CN103402687A - 使用涂剂焊条的钨电极惰性气体保护焊 - Google Patents

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Abstract

一种使用钨电极惰性气体保护焊工艺施加焊缝的方法。填充元件被提供至焊接位置。填充元件(14)包括在焊缝形成期间使用的第一材料和能够在其熔化时产生熔渣的第二材料。焊弧(30)提供使邻近焊接位置(42)的填充元件以及第一和第二部件(16,18)的一部分熔化以形成焊池的热量。第二材料熔化并形成熔渣，熔渣流向焊池的外表面，并保护焊池免于暴露于大气中的活性元素。在焊池冷却时，焊池固化，以在第一部件和第二部件之间形成焊缝。

Description

使用涂剂焊条的钨电极惰性气体保护焊
技术领域
本发明涉及焊接，更具体地说，涉及使用涂剂焊条(flux coatedelectrode)来生产保护渣的钨电极惰性气体保护焊(gas tungsten arc welding)，保护渣保护焊池免受大气中的活性元素影响，并改进了润湿性。
背景技术
留隙根焊工艺可用于在燃气涡轮发动机排气部中的不锈钢或镍基合金部件之间施加焊缝。用于留隙根焊的工艺在一般称为根部和热焊道的第一焊道(weld passes)期间通常利用保护材料(即垫板或保护板或者例如氩的背衬气体或保护气体)来保护焊池的背侧和焊缝根部免受大气污染的影响。当对某些焊接位置施加焊缝时，由于系统设计的复杂性、接近限制及增加的工艺成本和进度，接近以保护焊池的背侧是不现实的。
对焊接位置(接近焊池的背侧受限或不能实现)施加焊缝的现有焊接工艺已成功执行：利用专用于药芯或药皮300系列不锈钢基焊补材料的钨电极惰性气体保护焊(GTAW)来焊接不锈钢部件，即300不锈钢部件。尽管已成功开发了在300系列不锈钢应用中制造完好根部焊道的方法，但是并没有总体上用于活性材料，特别是用于镍基合金的通用解决方案。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种方法，其使用钨电极惰性气体保护焊工艺在位于燃气涡轮发动机中的由超耐热合金形成的部件之间施加焊缝。第一部件被放置成紧邻第二部件，以在第一部件的第一部分和第二部件的第二部分之间限定出焊接位置。第一部件由第一超耐热合金形成，第二部件由第二超耐热合金形成。将填充元件提供至焊接位置，填充元件至少包括第一材料和第二材料。第一材料包括第三超耐热合金，并在焊缝形成期间用在第一部件的第一部分和第二部件的第二部分之间。第二材料能够在其熔化时产生熔渣。给紧邻焊接位置的非自耗钨电极提供电流，以产生焊弧，焊弧提供使邻近焊接位置的填充元件以及第一和第二部件的一部分熔化的热量。在填充元件熔化时，第一材料液化，并与第一和第二部件的熔化部分一起形成焊池，第二材料形成熔渣，熔渣流向焊池的外表面，并防止焊池的外表面暴露于大气中的活性元素。焊弧不会使非自耗钨电极熔化。在焊池冷却时，焊池固化以在第一部件的第一部分和第二部件的第二部分之间形成焊缝。
填充元件可至少包括铬和镍。
第一材料可包括钴、镍、钼和/或钨。
第一、第二和第三超耐热合金可包括相同的超耐热合金或可包括不同的超耐热合金。或者，第一和第二超耐热合金可包括相同的超耐热合金，第三超耐热合金可包括与第一和第二超耐热合金不同的超耐热合金。
焊池的外表面可至少对应于焊接位置的背侧，其中焊接位置的背侧暴露于大气中。
接近焊接位置的背侧以使用背衬材料来防止焊池氧化和氮化是不能实现的。
在焊池固化后，可至少从焊接位置的前侧除去熔渣。
可在给非自耗钨电极提供电流的同时对焊接位置施加保护气体，其中保护气体使焊弧稳定，并避免非自耗钨电极氧化。
被熔渣保护而免于暴露于焊池的大气中的活性元素可至少包括氧和氮。
非自耗钨电极的直径可以为约1/8英寸，非自耗钨电极的第一端可包括约20至约25度的角度。
非自耗钨电极可容纳在枪主体中，枪主体包括限定出与非自耗钨电极相关联的开口的出口喷嘴。枪主体的开口可具有约5/16英寸的内径。
非自耗钨电极的第一端从出口喷嘴的开口延伸出不超过约5mm。
枪主体可相对于所述部件定位，使得焊弧的长度介于约8mm和约10mm之间。
