(57)【要約】【課題】タービンバケット先端の溶接補修方法を提供する。【解決手段】本溶接補修方法は、ガスタングステンアーク溶接又はプラズマアーク溶接トーチと共金系溶加材とを用いる。トーチに供給するアンペア数及びトーチの移動速度は、マッシュルーム形状の溶接ビードが生成するように制御される。溶接ビードは、該溶接ビードの厚さの少なくとも２分の１を除去するようにすべての側面から研削され、また別の溶接ビードが形成される。この方法により、母材の一方向凝固金属と同様でありかつ従って同等の機械特性を有する一方向凝固溶接金属を備えた割れのない溶接部が形成される。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）又はプラズマアーク溶接（ＰＡＷ）トーチと共金系溶加材とを用いた溶接補修方法であって、
（ａ）トーチに供給するアンペア数及びトーチの移動速度を制御してマッシュルーム形状の溶接ビードを生成させる段階、
（ｂ）溶接ビードをすべての側面から研削して溶接ビードの厚さの少なくとも２分の１を除去する段階、
（ｃ）上記段階（ａ）を繰り返す段階、及び
（ｄ）上記段階（ｂ）を繰り返す段階
を含んでなる方法。
【請求項２】
段階（ｃ）の前に、段階（ａ）を繰り返し段階（ｂ）を繰り返すことをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
当該溶接補修方法がタービンバケット先端のためのものであり、当該方法が、段階（ａ）の前にバケット先端を予熱する段階をさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記予熱段階が不活性ガス雰囲気中で実施される、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記不活性ガスがアルゴン及びヘリウムのいずれかである、請求項４記載の方法。
【請求項６】
当該溶接補修方法が、一方向凝固超合金からなるタービンバケット先端のためのものであり、段階（ａ）が適当な溶加ワイヤを用いて実施される、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記溶加ワイヤが合金Ｅからなる溶加ワイヤを含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記溶加ワイヤが、合金Ａ、合金Ｃ及び合金Ｄのいずれかを含む、請求項６記載の方法。
【請求項９】
ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）又はプラズマアーク溶接（ＰＡＷ）トーチと共金系溶加材とを用いた母材の溶接補修方法であって、
（ａ）溶接トーチによって母材と平行な凝固界面と、中心の一方向凝固溶接金属が等軸晶組織で囲まれた成形溶接ビードとを生成する段階、
（ｂ）等軸晶組織を実質的にすべて除去する段階、
（ｃ）上記段階（ａ）を繰り返す段階、及び
（ｄ）上記段階（ｂ）を繰り返して母材を実質的にその原寸法に戻す段階
を含んでなる方法。
【請求項１０】
段階（ａ）を、成形溶接ビードがマッシュルーム形状に形成されるように実施する、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンバケット先端を補修するための溶接法に関し、具体的には、化学組成の類似した共金系溶加ワイヤと共にガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）又はプラズマアーク溶接（ＰＡＷ）法を用いて後段一方向凝固バケット先端を補修するためのマッシュルーム溶接補修法に関する。この溶接法はその他の後段バケットにも利用でき、溶接修理工場でも容易に採用できる。
【背景技術】
【０００２】
ＧＴＤ−４４４という超合金の一方向凝固バケット（いわゆるＤＳ  ＧＴＤ−４４４バケット）は、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社のＦＢ型及びＨ型エンジンのような高性能エンジン用の後段バケットとして用いられている。一方向凝固ＧＴＤ−４４４バケットは一般に優れた耐クリープ特性を示す。多くの場合、これらバケットはその先端での溶接補修を必要とする。新しい部品では誤った研削／誤った機械加工のため、供用バケットではエンジン稼働時のハニカムに対する先端摩耗又は摩擦のため、溶接補修が必要とされることがある。
【０００３】
ＧＴＤ−４４４超合金はマトリックス中のγ′含有量が高い（約６０％）ので、その溶接性が極めて乏しいことがよく知られている。そのため、溶接によって、母材熱影響部及び溶接金属に割れが発生してしまう。共金系溶加材を用いた従前の溶接補修の試みでは、溶接部及び母材熱影響部（ＨＡＺ）に重度の割れが生じた。Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社のサービス工場では、合金７３８及び等軸晶ＧＴＤ−１１１から鋳造したバケットに対してＧＴＡＷ法を用いている。現時点では、ＧＴＤ−４４４バケット先端を補修するための溶接補修法は知られていない。
【０００４】
設計工学では、性能の向上のため補修溶接部が母材の機械特性と一致した機械特性を有していることが必要とされる。一致した特性は、Ｒｅｎｅ  １４２又はＲｅｎｅ  １０８のような共金系溶加材を用いたときにしか得ることができない。しかし、こうした共金系溶加材を用いると、割れ感受性が増す。多くの場合、ＩＮ６１７又はＩＮ６２５のような延性溶加材で割れのない溶接部が得られるが、特性が大幅に劣るので、望ましくない。いずれの場合も、溶接金属は、母材基材に比べて溶接特性の劣る溶接金属内の等軸凝固デンドライトからなる。
【特許文献１】米国特許第４３４３９８０号明細書
【特許文献２】米国特許第５１６８１４１号明細書
【特許文献３】米国特許第６４８９５８３号明細書
【特許文献４】米国特許第６６３９１７３号明細書
【特許文献５】米国特許第６６５２６７７号明細書
【特許文献６】米国特許第６８８４９６４号明細書
