CN101021164A - 焊接涡轮发动机转子的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

提供了将转子(100)的二个部分焊接在一起的方法，其中，每一个转子部分包括一个焊接表面。该方法包括放置第一转子部分(102)的焊接表面(114)，使它基本上与第二转子部分(104)的焊接表面(16)齐平。该方法还包括放置第二个转子部分，使它基本上与第一转子部分外接的法兰齐平，以便在其间形成一个槽口连接(125)。

Description

焊接涡轮发动机转子的方法和装置
技术领域
本发明总体上涉及涡轮发动机，尤其涉及焊接涡轮发动机转子的方法。
背景技术
至少一些已知的涡轮发动机转子包括几个转子部分，其中，每一个转子部分可以在不同的温度和/或不同的工作条件下工作。例如，这种转子可以包括一个高压转子部分，一个中间压力转子部分和一个低压转子部分。因为不同的转子部分在一个转子内受到不同的工作温度和压力作用，因此，至少一些已知的转子部分用不同的材料制造。已知的连接该不同的转子部分的方法包括螺钉拧紧和/或焊接该部分在一起。在普通使用的二种连接方法之间，将该各部分用螺钉连接在一起一般是最不希望的，因为一般使用的法兰和螺钉使该涡轮转子比所希望的长，并增加该转子的原来重量。
如果这种焊接工艺方法需要多个焊道，中间加工和/或多次热处理，则已知的焊接转子部分的方法可使转子出现裂纹。特别是，多个焊接焊道可能在完成的焊接中增大缺陷的危险。例如，每一个焊道可以增加夹带焊渣，使熔化不足或出现多孔性的危险，这可成为严重裂纹的开始点。
为了便于减小与将转子部分焊接在一起相关的危险，至少一种焊接方法使用一个焊接电极，在要焊接的连接处的每一侧上建立一个层。然而，这种焊接方法增加焊接接缝的宽度，这可增加夹带焊渣和/或出现多孔性的危险。另一种焊接方法使用由不同的复合材料制成的分层的转换片。然而，一般来说，这种转换片的材料强度比转子的其他部分低。结果，必需特别小心地搬运转子，以避免损坏或削弱该转换片。另外，这种转子的末端必需热处理，这可使转换片的复合材料温度过高。
发明概述
在一个方面中，提供了将每一个转子部分包括一个焊接表面的转子的二个部分焊接在一起的方法。该方法包括放置第一个转子部分的焊接表面，使它与第二个转子部分的焊接表面基本上齐平。该方法还包括放置该第二部分，使它基本上与和该第一部分外接的法兰齐平，使得在它们之间形成一个槽口连接。
在另一个方面中，提供了涡轮发动机的转子。该转子包括第一转子部分，该部分包括一个焊接表面和一个法兰。该转子还包括一个包括一个焊接表面的第二转子部分。该第一转子的焊接表面放置成基本上与该第二转子的焊接表面齐平，和该第二转子部分基本上与该法兰齐平，使得在该第一转子部分和第二转子部分之间形成一个槽口连接。
在又一个方面中，提供了焊接转子的二个部分的一个系统。该二个转子部分包括一个焊接表面，该第一转子部分的焊接表面放置成基本上与第二转子部分的焊接表面齐平，和该第二转子部分基本上与和该第一转子部分外接的法兰齐平，使得在它们之间形成一个槽口连接。该系统包括与该转子连接的一个壳体，使得由该壳体形成的腔基本上与该连接外接。该腔泵至真空，以便在其中形成真空或部分真空。该系统还包括在该腔内焊接该连接的一个电子束发生器。
附图
图1为包括要焊接的至少二个部分的一个涡轮转子的示例性图；
图2为可以用于连接图1所示的转子部分的一个示例性焊接接缝的图；
图3为一个示例性焊接接缝的截面图，它表示如何使电子束能量向着焊接圆的末端分布；和
图4为图2所示的并包括插入焊接在一起的连接的部分之间的垫片的连接的一部分的图。
优选实施例详细说明
