(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体機械の羽根支持体（１）に羽根を取りつけるための摩擦溶接方法であり、羽根支持体（１）には、羽根支持体（１）の回転軸線（Ｒ）に対して羽根角度βで整列する複数の、長くのびる溶接面（５ｂ）が設けられ、各溶接面（５ｂ）は羽根（２）の溶接面（５ａ）に溶接され、羽根支持体（１）と羽根（２）とを接合するために必要な溶接温度が、前記溶接面（５ａ，５ｂ）を圧縮し、同時に溶接平面（Ｅ）内の羽根支持体（１）と羽根（２）との振動相対運動（Ｐ）を行うことによって生ぜしめられる摩擦溶接方法であって、
相対運動（Ｐ）中、防護ガス（Ｓ）を、羽根角度βに一致して、少なくとも運動する溶接面が通過する領域（ｂ）に該防護ガス（Ｓ）が供給されるように、前記溶接面（５ａ、５ｂ）のまわりに流すことを特徴とする摩擦溶接方法。
【請求項２】
溶接面（５ａ，５ｂ）が、溶接すべき羽根（２）の断面に合致した長くのびた形状をなしていることを特徴とする請求項１に記載の摩擦溶接方法。
【請求項３】
防護ガス（Ｓ）の流れが溶接面（５ｂ）の領域の羽根支持体（１）の周囲に隣接するように向けられることを特徴とする請求項１または２に記載の摩擦溶接方法。
【請求項４】
相対運動（Ｐ）が本質的に並進運動であり、防護ガス（Ｓ）の流れの方向が相対運動（Ｐ）の方向に対して斜め或いは垂直であることを特徴とする請求項１ないし３の何れか一項に記載の摩擦溶接方法。
【請求項５】
２つの接合すべき物体（１，２）がその溶接面（５ａ，５ｂ）に溶接熱を生じさせるために互いに対して圧縮され、本質的に並進又は弧状に相対的に振動運動することができる摩擦溶接方法を実施するための防護ガス放出装置であって、
ガス供給路（１２ａ，１２ｂ）並びに溶接面（５ａ，５ｂ）のほうへ向いたガス出口（９）を備え、
ガス出口（９）は、溶接面に防護ガスを供給するために、少なくとも運動する溶接面（５ａ）が通過する領域（ｂ）にガスを供給することが可能なように、移動方向にひろがりを有することを特徴とする防護ガス放出装置。
【請求項６】
前記防護ガス放出装置は、前記領域（ｂ）から前記移動方向に対して垂直する方向にある距離（ａ）をおいて設置されることを特徴とする請求項５記載の防護ガス放出装置。
【請求項７】
ガス流出が移動方向に対して斜めに又は垂直に起こるようにガス出口（９）が向いていることを特徴とする請求項５又は６に記載の防護ガス放出装置。
【請求項８】
前記防護ガス放出装置は、空気の侵入を避けるために溶接面（５ｂ）の領域の２つの物体（１，２）の一方の輪郭に合致するように形成され、且つ該物体（１）に面して隣接していることを特徴とする請求項５乃至７の何れか一項に記載の防護ガス放出装置。
【請求項９】
ガス出口（９）に連通するガス室（１５）を備え、ガス室（１５）内にガス供給部に接続された導管（１２ａ，１２ｂ）が突入していることを特徴とする請求項５乃至８の何れか一項に記載の防護ガス放出装置。
【請求項１０】
導管（１２ａ，１２ｂ）にガス室（１５）中に防護ガスを一様に分配するように孔があけられていることを特徴とする請求項９に記載の防護ガス放出装置。
【請求項１１】
ガス出口（９）とガス室（１５）の間に流体を分配する手段（１３）を備えることを特徴とする請求項９又は１０に記載の防護ガス放出装置。
【請求項１２】
前記手段（１３）が鋼綿及び／又はフィルター材料からなる複合物で構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の防護ガス放出装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は請求項１の前文に記載の摩擦溶接方法並びに請求項５に記載の該摩擦溶接方法を実施するための防護ガス放出装置に関する。このような摩擦溶接方法はBP 513,669 B1に開示されている。
前記のような摩擦溶接方法は、流体機械（Stroemungsmaschine）の羽根支持体、例えばジェットエンジンの全ディスク（Blisk）又はドラムに羽根を取りつけるのに使われる。羽根支持体は、円錐状又は円筒状の輪郭を有し、前記輪郭の周囲に互いに等しい間隔をおいた複数の羽根の羽根根部に溶接される。羽根支持体の周囲並びに羽根根部は、平面又は僅かに湾曲した溶接面を有し、突き合わせ加圧力（Stauchkraft）によって必要な溶接温度を生じさせるように圧縮され、羽根が羽根支持体に対して並進往復運動をしている間溶接面の領域は溶接温度にまで加熱される。前記往復運動は、長くのびて形成された溶接面に対して斜めに行われ、その場合数mmになる。
