特許 5955125 タービンロータ及びその製造方法及び当該タービンロータを用いた蒸気タービン

(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】5955125

(24)【登録日】2016年6月24日

(45)【発行日】2016年7月20日

(54)【発明の名称】タービンロータ及びその製造方法及び当該タービンロータを用いた蒸気タービン

(51)【国際特許分類】

   F01D 25/00 20060101AFI20160707BHJP

   C22C 19/05 20060101ALI20160707BHJP

   C22C 38/00 20060101ALI20160707BHJP

   C22C 38/52 20060101ALI20160707BHJP

   C22C 38/46 20060101ALI20160707BHJP

   C22C 30/00 20060101ALI20160707BHJP

   B23K 9/04 20060101ALI20160707BHJP

   B23K 9/167 20060101ALI20160707BHJP

   B23K 9/235 20060101ALI20160707BHJP

   B23K 9/23 20060101ALI20160707BHJP

   B23K 9/00 20060101ALI20160707BHJP

   B23K 33/00 20060101ALI20160707BHJP

【ＦＩ】

   F01D25/00 F

   C22C19/05 C

   C22C38/00 302Z

   C22C38/52

   C22C38/00 301A

   C22C38/46

   C22C30/00

   B23K9/04 H

   B23K9/167 A

   B23K9/235 Z

   B23K9/23 H

   B23K9/00 501E

   B23K33/00 Z

   B23K9/00 501G

   F01D25/00 L

   F01D25/00 X

【請求項の数】14

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2012-140472(P2012-140472)

(22)【出願日】2012年6月22日

(65)【公開番号】特開2014-5754(P2014-5754A)

(43)【公開日】2014年1月16日

【審査請求日】2015年1月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】514030104

【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】西岡 映二

(72)【発明者】

【氏名】村田 健一

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 一彦

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 順

(72)【発明者】

【氏名】生田目 寿男

(72)【発明者】

【氏名】今野 晋也

【審査官】 米澤 篤

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−１３７０４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２１５１８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２７８０６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平３−２３７２０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−６４８０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００２／００８１１９７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−１５１０１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−５０６６４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ ２５／００

Ｂ２３Ｋ ９／００

Ｂ２３Ｋ ９／０４

Ｂ２３Ｋ ９／１６７

Ｂ２３Ｋ ９／２３

Ｂ２３Ｋ ９／２３５

Ｂ２３Ｋ ３３／００

Ｃ２２Ｃ １９／０５

Ｃ２２Ｃ ３０／００

Ｃ２２Ｃ ３８／００

Ｃ２２Ｃ ３８／４６

Ｃ２２Ｃ ３８／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高温側ロータ母材と、低温側ロータ母材とを備え、前記高温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、前記低温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、前記高温側ロータ母材の前記凹部と前記低温側ロータ母材の前記凹部とを対向配置してこれらの前記凹部の間に密閉空間部を形成し、前記高温側ロータ母材の前記開先部と前記低温側ロータ母材の前記開先部とを対向配置してこれらの前記開先部の間に溝部を形成し、前記高温側ロータ母材と前記低温側ロータ母材との間には、前記高温側ロータ母材又は前記低温側ロータ母材と同じ成分を有する肉盛部を有し、前記肉盛部は、前記密閉空間部側に裏波を有し、前記溝部には、溶接金属が充填されており、
前記高温側ロータ母材と前記低温側ロータ母材との熱伝導率の比は、２／３〜３／２の範囲であることを特徴とするタービンロータ。

【請求項2】

前記高温側ロータ母材は、前記開先部の表面に全面バタリング部を有することを特徴とする請求項１記載のタービンロータ。

【請求項3】

高温側ロータ母材と、低温側ロータ母材とを備え、前記高温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、前記低温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、前記高温側ロータ母材の前記凹部と前記低温側ロータ母材の前記凹部とを対向配置してこれらの前記凹部の間に密閉空間部を形成し、前記高温側ロータ母材の前記開先部と前記低温側ロータ母材の前記開先部とを対向配置してこれらの前記開先部の間に溝部を形成し、前記高温側ロータ母材と前記低温側ロータ母材との間には、前記高温側ロータ母材又は前記低温側ロータ母材と同じ成分を有する肉盛部を有し、前記肉盛部は、前記密閉空間部側に裏波を有し、前記溝部には、溶接金属が充填されており、
前記高温側ロータ母材は、質量基準で、コバルト（Ｃｏ）５〜１５％、クロム（Ｃｒ）１３〜１５．５％、アルミニウム（Ａｌ）４．０〜５．５％、チタン（Ｔｉ）０．１〜２．０％、ニオブ（Ｎｂ）０．１〜１．０％、タンタル（Ｔａ）０．１〜３．０％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜２．０％、タングステン（Ｗ）４．５〜１０％、ハフニウム（Ｈｆ）０．１〜２．０％、炭素（Ｃ）０．０５〜０．２０％、ホウ素（Ｂ）０．００１〜０．０３％、及びジルコニウム（Ｚｒ）０．０１〜０．１％、並びに残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避的不純物からなるニッケル基合金であることを特徴とするタービンロータ。

【請求項4】

高温側ロータ母材と、低温側ロータ母材とを備え、前記高温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、前記低温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、前記高温側ロータ母材の前記凹部と前記低温側ロータ母材の前記凹部とを対向配置してこれらの前記凹部の間に密閉空間部を形成し、前記高温側ロータ母材の前記開先部と前記低温側ロータ母材の前記開先部とを対向配置してこれらの前記開先部の間に溝部を形成し、前記高温側ロータ母材と前記低温側ロータ母材との間には、前記高温側ロータ母材又は前記低温側ロータ母材と同じ成分を有する肉盛部を有し、前記肉盛部は、前記密閉空間部側に裏波を有し、前記溝部には、溶接金属が充填されており、
前記高温側ロータ母材は、質量基準で、鉄（Ｆｅ）３０〜４０％、クロム（Ｃｒ）１４〜１６％、チタン（Ｔｉ）１．２〜１．７％、アルミニウム（Ａｌ）１．１〜１．５％、ニオブ（Ｎｂ）１．９〜２．７％、及び炭素（Ｃ）０．０５％以下、並びに残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避的不純物からなるニッケル−鉄基合金であることを特徴とするタービンロータ。

【請求項5】

高温側ロータ母材と、低温側ロータ母材とを備え、前記高温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、前記低温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、前記高温側ロータ母材の前記凹部と前記低温側ロータ母材の前記凹部とを対向配置してこれらの前記凹部の間に密閉空間部を形成し、前記高温側ロータ母材の前記開先部と前記低温側ロータ母材の前記開先部とを対向配置してこれらの前記開先部の間に溝部を形成し、前記高温側ロータ母材と前記低温側ロータ母材との間には、前記高温側ロータ母材又は前記低温側ロータ母材と同じ成分を有する肉盛部を有し、前記肉盛部は、前記密閉空間部側に裏波を有し、前記溝部には、溶接金属が充填されており、
前記低温側ロータ母材は、質量基準で、炭素（Ｃ）０．１〜０．２％、マンガン（Ｍｎ）０．３〜１．０％、ニッケル（Ｎｉ）１％以下、クロム（Ｃｒ）９〜１３％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜１．５％、タングステン（Ｗ）０．２〜５．０％、ニオブ（Ｎｂ）０．０２〜０．１％、及びコバルト（Ｃｏ）３％以下を含む全焼戻しマルテンサイト組織を有する１２％クロム鋼であることを特徴とするタービンロータ。

