CN105722635A - 焊接工艺及减少约束的焊接接头 - Google Patents

Abstract

一种焊接接头(30)，其具有非对称的侧面并提供焊接金属收缩的减少的约束和减少的焊接中心线裂纹的倾向。焊接接头可具有相对于组件表面(36)以35-60的角度(A₁)被形成的第一侧(38)，和相对于所述表面以10-35的角度(A₂)形成的第二侧(40)。所述两个侧面可以被延伸到相交处(44)，而无需如典型用于现有技术焊接接头(10)的平坦底部表面(20)。本发明的焊接接头可以通过移动端铣刀工具(60)进入并沿所述表面形成，端铣刀工具的旋转轴线(64)横向于所述表面。

Description

焊接工艺及减少约束的焊接接头

技术领域

本申请一般涉及材料技术领域，并且更具体地涉及焊接领域，并且特别应用于超合金组件的焊接修复。

背景技术

人们认识到，由于其对焊接凝固裂纹和应变时效裂纹的敏感性，超合金材料是最难焊接的材料之一。术语“超合金”在本文中被使用，因为它是本领域通常使用的；即在高温下表现出优异的机械强度和耐蠕变性能的高度耐腐蚀和耐氧化的合金。超合金通常包括高的镍或钴含量。超合金的例子包括以如下商标和品牌出售的合金：哈氏合金，铬镍铁合金(例如IN738、IN792、IN939)，雷内合金(例如ReneN5、Rene80、Rene142)，海恩斯合金，MarM，CM247LC，C263，718，X-750，ECY768，282，X45，PWA1483和CMSX(例如CMSX-4)单晶合金。

一些超合金材料的焊接修复已通过预热材料到非常高的温度(例如达高于1600°F或870℃)，以在修复过程中显著增加材料的延展性而成功实现。这种技术被称为热匣焊接或在升高温度(SWET)焊接修复下的超合金焊接，它通常使用手动GTAW(气体保护钨极电弧焊)工艺完成。然而，热匣焊接受到保持均匀的部件处理表面温度的困难和保持完整的惰性气体保护的困难，以及在这种极端的温度下给在部件附近工作的操作者施加的身体困难的限制。

一些超合金材料的焊接应用可以使用冷却板，以限制基底材料的加热来进行；从而限制基底热效应的出现和引起裂纹问题的应力。然而，这种技术对于许多零件的几何形状不便于使用冷却板的修复应用是不实际的。

本发明人已使用粉末焊剂和金属开发了超合金焊接技术，如在美国专利申请公开号US2013/0140278A1中所公开的，其通过引用并入本文。这个工艺促进了甚至最难焊接的超合金的沉积。然而，希望对超合金材料组件的焊接修复的进一步的改进。

附图说明

本发明在以下描述中结合附图被说明，附图示出了：

图1是现有技术焊接接头的剖面图。

图2是根据本发明的一个实施例的焊接接头的剖面图。

图3示出了根据本发明的一个实施例使用端铣刀工具形成焊接准备部的过程。

图4是具有根据本发明的实施例形成的焊接准备部的燃气涡轮发动机叶片的顶视图。

具体实施方式

本发明人已经认识到，在超合金材料的焊接修复中的困难被恶化，因为已知焊接接头的几何形状倾向于在冷却并凝固凝固时约束焊件。图1示出了典型的现有技术组件修复焊接接头10，其通常具有带平底V形截面形状的焊接准备部。图1的焊接接头10通常在组件的修复过程中，当裂纹或其它不连续性通过从表面14去除材料到去除不连续性(未示出)所需的深度，从基底12进行挖掘时被使用。然后附加材料被去除以形成平底V形焊接准备部16，该焊接准备部具有延伸到大致平坦的底部表面20的相对斜边18、18'。平坦的底部表面20是代替延伸边18、18'以在一点接合在一起，从而确保在焊接底部的完全熔化所必需的。焊接金属22然后焊接准备部诸如通过粉末超合金材料的激光熔融沉积或其它已知方法被添加一道次或多道次以填充焊接准备部16。

