特許 7531431 溶接部の焼鈍装置及び焼鈍方法

(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】

(24)【登録日】2024-08-01

(45)【発行日】2024-08-09

(54)【発明の名称】溶接部の焼鈍装置及び焼鈍方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 31/00 20060101AFI20240802BHJP

   F02C 7/00 20060101ALI20240802BHJP

   F01D 25/00 20060101ALI20240802BHJP

【ＦＩ】

B23K31/00 B

F02C7/00 D

F01D25/00 X

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021043009

(22)【出願日】2021-03-17

(65)【公開番号】P2022142811

(43)【公開日】2022-10-03

【審査請求日】2023-09-06

(73)【特許権者】

【識別番号】316015888

【氏名又は名称】三菱重工エンジン＆ターボチャージャ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】ＳＳＩＰ弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】夏目 康一郎

(72)【発明者】

【氏名】幡野 王男

(72)【発明者】

【氏名】森 英夫

(72)【発明者】

【氏名】三浦 秀一

【審査官】山内 隆平

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－１４４６５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０１２５４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０４６１０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－３１４１４５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ３１／００

Ｆ０２Ｃ ７／００

Ｆ０１Ｄ ２５／００

Ｃ２１Ｄ １／２６

Ｃ２１Ｄ １／４２

Ｃ２１Ｄ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転機械の回転体を構成するホイールとシャフトとの間に設けられた溶接部の焼鈍装置であって、
環状に形成され、前記溶接部を加熱可能な高周波コイルと、
液体が流通可能であって、前記高周波コイルの軸線方向一方側において前記高周波コイルの軸線に沿って螺旋状に巻き巡らされた冷却用パイプと、
を備えた溶接部の焼鈍装置。

【請求項2】

前記冷却用パイプは、前記冷却用パイプに挿通された前記シャフトとの間に気体供給源から供給された気体が流通可能な隙間を有する、
請求項１に記載の溶接部の焼鈍装置。

【請求項3】

前記冷却用パイプを収容する筒を備えた
請求項１又は２に記載の溶接部の焼鈍装置。

【請求項4】

回転機械の回転体を構成するホイールとシャフトとの間に設けられた溶接部の焼鈍方法であって、
前記シャフトを冷却するとともに、前記溶接部を加熱する、
溶接部の焼鈍方法。

【請求項5】

前記シャフトは、前記シャフトを囲繞する螺旋状に巻き巡らされた冷却用パイプに流通する液体によって冷却され、
前記溶接部は、前記溶接部を囲繞する環状の高周波コイルの通電によって加熱される、
請求項４に記載の溶接部の焼鈍方法。

【請求項6】

前記シャフトは、更に、気体供給源から供給され、前記冷却用パイプとの間に流通する気体によっても冷却される、
請求項５に記載の溶接部の焼鈍方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、溶接部の焼鈍装置及び焼鈍方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、排気ターボ過給機に用いられるタービンロータの製造方法が開示されている。かかるタービンロータの製造方法では、電子ビームの照射によってホイールとシャフトを溶接している。また、特許文献１には、ホイールとシャフトとの間に設けられた溶接部の残留応力を熱処理（焼鈍）によって除去することも開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００９－２０３８０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に開示された熱処理（焼鈍）では、シャフトの変質を考慮する必要があり、溶接部を所定温度（シャフトが変質しない温度）以上に加熱することができない。よって、排気ターボ過給機の運転によりホイールが排気ガスに曝されると溶接部に残っていた残留応力が開放されタービンロータがアンバランスとなり、タービンロータのバランスが崩れた状態で排気ターボ過給機（回転機械）が運転される虞がある。

【0005】

本開示は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、シャフトの変質を防ぎつつ溶接部の残留応力を小さくできる溶接部の焼鈍装置及び焼鈍方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するため、本開示に係る溶接部の焼鈍装置は、
回転機械の回転体を構成するホイールとシャフトとの間に設けられた溶接部の焼鈍装置であって、
環状に形成され、前記溶接部を加熱可能な高周波コイルと、
液体が流通可能であって、前記高周波コイルの軸線方向一方側において前記高周波コイルの軸線に沿って螺旋状に巻き巡らされた冷却用パイプと、
を備える。

【0007】

上記目的を達成するため、本開示に係る溶接部の焼鈍方法は、
回転機械の回転体を構成するホイールとシャフトとの間に設けられた溶接部の焼鈍方法であって、
前記シャフトを冷却するとともに、前記溶接部を加熱する。

【発明の効果】

【0008】

本開示に係る溶接部の焼鈍装置によれば、シャフトの変質を防ぎつつ溶接部の残留応力を小さくできる。

【0009】

本開示に係る溶接部の焼鈍方法によれば、シャフトの変質を防ぎつつ溶接部の残留応力を小さくできる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】タービンロータを概略的に示す図である。

