JP6565114B2 - Curing processing method and curing processing apparatus for member to be processed - Google Patents
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Description
本発明は、被処理部材の曲面形状を有する被処理面にレーザビームを照射して硬化層を形成する被処理部材の硬化処理方法及び硬化処理装置に関する。 The present invention relates to a curing method and a curing apparatus for a member to be processed, in which a surface to be processed having a curved shape of the member to be processed is irradiated with a laser beam to form a cured layer.
蒸気タービンでは、液滴化した蒸気が衝突することによりタービン低圧段翼(単にタービン翼と略称する)の蒸気入口側である前縁部にエロージョン摩耗が生じやすい。
このエロージョン摩耗を低減する技術として、エロージョンによって侵食される前縁部に火炎トーチ、或いは高周波誘導加熱を用いた硬化処理を行うことで、前縁部の耐エロージョン性を向上させる技術が知られている。
In a steam turbine, erosion wear tends to occur at a leading edge portion on the steam inlet side of a turbine low-pressure stage blade (simply referred to as a turbine blade) due to collision of vaporized steam.
As a technique for reducing this erosion wear, a technique for improving the erosion resistance of the front edge by performing a curing process using a flame torch or high frequency induction heating on the front edge that is eroded by erosion is known. Yes.
しかし、火炎トーチによる前縁部の硬化処理は、タービン翼に対して精度のよい入熱量管理が困難であり、硬さにバラツキが生じる可能性がある。また、高周波誘導加熱による前縁部の硬化処理は、多種のタービン翼形状毎に適合したコイルを製作が必要であり製造コストが高いという問題がある。
一方、例えば特許文献1に記載されているレーザビームの照射による前縁部の硬化処理は、入熱管理が容易、且つ微細処理が可能であり、様々なタービン翼形状に追従可能なので、火炎トーチ及び高周波誘導加熱による前縁部の硬化処理の問題を解決することができる。
However, the hardening process of the leading edge by the flame torch is difficult to accurately control the heat input to the turbine blade, and there is a possibility that the hardness may vary. Moreover, the hardening process of the front edge part by high frequency induction heating has the problem that it is necessary to manufacture coils suitable for various turbine blade shapes and the manufacturing cost is high.
On the other hand, for example, the hardening process of the front edge portion by laser beam irradiation described in
しかし、近年では蒸気タービンの高効率化に伴い、タービン翼の位置が先端になるに従い、曲面形状や厚みが変化しており、熱容量が変化するため位置ごとに硬化処理に必要な熱量が異なる。
また、タービン翼に用いられるステンレス鋼は硬化処理時の過加熱により、溶融や異常な金属組織の析出が発生することで硬度低下が生じ、耐エロージョン性の悪化を招くおそれがある。
However, in recent years, as the efficiency of the steam turbine increases, the curved surface shape and thickness change as the position of the turbine blades becomes the tip, and the heat capacity changes, so that the amount of heat required for the curing process differs depending on the position.
Further, the stainless steel used for the turbine blades may be melted or precipitate an abnormal metal structure due to overheating during the hardening process, resulting in a decrease in hardness, which may lead to deterioration in erosion resistance.
このように、タービン翼のいずれの位置においても同等で耐エロージョン性の高い硬化層を得るためには、温度制御による入熱管理が必須である。しかし、温度制御を行うために一般的な温度計測として使用される放射温度計は、金属材料表面の加熱により放射率が変動するので正確な温度測定ができず、タービン翼の前縁部の温度制御が難しいので、耐エロージョン性の高い硬化層を形成することができない。
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、レーザビームを照射した被処理面のレーザスポットから放射される熱放射光の強度に基づいてレーザスポットの温度を高精度に測定することで、被処理面に、高品質で高深度の硬化層を形成することができる被処理部材の硬化処理方法及び硬化処理装置を提供することを目的としている。
Thus, in order to obtain a hardened layer that is equivalent in any position of the turbine blade and has high erosion resistance, heat input management by temperature control is essential. However, the radiation thermometer used as a general temperature measurement for temperature control cannot accurately measure the temperature because the emissivity fluctuates due to the heating of the surface of the metal material. Since control is difficult, a hardened layer with high erosion resistance cannot be formed.
Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to measure the temperature of a laser spot with high accuracy based on the intensity of thermal radiation emitted from the laser spot on the processing surface irradiated with the laser beam. Then, it aims at providing the hardening processing method and hardening processing apparatus of the to-be-processed member which can form a high quality and high-depth hardened layer in a to-be-processed surface.