当熔融的焊接金属22被沉积到焊接准备部16中时，其通过沿侧边18、18'主要到邻接基底材料12的热损失冷却并凝固。受到热传递发生和热能消散到基底12中的影响，沿侧边18、18'的材料薄层24可以熔化或变热，导致通过焊接金属22的温度梯度。作为温度梯度的结果，熔融材料将开始沿侧边18、18'凝固和并且凝固将从两侧边18、18'向内朝向焊接金属22的中心前进。熔融材料随着金属凝固和冷却收缩。邻近侧边18、18'的第一凝固材料受到基底12的相对结构刚性的约束，并且因此收缩必须由剩余凝固焊接金属22本身容纳。作为从两侧边18、18'朝向焊接接头10的中心前进的向内前进凝固前沿的结果，开发了焊接金属22的中心区域，该中心区域处于显著张应力下，有时造成中心线收缩裂纹26。即使不发生凝固裂纹，几何形状和高所得约束促进升高残留的焊接应力。这种应力可以与来自焊后时效硬化的应力混合，并导致应变时效裂纹。

本发明人首先公开了一种非对称的焊接准备部和焊接方法，其减少在焊接接头内的中心线收缩应力的大小，由此减少中心线收缩裂纹的可能性。本发明的一个实施例在图2中被示出，其中锥形槽焊接接头30被形成在基底32内。在本实施例中，锥形槽焊接准备部34被形成在基底32的表面36内，以具有相对的侧边38、40，每个侧边相对于表面36的平面分别以不同的相应角度A₁、A₂形成。在所示的实施例中，侧边38相对于表面36以45°角形成，并且侧边40相对于表面36以15°角被形成。

在利用焊接准备部34的焊接工艺中，焊接金属42的第一道次(或珠或层)被沉积以形成焊接接头30的最底部分，其包围侧边38、40的交点。当焊接金属42的第一道次的熔融材料44冷却和凝固时，收缩应变相对更多被侧边38约束，而由于侧边40相对于表面36的平面的更平坦角度和会聚凝固前沿之间的所得更大角度，收缩应变相对较少由侧边40约束。其结果是，由于它响应于收缩相对更自由地移位，收缩被凝固焊接金属更好地容纳，并且在第一道次42的中心线形成的收缩应变的幅度小于使用图1的现有技术焊接接头10中的第一道次所经历的幅度。此外，因为由第一道次42填充的侧边38、40的相交角A₃是相对宽的，在交叉点44可以实现完全熔融而不必要在焊接准备部34的底部形成平坦区域，这通常是在现有技术中是必需的。

对于给定的焊接准备部挖掘的最大深度，相对更平坦的挖掘角需要更多的材料去除，并且因此需要最大化两侧边38、40相对于表面36的角度，而同时实现与现有技术接头相比，对于接头30所希望的减小约束程度。对于容易开裂的粉状超合金材料的激光沉积，如在燃气涡轮发动机应用中常用的，角度A₁可在35-60°的范围内并且角度A₂可以在10-35°的范围内。角度A₃在图2的实施例中为120°并在焊接准备部的底部形成不平坦底部的其他实施例中可以在85-135°的范围内。

如果焊接金属42使用能量束粉末熔化工艺被沉积，可能希望以使角度A₃分叉的角度引导能量束进入焊接准备部34。此外，可能希望使表面36倾斜到偏离水平角度，使得能量束在使角度A₃分叉时是垂直的，从而有利于在沉积过程期间粉末和熔池的控制。例如，通过重力和表面张力的方式，这种倾斜会促进熔池关于垂直束轴相对对称，并以其他方式最小化不对称的约束力。

