CN114131191A - 变形高温合金冲击管与铸造高温合金导向叶片的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明总体属于航空发动机叶片焊接技术领域，特别涉及一种变形高温合金冲击管与铸造高温合金导向叶片的激光焊接方法。激光焊接在焊接过程中熔池较小，熔池冷却速度较大，也容易使铸造合金出现热裂纹。本发明为克服上述问题，提供了一种利用激光同轴送粉技术，以高能激光束为热源，在激光焊接过程中，同时填入纯Ni粉末或与冲击管材料牌号相同的镍基变形高温合金粉末，稀释焊缝中的Al、Ti含量，降低焊缝的裂纹敏感性，并通过冷却芯体导热，避免焊缝出现裂纹，获得力学性能优异的高质量焊接接头。有效避免了高热裂纹敏感性的铸造高温合金焊接热裂纹的产生，并且操作简单可行，大幅度提高了焊接成功率。

Description

变形高温合金冲击管与铸造高温合金导向叶片的焊接方法
技术领域
本发明总体属于航空发动机叶片焊接技术领域，特别涉及一种变形高温合金冲击管与铸造高温合金导向叶片的激光焊接方法。
背景技术
冲击管是一种内置于发动机涡轮导向叶片叶身内腔的薄壁件结构，用于引导冷却气体流动，从而达到降低叶片基体温度的目的。冲击管外形尺寸依据导向叶片内腔设计，壁厚一般约为0.3mm左右。
冲击管与涡轮导向叶片采用焊接方法连接，根据冲击管与导向叶片的材料特征，一般选择手工氩弧焊、钎焊或激光焊等。然而对于导向叶片为铸造高温合金，如K447A、K418B等合金，冲击管为镍基变形高温合金的组合而言，由于铸造合金的热裂纹敏感性较高，手工氩弧焊热输入较大，热影响区大，极易由于焊接热影响而出现裂纹等缺陷，此外也容易使具有薄壁结构的冲击管发生变形，导致后续叶片的冷却效果变差。钎焊通过熔化钎料的方式实现冲击管与导向叶片的连接，但其连接强度较差，焊接接头的力学性能难以保证，此外，需要针对不同材料的冲击管和导向叶片选择或设计专门的钎焊料，过程较复杂，周期长。激光焊接在焊接过程中熔池较小，熔池冷却速度较大，也容易使铸造合金出现热裂纹。
文献“K447A+GH4169惯性摩擦焊接头组织与高温力学性能”研究了铸造高温合金K447A和变形高温合金GH4169异种材料惯性摩擦焊工艺，但惯性摩擦焊无法应用在冲击管和导向叶片的焊接。文献“K447A镍基高温合金钎焊接头组织及性能”采用Co45NiCrWB和B-Ni54NbCoWCrS两种钎料对K447A镍基铸造高温合金进行了高温真空钎焊试验，该文献针对的是同种材料焊接，其次焊接接头的高温强度仅为母材的60％。
发明内容
本发明为克服上述问题，提供了一种利用激光同轴送粉技术，以高能激光束为热源，在激光焊接过程中，同时填入纯Ni粉末或与冲击管材料牌号相同的镍基变形高温合金粉末，稀释焊缝中的Al、Ti含量，降低焊缝的裂纹敏感性，并通过冷却芯体导热，避免焊缝出现裂纹，获得力学性能优异的高质量焊接接头。
本发明在一个方面，提供了一种变形高温合金冲击管与铸造高温合金导向叶片的焊接方法，该方法采用激光同轴送粉快速成形设备及冷却芯体，包括以下步骤：
S1、表面清洁；
S2、装配
将冲击管装配至燃气涡轮导向叶片的叶身内腔，在冲击管的内腔中放置冷却芯体；
S3、将装配件固定于激光同轴送粉快速成形设备的操作台上，引入惰性气体对导向叶片进行喷射；
S4、激光焊接
设置激光焊接扫描路径以及焊接工艺参数，将纯Ni粉末或与冲击管的牌号相同的粉末置于激光同轴送粉快速成形设备的送粉桶中，对冲击管与导向叶片进行焊接。
有利或可选地，S1中，采用洁净纱布蘸丙酮擦拭导向叶片和冲击管的待焊部位，去除表面灰尘和污渍。