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る被処理部材の硬化処理方法は、被処理部材の曲面形状を有する被処理面にレーザビームを照射してレーザスポットを形成し、上記被処理面に硬化層を形成する際に、上記レーザスポットの上記曲面に沿う方向を走査して複数測定位置の熱放射光を測定し、上記複数測定位置の上記熱放射光のそれぞれに対して、波長が異なる2つの分光熱放射光に分光し、これら2つの分光熱放射光の強度の比を求めることで前記複数測定位置の各温度を算出し、上記複数測定位置の前記各温度のうち一番高い値を、上記レーザスポットの最高温度に設定し、このレーザスポットの最高温度が目標最高温度に近づくように上記レーザビームのレーザ出力値を制御するようにした。 In order to achieve the above object, a method for curing a member to be processed according to an aspect of the present invention includes irradiating a surface to be processed having a curved shape of a member to be processed with a laser beam to form a laser spot. When forming a hardened layer on the processing surface, scan the direction along the curved surface of the laser spot to measure the thermal radiation light at a plurality of measurement positions, for each of the thermal radiation light at the plurality of measurement positions, Each temperature at the plurality of measurement positions is calculated by dividing the spectrum into two spectral heat radiation lights having different wavelengths, and obtaining a ratio of the intensity of the two spectral heat radiation lights, and one of the temperatures at the plurality of measurement positions is calculated. The highest value was set to the maximum temperature of the laser spot, and the laser output value of the laser beam was controlled so that the maximum temperature of the laser spot approached the target maximum temperature.
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る被処理部材の硬化処理装置は、被処理部材の曲面形状を有する被処理面にレーザビームを照射するレーザ照射装置と、上記処理面に形成された上記レーザビームのレーザスポットから放射される熱放射光の強度を測定する熱放射光測定部と、この熱放射光測定部が出力した情報に基づいて上記レーザ照射装置に上記レーザビームのレーザ出力値を出力する制御部と、を備え、上記熱放射光測定部は、上記レーザスポットから放射される熱放射光を集光する集光部と、集光した熱放射光を波長が異なる2つの分光熱放射光に分光するビームスプリッターと、上記2つの分光熱放射光の強度を測定する2つのフォトセンサーと、を備え、上記制御部は、上記2つのフォトセンサーが測定した上記2つの分光熱放射光の強度の比に基づいて上記レーザスポットの最高温度を算出する温度算出部と、この温度算出部で算出したレーザスポットの最高温度及び予め設定している目標最高温度を比較し、上記レーザスポットの最高温度が上記目標最高温度に近づくように上記レーザ照射装置が照射する上記レーザビームの上記レーザ出力値を変更する出力値変更部と、を備えており、上記熱放射光測定部は、上記レーザスポットの上記曲面に沿う方向を走査するスキャナー部を備え、上記温度算出部は、上記スキャナー部の走査により上記レーザスポットの上記曲面に沿う方向に複数測定位置の熱放射光を測定し、これら複数測定位置の熱放射光のそれぞれに対して、上記2つの分光熱放射光の強度の比に基づいて上記複数測定位置の各温度を算出し、上記複数測定位置の各温度のうち一番高い値を、上記レーザスポットの最高温度とする。 In order to achieve the above object, a processing apparatus for processing a member according to one embodiment of the present invention includes a laser irradiation apparatus that irradiates a processing surface having a curved shape of a processing member with a laser beam, and the processing surface. A thermal radiation measurement unit that measures the intensity of the thermal radiation emitted from the laser spot of the formed laser beam, and the laser irradiation device receives the laser beam based on information output from the thermal radiation measurement unit. A control unit that outputs a laser output value, and the thermal radiation measurement unit has a wavelength different from that of the condensing unit that collects the thermal radiation emitted from the laser spot. A beam splitter that splits the light into two spectral thermal radiations, and two photosensors that measure the intensity of the two spectral thermal radiations, and the control unit measures the two photosensors. The temperature calculation unit that calculates the maximum temperature of the laser spot based on the ratio of the intensity of the two spectral heat radiations is compared with the maximum temperature of the laser spot calculated by this temperature calculation unit and the preset target maximum temperature. An output value changing unit that changes the laser output value of the laser beam irradiated by the laser irradiation apparatus so that the maximum temperature of the laser spot approaches the target maximum temperature, and the thermal radiation measurement The unit includes a scanner unit that scans the laser spot in a direction along the curved surface, and the temperature calculation unit scans the thermal radiation light at a plurality of measurement positions in the direction along the curved surface of the laser spot by scanning the scanner unit. Measure the temperature at each of the plurality of measurement positions based on the ratio of the intensity of the two spectral heat radiation light to each of the heat radiation light at the plurality of measurement positions. Out, the highest value among the temperatures of the plurality measurement positions, the maximum temperature of the laser spot.
本発明に係る被処理部材の硬化処理方法及び硬化処理装置によれば、レーザビームを照射した被処理面のレーザスポットから放射される熱放射光の強度に基づいてレーザスポットの温度を高精度に測定することで、被処理面に高品質で高深度の硬化層を形成することができる。 According to the method and apparatus for curing a member to be treated according to the present invention, the temperature of the laser spot is accurately determined based on the intensity of the thermal radiation emitted from the laser spot on the surface to be treated irradiated with the laser beam. By measuring, a hardened layer having a high quality and a high depth can be formed on the surface to be processed.
