特許 6115653 タービン軸におけるシャフトとインペラとの溶接方法、タービン軸、および、溶接装置

(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】6115653

(24)【登録日】2017年3月31日

(45)【発行日】2017年4月19日

(54)【発明の名称】タービン軸におけるシャフトとインペラとの溶接方法、タービン軸、および、溶接装置

(51)【国際特許分類】

   F02B 39/00 20060101AFI20170410BHJP

   F01D 5/04 20060101ALI20170410BHJP

   F01D 25/00 20060101ALI20170410BHJP

【ＦＩ】

   F02B39/00 R

   F02B39/00 T

   F02B39/00 Q

   F01D5/04

   F01D25/00 X

   F01D25/00 F

【請求項の数】7

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2015-557813(P2015-557813)

(86)(22)【出願日】2015年1月9日

(86)【国際出願番号】JP2015050436

(87)【国際公開番号】WO2015107981

(87)【国際公開日】20150723

【審査請求日】2016年3月3日

(31)【優先権主張番号】特願2014-5152(P2014-5152)

(32)【優先日】2014年1月15日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】村田 健吉

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 康介

(72)【発明者】

【氏名】根崎 孝二

(72)【発明者】

【氏名】三浦 雄一

(72)【発明者】

【氏名】貝原 正一郎

【審査官】 津田 健嗣

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−２０２５７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−５７５７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１７０４８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１１２０３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１７７９３３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｂ ３９／００

Ｆ０１Ｄ ５／０４

Ｆ０１Ｄ ２５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸方向に窪んだ内部穴が形成された環状の対象面が、シャフトおよびインペラのいずれか一方に設けられ、前記対象面に対向する対向部と、前記対向部から中心側に連続して形成され前記内部穴に臨む非対向部とを有する対向面が、前記シャフトおよび前記インペラのいずれか他方に設けられ、前記シャフトおよび前記インペラは互いの嵌合によって互いの相対的な位置を規定する構造を持たないタービン軸におけるシャフトとインペラとの溶接方法であって、
前記対象面および前記対向面を面接触状態で回転軸方向に対向配置する工程と、
前記対象面および前記対向面に対し、溶融深さが前記対向部よりも中心側に到達する条件に基づいて、前記シャフトの径方向外側から径方向内側に向かってビーム照射して、前記対象面と前記対向面とを溶接する工程と、
を含むことを特徴とするタービン軸におけるシャフトとインペラとの溶接方法。

【請求項2】

前記対向面の非対向部には、回転軸方向に突出して前記内部穴に挿入されるとともに、前記内部穴の内周面に対して前記シャフトの径方向に離隔する突出部が設けられ、
前記溶接する工程において、溶融深さが前記内部穴の内周面と前記突出部の外周面との間に位置するように、ビーム照射することを特徴とする請求項１に記載のタービン軸におけるシャフトとインペラとの溶接方法。

【請求項3】

前記対向面の非対向部には、回転軸方向に窪むとともに、前記内部穴よりも小径の小径穴が設けられ、
前記溶接する工程において、溶融深さが前記内部穴の内周面と前記小径穴の内周面との間に位置するように、ビーム照射することを特徴とする請求項１に記載のタービン軸におけるシャフトとインペラとの溶接方法。

【請求項4】

前記対象面と前記対向面とを溶接する工程は、減圧環境下において、前記ビーム照射としてレーザ光を照射することで遂行されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のタービン軸におけるシャフトとインペラとの溶接方法。

【請求項5】

回転軸方向に窪んだ内部穴が形成された環状の対象面が、シャフトおよびインペラのいずれか一方に設けられ、前記対象面に対向する対向部と、前記対向部から中心側に連続して形成され前記内部穴に臨む非対向部とを有する対向面が、前記シャフトおよび前記インペラのいずれか他方に設けられ、前記シャフトおよび前記インペラは互いの嵌合によって互いの相対的な位置を規定する構造を持たないタービン軸における、前記シャフトと前記インペラとを溶接する溶接装置であって、
前記対象面および前記対向面を面接触状態で回転軸方向に対向配置するチャック部と、
前記対象面および前記対向面に対し、溶融深さが前記対向部よりも中心側に到達するように、前記シャフトの径方向外側から径方向内側に向かってビーム照射して、前記対象面と前記対向面とを溶接する溶接部と、
を備えることを特徴とする溶接装置。