【図2】実施形態に係る溶接部の焼鈍装置を概略的に示す図である。

【図3】図２に示した溶接部の焼鈍装置の断面図である。

【図4】実施形態に係る溶接部の焼鈍方法を説明するためのフローチャートである。

【図5】溶接部の焼鈍後におけるシャフトの性能（硬度）を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、添付図面を参照して実施形態係る溶接部の焼鈍装置１及び焼鈍方法について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

【0012】

実施形態に係る溶接部の焼鈍装置１は、回転機械の回転体を構成するホイールとシャフトとの間に設けられた溶接部の焼鈍装置である。例えば、回転機械はターボチャージャであって、回転機械の回転体は、ターボチャージャのタービンロータＴＲである。ターボチャージャのタービンロータＴＲは、内燃機関（例えば、自動車のエンジン）から排出された排気ガスの流れを受けて回転する回転体であって、図１に示すように、タービンホイールＴＷとシャフトＴＳとにより構成される。例えば、タービンホイールＴＷとシャフトＴＳは異種金属によって構成され、本実施形態に係るタービンロータＴＲにおいて、シャフトＴＳは熱処理（焼入れ）によって表面硬度が所定の硬度（以下「基準硬度」という）以上に調整されている。

【0013】

タービンホイールＴＷとシャフトＴＳは同一の軸線上に配置され、タービンホイールＴＷとシャフトＴＳは電子ビーム溶接によって溶接される。これにより、タービンホイールＴＷとシャフトＴＳとの間には溶接部ＷＰが設けられ、溶接部ＷＰには溶接による応力が残留する（これを残留応力という）。よって、本実施形態に係る溶接部の焼鈍装置１は、回転機械の回転体を構成するホイールとシャフトとの間に設けられた溶接部、例えば、ターボチャージャのタービンロータＴＲのタービンホイールＴＷとシャフトＴＳとの間に設けられた溶接部ＷＰが焼鈍対象となる。

【0014】

図２及び図３に示すように、実施形態に係る溶接部の焼鈍装置１は、高周波コイル１１と冷却用パイプ１３とを備えている。
高周波コイル１１は、環状に形成され、溶接部ＷＰを加熱可能である。高周波コイル１１は、溶接部ＷＰを囲繞可能な大きさに形成され、シャフトＴＳが挿通され、溶接部ＷＰが囲繞される。高周波コイル１１は、通電によって高周波コイル１１に囲繞された溶接部ＷＰの加熱が可能であって、溶接部ＷＰに残留した応力が十分小さくなるのに必要な温度まで加熱可能である。
冷却用パイプ１３は、液体ＣＬが流通可能であって、高周波コイル１１の軸線方向一方側において高周波コイル１１の軸線に沿って螺旋状に巻き巡らされている。冷却用パイプ１３は、シャフトＴＳを囲繞可能な大きさに巻き巡らされ、シャフトＴＳが挿通されかつ囲繞される。冷却用パイプ１３に流通可能な液体ＣＬは、溶接部ＷＰの焼鈍時にシャフトＴＳを冷却するための液体ＣＬであって、例えば、冷却水である。高周波コイル１１の軸線方向一方側は、高周波コイル１１の軸線が重力方向に沿って配置された場合に、高周波コイル１１の重力方向下方側又は上方側であり、図２及び図３に示す例では、高周波コイル１１の重力方向下方側である。例えば、冷却用パイプ１３は高周波コイル１１に近い側が入口側、遠い側が出口側となり、高周波コイル１１に近い側から液体ＣＬが供給され、高周波コイル１１に遠い側から液体ＣＬが排出される。

【0015】

上述した実施形態に係る溶接部の焼鈍装置１では、回転機械の回転体を構成するシャフトＴＳが高周波コイル１１、冷却用パイプ１３の順に挿通されることで、シャフトＴＳが冷却用パイプ１３に囲繞され、溶接部ＷＰが高周波コイル１１に囲繞される。そして、図４に示すように、冷却用パイプ１３に液体ＣＬを流通させるとともに、高周波コイル１１に通電させることで、シャフトＴＳを冷却するとともに、溶接部ＷＰを加熱する（ステップＳ１１，Ｓ１２）。溶接部ＷＰは溶接部ＷＰに残留した応力が十分に小さくなるのに必要な所定温度まで加熱され、溶接部ＷＰに残留した応力が十分に小さくなるのに必要な所定時間その温度で保持される（ステップＳ１３，Ｓ１４）。その後、溶接部ＷＰが徐冷され（ステップＳ１５）、溶接部ＷＰの焼鈍が終了する。

