CN102046320A - 采用利用脉冲电流和金属线的mig方法制造金属部件的一部分 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涡轮发动机的金属部件的具有宽度L的至少一部分的制造方法。该方法的特征在于所述部分利用MIG焊接设备通过沉积金属来制造，MIG焊接设备包括脉冲电流发生器和脉冲沉积金属线流量并用于改变所述电流和所述流量，所述制造方法以几个连贯层的金属焊珠(10)的形式执行。

Description

采用利用脉冲电流和金属线的MIG方法制造金属部件的一部分
技术领域
本发明涉及涡轮发动机的金属部件的制造和重装(refilling)。更具体地说，本发明涉及非连续体积的制造，尤其是凸缘或突出物的制造。
背景技术
目前是利用诸如对两个部件进行锻造、铸造或焊接等常规方法来实现非连续体积的制造。这些方法的主要缺点是相关的制造成本，尤其是小批量的或具有复杂几何结构的部件的制造成本。
TIG类型(Tungsten Inert Gas，TIG，钨惰性气体)焊接是在气体氛围中用非消耗性电极来进行电弧焊接的方法。该技术用于制造或重装例如涡轮发动机的叶片等部件的填充金属。中性气体，通常基于氩或氦，使熔融金属、热区和钨电极与空气隔离，从而避免任何氧化过程。在中性气流中，在非消耗性钨电极和待焊接的部件之间形成电弧。如果存在电弧，则电弧释放的热量使部件的边缘和填充金属熔融，从而有助于形成焊珠。
发明内容
本发明的目的在于提供制造或修整部件或部件的一部分的技术，从而允许通过形成具有大横截面的焊珠来较大地涂覆材料。虽然现有技术的手动TIG方法能够沉积横截面最大为10mm2的焊珠，然而，其目的是制造其中焊珠横截面更大的沉积物，具体地说焊珠的横截面大于25mm2。
重要的是不产生部件的可能残余扭曲，或至少使部件的可能残余扭曲最小化。
本发明的目的还在于保证材料在沉积区具有良好整体性。本发明通过采用具有脉冲电流和金属线的MIG方法来实现这些目的。
一种利用脉冲电流和金属线的MIG方法，例如在专利申请WO2006125234、WO2006089322或WO2005042199中描述并且在利用CMT(Cold Metal Transfer，冷金属过渡)的焊接方法中已知的方法，采用具有脉冲电流的MIG方法的原理并具体地通过对金属线的布置进行精细管理而进行补充。连续地布置金属线直到出现短路的外观为止，这在金属线端部与部件接触时发生。此时，收回金属线，从而允许沉积金属滴。然后继续该过程。以高至70Hz的频率重复执行该循环。因此，在利用计算机控制来保证高冶金质量的同时限制能量的供应。此外，在不存在溅射的情况下进行焊接。具有脉冲电流和金属线的MIG焊接由于如下原因而相对于利用连续电流的MIG焊接方法具有优势：低热量源、可以使用具有大直径的金属线，基本上不存在溅射并且通常会产生渗透。
根据本发明，提供了一种涡轮发动机的金属部件的预定宽度的至少一部分的制造方法，其特征在于，所述部分是利用MIG焊接设备通过涂覆金属来制造的，MIG焊接设备包括脉冲电流发生器和脉冲填充金属线供给速率，其中电流和供给速率是可变的，以多个连续层的金属焊珠的形式来执行该制造过程。
虽然已知的用于将部件焊接在一起的方法是采用具有脉冲电流和金属线的MIG技术，但是已经发现，根据本发明，当受到适当控制时，其从而具有利用以大横截面的焊珠的形式沉积的高沉积速率来制造部件的一部分的可能性。这几乎不产生变形，并同时保持与TIG技术所获得的冶金质量相当的冶金质量。
根据第一实施例，在第一层A上沿着第一主轴线并以确定的第一宽度制造出第一焊珠，然后沿着第二主轴线并以确定的第二宽度制造第二焊珠，并同时保证在所述第一焊珠上存在重叠部，所述重叠部在所述第一焊珠的宽度的1/4至1/2的范围内改变，并且制造出被所述焊珠覆盖表面所需数量的焊珠，被覆盖表面比所述部分的宽度L大；在第二层B上制造出第一焊珠，并同时使其轴线以所述第一层A的前两个焊珠的交叉处为中心，制造第二焊珠并同时保证在所述第二层的第一焊珠上存在重叠部，所述重叠部在所述第一焊珠的宽度的1/4至1/2的范围内改变，并且制造出被所述焊珠覆盖的表面所需数量的焊珠，被覆盖表面比所述部分的宽度L大；制造大量层以获得所述部件的所述部分的期望高度H。
