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JP2012061498A - Ｎｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法及び溶接継手 - Google Patents

Ｎｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法及び溶接継手 Download PDF

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JP2012061498A JP2010207977A JP2010207977A JP2012061498A JP 2012061498 A JP2012061498 A JP 2012061498A JP 2010207977 A JP2010207977 A JP 2010207977A JP 2010207977 A JP2010207977 A JP 2010207977A JP 2012061498 A JP2012061498 A JP 2012061498A
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康介 渡辺
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Abstract

【課題】Ｎｉ基超合金に対して異種金属である鉄鋼材料を溶接により接合するに際して、両者を溶け合わせた金属とＮｉ基超合金との境界に割れの無い健全な溶接継手を得ることが可能であるＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法及び溶接継手を提供する。
【解決手段】Ｎｉ基超合金であるタービン翼車４と、鉄鋼材料であるロータ軸２とを各々の境界部で溶接により互いに溶け合わせて接合するに際して、電子ビームＥＢの照射位置を制御して、タービン翼車４のＮｉ基超合金とロータ軸２の鉄鋼材料との境界部で互いに溶け合わせて成る溶接金属６の混合比を０．５〜０．８とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、Ｎｉ基超合金に対して、異種金属である低合金鋼等の鉄鋼材料を溶接により接合するのに用いられるＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法及びこの溶接方法により製作された溶接継手に関するものである。
従来、例えば、自動車の過給機の分野において、翼車にはインコネル713Cが採用され、心棒には低合金鋼が採用され、これらは電子ビーム溶接により接合されていた。
この溶接は、溶接金属を別に用いる溶接ではなく、翼車であるインコネル713Cと心棒である低合金鋼とを互いに溶け合わせる溶接である。
近年、環境に配慮して、排気ガスの高温化が図られるのに対応して、翼車により融点の高い（耐熱性に優れた）Mar-M材のようなＮｉ基超合金が採用されるようになった（例えば、非特許文献１参照）。
日本ガスタービン学会誌 Vol.33 No.4 (2005) p3-p10
ところが、上記した耐熱性に優れたＮｉ基超合金から成る翼車と、低合金鋼から成る心棒とを電子ビーム溶接により接合する場合、両者を溶け合わせた金属とＮｉ基超合金との境界に、融点の著しい違いによる高温割れ（境界割れ）が生じる可能性があるという問題を有しており、この問題を解決することが従来の課題となっていた。
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、Mar-M材のようなＮｉ基超合金に対して異種金属である鉄鋼材料を溶接により接合するに際して、両者を溶け合わせた金属とＮｉ基超合金との境界に割れの無い健全な溶接継手を得ることが可能であるＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法及び溶接継手を提供することを目的としている。
本発明の請求項１に係る発明は、少なくともIN100,Mar-M246,Mar-M247のいずれかが含まれるＮｉ基超合金と、このＮｉ基超合金とは異なる異種金属である低合金鋼等の鉄鋼材料とを各々の境界部で溶接により互いに溶け合わせて接合するに際して、前記Ｎｉ基超合金と前記鉄鋼材料との境界部で互いに溶け合わせて成る溶接金属の混合比を０．５〜０．８とする構成としたことを特徴としており、この構成のＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