【請求項6】

高温側ロータ母材と、低温側ロータ母材とを備え、前記高温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、前記低温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、前記高温側ロータ母材の前記凹部と前記低温側ロータ母材の前記凹部とを対向配置してこれらの前記凹部の間に密閉空間部を形成し、前記高温側ロータ母材の前記開先部と前記低温側ロータ母材の前記開先部とを対向配置してこれらの前記開先部の間に溝部を形成し、前記高温側ロータ母材と前記低温側ロータ母材との間には、前記高温側ロータ母材又は前記低温側ロータ母材と同じ成分を有する肉盛部を有し、前記肉盛部は、前記密閉空間部側に裏波を有し、前記溝部には、溶接金属が充填されており、
前記低温側ロータ母材は、質量基準で、炭素（Ｃ）０．２５〜０．３５％、マンガン（Ｍｎ）０．５〜１％、ニッケル（Ｎｉ）１％以下、クロム（Ｃｒ）０．８〜１．５％、モリブデン（Ｍｏ）１．０〜１．５％、及びバナジウム（Ｖ）０．２〜０．３％を含むベイナイト組織を有する１％クロム−モリブデン−バナジウム鋼であることを特徴とするタービンロータ。

【請求項7】

高温側ロータ母材と、低温側ロータ母材とを備え、前記高温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、前記低温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、前記高温側ロータ母材の前記凹部と前記低温側ロータ母材の前記凹部とを対向配置してこれらの前記凹部の間に密閉空間部を形成し、前記高温側ロータ母材の前記開先部と前記低温側ロータ母材の前記開先部とを対向配置してこれらの前記開先部の間に溝部を形成し、前記高温側ロータ母材と前記低温側ロータ母材との間には、前記高温側ロータ母材又は前記低温側ロータ母材と同じ成分を有する肉盛部を有し、前記肉盛部は、前記密閉空間部側に裏波を有し、前記溝部には、溶接金属が充填されており、
前記高温側ロータ母材は、質量基準で、コバルト（Ｃｏ）５〜１５％、クロム（Ｃｒ）１３〜１５．５％、アルミニウム（Ａｌ）４．０〜５．５％、チタン（Ｔｉ）０．１〜２．０％、ニオブ（Ｎｂ）０．１〜１．０％、タンタル（Ｔａ）０．１〜３．０％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜２．０％、タングステン（Ｗ）４．５〜１０％、ハフニウム（Ｈｆ）０．１〜２．０％、炭素（Ｃ）０．０５〜０．２０％、ホウ素（Ｂ）０．００１〜０．０３％、及びジルコニウム（Ｚｒ）０．０１〜０．１％、並びに残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避的不純物からなるニッケル基合金よりなり、
前記低温側ロータ母材は、質量基準で、炭素（Ｃ）０．１〜０．２％、マンガン（Ｍｎ）０．３〜１．０％、ニッケル（Ｎｉ）１％以下、クロム（Ｃｒ）９〜１３％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜１．５％、タングステン（Ｗ）０．２〜５．０％、ニオブ（Ｎｂ）０．０２〜０．１％、及びコバルト（Ｃｏ）３％以下を含む全焼戻しマルテンサイト組織を有する１２％クロム鋼、又は、炭素（Ｃ）０．２５〜０．３５％、マンガン（Ｍｎ）０．５〜１％、ニッケル（Ｎｉ）１％以下、クロム（Ｃｒ）０．８〜１．５％、モリブデン（Ｍｏ）１．０〜１．５％、及びバナジウム（Ｖ）０．２〜０．３％を含むベイナイト組織を有する１％クロム−モリブデン−バナジウム鋼からなることを特徴とするタービンロータ。

【請求項8】

高温側ロータ母材と、低温側ロータ母材とを備え、前記高温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、前記低温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、前記高温側ロータ母材の前記凹部と前記低温側ロータ母材の前記凹部とを対向配置してこれらの前記凹部の間に密閉空間部を形成し、前記高温側ロータ母材の前記開先部と前記低温側ロータ母材の前記開先部とを対向配置してこれらの前記開先部の間に溝部を形成し、前記高温側ロータ母材と前記低温側ロータ母材との間には、前記高温側ロータ母材又は前記低温側ロータ母材と同じ成分を有する肉盛部を有し、前記肉盛部は、前記密閉空間部側に裏波を有し、前記溝部には、溶接金属が充填されており、
前記高温側ロータ母材は、質量基準で、コバルト（Ｃｏ）５〜１５％、クロム（Ｃｒ）１３〜１５．５％、アルミニウム（Ａｌ）４．０〜５．５％、チタン（Ｔｉ）０．１〜２．０％、ニオブ（Ｎｂ）０．１〜１．０％、タンタル（Ｔａ）０．１〜３．０％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜２．０％、タングステン（Ｗ）４．５〜１０％、ハフニウム（Ｈｆ）０．１〜２．０％、炭素（Ｃ）０．０５〜０．２０％、ホウ素（Ｂ）０．００１〜０．０３％、及びジルコニウム（Ｚｒ）０．０１〜０．１％、並びに残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避的不純物からなるニッケル基合金よりなり、
前記低温側ロータ母材は、質量基準で、炭素（Ｃ）０．１〜０．２％、マンガン（Ｍｎ）０．３〜１．０％、ニッケル（Ｎｉ）１％以下、クロム（Ｃｒ）９〜１３％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜１．５％、タングステン（Ｗ）０．２〜５．０％、ニオブ（Ｎｂ）０．０２〜０．１％、及びコバルト（Ｃｏ）３％以下を含む全焼戻しマルテンサイト組織を有する１２％クロム鋼からなることを特徴とするタービンロータ。