图1为包括至少二个要焊接的转子部分的涡轮转子100的示例性图。具体地是，转子100包括第一转子部分102和第二转子部分104，它们在焊接接缝106处连接在一起。连接106包括一个径向外部分107和从连接的外部分107径向向内的一个径向内部分108。在转子部分102和104之间的连接106内形成空腔109。壳体110与转子100连接，使得壳体110形成一个与连接106外接和在圆周方向围绕着转子100延伸的腔111。利用真空泵除去腔111中的空气，使得腔111内产生真空。一个低压电子束发生器112在腔111内与壳体110连接，并且对准，使得可将电子束引向该连接的外部分107，以便于焊接转子部分102和104。
图2为可以用于焊接转子部分102和104的一个示例性的焊接接缝106。该连接106带有第一转子部分的表面114，并与第二转子部分表面116对准，并压紧接触，基本上与该第二转子部分表面116齐平。在该示例性实施例中，沿着第一部分的内表面120，槽口118向外延伸，并且基本上与该第一转子部分表面114垂直。槽口118包括一个径向的上表面124，该上表面基本上与第一部分的内表面120平行和基本上与该第一转子部分表面114垂直。第二转子部分内表面122基本上与该槽口的上表面124齐平，使得沿着该连接的内部分108形成一个槽口连接125。
在开始焊接工作前，将转子部分102和104放在一起，形成连接106。具体地是，第二转子部分表面116放置成基本上与第一转子部分表面114齐平，和第二部分内表面122放置成基本上与该槽口的上表面124齐平，以形成槽口连接125。槽口连接125便于连接该转子部分102和转子部分104。转子部分102和转子部分104的连接也形成空腔109。另外，转子100可以包括由多个部分形成的几个连接106。
壳体110与转子100连接，使得该壳体110形成基本上与该连接106外接的腔111。从腔111除去空气，形成真空包围的连接106。因为腔111与转子100的有限的部分外接，因此不需要大的真空壳体。
在腔111内建立真空后，进行焊接工艺方法。具体地是，在该示例性实施例中，焊接利用电子束发生器112进行。在腔111内，电子束发生器112与壳体110连接，使得该发生器可在圆周上围绕转子100运动。电子束发生器112与该连接106对准，可使电子束被引向该连接的外部分107。电子束的强度可使它穿过该连接的内部分108。
电子束发生器112围绕着转子100的圆周转动，同时将电子束引导至该连接的外部分107上。另一种方式是，电子束保持静止，转子转动，在电子束和转子圆周之间形成相对移动。在转动过程中，电子束加热该第一转子部分的表面114和第二转子部分的表面116，产生焊接的金属。表面114产生的焊接金属与表面116产生的焊接金属融合，使得转子部分102和转子部分104连接成一个单一的件。因为电子束发生器112只需围绕着连接106的圆周作一次完全的回转，将表面114和116连接，因此与需要多个焊道的焊接方法比较，焊接缺陷可减少。具体地是，因为槽口连接125可使转子部分102和104之间的配合更紧，因此电子束发生器112只需一次通过电子束可产生结构上的更坚固的焊接。结果，产生不容易产生脆性和开始出现裂纹的结构上强大的焊接。
在焊接工艺方法中，槽口118可防止包括焊接金属和/或焊渣的材料落入空腔109中，使得表面114的焊接金属和表面116的焊接金属之间的融合达到最优。这样，转子部分102和转子部分104之间的连接结构上坚固，并可减少脆性和焊缝内的裂纹。另外，通过防止焊接金属落入空腔109中，可在转子部分102和104之间得到更完全的连接，缺陷更少。
在该示例性实施例中，电子束发生器112通过表示电子束强度的一个范围的功率工作。因为连接的外部分107的圆周比连接的内部分108大，可以在完成连接的外部分107的周围的焊接前，防止沿着连接的内部分108的焊接完成。具体地是，减小电子束的强度可防止焊接接缝的内部分108的各部分多于一次。因此，不需沿着连接的内部分108焊接多于一次，可以完成沿着连接的外部分107的焊接。
