(57)【要約】【課題】開示するのは、物品を溶接する方法である。【解決手段】本方法は、上記物品を全面的に囲繞する壁を備を有するエンクロージャであって、物品をその少なくとも実質的に全体で均一に加熱する構成及び寸法の付属加熱装置を有するエンクロージャ内に、物品を配置する段階と、エンクロージャ内に非反応性雰囲気を確立する段階と、加熱装置を作動させて、エンクロージャ内で物品をその少なくとも実質的に全体で溶接温度に均一に加熱する段階と、エンクロージャ内で、物品の少なくとも実質的に全体で溶接温度を維持しながら物品を溶接する段階とを含む。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物品を溶接する方法であって、
上記物品を全面的に囲繞する壁を備を有するエンクロージャであって、物品をその少なくとも実質的に全体で均一に加熱する構成及び寸法の付属加熱装置を有するエンクロージャ内に、物品を配置する段階と、
上記エンクロージャ内に非反応性雰囲気を確立する段階と、
上記加熱装置を作動させて、上記エンクロージャ内で物品をその少なくとも実質的に全体で溶接温度に均一に加熱する段階と、
上記エンクロージャ内で、物品の少なくとも実質的に全体で溶接温度を維持しながら物品を溶接する段階と
を含んでなる方法。
【請求項２】
前記溶接段階が、エンクロージャの壁に取付けられたマニピュレータで操作される溶接装置によって実施される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記溶接温度が約１５００°Ｆ以上である、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記加熱装置が誘導加熱装置、伝導加熱装置及び輻射加熱装置の少なくとも１つである、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記溶接装置が、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接装置、アーク溶接装置及びレーザ溶接装置の少なくとも１つである、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記物品が、複雑な形状のガスタービンエンジン部品として用いられるように構成されている、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記物品が、ガスタービンエンジンのタービンノズルとして用いられるように構成されている、請求項１記載の方法。
【請求項８】
ガス入口を介してエンクロージャ内に不活性ガスを流す段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項９】
一方向流れ制御弁を介してエンクロージャから不活性ガスを排出させる段階をさらに含んでいて、一方向流れ制御弁が、排出時に空気がエンクロージャに流入するのを防止するように構成されている、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記不活性ガスがアルゴンである、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
物品を溶接するための装置であって、
物品を収容するためのエンクロージャであって、物品を全面的に囲繞するための壁を有するエンクロージャと、
エンクロージャ内に配設され、物品をその少なくとも実質的に全体で溶接温度に加熱するように構成された加熱装置と、
エンクロージャ内に配設された溶接装置であって、エンクロージャ内に配置された溶接温度の物品を溶接するように構成された溶接装置と
を備える装置。
【請求項１２】
前記エンクロージャにグローブボックスが取付けられ、該グローブボックスが、エンクロージャ内でユーザが溶接装置及び物品を操作できるように構成されている、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記溶接温度が約１５００°Ｆ以上である、請求項１１記載の装置。
【請求項１４】
前記加熱装置が、誘導加熱装置、伝導加熱装置及び輻射加熱装置の少なくとも１つである、請求項１１記載の装置。
【請求項１５】
前記溶接装置が、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接装置及びアーク溶接装置の少なくとも１つである、請求項１１記載の装置。
【請求項１６】
前記物品が、複雑な形状のガスタービンエンジン部品として用いられるように構成されている、請求項１１記載の装置。
【請求項１７】
前記物品が、ガスタービンエンジンのタービンノズルとして用いられるように構成されている、請求項１１記載の装置。
【請求項１８】
前記エンクロージャが、不活性ガスをエンクロージャ内に流すことができるように構成されたガス入口を含む、請求項１１記載の装置。
【請求項１９】
前記エンクロージャが、物品の加熱時に生じる温度勾配によってエンクロージャ内に空気が引き込まれるのを防止するように構成された一方向流れ制御弁を含んでおり、一方向流れ制御弁が、エンクロージャからガスを排出するように構成されている、請求項１１記載の装置。
【請求項２０】
