CN114012260A - 一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，首先度对工件的裂隙进行打磨形成，其次对裂隙进行抛光清洗，然后采用单面单道摆动激光填丝焊双面成形工艺，并通过控制激光光斑的路径，对裂隙进行焊接，该焊接方法能够放大激光光斑、减小气孔缺陷，同时利用激光填丝焊的高填充性，有效解决传统单一激光焊在焊接修复燃气轮机高温部件裂纹损伤时存在裂纹间隙适应性差、气孔率高等突出问题，最终可获得上宽下窄、正面和背面微凸、填充饱满、无气孔缺陷的焊缝。本发明操作简单、可靠、适用性和通用性强，能够满足燃气轮机高温部件裂纹尤其是大间隙裂纹损伤的焊接修补需要。

Description

一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法

技术领域

本发明属于焊接领域，涉及一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法。

背景技术

燃气轮机的薄壁高温部件作为燃气轮机的核心部件，在长时间高温以及高应力和频繁启停条件下服役，核心部件不可避免地会产生不同程度的裂纹损伤，严重影响其工作的安全性。

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，其所得中厚板焊缝接头强度高韧性好，在燃气轮机高温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，且单一激光束易致焊缝产生气孔缺陷，提供工件报废率，因此限制其在高温部件大间隙裂纹焊接修复领域的应用。根据高温部件基体厚度大范围宽、裂纹间隙大等特点，探索结构简单、适应性更佳、光斑直径更大的激光焊接头，提高焊接效率、降低修复成本，是燃气轮机核心部件焊接的发展方向。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，解决单一激光束焊接头的裂纹间隙适应性差、气孔率高的难题。

本发明是通过以下技术方案来实现：

1.一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对工件的裂隙进行打磨处理，使裂隙的截面形成上大下小的开放型结构；

步骤2、对步骤1打磨后的裂隙进行抛光清污处理；

步骤3、设置激光焊接参数，以及激光光斑的摆动弧度和摆动频率；

步骤4、在工件的背面通保护气，采用单面单道填丝焊双面成形工艺对坡口进行焊接，焊接过程中激光光斑按照预定的轨迹运动，并且激光产生的高能束对填充的焊材进行熔融。

2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，其特征在于，步骤1中通过打磨处理使裂隙形成扩大，形成喇叭口或垂直的坡口结构。

3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，其特征在于，所述坡口的最大宽度为2mm。

4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，其特征在于，步骤2中首先采用砂纸对裂隙的侧壁和表面区域进行打磨，然后在丙酮和稀盐酸中对工件进行超声清洗，去除工件裂隙上的脏物、油污和灰尘。

5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，其特征在于，步骤3中所述激光焊接包括，激光功率为2000～5000A，焊速为10～20mm/s。

6.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，其特征在于，步骤3中所述摆动弧度为0～2mm和摆动频率为10～300HZ。

7.根据权利要求6所述的一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，其特征在于，所述摆动弧度大于裂隙的宽度。

8.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，其特征在于，步骤4中所述填丝方式为手动填丝或自动填丝，填丝速度为20～80mm/s。

9.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，其特征在于，所述工件的厚度为3-8mm。

10.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，其特征在于，所述光斑的轨迹为螺旋形、圆形或椭圆形。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，通过控制光斑的路径并结合单面单道填丝焊双面成形焊接工艺的优势，既考虑了不同燃气轮机部件的裂纹间隙各异，也考虑到焊缝外观和内部缺陷特点，通过控制光斑的轨迹达到放大激光光斑、减小气孔缺陷的效果，同时利用激光填丝焊的高填充性，有效解决了燃气轮机高温部件用高温合金传统单一激光焊存在裂纹间隙适应性差、气孔率高等突出问题，最终获得上宽下窄、正面和背面微凸、填充饱满、无气孔缺陷的焊缝。

