(57)【要約】ワーク（１）を溶接線（２０）に沿ってレーザビームにより溶接する方法に関する。ワークを、固定の加工用レーザビームの下で動かし、溶接線に沿って溶接する従来の方法に代えて、ワークは固定し、レーザビーム（１３）を光学偏向装置（１７）の運動によって溶接線（２０）に沿って案内する。これによって、安価な構造費用で、高い運動速度が得られる。この方法は、特にガスタービン翼（１）の鋳造上不可避の開口（７）と閉塞ピンとの溶接に適用される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワーク（１）を溶接線（２０）に沿ってレーザ溶接する方法において、レーザビーム（１３）を光学偏向装置（１７）の運動によって溶接線（２０）に沿って案内することを特徴とするワークのレーザ溶接方法。
【請求項２】
溶接線（２０）が回転対称であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
溶接線（２０）が円対称であることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
溶接線（２０）が最大２０ｍｍの直径（Ｄ）を有することを特徴とする請求項２又は３記載の方法。
【請求項５】
偏向装置（１７）を回転させることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
偏向装置（１７）が光軸（２１）を有し、この光軸（２１）に対し平行に向けられた回転軸線（２３）を中心として回転させ、回転軸線（２３）を光軸（２１）から偏心距離（Ｅ）を隔てて配置し、レーザビーム（１３）を光軸（２１）と平行に且つ光軸（２１）に対し間隔を隔てて偏向装置（１７）に入射させることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
偏心距離（Ｅ）を溶接過程中に変化させることを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
第１レーザビーム（１３）と同時に第２レーザビーム（６１）を、光学偏向装置（１７）の運動により第１レーザビーム（１３）とずらして、溶接線（２０）に沿って案内することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項９】
偏向装置（１７）が、傾斜運動を行う鏡であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
ワーク（１）が、鋳造上生ずる開口（７）に閉塞ピンをはめ込み溶接すべき鋳造ガスタービン翼（１）であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１１】
ガスタービン翼（１）がニッケル基又はコバルト基の耐熱合金から成ることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１２】
ガスタービン翼（１）が、方向性をもって凝固されたか、単結晶から成ることを特徴とする請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、ワークのレーザ溶接方法に関し、特に鋳造ガスタービン翼の鋳造上不可避の開口への閉塞ピンの溶接方法に関する。
【０００２】
国際公開第００／１９０６５号パンフレットに、ガスタービン動翼とその製造方法が記載されている。かかる冷却材貫流形の鋳造ガスタービン翼は貫通開口を有し、その開口のうちの少なくとも１つは鋳造上生ずる。この種鋳造ガスタービン翼を、鋳造欠陥を十分に回避して高い歩留りで（不良品を少なくして）製造可能とするため、１つ又は複数の鋳造上不可避の貫通開口をリベット状閉塞ピンで塞ぎ、その脚を翼端面壁の対応した面に固定することを提案している。
【０００３】
ガスタービンの効率増大には、できるだけ高い作動ガス温度が必要である。高温又は温度変動、圧力および遠心力で大きく負荷されるガスタービン動翼を空洞の金属体として形成し、その空洞内に冷却材を流す。ガスタービン動翼はその脚部でロータに取り付ける。冷却材流をガスタービン動翼の脚部から内部中空室を経て、ガスタービン動翼の翼形部（羽根）又は先端部の範囲にある出口開口に導き、ガスタービン動翼の外側壁に冷却膜を形成する。その内部中空室に蛇行状の空気案内室を設けている。