图2的实施例示出了焊接金属的第二道次46和第三道次48的使用，以完全填充焊接准备部34，再熔化材料50、52的薄层被形成在各道次之间。值得注意的是，基底材料的薄层还必须被熔化以在焊接过程期间引起熔融，但是对于本文简化讨论的目的，并与执行本发明的实用性相一致，焊接准备部表面38、40被假定为在整个焊接步骤中基本保持不变。第一道次42在区域28附近与侧边40相交的表面大致平行于侧边38，从而最小化本发明的侧表面角度的益处的应力随着每个连续道次46、48继续。

在修复过程期间的材料挖掘通常使用手持磨削工具完成，但在工厂环境下，诸如典型用于燃气涡轮机部件修复设施，挖掘可使用机床来完成。本发明人已经发现，根据本发明的实施例的焊接准备部可使用端铣刀工具方便地形成。图3示出了组件56的修复步骤，其中焊接准备部58通过移动端铣刀工具60到组件表面62内形成，其旋转轴线64横向于表面62，使得端铣刀工具60的向前运动方向66限定了焊接准备部58的第一侧边68的角度A₁，并且端铣刀工具60的切割表面70的取向限定焊接准备部58的第二侧边72的角度A₂。端铣刀工具60的形状可被选择以实现任何所期望的焊接准备部的几何形状，包括具有或不具有平坦底部表面。

端铣刀工具60可以在方向66上被移动到表面62内除去不连续性和/或实现焊接准备部58的期望深度所需的任何深度。端铣刀工具60随后也可以在平行于表面62(即进入或离开图3的纸张)的方向上被移动，以在线性尺寸中延长挖掘，并为焊接准备部58形成纵向尺寸。

平行于表面62的运动可以是线性，曲线的或它们的组合，如对于组件的特定修复几何形状可能期望的。

图4是燃气涡轮发动机叶片80的顶视图，其具有平台82和从平台82向上延伸的翼型84。平台82具有对应于图3的表面62的顶表面62。平台82的两个修复区域被示出。第一线性焊接准备部86靠近平台82的边缘88形成。焊接准备部86可以在其已被插入到表面62内至期望深度之后，通过平行于边缘88线性移动端铣刀工具60形成，如图3所示。平行于边缘88的运动产生焊接准备部86的第一侧68和第二侧72的纵向长度。

第二曲线焊接准备部90是通过大致平行于压力侧92移动端铣刀工具60，以形成第一表面68'和第二表面72'的纵向长度而靠近翼型84的压力侧92形成。第二焊接准备部90被形成为沿着其中心长度的大部分具有恒定深度，但随后在深度上逐渐变细至靠近每个纵向端94的零深度。由于端铣刀工具60在方向66上被插入到表面62内，它也平行于压力侧92被移动。随着工具60的穿透深度增加，侧边68'和72'的最大深度和尺寸增加。随着工具60从表面62被撤离，这个过程的逆过程在相对的纵向端部完成，从而在这两个相对端94为焊接准备部90提供期望锥度，同时保持期望的侧角A₁、A₂。对于常规被修复以逆转操作退化影响的高体积组件，其对于全部这样的组件是类似的，这种机械加工方便地在计算机控制的机器上被编程。此外，这些组件的后续焊接修复也可以方便地在计算机控制的焊接机上被编程，从而有助于降低难以焊接的超合金组件，如燃气涡轮发动机叶片的修复成本。

虽然本发明的各种实施例已经被示出和描述，但是将显而易见的是这样的实施例仅通过示例的方式被提供。许多变化、改变和替换可以被作出而不脱离本发明。例如，当被焊接的材料表面被示出为平坦的时，可以理解，所有这样的表面不严格是平面，也可以是大致平面或稍弯曲的。如本文所用，在本发明的范围内，焊接准备部侧相对于表面的角度可以被认为是相对于该近似实际表面或正切于表面的平面被测量。本发明意图仅由所附权利要求的精神和范围限制。

Claims (20)

