特許 5933620 発電設備用のロータを溶接する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5933620

(24)【登録日】2016年5月13日

(45)【発行日】2016年6月15日

(54)【発明の名称】発電設備用のロータを溶接する方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 28/02 20140101AFI20160602BHJP

   B23K 15/00 20060101ALI20160602BHJP

   B23K 9/167 20060101ALI20160602BHJP

   B23K 9/173 20060101ALI20160602BHJP

   B23K 9/00 20060101ALI20160602BHJP

   B23K 26/348 20140101ALI20160602BHJP

   B23K 20/12 20060101ALI20160602BHJP

   B23K 33/00 20060101ALI20160602BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20160602BHJP

   F01D 25/00 20060101ALI20160602BHJP

   F02C 7/00 20060101ALI20160602BHJP

   F01D 5/06 20060101ALI20160602BHJP

【ＦＩ】

   B23K28/02

   B23K15/00 505

   B23K9/167 A

   B23K9/173 A

   B23K9/00 501G

   B23K26/348

   B23K20/12 G

   B23K33/00 Z

   B23K26/21 N

   F01D25/00 X

   F02C7/00 D

   F01D25/00 F

   F01D5/06

【請求項の数】4

【外国語出願】

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-77840(P2014-77840)

(22)【出願日】2014年4月4日

(65)【公開番号】特開2014-200846(P2014-200846A)

(43)【公開日】2014年10月27日

【審査請求日】2014年4月4日

(31)【優先権主張番号】13162323.3

(32)【優先日】2013年4月4日

(33)【優先権主張国】EP

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】515322297

【氏名又は名称】ゼネラル エレクトリック テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング

【氏名又は名称原語表記】Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100135633

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 浩康

(72)【発明者】

【氏名】ゾーリン ケラー

(72)【発明者】

【氏名】ヴェアナー マーティン バルバッハ

(72)【発明者】

【氏名】クラウス パウル ゲアデス

【審査官】 山崎 孔徳

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−０５２１８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２１５１８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−２１４３０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１６１４５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−００１５５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２８／０２

Ｂ２３Ｋ ９／００

Ｂ２３Ｋ ９／１６７

Ｂ２３Ｋ ９／１７３

Ｂ２３Ｋ １５／００

Ｂ２３Ｋ ２０／１２

Ｂ２３Ｋ ２６／２１

Ｂ２３Ｋ ２６／３４８

Ｂ２３Ｋ ３３／００

Ｆ０１Ｄ ５／０６

Ｆ０１Ｄ ２５／００

Ｆ０２Ｃ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロータ軸線（３４）に沿って配置された複数のロータディスク（２６，２７）を有する発電設備（ガスタービン、蒸気タービン、発電機）用のロータ（３０）を溶接する方法であって、該方法は、
前記ディスクに溶接継目準備を提供するステップであって、前記溶接継目準備は、根元部と、半径方向で前記根元部（３３）に隣接した第１のギャップ状の溶接セクション（３２）と、半径方向で前記第１の溶接セクション（３２）に隣接した第２のギャップ状の溶接セクション（３１）とを含む、ステップと、
第１の溶接プロセスによって前記根元部（３３）を溶融させるステップと、
第２の溶接プロセスによって前記第１の溶接セクション（３２）に溶接部を形成するステップと、
第３の溶接プロセスによって前記第２の溶接セクション（３１）を充填するステップと、を含む方法において、
前記第１の溶接プロセスは、レーザ溶接（ＬＷ）、電子ビーム溶接（ＥＢ）、摩擦溶接及びレーザハイブリッド溶接のうちの１つであり、
前記第２の溶接プロセスは、レーザ溶接（ＬＷ）又はレーザハイブリッド溶接のうちの一方であり、
前記第３の溶接プロセスは、完全に自動的なメタルアクティブガス溶接（ＭＡＧ）、コールドメタルトランスファ溶接（ＣＭＴ）、又はレーザハイブリッド溶接であり、
前記第１の溶接プロセス、前記第２の溶接プロセス、及び前記第３の溶接プロセスの間、前記ロータを傾倒させる必要なく、前記ロータディスク（２６，２７）が鉛直方向に積層された状態で、且つ前記第１の溶接セクション（３２）及び前記第２の溶接セクション（３１）が水平に方向付けられた状態でのみ溶接を行うことを特徴とする、方法。

【請求項2】

前記第１の溶接プロセスは、レーザ溶接（ＬＷ）、電子ビーム溶接（ＥＢ）、摩擦溶接及びレーザハイブリッド溶接のうちの１つであり、
前記第２の溶接プロセスは、タングステン不活性ガス溶接（ＴＩＧ）である、請求項１記載の方法。

