轴体的制造方法与流程

本发明涉及将多个轴构件焊接而形成轴体的轴体的制造方法。

本申请主张在2014年10月10日提出申请的日本特愿2014-208814号的优先权，并将其内容援引于此。

背景技术：

例如，已知有在将构成蒸汽涡轮的涡轮转子(轴体)分割成多个轴构件的基础上，通过将这些轴构件相互焊接并接合而进行制造的方法(例如，参照专利文献1)。如果是这样的方法，则例如能够根据轴构件而使材料不同，例如根据蒸汽涡轮内的温度分布而能够选定轴构件的材料。

例如，在将涡轮转子沿轴向分割成三部分的情况下，能够进行如下材料选定：使用高温强度优异的高Cr钢作为配置在蒸汽涡轮内的环境温度为高温区域的位置的中央部的母材，并在除此以外的部位使用低合金钢。

在该制造方法中，出于确保形成在相邻的轴构件彼此之间的焊接金属的韧性和降低焊接热影响部(HAZ，Heat-Affected Zone)的硬度的目的而通常实施焊接后热处理(PWHT，Post Weld Heat Treatment)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本国专利第4288304号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

然而，已知在实施焊接后热处理时，低合金钢侧的焊接后热处理温度比原料的回火温度变高，母材的强度下降也同时发生。

另一方面，多个轴构件中的包含设置最终级涡轮叶片的叶片槽的轴构件中，根据附加高应力的最终级附近的强度要求而决定母材的初期强度，因此考虑到焊接后热处理后的强度下降量而将焊接前的母材强度调整得较高。

在此，在焊接后热处理中的周向的温度变动大的情况下，即，焊接后热处理的加热温度的均一性差的情况下，会产生处理后的强度的周向的不均一。尤其是将母材强度调整得较高的情况下，伴随着强度变化增大而均一性恶化。

为了抑制强度的均一性的恶化，通常使用电气炉进行焊接后热处理。通过使用电气炉对转子的整体进行加热，能够减小焊接后热处理中的周向的温度变动。而且，作为电气炉，为了抑制由转子自重引起的蠕变变形，通常使用立式电气炉。

然而，能够收容转子的电气炉的使用需要极大的成本，因此也研究了仅对焊接部附近进行加热的方法。然而，在仅对焊接部附近进行加热的方法中，与对转子的周围的气氛进行加热的电气炉相比，存在难以减小焊接后热处理中的温度变动的课题。

本发明的目的在于提供一种即使在焊接后热处理中的周向的温度变动大的情况下也能够减小焊接部附近的强度不均的轴体的制造方法。

用于解决课题的方案

根据本发明的第一形态，轴体的制造方法将多个轴构件焊接而形成轴体，其中，所述轴体的制造方法具备如下工序：一次回火工序，对于至少任意一个所述轴构件，在将所述轴构件彼此焊接之前，在相邻的其他的所述轴构件侧的端部的附近的范围内，以使所述范围的所述端部侧的强度比所述范围的与所述端部相反的一侧的强度低的方式进行回火；焊接工序，在所述一次回火工序之后将所述轴构件彼此焊接；及二次回火工序，在所述焊接工序之后对于所述轴构件间的焊接部附近进行回火。

根据这样的结构，通过降低一个轴构件的焊接部附近的强度，而二次回火工序中的强度下降变得轻微。由此，即使在二次回火工序中的加热温度的周向的温度位移大的情况下，也能够确保远离焊接部的部位的强度，并减小焊接部附近的周向的强度不均。

另外，能够使轴构件的焊接部附近成为与沿着轴向逐渐变化的必要强度对应的强度。

在上述轴体的制造方法中，也可以具备如下工序：焊接前原料形成工序，形成各个所述轴构件的焊接前原料；及淬火工序，在所述焊接前原料形成工序之后且在所述一次回火工序之前，对各个所述轴构件的焊接前原料进行淬火。

在上述轴体的制造方法中，所述一次回火工序也可以通过改变所述范围的回火温度和所述范围以外的回火温度来进行。

根据这样的结构，通过在一次回火工序中改变回火温度而能够容易地进行温度控制。

在上述轴体的制造方法中，所述二次回火工序也可以使用板式加热器对所述焊接部附近进行加热。

在上述轴体的制造方法中，所述二次回火工序也可以在所述轴体的轴线沿着水平方向的状态下实施。

在上述轴体的制造方法中，也可以制造回转机械的转子作为所述轴体。

在上述轴体的制造方法中，也可以形成涡轮轴作为所述转子，所述一个轴构件配置在涡轮内的环境温度为中低温区域的位置且包含设置最终级涡轮叶片的叶片槽，设定比最终级靠上级侧的范围作为所述范围。

