(57)【要約】【課題】大径の構造物間の良好な摩擦圧接接合を行うことができる金属構造物間の接合方法を提供する。【解決手段】実施形態の金属構造物間の接合方法は、タービンロータ構造物１０およびタービンロータ構造物２０を同軸上に保持する工程と、タービンロータ構造物１０およびタービンロータ構造物２０の接合部１１、２１のうち、少なくともいずれか一方の接合部１１、２１を非接触加熱する工程とを備える。さらに、加熱された接合部１１、２１が所定の温度に達した後、タービンロータ構造物１０およびタービンロータ構造物２０の接合部１１、２１の接合端面１３、２３どうしを突き合わせ、軸方向に加圧しながら、タービンロータ構造物１０およびタービンロータ構造物２０のうちのいずれか一方を回転させて、タービンロータ構造物１０とタービンロータ構造物２０とを摩擦接合する工程を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の構造物と第２の構造物とを摩擦圧接によって接合する金属構造物間の接合方法において、
前記第１の構造物および前記第２の構造物を同軸上に保持する工程と、
前記第１の構造物および前記第２の構造物の接合部のうち、少なくともいずれか一方の接合部を非接触加熱する工程と、
加熱された前記接合部が所定の温度に達した後、前記第１の構造物および前記第２の構造物の接合部の接合端面どうしを突き合わせ、軸方向に加圧しながら、前記第１の構造物および前記第２の構造物のうちのいずれか一方を回転させて、前記第１の構造物と前記第２の構造物とを摩擦接合する工程と
を具備することを特徴する金属構造物間の接合方法。
【請求項２】
前記接合部は、高周波誘導加熱によって加熱され、前記高周波誘導加熱を行うためのコイルが、加熱される前記接合部の周囲に、前記接合部の外側面と所定の間隔をあけて配置されていることを特徴する請求項１記載の金属構造物間の接合方法。
【請求項３】
前記コイルが、加熱される前記接合部の周方向に複数配置され、前記接合部の外側面と所定の間隔を維持しながら前記接合部の外側面に沿って移動可能に設けられていることを特徴する請求項２記載の金属構造物間の接合方法。
【請求項４】
前記摩擦圧接を行う際、前記第１の構造物の接合部と前記第２の構造物の接合部とが、不活性ガス雰囲気において接合されることを特徴する請求項１乃至３のいずれか１項記載の金属構造物間の接合方法。
【請求項５】
前記第１の構造物および前記第２の構造物の接合部の接合端面のうち、いずれか一方の接合部の接合端面と、自由縁とのなす角αが、他方の接合部の接合端面と、自由縁とのなす角βよりも大きく、かつ角αおよび角βが９０度以上であることを特徴する請求項１乃至４のいずれか１項記載の金属構造物間の接合方法。
【請求項６】
前記第１の構造物と前記第２の構造物とが異種材料で構成された場合、前記第１の構造物および前記第２の構造物のうち、融点の高い材料で構成された構造物の接合部の外側面が、先端に行くに伴って、自由縁側から中心側に向かって徐々に傾斜する傾斜面で構成されていることを特徴する請求項１乃至４のいずれか１項記載の金属構造物間の接合方法。
【請求項７】
接合する工程において、前記第１の構造物および前記第２の構造物の外周面に冷却ガスを噴出して、前記第１の構造物および前記第２の構造物の接合部の温度調整を行うことを特徴する請求項１乃至５のいずれか１項記載の金属構造物間の接合方法。
【請求項８】
回転可能に構成された中間構造物を、第１の構造物と第２の構造物との間に設置し、前記中間構造物、前記第１の構造物および前記第２の構造物を同軸上に保持する工程と、
前記中間構造物、前記第１の構造物および前記第２の構造物の接合部のうち、少なくともいずれか１つの接合部を非接触加熱する工程と、
加熱された前記接合部が所定の温度に達した後、前記第１の構造物の接合部の接合端面を軸方向の一方の側から、前記第２の構造物の接合部の接合端面を軸方向の他方の側から、前記中間構造物の接合端面に突き合わせ、軸方向に加圧しながら、前記中間構造物を回転させて、前記第１の構造物および前記第２の構造物をそれぞれ前記中間構造物に摩擦接合する工程と
を具備することを特徴する金属構造物間の接合方法。
【請求項９】
前記接合部は、高周波誘導加熱によって加熱され、前記高周波誘導加熱を行うためのコイルが、加熱される前記接合部の周囲に、前記接合部の外側面と所定の間隔をあけて配置されていることを特徴する請求項８記載の金属構造物間の接合方法。
【請求項１０】
前記コイルが、加熱される前記接合部の周方向に複数配置され、前記接合部の外側面と所定の間隔を維持しながら前記接合部の外側面に沿って移動可能に設けられていることを特徴する請求項９記載の金属構造物間の接合方法。
【請求項１１】
前記摩擦圧接を行う際、前記第１の構造物の接合部と前記中間構造物の接合部、および前記第２の構造物の接合部と前記中間構造物の接合部が、不活性ガス雰囲気において接合されることを特徴する請求項８乃至１０のいずれか１項記載の金属構造物間の接合方法。
【請求項１２】
前記第１の構造物および前記中間構造物の接合部の接合端面のうち、いずれか一方の接合部の接合端面と、自由縁とのなす角γが、他方の接合部の接合端面と、自由縁とのなす角δよりも大きく、かつ前記第２の構造物および前記中間構造物の接合部の接合端面のうち、いずれか一方の接合部の接合端面と、自由縁とのなす角εが、他方の接合部の接合端面と、自由縁とのなす角ζよりも大きく、かつ角γ、角δ、角εおよび角ζが９０度以上であることを特徴する請求項８乃至１１のいずれか１項記載の金属構造物間の接合方法。