【0016】

上述した実施形態に係る溶接部の焼鈍装置１によれば、冷却用パイプ１３に流通する液体ＣＬがシャフトＴＳを冷却するとともに、高周波コイル１１が溶接部ＷＰを加熱するので、溶接部ＷＰを所定温度（シャフトＴＳが変質しない温度）以上に加熱することができる。これにより、シャフトＴＳの変質を防ぎつつ溶接部ＷＰに残留した応力を十分に小さくできる。

【0017】

図２及び図３に示すように、実施形態に係る溶接部の焼鈍装置１では、冷却用パイプ１３は、冷却用パイプ１３に挿通されたシャフトＴＳとの間に気体供給源（図示せず）から供給された気体ＣＡが流通可能な隙間を有する。例えば、気体供給源は、溶接部の焼鈍装置１が設置された工場に設けられたコンプレッサ、ガスボンベ等であり、気体ＣＡは圧縮空気である。気体ＣＡは、例えば、高周波コイル１１に近い側から供給され、高周波コイル１１から遠い側から排出される。

【0018】

上述した実施形態に係る溶接部の焼鈍装置１では、冷却用パイプ１３に液体ＣＬを流通させるときに合わせて、気体供給源から供給された気体ＣＡを冷却用パイプ１３に挿通されたシャフトＴＳと冷却パイプとの間の隙間を通り流通する。

【0019】

上述した実施形態に係る溶接部の焼鈍装置１によれば、気体供給源から供給された気体ＣＡが冷却用パイプ１３に挿通されたシャフトＴＳと冷却用パイプ１３との間の隙間を通り流通するので、シャフトＴＳを効果的に冷却することができる。

【0020】

図２に示すように、実施形態に係る溶接部の焼鈍装置１は、さらに、冷却用パイプ１３を収容する筒１５を備えている。例えば、筒１５には、気体供給源から冷却用パイプ１３に挿通されたシャフトＴＳと冷却用パイプ１３との間の隙間に気体ＣＡを供給するための入口、隙間から気体ＣＡを排出するための出口が設けられている。

【0021】

上述した実施形態に係る溶接部の焼鈍装置１によれば、冷却用パイプ１３が筒１５に収容されるので、冷却用パイプ１３を保護することができる。

【0022】

図５は、溶接部ＷＰの焼鈍後におけるシャフトＴＳの性能（硬度）を示す図である。図５において左側にタービンホイールＴＷが設けられ、コンプレッサホイール取付側に向けて計測点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が設けられている。「１」はシャフトＴＳが変質しない温度まで溶接部ＷＰを加熱焼鈍した後の性能（硬度）、「２」は溶接部ＷＰに残留した応力が十分に小さくなる所定温度まで溶接部ＷＰを加熱焼鈍した後の性能（硬度）、「３」は冷却用パイプ１３に液体ＣＬを流通させた状態（水冷）で溶接部ＷＰに残留した応力が十分に小さくなる所定温度まで加熱焼鈍した後の性能（硬度）、「４」「５」「６」は冷却用パイプ１３に液体ＣＬを流通させるとともに隙間に気体ＣＡを流通させた状態（水冷＋空冷）で溶接部ＷＰに残留した応力が十分に小さくなる所定温度まで加熱焼鈍した後の性能（硬度）を示す。

【0023】

図５「１」に示すように、シャフトＴＳが変質しない温度まで溶接部ＷＰを加熱焼鈍すると、Ｐ２及びＰ３において基準硬度を超えるが、溶接部ＷＰに残留した応力が十分に小さくできない。図５「２」に示すように、溶接部ＷＰに残留した応力が十分に小さくなる所定温度まで溶接部ＷＰを加熱焼鈍すると、Ｐ１及びＰ２において基準硬度を満たすことができない。図５「３」に示すように、冷却用パイプ１３に液体ＣＬを流通させた状態（水冷）で溶接部ＷＰに残留した応力が十分に小さくなる所定温度まで加熱焼鈍すると、Ｐ１及びＰ２において基準硬度を満たすことができない。一方、図５「４」「５」「６」に示すように、冷却用パイプ１３に液体ＣＬを流通させるとともに隙間に気体ＣＡを流通させた状態（水冷＋空冷）で溶接部ＷＰに残留した応力が十分に小さくなる所定温度まで加熱焼鈍すると、ばらつきはあるもののＰ１，Ｐ２及びＰ３の全てにおいて基準硬度を満たすことができる。よって、冷却用パイプ１３に液体ＣＬを流通させるとともに隙間に気体ＣＡを流通させた状態（水冷＋空冷）で溶接部ＷＰに残留した応力が十分に小さくなる所定温度まで加熱焼鈍することが好ましいことが確認された。