【請求項9】

高温側ロータ母材と、低温側ロータ母材とを備え、前記高温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、前記低温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、前記高温側ロータ母材の前記凹部と前記低温側ロータ母材の前記凹部とを対向配置してこれらの前記凹部の間に密閉空間部を形成し、前記高温側ロータ母材の前記開先部と前記低温側ロータ母材の前記開先部とを対向配置してこれらの前記開先部の間に溝部を形成し、前記高温側ロータ母材と前記低温側ロータ母材との間には、前記高温側ロータ母材又は前記低温側ロータ母材と同じ成分を有する肉盛部を有し、前記肉盛部は、前記密閉空間部側に裏波を有し、前記溝部には、溶接金属が充填されており、
前記高温側ロータ母材は、質量基準で、コバルト（Ｃｏ）５〜１５％、クロム（Ｃｒ）１３〜１５．５％、アルミニウム（Ａｌ）４．０〜５．５％、チタン（Ｔｉ）０．１〜２．０％、ニオブ（Ｎｂ）０．１〜１．０％、タンタル（Ｔａ）０．１〜３．０％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜２．０％、タングステン（Ｗ）４．５〜１０％、ハフニウム（Ｈｆ）０．１〜２．０％、炭素（Ｃ）０．０５〜０．２０％、ホウ素（Ｂ）０．００１〜０．０３％、及びジルコニウム（Ｚｒ）０．０１〜０．１％、並びに残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避的不純物からなるニッケル基合金、又は、鉄（Ｆｅ）３０〜４０％、クロム（Ｃｒ）１４〜１６％、チタン（Ｔｉ）１．２〜１．７％、アルミニウム（Ａｌ）１．１〜１．５％、ニオブ（Ｎｂ）１．９〜２．７％、及び炭素（Ｃ）０．０５％以下、並びに残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避的不純物からなるニッケル−鉄基合金よりなり、
前記低温側ロータ母材は、質量基準で、炭素（Ｃ）０．１〜０．２％、マンガン（Ｍｎ）０．３〜１．０％、ニッケル（Ｎｉ）１％以下、クロム（Ｃｒ）９〜１３％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜１．５％、タングステン（Ｗ）０．２〜５．０％、ニオブ（Ｎｂ）０．０２〜０．１％、及びコバルト（Ｃｏ）３％以下を含む全焼戻しマルテンサイト組織を有する１２％クロム鋼、又は、炭素（Ｃ）０．２５〜０．３５％、マンガン（Ｍｎ）０．５〜１％、ニッケル（Ｎｉ）１％以下、クロム（Ｃｒ）０．８〜１．５％、モリブデン（Ｍｏ）１．０〜１．５％、及びバナジウム（Ｖ）０．２〜０．３％を含むベイナイト組織を有する１％クロム−モリブデン−バナジウム鋼からなることを特徴とするタービンロータ。

【請求項10】

高温側ロータ母材と、低温側ロータ母材とを備え、前記高温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、前記低温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、前記高温側ロータ母材の前記凹部と前記低温側ロータ母材の前記凹部とを対向配置してこれらの前記凹部の間に密閉空間部を形成し、前記高温側ロータ母材の前記開先部と前記低温側ロータ母材の前記開先部とを対向配置してこれらの前記開先部の間に溝部を形成し、前記高温側ロータ母材と前記低温側ロータ母材との間には、前記高温側ロータ母材又は前記低温側ロータ母材と同じ成分を有する肉盛部を有し、前記肉盛部は、前記密閉空間部側に裏波を有し、前記溝部には、溶接金属が充填されており、
前記高温側ロータ母材は、質量基準で、コバルト（Ｃｏ）５〜１５％、クロム（Ｃｒ）１３〜１５．５％、アルミニウム（Ａｌ）４．０〜５．５％、チタン（Ｔｉ）０．１〜２．０％、ニオブ（Ｎｂ）０．１〜１．０％、タンタル（Ｔａ）０．１〜３．０％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜２．０％、タングステン（Ｗ）４．５〜１０％、ハフニウム（Ｈｆ）０．１〜２．０％、炭素（Ｃ）０．０５〜０．２０％、ホウ素（Ｂ）０．００１〜０．０３％、及びジルコニウム（Ｚｒ）０．０１〜０．１％、並びに残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避的不純物からなるニッケル基合金、又は、鉄（Ｆｅ）３０〜４０％、クロム（Ｃｒ）１４〜１６％、チタン（Ｔｉ）１．２〜１．７％、アルミニウム（Ａｌ）１．１〜１．５％、ニオブ（Ｎｂ）１．９〜２．７％、及び炭素（Ｃ）０．０５％以下、並びに残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避的不純物からなるニッケル−鉄基合金よりなり、
前記低温側ロータ母材は、質量基準で、炭素（Ｃ）０．１〜０．２％、マンガン（Ｍｎ）０．３〜１．０％、ニッケル（Ｎｉ）１％以下、クロム（Ｃｒ）９〜１３％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜１．５％、タングステン（Ｗ）０．２〜５．０％、ニオブ（Ｎｂ）０．０２〜０．１％、及びコバルト（Ｃｏ）３％以下を含む全焼戻しマルテンサイト組織を有する１２％クロム鋼からなることを特徴とするタービンロータ。

【請求項11】

高温側ロータ母材と、低温側ロータ母材とを備え、前記高温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、前記低温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、前記高温側ロータ母材の前記凹部と前記低温側ロータ母材の前記凹部とを対向配置してこれらの前記凹部の間に密閉空間部を形成し、前記高温側ロータ母材の前記開先部と前記低温側ロータ母材の前記開先部とを対向配置してこれらの前記開先部の間に溝部を形成し、前記高温側ロータ母材と前記低温側ロータ母材との間には、前記高温側ロータ母材又は前記低温側ロータ母材と同じ成分を有する肉盛部を有し、前記肉盛部は、前記密閉空間部側に裏波を有し、前記溝部には、溶接金属が充填されており、前記高温側ロータ母材と前記低温側ロータ母材との熱伝導率の比は、２／３〜３／２の範囲である、タービンロータの製造方法であって、前記高温側ロータ母材又は前記低温側ロータ母材の突き合せ部にバタリング肉盛を施すバタリング肉盛工程と、前記突き合せ部を溶融して前記裏波を形成する裏波形成工程と、前記溝部に前記溶接金属で埋める本溶接工程とを含むことを特徴とするタービンロータの製造方法。

【請求項12】

前記バタリング肉盛工程の後に前記高温側ロータ母材及び前記低温側ロータ母材に開先加工を施す開先加工工程を行い、その後、前記裏波形成工程を行うことを特徴とする請求項１１記載のタービンロータの製造方法。

【請求項13】

前記高温側ロータ母材の前記開先部の表面に全面バタリング部を形成するバタリング工程を行い、その後、前記バタリング肉盛工程を行うことを特徴とする請求項１１又は１２に記載のタービンロータの製造方法。

【請求項14】

請求項１〜１０のいずれか一項に記載のタービンロータを用いたことを特徴とする蒸気タービン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、異材溶接部を有するタービンロータ及びその製造方法及び当該タービンロータを用いた蒸気タービンに関する。

【背景技術】

【0002】

蒸気タービンは、ボイラー、タービンロータ、動翼、発電機などで構成されている。

【0003】

大型のタービンロータは、軸長が長大になることに加えて、その高圧側には高温クリープ破断強度が要求され、その低圧側には引張強度と靭性とが要求される。そのため、一部材で蒸気タービンロータを形成する場合、これらの各要求を満足させる特性を得ることが困難であった。特に、蒸気温度の上昇に伴い、高圧側ロータの材料として、従来の鉄系合金では限界に近付いている。

【0004】

そのため、鉄系合金よりも耐熱性の優れるＮｉ基超合金を用いることが検討されている。しかし、Ｎｉ基超合金は、大型ブロックの製造性、加工性、コスト、調達しやすさなどの点で鉄系合金に比べて劣る。

【0005】

そこで、高圧側ロータを耐熱性に優れたＮｉ基超合金材料で形成し、低圧側ロータを引張強度及び靭性に優れた鉄系合金材料で形成し、これらの材料を溶接によって一体化する製造方法が知られている。

