CN100515648C - 电子束焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电子束焊接方法。该方法特别适于对子构件(10，12)由不同金属制成而导致用来焊接子构件(10，12)的电子束(20)在穿过接口(14)时倾向于偏离子构件(10，12)之间的接触表面接口(14)并进入其中一个子构件(10，12)内的构件(32)进行焊接。该方法也适合于子构件(10，12)之间的接口(14)具有弓形形状的焊接应用。该方法包括磁性地调整电子束(20)，使得该电子束(20)沿着所需的路径穿过接触表面接口(14)的步骤。

Description

电子束焊接方法
技术领域
本发明总体上涉及焊接金属合金的方法。更具体地，本发明涉及一种采用电子束(EB)焊接由不同金属合金制成的部件之间的接头的方法，以及一种电子束焊接部件之间弓形接触表面接口的方法。
背景技术
不同的高温合金被广泛用来制成涡轮机的高温段构件，包括燃气及蒸气涡轮机的涡轮静叶片(喷嘴)及动叶片(轮叶)。存在这种构件优选或者必须通过焊接制造的境况。例如，具有复杂结构的构件，例如蒸汽涡轮机喷嘴组件(盒)，通过将铸造件焊接在一起能够更易于制造。为了此目的已经发展了不同的焊接技术。惰性气体钨极焊(TIG)和等离子弧焊(PTA)技术被广泛应用在手工焊操作中。为了更多应用的需求，例如具有高纵横比的焊缝接头，因此发展了激光束和电子束焊接工艺。
本技术领域内公知，电子束焊接包括引导高能电子束到在真空中夹持的部件之间的接头上。电子束焊接技术特别适合于生产具有高纵横比的焊缝接头，因为在任何波束加工中，电子束焊接所产生的穿透度最深，例如大约为四英寸(大约十厘米)及更大，同时易于获得大约为10到50的很高纵横比。然而，当电子束焊接由不同金属制成的部件并且需要相对深的焊缝接头时，一个常常遇到的问题是电子束将在焊缝底部“钩形弯曲”，弯曲进入其中一个部件而错过接头，致使产生未熔合(LOF)的缺陷。作为一个实例，当焊接涡轮机定子叶片组件时可能产生有钩形弯曲的焊缝接头，其中涡轮机定子叶片组件的叶片被焊到内外带上。这种情形示意性地在图1中示出，其中所示出的电子束焊枪22射出电子束20到由不同金属制成的两个构件10和12之间的接触接口14上。能够看到由电子束20制成的焊缝接头16弯曲进入左手侧构件10，形成被称为钩形弯曲部分24的部分。由于产生该钩形弯曲部分24，所以得到的焊缝接头16是未完成的，相对焊枪22在接触接口14的末端产生未熔合缺陷18。钩形弯曲部分24产生的一个原因已经加以讨论。可能的原因包括电动势(emf)作用或者在不同金属之间的电负性差异。
修正该问题的直观方法已经被证实无效了，这些方法例如在电子束20下偏置部件10和12或者将接触接口14以一个角度相对电子束20定位，因为当接口14移动时，电子束20也移动。由于使用带磁夹具或者机加工部件的剩磁所提供相对较小的杂散磁场也已知会导致明显的电子束移动。因此，这些部件通常用高斯计检测并且如果需要在焊接之前被去磁。然而，这些措施不足以消除图1所示的电子束钩形弯曲部分24。
基于上述，需要一种在焊接不同金属时能将电子束弯曲消除的方法，使得实现电子束焊接更大范围的构件，并且这些构件具有高纵横比的深焊缝接头。
发明内容
本发明提供一种通过电子束焊接来制成焊接组件的方法，以及所制成的焊接组件。该方法特别适于焊接子构件由不同金属制成而使得当电子束穿过接触表面接口时偏离子构件之间的接触表面接口的组件。该方法包括磁性调整电子束的步骤，使得电子束沿着所需的路径穿过接触表面接口。
本发明的电子束焊接方法总体上包括以下步骤：将两个或多个部件放置在一起，从而在它们之间限定出接触表面接口，其中接触表面接口包括第一和第二部分；施加局部磁场到接触表面接口的第二部分上；并且随后在接触表面接口的第一部分处引导电子束以在接触表面接口处将所述部件电子束焊接在一起，从而制成焊接构件，电子束具有通过所述部件的路径，在没有局部磁场时，所述路径与接触表面接口的第一部分相符合，但在电子束更远地传播经过所述部件时，所述路径与接触表面接口的第二部分不相符合，其中，局部磁场操控电子束远离所述路径的一部分，以强制电子束也与接触表面接口的第二部分相符合，从而使得所述部件在整个接触表面接口上被焊接在一起。