なお、Ｎｉ基超合金と鉄鋼材料とを溶け合わせた溶接金属の混合比とは、この溶接金属においてＮｉ基超合金が占める割合のことであり重量比である。すなわち、混合比＝Ｎｉ基超合金/（Ｎｉ基超合金＋鉄鋼材料）である。
ここで、溶接ビームの狙い位置をＮｉ基超合金と鉄鋼材料との境目に設定すると、当然のことながら、Ｎｉ基超合金と鉄鋼材料とを溶け合わせた溶接金属の混合比はほぼ０．５になり、この混合比は、溶接諸条件によって溶接ビームの狙い位置や溶接深さを変えることでコントロールすることができる。
上記したように、Ｎｉ基超合金と鉄鋼材料とを溶け合わせた溶接金属の混合比を０．５程度にコントロールすると、溶接継手の強度を高め得るＮｉ基超合金の種類がかなり限定される。
この際、上記混合比を０．６程度にコントロールすると、溶接継手の強度を高め得るＮｉ基超合金の種類が増すので好ましく、上記混合比を０．７程度にコントロールすると、大半のＮｉ基超合金が溶接継手の強度を高め得るので、より好ましい。
そこで、本発明の請求項２に係るＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法では、前記Ｎｉ基超合金と前記鉄鋼材料との境界部で互いに溶け合わせて成る溶接金属の混合比を０．６〜０．８とする構成とし、本発明の請求項３に係るＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法では、前記Ｎｉ基超合金と前記鉄鋼材料との境界部で互いに溶け合わせて成る溶接金属の混合比を０．７〜０．８とする構成としている。
また、本発明の請求項４に係るＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法は、前記Ｎｉ基超合金と、前記鉄鋼材料とを各々の境界部で電子ビーム溶接又はレーザ溶接により互いに溶け合わせて接合する構成としており、電子ビーム溶接及びレーザ溶接のいずれの溶接においても、溶接ビーム径は、０．１〜０．８ｍｍとすることが望ましい。
一方、本発明の請求項５に係る溶接継手は、上記いずれかのＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法により形成された構成を成している。
本発明に係るＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法では、Ｎｉ基超合金と鉄鋼材料との境界部において、例えば、溶接ビームの狙い位置を変えることで、Ｎｉ基超合金と異種金属である鉄鋼材料とを溶け合わせた溶接金属の成分を適切に制御し得るので、この溶け合わせた金属の融点とＮｉ基超合金の融点との差を小さく抑え得ることとなり、その結果、IN100のような添加元素の多いＮｉ基超合金に対して異種金属である鉄鋼材料を溶接により接合する場合に、境界割れの無い健全な溶接継手が得られることとなる。
本発明に係るＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法では、上記した構成としているので、Ｎｉ基超合金に対して異種金属である鉄鋼材料を溶接により接合する場合に、Ｎｉ基超合金及び異種金属である鉄鋼材料の双方を溶け合わせた溶接金属とＮｉ基超合金との境界に割れが生じるのを防ぐことができ、その結果、境界割れの無い健全な溶接継手を得ることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
本発明の一実施例に係る溶接継手を有するターボチャージャを示す概略構成説明図である。 図１のターボチャージャにおける溶接継手の溶接前の状態を示す部分拡大断面説明図である。 図１のターボチャージャにおける溶接継手の溶接後の状態を示す部分拡大断面説明図である。 本発明に係るＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法の効果を示すグラフである。 図１のターボチャージャにおける溶接継手の製作に用いるレーザ溶接装置の概略構成説明図である。
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１は本発明に係る溶接継手の一実施例を示しており、この実施例では、本発明に係る溶接継手をターボチャージャの溶接部分に適用した場合を例に挙げて説明する。