【0024】

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

【0025】

上記各実施形態に記載の内容は、例えば、以下のように把握される。

【0026】

［１］の態様に係る溶接部の焼鈍装置（１）は、
回転機械の回転体を構成するホイール（タービンホイールＴＷ）とシャフト（シャフトＴＳ）との間に設けられた溶接部（溶接部ＷＰ）の焼鈍装置であって、
環状に形成され、前記溶接部（溶接部ＷＰ）を加熱可能な高周波コイル（１１）と、
液体（ＣＬ）が流通可能であって、前記高周波コイル（１１）の軸線方向一方側において前記高周波コイル（１１）の軸線に沿って螺旋状に巻き巡らされた冷却用パイプ（１３）と、
を備える。

【0027】

このような構成によれば、冷却用パイプ（１３）に流通する液体（ＣＬ）がシャフト（シャフトＴＳ）を冷却するとともに、高周波コイル（１１）が溶接部（溶接部ＷＰ）を加熱するので、溶接部（溶接部ＷＰ）を所定温度（シャフト（シャフトＴＳ）が変質しない温度）以上に加熱することができる。これにより、シャフト（シャフトＴＳ）の変質を防ぎつつ溶接部（溶接部ＷＰ）の残留応力を十分に小さくできる。

【0028】

［２］別の態様に係る溶接部の焼鈍装置（１）は、［１］に記載の溶接部の焼鈍装置（１）であって、
前記冷却用パイプ（１３）は、前記冷却用パイプ（１３）に挿通された前記シャフト（シャフトＴＳ）との間に気体供給源から供給された気体（ＣＡ）が流通可能な隙間を有する。

【0029】

このような構成によれば、気体供給源から供給された気体（ＣＡ）が冷却用パイプ（１３）に挿通されたシャフト（シャフトＴＳ）と冷却用パイプ（１３）との間の隙間を通り流通するので、シャフト（シャフトＴＳ）を効果的に冷却することができる。

【0030】

［３］別の態様に係る溶接部の焼鈍装置（１）は、［１］又は［２］に記載の溶接部の焼鈍装置（１）であって、
前記冷却用パイプ（１３）を収容する筒（１５）を備える。

【0031】

このような構成によれば、冷却用パイプ（１３）が筒（１５）に収容されるので、冷却用パイプ（１３）を保護することができる。

【0032】

［４］の態様に係る溶接部の焼鈍方法は、
回転機械の回転体を構成するホイール（タービンホイールＴＷ）とシャフト（シャフトＴＳ）との間に設けられた溶接部（溶接部ＷＰ）の焼鈍方法であって、
前記シャフト（シャフトＴＳ）を冷却するとともに、前記溶接部（溶接部ＷＰ）を加熱する。

【0033】

このような方法によれば、シャフト（シャフトＴＳ）を冷却するとともに、溶接部（溶接部ＷＰ）を加熱するので、溶接部（溶接部ＷＰ）を所定温度（シャフト（シャフトＴＳ）が変質しない温度）以上に加熱することができる。これにより、シャフト（シャフトＴＳ）の変質を防ぎつつ溶接部（溶接部ＷＰ）の残留応力を小さくできる。

【0034】

［５］別の態様に係る溶接部の焼鈍方法は、［４］に記載の溶接部の焼鈍方法であって、
前記シャフト（シャフトＴＳ）は、前記シャフト（シャフトＴＳ）を囲繞する螺旋状に巻き巡らされた冷却用パイプ（１３）に流通する液体（ＣＬ）によって冷却され、
前記溶接部（溶接部ＷＰ）は、前記溶接部（溶接部ＷＰ）を囲繞する環状の高周波コイル（１１）の通電によって加熱される。

【0035】

このような方法によれば、シャフト（シャフトＴＳ）は、シャフト（シャフトＴＳ）を囲繞する螺旋状に巻き巡らされた冷却用パイプ（１３）に流通する液体（ＣＬ）によって冷却され、溶接部（溶接部ＷＰ）は、溶接部（溶接部ＷＰ）を囲繞する環状の高周波コイル（１１）の通電によって加熱されるので、溶接部（溶接部ＷＰ）を所定温度（シャフト（シャフトＴＳ）が変質しない温度）以上に加熱することができる。

【0036】

［６］別の態様に係る溶接部の焼鈍方法は、［５］に記載の溶接部の焼鈍方法であって、
前記シャフト（シャフトＴＳ）は、更に、気体供給源から供給され、前記冷却用パイプ（１３）との間に流通する気体（ＣＡ）によっても冷却される。

【0037】

このような方法によれば、シャフト（シャフトＴＳ）は、更に、気体供給源から供給され、冷却用パイプ（１３）との間に流通する気体（ＣＡ）によっても冷却されるので、シャフト（シャフトＴＳ）を効果的に冷却することができる。

【符号の説明】

【0038】

１ 溶接部の溶接装置
１１ 高周波コイル
１３ 冷却用パイプ
１５ 筒
ＴＲ タービンロータ
ＴＷ タービンホイール
ＴＳ シャフト
ＷＰ 溶接部
ＣＬ 液体
ＣＡ 気体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】