(57)【要約】【課題】溶接部の外面からの加熱に加えて、溶接部内部空間部を加熱することで、局部熱処理においても溶接部近傍の温度分布のバラツキを低減させること。【解決手段】ロータシャフトの端部１ａ、２ａに軸中心部と同心状の窪み部１ｂ、２ｂを形成したロータ１，２同士の突き合わせ部を溶接した後に、溶接部３の熱処理を施すようにした溶接ロータの溶接後熱処理方法において、溶接後に対向する窪み部１ｂ、２ｂにより形成された内部空間部４とロータ外周面との間を貫通するガス供給孔５およびガス排気孔６を設け、ガス供給孔５およびガス排気孔６に加熱ガスＧを通過させて溶接部３を内部空間部４側から溶接後熱処理を行う。【選択図】図１
2013160203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
端部の中央部に窪み部を形成したロータシャフト同士の突き合わせ部を溶接した後に、当該溶接部の熱処理を施すようにした溶接ロータの溶接後熱処理方法において、
溶接後に前記対向する窪み部により形成された内部空間部とロータ外周面との間を貫通するガス供給孔およびガス排気孔を設け、これらのガス供給孔およびガス排気孔に加熱ガスを通過させて前記溶接部を前記内部空間部側から溶接後熱処理を行うとともに、前記溶接部の外周面を覆う加熱装置を設け、当該加熱装置により前記溶接部の外周部も同時に加熱することを特徴とする溶接ロータの溶接後熱処理方法。
【請求項２】
端部の中央部に窪み部を形成したロータシャフト同士の突き合わせ部を溶接した後に、当該溶接部の熱処理を施すようにした溶接ロータの溶接後熱処理方法において、
溶接後に前記対向する窪み部により形成された内部空間部と少なくとも一方のロータシャフトの端部との間を軸方向に貫通する中心孔を設け、当該中心孔内に供給配管及び戻り配管を挿入し、これら供給配管及び戻り配管を介して前記内部空間部に加熱ガスを通過させて前記溶接部を前記内部空間部側から溶接後熱処理を行うとともに、前記溶接部の外周面を覆う加熱装置を設け、当該加熱装置により前記溶接部の外周部も同時に加熱することを特徴とする溶接ロータの溶接後熱処理方法。
【請求項３】
前記ロータ外面と前記内部空間部との間を貫通するガス供給孔およびガス排気孔を配管を介してガス供給ポンプの吐出口および戻り口にそれぞれ接続して前記加熱ガスを循環させることを特徴とする請求項１または２記載の溶接ロータの溶接後熱処理方法。
【請求項４】
前記配管に加熱装置を設け、当該加熱装置によりガスを加熱することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の溶接ロータの溶接後熱処理方法。
【請求項５】
前記内部空間部を通過する加熱ガスとして、不活性ガスを使用することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の溶接ロータの溶接後熱処理方法。
【請求項６】
前記加熱装置は前記配管に設けた温度計測装置により計測されたガス温度と、予め設定されたガス温度設定値とがほぼ同じ温度になるように加熱量制御されることを特徴とする請求項４記載の溶接ロータの溶接後熱処理方法。
【請求項７】
端部の中央部に窪み部を形成したロータシャフト同士の突き合わせ部を溶接した後に、当該溶接部の熱処理を施すようにした溶接ロータの溶接後熱処理装置において、
溶接後に前記対向する窪み部により形成された内部空間部とロータ外面との間を貫通するガス供給部およびガス排気部を設け、これらのガス供給部およびガス排気部に加熱ガスを通過させて前記溶接部を前記内部空間部側から溶接後熱処理を行う第１加熱装置と、前記溶接部の外周面を覆う第２加熱装置を設け、この第１および第２加熱装置により前記内部空間部と前記溶接部の外周部を加熱することを特徴とする溶接ロータの溶接後熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ロータシャフトの端部同士を溶接した後に、溶接部の靭性回復、残留応力除去等を目的とした熱処理を施すようにした溶接ロータの溶接後熱処理方法およびその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接接合により製造される蒸気タービンなどのロータは、ロータシャフト同士を溶接接合する構造が一般的であり、直径が数百ｍｍから数千ｍｍとなるロータシャフトに対しては、全厚溶接するのではなく、内部に空間を設けて、その周りの外周から数百ｍｍ程度の一部の厚さを溶接接合している。