【請求項6】

タービン軸であって、
互いの嵌合によって互いの相対的な位置を規定する構造を持たず、溶接によって互いに接合するシャフト及びインペラ
を備え、
前記シャフトおよび前記インペラのいずれか一方は、回転軸方向に窪んだ内部穴が形成された環状の対象面を含み、
前記シャフトおよび前記インペラのいずれか他方は、前記対象面に対向する対向部と、前記対向部から中心側に連続して形成され前記内部穴に臨む非対向部とを有する対向面を含み、
前記対象面および前記対向面の前記対向部の溶接に伴って溶融し、その後固化した溶融部位は、前記対象面と前記対向部の接合部から前記非対向部に到達している
ことを特徴とするタービン軸。

【請求項7】

前記対向面は、前記非対向部に形成され前記回転軸方向に突出する突出部を含み、
前記突出部の外周面は、前記内部穴の内周面に対して前記非対向部を挟んで前記シャフトの径方向に離隔しており、
前記溶融部位における径方向内側の端部は、前記非対向部に位置していることを特徴とする請求項６に記載のタービン軸。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、タービン軸におけるシャフトとインペラとの溶接方法、タービン軸、および、溶接装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の過給機は、ベアリングハウジングと、ベアリングハウジングに回転自在に支持されたタービン軸と、タービン軸の一端に設けられたタービンインペラと、タービン軸の他端に設けられたコンプレッサインペラとを備える。過給機はエンジンに接続され、エンジンから排出される排気ガスによってタービンインペラを回転させるとともに、このタービンインペラの回転によって、シャフトを介してコンプレッサインペラを回転させる。こうして、過給機は、コンプレッサインペラの回転に伴い空気を圧縮してエンジンに送出する。

【0003】

タービン軸は、シャフトとタービンインペラの溶接によって構成される。溶接手段としては、特許文献１に示されているように、例えば、レーザ溶接や電子ビーム溶接などが用いられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−１３７０９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

近年、過給機の小型化が求められている。この要望に対応しつつ、エンジン容量に合わせた出力を確保するため、タービン軸を、より高速に回転させることが求められている。

【0006】

そこで、上記のタービン軸の溶接において、溶接条件を適切に設定し、溶接品質をさらに向上することが望まれる。

【0007】

本発明の目的は、タービン軸の溶接品質を向上することが可能なタービン軸におけるシャフトとインペラとの溶接方法、タービン軸、および、溶接装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の第１の態様は、回転軸方向に窪んだ内部穴が形成された環状の対象面が、シャフトおよびインペラのいずれか一方に設けられ、対象面に対向する対向部と、対向部から中心側に連続して形成され内部穴に臨む非対向部とを有する対向面が、シャフトおよびインペラのいずれか他方に設けられ、シャフトおよびインペラは互いの嵌合によって互いの相対的な位置を規定する構造を持たないタービン軸におけるシャフトとインペラとの溶接方法であって、対象面および対向面を面接触状態で回転軸方向に対向配置する工程と、対象面および対向面に対し、溶融深さが対向部よりも中心側に到達する条件に基づいて、シャフトの径方向外側から径方向内側に向かってビーム照射して、対象面と対向面とを溶接する工程と、を含むことを要旨とする。

【0009】

対向面の非対向部には、回転軸方向に突出して内部穴に挿入されるとともに、内部穴の内周面に対してシャフトの径方向に離隔する突出部が設けられ、溶接する工程において、溶融深さが内部穴の内周面と突出部の外周面との間に位置するように、ビーム照射してもよい。

【0010】

対向面の非対向部には、回転軸方向に窪むとともに、内部穴よりも小径の小径穴が設けられ、溶接する工程において、溶融深さが内部穴の内周面と小径穴の内周面との間に位置するように、ビーム照射してもよい。