1.一种装置，包括：

包括表面的基底；

形成所述表面的组成部分并在横截面内包括相对的第一侧和第二侧的焊接准备部；

所述第一侧相对于所述表面以第一角度设置，和所述第二侧相对于所述表面以不同于所述第一角度的第二角度设置；和

沉积到所述焊接准备部内并接合所述第一侧和所述第二侧的焊接金属。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一侧相对于所述表面以35-60°的角度被设置，并且所述第二侧相对于所述表面以10-35°的角度被设置。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一侧相对于所述表面以45°的角度被设置，并且所述第二侧相对于所述表面以15°的角度被设置。

4.根据权利要求1所述的装置，还包括，所述第一侧和所述第二侧延伸成在所述焊接准备部的底部相交。

5.根据权利要求1所述的装置，还包括，所述焊接准备部在纵向方向上沿着所述表面在曲线路径上延伸。

6.根据权利要求1所述的装置，还包括：

所述焊接准备部焊接准备部延伸成具有沿所述表面的纵向长度；

所述焊接准备部靠近所述纵向长度的中心部分具有第一深度；和

所述焊接准备部靠近所述纵向长度的至少一个端部逐渐减少到小于所述第一深度的第二深度。

7.根据权利要求1所述的装置，其被形成在超合金燃气涡轮机组件的表面内，并且无中心线收缩裂纹。

8.一种方法，包括：

在表面中形成焊接准备部，以在横截面内具有相对于所述表面以不同角度设置的第一侧和第二侧；并且

使用焊接金属填充所述焊接准备部以接合所述第一侧和所述第二侧。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括以相对于所述表面35-60°的角度形成所述第一侧和以相对于所述表面10-35°的角度形成所述第二侧。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一侧相对于所述表面以45°的角度形成并且所述第二侧相对于所述表面以15°的角度形成。

11.根据权利要求8所述的方法，还形成所述第一侧和所述第二侧，以延伸成在所述焊接准备部的底部相交。

12.根据权利要求8所述的方法，还包括形成所述焊接准备部，以在纵向方向上沿所述表面在曲线路径上延伸。

13.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：

形成所述焊接准备部以延伸成具有沿所述表面的纵向长度；

形成所述焊接准备部以靠近所述纵向长度的中心部具有第一深度，并靠近所述纵向长度的至少一个端部具有小于所述第一深度的第二深度。

14.根据权利要求8所述的方法，还包括通过以下方式形成所述焊接准备部，使移动端铣刀工具进入所述表面，其旋转轴线横向于所述表面，使得所述端铣刀工具进入所述表面的运动方向限定相对于所述焊接准备部的所述第一侧的表面的角度，并且所述端铣刀工具的切割表面的取向限定相对于所述焊接准备部的所述第二侧的表面的角度。

15.一种方法，包括：

从组件的表面区域挖掘包括不连续性的材料；

在所述区域内形成焊接准备部，以在横截面中具有相对于所述表面以不同相应角度设置的相对两侧；和

在一个或多个道次中沉积焊接金属进入所述焊接准备部以接合所述相对两侧。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

形成所述焊接准备部的第一侧以相对于所述表面成35-60°角度被设置；和

形成所述焊接准备部的第二侧以相对于所述表面成10-35°角度被设置。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括通过以下方式形成所述焊接准备部，使移动端铣刀工具进入所述表面，其旋转轴线横向于所述表面，使得所述端铣刀工具进入所述表面的运动方向限定相对于所述焊接准备部的第一侧的表面的角度，并且所述端铣刀工具的切割表面的取向限定相对于所述焊接准备部的第二侧的表面的角度。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括沿所述表面移动所述端铣刀工具，以沿着纵向路径延伸所述焊接准备部。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述纵向路径是曲线的。

20.根据权利要求15所述的方法，其中所述组件由超合金材料形成，并且还包括激光沉积超合金材料粉末进入所述焊接准备部以接合所述相对两侧而没有中心线收缩裂纹。