CN102000915A - 燃烧罩盖流出板激光焊接修理 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃烧罩盖流出板激光焊接修理。公开了一种用于修改或修理诸如用于燃气涡轮机的燃烧罩盖流出板(110)的金属构件的过程。该方法包括在金属构件中产生槽口或凹槽(130)，以及在槽口或凹槽(130)中沉积填充材料(140)。对填充材料(140)应用脉冲激光(310)。脉冲激光(310)具有足以对金属构件和填充材料(140)应用热量以使金属构件和填充材料(140)的至少一部分熔化、以便将填充材料(140)焊接到金属构件上以及修理或修改该金属构件的功率、频率和脉冲宽度。脉冲激光(310)的各种操作参数可配置成以便减少不合需要的加热影响。

Description

燃烧罩盖流出板激光焊接修理
技术领域
本发明大体涉及金属构件的修改，且更具体地涉及用于修理燃气涡轮机的金属构件-诸如例如燃烧罩盖流出板(effusion plate)的损伤的过程。
背景技术
燃气涡轮机典型地包括在该燃气涡轮机的操作期间经受损伤的各种金属构件。对于由金属薄板形成的包括多个通孔的金属构件尤其是这样。例如，用于燃烧室组件中的燃烧罩盖流出板通常由于燃烧室组件中的燃烧产生的动态加载而经受损伤，例如裂缝或裂痕。合乎需要的是修理这种损伤而不必更换整个金属构件。
以前，已经进行了使用标准MIG(金属惰性气体)或TIG(钨惰性气体)焊接技术对这种损伤的焊接修理，取得了有限的成功。MIG或TIG焊接过程所造成的更高的热影响通常导致裂缝传播和难以遏制损伤。例如，由这种MIG和TIG焊接技术产生的热影响区通常交迭到流出板的未受损区域中，这可导致更多的损伤。
还已知钎焊过程用于修理燃气涡轮机的金属构件的损伤。钎焊典型地比MIG或TIG焊接更成功。但是，由于必须的清洁和钎焊炉周期的原因，钎焊更加昂贵和耗时。此外，通常难以在原位置执行钎焊技术，从而使得对受损物品的便利和及时的修理更加困难。
因此，解决了与MIG/TIG焊接和钎焊相关联的至少某些现有的缺点的、用于修理燃气涡轮机的金属构件的过程将是有用的。
发明内容
在以下描述中将部分地阐述本发明的方面和优点，或者根据该描述，这些方面和优点可为显而易见的，或者可通过本发明的实践来学习这些方面和优点。
本发明的一个示例性实施例提供了一种用于修改金属构件的方法。该方法包括在金属构件上的一定位置上、在金属构件中产生凹槽。该方法进一步包括在凹槽中沉积填充材料，以及对填充材料应用脉冲激光。脉冲激光具有足以对金属构件和填充材料应用热量以及使它们熔化的功率、频率和脉冲宽度。来自脉冲激光的热量起作用来将填充材料焊接到金属构件上，以修改金属构件。
可对本发明的这个示例性实施例作出各种添加或修改。
例如，本发明的另一个示例性实施例提供了一种用于修理燃气涡轮机的金属构件的方法。该方法包括融合来自金属构件的裂痕，以在该金属构件中产生槽口。该方法进一步包括在槽口中沉积填充材料，以及将脉冲激光引导到填充材料上。该脉冲激光具有足以对金属构件和填充材料应用热量以及使它们熔化的功率、频率和脉冲宽度。来自脉冲激光的热量将填充材料焊接到金属构件上，以修改该金属构件。
本发明的又一个示例性实施例提供了一种修改用于燃气涡轮机的燃烧罩盖流出板的方法。该方法包括融合来自流出板的裂痕，以在该流出板中产生槽口。该方法包括在槽口中沉积填充材料，以及将脉冲激光引导到填充材料上。脉冲激光具有约3.5Hz至约20Hz的频率、约4.0ms至约15.0ms的脉冲宽度和约0.4mm/秒至约1.5mm/秒的行进速度。脉冲激光产生足以熔化填充材料并且将填充材料焊接到流出板上以修改该流出板的热量。
参看以下描述和所附的权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合在本说明书中且构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，且与描述一起起到解释本发明的原理的作用。
附图说明
在说明书中阐述了针对本领域的技术人员的本发明的完整且能够实施的公开，说明书参照了附图，在附图中：
图1描绘了可用于燃气涡轮机的燃烧室组件中的示例性燃烧罩盖流出板的平面图；
图2描绘了可用于燃气涡轮机的燃烧室组件中的示例性燃烧罩盖流出板的示例性损伤；
图3描绘了根据本公开的一个示例性实施例在示例性燃烧罩盖流出板中的损伤的位置处产生槽口或凹槽；
图4描绘了根据本公开的一个示例性实施例应用脉冲激光来将填充材料焊接到示例性燃烧罩盖流出板上；
图5描绘了根据本公开的一个示例性实施例的、用于修理示例性燃烧罩盖流出板中的部分壁厚度的裂缝的示例性激光焊接修理过程的截面图；以及