以下、本発明を実施するための形態(以下、実施形態という。)を、図面を参照しながら詳細に説明する。
[第1実施形態:タービン翼硬化処理装置]
図1の符号1は、蒸気タービンを構成するタービン低圧段翼(タービン翼と略称する)であり、このタービン翼1の前縁部2に、液滴化した蒸気が衝突することでエロージョン摩耗が生じやすい。
図2は、タービン翼1の前縁部2にレーザビームを照射することで前縁部2に硬化層を形成する本発明に係る第1実施形態のタービン翼硬化処理装置である。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, modes for carrying out the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described in detail with reference to the drawings.
[First Embodiment: Turbine Blade Curing Treatment Device]
FIG. 2 is a turbine blade hardening processing apparatus according to the first embodiment of the present invention that forms a hardened layer on the
この第1実施形態のタービン翼硬化処理装置は、レーザ発生器3、レーザ照射ヘッド4、熱放射光検出器5及び制御装置6を備えている。
レーザ発生器3は、タービン翼1の前縁部2の表面に照射されるレーザビーム7を発生するものであって、例えば発振波長が940nm±10nm及び980nm±10nmの半導体レーザで構成されている。
The turbine blade curing apparatus according to the first embodiment includes a laser generator 3, a laser irradiation head 4, a thermal
The laser generator 3 generates a laser beam 7 irradiated on the surface of the
レーザ照射ヘッド4はレーザ発生器3で発生したレーザビーム7を前縁部2の表面に照射するものであって、蒸気タービン翼1の前縁部2の表面で反射したレーザビーム7が入射するのを防ぐため、タービン翼1の前縁部2の表面に対してレーザビーム7が傾斜して照射される位置に配置されている。
レーザ照射ヘッド4は、図示しない移動駆動装置に連結し、図1で示す前縁部2の先端2aから基端側2bに向かう送り方向(図2において紙面に直交する方向)に移動可能とされ、レーザビーム7が前縁部2の表面に照射されることで、前縁部2の表面の先端2aから基端側2bにレーザスポット8が連続的に形成されていく。
The laser irradiation head 4 irradiates the surface of the
The laser irradiation head 4 is connected to a movement drive device (not shown), and can be moved in a feed direction (a direction perpendicular to the paper surface in FIG. 2) from the
熱放射光検出器5は、連結部材9を介してレーザ照射ヘッド4に連結されており、移動駆動装置によりレーザ照射ヘッド4とともに送り方向に移動する。
熱放射光検出器5は、図3に示すように、レーザスポット8から放射される熱放射光Bを集光する集光部10と、集光部10で集光した熱放射光Bを異なる波長(1300nm、1550nm)の2つの分光熱放射光Ba,Bbに分光するビームスプリッター11と、前記2つの分光熱放射光Ba,Bbのエネルギー(強度)を測定する2つのフォトセンサー12,13と、ビームスプリッター11とフォトセンサー12,13との間に設けられた光軸調整機構14,15とを備えている。
The
As shown in FIG. 3, the
集光部10は、レーザスポット8から放射された熱放射光Bをビームスプリッター11に向けて集光するミラー16〜19及び絞り20などの光学系を備えている。ここで、ミラー17は、図4に示すように、ミラー裏側に配置した回動軸17a回りに回動可能とされ、この回動軸17aに回転駆動源(不図示)から正逆方向の所定回転角度の回転力が伝達されることで、ミラー17は、図4の破線で示す角度まで揺動する(以下、揺動ミラー17と称する)。
The
この揺動ミラー17の揺動動作により、図1に示すように、タービン翼1の前縁部2の曲面に沿う方向(幅方向)を走査方向としてレーザスポット8を横切る測定位置Lから測定位置Rまでの間の測定位置の熱放射光Bが集光部10に集光される。
また、光軸調整機構14,15は、ビームスプリッター11からフォトセンサー12,13に向う分光熱放射光Ba,Bbが、フォトセンサー12,13の測定スポットに向うように光軸を調整する機構である。
As shown in FIG. 1, the oscillating operation of the
The optical
制御装置6は、図5に示すように、入力ポート21、演算処理部22及び出力ポート23を備えている。
入力ポート21には、分光熱放射光Baのエネルギー(強度)MeA及び分光熱放射光Bbのエネルギー(強度)MeBが入力する。ここで、揺動ミラー17が揺動動作を行うことで、レーザスポット8の曲面に沿う方向の分光熱放射光Baのエネルギー(強度)MeA及び分光熱放射光Bbのエネルギー(強度)MeBが入力ポート21に入力する。
