CN107000127A - 包括堆焊过程的摩擦焊接叶片到涡轮桨叶的方法 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，叶片(12’)被摩擦焊接到涡轮机的转子圆盘(10’)，所述圆盘包括具有外表面的凸出挡块(18)，在该外表面上将焊接叶片(12’)。为此：在所述挡块(18)周边的至少一部分上，在所述外表面的区域中实施堆焊过程(24)；挡块(18)的外表面和堆焊(24)被加工以使其处于相同水平；然后在被堆焊的挡块(18)外表面和叶片(12’)之间实施摩擦焊接。

Description

包括堆焊过程的摩擦焊接叶片到涡轮桨叶的方法
技术领域
本发明涉及一种摩擦焊接叶片到涡轮机转子盘的方法，诸如航空器涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机。
背景技术
涡轮机的叶盘(DAM)是其外周边包括与圆盘集成在一起的环形列的基本径向叶片的转子圆盘。可通过摩擦焊叶片到设置有凸出挡块的圆盘获得这种类型的圆盘，每个叶片的径向内端被焊接到圆盘挡块。
当圆盘的至少一个叶片损坏并且需要更换时，其例如通过加工被移除，使得材料挡块(对应于所加工叶片的径向内端部分)保持在圆盘的周边用于焊接新叶片。
先前申请WO 2014/083275提供了使用叶片到转子圆盘上的摩擦焊接修复叶盘，圆盘包括(在外周边)在叶片被焊接的外表面上的凸出挡块。
该方法更特别地提供了：
—步骤，所述步骤包括在挡块前缘和后缘上安装止动件的步骤，每个止动件都包括凹槽，其中接合有所述挡块前缘或后缘，并且其形状与这种边缘的形状基本匹配，
—在摩擦焊接之前，通过焊接使止动件与挡块集成在一起，并且
—在摩擦焊接过程中，在止动件和挡块之间的焊珠在叶片与挡块之间连接区域周围形成的材料隆起线中至少部分地排出，例如通过加工。
然而，有趣的是，当主横截面和前缘(BA)或后缘(BF)之间的剖面的明显变化发生时，这种技术显示了其极限，特别地在DAM上，这可导致超过15、甚至超过18的高度变化。
此外，这些部件上的后缘和前缘的厚度可另外很小(小于2毫米，甚至1.5毫米)。
由于部件的几何形状，热问题可另外是临界点，由于单位面积的焊接压力在BA和BF中更高，并且产生具有更大表面或体积的热影响区域(ZAT)。
这些因素可导致在摩擦装配过程中在BA和BF中的局部应变。
剖面中的上述明显变化也可以是焊接组件的微观结构中某些异质性的来源。
发明内容
本发明的一个目的是至少限制这种缺点，甚至克服该缺点。
为此提供了一种解决方案：
—在所述外表面的区域中，堆焊(用材料再填充)该挡块的外周边的至少一部分，因此获得增大焊接表面(比该挡块的所述外表面更大)，
—加工所述挡块的外表面和堆焊，以使它们处于相同水平，并且
—摩擦焊接被堆焊的挡块的外表面和叶片。
实际上，堆焊的精确性先验地很必要以保证具有所需冶金的最终装配。
因此，加工将因此有利地可以保住平面度与摩擦焊接方法的要求完全一致。
在此背景下，需要建议的是，加工步骤应包括在挡块的外表面和堆焊之间提供小于0.5毫米的平面度，并且优选地小于0.1mm。
在摩擦焊接过程中，熔化区域与所述堆焊(再填充)连接，因此部件通过堆焊(再填充)添加的一部分材料将在“闪光”中排出；事实上，被限制在严格局部接触点的电流将导致重复火花(闪光)以及熔融金属的排出。因此需要建议的是：
—该挡块在加工之后以及在摩擦焊接之前应在预定方向中根据第一高度被定位在圆盘上，然后在摩擦焊接之后根据比第一更小的第二高度被定位，
—并且以挡块的外表面和/或平行于所述预定方向的方向，应该根据与第一垂直高度和第二高度之间高度差相比更小的高度实施堆焊(再填充)。
堆焊(再填充材料)的高度将小于挡块侧上所消耗材料的值；并且因此将避免熔融区域的废料在最后组件中的存在，所述存在导致削弱冶金结合以及不可忽略的机械减少。