图6描绘了根据本公开的一个示例性实施例的、用于修理示例性燃烧罩盖流出板中的贯通壁厚度的裂缝的示例性激光焊接修理过程的截面图。
部件列表：
100    流出板
105    开口
110    流出冷却孔
120    裂缝或裂痕、损伤、受损部分
130    槽口或凹槽
140a，b，c，d    填充材料
145    垫片材料
155    填料条
200    加工工具
300    激光焊接机
310    脉冲激光
320    热影响区
具体实施方式
为了提供如本文所描述的有利改进，本发明提供了一种修理燃气涡轮机的金属构件的方法。出于描述本发明的目的，现在将对本发明的实施例进行详细参照，在图中示出了本发明的实施例的一个或多个实例。各个实例是以解释本发明而非限制本发明的方式提供的。实际上，对于本领域的技术人员将显而易见的是，可在本发明中作出各种修改和变化，而不偏离本发明的范围或精神。例如，说明或描述为一个实施例的一部分的特征可与另一个实施例结合起来使用，以产生又一个实施例。因而，意图的是本发明覆盖所附的权利要求书及其等效物的范围内的这种修改和变化。
现在参看图1，示出了具有多个流出冷却孔110的金属薄板形式的示例性燃烧罩盖流出板100。尽管将参照流出板100的损伤的修理来对本公开进行详细的描述，但是使用本文提供的公开，本领域的技术人员应当理解，本公开不限于燃烧罩盖流出板的修理，而是相反，本公开意在包括各种金属构件的修理。
流出板100典型地置于用于燃气涡轮机的燃烧室组件中的燃烧室附近的燃烧罩盖的端部处。流出板100包括多个开口105，以便于燃料喷嘴通过燃烧罩盖插入且插入到燃烧室组件中。流出冷却孔110的排列允许在邻近的燃烧室中的气体的燃烧期间进行扩散冷却。流出板100对于燃烧罩盖起辐射护罩的作用，其保护燃烧罩盖不受操作期间在邻近的燃烧区中的燃烧产生的辐射放热的影响。
流出板100典型地由可承受高温和高应力条件的高耐腐蚀性的金属合金制成。例如，流出板100可由镍基或钴基合金制成。在特定实施例中，流出板100可由固溶强化合金(诸如，例如，哈斯特洛依合金(Hastelloy)X、海恩斯(Haynes)230、铬镍铁合金617、铬镍铁合金625或其它类似的合金)制成。在其它实施例中，流出板100可由析出强化的可硬化合金(诸如，例如，海恩斯282、沃斯帕洛伊合金(Waspaloy)、尼莫尼克合金(Nimonic)263或其它类似的合金)制成。
流出板100典型地具有相对小的厚度，例如小于约0.25英寸(约6.35mm)。与多个流出冷却孔110关联，流出板100的相对小的厚度使流出板100在燃烧系统动态加载期间易于损伤。例如，如图2所示，流出板100可经受裂缝或裂痕120的形式的损伤。
以前，已进行了使用标准MIG(金属惰性气体)或TIG(钨惰性气体)焊接技术对这种损伤120的焊接修改，取得了有限的成功。MIG或TIG焊接过程产生的更高的热影响通常导致裂缝传播和难以遏制损伤。例如，由这种MIG和TIG焊接技术产生的热影响区通常交迭到流出板的未受损的区域中，这可导致更多的损伤。对于具有一定排列的流出冷却孔110的、由金属薄板形成的流出板100来说尤其是这样。
还已知钎焊过程用于修理燃气涡轮机的金属构件(例如流出板100)的损伤。钎焊典型地比MIG或TIG焊接更成功。但是，由于必须的清洁和钎焊炉周期的原因，钎焊更加昂贵和耗时。此外，通常难以在原位置执行钎焊技术，从而使得对损伤物品的便利且及时的修理更加困难。
根据本公开，通过使用与标准钎焊技术相比实施起来较不昂贵且还避免了标准MIG/TIG焊接的不合乎需要的热影响的脉冲激光焊接技术来克服钎焊和MIG/TIG焊接的缺点。通过使用本公开的脉冲激光焊接技术，可便利且及时地修理具有多个冷却孔的、燃气涡轮机的相对薄的金属构件，例如燃烧罩盖流出板，而没有由不合乎需要的热影响导致的裂缝传播或裂缝遏制困难。
现参看图2-4，现在将对使用本公开的示例性脉冲激光焊接技术的、用于流出板100的修改或修理的示例性过程进行更详细的论述。如图2所示，流出板100包括裂缝或裂痕120形式的损伤。裂缝或裂痕120可由于燃烧系统的动态加载而产生。
为了修改流出板100的损伤120，首先移除流出板100的受损部分120。可通过在损伤120的位置处、在流出板100中产生槽口或凹槽1 30来移除受损部分120，如图3中所描绘的那样。优选地，槽口或凹槽130具有在面积上比损伤120的面积更大但是足够小以减小流出板100的应力的大小和构造。
