JP5897248B2 - 燃焼キャップエフュージョンプレートのレーザ溶接補修 - Google Patents

Description

本発明は、一般に金属部品の改修に関し、より詳細には、例えば燃焼キャップエフュージョンプレートのようなガスタービンの金属部品の損傷を補修するプロセスに関する。

ガスタービンは通例、ガスタービンの作動中に損傷を受ける様々な金属部品を含んでいる。これは、複数の貫通孔を含む薄肉金属板からなる金属部品で特に当てはまる。例えば、燃焼室アセンブリに使用される燃焼キャップエフュージョンプレートは、燃焼室アセンブリ内の燃焼に起因する動的負荷による亀裂又は割れ目などの損傷を受けることが多い。かかる損傷を、金属部品全体を交換せずに補修することができれば望ましい。

従来、かかる損傷を溶接補修するため通常のＭＩＧ又はＴＩＧ溶接法が用いられてきたが、その成功は限られていた。ＭＩＧ又はＴＩＧ溶接プロセスに起因する熱の影響が大きいことから、亀裂が伝播し、損傷を封じ込めるのが難しいことが多い。例えば、かかるＭＩＧ及びＴＩＧ溶接法で生じる熱影響部はエフュージョンプレートの非損傷領域まで重なり合うことが多く、そのためさらに損傷が生じることがある。

ガスタービンの金属部品の損傷補修に関しては、ろう付けプロセスも知られている。ろう付けは通例ＭＩＧ又はＴＩＧ溶接よりも成功率が高い。しかし、ろう付けは、洗浄及びろう付け炉サイクルが必要なために、格段に費用と時間がかかる。さらに、ろう付け法を現場で実施するのは難しいことが多く、損傷品の簡便で適宜の補修を行うのが難しい。

米国特許第６９０８５１８号明細書

従って、ＭＩＧ／ＴＩＧ溶接及びろう付けに関する現在の短所の少なくとも幾つかに対処したガスタービンの金属部品の補修法があれば有用であろう。

本発明の態様及び利点が、以下の記述で一部分説明され、若しくはその記述から明らかになり又は本発明を実施することにより理解され得る。

本発明の例示的一実施形態により、金属部品の補修方法が提供される。その方法は、金属部品のある位置で金属部品に溝を生成することを含む。その方法は、溝内に充填材を堆積し、その充填材にパルスレーザを照射することをさらに含む。パルスレーザは、金属部品及び充填材に熱を加えてそれらを溶融するのに十分な出力、周波数及びパルス幅を有する。パルスレーザによる熱により、充填材が金属部品に溶接され、金属部品を補修する。

本発明のこの例示的実施形態に様々な追加又は変更を行うことができる。

例えば、本発明の別の例示的実施形態では、ガスタービン用の金属部品の補修方法が提供される。その方法は、割れ目を金属部品からブレンドして金属部品にノッチを生成することを含む。その方法は、ノッチ内に充填材を堆積し、その充填材にパルスレーザを当てることをさらに含む。パルスレーザは、金属部品及び充填材に熱を加えてそれらを溶融するのに十分な出力、周波数及びパルス幅を有する。パルスレーザによる熱により、充填材が金属部品に溶接され、金属部品を補修する。

本発明の別の例示的実施形態では、ガスタービンの燃焼キャップエフュージョンプレートの補修方法が提供される。その方法は、エフュージョンプレートから割れ目をブレンドしてエフュージョンプレートにノッチを生成することを含む。その方法は、ノッチ内に充填材を堆積し、その充填材にパルスレーザを当てることを含む。パルスレーザは、約３．５Ｈｚ〜約２０Ｈｚの周波数、約４．０ｍｓ〜約１５．０ｍｓのパルス幅及び約０．４ｍｍ／ｓ〜約１．５ｍｍ／ｓの移動速度を有する。パルスレーザは、充填材を溶融しエフュージョンプレートに溶接することによりエフュージョンプレートを補修するのに十分な熱を発生する。

