CN104619450A - 超耐热合金部件的螺柱焊接修复 - Google Patents

Abstract

通过沿接触匹配形成在一个部件基底中的凹槽与形成在另一部件中的对应突起并利用螺柱焊接设备将它们焊接在一起来连接或修复超耐热合金部件。匹配的超耐热合金修复螺柱形成有螺柱突起，其轮廓沿对应的接触表面符合基底凹槽轮廓。螺柱和基底两者联接到螺柱焊接设备，螺柱突起和基底凹槽以相对间隔开的关系取向，其间有一间隙。螺柱焊接设备使电流流过螺柱突起和凹槽之间，并在其间形成电弧，以熔化它们各自的相对表面。利用螺柱焊接设备将熔化的螺柱突起和基底凹槽相对表面按压成彼此接触，在其间形成焊缝。

Description

超耐热合金部件的螺柱焊接修复

技术领域

本发明涉及在制造或修复期间连接先进的超耐热合金部件。在一些实施例中，本发明涉及使用固定到要修复基底的螺柱(stud)，通过电弧加热螺柱和基底以熔化它们的表面然后在压力下将螺柱驱动进基底中，以不会明显降低所连接部件的机械结构或材料属性的方式来表面修复蒸汽或燃气轮机中的超耐热合金涡轮叶片和轮叶。

背景技术

燃气轮机或其它超耐热合金部件的“结构”修复一般被认为是用匹配的合金材料更换受损材料，并获得与原始制造部件规格(例如，原始规格的至少70％极限抗张强度)相近的属性(比如强度)。例如，优选地对经受表面裂纹的涡轮叶片执行结构修复，使得减少进一步破裂的风险，并且使叶片恢复原始材料结构和尺寸规格。

由于成品叶片材料的冶金属性，对用于制造涡轮部件(比如铸造涡轮部件)的镍和钴基超耐热合金材料的结构修复或重新制作是有挑战性的。例如，具有多于6％聚合铝或钛含量的超耐热合金(比如CM247合金)在受到高温焊接时比低铝-钛含量的X-750合金更易受到应变时效裂纹的影响。成品涡轮叶片合金通常在铸造后热处理期间加强，这使它们难以执行随后的结构焊接。当前使用的用于超耐热合金结构制作或修复的焊接工艺通常涉及在焊接准备之后基本上熔化基底以及完全熔化焊接杆或添加的其它填充材料。当用具有相同或类似合金的填充金属焊接由这种材料构成的叶片时，叶片在随后热处理工艺期间易受到焊缝内或附近的凝固(又名熔析)裂纹和/或应变时效(又名再热)裂纹的影响，随后热处理工艺意在使超耐热合金恢复原始强度和与新部件相当的其它材料属性。

在热阻连接设备中通过使电流在压缩电极之间通入一对抵接的超耐热合金部件中来执行超耐热合金的传统“点”电阻焊接的过去尝试也会导致焊接区域内的凝固裂纹。替代的超耐热合金焊接工艺(包括利用冷淬夹具的激光微熔覆、在所谓“热”箱中在高温下焊接和惯性摩擦焊接)仍可导致焊接后热处理应变时效裂纹。其它摩擦焊接工艺(比如搅拌摩擦焊接)可降低超耐热合金裂纹倾向，但是所使用的焊接设备具有比较有限的寿命。当由超耐热合金材料构成的分离部件通过焊接工艺连接起来时，相同的裂纹问题发生在超耐热合金部件制作期间。

鉴于超耐热合金结构修复焊接的缺点，商业上可接受的方案通常仅仅是抛弃需要结构修复的受损涡轮叶片，因为过去的经验已表明，这种结构修复成功有限。因此，修复仅限于那些在过去被证明通过上述替代的超耐合金焊接工艺或通过盖面焊(使用结构强度降低的更有延伸性的焊接填充材料)可成功执行的修复。

因此，本领域中需要一种在比如涡轮叶片和轮叶的超耐热合金部件的表面上执行结构连接或修复的方法，使得可以连接亚部件，或者可以修复那些结构裂纹或其它表面缺陷。

本领域中还需要增加对比如涡轮叶片和轮叶的超耐热合金部件的表面进行结构修复的成功率，使得可以降低受损叶片废弃率。

本领域中又需要一种利用已被证明的可重复修复技术和机器在比如涡轮叶片和轮叶的超耐热合金部件的表面上执行结构连接或修复的方法，可重复修复技术和机器不需要复杂的焊接或修复后热处理过程。