As shown in FIG. 5, the control device 6 includes an
The energy (intensity) Me A of the spectral heat radiation light Ba and the energy (intensity) Me B of the spectral heat radiation light Bb are input to the
演算処理部22は、ROM(読み出し専用メモリ)24及びRAM(ランダムアクセスメモリ)25を備えている。この演算処理部22は、ROM24及びRAM25を内蔵しているもの、ROM24及びRAM25を外付けでパス接続したものであってもよい。
ROM24は、レーザスポット8の最高温度を算出する最高温度設定部26と、レーザスポット8の最高温度に対応したレーザ発生器3のレーザ出力値の最適値を算出するレーザ出力値設定部27とが記憶されている。
RAM22は、最高温度設定部26及びレーザ出力値設定部27の演算で使用する演算値や中間データを蓄積する領域が設けられている。
そして出力ポート23は、レーザ出力値設定部27で演算したレーザ出力値LSをレーザ発生器3に出力する。
The
The
The
The
次に、ROM24の最高温度設定部26がレーザスポット8の最高温度を算出する手順について説明する。
最高温度設定部26は、先ず、揺動ミラー17の揺動動作により図1に示すタービン翼1の前縁部2の曲面に沿う方向(幅方向)を、レーザスポット8を横切るようにして例えば測定位置Lから測定位置Rまで(あるいは測定位置Rから測定位置Lまで)走査する間に、フォトセンサー12,13から入力ポート21を介して入力した分光熱放射光Baのエネルギー(強度)MeA及び分光熱放射光Bbのエネルギー(強度)MeBのうち、所定計測時間毎のエネルギー(強度)MeA,MeBを読み込む。
Next, the procedure in which the maximum
The maximum
ここで、分光熱放射光Baのエネルギー(強度)MeA [W/m2]と温度T[°K]との関係式は、プランクの放射則に基づく以下の(1)式で表すことができる。
αA:分光熱放射光Baの測定光学系の受光特性係数
λA:分光熱放射光Baの波長(1300nm)
C1:定数
C2:定数
T:温度
Here, the relational expression between the energy (intensity) Me A [W / m 2 ] of the spectral heat radiation light Ba and the temperature T [° K] can be expressed by the following expression (1) based on Planck's radiation law. it can.
C1: Constant C2: Constant T: Temperature
また、分光熱放射光Bbのエネルギー(強度)MeB [W/m2]と温度T[°K]との関係式は、プランクの放射則に基づく以下の(2)式で表すことができる。
αB:分光熱放射光Bbの測定光学系の受光特性係数
λB:分光熱放射光Bbの波長(1550nm)
C1:定数
C2:定数
T:温度
Further, the relational expression between the energy (intensity) Me B [W / m 2 ] of the spectral heat radiation light Bb and the temperature T [° K] can be expressed by the following expression (2) based on Planck's radiation law. .
C1: Constant C2: Constant T: Temperature
そして、上記(1)式を上記(2)式で辺々除すると以下の(3)式が得られる。
次いで、所定計測時間毎に読み込まれた分光熱放射光Baのエネルギー(強度)MeA及び分光熱放射光Bbのエネルギー(強度)MeB の比(MeA/MeB)を算出し、放射率εを消去した(3)式の第2式に基づいて温度Tを算出する。
このように、揺動ミラー17の揺動動作により図1に示すタービン翼1の前縁部2の曲面に沿う方向(幅方向)を、レーザスポット8を横切るようにして例えば測定位置Lから測定位置Rまで(あるいは測定位置Rから測定位置Lまで)走査する間に、フォトセンサー12,13から入力した分光熱放射光Baのエネルギー(強度)MeA及び分光熱放射光Bbのエネルギー(強度)MeBを、所定計測時間毎に読み込み、所定計測時間毎に温度Tを算出することにより、タービン翼1の前縁部2の曲面に沿う方向(幅方向)、すなわちレーザスポット8の曲面に沿う方向での複数測定位置の各温度Tが求められる。
そして、最高温度設定部26は、複数測定位置の各温度Tのうち、一番高い温度をレーザスポット8の最高温度TMAXに設定する。
Then, to calculate the ratio of the energy (intensity) Me B of a predetermined measurement energy (intensity) of the frequency photothermal radiated light Ba loaded every time Me A and minutes photothermal emitted light Bb (Me A / Me B), the emissivity The temperature T is calculated based on the second formula of the formula (3) in which ε is eliminated.