【０００３】
溶接後は溶接部近傍の靭性回復や残留応力除去を目的として溶接後熱処理が実施される。溶接後熱処理方法には、加熱炉に溶接構造物を入れて加熱する方法、溶接部近傍に電熱線を設けて加熱する方法、溶接部近傍にコイルを巻いて高周波誘導加熱する方法などが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１４４６５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
溶接ロータの溶接後熱処理においては、通常、ロータシャフトの外周面からの加熱となるため、数百ｍｍある溶接部の内面まで熱伝導に時間がかかり、溶接部の外面と内面に大きな温度差が生じてしまう。
【０００６】
ロータ全体を加熱炉に入れて全体加熱する場合は、長時間加熱することでロータ全体を均熱化することができるが、溶接部近傍のみを加熱する局部熱処理の場合、加熱していないロータ部材への熱拡散が大きいため、長時間高温保持していても加熱源近傍の溶接部の外面と加熱源から遠い溶接部内面は温度差が残ったままとなる。そのため、溶接部外面側を熱処理指定温度範囲に制御すると溶接部内面側では温度不足により残留応力が除去されていない場合があり、逆に溶接部内面側を熱処理指定温度範囲にすると溶接部外面側では温度が過剰となり材料強度が低下してしまう。
【０００７】
また、局部熱処理において溶接部外面の加熱を続けると溶接部内部温度が上昇する前に、ロータ外表面の溶接部から離れた部位の温度が上昇するため、例えば異なる材質のロータ材溶接において片側の材料強度が低下するような温度領域で溶接部の熱処理を行った際に、ロータシャフト部にある溶接継手近傍は母材強度の若干の低下が許容されるが、母材強度の低下が許容されない羽根植え込み部まで温度上昇してしまい強度が低下する。
【０００８】
本発明は上記の問題を解決するために、溶接部の外面からの加熱に加えて、溶接部内部空間部を加熱することで、局部熱処理においても溶接部近傍の温度分布のバラツキを低減すると共に、温度上昇を溶接部近傍に局所化することによって強度確保が必要な部位の温度上昇を抑制することができる溶接ロータの溶接後熱処理方法およびその装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本実施形態は、端部の中央部に窪み部を形成したロータシャフト同士の突き合わせ部を溶接した後に、当該溶接部の熱処理を施すようにした溶接ロータの溶接後熱処理方法において、溶接後に前記対向する窪み部により形成された内部空間部とロータ外周面との間を貫通するガス供給孔およびガス排気孔を設け、これらのガス供給孔およびガス排気孔に加熱ガスを通過させて前記溶接部を前記内部空間部側から溶接後熱処理を行うとともに、前記溶接部の外周面を覆う加熱装置を設け、当該加熱装置により前記溶接部の外周部も同時に加熱することを特徴とする。
【００１０】
また、上記の目的を達成するために、本実施形態は、端部の中央部に窪み部を形成したロータシャフト同士の突き合わせ部を溶接した後に、当該溶接部の熱処理を施すようにした溶接ロータの溶接後熱処理装置において、溶接後に前記対向する窪み部により形成された内部空間部とロータ外面との間を貫通するガス供給部およびガス排気部を設け、これらのガス供給部およびガス排気部に加熱ガスを通過させて前記溶接部を前記内部空間部側から溶接後熱処理を行う第１加熱装置と、前記溶接部の外周面を覆う第２加熱装置を設け、この第１および第２加熱装置により前記内部空間部と前記溶接部の外周部を加熱することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施形態によれば、溶接ロータの溶接後熱処理中に、溶接部外面温度と、内部空間部の不活性ガスの温度がほぼ等しくなるように制御するようにしたので、溶接部の外周面の温度上昇速度と内部空間部の温度上昇速度をほぼ同じにすることができ、この結果、溶接部の内面側温度と外周面温度の差を無くして、溶接部近傍の温度分布むらを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態１に係る溶接ロータの溶接後熱処理方法に使用する溶接ロータの溶接後熱処理装置を模式的に示す構成図。
