CN102773623A - 产生用于连结构件的填充条的填充金属化学性质的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及产生用于连结构件的填充条的填充金属化学性质的方法。具体而言，产生用于连结构件的填充金属成分的方法包括：确定初始的所期望的填充金属化学性质；将具有所期望的填充金属化学性质的第一部分的第一填充条(16，102，122，152，162)与具有所期望的填充金属化学性质的第二部分的第二填充条(18，104，124，154，164)毗连以形成测试填充条(14，100，120，150，160)；利用测试填充条在焊接接头处将由第一材料形成的第一构件连结到由第二材料形成的第二构件上，其中，测试填充条提供焊接接头的填充金属部分；以及对于所期望的机械、化学和焊接性特性测试焊接接头以产生所期望的填充金属成分。

Description

产生用于连结构件的填充条的填充金属化学性质的方法
技术领域
本文所公开的主题涉及金属连结技术，并且更具体地涉及产生用于连结构件的填充条(或焊条，filler rod)的填充金属化学性质的方法。
背景技术
诸如镍基超级合金之类的高强度抗氧化合金广泛用于涡轮机的构造中。超级合金具有用于涡轮机构件所期望的强度、重量、持久性和温度特性。然而，超级合金通常由于熔融开裂和应变时效开裂(SAC)的倾向而具有不良的熔合焊接性。SAC与γ’体积分数紧密相关，该体积分数为铝(Al)和钛(Ti)含量的函数。γ’分数且尤其是Al含量的增加会增大SAC的倾向。SAC通常出现在熔合边界(WMATFB)区域附近的焊接金属中和/或传播到焊接接头的热影响区(HAZ)中。WMATFB区域中的材料包括因稀释和在焊接期间所添加的填充金属而产生的基底金属。因此，WMATFB区域应当包括落入可焊接材料区域内以避免或至少降低朝SAC倾向的化学性质。
如果WMATFB区域的化学性质落入可焊材料区域内，则开裂倾向较低。例如，在钨极隋性气体(TIG)焊接过程中，典型的稀释比为大约30∶70，这意味着WMATFB区域的30％包括基底金属而WMATFB区域的70％包括填充金属。因此，用于焊接特定合金的填充金属必须在升高的温度下具有某些化学成分和机械特性。目前，填充金属基于化学成分、机械特性和焊接性来选择。然而，除具有所期望的化学特性之外，填充金属还必须在升高的温度下具有某些机械特性和氧化性能。选择特定的填充金属需要在具有用于特定应用的所期望的化学或机械特性的材料之间权衡。因此，许多工程技术人员致力于得到专门制造为用于特定超级合金的特殊填充金属。
确定所期望的、非标准的填充金属的化学性质是一种耗时且成本高昂的过程。一旦选定初始化学性质，则向制造工厂订购非标准的填充金属。非标准的填充金属不可能少量地订购。对于具有特殊化学性质的填充金属的订单通常需要保证100磅(45.35kg)或更多。一旦收到，则填充金属用于在焊接操作中形成接头且对该接头进行测试。如果填充金属不具有所期望的特性，则调整填充金属的化学性质，并重新订购填充金属。该过程持续，直到获得所期望的特性。尽管这种试错过程最终会获得所期望的填充金属化学性质，但与多次订购填充金属相关的成本过于高昂，如同与测试和储存成卷的填充金属相关的成本那样。
发明内容
根据示例性实施例的一个方面，一种产生用于连结构件的填充金属成分的方法包括：确定初始的所期望的填充金属化学性质；将具有所期望的填充金属化学性质的第一部分的第一填充条与具有所期望的填充金属化学性质的第二部分的第二填充条毗连以形成测试填充条；利用测试填充条将由第一材料形成的第一构件在焊接接头处连结到由第二材料形成的第二构件上，其中，测试填充条提供焊接接头的填充金属部分；以及对于所期望的机械、化学和焊接特性测试焊接接头以产生所期望的填充金属成分。
根据示例性实施例的另一方面，一种产生用于连结构件的所期望的填充金属成分的工艺方法包括：选择具有第一填充金属化学性质的第一填充条；选择具有第二填充金属化学性质的第二填充条；将第一填充条和第二填充条扭绞在一起而形成测试填充条，该测试填充条具有包括第一填充金属化学性质和第二填充金属化学性质的扭绞区域；将由第一材料形成的第一构件通过使用测试填充条的焊接过程而连结到由第二材料形成的第二构件上；以及测试在第一构件与第二构件之间形成的焊接接头。
通过结合附图的以下说明，这些及其它优点和特征将变得更为明显。
附图说明
在权利要求中具体指出且明确主张了认作是本发明的主题。根据结合附图的以下详细说明，将清楚本发明的前述和其它特征和优点，在附图中：
图1为示出产生用于连结构件的填充条的填充金属化学性质的方法的流程图；
图2示出了一种测试填充条，其包括与具有第二填充金属成分的第二填充条扭绞在一起的具有第一填充金属成分的第一填充条；
图3示出了在焊接接头处连结到由第二材料形成的第二构件上的由第一材料形成的第一构件，该焊接接头包括来自于测试填充条的填充金属；