本発明のこれら及び他の特徴、態様及び利点は、以下の説明及び添付特許請求の範囲を参照することにより、より良く理解されるようになろう。この明細書に組み込まれその一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を示し、説明と併せて、本発明の原理を説明する働きをする。

当業者を対象とした本発明の授権上の完全な開示が、本明細書中に記載されており、それは、添付図面を参照する。

ガスタービンの燃焼室アセンブリに使用することができる例示的燃焼キャップエフュージョンプレートの平面図である。 ガスタービンの燃焼室アセンブリに使用することができる例示的燃焼キャップエフュージョンプレートの例示的損傷を示す図である。 本開示の例示的一実施形態により、例示的燃焼キャップエフュージョンプレートの損傷の位置にノッチ又は溝を生成している図である。 本開示の例示的一実施形態により、例示的燃焼キャップエフュージョンプレートに充填材を溶接するためにパルスレーザを照射している図である。 本開示の例示的一実施形態による、例示的燃焼キャップエフュージョンプレートの壁厚の一部の亀裂を補修する例示的レーザ溶接補修プロセスの断面図である。 本開示の例示的一実施形態による、例示的燃焼キャップエフュージョンプレートの壁厚を貫通する亀裂を補修する例示的レーザ溶接補修プロセスの断面図である。

本明細書に記載された有利な改良を提供するために、本発明は、ガスタービンの金属部品の補修方法を提供する。本発明を説明するために、次に、本発明の実施形態が詳細に言及され、その１つ以上の例が図面に示される。各例は、本発明を説明するために提供され、本発明を限定するものではない。実際に、本発明の範囲及び主旨を逸脱することなく、本発明に様々な変更及び改変を加えることができることは当業者にとって明らかであろう。例えば、一実施形態の一部分として図示され記載された特徴は、別の実施形態に使用してさらに別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、添付特許請求の範囲及びその均等の範囲に収まる変更及び改変を包含するものとする。

ここで図１を参照すると、複数のエフュージョン冷却孔１１０を有する薄肉金属板の形態の例示的燃焼キャップエフュージョンプレート１００が示されている。本開示は、エフュージョンプレート１００の損傷の補修に関して詳細に説明されるが、当業者は、本明細書に示された開示をもって、本開示が燃焼キャップエフュージョンプレートの補修に限定されることなく、様々な金属部品の補修を包含するものであることを理解するべきである。

エフュージョンプレート１００は、通常、ガスタービン用燃焼室アセンブリの燃焼室に隣接する燃焼キャップの端部に配置される。エフュージョンプレート１００は、燃料ノズルを、燃焼キャップを通して燃焼室アセンブリに挿入するための複数の開口１０５を備える。一連のエフュージョン冷却孔１１０によって、隣接する燃焼室内でガスが燃焼する際にエフュージョン冷却が可能になる。エフュージョンプレート１００は、隣接する燃焼領域内での作動中の燃焼によって生じる輻射熱の放出から燃焼キャップを遮蔽する、燃焼キャップのための輻射遮蔽板として機能する。

エフュージョンプレート１００は、通常、高温及び高応力状態に耐えることができる高耐食性合金から製作される。例えば、エフュージョンプレート１００は、ニッケル基又はコバルト基合金から製造することができる。特定の実施形態では、エフュージョンプレート１００は、例えばＨａｓｔｅｌｌｏｙ Ｘ、Ｈａｙｎｅｓ ２３０、Ｉｎｃｏｎｅｌ ６１７、Ｉｎｃｏｎｅｌ ６２５その他同様の合金など、固溶体強化型合金から製造することができる。他の実施形態では、エフュージョンプレート１００は、例えばＨａｙｎｅｓ ２８２、Ｗａｓｐａｌｏｙ、Ｎｉｍｏｎｉｃ ２６３その他同様の合金など、析出強化硬化型合金から製造することができる。