根据本发明的第二方面，提供了一种方法，其在不能或难以接近位于待连接起来的第一和第二部件之间的焊接位置的背侧、使得不能在焊接位置的背侧使用背衬材料的情况下生成焊缝。所述第一部件由第一超耐热合金形成，所述第二部件由第二超耐热合金形成。将第一填充元件设置于焊接位置。第一填充元件至少包括第一材料和第二材料。第一材料包括第三超耐热合金，并能够与第一和第二部件的熔化部分配合，以在第一部件的第一部分和第二部件的第二部分之间形成焊缝。第二材料能够在其熔化时产生熔渣。在钨电极惰性气体保护焊期间给紧邻所述焊接位置的非自耗钨电极提供电流，以产生焊弧，所述焊弧提供使第一和第二部件以及第一填充元件的各个部分熔化的热量。在第一填充元件熔化时，第一材料液化，并与第一和第二部件的熔化部分一起形成第一焊池，第二材料形成熔渣，所述熔渣流向第一焊池的外表面，并防止第一焊池的外表面暴露于大气中的活性元素。第一焊池的外表面至少对应于焊接位置的背侧。所述焊弧不会使非自耗钨电极熔化。在第一焊池冷却时，焊池固化以在第一部件的第一部分和第二部件的第二部分之间形成焊缝。
在第一填充元件熔化后，可将第二填充元件设置于焊接位置。第二填充元件包括至少第一材料，第一材料能够与焊缝以及第一和第二部件的一部分配合，以在第一部件的第一部分和第二部件的第二部分之间形成堆焊缝。给紧邻焊接位置的非自耗钨电极提供电流，以生成焊弧，所述焊弧提供使第一和第二部件、焊缝以及第二填充元件的各个部分熔化的热量。在第二填充元件熔化时，其第一材料液化，并与第一和第二部件的熔化部分以及焊缝的熔化部分一起形成第二焊池。在第二焊池冷却时，第二焊池固化，以在第一部件的第一部分和第二部件的第二部分之间形成堆焊缝。
附图说明
图1是示出根据本发明实施例的钨电极惰性气体保护焊工艺的透视图；
图1A是示出图1的焊接工艺使用的钨电极的第一端的放大透视图；
图2是图1所示钨电极惰性气体保护焊工艺使用的填充元件的横截面视图；
图3是焊接位置和用于使用图1所示钨电极惰性气体保护焊工艺在焊接位置形成的根部焊道的焊池的放大图；
图4是焊接位置和使用图1所示钨电极惰性气体保护焊工艺在焊接位置形成的焊缝的放大图；
图5是在从焊缝除去熔渣后，图4所示焊接位置和焊缝的放大图；
图6是示出根据本发明实施例执行钨电极惰性气体保护焊工艺的步骤的流程图；
图7是示出根据本发明的另一实施例执行钨电极惰性气体保护焊工艺的步骤的流程图；
图8-11示出根据图7所示流程图执行钨电极惰性气体保护焊工艺的步骤。
具体实施方式
在以下对优选实施例的详细说明中，参考了形成本发明一部分的附图，在附图中，以说明性而非局限性示出本发明，本发明在附图中实施为特定的优选实施例。应当理解的是，可利用其它实施例，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行改变。
参见图1，示出了根据本发明实施例的钨电极惰性气体保护焊(GTAW)系统10。图1中所示系统10与本发明的GTAW工艺结合使用，并包括焊枪12和填充元件14。图1还示出使用GTAW工艺连接在一起的第一和第二部件16、18。
图1所示焊枪12是手动操作枪12，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，机械操作枪可用于本文中所述的GTAW工艺。枪12与电源20相关联，电源可供应基本恒定的电流，使得枪12发出的热在GTAW工艺期间保持基本恒定，GTAW工艺在下面详细描述。应注意，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，电源20可供应脉冲电流。枪12还与保护气源22相关联，保护气源将保护气体输送到枪12，如下所讨论的。而且，枪12可与冷却系统(未示出)(例如基于空气或水的冷却系统)相关联，以在GTAW工艺期间给枪12提供冷却。
枪12包括延伸穿过枪12的主体112的非自耗钨电极24和位于枪主体112内的筒夹组件26或接触管。根据本发明的钨电极24可具有介于约3/32英寸和3/16英寸之间，优选约1/8英寸的直径D，并可包括位于其第一端24A的相对锐角θ，即，介于约20和约25度之间，见图1和1A。钨电极24的该构造被认为产生在X和Y方向上比使用在末端具有较小直径和较大角度的钨电极的典型现有技术GTAW工艺所生产的焊弧宽的焊弧30，见图1A。较宽的焊弧30被认为更完全地包围和包含填充元件14。当焊弧30因弧压而覆盖整个填充元件14时，从填充元件14发出的焊剂涂覆破裂产物(flux coating disintegration product)行进通过弧30并到达钨电极24的可能较小。将在本文中详细描述与焊弧30和来自填充元件14的焊剂涂覆破裂产物相关的其他细节。