在上述轴体的制造方法中，也可以是所述一个轴构件由低合金钢形成，所述其他的轴构件由高铬钢形成。

根据这样的结构，即使在将回火温度高的高铬钢与低合金钢进行焊接的情况下，也能够减小焊接部附近的周向的强度不均。

发明效果

根据本发明，通过降低一个轴构件的焊接部附近的强度而二次回火工序中的强度下降变得轻微。由此，即使在二次回火工序中的加热温度的周向的温度位移大的情况下，也能够确保远离焊接部的部位的强度，并减小焊接部附近的周向的强度不均。

附图说明

图1是说明本发明的第一实施方式的涡轮转子的结构及强度/硬度的图。

图2是说明本发明的第一实施方式的轴体的制造方法的工序的流程图。

图3是说明本发明的第一实施方式的轴体的制造方法的一次回火工序的方法的概略图。

图4是说明本发明的第二实施方式的轴体的制造方法的工序的流程图。

图5是在本发明的第二实施方式的轴体的制造方法中使用的(a)焊接热影响部的LMP标绘和(b)母材的LMP标绘。

图6是表示在本发明的第二实施方式的轴体的制造方法中使用的实体温度计测的结果的坐标图。

图7A是表示在本发明的第二实施方式的轴体的制造方法中使用的二次回火工序的温度变化的坐标图。

图7B是说明在本发明的第二实施方式的轴体的制造方法中使用的焊接后热处理的条件的校正方法的坐标图。

具体实施方式

(第一实施方式)

以下，参照附图，详细说明本发明的第一实施方式的轴体的制造方法。在以下的说明中，使用蒸汽涡轮(回转机械)的涡轮转子(涡轮轴)的制造方法来说明本实施方式的轴体的制造方法。

首先，说明通过本实施方式的轴体的制造方法制造的涡轮转子。如图1所示，通过本实施方式的轴体的制造方法制造的涡轮转子1具有：成为涡轮转子1的第一端部的第一轴构件2；涡轮转子1的与第一端部相反的一侧的成为第二端部的第三轴构件4；配置在第一轴构件2与第三轴构件4之间的第二轴构件3。

第一轴构件2、第二轴构件3、第三轴构件4沿着涡轮转子1的轴线方向相互焊接。各自的轴体呈在长度方向上直径变化的形状，涡轮转子1的截面形状成为圆形形状。

涡轮转子1是异钢种焊接转子，蒸汽涡轮内的配置在环境温度为中低温区域的位置的第一轴构件2(低压涡轮转子)及第三轴构件4由低合金钢形成，蒸汽涡轮内的配置在环境温度为高温区域的位置的第二轴构件3由高温强度优异的高Cr钢形成。

具体而言，第一轴构件2由3.5％NiCrMoV低合金钢形成，第二轴构件3由12％Cr钢形成，第三轴构件4由1～2.25％CrMoV低合金钢形成。

第一轴构件2是低压涡轮转子，安装有多个涡轮叶片RB。安装的涡轮叶片RB沿着与第一轴构件2的轴向正交的方向延伸，叶片高度以使最终级涡轮叶片LRB成为最长的方式从上游侧(第二轴构件3侧)逐渐变长。

在第一轴构件2形成有设置最终级涡轮叶片LRB的叶片槽6。在第一轴构件2的叶片槽6安装具有高的叶片高度的最终级涡轮叶片LRB，在叶片槽6附近附加有大的离心力(应力)。由此，在第一轴构件2的叶片槽6处要求的强度高。

在第一轴构件2与第二轴构件3之间及第二轴构件3与第三轴构件4之间形成有由焊接金属构成的焊接部5。

涡轮转子1的轴向的相对的强度如图1的双点划线所示进行调整。即，第二轴构件3比第三轴构件4的强度高。第一轴构件2的形成有叶片槽6的部位比第二轴构件3的强度高。具体而言，第一轴构件2的形成有叶片槽6的部位的强度比叶片槽6的必要强度H5高。

在第一轴构件2的范围R，即，比叶片槽6更靠上级侧的范围中，强度比第一轴构件2的形成有叶片槽6的部位低。即，在相同的轴构件中，根据轴向的位置而强度不同。

范围R的最靠焊接部5侧的端部的必要强度H2比叶片槽的必要强度H5大幅降低。范围R的最靠焊接部5侧的端部的强度调整得比该部位的必要强度H2高，且比第三轴构件4的强度低。

