CN104718348B - 抗蚀性金属材料的焊接方法以及涡轮叶片 - Google Patents

抗蚀性金属材料的焊接方法以及涡轮叶片 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供能够抑制叶片前缘部的抗蚀层的硬度降低的抗蚀性金属材料的焊接方法以及涡轮叶片。本发明的抗蚀性金属材料的焊接方法是向涡轮叶片前缘部(1A)的基体(1)焊接抗蚀性金属材料的方法，具备以下步骤：将施加抗蚀性金属材料的前缘部(1A)的曲面的半径(R)形成为比基体(1)的厚度(t)大的步骤；以及在前缘部(1A)焊接抗蚀性金属材料的步骤。

Description

抗蚀性金属材料的焊接方法以及涡轮叶片
技术领域
本发明涉及抗蚀性金属材料的焊接方法以及涡轮叶片。
背景技术
蒸汽涡轮叶片有可能因受到来自蒸汽中的凝结水滴、以氧化铁为主体的微小的固体颗粒的冲击作用而被侵蚀并导致表面磨损。因此，有时在蒸汽涡轮叶片的前方(蒸汽流的上游侧)即前缘部形成抗蚀(侵蚀)层，由此来抑制蒸汽涡轮叶片的侵蚀。
在专利文献1中公开了如下技术：通过使在表面形成有硼化处理层的防蚀部与蒸汽涡轮叶片的基体接合，由此减少腐蚀损耗。另外，在专利文献2中记载有，切下涡轮旋转叶片的翼形状的一部分即叶片前缘部，使用基于激光的堆焊而恢复形成防侵蚀部。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特公昭61－12082号公报
专利文献2：日本特许第4901413号公报
发明要解决的课题
与蒸汽涡轮叶片的基体接合的抗蚀层例如使用以钴为主成分的Stellite(注册商标)等耐磨损性高的钴基合金等。在将钴基合金等与基体接合的情况下，进行基于钎焊、TIG焊接的堆焊。但是，在进行基于钎焊的接合的情况下，容易发生接合不良等问题，因返工所进行的多次加热容易使蒸汽涡轮叶片的质量降低。另外，在进行基于TIG焊接的接合的情况下，发生母材向钴基合金等熔敷金属混入的情况，存在熔敷金属被稀释的问题。其结果是，抗蚀层的硬度降低，钴基合金等所带来的抗蚀性能降低。
另外，在专利文献2的技术中，如专利文献2的图1(c)所示，在将涡轮旋转叶片的叶片前缘部沿着翼长方向切断而形成带状的平面之后，从平面堆积多层而形成由硬质材料构成的防侵蚀部。图16是示出以往的蒸汽涡轮叶片的前缘部1A的基体1与构成防侵蚀部的焊道的横剖视图，图16中的双点划线表示防侵蚀部的预定精加工面S。由于硬质材料比叶片主体部的材料脆，因此，若像专利文献2那样替换叶片前缘部整体，则防侵蚀部会从翼主体部脱落或发生破损。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供能够抑制叶片前缘部处的抗蚀层的硬度降低的抗蚀性金属材料的焊接方法以及涡轮叶片。
用于解决课题的手段
本发明的第一方式的抗蚀性金属材料的焊接方法向涡轮叶片前缘部的基体焊接抗蚀性金属材料，包括：将被施加所述抗蚀性金属材料的所述前缘部的曲面的半径形成为比所述基体的厚度大的步骤；以及在所述前缘部焊接所述抗蚀性金属材料的步骤。
根据该结构，前缘部的基体形成为容易释放热量的形状，在将抗蚀性金属材料焊接于基体时，能够抑制基体中的热量的积蓄。其结果是，热量从基体散热，能够抑制局部的温度上升。并且，能够降低母材向抗蚀性金属材料的混入所引起的抗蚀性金属材料的稀释化，能够抑制抗蚀层的硬度降低。需要说明的是，前端部的剖面形状不限于圆弧形状，只要能够将叶片前端部形成为光滑的曲面，也可以是其他形状。
