CN102448650B - 通过在轮廓外部或者围绕轮廓施加的焊接带来焊接零件的凹处的方法；相应的零件 - Google Patents

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Abstract

在借助焊接填充凹处(16)时会出现连接故障和裂缝。通过其中焊接材料还从凹处(16)中出来产生到表面(13)上的适合的填充策略避免了上述问题。

Description

通过在轮廓外部或者围绕轮廓施加的焊接带来焊接零件的凹处的方法；相应的零件
本发明涉及一种用于通过焊接来填充零件凹处的方法和一种零件。
在零件的焊接修复中，通常还填充凹处。这些凹处通过挖空损坏的区域形成，所述损害的区域在零件的工作期间形成。为了再加工必须添加材料，以便实现零件的几何形状以及零件的足够的强度。根据焊接填料，总是会再次出现所添加的材料的连接故障和裂缝。
因此，本发明的目的是解决上述问题。
问题通过根据本发明的的方法和根据本发明的零件来解决。所述方法用于焊接零件，其中通过焊接带填充凹处，其中所述凹处具有轮廓，所述轮廓形成所述零件的外部的上表面相对于所述凹处的边界，其中设置所述焊接带，使得所述焊接带还在所述凹处的所述轮廓之外到达到所述表面，并且，使用多个焊接层，以便填充所述凹处，直至最后一层完全突出于所述表面之外，其中其他的焊接层完全地覆盖其直接的前驱层，各个彼此交叠的焊接层的所述焊接带的主方向以明显大于0°且小于等于90°的角度延伸。所述零件为根据本发明的方法所制造的零件。
从后续的说明列出了其他有利措施，其可以任意彼此组合以实现进一步的优点。
其中
图1-9示出焊接时的填充策略，
图10-12示出在焊缝的热处理中的方法，
图13示出燃气轮机，
图14示出涡轮叶片，
图15示出燃烧室，
图16示出超合金列表。
附图和说明仅代表本发明的实施例。
在图1中示出零件1、120、130、155，所述零件在表面13的区域中具有凹处4。零件1优选是涡轮叶片120、130并且优选由基于镍或钴的超合金组成(图15)。
应该用焊接材料填充凹处4。通过轮廓16(闭合线)相对于外部的表面13形成凹处4的边界。
凹处4具有侧壁28，其优选倾斜于并且并不垂直于表面13地在轮廓16附近延伸(图5)。侧壁角(在侧壁28和表面13在凹处4之上的假设的延长部之间的角度)优选为在30°和40°之间。
凹处4的填充优选通过堆焊进行。
优选使用激光方法作为焊接方法。
焊接层I、II、III(图8、9)由多个焊接带10’、10”、10”’组成，所述焊接带形成关联的面。优选以蜿蜒形状(图2、3、4、6、7)来设置每个焊接层I、II、III的焊接带10’、10”、10”’。
焊接带10’、10”、10”’、…的主方向25表示焊接带10’、10”、10”’的最长延展11并且在图2、3、4、6、7和10中示为箭头。
然而，焊接带10’、10”、10”’、…超过凹处4的轮廓16并且因此部分地达到表面13(图2、5、6、7、8、9)。优选的是，焊接带10’、10”、…既位于零件1、120、130、155的表面13上还位于凹处4中。
在图8、9中示出这些交叠设置的层I、II、III的横截面。
留下或者稍后抹掉或者借助铣削移除在此形成的突出于表面13的隆起部22(图5)。
由于有意识地超过、于是通过在表面区域13中的额外的焊接材料，实现良好的焊接结果并且在完成焊接的零件1、120、130、155中未形成裂缝。优选的是，仅还必须除去在表面13之上的焊接材料。
图3示出焊接时的另一填充策略。在此，首先在凹处4内设置框架6，所述框架6类似轮廓16。该框架6(＝第一焊接带)在矩形的凹处4中同样是矩形的。
该第一外焊接带6可以位于轮廓16内(图3，4)或位于表面13上(图6，7)。优选的是，焊接带6(图6，7)在轮廓16之上延伸，即在表面13上并且在凹处4中。
优选的是，可以设置另一焊接带7，其同样符合凹处4的外部的轮廓并且位于第一焊接带6内(图4，7)。、
然后，在轮廓6、7内选择焊接带10’、10”、…的蜿蜒形的延伸(图3，4，6，7)。之字形曲线的最长部分11的定向25可以按凹处4的最短宽度定向(图3)。
之字形曲线的最长部分11同样可以与凹处16的最长定向平行地延伸(图4，6，7)。同样能够分层地(I，II，III)地变化主方向25的定向(未示出)。
不必须强制地填充凹处。同样能够将材料平面地()涂敷到任何表面上(图2，3，4，6，7)。于是，轮廓16为待涂层的面的边界。
在图8中示出在焊接后的上述填充策略(图2)的横截面。
优选通过焊接带的第一层I完全地覆盖凹处4(图2)，即第一焊接层I还优选走向到轮廓16并且超过该轮廓。
然后，施加第二焊接层II，其端部同样突出于表面13。