【請求項１３】
接合する工程において、前記第１の構造物、前記第２の構造物および前記中間構造物の外周面に冷却ガスを噴出して、前記第１の構造物、前記第２の構造物および前記中間構造物の接合部の温度調整を行うことを特徴する請求項８乃至１２のいずれか１項記載の金属構造物間の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、金属構造物間の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、大型の金属構造物であるタービンロータ構造物は、主としてアーク溶接によって接合されている。特に、タービンロータのような高温の雰囲気において高速で回転する構造物においては、変形、残留応力、溶接欠陥などに留意しなければならない。
【０００３】
また、回転体構造物間を接合する方法として、摩擦圧接法が適用されている。この摩擦圧接法が適用される回転体構造物としては、直径が１００ｍｍ程度までの比較的小径の丸棒や中空棒である。摩擦圧接接合では、一方の構造物を回転させ、他方の構造物を固定し、双方の構造物を接触させて擦り合わせ、発生した摩擦熱により接合を行う。この接合方法は、異材からなる構造物間の接合にも適しており、変形や残留応力が小さく、製造欠陥も少ないという特徴を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−５３５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記した摩擦圧接接合では、摩擦熱を発生させるために接合装置には相当の回転トルクが必要であり、接合に必要な熱量を摩擦熱により得る必要がある。また、接合面の中心部と外径部、中空部材においては内径部と外径部の相対速度差により、摩擦熱の発生が不均質となることがある。
【０００６】
これらの理由から、摩擦圧接接合は、小径（直径が１００ｍｍ程度まで）の構造物の接合には適しているが、直径が１００ｍｍを超える大径の構造物の接合に対しては、装置トルク、接合部の均質性、熱容量などの観点から、摩擦圧接接合を適用することは困難であった。例えば、大型の金属構造物であるタービンロータ構造物の接合に摩擦圧接接合を適用した場合、接合装置に要求される回転トルクが増大し、接合部において接合に必要な十分な摩擦熱が得られないなどの問題が生じる。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、大径の構造物間の良好な摩擦圧接接合を行うことができる金属構造物間の接合方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の金属構造物間の接合方法では、第１の構造物と第２の構造物とを摩擦圧接によって接合する。この金属構造物間の接合方法では、前記第１の構造物および前記第２の構造物を同軸上に保持する工程と、前記第１の構造物および前記第２の構造物の接合部のうち、少なくともいずれか一方の接合部を非接触加熱する工程とを備える。さらに、加熱された接合部が所定の温度に達した後、前記第１の構造物および前記第２の構造物の接合部の接合端面どうしを突き合わせ、軸方向に加圧しながら、前記第１の構造物および前記第２の構造物のうちのいずれか一方を回転させて、前記第１の構造物と前記第２の構造物とを摩擦接合する工程を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の金属構造物間の接合方法を説明するための図である。
【図２】本発明に係る第１の実施の形態の金属構造物間の接合方法によって接合される構造物の中心軸を含む断面を示した図である。
【図３】本発明に係る第１の実施の形態の金属構造物間の接合方法の工程を説明するための流れ図である。
【図４】本発明に係る第１の実施の形態の金属構造物間の接合方法の工程を説明するための図であり、タービンロータ構造物が保持された状態の側面図である。
【図５】本発明に係る第１の実施の形態の金属構造物間の接合方法の接合工程を説明するための、構造物の中心軸を含む断面を示した図である。
【図６】本発明に係る第２の実施の形態の金属構造物間の接合方法によって接合される構造物の中心軸を含む断面を示した図である。
【図７】本発明に係る第２の実施の形態の金属構造物間の接合方法によって接合される構造物の接合部に設けられる加熱手段の他の構成を説明するための、構造物の斜視図である。
【図８】本発明に係る第３の実施の形態の金属構造物間の接合方法によって接合される構造物の中心軸を含む断面を示した図である。
【図９】本発明に係る第４の実施の形態の金属構造物間の接合方法によって接合される構造物の中心軸を含む断面を示した図である。
【図１０】本発明に係る第５の実施の形態の金属構造物間の接合方法の工程を説明するための図であり、タービンロータ構造物が保持された状態の側面図である。