溶接される部分の相対運動のため、第１に周囲の空気の侵入が防止されており、第２に摩擦運動により融解物と一緒に酸化物が溶接領域から外へ輸送されるので、圧接法に属する摩擦溶接方法は、これまでのガス又はアーク融接法に比して周囲の空気中における酸化に対して十分に不感性である点において優れている。それでも、縁及びコーナー領域に溶接継ぎ目の欠陥が見出される。このような欠陥は溶接継ぎ目の強度を減少させるので、高い遠心力による羽根の破損の危険が流体機械の作動中にある。
上記の事柄から発して、本発明の課題は、羽根支持体と羽根の欠陥のない溶接接合を保証する、上記したような種類の羽根支持体に羽根を取りつける摩擦溶接方法を提供することである。さらに接合すべき物体の間の相対運動を妨げることなく摩擦溶接方法を実施するために投入することができる上記したような種類の防護ガス放出装置を提供することである。
摩擦溶接方法に関して上記課題は本発明により請求項１の特有の特徴によって解決される。
既知の回転摩擦溶接方法とは対照的に、上記したような種類の振動相対運動をする溶接法においては、相対運動の振幅に相当する溶接面の領域が露出され、空気が侵入することにより露出された溶接面は酸化せしめられることを防止することはできない。本発明は、溶接面の周囲に防護ガスが流れることによって溶接面が防護ガスのカーテンによって取り囲まれ、溶接面の相対運動中溶接面が空気の侵入から保護されるという利点を有する。羽根と羽根支持体が流れの格子（Stroemungsgitter）を形成するという事実に基づいて溶接面の周囲に防護ガスが流れることにより羽根支持体の作動中における流れの場と近似した流れの場がもたらされる。即ち防護ガスの流れは羽根支持体及び羽根の輪郭に従い溶接面を保護する閉鎖された防護ガスのカーテンをもたらす。それ故溶接面の領域において物体の相対運動中でも流れを維持するためにその他の処置が何ら必要とされない。
これに関連して、完成部品の輪郭に関連する表面寸法（Aufmass）が設定された溶接面を、流体機械の作動の場合に近似して極力長く流体機械のボスの領域に隣接して防護ガスの流れが進む区間が生じるように、羽根角度β及びテーパ角度αに調整し、それによって溶接面が保護ガスにより覆われたままであるようにするのが有利である。さらにこの効果は、防護ガスの流れが運動する溶接面が通過する領域をとらえることによって支援され、これは往復運動の方向に防護ガスの流れを相応に広げることによって可能にされる。羽根支持体のテーパ角度α並びに溶接面の調節角度βに関連して防護ガスの流れを調整することによって十分に隣合った防護ガス流が溶接面の領域に与えられる。極力妨害のない防護ガスの供給と妨害のない摩擦溶接過程の作業を保証するために、防護ガス流の方向が相対運動の方向に対して斜め又は垂直であり、その場合において相対運動は本質的に並進する又は僅かに円弧状の運動を行う。
防護ガス放出装置に関する課題は本発明により請求項５の特有の特徴によって解決される。
相対運動中の溶接面の極力あらゆる側からの防護ガスによる保護（Begasung）を保証するために、物体の１つに対して固定してある防護ガス放出装置は溶接面のほうに向くガス出口を有する。本発明においては、運動方向へのガス出口の広がりは、運動する溶接面が通過する領域を隙間なく防護ガスで保護することができ、それによって酸化されやすい溶接面への空気の侵入を阻止することができるという利点を有する。防護ガス放出装置を固定することにより、第一に、防護ガスが通過する明確な領域がもたらされ、第二に、防護ガス放出装置への防護ガスの供給が簡単になる。
防護ガス放出装置が溶接面の運動の方向に対して垂直方向に溶接面から離れて配置されることは、摩擦溶接過程の妨げのない実施を可能にし、それによって幾何的な運動の過程を殆ど維持することができる。又実際の流れの状態に近い状態で溶接面を防護ガスで保護することが可能であり、その結果流体の案内に関して始めに述べた利点が最適に保証され、且つ運動方向に対して斜めの又は垂直の、流体の誘導に対して最適なガス出口が可能にされる。