【0011】

対象面と対向面とを溶接する工程は、減圧環境下において、ビーム照射としてレーザ光を照射することで遂行されてもよい。

【0012】

本発明の第２の態様は、第１の態様に係る溶接方法を用いて形成されたタービン軸である。

【0013】

本発明の第３の態様は、回転軸方向に窪んだ内部穴が形成された環状の対象面が、シャフトおよびインペラのいずれか一方に設けられ、対象面に対向する対向部と、対向部から中心側に連続して形成され内部穴に臨む非対向部とを有する対向面が、シャフトおよびインペラのいずれか他方に設けられ、シャフトおよびインペラは互いの嵌合によって互いの相対的な位置を規定する構造を持たないタービン軸における、シャフトとインペラとを溶接する溶接装置であって、対象面および対向面を面接触状態で回転軸方向に対向配置するチャック部と、対象面および対向面に対し、溶融深さが対向部よりも中心側に到達するように、シャフトの径方向外側から径方向内側に向かってビーム照射して、対象面と対向面とを溶接する溶接部と、を備えることを要旨とする。

【0014】

本発明の第４の態様はタービン軸であって、互いの嵌合によって互いの相対的な位置を規定する構造を持たず、溶接によって互いに接合するシャフト及びタービンインペラを備え、シャフトおよびインペラのいずれか一方は、回転軸方向に窪んだ内部穴が形成された環状の対象面を含み、シャフトおよびインペラのいずれか他方は、対象面に対向する対向部と、対向部から中心側に連続して形成され内部穴に臨む非対向部とを有する対向面を含み、対象面および対向面の対向部の溶接に伴って溶融し、その後固化した溶融部位は、対象面と対向部の接合部から非対向部に到達していることを要旨とする。

【0015】

対向面は、非対向部に形成され回転軸方向に突出する突出部を含んでもよい。突出部の外周面は、内部穴の内周面に対して非対向部を挟んでシャフトの径方向に離隔してもよい。溶融部位における径方向内側の端部は、非対向部に位置してもよい。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、タービン軸の溶接品質を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の一実施形態に係るタービン軸を説明するための図である。

【図2】図２は、本発明の一実施形態に係る溶接装置の概略図である。

【図3】図３は、本発明の一実施形態に係る溶接方法を説明するためのフローチャートである。

【図4】図４（ａ）〜図４（ｃ）は、溶融深さについて説明するための図である。

【図5】図５（ａ）〜図５（ｄ）は、それぞれ本発明の一実施形態の第１〜第４変形例を説明するための図である。

【図6】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、図５（ｃ）に示す第３変形例に対する比較例を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下に添付図面を参照しながら、本発明の一実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎない。従って、これらは、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

【0019】

（タービン軸１）
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、タービン軸１を説明するための図である。図１（ａ）は、シャフト２とタービンインペラ３（インペラ）が溶接される前の側面図である。図１（ｂ）は、タービンインペラ３とシャフト２が溶接されたタービン軸１の側面図である。

【0020】

図１（ａ）に示すように、シャフト２は、回転軸方向の一端に位置するとともにタービンインペラ３に対向する一端面２ａ（対向面）を有する。一端面２ａには、回転軸方向に突出する突出部２ｂが形成されている。

【0021】

また、タービンインペラ３は、ハブ３ａと、ハブ３ａの外周面に配された複数の羽根３ｂとを備える。ハブ３ａの底面３ｃ（対象面）には、内部穴（凹部）３ｄが形成されている。内部穴３ｄは、シャフト２の軸方向に窪んでいる。内部穴３ｄの内径は、シャフト２の突出部２ｂの外径よりも大きい。従って、突出部２ｂは、内部穴３ｄに挿入可能である。