筒夹组件26将钨电极24基本维持在枪主体112的中央。而且，钨电极的第一端24A可整体位于枪主体112的出口喷嘴12A内，可与限定在出口喷嘴12A的末端的开口31平齐，或者可从出口喷嘴12A的开口31延伸出约5mm。
出口喷嘴12A可与主体112的剩余上部112B间隔开，并可联接到筒夹组件26，如图1所示。在所示实施例中，螺纹接合用于提供出口喷嘴12A和筒夹组件26之间的联接，但是也可使用其它类型的联接。出口喷嘴12A可由陶瓷材料(例如氧化铝、火山岩等)、镀金属陶瓷、玻璃等形成。筒夹组件26经由枪主体112的导电构件33与电源20电连通(见图1)，以将电流从电源20传输到钨电极24，以形成焊弧30(见图1)。导电构件33可由任何导电材料形成，并在优选的实施例中包括铜。应注意，筒夹组件26包括夹持部件(未示出)，用于将钨电极24固定在筒夹组件26的主体部分26A内，如本领域技术人员所明白的。还应注意，在所示实施例中，钨电极24的与第一端24A相对的第二端24B接合枪12的端盖27，如图1所示。端盖27避免钨电极24移动远离出口喷嘴12A的开口31。
如上所述，根据本发明的钨电极24的第一端24A可整体位于出口喷嘴12A内，与出口喷嘴12A的开口31平齐，或者从出口喷嘴12A的开口31延伸出约5mm。还优选地，枪12相对于第一和第二部件16、18定位，使得焊弧30沿图1A中的Z方向的长度L介于约8mm和约10mm之间。与典型现有技术焊弧(其从枪主体112的端表面112A的长度为约2mm)相比，焊弧30的长度(例如从枪主体112的端表面112A的长度为约8-12mm)意在避免来自填充元件14的焊剂涂覆破裂产物污染并粘附到钨电极24。这样发生的原因是，钨电极24比在现有技术焊接工艺中从焊接位置42移动得更远(见图1、1A和3-5)，使得来自填充元件14(填充元件14设置成邻近焊接位置42)的任何焊剂涂覆破裂产物必须比在现有技术焊接工艺中行进更远的距离才能到达钨电极24。而且，由于钨电极第一端24A位于出口喷嘴12A内，或者从出口喷嘴12A中的开口31延伸出不超过约5mm的距离，所以大部分(如果不是全部的话)钨电极24被保护在出口喷嘴12A内，从而没有暴露于来自填充元件14的焊剂涂覆破裂产物(其可空降邻近焊接位置42)。
钨电极24可以是纯钨电极，或者更典型地，可以是包括一种或多种额外材料的钨合金，额外材料例如是二氧化铈、氧化镧、氧化钍和/或氧化锆。已发现这些额外材料可以改进焊弧稳定性，提高钨电极24的熔化温度和/或增加钨电极24的使用寿命。优选地，钨电极24，特别是钨电极24的第一端24A包括设置有约6-8均方根(RMS)的高度抛光或镜面光洁度的外表面，外表面上基本不能看见钨电极24中的任何接地线。这可增加钨电极24的寿命，因为这些特征可使得污染物更不太可能粘附到钨电极24的第一端24A，否则，污染物粘附到钨电极的第一端会导致腐蚀钨电极24。
筒夹组件26限定出中空内部28，钨电极24延伸穿过中空内部，如图1所示。由保护气源22供应到枪主体112的保护气体流过中空内部28，流出位于筒夹主体部分26A中的一个或多个孔29，流入出口喷嘴12A，并从出口喷嘴12A中的开口31流出。
根据本发明实施例的出口喷嘴12A的出口31(钨电极24的直径为约1/8英寸)处的直径从约3/16英寸至约3/8英寸，优选包括约5/16英寸。应明白，当与具有约1/8英寸直径的钨电极24一起使用时，该出口喷嘴开口直径小于现有技术出口喷嘴中的出口，现有技术出口喷嘴的出口通常具有介于7/16英寸和约10/16英寸之间的直径。而且，根据本发明该实施例的出口喷嘴12A不包括常规气体透镜。此外，根据本发明的该实施例的保护气源22可以以较高的体积流率(例如每分约10-12公升)将保护气体供应出出口喷嘴12A的开口31，以产生用于钨电极24的保护气幕。因为出口喷嘴12A的出口31比较小，且供应通过开口31的保护气体的体积流率高，所以保护气体以足够高的速度离开开口31，以吹走由填充元件14的第二材料52构成的任何焊剂涂覆破裂产物或迫使其离开，使得它们不会粘附到钨电极24。
来自保护气源22的保护气体可包括氩、氦或氩、氦的组合和/或其它元素，但是在优选实施例中主要包括氩。保护气体使焊弧30稳定，并防止钨电极24氧化，例如由于钨电极24暴露于大气A中的活性元素(例如氧和氮)，会发生氧化。应注意，保护气体还可防止焊池62的靠近焊接位置42前侧40的第一外表面60A(见图3)暴露于大气A中的活性元素，前侧40定位在第一和第二部件16、18汇合并经由焊接连接在一起的地方。将在本文中详细描述与保护焊接位置42相关的其他细节。
