CN112453709A - 一种变形高温合金薄壁部件裂纹损伤的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种变形高温合金薄壁部件裂纹损伤的焊接方法,包括以下步骤:打磨和清洗待焊接部件的裂纹区;将待焊接部件固定;以激光器和电弧形成复合热源并沿裂纹行进,电弧相对激光束旁轴布置于激光束的前方,电弧从激光束的前方倾斜布置,焊丝由电弧端送入,复合热源熔化焊丝填充裂纹,实现变形高温合金薄壁部件的单道焊缝成型。本发明的焊接方法充分利用了激光的深熔特性和电弧的高填充效率特点,不仅焊接稳定性高,焊接效率大,同时解决了传统氩弧焊熔深小、焊接变形量大,而单一激光焊对坡口间隙的适应性差等突出问题,能够满足燃气轮机燃烧室火焰筒、过渡段等薄壁部件裂纹修复要求。
Description
技术领域
本发明属于焊接领域,具体涉及一种变形高温合金薄壁部件裂纹损伤的焊接方法。
背景技术
火焰筒、过渡段作为燃气轮机燃烧室的关键部件,在机组频繁启停导致的循环温度和热应力载荷作用下,不可避免地产生热疲劳裂纹损伤,严重影响其高温性能和服役寿命。对于存在裂纹的燃烧室薄壁部件,国外燃机制造商一般要求直接更换,更换部件费用极高,严重降低国内燃气轮机发电企业的经济性和竞争力。为延长部件寿命,保证燃气轮机发电设备安全、经济、持续运行,研究燃气轮机燃烧室薄壁部件裂纹损伤修复方法具有极其重要的意义。
目前,裂纹损伤的焊接方法主要有熔焊和钎焊。相比钎焊过程易形成低熔点脆性相,不利于焊缝接头疲劳性能的改善方法,熔焊是燃气轮机高温部件裂纹损伤修复的首选方法。氩弧焊和等离子弧焊等传统熔焊工艺已被美国电力研究学会(EPRI)列为E级以下燃气轮机热通道部件标准焊接修复方法。但传统熔焊工艺热输入量大,产生的残余应力易致薄壁部件变形和焊缝热裂,难以保证修复精度和性能。加之F级及以上机型高温部件所用合金材料中Al+Ti的含量较高,可焊性较差,传统熔焊工艺在F级及以上机型高温部件修复领域的局限性越来越大。激光焊具有最高能量密度、低热输入量、窄热影响区、小变形、精确成型、工艺稳定、高自动化、柔性好、比钎焊适用性强等特点,其所得焊缝接头强度高,韧性好,在燃气轮机热通道部件热疲劳开裂损伤修复领域表现出明显的优势。目前,激光焊已成为F级燃气轮机热通道部件的主要熔焊修复方法。然而,激光焊对装配间隙要求较传统熔焊工艺更为苛刻,一般要求间隙控制在板厚的10%~15%以内,最大间隙不能超过0.3mm。
总之,在技术、工艺适应性和成本方面,传统熔焊和激光焊各有优势,根据薄壁部件的多种损伤形式特点,探索适应性更佳的复合焊接方法,实现不同焊接方法的优势互补,提高焊接效率、降低修复成本,是未来热通道部件焊接修复技术的发展趋势。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中传统熔焊和激光焊在高温合金薄壁部件裂纹损伤修复领域的局限性,提供一种变形高温合金薄壁部件裂纹损伤的焊接方法,充分利用了激光的深熔特性以及电弧的高填充效率特点,不仅焊接稳定性更高,焊接效率更大,同时解决传统氩弧焊熔深小、焊接变形量大,而单一激光焊对坡口间隙的适应性差等突出问题,能够满足燃气轮机燃烧室火焰筒、过渡段等薄壁部件裂纹损伤的修复要求。
为了实现上述目的,本发明有如下的技术方案:
一种变形高温合金薄壁部件裂纹损伤的焊接方法,包括以下步骤:
打磨和清洗待焊接部件的裂纹区;
将待焊接部件固定;
以激光器和电弧形成复合热源并沿裂纹行进,电弧相对激光束旁轴布置于激光束的前方,电弧从激光束的前方倾斜布置,焊丝由电弧端送入,复合热源熔化焊丝填充裂纹。
优选的,打磨和清洗的过程包括:采用机械打磨的方法沿部件裂纹打磨成I型坡口,其间隙小于2mm,用砂纸将裂纹及其附近部件表面区域打磨出金属光泽,然后在丙酮和稀盐酸中超声清洗。
优选的,所述的复合热源在保护气氛下熔化焊丝填充裂纹打磨成的I型坡口。