发明内容

相应地，本发明之目的是对比如涡轮叶片和轮叶的超耐热合金部件的表面执行结构连接或修复，使得可以连接部件，或者可以修复结构裂纹和其它表面缺陷。

本发明的另一目的是增加成功执行对比如涡轮叶片和轮叶的超耐热合金部件的结构修复的可能性，使得可以降低受损部件废弃率。

本发明的又一目的是利用已被证明的可重复修复技术和机器执行对比如涡轮叶片和轮叶的超耐热合金部件的结构制造或修复，可重复修复技术和机器不需要复杂的焊接或修复后热处理过程。

这些和其它目的根据本发明实施例通过结构连接超耐热部件或者修复比如涡轮叶片或轮叶的超耐热材料部件中的缺陷来实现。超耐热合金部件通过沿接触表面匹配形成在一个部件基底中的凹槽与形成在另一部件中的对应突起并利用螺柱焊接设备将它们焊接在一起来连接或修复。匹配的超耐热合金修复螺柱形成有螺柱突起，其轮廓沿对应的接触表面符合基底凹槽轮廓。螺柱和基底两者联接到螺柱焊接设备，螺柱突起和基底凹槽以相对间隔开的关系取向，其间有一间隙。螺柱焊接设备使电流通过螺柱突起和凹槽之前，并在其间形成电弧，以熔化它们彼此的相对表面。熔化的螺柱突起和基底凹槽的相对表面通过螺柱焊接设备彼此按压接触，其间形成焊缝。

在修复实施例中，通过电火花加工或其它已知的金属加工工艺从部件基底移除表面缺陷，形成挖出凹槽。优选地以具有类似机械结构属性的相同材料形成修复螺柱，修复螺柱具有轮廓符合对应凹槽轮廓的匹配突起。修复螺柱插入并占据在螺柱焊接设备夹具内，并取向成螺柱匹配突起和轮廓处于彼此相对间隔开的关系，其间有一间隙。螺柱焊接设备使电流通过螺柱突起和凹槽之间，并在其间形成电弧，以熔化它们的相对表面。相对表面在压力下被驱动在一起，在螺柱突起和基底凹槽之间形成共同焊缝。

本发明的目的和特征可以由本领域技术人员以任何组合或子组合的形式联合地或单独地施加。

附图说明

通过结合附图考虑下列详细描述，可易于理解本发明的教导，附图中：

图1是在移除根据本发明实施例修复的超耐热合金部件的表面缺陷之后留下的挖穴的示意性正视图；

图2是用于根据本发明实施例修复超耐热合金部件的表面缺陷的超耐热合金修复螺柱的示意性正视图；

图3是根据本发明实施例通过螺柱焊接设备电弧加热修复螺柱和部件基底而修复的超耐热合金部件的表面挖穴的示意性正视图；

图4是在利用螺柱焊接设备将修复螺柱驱动进凹槽中，从而在螺柱和凹槽之间形成薄焊缝之后，与图3类似的示意性正视图；以及

图5是根据本发明实施例修复的超耐热合金的示意性正视图。

为了便于理解，如果可能的话，使用相同的参考标号来表示附图中共有的相同元件。

具体实施方式

在考虑下列描述之后，本领域技术人员清楚地认识到，本发明的教导可易于用于超耐热合金部件的机械结构连接/修复。在一些实施例中，本发明的教导可易于通过使用螺柱焊接修复螺柱以不会明显降低所连接或修复叶片的机械结构或材料属性的方式对蒸汽或燃气轮机中使用类型的超耐热合金材料涡轮叶片和轮叶进行结构修复。在本修复方法中，损害被移除，形成挖出凹槽。将修复螺柱插入并占据在已知的螺柱焊接设备中，并与凹槽以相对间隔开的关系取向修复螺柱。然后，螺柱焊接设备使电弧电流通过间隔开的螺柱和基底凹槽之间直到它们各自的相对表面熔化为止。之后，用螺柱焊接设备在压力下将螺柱驱动进凹槽内，使得相应熔化表面形成焊缝。修复的部件的总体机械结构属性与未受损部件类似。本发明的修复方法不要求复杂的焊接或热处理过程，并使用已知的螺柱焊接设备器材和固定工艺。除了执行修复，本发明的连接方法可用于通过连接亚部件来制作超耐热合金结构。