参见图2，所示实施例中的填充元件14包括第一材料50和第二材料52，但是应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，填充元件14可包括额外材料。在图2所示实施例中，第一材料50被第二材料52的层包围，但是可使用用于填充元件14的其它构造。在优选实施例中，第一和第二材料50、52中的至少一个包括至少含有铬和镍的材料。
第一材料50包括填充材料，其在焊缝54形成期间(见图4-5)用在焊接位置42处，如本文中详细讨论的。第一材料50可由超耐热合金形成，并可基于形成第一和第二部件16、18的材料而选择，如下进一步所讨论的。例如，如果第一和第二部件16、18由镍基超耐热合金形成，那么第一材料50可包括镍基超耐热合金。作为另一示例，如果第一和第二部件16、18由钴基超耐热合金形成，则第一材料50可包括钴基超耐热合金。第一材料50的额外示例性材料包括钴、铁、钼、钨、锰、铌、钽、硅、碳和/或铬。
第二材料52包括能够在其熔化时产生熔渣56(见图3和4)的材料。根据本发明实施例，第二材料52应当能够产生足够量的熔渣56，以流向焊池62的靠近焊接位置42背侧70的第二外表面60B(见图3)，并防止其暴露于大气A中的活性元素，例如氧和氮。将在本文中讨论与熔渣56和焊池62相关的其他细节。第二材料52的示例性材料包括碳酸钙、二氧化钛、硅酸钠和/或硅酸钾。
根据本发明实施例可使用的一种填充元件14是MULTIMET涂剂焊条，其包括第一材料50，第一材料包括至少含有铬、镍、钴、铁、钼、钨和锰的多种材料，该焊条可从位于Kokomo,Indiana的Haynes International,Inc.商业上获得(MULTIMET是位于Kokomo,Indiana的Haynes International,Inc.的注册商标)。其它适合类型的填充元件14包括AWS5.4涂剂焊条、AWS A5.11涂剂焊条，其中AWS5.4涂剂焊条可包括至少含有铁、铬、镍、钼、碳、锰和硅的第一材料50，AWS A5.11涂剂焊条可包括至少含有镍、铬、铁、碳、锰和硅的第一材料50。应注意，这些类型的涂剂焊条通常用在保护金属弧焊工艺中。
第一和第二部件16、18可包括例如用在燃气涡轮发动机的排气部(未示出)中的部件。部件16、18可由例如镍或钴基超耐热合金形成，或者由用在燃气涡轮发动机排气部中的其它类型材料形成，镍或钴基超耐热合金是例如HASTELLOY X或HAYNES120(HASTELLOY和HAYNES是Kokomo,Indiana的Haynes International Inc.的注册商标)。第一和第二部件16、18可由相同的超耐热合金形成，例如HASTELLOY X，或者第一和第二部件16、18可由不同超耐热合金形成，例如第一部件16可由HASTELLOY X形成，第二部件18可由HAYNES120形成。
如上所述，填充元件14的第一材料50可由超耐热合金形成。优选地，第一材料50包括与形成第一和/或第二部件16、18的超耐热合金相同的超耐热合金，或者可以是与形成第一和/或第二部分16、18的超耐热合金不同的超耐热合金。例如，第一和第二部件16、18以及第一材料50可均由HAYNES120、HASTELLOY X形成，或者由不同的超耐热合金形成。作为另一示例，第一部件16可由HASTELLOY X形成，第二部件18可由HAYNES120形成，第一材料50可由MULTIMET形成。
应注意，与由例如不锈钢的其它材料形成这些部件相比，超耐热合金因改进的材料属性(例如耐热性、耐腐蚀性等)而选择作为第一和第二部件16、18以及填充元件14的第一材料50的材料。
现在参见图6，示出使用钨电极惰性气体保护焊工艺在部件间生成焊缝的方法100。本文中所述结构对应于上面参见图1-5所述的结构。
在步骤102，将第一部件16放置成紧邻第二部件18，以在第一部件16的第一部分16A和第二部件18和第二部分18A之间限定出焊接位置42，见图1和3。
在步骤104，将填充元件14设置于焊接位置42，见图1。所示实施例中的填充元件14包括第一材料50和第二材料52，见图2。第一材料50在焊缝54形成期间用在第一部件16的第一部分16A和第二部件18的第二部分18A之间，见图4和5。第二材料52能够在其熔化时产生熔渣，见图3和4。