【0006】

ところが、ロータを溶接する際、溶接部の底部に位置し、最初に溶接する突き合せ部においては、溶接部の裏側に形成する溶接ビード、いわゆる裏波を形成する必要がある。裏波を形成しない場合、突き合せ部に未溶着部が残存することになり、これが運転中の破壊ポテンシャルを増幅するおそれがある。

【0007】

そのため、ロータを溶接する場合には裏波を形成する必要があるが、ロータ材料の組み合わせが異材、特に、Ｎｉ基合金材料と鉄系合金材料との組み合わせの場合、両者の熱的物性値の相違が問題となる。この場合、（１）添加元素の相違による元素の移動、（２）熱処理条件の相違による機械的特性の確保、及び（３）熱伝導性の相違による裏波の形成が課題となる。

【0008】

上記（１）及び（２）の課題については、特許文献１〜４に解決手段が記載されている。

【0009】

特許文献１には、ロータ母材として、全焼戻しマルテンサイト組織を有する１２％Ｃｒ系鋼と、ベイナイト組織を有するＣｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼とを用い、これらの突合せ部を、溶接部を介して接合したタービンロータであって、突合せ部に設けたバタリング層の硬度分布が所定の範囲に収まるように構成されているものが開示されている。

【0010】

特許文献２には、水素ガス雰囲気中で長期間供用されたＣｒ−Ｍｏ−Ｆｅ系耐熱鋼材に、新たなＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ系耐熱合金材を溶接して接続する異材溶接方法において、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｆｅ系耐熱鋼材の接続部近傍を所定の温度に加熱して脱水素処理を施す技術が開示されている。

【0011】

特許文献３には、ステンレス鋼製管を突合わせ溶接するにあたり、溶接部の内面または外面から所定の深さの範囲で溶融凝固層を形成する原子炉内部配管溶接部の応力腐食割れ防止方法が開示されている。

【0012】

特許文献４には、鋼材に対して２種類のＮｉ基溶接材料を順次溶接する方法が開示されている。

【0013】

特許文献５には、凸部と凹部とを互いに嵌合させて一体化した低合金鋼であるロータ軸及びＮｉ基超合金であるタービン翼車を芯出し状態でセットした後、ロータ軸の軸心周りに回転させながら、突き合わせ部分に全周にわたって溶接する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【特許文献1】特開２００８−２１５１８１号公報

【特許文献2】特開２０００−２５４７７４号公報

【特許文献3】特開２０００−２５４７７６号公報

【特許文献4】特開２００９−２４８０９５号公報

【特許文献5】特開２０１２−６１４９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

特許文献１〜４に記載された溶接部では、バタリングの事前施工する、板厚方向に化学組成の異なる溶接材料を積層するなどにより、異材溶接部の課題を解消している。

【0016】

しかし、溶接ロータでは、これらの課題を解決することに加えて、上記（３）の溶接ロータ特有の課題である裏波の安定形成が重要である。これは、溶接ロータの内部が中空になっていることが原因である。裏波の形成を失敗した場合、裏面から研削することはできず、断面で切除しなければならない。また、裏波が適正に形成できず、突き合せ部に未溶着部を生じた場合、それを起点とした破壊を引き起こすおそれがある。

【0017】

このような溶接ロータ特有の課題に加えて、ロータ材料がＮｉ基合金材料と鉄系合金材料との組み合わせである場合、熱物性、特に熱伝導率が大きく異なるという問題がある。熱物性の違いから、両材料の溶融挙動に相違が生じるため、裏波を形成することが困難である。

【0018】

本発明は、二種類の合金材料を組み合わせた異材溶接ロータにおいて、その溶接部付近にロータの密閉空間部を有する場合に、亀裂が生じにくい裏波を確実に形成することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0019】

本発明は、高温側ロータ母材と、低温側ロータ母材とを備えたタービンロータにおいて、高温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、低温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、高温側ロータ母材の凹部と低温側ロータ母材の凹部とを対向配置してこれらの凹部の間に密閉空間部を形成し、高温側ロータ母材の開先部と低温側ロータ母材の開先部とを対向配置してこれらの開先部の間に溝部を形成し、高温側ロータ母材と低温側ロータ母材との間には、高温側ロータ母材又は低温側ロータ母材と同じ成分を有する肉盛部を有し、肉盛部は、密閉空間部側に裏波を有し、溝部には、溶接金属が充填されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、熱物性の異なる二種類の合金材料を組み合わせた異材溶接ロータに安定した裏波を形成できるため、破壊の起点となる突き合せ部の未溶着部が生じることを抑制し、欠陥の発生頻度を低減することができ、大型溶接構造物であるタービンロータの強度信頼性を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】蒸気タービンの構成を示す模式図である。

【図2A】ロータの形状を示す部分斜視図である。

【図2B】二つのロータ母材の溶接部を示す断面図である。

【図2C】図２ＢのＡ−Ａ断面図である。

【図3】二つのロータ母材の熱伝導率の相関関係を示すグラフである。

【図4】タービンロータの溶接に用いるタングステン−不活性ガス溶接装置を示す概略側面図である。

【図5】実施例１の溶接工程を示すフロー図である。

【図6】実施例１の溶接工程を示す連続断面図である。

【図7】実施例２の溶接工程を示すフロー図である。

【図8】実施例２の溶接工程を示す連続断面図である。

【図9】実施例３の溶接工程を示す連続断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明者は、Ｎｉ基合金材料と鉄系合金材料とを組み合わせた溶接ロータの突き合せ部において、裏波を形成するための方策を検討した。その結果、突き合せ部と、裏波を形成する際に熱が伝わる範囲とを、同種の材料で構成するアイデアを着想した。すなわち、突き合せ部を同種の材料とすることにより、２つのロータ母材の溶融挙動が同様になりやすい。熱が伝わる範囲を同種の材料とすることにより、２つのロータ母材の突き合せ部近傍の温度が一様になりやすい。

【0023】

この結果を基にして、二種類の異種材料を接合したロータ（異材溶接ロータ）を構成するＮｉ基合金材料のロータ母材（高温側ロータ母材）と鉄系合金材料のロータ母材（低温側ロータ母材）との突き合せ部に、予め鉄系合金材料の溶接部を設け、二つのロータ母材を突き合わせることによって形成されるロータの中空部側に裏波を形成することにした。

【0024】

以下、本発明の実施形態に係るタービンロータ及びその製造方法について説明する。

【0025】

前記タービンロータは、高温側ロータ母材と、低温側ロータ母材とを備え、高温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、低温側ロータ母材は、凹部及び開先部を有し、高温側ロータ母材の凹部と低温側ロータ母材の凹部とを対向配置してこれらの凹部の間に密閉空間部を形成し、高温側ロータ母材の開先部と低温側ロータ母材の開先部とを対向配置してこれらの開先部の間に溝部を形成し、高温側ロータ母材と低温側ロータ母材との間には、高温側ロータ母材又は低温側ロータ母材と同じ成分を有する肉盛部を有し、肉盛部は、密閉空間部側に裏波を有し、溝部には、溶接金属が充填されていることを特徴とする。

