JP2014534071A - パルス電流およびフィラーワイヤを使ったｍｉｇ方法によるアルミニウムで作られた金属部品の溶接ならびに硬質表面付着方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、パルス電流発生器およびパルスフィラー金属ワイヤ供給を含むＭＩＧ溶接装置を用いてタービンエンジンのアルミニウム金属部品の硬質表面付着のための方法であって、前記硬質表面付着が、その組成が硬質表面付着を受ける前記部品のアルミニウム合金の組成と同じ性質から成るフィラー金属ワイヤを用いて実現され、タービンエンジンの金属部品の前記パルス金属ワイヤ供給および付着速度が、高温亀裂なしで付着を行うのに適応していることを特徴とする、方法に関する。

Description

本発明は、ＭＩＧ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）方法によってアルミニウムで作られた金属部品の硬質表面付着のための方法に関する。

本発明では、タービンエンジンのアルミニウム金属部品の再構成の分野に、およびフィラー金属の硬質表面付着によるアルミニウム金属部品の溶接に特に有益な用途が見出される。

より詳細には、本発明による硬質表面付着方法は、不連続材料の体積を生成するために、材料の硬質表面付着によってタービンエンジンの保持ハウジングの取付けフランジの補修に使用されることが有利である。

不連続材料の体積の生成は、現在、鍛造、鋳造などの方法を用いて、または２つの部品の溶接によって実現される。しかし、これらの方法は、比較的高価であり、低体積に、または複雑な形状を有する部品には適さない。

また、ＴＩＧタイプの溶接（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ）が知られている。これは、不活性ガス下で非溶融性電極を用いてアーク溶接する方法である。この技術は、特に金属部品の構成または硬質表面付着のために、フィラー金属と共に使用され得る。

しかし、アルミニウムは、溶接するのが困難で高い熱伝導率を有する材料であるので、たとえば収納ケース取付けフランジなどのアルミニウム金属部品のＴＩＧ溶接を用いた構成または硬質表面付着においては、周囲の領域が、保持ハウジング取付けフランジの補修中に特にケーシングの外殻上で熱によって激しく影響され、その結果、影響部の機械的特性が著しく減少する。したがって、このＴＩＧ硬質表面付着方法は、補修された金属部品の機械的特性を減少させるので、容認できず、多くの欠点を示す。このように保持ハウジングの取付けフランジの補修中に、ＴＩＧ方法の使用を通してケーシングの外殻の機械的特性を減少させるため、突起物を保持する保持ハウジングの能力は減少される。

したがって、パルス電流およびワイヤＭＩＧ方法を用いて金属構成部品を構成する方法が提案されており、これは、熱影響部およびしたがって部品の脆化を最小限にすると同時に、大きな横断面の（特に、２５ｍｍ^２より大きな）フィラー金属のビーズを生成するのに使用され得る。

ＣＭＴ（Ｃｏｌｄ Ｍｅｔａｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ）と呼ばれる溶接方法の改良である、このパルス電流およびワイヤＭＩＧ方法は、仏国特許出願公開第２９３１７１４号明細書においてより詳細に説明されている。

しかし、アルミニウム合金の溶接は高温割れ現象を引き起こす場合があることがよく知られている。これらのクラックは、通常、溶融帯が半固体状態にある場合に溶融帯の凝固の終わりに現れる。クラックは、部品の冷却および締付けにより生じる応力によって引き起こされる。この現象は、フィラー金属の組成に直接結び付けられるので、硬質表面付着を受ける部品の組成と異なる特定の組成を有するフィラー金属の使用が知られている。

したがって、例示として、組成６０６１を有するアルミニウム合金で作られた金属部品に硬質表面付着を行うために、組成４０４３または再び組成５３５６を有するアルミニウム合金で作られた金属を使用することが一般的である。

しかし、補修されるべき部品と異なる特定の組成を有するフィラー金属の使用は、フィラー金属の合金組成物の機械的特性が補修されるべき部品の合金組成物の機械的特性よりも劣っているので、たとえばアルミニウム合金６０６１で作られた元の部品と同一である機械的特性にならない。