【図１１】本発明に係る第５の実施の形態の金属構造物間の接合方法によって接合される構造物の中心軸を含む断面を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１１】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態の金属構造物間の接合方法を説明するための図である。図２は、本発明に係る第１の実施の形態の金属構造物間の接合方法によって接合される構造物の中心軸を含む断面を示した図である。また、以下に示す実施の形態において、同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。
【００１２】
ここでは、構造物としてタービンロータ構造物１０、２０を例示して説明する。なお、タービンロータ構造物１０は、第１の構造物として、タービンロータ構造物２０は、第２の構造物として機能する。タービンロータ構造物１０の接合部１１と、タービンロータ構造物２０の接合部２１とを、第１の実施の形態の金属構造物間の接合方法で接合することで、タービンロータを構成することができる。
【００１３】
タービンロータ構造物１０、２０は、例えば、外径が５００〜７００ｍｍの円筒形の金属材料で構成される。金属材料としては、例えば、ＣｒＭｏＶ鋼、高Ｃｒ鋼、Ｎｉ基合金などが使用される。また、タービンロータ構造物１０と、タービンロータ構造物２０とは、同じ材料で構成されていてもよいし、異種材料で構成されていてもよい。
【００１４】
図２に示すように、タービンロータ構造物１０、２０の接合部１１、２１は、上記した円筒形の金属材料の中央に、例えば外径が２００〜４００ｍｍの円柱状の溝部１２、２２を形成することで構成される。なお、タービンロータ構造物１０、２０の外径および溝部１２、２２の外径は、上記した範囲に限られるものではない。第１の実施の形態の金属構造物間の接合方法は、例えば、直径が１００ｍｍを超える大径の構造物間の接合に好適である。
【００１５】
図２に示された、タービンロータ構造物１０、２０の接合部１１、２１の接合端面１３、２３は、タービンロータ軸方向に対して垂直な平面で構成されている。換言すれば、タービンロータ構造物１０、２０の接合部１１、２１の接合端面１３、２３と、タービンロータ構造物１０、２０の自由縁１４、２４とのなす角が９０度に形成されている。
【００１６】
タービンロータ構造物１０、２０の接合部１１、２１の周囲には、接合部１１、２１の外側面と所定の間隔をあけて、接合部１１、２１を非接触で加熱する加熱手段１５、２５が設けられている。この加熱手段１５、２５は、例えば、高周波誘導加熱用のコイルなどによって構成される。このコイルに流す高周波電流を調整することで、接合部１１、２１の温度をそれぞれ調整することができる。この加熱手段１５、２５は、接合部１１、２１の外側面と所定の間隔を維持しながら接合部１１、２１の外側面に沿って移動可能に設けられてもよい。
【００１７】
なお、加熱手段１５、２５は、高周波誘導加熱に限られるものではなく、接合部１１、２１を非接触で加熱する方法であればよい。例えば、加熱手段１５、２５として、レーザ光を接合部１１、２１に照射する構成を備えてもよい。
【００１８】
ここでは、タービンロータ構造物１０、２０の接合部１１、２１の双方の周囲に、加熱手段１５、２５を設けた一例を示したが、加熱手段１５、２５は、タービンロータ構造物１０の接合部１１、およびタービンロータ構造物２０の接合部２１の、少なくともいずれか一方の周囲に設けられていればよい。例えば、タービンロータ構造物１０がタービンロータ構造物２０よりも融点の高い材料で構成された場合、摩擦圧接の際、タービンロータ構造物１０の接合部１１の接合端面１３が摩擦熱により軟化するためには、タービンロータ構造物２０よりも熱量が必要となる。そのため、少なくとも、タービンロータ構造物１０の接合部１１の周囲に加熱手段を備えることが好ましい。
【００１９】
次に、金属構造物間の接合工程について説明する。
【００２０】
図３は、本発明に係る第１の実施の形態の金属構造物間の接合方法の工程を説明するための流れ図である。図４は、本発明に係る第１の実施の形態の金属構造物間の接合方法の工程を説明するための図であり、タービンロータ構造物１０、２０が保持された状態の側面図である。図５は、本発明に係る第１の実施の形態の金属構造物間の接合方法の接合工程を説明するための、構造物の中心軸を含む断面を示した図である。
【００２１】
まず、タービンロータ構造物１０およびタービンロータ構造物２０を同軸上に保持する（構造物保持工程（ステップＳ３０））。タービンロータ構造物１０の、接合部１１とは異なる側の他端部は、固定部材（図示しない）によってチャッキングされ、タービンロータ構造物１０は、回転しないように固定されている。一方、タービンロータ構造物２０の、接合部２１とは異なる側の他端部は、回転可能な固定部材（図示しない）によってチャッキングされ、タービンロータ構造物２０は、回転可能に固定されている。
【００２２】
ここで、図４に示すように、タービンロータ構造物１０の接合部１１と他端部との間に、軸受４０を備えることが好ましい。また、タービンロータ構造物２０の接合部２１と他端部との間に、軸受４１を備えることが好ましい。軸受４０、４１は、例えば、転がり軸受やすべり軸受などで構成される。このように、回転するタービンロータ構造物２０に軸受４１を備えることで、自重による撓みや、回転時の回転振動を抑制することができる。一方、静止側のタービンロータ構造物１０においては、軸受４０を備えることで、自重による撓みを抑制することができる。これらによって、タービンロータ構造物１０およびタービンロータ構造物２０を同軸上に保持した状態で接合することができる。