【0026】

前記タービンロータにおいて、高温側ロータ母材と低温側ロータ母材との熱伝導率の比は、２／３〜３／２の範囲であることが望ましい。

【0027】

前記タービンロータにおいて、高温側ロータ母材は、開先部の表面に全面バタリング部を有することが望ましい。

【0028】

前記タービンロータにおいて、高温側ロータ母材は、質量基準で、コバルト（Ｃｏ）５〜１５％、クロム（Ｃｒ）１３〜１５．５％、アルミニウム（Ａｌ）４．０〜５．５％、チタン（Ｔｉ）０．１〜２．０％、ニオブ（Ｎｂ）０．１〜１．０％、タンタル（Ｔａ）０．１〜３．０％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜２．０％、タングステン（Ｗ）４．５〜１０％、ハフニウム（Ｈｆ）０．１〜２．０％、炭素（Ｃ）０．０５〜０．２０％、ホウ素（Ｂ）０．００１〜０．０３％、及びジルコニウム（Ｚｒ）０．０１〜０．１％、並びに残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避的不純物からなるニッケル基合金であることが望ましい。

【0029】

前記タービンロータにおいて、高温側ロータ母材は、質量基準で、鉄（Ｆｅ）３０〜４０％、クロム（Ｃｒ）１４〜１６％、チタン（Ｔｉ）１．２〜１．７％、アルミニウム（Ａｌ）１．１〜１．５％、ニオブ（Ｎｂ）１．９〜２．７％、及び炭素（Ｃ）０．０５％以下、並びに残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避的不純物からなるニッケル−鉄基合金であることが望ましい。

【0030】

前記タービンロータにおいて、低温側ロータ母材は、質量基準で、炭素（Ｃ）０．１〜０．２％、マンガン（Ｍｎ）０．３〜１．０％、ニッケル（Ｎｉ）１％以下、クロム（Ｃｒ）９〜１３％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜１．５％、タングステン（Ｗ）０．２〜５．０％、ニオブ（Ｎｂ）０．０２〜０．１％、及びコバルト（Ｃｏ）３％以下を含む全焼戻しマルテンサイト組織を有する１２％クロム鋼であることが望ましい。

【0031】

前記タービンロータにおいて、低温側ロータ母材は、質量基準で、炭素（Ｃ）０．２５〜０．３５％、マンガン（Ｍｎ）０．５〜１％、ニッケル（Ｎｉ）１％以下、クロム（Ｃｒ）０．８〜１．５％、モリブデン（Ｍｏ）１．０〜１．５％、及びバナジウム（Ｖ）０．２〜０．３％を含むベイナイト組織を有する１％クロム−モリブデン−バナジウム鋼であることが望ましい。

【0032】

前記タービンロータにおいて、高温側ロータ母材は、質量基準で、コバルト（Ｃｏ）５〜１５％、クロム（Ｃｒ）１３〜１５．５％、アルミニウム（Ａｌ）４．０〜５．５％、チタン（Ｔｉ）０．１〜２．０％、ニオブ（Ｎｂ）０．１〜１．０％、タンタル（Ｔａ）０．１〜３．０％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜２．０％、タングステン（Ｗ）４．５〜１０％、ハフニウム（Ｈｆ）０．１〜２．０％、炭素（Ｃ）０．０５〜０．２０％、ホウ素（Ｂ）０．００１〜０．０３％、及びジルコニウム（Ｚｒ）０．０１〜０．１％、並びに残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避的不純物からなるニッケル基合金よりなり、低温側ロータ母材は、質量基準で、炭素（Ｃ）０．１〜０．２％、マンガン（Ｍｎ）０．３〜１．０％、ニッケル（Ｎｉ）１％以下、クロム（Ｃｒ）９〜１３％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜１．５％、タングステン（Ｗ）０．２〜５．０％、ニオブ（Ｎｂ）０．０２〜０．１％、及びコバルト（Ｃｏ）３％以下を含む全焼戻しマルテンサイト組織を有する１２％クロム鋼、又は、炭素（Ｃ）０．２５〜０．３５％、マンガン（Ｍｎ）０．５〜１％、ニッケル（Ｎｉ）１％以下、クロム（Ｃｒ）０．８〜１．５％、モリブデン（Ｍｏ）１．０〜１．５％、及びバナジウム（Ｖ）０．２〜０．３％を含むベイナイト組織を有する１％クロム−モリブデン−バナジウム鋼からなることが望ましい。

【0033】

前記タービンロータにおいて、高温側ロータ母材は、質量基準で、コバルト（Ｃｏ）５〜１５％、クロム（Ｃｒ）１３〜１５．５％、アルミニウム（Ａｌ）４．０〜５．５％、チタン（Ｔｉ）０．１〜２．０％、ニオブ（Ｎｂ）０．１〜１．０％、タンタル（Ｔａ）０．１〜３．０％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜２．０％、タングステン（Ｗ）４．５〜１０％、ハフニウム（Ｈｆ）０．１〜２．０％、炭素（Ｃ）０．０５〜０．２０％、ホウ素（Ｂ）０．００１〜０．０３％、及びジルコニウム（Ｚｒ）０．０１〜０．１％、並びに残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避的不純物からなるニッケル基合金よりなり、低温側ロータ母材は、質量基準で、炭素（Ｃ）０．１〜０．２％、マンガン（Ｍｎ）０．３〜１．０％、ニッケル（Ｎｉ）１％以下、クロム（Ｃｒ）９〜１３％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜１．５％、タングステン（Ｗ）０．２〜５．０％、ニオブ（Ｎｂ）０．０２〜０．１％、及びコバルト（Ｃｏ）３％以下を含む全焼戻しマルテンサイト組織を有する１２％クロム鋼からなることが望ましい。

【0034】

前記タービンロータにおいて、高温側ロータ母材は、質量基準で、コバルト（Ｃｏ）５〜１５％、クロム（Ｃｒ）１３〜１５．５％、アルミニウム（Ａｌ）４．０〜５．５％、チタン（Ｔｉ）０．１〜２．０％、ニオブ（Ｎｂ）０．１〜１．０％、タンタル（Ｔａ）０．１〜３．０％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜２．０％、タングステン（Ｗ）４．５〜１０％、ハフニウム（Ｈｆ）０．１〜２．０％、炭素（Ｃ）０．０５〜０．２０％、ホウ素（Ｂ）０．００１〜０．０３％、及びジルコニウム（Ｚｒ）０．０１〜０．１％、並びに残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避的不純物からなるニッケル基合金、又は、鉄（Ｆｅ）３０〜４０％、クロム（Ｃｒ）１４〜１６％、チタン（Ｔｉ）１．２〜１．７％、アルミニウム（Ａｌ）１．１〜１．５％、ニオブ（Ｎｂ）１．９〜２．７％、及び炭素（Ｃ）０．０５％以下、並びに残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避的不純物からなるニッケル−鉄基合金よりなり、低温側ロータ母材は、質量基準で、炭素（Ｃ）０．１〜０．２％、マンガン（Ｍｎ）０．３〜１．０％、ニッケル（Ｎｉ）１％以下、クロム（Ｃｒ）９〜１３％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜１．５％、タングステン（Ｗ）０．２〜５．０％、ニオブ（Ｎｂ）０．０２〜０．１％、及びコバルト（Ｃｏ）３％以下を含む全焼戻しマルテンサイト組織を有する１２％クロム鋼、又は、炭素（Ｃ）０．２５〜０．３５％、マンガン（Ｍｎ）０．５〜１％、ニッケル（Ｎｉ）１％以下、クロム（Ｃｒ）０．８〜１．５％、モリブデン（Ｍｏ）１．０〜１．５％、及びバナジウム（Ｖ）０．２〜０．３％を含むベイナイト組織を有する１％クロム−モリブデン−バナジウム鋼からなることが望ましい。