第二焊接层II优选完全地覆盖第一焊接层I。该层交叠继续，直至最后的层III优选完全位于表面13之上。
图9示出在焊接中的另一填充策略，尤其为图8的特别的实施形式。
在此，通过带有主方向25的多个焊接带(10’，10”，10”’)平行于绘图平面设置第一焊接层I(25的定向是任意的)。主方向25在蜿蜒形的铺设中是焊接带10’、10”、…的最长延展11(图2)。
第二焊接层II借助带有不同于、优选垂直于焊接层I的主方向25的主方向25来实现，即从绘图平面出来，其中第三焊接层III的焊接带10’、10”、…的主方向优选又如第一焊接层I那样延伸。
图10还示出，在图1至7中示为焊接带的线具有宽度。焊接带可以叠置或者仅彼此邻接；这还适用于图1至7。
在图11、12的左边，示出在焊缝28的热处理前的步骤。
在图11的左边和图12的左边示出焊缝/焊接层28，根据任意方法制造所述焊缝/焊接层，但是所述焊缝/焊接层还突出于基底的表面13的外部原始轮廓。作为下一加工步骤，为焊接件再定轮廓，即焊接带/焊接层被平滑并且被适配于外表面13的高度，即进行材料去除，以便重建原始的气体动力学轮廓。
然后，作为最后的步骤，根据材料和零件借助焊缝28进行通常的热处理(HT)。
图13以示例的方式示出燃气轮机100的局部纵向剖面图。
燃气轮机100在内部具有带有轴101的、围绕转动轴线102枢转的(drehgelagerten)转子103，其也被称为涡轮机电枢。
沿着转子103依次有进气壳体104、压缩机105、具有多个同轴设置的燃烧器107的尤其为环形燃烧室的例如环面状的燃烧室110、涡轮机108以和排气壳体109。
环形燃烧室110与例如环型高温气体通道111连通，在环型高温气体通道111中，举例来说，四个相继连接的涡轮级112形成涡轮机108。
每个涡轮级112均由例如两个叶片环形成。沿工质113的流动方向来看，在高温气体通道111中，由转子叶片120形成的排125跟随导向叶片排115。
在此，导向叶片130固定在定子143的内壳体138上，而该排125的转子叶片120例如借助涡轮盘133安装在转子103上。
发电机或者工作机器(未示出)耦接于转子103。
在燃气轮机100工作期间，压缩机105通过进气壳体104将空气135吸入并且压缩。在压缩机105的涡轮侧端部处提供的压缩空气引至燃烧器107并且在那里与燃料混合。接着混合物在燃烧室110中燃烧，从而形成工质113。工质113从那里起沿着高温气体通道111流过导向叶片130和转子叶片120。工质113在转子叶片120处以传递动量的方式膨胀，使得转子叶片120驱动转子103而转子103又驱动耦接到其的工作机器。
暴露于高温工质113的零件在涡轮100工作期间承受热负荷。除了内衬于环形燃烧室110的热屏蔽元件之外，沿工质113的流动方向来看的第一涡轮机级112的导向叶片130和转子叶片120经受最高的热负荷。
为了经受住那里存在的温度，其可借助冷却剂来冷却。
同样，零件的基质可以具有定向结构，这就是说它们是单晶的(SX结构)或仅具有纵向定向的颗粒(DS结构)。
例如，铁基、镍基或钴基超合金用作零件的材料，特别是用作涡轮叶片120、130和燃烧室110的材料。
从例如EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、WO99/67435或WO00/44949中已知这种超合金。
类似地，叶片120、130可以具有抗腐蚀涂层(MCrAlX；M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种元素，X是活性元素并代表钇(Y)和/或硅、钪(Sc)和/或至少一种稀土元素，或铪)。从EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或EP1306454A1中已知这种合金。
MCrAlX上还可以有隔热层，隔热层由例如ZrO2、Y2O3-ZrO2构成，即，隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。
通过例如电子束气相淀积(EB-PVD)的适当的涂层工艺在隔热层中产生柱状颗粒。
导向叶片130具有朝向涡轮机108的内壳体138的导向叶片根部(这里未示出)，以及与导向叶片根部对置的导向叶片头部。导向叶片头部朝向转子103并固定于定子143的固定环140。
图14在立体图中示出涡轮机的沿着纵轴线121延伸的转子叶片120或导向叶片130。
涡轮机可以是飞机的或用于发电的发电厂的燃气轮机、蒸汽轮机或压缩机。
叶片120、130沿着纵轴线121相继具有：固定区域400、邻接于其的叶片平台403以及叶身406和叶梢415。
作为导向叶片130，叶片130可以在其叶梢415处具有另外的平台(未示出)。