【請求項3】

前記第２の溶接プロセスは、レーザ溶接及びレーザハイブリッド溶接のうちの一方であり、
前記第１の溶接プロセスは、タングステン不活性ガス溶接（ＴＩＧ）である、請求項１記載の方法。

【請求項4】

前記第２の溶接プロセスは、レーザ溶接（ＬＷ）であり、このプロセスは、粉末又はワイヤフィラー金属を用いて行われる、請求項１記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

発明の背景
本発明は、ターボ機械の技術に関する。本発明は、請求項１の前提部に記載の発電設備用のロータを溶接する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来技術では、鍛造されかつＮＤＴ（非破壊試験）されたディスクは、溶接継目準備のために機械加工される。その後、ディスクは、互いに上下に固定され、それらの互いに対する及び全体的な振れ（run-out）がチェックされ、必要であれば、調整される。この時点で、ディスクが鉛直位置にある状態で、溶接部の根元部は、タングステン不活性ガス溶接（ＴＩＧ）を用いて、溶接フィラーなしで溶融させられる。この後、水平位置へのロータの傾倒を許容するために、極めて狭いギャップＴＩＧを用いて、母材溶接フィラー（ロータの傾倒を許容するための強化層）で、半径方向の溶接高さが増大される。水平位置へロータを傾倒させた後、サブマージアーク溶接（ＳＡＷ）を用いて溶接部を充填することによって、溶接部が仕上げられる。最後に、ロータの溶接部は、ＵＳ（超音波）試験を利用してＮＤＴチェックされる。

【0003】

発電機器用のロータの従来の溶接は、欧州特許出願第０６６５０７９号明細書及び欧州特許出願公開第２２１５３２９号明細書に、より詳細に説明されている。

【0004】

欧州特許出願公開第０６６５０７９号明細書及び欧州特許出願公開第２２１５３２９号明細書（国際公開第２００９／０６５７３９号）は、ロータ軸線に沿って配置された複数のロータディスクを有する、発電設備（ガスタービン、蒸気タービン、発電機）用のロータを溶接するための原理を記載しており、この場合、ＴＩＧ溶接、特に溶接継手の根元領域のための特に極めて狭いギャップＴＩＧを用い、その後、溶接継目を充填するためにサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）を用いる。

【0005】

（欧州特許出願公開第０６６５０７９号明細書と同様の）図１は、溶接されたロータ１０の２つの隣接するロータディスク１１及び１２の間の溶接継目１３を備えた従来の溶接継手を示している。溶接の前に、２つのディスク１１及び１２は、高さｈのセンタリングステップジョイント２０において突き合わされ、これにより、ディスク１１及び１２の極めて狭いギャップのコンポーネント面２３及び２４によって形成された極めて狭いギャップ１９と、ディスク１１及び１２の狭いギャップのコンポーネント面１５及び１６によって形成された狭いギャップ１４とを形成する。

【0006】

極めて狭いギャップ１９は、ＴＩＧ溶接継目２５によって充填され、各溶接継目は、極めて狭いギャップの幅ｂの全体にわたって延びている。狭いギャップ１４は、ＳＡＷ溶接継目１７，１８によって充填され、このＳＡＷ溶接継目は、狭いギャップ幅ａよりも小さく、狭いギャップの対向するコンポーネント面１５及び１６に対して交互に当接され、狭いギャップ１４の中央において重なり合う。ＴＩＧ溶接中、溶接継手の根元部における融着領域２２は融着される。さらに、レリービングリッジ幅ｃと、高さｄと、レリービングリッジ角度ａとを有するレリービングリッジ２１は、溶接継手の根元部に設けられている。

【0007】

極めて狭いギャップのＴＩＧ溶接（溶接継目２５）は、通常はロータディスクの鉛直方向積層状態において溶接され（例えば、国際公開第２００９／０６５７３９号の図２を参照）、その後に充填されるＳＡＷ溶接（ＳＡＷ溶接継目１７，１８）は、水平位置において充填される（例えば、国際公開第２００９／０６５７３９号の図３を参照）。ＴＩＧ−ＳＡＷ移行部は、ＳＡＷ領域のためのＵ字形の溶接継手準備として示されている。