【００２３】
続いて、タービンロータ構造物１０、２０の接合部１１、２１を非接触で加熱する（加熱工程（ステップＳ３１））。ここで、タービンロータ構造物１０およびタービンロータ構造物２０が同じ材料で構成されている場合には、加熱手段１５、２５によって同じ条件で加熱される。タービンロータ構造物１０およびタービンロータ構造物２０が異種材料で構成され、例えば、タービンロータ構造物１０を構成する材料の方が融点が高い場合には、加熱手段１５と加熱手段２５とをそれぞれ異なる条件で作動して、タービンロータ構造物１０を積極的に加熱するように調整する。なお、この場合、タービンロータ構造物２０の接合部２１の周囲に加熱手段２５を設けない構成とすることもできる。
【００２４】
また、タービンロータ構造物１０、２０の材料、タービンロータ構造物１０、２０の形状（接合端面１３、２３の面積、タービンロータ構造物１０、２０の寸法など）、タービンロータ構造物２０を回転する速度、接合する際の、タービンロータ構造物１０とタービンロータ構造物２０との押し付け圧力などに基づいて、予め数値計算などによって、例えば、加熱手段１５、２５への入力（加熱手段１５、２５が高周波誘導加熱用のコイルで構成される場合にはコイルに流す高周波電流）と接合部１１、２１の温度との関係など算出しておく。そして、その算出されたデータベースに基づいて、加熱手段１５、２５への入力や加熱時間などを設定して、接合部１１、２１を所定の温度まで加熱する。ここで、所定の温度とは、適正な摩擦圧接接合を行うために、摩擦熱だけでは不十分な熱量を供給可能な温度である。
【００２５】
なお、加熱手段１５、２５に、制御部および上記データベースを記憶する記憶部を備え、制御部が、記憶部に記憶されたデータベースに基づいて、加熱手段１５、２５への入力や加熱時間などの設定、および制御をするように構成してもよい。
【００２６】
続いて、加熱された接合部１１、２１が、上記した所定の温度に達した後、タービンロータ構造物１０の接合部１１の接合端面１３と、タービンロータ構造物２０の接合部２１の接合端面２３とを突き合わせる。そして、図５に示すように、軸方向の加圧を加えながら、タービンロータ構造物２０を回転させて、タービンロータ構造物１０とタービンロータ構造物２０とを摩擦圧接によって接合する（接合工程（ステップＳ３２））。
【００２７】
ここで、接合工程において、タービンロータ構造物１０の接合部１１とタービンロータ構造物２０の接合部２１との接合は、不活性ガス雰囲気において行われることが好ましい。そのため、不活性ガスが充填された不活性ガス槽５０を設け、接合工程において、図１に示すように、この不活性ガス槽５０内に、少なくとも双方の接合部１１、２１が位置するように構成することが好ましい。なお、構造物保持工程（ステップＳ３０）または加熱工程（ステップＳ３１）において、双方の接合部１１、２１を不活性ガス槽５０内に位置させてもよい。不活性ガスとしては、例えばアルゴン（Ａｒ）などを使用することができる。このように、不活性ガス雰囲気において接合することで、接合中における接合部１１、２１の酸化を防止することができる。
【００２８】
なお、ここでは、タービンロータ構造物２０を回転させて摩擦圧接接合を行う一例を示したが、タービンロータ構造物１０を回転させて摩擦圧接接合してもよい。
【００２９】
第１の実施の形態の金属構造物間の接合方法によれば、加熱手段１５、２５を備えて、タービンロータ構造物１０、２０の接合部１１、２１を非接触で加熱することで、摩擦圧接による接合の際、大型の構造物においても、接合端面の温度を融点近くまで容易に昇温させることができる。これにより、接合に必要な熱量が得られ、良好な摩擦圧接接合を行うことができるとともに、タービンロータ構造物２０を回転させる回転装置の回転トルクを低減することができる。また、タービンロータ構造物１０、２０のそれぞれの接合部１１、２１の温度を調整することにより、融点の異なる異種材料であっても、良好な摩擦圧接接合を行うことができる。
【００３０】
（第２の実施の形態）
本発明に係る第２の実施の形態の金属構造物間の接合方法では、タービンロータ構造物１０と、タービンロータ構造物２０とが異種材料で構成され、タービンロータ構造物１０を構成する材料の融点がタービンロータ構造物２０を構成する材料の融点よりも高い場合について説明する。
【００３１】
また、第２の実施の形態の金属構造物間の接合方法では、タービンロータ構造物１０の接合部１１の形状が異なる以外は、基本的に、第１の実施の形態の金属構造物間の接合方法における構成と同じである。
【００３２】
図６は、本発明に係る第２の実施の形態の金属構造物間の接合方法によって接合される構造物の中心軸を含む断面を示した図である。図７は、本発明に係る第２の実施の形態の金属構造物間の接合方法によって接合される構造物の接合部に設けられる加熱手段の他の構成を説明するための、構造物の斜視図である。
【００３３】
図６に示すように、タービンロータ構造物２０を構成する材料の融点よりも高い融点を有する材料で構成されたタービンロータ構造物１０の接合部１１の外側面１３ａは、先端に行くに伴って、自由縁１４側から中心側に向かって徐々に傾斜する傾斜面で構成されている。
【００３４】
また、タービンロータ構造物１０の接合部１１の周囲には、接合部１１の外側面１３ａに沿って、接合部１１、２１の外側面１３ａと所定の間隔をあけて、加熱手段１５が設けられている。なお、タービンロータ構造物２０の接合部２１の周囲には、第１の実施の形態と同様に、加熱手段２５が設けられている。