在第一轴构件2的范围R中，以从范围R的最靠焊接部5侧的端部朝向叶片槽6而强度逐渐升高的方式进行调整。

接下来，说明将多个轴构件2、3、4焊接而形成轴体的轴体的制造方法。

如图2所示，本实施方式的轴体的制造方法M1具备如下工序：形成轴构件2、3、4的焊接前原料的焊接前原料形成工序S11；对于轴构件2、3、4的焊接前原料进行淬火的淬火工序S12；对于进行了淬火的轴构件2、3、4的焊接前原料进行回火的一次回火工序S13；将轴构件彼此焊接的焊接工序S14；在焊接工序S14之后对于各个焊接热影响部进行回火的二次回火工序S15(焊接后热处理)。

焊接前原料形成工序S11是将熔化的合金熔融金属进行铸造，实施锻造/成形加工而形成轴构件2、3、4的焊接前原料的工序。

淬火工序S12是对于轴构件2、3、4的焊接前原料进行淬火的工序。

关于第一轴构件2，使由3.5％NiCrMoV低合金钢形成的焊接前原料从800～900℃的温度开始骤冷。

关于第二轴构件3，使由高Cr钢形成的焊接前原料从1050～1150℃的温度开始骤冷。

关于第三轴构件4，使由1～2.25％CrMoV低合金钢形成的焊接前原料从900～1000℃的温度开始骤冷。

一次回火工序S13是对于进行了淬火的轴构件2、3、4的焊接前原料进行回火的工序。

在此，在本实施方式的轴体的制造方法M1中，关于第二轴构件3及第三轴构件4，以使整体的强度成为均质的方式进行回火，但是关于第一轴构件2，以在轴向上具有强度差的方式进行回火。

关于第二轴构件3，将实施了淬火的第二轴构件3通过以650～750℃的温度再加热来进行回火。

关于第三轴构件4，将实施了淬火的第三轴构件4通过以600～700℃的温度再加热来进行回火。

接下来，说明一次回火工序S13中的第一轴构件2的回火。

在对于第一轴构件2的一次回火工序S13中，仅将第一轴构件2的焊接部5附近的原料强度调整得较低。具体而言，进行使第一轴构件2的焊接部5附近(图1所示的范围R)与叶片槽6带有强度差的倾斜回火。具体而言，以使范围R的焊接部5侧的强度比范围R的与焊接部5相反的一侧的强度降低的方式进行回火。焊接部5附近包含由焊接产生的焊接热影响部(HAZ，Heat-Affected Zone)。

如图1所示，关于一次回火工序S13实施后的第一轴构件2的强度，与第二轴构件3焊接的端部附近的强度比远离与第二轴构件3焊接的端部的部位低。在第一轴构件2中，比叶片槽6(最终级)靠上级侧的范围设为将原料强度调整得较低的范围R。

范围R的强度从焊接部5侧的强度至与焊接部5相反的一侧的强度进行倾斜变化。由于焊接部5侧的强度要求低，因此焊接部5侧(接头部)的强度调整得较低。换言之，在第一轴构件2的接头部未安装涡轮叶片等附加物，未附加大的应力，因此不需要作为第一轴构件2的母材的3.5％NiCrMoV低合金钢具有的强度/硬度。

另一方面，由于叶片槽6的强度要求高，因此范围R的与焊接部5相反的一侧的强度调整得较高。

具体而言，与叶片槽6(最终级)的必要强度H5相比，最靠焊接部5侧的端部的必要强度H2大幅降低。最终级的前两级的必要强度H3是比最靠焊接部5侧的端部的必要强度H2稍大的程度。最终级的前一级的必要强度H4是比最终级的前两级的必要强度H3稍大的程度。

另一方面，最终级的前一级的必要强度H4调整得比叶片槽6(最终级)的必要强度H5大幅减小。

接下来，说明对第一轴构件2进行向上述那样的范围R赋予强度差的回火的方法。对第一轴构件2的范围R进行回火时，如图3所示，向圆筒状的立式炉8放入分隔板9，通过改变回火温度来赋予强度差。在立式炉8的周壁的内表面配置例如电热线作为加热装置。

具体而言，关于分隔板9的下部的区域A1，在550～600℃的温度范围实施40小时～60小时的一次回火。关于分隔板9的上部的区域A2(范围R)，在600～650℃的温度范围实施40小时～60小时的一次回火。一次回火温度以使由安装于轴构件表面的热电偶所计测的温度相对于规定的温度成为±5℃的范围的方式进行控制。而且，分隔板9附近的变化温度区域优选极力缩窄。