エフュージョンプレート１００は、約０．２５インチ（約６．３５ｍｍ）未満など、通常、比較的薄肉である。比較的薄いエフュージョンプレート１００の板厚が、複数のエフュージョン冷却孔１１０と相俟って、エフュージョンプレート１００に、燃焼システムの動的負荷による損傷を受け易くする。例えば、図２に示すように、エフュージョンプレート１００は、亀裂又は割れ目１２０の形態の損傷を受けることがある。

従来、標準的ＭＩＧ又はＴＩＧ溶接法を使用するその種損傷１２０の溶接補修が、限られた成功率のもとに行われてきた。ＭＩＧ又はＴＩＧ溶接プロセスによって生じる高温の影響により、しばしば亀裂伝播が生じ、損傷を封じるのに困難が生じる。例えば、かかるＭＩＧ及びＴＩＧ溶接法によって生じる熱影響部は、しばしばエフュージョンプレートの非損傷領域にまで及び、それによりさらに損傷が生じることがある。これは、一連のエフュージョン冷却孔１１０を有する薄肉金属板から形成されているエフュージョンプレート１００に対して特に当て嵌まる。

ろう付けプロセスも、エフュージョンプレート１００などの、ガスタービンの金属部品の損傷補修用として知られている。ろう付けは、通常、ＭＩＧ又はＴＩＧ溶接より成功率が高い。しかし、ろう付けは、洗浄及びろう付け炉サイクルが必要なために、格段に費用と時間がかかる。さらに、ろう付け法を現場で実施するのはしばしば困難であり、好都合でタイムリな損傷品の補修をより困難にしている。

本開示によれば、ろう付け及びＭＩＧ／ＴＩＧ溶接の短所が、標準的ろう付け法より安価に実施され、又、標準的ＭＩＧ／ＴＩＧ溶接の有害な熱影響を回避するパルスレーザ溶接法を使用することによって克服される。本開示のパルスレーザ溶接法を用いることによって、燃焼キャップエフュージョンプレートのような複数の冷却孔を有する、ガスタービンの比較的薄い金属部品が、有害な熱影響によって生じる亀裂伝播又は亀裂の封じ難さを免れて、好都合にタイムリに補修され得る。

ここで図２〜４を参照して、本開示の例示的パルスレーザ溶接法を使用する、エフュージョンプレート１００の補修又は補修の例示的プロセスが、次に、より詳細に説明される。図２に示すように、エフュージョンプレート１００が、亀裂又は割れ目１２０の形態の損傷を有する。亀裂又は割れ目１２０は、燃焼システムの動的負荷により発生し得る。

エフュージョンプレート１００の損傷１２０を補修するために、エフュージョンプレート１００の損傷部分１２０が、先ず除去される。損傷部分１２０は、図３に示すように、損傷１２０の位置でエフュージョンプレート１００にノッチ又は溝１３０を生成することによって除去することができる。好ましくは、ノッチ又は溝１３０は、面積では損傷１２０の寸法及び外形より大きいが、エフュージョンプレート１００に対する応力を低下させるような十分に小さい寸法及び外形を有する。

ノッチ又は溝１３０は、当業者には周知のいかなる技法を用いて生成してもよい。例えば、ノッチ又は溝１３０は、工具２００を用いてエフュージョンプレート１００から損傷１２０をブレンドすることによって生成することができる。工具２００は、エフュージョンプレート１００から損傷１２０を機械加工で取り除くいかなる道具又は装置でもよい。例えば、工具２００には、エフュージョンプレート１００の損傷部分を研磨除去してノッチ又は溝１３０を形成する回転研磨具を含めることができる。

ノッチ又は溝１３０の深さは、エフュージョンプレート１００が受ける損傷１２０のタイプに依存する。例えば、損傷１２０が、壁厚の一部の亀裂又は割れ目である場合は、ノッチ又は溝１３０の深さは、該壁厚の一部の割れ目の深さに依存する。好ましくは、ノッチ又は溝１３０の深さは、それ以上の亀裂伝播を防止するために壁厚の一部の割れ目の深さより僅かに深い。損傷１２０が壁厚を貫通する亀裂又は割れ目である場合、エフュージョンプレート１００の適切な補修又は補修、並びに亀裂伝播の防止を確実に行うために、ノッチ又は溝１３０の深さは、エフュージョンプレート１００の厚さ全体を貫通して延在する必要があり得る。