【図２】図１をロータ径方向の断面で示した構成図。
【図３】本発明の実施形態２に係る溶接ロータの溶接後熱処理方法に使用する溶接ロータの溶接後熱処理装置を模式的に示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係わる溶接ロータの溶接後熱処理方法およびその装置の実施形態について、図面を参照して説明する。  
［実施形態１］
図１は本実施形態１における溶接ロータの溶接後熱処理方法に使用する溶接ロータの溶接後熱処理装置を模式的構成図であってロータの軸方向断面で示しており、図２は図１をロータ径方向の断面で示した模式的構成図である。
【００１４】
（構成）
図１および図２において、１は高圧側ロータシャフトであり、２は低圧側ロータシャフトである。これら高圧側ロータシャフト１および低圧側ロータシャフト２の互いに対向する端部には、中央部に窪み部１ａ、２ａを設けており、さらにロータシャフト同士の突き合わせ部となる、窪み部１ａ、２ａの縁から外周面にかけて開先部１ｂ、２ｂを形成している。
【００１５】
そして、高圧側ロータシャフト１および低圧側ロータシャフト２を溶接材によって開先部１ｂ、２ｂで溶接することにより溶接ロータを構成している。高圧側ロータシャフト１および低圧側ロータシャフト２の端部に形成された窪み部１ａ、２ａは、開先部１ｂ、２ｂの溶接によって内部空間部４を形成する。なお、１ｃ、２ｃはそれぞれ高圧側ロータシャフト１、低圧側ロータシャフト２に形成されている動翼植え込み部である。
【００１６】
高圧側ロータシャフト１の溶接部３近傍には、外周面および内部空間部４間を径方向に貫通する４本の貫通孔を設け、この貫通孔のうち隣り合う任意の２本をガス供給孔５１、５２として用い、他の２本をガス排出孔６１、６２として用いる。なお、本実施形態１の場合、ガス供給孔５およびガス排出孔６を２本ずつ設けているが、内部空間部４の大きさによっては１本ずつでも良いし、３本以上設けることもある。
【００１７】
前述した２本のガス供給孔５１、５２は、それぞれ分岐配管７１、７２の分岐点Ｊ１を経て１本のガス供給配管７に接続され、このガス供給配管７を介してガス供給ポンプ８の吐出口８-１に接続されている。
【００１８】
一方、２本のガス排出孔６１、６２はそれぞれ分岐配管９１、９２の分岐点Ｊ２を経て１本のガス戻り配管９に接続され、このガス戻り配管９を介して前記ガス供給ポンプ８の戻り口８-２に接続されている。
【００１９】
ガス供給ポンプ８は吐出口８-１および戻り口８-２の他にガス補給口８-３を設けており、このガス補給口８-３をガスボンベ１０に繋がる補給配管１１に接続している。この補給配管１１は、途中に設けてある開閉弁１２を開くことにより不活性ガスを配管７、９内部に供給あるいは補給することができるようになっている。
【００２０】
また、前記ガス戻り配管９の分岐点Ｊ２とガス供給ポンプ８のガス補給口８-３との間に分岐点Ｊ３を設けており、この分岐点Ｊ３に排気配管１３を接続し、さらに、この排気配管１３には開閉弁１４を介して排気口１５を接続している。さらにまた、この分岐点Ｊ３とガス供給ポンプ８の戻り口８-２との間に開閉弁１６を設置している。
【００２１】
一方、ガス供給配管７の途中には電熱コイルあるいは高周波誘導コイル等からなる第１の加熱装置１７を設け、この第１の加熱装置１７によってガス供給配管７内を流れる不活性ガスＧを加熱するようにしている。しかもこの第１の加熱装置１７に供給される電力は第１の加熱制御装置１８により任意に制御することができるようになっている。この第１の加熱制御装置１８は、第１の加熱装置１７の加熱量を制御するための図示しないコントローラと、電力を供給するための図示しない電源とを備えている。
【００２２】
また、第１の加熱装置１７の出口側ガス供給配管７（第１の加熱装置１７とガス供給孔５（５１、５２の代表符号）の間）には当該ガス供給配管７内を流れる不活性ガスＧの温度を計測するための温度計測装置１９を設置しており、この温度計測装置１９により計測された不活性ガスＧの温度情報Ｔｇを前記第１の加熱制御装置１８の図示しないコントローラに入力するようにしている。
【００２３】