通过实施上述那样的热处理，能够成为在各部位具有最适的强度特性且在周向上具有均质的强度分布的涡轮转子1的焊接前原料。

焊接工序S14是将轴构件彼此，即，将第一轴构件2、第二轴构件3、第三轴构件4相互对焊的工序。在焊接工序S14中，将轴构件彼此对接，使用氮含量以质量％计为0.025％以下的9％Cr系填充金属材料，通过进行例如弧焊，在轴构件间形成由焊接金属构成的焊接部5(参照图1)。

如图1的虚线所示，通过焊接工序S14形成焊接热影响部(HAZ)。焊接热影响部由焊接部5和与焊接部5相接的轴构件的端部构成，所述焊接部5由焊接金属构成。

从图1可知，在第一轴构件2与第二轴构件3之间的焊接热影响部和第二轴构件3与第三轴构件4之间的焊接热影响部中，强度及硬度大幅上升。即，焊接热影响部中由实施焊接引起的淬火硬化性大，显著变硬。如果焊接部5的硬度变硬为例如HV350以上，则在涡轮使用中可能会产生延迟破裂，因此需要通过二次回火工序S15而下降为基准值以下的硬度。

二次回火工序S15是在焊接工序S14之后对于各个焊接热影响部进行回火的被称为焊接后热处理(PWHT，Post Welt Heat Treatment)的工序。二次回火工序S15是仅对焊接热影响部进行加热的局部回火，例如使用板式加热器，以涡轮转子1的轴线沿着水平方向的状态进行加热。除了板式加热器之外，优选还使用高频加热装置等进行辅助加热。

具体而言，关于第一轴构件2与第二轴构件3之间，在595℃～620℃的温度范围实施40小时～60小时的焊接后热处理。而且，关于第二轴构件3与第三轴构件4之间，在625℃～650℃的温度范围实施40小时～60小时的焊接后热处理。

如上所述，二次回火工序S15可以使涡轮转子1为横向地进行。这是为了在二次回火工序S15中使用板式加热器进行局部回火。即，使用板式加热器仅对焊接部5附近进行加热，由此无需考虑热处理时的蠕变变形。

如图1的单点划线所示，在二次回火工序S15之后，焊接热影响部的强度及硬度比基准值H1(HAZ硬度上限)降低。另一方面，第一轴构件2的最靠焊接部5侧的强度比该部位的必要强度H2升高。换言之，在第一轴构件2中由一次回火工序S13决定的强度考虑经由二次回火工序S15而下降的强度来设定。同样，第一轴构件2的叶片槽6的强度比该部位的必要强度H5高。

即，第一轴构件2的一次回火范围R的强度倾斜，由此端部、叶片槽6的强度维持为必要强度以上。

根据上述实施方式，通过降低第一轴构件2的焊接部5附近的强度而二次回火工序S15(焊接后热处理)中的强度下降变得轻微。由此，即使在二次回火工序S15中的加热温度的周向的温度变动大的情况下，也能够减小焊接部5附近的周向的强度不均。

即，即便在使用周向的温度不均大的板式加热器的情况下，也能够减小焊接部5附近的周向的强度不均。

换言之，能够使由二次回火工序S15，即焊接后热处理中的周向的温度变动的影响引起的强度变化为最小限度。由此，二次回火工序S15中的周向的温度变动的容许宽度变宽，能够确保二次回火工序S15后的周向的强度的均质性。

由此，在异钢种焊接转子的制造时，在将具有要求强度高的叶片槽6而蒸汽涡轮内的环境温度为中低温区域的低压涡轮转子与其他的转子进行焊接时，能够确保叶片槽6的强度，并能够减小焊接部5附近的周向的强度不均。

另外，即便在将由回火温度高的高Cr钢形成的第二轴构件3与由低合金钢形成的第一轴构件2进行焊接的情况下，也能够减小焊接部5附近的周向的强度不均。

另外，范围R的强度倾斜地变化，由此能够使第一轴构件2的焊接部5附近成为与沿着轴向逐渐变化的必要强度对应的强度。

另外，在二次回火工序S15中，利用的是使用板式加热器仅对焊接部5附近进行加热的方法，与使用电气炉进行加热的方法相比，能够低成本地实施焊接后热处理。

此外，二次回火工序S15中的焊接后热处理以涡轮转子1的轴线沿着水平方向的状态进行加热，由此，不使用立式电气炉等立式的设备而能够实施焊接后热处理。

(第二实施方式)