ノッチ又は溝１３０をエフュージョンプレート１００に生成した後、充填材１４０をノッチ又は溝１３０内に堆積する。充填材１４０は、当技術分野で知られている様々な溶接充填材のいずれでもよい。ある実施形態では、充填材１４０は、高強度耐熱性高耐酸化性合金である。例えば、充填材１４０は、例えばＨａｓｔｅｌｌｏｙ Ｘ、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ Ｗ、Ｈａｙｎｅｓ ２３０、Ｉｎｃｏｎｅｌ ６１７、Ｉｎｃｏｎｅｌ ６２５その他同様の合金など、固溶体強化型合金でもよい。他の実施形態では、充填材１４０は、例えばＨａｙｎｅｓ ２８２、Ｗａｓｐａｌｏｙ、Ｎｉｍｏｎｉｃ ２６３その他同様の合金などの、析出強化硬化型合金でもよい。

充填材１４０は、充填材１４０の充填材ワイヤ１５５（図５及び６に示す）をノッチ又は溝１３０内に配置し、本開示で説明されるパルスレーザ技法を用いて充填材ワイヤ１５５を加熱することによって、ノッチ又は溝１３０内に堆積することができる。充填材ワイヤ１５５は、約０．０１０インチ（約０．２５４ｍｍ）〜約０．０４５インチ（約１．１４３ｍｍ）の範囲の直径、例えば約０．０２５インチ（約０．６３５ｍｍ）〜約０．０３５インチ（約０．８８９ｍｍ）など、例えば約０．０３０インチ（約０．７６２ｍｍ）など又はそれらの間の任意の他の直径若しくは直径範囲を有し得る。当業者は、本明細書に示された開示をもって、充填材はいかなる他の形状でもよいことを理解するべきである。

図４に示すように、充填材１４０をエフュージョンプレート１００に溶接するために、パルスレーザ３１０を充填材１４０に照射する。パルスレーザ３１０は、ＣＯ₂レーザ、ランプポンプレーザ、ファイバレーザ又はいかなる他のタイプのレーザでもよい。パルスレーザ３１０は、充填材１４０をエフュージョンプレート１００に溶接するのに足りる高エネルギーで短時間のパルスを照射する。パルスレーザ３１０は、図５及び６に示される熱影響部３２０を発生する。以下に詳細に説明されるように、有害な熱影響を低減することができるように熱影響部３２０の大きさを制御するために、パルスレーザ３１０の様々なパラメータを変化させ又は調整することができる。

パルスレーザ３１０はレーザ溶接機３００によって生成される。レーザ溶接機３００は、当技術分野で周知の様々なパルスレーザ溶接機のいずれでもよい。例えば、レーザ溶接機３００は、米国特許第５１７９２６１号、同第５３６９２４２号、同第５７２６４１８号又は同第６７７４３３８号に記載され開示されているレーザ溶接機と同種品でもよい。

特定の実施形態では、レーザ溶接機３００は、ＯＲ Ｌａｓｅｒ社製のＨＴＳ Ｍｏｂｉｌｅ ２００溶接機である。この例示的レーザ溶接機は、ｘ、ｙ及びｚ方向の横移動が可能であり、約２００Ｗの平均出力を有する。ＨＴＳ Ｍｏｂｉｌｅ ２００レーザ溶接機で得られる最大出力は約９ｋＷである。ＨＴＳ Ｍｏｂｉｌｅ ２００溶接機は、約０．１ｍｍまでの溶接精度を実現できる。