【０００４】
ガスタービン動翼を取り付けたロータは、ガスタービンの内部に次のように配置している。即ちガスタービン動翼の先端部の傍を利用されずに流れる作動ガスの量を最少にすべく、ガスタービン動翼の先端輪郭を、環状の静止案内輪の内周面に対しできるだけ小さな間隔を隔てて回転するよう配置する。この際、狭いはめ合いの他に、ガスタービン動翼を損傷せず、ガスタービン動翼の半径方向外側先端部の十分な冷却を保障せねばならない。このため、ガスタービン動翼の先端部で、その先端側外側壁は、突出縁部、即ちかすめ縁（Ａｎｓｔｒｅｉｆｋａｎｔｅｎ）で包囲されている。このかすめ縁部の冷却は、米国特許第４７６１１１６号明細書に開示の如く、冷却材流により行われる。該冷却材流は、ガスタービン動翼の内部空間から、かすめ縁側端面壁にある貫通開口を通して、かすめ縁部内に流入し、そこで、かすめ縁にある開口を通して再び排出される。
【０００５】
欧州特許第０３４０１４９号明細書で、二階建て構造のかすめ縁部を冷却するために貫通開口を備えた内部冷却形ガスタービン動翼が知られている。そのようなガスタービン動翼の製造は、鋳型の構造および特にその中子について厳しい要件を課す。かすめ縁部の一様な冷却を保障するため、内部空間とかすめ縁部との間におけるかすめ縁側端面壁の厚さは、小さな公差で作らねばならない。空洞系統の中子部分をかすめ縁部の中子部分に固着され、かくして鋳造過程時に、両者を相互に確定した一定間隔に保つ。その結合は、両中子部分に係留した中子押えピンで行う。この中子押えピンは、鋳造過程時に大きな荷重を受け、そのため簡単に折れる。その結果、中子押えピンは比較的大きな径にせねばならない。しかしその大きな直径のため、鋳造ガスタービン動翼のかすめ縁側端面に、空洞とかすめ縁部との間に大きな貫通開口が生ずる。従って、その貫通開口を通って流れる冷却材の漏れは非常に大きい。冷却材の漏れの減少方式は、中子押えピンによって生じた大きな貫通開口を溶接して塞ぐか、覆い板を溶接することにある。しかし、これに伴い亀裂が生ずる欠点があり、該亀裂はガスタービン動翼の運転中に成長する。また、溶接時の高温に伴い再結晶化が起り、その再結晶過程は、特に方向性をもって凝固したガスタービン動翼と単結晶から成るガスタービン動翼の場合、関連する個所の材料を弱める。ガスタービン動翼の回転に伴う遠心力による大きな荷重は、覆い板をしばしば部分的に又は完全に剥がしてしまう。
【０００６】
米国特許第３７６１２０１号明細書は、ガスタービン翼の鋳造時に生ずる開口の閉鎖方法を開示する。その鋳造上生ずる開口に、周囲材料より大きな熱膨張係数を持つ閉塞ピンをぴったりはめ込む。続く加熱過程で、拡散溶接を行う。
【０００７】
１９８９年、ＶＥＢ  ファッハブーフフェアラーグ出版（ライプツィッヒ）、ウィトロフ  ブルネル氏、クラウス  ユンゲ氏共著の「ビッセンススパイヒェル        レーザテヒニク（Ｗｉｓｓｅｎｓｓｐｅｉｃｈｅｒ Ｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｉｋ）」は、レーザによる加工と溶接を開示している。例えば第２９１頁の図４．４は、レーザ材料加工設備の構造を示している。この設備では、レーザビームを固定配置のレーザビームガイドで、移動可能な作業テーブル上に配置したワークに導いている。ワークにおける加工部の案内は、第２作業テーブルによるワークの移動で行う。それ以後の頁に記載のレーザ溶接設備も、ワークの運動による加工部案内を意図している。第２９７頁は、レーザによる溶接を記載している。
【０００８】
本発明の課題は、溶接継手の周囲に位置する材料範囲の、特に僅かな損傷を可能にするワークのレーザ溶接方法を提供することにある。
【０００９】
この課題は本発明に基づき、ワークを溶接線に沿ってレーザ溶接する方法において、レーザビームを光学偏向装置の運動により溶接線に沿って案内することで解決される。
【００１０】