附图说明

图1为燃气轮机高温部件裂纹坡口图；

图2本发明单激光摆动焊接头的结构示意图；

图3本发明过渡段材料裂纹的焊缝正面形貌图；

图4本发明过渡段材料裂纹损伤焊缝的截面形貌图。

图中：1—激光源；3、聚焦镜片；201—X轴摆动镜片；202—Y轴摆动镜片；203—X轴驱动电机；204—Y轴驱动电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1和图2，一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，包括以下步骤：

步骤1、对工件的裂隙进行打磨处理，使裂隙的截面形成上大下小的收缩性结构。

具体的，对裂隙进行打磨，采用打磨机在其上安装打磨头，打磨机带动打磨头高速旋转，打磨头上的磨削材料与裂隙接触，对裂隙进行磨削，使裂隙形成预定的坡口形状。

所述坡口的截面为喇叭口，喇叭口的下端为直槽，本发明的焊接修改方法能够焊接的最大裂隙的宽度为2mm。

步骤2、对步骤1打磨后的裂隙进行抛光清污处理。

首先，采用砂纸对裂隙的侧壁和表面区域进行打磨，暴露出工件的金属光泽，然后在丙酮和稀盐酸中进行超声清洗，去除工件裂隙上的脏物、油污和灰尘。

步骤3、采用焊接工装夹具对工件进行固定，确保工件准确定位并夹紧，避免工件在焊接过程中发生变形。

步骤4、设置激光焊接参数，以及激光光斑的摆动弧度和摆动频率，采用激光产生的高能束对填充的焊材进行熔融，在部件的背面通保护气，结合单面单道填丝焊双面成形工艺对坡口进行焊接，焊接过程中激光光斑按照预定的轨迹运动。

填丝方式为手动填丝或自动填丝，自动填丝时，将焊丝安装至送丝装置，通过设置送丝的速度即可控制填丝速度，丝速为20～80mm/s，焊枪的前倾角60～90°。

激光焊接参数如下，激光功率为2000～5000A，焊速为10～20mm/s，摆动弧度0～2mm和摆动频率10～300HZ。

采用单激光摆动焊接头进行单面单道焊双面成形，形成饱满焊缝。在一定裂纹间隙条件下，摆动弧度略大于裂纹间隙尺寸，选择合适的激光功率和摆动频率可可减少焊接的热输入。

工件为燃气轮机的火焰筒、过渡段或燃料喷嘴，工件的材质为Hastelloy X、HS-188、Nimonic263、SS 309、RA333或Tomilloy，工件的厚度为3-8mm。

上述燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，X轴摆动镜片201和Y轴摆动镜片202分别与X轴驱动电机203和Y轴驱动电机204连接，通过两个驱动电机控制两个反射镜片的摆动频率和幅度，激光源1发射的激光经过准直镜反射至X轴摆动镜片201，然后再经过X轴摆动镜片201和Y轴摆动镜片202依次反射后进入聚焦镜3，最后激光通过聚焦镜输出在工件的焊接区域形成光斑，并使光斑按照预定的轨迹进行移动，实现控制激光焊接头中激光的输出路径的目的，达到放大激光光斑、搅拌熔池的效果。在焊接头移动的情况下，光斑路径可呈螺旋型，激光光束对熔池有搅拌作用，达到排除焊缝中气孔的目的，同时，光斑直径远远大于传统单激光焊接头的输出光斑直径，达到放大激光光斑的目的，克服传统单激光束焊接头对裂纹间隙的适应性差的不足。另一方面，结合填丝焊的优势，焊丝不断送入熔池，对裂纹焊缝起到很好的填充作用，最终可获得上宽下窄、正面和背面微凸、填充饱满、无气孔缺陷的焊缝。以服役过渡段所用Nimonic263变形高温合金材料为例，在裂纹间隙为1.5mm时，运用本发明的焊接修补方法，获得的过渡段大间隙裂纹焊缝正面和背面均微凸饱满，无气孔缺陷，克服了传统单一激光焊存在裂纹间隙适应性差、气孔率高等突出问题。

实施例1

在4mm厚的过渡段所用Nimonic263变形高温合金试板材料上开I型槽；用砂纸将V型槽及其附近材料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，去除脏物、油污、灰尘等；用带冷却系统和背面保护的平板工装固定好试板；背面通保护气，激光功率为4000A，焊速为10mm/s，丝速为20mm/s，焊枪的前倾角80°，最终得到上宽下窄、正面和背面微凸、填充饱满、无气孔缺陷的焊缝。