有利或可选地，S2中，冲击管装配至燃气涡轮导向叶片的叶身内腔后，冲击管的翻边应与导向叶片的上缘板贴合。
有利或可选地，S4中，激光焊接扫描路径沿冲击管的翻边移动，激光焊接工艺参数包括激光离焦量、激光功率、激光焊接速度、氩气流量以及送粉量。
有利或可选地，冷却芯体为铜合金或其他导热性能良好的材料。
有利或可选地，冷却芯体的形状应与冲击管的内腔形状一致，并保证装配后冷却芯体与冲击管的内腔贴合。
有利或可选地，惰性气体应覆盖导向叶片待焊位置的背面，且气体出口温度不超过25℃，流量大于5L/min。
有利或可选地，纯Ni粉末或与冲击管牌号相同的粉末的粒度分布在50-100μm之间，送粉速率应大于10g/s。
有利或可选地，激光焦点应处于负离焦状态，离焦距离为：-20～-5mm，激光焊接功率：700～1500W，激光扫描速度：5～20mm/s，氩气流量：10～30L/min。
有益效果：本发明提供了一种变形高温合金冲击管与铸造高温合金导向叶片激光焊接方法，采用激光同轴送粉快速成形装置，在激光焊接过程通过同步送纯Ni粉末或镍基变形高温合金粉末，首先利用激光焊接过程，熔池小、热影响区小等特点，避免过多的铸造高温合金进入焊缝，导致热裂纹敏感性增加，其次在激光焊接过程中，通过同轴送粉方式，向焊缝中输入纯Ni粉末或镍基变形高温合金粉末，进一步稀释了焊缝中的Al、Ti含量，降低裂纹敏感性。同时在激光焊接过程中，采用惰性气体冷却导向叶片，避免了在焊接过程中导向叶片受焊接热影响的作用，发生开裂或氧化，进一步减少焊接热影响区的尺寸。并在叶片内腔置于冷却芯体，这一方面可以进一步降低热影响区，使焊接热量快速导出，另一方面还可以防止薄壁的冲击管在焊接过程中出现坍塌。
通过以上多种手段的结合，有效避免了高热裂纹敏感性的铸造高温合金焊接热裂纹的产生，并且操作简单可行，大幅度提高了焊接成功率。
已经讨论的特征、功能和优点可在各种示例中独立实现，或者可以在其他示例中进行组合。可参照以下描述和附图看出示例的其他细节。
附图说明
当结合附图阅读时，通过参考以下对本发明示例的详细描述，将最好地理解例示性示例以及优选的使用模式、其他目的及其描述，其中：
图1为是示出本发明的一个例子的变形高温合金冲击管与铸造高温合金导向叶片激光焊接的实施方式的示意图。
具体实施方式
将参照附图更充分地描述所公开的示例，在附图中示出了所公开示例中的一些(但并非全部)。事实上，可描述许多不同的示例并且这些示例不应该被解释为限于本文中阐述的示例。相反，描述这些示例，使得本公开将是彻底和完全的，并且将把本公开的范围充分传达给本领域的技术人员。
一种GH3044变形高温合金冲击管与K447A铸造高温合金导向叶片激光送粉焊接方法。
(1)在图1中，标号1表示导向叶片，标号2表示冲击管，标号3表示冷却芯体，标号4表示粉末，标号5表示激光，标号6表示熔池；
(2)采用洁净纱布蘸丙酮擦拭K447A导向叶片1和GH3044冲击管2待焊部位，去除表面灰尘、污渍等；
(3)将冲击管2装配至燃气涡轮导向叶片1叶身内腔，并使冲击管2翻边与导向叶片1的上缘板贴合；
(4)在冲击管2的内腔位置放置冷却芯体3，冷却芯体3为铜合金或其他导热性能良好的材料制成，冷却芯体3的形状应与冲击管2内腔形状一致，并保证装配后冷却芯体3与冲击管2内腔贴合；
(5)将安装有冲击管2和冷却芯体3的导向叶片1固定于激光同轴送粉快速成形装置的操作台上；
(6)引入惰性气体对导向叶片1进行喷射冷却同时保护导向叶片1，惰性气体应覆盖导向叶片待焊位置的背面，气体出口温度：20℃，流量：10L/min；
(7)设置激光焊接路径，使激光扫描路径沿冲击管2的翻边移动；
(8)将粒度分布在50～100μm之间的GH3044粉末4置于激光同轴送粉快速成形设备的送粉桶中，设置送粉速率为20g/s；