图4示出了一种测试填充条，其包括与具有第二填充金属成分的第二填充条和具有第三填充金属成分的第三填充条扭绞在一起的具有第一填充金属成分的第一填充条；
图5示出了一种测试填充条，其包括与具有第二填充金属成分的第二填充条、具有第三填充金属成分的第三填充条和具有第四填充金属成分的第四填充条扭绞在一起的具有第一填充金属成分的第一填充条；
图6示出了一种测试填充条，其包括与具有第二直径的第二填充条扭绞在一起的具有第一直径的第一填充条，其中，第二直径不同于第一直径；以及
图7示出了一种测试填充条，其包括与具有第二直径的第二填充条和具有第三直径的第三填充条扭绞在一起的具有第一直径的第一填充条，其中，第二直径不同于第一直径，第三直径不同于第一直径和第二直径。
详细说明参照附图通过举例的方式阐述了本发明的实施例以及优点和特征。
标号列表
2                             实施例
8，10，24，26，28，30，32，34 方框
14，100，120，150，160        测试填充条
15                            步骤
16，102，122，152，162        第一填充条
18，104，124，154，164        第二填充条
20，110，130，156，170        扭绞区域
40                            第一构件
42                            第二构件
50                            焊接接头
55                            焊接金属
60                            熔合边界(FB)
65                            WMATFB区域
70                            热影响区(HAZ)
106，126，166                 第三填充条
128                           第四填充条
具体实施方式
使用焊接过程连结由各种材料形成的构件需要使用具有某些化学特性的填充金属。这些化学特性具体选择为用以减轻熔融开裂和应变时效开裂(SAC)。SAC与γ’体积分数紧密相关，该体积分数为铝(Al)和钛(Ti)含量的函数。γ’分数且尤其是Al含量的增加会导致SAC倾向增大。SAC通常出现在熔合边界(WMATFB)区域附近的焊接金属中和/或传播到焊接接头的热影响区(HAZ)中。WMATFB区域中的材料包括基底金属，这是由焊接过程的热量引起的超级合金的稀释和在焊接过程期间所添加的填充金属所造成的。通常，产生所期望的化学特性需要成本高昂的试错过程。以下示例性实施例描述了在不需要与购买、测试和储存大量批次的非标准填充条材料相关的较大资金成本的情况下用于产生所期望的填充金属化学性质的过程。
参看图1，大体上以2示出了根据示例性实施例的产生用于填充条的所期望的填充金属化学性质的方法。在方框8中，基于可用的表格、图表和所获经验来确定初始的、非标准的填充金属化学性质。非标准的填充金属化学性质选择为用以确保焊接接头的所期望的机械特性。这里，如方框10中所示，人员选择具有非标准填充金属化学性质的第一部分的第一填充条和具有非标准填充金属化学性质的第二部分的第二填充条。所选的填充条的数目可取决于可用的填充条和所期望的初始非标准填充金属化学性质而变化。一旦选定，则如步骤15中所示那样，将第一、第二和第n填充条毗连以形成如在图2中以14所示的测试条。
例如，在SAC图表中的数据表示：利用尼莫尼克(Nimonic)263填充金属进行TIG焊接修补R108铸造基底金属的WMATFB区域几乎刚好位于可焊接材料范围与不可焊接材料范围之间的阈值线上。阈值线具有斜率，该斜率根据Al和Ti含量的比例来限定。具有落入阈值线以下的铝含量的填充金属化学性质被认为是具有良好的焊接性且很少会出现开裂。如果填充金属化学性质具有落在阈值线以上的铝含量，则焊接性被认为是低劣的且很可能出现开裂。处于阈值线上表示在高应变水平下易于在WMATFB区域和HAZ处出现开裂。因此，使WMATFB区域移动至阈值线以下的填充金属化学性质是所期望的。公知的是R108在升高的温度下具有良好的机械特性和氧化性能特性。因此，填充金属化学性质选择为用以在可用的焊接性下紧密地匹配这些特性。然而，具有不但匹配R108的机械和氧化性能特性而且还将WMATFB区域保持在可焊接材料范围中的标准商业成品(COTS)填充条并不存在。