在步骤106，给定位在靠近焊接位置42的非自耗钨电极24提供电流，以产生焊弧30，见图1。焊弧30提供使邻近焊接位置42的填充元件14以及第一和第二部件16、18的一部分熔化的热量。经由电源20、导电构件33和筒夹组件26给钨电极24提供电流，见图1。
应注意，钨电极24可包括约6200℉的熔化温度，因此不会因焊弧30传输到钨电极24的热量而熔化，该热量可将钨电极24加热至约5400℉。结果，钨电极24在GTAW工艺期间不会消耗，但是会发生一些腐蚀(通常称为“烧损”)。还应注意，由焊弧30提供的热量的大部分(例如约70%)被传输到焊接位置42，以熔化第一和第二部件16、18的一部分及填充元件14，由焊弧30提供的热量的较少部分(例如约30%)被传输到钨电极24。焊弧30可将焊接位置42加热至高达至少约11000℉的温度。
在步骤108，在填充元件14熔化时，第一材料50液化，并与第一和第二部件16、18的熔化部分一起形成焊池62，见图3。
另外在填充元件14熔化时，在步骤110，第二材料52形成熔渣56，见图3。熔渣56流向焊池62的第一和第二外表面60A、60B，并保护焊池62的第一和第二外表面60A、60B免于暴露于大气中的活性元素，例如氧和氮。应明白，熔渣56流向焊池62的第一和第二外表面60A、60B，这是因为熔渣56不如形成焊池62的材料稠密。焊池62的第二外表面60B对应于焊接位置42的至少背侧70，见图1和3-5。
在该实施例中，接近焊接位置42的背侧70以供应背衬材料(未示出)，例如背衬气体或保护气体或者垫板或保护板，以便保护焊池62的第二外表面60B免受氧化和氮化的影响是不能实现的，见图3。这是因为第一和第二部件16、18位于接近焊接位置42的背侧70是不可能的或困难和/或耗时的区域中。
在步骤106给钨电极24提供电流的同时，在步骤113对焊接位置42施加保护气体，见图1。保护气体使焊弧30稳定，并防止钨电极24氧化。保护气体还防止焊池62的邻近焊接位置42前侧40的第一外表面60A暴露于大气A中的活性元素。熔渣56提供防止焊池62的邻近焊接位置42前侧40的第一外表面60A暴露于大气A中的活性元素的额外保护，如上所述，熔渣56流向焊池62的第一和第二外表面60A、60B。保护气体由保护气源22提供，穿过枪主体112的内部，经由筒夹组件26的中空内部28和筒夹主体部分26A中的孔29流出枪主体112的出口喷嘴12A中的开口31，见图1。应注意，可在给钨电极24提供电流前，给焊接位置42提供在步骤113施加的保护气体。
在焊池62冷却时，在步骤114，焊池62固化以在第一部件16的第一部分16A和第二部件18的第二部分18A之间形成焊缝54，见图4。
在焊池62在步骤114固化时，在步骤116，从焊缝54的靠近焊接位置42前侧40的部分除去熔渣56，见图5。如果接近焊接位置42的背侧70不能实现，则熔渣56可留在焊缝54的靠近焊接位置42背侧70的部分上。
应注意，可需要通过多个焊接工艺来执行多个焊道以生产如图4和5所示的焊缝54。即，焊缝54(见图4)的厚度T不是通过单遍GTAW工艺而产生的。然而，每个焊道不必利用包括本文所述第一和第二材料50、52两者的填充元件14。确切地说，仅使用包括本文所述第一和第二材料50、52两者的填充元件14来执行通常称为“根部焊道”的第一焊道。这是因为在执行完第一焊道后，在焊缝54的第一焊道期间产生的部分保护随后焊道的较低表面或内表面免受大气A的影响。
现在参见图7和图8-11，示出使用GTAW工艺产生焊缝的示例性方法150。根据该示例，接近位于待连接起来的相邻部件216、218之间的焊接位置242的背侧270是不能实现的或困难的，使得在焊接位置242的背侧270处使用背衬材料，即，使用背衬气体或保护气体或者垫板或保护板是不能实现的。
在步骤152，将第一填充元件214设置于焊接位置242，见图8。根据该实施例的第一填充元件214至少包括第一材料250和第二材料252。第一材料250能够与第一和第二部件216、218的一部分配合，以在第一部件216的第一部分216A和第二部件218的第二部分218A之间形成第一焊缝254，见图9。第二材料252能够在其熔化时产生熔渣256，见图8和9。第二材料252应当能够产生足够量的熔渣256，以防止焊池262的第二外表面260B暴露于大气A中的活性元素，例如氧和氮，焊池262的第二外表面260B靠近焊接位置242的背侧270，见图8。