【００３５】
また、加熱手段１５を、例えば、高周波誘導加熱用のコイルで構成する場合、加熱手段１５は、図７に示すように、タービンロータ構造物１０の接合部１１の周方向に、接合部１１の外側面１３ａと所定の間隔をあけて、複数配置されてもよい。さらに、コイルが、接合部１１の外側面１３ａと所定の間隔を維持しながら、接合部１１の外側面１３ａに沿って移動可能に設けられてもよい。加熱手段１５をこのような構成にすることで、接合部１１が摩擦圧接により変形し、外側面１３ａの長さが短くなったときでも、外側面１３ａの長さの変化に追従して加熱手段１５を移動することができる。そのため、摩擦圧接による接合工程の間、加熱手段１５により接合部２１を加熱することができる。なお、タービンロータ構造物２０を構成する材料は、タービンロータ構造物１０を構成する材料よりも融点が低くいため、加熱手段２５を省略することもできる。
【００３６】
なお、金属構造物間の接合工程については、第１の実施の形態の金属構造物間の接合方法と同じである。また、ここでは、タービンロータ構造物２０を回転させて摩擦圧接接合を行う一例を示したが、タービンロータ構造物１０を回転させて摩擦圧接接合してもよい。
【００３７】
第２の実施の形態の金属構造物間の接合方法によれば、タービンロータ構造物１０と、タービンロータ構造物２０とが異種材料で構成される場合に、材料の融点が高いタービンロータ構造物１０の接合部１１の外側面１３ａを傾斜面で構成することで、接合部１１の熱容量を削減することができる。そのため、加熱手段１５によって、摩擦圧接による接合の際、大型の構造物においても、接合部１１の接合端面１３の温度を融点近くまで容易に昇温させることができる。これにより、接合に必要な熱量が得られ、良好な摩擦圧接接合を行うことができるとともに、タービンロータ構造物２０を回転させる回転装置の回転トルクを低減することができる。また、タービンロータ構造物１０、２０のそれぞれの接合部１１、２１の温度を調整することにより、融点の異なる異種材料であっても、良好な摩擦圧接接合を行うことができる。
【００３８】
（第３の実施の形態）
一般に、摩擦圧接接合において、構造物の接合端面どうしが接触した際、接合端面の面内径側と接合端面の外径側とでは、接合端面の速度が異なり、接合端面の外径側の方が接合端面の内径側よりも速度が大きくなる。そのため、接合端面の外径側は、接合端面の内径側よりも高温になる。さらに、接合端面の外径側と内径側の温度差から生ずる線膨張差により、接合初期過程において外径側の押し付け圧力が高まり、内径側との押し付け圧力が不均一になることがある。接合端面の外径側と内径側との速度差は、構造物が大型となるほど顕著になる。そのため、構造物が大型となるほど、接合端面の押し付け圧力が不均一となり、接合端面の外径側と内径側との接合不均質が生ずる。
【００３９】
そこで、本発明に係る第３の実施の形態の金属構造物間の接合方法では、摩擦圧接接合の際、接合端面の押し付け圧力が不均一となることを抑制する接合方法を示す。
【００４０】
図８は、本発明に係る第３の実施の形態の金属構造物間の接合方法によって接合される構造物の中心軸を含む断面を示した図である。
【００４１】
図８に示すように、タービンロータ構造物１０の接合部１１の接合端面１３と、自由縁１４とのなす角αが、タービンロータ構造物２０の接合部２１の接合端面２３と、自由縁２４とのなす角βよりも大きく構成されている。また、角αおよび角βは９０度以上に設定され、ここでは、角βを９０度としている。
【００４２】
また、接合初期過程において、内径側が接触し、徐々に外径側に向かって接触部分が増え、全面が接触するまでの接触面での面圧の分布の差を小さくするために、角αおよび角βを９０〜９５度程度の範囲に設定することが好ましい。なお、これらの角度αおよび角βは、接合端面１３、２３の半径方向の厚さや温度条件に応じて、この範囲内で適宜設定される。
【００４３】
このように接合端面１３、２３を構成することで、タービンロータ構造物１０の接合端面１３と、タービンロータ構造物２０の接合端面２３とを突き合わせたとき、接合端面１３と接合端面２３との間に、外径側に向かって軸方向の幅が広がる隙間が周方向に形成される。
【００４４】
なお、図８には、角αが角βよりも大きくなる構成を示しているが、角βが角αよりも大きくなるように構成してもよい。この場合、角βは、上記した角αの範囲で、角αは、上記した角βの範囲で設定される。
【００４５】
すなわち、上記した、接合端面１３と接合端面２３との間に、外径側に向かって軸方向の幅が広がる隙間が周方向に形成されるように、それぞれの接合端面１３、２３が形成されていればよい。したがって、タービンロータ構造物１０およびタービンロータ構造物２０の接合部１１、２１の接合端面１３、２３のうち、いずれか一方の接合部の接合端面と、自由縁とのなす角が、他方の接合部の接合端面と、自由縁とのなす角よりも大きく、かつそれぞれの角度が９０度以上に構成されていればよい。
【００４６】
また、上記した構成は、タービンロータ構造物１０を構成する材料とタービンロータ構造物２０を構成する材料とが同じであっても、異なっていても適用することができる。
【００４７】
なお、金属構造物間の接合工程については、第１の実施の形態の金属構造物間の接合方法と同じである。