一方、高圧側ロータシャフト１および低圧側ロータシャフト２の溶接部３には、その外周部を覆うように第２の加熱装置２０を設けており、この第２の加熱装置２０は第２の加熱制御装置２１により加熱量を制御するようになっている。この第２の加熱制御装置２１は、前記第１の加熱制御装置１８と同様に、加熱量を制御するための図示しないコントローラと、電力を供給するための図示しない電源とを備えている。
【００２４】
さらに、溶接部３の外周面には熱電対２２を接触させて溶接部３の外周面の温度を計測し、その温度情報Ｔｒを第２の加熱制御装置２１のコントローラに入力するようにしている。第２の加熱制御装置２１のコントローラは、熱電対２２の温度情報Ｔｒと、信号線２５を介して前記温度計測装置１９により計測された不活性ガスＧの温度情報Ｔｇとを入力するようになっている。
【００２５】
すなわち、第２の加熱制御装置２１は、溶接部３外周面の温度情報Ｔｒと、内部空間部４に供給される不活性ガスＧの温度情報Ｔｇとをコントローラに入力し、溶接部３外周面の温度情報Ｔｒと温度計測装置１９により計測された不活性ガスＧの温度Ｔｇを比較して、溶接部３外周面の温度Ｔｒが不活性ガスＧの温度Ｔｇとほぼ等しくなるように第２の加熱装置２０の加熱量を調整するようにしている。
【００２６】
（作用）
ロータシャフト端部の溶接作業が終わった状態では内部空間部４に空気が充満しているので、溶接部３の溶接後熱処理を開始するにあたりまず、ガス戻り配管９内の開閉弁１６を閉じて排気配管１３内の開閉弁１４を開くとともに開閉弁１２を開いてガスボンベ１０の不活性ガスＧを配管１１を通じてガス供給ポンプ８によりガス供給配管７内に供給する。
【００２７】
不活性ガスＧを内部空間部４に供給することにより、内部空間部４に溜まっている空気はガス排気孔６、戻り分岐管９１，９２、ガス戻り配管９、配管１３を通って排気口１５から大気中に放出される。
【００２８】
内部空間部４および配管７、９内の空気が不活性ガスＧと完全に置換されたら、開閉弁１４を閉じるとともに開閉弁１６を開き、さらに開閉弁１２を閉じることによって、ガス供給配管７、内部空間部４、ガス戻り配管９内を不活性ガスＧで満たす。この状態でガス供給ポンプ８を運転すると、ガス供給配管７、内部空間部４、ガス戻り配管９の間に不活性ガスＧを循環させることができる。
【００２９】
そして、溶接後熱処理の作業が開始されるとき、第１加熱装置１８および第２加熱装置２１を動作させて第１加熱装置１７および第２加熱装置２０を加熱するようにする。すると、ガス供給配管７、内部空間部４、ガス戻り配管９を循環する不活性ガスＧは、第１加熱装置１７によって局部的に加熱されたガス供給配管７と熱交換し、温度上昇した後に溶接部３の内部空間部４に流入する。
【００３０】
加熱された不活性ガスＧは、第１加熱装置１７の出口付近で温度計測装置１９により温度計測され、その温度情報Ｔｇは第１加熱制御装置１８にフィードバックされる。第１加熱制御装置１８は計測されたガス温度Ｔｇと予め設定されている時間経過ごとのガス温度設定値とを比較し、偏差がゼロになるように、すなわち温度設定値と計測されたガスの温度とがほぼ等しくなるように第１加熱装置１７に供給される電力の大きさを制御し加熱量を調整する。
【００３１】
そして、本実施形態１ではこの第１加熱装置１７による不活性ガスＧへの加熱が開始されるのと同時に、溶接部３の外周面に設けられている第２の加熱装置２０による加熱も開始する。
【００３２】
第２の加熱制御装置２１は熱電対２２により計測した溶接部３外面温度Ｔｒと温度計測装置１９により計測された不活性ガスＧの温度Ｔｇとを比較して、両者の差がゼロとなるように、すなわち、加熱された不活性ガスＧによる内部空間部４の温度と、第２の加熱装置２０により加熱された溶接部３の外周面の温度とがほぼ等しくなるように、第２の加熱装置２０の加熱量を調整する。この溶接後熱処理を所定時間行うことによって、溶接ロータにおける溶接部３の靭性回復、残留応力除去等が行なわれる。
【００３３】
なお、溶接後の熱処理が完了した後は、ガス供給孔５１、５２およびガス排出孔６１、６２を、ねじプラグ等でそれぞれ塞ぐことにより、タービン運転中に内部空間部４に蒸気が入り込むのを防止する。
【００３４】
（効果）
以上述べたように、本実施形態１によれば、溶接後の熱処理中において、熱電対２２により計測された溶接部３外面温度と、温度計測装置１９により計測された不活性ガスＧの温度がほぼ等しくなるように第２の加熱制御装置２１を制御するようにしたので、溶接部３の外周面の温度上昇速度と内部空間部４の温度上昇速度をほぼ同じにすることができる。この結果、溶接部３の内面側温度と外周面温度の差を無くすことができ、溶接部近傍の温度分布むらを低減することができる。