为了最小化受热影响区域(ZAT，一个靠近回火结构与其他任何地方相比更可见的连接区域的区域)的尺寸，以及通过堆焊过程所施加的残余约束，以下将是优选的：
—通过焊接或激光的熔化堆焊(再填充)，
—和/或通过CMT焊接(短路过渡电弧焊)或激光沉积焊接的堆焊(再填充)。
为了最佳地考虑挡块和其上焊接的叶片的几何形状，特别地关于主横截面和前缘(BA)或后缘(BF)之间的剖面明显变化，以及可小于2毫米，甚至小于1.5毫米的这种后缘和前缘的厚度，将先验地对焊接步骤包括线性摩擦焊接是优选的。
此外，将有利地利用所述增大焊接表面(挡块和堆焊的加工表面)以在加工和焊接的步骤之间将叶片定位在所述增大焊接表面上，通过将与所加工的堆焊部分地重叠的叶片预制件的接口实现这种定位。
除了以上的焊接方法外，本发明还涉及一种使用所述方法生产或修复的涡轮机的叶盘，具有全部或部分的其特征。
在阅读作为非限制性示例给出的以下描述并参照附图后，将更好地理解本发明并且本发明的其他细节、特征和优点将显而易见，其中：
—图1是从涡轮机叶盘角度的局部示意图；
—图2是在加工(切割)某些其叶片后从图1圆盘角度的局部示意图，替换相同的视图；以及
—图3到6是在沿图2的一个挡块的线III-III的横截面中的根据本发明的局部示意图，其中图3示出了在完成堆焊过程后的情况，
—图4示出了在完成所述挡块的外表面加工以及堆焊后，使其处于相同水平的情况；
—图5示出了在被定位的叶片预制件并已被增加到挡块上之后，在摩擦焊接开始时的情况，以及
—图6示出了当达到这种焊接结束时的情况，而火花仍排出材料。
尽管本发明通常适用于使用与摩擦焊接相关的附加工艺制造叶片，特别地修理叶片，考虑到以上所做的解释，图1因此示出了对于修复叶盘10(DAM)所建议的解决方案的优选应用。
因此示出了涡轮机的叶盘10(DAM)的一部分，其因此被安装以绕旋转轴线10a旋转。因此，“轴向”意味着(基本)沿或平行于轴线10a定向，并且“径向”意味着(基本)垂直于或相对于轴线10a径向地定向。此外，被认为径向向内的一切与径向向外的相比更接近轴线10a。
圆盘10承载有与圆盘集成在一起(以单件制成)的环形列的基本径向桨叶或叶片12。叶片12通过其径向内端连接到在圆盘外边缘延伸的环形平台14。
如果桨叶或叶片12被损坏，这些可通过机械加工而移除，以被替换。标记16指代旨在被替换的叶片12的切割平面。限定(径向地)外表面180的切割平面基本平行于并与平台14的环形外表面有一定距离地延伸。
在平台14和切割平面16之间的距离被如此确定，使得材料挡块18(对应于在平台14和切割平面16之间延伸的叶片的径向内部件)保持在平台14上，以用作叶片的新桨叶的摩擦焊接紧固的支撑件。
图2示出了转子圆盘10，其靠近其边缘承载环形列的上述类型挡块18。每个挡块18因此都在其外周边从平台14突出。并且粘合/切割平面16被径向地定位在圆盘叶片/平台混合半径之外。
如上所解释的，可通过加工和移除叶盘10的叶片获得圆盘10’，以修复这种圆盘10。作为替代解决方案，可直接获得圆盘10’例如作为制造叶盘的铸件。在这种情况下，当制造圆盘时将产生挡块，并且每个挡块都旨在接收叶片的桨叶。
如图2可以看出，每个挡块都具有通过前侧和后侧连接在一起的前缘20和后缘22。
叶片(未示出)通过可能线性或轨道的摩擦焊接被紧固到圆盘的每个挡块18。
为了防止上述问题，与在横截面和其前缘20与后缘22之间挡块18的横向尺寸的明显变化相连，通过避免使用WO 2014/083275中提到的止动件，本发明在相应叶片被移除之后，在切割平面16提供了挡块18的堆焊。
图3因此在24中示意性地示出了，在挡块的至少一部分周边18a上，在挡块的(径向)外表面180的区域中，圆盘10’的所示出挡块18已被堆焊/用材料重填。