在步骤154，在GTAW工艺期间给紧邻焊接位置242的非自耗钨电极(图8-11未示出)提供电流，以产生焊弧(图8-11未示出)。焊弧提供使第一和第二部件216、218以及第一填充元件214的各个部分熔化的热量。
在第一填充元件214熔化时，在步骤156，第一材料250液化，并与第一和第二部件216、218的熔化部分一起形成第一焊池262，见图8。
在第一填充元件214进一步熔化时，在步骤158，第二材料252形成熔渣256，见图8。熔渣256流向第一焊池262的第一和第二外表面260A和260B，并防止第一焊池262的第一和第二外表面260A和260B暴露于大气A中的活性元素。
在步骤154给钨电极提供电流的同时，在步骤160对焊接位置242施加保护气体。保护气体使焊弧稳定，并防止钨电极氧化。保护气体还可防止第一焊池262的靠近焊接位置242前侧240的第一外表面260A暴露于大气A中的活性元素。熔渣256提供防止第一焊池262的邻近焊接位置242前侧240的第一外表面260A暴露于大气A中的活性元素的额外保护，如上所述，熔渣256流向第一焊池262的第一和第二外表面260A、260B。
在第一焊池262冷却时，在步骤162，第一焊池262固化以在第一部件216的第一部分216A和第二部件218的第二部分218A之间形成焊缝254，见图9。
在第一焊池在步骤162固化后，在步骤164从焊缝254除去熔渣256。应注意，在步骤164，在执行方法150的接下来的步骤之前，仅必须除去位于焊接位置242前侧240附近的熔渣256。如果可以接近，可在执行完下面所述方法150的剩余步骤后除去靠近焊接位置242的背侧270的熔渣256。
在步骤164从焊缝254除去熔渣256后，在步骤166将第二填充元件314设置于焊接位置，见图10。第二填充元件314至少包括第一材料350。第一材料350能够与第一和第二部件216、218的一部分以及焊缝254配合，以在第一部件216的第一部分216A和第二部件218的第二部分218A之间形成堆焊缝354，见图11。应注意，第二填充元件314不包括在其熔化时形成熔渣的材料。
在步骤168，给紧邻焊接位置242的非自耗钨电极提供电流，以产生焊弧(图8-11未示出)，焊弧提供使第一和第二部件216、218以及第二填充元件314的各个部分熔化并还使焊缝254的一部分熔化的热量。
在第二填充元件314熔化时，在步骤170，第一材料350液化并与第一和第二部件216、218的熔化部分及焊缝254的熔化部分一起形成第二焊池362，见图10。
在步骤168给钨电极提供电流的同时，在步骤172对焊接位置242施加保护气体。保护气体使焊弧稳定，并防止钨电极氧化。保护气体还可防止第二焊池362的靠近焊接位置242前侧240的外表面360暴露于大气A中的活性元素。应注意，可在给钨电极提供电流之前，对焊接位置242提供在步骤172施加的保护气体。
在第二焊池362冷却时，在步骤174，第二焊池362固化，以在第一部件216的第一部分216A和第二部件218的第二部分218A之间形成堆焊缝354，见图11。
为了获得具有期望厚度的堆焊缝354，可执行若干次步骤166-174。应理解，可执行任何适合类型的焊接工艺用于随后的焊道(即，在GTAW工艺用于根部焊道以产生焊缝254后)，以生产第二焊池362和由本文所述的第二焊池362导致的堆焊缝354，任何适合类型的焊接工艺例如是GTAW工艺、保护金属弧焊工艺、等离子弧焊工艺等。
本文所述方法100和150可用于使用GTAW工艺在接近焊接位置42、242的背侧70、270不能实现(即，不现实或困难)的情况下给焊接位置42、242施加焊缝54、254、354。由于接近焊接位置42、242的背侧70、270不能实现，所以通常不使用背衬材料(即，背衬气体或保护气体或者垫板或保护板)来保护用于产生焊缝54、254的焊池62、262的第二外表面60B、260B免于暴露于大气A，大气A包含可另外对焊缝54、254产生不利影响的活性元素。然而，填充元件14、214的第二材料52、252提供足够量的熔渣56、256，以防止焊池62、262的第二外表面60B、260B暴露于大气A中的活性元素。熔渣56、256还可防止焊接位置42、242的第一外表面60A、260A暴露于大气A。保护气体提供防止焊接位置42、242的第一外表面60A、260A暴露于大气A的额外保护，如上所讨论的。