その結果として、硬質表面付着を受ける部品は、元の部品に比して強度および運転寿命が低減する。

仏国特許出願公開第２９３１７１４号明細書

本発明の目的は、補修部品の機械的特性を改善し、かつ元の部品の機械的特性に匹敵する補修部品の機械的特性を提供する、パルス電流およびワイヤＭＩＧ方法を使ってアルミニウム金属部品の硬質表面付着のための方法を提供することである。

この目的を達成するために、本発明は、パルス電流発生器およびパルスフィラー金属ワイヤ供給を含むＭＩＧ溶接装置を用いてタービンエンジンのアルミニウム金属部品の硬質表面付着のための方法であって、前記硬質表面付着は、その組成が硬質表面付着を受ける前記部品のアルミニウム合金の組成と同じ性質から成るフィラー金属ワイヤを用いて実現され、タービンエンジンの金属部品の前記パルス金属ワイヤ供給および硬質表面付着の速度が、高温亀裂なしで硬質表面付着を行うのに適していることを特徴とする、方法を提案する。

したがって、本発明による方法により、均質な硬質表面付着が、高温割れの危険を排除する作業領域で硬質表面付着を行うと同時に、制御された硬質表面付着パラメータを使ってアルミニウム金属部品に（すなわち、ベースアルミニウム合金と同じ等級のフィラー金属を用いて）行われるようになっている。

さらに、ＭＩＧ方法などの完全に制御可能な方法を使用すると、材料の均質な硬質表面付着の条件の実現の再現性が容易になり、したがって、高温割れのないことが再現性よく確保される。

また、本発明による特定の方法は、熱影響部を最小限にし、かつしたがって部品の脆化を最小限にすると同時に、材料のかなりの体積を付着させることができるという利点がある。したがって、本発明による方法は、硬質表面付着、または厚さが小さい部品の溶接に使用され得ることが有利である。

有利なことに、本発明による硬質表面付着方法は、硬質表面付着を受ける部品の機械的特性を改善するように、付着後熱処理ステップを用いて補われる。熱処理の結果として、硬質表面付着を受ける部品は、元の部品と実質的に同一である機械的特性をもつ。

熱サイクルの目的は、硬質表面付着を受ける部品の機械的強度を改善するように、沈殿物を溶解し（溶体化焼鈍）、次いでこれらを均質なかつ制御された方法で再析出（析出焼戻し）することである。

本発明による硬質表面付着方法は、基板（すなわち元の部品）での材料の体積の構成、および、２つの元の部品と同じ等級のフィラー金属を用いた２つの部品の溶接の両方を目的としている。

また、本発明によるパルス電流発生器およびパルスフィラー金属ワイヤ供給を含むＭＩＧ溶接装置を用いてタービンエンジンのアルミニウム金属部品の硬質表面付着のための方法は、個々に、または技術的に可能な組み合わせのすべてに従って考慮される下記の特性のうちの１つまたは複数を示すことができる。すなわち、
本方法は、熱処理ステップを含み、
等級６０６１のアルミニウム合金で作られた金属部品の再構成のために、硬質表面付着速度は、５０ｃｍ／ｍｉｎと１２０ｃｍ／ｍｉｎとの間にあり、
等級６０６１のアルミニウム合金で作られる機械部品の溶接のために、フィラー金属の硬質表面付着の場合、溶接速度は、４０ｃｍ／ｍｉｎと１００ｃｍ／ｍｉｎとの間にあり、
前記方法は、硬質表面付着を受けている部品の機械的特性を最適化するように、付着されている金属の熱処理のためのステップを含み、
前記熱処理は、
第１の溶解サブステップと、
第２の過焼戻しサブステップと、
第３の焼戻しサブステップと
から成る。

本発明のもう１つの主題は、補修されるべき少なくとも１つの取付けフランジを含むタービンエンジン保持ハウジングを補修する方法であり、この方法は、
補修されるべき取付けフランジをシェービングするステップと、
本発明による硬質表面付着方法によって前記取付けフランジを再構成するステップと、
前記取付けフランジの最終形状を実現するために前記付着された金属を機械加工するステップと
を連続的に含む。

本発明による方法の結果として、簡単に、迅速にタービンエンジンのロータのための保持ハウジングを補修することができ、同時に、ケーシングフランジのシェービングされている表面から始まってフランジを再構成するＭＩＧ溶接によって材料を再構成する方法を用いて元のケーシングの機械的特性と同一の機械的特性を保証する。