【0022】

図１（ｂ）に示すように、シャフト２の突出部２ｂは、タービンインペラ３の内部穴３ｄに挿入され、シャフト２の一端面２ａがタービンインペラ３の底面３ｃに当接する。この当接を維持した状態で、一端面２ａと底面３ｃの外周にビーム照射して溶接することで、タービンインペラ３はシャフト２に接合し、タービン軸１形成される。以下、シャフト２とタービンインペラ３を溶接する溶接装置について説明する。

【0023】

（溶接装置１００）
図２は、溶接装置１００の概略図である。図２においては、制御信号の流れを破線の矢印で示す。図２に示す第１保持部１０２は、不図示のアクチュエータで駆動する三つ爪１０２ａを有するチャック装置などで構成される。第１保持部１０２は、ターンテーブル１０４上に配される。そして、第１保持部１０２は、シャフト２における、一端面２ａと反対側の端部を三つ爪１０２ａが挟み込むことでシャフト２を把持する。また、第１保持部１０２は、不図示のモータの出力軸に固定されており、把持したシャフト２の回転軸周りに回転する。

【0024】

第２保持部１０６（チャック部）は、アクチュエータ（図示せず）で駆動する三つ爪１０６ａを有するチャック装置などで構成される。第２保持部１０６は、タービンインペラ３におけるハブ３ａのボス部３ｅを三つ爪１０６ａが挟み込むことでタービンインペラ３を把持する。

【0025】

第２保持部１０６は、ロボットアーム（図示せず）に固定されている。ロボットアームの駆動により、第２保持部１０６は、タービンインペラ３を把持した状態で、タービンインペラ３をシャフト２の一端面２ａ側に搬送する。

【0026】

溶接部１０８は、発振器１０８ａ、光ファイバ１０８ｂ、集光部１０８ｃを有する。発振器１０８ａが、レーザ媒体（図示せず）の励起により光を発生させる。発生した光は、光ファイバ１０８ｂを介して集光部１０８ｃに導かれ、集光部１０８ｃで集光されながら溶接部分に照射される。

【0027】

制御部１１０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路で構成される。制御部１１０は、第１保持部１０２、ターンテーブル１０４、第２保持部１０６、溶接部１０８の他、溶接装置１００が備えるロボットアーム、アクチュエータ、モータの駆動を制御する。

【0028】

（溶接方法）
続いて、溶接装置１００を用いたタービン軸１におけるシャフト２とタービンインペラ３との溶接方法について説明する。図３は、本実施形態の溶接方法を説明するためのフローチャートである。初めに、ターンテーブル１０４において、第１保持部１０２は、第２保持部１０６と対向しない退避位置に配されている。そして、制御部１１０は、不図示のロボットアームを制御して、第１保持部１０２にシャフト２を設置する。

【0029】

第１保持部１０２は、三つ爪１０２ａを駆動してシャフト２を把持する。そして、ターンテーブル１０４が回転し、シャフト２が第２保持部１０６に近づくと、第２保持部１０６は、三つ爪１０６ａを駆動して、タービンインペラ３のボス部３ｅを把持し、タービンインペラ３をシャフト２の一端面２ａ側に搬送して設置する（Ｓ２００）。

【0030】

そして、第２保持部１０６は、タービンインペラ３の底面３ｃの径方向の中心、または、タービンインペラ３の重心に対応する径方向の位置、および、シャフト２の一端面２ａの中心を一致させた状態で、底面３ｃおよび一端面２ａを面接触状態で回転軸方向に対向配置する（Ｓ２０２）。ここで、底面３ｃにおけるタービンインペラ３の重心に対応する径方向の位置は、予めタービンインペラ３の重心位置を計測して特定することができる。なお、後述するように、シャフト２及びタービンインペラ３はインロー構造を共有していない。従って、溶接における両者の相対的な位置は、第１保持部１０２と第２保持部１０６によって規定される。

【0031】

さらに、ターンテーブル１０４が回転し、シャフト２およびタービンインペラ３が溶接部１０８に近づく。そして、溶接部１０８は、底面３ｃおよび一端面２ａに対し、後述する溶融深さとなるように、シャフト２の径方向外側から径方向内側に向かってビーム照射する（Ｓ２０４）。