与施加焊缝的现有技术方法相比，通过保护焊池62、262免受大气A中的活性元素的影响，认为本文所述方法100、150生产了改进的焊缝54、254、354。
而且，已发现用于生产焊缝54、254的填充元件14、214的第二材料52、252提供焊池62、262改进的润湿性，这减少了所得焊缝54、254出现焊缝缺陷(例如未焊透)的可能性。
本文所述方法100、150可以在新结构形成期间实施，还可在修复情况下使用，例如对形成在相邻部件间的裂缝施加焊缝。这是有益的，因为在许多修复情况下，焊接位置的不完善准备、不一致的间隙设置和方向的频繁改变是普遍的。本文所述方法100、150能够适应这些情形，同时仍产生焊缝缺陷量减少的可靠焊缝54、254、354，如上所讨论的。
应注意，本文所述焊接工艺可固有地产生用于钨电极24的额外污染源，即，通过熔化填充元件14、214的第二材料52、252而放出的破裂产物。如上所述，来自保护气源22的保护气体的较高体积流率用于通过从钨电极24吹走焊剂涂覆破裂产物或迫使其离开而使钨电极24的污染最小或避免污染钨电极24，焊剂涂覆破裂产物从填充元件14、214发出。而且，焊弧30在X和Y方向上的宽度较大，以包围邻近焊接位置42的整个填充元件14，焊弧30在Z方向上的长度使枪12及其钨电极24移动远离焊接位置42，以进一步使钨电极24的污染最小或避免污染钨电极24，如上所述。此外，由于钨电极24仅从出口喷嘴12A的开口31延伸出约5mm，所以大部分(如果不是全部的话)钨电极24被保护在出口喷嘴12A内，从而进一步使钨电极24的污染最小或避免污染钨电极24，如上所述。
还应注意，来自保护气源22的保护气体的增加的体积流率可导致保护气体偏离第一和第二部件16、18及216、218，其中，保护气体可产生文氏管和吸式空气(venturi and pull air)进入保护气流中。保护气流中的空气可导致氧气和/或氮气被引导至焊池62、262。然而，由填充元件14、214的熔化的第二材料52、252产生的熔渣56、256防止可接触焊池62、262的任何氧气和/或氮气污染焊池62、262。
虽然说明和描述了本发明的特定实施例，但是本领域技术人员应明白，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它改变和修改。因此，在所附权利要求中意在涵盖处于本发明范围内的所有这样的改变和修改。

Claims (20)

1.一种使用钨电极惰性气体保护焊工艺在位于燃气涡轮发动机中的由超耐热合金形成的部件之间施加焊缝的方法，包括：
将由第一超耐热合金形成的第一部件放置成紧邻由第二超耐热合金形成的第二部件，以在所述第一部件的第一部分和所述第二部件的第二部分之间限定出焊接位置；
将填充元件设置于所述焊接位置，所述填充元件至少包括第一材料和第二材料，所述第一材料在焊缝形成期间用在所述第一部件的第一部分和所述第二部件的第二部分之间，所述第一材料包括第三超耐热合金，所述第二材料能够在其熔化时产生熔渣；
给紧邻所述焊接位置的非自耗钨电极提供电流，以生成焊弧，所述焊弧提供使邻近所述焊接位置的填充元件以及第一和第二部件的一部分熔化的热量；
其中，在所述填充元件熔化时：
所述第一材料液化，并与所述第一和第二部件的熔化部分一起形成焊池；以及
所述第二材料形成熔渣，所述熔渣流向所述焊池的外表面，并防止所述焊池的外表面暴露于大气中的活性元素；
其中，所述焊弧不会使所述非自耗钨电极熔化；以及
其中，在所述焊池冷却时，所述焊池固化，以在所述第一部件的第一部分和所述第二部件的第二部分之间形成焊缝。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述填充元件至少包括铬和镍。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一材料包括钴、镍、钼和钨中的至少一种。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一、第二和第三超耐热合金包括相同的超耐热合金。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一、第二和第三超耐热合金包括不同的超耐热合金。