可使用本领域技术人员已知的任何技术(一种或多种)来产生槽口或凹槽130。例如，可通过使用加工工具200融合流出板100的损伤120来产生槽口或凹槽130。加工工具200可为用于将损伤120从流出板100上加工掉的任何工具或装置。例如，加工工具200可包括磨掉流出板1 00的受损部分以形成槽口或凹槽130的旋转式磨削工具。
槽口或凹槽130的深度将取决于流出板100经受的损伤120的类型。例如，如果损伤120是部分壁厚度的裂缝或裂痕，则槽口或凹槽130的深度将取决于部分壁厚度的裂痕的深度。优选地，槽口或凹槽130的深度将略微大于部分壁厚度的裂痕的深度，以防止进一步的裂缝传播。如果损伤120是贯通壁厚度的裂缝或裂痕，则槽口或凹槽130的深度可能必须贯穿流出板100的整个厚度，以便确保流出板100的恰当的修改或修理，以及防止裂缝传播。
在流出板100中已经产生槽口或凹槽130之后，在槽口或凹槽130中沉积填充材料140。填充材料140可为本领域已知的各种焊接填充材料中的任何一种。在某些实施例中，填充材料140是高强度、热稳定、高抗氧化性的金属合金。例如，填充材料140可为固溶强化合金，诸如例如哈斯特洛依合金X、哈斯特洛依合金W、海恩斯230、铬镍铁合金617、铬镍铁合金625或其它类似的合金。在其它实施例中，填充材料140可为析出强化的可硬化合金，诸如，例如海恩斯282、沃斯帕洛伊合金、尼莫尼克合金263或其它类似的合金。
可通过将填充材料140(制成)的填料条155(在图5和6中描绘)置于槽口或凹槽130中，且使用本公开中论述的脉冲激光技术加热填料条155，来将填充材料140沉积在槽口或凹槽130中。填料条155可具有在如下范围中的直径：约0.010英寸(约0.254mm)至约0.045英寸(约1.143mm)，例如约0.025英寸(约0.635mm)至约0.035英寸(约0.889mm)，例如约0.030英寸(约0.762mm)，或者在其之间的任何其它直径或直径范围。使用本文提供的公开，本领域技术人员应当理解，填充材料可为任何其它形状。
如图4所示，对填充材料140应用脉冲激光310，以便将填充材料140焊接到流出板100上。脉冲激光310可为CO2激光、灯泵浦激光、光纤激光或任何其它类型的激光。脉冲激光310应用足以将填充材料140焊接到流出板100上的高能且短持续时间的脉冲。脉冲激光310产生热影响区320，如图5和6所示。如将在下面详细论述的那样，可改变或修改脉冲激光310的各种参数，以控制热影响区320的大小，使得可减少不合乎需要的加热影响。
通过激光焊接机300提供脉冲激光310。激光焊接机300可为本领域已知的各种脉冲激光焊接机中的任何一种。例如，激光焊接机300可类似于美国专利No.5,179,261、No.5,369,242、No.5,726,418或No.6,774,338中描述和公开的激光焊接机。
在一个特定实施例中，激光焊接机300是由OR激光股份有限公司制造的HTS Mobile 200激光焊接机。这个示例性激光焊接机允许沿x、y和z方向进行横向移动，且具有约200W的平均输出功率。由HTS Mobile 200激光焊接机提供的峰值输出功率为约9kW。HTS Mobile 200激光焊接机允许达约0.1mm的焊接精度。
现参看图5，将对用于修改部分壁厚度的裂缝或裂痕的示例性过程进行详细论述。如图所示，已经在流出板100中产生了槽口或凹槽130。填充材料的第一层140a已经沉积在槽口或凹槽130中。脉冲激光310已经经过了填充材料层140a。脉冲激光310应用足以将填充材料140焊接到流出板100上以形成层140a的高能且短持续时间的若干脉冲。如图所示，这个过程已经重复了适当的遍数，以将层140b、140c和140d焊接到流出板100上，直到填满槽口或凹槽130为止。
现参看图6，将对用于修改贯通壁厚度的裂缝或裂痕的示例性过程进行详细论述。如图所示，已经在流出板100中产生了槽口或凹槽130。垫片材料145已经焊接到流出板100的背面。垫片材料145用来为填充材料140提供背衬面。垫片材料145可包括镍基或钴基金属合金。例如，垫片材料可由固溶强化合金(诸如，例如，哈斯特洛依合金X、哈斯特洛依合金W、海恩斯230、铬镍铁合金617或铬镍铁合金625)制成。
填充材料的第一层140a已经沉积在槽口或凹槽130中。脉冲激光310已经经过了填充材料层140a。脉冲激光310应用足以将填充材料焊接到流出板100上以形成层140a的高能且短持续时间的若干脉冲。如图所示，这个过程已经重复了适当的遍数，以将层140b、140c、140d和140e焊接到流出板100上，直到填满槽口或凹槽130为止。
如图5和6两者所示，脉冲激光310产生热影响区320。当焊接具有多个通孔的燃气涡轮机的金属构件(例如流出板100)时，合乎需要的是减小热影响区320，使得避免由焊接所造成的不合乎需要的热影响。这样，就可更容易地遏制流出板100的损伤，而且可避免裂缝传播。