【００４８】
第３の実施の形態の金属構造物間の接合方法によれば、接合端面１３と接合端面２３との間に、外径側に向かって軸方向の幅が広がる隙間を周方向に形成することで、接合端面１３、２３の外径側と内径側の温度差から生ずる線膨張差を吸収することができる。これにより、接合初期過程において、接合端面１３、２３の押し付け圧力を均一にすることができる。さらに、加熱手段１５、２５を調整することで、接合端面１３、２３の外径側の線膨張を制御することができる。
【００４９】
（第４の実施の形態）
本発明に係る第４の実施の形態の金属構造物間の接合方法は、前述した第１の実施の形態の金属構造物間の接合方法に、タービンロータ構造物１０、２０の接合部１１、２１の温度を調整する機構を設けたものである。ここでは、主にこの異なる構成について説明する。
【００５０】
図９は、本発明に係る第４の実施の形態の金属構造物間の接合方法によって接合される構造物の中心軸を含む断面を示した図である。
【００５１】
図９に示すように、タービンロータ構造物１０、２０の接合部１１、２１に冷却ガスを噴出する冷却ガス噴出手段６０を備えている。前述したように、摩擦圧接接合は、不活性ガスが充填された不活性ガス槽５０内で行われるため、冷却ガス噴出手段６０から噴出される冷却ガスは、Ａｒなどの不活性ガスとすることが好ましい。
【００５２】
また、タービンロータ構造物１０、２０の材料、タービンロータ構造物１０、２０の形状（接合端面１３、２３の面積、タービンロータ構造物１０、２０の寸法など）、タービンロータ構造物２０を回転する速度、接合する際の、タービンロータ構造物１０とタービンロータ構造物２０との押し付け圧力、加熱手段１５、２５によって加熱される温度、接合工程経過時間、冷却ガスの温度などに基づいて、予め数値計算などによって、冷却ガスを噴出するタイミング、噴出時間、噴出流量などを算出しておく。そして、その算出されたデータベースに基づいて、冷却ガスを噴出するタイミング、噴出時間、噴出流量など設定して、接合部１１、２１の温度調整を行う。また、タービンロータ構造物１０の接合部１１側に設けられた冷却ガス噴出手段６０と、タービンロータ構造物２０の接合部２１側に設けられた冷却ガス噴出手段６０とは、それぞれ異なる条件で作動させることができる。
【００５３】
なお、冷却ガス噴出手段６０に、制御部および上記データベースを記憶する記憶部を備え、制御部が、記憶部に記憶されたデータベースに基づいて、冷却ガスを噴出するタイミング、噴出時間、噴出流量などの設定や制御を行うように構成してもよい。
【００５４】
なお、金属構造物間の接合工程については、第１の実施の形態の金属構造物間の接合方法と同じであり、接合工程の際、冷却ガス噴出手段６０を作動させる。冷却ガス噴出手段６０によって、タービンロータ構造物１０、２０の接合部１１、２１の外周面に冷却ガスを噴出することで、摩擦圧接接合の際、高温となる接合端面の外径側が主に冷却される。
【００５５】
第４の実施の形態の金属構造物間の接合方法によれば、冷却ガス噴出手段６０を備えることで、摩擦圧接接合の際、高温となる接合端面の外径側を主に冷却することができ、タービンロータ構造物１０、２０の接合端面１３、２３の外径側と内径側の温度差を小さくすることができる。これにより、接合初期過程において、接合端面１３、２３の押し付け圧力を均一にすることができる。さらに、加熱手段１５、２５を調整することで、接合端面１３、２３の外径側の線膨張を制御することができる。
【００５６】
なお、第４の実施の形態の金属構造物間の接合方法に限らず、第２の実施の形態または第３の実施の形態の金属構造物間の接合方法においても、冷却ガス噴出手段６０による温度調整を行うことができる。
【００５７】
（第５の実施の形態）
図１０は、本発明に係る第５の実施の形態の金属構造物間の接合方法の工程を説明するための図であり、タービンロータ構造物１０、２０が保持された状態の側面図である。図１１は、本発明に係る第５の実施の形態の金属構造物間の接合方法によって接合される構造物の中心軸を含む断面を示した図である。
【００５８】
図１０に示すように、タービンロータ構造物１０とタービンロータ構造物２０との間には、中間構造物７０が設けられ、タービンロータ構造物１０、タービンロータ構造物２０および中間構造物７０は、同軸上に保持されている。また、タービンロータ構造物１０、２０の自重による撓みを抑制するために、図１０に示すように、タービンロータ構造物１０の接合部１１と他端部との間に、軸受４０を備え、タービンロータ構造物２０の接合部２１と他端部との間に、軸受４１を備えることが好ましい。
【００５９】
中間構造物７０は、締め具であるクランプ治具８０に保持されている。クランプ治具８０は、動力源８１からの動力により回転可能に設けられている。すなわち、動力源８１を駆動することで、クランプ治具８０に保持された中間構造物７０は回転する。
【００６０】
中間構造物７０は、図１１に示すように、外径がタービンロータ構造物１０、２０と同じである円筒形の金属材料で構成される。また、タービンロータ構造物１０の接合部１１およびタービンロータ構造物２０の接合部２１と接合される接合部７１、７２を備えている。中間構造物７０の接合部７１、７２は、上記した円筒形の金属材料の中央に、円柱状の溝部７３、７４を形成することで構成される。また、溝部７３、７４の外径は、タービンロータ構造物１０、２０の溝部１２、２２の外径と同じである。