As described above, the direction (width direction) along the curved surface of the
The maximum
次に、ROM24のレーザ出力値設定部27がレーザ発生器3のレーザ出力値の最適値を算出する手順について説明する。
RAM22には、予め、タービン翼1の材質、レーザスポット8の面積、硬化層の深さに対応したレーザスポット8の目標最高温度TPが記憶されている。
レーザ出力値設定部27は、最高温度設定部26で設定したレーザスポット8の最高温度TMAXと目標最高温度TPとを比較し、最高温度TMAXが目標最高温度TPより低い場合には、現在の値より大きな値のレーザ出力値LSを算出し、最高温度TMAXが目標最高温度TPより高い場合には、現在の値より小さな値のレーザ出力値LSを算出する。
Next, the procedure in which the laser output
The
Laser output
次に、第1実施形態のタービン翼硬化処理装置が、タービン翼1の前縁部2に硬化層を形成する動作について説明する。
レーザ照射ヘッド4は、タービン翼1の前縁部2の先端2aに配置され、移動駆動装置によりレーザ照射ヘッド4を基端側2bに向う送り方向に所定速度で移動していくとともに、熱放射光検出器5の揺動ミラー17の揺動動作が行われる。
ここで、レーザ照射ヘッド4が第1回目の送り量で送り方向に移動した後に、集光部10が図1の測定位置Lから測定位置Rに向って走査しながら熱放射光Bを集光するように揺動ミラー17が揺動動作を行い、第2回目の送り量でレーザ照射ヘッド4が送り方向に移動した後に、集光部10が測定位置Rから測定位置Lに向って走査しながら熱放射光Bを集光するように揺動ミラー17が揺動動作を行い、このような動作を繰り返すように移動駆動装置及び揺動ミラー17が動作する。
Next, the operation in which the turbine blade curing apparatus of the first embodiment forms a cured layer on the
The laser irradiation head 4 is disposed at the
Here, after the laser irradiation head 4 moves in the feeding direction by the first feeding amount, the condensing
レーザ発生器3で発生したレーザビーム7がレーザ照射ヘッド4からタービン翼1の前縁部2の表面に照射されると、レーザスポット8から放射される熱放射光Bは、揺動ミラー17の揺動動作により、レーザスポット8の曲面に沿う方向に走査しながら集光部10に集光される。
レーザスポット8の曲面に沿う方向に走査しながら集光された熱放射光Bは、ビームスプリッター11を通過することで波長が異なる2つの分光熱放射光Ba,Bbに分光され、分光熱放射光Ba,Bbの強度が2つのフォトセンサー12,13で測定される。
When the laser beam 7 generated by the laser generator 3 is irradiated from the laser irradiation head 4 to the surface of the
The thermal radiation B condensed while scanning in the direction along the curved surface of the
ここで、図6に示すように、測定位置以外の熱放射光もビームスプリッター11を通過して分光熱放射光として分光される。この測定位置以外の分光熱放射光がフォトセンサー12,13で測定されると誤差が発生するので、光軸調整機構14,15を動作することで、測定位置の熱放射光Bの分光熱放射光Ba,Bbのみがフォトセンサー12,13の測定スポットに向うように光軸を調整する。
Here, as shown in FIG. 6, the thermal radiation other than the measurement position also passes through the
2つのフォトセンサー12,13から分光熱放射光Ba,Bbの強度が入力した制御装置6は、これら分光熱放射光Ba,Bbの強度の比を求めることで、上述の放射率εを消去した(3)式の第2式に基づいて温度Tを算出し、レーザスポット8の曲面に沿う方向での複数測定位置の各温度Tのうちから一番高い温度を、レーザスポット8の最高温度TMAXに設定する。
The control device 6 to which the intensities of the spectral heat radiation lights Ba and Bb are input from the two
そして、制御装置6は、最高温度TMAXと目標最高温度TPとを比較し、最高温度TMAXが目標最高温度TPに近づくようにレーザ出力値LSを設定する。そして、制御装置6からレーザ発生器3にレーザ出力値LSを出力することで、レーザ出力値LSに対応したレーザビーム7がレーザ発生器3で発生し、レーザ照射ヘッド4からタービン翼1の前縁部2の表面にレーザビーム7が照射されることで、前縁部2に硬化層が形成されていく。
Then, the control unit 6 compares the maximum temperature T MAX and the target maximum temperature T P, the maximum temperature T MAX sets the laser output value LS so as to approach the target maximum temperature T P. Then, by outputting the laser output value LS from the control device 6 to the laser generator 3, a laser beam 7 corresponding to the laser output value LS is generated by the laser generator 3, and the laser irradiation head 4 and the front of the
なお、本発明に係る被処理部材がタービン翼1に相当し、本発明に係る被処理面が前縁部2の表面に相当し、本発明に係るレーザ照射装置がレーザ発生器3及びレーザ照射ヘッド4に相当し、本発明に係る熱放射光測定部が熱放射光検出器5に相当し、本発明に係る制御部が制御装置6に相当し、本発明に係る温度算出部が最高温度設定部に相当し、本発明に係る出力値変更部がレーザ出力値設定部27に相当し、本発明に係るスキャナー部が揺動ミラー17に相当している。
The member to be treated according to the present invention corresponds to the
次に、第1実施形態のタービン翼硬化処理装置の効果について説明する。
熱放射光検出器5が、レーザスポット8の曲面に沿う方向を走査して複数測定位置の熱放射光を測定し、制御装置6の最高温度設定部26が、複数測定位置の各温度のうち一番高い温度Tをレーザスポット8の最高温度TMAXとすることで、曲面形状であるレーザスポット8の最高温度TMAXを高精度に測定することができる。
Next, the effect of the turbine blade hardening processing apparatus of the first embodiment will be described.