圆盘10’，并且特别地事先已经准备了挡块；出于堆焊的目的，待焊接的区域180已被喷砂和脱脂。
通过堆焊过程添加的材料为与挡块相同的金属或合金，或者与其物理化学兼容的材料，因此两个部件可焊接在一起。
在这一步骤中，堆焊/再填充材料24导致具有不均匀表面状况的外表面180具有过量厚度，其中已经预制了堆焊，即，特别地在挡块中区域切口的周边18a上，如图3所示。
如图4示意性地示出，挡块的外表面180和堆焊24将被加工变平。这导致更大的焊接表面26，从而相对于单独挡块的表面180增大。
为了平衡在摩擦焊接过程中在两个元件(挡块和叶片)之间所施加的压力以及使部件上的温度梯度均匀，需要建议的是，加工步骤应该包括因此在挡块的初始外表面26与堆焊的初始外表面240之间(参见图3)提供小于0.5毫米的(加工)焊接表面26的平面度，并且优选地小于0.1毫米。
加工可包括研磨或提供切削工具的使用。
这些附图示出了，堆焊24的高度H1将小于在摩擦焊接过程中所消耗的挡块18材料的高度，所谓H2，H2＝H3-H4。
因此：
—如果需要在焊接之前但在加工之后(图4)考虑，挡块18按照第一高度H3(直到表面26)径向地到达在圆盘的平台14上(图4、5中的轴线10b)，
—在摩擦焊接后(图6)，然后按照小于高H3的第二高度H4(直到与替换叶片12’的接口)，
—然后，以垂直于挡块外表面180或平行于所述径向方向10b的方向，进行堆焊，优选地根据小于H3-H4(＝H2)之差的高度H1。
为了按照这种高度H2实施这种堆焊，高度H2考虑了高度H3和高度H4，可以使用在开发阶段中进行并记录在图表上或在计算机内存中的先前测试或实验的结果。
应该注意的是，这两个参考底座将类似地被限定用于高度H3和H4，即例如所考虑挡块18的底座，从以及径向向外超出在181向内展开的地方，用于其与圆盘平台14的连接。
表面区域24将可以增强在前缘BA和后缘BF的精加工部件，并使被焊接区域的厚度均匀化。
图5、6示出了分别为垂直于外表面180和/或平行于径向方向10b的高度的H5和H6，更换叶片12’根据所述H5和H6定位，通常在与表面26一起的从接口120的其径向内部件上，并且所述H5和H6的一部分将在摩擦焊接过程中消耗。此外，图6示出了在H7中，在摩擦焊接过程中消耗的挡块和叶片的材料的总高度(H5+H6)(垂直于外表面180和/或平行于方向10b)。
熔焊或激光焊接对于堆焊将是优选的。
为了减少热影响区域(ZAT)(使用堆焊和/或焊接)的尺寸、体积以及通过堆焊过程施加的残余约束，CMT(金属惰性气体冷金属转移)或LMD(激光金属沉积)类型的方法将是优选的。
众所周知，CMT焊接是一种电弧焊接方法，但当与MIG/MAG方法相比时，切割边缘被提交给往复运动。因此，材料被传输有减少的(几乎为零)电流，并且沉积材料“更冷”。优选地仅使用全数字电流逆变电源(带有变频器)实施CMT焊接。这是一种释放进给电焊丝滴的短路弧焊的方法。
激光沉积技术也已知有不同的名称，其中包括：激光金属沉积(LMD)、直接金属沉积(DMD)、直接激光沉积(DLD)、激光工程净成型(LENS)、激光熔覆、激光沉积焊接和粉末熔焊。该方法包括使用用于在金属基板上形成融合浴的激光束，其中引入了粉末。粉末熔化后并且通过熔合到基质形成一种沉积粘合。
然后，当已限定了堆焊24的合适高度H1(小于H2)以及加工焊接表面26的预期平面度时，新叶片12’因此将被定位，其接口120’在所述(径向)外表面26上，如图5示意性地示出。
在后续焊接之前可利用挡块的被加工表面以及形成所述增大焊接表面26的堆焊，以将叶片12’定位在所述增大焊接表面上，这种定位经由叶片预制件的接口实施，其将局部地重叠被加工堆焊(其加工表面)，如图5可以看出。