本发明的第二方式的抗蚀性金属材料的焊接方法向涡轮叶片前缘部的基体焊接抗蚀性金属材料，包括：以填埋一层所述抗蚀性金属材料的方式，根据抗蚀层的预定精加工面与抗蚀层的厚度将被施加所述抗蚀性金属材料的槽形成于所述基体的步骤；以及在所述槽上焊接所述抗蚀性金属材料的步骤。
根据该结构，施加抗蚀性金属材料的槽根据抗蚀层的预定加工表面与抗蚀层的厚度形成于基体。抗蚀性金属材料例如是钴基合金。相对于预定精加工面的槽深度例如是填埋一层抗蚀性金属材料的深度、即不会形成多层堆焊的深度，并且，通过以不使硬度降低区域在表面出现的方式尽可能深地形成槽，能够防止抗蚀性能的降低。硬度降低区域是指因焊接而使母材(基体)混入熔敷金属的区域。
在本发明的第二方式的基础上，优选的是，所述槽的深度相对于所述预定精加工面为2mm以下。由此，能够将槽的深度设为填埋一层抗蚀性金属材料的深度、即不会形成多层堆焊的深度。
本发明的第三方式的抗蚀性金属材料的焊接方法向涡轮叶片前缘部的基体焊接抗蚀性金属材料，包括：以新形成的焊道与已形成的焊道的接触部分形成为比所述新形成的焊道与所述基体接触的接触部分宽的方式确定焊接时的各焊层的重叠量的步骤；以及根据所述重叠量在所述基体上焊接所述抗蚀性金属材料的步骤。
根据该结构，焊接时的各道次的重叠量增大，新形成的焊道与基体(母材)接触的部分比与已形成的焊道接触的接触部分少。其结果是，能够减少母材向抗蚀性金属材料(熔敷材料)的混入所引起的抗蚀性金属材料的稀释化，能够抑制抗蚀层的硬度降低。
在本发明的第一至第三方式的基础上，优选的是，焊接的所述抗蚀性金属材料因所述基体的材料而造成的稀释为10％以下。由此，能够降低抗蚀性金属材料的稀释化，抑制抗蚀层的硬度降低。
在本发明的第一至第三方式的基础上，优选的是，焊接所述抗蚀性金属材料而形成的精加工前的抗蚀层是一层且为2mm以下。
根据该结构，由于能够降低母材所造成的稀释，因此能够以抗蚀性所需的最小限度的厚度来形成高质量的抗蚀层。
在本发明的第一至第三方式的基础上，其特征在于，在焊接所述抗蚀性金属材料的步骤中，使激光相对于行进方向在横向上摆动，使得能量密度分布平坦化。
根据该结构，能够使能量密度分布平坦化，能够使熔融部分变浅或者变宽。
也可以构成为，一边将抗蚀性金属材料呈粉末状或者带板状供给一边进行焊接，或者在将抗蚀性金属材料预先通过喷镀或冷喷涂而附着在焊接位置之后，进行焊接。
根据该结构，能够减少道次数，能够抑制缺陷的产生。
另外，本发明的第四方式的涡轮叶片借助上述的抗蚀性金属材料的焊接方法在前缘部形成有抗蚀层。
发明效果
根据本发明，能够抑制叶片前缘部处的抗蚀层的硬度降低。
附图说明
图1是示出本发明的一实施方式的蒸汽涡轮叶片前缘部的基体的横剖视图。
图2是示出本发明的一实施方式的蒸汽涡轮叶片前缘部的基体的横剖视图。
图3是示出本发明的一实施方式的蒸汽涡轮叶片前缘部的基体与焊道的横剖视图。
图4是示出本发明的一实施方式的蒸汽涡轮叶片前缘部的基体与焊道的横剖视图。
图5是示出本发明的一实施方式的蒸汽涡轮叶片前缘部的基体与焊道的横剖视图。
图6是示出本发明的一实施方式的蒸汽涡轮叶片前缘部的基体与焊道的横剖视图。
图7是示出本发明的一实施方式的蒸汽涡轮叶片前缘部的第一例的横剖视图。