图1示出具有表面应力裂纹的示例性超耐热合金部件10，表面应力裂纹由电火花加工(EDM)或其它已知金属移除工艺挖出，在未破裂的基底中留下凹槽12。如果应力裂纹不被结构修复(即，不仅仅是利用比较软的低应用温度熔焊或钎焊合金进行的肤浅修复)，肤浅修复的裂纹有可能再次破裂和/或继续在部件基底内扩散。凹槽12轮廓由未破裂的基底10的剩余边缘限定。尽管图1示出锥形截面轮廓凹槽12，但是可以使用其它截面轮廓构造，比如通过切割工具头或EDM形成的V形或弓形轮廓。凹槽直径可在用于执行修复的螺柱焊接设备的容许范围内变化。用于凹槽12的合适的俯视轮廓包括圆形对称、方形和三角形轮廓。当制造新的复合超耐热合金结构时，两个超耐热合金亚部件制造有匹配的凹槽和突起轮廓(一个放置在螺柱焊接设备内)，并在电弧熔化匹配的相对表面之后在结构上连接起来，然后螺柱焊接设备在压力下将部件驱动在一起。还可使用螺柱焊接设备通过在没有任何匹配的突起和凹槽的情况下使两个部件彼此间隔开、在间隙上电弧加热然后在压力下将部件驱动在一起来制造不具有匹配的凹槽和突起部分的复合结构。

在已知的修复或制造方法中，凹槽12通过较软的填充材料(肤浅修复)或通过具有类似硬度的填充材料填充。如先前所讨论的，施加超耐热合金填料的其它焊接技术一般在焊接期间或在随后的焊接后热处理期间在超耐热合金部件中诱导出非期望的裂纹。

本发明与现有已知的更换裂纹中或形成凹槽的超耐热合金材料的不同之处在于使用修复螺柱20，其优选地由具有与修复的部件类似的材料属性的相同超耐热合金材料构成，如图2所示。修复螺柱20具有突起部分22，突起部分的轮廓符合并匹配凹槽轮廓12。如上所讨论的，具有匹配突起和凹槽部分的新的亚部件可通过相同的方法连接起来以制成新的部件。

参见图3，将修复螺柱20插入已知的常规螺柱焊接设备30螺柱焊接夹具32中，并由陶瓷绝缘套筒34围绕，陶瓷绝缘套筒用于将空气排除出焊接区域、集中热量和容纳熔化金属。(这种套筒在焊接之后脱离并抛弃)。已知的螺柱焊接设备30利用DC电源或电容性放电产生焊接电流，并在基底10和螺柱22之间的间隙上产生电弧来熔化它们各自的相对表面，然后，将两个部分驱动在一起，使得相应的熔化表面形成焊缝。

当利用螺柱焊接设备30执行修复过程时，修复螺柱20邻近被修复部件基底10取向，匹配的突起部分22与凹槽12相互间隔开，其间具有间隙。之后，螺柱焊接设备30使电流跨过螺柱突起22和凹槽12之间的间隙通过修复螺柱20和部件基底10之间，形成高温电弧A，其在间隙的两侧熔化它们的相对表面。

如图4所示，当螺柱突起22和凹槽12的相对的匹配表面熔化时，螺柱焊接设备30在一压力(压力沿接触表面集中)下将它们快速地驱动并压缩在一起，形成薄焊缝40，并将过量的熔化焊料挤压到周向嵌条42中。

在执行本发明的连接工艺时，利用螺柱焊接设备30选择性地施加足够的电流，以沿螺柱突起部分和凹槽相对的各自接触表面局部熔化螺柱突起部分22和凹槽12，但是不施加会明显改变与接触表面相距明显距离处的部件基底10或螺柱20的材料属性的过度热量。相应地，当独对相应表面22和12的期望熔化时，停止局部加热。