在完成焊接后，局部地在该连接附近的区域使用释放应力的热处理过程。需要这个过程是因为二个理由。第一个理由是任何焊接工艺方法会在连接处留下残余应力。第二个理由是多数材料在焊接的热作用区域冶金性能会转换，这可改变材料的机械性质。这种热处理的温度根据要焊接的材料选择。在热处理过程后，在连接处的材料性质大部分恢复至接近原来的基本材料性质。
图4为包括插入在焊接的转子部分102和104之间的垫片130的连接106的一部分的放大图。在该示例性实施例中，第一转子部分102和第二转子部分104由不同的材料制成，因为它们的材料性质，不可能直接互相焊接耐不使脆性或在连接106中裂纹发展的危险增加。垫片130插入第一转子部分102和第二转子部分104之间，以便于在焊接工艺方法中，使二种材料恰当地熔化。具体地是，当将垫片130放置在转子部分102和104之间时，垫片的第一表面132基本上与上述第一转子部分的表面114齐平，和垫片的相对的第二表面134基本上与上述第二转子部分的表面116齐平。另外，当将垫片130插入转子部分102和104之间时，垫片的内表面136基本上与槽口的上表面124齐平。垫片130的宽度138的尺寸可使上述第二转子部分的内表面122放置成基本上与槽口的上表面124齐平。
用于制造垫片130的材料可根据用于制造第一转子部分102和第二转子部分104的材料选择。例如，如果将CrMoV钢与NiCrMoV钢焊接，则可以使用由该二种钢合金的中间成分制成的垫片。另外，如果将钢料与镍基合金连接，则可以使用诸如合金625或合金617一类的合金。在每一种实施例中，选择相应厚度的垫片材料，以便于防止在焊接中形成潜在有害的相，同时保持焊接金属的性质。在该示例性实施例中，当将垫片130插入转子部分102和转子部分104之间时，使用与上述焊接工艺方法和热处理过程相同的过程。
在开始焊接工作前，将转子部分102，104和垫片130放在一起，形成连接106。具体地是，放置垫片的第一表面132，使它基本上与上述第一转子部分的表面114齐平，和放置垫片的第二表面134，使它基本上与上述第二转子部分的表面116齐平。另外，使垫片的内表面136基本上与槽口的上表面124齐平。垫片宽度138的尺寸，使得第二转子部分的内表面122基本上与槽口的上表面124齐平。转子部分102和104与垫片130的连接也形成空腔109。另一种方式是，转子100可以包括由多个转子部分和多个垫片形成的几个连接106。
壳体110与转子100连接，使得腔111基本上与连接106外接。从腔111中除去空气，形成包围连接106的真空。因为腔111与转子100的有限的部分外接，因此不需要大的真空壳体。在腔111内建立真空后，可在腔111内，利用与壳体110连接的电子束发生器112进行焊接工艺方法。
在电子束发生器112围绕转子100转动的过程中，电子束加热表面114和表面116，产生焊接金属。另外，垫片130被电子束熔化。熔融的垫片130与在第一侧上的转子金属融合，将转子部分102和转子部分104连接成一个单一的件。在该示例性实施例中，电子束发生器112完成围绕连接106的圆周的一次转动。另外，当该转动接近完成时，电子束发生器112的强度减小。
在完成焊接后，局部地在该连接附近的区域上使用释放应力的热处理过程、这是释放连接处的残余应力和恢复金属材料的性质所需要的。根据要焊接的材料，选择这个热处理的温度。在该垫处理过程后，连接处的材料性质大部分恢复至接近原来的基本材料性质。
上述的方法和系统便于有效地焊接涡轮转子，其焊接接缝的脆性力和/或在该连接内的裂纹少。具体地是，槽口连接便于将转子部分连接在一起，使得利用电子束发生器仅通过一次即可焊接。这样，利用可减少焊缝内的缺陷-例如夹带焊渣或多孔性的方法，可以焊接二个转子部分。另外，可利用所述的方法和系统焊接由不同材料制成的二个转子部分。尽管每一个转子部分具有不同的材料性质，所述的垫片可使至少二个转子部分正确地连接在一起。另外，该垫片不影响只需要电子束发生器通过一次即可焊接的效果。结果，可利用成本低和可靠的结构坚固的连接，将转子部分焊接在一起。