【特許文献７】米国特許第６８８８０９０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、ＧＴＡＷ法を用いた一致した母材特性を用いて割れのない溶接部を得ることのできる後段ＤＳ  ＧＴＤ−４４４バケット先端のための補修技術／方法を開発できれば望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
例示的な実施形態では、溶接補修方法は、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）又はプラズマアーク溶接（ＰＡＷ）トーチと共金系溶加材とを用いる。本方法は、（ａ）トーチに供給するアンペア数及びトーチの移動速度を制御してマッシュルーム形状の溶接ビードを生成させる段階、（ｂ）溶接ビードをすべての側面から研削して溶接ビードの厚さの少なくとも２分の１を除去する段階、（ｃ）上記段階（ａ）を繰り返す段階、及び（ｄ）上記段階（ｂ）を繰り返す段階を含む。
【０００７】
別の例示的な実施形態では、本方法は、（ａ）溶接トーチによって母材と平行な凝固界面と、中心の一方向凝固溶接金属が等軸晶組織で囲まれた成形溶接ビードとを生成する段階、（ｂ）等軸晶組織を実質的にすべて除去する段階、（ｃ）上記段階（ａ）を繰り返す段階、及び（ｄ）上記段階（ｂ）を繰り返して母材を実質的にその原寸法に戻す段階を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１を参照して、例示的な実施形態の溶接補修法の手順を説明する。最初に、ＤＳ  ＧＴＤ−４４４バケット先端は、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガス雰囲気中のラップボックス内で１０００°Ｆに予熱される。ラップボックス内での典型的な加熱速度は、室温から１５００°Ｆまで５０°Ｆ／分であるか、或いは１９００°Ｆの最高温度まで２５°Ｆ／分である。誘導加熱も使用できる。Ｒｅｎｅ  １４２−Ｈｆ溶加ワイヤは、その化学的性質（化学特性）がＧＴＤ−４４４超合金母材に近いので、先端の補修に選択できる。なお、現時点ではＧＴＤ−４４４溶加ワイヤは入手できない。その他の好適な高強度共金溶接溶加材としては、ＧＴＤ１１１、Ｒｅｎｅ  ８０、Ｒｅｎｅ  １０８などが挙げられる。溶接補修にはＧＴＡＷ法又はＰＡＷ法が用いられる。
【０００９】
第１段階では、ＧＴＡＷトーチのアンペア数及び移動速度は、「マッシュルーム」形の溶接ビードが生成するように手動で制御される。図２に示すように、マッシュルーム形状はバケット先端寸法よりも幅が広くて高く、側面と丸い上部を有している。
【００１０】
溶接後、溶接ビードをすべての側面から研削する。除去すべき材料の量は、すべての側面に堆積した溶接ビードの約２分の１である。研削した表面の上端に、同じ溶接パラメーターを用いて後続パスを溶接して、再び「マッシュルーム」形の溶接ビードを生成させる。
【００１１】
第２パスの溶接後に再び研削作業を実施して、先端をその原寸法に戻す。最終補修溶接部を図１に示す。
【００１２】
マッシュルーム溶接形状を維持するという思想は、バケット先端に平行な凝固界面を生じさせるためである。これによって、先端から核形成し溶接ビード表面まで成長した一方向凝固結晶粒が生成する。溶接は非平衡プロセスであるので、溶接金属において凝固界面を制御するのは困難である。そこで、第１溶接パスで初期一方向凝固結晶粒がある程度成長すると、ボンドからの距離が増すにつれて溶融池温度勾配は減少し、溶接金属の外側層で等軸結晶粒の核生成が生じる。最終的な組織は、中心の一方向凝固溶接金属が等軸晶組織で囲まれている。これは、溶接部の横断マクロ断面で観察できる。
【００１３】
なお、割れの発生の大半は溶接金属における等軸晶組織に付随しており、溶接性に関する限り非常に有害である。各後続パスの前に研削によって溶接ビードの半分を除去すると、溶接作業で生じた等軸結晶粒のほぼすべてが除去される。多パス溶接については、同じプロセスを繰り返せばよい。従って、この方法は、割れのない一方向凝固組織を有する溶接金属を生じる。
【実施例】
【００１４】
バケット溶接の試験に用いた例示的な溶接パラメータを以下に挙げる。
【００１５】
電流：２２〜３０アンペア
電圧：溶融ビード先端を維持する必要に応じて１０〜１２ボルト
Ａｒ流量（ラップ）：溶接ビードの酸化を避けるのに必要な２５０〜３００ＳＣＦＨ
溶加ワイヤ直径：０．０４５インチ〜０．０６２インチ
注意点：パス開始時の「マッシュルーム」ビードの肉盛は、母材の過剰な溶融を避けるようにゆっくりと実施するか或いは始動タブを用いて実施しなければならない。溶接ビードの端部でのクレータ割れを避けるため追加の溶加材又は停止タブを用いてもよい。
【００１６】
本明細書に記載した溶接補修法を用いると、ＧＴＡＷ又はＰＡＷ溶接プロセスを用いてＤＳ  ＧＴＤ−４４４超合金後段バケット先端を補修することができる。この方法では、溶接部と母材と熱影響部とに割れのない溶接が得られる。さらに、この方法は、母材と同様の機械特性を有する共金系溶加材を用いる。得られる溶接部は、一方向凝固母材と類似した一方向凝固溶接金属を含み、割れ感受性の低下した信頼できる溶接部が得られる。この溶接法は、その他の後段バケットにも利用でき、溶接修理工場でも容易に採用することができる。
【００１７】
特定のニッケル基超合金の公称化学組成を表１に示す。
【００１８】
【表１】
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現時点で最も実用的で好ましいと思料される実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の技術的思想及び技術的範囲に属する様々な変更及び均等な構成にも及ぶものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】溶接補修法の手順の概略図。
【図２】溶接補修法の概念を示す図。
【図１】
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【図２】
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