重叠将至少横向地存在于其宽度中，其中切割挡块最宽(参考附图)。通常，这可以是在中间长度或接近其的区域，如图1所示(剖面III-III)。
两个兼容元件的摩擦焊接然后可以开始。
考虑到表面180和26所需的形状，已经建议的是，这种摩擦焊接应该是线性的，即使轨道解决方案或其他任何解决方案也可以。
在这些优点中，节省材料、在叶片和圆盘(的平台)之间使用不同材料或纤维的可能性以及焊接中空叶片的可能性可以很知名。
挡块18和叶片12’可由Ti17制造制成。
在焊接过程中，叶片12’仍将有利地是一种预制件，粗加工新叶片、就像图5、6中示意性地示出的挡块。接触的这两个元件将在糊状阶段通过摩擦组装，其将因此可没有任何机械减少地组装。因此，叶片预制件将仅在焊接后因此成型，通常加工，因此叶片被赋予最终形状。
图6以28示出了焊接火花仍会排出一些材料，因此高度H4和高度H6仍然减少。
与堆焊相连的熔化区域(ZF)将在闪光中被排出。这就是为什么高度H1将有利地比挡块侧上所消耗的材料值(H2)更小的原因。如果不是这样的话，熔融区域ZF的废料将会出现在最后组件中，并将导致冶金结合的弱化，以及导致潜在的不可忽视的机械减少。
还应注意的是，由于堆焊操作而产生的热影响区域ZAT将在摩擦焊接的操作中变换。热影响区域ZAT的大颗粒将被提炼，并且从而恢复与锻造材料相似的尺寸。
作为结论，被焊接部件通常受到非破坏性试验、热处理操作以及加工阶段，因此可以恢复焊接部件的几何形状，即叶片的最终形状。如果需要，也可以执行喷丸处理。
最终，将获得一种新转子圆盘，这里为涡轮机的预期叶盘。

Claims (7)

1.一种摩擦焊接叶片(12’)到涡轮机转子圆盘(10’)的方法，所述圆盘包括具有外表面的凸出挡块(18)，在该外表面上将焊接叶片(12’)，该方法包括以下步骤：
—在所述挡块周边的至少一部分上，在所述外表面的区域中实施堆焊过程(24)，
—加工所述挡块的外表面(180)和堆焊(24)，以使它们处于相同水平，从而获得增大焊接表面(26)，
—然后在被堆焊的所述挡块的外表面和所述叶片(12’)之间实施摩擦焊接。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
—在加工之后以及在摩擦焊接之前，所述挡块(18)以预定方向(10a)根据第一高度(H3)被定位在圆盘上，然后在摩擦焊接后根据与第一高度相比更小的第二高度(H4)被定位，以及
—以垂直于所述挡块外表面(180)的方向和/或平行于所述预定方向(10a)的方向，根据小于所述第一高度和所述第二高度之差的高度(H2)实施所述堆焊过程。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述加工步骤包括：在所述挡块的外表面和被堆焊的表面之间制成小于0.5毫米并且优选地小于0.1mm的平面度。
4.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，所述堆焊步骤包括通过焊接或通过激光的融合堆焊(24)。
5.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，所述堆焊步骤包括通过CMT或通过激光沉积焊接的堆焊(24)。
6.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，焊接步骤包括线性摩擦焊接。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，其中，在加工和焊接的步骤之间，以及经由与加工的被堆焊的表面重叠的叶片(12’)预制件的接口(120’)，叶片(12’)被定位在所述增大焊接表面(26)上。
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