这里用单数表示的元件或步骤应理解为不排除多个所述的文件或步骤，除非明显说明这种排除以外。另外，提到的本发明的“一个实施例”不是要排除，也包括所述特点的其他实施例的存在。
虽然就焊接涡转转子说明了这里所述的方法和系统，但应理解，这里所述的焊接方法和系统不限于涡轮转子。同样，所示的焊接系统零件不是仅限于所述的具体实施例，而是可以独立地和与这里所述的其他零件分开地使用该焊接系统的零件。
虽然结合各个具体实施例说明了本发明，但业内人士知道，在权利要求书的精神和范围内可对本发明进行改变。
零件清单
100-涡轮转子
102-焊接的转子部分
104-第二转子部分
106-连接
107-连接的外部分
108-连接的内部分
109-空腔
110-壳体
111-腔
112-电子束发生器
114-第一部分表面
116-第二部分表面
118-槽口
120-第一部分的内表面
122-第二部分的内表面
124-槽口上表面
125-槽口连接
130-垫片
132-垫片的第一表面
134-垫片的第二表面
136-垫片的内表面
138-宽度

Claims (10)

1.一种涡轮发动机的转子(100)，所述转子包括：
一个包括一个焊接表面(114)和一个法兰的第一转子部分(102)；
一个包括一个焊接表面(116)的第二转子部分(104)；所述第一转子的焊接表面被安置成基本上与所述第二转子的焊接表面齐平，使得在其间限定一个焊接接缝(106)，所述第二转子部分基本上与所述法兰齐平，使得在其间限定一槽口连接(125)，所述槽口连接便于连接所述第一转子部分和所述第二转子部分。
2.如权利要求1所述的转子(100)，其特征为，一个壳体与所述转子连接，使得由该壳体(110)限定的腔(111)基本上与所述的焊接接缝(106)外接，所述腔可保持其中的真空压力，所述焊接接缝在所述腔内由电子束发生器(112)焊接。
3.如权利要求2所述的转子(100)，其特征为，在该电子束发生器围绕所述焊接接缝的一次转动过程中，利用该电子束发生器(112)焊接所述焊接接缝(106)。
4.如权利要求2所述的转子(100)，其特征为，还包括在所述第一转子部分的表面(114)和所述第二转子部分的表面(116)之间基本上齐平插入的一个垫片(132)，所述垫片便于连接所述第一转子部分和所述第二转子部分。
5.如权利要求4所述的转子(100)，其特征为，所述垫片(130)包括合金材料。
6.如权利要求1所述的转子(100)，其特征为，在所述第一转子部分(102)和所述第二转子部分(104)之间限定一个空腔(109)。
7.一种焊接二个转子部分(102，104)的系统，其中每一个转子部分包括一个焊接表面(114，116)，所述系统包括：
在该第一转子部分的焊接表面和该第二转子部分的焊接表面之间限定的一个焊接接缝(106)；
在该第二转子部分和外接该第一转子部分的一个法兰之间限定的一个槽口接缝(125)；
与该转子连接的一个壳体(110)，使得由所述壳体(110)限定的腔(111)基本上与该焊接接缝外接，所述腔在其中保持真空压力；和
在所述腔内焊接所述焊接的一个电子束发生器(112)。
8.如权利要求7所述的系统，其特征为，所述电子束发生器(112)在围绕所述焊接接缝的一次转动过程中，焊接所述的焊接接缝(106)。
9.如权利要求7所述的系统，其特征为，为便于焊接所述焊接接缝(106)，所述电子束发生器(112)的强度是可以调节的。
10.如权利要求7所述的系统，其特征为，所述焊接接缝(106)包括一个内部分(108)，所述电子束发生器(112)的强度是可调节的以便于焊接所述内部分。
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