本発明は、レーザ溶接時に、レーザビームを光学偏向装置の運動により案内することを提案する。さもないとワークを加工レーザビームの下で動かすことになるが、本発明ではレーザビーム自体を動かす。この光学偏向装置による運動制御は、構造的に比較的安価に実現できる。特に、かかる光学偏向装置の運動により速い加工速度が得られる。この結果、ワークへのレーザ熱の局所的な侵入を著しく制限できる。この結果、溶接継手に隣接する材料が溶接過程で著しく加熱されて害されることがない。特に、溶接過程での亀裂の発生を防止できる。
【００１１】
ａ）好適には、溶接線は回転対称である。また好適には、溶接線は円対称である。そのような配置において、光学偏向装置の運動によって溶接線に沿って速くレーザビームを回転運動で案内すると特に有利である。また好適には、溶接線は最大２０ｍｍの直径を有する。そのように比較的小さな溶接範囲の場合、レーザビームの運動は、光学偏向装置の運動により実現できる大きな角速度を必要とする。光学偏向装置だけを動かせば済むので、レーザ装置の、重くて構造的に経費のかかる可動部品を動かす必要はない。
【００１２】
ｂ）偏向装置を回転させるとよい。その際、好適には偏向装置は光軸並びにこの光軸に対し平行な回転軸線を有し、この軸線が光軸から偏心距離を隔てられ、レーザビームが光軸と平行に且つ光軸に対し間隔を隔てて偏向装置に入射する。偏向装置の回転は構造的に比較的簡単に実現できる。特に、偏向装置はレンズであり、該レンズは（球軸受で支持された）回転ホルダに偏心して支持され、レーザビームがレンズを偏心して通過する。一方でその偏心入射、他方でレンズの回転により、レーザビームは円状に溶接線に沿って偏向される。それに応じて、レンズの代わりに例えば鏡も利用できる。レンズと鏡に代えて、プリズム又は偏向装置用のくさび形の板も利用できる。また偏心距離を溶接過程中に変化させるとよい。この結果、例えば楕円形又はスパイラル状溶接線も溶接できる。
【００１３】
ｃ）好適には、第１レーザビームと同時に第２レーザビームを、光学偏向装置の運動により、第１レーザビームとずらして溶接線に沿って案内する。特に回転対称の溶接線の場合、両レーザビームを互いに対向して配置し、光学偏向装置の運動により各溶接線の半円を夫々のレーザビームで溶接する。これは一方で作業時間を短縮し、他方で熱分布を均一にし、かつ材料損傷を良好に防止する。
【００１４】
ｄ）偏向装置は傾斜運動を行う鏡である。鏡は例えば平面鏡であり、三脚状の可動調整要素上に配置され、該要素は、鏡が作業に際し所望の反射方向に応じて傾斜運動を行うよう調整される。可動調整要素には、特に圧電素子が適する。
【００１５】
ｅ）ワークは鋳造上生ずる開口に閉塞ピンがはめ込み溶接される鋳造ガスタービン翼である。また好適には、ガスタービン翼はニッケル基又はコバルト基の耐熱合金から成る。更にまた好適には、ガスタービン翼は方向性をもって凝固させた単結晶から成っている。冒頭に述べたように、鋳造ガスタービン翼の場合、冷却空気を節約すべく鋳造上生ずる開口を閉鎖する必要がある。同様に既述のとおり、通常の溶接過程は材料を損傷させ、これは、特に耐熱合金から成り、方向性をもって凝固された単結晶から成るガスタービン翼に当てはまる。この材料損傷は、上述のレーザ溶接過程により著しく減少する。尤もそのために、レーザビームを溶接線に沿って非常に速く案内する必要がある。これは、閉鎖すべき開口の寸法が非常に小さい場合、レーザビームの大きな角速度を生ずる。ワークやレーザ設備の運動では実現できないか、非常に高い経費をかけねば実現できない。この問題は、本発明に従う、光学偏向装置だけの運動により解決される。
【００１６】
以下図を参照して本発明を詳細に説明する。各図において同一部分には同一符号を付している。
【００１７】
図１は、ガスタービン翼１を平面図で示す。翼形部（羽根）３は翼先端５で終えている。この先端５に、鋳造技術的に不可避の複数の開口７が生ずる。これら開口７は、中子を保持する中子押えピンを鋳造終了後に取り外すことに伴い生ずる。ガスタービン翼１は中空であり、運転時ガスタービン翼１を冷却すべく、その空洞内に冷却空気が導入される。該空気の大部分は鋳造上生ずる開口７を経て流出する。この空気の損失を防止するため、鋳造上不可避の開口７を閉鎖する必要がある。その際、材料に優しい溶接方法はレーザ溶接である。即ちレーザ溶接では、エネルギを、方向を合わせて的確に供給できる（深部溶接効果）。これは適度な速さでエネルギを供給し、比較的大きな加工速度を可能にする。