図１に示すように、このターボチャージャ１は、鉄鋼材料である低合金鋼（例えば、ＣｒＭｏ鋼）からなるロータ軸２と、このロータ軸２の一端部に固定されて低合金鋼よりも耐熱性の高いＮｉ基超合金（例えば、IN100）からなるタービン翼車４が備えられている。なお、このターボチャージャ１のロータ軸２における他端部には、図示しないコンプレッサ翼車が備えられている。
このような構成のターボチャージャ１は車両の内燃機関に搭載されて、排気通路にタービン翼車４が位置し、吸気通路にコンプレッサ翼車が位置するようにして設置される。このように設置することで、排気流によってタービン翼車４が回転し、このタービン翼車４の回転がロータ軸２を介してコンプレッサ翼車に伝達されることにより、コンプレッサ翼車が回転して吸入空気を圧縮する。
この場合、ロータ軸２のタービン翼車４側の端面中央には、円形状の凸部２ａが形成されている。一方、タービン翼車４の端面中央には、円形状の凹部４ａが形成されている。これらのロータ軸２の凸部２ａ及びタービン翼車４の凹部４ａが互いに嵌合してインロー継手を形成しており、このインロー継手の互いに突き合わされている部分、すなわち、ロータ軸２及びタービン翼車４の各端面同士を溶接により接合して溶接継手５とすることで、ターボチャージャ１が形成されている。
このターボチャージャ１の溶接継手５は、凸部２ａと凹部４ａ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２及びＮｉ基超合金であるタービン翼車４を芯出し状態でセットした後、ロータ軸２の軸心周りに回転させながら、上記突き合わせ部分に全周にわたって電子ビームを照射して溶接することで形成される。
次に、上記したターボチャージャ１の溶接継手５を得るための溶接方法、すなわち、本発明に係るＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法について説明する。
図２に示すように、溶接前においては、ロータ軸２の凸部２ａを囲む環状の端面と、タービン翼車４の凹部４ａを囲む環状の端面とが互いに突き合わされて、ロータ軸２の軸心と直交する境界面Ｆが形成されている。
そして、一体化させたロータ軸２及びタービン翼車４をロータ軸２の軸心周りに回転させながら、図示しない電子銃より上記突き合わせ部分に向けて電子ビームＥＢを照射することで、突き合わせ部分の全周を溶接する。
この溶接が終了すると、図３に示すように、境界面Ｆを含んでロータ軸２及びタービン翼車４の溶融した溶接金属６が形成される。この溶接金属６は、ロータ軸２とタービン翼車４とが溶融したもの、すなわち、低合金鋼とＮｉ基超合金とを溶け合わせた金属である。
上記溶接において、ビーム照射位置（電子ビームの狙い位置）Ｗ１を突き合わせ部分における境界面Ｆの近傍に設定すると、Ｎｉ基超合金と低合金鋼とを溶け合わせた溶接金属６の混合比（溶接金属６におけるＮｉ基超合金が占める割合）はほぼ０．５になる。この際、この溶接金属６のＮｉ含有量とタービン翼車４のＮｉ基超合金のＮｉ含有量との差が大きくて各融点の差が大きいと、境界部分において図３に仮想線で示すような溶接割れＮＧが生じやすい。
この実施例に係る溶接方法では、溶接諸条件を考慮しつつ、例えば、図３に白抜き矢印で示すように、電子ビームＥＢの照射位置Ｗ１をタービン翼車４側の照射位置Ｗ２に変更することで、溶接金属６の混合比をコントロールして、溶接金属６及びタービン翼車４であるＮｉ基超合金の各融点の差が小さくなるようにしている。
なお、溶接諸条件を考慮しつつ、電子ビームＥＢの照射深さを上下させることでも、溶接金属６の混合比をコントロールすることができる。
上記した実施例に係る溶接方法では、ロータ軸２及びタービン翼車４の境界部において、電子ビームＥＢの照射位置Ｗ１をタービン翼車４側の照射位置Ｗ２に変えることによって、例えば、ビーム径０．１〜０．８ｍｍの電子ビームの照射位置をタービン翼車４側に０．１ｍｍずらすことによって、Ｎｉ基超合金と低合金鋼とを溶け合わせた溶接金属６の混合比（成分）を適切に制御するようにしているので、この溶接金属６の融点とタービン翼車４のＮｉ基超合金の融点との差を小さく抑え得ることとなり、その結果、境界割れの無い健全な溶接継手５が得られることとなる。
そこで、タービン翼車４のＮｉ基超合金としてIN100,Mar-M246,Mar-M247を一種類ずつ採用し、一方、異種金属であるロータ軸２の鉄鋼材料の低合金鋼としてＣｒＭｏ鋼を採用した場合の各溶接継手強度比に及ぼす溶接金属の混合比（＝Ｎｉ基超合金/（Ｎｉ基超合金＋鉄鋼材料）；重量比）の影響を調べたところ、図４に示す結果を得た。