【0008】

このような従来の溶接継手の典型的な寸法は：
ＴＩＧの極めて狭いギャップの典型的な幅：ｂ＝１０ｍｍ、
ＳＡＷの狭いギャップの典型的な幅：ａ＝１７ｍｍである。

【0009】

欧州特許出願公開第０６６５０７９号明細書は、独国特許出願公開第２６３３８２９号明細書に記載されたプロセスによりコンポーネント側面に交互に提供された溶接ビードから形成された、体積の小さな継目を生ぜしめるアーク融接による金属コンポーネントの接合に関する方法を開示している。通常のギャップに加えて、コンポーネントには、隣接する端部ギャップと、センタリングインサートとが設けられている。コンポーネントは、このインサートを介して位置決めされ、継目の底部の領域にはレリーフスウェリングが形成されており、溶接プロセスによって、所要のスルーフュージョン位置が生ぜしめられる。その後、コンポーネント側面は、完全に自動的なＴＩＧ溶接によって接合されるか、又はＭＰＧ溶接は、多層溶接ビードを生ぜしめ、この多層溶接ビードの幅は、端部ギャップの全幅ｂをカバーしている。

【0010】

欧州特許出願公開第２２１５３２９号明細書又は国際公開第２００９／０６５７３９号はそれぞれ、ディスク状及び／又はドラム状のエレメント、特にディスク、を溶接することによって形成されたロータを製造する方法であって、前記ディスクは、装置によって長手方向軸線に沿って順次組み立てられ、二段階溶接プロセスによって溶接される、方法に関する。ディスクは、組立て中、鉛直方向で軸方向に積層される。第１の溶接プロセスは、積層されたディスクの鉛直方向の向きで行われ、その後、積層されたディスクの水平な向きで第２の溶接プロセスが行われる。

【0011】

最近では、ターボ機械用の溶接されたロータの分野において、他のパワフルな溶接方式が利用可能であり、これは、高品質及び減じられたコストで、根元部の溶融のためのタングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接と、強化層の充填とに置き換わることができる。

【0012】

メタルアクティブガス（ＡＭＧ）の完全に自動的なプロセスは、根元部の溶融及び強化層の溶接後に溶接部を充填するためのサブマージアーク溶接（ＳＡＷ）プロセスに置き換わるためのパワフルなプロセスである。ＭＡＧ溶接は、必要ならば鉛直位置において適用することもできる。この場合、ＳＡＷ溶接の前の傾倒を許容するための強化層は不要であるが、根元部領域の溶融後直ちに、溶接部を鉛直位置においてＭＡＧによって充填することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【特許文献1】欧州特許出願公開第０６６５０７９号明細書

【特許文献2】欧州特許出願公開第２２１５３２９号明細書（国際公開第２００９／０６５７３９号）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

本発明の課題は、よりフレキシブルでかつより簡単に実施される、ターボ機械用の溶接されたロータを製造する方法を開示することである。

【課題を解決するための手段】

【0015】

この課題は、請求項１記載の方法によって達成される。

【0016】

ロータ軸線に沿って配置された複数のロータディスクを有する、発電設備（ガスタービン、蒸気タービン、発電機）用のロータを溶接するための本発明による方法は：
前記ディスクに溶接継目準備を提供するステップであって、前記溶接継目準備は、根元部と、半径方向で前記根元部に隣接した第１のギャップ状の溶接セクションと、半径方向で前記第１の溶接セクションに隣接した第２のギャップ状の溶接セクションとを含む、ステップと、
第１の溶接プロセスによって根元部を溶融させるステップと、
第２の溶接プロセスによって前記第１の溶接セクションに強化溶接を行うステップと、
第３の溶接プロセスによって前記第２の溶接セクションを充填するステップと、を含む。

【0017】

本発明は、前記第１の溶接プロセスが、レーザ溶接（ＬＷ）、電子ビーム溶接（ＥＢ）、摩擦溶接及びレーザハイブリッド溶接のうちの１つである及び／又は第２の溶接プロセスが、レーザ溶接又はレーザハイブリッド溶接のうちの一方であることを特徴とする。

【0018】

本発明の１つの実施の形態によれば、前記第１の溶接プロセスは、レーザ溶接（ＬＷ）、電子ビーム溶接（ＥＢ）、摩擦溶接及びレーザハイブリッド溶接のうちの１つであり、前記第２の溶接プロセスは、タングステン不活性ガス溶接（ＴＩＧ）である。本発明の別の実施の形態によれば、前記第２の溶接プロセスは、レーザ溶接又はレーザハイブリッド溶接であり、前記第１の溶接プロセスは、タングステン不活性ガス溶接（ＴＩＧ）である。