The
また、制御装置6の最高温度設定部26は、複数測定位置の熱放射光のそれぞれに対して温度Tを算出する際には、波長が異なる2つの分光熱放射光Ba,Bbに分光し、これら2つの分光熱放射光Ba,Bbの強度の比(MeA/MeB)を求めることで、上述の(3)式の第2式に基づいて温度Tを算出しており、その温度Tを算出する際に、温度、材質、表面状態などの変化により常時値が代わる放射率εが消去されている(3)式の第2式を用いているので、レーザスポット8の曲面に沿う方向での複数測定位置の各々の温度Tを高精度に測定することができる。
Further, the maximum
また、制御装置6のレーザ出力値設定部27は、最高温度TMAXと目標最高温度TPとを比較し、最高温度TMAXが目標最高温度TPに近づくようにレーザ出力値LSを設定することで、最適な出力のレーザビーム7がレーザ照射ヘッド4からタービン翼1の前縁部2の表面に照射されるようにしているので、タービン翼1の前縁部2に高品質で高深度の硬化層を形成することができる。
The laser output
また、第1実施形態のタービン翼硬化処理装置は、ビームスプリッター11とフォトセンサー12,13との間に設けられた光軸調整機構14,15が、測定位置の熱放射光Bの分光熱放射光Ba,Bbのみがフォトセンサー12,13の測定スポットに向うように光軸を調整しているので、フォトセンサー12,13が、測定位置の分光熱放射光Ba,Bbのエネルギー(強度)MeA,MeBを高精度に計測することができる。このため、分光熱放射光Ba,Bbのエネルギー(強度)MeA,MeB の比に基づいて温度Tを高精度に算出することができる。
なお、図2に示すタービン翼硬化処理装置を用いて蒸気タービン翼1の前縁部2を硬化処理する場合は、レーザ吸収率のばらつきを抑制するために、蒸気タービン翼1の前縁部2の表面をあらかじめ♯80の研磨紙で磨いておくことが好ましい。
Further, in the turbine blade curing apparatus of the first embodiment, the optical
In addition, when hardening the
[第2実施形態:熱放射光検出部]
次に、図7は、タービン翼硬化処理装置を構成する第2実施形態の熱放射光検出器5を示すものであり、この図7で示す熱放射光検出器5は、第1実施形態のタービン翼硬化処理装置において、図3で示した熱放射光検出器5の代わりに設けられるものである。この図7において、図3で示した熱放射光検出器5と同一構成部分には同一符号を付して説明を省略する。
[Second Embodiment: Thermal Radiation Detection Unit]
Next, FIG. 7 shows the thermal
第2実施形態の熱放射光検出器5は、集光部10のミラー19とビームスプリッター11との間に、ミラー19から反射してきた熱放射光Bを集光する集光レンズ30が配置されているとともに、集光レンズ30で集光された熱放射光Bが通過する光ファイバー31が配置されており、光ファイバー31を通過した熱放射光Bがビームスプリッター11で2つの分光熱放射光Ba,Bbに分光されるようになっている。
In the
また、図3の熱放射光検出器5では、ビームスプリッター11とフォトセンサー12,13との間に光軸調整機構14,15を設けていたが、この第2実施形態の熱放射光検出器5では備えていない。
この第2実施形態の熱放射光検出器5によると、レーザスポット8の曲面に沿う方向を走査しながら集光された熱放射光Bは、集光部10のミラー16、揺動ミラー17、絞り20、ミラー18,19を通過して集光レンズ30で集光され、さらに光ファイバー31を通過した後にビームスプリッター11で2つの分光熱放射光Ba,Bbに分光される。
Further, in the
According to the
ここで、上述の第1実施形態では、図3で示した熱放射光検出器5において、フォトセンサー12,13の調整位置により、測定位置の分光熱放射光Ba,Bb以外の光がフォトセンサー12,13に到達、検出される可能性がある。その際には、フォトセンサー1
2,13にて異なる位置の熱放射光を検出するため、分光熱放射光のエネルギー(強度)MeA,MeB の比がズレることで測定される温度Tにばらつきが生じる可能性がある。
Here, in the above-described first embodiment, in the
2 and 13, since the thermal radiation at different positions is detected, there is a possibility that the measured temperature T varies due to the deviation of the ratio of the energy (intensity) Me A and Me B of the spectral thermal radiation.
これに対して、第2実施形態では、図3で示した熱放射光検出器5の代わりに図7で示した熱放射光検出器5を用いていることにより、図8に示すように、測定位置以外の熱放射光も絞り20を通過してビームスプリッター11側に向う。ところが、測定位置以外の熱放射光は光ファイバー31の入口で遮断され、測定位置の熱放射光Bのみが光ファイバー31を通過し、ビームスプリッター11で分光される。したがって、分光熱放射光Ba,Bbのみがフォトセンサー12,13の測定スポットに向う。すなわち、光ファイバー31が光路制限要素として機能する。
On the other hand, in 2nd Embodiment, as shown in FIG. 8, by using the thermal
このように、第2実施形態では、図7に示した熱放射光検出器5において、集光部10のミラー19とビームスプリッター11との間に、ミラー19から反射してきた測定位置の熱放射光Bが通過する光ファイバー31を配置したことで、測定位置以外の熱放射光は光ファイバー31の入口で遮断され、フォトセンサー12,13が、測定位置の分光熱放射光Ba,Bbのエネルギー(強度)MeA,MeBのみを高精度に計測することができる。そして、第2実施形態では、図7に示した熱放射光検出器5により計測された分光熱放射光Ba,Bbのエネルギー(強度)MeA,MeB の比に基づいて温度Tを算出する。このため、第2実施形態では第1実施形態と比較して、温度Tをより高精度に算出することができる。
As described above, in the second embodiment, in the
また、第2実施形態の熱放射光検出器5は、図3で示した光軸調整機構14,15が不要となるので、装置コストの低減化も図ることができる。
なお、上述の実施形態では、本発明による硬化処理の被処理部材として特にタービン翼を対象とした構成例を示したが、本発明による硬化処理の被処理部材はタービン翼に限定されるものではない。
Further, since the
In the above-described embodiment, an example of a configuration that specifically targets the turbine blade as the member to be cured according to the present invention has been shown. However, the member to be cured according to the present invention is not limited to the turbine blade. Absent.