図４に示すように、IN100,Mar-M246,Mar-M247のいずれの場合も、Ｎｉ基超合金と低合金鋼とを溶け合わせた溶接金属６の混合比を大きくすれば、これに伴って高い溶接継手５の強度比が得られることが判る。
この際、混合比を０．５程度に制御すると、IN100及びMar-M246の二種類のＮｉ基超合金の場合に溶接継手５の強度比を高め得ることとなり、電子ビームの照射位置を変えたり、照射深さを変えたりして上記混合比を０．６程度に制御すると、混合比０．５のときと同じくIN100及びMar-M246の二種類のＮｉ基超合金の場合に溶接継手５の強度比を高め得ることとなる。そして、上記混合比を０．７程度にコントロールすると、IN100,Mar-M246,Mar-M247のいずれものＮｉ基超合金が溶接継手５の強度比を高め得ることが判る。
したがって、この実施例に係る溶接方法では、Ｎｉ基超合金と異種金属である低合金鋼とを溶け合わせた溶接金属６の混合比（成分）を適切に制御すれば、溶接継手５の強度比を高め得ることが判り、これにより、境界割れの無い健全な溶接継手５が得られることが実証できた。
上記した実施例では、ロータ軸２及びタービン翼車４の突き合わせ部分に向けて電子ビームＥＢを照射することで、溶接継手５を得る場合を示したが、他の構成として、図５に簡略的に示すレーザ溶接装置を用いてもよい。
このレーザ溶接装置は、ベッド１０上に配置される面盤１１と、この面盤１１に対向してベッド１０上に配置される芯押し台１２と、ロータ軸２及びタービン翼車４の各端面同士の突き合わせ部分にレーザビームＬＢを照射するレーザ発振器１３と、レーザ出力やレーザビーム照射位置等の溶接条件をコントロールする制御部１４を備えている。
このレーザ溶接装置では、ベッド１０上の面盤１１及び芯押し台１２間に、一体化させた低合金鋼であるロータ軸２及びＮｉ基超合金であるタービン翼車４を芯出し状態でセットした後、面盤１１の作動によりロータ軸２の軸心周りに回転させながら、ロータ軸２及びタービン翼車４の突き合わせ部分に全周にわたってレーザビームＬＢを照射して溶接するようになっている。
このレーザ溶接装置では、溶接諸条件に基づく制御部１４からの指令によりベッド１０を動作させて、ロータ軸２及びタービン翼車４の境界部において、レーザビームＬＢの照射位置を変えることによって、Ｎｉ基超合金と低合金鋼とを溶け合わせた溶接金属６の混合比を適切に制御する。
このレーザ溶接装置を用いた場合も、溶接金属６の融点とタービン翼車４のＮｉ基超合金の融点との差を小さく抑え得ることとなるので、境界割れの無い健全な溶接継手５が得られることとなる。
本発明に係るＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法及び溶接継手の構成は、上記した実施例の構成に限定されるものではない。
２ ロータ軸（鉄鋼材料）
４ タービン翼車（Ｎｉ基超合金）
５ 溶接継手
６ 溶接金属

Claims (5)

  1. Ｎｉ基超合金と、このＮｉ基超合金とは異なる異種金属である鉄鋼材料とを各々の境界部で溶接により互いに溶け合わせて接合するに際して、
    前記Ｎｉ基超合金と前記鉄鋼材料との境界部で互いに溶け合わせて成る溶接金属の混合比を０．５〜０．８とする
    ことを特徴とするＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法。
  2. 前記Ｎｉ基超合金と前記鉄鋼材料との境界部で互いに溶け合わせて成る溶接金属の混合比を０．６〜０．８とする請求項１に記載のＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法。
  3. 前記Ｎｉ基超合金と前記鉄鋼材料との境界部で互いに溶け合わせて成る溶接金属の混合比を０．７〜０．８とする請求項２に記載のＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法。
  4. 前記Ｎｉ基超合金と、前記鉄鋼材料とを各々の境界部で電子ビーム溶接又はレーザ溶接により互いに溶け合わせて接合する請求項１〜３のいずれか一つの項に記載のＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法。
  5. 請求項１〜４のいずれかのＮｉ基超合金に対する鉄鋼材料の溶接方法により形成された溶接継手。
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