次いで、図５を参照して、壁厚の一部の亀裂又は割れ目を補修する例示的プロセスを詳細に説明する。図示のように、ノッチ又は溝１３０がエフュージョンプレート１００に既に生成されている。充填材の第１の層１４０ａが、ノッチ又は溝１３０内に堆積される。パルスレーザ３１０が、充填材層１４０ａ上を通過する。パルスレーザ３１０は、充填材１４０をエフュージョンプレート１００に溶接して層１４０ａを形成するのに足りる高エネルギーで短時間の複数のパルスを照射する。図示の通り、このプロセスが適切な数のパスだけ繰り返され、それによって、ノッチ又は溝１３０が充填されるまで、層１４０ｂ、１４０ｃ及び１４０ｄがエフュージョンプレート１００に溶接される。

次いで、図６を参照して、壁厚を貫通する亀裂又は割れ目を補修する例示的プロセスを詳細に説明する。図示のように、ノッチ又は溝１３０がエフュージョンプレート１００に既に生成されている。シム材１４５が、エフュージョンプレート１００の背面に溶接されている。シム材１４５は、充填材１４０に対する裏当て面を形成するために用いられる。シム材１４５は、ニッケル基又はコバルト基合金からなり得る。例えば、シム材は、例えばＨａｓｔｅｌｌｏｙ Ｘ、Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ Ｗ、Ｈａｙｎｅｓ ２３０、Ｉｎｃｏｎｅｌ ６１７又はＩｎｃｏｎｅｌ ６２５など、固溶体強化型合金から製造してもよい。

充填材の第１の層１４０ａが、ノッチ又は溝１３０内に堆積される。パルスレーザ３１０が、充填材層１４０ａ上を通過する。パルスレーザ３１０は、充填材をエフュージョンプレート１００に溶接して層１４０ａを形成するのに足りる高エネルギーで短時間の複数のパルスを照射する。図示の通り、このプロセスが適切な数のパスだけ繰り返され、それによって、ノッチ又は溝１３０が充填されるまで、層１４０ｂ、１４０ｃ、１４０ｄ及び１４０ｅがエフュージョンプレート１００に溶接される。

図５及び６の両方に示されるように、パルスレーザ３１０は熱影響部３２０を発生する。エフュージョンプレート１００のような複数の貫通孔を有する、ガスタービンの金属部品を溶接するとき、溶接によって生じる有害な熱影響を回避するために、熱影響部３２０を減少させることが望ましい。このようにして、エフュージョンプレート１００の損傷をより容易に封じることができ、亀裂伝播を回避することができる。

充填材１４０をエフュージョンプレート１００に溶接するのに十分な大きさであるが、エフュージョンプレートの有害な加熱を十分に低減する小ささである所望の熱影響部３２０を達成するために、パルスレーザ３１０の様々な作動パラメータを調節することができる。例えば、パルスレーザ３１０は周波数及びパルス幅を有し得る。パルスレーザ３１０の周波数は、約３．５Ｈｚ〜約２０Ｈｚの範囲、例えば約４．０Ｈｚ〜約６．０Ｈｚなど、例えば約５．０Ｈｚ若しくは５．５Ｈｚなど又はそれらの間の任意の他の周波数若しくは周波数範囲であり得る。パルスレーザ３１０のパルス幅は、約４．０ｍｓ〜約１５．０ｍｓの範囲、例えば約５．０ｍｓ〜約８．０ｍｓなど、例えば約６．０ｍｓ若しくは７．０ｍｓなど又はそれらの間の任意のパルス幅若しくはパルス幅範囲であり得る。さらに、パルスレーザは、約０．４ｍｍ／ｓ〜約１．５ｍｍ／ｓの範囲の移動速度、例えば約０．５ｍｍ／ｓ〜約０．８ｍｍ／ｓなど、例えば約０．６ｍｍ／ｓ若しくは０．７ｍｍ／ｓなど又はそれらの間の任意の他の移動速度若しくは移動速度範囲を有し得る。パルスレーザ３１０は又、約０．１ｍｍ〜約２ｍｍの範囲の直径、例えば約０．５ｍｍ〜約１．５ｍｍなど、例えば約１．０ｍｍ若しくは１．２ｍｍなど又はそれらの間の任意の直径若しくは直径範囲を有し得る。パルスレーザ３１０を発生するために使用されるレーザ溶接機は、約２００Ｗの平均出力及び約９ｋＷの最大出力を有し得る。レーザ溶接機は、約５５％〜約６０％出力、例えば約５７％出力などで作動することができる。