また、本発明による硬化処理の被処理部材の材質は特に限定されるものではないが、本発明は、特定の熱処理により硬化が生じる鉄鋼系またはチタン系合金材料からなる被処理部材に好適に適用することができ、さらに、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼及び析出硬化系ステンレス鋼の何れか一つからなる被処理部材には特に好適に適用することができる。 In addition, the material of the member to be cured by the present invention is not particularly limited, but the present invention is preferably applied to a member to be treated made of a steel-based or titanium-based alloy material that is hardened by a specific heat treatment. Furthermore, the present invention can be particularly preferably applied to a member to be processed made of any one of ferritic stainless steel, martensitic stainless steel, and precipitation hardening stainless steel.
本発明者らは、上述した第1実施形態のタービン翼硬化処理装置を使用し、制御温度1200℃、レーザ走査速度1mm/secの条件でフェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼及び析出硬化系ステンレス鋼の何れか一つの材料からなる試験片の表面にレーザビームを照射して硬化処理を行った。
この硬化処理を施した試験片を厚さ方向に切断して得られた試験片の硬化層の硬さを硬さ試験機で測定したところ、硬さが450Hv以上、硬化層の硬化深さが6mm以上にわたって得られていた。ここで、硬化層の表層は溶融していない。
The present inventors use the above-described turbine blade hardening apparatus of the first embodiment, and under conditions of a control temperature of 1200 ° C. and a laser scanning speed of 1 mm / sec, ferritic stainless steel, martensitic stainless steel, and precipitation hardening system. The surface of the test piece made of any one material of stainless steel was irradiated with a laser beam for curing.
When the hardness of the cured layer of the test piece obtained by cutting the specimen subjected to the curing treatment in the thickness direction was measured with a hardness tester, the hardness was 450 Hv or more, and the cured depth of the cured layer was It was obtained over 6 mm. Here, the surface layer of the hardened layer is not melted.
また、本発明者らは、上述した試験片に対して硬化層の硬さが450Hv以上、硬化深さが6mm以上、となるレーザスポットの面積について調査した。
調査の結果、硬さが450Hv以上、硬化深さが6mm以上の高硬度層を得るためには、レーザスポットの面積を600mm2以上に設定すればよいことがわかった。
したがって、タービン翼1の前縁部2表面にレーザビーム7を照射して前縁部2を硬化処理するに際して、レーザスポット8の面積が600mm2以上となるレーザビーム7を照射することで、硬さが450Hv以上、硬化深さが6mm以上の硬化層をタービン翼1の前縁部2に形成することが可能となり、これにより、エロージョン摩耗に対するタービン翼1の寿命を延ばすことができる。その結果、メンテナンスフリーとなるタービン翼1を得ることができる。
In addition, the inventors investigated the area of the laser spot where the hardness of the cured layer is 450 Hv or more and the curing depth is 6 mm or more with respect to the above-described test piece.
As a result of the investigation, it was found that the area of the laser spot should be set to 600 mm 2 or more in order to obtain a high hardness layer having a hardness of 450 Hv or more and a curing depth of 6 mm or more.