【００６１】
図１１に示された、タービンロータ構造物１０、２０の接合部１１、２１の接合端面１３、２３は、タービンロータ軸方向に対して垂直な平面で構成されている。換言すれば、タービンロータ構造物１０、２０の接合部１１、２１の接合端面１３、２３と、タービンロータ構造物１０、２０の自由縁１４、２４とのなす角が９０度に形成されている。また、中間構造物７０の接合部７１、７２の接合端面７４、７５は、タービンロータ軸方向に対して垂直な平面で構成されている。換言すれば、中間構造物７０の接合部７１、７２の接合端面７４、７５と、中間構造物７０の自由縁７６とのなす角が９０度に形成されている。
【００６２】
中間構造物７０を構成する金属材料としては、例えば、ＣｒＭｏＶ鋼、高Ｃｒ鋼、Ｎｉ基合金などが使用される。ここで、タービンロータ構造物１０と、タービンロータ構造物２０とが同じ材料で構成されている場合には、中間構造物７０も、タービンロータ構造物１０、２０を構成する金属材料と同じ金属材料で構成される。
【００６３】
また、タービンロータ構造物１０と、タービンロータ構造物２０とが異種材料で構成されている場合には、中間構造物７０は、タービンロータ構造物１０、２０を構成する金属材料のうち、融点の高い方の金属材料と同じか、または同程度の、融点、耐熱特性、機械的強度、線膨張係数、熱伝導率を有する金属材料で構成される。
【００６４】
この場合、中間構造物７０を、融点の高い方の金属材料と同じか、または同等の金属材料で構成することで、中間構造物７０の接合部７１とタービンロータ構造物１０の接合部１１との接合界面における強度を高い状態に維持することができる。換言すれば、中間構造物７０の接合部７２とタービンロータ構造物２０の接合部２１の接合界面のような、強度が低くなる部分を１箇所に削減することができる。
【００６５】
タービンロータ構造物１０の接合部１１と中間構造物７０の接合部７１、およびタービンロータ構造物２０の接合部２１と中間構造物７０の接合部７２を、第５の実施の形態の金属構造物間の接合方法で接合することで、タービンロータを構成することができる。
【００６６】
次に、金属構造物間の接合工程について説明する。
【００６７】
金属構造物間の接合方法の工程は、図３に示された工程と同じであるので、図３を参照して、金属構造物間の接合工程について説明する。
【００６８】
まず、中間構造物７０を、タービンロータ構造物１０とタービンロータ構造物２０との間に設置し、中間構造物７０、タービンロータ構造物１０およびタービンロータ構造物２０を同軸上に保持する（構造物保持工程（ステップＳ３０））。
【００６９】
タービンロータ構造物１０の、接合部１１とは異なる側の他端部は、固定部材（図示しない）によってチャッキングされ、タービンロータ構造物１０は、回転しないように固定されている。また、タービンロータ構造物２０の、接合部２１とは異なる側の他端部は、固定部材（図示しない）によってチャッキングされ、タービンロータ構造物２０は、回転しないように固定されている。また、前述したように、中間構造物７０は、回転可能なクランプ治具８０に保持されている。
【００７０】
続いて、タービンロータ構造物１０、２０の接合部１１、２１を非接触で加熱する（加熱工程（ステップＳ３１））。
【００７１】
ここで、タービンロータ構造物１０およびタービンロータ構造物２０が同じ材料で構成されている場合には、加熱手段１５、２５によって同じ条件で加熱される。この場合、中間構造物７０も、タービンロータ構造物１０、２０と同じ材料で構成される。そのため、加熱手段１５、２５をタービンロータ構造物１０、２０の接合部１１、２１の周囲に設ける代わりに、中間構造物７０の接合部７１、７２の周囲に設けてもよい。
【００７２】
一方、タービンロータ構造物１０およびタービンロータ構造物２０が異種材料で構成され、例えば、タービンロータ構造物１０を構成する材料の方が融点が高い場合には、中間構造物７０は、タービンロータ構造物１０と同じか、または同等の金属材料で構成される。そのため、加熱手段２５は、中間構造物７０の接合部７２の周囲に設けられることが好ましい。なお、図１１には、タービンロータ構造物１０およびタービンロータ構造物２０が同じ材料で構成されている場合の加熱手段１５、２５の配置位置を示している。
【００７３】
また、タービンロータ構造物１０、２０や中間構造物７０の材料、タービンロータ構造物１０、２０や中間構造物７０の形状（接合端面１３、２３、７４、７５の面積、タービンロータ構造物１０、２０や中間構造物７０の寸法など）、中間構造物７０を回転する速度、接合する際の、タービンロータ構造物１０と中間構造物７０およびタービンロータ構造物２０と中間構造物７０の押し付け圧力などに基づいて、予め数値計算などによって、例えば、加熱手段１５、２５への入力（加熱手段１５、２５が高周波誘導加熱用のコイルで構成される場合にはコイルに流す高周波電流）と接合部１１、２１、７１、７２の温度との関係など算出しておく。そして、その算出されたデータベースに基づいて、加熱手段１５、２５への入力や加熱時間などを設定して、加熱手段１５、２５が周囲に設けられた接合部を所定の温度まで加熱する。ここで、所定の温度とは、適正な摩擦圧接接合を行うために、摩擦熱だけでは不十分な熱量を供給可能な温度である。
【００７４】