前記エンクロージャが、ガス入口及び一方向流れ制御弁以外はシールされる、請求項１１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、総括的には溶接のための方法及び装置に関し、より具体的には、超合金物品を溶接するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム及びチタン含有量が高いニッケル基、コバルト基及び鉄基超合金は、溶接する場合に、特に同様な化学的性質の溶接ワイヤを用いる場合に、割れを発生する傾向が強い。この傾向を克服するために、超合金部品の補修（溶接による）は、不活性ガス雰囲気内で補修対象の領域を局所的に極めて高温（１５００°Ｆよりも高い場合が多い）に予熱することによって行われてきた。この局所予熱法は、産業用ガスタービンの回転高温ガス通路部品のような複雑でない形態の部品の溶接前及び溶接中に用いた場合には有効であった。
【０００３】
これ迄は、産業用ガスタービンに用いられるタービンノズルのような複雑な形態を備えた部品は、上述の超合金よりも容易に溶接可能な合金で製造されていた。これらのより容易に溶接可能な合金により、複雑な形態の部品には、製造時及びエンジン作動後の両方の間において有効な溶接補修を行うことが可能であった。
【０００４】
最近では、複雑な形態を備えた高温ガス通路部品において、ニッケル基、コバルト基及び鉄基超合金が使用され始めた。しかしながら、上述の局所予熱法は、溶接前及び溶接中にこれらの部品を加熱するように用いた場合に、有効でなかった。それは、局所予熱法が、部品内に大きな温度勾配を生じさせる可能性があるからである。この局所予熱法を適用した場合には、何らかの溶接を行うことができる前に、部品の残留応力及び複雑な形態が大きな温度勾配と組合さって、部品内に新たな割れを生じる。
【特許文献１】米国特許第５，１０６，０１０号明細書
【特許文献２】米国特許第５，３７４，３１９号明細書
【特許文献３】米国特許第５，８９７，８０１号明細書
【特許文献４】米国特許第６，０２０，５７１号明細書
【特許文献５】米国特許第６，０５４，６７２号明細書
【特許文献６】米国特許第６，０５４，６８７号明細書
【特許文献７】米国特許第６，１２４，５６８号明細書
【特許文献８】米国特許第６，２９７，４７４号明細書
【特許文献９】米国特許第６，５８３，３８７号明細書
【特許文献１０】米国特許第６，６５９，３３２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、今後複雑な形態を備えた部品に対して高ガンマプライム合金を使用する場合には、新たな溶接方法が望ましいことになる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
開示するのは、物品を溶接する方法であり、本方法は、上記物品を全面的に囲繞する壁を備を有するエンクロージャであって、物品をその少なくとも実質的に全体で均一に加熱する構成及び寸法の付属加熱装置を有するエンクロージャ内に、物品を配置する段階と、エンクロージャ内に非反応性雰囲気を確立する段階と、加熱装置を作動させて、エンクロージャ内で物品をその少なくとも実質的に全体で溶接温度に均一に加熱する段階と、エンクロージャ内で、物品の少なくとも実質的に全体で溶接温度を維持しながら物品を溶接する段階とを含む。
【０００７】
同様に開示するのは、物品を溶接するための装置であり、本装置は、物品を収容するためのエンクロージャであって、物品を全面的に囲繞するための壁を有するエンクロージャと、エンクロージャ内に配設され、物品をその少なくとも実質的に全体で溶接温度に加熱するように構成された加熱装置と、エンクロージャ内に配設された溶接装置であって、エンクロージャ内に配置された溶接温度の物品を溶接するように構成された溶接装置とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下の説明は、決して限定と考えるべきではない。添付の図面を参照すると、同様な要素には、同じ参照符号を付している。
【０００９】
図１には、金属物品１１（超合金金属物品のような）を溶接するための装置１０を概略的に示している。装置１０は、エンクロージャ１２と、エンクロージャ１２から熱的に分離された加熱装置１４と、溶接装置１６とを含む。エンクロージャ１２は、物品１１をその全側面で密封しかつ囲む壁を含む。加熱装置１４は、物品全体（又は、物品１１の少なくとも実質的な全体）を均一に加熱するような寸法及び構成のものであり、それに限定されないが誘導加熱装置、伝導加熱装置及び輻射加熱装置のようなあらゆる望ましい加熱装置とすることができる。エンクロージャ１２と組合さって、溶接装置１６は、それに限定されないがタングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接、プラズマ移行アーク（ＰＴＡ）溶接又はレーザ溶接のような溶接作業を行うように構成される。溶接装置１６で用いる溶加材は、物品１１の作動環境に適切なあらゆる形態のワイヤとすることができる。例示的な実施形態では、溶加材は、物品１１の特性及び化学的性質と同様な特性及び化学的性質を含む。
【００１０】