【0019】

本発明の別の実施の形態によれば、前記第３の溶接プロセスは、完全に自動的なメタルアクティブガス溶接（ＭＡＧ）である。

【0020】

本発明の別の実施の形態によれば、前記第３の溶接プロセスは、コールドメタルトランスファ溶接（ＣＭＴ）である。

【0021】

本発明の付加的な実施の形態によれば、前記第３の溶接プロセスは、レーザハイブリッド溶接である。

【0022】

本発明の別の実施の形態によれば、前記第２の溶接プロセスは、レーザ溶接（ＬＷ）であり、このプロセスは、粉末又はワイヤフィラー金属を用いて行われる。

【0023】

図面の簡単な説明
ここで様々な実施の形態によって、添付の図面を参照しながら発明をより詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】従来技術によるロータディスク間の溶接継手を示す図である。

【図2】図１において用いられているような溶接継手構成と、本発明の１つの実施の形態による溶接継手構成との比較を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

本発明の一般的な概念は、ターボ機械の溶接されたロータの従来の製造プロセスにおけるＴＩＧ溶接プロセス及び／又はＳＡＷ溶接プロセスを、少なくとも部分的に、１つ又は２つ以上の有利な溶接プロセスと置き換え、手順を単純化する及び／又は手順をよりフレキシブルにすることである。

【0026】

図２に示したように、ロータ軸線３４を備えたロータ３０の２つの隣接するディスク２６及び２７の間の溶接継手構成は、様々なセクション、すなわち、根元部３３と、第１の溶接セクション３２（従来技術のＴＩＧ溶接領域２９と置き換わっている）と、隣接する第２の溶接セクション３１（従来技術のＳＡＷ溶接領域２８と置き換わっている）と、を含む。

【0027】

本発明の第１の実施の形態は、根元部３３のためのＴＩＧ溶接の置き換え、及び以下による、ＳＡＷを用いた（溶接セクション３１における）継目を充填する前の（溶接セクション３２における）強化に関する：
・根元部３３を溶融させ、かつ粉末又はワイヤフィラー金属により（溶接セクション３２において）強化層を形成するための、レーザ溶接（ＬＷ）
・根元部３３及び（溶接セクション３２における）強化層を溶融させるための電子ビーム溶接（ＥＢ）
・根元部３３及び（溶接セクション３２における）強化層を溶融させる代わりの、直線往復運動又は回転運動による摩擦溶接
・根元部３３を溶融させかつ（溶接セクション３２における）強化層を充填するためのレーザハイブリッド溶接
・上記手順の互いの組合せ及び／又は根元部３３を溶融させるための又は（溶接セクション３２における）強化層のためのＴＩＧ溶接との組合せ。

【0028】

本発明の第２の実施の形態は、完全に自動的なメタルアクティブガス（ＭＡＧ）溶接プロセスを用いることによる、（溶接セクション３１）における溶接部を充填するためのＳＡＷ溶接の置き換えに関する。

【0029】

すなわち、根元部３３のＴＩＧ溶融と、（溶接セクション３２における）強化層のフィラー金属による付加的な溶接とは、以下のような他の、今日では利用可能な、実証された溶接手順によって行うことができる：
・レーザ溶接（ＬＷ）
・電子ビーム溶接（ＥＢ）
・摩擦溶接、特にリニア摩擦溶接
・レーザハイブリッド溶接
・上記の組合せ及びＴＩＧとの組合せ
使用されるフィラー金属は、ワイヤ又は粉末であってよい。

【0030】

従来技術におけるロータの詳細に応じて、溶接のために４つまでのＴＩＧバーナが並列に用いられる。上述の択一的な溶接手順のために、ロータ形状に応じて、複数のバーナを同様に並列で用いることができる。

【0031】

ＭＡＧ溶接は、根元部溶融及び強化層溶接の後にロータの水平位置において（溶接セクション３１における）溶接部のＳＡＷ充填に置き換えられてよいが、ロータの鉛直位置において、ＳＡＷ溶接の代わりに、及びＳＡＷ溶接のためにロータを安全に鉛直位置から水平位置へ傾倒させるために必要な（溶接セクション３２における）強化層なしに、使用することもできる。鉛直位置におけるＳＡＷ溶接は可能であるが、複雑であり、したがって、通常は使用されない。

【0032】

すなわち、個々の用途に応じて、発電ロータ溶接のためにＳＡＷ溶接と組み合わせて現在使用されているＴＩＧ溶接は、溶融のために又は強化層のために、上述の択一的な溶接手順の、それらの組合せ、及びＴＩＧとの組合せによって置き換えることができる。

【0033】

すなわち、ＭＡＧ溶接は、ＳＡＷのために一般的に用いられるような水平位置だけでなく、鉛直位置においても、ロータ溶接部を仕上げるためにＳＡＷ溶接の代わりに用いることができ、強化層を提供しないという可能性を有する。