在获得期望的薄焊缝40之后，允许冷却现在相互固定的部件基底10和修复螺柱20，以用于随后从螺柱焊接设备30移除。修复螺柱20和挤压的焊接材料42符合周围表面轮廓，使被修复部件10恢复其原始状态，如图5所示。现在被修复部件10不再具有表面损害(其由新鲜的修复螺柱材料20替代)，具有与原始基底材料基本类似的材料属性。确切地，被修复区域内的表面硬度和强度属性与原始周围材料基本类似。参见图5，可通过相继地形成并螺柱焊接多个螺柱20、20’、20”等使得形成邻接和覆盖的焊缝40、40’、40”等而在超耐热合金部件10中形成比螺柱20直径更长的多维连续焊缝。

沿焊缝40的局部固定不会明显不利地影响被修复部件基底10和螺柱20的结构材料属性。有限的修复后热处理(如果需要的话)使被修复部件应变时效裂纹的风险最小(或者完全消除)。因此，通过本发明的修复方法可保证超耐热合金部件制造或修复的时间和费用，而没有修复失效的不恰当风险。在发电领域中，可以修复表面破裂的涡轮叶片，而不用废弃表面破裂的涡轮叶片并用新的叶片更换之。

在用于执行本发明的修复的任何选择的螺柱焊接方法中，总体目的是实现超耐热合金亚部件之间沿焊缝40的局部粘合并中止额外的热输入，而不会明显影响任一亚部件的普遍基底内的超耐热合金材料属性。与意在液化相应超耐热合金基底(因此，不利地改变材料属性，使得它们易受随后裂纹的影响)的已知焊接技术不同，在随后压力影响基底10和螺柱20的相对表面的情况下通过本发明实施的局部螺柱焊接和最小熔化避免了超耐热合金基底中的总体变化，尤其消除了通常在焊接凝固期间与收缩相关联的残余应力。特别地，通过钨极脉冲氩弧焊、熔化极气体保护焊、激光或自动保护金属极电弧焊利用熔化填充金属填充挖穴会在挖穴平面中导致收缩应力(其由挖穴的壁限制)。这种应力必须通过凝固金属本身而得以承受，高残余张应力形成在凝固沉积物中。或者，利用螺柱焊接，凝固主要是单轴的，与螺柱的轴线对准。在凝固期间有意地施加轴向压缩力。因此，来自凝固的残余张应力得以最小化。

当实施本发明时，超耐热合金部件可利用已知的被证明螺柱焊接器材连接或修复。受损的超耐热合金部件材料可以移除，修复螺柱由电火花加工或其它已知的金属切割技术制造。已知的螺柱焊接器材和技术可用于将修复螺柱固定到它们的匹配基底凹槽。螺柱修复的超耐热合金部件外表面轮廓可通过研磨或切割修复螺柱并围绕接触表面以配合被修复部件的局部轮廓而恢复到原始轮廓规格。

尽管凹槽12和螺柱配合表面22的几何形状是类似的，但是可考虑更锐利的螺柱。这有助于确保引弧和熔化在组件的轴向中心处开始，并径向向外行进以增强材料挤压物42。

尽管螺柱末端22可以简单地成型，但是还普遍的是，其包括铝助焊球或涂层，以还原焊接金属，并稳定电弧。惰性气体屏蔽还可用于避免与空气的反应。基底或螺柱的预加热也是有用的，以在焊接期间提高材料展延性。

尽管本文参考超耐热合金部件修复主要描述了超耐热合金部件示例性实施的结构连接，但是相同的方法可用于通过连接亚部件来制造超耐热合金结构。例如，一个超耐热合金亚部件上的突起可固定到另一超耐热合金亚部件上的凹槽。

尽管本文中显示和详细描述了结合本发明教导的各实施例，但是本领域技术人员可易于设想出仍结合这些教导的许多其它变型例。

Claims (20)