图8是示出本发明的一实施方式的蒸汽涡轮叶片前缘部的第二例的横剖视图。
图9是示出图7的前缘部的硬度测量结果的横剖视图。
图10是示出图7的前缘部的硬度测量结果的横剖视图。
图11是示出蒸汽涡轮叶片的侧视图。
图12是示出以往的蒸汽涡轮叶片前缘部的基体的横剖视图。
图13是示出蒸汽涡轮叶片的立体图。
图14是示出不使激光高速摆动的情况下的、激光的能量密度分布与焊接所造成的熔融部分的关系的简图。
图15是示出使激光高速摆动的情况下的、激光的能量密度分布与焊接所造成的熔融部分的关系的简图。
图16是示出以往的蒸汽涡轮叶片前缘部的基体与焊道的横剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
首先，对蒸汽涡轮叶片10的前缘部1A的结构进行说明。图11是示出蒸汽涡轮叶片10的侧视图。
蒸汽涡轮叶片10的前缘部1A通过使以钴为主成分的钴基合金所形成的抗蚀层3与基体1接合而形成。抗蚀层3在蒸汽涡轮叶片10旋转而产生蒸汽流时，配置于蒸汽涡轮叶片10中的蒸汽流的上游侧即前缘部1A。由此，能够抑制蒸汽涡轮叶片10的前缘部1A的腐蚀(侵蚀)。
基体1(母材)例如是铬基合金，在形成抗蚀层3之前具有图1所示的剖面形状。图1是示出用于形成蒸汽涡轮叶片10的前缘部1A的基体1的横剖视图，且是在相对于蒸汽涡轮叶片10的翼长方向垂直的方向上切断而成的图。图1中的双点划线表示抗蚀层3的预定精加工面S。
形成抗蚀层3之前的基体1具有相对于预定精加工面S向基体1的内部侧凹陷的形状的槽部2。在蒸汽涡轮叶片10旋转时，槽部2的前端部2A位于蒸汽流的上游侧，槽部2的后端部2B位于蒸汽流的下游侧。
槽部2的前端部2A例如具有剖面的表面为圆弧形状的角部。角部的剖面的半径R例如比基体1的厚度t大。由此，在通过后述的焊接方法形成抗蚀层3时，能够抑制基体1中的热量的积蓄。需要说明的是，前端部2A的角部的剖面形状不限于圆弧形状，只要是容易从基体1释放热量的形状，且能够使叶片前端部形成为光滑的曲面，也可以是其他形状。
槽部2的后端部2B处的相对于预定精加工面S的槽深D是填埋一层熔敷金属的深度、即不会成为多层堆焊的深度，并且优选形成得尽可能深，以使硬度降低区域不会出现在表面上。能够焊接一层的槽深D例如是2mm以下。硬度降低区域是指因焊接而使母材向熔敷金属的钴基合金混入的区域，且是利用钴基合金而应获得的抗蚀性能降低的区域。
形成于槽部2的抗蚀层3由多个道次形成，通过堆积一层的堆焊而形成，精加工前的状态(参照图7以及图8)下的厚度是2mm以下。优选抗蚀层3因母材造成的稀释为10％以下。需要说明的是，为了防止母材向熔敷金属材的熔化，优选槽部2的前端部2C如图1所示形成有平面部，而非尖锐的形状。
抗蚀层3例如是以钴为主成分的钴基合金。在本实施方式中，作为钴基合金，例如能够应用Stellite(注册商标)。抗蚀层3以相邻的焊道相互重叠的方式形成。焊道具有与母材接触的部分、以及与已形成的相邻的焊道接触的部分，优选减少与母材接触的部分，扩大与相邻的焊道接触的部分(参照图7的焊道＜3＞～＜7＞以及图8的焊道＜3＞～＜8＞)。抗蚀层3通过执行多个道次而形成。需要说明的是，在形成有图7以及图8所示的焊道之后，前缘部1A被加工成图1中的双点划线所示的预定精加工面S。