根据制造方法的变型例，沿着第一主轴线并以第一预定宽度在第一层A上制造出第一焊珠，然后沿着第二主轴线并以第二预定宽度制造第二焊珠，并同时保证所述第一焊珠上存在重叠部，所述重叠部在所述第一焊珠的宽度的0至1/4的范围内改变，并且制造出的被所述焊珠覆盖的表面所需数量的焊珠，被覆盖表面比所述部分的宽度大，在第二层上制造出第一焊珠，并同时使其轴线以所述第一层的第一焊珠的轴线为中心；制造第三层C，以所述第一层B的两个第一焊珠的交叉处为第一焊珠轴线的中心制造第一焊珠；在符合所述焊珠的轴线的定位规则的同时制造所需数量的焊珠，并且重复执行上述操作以获得所述部件的所述部分的期望高度。
本发明的制造方法尤其适用于厚度大于或等于3mm的部件。
利用具有脉冲电流和金属线的MIG方法的一个优点在于对于相同的渗透和速度而言，平均焊接能量小于TIG方法时的焊接能量，从而使其能应用于焊接薄制品。此外，低的能量源减少了传递至板的热量，这限制了变形。
根据本发明所讨论的部件的材料是不锈钢、镍基、钴基或钛合金。
附图说明
根据下面对各个实施例的描述，将更清楚地理解本发明的目的、方面和优点。这些是由非限定性的实例来表示的。下文将对附图进行说明：
图1示意性地示出了凸缘或突出物的制造或重装。
图2示出了第一焊珠或突出物的制造。
图3示出了利用多个层进行制造的策略。
图4示出了利用叠置焊珠进行制造的策略。
具体实施方式
图1示出了厚度至少为3mm的圆筒形的主要部件1，在该主要部件1上意图制造有凸缘2或可选的突出物3。此处位于圆筒形部件的端部处的凸缘2采取环形部分的形式；在主要部件1的整个圆周上制造具有预定高度H1和宽度L1的该凸缘2。
涉及本发明方法的材料是诸如分子式为X5CrNiCu17.4或W11CrNiMoV12之类的不锈钢、诸如分子式为NiCr19Fe19Nb5Mo3之类的镍基的合金、或诸如分子式为CoCrNi22W之类的钴基的合金和诸如分子式为TiAl6V之类的钛合金。
突出物3制成在金属部件的表面的一部分处。该突出物3的高度H2和宽度L2也是确定的。
为了制造凸缘或突出物，可以使用在图3或图4所示的制造方法中开发出的策略。
图2示出了在部件1上沉积焊接焊珠10以形成突出物或凸缘。为此，根据本发明，使用带有脉冲电线和电流的MIG焊接机，其包括例如受微型处理器(在附图中未示出)控制的电流发生器。
举例而言，适用于Fronius公司提供的脉冲型MIG机以及能实施本发明的参数用于铬镍铁合金(Inconel)曲线基准CrNi 19-9并用于钛CuSi3
Figure BPA00001260703000041
1。Fronius公司为客户提供了使本发明适用于各种材料的预定参数组。
焊接焊珠的末端可以示出为具有被喷嘴5围绕的构成填充金属7的金属线。填充金属和熔融浴被由氦和/或氩构成的保护气体流9围绕。沿焊珠10的制造方向驱动喷嘴5。焊珠的长度和宽度被限定为金属线供给速率的函数。金属线在电弧的形成过程中起到重要的作用；具体地说，金属线的直径越大，沉积速率越高并且穿透深度将减小，焊珠的宽度将增大得更多并且熔融所需的能量将变得更大。该组件连接至可编程自动机，后者控制对焊接产生影响的所有参数，从而能在保持例如金属线的参数、金属线的类型或保护气体类型等参数之间的相容性的同时具有稳定的过程。
根据现有技术，用于制造部件的技术采用例如TIG或激光重装(在激光束中携带粉末)等方法，其沉积速度较低。焊珠的横截面保持为小于10mm2，从而导致部件发生显著变形。利用脉冲电流和金属线借助MIG的制造方法由此可以使焊珠的横截面加倍，例如至少为2倍、5倍并且可以减小部件发生的变形。制造焊珠的技术使得该变形进一步减小到最小。
图3示出了利用多个层进行制造的策略。该策略的第一阶段开始于对部件1进行清洁和表面去油污处理。为了制造第一层A，该材料沉积成连续的互相平行的焊珠。保护气体例如施加于正在制造的部件的表面，可选地施加于相对表面上。
上述焊珠以如下方式沉积。沿着第一主轴线并以第一预定宽度沉积第一焊珠11，然后沿着第二主轴线并以第二预定宽度沉积第二焊珠12，并同时保证在第一焊珠11上存在重叠部112。该重叠部可以在第一焊珠宽度的1/4至1/2之间的范围内改变。在符合重叠规则的同时，根据需要制造多个焊珠13、14等。被所有宽度一起覆盖的表面在宽度L和长度两方面比在部件的所需表面部分大。为了制造焊珠，喷嘴总是在相同方向上移位。该喷嘴还可以布置在替代方向上。
随后在第一层上布置第二层B。该第二层的第一焊珠11’形成为与第一层的焊珠平行，并同时以前一层A的前两个焊珠11、12的重叠区112为中心。接下来，以与前面的焊珠类似的方式制造第二焊珠12’，并同时保证与第一焊珠存在重叠，该重叠部在焊珠的宽度的1/4至1/2的范围内改变。在符合重叠规则的同时制造根据需要制造多个焊珠。对于第一层A，被焊珠覆盖的表面大于部件的所需表面部分。