根据本发明的一个方面，在部件之间的接触表面接口是直线的，并且局部磁场以这样一种方式施加：当电子束穿过接触表面接口时矫直该电子束。当部件由不同金属制成时，该方法是适用的，并且所述金属的不一致性是这样的：在缺少局部磁场时，在接触表面接口处引导的电子束将偏离接触表面接口并进入其中一个部件内。然后局部磁场以这样一种方式施加：当电子束穿过接触表面接口时矫直该电子束，使得所述部件在整个直线接触表面接口上焊接在一起。根据本发明的另一方面，在部件之间的接触表面接口是弓形的，并且局部磁场以这样一种方式施加：当电子束穿过接触表面接口时弯曲该电子束，使得所述部件在整个弓形接触表面接口上焊接在一起。
如果需要相对深的焊缝接头，例如要焊的接口在电子束穿过接口的方向上具有十厘米或更大的长度，本发明的方法是特别有效的。
根据本发明的第一方面，当电子束焊接由不同金属制成的部件，例如不锈钢与碳钢时，该方法也是特别有效的。
根据本发明，提供了一种电子束焊接方法，包括下面的步骤：
将构件的子构件放置在一起，从而在它们之间限定出直线的接触表面接口，其中所述直线的接触表面接口包括第一和第二部分；所述子构件由不同金属制成，使得被引导到并穿过所述接触表面接口的第一部分的电子束将从接触表面接口的第二部分偏离，并进入其中一个子构件中；将局部磁场施加到接触表面接口的第二部分上，而不施加到接触表面接口的第一部分上；并且随后将电子束投射在接触表面接口的第一部分处以在接触表面接口处将所述子构件电子束焊接在一起，从而制成所述构件；其中，所述局部磁场垂直于所述电子束穿过所述接触表面接口的第二部分的方向，并且在电子束穿过接触表面接口时矫直该电子束，从而使电子束与所述接触表面接口的第二部分相符合，所述子构件在整个接触表面接口上被焊接在一起。
通过下面的详细描述将会更好地理解本发明的其它目的及优点。
附图说明
图1示出了当在由不同金属制成的部件上进行厚板电子束焊接时所观察到的钩形弯曲现象；
图2示出了应用局部磁场产生洛仑兹力基本上消除了图1中电子束钩形弯曲，使得电子束基本上与两个部件之间的直线表面接口相一致，其中两个部件以横截面示出；
图3显示了使用一列单个线圈来产生图2中的局部磁场；
图4显示了使用一列单个线圈来产生局部磁场从而产生弯曲电子束的洛仑兹力，使得该电子束基本上与两个部件之间的弓形表面接口相一致，其中两个部件以横截面示出。
具体实施方式
如图2、3和4所示，本发明使用由一个或多个线圈30所产生的磁场，线圈被定位来调整电子束20穿过由两个构件10和12相反表面所形成的接口14，以便在接口14处焊接构件10和12，从而形成焊接组件32。为了简单起见，从图1到图4相似的部件使用相同的附图标记。构件10和12可以由不同金属合金制成，包括用来形成燃气和蒸汽涡轮机的铸造涡轮构件的钢和超耐热合金。
在图2和图3中，所示出的表面接口14基本上为直线形，而在图4中所示出的表面接口14为弓形的。对于图2和图3所给出的情形，本发明在当构件10和12由不同的金属制成使得发生电子束钩形弯曲现象时适用，其中电子束20从接口14偏离进入其中一个构件10。结果是在图3中产生虚线所示出的焊接钩形弯曲部分24。弯曲部分24随着接口14深度增加变得更加明显，特别是对于深度四英寸(大约十厘米)以及更大深度来说更是如此。根据本发明的优选方面，由于应用了上述的由线圈30产生的磁场，在图3所示的焊缝16中没有形成该钩形弯曲部分24，线圈30邻近接口14放置并被定向来调整穿过接口14的电子束20，使得电子束20变直。
在图4中，构件10和12可以由不同合金制成，但是它们的不一致性并不必然导致产生钩形弯曲现象。然而，在构件10和12之间的弓形接口14需要电子束20必须与接口14一起弯曲使得整个接口14被焊接。在涡轮机工业中，会有多个得益于以这种方式进行电子束焊接而具有潜在应用几何形状的焊接构件，例如在蒸汽涡轮机喷嘴组件(盒)中，在翼片周边处定子翼片与另一个环通过厚板轴对称电子束焊接(EB)被密封在多个环之内这些阶段会用到这种方式的电子束焊接。在该情况，图4中的构件10代表翼片的一部分，而构件12代表焊接到翼片上的环。在每种情况中，构件10和12在整个接口14接触表面上被焊接在一起，从而避免形成图1所示的未熔合的缺陷。
