残留応力の効果を少なくとも部分的に打ち消す圧縮残留応力とともに噴射処理によって導入された圧縮残留応力の分布が一体形成部分を使用して前もって決定される。一体形成部分を除去することによって、最大圧縮残留応力が溶接継目領域にずれる。全体として、これによって、噴射処理および一体形成部分の除去をしない場合の分布よりも実質的に好ましい引張残留応力および圧縮残留応力の分布変化が生じる。これによって圧縮残留応力のかなり大きな効果が達成される。後熱処理による表面幾何形状の改変および一体形成部分の除去を組み合わせたものが、溶接された部品の後処理に取って代わり、溶接された部品は圧延またはショットピーニングによって単純な後熱処理および／または表面処理がされる。
【００１５】
本発明の例示的実施形態が概略図を参照しながら下記でより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】一体形成部分を有するタービンシャフトの２つの溶接されたロータセグメントの詳細を断面図で示す。
【図２】一体形成部分を除去した後のタービンシャフトのロータセグメントの詳細を断面図で示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
全図において、相互に対応する部分はそれぞれにおいて同じ参照番号を付与される。
【００１８】
２つの部品の密着接合に対して本明細書で提案される方法は、例えば、図１に概略的な詳細が示されているように、タービンシャフト４のロータセグメント２を互いに恒久的に接合するために提供される。タービンシャフト４の製造プロセスの一環において、これらロータセグメント２は互いに対称軸６に沿って並んでおり、対称軸６に対して主に横方向に延びる少なくとも１つの溶接継目８を介して接合されている。
【００１９】
ロータセグメント２の溶接は例えばナローギャップ溶接によって実施されるが、ここで、溶接方法の性質に関係なく、溶接作業中に接合領域、すなわち、溶接継目８の領域およびその直近に引張残留応力が導入され、このことにより密着接合の耐荷力が低下し、したがってタービンシャフト４の推定耐用寿命にマイナスの効果を与える。
【００２０】
密着接合の耐性を増加させるためには、接合領域、すなわち、溶接継目８の領域およびその直近における有効な引張残留応力を再び実質的に低下させる。そのためには、溶接作業後に後熱処理が実施されるが、それによって、引張残留応力を相殺する圧縮残留応力を目標を定めて導入する。しかしながら、本明細書にて提案される方法による後熱処理は、溶接接合の、それ自体公知の単純な応力除去焼なまし作業のような単純な後熱処理以上の働きをする。
【００２１】
後熱処理の一環で接合領域に導入される圧縮残留応力の所望の分布を達成するために、前の方法工程において、ロータセグメント２の表面幾何形状を改変してからロータセグメント２を溶接する。対称軸６に関して対称に配置される環状の一体形成部分１０は接合領域、すなわち、溶接接合が後に形成される領域においてロータセグメント２に設けられ、好ましいと見出された表面の幾何形状を事前に定義することの助けとなる。好ましい表面幾何形状は、ロータセグメント２およびタービンシャフト４の計画段階におけるモデル計算を使用して便宜上決定される。ロータセグメント２の製造において、このようにして決定される一体形成部分１０は最初から考慮される。したがって、ロータセグメント２が例えば鋳物の場合、鋳造作業のネガ鋳型では一体形成部分１０がすでに考慮されている。
【００２２】
接合領域におけるロータセグメント２の一体形成部分１０によって変化した表面幾何形状によって、表面幾何形状に影響される圧縮残留応力の分布が後熱処理の枠組みの中で溶接されたロータセグメント２内に導入され、ここで、重ね合わせの原理にしたがって部分的に導入された圧縮残留応力が所定の引張残留応力を打ち消し、このことにより概して、タービンシャフト４全体の実質的により好ましい引張残留応力および圧縮残留応力の分布をもたらす。
【００２３】
後熱処理の一環で、接合領域は好ましくは、加熱段階にて局所に限定して４００℃〜８００℃の間の温度に加熱される。例えばいわゆる応力除去焼なまし温度のレベルでの直後の保持段階後、溶接されたロータセグメント２は、表面付近で顕著な温度勾配を発生させるために制御冷却段階の枠組みの中で水を噴射され、それによってかなりの圧縮残留応力がこの領域において蓄積される。
【００２４】
タービンシャフト４が提供されるタービン内の流れが一体形成部分１０によって悪影響を受けないために、一体形成部分１０は後熱処理後に機械的に除去される、例えば切り取られる。
【００２５】
本発明は上記例示的実施形態に限定されるものではない。むしろ、本発明の主題から逸脱することなく当業者によって本明細書から本発明の他の変形も導かれうる。特に、例示的実施形態と組み合わせて記載されたすべての個々の特徴もまた、本発明の主題から逸脱することなく他の方法で互いに組み合わせることが可能である。
【符号の説明】
【００２６】
２  ロータセグメント
４  タービンシャフト
６  対称軸
８  接合領域、溶接継目
１０  一体形成部分
【図１】
2015513629.tif 000003
【図２】
2015513629.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成26年9月19日(2014.9.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの部品（２）を接合領域（８）において密着接合する方法であって、
前記部品（２）の表面幾何形状を改変する一体形成部分（１０）が前記接合領域（８）に隣接して配置され、
前記２つの部品（２）が共に溶接され、
目標を定めて圧縮残留応力を導入するために後熱処理が行われ、圧縮残留応力分布は前記改変された表面幾何形状に影響されることを特徴とする方法。
【請求項２】
環状の一体形成部分（１０）が提供されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記一体形成部分（１０）が前記接合領域（８）から離れていることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記後熱処理が前記接合領域（８）で局所的に実施されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
焼なまし作業が前記後熱処理として提供されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
後熱処理が、前記溶接された部品（２）に液体が噴射される部分工程において実施されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記部品（２）に液体が噴射される前記部分工程が応力除去焼なまし作業の保持段階の温度以下の温度で開始されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記一体形成部分（１０）が前記後熱処理後に機械的に除去されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記２つの部品（２）が２つの回転シャフト部品であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記焼なまし作業が応力除去焼なまし作業であることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
前記液体が水であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【国際調査報告】
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