在固定区域400中形成有用于将转子叶片120、130固定在轴或盘(未示出)上的叶根183。
叶根183例如构建为锤头。例如枞树根(Tannenbaumfuβ)或燕尾根(Schwalbenschwanzfuβ)的其他构形是可能的。
叶片120、130对于流经叶身406的介质具有迎流棱边409和流出棱边412。
在传统叶片120、130的情况下，例如将实心金属材料、尤其是超合金用于叶片120、130的所有区域400、403、406。
例如从EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、WO99/67435或WO00/44949中已知这种超合金。
在这种情况下，叶片120、130可以通过浇注工艺、借助定向凝固技术、通过锻造工艺、通过铣削工艺或其组合来制造。
将具有单晶结构或多个单晶结构的工件用作在工作时经受高的机械的、热学的和/或化学的负荷的机器零件。
这种单晶工件的制造例如通过熔融物的定向凝固进行。这在此涉及一种浇注工艺，其中液态金属合金凝固为单晶构造物、即单晶工件，或者定向凝固。
在这种情况下，枝状晶体沿热流定向，并形成柱状晶体的颗粒结构(柱状地，这就是说在工件的整个长度上分布的颗粒，根据语言习惯称为定向凝固)或单晶结构，这就是说整个工件由单个的晶体构成。在这些工艺中，需要避免向球形(多晶的)凝固的转变，因为通过非定向的生长不可避免地产生横向和纵向晶界，而横向和纵向晶界使定向凝固的或单晶的零件的有利特性不起作用。
如果一般性地提到定向凝固的结构，由此既指不具有晶界或最多具有小角度晶界的单晶，又指确实具有沿纵向方向分布的晶界但不具有横向晶界的柱状晶体结构。第二种晶体结构也被称为定向凝固结构(directionallysolidifiedstructures)。
从US-PS6,024,792和EP0892090A1中已知这种工艺。
叶片120、130同样可以具有抗腐蚀或抗氧化保护涂层，例如(MCrAlX；M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种元素，X是活性元素并代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素，或铪(Hf))。可从EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或EP1306454A1中已知这种合金。
密度优选地是理论密度的95％。
在MCrAlX层上形成有保护性氧化铝层(TGO＝thermalgrownoxidelayer(热生长氧化层))(作为中间层或最外层)。
层成分具有Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si或Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y。除这些钴基保护涂层外，也优选地使用镍基保护层，例如Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re或Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-2Re或Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1.5Re。
MCrAlX上还可以有隔热层，隔热层优选地是最外层并例如由ZrO2、Y2O3-ZrO2构成，即，隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。
隔热层覆盖整个MCrAlX层。通过例如电子束气相淀积(EB-PVD)的适当的涂层工艺在隔热层中产生柱状颗粒。
其他涂覆工艺，例如气相等离子喷涂(APS)、LPPS、VPS或CVD也是可行的。隔热层可以具有多孔的、有微观裂缝或宏观裂缝的颗粒，用于更好的耐热冲击性。因此隔热层优选地比MCrAlX层更为多孔。
再处理(Refurbishment(整修))意味着在零件120、130被使用之后，必须将保护层从零件120、130上去除(例如通过喷砂)。接着，进行腐蚀和/或氧化层或产物的移除。必要时，还修复零件120、130中的裂缝。该过程之后是对零件120、130进行再涂覆，以及零件120、130的重新使用。
叶片120、130可以空心或实心地实施。如果要冷却叶片120、130，则其为空心的并且必要时还可以具有膜冷却孔418(由虚线表示)。
图15示出燃气轮机的燃烧室110。燃烧室110例如构建为所谓环形燃烧室，其中多个以环周方向围绕转动轴线102设置的燃烧器107同向共同的燃烧室腔154中，其产生火焰156。为此，燃烧室110以其整体构建为环形的结构，所述环形的结构围绕转动轴线102定位。