前缘部1A并非整体被抗蚀性金属材料替换(参照专利文献2或者图16)，仅是沿着基体1的形状以均匀的厚度由抗蚀性金属材料形成表层。因此，能够抑制具有比基体1脆的性质的抗蚀性金属材料的抗蚀层3的损伤。
接下来，对本实施方式的蒸汽涡轮叶片10的前缘部1A的形成方法、即在基材上接合抗蚀层3的方法进行说明。
首先，在蒸汽涡轮叶片10的基体1上形成槽部2，例如形成图1所示的形状。即，在槽部2的前端部2A形成具有比基体1的厚度长的半径R且剖面为圆弧形状的角部。另外，槽部2的后端部2B的深度D形成为填埋一层熔敷金属的深度，且是不会在表面上出现硬度降低区域的深度。
接下来，对具有上述这样的形状的基体1实行基于激光焊接的堆焊，形成一层抗蚀层3。在堆焊中，以图7或者图8的＜＞内的数字所示的顺序执行多个道次。图7与图8示出道次的执行方法不同的例子。
此时，通过增大焊接时的各道次的重叠量，减少焊道与母材接触的部分，能够减少母材混入熔敷金属的钴基合金的量。重叠量例如根据激光的瞄准角度、道次间移动量来调整。
在进行激光焊接的情况下，能够实现自动化，在焊接前制作程序，使焊接装置执行程序，由此能够执行与各状态相应的适当的焊接。
激光焊接能够使用普通的焊接装置，在本实施方式中，以如下所示的条件进行。即，使用定位照相机和具有高度传感器的高度调整用夹具。焊接姿态始终向下，一边使基体1旋转一边进行道次间移动。在程序中，通过教示将各道次的瞄准位置作为教示点进行输入。另外，预测焊接时的热量的影响所造成的基体1的变形形状，预先将道次设定为沿着基体1的变形形状。此外，通过使用定位照相机，能够一边进行反馈，一边以不产生错位的方式进行焊接。
激光的瞄准方向是相对于母材的平面约90°，或者相对于连结凸部与凸部的切线约90°。例如，如图2所示，在激光前端部11靠近叶冠部12(参照图13)等的情况下，以激光前端部11不与叶冠部12干扰、并且激光瞄准方向相对于连结焊接位置的两个凸部的切线接近90°的方式制作焊接程序。另外，如图2所示，在与R面相反一侧的平板面中，激光的瞄准方向相对于平板面为90°，如图3以及图4所示，在已形成有焊道的情况下，激光的瞄准方向相对于连结焊道的凸部与母材的凸部的切线为90°。另外，如图5所示，关于基体1的前端部，激光的瞄准方向相对于平板面平行，如图6所示，在已形成有两个焊道的情况下，激光的瞄准方向相对于连结一个焊道的凸部与另一焊道的凸部的切线为90°。这样，能够通过确定激光瞄准方向来降低熔敷不良情况，并且能够抑制母材向熔敷金属混入。
另外，也可以在进行激光焊接时向焊接位置施加振荡。由此，能够降低熔敷不良情况。作为一边施加振荡一边进行焊接的方法，具有以下所示的方法。
一边将粉末状的抗蚀性金属材料呈带状向焊接位置供给，一边使焊接位置处的激光在宽度方向上高速摆动，形成抗蚀层3。或者，一边将具有恒定厚度的带板状的抗蚀性金属材料向焊接位置供给，一边使焊接位置处的激光在宽度方向上高速摆动，形成抗蚀层3。
此外，预先通过喷镀、冷喷涂等在形成抗蚀层3的部分整体形成由抗蚀性金属材料构成的层，使焊接位置处的激光在宽度方向上高速摆动，形成抗蚀层3。此时的激光的振动幅度能够比供给粉末、带板状的抗蚀性金属材料的情况下更宽，并且，由于不存在材料的重叠部，因此不易产生缺陷。