1.一种连接的超耐热合金部件，包括：

超耐热合金基底，限定出具有凹槽轮廓的凹槽；

匹配的超耐热合金螺柱，具有占据在基底凹槽内的螺柱突起，突起轮廓沿所述凹槽内的接触表面符合基底轮廓，并且

所述基底和螺柱沿所述接触表面通过螺柱焊接工艺通过以下步骤彼此固定：

将所述螺柱和基底插入螺柱焊接设备中；

使所述螺柱突起和基底凹槽以相对间隔开的关系取向，其间有一间隙；

利用所述螺柱焊接设备使电流流过所述螺柱突起和凹槽之间，在所述螺柱突起和凹槽之间形成电弧；

熔化相对的螺柱突起和基底凹槽相对表面；以及

将熔化的螺柱突起和基底凹槽相对表面按压成彼此接触，并在其间形成焊缝。

2.如权利要求1所述的部件，其中，所述螺柱焊接设备利用从由直流电源或电容性放电电源构成的组中选择的设备通过电流。

3.如权利要求1所述的部件，其中，所述基底和修复螺柱由具有基本类似机械结构属性的相同材料构成，螺柱焊接不会明显改变所述结构属性。

4.如权利要求1所述的部件，其中，被修复的部件基底从由涡轮叶片和涡轮轮叶构成的组中选择。

5.如权利要求1所述的部件，还包括使所述螺柱在焊接后成型，以留下由焊接螺柱末端的一部分填充的基底凹槽，并恢复部件尺寸表面轮廓。

6.一种用于连接超耐热合金结构的方法，包括：

在超耐热合金部件基底中形成具有凹槽轮廓的凹槽，所述凹槽轮廓由剩余基底限定；

形成具有螺柱突起的匹配的超耐热合金螺柱，突起轮廓沿对应接触表面符合基底凹槽轮廓；

使所述螺柱突起和基底凹槽以相对间隔开的关系取向，其间有一间隙；

利用螺柱焊接设备使电流流过所述螺柱突起和凹槽之间，并在其间形成电弧；

熔化相对的螺柱突起和基底凹槽相对表面；以及

将熔化的螺柱突起和基底凹槽相对表面按压成彼此接触，并在其间形成焊缝。

7.如权利要求6所述的方法，其中，通过从由电火花加工以及机械研磨、钻孔和碾磨构成的组中选择的加工方法来执行凹槽形成步骤。

8.如权利要求6所述的方法，其中，所述基底和修复螺柱由具有基本类似机械结构属性的相同材料构成，螺柱焊接不会明显改变所述结构属性。

9.如权利要求8所述的方法，其中，被修复的部件基底从由涡轮叶片和涡轮轮叶构成的组中选择。

10.如权利要求9所述的方法，还包括使所述修复螺柱的外部面向表面的轮廓符合周围基底的轮廓。

11.如权利要求6所述的方法，其中，所述螺柱焊接设备利用从由直流电源或电容性放电电源构成的组中选择的设备通过电流。

12.如权利要求6所述的方法，还包括使所述修复螺柱的外部面向表面的轮廓符合周围基底的轮廓。

13.一种用于修复超耐热合金部件的方法，包括：

移除超耐热合金部件基底的受损部分，并在其中形成具有凹槽轮廓的挖出凹槽，所述凹槽轮廓由剩余基底限定；

形成具有螺柱突起的匹配的超耐热合金修复螺柱，突起轮廓沿对应的接触表面符合基底凹槽轮廓；

使所述螺柱突起和基底凹槽以相对间隔开的关系取向，其间有一间隙；

利用螺柱焊接设备使电流流过所述螺柱突起和凹槽之间，并在其间形成电弧；

熔化相对的螺柱突起和基底凹槽相对表面；以及

将熔化的螺柱突起和基底凹槽相对表面按压成彼此接触，并在其间形成焊缝。

14.如权利要求13所述的方法，其中，通过从由电火花加工以及机械研磨、钻孔和碾磨构成的组中选择的加工方法来执行凹槽形成步骤。

15.如权利要求13所述的方法，其中，所述螺柱焊接设备利用从由直流电源或电容性放电电源构成的组中选择的设备通过电流。

16.如权利要求13所述的方法，其中，所述基底和修复螺柱由具有基本类似机械结构属性的相同材料构成，螺柱焊接不会明显改变所述结构属性。

17.如权利要求16所述的方法，其中，被修复的部件基底从由涡轮叶片和涡轮轮叶构成的组中选择。

18.如权利要求17所述的方法，还包括使所述修复螺柱的外部面向表面的轮廓符合周围基底的轮廓。

19.如权利要求13所述的方法，其中，被修复的部件基底从由涡轮叶片和涡轮轮叶构成的组中选择。

20.如权利要求19所述的方法，还包括使所述修复螺柱的外部面向表面的轮廓符合周围基底的轮廓。