可调节脉冲激光310的各种操作参数，以实现足够大以将填充材料140焊接到流出板100上但是足够小以减少流出板的不合乎需要的加热的期望的热影响区320。例如，脉冲激光310可具有一定的频率和脉冲宽度。脉冲激光310的频率可在如下范围中：约3.5Hz至约20Hz，例如约4.0Hz至约6.0Hz，例如约5.0Hz或5.5Hz，或者在其之间的任何其它频率或频率范围。脉冲激光310的脉冲宽度可在如下范围中：约4.0ms至约15.0ms，例如约5.0ms至约8.0ms，例如约6.0ms或7.0ms，或者其之间的任何其它脉冲宽度或脉冲宽度范围。另外，脉冲激光可具有在如下范围中的行进速度：约0.4mm/秒至约1.5mm/秒，例如约0.5mm/s至约0.8mm/s，例如约0.6mm/s或0.7mm/s，或者在其之间的任何其它行进速度或行进速度范围。脉冲激光310还可具有在如下范围中的直径：约0.1mm至约2mm，例如约0.5mm至约1.5mm，例如约1.0mm或1.2mm，或者在其之间的任何其它直径或直径范围。用来提供脉冲激光310的激光焊接机可具有约200W的平均输出功率和约9kW的峰值输出功率。该激光焊接机可在约55％至约60％功率的范围(例如约57％功率)中操作。
呈现以上操作参数的脉冲激光可输送足以将填充材料140焊接到流出板100上同时保持期望的热影响区的高能且短持续时间的脉冲。热影响区将足够大，以将填充材料焊接到流出板上，但是没有大到显著地延伸到流出板的未受损部分中。这样，可实现裂缝遏制和对于由不合乎需要的且不必要的加热影响引起的裂缝传播的防止。因此，根据本公开的激光焊接技术提供了优于本领域已知的MIG/TIG焊接和钎焊过程的优点。
虽然已经关于本主题的特定的示例性实施例和方法对本主题进行了详细描述，但是将理解到，在获得对前述内容的理解之后，本领域的技术人员可容易地产生对这种实施例的变化、变型和等效物。因此，如对于本领域技术人员将容易地显而易见的，本公开的范围是作为实例性的而非作为限制性的，且本公开不排除包括对本主题的这种修改、变型和/或添加。

Claims (10)

1.一种修改金属构件的方法，所述方法包括：
在所述金属构件上的一定位置处在所述金属构件中产生凹槽(130)；
在所述凹槽(130)中沉积填充材料(140)；
对所述填充材料(140)应用脉冲激光(310)，所述脉冲激光(310)具有足以对所述金属构件和所述填充材料(140)应用热量以使所述金属构件和所述填充材料(140)的至少一部分熔化的功率、频率和脉冲宽度；
其中，来自所述脉冲激光(310)的所述热量将所述填充材料(140)焊接到所述金属构件上，以修改所述金属构件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光(310)产生热影响区(320)，所述方法包括通过调节所述脉冲激光(310)的所述功率、所述脉冲宽度或所述频率来配置所述热影响区(320)的大小。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光(310)的所述频率为从约3.5Hz至约20Hz。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光(310)的所述脉冲宽度为从约4.0ms至约15.0ms。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光(310)具有从约0.4mm/秒至约1.5mm/秒的行进速度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲激光(310)具有约0.1mm至约2.0mm的直径。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属构件具有小于约0.25英寸的厚度，且包括多个通孔。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述金属构件包括镍基或钴基金属合金，且所述填充材料(140)包括镍基或钴基填充材料(140)。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述位置包括部分壁厚度的裂痕。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述位置包括贯通壁厚度的裂痕。
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