这里，宽度方向是指相对于激光的行进方向的横向。另外，高速是指将焊接位置处的激光的能量密度分布形成为矩形状而非山状，且使混入母材的稀释部分变浅的速度。通常的摆动焊接是几Hz的频率，与此相对，在本实施方式中，是几十Hz～几百Hz的频率。即，在不使激光高速摆动的情况下，如图14所示，能量密度分布形成为山状，熔融部分变深，而通过使激光高速摆动，如图15所示，能够使能量密度分布变平坦，能够使熔融部分变浅并且增大宽度。
如上所述，根据本实施方式的方法，堆焊时的道次数量变少而能够减少缺陷数量，还能够提高作业效率。另外，由于激光的能量密度分布变平坦，因此抑制了母材所引起的抗蚀层3的稀释。并且，由于能够减少母材所引起的稀释，因此能够以抗蚀性所需的最小限度的厚度来形成高质量的抗蚀层3。
以上，根据本实施方式的蒸汽涡轮叶片10的前缘部1A的形成方法，能够获得以下的作用效果。
首先，关于蒸汽涡轮叶片10的基体1中的形成在槽部2的前端部2A处的角部，通过设为具有比基体1的厚度长的半径R的圆弧形状的剖面，能够缓和焊接时的角部的热量的积蓄。以往，在角部是具有比基体1的厚度短的半径R0的圆弧形状的剖面的情况下，这样的基体1的剖面形状难以释放出从熔敷金属接受而积累的热量。另一方面，通过如本实施方式那样使角部剖面的圆弧形状变得平缓，热量从基体1散发，能够抑制局部的温度上升。其结果是，能够降低母材向熔敷金属的混入所引起的熔敷金属的稀释化，能够抑制抗蚀层3的硬度降低。
另外，在蒸汽涡轮叶片10的基体1中的槽部2的后端部2B处，通过与抗蚀层3的预定精加工面S相比尽可能加深，能够使母材混入熔敷金属的稀释区域位于蒸汽涡轮叶片10的内部侧，而非表面侧。其结果是，因母材向熔敷金属的混入而使硬度降低的稀释区域不出现在表面，因此，能够形成具有确保硬度的抗蚀层3的蒸汽涡轮叶片10。
另一方面，如图12所示，在槽部2的深度较浅的情况下，硬度低的稀释区域靠近抗蚀层3的预定精加工面S，因此有可能使抗蚀性能降低。
另外，由于槽部2的深度是填埋一层熔敷金属的深度，因此能够抑制进行多层焊接的情况下的基材的温度上升，能够降低熔敷金属的稀释率。
此外，通过增大焊接时的各道次的重叠量，减少焊道与母材接触的部分，能够降低母材向熔敷金属的混入所引起的熔敷金属的稀释化，能够抑制抗蚀层3的硬度降低。
此外，通过应用激光焊接，能够使焊接作业自动化，能够恰当地形成焊接部，并且，能够抑制向基材传递的热量，能够减低熔敷金属的稀释率。
在上述的焊接方法中，形成于槽部2的抗蚀层3通过一层焊接而形成，母材所引起的稀释为10％以下。
图7以及图8是基体1的厚度为4.6mm时，将角部的半径设为7.8mm、槽深度设为0.8mm、各焊接道次的重叠量设为3.2mm而执行激光焊接时的剖面的一例。＜＞内表示道次的顺序。
图9以及图10表示分别以图7以及图8的顺序进行堆焊而形成抗蚀层3时的维氏硬度测量试验的结果。＜＞内的数值的单位是硬度Hv。测量点与抗蚀层3的预定精加工面S对应。根据测量结果可知，预定精加工面S的硬度超过Hv400，确认到能够形成具有Hv400以上的硬度的抗蚀层3。
需要说明的是，在本实施方式中，关于抗蚀层3的接合，对激光焊接的情况进行了说明，但本发明不限定于该例，在采用其他焊接方法、例如TIG焊接等的情况下，通过与上述相同地形成基材的形状、抗蚀层3，也能够获得与上述的实施方式相同的作用效果。
另外，在本实施方式中，作为抗蚀层的抗蚀性金属材料，列举了Stellite(注册商标)等钴基合金，但抗蚀性金属材料在此之外也能够根据基材以及使用环境而应用其他金属材料。作为抗蚀性金属材料，例如能够应用比基材硬的材料等能够获得抗蚀性效果的全部材料。