优选的,保护气氛由氮气、氩气以及氦气中的任意一种或多种组成的混合气来产生,气流量为20-30L/min。
优选的,所述的激光器聚焦至待焊接部件的表面,光斑中心位于坡口间隙的中间位置。
优选的,激光束与待焊接部件的表面相垂直,电弧与待焊接部件的表面呈45°~70°的夹角。
优选的,所述的待焊接部件包括燃烧室火焰筒以及过渡段,壁厚为2~5mm,部件材料包括Nimonic263、Hastelloy X、HS188、GH4169、GH3230、GH4163、GH3536、GH536、GH22、GH334及GH739。
优选的,所述的激光器主要包括光纤激光器、脉冲Nd:YAG激光器以及CO2激光器。
优选的,裂纹间隙小于2.0mm,激光器的离焦量小于3mm,光丝间距小于4mm,焊丝直径为0.8~2.4mm。
优选的,激光功率为1000W-5000W,电弧电流为100-250A,焊接速度为0.5~1.2m/min,送丝速度为2~5m/min。
相较于现有技术,本发明具有如下的有益效果:
针对传统熔焊和激光焊在高温合金薄壁部件裂纹损伤修复领域的局限性,本发明以激光器和电弧形成复合热源熔化焊丝填充裂纹,在技术、工艺适应性和成本方面充分结合传统熔焊和激光焊的优势。将电弧从激光束的前方倾斜布置,焊丝由电弧端送入,复合热源熔化焊丝填充裂纹,实现了变形高温合金薄壁部件裂纹损伤区的单道焊缝成型。本发明充分利用了激光的深熔特性和电弧的高填充效率特点,不仅焊接稳定性更高,焊接效率更大,同时解决了传统氩弧焊熔深小、焊接变形量大,而单一激光焊对坡口间隙的适应性差等突出问题,能够满足燃气轮机燃烧室火焰筒、过渡段等薄壁部件裂纹损伤的修复要求。
附图说明
图1本发明激光器和电弧进行复合填丝焊的布置示意图;
图2本发明焊接方法的工艺流程图;
图3过渡段所用变形高温合金薄板(3mm)材料Nimonic263裂纹损伤图;
图4本发明焊接方法针对过渡段裂纹损伤的接头截面组织图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1和图2,本发明变形高温合金薄壁部件裂纹损伤的焊接方法采用高功率激光器和MIG电弧复合热源,电弧相对激光束旁轴布置于激光束的前方,电弧从激光束前方倾斜布置,所填焊丝从电弧端送入I型坡口间隙中,复合热源在保护气氛下熔化焊丝后填充坡口间隙,并沿裂纹的焊接路径行进,实现变形高温合金薄壁部件裂纹损伤区的单道焊缝成型。
本发明具体包括以下步骤:
1)打磨和清洗裂纹区:用机械打磨的方法沿部件裂纹打磨成I型间隙(对接端面平直),并用砂纸将裂纹及其附近部件表面区域打磨出金属光泽,然后用丙酮和稀盐酸清洗裂纹区,清除脏物、油污、灰尘等。
2)固定部件:用专用焊接工装夹具固定好待焊接部件,确保待焊接部件的准确定位并夹紧,防止部件在焊接过程中发生变形。
3)热源布置:电弧相对激光束旁轴布置于激光束的前方,电弧从激光束前方倾斜布置,电弧和激光束固定于机械臂上。
4)激光对焦和对中:将激光聚焦至部件表面,光斑中心位于坡口间隙的中间。
5)焊接操作:设置焊接参数,包括焊接路径、激光功率、焊接速度、MIG焊接电流等;送入吹扫保护气,保护气氛由氮气、氩气以及氦气中的任意一种或多种组成的混合气来产生,气流量为20-30L/min。调节好送丝速度。采用高功率激光器和MIG电弧复合热源,电弧相对激光束旁轴布置于激光束的前方,电弧从激光束的前方倾斜布置,所填焊丝从电弧端送入I型坡口间隙中,复合热源在保护气氛下熔化焊丝后填充坡口间隙,并沿裂纹的焊接路径行进,实现变形高温合金薄壁部件裂纹损伤区的单道焊缝成型。
实施例