(9)设置激光焊接工艺参数，激光焦点应处于负离焦状态，离焦距离为：-10mm，激光焊接功率：1000W，激光扫描速度：10mm/s，氩气流量：15L/min；
(10)启动激光同轴送粉快速成形系统，开始冲击管2与导向叶片1焊接；
(11)焊接完成后，从操作台上取下导向叶片1，停止惰性气体喷射，并将冷却芯体3从冲击管2内腔中取出；
(12)将焊接有冲击管2的导向叶片1从操作台上取下。
已出于例示和描述的目的展示了对不同有利布置的描述，但是该描述并不旨在是排他性的或限于所公开形式的示例。许多修改形式和变化形式对于本领域的普通技术人员而言将是显而易见的。另外，不同的有利示例可描述与其他有利示例相比不同的优点。选择和描述所选择的一个示例或多个示例，以便最佳地说明示例的原理、实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本公开有进行了适于所料想特定使用的各种修改的各种示例。

Claims (9)

1.一种变形高温合金冲击管与铸造高温合金导向叶片的焊接方法，其特征在于：该方法采用激光同轴送粉快速成形设备及冷却芯体(3)，包括以下步骤：
S1、表面清洁；
S2、装配
将冲击管(2)装配至燃气涡轮导向叶片(1)的叶身内腔，在冲击管(2)的内腔中放置冷却芯体(3)；
S3、将装配件固定于激光同轴送粉快速成形设备的操作台上，引入惰性气体对导向叶片(1)进行喷射；
S4、激光焊接
设置激光(5)焊接扫描路径以及焊接工艺参数，将纯Ni粉末或与冲击管(1)的牌号相同的粉末(4)置于激光同轴送粉快速成形设备的送粉桶中，对冲击管(1)与导向叶片(2)进行焊接。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于：S1中，采用洁净纱布蘸丙酮擦拭导向叶片(1)和冲击管(2)的待焊部位，去除表面灰尘和污渍。
3.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于：S2中，冲击管(2)装配至燃气涡轮导向叶片(1)的叶身内腔后，冲击管(2)的翻边应与导向叶片(1)的上缘板贴合。
4.根据权利要求3所述的焊接方法，其特征在于：S4中，激光焊接扫描路径沿冲击管(2)的翻边移动，激光焊接工艺参数包括激光离焦量、激光功率、激光焊接速度、氩气流量以及送粉量。
5.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于：冷却芯体(3)为铜合金或其他导热性能良好的材料。
6.根据权利要求5所述的焊接方法，其特征在于：冷却芯体(3)的形状应与冲击管(2)的内腔形状一致，并保证装配后冷却芯体(3)与冲击管(2)的内腔贴合。
7.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于：惰性气体应覆盖导向叶片(1)待焊位置的背面，且气体出口温度不超过25℃，流量大于5L/min。
8.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于：纯Ni粉末或与冲击管牌号相同的粉末的粒度分布在50-100μm之间，送粉速率应大于10g/s。
9.根据权利要求8所述的焊接方法，其特征在于：激光焦点应处于负离焦状态，离焦距离为：-20～-5mm，激光焊接功率：700～1500W，激光扫描速度：5～20mm/s，氩气流量：10～30L/min。
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