有利なことに防護ガス放出装置が溶接面の領域内の物体の１つの輪郭に相応して形成される。大抵防護ガス放出装置は摩擦溶接過程の間固定してある羽根支持体に取りつけられ、その結果防護ガス放出装置は羽根支持体の円筒状の輪郭に相応して弧状に形成される。それと共に防護ガス放出装置は、羽根支持体と防護ガス放出装置の間に空気の侵入並びに空気の防護ガスとの極度に強烈な混合を排除することができるように、羽根支持体に平らに取りつけられる。
ガス出口を介しての防護ガスの一様な分配に関する本発明のその他の実施の形態は請求項１０乃至１２の特徴によって与えられる。
以下に、好ましい本発明の実施の形態について添付の図面を参照しながら説明する。図面において
図１は、防護ガス放出装置を備える流体機械用のロータディスクの部分図であり、
図２は、羽根付きディスクのＩ−Ｉ線断面で見た図であり、
図３ａは、一部切欠した防護ガス放出装置の側面図であり、
図３ｂは、防護ガス放出装置の図３ａのII−II線断面で見た横断面図であり、
図３ｃは、防護ガス放出装置の一部切欠正面図である。
図１及び図２はジェットエンジン等の流体機械用のロータディスクの羽根の配置に関するものである。ロータディスクはディスクとして形成された物体としての羽根支持体１を含み、前記羽根支持体上には複数の同様な物体としての羽根２が摩擦溶接されている。羽根支持体１と羽根２はチタン合金で作られている。羽根２又は羽根の粗材（Schaufelrohlinge）が羽根支持体１に摩擦溶接された後、羽根根部には仕上げ加工が施され、羽根２に最終形状を付けるように材料が切除される。軸方向に構成された流体機械用の典型的な羽根２は羽根板３と羽根根部４とを備え、羽根根部４は、未加工状態において平らな溶接面５ａにおいて終わっている。羽根板３は半径方向に比較的長く且つ薄く、湾曲した形状を有し、羽根の一方の側の主面は凹面になっており、他方の側の主面は凸面になっている。溶接面５ａは概略羽根の断面形に似た輪郭を有する。直方体状羽根根部４は羽根板３につながっている。溶接面５ａは羽根根部４の直方体状部分から台座（Podest）を介して数ミリメートル（約２〜８mm）だけ離れている。摩擦溶接中往復運動、締め付け、及びアプセット突き合わせ加圧力（Pendel-, Binspann-, undStauchkraefte）が羽根根部４を介して羽根２又は溶接面５ａに加えられる。
羽根支持体１は本質的に平らな、互いに平行にはしる正面６ａ及び６ｂ及び円形の輪郭を有する。本質的に回転対称に形成された羽根支持体１は、流体機械の回転軸線に相当する回転軸線Ｒを有する。回転軸線Ｒに対して垂直に正面６ａ及び６ｂがのびている。正面６ａ及び６ｂの外縁の間に羽根支持体１の周面７がのびている。
周面７には複数の僅かに突き出したブリッジが形成されている。各ブリッジは本質的に羽根２の溶接面５ａに相当する平らな溶接面５ｂに加工される。図１に示すように各溶接面５ｂの長軸線Ｌは回転軸線Ｒに対して羽根角度βだけ傾斜している。溶接面５ｂの長軸線Ｌは本質的に羽根根部の断面の投影された弦の線に相当する。
実際に大部分の羽根支持体１が周面７が断面円錐形の外形を有するように成形される。周面７の断面円錐状の部分には、図２に示すように、溶接面５ｂ又は羽根２が取りつけられる。断面円錐形の部分には周面の筒状部分がつながっている。断面円錐形の部分は筒状部分に対してテーパ角度αを有する。
摩擦溶接過程のために、羽根支持体１は、羽根を取りつけるべき溶接面５ｂが並進往復運動Ｐの方向に平行にはしる溶接平面Ｅに位置する状態に固定される。羽根２を取りつけるべき溶接面５ｂは所謂溶接長さ内にある。図１に示すように、羽根２が羽根支持体１に対して行う往復運動の方向Ｐが回転軸線Ｒに対して垂直にはしり、一方図２においては往復運動の方向Ｐは画面に対して垂直である。羽根２を羽根支持体１に摩擦溶接するとき、羽根２の溶接面５ａは、図２に示すように、羽根支持体１の溶接面５ｂと接触せしめられる。必要な溶接温度を得るために、溶接面５ａ，５ｂに対して垂直にアプセット突き合わせ加圧力が羽根２に加えられ、同時に羽根２が羽根支持体１に対して迅速に往復運動され、摩擦熱が発生せしめられる。十分な熱が生じると、往復運動が中止され、羽根２が羽根支持体１に最終的に溶接、接合されるまで、アプセット突き合わせ加圧力が再び維持される。次に羽根支持体１が、開放され、別の羽根２が溶接される状態に回転せしめられる。前記の一連の操作が、全ての羽根２が羽根支持体１に溶接されるまで繰り返される。