なお、加熱手段１５、２５に、制御部および上記データベースを記憶する記憶部を備え、制御部が、記憶部に記憶されたデータベースに基づいて、加熱手段１５、２５への入力や加熱時間などの設定および制御をするように構成してもよい。
【００７５】
続いて、加熱された接合部１１、２１が、上記した所定の温度に達した後、タービンロータ構造物１０の接合部１１の接合端面１３と中間構造物７０の接合部７１の接合端面７４、およびタービンロータ構造物２０の接合部２１の接合端面２３と中間構造物７０の接合部７２の接合端面７５を突き合わせる。そして、軸方向の加圧を加えながら、動力源８１を駆動し、中間構造物７０を回転させて、タービンロータ構造物１０と中間構造物７０、およびタービンロータ構造物２０と中間構造物７０を摩擦圧接によって接合する（接合工程（ステップＳ３２））。
【００７６】
ここで、前述した実施の形態と同様に、不活性ガス槽５０を備え、摩擦圧接を不活性ガス雰囲気において行うことが好ましい。このように、不活性ガス雰囲気において接合することで、接合中における接合部１１、２１、７１、７２の酸化を防止することができる。
【００７７】
第５の実施の形態の金属構造物間の接合方法によれば、大型の構造体であるタービンロータ構造物１０、２０を回転させずに、小型の構造体である中間構造物７０を回転させて摩擦圧接を行うことで、施工上の安定性を向上させ、動力源８１の回転トルクを小さく抑えることができる。また、タービンロータ構造物１０、２０が長大な場合においても、良好な摩擦圧接接合を行うことができる。
【００７８】
なお、タービンロータ構造物１０、２０の接合部１１、２１の接合端面１３、２３、中間構造物７０の接合部７１、７２の接合端面７４、７５の構成は、上記した構成に限られるものではない。例えば、タービンロータ構造物１０およびタービンロータ構造物２０が異種材料で構成され、中間構造物７０が、融点が高いタービンロータ構造物１０と同じか、または同等の金属材料で構成される場合には、中間構造物７０の接合部７２の外側面を、第２の実施の形態で示したように、傾斜面で構成してもよい。
【００７９】
また、タービンロータ構造物１０、２０の接合部１１、２１の接合端面１３、２３、中間構造物７０の接合部７１、７２の接合端面７４、７５を、第３の実施の形態で示した接合端面の形状にしてもよい。この場合、タービンロータ構造物１０および中間構造物７０の接合部１１、７１の接合端面１３、７４のうち、例えば、タービンロータ構造物１０の接合部１１の接合端面１３と、自由縁１４とのなす角γが、中間構造物７０の接合部７１の接合端面７４と、自由縁７６とのなす角δよりも大きく構成される。さらに、タービンロータ構造物２０および中間構造物７０の接合部２１、７２の接合端面２３、７５のうち、例えば、タービンロータ構造物２０の接合部２１の接合端面２３と、自由縁２４とのなす角εが、中間構造物７０の接合部７２の接合端面７５と、自由縁７６とのなす角ζよりも大きく構成される。そして、角γ、角δ、角εおよび角ζは９０度以上である。なお、角δを角γよりも大きく構成してもよい。また、角ζを角εよりも大きく構成してもよい。
【００８０】
このように接合端面を構成することで、タービンロータ構造物１０の接合端面１３と中間構造物７０の接合端面７４との間、およびタービンロータ構造物２０の接合端面２３と中間構造物７０の接合端面７５との間に、外径側に向かって軸方向の幅が広がる隙間を周方向に形成することができる。これにより、接合端面１３、２３、７４、７５の外径側と内径側の温度差から生ずる線膨張差を吸収することができ、接合初期過程において、接合端面１３、２３、７４、７５の押し付け圧力を均一にすることができる。
【００８１】
さらに、第４の実施の形態の冷却ガス噴出手段６０を備え、タービンロータ構造物１０、２０の接合部１１、２１および中間構造物７０の接合部７１、７２の外周面に冷却ガスを噴出して、タービンロータ構造物１０、２０の接合部１１、２１および中間構造物７０の接合部７１、７２の温度調整を行ってもよい。
【００８２】
上記実施の形態では、タービンロータ構造物を例示して、本発明に係る実施の形態の金属構造物間の接合方法を説明したが、発明に係る実施の形態の金属構造物間の接合方法は、例えば、大口径の高温高圧配管などにも適用できる。そして、上記した同様の作用効果を得ることができる。
【００８３】
以上説明した実施形態によれば、構造物の接合部の温度を調整することにより、大径の構造物間の良好な摩擦圧接接合を行うことが可能となる。
【００８４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
【符号の説明】
【００８５】
１０、２０…タービンロータ構造物、１１、２１、７１、７２…接合部、１２、２２、７３、７４…溝部、１３、２３、７４、７５…接合端面、１３ａ…外側面、１４、２４、７６…自由縁、１５、２５…加熱手段、４０、４１…軸受、５０…不活性ガス槽、６０…冷却ガス噴出手段、７０…中間構造物、８０…クランプ治具、８１…動力源。
【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】
2012115884.tif 000009
【図８】
2012115884.tif 000010
【図９】
2012115884.tif 000011
【図１０】
2012115884.tif 000012
【図１１】
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