Therefore, when the surface of the
1 タービン翼
2 前縁部
2a 先端
2b 基端側
3 レーザ発生器
4 レーザ照射ヘッド
5 熱放射光検出器
6 制御装置
7 レーザビーム
8 レーザスポット
9 連結部材
10 集光部
11 ビームスプリッター
12,13 フォトセンサー
14.15 光軸調整機構
16,18,19 ミラー
17 揺動ミラー
17a 回動軸
20 絞り
21 入力ポート
22 演算処理部
23 出力ポート
24 ROM
25 RAM
26 最高温度設定部
27 レーザ出力値設定部
30 集光レンズ
31 光ファイバー
B 熱放射光
Ba,Bb 分光熱放射光
MeA,MeB 分光熱放射光のエネルギー(強度)
LS レーザ出力値
T 熱放射光温度
TMAX 最高温度
TP 目標最高温度
DESCRIPTION OF
25 RAM
26 Maximum
LS Laser output value T Thermal radiation light temperature T MAX maximum temperature TP target maximum temperature
Claims (7)
前記レーザスポットの前記曲面に沿う方向を走査して複数測定位置の熱放射光を測定し、
前記複数測定位置の前記熱放射光のそれぞれに対して、波長が異なる2つの分光熱放射光に分光し、
これら2つの分光熱放射光の強度の比を求めることで前記複数測定位置の各温度を算出し、
前記複数測定位置の前記各温度のうち一番高い値を、前記レーザスポットの最高温度に設定し、
このレーザスポットの最高温度が目標最高温度に近づくように前記レーザビームのレーザ出力値を制御する、ことを特徴とする被処理部材の硬化処理方法。 When forming a laser spot by irradiating a processing surface having a curved shape of a processing target member with a laser beam, and forming a hardened layer on the processing surface,
Scan the direction along the curved surface of the laser spot to measure the thermal radiation at a plurality of measurement positions,
For each of the thermal radiation at the plurality of measurement positions, split into two spectral thermal radiations having different wavelengths,
By calculating the ratio of the intensity of these two spectral thermal radiation lights, each temperature at the plurality of measurement positions is calculated,
The highest value among the temperatures of the plurality of measurement positions is set as the maximum temperature of the laser spot,
A curing method for a member to be processed, characterized in that the laser output value of the laser beam is controlled so that the maximum temperature of the laser spot approaches the target maximum temperature.
この蒸気タービン翼の前記前縁部の先端から基端側に向う方向を送り方向とし、この送り方向に沿って前記レーザスポットを連続的に形成していくことを特徴とする請求項1記載の被処理部材の硬化処理方法。 The member to be treated is a steam turbine blade having the surface to be treated as a surface of a front edge portion,
The direction from the front end of the front edge portion of the steam turbine blade toward the base end side is defined as a feed direction, and the laser spot is continuously formed along the feed direction. A method for curing a member to be treated.
前記被処理面に形成された前記レーザビームのレーザスポットから放射される熱放射光の強度を測定する熱放射光測定部と、
この熱放射光測定部が出力した情報に基づいて前記レーザ照射装置に前記レーザビームのレーザ出力値を出力する制御部と、を備え、
前記熱放射光測定部は、
前記レーザスポットから放射される熱放射光を集光する集光部と、
集光した熱放射光を波長が異なる2つの分光熱放射光に分光するビームスプリッターと、
前記2つの分光熱放射光の強度を測定する2つのフォトセンサーと、を備え、
前記制御部は、
前記2つのフォトセンサーが測定した前記2つの分光熱放射光の強度の比に基づいて前記レーザスポットの最高温度を算出する温度算出部と、
この温度算出部で算出した前記レーザスポットの最高温度及び予め設定している目標最高温度を比較し、前記レーザスポットの最高温度が前記目標最高温度に近づくように前記レーザ照射装置が照射する前記レーザビームの前記レーザ出力値を変更する出力値変更部と、を備えており、
前記熱放射光測定部は、前記レーザスポットの前記曲面に沿う方向を走査するスキャナー部を備え、
前記温度算出部は、前記スキャナー部の走査により前記レーザスポットの前記曲面に沿う方向に複数測定位置の熱放射光を測定し、これら複数測定位置の熱放射光のそれぞれに対して、前記2つの分光熱放射光の強度の比に基づいて前記複数測定位置の各温度を算出し、前記複数測定位置の各温度のうち一番高い値を、前記レーザスポットの最高温度とする、ことを特徴とする被処理部材の硬化処理装置。 A laser irradiation apparatus for irradiating a processing surface having a curved shape of a processing target member with a laser beam;
A thermal radiation measurement unit that measures the intensity of thermal radiation emitted from a laser spot of the laser beam formed on the surface to be treated;
A control unit that outputs a laser output value of the laser beam to the laser irradiation device based on information output by the thermal radiation measurement unit;
The thermal radiation measurement unit
A condensing unit that condenses the thermal radiation emitted from the laser spot;
A beam splitter that splits the condensed thermal radiation into two spectral thermal radiations of different wavelengths;
Two photosensors for measuring the intensity of the two spectral thermal radiation lights,
The controller is
A temperature calculator that calculates the maximum temperature of the laser spot based on a ratio of the intensity of the two spectral thermal radiations measured by the two photosensors;
The laser irradiated by the laser irradiation apparatus compares the maximum temperature of the laser spot calculated by the temperature calculation unit with a preset target maximum temperature, and the maximum temperature of the laser spot approaches the target maximum temperature. An output value changing unit for changing the laser output value of the beam ,
The thermal radiation measurement unit includes a scanner unit that scans a direction along the curved surface of the laser spot,
The temperature calculation unit measures thermal radiation at a plurality of measurement positions in a direction along the curved surface of the laser spot by scanning the scanner unit, and for each of the thermal radiation at the plurality of measurement positions, Each temperature of the plurality of measurement positions is calculated based on a ratio of the intensity of spectral thermal radiation, and the highest value among the temperatures of the plurality of measurement positions is set as the maximum temperature of the laser spot. An apparatus for curing a member to be processed.
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