【0035】

前記タービンロータにおいて、高温側ロータ母材は、質量基準で、コバルト（Ｃｏ）５〜１５％、クロム（Ｃｒ）１３〜１５．５％、アルミニウム（Ａｌ）４．０〜５．５％、チタン（Ｔｉ）０．１〜２．０％、ニオブ（Ｎｂ）０．１〜１．０％、タンタル（Ｔａ）０．１〜３．０％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜２．０％、タングステン（Ｗ）４．５〜１０％、ハフニウム（Ｈｆ）０．１〜２．０％、炭素（Ｃ）０．０５〜０．２０％、ホウ素（Ｂ）０．００１〜０．０３％、及びジルコニウム（Ｚｒ）０．０１〜０．１％、並びに残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避的不純物からなるニッケル基合金、又は、鉄（Ｆｅ）３０〜４０％、クロム（Ｃｒ）１４〜１６％、チタン（Ｔｉ）１．２〜１．７％、アルミニウム（Ａｌ）１．１〜１．５％、ニオブ（Ｎｂ）１．９〜２．７％、及び炭素（Ｃ）０．０５％以下、並びに残部のニッケル（Ｎｉ）及び不可避的不純物からなるニッケル−鉄基合金よりなり、低温側ロータ母材は、質量基準で、炭素（Ｃ）０．１〜０．２％、マンガン（Ｍｎ）０．３〜１．０％、ニッケル（Ｎｉ）１％以下、クロム（Ｃｒ）９〜１３％、モリブデン（Ｍｏ）０．１〜１．５％、タングステン（Ｗ）０．２〜５．０％、ニオブ（Ｎｂ）０．０２〜０．１％、及びコバルト（Ｃｏ）３％以下を含む全焼戻しマルテンサイト組織を有する１２％クロム鋼からなることが望ましい。

【0036】

前記タービンロータの製造方法は、高温側ロータ母材又は低温側ロータ母材の突き合せ部にバタリング肉盛を施すバタリング肉盛工程と、突き合せ部を溶融して裏波を形成する裏波形成工程と、溝部に溶接金属で埋める本溶接工程とを含むことを特徴とする。

【0037】

前記タービンロータの製造方法においては、バタリング肉盛工程の後に高温側ロータ母材及び低温側ロータ母材に開先加工を施す開先加工工程を行い、その後、裏波形成工程を行うことが望ましい。

【0038】

前記タービンロータの製造方法においては、高温側ロータ母材の開先部の表面に全面バタリング部を形成するバタリング工程を行い、その後、バタリング肉盛工程を行うことが望ましい。

【0039】

前記タービンロータは、蒸気タービンに用いることができる。

【0040】

図１は、蒸気タービンの構成を示す模式図である。

【0041】

本図において、蒸気タービン１５０は、タービンロータ５１（蒸気タービンロータ）に高圧タービン５４、中圧タービン５５及び二つの低圧タービン５６ａ、５６ｂを取り付けた構成となっている。そして、タービンロータ５１の端部には、発電機５７が取り付けてある。

【0042】

高圧タービン５４には、主蒸気配管５２から蒸気が導入されるようになっている。高圧タービン５４を回転させた蒸気は、ボイラー再熱器５３にて加熱され、中圧タービン５５に導入されるようになっている。そして、中圧タービン５５を回転させた蒸気は、低圧タービン５６ａ、５６ｂに導入され、低圧タービン５６ａ、５６ｂを回転させるようになっている。発電機５７は、タービンロータ５１の回転エネルギー（運動エネルギー）を電気エネルギーに変換する。

【0043】

なお、高圧タービン５４は、高中圧タービンであっても構わない。

【0044】

図２Ａは、ロータの形状を示す部分斜視図である。

【0045】

本図において、タービンロータ２０は、高温側ロータ母材２１と低温側ロータ母材２２とを突き合せ溶接により接合した部分である溶接部２３を有している。

【0046】

図２Ｂは、図２Ａのタービンロータの長手方向の断面を示すものであり、タービンロータの内部構造を示すものである。

【0047】

本図において、高温側ロータ母材２１及び低温側ロータ母材２２はそれぞれ、略円筒形状の凹部２６、２７を有する。そして、溶接後の凹部２６、２７は、タービンロータ２０の中空部である密閉空間部２４を形成する。この密閉空間部２４は、タービンロータ２０の外部との空気の流通等がない状態となる。溶接部２３の密閉空間部２４側には、裏波２５が形成してある。裏波２５は、溶接部２３の接合強度の向上に寄与する。

【0048】

なお、破線部２８は、後述の溶接工程の説明のために図示する部分である。

【0049】

本図においては、凹部２６、２７を略円筒形状としたが、凹部２６、２７の形状は、これに限定されるものではなく、半球形状、円錐形状、三角錐形状、四角錐形状その他の多角錐形状等であってもよい。

【0050】

図２Ｃは、図２ＢのＡ−Ａ断面図である。

【0051】

本図においては、タービンロータ２０の密閉空間部２４の中心部に向かって裏波２５が円環状に形成されている。

【0052】

図３は、二つのロータ母材の熱伝導率の相関関係を示すグラフである。横軸にロータ母材１の熱伝導率Ｔ１をとり、縦軸にロータ母材２の熱伝導率Ｔ２をとっている。

【0053】

本図には、予備試験において二つのロータ母材の突き合せ部が同一の入熱量で溶融可能であった領域を併記してある。当該領域は、二つのロータ母材の熱伝導率の比率が２／３〜３／２となるものである。

【0054】

一方、二つのロータ母材の熱伝導率の比率が２／３未満の場合又は３／２を超える場合には、同一の入熱量で突き合せ部を溶融することができなかった。

【0055】

本実施例における二つのロータ母材の組み合わせにおいては、熱伝導率の相違が約４．４倍あった。このことから、同一の入熱量で突き合せ部を溶融することが出来ないことになる。

【0056】

表１は、異材溶接ロータを構成するロータ母材の合金の種類及び組成範囲を示したものである。

【0057】

【表1】

【0058】

以下、実施例を用いて説明する。

【実施例1】

【0059】

本実施例は、表１に示すロータ母材のうち、Ｎｉ基超合金及び１２％Ｃｒ鋼を採用し、これらを溶接する例に関するものである。

【0060】

図４は、タービンロータの溶接に用いるタングステン−不活性ガス溶接装置の概略を一例として示したものである。

【0061】

本図において、溶接装置４０は、駆動装置４３、溶接機構４４、トーチ４８及び制御装置４７を有し、ガスホース５２を介してガスボンベ４９を接続してある。ガスボンベ４９の不活性ガスは、ガスホース５１を介してトーチ４８に送られるようになっている。不活性ガスとしては、窒素又はアルゴン等が用いられる。駆動装置４３と制御装置４７との間には、信号を送受信する信号ケーブル４５が設けてある。溶接機構４４と制御装置４７との間には、信号を送受信する信号ケーブル４６が設けてある。