参阅图3和图4分别为采用本发明激光焊接修补方法所得过渡段材料(Nimonic263)激光焊焊缝正面和截面形貌。从图中可见，采用本发明的基于新型单激光摆动焊接头的燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，得到上宽下窄、正面和背面微凸、填充饱满、无气孔缺陷的焊缝。

实施例结果表明，本发明提出的焊接修补方法，通过控制光斑的路径并结合单面单道摆动激光填丝焊双面成形的优势，既考虑了不同燃气轮机部件的裂纹间隙各异，也考虑到焊缝外观和内部缺陷特点，通过控制光斑的轨迹达到放大激光光斑、减小气孔缺陷的效果，同时利用激光填丝焊的高填充性，有效解决了燃气轮机高温部件用高温合金传统单一激光焊存在裂纹间隙适应性差、气孔率高等突出问题，最终获得上宽下窄、正面和背面微凸、填充饱满、无气孔缺陷的焊缝。本发明操作简单，方法可靠，适用性和通用性强，能够满足燃气轮机高温部件裂纹尤其是大裂纹损伤的激光焊接修补需要。

本发明的一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，由于该方法考虑了服役高温部件的实际裂纹尺寸及损伤修补时存在的气孔缺陷，克服了高温合金传统单一激光焊存在裂纹间隙适应性差、气孔率高等突出问题。针对现役E级、F级甚至H级燃气轮机高温部件普遍存在的裂纹焊接修补问题，采用的激光焊接头形式和单面单道填丝焊双面成形的激光焊接方法，既适用于薄板部件，又适用于中、厚板部件，理论上，无论多厚的板子，只要裂纹间隙小于2mm，均可以通过本发明的方法来规避常规单一激光焊存在的问题。本发明提供的焊接修补方法能够有效修复燃气轮机高温部件裂纹损伤，而对于高温部件，裂纹损伤是决定部件是否可继续服役的主要考虑因素，因此，本发明焊接方法修补后的部件还可继续服役至下一个检修周期，从而减少部件的报废率并带来巨大的经济效益，具有广泛的应用前景，本发明所提出的焊接修补方法不仅操作简单、方法可靠、经济性高、适用性和通用性强，而且便于流程化操作。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对工件的裂隙进行打磨处理，使裂隙的截面形成上大下小的开放型结构；

步骤2、对步骤1打磨后的裂隙进行抛光清污处理；

步骤3、设置激光焊接参数，以及激光光斑的摆动弧度和摆动频率；

步骤4、在工件的背面通保护气，采用单面单道填丝焊双面成形工艺对坡口进行焊接，焊接过程中激光光斑按照预定的轨迹运动，并且激光产生的高能束对填充的焊材进行熔融。

2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，其特征在于，步骤1中通过打磨处理使裂隙形成扩大，形成喇叭口或垂直的坡口结构。

3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，其特征在于，所述坡口的最大宽度为2mm。

4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，其特征在于，步骤2中首先采用砂纸对裂隙的侧壁和表面区域进行打磨，然后在丙酮和稀盐酸中对工件进行超声清洗，去除工件裂隙上的脏物、油污和灰尘。

5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，其特征在于，步骤3中所述激光焊接包括，激光功率为2000～5000A，焊速为10～20mm/s。

6.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，其特征在于，步骤3中所述摆动弧度为0～2mm和摆动频率为10～300HZ。

7.根据权利要求6所述的一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，其特征在于，所述摆动弧度大于裂隙的宽度。

8.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，其特征在于，步骤4中所述填丝方式为手动填丝或自动填丝，填丝速度为20～80mm/s。

9.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，其特征在于，所述工件的厚度为3-8mm。

10.根据权利要求1所述的一种燃气轮机高温部件裂纹损伤激光焊接修补方法，其特征在于，所述光斑的轨迹为螺旋形、圆形或椭圆形。

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