以下，基于附图，说明本发明的第二实施方式的轴体的制造方法。需要说明的是，在本实施方式中，以与上述的第一实施方式的不同点为中心来叙述，关于同样的部分省略其说明。

本实施方式的轴体的制造方法以焊接后的实体强度(硬度)计测数据及热处理中的实体温度计测数据为基础而向热处理条件进行反馈，进一步提高热处理后的目标强度精度。

如图4所示，本实施方式的轴体的制造方法M2具备如下工序：与第一实施方式同样的焊接前原料形成工序S21；淬火工序S22；一次回火工序S23；将轴构件彼此焊接的焊接工序S24；进行焊接热影响部及母材的硬度测定的第一硬度测定工序S25；决定焊接后热处理的LMP范围的LMP范围决定工序S26；进行温度解析并决定焊接后热处理的加热/保温范围的保温范围决定工序S27；与第一实施方式同样的二次回火工序S28；进行涡轮转子1的实体温度计测的实体温度测定工序S29；对焊接后热处理的温度/保持时间进行校正的二次回火温度/保持时间校正工序S30；测定焊接后热处理后的硬度的第二硬度测定工序S31。

第一硬度测定工序S25是测定焊接后的涡轮转子1的焊接热影响部(HAZ)的硬度(维氏硬度Hv)及涡轮转子1的母材的硬度的工序。

LMP范围决定工序S26使用图5所示那样的焊接热影响部的LMP标绘和母材的LMP标绘，来决定二次回火工序S28(焊接后热处理)的LMP范围的工序。

在此，LMP(拉森-米勒参数)是也称为回火参数的时间与温度的函数，由下式表示。

LMP＝(T+273)×(log·t+20)，T：温度(℃)，t：保持时间(小时)

图5(a)是表示焊接热影响部(HAZ)的硬度与拉森-米勒参数的关系的坐标图。图5(b)是表示母材的硬度与拉森-米勒参数的关系的坐标图。

在LMP范围决定工序S26中，决定焊接热影响部的硬度成为图5(a)所示的规定的硬度Hv1以下且母材的硬度成为图5(b)所示的规定的硬度Hv2以上那样的LMP的范围。

保温范围决定工序S27是进行焊接部5附近的周向的实体温度计测，以使热处理条件范围进入由LMP范围决定工序S26决定的LMP范围的方式控制温度分布并调整保持时间的工序。例如，周向的实体温度的基于时间的变化如图6所示在表层与内周侧不同，因此也考虑这种情况来决定加热/保温范围。

在本实施方式的二次回火工序S28(焊接后热处理)中，实施进行涡轮转子1的实体温度计测(轴向及周向)的实体温度测定工序S29。通过实施实体温度测定工序S29，来进行硬度变化量(焊接热影响部、母材)的预测。

二次回火温度/保持时间校正工序S30是例如图7A所示，因周向位置而二次回火工序S28中的温度变化不同的情况下，对二次回火工序S28的温度/保持时间进行校正的工序。

如上所述，因周向位置而二次回火工序中的温度变化不同，例如图7B所示，180°及270°的LMP从由LMP范围决定工序S26决定的LMP范围脱离的情况下，以使180°及270°的LMP进入LMP范围的方式对焊接后热处理的条件进行校正。

第二硬度测定工序S31是测定二次回火工序S28后的涡轮转子1的焊接热影响部的硬度及涡轮转子1的母材的硬度的工序。在第二硬度测定工序S31中测定的母材及焊接热影响部的硬度处于所要求的硬度的范围内的情况下，本实施方式的轴体的制造方法M2结束，在任一硬度成为范围外的情况下，返回LMP范围决定工序。

根据上述实施方式，通过进行基于实体强度/实体温度的条件选定及校正，能够实现热处理后的强度目标值的精度提高。

以上，参照附图而详细叙述了本发明的实施方式，但是各实施方式中的各结构及它们的组合等为一例，在不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行结构的附加、省略、置换及其他的变更。而且，本发明不受实施方式的限定，仅由权利要求的范围来限定。

例如，在上述实施方式中，使用涡轮转子1作为轴体进行了说明，但是轴体并不局限于涡轮转子1那样的圆柱形状的构件，也可以适用于将角柱形状的构件彼此焊接而成的轴体等。

标号说明

1 涡轮转子(轴体)

2 第一轴构件

3 第二轴构件

4 第三轴构件

5 焊接部

6 叶片槽

8 立式炉

9 分隔板

M1、M2 轴体的制造方法

S11 焊接前原料形成工序

S12 淬火工序

S13 一次回火工序

S14 焊接工序

S15 二次回火工序

R 范围