因此，测试填充条14包括具有所期望的非标准填充条化学性质的第一部分的第一填充条16，以及具有所期望的非标准填充条化学性质的第二部分的第二填充条18。第一填充条16和第二填充条18毗连并扭绞在一起以形成扭绞区域20，该扭绞区域20包括所期望的非标准填充金属化学性质。根据图2中所示的示例性实施例，第一填充条16由尼莫尼克C263形成，而第二填充条18由具有较低铝含量的材料如哈斯特镍合金(Hastelloy)W形成。结果，相比于只使用C263，测试填充条14包括将WMATFB区域移位至阈值线以下点的非标准填充金属化学性质。这种新的非标准填充金属化学性质减小了在WMATFB区域和HAZ中的开裂倾向。
一旦形成，则如方框24中指出和图3中所示那样，将测试填充条14用于焊接过程以将由第一超级合金形成的第一构件40连结至由第二超级合金形成的第二构件42上。第一构件40和第二构件42可由大致相似或完全不同的合金形成。根据所示的示例性方面，第一构件40和第二构件42由超级合金形成。一旦连结，则由焊接金属55所形成的焊接接头50，其包括来自于测试填充条14的填充金属，形成在第一构件40与第二构件42之间。此外，焊接过程导致形成熔合边界(FB)60、WMATFB区域65和热影响区(HAZ)70。一旦连结，则焊接接头50且更具体是焊接金属55会经历一个或多个测试以确定非标准的填充金属化学性质是否产生所期望的机械和氧化性能特性，如在方框26中指出那样。此外，焊接金属55会经历焊接性测试。如方框28指出那样，如果由第一填充条和第二填充条的连结引起的非标准填充金属化学性质未产生所期望的机械、氧化和焊接性性能特性，则如方框30中指出那样可订购具有非标准填充金属化学性质的大批量的填充条。当然，将应理解的是订购需要是可选的。
然而，如果在方框28中由第一填充条和第二填充条的连结引起的非标准填充金属化学性质未产生所期望的机械、氧化和焊接性性能特性，则如方框32中指出那样选择备选填充条并将其连结以如方框34中指出那样形成新的测试填充条。新的填充条用于在方框24中连结第一构件和第二构件，且在方框26中测试所形成的焊接接头。该过程将持续，直到产生所期望的机械、氧化和焊接性性能特性的非标准填充金属化学性质。
这里，应当理解的是，相结合以形成测试填充条的填充条的数目和种类是可变化的。例如，如图4中所示，测试填充条100由具有第一填充金属化学性质的第一填充条102、具有第二填充金属化学性质的第二填充条104，以及具有第三填充金属化学性质的第三填充条106形成。第一填充条102、第二填充条104和第三填充条106毗连并扭绞在一起以形成结合的扭绞区域110，其具有包括第一填充金属化学性质、第二填充金属化学性质和第三填充金属化学性质的填充金属化学性质。图5示出了测试填充条120，其由以下填充条形成：具有第一填充金属化学性质的第一填充条122、具有第二填充金属化学性质的第二填充条124、具有第三填充金属化学性质的第三填充条126，以及具有第四填充金属化学性质的第四填充条128。第一填充条122、第二填充条124、第三填充条126和第四填充条128毗连并扭绞在一起以形成结合的扭绞区域130，其具有包括第一、第二、第三和第四填充金属化学性质的填充金属化学性质。
还应当理解的是，填充条的尺寸或直径是可变的。例如，图6示出了一种测试填充条150，其由以下填充条形成：具有第一填充金属化学性质和第一直径的第一填充条152，以及具有第二填充金属化学性质和第二直径的第二填充条154。在所示的示例性方面中，第二直径小于第一直径。因此，第二填充条154围绕第一填充条152扭绞以形成包括第一填充金属化学性质和第二填充金属化学性质的结合扭绞区域156。通过改变填充条的直径，填充金属化学性质可微调以产生所期望的填充金属成分。类似的是，图7示出了一种测试填充条160，其由以下填充条形成：具有第一填充金属化学性质和第一直径的第一填充条162、具有第二填充金属化学性质和第二直径的第二填充条164，以及具有第三填充金属化学性质和第三直径的第三填充条166。在所示的示例性方面中，第二直径小于第一直径，且第三直径小于第二直径。因此，第二填充条164和第三填充条166围绕第一填充条162扭绞以形成包括第一填充金属化学性质、第二填充金属化学性质和第三填充金属化学性质的结合扭绞区域170。通过改变填充条的直径，填充金属化学性质可微调以产生所期望的填充金属成分。还应当理解的是，用于形成测试填充条的填充条可为COTS填充条和/或具有非标准填充金属化学性质的填充条。还应当理解的是，尽管按照连结由超级合金形成的材料进行了描述，但示例性实施例也可用来形成用于连结由宽泛种类的其它可焊接材料所形成的构件的填充条。
这里，应当理解的是，示例性实施例针对在不需要购买和测试具有非标准填充金属化学性质的填充条的在时间和金钱方面的成本的情况下产生用于连结构件的所期望的填充条化学性质。还应当理解的是，尽管按照连结不同的第一超级合金和第二超级合金进行了描述，但示例性实施例可用来研制用于连结由宽泛排列的材料所形成的构件的填充金属化学性质，包括连结由大致相似的材料所形成的构件。