为了实现相对高的效率，燃烧室110针对为大约1000℃至1600℃的工作介质M的相对高的温度来设计。为了还在这些对于材料不宜的工作参数的情况下实现相对长的工作持续时间，燃烧室壁153在其朝向工作介质M的侧上设有由热屏蔽元件155形成的内衬。
每个由合金构成的热屏蔽元件155工作介质侧地配备有尤其抗热的保护层(MCrAlX层和/或陶瓷涂层)或者由耐高温的材料(实心的陶瓷石)制成。
保护层能够是类似涡轮叶片的，于是MCrAlX例如表示：M是铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)中的至少一种元素，X是活性元素并代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素，或铪(Hf)。从EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或EP1306454A1中已知这种合金。
MCrAlX上还可以有例如陶瓷的隔热层，并且隔热层由例如ZrO2、Y2O3-ZrO2构成，即，隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。
通过例如电子束气相淀积(EB-PVD)的适当的涂层工艺在隔热层中产生柱状颗粒。
其他涂覆工艺，例如气相等离子喷涂(APS)、LPPS、VPS或CVD也是可行的。隔热层可以具有多孔的、有微观裂缝或宏观裂缝的颗粒，用于更好的耐热冲击性。
再处理(Refurbishment)意味着在热屏蔽元件155被使用之后，必要时必须将保护层从热屏蔽元件155上去除(例如通过喷砂)。接着，进行腐蚀和/或氧化层或产物的移除。必要时，还修复热屏蔽元件155中的裂缝。其后进行对热屏蔽元件155的再涂覆以及热屏蔽元件155的重新使用。
此外，由于在燃烧室110的内部中的高温，能够为热屏蔽元件155或为其保持元件设置冷却系统。因此，热屏蔽元件155例如是空心的并且必要时还具有通向燃烧室腔154的冷却孔(未示出)。

Claims (11)

1.一种用于焊接零件(1，120，130，155)的方法，其中通过焊接带(6，7，I，II，III，10’，10”，10”’，…)填充凹处(4)，其中所述凹处(4)具有轮廓(16)，所述轮廓(16)形成所述零件(1，120，130，155)的外部的上表面(13)相对于所述凹处(4)的边界，
其特征在于，
设置所述焊接带(6，7，I，II，III，10’，10”，10”’，…)，使得所述焊接带(10’，10”，10”’，…，6，7，I，II，III)还在所述凹处(4)的所述轮廓(16)之外到达到所述表面(13)，并且，使用多个焊接层(I，II，III)，以便填充所述凹处(4)，直至最后一层完全突出于所述表面(13)之外，
其中其他的焊接层(II，III，…)完全地覆盖其直接的前驱层(I，II，...)，
各个彼此交叠的焊接层(I，II，III，…)的所述焊接带(10’，10”，10”’，…)的主方向(25)以大于0°且小于等于90°的角度延伸。
2.根据权利要求1所述的方法，其中设置第一焊接带(6)，使得所述第一焊接带(6)的形状与所述轮廓(16)的形状相符合。
3.根据权利要求2所述的方法，其中在所述第一焊接带(6)内产生第二焊接带(7)，所述第一焊接带(6)与所述轮廓(16)相符合。
4.根据权利要求3所述的方法，其中在基于轮廓的所述第一或第二焊接带(6，7)内进行所述凹处(4)的按蜿蜒方式填充(10’，10”，10”’，…)。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的方法，其特征在于，使用激光堆焊。
6.根据权利要求1至4中的任意一项所述的方法，其中焊接带的第一层(I)完全地覆盖所述凹处(4)。
7.根据权利要求1所述的方法，其中各个彼此交叠的焊接层(I，II，III，…)的所述焊接带(10’，10”，10”’，…)的主方向(25)彼此垂直地延伸。
8.根据权利要求1至4中的任意一项所述的方法，其中按蜿蜒方式铺设焊接层(I，II，III)的所述焊接带(10’，10”，10”’，…)。
9.根据权利要求1至4中的任意一项所述的方法，其中所述凹处(4)具有侧壁(28)，所述侧壁以不垂直于所述零件(1，120，130，155)的所述表面(13)的方式延伸。
10.一种用于根据权利要求1至9之一所述的方法制造的焊缝的热处理的方法，其中在热处理之前为所述焊缝再定轮廓。
11.一种根据权利要求1至9中的一个所述的方法所制造的零件。
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