【0032】

このとき、第１保持部１０２がモータによって回転し、シャフト２およびタービンインペラ３は、シャフト２の回転軸周りに回転する。こうして、底面３ｃと一端面２ａの外周を全周に亘ってレーザ光が走査し、底面３ｃと一端面２ａとが溶接される。

【0033】

続いて、本実施形態の溶接方法および溶接装置１００において、溶接部１０８が底面３ｃおよび一端面２ａに対してビーム照射するときの溶融深さについて詳述する。

【0034】

図４（ａ）〜図４（ｃ）は、溶融深さについて説明するための図である。図４（ａ）は、溶接前のシャフト２およびタービンインペラ３について、図１（ｂ）の破線部Ａのシャフト２の軸中心を含む断面を示している。

【0035】

図４（ａ）に示すように、シャフト２の一端面２ａは、対向部２ｃと非対向部２ｄを有している。対向部２ｃは、一端面２ａにおけるシャフト２の径方向の中心と、底面３ｃにおける径方向の中心、または、タービンインペラ３の重心に対応する径方向の位置に一致させた状態で対向させたとき（同軸対向状態）、タービンインペラ３の底面３ｃと対向して面接触する部位である。

【0036】

一方、非対向部２ｄは、上記の同軸対向状態でタービンインペラ３の底面３ｃと対向しない部位であって、対向部２ｃから中心側に連続して形成され、且つ内部穴３ｄに臨む部位である。底面３ｃは、その内径側に形成される内部穴３ｄによって環状となっている。この形状により、非対向部２ｄが形成される。

【0037】

突出部２ｂは、一端面２ａの非対向部２ｄに形成される。突出部２ｂは、内部穴３ｄに挿入される。また、突出部２ｂは、内部穴３ｄの内周面３ｆに対して非対向部２ｄを挟んでシャフト２の径方向に離隔する。すなわち、シャフト２とタービンインペラ３は、インロー構造(spigot (joint) structure)を持っていない。ここで、インロー構造とは、凹部と凸部に代表されるように、２つの部材の互いの嵌合によって互いの相対的な位置を規定する構造をいう。インロー構造を共有する２つの部材では、例えば、一方の部材の内周面に対して、他方の部材の外周面が相対的に摺動しながら挿入される（嵌合される）ことで両者の相対的な位置決めが成される。

【0038】

図４（ｂ）、図４（ｃ）は、シャフト２及びタービンインペラ３に対するビーム照射に伴って、一旦溶融した後に固化した部位（溶融部位）Ｂをクロスハッチングで示している。ビーム照射によって深溶け込み型の溶接(key-hole welding, key-hole mode welding)がなされるとき、キーホールが形成される。ここで、深溶け込み型の溶接は、パワー密度が比較的高く、幅よりも深さが大きい溶融池ができる溶接であって、キーホールは、この溶融池において溶融した金属が蒸発し、蒸発した金属が表面から離散するときの反力で生じる窪みである。

【0039】

本実施形態においては、図４（ｂ）に示すように、部位Ｂの溶融深さが対向部２ｃよりも中心側に到達する。即ち、部位Ｂは、対象面３ｃと対向部２ｃの接合部から非対向部２ｄに到達する。具体的には、部位Ｂにおける、シャフト２の径方向内側（図４中、下側）の端部は、突出部２ｂの外周面２ｅと内部穴３ｄの内周面３ｆとの間に位置する、一端面２ａの非対向部２ｄに位置する。つまり、この端部は、突出部２ｂの外周面２ｅまでは達していない。一方、図４（ｃ）に示す比較例においては、部位Ｂにおける、シャフトＳ１の径方向内側（図４中、下側）の端部が、突出部Ｓ１ｂの外周面Ｓ１ｅよりもシャフトＳ１の径方向内側まで到達している。すなわち、キーホールが突出部Ｓ１ｂの外周面Ｓ１ｅよりもシャフトＳ１の径方向内側まで到達している。