尽管本发明仅结合有限数目的实施例进行了详细描述，但应当容易理解的是，本发明不限于这些公开的实施例。确切而言，本发明可经修改以结合任何数目的目前并未描述但与本发明的精神和范围相当的变型、改变、替换或等同布置。此外，尽管已经描述了本发明的各种实施例，但应当理解的是，本发明的方面可仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不应看作是由前述说明限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (10)

1.一种产生用于连结构件(40，42)的填充金属成分的方法，所述方法包括：
确定初始的所期望的填充金属化学性质；
将具有所期望的填充金属化学性质的第一部分的第一填充条(16，102，122，152，162)与具有所期望的填充金属化学性质的第二部分的第二填充条(18，104，124，154，164)毗连以形成测试填充条(14，100，120，150，160)；
利用所述测试填充条在焊接接头(50)处将由第一材料形成的第一构件(40)连结到由第二材料形成的第二构件(42)上，其中，所述测试填充条(14，100，120，150，160)提供所述焊接接头(50)的填充金属部分；以及
对于所期望的机械、化学和焊接性特性测试所述焊接接头(50)以产生所期望的填充金属成分。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，毗连所述第一填充条(16，102，122，152，162)和所述第二填充条(18，104，124，154，164)包括将所述第一填充条和所述第二填充条(16，102，122，152，162，18，104，124，154，164)扭绞在一起。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，毗连所述第一填充条(16，102，122，152，162)和所述第二填充条(18，104，124，154，164)包括毗连具有第一直径的第一填充条(16，102，122，152，162)和具有第二直径的第二填充条(18，104，124，154，164)，所述第一直径不同于所述第二直径。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将具有所期望的填充金属化学性质的第三部分的第三填充条(106，126，166)与所述第一填充条和所述第二填充条(16，102，122，152，162，18，104，124，154，164)毗连。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述第三填充条(106，126，166)与所述第一填充条和所述第二填充条(16，102，122，152，162，18，104，124，154，164)毗连包括将所述第一填充条、所述第二填充条和所述第三填充条(16，102，122，152，162，18，104，124，154，164，106，126，166)扭绞在一起。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将第四填充条(128)与所述第一填充条、所述第二填充条、所述第三填充条(16，102，122，152，162，18，104，124，154，164，106，126，166)毗连。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将所述第四填充条(128)与所述第一填充条、所述第二填充条和所述第三填充条(16，102，122，152，162，18，104，124，154，164，106，126，166)毗连包括将所述第一填充条、所述第二填充条、所述第三填充条和所述第四填充条(16，102，122，152，162，18，104，124，154，164，106，126，166，128)扭绞在一起。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述第一构件(40)连结到所述第二构件(42)上包括连结由第一超级合金形成的第一构件(40)和由第二超级合金形成的第二构件(42)，所述第一超级合金不同于所述第二超级合金。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，连结由第一材料和第二材料形成的第一构件(40)和第二构件(42)包括连结由大致相似的材料所形成的第一构件(40)和第二构件(42)。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：制造具有包括所期望的填充金属成分的填充金属的填充条(16，102，122，152，162)。
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