【００１８】
図２は、鋳造上不可避の開口７を持つガスタービン翼１を縦断面図で示す。鋳造に伴う開口７内に閉塞ピン１１をはめ込んでいる。このピン１１は、レーザビーム１３により溶接線２０に沿って溶接継手１５を伴って溶接される。溶接継手１５の周りの材料を保護すべく、レーザビーム１３は溶接線２０に沿って比較的速く案内する必要がある。その際、鋳造に伴う開口７の直径ＤがＤ＜３０ｍｍ、特に＜２０ｍｍ、好適には＜１０ｍｍと非常に小さな寸法なので、非常に大きな角速度が生じ、この角速度でレーザビーム１３を動かさねばならない。
【００１９】
図３は、レーザ溶接設備１４を概略的に示す。光ケーブル１６をレーザビーム１３の案内のために用いる。レーザビーム１３は光学系１８により広げられ平行化される。その後、レーザビーム１３は光学偏向装置１７に入射する。この装置１７は、回転軸線２３を中心に回転可能に配置したレンズ１９を有する。しかしレンズ１９の光軸２１は、回転軸線２３に対し平行であるがそれとずらして方向づけている。レーザビーム１３は回転軸線２３に沿ってレンズ１９に入射する。レンズ１９の回転に伴い、レーザビーム１３は円状に偏向される。この結果、レーザビーム１３は溶接すべきワーク１の溶接線２０に沿って案内される。
【００２０】
図４は、図３のワークを平面図で示している。
【００２１】
図５は、光学偏向装置１７を平面図で示す。その光軸２１は回転軸線２３から偏心距離Ｅを隔てて配置されている。溶接過程中に偏心距離Ｅを変化することによって、円状溶接線２０と異なった溶接線も溶接できる。特に、楕円形溶接線２０又はスパイラル状溶接線２０が得られる。
【００２２】
図６は、光学偏向装置１７とその支持・駆動装置を縦断面図で示す。レンズ１９は回転ホルダ４１で、該ホルダに対し偏心して保持されている。回転ホルダ４１の回転軸線２３とレンズ１９の光軸２１との間の偏心距離Ｅは可調整である。電動機４３とＶベルト４５で回転ホルダ４１、そしてこれに伴いレンズ１９が回転する。勿論、レンズ１９に代えて、鏡やプリズムを利用することもできる。
【００２３】
図７は、光学偏向装置１７を示し、ここでは鏡５１が傾斜運動を行う。そのため、鏡５１を三脚状の調整要素５５上に配置している。この調整要素５５は、例えば圧電形である。調整要素５５の制御に応じ、特に回転対称ガイド内でも鏡５１が傾斜運動を行う。破線で示す鏡５１′の位置は、破線で示すレーザビーム１３′の反射方向を生ずる。
【００２４】
光学偏向装置１７で複数のレーザビームも案内できる。これを図８に２つのレーザビーム１３、６１の例で示す。両レーザビーム１３、６１は、円状溶接線２０の前に互いに対向して配置されている。光学偏向装置１７の運動に伴い、各レーザビーム１３、６１が半円を描く。この結果、一方では溶接過程の時間短縮ができ、他方では溶接線２０に沿った均一な熱分布が生ずる。その熱分布を一層均一にし、冷却挙動を制御すべく、両レーザビーム１３、６１間に、もう２つのレーザビーム６３を互いに対向して配置している。これらレーザビーム６３は低出力であり、レーザダイオードで形成される。これらのレーザビーム６３は、溶接線２０に沿った冷却挙動を制御しかつ影響を及ぼすために使われる。これによって、材料損傷と亀裂発生の一層の減少が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
ガスタービン翼の概略平面図。
【図２】
ガスタービン翼の閉鎖すべき鋳造上生ずる開口を備えた部分の縦断面図。
【図３】
レーザ設備の概略構成図。
【図４】
溶接済みワークの平面図。
【図５】
回転偏向装置の平面図。
【図６】
回転駆動装置付きの光学偏向装置の縦断面図。
【図７】
傾斜運動を行う鏡で形成された光学偏向装置の概略構成図。
【図８】
２つのレーザビームにより溶接するワークの平面図。
【符号の説明】
１  ワーク（ガスタービン翼）、７  鋳造上生ずる開口、１３  レーザビーム、１７  光学偏向装置、２０  溶接線、２１  光軸、２３  回転軸線
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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