【0040】

比較例においては、非対向部２ｄから突出部Ｓ１ｂまで連続して溶融されている。したがって、溶融の結果、突出部Ｓ１ｂの外周面Ｓ１ｅに滞留する金属の流量が多い。溶融金属が突出部Ｓ１ｂの外周面Ｓ１ｅ上に滞留して固化したとき、溶接条件によっては、クラックと同じような形状が形成されてしまう（疑似クラック）可能性がある。また、溶接中の雰囲気ガス（例えば空気）を巻き込むことで、溶接部位にポロシティ（空孔）が形成されてしまう可能性もある。このようにして疑似クラックやポロシティが形成されると、その発生部位によっては、溶接部位の強度が低下してしまうおそれがある。このため、種々の溶接条件をさらに厳しく管理する必要が生じる。

【0041】

ここで、シャフト２とタービンインペラ３は異なる金属で構成することができる。例えば、シャフト２がＳＣＭやＳＣｒなどのクロム鋼、タービンインペラ３が耐熱性、耐酸化性に優れたＮｉ基超合金などで形成されている。

【0042】

そこで、本実施形態では、溶接部１０８は、底面３ｃおよび一端面２ａに対し、溶融深さが内部穴３ｄの内周面３ｆと突出部２ｂの外周面２ｅとの間に位置するように、シャフト２の径方向外側から径方向内側に向かってビーム照射する。詳細には、このような溶接となるように、溶接処理と溶接後の溶接部位の分析とを繰り返す等をして適切な溶接条件を特定し、特定された溶接条件に従って溶接を行う。即ち、上述した所望の溶融深さが得られる溶接条件に基づいて（換言すれば当該条件を用いて）溶接を行う。この溶接条件は例えば、データとして制御部１１０に保存されており、溶接開始時に読み出されて溶接の制御に用いられる。

【0043】

その結果、突出部２ｂに滞留する金属の流量が少なく、比較例のような疑似クラックやポロシティが形成されにくい。そのため、溶接品質を向上することが可能となる。

【0044】

また、仮に、内周面３ｆを突き抜けたビームの一部が突出部２ｂに到達して突出部２ｂの一部を溶融しても、非対向部２ｄ側に照射されたビームは、突出部２ｂまでは到達しない。そのため、非対向部２ｄから突出部２ｂまで溶融部分が連続することはない。

【0045】

図５（ａ）〜図５（ｄ）は、それぞれ本実施形態の第１〜第４変形例を説明するための図である。第１変形例においては、図５（ａ）に示すように、突出部２ｂに対向穴１２ｆが形成されている。対向穴１２ｆは、回転軸方向に窪むとともに、内部穴３ｄに対向する。

【0046】

第２変形例においては、図５（ｂ）に示すように、一端面２ａの非対向部２ｄに環状溝２２ｆが形成されている。環状溝２２ｆは、一端面２ａの対向部２ｃよりも、回転軸方向に窪むとともに突出部２ｂの周囲に環状に形成されている。

【0047】

第１変形例および第２変形例のいずれにおいても、上記の実施形態と同様、溶接部１０８は、底面３ｃおよび一端面２ａに対し、溶融深さが内部穴３ｄの内周面３ｆと突出部２ｂの外周面２ｅとの間に位置するように、シャフト２の径方向外側から径方向内側に向かってビーム照射する。そのため、疑似クラックやポロシティが形成されにくく、溶接品質を向上することが可能となる。なお、溶接時に溶融粒子（所謂スパッタ(spatter)）が発生した場合でも、外周面２ｅが溶融微粒子を受け止める。これにより、溶融粒子の飛散が防止される。また、溶融微粒子が外周面２ｅ上に留まるので、固化した溶融粒子の衝突による異音の発生も抑制される。

【0048】

また、第２変形例においては、環状溝２２ｆが形成されている。従って、溶融した金属が環状溝２２ｆにも広がる。その結果、溶融した金属の厚みが薄くなり、さらに、疑似クラックやポロシティが形成されにくくなる。