したがって、この方法は、元の部品と同一の組成のフィラー金属の使用を通して、元の保持ハウジングの封じ込め能力と均等であるように補修後に長期的にそれらの封じ込め能力を保証すると同時に、タービンエンジン保持ハウジングのための実際の補修解決策を提供する。

これは、ＭＩＧ溶接によって材料を再構成する方法を使用すると、従来のアーク溶接方法に対して３倍だけ熱影響部（Ｈｅａｔ Ａｆｆｅｃｔｅｄ Ｚｏｎｅ（ＨＡＺ））のサイズがさらに低減され、それにより、保持ハウジング取付けフランジの再構成が、ケーシングの外殻の強度に悪影響を及ぼすことなく、かつ封じ込めできるようにケーシングの設計中に保証される外殻の厚さに影響を及ぼすことなく行われるようになっていることを意味する。

また、この方法により、保持ハウジングを交換するコストが回避されるようになっている。

本発明の他の特徴および利点は、表示を介して、かつ添付の図面を参照してまったく限定的でない、下に与えられるその説明からより明瞭に現れるであろう。

航空機タービンエンジンの概略図である。 補修を必要としているタービンエンジンの保持ハウジングの部分断面図である。 本発明によるタービンエンジンの保持ハウジングの補修に適用される、本発明による硬質表面付着方法の一例について主なステップを示す総括ダイヤグラムの図である。 図３に示される方法の第１のステップ中のタービンエンジンの保持ハウジングの部分断面図である。 図３に示される方法の第３のステップ中のタービンエンジンの保持ハウジングの部分断面図である。 本発明による硬質表面付着方法によって材料の硬質表面付着を行うための溶接パラメータの一例を示すグラフである。 本発明による硬質表面付着方法によってフィラー金属を使って溶接を行うための溶接パラメータの一例を示すグラフである。

図のすべてにおいて、共通の要素は、特に明記しない限り同じ参照数字が付いている。

本発明による硬質表面付着方法は、タービンエンジンファンの保持ハウジングフランジの補修の分野に特に有益な用途が見出される。

したがって、本発明による硬質表面付着方法の用途の一例が、タービンエンジンの保持ハウジングフランジの補修について下に説明される。

図１は、タービンエンジンの非常に概略的な図であり、これは、ガス流の流れの方向に上流から下流に動かすと、タービンエンジン１００の入口に配置されたファン１、圧縮機２、燃焼室３、高圧タービン４、および低圧タービン５を含んでいる。ファン１は、複数のブレード６が取り付けられる回転シャフト７から成る。

タービンエンジン１００は、ファン１を円周方向に取り囲む保持ハウジング３００を含み、保持ハウジング３００は、ブレード６の回転中に遠心力によって半径方向に投げ出された任意の異物を収容するのに適している。これは、タービンエンジン１００の運転中に、たとえば氷などの、タービンエンジン１００に異質の物質が、ファン１によって吸い込まれ、次いで回転遠心力の作用の下で半径方向に投げ出される場合があることを意味する。

保持ハウジング３００は、図２においてより詳細に示されている。

保持ハウジング３００の内部表面３２０は、タービンエンジン１００に入る空気３１０の流れを画定する。保持ハウジング３００は、その端部において、タービンエンジン１００の他の要素に取り付けられ接続されるようになっている外側フランジ３４０を含む。ケーシング３００の端部に配置される端部フランジ３４０の間で、ケーシング３００は、端部部分よりも大きな厚さの中央部分を有し、厚みが変化する。ケーシング３００の外殻の厚さは、その封じ込め能力を支配する。従来、保持ハウジングは、たとえばタイプ６０６１のアルミニウム合金で作られる。

また、保持ハウジング３００は、端部フランジ３４０の間に配置される複数の外部中間フランジ３３０を含む。また、中間フランジ３３０は、通常、実質的に放射状にケーシング３００の周縁部にわたって配置され、配管、ハーネス、等のような装置のさまざまな部材または装置支持物が取り付けられるようになっている。

タービンエンジンの寿命の間に、装置支持物のさまざまな部材が僅かに緩み、中間フランジ３３０の取付け孔３３２の早期摩耗／およびまたは楕円化を引き起こす場合がある。損傷ゾーンがあまりに大き過ぎると、フランジ３３０は、もはやその機能を果たさず、その場合、これらは補修されなければならない。