【0062】

タービンロータ４１は、ロータ回転装置５０に設置され、タービンロータ４１の中心軸の周りに回転可能とすることができる。ロータ回転装置５０は、信号ケーブル１５４を介して制御装置４７に接続してあり、タービンロータ４１の回転を制御装置４７によって行うことができるようになっている。

【0063】

また、タービンロータ４１には、アースケーブル５３が接続してあり、溶接に際してタービンロータ４１の電位が変化することを抑制することができる。

【0064】

溶接機構４４は、駆動装置４３によって少なくともタービンロータ４１の軸方向に移動可能としてあり、トーチ４８をタービンロータ４１の溶接部４２に接近させて溶接を行うことができるように構成されている。

【0065】

本図に示す駆動装置４３は、溶接構造物（タービンロータ４１）に密着して移動する自立型であるが、この他に、例えば走査アーム等の外力により駆動装置４３が移動するようにしたものでもよい。

【0066】

本実施例においては、入熱量２０ｋＪ／ｃｍのタングステン−不活性ガス溶接（Tungsten Inert Gas Welding：ＴＩＧ溶接）を採用したが、例えば、サブマージアーク溶接（Submerged Arc Welding：ＳＡＷ）、被覆アーク溶接（Shielded Metal Arc Welding：ＳＭＡＷ）、金属不活性ガス溶接（Metal Inert Gas Welding：ＭＩＧ溶接）、レーザー溶接（Laser Beam Welding：ＬＢＷ）、ＣＭＴ（Cold Metal Transfer）のような他の方法を用いてもよい。

【0067】

図５は、本実施例のタービンロータの溶接工程を示すフロー図である。

【0068】

まず、一方のロータ母材を他方のロータ母材に組み込む（Ｓ１０１）。つぎに、溶接工程の開始を指示する（Ｓ１０２）。溶接における熱応力を緩和するためにロータ母材を予熱する（Ｓ１０３）。この予熱の際に用いる装置は、電気炉、ガスバーナ、高周波誘導加熱機等が挙げられるが、その他の装置でも構わない。

【0069】

そして、図４に示す溶接装置を用いて一方のロータ母材にバタリング肉盛を行う（バタリング肉盛工程Ｓ１０４）。その後、二つのロータ母材及びバタリング肉盛の一部に対して開先加工を施す（開先加工工程Ｓ１０５）。一方のロータ母材のバタリング肉盛と他方のロータ母材とを突き合せ、位置合わせをした後、一方のロータ母材のバタリング肉盛と他方のロータ母材との接触部分である突き合せ部に対してロータの外部から加熱することにより裏波溶接を行う（裏波形成工程Ｓ１０６）。

【0070】

その後、二つのロータ母材の開先の間に形成された溝部に本溶接を行い、溶接部を形成する（本溶接工程Ｓ１０７）。そして、本溶接で形成した溶接部の残留応力を除去するために焼鈍を行う（Ｓ１０８）。この際に用いる装置は、電気炉、ガスバーナ、高周波誘導加熱機等が挙げられるが、その他の装置でも構わない。

【0071】

その後、溶接部の溶接欠陥検査を行う（Ｓ１０９）。検査方法としては、浸透探傷試験（ＰＴ）、目視検査（ＶＴ）、超音波探傷試験（ＵＴ）、放射線透過試験（ＲＴ）、磁粉探傷試験（ＭＴ）などが挙げられるが、その他の方法でも構わない。

【0072】

欠陥の有無を判別し（Ｓ１１０）、欠陥を検出した場合、さらに、欠陥サイズが機械強度の面から許容可能か否かを判別し（Ｓ１１１）、許容できない場合、溶接部を切除し（Ｓ１１２）、ロータ端面に開先加工を施し（Ｓ１１３）、予熱工程（Ｓ１０３）に戻る。

【0073】

欠陥の有無の判別（Ｓ１１０）において欠陥を検出しなかった場合、又は欠陥サイズの判別（Ｓ１１１）において欠陥サイズが許容可能な範囲内である場合は、溶接工程を終了する（Ｓ１１４）。

【0074】

図６は、図５の溶接工程を連続的に示した部分拡大断面図である。

【0075】

本図は、図２Ｂの破線部２８を拡大して平板状に変形して（Ａ）〜（Ｆ）として表したものである。本図においては、高温側及び低温側で材質の異なる二つのロータ母材を溶接する場合を示す。

【0076】

（Ａ）は、Ｎｉ基超合金からなる高温側ロータ母材６１の溶接前の状態を表したものである。

【0077】

ロータ母材６１の厚さは、ロータの回転力、遠心力及び自重に耐えうるように１００ｍｍ以上が望ましい。ロータの直径は、タービンロータの出力等に依存すると共に、素材を製造する際の偏析、鍛造性などの制約から、５００ｍｍ以上１３０００ｍｍ以下（５００〜１３０００ｍｍ）であることが望ましい。

【0078】

（Ｂ）は、ロータ母材６１の突き合せ部に低温側ロータ母材と同組成の溶着金属（溶接金属）を用いてバタリング肉盛によって肉盛部６２を設けた状態である。肉盛部６２は、ロータ母材６１の中空部に接する部位にロータの周方向に形成されている。これは、図５のＳ１０４に対応する。

【0079】

本実施例における肉盛部６２は、ロータの軸方向の厚さを１０ｍｍとしたが、それ以上の厚さ（１０ｍｍ以上）であればよい。この厚さが１０ｍｍ未満となると、次の開先加工Ｓ１０５において、肉盛部６２の希釈率の高い部位が残存するので好ましくない。ただし、肉盛部６２は、薄い方が好ましく、厚い場合であっても１５ｍｍあれば十分である。

【0080】

また、本実施例においては、ロータ母材６１の半径方向に延びている肉盛部６２の幅は、ロータ母材６１の中空部に接する部位から１０ｍｍとしたが、開先加工Ｓ１０５の後に必要となる幅である、開先加工を施した低温側ロータ母材が突き合せによって接する面の幅（突き合せ部の幅）以上、例えば２ｍｍ以上であればよい。肉盛部６２の幅が２ｍｍ未満となると、相手側の母材２３と突き合わせて裏波を形成する際に、熱伝導特性に相違を生じ、安定な裏波を形成することができないため、好ましくない。ただし、肉盛部６２の幅は、短い方が望ましく、最長でも５ｍｍあれば十分である。

【0081】

（Ｃ）は、図５のＳ１０５の開先加工を施して母材２０及び肉盛部６２の一部を切除することにより、開先部６３を形成した状態である。

【0082】

この工程により、開先加工を施した低温側ロータ母材の開先部と同じ形状に加工され、安定した溶接が可能となる。

【0083】

（Ｄ）は、高温側ロータ母材６１と相手側である低温側ロータ母材６４とを突き合わせした状態を示している。低温側ロータ母材６４と肉盛部６２とが接している。そして、高温側ロータ母材６１及び低温側ロータ母材６４の開先部６３及び６５により、溝部６６が形成されている。