エンクロージャ１２はまた、それを通してエンクロージャ１２の外部から不活性ガス１９を供給するガス入口１８を含む。エンクロージャ１２内部におけるこの不活性ガス１９の存在により、物品１１が所望の溶接温度に加熱されかつ維持される間に物品１１を包む不活性雰囲気２０が形成される。例示的な実施形態では、所望の溶接温度は、約１５００°Ｆであるか又はそれよりも高く、また用いる不活性ガスは、アルゴンである。一方向流れ制御弁２２は、エンクロージャ１２の１つの壁に取付けた状態で示しており、この一方向流れ制御弁２２を通して、空気がエンクロージャ１２内に引き込まれるのを防止しながら、不活性ガス１９及びフュームをエンクロージャ１２から排出することができる。ガス入口１８及び一方向流れ制御弁２２以外では、エンクロージャ１２は、エンクロージャ１２を囲む周囲環境から密封されるように構成されて、加熱及び溶接の間に物品１１を不活性雰囲気内に密封するのを可能にする。
【００１１】
装置１０はさらに、溶接装置１６及び物品１１のためのマニピュレータ２４を含む。マニピュレータ２４は、グローブボックス、すなわちエンクロージャ１２内で達する温度に耐えることができる材料を含むグローブの対とすることができる。マニピュレータ２４は、溶接対象の物品１１及び／又は溶接装置１６をエンクロージャ１２内で操作することができるようにエンクロージャ１２の壁の１つに取付けられる。その結果、一方向弁２２以外では、エンクロージャ１２は、物品１１が溶接温度まで又は溶接温度において加熱されている間、密封された状態を維持するように構成される。このようにエンクロージャ１２を密封することにより、激しい温度勾配又は他の発生可能性がある原因のために周囲空気がエンクロージャ１２内に引き込まれるのが防止される。
【００１２】
次に図２を参照すると、上記で紹介した参照符号を付した要素に関連させて物品を溶接する例示的な方法１００を説明する。本方法１００は、動作ブロック１０２に示すように、エンクロージャ１２内に物品１１を配置する段階を含む。例示的な実施形態では、物品１１は複雑な形態４０（図３に示す形態のような）を備えたタービンノズル１１である。この開示の目的のため、複雑な形態を備えた物品（図３の物品１１など）は一般的に、物品の少なくとも一部にわたって一貫性がなくかつ可変的な寸法を有する物品（すなわち、物品の異なる領域において異なるそれぞれの長さ、幅又は高さを含む物品）と定義することにする。
【００１３】
本方法１００はまた、動作ブロック１０４に示すように、エンクロージャ１２内に非反応性雰囲気２０を確立する段階を含む。動作ブロック１０６に示すように、本方法１００はさらに、加熱装置１４を作動させて物品１１の少なくとも実質的な全体にわたって物品１１を溶接温度に均一に加熱する段階を含み、この場合に、物品の全体は図３に最もよく示している。この動作は、物品１１をエンクロージャから取り出さずに行われる。物品１１をエンクロージャ１２から取り出さずに物品１１を溶接温度に加熱することにより、物品１１が作動する厳しい条件の結果として物品１１内に存在する残留応力の緩和が可能になる。加えて、物品１１の全体を溶接温度に均一に加熱することにより、物品の局所加熱に関連する温度勾配が排除される。これらの勾配を排除することはさらに、それら勾配によって生じる物品１１における割れを減少させるか又は排除する。この割れ発生の改善により、本方法１００は、動作ブロック１０８に示すように物品１１を溶接する段階に進むことができ、前記溶接段階においては、物品１１の少なくとも実質的な全体４４にわたって溶接温度を維持しながら溶接が行われる。例示的な実施形態では、溶接温度は約１５００°Ｆであるか又はそれよりも高いことを理解されたい。
【００１４】
ガスタービンエンジンの構成要素（すなわち、図３に最もよく示しているタービンノズル１１）に関して本方法１００を説明してきたが、本方法１００はまた、物品（特に複雑な形態を備えた物品）がその特性を低下させることにならないように溶接するために熱処理されるような種々の用途に適用可能であることに留意されたい。
【００１５】
また、例示的な実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱せずに本発明の要素に対して様々な変更を加えることができまた本発明の要素を均等物で置き換えることができることを当業者は理解すべきであることにも留意されたい。さらに、本発明の技術的範囲から逸脱せずに特定の状況又は実体を本発明の教示に対して適合させるように、多くの修正を加えることができる。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、提出した特許請求の範囲の技術的範囲内に属する全ての実施形態を含むことになることが、重要である。また、特に指示しない限り第１の、第２の、などの用語のいずれの使用も何らの順序又は重要度を意味するものではなく、むしろ第１の、第２の、などの用語は１つの要素を別の要素から区別するために使用していることに、さらに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】物品を溶接するための装置の概略図。
【図２】物品を溶接する方法を示すブロック図。
【図３】図１の物品の概略図。
【符号の説明】
【００１７】
１０  装置
１１  金属物品
１２  エンクロージャ
１４  加熱装置
１６  溶接装置
１８  ガス入口
１９  不活性ガス
２０  不活性雰囲気
２２  一方向流れ制御弁
２４  マニピュレータ
４０  複雑な形態
４４  実質的な全体
１００  物品を溶接する方法
１０２  動作ブロック
１０４  動作ブロック
１０６  動作ブロック
１０８  動作ブロック
【図１】
2009028788.tif 000003
【図２】
2009028788.tif 000004
【図３】
2009028788.tif 000005