为了获得所需的高度，以所需次数对突出物或凸缘重复执行上述阶段。优选地，为了制造第二层的焊珠，喷嘴在与制造第一层的方向相反的方向上移位。
图4示出了通过叠置焊珠进行制造的可选策略。
如上所述，第一阶段以对部件进行清洁和表面去油污处理而开始。
为了制造第一层A，沿着第一主轴线并以第一预定宽度沉积第一焊珠21，然后沿第二主轴线并以第二预定宽度沉积第二焊珠22，并同时保证在第一焊珠上存在重叠部，重叠部比上述情况中的小；重叠部在焊珠的宽度的0至1/4的范围内改变。在符合重叠规则的同时制造期望数目的焊珠21、22、23等，从而被焊珠覆盖的表面大于部件的最终表面部分。为了在该阶段制造焊珠，喷嘴在相同的方向上移位。
对于第二层B，第一焊珠21’沉积成与其它焊珠平行。其轴线以在前一层A上制造出的第一焊珠11的轴线为中心。随后，在保证上述阶段中描述的较小重叠部的同时沉积第二层的第二焊珠22’。在符合重叠规则的同时制造期望数目的焊珠。被焊珠覆盖的表面大于期望的表面部分。为了制造该第二阶段的焊珠，喷嘴具有与在制造前一层期间移位的方向相反的移位方向
该策略的第三阶段包括制造均质化层C。为了实现该目的，制造与上述焊珠平行的第一焊珠21”并同时使其轴线以前一层B的焊珠21’和22”的交叉处为中心。如图所示，该焊珠22”制造成使两个下面的层A和B的相邻焊珠之间的材料均质化。
在其轴线以下面的层B的焊珠22’和23’的交叉处为中心的同时，制造第二焊珠22”。在符合焊珠轴线的定位规则的同时，根据需要制造多个焊珠，使被覆盖的表面大于部件的所需表面部分。喷嘴优选地沿着与前一层相反的方向移位。为了获得期望的高度，以所需的次数对突出物和凸缘重复执行上述阶段。

Claims (6)

1.一种用于制造涡轮发动机的金属部件的具有宽度L和高度H的至少一部分的方法，其特征在于，所述部分是利用MIG焊接设备通过涂覆金属来制造的，MIG焊接设备包括脉冲电流发生器和脉冲填充金属线供给速率，所述MIG焊接设备用于改变电流和供给速率，该制造过程以多个连续层的金属焊珠(10)的形式来执行。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，沿着第一主轴线并以第一预定宽度在第一层A上制造出第一焊珠(11)，然后沿着第二主轴线并以第二预定宽度制造第二焊珠(12)，同时保证所述第一焊珠(11)上存在重叠部(112)，所述重叠部在所述第一焊珠的宽度的1/4至1/2的范围内改变，并且制造出被所述焊珠覆盖的表面所需数量的焊珠，被所述焊珠覆盖的表面比所述部分的宽度L大，在第二层B上制造出第一焊珠(11’)，并同时使其轴线以所述第一层A的前两个焊珠(11、12)的交叉处为中心，制造第二焊珠(12’)并同时保证所述第一焊珠(11’)上存在重叠部，所述重叠部在所述第一焊珠的宽度的1/4至1/2的范围内改变，并且制造出被所述焊珠覆盖的表面所需数量的焊珠，被所述焊珠覆盖的表面比所述部分的宽度L大；制造多个层以获得所述部件的所述部分的期望高度H。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，沿着第一主轴线并以第一预定宽度在第一层A上制造出第一焊珠(21)，然后沿着第二主轴线并以第二预定宽度制造第二焊珠(22)，并同时保证在所述第一焊珠(21)上的重叠部，所述重叠部在所述第一焊珠的宽度的0至1/4的范围内改变，并且制造出被所述焊珠覆盖的表面所需数量的焊珠，被所述焊珠覆盖的表面大于所述部分的宽度，在第二层B上制造出第一焊珠(21’)，并同时使其轴线以所述第一焊珠(21)的轴线为中心，还用所制造的第一焊珠(21”)制造第三层C，以所述第一层B的两个第一焊珠(21’、22’)的交叉处为第一焊珠轴线的中心制造第一焊珠，在符合所述焊珠轴线的定位规则的同时制造所需数量的焊珠，并且重复执行上述操作以获得所述部件的所述部分的期望高度。
4.根据上述权利要求中任一项所述的部件的至少一部分的制造方法，其中，所述部件的厚度大于或等于3mm。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，讨论的所述部件的材料是不锈钢、镍基、钴基和钛合金。
6.根据权利要求1所述的制造和重装部件的方法，其中，保护气体是由氦和氩构成的混合物。
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