附图标记说明
1 基体
2 槽部
3 抗蚀层
10 蒸汽涡轮叶片
11 激光前端部
12 叶冠部
S 预定精加工面

Claims (11)

1.一种抗蚀性金属材料的焊接方法，在该抗蚀性金属材料的焊接方法中，向涡轮叶片前缘部的基体焊接抗蚀性金属材料，其中，
所述抗蚀性金属材料的焊接方法包括：
将被施加所述抗蚀性金属材料的所述前缘部处的曲面的半径形成为比所述基体的厚度大的步骤；以及
在所述前缘部焊接所述抗蚀性金属材料的步骤。
2.根据权利要求1所述的抗蚀性金属材料的焊接方法，其中，
所述抗蚀性金属材料的焊接方法还包括：以填埋一层所述抗蚀性金属材料的方式，根据抗蚀层的预定精加工面与抗蚀层的厚度，将被施加所述抗蚀性金属材料的槽形成于所述基体的步骤，
在所述槽上焊接所述抗蚀性金属材料，
所述槽的深度是在所述预定精加工面上不出现因焊接而使所述基体混入所述抗蚀性金属材料的区域的深度。
3.根据权利要求1所述的抗蚀性金属材料的焊接方法，其中，
所述抗蚀性金属材料的焊接方法还包括：以填埋一层所述抗蚀性金属材料的方式，根据抗蚀层的预定精加工面与抗蚀层的厚度，将被施加所述抗蚀性金属材料的槽形成于所述基体的步骤，
在所述槽上焊接所述抗蚀性金属材料，
焊接的所述抗蚀性金属材料因所述基体的材料而造成的稀释为10％以下。
4.根据权利要求1所述的抗蚀性金属材料的焊接方法，其中，
所述抗蚀性金属材料的焊接方法还包括：以填埋一层所述抗蚀性金属材料的方式，根据抗蚀层的预定精加工面与抗蚀层的厚度，将被施加所述抗蚀性金属材料的槽形成于所述基体的步骤，
在所述槽上焊接所述抗蚀性金属材料，
焊接所述抗蚀性金属材料而形成的精加工前的抗蚀层是一层且为2mm以下。
5.根据权利要求1所述的抗蚀性金属材料的焊接方法，其中，
所述抗蚀性金属材料的焊接方法还包括：以新形成的焊道与已形成的焊道的接触部分形成为比所述新形成的焊道与所述基体接触的接触部分宽的方式确定焊接时的各道次的重叠量的步骤，
根据所述重叠量在所述基体上焊接所述抗蚀性金属材料。
6.根据权利要求2至4中任一项所述的抗蚀性金属材料的焊接方法，其中，
所述槽的深度相对于所述预定精加工面为2mm以下。
7.根据权利要求1、2、4或5所述的抗蚀性金属材料的焊接方法，其中，
焊接的所述抗蚀性金属材料因所述基体的材料而造成的稀释为10％以下。
8.根据权利要求1、2或5所述的抗蚀性金属材料的焊接方法，其中，
焊接所述抗蚀性金属材料而形成的精加工前的抗蚀层是一层且为2mm以下。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的抗蚀性金属材料的焊接方法，其中，
在焊接所述抗蚀性金属材料的步骤中，使激光相对于行进方向在横向上摆动，使得能量密度分布平坦化。
10.根据权利要求9所述的抗蚀性金属材料的焊接方法，其中，
一边将抗蚀性金属材料呈粉末状或者带板状供给一边进行焊接，或者在将抗蚀性金属材料预先通过喷镀或冷喷涂而附着在焊接位置之后，进行焊接。
11.一种涡轮叶片，其中，
所述涡轮叶片借助权利要求1至10中任一项所述的抗蚀性金属材料的焊接方法在前缘部形成有抗蚀层。
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