【0034】

本発明の別の実施の形態は、コールドメタルトランスファ（ＣＭＴ）溶接プロセスを用いることによる、（溶接セクション３１）における溶接部を充填するためのＳＡＷ溶接の置き換えに関する。

【0035】

根元部３３のためのレーザ溶接（ＬＷ）及び鉛直位置における（溶接セクション３２における）強化溶接の利点は：
・ＴＩＧ溶接の代わりのＬＷは、第２の強化溶接に置き換わるのに十分な溶接厚さを許容するので、強化溶接が不要である
・根元部溶接のために溶接フィラーは不要である（ＴＩＧ置き換え）
・極めて狭いギャップのＴＩＧ溶接（図１参照）はもはや不要であることによる、より複雑でない根元部溶接領域の準備
・レーザ溶接（ＬＷ）は、ＴＩＧ溶接よりも簡単である
・レーザ溶接（ＬＷ）は、ＴＩＧ又はＥＢ溶接よりも、磁界に対して敏感でない
・レーザ溶接（ＬＷ）は、（ＥＢ溶接と比較して）真空を必要としない。

【0036】

鉛直位置における根元部３３のための電子ビーム溶接（ＥＢ）の利点は：
・ＴＩＧ溶接の代わりのＥＢ溶接は、強化溶接と置き換わるのに十分な溶接厚さを許容するので、強化溶接が不要である
・根元部溶接のための溶接フィラーは不要である（ＴＩＧ置き換え）。

【0037】

根元部３３のためのレーザハイブリッド溶接及び鉛直位置における（溶接セクション３２における）溶接の利点は：
・ＴＩＧ溶接の代わりのレーザハイブリッド溶接は、ＴＩＧ根元部及びＴＩＧ強化溶接と置き換わるのに十分な溶接厚さを許容するので、強化溶接が不要である
・溶接セクション３１においてＳＡＷの代わりにレーザハイブリッドを用いることもできるので、溶接部を充填するための溶接プロセスの変更は不要である。

【0038】

（溶接セクション３１における）溶接継目を充填するための他の溶接プロセスによるＳＡＷ溶接の置き換えの利点は：
・ＳＡＷ溶接とは異なり、水平位置において溶接する必要がない
・溶接フラックスが不要である。

【0039】

（溶接セクション３１における）溶接継目を充填するためのレーザハイブリッド溶接プロセスによるＳＡＷ溶接の置き換えの利点は：
・水平な溶接設備へのロータ３０のシフトが不要である
・溶接フラックスが不要である
・ＳＡＷ溶接と比較して（特に大きな溶接深さのために）溶接幅の減少が可能である
・（体積において）より少ない溶接フィラーが必要であり、溶接部収縮がより小さい
・根元部溶接と、（溶接セクション３１における）溶接継目の充填のために、同じプロセスが可能である。

【0040】

（溶接セクション３１における）溶接継目を充填するためのＭＡＧ溶接プロセスによるＳＡＷ溶接の置き換えの利点は：
・水平な溶接設備へのロータ３０のシフトが不要である
・溶接フラックスが不要である
・ＳＡＷ溶接の場合のように、フラックスコアワイヤを用いた同じ又はより優れた溶融率
・（特に大きな溶接深さのための）ＳＡＷと比較した場合の溶接幅の減少が可能である。

【0041】

（溶接セクション３１における）溶接継目を充填するためのコールドメタルトランスファ（ＣＭＴ）溶接プロセスによるＳＡＷ溶接の置き換えの利点は：
・水平な溶接設備へのロータ３０のシフトが不要である
・溶接フラックスが不要である
・（特に大きな溶接深さのための）ＳＡＷと比較した場合の溶接幅の減少が可能である。
・ＭＡＧ溶接と比較して、基材への熱入力が減じられる。

【符号の説明】

【0042】

１０，３０ ロータ
１１，１２ ロータディスク
１３ 溶接継目
１４ 狭いギャップ
１５，１６ コンポーネント面（狭いギャップ）
１７，１８ ＳＡＷ溶接継目
１９ 極めて狭いギャップ
２０ センタリングステップジョイント
２１ レリービングリッジ
２２ 融着領域
２３，２４ コンポーネント面（極めて狭いギャップ）
２５ ＴＩＧ溶接継目
２６，２７ ロータディスク
２８ ＳＡＷ溶接領域
２９ ＴＩＧ溶接領域
３１，３２ 溶接セクション
３３ 根元部

【図1】

【図2】