本説明においては、中間フランジ３３０は、フランジとも呼ばれ、または取付けフランジとも呼ばれることになる。

ケーシング上への材料の硬質表面付着の前に、補修されるべきフランジが調製されなければならない。

これを行うために、図３に示された方法２００の第１のステップ２１０は、摩耗したフランジ３３０の異なる度合いの部分に対する局部的なシェービングを含むステップであり、そこでは、シェービングされるべき部分は、主としてフランジ３３０の摩耗状況および摩耗伝播ゾーンに応じて決定される。

このステップは、特に図４に示されており、そこでは、シェービングされるべき部分は、例示として、フランジ３３０を上部３３０ａと下部３３０ｂに分離する水平線３３４によって示されており、摩耗したフランジ３３０の上部３３０ａは、この第１のステップ中に機械加工される。

方法２００の第２のステップは、その上に材料の硬質表面付着を行うつもりで、フランジ３３０の残りの部分の表面３３８の調製を含むステップである。この表面調製ステップは、たとえば、機械加工および／またはたとえばアルコール等を用いた化学洗浄を含む。

本発明による方法２００の第３のステップ２３０は、パルス電流およびパルスフィラー金属ワイヤ供給ＭＩＧ（「Ｍｅｔａｌ Ｉｎｅｒｔ Ｇａｓ」）タイプのアーク溶接方法を用いて、材料（またはフィラー金属）の大量の硬質表面付着によるフランジ３３０の上部３３０ａの再構成を含むステップである。補修方法２００におけるこの第３のステップ２３０は、図５においてより詳細に示されている。実質的に、図５は、材料付着ステップ後のフランジ３３０の断面図を示している。

材料の硬質表面付着は、フランジ３３０の下部３３０ｂの表面３３８の上に、大きな横断面を有する金属材料３４２（またはフィラー金属）のビーズを重ね合わせることによって実現される。パスの数、すなわち付着される材料３４２のビーズの数は、材料の所望の高さ、ならびに規定されたビーズの幅に応じて決定される。

ＭＩＧ溶接方法により、構成部品の一部が、かなりの横断面積のビーズの形の高速付着の結果として構成されまたは再構成されるようになっている。硬質表面付着ビーズの長さおよび幅は、ワイヤ送り速度に応じて操作者によって規定される。

使用されるフィラー金属は、保持ハウジングのアルミニウム合金の等級と同一のアルミニウム合金等級を有するフィラー金属である（すなわち、等級６０６１のアルミニウム合金）。

ＭＩＧ溶接を用いた硬質表面付着方法により、作業を、他のアーク溶接方法の場合の作業温度よりも冷たい温度で実施できるようになる。このように、本発明による方法は、ビーズの迅速な冷却に有利であり、したがって、アルミニウム合金６０６１について５８２℃と６５２℃との間でＢｒｉｔｔｌｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｒａｎｇｅ（ＢＴＲ）（脆化温度領域）において低保持時間になる。

したがって、本発明による方法の特定の熱サイクルにより、特にビーズ３４２の表面において、このように下に説明される適切なパラメータを使って作業することによって、他の溶接方法の場合に出合うよりも微細な特定のマイクロ構造を生成できるようになり、それにより高温割れ現象が回避される。

本発明の１つの有利な実施形態によれば、直径１．２ｍｍの合金フィラー金属６０６１のワイヤから材料の硬質表面付着（すなわち材料の再構成）を行うための本発明による方法のパラメータの範囲は、図６に示されるグラフのグレー表示されたゾーンＺ１で規定される。

したがって、付着速度は、５０ｃｍ／ｍｉｎと１２０ｃｍ／ｍｉｎとの間にあり、たとえば、５０ｃｍ／ｍｉｎの硬質表面付着速度の場合には、４．５ｍ／ｍｉｎと６．５ｍ／ｍｉｎとの間のワイヤ速度、および１２０ｃｍ／ｍｉｎの硬質表面付着速度の場合には、５．５ｍ／ｍｉｎと８ｍ／ｍｉｎとの間のワイヤ速度である。

本発明の実施形態のもう１つの例によれば、直径１．２ｍｍの合金６０６１のフィラー金属で溶接を行うための本発明による方法のパラメータの範囲は、図７に示されるグラフのグレー表示されたゾーンＺ２で規定される。