【0084】

（Ｅ）は、高温側ロータ母材６１と低温側ロータ母材６４とを突き合わせた状態で中空部側に裏波６７を形成した状態である。

【0085】

（Ｆ）は、高温側ロータ母材６１及び低温側ロータ母材６４の開先部６３及び６５により形成された溝部６６に溶接金属６８を用いた突き合せ溶接を施した状態を示している。

【0086】

本実施例においては、高温側ロータ母材６１に対して肉盛部６２を設けた例を示したが、化学組成や熱処理条件によっては、低温側ロータ母材６４に対して肉盛部を設けても構わない。この場合は、高温側ロータ母材６１と同組成の溶着金属を用いてバタリング肉盛を施す。ここで、溶接金属６８は、Ｃｏ：１２〜２５％、Ｃｒ：１０〜１８％、Ａｌ：２．０〜３．６％、Ｍｏ＋Ｗ：５．０〜１０％、Ｃ：０．０１〜０．１５％、Ｂ：０．００１〜０．０３％、並びに残部がＮｉ及び不可避的不純物からなるＮｉ基合金である。

【実施例2】

【0087】

実施例１は、図６に示すように、ロータ母材６１の表面に直接肉盛部６２を施すものである。それに対して、本実施例は、高温側ロータ母材と低温側ロータ母材との化学組成、熱処理条件等の相違を解消するために高温側ロータ母材の開先部に予めバタリングを施すことを特徴とするものである。ここでは、実施例１と一致する点については説明を割愛し、実施例１との相違点のみを説明する。

【0088】

図７は、本実施例のタービンロータの溶接工程を示すフロー図である。

【0089】

本実施例において追加したフローは、実施例１と比較して、Ｓ２０１〜Ｓ２０３である。

【0090】

まず、Ｓ１０１及びＳ１０２を実施例１と同様に行う。

【0091】

バタリング工程Ｓ２０１においては、予め高温側ロータ母材に設けた開先部の全面にバタリングを施して全面バタリング部を設ける。これは、高温側ロータ母材と低温側ロータ母材との化学組成や熱処理条件の相違を緩和するためのものである。

【0092】

開先加工Ｓ２０２においては、全面バタリング部に開先加工を施す。その後、高温側ロータ母材及び全面バタリング部に対して熱処理Ｓ２０３を行う。熱処理Ｓ２０３は、高温側ロータ母材に適した強度を確保するためのものであり、低温側ロータ母材に対しては不利益なものである。そのため、熱処理Ｓ２０３は、高温側ロータ母材に低温側ロータ母材を溶接する前に行う必要がある。Ｓ１０３以降は、実施例１と同様である。
図８は、実施例２の溶接工程を示す連続断面図である。

【0093】

本図も、図６と同様に、図２Ｂの破線部２８を拡大して平板状に変形して（Ａ）〜（Ｆ）として表したものである。

【0094】

本実施例において実施例１と異なる点は、主に（Ａ）に示す工程である。

【0095】

（Ａ）においては、肉盛部７２を施す前（（Ｂ）の前）に予め高温側ロータ母材６１に全面バタリング部７１を形成している。

【0096】

全面バタリング部７１の軸方向の厚さは、５ｍｍ以上１５ｍｍ以下（５〜１５ｍｍ）である。５ｍｍよりも薄い場合、本溶接用溶着金属の希釈の影響を生じるおそれがある。また、１５ｍｍよりも厚い場合、本溶接用溶着金属の希釈の影響はなくなるが、施工時間の増加が懸念される。

【0097】

それ以降の工程は、実施例１と同様である。

【0098】

すなわち、図８の（Ｃ）において開先部７３を形成し、（Ｄ）において高温側ロータ母材６１と低温側ロータ母材６４とを突き合わせて溝部７６を形成し、（Ｅ）において裏波７７を形成し、（Ｆ）において溝部７６に溶接金属７８を用いた突き合せ溶接を施す。

【実施例3】

【0099】

図９は、実施例３の溶接工程を示す連続断面図である。

【0100】

本図を用いて本実施例において実施例２と異なる点について説明する。

【0101】

実施例２においては、全面バタリング部７１の一部に肉盛部７２を設けている。これに対して、本実施例においては、低温側ロータ母材６４に肉盛部９１を設け（Ｂ）、開先部９５を形成する（Ｃ）。そして、高温側ロータ母材６１と低温側ロータ母材６４とを突き合わせて溝部９６を形成し（Ｄ）、裏波９７を形成し（Ｅ）、溝部９６に溶接金属９８を用いた突き合せ溶接を施す（Ｆ）。

【実施例4】

【0102】

本実施例においては、実施例１とは異なるロータ母材として、表１に示すロータ母材のうち、Ｎｉ−Ｆｅ基超合金及び１２％Ｃｒ鋼を採用した。すなわち、本実施例は、実施例１とロータ母材の化学組成のみ異なり、溶接工程その他については同じである。

【0103】

ロータ母材がＮｉを主成分とする合金の熱的特性は、鉄系合金材料のものとは異なり、実施例１と同様の課題が生じる。よって、実施例１と同じ手法にて、課題を解決することができる。

【実施例5】

【0104】

本実施例においては、実施例１とは異なるロータ母材として、表１に示すロータ母材のうち、Ｎｉ基超合金及び１％Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼を採用した。すなわち、本実施例は、実施例１とロータ母材の化学組成のみ異なり、溶接工程その他については同じである。

【0105】

ロータ母材がＮｉを主成分とする合金の熱的特性は、鉄系合金材料のものとは異なり、実施例１と同様の課題が生じる。よって、実施例１と同じ手法にて、課題を解決することができる。

【実施例6】

【0106】

本実施例においては、実施例１とは異なるロータ母材として、表１に示すロータ母材のうち、Ｎｉ−Ｆｅ基超合金及び１％Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼を採用した。すなわち、本実施例は、実施例１とロータ母材の化学組成のみ異なり、溶接工程その他については同じである。

【0107】

ロータ母材がＮｉを主成分とする合金の熱的特性は、鉄系合金材料のものとは異なり、実施例１と同様の課題が生じる。よって、実施例１と同じ手法にて、課題を解決することができる。

【符号の説明】

【0108】

２０、４１、５１：タービンロータ、２１、６１：高温側ロータ母材、２２、６４：低温側ロータ母材、２３：溶接部、２４：密閉空間部、２５：裏波、２６、２７：凹部、２８：破線部、４０：溶接装置、４２：溶接部、４３：駆動装置、４４：溶接機構、４５、４６、１５４：信号ケーブル、４７：制御装置、４８：トーチ、４９：ガスボンベ、５０：ロータ回転装置、５１、５２：ガスホース、５３：アースケーブル、５４：高圧タービン、５５：中圧タービン、５６ａ、５６ｂ：低圧タービン、５７：発電機、６２、７２、９１：肉盛部、６３、６５、７３、９５：開先部、６６、７６、９６：溝部、６７、７７、９７：裏波、６８、７８、９８：溶接金属、７１：全面バタリング部、１５０：蒸気タービン。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】