虽然应当指出电磁线圈在电子束焊接中是常见的，然而它们的应用限定在电子束焊机本身(例如图1中的焊枪22)用来聚焦电子束20(同轴)或者振荡电子束20。相反，本发明放置一个或多个线圈30，在形成焊缝16的接口14附近产生垂直于电子束20的磁场，以便局部偏置电子束20适用于特定情形。一个(多个)线圈30的作用效果在图2中示出。已知具有电荷“q”及速度的部件在磁场
Figure C20041000502600092
中移动将受到力
Figure C20041000502600093
称为洛仑兹力。该力同时垂直于磁场
Figure C20041000502600094
和部件的速度
Figure C20041000502600095
作用。力的大小和方向通过矢积 F → = q V → × B → 给出。参照图2，在-Y方向移动穿过在-Z方向(例如垂直于电子束20穿过接口14的方向)作用的磁场
Figure C20041000502600097
的电子将受到在+X方向作用的力，使得该电子从原路径偏转。在图3中，示出了多个线圈30(在该页纸平面内)，并且产生磁场(垂直于该页纸平面)，该磁场使得电子束20内的电子在洛仑兹力作用下向右偏转。
本领域技术人员将会理解到电子束20偏转的程度依赖于电子束20的强度和一个或多个线圈30所产生的磁场
Figure C20041000502600098
强度。穿过接口14的电子束20的偏转能够通过使用线圈30的数量(例如图3和图4中所示出的单个线圈30或者成列的各个线圈30)而得到调整。如果使用一列线圈30，每个线圈30能够通过已知的控制系统单独控制，使得能够“调节”该列沿着接口14产生适当变化强度的磁场
Figure C20041000502600099
以便在考虑到包括接口14特定形状在内的特定环境条件下恰当地调整电子束20穿过接口14。该调节效果能够通过反复试验或者数字建模而获得。对于图5的实施例，数字建模能够基于构件10和12的数字模型以及它们弓形接口14的已知形状，使得能够使用线圈30来成形电子束沿着接口14的弓形路径穿过构件10和12的厚度。
虽然本发明以优选实施例方式进行了描述，很明显本领域技术人员能够采用其它的形式。因此，本发明的范围仅仅通过下面的权利要求进行限定。

Claims (26)

1.一种电子束焊接方法，包括下面的步骤：
将部件(10，12)放置在一起，从而在它们之间限定出接触表面接口(14)，其中接触表面接口包括第一和第二部分；
施加局部磁场到接触表面接口(14)的第二部分上；并且随后
在接触表面接口(14)的第一部分处引导电子束(20)以在接触表面接口(14)处将所述部件(10，12)电子束焊接在一起，从而制成焊接构件(32)，电子束具有通过所述部件的路径，在没有局部磁场时，所述路径与接触表面接口的第一部分相符合，但在电子束更远地传播经过所述部件时，所述路径与接触表面接口的第二部分不相符合，
其中，局部磁场操控电子束远离所述路径的一部分，以强制电子束也与接触表面接口的第二部分相符合，从而使得所述部件(10，12)在整个接触表面接口(14)上被焊接在一起。
2.如权利要求1所述的电子束焊接方法，其特征在于在部件(10，12)之间的接触表面接口(14)是直线的，并且所述局部磁场矫直电子束(20)，使得电子束处在贯穿所述接触表面接口的直线路径上。
3.如权利要求1所述的电子束焊接方法，其特征在于部件(10，12)由不同金属制成，并且在没有局部磁场时，不同的金属会引起电子束从所述接触表面接口的第二部分偏离，而进入其中一个部件(10，12)内。
4.如权利要求1所述的电子束焊接方法，其特征在于所述接触表面接口(14)的第二部分是弓形的，并且当电子束(20)穿过接触表面接口(14)的第二部分时，所述局部磁场弯曲该电子束(20)，从而使电子束与第二部分相符合。