したがって、溶接速度は、４０ｃｍ／ｍｉｎと１００ｃｍ／ｍｉｎとの間にあり、４０ｃｍ／ｍｉｎの溶接速度の場合には、３ｍ／ｍｉｎと５ｍ／ｍｉｎとの間のワイヤ速度、および１００ｃｍ／ｍｉｎの溶接速度の場合には、４．５ｍ／ｍｉｎと８ｍ／ｍｉｎとの間のワイヤ速度である。

これらのパラメータの範囲は、所与の等級、所与のワイヤ直径、および所与の周囲温度のアルミニウム合金について例示として与えられている。説明されたパラメータの範囲は、ワイヤの直径、周囲温度、および使用されるアルミニウムの等級に応じて僅かに変化する場合があることを理解されたい。

しかし、さまざまなサイズのビーズの端部収縮がやはり存在するかもしれない。他方では、これは、取付けフランジ３３０の最終形状を実現するために後に機械加工される硬質表面付着ゾーンの専らビーズの端部にある。

また、硬質表面付着方法は、任意の第４の熱処理ステップ２４０を含む。熱処理は、たとえば、合金６０６１の場合、溶解から成る国際分類でのタイプＴ６の熱処理（５３０℃において２０ｍｉｎ）とこれに続く過焼戻し、および次いで１７５℃において８時間の焼戻しである。

このように、熱処理により、重ね合わせの構成部品（すなわち、フランジ）は元の構成部品と同一の機械的特性をもつことができるようになる。

本発明による硬質表面付着方法は、タービンエンジン保持ハウジングのフランジの硬質表面付着を含むタイプの使用のために主として説明されている。しかし、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。例示として、本発明による方法はまた、フィラー金属を使って、保持ハウジングのいくつかの部分の溶接を行うのに使用されることもある。本発明のこの特定の実施形態においては、図７に示された溶接パラメータの範囲が使用されることになる。

Claims (7)

1. パルス電流発生器およびパルスフィラー金属ワイヤ供給を含むＭＩＧ溶接装置を用いてタービンエンジンのアルミニウム金属部品の硬質表面付着のための方法であって、前記硬質表面付着は、その組成が硬質表面付着を受ける前記部品のアルミニウム合金の組成と同じ性質から成るフィラー金属ワイヤを用いて実現され、タービンエンジンの金属部品の前記パルス金属ワイヤ供給および付着速度が、高温亀裂なしで付着を行うのに適応していることを特徴とする、方法。
2. 熱処理ステップを含むことができることを特徴とする、請求項１に記載の硬質表面付着方法。
3. 等級６０６１のアルミニウム合金で作られた金属部品（３３０）の再構成のために、付着速度が、５０ｃｍ／ｍｉｎと１２０ｃｍ／ｍｉｎとの間にあることを特徴とする、請求項１から２のいずれか一項に記載の硬質表面付着方法。
4. 等級６０６１のアルミニウム合金で作られる機械部品の溶接のために、フィラー金属の硬質表面付着の場合、溶接速度が、４０ｃｍ／ｍｉｎと１００ｃｍ／ｍｉｎとの間にあることを特徴とする、請求項１から２のいずれか一項に記載の硬質表面付着方法。
5. 硬質表面付着を受けている部品の機械的特性を最適化するように、硬質表面付着を受けている金属の熱処理のためのステップを含むことを特徴とする、前記請求項１から４のいずれか一項に記載の硬質表面付着方法。
6. 前記熱処理が、
   第１の溶解サブステップと、
   第２の過焼戻しサブステップと、
   第３の焼戻しサブステップと
   から成ることを特徴とする、請求項５に記載の硬質表面付着方法。
7. 補修されるべき少なくとも１つの取付けフランジ（３３０）を含むタービンエンジン（１００）の保持ハウジング（３００）のための補修方法（２００）であって、
   補修されるべき取付けフランジ（３３０）のシェービングのためのステップ（２１０）と、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の硬質表面付着方法による前記取付けフランジ（３３０）の再構成のためのステップ（２３０）と、
   前記取付けフランジの最終形状を実現するために前記付着された金属の機械加工のためのステップと
   を連続的に含む、補修方法（２００）。

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