上記の作動パラメータを有するパルスレーザは、所望の熱影響部を維持しながら充填材１４０をエフュージョンプレート１００に溶接するのに足りる高エネルギーで短時間のパルスを発生することができる。熱影響部は、充填材をエフュージョンプレートに溶接するのに十分な大きさであるが、エフュージョンプレートの非損傷部分に実質的に及ぶほどには大きくない。このようにして、亀裂の封じ込め及び有害で不必要な熱影響から生じる亀裂伝播の防止を達成することができる。このように、本開示によるレーザ溶接法は、当技術分野で周知のＭＩＧ／ＴＩＧ溶接及びろう付けプロセスより優れた利点を提供する。

本主題がその特定の例示的実施形態及び方法に関して詳細に説明されてきたが、当業者が、上記を理解することにより、かかる実施形態の代替形態、変形形態及び均等物を容易に創出することができることを理解されたい。従って、本開示の範囲は、限定するものではなく例示的なものであり、当業者には容易に明らかなように、本主題の開示は、本主題の変更、改変及び／又は追加を包含することを排除するものではない。

１００ エフュージョンプレート
１０５ 開口
１１０ エフュージョン冷却孔
１２０ 亀裂又は割れ目、損傷、損傷部分
１３０ ノッチ又は溝
１４０ 充填材
１４５ シム材
１５５ 充填材ワイヤ
２００ 工具
３００ レーザ溶接機
３１０ パルスレーザ
３２０ 熱影響部

Claims (11)

1. 金属部品の補修方法であって、当該方法が、
   金属部品のある位置で金属部品に溝（１３０）を生成する段階と、
   溝（１３０）内に充填材（１４０）を堆積する段階と、
   充填材（１４０）にパルスレーザ（３１０）を照射する段階であって、パルスレーザ（３１０）が、金属部品及び充填材（１４０）に熱を加えて金属部品及び充填材（１４０）の少なくとも一部分を溶融するのに十分な出力、周波数及びパルス幅を有する、段階と
   を含んでおり、パルスレーザ（３１０）による熱で充填材（１４０）が金属部品に溶接され、前記金属部品が０．２５インチ（６．３５ｍｍ）未満の厚さを有し、複数の貫通孔を有するガスタービン用燃焼キャップエフュージョンプレート（１００）である、方法。
2. 前記パルスレーザ（３１０）で熱影響部（３２０）が生じ、当該方法が、パルスレーザ（３１０）の出力、パルス幅又は周波数を調節することによって熱影響部（３２０）の大きさを設定することを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記パルスレーザ（３１０）の周波数が３．５Ｈｚ〜２０Ｈｚである、請求項１又は請求項２記載の方法。
4. 前記パルスレーザ（３１０）のパルス幅が４．０ｍｓ〜１５．０ｍｓである、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記パルスレーザ（３１０）が０．４ｍｍ／ｓ〜１．５ｍｍ／ｓの移動速度を有する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の方法。
6. 前記パルスレーザ（３１０）が０．１ｍｍ〜２．０ｍｍの直径を有する、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の方法。
7. 前記金属部品がニッケル基又はコバルト基合金を含み、充填材（１４０）がニッケル基又はコバルト基充填材（１４０）を含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の方法。
8. 前記充填材（１４０）が、直径０．０１０インチ（０．２５４ｍｍ）〜０．０４５インチ（１．１４３ｍｍ）の充填材ワイヤである、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の方法。
9. 前記位置が壁厚の部分的割れ目を含む、請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の方法。
10. 前記位置が壁厚を貫通する割れ目を含む、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の方法。
11. 当該方法が、さらに、金属部品の背面にシム材（１４５）を溶接して裏当て面を形成することを含む、請求項１０記載の方法。