5.如权利要求1所述的电子束焊接方法，其特征在于通过邻近接触表面接口(14)放置的单个电磁线圈(30)来施加所述局部磁场。
6.如权利要求1所述的电子束焊接方法，其特征在于通过邻近接触表面接口(14)放置的一列电磁线圈(30)来施加所述局部磁场。
7.如权利要求6所述的电子束焊接方法，其特征在于所述一列电磁线圈的每个电磁线圈是被独立控制的。
8.如权利要求1所述的电子束焊接方法，其特征在于所述局部磁场垂直于所述电子束穿过所述接触表面接口的方向。
9.如权利要求1所述的电子束焊接方法，其特征在于接触表面接口(14)在电子束(20)穿过接触表面接口(14)的方向上具有至少十厘米的长度。
10.如权利要求1所述的电子束焊接方法，其特征在于至少其中一个部件(10，12)由超耐热合金制成。
11.如权利要求1所述的电子束焊接方法，其特征在于每一个部件(10，12)由钢制成。
12.如权利要求1所述的电子束焊接方法，其特征在于构件(32)是涡轮机构件。
13.如权利要求9所述的电子束焊接方法，其特征在于所述部件的第一个是多个涡轮机定子翼片中的一个，并且所述部件的第二个是一个环。
14.一种电子束焊接方法，包括下面的步骤：
将构件的子构件放置在一起，从而在它们之间限定出直线的接触表面接口，其中所述直线的接触表面接口包括第一和第二部分；所述子构件由不同金属制成，使得被引导到并穿过所述接触表面接口的第一部分的电子束将从接触表面接口的第二部分偏离，并进入其中一个子构件中；
将局部磁场施加到接触表面接口的第二部分上，而不施加到接触表面接口的第一部分上；并且随后
将电子束投射在接触表面接口的第一部分处以在接触表面接口处将所述子构件电子束焊接在一起，从而制成所述构件；其中，所述局部磁场垂直于所述电子束穿过所述接触表面接口的第二部分的方向，并且在电子束穿过接触表面接口时矫直该电子束，从而使电子束与所述接触表面接口的第二部分相符合，所述子构件在整个接触表面接口上被焊接在一起。
15.如权利要求14所述的电子束焊接方法，其特征在于通过邻近接触表面接口放置的单个电磁线圈来施加所述局部磁场。
16.如权利要求14所述的电子束焊接方法，其特征在于通过邻近接触表面接口放置的一列电磁线圈来施加所述局部磁场。
17.如权利要求16所述的电子束焊接方法，其特征在于所述一列电磁线圈的每个电磁线圈是被独立控制的。
18.如权利要求14所述的电子束焊接方法，其特征在于每个子构件由超耐热合金制成。
19.如权利要求14所述的电子束焊接方法，其特征在于接触表面接口在电子束穿过接触表面接口的方向上具有至少十厘米的长度。
20.如权利要求14所述的电子束焊接方法，其特征在于所述子构件的第一个是多个涡轮机定子翼片中的一个，并且所述子构件的第二个是一个环。
21.一种电子束焊接方法，包括下面的步骤：
将构件的子构件放置在一起，从而在它们之间限定出弓形的接触表面接口，其中所述弓形的接触表面接口包括第一和第二部分；被引导到并穿过所述接触表面接口的电子束与所述接触表面接口的所述第一部分相符合，但与所述第二部分不相符合；
将局部磁场施加到接触表面接口的第二部分上，而不施加到接触表面接口的第一部分上；并且随后
将电子束投射在接触表面接口的第一部分处以在接触表面接口处将所述子构件电子束焊接在一起，从而制成所述构件；其中，在电子束穿过接触表面接口的第二部分时局部磁场弯曲该电子束，从而使电子束与所述第二部分相符合，所述子构件在整个接触表面接口上被焊接在一起。
22.如权利要求21所述的电子束焊接方法，其特征在于通过邻近接触表面接口放置的单个电磁线圈来施加所述局部磁场。
23.如权利要求21所述的电子束焊接方法，其特征在于通过邻近接触表面接口放置的一列电磁线圈来施加所述局部磁场。
24.如权利要求23所述的电子束焊接方法，其特征在于所述一列电磁线圈的每个电磁线圈是被独立控制的。
25.如权利要求21所述的电子束焊接方法，其特征在于接触表面接口在电子束穿过接触表面接口的方向上具有至少十厘米的长度。
26.如权利要求21所述的电子束焊接方法，其特征在于每个子构件由超耐热合金制成。
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