6.如权利要求1所述的方法，其中，第一和第二超耐热合金包括相同的超耐热合金，所述第三超耐热合金包括与所述第一和第二超耐热合金不同的超耐热合金。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述焊池的外表面至少对应于所述焊接位置的背侧，其中所述焊接位置的背侧暴露于大气中。
8.如权利要求7所述的方法，其中，接近所述焊接位置的背侧以使用背衬材料来防止所述焊池氧化和氮化是不能实现的。
9.如权利要求1所述的方法，还包括在所述焊池固化后，至少从所述焊接位置的前侧除去所述熔渣。
10.如权利要求1所述的方法，还包括在给所述非自耗钨电极提供电流的同时对所述焊接位置施加保护气体，其中，所述保护气体使所述焊弧稳定，并防止所述非自耗钨电极氧化。
11.如权利要求1所述的方法，其中，被所述熔渣保护而免于暴露于所述焊池的大气中的活性元素至少包括氧和氮。
12.如权利要求1所述的方法，其中，所述非自耗钨电极的直径为约1/8英寸，所述非自耗钨电极的第一端包括约20至约25度的角度。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述非自耗钨电极容纳在枪主体中，所述枪主体包括限定出与所述非自耗钨电极相关联的开口的出口喷嘴，所述出口喷嘴的开口具有约5/16英寸的内径。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述非自耗钨电极的第一端从所述出口喷嘴的开口延伸出不超过约5mm。
15.如权利要求13所述的方法，其中，所述枪主体相对于所述部件定位，使得所述焊弧的长度介于约8mm和约10mm之间。
16.一种在不能或难以接近位于待连接起来的第一和第二部件之间的焊接位置的背侧、使得不能在所述焊接位置的背侧使用背衬材料的情况下生成焊缝的方法，其中，所述第一部件由第一超耐热合金形成，所述第二部件由第二超耐热合金形成，所述方法包括：
将第一填充元件提供至所述焊接位置，所述第一填充元件至少包括第一材料和第二材料，所述第一材料能够与第一和第二部件的一部分配合，以在所述第一部件的第一部分和所述第二部件的第二部分之间形成第一焊缝，所述第一材料包括第三耐热合金，所述第二材料能够在其熔化时产生熔渣；
在钨电极惰性气体保护焊期间给紧邻所述焊接位置的非自耗钨电极提供电流，以产生焊弧，所述焊弧提供使所述第一和第二部件以及所述第一填充元件的各个部分熔化的热量；
其中，在所述第一填充元件熔化时：
所述第一材料液化，并与所述第一和第二部件的熔化部分一起形成第一焊池；以及
所述第二材料形成熔渣，所述熔渣流向所述第一焊池的外表面，并防止所述第一焊池的外表面暴露于大气中的活性元素，所述第一焊池的外表面至少对应于所述焊接位置的背侧；
其中，所述焊弧不会使所述非自耗钨电极熔化；以及
其中，在所述第一焊池冷却时，所述焊池固化以在所述第一部件的第一部分和所述第二部件的第二部分之间形成焊缝。
17.如权利要求16所述的方法，其中存在以下任一情况：
所述第一、第二和第三超耐热合金包括相同的超耐热合金；
所述第一、第二和第三超耐热合金包括不同的超耐热合金；以及
所述第一和第二超耐热合金包括相同的超耐热合金，所述第三超耐热合金包括与所述第一和第二超耐热合金不同的超耐热合金。
18.如权利要求16所述的方法，还包括在所述焊池固化之后，至少从所述焊接位置的前侧除去熔渣。
19.如权利要求16所述的方法，还包括在给所述非自耗电极提供电流的同时对所述焊接位置施加保护气体，其中，所述保护气体使所述焊弧稳定，并避免所述非自耗钨电极氧化。
20.如权利要求16所述的方法，在所述焊缝固化之后还包括：
将第二填充元件提供至所述焊接位置，所述第二填充元件至少包括第一材料，所述第一材料能够与所述第一和第二部件的一部分以及所述焊缝配合，以在所述第一部件的第一部分和所述第二部件的第二部分之间形成堆焊缝；
给紧邻所述焊接位置的非自耗钨电极提供电流，以产生焊弧，所述焊弧提供使所述第一和第二部件、所述焊缝以及所述第二填充元件的各个部分熔化的热量；
其中，在所述第二填充元件熔化时，所述第二填充元件的所述第一材料液化，并与所述第一和第二部件的熔化部分以及所述焊缝的熔化部分一起形成第二焊池；以及
其中，在所述第二焊池冷却时，所述第二焊池固化，以在所述第一部件的第一部分和所述第二部件的第二部分之间形成堆焊缝。
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