【００３５】
また、溶接後の熱処理中は溶接部３の内外面から同時に加熱するようにしたので、外面のみから加熱する場合と比較して溶接部近傍の温度上昇速度が速く、熱処理作業時間を短縮することができる。
【００３６】
さらにまた、溶接部３近傍のみを局所的に高温状態で維持できるので、溶接部３から離れた位置の温度上昇が抑制される。そのため、異なる材質のロータ材溶接において片側の材料強度が低下するような温度領域で溶接部３の熱処理を行った際に、母材強度の低下が許容されない動翼植え込み部１ｃ、２ｃの温度上昇を抑制することができる。
【００３７】
またさらに、内部空間部４の加熱ガスとして不活性ガスＧを使用しているため、熱処理による高温加熱時に内部空間部４のロータ内面が酸化することはない。これにより内部空間部４内の酸化スケール発生、残存を抑制することができる。
【００３８】
［実施形態２］
以下、図３を参照して実施形態２について説明する。  
図３は実施形態２に係る溶接ロータの溶接後熱処理方法に使用する溶接ロータの溶接後熱処理装置を模式的に示す構成図である。なお、図３において図１と同一部分には同一符号を付し、その部分の構成の説明は省略する。
【００３９】
本実施形態２と前述した実施形態１との相違点は、高圧側ロータシャフト１の外周面と内部空間部４との間を貫通する放射状のガス供給孔５およびガス排出孔６を設ける代わりに、低圧側ロータシャフト２の端部から内部空間部４までの軸心を貫通する中心孔２３を設け、この中心孔２３内にガス供給配管７及びガス戻り配管９を通すように構成した点、および内部空間部４と中心孔２３の境界部すなわち連通部に遮蔽板２４を設けてガス供給配管７と戻り配管８以外の隙間を遮り、不活性ガスＧが外部に漏れないようにしている点である。その他は実施形態１と同様である。
【００４０】
なお、本実施形態２の場合、ガス供給配管７から供給した不活性ガスＧが内部空間部４全体を均一に加熱できるように、ガス供給配管７の先端部の吹き出し口を内部空間部４の中心部まで深く挿入してある。
【００４１】
そして、本実施形態２においても、溶接部３の熱処理が完了した後は、中心孔２３からガス供給配管７及びガス戻り配管９を引き抜いた後、少し大きめのねじプラグ等で当該中心孔２３に塞ぐことにより、タービン運転中に内部空間部４に蒸気が入り込むのを防止する。
【００４２】
以上述べたように、本実施形態２によれば、低圧側ロータシャフト２の端部から内部空間部４までの軸中心部に中心孔２３を貫通するように設け、この中心孔２３内から内部空間部４内にガス供給配管７及びガス戻り配管９を挿入して不活性ガスＧが通過するようにしたので、実施形態１と同様に溶接後の熱処理中に溶接部３の内面側温度と外周面温度との差を無くすことができ、溶接部３近傍の温度分布むらを低減することができる。
【００４３】
以上、本発明の実施形態１、２について説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって発明の範囲を限定することは意図するものではない。これらの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。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４４】
１…高圧側ロータシャフト、１ａ…窪み部、１ｂ…開先部、１ｃ…動翼植え込み部、２…低圧側ロータシャフト、２ａ…窪み部、２ｂ…開先部、２ｃ…動翼植え込み部、３…溶接部、４…内部空間部、５…ガス供給孔、６…ガス排出孔、７…ガス供給配管、８…ガス供給ポンプ、９…ガス戻り配管、１０…ガスボンベ、１１…補給配管、１２…開閉弁、１３…配管、１４…開閉弁、１５…排気口、１６…開閉弁、１７…第１加熱装置、１８…第１加熱制御装置、１９…温度計測装置、２０…第２加熱装置、２１…第２加熱制御装置、２２…熱電対、２３…中心孔、２４…遮蔽板、２５…信号線、Ｇ…不活性ガス。
【図１】
2013160203.tif 000003
【図２】
2013160203.tif 000004
【図３】
2013160203.tif 000005