【0049】

第３変形例においては、図５（ｃ）に示すように、一端面２ａの非対向部２ｄに内部穴３ｄよりも小径の小径穴３２ｆが設けられている。小径穴３２ｆは、一端面２ａから回転軸方向に窪んでいる。この場合、シャフト２とタービンインペラ３を溶接する工程において、溶融深さが内部穴３ｄの内周面３ｆと小径穴３２ｆの内周面３２ｇとの間に位置するように、ビーム照射する。

【0050】

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第３変形例に対する比較例を説明するための図である。図６（ａ）に示す比較例では、部位Ｂにおける、シャフトＳ２の径方向内側（図６中、下側）の端部が、内部穴Ｔ２ｄの内周面Ｔ２ｆまで達していない。この場合、対向面Ｓ２ａおよび対象面Ｔ２ｃにおいて溶接された面積が、第３変形例と比べて小さくなり、十分な溶接強度を確保できないおそれがある。

【0051】

一方、図６（ｂ）に示す比較例では、部位Ｂにおける、シャフトＳ２の径方向内側（図６中、下側）の端部は、小径穴Ｓ２ｆの内周面Ｓ２ｇよりも径方向内側まで到達している。そのため、溶融した金属が対向面Ｓ２ａに留まらずに、内部穴Ｔ２ｄおよび小径穴Ｓ２ｆに垂れ落ちてしまう可能性がある。その結果、タービン軸の回転方向の重心が偏ってしまうおそれがある。

【0052】

第３変形例においては、図５（ｃ）に示すように、シャフト２とタービンインペラ３を溶接する工程において、溶融深さが内部穴３ｄの内周面３ｆと小径穴３２ｆの内周面３２ｇとの間に位置するようにビーム照射する。そのため、溶接品質を向上することが可能となる。

【0053】

第４変形例においては、図５（ｄ）に示すように、上述した実施形態で示されていた突出部２ｂが設けられていない。また、第３変形例の小径穴３２ｆも設けられていない。しかしながら、第１〜第３変形例と同じく、溶接部１０８は、底面３ｃおよび一端面２ａに対し、溶融深さが対向部２ｃよりも中心側に到達するように、シャフト２の径方向外側から径方向内側に向かってビーム照射して、底面３ｃと一端面２ａとを溶接する。そのため、図６（ａ）に示す比較例と同様、溶融した後に固化した部位Ｂにおける、シャフト２の径方向内側（図６中、下側）の端部が、内部穴３ｄの内周面３ｆまで到達しないといった事態を回避し、溶接品質の向上を図ることが可能となる。

【0054】

上述した実施形態および変形例では、内部穴３ｄが形成された環状の底面３ｃが、タービンインペラ３に設けられ、底面３ｃに対向する一端面２ａがシャフト２に設けられている場合について説明した。しかし、内部穴が形成された環状の対象面が、タービンインペラに設けられ、対象面に対向する対向面がシャフトに設けられていてもよい。

【0055】

また、上述した実施形態および変形例では、溶接装置１００は、レーザ溶接によってシャフト２とタービンインペラ３とを溶接する場合について説明したが、溶接装置は、電子ビーム溶接によってシャフト２とタービンインペラ３とを溶接してもよい。

【0056】

電子ビーム溶接の場合、タービンインペラ３におけるハブ３ａの底面３ｃ（対象面）と、シャフト２の一端面２ａ（対向面）とを溶接する溶接工程は、減圧環境下において行われる。一方、レーザ溶接の場合、溶接工程は、一般的には、大気圧下において行われる。しかし、本発明の溶接工程では、大凡真空となる減圧環境下においてビーム照射としてレーザ光を照射することにより、相乗的に溶接品質を向上できる。すなわち、空気など、溶接中の雰囲気ガスの溶融金属への巻き込みが一層抑制され、ポロシティの抑制効果がさらに高められる。

【0057】

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【0058】

なお、本明細書の溶接方法における各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はない。

【産業上の利用可能性】

【0059】

本発明は、タービン軸におけるシャフトとインペラとの溶接方法、タービン軸、および、溶接装置に利用することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】