参见图3,以过渡段所用变形高温合金薄板(3mm)材料Nimonic263为例阐述本发明的效果:对Nimonic263高温合金薄板进行机械打磨成1.2mm的I型坡口,并用砂纸将裂纹及其附近部件表面区域打磨出金属光泽,后用丙酮和稀盐酸清洗裂纹区,去除脏物、油污、灰尘等;采用专用焊接工装夹具固定板材;电弧从激光束前方倾斜布置,激光焊枪与焊板相互垂直,电弧焊枪与焊板之间的夹角为45°~70°,焊丝从电弧焊枪端引出;将激光聚焦至板材表面,离焦量为0,光斑中心位于坡口间隙中间。沿坡口设置焊接路径,并设置焊接参数,包括激光功率3000W、焊接速度0.9m/min,送丝速度为2.8m/min、电弧电流120A等,吹扫高纯氩气作为保护气,气流量20L/min,所填焊丝从电弧端送入I型坡口间隙中,光丝间距1mm,复合热源在保护气氛下熔化焊丝后填充坡口间隙,并沿裂纹焊接路径行进,实现变形高温合金薄壁部件裂纹损伤的单道焊缝成型。图4为过渡段所用变形高温合金薄板(3mm)材料Nimonic263裂纹损伤的激光-电弧复合填丝焊接接头形貌。可见,采用本发明所得接头表面平整,变形小。接头截面形状近似呈“螺钉”形,垂直于焊接方向的截面关于焊缝中心呈对称分布,表面钉头部分主要受电弧热源控制,细长钉身部分主要受激光热源产生的匙孔效应所致。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例,并不用以对本发明的技术方案进行任何限制,本领域技术人员应当理解的是,在不脱离本发明精神和原则的前提下,该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换,这些修改和替换也均属于权利要求书涵盖的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种变形高温合金薄壁部件裂纹损伤的焊接方法,其特征在于,包括以下步骤:
打磨和清洗待焊接部件的裂纹区;
将待焊接部件固定;
以激光器和电弧形成复合热源并沿裂纹行进,电弧相对激光束旁轴布置于激光束的前方,电弧从激光束的前方倾斜布置,焊丝由电弧端送入,复合热源熔化焊丝填充裂纹。
2.根据权利要求1所述变形高温合金薄壁部件裂纹损伤的焊接方法,其特征在于,打磨和清洗的过程包括:采用机械打磨的方法沿部件裂纹打磨成I型坡口,其间隙小于2mm,用砂纸将裂纹及其附近部件表面区域打磨出金属光泽,然后在丙酮和稀盐酸中超声清洗。
3.根据权利要求2所述变形高温合金薄壁部件裂纹损伤的焊接方法,其特征在于:所述的复合热源在保护气氛下熔化焊丝填充裂纹打磨成的I型坡口。
4.根据权利要求3所述变形高温合金薄壁部件裂纹损伤的焊接方法,其特征在于:保护气氛由氮气、氩气以及氦气中的任意一种或多种组成的混合气来产生,气流量为20-30L/min。
5.根据权利要求2所述变形高温合金薄壁部件裂纹损伤的焊接方法,其特征在于:所述的激光器聚焦至待焊接部件的表面,光斑中心位于坡口间隙的中间位置。
6.根据权利要求1或5所述变形高温合金薄壁部件裂纹损伤的焊接方法,其特征在于:激光束与待焊接部件的表面相垂直,电弧与待焊接部件的表面呈45°~70°的夹角。
7.根据权利要求1所述变形高温合金薄壁部件裂纹损伤的焊接方法,其特征在于:所述的待焊接部件包括燃烧室火焰筒以及过渡段,壁厚为2~5mm,部件材料包括Nimonic263、Hastelloy X、HS188、GH4169、GH3230、GH4163、GH3536、GH536、GH22、GH334及GH739。
8.根据权利要求1所述变形高温合金薄壁部件裂纹损伤的焊接方法,其特征在于:所述的激光器主要包括光纤激光器、脉冲Nd:YAG激光器以及CO2激光器。
9.根据权利要求1所述变形高温合金薄壁部件裂纹损伤的焊接方法,其特征在于:裂纹间隙小于2.0mm,激光器的离焦量小于3mm,光丝间距小于4mm,焊丝直径为0.8~2.4mm。
10.根据权利要求1所述变形高温合金薄壁部件裂纹损伤的焊接方法,其特征在于:激光功率为1000W-5000W,电弧电流为100-250A,焊接速度为0.5~1.2m/min,送丝速度为2~5m/min。
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