羽根２の粗材には成形が施され、そのとき正確に羽根２の形状が得られるように各羽根根部４から材料が取り除かれる。前記成形は切削により並びに電気化学的に行われる。
図１に点線で示す溶接面５ａ’及び５ａ”は、羽根支持体１側の溶接面５ｂに対する往復運動又は相対運動の間の羽根２側の溶接面５ａの両極端の位置又は振幅を示す。そのとき羽根２側の溶接面５ａは、往復運動Ｐの方向即ち回転軸線Ｒに対して垂直な方向の最大寸法が寸法ｂである領域ｂを通過する。ここにおいて、摩擦溶接運動中溶接面５ａ，５ｂが一時的に一部の面だけが互いに接触し、それ故ふさがっていない一部の面が空気の侵入にさらされることは明らかである。結果として、空気の侵入により、酸化物の望ましくない形成が、溶接面５ａ，５ｂ、特に溶接面５ａ，５ｂの端部又は縁の領域において行われることとなる。この普通の摩擦溶接方法において原則的に発生しない酸化を阻止するために、防護ガスＳの流れによる溶接面５ａ，５ｂの保護が設けられる。
防護ガスの供給のために、羽根支持体１の円筒状の周囲の部分に防護ガス放出装置８が設けられる。この防護ガス放出装置８は、周面７に弧長さｌに渡ってのびる円弧状に湾曲したガス出口９を備える。回転軸線Ｒに対して垂直にのびるガス出口９は羽根支持体１側の溶接面５ｂから軸方向に離れており、その場合において間隔ａは羽根２側の溶接面５ａが通過する領域ｂの寸法よりも小さい。溶接面５ａ，５ｂへの全ての側から空気の侵入を防ぐために、ガス出口９の長さｌは、溶接面５ａが通過する領域ｂの寸法より少なくとも５０％だけ大きく保持される。前記領域ｂの上に中心にガス出口９を配置することによって、溶接面５ａ，５ｂの外側端部もそれらの運動中閉鎖された防護ガスのカーテン内に保持されることが保証される。またガス出口９の半径方向の寸法は、空気の侵入を阻止する十分な防護ガスカーテンを形成するように限定される。
溶接面５ａ，５ｂ又は羽根２にガスが流れることに関連するガス出口９の配列は羽根角度βで羽根２にガスが流れることを可能にする。これは流体機械の作動中のガスの流れの状態に非常に近くなり、その結果、少なくとも溶接面５ａ，５ｂの領域において周囲の空気が混ざることを十分に減じる、隣接する防護ガス流Ｓが形成される。図１及び図２に防護ガスＳの流れの流線を示すように、流線は輪郭があたえられた溶接面５ａ，５ｂの領域における羽根根部４並びに角度αで傾斜した周面７の輪郭に十分に倣う。
防護ガス放出装置８と周面７の間への空気の侵入並びにそれに伴ってあらわれる防護ガスと周囲の空気の混合を避けるために、図３ｃに示すように弧状に形成され、保護ガス放出装置８はその半径方向内側のケーシング壁１０に十分に間隔をあけることなく周面７に隣接している。
図３ａ乃至図３ｃが示すように、防護ガス放出装置８は溶接された金属板製ケーシング１１とガス供給用のガス供給路としての２つの導管１２ａ，１２ｂと流れを分配する手段１３で構成されている。箱状又は円弧状の金属板製ケーシング１１にガス供給用の２つの導管１２ａ及び１２ｂが接続され、その場合において導管１２ａ，１２ｂはケーシング壁１０の周囲端部の正面１４ａ，１４ｂに入る。導管１２ａ，１２ｂはガス室１５内に金属板製ケーシング１１の中央にまでのびている。ガス室１５とその中をのびる導管１２ａ，１２ｂは防護ガス放出装置８内のガス出口９の上方３分の１のところに形成されている。導管１２ａ，１２ｂにはガス室１５の内側において、ガス室１５に防護ガスが一様に充填されることが保証されるように、多数の孔が開口されている。ガス室１５の向かい側で、金属板製ケーシング１１は開いており、長くのびる弧状のガス出口９が形成されている。ガス出口９とガス室１５の間に防護ガス放出装置８の下方半部内にも鋼綿とフィルター材料からなる複数の層から構成された流体分配手段１３が設けられている。鋼綿とフィルター材料からなる層は全ガス出口９にわたって防護ガス流Ｓを一様に導く。
防護ガス放出装置８を羽根支持体１に固定するために金属板製ケーシング１１に２つの湾曲固定具（Befestlgungsbuegel）１７が設けられる。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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